JPS58500605A - 周期的機械加工をする工作機械の工具の状況を監視する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 周期的機械加工をする工作機械の工具の状況を監視する方法及び装置 本発明は、周期的機械加工をする工作機械例えばミーリングマシンの工具の状況 を監視する方法及び装置に関する。

従来より、機械加工業界に於ては、工作機械又は工具を連続運転する際、工具の 状況、特に工具の摩耗と破損を監視する必要があった。この必要性は、最近工作 機械が小型軽量化され、機械に作用する応力が増加するにつれて増大している。

動力及び速度も又増加しているので、破損に対する時間的余裕も以前程てはなく なっている。

これは、周期的運転をする工作機械すべてに共通する問題である。

本発明の目的は、工作機械に関する上記の問題を除去又は低減することにある。

特に重要なのは、本発明による方法は、根本的に設計変更しなくても既設の工作 機械に適用できることである。

上記の目的は、添付の特許請求の範囲による方法と装置により達成される。

本発明の詳細を、次の添付図面に基づいて説明する。

第１図は、縦旋盤又は旋盤の主軸の概略図である。

第２図は、正常運転下に振動センサの発する電気信号の理想図である。

第８図は、工具に欠陥のある場合に振動センサの発する信号の理想図である。

第４図は、本発明の基本原理を示すブロック図である。

第５図は、本発明の他の実施例のブロック図である。

第６図は、監視システムを電算化するための基本原理を示す図である。

第１図は、例えばミーりングマシン（図示せず）の主軸の概略図である。この主 軸ｌは多数の工具又は切刃２、この場合は４個の切刃２からなる。切刃の数は機 械により、又、加工器や工程により変化することが認められている。しかし、平 易にするため、４個の切刃を有するミーリングマシンについて以下に説明する。

主軸ｌは第１図の矢印の方向に速度ｆをもって回転している。そのため、切刃２ はつぎつぎに連続して加工品を加工する。この場合、加工サイクルは主軸の１回 転からなる。この回転の間、４個の切刃２の各々は加工品から同量のものを切削 する。

正常運転では、即ち、切刃が実質的に同一で、正しく心出しされ、摩耗していな い場合には、４個の切刃２の各々は加工品から同量のものを切削する。これは狙 いどおりの理想的状態である。しかし、切刃２の１個でも不完全（摩耗、破損） であると、不平衡と加工品の異常加工を来たす。不完全な切刃２の切削量は欠陥 のない切刃より少ないので、後続する切刃２には正規より重い負荷がかかる。そ の切刃は、正規の切削量に上乗せして、不完全な切刃が残した分をも切削しなけ ればならないからである。

正常運転と不完全な切刃での運転との上記差異は、振動及び衝撃に於ける差異と なって現われる。これらの差異は、本発明によれば、不完全な切刃を探知するの に利用される。しかし、工具と加工品の係合から生ずる振動は、正常運転で機械 が発生する他の振動とかなり見誤られたり、工具又は加工品と加速度計の間を別 の機械部品により伝達される際に歪曲されるという大問題があった。

そこで、本発明は、極めてノイズが多く、かつ正常運転から生ずる多数の振動を 含んでいる振動の信号の中から、工具と加工品の保合から生ずる信号成分のみを 見わけるという問題を解決せんとするものである。

本発明によれば、振動を計測するために、機械的振動を電気的信号に変換する成 る種のセンサが使用される。

機械の台枠に容易に設置できる加速度計が特に好ましい。

しかし、本発明は、センサの型式及び位置をこれのみに限定するものではない。

例えば、位置表示器又は位置センサも利用できる。位置、速度及び加速度は振動 の別異の現われであって、加速度信号を速度に、更に位置に変換でき、この逆の 変換も可能である。例えば、ミーリングマシンに胸しては、加速度針（ピエゾ電 気式）を例えば供給テーブル上に設置するのが適当であることがわかった。

更に、本発明は、必ずしも（振動）センサを１個だけ使用することに限定される ものてはない、いくつかの（位置、速１度及び加速度）センサを、異なった組合 せで、機械の異なった場所に設置してもよい、しかし、平易にするために、計測 信号の記録用として、１個の加速度針を機械の台枠に配設した場合につき、以下 に説明する。

上記のように、計測の関連部分は、ノイズや正常運転から生ずる信号にかなり見 誤られる。これは、センサにより生成された計測信号は、成る様式の信号処理を しなければ、そのまま使用できないことを意味する。正常運転と不完全な切刃で の運転に対する計測信号の理想図が、第２図と第８図に夫々示されている。しか し、実際の信号は、極めて多くのノイズ及び関連のない信号を含んでいるので、 第２図と第８図に示すビータを見分けることは容易でない。

第２図は、運転サイクル即ち主軸１の１回転に対する計測信号の理想図を示す、 ４個のピークは各工具と加工品の係合から生ずる。第２図は実質的に同一の工具 による正常運転に関するので、これら４個のピークは実質的に同一である。これ は、１期Ｔの信号即ち、町波数Ｘ・ｆの信号が得られることを意味する。ここで Ｘは欠陥のない切刃の数（この場合には４個）である。

第８図は、不完全な切刃の場合に対応する計測信号の理想図を示す。不完全な切 刃と加工品の係合に対応するピークは、符号鳳で示されている。この切刃は不完 全であるから、加工品に所定型で到達せず、従って切削量が減少する。係合は前 はど強くはない。即ち、振巾はより小さくなる。この結果、後続する切刃２の切 削量は増加する。正常運転下での切削量に、先行の不完全な切刃が残した分が加 わるからである。これは、Ｉｇｇｏのより高い振巾すかられかるように、加工品 とのより強い保合となって現われる。

第２図と第８図を対比するに、第８図の信号波形の周期は、第２図の周期Ｔの４ 倍となっている。換言すれば、第８図の信号波形の基本８波数はｆであり、他方 、第２図の信号波形の基本同波数は４ｆである。これらの記述は、どちらかとい えば理想化したものである。実際には、第２図と正確に同一のピークは得られな い。しかし、正常運転の間、ｌ！ｉｉ波数が２と２ｆの信号成分は弱いか、また は全く存在せず、他方、これらの信号成分は不完全な工具の場合に増加する。こ の差異は、本発明によれば、工具の破損又は不完全な工具の探知に利用される。

上記のように、実際は、センサから１８２図と第８図による理想化された信号は 得られない。現実には、極めてノイズの多い信号が得られる。これらの信号は、 １ｇ２図と第８図の実質的情報を抽出しつるようにするため、成る方法て処理さ れねばならない、第４図は、これを正確にする装置の原理を示す。

第４図の記述を平易にするために、最初は要素８，４゜ｂ及び６を無視する。

センサ（加速度針）からの信号をＡとする。信号ＡはパンＦ　ハスフィルタＦに 導かれる。バンドパスフィルタＦは制御可能、即ちフィルタが通過せしめる周波 数帯を外部から制御することができる。例えば、１＠４ｖに示すように、周波数 １８辺の狭いｌ！ｄ波数帯を通為せしめるよう、フィルタを制卸できる。例えば 、フィルタＦを制御する信号は、１波数ｆの四角波又はパルス列とすることがで きる。例えば、この信号は、光学的読取り器により得られ、軸の回転速度を表わ す速度計（６号とすることができる。周波数ｆは加工サイクルの繰返し同波数で ある。

ｆ（周波数）をパラメータとして、成る周波ａ帯を通過せしめるようフィルタＦ を制御できる。ｆｌ！４辺の基本同波数帯は、これらのあり得るＢｆｌ数帯ただ １つである。

同様にｆをパラメータとして、周波数２１，８１等で周波数帯を：ｉ！ｌ過せし めるようフィルタを実際に調節できる。

換言すれば、計（資）１倍号について倍振動の「繁を研究することもできる。同 様にｆをパラメータとして、仁倍振動ｆ／２　、　ｆ／ｇ　、　ｆ／４等周辺の 評波数帯を通？せしめるようフィルタを１節することもで舎る。ただ１つのパラ メータ（ｆｌをもって、パラメータｆによる局波数問辺の許波数帯を通過せしめ るようフィルタＦをｗＡ節できる。上記周波数以外の周波数もまた可能であるこ とはいうまでもない、唯一の制限は、それらが明らかにパラメータｆにょるとい うことである。

上記のようにしてフィルタＦを調節できるので、最も重要な出力信号を与える周 波数帯を選択できる。

上記論究では、フィルタＦは、成る周波数まで調節できる単一のフィルタであっ た。このアイデアを更に進めると、フィルタＦを複数個のフィルタ部で構成する ことができる。従って、例えば基本８波数、１次倍音、１次敏倍音醇を自動的に 入力信号から濾過でき、出力信号を形成するために再び加えることができる。こ の場合も又、すべてのフィルタ部を調節するのはパラメータｆである。

代わりに、例えば信号ｆと信号ｆ／４の比を計測すれば、工具の対称に関する情 報が得られる。

フィルタＦの出力信号は、この場合４個の比較測定器からなる比較測定器部分７ に導かれる。比較測定器部分７の４個の比較測定器は、フィルタＦの出力信号を 感知し、この信号を各比較測定器のレファレンスレベル例えば０．５．１０．１ ６デシベルと大々比較する。もし、フィルタＦの出力信号が比較測定器のレベル を超過すれば、各比較測定器に接続した対応する表示灯が点灯する。

いわゆる［シャインニングランプコラム」を研究すれば。

機械工具に対する現在の振動レベルを表示できる。この柱に於て点灯するランプ が多くなるにつれ、振動レベルは高くなり、工具の破損は重大となる。

必要ならば、フィルタＦからの出力信号を、例えば記録用プリンタ（第４図のＲ ）にも適用できる。

試験と計測は、ミーリングマシンの振動信号が、工具と加工品の保合から来る低 ８波信号により変調された振巾であり、この低周波信号は極めて弱いことを示し ている。より一層信頼し得る警報信号を得るためには、上記基本１ＩｆｌＬ数か らの単純な濾過は、更に信号処理により補足されねばならない。第４図の例では 、この付加的信号処理は要素１１，４，５．６によりなされる。

騒乱信号を削除するためには、加速度計の出力信号の予＃濾過が好ましい。周波 数が２５０ヘルツ以下では、例えば動力線や機械の駆動モータからの騒乱信号が 存在し、同波数が２０００ヘルツ以上では、加速度針の自然同波数の振動が計測 に影響し始める。これらの極端な範囲を遮断し又は取り除けば、信号対ノイズ比 が増加する。

このために、更にバンドパスフィルタ８が加速度針とフィルタＦの間に接続され る。このバンドパスフィルタ８は上記極端な範囲を取り除く。

更に信号を成る程度項中することが好ましい、これは、バンドパスフィルタ８と フィルタＦの間の予価増巾器４でなされる。

振動信号は振巾が変鯖されるので、整流器からなる探知器が予価増巾器４とフィ ルタＦの間に接続される。このようにして、信号の情報搬送部か得られる。探知 器は、ピーク価を探知することかでき、約１ｍｓの立上り時間と約ｌＯ〜５０ｍ ５の減製時間を有する。

フィルタから得られた信号を整流するために、フィルタＦの後に整流器を接続す ることが好ましい。

フィルタＦは、切刃がすべて完全である正常な運転の間も出力信号を与えるので 、正常運転の間はいかなる警報信号も得られないように、比較測定器を調節して おかねばならない。これは、比較測定器の基準レベルを、正常運転のレファレン スレベルよす夫々０，６，１０．１！Ｓデシベル上になるよう調節することによ りなされる。

第５図は、本発明の他の実施例の装置を示す。平易にするために、第４図の要素 ８，４，６．６に相当する要素を、第５図では削除している。

第す図の装置ては、加速度針信号は、この場合４個のフィルタＦｌ、Ｆ２．ＦＢ 、Ｆ４からなるフィルタ部Ｆに作用する。これらのフィルタはすべてバンドパス フィルタである。フィルタＦｌ、Ｆ２．ＦＢは速度針信号ｆ以上の軸の速度によ り調節される。この信号は、フィルタ部Ｆに作用する前に１倍率器ｙで、切刃の 数（ｘ１倍される。次の記述では、倍率器Ｍから得られる周波数を基本同波数と 呼ぶ。倍率器からの信号は、基本同波数に於ける周波数帯を通過するように、フ ィルタＦｌを調節する。

同じ信号が、１次倍音（周波数２・ｘ−ｆ）周辺の狭い周波数帯を通過するよう に、フィルタＦ２を調節するのにも利用される。更に、この信号は、１次低倍音 （８波数１７２・ｘ−ｆ）周辺の狭い周波数帯を通過するように、フィルタＦ８ を調節するのに利用される。最後に、フィルタ部ＦはフィルタＦ４を含む、フィ ルタＦ４は、倍率器Ｍからの出力信号から独立しており、極端な周波数例えば１ １１４図の実施例に関する上記８波数を取り除くにすぎない。最後に述べたフィ ルタは、フィルタＦｌ、Ｆ２゜Ｆ８に比し相対的に広い周波数を有するバンドパ スフィルタからなる。

第す図による装置の部分は、第４図による設計の基本原理に実質上一致するまで 記述されている。第５図による設計を更に進歩させたものは、特に、第５図によ る設計でなされるよりも一層複雑なレファレンスバリューの比較からなる。第５ 図による装置は、識別器部りに於ける４個の識別器ＤＩ、Ｄ２．ＤＢ、Ｄ４に対 し、別々のレファレンスバリューを供給するレファレンスバリュー供給ＲＥＶか らなる。これら４個のレファレンスバリューは、完全な工具での正常運転の間に 、フィルタＦｌ。

Ｆ２．ＦＢ、Ｆ４から夫々得られるレファレンスレベルである。各識別器ＤＩ− Ｄ４は、もし対応するフィルタからの出力が、レファレンスバリュー供給ＲＥＦ からの対応するレファレンスバリューを越えると、または、代わりに所定の量を 越えると、例えば論理１を出力信号として有する。識別器部りからの４個の論理 出力信号は、それ以後論理ユニットに結合される。論理ユニットは、もし４個の 識別器のうち、少なくとも２個又は８個が警報信号（例えば論理１）を出力すれ ば、例えば表示ランプに警報信号を供給することができる。これは、多分腹立た しいランプの柱の代わりに、ただ１つのランプですむという利点を与える。この 単一のランプが光るときは、警報が実際に働かされることはいうまでもない。

最も単純な形式のレファレンスバリュー供給は、単一の電位差針からなる。その 電圧レベルは、正常運転特有の振動レベルに調節される。この場合、各試験同波 数に対する静的レファレンスバリューが存在する。

より複雑な装置は、レファレンスバリュー供給として、例えばテープレコーダ又 はコンピュータ式メモリーを利用する。この場合には、加工品の機械加工工程の 別々の段階に対し、異なったレファレンスバリューレベルを与えることがで會る 。切刃が完全な場合でも、成る機械加工段階て振動レベルが一時的に増減するが 、それは全く正常である。このように正常な増減のある状況下で、装置が警報装 置に対し出力するのを避けるため、識別器ＤＩ、Ｄｌ、ＤＢ、Ｄ４のレファレン スバリューを対応的に増減せしめることが好ましい、この場合、そのレファレン スバリューは、作業工程の別々の段階に伴う動的レファレンスバリューである。

もし、レファレンスバリュー供給ＲＥＦが動的レファレンスバリューを供給する ようにしたいのであれば、それを現在の機械加工工程に同軸させることが好まし い。

この機能を得るためには、倍率！！Ｍの出力信号を利用して、対応する１別器に 対し適用される配録されたレファレンスバリューを１節するか、又は、数値制御 Ｉｆｈ械に関しては、制御プログラムでレファレンスバリュー供給ヲ調節する。

工具の状況を監視するために、特有の周波数成分に於ける変化を利用するという 上記の方法は、機械の制御も包含するよう拡大できる。前記警報信号は、振動信 号から得られる情報をいかに利用するかの一例にすぎない。

同じ情報を、工程全体を直接制御するためにも利用できる。例えば、切刃が摩耗 して不完全なときに工具の交換をしたり、工具が破損した場合機械を停止するた めである。この場合、マイクロコンピュータシステムで監視工程全体を制御する ことが好ましい。第６図は、このようなシステムの単純な原理図を示す。

第６図の実施例に於て、信号Ａ、ｆは前のようにいわゆる「シグニチュアーアナ ライザー」Ｓに適用される。

このアナライザーは、例えば第５図のバンドパスフィルタ部Ｆまでの、または、 それを含む装置からなる。シグニチュアーアナライザーからのアナログ信号は、 コンピュータシステム、例えばマイクロコンピュータシステム声に対するインタ ーフェイスを形成する交直変換器に適用される。マイクロコンピュータシステム は、データメモリ、フログラムメモリ、ＣＰＵ＋コントロールＩ１０のような通 常の要素からなる。マイクロコンピュータシステム声は、シグニチュアーアナラ イザーの出力信号の必要な評価即ちレファレンスレベルとの比較を行なう。これ らは、２進法で、マイクロコンピュータシステムのデータメモリに面接貯蔵され る。動的レファレンスバリュ−の場合、データメモリは例えば１対のデータ系列 に分割される。１対の第１要素は、時間の所定の不連続点に関するものであり、 第２要素は、周航の周波数帯に対する上記時間の不連続点における現実のレファ レンスバリューに関するものである。レファレンスバリューは、有力な量子化レ ベルが最大限利用されるように計測されることが好ましい。これは、シダニチュ アーアナライザーからの計測憧も、また対応する程度に、計測（減衰、増巾）さ れるべをことを意味している。従って、マイクロコンピュータシステムが、その 交直変換器上の計測信号（シダニチュアーアナライザーＳと交直変換器の間の両 方向矢印）の増巾を１節することが好ましい。

マイクロコンピュータシステム声は、評値ユニットに加えて、工作機械の制御ユ ニットをも形成する。警報装置が解放されると、コンピュータシステムは、工具 の交換を行うためのラインＸ上に信号を伝達する。工具の交換がなされたときに は、工具交換装置（図示せず）は、コンピュータシステム声に戻るラインＹ上に 復帰信号（飴収書）を送る。以後機械加工工程が継続する。

マイクロコンピュータシステムは、外部の制御のために、制御ユニットＢ４含ん でいる。この制御ユニットにより、運転者は起動／停止を命令し、警報装置をリ セットし、人手による工具交換をすることができる。更に、運転者は、制御ユニ ット上に現在の加工器に必要な機械加工工程をプログラムし、以後、その工作機 械を監視モードにセットすることができる。

マタ、マイクロコンピュータを、信号解析全体を行うようプログラムすることも できる。即ち、第４図と第５図に於けるすべてのフィルタ、探知器、倍率器等と 交替することである。

本発明は、特殊の工作機械即ちミーリングマシンを例にして記述された。しかし 、本発明は、ミーリングマシンのみに限定されるものではなくて、同一の原理は ボール盤、旋盤、切断機、形削盤等のような地形式の同期的機械加工をする工作 機械に関しても利用できることはいうまでもない。

更に、周波数制御パラメータとしての軸速度、またはこの倍数の利用がここに開 示されている。他の均等のパラメータは、例えば電動機速度（例えばボール盤に 関し）成る応用に於ては、第２の条件が満たされるまでは。

瞥＠装置を解放しないことが望ましい８例えば、機械の起動に関し、現実に欠陥 がなくても％振動レベルが慣牲的にむしろ高くなるが、これは全く正常である。

これらの娼合には、瞥＠装置を解放することは望普しくない。

第２の条件として、例えば、瞥報装齢が解放される前には、機械の動力又は温度 が所定値を超過していなければならないことを利用できる。

上記詳細な説明に於ては、論究は常に、計測信号がレファレンスレベルを越える ときに警報装置が解放されるという立場に関するものであった。しかし成る場合 には、レファレンスバリューが計測信号を所定値超過するときに、警報装置に出 力することも有効である。これは１例えば工具が加工品に接触すらもしない場合 である。このような寅施例に於ては、計測信号がレファレンス信号レベルと甚だ しく異なって彰れば、警報装置は出力されなければならない。

上記論究から、本発明は、その基本原理の範囲内で、種々に変更し得るものであ ることは明白である。従って、本発明は、添付請求の範囲により限定される以外 は、本詳細な説明により限定されるものではない。

第３図 量 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １０機械の振動レベルが機械加工サイクルの長さにより決定される少なくとも１ 個の計量ａ波数に於て計測され、得られた振動レベルが対応するレファレンスレ ベルに比１１１１５ｔＬ、Ｒ知された振動レベルがレファレンスレベルから甚だ しく興なって詔れば警報信号が解放されることを特徴とする、加工品の周期的機 械加工をする工作機械の工具の状況を監視する方法。 ２、機械の振動（Ａ）を探知するためのセンサと、センサからの信号をｒ遇する ための少なくとも１個の調節可能なバンドパスフィルタ（Ｆｌ−ＦＢ）と、機械 加工す゛イクルの同波数（ｆ）を探知し、かつ、前記周波数に依る周波数帯のみ フィルタを通過するようにフィルタ（Ｆｌ−ＦＢ）を調節するための周波数探知 器と、フィルタの出力信号を少なくとも１個のレファレンスレベルと比較し、か つ、レファレンスレベルからの偏差が受け入れ難い場合に警報信号を出力するた めの評価ユニット（ｙ　ｅ　Ｄ　Ｉ　ｓ　）を具備したことを特徴とする。加工 品の周期的機械加工をする工作機械の工具の状況を監視する装置。 ８、機械加工サイクルの同波数により調節された８個のバンドパスフィルタ（Ｆ ｌ−ＦＢ）　を有するフィルタ郁（Ｆ）を具備したことを特徴とする請求の範囲 第２項記載の装置。 ４、各バンドパスフィルタ（Ｆｌ−ＦＢ）に対するレファレンスレベルを貯蔵す るための貯蔵ユニット（Ｄ　＊　ｓ　）を具備したことを特徴とする請求の範囲 第２項又は第８項記載の装置。 ５、貯蔵ユニット（Ｄ、μ）が、時間とともに変化するレファレンスレベルを貯 蔵するための動的貯蔵ユニットであることを特徴とする請求の範囲第４項記載の 装置。 ６、センサが加速度針であることを特徴とする請求の範囲第２項ないし第５項の いずれかに記載の装置。 ７．８波数探知器が速度針であることを特徴とする請求の範囲第２項ないし第６ 項のいずれかに記載の装置。 ８、評価ユニットが、レファレンスレベルから偏差が受け入れ難い場合に自動的 に計測する補助手段を有するコンピュータシステム−）からなることを特徴とす る請求の範囲第２項ないし第７項のいずれかに記載の装置。 ９、すべての制御手段と信号処理手段がマイクロコンピュータに交替しているこ とを特徴とする請求の範囲！！！８項記載の装置。 １０、１！ｌ波数探知器が、！、−リングマシンの軸の速度（ｆ）を探知するこ とを特徴とする、ミーリングマシンの工具の状況を監視するための請求の範囲８ ２項ないし第９項のいずれかに記載の装゛蓋。