JP6649348B2

JP6649348B2 - 工具寿命判定装置

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Publication number: JP6649348B2
Application number: JP2017223959A
Authority: JP
Inventors: 英一朗永末; 好丈古屋
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: DE102018128186A1; JP2019093469A; CN109807685B; US10705000B2; CN109807685A; US20190154557A1

Description

本発明は、工具寿命判定装置に関するものである。

従来、新しい刃具でテストワークを試験的に切削したときの切削トルクパターンから刃具の折損に至る手前の大きさの刃具折損危険トルクレベルを設定し、実際のワークを切削する際に検知した切削トルクパターンと設定されている刃具折損危険トルクレベルとを比較して刃具の折損予知を行う折損予知方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この折損予知方法では、刃具を支持する工具ホルダと工具を駆動するモータとの間にトルクセンサを配置して、トルクパターンを検出している。

特開平６−１９８５４７号公報

しかしながら、特許文献１の折損予知方法では、実際のワークを切削する際に検知した切削トルクパターンと刃具折損危険トルクレベルとを比較しているが、ワークの形状によっては、刃具の当たり面が一定ではなく加工中の負荷変動が大きいため、工具寿命を判定することは困難であるという不都合がある。

また、トルクセンサは工具のみならず工具ホルダ等の重量物を含む部分にかかるトルクを検出しているので、工具の摩耗によるトルクパターンの変動を検出するにはダイナミックレンジの広い高価なセンサが必要となり、ダイナミックレンジの狭い安価なセンサを用いると高精度な測定が困難になるという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、安価なセンサを用いて刃具の摩耗を精度よく判定することができる工具寿命判定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、テストワークを支持可能なテストワーク支持部と、工作機械のベース部と前記テストワーク支持部との間に配置され、前記工作機械の刃具で前記テストワークを加工したときに該テストワークに作用する負荷を検出可能な負荷センサと、前記負荷センサにより検出された前記テストワークに作用する負荷パターンを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記負荷パターンに基づいて磨耗基準値と折損基準値を求め、これら磨耗基準値および折損基準値と実際のワークの加工中の適時に前記負荷センサにより検出された前記テストワークに作用する負荷とを比較して、前記刃具の摩耗状態あるいは折損する虞を判定する判定部と、を備え、前記判定部が、前記テストワークに作用する前記負荷が前記磨耗基準値よりも大きく前記折損基準値よりも小さい場合に前記刃具の摩擦が過大である旨の判定を出力し、前記テストワークに作用する前記負荷が前記折損基準値よりも大きい場合に加工作業の終了指令を出力する工具寿命判定装置を提供する。

本態様によれば、新しい刃具を装着したときに、まず、刃具を加工可能範囲内に配置されているテストワークに位置合わせして、所定の加工条件でテストワークを加工し、そのときに負荷センサにより検出されたテストワークに作用する負荷パターンを記憶部に記憶する。この後に、同じ刃具を用いて実際のワークを加工するときには、適時に刃具をテストワークに位置合わせして、最初と同じ加工条件でテストワークを加工し、そのときに負荷センサにより負荷を検出する。検出された負荷は、判定部において記憶部に記憶されている新しい刃具に対する負荷パターンと比較され、刃具の摩耗状態が判定される。

すなわち、本態様によれば、実際のワークの加工中に刃具に作用する負荷を検出するのではなく、加工条件を一定に維持することができるテストワークに作用する負荷どうしを比較するので、摩耗状態の判定精度を向上することができる。また、負荷センサを刃具側ではなく、比較的軽量のテストワーク側に配置しているので、負荷センサとしてダイナミックレンジの狭い安価なセンサを使用しても精度よく摩耗状態の変化を検出することができ、工具寿命を精度よく判定することができる。

上記態様においては、前記ベース部が、前記ワークを固定する工作機械のステージであり、該ステージを前記刃具に対して移動させることにより前記刃具と前記ワークとの相対位置を変化させるとともに、前記テストワークを前記加工可能範囲内に配置してもよい。
このようにすることで、工作機械に備えられたワーク固定用のステージの一部に負荷センサを介してテストワーク支持部を固定することにより、刃具とステージとの相対移動によって、刃具をワークまたはテストワークに迅速に位置合わせすることができる。これにより、ワークの加工中の適時にテストワークの加工を迅速に実施して、工具寿命を精度よく判定することができる。

また、上記態様においては、前記ベース部が、前記テストワーク支持部を先端に支持するロボットであり、該ロボットを前記刃具に対して移動させることにより、前記テストワークを前記加工可能範囲内に配置してもよい。
このようにすることで、先端に支持したテストワーク支持部にテストワークを装着したロボットの作動により、テストワークを刃具による加工可能範囲内に配置して、刃具によるテストワークの加工を実施することができる。ワークを取り付けるステージにテストワーク用の余分なストロークを設ける必要がない。

また、上記態様においては、前記テストワークが、同一の加工条件で前記刃具を接触可能な複数の領域を備え、前記判定部が、前記負荷センサにより検出された負荷を領域に応じて補正する補正テーブルを備えていてもよい。
このようにすることで、刃具によるワークの加工中にテストワークを交換することなく、複数回にわたり摩耗状態の判定を行うことができる。同一のテストワークの異なる領域を加工することで負荷センサにより検出される負荷パターンが変化しても、補正テーブルによって領域毎に検出された負荷を補正することにより、一定の基準で摩耗状態を判定することができる。また、ワークの加工中にテストワークを交換しないので、テストワークに対する加工条件の変動を防止して、判定の精度を向上することができる。

本発明によれば、安価なセンサを用いて刃具の摩耗を精度よく判定することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る工具寿命判定装置を備える加工システムを示すブロック図である。図１の工具寿命判定装置に備えられるテストワーク支持部およびテストワークを示す正面図である。図１の工具寿命判定装置の負荷センサにより検出された負荷パターンの一例を示す図である。図１の加工システムによりワークを加工する手順を示すフローチャートである。図４のフローチャートにおける摩耗判定ルーチンを説明するフローチャートである。図１の加工システムに備えられるテストワークと負荷センサとの配置例を示す平面図である。図１の工具寿命判定装置の変形例であって、テストワーク支持部をロボットにより構成する場合を示す部分的な斜視図である。図７の加工システムの一例を示すブロック図である。図７の加工システムにおいてロボットがテストワークを刃具による加工可能範囲内に配置している状態を示すブロック図である。図７の加工システムにおいてロボットハンドにより工具を把持している状態を示す部分的な斜視図である。図７の加工システムにおいてロボットハンドによりテストワークを把持している状態を示す部分的な斜視図である。

本発明の一実施形態に係る工具寿命判定装置１について、図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係る工具寿命判定装置１は、図１に示される工作機械１００において用いられる装置である。
工作機械１００は、例えば、床面（被設置面）Ｆに設置されワークＷを固定して水平方向に移動させるステージ（ベース部）１０１と、ステージ１０１の上方に配置され、刃具１０２を支持して回転駆動する加工ヘッド１０３と、該加工ヘッド１０３を鉛直方向に昇降させる昇降軸１０４と、加工ヘッド１０３、ステージ１０１および昇降軸１０４を制御する制御部１０５とを備えている。制御部１０５にはモニタ１０６が接続されている。
刃具１０２は加工ヘッド１０３によって鉛直下方に刃先を向けて配置されるようになっている。

図中、符号１０７，１０８，１０９，１１０，１１１は、加工ヘッド１０３に備えられ刃具１０２を回転駆動するための動力を発生するモータ、昇降軸１０４を構成するリニアガイド、リニアガイド１０８によって昇降可能に支持されたスライダ、動力を発生するモータおよびモータ１１０によりスライダ１０９を昇降させるボールねじである。また、符号１１２はステージ１０１を駆動するための動力を発生するモータである。

本実施形態に係る工具寿命判定装置１は、工作機械１００のワークＷを固定するステージ１０１の一部に配置されテストワークＴを支持するテストワーク支持部２と、該テストワーク支持部２とステージ１０１との間に配置された負荷センサ３と、新しい刃具１０２が装着された状態でテストワークＴが加工されたときに負荷センサ３により検出された負荷パターンを記憶する記憶部４と、ワークＷの加工中の適時にテストワークＴが加工されたときに検出された負荷と記憶部４に記憶されている負荷パターンとを比較して刃具１０２の摩耗状態を判定する判定部５とを備えている。

テストワークＴは、例えば、直方体の金属ブロックである。テストワーク支持部２は、テストワークＴを、その一表面が刃具１０２の軸線に対して直交するように配置して支持するようになっている。テストワーク支持部２は、図２に示す例では、テストワークＴを搭載する搭載平面６ａを備える支持部本体６と、該支持部本体６の搭載平面６ａに搭載されたテストワークＴを支持部本体６に押し付けて摩擦により固定する固定具７とを備えている。

負荷センサ３は、例えば、刃具１０２によるテストワークＴの切削中に刃具１０２からテストワークＴが受ける鉛直方向の押圧力を検出するようになっている。
記憶部４は、新しい刃具１０２が装着された状態でテストワークＴが切削されたときに負荷センサ３により検出された押圧力の時間変化を負荷パターンとして記憶するようになっている。

判定部５は、記憶部４に記憶された負荷パターンに対して、基準値（図３に示す例では、摩耗基準値および折損基準値）を設定し、負荷センサ３により検出された押圧力が摩耗基準値を超える場合に、刃具１０２の摩耗が過大となって寿命が低下していると判定し、折損基準値を超える場合には折損する虞が高いと判定するようになっている。

摩耗基準値は、例えば、新しい刃具１０２について検出された負荷パターンの最大値の２０％増し、折損基準値は、例えば、新しい刃具１０２について検出された負荷パターンの７０％増しの場合には刃先折損、あるいは、負荷が掛からない場合には刃全体折損に設定される。
判定部５による摩耗の判定は、予め定められた周期で定期的にあるいは、切削加工終了後のワークＷの交換中等の適時に実行されるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る工具寿命判定装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る工具寿命判定装置１を用いて刃具１０２の寿命判定を行うには、図４に示されるように、まず、刃具１０２が新規であるか否かを判定し（ステップＳ１）、新規である場合には、テストワークＴを加工することにより負荷パターンを検出し（ステップＳ２）、検出された負荷パターンを記憶部４に記憶する（ステップＳ３）。一方、ステップＳ１において刃具１０２が新規でないと判定された場合には、そのままステップＳ４に進む。

負荷パターンが記憶された後には、当該刃具１０２を用いた実際のワークＷに対する切削加工が行われる（ステップＳ４）。そして、ワークＷの切削加工中に、摩耗の判定の時期となったか否かが判定され（ステップＳ５）、摩耗判定時期となったときには、摩耗判定が行われる（ステップＳ６）。

摩耗判定ステップＳ６においては、図５に示されるように、ステージ１０１の作動により、テストワーク支持部２に支持されたテストワークＴを刃具１０２の鉛直下方に配置される位置まで移動させ（ステップＳ６１）、テストワークＴに対する切削加工を実施する（ステップＳ６２）。

このテストワークＴに対する切削加工中には、負荷センサ３により刃具１０２からテストワークＴに加えられる負荷が検出され（ステップＳ６３）、記憶部４に記憶されている負荷パターンに基づいて設定された摩耗基準値と、検出された負荷の大きさとが比較される（ステップＳ６４）。判定部５により、負荷センサ３により検出された負荷が摩耗基準値よりも大きいと判定された場合には、さらに負荷が折損基準値より大きいか否かが判定される（ステップＳ６５）。

ステップＳ６５において、負荷が折損基準値以下である場合には、摩擦が過大である旨の判定がなされ、その旨をモニタ１０６に表示するように制御部１０５に対して判定結果が出力される（ステップＳ６６）。一方、負荷が折損基準値より大きい場合には、刃具１０２が折損する危険性がある旨の判定がなされ、作業の終了指令およびその旨をモニタ１０６に表示するように制御部１０５に対して判定結果が出力され（ステップＳ６７）、ステップＳ７の工程に進む。また、ステップＳ６４において、負荷センサ３により検出された負荷が摩耗基準値以下であると判定された場合にもステップＳ７の工程に進む。
そして、ステップＳ７において、加工終了であるか否かが判定され、終了しない場合にはステップＳ４からの工程が繰り返される。

このように、本実施形態に係る工具寿命判定装置１によれば、新しい刃具１０２を装着したときにテストワークＴを加工して検出された負荷パターンに基づき設定された基準値と、ワークＷ加工後の適時に、同じテストワークＴを加工したときに検出された負荷とを比較して、刃具１０２の寿命を判定するので、実際のワークＷの加工中に刃具１０２に作用する負荷を検出する場合とは異なり、加工条件を一定に維持して、摩耗状態の判定精度を向上することができるという利点がある。

また、負荷センサ３を刃具１０２側ではなく、比較的軽量のテストワークＴ側に配置しているので、負荷センサ３としてダイナミックレンジの狭い安価なセンサを使用しても精度よく摩耗状態の変化を検出することができ、工具寿命を精度よく判定することができるという利点もある。

なお、本実施形態においては、１つの摩耗基準値と負荷とを比較して摩耗が過大となったか否かを判定したが、これに代えて、複数の摩耗基準値を用意して、摩耗を段階的に判定してもよい。
また、摩耗基準値および折損基準値の設定例を記載したが、これに限定されるものではなく、他の任意の値に設定してもよい。

本実施形態においては、新しい刃具１０２を用いたテストワークＴの加工による負荷パターンの取得時と、ワークＷの加工後の刃具１０２によるテストワークＴの加工による負荷の検出時とで、同じテストワークＴを加工することとしたが、加工条件を一定にするために、同一のテストワークＴの同一表面の異なる位置を切削してもよい。例えば、図６に示されるように、テストワークＴの表面を複数の領域Ａに区画し、負荷の検出毎に異なる領域Ａを加工することにしてもよい。

この場合には、テストワークＴのほぼ中心に配置された負荷センサ３に対しては各領域Ａが異なる位置関係に配置されることとなるため、負荷センサ３により検出される負荷の大きさを補正する補正係数を領域Ａ毎に対応づけて記憶する補正テーブルを判定部５が備えていてもよい。このようにすることで、負荷を検出する毎に、常にテストワークＴの加工されていない表面を加工することができ、加工条件を一致させやすく、摩耗状態の判定精度を向上することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、ワークＷを固定するステージ１０１上にテストワークＴを固定するテストワーク支持部２を設けることにより、刃具１０２の加工可能範囲内にテストワークＴを配置することとしたが、これに代えて、図７に示されるように、テストワーク支持部２をロボット（工作機械、ベース部）２００の先端に取り付けるロボットハンド２０１により構成してもよい。図７に示す例では、ロボットハンド２０１と手首先端２０２との間に負荷センサ３を配置しておけばよい。

すなわち、刃具１０２によるワークＷの加工時には図８に示されるようにテストワークＴを退避させておき、摩耗判定時には、図９に示されるように、ロボット２００を動作させて、テストワークＴを刃具１０２の加工可能範囲内に配置することにすればよい。これにより、ステージ１０１上にテストワーク支持部２を配置したのと同様の効果を奏することができる。

また、ロボット２００として、図示しないツールストッカから工具２１０を取り出して工作機械１００に装着するためのロボットを利用することにしてもよい。この場合には、図１０および図１１に示されるように、テストワークＴの形状をロボットハンド２０１による工具２１０の把持部分の形状と共通化しておけばよい。これにより、工具装着用のロボット２００をテストワーク移動用のロボットとして使用することができる。ロボット２００としては、６軸多関節型ロボットを例示したが、これに限定されるものではない。

また、本実施形態においては、負荷センサ３により、負荷として押圧力を検出することとしたが、これに代えて、外乱トルク、振動の振幅あるいは振動の加速度、その他の任意の負荷を検出することにしてもよい。

１工具寿命判定装置
２テストワーク支持部
３負荷センサ
４記憶部
５判定部
１００工作機械
１０１ステージ（ベース部）
１０２刃具
２００ロボット（工作機械、ベース部）
Ａ領域
Ｆ床面（被設置面）
Ｔテストワーク
Ｗワーク

Claims

テストワークを支持可能なテストワーク支持部と、
工作機械のベース部と前記テストワーク支持部との間に配置され、前記工作機械の刃具で前記テストワークを加工したときに該テストワークに作用する負荷を検出可能な負荷センサと、
前記負荷センサにより検出された前記テストワークに作用する負荷パターンを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記負荷パターンに基づいて磨耗基準値と折損基準値を求め、これら磨耗基準値および折損基準値と実際のワークの加工中の適時に前記負荷センサにより検出された前記テストワークに作用する負荷とを比較して、前記刃具の摩耗状態あるいは折損する虞を判定する判定部と、を備え、
前記判定部が、前記テストワークに作用する前記負荷が前記磨耗基準値よりも大きく前記折損基準値よりも小さい場合に前記刃具の摩擦が過大である旨の判定を出力し、前記テストワークに作用する前記負荷が前記折損基準値よりも大きい場合に加工作業の終了指令を出力する工具寿命判定装置。
前記ベース部が、前記ワークを固定する工作機械のステージであり、
該ステージを前記刃具に対して移動させることにより前記刃具と前記ワークとの相対位置を変化させるとともに、前記テストワークを前記加工可能範囲内に配置する請求項１に記載の工具寿命判定装置。
前記ベース部が、前記テストワーク支持部を先端に支持するロボットであり、
該ロボットを前記刃具に対して移動させることにより、前記テストワークを前記加工可能範囲内に配置する請求項１に記載の工具寿命判定装置。
前記テストワークが、同一の加工条件で前記刃具を接触可能な複数の領域を備え、
前記判定部が、前記負荷センサにより検出された負荷を領域に応じて補正する補正テーブルを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の工具寿命判定装置。