JPH1015782A

JPH1015782A - 切削工具の異常検出装置

Info

Publication number: JPH1015782A
Application number: JP17523496A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Murakami; 大介村上; Hideki Moriguchi; 秀樹森口; Akihiko Ikegaya; 明彦池ケ谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-01-20

Abstract

(57)【要約】【課題】切削工具の二次元温度分布を計測し工具異常や
寿命時間等を解析する。【解決手段】切削工具と被削材を所定周期で離間させ、
露出した切削工具の刃先を撮像部Ａにて撮像する。画素
温度データ換算回路７６が撮像部Ａにて得られる画像デ
ータＰ_i,jを二次元温度分布データＴＰ_i,jに換算する。
温度分布換算回路８８が二次元温度分布データＴＰ_i,j
について統計演算し、被削材から離間した時点で工具刃
先の二次元温度分布データＣＰ_i,jを求める。異常判定
部Ｈは、正常な工具にて得られたデータＣＰ_i,jから高
温部分を表す二値化データＲ_i,jを求めると共に、切削
加工継続中に計測されるデータＣＰ_i,jから高温部分を
表す二値化データＤ_i,jを求め、これらのデータＲ_i,jと
Ｄ_i,jを対比することで異常摩耗等を判定する。また、
二値化データＤ_i,jの時間変化について回帰分析を行う
ことにより切削工具の寿命を予測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、切削加工中における切
削工具の刃先の二次元温度分布を計測してその摩耗状況
や異常発生の有無等を自動的に解析処理する、切削工具
の異常検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、切削加工中に、切削工具の欠損を
予測したり摩耗状況を検知するためには、切削工具から
発せられるアコースティックエミッション波や切削抵抗
などを逐次計測してそれらの計測情報を信号処理する手
法と、ＣＣＤカメラ等で切削工具を撮像して得られる画
像情報を信号処理する手法が知られている。

【０００３】また、摩耗の進行に伴う工具温度の上昇に
着目した方法として、プリント基板穴明機用加工状態監
視装置（特開昭61-293753）が挙げられ、加工中のドリ
ルの温度分布より工具異常を検出する方法が開示されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記アコースティック
エミッション波や切削抵抗による異常検出手法は、切削
工具の摩耗量とアコースティックエミッション波との相
関関係を明確に知ることが困難であること、切削工具の
摩耗量と切削抵抗との相関関係を明確に知ることが困難
であること、切削抵抗とアコースティックエミッション
波が切削工具の欠損条件にいかなる係わり合いを有する
のかを明確に知ることが困難であること等の理由から、
実際の切削加工状況が異常状態に該当するものなのか、
もし将来異常が発生するものとすると何時その異常が発
生するのかを高い確度で予知することが難しいという問
題があった。

【０００５】前記ＣＣＤカメラを用いて切削工具を撮像
し、これにより得られる画像情報から異常の有無等を検
知する手法にあっては、切削加工中に切削工具に付着す
る汚れや溶着物が邪魔になり、刃先の画像を鮮明に撮像
することができないという理由から精度の良い信号処理
を行うことができなかったり、あるいは、画像情報を信
号処理して摩耗状況を判断したり将来の異常発生の有無
を予測する等のためには、ニューラルネットワーク等の
複雑な信号処理システムを構築する必要が生じたり、そ
の結果処理速度が遅くなってオンライン処理を実現する
ことが困難となる等の問題があった。

【０００６】更に、前記温度分布より検出する方法で
は、切削加工中における固有の問題として、工具異常に
対して最も相関が高いと考えられる切削中の刃先切削点
が切り屑や被削材に隠されて直接観察できないため、切
削工具の露出部分、即ち刃先切削点以外の観察可能な部
分の温度分布より異常を検出していた。つまり、工具異
常を高精度で判定するためには被削材に接触している前
記刃先切削点を直接観察する必要があるにも関わらずそ
れが困難であるため、検出すべき工具異常の種類が限ら
れてしまったり、発生した工具異常の種類を判別できな
かったり、摩耗の進行に伴う温度変化の測定感度が低く
なる等の問題点があった。

【０００７】本発明は、このような従来技術の課題に鑑
みてなされたものであり、実際の切削加工中において、
切削工具の摩耗状況等を高精度で測定し、この測定結果
に基づいて、現時点での異常の有無及び異常の程度等を
判断したり、将来起こり得る欠損を予測する等の処理を
行うことができる異常検出装置を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の切削工具の異常検出装置にあって
は、切削加工中における切削工具の二次元温度分布を測
定する二次元温度分布測定手段と、前記二次元温度分布
測定手段により得られた二次元温度分布のデータを所定
のしきい値と比較することにより、前記切削工具の高温
部分と低温部分との形状を表す二値化された二次元温度
分布のデータを形成する二値化手段と、前記高温部分の
形状を表す二値化された二次元温度分布のデータに基づ
いて前記切削工具の異常を判定する異常判定手段とを具
備する構成とした。

【０００９】ここで、前記異常判定手段は、次の如き種
々の機能を有する構成とした。即ち、前記異常判定手段
は、前記高温部分の形状を表す二次元温度分布のデータ
に基づいて前記高温部分の面積を演算すると共に、前記
高温部分の面積と予め決められた基準面積との相対面積
比を演算し、前記相対面積比の値が所定のしきい値を超
えると異常と判定する構成とした。

【００１０】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高
温部分の面積を演算すると共に、前記高温部分の面積と
予め決められた基準面積との時間経過に伴う相対面積比
の変化を演算し、回帰分析法により前記相対面積比の変
化に基づいて推定した推定相対面積比の値が所定のしき
い値に到達するまでの推定時間を求め、前記推定時間に
基づいて前記切削工具の残り寿命時間を予測する構成と
した。

【００１１】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高
温部分の縦横比を演算し、前記縦横比の値と予め決めら
れた基準の縦横比の値との相対比の値が所定のしきい値
を超えると異常と判定する構成とした。

【００１２】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高
温部分の縦横比を演算すると共に、前記縦横比と予め決
められた基準の縦横比との時間経過に伴う相対比の変化
を演算し、回帰分析法により前記相対比の変化に基づい
て推定した推定相対比の値が所定のしきい値に到達する
までの推定時間を求め、前記推定時間に基づいて前記切
削工具の残り寿命時間を予測する構成とした。

【００１３】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高
温部分の幅を演算し、前記幅が所定のしきい値を超える
と異常と判定する構成とした。

【００１４】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高
温部分の幅の時間経過に伴う変化を演算し、回帰分析法
により前記幅の時間変化に基づいて推定した推定幅の値
が所定のしきい値に到達するまでの推定時間を求め、前
記推定時間に基づいて前記切削工具の残り寿命時間を予
測する構成とした。

【００１５】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータと予め決められた
パターンデータとをパターンマッチングし、前記高温部
分の形状を表す二次元温度分布のデータから鋭利な突起
形状と括れた形状とを検出すると、前記切削工具に境界
摩耗が発生したと判定する構成とした。

【００１６】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータと予め決められた
パターンデータとをパターンマッチングし、前記高温部
分の形状を表す二次元温度分布のデータから鋭利な突起
形状を検出すると共に、前記突起形状の幅が所定のしき
い値を超えると異常と判定する構成とした。

【００１７】また、前記異常判定手段は、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータと予め決められた
パターンデータとをパターンマッチングし、前記高温部
分の形状を表す二次元温度分布のデータから鋭利な突起
形状の幅の時間経過に伴う変化を演算し、回帰分析法に
より前記突起形状の幅の変化に基づいて推定した推定幅
の値が所定のしきい値に到達するまでの推定時間を求
め、前記推定時間に基づいて前記切削工具の残り寿命時
間を予測する構成とした。

【００１８】また、前記異常判定手段は、前記切削工具
の形状を表す二次元温度分布のデータと予め決められた
パターンデータとをパターンマッチングし、前記予め決
められたパターンデータに対応する前記二次元温度分布
のデータが欠落している部分を、前記切削工具の欠損部
分と判定する構成とした。

【００１９】更にまた、前記目的を達成するための本発
明の他の手段として、切削加工中における切削工具の二
次元温度分布を測定する二次元温度分布測定手段と、前
記二次元温度分布測定手段により得られた二次元温度分
布内の最高温度を探索する手段と、前記最高温度の変化
に基づいて前記切削工具の異常を判定する異常判定手段
とを具備する構成とした。

【００２０】ここで、前記異常判定手段は、次の如き種
々の機能を有する構成とした。即ち、前記異常判定手段
は、前記二次元温度分布内の最高温度が予め決められた
所定のしきい値を超えると異常と判定する構成とした。

【００２１】また、前記異常判定手段は、前記二次元温
度分布内の最高温度の時間経過に伴う変化を演算し、回
帰分析法により前記最高温度の変化に基づいて推定した
推定最高温度が所定のしきい値に到達するまでの推定時
間を求め、前記推定時間に基づいて前記切削工具の残り
寿命時間を予測する構成とした。

【００２２】更にまた、前記二次元温度分布測定手段
は、前記切削加工中に、前記切削工具と被削材とを接触
させることにより実質的な切削期間と、前記切削工具と
前記被削材とを離すことにより実質的な非切削期間とを
設定する切削状態設定手段と、前記非切削期間中に前記
切削工具を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得
られる画像データを温度成分の画像温度データに換算す
る手段と、前記画像温度データに基づいて前記非切削期
間中の時間経過に伴う前記切削工具の冷却特性を演算
し、前記冷却特性に基づいて前記切削期間と前記非切削
期間との切替り時点における前記切削工具の前記二次元
温度分布のデータを推定演算する温度分布演算手段とを
具備する構成とした。

【００２３】また、前記異常判定手段は、前記異常を判
定すると異常発生を示す警報信号を出力する構成とし
た。

【００２４】

【作用】切削工具による実際の切削加工中に、二次元温
度分布測定手段により切削工具の二次元温度分布を測定
し、二値化手段によりこの二次元温度分布のデータと所
定のしきい値とを比較することで、切削工具の高温部分
の形状を表すデータを求める。

【００２５】この高温部分の形状を表すデータからその
形状の面積を求め、この面積を予め決められた基準面積
（例えば、切削工具が正常状態にある時に求められた高
温部分の面積）と比較して、所定のしきい値を超える
と、刃先すくい面等の摩耗範囲や摩耗の深さが拡大して
異常状態になったと判定する。

【００２６】また、正常な切削工具では被削材に当接す
る刃先の部分が高温となり、その当接部分から離れた部
分ほど低温となる。したがって、前記高温部分の縦横比
を求めて、予め決められた基準の縦横比と比較し、この
基準の縦横比からのずれを検出することにより、異常に
摩耗した部分の存在等を判定する。

【００２７】このように、高温部分の縦横比を異常の有
無の判断条件とすることによって、摩耗状況等の判定を
行う。また、所謂境界摩耗が発生すると、高温部分に
は、鋭利な突出部分と括れ部分が生じるようになる。よ
って、予め決められた正常状態での高温部分のパターン
データと実測された高温部分のデータとをパターンマッ
チングして、鋭利な突出部分と括れ部分との有無を検出
し、境界摩耗を判定する。

【００２８】更に、前記高温部分の面積が切削加工の時
間経過に伴って変化するので、回帰分析法によりこの面
積の時間変化に基づいて例えば回帰直線等を求め、この
回帰直線等における推定面積が所定のしきい値に到達す
るまでの推定時間を、切削工具の残り寿命時間と予測す
る。

【００２９】同様に、回帰分析法により、前記高温部分
の縦横比の時間変化に基づいて回帰直線等を求め、この
回帰直線等における推定縦横比の値が所定のしきい値に
到達するまでの時間を推定して、この推定時間から切削
工具の残り寿命時間を予測する。

【００３０】同様に、前記高温部分に鋭利な突出部分を
検出し、回帰分析法により、この突出部分の幅の時間的
変化に基づいて回帰直線等を求め、この回帰直線等が所
定のしきい値に到達するまでの時間を推定して、この推
定時間を切削工具の残り寿令時間と予測する。

【００３１】そして、このような残り寿命時間を予測す
ることにより、切削工具の交換時期等を予測したり、切
削工具の破損等に伴う事故の未然防止を図る。

【００３２】また、実際の切削加工中に二次元温度分布
測定手段により切削工具の二次元温度分布を測定し、二
次元温度分布内の最高温度を探索し、予め決められた温
度のしきい値（操作者が任意に設定する温度、もしく
は、切削工具が正常状態にある時に求められた最高温度
から計算される許容温度等）と比較して、所定のしきい
値を超えると、刃先すくい面や逃げ面の摩耗範囲や摩耗
の深さが拡大して異常状態になったと判定する。

【００３３】更に、前記最高温度は時間経過に伴って変
化するので、回帰分析法によりこの最高温度の時間変化
に基づいて回帰直線等を求め、この回帰直線等における
推定最高温度が所定のしきい値に到達するまでの時間を
推定し、この推定時間を切削工具の寿命時間と予測す
る。

【００３４】このような残り寿命時間を予測することに
より、切削工具の交換時期等を予測したり、切削工具の
破損等に伴う事故の未然防止を図る。

【００３５】また、異常判定に対応して警報機等に警報
信号を出力することにより、上記の如き事故の発生を未
然に防止する。また、この警報信号をＮＣ工作機械等に
供給することで、プログラム制御による合理的な切削加
工システムの実現化に供する。

【００３６】

【実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明による一実施の形態
を図面と共に説明する。一般的には、切削加工中におけ
る固有の問題として、切削加工中に被削材から発生する
切り屑が切削工具の切削点を覆うので、真の二次元温度
分布を計測することができないという問題がある。この
問題点を解決するためにこの実施の形態では、図１に示
すように、被削材の一部に切り欠きや溝（以降、断続部
と称す）を有する被削材２２を使用し、切削工具２４の
刃先が断続部２２ｓに対向するときに実質的に切削が中
断される非切削加工状態となって、切り屑の発生が必然
的に無くなるときに、露出した刃先を撮像することによ
って二次元温度分布を正確に計測するようにしている。
尚、図１（ａ）〜（ｅ）は切削加工中の動作を示し、同
図（ａ’）〜（ｅ’）は刃先の画像を対応付けて示して
いる。

【００３７】即ち、図１に示すように、切削工具２４の
刃先が被削材２２に当接して通常の切削加工がなされる
ときには（図１（ａ）（ｂ）（ｅ）参照）、切り屑の発
生に起因して切削工具２４の刃先が隠されてしまうので
刃先切削点の画像を撮像することができないが、切削工
具２４の刃先が断続部２２ｓに対向して隙間ができ、被
削材２２に当接しなくなるときには（図１（ｃ）（ｄ）
参照）、実質的に切削加工が中断された状態となるので
切り屑が発生せず、露出した刃先切削点を撮像すること
ができる。

【００３８】尚、断続部２２ｓが設けられた被削材２２
を切削対象としない場合、即ち、このような断続部が設
けられていない被削材を用いたときの切削工具２４の温
度分布を計測する場合には、図２（ａ）〜（ｅ）中の同
図（ｃ）に示すように、一時的に切削工具２４を被削材
２２から後退させて、刃先を被削材２２から離すことに
より、露出した刃先を計測するようにしてもよい。更に
詳述すれば、図２（ａ）（ｂ）に示すように通常の切削
を行っている間は、刃先が切り屑によって隠れてしまう
ので、切削工具２４の温度分布を計測（撮像）すること
ができない。そこで、同図（ｃ）に示すように、所定の
タイミングに同期して切削工具２４を後退させ、一定期
間中は切削を中断する。これにより、刃先が露出される
ので、温度分布の計測が可能となる。

【００３９】尚、いずれの計測方法でもよいが、この実
施の形態では、断続部２２ｓの設けられた被削材２２を
適用する場合について説明することとする。

【００４０】次に、図３に基づいて、異常検出装置の構
成を説明する。この異常検出装置は、切削加工中におけ
る切削工具２４を撮像するための撮像部Ａと、切削工具
２４が被削材２２から離れた瞬間のタイミング等を検出
する切削状態検出部Ｂと、撮像部Ａから得られる画像情
報に基づいて所定の演算処理を行うことにより切削工具
２４の二次元温度分布を求める解析部Ｃとを具備してい
る。

【００４１】また、この異常検出装置は、各種の旋盤等
に適宜に着脱して使用することができる汎用性を備えて
いる。例えば、普通旋盤に設けられている主軸台と芯押
台の各センタ間に支持された被削材２２を所定方向Ｒに
回転させ、切削工具２４を被削材２２に当接させつつ、
回転方向Ｒに対して直交する方向Ｚへ切削加工を行う場
合には、撮像部Ａにおける撮像可能範囲（図３中、点線
ＢＷで示す視野範囲）内に、切削工具２４の計測対象範
囲が収まるように設定するだけでよい。なお、撮影範囲
ＢＷは刃先すくい面に限らず、逃げ面側から撮影するよ
うに設定することもできる。

【００４２】撮像部Ａは、電荷結合型固体撮像デバイス
やＭＯＳ型固体撮像デバイスによって被写体を二次元撮
像するカメラから成り、解析部Ｃから供給されるシャッ
タ信号Ｓonに同期して撮像すると共に、この撮像により
上記撮像デバイスに生じるフレーム画像の情報を、所定
の点順次読出し周期τsに同期した個々の画素信号Ｓ_B _W
にして時系列に読み出して、解析部Ｃへ供給する。

【００４３】切削状態検出部Ｂは、一例として、図４
（ａ）（ｂ）や図５（ａ）（ｂ）に示す構成のものが適
用されている。

【００４４】図４（ａ）に示す切削状態検出部Ｂは、旋
盤の送り系サーボモータにてＺ方向に繰り出される刃物
台３２に、電気絶縁部材３４を介して金属製の切削工具
２４が固着され、旋盤の主軸モータにて回転駆動される
金属製の被削材２２と切削工具２４との間に一定電圧の
直流電源３６及び通電センサ３８から成る電気回路が接
続された構成となっている。

【００４５】通電センサ３８は、検流計や抵抗素子等の
導電性検出手段が用いられ、切削工具２４と被削材２２
の切削面との接触時（導通時）と、それらの非接触時
（非導通時）との電流変化を検出して、その電流変化を
示す切削状態信号Ｓtを後述の露出同期設定部Ｄに供給
する。したがって、切削状態信号Ｓtは、電気回路中を
電流が流れるときは実質的な切削期間を示し、電流が流
れないときには切削工具２４が被削材２２から離れた非
切削期間を示す。

【００４６】図４（ｂ）に示す切削状態検出部Ｂは、主
軸モータヘ駆動電流を供給するための電源４０の電流供
給経路中に切削動力センサ４２が接続された構成となっ
ている。

【００４７】切削動力センサ４２は、切削加工中に主軸
モータに掛かる負荷に相当する駆動電流と、切削工具２
４と被削材２２との非接触時の駆動電流を検出すること
により、切削工具２４による切削期間及び非切削期間の
変化を示す切削状態信号Ｓtを出力し、後述の露出同期
設定部Ｄに供給する。即ち、切削加工中では切削工具２
４と被削材２２の切削面との当接に起因する負荷の増大
に伴って主軸モータに流れる駆動電流が増加し、切削工
具２４と上記切削面との非接触時では駆動電流が減少す
ることから、これらの駆動電流の変化により切削期間と
非切削期間を示す切削状態信号Ｓtを発生する。

【００４８】あるいは、切削加工中に送り系サーボモー
タに流れる駆動電流の変化に基づいて切削状態信号Ｓt
を発生させる構成の切削状態検出部Ｂが適用される。即
ち、送り系サーボモータへ駆動電流を供給するための電
源４４の電流供給経路中に切削動力センサ４６が接続さ
れ、送り系サーボモータに掛かる負荷に対応する駆動電
流の変化を検出することにより、切削期間と非切削期間
を示す切削状態信号Ｓtを発生させ、後述の露出同期設
定部Ｄに供給する。

【００４９】尚、図４（ｂ）に示すものはいずれも同一
の原理に基づくものであるので、いずれか一方の切削状
態検出部Ｂが適用される。また、これらの切削状態検出
部Ｂは、図４（ａ）のような切削工具２４と被削材２２
との電気的接触を検出するものではないので、金属製の
切削工具及び被削材による切削加工に限らず、例えばセ
ラミック等から成る絶縁性の切削工具及び被削材による
切削加工においても適用することができる。

【００５０】図５（ａ）に示す切削状態検出部Ｂは、刃
物台３２に切削工具２４を支持するための支持部材４８
の一端に歪みゲージ５０が固着され、切削加工時におけ
る支持部材４８の変形量に対応する歪みゲージ５０の歪
み検出出力を動力アンプ５２を介して出力する構成とな
っている。即ち、支持部材４８に掛かる負荷に起因する
変形量が切削期間中では増加し非切削期間中では減少す
るので、歪みゲージ５０でその変形量の変化に応じた歪
みを検出することによって、切削期間と非切削期間を示
す切削状態信号Ｓtを出力し、後述の露出同期設定部Ｄ
に供給する。

【００５１】図５（ａ）の切削状態検出部Ｂも、金属製
の切削工具及び被削材による切削加工に限らず、絶縁性
の切削工具及び被削材による切削加工においても適用す
ることができる。

【００５２】図５（ｂ）に示す切削状態検出部Ｂは、刃
物台３２に圧電素子を有する圧電型動力計５４を介して
切削工具２４の支持部材４８が固着され、切削加工中に
おける切削工具２４の変位に応じて加わる圧力変化を検
出すると共に、その検出出力をチャージアンプ５６を介
して出力する構成となっている。即ち、切削工具２４と
被削材２２とが接触する切削加工中では、支持部材４８
の変位に伴って圧力型動力計５４に掛かる圧力が増加
し、切削工具２４が被削材２２から離れる非切削期間中
ではその圧力が減少するので、かかる圧力変化を検出す
ることによって、切削期間と非切削期間を示す切削状態
信号Ｓtを、後述の露出同期設定部Ｄに供給する。

【００５３】図５（ｂ）の切削状態検出部Ｂも、金属製
の切削工具及び被削材による切削加工に限らず、絶縁性
の切削工具及び被削材による切削加工においても適用す
ることができる。

【００５４】そして、図４及び図５に列記したいずれか
一つの切削状態検出部Ｂが適宜に用いられる。

【００５５】解析部Ｃは、所定アルゴリズムに基づくコ
ンピュータプログラムを実行することにより切削工具の
二次元温度分布を演算すると共に解析して異常判定等を
行う所謂コンピュータシステムから成り、図６に示す如
く、切削状態検出部Ｂの切削状態信号Ｓtを入力する露
出同期設定部Ｄと、撮像部Ａよりの画素信号Ｓ_BWを入力
する画像入力部Ｅと、各種データの記録再生及び表示等
の処理を行う録再表示部Ｆと、切削工具の二次元温度分
布を演算する信号処理部Ｇと、切削工具の異常発生等を
解析処理する異常判定部Ｈを備え、操作者がキーボード
等の入力装置６３を介して所望の処理を指示すると、マ
イクロコンピュータを内蔵した中央制御回路６２がその
指示に応じて上記各部Ａ〜Ｈの動作を制御するようにな
っている。

【００５６】尚、解析部Ｃ中の露出同期設定部Ｄと画像
入力部Ｅ及び録再表示部Ｆの構成及び機能は、本願発明
者が既に出願した特願平８−８１６４３号に詳細に開示
されているので、以下、これら各部Ｄ〜Ｆについて概説
する。

【００５７】露出同期設定部Ｄは、プリアンプ６４、波
形整形回路６６、トリガ回路６８及びタイマ回路７０を
備え、図７のタイミングチャートに示す如く、プリアン
プ６４で増幅された切削状態信号Ｓtを波形整形回路６
６により二値信号Ｓpに波形整形し、その二値信号Ｓpが
論理“１”から“０”に反転した時点を示すパルス信号
Ｓrをトリガ回路６８において発生させ、更に、タイマ
回路７０により、パルス信号Ｓrの発生時点から所定遅
延時間を計数した直後に、その遅延時間を表す遅延時間
データＤr及びシャッタ信号Ｓonを同時に出力する。

【００５８】これにより、切削加工中に被削材２２の１
回転する周期τがパルス信号Ｓpの発生周期で表わさ
れ、切削期間τaと非切削期間τsとの切替り時点がパル
ス信号Ｓpの発生時点で表わされる。また、パルス信号
Ｓpの発生時点（切替り時点）は、切削工具２４が被削
材２２の被切削面２２ａから離れた直後を示すことにな
る。

【００５９】各周期τにおけるパルス信号Ｓrの発生時
点からシャッタ信号Ｓonの発生時点までの各遅延時間△
₁，△₂，△₃…は、時間経過に伴って次第に長くなるよ
うに決められており、更に、遅延時間が非切削期間τs
を超える場合には、最短の遅延時間△₁から繰り返して
設定することにより、常にシャッタ信号Ｓonを各周期τ
の切削期間τs内で発生させて、露出した切削工具２４
を撮像部Ａにて撮像させる。

【００６０】画像入力部Ｅは、撮像部Ａからの画素信号
Ｓ_BWをプリアンプ７２で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器７４
により読出し周期τsと同じサンプリング周期に同期し
てデジタルの画素データＰ_i,jに変換し、更に、各画素
データＰ_i,jを画素温度データ演算回路７６により画素
温度データＴＰ_i,jに換算して出力する。

【００６１】即ち、Ａ／Ｄ変換器７４のサンプリング周
期を読出し周期τsに同期させることにより、Ｉ×Ｊ個
の画素数から成るフレーム画像相当の画素データＰ_i,j
（但し、１≦ｉ≦Ｉ、１≦ｊ≦Ｊ）を発生させる。但
し、画素データＰ_i,jは撮像部Ａの各画素にて受光され
た輝度成分であって温度成分を直接表さないので、画素
温度データ演算回路７６において次式（１）のステファ
ンボルツマンの式を適用することにより、画素データＰ
_i,jを温度成分の画素温度データＴＰ_i,jに換算する。

【００６２】Ｗ＝εσＴ⁴ …（１）但し、Ｗは赤外線エネルギー（各画素データＰ_i,jに相
当する）Ｔは物体の絶対温度（各画素温度データＴＰ_i,jに相当
する） εは放射率（≦１） σはステファンボルツマンの定数尚、画素温度データ演算回路７６は、各フレーム周期の
先頭の画素温度データＴＰ_i,jを出力する直前に、タイ
マ回路７０からの遅延時間データＤrを出力することに
より、引続き出力されるフレーム画像相当の画素温度デ
ータＴ_i,jが前記いずれの遅延期間△_l，△₂，△₃…にお
いて撮像されたものであるかを示すようになっている。

【００６３】録再表示部Ｆは、マルチプレクサ回路７
８、複数フレームの画像データを格納可能な記憶容量を
有するフレームメモリ８０、モニター等を有する表示部
８２と、ハードディスク（ＨＤ）やフロッピディスク
（ＦＤ）等の記録媒体を有する記憶再生回路８４を備え
ている。

【００６４】マルチプレクサ回路７８は、中央制御回路
６２の指示に従って伝送経路の切換動作を行い、画像入
力部Ｅより出力される遅延時間データＤr及び画素温度
データＴＰ_i,jをフレームメモリ８０へ転送したり、信
号処理部Ｇにて形成される二次元温度分布データＣＰ
_i,jをフレームメモリ８０や異常判定部Ｈへ転送する。

【００６５】表示部８２は、フレームメモリ８０中の遅
延時間データＤr及び画素温度データＴＰ_i,jや二次元温
度分布データＣＰ_i,j等に基づいて画像を再生表示した
り、これらのデータを印刷する等の処理を行う。

【００６６】記録再生回路８４は、フレームメモリ８０
中の遅延時間データＤr及び画素温度データＴＰ_i,jや二
次元温度分布データＣＰ_i,j等を前記ハードディスク
（ＨＤ）やフロッピディスク（ＦＤ）等の記録媒体に記
憶させたり、記憶したこれらのデータを再生してフレー
ムメモリ８０に再転送したり、信号処理部Ｇ中の演算用
メモリ８６へ転送する等の処理を行う。

【００６７】画像処理部Ｇは、少なくとも１フレーム画
像相当のデータを格納し得る記憶容量を有する演算用メ
モリ８６と、画素温度データＴＰ_i,jに基づいて二次元
温度分布データＣＰ_i,jを演算する温度分布換算回路８
８を備えている。

【００６８】温度分布換算回路８８は、撮像部Ａ及び画
像入力部Ｅ等による前記撮像時に記録再生回路８０にて
記憶された複数フレーム分の遅延時間データＤr及び画
素温度データＴＰ_i.jが演算用メモリ８６に格納される
と、切削工具２４の二次元温度分布を求めるための次の
演算処理を実行する。

【００６９】尚、図７に示した各非切削期間τsにおい
て、切削期間τaと非切削期間τsとの切替り時点ｔrを
基準にして設定された各遅延時間△₁，△₂，△₃毎に撮
像された切削工具２４の各フレーム画像が図８（ａ）で
あるものとして二次元温度分布の演算処理を説明する。

【００７０】同図（ａ）中の遅延時間データＤr（△₁）
によって特定される画素温度データＴＰ_i,j（△₁）によ
るフレーム画像は、切替り時点ｔrから最も近いときに
撮像されたものであるので、切削期間τaにおける切削
工具２４と被削材２２との摩擦熱が残存した全体的に高
温状態を示すこととなる。

【００７１】遅延時間データＤr（△₂）にて特定される
画素温度データＴＰ_i,j（△₂）によるフレーム画像は、
次の周期τにおける切替り時点ｔrを基準にして、遅延
時間△₁よりも遅れた時間△₂で撮像されたものであるの
で、かかる遅延時間△₂中の空気冷却に起因して、遅延
時間△₁で撮像されたフレーム画像よりも全体的に低温
状態を示すこととなる。

【００７２】同様に、遅延時間データＤr（△₃）にて特
定される画素温度データＴＰ_i,j（△₃）によるフレーム
画像は、次の周期τにおける切替り時点ｔrを基準にし
て、遅延時間△₂よりも更に遅れた時間△₃で撮像された
ものであるため、かかる遅延時間△₃中の空気冷却に起
因して、遅延時間△₂で撮像されたフレーム画像よりも
全体的に更に低温状態を示すこととなる。

【００７３】これら各周期τにおいて撮像されたフレー
ム画像において、ある特定の同位置の画素（ｘ，ｙ）に
対応する画素温度データＴＰ_x,y（△₁）とＴＰ
_x,y（△₂）及びＴＰ_x,y（△₃）を抽出し、図８（ｂ）の
グラフに示す如く、これらの画素温度データを、切替り
時点ｔrを基準時にした遅延時間△₁，△₂，△₃毎にプロ
ットする。尚、同図（ｂ）は、横軸が時間、縦軸が画素
温度である。

【００７４】したがって、切替り時点ｔr以前の切削期
間τaでは被削材２２から出る切り屑によって切削工具
２４が覆われているが、切替り時点ｔr後の非切削期間
τsにおいては、切削工具２４が露出したときの画素温
度データがプロットされることになる。更に、同図
（ｂ）中の切替り時点ｔr及びその直後では、切り屑が
完全に飛散しないで切削工具２４を未だ覆っている場合
もあり得るが、最初の遅延時間△₁を切り屑が十分に飛
散し得る期間後に設定することによって、完全に露出し
た切削工具２４を撮像することができる。

【００７５】そして、プロットされた画素温度データＴ
Ｐ_x,y（△₁）とＴＰ_x,y（△₂）及びＴＰ_x,y（△₃）に基
づいて、カーブフィット法や最小２乗法等の統計処理
や、ニューラルネット法等を適用することにより、図８
（ｂ）中の点線にて示す時間経過に対する冷却特性（以
下、冷却曲線という）を推定演算し、更に、この冷却曲
線に基づいて、切替り時点ｔrにおける画素温度データ
ＴＰ_x,y（ｔr）を求める。

【００７６】更に、残余の位置に在る画素に対応する全
ての画素温度データＴＰ_i,j（△₁）とＴＰ_i,j（△₂）及
びＴＰ_i,j（△₃）についても同様の処理を行うことによ
り、切替り時点ｔrにおける全ての画素温度データＴＰ
_j,j（ｔr）を推定演算する。これらの切替り時点ｔrで
の画素温度データを二次元温度分布データＣＰ_ijとして
演算用メモリ８６に格納すると共に、フレームメモリ８
０にも転送することによって表示部８２にその二次元温
度分布の画像を表示させ、更に、記録再生回路８４によ
りハードディスク（ＨＤ）等の記録媒体に記憶・保存さ
せる。

【００７７】かかる演算処理によれば、現実には得るこ
とができない切替り時点ｔrにおける露出状態の切削工
具２４の二次元温度分布を求めることができる。又、非
切削期間τs中に露出した切削工具２４の画素温度デー
タＴＰ_i,jに基づいて二次元温度分布のデータＣＰ_i,jを
演算するので、切り屑の影響が除去された極めて鮮明な
二次元温度分布を得ることができる。

【００７８】尚、上記の遅延時間△₁，△₂，△₃…は、
△₂＝２△₁、△３＝３△₁の如く整数倍に比例した関係
に設定される必要は無く、０＜△₁＜△₂＜△₃…＜τsの
関係を満足する適宜の時間であればよい。

【００７９】更に、これらの遅延時間△_l，△₂，△₃…
は、撮像部Ａ中の撮像デバイスが１フレーム画像を撮像
するのに要するフレーム周期とは関係なく設定すること
ができる。即ち、被削材２２の各回転周期τにおける前
記切替り時点ｔrに同期したシャッタ信号Ｓonに基づい
て撮像を行うので、一つの非切削期間τs中のみで複数
のフレーム画像を高速に撮像する必要がない。特に高速
の撮像デバイスを使用しなくとも、各遅延時間△₁，
△₂，△₃…を短時間に設定するだけで、実質的に非切削
期間τs中に多数のフレーム画像を得ることができる。
この結果、これら多数のフレーム画像に相当する画素温
度データＴＰ_i,jに基づいて図８（ｂ）の冷却曲線を極
めて精度良く求めることができ、ひいては切替り時点ｔ
rの二次元温度分布のデータＣＰ_i、jを高精度で求めるこ
とができる。

【００８０】次に、異常判定部Ｈについて説明する。図
６において、異常判定部Ｈには、マルチプレクサ回路７
８に接続される２系統の二値化回路９０，９４とバッフ
ァメモリ９２，９６、特徴情報計算回路９８及び異常解
析回路１００が備えられている。

【００８１】二値化回路９０は、マルチプレクサ回路７
８を介して転送されてくる画素温度データＣＰ_i,jを所
定温度に相当する予め決められたしきい値Ｔ_HLと比較
し、このしきい値Ｔ_HLを境にして、切削工具２４の高温
部分と低温部分とを表す二値化された二次元温度分布の
データ（以下、基準二値化データと呼ぶ）Ｒ_i,jを形成
して、バッファメモリ９２に記憶させる。二値化回路９
４も同様に、マルチプレクサ回路７８を介して転送され
てくる画素温度データＣＰ_i,jを所定のしきい値Ｔ_HLと
比較し、このしきい値Ｔ_HLを境にして、切削工具２４の
高温部分と低温部分とを表す二値化された二次元温度分
布のデータ（以下、参照二値化データと呼ぶ）Ｄ_i,jを
形成して、バッファメモリ９６に記憶させる。

【００８２】ただし、後述するように、マルチプレクサ
回路７８は、実際の切削加工の開始後しばらく経過した
時、即ち、切削工具２４が未だ摩耗等を生じていない正
常な状態の時に二値化回路９０側に切換わり、そのとき
に得られる画素温度データＣＰ_i,jを二値化回路９０へ
供給する。したがって、バッファメモリ９２には、切削
工具２４が正常な時の１フレーム画像相当の二次元温度
分布の基準二値化データＲ_i,jが格納される。

【００８３】一方、上記基準二値化データＲ_i,jがバッ
ファメモリ９２に格納された後に、マルチプレクサ回路
７８が二値化回路９４側に切換わり、画素温度データＣ
Ｐ_i, _jを二値化回路９４へ供給する。そして、二値化回
路９４で形成される最新の二次元温度分布の参照二値化
データＤ_i,jを各フレーム周期毎に更新してバッファメ
モリ９６に格納する。したがって、バッファメモリ９６
には、切削工具２４の異常を判定するための参照二値化
データＤ_i,jが上記フレーム周期毎に格納される。

【００８４】また、これらのバッファメモリ９２，９６
に格納された二次元温度分布の二値化データＲ_i,jとＤ
_i,jはフレームメモリ８０にも転送され、これらのデー
タＲ_i, _jとＤ_i,jに基づく二次元温度分布画像を表示部８
２にて再生表示させたり、記録再生回路８４を介してハ
ードディスク（ＨＤ）等の記録媒体に記憶させるように
なっている。

【００８５】特徴情報計算回路９８は、バッファメモリ
９６に逐次格納される参照二値化データＤ_i,jをバッフ
ァメモリ９２に格納されている基準二値化データＲ_i,j
と対比することにより切削工具２４の特徴を抽出し、異
常解析回路１００は、この特徴抽出結果に基づいて切削
工具２４の異常の有無を判定すると共に、異常判定の結
果を警報機１１０に供給することによって警報等を行わ
せたり、フレームメモリ８０を介して表示部８２に異常
の有無を表示させたり、記録再生回路８４を介してハー
ドディスク（ＨＤ）等の記録媒体に記憶させる。

【００８６】特徴情報計算回路９８及び異常解析回路１
００は、次のような種々の異常解析機能を備えており、
操作者が入力装置６３及び中央制御回路６２を介してこ
れら複数の解析処理の内の一つを選択的に指定したり、
複数の解析処理を指定することができるようになってい
る。

【００８７】以下、これら複数種類の異常解析処理の内
容を個々に説明する。

【００８８】（第１の異常解析処理）前述した如く、撮
像部Ａと切削状態検出部Ｂ及び解析部Ｃにより切削加工
中の切削工具２４の二次元温度分布のデータＣＰ_i,jを
測定し、バッファメモリ９２に基準二値化データＲ_i,j
が格納された後、バッファメモリ９６にフレーム周期に
同期して参照二値化データＤ_i,jが順次に格納される
と、特徴情報計算回路９８が、そのフレーム周期に同期
して、バッファメモリ９２の基準二値化データデータＲ
_i,jとバッファメモリ９６の参照二値化データＤ_i,jを読
み取る。更に、基準二値化データＲ_i,jに基づいて切削
工具２４が正常なときの高温部分に相当する面積ＡＲを
演算すると共に、参照二値化データＤ_i,jに基づいて切
削加工継続中における切削工具２４の高温部分の面積Ａ
ＲＣを演算して、これらの相対面積比ＡＲＣ／ＡＲを求
める。そして、相対面積比ＡＲＣ／ＡＲの値が、予め決
められたしきい値Ｔ_ARC/ARよりも大きくなったときに、
切削工具２４に異常が発生したと判定する。

【００８９】かかる異常解析処理を行うと、切削加工の
比較的初期の時点、即ち、切削工具２４が正常なときの
刃先すくい面の二次元温度分布は、図９（ａ）に示す如
く、高温部分が比較的矩形状であり且つその面積ＡＲは
小さく、一方、切削加工を更に継続していくと、同図
（ｂ）に示す如く、切削工具２４の高温部分の幅Ｗが拡
大していきその面積ＡＲＣが大きくなるので、相対面積
比ＡＲＣ／ＡＲを所定のしきい値Ｔ_ARC/ARと比較するこ
とにより、切削工具２４の摩耗状態及び異常摩耗等を判
定することができる。

【００９０】図１３は、この第１の異常解析処理の有効
性を確認するために成された実験結果を示している。同
図上段は、切削加工の時間経過に伴う切削工具２４の摩
耗状況を銀塩フィルムカメラにて撮影して得られた画像
をトレースしたものであり、同図下段は、本実施の形態
に係る異常検出装置にて得られた画素温度データＣＰ
_i.jに基づく二次元温度分布の印字画像を示したもので
あり、両者とも時間的に同期が取られている。

【００９１】また、下表１は、図１３に示す切削工具２
４の摩耗の程度に合わせて、実測した相対面積比ＡＲＣ
／ＡＲの時間変化を示している。

【００９２】

【表１】

【００９３】尚、切削条件は、次のように設定した。切削工具２４の条件は、材質：サーメツト、形状：ＣＮ
ＭＧ４２２（ブレーカ付き）、ホルダー：ＰＣＬＮＬ３
２２５−４３。被削材２２の条件は、材質：ＳＣＭ４１
５。切削速度の条件は、１５０ｍ／ｍｉｎ。送り速度の
条件は、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．断続部の幅は、１５ｍ
ｍ。温度のしきい値Ｔ_HLは、５００℃。

【００９４】図１３から明らかなように、時間の経過に
伴って切削工具２４の刃先すくい面の摩耗範囲とその摩
耗深さが内部に向かって拡大していくにつれて（同図上
段参照）、二次元温度分布も同様に拡大していき（同図
下段参照）、各経過時点において最も高温度Ｔpとなる
箇所も摩耗範囲の拡大と共に、刃先の先端部分から内部
に向かって移っていく。そして、上記表１から明らかな
ように、相対面積比ＡＲＣ／ＡＲが例えば、約３．５倍
を超えたときに異常発生と判断することで、事故の発生
等を未然に防止することができることが確認された。即
ち、異常解析回路１００に設定するしきい値Ｔ_ARC/ARを
例えば３．５にすることにより、切削工具２４の異常発
生を判定することができる。

【００９５】（第２の異常解析処理）第２の異常解析処
理では、上記第１の異常解析処理で得られる相対面積比
ＡＲＣ／ＡＲの期間経過ｔに伴う変化について回帰分析
法を適用し、その変化傾向から求まる推定相対面積比が
上記所定のしきい値Ｔ_ARC/ARに到達するまでの推定時間
を演算することによって、切削工具２４が破損状態に陥
るまでの残り寿命時間を推定する。

【００９６】この異常解析処理の原理を図１２に基づい
て詳述すると、時間経過ｔに伴う相対面積比ＡＲＣ
（ｔ）／ＡＲを求めてプロットし、現時点ｔsまでのこ
の相対面積比ＡＲＣ（ｔ）／ＡＲの複数データに基づい
て例えば回帰直線を求める。そして、この回帰直線にお
ける推定相対面積比の値が予め決められたしきい値Ｔ
_ARC/ _ARよりも大きくなるときの時点ｔ_xを推定し、現時
点ｔsと推定時点ｔxの時間差（ｔ_x−ｔ_s）を切削工具２
４の残り寿命時間と推定する。

【００９７】したがって、この異常解析処理によれば、
切削工具２４の残り寿命時間が予め求まるので、工具異
常に伴う事故の発生を未然に防止することができる。例
えば図１２の実験結果によれば、切削加工を開始してか
ら１０分経過した時点ｔsでの残り寿命時間を、約７．
５分と推定することができる。

【００９８】（第３の異常解析処理）第３の異常解析処
理では、前述した如く、撮像部Ａと切削状態検出部Ｂ及
び解析部Ｃにより切削加工中の切削工具２４の二次元温
度分布のデータＣＰ_i,jを測定し、バッファメモリ９２
に基準二値化データＲ_i,jが格納された後、バッファメ
モリ９６にフレーム周期に同期して参照二値化データＤ
_i,jが順次に格納されると、特徴情報計算回路９８が、
そのフレーム周期に同期して、バッファメモリ９２の基
準二値化データデータＲ_i,jとバッファメモリ９６の参
照二値化データＤ_i _,jを読み取る。更に、図９（ａ）に
示す如く、基準二値化データＲ_i,jに基づいて切削工具
２４が正常なときの高温部分の縦Ｈと横Ｗとの縦横比Ｈ
Ｗ（＝Ｈ／Ｗ）を求め、これを基準の縦横比とする。ま
た、図９（ｂ）に示す如く、参照二値化データＤ_i,jに
基づいて切削加工継続中における切削工具２４の高温部
分の縦横比ＨＷＣ（＝Ｈ／Ｗ）を求めると共に、これら
の相対縦横比ＨＷＣ／ＨＷを求める。そして、相対縦横
比ＨＷＣ／ＨＷが予め決められたしきい値Ｔ_HWC/HWより
も小さくなったときに、切削工具２４に異常が発生した
と判定する。

【００９９】下表２は、異常判定の有効性を確認するた
めに、相対縦横比ＨＷＣ／ＨＷの時間経過に伴う変化を
実測したものである。尚、切削条件は前記第１の異常解
析処理と同様に設定した。

【０１００】

【表２】

【０１０１】同表２から明らかなように、切削工具２４
の摩耗が進行するにつれて相対縦横比ＨＷＣ／ＨＷの値
が次第に小さくなる。そこで、異常解析回路１００に設
定するしきい値Ｔ_HWC/HWを例えば０．３２に設定し、Ｈ
ＷＣ／ＨＷがしきい値Ｔ_HWC/ _HWより小さくなったとき
に、切削工具２４に異常が発生したと判定することがで
きる。

【０１０２】（第４の異常解析処理）この第４の異常解
析処理では、上記第３の異常解析処理と同様にして得ら
れる相対縦横比ＨＷＣ／ＨＲの期間経過ｔに伴う変化に
ついて回帰分析法を適用し、その変化傾向から求まる推
定縦横比が上記所定のしきい値Ｔ_HWC/HWに到達するまで
の推定時間を演算することによって、切削工具２４が破
損状態に陥るまでの残り寿命時間を推定する。即ち、図
１２に基づいて説明した相対面積比比ＡＲＣ／ＡＲの回
帰直線と同様に、相対縦横比ＨＷＣ／ＨＲの回帰直線を
求め、その回帰直線における推定縦横比の値がしきい値
Ｔ_HWC/HWに到達するまでの推定時間と現時点との時間差
を切削工具２４の残り寿命時間と予測することができ
る。

【０１０３】（第５の異常解析処理）この第５の異常解
析処理では、前述した如く、撮像部Ａと切削状態検出部
Ｂ及び解析部Ｃにより切削加工中の切削工具２４の二次
元温度分布のデータＣＰ_i,jを測定し、バッファメモリ
９２に基準二値化データＲ_i,jが格納された後、バッフ
ァメモリ９６にフレーム周期に同期して参照二値化デー
タＤ_i,jが順次に格納されると、特徴情報計算回路９８
が、そのフレーム周期に同期して、バッファメモリ９２
の基準二値化データデータＲ_i,jとバッファメモリ９６
の参照二値化データＤ_i,jを読み取る。更に、基準二値
化データＲ_i,jに基づいて切削工具２４が正常なときの
高温部分の幅Ｗを求め、この幅Ｗよりも大きな所定値を
しきい値Ｔ_Wとする。また、参照二値化データＤ_i,jに基
づいて切削加工継続中における切削工具２４の高温部分
の幅ＷＣを求める。そして、幅ＷＣが上記しきい値Ｔ_W
よりも大きくなったときに切削工具２４に異常が発生し
たと判定する。

【０１０４】この異常解析処理によれば、特に切削工具
２４の刃先逃げ面に生じる異常摩耗等を判定することが
できる。即ち、図１０（ａ）に示す如く切削工具２４が
正常な場合での刃先逃げ面の高温部分の幅Ｗに較べて、
図１０（ｂ）に示す如く切削工具２４の摩耗等が進行し
たときのその高温部分の幅ＷＣが拡大する。また、正常
時の高温部分の面積ＡＲよりも摩耗進行状態での高温部
分の面積ＡＲＣが大きくなる。したがって、高温部分幅
ＷＣとしきい値Ｔ_Wとを対比することにより、切削工具
２４の刃先逃げ面における異常発生を判定することがで
きる。

【０１０５】図１４は、この第５の異常解析処理の有効
性を確認するために成された実験結果を示している。同
図上段は、切削加工の時間経過に伴う刃先逃げ面の摩耗
状況を銀塩フィルムカメラにて撮影して得られた画像を
トレースしたものであり、同図下段は、本実施の形態に
係る異常検出装置にて得られた画素温度データＣＰ_i. _j
に基づく二次元温度分布の印字画像を示したものであ
り、両者とも時間的に同期が取られている。

【０１０６】また、下表３は、図１４に示す切削工具２
４の摩耗の程度に合わせて実測した高温部分の幅ＷＣの
時間変化を示している。

【０１０７】

【表３】

【０１０８】尚、切削条件は、次のように設定した。切削工具２４の条件は、材質：超硬コーティング工具、
形状：ＣＮＭＧ４２２（ブレーカ付き）、ホルダー：Ｐ
ＣＬＮＬ３２２５−４３。被削材２２の条件は、材質：
ＳＣＭ４３５。切削速度の条件は、１５０ｍ／ｍｉｎ。
送り速度の条件は、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．断続部の幅
は、１．５ｍｍ。温度のしきい値Ｔ_HLは、６００℃。

【０１０９】図１４から明らかなように、時間の経過に
伴って切削工具２４の刃先逃げ面の摩耗範囲とその摩耗
深さが内部に向かって拡大していくにつれて（同図上段
参照）、二次元温度分布も同様に拡大していき（同図下
段参照）、特に、逃げ面摩耗の場合には、切削工具２４
の下面方向に向かって摩耗が進行する傾向があるので、
高温部分の幅ＷＣに基づいて異常発生の有無を判定する
ことができることが確認された。

【０１１０】また、上記表３によれば、切削工具２４の
刃先逃げ面の摩耗幅拡大に伴って得られる高温部分の幅
ＷＣがしきい値Ｔ_W（＝０．２５５ｍｍ）より大きくな
ったときに異常発生と判定することにより、事故の発生
等を未然に防止することができる。

【０１１１】（第６の異常解析処理）この第６の異常解
析処理では、上記第５の異常解析処理と同様にして得ら
れる刃先逃げ面の高温部分の幅ＷＣの期間経過ｔに伴う
変化について回帰分析法を適用し、その変化傾向から求
まる推定幅が上記所定のしきい値Ｔ_Wに到達するまでの
推定時間を演算することによって、切削工具２４が破損
状態に陥るまでの残り寿命時間を推定する。即ち、図１
２に基づいて説明した相対面積比比ＡＲＣ／ＡＲの回帰
直線と同様に、刃先逃げ面の高温部分の幅ＷＣの回帰直
線を求め、その回帰直線における推定幅の値がしきい値
Ｔ_Wに到達するまでの推定時間と現時点との時間差を切
削工具２４の残り寿命時間と予測することができる。

【０１１２】（第７の異常解析処理）この第７の異常解
析処理では、前述した如く、撮像部Ａと切削状態検出部
Ｂ及び解析部Ｃにより切削加工中の切削工具２４の二次
元温度分布のデータＣＰ_i,jを測定し、バッファメモリ
９２に基準二値化データＲ_i,jが格納された後、バッフ
ァメモリ９６にフレーム周期に同期して参照二値化デー
タＤ_i,jが順次に格納されると、特徴情報計算回路９８
が、そのフレーム周期に同期して、バッファメモリ９２
の基準二値化データデータＲ_i,jとバッファメモリ９６
の参照二値化データＤ_i,jを読み取る。更に、図１１
（ａ）に示す如く、基準二値化データＲ_i,jに基づいて
切削工具２４が正常なときの高温部分の形状を基準パタ
ーンＡＲとして記憶する。また、図１１（ｂ）に示す如
く、参照二値化データＤ_i,jに基づいて切削加工継続中
における切削工具２４の高温部分の参照形状ＡＲＣを求
め、基準パターンＡＲと参照形状ＡＲＣとをパターンマ
ッチング法により比較して、一致しない部分の形状を抽
出する。そして、この抽出された形状の輪郭を演算し、
鋭利な突起部分ｑ１，ｑ３等と括れた部分ｑ２等を抽出
し、これらの鋭利な突起部分と括れた部分とが抽出され
ると、切削工具２４に境界摩耗が発生したとして異常判
定する。

【０１１３】図１５は、この第７の異常解析処理の有効
性を確認するために成された実験結果を示している。同
図上段は、切削加工の時間経過に伴う刃先すくい面の摩
耗状況を銀塩フィルムカメラにて撮影して得られた画像
をトレースしたものであり、同図下段は、本実施の形態
に係る異常検出装置にて得られた画素温度データＣＰ
_i.jに基づく二次元温度分布の印字画像を示したもので
あり、両者とも時間的に同期が取られている。尚、切削
条件は、次のように設定した。

【０１１４】切削工具２４条件は、材質：セラミック工
具、形状：ＳＮＭＮ４３３（ブレーカなし）。

【０１１５】被削材２２の条件は、材質：ＦＣ２５０。
切削速度の条件は、１５０ｍ／ｍｉｎ。送り速度の条件
は、０．２ｍｍ／ｒｅｖ。断続部の幅は、１．５ｍｍ。
温度のしきい値Ｔ_HLは、５００℃。

【０１１６】図１５から明らかなように、時間の経過に
伴って切削工具２４の刃先すくい面に、鋭利な部分と括
れた部分を有する高温部分を計測することができ、境界
線データｑ１，ｑ２，ｑ３等に基づいて境界摩耗の発生
を判定することが有効であることが確認された。

【０１１７】（第８の異常解析処理）この第８の異常解
析処理では、前記第７の異常解析処理と同様に、参照二
値化データＤ_i,jに基づいて切削加工継続中における切
削工具２４の高温部分の参照形状ＡＲＣを求め、図１１
（ｂ）に示す如く、この参照形状ＡＲＣ中の鋭利部分ｑ
１の幅ＷＣを抽出する。そして、この幅ＷＣが予め決め
られたしきい値Ｔ_Wより大きくなったときに切削工具２
４に境界摩耗による異常が発生したと判定する。

【０１１８】下表４はこの異常解析処理の有効性を確認
するために、境界摩耗に起因する鋭利部分の幅ＷＣの時
間変化を実測したものである。尚、切削条件は第７の異
常解析処理中の説明と等しくした。この表３から明らか
な如く、例えばしきい値Ｔ_Wを１．５ｍｍに設定するこ
とにより、境界摩耗の発生を判定することができること
が確認された。

【０１１９】

【表４】

【０１２０】（第９の異常解析処理）この第９の異常解
析処理では、前記第７の異常解析処理と同様に、参照二
値化データＤ_i,jに基づいて切削加工継続中における切
削工具２４の高温部分の参照形状ＡＲＣを求め、図１１
（ｂ）に示す如く、この参照形状ＡＲＣ中の鋭利部分ｑ
１の時間経過に伴う変化を演算し、回帰分析法により鋭
利部分ｑ１の幅ＷＣの変化に基づいて例えば図１２の如
き回帰直線を求め、この回帰直線における推定幅の値が
予め決められたしきい値Ｔ_Wに到達する間での推定時間
を、切削工具２４の残り寿命時間と予測する。

【０１２１】この異常解析処理によれば、境界摩耗に起
因する切削工具２４の異常発生が生じるまでの時間を予
測するので、事故の発生を未然に防止することができ
る。

【０１２２】（第１０の異常解析処理）この第１０の異
常解析処理においては、第７の異常解析処理と同様に、
切削工具２４が正常なときの基準パターンＡＲと参照二
値化データＤ_i,jに基づく高温部分の参照形状ＡＲＣを
演算し、これら基準パターンＡＲと参照形状ＡＲＣとを
パターンマッチング法によって対比する。そして、基準
パターンＡＲには存在するが、参照形状ＡＲＣにはそれ
に対応するデータＤ_i,jが存在しない部分を検出する
と、その検出箇所の刃先に欠損が発生したと判定する。

【０１２３】かかる異常解析処理によれば、切削工具２
４に欠落した欠損部分が生じると二次元温度分布にもそ
れに対応して大きな変化が生じるので、計測した二次元
温度分布から切削工具２４の欠損異常等を高い確度で推
定することができる。

【０１２４】以上説明したように、この実施の形態によ
れば、各種の異常解析処理機能を備え、これらの異常解
析処理を操作者が適宜に選択することができる。そし
て、各異常解析処理を実行することにより、異常の有無
や異常の状況等を自動的に判定し、更に、記録表示部Ｆ
には、画素温度データＣＰ_i,jによる再生画像や二値化
画素データＤ_i,jによる再生画像、及び異常判定部Ｈの
判定結果のデータがリアルタイム表示される。このよう
に、視覚的に異常の有無等を表示するので、操作者にと
って、異常の有無やそれに対する処理を迅速適格に判断
することが可能になる。

【０１２５】尚、この第１の実施の形態では、回帰分析
法を適用して工具の寿命時間を推定することにしたが、
ニューラルネットワークを適用する等、他の統計手法を
用いてもよい。ニューラルネットワークを用いれば、非
線形性をもつような複雑な解析も簡便に行うことが可能
となる。

【０１２６】（第２の実施の形態）次に、本発明の異常
検出装置に係る他の実施の形態を図面と共に説明する。

【０１２７】図１６は、異常検出装置の構成を示す。
尚、同図中、撮像部Ａ、切削状態検出部Ｂ、解析部Ｃ中
の露出同期設定部Ｄと画像入力部Ｅと録再表示部Ｆ及び
信号処理部Ｇは、図６中に同一符号にて示す各構成要素
と同じであるので、この実施の形態特有の構成要素を説
明する。

【０１２８】図１６において、解析部Ｃには異常判定部
Ｉが備えられ、マルチプレクサ回路７８に接続された第
１，第２の最高温度探索回路１０２，１０４と、バッフ
ァメモリ１０４、異常解析回路１０８及び警報機１１０
が備えられている。

【０１２９】第１の最高温度探索回路１０２は、マルチ
プレクサ回路７８を介して転送されてくる１フレーム画
相当の画素温度データＣＰ_i,j中から最高温度を表すデ
ータ（以下、基準最高温度データと呼ぶ）ＤＰ_maxを検
索し、バッファメモリ１０４に記憶させる。

【０１３０】第２の最高温度探索回路１０６も同様に、
マルチプレクサ回路７８を介して転送されてくる１フレ
ーム画相当の画素温度データＣＰ_i,j中から最高温度を
表すデータ（以下、参照最高温度データと呼ぶ）ＣＰ
_maxを検索する。

【０１３１】ただし、後述するように、マルチプレクサ
回路７８は、実際の切削加工の開始後しばらく経過した
時、即ち、切削工具２４が未だ摩耗等を生じていない正
常な状態の時に第１の最高温度探索回路１０２側に切換
わり、そのときに得られる画素温度データＣＰ_i,jを第
１の最高温度探索回路１０２へ供給する。したがって、
バッファメモリ１０４には、切削工具２４が正常な時に
最高温度になる部分及びその最高温度を表す基準最高温
度データＤＰ_maxが記憶される。

【０１３２】一方、上記基準最高温度データＤＰ_maxが
バッファメモリ１０４に格納された後に、マルチプレク
サ回路７８が第２の最高温度探索回路１０６側に切換わ
り、画素温度データＣＰ_i,jを第２の最高温度探索回路
１０６へ供給する。したがって、第２の最高温度探索回
路１０６からは、各フレーム周期に同期して、切削工具
２４の各フレーム画像毎の参照最高温度データＣＰ_max
が出力される。

【０１３３】また、バッファメモリ１０４に格納された
基準最高温度データＤＰ_i,jはフレームメモリ８０にも
転送されて表示部８２にて再生表示させたり、記録再生
回路８４を介してハードディスク（ＨＤ）等の記録媒体
に記憶させるようになっている。

【０１３４】異常解析回路１０８は、バッファメモリ１
０４に格納されている基準最高温度データＤＰ_i,jと第
２の最高温度探索回路１０６から出力される参照最高温
度データＣＰ_i,jとを対比することにより、切削工具２
４の異常発生の有無等を判定すると共に、異常判定の結
果を警報機１１０に供給することによって警報等を行わ
せたり、フレームメモリ８０を介して表示部８２に異常
の有無を表示させたり、記録再生回路８４を介してハー
ドディスク（ＨＤ）等の記録媒体に記憶させる。

【０１３５】異常解析回路１０８は、次のような種々の
異常解析機能を備えており、操作者が入力装置６３及び
中央制御回路６２を介してこれら複数の解析処理の内の
一つを選択的に指定したり、複数の解析処理を指定する
ことができるようになっている。

【０１３６】以下、これら複数種類の異常解析処理の内
容を個々に説明する。

【０１３７】（第１の異常解析処理）前述した如く、撮
像部Ａと切削状態検出部Ｂ及び解析部Ｃにより切削加工
中の切削工具２４の二次元温度分布のデータＣＰ_i,jを
測定し、バッファメモリ１０４に基準最高温度データＤ
Ｐ_maxが格納された後、第２の最高温度探索回路１０６
からフレーム周期毎に参照最高温度データＣＰ_maxが出
力されると、異常解析回路１０８は、参照最高温度ＣＰ
_maxが基準最高温度データＤＰ_maxの所定倍率ｋの値を超
えたときに異常発生と判定する。換言すれば、基準最高
温度データＤＰ_maxの所定倍率ｋの値をしきい値Ｔ_maxと
し、参照最高温度ＣＰ_maxがこのしきい値Ｔ_maxを超えた
時に切削工具２４に異常が発生したと判定する。そし
て、この判定結果に基づいて警報機１１０に警報させた
り、フレームメモリ８０を介して表示部８２に警報内容
を表示させたり、記憶再生回路８４を介して異常判定結
果をハードディスク（ＨＤ）等の記録媒体に記憶させ
る。

【０１３８】下表５は、この異常解析処理の有効性を確
認するために実測した、切削工具２４の最高温度の時間
経過を伴う変化を示したものである。尚、切削条件は、
図１４に示す実験時と同じに設定した。

【０１３９】

【表５】

【０１４０】同表から明らかな如く、参照最高温度デー
タＣＰ_maxによる最高温度が約７４０℃を超えると異常
と判定することが確認された。したがって、切削工具２
４が正常の時の温度（表中、６４９℃）に対して倍率ｋ
を約１．１４倍に設定することにより、異常判定のため
のしきい値Ｔ_maxを約７４０℃とすることが効果的であ
る。

【０１４１】また、この異常解析処理によれば、特に切
削工具２４の刃先逃げ面の摩耗異常を判定するのに有効
であることが確認された。

【０１４２】（第２の異常解析処理）この第２の異常解
析処理では、この実施の形態に係る上記第１の異常解析
処理と同様に、第２の最高温度探索回路１０６によっ
て、フレーム周期毎に時間経過に伴う参照最高温度デー
タＣＰ_maxを求め、図１２に示したのと同様に、回帰分
析法によりこれらの参照最高温度データＣＰ_maxの変化
に基づいて例えば回帰直線を演算する。そして、この回
帰直線における推定最高温度の値が予め決められたしき
い値Ｔ_maxに到達するまでの時間を現時点からの残り寿
命時間と推定する。

【０１４３】この異常解析処理によれば、切削工具２４
の残り寿命時間を予測するので、事故の発生等を未然に
防止することができる。

【０１４４】尚、この第２の実施の形態でも、回帰分析
法を適用して工具の寿命時間を推定することとしたが、
ニューラルネット法等の他の統計手法を用いてもよい。

【０１４５】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
切削工具の摩耗状況や寿命時間をリアルタイムで検知す
ることができるので、切削工具の交換時期を判断した
り、事故の発生を未然に防止したり、加工不良の発生を
未然に防止することができる等の効果が得られる。特
に、切削工具の刃先の摩耗範囲及びその深さが次第に拡
大していく所謂クレータ摩耗、所謂逃げ面摩耗、所謂境
界摩耗などのこれまでインプロセス検出の困難であった
種類の摩耗を容易に測定することができるという優れた
効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次元温度分布測定の原理を説明するための説
明図である。

【図２】二次元温度分布測定の原理を更に説明するため
の説明図である。

【図３】温度分布計測装置の概略構成を示す説明図であ
る。

【図４】切削状態検出部の構成例を示す説明図である。

【図５】切削状態検出部の他の構成例を示す説明図であ
る。

【図６】本発明の一実施の形態の構成を示すブロック図
である。

【図７】露出同期設定部の動作を説明するためのタイミ
ングチャートである。

【図８】信号処理部の動作及び露出温度を予測するため
の原理を説明するための説明図である。

【図９】切削工具のすくい面の異常摩耗等を判定するた
めの原理を説明するための説明図である。

【図１０】切削工具の逃げ面の異常摩耗等を判定するた
めの原理を説明するための説明図である。

【図１１】切削工具の境界摩耗等を判定するための原理
を説明するための説明図である。

【図１２】切削工具の残り寿命時間を予測するための原
理を説明するための説明図である。

【図１３】二次元温度分布と光学映像とを対比して示す
実測結果の図である。

【図１４】二次元温度分布と光学映像とを対比して示す
他の実測結果の図である。

【図１５】二次元温度分布と光学映像とを対比して示す
他の実測結果の図である。

【図１６】本発明の他の実施の形態の構成を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

Ａ…撮像部、Ｂ…切削状態検出部、Ｃ…解析部、Ｄ…露
出同期設定部、Ｅ…画像入力部、Ｆ…録再表示部、Ｇ‥
信号処理部、Ｈ，Ｉ…異常判定部、２２…被削材、２２
ｓ…断続部、２４…切削工具、７６…画素温度データ換
算回路、８８…温度分布演算回路、９０，９４…二値化
回路、９２，９６，１０４…バッファメモリ、９８…特
徴情報計算回路、１００，１０８…異常解析回路、１０
２，１０６…最高温度探索回路、１１０…警報機。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】切削加工中における切削工具の二次元温
度分布を測定する二次元温度分布測定手段と、前記二次元温度分布測定手段により得られた二次元温度
分布のデータを所定のしきい値と比較することにより、
前記切削工具の高温部分と低温部分との形状を表す二値
化された二次元温度分布のデータを形成する二値化手段
と、前記高温部分の形状を表す二値化された二次元温度分布
のデータに基づいて前記切削工具の異常を判定する異常
判定手段と、を具備することを特徴とする切削工具の異
常検出装置。
【請求項２】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高温部
分の面積を演算すると共に、前記高温部分の面積と予め
決められた基準面積との相対面積比を演算し、前記相対
面積比の値が所定のしきい値を超えると異常と判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の切削工具の異常検出
装置。
【請求項３】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高温部
分の面積を演算すると共に、前記高温部分の面積と予め
決められた基準面積との時間経過に伴う相対面積比の変
化を演算し、回帰分析法により前記相対面積比の変化に
基づいて推定した推定相対面積比の値が所定のしきい値
に到達するまでの推定時間を求め、前記推定時間に基づ
いて前記切削工具の残り寿命時間を予測することを特徴
とする請求項１に記載の切削工具の異常検出装置。
【請求項４】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高温部
分の縦横比を演算し、前記縦横比の値と予め決められた
基準の縦横比の値との相対比の値が所定のしきい値を超
えると異常と判定することを特徴とする請求項１に記載
の切削工具の異常検出装置。
【請求項５】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高温部
分の縦横比を演算すると共に、前記縦横比と予め決めら
れた基準の縦横比との時間経過に伴う相対比の変化を演
算し、回帰分析法により前記相対比の変化に基づいて推
定した推定相対比の値が所定のしきい値に到達するまで
の時間を求め、前記推定時間に基づいて前記切削工具の
残り寿命時間を予測することを特徴とする請求項１に記
載の切削工具の異常検出装置。
【請求項６】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高温部
分の幅を演算し、前記幅が所定のしきい値を超えると異
常と判定することを特徴とする請求項１に記載の切削工
具の異常検出装置。
【請求項７】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータに基づいて前記高温部
分の幅の時間経過に伴う変化を演算し、回帰分析法によ
り前記幅の時間変化に基づいて推定した推定幅の値が所
定のしきい値に到達するまでの推定時間を求め、前記推
定時間に基づいて前記切削工具の残り寿命時間を予測す
ることを特徴とする請求項１に記載の切削工具の異常検
出装置。
【請求項８】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータと予め決められたパタ
ーンデータとをパターンマッチングし、前記高温部分の
形状を表す二次元温度分布のデータから鋭利な突起形状
と括れた形状とを検出すると、前記切削工具に境界摩耗
が発生したと判定することを特徴とする請求項１に記載
の切削工具の異常検出装置。
【請求項９】前記異常判定手段は、前記高温部分の形
状を表す二次元温度分布のデータと予め決められたパタ
ーンデータとをパターンマッチングし、前記高温部分の
形状を表す二次元温度分布のデータから鋭利な突起形状
を検出すると共に、前記突起形状の幅が所定のしきい値
を超えると異常と判定することを特徴とする請求項１に
記載の切削工具の異常検出装置。
【請求項１０】前記異常判定手段は、前記高温部分の
形状を表す二次元温度分布のデータと予め決められたパ
ターンデータとをパターンマッチングし、前記高温部分
の形状を表す二次元温度分布のデータから鋭利な突起形
状の幅の時間経過に伴う変化を演算し、回帰分析法によ
り前記突起形状の幅の変化に基づいて推定した推定幅の
値が所定のしきい値に到達するまでの推定時間を求め、
前記推定時間に基づいて前記切削工具の残り寿命時間を
予測することを特徴とする請求項１に記載の切削工具の
異常検出装置。
【請求項１１】前記異常判定手段は、前記切削工具の
形状を表す二次元温度分布のデータと予め決められたパ
ターンデータとをパターンマッチングし、前記予め決め
られたパターンデータに対応する前記二次元温度分布の
データが欠落している部分を、前記切削工具の欠損部分
と判定することを特徴とする請求項１に記載の切削工具
の異常検出装置。
【請求項１２】切削加工中における切削工具の二次元
温度分布を測定する二次元温度分布測定手段と、前記二次元温度分布測定手段により得られた二次元温度
分布内の最高温度を探索する手段と、前記最高温度の変化に基づいて前記切削工具の異常を判
定する異常判定手段と、を具備することを特徴とする切
削工具の異常検出装置。
【請求項１３】前記異常判定手段は、前記二次元温度
分布内の最高温度が予め決められた所定のしきい値を超
えると異常と判定することを特徴とする請求項１２に記
載の切削工具の異常検出装置。
【請求項１４】前記異常判定手段は、前記二次元温度
分布内の最高温度の時間経過に伴う変化を演算し、回帰
分析法により前記最高温度の変化に基づいて推定した推
定最高温度が所定のしきい値に到達するまでの推定時間
を求め、前記推定時間に基づいて前記切削工具の残り寿
命時間を予測することを特徴とする請求項１２に記載の
切削工具の異常検出装置。
【請求項１５】前記異常判定手段は、前記異常を判定
すると異常発生を示す警報信号を出力することを特徴と
する請求項１又は請求項１２に記載の切削工具の異常検
出装置。
【請求項１６】前記二次元温度分布測定手段は、前記切削加工中に、前記切削工具と被削材とを接触させ
ることにより実質的な切削期間と、前記切削工具と前記
被削材とを離すことにより実質的な非切削期間とを設定
する切削状態設定手段と、前記非切削期間中に前記切削工具を撮像する撮像手段
と、前記撮像手段により得られる画像データを温度成分の画
像温度データに換算するデータ換算手段と、前記画像温度データに基づいて前記非切削期間中の時間
経過に伴う前記切削工具の冷却特性を演算し、前記冷却
特性に基づいて前記切削期間と前記非切削期間との切替
り時点における前記切削工具の前記二次元温度分布のデ
ータを推定演算する温度分布演算手段と、を具備するこ
とを特徴とする請求項１又は請求項１２に記載の切削工
具の異常検出装置。