JPS61278757A - 工具折損検出システム - 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〕 本発明は数値制御装置を用いて動作する工作機械におけ
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Ａ　Ｐ、という）を
利用して監視、自動検出する工具折損検出システムに関
するものである。

〔発明の概要〕

本発明による工具折損検出システムは、工作機械上にＡ
Ｅセンサから得られる出力より工具の折損を検出する工
具折損検出装置を設けると共に、工具の上部で折損が起
こったときに折損を一時中断し工具を再び加工対象に接
触させて工具の折損を確認して折損を識別するようにし
たものである。

〔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傷信号基づいて工
具の折損を検出する装置が提案されている。

そこでこのような工具の折損を自動的に検出するために
工作機械の工具近傍等にＡＥセンサを取付け、ＡＥセン
サより得られる信号によって工具の折損や異常を検出す
る検出装置が提案されている。ところでボール盤等の場
合には工具としてドリルを用いて切削加工が行われるが
、折損時には通常ワーク内の切削部分で折損が起こりそ
のとき発生するＡＥ傷信号ＡＥセンサに伝達される。し
かしながらワーク外部のドリルの根元部で折損が発生す
る場合もありうる。このように・ワークの外部で工具が
折損した時にはＡＥ傷信号ＡＥセンサに伝わらず、工具
の折損を確実に検出することができないという問題点が
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、ワークの外部で工具が折
損した場合にも数値制御装置を動作させて工具の折損を
確認するようにして工具折損検出の信頼性を向上するこ
とができる工具折損検出システムを提供することを目的
とする。

〔発明の構成と効果〕

本発明は数値制御装置を用いて制御される工作機械に取
付けられた工具折損検出装置を有する工具折損検出シス
テムであって、工具折損検出装置は、工作機械の工具近
傍に設けられたＡＥセンサと、該ＡＥセンサの出力信号
に基づいて工具の折損を識別すると共にＡＥセンサの出
力レベルの低下を検知する検知手段を有する信号処理部
と、該信号処理部の検知手段より出力レベルの低下が検
出されたときに数値制御装置に折損検出信号を送出する
信号送出手段と、工具の加工対象への接触を検出しつつ
数値制御装置より得られる工具の加工対象への接触時間
と実質的に同一の時間に接触が得られないときに工具の
折損を識別する折損識別手段と、を有するものであり、
数値制御装置は、工具折損検出装置からの折損検出信号
に基づいて動作を停止させる動作停止手段と、工具を加
工対象に再び移動させ接触する時間を工具折損検出装置
に送出する制御手段と、を有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、工具折損検出
装置により折損を検出中に切削レベルが所定値以下とな
れば数値制御装置に信号が伝達され、数値制御装置によ
って演算された工具の再接触時間に基づいて工具の折損
を確認するようにしている。従って切削レベルが所定値
以下の場合に工具の上部で折損が起こってもその後の確
認動作　　　　“によりこれを確認することが可能とな
り、工具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上に固
定されており、ワークｌ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ｌ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傷信号検出する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傷
信号擬似折損信号発生器４からのＡＥ傷信号検出する広
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
感度情報や切削の終了時に立てられる切削終了フラグを
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０本図においてＡＥセンナ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゜２２に接続されている。増幅器２１．２２
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る。増幅器２１の出
力は二つのバンドパスフィルタ２３．２４及び入出力イ
ンターフェース８を介してＣＰＵ９に与えられる。バン
ドパスフィルタ２３は中心周波数３００　Ｋ　Ｉｌｚ　
、バンドパスフィルタ２４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２５．２６に伝える。検波器２５．２６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２５の出力は微分回路２７に、検波器２
５，２６の出力は夫々比較器２８に与えられる。これら
のバンドパスフィルタ２３．２４、＋ｌＥ器２５゜２６
及び比較器２８により折損時のＡＥ傷信号識別する周波
数識別手段を形成している。微分回路２７は入力信号の
急峻な変化分のみを次段のレベル判定器２９に伝える。

レベル判定器２９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３０と異常切削検出回路３１に伝える。又比較器
２８は検波器２５．２６の出力を比較し、検波器２５の
出力が大きい場合にのみ出力を折損検出回路３０に伝え
る。折損検出回路３０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３１はレベル判定器２９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。一方可変増幅率増幅
器２２の出力は検波器３２に与えられる。検波器３２は
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、その出力をレベル判定器３３に与える。レベル判
定器３３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、入力レベルが低くなれば出力を入出力インタ
ーフェース８を介してＣＰＵ９に与えるものである。

（監視動作） 次に工具の折損を監視する監視動作についてフローチャ
ートを参照しつつ説明する。動作を開始するとまず第３
図（ａ）のフローチャートのステップ４０、４１’にお
いて入カキ−１４より使用工具のデータを待受け、その
工具に対応した増幅率の最適値をＲＡＭＩＩより読出し
ＡＥ信号処理部７の可変増幅率増幅器２１．２２の増幅
率を設定する。そしてステップ４２において工具の切削
が開始されたかどうかをチェックし、切削が開始されれ
ばステップ４３において切削終了フラグをクリアして折
損識別処理に移る。さて通常の切削加工時にＡＥセンサ
６より与えられるＡＥ傷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３００　Ｋ　Ｈｚ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２３．２４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２５
．２６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２８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３０に与えている。

一方切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２３．２４の中心周波数やＱの値、及
び比較器２８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５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、一方切り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５図（ｂｌ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２５の出力を微
分回路２７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２９に与える。レベル判定器２９は入力
信号が大きいときに出力を折損検出回路３０及び異常切
削検出回路３１に与える。異常切削検出回路３１はレベ
ル判定器２９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。又Ａ旦センサ６の
出力は可変増幅率増幅器２２を介して検波器３２により
検波され、レベル判定器３３に伝えられる。レベル判定
器３３は切削レベルが所定値以下かどうかをチェックす
るものであり、所定値以下のときには切削レベルの異常
低下をＣＰＵ９に伝える。

第３図（ａ）に示すフローチャートにおいてＣＰＵ９は
レベル判定器３３より所定以上の切削レベルの信号が与
えられるかどうかをチェックし、更に異常切削検出回路
３１より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４４゜４５）、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４６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４４に戻ってレベル判定器３３のレベルが所定値以
下となるかどうかをチェックし、同様の処理を繰り返し
て切削の異常を監視している。さて異常切削検出回路３
１より異常切削信号が伝えられればステップ４７に進ん
で折損検出回路３０より折損信号が伝えられるかどうか
をチェックする。折損検出回路３０は比較器２８とレベ
ル判定器２９との論理積によって工具の折損を検出する
もので、工具折損時には入出力インターフェース８より
ＣＰＵ９に折損信号を伝える。従ってステップ４７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４８において表示器１３より異常切削を
表示してステップ４４に戻る。又ステップ４７において
折損検出信号が与えられれば信号処理部７より工具の折
損が検出されたので、ステップ４９に進んで表示器１３
より工具の折損を表示しステップ５０に進んでアナログ
スイッチ２０をオフとしてＡＥセンサの入力を禁止して
処理を終了する。

さてステップ４４においてレベル判定器３３の出力が所
定切削レベル以下であればステップ５１に進んで切削終
了フラグが立てられているかどうかをチェックする。こ
のフラグが立てられていれば切削が終了しそのためＡＥ
センサ６に切削信号が得られないので、ステップ４４に
戻って同様の処理を繰り返す。切削終了フラグが立って
いないときにＡＥ倍信号り切削レベルが所定値以下とな
ればワークの上方で工具、この場合にはドリルが折損し
た可能性があるのでルーチン５２に進んで折損確認処理
を行う。そしてステップ５３において折損が確認された
かどうかをチェックし、確認されなければステップ４８
に進んで異常切削表示を行って元の監視ルーチンに戻る
。又折損が確認されればステップ４９．５０に進んで工
具の折損を表示し、ＡＥセンサの入力を禁止して処理を
終了する。

第３図（ｂ）は切削終了割込み処理を示すものであり、
切削終了の割込みが入ればステップ５４においてＲＡＭ
ＩＩの切削終了フラグを立てて割込み処理を終了する。

こうすれば切削終了フラグに基づいて工具のワーク上方
での折損の監視を行うことができる。

（折損確認動作） 次いで工具折損検出装置より得られた切削時のＡＥ信号
レベルの異常な低下により工具の折損を確認する動作に
ついて説明する。第６図は工具折損検出装置の確認処理
を示すフローチャートであり、第７図はこの工具折損検
出装置と一体となって動作する数値制御装置３の動作を
示すフローチャートである。ルーチン５２の折損確認動
作に入ると折損検出装置はステップ６０において数値制
御装置３に折損検出信号を送出する。数値制御装置３は
所定の処理プログラムに基づいてワーク１の切削加工を
行っているが、工具折損検出装置より工具の折損検出信
号が与えられれば第７図に示す折損確認割込み処理ルー
チンに移り、ステップ８０において工具の動作を停止さ
せる。そしてステップ８１に進んで工具（ドリル２）を
ワークｌから充分な距離まで一旦引き離す。そしてその
位置から工具がワークｌの先端に再び達するまでの再接
触タイミングデータＴｏを信号伝送ライン１５を介して
工具折損検出装置に伝送する（ステップ８２）。

そしてステップ８３に進んで工具を再びワークにまで所
定速度で移動させる。

一方第６図のフローチャートにおいて、工具折損検出装
置が工具の接触タイミングデータＴｏを受は取れば（ス
テップ６１）、ステップ６２に進んでタイマをスタート
させる。このタイマはソフトウェアにより歩進するタイ
マを用いるものとする。

そしてステップ６３に進んで信号処理部７からドリル２
の先端がワーク１に接触する接触信号が得られるかどう
かをチェックし、得られなければステップ６４に進んで
タイマ時間Ｔが接触タイミングデータＴＯと所定の許容
時間ＴＬとの和を越えるかどうかをチェックする。タイ
マ時間Ｔがこの値を越えなければステップ６３に戻って
同様の処理を繰り返し、ドリル２の先端がワークｌに接
触するかどうかをチェックする。そしてステップ６４で
定められた時間内に接触が得られれば、ステップ６５に
進んで数値制御装置３に動作停止信号を伝送する。

そしてステップ６６においてそのときのタイマ時間から
接触時間Ｔｃを算出し、ステップ６７に進んで工具の再
接触のタイミング時間Ｔｏと実際の接触時間Ｔｃとの差
が許容誤差時間ΔＴ以内であるがどうかをチェックする
。そしてこの許容誤差時間以内でなければ工具が折損し
、ドリルの折損した先端がワークに達するまで数値制御
装置３によって認識されている時間以上の時間がかかっ
たので工具の折損が確認されたこととなる。従ってステ
ップ６８に進んで折損検出確認信号を数値制御装置３に
伝送すると共に動イ竹を終了する。又ステップ６７にお
いて再接触タイミング時間Ｔｏと接触時間Ｔｃとの差が
許容誤差時間ΔＴ内であれば、工具は折損していないも
のと判断されるのでステップ６９ニ進／ｌ、で工具の非
折損を確認してこのルーチンを終了する。

一方ステップ６４においてドリル２がワーク１に接触す
ることなく所定時間（Ｔｏ　＋ＴＬ　）以上を経過した
場合には、ドリル２を保持しているチャックが直接ワー
ク１に接触しないようにステップ７０に進み数値制御装
置３に動作停止信号を送る。

この場合には再接触タイミング時間ＴＯを経過している
ことが明らかであるので、ステップ６６、６７の処理を
得ることなくステップ６８に進んで折損検出確認信号を
数値制御装置３に送って動作を停止させる。

さて数値制御装置３は第７図のステップ８３においてド
リル２を下方に移動させる再接触動作を開始した後、ス
テップ８４に進んで工具折損検出装置からの動作停止信
号を待ち受けており、この信号が得られれば直ちに動作
を停止する（ステップ８５）。そしてステップ８６に進
んで折損検出確認信号の有無をチェックし、折損検出確
認信号が折損検出装置より与えられなければ折損検出割
込み処理を終了し、確認信号が与えられればステップ８
７において図示しない工具自動交換器（ＡＴＣ）によっ
てドリル２を交換し処理を終了する。

このように本発明ではＡＥセンサより得られるＡＥ信号
レベルが所定値以下であれば、工具の折損を確認するこ
とによってワーク上部での工具の折損を検出することが
可能となり、折損検出の信鯨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
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１、
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
折損検出システム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（Ｊｌ）は本実施例の工具折損
監視動作を示すフローチャート・第３図（ｂ）は切削終
了割込み処理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図は工具折損検出装置の折損確認処
理を示すフローチャート、第７図は数値制御装置の工具
折損確認処理を示すフローチャートである。 １・−・・・−ワーク　　２−・−・−・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・−−−−−−Ａ　Ｅ信号処理部　　８，
１２−・−・−・−・入出力インターフェース　　　　
９−　・−・・・ＣＰＵ　　　　　１０　・−・・・・
−ＲＯＭ　　　　　１１・−−−−−−ＲＡＭ　　　１
３・−−−−−−・表示器　　１４−−−−−−一人力
キー　　２（Ｌ−・・−アナログスイッチ　　２１，２
２・・・−可変増幅率増幅器　　２３　、　２４−−−
−−−−バンドパスフィルタ　　２５．２６．３２−・
−・・・・検波器２７・・・・−・・・微分回路　　２
８−・−比較器　　２９゜３３−・−レベル判定器　・
　３０・−−−−−−一折損検出回路３１−・−・−・
異常切削検出回路 第１図 １−−−−−〜ワーブ ４−−−−−１４Ｌ４”Ａ竹＋＠ａｓ、禿ＩＬ器６−　
・−−−ＡＥ　’Ｃ−ｉす 第４図 １００Ｋ　２００Ｋ　３００Ｋ　４００Ｋ　　　　Ｈ２
第５図（ａ） Ｉ 第５図（ｂ） 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）数値制御装置を用いて制御される工作機械に取付
   けられた工具折損検出装置を有する工具折損検出システ
   ムであって、 前記工具折損検出装置は、工作機械の工具近傍に設けら
   れたＡＥセンサと、該ＡＥセンサの出力信号に基づいて
   工具の折損を識別すると共に前記ＡＥセンサの出力レベ
   ルの低下を検知する検知手段を有する信号処理部と、該
   信号処理部の検知手段より出力レベルの低下が検出され
   たときに前記数値制御装置に折損検出信号を送出する信
   号送出手段と、工具の加工対象への接触を検出しつつ数
   値制御装置より得られる工具の加工対象への接触時間と
   実質的に同一の時間に接触が得られないときに工具の折
   損を識別する折損識別手段と、を有するものであり、 前記数値制御装置は、前記工具折損検出装置からの折損
   検出信号に基づいて動作を停止させる動作停止手段と、
   工具を加工対象に再び移動させ接触する時間を工具折損
   検出装置に送出する制御手段と、を有することを特徴と
   する工具折損検出システム。
2. （２）前記工具折損検出装置の信号処理部は、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
   載の工具折損検出システム。