JP5543890B2

JP5543890B2 - 工具摩耗検出方法及び工作機械

Info

Publication number: JP5543890B2
Application number: JP2010222087A
Authority: JP
Inventors: 清吉野
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012076168A

Description

本発明は、工作機械における切削加工時に発生する振動から工具の摩耗を検出する方法と、当該方法を実行する工作機械とに関する。

工作機械により切削加工を行うと、加工距離が増すにつれて工具が摩耗し、振動が発生して被加工物の加工面精度が悪化したり、所望の加工精度が得られなくなったりするなどの問題が生じる。そのため、この工具摩耗を検出する方法として、特許文献１や特許文献２に記載されている対策が提案されている。
特許文献１に記載されている方法は、工具摩耗に従って振動が大きくなることを利用して、振動の大きさを予め設定した基準値と比較し、工具摩耗を判定するものである。特許文献２に記載されている方法は、主軸モータの電流量を監視し、時間積算値が予め設定した許容値を越えた場合に工具摩耗と判断するものである。

特開２００１−２０５５４５号公報特開平７−１８６０１０号公報

しかしながら、特許文献１及び２の方法は工具摩耗を判定するための基準値や許容値を予め用意しておく必要があり、そのため、主軸回転速度、送り量、工具種類などを変化させた様々な加工条件でテスト加工して基準値等を得ることになる。よって、多くの手間や時間が掛かる上、基準値を決めた加工条件以外の加工では適用できないという問題も有している。

そこで、本発明は、テスト加工等によって工具摩耗の基準値等を予め取得しておく必要がなく、而も様々な加工条件に対応できて汎用性にも優れる工具摩耗検出方法及び工作機械を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械において、工具の摩耗を検出する方法であって、
工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動を検出し、その振動の最大値に基づいて閾値を演算する閾値演算ステップと、第１の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動を閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得ステップと、第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動を閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得ステップと、第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定ステップと、を実行することを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械において、工具の摩耗を検出する方法であって、
工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動を検出する非加工振動検出ステップと、第１の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動から非加工振動検出ステップで検出された振動を減算する第１加工振動減算ステップと、第１加工振動減算ステップで減算した振動を所定の閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得ステップと、第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動から非加工振動減算ステップで検出された振動を減算する第２加工振動減算ステップと、第２加工振動減算ステップで得た振動を閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得ステップと、第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定ステップと、を実行することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、工具摩耗判定ステップで工具が摩耗していると判定した際に、当該判定結果を報知する報知ステップをさらに実行することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、工具摩耗判定ステップで工具が摩耗していると判定した際に、その判定時刻及び当該判定時刻における加工情報を記録手段に記録する判定情報記録ステップをさらに実行することを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械であって、
工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動検出手段によって振動を検出し、その最大値から閾値を演算する閾値演算手段と、第１の回転速度で加工を行い、振動検出手段によって検出される振動を閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得手段と、第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に振動検出手段によって検出される振動を閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得手段と、第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定手段と、を備えることを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械であって、
工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動検出手段によって振動を検出する非加工振動検出手段と、第１の回転速度で加工を行い、加工中に振動検出手段で検出される振動から非加工振動検出手段で得られた振動を減算する第１加工振動減算手段と、第１加工振動減算手段で減算した振動を所定の閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得手段と、第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に振動検出手段によって検出される振動から非加工振動検出手段で得られた振動を減算する第２加工振動減算手段と、第２加工振動減算手段で減算した振動を閾値と比較して、閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得手段と、第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定手段と、を備えることを特徴とするものである。

請求項１及び２，５．６に記載の発明によれば、異なる回転速度で加工した時の周波数から判定できるため、テスト加工等によって工具摩耗の判定基準値を予め用意する必要がなく、短時間で工具の摩耗が検出できる。而も、様々な加工条件に対応して工具の摩耗が検出できるため、汎用性にも優れる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、報知ステップによって工具の摩耗を直ちに認識することができ、加工停止や工具の交換等の迅速な対応が可能となる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかの効果に加えて、摩耗判定時の加工情報と加工完了後の被加工物とを比較することで、被加工物の状態と工具摩耗との関係を把握することができる。

形態１の立形マシニングセンタの概略構成図である。形態１の工具摩耗検出制御のフローチャートである。形態１における振動の周波数分析波形を示すグラフである（主軸回転速度２２５０min^−１）形態１における振動の周波数分析波形を示すグラフである（主軸回転速度２３５０min^−１）形態２の工具摩耗検出制御のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
図１に、工具摩耗検出方法を実行する工作機械の一例として立形マシニングセンタを概略構成で示す。この立形マシニングセンタ１は、上方に設けた主軸頭２に回転自在な主軸３を設け、その主軸３に取り付けた工具４によって、下方の加工テーブル５上にセットされた被加工物６を加工する周知の構成である。
１０は、立形マシニングセンタ１の制御部で、制御部１０には、数値制御装置１１と、数値制御装置１１との間で互いに情報を送受信可能な演算装置１２と、記録手段としてのメモリ装置１３とが設けられている。このうち演算装置１２には、主軸頭２に設けられて振動を計測する振動検出手段としての加速度センサ７と、工具に摩耗が発生したことを表示によって報知する表示装置８とがそれぞれ接続されている。

よって、この立形マシニングセンタ１においては、メモリ装置１３に記録されたプログラムに基づいて、数値制御装置１１が主軸頭２の送り動作と主軸３の回転動作とを制御して被加工物６の加工を行うものであるが、制御部１０では、被加工物６の加工中に工具４の摩耗を検出する工具摩耗検出制御を同時に実行するようになっている。以下、この工具摩耗検出制御を図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、Ｓ１で、主軸３を予め設定された第１の主軸回転速度で回転させて、主軸３の回転のみでの振動波形を加速度センサ７から演算装置１２に入力させ、ＦＦＴ分析等の周知の手法によって周波数分析を行う。次に、Ｓ２で、演算装置１２は、周波数分析波形の最大値に予め設定した係数を乗算あるいは加算し、さらに設定した値を積算して閾値を設定し、メモリ装置１３に記録する。このＳ１，２が閾値演算ステップであり、演算装置１２が閾値演算手段となる。
そして、Ｓ３で被加工物６の加工を開始する。このとき、演算装置１２は、加工中の振動の大きさを加速度センサ７を介して常時観測し、Ｓ４で加工中に発生する周波数分析波形がＳ２で設定した閾値よりも大きいか否か判定する。この判定で閾値よりも大きい場合には、加工中に異常振動が発生したと判断して、Ｓ５で周波数分析波形が最大値となる第１の周波数を取得し、メモリ装置１３に記録する。このＳ３〜５が第１周波数取得ステップであり、演算装置１２が第１周波数取得手段となる。

次に、Ｓ６で、主軸回転速度を予め設定された第２の主軸回転速度に変更して、Ｓ７で加工を行う。Ｓ８で、演算装置１２は、加工中の振動の大きさを加速度センサ７を介して常時観測し、得られる周波数分析波形をＳ２の閾値と比較する。この判定で閾値よりも大きい場合には、加工中に再び異常振動が発生したと判断して、Ｓ９で周波数分析波形が最大値となる第２の周波数を取得してメモリ装置１３に記録する。このＳ６〜９が第２周波数取得ステップであり、演算装置１２が第２周波数取得手段となる。

そして、Ｓ１０では、Ｓ５で取得した第１の周波数と、Ｓ９で取得した第２の周波数とを比較する。ここで両周波数が一致、或いは両周波数の差が予め設定した値以内であれば、工具摩耗が発生していると判定し、演算装置１２は、Ｓ１１で表示装置１４に工具摩耗を検出したことを知らせるメッセージを表示させる。このＳ１０が工具摩耗判定ステップ、Ｓ１１が報知ステップであり、演算装置１２が工具摩耗判定手段となる。
Ｓ１０における両周波数の差の設定値としては、周波数分解能から決まる上下１点の周波数範囲が考えられる。例えば周波数分析を１０ｋＨｚ、１６００点で行った場合、周波数分解能は６．２５Ｈｚとなるから、第１の周波数の上下１点、すなわち、±６．２５Ｈｚの範囲が設定値以内となり、この範囲内に第２周波数が入れば工具摩耗が発生しているとみなすことができる。

なお、Ｓ４で周波数分析波形が閾値を越えない場合、工具摩耗が発生していないとしてＳ３での加工を継続する。また、Ｓ８で周波数分析波形が閾値を超えない場合と、Ｓ１０で第１、第２の周波数が一致せず、両者の差が設定値を超えている場合とには、工具摩耗は発生していないとしてＳ７での加工を継続する。

このように主軸回転速度を変更してそれぞれ周波数分析波形と閾値と比較するのは、以下の理由による。
振動が発生しない正常な加工を続けていると、加工距離が増すにつれて工具摩耗が徐々に進行し振動が発生する。この時、再生びびり振動と呼ばれる振動が発生することがある。この再生びびり振動は、切り屑厚さの変動が加振力となって振動が拡大していく現象で、加工プロセスに内在しているびびり振動であるため「自励びびり振動」に分類される。しかし、再生びびり振動は、主軸回転速度を適切に選定することで抑制できることが知られており、これを利用した発明もなされている。びびり振動の大きさが予め設定した閾値を超えた場合にこの振動を周波数分析し、びびり周波数と回転速度とから、びびり振動を抑制して加工できる回転速度を算出するもので、回転速度によりびびり周波数が異なることを利用した技術である。

ところが、加工を続けていると回転速度を変更してもびびり周波数が変化しないびびり振動が発生することがある。これは工具摩耗が大きくなったことによるびびり振動であり、回転速度を変更してもびびり振動を抑制することができない。工具が大きく摩耗すると工具刃先が丸くなり、刃先が被加工物に切り込むことができずに加振力として働き、工具の固有振動数を励起しているために振動するもので「強制びびり振動」に分類される。そのため、回転速度を変更してもびびり振動は抑制されず、びびり周波数も変化せず、一定値となる。

ここで、工具が大きく摩耗した時の実測の振動を図３及び図４に示し説明する。図３は、主軸回転速度２２５０min^−１で加工した時の振動を周波数分析した波形の例で、最大値となる周波数が５６７０Ｈｚであることがわかる。図４は、主軸回転速度２３５０min^−１で加工した時の振動波形の例で、最大値となる周波数は５６７０Ｈｚである。このように工具が摩耗した際には、主軸回転速度が異なるにもかかわらず振動の周波数が一定値となる。本発明では、主軸回転速度を変えた場合に振動周波数が変化しない現象を利用して工具摩耗を検出しているのである。

このように、上記形態１の工具摩耗検出方法及び立形マシニングセンタ１によれば、異なる回転速度で加工した時の周波数から工具摩耗が容易に判定できる。よって、テスト加工等によって工具摩耗の判定基準値を予め用意する必要がなく、短時間で工具の摩耗が検出できる。而も、様々な加工条件に対応して工具の摩耗が検出できるため、汎用性にも優れる。
特に、工具の摩耗を報知する報知ステップによって工具の摩耗を直ちに認識することができ、加工停止や工具の交換等の迅速な対応が可能となる。

［形態２］
次に、工具摩耗検出方法及び工作機械の他の形態を説明する。但し、工作機械の構成は先の形態１の立形マシニングセンタと同様であって、工具摩耗検出方法のみが異なるため、重複する説明は省略して工具摩耗検出制御を図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ２１で主軸３を第１の主軸回転速度で回転させて、振動を加速度センサ７から演算装置１２に入力させ、Ｓ２２で、主軸回転のみ（非加工状態）での周波数分析波形をメモリ装置１３に記録する。このＳ２１，２２が非加工振動検出ステップであり、演算装置１２が非加工振動検出手段となる。

次に、Ｓ２３で被加工物４を加工し、Ｓ２４で、演算装置１２は、加工中に得られる周波数分析波形から、Ｓ２２で記録した主軸回転のみでの周波数分析波形を減算し、真の加工中の振動を算出する。このＳ２３，２４が第１加工振動減算ステップであり、演算装置１２が第１加工振動減算手段となる。
Ｓ２５では、この真の加工中の振動周波数分析波形が、予めメモリ装置１３に設定した閾値よりも大きいか否か判定し、閾値よりも大きい場合には、加工中に異常振動が発生したと判断して、Ｓ２６で周波数分析波形が最大値となる第１の周波数を取得し、メモリ装置１３に記録する。このＳ２５，２６が第１周波数取得ステップであり、演算装置１２が第１周波数取得手段となる。

続いて、Ｓ２７で主軸回転速度を予め設定された第２の主軸回転速度に変更して、Ｓ２８で加工を行う。Ｓ２９で演算装置１２は、加工中に得られる周波数分析波形から、Ｓ２２で記録した主軸回転のみでの振動周波数分析波形を減算し、第２の主軸回転速度での加工中の振動を算出する。このＳ２７〜２９が第２加工振動減算ステップであり、演算装置１２が第２加工振動減算手段となる。
Ｓ３０で、この真の加工中の周波数分析波形が予め設定した閾値よりも大きいか否か判定し、閾値よりも大きい場合には、加工中に再び異常振動が発生したと判断して、Ｓ３１で周波数分析波形が最大値となる第２の周波数を取得し、メモリ装置１３に記録する。このＳ３０，３１が第２周波数取得ステップであり、演算装置１２が第２周波数取得手段となる。

そして、Ｓ３２では、Ｓ２６で取得した第１の周波数と、Ｓ３１で取得した第２の周波数とを比較する。ここで両周波数が一致、或いは両周波数の差が予め設定した値以内であれば、Ｓ３３で工具摩耗が発生していると判定し、演算装置１２は、表示装置１４に工具摩耗を検出したことを知らせるメッセージを表示させる。一致或いは設定値以内の判断は形態１と同様である。このＳ３２，３３が工具摩耗判定ステップであり、演算装置１２が工具摩耗判定手段となる。
なお、Ｓ２５で周波数分析波形が閾値を超えない場合、工具摩耗が発生していないとしてＳ２３での加工を継続する。また、Ｓ３０で周波数分析波形が閾値を超えない場合と、Ｓ３２で第１、第２の周波数が一致せず或いは差が設定値を超えている場合とには、工具摩耗は発生していないとしてＳ２８での加工を継続する。

このように、上記形態２の工具摩耗検出方法及び立形マシニングセンタ１においても、異なる回転速度で加工した時の周波数から工具摩耗が容易に判定できる。よって、テスト加工等によって工具摩耗の判定基準値を予め用意する必要がなく、短時間で工具の摩耗が検出できる。而も、様々な加工条件に対応して工具の摩耗が検出できるため、汎用性にも優れる。
なお、この形態２においては、閾値を予め設定してメモリ装置に記録しているが、形態１のように第１の主軸回転速度での振動に係数をかける等して閾値を自動で設定するようにしてもよい。

［変更例］
以下、形態１，２に共通する変更例を挙げる。
まず、加工終了後は、後から加工過程を確認できるよう、工具が摩耗していると判定した時刻、加工座標位置、加工プログラムの行番号の値等の加工情報を、数値制御装置１１から演算装置１２に送信して、メモリ装置１３に記録するのが望ましい。このような判定情報記録ステップを実行すれば、摩耗判定時の加工情報と加工完了後の被加工物６とを比較することで、被加工物６の状態と工具摩耗との関係を把握することができる。
また、無人で加工する場合等において加工を継続するために、工具が摩耗していると判定した場合には、判定結果を報知せずに自動的に新しい工具に交換するようにしてもよい。

さらに、工具の固有振動数を加速度センサで検出して工具摩耗を検出しているが、被加工物が振動する場合にも同様に同一の周波数で振動するため、被加工物の固有振動数を加速度センサで検出して工具摩耗を検出するようにしてもよい。
そして、演算装置と数値制御装置とを接続しているが、主軸回転速度を外部から入力する場合には接続の必要はない。よって、この場合は加速度センサと演算装置とメモリ装置とで制御部を独立して構成してもよい。

一方、閾値を越えたか否かの判定を周波数分析波形で行っているが、加速度センサから得られる振動の生波形で判定し、判定後に周波数分析を行って第１、第２の周波数を取得することも可能である。
その他、工具を回転させて加工を行う立形マシニングセンタに限らず、主軸に装着した被加工物を回転させて加工を行うＮＣ旋盤等の工作機械であっても本発明は適用可能である。

１・・立形マシニングセンタ、２・・主軸頭、３・・主軸、４・・工具、５・・加工テーブル、６・・被加工物、７・・加速度センサ、８・・表示装置、１０・・制御部、１１・・数値制御装置、１２・・演算装置、１３・・メモリ装置。

Claims

主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械において、前記工具の摩耗を検出する方法であって、
前記工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動を検出し、その振動の最大値に基づいて閾値を演算する閾値演算ステップと、
前記第１の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動を前記閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得ステップと、
前記第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動を前記閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得ステップと、
前記第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定ステップと、
を実行することを特徴とする工具摩耗検出方法。
主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械において、前記工具の摩耗を検出する方法であって、
前記工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動を検出する非加工振動検出ステップと、
前記第１の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動から前記非加工振動検出ステップで検出された振動を減算する第１加工振動減算ステップと、
前記第１加工振動減算ステップで減算した振動を所定の閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得ステップと、
前記第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に検出した振動から前記非加工振動減算ステップで検出された振動を減算する第２加工振動減算ステップと、
前記第２加工振動減算ステップで得た振動を前記閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得ステップと、
前記第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定ステップと、
を実行することを特徴とする工具摩耗検出方法。
前記工具摩耗判定ステップで工具が摩耗していると判定した際に、当該判定結果を報知する報知ステップをさらに実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の工具摩耗検出方法。
前記工具摩耗判定ステップで工具が摩耗していると判定した際に、その判定時刻及び当該判定時刻における加工情報を記録手段に記録する判定情報記録ステップをさらに実行することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工具摩耗検出方法。
主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械であって、
前記工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動検出手段によって振動を検出し、その最大値から閾値を演算する閾値演算手段と、
前記第１の回転速度で加工を行い、前記振動検出手段によって検出される振動を前記閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得手段と、
前記第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に前記振動検出手段によって検出される振動を前記閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得手段と、
前記第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。
主軸に装着した工具又は被加工物を回転させて加工を行う工作機械であって、
前記工具又は被加工物を非加工状態で第１の回転速度で回転させて振動検出手段によって振動を検出する非加工振動検出手段と、
前記第１の回転速度で加工を行い、加工中に前記振動検出手段で検出される振動から前記非加工振動検出手段で得られた振動を減算する第１加工振動減算手段と、
前記第１加工振動減算手段で減算した振動を所定の閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第１の周波数として取得する第１周波数取得手段と、
前記第１の回転速度と異なる第２の回転速度で加工を行い、加工中に前記振動検出手段によって検出される振動から前記非加工振動検出手段で得られた振動を減算する第２加工振動減算手段と、
前記第２加工振動減算手段で減算した振動を前記閾値と比較して、前記閾値を超えた振動が最大となる周波数を第２の周波数として取得する第２周波数取得手段と、
前記第１の周波数と第２の周波数とを比較して、両者が一致若しくは両者の差が予め設定した範囲以内である場合には工具が摩耗していると判定する工具摩耗判定手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。