JPS60201206A - 工具摩耗度検出装置 - 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】 （発明の分野） この発明は、工作機械における工具の摩耗度を、加工中
に発生するアコースティック・エミッション（以下、Ａ
Ｅという）を利用して検出するようにした工具摩耗度検
出装置に関する。

（発明の背景） 従来、工作機械例えば旋盤において、バイトの摩耗度を
検出するには、切削工程終了後に作業員がバイトの先端
を顕微鏡で観察したり、あるいは切削工程を一時中断し
てバイトの先端をタッチセンサで接触検査するのが通例
である。

しかし、最近フレキシブル・マニュファクチャリング・
シテスム（以下、ＦＭＡという）、ファクトリ・オート
メーション（以下、ＦＡという）が盛んになるに連れ、
切削工程中にバイトの摩耗度をオンライン的に検出する
ことが要望されている。

そこで、本出願人は先に、特願昭５９−６７４７号公報
等において、工作機械の工具またはその近傍に取付けら
れたＡＥセンサと、前記ＡＥセンサの出力を、適当なレ
ベルに増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力側に設
けられ、かつ前記工具の摩耗と強い相関のある周波数成
分を通過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパス
フィルタの出力を整流、平滑して、工具摩耗度に対応し
たレベルの直流信号を得る直流化回路とを備え、この直
流化回路の出りを工具摩耗痕として出りするようにした
工具摩耗度検出装置を出願（未公開）している。

しかしながら、このような工具摩耗度検出装置にあって
は、ＡＥ振幅平均値信号とバイトの逃げ面摩耗幅とは一
定切削条件の下では比重に強い相関関係があるが、切削
状態の変化、特に切り屑形態の変化はＡＥ振幅平均値信
号に大きな影響を与え、バイトの逃げ面摩耗幅との強い
相関関係を崩してしまうという欠点があった。

（発明の目的） この発明の目的は、例えば旋盤に適用した場合、切削工
程中に、すなわち切削工程を同等中断することなく、バ
イトの摩耗度を自動検出することができ、しかも切り屑
形態の影響を除きより信頼性の高い工具摩耗度検出装置
を提供することにある。

（発明の構成と効果） この発明は上記の目的を達成するために、工作機械の工
具、ワークまたはその近傍に取付けられたＡＥセンサと
、前記ＡＥセンサの出力を、適当なレベルに増幅する増
幅回路と、前記増幅回路の出力側に設けられ、かつ前記
工具の摩耗と強い相関のある周波数成分を通過させるバ
ンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力信
号を整流する整流回路と、前記整流回路の出力信号を微
小時間毎にサンプルするデータサンプリング手段と、前
記サンプルされたデータの確率密度関数の最大値および
サンプルデータの平均値をめ、該平均値と最大値との相
関関係に基づいて工具摩耗度を判定する判定手段とから
なることを特徴とする。

このような構成によれば、例えば旋盤に適用した場合、
切削工程中に、すなわち切削工程を同等中断Ｊることな
く、バイトの摩耗度を自動検出することができることに
加え、切り屑形態が変化したとしても、これに影響を受
けることなくバイトの摩耗度を高精痕に検出することが
できる。

（実施例の説明） 第１図は、本発明装置を旋盤に適用し、バイトの摩耗度
を検出するようにした構成を示すブロック図である。

同図において、円筒状ワーク１は周知の如く、心押台２
とチトツク３によって回転自在に保持されでおり、刃物
台４にはバイト５が固定され、このバイト５のシャンク
６にはＡＥセンサ７が固定されている。

ＡＥＩ？ンサ７は比較的広帯域のもので、１００Ｋ　ｌ
−Ｉ　Ｚ〜Ｉ　Ｍ　ｌ−１ｚのＡＥを検出可能に構成さ
れている。

プリアンプ８は、この例ではゲイン２０ｄＢ。

帯域１００ＫＨｚ〜１ＭＨ１に設定され、ＡＥセンサ７
の出力を適当なレベルに増幅する。

プリアンプ８の出力側には、通過帯域を１００ＫＨ２〜
３００ＫＨｚ　、−２４ｄ　Ｂ１０ｃｔに設定されたバ
ンドバネフィルタ９が設けられており、このバンドパス
フィルタ９によって機械振動等に伴うノイズ成分がカッ
トされる。

次いで、バンドパスフィルタ９を介して取り出された１
　００ＫＨｚ　〜３００ＫＨｚ成分は、平均化時定数１
　ｍ５ｅｃに設定された全波整流回路１０によって整流
される。

Ａ／Ｄ変換器１１は、全波整流回路１０の出力を、サン
プリング周期０．１ｍ５ｅｃ、　１２ビツトで△／Ｄ変
換し、このＡ／Ｄ変換器出力はマイクロコンピュータ１
２へと読込まれる。

そして、マイクロコンピュータ１２においては、後述す
るシステムプログラムを実行することによって、バイト
の摩耗度をめ、これを例えば％によって摩耗度表示装置
１３にデジタル表示させるほか、このバイト摩耗度が所
定の限界値に達した場合には、摩耗度限界出力を外部へ
出力する。

従って、この摩耗度限界出力に基づいて、ロボット等の
ハンドリング手段に指令を与え、バイト６を自動交換さ
せる等の適宜な制御を行なうことができる。

次に、マイクロコンピュータ１２で実行されるシステム
プログラムの構成を、第２図および第３図のフローチャ
ートを参照しながら説明する。

マイクロコンピュータ１２のＲＡＭ内には、第５図に示
す如く、一連のサンプルデータエリア×（０）、　Ｘ　
（１）、　Ｘ　（２）−Ｘ　（Ｎ）がａけられており、
これらのエリアは第６図に示すサンプルデータポインタ
Ｉによって指定可能になっている。

また、第７図に示す如く、マイクロコンピュータ１２の
ＲＡＭ内には、一連の確率密度データエリアＡ　（０）
、　Ａ　（１）、　Ａ　（２＞・・・Ａ　（Ｋ）が設け
られており、これらのエリアは、各サンプルデータの値
によらて特定されるようになされている。また、これら
一連のデータエリアによって確率密度関数Ａ（Ｘ（Ｉ）
）がテーブルとして形成されるようになっている。

また、第６図において、確率密度関数の最大値レジスタ
Ｍには、後述する演算処理の結果、最も発生確率の高い
サンプルデータＸ（１）に対応するデータ番号Ｉが記憶
されるほか、Ｂ１は平均値レジスタ、Ｂはトータルデー
タレジスタであり、これらの機能については後述するフ
ローチャートの説明において詳述する。

第２図において、まずステップ（１００）では、トータ
ルデータレジスタＢ、サンプルデータポインタ１および
平均値レジスタＢ＋をＯにリセットし、更にサンプルデ
ータエリアＸ（０）、Ｘ（１）、　Ｘ　（２）・・・Ｘ
（Ｎ）を全てクリアする。

続（ステップ（１０１）では、周期Ｔ（この例では、Ｑ
　、　Ｉ　ｎ＋５ｅｃ）毎にＡ／Ｄ出力をサンプルして
、これをサンプルデータエリアＸ（０）、Ｘ（１）、Ｘ
（２）・・・Ｘ（Ｎ）に順次記憶させる。

ステップ（１０２）→（１０３）→（１０４）→（１０
２）では、サンプルデータエリア×（０）、　Ｘ　（１
）、　Ｘ　（２）　・Ｘ　（Ｎ）の内容を全て加算し、
これをトータルレジスタ８に記憶させる。

加算が終了すると、ステップ（１０２）の実行結果はＹ
ＥＳとなり、続くステップ（１０５）ではサンプルデー
タの平均値がめられ、この平均値は平均値レジスタＢ＋
に記憶される。

なお、ポインタ■とサブデータｘ（１）との関係は第８
図のようになる。

第３図において、続くステップ（１０６）では、確率デ
ータエリアＡ（０）、Ａ（１）、Ａ（２）・・・Ａ　（
Ｋ）を全てクリアし、同時にサンプルデータポインタｉ
を０にリセットする。

以後、ステップ（１１０）でサンプルデータポインタを
歩進させ、ステップ（１０７）でサンプルデータポイン
タ１の値がＮになるまでの間、ステップ（１０８）、（
１０９）を繰り返し実行する。

すなわち、ステップ（１０８）では、サンプルデータポ
インタＩで指定されるサンプルデータエリアＸ（１）の
内容を読込み、続くステップ（１０９）では、読込まれ
たサンプルデータＸ（１）の値に対応する確率データエ
リアＡ（Ｘ（１）１の内容に＋１を加算する。

このようにして、ステップ（１０７）→（１０８）→（
１０９）→（１１０）→（１０７）を繰り返し実行する
と、各確率データエリアには、各サンプルデータｌａ０
，１．２−・・Ｋの発生傾度が形成記憶され、これによ
り確率密度関数Ａ（Ｘ（１））がめられる。

全てのサンプルデータについて以上の処理が終了すると
、ステップ（１０７）の実行結果はＹＥＳとなり、続く
ステップ（１１１）においてはζサンプルデータポイン
タＩおよび最大値レジスタＭをそれぞれ０にリセットす
る。

続くステップ（１１２）〜ステップ（１１５）では、確
率データエリアＡ　（０）、　Ａ　（１）、　Ａ（２）
・・・Ａ（Ｋ）について、全ての記憶データの中で最大
１ｍＡ（Ｘ（Ｍ））がめられ、この最大値Ａ　（Ｘ　（
Ｍ）　）に対応したサンプルデータ番号ｌがレジスタＭ
に記憶される。

ステップ（１１２）〜（１１５）による処理によって最
大確率密度がまると、ステップ（１１２）の実行結果は
ＹＥＳとなり、続くステップ（１１６）では、前記水め
られた平均値Ｂ＋に対する最大確率密度Ｍの比がめられ
る。

このめられた比Ｍ、／Ｂ＋が、バイトの限界摩耗度に対
応づる所定のｌｉＩ値ＫＴＨよりも小さくなると、ステ
ップ（１１８）において摩耗限界信号がマイクロコンピ
ュータから外部へと出力され、続くステップ（１１９）
では、前記水められた平均値に対する最大確率密度の比
が表示データとして摩耗度表示装置１３へと出力され、
摩耗度表示装置においては、例えば％によってバイトの
摩耗度がデジタル表示されることとなる。

なＪ３、本発明の要旨とするところは、サンプルされた
データの確率密度関数の最大値およびサンプルデータの
平均値をめ、該平均値と最大値との相関関係に基づいて
工具摩耗度をめることにあり、従って第３図のフローチ
ャートにおいてステップ（１１６）〜（１１９）を第４
図に示す如く、ステップ（１１６Ａ）〜（１１９Ａ）に
変更し、平均値Ｂ１と最大値Ｍとの差、すなわちＢ１−
Ｍがバイトの限界摩耗度に対応した所定の閾値ＫＴＨ−
より大きいことに基づいて、バイトの摩耗度が限界に達
したことを検出しすることもできることは勿論である。

次に、本発明装置の作用を第９図〜第１２図を参照して
説明する。バイトのフランク摩耗幅（ＦＩａｎｋ　Ｗｅ
ａｒ　）とＡＥ振幅平均値ＡＥ　（ｖ　）および最大密
度ＡＥ　（ａ＋　）との関係を第１２図に示す。

ここで、平均値ＡＥ　（Ｖ　）は最大重１］ｊＡＥ　（
ａ　）をめたときと同じ条件で待られたデータからめた
ものである。

この図から明らかなように、先に出願したＡＥ振幅平均
値ＡＥ　（ｖ　）に基づく摩耗幅検出の場合、フランク
摩耗幅が２００μ■程度まではフランク摩耗幅に対応し
てＡＥ平均値ＡＥ　（ｖ　）はリニアに変化するが、フ
ランク摩耗幅が２２０μ■を越えると、図中点線に示す
如く、ＡＥ平均値ＡＥ（Ｖ）は急激に増加し、このため
、フランク摩耗幅とＡＥ平均値ＡＥ　（Ｖ　）との相関
に基づくものでは、ＡＥ平均値ＡＥ　（ｖ　）に基づい
てフランク摩耗幅を正確に検出することができない。

ここにおいて、本出願人は、このように相関関係が外れ
る原因が、切り屑形態の変化に起因するとの知見を得た
。

第９図（ａ）、第１０図（ａ）および第１１図（ａ　）
はそれぞれ、切り屑の形態を第９図（０）に示す円弧型
、第１０図＜Ｃ＞に示ずコイル状。

第１１図（Ｃ）に、示す渦巻き型に分類した場合にＪ３
ける、ＡＥ信号の全波整流波形をそれぞれ示すものであ
る。

第９図（ａ　）に示す如く、円弧状切り屑の場合、ＡＥ
信号振幅ＡＥ　（ｖ　）は数Ｉｓ毎にヒゲ状ピーク値と
なり、これは、切り屑が切断する際の突発的ＡＥと考え
られる。

第１０図（ａ）に示す如く、コイル状切り屑の場合は、
突発’！ＡＥの発生頻度は円弧型切り屑の場合より低く
、コイル状切り屑の長さが長くなると、切断してその瞬
間にかなりレベルの高いＡＥが発生ずる。

渦巻き型切り屑の場合には、突発型ＡＥのレベルは円弧
型、コイル状に比べ著しく大きい。このように切り屑形
態が渦巻き型になると、突発型ＡＥのレベルは非常に大
きくなるため、これが原因でＡＥ平均値ＡＥ　（ｖ　）
は急激に増大する訳である。

なお、第１２図において、逃げ面摩耗幅が２０μ鋼のと
きは円弧型切り屑となり、２２０μｍ以上のときは渦巻
き型切り屑となり、その他は円弧型とコイル状の切り屑
となる。

これに対して、円弧型、コイル状および渦巻き型切り屑
について、確率密度関数における最大密度ＡＥ　（ｍ　
）について観察すると、第９図（ｂ）。

第１０図（ｂ）、第１１図（ｂ）にそれぞれ示す如く、
切り屑の形態が円弧型またはコイル状から渦巻き型に変
化したとしても、最大密度ＡＥ　（ｍ　）についてはＡ
Ｅ平均値ＡＥ　（Ｖ　）はどの極端な変動は見られない
。

このため、本発明の如く突発型ＡＥの影響を取除き、逃
げ面摩耗幅と相関のある連続型ＡＥだけのレベルを取り
出ずために、ＡＥの全波整流出力（ＡＥ信号振幅ＡＥ　
（Ｖ　）　）の確率密度関数における最大密度ＡＥ　（
１）をめるようにすれば、第１２図に示す如く、切り屑
の形態が渦巻き型になったとしても、フランク摩耗幅と
最大密度ＡＥ（＋ａ）との間にリニアな関係を維持する
ことができ、このため精度信頼性の＾いバイト摩耗度検
出を行なうことができる。

また、特にここで重要なことは、渦巻型切り屑について
は、バイトの摩耗が進行した時に発生しやすく、この切
り屑が生成されるような切削条件で切削されて被剛材は
全て不良品となり、生産性の効率ダウンおよびコストア
ップにつながる。これに対して、円弧型切り屑およびコ
イル状切り屑は新切削表面に影響を与えないことが知見
された。

すなわち、渦巻型切り屑の発生を正確かつ迅速に検出す
ることが切削加工の自動化および高効率化を進める中で
非常に重要となる。

従って、ＡＥ平均１ｎＡＥ　（Ｖ　）と最大確率密度Ａ
Ｅ　（ｍ　）との比が所定の閾値ＫＴＨよりも小さくな
ったこと、あるいはＡＥ平均１ｉ！ＩＡＥ　（Ｖ　）と
最大確率密ＩＡＥ　（ｍ　）との差が所定の閾値ＫＴＨ
よりも大きくなったことによって、バイトの摩耗度が限
界に達したことを確実に検出することができ葛のである
。

このように、この実施例によれば、ＮＣ旋盤においてバ
イトの摩耗が進行した場合、その進行の皮合を視覚的に
表示させることができるとともに、予め設定した限界摩
耗度に達した場合には、バイト交換出力を発することが
できる。

また、ＡＥを介してバイトの摩耗度を検出するため、切
削工程が同等中断することなく行なうことがモき、更に
切り屑の形態が円弧型またはコイル状から渦巻き型に変
化したとしても、バイトの摩耗度を精密に検出すること
ができ、ＦＭＳ、ＦＡ等にお番ノる要求を充分に満足さ
せることができる。

なお、以上は旋盤の場合で説明したが、フライス盤、ボ
ール盤、研削盤、ホーニング盤等の各種工作機械に適用
できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を旋盤のバイト摩耗度検出に適用した実
施例を示すブロック図、第２図、第３図。 第４図は本発明装置のマイクロコンピュータで実行され
るシステムプログラムの構成を示すフローチャート、第
５図はサンプルデータ記憶エリアの内容を示すメモリマ
ツプ、第６図はサンプルデータポインタ、最大確率密度
レジスタの内容を示すメモリマツプ、第７図は確率デー
タエリアの内容を示すメモリマツプ、第８図は任意の全
波整流波形に対して、ナンプルデータポインタ■と各サ
ンプルデータＸ（１）との関係を示すグラフ図、第９図
は円弧型切り屑について、ＡＥの全波整流波形、ＡＥ平
均値、最大密度、および切り屑の形態を示を説明図、第
１０図はコイル状切り屑について第９図と同様な図、第
１１図は渦巻き型切り屑について第９図と同様な図、第
１２図は先に出願したＡＥ平均値によるバイト摩耗度検
出方法と、本発明に係わる確率密度関数の最大密度を利
用したバイト摩耗度検出方法とを比べて示すグラフ図で
ある。 １・・・ワーク ２・・・心押台 ３…チヤツク ４・・・刃物台 ５・・・バイト ６・・・シャンク ７・・・ＡＥセンサ ８・・・プリアンプ ９・・・バンドパスフィルタ １０・・・全波整流回路 １１・・・Ａ／Ｄ変換器 １２・・・マイクロコンピュータ １３・・・摩耗痕表示装置 特許出願人 立石電機株式会社 第４図　。 １ 第５図　第７図 Ｘ（１）　、　Ｘｅ１）イ直　ＡＪ、ｘｍ）第６図 第９図 （ａ）　（ｂ） 第１Ｏ図 （ａ）　ｔｂン ＴＩＭｊ：　ｍｇ （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）工作機械の工具、ワークまたはその近傍に取付け
   られたＡＥセンサと： 前記ＡＥセンサの出力を、適当なレベルに増幅する増幅
   回路と； 前記増幅回路の出力側に設けられ、かつｔｉＪ＆ｌ！工
   具の摩耗と強い相関のある周波数成分を通過させるバン
   ドパスフィルタと： 前記バンドパスフィルタの出力信号を整流する整流回路
   と： 前記整流回路の出力信号を微小時間毎にサンプルするデ
   ータサンプリング手段と： 前記サンプルされたデータの確率密度関数の最大値およ
   びサンプルデータの平均値をめ、該平均値と最大値との
   相１ＩＩＩ圓係に基づいて工具摩耗度を判定する判定手
   段とからなることを特徴とする工具摩耗度検出装置。