JP7036763B2 - 工具交換時期管理システム - Google Patents

Description

本発明は工具交換時期管理技術に関し、特に工具交換時期を定量的に判断する工具交換時期管理システムに関する。

工作機械、ロボット等の機械における工具交換時期を管理する技術としては、例えば下記の文献が公知である。

特許文献１には、工作機械から動作状態情報として回転に伴う振動のピーク値を検出し、判定基準を参照して工具交換時期を判定することが開示されている。

特許文献２には、工作機械から、工具の寿命が十分に残っている状態での加工の状況を示す加工情報を収集し、収集した加工情報に基づいて工具寿命が残っている状況を機械学習装置に学習させることが開示されている。

特許文献３には、幾つかの工具を備えた複数の加工設備から各工具の交換時期情報を順次収集し、収集した交換時期情報を加工設備の識別情報と共に時系列に順次表示することにより、工具未交換による設備停止を防止することが開示されている。

特許文献４には、工具を装着されている主軸の回転数と送り速度と主軸駆動トルクとを入力変数とし、工具交換時期を出力変数としてファジィ推論ルールを設定し、ファジィ推論によって工具交換時期を判定することが開示されている。

特開２００１－２０５５４５号公報 特開２０１８－１０３２８４号公報 特開２００４－１３０４５１号公報 特開平１１－２８６４６号公報

工具交換時期を的確に判断することは難しい。加工回数、加工時間等で判断する場合もあり、工具を毎日検査し、工具の見た目で交換する場合もある。特に熟練者は、経験又は勘で工具交換時期を判断している。

そこで、本発明は工具交換時期を定量的に判断する技術を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、加工状態を示す時系列データを機械から取得するデータ取得部と、時系列データから加工、工具、ワーク、及び工具速度のうちの少なくとも１つの同一の又は類似の条件或いは同一の又は類似の条件の組合せによって標本データを切出すデータ切出し部と、標本データから統計学的指標である加工状態量を算出する加工状態量算出部と、加工状態量を時系列に並べた工具劣化状況データを生成する工具劣化状況生成部と、工具劣化状況データに基づいて工具交換時期を算出する工具交換時期算出部と、を備える、工具交換時期管理システムを提供する。

本開示の一態様によれば、統計学的指標である加工状態量を時系列に並べることにより工具劣化状況が定量的に見えるようになる。また熟練者の工具交換時期を蓄積すれば適切な工具交換時期も見えるようになる。さらに未熟者にも適切な工具交換時期を教示できる。

一実施形態における工具交換時期管理システムのブロック図である。 加工状態を示す時系列データの一例を示す図である。 １加工におけるトルク値の時系列データの経時的推移を示す図である。 加工状態量の一例（分散・標準偏差・二乗平均平方根（ＲＭＳ））を示す概念図である。 加工状態量の一例（尖度）を示す概念図である。 加工状態量の一例（歪度）を示す概念図である。 加工状態量の一例（平均値・最大値・最小値）を示す概念図である。 加工状態量の一例（基準波形からの距離）を示す概念図である。 加工状態量の一例（積分値・平均荷重・三乗平均値）を示す概念図である。 工具劣化状況データの一例を示す図である。 工具交換時期閾値の一例を示す図である。 残加工量の一例を示す図である。 工具劣化状況範囲の一例を示す図である。 表示部の表示画面の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。

図１は本実施形態における工具交換時期管理システム１のブロック図である。工具交換時期管理システム１は、機械１０と、データ取得部１１と、データ切出し部１２と、加工状態量算出部１３と、工具劣化状況生成部１４と、工具交換時期算出部１５と、を備えている。機械１０以外の構成要素は、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等のハードウェアで構成してもよいし、又はＣＰＵ（central processing unit）、ＲＡＭ（random access memory）、ＲＯＭ（read only memory）等を備えたコンピュータ上で実行するソフトウェアで構成してもよい。また、工具交換時期管理システム１は、バス接続等で接続された一体型でもよいし、又は有線若しくは無線のネットワークで接続された分散型でもよい。

機械１０は、工具を用いてワークに対し加工を行う機械であり、例えば工作機械、ロボット等を含む。機械１０の加工内容としては、例えば切断、切削、穴あけ、面取り、ねじ切り等を含み、ワークの種類としては、例えば金属、木材等を含む。工具の種類としては、例えばエンドミル等のフライス、ドリル、リーマー、タップ等を含む。

データ取得部１１は、加工状態を示す時系列データを機械１０から取得する。加工状態を示す時系列データは、例えば機械１０に備わるサーボモータのトルク値（例えば各軸のトルク指令値、電流値等）、機械１０に別途設置したセンサの検出値（例えば振動センサ、力センサ等の検出値）、工具オフセットといった機械パラメータ等でもよい。図２は、加工状態を示す時系列データの一例として、１加工におけるトルク値の時系列データ２１を示している。機械１０から直接取得できるトルク値等を用いる場合には、別途センサ等を機械１０に設ける必要が無いというメリットが得られる。

工具交換直後から次の工具交換前までの加工中に機械１０から取得したトルク値等の変化を時系列に見ると、トルク波形に経時的変化があることが分かる。例えば図３は１加工におけるトルク値の時系列データ４０の経時的変化を示している。見た目では経時的変化の規則性が分かり難いが、特定の指標を用いて傾向が見えるようになると、工具交換時期が見えるようになる。

分散、尖度等の統計学的指標を用いてトルク値の時系列データの経時的変化の規則性を分析すると、統計学的指標の変化と工具交換時期とが連動していて双方に関連性があることも分かる。

データ切出し部１２は、加工状態を示す時系列データ２１から加工、工具、ワーク、及び工具速度のうちの少なくとも１つの条件又は条件の組合せによって標本データ２２を切出す。切出す条件の組合せとは、加工、工具、ワーク、及び工具速度が夫々同一であるか、又は加工、工具、ワーク、及び工具速度のうちの少なくとも１つが類似であることを意味する。類似の加工とは、別の目的の加工であっても同じような加工内容を行う加工（例えば切断と切削、穴あけとねじ切り等）、又は同じ目的の加工であっても一部違う加工内容を行う加工（例えば荒削り及び精密削りを行う切削と精密削りのみを行う切削等）を含む。類似の工具又はワークとは、別のサプライヤの工具又はワークであっても同じ特徴を持つ工具又はワークを含む。類似の工具速度とは、予め定めた範囲内の工具速度を含む。常に同一条件下で標本データ２２を切出すことにより、統計学的指標である加工状態量を時系列に並べたときに工具劣化状況が定量的に見えるようになる。

加工状態量算出部１３は、標本データ２２から統計学的指標である加工状態量を算出する。加工状態量は、例えば分散、標準偏差、ＲＭＳ、尖度、歪度、平均値、最大値、最小値、基準波形（平均波形）からの距離、積分値、平均荷重、三乗平均値等を含む。加工状態量は、これら統計学的指標の中で最も経時的変化の大きい値でもよいし、又は、これら統計学的指標の中から予め設定した優先度に基づき選択された値又はこれらの組合せ（例えば乗算値等）でもよい。優先度は、例えば下記の表のように３段階で予め設定できる。

分散・標準偏差・ＲＭＳは、例えば図４に示すように標本データ２２のバラツキを表す。工具交換直後から工具交換前まで標本データ２２の分散を時系列に並べると、分散は経時的に上昇していく。

尖度は、例えば図５に示すように標本データ２２の尖り具合を表す。工具交換直後から工具交換前まで標本データ２２の尖度を時系列に並べると、尖度は経時的に下降していく。

歪度は、例えば図６に示すように標本データ２２の歪み具合を表す。工具交換直後から工具交換前まで標本データ２２の歪度を時系列に並べると、歪度も経時的に下降していく。

平均値・最大値・最小値は、例えば図７に示すように周知の通りであるが、工具交換直後から工具交換前まで標本データ２２の平均値・最大値・最小値を時系列に並べると、これら値も経時的に上昇していく。

基準波形（平均波形）からの距離は、例えば図８に示すように標本データ２２と基準波形２３との距離を表す。基準波形は過去の標本データ２２の平均波形でよい。工具交換直後から工具交換前まで標本データ２２の基準波形からの距離を時系列に並べると、この値も経時的に上昇していく。

積分値は、例えば図９に示すように標本データ２２の総積分値（累積値）を表す。工具交換直後から工具交換前まで標本データ２２の積分値を時系列に並べると、この値も経時的に上昇していく。

平均荷重Ｆ_mは、例えば下記の式から求められる。ここでＦ_nは時間ｔ_nにおける荷重であり、ｎは時間ｔ_nにおける速度である。但し、標本データ２２は同一又は類似の工具速度の条件下で切出されるため、速度ｎは一定（即ち定数）であるか又は一定の範囲に収まる。

三乗平均値は、周知の通り平均値からの偏差の三乗平均である。工具交換直後から工具交換前まで標本データ２２の平均荷重・三乗平均値を時系列に並べると、これら値も経時的に上昇していく。

図１を再び参照すると、工具劣化状況生成部１４は、工具交換後から工具交換前までを１周期として加工状態量を時系列に並べた工具劣化状況データを生成する。図９は、分散（上グラフ）、尖度（下グラフ）を時系列に並べた工具劣化状況データ２４を示している。各周期の最後には、実際の工具交換時期２５が示されている。工具交換時期２５に近づくにつれ、分散が上昇し、尖度が下降している様子が分かる。信頼できる熟練者の工具交換時期２５を蓄積すれば、より適切な工具交換時期も見えるようになる。

図１を再び参照すると、工具交換時期算出部１５は、工具劣化状況データに基づいて工具交換時期を算出する。工具交換時期算出部１５は、例えば図１１に示す過去の工具劣化状況データに基づいて工具交換時期閾値を算出し、工具交換時期閾値に基づき、新たに取得した工具劣化状況データにおける工具交換時期を算出してもよい。また工具交換時期算出部１５は、より適切な工具交換時期閾値を算出するため、特定作業者（例えば信頼できる熟練者）の工具劣化状況データに基づいて工具交換時期閾値を算出することが望ましい。

工具交換時期閾値の算出手法としては、例えば下記の手法がある。
（１）１周期における加工状態量の最大値を複数周期に亘って平均した平均値として算出。
（２）１周期における加工状態量の変化が最も大きくなる直前の加工状態量を複数周期に亘って平均した平均値として算出。
（３）複数周期に亘る同一時点の加工状態量の平均値を時系列に並べた平均工具劣化状況データにおける最大値として算出。

図１１は工具交換時期閾値２６の一例を示している。この工具交換時期閾値２６は、平均工具劣化状況データ２７における最大値として算出されている。工具交換時期算出部１５は、新たに取得した工具劣化状況データが工具交換時期閾値２６を超えた時点を工具交換時期２５として算出する。

新たに取得した工具劣化状況データが工具交換時期閾値２６を超えた場合、工具交換時期算出部１５は、例えば図１に示すように工具交換信号を機械１０に出力してもよい。工具交換信号は、例えば機械１０に対する自動工具交換信号として、又は作業者に対する工具交換通知信号として利用することができる。

工具交換時期管理システム１は残加工量算出部１６をさらに備えていてもよい。残加工量算出部１６は、例えば図１２に示すように新たに取得した工具劣化状況データ２４及び工具交換時期閾値２６に基づいて残加工量２８を算出する。残加工量は、例えば残加工回数、残加工時間等でよい。

残加工量の算出手法としては、例えば下記の手法がある。
（１）新たに取得した工具劣化状況データ２４の予測近似線を求め、予測近似線と工具交換時期閾値２６との交点を算出し、現在から交点までの残加工量２８を算出。
（２）平均工具劣化状況データ２７と工具交換時期閾値２６との交点を算出し、現在から交点までの残加工量２８を算出。

図１を再び参照すると、工具交換時期管理システム１は、工具劣化状況範囲算出部１７と、異常通知部１８と、をさらに備えていてもよい。工具劣化状況範囲算出部１７は、例えば図１３に示すように平均工具劣化状況データ２７と、複数周期に亘る同一時点の加工状態量の標準偏差を時系列に並べた標準偏差工具劣化状況データ（図示せず）と、を算出し、平均工具劣化状況データ２７から標準偏差工具劣化状況データの所定倍数を加減算した範囲を工具劣化状況範囲２９として算出する。標準偏差をσとすると、新たに取得した工具劣化状況データ２４は、６８％の確率で±１σの工具劣化状況範囲２９に収まり、９５％の確率で±２σの工具劣化状況範囲２９に収まり、９９％の確率で±３σの工具劣化状況範囲２９に収まることになる。

新たに取得した工具劣化状況データ２４が工具劣化状況範囲２９から外れた場合、異常通知部１８は異常信号を出力する。異常信号は、例えば機械１０に対する動力停止信号として、又は作業者に対する工具確認通知信号として利用することができる。

工具交換時期管理システム１は、記憶部１９と、表示部２０と、をさらに備えていてもよい。記憶部１９は、例えばＲＡＭ（random access memory）、ＳＳＤ（solid state drive）等のメモリを備える。記憶部１９は、加工内容、ワークの種類、及び工具の種類毎に、例えば加工状態を示す時系列データ、新たに取得した工具劣化状況データ、工具交換時期閾値、平均工具劣化状況データ、残加工量等を記憶していく。

表示部２０は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置を備える。表示部２０は、例えば図１４に示すように加工内容、ワークの種類、及び工具の種類毎に、例えば加工状態を示す時系列データ２１、新たに取得した工具劣化状況データ２４、工具交換時期閾値２６、平均工具劣化状況データ２７、残加工量２８等を表示する。これにより工具劣化状況、適切な工具交換時期、残加工量等が定量的に見えるようになる。

本実施形態によれば、統計学的指標である加工状態量を時系列に並べることにより工具劣化状況が定量的に見えるようになる。また熟練者の工具交換時期を蓄積すれば適切な工具交換時期も見えるようになる。さらに未熟者にも適切な工具交換時期を教示できる。

前述のプログラム、ソフトウェア等は、コンピュータ読取り可能な非一時的記録媒体、例えばＣＤ－ＲＯＭ等に記録して提供することが可能である。

本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１ 工具交換時期管理システム
１０ 機械
１１ データ取得部
１２ データ切出し部
１３ 加工状態量算出部
１４ 工具劣化状況生成部
１５ 工具交換時期算出部
１６ 残加工量算出部
１７ 工具劣化状況範囲算出部
１８ 異常通知部
１９ 記憶部
２０ 表示部
２１ 加工状態を示す時系列データ
２２ 標本データ
２３ 基準波形
２４ 工具劣化状況データ
２５ 工具交換時期
２６ 工具交換時期閾値
２７ 平均工具劣化状況データ
２８ 残加工量
２９ 工具劣化状況範囲

Claims (11)

1. 加工状態を示す時系列データを機械から取得するデータ取得部と、
   前記時系列データから加工、工具、ワーク、及び工具速度のうちの少なくとも１つの同一の又は類似の条件或いは同一の又は類似の条件の組合せによって標本データを切出すデータ切出し部と、
   前記標本データから統計学的指標である加工状態量を算出する加工状態量算出部と、
   前記加工状態量を時系列に並べた工具劣化状況データを生成する工具劣化状況生成部と、
   前記工具劣化状況データに基づいて工具交換時期を算出する工具交換時期算出部と、
   を備えることを特徴とする工具交換時期管理システム。
2. 前記同一の又は類似の条件の組合せは、加工、工具、ワーク、及び工具速度が夫々同一であるか、又は加工、工具、ワーク、及び工具速度のうちの少なくとも１つが類似であることを意味する、請求項１に記載の工具交換時期管理システム。
3. 前記工具劣化状況データは、工具交換後から工具交換前までを１周期として前記加工状態量を時系列に並べたものである、請求項１又は２に記載の工具交換時期管理システム。
4. 前記工具交換時期算出部は、過去の前記工具劣化状況データに基づいて工具交換時期閾値を算出し、前記工具交換時期閾値に基づき、新たに取得した前記工具劣化状況データにおける前記工具交換時期を算出する、請求項３に記載の工具交換時期管理システム。
5. 前記工具交換時期閾値は、１周期における前記加工状態量の最大値を複数周期に亘って平均した平均値であるか、又は、１周期における前記加工状態量の変化が最も大きくなる直前の加工状態量を複数周期に亘って平均した平均値であるか、又は、複数周期に亘る同一時点の前記加工状態量の平均値を時系列に並べた平均工具劣化状況データにおける最大値である、請求項４に記載の工具交換時期管理システム。
6. 前記工具交換時期算出部は、特定作業者の前記工具劣化状況データに基づいて前記工具交換時期閾値を算出する、請求項４又は５に記載の工具交換時期管理システム。
7. 新たに取得した前記工具劣化状況データ及び前記工具交換時期閾値に基づいて残加工量を算出する残加工量算出部をさらに備える、請求項４から６のいずれか一項に記載の工具交換時期管理システム。
8. 複数周期に亘る同一時点の前記加工状態量の平均値を時系列に並べた平均工具劣化状況データと、複数周期に亘る同一時点の前記加工状態量の標準偏差を時系列に並べた標準偏差工具劣化状況データとを算出して、前記平均工具劣化状況データから前記標準偏差工具劣化状況データの所定倍数を加減算した範囲を工具劣化状況範囲として算出する工具劣化状況範囲算出部と、
   新たに取得した前記工具劣化状況データが前記工具劣化状況範囲から外れた場合に異常を通知する異常通知部と、
   をさらに備える、請求項４から７のいずれか一項に記載の工具交換時期管理システム。
9. 前記加工状態を示す時系列データと、
   前記工具劣化状況データと、
   過去の前記工具劣化状況データに基づいて算出した工具交換時期閾値と、
   複数周期に亘る同一時点の前記加工状態量の平均値を時系列に並べた平均工具劣化状況データと、
   新たに取得した前記工具劣化状況データ及び前記工具交換時期閾値に基づいて算出した残加工量と、
   のうちの少なくとも１つを表示する表示部をさらに備える、請求項４から８のいずれか一項に記載の工具交換時期管理システム。
10. 前記加工状態量は、分散、標準偏差、二乗平均平方根、尖度、歪度、平均値、最大値、最小値、基準波形からの距離、積分値、平均荷重、及び三乗平均値の中から予め設定した優先度に基づき選択された値又は組合せである、請求項１から９のいずれか一項に記載の工具交換時期管理システム。
11. 前記加工状態量は、分散、標準偏差、二乗平均平方根、尖度、歪度、平均値、最大値、最小値、基準波形からの距離、積分値、平均荷重、及び三乗平均値の中で最も経時的変化の大きい値である、請求項１から９のいずれか一項に記載の工具交換時期管理システム。

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