JPH055625B2 - - 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し、特に大き
い加工対象を所定の工具により加工する工作機械
において用いられ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、擬似折損信
号発生器を用いて折損時にAE信号を発生させ、
それを加工対象の複数の位置に設置して夫々の位
置でのAEセンサの最適感度を調整しておく。そ
して加工対象を工作する際の工具の位置に応じて
その最適感度データからの補間により最適の感度
を算出してAEセンサに設定することによつて工
具の折損を検出するようにしたものである。その
ため大きい加工対象に対しても工具の位置に応じ
て適切な感度によりAE信号を受けることができ
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。

しかしながら従来の工具折損検出装置によれ
ば、AEセンサは工具の近傍やワークに接触する
ように取付けられるが、ワークが大きい場合には
工具の位置によつてAEセンサから得られる信号
レベルが相当に異なる。そのため標準位置でAE
センサの感度を最適に調整しても工具が移動して
切削、加工を行う場合には、ワーク内で工具の位
置に基づいて折損信号は減衰量が異なることとな
る。それ故大きなワークに対しては工具の位置毎
に最適感度を変えなければ得られるAE信号レベ
ルが異なるため、工具の折損を確実に検出するこ
とができなくな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、用いられ
ている工具に対応し更に加工対象の加工位置に基
づいてAEセンサの感度を自動的に最適値に設定
することによつて、確実に工具の折損を検出する
ことができる信頼性の高い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、
擬似折損信号発生手段を加工対象の異なる位置に
設置したときに、夫々の位置に対して可変増幅率
増幅器の最適感度を調整する感度調整手段と、感
度調整手段により調整された各工具の複数の位置
の最適感度を記憶する記憶手段と、用いられる工
具の位置に応じて既知の複数の最適感度の補間に
より算出された最適感度を可変増幅率増幅器に設
定する制御手段と、可変増幅率増幅器より得られ
るAE信号に基づいて工具の折損を識別する信号
処理部と、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の工具折損検出
装置は、擬似折損信号発生器をワークの異なる位
置に設置し夫々の位置に対応したAEセンサの最
適感度を記憶手段に記憶する。そしてその複数の
位置の夫々について最適感度のデータに基づいて
用いられる工具の位置によってAEセンサに必要
な最適感度を補間法により算出してAEセンサに
設定している。このため大きいワークを加工する
場合にも、工具の位置にかかわらず常にAEセン
サの感度を最適値に調整することが可能となる。
従つて工具からAEセンサまでのAE信号の減衰等
の影響を受けることがないので、工具の折損検出
の信頼性を大幅に向上させることが可能となる。

〔実施例の説明〕

（実施例の全体構成） 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２上に固定されており、ワ
ーク１の上部よりドリル３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３は数値制
御装置４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３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５が取付けられる。駆動回路６は
この擬似折損信号発生器５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２上にAE信号を検出するAEセンサ７を設
ける。AEセンサ７はドリル３等の工具からのAE
信号や擬似折損信号発生器５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８に与えられる。AE信号処理部８
はAEセンサ７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９を通じて中央演算
装置（以下CPUという）１０に与えるものであ
る。CPU１０にはシステム制御プログラムや数
値制御装置４との通信制御プログラムを記憶する
リードオンメモリ（以下ROMという）１１と、
この数値制御装置４によつて用いられる工具の標
準距離に対応するAEセンサの感度情報や補間デ
ータ領域、及びデータバツフア等を含むランダア
クセスメモリ（以下RAMという）１２からなる
記憶手段が接続され、擬似折損信号発生器５と
AEセンサ７の距離を測定するためのタイマ１３
が接続されている。CPU１０には更に入出力イ
ンターフエース１４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１
５、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１６が接続される。更に
信号伝送ライン１７を介して数値制御装置４が接
続されている。CPU１０はこれらの入力に基づ
いて所定の擬似折損信号発生器５の駆動レベルを
駆動回路６に与え、AE信号処理部８より得られ
るAE信号レベルに基づいて各位置での最適感度
を調整し、それをRAM１２に順次保持すると共
に、以後使用される工具の位置に応じた最適感度
に設定するように制御するものである。

（AE信号処理部の構成） 次に第２図はAE信号処理部８の詳細な構成を
示すブロツク図である。本図においてAE信号７
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CPU１０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９を介してCPU１０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２４，２５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、検出器２４，２
５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２
６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９を介して
CPU１０に伝える。又異常切削検出回路３０は
レベル判定器２８の出力に基づいて入出力インタ
ーフエース９を介してCPU１０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。動作を開
始するとまずステツプ40において入力キー１６よ
り使用者によつて入力されたそのとき用いられて
いる工具の大きさに対応するデータ（マガジン番
号）を読み込む。そしてステツプ41に進んでその
大きさに対応した擬似折損信号発生器５の駆動レ
ベルを駆動回路６に与える。次いでステツプ42に
おいて駆動回路６を駆動し同時にタイマ１３の動
作を開始させる。そうすれば駆動回路６は擬似折
損信号発生器５を駆動するため、擬似折損信号発
生器５よりAE信号がワーク１及びベース２を介
してAEセンサ７に伝えられる。ここで擬似折損
信号発生器５の取付位置は最初は例えば第１図に
実線で示すようにワーク１上のAEセンサ７に最
も近い位置としておく。そして入出力インターフ
エース９を介して擬似折損信号が与えられれば
CPU１０はタイマ１３の動作を停止し、AE信号
の伝播時間tdを測定する。今ワーク１を伝播する
超音波の音速をVuとする擬似折損信号発生器５
とAEセンサ７間の距離Ｘは次式で表される。

Ｘ＝Vu×td ……(1) 従つてCPU１０はステツプ43において最短距
離にある擬似折損信号発生器５の取付位置を読込
み、ステツプ44に進んでAEセンサ７の感度を調
整する。このときAE信号処理部８より入出力イ
ンターフエース９を介して得られる可変増幅率増
幅器２１の出力レベルが適正であるかどうかをチ
エツクし（ステツプ45）、このレベルが適正でな
ければステツプ46に進んで必要な増幅率の増減を
算出しステツプ44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44から46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RAM１２のデータ一時記憶バツフア領域に
マガジン番号及び擬似折損信号発生器５の位置デ
ータと共に記憶する（ステツプ47）。次いでステ
ツプ48に進んで規定された取付位置の全てが終了
したかどうかをチエツクする。擬似折損信号発生
器５は第１図に破線で示すように複数、例えば少
なくとも最短位置と最遠位置及びその中間の３つ
の取付位置についてのAEセンサ感度を調整する
ように定められているものとすると、取付位置の
全てについて感度設定が行われていなければステ
ツプ49に進んで使用者による擬似折損信号発生器
５の取付位置の変更を待受ける。取付位置が変更
されるとステツプ42に戻つて駆動回路６を駆動す
ると共にタイマ１３の動作を開始し、以後同様の
処理を繰り返し新な取付位置での最適感度を求め
る。こうして規定されている全ての取付位置での
感度調整を行つてステツプ50に進む。そしてこれ
らの操作が用いられる全ての工具について終了し
たかどうかをチエツクし、これが終了していなけ
ればステツプ40に戻つて異なる工具について同様
の処理を繰り返す。こうして全ての工具について
最適感度を調整した後ステツプ51に進んで各位置
に対するAEセンサの感度減衰特性関数を算出す
る。即ちある工具の距離に対する減衰特性関数を
第５図に概念図を示すように ｆ（ｘ）＝Co＋C1X^-1＋C2X^-2＋CnX^-n ……(2) と仮定する。そしてAEセンサ７と擬似折損信号
発生器５との距離が夫々X1，X2……Xnのとき
に最適感度が夫々a1，a2……anであつたとする
と、 ｆ（X1）＝a1 ｆ（X2）＝a2 〓 ｆ（Xn）＝an である。従つてこの連立方程式を解いて係数Co，
C1……Cnを求める。ここで減衰特性係数C1〜Cn
は各工具について共通の値であり、係数Coのみ
が各工具について固有の値である。従つて用いら
れる工具について夫々Coを求める。このときCo
は標準位置のAEセンサ感度となつている。こう
して得られた各工具毎の固有の係数Co1，Co2…
…と各工具に共通の係数C1〜Cnの値を第４図に
示すようにRAM１２の所定領域に記憶した後感
度設定処理を終了する。

（監視動作） 次にこうして設定した各工具に対応する減衰特
性と標準位置におけ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６図はこの監視動作を示すフローチヤート
であつて、監視動作を開始するとまずステツプ60
において数値制御装置４より使用工具の情報を受
取る。更にステツプ61に進んで数値制御装置４よ
りその工具の位置情報を受取る。これに基づいて
CPU１０は工具とAEセンサ７との距離Ｘを算出
し、第(2)式に基づいてAEセンサの感度を算出す
る。そうすれば第５図に概念図を示すように実際
に感度調整した複数位置（ｎ＋１）の距離に対す
るAEセンサ感度に基づいて想定される減衰特性
曲線によつて、所定の位置Ｘでの推定最適感度が
補間法により求まる。従つてCPU１０はこの推
定最適感度を入出力インターフエース９を介して
AE信号処理部８に与え、可変増幅率増幅器２１
の増幅率を設定する（ステツプ62）。そうすれば
ワーク１の切削に応じてAEセンサ７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７より与えられるAE信号のパ
ワースペクトルの分布は第７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７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
の折損時には周波数300KHz付近のパワーが周波
数50KHz付近のパワーより大きいからである。比
較器２７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７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
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８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８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
２図に示すように検波器２４の出力を微分回路２
６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
及び異常切屑検出回路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よりCPU１０に異常切
削を伝える。第６図に示すフローチャートにおい
てCPU１０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63）、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64に進んで表示器
１５より切削レベルを表示する。そしてステツプ
65において工具の位置が変更されたかどうかをチ
エツクし、位置が変更されていなければステツプ
63に戻つて同様の処理を繰り返す。こうしてステ
ツプ63〜65の処理を繰り返して切削の異常を監視
している。工具の位置が変更された場合にはステ
ツプ65から61に戻つて数値制御装置４より再び工
具の位置情報を受取り、ステツプ62においてその
位置に対応したAEセンサの最適感度を第５図に
示す補間曲線に従つて算出し、可変増幅率増幅器
２１に設定する。そして異常切削を同様にして検
出し切削レベルを表示する。

さて異常切削検出回路３０より異常切削信号が
伝えられればスッテプ66に進んで折損検出回路２
９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９より
CPU１０に折損出力を伝える。従つてステツプ
66において折損信号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67において表示器
１５より異常切削を表示してステツプ65に戻る。
又ステツプ66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68に進
んで表示器１５より工具の折損を表示すると共に
数値制御装置４にそのデータを伝えて動作を停止
する。そしてステツプ69に進んでAE信号処理部
８のアナログスイツチ２０をオフとして処理を終
了する。

このように工具の位置情報に基づいてAEセン
サの感度を常に最適に調整し、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よ
うにしている。そ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１５によつて表示
させないようにして折損時の信号レベルが認識で
きるようにすためである。

尚本実施例はAE信号処理部８のアナログ信号
処理によつて工具の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。

又本実施例は数値制御装置に制御されるボール
盤に適用した折損検出装置について説明したが、
工具の位置情報を工具の移動毎に使用者が入力す
るようにすれば数値制御がなされていない通常の
工作機械に適用することが可能である。又本発明
は他の工作機械、例えば旋盤やフライス盤等の
種々の工作機械や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作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工具位置に対するAEセ
ンサの最適感度と減衰特性曲線のデータを得るた
めの処理を示すフローチヤート、第４図はそのと
き得られる最適感度の減衰特性関数の係数等を記
憶している状態を示すメモリマツプ、第５図は
AEセンサの感度と距離との関係を示す概念図、
第６図は工具の位置に対して最適な感度を設定し
つつ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７図はAEセンサ７より得られるAE
信号のパワースペクトルを示す図、第８図ａは工
具折損時に得られるAE信号波形、第８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……ベース、３……ドリル、
４……数値制御装置、５……擬似折損信号発生
器、６……駆動回路、７……AEセンサ、８……
AE信号処理部、９，１４……入出力インターフ
エース、１０……CPU、１１……ROM、１２…
…RAM、１３……タイマ、１５……表示器、１
６……入力キー、２０……アナログスイツチ、２
１……可変増幅率増幅器、２２，２３……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、３０……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、 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、 前記擬似折損信号発生手段を加工対象の異なる
   位置に設置したときに、夫々の位置に対して前記
   可変増幅率増幅器の最適感度を調整する感度調整
   手段と、 前記感度調整手段により調整された各工具の複
   数の位置の最適感度を記憶する記憶手段と、 用いられる工具の位置に応じて既知の複数の最
   適感度の補間により算出された最適感度を前記可
   変増幅率増幅器に設定する制御手段と、 前記可変増幅率増幅器より得られるAE信号に
   基づいて工具の折損を識別する信号処理部と、を
   具備することを特徴とする工具折損検出装置。 ２ 前記信号処理部は、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
   増幅率増幅器に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。