JP4919999B2

JP4919999B2 - 工具寿命検出方法および工具寿命検出装置

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Publication number: JP4919999B2
Application number: JP2008075778A
Authority: JP
Inventors: 優作宮本; 智明中筋; 恭平飯田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: JP2009226551A

Description

本発明は、機械加工に使用する工具の寿命を正確に検知することができる工具寿命検出方法および工具寿命検出装置に関するものである。

切削加工において使用する工具は、その個体差により折損までの寿命バラツキが大きいため、平均的な寿命を目安として一定の加工数で交換するという寿命管理方法では、平均的な寿命に比して短い工具であった場合は加工性能の低下により製品不良が発生する場合があり、平均的な寿命に比して長い工具であった場合は寿命到達前に交換してしまうことによるロスコストがそれぞれ問題となる。また、部品加工数１個ずつについて工具の摩耗や欠損の状態観察を行い寿命判定する方法は、生産性の低下につながるため実用的ではない。

これに対し、機械加工における工具の摩耗や欠損などを直接観察することなく、工具の寿命を検出する従来の工具寿命検出方法として、主軸モータの電力、動力、トルク、電流値などをリアルタイムで測定し、基準値と比較することで工具寿命を判定する方法がある。
一例として、１部品の加工に係る主軸モータの最大消費電力もしくは電力振動振幅値を測定し、基準値と比較して工具の寿命を判定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、別の例では、主軸モータにおける１部品の加工に係る累計消費電力量と基準消費電力量とを比較して、工具の寿命を判定する方法が開示されている。また、累積消費電力量は、加工していない空転している時に消費される電力相当分を除いて比較している。さらに、その基準消費電力量は新品工具で加工した１つ目の部品加工データを使用している（例えば、特許文献２参照）。
特開平６−３２０３９６号公報特開２００５−２２０５２号公報

従来の工具寿命検出方法は、加工による負荷を主軸モータの累積電力量や動力または電力などの絶対値に対して、一定の閾値を設定しその値を超えたことにより工具の寿命判定を行っているため、加工機内に発生する突発的な振動、工具の製造バラツキによる工具寿命の違い、温度などの使用環境の変化、変動に対しては正確に工具寿命を判定できないという問題点があった。
また、工具による加工中に、リアルタイムでの測定値を基準値と比較した場合、工具寿命とは関係のない突発的な外乱で工具寿命と判定してしまう可能性があり、正確に工具の寿命を判定することができなかった。

また、新品工具の初期状態を基準値（基準消費電力量）とすることで工具の製造バラツキは反映できるが、初期状態のみで工具寿命が決定できるものではなく、寿命判定には十分ではなかった。すなわち、工具のバラツキや環境の違い等により基準値に対する寿命比率が工具によって変わるため、正確な検知ができないという問題点があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、工具が寿命に達する前の事前予知を行い、工具の寿命を高い信頼性をもって判定できる工具寿命検出方法及び工具寿命検出装置を提供することを目的としている。

この発明に係わる工具寿命検出方法は、一つの被加工物を工具によって加工中に、加工に要する上記工具への負荷値を、第一の時間帯と第二の時間帯において測定するステップ、上記第一の時間帯と上記第二の時間帯における上記負荷値のデータを比較して得られた値を基に上記工具の寿命を判定するステップを含むものである。

また、この発明に係わる工具寿命検出装置は、被加工物を工具によって加工する際に、加工に要する上記工具への負荷値を測定する測定部、一つの上記被加工物を加工する第一の時間帯と第二の時間帯における上記負荷値の最大値を各々算出する負荷値演算部、上記負荷値演算部で得た二つの上記負荷値の最大値の差分値を算出し、上記差分値がある所定値を超えた場合に上記工具が寿命であると判定する比較判定部を備えたものである。

この発明の工具寿命検出方法によれば、１つの被加工物を加工中に、加工に要する負荷値を異なる時間帯に測定して比較するため、加工中における加工現象の変化を捉えることができ、工具の寿命判定を正確に行うことができる。

また、この発明の工具寿命検出装置によれば、負荷値演算部において一つの被加工物を加工する第一の時間帯と第二の時間帯における負荷値の最大値を各々算出でき、比較判定部において、負荷値演算部で得た二つの上記負荷値の最大値の差分値を算出し、上記差分値がある所定値を超えた場合に上記工具が寿命であると判定するため、加工中における加工現象の変化を捉えることができ、工具の寿命判定を正確に行うことができる。

実施の形態１．
本発明について、まず、その概要から説明する。
この発明の工具寿命検出方法は、一つの被加工物（部品）を工具によって加工中に、加工に要する工具への負荷値を、第一の時間帯と第二の時間帯において測定するステップ、第一の時間帯と第二の時間帯における負荷値のデータを比較して得られた値を基に工具の寿命を判定するステップを含んでいる。第一の時間帯と第二の時間帯では、第一の時間帯の方が過去の時間帯を指し、第一の時間帯と第二の時間帯は、連続して設定される場合と不連続に設定される場合がある。

一つの部品を工具によって加工する加工時間内において、切り込みを開始する加工開始直後の時間帯と、それ以降の時間帯では、加工現象が変化している（加工現象の変化の詳細については後述する。）。本発明ではその加工現象の変化に着目し、加工開始直後を第一の時間帯、それ以降を第二の時間帯として加工現象の変化を比較したデータを基に工具寿命判定を行う。負荷値で見た加工現象の変化は、外乱の影響よりも顕著に発現するため、高精度に寿命判定を行うことができる。

さらに、この発明の工具寿命検出方法は、上記のような検出方法において、例えば、第一の時間帯に連続するように第二の時間帯が設定さる。ここで、第一の時間帯と第二の時間帯は、負荷値を計測する所定時間帯を２分割した時間帯とすることができる。また、負荷値を計測する所定時間帯を３つ以上の時間帯に設定し、加工初期となる第一の時間帯と、その第一の時間帯に連続する（あるいは不連続である、次の時間帯の）第二の時間帯における負荷値のデータを比較して工具寿命の判定に用いることも可能である。なお、負荷値を計測する所定時間帯を等分割して第一、第二の時間帯等を設定する場合について示したが、等分割以外の分割の仕方を採用することも可能であり、工具や被加工物の種類や特徴に応じて、その加工現象を基に時間帯の設定をすることが可能である。

また、この発明の工具寿命検出方法は、上記のような検出方法において、負荷値は、工具を駆動させる駆動手段の電流値、電力値、トルク値、動力値、回転角速度のうちのいずれかであり、例えば、工具がドリルである場合、ドリルによる穴あけの際に、ドリルを駆動させる駆動手段の電流値を計測することで、工具寿命の判定のためのデータを得ることが可能となる。

なお、加工に要する工具への負荷値は、工具を駆動させる駆動手段の電流値等とする以外に、工具を固定して、被加工物を駆動させる場合には、被加工物を駆動させる駆動手段の負荷値を計測することが可能であり、部品加工の形態に応じて、負荷値の測定の仕方を変えることが可能である。また、駆動手段にかかる負荷値を計測する以外に、工具または被加工物自体にかかる負荷値を計測する方法を採用することも一つの案として可能であることは言うまでもない。

さらに、この発明の工具寿命検出方法は、上記のような検出方法において、工具の寿命を判定するために用いる負荷値のデータは、第一の時間帯と第二の時間帯において各々得られた負荷値の最大値とすることによって、加工現象の変化を捉えるものである。

また、この発明の工具寿命検出方法は、上記のような検出方法において、第一の時間帯と第二の時間帯において各々得られた負荷値の最大値の差分値が、ある所定値を超えた場合に工具が寿命であると判定することで、正確に工具寿命を検出することが可能となるものである。

この発明の工具寿命検出装置は、被加工物を工具によって加工する際に、加工に要する工具への負荷値を測定する測定部、一つの上記被加工物を加工する第一の時間帯と第二の時間帯における負荷値の最大値を各々算出する負荷値演算部、負荷値演算部で得た二つの負荷値の最大値の差分値を算出し、差分値がある所定値を超えた場合に工具が寿命であると判定する比較判定部を備えたものである。

また、この発明の工具寿命検出装置は、比較判定部において、工具が寿命であると判断された場合、工具の寿命検出を知らせる信号を出力する出力部を備えたものである。

以下、本発明の実施の形態１である工具寿命検出方法と、この方法を実施するために用いる工具寿命検出装置について詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態１における被加工物、工具、および工具寿命検出装置の構成を示す構成図、図２は、工具の一例であるドリルの切れ刃の部分拡大斜視図であり、図２（ａ）は新品のドリル１０３ａの切れ刃を、図２（ｂ）は、交換時期に達したドリル１０３ａの切れ刃を示している。工具が新品である場合は、切れ味が良く、加工負荷が小さいが、工具が交換時期に達すると、切れ刃のエッジが磨耗して丸みを帯び、部分的に欠損が発生して凹凸部分が生じるため、切れ味が悪く、加工負荷（特に加工開始時）が大きくなるという加工現象が見られる。

図３は図１に示した工具寿命検出装置の信号処理装置の構成を示すブロック図、図４はドリルによる穴あけ加工において図１の信号処理装置に入力される電流値データの一例を示す図であり、工具寿命到達段階におけるデータを示している。図５は図３に示した信号処理装置による工具寿命検出方法を示したフローチャート、図６は最大電流差分値と加工部品数の関係を示した図である。また、図７に、工具使用初期段階での信号処理装置に入力された電流値データを、図８に工具使用中期段階での電流値データを、図９に工具折損時での電流値データをそれぞれ例示する。

図１において、工具１０３はホルダ１０４とベアリング１０５を介して主軸１０６に取り付けられ、この主軸１０６は駆動手段としての主軸モータ１０７により駆動回転される。そして、工具１０３は主軸モータ１０７により駆動回転しつつ、図示しない駆動軸によって工具１０３を加工機テーブル１０１に載置された被加工物１０２に接近、接触させることで被加工物１０２を除去加工するものである。そして工具寿命検出装置は、主軸モータ１０７に流れる電流値を、被加工物１０２の加工中における負荷値としてリアルタイムに測定する電流計１０８（測定部）と、１部品に対する加工時間を２つの時間領域（時間帯）に分け、各時間領域における電流計１０８にて測定された電流値の最大値どうしの差分値を基準差分値と比較することで工具１０３の寿命判定を行い、工具１０３の交換信号を出力する信号処理装置１０９を構成として備えている。

なお、負荷値としては、上述したように、工具を駆動させる主軸モータ１０７（駆動手段）の電流値、電力値、トルク値、動力値、回転角速度のいずれか少なくとも１つを測定して行うことが可能であり、ここでは電流値を用いて説明するが、この負荷値は、加工方法に応じてそれぞれ適切となるものを設定することができる。また、この工具寿命検出装置は、例えば信号処理装置１０９の寿命検出の出力信号を受信して工具１０３を停止させるＮＣ装置１１０を備えている。ＮＣ装置１１０によって工具１０３を停止させる以外に、信号処理装置１０９の出力信号を受けて寿命を検出したことを表示する表示装置を作動させたり、音による表示としてアラームを用いて作業者に知らせる構成とすることも可能である。

そして信号処理装置１０９は、図３に示すように、データ記憶部２０１、時間領域分割処理部２０２、時間領域内最大値演算部２０３、差分値演算部２０４、基準差分値記憶部２０５、比較判定部２０６、データ記録部２０７、データ表示部２０８を備え、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発メモリ、入力装置、出力装置、ハードディスクなどとこれらを動作させるプログラムソフトにて構成され、電流計１０８からの電流信号を図示しないＡ／Ｄ変換器で変換されたデジタル信号で演算処理し、工具寿命を検出すると工具交換要求信号を出力する。

ここで、電流計１０８は、加工に要する工具１０３への負荷値を測定する測定部である。また、一つの部品を加工する第一の時間帯と第二の時間帯において測定した負荷値の最大値を各々算出するための負荷値演算部は、電流計１０８からの負荷値データの信号を記憶するデータ記憶部２０１、データ記憶部２０１のデータを取り込んで、負荷値データを計測した時間領域内に、第一の時間帯と第二の時間帯を設定する（時間領域の分割処理を行う）時間領域分割処理部２０２、データ記憶部２０１と、時間領域分割処理部２０２から、それぞれ負荷値データと、第一、第二の時間帯の設定データを取り込み、第一、第二の時間帯において負荷値の最大値を各々得る時間領域内最大値演算部２０３によって主に構成される。

さらに、負荷値演算部で得た二つの負荷値の最大値の差分値を算出し、その差分値がある所定値を超えた場合に工具が寿命であると判定する比較判定部は、時間領域内最大値演算部２０３から得た二つの負荷値の最大値のデータから差分値を算出する差分値演算部２０４、寿命判定に用いる基準差分値（この値を超えたら寿命であると判断するための閾値）を記憶する基準差分値記憶部２０５、差分値演算部２０４と基準差分値記憶部２０５からのデータを取り込んで、両者を比較して工具が寿命であるか否かを判定する寿命判定部２０６によって主に構成される。
また、上記の構成以外に、寿命判定部２０６において判定された結果を記憶するデータ記憶部２０７、その結果を表示するデータ表示部２０８、その他、寿命判定部２０６の判定結果を信号処理装置１０９の外部に出力するための構成を含めて信号処理装置１０９が構成されている。

以下、上記のように構成された工具寿命検出装置を用いた工具寿命検出方法の実施の形態１について、図４の主軸モータ電流値の加工時間依存性測定結果および図５のフローチャートに基づいて説明する。
第１に、ドリルによる穴あけ加工を例にとり、加工時間を加工開始から順に時間領域１（第一の時間帯）と時間領域２（第二の時間帯）の２つに分割する場合における各時間領域内最大値の算出方法および工具寿命判定の手順を説明する。
この例における工具１０３は直径８．３ｍｍのドリル、被加工物（被削材）１０２は厚さ１００ｍｍの鉄材であり、工具１０３の回転数は３８００ｒｐｍ、送り速度は６００ｍｍ／ｍｉｎである。まず、工具１０３を主軸モータ１０７により回転させると、主に主軸１０６とベアリング１０５の摩擦によって回転数に応じた空転時負荷が発生し図４に示す電流値Ａ０が出力される。この際、主軸１０６の回転開始時には慣性力により非常に大きな負荷電流値が出力される場合があるが、これは工具寿命と無関係であるため後述の演算から除外する。

次に、被加工物１０２に対し回転している工具１０３を一定の送り速度で接近させ、接触させると切削抵抗により発生するねじりトルクが重畳され電流値は増加する。接触後、工具１０３の送り速度を変化させずに加工を進め、穴あけが完了して工具１０３の移動を停止させると電流値は減少する。このとき、図４に示すように、被加工物１０２と工具１０３が接触する際、予め設定された閾値である加工開始電流値Ａ１を上回った時点を加工開始時刻Ｔｘ、加工穴が貫通もしくは工具１０３の移動停止により加工開始電流値Ａ１を下回った時点を加工終了時刻Ｔｙと定義し、時間領域分割数Ｎ＝２の場合、Ｔｘ−Ｔｙの中間の時刻を領域分割時刻Ｔｚとして時間領域の分割を行う。

Ｔｘ−Ｔｚとなる第一の時間帯は、判定負荷時間領域Ｓ１に相当し、Ｔｚ−Ｔｙとなる第二の時間帯は、参照負荷時間領域Ｓ２に相当する。なお、先述したように、時刻Ｔｚは厳密にＴｘとＴｙの中間である必要はなく、工具寿命が判定できる限りにおいて任意に選択可能である。また、加工開始電流値Ａ１は、空転時の電流値よりも大きく、かつ切削加工時（切削に到っていない、部品と工具との初期接触時や、切削後のドリル抜き去り時を除く加工時）の最小電流値よりも小さい範囲で任意に設定できる。

そして、時間領域Ｓ１、Ｓ２における最大電流値Ａ（Ｔ１）、Ａ（Ｔ２）を各々求め、それらの差分値である最大電流差分値ΔＡｍを計算する。そして最大電流差分値ΔＡｍが予め設定されている所定値である基準差分値ΔＡｓよりも大きくなった場合に、工具１０３の寿命を検出したと判定し、工具交換要求信号を出力する。

第２に、上記の工具寿命検出方法を実現するためのフローチャートについて、図５を参照して説明する。
まず、主軸モータ１０７が回転を始めると、ステップＳ１に示すように、加工開始電流値Ａ１および時間領域分割数Ｎが時間領域分割処理部２０２に、判定負荷時間領域Ｓ１、参照負荷時間領域Ｓ２、および基準差分値ΔＡｓが寿命判定部２０６にそれぞれ設定される。なお、これらの設定は、加工スタート前に行ってもよいことは言うまでもない。また、ステップＳ２に示すように、加工が開始されると同時に電流計１０８による計測が始まり、データ記憶部２０１への電流値データ書き込みが開始される。

加工開始電流値Ａ１は、工具１０３による加工の開始時刻Ｔｘと終了時刻Ｔｙを求めるための閾値であり、先述のように空転時の電流値よりも大きく、かつ切削加工時の最小電流値よりも小さい範囲で任意に設定できる。時間領域分割数Ｎは、対象工具による加工時間をいくつに分割するかを表す値であり、この実施の形態１ではＮ＝２とするが、実施の形態２で後述するようにＮ≧３が工具寿命判定に有効となる場合もある。判定負荷時間領域Ｓ１および参照負荷時間領域Ｓ２は、先に分割した時間領域のうち、工具寿命判定に用いる二つの時間領域（時間帯）を指定したものであり、基準差分値ΔＡｓは寿命判定の基準となる所定値を設定するものである。本実施の形態においては、基準差分値ΔＡｓは４（Ａ）と設定する。また、電流値データは一定の時間（本実施の形態では０．１６秒）ごとに記録しており、電流値データの個数を時間に換算することができる。

次に、工具１０３が被加工物１０２に接近し、接触すると負荷電流値が上昇する。ここで、電流計による測定電流値Ａｉが加工開始電流値Ａ１を上回った時点を加工開始時刻Ｔｘとしてその時刻を時間領域分割処理部２０２に記録する（図５のステップＳ３、ステップＳ４に相当する）。
続いて、工具１０３を所定の位置まで移動させる間の測定電流値を記録し（図５のステップＳ５に相当する。）、工具１０３の移動を停止させると測定電流値Ａｉは減少し、加工開始電流値Ａ１を下回った時刻を加工終了時刻Ｔｙとしてその時刻を時間領域分割処理部２０２に記録する（図５のステップＳ６、ステップＳ７に相当する）。

次に、加工開始時刻Ｔｘと加工終了時刻Ｔｙの中間の時刻である時間領域分割時刻Ｔｚを、Ｔｚ＝（Ｔｘ＋Ｔｙ）／２として求め、上述したように、Ｔｘ−Ｔｚ間を時間領域１（Ｓ１、第一の時間帯。）、Ｔｚ−Ｔｙ間を時間領域２（Ｓ２、第二の時間帯。）として加工時間を２つの時間領域に分割する。次に、時間領域１および時間領域２について、得られた電流値データのうちそれぞれの時間領域での最大値Ａ（Ｔ１）、Ａ（Ｔ２）を読み出す（図５のステップＳ８に相当する。）。ステップＳ９において、ΔＡｍとΔＡｓを比較して、Ａ（Ｔ１）とＡ（Ｔ２）の差分値ΔＡｓが、ある所定値ΔＡｍより小さい場合はステップＳ１０へ進んで、次の部品の加工も継続して行うように移行し、ΔＡｍがΔＡｓを上回る場合はステップＳ１１へ進み、次の部品の加工を行わず、工具１０３の交換要求信号や加工機停止信号等を出力する。ここで、所定の設定値ΔＡｓは工具１０３および被加工物１０２の組み合わせや加工条件により変化するため、事前に加工実験によって求めておくことが望ましい。

次に、上述した工具寿命検出方法による工具寿命判定の実際の例について説明する。一本のドリルについて、上記の最大電流差分値ΔＡｍと加工部品数ｎの関係の一例を図６に示す。横軸は加工部品数ｎを、縦軸は各加工部品数における最大電流差分値ΔＡｍを示している。このドリルは、ｎ＝１〜２２８においてはΔＡｍ＝−２〜０（Ａ）と常に小さな値を示しており、ｎ＝２２９〜２４９においてΔＡｍ＝０〜８（Ａ）となり、ｎ＝２５０において折損が発生して、ΔＡｍを計測できなくなっている。
この図６に示すΔＡｍの変化に対し、例えばΔＡｍ＞４（Ａ）となった部品加工数ｎを工具寿命と判定し、加工機を停止するように設定すれば、１≦ｎ≦２４０の範囲においてはΔＡｍ＜４（Ａ）であるため加工が継続され、ｎ＝２４１においてΔＡｍ＝４．１６（Ａ）となって工具交換要求信号が出力され、ドリル折損が発生する前に工具を交換することが可能になる。

また、参考のために、図６における部品加工数ｎ＝２０、２３６、２５０の各段階における主軸モータ電流値の加工時間依存性のデータを図７、図８、図９に示す。図７に示すように、ｎ＝２０である工具使用初期段階では、ドリルの切れ刃の切れ味が良く、安定した負荷値を保ち、加工開始直後に電流値のピーク（図４のＡ（Ｔ１）のようなピーク）が見られない。また、部品加工数ｎ＝２３６である工具使用中期段階では、図８に示すように、加工開始直後の電流値のピークが、図４の場合よりも小さな値として現れる傾向が見られる。さらに、部品加工部品数ｎ＝２５０であるドリル折損時では、加工開始直後にドリル突っ込み時に折損が生じると鋭いピークが現れ、その後は切削加工前の空転時と同じ出力しか見られなくなる。

上記のように行われた実施の形態１の工具寿命検出方法および工具寿命検出装置によれば、１部品の加工中における２つの時間帯での負荷値の差分を寿命判定に用いているため、工具の個体差や外乱の影響を受けずに、工具の寿命を正確に判定できる。さらに、負荷値として電流値を用い、ドリルによる穴あけを対象とした寿命判定を行う場合、工具の摩耗進行により加工開始時の切削抵抗が著しく増加するという実験結果に基づいており、工具の寿命を正確に判定できるという効果がある。

以上のことにより、工具により加工された製品不具合、例えば、被加工物の欠損、面粗さ不良、形状精度不良などの発生頻度を下げることができ、歩留りが向上する。また、工具を寿命に到達するまで使用でき、工具費の削減が可能である。さらに、工具の交換回数が減り、交換に伴う作業費を削減できるという効果が得られる。

なお、一つの部品加工において、複数の時間帯で負荷値の最大値を算出する場合、第一の時間帯の後に連続して第二の時間帯を設定する例を示したが、図４で言うところのＴ１とＴ２の時間を各々含むように、不連続な時間帯を設定しても、寿命判定に必要となる加工開始直後の負荷値のピークを捕らえ、そのピーク後の比較的安定した負荷値を検出することができれば、工具寿命の判定を正確に行うことが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図１０は、本発明の実施の形態１とは異なる条件でドリルの穴あけ加工を行った場合に得られた主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。先述の実施の形態１においては、工具１０３による加工時間を２つの時間領域の分割し、それぞれの時間領域における負荷電流値の最大値の差分値が所定値以上になった場合に工具寿命として判定する手法を用いていた。これに対し、この実施の形態２では、工具１０３による加工時間を３つの時間領域（時間帯）に分割し、過去から順に、時間領域１（第一の時間帯）と時間領域２（第二の時間帯）の最大値の差分が所定値以上になったときに工具の寿命と判定することを特徴としている。ここで最も遅い測定時間帯である時間領域３（第三の時間帯）は、寿命判定に用いないものである。

先述の実施の形態１に示したように、ドリルによる穴あけ加工においては、工具１０３の摩耗の進行に伴って加工開始時の負荷値（主軸モータ電流値）が増加する加工現象が見られるが、ドリルの個体差や被加工物１０２の種類、加工条件などによっては、図１０に示すように工具１０３の磨耗の進行に伴って加工後半の負荷値も次第に増加する傾向が見られる場合がある。このような場合、実施の形態１で示したように、加工時間を２つの時間領域に分割し、それぞれの時間領域における負荷値の最大値の差分値が一定以上になったときを工具寿命として判定する手法では、加工後半の時間帯における負荷値が、図１０のＡ（Ｔ３）の値のように大きくなってしまう。そのため、工具１０３が寿命に達して加工前半の時間帯における負荷値の最大値Ａ（Ｔ１）が実際の工具寿命を裏付ける程度に増加していても、Ａ（Ｔ１）−Ａ（Ｔ３））＜ΔＡｓの関係となり、寿命に達したことを検出できず、寿命判定の精度が低下してしまうという問題が生じる。

そこで、この実施の形態２では、上記の寿命判定精度低下の原因となる加工後期の負荷電流値を判定基準から除外するため、加工時間を加工開始から順に時間領域１、時間領域２、時間領域３の３つに分割し、時間領域１における負荷電流値の最大値と、時間領域２における負荷電流値の最大値を比較し、その差分値が所定値を越えた場合に工具寿命と判定する手法を用いている。なお、時間領域１と時間領域２におけるＴ１、Ｔ２を含む時間帯を設定できれば、複数の時間帯が連続していなくても、時間帯が連続する場合と同様に工具寿命を検出することが可能となる。

以下、本手法の内容について詳細に説明する。
なお、実施の形態２の工具寿命検出装置を構成する信号処理装置１０９は、実施の形態１のものと同様である。
先述のように、工具１０３の摩耗が進行した場合、図１０に示すように１部品に対する穴あけ加工の開始直後と加工後半における電流値が増加する。加工後半の電流値増加は、穴あけの進行に伴う工具１０３と被加工物１０２の接触領域の増加によるものであるが、工具１０３の個体差や加工条件によってばらつきが大きいため制御することが困難である。上述したように、このような工具１０３に対し、実施の形態１と同様に加工時間を時間領域１と時間領域２の２つに分割し、それぞれ時間領域における最大電流値の差分値を基準差分値と比較する寿命判定手法を用いると、それぞれの時間領域における最大電流値の差分値が小さくなるため、寿命判定に必要な感度を満足しない場合がある。

図１０は、一つのドリルで加工した、部品加工数１９１個目のデータである。図１０から分かるように、電流値変化に対し時間領域を加工前半と加工後半の２つに分割した場合、それぞれの時間領域における最大電流値は、Ａ（Ｔ１）＝３１．３５３（Ａ）、Ａ（Ｔ３）＝２９．４５２（Ａ）であり、ΔＡｍ（Ａ（Ｔ１）−Ａ（Ｔ３））＝１．９０１となる。ここで、基準差分値ΔＡｓ＝４（Ａ）とするとΔＡｍ＜ΔＡｓであるため、工具の摩耗は進行しているにも関わらず工具交換要求信号を出力することができず、結果として製品不具合の問題が発生する可能性がある。また、ΔＡｓ＝１程度に小さく設定することで工具交換要求信号の出力は可能になるが、加工後半の電流値増加が顕著でない、例えば実施の形態１のような工具の場合、摩耗が進行する前に交換要求信号を出力することになり、寿命到達前の工具を交換することによるロスコストが発生する。

このような問題を解決するためには、図１０に示すように、加工時間を時間領域１、時間領域２、時間領域３の３つの時間帯に分割することが有効となる。３つの時間領域のうち、工具の摩耗進行を示す時間領域１と安定した加工が行われている時間領域２のみを寿命判定に用い、負荷値のばらつきが大きくなる時間領域３を、寿命判定のデータから除外するため、時間領域１と時間領域２のそれぞれにおける最大電流値Ａ（Ｔ１）＝３１．３５３（Ａ）、Ａ（Ｔ２）＝２６．５９２（Ａ）を抽出でき、最大電流差分値を算出するとΔＡｍ（Ａ（Ｔ１）−Ａ（Ｔ２））＝４．７６１（Ａ）となり、ΔＡｍ＞ΔＡｓの関係を満たすため、部品加工数ｎ＝１９１の段階で、工具１０３の寿命到達を検出でき、工具交換要求信号の出力が可能となる。

図１１に、この実施の形態２の工具寿命検出方法および工具寿命検出装置を用いて最大電流差分値ΔＡｍ（白丸、実線）を算出し、部品加工数ｎとの関係を求めたグラフを示す。ここでは比較のため、実施の形態１に示した工具寿命検出方法によって算出したΔＡｍ（三角、破線）も表示している。実施の形態２に示す工具寿命検出方法によれば、この工具はｎ＝１〜１６５においてはΔＡ＝−４〜０（Ａ）と常に小さな値を示しており、ｎ＝１６６〜１９６においてΔＡｍ＝−１〜７（Ａ）の範囲で上昇傾向を示し、ｎ＝１９７において折損が発生している。

この図に示すΔＡｍの推移に対し、例えばΔＡｍ＞４（Ａ）となった部品加工数ｎを工具寿命と判定し、加工機を停止するように設定すれば、１≦ｎ≦１９０の範囲においてはΔＡｍ＜４（Ａ）であるため加工が継続され、ｎ＝１９１においてΔＡｍ＝４．７６１（Ａ）となって工具交換要求信号が出力され、ドリル折損が発生する前に工具を交換することが可能になる。一方、実施の形態１に示した工具寿命検出方法によって算出したΔＡｍについては、ｎ＜１５５の範囲では実施の形態２と同様の傾向を示すが、１５６≦ｎ≦１９６においてはΔＡｍ＝−４〜４（Ａ）の範囲で上昇傾向は見られるものの実施の形態２の場合と比べてばらつきが大きく、またｎ＝１９１においてもΔＡｍ＝１．９０１であり実施の形態２と比べて寿命判定の感度が低いといえる。これは、図１０に示すように加工後半の電流値が増加し、且つばらつきが大きいために、加工開始時の電流増加との差分値として出力されるΔＡｍが小さく、またばらつきが大きくなった結果である。

また、参考のために、図１１における部品加工数ｎ＝２０、１８２、１９７の各段階における主軸モータ電流値の加工時間依存性のデータを図１２、図１３、図１４に示す。図１２に示すように、ｎ＝２０である工具使用初期段階では、ドリルの切れ刃の切れ味が良く、安定した負荷値を保ち、加工開始直後に電流値のピーク（図１０のＡ（Ｔ１）のようなピーク）が見られない。また、部品加工数ｎ＝１８２である工具使用中期段階では、図１３に示すように、加工開始直後の電流値のピークが、図１０の場合よりも小さな値として現れる傾向が見られ、また加工後半にかけて加工時間とともに次第に負荷値が増大する傾向が見られる。さらに、部品加工部品数ｎ＝１９７であるドリル折損時では、加工開始直後にドリル突っ込み時に折損が生じると鋭いピークが現れ、その後は切削加工前の空転時と同じ出力しか見られなくなる。

以上のことから、この実施の形態２によれば、１部品の加工中における有効な２つの時間帯を選択して負荷値の差分を寿命判定に用いているため、工具の個体差や外乱の影響を受けずに、工具の寿命を正確に判定することができる。さらに、負荷値として電流値を用い、ドリルによる穴あけを対象とした寿命判定を行う場合に、工具の摩耗進行により加工開始時の切削抵抗（負荷値）が著しく増加するという実験結果を基に判定を行っており、工具の寿命を正確に判定することができる。特に、ばらつきが大きく寿命判定に不適な加工後半の負荷値を除去した寿命判定ができるため、時間領域分割数（時間帯数）を増加させても測定の信頼性が低下しない程度に加工時間が長い場合には、一層正確に工具の寿命を判定をすることが可能となる。

なお、上記の例では、負荷値として工具１０３を駆動させる駆動手段の電流値、電力値、トルク値、動力値、回転角速度のうちのいずれかを用いることが可能であることを説明したが、加工に要する工具１０３への負荷値として、工具１０３と被加工物１０２間に負荷が生じた結果として発生する加工音、または温度を採用することも可能であり、実施の形態１または実施の形態２の場合と同様の工具寿命検出方法によって、異なる時間帯において検出した加工音または温度のデータを比較し、そのデータを基に工具寿命を判定することも可能である。

この発明の実施の形態１における、加工機と工具寿命検出装置を示す構成図である。工具の切れ刃の拡大斜視図であり、新品の状態と、寿命到達状態を示す図である。この発明の実施の形態１における、工具寿命検出装置を構成する信号処理装置の構成図である。この発明の実施の形態１の説明に必要な、工具が交換時期に達した場合の、穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。この発明の実施の形態１の工具寿命判定方法を示すフローチャートの図である。この発明の実施の形態１の説明に必要な、一つの工具による穴あけ加工時の、最大電流差分値の加工部品数依存性を示す図である。この発明の実施の形態１の説明に必要な、工具使用初期段階での、穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。この発明の実施の形態１の説明に必要な、工具が寿命に達していない工具使用中期段階での、穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。この発明の実施の形態１の説明に必要な、工具が折損した場合の穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。この発明の実施の形態２の説明に必要な、工具が交換時期に達した場合の、穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。この発明の実施の形態２の説明に必要な、一つの工具による穴あけ加工時の、最大電流差分値の加工部品数依存性を示す図である。この発明の実施の形態２の説明に必要な、工具使用初期段階での、穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。この発明の実施の形態２の説明に必要な、工具が寿命に達していない工具使用中期段階での、穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。この発明の実施の形態２の説明に必要な、工具が折損した場合の穴あけ加工時の、主軸モータ電流値の加工時間依存性を示す図である。

符号の説明

１０１加工機テーブル１０２被加工物、
１０３工具１０３ａドリル、
１０４ホルダ１０５ベアリング、
１０６主軸１０７主軸モータ、
１０８電流計１０９信号処理装置、
１１０ＮＣ装置２０１データ記憶部、
２０２時間領域分割処理部２０３時間領域内最大値演算部、
２０４差分値演算部２０５基準差分値記憶部、
２０６寿命判定部２０７データ記録部、
２０８データ表示部。

Claims

一つの被加工物を工具によって加工中に、加工に要する上記工具への負荷値を、第一の時間帯と第二の時間帯において測定するステップ、上記第一の時間帯と上記第二の時間帯における上記負荷値のデータを比較して得られた値を基に上記工具の寿命を判定するステップを含むことを特徴とする工具寿命検出方法。
上記第一の時間帯に連続するように上記第二の時間帯が設定されたことを特徴とする請求項１記載の工具寿命検出方法。
上記負荷値は、上記工具を駆動させる駆動手段の電流値、電力値、トルク値、動力値、回転角速度のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の工具寿命検出方法。
上記工具の寿命を判定するために用いる上記負荷値のデータは、上記第一の時間帯と上記第二の時間帯において各々得られた上記負荷値の最大値であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の工具寿命検出方法。
上記第一の時間帯と上記第二の時間帯において各々得られた上記負荷値の最大値の差分値が、ある所定値を超えた場合に上記工具が寿命であると判定することを特徴とする請求項４記載の工具寿命検出方法。
被加工物を工具によって加工する際に、加工に要する上記工具への負荷値を測定する測定部、一つの上記被加工物を加工する第一の時間帯と第二の時間帯における上記負荷値の最大値を各々算出する負荷値演算部、上記負荷値演算部で得た二つの上記負荷値の最大値の差分値を算出し、上記差分値がある所定値を超えた場合に上記工具が寿命であると判定する比較判定部を備えたことを特徴とする工具寿命検出装置。
上記比較判定部において、上記工具が寿命であると判断された場合、上記工具の寿命検出を知らせる信号を出力する出力部を備えたことを特徴とする請求項６記載の工具寿命検出装置。