JPH04372341A - 回転工具の異常予知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はドリル，タップ，エンド
ミル等の回転工具の折損，欠損，摩耗等の異常状態の発
生を予め検出する回転工具の異常予知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ドリル，タップ，エンドミル等の回転工
具により加工物を切削加工する場合、回転工具に折損，
欠損，摩耗等を生じると、加工物に対して所期の加工を
行なうことができないばかりでなく、そのような異常状
態のままの運転が継続されることにより、加工物が破損
し、工作機械に損害を生じる場合がある。

【０００３】そのため、回転工具に実際に折損，欠損，
摩耗等が生じる前に、これらの異常状態の発生を予知す
る必要があり、このための方法が種々提案されている。 すなわち、一つの方法としては、回転工具を装着する装
着装置の主軸を駆動するモータの駆動電流を検出し、こ
の駆動電流の増大により回転工具の異常状態の発生を予
知する方法であり、また、他の方法は、回転工具の振動
をＡＥセンサ等の振動検出器で検出して、この振動値の
増大により回転工具の異常状態の発生を予知する方法で
ある。さらに、特開昭６２−１６６９４８号公報に開示
された方法は、回転工具の切削力を切削力検出器で検出
して、この切削力検出器で検出された切削力若しくはそ
の平均値若しくは前回検出した切削力と今回検出した切
削力との差又は連続する所定回数の切削力の平均値とそ
れに引続いて連続する所定回数の切削力の平均値との差
をそれぞれ所定の閾値と比較することにより、回転工具
の異常状態の発生を予知する方法である。

【０００４】以上の従来の予知方法は、いずれの方法も
検出手段の検出値の瞬時的大きさ又は検出値の平均値の
大きさ若しくは検出値の差の大きさにのみ着目している
ものであって、検出値の周波数特性まで考慮するもので
はない。また、特定の回転工具に加わった外力の堆積を
考慮するものでもない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、例え平均値
や検出値の差をとったとしても、特に回転工具に異常状
態が発生し始めた初期には、上述の各検出値の変化量は
微小であるため、従来の方法では初期の異常状態の予知
が困難であり、異常状態がかなり進行してから予知が可
能となる。しかし、異常状態が進行した後にその予知を
行なっても、手遅れとなって、折損等の事故の発生を回
避することが不可能となる場合が多い。

【０００６】また、検出手段の検出値の絶対値は、被切
削材の硬度等の各種の切削条件により大きく変化するた
め、従来の異常予知装置では、操作の度に閾値を設定し
直さなければならず、極めて煩雑であった。

【０００７】さらに、検出値に雑音が含まれる場合も多
く、このような場合には該雑音により異常予知装置が誤
動作してしまうという欠点もあった。

【０００８】本発明は、従来の回転工具の異常予知装置
のこのような欠点を解消するためになされたものであり
、回転工具の切削力，振動，駆動電流等のわずかな変動
を検出して異常状態を極めて初期の状態から予知し、ま
た、回転工具に堆積された内部疲労から異常状態を予知
し、さらに、上記値の絶対値の変動にもかかわらず、操
作の度ごとに閾値を設定し直す必要がなく、かつ雑音に
よって誤動作することもない回転工具の異常予知装置を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の回転工具の異常
予知装置は、回転工具の切削力を検出する検出手段と、
該検出手段により検出された前記切削力の所定の周波数
帯域の成分のみを抽出する抽出手段と、該抽出手段で抽
出された周波数帯域成分の最大値が所定の閾値を超えた
ときに異常信号を出力する比較手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１０】また、本発明の回転工具の異常予知装置は
、回転工具の切削力を検出する検出手段と、該検出手段
により検出された前記切削力の所定の周波数成分のみを
抽出する抽出手段と、該抽出手段で抽出された周波数成
分の大きさが所定の閾値を超えたときに異常信号を出力
する比較手段とを備えたことを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明の回転工具の異常予知装置
は、回転工具の切削力を検出する検出手段と、該検出手
段により検出された前記切削力の所定の周波数成分又は
所定の周波数帯域の成分のみを抽出する抽出手段と、該
抽出手段により抽出された周波数成分又は周波数帯域成
分を積分する積分手段と、該積分手段の積分値が所定の
閾値を超えたときに異常信号を出力する比較手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の回転工具の異常予知装置においては、
回転工具の切削力の所定の周波数帯域の成分の最大値の
みを抽出して閾値と比較することにより異常状態を予知
するので、前記切削力の変動分のみを抽出でき、該変動
分が微小な初期の異常状態を予知できるとともに、該切
削力の絶対値の変動が大きい場合にも閾値を設定し直す
必要がなく、かつ雑音による誤動作のおそれもない。

【００１３】また、上記切削力の所定の周波数成分のみ
を抽出して閾値と比較することにより異常状態を予知す
れば、前記切削力の微小な変動をよく示す周波数成分の
みを抽出することができ、初期の異常状態を予知できる
とともに、該切削力の絶対値の変動が大きい場合にも閾
値を設定し直す必要がなく、かつ雑音による誤動作のお
それもない。

【００１４】さらに、回転工具の切削力の所定の周波数
成分又は所定の周波数帯域の成分のみを抽出して、該抽
出成分の積分値を閾値と比較することにより異常状態を
予知すれば、変動成分の大きさが微小であっても、切削
開始後の変動を全て累積できるので、回転工具に堆積さ
れた内部疲労の状態が検出でき、該変動分が微小な初期
の異常状態を予知できるとともに、該切削力の絶対値の
変動が大きい場合にも閾値を設定し直す必要がなく、か
つ雑音による誤動作のおそれもない。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明の一実施
例について説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施例の構成を示すブ
ロック図である。

【００１７】まず、図１の実施例の構成を説明する。

【００１８】ドリル，タップ，エンドミル等の回転工具
を装着して被切削材を加工するボール盤等の工作機械１
には、該工作機械１を数値制御するＮＣ装置２と、該工
作機械１に装着された前記回転工具の切削力（トルク及
びスラスト）を検出する切削力検出器１０とが設けられ
ている。

【００１９】切削力検出器１０により検出された前記回
転工具の切削力を表す信号は、周波数特性分析器２１に
入力される。周波数特性分析器２１は、入力された切削
力信号を周波数スペクトル成分ごとに分析し、各スペク
トル成分の大きさをデジタルデータとしてコンピュータ
２２に入力する。

【００２０】コンピュータ２２は、周波数特性分析器２
１から入力される切削力データを取り込み、所定の閾値
と比較し、切削力データが該閾値を超えたときにＤ／Ａ
変換器２４へ警告信号を出力する。Ｄ／Ａ変換器２４は
、該警告信号をアナログ信号に変換して、発光ダイオー
ド等の表示装置から成る警告器２５へ出力する。

【００２１】また、コンピュータ２２は、ＮＣ装置２を
制御するための制御信号をリモートバッファ２３へ出力
し、リモートバッファ２３は、コンピュータ２２から入
力された制御信号をＮＣ装置２に適合するように変換し
て、ＮＣ装置２へ出力する。

【００２２】切削力検出器１０の具体的構成の一例を図
２に示す。

【００２３】図２に示した切削力検出器は、筒状部材１
０の筒部にスラスト検知部−トルク検知部−スラスト検
知部−トルク検知部といった機能の異なる二種の検知部
を円周方向に交互に配設するようにしたものである。こ
の筒状部材１０の筒部は９０°の位相をもって設けた四
つの縦分割溝１１により四分割され、対向する二つの筒
部には上下両端面に開口するスリット１２を円周方向に
穿設し、その両側にトルク検知用の放射状に配置したバ
ネ状弾性支持構造個所Ａ，Ａと、残りの対向する二つの
筒部には左右の縦分割溝１１，１１端面に開口するスリ
ット１３を長手方向に穿設し、その両側にスラスト検知
用の平行バネ状弾性支持構造個所Ｂ，Ｂを形成している
。筒状部材１０の上下の端部にはそれぞれ以下のように
してフランジ１４，１５を螺着するのであるが、フラン
ジ１４に内ネジ１６を設け、内ネジ１６と螺合するネジ
１８は上記したトルク検知部の上方側面にだけ切り、ス
ラスト検知部の上方側面にはそのようなネジを欠如さす
。一方、フランジ１５の内ネジ１７と螺合するネジ１９
はスラスト検知部の下方側面にだけ切り、トルク検知部
の下方側面にはそのようなネジを欠如さす。何れのネジ
螺合個所もあとで溶接によりしっかりと固定するのが望
ましい。フランジ１５は例えば工作機械の主軸等の回転
軸に固定する。

【００２４】いま回転軸に固定したフランジ１５とは反
対側に当るフランジ１４側に、矢印Ｔで示したトルクと
矢印Ｐで示したスラストが負荷されたとすると、トルク
Ｔはネジ１６，１８部を経てトルク検知部の弾性支持構
造個所Ａのうちスリット１２に対して外側に当る部分に
伝達されて内側に当る部分との間で歪を生ずる。またス
ラストＰは筒状部材１０の内側部分を介しスラスト検知
部の弾性支持構造個所Ｂのうちスリット１３に対して内
側に当る部分に伝達されて、固定したネジ１９，１７部
で受け止めている外側に当る部分との間で歪を生ずる。 何れの歪も該歪部に固着したストレーンゲージにより電
気信号として取り出され、周波数特性分析器２１へ入力
される。なお、勿論、ポテンショメータ，作動変圧器，
磁気エンコーダの原理を利用したり、また圧電素子で前
記歪を取り出すことも可能である。

【００２５】図３には、切削力検出器１０の他の例を示
す。この例では、トルク検知部とスラスト検知部とを同
心状に配置し、回転工具から伝えられたスラストＰ及び
トルクＴは弾性支持構造個所Ａ及び弾性支持構造個所Ｂ
を介して図示しない外フランジ部に伝わる。この際、弾
性支持構造個所Ａはトルクの作用に対して剛性が低いた
め大きくひずみ、また弾性支持構造個所Ｂはスラストの
作用に対し剛性が低いため大きくひずむ。そこでこの弾
性支持構造個所上の適当な位置に歪を検出する手段、た
とえば歪ゲージを配置することにより回転工具に作用す
るトルク，スラストを検出できる。

【００２６】次に、このような構造をした切削力検出器
から出力される切削力を表わす信号の信号波形をグラフ
を用いて説明する。図４ないし図８は切削力を示すグラ
フであり、これらのグラフは、Ｓ４５Ｃ調質材に径１．
５ｍｍのドリルで１８００ｒｐｍ、０．０５ｍｍ／ｒｅ
ｖ．の条件で切削したときのものである。

【００２７】図４，図５は、横軸に切削開始後の時間を
とり、縦軸に切削トルクをとっている。図４は、正常な
切削動作時のものであり、図５は、ドリル折損時のもの
である。

【００２８】図４，図５のグラフを見ると、いずれも切
削開始直後は安定したトルク信号が出力され、切削が進
むにつれ変動が大きくなる。

【００２９】図６ないし図８は、図４及び図５に示すト
ルク信号の周波数特性分析器２１でのスペクトル分析値
をアナログ的に示したものであり、図６は図４の■の時
点の周波数スペクトル、図７は図５の■の時点の周波数
スペクトル、図８は図５の■の時点の周波数スペクトル
である。

【００３０】図６の周波数スペクトルを見ると、正常切
削時には、４０Ｈｚ以下の周波数帯域（図のａの部分）
で比較的大きなレベルのスペクトル成分が得られ、大体
の傾向として周波数が高くなるにしたがってスペクトル
成分のレベルが小さくなっている。

【００３１】図７の周波数スペクトルを見ると、ドリル
折損時でも切削開始直後には、図６の正常状態と同様の
スペクトル分布傾向を示し、低い周波数帯域で比較的大
きなスペクトル成分の発生が見られる。

【００３２】図８の周波数スペクトルは、図５のグラフ
中の切削力の変動が大きくなってきた■時点のもので、
全体的にスペクトル成分のレベルが高くなってきている
が、特に１２０Ｈｚ以上の周波数帯域（図のｂの部分）
のスペクトル成分のレベルが、図６の状態に比べて顕著
に増加しており、図６のスペクトル成分の３倍程度の大
きさを示している。

【００３３】以上のデータより、周波数特性分析器２１
の出力データのうち１２０Ｈｚ以上の周波数帯域成分に
対応した閾値を設定すれば、少なくとも図５の■の時点
で回転工具の異常状態を検出できることとなる。

【００３４】次に、図９のフローチャートを参照しなが
ら本実施例の動作を説明する。

【００３５】装置全体に電源が投入されコンピュータ２
２からリモートバッファ２３を介してＮＣ装置２に制御
信号が供給されると、ＮＣ装置２は工作機械１を制御し
て被切削材の切削加工が開始される。

【００３６】被切削材の切削が開始されると、切削力検
出器１０により、上述したメカニズムで切削力が検出さ
れ、周波数特性分析器２１に該切削力をあらわす信号が
入力される。

【００３７】周波数特性分析器２１で各周波数ごとのス
ペクトル成分を表わすデジタルデータに変換された切削
力信号は、各周波数成分ごとに順次コンピュータ２２に
取り込まれる（ステップＳ１）。

【００３８】コンピュータ２２では、入力された切削力
データは切削開始直後の値であって、ほぼ正常状態の切
削力データであると考えられるので、この入力データを
基に閾値を設定する（ステップＳ２）。例えば、上記ｂ
領域の周波数帯域中のスペクトル成分の最大値の２倍の
値を閾値１として設定し、また、例えば３００Ｈｚのス
ペクトル成分の３．５倍の大きさを閾値２として設定す
る。

【００３９】なお、切削力の周波数特性はドリル径，切
削条件，被切削材の材質等により変わるものであるので
、あらかじめ実験により適当な閾値を設けておいてもよ
い。

【００４０】次に、設定した閾値と比較すべき切削力デ
ータを上と同様にしてコンピュータ２２に取り込み（ス
テップＳ３）、この比較データのうち所定の周波数帯域
のスペクトル成分（例えば１２０Ｈｚ以上の周波数帯域
のスペクトル成分）の最大値（ピークレベル）が前記閾
値１より大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。

【００４１】ここで切削力データのスペクトル成分の最
大値が閾値１を超えていれば、コンピュータ２２は、回
転工具に異常状態が発生していると判断し、警告器２５
へ異常状態を示す警告信号を出力すると共に、リモート
バッファ２３にＮＣ装置２が異常状態の回避動作を行な
うような指令信号を出力する（ステップＳ５）。

【００４２】切削力データのスペクトル成分の最大値が
閾値１を超えていなければ、コンピュータ２２は、３０
０Ｈｚのスペクトル成分と閾値２の大きさを比較判定す
る（ステップＳ６）。

【００４３】ここでも、３００Ｈｚのスペクトル成分が
閾値２を超えていれば、上述したと同様の警告・異常状
態回避動作を行い（ステップＳ５）、閾値２を超えてい
なければ、切削動作の終了か否かの判定（本実施例では
、所定の深さの穴空け加工が被切削材になされたか否か
の判定）を行い（ステップＳ７）、切削動作が完了して
いなければ、ステップＳ４に戻って新たな切削力データ
を取り込み、切削動作が完了していれば、切削加工のフ
ローを終了する。

【００４４】なお、本実施例では、所定の周波数帯域成
分の最大値の閾値との比較と、特定周波数成分の閾値と
の比較の２段階の比較を行ったが、いずれか一方の比較
のみでもよく、また、特定周波数成分は複数の周波数成
分であってもよく、さらに、所定周波数帯域成分又は特
定周波数成分の各積分値と閾値とを比較してもよい。積
分値と閾値とを比較すれば、積分値は回転工具に負荷さ
れた外力による切削力変動の総和、すなわち該回転工具
の内部疲労を表わすので、内部疲労の大きい回転工具で
は、切削力のわずかな変動でも、その異常状態の発生を
予知できる。

【００４５】また、所定の周波数帯域成分及び所定周波
数成分の抽出手段として、周波数特性分析器２２の出力
データをコンピュータ２２で抽出する手段を用いたが、
ハイパスフィルタやバンドパスフィルタ等のアナログフ
ィルタを抽出手段として用いて、該アナログフィルタの
出力信号を比較器でアナログ的に比較してもよい。この
場合も、アナログフィルタの出力信号を積分器で積分し
た積分値を閾値と比較してもよいことは勿論である。

【００４６】さらに、本実施例では、回転工具の切削力
を異常状態の検出データとして用いたが、該切削力を間
接的に表わす回転工具の振動又は回転工具を駆動する駆
動装置の駆動電流を異常状態の検出データとして用いて
もよい。この場合には、切削力がこれらの振動又は駆動
電流により徴憑されることとなる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の回転工具の異常予知装置におい
ては、回転工具の異常状態を示す検出データの所定の周
波数帯域成分の最大値若しくは所定周波数成分又はそれ
ぞれの積分値を所定の閾値と比較するようにしたので、
検出データの微小な変動も異常状態の初期のうちから高
精度で検出でき、回転工具の内部疲労による異常状態の
発生も予知でき、ノイズによる誤動作も少なく、閾値を
頻繁に設定し直す必要もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１の実施例の切削力検出器の具体的構成例を
示す分解斜視図である。

【図３】図１の実施例の切削力検出器の他の例を示す斜
視図である。

【図４】正常状態の切削力データの一例を示すグラフで
ある。

【図５】異常状態の切削力データの一例を示すグラフで
ある。

【図６】図４の■の時点での切削力データの周波数スペ
クトル分布を示すグラフである。

【図７】図５の■の時点での切削力データの周波数スペ
クトル分布を示すグラフである。

【図８】図５の■の時点での周波数スペクトル分布を示
すグラフである。

【図９】図１の実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１　　工作機械 ２　　ＮＣ装置 １０　　切削力検出器 ２１　　周波数特性分析器 ２２　　コンピュータ ２５　　警告器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　回転工具の切削力を検出する検出手段
   と、該検出手段により検出された前記切削力の所定の周
   波数帯域の成分のみを抽出する抽出手段と、該抽出手段
   で抽出された周波数帯域成分の最大値が所定の閾値を超
   えたときに異常信号を出力する比較手段とを備えたこと
   を特徴とする回転工具の異常予知装置。
2. 【請求項２】　　回転工具の切削力を検出する検出手段
   と、該検出手段により検出された前記切削力の所定の周
   波数成分のみを抽出する抽出手段と、該抽出手段で抽出
   された周波数成分の大きさが所定の閾値を超えたときに
   異常信号を出力する比較手段とを備えたことを特徴とす
   る回転工具の異常予知装置。
3. 【請求項３】　　回転工具の切削力を検出する検出手段
   と、該検出手段により検出された前記切削力の所定の周
   波数成分又は所定の周波数帯域の成分のみを抽出する抽
   出手段と、該抽出手段により抽出された周波数成分又は
   周波数帯域成分を積分する積分手段と、該積分手段の積
   分値が所定の閾値を超えたときに異常信号を出力する比
   較手段とを備えたことを特徴とする回転工具の異常予知
   装置。