JPS61132864A - 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し、特に大きい加工
対象を所定の工具により加工する工作機械において用い
られ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、擬似折損信号発生器
を用いて折損時のＡＥ倍信号発生させ、それを加工対象
の複数の位置に設置して夫々の位置でのＡＥセンサの最
適感度を調整してお（。そして加工対象を工作する際の
工具の位置に応じてその最適感度データからの補間によ
り最適の感度を算出してＡＥセンサに設定することによ
って工具の折損を検出するようにしたものである。その
ため大きい加工対象に対しても工具の位置に応じて適切
な感度によりＡＥ倍信号受けることができる。

〔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、ＡＥセ
ンサ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、ワークが大きい場合には工具の位置によってＡＥ
センサから得られる信号レベルが相当に異なる。そのた
め標準位置でＡＥセンサの感度を最適に調整しても工具
が移動して切削。

加工を行う場合には、ワーク内で工具の位置に基づいて
折損信号の減衰量が異なることとなる。それ故大きなワ
ークに対しては工具の位置毎に最適感度を変えなければ
得られるＡＥ信号レベルが異なるため、工具の折損を確
実に検出することができなくな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士あって、用いられている工具に対
応し更に゛加工対象の加工位置に基づいてＡＥセンサの
感度を自動的に最適値に設定することによって、確実に
工具の折損を検出することができる信頼性の高い工具折
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、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を加工対象の異なる位
置に設置したときに、夫々の位置に対して可変増幅率増
幅器の最適感度を調整する感度調整手段と、感度調整手
段により調整された各工具の複数の位置の最適感度を記
憶する記憶手段と、用いられる工具の位置に応じて既知
の複数の最適感度の補間により算出された最適感度を可
変増幅率増幅器に設定する制御手段と、可変増幅率増幅
器より得られるＡＥ倍信号基づいて工具の折損を識別す
る信号処理部と、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の工具折損検出装置は、
擬似折損信号発生器をワークの異なる位置に設置し夫々
の位置に対応したＡＥセンサの最適感度を記憶手段に記
憶する。そしてその複数の位置の夫々について最適感度
のデータに基づいて用いられる工具の位置によってＡＥ
センサに必要な最適感度を補間法により算出してＡＥセ
ンサに設定している。このため大きいワークを加工する
場合にも、工具の位置にかかわらず常にＡＥセンサの感
度を最適値に調整することが可能となる。

従って工具からＡＥセンサまでのＡＥ倍信号減衰等の影
響を受けることがないので、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。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。さてワーク１の
上部にワーク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５が取付
けられる。駆動回路６はこの擬似折損信号発生器５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２上にＡ
Ｅ倍信号検出するＡＥセンサ７を設ける。ＡＥセンサ７
はドリル３等の工具からのＡＥ倍信号擬似折損信号発生
器５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８に与えられる。ＡＥ
信号処理部８はＡＥセンサ７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９を通じて中央演算装置（以
下ＣＰＵという）１０に与えるものである。ＣＰＵｌ０
にはシステム制御プログラムや数値制御装置４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）１１と、この数値制御装置４によって用
いられる工具の標準距離に対応するＡＥセンサの感度情
報や補間データ領域、及びデータバッファ等を含むラン
ダムアクセスメモリ　（以下ＲＡＭという）　１２から
成る記憶手段が接続され、擬似折損信号発生器５とＡＥ
センサ７の距離を測定するためのタイマ１３が接続され
ている。ＣＰＵｌ０には更に入出力インターフェース１
４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５１５、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−１６が接続さ
れる。更に信号伝送ライン１７を介して数値制御装置４
が接続されている。ＣＰＵｌ０はこれらの入力に基づい
て所定の擬似折損信号発生器５の駆動レベルを駆動回路
６に与え、ＡＥ信号処理部８より得られるＡＥ信号レベ
ルに基づいて各位置での最適感度を調整し、それをＲＡ
Ｍ１２に順次保持すると共に、以後使用される工具の位
置に応じた最適感度に設定する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８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７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ＣＰＵｌ０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及び入出力インク−フェース９
を介しでＣＰＵｌ０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３００ＫＨｚ、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２
４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器２８に伝える。レベル判
定器２日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２
９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９を介してＣＰＵＩ　Ｏ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
入出力インターフェース９を介してＣＰＵｌ０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−１６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５の駆
動レベルを駆動回路６に与える０次いでステップ４２に
おいて駆動回路６を駆動し同時にタイマ１３の動、作を
開始させる。そうすれば駆動回路６は擬似折損信号発生
器５を駆動するため、擬似折損信号発生器５よりＡＥ倍
信号ワーク１及びベース２を介してＡＥセンサ７に伝え
られる。ここで擬似折損信号発生器５の取付位置は最初
は例えば第１図に実線で示すようにワーク１上のＡＥセ
ンサ７に最も近い位置としておく。そして入出力インタ
ーフェース９を介して擬似折損信号が与えられればＣＰ
Ｕｌ０はタイマ１３の動作を停止し、ＡＥ倍信号伝播時
間ｔｄを測定する。今ワーク１を伝播する超音波の音速
をＶｕとすると擬似折損信号発生器５とＡＥセンサ７間
の距離Ｘは次式で表される。

Ｘ　＝　Ｖ　ｕ　Ｘ　ｔｄ　　−−−−−−＝（１）従
ってＣＰＵｌ０はステップ４３において最短距離にある
擬似折損信号発生１１５の取付位置を読込み、ステップ
４４に進んでＡＥセンサ７の感度を調整する。このとき
ＡＥ信号処理部８より入出力インターフェース９を介し
て得られる可変増幅率増幅器２１の出力レベルが適正で
あるかどうかをチェックしくステップ４５）、このレベ
ルが適正でなければステップ４６に進んで必要な増幅率
の増減を算出しステップ４４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４４から４６
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第４図に示すようにＲＡＭ
１２のデータ一時記憶バフファ領域にマガジン番号及び
擬似折損信号発生器５の位置データと共に記憶する（ス
テップ４７）。次いでステップ４８に進んで規定された
取付位置の全てが終了したかどうかをチェックする。擬
似折損信号発生器５は第１図に破線で示すように複数、
例えば少なくとも最短位置と最遠位置及びその中間の３
つの取付位置についてのＡＥセンサ感度を調整するよう
定められているものとすると、取付位置の全てについて
感度設定が行われていなければステップ４９に進んで使
用者による擬似折損信号発生器５の取付位置の変更を待
受ける。取付位置が変更されるとステップ４２に戻って
駆動回路６を駆動すると共にタイマ１３の動作を開始し
、以後同様の処理を繰り返し新な取付位置での最適感度
を求める。こうして規定されている全ての取付位置での
感度調整を行うてステップ５０に進む、そしてこれらの
操作が用いられる全ての工具について終了したかどうか
をチェックし、これが終了していなければステップ４０
に戻って異なる工具について同様の処理を繰り返す、こ
うして全ての工具について最適感度を調整した後ステ７
プ５１に進んで各位置に対するＡＥセンサの感度減衰特
性関数を算出する。即ちある工具の距離に対する減衰特
性関数を第５図に概念図を示すように ｆ　（Ｘ）　＝　Ｇｏ　＋　ＣＬＸ　＋　Ｃ２Ｘ　＋・
−−−−−−＝＋　ＣｎＸ　　−−−−−−−（２）と
仮定する。そしてＡＥセンサ７と擬似折損信号発生器５
との距離が夫々ＸＩ、　Ｘ２−−−〜−−Ｘｎのときに
最適感度が夫々ａｌ、　ａ２−−−−−−−・ａｎであ
ったとすると、ｆ　（Ｘｉ）　＝ａｌ ｆ　（Ｘ２）　＝ａ２ ｆ　（Ｘｎ）　＝ａｎ である。従ってこの連立方程式を解いて係数Ｃｏ。

Ｃ１・・・・Ｃｎを求める。ここで減衰特性係数０１〜
Ｃｎは各工具について共通の値であり、係数ＣＯのみが
各工具についての固有の値である。従って用い゛られる
工具について夫々Ｃｏを求める。このときＣｏは標準位
置のＡＥセンサ感度となっている。こうして得られた各
工具毎の固有の係数Ｃｏ１．　　Ｃｏ２・・・・と各工
具に共通の係数０１〜Ｃｍの値を第４図に示すようにＲ
ＡＭ１２の所定領域に記憶した後感度設定処理を終了す
番。

（監視動作） 次にこうして設定した各工具に対応する減衰特性と標準
位置におけ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６ｏにおいて数値制
御装置４より使用工具の情報を受取る。

更にステップ６１に進んで数値制御装置４よりその工具
の位置情報を受取る。これに基づいてＣＰＵ１０は工具
とＡＥセンサ７との距離Ｘを算出し、第（２）式に基づ
いてＡＥセンサの感度を算出する。

そうすれば第５図に概念図を示すように実際に感度調整
した複数位置（ｎ＋１）の距離に対するＡＥセンサ感度
に基づいて想定される減衰特性曲線によって、所定の位
置Ｘでの推定最適感度が補間法により求まる。従ってＣ
ＰＵｌ０はこの推定最適感度を入出力インターフェース
９を介してＡＥ信号処理部８に与え、可変増幅率増幅器
２１の増幅率を設定する（ステップ６２）。そうすれば
ワーク１の切削に応じてＡＥセンサ７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７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５０１１ｚ付近に集中し
ており、それより高い周波数領域ではＮＬｗＲ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３００Ｋｋ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５０ＫＨｚ付近のＡＥ傷信号パワー
が周波数３００ＫＨｚ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５
０ＫＨｚ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
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の出力に基づいて人出力インターフェースよりＣ
ＰＵｌ０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ＣＰＵｌ０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６３）、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６４に進んで表示器１５より
切削レベルを表示する。そしてステップ６５において工
具の位置が変更されたかどうかをチェックし、位置が変
更されていなければステップ６３に戻って同様の処理を
繰り返す、こうしてステップ６３〜６５の処理を繰り返
して切削の異常を監視していや。工具の位置が変更され
た場合にはステップ６５から６１に戻って数値制御装置
４より再び工具の位置情報を受取り、ステップ６２にお
いてその位置に対応したＡＥセンサの最適感度を第５図
に示す補間曲線に従って算出し、可変増幅率増幅器２１
に設定する。そして異常切削を同様にして検出し切削レ
ベルを表示する。

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６６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９よりＣＰＵｌ０に折損出力を伝える。従ってス
テップ６６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６７において表示器１
５より異常切削を表示してステップ６５に戻る。又ステ
ップ６６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６８に進んで表示器１５
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６９に
進んでＡＥ信号処理部８のアナログスイッチ２Ｇをオフ
として処理を終了する。

このように工具の位置情報に基づいてＡＥセン゛　サの
感度を常に最適に調整し、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ようにしている。そして工
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傷信号表示器」５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！１ｍできるよ
うにするためである。

尚本実施例はＡＥ信号処理部８のアナログ信号処理によ
って工具の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変換した後にナ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。

又本実施例は数値制御装置に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たが、工具の位置情報
を工具の移動毎に使用者が入力するようにすれば数値制
御がなされていない通常の工作機械に通用することが可
能である。又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や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図は本実施例の工具折損検出装置
の工具位置に対するＡＥセンサの最適感度と減衰特性曲
線のデータを得るための処理を示すフローチャート、第
４図はそのとき得られる最適感度の減衰特性関数の係数
等を記憶している状態を示すメモリマツプ、第５図はＡ
Ｅセンサの感度と距離との関係を示す概念図、第６図は
工具の位置に対して最適な感度を設定しつつ切削状況を
監視する場合の処理を示すフローチャート、第７図はＡ
Ｅセンサ７より得られるＡＥ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図世）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。 ｌ・−・−・・ワーク　　２・−−一−・−・ベース　
　３・−−−−−・−ドリル４−・−−−一−・数値制
御装置　　５−−−−−−一擬似折損信号発生器　　６
−−−−−−一駆動回路　　７−・−・ＡＥセンサ８−
−−−−−−−Ａ　Ｅ信号処理部　　９．　１４−−−
−−−一人出力インターフェース　　１０・−一−−−
−−・ＣＰＵ　　　１１・−・−・−・ＲＯＭ　　　１
２−−−−−・−・ＲＡＭ　　　１３−−−−−−−・
タイマ１５−−−−−−一表示器　　１６−・−・−人
力キー　　２０−・−・アナログスイッチ　　２１・−
−−−一−−・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・−−ｍ＝−−−・
レベル判定器　　２９−・−−−−−−・折損検出回路
　　３０・−一−−−−−・異常切削検出回路特許出願
人　　　立石電機株式全社 代理人　弁理士　岡本宜喜（他１名） 第１図 １−−−−ニーワーフ ５−・・−ＩＬＪＸ折損４号整嵐芥 ７・・−−−−ＡＥセシサ 第６図 第７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
   号発生手段を加工対象の異なる位置に設置したときに、
   夫々の位置に対して前記可変増幅率増幅器の最適感度を
   調整する感度調整手段と、 前記感度調整手段により調整された各工具の複数の位置
   の最適感度を記憶する記憶手段と、用いられる工具の位
   置に応じて既知の複数の最適感度の補間により算出され
   た最適感度を前記可変増幅率増幅器に設定する制御手段
   と、 前記可変増幅率増幅器より得られるＡＥ信号に基づいて
   工具の折損を識別する信号処理部と、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
   号が前記最適増幅率に設定された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。