JPS61198059A - 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、工具の折損を検出す
る複数の折損検出手段を設け、その折損検出の特徴に鑑
みて使用者が任意に選択した選択入力に基づいてそのい
ずれかの折損検出手段を動作させ、工具の折損を検出す
るようにしている。

こうすれば工作機械の使用者の要求に応じた性質で工具
の折損を検出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Ａ、
　Ｅ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Ａ、Ｅ信号が発生し、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、使用者の目的や評価に応
じて種々の特性により工具の折損を検出することができ
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センサの出力
に基づいて工具の折損を検出する複数の工具折損検知手
段と、複数の折損検知手段より得られる検知出力により
折損検知条件の選択を行う選択入力手段とを具備し、選
択信号入力手段により選択された折損検知手段により工
具の折損を検出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、複数の独立な
判定条件が使用者に提示され使用者が確実な折損検出を
要求する場合、又は誤動作を少なくしたい場合等種々の
条件に基づいて判定条件の論理積を組み合わせて工具の
折損を識別することが可能となる。従って使用者の目的
や評価に応じた汎用性の高い工具折損検出装置を提供す
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１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１
疑似折田信号発生器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が
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リードオ
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
の感度情報を含むランダムアクセスメモリ　（以下ＲＡ
Ｍという）１１から成る記憶手段が接続されている。Ｃ
ＰＵ９には更に入出力インターフェースＩ２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、更に工具折損の条件を選択する判定条件人カキ
−１４が接続される。更に信号伝送ラインＩ５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ＣＰＵ９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及びＣＰＵ９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
を入出力インターフェース８を介してＣＰＵ９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ルーチン３０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５２１の増幅率を設定する。そうすれば
ワークｌの切削に応して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
増幅される。ここでルーチン３１に進んで判定条件人カ
キ−１４より折損判定条件の読込みを行う。折損の判定
条件は工作機械の使用者が任意に選択することができる
ものであって、ＡＥ信号処理部７による周波数スペクト
ルの分析による折損検知及び立上り信号に基づく工具折
損の検知、及びこれらの論理積条件を選択するものとす
る。周波数スペクトル分析及び立上り信号に基づく折損
検知は夫々工具が折損した場合には確実に検出されるが
、工具が折損していなくても類似する被検知信号により
誤動作して誤って折損を検出する可能性がある。一方折
損検出の誤動作をできるだけ少なくし実際に工具が折損
した場合にも検出されない可能性を認める場合には、そ
の論理積条件を選択するものとする。こうして判定条件
式カキ−１４より設定された判定条件を読込んでステッ
プ３２に進んでその条件を選択する。

ステップ３２において周波数領域での判定が選択された
場合には、ステップ３３に進んで比較器２７より折損検
出出力を待受ける。さてワークｌの切削に応じてＡＥセ
ンサ６より得られるＡＥ倍信号最適な増幅率によって増
幅されて二つのバンドパスフィルタ２２．２３に与えら
れている。通常の切削加工時には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５０Ｋｌｌｚ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３００　Ｋ　Ｉｌｚ付近にピ一りを持つ
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　Ｋ　Ｉｌｚ付近のＡＥ倍信号パワー
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３００Ｋｔｌｚ付近のパワーが周波数
５０ＫＨｚ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
み折損信号をＣＰＵ９に与える。従って工具の折損が検
出されればステップ３３よりルーチン３６に進んで折損
検出処理を行う。

又ステップ３２において時間領域での折損検出が選択さ
れた場合には、ステップ３４に進みレベル判定器２８か
らの出力を待受ける。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（ｂ）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入出力インタ
ーフェース８よりＣＰＵ９に伝える。

そうすれば時間領域での折損が検出されたのでステップ
３４よりルーチン３６に進んで工具の折損検出処理を行
う。

更にステップ３２においてこれらの論理積条件が選択さ
れた場合には、ステップ３５に進み比較器２７及びレベ
ル判定器２８より同時に検知信号が与えられるかどうか
をチェックする。こうすれば例えば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し、比較器２７より
ＣＰＵ９に折損信号が与えられてもレベル判定器２８よ
り出力が与えられないので工具の折損を検出しない。

又工作機械にワーク等が接触し急激に立上る信号が与え
られた場合にはレベル判定器２８より出力が与えられる
が、周波数領域での判定によって折損信号が得られなけ
れば論理積条件が成立しないので工具の折損を判別しな
い。従って誤動作が極めて少なく確実に工具の折損を検
出することが可能となる。こうしてステップ３５におい
て工具の折損が検出された場合にはルーチン３６に進ん
で折損検出処理を行う。折損検出処理は表示器１３によ
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。

〔実施例の変形例〕

尚ここで説明した実施例は折損検出条件として周波数領
域での折損検出及び時間領域での折損検出とその論理積
に条件に基づく折損検出とを使用者に選択させるように
しているが、更に他の折損検出条件を用いることも可能
である。これは例えばレベル判定器２８から所定時間内
に連続して立上り検出信号が得られた場合に工具の折損
を折損する検出条件や、ＡＥセンサより得られるＡＥ倍
信号平均値レベルが定められた闇値レベルを越えた場合
に折損を検出する検出条件が考えられ、これらの検出条
件又は時間領域での判定条件とを組み合わせることも考
えられる。更に工具の折損時の減衰特性が工具の種類に
かかわらず同一であることに鑑み、ＡＥ倍信号二つの時
間の振幅レベルを比較することにより工具折損時の減衰
特性を判別し折損検出の一条件とすることも可能である
。

又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図は本実施例の工具折損検出装置
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（ａ）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
号波形を示す図である。 ｌ−・−・−ワーク　　２−・・−ドリル　　３−−−
−−・・数値制御装置　　４−−−−−−一擬似折損信
号発生器　　５−−−−−−駆動回路　　６−・−・−
ＡＥセンサ　　７−−−−−・＝ＡＥ信号処理部　　８
，１２・−一−−−−−人出力インターフェース　　　
　９・−・−・−ＣＰＵ　　　　　１０　・−−−−−
−ＲＯＭ　　　　　１１−一−−−・・ＲＡＭ　　　１
３−・−表示器　　１４・−一−−−−−判定条件人カ
キー　　２　（Ｌ−−−−−−−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 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 弁 １００Ｋ　２００Ｋ　３００Ｋ　４００Ｋ　　　　Ｈ２
第５図（ａｌ ↑ 第５図（ｂ）

Claims (5)

【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
   複数の工具折損検知手段と、 前記複数の折損検知手段より得られる検知出力により折
   損検知条件の選択を行う選択入力手段と、を具備し、 前記選択信号入力手段により選択された折損検知手段に
   より工具の折損を検出することを特徴とする工具折損検
   出装置。
2. （２）前記折損検知手段は、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
   信号が与えられたときに折損を検出する検知手段を含む
   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。
3. （３）前記折損検知手段は、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折損検知手段
   を含む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。
4. （４）前記選択入力手段は、前記複数の折損検知手段の
   論理積条件により折損を検知する検知手段を含むもので
   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。
5. （５）前記折損検知手段は、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
   信号が与えられたときに出力を出す周波数識別手段、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、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
   を検知する論理出力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。