JP6722052B2

JP6722052B2 - 多刃工具の異常検知方法

Info

Publication number: JP6722052B2
Application number: JP2016122063A
Authority: JP
Inventors: 梨絵中本; 林　宏樹; 宏樹林; 圭輔塩崎; 貴軌河原
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: JP2017226027A

Description

本発明は多刃工具の異常検知方法に係り、特に、ＭＴ（マハラノビス・田口）法を使用する多刃工具の異常検知方法に関する。

従来、一般的に、切削加工における工具（刃具）の寿命を判断して交換のタイミングを決めるのは作業者の経験や加工回数によるものが多い。また、チッピング等の異常検知システムでは、加工中に測定したデータを用いるが、データの絶対値や総和等、単変量での解析が行われている。例えば、切削抵抗等の加工時の状態を測定して工具寿命を診断する切削加工方法が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された切削加工方法は、アコースティックエミッション（ＡＥ）と切削抵抗の測定を行いながら加工を行う。そして、ＡＥ信号の振幅分布解析と切削抵抗の１／ｆ^β揺らぎ解析により、工具寿命を診断する。

特開２００５−１２５４８０号公報（請求項１参照）

しかしながら、作業者が加工回数等から工具寿命を判断すると、作業者によって刃具交換タイミングが異なるので、加工不良の発生を制御できない。また、単変量でのデータ監視では、閾値を設定することが難しいので、グレーゾーンが広い。また、バイトやドリル等の単刃工具では、刃具の摩耗やチッピングによって、切削抵抗等の加工時の状態が変動しやすいが、多刃工具では解析しにくいという問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、多刃工具の異常を検知して刃具の交換時期基準を判定することができる異常検知方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、工作機械による切削加工における所定の刃数を有する多刃工具の異常検知方法であって、前記切削加工の開始初期の加工データ項目を使用してＭＴ（マハラノビス・田口）法における単位空間を設定するステップと、前記単位空間における単位空間マハラノビス距離を求めるステップと、前記切削加工中における前記加工データ項目を使用して加工時マハラノビス距離を求めるステップと、前記単位空間マハラノビス距離と前記加工時マハラノビス距離とを対比して前記多刃工具の異常を判定するステップと、を備え、前記工作機械は、前記多刃工具を回転させる主軸を備え、前記主軸に沿う方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向であって、かつ相互に直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合において、前記加工データ項目は、前記工作機械における主軸トルク指令値、Ｘ軸トルク指令値、Ｙ軸トルク指令値、Ｚ軸トルク指令値、Ｘ軸方向振動振幅、Ｙ軸方向振動振幅、Ｚ軸方向振動振幅のそれぞれの和、並びにそれぞれの標準偏差をＭＴ法における特徴量としたことを特徴とする。
また、本発明は、工作機械による切削加工における所定の刃数を有する多刃工具の異常検知方法であって、前記切削加工の開始初期の加工データ項目を使用してＭＴ（マハラノビス・田口）法における単位空間を設定するステップと、前記単位空間における単位空間マハラノビス距離を求めるステップと、前記切削加工中における前記加工データ項目を使用して加工時マハラノビス距離を求めるステップと、前記単位空間マハラノビス距離と前記加工時マハラノビス距離とを対比して前記多刃工具の異常を判定するステップと、を備え、前記工作機械は、前記多刃工具を回転させる主軸を備え、前記主軸に沿う方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向であって、かつ相互に直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合において、前記加工データ項目は、前記工作機械における主軸トルク指令値、およびＺ軸方向振動振幅のそれぞれの和と、前記工作機械における主軸トルク指令値、Ｘ軸方向振動振幅、およびＹ軸方向振動振幅のそれぞれの平均値と、Ｙ軸方向振動数、およびＺ軸方向振動数のそれぞれの前記刃数分の１の分数調波と、Ｚ軸方向振動数の前記刃数倍の高調波と、Ｘ軸方向振動、および主軸ヘッドのＺ軸方向振動のそれぞれに対するＭＴ法における存在量と、前記工作機械におけるＸ軸方向ひずみ、およびＹ軸方向ひずみのそれぞれに対するＭＴ法における変化量と、をＭＴ法における特徴量としたことを特徴とする。

本発明は、切削加工中における多数の加工データ項目をＭＴ法で解析する多変量解析であるので、単変量での監視よりも複雑な加工の監視が可能になる。解析結果は、前記単位空間マハラノビス距離と前記加工時マハラノビス距離とを対比して求める。これにより、マハラノビス距離に対する閾値を設定して、この閾値を超えるかどうかで多刃工具の異常を判断することができる。

本発明は、多刃工具の異常を検知して刃具の交換時期基準を判定することができる。このため、加工不良の発生を抑制することができる。また、加工時における多刃工具の異常を判定することができるので、無駄なく、工具寿命を使い切ることができる。このようにして、本発明は、作業者の人的経験に頼らないで、加工刃の逃げ面摩耗とチッピングの異常を識別して、異常の原因まで特定する異常検知システムを構築することができる。

本発明の実施形態に係る異常検知方法におけるフライス加工の様子を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る異常検知方法におけるフライス加工における逃げ面摩耗を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係る異常検知方法における加工回数（パス数）とマハラビノス距離との関係を示すグラフである。本発明の第１の実施形態に係る異常検知方法における加工回数（パス数）と逃げ面摩耗量との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る異常検知方法における加工回数（パス数）とマハラビノス距離との関係を示すグラフであり、（ａ）は逃げ面摩耗量を識別する部分、（ｂ）はチッピングを識別する部分である。

本発明の第１の実施形態に係る多刃工具の異常検知方法について、適宜図１から図４を参照しながら詳細に説明する。切削加工を行う工作機械として横形のマシニングセンタ（不図示）を使用する。多刃工具は、図１に示すように、ドリルのように加工刃が１本に連続していない複数の加工刃１１を有する工具である。多刃工具としてフライス１を使用する。

第１の実施形態に係る多刃工具の異常検知方法では、図２に示すように、切削加工における主として加工刃１１の逃げ面１１ａに生じる逃げ面摩耗量δを基準としてフライス１（図１参照）の異常を判定する。逃げ面１１ａは、ワークＷの加工面に対して逃げ角βをなす面である。

切削加工は、図１に示すように、ワークＷに対して、加工のパス（送り動作）を横引き（Ｘ軸方向）のみとする。Ｘ軸方向（送り方向）へ１パス（１回の送り動作）削るごとにＺ軸方向（加工刃１１を切り込む方向）へフライス１を０．３ｍｍ（切り込み量）ずつ切り込む。切削加工における加工条件は、横形のマシニングセンタの主軸１０の回転数（フライス１の回転数）が８７５（／ｍｉｎ）、送り速度が１０５０（ｍｍ／ｍｉｎ）である。フライス１の加工刃１１（チップ）の数は、６本である。

なお、本実施形態においては、加工テーブル２を固定した状態でフライス１をＸ軸方向へ移動させるが、フライス１を固定した状態で加工テーブル２をＸ軸方向へ移動させる場合であっても同様である。

なお、本実施形態では、工作機械を横形のマシニングセンタとしたが、これに限定されるものではなく、立形のマシニングセンタであってもよいし、ボーリング加工機等の種々の工作機械に適用することができる。また、多刃工具は、フライス１に限定されるものではなく、複数の加工刃１１（チップ）を有するものであればよく、エンドミルであっても適用することができる。

本実施形態に係るフライスの異常検知方法は、図３に示すように、単位空間を設定するステップと、単位空間マハラノビス距離を求めるステップと、加工時マハラノビス距離を求めるステップと、フライス１の加工刃１１の異常を判定するステップと、を備えている。

＜単位空間を設定するステップ＞
単位空間を設定するステップは、切削加工の開始初期の加工データ項目を使用してＭＴ（マハラノビス・田口）法における単位空間を設定する。切削加工の開始初期の加工データ項目を使用することで、加工刃１１が交換直後の新品の状態であるから、正常な切削状態における加工データを取得することができる。
本実施形態では、「切削加工の開始初期」として、１００パスまでの加工データを単位空間とした。

＜加工データ項目＞
第１の実施形態に係る逃げ面摩耗量δ（図２参照）を基準としてフライス１の異常を判定する場合には、次のような加工データ項目をＭＴ法における特徴量とするのが好適である。
逃げ面摩耗量δを判定するために好適な加工データ項目は、切削加工を行うマシニングセンタ（不図示。以下、単に「マシニングセンタ」という。）における主軸トルク指令値、Ｘ軸トルク指令値、Ｙ軸トルク指令値、Ｚ軸トルク指令値、Ｘ軸方向振動振幅、Ｙ軸方向振動振幅、Ｚ軸方向振動振幅のそれぞれの和、並びにそれぞれの標準偏差をＭＴ法における特徴量とする。

ここで、本発明における工作機械は、主軸１０（図１参照）に沿う方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に直交する方向において、相互に直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向という。

加工データは、マシニングセンタ（不図示）に設置した種々のセンサから取得したデータを用いる。加工データは、各パス（図１参照）において、例えば１ミリ秒ごとに取得する。
例えば、加工データ項目のうち主軸トルク指令値の和を特徴量の１つとする場合には、１ミリ秒ごとに取得した主軸トルク指令値の和を求める。また、加工データ項目のうち主軸トルク指令値の標準偏差を特徴量の１つとする場合には、一例として１ミリ秒ごとに取得した主軸トルク指令値の標準偏差を求める。

特徴量は、種々のセンサ（不図示）から取得した種々のデータ（加工データ項目）の中から特徴を表現できるものを抽出して選択する。マシニングセンタ（不図示）には、コラム、主軸ヘッド、加工テーブル等（不図示）にひずみゲージ等の種々のセンサを装着して加工データを検出する。

主軸トルク指令値は、主軸サーボモータ（不図示）に与えるトルクの指令値である。主軸トルク指令値は、切削加工時の負荷（切削抵抗）の変動に応じて変動する変化量であり、この変化量を１ミリ秒ごとに取得する。

Ｘ軸トルク指令値は、マシニングセンタの主軸ヘッド（不図示）をＸ軸方向（左右方向）へ移動させるサーボモータに与えるトルク（Ｎ・ｍ）の指令値である。Ｘ軸トルク指令値は、切削加工時の負荷（切削抵抗）の変動に応じて変動する変化量であり、この変化量を１ミリ秒ごとに取得する。Ｙ軸トルク指令値、およびＺ軸トルク指令値は、移動方向が異なるがＸ軸トルク指令値と同様であるので詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態においては、加工テーブル２（図１参照）を固定した状態でマシニングセンタの主軸ヘッド（不図示）をＸ軸方向へ移動させる例について説明するが、主軸ヘッド（不図示）を固定した状態で加工テーブル２をＸ軸方向へ移動させる場合であっても同様である。

Ｘ軸方向振動振幅は、主軸ヘッド（不図示）または加工テーブル２（図１参照）をＸ軸方向（左右方向）へ移動させる場合に、主軸ヘッド（不図示）または加工テーブル２（図１参照）に発生する振動振幅（μｍ）である。Ｙ軸方向振動振幅、およびＺ軸方向振動振幅は、振動の方向が異なるがＸ軸方向振動振幅と同様であるので詳細な説明は省略する。

なお、横形のマシニングセンタ（不図示）は、主軸ヘッドをＸ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）に移動させ、加工テーブル２をＺ軸方向（前後方向）へ移動させる移動機構を備えているが、これに限定されるものではなく、種々の軸構成を採用することができる。例えば、主軸ヘッドをＸ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、およびＺ軸方向（前後方向）へ移動させるものであってもよい。

＜単位空間マハラノビス距離を求めるステップ＞
単位空間マハラノビス距離を求めるステップは、ＭＴ法におけるマハラノビス距離を求める規定に則して行うため、詳細な説明は省略する。図３に示すように、単位空間マハラノビス距離は、１前後の値となる。

＜加工時マハラノビス距離を求めるステップ＞
加工時マハラノビス距離を求めるステップは、切削加工中における加工データ項目を使用して加工時マハラノビス距離を求める。切削加工中における加工データ項目は、単位空間を設定するステップで使用した同じ加工データ項目における特徴量を使用する。

加工時マハラノビス距離を求めるステップは、ＭＴ法におけるマハラノビス距離を求める規定に則して行うため、詳細な説明は省略する。
図３に示すように、加工時マハラノビス距離（縦軸）は、１００から８００パス（横軸）まででは、１〜１００００程度の値となる。加工時マハラノビス距離は、１００〜２００パスぐらいまでは単位空間と同程度で安定して推移する。２００〜３００パスぐらいまでは少し急激に立ち上がる傾向を示す。３００〜８００パスまでは、加工回数（パス数）に比例して緩やかに増大する。

加工時マハラノビス距離は、フライス１による切削加工における逃げ面摩耗量δ（図２参照）に対応している。
図４に示すように、加工時マハラノビス距離（図３参照）と同様に、逃げ面摩耗量δ（ｍｍ）は、１００〜２００パスぐらいまでは緩やかに増大しながら推移する。２００〜３００パスぐらいまでは少し急激に立ち上がる傾向を示す。３００〜８００パスまでは、加工回数（パス数）に比例して緩やかに増大する。

このようにして、ＭＴ法における特徴量を適切に選択することで、加工時マハラノビス距離（図３参照）は、実際のフライス１（図１参照）による切削加工における刃先の逃げ面摩耗量δ（図２参照）に対応させることができる。種々の実験の結果、切削条件が異なる場合でも同様に両者を対応させることができる。

＜多刃工具の異常を判定するステップ＞
フライス１（図１参照）の異常を判定するステップについて、図３を参照しながら説明する。異常を判定するステップでは、図３に示すように、単位空間マハラノビス距離と加工時マハラノビス距離とを対比してフライス１の異常を判定する。

具体的には、加工時マハラビノス距離に対して、予め加工目的や切削条件等に応じて所定の閾値、例えば、８０００（縦軸）のように判定基準を設定しておくことで、フライス１の加工刃１１（図１参照）の交換時期を客観的に定めることができる。加工時マハラビノス距離が８０００に到達した時の加工回数は、本実施形態では７００パスである。

続いて、本発明の第２の実施形態に係る多刃工具の異常検知方法について説明する。第２の実施形態に係る多刃工具の異常検知方法では、逃げ面摩耗量δ（図２参照）およびチッピング（刃先の欠け）の両方を識別してフライス１（図１参照）の異常を判定する。
逃げ面摩耗量とチッピングとを切り分けてフライス１の異常を判定する場合には、次のような加工データ項目をＭＴ法における特徴量とするのが好適である。

第２の実施形態に係る加工データ項目は、マシニングセンタ（不図示）における主軸トルク指令値、およびＺ軸方向振動振幅のそれぞれの和と、主軸トルク指令値、Ｘ軸方向振動振幅、およびＹ軸方向振動振幅のそれぞれの平均値と、Ｙ軸方向振動数、およびＺ軸方向振動数のそれぞれの刃数分の１の分数調波と、Ｚ軸方向振動数の刃数倍の高調波と、Ｘ軸方向振動（波形）、および主軸ヘッドのＺ軸方向振動のそれぞれに対するＭＴ法における存在量と、Ｘ軸方向ひずみ（波形）、およびＹ軸方向ひずみのそれぞれに対するＭＴ法における変化量と、をＭＴ法における特徴量とする。

主軸トルク指令値、およびＺ軸方向振動振幅のそれぞれの和は、前記した第１の実施形態内容と同様である。
主軸トルク指定値の平均値は、主軸トルク指定値の和を１ミリ秒ごとに取得したデータの総数で割った値である。Ｘ軸方向振動振幅、およびＹ軸方向振動振幅のそれぞれの平均値は、平均値の求め方は主軸トルク指定値の平均値と同様である。

Ｙ軸方向振動数の刃数（６本）分の１の分数調波は、主軸ヘッド（不図示）または加工テーブル２（図１参照）のＹ軸方向（前後方向）における１回の振動波形を１／６にしたものである。
Ｙ軸方向振動数は、主軸ヘッド（不図示）または加工テーブル２（図１参照）をＹ軸方向へ移動させる場合に発生する振動数（周波数）である。Ｚ軸方向振動数は、振動の方向が異なるがＹ軸方向振動数と同様である。

Ｚ軸方向振動数の刃数倍の高調波は、主軸ヘッド（不図示）または加工テーブル２（図１参照）のＺ軸方向（上下方向）における刃数倍（本実施形態では６倍）の高調波である。

ＭＴ法における存在量は、ＭＴ法における存在量を求める規定に則して定義される。Ｘ軸方向振動に対するＭＴ法における存在量は、主軸ヘッド（不図示）または加工テーブル２（図１参照）のＸ軸方向（左右方向）におけるＸ軸方向振動の波形を基準にして定められる。Ｚ軸方向振動に対するＭＴ法における存在量についても同様である。

ＭＴ法における変化量は、ＭＴ法における変化量を求める規定に則して定義される。
Ｘ軸方向ひずみに対するＭＴ法における変化量は、主軸ヘッド（不図示）または加工テーブル２（図１参照）のＸ軸方向（左右方向）におけるひずみの波形を基準にして定められる。Ｙ軸方向ひずみに対するＭＴ法における変化量についても同様である。

第２の実施形態に係る加工時マハラノビス距離について、図５を参照しながら説明する。図５は、加工回数（パス数）と加工時マハラビノス距離との関係を示すグラフであり、逃げ面摩耗量が識別可能であることを示し、（ｂ）はチッピングが識別可能であることを示す。

また、図５（ｂ）は、チッピングを再現するために、新品の加工刃１１にチッピングを発生させたものと、図５（ａ）で示した８３０パスまで切削加工を行った加工刃１１にチッピングを発生させたものとを使用して加工時マハラノビス距離を求めたものである。
チッピングを発生させた加工刃１１（図１参照）では、６本の加工刃１１のうちの１本にチッピングを発生させた。

逃げ面摩耗量に対応する加工時マハラノビス距離は、図５（ａ）に示すように、１００から８００パス（横軸）まででは、１〜１１００００程度の値となる。加工時マハラノビス距離は、１００〜２００パスぐらいまでは単位空間と同程度で安定して推移するが、２００〜１１００００パスまでは、加工回数（パス数）に比例して増大する。

チッピングに対応する加工時マハラノビス距離は、図５（ｂ）に示すように、新品の加工刃１１にチッピングを発生させたもの（新品の加工刃＋チッピング）では、マハラノビス距離が２０００であるから、図５（ａ）に示す単位空間よりも２０００程度も上方に表示される。

８３０パスまで切削加工を行った加工刃１１にチッピングを発生させたもの（使用済みの加工刃＋チッピング）では、マハラノビス距離が１８００００程度であるから、図５（ａ）に示す８３０パスまで切削加工を行ったチッピングのないもの（使用済みの加工刃でチッピングなし）よりも７００００程度も上方に表示される。

したがって、逃げ面摩耗量に対応する加工時マハラノビス距離に対して、所定の距離だけ上方に離隔する位置に加工時マハラノビス距離が表示された場合には、チッピングが発生したことを検知することができる。例えば、逃げ面摩耗量に対応する加工時マハラノビス距離よりも所定の閾値だけ大きいマハラノビス距離が表示された場合には、チッピングが発生したことを判定することができる。

以上より、逃げ面摩耗量およびチッピングの両方を判定する場合に特化した加工データ項目を特徴量として選択してマハラノビス距離を求めることで、チッピングの方が逃げ面摩耗量よりも上方に表示される。このため、逃げ面摩耗量とチッピングとを切り分けてフライス１の異常を判定することができる。
また、６本の加工刃１１のうちの１本にチッピングが発生したときに、フライス１の異常を判定することができるため、加工不良の発生を未然に予測して早期に対応することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した各実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、前記実施形態に係る異常検知方法では、工作機械がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸で構成したが、これに限定されるものではなく、２軸であってもよく、４軸以上であっても同様に適用することができる。

１フライス（多刃工具）
２加工テーブル
１０主軸
１１加工刃
１１ａ逃げ面
Ｗワーク

Claims

工作機械による切削加工における所定の刃数を有する多刃工具の異常検知方法であって、
前記切削加工の開始初期の加工データ項目を使用してＭＴ（マハラノビス・田口）法における単位空間を設定するステップと、
前記単位空間における単位空間マハラノビス距離を求めるステップと、
前記切削加工中における前記加工データ項目を使用して加工時マハラノビス距離を求めるステップと、
前記単位空間マハラノビス距離と前記加工時マハラノビス距離とを対比して前記多刃工具の異常を判定するステップと、
を備え、
前記工作機械は、前記多刃工具を回転させる主軸を備え、
前記主軸に沿う方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向であって、かつ相互に直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合において、
前記加工データ項目は、前記工作機械における主軸トルク指令値、Ｘ軸トルク指令値、Ｙ軸トルク指令値、Ｚ軸トルク指令値、Ｘ軸方向振動振幅、Ｙ軸方向振動振幅、Ｚ軸方向振動振幅のそれぞれの和、並びにそれぞれの標準偏差をＭＴ法における特徴量としたこと、
を特徴とする異常検知方法。
工作機械による切削加工における所定の刃数を有する多刃工具の異常検知方法であって、
前記切削加工の開始初期の加工データ項目を使用してＭＴ（マハラノビス・田口）法における単位空間を設定するステップと、
前記単位空間における単位空間マハラノビス距離を求めるステップと、
前記切削加工中における前記加工データ項目を使用して加工時マハラノビス距離を求めるステップと、
前記単位空間マハラノビス距離と前記加工時マハラノビス距離とを対比して前記多刃工具の異常を判定するステップと、
を備え、
前記工作機械は、前記多刃工具を回転させる主軸を備え、
前記主軸に沿う方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向であって、かつ相互に直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とした場合において、
前記加工データ項目は、前記工作機械における主軸トルク指令値、およびＺ軸方向振動振幅のそれぞれの和と、
前記工作機械における主軸トルク指令値、Ｘ軸方向振動振幅、およびＹ軸方向振動振幅のそれぞれの平均値と、
Ｙ軸方向振動数、およびＺ軸方向振動数のそれぞれの前記刃数分の１の分数調波と、
Ｚ軸方向振動数の前記刃数倍の高調波と、
Ｘ軸方向振動、および主軸ヘッドのＺ軸方向振動のそれぞれに対するＭＴ法における存在量と、
前記工作機械におけるＸ軸方向ひずみ、およびＹ軸方向ひずみのそれぞれに対するＭＴ法における変化量と、
をＭＴ法における特徴量としたこと、
を特徴とする異常検知方法。