JPS61217758A - 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、用いられる工具に対
応したレベルにより駆動される擬似折損信号発生器を用
いてＡＥセンサの感度を調整すると共に、感度調整時に
ある感度ではレベルが低く又それを越える感度値ではレ
ベルが高すぎて最適感度に定められないときに各感度に
設定された回数を計数しておき、その計数値の最大値の
感度を最適感度として設定するようにしたものである。

こうすれば感度調整時の分解能が低くてもＡＥセンサの
感度調整を確実に行うことが可能である。

〔発明の背景〕 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、その取付位置によってＡＥ倍信号レベルが大幅に
異なる。そこで出願人は既に特願昭５９−１０１５５４
号等において工具の折損時と同一の信号を発生する擬似
折損信号発生手段を提案している（未公開）。この擬似
折損信号発生手段を工作機械の加工位置に取付け、用い
られる工具に対応した駆動レベルで駆動すれば工作機械
に擬似折損信号を与えることができ、ＡＥセンサの感度
を最適値に調整することができる。

しかるにＡＥセンサの感度自動設定処理ではＡＥセンサ
の感度を徐々を変更してそのときのＡＥセンサの出力が
最適レベルであるかどうかを判断するが、ある感度値で
はレベルが低すぎ又それを越える感度値ではレベルが高
すぎて最適値に調整されず、処理が中断してしまう場合
がある。このような場合にはＡＥセンサの感度を自動的
に設定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センサ感度の変化可能な範
囲内で感度が一定時間内に定まらなかった場合にも最適
感度を設定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
力信号に基づいて工具の折損を識別する信号処理部と、
設定されたレベルにより工具の折損時に得られるＡＥ倍
信号周波数成分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Ａ
Ｅ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駆動レベルにより擬似折損信号
発生手段を駆動し、ＡＥセンサが各感度に設定された回
数を計数しつつ可変増幅率増幅器の増幅率を最適値に設
定するＡＥ感度設定手段と、ＡＥ感度設定手段により所
定時間内に増幅率が最適値に設定されないときに、計数
値の最大値に対応する感度を最適値としてＡＥセンサの
感度を設定する制御手段と、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、疑似折損信号
発生器を用いてＡＥセンサの感度を調整する際にＡＥセ
ンサ感度の変化最小幅が大きく、感度が最適値に定めら
れない場合には最も多く設定された感度値を最適感度と
して設定するので、自動的にほぼ最適なＡＥセンサ感度
を設定することが可能となる。

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。Ａ
Ｅ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。Ｃ
ＰＵ９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
各感度に設定された計数値テーブル、及びＡＥセンサの
出力レベルを一時的に記憶する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はこれらの入力に基づいてＡＥセンサ
の感度を自動的に設定すると共に、信号処理部からの折
損検出出力が与えられたとき折損レベルと比較して折損
出力を出す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３００　Ｋ　Ｈｚ
　。

バンドパスフィルタ２３は中心周波Ｂ５０ＫＨｚ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。

（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
る工具毎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−１４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４の
駆動レベルを駆動回路５に与える。更にステップ４２に
おいてＡＥセンサ６の感度調整のための時間を規定する
タイマをスタートさせる。そうすれば駆動回路５は擬似
折損信号発生器４を駆動するため擬似折損信号発生器４
よりＡＥ倍信号ワーク１及びベースを介してＡＥセンサ
６に伝えられる。このときＡＥセンサ６より得られる擬
似折損信号は工具の折損時と同一のパワースペクトルを
有し、更に時間領域においても折損時の波形と類似の波
形を有している。このＡＥ倍信号ＡＥ信号処理部７に伝
えられ、アナログスイッチ２０及び可変増幅率増幅器２
１を介して入出力インターフェース８からＣＰＵ９に伝
えられる。ＣＰＵ９はステップ４３において可変増幅率
増幅器２１の増幅率によってＡＥセンサ６の感度を調整
する。この調整ではＡＥセンサの感度の変化幅をｍ分割
して夫々の感度をＡ　（１１〜Ａ（−まで変化するもの
とすると、まず最初にＡＥセンチ感度を最低値Ａ（１）
に設定する。

そしてステップ４４に進んでその出力レベルが適正であ
るかどうかをチェックする。このレベルが適正でなけれ
ばステップ４５に進んで必要な増幅率の増減を算出する
。更にステップ４６においてそのＡＥセンサ感度Ａ（１
）（ｉ＝１〜ｍ）の設定数カウンタを夫々Ｎ　（１）と
すると、ここで設定されたセンサ感度Ａ　（１）の設定
数カウンタＮ　（１）をインクリメントしてステップ４
３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４３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と共に、設定数カウンタＮ（１）
の値を増加させていく。

このループによってＡＥセンサ６の感度が最適値に調整
されれば、ステップ４７に進んで第４図にメモリマツプ
を示すように最適の増幅率をＲＡＭ１１の所定領域にマ
ガジン番号と共に記憶する。

そしてステップ４８においてＣＰＵ９のタイマ及びＲＡ
ＭＩＩの設定数カウンタＮ（１）　（ｉ　＝　１〜ｍ）
をリセットし、ステップ４９に進んで全ての工具の設定
が終了したかどうかをチェックする。その設定が終了し
ていなければステップ４０に戻って他の工具によって同
様の処理を繰り返す。

（感度設定割込処理） さてＡＥセンサの感度設定は可変増幅率増幅器２１の増
幅率を順次増加させてその出力レベルが適性であるかど
うかによって判断しているが、この感度自動設定処理に
よって最適感度が求まらない場合がある。その一つはＡ
Ｅセンサの感度値の変化ステップ（即ちＡ　（ｉ＋１）
　−Ａ　（１１）内に最適感度が存在せず、ある感度で
は増幅器の出力レベルが低すぎそれより上の感度では増
幅器の出力レベルが高すぎるため最適増幅率が定まらな
い場合である。又他の場合はＡＥセンサの感度値の変化
幅Ａ　（１）〜Ａ（２））内に最適感度がなく、最適感
度が低すぎたり高すぎる場合である。前者の場合にはス
テップ４３から４６のループが繰り返され、ＡＥセンサ
の感度が二つの感度値間を往復し無限ループに入ってＡ
Ｅセンサの感度が調整できなくなる。本発明はこのよう
な問題点を解消するものであって、ステップ４３から４
６のループを所定時間操り返せばタイマがタイムアツプ
し第５図の割込み処理が実行される。

割込み処理を開始すると、まずステップ５０において最
も低い感度Ａ（１）、例えばＯｄＢの設定数カウンタの
計数値Ｎ　（１１を最大計数値Ｎｍａｘにセットし、ポ
インタｐを１に設定する。そしてステップ５１゜５２に
おいてポインタｎをクリアし次いでインクリメントする
。次にステップ５３においてそのボインタｎはｍに達し
たかどうかをチェックし、最大値ｍでなければステップ
５４に進んで設定数カウンタＮ　（ｎ）の計数値をポイ
ンタ設定数Ｘ　（ｎ）に移す。そしてステップ５５に進
んでポインタ設定数Ｘ　（ｎ）がＮｍａｘを越えるかど
うかをチェックする。この値を越えなければＮ　ｔａａ
ｘの計数値の方が大きいのでステップ５２に戻ってポイ
ンタｎをインクリメントして同様の処理を繰り返す。又
ステップ５５においてＮｔｓａχがＮ　（ｎ）より大き
くなければステップ５６に進み、ポインタ設定数Ｘ　（
ｎ）をＮｍａｘｅＩ域に移しポインタｎをポインタｐに
移してステップ５２に戻る。こうすればＮｍａｘとＮ　
（ｎｌが等しい場合にもポインタｎの値がポインタｐに
移されることとなる・。そしてステップ５２からステッ
プ５６のループを繰り返しポインタｎが最大値ｍとなれ
ばステップ５７に進んでＡＥセンサ感度Ａ　（ｐｉが最
大感度Ａ　（ＩＩＩ）であるかどうかをチェックする。

これが最大感度でなければＡＥセンサの感度値変化幅Ａ
　（１）〜Ａ　（ｍｌ内に最適感度が存在し、二つの感
度値を繰り返して無限ループに入り最適感度が設定され
なかったものと判断できるので、ステップ５８に進んで
感度Ａ　（Ｐ）の値を工具番号と共にＡＥセンサ感度の
最適値としてＲＡＭ１１に記憶させる。そしてステップ
５９に進んで設定数カランＮ（１１（ｉ　−１−ｍ）及
びタイマをリセットして感度設定処理を終了する。

一方ステップ５７においてＮｍａｘの感度値Ａ　（ｐ）
が最大感度Ａ（−である場合には、ステップ６０に進ん
でそのときの可変増幅率増幅器２１の出力レベルＶｏを
第４図に示すようにＲＡＭＩＩに一時記憶する。そして
ステップ６１に進んで駆動回路５の駆動レベルを最大値
に設定し、擬似折損信号発生器４を駆動する。次にステ
ップ６２においてそのときの増幅器２１の出力レベルＶ
ｍを記憶し、ステップ６３に進んでその差Ｖｍ−Ｖｏが
所定の偏差ε以下となるかどうかをチェックする。擬似
折損信号発生器４やＡＥセンサ６を接続するケーブルに
断線がなく、夫々が工作機械に正しく固定されていれば
可変増幅率増幅器２１の出力レベルは増加することとな
る。従って駆動回路５の駆動レベルを上昇させることに
よって増幅器２１の出力レベルも増加し、偏差ε以上と
なればケーブルの断線等はないと判断される。しかしこ
のときはＡＥセンサ６の取付位置が不適当で充分擬似折
損信号を受信することができない位置にあると考えられ
るので、ステップ６４に進んでＡＥセンサ取付位置の変
更を表示器１３により表示しステップ５９に戻ってこの
処理を一旦終了する。又ステップ６３において出力レベ
ルの差Ｖｍ−Ｖｏが所定偏差ε以下であればＡＥセンサ
６や擬似折損信号発生器４が工作機械に正しく取付けら
れていなかったり、又はケーブルに断線等があると考え
られるのでステップ６５に進んで表示器１３より擬似折
用信号系、即ち擬似折損信号発生器４からのＡＥセンサ
６までの信号伝達系の異常を表示し、ステップ５９に戻
って一旦この処理を終了する。こうすればＡＥセンサ・
　　の感度が最大値になっても最適増幅率が得られない
場合にその異常状態を識別することができる。

このような異常を修正することによって再び感度設定処
理を繰り返せば最適感度を得ることが可能となる。そし
てすべての工具について最適な増幅率を設定しＲＡＭＩ
Ｉに順次記憶して感度設定処理を終了する。

（監視動作） 工作機械の動作時にはこのようにして最適感度に設定さ
れたＡＥセンサ６からの信号を信号処理部７に与え工具
の折損を検出する。工具の折損時には周波数３００　Ｋ
　Ｈｚ付近にピークを有する折損信号が得られるため、
バンドパスフィルタ２２を介して検波器２４によってそ
のレベルを検出し、比較器２７により５０ＫＨｚの周波
数成分を有する信号と比較することによって工具の折損
を検出している。更に微分回路２６により信号が急激に
立上る場合にそのレベルが所定値以上であればレベル判
定器２８より出力が得られ、折損検出回路２９によりそ
の論理積条件に基づいて工具の折損を検出している。こ
のようにこの工具折損検出装置では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
って工具折損の信顧性を向上させるようにしている。

こうして工具の折損が検出されればアナログスイフチ２
０をオフとして以後ＡＥ信号の入力を禁止する。これは
工具の折損後に折損した工具とワークとの異常切削や摩
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を認識でき
るようにするためである。

尚本実施例では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て工具折損を検出しているが、
他の種々の方法により工具の折損を検出する信号処理を
用い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、
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
の感度の自動設定処理を示すフローチャート、第４図は
記憶手段の記憶内容を示すメモリマツプ、第５図は感度
設定時にタイムアツプした場合の割込み処理を示すフロ
ーチャートである。 １−・−・・・ワーク　　　２−−−−−一〜〜・ドリ
ル　　３−−−−−−−一数値制御装置　　４−−−−
−−−・擬似折損信号発生器　　５−−−−−−−駆動
回路　　６−−−−−−−Ａ　Ｅセンサ　　７−−−−
−・・ＡＥ信号処理部　　８．１２−−−−−一・入出
力インターフェース　　　　９−−−−−−−ＣＰｔ）
　　　　　１　０−・−ＲＯＭ　　　　　１１−−−一
−・−ＲＡＭ　　１３−・・−・表示器　　１４−・−
人力キー　　２０−−−−−・−・アナログスイッチ　
　２１−−−−−−−・可変増幅率増幅器　　２２．２
３−・−バンドパスフィルタ　　２４　、　２５−−−
−−−一検波器　　２６−−−−−−−微分回路　　２
７−−−−−−・−比較器　　２８−・−−−−−・レ
ベル判定器　　２９−・−・−・折損検出回路　　３０
−・−・−・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１図 １−−−−−−ワーフ ４−−−−−−　籟り委人折１信号発主器６−−−−−
−　ＡＥ　１：ンサ 第３図 １１４図

Claims (3)

【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センサの出力信号に基づいて工具の折損を識別
   する信号処理部と、 設定されたレベルにより工具の折損時に得られるＡＥ信
   号の周波数成分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、用いられる工具
   に対応した駆動レベルにより前記擬似折損信号発生手段
   を駆動し、ＡＥセンサが各感度に設定された回数を計数
   しつつ前記可変増幅率増幅器の増幅率を最適値に設定す
   るＡＥ感度設定手段と、 前記ＡＥ感度設定手段により所定時間内に増幅率が最適
   値に設定されないときに、前記計数値の最大値に対応す
   る感度を最適値としてＡＥセンサの感度を設定する制御
   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）前記制御手段は、前記ＡＥ感度設定手段の感度設
   定により複数感度の計数値が同一であるときにより高感
   度に設定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。
3. （３）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。