JPH055621B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は工作機械における工具の折損や異常を
切削加工及び折損時に発生するアコーステイツク
エミツシヨン（以下AEという）を利用して監視、
自動検出する工具折損検出装置に関するものであ
る。

〔発明の概要〕

本発明は工作機械により使用されるワークの種
類が異なる毎にAEセンサの感度を調整する必要
があることに鑑み、あらかじめ工具の種類に応じ
て設定された最適増幅率テーブルを異なる加工対
象毎に記憶手段に記憶しておき、用いられる加工
対象によつてそれらのテーブルを選択し工具の種
類に応じて最適の感度をAEセンサに設定するよ
うにしたものである。そうすれば自動的にAEセ
ンサの感度が設定されるため、使い易く信頼性の
高い工具折損検出装置とすることができる。

〔従来技術とその問題点〕

工作機械、特に数値制御装置において工具を用
いて加工対象（以下ワークという）を切削加工す
る場合、何らかの原因で工具が折損し又切屑のつ
まりを起こして異常切削している場合がある。近
年の工場自動化の進展に伴いこのような工具の折
損や異常切削を自動的に検出することが強く要求
されている。こうした工作機械の工具の折損を検
出する一手法として、従来より工作機械の工具や
ワークの近傍にAEセンサを設け、そこから得ら
れるAE信号に基づいて工具の折損を検出する装
置が提案されている。

しかしながら数値制御装置によれば、一台の装
置で用いられる工具は多種多様であり又ワークの
形状も異なるため、工作時に工具が折損するとき
に発生するAE信号はそれらの工具の種類やワー
クの形状によつて大幅に異なる。従つてあるワー
クにおいてある工具を用いたときにAEセンサの
感度を最適値に設定しても、ワークが交換される
度にAEセンサの感度をそれに合わせて調整する
必要があるという問題点があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の工具折損検出装置の
問題点に鑑みてなされたものであつて、工作時の
ワークや工具の選択情報に基づいてAEセンサの
感度を自動的にあらかじめ登録されている最適値
に設定することができる工具折損検出装置を提供
することを目的とする。

〔発明の構成と効果〕

本発明は工作機械の工具近傍に設けられたAE
センサを有し、工具の折損時に得られるAE信号
に基づいて折損を検出する工具折損検出装置であ
つて、工具の折損時に得られるAE信号の周波数
を含む擬似折損信号を発生する擬似折損信号発生
手段と、外部入力に基づいて増幅率を変えてAE
センサのAE信号を増幅する可変増幅率増幅器と、
工具の種類に応じて設定された最適値の感度テー
ブルを異なる加工対象毎に記憶する記憶手段と、
外部より与えられる加工対象のデータに応じて前
記記憶手段の感度テーブルを選択し、使用工具に
基づいて該テーブルを検索し対応する最適感度を
前記可変増幅率増幅器に設定する設定手段と、を
具備することを特徴とするものである。

このような特徴を有する本発明によれば、工作
機械によつて用いられる工具毎にAEセンサの最
適感度のデータが保持されたテーブルを記憶する
と共に異なる加工対象毎にそのテーブルを記憶手
段に記憶している。そして数値制御装置によつて
用いられるワークの情報に基づいてそれらの感度
テーブルを選択し、そのテーブル内より用いられ
る工具に対応する感度を選択してAEセンサに設
定するようにしている。そうすればワーク毎に感
度テーブルを設定し直す必要はなく、常に最適値
にAEセンサの感度設定を行うことができるので、
使い易く信頼性の高い工具折損検出装置とするこ
とが可能である。

〔実施例の説明〕

第１図は本発明による工具折損検出装置の一実
施例を示すブロツク図である。本実施例は数値制
御装置を用いて制御されるボール盤に取付けられ
た工具折損検出装置を示すものであつて、ワーク
１はボール盤のベース上に固定されており、ワー
ク１の上部よりドリル２を回転させて所定速度で
押下しワーク１を開口する。ドリル２は数値制御
装置３によつてその動作が制御されている。ここ
で用いられるドリルは図示しない自動工具交換器
によつて自動的に交換されるものとする。さてワ
ーク１の上部のドリルの刃が接触する位置にワー
ク１に切削を行う前にあらかじめAEセンサと同
じくPZT等からなる擬似折損信号発生器４が取
付けられる。駆動回路５はこの擬似折損信号発生
器４を駆動するものであつて、あらかじめ工具の
折損時のAE出力波形と相似で且つ同一のパワー
スペクトル分布を持つ駆動波形を発振するよう構
成されており、その振幅レベルは外部より与えら
れる。そしてワーク１が配置される工具の近傍、
例えば第１図に示すようにベース上にAE信号を
検出するAEセンサ６を設ける。AEセンサ６はド
リル２等の工具からのAE信号や擬似折損信号発
生器４からのAE信号を検出する広帯域のAEセン
サであつて、その出力はAE信号処理部７に与え
られる。AE信号処理部７はAEセンサ６からの信
号を所定のレベルで増幅すると共に工具の折損、
異常切削の信号を検知し、入出力インターフエー
ス８を通じて中央演算装置（以下CPUという）
９に与えるものである。CPU９にはシステム制
御プログラムを記憶するリードオンリメモリ（以
下ROMという）１０と、この数値制御装置３に
よつて用いられる工具に対応するAEセンサの感
度情報を含むランダムアクセスメモリ（以下
RAMという）１１から成る記憶手段が接続され
ている。CPU９には更に入出力インターフエー
ス１２を介して切削中のAE信号レベル、工具の
異常切削や折損を表示する表示器１３、及び工具
の番号や種類、標準のAEセンサの感度を設定す
る入力キー１４が接続される。更に信号伝送ライ
ン１５を介して数値制御装置３が接続されてい
る。CPU９はこれらの入力に基づいて所定の擬
似折損信号発生器４の駆動レベルを駆動回路５に
与え、AE信号処理部７より得られるAE信号レベ
ルに基づいて最適の感度を検出し、それをRAM
１１に順次保持すると共に以後それに対応する工
具が用いられるときにその感度に設定するように
制御するものである。

次に第２図はAE信号処理部７の詳細な構成を
示すブロツク図である。本図においてAEセンサ
６の出力はまずアナログスイツチ２０に与えられ
る。アナログスイツチ２０はCPU９からの制御
信号に基づいてアナログ信号を断続するスイツチ
であつて、その出力端は可変増幅率増幅器２１に
接続されている。増幅器２１はCPU９からの制
御入力に基づいて増幅率を設定することができる
可変増幅率増幅器であつて、その出力を二つのバ
ンドパスフイルタ２２，２３及び入出力インター
フエース８を介してCPU９に与えるものである。
バンドパスフイルタ２２は中心周波数300KHz、
バンドパスフイルタ２３は中心周波数50KHzのフ
イルタであつて、夫々の中心周波数付近の信号の
みを次段の検波器２４，２５に伝える。検波器２
４，２５は夫々その入力信号を検波し振幅に応じ
た出力を得るものであつて、検波器２４の出力は
微分回路２６に、検波器２４，２５の出力は夫々
比較器２７に与えられる。これらのバンドパスフ
イルタ２２，２３、検波器２４，２５及び比較器
２７により折損時のAE信号を識別する周波数識
別手段を形成している。微分回路２６は入力信号
の急峻な変化分のみを次段のレベル判定器２８に
伝える。レベル判定器２８は所定の基準レベルと
入力信号とを比較するものであり、入力信号が大
きければ出力を折損検出回路２９と異常切削検出
回路３０に伝える。又比較器２７は検波器２４，
２５の出力を比較し、検波器２４の出力が大きい
場合にのみ出力を折損検出回路２９に伝える。折
損検出回路２９はこれらの入力の論理積をとつて
工具の折損を検出する論理回路であつて、検出信
号を入出力インターフエース８を介してCPU９
に伝える。又異常切削検出回路３０はレベル判定
器２８の出力に基づいて異常切削を検出して入出
力インターフエース８を介してCPU９に伝える
ものである。

次に本実施例の動作について説明する。まず本
発明による工具の感度設定方法について第３図の
フローチヤートを参照しつつ説明する。以下のフ
ローチヤートにおいて引出線を用いて示す番号は
CPU９の動作ステツプを示している。動作を開
始するとまずステツプ40において入力キー１４よ
り入力されたときに用いられるワークの種類に対
応する番号を読込む。そしてステツプ41に進んで
そのとき用いられる工具の大きさに対応するデー
タ（マガジン番号）を読込む。次いでステツプ42
においてその大きさに対応した擬似折損信号発生
器４の駆動レベルを駆動回路５に与える。そうす
れば駆動回路５の駆動により擬似折損信号がワー
ク１及びベースを介してAEセンサ６に伝えられ
る。このとき擬似折損信号は工具の折損時と同一
のパワースペクトルを有し、更に時間領域におい
ても折損時の波形と類似の波形を有している。こ
のAE信号がAE信号処理部７に伝えられアナログ
スイツチ２０及び可変増幅率増幅器２１を介して
入出力インターフエース８からCPU９に伝えら
れる。CPU９はステツプ43においてAEセンサの
信号レベルを可変増幅率増幅器２１の増幅率によ
つて調整し、ステツプ44に進んでその出力レベル
が適正であるかどうかをチエツクする。このレベ
ルが適正でなければステツプ45において必要な増
幅率の増減を算出し、ステツプ43に戻つて可変増
幅率増幅器２１の増幅率を変更する。そしてステ
ツプ43から45のループを繰り返しその増幅率を適
正に調整する。こうして得られた最適の増幅率を
第４図に示すようにRAM１１の所定領域にマガ
ジン番号と共に記憶する（ステツプ46）。次いで
ステツプ47に進んで全ての工具の設定が終了した
かどうかをチエツクし、その設定が終了していな
ければステツプ41に戻つて他の工具によつて同様
の処理を繰り返す。そしてある工具についてこれ
らの処理が終了すれば第４図のメモリマツプに示
すようにワークＡについての工具番号と感度テー
ブルをRAM１１に記憶させて（ステツプ48）ス
テツプ49に進み、全てのワークについて感度テー
ブルが完了したかどうかをチエツクする。これが
完了していなければステツプ40に戻つて加工する
他のワークについても同様の処理を行う。即ち異
なったワークを工作機械のベース上に配置しその
ときのワークの情報を入力キー１４より入力する
と共に、ステツプ41に進んで用いる工具の大きさ
の情報を読込む。そして同様の処理を繰り返して
そのワークに対応して感度テーブルを作成する。
そしてステツプ49において、第４図のメモリマツ
プに示すように全てのワークＡ，Ｂ，Ｃ……につ
いての感度テーブルの作成が完了すれば感度設定
処理を終了する。

次にこうして設定した各工具に対応する最適感
度のデータを用いて工具の折損を監視する監視動
作について説明する。第５図はこの監視動作を示
すフローチヤートである。まず監視動作を開始す
るとステツプ50において数値制御装置３より加工
しようとするワーク及びワークに切削する工具の
データを受取る。そしてCPU９はRAM１１の感
度テーブルのうち選択されたワークに対応する感
度テーブルを選択し、対応する工具の感度データ
を読出す（ステツプ51）。そして入出力インター
フエース８を介してAE信号処理部７の可変増幅
率増幅器２１の増幅率を設定する。そうすればワ
ーク１の切削に応じてAEセンサ６よりAE信号が
アナログスイツチ２０を介して与えられ、最適の
増幅率によつて増幅されて二つのバンドパスフイ
ルタ２２，２３に与えられる。さて通常の切削加
工時にAEセンサ６より与えられるAE信号のパワ
ースペクトルの分布は第６図の曲線ｂに示すよう
に周波数50KHz付近に集中しており、それより高
い周波数領域では単調に減衰する分布となつてい
る。又多くの実験より知られるように工具の折損
時のパワースペクトルの分布は第６図の曲線ａに
より表され、周波数300KHz付近にピークを持つ
ことが明らかとなつている。これは信号源が機械
的振動を原因とするものでなく、工具の非可塑性
破壊時に生じる超音波特有の現象が起こるためと
考えられる。従つて二つのバンドパスフイルタ２
２，２３により夫々の周波数成分付近のAE信号
のみを取出して検波器２４，２５より検波し、そ
の出力レベルを比較すれば通常時と工具折損時と
を明確に識別することが可能である。即ち通常の
切削時には周波数50KHz付近のAE信号のパワー
が周波数300KHz付近のパワーより大きく、工具
の折損時には300KHz付近のパワーが周波数50K
Hz付近のパワーより大きいからである。比較器２
７はこれらの出力を比較して工具の折損時にのみ
信号を折損検出回路２９に与えている。

一方切削加工時に生じる切屑と工具ワークとの
接触や摩擦によつて第６図の曲線ａで示されるパ
ワースペクトル分布と似た信号が発生する場合が
ある。この場合にはバンドパスフイルタ２２，２
３の中心周波数やＱの値、及び比較器２７のスレ
ツシユホールドレベル等を適切に設定しても切屑
と工具やワークの接触、摩擦による信号を工具の
折損信号と誤つて判断することがある。従つて本
発明においては工具の折損時に見られるAE信号
の時間領域の波形にも着目し、これらの信号を分
離している。即ち工具の折損時に得られるAE信
号波形は第７図ａに示すように折損時に鋭い立上
りを有する信号となつており、一方切屑と工具や
ワークの接触、摩擦によつて発生すAE信号は第
７図ｂに示すように鋭い立上りを示さず所定期間
信号が継続する波形となつている。従つて第２図
のブロツク図に示すように検波器２４の出力を微
分回路２６に与え、折損時等の急峻な信号のみを
分離してレベル判定器２８に与える。レベル判定
器２８は入力信号が大きいときに出力を折損検出
回路２９及び異常切削検出回路３０に与える。異
常切削検出回路３０はレベル判定器２８の出力に
基づいて入出力インターフエース８よりCPU９
に異常切削を伝える。第５図に示すフローチヤー
トにおいてCPU９は異常切削検出回路３０から
異常切削信号が伝えられるかどうかをチエツクし
ており（ステツプ53）、この信号がなければ正常
な切削動作が行われているのでステツプ54に進ん
で表示器１３より切削レベルを表示する。そして
ステツプ52に戻つて同様の処理を繰り返し、ステ
ツプ52〜54の処理を実行しつつ切削の異常を監視
している。さて異常切削検出回路３０より異常切
削信号が伝えられればステツプ55に進んで折損検
出回路２９より折損信号が与えられるかどうかを
チエツクする。折損検出回路２９は比較器２７と
レベル判定器２８の論理積によつて工具の折損を
検知し、工具折損時には入出力インターフエース
８よりCPU９に折損出力を伝える。従つてステ
ツプ55において折損信号が与えられるかどうかを
チエツクし、これが与えられなければ異常切削が
行われているのでステツプ56において表示器１３
より異常切削を表示してステツプ52に戻る。又ス
テツプ55において折損検出信号が与えられれば工
具の折損が検出されたので、ステツプ57に進んで
表示器１３より工具の折損を表示すると共に数値
制御装置３にそのデータを伝えて動作を停止す
る。そしてステツプ58に進んでAE信号処理部７
のアナログスイツチ２０をオフとして処理を終了
する。

こうすれば工作機械において見られる他の信
号、例えばソレノイドの開閉に伴うスパイク状の
電気ノイズはバンドパスフイルタ２０、検波器２
４を介して微分回路２６よりレベル判定器２８に
伝えられることもあるが、そのパワースペクトル
は第６図の曲線ｃに示すように単調減少の分布を
有しており、比較器２７から出力が得られない。
又ワーク１やワーク１のベースに物体が衝突した
ときに生じる衝撃波が考えられるが、この場合に
も機械的な振動のためパワースペクトルは低い周
波数に集中しており周波数300KHz付近では大き
く減衰しているため、比較器２７より出力は得ら
れず工具折損信号を生じることはない。このよう
に周波数領域の折損検出と時間領域の折損検出の
両者を組み合わせることによつて確実に工具の折
損のみを検出することが可能となる。このように
して工具の折損が検出されればアナログスイツチ
２０をオフとして以後AE信号の入力を停止して
いる。これは工具の折損後に発生する折損した工
具とワークとの異常接触や摩擦により発生する大
きなAE信号を更に折損と判定しないようにする
ためである。

尚本実施例はAE信号処理部７のアナログ処理
によつて折損を検出するようにしているが、AE
センサの出力をＡ／Ｄ変換した後にサンプリング
しその後の処理を全てデジタル信号処理によつて
行うことも可能である。この場合にはバンドパス
フイルタをデジタルフイルタに、微分回路を差分
演算等に置き換えてCPUを用いた信号処理を行
うことが考えられる。

又本実施例は加工するワークについて工具のマ
ガジン番号とそれに対応するAEセンサの感度テ
ーブルを工具折損検出装置内のメモリに保持する
ようにしているが、数値制御装置３内のメモリに
このデータを保持するようにし、工具折損検出装
置は数値制御装置３によつて加工されるワークと
加工時に用いられる工具に対応した感度データを
受取つてAEセンサの感度を設定するようにする
ことも可能である。

更に本実施例は数値制御装置に適用した折損検
出装置について説明しているが、本発明は他の工
作機械、例えば旋盤やフライス盤等の種々の工作
機械、更に大規模なマシニングセンタに適用する
ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による工具折損検出装置の一実
施例を示すブロツク図、第２図はAE信号処理部
の詳細な構成を示すブロツク図、第３図は本実施
例の工具折損検出装置の感度の自動設定処理を示
すフローチヤート、第４図はそのとき得られる増
幅率を記憶する記憶手段を示すメモリマツプ、第
５図はこうして得られた感度データに基づいて切
削状況を監視する場合の処理を示すフローチヤー
ト、第６図はAEセンサ６より得られるAE信号の
パワースペクトルを示す図、第７図ａは工具折損
時に得られるAE信号波形、第７図ｂは切屑が生
じる場合に得られるAE信号波形を示す図である。 １……ワーク、２……ドリル、３……数値制御
装置、４……擬似折損信号発生器、５……駆動回
路、６……AEセンサ、７……AE信号処理部、
８，１２……入出力インターフエース、９……
CPU、１０……ROM、１１……RAM、１３…
…表示器、１４……入力キー、２０……アナログ
スイツチ、２１……可変増幅率増幅器、２２，２
３……バンドパスフイルタ、２４，２５……検波
器、２６……微分回路、２７……比較器、２８…
…レベル判定器、２９……折損検出回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 工作機械の工具近傍に設けられたAEセンサ
   を有し、工具の折損時に得られるAE信号に基づ
   いて折損を検出する工具折損検出装置において、 工具の折損時に得られるAE信号の周波数を含
   む擬似折損信号を発生する擬似折損信号発生手段
   と、 外部入力に基づいて増幅率を変えて前記AEセ
   ンサのAE信号を増幅する可変増幅率増幅器と、 工具の種類に応じて設定された最適値の感度テ
   ーブルを異なる加工対象毎に記憶する記憶手段
   と、 外部より与えられる加工対象のデータに応じて
   前記記憶手段の感度テーブルを選択し、使用工具
   に基づいて該テーブルを検索し対応する最適感度
   を前記可変増幅率増幅器に設定する設定手段と、
   を具備することを特徴とする工具折損検出装置。