JP7196473B2 - 摩耗量推定システム、補正システム、異常検知システム、寿命検知システム、工作機械及び摩耗量推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩耗量推定システム、補正システム、異常検知システム、寿命検知システム、工作機械及び摩耗量推定方法に関する。

工具を用いて、同一仕様の被加工物を、工具の摩耗量を補正して、同一条件で繰り返し加工する工作機械が知られている。このような工作機械は、例えば、特開平８－１３２３３２号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１には、工具の作用面を検出する位置を少なくとも３回測定して基準位置と測定位置とのずれ量を測定時刻とともに記憶し、ずれ量と測定時刻との関係に基づいて時刻とずれ量との関係を示す曲線の関数を求めた後、曲線の関数と現在時刻とに基づいてずれ量を求めて工具の指令位置を補正するようにした工作機械における位置ずれ補正方法が開示されている。

特開平８－１３２３３２号公報

特許文献１には、ずれ量を推定する曲線の関数は、測定した点を滑らかに結ぶことにより求めることが記載されている。曲線の関数は多く存在するので、求められた曲線の関数は不正確になる恐れがある。求められた曲線の関数が不正確であると、工具の摩耗量を推定する精度が悪くなる。この場合、工具の指令位置を正確に補正できない。

本発明は、推定される工具の摩耗量の精度を向上することを目的とする。

本発明の第１の観点からの摩耗量推定システムは、工具を用いて、同一仕様の被加工物を同一条件で繰り返し加工する工作機械において、工具の摩耗量を推定するシステムであって、工具の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、定数をＡ_１、Ａ_２、α_１、α_２としたときに、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）からＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）への線形変換Ｐを記憶する記憶部と、同一仕様の加工中の工具について、式１を算出する算出部と、記憶部から線形変換Ｐを読み出して、算出部で算出した式１から線形変換した式２を加工中の工具の式２と推定する推定部と、を備える。

本発明の第２の観点からの摩耗量推定方法は、工具を用いて、同一仕様の被加工物を同一条件で繰り返し加工する工作機械において、工具の摩耗量を推定する方法であって、工具の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、定数をＡ_１、Ａ_２、α_１、α_２としたときに、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）からＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）への線形変換Ｐを記憶する記憶部を準備する工程と、同一仕様の加工中の工具について、式１を算出する工程と、記憶部から線形変換Ｐを読み出して、算出した式１から線形変換した式２を加工中の工具の式２と推定する工程と、を備える。

以上説明したように、本発明は、推定される工具の摩耗量の精度を向上する摩耗量推定システム、補正システム、異常検知システム、寿命検知システム、工作機械及び摩耗量推定方法を提供することができる。

図１は、実施の形態における工作機械の模式図である。 図２は、実施の形態における工具の経過時間に対する摩耗量を示す図である。 図３は、実施の形態における工作機械の制御構成を示すブロック図である。 図４は、実施の形態における式１から式２を推定する手段を説明するための図である。 図５は、実施の形態における摩耗量推定方法を示すフローチャートである。 図６は、実施の形態における補正方法を示すフローチャートである。 図７は、実施の形態における摩耗量推定システムで特定された関係式と、動作中の工具の測定値とを示す図である。 図８は、実施の形態における誤差指標のパラメータを説明するための図である。 図９は、実施の形態における誤差指標を説明するための図である。 図１０は、実施の形態における別の誤差指標を説明するための図である。 図１１は、実施の形態におけるさらに別の誤差指標を説明するための図である。 図１２は、実施の形態における異常検知方法を示すフローチャートである。 図１３は、実施の形態における寿命検知方法を示すフローチャートである。 図１４は、実施例における工具の摩耗量を示す図である。 図１５は、図１４において正常なデータを抽出した図である。 図１６は、実施例における工具の経過時間に対する摩耗量を示す図である。 図１７は、実施例におけるｌｏｇ_１０Ａ_１、ｌｏｇ_１０Ａ_２及びα_１の三次元プロットを示す図である。 図１８は、実施例におけるｌｏｇ_１０Ａ_１、α_１及びα_２の三次元プロットを示す図である。 図１９は、実施例における実測値と推定値とを示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

図１～図１３を参照して、本発明の一実施の形態である摩耗量推定システム、補正システム、異常検知システム、寿命検知システム、工作機械及び摩耗量推定方法について説明する。

（工作機械）
図１に示すように、工作機械１は、工具２を用いて、同一仕様の被加工物５を同一条件で繰り返し加工する。これにより、被加工物を同じ形状の加工物に加工することができる。

「同一仕様の被加工物」とは、製造された条件が同一の被加工物である。なお、被加工物の材料は、特に限定されず、金属であってもよく、金属以外の材料であってもよい。「同一条件で繰り返し加工する」とは、複数の被加工物のそれぞれが同じ形状に加工されるために同じ条件で加工されることを意味する。

工作機械１は、工具２と、支持部３と、載置部４と、を備える。工具２は、被加工物５を加工する。加工する方法は、特に限定されず、例えば切削加工などである。支持部３は、工具２を支持する。支持部３は、左右（ｘ軸）方向、前後（ｙ軸）方向、及び上下（ｚ軸）方向に移動可能である。支持部３の移動によって、工具２の位置を移動できる。載置部４は、被加工物５を載置する。なお、支持部３は、載置部４に載置された被加工物５に対して、相対的に移動する。このため、載置部４が左右方向、前後方向及び上下方向に移動可能であってもよい。

工作機械１は、ＮＣ（numerical control）工作機械であり、工作機械１の動作を制御する数値制御装置をさらに備える。制御装置は、被加工物に対する工具２の経路など加工に必要な作業の工程を、対応する数値情報で指令する。

工作機械１の動作を続けると、工具２による被加工物５の加工によって、工具２は摩耗する。また、工作機械１の動作中、工具２が寿命に達したり、破損したりする。このように、同じ形状の加工物に加工できない時には、同一仕様の別の工具２に交換する。「同一仕様の工具」とは、製造された条件が同一の工具である。

（摩耗量推定システム）
＜経過時間に対する摩耗量の関係式＞
まず、関係式について図２を参照して説明する。工具２の加工開始時点からの経過時間ｔに対する摩耗量Ｗは、図２に示すモデルで表現できる。工具の摩耗時期は、加工開始時点からの経過時間に対して、摩耗量がＷ_１以下の初期段階（０＜ｔ≦ｔ_０）、摩耗量がＷ_１を超えてＷ_２以下の定常段階（ｔ_０＜ｔ≦ｔ_１）、及び摩耗量がＷ_２を超える末期段階（ｔ_１＜ｔ）がある。初期段階は、摩耗量変化の大きい状態である。定常段階は、摩耗量変化が小さくなり安定した状態である。末期段階は、急速に摩耗量が大きくなり、寿命に達する状態である。

工具２が寿命に達するまでの初期段階及び定常段階（０＜ｔ≦ｔ_１）においては、Ｗ＝Ａｔ^α（０＜α＜１）の関係式で表される。関係式の精度を高めるため、時刻Ｔ_０を境界として関係式の定数を変えることで、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）及びＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）で表される。Ｔ_０が図２に示す初期段階と定常段階との境界の時刻ｔ_０（Ｔ_０＝ｔ_０）であることが好ましい。

ｔ≦Ｔ_０及びＴ_０＜ｔのそれぞれにおいて、異なる時間に対する摩耗量の測定値が２以上あると、Ａ_１、α_１、Ａ_２及びα_２を算出できるので、式１及び式２を決定できる。

経過時間ｔは、新たな同一仕様の工具を設置して加工を開始した時点を０として、加工の継続中において経過した時間である。この経過時間ｔは、１つの被加工物５を加工する時間が同じであり、同じペースで連続して加工することを意味する。経過時間ｔは、工具の交換に要する時間などを含まない。このため、経過時間ｔと加工数とは、比例する。つまり、工具２の加工開始時点からの摩耗量をＷ、加工数をｘ、定数をＡ’及びα’（＜１）としたときに、Ｗ＝Ａ’ｘ^α’で表すこともできる。このように、被加工物及び加工条件が同一であれば、工具の摩耗量は経過時間ｔ、つまり、加工数に依存する。

＜摩耗量推定システムの構成＞
図３に示すように、工作機械１の制御装置は、摩耗量推定システム１０を備える。摩耗量推定システム１０は、図１に示す工作機械において、工具２の摩耗量を推定するシステムである。

摩耗量推定システム１０は、記憶部１１と、測定部１２と、算出部１３と、推定部１４と、を備える。記憶部１１は、例えば、フラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置により実現される。算出部１３及び推定部１４を含む制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理装置により実現される。

記憶部１１は、工具２の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、定数をＡ_１、Ａ_２、α_１、α_２としたときに、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）からＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）への線形変換Ｐを記憶する。

記憶部１１に記憶される線形変換Ｐは、同一仕様の工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量の複数の測定値に基づいて特定される。線形変換Ｐを特定する同一仕様の工具２は、１つの特定の工作機械の同一仕様の工具であってもよく、別の同一仕様の工作機械に取り付けられた同一仕様の工具であってもよい。「同一仕様の工作機械」とは、同一の操作によって同一の加工物を製造する工作機械である。

ここで、記憶部１１が記憶する線形変換Ｐについて、説明する。線形変換Ｐは、例えば、以下のように特定される。

１つの工具について、ｔ≦Ｔ_０の複数の測定値から式１のＡ_１を求めるとともに、Ｔ_０＜ｔの複数の測定値から式２のＡ_２及びα_２を求める。具体的には、式１は、時刻Ｔ_０までの時間に対する摩耗量を測定した複数の測定値から算出される。式２は、時刻Ｔ_０を超えた後の時間に対する摩耗量を測定した複数の測定値から算出される。式１は初期段階での関係式であり、式２は定常段階での関係式であることが好ましい。つまり、Ｔ_０は、図２に示す初期段階と定常段階との境界の時刻ｔ_０（Ｔ_０＝ｔ_０）であることが好ましい。また、式２は、図２におけるｔ_１までの測定値により算出されることが好ましい。

なお、Ｔ_０は、任意に設定することが可能である。Ｔ_０は、式１及び式２の精度を考慮して、測定数に基づいて設定されてもよい。

α_１及びα_２は、特に限定されないが、１未満であることが好ましい。つまり、記憶部１１は、α_１が１未満の式１及びα_２が１未満の式２から特定された線形変換Ｐを記憶する。本発明者は、鋭意研究の結果、初期段階及び定常段階のα_１及びα_２は１未満であることを見出した。このため、記憶部１１の線形変換Ｐは、α_１及びα_２が１以上のノイズを除く測定値に基づいて特定されるので、推定される工具の摩耗量の精度をより向上できる。

本実施の形態の記憶部１１は、α_１＞α_２を満たす式１及び式２のみから特定された線形変換Ｐを記憶する。本発明者は、初期段階ではαが大きく、初期段階から定常段階に移行するとαが小さくなることを見出した。記憶部１１の線形変換Ｐは、α_１＞α_２を満たす正確な測定値のみに基づいて特定されるので、推定される工具の摩耗量の精度をより向上できる。

このように求めたデータ系列ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）に対して、式１のＡ_１ ^（ｉ）及びα_１ ^（ｉ）については、下記の式３を初期摩耗モデルとし、式２のＡ_２ ^（ｉ）及びα_２ ^（ｉ）については、下記の式４を定常摩耗モデルとする。

次に、各モデルの要素に対し、平均値μを下記の式５～８、標準偏差σを下記の式９～１２のように、計算する。

次に、平均値のベクトルを下記の式１３及び１４で表し、標準偏差のベクトルを下記の式１５及び１６で表す。なお、平均値のベクトルμ_ｘ，μ_ｙ、標準偏差のベクトルσ_ｘ，σ_ｙは、記憶部１１に記憶される。

次に、各パラメータを正規化する。具体的には、各データについて、下記の式１７～２２に示すように、正規化パラメータＸ^（ｉ），Ｙ^（ｉ）を算出する。

次に、式１９及び式２２の正規化パラメータＸ^（ｉ），Ｙ^（ｉ）から、線形変換Ｐを下記の式２３から求める。なお、線形変換Ｐは、最小二乗法により導出される。

このように求められた同一仕様の工具２についての線形変換Ｐとしての線形変換行列を記憶部１１は記憶する。

測定部１２は、加工（動作）中の工具２の加工開始時点からの経過時間における摩耗量を測定する。測定部１２は、工具２の加工面の摩耗量を測定してもよく、加工物の形状を測定することにより工具２の摩耗量を求めてもよい。本実施の形態の測定部１２は、例えば、工具２による加工後の加工物を空気マイクロメータで測定して、工具２の摩耗量を求める。

算出部１３は、同一仕様の加工中の工具２について、式１を算出する。つまり、算出部１３は、時間Ｔ_０までの複数の測定値に基づいて、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１で表される関係式のＡ_１及びα_１を算出する。これにより、工具の摩耗量を表す式１を決定する。

算出部１３は、Ａ_１及びα_１を算出して式１を決定するために、１つの工具２について少なくとも２以上の測定値を用いる。算出部１３は、加工開始時点から時間Ｔ_０までの全ての加工物を測定した測定値を用いてもよく、加工開始時点から時間Ｔ_０までの一部の加工物を測定した測定値を用いてもよい。算出部１３は、初期段階の測定値のみを用いてＡ_１及びα_１を算出することが好ましい。

推定部１４は、記憶部１１から線形変換Ｐを読み出して、算出部１３で算出した式１から線形変換した式２を加工中の工具２の式２と推定する。算出部１３で初期段階の式１を算出した場合、推定部１４により定常段階の式２を取得できる。推定部１４で式２を取得することによって、時刻Ｔ_０を超える経過時間に対する摩耗量を推定できる。

ここで、推定部１４で式２を推定する手段について、図４を参照して説明する。

算出部１３で算出したＡ_１及びα_１から、下記の式２４で表される初期摩耗モデルパラメータｘを求める。

次に、記憶部１１から式１３の平均μ_ｘ及び式１５の標準偏差σ_ｘを読み出して、下記の式２５により、正規化初期摩耗モデルＸを算出する。

上記式２５のＸ１及びＸ２は、下記の式２６及び式２７で表される。

次に、記憶部１１から線形変換Ｐを読み出して、正規化初期摩耗モデルＸから正規化定常摩耗モデルＹを算出する。

次に、記憶部１１から式１４の平均μ_ｙ及び式１６の標準偏差σ_ｙを読み出して、下記の式２８～３０の逆正規化により、式２９で表される定常摩耗モデルパラメータｙを求める。

求められた式２９の定常摩耗モデルパラメータから、Ａ_２及びα_２を導出できる。これにより、式２のＡ_２及びα_２が特定されるので、式２を取得できる。

なお、摩耗量推定システムは、加工中の工具の時刻Ｔ_０を超える時間に対する摩耗量を測定する測定部と、この測定値に基づいて式２を算出する算出部と、をさらに備えてもよい。この場合、記憶部１１は、算出部により取得した式１及び式２に基づいて求められる線形変換Ｐを記憶してもよい。

＜摩耗量推定方法＞
続いて、図５を参照して、摩耗量推定方法について説明する。

まず、工具の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、定数をＡ_１、Ａ_２、α_１、α_２としたときに、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）からＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）への線形変換Ｐを記憶する記憶部１１を準備する（ステップＳ１）。

次に、測定部１２により、加工中の工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を複数測定する（ステップＳ２）。このステップＳ２では、時間Ｔ_０までに摩耗量を測定することによって、時間Ｔ_０までの複数の測定値を得る。

次に、算出部１３により、複数の測定値に基づいて、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１のＡ_１及びα_１を算出する（ステップＳ３）。これにより、同一仕様の加工中の工具２についての式１を取得できる。

次に、記憶部１１から線形変換Ｐを読み出して、算出した式１から線形変換した式２を加工中の工具の式２と推定する（ステップＳ４）。これにより、加工中の工具についての式２を取得できる。

以上のステップＳ１～Ｓ４を実施することにより、加工中の工具２について、加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を表す関係式である式２を決定できる。このため、加工中の工具２について、加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を推定できる。

以上説明したように、本実施の形態の摩耗量推定システム及び摩耗量推定方法は、記憶部１１から、線形変換Ｐを読み出して、算出部１３で算出した式１から線形変換した式２を加工中の工具２の式２と推定する。

本発明者は、鋭意研究の結果、加工開始時点からの経過時間ｔと、工具の摩耗量Ｗとの関係を式１及び式２で表すことができることを見出した。さらに、式１から式２への線形変換Ｐが存在することを本発明者が見出して、本発明を完成させた。

本実施の形態によれば、加工中の工具の式１を算出し、この式１を記憶部１１の線形変換Ｐに基づいて線形変換することにより、加工中の工具２の式２を推定できる。このため、推定される工具２の摩耗量の精度を向上できる。

また、本実施の形態では、同一仕様の工具２についてデータ数が少なくても、線形変換Ｐを特定することができる。このため、摩耗量推定システム１０は、容易に摩耗量を推定できる。

なお、本実施の形態では、Ｔ_０は初期段階と定常段階との境界近傍として、１つの工具２について式１及び式２からなる関係式の線形変換Ｐを記憶部１１に記憶する。本発明の摩耗量推定システム及び摩耗量推定方法は、例えば、３つ以上の式からなる関係式の線形変換を記憶する記憶部１１を備えてもよい。

（補正システム）
＜補正システムの構成＞
工作機械１の制御装置は、図３に示すように、補正システム２０を備える。補正システム２０は、図１に示す工作機械１において、被加工物５が同じ形状に加工されるために、工具２の摩耗量に応じて工具２の位置を補正するシステムである。

補正システム２０は、上述した摩耗量推定システム１０と、補正部２１と、を備える。摩耗量推定システム１０は、推定部１４で取得した式２から、動作中の工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を推定する。

補正部２１は、推定される摩耗量に基づいて、動作中の工具２の位置を補正する。具体的には、補正部２１は、推定された摩耗量に基づいて、動作中の工具２を支持する支持部３の位置の補正量を算出し、支持部３に補正指令を送る。なお、補正部２１は、周知技術を採用可能である。

＜補正方法＞
図６に示すように、上述した摩耗量推定方法によって取得した関係式から、動作中の工具２の経過時間に対する摩耗量を推定する（ステップＳ１０）。

次に、補正部２１において、推定された摩耗量に応じて、支持部３の位置の補正量を算出する（ステップＳ１１）。次いで、補正量に基づいて支持部３の位置を変更するように、支持部３の位置決め手段に補正指令を送る。これにより、支持部３の位置を補正できるので、摩耗量に基づいて、加工中の工具２の位置を補正できる（ステップＳ１２）。

以上説明したように、本実施の形態の補正システム２０及び補正方法によれば、上述した摩耗量推定システム１０を備えるので、推定される摩耗量の精度を向上できる。したがって、同一仕様の工具２を用いて加工する工作機械１において、工具２の位置を補正する精度を向上できる。

また、摩耗量推定システムで式１及び式２を同定することで、工具２の使用期間全般に渡って摩耗量を推定できるので、一定時間ごとの測定を省略できる。したがって、補正するための作業工数を削減できるので、人件費の削減もできる。

（異常検知システム）
＜異常検知システムの構成＞
工作機械１の制御装置は、図３に示すように、異常検知システム３０を備える。異常検知システム３０は、図１に示す工作機械１において、工作機械１の異常を検知するシステムである。工作機械１の異常は、工具２の異常、冷却水の供給の不具合などを含む。

異常検知システム３０は、上述した摩耗量推定システム１０と、測定部と、異常判定部３１と、異常表示部３２と、を備える。摩耗量推定システム１０は、推定部１４で取得した式２から、加工中の工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を推定する。

摩耗量の推定後に、測定部は、摩耗量を測定する。具体的には、測定部は、加工後の加工物の形状を測定して、動作中の工具２の摩耗量を算出する。本実施の形態の測定部は、摩耗量推定システム１０の測定部１２と兼用する。なお、異常検知システムの測定部は、摩耗量推定システムの測定部１２と別に設けられてもよい。

異常判定部３１は、摩耗量推定システム１０で推定される摩耗量と、同一仕様の工具２について測定された摩耗量との差が所定値を超えると、工作機械１に異常が生じたと判定する。本実施の形態では、異常判定部３１は、測定値と推定値との差を算出して、差が所定値を超えると、異常表示部３２に異常を表示する指令を送る。

測定値と推定値との差は、摩耗量推定システム１０で取得した式２から推定される摩耗量と、測定した摩耗量との差でもよく、摩耗量推定システム１０で取得した式２と、測定により算出した式２との差でもよい。

具体例として、図７に、摩耗量推定システムで取得した関係式と、動作中の工具の摩耗量の測定値とを示す。図７では、経過時間１９０で、推定される摩耗量と測定値との差が大きい。異常判定部３１は、経過時間１９０で、差が所定値より大きいと判定する。

ここで、異常と判定する所定値について、説明する。図８に示すように、摩耗量推定システム１０によって、経過時間ｓまでの測定値によって推定された関係式をＷ（ｓ_ｎ｜ｔ）とする。測定時刻ｓ_ｎにおける誤差指標をＥ（ｓ_ｎ）とすると、例えば、下記の式３２～３４の３つの式で表される。なお、式３３～３４において、ｉ番目の測定点における測定時刻をｓ_ｉ、摩耗量をＷ_ｉとする。

上記式３２は、測定時刻ｓ_ｎまでの関係式のｔ＝ｓ_ｎにおける誤差である。

上記式３３は、測定時刻ｓ_ｎまでの関係式と測定時刻ｓ_ｎ－１までの関係式の間の誤差を見るもので、各測定点における平均二乗誤差である。

上記式３４は、式３３の平均二乗誤差を連続的に捉えたものである。

前の測定時刻ｓ_ｎ－１における誤差指標Ｅ（ｓ_ｎ－１）を求め、その変化率であるＲ（ｓ_ｎ）＝Ｅ（ｓ_ｎ）／Ｅ（ｓ_ｎ－１）を算出する。Ｒ（ｓ_ｎ）が０．５以上１．５以下の場合には、所定値以内であり、Ｒ（ｓ_ｎ）が０．５未満または１．５を超える場合には、所定値を超える。

誤差指標Ｅ_１（ｓ_ｎ）～Ｅ_３（ｓ_ｎ）から演算されるＲ（ｓ_ｎ）を図９～図１１に示す。なお、図９～図１１の一番上の摩耗量の測定値は、図７と同じである。図９～図１１に示すように、経過時間１９０で、Ｒ（ｓ_ｎ）が１．５を超える。

異常判定部３１は、Ｒ（ｓ_ｎ）が１．５を超えるタイミングで、工作機械１に異常が発生したと判定する。なお、初期段階は、Ｒ（ｓ_ｎ）を正確に判断できない場合があるので、異常判定部３１は、定常段階において、Ｒ（ｓ_ｎ）が１．５を超える場合及び０．５未満の場合に、測定値と推定値との差が所定値を超えると判定してもよい。

異常表示部３２は、異常判定部３１からの指令に基づき、使用者に異常を知らせるために、異常が発生したことを表示する。なお、異常表示部３２は、視覚的に認識されるものでもよく、聴覚的に認識されるものでもよい。後者は、例えば、警報を発するブザー等である。

工作機械１の制御装置は、異常判定部３１により工作機械１に異常が生じたと判定されると、工作機械１の動作を停止する停止部をさらに備えてもよい。例えば、異常判定部３１は、測定値と推定値との差が所定値を超えると、停止部に、工作機械１の動作を停止する指令を送る。停止部は、異常判定部３１からの指令に基づき、工作機械１の動作を停止する。

また、工作機械１の制御装置は、異常検知システムがオン動作とオフ動作とをするように制御してもよい。例えば、制御装置は、初期段階では異常検知システムをオフ動作し、定常段階に入ってから異常検知システムをオン動作する。

＜異常検知方法＞
図１２に示すように、上述した摩耗量推定方法によって、推定部１４で取得した式２から、動作中の工具２の経過時間に対する摩耗量を推定する（ステップＳ１０）。次に、動作中の工具２の摩耗量を測定する（ステップＳ２１）。

次に、摩耗量推定システム１０で推定される摩耗量と、加工中の工具２について測定された摩耗量との差が所定値以内であるか否かを判断する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２で所定値以内であると判断すると、ステップＳ２３に移行する。ステップＳ２３では、工作機械１に異常がないので、同じ工具２による加工を続行する。一方、ステップＳ２１で所定値を超えると判断すると、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４では、工作機械１に異常が生じたと判定する。

以上説明したように、本実施の形態の異常検知システム３０及び異常検知方法によれば、上述した摩耗量推定システム１０を備えるので、推定される摩耗量の精度を向上できる。推定される摩耗量と測定した摩耗量との差で異常を判断するので、同一仕様の工具２を用いて加工する工作機械１において、異常を判定する精度を向上できる。また、工作機械１に生じた異常を早期に検知できるので、不良品を低減できる。

（寿命検知システム）
＜寿命検知システムの構成＞
工作機械１の制御装置は、図３に示すように、寿命検知システム４０を備える。寿命検知システム４０は、図１に示す工作機械１において、工具２の寿命を検知するシステムである。本実施の形態の寿命検知システム４０は、図２における定常段階から末期段階への変化点を工具２の寿命として、早期に検知する。

寿命検知システム４０は、上述した摩耗量推定システム１０と、測定部と、寿命判定部４１と、寿命表示部４２と、通知部４３と、を備える。摩耗量推定システム１０は、動作中の工具２について、式２を決定する。

式２の決定後に、測定部は、摩耗量を測定する。具体的には、測定部は、加工後の加工物の形状を測定して、動作中の工具２の摩耗量を算出する。本実施の形態の測定部は、摩耗量推定システムの測定部１２と兼用する。なお、測定部は、摩耗量推定システムの測定部１２と別に設けられてもよい。

寿命判定部４１は、加工中の工具２の摩耗量の測定によって算出される式２が、摩耗量推定システム１０で推定される式２から変化すると、工具２の寿命に達したと判定する。「式２が変化する」とは、式２で表されるグラフの形状が変わることを意味し、多少の係数が変化するものは含まれない。具体的には、図２に示すように、末期段階の関係式は、Ｗ＝Ａｔ^α（α＜１）で表すことができない形状であるので、式２が変化する。

本実施の形態では、摩耗量推定システム１０の算出部１３が、動作中の工具２の直近の複数の測定値から式２を算出し、寿命判定部４１が、式２の形状が変化するか否かを判断する。寿命判定部４１は、式２が変化したと判断すると、寿命表示部４２に寿命に達したことを表示する指令を送る。

寿命判定部４１は、摩耗量推定システム１０で特定された式２から推定される摩耗量と、動作中の工具２について測定された摩耗量との差が所定値を超えるときに、工具２の寿命であると判定してもよい。

また、本発明者は、図２に示す初期段階及び定常段階のαは１未満であり、寿命に達した後のαは１を超えることを見出した。このため、本実施の形態の寿命判定部４１は、αが１を超えると、工具２の寿命に達したと判断する。

寿命表示部４２は、寿命判定部４１からの指令に基づき、寿命に達したことを表示する。寿命表示部４２は、視覚的に認識されるものでもよく、聴覚的に認識されるものでもよい。また、寿命表示部４２は、異常表示部３２と兼用してもよく、別に配置されてもよい。

工具２の寿命は、予測しにくく、急に到達することに本発明者は着目した。そこで、寿命検知システム４０は、寿命が近いことを予め知らせる通知部４３を含む。通知部４３により寿命が近いことが通知されると、測定頻度を増やすなどの対策をとることができるので、寿命を超えた工具を使用することを抑制できる。本実施の形態の通知部は、２つの観点から寿命が近いことを通知する。

１つの観点からの通知部４３は、Ｗ＝Ａｔ^αにおいて、測定値から算出したαが、初期段階における１未満の最大値を超えると、寿命が近いことを通知する。具体的には、算出部１３は、直近の複数の測定値からαを算出し、通知部４３は、算出されたαが初期段階における１未満の最大値を超えるか否かを判断する。αが初期段階の１未満の最大値を超える場合には、動作中の工具２の寿命が近いことを知らせるために、警報を発するように表示部に指令を送る。

本発明者は、初期段階のαは、定常段階のαよりも大きいことを見出した。上述したように、本発明者は、初期段階においてαが１以上の場合はノイズであることを特定した。さらに、本発明者は、初期段階にノイズがない状態でαの１未満の最大値が測定された後、その最大値を超える値が測定された場合に、寿命が近いことを突き止めた。このため、通知部４３は、初期段階においてノイズを除いた最大値を特定し、定常段階においてその最大値を超えるときに、寿命が近いことを通知することで、寿命の予測ができる。

また、別の観点の通知部は、同一仕様の工具の寿命データを記憶する記憶部１１から寿命データを読み出して、同一仕様の工具の寿命の時間を通知する。本実施の形態では、摩耗量推定システム１０の記憶部１１は、複数の同一仕様の工具の寿命データをさらに記憶する。通知部４３は、記憶部１１から複数の寿命データを読み出して、最短の寿命を選択して、選択した最短の時間になると、寿命が近いことを通知する。なお、この通知部は、記憶部１１を読み出した制御をするが、この通知部の機能は、オン動作及びオフ動作を任意に選択できる。

＜寿命検知方法＞
図１３に示すように、上述した摩耗量推定方法によって、動作中の工具２について、式２を推定する（ステップＳ１０）。次に、動作中の工具２の摩耗量を複数測定する（ステップＳ２１）。その後、算出部１３で、動作中の工具２について、加工時間と摩耗量との式２を算出する（ステップＳ３１）。

次に、動作中の工具２の式２が、摩耗量推定方法で決定された式２から変化したか否かを判断する（ステップＳ３２）。ステップＳ３２で変化していないと判断すると、ステップＳ３３に移行する。ステップＳ３３では、工具２の寿命に達してないので、同じ工具２による加工を続行する。一方、ステップＳ３２で変化したと判断すると、ステップＳ３４に移行する。ステップＳ３４では、工具２の寿命に達したと判定する。

以上説明したように、本実施の形態の寿命検知システム４０及び寿命検知方法によれば、上述した摩耗量推定システム１０を備えるので、式２の変化で寿命を判定できる。したがって、同一仕様の工具２を用いて加工する工作機械において、工具２の寿命を判定する精度を向上できる。また、工具２の寿命を早期に検知できるので、寿命に達した工具２を交換することによって、不良品を低減できる。また、寿命に達するまで工具２を使用できるので、コスト面においても有利である。

ここで、本実施の形態の工作機械１は、図３に示すように、摩耗量推定システム１０、補正システム２０、異常検知システム３０、及び寿命検知システム４０を備える。本発明の工作機械は、摩耗量推定システムを備えていれば特に限定されず、補正システム、異常検知システム及び寿命検知システムのいずれか１つまたは２つを備えていてもよい。

（実施例１）
本実施例では、工具の加工開始時点からの経過時間ｔと、摩耗量Ｗとの関係式について説明する。

まず、１つの工作機械１において、工具２を用いて、同一仕様の金属の被加工物５を同一条件で繰り返し加工し、摩耗量を測定した。９個の同一仕様の工具について測定したデータを図１４に示す。図１４において、領域Ａでは、工具４に異常が発生した。領域Ｂでは、工作機械１を停止した。

図１４から、領域Ａ及びＢのように、異常が生じた測定点を除いて、正常に動作している測定値を抜き出したものを図１５に示す。

次に、図１５において、各工具を交換した時点を加工開始時点として０に揃え、縦軸を反転したものを図１６に示す。本発明者は、図１６で表すデータを蓄積し、鋭意研究した結果、工具の加工開始時点からの経過時間ｔと摩耗量Ｗとの関係を、Ｗ＝Ａｔ^α（Ａ及びα（＜１）は定数）の関係式で表すことができることを見出した。なお、図１６に示す関係式は、９個の関係式の相乗平均を求めたものである。

以上のように、経過時間と摩耗量との関係の基本となる式を特定するために本発明者が鋭意研究した結果、Ｗ＝Ａｔ^αという関係式を見出した。本発明の摩耗量推定システム、補正システム、異常検知システム、寿命検知システム、工作機械及び摩耗量推定方法は、見出した関係式を用いて、工具２の摩耗量を推定するので、推定される工具の摩耗量の精度を向上できる。

（実施例２）
本実施例では、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）からＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）への線形変換について説明する。

図１６で表すデータを蓄積した結果、Ｔ_０を境界として、Ａ及びαの定数を変えることにより、Ｗ＝Ａｔ^αの関係式の精度が高まることを本発明者は見出した。すなわち、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）とＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）とで構成される関係式により、摩耗量を推定する精度をより向上できる。

Ｔ_０が図２に示す初期段階と定常段階との境界の時刻ｔ_０（Ｔ_０＝ｔ_０）として、実施例１と同様に２７個の同一仕様の工具について式１及び式２を求めた。そして、式１のＡ_１及びα_１と、式２のＡ_２及びα_２との関係を本発明者が鋭意検討した結果、図１７及び図１８に示すように、式１から式２への線形変換Ｐが存在することを見出した。

続いて、線形変換Ｐを記憶した記憶部１１を備える摩耗量推定システムの精度を以下のように確認した。

具体的には、図１７及び図１８に示した２７個の同一仕様の工具の測定値に基づいて、実施の形態にしたがって線形変換Ｐを記憶した記憶部１１を準備した（ステップＳ１）。次に、測定部１２により、加工中の同一仕様の工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を複数測定した（ステップＳ２）。次に、算出部１３により、複数の測定値に基づいて、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１のＡ_１及びα_１を算出した（ステップＳ３）。これにより、加工中の工具２についての式１を取得した。

次に、記憶部１１から線形変換Ｐを読み出して、算出した式１から線形変換した式２を加工中の工具の式２と推定した（ステップＳ４）。これにより、加工中の工具についての式２を取得した。式２のＡ_２から求めたｌｏｇ_１０Ａ_２及びα_２を図１９の推定値として示す。

また、Ｔ_０経過後も、測定部１２により、加工中の工具２の加工開始時点からの経過時間に対する摩耗量を複数測定した。その結果を図１９の測定値として示す。

図１９に示すように、本発明の摩耗量推定システムで推定された推定値と、測定値とは、近似することがわかった。したがって、本発明の摩耗量推定システムによれば、推定される工具の摩耗量の精度を向上できることを確認した。

今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態及び実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ：工作機械
２ ：工具
３ ：支持部
４ ：載置部
５ ：被加工物
１０ ：摩耗量推定システム
１１ ：記憶部
１２ ：測定部
１３ ：算出部
１４ ：推定部
２０ ：補正システム
２１ ：補正部
３０ ：異常検知システム
３１ ：異常判定部
３２ ：異常表示部
４０ ：寿命検知システム
４１ ：寿命判定部
４２ ：寿命表示部
４３ ：通知部

Claims (8)

1. 工具を用いて、同一仕様の被加工物を同一条件で繰り返し加工する工作機械において、前記工具の摩耗量を推定するシステムであって、
   前記工具の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、初期段階及び定常段階を０＜ｔ≦ｔ１としたときの初期段階と定常段階との境界の時刻をＴ_０（Ｔ_０＝ｔ_０）、定数をＡ_１、Ａ_２、α_１、α_２としたときに、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）からＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）への線形変換Ｐを記憶する記憶部と、
   同一仕様の加工中の前記工具について、前記加工中の工具の摩耗量の測定によって前記式１を算出する算出部と、
   前記記憶部から前記線形変換Ｐを読み出して、前記算出部で算出した前記式１から線形変換した式２を前記加工中の工具の前記式２と推定する推定部と、
   を備える、摩耗量推定システム。
2. 前記記憶部は、α_１が１未満の式１及びα_２が１未満の式２から特定された前記線形変換Ｐを記憶する、請求項１に記載の摩耗量推定システム。
3. 前記記憶部は、α_１＞α_２を満たす式１及び式２のみから特定された前記線形変換Ｐを記憶する、請求項１または２に記載の摩耗量推定システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の摩耗量推定システムと、
   前記摩耗量推定システムで推定された摩耗量に基づいて、前記加工中の工具の位置を補正する補正部と、
   を備える、補正システム。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の摩耗量推定システムと、
   前記摩耗量推定システムで推定される摩耗量と、前記加工中の工具について測定された摩耗量との差が所定値を超えると、前記工作機械に異常が生じたと判定する判定部と、
   を備える、異常検知システム。
6. 請求項１～３のいずれか１項に記載の摩耗量推定システムと、
   前記加工中の工具の摩耗量の測定によって算出される式２が、前記摩耗量推定システムで推定される前記式２から変化すると、前記工具の寿命に達したと判定する判定部と、
   を備える、寿命検知システム。
7. 請求項１～３のいずれか１項に記載の摩耗量推定システムと、
   前記被加工物を加工する前記工具と、
   前記被加工物を載置する載置部と、
   を備える、工作機械。
8. 工具を用いて、同一仕様の被加工物を同一条件で繰り返し加工する工作機械において、前記工具の摩耗量を推定する方法であって、
   前記工具の加工開始時点からの摩耗量をＷ、経過時間をｔ、初期段階及び定常段階を０＜ｔ≦ｔ１としたときの初期段階と定常段階との境界の時刻をＴ_０（Ｔ_０＝ｔ_０）、定数をＡ_１、Ａ_２、α_１、α_２としたときに、Ｗ＝Ａ_１ｔ^α１（ｔ≦Ｔ_０）・・・（式１）からＷ＝Ａ_２ｔ^α２（Ｔ_０＜ｔ）・・・（式２）への線形変換Ｐを記憶する記憶部を準備する工程と、
   同一仕様の加工中の前記工具について、前記加工中の工具の摩耗量の測定によって前記式１を算出する工程と、
   前記記憶部から前記線形変換Ｐを読み出して、算出した前記式１から線形変換した式２を前記加工中の工具の前記式２と推定する工程と、
   を備える、摩耗量推定方法。

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