JPH055623B2 - - 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〕

本発明による工具折損検出装置は、折損の識別
時毎にAEセンサより得られる折損データを記憶
しておき、その折損データの複数回の平均値に基
づいて折損の検出条件を変更するようにしてい
る。従つて工作機械に特有の条件や経年変化に対
応することができ工具折損の信頼性を向上させる
ことができる。

〔従来技術とその問題点〕

工作機械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。

ところで従来の工具折損検出装置は、AEセン
サより得られる信号の振幅の平均値や特定の周波
数に基づいて工具の折損を検出しているが、これ
らの検出条件は所定値に定められている。しかし
ながら個々の工作機械毎に工作の取付状態や回転
数等の動作条件が異なるので、同一径の工具であ
つても折損波形が異なつている。又工作機械の経
年変化や作業環境の変化と共に折損波形も変化す
ることとなる。それ故検出条件が固定されている
とこのような変化に対応することができず、工具
折損検出の信頼性を高く保つことができないとい
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、工作機械
の特有の使用状態に応じて検出条件を補正するこ
とができ、又経年変化に対しても自動的に対応す
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、AEセンサから得られるAE信号を記憶する
第１の記憶手段と、AEセンサからの出力信号に
基づいて所定の検出条件により工具の折損を識別
する折損識別手段と、折損識別手段により工具の
折損が識別されたときに第１の記憶手段の折損信
号を読出すことにより最新の複数回の折損データ
を記憶する第２の記憶手段と、第２の記憶手段の
折損データに基づいてその平均折損信号が得られ
たときに折損を検出すべく折損識別手段の検出条
件を所定範囲で変更する制御手段と、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
機械により工作が行われる際にはAEセンサから
の信号を第１の記憶手段に記憶しており、折損が
検出されればその記憶手段の折損時の信号を読出
して折損データを第２の記憶手段に記憶し、その
折損データの新しい過去複数回分の平均値に基づ
いて折損を確実に検出できるように検出条件を変
更している。このようにすれば工具折損検出装置
に学習機能が付加されることとなり、各工作機械
の使用環境や動作条件に対応した検出条件によつ
て工具の折損を検出することが可能となる。従つ
てあらかじめ折損波形を考慮して検出条件を厳密
に定めておく必要はなくなる。更に工作機械の経
年変化に対応して自動的に検知条件が変更され
る。そのため同一の使用条件下では工具折損検知
の信頼性を大幅に向上させることができ、異なつ
た使用条件下でも折損検出の信頼性を保つことが
可能である。

〔実施例の説明〕

（実施例の全体構成） 第２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
号を周期的な記憶装置で記憶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
ム制御プログラムや数値制御装置３との通信制御
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複数回の折損デー
タの記憶領域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折損デー
タをRAM１１に順次保持すると共に、複数回の
折損データより最適の折損検出条件を算出しAE
信号や処理部７に設定するように制御するもので
ある。

（信号処理部の構成） 次に第１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、エンドレステープ
２４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は中心周波数がほぼ300KHzのフイルタで
あり、CPU９からの制御に応じてその中心周波
数及びＱの値を所定範囲で可変することができ
る。パンドパスフイルタ２３は中心周波数が50K
Hzに固定されているフイルタである。バンドパス
フイルタ２２，２３は夫々の中心周波数付近の信
号のみを次段の検波器２５，２６に伝える。又エ
ンドレステープ２４は可変増幅率増幅器２１の出
力をそのまま記憶する記憶手段であり、一定時間
内のサイクルで記憶内容が更新されるためテープ
内には常に最新の所定時間のAE信号が記憶され
ることとなる。エンドレステープ２４はこのAE
信号を記憶するAE信号トラツクTaとクロツク信
号を記憶するクロツク用トラツクTc１、及び検
知信号を書込む制御トラツクTcrとを有してお
り、テープ制御インターフエース２７を介して
CPU９によつて走行、及びデータの入出力が制
御される。エンドレステープ２４の読出信号は
Ａ／Ｄ変換器２８を介してデジタル信号に変換さ
れ、入出力インターフエース８を通じてCPU９
に与えられる。又検波器２５，２６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２５の出力は微分回路２９に、検波
器２５，２６の出力は夫々比較器３０に与えられ
る。これらのバンドパスフイルタ２２，２３、検
波器２５，２６及び比較器３０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２９は入力信号の急峻な変化分のみ
を次段のレベル判定器３１に伝えるものであつ
て、その微分定数はCPU９からの制御に応じて
変更される。レベル判定器３１はCPU９から設
定される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３２と異常切削検出回路３３に伝える。
又比較器３０は検波器２５，２６の出力を比較し
検波器２５の出力が大きい場合にのみ出力を折損
検出回路３２に伝える。折損検出回路３２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３３はレベル判定器３１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。

（AEセンサの感度設定動作） 次に本実施例において工作機械、この場合はボ
ール盤にこの工具折損検出装置のAEセンサを設
置する際の操作について説明する。まずAEセン
サ６を所定位置に取付けた後入力キーから与えら
れる使用工具に対応したレベルに応じて駆動回路
５を動作させる。そうすれば擬似折損信号発生器
４より擬似折損信号がワーク１を介してAEセン
サ６に伝えられる。この時AEセンサ６より得ら
れる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はそのレベルに基づいて出力レベルが適
正となるように可変増幅率増幅器２１の増幅率を
変更し最適な増幅率となるように設定する。

（監視動作） 次に個々の工作機械の折損波形を記憶すること
によつて折損条件を変化させつつ工具の折損を検
出する監視動作について説明する。第３図はこの
監視動作を示すフローチヤートである。監視動作
を開始するとまずステツプ40において既にRAM
１１に記憶されている過去Ｎ回分の折損データの
特徴量の平均を算出する。そしてステツプ41に進
んで微分回路２９の微分回路定数を平均の折損信
号の立上りが検出できる値にセツトし、ステツプ
42に進んでバンドパスフイルタ２２の中心周波数
やＱの値を平均特徴量を持つ波形が入力されたと
き出力が最大となるように設定する。又ステツプ
43においてレベル判定器３１の判定レベルを過去
Ｎ回の折損データの最も低いレベルより所定値だ
け低いレベルにセツトする。最初に動作を開始し
過去のＮ回分の折損データを保持していない状態
では、これらの特微値は不明であるのでROM１
０にあらかじめ設定された適当な値を設定する。
又Ｎ回折損が起こる迄の動作時にはそれまでの値
の平均の特徴量に基づいてこれらの値を算出する
ものとする。そしてステツプ44に進んでAE信号
処理部７の異常切削検出回路３３より異常切削信
号が伝えられるかどうかをチエツクする。工作機
械による動作時にはワーク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
介して伝えられ、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。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４
図の曲線ｂに示すように周波数50KHz付近に集中
しており、それに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４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２２，２３によりそれ
ぞれの周波数成分付近のAE信号のみを取出して
検波器２５，２６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。比較器３０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３２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４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３０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
実施例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５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るAE信号
は第５図ｂに示すように鋭い立上りを示さず所定
時間信号が継続する波形となつている。従つて第
１図に示すように検波器２５の出力を微分回路２
９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３１に与える。レベル判定器３１は
入力信号が基準レベルより大きいときに出力を折
損検出回路３２及び異常切削検出回路３３に与え
る。異常切削検出回路３３はレベル判定器３１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３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
３３から異常切削信号が伝えられるかどうかをチ
エツクしておく（ステツプ44）、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
45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44に戻つて同様の処理を繰り
返し切削の異常を監視している。このときAEセ
ンサ６から得られるAE信号は常にエンドレステ
ープ２４に記憶されている。

第６図ａにエンドレステープ２４の記録状態の
概念図を示すように、工具の折損時にはエンドレ
ステープ２４のAE信号トラツクTaに可変増幅率
増幅器２１より与えられる折損信号が記憶され
る。エンドレステープ２４のクロツク用トラツク
Tc１には図示のように所定のクロツク時間毎に
クロツク信号が順次記憶されており、工具の折損
に基づいて異常切削検出回路３３より異常切削信
号が伝えられれば、ステツプ46に進んでエンドレ
ステープ２４の制御トラツクTcrにトリガ信号St
が書込まれる。そしてステツプ47に進んで切削検
出回路３２より切削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３２は比較器３０と
レベル判定器３１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CPU９に折損信号を伝える。従つてステツ
プ47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48において表示器１３よ
り異常切削と切削レベルを表示してステツプ44に
戻る。又ステツプ47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
４９に進んで第６図に示すようにエンドレステー
プ２４の制御トラツクTcrに折損検出信号Sbを記
憶する。そしてステツプ50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。次いでステ
ツプ51においてCPU９はAE信号処理部７のアナ
ログスイツチ２０をオフとする。これは工具の折
損後に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信号を表示器１３によ
り表示させないようにして折損時の信号レベルを
認識できるようにするためである。そしてCPU
９はステツプ52に進んでエンドレステープ２４の
制御トラツクTcrに記憶されているトリガ信号St
と折損検出信号Sbに基づいて所定時間巻戻し、
折損信号がそのまま記憶されている部分の頭出し
を行う。そしてエンドレステープ２４を再生して
AE信号トラツクTaより折損信号を再生し、Ａ／
Ｄ変換器２８によつてデジタル信号に変更する。
このデジタル信号は入出力インターフエース８を
介してCPU９に伝えられるが、CPU９はステツ
プ53においてそのデジタル出力を一旦RAM１１
のバツフア領域に記憶すると共に記憶された折損
波形データに基づいて立上り時間やパワースペク
トルを抽出し、第ｍ回目の折損データとして第７
図のメモリマツプに示すようにRAM１１の所定
領域に記憶する。このとき既に記憶している折損
データ数がＮ以上であればもつとも古いｍ−Ｎ回
目の折損データを消去してここで求まつた折損デ
ータを記憶しておく（ステツプ54）。そしてステ
ツプ40に戻つて同様の処理を繰り返す。こうすれ
ば新しい過去Ｎ回分の折損データの特徴量の平均
値は使用環境等に応じて異なつてくるのでその新
な平均値に基づいてステツプ41〜43よりバンドパ
スフイルタ２２、微分回路２９及びレベル判定器
３１の定数を異ならせる。即ち折損信号の立上り
時間を十分検出することができるように微分回路
２９の微分定数及びレベル判定器３１の比較レベ
ルを設定し、又折損信号の平均周波数とその分散
に基づいてバンドパスフイルタの中心周波数やＱ
の値を設定する。こうすれば常に最新の過去Ｎ回
分の折損データに基づいて折損識別手段の検出条
件を変更することができるので、工作機械の使用
環境や経年変化に対応して切削条件が自動的に変
化し、折損検出の信頼性を増すことができる。

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AE信号処理部７のAE信号を記憶
する記憶手段をエンドレステープとしているが、
Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号を例えばシフトレジ
スタ等の周期的な他の記憶手段を用いて記憶させ
ることができることは言うまでもない。

更に本実施例は数値制御装置を用いたボール盤
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主要
部のAE信号処理部の構成を示すブロツク図、第
２図は本実施例の工具折損検出の全体構成を示す
ブロツク図、第３図は本実施例の監視動作を示す
フローチヤート、第４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５
図ａは工具折損時に得られるAE信号波形、第５
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、第６図はエンドレステープの記憶状態
を示す概念図、第７図はＮ回分の折損データと工
具毎の最適感度を記憶する記憶手段を示すメモリ
マツプである。 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……エンドレス
テープ、２５，２６……検波器、２８……Ａ／Ｄ
変換器、２９……微分回路、３０……比較器、３
１……レベル判定器、３２……折損検出回路、３
３……異常切削検出回路。

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、 前記AEセンサから得られるAE信号を記憶する
   第１の記憶手段と、 前記AEセンサからの出力信号に基づいて所定
   の検出条件により工具の折損を識別する折損識別
   手段と、 前記折損識別手段により工具の折損が識別され
   たときに前記第１の記憶手段の折損信号を読出す
   ことにより最新の複数回の折損データを記憶する
   第２の記憶手段と、 前記第２の記憶手段の折損データに基づいてそ
   の平均折損信号が得られたときに折損を検出すべ
   く前記折損識別手段の検出条件を所定範囲で変更
   する制御手段と、を具備することを特徴とする工
   具折損検出装置。 ２ 前記折損信号識別手段は、工具の折損時に得
   られるAE信号の周波数成分と強い相関を持つ周
   波数成分のAE信号が前記最適増幅率に設定され
   た可変増幅率増幅器より与えられたときに出力を
   出す周波数識別手段と、前記AEセンサより急激
   に立上る信号が与えられたときに出力を出す立上
   り信号検出手段と、前記周波数識別手段及び立上
   り信号検出手段の論理積出力に基づいて工具折損
   検出出力を出す論理出力手段と、を具備すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の工具折
   損検出装置。 ３ 前記周波数識別手段は、工具折損検出時に得
   られる周波数と通常の切削時に得られる周波数の
   最大値を夫々中心周波数とする第１、第２のバン
   ドパスフイルタと、該バンドパスフイルタの夫々
   の出力レベルを比較する比較器を有し、該比較器
   により工具の折損信号を得るものであり、 前記制御手段は、複数の折損データに基づいて
   前記第１のバンドパスフイルタの中心周波数及び
   Ｑ値を所定範囲で変更するものであること特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の工具折損検出装
   置。 ４ 前記立上り信号検出手段は、AE信号を微分
   する微分回路と微分出力を所定のレベルで弁別す
   るレベル判定手段を有し、 前記制御手段は、前記微分回路の微分定数及び
   前記レベル判定手段の弁別レベルを所定範囲で変
   更するものであることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の工具折損検出装置。