JPH066254B2 - 工具折損検出装置 - 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ィックエミッション
（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、折損の識別時にＡＥ
センサより得られる折損信号レベルを記憶しておき、そ
の折損レベルに基づいてＡＥセンサの感度を自動的に最
適値に変更するようにしている。従って工作機械に特有
のＡＥセンサ自体の感度や信号の伝達効率による出力レ
ベルの不整合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。

〔発明の背景〕

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では、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、そ
の取付位置によってＡＥ信号のレベルが大幅に異なる。
そこで出願人は既に特願昭59−101554号等において工具
折損時と同一の擬似折損信号を発生する擬似折損信号発
生手段を設け、この擬似折損信号発生手段によってＡＥ
センサの感度を調整する装置を提案している（未公
開）。ところでこの擬似折損信号発生手段を用いてＡＥ
センサの感度を調整しても擬似折損信号発生装置の出力
レベルが何らかの理由で実際の折損レベルと異なってい
たり、又は信号の伝達効率が実際の折損時と異なってい
ればＡＥセンサの感度が正しく設定されたことにはなら
ず、工具折損検出の信頼性が低くなるという問題点があ
った。

〔発明の目的〕

本発明はこのような工具折損検出装置の問題点に鑑みて
なされたものであって、擬似折損信号発生手段を用いて
ＡＥセンサの感度を調整すると共に、工具が実際に折損
した時にその折損レベルを記憶し学習することによりＡ
Ｅセンサの感度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って、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、
信号処理部により工具の折損が検出されたときにその折
損レベルを記憶する記憶手段と、記憶手段の工具折損時
のＡＥ信号レベルに基づいてＡＥセンサの感度を調整す
る感度調整手段と、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、信号処理部に
よって工具の折損が検出されたときその振幅レベルを一
旦記憶手段に記憶しておき、その出力レベルによってＡ
Ｅセンサの感度を自動的に調整するようにしている。こ
うすれば一旦擬似折損信号発生手段を用いて調整したＡ
Ｅセンサの感度は、実際の使用条件に合わせて補正され
最適値に調整することが可能となる。又工作機械の使用
条件や動作環境に応じてＡＥセンサの感度を徐々に変更
することができるため、工作機械の経年変化等に対応し
てＡＥセンサ感度を調整することができる。従って同一
の使用条件下では工具折損検知の信頼性を向上させるこ
とができ、異なっ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
すブロック図である。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
示すものであって、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によっ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っ
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って、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センサであって、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
の信号を所定レベルに増幅すると共に工具の折損，異常
切削の信号を検知し、入出力インターフェース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によって用いられる各工具について複数回の折損時の
ＡＥ信号レベルを記憶する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ェー
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
づいて折損レベルをＲＡＭ１１に順次保持すると共に、
複数回の折損レベルにより最適の折損検出条件を算出し
てＡＥセンサ６の感度を最適値に補正するように制御す
るものである。

（信号処理部の構成） 次に第２図はＡＥ信号処理部７の詳細な構成を示すブロ
ック図である。本図においてＡＥセンサ６の出力はまず
アナログスイッチ２０に与えられる。アナログスイッチ
２０はＣＰＵ９からの制御信号に基づいてアナログ信号
を断続するスイッチであって、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って、その出力を二つのバンドパ
スフィルタ２２，２３及び入出力インターフェース８を
介してＣＰＵ９に与えるものである。

バンドパスフィルタ２２は中心周波数が300ＫHz，バン
ドパスフィルタ２３は中心周波数が50ＫHzのフィルタで
あって、夫々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って、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
スフィルタ２２，２３、検波器２４，２５及び比較器２
７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に伝えるものであって、
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２８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って工具の折損を検出する論理回
路であって、検出信号を入出力インターフェース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
力インターフェース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Ａ
Ｅ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ッチ２０及び可変増幅率増
幅器２１を介して入出力インターフェース８からＣＰＵ
９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２の増幅率
を変更し、数値制御装置３によって用いられる工具の全
てについて最適な増幅率となるように設定して感度設定
処理を終了する。

（監視動作） 次に本発明の工具折損検出装置の監視動作についてフロ
ーチャートを参照しつつ説明する。第３図はこの監視動
作を示すフローチャートであり、第４図は記憶手段のメ
モリマップである。監視動作を開始するとまずステップ
40において使用工具の入力に基づきその工具に対応した
増幅率の最適値をＲＡＭ１１より読出す。例えば用いら
れる工具をｎ番目の工具とすると、それに対応する増幅
器を読出して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ッチ２０を
介して伝えられ、二つのバンドパスフィルタ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５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っ
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５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
なっている。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。従って二つのバンドパ
スフィルタ２２，２３により夫々の周波数成分付近のＡ
Ｅ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。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２
９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
摩擦によって第５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。従って本実施
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６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ってお
り、一方切屑と工具やワークの接触，摩擦によって発生
するＡＥ信号は第６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っている。従って
第２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は入力信号が基準レ
ベルより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ェー
ス８よりＣＰＵ９に異常切削を伝える。第３図に示すフ
ローチャートにおいて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ェックして
おり（ステップ41）、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ップ42に進んで表示器１３よ
り切削レベルを表示する。そしてステップ40に戻って同
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より信号切削信号が伝えられればス
テップ43に進んで折損検出回路２９より折損信号が伝え
られるかどうかをチェックする。折損検出回路２９は比
較器２７とレベル判定器２８の論理積によって工具の折
損を検知し、工具折損時には入出力インターフェース８
よりＣＰＵ９に折損信号を伝える。従ってステップ43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
いるのでステップ44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ップ40に戻る。又ステップ43
において折損検出信号が与えられれば、ステップ45，46
に進んでそのときのＡＥセンサ６より増幅器２１を介し
て得られた折損時のＡＥ信号レベルＦｘを各工具につい
ての折損保持レベルＦni（ｉ＝１〜ｍ）として第４図に
示すようにそのとき用いられている工具の種類（φｎ）
と共に読込んでそのデータをＲＡＭ１１に記憶する（ス
テップ47）。そしてステップ48に進んで用いられている
工具の折損カウンタＣｎをインクリメントする。そして
ステップ49に進んで折損工具カウンタＣｎが所定数ｍ、
例えば10を越えたかどうかをチェックし、越えていなけ
ればステップ40に戻って同様の処理を繰り返す。ステッ
プ49においてこの工具折損カウンタＣｎがｍを越えた場
合には、ステップ50に進み工具径φｎでの既に記憶され
ているｍ回の折損保持レベルの平均値Ａｎを算出する。
その平均レベルＡｎは次式によって求められる。

そしてこの折損平均レベルＡｎとＡＥセンサ６より得ら
れる最適検出レベルＡｏとをを比較する（ステップ5
1）。そしてこの差の絶対値｜Ａｏ−Ａｎ｜がＡＥセン
サ感度の分解能εより小さければ、ステップ52に進んで
既に記憶されているｍ回の折損レベルＦn1〜Ｆnmと工具
折損カウンタＣｎをクリアしてステップ40に戻る。しか
しこの絶対値が分解能εよりも大きければステップ53に
進んで偏差ΔＡ（＝Ａｎ−Ａｏ）を算出する。そしてス
テップ54においてＲＡＭ１１の工具φｎの増幅率を補正
する。そしてステップ52に進んでＲＡＭ１１のｍ回の折
損保持レベルＦni（ｉ＝１〜ｍ）のデータをクリアする
と共に、工具折損カウンタＣｎをクリアしてステップ40
に戻る。

このようにすれば各工具毎にｍ回の工具の折損があれ
ば、その平均レベルを算出してＡＥセンサの感度をその
レベルに合わせて最適値となるように補正する。こうす
れば常に最新のｍ回分の折損データに基づいてＡＥセン
サの感度を最適値に調整することが可能となり、工作機
械の使用環境や経年変化に対応してＡＥセンサの感度を
自動的に変化させることができ、折損検出の信頼性を向
上させることが可能となる。

尚本実施例は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て工具折損を検出しているが、他
の種々の方法により工具の折損を検出する信号処理を用
いることも可能である。

又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一実施例の工
具折損検出装置の全体構成を示すブロック図、第２図は
本実施例の主要部のＡＥ信号処理部の構成を示すブロッ
ク図、第３図は本実施例の監視動作を示すフローチャー
ト、第４図はｍ回分の折損レベル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ップ、第５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６図(a)は工具折損時に得られるＡＥ信号波形、
第６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 ８，１
２……入出力インターフェース ９……ＣＰＵ １
０……ＲＯＭ １１……ＲＡＭ １３……表示器
１４……入力キー ２０……アナログスイッチ
２１……可変増幅率増幅器 ２２，２３……バンドパ
スフィルタ 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 前記信号処理部により工具の折損が検出されたときにそ
   の折損レベルを記憶する記憶手段と、 前記記憶手段の工具折損時のＡＥ信号レベルに基づいて
   前記ＡＥセンサの感度を調整する感度調整手段と、を具
   備することを特徴とする工具折損検出装置。
2. 【請求項２】前記記憶手段は、工具折損時の複数回の折
   損レベルを工具データと共に記憶する記憶手段であるこ
   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. 【請求項３】前記感度調整手段は、工具折損時の複数回
   の折損レベルの平均値とＡＥセンサの最適検出レベルと
   の偏差に基づいてＡＥセンサの感度を調整する調整手段
   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。
4. 【請求項４】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、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。