JP5748412B2 - 工作機械の切削工具刃先診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の切削工具の刃先のチッピング（刃こぼれ）や摩耗等を診断する工作機械の切削工具刃先診断装置に関する発明である。

従来より、工作機械の切削工具の刃先のチッピングや摩耗を検出する作業を自動化することを目的として、例えば特許文献１（特開平８−８５０４７号公報）に記載されているように、工作機械の切削工具又は工具ホルダに加速度センサを取り付け、切削加工中に加速度センサの出力信号を周波数解析すると共に、切削工具の刃先形状から工具刃先の共振周波数を算出して、この共振周波数を含む帯域を工具摩耗監視周波数帯域に設定し、加速度センサの出力信号から抽出した工具摩耗監視周波数帯域の振動レベルと全周波数帯域の振動レベルとの比率を工具摩耗度として算出し、工具摩耗度が所定の摩耗限界レベルを越えたときに、工具刃先の摩耗と判定するようにしたものがある。

特開平８−８５０４７号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、切削工具又は工具ホルダに加速度センサを取り付ける構成では、切削加工時に加速度センサやその配線がワークに接近するため、加速度センサやその配線がワークと干渉して損傷する可能性がある。また、切削工具に加速度センサを取り付ける場合は、切削工具を取り替える毎に、加速度センサを付け替えなければならず、切削工具の取替え作業に手間がかかるという問題もある。

そこで、これらの課題を解決するために、切削工具をＺ軸・Ｘ軸方向に移動させるスライドを駆動するモータのトルク変動を検出して、そのトルク変動から切削工具の刃先の状態を診断するようにしたものがある。

しかし、切削工具の刃先とモータとの間には、スライド摺動部、ボールねじ機構の連結部等の複数の弾性要素が存在するため、切削加工中に切削工具の刃先のチッピングや摩耗によって発生する微小な振動がモータに伝達されるまでに複数の弾性要素で吸収されてしまう。しかも、モータの制御は、位置制御→速度制御→トルク制御の順序で行われるため、モータのトルク制御に応答遅れが生じる。これらの原因で、切削工具の刃先の微小な振動がモータのトルク変動として現れにくいという事情があり、そのため、モータのトルク変動の検出精度を高めても、切削工具の刃先の微小な振動を精度良く検出することは困難であり、切削工具の刃先の状態の診断精度が低くなることは避けられない。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、ワークを切削加工する切削工具を保持して第１軸方向に移動させる第１軸スライドと、該第１軸スライドの移動方向と直交する第２軸方向に該第１軸スライドを移動させる第２軸スライドとを備え、前記切削工具を前記第１軸方向に移動させてワークを切削加工し、切削の背分力が前記第２軸方向に作用する工作機械の切削工具刃先診断装置において、前記第２軸スライド側に、前記第１軸スライドによって前記切削工具を前記第１軸方向に移動させてワークを切削加工する切削加工中の前記第１軸スライドの第２軸方向への振動変位を検出するリニアスケールを設けると共に、前記切削加工中に前記リニアスケールの出力信号の振動振幅に基づいて前記第１軸スライドの第２軸方向への振動振幅を検出して、その検出値に基づいて前記切削工具の刃先の状態を診断する刃先診断処理を実行する診断手段を設けた構成としたものである。

この場合、切削工具を保持する第１軸スライドは、第２軸スライドのスライド方向である第２軸方向に振動可能であるため、切削加工中に切削工具の刃先が切削の背分力の作用方向である第２軸方向に振動すると、その切削工具を保持する第１軸スライドも一体的に第２軸方向に振動する。この第１軸スライドの第２軸方向への振動は、第２軸スライド側に取り付けられたリニアスケールによって検出され、該リニアスケールから第１軸スライドの第２軸方向への振動波形に応じた波形の信号が出力される。これにより、第１軸スライドによって切削工具を第１軸方向に移動させてワークを切削加工する切削加工中にリニアスケールの出力信号の振動振幅に基づいて第１軸スライドの第２軸方向への振動振幅を検出して切削工具の刃先の状態を精度良く診断することができる。この場合、リニアスケールは第２軸スライドのスライド方向に沿って設ければ良いため、前記特許文献１の構成（切削工具又は工具ホルダに加速度センサを取り付ける構成）で生じた問題は全て解消される。また、切削工具と第１軸スライドとは一体的に振動してその振動がリニアスケールで検出されるため、弾性要素を介さずに振動を検出できると共に、モータ制御系の応答遅れの影響を全く受けずに振動を検出できる。これにより、切削工具の刃先の微小な振動を精度良く検出することが可能となり、切削工具の刃先の状態の診断精度を向上できる。

本発明は、請求項２のように、第２軸スライドが停止しているときに刃先診断処理を実行するようにすると良い。このようにすれば、第２軸スライドの駆動による影響がリニアスケールの出力信号に含まれないため、リニアスケールの出力信号に切削工具からの振動成分が顕著に現れ、切削工具の刃先の微小な振動をより一層検出しやすくなる。

また、請求項３のように、第２軸スライドが移動しているときに刃先診断処理を実行する場合は、リニアスケールの出力信号から第２軸スライドの移動による出力変動分を取り除くことで、第１軸スライドの振動による振動成分を抽出し、この振動成分の振幅に基づいて切削工具の刃先の状態を診断するようにすれば良い。このように、第２軸スライドが移動しているときに刃先診断処理を実行する場合は、リニアスケールの出力信号から第２軸スライドの移動による出力変動分を取り除くことで、リニアスケールの出力信号から第２軸スライドの移動による影響を排除して、第１軸スライドの振動による振動成分のみを抽出することができ、切削工具の刃先の微小な振動を精度良く検出することができる。

図１は本発明の一実施例における旋盤の正面図である。 図２は旋盤の側面図である。 図３はＺ軸スライドの下端側に切削工具を着脱可能に保持する構造を示す正面図である。 図４（ａ）は切削工具が新品の時のリニアスケールの出力信号の振動波形、同図（ｂ）は切削工具が摩耗した時のリニアスケールの出力信号の振動波形である。

以下、本発明を実施するための形態を旋盤に適用して具体化した一実施例を説明する。 まず、本実施例の旋盤の構成を図１（正面図）及び図２（側面図）を用いて概略的に説明する。

本実施例の旋盤は、立型旋盤であり、基台１１にはスピンドル１２が上向きに回転可能に設けられ、このスピンドル１２の上端部にはワークテーブル１３が取り付けられている。このワークテーブル１３上には、切削加工の対象となるワークがチャック（図示せず）で保持されるようになっている。

基台１１上には、ＸＺ軸スライド機構１４を支持する門型のコラム１５が設けられている。ＸＺ軸スライド機構１４は、Ｘ軸スライド機構１６とＺ軸スライド機構２１とから構成され、Ｘ軸スライド機構１６は、コラム１５の上部フレーム１５ａにＸ軸方向（左右方向）に延びるように取り付けられたＸ軸スライドガイド１７と、このＸ軸スライドガイド１７の裏面側に沿ってＸ軸方向に延びるように回転可能に支持されたＸ軸送りねじ１８と、このＸ軸送りねじ１８を正転・逆転両方向に回転駆動するＸ軸モータ１９と、Ｘ軸スライドガイド１７の前面側にＸ軸方向にスライド移動可能に支持されたＸ軸スライド２０（第２軸スライド）とから構成されている。

一方、Ｚ軸スライド機構２１は、Ｘ軸スライド２０の前面にＺ軸方向（上下方向）に延びるように取り付けられたＺ軸スライドガイド２２と、このＺ軸スライドガイド２２の裏面側に沿ってＺ軸方向に延びるように回転可能に支持されたＺ軸送りねじ２３と、このＺ軸送りねじ２３を正転・逆転両方向に回転駆動するＺ軸モータ２４と、Ｚ軸スライドガイド２２にＺ軸方向にスライド移動可能に支持されたＺ軸スライド２５（第１軸スライド）とから構成されている。これにより、Ｚ軸スライド２５は、Ｘ軸スライド２０のスライド移動方向（Ｘ軸方向）と直交するＺ軸方向にスライド移動するように構成されている。図３に示すように、Ｚ軸スライド２５の下端に設けられた搭載部２６には、切削工具２７を保持する工具ホルダ２８が着脱可能に保持されるようになっている。

次に、切削工具２７の刃先の状態を診断する切削工具刃先診断装置の構成を説明する。 Ｘ軸スライドガイド１７には、光学式のリニアスケール２９がＸ軸方向に延びるように設けられ、Ｘ軸スライド２０には、Ｚ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の位置をリニアスケール２９から読み取るための位置計測部（図示せず）が設けられ、該位置計測部から出力される位置検出信号が旋盤の制御用コンピュータ（図示せず）に入力される。旋盤の制御用コンピュータは、リニアスケール２９の位置計測部から入力される位置検出信号に基づいてＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の位置を検出する。

高精度加工においては、切削加工中の切削工具２７の刃先振動は、ほぼ０．１μｍ以下である。この点を考慮して、リニアスケール２９の分解能は、１０ｎｍの高分解能のものを用いている。また、ＸＺ軸スライド機構１４のスライドガイド１７，２２やスライド２０，２５の剛性を高めることで、切削工具２７の刃先振動がスライドガイド１７，２２やスライド２０，２５の弾性によって吸収されることなく、Ｚ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の振動変位として伝達されるように構成されている。

切削加工中は、スピンドル１２によってワークを回転させながら、切削工具２７をＺ軸方向に送りながら該切削工具２７の刃先でワークを切削加工する。この際、切削の背分力は、刃先を送る方向（Ｚ軸方向）に対して直角方向（Ｘ軸方向）に作用するため、切削工具２７の刃先にチッピングや摩耗があると、切削工具２７の刃先が主としてＸ軸方向に振動し、この刃先振動がＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の振動となって現れる。また、切削工具２７を保持するＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）は、Ｘ軸スライド２０（Ｘ軸スライドガイド１７）によってＸ軸方向に振動可能となっているため、切削加工中に切削工具２７の刃先がＸ軸方向に振動すると、その切削工具２７を保持するＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）も一体的にＸ軸方向に振動する。

従って、切削加工中にＸ軸スライド機構１６のＸ軸モータ１９が停止している状態で、Ｚ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）がＸ軸方向に振動していれば、切削工具２７の刃先にチッピングや摩耗が生じているものと考えられる。Ｘ軸スライド機構１６のＸ軸モータ１９の停止中は、Ｘ軸モータ１９の駆動によるＸ軸方向の振動が発生しないため、Ｚ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の振動に応じて、そのＸ軸方向の位置を検出するリニアスケール２９の出力信号が振動し、その出力信号の振動振幅は、Ｚ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の振動振幅に相当したものになる。これにより、Ｘ軸スライド機構１６のＸ軸モータ１９の停止中は、Ｘ軸モータ１９の駆動の影響を全く受けずに、切削工具２７の刃先振動によるＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の振動のみをリニアスケール２９で精度良く検出できる。

この点に着目して、本実施例では、旋盤の制御用コンピュータ（診断手段）は、切削加工中にＸ軸スライド機構１６のＸ軸モータ１９が停止している状態で、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅に基づいて切削工具２７の刃先の状態を診断する刃先診断処理を実行する。切削工具２７が新品の時には、図４（ａ）に示すように、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅が比較的小さいが、切削工具２７が摩耗している時には、図４（ｂ）に示すように、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅が大きくなる。従って、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅が所定の判定しきい値以上であるか否かで、切削工具２７の刃先にチッピングや摩耗が生じているか否かを判定することができる。

以上説明した本実施例によれば、Ｘ軸スライド２０側に、切削加工中のＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向への振動変位を検出するリニアスケール２９を設け、切削加工中にリニアスケール２９の出力信号の振動振幅に基づいて切削工具２７の刃先の状態（チッピングや摩耗）を診断するようにしたので、切削加工中にリニアスケール２９の出力信号の振動振幅に基づいて切削工具２７の刃先の状態を精度良く診断することができる。

この場合、リニアスケール２９はＸ軸スライド２０のスライド方向に沿って設ければ良いため、前述した特許文献１の構成（切削工具又は工具ホルダに加速度センサを取り付ける構成）で生じた問題は全て解消される。また、切削工具２７とＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）とは一体的に振動してそのＸ軸方向の振動がリニアスケール２９で検出されるため、弾性要素を介さずに振動を検出できると共に、モータ制御系の応答遅れの影響を全く受けずに振動を検出できる。これにより、切削工具２７の刃先の微小な振動を精度良く検出することが可能となり、切削工具２７の刃先の状態の診断精度を向上できる。

しかも、本実施例では、切削加工中にＸ軸スライド機構１６のＸ軸モータ１９が停止している状態で、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅に基づいて切削工具２７の刃先の状態を診断するようにしたので、Ｘ軸モータ１９の駆動の影響を全く受けずに、切削工具２７の刃先振動によるＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）のＸ軸方向の振動のみをリニアスケール２９で検出でき、切削工具２７の刃先の状態の診断精度をより一層向上できる。

また、切削工具２７の刃先振動はワークの加工面粗度と密接に関係するため、切削工具２７の刃先の状態が良好なことが確認されている場合（チッピングや摩耗が無いことが確認されている場合）には、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅に基づいてワークの加工面粗度を測定することができ、ワーク加工面の寸法測定だけでは検出し難い加工面粗度の不良検知が可能となる。また、ワークの加工面粗度の測定を専用の測定機器を用いて行うと、測定機器の可動ストロークの制約から加工面全域の測定は難しく、部分的な測定となるが、本実施例の方法では、リニアスケール２９を用いるため、加工面全域の測定が可能となる。

以上説明した本実施例では、切削加工中にＸ軸スライド機構１６のＸ軸モータ１９が停止している状態で、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅に基づいて切削工具２７の刃先診断処理を実行するようにしたが、本発明は、これに限定されず、Ｘ軸スライド機構１６のＸ軸モータ１９の駆動中に、リニアスケール２９の出力信号の振動振幅に基づいて切削工具２７の刃先診断処理を実行するようにしても良い。Ｘ軸モータ１９の駆動中は、リニアスケール２９の出力信号にＸ軸スライド２５の移動による出力変動分が含まれるため、リニアスケール２９の出力信号からＸ軸スライド２５の移動による出力変動分を取り除くことで、Ｚ軸スライド２５の振動による振動成分を抽出し、この振動成分の振幅に基づいて切削工具２７の刃先の状態を診断するようにすれば良い。ここで、Ｘ軸スライド２５の移動による出力変動分は、移動指令に基づいて算出するようにすれば良い。

このように、Ｘ軸スライド２５が移動しているときに刃先診断処理を実行する場合に、リニアスケール２９の出力信号からＸ軸スライド２５の移動による出力変動分を取り除けば、リニアスケール２９の出力信号からＸ軸スライド２５の移動による影響を排除して、切削工具２７を保持するＺ軸スライド２５（Ｚ軸スライドガイド２２）の振動による振動成分を抽出することができ、切削工具２７の刃先の微小な振動を精度良く検出することができる。

尚、本実施例では、Ｘ軸スライド２０（第２軸スライド）側にリニアスケール２９を取り付けて、Ｚ軸スライド２５（第１軸スライド）のＸ軸方向（第２軸方向）への振動変位を検出するようにしたが、これとは反対に、参考例では、Ｚ軸スライド２５（第１軸スライド）側にリニアスケールを取り付けて、Ｚ軸スライド２５（第１軸スライド）を停止させてＸ軸スライド２０（第２軸スライド）を動かして切削加工する場合に、リニアスケールによりＸ軸スライド２０（第２軸スライド）のＺ軸方向（第１軸方向）への振動変位を検出して、該リニアスケールの出力信号の振動振幅に基づいて切削工具の刃先の状態を診断するようにしている。Ｚ軸スライド２５（第１軸スライド）を停止させてＸ軸スライド２０（第２軸スライド）を動かして切削加工する場合は、切削工具２７の刃先の摩耗等による振動の方向（切削の背分力の作用方向）がＺ軸方向（第１軸方向）になるためである。

その他、本発明は、図１〜図３に示すような立型旋盤に限定されず、他のタイプの旋盤やマシニングセンタにも適用して実施でき、要は、切削工具を直交２軸方向に移動させる工作機械であれば、本発明を広く適用して実施できる。

１１…基台、１２…スピンドル、１３…ワークテーブル、１４…ＸＺ軸スライド機構、１５…コラム、１６…Ｘ軸スライド機構、１７…Ｘ軸スライドガイド、１８…Ｘ軸送りねじ、１９…Ｘ軸モータ、２０…Ｘ軸スライド（第２軸スライド）、２１…Ｚ軸スライド機構、２２…Ｚ軸スライドガイド、２３…Ｚ軸送りねじ、２４…Ｚ軸モータ、２５…Ｚ軸スライド（第１軸スライド）、２６…搭載部、２７…切削工具、２８…工具ホルダ、２９…リニアスケール

Claims (3)

1. ワークを切削加工する切削工具を保持して第１軸方向に移動させる第１軸スライドと、該第１軸スライドの移動方向と直交する第２軸方向に該第１軸スライドを移動させる第２軸スライドとを備え、前記切削工具を前記第１軸方向に移動させてワークを切削加工し、切削の背分力が前記第２軸方向に作用する工作機械の切削工具刃先診断装置において、
   前記第２軸スライド側に取り付けられて、前記第１軸スライドによって前記切削工具を前記第１軸方向に移動させてワークを切削加工する切削加工中の前記第１軸スライドの第２軸方向への振動変位を検出するリニアスケールと、
   前記切削加工中に前記リニアスケールの出力信号の振動振幅に基づいて前記第１軸スライドの第２軸方向への振動振幅を検出して前記切削工具の刃先の状態を診断する刃先診断処理を実行する診断手段と
   を備えていることを特徴とする工作機械の切削工具刃先診断装置。
2. 前記診断手段は、前記第２軸スライドが停止しているときに前記刃先診断処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の切削工具刃先診断装置。
3. 前記診断手段は、前記第２軸スライドが移動しているときに前記刃先診断処理を実行する場合は、前記リニアスケールの出力信号から前記第２軸スライドの移動による出力変動分を取り除くことで前記第１軸スライドの振動による振動成分を抽出し、この振動成分の振幅に基づいて前記切削工具の刃先の状態を診断することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の切削工具刃先診断装置。

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