JPH10296589A - ドリル切損予知装置及びドリル切損予知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ドリルの切損を予知する 【解決手段】ひとつのドリルにより多数の穴を穿設加工
する際に、該ドリルに作用する切削抵抗の変化を、個別
の穴加工の加工開始時から０．２秒に達するまで捕捉し
て生成した切削抵抗変化関数を、該ドリルによる穿設穴
数が少ない３０穴目の基準状態と、その後の個別の穴加
工毎の実加工状態についてそれぞれ生成し、個別の穴加
工の加工開始時から０．２秒に達するまでの時間におい
て、実加工状態における切削抵抗変化関数が基準状態の
切削抵抗変化関数に対して所定値以上変動している場合
に、当該ドリルの切損の危険がるものと判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、実際に切損が生じる前
にドリルの切損を予知するドリル切損予知装置及びドリ
ル切損予知方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ドリルの摩耗による切損の検出又
は予知方法としては、工具交換時にドリルの長さを計測
し、加工前に測定した長さと比較して切損を検出する方
法や、ドリルが摩耗するにことにより、切削負荷が増大
するが、その切削負荷が所定の設定値を超えた場合に、
切損の危険ありとして検知する方法、更には、ドリルに
特殊なセンサを装着して、ドリルに作用する切削負荷を
検出して、当該切削負荷が所定値に達したところで、切
損の危険ありとして検知する方法等が用いられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、工具交換時に
ドリルの長さを計測し、加工前に測定した長さと比較し
て切損を検出する方法は、実際にドリルの切損が生じな
い限り検出できないことから、ドリルの切損時に必ず不
良ワークか発生する不都合があり、ドリルの摩耗に伴う
切削負荷の増大を検出する方法は、工具の形状、径、突
き出し量等により、切損の危険があるとされる設定値が
異なり、適切な設定値により切損を予知することが困難
なことが多い。また、ドリルに特殊なセンサを装着する
方法は、ドリルごとにセンサを装着させる必要があり、
センサの装着工程が新たに必要なり、きわめて煩雑な作
業となる欠点がある。

【０００４】本発明は、上記事情に鑑み、特別なセンサ
を必要とせず、工具の形状や、径、突き出し量等に左右
されること無く、実際にドリルが切損する前にその切損
を予知することが可能なドリル切損予知装置及びドリル
切損予知方法を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の内、請求
項１の発明は、主軸駆動モータ（１２）及び該主軸駆動
モータ（１２）により回転駆動される主軸（１４）を有
し、該主軸（１４）にドリル（１３）を着脱交換自在に
設け、該ドリル（１３）によりワーク（１５）にドリル
穴（１５ａ）を多数穿設加工する工作機械において、前
記主軸駆動モータの駆動電流から該主軸駆動モータの主
軸トルクを検出する主軸トルク検出部を有し、前記ドリ
ル（１３）により個別の穴加工をする際に、該穴加工の
加工開始から所定の時間内における、該ドリル（１３）
に作用する切削抵抗の変化を前記主軸駆動モータの主軸
トルクの変化として捕捉し、主軸トルク変化関数（ＴＦ
１、ＴＦ）を生成する主軸トルク変化関数生成部（９）
を有し、前記主軸トルク変化関数生成部９により生成さ
れた前記ドリル（１３）の穿設穴数が少ない状態での主
軸トルク変化関数をトルク変化モデル関数（ＴＦ１）と
して格納する関数メモリ（７）を有し、前記関数メモリ
（７）内に格納されたトルク変化モデル関数（ＴＦ１）
と、その後の当該ドリル（１３）による個別の穴の穿設
動作において主軸トルク変化関数生成部（９）により生
成される主軸トルク変化関数を比較し、該主軸トルク変
化関数がトルク変化モデル関数（ＴＦ１）に対して所定
値以上変動している場合に、警報信号（ＷＳ）を出力す
る切損予知判定部（６）設けて構成される。

【０００６】また、本発明の内、請求項２の発明は、主
軸トルク変化関数生成部（９）は、個別の穴の穴加工の
加工開始から０．２秒間における、ドリル（１３）に作
用する切削抵抗の変化を前記主軸駆動モータの主軸トル
クの変化として捕捉し、主軸トルク変化関数（ＴＦ１、
ＴＦ）を生成する主軸トルク変化関数生成部（９）であ
るように構成される。

【０００７】また、本発明の内、請求項３の発明は、ひ
とつのドリルにより多数の穴を穿設加工する際に、該ド
リルに作用する個別の穴加工毎の切削抵抗の変化を、該
個別の穴加工における加工開始時から所定の時間に達す
るまで捕捉して生成した切削抵抗変化関数（ＴＦ１、Ｔ
Ｆ）を、該ドリルによる穿設穴数が少ない状態での基準
状態と、その後の穴加工毎の実加工状態についてそれぞ
れ生成し、前記個別の穴加工の加工開始時から所定の時
間に達するまでの時間において、実加工状態における切
削抵抗変化関数が基準状態の切削抵抗変化関数に対して
所定値以上変動している場合に、当該ドリルの切損の危
険があるものと判定するように構成される。

【０００８】また、本発明の内、請求項４の発明は、切
削抵抗の変化を、ドリル（１３）を回転駆動する駆動モ
ータ（１２）の駆動電流（ＤＣ）から主軸トルク（Ｔ）
の変化として捕捉するように構成される。

【０００９】また、本発明の内、請求項５の発明は、切
削抵抗変化関数は、個別の穴加工の開始時から０．２秒
までの間の切削抵抗の変化を捕捉して生成するように構
成される。なお、括弧内の番号等は、図面における対応
する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は
図面上の記載に限定拘束されるものではない。以下の
「作用」の欄についても同様である。

【００１０】

【作用】上記した構成により、請求項１及び３の発明
は、ドリル３の切損を実際にドリルが切損する前に予知
することが出来るように作用する。また、請求項２及び
５の発明は、ドリルによる個別の穴加工のごく初期の段
階で切損の予知が可能となるように作用する。また、請
求項４の発明は、切削抵抗の変化の捕捉に際して特殊な
センサ等を必要としないように作用する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１はドリル切損予知装置の一例を示すブロック図
図２は加工穴数による、主軸駆動モータの主軸トルク変
化を示す図、図３は、主軸トルク変化関数の一例を示す
図である。

【００１２】本発明による、ドリル切損予知装置１が適
用された工作機械は、図１に示すように、主制御部２を
有しており、主制御部２にはバス線３を介してディスプ
レイ５、切損予知判定部６、関数メモリ７、主軸トルク
変化関数生成部９、キーボード４、パラメータメモリ
８、加工制御部１０及び主軸トルク検出部１１が接続し
ている。加工制御部１０に及び主軸トルク検出部１１に
は、主軸駆動モータ１２が該主軸駆動モータに接続され
た主軸１４を回転駆動自在なるように接続しており、主
軸１４にはドリル１３が図示しない公知の着脱機構を介
して着脱自在に装着されている。

【００１３】ドリル切損予知装置１は、以上のような構
成を有するので、ドリル１３によりワーク１５に穴明け
加工を行なうには、加工制御部１０は主軸駆動モータ１
２を回転駆動して主軸１４に装着されたドリル１３を所
定の回転数で回転駆動し、図示しない公知の移動機構に
よりドリル１３を矢印Ａ側、即ち、ワーク１５方向に所
定距離移動させて、所定深さｄの穴１５ａを穿設加工す
る。通常この穴１５ａの加工は、連続して多数行われる
が、その際にドリル１３に作用する切削抵抗は、主軸駆
動モータ１２の主軸トルクの変化として観測される。

【００１４】今、例えば、図２に示すように、ワーク１
５の材質としてＳ４５Ｃの鋼材を使用し、ドリル１３と
して直径Ｄが５．０ｍｍの超硬ドリルを用い、加工条件
を、周速Ｖが２００ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆが０．２５
ｍｍ／ｒｅｖで、深さｄが１５ｍｍの穴１５ａを多数穿
設する場合について、その主軸トルクの変化を、加工開
始後３０穴目、１６６５穴目、及びドリルの切損直前の
１８４１穴目について、切削開始から０．５秒間の変化
で見てみる。

【００１５】すると、図からも明らかなように、加工開
始から０．２秒の間で、切損直前の１８４１穴目の主軸
トルク、従ってドリル１３に作用する切削抵抗が大幅に
増大していることが判る。即ち、ドリルの切損直前に
は、ドリル１３の先端がワークに接触して穿設を開始し
た直後において、顕著な主軸トルクの増大が見られるの
である。通常、ドリルが摩耗すると、切削に伴う切粉が
連続しやすくなり、切粉詰まりが穴１５ａ内に生じ、最
終的に切損することが知られているが、切粉詰まりは、
穴底で発生しやすいことから、従来は、加工の途中に穴
底で生じる切粉詰まりに伴う切削抵抗の増大を、主軸ト
ルクの増大として検出し、判定していたが、この判定方
法は、ドリルの形状などに左右されやすい不都合あるこ
とは前述の通りである。

【００１６】しかし、図２に示す結果から、加工開始か
ら０．２秒の間、即ち穴１５ａの入口付近の加工開始時
点において、切損直前においては、加工の途中ばかりで
なく、最初の段階で穴１５ａの入口付近ですでに切粉詰
まりが発生し、切削抵抗が増大していることをが判る。
そして、加工開始から０．２秒の間の穴１５の入口付近
では、加工の最初（初期）である３０穴目や、加工途中
である１６６５個目では、それほどの切削抵抗、従って
主軸トルクの増大が観測されていない。即ち、ドリル１
３による穴明けに際して、穴１５ａの入口付近の切粉詰
まりは、ドリル１３の切損直前の特有な現象であると判
断される。なお、この現象はワークが鉄系の場合に顕著
に表れることが発明者らの実験で判明しているが、鋳物
系のワークではこうした傾向がはっきりと見られない。
そこで、一般的にワークの多数を占める鉄系のワークの
場合、加工開始から０．２秒の間の穴１５ａに入口付近
に生じる切損直前の切粉詰まりによる切削抵抗の増大を
判定することにより、ドリル１３の切損は、当該ドリル
１３によってドリルの切損が生じるであろう穴１３ａの
穿設を開始した直後に、直ちに予知でき、実際の切損が
生じる直前で加工を停止し、新たなドリルと交換するこ
とが可能となる。

【００１７】そこで、ドリル切損予知装置１の主制御部
２は、ドリル１３による加工に際して、当該ドリル１３
の加工の初期（例えば、３０個目の穴を穿設する際）に
おいて、主軸トルク検出部１１に、主軸駆動モータ１２
の駆動電流ＤＣを所定のサンプリング周期で捕捉させ、
該サンプリングされた駆動電流ＤＣから主軸駆動モータ
１２のその時点の主軸トルクＴをそれぞれ演算させ、当
該演算された主軸トルクＴを主軸トルク変化関数生成部
９に出力させる。なお、主軸トルク検出部１１により演
算されるある時点における主軸トルクＴは、すでに述べ
たように、その時点の当該ドリル１３に作用している切
削抵抗に対応している。

【００１８】主軸トルク検出部１１から各サンプリング
毎に演算されて出力される、加工開始から０．２秒まで
の間の主軸トルクＴは全体的には、図２に示すパターン
ＰＴ１となるが、主制御部２は、主軸トルク変化関数生
成部９に、このパターンＰＴ１の加工開始（０秒）から
０．２秒までの０．２秒間を図３に示すように、指数関
数に近似させ、トルク変化モデル関数ＴＦ１を生成し、
関数メモリ７内に格納するように指令する。これを受け
て、主軸トルク変化関数生成部９は、このパターンＰＴ
１の加工開始（０秒）から０．２秒までの０．２秒間を
図３に示すように、指数関数に近似させ、トルク変化モ
デル関数ＴＦ１を生成し、関数メモリ７内に格納する。
こうして、関数メモリ７内にトルク変化モデル関数ＴＦ
１が格納されたところで、主制御部２は、以後、加工制
御部１０がドリル１３により穴明け動作を行なう毎に、
加工開始時から０．２秒間の主軸トルクＴを同様なサン
プリング手法を用いて主軸トルク検出部１１に演算検出
させ、更に、主軸トルク変化関数生成部９に当該サンプ
リングされて求められた主軸トルクＴに対応したトルク
変化関数ＴＦを生成し、切損予知判定部６に出力する。

【００１９】切損予知判定部６は、主軸トルク変化関数
生成部９から出力された、トルク変化モデル関数ＴＦ１
生成以後のドリル穴加工に関するトルク変化関数ＴＦ
と、関数メモリ７内のトルク変化モデル関数ＴＦ１を、
加工開始から０．２秒の間で比較する。また、切損予知
判定部６は、パラメータメモリ８から、オペレータ等が
キーボード４などを介して予め入力していた判定余裕パ
ラメータＡ１を読み出し、関数メモリ７内に格納された
トルク変化モデル関数ＴＦ１に対して図３に示すよう
に、予め一定の範囲で正常範囲ＮＺを設定しておく。

【００２０】そして、主軸トルク変化関数生成部９から
出力される、ドリル１３による穴明け１個ごとのトルク
変化関数ＴＦと関数メモリ７内の正常範囲ＮＺが設定さ
れたトルク変化モデル関数ＴＦ１を比較し、トルク変化
関数ＴＦがトルク変化モデル関数ＴＦ１の正常範囲ＮＺ
内に入っているか、即ち、ドリル１３の穴明け開始動作
直後の切削抵抗が、ドリル切損の危険性のない範囲に収
まっているか否かを判定する。すでに述べたように、穴
明け開始から０．２秒のまでの間は、ドリルが切損直前
の状態になっていない限り、トルク変化関数ＴＦがトル
ク変化モデル関数ＴＦ１の正常範囲ＮＺ内に入っている
ので、切損予知判定部６は何らの警報信号も出力しない
が、ドリル１３が切損の直前の加工サイクルに入り、そ
のトルク変化関数ＴＦが、図３に示すように、トルク変
化モデル関数ＴＦ１の正常範囲ＮＺを、上回る状態にな
ると、直ちに切損警報信号ＷＳを主制御部２に出力す
る。

【００２１】主制御部２は、これを受けて主軸１４に装
着されているドリル１３が、切損直前の状態になってい
ることを認識して、加工制御部１０に対して主軸１４に
装着されているドリル１３によりる加工の中止を指示す
ると共に、ディスプレイ５上に、主軸１４に装着されて
いるドリル１３が切損直前の状態であり、直ちに交換す
べきであることをオペレータに警告する。オペレータ
は、当該警告を受けて主軸１４に装着されている切損直
前のドリル１３を、研磨済みのドリル１３と交換する
が、交換されたドリル１３も切損した状態ではないの
で、再研磨して後の加工に使用することが出来る。

【００２２】上述の実施例は、主軸トルク変化関数生成
部９が、図２に示す主軸駆動モータ１２の加工開始から
０．２秒間の主軸トルクＴの変化曲線を、指数関数に近
似させてトルク変化モデル関数ＴＦ１を生成したが、ト
ルク変化モデル関数ＴＦ１は、指数関数によらずとも、
主軸駆動モータ１２の加工開始から０．２秒間の主軸ト
ルクＴの変動を、切損予知判定部６が明瞭に比較判定可
能な限りどのような関数を用いてもよいことは勿論であ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
主軸駆動モータ１２及び該主軸駆動モータ１２により回
転駆動される主軸１４を有し、該主軸１４にドリル１３
を着脱交換自在に設け、該ドリル１３によりワーク１５
にドリル穴１５ａを多数穿設加工する工作機械におい
て、前記主軸駆動モータの駆動電流から該主軸駆動モー
タの主軸トルクを検出する主軸トルク検出部を有し、前
記ドリル１３により個別の穴加工をする際に、該穴加工
の加工開始から所定の時間内における、該ドリル１３に
作用する切削抵抗の変化を前記主軸駆動モータの主軸ト
ルクの変化として捕捉し、トルク変化モデル関数ＴＦ
１、トルク変化関数ＴＦなどの主軸トルク変化関数を生
成する主軸トルク変化関数生成部９を有し、前記主軸ト
ルク変化関数生成部９により生成された前記ドリル１３
の穿設穴数が少ない状態での主軸トルク変化関数をトル
ク変化モデル関数ＴＦ１として格納する関数メモリ７を
有し、前記関数メモリ７内に格納されたトルク変化モデ
ル関数ＴＦ１と、その後の当該ドリル１３による個別の
穴の穿設動作において主軸トルク変化関数生成部９によ
り生成される主軸トルク変化関数を比較し、該主軸トル
ク変化関数がトルク変化モデル関数ＴＦ１に対して所定
値以上変動している場合に、切損警報信号ＷＳ等の警報
信号を出力する切損予知判定部６設けて構成したので、
ドリル３の切損を実際にドリルが切損する前に予知する
ことが出来、ドリルの切損による不良ワークの発生がな
くなり、極めて利便性に富むほか、特殊なセンサ等を必
要としないので、センサの装着工程などが不要となる。
しかも、ドリルによる特定の加工工程毎にトルク変化モ
デル関数が当該工具固有の関数として生成されるので、
工具の形状や、径、突き出し量等に応じた設定値を予め
準備しておくなどの困難な作業を必要としない。

【００２４】主軸トルク変化関数生成部９は、個別の穴
の穴加工の加工開始から０．２秒間における、ドリル１
３に作用する切削抵抗の変化を前記主軸駆動モータの主
軸トルクの変化として捕捉し、トルク変化モデル関数Ｔ
Ｆ１、トルク変化関数ＴＦなどの主軸トルク変化関数を
生成する主軸トルク変化関数生成部９であるようにする
と、ドリルによる個別の穴加工のごく初期の段階（即
ち、穴の入口の加工の段階）で切損の予知が可能とな
り、迅速な工具交換が可能となり、加工効率の大幅な向
上が可能となる。

【００２５】また、ひとつのドリルにより多数の穴を穿
設加工する際に、該ドリルに作用する個別の穴加工毎の
切削抵抗の変化を、該個別の穴加工における加工開始時
から所定の時間に達するまで捕捉して生成したトルク変
化モデル関数ＴＦ１、トルク変化関数ＴＦなどの切削抵
抗変化関数を、該ドリルによる穿設穴数が少ない状態で
の基準状態と、その後の穴加工毎の実加工状態について
それぞれ生成し、前記個別の穴加工の加工開始時から所
定の時間に達するまでの時間において、実加工状態にお
ける切削抵抗変化関数が基準状態の切削抵抗変化関数に
対して所定値以上変動している場合に、当該ドリルの切
損の危険があるものと判定するように構成すると、実際
のドリルの切損が生じる前の個別の穴の加工の開始時に
切損を予知することが出来、ドリルの切損による不良ワ
ークの発生がなくなり、極めて利便性に富む。しかも、
ドリルによる特定の加工工程毎に切削抵抗変化関数が当
該穿設工程を行なう工具固有の関数として生成されるの
で、工具の形状や、径、突き出し量等に応じた設定値を
予め準備しておくなどの困難な作業を必要としない。

【００２６】切削抵抗の変化を、ドリル１３を回転駆動
する主軸駆動モータ１２などの駆動モータの駆動電流Ｄ
Ｃから主軸トルクＴの変化として捕捉するようにする
と、切削抵抗の変化の捕捉に際して特殊なセンサ等の必
要としないので、センサの装着工程などが不要となる。

【００２７】切削抵抗変化関数は、個別の穴加工の開始
時から０．２秒までの間の切削抵抗の変化を捕捉して生
成するようにすると、ドリルによる個別の穴加工のごく
初期の段階で切損の予知が可能となり、迅速な工具交換
が可能となり、加工効率の大幅な向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ドリル切損予知装置の一例を示すブロック図で
ある。

【図２】加工穴数による、主軸駆動モータのトルク変化
を示す図である。

【図３】主軸トルク変化関数の一例を示す図である。

【符号の説明】

６……切損予知判定部 ７……関数メモリ ９……主軸トルク変化関数生成部 １２……主軸駆動モータ １３……ドリル １４……主軸 １５……ワーク １５ａ……ドリル穴 ＤＣ……駆動電流 Ｔ……主軸トルク ＴＦ……主軸トルク変化関数、切削抵抗変化関数（トル
ク変化関数） ＴＦ１……主軸トルク変化関数、切削抵抗変化関数（ト
ルク変化モデル関数） ＷＳ……警報信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 浩一 愛知県丹羽郡大口町大字小口字乗船１番地 ヤマザキマザック株式会社本社工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸駆動モータ及び該主軸駆動モータによ
   り回転駆動される主軸を有し、 該主軸にドリルを着脱交換自在に設け、 該ドリルによりワークにドリル穴を多数穿設加工する工
   作機械において、 前記主軸駆動モータの駆動電流から該主軸駆動モータの
   主軸トルクを検出する主軸トルク検出部を有し、 前記ドリルにより個別の穴を加工する際に、該穴加工の
   加工開始から所定の時間内における、該ドリル作用する
   切削抵抗の変化を前記主軸駆動モータの主軸トルクの変
   化として捕捉し主軸トルク変化関数を生成する主軸トル
   ク変化関数生成部を有し、 前記主軸トルク変化関数生成部により生成された前記ド
   リルの穿設穴数が少ない状態での主軸トルク変化関数を
   トルク変化モデル関数として格納する関数メモリを有
   し、 前記関数メモリ内に格納されたトルク変化モデル関数
   と、その後の当該ドリルによる個別の穴の穿設動作にお
   いて主軸トルク変化関数生成部により生成される主軸ト
   ルク変化関数を比較し、該主軸トルク変化関数がトルク
   変化モデル関数に対して所定値以上変動している場合に
   警報信号を出力する切損予知判定部設けて構成したドリ
   ル切損予知装置。
2. 【請求項２】主軸トルク変化関数生成部は、個別の穴の
   穴加工の加工開始から０．２秒間における、ドリルに作
   用する切削抵抗の変化を前記主軸駆動モータの主軸トル
   クの変化として捕捉し、主軸トルク変化関数を生成する
   主軸トルク変化関数生成部である請求項１記載のドリル
   切損予知装置。
3. 【請求項３】ひとつのドリルにより多数の穴を穿設加工
   する際に、 該ドリルに作用する個別の穴加工毎の切削抵抗の変化
   を、該個別の穴加工における加工開始時から所定の時間
   に達するまで捕捉して生成した切削抵抗変化関数を、該
   ドリルによる穿設穴数が少ない状態での基準状態と、そ
   の後の穴加工毎の実加工状態についてそれぞれ生成し、 前記個別の穴加工の加工開始時から所定の時間に達する
   までの時間において、実加工状態における切削抵抗変化
   関数が基準状態の切削抵抗変化関数に対して所定値以上
   変動している場合に、当該ドリルの切損の危険があるも
   のと判定するように構成したドリル切損予知方法。
4. 【請求項４】切削抵抗の変化を、ドリルを回転駆動する
   駆動モータの駆動電流から主軸トルクの変化として捕捉
   するようにして構成した請求項３記載のドリル切損予知
   方法。
5. 【請求項５】切削抵抗変化関数は、個別の穴加工の開始
   時から０．２秒までの間の切削抵抗の変化を捕捉して生
   成するようにして構成した請求項３記載のドリル切損予
   知方法。