JPS61132861A - 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
及び折損時に発生ず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〕

本発明による工具折損検出装置は、工具の種類にかかわ
らず折損時のＡＥ傷信号同一の減衰特性を持って減衰す
ることに鑑みてなされたもので、その減衰特性をＡＥ傷
信号二つの時間の振幅レベルを比較することにより判別
している。そしてＡＥ傷信号減衰特性と折損時のＡＥ傷
信号の類僚性を識別し、それを工具の折損検知の一条件
とするようにしたものである。このように周波数検知等
の他の折損検出条件とは独立の振幅の減衰特性に基づい
た検知条件を加えることによって、工具折損の検出の信
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。

しかしながら従来の工具折損検出装置によれば、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。

従って他の原因で得られるＡＥ傷信号例えばワークの切
屑から発生する信号やソレノイドの開閉等に伴う電気ノ
イズ、ワークに物体が接触した場合の衝撃音等と充分に
分離することができず、折損検出の信頼性が極めて低い
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、工具の大きさや切屑、他
の信号等に影響されず確実に工具の折損を検出すること
ができる信頼性が高い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ＡＨ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、ある時刻のＡＥ
センサのＡＥ傷信号振幅及び該時刻より一定時間前のＡ
Ｅ傷信号振幅を比較し、該振幅の比が折損時の減衰特性
の範囲内にあるときに出力を出す減衰特性識別手段と、
ＡＥセンサの出力信号に基づいて工具折損を識別する信
号処理部と、減衰特性識別手段及び信号処理部の論理積
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ものである。

このような特徴を有する本発明によれば、工具折損時の
ＡＥ傷信号減衰特性を用いて工具の折損検出の一条件と
している。折損時のＡＥ傷信号減衰特性は又工具からＡ
ＥセンサまでのＡＥ傷信号減衰等の影響を受けることが
ない。従って他の検出条件、例えばＡＥ傷信号パワース
ペクトル分布による折損の判定や折損信号の立上りに基
づく判定等と共に論理積条件によって確実に工具の折損
が検出される。そのため本発明によればワークの切屑や
電気ノイズ等の信号によって誤動作することがなく、工
具の折損検出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本実施例はボール盤に取付けられ
た伏態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に開口が設けられ
る。ここでワーク１の上部のドリルの刃が接触する位置
にワーク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３が取付けられ
る。レベル設定器４はこの擬似折損信号発生器３の駆動
レベルを設定するものであって、使用工具の大きさ２種
類に応じて定められた駆動レベルを設定し駆動回路５に
伝える。駆動回路５は擬似折損信号発生器３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
形により擬似折損信号発生器３を駆動するものである。

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Ａ
Ｅ傷信号擬似折損信号発生器３からのＡＥ傷信号検出す
る広帯域のＡＥセンサであって、その出力はアナログス
イッチ７に与えられる。アナログスイッチ７は外部の出
力によってアナログ信号を断続するもので、その出力は
増幅器８に与えられる。増幅器８は可変抵抗器９の調整
により増幅率を任意に設定することができる増幅器であ
って、その出力を二つのバンドパスフィルタ１０．１１
及び切削レベル表示器１２に与えるものである。バンド
パスフィルり１０は中心周波数３００ＫＨｚ、バンドパ
スフィルタ１１は中心周波数５０に＆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１
３，１４に伝える。検波器１３．１４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１３の出力は微分回路１５と遅延回路１６に与えられ
る。又検波器１３．１４の出力は夫々比較器１７に与え
られる。これらのバンドパスフィルタ１０，１１、検波
器１３．１４及び比較器１７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１５
は入力信号の急峻な変化分のみを次段のレベル判定器１
８に伝える。レベル判定器１８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１９と異常切削検出回路２０に伝え
る。遅延回路１６は入力信号を所定時間ΔＴだけ遅延さ
せるものであって、その出力をアッテネータ２１に与え
る。アッテネータ２１は後述するように入力信号を所定
の比率で減衰させるもので、その出力をウィンドーコン
パレータ２２の一方の入力端に与える。又検波器１３の
出力は遅延回路１６を介することなく直接ウィンドーコ
ンパレータ２２の他方の入力端に与えられている。ウィ
ンドーコンパレータ２２は二つの入力信号の差が所定範
囲内に入るときに出方を出すものであって、その出力を
折損検出回路１９に伝える。ここで遅延回路１６．アッ
テネータ２１及びウィンドーコンパレータ２２によって
折損時の減衰特性を識別する減衰特性識別手段が形成さ
れている。又比較器１７も検波器１３．１４の出力を比
較し、検波器１３の出力が大きい場合にのみ出力を折損
検出回路１９に伝える。折損検出回路１９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、検出信号によってアナログスイッチ７を閉成する
と共に出力回路２３を介して外部に出力する。又異常切
削検出回路２０はレベル判定器１８の出力に基づいて異
常切削を検出するものであって、その出力を出力回路２
４を介して外部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
この工具折損検出装置の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
た後、工具の種類等に応じてレベル設定１１４を所定の
レベルに設定し駆動回路５を動作させる。そうすれば擬
似折損信号発生器３よ１すＡＥ傷信号ワーク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
損時の波形と相似の波形を有している。

従ってレベル設定器４によって定められたレベルによっ
て可変抵抗器９を調整し、増幅器８の増幅率を変えて工
作時に信号処理部に適切なレベルのＡＥ傷信号信号処理
部に与えられるようにする。

こうすれば工具とＡＥセンサ６間の取付状態によりＡＥ
傷信号減衰率が不明であっても、折損時と同一レベルの
信号を信号処理部に与えることが可能となる。

（信号処理部の動作） さて通常の切削加工時にＡＥセンサ６より与えられるＡ
Ｅ傷信号パワースペクトルの分布は第２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２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１
０．１１により夫々の周波数成分付近のＡＥ傷信号みを
取出して検波器１３゜１４により検波し、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５０に一付近
のＡＥ傷信号パワーが周波数３００に一付近のパワーよ
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５０Ｋｋ付近のパワーより大きいからで
ある。比較器１７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１９に与えている。

一方切削加工時に生じる切屑と工具やワークとの接触、
摩擦によって第２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１０゜１１の中心周波数やＱの値、
及び比較器１６のスレン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４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傷信
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３
図（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ＡＨ信号は第３図中）に示すように鋭い
立上りを示さずある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１３の出力を微分
回路１５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１８に与える。そしてその入力レベルを所
定の基準値と比較し、急峻な立上りのＡＥ傷信号得られ
たときにレベル判定器１８より折損検出回路１９に信号
が与えられる。

（減衰特性識別手段の動作） 次に立上りが鋭く折損時と同一のパワースペクトル分布
を持った折損でない信号が発生する可溶性もある。そこ
で本発明では折損信号の立下り波形、即ち減衰特性に着
目し折損時の減衰特性を有するものを識別して折損の判
定条件とすることにより折損検出の信頼性を向上させて
いる。第４図は折損時に検波器１３より得られる折損時
のＡＥ傷信号包路線波形の一例を示す図である。本図に
示すように折損時にはＡＥ傷信号鋭（立上り所定の減衰
特性によって減衰する。そしてこの減衰は工具の種類や
大きさにかかわらず同一の波形を有している。従って最
適感度に調整されたＡＥセンサ６の折損信号の出力レベ
ルはほぼ同一であり、又その信号が平均信号レベルを越
え通常のレベルに戻るまでの時間Ｔａは５ｓ＋Ｓを越え
ないことが多くの実験より明らかとなっている。従って
信号が立上ってピークに達したときの時刻をｔｌとし、
時刻ｔ１から一定時間ΔＴ（例えば３ｓＳ）経過後の時
刻をｔ２とすると、時刻ｔｌ、　ｔ２の振１［Ａ１　、
Ａ２の比によって減衰特性を識別する。即ち遅延回路１
６の遅延時間をΔＴとし、アッテネータ２１の減衰率を
Ａ２　／Ａｔとしておく、そうすれば遅延回路１６の遅
延出力はアッテネータ２１によりＡ２／ＡＩに減衰する
こととなる。そしてこれらの出力がほぼ同一と考えられ
る範囲をウィンドーコンパレータ２２によって定めてお
く。そうすれば検波器１３より得られるＡＥ傷信号第４
図に示すような減衰特性を持つとき、時刻ｔ２にウィン
ドーコンパレータ２２より遅延前の信号とが比較され、
その差が極めて少ないので検知出力がウィンドーコンパ
レータ２２より折損検出回路１９に与えられる。折損検
出回路１９はこれらの論理積信号によって工具の折損を
検出する。このように折損時の信号の減衰特性を折損時
の一つの条件として他の折損検出条件、例えば周波数領
域の折損検出と時間領域の折損検出とを組み合わせるこ
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。

（本実施例の全体動作） 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１０．検波器１３を介して微分回路１５
よりレベル判定器１Ｂに伝えられることもあるが、その
パワースペクトルは第ワーク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３００ＫＨｚ付近では大きく
減衰しているため、比較器１７より出力は得られず工具
折損信号を生じることはない。更に第２図の曲線ａに示
すようなパワースペクトルを有し且つ第３図（ａ）に示
すような鋭い立上りを有するＡＥ倍信号与えられた場合
にも、第４図に示すような減衰特性がなければウィンド
ーコンパレータ２２より出力が折損検出回路１９に与え
られない、従ってこのような信号を誤って折損信号と検
出する恐れはなく折損検出の精度を向上させることが可
能である。このようにして工具の折損のみを検出し出力
回路２３より折損信号を与えると共に、アナログスイッ
チ７をオフとして以後ＡＥ倍信号増幅器８に伝えないよ
うにしている。これは工具の折損後に折損した工慕とワ
ークとの異常接触や摩擦により発生する大きなＡＥ倍信
号切削レベル表示器１２に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。

尚本実施例は減衰特性識別手段として遅延回路と遅延信
号を所定の比で減衰させるアッテネータ及び減衰信号と
遅延前の信号を比較する比較手段を設けているが、遅延
前の信号を所定の比率で増幅させて比較してもよく、又
両者の比を直接比較することも可能である。更にＡＥセ
ンサの出力を順次記憶し所定時間ΔＴ前のデータとその
時点でのデータを比較することによって減衰特性を検出
することも可能である。

又本実施例では減衰特性識別手段の他に周波数領域での
折損検知と時間領域での折損検知との双方を用いこれら
の論理積によって折損を検知するようにしているが、い
ずれか一方の折損検知でもよく又他の折損検知を組み合
わせることも可能である。

更に本実施例はボール盤のドリル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に適　用することが可能
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３図（ａ）は工具
折損時に得られるＡＥ信号波形、第３図中）は切屑が生
じる場合に得られるＡＥ信号波形を示す図、第４図は検
波器１３より得られる折損信号の包絡線波形を示す図で
ある。 １−−−−−−一・ワーク　　２−−−−−−−ドリル
　　３−−−−−−一擬似折損信号発生器　　４−−−
−−−−・レベル設定器　　　５−・−駆動回路　　６
−−−−−−＝Ａ　Ｅセンサ　　７−・・−アナログス
イッチ　　　　８−−−−−−−・増幅器　　１０，１
１−−−−−−−バンドパスフィルタ　　１３　、　１
４−−−−−−−−・検波器　　１５・−・−・微分回
路　　１６−・−・・遅延回路１７−−−−−−−・比
較器　　１８・−−−一−−−−レベル判定器　　１９
−−−−−−−−・折損検出回路　　２１−−−−−−
一・アッテネータ２２−−−−−−−−−ウィンドーコ
ンパレータ　　２３．２４・−−−一一一一出力回路 特許出願人　　　立石電機株式会社 代理人　弁理士　岡本宜喜（化１名） 第２図 １００Ｋ　２００Ｋ　３００Ｋ　４００Ｋ　　　　Ｈｚ
第３図（ａ） 第３図（ｂ）

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、 ある時刻の前記ＡＥセンサのＡＥ信号の振幅及び該時刻
   より一定時間前のＡＥ信号の振幅を比較し、該振幅の比
   が折損時の減衰特性の範囲内にあるときに出力を出す減
   衰特性識別手段と、 前記ＡＥセンサの出力信号に基づいて工具折損を識別す
   る信号処理部と、 前記減衰特性識別手段及び前記信号処理部の論理積出力
   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工具折損検出装置。
2. （２）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
   号が前記ＡＥセンサより与えられたときに出力を出す周
   波数識別手段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、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。
4. （４）前記信号処理部は、工具折損時に得られる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ＡＥセンサより与えられたときに出力を出す周波
   数識別手段、及び前記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の論
   理積によって出力を出す検知手段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。