JPH0651261B2 - 工作機械監視装置、及び工具の破損事象を検出する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、重大な工具の破損を検出すると共に、その他
の振動雑音で虚偽の警報を防止する工具破損検出器及び
切削工具の振動を監視する方法に関する。

普通の加工作業では、工具の破損事象は希なことではな
く、脆いセラミック工具を用いて航空機用機関の特殊な
材料を大量に切削するような状態の下では、極く頻繁に
起こることが有り得る。特にセラミック工具を用いると
き、このような工具の破損事象の時期を確実に予測する
ことはできない。このような状況が、金属切削手順の生
産性を高めることに対するいくつかの重要な方式の主要
な妨げになっている。著しい加工に脆いセラミック工具
を用いるとき、又は強靭な炭化物工具をその能力の限界
近くで用いるときでも、１人の人間に２台の機械を割り
当てる方式は、現在では実際的でないと考えられてお
り、このため、１人当たり２台の機械の利点の幾分かが
失われ、個々の機械の生産性が必然的に低下する。工作
物が傷つけられるのを防止するための信頼性のある工具
破損検出方式がなければ、自動化した閉ループ加工は安
全に適用することができない。

工具の破損を検出する問題は長年の間研究されており、
このための装置が市場に出ている。これらの装置のうち
のある装置は、送り又は主軸の動力を監視し、ある装置
は送りの力を監視する。一般的に、これらの装置は、コ
スト、応答の遅さ、機械によっては取り付け装置に問題
がある点、及び虚偽の警報の問題がある点で、完全に満
足し得るものではない。それでも、このような機能に対
する要求が大きいために、多数の設備に設けられてお
り、将来の閉ループ加工の用途にも、それらを用いるこ
とが計画されている。本発明の工具破損検出器は、その
いくつかの性質を述べれば、動力及び力を監視するシス
テムよりも、応答が一層速いと共に感度が一層大きく、
工具の破損によって発生される放出の検出のみに頼る現
存の音響放出検出システムよりも、虚偽の警報を出すこ
とが少ない。この検出器は、切削状態に大した影響がな
い工具の破損事象では警報を回避するために、これら音
響放出検出システムよりもより大きな能力を有してお
り、実際の工具の破損による放出信号の大きな切削雑音
によって隠されるときに、重大な工具の破損事象を検出
する感度が一層大きい。

発明の概要 本発明の目的は、コスト、応答時間、感度、取り付けの
容易さ及び信頼性の点で従来の装置を改善する切削工具
破損検出システムを提供することである。

他の目的は、小さな工具の破損と、工作物の重大な損傷
を引き起こすのに十分な程度の主要な破損とを弁別する
ことのできるシステム及び方法を提供することである。

他の目的は、破損事象自体によって発生される音響的な
放出エネルギと、破損事象の後に変化した切削状態によ
って起こす背景の切削雑音における変化との両方から工
具の破損を検出する手掛かりを引き出すことである。こ
うすることにより、大きな切削雑音によってときには音
響放出エネルギが隠れるような、且つ小さな工具の破損
事象及び擬似雑音源に伴う虚偽の警報によって加工過程
を停止することを回避することが重要であるような、生
産性の高い加工の需要に工具破損徴候検出判断基準に合
わせることができる。

他の目的は、工具破損検出システムを新しい工作物に対
して作用するように設定することができるようにするた
めに、その前に大掛かりな教育サイクル及び測定を必要
としないで済ますことである。絶対的な馬力又は力の限
界に基づくシステムでは、部品の加工で行われるすべて
の切込みにわたって感知されたパラメータ・レベルの通
常の偏差を決定するために、試験用切込みを用いなけれ
ばならない。それらのシステムの用途は一般的に、多数
の相異なる部品を加工しなければならない場合とは対照
的に、多数の同一の部品を加工する場合に限られてい
る。本発明は、絶対的な限界に妨げられることなく、振
動信号の過渡状態及び振動信号のレベル変化の検出及び
判断に主に依存しており、このため、行われるべき特定
の切込みに関する事前の情報を用いずに、良好な工具破
損検出性能が得られる。

本発明の他の目的は、工具破損検出システムの取り付け
及び操作の問題を最小限に抑えることである。センサは
小型で頑丈であり、普通は、工具と工作物との界面から
妥当な距離だけ離して取り付けている１つのセンサで十
分である。音響周波数帯は、約３０ｋＨｚよりも低い機
械の雑音を弁別するように選択されていると共に、伝搬
通路で強く減衰を受ける、１００ｋＨｚよりも高い周波
数を用いることを回避するように選択されている。

更に他の目的は、音響式工具接触検出器と容易に一体化
して切削工具破損及び切削工具接触検出システムにする
ことのできる改良された工具破損検出器を提供すること
である。これによって、両方の機能を持たせるために必
要な特別な監視装置の規模を最小限に抑えられる。

加工過程の間に工具と工作物との界面における振動を感
知するために、典型的には３０ｋＨｚ及びそれ以上の共
振周波数を中心とする周波数に対する感度が最も大きい
加速度計のような広帯域振動センサが工作機械の上に配
置されている。アナログ予備処理装置が、機械の低周波
雑音を減衰させる高域フィルタと、信号を整流すると共
に低域ろ波する全波エネルギ検出器とを有している。低
域フィルタの５００Ｈｚ又はそれ以下のカットオフ周波
数は、この後のサンプリング（標本化）動作による偽信
号（エイリアシング）を除去する。アナログ予備処理装
置の単一極性出力信号をサンプリングし、サンプルをデ
ィジタル形式に変換し、その後、ディジタル回路によっ
て解析する。このディジタル回路はプログラム可能な汎
用計算機とすることができる。工具破損検出論理回路
が、工作物を損傷する惧れのある主要な工具の破損事象
で警報を発すると共に、無視してもよいような小さな工
具の破損事象や、過渡的なスパイク及び他の源からの擬
似雑音による虚偽の警報を防止する。

ディジタル回路は、選択された数の信号サンプルの移動
平均信号レベルを計算する手段を有している。過渡状態
検出器があらゆる新しいサンプルをそれまでのＮ個のサ
ンプルの移動平均信号値と比較して、その原因が主要な
工具の破損事象にあるかもしれないような信号レベルの
過渡状態又は急激な増加を検出する。平均変化検出器が
このような過渡状態の前後の平均信号レベルを比較し
て、平均レベルの変化、従って、背景の切削雑音の実質
的な変化を検出する。平均変化持続検出器が、平均レベ
ルの変化が所与の期間の間持続することを検査する。主
要な又は重要な工具破損事象がこのような試験を満たす
ことが確認された後にのみ、工具破損警報が発生され
る。この方法を実施する際、背景雑音レベルの変化を伴
わない過渡状態が検出されると、それは除去されて、過
渡状態検出段階に戻り、そして持続状態の検査に適合し
ないと、それは除去されて、過渡状態の検出に戻る。す
べての判断基準を満たしたときにのみ、工具破損警報が
発生される。

発明の詳しい記載 金属を切削する旋盤の切削挿着体は、種々の異なる加工
状態で破損し、これらの工具破損事象は種々の相異なる
振動信号の徴候を発生する。工具の破損を表す振動の徴
候の性質及び擬似雑音特性に影響する若干の加工状態と
は、挿着体材料の形式及び精密な組成、挿着体の形状及
びその他の幾何学的な因子、工具ホルダに対する挿着体
の取り付け方法、並びにその他である。本発明の工作機
械監視装置は、振動信号を解析して、重大な工具の破損
事象によって生じた信号の徴候を、擬似的な雑音源又は
重要でない工具の破損事象のいずれかによって生じた信
号の徴候から分離する。

一般的に言うと、工具の破損事象が発生する振動の徴候
は２つの部分を有している。即ち、挿着体材料の突然の
ひび割れが原因で生じた１つ又は更に多くの短なスパイ
クの形状をした音響の放出と、破損した挿着体の切削に
より、破損していない挿着体とは異なる形で生じる切削
状態の変化による切削雑音の変化とである。

１番目の、挿着体のひび割れが原因で生じた音響の放出
について言うと、挿着体の状態の変化は刃先の状態を変
えることも変えないこともある。

イ）ひび割れが内部のひび割れの成長に制限されてお
り、挿着体の外面の何の影響もない場合、 ロ）ひび割れが挿着体の外面を通り抜けているが、挿着
体取り付け装置の圧縮力及び切削過程により、挿着体の
ひび割れした別々の部分が落下しない場合、並びに ハ）ひび割れによって挿着体の一片が落下したが、この
一片は刃先に関係がなく、工作物に挟まらない場合、 切削状態は変らないことがある。

２番目の、切削状態の変化による切削雑音信号の変化に
ついて言うと、これらの切削状態の変化は、 イ）挿着体の一部が脱落したことによる切込みの減少、 ロ）挿着体の破損した一片が工作物に挟まることによる
切込みの増加、及び ハ）破損した挿着体のぎざぎざの縁による工作物の表面
の粗さの増加 であることがある。

重大な又は主要な工具の破損の定義は、オペレータの目
的とするところ、及びオペレータが作成しようとする部
品の性質によって変わるが、切削が粗加工、中間加工又
は仕上げ加工であるか、利用し得る人間の監視の程度、
加工される部品の価値等の因子を含んでいる。しかしな
がら、部品若しくは工具ホルダに直ちに損傷の惧れがあ
るか、又は切削のやり直しをしなければならないような
破損のみが重大と考えるのが普通である。工具破損検出
器は、切削過程の不要な中断及びそれに伴う生産性の低
下を回避するために、この他の工具の破損を無視すべき
である。

工具の破損を検出するための振動センサの取り付け位置
は、監視しようとする各々の工作機械ごとに個別に形呈
される。その際に考慮することは、工具接触検出器の場
合と同じであり、係属中の米国特許出願番号第６４５２
０３号（１９８４年８月２９日）に詳しく記載されてい
る。工作機械に対するセンサの取り付け位置を選択し且
つ評価する際に、その兼合いをとらなければならない、
ときには相反する多数の目的がある。その中のいくつか
を挙げると、第１に、工具の破損事象を表す信号情報を
含んでいる振動信号の帯域の音響的な結合である。これ
らの信号は切削工具挿着体と工作物との界面か又はその
近くで発生される。それらの信号を検出する前に、それ
らをセンサの位置まで伝搬させなければならない。伝搬
通路の減衰及び歪みは通路の距離及び形状、特に源とセ
ンサとの間の機械的な界面の数の関数である。第２に擬
似信号源の位置である。ある擬似信号源は所望の信号源
の近くにあって、同じ通路又は同様な通路を介してセン
サに達する。しかしながら、任意の所定の機械では、流
体圧弁、軸受及び補助装置のような源は、特定のセンサ
の取り付け位置に対する伝搬通路が一層有利であるか、
又は不利であるようなその他の位置を有することがあ
る。センサは、信号源に対する音響的な結合が比較的よ
く、且つ主要な干渉源に対する音響的な結合が比較的悪
い位置に取り付けられていることが望ましい。第３に、
センサ及びそのケーブルの物理的な保護である。音響的
な結合の観点から見た最もよいセンサの位置は、工具挿
着体の刃先の近くの工具ホルダ上であるのが普通であ
る。しかしながら、このような取り付け位置では、力、
温度及び切削用流体による汚染の点で、センサ、そのケ
ーブル及びケーブル・コネクタが極めて悪い物理的な環
境に露出される。第４に、センサ及びセンサ信号処理チ
ャンネルの数を最小限に抑えることである。いくつかの
ホルダ取り付け位置を有している機械では、センサを工
具ホルダに取り付けることに決定すれば、それは各々の
工具ホルダ取り付け位置に対してセンサと信号処理チャ
ンネルとを設けることを意味する。これは非常に望まし
くない。第５に、利用し得る物理的な空間であるが、こ
れは機械によって大幅に変化する。本発明のセンサ及び
一体化した電子回路パッケージは物理的に非常に小さ
く、このため、取り付け位置の選択の余地が大きくな
る。

第１図及び第２図は横形及び縦形タレット旋盤の略図で
ある。この監視装置は、フライス盤、マシーニング・セ
ンサ及びドリルのような他の形式の工作機械にも用いる
ことができる。図示の横形タレット旋盤の部分は、機械
枠１０と、主軸１１と、チャック１２と、工作物１４を
保持する治具１３と、ＮＣ（数値制御）制御部１５とを
有している。回転自在の工具タレット１６が、工具ホル
ダ及び挿着体１８を支持するいくつかの工具柱１７を有
している。タレット１６はタレット台１９に支持されて
おり、タレット台１９は、２つの横スライド２０に沿っ
て移動する。広帯域加速度計のような振動センサ２１が
タレット１６に取り付けられている。このため、１つの
取り付け位置にある１つのセンサが、切削作業のために
オペレータが選択した任意の工具ホルダ位置を監視する
ことができる。普通は、この取り付け位置によって満足
し得る信号対擬似雑音比が得られる。タレットは、回転
することができると共に多くの機械では一方向にのみ回
転するので、簡単なケーブルによってはセンサを不動の
信号処理電子回路に電気的に接続することができない。
回転形電気カップラ２２は変換器から出力される電気信
号を伝達する１つの方法である。随意選択により、振動
センサ２３が横スライドに取り付けられている。この場
合、回転形カップラは必要とせず、試験によると、ある
旋盤では良好な動作が達成された。センサをタレットか
ら離した所に取り付けることができるかどうかは、監視
すべき各々の機械において実験的に決定しなければなら
ないことである。

縦形タレット旋盤が第２図に示されており、適当な２つ
の振動センサ取り付け位置が示されている。機械枠２
４、チャック２５、工作物保持治具２６、工作物２７、
横スライド２８、垂直スライド２９、回転自在の工具タ
レット３０、工具柱３１、並びに工具ホルダ及び切削挿
着体３２が示されている（数値制御ユニットは示してい
ない）。タレットに取り付けられているセンサ３３によ
って発生された振動信号が、回転形電気カップラ３４を
介して工具破損検出回路に伝達される。他の取り付け位
置は工作機械の１つのスライドである。センサ３５は垂
直スライド２９と音響的に良好に接触している。

この工具破損検出器の方式は、３０ｋＨｚから１００ｋ
Ｈｚまでの範囲内の音響振動を検出し、工具の破損事象
の影響を背景雑音から識別するためにパターン認識方式
を用いている。これは、工具挿着体材料の破損によって
発生される音響の放出と、工具の破損事象によって起こ
る変化した切削状態を原因とする切削雑音の背景の変化
との両方を利用している。他の大抵の音響式工具破損検
出器は、１００ｋＨｚよりも高いところで動作し、工具
の破損事象自体からの音響の放出を検出することに集中
している。試験によると、この音響放出信号は、生産性
の高い大規模な加工では背景雑音のマスク効果があるた
めに、必ずしも検出することができないこと、及び一般
的には切削雑音の実質的な変化を伴わない音響放出が検
出されたときに、切削過程を停止しないことが望ましい
ことがわかった。本発明の方式は、切削雑音の背景が高
くなる惧れがあり、且つ加工過程を不必要に停止するこ
とが極めて望ましくないような、生産性の高い大掛かり
な加工にとって、一層適切であると考えられる。

工具破損検出システムの主な特徴が第３図に示されてい
る。センサは、非常に低い周波数から、３０ｋＨｚ近辺
及びそれ以上の共振周波数の直ぐ下まで平坦な応答を有
する広帯域加速度計３６である。この共振をたやすく減
衰させ、このためセンサはその共振状態から数キロヘル
ツ以内の周波数に対する感度が最も大きく、共振周波数
よりもずっと高い周波数に対しては、感度が急速に低下
する。このような１つの高周波振動センサがコネチカッ
ト州、ハムデンのビブラ・メトリックス・インコーポレ
イテッド社から販売されているＶＭ１０１８形加速度形
である。振動信号をフィルタ３７で高域ろ波する。この
フィルタのカットオフ周波数はセンサの共振周波数より
も若干低くて、低い周波数に集中する傾向のある振幅の
大きい機械の雑音を弁別すると共に減衰させる。共振形
加速度計と高域フィルタとの組み合わせが振動信号の高
域ろ波作用をし、これは加速度計の共振周波数の近辺の
約２０ｋＨｚの帯域内の周波数に対して有利に働く。

全波整数器及び低域フィルタの組み合わせが全波エネル
ギ検出器３８として作用し（ろ波作用が強過ぎて真の包
絡線検波ができない）、両極性センサ信号を単一極性の
「包絡線」信号に変換する。サンプリング周波数が１ｋ
Ｈｚのナイキスト周波数よりも十分高い限り、この後の
サンプリング動作による偽信号を除去するために、低域
フィルタのカットオフ周波数を５００Ｈｚ又はそれ以下
にするのが典型的である。このため、アナログ信号のサ
ンプルの合間に、信号の必要なディジタル解析を行うこ
とができるくらいに、サンプリング周期を長くすること
ができる。実際、低域フィルタのカットオフ周波数は１
００Ｈｚというように低くすることができる。主要な工
具の破損事象を表す振動の徴候であるか、又はその徴候
を含んでいる、アナログ予備処理装置の出力に出る一形
式のろ波した単一極性の信号が第３図に示されている。
工具の破損事象よりも前の背景切削雑音信号が参照番号
３９に示されている。それまでの背景雑音レベルよりも
十分高い短い正に向かう信号の過渡状態４０は、ひび割
れを生じた挿着体からの音響の放出であることもある
し、又は挿着体の破損した一片が工作物に一時的に挟ま
ったためであることがある。この後、参照番号４１に示
すように、背景切削雑音レベルの持続的な低下が続く。
これは通常、挿着体の一部が破損した後の切込みの実質
的な減少によるものである。

サンプリング器４２によって抽出された、アナログ信号
処理の出力に得られる信号サンプルが、次にアナログ・
ディジタル変換器４３によってディジタル形式に変換さ
れ、ディジタル回路４４によって更に処理されると共に
解析される。ディジタル回路４４はプログラム可能な汎
用計算機にすることができる。

第３図に示すように、ディジタル信号のサンプルの解析
は基本的に３段階に分かれる。第１に、新しい信号サン
プル（第３図の参照符号Ａ）がそれまでのＮ個のサンプ
ルに対する平均信号値と比較される。ここで、Ｎは移動
平均信号レベルを計算するために用いられる「移動窓
（ウィンドウ）」内にあるサンプルの数である。第４図
は処理したアナログ信号のディジタル化サンプルと、
「移動平均」窓とを示している。典型的には、Ｎは１６
である。過渡状態検出器４５によって行われる新しいサ
ンプルと移動平均信号レベルとの比較により、その原因
が主要な工具の破損事象であるかもしれないような、信
号レベルの突然の又は過渡的な増加が存在することがわ
かると、信号解析手順の段階２に入る。

段階１で、その原因が工具の破損事象である惧れのある
信号過渡状態が検出されたことは、工具破損警報を発生
するのに十分ではない。実験によると、工具の破損事象
がない正常のある加工状態の下では、加速度計の信号に
数多くの過渡的なスパイクが発生し、これらの過渡的な
スパイクの振幅−時間特性が、工具の破損事象によって
発生される過渡的なスパイクの振幅−時間特性と重大な
重なりを有することがわかった。更に、工作機械の生産
性を最大にするためには無視しなければならない場合の
多い、小さな又はとるに足りない工具の破損事象によっ
て発生された過渡的なスパイクを、工具物を傷つける惧
れのある主要な工具の破損事象によって発生される他の
過渡的なスパイクから分離することができないことを示
す証拠がある。工具の破損事象と他の過渡的な源との
間、及び主要な工具の破損事象と小さな工具の破損事象
との間の適切な弁別のためには、過渡状態自体だけでは
なく、過渡状態の前後の背景雑音レベルをも見るための
時間窓を用いることが必要である。これがディジタル信
号サンプル解析の段階２の機能であり、平均変化検出器
４６によって行われる。この検出器は、過渡的なスパイ
クの後の平均背景レベル（第３図の参照符号Ｂ）を、過
渡状態が検出される直前の対応するレベルと比較する。
例えば１６個のサンプルを用いて、移動平均信号レベル
を計算し、過渡的な信号サンプルの大きな振幅が平均に
入らないくらいに、前後の比較を十分に遅延させる。

ディジタル信号サンプル解析の段階３は、平均変化持続
検査検出器４７によって行われるが、これは更に２つの
問題を処理している。第１に、工具の破損事象がなくて
も、過渡的なスパイクに続いて起こる、背景雑音の平均
レベルの変化を伴うようなある特別な場合の機械の動作
がある。これらの動作（予め加工されている孔を切削す
ること、及び粗い面に最初の軽い切込みを入れること）
は、金属を切削し、その後空気を切削し、その後金属の
切削に戻ることを含んでいる。第２に、ある加工作業で
は、非常に接近した一群の過渡的な雑音スパイクが発生
され、そのためスパイクの間の背景の平均レベルを測定
することが困難であるか、又は平均窓内で発生するスパ
イクによって、計算による平均レベルが人為的に上昇し
ていないという保証ができず、このため背景の平均レベ
ルに虚偽の見掛けの増加を発生することがある。この両
方の問題が段階３（第３図の参照符号Ｃ）で取り上げら
れる。この段階３は、背景切削雑音の平均レベルに現れ
た変化が、利用者が選択した期間の間持続することを要
求する。この期間は、それまでの実験データで見られた
どんな密度の雑音スパイクによっても、背景レベルの見
掛けの変化が起こらないことを保証するくらいに長く定
めることができる。この期間は、見掛けの変化が空気の
切削によって起こったものでないことを保証するくらい
に長く設定することができる。しかしながら、普通、確
認期間は工作物の１回転の期間よりも短く設定して、工
具の破損事象に対する非常に速い応答が得られるように
することができる。

信号がこれら３つの段階全部の試験で合格であると、工
具破損警報４８が出る。平均変化試験を通らない場合、
システムはこの過渡状態を主要な工具の破損事象を表す
ものでないとして除去し、他の正に向かう信号過渡状態
を探索することに戻る。平均変化持続試験に通らないと
き、システムは過渡状態検出器に制御作用を戻す。両方
の判断基準を満足しなければ警報を発生することができ
ない。

この工具破損検出システムは、第５図及び第６図に示す
ような振動の徴候を検出するように設計されている。こ
のような試験は、解析する信号がアナログ信号チャンネ
ルのろ波された単一極性の出力である場合、主要な工具
の破損事象に関連していることが証明されている。第５
図に示す処理した振動信号は第３図に示すものと同じで
あり、短い正に向かう信号過渡状態がそれまでの平均信
号レベルよりも十分に高く、その後に平均信号レベルの
持続的な低下が続いている。正に向かう信号過渡状態
は、ひび割れをした挿着体から音響の放出であることも
あるし、又は挿着体の破損した一片が工作物に一時的に
挟まっているためであることもある。平均信号の持続的
な低下は、挿着体の一部が破損した後の切込みの実質的
な減少によるのが普通である。正に向う過渡状態が計算
機の論理回路の「破損の疑い」又は過渡状態の検出の判
断基準を満たしていると共に、平均信号レベルの持続的
な経過が「疑い確認」又は持続検査の判断基準を満たし
ている。良好な検出性能が得られる。

第６図に示す主要な工具破損事象の徴候は、平均信号レ
ベルの突然の持続的な増加を特徴とする。この増加は、
挿着体の破損した一片が挿着体の残りの部分と工作物と
の間に挟まったため、又は挿着体のぎざぎざの縁で切削
することによるためであることがある。ひび割れ事象の
音響放出パルスは異常の切削雑音の高レベルのためにぼ
ける。信号レベルの急激な上昇が過渡状態の検出及び
「破損の疑い」判断基準を満たしていると共に、持続的
な高信号レベルが持続検査及び「疑い確認」の判断基準
を満たしている。良好な検出性能が得られる。

この破損工具検出システムは、第７図及び第８図に示す
ような形式の徴候では警報を発しない。この１番目は、
短い正に向かう過渡状態の後に前の信号平均レベルに戻
る。この過渡状態は、挿着体のひび割れによる音響の放
出によって起こり得るが、前に述べた理由のうちの１つ
により、切削状態は影響を受けない。この過渡状態はチ
ップの力学的な雑音のような擬似雑音が原因であること
もある。「破損の疑い」の判断基準は満たしているが、
確認の判断基準は満たしていない。擬似雑音及び問題に
ならない工具の破損に対して、虚偽の警報に対する良好
な制御が得られる。

第８図の処理された振動信号は、正に向かう一層長い過
渡状態の後に、前の信号レベルに復帰する。この過渡状
態は小さなチップが挿着体から破損して離れ、一時的に
工作物に挟まることが原因で起こることがある。工作物
に重大な損傷が加えられる前に離れ、挿着体の刃先は影
響を受けない。過渡状態の検出及び「破損の疑い」の判
断基準は満たしているが、持続検査及び確認の判断基準
は満たしていない。小さな工具の破損事象に対する不要
な警報を出さない点で、良好な結果が得られる。

ＭＴＭ（工作機械監視装置）工具破損検出器は、部品を
加工するときに発生される音響波形のパターンを学習す
る大掛かりな教育サイクルを必要としない。行われる特
定の切込みに関する何等かの情報を用いずに、実用可能
なレベルの破損検出性能が得られる。教育サイクルや、
試験及び測定用部品切削サイクルを必要としない。これ
は主軸の馬力又は工具の力を監視することに基づいて作
用するある工具破損検出システムとは対照的である。こ
のようなシステムでは、馬力又は力の検出パラメータを
監視して記録している間に、部品を加工する過程の各々
の切込みを行うことが必要である。その後、各々の切込
みに対して、検出パラメータに対する時間的に変化する
限界を設定し、検出パラメータがこれらの限界の外側に
外れたときに、いずれも工具に破損が起こったと考え
る。一般的にこのため、各々の切込みを何ダースもの短
いブロックに分け、検出パラメータの限界を１つのブロ
ック内で一定にし、且つブロックごとに変えることが必
要になる。このようなシステムは、装置、並びに設定時
間のハードウェア及びソフトウェアの両方の条件の点
で、実施するのに費用がかかる。その効用は一般的に、
多数の異なる部品を加工する場合とは対照的に、多数の
同一の部品を加工する用途に制限される。本発明は、絶
対的な限界との交差ではなく、主に振動信号の過渡状態
及び振動信号のレベル変化の検出及び判断に依存してお
り、そのために行われる特定の切込みに対して事前に何
もわかっていなくても、良好な工具破損検出性能が得ら
れる。

この音響式工具破損検出システムは、単独の製品として
用いることができるし、又は工作機械数値制御装置の付
属として用いることができる。このシステムは、自動工
具交換システムに用いることもできる。この破損工具検
出器及び方法は、音響式工具接触検出器と組み合わせ
て、工具接触及び工具破損検出システムにすることが容
易にできる。

本発明の好ましい実施例を具体的に図示し且つ説明した
が、当業者であれば、本発明の要旨の範囲内で種々の変
更を加えることができることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】 第１図は横形タレット旋盤の部分的な側面図であって加
速度計の交代的な位置を示す図、第２図は縦形タレット
旋盤の簡略側面図であってセンサの他の位置を示す図、
第３図は工具破損検出システムのブロック図であって工
具破損警報が出るようなろ波した単一極性の振動信号を
示す図、第４図はサンプリングした信号及び「移動平
均」窓を示す図、第５図〜第８図はいくつかの処理済の
アナログ振動信号を示す図であって、第５図及び第６図
は主要な工具の破損事象の徴候と、警報のトリガとを含
んでいる図であり、第７図及び第８図は小さな工具の破
損事象又は擬似雑音を表していると共に、警報の発生に
至らない場合の図である。 主な符号の説明 ３６……加速度計（センサ）、３７……高域フィルタ、
３８……全波エネルギ検出器、４２……サンプリング
器、４３……Ａ／Ｄ変換器、４４……ディジタル回路、
４５……過渡状態検出器、４６……平均変化検出器、４
７……平均変化持続検査回路、４８……工具破損警報。

フロントページの続き (72)発明者 ミンヤン・リー アメリカ合衆国、ニユーヨーク州、スケネ クタデイ、グレンメドウ・コート、1133番 (56)参考文献 特開 昭54−113582（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−103692（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−76360（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−7813（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工作物を加工している間の切削工具の破損
   事象を検出する工作機械監視装置であって、 工具と工作物との界面における振動を表す電気信号を発
   生する広帯域振動センサと、 機械の低周波雑音を減衰させる高域フィルタと、前記信
   号を整流すると共に低域ろ波する全波エネルギ検出器と
   を含んでいるアナログ信号処理手段と、 該アナログ処理手段の単一極性出力信号をサンプリング
   すると共に各サンプルをディジタル形式に変換する手段
   と、 工具の破損事象を表す惧れのある正に向かう信号の過渡
   状態の存在を検出するように、前記サンプリング手段に
   よりサンプリングされたあらゆるサンプル信号を所与の
   数のそれまでのサンプルの移動平均信号レベルと比較す
   る手段と、平均レベルの変化及び背景の切削雑音の実質
   的な変化を検出するように、前記過渡状態の前後の前記
   平均信号レベルを比較する手段と、前記平均レベルの変
   化が予め選択された期間の間持続するときに工具破損警
   報を発生する手段とを含んでいるディジタル回路とを備
   えた工具機械監視装置。
2. 【請求項２】前記振動センサは、３０ｋＨｚよりも高い
   共振周波数を中心とする周波数に対する感度が最も大き
   い加速度計である特許請求の範囲第１項に記載の工作機
   械監視装置。
3. 【請求項３】前記加速度計及び高域フィルタの組み合わ
   せが、前記共振周波数の近辺の帯域における周波数に有
   利に作用する帯域ろ波作用を生じている特許請求の範囲
   第２項に記載の工作機械監視装置。
4. 【請求項４】前記低域フィルタは、前記サンプリング手
   段のサンプリング速度で偽信号を除去するろ波作用を生
   ずるように、５００Ｈｚ未満のカットオフ周波数を有し
   ている特許請求の範囲第１項に記載の工作機械監視装
   置。
5. 【請求項５】工作物を傷つける惧れのある工具の破損事
   象を検出する方法であって、 加工作業中の切削工具挿着体の振動を感知して、該振動
   及び工作機械のその他の振動を電気信号に変換する工程
   と、 機械の低周波雑音を弁別するように高域ろ波作用により
   前記振動信号を予備処理し、主要な工具の破損事象を表
   す惧れのある正に向かう過渡状態を含んでいる出力信号
   エネルギを検出するように、整流すると共に低域ろ波す
   る工程と、 前記出力信号をサンプリングして、各サンプルをディジ
   タル形式に変換する工程と、 サンプリングされたあらゆる信号をそれまでのＮ個のサ
   ンプルの移動平均信号レベルと比較し、平均の変化を検
   出するように前記過渡状態の前後の平均信号レベルを比
   較して、背景の切削雑音の実質的な変化を伴っていると
   いう第１の基準に適合しない過渡状態を除去し、前記平
   均の変化が所与の期間の間持続するという第２の基準と
   の適合を検査して、該第２の基準に適合しない過渡状態
   を除去し、前記第１及び第２の両方の判断基準を満たす
   ときに工具破損警報を発生することにより、前記過渡状
   態を検出する工程とを備えた、工具の破損事象を検出す
   る方法。