JPS61132863A - 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〕 本発明による工具折損検出装置は、工具の大きさが異な
る際に得られる折損信号は同一の性質を有する信号で単
にレベルのみが異なるという点に着目してなされたもの
で、一つの工具を実際に折損してそのときに得られるＡ
Ｅ倍信号一旦記憶手段に記憶し、用いられる工具に対応
してレベルを変えて゛記憶手段より折損信号を読出し、
ＡＥ倍信号増ＩＩ器に与えることによってその感度調整
を行うようにしたものである。こうすれば任意の回数だ
け任意の大きさの工具で折損信号を再現することができ
るので、確実な感度調整が可能となる。

〔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、ＡＥセ
ンナは工具の近傍やワークに接触するように取付けられ
るが、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難しく、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切削条件を異ならせたと
きにもＡＥ信号レベルが異なるため、調整が困難であり
使い難い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、調整の度に工具を折損す
る必要がなく、用いられている工具に対応してＡＥセン
サの感度を最適値に設定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センサより
工具の折損時に得られるＡＥ倍信号、工具毎の最適増幅
率を記憶する記憶手段と、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、用いられる工具に対応したレベルにより再生され
た記憶手段の折損信号を可変増幅率増幅器に与え、その
増幅率を最適値に設定するＡＥ感度設定手段と、可変増
幅率増幅器の出力に基づいて工具の折損を識別する信号
処理手段と、を具備することを特徴とするものである。

このような特徴ををする本発明によれば、工具を一旦折
損しその折損時に得られるＡＥ倍信号そのまま記憶して
いる。そして感度調整時には用いられている工具に対応
して定められたレベルによりその折損信号を読出して可
変増幅率増幅器に与え、その出力に基づいてその増幅度
を調整しＡＥセンサの感度を調整するようにしている。

従って各工具に対して何度も工具を折損し試行錯誤で感
度設定を行う必要はなく、必要に応じて折損信号を再生
することができるので感度調整を容易に行うことが可能
である。又折損信号のレベルは工具の種類によってあら
かじめ定まっているので、用いられる工具に基づいて折
損信号再生時のレベルを変えることによって任意の大き
さの工具について最適のＡＥセンサ感度を調整すること
が可能である。従って感度設定が極めて容易で且つ正確
となり折損検出の信頼性を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２上に
固定されており、ワーク１の上部よりドリル３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３は
数値制御装置４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３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。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２上にＡＥ倍信号検出するＡＥセンサ５を設ける。

ＡＥセンサ５はドリル３等の工具からのＡＥ倍信号検出
する広帯域のＡＥセンサであって、その出力はスイッチ
６．７を介してＡ／Ｄ変換器８又はＡＥ信号処理部９に
与えられる。Ａ／Ｄ変換器８は与えられたＡＥ倍信号ア
ナログ信号）をデジタル信号に変換するものであって、
デジタル出力をランダムアクセスメモリ　（以下ＲＡＭ
という）１０に与えて記憶させる。

又ＡＥ信号処理部９はＡＥセンサ５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１１を通じて中央演算
装置（以下ＣＰＵという）１２に与えるものである。Ｃ
ＰＵ１２にはシステム制御プログラムや数値制御装置と
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）　１３と、前述したＲＡＭｌ０か
ら成る記憶手段が接続されている。又ＣＰＵ１２は入出
力インターフェース１１を介してＲＡＭｌ０に記憶され
たＡＥ倍信号デジタル信号に変換するＤ／Ａ変換器１４
が設けられる。Ｄ／Ａ変換器」４のナナログ出力は可変
増幅率増幅器１５を介してスイッチ７の一接点に与えら
れ、スイッチ７のセット時にばＡＥ信号処理部９に出力
が与えられる。

ＣＰＵ１２には更に入出力インターフェース１６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１７、及び工具の番号や種類を設定する入
カキ−１８が接続される。又信号伝送ライン１９を通じ
て数値制御装置４が接続されている。ＣＰＵ１２は後述
するようにスイッチ６．７を制御すると共に、工具の折
損データに基づいてＡＥ信号処理部９より得られるＡＥ
信号レベルにより最適の感度を検出し、ＲＡＭｌ０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Ｉ制御するものである
。

（信号処理部の構成） 次に第２図はＡＥ信号処理部９の詳細な構成を示すブロ
ック図である０本図においてＡＥセンサ５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ＣＰＵ１２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つて、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ＣＰＵ１
２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
１１を介してＣＰＵ１２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　ｂ、バンドパ
スフィルタ２３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２
４．２５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１１２４．２５の出゛力は夫々比較器
２７に与えられる。これらのバンドパスフィルタ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３１２８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１１を
介してＣＰＵ１２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１１を介してＣＰＵ１２に伝え
るものである。

（折損データの取込み動作） 次に本実施例の動作について説明する。まず本発明によ
る工具の折損データの取込みについて第３図のフローチ
ャートを参照しつつ説明する。折損データを得る場合に
はあらかじめ第１図に示すようにＡＥセンサ５をワーク
１の近傍のベース２上に固定する。そして動作を開始す
るとまず入カキ−１８によりそのとき用いられる工具、
例えばドリル径を入力する。そうすれば入出力インター
フェース１１を介してスイッチ６がＡ／Ｄ変換器８側に
設定される。そしてステップ４２においてＡ／Ｄ変換器
８によるＡ／Ｄ変換を開始し、ステップ４３に進んで工
具即ちドリル３の折損を待ち受ける。ここで使用者はそ
の工具を折損する。工具の折損が検知されればステップ
４４に進んでＡ／Ｄ変換器８により変換された折損時の
デジタルデータをＲＡＭｌ０の所定領域に記憶する。第
４図はこの折損信号のデータが記憶された記憶手段のメ
モリマツプを示すものである。こうして折損信号を記憶
した後折損データの取込みを終了する。

（ＡＥセンサの感度設定動作） 次にこの折損データを用いてＡＥセンサの感度を設定す
る動作について第５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−１８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Ｄ／Ａ変換器１４に接続さ
れている可変増幅率増幅器１５の増幅率を補正する。こ
の補正は第３図のフローチャートにおいて折損データを
得た際に用いられた工具と感度を調整しようとする使用
の隙の工具の大きさの比に応じてあらかじめＲＯＭ１３
に記憶されており、大きさに応じて大きくなるように定
められたものである。従ってこの工具に基づいて増幅率
を補正しステップ５２に進んでスインｆ−７を増幅ａ１
５側にセントする。そしてステップ５３に進んでＲＡＭ
１０の折損信号データを順次読出し、入出力インターフ
ェース１１を介してＤ／Ａ変換器１８に与えてアナログ
データに変換する。そうすれば折損データを得たときと
同一の折損信号が再生され可変増幅率増幅器１５を介し
て信号処理部９に伝えられる。このとき可変増幅率増幅
器１５の増幅率は使用される工具に対応して設定されて
いるため、ワーク１上で用いられる工具が折損したとき
と同一レベルのＡＥ傷信号ＡＥ信号処理部９に伝えられ
ることとなる０次いでステップ５４に進んで入出力イン
ターフェース１１を介して微分回路２６の出力レベルが
適正であるかどうかをチェックし、このレベルが適正で
なければステップ５５に進んでＡＥセンサの感度、即ち
可変増幅率増幅器２１の増幅率を調整する。そしてステ
ップ５３に戻うて再びＤ／Ａ変換を開始し折損信号を可
変増幅率増幅器１５を介してＡＥ信号処理部９に与える
。こうしてステップ５３〜５５のループを繰り返して可
変増幅率増幅器２１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ＲＡＭｌ０の所定領域にマガ
ジン番号と共に記憶する（ステップ５６）。

次いでステップ５７に進んで全ての工具についての感度
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４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
４図にメモリマツプを示すように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６０において
人カキ−１８より設定された工具の大きさに対応する最
適のＡＥセンサ感度をＲＡＭｌ０より読出し、入出力イ
ンターフェース１１を介してＡＥ信号処理部９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の切削に応じてＡＥセンサ５よりＡＥ傷信号アナログ
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２２．２３に与え
られる。さて通常の切削加工時にＡＥセンサ５より与え
られるＡＥ傷信号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５０Ｋｂ付近に集中しており、
それより高い周波数領域ではｉ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７図の曲線ａにより表さ
れ、周波数３００Ｋｈ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傷信号みを取出して検波１）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９討時に
は周波数５０Ｋｂ付近のＡＥ傷信号パワーが周波数３０
０　Ｋ　ｂ付近のパワーより大きく、工具の折損時には
周波数３００Ｋｂ付近のパワーが周波数５０Ｋｂ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。

一方墳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。従って本
実施例においては工具の折損時に得られる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
。Ｗち工具の折損時に得られるＡＥ信号波形は第８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ＡＥ傷信号第８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２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に与え番、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１１よ
りＣＰＵ１２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ＣＰＵ１２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６２）、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６３に進んで表示器１７
より切削レベルを表示する。そしてステップ６２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。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６４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２
９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１１よりＣＰＵＩ　２に折損信号を伝える。

従ってステップ６４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６５において表
示器１７より異常切削を表示してステップ６２に戻る。

又ステップ６４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６６に進んで表示
器１７より工具の折損を表示すると共に数値制御装置４
にそのデータを伝えて動作を停止する。そしてステップ
６７に進んでＡＥ信号処理部９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２０をオフとして以後ＡＥ傷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傷信号表示器１
７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。

尚本実施例は工具の折損信号データ及び工具毎のマガジ
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てもよい。

又本実施例は数値制御装置により制御されるボール盤に
通用した折損検出装置について説明しているが、本発明
は手動式のボール盤に適用することができ、又他の工作
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通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図は本実施例の折損信号を取込む
際の処理を示すフローチャート、第４図はそのときに得
られる折損信号データと工具毎のＡＥ七ンサ感度を記憶
している状態を示すメモリマツプ、第５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６図は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５より得られるＡ
Ｅ傷信号パワースペクトルを示す図、第８図（ａ）は工
具折損時に得られるＡＥ信号波形、第８図中）は切屑が
生じる場合に得られるＡＥ信号波形を示す図である。 １−−−−−−−一・ワーク　　　２・−−−−一−−
・ベース　　　３・−・−・ドリル４−・・−・数値制
御装置　　５・−−−−−−・・ＡＥセンサ　　６゜７
・−−−−−−一・スイッチ　　８・−・−−−−−・
Ａ／Ｄ変換器　　９−・−・ＡＥ信号処理部　　１０・
−−−−−一−・ＲＡＭ　　　１２・−・−・・−・Ｃ
ＰＵ　　　１３・−・−・−・ＲＯＭ　　　１４・−・
−・Ｄ／Ａ変換ｍ　　　１５，２１・・−・−・可変増
幅率増幅器１７−−−−−−−・表示器　　１８・−−
−−−−−・入カキ−２０・−・・−・アナログスイッ
チ　　２２．２３・−−−−−・−・バンドパスフィル
タ　　２４．２５・・−・−・検波器　　２６・−・・
−・・微分回路　　２７・−・−・・−・比較＠　　　
２８・−・−・レベル判定器　　２９・−−−−一−−
・折損検出回路　　３０・−−−ｍ−・−・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３図 第４図 第５図 第６図 第７図 １００Ｋ　２００Ｋ　３００Ｋ　４００Ｋ　　　　　Ｈ
ｚ第８図（５１） 第８図（ｂ）

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、 前記ＡＥセンサより工具の折損時に得られるＡＥ信号と
   、工具毎の最適増幅率を記憶する記憶手段と、 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、用いられる工具
   に対応したレベルにより再生された前記記憶手段の折損
   信号を前記可変増幅率増幅器に与え、その増幅率を最適
   値に設定するＡＥ感度設定手段と、 前記可変増幅率増幅器の出力に基づいて工具の折損を識
   別する信号処理手段と、を具備することを特徴とする工
   具折損検出装置。
2. （２）前記信号処理手段は、工具の折損時に得られるＡ
   Ｅ信号の周波数成分と強い相関を持つ周波数成分のＡＥ
   信号が前記可変増幅率増幅器に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。