JP3883485B2 - 工具折損あるいは予知検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一材質のワークに同一形状の加工を行うときや、同一仕様の部品等のワークを多数連続的に加工する工作機械において、この加工で使用する工具の折損、折損予知に関する発明である。特に、マシニングセンタにおけるドリル、タップ加工における工具折損、折損予知に適した工具折損あるいは予知検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に工作機械で使用される工具は、加工に使用する時間の経過と共に刃先が摩耗して切削抵抗が増加し、摩耗が進むと加工精度が悪化し、ワークに求められる所定の加工精度を維持することができなくなる。そして、その工具の寿命に至る。
ところで、無人加工や長時間の自動加工に応じて、寿命に達する工具の異常状態を検出する装置として、図1に示すごとく、切削開始から切削完了までの1加工サイクルのパターンを、あらかじめ、1つのワークから得られた負荷データP1、さらには、その負荷データから移動平均処理あるいは複数個のワークの平均処理などにより滑らかにした1加工サイクルのパターンの波形を基準波形P2とし、その基準波形P2に所定の許容値による上下限P3,P4のバンド幅を求めておき、1加工サイクル中の経時的な負荷変動を監視する各種異常監視装置が提案されている。
【0003】
例えば、モデル加工時の負荷を所定時間間隔でサンプリングして基準負荷値として記憶すると共に負荷変動許容値を記憶しておき、連続加工時の負荷値を検出し、検出時間が対応する基準負荷値と検出負荷値を比較し、許容値を越えた場合、警報を出力するようにしたものが知られている(特許文献1参照)。
【0004】
また、正常切削時の回転運動に伴う負荷変動と、送り運動に伴う負荷変動を規範信号として記憶しておき、連続切削時において検出される負荷変動と規範信号を時間の経過に沿ってそれぞれ比較し、予め設定されている許容範囲を越えている時間が所定時間経過すると警報をそれぞれ出力し、この警報が回転運動の負荷異常、送り運動の負荷異常のどちらか一方かまたは両者かによって、直ちに機械を停止するか、切削を終了してから停止するか対処を行うようにした工具異常検出装置も公知である(特許文献2参照)。
【0005】
さらに、作業工程中、振動値、温度、電流値等を測定し時系列的に基準値として記憶し、後続サイクルの検出値とそれぞれ時系列的に比較し、設定されている上下限値から外れたときには警報を出すようにした機器の異常検出方法も公知である(特許文献3参照)。
【0006】
また、上述した従来例では、時系列的に検出した負荷波形データの基準波形データと連続運転において検出した波形データを比較したものであるが、波形データを比較するものではなく、波形データの特徴点をとらえて比較して異常を検出するものも知られている。例えば、一定の部品を多数加工する専用機や数値制御加工機等において、複数回の切削時の負荷の波形の平均波形を求め、この平均波形の山、谷のタイミング(加工開始からの経過時間)の許容範囲を設定しておき、通常の加工時の負荷波形パターンの山、谷が設定された許容範囲にあるか、負荷波形パターンにおいて設定区間における負荷値が設定上限、下限を越えていないか、負荷波形パターンの設定区間の負荷値の積算値が設定上限、下限内か、加工スタートからの加工時間が設定許容時間を越えていないか、等によって工具異常、工具交換時期を予測できるようにした発明も公知である(特許文献4参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開昭52−95386号公報
【特許文献2】
特開昭58−126042号公報
【特許文献3】
特開平6−201398号公報
【特許文献4】
特開昭59−107843号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
近年の切削加工では、高速化が図られており、工具の回転数並びに送り速度が高くサイクルタイムが短いものとなっている。このような加工において、加工中の切削工具の負荷状況を高い精度で捉えるためには、モータならびに主軸の軸受けなどのノイズ信号によるデータのバラツキを取り除くために、数ミリ秒程度以下の短いサンプリング間隔で負荷を採取し、それら数個の負荷の移動平均処理等の必要性がある。従って、基準値として記憶する基準波形データは密度の濃いものとなり、記憶容量の大きなものが必要となってしまい、工具異常時のリアルタイム比較処理も困難な状況である。
【0009】
さらに、主軸モータから検出されるトルク負荷や、送り軸モータから検出されるスラスト負荷は、機械、被削材、工具、切削油剤など同一でも切削条件を変更すれば、主軸の回転速度及び/または送り軸の送り速度などの変更に応じて変化する。そのため、工具折損トルク及び/またはスラスト負荷を判断するための適正なしきい値をあらかじめ一律に設定することは実際上困難であった。このことから、実際にはその都度、オペレータによる過去の経験値あるいはテスト加工による計測値などを参考にして、工具折損トルク及び/またはスラスト負荷値を、通常、実加工実施前に設定していた。この作業は非常に煩わしいものである。
【0010】
また、上述した主軸モータから検出されるトルク負荷曲線や、送り軸モータから検出されるスラスト負荷曲線は、同一仕様のワーク(被削材)あるいは工具の交換が行なわれただけで、切削条件が変わらずとも、初期段階での負荷絶対値、ならびに途中段階での増加負荷の傾きなどが異なってくる。
【0011】
この様子を図2にトルク・スラスト負荷推移曲線で模式的に示した。図2(a)の横軸は、工具の使用回数、縦軸は、主軸モータから検出されるトルク負荷又は送り軸モータから検出されるスラスト負荷を示し、カーブC1は被削材a1を工具b1で同一の加工形状を切削している時のトルク・スラストの平均値の推移を表わし、カーブC2は被削材a2(被削材a1と同一仕様)を工具b2(工具b1と同一仕様)で同一の加工形状を切削している時のトルク・スラストの平均値推移を表わしている。×印は、工具が折損に至った点を表わしている。
また、図2(b)の(i)、(ii)、(iii)、(iv)は、矢印で示された図2(a)において丸印の部分の1加工サイクルにおける検出負荷を示すもので、横軸tは時間、縦軸は負荷(トルク・スラスト)を示すものである。
【0012】
図2(a)に示すように、カーブC1とカーブC2では負荷の加工サイクルの平均値が異なり、また、初期段階での負荷の加工サイクルの平均値、ならびに途中段階での加工サイクルにおける負荷の平均値の増加傾きなどが異なっている。また、図2(b)に示されるように、工具を使用開始してから使用回数が増加するにつれて1加工サイクルにおける負荷パターンが変化している。そのため、工具折損、及びその予知を行うため、判断の基準となるしきい値として設定する工具折損トルク及び/またはスラスト値は、最初に固定しておくと折損の予知ができない場合や、異常でないにも係わらず、異常と判別する場合が生じる。
【0013】
さらに、加工対象として、加工途中で負荷が変動する場合がある。例えば、ドリル加工あるいはタップ加工において、加工途中に切削しない空間のある図3(a)に示すような欠肉穴の加工、図3(b)に示すような穴が交差する交差穴の加工、図3(c)に示すような継続穴の加工や、図3(d)に示す鋳型で形成されたワークのすでに穴が形成された位置に穴を加工する鋳抜き穴の加工、図3(e)に示すような材質が異なる材料を合わせて形成されているワークに対して加工する合わせ材穴の加工、等の特殊ドリル穴加工あるいはタップ加工などでは、1加工サイクル内での波形変動が大きい。このような場合、異常を検出するためのしきい値を1加工サイクルにおける負荷の平均値に基づいて求めたのでは、工具異常等を検出することは、難しい。
【0014】
そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工作機械で使用される工具の折損あるいは折損予知を検出する装置において、送り軸および主軸にかかる切削負荷を検出する切削負荷検出手段と、該切削負荷検出手段により検出された送り軸ならびに主軸にかかる切削負荷のデータから、加工サイクルでの切削加工の時間の長さ、切削加工中の切削負荷波形の面積、切削加工中の切削負荷下降傾きの最大絶対値、の3つの数値の計6つを現加工サイクルの負荷状態値として求める手段と、現加工サイクルより前の加工サイクルで算出されている負荷状態値に基づいて移動変動しきい値を更新して求める手段と、前記現加工サイクルの負荷状態値と移動変動しきい値とを比較し、6つの同時監視のうち、現加工サイクルの負荷状態値がどれか1つでも、しきい値を越えれば前記工具異常を判定する手段とを設けることによって、工具折損あるいは予知検出を行うようにした。移動変動しきい値を求める基礎となる負荷状態値は、現加工サイクルより1つ前又は複数回前の加工サイクルで求めた負荷状態値、又は、最初の加工サイクルから現加工サイクルの直前の加工サイクルまでの全加工サイクルあるいは現加工サイクルより前の複数の加工サイクルにおいて算出されている各加工サイクルの負荷状態値の平均値とした。
【0016】
又、同一仕様の部品等のワークに対して連続的に加工する場合に適用する場合、移動変動しきい値を更新して求める手段は、現加工サイクルの加工位置に対応する前のワークの加工位置における加工サイクルで算出されている負荷状態値に基づいて移動変動しきい値を更新して求めるようにした。この場合、移動変動しきい値を求める加工サイクルは、現加工サイクルより1つ前のワーク又は複数個前のワークにおける対応する加工位置における加工サイクルとするか、又は、最初に加工したワークから直前に加工したワークまでの全ワークあるいは前に加工した複数のワークにおいて算出されている対応する加工位置での加工サイクルとして、その加工サイクルの負荷状態値の平均値に基づいて移動変動しきい値を求めるようにした。
【0017】
前記移動変動しきい値は、求められている負荷状態値に所定の係数を乗じて求めるか、所定値を加算して求めるようにした。そして、前記工具の異常を判定する手段が工具の異常を判定したとき、警報音や警告灯の起動を指示する手段、または工具交換や機械の作動停止を指示する手段をも備えるようにした。又、前記工具の異常を判定する手段は、前記現加工サイクルの負荷状態値が前記移動変動しきい値を越えたとき、又は小さくなったときに前記工具が異常であると判定するようにした。又、切削負荷波形の面積、切削負荷下降傾きの最大絶対値については、第1の移動変動しきい値と該第1の移動変動しきい値より小さい第2の移動変動しきい値とを求め、前記現加工サイクルの負荷状態値が前記第1の移動変動しきい値を越えたとき、及び、前記現加工サイクルの負荷状態値が前記第2の移動変動しきい値より小さくなったときのいずれかにおいて、前記工具が異常であると判定するようにした。
切削負荷検出手段は、オブザーバ又は、切削負荷のかかる送り軸を駆動するモータおよび主軸を駆動するモータの駆動電流によって負荷を検出するようにした。
【0018】
【発明の実施の形態】
図5〜図8は、ドリルによる穴加工を行い、該工具のドリルが折損した加工サイクル及びそれより前の複数加工サイクルの負荷を測定したもので、工具送り軸であるZ軸のスラスト負荷の測定値を示すもので、基準横軸は、主軸空転時の加工負荷がゼロの位置を示し、黒丸は負荷データを取得した位置を示し、この例では8msの間隔で測定データを得たものである。
【0019】
図5は、直径2.5mmの超硬ドリルを用い、鋼材S50Cのワークを主軸回転数S8000min−1、送り速度F3200mm/minで繰り返し穴開け加工をしたときの各加工サイクルにおける送り軸(Z軸)のスラスト負荷の測定値を表すものである。この場合、59392回目の穴加工途中で工具折損が生じた。穴加工の切削加工時間をT、切削加工中の切削負荷波形の面積(負荷値の積算値)をS、切削加工中における測定間隔8msにおける測定負荷の差より切削負荷下降傾きがわかりこの傾きの最大値をGとしたとき、工具折損が生じた穴加工サイクルよりも1つ前の穴加工サイクルの上記加工時間、面積、傾きの最大絶対値をT1,S1,|G1|及び工具折損が生じた穴加工サイクルにおける、上記加工時間、面積、傾きの最大絶対値をT2,S2,|G2|とすると、T1>T2,S1>S2,|G1|<|G2|の関係が成り立ち、この加工時間T、切削負荷波形の面積S、切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|を1つ前の加工における測定値と比較することによって工具折損を検出できる。また、工具折損が生じた穴加工サイクルよりも1つ前の穴加工サイクルまでは、加工時間T、面積S、傾きの最大絶対値|G|に大きく変化がないから、複数回前の加工サイクルの加工時間、面積、傾きの最大絶対値、最初の加工サイクルからの各加工サイクルにおける加工時間、面積、傾きの最大絶対値の各平均値、現在の加工サイクルの前の複数回の加工サイクルにおける加工時間、面積、傾きの最大絶対値の各平均値と、現在の加工サイクルのこれらの測定値を比較することにより工具折損を検出できる。
【0020】
図6は、ドリル穴加工時に穴底まで加工し切削送りが終わり、逆方向に早送りで戻る際に折損が生じたときに、送り軸(Z軸)のスラスト負荷を測定し、その測定値の波形を示すものである。なお、この場合、工具は、直径6.8mmの超硬ドリル、ワークは鋼材S50C、主軸回転数はS5995min−1、送り速度F2098mm/minである。この場合、穴開けの切削が終了して早送りで戻る途中で工具折損が生じたものであるから、工具折損が生じた穴加工サイクルの負荷波形とそれより1つ前の穴加工サイクル負荷波形とは格別差異はなく、穴加工サイクルの加工時間をT1,T2、切削負荷波形の面積S1,S2、切削負荷下降傾きの最大絶対値を|G1|,|G2|はほぼ等しくなり、工具折損を検出できないが、次の穴加工サイクルにおいて、これらT,S,|G|の値が大きく変化するから、それによって検出することができる。
【0021】
図7は、工具は直径3.3mmのハイスドリル、ワークは鋼材S50C、主軸回転数はS2895min−1、送り速度F666mm/minで穴加工を行い、各加工サイクルにおける送り軸であるZ軸のスラスト負荷を測定した負荷波形を示す。この場合、398個目の穴切削加工中に工具折損が生じた。この場合、工具折損が生じた398個目の穴加工サイクルにおける負荷波形の面積S4が1つ前の397個目における穴加工サイクルの負荷波形面積S3より小さくなっていることからから工具折損を検出でき。また、加工時間も397個目の穴加工よりも398個目の穴加工の方が短くなっていることからも工具折損を検出することができる。さらに、工具折損が生じる3つ前の穴加工サイクルと以後の穴加工サイクルの負荷波形を比較し、負荷波形の面積(負荷値の積算値)が増大していること(S1,S2,S3)から、これを工具摩耗による工具折損予知として検出できる。
【0022】
また図8は、工具は直径2.5mm超硬ドリル、ワークは鋼材S50C、主軸回転数はS7898min−1、送り速度F3159mm/minで穴加工を行い、各加工サイクルにおける送り軸であるZ軸のスラスト負荷を測定した負荷波形を示す。この場合、31117個目の穴加工の切削途中で工具折損が生じた。そして、測定した切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|は、工具折損が生じた加工サイクルの負荷波形とそれより前の加工サイクルの負荷波形とでは1.2倍程度の差しか生じなかった。工具折損にいたる切削実験を50回行ったが、大半が図5に示すように、工具折損が生じた加工サイクルの切削負荷下降傾きの最大絶対値|G2|は、直前の正常な加工サイクルにおける切削負荷下降傾きの最大絶対値|G1|より5〜6倍の値を示していたが、図6に示すように変化がない場合や、図8に示すように1.2倍程度のときもある。しかし、工具折損後は、小さくなり、|G1|>|G2|となる。
【0023】
以上、図5〜図8の実験結果から、切削加工時間Tについては、工具折損が生じた加工サイクルでは、それより前の正常な加工サイクルの切削加工時間Tより小さくなることから、これにより工具折損を検知することができる。また、切削加工中の切削負荷波形の面積(負荷値の積算値)Sからは、工具折損の加工サイクルが近づくにつれて該面積Sが増大することから工具折損予知ができる。また、工具折損した加工サイクルの次の加工サイクルでは、切削負荷波形の面積Sは以前の正常な加工サイクルの切削負荷波形の面積Sより小さくなることから、工具折損を検出できる。なお、その1つ前の工具折損した加工サイクルでも、それより前の正常な加工サイクルの切削負荷波形の面積Sより小さくなることがあり、工具折損を検出できる。さらに、切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|については、前の加工サイクルにおける切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|より大きくなったことにより工具折損を検出でき、さらに、前の加工サイクルにおける切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|より極端に小さくなったことにより、工具折損が生じていたことを検出することができる。
【0024】
そこで、本発明は、仕様が同一の部品等のワークに対して、同一の加工形状を加工するときの工具折損の検知及びその予知を行うものとして、本実施形態では、加工サイクルにおける負荷の状態を示す負荷状態値として、切削加工時間T、切削負荷波形の面積S、切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|を求め、工具折損の検知及び工具折損予知を行う判別基準としてのしきい値を正常時の加工サイクルにおける負荷状態値(切削加工時間T、切削負荷波形の面積S、切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|)に係数を乗じた値とし、加工回数が進むにつれて変化変動する移動変動しきい値とする。
【0025】
すなわち、図4に模式的に示すように、正常時の加工サイクルの負荷波形を図4(a)、工具折損が生じた加工サイクルの負荷波形を図4(b)としたとき、正常時の加工サイクル(図4(a))の負荷状態値である切削加工時間をT1、切削負荷波形の面積S1、切削負荷下降傾きの最大値をG1、工具折損が生じた加工サイクル(図4(b))の切削加工時間をT2、切削負荷波形の面積S2、切削負荷下降傾きの最大値をG2としたとき、
第1の判別基準: T2<c1・T1
第2の判別基準:S2>c2・S1またはS2<c3・S1
第3の判別基準:|G2|>c4・|G1|または|G2|<c5・|G1|
ただし、係数:0<c1<1、c2>1、0<c3<1、c4>1、0<c5<1とする。
そして上記第1〜第3の判別基準のいずれかが満足したとき、工具異常と判定するようにする。
【0026】
図9は本発明の工具折損あるいは予知検出装置をも兼ねる工作機械を制御する制御装置(数値制御装置)100のブロック図である。CPU11は制御装置100を全体的に制御するプロセッサである。CPU11は、ROM12に格納されたシステムプログラムをバス20を介して読み出し、該システムプログラムに従って制御装置全体を制御する。RAM13には一時的な計算データや表示データ及び表示器/MDIユニット80を介してオペレータが入力した各種データが格納される。CMOSメモリ14は図示しないバッテリでバックアップされ、制御装置100の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。CMOSメモリ14中には、インターフェイス15を介して読み込まれた加工プログラムや表示器/MDIユニット80を介して入力された加工プログラム等が記憶される。また、ROM12には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理や自動運転のための処理を実施するための各種システムプログラムが予め書き込まれている。特に本発明と関係して、工具折損あるいは折損予知を検出する後述する処理プログラムが格納されている。
【0027】
インターフェイス15は、制御装置100とアダプタ等の外部機器82との接続を可能とするものである。外部機器82側からは加工プログラム等が読み込まれる。また、制御装置100内で編集した加工プログラムは、外部機器82を介して外部記憶手段に記憶させることができる。PMC(プログラマブル・マシン・コントローラ)16は、制御装置100に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置(例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ)にI/Oユニット17を介して信号を出力し制御する。
【0028】
表示器/MDIユニット80はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インターフェイス18は表示器/MDIユニット80のキーボードからの指令,データを受けてCPU11に渡す。インターフェイス19には、工作機械の本体に配備された操作盤81が接続され、該操作盤81には、警報装置や警報灯が設けられ、さらに、機械に対する各種指令を入力する各種スイッチが設けられている。
【0029】
各軸の軸制御回路30〜32はCPU11からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ40〜42に出力する。サーボアンプ40〜42はこの指令を受けて、X,Y,Zの各軸のサーボモータ50〜52を駆動する。各軸のサーボモータ50〜52は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置、速度フィードバック信号を軸制御回路30〜32にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。又、サーボアンプ40〜42から各サーボモータ50〜52に出力される駆動電流も電流検出器60〜62で従来と同様に検出され、軸制御回路30〜32にそれぞれフィードバックされ電流(トルク)制御がなされる。モータに流れる駆動電流とモータにかかる負荷トルクは概略一致するので、この実施形態ではこのサーボモータ50〜52に流れる駆動電流を検出する電流検出器60〜62によって、負荷検出手段を構成する。なお、図9では、位置、速度のフィードバックについては省略している。
【0030】
また、主軸制御回路70は主軸回転指令を受け、指令速度と、主軸モータ72の回転に同期して帰還パルスを発生するポジションコーダ73からのフィードバック信号に基づいて速度制御を行い、さらに、主軸モータ72に流れる駆動電流を検出する電流検出器74からの電流フィードバック信号を受けて、電流ループ制御を行い、主軸モータ72の回転速度を制御する。この主軸モータに加わる負荷と駆動電流はほぼ比例することから、この実施形態では、電流検出器74で主軸モータに加わる負荷の検出手段を構成する。
【0031】
この実施形態では、主軸に工具としてドリルを装着し、仕様が同一である部品等の多数のワークに対して順次穴開け加工を行い、該ドリルの折損あるいはその予知を検出するものとする。この場合、工具のドリルは主軸に取り付けられ、ワークは送り軸のX軸、Y軸のサーボモータ50、51で駆動されるテーブルに取り付けられる。又、該X軸、Y軸と直交するZ軸方向に主軸を移動させる送り軸のZ軸のサーボモータ52により工具のドリルはワークに対して相対的に移動することになる。
【0032】
図10は、制御装置100のROM12に格納されている工具折損あるいはその予知検知処理のプログラムのフローチャートである。
CPU11は、加工が開始されたか否か判断し(ステップA1)、加工が開始されると、主軸又は切削送り軸の切削負荷を検知する。本実施形態の場合、主軸モータ72又は工具のドリルを切削送りするZ軸のサーボモータ52に加わる切削負荷を、電流検出器74、又は電流検出器62で検出される駆動電流により所定周期毎に検出する。この切削負荷は、主軸モータ又はドリルの切削送り軸であるZ軸のサーボモータにかかる切削負荷のいずれかを検出すればよいものであり、この実施形態では、送り軸であるZ軸のサーボモータ52にかかる切削負荷を電流検出器62で検出される駆動電流によって検出するものとしている(ステップA2)。
【0033】
そして、切削終了が検出されるまで、負荷の検出と、この加工を開始してからの切削時間T、検出された負荷の積算値(切削負荷波形の面積)S、前周期で検出された負荷と当該周期で検出された負荷の差より負荷の下降傾き値を求めその最大値の絶対値を算出し負荷状態値として記憶する(ステップA2〜A4)。切削負荷は所定周期毎検出されるから、加工開始から切削負荷検出する毎に所定周期の時間を加算して行けば、切削時間Tが求まり、検出した切削負荷を積算していけば、切削負荷の積算値Sが求まる。さらに、前周期と当該周期の検出切削負荷の差が負であれば、負荷が減少し下降しているものとし、この差の絶対値を切削負荷の下降傾きとして求め、すでに記憶しているこの切削負荷下降傾きの最大絶対値|G|(なお最初は「0」にセットされている)と比較し、大きい方を下降傾きの最大絶対値|G|として記憶する。
その結果、加工サイクルが終了した段階では、負荷状態値を示す切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|が求まる。
【0034】
次に、当該時点で加工が完了した加工位置(ワーク上の位置でX,Y軸位置)に対応して記憶されている1つ前に加工したワークに対する負荷状態値である切削時間T1、切削負荷積算値S1、下降傾きの最大絶対値|G1|にそれぞれ予め設定されている係数(c1,c2,c3,c4,c5)を乗じて、移動変動しきい値(c1・T1、c2・S1、c3・S1、c4・|G1|、c5・|G1|)を求める(ステップA5)。そして、当該加工サイクルで検出した負荷状態値の切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|を、次のワークに対する加工のときに利用するために、当該加工位置に対応してT1、S1、|G1|として記憶する(ステップA6)。
【0035】
次に、ステップA3で求めた負荷状態値の切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|と、ステップA5で求めた移動変動しきい値とを比較し、上述した第1〜第3の判別基準で工具異常か否か判別する(ステップA7、A8)。
この判別結果、負荷状態値である切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾き最大絶対値|G|の各値が判別基準により異常と判断された場合には、操作盤81上に配置された警報器や警告灯等により警報を出力したり、さらには機械の動作を停止して、図示しない工具交換機に工具交換指令を出力し、工具交換を行うようにする等の異常発生処理を行う(ステップA9)。
【0036】
一方、工具異常が検出されなかった時には、プログラム終了か否か判断し(ステップA10)、終了してなければ、ステップA1に移行し、次の加工の工具折損、その予知の処理を行うことになる。又、プログラムが終了していれば、当該ワークに対する処理は終了する。
【0037】
以上が本発明の一実施形態における工具折損あるいは予知検知の動作処理であるが、上述した実施形態では、3つの負荷状態値(切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾き最大絶対値|G|)のいずれか1つでも異常が検出されると、工具異常として異常発生処理を行ったが、3つの負荷状態値の内1つの負荷状態値によって工具異常を検出するようにしてもよい。
【0038】
例えば、切削時間Tで工具異常を判別するときには、前述したように、移動変動しきい値より、当該加工サイクルにおける切削時間Tが小さくなったときには、工具折損が発生したものとして、異常発生処理(ステップA9)を行うようにする。
【0039】
又、切削負荷積算値(切削負荷波形の面積)Sでは、当該加工サイクルで求められた切削負荷積算値Sが、第1の移動変動しきい値(c2・S1)より大きくなったとき、工具の寿命が近く、折損予知として検出し、異常発生処理を行う。又は、第2の移動変動しきい値(c3・S1)より小さくなったときは、工具折損が発生したことを意味し、異常発生処理を行うようにする。
【0040】
さらに、下降傾き最大絶対値|G|では、当該加工サイクルで求められた下降傾き最大絶対値|G|が、第1の移動変動しきい値(c4・G1)より大きくなったとき、工具が当該加工サイクル中に折損したとして検知でき異常発生処理を行う。又、第2の移動変動しきい値(c5・G1)より小さくなったときは、すでに工具折損が発生していることを意味し、異常発生処理を行うようにする。
【0041】
又、上述した実施形態では、切削負荷を工具であるドリルの送り軸のZ軸のサーボモータ52にかかる負荷である駆動電流によって検出したが、上述したように、工具であるドリルを回転させる主軸の主軸モータ72の駆動電流を検出して切削負荷を検出するようにしてもよい。又、送り軸のサーボモータ52、主軸モータ72の両方の駆動電流からそれぞれのモータにかかる負荷を検出し、この負荷を総合して切削負荷として、ステップA5移行の処理に利用してもよい。
【0042】
又、送り軸及び主軸にかかる負荷をそれぞれ求め、ステップA5以下の処理では、送り軸及び主軸についてそれぞれに行い、送り軸又は主軸のそれぞれの切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|に異常が検出されたとき、工具異常判断してステップA9に移行するか、又は、送り軸又は主軸において共に異常が検出されたとき、異常としてステップA9に移行するようにしてもよい。
【0043】
又、上述した実施形態では、ステップA5,A6で、加工位置に対応して負荷状態値である切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|を記憶し、それを利用したが、ワークに1箇所しか加工しない場合には、加工位置は必ず対応するから、単に負荷状態値の切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|を記憶させておけばよい。加工位置に対応させて記憶させた理由は、ワークに対して当該ドリルにより複数の加工を行うような場合には、図3に示したように、加工位置によっては、ドリルによる穴開け加工の形態が変わり、当然切削負荷も変わることから、加工位置に対して記憶するようにしたものである。
【0044】
さらに、ワークが平坦な均一な材料で、該ワークに多数の同一形状の加工を同一の切削条件で行うような場合には、単に前回の加工サイクル時の負荷状態値である切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|に基づいて得られた移動変動しきい値と当該加工サイクルにおける加工における負荷状態値の切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|に基づいて異常判別を行えばよいから、ステップA6では、単に切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|を記憶すればよく、ステップA5では記憶されているこれらデータを読み出し、移動変動しきい値を求めればよいものとなる。
【0045】
以上のように、本実施形態では、異常判別するしきい値を1つ前の同質の加工時に得られたデータによって、変化させるものとした。しかし、すでに述べたように、1つ前の加工サイクルの切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|に代えて、複数個前の加工サイクルの切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾きの最大絶対値|G|、さらには、現加工サイクルより前の複数の加工サイクル又は当初からの加工サイクルにおける切削時間T、切削負荷積算値S、下降傾き最大絶対値|G|の平均値によって、移動変動しきい値を求めるようにしてもよい。
【0046】
又、移動変動しきい値として、上述した実施形態では、切削時間、切削負荷積算値、下降傾きの最大絶対値に係数を乗じることによって求めたが、係数を乗じる代わりに、所定値を加算又は減算することによって、移動変動しきい値としてもよい。
【0047】
さらに、切削負荷の検出として、上述した実施形態では、主軸や送り軸の駆動電流を検出して切削負荷を検出するようにしたが、この切削負荷をすでに公知の負荷推定オブザーバによって求めるようにしてもよい。すなわち、主軸制御回路内又は切削負荷がかかる送り軸の軸制御回路内に負荷を推定するオブザーバを組み込み、このオブザーバで求められる負荷を切削負荷とし、ステップA2で検出するようにすればよい。他の処理は図10に示す動作処理と同一である。又、この切削負荷の検知としては、主軸モータや切削送り軸のモータの電力を検出することによって切削負荷を検出してもよい。さらには、切削抵抗の検出には、切削抵抗計測用の動力計などのセンサを用いてもよい。
【0048】
【発明の効果】
本発明においては、工具折損あるいはその予知検出において、判断基準として記憶しておくしきい値のデータ数が少なく、記憶容量が少なくて済み、かつ、データ数が少ないから高速加工に伴う高速処理にも対応できる。又、しきい値を当該加工サイクルより前の加工サイクルにもとづいて、順次更新する移動変動しきい値としたことにより、工具の長時間の使用により変化する工具状態に対しても工具折損又はその予知を的確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の工具異常検出における異常検出判別方法の説明図である。
【図2】工具にかかる負荷状態を説明する説明図である。
【図3】穴加工における各種加工状態を説明する説明図である。
【図4】正常時の1加工サイクルの負荷状態と工具異常時の1加工サイクルの負荷状態を説明する説明図である。
【図5】超硬ドリルによる加工において工具折損が生じた加工サイクル及びそれより2つ前までの加工サイクルの切削負荷を測定した測定結果を示す図である。
【図6】超硬ドリルによる加工において工具折損を検出した加工サイクル及びそれより2つ前までの加工サイクルの切削負荷を測定した、別の実験の測定結果を示す図である。
【図7】ハイスドリルによる加工において工具折損を検出した加工サイクル及びそれより複数個前までの加工サイクルの切削負荷を測定した測定結果を示す図である。
【図8】超硬ドリルによる加工において工具折損を検出した加工サイクル及びそれより2つ前までの加工サイクルの切削負荷を測定した、さらに別の実験の測定結果を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態を構成し、工作機械の制御を行う制御装置の要部ブロック図である。
【図10】本発明の一実施形態の動作処理フローチャートである。
【符号の説明】
T 切削時間
S 切削負荷波形の面積(切削負荷積算値)
G 切削負荷下降傾き最大値
Claims (13)
- 工作機械で使用される工具の折損あるいは折損予知を検出する装置において、
送り軸および主軸にかかる切削負荷を検出する切削負荷検出手段と、
該切削負荷検出手段により検出された送り軸ならびに主軸にかかる切削負荷のデータから、加工サイクルでの切削加工の時間の長さ、切削加工中の切削負荷波形の面積、切削加工中の切削負荷下降傾きの最大絶対値、の3つの数値の計6つを現加工サイクルの負荷状態値として求める手段と、
現加工サイクルより前の加工サイクルで算出されている負荷状態値に基づいて移動変動しきい値を更新して求める手段と、
前記現加工サイクルの負荷状態値と移動変動しきい値とを比較し、6つの同時監視のうち、現加工サイクルの負荷状態値がどれか1つでも、しきい値を越えれば工具異常を判定する手段と、
を備えたことを特徴とする工具折損あるいは予知検出装置。 - 前記前の加工サイクルは、現加工サイクルより1つ前又は複数回前の加工サイクルである請求項1に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記移動変動しきい値は、最初の加工サイクルから現加工サイクルの直前の加工サイクルまでの全加工サイクルあるいは現加工サイクルの前の複数の加工サイクルにおいて算出されている各加工サイクルの負荷状態値の平均値に基づいて求めることを特徴とする請求項1に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 工作機械で使用される工具の折損あるいは折損予知を検出する装置において、
送り軸および主軸にかかる切削負荷を検出する切削負荷検出手段と、
該切削負荷検出手段により検出された送り軸ならびに主軸にかかる切削負荷のデータから、加工サイクルでの切削加工の時間の長さ、切削加工中の切削負荷波形の面積、切削加工中の切削負荷下降傾きの最大絶対値、の3つの数値の計6つを現加工サイクルの負荷状態値として求める手段と、
現加工サイクルの加工位置に対応する前のワークの加工位置における加工サイクルで算出されている負荷状態値に基づいて移動変動しきい値を更新して求める手段と、
前記現加工サイクルの負荷状態値と移動変動しきい値とを比較し、6つの同時監視のうち、現加工サイクルの負荷状態値がどれか1つでも、しきい値を越えれば工具異常を判定する手段と、
を備えたことを特徴とする工具折損あるいは予知検出装置。 - 前記前のワークは、現加工サイクルより1つ前のワーク又は複数個前のワークである請求項4に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記移動変動しきい値は、最初に加工したワークから直前に加工したワークまでの全ワークあるいは前に加工した複数のワークにおいて算出されている対応する加工位置での加工サイクルの負荷状態値の平均値に基づいて求めることを特徴とする請求項4に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記移動変動しきい値は、求められている負荷状態値に所定の係数を乗じて求めることを特徴とする請求項1乃至6の内いずれか1項に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記移動変動しきい値は、求められている負荷状態値に所定値を加算して求めることを特徴とする請求項1乃至6の内いずれか1項に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記工具の異常を判定する手段が工具の異常を判定した際に、警報音や警告灯の起動を指示する手段、または工具交換や機械の作動停止を指示する手段を有することを特徴とする請求項1乃至8の内いずれか1項に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記工具の異常を判定する手段は、前記現加工サイクルの負荷状態値が前記移動変動しきい値を越えたときに前記工具が異常であると判定することを特徴とする請求項1乃至9の内いずれか1項に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記工具の異常を判定する手段は、前記現加工サイクルの負荷状態値が前記移動変動しきい値より小さくなったときに前記工具が異常であると判定することを特徴とする請求項1乃至9の内いずれか1項に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 前記工具の異常を判定する手段は、切削負荷波形の面積、切削負荷下降傾きの最大絶対値については、第1の移動変動しきい値と該第1の移動変動しきい値より小さい第2の移動変動しきい値とを求め、前記現加工サイクルの負荷状態値が前記第1の移動変動しきい値を越えたとき、及び、前記現加工サイクルの負荷状態値が前記第2の移動変動しきい値より小さくなったときのいずれかにおいて、前記工具が異常であると判定することを特徴とする請求項1乃至9の内いずれか1項に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
- 切削負荷検出手段は、加わる負荷を推定するオブザーバによって、若しくは、切削負荷のかかる送り軸を駆動するモータおよび主軸を駆動するモータの駆動電流によって負荷を検出する請求項1乃至12の内いずれか1項に記載の工具折損あるいは予知検出装置。
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