JP4923409B2 - 工具寿命予測装置 - Google Patents

Description

この発明は、旋盤等の工作機械において、加工サイクルを繰り返す場合に、工具寿命を予測する工具寿命予測装置に関する。

従来の工具状態を監視する工具寿命監視手段は、切削負荷を監視し、予め設定したレベルを超えた時点で寿命と判断して機械を止めるシステムであった。
この他に、切削負荷力を検出する検出部の出力から、最新の所定回数の切削加工時における切削負荷の平均値を算出し、前記検出部の出力が前記平均値に対して変動する比率を算出し、この比率を設定値と比較して工具寿命に達したことを検出するものがある（特許文献１）。

上記の各例は、いずれも寿命に達したことを判定するものであり、工具寿命を予測するものとしては、前回のサンプリング時刻から現在までの時刻差と、その間の工具使用回数のカウント値とから、使用の頻度を求め、工具寿命に達する時刻を予測するものが提案されている（特許文献２）。
特開平２−９５５４号公報 特開平１０−２６３９８８号公報

特許文献１などのように寿命に達したことを判定するものでは、いつ寿命に達するかがわからない。
特許文献２に開示のものは、工具が寿命に達する時点の予測が行える。しかし、工具の使用回数から予測を行うものであるため、実際の加工の状況が反映され難く、そのため工具寿命の予測の精度が、今一つ不十分という問題点がある。

この発明の目的は、工具が寿命となる時期の予測を精度良く行える工具寿命予測装置を提供することである。
この発明の他の目的は、簡易な演算で精度良く工具寿命の予測が行えるようにすることである。
この発明のさらに他の目的は、定まった加工サイクルで複数本の工具が使用される場合に、最初に寿命に達する工具を知らせることができ、工具寿命の表示がわかり易いものとすることである。

この発明の工具寿命予測装置は、工具（４）に作用する負荷を検出する負荷検出手段（３３〜３５）と、検出された負荷の統計から、負荷の変化の近似式（ｆ）を生成する近似式生成手段（２６）と、生成された近似式（ｆ）から得られる負荷が設定値となる工具寿命を予測し、予測結果として、同じ加工サイクル（ＳＣ）を続ける場合に、残り何個加工可能であるかを示す予測手段（２７）とを備える。
この構成によると、負荷検出手段（３３〜３５）により検出された負荷の統計から、近似式生成手段（２６）により、負荷の変化の近似式（ｆ）が生成される。予測手段（２７）は、生成された前記近似式（ｆ）を設定値（ＹＥ）と比較することで、工具寿命の予測を行う。工具寿命の予測結果は、同じ加工サイクル（ＳＣ）を続ける場合に、残り何個加工可能であるかを示す。この構成では、加工したワーク個数ではなく、負荷の計測値から近似式（ｆ）を求めて予測を行うため、工具（４）毎の寿命ばらつきや、加工時の温度環境変化等の実際の状況が反映され易く、精度の良い予測が行える。

前記近似式生成手段（２６）は、最新のワーク（Ｗ）から逆上る設定個数のワーク分についての負荷の統計から、前記近似式を生成するものとする。
一般に、工具（４）を新品から使用する場合、使用の初期や中期の頃は負荷の変化が少なく、略一定となり、末期の頃に負荷の変化の率が大きくなる傾向にある。そのため、最新のワーク（Ｗ）からあまり多数個前の負荷検出値は、近似式（ｆ）の生成を困難にするだけであり、精度向上につながらない。したがって、最新のワーク（Ｗ）から逆上る設定個数のワーク分についての負荷の統計から、前記近似式（ｆ）を生成するものとすることで、簡易な演算で精度良く工具寿命の予測が行える。設定個数が少なすぎると、正確な寿命予測が難しいが、設定値を何個にするのが適切であるかは、例えば、実際の運転で経験的に求めても良い。

定まった加工サイクル（ＳＣ）を、複数の工具（４）を用いて行う繰り返し過程において、前記予測手段（２７）による予測の結果、少なくとも最初に寿命を迎える工具（４）について、近似式生成手段（２６）により生成された近似式（ｆ）のグラフを表示装置（２９）の画面（２９ａ）に出力する寿命到達最初工具表示手段（２８）を設けても良い。
複数の工具（４）を用いる場合、最初に寿命に達する工具（４）の寿命時に、工具（４）を新品工具（４）に取り替える段取りが発生する。この段取り時に、寿命に近い他の工具（４）も取り替え、段取り回数の削減を図ることもある。そのため、最初に寿命を迎える工具（４）について近似式（ｆ）のグラフを表示装置（２９）の画面（２９ａ）に出力することで、段取り替えの必要となる時期が分かる。

この発明の工具寿命予測装置は、工具に作用する負荷を検出する負荷検出手段と、検出された負荷の統計から、負荷の変化の近似式を生成する近似式生成手段と、生成された近似式から得られる負荷が設定値となる工具寿命を予測し、予測結果として、同じ加工サイクルを続ける場合に、残り何個加工可能であるかを示す予測手段とを備えるため、工具が寿命となる予測を精度良く行うことができる。加工できるワーク数も予測できるので、使用に便利である。
前記近似式生成手段は、最新のワークから逆上る設定個数のワーク分についての負荷の統計から、前記近似式を生成するものとしたため、簡易な演算で精度良く工具寿命の予測が行うことができる。
定まった加工サイクルを、複数の工具を用いて行う繰り返し過程において、前記予測手段による予測の結果、少なくとも最初に寿命を迎える工具について、近似式生成手段により生成された近似式のグラフを表示装置の画面に出力する寿命到達最初工具表示手段を設けた場合は、工具寿命の表示がわかり易いものとなる。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この実施形態は、旋盤からなる工作機械２を、数値制御式の制御装置１で制御する工作機械システムに適用した例である。
工作機械２は、ワークＷを支持するワーク支持手段３、およびワーク支持手段３に対して相対的に移動を自在に工具４を支持する工具支持手段５を有するものである。ワーク支持手段３は主軸からなり、ベッド１０に設置された主軸台１１に回転自在に支持されている。ワーク支持手段３は、主軸モータ６により、ベルト機構等の伝達機構を介して回転駆動される。主軸モータ６は、エンコーダ６ａを有している。

工具支持手段５は、刃物台１２と、この刃物台１２をベッド１０上に直交２軸方向（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向）に進退自在に支持する送り台１３とからなる。刃物台１２はタレットからなり、外周面における円周方向複数箇所に、工具４を取付ける工具ステーションＳが設けられている。

送り台１３は、ベッド１０上にレール１４を介してワーク支持手段３の軸心方向（Ｚ軸方向）と直交する水平方向（Ｘ軸方向）に進退自在に設置され、Ｘ軸のサーボモータ１５により送りねじ機構１６を介して進退駆動される。タレット刃物台１２は、送り台１３にワーク支持手段１３の軸心方向（Ｚ軸方向）と平行な方向に進退自在に設置されており、送り台１３に搭載されたＺ軸のサーボモータ１７により、送りねじ機構１８を介して進退駆動される。上記各軸のサーボモータ１５，１７は、それぞれエンコーダ１５ａ，１７ａを有する。また、刃物台１２は、送り台１３に搭載された割出用モータ１９によって旋回割出される。

制御装置１は、加工プログラム２１に従って工作機械２を制御するコンピュータ式のものであり、加工プログラム２１を解読して実行する演算制御部２２を有している。演算制御部２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）および所定の制御プログラム等からなる。加工プログラム２２における主軸回転指令は、演算制御部２２で実行され、主軸サーボコントローラ２３を介して主軸サーボモータ６に駆動電流が与えられる。加工プログラム２１におけるＸ軸およびＺ軸方向の移動指令は、演算制御部２２で実行され、それぞれＸ軸サーボコントローラ２４およびＺ軸サーボコントローラ２５を介してＸ軸サーボモータ１５およびＺ軸サーホモータ１７に駆動電流が与えられる。各サーボコントローラ２３〜２５は、それぞれ主軸モータ６のエンコーダ６ａ、Ｘ軸サーボモータ１５のエンコーダ１５ａ、およびＺ軸サーボモータ１７のエンコーダ１７ａの検出値によりフィードバック制御を行うものとされている。

この工具寿命予測装置は、上記構成の工作機械システムにおいて、工具４に作用する負荷を検出する負荷検出手段３３〜３５と、検出された負荷の統計から、負荷の変化の近似式ｆを生成する近似式生成手段２６と、生成された近似式ｆを設定値ＹＥと比較して工具寿命を予測する予測手段２７とを設けたものである。この他に、生成近似式記憶手段３０および判定結果記憶手段３１を設け、また近似式ｆのグラフを表示装置２９の画面２９ａに出力する寿命到達最初工具表示手段２８を設けている。上記近似式生成手段２６、予測手段２７、寿命到達最初工具表示手段２８、生成近似式記憶手段３０、および判定結果記憶手段３１は、制御装置１に設けられている。

負荷検出手段３３〜３５は、それぞれ工具４に作用する負荷を検出する手段であり、このうち、負荷検出手段３３は、主軸モータ６に駆動電流を与える回路に設けられた電流計からなる。負荷検出手段３４，３５は、それぞれＸ軸サーボモータ１５およびＺ軸サーボモータに駆動電流を与える回路に設けられた電流計からなる。
これら負荷検出手段３３〜３５は、必ずしも全て設ける必要はなく、加工の形態、例えば端面加工や外径加工等に応じ、いずれか一つの負荷検出手段３３〜３５を設けたものとしても良い。また、３つの負荷検出手段３３〜３５を、加工の形態に応じて近似式生成手段２６により選択的に使用するものとしても良い。

近似式生成手段２６は、負荷検出手段３３〜３５のいずれかにより検出された負荷の統計から、負荷の変化の近似式ｆ（ｙ＝ｆ（ｘ））を生成する手段である。近似式ｆは、例えば、縦軸を切削負荷ｙとし、横軸をワーク個数ｘまたは時間（ｔ）で示した式である。近似式ｆを導く統計的な手法としては、例えば最少二乗法が採用できる。生成する近似式ｆは、１次式（例えばｙ＝ａｘ＋ｂ）であっても、２次，３次，または４次以上の式であっても良いが、３次式とすることが、精度および演算の容易性において、適切と考えられる。近似式ｆは、一つの式に限らず、区分毎、例えば図２のように順次加工するワークＷの所定個数の区分Ｒ毎に別の近似式ｆを生成しても良い。
また、近似式生成手段２６は、工具４を新品に交換してからの全ての個数のワークＷ分につき生成しても良いが、最新のワークから逆上る設定個数のワーク分についての負荷の統計から、前記近似式を生成するものとしても良い。

近似式生成手段２６は、複数の工具４を用いる加工の場合、個々のワークについての近似式を生成するものとする。例えば、定まった加工サイクルＳＣを、複数の工具４を用いて行う場合、その加工サイクルＳＣの繰り返し過程において、使用する各工具４の近似式を生成する。加工サイクルＳＣは、一つの加工プログラム２１による加工に限らず、図１のように複数の加工プログラム２１を順次実行して互いに異なる加工を行うサイクルであっても良い。
近似式生成手段２６により生成された近似式ｆは、生成近似式記憶手段３０に、工具４毎に記憶させる。近似式生成手段２６は、ワークＷが加工される都度、あるいはワークＷの個数区分Ｒ毎に新たに近似式ｆを生成する。生成近似式記憶手段３０により記憶される工具４毎の近似式は、上記のように新たに近似式ｆを生成する都度、その記憶内容を新たな近似式ｆに更新する。

予測手段２７は、近似式生成手段２６により生成された近似式ｆを設定値ＹＥ（図２）と比較して工具寿命を予測する手段である。工具寿命の予測結果は、同じ加工サイクルＳＣを続ける場合に、残り何個加工可能であるかを示す。
予測手段２７は、予測点に達したとき、つまり近似式ｆの値が設定値ＹＥに達したときに警報を発生する寿命報知部２７ａを有し、また工具寿命時刻と現在時刻との中間時刻を注意報として報知する注意部２７ｂとを有するものとしてある。

予測手段２７による予測は、複数の工具４が使用される場合、その工具４毎に行う。その工具４毎の予測結果は、予測結果記憶手段３１に記憶される。
また、予測手段２７による予測結果、および近似式生成手段２６により成形された近似式ｆは、表示装置２９の画面２９ａに表示させるようにしている。表示装置２９は、例えば工作機械２に付設された操作盤（図示せず）における液晶ディスプレイやブラウン管（ＣＲＴ）等である。

表示装置２９の画面２９ａへの表示は、全ての工具４につき行っても良いが、この実施形態では寿命到達最初工具表示手段２８を設け、最初に寿命を迎える工具４について表示を行うようにしている。
寿命到達最初工具表示手段２８は、定まった加工サイクルＳＣを、複数の工具４を用いて行う繰り返し過程において、前記予測手段２７による予測の結果、最初に寿命を迎える工具４について、近似式生成手段２６により生成された近似式ｆのグラフを表示装置２９の画面２９ａに出力する手段である。なお、キーボードやタッチパネル等の所定の入力手段（図示せず）による操作により、最初に寿命を迎える工具４の他の任意の工具４について、近似式生成手段２６を表示装置２９の画面２９ａに表示可能なものとしてある。
これらの各場合に、表示装置２９の画面２９ａには、近似式ｆの他に、例えば図２に示されるように、寿命と判定する負荷レベルとなる設定値ＹＥや、寿命予測点、現在時点等の情報を表示することが好ましい。

上記構成の動作を説明する。この工作機械システムは、複数の加工プログラム２１を順次実行する加工加工サイクルＳＣを繰り返し行う。この加工サイクルＳＣでは、複数の工具４が用いられる。加工プログラム２１は、演算制御部２２で実行され、主軸からなるワーク支持手段３に支持されて主軸モータ６により回転されるワークＷが、刃物台１２の工具４で切削される。
この間、加工の形態に応じて、各サーボモータ６，１５，１７の切削負荷が負荷検出手段３３〜３５で検出される。これら負荷検出手段３３〜３５は、加工の形態に応じて選択的に使用される。例えば、ワークＷの外周を加工する場合は、Ｚ軸移動用のサーボモータ１７の負荷が負荷検出手段３４により検出され、または主軸モータ６の負荷が負荷検出手段３３により検出される。ワークＷの端面を加工する場合は、Ｘ軸移動用のサーボモータ１５の負荷が負荷検出手段３５により検出され、または主軸モータ６の負荷が負荷検出手段３３により検出される。負荷検出は電流検出により行われる。なお、主軸モータ６の負荷検出と、送り軸の負荷検出とは併用しても良い。

近似式生成手段２６は、上記のように検出される負荷の統計から、負荷の変化の近似式ｆを生成する。近似式ｆは、工具４毎に生成し、生成近似式記憶手段３０に記憶する。
予測手段２７は、上記のように生成された近似式ｆから得られる負荷（ｙ）を設定値ＹＥと比較し、設定値ＹＥに達するときが工具寿命の時であるとして寿命予測を行う。この寿命予測として、寿命に達するまでに切削できるワークＷの個数と、寿命に達するまでの時間、時刻も求める。このように求められた工具４毎の寿命予測結果は、予測結果記憶手段３１に記憶させ、かつ表示装置２９の画面２９ａに表示する。
ただし、表示装置２９の画面２９への表示は、全ての工具４について同時に行うと画面２９ａが煩雑となって見にくいので、寿命到達最初工具表示手段２８の処理により、予測手段２７による予測結果から、最初に寿命を迎える工具４についてのみ、近似式ｆ等を表示する。他の工具４についての近似式ｆ等は、所定の入力手段の操作により、画面２９ａを切り換えて表示する。

このように、負荷の計測値から近似式ｆを求めて予測を行うため、加工したワーク個数で予測する場合と異なり、工具４毎の寿命ばらつきや、加工時の温度環境変化等の実際の状況が反映され易く、精度の良い予測が行える。
前記近似式生成手段２６が、最新のワークＷから逆上る設定個数のワーク分についての負荷の統計から、前記近似式ｆを生成するものとした場合は、簡易な演算で精度良く工具寿命の予測が行える。一般に、工具４を新品から使用する場合、使用の初期や中期の頃は負荷の変化が少なく、略一定となり、末期の頃に負荷の変化の率が大きくなる傾向にある。そのため、最新のワークＷからあまり多数個前の負荷検出値は、近似式ｆの生成を困難にするだけであり、精度向上につながらない。したがって、最新のワークＷから逆上る設定個数のワーク分についての負荷の統計から、前記近似式ｆを生成するものとすることで、簡易な演算で精度良く工具寿命の予測が行える。設定個数が少なすぎると、正確な寿命予測が難しいが、設定値を何個にするのが適切であるかは、例えば、実際の運転で経験的に求めても良い。

また、一つの加工サイクルＳＣで複数の工具４を用いる場合、最初に寿命に達する工具４の寿命時に、工具４を新品工具４に取り替える段取りが発生する。この段取り時に、寿命に近い他の工具４も取り替え、段取り回数の削減を図ることもある。そのため、上記のように寿命到達最初工具表示手段２８を設け、最初に寿命を迎える工具４について近似式のグラフを表示装置２９の画面２９ａに出力しておくことで、段取り替えの必要となる時期が一目で分かる。

また、予測手段２７に、工具寿命時刻と現在時刻との中間時刻を注意報として報知する注意部２７ｂを設けた場合は、作業者による工具交換の対策を事前に採りやすい。予測手段２７において、予測結果として、寿命時刻の他に、残り何個のワークＷの加工が可能かを演算する手段を設けたため、加工できるワーク数も予測できるので、使用に便利である。

この発明の一実施形態にかかる工具寿命予測装置の概念構成を示すブロック図である。 その近似式の一例を示すグラフである。

符号の説明

１…制御装置
２…工作機械
３…ワーク支持手段
４…工具
５…工具支持手段
６…主軸モータ
１２…刃物台
１３…送り台
１５…Ｘ軸のサーボモータ
１７…Ｚ軸のサーボモータ
２１…加工プログラム
２２…演算制御部
２６…近似式生成手段
２７…予測手段
２９…表示装置
２９ａ…画面
３０…生成近似式記憶手段
３１…判定結果記憶手段
３３〜３５…負荷検出手段
ＳＣ…加工サイクル

Claims (2)

1. 工具に作用する負荷を検出する負荷検出手段と、検出された負荷の統計から、負荷の変化の近似式を生成する近似式生成手段と、生成された近似式から得られる負荷が設定値となる工具寿命を予測し、予測結果として、同じ加工サイクルを続ける場合に、残り何個加工可能であるかを示す予測手段とを備え、前記近似式生成手段は、最新のワークから逆上る設定個数のワーク分についての負荷の統計から、前記近似式を生成するものとした工具寿命予測装置。
2. 定まった加工サイクルを、複数の工具を用いて行う繰り返し過程において、前記予測手段による予測の結果、少なくとも最初に寿命を迎える工具について、近似式生成手段により生成された近似式のグラフを表示装置の画面に出力する寿命到達最初工具表示手段を設けた請求項１記載の工具寿命予測装置。

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