JP4569494B2 - 工具異常検出装置及び工具異常検出システム - Google Patents

Description

本発明は、加工機に備えられた砥石やエンドミル等の工具の摩耗を検出する工具異常検出装置及び工具異常検出システムに関するものである。

従来の工具異常検出装置では、正常な状態での加工作業中に発生した音波をマイクで収録し、収録した音波についての音量の周波数分布からなる基準データを予め作成しておき、実際の加工作業中に収録した音波についての音量の周波数分布からなる検査データを生成し、前記検査データと前記基準データとを比較することにより、工具異常を検出していた。

特開平６−１１３８７号公報

しかしながら、従来の方法では収録した音波に加工機主軸のモータ回転時に発生する騒音やクーラントポンプの騒音等のノイズが含まれる為、これらのノイズが大きい場合には工具摩耗を誤検出する場合があった。また、音波の周波数全域での周波数分析を行って異常検出する方法である為、周波数分析の演算時間がかかり、瞬時の検出判定が困難であるという問題点もあった。

本発明は、ノイズなどの外乱による影響を受けずに工具異常の検出を確実に、かつ迅速に行うことができる工具異常検出装置及び工具異常検出システムを提供することを目的とする。

この発明に係る工具異常検出装置は、加工機が加工中に発生した音波を音波信号として入力し、前記音波信号から予め設定した周波数帯域の音波信号をバンドパスフィルタで抽出し、前記抽出した音波信号の音圧レベルを計測し、前記計測した音圧レベルを予め設定した音圧レベル閾値と比較し、前記計測した音圧レベルが前記音圧レベル閾値以上である時に工具異常検出信号を出力するようにしたものである。

本発明によれば、予め設定した周波数帯域の音波信号の音圧レベルのみで工具の異常判定を行うため、ノイズなどの外乱の音圧増大による異常検出の誤認を避けられる。また、音波信号の全周波数範囲の周波数分析よりも速く異常判定をおこなうことが可能である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１による工具異常検出装置を備えた工具異常検出システムを図面に基づいて説明する。図１は実施の形態１による工具異常検出装置を含む工具異常検出システムの構成図である。この工具異常検出システムは、加工機１が加工作業中に発生する音波に基づいて、工具異常検出装置２が工具の異常を検出するものである。ここで加工機１は、主軸１０１を駆動回転させる主軸モータ１０２が回転することにより、ホルダ１０３に取り付けられた砥石等の工具１０４が回転運動し、加工機テーブル１０５に設置した被削材１０６を加工する。加工機１が被削材１０６を切削する際に発生する音波３は工具異常検出装置２内の音波入力手段４が集音し、音波入力手段４は集音した音波３を電気信号に変換して音圧レベル計測手段５に音波信号として出力する。音波入力手段４は例えばマイクを使用する。

音圧レベル計測手段５は後述する手順により、予め設定した特定の周波数帯域を有するバンドパスフィルタを用いて、前記音波信号の前記特定の周波数帯域における音圧レベルを計測し音圧レベル計測値として信号処理手段６に出力する。なお、前記バンドパスフィルタに設定する特定の周波数帯域の決定方法については後述する。

信号処理手段６は後述する手順により、前記計測した音圧レベル計測値と予め設定した音圧レベル閾値とに基づいて工具異常検出判定を行い、異常を検出した際には工具異常検出信号をＮＣ装置７と情報連絡装置８に出力する。ＮＣ装置７は信号処理手段６から工具異常検出信号を入力したら、加工機１の加工作業を一時停止又は停止させる。また、情報連絡装置８は信号処理手段６から工具異常検出信号を入力したら、携帯電話ネットワークを通じて、作業員に自動的に電話することにより工具異常の検出を作業員に通知する。

次に、音圧レベル計測手段５内での動作について図２に基づいて説明する。音圧レベル計測手段５は音波入力手段４から入力した音波信号をプリアンプ５０１、アンプ５０２を用いて信号増幅した後、Ａ／Ｄ変換器５０３でデジタル信号に変換し、バンドパスフィルタ５０４に出力する。バンドパスフィルタ５０４はデジタル化された音波信号から予め設定した周波数帯域の信号成分のみ抽出する。音圧レベル演算部５０５はバンドパスフィルタ５０４が抽出した信号の音圧レベルをデジタル演算処理により計算する。Ｄ／Ａ変換器５０６は音圧レベル演算部５０５が出力した音圧レベルをアナログ信号に変換して、音圧レベル計測値として信号処理手段６に出力する。

ここで、音圧レベル計測手段５内のバンドパスフィルタ５０４に予め設定する周波数帯域の決定方法を説明する。図４は工具１０４として電着砥石を用いて、被削材１０６であるガラスを加工した際に発生した音波信号の音圧レベルを周波数分布で示したものである。図４では、正常な砥石を使用した加工作業時のケース（図４中の「加工＃１」、「加工＃２」）、及び磨耗した砥石を使用した加工作業のケース（図４中の「摩耗砥石」）と、比較のために主軸モータ１０２のみ回転させたケース（図４中の「回転」）、主軸モータ１０２とクーラントポンプを作動させたケース（図４中の「回転＆クーラント」）の各ケースについて、発生した音波（加工騒音）の周波数分析結果を示している。

図４に示すように、加工の進行とともに工具の摩耗が進行すると、特定の周波数帯域（図４では、８００Ｈｚ〜１．２５ｋＨｚ）の音圧レベルが正常加工時の音圧レベルよりも明らかに増加するという事実が確認できた。また、この周波数帯域は主軸５の回転周波数（１６６．７Ｈｚ）と異なっていることも特徴である。そこで前記特定の周波数範囲を音圧レベル計測手段５内のバンドパスフィルタ５０４の周波数帯域として予め設定することにより、音圧レベル計測手段５は特徴的な特性を有する特定の周波数範囲に含まれる音波信号の音圧レベルのみ計測することができる。

次に、信号処理手段６内での動作について図３に基づいて説明する。信号処理手段６は音圧レベル計測手段５が計測した音圧レベル計測値を入力する。音圧レベル比較部６０１は音圧レベル閾値記憶部６０２に記憶されている音圧レベル閾値と音圧レベル計測値とを比較する。なお、前記音圧レベル閾値は、前述の図４に示した特性に基づいて予め音圧レベル閾値記憶部６０２に設定しておく値である。即ち、８００Ｈｚ〜１．２５ｋＨｚ範囲で摩耗加工時の音圧レベルと正常加工時の音圧レベルの中間の値を音圧レベル閾値とすればよい。

音圧レベル比較部６０１での比較の結果、音圧レベル計測値が音圧レベル閾値以上の大きさであるときには、音圧レベル比較部６０１は閾値以上の音圧レベルを検出したことを示す音圧レベルアラーム信号を積算カウンタ部６０３に出力する。積算カウンタ部６０３は音圧レベル比較部６０１が音圧レベルアラーム信号を出力した回数をカウントする。なお、工具異常検出装置２の動作開始直後、及び工具異常検出装置２の初期リセット直後は積算カウンタ部６０３が保持する前述のカウント値は０にクリアされている。

判定部６０４は、積算カウンタ部６０３がカウントした音圧レベルアラーム信号の出力回数と、積算回数閾値設定部６０５に予め設定してある積算回数閾値とを比較し、音圧レベルアラーム信号の出力回数が積算回数閾値以上に達したときは異常状態であると判定し、工具異常検出信号を表示部６０６、記録部６０７及びＮＣ装置７と情報連絡装置８とに出力する。判定部６０４が工具異常検出信号を出力すると、表示部６０６は工具異常検出信号が発生する直前の特定時間範囲分（例えば直前１０分間分）の音圧レベルの値を表示するとともに、工具異常状態を検出したことを通知するメッセージを表示する。一方、記録部６０７は、工具異常検出信号が発生する直前の特定時間範囲分の音圧レベル計測値を記録部６０７内の図示していない記憶媒体に記録する。作業員は表示部６０６に表示した音圧レベル計測値に基づいて、工具異常を直ちに認識することができる。また、記録部６０７内の記憶媒体に記録した音圧レベル計測値は、工具異常発生後に行う工具異常発生原因の調査分析に活用できる。

以上のように実施の形態１による工具異常検出装置は加工時に発生する音波信号の内、砥石など工具の摩耗に伴い増大する特定の周波数帯域の音波信号の音圧レベルに基づいて工具の異常判定を行うため、ノイズなどの外乱による影響を受けずに工具異常を検出できる。この為、工具異常検出の確実性を増すために検出の閾値（音圧レベル閾値）を上げた場合でも、工具異常を見逃してしまう検出不良を回避できる。また、検出の閾値（音圧レベル閾値）を下げた場合でも異常検出の誤認をする可能性が低いため、工具異常を高感度に検出できる。また、音圧レベル計測手段５内のバンドパスフィルタ５０４で抽出した音波信号の音圧レベルを比較するため、音波信号の周波数全域の周波数分析による異常検出手順よりも速く異常判定が可能であり、被削材への不具合発生および被害拡大を回避できる。

なお、以上の説明では、情報連絡装置８は携帯電話による自動電話機能を有する場合を示したが、これに限るものではなく構内ＬＡＮもしくはインターネット経由で電子メール等を自動送信する機能を備えても良い。

また、電着砥石からなる工具を用いて、被削材であるガラスを加工する場合を例に説明したが、本発明はこれに限るものではなく、他の素材による被削材を電着砥石以外の工具を用いて加工する加工機に対しても、本発明の工具異常検出装置及び工具異常検出システムを適用することが可能である。

実施の形態２．
実施の形態１では、加工作業時に発生する音波信号の特定の周波数範囲の音圧レベルに基づいて工具の異常検出を行うようにしたが、主軸１０１を駆動回転させる主軸モータ１０２に流れる電流の大きさが予め設定した閾値よりも大きくなった時にも工具異常が発生したものと判定することもできる。実施の形態２では、加工作業時に発生する音波信号の音圧レベルと、主軸モータ１０２に流れる電流（以下モータ電流という）値とに基づいて工具異常の検出を行うようにしたものである。

図５は本発明の実施の形態２による工具異常検出装置を含む工具異常検出システムの構成図である。図５において、図１と同一、もしくは対応する部分には同一符号を付し、説明を省略する。

工具異常検出装置２内に設けた電流計測手段９は、主軸モータ１０２のモータ電流を測定する。測定した電流値（以下モータ電流計測値と記す）は工具異常検出装置２内の信号処理手段６に入力される。信号処理手段６は音圧レベル計測手段５から入力した音圧レベル計測値と電流計測手段９から入力したモータ電流計測値に基づいて、工具異常の検出を行う。

図６は実施の形態２における信号処理手段６の構成を示す図である。図６に基づいて、信号処理手段６の動作を説明する。図６において、図３と同一、もしくは対応する部分には同一符号を付し、説明を省略する。
信号処理手段６は音圧レベル計測手段５が計測した音圧レベル計測値と電流計測手段９が計測したモータ電流計測値を入力する。音圧レベル計測値は、実施の形態１と同様に、音圧レベル比較部６０１において音圧レベル閾値記憶部６０２に記憶されている音圧レベル閾値と比較され、音圧レベル計測値が音圧レベル閾値以上の大きさであるときには、音圧レベル比較部６０１は閾値以上の音圧レベルを検出したことを示す音圧レベルアラーム信号を積算カウンタ部６０３に出力する。

一方、モータ電流計測値は、モータ電流値比較部６０８においてモータ電流閾値記憶部６０９に記憶されているモータ電流閾値と比較され、モータ電流計測値がモータ電流閾値以上の大きさであるときには、モータ電流値比較部６０８は閾値以上のモータ電流値を検出したことを示すモータ電流アラーム信号を積算カウンタ部６０３に出力する。

積算カウンタ部６０３は音圧レベル比較部６０１及びモータ電流値比較部６０８が出力する音圧レベルアラーム信号又はモータ電流アラーム信号の出力回数をカウントする。カウントアップは音圧レベルアラーム信号、モータ電流アラーム信号のいずれかが出力された際に行う。なお、工具異常検出装置２の動作開始直後、及び工具異常検出装置２の初期リセット直後は積算カウンタ部６０３が保持する前述のカウント値は０にクリアされている。

判定部６０４は、積算カウンタ部６０３がカウントした出力回数と、積算回数閾値設定部６０５に予め設定してある積算回数閾値とを比較し、音圧レベルアラーム信号の出力回数とモータ電流アラーム信号出力回数の和が積算回数閾値以上に達したときは工具異常状態であると判定し、工具異常検出信号を表示部６０６、記録部６０７及びＮＣ装置７と情報連絡装置８とに出力する。表示部６０６は工具異常検出信号に基づいて、工具異常検出信号が発生する直前の特定時間範囲分の音圧レベル計測値及びモータ電流計測値を表示するとともに、工具異常状態を検出したことを通知するメッセージを表示する。一方、記録部６０７は、工具異常検出信号が発生する直前の特定時間範囲分の音圧レベル計測値及びモータ電流計測値を記録部６０７内の図示していない記憶媒体に記録する。作業員は表示部６０６に表示した音圧レベル計測値及びモータ電流計測値に基づいて、工具異常を直ちに認識することができる。また、記録部６０７内の記憶媒体に記録した音圧レベル計測値及びモータ電流計測値は、工具異常発生後に行う工具異常発生原因の調査分析に活用できる。

図７は、音圧レベルアラーム信号とモータ電流アラームを個別にカウントする積算カウンタ部６０３を備えた工具異常検出装置２を用いて、ガラスを電着砥石で加工した際に発生した各アラームの発生頻度を加工時間に対して示した実験データ例である。本実験例では加工初期は音圧レベルによるアラーム発生回数が多いのに対し、加工の進行とともに主軸モータ電流のアラーム発生回数が増加しているのがわかる。

本発明によれば、工具や砥石の摩耗に伴い増大する特定の周波数帯域の音圧レベルと工具や砥石の摩耗に伴い増大する主軸モータ電流で工具の異常判定を行うため、音圧レベルのみで工具異常を検出するよりもさらに精度良く工具異常の検出が行える。工具異常判定の設定閾値を高めに設定して、外乱による異常検出の誤認を回避し、監視項目を音圧レベルとモータ電流値の２種類とすることにより設定閾値の高めによる工具異常検出感度の低下を回避することもできる。

なお、実施の形態２の積算カウンタ部６０３は、音圧レベルアラーム信号、モータ電流アラーム信号のいずれかが出力された回数をカウントし、判定部６０４は積算カウンタ部６０３がカウントした出力回数に基づいて工具異常検出信号を発生するようにしたが、積算カウンタ部６０３が、音圧レベルアラーム信号の出力回数とモータ電流アラーム信号の出力回数を個別にカウントし、判定部６０４は音圧レベルアラーム信号の出力回数、又はモータ電流アラーム信号の出力回数のいずれかが、所定の回数以上になった時に工具異常検出信号を発生するようにしてもよいし、両方の出力回数が所定の回数以上になった時に工具異常検出信号を発生するようにしてもよい。また、積算カウンタ部６０３は音圧レベルアラーム信号とモータ電流アラームの両方を検出した時にカウントアップするようにしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態１では、工具異常判定を行う際の音圧レベル計測値と音圧レベル閾値の比較においては、音圧レベル閾値として一つの閾値を用いて行ったが、これに対して、加工の進行とともに閾値の大きさを変動させて行うことが考えられる。実施の形態３では、加工時間に応じて閾値の大きさを変動させて、工具異常検出を行うようにしたものである。

実施の形態３の工具異常検出システムの全体構成は実施の形態１と同じで、図１に示すとおりであるので、信号処理手段６の構成のみ図８に示す。以下、図８に基づいて、信号処理手段６の動作を説明する。なお、図８において、図３と同一、もしくは対応する部分には同一符号を付し、説明を省略する。

実施の形態３では、音圧レベルと比較する閾値として２つの閾値、音圧レベル閾値（１）と音圧レベル閾値（２）を使用する。音圧レベル閾値（１）は音圧レベル閾値（１）記憶部６１０に、音圧レベル閾値（２）は音圧レベル閾値（２）記憶部６１１に予め記憶されている。また、設定時間（１）記憶部６１２及び設定時間（２）記憶部６１３には、音圧レベル閾値（１）を適用する時間を示す設定時間（１）、及び音圧レベル閾値（２）を適用する時間を示す設定時間（２）がそれぞれ記憶されている。

設定時間管理部６１４は、加工開始時点からの経過時間を計測する図示していないタイマーを有しており、加工経過時間を管理する。設定時間管理部６１４は設定時間（１）記憶部６１２及び設定時間（２）記憶部６１３から設定時間（１）及び設定時間（２）を読み出し、加工経過時間と比較する。そして、加工経過時間が設定時間（１）に達するまでは、閾値として音圧レベル閾値（１）を適用し、設定時間（１）以降、設定時間（２）までは閾値として音圧レベル閾値（２）を適用するように音圧レベル閾値設定部６１５に指示する。

音圧レベル閾値設定部６１５は前記指示に基づき、加工経過時間が設定時間（１）に達するまでは、音圧レベル閾値（１）記憶部６１０から音圧レベル閾値（１）を取り出し、音圧レベル閾値として音圧レベル閾値（１）を設定する。そして、加工経過時間が設定時間（１）以降、設定時間（２）までは、音圧レベル閾値（２）記憶部６１１から音圧レベル閾値（２）を取り出し、音圧レベル閾値として音圧レベル閾値（２）を設定する。

音圧レベル比較部６０１は、音圧レベル閾値設定部６１５から音圧レベル閾値を取り出し、音圧レベル計測値と比較し、音圧レベル計測値が音圧レベル閾値以上のときは音圧レベルアラーム信号を積算カウンタ部６０３に出力する。したがって、音圧レベル計測値は加工経過時間が設定時間（１）までは音圧レベル閾値（１）と比較され、加工経過時間が設定時間（１）以降、設定時間（２）までは、音圧レベル閾値（２）と比較される。そして、音圧レベル計測値が音圧レベル閾値（１）または音圧レベル閾値（２）の値以上のときは音圧レベルアラーム信号を出力する。これ以降の動作は実施の形態１と同様であるので省略する。

図９はガラスを電着砥石で連続加工した時の音圧レベルの推移を、加工開始時から加工が不可能になるまでについて示した計測データ例である。図９からわかるように、加工初期においては音圧レベルが比較的高いが、加工中盤で音圧レベルが低くなり、加工終盤にまた音圧レベルが上昇している。加工初期は工具の振れなどにより音圧レベルが高くなる傾向があると想定され、音圧レベルが高くとも工具異常発生の可能性は低いと考えられる。従って、加工初期の音圧レベル閾値を高めにし、加工途中から音圧レベル閾値を低くするのが理想的と考えられる。

本発明によれば、音圧レベル計測値を音圧レベル閾値と比較する際に、加工経過時間の経過に伴って、音圧レベル閾値の値を切り替えて適用するようにしたので、加工作業の経過に細かく対応でき、さらに精度の良い工具の異常検出が行える。

なお、実施の形態３では、２つの閾値を切り替えて適用するようにしたが、３つ以上の閾値を用いてもよく、これによりさらに細かい設定が可能となる。

また、実施の形態３では、音圧レベルによる工具異常検出を行ったが、主軸モータ電流による工具異常検出においても、複数の閾値を切り替えて適用することが可能である。図１０は図９に示した測定データと同時に測定した連続加工時の主軸モータ電流の推移を示す。図１０からわかるように、主軸モータ電流は、加工初期が低く、加工中盤でモータ電流が高くなり、加工終盤でモータ電流は低くなっている。したがって、モータ電流についても音圧レベルの場合と同様に、モータ電流閾値を複数設け、加工経過時間に伴って、閾値を切り替えて適用することが効果的である。図１０の例では、加工初期のモータ電流閾値を低めにし、加工中盤でモータ電流閾値を高めにし、加工終盤にモータ電流閾値を低めにするのが理想的と考えられる。

本発明の実施の形態１による工具異常検出システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による工具異常検出装置内の音圧レベル計測手段の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による工具異常検出装置内の信号処理手段の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による加工機で発生する音の音圧レベルの周波数分布を示す図である 本発明の実施の形態２による工具異常検出システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態２による工具異常検出装置内の信号処理手段の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２による加工作業時におけるアラーム発生頻度の推移を示す図である。 本発明の実施の形態３による工具異常検出装置内の信号処理手段の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３による加工機で発生する加工騒音の音圧レベルの時間推移を示す図である 本発明の実施の形態３による加工機の主軸モータ電流の時間推移を示す図である

符号の説明

１・・・・ 加工機
２・・・・ 工具異常検出装置
４・・・・ 音波入力手段
５・・・・ 音圧レベル計測手段
６・・・・ 信号処理手段
７・・・・ ＮＣ装置
８・・・・ 情報連絡装置
９・・・・ 電流計測手段
６０１・・ 音圧レベル比較部
６０２・・ 音圧レベル閾値記憶部
６０３・・ 積算カウンタ部
６０４・・ 判定部
６０５・・ 積算回数閾値設定部
６０６・・ 表示部
６０７・・ 記録部
６０８・・ モータ電流比較部
６０９・・ モータ電流閾値記憶部
６１０・・ 音圧レベル閾値（１）記憶部
６１１・・ 音圧レベル閾値（２）記憶部
６１２・・ 設定時間（１）記憶部
６１３・・ 設定時間（２）記憶部
６１４・・ 設定時間管理部
６１５・・ 音圧レベル閾値設定部

Claims (8)

1. 加工機が加工中に発生した音波を入力する音波入力手段と、前記音波入力手段で得られた音波信号から予め設定した周波数帯域の音波信号を抽出するバンドパスフィルタを有し、前記抽出した音波信号の音圧レベルを計測する音圧レベル計測手段と、前記計測した音圧レベルを予め設定した音圧レベル閾値と比較し、前記計測した音圧レベルが前記音圧レベル閾値以上である時に工具異常検出信号を出力する信号処理手段とを備えていて、加工初期の音圧レベル閾値を高めにし、加工途中から音圧レベル閾値を低くすることを特徴とする工具異常検出装置。
2. 信号処理手段は、計測した音圧レベルを予め設定した音圧レベル閾値と比較し、前記音圧レベルが前記音圧レベル閾値以上である回数が予め設定した回数以上になった時に工具異常検出信号を出力することを特徴とする請求項１記載の工具異常検出装置。
3. 加工機の主軸を駆動回転させる主軸モータに流れる電流を測定する電流計測手段を設け、信号処理手段は、前記電流計測手段で得られた電流値を予め設定した電流閾値と比較し、前記電流値が前記電流閾値以上である時に工具異常検出信号を出力することを特徴とする請求項１または２記載の工具異常検出装置。
4. 信号処理手段は、計測した電流値を予め設定した電流閾値と比較し、前記電流値が前記電流閾値以上である回数が予め設定した回数以上になった時に工具異常検出信号を出力することを特徴とする請求項３記載の工具異常検出装置。
5. 信号処理手段は、複数個の閾値を加工時間とともに切り替えて電流レベル閾値とすることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の工具異常検出装置。
6. 電流レベル閾値は、加工初期の閾値を低めにし、加工中盤で閾値を高めにし、加工終盤に閾値を低めにすることを特徴とする請求項５に記載の工具異常検出装置。
7. 加工機は電着砥石からなる工具を有し、バンドパスフィルタに予め設定する周波数帯域を８００Ｈｚ〜１．２５ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の工具異常検出装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の工具異常検出装置を備え、前記工具異常検出装置における信号処理手段が出力する工具異常検出信号に基づいて加工機を制御する制御手段を備えたことを特徴とする工具異常検出システム。

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