JPS5890445A - 工具の摩損監視方法及び装置 - 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】 本発明は、工具の摩損を監視する方法及び装置に関する
。

工作機械及び製造プロセスに用いられる切削工具の性能
は、生産効率を上げるうえで最も重要な要素である。こ
のことは、たとえば、１９８１年７月２７日発行の“鉄
時代（Ｉｒｏｎ　Ａｇｅ　）“第５７〜６順の記事“適
応制御は依然として高い生産性を約束するか”（レイモ
ンド・ジエー・ラーセン著）に述べられている。特に、
信頼性の高い工具破損検知装置は、切削公差精度のロス
、過電ロード及び突発故障を避けるうえで欠くことがで
きない。このため、直視によるか、モデルを用いるか、
あるいは内部のきずが起り得ることを考えて材料の解析
を行う°ことにより、工具の性能劣化を追跡する試みが
種々なされている。

この問題に対する別のアプローチについては、ノース・
アメリカン・メタルワーキング・リサーチ・コンファレ
ンス（第９回）の議事録第５２３〜５２７頁の論文“工
具の摩耗の監視についての適一応指数平滑フルゴリズＡ
　（Ａｄａｐｔｉｖｅ　ＥｘｐｏｎｅｎｔｉａｌＳｍｏ
ｏｔｈｉｎｇ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）の研究“（ダブ
リュー・アー・テブリーズ、ジエー・エフ・ラスキ及び
ジエー・シー・マーツアー著）に記載がある。このアプ
ローチでは、継続的に検知される切削力（ｃｕｔｔｉｎ
ｇ　ｆｏｒｃｅ　）がその切削力の規定の変化態様ある
いはパターンから偏るのを、たとえば摩耗パターンの変
化の表示として指数平滑アルゴリズムを用いて検知する
。すなわち、工具摩損の予測は過去の測定値に基いてな
される。

さらに別の公知技術として、正味電力の測定に基づ、く
ものがある。これによると、正味電力を時間の関数とし
て積分し、同様な工具による経験に照らし合わせである
特定の工具の寿命を測定し、寿命の終期における臨界的
な事態を避けるようにする。

これらの公知技術とは対照的に、以下に述べるアプロー
チでは、１）任意の工具の通常寿命期間内における任意
の時点で、切削状態にある工具の摩耗の程度を０〜１０
０パーセントの間で検知し、２）摩耗率が、工作機械を
直ちに停止し、工具の修理あるいは変換を必要とするレ
ベＪしに到達したかどうか瞬時に検知して、工具の摩損
による突発事態を回避する。

本発明の実施例では、個々の、あるいは中央制御若しく
は監視による複数の工具及び複数のプロセスを有する油
圧あるいは電気機械制御若しくはコンピューター制御シ
ステムにおいて、工具の摩耗及び／又は摩損が全体的に
監視される。

本発明の一実施例による工具の摩耗度の瞬時測定のため
の方法及び装置では、任意の被加工物のプロセス・サイ
クルにある特定の工具についてその正味消費電力の第２
次導関数を瞬時的にとり出し、その第２次導関数の傾き
が臨界値に到達した時点の最終的な正味電力の表示値と
臨界値に達するまでに経過した時間の表示値を同時にと
り出し、同一の被加工物プロセス・サイクルにつき一連
の同一の工具を用いた過去の経験に基づき統計的な最終
正味電力と統計的な臨界値までの時間を周期的に割り出
し、新しい工具につき前記統計的時間のパーセンテージ
を前記統計的最終正味電力のパーセンテージを表わすも
のとして瞬時的に求め、それにより作動中の前記工具の
摩耗率を割り出す。

また、各工具につき、消費電力の第２次導関数の傾きが
所定の臨界値に達した時作動する保護手段も以下に説明
する。

ここに説明する″工具摩耗監視装置は、切削工具の摩耗
特性を予め知らなくても、また取り除かれる金属の体積
に関係なく、工具の切れ味低下を指示することが出来る
。またこの装置は切削工具状態を表示するだけでなく、
被加工物の損傷前に工具の摩損状態を検知して切削作業
を中止し、被加工物の寸法が許容範囲から外れるのを防
止することが出来る。

本発明は、作動中、たとえば、切れ刃が摩耗している間
その工具の正味電力時間特性を利用する。１９７９年１
２月５日にマクシーイ也（Ｍａｘｅｙｅｔｃ　、　）に
より出願された米国特許出願第１００．／１）７４号に
記載されているように、正味電力は工具が作動している
時の全消費電力から、被加工物と係合していない状態で
工具を回転させる主軸により消費される非作動消費電力
を差し引くことにより求める。

第１図の曲線（、）を参照して、横軸に時間の関数とし
て示す正味電力は、工具が連続的にであれ、あるいは断
続的にであれ使用されるかぎり切れ刃が如何にその切れ
味を失うかを示している。これは、横軸の値が時間と共
に増加することを意味する。この増加は曲線の始期と終
期とで非常に顕著であり、その中間の大部分は直線的な
変化を示す。第１図に示すように、正味電力はＰＴ−Ｐ
Ｔ（ＰＴは回転する主軸に装着された工具が切削中に消
費する全電力、ＰＴは工具が被加工物と接触状態になし
・時の非作動消費電力）として定義される。最初に、刃
付けされた工員が作動開始から被加工物と係合する時点
、Ｔｏ、での正味電力はＮ３である。最終段階で、正味
電力が臨界的な段階゛に達した瞬間、ＴＤ、では正味電
力はＮｐになるが、これは切れ味が落ちた工具、すなわ
ち修理を必要とする工具が消費する電力である。Ｔ□と
ＴＤの時間間隔はＴＥである。第１図の曲線は、工具の
摩耗の程度を示す特性曲線である。

これは、切削工具の切れ味が減ると半径Ｒで切削力Ｆが
増加することを表わす。切削される被加工物の半径Ｒが
一定と仮定すると、電力（旦）は公式Ｐ＝ＦｘＲ（Ｒは
定数Ｋ）からＦと同等と考えることが出来る。正味電力
は、機械の主軸及び工具が消費する全電力より゛重要な
パラメータであることが判明している。曲線の最初の急
激な上昇部分は、切刃の形状が定常状態に達していない
、工具のならし期間を表わす。曲線の直線部分は工具が
工具としての有用性を保持する寿命期間を表わす。被加
工物のプロセス・サイクル、たとえば工具や被加工物の
性質、材料、切削の深さ及びスピードにより、曲線の傾
き及び有用性保持寿命期間の長さは工具により異なる。

同様な工具を同じプロセス・サイクルで同様な被加工物
に用いた場合、曲線ｉａ）は工具により変化しないであ
ろう。この場合、曲線の終りの急激な上昇は各工具で同
じ時期に起るので、その時点において作業ｉに摩耗率の
急激な増加が工具の摩損が差しせまっており工作機械を
停止しなければならないことを警告することが可能であ
る。この問題を解決するために、従来の工具摩損監視装
置は曲線（、）の積分を利用し、工具の使用量を積算し
たものを測定してその測定値が工具の寿命に相当するレ
ベルに到達すると警報を発する。

これと対照的に、本発明は最適の工具の寿命を想定せず
に、工具の摩損を予測し、また工具の状態を切削時に瞬
時的に監視する。これは、特定の工具の有用性がどの程
度の期間期待されているかに基づき工具の摩損を監視す
ることは予測寿命の終期前に突発的な損傷が起る可能性
を考えると実情にあわないという認識に基づく。

このような損傷は、たとえば、切削中の金属に高硬度部
分が存在したり、被加工物の熱処理が不適当だったり、
工具の一部あるいはその一部を保持する取付具が充分な
剛性を有しなかったり、研削熱ｆ　ｘ　ツク（ｑｒｉｎ
ｄｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｃｈｅｃｋｓ　）、不充分なろう
付け、あるいは空隙、割れ等の工具材質の不均一性のよ
うな工具の異常が存在したり、また工作機械あるいは主
軸の振動により生じる。上述のような条件が存在してい
なくても、材質によっては、チップを作る工具で加工さ
れている時等、予測出来ない工具の摩耗、たとえば、工
具の一部が予期せずに取去られることがある。

工作機械業界では、工具摩耗の監視を行うことは大変重
要なことと考えられている。本発明は、いかなる種類の
工具でもその摩耗状態を常に指示して作業員に摩耗状態
が予期しない時点で重大で危険な領域に近付いたことを
警告出来るため、電気機械的あるいはその他の型のいか
なる工作機械、数値制御機（ＮＣ）、コンピユータ化さ
れた数値制御機（ＣＮＣ）、あるいはデジタル型数値制
御機（ＤＮＣ）、また自動車及び農業機械製造業界で主
として用いられるような転送装置に適用することが出来
る。穴あけ、フライス削り、旋削、研削、ブローチ削り
のような種々のプロセスを含む複数の仕事では、ランダ
ムに工具が損傷を受はカリ、工具を予期し７ｊい時点で
変換したりすることは望ましくない。この点、本発明は
現地及び遠隔地においてそれぞれ独立に作動するブラッ
ク・ボックスを構成するのを可能にする。これはコンピ
ューター化により高額の投資を行うより安く、商業上の
利点となる。このような独立に作動するブラック佛ボッ
クスは、個々に作動するいがなる機械にも適用すること
が出−来る。任意のブラック・ボックスひとつをとって
もそれは約１秒間任意の主軸の正味電力をチェックする
ことだけが求められるので、現地及び遠隔地の読出し及
び主軸／機械の遠隔制御装置・を有するひとつのブラッ
ク・ボックスに６ｏ個もの主軸を多重接続することが出
来る。そのようなブラック・ボックスの各々は、夫々の
機械の据え付は場所で正味消費電力に応答してその第２
次導関数を自動的に監視する。そのような独立作動の監
視方法の典型的な例としては、専用に供せられたマイク
ロコンビ、−ターがある。数値制御工作機械はすでに必
要な計算能力を有しているので、独立作動の監視装置を
別に必要としないであろう。その場合、工具摩耗の監視
は最少の費用で行える。さらに、これらの工作機械は種
々の切削深さのプロセスを遂行出来るようになっている
。この場合、適当なプログラミングにより工具摩耗動作
を周期的に作動させ種々の切削深さに対し一定の時間間
隔で工具の摩耗を検知することが可能となる。

本発明は、摩耗を検知するに際して工具の寿命を基礎と
せず、摩耗の程度が臨界レベルに到達した時を瞬時に検
知する。この方式では、継続的な監視を予想ではなく実
際に生起している事実に基いて行う。したがって、この
工具摩損モニターの応答はかかる重大事態生起の時にお
いてそうあるべきであるように非常に信頼性が高い。第
２図は種々の工具や被加工物のプロセス・サイクルに相
当する曲＃！Ａ、Ｂ、Ｃが描かれているが、曲線Ａにお
いて点線で示すように工具の摩損はその寿命を基に予想
される通常の生起時以前に起ることがあることを観察す
ることが重要である。このような時期尚早の重大な摩損
は、たとえば、切削工具の材質の欠陥、あるいは被加工
物に高硬度の部分が含まれていることにより起る。それ
以外の原因としては、たとえば機械及び工具保持手段の
異常振動、被加工物の不規則な形状、あるいは切削プロ
セスの急激な中断がある。これらのあるいは更に他の異
常事態は、それらが予測不能であるという理由のため工
作機械の作動にとって大き、な問題である。第２図の点
線ｐ始期に見られるような工具の切れ味の低下を早期に
検知することにより、上述したような事態の発生を回避
するか、あるいは減少することが出来、このためそれに
伴なう費用は最少となり工場生産活動の停止は最小限に
済む。効率の良い工作機械の運転に必要な本発明の方法
による各工具摩耗状態の瞬時的な読出しを第１図の曲線
（ｂ）及び（Ｃ）を参照して説明する。曲線（ｂｌは曲
線（ａｌの第１次導関数を、曲線（Ｃ１は第２次導関数
を示す。

曲線（ｂ）から判るように、工具が有用性を保持する寿
命期間、横軸は一定であり、その横軸の一定レベルは曲
線（ａ）の直線部分の傾きによる。

したがって、第２図を参照して曲線Ａ、Ｂ及びＣの第１
次導関数は夫々異なるレベルにある。

再び第１図を参照して、曲線（ａ）の始期と終期の非直
線部分は、曲線（ｂ）における対応する非直線部分（一
方はならし領域における減少する非直線部分、他方は重
大な摩耗状態時における増加する非直線部分）に対応す
る。これと対照的に、第２次導関数を見ると、その曲線
は元となる正味電力曲線に関係なく始期から終期まで殆
んど横軸に一致する。また、傾きが変化する最初と最後
の部分において、曲線は横軸の一方から他方の側へ増加
する。これは、曲線ｆｃ）を表わす信号が最初は負の値
を持ち、工具が有用性を保持する寿命の殆んどの間は零
であり、曲線（、）のひざ部分に近づくと正の値になる
ということである。さらに、第６の曲線（Ｃ）の傾きは
、ならし期間及び摩損期間で実質的に大きな値になって
おり、とのため摩損の検知を急速に行える。これは特に
、内部のきずに遭遇したかあるいは工具の割れが生じた
か、若しくは工作物の硬い部分で欠損が生じた場合であ
ろう。その場合、摩耗が増加すると曲線（Ｃ）の点線部
分が示すように曲線が予想より早く増加傾向を示し、こ
のため摩損の検知を行って警報を発することが出来る。

この意味で、実際に行うことは第１図に示すように、完
全な摩損を防止するに適当な臨界レベルＣＬを選ぶこと
であり、このレベルを越えるとすべての防止処置、たと
えば工作機械の停止と工具の変換が実行される。かくし
て、被加工物及び工具の保護は、前述したような予想よ
り早い摩損が生じた場合は時点ｔｃで、また工具か普通
に持った場合はｔ′ｃで自動的に行われる。臨界レベル
ＣＬは調節可能であり、このため使用者が特定の用途に
応じて保護の程度を設定出来、る。

上述したように、本発明の第２次導関数を利用する方法
は工具を監視する従来技術の短所を克服する。

第３図は、本発明の一実施例である、マイクロプロセッ
サ−により制御される工具摩損監視装置を示す。その装
置は実際の消費電力と工具を取付けた主軸の速度（その
工具が穴あけ工具の場合）或いは、被加工物の速度（そ
の工具が切削工具の場合）とから瞬時的に導き出される
正味電力に基いて動作する。アナログ速度信号は線１１
を介してタコメーター１から、電力は線１２を介して変
換器２から得られる。非作動特電力を主軸を駆動する入
力電力から差引くと正味電力が得られるが、これは、被
加工物に対して工具により加えられた力を実際に表わす
ものである。速度と電力の信号はマイクロプロセ・ノサ
ー３０の入力の回路乙によりデジタル化される。回路６
からのデジタル信号は、マイクロブロセ・ンサーのプロ
グラム人力／出力部分７により必要に応じて処理され、
そのマイクロプロセ・ノサーは、インターバル・ソフト
ウェア−・ロジ・７りのモニター中の特定の工具或は工
具類への適用を決定し、回路４において工具摩耗スティ
タスの表示を行う。回路４は線１４を介してストリ・ノ
ブ・プリンター５に接続される。プログラム人力／出力
回路７は、マイクロプロセッサ−６０が数値制御装置（
ＮＣ入或はコンピューター数値制御装置（ＣＮＣＸＤ監
視のもとて工具を監視しているかどうかにより、その工
具の性質と番号をデジタルで表示するコード匹を線１６
上で受ける。数値制御装置へ送られる、或はそこから取
り出される指示及びコマンドは、回路乙のインターフェ
イスで分配、選択及び識別される。サンプリング・ルー
ティーン９は、線１７を介しプログラム人力／出力回路
７に応答して反復的に遂行され葛。このルーティーンに
より回路１０は、線１３で示される、監視中の特定の工
具について線１６から得られる正味電力に基づき第１及
び第２の導関数を導き出す。この様な計算は反復的か或
は回路７のプログラドにより特定のサンプリング時点に
おいて行われる。第２の導関数が臨界レベルを越えると
、この状態は、回路１１の比較ル−ティーンにより検知
される。表示ルーティーン２２は、特・定の工具が安全
作動域、つまりその有用性を保持する寿余肉にあるか、
或は臨界域に入ったかどうかを表示する。線２２を介し
て、プログラム人力／出力回路７ヘフイードバツクされ
、種々のルーティーンの完了を知らせ、ルーティーンを
セットする情報がある。線８を介して工具摩耗スティタ
スが回路４により表示され、ストリップ・プリンター５
により打ち出される。第３図の工具摩損モニターの動作
を、マイクロコンピュータ−により制御される論理ステ
ップのフローチャートである第４．５．６図を参照して
説明する。

第４図を参照して、フローチャートはいかにして典型的
な多文字キーバッド１００がマイクロコンピュータ−と
通信し、それに全てのパラメーター設定値を送り、表示
条件を満足するかを示す。これは通常、コンピューター
の製造会社により供給される会話ソフトウェア−・プロ
グラムのもとで行われる。キーバッド和０は、入力／出
力ストロボの形のマニュアル・データーにより作動し、
このストロボは１０１において、キーバッド・モニター
・ルーティーンを介し開始させる。

かくして、キーバッドから割込みがあるとキーバッド・
モニター・ルーティーンは１０２において、その要求が
１０３に沿うパラメーターセツティングに対するものか
、或は出力を１０４に沿ってディスプレイへ送る要求か
どうかを決定する。最初に１０３によりシステムは１０
５へ行き、そこで現在の値が表示され、パラメーター・
セツティング・ルーティーンにより変化がもたらされる
。もしパラメーター・セツティングによる変化を必要と
しないならシステムは１０４を介して１０６へ行き、そ
こで再び、すなわち１０８を介してキーバッド・モニタ
ー・ルーティーンをスタートサせるカ、或は１０７で脱
出するか決定される。

システムカ脱出する場合、第５図のソフトウェア−・チ
ャートによるとラン（”Ｒｕｎ　〃）モードが遂行され
る。インターフニス割込みは１１０において、コンピュ
ーター数値制御（ＣＮＣ）工作機械システム、或はダイ
レクト数値制御（ＤＮＣ）工作機械システム内で応答出
来るような構成になっている。ＣＮＣ或はＤＮＣのコン
ピューターはデーター・ブロックを読む。一つのデータ
ーｅブロックを読むと割込み信号が発生し、これは１１
１においてマイクロコンピュータ−をトリガーし後続す
るソフトウェア−・プログラムを遂行する。かくして１
１１において、マイクロコンピュータ−１−ＩＣＮＣか
ら現在のブロック・ナンバーを要求し、１１２において
、そのブロック・ナンバーを観察中のブロック・ナンバ
ーと比較して１１３においてそのブロック・ナンバーが
要求されているか、或は１１６において要求されていな
いかどうかを決定する。もしそのブロック・ナンバーが
観察中のブロック・ナンバーに正しく合致すると、１１
３を介し１１４において、工具番号がＣＮＣから読み出
され、更に１１５に於て、その工具ナンバーが正しい工
具に関連するかどうか更に検証される。もしイエスであ
れば、１１９を介してシステムは１２０へ移り、そこで
第９図の電力モニター・ルーティーンが要求される。そ
うでなければ、１１７及び１１８でプログラムは脱出す
る。又１１２に於ける答が正しいプロ１．、クナンバー
かどうかの質問に対してノーである場合、１１６及び１
１８を介してプログラムは脱出する。

第６図を参照して、電力変換器は１３０に於て、主軸モ
ーター駆動装置に電力を供給する６０ヘルツの電線に同
期した６０ヘルツ・クロック信号によりマイクロコンピ
ュータ−をインターラブドする。

そして、１６１に於て、プログラムは主軸の電力と主軸
の速度のサン−プルを得る。その後マイクロコンピュー
タ−は１３２に於て変換器から得られた全電力より指示
速度での非作動時電力を差引くことにより正味電力の計
算を行う。正味電力の第１次及び第２次導関数を求める
二つの計算が連続的に直ちに行われる。

次のステップ１３３では、正味電力の第２次導関数が゛
予めセットしたカットオフ・レベルと比較）欠 される。もし第２ｆｌＩ導関数がそのカットオフφレベ
ル以下であれば１６７を介して第１図の電力曲線が１３
８に於て更新される。これが終るとシステムは１３９を
介して脱出する。しかしながら、１３３に於て第２次導
関数がカットオフ・レベルを越えた場合、１６４を介し
システムは１３５へ移り、そこで可聴或は可視的な警報
が発せられる。又この瞬間に切削時間が更新される。第
１図の曲線は、この段階に於て記録される。システムは
１３５に於て経過時間或は同一の工具で処理された被加
工物の数により、工具の寿命を表わす。

この工具の寿命は工具の平均寿命を計算する統計的なデ
ーターを確立するのに役立つ。作業員が工具を変換する
と、各工具に対して新しい曲線の組が得られる。もし第
２次導関数が１３３に於てカットオフ・レベルを越えな
い場合、１３８での更新に続いてマイクロコンピュータ
−はｎ秒後に別の割込みを受入れる。第５図のフローチ
ャートによると、１１１に於てＣＮＣが別のブロックナ
ンバーを読むまでループは継続的に作動される。第１図
に示す電力曲線は全べて、数値制御装置の動作の完全な
一組の平均をとったものである。

第７図は、同様な工具を同様な被加工物プロセス・サイ
クルの下で用いて得た過去の経験から導き出【、た工具
の寿命と共に、工具の正味電力特性を点線で示す。前述
したように、工具によっては臨界域に予想より早く到達
することがある。また、工具によっては予想寿命以上に
持ち、その後摩損してしまうものもある。第７図の正味
電力特性は、多数の工具を用いて得た結果を統計的に示
したものである。その曲線は、レベルＣＴは第１図に示
した時点ｔｃあるいはｔ′ｃにおいて幾度も調節した。

゛ 第７図の曲線は、データを統計的に集計して得られた点
を除き、第１図の曲線と同じである。

正味電力は統計的に決められたように、Ｎｓでスタート
する。同様に、臨界レベルＣＴに到達した時の正味電力
ＮＤも統計的に求められた値である。また、’Ｉ’Ｄ−
ＴＯは、種々の工具を繰り返し用いることにより決定さ
れた工具の寿命である。

かくして、第３図の工具摩損監視装置が工具の切れ味截
下を検知すると、その工具が摩損する重大な危険がある
ことを意味する。統計データは、好ましくは、３シグマ
法により確立される。

古典的なガウス形分布によると、ＮＤとＴＤの値の殆ん
どは他の値の全べての中間に集中する。それから、かけ
離れた値は捨てられる。したがって、第７図の曲線を更
新するためには、硬いスポットや欠損による異常な摩損
に関連する値は記録されない。また、第７図の下部の横
軸上に示したように、更新した時間間隔を１００個の時
間単位でカウントする。かくして、もし過去のデータを
更新した結果時間間隔が長く、たとえば上部の横軸に示
すように１２０の時間単位となると、正味の統計値は再
び１００単位として考えられる。

第７図はまた、曲線上の時点Ｔｏの始点と時点ＴＤの終
点を結ぶ直線を示す。新しい工具に関しては統計的な線
に基づき、任意の瞬間において経過した時間の単位は（
ＮＤ　−Ｎｓ）のパーセンテージ、たとえば摩耗のパー
センテージを示す。

第８図は、第６図に示したような工具摩損監視装置に新
しく追加された工具摩耗率監視１段を示す。

第３図と同様に、電力と速度の関数としての正味電力は
６１で導き出され、第１及び第２次導関数はマイクロプ
ロセッサ−５０′により６２及び５３において得られる
。比較器３４が、６６から線５４を介して送られる第２
次導関数と線４９上の基準レベルＣＴを比較する。第２
次導関数が基準レベルＣＴを越えると、リレー５５は線
５６を介して警報器３６を作動し、線５７を介して光表
示器３５を、また線５８を介してレコーダｇ７を作動す
る。第１次導関数は、サンプリング時ｔ１に線４６から
得られる。第８図はまた、第７図の工具摩耗率監視装置
のハードウェアと処理ユニットを示す。この点に関し、
線２７上の正味電力は第１ゲート３８と第２ゲート３９
に加えられる。第１ゲートは工具Ａがスタートする時、
線４８によりトリガされる。

同時に、プロセッサー５０＋；！線４７笈び５１により
最初の動作ステップを行う態勢になされる。この時、第
１ゲート３８は３１から得た値ＮＳを通過させる。リレ
ー５５が線４４によりＴＤの時点において作動されると
、第２ゲート３９がトリガされ、正味電力値ＮＤをプロ
セッサーへ送る。したがって、プロセッサー５０は（Ｔ
Ｄ　−Ｔｏ　）と（ＮＤ−Ｎ３）ノ値を統計的に更新し
、線６１のクロック信号に関係する時間の単位はこのよ
うにして更新された時間間隔（ＴＤ−Ｔｏ）に対して和
０に調節される。

かくして、新しい工具が動作状態にセットされている間
、第７図につき説明したように摩耗の百分率（パーセン
テージ）がブロック４１により表示される。一般的には
、コンピユータ化された数値制御装置において、コンピ
ュータは第８図の６２のような受信データーブロックを
デジタル処理することにより、４６におけるように特定
の被加工物番号と４７におけるように特定の工具とに対
して、４２におけるようにサンプリング時ｔ１において
プロセス・サイクルに追従する。命令及びスティタス信
号は６０のような線によりシステムへ送られる。

要約すると、以下に述べる手順が多くの金属加工プロセ
スに見られるような切削深さと送り速度を一定に保ちな
がら加工する場合にあてはまる。さらに、この手順は周
期的にモニターすればよいもので、継続的にモニターす
る必要はない。たとえば、−秒に確度モニターすれば充
分に意味のあるデータが得られるため、ひとつの監視装
置により５０もの主軸を多重的にモニター出来る。数値
制御装置による輪郭加工の際典型的に見られる、材料の
寸法が一定しないような場合、モニターを行う時間間隔
で数値制御プログラムにその一定の切削深さ及び一定の
送り速度を指定させる必要がある。

切削開始時（Ｔｏ）、ＰＴからＮｓを求め、想定した周
波数（ＴＸ）で動作する可変周波数クロック信号をスタ
ートさせる。ＮＳを記憶装置に記憶させる。

切削工程が進むと、各モニター間隔工で、Ｎ■が導き出
され、最初に第１次導関数、次いで第２次導関数が求め
られ、第２次導関数が前のデーターポイントと比較され
る。第２次導関数は摩耗が徐々に進行する期間において
は一定であり、正味電力の時間特性曲線のひざ部分で急
激な上昇を示す。この上昇は所定の“危険“レベルにお
いて、第２次導関数の定常レベルの百分率を示すものと
して検知表示される。

工具の切れ味低下検知器は警報能力があるため、これを
工作機械の動作を停止して、工具の突発的な摩損を防止
するのに用いることが出来る。その能力を工具の摩耗監
視に利用することも出来る。

工具の切れ味低下が検知された時点で、２つの動作が手
動あるいは自動的に行われる。ＮＤの値が、ダイヤル操
作かデータ処理の技術により表示記録される。可変周波
数時間軸が切れ味低下の時点で１００％を読み出すよう
調整される。

これは、手動あるいはデータ処理技術により行う。手動
の場合、オペレーターは頭の中でその時の平均値を求め
る。データ処理技術を用いる場合、６シグマ限界を求め
利用する。

第７図を参照して、たとえば、オペレータが第１の近似
（ＴＸ）を用いると切れ味低下点は１２０％に相当する
。可変周波数クロックをＮＤでＪｏ。

嘴となるよう調整し、ＮＤからＮ３を差し引くと、角度
θの直角三角形が得られる。この比例関係を利用すると
、監視中の工具の摩耗度を０と１００の間の周波数を読
み出すことにより表示出来る。

第９図を参照して、第１図あるいは第７図の正味電力特
性は第３図あるいは第８図の装置の動作を説明するため
のものであるが、ここでは同一の工具を多数の同一の被
−加工物について同一の完全加工工程を遂行するために
繰り返し用いた。第１０図は、そのような被加工物のひ
とつＷＫを工具がその被加工物の前方で回転しつつある
状態で示す。工具がパスを行う度ごとに、その工具は被
加工物表面の異なる加工領域に接触し、それらの加工領
域間は空隙となる。前述の実施例では、工具の切削作業
時、中央制御コンピュータが各切削深さに対して金属切
削プロセスの輪郭を時間の関数で決定する間、監視装置
により正味電力が導き出される。

第１図の工具の正味電力時間特性に基づく監視法を実施
するために、プロセス・サイクルの同じ段階に相当する
所定のサンプリング時ｔ１において測定が行われ、（Ｐ
Ｔ−ＰＩ）の値が第９図の特性曲線上に点として記録さ
れる。かくして次々に被加工物を切削するにつれて、正
味電力が曲線の傾きで示す摩耗率に従って増加する。各
サンプリング時ｔ１につき、コンピュータにより読み取
られる同じデーターブロック内で正味電力がとり出され
る。第１０図は、データ・ブロックＡ−Ｅが工具が被加
工物上で各パスの際次々に接触する所定の領域と関連す
るということを示ス。コンピューターはこれらのデータ
・ブロックを識別して、各ブロック内のサンプリング時
の正味消費電力を記録する。第９図はひとつのデータ・
ブロックから次のデータ・ブロックへの加工プロセスに
沿って正味電力が増加する模様を示す。サンプリング時
ｔ１におけ、る値Ｗ１が特性曲線上の点Ｍ１を決定する
。

以上、本発明を切削工具について説明したが、“切削”
という用語は工作機械の動作として、研削、押し出し引
き削り、ブローチ削り、旋削、フライス削り、中ぐり等
を包含するものとして理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は３つの時間特性曲線を示し二曲線（ａｌは特定
の工具が消費する正味型カニ曲線（ｂｌは曲線（ａ）の
第２次導関数二曲線（Ｃ）は曲線（、）の第２次導関数
で、本発明による工具の摩耗の監視、摩損の予測を行う
方法を説明するためのものである。 第２図は、たとえば加工性、表面速度、あるいは工具形
状、金属組織が異なる場合の消費電力の時間特性を示す
一連の曲線であり、そのうちひとつの曲線上に点線で示
す直線部分からひざ部分の統計的臨界点への予想より早
い偏り（増加）はたとえば工具の欠損によるような作業
上の異常を示すものである。 第３図は本発明の第１実施例である工具監視装置を示す
。 第４，５及び６図は第３図の工具監視装置の動作を説明
するフローチャートである。 第７図は、一連の同一の工具を被加工物プロセス・サイ
クル、に用いて該曲線上のひざ部分の臨界的な横軸及び
縦軸の値を統計的に求めた、第１図の正味電力時間特性
であり、上述したように新しい工具の任意の時点での摩
耗の百分率は曲線のひざ部分の臨界点までの直線推移部
分から直接求める。 第８図は本発明の第２実施例である工具監視装置である
。 第９Ｆｌ！Ｊは同一の工具によりプロセス・サイクルの
間処理される一連の同一被加工物のひとつを示す。 第１０図は、ひとつの工具により処理された一連の被加
工物につき、その工具から得られた第１図の正味電力時
間特性を示す。 １・・・タコメーター、２・・・主軸電力変換器、３・
・・デジタイザー、７・−プログラム人力／出力装置、
１０・・・電力変化率計算手段、１１・・・比較器、１
２・・・表示器、４・・・工具摩耗番号表示器。 特　許　出　願　人　　ウェスチングハウス・エレクト
リック・コーポレーシシン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　工作機械の工具の摩損が差し迫っていることを示
   す工具の性能劣化を連続的に監視する方法において、工
   具により被加工物に加えられる力の時間関数を表わす信
   号を発生させ、その力の時間関数の変化率である第１次
   導関数を求め、その力の時間関数の第２次導関数を求め
   、工具が通常の使用状態にある場合の第２次導関数の値
   を検知し、第２次導関数の値が工具の通常使用に相当す
   る値から所定の大きさだけ偏るのを検知することにより
   工具の摩損が差し迫っていることを検知して、工具の性
   能劣化を連続的に監視する方法。 ２、　工具により被工作物に加えられる力の時間関数を
   表わす信号は、主軸の消費電力変換器からの信号を基に
   得られることを特徴とする、第１項記載の監、親方法。 ３、　主軸の消費電力変換器からの信号に基ついて工具
   の摩耗を表わす信号を表示することを特徴とする、第２
   項記載の監視方法。 ４、摩損が差し迫っていることを示す工具の摩耗が検知
   されると警報を発することを特徴とする、第６項記載の
   監視方法。 ５、　数値制御装置に用いられ、前記の力の時間関数を
   表わす信号とその第１及び第２次導関数を表わす信号が
   数値制御装置と協働する中央処理装置によりとり出され
   ることを特徴とする、第１項記載の監視方法。 ６、　前記数値制御装置は複数の工具のバイトを監視し
   、中央処理装置を用いて各バイトを輪番的に次々に監視
   することを特徴とする、第５項記載の監視方法。 乙　工作機械の工具の摩損が差し迫っていることを示す
   工具の性能劣化を検知する監視装置において、工具によ
   り被加工物に加えられる力の時間関数を表わす信号をと
   り出す手段、その力の第１及び第２次導関数を計算する
   手段、前記計算手段により作動され、第２次導関数の値
   が所定の基準値を越えると工具が不満足な状態に立ち至
   ったことを示す比較器手段を具備してなる監視装置。 ８、　工具の力の時間関数を表わす信号をとり出す手段
   は主軸の消費電力変換器を含むことを特徴とする、第７
   項記載の監視装置。 ９、　前記主軸の消費電力変換器から信号はデジタイザ
   ーへ送られることを特徴とする、第８項記載の監視装置
   。 １０、工具の摩耗の大きさを表わす番号が表示されるこ
   とを特徴とする、第９項記載の監視装置。 １１、数値制御装置付工作機械に用いられ、その制御装
   置により制御される複数の工具のバイトが選択的に監視
   されることを特徴とする、第７項記載の監視装置。