JPS61187650A - 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、ＡＥセンサの信号に
基づいて工具の折損を検出すると共に一つの工具につい
て折損は一度しか起こらないということに鑑み、信号処
理部より工具の折損信号が得られたときにはタイミング
手段を動作させ、所定時間内に連続して工具の折損検出
信号が得られれば工具の折損でないと判断し、外部に折
損検出信号を与えないようにしたものである。こうすれ
ば信号処理部によって誤って工具の折損が検出されても
折損信号を出力することがないので、折損検出の信頼性
を向上させ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おり、他の原因で得られ
るＡＥ倍信号例えばワークの切屑から発生する信月やソ
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識別することができなか
った。又工具の折損に伴って発生するＡＥ倍信号特徴に
もばらつきがあり、工具の折損でないにもかかわらず折
損と類似したＡＥ倍信号発生し、これを誤って工具の折
損と検出してしまう場合がある。従ってこのような折損
に対しては一定の折損検出処理だけでは十分でなく誤っ
て折損信号を出力してしまうことがあるという問題点も
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、折損と類似するＡＥ倍信
号得られても明らかに工具の折損でない場合には、信号
処理によって工具の折損出力を発生させないようにした
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センサの出
力に基づいて工具の折損を検出する信号処理部と、信号
処理部より折損が検出されたときにトリガされ所定時間
動作するタイマ手段と、タイマ手段の動作時に信号処理
部より再び折損信号が与えられたときに折損信号の出力
を禁止すると共に、折損信号が与えられないときにタイ
マ手段の動作終了後に折損出力を出す制御手段と、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、折損と類似す
る信号が与えればまずタイマ手段の動作を開始させ、そ
の間に再び折損信号が与えられれば誤った折損検出信号
として外部に工具折損出力を出さないようにしている。

従って工具折損時と類似するＡＥ倍信号発生して信号処
理部により工具の折損が検知されても、外部に工具の折
損信号を与える可能性を大幅に減少させることができる
。

一方真に工具が折損していれば続けて折損信号が得られ
ることがないので、タイマ手段の動作終了後に外部に工
具折損信号を出力する。このように本発明によれば工具
折損を検出する信頼性を向上させることが可能である。

〔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ｌ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
すようにベース上にＡＥ倍信号検出する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倍
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り一ドオン
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ＡＥセンサの
感度情報やタイマフラグ、及び折損出力禁止フラグ領域
を含むランダムアクセスメモリ　（以下ＲＡＭという）
１１から成る記憶手段が接続されている。

ＣＰＵ９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入カキ−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ＡＥ信号処理部７からの折損検出信
号に基づいて数値制御装置３とデータ伝送を行い、工具
の折損を確認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８
を介してＣ・ＰＵ９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
バンドパスフィルタ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。

（監視動作） 次に工具の折損を監視する監視動作について説明する。

第３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４０においてその工
具に対応した増幅率の最適値をＲＡＭＩＩより読出し、
入出力インターフェース８を介して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。そうすれば
ワーク１の切削に応じてＡＥセンサ６よりＡＥ倍信号ア
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ＡＥセンサ６より与え
られるＡＥ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５０ＫＦＩｚ付近に築申してお
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（、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倍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。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やワークとの接触や
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。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。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５図山）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３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４１）、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４２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４０に戻って同様の処理を繰り返しステ
ップ４０からステップ４２の処理を実行しつつ切削の異
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４３に進んで折を１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出し、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４３において折損信号が与えられるか
どうかをチェックし、これ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４４において表示器１３よ
り異常切削を表示してステップ４０に戻る。又ステップ
４３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４５に進んで折損内部検出信
号を出力する。そしてルーチン４６の折損割込処理に移
る。

（折損確認動作） 折損の割込みがあればその折損検出信号が真に工具の折
損によって検出されたものか、あるいは他の信号によっ
て検出されたものかを判別する確認処理を行う。第６図
及び第８図はこの確認処理を示すフローチャートであり
、第７図及び第９図はそのタイムチャートである。さて
第７図（ａｌに示すように時刻Ｌ１に折損内部検出信号
が発生すると第６図の割込処理が実行され、まずステッ
プ５０において折損内部検出信号とタイマフラグとの論
理積がＯとなるかどうかをチェックする。最初に折損確
認割込が開始する場合にはタイマフラグは立てられてい
ないので論理積はＯである。従ってステップ５１に進ん
でＣＰｔＪ９に内蔵されているハードウェアタイマであ
るワンショットディレータイマ（以下Ｏ５Ｄタイマとい
う）を第７図（ｂ）に示すようにスタートさせる。Ｏ３
Ｄタイマの動作時間は任意に設定できるが、例えば２０
ｍ５とする。そしてステップ５２．５３において第７図
（Ｃ１，！ｄ）に示すように折損出力禁止フラグをクリ
アすると共にタイマフラグを立てる。その後一旦折損確
認割込処理からリターンし、第３図のステップ４０に戻
ってステップ４０から４４のループを繰り返す。

工具が真に折損しており第７図に示すＯ３Ｄタイマがタ
イムアツプする迄に内部折損信号が得られなければ、タ
イムアンプする時刻ｔ２に第８図に示すタイマ内部割込
処理を開始する。この処理を開始するとまずステップ６
０においてＲＡＭＩＩの折損出力禁止フラグが立ってい
るかどうかをチェックする。このフラグは既にステップ
５２においてクリアされているため、ステップ６１に進
んで表示器１３より工具の折損を表示すると共に、アナ
ログスイッチ２０をオフとしてＡＥセンサ６より更に信
号処理部７にＡＥ大入力伝えられるのを禁止する（ステ
ップ６２）。そしてステップ６３に進んでタイマフラグ
をクリアして第３図のステップ４０に戻る。

一方第９図（ａ）に示すように時刻ｔ３に発生した内部
折損信号に基づき一旦折損確認割込処理を終えた後、Ｏ
３Ｄタイマが動作中の時刻ｔ４に再び信号処理部７の処
理によって折損信号が得られ内部折損信号が出力された
場合には、再び第６図の折損確認処理が開始する。この
場合にはタイマフラグＡが立っているのでステップ５０
がら５４に進んで折損出力禁止フラグを立てる。そして
割込処理を終えてステップ４０の主ルーチンに戻る。こ
の場合にも時刻ｔ５にＯ３Ｄタイマが停止すると第８図
に示すタイマ内部割込が開始するが、折損出力禁止フラ
グが立っているのでステップ６１．６２の折損外部出力
処理を行うことなくステップ６３に進んでタイマフラグ
をクリアして元のルーチンに戻る。

このように信号処理部７による工具の折損が検出されれ
ばＯＳＤタイマをスタートさせると共に、そのタイマ時
間内に再び折損内部検出信号が得られるかどうかをチェ
ックし、この信号が得られないときにのみ外部に折損検
出信号を出力するようにしている。従って折損信号と極
めて似たＡＥ倍信号得られ信号処理部において工具の折
損が検出されたときにも引続き折損が検出されれば、外
部に折損信号を出力することがないので工具折損検出の
信頼性を大幅に向上させることができる。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倍信号入力を禁止している。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ＡＥ信号処理部７のアナログ処理によって
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変換した後にサ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適用し
た折損検出装置について説明しているが、本発明による
折損検出装置は数値制御装置によって制御される他の工
作機械、例えば旋盤やフライス盤等に適用することがで
き、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図は工具折損検出装置の折損監視
動作を示すフローチャート、第４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５図
（ａｌは工具の折損時に得られるＡＥ信号波形、第５図
（ｂ）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図は内部より折損検出信号が得られた場合の
確認処理を示すフローチャート、第７図は工具が折損し
た場合の折損信号の各部の論理レヘルの変化を示すタイ
ムチャート、第８図はタイマ内部割込処理を示すフロー
チャート、第９図は誤った信号により折損を検出した際
の論理レベルの変化を示すタイムチャートである。 ■−・−・ワーク　　２・−−一−−−ドリル　　３−
・・−数値制御装置　　４−・−擬似折損信号発生器　
　５−・−駆動回路　　６−・−ＡＥセンサ　　７・−
・・−・−ＡＥ信号処理部　　８．１２−一一一一・・
入出力インターフェース　　　　！ＩＬ−−−−−−−
ＣＰＵ　　　　　１０−・・−ＲＯＭ　　　　　１１−
・・・−ＲＡＭ　　　１３−一−−−・−表示器　　１
４−−−−−−一人力キー　　２０−−−−−−−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−・・−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　　　立石電機株式会社 代理人　弁理士　岡本官喜（化１名） 第１図 １−−−−−−ワーク ４−−−−−一凝柩せ横信号亀支器 ６−−−−−−Ａｌ：ｔν寸 第３図 第４図 １００Ｋ　２００Ｋ　３００Ｋ　４００Ｋ　　　　Ｈｚ
第５図（ａ） 第５図（ｂ） 第６図　　　　　第８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、前記ＡＥセンサの
   出力に基づいて工具の折損を検出する信号処理部と、前
   記信号処理部より折損が検出されたときにトリガされ所
   定時間動作するタイマ手段と、前記タイマ手段の動作時
   に前記信号処理部より再び折損信号が与えられたときに
   折損信号の出力を禁止すると共に、折損信号が与えられ
   ないときに前記タイマ手段の動作終了後に折損出力を出
   す制御手段と、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。