JPS61132859A - 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３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〕

本発明による工具折損検出装置は、折損の識別時価にＡ
Ｅセンサより得られる折損データを記憶しておき、その
折損データの複数回の平均値に基づいて折損の検出条件
を変更するようにしている。

従って工作機械に特有の条件や経年変化に対応すること
ができ工具折損の信頼性を向上させることができる。

〔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（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Ａ
Ｅ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。

ところで従来の工具折損検出装置は、ＡＥセンサより得
られる信号の振幅の平均値や特定の周波数に基づいて工
具の折損を検出しているが、これらの検出条件は所定値
に定められている。しかしながら個々の工作機械毎に工
作の取付状態や回転数等の動作条件が異なるので、同一
径の工具であっても折損波形が異なっている。又工作機
械の経年変化や作業環境の変化と共に折損波形も変化す
ることとなる。それ故検出条件が固定されているとこの
ような変化に対応することができず、工具折損検出の信
頼性を高く保つことができないという問題点があった。

〔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、工作機械の特有の使用状
態に応じて検出条件を補正することができ、又経年変化
に対しても自動的に対応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センサを
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、ＡＥセンサから
得られるＡＥ倍信号記憶する第１の記憶手段と、ＡＥセ
ンサからの出力信号に基づいて所定の検出条件により工
具の折損を識別する折損識別手段と、折損識別手段によ
り工具の折損か識別されたときに第１の記憶手段の折損
信号を読出すことにより最新の複数回の折損データを記
憶する第２の記憶手段と、第２の記憶手段の折損データ
に基づいてその平均折損信号が得られたときに折損を検
出すべく折損識別手段の検出条件を所定範囲で変更する
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
り工作が行われる際にはＡＥセンサからの信号を第１の
記憶手段に記憶しており、折損が検出されればその記憶
手段の折損時の信号を読出して折損データを第２の記憶
手段に記憶し、その折損データの新しい過去複数回分の
平均値に基づいて折損を確実に検出できるように検出条
件を変更している。このようにすれば工具折損検出装置
に学習機能が付加されることとなり、各工作機械の使用
環境や動作条件に対応した検出条件によって工具の折損
を検出することが可能となる。従ってあらかじめ折損波
形を考慮して検出条件を厳密に定めておく磨製はなくな
る。更に工作機械の経年変化に対応して自動的に検知条
件が変更される。

そのため同一の使用条件下では工具折損検知の信頼性を
大幅に向上させることができ、異なった使用条件下でも
折損検出の信頼性を保つことが可能である。

〔実施例の説明〕

（実施例の全体構成） 第２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ｌに切削を行う前
にあらかじめＡＥセンサと同じ＜ＰＺＴ等からなる擬像
折損信号発生！４が取付けられる。駆動回路５はこの擬
像折損信号発生ａ４を駆動するものであって、あらかじ
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。ＡＥ信号処理部７はＡＥセンサ６か
らの信号を周期的な記憶装置で記憶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や
数値制御装置３との通信制御プログラムを記憶するリー
ドオンリメモリ（以下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複数回の
折損データの記憶領域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１
２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
の入力に基づいて折損データをＲＡＭＩＩに順次保持す
ると共に、複数回の折損データより最適の折損検出条件
を算出しＡＥ倍信号処理部７に設定するように制御する
ものである。

（信号処理部の構成） 次に第１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、エンドレステープ２４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は中心周波数がほぼ３０
０　Ｋ　Ｈｚのフィルタであり、ＣＰＵ９からの制御に
応じてその中心周波数及びＱの値を所定範囲で可変する
ことができる。バンドパスフィルタ２３は中心周波数が
５０ＫＨｚに固定されているフィルタである。バンドパ
スフィルタ２２．２３は夫々の中心周波数付近の信号の
みを次段の検波器２５．２６に伝える。又エンドレステ
ープ２４は可変増幅率増幅器２１の出力をそのまま記憶
する記憶手段であり、一定時間内のサイクルで記憶内容
が更新されるためテープ内には常に最新の所定時間のＡ
Ｅ傷信号記憶されることとなる。エンドレステープ２４
はこのＡＥ傷信号記憶するＡＥ信号トランクＴａとクロ
ック信号を記憶するクロック用トラックＴ　ｃ　１　ｒ
及び検知信号を書込む制御トランクＴｃｒとを有してお
り、テープ制御インターフェース２７を介してＣＰＵ９
によって走行、及びデータの入出力が制御される。エン
ドレステープ２４の続出信号はＡ／Ｄ変換ａ２８を介し
てデジタル信号に変換され、入出力インターフェース８
を通じてＣＰＵ９に与えられる。

又検波Ｉ！２５．２６は夫々その入力信号を検波し振幅
に応じた出力を得るものであって、検波器２５の出力は
微分回路２９に、検波器２５．２６の出力は夫々比較器
３０に与えられる。これらのバンドパスフィルタ２２．
２３、検波器２５．２６及び比較器３０により折損時の
ＡＥ傷信号識別する周波数識別手段を形成している。微
分回路２９は入力信号の急峻な変化分のみを次段のレベ
ル判定ａ３１に伝えるものであって、その微分定数はＣ
ＰＵ９からの制御に応じて変更される。レベル判定！５
３１はＣＰＵ９から設定される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３２と異常切削検出回路３３に伝える
。又比較器３０は検波器２５．２６の出力を比較し検波
１１２５の出力が大きい場合にのみ出力を折損検出回路
３２に伝える。折損検出回路３２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３３はレベル判定１Ｂ３１
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。

（ＡＥセンサの感度設定動作） 次に本実施例において工作機械、この場合はボール盤に
この工具折損検出製蓋のＡＥセンサを設置する際の操作
について説明する。まずＡＥセンサ６を所定位置゛に取
付けた後入カキ−から与えられる使用工具に対応したレ
ベルに応じて駆動回路５を動作させる。そうすれば擬似
折損信号発生器４より擬似折損信号がワーク１を介して
ＡＥセンサ６に伝えられる。このときＡＥセンサ６より
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
ペクトルを育し、更に時間領域においても折損時の波形
と類億の波形を有している。このＡＥ傷信号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を介して入出力インターフェース８からＣＰ
Ｕ９に伝えられる。

ＣＰＵ９はそのレベルに基づいて出力レベルが適正とな
るように可変増幅率増幅器２１の増幅率を変更し最適な
増幅率となるように設定する。

（監視動作） 次に個々の工作機械の折損波形を記憶することによって
折損条件を変化させつつ工具の折損を検出する監視動作
について説明する。第３図はこの監視動作を示すフロー
チャートである。監視動作を開始するとまずステップ４
０において既にＲＡＭ１１に記憶されている過去Ｎ回分
の折損データの特徴量の平均を算出する。そしてステッ
プ４１に進んで微分回路２９の微分回路定数を平均の折
損信号の立上りが検出できる値にセットし°、ステップ
４２に進んでバンドパスフィルタ２２の中心周波数やＱ
の値を平均特徴量を持つ波形が入力されたとき出力が最
大となるように設定する。又ステップ４３においてレベ
ル判定器３１の判定レベルを過去Ｎ回の折損データの最
も低いレベルより所定値だけ低いレベルにセットする。

最初に動作を開始し過去のＮ回分の折損データを保持し
ていない状態では、これらの特徴値は不明であるのでＲ
ＯＭｌ０にあらかじめ設定された適当な値を設定する。

又８回折損が起こる迄の動作時にはそれまでの値の平均
の特徴量に基づいてこれらの値を算出するものとする。

そしてステップ４４に進んでＡＥ信号処理部７の異常切
削検出回路３３より異常切削信号が伝えられるかどうか
をチェックする。工作機械による動作時にはワーク１の
切削に応じてＡＥセンサ６よりＡＥ傷信号アナログスイ
ッチ２０を介して伝えられ、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２２．２３に与えられ
る。通常の切削加工時にＡＥセンサ６より与えられるＡ
Ｅ倍信号パワースペクトルの分布は第４図の曲線すに示
すように周波数５０Ｋｋ付近に集中しており、それより
高い周波数領域ではａｍに減衰する分布とな１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４図の曲線ａにより表され、周波
数３００　Ｋｋ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２
２．２３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２５゜２６より検波し、その出力レベル
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。比較１１３０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３２に与えて
い石。

一方切削加工時に生じる切屑と工具ワークとの接触や摩
擦によって第４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する場合がある。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３０のスレッシェ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
実施例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５図（
ａ）に示すように折損時に鋭い立上りを育する信号とな
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５図中）に示すように鋭い立上
りを示さず所定時間信号が継続する波形となっている。

従って第・１図に示すように検波器２５の出力を微分回
路２９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３１に与える。レベル判定器３１は入力信号
が基準レベルより大きいときに出力を折損検出回路３２
゛及び異常切削検出回路３３に与える。異常切削検出回
路３３はレベル判定！１３１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
３図に示すフローチャートにおいてＣＰＵ９は異常切削
検出回路３３から異常切削信号が伝えられるカζどうか
をチェックしており（ステップ４４）、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４５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４４に戻うて同様の処理を繰り返し切削
の異常を監視している。このときＡＥセンサ６から得ら
れるＡＥ倍信号常にエンドレステープ２４に記憶されて
いる。

第６図（ａ）にエンドレステープ２４の記録状態の概念
図を示すように、工具の折損時にはエンドレステープ２
４のＡＥ信号トランクＴａに可変増幅率増幅器２１より
与えられる折損信号が記憶される。エンドレステープ２
４のクロック用トランクＴｅｌには図示のように所定の
クロック時間毎にクロック信号が順次記憶されており、
工具の折損に基づいて異常切削検出回路３３より異常切
削信号が伝えられれば、ステップ４６に進んでエンドレ
ステープ２４の制御トランクＴｃｒにトリガ信号Ｓｔが
書込まれる。そしてステップ４７に進んで切削検出回路
３２より切削信号が与えられるかどうかをチェックする
。折損検出回路３２は比較器３０とレベル判定器３１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に折損信号を伝え
る。従ってステップ４７において折損信号が与えられる
か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４８において表示器１３
より異常切削と切削レベルを表示してステップ４４に戻
る。又ステップ４７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４９に進んで
第６図に示すようにエンドレスチー１２４の制御トラッ
クＴｃｒに折損検出信号ｓｂを記憶する。そしてステッ
プ５０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。次いでステップ５１においてＣＰＵ９はＡＥ信号処
理部７のアナログスイッチ２０をオフとする。これは工
具の折損後に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倍信号表示器１３により表示
させないようにして折損時の信号レベルを認識できるよ
うにするためである。そしてＣＰＵ９はステップ５２に
進んでエンドレステープ２４の制御トラックＴｃｒに記
憶されているトリガ信号Ｓｔと折損検出信号ｓｂに基づ
いて所定時間巻戻し、折損信号がそのまま記録されてい
る部分の頭出しを行う。そしてエンドレステープ２４を
再生してＡＥ信号トラックＴａより折損信号を再生し、
Ａ／Ｄ変換５２８によってデジタル信号に変更する。こ
のデジタル信号は入出力インターフェース８を介してＣ
ＰＵ９に伝えられるが、ＣＰＵ９はステップ５３におい
てそのデジタル出力を一旦ＲＡＭＩＩのバッファ領域に
記憶すると共に記憶された折損波形データに基づいて立
上り時間やパワースペクトルを抽出し、第ｍ回目の折損
データとして第７図のメモリマツプに示すようにＲＡＭ
１１の所定領域に記憶する。このとき既に記憶している
折損データ数がＮ以上であればもっとも古いｍ　−Ｎ回
目の折損データを消去してここで求まった折損データを
記憶しておく　（ステップ５４）。

そしてステップ４０に戻って同様の処理を繰り返す。

こうすれば新しい過去Ｎ回分の折損データの特徴量の平
均値は使用環境等に応じて異なってくるのでその新な平
均値に基づいてステップ４１〜４３よりバンドパスフィ
ルタ２２．微分回路２９及びレベル判定器３１の定数を
異ならせる。即ち折損信号の立上り時間を十分検出する
ことができるように微分回路２９の微分定数及びレベル
判定器３１の比較レベルを設定し、又折損信号の平均周
波数とその分散に基づいてバンドパスフィルタの中心周
波数やＱの値を設定する。こうすれば常に最新の過去Ｎ
回分の折損データに基づいて折損識別手段の検出条件を
変更することができるので、工作機械の使用環境や経年
変化に対応して切削条件が自動的に変化し、折損検出の
信頼性を増すことができる。

尚本実施例はＡＥ信号処理部７のアナログ処理によって
折損を検出するようにしているが、ＡＥセンサの出力を
Ａ／Ｄ変換した後にサンプリングしその後の処理を全て
デジタル信号処理によって行うことも可能である。この
場合にはバンドパスフィルタをデジタルフィルタに、微
分回路を差分演算等に置き換えてＣＰＵを用いた信号処
理を行うことが考えられる。

又本実施例はＡＥ信号処理部７のＡＥ倍信号記憶する記
憶手段をエンドレステープとしているが、Ａ／Ｄ変換後
のデジタル信号を例えばシフトレジスタ等の周期的な他
の記憶手段を用いて記憶させることができることは言う
までもない。

更に本実施例は数値制御装置を用いたボール盤に適用し
た折損検出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主要部のＡＥ
信号処理部の構成を示すブロック図、第２図は本実施例
の工具折損検出の全体構成を示すブロック図１．第３図
は本実施例の監視動作を示すフローチャート、第４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５図（ａ）は工具折損時に得られるＡＥ信
号波形、第５図世）は切屑が生じる場合に得られるＡＥ
信号波形を示す図、第６図はエンドレステープの記憶状
態を示す概念図、第７図はＮ回分の折損データと工具毎
の最適感度を記憶する記憶手段を示すメモリマツプであ
る。 １−−−−−−−・ワーク　　２−−−−−−−−・ド
リル　　３・−−−一−−−−数値制御装置　　４・−
・−・擬似折損信号発生器　　５−・−・駆動回路　　
６・−・−・ＡＥセンサ　　７−−−−−−−＝　Ａ　
Ｅ信号処理部　　８，１２・−−−−−・・・入出力イ
ンターフェース　　　　９・−一−−−−−・ＣＰＵ　
　　　　１０−−−−−−・ＲＯＭ　　　　　１１−−
−−−−−・ＲＡＭ　　　１３−−−−−−−・表示器
　　１４−−−−−一・−人力キー　　２０−−−−−
−−一・アナログスイッチ　　２１−−−−−−−・可
変増幅率増幅器　　２２．２３・−・−−−−−バンド
パスフィルタ　　２４−・−一−−−・エンドレステー
プ　　２５゜２６−−−−−−−−検波器　　２８−・
−Ａ　／　Ｄ変換器　　２９−−−−−−−・微分回路
　　３０−・−・比較器　　３１−−−−−・−・レベ
ル判定器　　３２−−−−−−一折損検出回路　　３３
−・−−−−−一異常切削検出回路 特許出願人　　　立石電機株式会社 代理人　弁理士　岡本宜喜（他１名） 第４図 １００Ｋ　２００Ｋ　３００Ｋ　４００Ｋ　　　　Ｈ２
第６図 ｔ　　ｓｂ 第５図（ａ） 第５図（ｂ） 第７

Claims (4)

【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、 前記ＡＥセンサから得られるＡＥ信号を記憶する第１の
   記憶手段と、 前記ＡＥセンサからの出力信号に基づいて所定の検出条
   件により工具の折損を識別する折損識別手段と、 前記折損識別手段により工具の折損が識別されたときに
   前記第１の記憶手段の折損信号を読出すことにより最新
   の複数回の折損データを記憶する第２の記憶手段と、 前記第２の記憶手段の折損データに基づいてその平均折
   損信号が得られたときに折損を検出すべく前記折損識別
   手段の検出条件を所定範囲で変更する制御手段と、を具
   備することを特徴とする工具折損検出装置。
2. （２）前記折損信号識別手段は、工具の折損時に得られ
   るＡＥ信号の周波数成分と強い相関を持つ周波数成分の
   ＡＥ信号が前記最適増幅率に設定された可変増幅率増幅
   器より与えられたときに出力を出す周波数識別手段と、
   前記ＡＥセンサより急激に立上る信号が与えられたとき
   に出力を出す立上り信号検出手段と、前記周波数識別手
   段及び立上り信号検出手段の論理積出力に基づいて工具
   折損検出出力を出す論理出力手段と、を具備することを
   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。
3. （３）前記周波数識別手段は、工具折損検出時に得られ
   る周波数と通常の切削時に得られる周波数の最大値を夫
   々中心周波数とする第１、第２のバンドパスフィルタと
   、該バンドパスフィルタの夫々の出力レベルを比較する
   比較器を有し、該比較器により工具の折損信号を得るも
   のであり、前記制御手段は、複数の折損データに基づい
   て前記第１のバンドパスフィルタの中心周波数及びＱ値
   を所定範囲で変更するものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の工具折損検出装置。
4. （４）前記立上り信号検出手段は、ＡＥ信号を微分する
   微分回路と微分出力を所定のレベルで弁別するレベル判
   定手段を有し、 前記制御手段は、前記微分回路の微分定数及び前記レベ
   ル判定手段の弁別レベルを所定範囲で変更するものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の工具折
   損検出装置。