JP7277152B2 - 工作機械の工具管理システム - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械の工具管理システムに関する。
従来、ＮＣ旋盤やマシニングセンタなどの工作機械は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御：Computerized Numerical Control）技術を適用し、工具の移動量や移動速度などをコンピュータで数値制御することによって、同一加工手順の繰り返し、複雑な形状の加工などを高度に自動化している。また、ＣＡＤやＣＡＭで作成したデータをＣＮＣに取り込み、さらに、オプション、パラメータ、ＮＣプログラム、マクロプログラム、マクロ変数、ワーク原点オフセット、工具オフセット、工具形状データ、工具管理データなどの各種データを入力して制御することにより、工作機械を設計から製造まで一貫して自動化することも行われている。
特開２０１８－１０３２８４号公報
一方、消耗品である工具は、一般に、工具種類毎に固有の使用寿命時間を設定し、加工時間の合計が設定時間に達した段階で交換を行うようにしている。
しかしながら、適正な使用寿命時間は「工具の種類」、「加工対象の形状」、「加工対象の品質」、「加工条件」等の複数の要因によって総合的に決まるものであり、本来、一律に決定することは難しい。
これに対し、加工機毎に工具の損耗状態や加工精度などを確認、推定して工具の交換時期を決定する手法も提案、実用化されているが（例えば、特許文献１参照）、やはり、決定した寿命時間も加工品種やその割合で変化するため、適宜に見直しを行う必要がある。このため、適正な工具の交換時期を決定する手法が強く望まれていた。
本発明は、上記事情に鑑み、工作機械で用いる工具の適正な交換時期を決定することが可能な工作機械の工具管理システムを提供することを目的とする。
本発明者は、工作機械で用いる工具の適正な交換時期を決定することを可能にする手段を見出し、本発明を完成するに至った。
（１）本発明は、工作機械（例えば、後述の工作機械１）の工具（例えば、後述の工具３）を支持する主軸（例えば、後述の主軸２）に取り付けて振動を検出する振動検出部（例えば、後述の振動検出部１０）と、前記主軸の近傍に設けられ、前記工作機械の稼働中に発生する音波を検出する音検出部（例えば、後述の音検出部１２）と、前記工作機械の駆動装置（例えば、後述の駆動装置６）のサーボモータ（例えば、後述のサーボモータ４）の電流値を検出するサーボモータ電流値検出部（例えば、後述のサーボモータ電流値検出部１３）のうちの少なくとも一つの検出部を備えるとともに、前記工作機械の稼働中に前記振動検出部で検出した振動と前記音検出部で検出した音波と前記サーボモータ電流値検出部で検出した電流値のうちの少なくとも一つの検出値に係る情報に基づいて前記工具の交換の要否を判定する工具交換判定部（例えば、後述の工具交換判定部１１）と、加工プログラムに、前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つの検出開始点と検出終了点の指令を加える検出開始／終了指令設定部（例えば、後述の検出開始／終了指令設定部１６）とを備えることを特徴とする。
（２）本発明は、上記（１）において、前記加工プログラムに前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つの検出開始点と検出終了点の指令／設定を行うためのＭコードが設けられ、前記検出開始／終了指令設定部は、加工を行うための補助機能である前記Ｍコードの指令／設定に応じて前記検出開始点と前記検出終了点を設定してもよい。
（３）本発明は、上記（１）または（２）において、前記工作機械の稼働中に検出した前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つを前記予め設定した閾値と比較した結果を工具リストに反映させて表示する工具判定結果表示部（例えば、後述の工具判定結果表示部１８）と、前記工具の交換を要すると判定された場合に警告を発する警告部（例えば、後述の警告部１９）とを備えてもよい。
（４）本発明は、上記（１）から（３）のいずれかにおいて、工場に複数の工作機械が設けられ、前記工具交換判定部で前記工具の交換が必要であると判定された場合に、交換が必要とされた前記工具を有する前記工作機械を工場集中管理画面で示す工場集中管理画面表示部（例えば、後述の工場集中管理画面表示部２１）と、交換が必要とされた前記工具を有する前記工作機械に設けられ、前記工具の交換が必要であることを示す工作機械画面表示部（例えば、後述の工作機械画面表示部２２）とを備えてもよい。
（５）本発明は、上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つの検出結果と、工具データ及び加工情報とを連関させたファイルを作成する検出情報ファイル形成部（例えば、後述の検出情報ファイル形成部２３）と、前記検出情報ファイル形成部で作成した前記ファイルを外部に出力するファイル出力部（例えば、後述のファイル出力部２４）とを備えてもよい。
本発明によれば、工作機械で用いる工具の適正な交換時期を決定することが可能になる。
本発明の一実施形態に係る工作機械及び工作機械の工具管理システムを示す図である。 本発明の一実施形態に係る工作機械の工具管理システムを示すブロック図である。
以下、図１及び図２を参照し、本発明の一実施形態に係る工作機械の工具管理システムについて説明する。
ここで、本実施形態は、工作機械で用いる工具の適正な交換時期を決定することを可能にする工作機械の工具管理システムに関するものである。
具体的に、まず、本実施形態の工作機械１は、ＮＣ旋盤やマシニングセンタなどの工作機械であり、図１に示すように、例えば、軸線Ｏ１方向を上下方向に向けて配設される主軸２と、主軸２を軸線Ｏ１周りに回転させるための回転駆動部（主軸用モータ：不図示）と、主軸２に取り付けられる工具３と、サーボモータ４によって送り軸５を上下方向に延びる軸線Ｏ２周りに正逆回転させるとともに主軸２を上下方向に進退移動させ、主軸２ひいては工具３を位置決めする駆動装置６と、主軸２や工具３の下方に、上面に加工対象物のワークＷを固定して支持するとともに、主軸２や工具３に対して上下方向（Ｚ）及び前後方向（前後左右の横方向：ＸＹ）に相対的に移動可能に配設されたテーブル７と、工作機械の工具管理システムＡとを備えて構成されている。
工具３は互いの軸線Ｏ１を同軸上に配し、ホルダ８を介して主軸２に着脱可能に接続される。なお、本実施形態では、主軸２が軸線Ｏ１周りに回転するものとしているが、これに制限されない。例えば、軸線Ｏ１方向を上下方向に向けて配設される略円筒状の主軸と、ベアリングを介して主軸の内部に軸線Ｏ１周りに回転可能に支持された回転軸と、回転軸を回転駆動するための回転駆動部とを備え、回転軸にホルダ８を介して工具３を着脱可能に接続し、主軸に工具３を取り付けるように構成してもよい。
一方、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡは、図１及び図２に示すように、工具３を支持する主軸２に取り付けて振動を検出する振動検出部（振動センサ：検出部）１０と、工作機械１の稼働中に振動検出部１０で検出した振動を、予め設定した振動の閾値（基準値）と比較して工具３の交換の要否（寿命、損耗状態、劣化状態）を判定する工具交換判定部１１とを備えている。
また、主軸２の近傍に設けられ、工具３で加工対象物のワークＷを加工する際に発生する音波（音）を検出する音検出部（音響センサ：検出部）１２を備え、工具交換判定部１１が、工作機械１の稼働中に音検出部１２で検出した音波を予め設定した音波の閾値（基準値）と比較して工具３の交換の要否を判定する。
さらに、サーボモータ４の電流値を検出するサーボモータ電流値検出部（検出部）１３を備え、工具交換判定部１１が、工作機械１の稼働中にサーボモータ電流値検出部１３で検出した電流値を予め設定した電流値の閾値（基準値）と比較して工具３の交換の要否を判定する。
工作機械の工具管理システムＡは、検出した振動、音波、電流値の記憶、振動、音波、電流値の閾値を記憶する記憶部１５を備えている。
すなわち、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、振動検出部１０と、音検出部１２と、サーボモータ電流値検出部１３とで工作機械１の稼働中に検出した振動、音波、電流値と、記憶部１５に記憶された閾値等の情報データとを基に、工具交換判定部１１が工具３の交換の要否を判定するように構成されている。
なお、本発明においては、振動検出部１０と音検出部１２とサーボモータ電流値検出部１３の少なくとも一つを備え、工具交換判定部１１が工具３の交換の要否を判定するように構成されていればよい。また、本発明における「主軸２の近傍」とは、音検出部１２で音波を検出し、検出した音波によって工具３の交換の要否を判定可能な主軸２を中心とした領域を示す。
本実施形態の工作機械の工具管理システムＡは、加工プログラムに振動と音波とサーボモータの電流値の少なくとも一つの検出開始点と検出終了点の指令を加える（指令／設定を行うための）検出開始／終了指令設定部１６と、工作機械１の稼働中に検出した振動と音波とサーボモータの電流値の少なくとも一つを予め設定した閾値と比較した結果を記憶部１５に記憶された工具リストに反映させて表示する工具判定結果表示部１８と、工具３の交換を要すると判定された場合に警告を発する警告部１９とを備えている。
また、本実施形態では、例えば、加工を行うための補助機能であるＭコードに、振動と音波とサーボモータの電流値の少なくとも一つの検出開始点と検出終了点の指令／設定を行うためのＭコードが設けられている。
そして、検出開始／終了指令設定部１６は、振動と音波とサーボモータの電流値の少なくとも一つの検出開始点と検出終了点の指令／設定を行うためのＭコードが選択された際に、このＭコードの指令／設定に応じて検出開始点と検出終了点を加工プログラムに加えるように構成されている。
このように検出開始点と検出終了点の指令／設定の手段としてＭコードを用いることによって、また、適宜マクロ（変数、演算指令、条件分岐など）を組み合わせて使用することによって、オペレーターが加工プログラム中で自由に計測の開始、終了を行うことができ、さらに、計測を行いたい加工プログラムを使用して加工を行う度に、自動で振動と音波とサーボモータの電流値の少なくとも一つの計測が可能になる。
言い換えると、例えば、工作機械の数値制御の分野において、従来から用いられているＭコードを検出開始点と検出終了点の指令／設定の手段として用いることで、加工プログラムへの適用が簡単に行えるようになる。
なお、本発明に係る工作機械の工具管理システムにおいては、必ずしも検出開始点と検出終了点の指令／設定の手段としてＭコードを用いることに限定しなくてもよい。
例えば、マクロ機能（マクロ変数など）を用いるなどして検出開始点と検出終了点の指令／設定を行うようにしてもよい。また、Ｍコードとマクロ機能を併用してもよい。
すなわち、Ｍコード以外に計測用のマクロ変数を準備し、マクロ変数＃〇〇〇＝１で検出開始、＃〇〇〇＝０で検出終了としてもよい。なお、このようなプログラムをサブプログラム化して、呼び出すことも可能である。
ただし、Ｍコード以外の手法を用いる場合には、ロジックを個別に用意する必要が生じ、プログラムの作成に多大な労力を要するおそれがある。また、可読性の低下が生じることも考えられる。
本実施形態では、工場に複数の工作機械１が設けられ、これら複数の工作機械１を集中管理室の集中管理部２０で集中管理するように構成され、工作機械の工具管理システムＡは、工具交換判定部１１で工具３の交換が必要であると判定された場合に、交換が必要とされた工具３を有する工作機械１を工場集中管理画面で示す工場集中管理画面表示部２１と、交換が必要とされた工具３を有する工作機械１側に設けられ、工具３の交換が必要であることを示す工作機械画面表示部２２とを備えている。
工作機械の工具管理システムＡは、振動と音波とサーボモータの電流値の少なくとも一つの検出結果と、記憶部１５に記憶された工具データ及び加工情報とを連関させたファイルを作成する検出情報ファイル形成部２３と、検出情報ファイル形成部２３で作成したファイルを外部に出力するファイル出力部２４とを備えている。
なお、ファイルを出力する外部とは、例えば、工場集中管理室や工作機械側などである。
ここで、本実施形態の工作機械１においては、工作機械本体（工作機械）を制御するための第１制御部（例えば、数値制御装置（ＣＮＣ））２５と、数値制御装置に内蔵されたシーケンスプログラムによって工作機械本体の補助装置（例えば、自動工具交換装置など）にＩ／Ｏユニットを介して信号を出力し制御を行う第２制御部（例えば、ＰＭＣ）２６と、振動検出部１０と、音検出部１２と、サーボモータ電流値検出部１３とで工作機械１の稼働中に検出した振動、音波、電流値を基に、工具３の交換の要否の判定などを行う第３制御部（外部コントローラ）２７とを有する制御装置（制御システム）３０を備えている。
本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、例えば、第１制御部２５に、検出開始／終了指令設定部１６が設けられている。第２制御部２６に、工具判定結果表示部１８と、警告部１９と、工作機械画面表示部２２と、検出情報ファイル形成部２３と、ファイル出力部２４と、振動、音波、電流値の記憶、振動、音波、電流値の閾値を記憶する記憶部１５とが設けられている。第３制御部２７に、工具交換判定部１１が設けられている。
なお、制御装置３０は、必ずしも第１制御部２５、第２制御部２６、第３制御部２７を個別に備えていなくてもよい。また、各制御部２５、２６、２７に設けられる手段（部）を上記のように限定する必要もない。
そして、上記構成からなる本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、オペレーター等が第１制御部２５の検出開始／終了指令設定部１６で、加工プログラムの振動や音波、サーボモータの電流値の検出開始点のＭコードと、検出終了点のＭコードを設定する。
この検出開始点のＭコードと、検出終了点のＭコードの指令／設定が第２制御部２６に通知され、第２制御部２６が、機械番号、プログラム番号、シーケンス番号、工具番号（工具リスト）、主軸２等の情報、これに対応した振動、音波、電流値に関する情報、過去に作成された工具データ及び加工情報と振動、音波、電流値とを連関させたファイルなどの基準データを記憶部１５で特定、抽出するとともに、第３制御部２７の工具交換判定部１１がこれらの情報等を取得できるようにし（ダウンロードするなどし）、計測開始フラグをたて、振動検出部１０、音検出部１２、サーボモータ電流値検出部１３によって振動、音、電流値の検出、計測が開始される。
このとき、第３制御部２７の工具交換判定部１１がこれらの情報等を取得できるようになり、計測開始可能になった場合には、第３制御部２７が第２制御部２６に対してこれを通知し、ＯＫフラグを立て、ダウンロード等がうまく完了せず、計測開始可能になっていない場合には、第３制御部２７が第２制御部２６に対してこれを通知し、ＮＧフラグを立てる。これにより、第２制御部２６でＯＫフラグが確認された段階で、第１制御部２５が加工を開始制御する。また、第２制御部２６でＮＧフラグが立った場合には、警告部１９がＰＭＣアラームを表示したり、警告灯を点灯させるなどの警告（アラーム）を発し、オペレーター等にこれを認識させる。
一方、工作機械１の稼働中、振動検出部１０と音検出部１２とサーボモータ電流値検出部１３で計測された振動と音波とサーボモータ電流値の計測データ（入力データ）が第３制御部２７の工具交換判定部１１で、基準データ（閾値、基準値）等と比較され、閾値を超えた場合には、工具３の異常と判定されて、これが第２制御部２６、さらに第１制御部２５に通知される。
これとともに、工作機械１の稼働が停止され、さらに、警告部１９がＰＭＣアラームを表示したり、警告灯を点灯させるなどの警告を発し、オペレーター等に工具３の異常を認識させる。
閾値を超えずに検出終了点に達したら、計測終了の通知が第１制御部２５から第２制御部２６に出され、ＯＫフラグ、ＮＧフラグと落す。
工具３の異常が発生した場合、及び閾値を超えずに検出終了点に達した場合には、それぞれ計測が終了した段階で、検出情報ファイル形成部２３によって、振動と音波とサーボモータの電流値の検出結果と、工具データ及び加工情報とを連関させたファイルや、工具ファイルが作成（上書き含む）され、記憶部１５に記憶される。また、本実施形態では、検出情報ファイル形成部２３で作成したファイルが外部に出力される。
また、工具交換判定部１１で工具３の交換が必要であると判定された場合に、工場集中管理画面表示部２１によって、交換が必要とされた工具３を有する工作機械１が工場集中管理画面で示される。さらに、第２制御部２６の工作機械画面表示部２２によって、交換が必要とされた工具３を有する工作機械１に工具３の交換が必要であることが示される。
したがって、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、振動と音波とサーボモータの電流値の少なくとも一つの検出結果によって、工作機械１で用いる工具の適正な交換時期を決定することが可能になる。
また、振動と音波とサーボモータの電流値の３つの検出要素を適宜組み合わせることによって、精度よく工具３の異常を捉え、工作機械１で用いる工具３の交換時期をより正確に決定することが可能になる。
ここで、工具３に異常がある場合だけでなく、例えば、ワークＷに異常があった場合や工作機械１の機構に異常がある場合などでも、工作機械１の稼働中に、振動検出部１０、音検出部１２、サーボモータ電流値検出部１３で検出される振動、音波、電流値が閾値を超える可能性がある。
これに対し、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、単に、振動や音波、サーボモータの電流値を検出し、その検出値によって異常を推定予測するのではなく、閾値を超えた場合に、記憶部１５に記憶されたワークＷに異常があった場合の情報、機構に異常があった場合の情報などを基に、検出した振動、音波、電流値の計測データと、ワークＷに異常があった場合や工作機械１の機構に異常がある場合などのデータとを比較し、工具３に異常があった場合の振動波形や音響波形、電流値波形であることを特定し、これに基づいて工具交換判定部１１が工具３の交換の要否を判定する。これにより、高精度で工具３の適正な交換時期を決定することが可能になる。
また、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、検出開始／終了指令設定部１６によって、加工プログラムに検出開始点と検出終了点の指令を加えることができるため、工作機械１の稼働中の適切なタイミングで工具３の判定を行うことが可能になる。
具体的に、例えば、検出開始／終了指令設定部１６によって、加工プログラムに検出開始点と検出終了点の指令を加えることができることにより、ワークＷの剛性や治具の構造などで工具摩耗の影響を受けやすい任意の加工パスの加工開始位置で計測を開始し、加工終了位置で計測を終了することが可能になる。これにより、工具摩耗による加工不良を削減するという効果も得ることが可能になる。また、必要な箇所でのみデータを取得できるようになるため、判定を正確に行うことも可能になる。すなわち、信頼性の高い判定を行うことができる。
また、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、Ｍコード（やマクロ変数など）を使用して振動、音波、電流値の検出開始点、検出終了点の指令／設定を行うようにした。これにより、オペレーターが加工プログラム中で自由に計測の開始、終了を設定することが可能になる。また、計測を行いたい加工プログラムを使用した加工を行う度に、自動で計測が可能になる。さらに、プログラムへの適用を簡単に行うことができ、ロジックを個別に用意する必要がなく、プログラムの作成が困難になることもなく、可読性を好適に維持、確保することもできる。
さらに、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡにおいては、工具判定結果表示部１８によって、工作機械１の稼働中に検出した振動、音波、サーボモータの電流値を予め設定した閾値と比較した結果を工具リストに反映させて表示することができる。警告部１９によって工具３の交換が必要なことをオペレーターなどに確実に認識させることができる。
また、オペレーターなどが工具リストを確認することによって、その工具３がどの程度劣化しているのか、次の加工に用いた際に閾値を超える可能性があるかなどを事前に判断することも可能になる。
さらに、工場集中管理画面表示部２１によって、工具交換判定部１１で工具３の交換が必要であると判定された場合に、交換が必要とされた工具３を有する工作機械１を工場集中管理画面で示すことができる。工作機械画面表示部２２によって、交換が必要とされた工具３を有する工作機械１側で工具３の交換が必要であることを示すことができる。
これにより、効率的且つ効果的に工具管理を行うことが可能になる。
さらに、検出情報ファイル形成部２３によって、振動と音波とサーボモータの電流値の検出結果と、工具データ及び加工情報とを連関させたファイルを作成することができる。また、ファイル出力部２４によって、検出情報ファイル形成部２３で作成したファイルを外部に出力することができる。
これにより、オペレーターなどがファイルを確認することによって、その工具３がどの程度劣化しているのか、次の加工に用いた際に閾値を超える可能性があるかなどを事前に判断することができ、より効率的且つ効果的に工具管理を行うことが可能になる。
よって、本実施形態の工作機械の工具管理システムＡによれば、工作機械１で用いる工具３の適正な交換時期を自動的に決定することができ、効率的且つ効果的に、不良品の発生の抑制、ひいては製造歩掛りの向上を図ることが可能になる。
以上、本発明に係る工作機械の工具管理システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
１ 工作機械
２ 主軸
３ 工具
４ サーボモータ
５ 送り軸
６ 駆動装置
１０ 振動検出部（検出部）
１１ 工具交換判定部
１２ 音検出部（検出部）
１３ サーボモータ電流検出部（検出部）
１５ 記憶部
１６ 検出開始／終了指令設定部
１８ 工具判定結果表示部
１９ 警告部
２０ 集中管理部
２１ 工場集中管理画面表示部
２２ 工作機械画面表示部
２３ 検出情報ファイル形成部
２４ ファイル出力部
２５ 第１制御部
２６ 第２制御部
２７ 第３制御部
３０ 制御装置（制御システム）
Ａ 工作機械の工具管理システム
Ｗ ワーク

Claims (3)

  1. 工作機械の工具を支持する主軸に取り付けて振動を検出する振動検出部と、
    前記主軸の近傍に設けられ、前記工作機械の稼働中に発生する音波を検出する音検出部と、
    前記工作機械の駆動装置のサーボモータの電流値を検出するサーボモータ電流値検出部のうちの少なくとも一つの検出部を備えるとともに、
    前記工作機械の稼働中に前記振動検出部で検出した振動と前記音検出部で検出した音波と前記サーボモータ電流値検出部で検出した電流値のうちの少なくとも一つの検出値に係る情報に基づいて前記工具の交換の要否を判定する工具交換判定部と、
    加工プログラムに、前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つの検出開始点と検出終了点の指令を加える検出開始／終了指令設定部と、
    前記工作機械の稼働中に検出した前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つを予め設定した閾値と比較した結果を少なくとも工具番号を含む工具リストに反映させて、前記結果が反映された工具リストを表示する工具判定結果表示部と、
    前記工具の交換を要すると判定された場合に警告を発する警告部と、
    前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つの検出結果と、工具データ及び加工情報とを連関させたファイルを作成する検出情報ファイル形成部と、
    前記検出情報ファイル形成部で作成した前記ファイルを外部に出力するファイル出力部とを備える、工作機械の工具管理システム。
  2. 前記加工プログラムに前記振動と前記音波と前記サーボモータの電流値の少なくとも一つの検出開始点と検出終了点の指令／設定を行うためのＭコードが設けられ、
    前記検出開始／終了指令設定部は、加工を行うための補助機能である前記Ｍコードの指令／設定に応じて前記検出開始点と前記検出終了点を設定する、請求項１に記載の工作機械の工具管理システム。
  3. 工場に複数の工作機械が設けられ、
    前記工具交換判定部で前記工具の交換が必要であると判定された場合に、交換が必要とされた前記工具を有する前記工作機械を工場集中管理画面で示す工場集中管理画面表示部と、
    交換が必要とされた前記工具を有する前記工作機械に設けられ、前記工具の交換が必要であることを示す工作機械画面表示部とを備える、請求項１又は請求項２に記載の工作機械の工具管理システム。
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