JPH059221B2 - - 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AEセンサより得られる折損信号レベ
ルが工作時に用いられる工具の大きさ毎にほぼ一
定であるが使用工具は工作時には既知であること
に鑑みてなされたもので、夫々の工具に対応して
所定の上限値を設定し、その上限値以上のAE信
号については工具の折損と判別しないようにした
ものである。

〔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。

しかしながら工作機械には工具の折損信号の他
に種々の信号が発生しAEセンサより信号処理部
に与えられる。このような信号の中には工具の折
損時の信号と似た周波数特性等を持つ場合があ
り、誤検出を生じることがあるという問題があつ
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
る工具の大きさに対応した上限値以上のAE信号
が与えられても折損を検出しないようにして、工
具の折損検出の信頼性を向上することができる工
具折損検出装置と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センサの出力信号に基づいて工具の折
損を識別する信号処理部と、工作時に使用する工
具の折損時に得られるAE信号レベル以上の所定
の上限値を記憶する記憶手段と、AEセンサより
得られるAE信号と記憶手段に記憶された上限値
とを比較し、上限値以下のAE信号が与えられた
ときに出力を出す比較手段と、信号処理部より工
具の折損信号が与えられたときに比較手段の比較
出力があれば工具の折損信号を出力する制御手段
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、AE
センサから得られた信号の振幅が所定の上限値を
越える場合には信号処理部より折損識別信号が与
えられても工具の折損を検出することがない。従
つて信号の他の性質が検出条件に合致しても大幅
にレベルの異なるAE信号を折損信号として誤検
出することがないので、工具折損の信頼性を大幅
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に開口する。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等からなる疑似折損信号発生器４が取
付けられる。駆動回路５はこの疑似折損信号発生
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信号や疑似折損信号発
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折損信号の上限値
情報を含むランダムアクセスメモリ（以下RAM
という）１１からなる記憶手段が接続されてい
る。CPU９には更に入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用いられる工
具の折損信号の上限値を設定すると共に、信号処
理部からの折損検出出力が与えられたとき折損レ
ベルと比較して折損出力を出すように制御するも
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２３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
た出力を与えるものであつて、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２
８に伝える。レベル判定器２８は所定の基準のレ
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CPU
９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
発明による工具毎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１４
より使用者によつて入力されたそのときに用いら
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は擬似折損信号発生器４を駆動するため擬似折
損信号発生器４よりAE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
AEセンサ６より得られる疑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42にお
いてAEセンサ６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43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
44において必要な増幅率の増減を算出し、ステツ
プ42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42から44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RAM１１の所定の領域にマ
ガジン番号と共に記憶する（ステツプ45）。次い
でステツプ46に進んで駆動回路５に１段大きな工
具の信号レベルを設定する。例えばステツプ40で
設定した空具（ドリル）の大きさが１mmφである
場合にはそれにより１段大きな工具、例えば２mm
φの工具の駆動レベルにより駆動回路５を駆動す
る。そうすれば２mmφの工具の折損信号が疑似折
損信号発生器４より発生しAEセンサ６を介して
AE信号処理部７に伝えられる。第４図(a)は工具
１mmφの最適感度に設定された可変増幅率増幅器
２１によつて増幅される疑似折損信号を示すもの
である。そのとき得られる振幅のピーク値Vp1を
第５図に示すようにRAM１１に記憶し（ステツ
プ47）、この振幅を工具１mmφの折損信号の上限
値とする。そしてステツプ48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40に戻つて他の
工具によつて同様の処理を繰り返す。こうして数
値制御装置３によつて用いられる工具の全てにつ
いての感度値を調整し、更に夫々の工具より１段
大きい工具の駆動レベルで疑似折損信号発生器４
を駆動してその振幅のピーク値Vp1，Vp2，Vp3
……を第５図に示すように記憶し、工具の全ての
マガジン番号とそのときの最適な増幅率を順次記
憶して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最適感
度と上限値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50において使用工具（例
えば１mmφ）の入力に基づき工具に対応した増幅
率の最適値をRAM１１より読出し、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。そしてステツプ51に進んで使用工具のデータ
よりRAM１１に既に記憶してある１段大きい工
具についての疑似折損信号の振幅値Vp1を振幅上
限値の領域に記憶する。一方ワーク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に与えられ、最適の増幅率によつて増幅され
た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。又多くの実験に
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
するものではなく、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信号のみを取り出
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300K
Hz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。そこで本
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４図ｂ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４図(c)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
AE信号処理部７では検波器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２
８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６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52）、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53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54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54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55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54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56に進んでそのときの可変増幅率増幅器２１か
ら得られたAE信号の振幅のピーク値がRAM１
１に記憶してある折損の上限以下であるかどうか
をチエツクする。この振幅が上限以上であれば異
常な振幅が加えられたと判断できるので、ステツ
プ57に進んで表示器１３より以上振動の発生を表
示しステツプ52に戻る。又振幅が第４図ｂに示す
ように上限値Vp1以下であれば工具が折損したも
のと判断できるので、ステツプ58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59において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と共にAEセンサ
より得られるAE信号の振幅をあらかじめ定めた
上限値と比較し、その上限値以下である場合にの
み折損を検出検出するようにしている。従って用
いられる工具について予期される折損信号より大
幅にレベルの大きい信号を誤って工具の折損と検
出する恐れがなく、折損検出の信頼性を向上する
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
以降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以上接触や
摩擦により発生する大きなAE信号を表示器１３
によつて表示させないようにして折損の信号レベ
ルが認識できるようにするためである。

尚本実施例はCPUを用いて折損時のAE信号の
振幅と上限値とを比較しているが、振幅のピーク
値をホールドしコンパレータによつてし増幅値と
上限値とを比較することも可能である。

又本実施例は疑似折損信号発生器を用いて使用
する工具の１段上の工具の疑似折損信号を上限値
としているが、通常の切削レベルより所定値以上
のレベルを上限値として記憶手段に記憶し、その
上限値に基づいてAEセンサからの振幅を比較す
るようにしてもよい。

又本実施例は信号処理部として周波数領域の折
損検出と時間領域の折損検出との論理積により折
損を検出するようにしているが、これらのいずれ
か一方によつて折損を検出するようにしてもよ
く、又他の折損検出方式を用いたり組み合わせる
ことも可能である。

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、本実施例は他の工作機械、例えば旋盤やフラ
イス盤等の種々の工作機械、更に大規模なマニシ
ングセンサ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と上限値の自動設定
処理を示すフローチヤート、第４図ａは工具１mm
φの最適感度で２mmφの折損レベルとなるよう擬
似折損信号発生器を駆動したときの擬似折損信号
波形、第４図ｂは工具１mmφの折損時に得られる
AE信号波形、第４図ｃは切り屑が生じる場合に
得られるAE信号波形を示す図、第５図は各工具
の最適感度と上限値を記憶している状態を示すメ
モリマツプ、第６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７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であ
る。 １……ワーク、２……ドリル、３……数値制御
装置、４……疑似折損信号発生器、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……微粉回路、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、 前記AEセンサの出力信号に基づいて工具の折
   損を識別する信号処理部と、 工作時に使用する工具の折損時に得られるAE
   信号レベル以上の所定の上限値を記憶する記憶手
   段と、 前記AEセンサより得られるAE信号と前記記憶
   手段に記憶された上限値とを比較し、上限値以下
   のAE信号が与えられたときに出力を出す比較手
   段と、 前記信号処理部より工具の折損信号が与えられ
   たときに前記比較手段の比較出力があれば工具の
   折損信号を出力する制御手段と、を具備すること
   を特徴とする工具折損検出装置。 ２ 前記記憶手段に記憶される上限値は、工作時
   に用いられる工具の折損時のAE信号以上の折損
   信号を生じる工具の折損信号のピーク値であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の工
   具折損検出装置。 ３ 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、該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を識別する
   論理出力手段と、を有するものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の工具折損検
   出装置。