JP2629695B2 - 切削加工機械における監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は切削加工機械における監視装置、特に異常
識別の改善に関する。

［従来の技術］ プレス金型などの切削加工機械においては、切削から
工具交換、段取りなどへのNC化の拡大によって、長時間
連続無人運転が行なわれるようになっている。そして、
このような連続無人運転においては安全性の確保のた
め、正確な異常検出が非常に重要である。このような異
常検出として、従来から次のようなことが行なわれてい
る。

工具などの折損をAEセンサ利用して検出すること。例
えば、特公昭61−274675号公報に示されている。

振動センサによる検出値を複数のバンドパスフィルタ
を通して信号処理し、びびりの判定を行うこと。例えば
特開昭58−108420号公報に示されている。

また、実切削、空切削の判定をAEセンサを用いて行う
ことは、例えば特開昭61−159354号公報、特開昭57−17
3462などに示されている。

［発明が解決しようとする問題点］ このような従来の装置では、１つの異常を検出するた
めに１つの異常検出装置を設けていた。そして、それぞ
れの異常検出装置は常時独立して検出を行っていた。こ
のため、運転状態に応じた異常の検出が行えず、正確な
監視が行えなかった。

この発明は、このような問題点を解決するためになさ
れたもので、AEセンサを用いて常に正確な異常検出が行
える切削加工機械の監視装置を提供することを目的とす
る。

［問題点を解決するための手段］ この発明の切削加工機械の監視装置は、上記切削加工
機械に取付けられたAEセンサと、このAEセンサによって
得られた信号に基づき、加工作業中における実切削と空
切削を識別する空実識別ラインと、空切削時に検出する
ことが適切である異常項目を、AEセンサによって得られ
た信号に基づき検出する空切削時異常検出ラインと、実
切削時に検出することが適切である異常項目を、AEセン
サによって得られた信号に基づき検出する実切削時異常
検出ラインと、前記空実識別ラインにより空切削時と識
別されたときに、前記空切削時異常検出ラインに対し異
常検出の指示を行い、前記空実識別ラインにより実切削
時と識別されたときに、前記実切削時異常検出ラインに
対し異常検出の指示を行うコントローラと、を含んでい
る。

そして、前記空実識別ラインは、AEセンサによって得
られた信号から、空切削、実切削の識別に適した所定の
周波数帯域の空実識別用の信号を取出す第１のバンドパ
スフィルタと、この第１のバンドパスフィルタによって
得られた空実識別用の信号を予め記憶されている識別値
と比較し、この大小によって空切削と実切削の識別を行
う空実識別回路と、を有し、前記空切削時異常検出ライ
ンは、前記AEセンサによって得られた信号から、前記異
常項目の検出に適した周波数帯域の信号である空切削時
異常検出信号を取出す第２のバンドパスフィルタと、前
記空切削時異常検出用信号と所定の比較値を比較し、そ
の大小によって異常を識別する空切削時異常識別回路
と、を有し、前記実切削時異常検出ラインは、前記AEセ
ンサによって得られた信号から、前記異常項目の検出に
適した周波数帯域の信号である実切削時異常検出信号を
取出す第３のバンドパスフィルタと、前記実切削時異常
検出用信号と所定の比較値を比較し、その大小によって
異常を識別する実切削時異常識別回路と、を有してい
る。

［作用］ このような切削加工機械における監視装置は、次のよ
うに動作する。

被切削材は、工具によって切削される。ここで、切削
加工機械にはAEセンサが取付けられているので、切削加
工機械の運転によって発生するAEがこれによって検出さ
れる。このAEセンサの検出信号はバンドパスフィルタに
入力され、ここで空切削、実切削の識別に適した周波数
帯域の空実識別用の信号が取出される。この空実識別用
の信号は空実識別回路に入力され、ここであらかじめ記
憶されている識別値を比較される。そして、この大小に
よって空切削であるか、実切削であるかの識別が行なわ
れる。また、AEセンサの検出信号は、異常検出に適した
周波数帯域の信号を取出すバンドパスフィルタに入力さ
れ、ここで異常識別用の信号が取出される。そして、こ
の異常検出用の信号は、比較値と比較される。ここで、
この比較はその時が空切削時か実切削時かの別で変更さ
れる。つまり、異常検出用の比較値は複数記憶されてお
り、異常検出用の信号は空切削時と実切削時では異なっ
た比較値と比較される。この比較によって、異常が検出
される。

［実施例］ 次に、この発明の一実施例について図面に基づいて説
明する。

第１図は、この発明に係る切削加工機械における監視
装置を有するシステムの全体構成の一例を示したもので
ある。被切削材10は、テーブル12上に載置固定されてい
る。工具14は、機枠16に支持された主軸頭18を介し主軸
モータの主軸に接続されている。AEセンサ20はテーブル
12に取付けられている。そして、このAEセンサ20による
検出信号は、空実識別ラインＡのバンドパスフィルタ22
に入力される。このバンドパスフィルタ22は50〜80kHz
の周波数帯域の信号a1を透過させ、その他帯域の信号を
カットするものである。この周波数50〜80kHzの信号a1
は処理回路24に入力される。この処理回路24は、アン
プ、両波検波回路、ピークホールド回路、平均値化回
路、パルス化回路などからなり、交流波形の信号を次工
程で処理しやすい直流波形の信号a2に変換するものであ
る。

この直流波形の信号a2は空実識別回路26に入力され
る。この空実識別回路26には、識別値設定回路28から空
実識別設定値も入力される。そして、空実識別回路26
は、AE出力値と空実識別設定値の比較を行う。

そして、この比較の結果の信号a3がコントローラ30に
入力される。AEセンサ20からの検出信号は、異常検出ラ
インＢのバンドパスフィルタ32にも入力される。このバ
ンドパスフィルタ32は10〜40kHzの周波数帯域の信号b1
のみを透過させるフィルタである。

このバンドパスフィルタ32を通過した信号b1は処理回
路34に入力される。この処理回路34は、上記処理回路24
と同様の構成で同様の機能を持つ。この処理回路34で得
られた信号b2は異常識別回路36に入力される。異常識別
回路36は信号b2と比較値設定回路38からの比較値とを比
較するものである。

そして、この結果の信号b3はコントローラ30に入力さ
れる。また、異常識別回路36の比較結果は診断回路40に
も入力される。この診断回路40は比較結果の信号b3によ
って異常か、正常かの判断を行い、異常である場合に警
告回路42に信号を送るものである。警告回路42は異常の
信号を受けた場合に異常の表示を行うものである。ここ
で、異常識別回路36にはコントローラ30からの信号ｘも
入力される。これは、空実識別回路26で得られた信号a3
に対応するもので、異常識別回路36は空切削時のみ比較
を行うように制御される。

AEセンサ20の検出信号は送り速度制御ラインＣのバン
ドパスフィルタ44にも入力される。このバンドパスフィ
ルタ44は、50〜80kHzの信号のみを透過させるフィルタ
である。ここでフィルタされた信号c1は処理回路46で処
理された後、信号c2として異常識別回路48に入力され
る。

この異常識別回路48には、上下限設定回路50からの上
下限値も入力され、ここで上下限と信号c3の比較が行な
われる。そして、この上下限値との比較によって、送り
速度制御信号c3をコントローラ30に入力する。

なお、バンドパスフィルタ44、処理回路46は、バンド
パスフィルタ22、処理回路24と全く同様の機能を有す
る。このため、バンドパスフィルタ44及び処理回路46を
省略し、処理回路24からの信号a2を比較回路48に入力す
るようにしてもよい。

また、AEセンサ20からの検出信号が入力されるバンド
パスフィルタ、処理回路、異常識別回路などからなる異
常検出ラインは、さらに複数あり、必要な時点で必要な
異常の検出を同様に行う。この時、それぞれのバンドパ
スフィルタはそれぞれに適した透過周波数帯域に設定さ
れる。

そして、コントローラ30は、入力された信号に応じて
必要な制御信号ｙを制御盤52に供給する。制御盤52は、
この信号ｙにしたがって対応する操作端に操作信号を供
給する。

次に、このような実施例の動作について説明する。切
削加工機械において切削加工を行う場合は、まずNCプロ
グラムが読込まれる。そして、このNCプログラムに基づ
いて所定の切削加工が行なわれる。

つまり、切削加工を行うためには、最初に被切削材10
がテーブル12にセットされる。これは、通常オートパレ
ットチェンジャー（APC）がプログラムに従って自動的
に行う。つまり、APCが被切削材10を搬送し、テーブル1
2にセット（着座）する。また、プログラムに従って工
具の交換も自動的に行なわれる。この交換は、通常オー
トアタッチメントチェンジャー（AAC）によって主軸に
対するアタッチメントが交換され、その後オートツール
チェンジャー（ATC）によって工具14が交換される。こ
の切削加工の条件が設定された後、回転する工具14によ
って被切削材10の切削加工が行なわれる。

工具14とテーブル12の相対的移動はプログラム中に含
まれる軌跡情報に従った送り機構（図示せず）の制御に
よって行なわれる。通常の場合、テーブル12が一方向
（Ｘ方向）に移動し、主軸頭18が水平一方向及び垂直方
向（Ｙ、Ｚ方向）に移動する。こうして１つの被切削材
10に対する加工が終了した時は、APCによって被切削材1
0の交換が行なわれる。また、必要によっては一定形
状、材質のテストピースに対し試し切削を行い、その状
態によって工具の摩耗の検査を行う。

そして、これら切削加工の各段階においてAEセンサ20
を利用した監視が行なわれる。ここで、AEセンサ20によ
るAE検出信号について説明する。AEセンサ22で検出する
AEとは、アコースティック・エミッション（Acoustic
Emission）の略で、「固体の変型及び破壊にともなって
開放されるエネルギーが音響パルスとなり、伝播する現
象」である。ここで、切削加工機械におけるAE発生原因
としては次のようなものがある。加工前においては、AP
Cにおける軸受けなどの摩擦、被切削材10のテーブル12
への着座時における被切削材10とテーブル12の衝突、AA
T、ATC作動時の部品同志の衝突等がある。被切削材が工
具によって切削される時のAE発生の原因としては、被切
削材10亀裂、せん断面における被切削材10の塑成変型、
被切削材10と工具14との摩擦、切屑の破断、切屑と被切
削材10や工具14との衝突、工具14と被切削材10の衝突に
よる弾性波、工具14と被切削材10間のびびり等がある。
さらに、工具14の欠損発生時、工具14にチッピングが発
生した時、被切削材10の着座異常に起因する被切削材10
とテーブル12の摩擦時、テーーブル12、工具14などの移
動の際のベアリング損傷時など異常が発生した場合には
特別なAEが発生される。そして、このような原因で発生
するAEがAEセンサ20で検出される。

AEセンサ20で得られる検出信号は、その振動に応じて
上下を繰返し、振幅が振動の大きさを表わすものであ
る。第２図Ａ、Ｂに、鋳鉄製の被切削材を切削した場合
における検出信号の周波数解析の結果の一例を示す。こ
こで、第２図Ａは実切削時、第２図Ｂは空切削時のもの
である。このように、実切削時のAEの検出信号には50〜
80kHzの周波数周波数帯域にピークがあり、空切削時に
は50kHz以下の周波数帯域にピークがある。これより、
切削によって発生するAEは、周波数が50〜80kHzの帯域
にあることが分る。また、空切削時のピークはテーブル
の送りなどによって生じるものであり、このような原因
で発生するAEは周波数が10〜40kHzの帯域にあることが
分る。

ここで、最初にこのAEセンサ20で得られた検出信号に
よって空切削、実切削の識別を行う場合について説明す
る。切削によって生ずる検出信号は、工具が被切削材に
衝突する頻度に応じ振幅を極大の断続的に繰返す交流波
形の信号となる。例えば、２枚刃の工具を1000rpmで回
転させる場合ならば、１分間2000回のピークを有する交
流波形になる。このようなAEセンサ20で得られた検出信
号は、バンドパスフィルタ22に入力され、ここで50kHz
以下及び80kHz以上の信号がカットされ、50〜80kHzの信
号のみが取出される。この周波数帯域は、周波数解析に
よって被切削材の材質に応じたAEの周波数を調査するこ
とによって、決定される。この例における50〜80kHzと
いう周波数帯域は被切削材が鋳鉄製の場合の一般的値で
あり、例えば鉄鋼材の場合数kHz〜20kHzの範囲が選ばれ
る。なお、このバンドパスフィルタ22の上下限値につい
てもNCプログラムに含ませておき、被切削材の材質に応
じて自動的に設定されるようにしてもよい。このように
して得られた特定周波数の信号a1は処理回路26に入力さ
れ、次のような処理が行われる。つまり、アンプで増幅
された後、両波検波される。この検波された信号はピー
クホールド回路に入力され、ここでピーク値が順次ホー
ルドされる。このピーク値は平均値化回路で、平均化処
理された後、直流波形の信号a2として、空実識別回路26
に入力される。なお、信号a2をパルス化回路でパルス化
してもよい。

第３図に平板状の被切削材10を切削した場合の処理回
路24の出力値である信号a2の一例を示す。第３図から明
らかなように信号a2は、工具が被切削材10に接触し始め
た時及び工具が被切削材10から離れる時に大きくなる。
つまり、この信号は切削開始時と終了時に極大となる。
このため、空切削と実切削の変化に対する応答が非常に
良く、この識別に非常に適していることが分る。

また、第３図から、信号a2は実切削時においてその負
荷の大きさに対応していることがわかる。そこで、これ
について詳細な実験を行ったところ切削負荷は切込み量
が大きい程信号a2も大きくなり、送り速度が大きくなる
と信号a2も大きくなることがわかる。これより、信号a2
は切込み量及び送り速度に対し、正の相関があることが
分る。これは、切込み量、送り速度の増加にともないAE
の発生規模、頻度が増加するためと考えられ、適当な信
号処理を行えば信号a2を送り速度制御に利用できること
分る。

識別回路26には、このようにして得られた信号a2の
他、識別値設定回路28から識別値が入力される。ここ
で、この識別値は工具の種類によってあらかじめセット
されていると共に、識別値設定回路28に内蔵されている
メモリ、例えばバブルメモリなどの不揮発性メモリに記
憶されており、随時呼出される。

空実識別回路26は最初の状態として、信号a2を所定の
ノイズレベル以上の識別値と比較する。通常の場合最初
は空切削であるので、信号a2は識別値より小さく、空切
削であることが識別される。そして、この識別結果の信
号a3がコントローラ30に入力される。

AEセンサ20の検出信号はバンドパスフィルタ32にも入
力される。このバンドパスフィルタ32は10kHz以下及び4
0kHz以上の信号をカットするので、10〜40kHz信号b1が
出力される。この周波数帯域は、軸受け損傷時における
AEの周波数解析の結果より定められたものである。通常
の軸受けの場合、この程度の周波数帯域にピークがあ
り、異常発生時はこの帯域に非常に大きなAEが発生され
る。

バンドパスフィルタ32の出力信号b1は、処理回路34に
入力され、処理回路26と同様の処理がなされた後、異常
識別回路36に信号b2として入力される。異常識別回路36
では、入力された特定周波数の信号b2を比較値設定回路
38から入力される比較値と比較する。この比較値はノイ
ズレベルより十分大きな値に設定される。ここで、この
異常識別回路36にはコントローラ30から空実識別につい
ての信号ｘが供給されている。そして、信号b2と比較値
の比較は、空切削時のみに行なわれる。なぜなら、実切
削時には切削にともなって非常に大きなAEが発生され、
この異常識別回路36に入力される信号b2にもこの切削に
伴う信号が含まれる。そして、実切削時においては、軸
受け損傷に対応する信号を取出すことができず、軸受け
損傷を検出することができない。空切削時のみ比較を行
うので、正確な軸受け損傷の検出が行える。

この比較結果の信号b3はコントローラ30及び診断回路
38に供給され、信号b2が比較値より大きい場合は、異常
信号が警告回路に供給され、警告回路42が異常の表示を
行う。また、コントローラ30からの信号が制御盤52に送
られ、必要によっては加工が停止される。

この実施例の加工機械においては工具14と被切削材10
の相対移動の速度、つまり送り速度の制御も行なわれ
る。つまり、空実切削の別が識別された場合、コントロ
ーラ30は制御盤56によって送り速度を制御する。例え
ば、空実識別回路26において空切削時であることが識別
された場合は、コントローラ30でこれに対応する送り速
度係数ｋが呼出される。空切削の場合の送り速度係数ｋ
は例えば2.0という1.0以上の値が採用される。この送り
速度係数ｋは、NCプログラムに含まれている送り指令値
に乗算される。つまり、送り指令値の２倍の速度で移動
が行なわれる。

さらに、送り速度制御ラインＣのバンドパスフィルタ
44、処理回路46で処理された信号c2を用いて、実切削時
の送り速度制御が行なわれる。つまり、信号ｘにより実
切削が開始されたことを検知した時は、比較回路48にお
いて、上下限設定回路50からの上限値及び下限値と信号
c2の比較が行なわれる。

信号c2が、上限値より大きい場合は、切削負荷が高い
のであるから、コントローラ30は送り速度係数ｋとして
1.0以下の数値を出力する。また、信号c2が下限値より
小さい場合は、切削負荷が小さいのであるから、コント
ローラ30は送り速度係数ｋとして1.0以上の値を出力す
る。この送り速度係数ｋの変更は設定値との差に比例し
て、1.0に対する増加分、減少分を決定してもよいが、
通常は信号c2が上下限値の範囲内になるまで、ｋの値を
徐々に変更する。また、超過分を複数のランクに分け、
各ランクに対応して送り速度係数ｋをあらかじめ記憶し
ておき、対応する送り速度係数ｋを選ぶようにしてもよ
い。このようにして、実切削時には信号c2を利用して、
送り速度が制御され、常に最適の負荷で切削が行なわれ
る。

なお、送り速度係数ｋは通常0.5〜2.0の範囲で変更を
行い、それ以上の変更は行なわないようになっている。
これは、大幅な変更が切削加工の他の要素（刃具の磨耗
・欠損、切削面の精度・粗度）に、悪影響を及ぼさない
ようにとの配慮からである。例えば送り速度が余り速い
と負荷が急激に高くなった時、制御遅れによって工具の
損傷が起きる場合がある。このような場合、最高速度を
工具の強度、制御遅れ時間に対応して設定しておけば、
工具の損傷を防止できる。

また、この実施例の切削加工機械においては、その他
の異常検出もAEセンサ20の検出値を用いて行う。バンド
パスフィルタ32、処理回路34、異常識別回路36比較値設
定回路38、診断回路40、警告回路42と同様の構成からな
る異常検出ラインが複数設けられる。そして、これらの
異常検出ラインではバンドパスフィルタによって取出さ
れる周波数帯域が異なっている。種々の条件におけるAE
センサの検出値の周波数解析により、例えば次のような
異常に対応する信号のAEの周波数帯域が見出された。

工具欠損…50〜100kHz 工具チッピング…100〜200kHz 工具摩耗…10〜120kHz それぞれのバンドパスフィルタにおいてこれらの周波
数帯域が設定され、対応した設定値との比較により異常
検出が行なわれる。なおこれらの異常検出は実切削中に
行なわれる。

上記の実施例においてはAEセンサ20を１つとしたが、
２つ以上設けても良いし、他の場所に取付けても良い。
例えば、AEセンサ20が主軸頭18に取付けられる。ここに
取付けた場合、空切削時には主軸のベアリングの劣化や
ギアのクラック、スコーリングの発生の効果的な検出が
行える。また、工具欠損、工具チッピング、工具摩耗な
どの検出には、主軸頭とテーブルの両方にAEセンサを取
付け、実切削時における検出値の和を上述の実施例と同
様の処理するとより効果的な監視が行える。さらに、被
切削材と工具、主軸頭の干渉等も検出できる。

また、送り速度コントローラによって実切削であるこ
とが識別されている場合、この実切削時間をタイマ（図
示せず）でカウントするようにするとよい。そして、こ
の時間は工具ごとに積算される。工具ごとの耐用時間は
分かっているため、この実切削時間がこの耐用時間に達
した場合には、ATC（Auto Tool Changer）によって工
具の交換が自動的に行なわれる。

また、必要時に所定形状の材質のテストピースを試し
切削を行い、そのAEにより工具の摩耗を検出してもよ
い。

［発明の効果］ 以上のように、この発明の切削加工機械における監視
装置によれば、AEセンサの検出信号によって空切削、実
切削の識別を行い、この識別結果によって、例えば空切
削時にテーブル送りなどの異常検出検出が行なわれるの
で、誤動作の少ない効果的な監視が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る切削加工機械の監視装置の一
例のシステムの概要を示す全体構成図、 第２図はAEセンサ検出値の周波数特性を示す波形図、 第３図は被切削材切削時におけるAEセンサ出力値の一例
を示す波形図である。 10……被切削材 12……テーブル 14……工具 20……AEセンサ 22……バンドパスフィルタ 30……コントローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 外尾 勝育 豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株 式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−95856（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−192451（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被切削材を工具によって切削加工する切削
   加工機械の監視装置において、 上記切削加工機械に取付けられたAEセンサと、 このAEセンサによって得られた信号に基づき、加工作業
   中における実切削と空切削を識別する空実識別ライン
   と、 空切削時に検出することが適切である異常項目を、AEセ
   ンサによって得られた信号に基づき検出する空切削時異
   常検出ラインと、 実切削時に検出することが適切である異常項目を、AEセ
   ンサによって得られた信号に基づき検出する実切削時異
   常検出ラインと、 前記空実識別ラインにより空切削時と識別されたとき
   に、前記空切削時異常検出ラインに対し異常検出の指示
   を行い、前記空実識別ラインにより実切削時と識別され
   たときに、前記実切削時異常検出ラインに対し異常検出
   の指示を行うコントローラと、 を含み、 前記空実識別ラインは、AEセンサによって得られた信号
   から、空切削、実切削の識別に適した所定の周波数帯域
   の空実識別用の信号を取出す第１のバンドパスフィルタ
   と、この第１のバンドパスフィルタによって得られた空
   実識別用の信号を予め記憶されている識別値と比較し、
   この大小によって空切削と実切削の識別を行う空実識別
   回路と、を有し、 前記空切削時異常検出ラインは、前記AEセンサによって
   得られた信号から、前記異常項目の検出に適した周波数
   帯域の信号である空切削時異常検出信号を取出す第２の
   バンドパスフィルタと、前記空切削時異常検出用信号と
   所定の比較値を比較し、その大小によって異常を識別す
   る空切削時異常識別回路と、を有し、 前記実切削時異常検出ラインは、前記AEセンサによって
   得られた信号から、前記異常項目の検出に適した周波数
   帯域の信号である実切削時異常検出信号を取出す第３の
   バンドパスフィルタと、前記実切削時異常検出用信号と
   所定の比較値を比較し、その大小によって異常を識別す
   る実切削時異常識別回路と、を有する切削加工機械の監
   視装置。