JPS61164761A - 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フション（
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センサが工作機械から発生する振動等によ
って脱落する可能性があることに鑑み、ＡＥセンサを周
期的に折損信号とは識別できる信号で駆動し、取付対象
からの反射波信号に基づいてＡＥセンサが工具近傍に確
実に接続されているかどうかを自動的に検出できるよう
にしたものである。そうすればＡＥセンサからの脱落等
に伴う工具の折損検出ミスを未然に防止することが可能
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。近年の工場自動イ、ヒ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
ンサは工作機械の工具近傍例えばワーク台等にカップリ
ングオイルを塗布して密着させて磁石等で取付けられる
が、工作機械から発生する切削時の振動やワーク台への
ワークの設置、その他の振動、又は切削に用いられるオ
イル等により接続が分離することがある。又ＡＥセンサ
から工具折損検出装置本体に接続されているケーブルが
断線したりすることもあり、これらの場合に工具の折損
を確実に検知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であって、ＡＥセンサの接続状態を
自動的に且つ定期的に検出することができ、ＡＥセンサ
の脱落や信号ケーブルの断線等のトラブルを未然に防止
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倍信号基づいて工具の折損を識別する信号
処理部と、ＡＥセンサに所定時間間隔で駆動信号を与え
その取付対象から得られる反射波信号を受波する送受波
部と、送受波部によるＡＥセンサの駆動後に反射波信号
を受波するまでの時間を測定する時間測定手段と、時間
測定手段より測定された時間がＡＥセンサの取付対象の
厚さに応じた時間を越えるときにＡＥセンサの異常を報
知する表示手段と、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センサの
送波用素子を所定間隔で駆動し反射波信号を確認するこ
とによってＡＥセンサ系の動作を定期的に確認している
。従ってＡＥセンサと工具折損検出装置本体間のケーブ
ルの断線、及びＡＥセンサのワーク台等への接続状態を
切削中にも連続して検出することが可能となる。従って
ＡＥセンサの接触異常やケーブルの断線等に起因して工
具の折損を検出できなくなるという恐れがなくなり、工
具折損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２図は本発明による工具折損検出装置の一実施例の全
体構成を示すブロック図である。本実施例はボール盤に
取付けられた状態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４
が取付けられる。レベル設定器５はこの擬似折損信号発
生器４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９種類に応じて所定の駆動レベルを設定し駆動
回路６に伝える。駆動回路６は工具の折損時の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擬
像折損信号を発生して擬似折損信号発生器４を駆動する
ものである。さてワーク１が配置される工具の近傍、例
えば第２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７を設ける。ＡＥセンサ７は後述するよう
に送波及び受波用の圧電素子を夫々有しており、その動
作を定期的にチェックするセンサチェック回路８が接続
されている。ＡＥセンサ７は受信用圧電素子からドリル
３等の工具のＡＥ倍信号擬似折損信号発生器４からのＡ
Ｅ倍信号検出する広帯域のＡＥセンサであって、その出
力はセンサチェック回路８とアナログスイッチ９とに与
えられる。アナログスイッチ９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１０に
与えられる。増幅器１０は可変抵抗器１１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１２．１３及び切
削レベル表示器１４に与えるものである。バンドパスフ
ィルタ１２は中心周波数３００ＫＨｚ、バンドパスフィ
ルタ１３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１５．
１６に伝える。検波器１５．１６は夫々その人力信号を
検波し振幅に応じた出力を得るものであって、検波器１
５の出力は微分回路１７、検波器１５．１６の出力は夫
々比較器１８に与えられる。これらのバンドパスフィル
タ１２，１３、検波器１５．１６及び比較器１８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１７は入力信号の急峻な変化分のみを次
段のレベル判定器１９に伝える。レベル判定器１９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２０と異常切削
検出回路２１に伝える。

又比較器１８は検波器１５．１６の出力を比較し、検波
器１５の出力が大きい場合にのみ出力を折損検出回路２
０に伝える。折損検出回路２０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９を閉成すると共に出力
回路２２を介して外部に出力する。又異常切削検出回路
２１はレベル判定器１９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２３を介して
外部に伝えるものである。

（センサチェック回路の構成） 次に第１図は本実施例によるＡＥセンサ７とセンサチェ
ック回路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センザ７は図示のようにＡＥ倍信号受波す
る受渡用圧電素子７ａ、及びＡＥ倍信号ＡＥセンサ７の
取付対象に送出する送波用圧電素子７ｂを有しており、
その内部に受波用圧電素子７ａの受波信号を増幅する前
置増幅器７Ｃが設けられている。センサチェック回路８
には所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器３０
が設けられ、送信部３１に伝えられる。送信部３１は折
損信号とは識別することができるＡＥ倍信号例えばＩＭ
Ｈｚのバースト波を発生するものであり、その出力がＡ
Ｅセンサ７の送波用圧電素子７ｂに加えられる。ここで
ＡＥセンサ７は第２図に示すようにベース２上に固定さ
れているものとすると、送信部３１より与えられたＡＥ
倍信号ベースの下面で反射して受波用圧電素子７ａに加
わる。従って受渡用圧電素子７ａは工具３から発生する
ＡＥ倍信号び擬似折損信号発生器４のＡＥ倍信号他に送
信部３１によって与えられた圧電素子７ｂからの周期的
なＡＥ倍信号電気信号に変換されることとなる。受渡用
圧電素子７ａの出力は前置増幅器７Ｃを介して前述した
アナログスイッチ９以後の信号処理部の他にセンサチェ
ック回路８内の受信部３２に加えられる。受信部３２は
送信部３１で発生する周波数、例えばＩＭＨｚに対応し
た周波数のみを次段に伝えるバンドパスフィルタ及びそ
の出力を所定のレベルで弁別する比較器を有しており、
送出したＡＥ倍信号反射して受信部３２に受信されたと
きにのみ出力を与えるものである。又パルス発生器３０
の出力はゲート回路３３のセット端子にゲート開放信号
として与えられ、受信部３２の信号はゲート回路３３の
リセット端子にゲート閉成信号として与えられている。

ゲート回路３３には所定周期のクロック信号を発生する
クロック発生器３４のクロック出力端が接続されており
、ゲートが開放されている間にのみクロック信号を次段
のカウンタ３５に伝えるものである。カウンタ３５はプ
リセント部３６により計数値があらかじめプリセントさ
れているプリセッタブルカウンタであって、ゲート回路
３３からクロック信号が伝えられれば計数を開始し、計
数値がプリセント値以下であれば表示器３７により正常
表示を行い、プリセット値を越えれば表示器３７より異
常表示を行うものである。

（ＡＥセンサ感度設定動作） 次に本実施例による工具折損検出装置を工作機械、この
場合はボール盤に設置する際の操作について説明する。

まずＡＥセンサ７を所定位置に取付けた後、工具の種類
即ちドリル径に応じてレベル設定器５を所定のレベルに
設定し駆動回路６を介して擬似折損信号発生器４を駆動
する。そして切削レベル表示器１４の表示を監視しつつ
レベル設定器５の設定に応じて定められたレベルとなる
ように可変抵抗器１１を調整し、増幅器１ｏの増幅率を
変えて切削加工時に信号処理部に適切なレベルのＡＥ倍
信号与えられるようにする。こうすれば工具とＡＥセン
サ７間の取付状態によりＡＥ倍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。

（実施例の動作） 次に本実施例の動作について説明する。まずＡＥセンサ
７をベース２上に取付けＡＥセンサの感度を設定した後
ドリル３をワーク上に押下げて切削加工を行う、加工中
には所定周期毎にセンサチェ、り回路８のパルス発生器
３ｏからパルス信号が与えられる。いま第３図（ａ）に
示すように時刻ｔ１にパルス信号が送信部３１に与えら
れたとすると、送信部３１はＡＥ倍信号識別することが
できるＩＭＨｚの周波数でＡＥセンサ７の送波用圧電素
子７ｂを駆動する。そうすればＡＥセンサ７が取付けら
れているベース２にＡＥ倍信号伝えられ、送波時及び底
面反射により一定時間後に反射波が受渡用圧電素子７ａ
に加わる。この信号は前置増幅器７ｃを介して受信部３
２に与えられ、バンドパスフィルタによって送信部３１
より送出した信号のみが識別される。従って表面波や反
射波により所定レベル以上の受渡信号があれば第３図中
）に示すように受信部３２よりゲート回路３３に出力が
加わる。即ちゲート回路３３はパルスが発生した時刻ｔ
１にゲート開放信号が伝えられ、時刻ｔ２に反射波が伝
えられたときに受信部３２よりゲート閉成信号が与えら
れることとなる。従ってゲート回路３３は第３図（Ｃ）
〜（ｅ）に示す時間Ｔｏの間ゲートを開放してクロック
発生器３４のクロックをカウンタ３５に伝える。従って
カウンタ３５はこの間だけクロック信号を計数する。こ
こであらかじめプリセット部３６よりカウンタ３５の所
定の計数値りをセットしてお（、この計数値りはＡＥセ
ンサ７が取付けられているベース２の厚さｄ及びベース
２を伝播する音速Ｖ、クロック発振器３４の周波数ｆに
よって次式のように定まる数字ＬＯに誤差を加えたもの
とする。

Ｌｏ＝２ｄｆ／Ｖ 従ってカウンタ３５の計数値がＬ以下であれば、時刻ｔ
１に送出したＡＥ倍信号ベース２の底面を反射して受信
部に再び伝えられたので、ＡＥセンサ７は正しく取付け
られケーブルも正常に接続されているものと判断される
。この場合には表示器３７より正常表示を行う。

しかしながらカウンタ３５が設定値りを大幅に越えても
受信部３２が反射波信号を受波しなければ、ＡＥセンサ
７が正しく取付けられていないか又はケーブルが断線し
ていると判断されるので、表示器３７により異常表示を
行う。そうすればＡＥセンサ７の状態を確認することが
可能である。

（信号処理部の動作） さて通常の切削加工時にＡＥセンサ７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４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１
２．１３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１５゜１６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明確に識別する
ことが可能である。比較器１８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２０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。そこで本実施
例で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（ａｌ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倍信号第５図山）に示すように鋭い立上りを示さず
所定期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１５の出力を微分回路
１７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１９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倍信号得られたと
きにレベル判定器１９より折損検出回路２０に信号を与
える。折損検出回路２０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のみを検出すれば出力回路２
２より折損出力を与えると共に、アナログスイッチ９を
オフとして以後ＡＥ倍信号増幅器１０に伝えないように
している。これは工具の折損後に発生する折損した工具
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１４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。

（センサチェック回路の第２の実施例）次に本発明の第
２の実施例について説明する。

第６図はセンサチェック回路８の異なる実施例について
示すものであって、第１図と同一部分は同一符号を用い
て示している。本実施例においても、所定周期毎にパル
ス発生器３０よりパルスを発生し、送信部３１を介して
折損信号と識別できる周波数を用いてＡＥセンサ７の送
波用圧電素子７ｂを駆動している。ＡＥセンサ７は内部
に受渡用圧電素子７ａの出力を増幅する前置増幅器７ｃ
を有し、その出力を受信部３２に与える。受信部３２は
前述の実施例と同じくバンドパスフィルタ及び比較器を
有しており、送信部３１より送出した信号が受波された
場合にのみ出力を時定数回路３８に与える。時定数回路
３８は可変抵抗器３９及びコンデンサから成る充放電回
路を有しており、時定数は可変抵抗器３９によって任意
に設定することが可能となっている０時定数回路３８は
パルス発生器３０の出力によって充電を開始し受信部３
２の出力によりリセットするものであって、その出力を
比較器４０に与える。比較器４０は入力信　　　　。

号と所定の基準レベルｖｔｈとを比較するものであり、
基準レベルｖｔｈ以下のときに正常／異常表示器３７に
正常信号を与え、入力信号が基準レベルｖｔｈを越えれ
ば正常／異常表示器３７により異常信号を与えるもので
ある。

（第２実施例の動作） 次に本実施例の動作について説明する。ＡＥセンサ７の
取付対象、例えばワーク台の厚さや音速は工作機械毎に
異なるので使用者はあらかじめ可変抵抗器３９を調整し
、充電の時定数を送信部３１から発生するＡＥ倍信号反
射波受信までの時間より大きくなるようにしておくもの
とする。第７図はこの実施例の各部の波形を示す波形図
であり、動作を開始するとパルス発生器３０より所定周
期毎に例えば時刻ｔ３に第７図（ａ）に示すようにパル
スが生じ、送信部３１を駆動する。そうすれば前述した
実施例と同様にＡＥセンサ７の送信用圧電素子７ｂより
ＡＥ倍信号ベース２に伝えられる。又そのとき同時に時
定数回路３８に充電開始信号が伝えられて充電が開始さ
れる。従って第７図（Ｃ）。

（ｄ）に示すようにその出力電圧が徐々に上昇する。

そして所定時間経過後の時刻ｔ４に受信部３２にベース
２の反射波信号が受波されれば、リセット信号を与えて
この充電を停止する。従ってＣＲの時定数回路３８の出
力が基準レベルｖｔｈ以下である場合には比較器４０よ
り正常出力が出力され、表示器３７によって正常状態が
表示される。

しかしながらＡＥセンサ７のベース２に確実に接続され
ていなかったりケーブルが断線して受信部３２に受信信
号が与えられなければ、時定数回路３８はリセットされ
ず充電がそのまま継続するため、特定軟回路３８の出力
は第７図（ｄ）に示すように比較器４０の基準レベルｖ
ｔｈを越える。そうすれば比較器４０の出力によって表
示器３７が異常状態を表示し、ＡＥセンサ７の異常を使
用者に報知することができる。

尚本実施例はパルス発生器により周期的にパルスを発生
してＡＥセンサのチェック回路を動作させるようにして
いるが、数値制御装置と一体化された工具折損検出装置
においてＣＰＵを用いて所定周期毎に送信部３１を駆動
し、受信部３２の出力をソフトウェアタイマ等により検
知してＡＥセンサの接続状態を識別することも可能であ
る。

又上述した各実施例は、ＡＥセンサの圧電素子として受
渡用圧電素子の他にその接続状態を検知するため送波用
圧電素子を設けているが、受波用圧電素子のみとしそれ
らを時分割により切換えて用いるようにしてもよい。

更に上述の各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を対象とした工具
折損検出装置に通用することができることはいうまでも
ない。

【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に用いられるセ
ンサチェック回路の一実施例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装置の全体構成を示す
ブロック図、第３図はその各部の波形を示す波形図、第
４図はＡＥセンサ７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（ａｌは工具折損時に得られる
ＡＥ信号波形９、第５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６図は本発明のセンサチ
ェック回路の他の実施例を示すブロック図、第７図はそ
のセンサチェック回路の各部の波形を示す波形図である
。 １−−−−−−−ワーク　　２−・・・・−ベース　　
３−−−−−−−ドリル４−−−−−−一擾似折損信号
発生器　　５−−−−−−−レベル設定器　　６−・−
・駆動回路　　７−−−−−−・ＡＥセンサ７　ａ　、
　　７　ｂ−−−−・−圧電素子　　８−−−−−−−
−センサチェック回路　　９・−一一一一一アナログス
イッチ　　１０−・−・・−増幅器　　１２．１３・−
−−−−−−・バンドパスフィルタ１５．１６−・−・
−・検波器　　１７−−−−−−−微分回路１８−−−
−−−−・比較器　　１９−−−−−−−・レベル判定
器　　２ｏ　−−−−−−−一折損検出回路　　２２　
、　２３−−−−−−一出力回路３０−・−・パルス発
生器　　３１−−−−−−一送信部　　３２−−−−−
−・−受信部　　３３−−−−−−−・ゲート回路　　
３４−・−−・クロック発生器　　３５−−−−−−一
カウンタ　　３７−−−−−−−正常／異常表示器　　
３８−・−・一時定数回路４０−−−−−−−・比較器 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１図 ２−−一・−ぺ一入 ７−−−−−−ＡＥセシ寸 第３図 １ｔ２ 第４図 １００Ｋ　２００Ｋ　３００Ｋ　４００Ｋ　　　　　Ｈ
１第５図（ａ） 第５図（ｂ） 第６図 第７図 ３ｔｓ

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信号に基づいて工具の
   折損を識別する信号処理部と、 前記ＡＥセンサに所定時間間隔で駆動信号を与えその取
   付対象から得られる反射波信号を受波する送受波部と、 前記送受波部による前記ＡＥセンサの駆動後に反射波信
   号を受波するまでの時間を測定する時間測定手段と、 前記時間測定手段より測定された時間が前記ＡＥセンサ
   の取付対象の厚さに応じた時間を越えるときに前記ＡＥ
   センサの異常を報知する表示手段と、を具備することを
   特徴とする工具折損検出装置。
2. （２）前記時間測定手段は、所定周期のクロック信号を
   発生するクロック発生器と、前記送受波部の送波後反射
   波を受波するまでの間に開放されるゲート回路、及び前
   記ゲート回路から得られるクロック数を計数するカウン
   タとを有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）前記時間測定手段は、前記送受波部の送波後に充
   電が開始され受波部より出力が得られたときに充電を停
   止する充放電回路、を有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。
4. （４）前記信号処理部は、工具の折損時に得られるＡＥ
   信号の周波数成分に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の折損を
   識別する論理出力手段と、を有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。