JP5831216B2

JP5831216B2 - 工具損傷検出方法及び装置

Info

Publication number: JP5831216B2
Application number: JP2011285766A
Authority: JP
Inventors: 嵩淳増田; 山下　浩二; 浩二山下; 承一郎廣池
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2013132732A

Description

本発明は、工具損傷検出方法及び装置に関する。

従来、工具損傷検出方法として工具そのものの状態から判断する直接法と、切削中に発する信号若しくは、被削材状態からの情報により判断する間接法があった。
（１）直接法
（イ）工具形状による方法：切削前後での工具長、工具径を変位計により計測する。接触式（特許文献１）と非接触式（特許文献２）がある。
（ロ）工具重量による方法：工具重量の切削前後での変化を重量センサにより計測する（特許文献３）。
（ハ）画像処理による方法：視覚センサを用いて、工具を工作機械に取り付けたまま検査する（特許文献４）。
（ニ）温度による方法：被削材の温度を計測する。伝導性、非伝導性被削材を対象にした方法が夫々開示（特許文献５，６）されている。
（２）間接法
工具に摩耗、チッピング、欠け、損傷の異常が見られたとき、振動、音、切削負荷など正常切削時と違う信号を発する。これらから工具の損傷を検出する方法が行われてきた。間接法は更に、切削中に発せられる信号を検知する方法と被削材の状態から判断する方法とに分けられる。
（２Ａ）切削状態より検出する方法
（イ）切削個数、時間による方法：加工製品の個数、加工長さ、加工時間による工具の摩耗量、損傷の度合いを調査し工具交換時期を設定する。この方法で評価する事が一般的である。
（ロ）切削力（切削抵抗３分力、スラスト、切削トルク）による方法：切削動力計を用いた切削抵抗３分力（主分力、背分力、送り分力）による検出法（特許文献７）と、スラストのみに注目して工具損傷を検出する方法（特許文献８）と、工具若しくは主軸に掛かるトルクの変化により検出する方法（特許文献９）がある。
（ハ）モータ負荷による方法：切削時の主軸モータの電力の変化によって工具損傷の検出の判断をする方法である（特許文献１０）。
（ニ）振動による方法：工具損傷時の異常振動を振動センサを用い検出する方法である（特許文献１１）。
（ホ）切削音による方法：切削工具の近傍に指向性マイクロフォンを取付けて検出する方法である（特許文献１２）。
（ヘ）ＡＥによる方法：材料の変形、亀裂が発生する際に放出される弾性波（ＡＥ：アコースティックエミッション）を捉えて工具損傷を検出する方法（特許文献１３）。
（２Ｂ）被削材の状態により検出する方法
（イ）粗さ、光沢による方法：被削表面の粗さ、光沢を夫々粗さ計、光沢計により測定する（特許文献１４）。
（ロ）切屑による方法：切屑の情報（量、形）により工具損傷を判断する方法である（特許文献１５）。

特開平１０-１３８０９４号公報特開２０００-３４３３１０号公報特開２００６-0５１５６１号公報特許第３８５１４１９号公報特開２０００-２０２７０４号公報特許第３３８５４７３号公報特公昭６１-０２１７８６号公報特許第３５７０６８８号公報特開平０６-１９８５４７号公報特開２００３-２４５８４６号公報特開平１１-０３３８８２号公報特公昭５６-０１１８９０号公報特許第２５８３１８５号公報特開平０９-０１９８４９号公報特開平０２-１３１８４０号公報

前記（１）直接法において、
（イ）工具形状による方法は、複数のチップを有した工具、先端に切屑が付着している場合の異常判定は困難である。又、切削中（インプロセス）での検出の出来ない欠点がある。
（ロ）工具重量による方法は、湿式切削時では切削水の影響を受けるので適用できない。又、インプロセス検出できない。
（ハ）画像処理による方法は、大掛かりな設備となるので導入コストが大きい。又、インプロセス検出できない。
（ニ）温度による方法は、工具先端部まで熱電対温度測定用線を挿入し測定するので、工具自体を加工する必要がある。よってコスト増加、工具剛性の低下が懸念される場合もある。インプロセスでの検出はできるが、突発的な工具損傷に対しての温度変化が検出したい工具状態までに捉える事できるか、又切削水の影響については十分に調査する必要がある。

上述の様に、直接法では切削中に直接工具の状態を検出する事は難しく、前記方法の殆どが切削終了後（ポストプロセス）での検出しかできない。
前記（２）間接法のうち（２Ａ）切削状態より検出する方法において、
（イ）切削個数、時間による方法は、工具寿命前の工具を交換してしまう場合と、突発的な損傷に対応できないので工具の大きな損傷、不良品が発生してしまう場合があるのが欠点である。工具費、品質面でのデメリットが大きい。
（ロ）切削力（切削抵抗３分力、スラスト、切削トルク）による方法では、測定装置の取付の為にホルダの改造若しくは、ワーク台の改造が必要となる。又、工具損傷以外の要因、例えば工具の偏心、びびり振動による外乱の影響による誤検出の問題、損傷前後の変動差が少なく的確な閾値を設定するのが難しいといった問題がある。
（ハ）モータ負荷による方法は、大きな工具損傷の際には検出可能であるが、工具の重大損傷に至るまでのチップの欠け、チッピングの段階での検出は難しい。又、小径ドリルのような切削時のモータ出力がちいさいものに関しては、電力変化が微小であるので検出し難い。
（ニ）振動による方法は、切削加工している機械からだけでなく、他設備からの振動が外乱となるので、工場内での使用には向いていない。
（ホ）切削音による方法は、設置環境によっては外乱が大きいので、工場内での使用には向いていない。
（ヘ）ＡＥによる方法は、切削音、切削水の音が外乱となり、誤検出を起こす事も少なくない。又、切削条件（切削方法、工具、被削材、設置環境）により、ＡＥの発生状況は変化するので、閾値の設定が困難である。
（２Ｂ）被削材の状態により検出する方法において、
（イ）粗さ、光沢による方法は、切削面が工具で隠れてしまうような切削、切削水を使用する切削では測定不可能であるのでインプロセスでの検出は難しい。特許文献１４では加工後の状態により判定している。
（ロ）切屑による方法は、切削水の影響も大きく受け、何処へ飛んでいくかもわからない切屑を全て捕捉する事はできないため、切屑からの情報による工具損傷判定は困難である。

以上のように、従来は、直接法ではインプロセスでの検出が難しく、一方、間接法では外乱が多くて閾値の設定が困難であるという課題があった。
そこで、本発明は、外乱の少ないインプロセス検出手段を提供することを目的とする。

前記課題を解決する為に成された本発明は以下の通りである。
（１）稼働中の溝付き回転工具の振動による距離ｄの変位を非接触式変位センサで測定し、前記工具の摩耗、チッピング、欠損のうちの少なくとも何れか１つである損傷による異常有無の判別値として設定した２種類の閾値Ａ、Ｂのうち、正常時における前記距離ｄの最小値よりも小さく設定した前記閾値Ａに対して前記距離ｄの測定値がＡ＞ｄとなる回数または時間、あるいは、前記最小値よりも大きく設定した前記閾値Ｂに対して前記距離ｄの測定値がＢ＜ｄとなる回数又は時間が所定の条件を満たした場合に、異常発生と判定することを特徴とする工具損傷検出方法。
（２）稼働中の溝付き回転工具の振動による距離ｄの変位を測定する非接触式変位センサと、該センサの測定値を、前記工具の摩耗、チッピング、欠損のうちの少なくとも何れか１つである損傷による異常有無の判別値として設定された２種類の閾値Ａ、Ｂのうち、正常時における前記距離ｄの最小値よりも小さく設定した前記閾値Ａに対して前記距離ｄの測定値がＡ＞ｄとなる回数または時間、あるいは、前記最小値よりも大きく設定した前記閾値Ｂに対して前記距離ｄの測定値がＢ＜ｄとなる回数又は時間が所定の条件を満たした場合に、異常発生と判定する演算手段とを備えたことを特徴とする工具損傷検出装置。

本発明によれば、工具損傷を該工具の稼働中（詳しくは、該工具を装着した加工設備の稼働中）に検出する事ができるので、稼働後に検出するよりも稼働率の向上、工具費の低減と加工品質の維持を図る事ができる。又簡単な距離検出手段である非接触式変位センサを用いるのみなので導入コスト、運用コストを抑える事ができる。

本発明の実施形態の例を示す概略図である。測定対象が溝無し回転工具である場合を示す断面図である。溝無し回転工具の距離測定データを示す線図である。測定対象が溝付き回転工具である場合を示す断面図である。溝付き回転工具の距離測定データ及び閾値を示す線図である。非接触式変位センサを複数用いる場合を示す断面図である。

本発明の実施形態について、例を挙げて説明する。この例では、工作機械（例えば数値工作機械）の工具損傷検出にあたり、ドリル等の溝付き回転工具による切削加工中、非接触式変位センサにより、溝付き回転工具までの距離を測定し、距離測定データを閾値と比較する。そして、或る一定時間の間、測定値が閾値と比較して或る条件を満たさなければ、異常切削状態であると判定する。

作業者は前記異常判定の情報を得て、例えば、直ちに切削加工を中止する等の、対応措置をとる事ができる。
図１は、前記実施形態の例に係る工具損傷検出装置を示す概略図であり、1は非接触式変位センサ（レーザー式、超音波式など）、2は回転工具（例：ドリル）、3はクイル、4は被削材、5は工作機械、6は演算手段である。回転工具2はクイル3にて工作機械5に装着され、回転駆動されて稼働する。

非接触式変位センサ1は回転工具2による切削加工（例：ドリルによる穴開け加工）において、被削材4に固定又は工作機械5側から足を取り固定され、回転工具2の稼働中に、該非接触式変位センサ1（の測距直線の基点）から測距対象である回転工具2（のセンサ対向面と前記測距直線との交点）までの距離を所定のサンプリング周期で測定する。前記測距直線は静止状態の回転工具の回転中心軸に直交するよう設定されている。

非接触式変位センサ1による距離測定データは、演算手段（パソコンなど）6に送信され、閾値と比較される。該閾値は、回転工具2の摩耗、チッピング、欠損のうちの少なくとも何れか１つである損傷による異常有無の判別値として設定されている。
図２は測定対象が溝無し回転工具である場合を示す断面図であり、この場合の距離サンプリングデータ（距離ｄ）の線図を図３に示す。図示の様に距離ｄの値の経時変化の描線は、正常時には直線状、異常時（振動発生時）には波形状となる。この場合、閾値は「正常時の値±ε」とされる。εは加工製品寸法公差などに基いて設定される。演算手段6は、距離ｄを閾値と比較し、設定時間内に一定回数以上若しくは一定時間以上、距離ｄが閾値の範囲を外れれば、異常である（工具損傷が発生した）と判定する。

図４は測定対象が溝付き回転工具である場合を示す断面図であり、この場合の距離サンプリングデータ（距離ｄ）の線図を図５に示す。工具2の溝の部分で距離ｄは大きくなるから、距離ｄの時間変化の描線は、正常時であっても波形状になるが、異常振動が発生したとき、前記波形状描線は、正常時と比べ波形の振幅が過大或いは過小となる。そこで、例えば正常時の波形の下端位置に関して下側位置に閾値Ａ、上側位置に閾値Ｂを設定し、これら閾値Ａ，Ｂと距離ｄとの比較により異常判定を行う。即ち、設定時間内に一定回数以上若しくは一定時間以上、距離ｄが閾値Ａ未満となる事若しくは距離ｄが閾値Ｂ超となる事が起ったら、異常である（工具損傷が発生した）と判定する。

又、非接触式変位センサ1は１つとは限らず２つ以上用いてもよい。例えば図６に示す様に、２つの非接触式変位センサ1を、測距直線が互いに直交するように配置すれば、図４の場合（非接触式変位センサが１つのみの場合）と比べ、距離ｄ１方向のみならず距離ｄ２方向の異常振動も検出でき、工具損傷検出精度を更に向上させることができる。

1 非接触式変位センサ
2 回転工具（例：ドリル）
3 クイル
4 被削材
5 工作機械
6 演算手段

Claims

稼働中の溝付き回転工具の振動による距離ｄの変位を非接触式変位センサで測定し、前記工具の摩耗、チッピング、欠損のうちの少なくとも何れか１つである損傷による異常有無の判別値として設定した２種類の閾値Ａ、Ｂのうち、正常時における前記距離ｄの最小値よりも小さく設定した前記閾値Ａに対して前記距離ｄの測定値がＡ＞ｄとなる回数または時間、あるいは、前記最小値よりも大きく設定した前記閾値Ｂに対して前記距離ｄの測定値がＢ＜ｄとなる回数又は時間が所定の条件を満たした場合に、異常発生と判定することを特徴とする工具損傷検出方法。
稼働中の溝付き回転工具の振動による距離ｄの変位を測定する非接触式変位センサと、前記工具の摩耗、チッピング、欠損のうちの少なくとも何れか１つである損傷による異常有無の判別値として設定された２種類の閾値Ａ、Ｂのうち、正常時における前記距離ｄの最小値よりも小さく設定した前記閾値Ａに対して前記距離ｄの測定値がＡ＞ｄとなる回数または時間、あるいは、前記最小値よりも大きく設定した前記閾値Ｂに対して前記距離ｄの測定値がＢ＜ｄとなる回数又は時間が所定の条件を満たした場合に、異常発生と判定する演算手段とを備えたことを特徴とする工具損傷検出装置。