JPS61112962A - 工具折損検出装置 - 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〕 本発明は工作機械における工具の折損や異常を切削加工
及び折損時に発生するアコースティックエミッション（
以下ＡＥという）を利用して監視。

自動検出する工具折損検出装置に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明はＡＥセンサの感度を調整するために工具折損時
に得られるＡＥ倍信号周波数を含む擬似折損信号を発生
する擬似折損信号発生手段を設けると共に、擬似折損信
号発生手段を取付ける加工対象の表面が必ずしも均一で
ないことに鑑み、標準レベルで擬似折損信号発生手段を
駆動して得られる受波レベルとその基準出力レベルとの
比をＡＥセンサの感度調整時の擬似折損信号発生手段の
補正値として記憶するようにしている。そして工作時に
はその補正値によって補正したレベルで擬似折損信号発
生手段を駆動するので、正確なレベルの擬似折損信号を
用いてＡＥセンサの感度を調整することが可能となり、
信頼性の高い工具折損検出装置とすることができる。

〔従来技術とその問題点〕

工作機械において工具を用いて加工対象（以下ワークと
いう）を切削加工する場合、何らかの原因で工具が折損
し又切屑のつまりを起こして異常切削している場合があ
る。近年の工場自動化の進展に伴いこのような工具の折
損や異常切削を自動的に検出することが強く要求されて
いる。こうした工作機械の工具の折損を検出する一手法
として、従来より工作機械の工具やワークの近傍にＡＥ
センサを設け、そこから得られるＡＥ倍信号基づいて工
具の折損を検出する装置が提案されている。

しかしながら従来の工具折損検出装置によれば、ワーク
の近傍にＡＥセンサが設けられるためその取付位置によ
ってＡＥ倍信号レベルが大幅に異なる。そのため従来の
工具折損検出装置ではＡＥセンサの感度を工具の大きさ
に応じてあらかじめ定められた標準値に設定し、個々の
工作機械の工具。

ＡＥセンサ間の減衰率を試行錯誤で補正していた。

しかるに工具の折損時のＡＥ倍信号折損時にしか得られ
ないのでＡＥセンサの取付位置や取付状態の確認が！’
ｆｆｌ　Ｌ　＜　、工具の折損を確実に検出することが
困難であった。更に工具の種類、例えばドリル径を変更
した時や回転速度等の切削条件を異ならせたとき、更に
形状や材質の異なるワーク毎にＡＥ倍信号レベルが異な
るため、調整が困難であり使い難く信頼性に問題がある
という欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の工具折損検出装置の問題点に
鑑みてなされたものであって、ＡＥセンサの感度を調整
するために工具折損時のＡＥ倍信号同一のＡＥ倍信号発
生する擬似折損信号発生手段を設けると共に、擬似折損
信号発生手段より正確なレベルのＡＥ倍信号発生させて
ＡＥセンサの感度値を調整することによってワークの形
状や材質２表面状態に依存することなく正確に感度を設
定することができる工具折損検出装置を提供することを
目的とする。

〔発明の構成と効果〕

本発明は工作機械の工具近傍に設けられたＡＥ七ンサを
有し、工具の折損時に得られるＡＥ倍信号基づいて折損
を検出する工具折損検出装置であって、工具の折損時に
得られるＡＥ倍信号周波数を含む擬似折損信号を発生す
る擬似折損信号発生手段と、外部入力に基づいて増幅率
を変えてＡＥセンサのＡＥ倍信号増幅する可変増幅率増
幅器と、擬似折損信号発生手段の基準駆動レベルとその
補正値、該基準駆動レベルでの駆動時にＡＥセンサの基
準出力レベルを記憶する領域及び各工具毎の最適感度値
を記憶する領域を有する記憶手段と、擬似折損信号発生
手段を基準駆動レベルで駆動しその際得られる受波レベ
ルを基準受波レベルと比較して補正値を算出する補正値
算出手段、用いられる工具に対応して該補正値により補
正された駆動レベルにより擬似折損信号発生手段を駆動
し可変増幅率増幅器の増幅率を最適値に設定する感度設
定手段を含む制御手段と、を具備することを特徴とする
ものである。

このような特徴を有する本発明によれば、工作機械によ
る加工を行う前に擬似折損信号発生手段により工具の折
損時の擬似折損信号を発生させてＡＥセンサの感度を調
整している。このときあらかじめ擬似折損信号発生手段
を基準駆動レベルで駆動し、そのときＡＥセンサより得
られる受波レベルを基準出力レベルと比較することよっ
てその駆動レベルの補正値を得ている。そしてその補正
値により補正した値で擬（以折損信号発生手段を駆動す
ることによって適正なレベルの擬似折損信号を発生させ
ることが可能となる。こうして発生する擬似折損信号を
用いてＡＥセンサの感度を調整すれば、ワークの表面状
態や材質にもかかわらず正確に且つ容易に調整すること
が可能となる。

こうした調整を終えた後擬似折損信号発生手段を外して
工具を取付ければ、工具折損時には擬似折損信号と同一
の経路によってＡＥ倍信号ＡＥセンサに伝えられる。そ
して適正な感度のＡＥセンサによってＡＥ倍信号信号処
理部に伝えられるので、工具折損の信頼性を大幅に向上
させることが可能となり使い易い工具折損検出装置とす
ることができる。

〔実施例の説明〕

第１図は本発明による工具折損検出装置の一実施例を示
すブロック図である。本実施例は数値制御装置を用いて
制御されるボール盤に取付けられた工具折損検出装置を
示すものであって、ワーク１はボール盤のベース上に固
定されており、ワーク１の上部よりドリル２を回転させ
て所定速度で押下しワーク１を開口する。ドリル２は数
値制御装置３によってその動作が制御されている。ここ
で用いられるドリルは図示しない自動工具交換器によっ
て自動的に交換されるものとする。さてワーク１の上部
のドリルの刃が接触する位置にワーク１に切削を行う前
にあらかしめＡＥセンサと同じ＜ＰＺＴ等からなる擬似
折損信号発生器４が取付けられる。駆動回路５はこの擬
似折損信号発生器４を駆動するものであって、あらかし
め工具の折損時のＡＥ出力波形と相似で且つ同一のパワ
ースペクトル分布を持つ駆動波形を発振するよう構成さ
れており、その振幅レベルは外部より与えられる。そし
てワーク１が配置される工具の近傍、例えば第１図に示
すようにベース上にＡＥ倍信号検出するＡＥセンサ６を
設ける。ＡＥセンサ６はドリル２等の工具からのＡＥ倍
信号擬似折損信号発生器４からのＡＥ倍信号検出する広
帯域のＡＥセンサであって、その出力はＡＥ信号処理部
７に与えられる。へＥ信号処理部７ばＡＥセンサ６から
の信号を所定のレベルセ増幅すると共に工具の折損、異
常切削の信号を検知し、入出力インターフェース８を通
じて中央演算装置（以下ＣＰＵという）９に与えるもの
である。ＣＰＵ９にはシステム制御プログラムを記憶す
るリードオンリメモリ　（Ｊ２２下ＲＯＭという）１０
と、この数値制御装置３によって用いられる工具に対応
するＡＥセンサの感度情報を含むランダムアクセスメモ
リ　（以下ＲＡＭという）１１から成る記憶手段が接続
されている。ＣＰＵ９には更に入出力インターフェース
１２を介して切削中のＡＥ信号レベル、工具の異常切削
や折損を表示する表示器１３、及び工具の番号や種類、
標準のＡＥセンサの感度を設定する入カキ−１４が接続
される。更に信号伝送ライン１５を介して数値制御装置
３が接続されている。ＣＰＵ９はこれらの入力に基づい
て所定の擬似折損信号発生器４の駆動レベルを駆動回路
５に与え、ＡＥ信号処理部７より得られるＡＥ信号レベ
ルに基づいて最適の感度を検出し、それをＲＡＭ１ｌに
順次保持すると共に以後それに対応する工具が用いられ
るときにその感度に設定するように制御するものである
。

次に第２図はＡＥ信号処理部７の詳細な構成を示すブロ
ック図である。本図においてＡＥセンサ６の出力はまず
アナログスイッチ２０に与えられる。アナログスイッチ
２０はＣＰＵ９からの制御信号に基づいてアナログ信号
を断続するスイッチであって、その出力端は可変増幅率
増幅器２１に接続されている。増幅器２１はＣＰＵ９か
らの制御入力に基づいて増幅率を設定することができる
可変増幅率増幅器であって、その出力を二つのバンドパ
スフィルタ２２．２３及び入出力インターフェース８を
介してＣＰＵ９に与えるものである。

バンドパスフィルタ２２ば中心周波数３００　Ｋ　Ｈｚ
　。

バンドパスフィルタ２３は中心周波数５０ＫＩ’ｔｚの
フィルタであって、夫々の中心周波数付近の信号のみを
次段の検波器２４．２５に伝える。検波器２４．２５は
夫々その入力信号を検波し振幅に応した出力を得るもの
であって、検波器２４の出力は微分回路２６に、検Ｓ器
２４，２５の出力は夫々比較器２７に与えられる。これ
らのパンドパスフィルタ２２，２３、検出器２４．２５
及び比較器２７により折損時のＡＥ倍信号識別する周波
数識別手段を形成している。微分回路２６は入力信号の
急峻な変化分のみを次段のレベル判定器２８に伝える。

レベル判定器２８は所定の基準レベルと入力信号とを比
較するものであり、入力信号が大きければ出力を折損検
出回路２９と異常切削検出回路３０に伝える。又比較器
２７ば検波器２４゜２５の出力を比較し、検波器２４の
出力が大きい場合にのみ出力を折損検出回路２９に伝え
る。折損検出回路２９はこれらの入力の論理積をとって
工具の折損を検出する論理回路であって、検出信号を入
出力インターフェース８を介してＣＰＵ９に伝える。又
異常切削検出回路３０はレベル判定器２８の出力に基づ
いて異常切削を検出して入出力インターフェース８を介
してＣＰＵ９に伝えるものである。

次に本実施例の工具折損検出装置の操作について説明す
る。まず擬似折損信号発生器４が取付けられるワークの
表面はワーク毎に異なるため、工作を行うワークの表面
粗さに対応してその駆動レベルを変えてＡＥセンサ４の
感度を調整する必要がある。従ってまず第３図に示すよ
うにワーク１上に擬似折損信号発生器４とＡＥセンサ６
とを所定間隔ｌ、例えば１０　ｃｍを隔てて固定する。

そして第４図のフローチャー１・に示すようにステップ
４゜においてＡＥセンサの感度を標準感度、例えば２０
ｄＢに設定する。次いでステップ４１に進み駆動回路５
を用いられる工具の標準駆動出力に設定して擬似折損信
号発生器４を駆動する。そしてそのときにＡＢセンサ６
より得られる出力レベルＰを測定し、第５図に示すよう
にＲＯＭｌ０にあらがしめ記憶させている基準出力レベ
ルＰＯと比較してその比をｄＢによって算出して補止値
Ａとし、ＲＡＭＩＩ内の所定領域に記憶する（ステ、７
プ４２〜４４）。このとき擬似折損信号発生器４とＡＥ
センサ６との間隔ρは一定であり又ＡＥセンサ６の感度
も一定であるので、両者の出力レベルＰ、Ｐ。

の相違はワーク１の表面粗さにのみ依存している。

従ってこの補正値Ａ（ｄＢ）を用いてワーク１に固をの
表面状態を補正することが可能となる。

次に本発明による工具毎の感度設定方法について第６図
のフローチャートを参照しつつ説明する。

動作を開始するとまずステップ５０において入カキ−１
４より使用者によって入力されたそのとき用いられてい
る工具の大きさに対応するデータ（マガジン番号）を読
み込む。そしてステップ５１に進んでその大きさに対応
した擬似折損信号発生器４の駆動レベルを駆動回路５に
与える。このとき前述のフローチャートにおいて算出さ
れたワークの表面状態に固有の補正値Ａを加えて駆動レ
ベルとする。そうすれば駆動回路５によって駆動されて
擬似折損信号発生器４より正確なレベルの擬似折損信号
がワーク１及びベースを介してＡＥセンサ６に伝えられ
る。このときＡＥセンサ６に得られる擬似折損信号は工
具の折損時と同一のパワースペク１−ルを有し、更に時
間領域においても折損時の波形と類似の波形を有してい
る。このＡＥ倍信号ＡＥ信号処理部７に伝えられアナロ
グスイッチ２０及び可変増幅率増幅器２１を介して入出
カインターフェース８からＣＰＵ９に伝えられる。ＣＰ
Ｕ９はステップ５２においてＡＥセンサの信号レベルを
可変増幅率増幅器２１の増幅率によって調整し、ステッ
プ５３に進んでその出力レベルが適正であるかどうかを
チェックする。このレベルが適正でなければステップ５
４において必要な増幅率の増減を算出し、ステップ５２
に戻って可変増幅率増幅器２１の増幅率を変更する。そ
してステップ５２から５４のループを繰り返しその増幅
率を適正に調整する。こうして得られた最適の増幅率を
ＲＡＭ１１の所定領域にマガジン番号と共に記憶する（
ステップ５５）。次いでステップ５６に進んで全ての工
具について感度設定が終了したかどうかをチェックし、
その設定が終了していなければステップ５０に戻って他
の工具によって同様の処理を繰り返す。こうして数値制
御装置３によって用いられる工具の全てについての感度
値を調整し、第５図にメモリマツプを示すように数値制
御装置により用いられる工具の全てのマガジン番号とそ
のときの最適な増幅率を順次記憶、して感度設定処理を
終了する。

次にこうして設定した各工具に対応する最適感度のデー
タを用いて工具の折損を監視する監視動作について説明
する。第７図はこの監視動作を示すフローチャー］・で
あって、監視動作を開始するとまずステップ６０におい
てその工具に対応した増幅率の最適値をＲＡＭＩＩより
読出し、入出力インターフェース８を介してＡＥ信号処
理部７の可変増幅率増幅器２１の増幅率を設定する。そ
うすればワーク１の切削に応してＡＥセンサ６よりＡＥ
倍信号アナログスイッチ２０を介して与えられ、最適の
増幅率によって増幅されて二つのバンドパスフィルタ２
２．２３に与えられる。さて通常の切削加工時にＡＥセ
ンサ６より与えられるＡＥ倍信号パワースペクトルの分
布は、摩擦や衝撃の場合も含めて第８図の曲線すに示子
ように周波数５゜Ｋ　ｌｌｚ付近に集中しており、それ
より高い周波数領域では単調に減衰する分布となってい
る。又多くの実験より知られるように工具の折損時のパ
ワースペクトルの分布は第８図の曲線ａにより表され、
周波数３００ＫＩｌｚ付近にピークを持つことが明らか
となっている。これは信号源が機械的振動を原因とする
ものでなく、工具の非可塑性破壊時に生じる超音波特有
の現象が起こるためと考えられる。

従って二つのバンドパスフィルタ２２．２３により夫々
の周波数成分付近のＡＥ倍信号みを取出して検波器２４
．．２５より検波し、その出方レベルを比較すれば通常
時と工具折損時とを明確に識別することが可能である。

即ち通宝の切削時には周波数５０Ｋｌ！ｚ付近のＡＥ倍
信号パワーが周波数３００Ｋ　Ｈｚ付近のパワーより大
きく、工具の折損時には３００ＫＨｚ付近のパワーが周
波数５０　Ｋ　Ｈｚ付近のパワーより大きいからである
。比較器２７はこれらの出力を比較して工具の折損時に
のみ信号を折損検出回路２９に与えている。

一方切削加工時に生しる切屑と工具、ワークとの接触や
摩擦によって第８図の曲線ａで示されるパワースペクト
ル分布と似た信号が発生ずる場合がある。この場合には
バンドパスフィルタ２２゜２３の中心周波数やＱの値、
及び比較器２７のスレッシュホールドレベル等を適切に
設定しても切屑と工具やワークの接触、摩擦による信号
を工具の折損信号と誤って判断することがある。従って
本発明においては工具の折損時に見られるＡＥ倍信号時
間領域の波形にも着目し、これらの信号を分離している
。即ち工具の折損時に得られるＡＥ信号波形は第９図ｆ
ａ）に示すように折損時に鋭い立上りを有する信号とな
っており、一方切屑と工具やワークの接触、摩擦によっ
て発生するＡＥ倍信号第９図（１））に示すように鋭い
立上りを示さず所定期間信号が継続する波形となってい
る。従って第２図のブロック図に示すように検波器２４
の出力を微分回路２６に与え、折損時等の急峻な信号の
みを分離してレベル判定器２８に与える。レベル判定器
２８は入力信号が大きいときに出力を折損検出回路２９
及び異常切削検出回路３０に与える。

異常切削検出回路３０はレベル判定器２８の出力に基づ
いて入出力インターフェース８よりＣＰＵ９に異常切削
を伝える。第７図に示すフローチャートにおいてＣＰＵ
９は異常切削信号回＠３０から異常切削信号が伝えられ
るかどうかをチェックしており　（ステップ６１）、こ
の信号がなければ正常な切削動作が行われているのでス
テップ６２に進んで表示器１３より切削レベルを表示す
る。そしてステップ６０に戻って同様の処理を繰り返し
、ステップ６０〜６２の処理を実行しつつ切削の異常を
監視している。さて異常切削検出回路３ｏより異常切削
信号が伝えられればステップ６３に進んで折損検出回路
２９より折損信号が与えられるがどうかをチェックする
。折損検出回路２９は比較器２７とレベル判定器２８の
論理積によって工具の折損を検知し、工具折損時には入
出力インターフェース８よりＣＰＵ９に折損出力を伝え
る。従ってステップ６３において折損信号が与えられる
がどうかをチェックし、これが与えられなければ異常切
削が行われているのでステップ６４において表示器１３
より異常切削を表示してステップ６ｏに戻る。又ステッ
プ６３において折損検出信号が与えられれば工具の折損
が検出されたので、ステップ６５に進んで表示器１３よ
り工具の折損を表示すると共に数値制御装置３にそのデ
ータを伝えて動作を停止する。そしてステツプ６６に進
んでＡＥ信号処理部７のアナログスイッチ２０をオフと
して処理を終了する。

こうすれば工作機械において見られる他の信号、例えば
ソレノイドの開閉に伴うスパイク状の電気ノイズはバン
ドパスフィルタ２２．検波器２４を介して微分回路２６
よりレベル判定器２８に伝えられることもあるが、その
パワースペクトルは第８図の曲線Ｃに示すように単Ｋｍ
減少の分布を有しており、比較器２７から出力が得られ
ない。又ワーク１やワーク１のベースに物体が衝突した
ときに生じる衝撃波が考えられるが、この場合にも機械
的な振動のためパワースペクトルは低い周波数に集中し
ており周波数３００　Ｋ　Ｉｌｚ　（４近では大きく減
衰しているため、比較器２７より出力は得られず工具折
損信号を生じることはない。このように周波数領域の折
損検出と時間領域の折損検出の両者を組み合わせること
によって確実に工具の折損のみを検出することが可能と
なる。このようにして工具の折損が検出されればアナロ
グスイッチ２゜をオフとして以後ＡＥ倍信号入力を停止
している。

これは工具の折損後に発生する折損した工具とワークと
の異常接触や摩擦により発生する大きなＡＥ倍信号更に
折損と判定しないようにするためである。

尚本実施例はＡＥセンサより得られるＡＥ倍信号工具折
損時に得られる周波数成分と通常の切削時に得られる周
波数成分とを通すバントパスフィルタを設げ、そのレベ
ルを比較すると共にＡＥセンサより急激に立上る信号が
与えられたときに信号を出す検出手段の論理積によって
工具の折損を検出するようにしているが、この信号処理
は従来の工具折損検出装置と同じく単なるレベルの比較
によって行うようにすることもできる。

又本実施例は工具毎のマガジン番号とそれに対応する増
幅率のデータを工具折損検出装置内のメモリに保持する
ようにしているが、数値制御装置内のメモリにこのデー
タを保持するしでもよい。

更に本実施例は数値制御装置に適用した折損検吊装置に
ついて説明しているが、本発明は他の工作機械、例えば
旋盤やフライス盤等の種々の工作機械、更に大規模なマ
シニングセンタに適用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による工具折損検出装置の一実施例を示
すブロック図、第２図はＡＥ信号処理部の詳細な構成を
示すブロック図、第３図は補正値検出時のワーク上に配
置される擬似折損信号発生器とＡＥセンサとの配置を示
す側面図、第４図は本実施例の工具折損検出装置の擬似
折損信号発生器の補正値を算出するためのフローチャー
ト、第５図は補正値とＡＥセンサ感度を記憶している状
態を示すメモリマツプ、第６図は本実施例の工具折損検
出装置の感度の自動設定処理を示すフローチャート、第
７図はこうして得られた感度データに基づいて切削状況
を監視する場合の処理を示すフローチャート、第８図は
ＡＥセンサ６より得られるＡＥ倍信号パワースペクトル
を示す図、第９図ｆａｌは工具折損時に得られるＡＥ信
号波形、第９図（ｂｌは切屑が生じる場合に得られるＡ
Ｅ信号波形を示す図である。 １−−−−−−ワーク　　２−−−−−−ドリル　　３
−一−−−・−数値制御装置　　４−−−−−−一擬似
折損信号発生器　　５−一−−−−駆動回路　　６−−
−−−−−Ａ　Ｅセンサ　　７−−−−−−−Ａ　Ｅ信
号処理部　　８　、　１２−−−−−一・入出力インタ
ーフェース　　　　９−−−−−−−ＣＰＵ　　　　　
１０−−−−−−−ＲＯＭ　　　　　１１−・−−−−
−ＲＡＭ　　　１３−−−−−−一表示器　　１４−−
−−−−・入カキ−２０−・−アナログスイッチ　　２
１−曲可変増幅率増幅器　　２２．２３−・−一−−−
バンドパスフィルタ　　２４　、　２５−−−−−一検
波器　　２６−−−−−−−微分回路　　２７−−−−
−−−比較器　　２８−−−−−−一レベル判定器　　
２９−−−−−−一折損検出回路特許出願人　　　立石
電機株式会社 代理人　弁理士　岡本官喜（他１名） 第３図 第５図 第６ 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）工作機械の工具近傍に設けられたＡＥセンサを有
   し、工具の折損時に得られるＡＥ信号に基づいて折損を
   検出する工具折損検出装置において、 工具の折損時に得られるＡＥ信号の周波数を含む擬似折
   損信号を発生する擬似折損信号発生手段と、 外部入力に基づいて増幅率を変えて前記ＡＥセンサのＡ
   Ｅ信号を増幅する可変増幅率増幅器と、前記擬似折損信
   号発生手段の基準駆動レベルとその補正値、該基準駆動
   レベルでの駆動時にＡＥセンサの基準出力レベルを記憶
   する領域及び各工具毎の最適感度値を記憶する領域を有
   する記憶手段と、 前記擬似折損信号発生手段を基準駆動レベルで駆動しそ
   の際得られる受波レベルを基準受波レベルと比較して補
   正値を算出する補正値算出手段、用いられる工具に対応
   して該補正値により補正された駆動レベルにより前記擬
   似折損信号発生手段を駆動し前記可変増幅率増幅器の増
   幅率を最適値に設定する感度設定手段を含む制御手段と
   、を具備することを特徴とする工具折損検出装置。
2. （２）前記制御手段の補正値算出手段は、ＡＥセンサの
   基準出力レベルに基づいて受波レベルの比をｄＢ値とし
   て算出し補正値とするものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の工具折損検出装置。