JPS6090660A - 切削抵抗測定方法 - Google Patents

切削抵抗測定方法

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JPS6090660A
JPS6090660A JP19761783A JP19761783A JPS6090660A JP S6090660 A JPS6090660 A JP S6090660A JP 19761783 A JP19761783 A JP 19761783A JP 19761783 A JP19761783 A JP 19761783A JP S6090660 A JPS6090660 A JP S6090660A
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4065Monitoring tool breakage, life or condition

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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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】
この発明は、切削抵抗測定方法に関し、負荷時間の極め
て短い切削加工においてその作業性P阻害することなく
切削抵抗をインプロセス測定する切削抵抗測定方法に関
する。 切削加工が自動化されるに伴い、切削抵抗などの切削緒
特性のインプロセス測定が強く望まれている。殊の外、
切削抵抗は、切削諸現象と密接な関連を有しているため
に、切削抵抗のインプロセス測定は、重要な課題といえ
る。 従来、金属の切削加工における切削抵抗のインプロセス
測定は、電力計、圧電素子、刃物台の変位、静圧軸受等
に代表される試みが多く成されている。これらによる切
削抵抗の測定では、測定精度、工作物と工具の寸法なら
びに形状の変化しこ対する対応、さらには作業性の阻害
や剛性等の点で一長一短がある。 ところで、最近電動機のずベリを測定することにより切
削抵抗をめる方法が提案されているが、以下に述べる理
由により負荷時間が比較的長い切削加工などに限定され
る\すなわち、誘導電動機は空運転時にはほぼ同期速度
に近い角速度で回転するが、負荷が作用するとすべりを
生じ、負荷と電動機のトルクとがつり合った点で回転す
る。この関係は第1図に図すようになり、図においてO
−Aの範囲では近似的に直線関係が成立するとみなされ
ている。この関係に注目して電動機のすべりを検出する
ことによって負荷をめることができる。 ここで、空運転中の電動機に急激な矩形の負荷Wが作用
した場合の過渡的な角速度の変化を第2図に示す。同図
より負荷WとすベリSの関係は、βを比例定数として次
式で示される。 W−βS−β・(ω。−0w)/ω0・・・・・(1)
この式において無負荷時の角速度ω0が変化しないもの
とすれば、負荷時の角速度ωWを測定することによって
負荷Wをめることは可能であるが、この測定方法は負荷
時間の比較的長い場合Gこ限定される。 すなわち、負荷Wに対応した角速度ωWになるまで(t
b−ta)なる時間の遅れを生じる(第2図の過渡的な
角速度の変化曲線Cを参照)。 それ故に、(tb−ta)時間以下の短い負荷時間を有
する加工、たとえば旋削加工やフライス加工などの一般
の金属切削に比較して切削速度と工作物送り速度がほぼ
一桁高く、かつ負荷時間が極めて短い木材や他の特殊材
料の切削加工の場合には、上述した従来の測定方法を適
用して切削抵抗をめることはできない。 さらに、この従来の方法では、電源電圧の変動や、軸受
や電動機による動力伝達系の温度依存性によって(])
式の比例定数βが変動することを補正しなければならな
い。 そこで、本発明者は、第2図の過渡的な角速度の変化曲
線Cが示す時間(ta〜tb )における角速度の減少
する現象しこ着目し、負荷時間の極めて短い切削加工G
こおいて切削抵抗が得られる測定方法を見出した。 すなわち、角速度の変化曲線Cに着目して、全回転体の
慣性モーメントをJ、その負荷をWとすれば、負荷Wは oJ W=−J□ ・・・・(2) t (ただし、Jは慣性モーメント) と7:rす、a6I、、’ d t =−W/Jなる負
の角加速度を受けて角速度が低下するが、角速度の低下
によってずべりSが生じると第1図で説明したような直
線関係によりαS(αは比例定数)なるトルクが電動機
Gこ生じて、このトルクによって電動機にαS/Jなる
正の角加速度が生じる。これら2つの角加速度によって
電動機内の角速度は、第2図の角速度の変化曲線Cのよ
うに低下する。 この時の角加速度dω/dtは(+)+2)式より次式
で示される。 dω W αS ■−−了十丁 したがって、角速度ωGこ到達するまでの時間りは、 から、 となる。 (4)式より角速度ω〔rad/s〕と時間t [s]
の関係をめて について微分すると、 を得る。 この(5)式はt=Qで角加速度dω/dtが負の最大
値(ピーク値)lこなることを示している。 このことから、電動機が回転中に切削負荷(理想的には
矩形負荷)を受けた場合には切削開始直後に負の角加速
度の最大値を呈するものと考えられる。 しかして、この発明は、誘導電動機の負の加速度のピー
ク値もしくは負の角加速度のピーク値を検出して、その
ピーク値と別途すでに測定して得られた切削抵抗(トル
ク)値とを比較してピーク値に対する切削抵抗値の較正
線をめておいて、実際の切削負荷時間の極めて短い加工
時に、ピーク値を検出するだけで、直ちに較正線に基づ
いて作業性を上書することなくかつ電源電圧の変動や電
動機Gこよる動力伝達系の温度依存性の影響をうけるこ
となく、切削抵抗ヲインプロセスで測定できる切削抵抗
測定方法分提供することを目的とする。 したがって、この目的を達成するためにこの発明の切削
抵抗測定方法は、工具に動力を伝える誘導電動機に切削
負荷が加わった際、この誘導電動機のすべりによって生
ずる回転数の変化をパルス周波数で検出した後周波数/
電圧コンバータで電圧に変換し、かつその電圧を微分演
算して得られた誘導電動機の負の加速度のピーク値もし
くは負の角加速度のピーク値と、別途求めた切削抵抗値
との較正線を作成しておき、誘導電動機
【こ実際の切削
負荷が加わった際に前記負の加速度のピーク値もしくは
負の角加速度のピーク値を検出し、このピーク値Gこ対
応する切削抵抗値を前記較正線からめるようtこしたこ
とを特徴とする。 以下、この発明の切削抵抗測定本性を具体化した一実施
例を図面に基づいて説明する。 第3図は、この発明の方法を実施するのに用いられる切
削抵抗測定装置の一例を示しており、図中1は主軸自動
昇降式の直立ボール盤である。 この直立ボール盤1の主軸2を昇降するためのプーリ2
aと無段変速モータ3のプーリ3aとの7間にはベルト
4(好ましくは歯付きベルト)が取付けられており、こ
の無段変速モータ3により主軸2を自動昇降できるよう
になっている。 また、直立ボール盤1には、主軸2の回転駆動用の誘導
電動機5(以下、電動機という)が付設されていて、こ
の電動機5の主軸5aに装着されたベローズカップリン
グ5bと主軸2の従動プーリ2bとの間Gこけ、ベルト
6(好ましくは歯付きベルト)が取付けられている。さ
らGこ、前記主軸2に取付けられたドリル7には、たと
えばストレートシャンクドリル(sr<H9、K径r=
]0.omm・頂角θ= 118°)が用いられている
。 一方、直立ボール盤1のテーブル8上には、ドリル7に
よりドリル切削を行なう際のドリル7の切削抵抗(トル
クT及び推力TH)を直接測定するための工具動力計9
が固定されており、この工具動力計9上Oこは固定ブロ
ック9aを介して被削材としての木材片10が装着され
ている。この木材片10は、たとえば、マカンバ(学名
: Betula Maximowicziana R
egel )の気乾4′Aの板目が用いられている(気
乾含水率・11.3〜13.1%、比重0.68〜07
1、平均年輪幅。 +、4.mm)。ここで、被削材として木材片を用いた
理由は、切削の際の切削負荷時間の極めて短い事例を容
易に得るためである。 上述した直立ボール盤]しこは、次に述べるドリル切削
の際に前記工具動力計9を介して切削抵抗を直接測定す
る直接測定系SY1と、前記電動機5の主軸5aにベロ
ーズカップリング5bを介して取・Uけられた回転数の
計測器としてのロータリエンコーダ11から出力される
出力パルス信号S1を分析する信号分析糸SY2と、前
記直接測定系SY、と信号分析系SY2から得られる各
データを時間軸を同じGこして記録するたとエバペン書
きオシログラフ12及びデータ再生用のデータレコーダ
13とが付設されている。 詳細には、前記直接測定系SY、は、前記工具動力計9
とこの工具動力計9の出力を増巾する動歪計14とで購
成されており、動歪計14から得られるトルクT及び推
力THは前記ペン書きオシログラフI2及びデータレコ
ーダ13に記録されるようになっている。 一方、信号分析系SY2は、たとえば一回転【こ360
パルスの出力パルス信号S、を発生し電動機5の回転数
の変化を検出する前記ロータリエンコーダ11と、この
ロータリエンコーダ11の出力パルス信号S1を電圧に
変換するFAコンバータ】5と、このF/Vコンバータ
】5の出力信号S2を測定に最適な信号に処理する電圧
シフト回路】6及びローパスフィルタ17と、ローパス
フィルタ17から得られる処理信号S3を微分演算する
微分回路18とを有している。この微分回路18から得
られる出力信号S、及び処理信号S3は、前記ペン書き
オシログラフ12に記録されると共に、前記出力パルス
信号S1はデータレコーダ13に記録されるようOこな
っている。 前記F/Vコンバータ]5は、たとえば4000rpm
Gこおいて400mVの出力が発生するよ゛うになって
おり、F/V比は60 Cpulse/S・mV ) 
bコ設定されている。また、電圧シフト回路]6は、F
/Vコンバータ15の出力信号S2が小さいので、ペン
書きオシログラフ12の感度に合わせて記録させるため
に、たとえば電圧比で20倍(26dB)の利得をもた
せである1゜そして、電圧シフト回路16を含めた糸の
F’/V比は、3.04(pu 1 se/S−mV)
に設定されている。さらに、前記ローパスフィルタ]7
は、この実施例では、2次パターワークの3段型が用い
られ、このローパスフィルタ17は、電動機5の回転数
の変化を表わす処理信号S3と後の微分回路】8の出力
信号S4を見やすくするため、(特に微分回路18は周
波数依存性があり、この出力信号S、が見にくくなるの
を防ぐため)のものであり、そのしゃ新局波数はたとえ
ば5T(zに設定されている。 なオ、ロータリエンコーダ]lとF/Vコンバータ15
の間には、オシレータ19と周波数カウンタ20が接続
されている。このオシレータ19は、出力パルス信号S
、の校正信号を与えると共に、周波数カウンタ2oは出
力パルス信号S1のパルス数を確認のためにカウントす
るようになっている。 次に、上記構成の測定装置を用いた切削抵抗測定方法を
説明する。 電動機50回転数は、たとえば実測値で1490rpm
とすると、ロータリエンコーダ11の出力パルス信号S
1のパルス数は8940(pulse/S) トする。 ここで、直立ボール盤1の空運転時の電動機5の回転数
、換言すれは出力パルス信号s1のパルス数は、できる
限り一宇であることが望ましいので、パルス数が一定と
なるまで電動機5を所定時間慣し運転する必要がある。 ′次に、木材片10に対して、たとえば切込み量がO,
]Omm/ rev 、ドリル7の回転数]000rp
mの条件で、穴深さ15mmだけドリル切削加工する場
合を考える。、(第3図参照) 木材片】0をドリル7による切削開始直後に’fi’E
動機5Gこ時間の極めて短い切削負荷が加わり電動機5
Gこすベリを生ずる。このすべりによる′1[L動機5
0回転数の減少を信号分析糸SY2のロークリエンコー
グ11が検出し、出力パルス信号SIのパルス数が下が
る。そして、出力パルス信号S1のパルス数をF/Vコ
ンバータ15により周波数/電圧変換して出力信号S2
を出力する。 このF/Vフンバータ15の出力信号S2は直流出力電
圧信号であり、かつ回転数の減少に伴う出力信号S2の
変化は、直流出力電圧信号に比べて非常に小さいので、
電圧シフト回路16により7M、流出力電圧信号を電圧
シフトして下げたのち、ローパスフィルタ17において
出力信号s、、 (7) 高周波成分を除去して回転数
に対応する処理信号S、を出力する。この処理信号S3
の信号レベルは、第511こ示すように直接ベン書きオ
シログラフ12に記録されると共に、微分回路13に入
力されこの微分回路13の出力信号S4もペン書きオシ
ログラフ12に記録される。そこで、微分回路180人
力V[mV]とその出力■。(mV)の関係は、 Vo= Rf −Cd v/dt −−−(6)である
ので、Rf−Cを較正した結果(たとえばRf・C= 
0.068)を代入すると、 dV/dt = volo、 068 −・・・・(7
)トナル。ここで、上述したようにF/VコンバータJ
5と電圧シフト回路】6とで成る系におけるF/V比が
3.04であるので、パルスifと入力V及びパルス数
fと角加速度dqdtとの各関係は、それぞれ、 −df/dt = 3.04 dV/dt ・・・・・
・・(8)dω/dt二2π/360・df/dt・・
・・(9)となる。ここで負符号は負の加速度を表して
いる。 上の(8)、+91式に(7)式を代入して整理すると
次の(10) 、(]D式になる。 −d f/d t = 44.7 VO[pulse/
S2〕−・・(10)−dω/d t = 0.78 
VOCrad/S2] ・四(]])したがって、第5
図に示す微分回路]8の出力VOから、パルスの負の加
速度(−dω/dt)と負の角加速度(−dω/dt)
が得られることになる。 ここでは、ロークリエンコーダIIで)ぐ117周波数
をめているために、(10)式の方が直感的に理解しや
すい。そこで、以下では専ら負の加速度を用い、第7図
では減少加速度として扱う。 一方、ドリル7&こよる切削開始により、直接測定系S
Y、の工具動力計9より動歪計14を介してペン書きオ
シログラフ12に、第5図に示すように前記微分回路1
8の出力VO(負の加速度)と微分回路180人力■(
電動機回転数)Gこ同期してトルクT及び推力THが記
録される。 しかして、ドリル切削時の推力TH,トルクT、電動機
回転数及び微分回路18の出力■0(負の加速度)を示
す第5図より、次のことが判る。 (] 削開始時間ta直後においてまず最初に変化する
のは推力THであり、急激に立上って短時間テ切削中の
平均推力に達している。次に、切削開始時間t!1より
、やや遅れてトルクT1電動、機回転数及び微分回路]
8の出力VO(負の加速度)が変化を始める。図より、
負の加速度のビーり値Pvoが現れるのは、切削開始直
後すなわち回転数が変化し始める直後ではな((tb−
ta)秒後であり、実際には(5)式で示した理論値と
はややずれる。また、トルクTの立上り曲線の第1ピー
クTp(一定値になる肩の部分)の生ずる時間は、負の
加速度のピーク値PV0が生ずる時間tbcこ一致して
いる。 ここで、ドリル7の形状に着目すると、第3図で示した
ように切削開始直後から図中距離lで示す間は、ドリル
7の先端切刃全面が切削に関与しているわけではなく、
ドリル7の切込みfit カO,] Cynm/ re
v :]の時のドリル7の送り速度で距離lを割ると、
その全面切削に達するまでの所要時間と時間tbとは一
致する。このことから、前記負の加速度のピーク値Pv
0は、ドリル7の先端切刃の全面が木材片10の切削を
行なう全面切削を開始した時間(tb )にほぼ発生す
るといえる。 以上のことを踏まえて、切込み’It d Cmm/ 
r e v )に対するトルクT[:N−cm)の関係
を第6図しこ示し、このトルクTをその時に作用してl
/)る負の加速度(−df/dL)で整理するとその較
正線Gま第7図のようになる。第7図から、トルりT(
切削抵抗値)と負の加速度(−df/at)の関係は、
はぼ直線的Gこ対応している。したがって、負の加速度
(−df/dt)を検出することtこより、負荷時間の
極めて短い加工においても作業性を阻害することなくイ
ンプロセスで、作用しているトルクT(切削抵抗値)を
すでに作成した前記第7図の較正線を用いて測定するこ
とができる。この際、電源電圧の変動や軸受及び電動機
の温度変化などGこよる電動機の回転数の変動に、本切
削抵抗測定方法は影響を受けることはなl/)。 なお、上述した実施例では、第7図に示すようGこ横軸
に負の加速度(−af/dt)をとって較正線を作成し
たが、負の角加速間(−dω/dt)をとって負の角加
速度(−aω/dt)と切削抵抗値(トルクT)とで較
正線を作成してもよい。 この場合も、(10) (11)式から容易Gこ理解で
きるように較正線はほぼ直線性を有する。また、木材片
をドリル切削した場合であったが、これに限ることなく
、切削負荷時間の短い加工においてこの発明の測定方法
を適用できることはいうまでもない。 以上説明したようにこの発明によれば、誘導電動機に切
削負荷が加わった際のすべり【こよって生ずる回転数の
変化をパルス周波数で検出した後周波数/電圧コンバー
タで電圧に変換し、かつその電圧を微分演算して得られ
た誘導電動機の負の加速度のピーク値もしくは負の角加
速度のピーク値と、別途求めた切削抵抗値と、の較正線
を作成しておき、誘導電動機Gこ実際の切削負荷が加わ
った際に前記負の加速度のピーク □値もしくは負の角
加速度のピーク値を検出し、このピーク値しこ対応する
切削抵抗値を前記較正線からめるようにしたので、負荷
時間の極めて短い加工をする時に、負の加速度を検出す
るだけで、較正線に基づいて作業性を阻害することなく
インプロセスで切削抵抗値を容易に測定できると共に、
電源電圧の変動や軸受及び電動機の温度変化などによる
電動機の回転速度の変動を受けずに正確な切削抵抗値が
得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、電動機のすべりに対するトルク特性を示す図
、第2図は、電動機に矩形負荷を加えた場合の角床度の
変化を示す図、第3図は、この発明の方法を実施するの
Gこ用いられる切削抵抗測定装置を示す図、第4図は、
ドリルの先端部を示す図、第5図は、推力、トルク、回
転数、負の加速度を示す図、第6図は、切込み量に対す
るトルクの関係を示す図、第7図は、負の加M 度のピ
ーク値に対するトルク(切削抵抗値)lの関係を示す較
正線の図である。 1 直立ボール盤、5・誘導電動機、7 ・工具として
のドリル、9 ・工具動力計、10 被削拐としての水
利片、1]・・ロータリエンコーダ、18・微分回路、
SY、・・信号分析系、SY2・・直接測定系。 特許出願人 梅 津 二 部 代理人 弁理士 西 村 教 光

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 工具に動力分伝える誘導電動機に切削負荷が加わった際
    、この誘導電動機のすべりによって生ずる回転数の変化
    をパルス周波数で検出した後局波@/電圧コンバータで
    電圧に変換し、かつその電圧を微分演算して得られた誘
    導電動機の負の加速度のピーク値もしくは負の角加速度
    のピーク値と、別途求めた切削抵抗値との較正線を作成
    しておき、誘導電動機に実際の切削負荷が加わった際に
    前記負の加速度のピーク値もしくは負の角加速度のピー
    ク値を検出し、このピーク値【こ対応する切削抵抗値を
    前記較正線からめるようにしたことを特徴とする切削抵
    抗測定方法。
JP19761783A 1983-10-24 1983-10-24 切削抵抗測定方法 Granted JPS6090660A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS61103761A (ja) * 1984-10-29 1986-05-22 Osaka Kiko Co Ltd 切削トルク測定装置
CN108036813A (zh) * 2017-12-23 2018-05-15 马鞍山钢铁股份有限公司 一种电动机编码器接手打滑的自动检测方法

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