JPS61132860A - 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センサより得られる折損信号レベルが工作
時に用いられる工具の大きさ毎にほぼ一定であるが、使
用工具は工作時には既知であることに鑑みてなされたも
ので、夫々の工具に対応して所定の上限値を設定し、そ
の上限値以上のＡＥ傷信号ついては工具の折損と判別し
ないようにしたものである。

〔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傷信号基づい
て工具の折損を検出する装置が提案されている。

しかしながら工作機械には工具の折損信号の他に種々の
信号が発生しＡＥセンサより信号処理部に与えられる。

このような信号の中には工具の折損時の信号と似た周波
数特性等を持つ場合があり、誤検出を生じることがある
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、用いられる工具の大きさ
に対応した上限値以上のＡＥ傷信号与えられても折損を
検出しないようにして、工具の折損検出の信頼性を向上
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傷信号基づいて折損
を検出する工具折損検出装置であって、ＡＥセンサの出
力信号に基づいて工具の折損を識別する信号処理部と、
工作時に使用する工具の折損時に得られるＡＥ信号レベ
ル以上の所定の上限値を記憶する記憶手段と、ＡＥセン
サより得られるＡＥ傷信号記憶手段に記憶された上限値
とを比較し、上限値以下のＡＥ傷信号与えられたときに
出力を出す比較手段と、信号処理部より工具の折損信号
が与えられたときに比較手段の比較出力があれば工具の
折損信号を出力する制御手段と、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、ＡＥセンサか
ら得られた信号の振幅が所定の上限値を越える場合には
信号処理部より折損識別信号が与えられても工具の折損
を検出することがない、従って信号の他の性質が検出条
件に合致しても大幅にレベルの異なるＡＥ傷信号折損信
号として誤検出することがないので、工具折損の信頼性
を大幅に向上させることが可能となる。

〔実施例の説明〕

（実施例の全体構成） 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０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
にあらかじめ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、あらかじ
め工具の折損時のＡＥ出力波形と相位で且つ同一のパワ
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傷信号検出する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傷
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
の信号を所定のレベルで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
ゾリメモリ　（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折損信号の
上限値情報を含むランダムアクセスメモリ　（以下ＲＡ
Ｍという）１１から成る記憶手段が接続されている。Ｃ
ＰＵ９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大カキ−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用いられる工
具の折損信号の上限値を設定すると共に、信号処理部か
らの折損検出出力が与えられたとき折損レベルと比較し
て折損出力を出すように制御するものである。

（ＡＥ信号処理部の構成） 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
らの制御人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は中心周波数３００　Ｋ　Ｈｚ
　。

バンドパスフィルタ２３は中心周波数５０ＫＨｚ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じ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、検波器２４
．２５の出力は夫々比較器２７に与えられる。これらの
パントノ＜スフィルタ２２．２３、検波器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２
７は検波器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。

（ＡＥセンサの感度設定動作） 次に本実施例の動作について説明する。まず本発明によ
る工具毎の感度設定方法について第３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４０において入カキ−１４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４１
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。そうすれば駆動回路
５は擬似折損信号発生器４を駆動するため擬似折損信号
発生！１４よりＡＥ倍信号ワーク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
と類似の波形を育している。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を介して入出力インターフェース８からＣＰ
Ｕ９に伝えられる。ＣＰＵ９はステップ４２においてＡ
Ｅセンサ６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４３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４４において必要な増幅率の増
減を算出し、ステップ４２に戻って可変増幅率増幅器２
１の増幅率を変更する。そしてステップ４２から４４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ＲＡＭＩＩの所定領域にマガ
ジン番号と共に記憶する（ステップ４５）０次いでステ
ップ４６に進んで駆動回路５に１段大きな工具の信号レ
ベルを設定する。例えばステップ４０で設定した工具（
ドリル）の大きさが１鶴φである場合にはそれより１段
大きな工具、例えば２＋ｍφの工具の駆動レベルにより
駆動回路５を駆動する。

そうすれば２鶴φの工具の折損信号が擬似折損信号発生
器４より発生しＡＥセンサ６を介してＡＥ信号処理部７
に伝えられる。第４図（ａｌは工具１ｉａφの最適感度
に設定された可変増幅率増幅器２１によって増幅される
擬似折損信号を示すものである。そのとき得られる振幅
のピーク値Ｖｐｌを第５図に示すようにＲＡＭＩＩに記
憶しくステップ４７）、この振幅を工具１鶴φの折損信
号の上限値とする。そしてステップ４８に進んで全ての
工具の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４０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、更に夫々の工具より１段、大きい工具の駆動レベル
で擬似折損信号発生器４を駆動してその振幅のピーク値
Ｖｐｌ、　ｖρ２　＋　Ｖ　ｐＢ−−−−−−−を第５
図に示すように記憶し、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。

（監視動作） 次にこうして設定した各工具に対応する最適感度と上限
値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６図はこの監視動作を示すフローチャ
ートであって、監視動作を開始するとまずステップ５０
において使用工具（例えば１鶴φ）の入力に基づきその
工具に対応した増幅率の最適値をＲＡＭＩＩより読出し
、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。そしてステップ５１に進んで使用工具のデー
タよりＲＡＭＩＩに既に記憶しである１段大きい工具に
ついての擬似折損信号の振幅値Ｖｐｌを振幅上限値の領
域に記憶する。一方ワーク１の切削に応じてＡＥセンサ
６よりＡＥ信号がアナログスイッチ２０に与えられ、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２２．２３に与えられる。さて通常の切削加工時にＡ
Ｅセンサ６より与えられるＡＥ信号のパワースペクトル
の分布は第７図の曲線すに示すように周波数５０ＫＨｚ
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（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７
図°の曲線ａにより表され、周波数３００ＫＨｚ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（、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信号のみを取出して検波
器２４．２５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。即ち通常の切削時には周波数５０ＫＨｇ付近のＡ
Ｅ信号のパワーが周波数３００　Ｋ七付近のパワーより
大きく、工具の折損時には周波数３００ＫＨｚ付近のパ
ワーが周波数５０ＫＨｚ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じる切屑と工具ワークとの接触や摩
擦によって第７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２７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。そこで本
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４図（
ｂ）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、一方切り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４図（Ｃ）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６
）る、従ってＡＥ信号処理部７では検波器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６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５２）、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５３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５２に
戻って同様の処理を繰り返し切削の異常を監視している
。さて異常切削検出回路３０より異常切削信号が伝えら
れればステップ５４に進んで折損検出回路２９より折損
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２９は比較器２７とレベル判定ｓ２８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５４において折損信号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５５において表示器１３
より異常切削を表示してステップ５２に戻る。又ステッ
プ５４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５６に進んでそのときの可
変増幅率増幅器２１から得られたＡＥ倍信号振幅のピー
ク値がＲＡＭ１１に記憶しである折損の上限値以下であ
るかどうかをチェックする。この振幅が上限値以上であ
れば異常な振動が加えられたと判断できるので、ステッ
プ５７に進んで表示器１３より異常振動の発生を表示し
ステップ５２に戻る。又振幅が第４図（ｂ）に示すよう
に上限値Ｖｐｌ以下であれば工具が折損したものと判断
できるので、ステップ５８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。

そしてステップ５９において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と共にＡＥセンサより得られるＡ
Ｅ倍信号振幅をあらかじめ定めた上限値と比較し、その
上限値以下である場合にのみ折損を検出するようにして
いる。従って用いられる工具について予期される折損信
号より大幅にレベルの大きい信号を誤って工具の折損と
検出する恐れがなく、折損検出の信頼性を向上すること
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２０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によって表示させないようにして折損
時の信号レベルが認識できるようにするためである。

尚本実施例はＣＰＵを用いて折損時のＡＥ倍信号振幅と
上限値とを比較しているが、振幅のピーク値をホールド
しコンパレータによって振幅値と上限値とを比較するこ
とも可能である。

・又本実施例は擬似折損信号発生器を用いて使用する工
具の１段上の工具の擬似折損信号を上限値としているが
、通常の切削レベルより所定値以上のレベルを上限値と
して記憶手段に記憶し、その上限値に基づいてＡＥセン
サからの振幅を比較するようにしてもよい。

又本実施例は信号処理部として周波数領域の折損検出と
時間領域の折損検出との論理積により折損を検出するよ
うにしているが、これらのいずれか一方によって折損を
検出するようにしてもよく、又他の折損検出方式を用い
たり組み合わせることも可能である。

更に本実施例は数値制御装置を用いたボール盤に通用し
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図は本実施例の工具折損検出装置
の感度と上限値の自動役定処理を示すフローチャート、
第４図（ａ）は工具ＩＷ＃φの最適感度で２聰φの折損
レベルとなるよう擬似折損信号発生器を駆動したときの
擬似折損信号波形、第４図中）は工具１鶴φの折損時に
得られるＡＥ信号波形、第４図（０）は切り屑が生じる
場合に得られるＡＥ信号波形を示す図、第５図は各工具
の最適感度と上限値を記憶している状態を示すメモリマ
ツプ、第６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７図はＡＥセンサ６より得られるＡＥ倍信号パワース
ペクトルを示す図である。 ｌ・−−ｍ−−−−・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・−一〜−−−
駆動回路　　６・−・−・−・ＡＥセンサ　　７・−−
−−−−・ＡＥ信号処理部　　８．１２・−−−−一−
−・入出力インターフェース　　　　！１ｌ−−−−−
−−−ＣＰＵ　　　　　１（Ｌ−−−−−−−−ＲＯＭ
　　　　　１１・−一−−−・−ＲＡＭ　　　１３−・
−−−−−・表示器　　１４・・−−−−ｍ−・入カキ
−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　、　２５−−−
−−−・・検波器　　２６−・−−−−−・微分回路　
　２７−−−−−−−・比較器　　２８・−−−一−−
−レベル判定ｉ１　　２９・−−−−−−＝折損＆出回
路　　３（Ｌ−−−−−−＝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５図 第６図

Claims (3)

【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センサの出力信号に基づいて工具の折損を識別
   する信号処理部と、 工作時に使用する工具の折損時に得られるＡＥ信号レベ
   ル以上の所定の上限値を記憶する記憶手段と、 前記ＡＥセンサより得られるＡＥ信号と前記記憶手段に
   記憶された上限値とを比較し、上限値以下のＡＥ信号が
   与えられたときに出力を出す比較手段と、 前記信号処理部より工具の折損信号が与えられたときに
   前記比較手段の比較出力があれば工具の折損信号を出力
   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）前記記憶手段に記憶される上限値は、工作時に用
   いられる工具の折損時のＡＥ信号以上の折損信号を生じ
   る工具の折損信号のピーク値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。
3. （３）前記信号処理部は、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、該周波数識別手段及
   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
   を識別する論理出力手段と、を有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。