JP2000317710A

JP2000317710A - 工作機械における工具異常検出方法および装置

Info

Publication number: JP2000317710A
Application number: JP12683699A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Hotta; 尊之堀田; Tatsuya Inagaki; 達也稲垣
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】工具、加工条件、ワーク材質などが変化する
加工環境下において加工中に工具の折損をリアルタイム
に検出できるようにすること。【解決手段】加工動作中において、例えば１０ミリ秒
のような単位時間Δｔ毎のインターバルでＣＮＣ装置の
ＣＰＵに監視処理を実行させる。前記ＣＰＵは、ドリル
加工の場合、ＮＣプログラムに指定される主軸回転速度
データ等に基づいて工具異常検出のための判定基準値Ｂ
となる主軸の単位時間毎の指令回転量を算出し（ステッ
プ５２）、また同単位時間における主軸の実回転量ΔＱ
を算出し（ステップ５５）、前記指令回転量Ｂと実回転
量ΔＱとの差を閾値Ｅと比較して工具異常の有無を判定
する（ステップ５７）。タップ加工の場合、前記判定基
準値Ｂは、単位時間毎の各切込み位置と関連して決定さ
れるタップの各回転位置に基づいて各単位時間毎のタッ
プの回転量の増分（Ｐｎ−Ｐｎ_−１）として算出される
（ステップ６６）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、切削加工における
切削工具の折損或いは過度の摩耗を自動的に検出する方
法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、穴明け加工は、工具を先端に取
り付けた主軸を回転させた状態で主軸とワークとをこの
主軸の軸方向に相対移動して行われる。このような穴明
け加工中における工具の折損や過度の摩耗についての監
視は、自動化された工作機械が具備すべき重要な機能で
あり、従来においては種々の工具折損検出装置が知られ
ている。ワークを工具が切削している加工中にリアルタ
イムに工具の折損を検出する従来の装置としては、工
具主軸を回転駆動する主軸モータのトルク値（電流値）
を監視する形式のもの、モデル加工時にサンプリング
した工作機械各部の基準負荷をその後の連続加工におい
てサンプリングされる負荷と比較する形式のもの、切
削点から発生されるアコースティックエミッション信号
をＡＥセンサで監視する形式のもの、工具主軸を支持
するベアリングのスラスト力を圧力変換器で検出する形
式のものなどが既に提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
の従来装置は、主軸モータのトルク値（電流値）が外乱
の影響を受けて変動しやすく、工具折損の判定が難し
い。また、この判定のための基準となる情報を加工条件
などにより自動的に作り上げることが難しく、この判定
基準情報の作成は、の従来装置のように、事前のモデ
ル加工を必要とする。モデル加工を前提とする及び
の従来装置は、加工条件が固定された専用工作機械にお
ける使用には適するが、マシニングセンタのように主軸
への取り付け工具が頻繁に変更されたり、ワークの材質
や加工条件が不定の場合では、適用が事実上困難であ
る。また、上記の形式のものはのものと同様に外乱
の影響を受けやすく、のものは工具主軸のベアリング
機構へ特別な装置を設ける必要があり、これらのもの
も、共に判定基準情報を作成するために事前のモデル加
工を必要とするなど汎用性が乏しいなどの問題がある。

【０００４】従って、本発明の主たる目的は、上述した
従来装置の問題点を解消し、加工中においてリアルタイ
ムに工具の折損や過度の摩耗を検出できる工具異常検出
方法及び装置を提供することにある。本発明の他の目的
は、工具、加工条件、ワーク材質などが不定であるよう
な加工環境下で使用できる汎用性のある工具異常検出方
法及び装置を提供することにある。本発明の他の目的
は、加工動作中の単位時間毎の加工動作の変化に即応し
て適切な工具異常を判定できる工具異常検出方法及び装
置を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、
工具の折損や過度の消耗等の異常を判定するための判定
基準情報を、モデル加工を必要とせずに作り上げること
ができる工具異常検出方法および装置を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１及び６に記載の工具異常検出方法およ
び装置は、ＮＣプログラムのような加工プログラムに従
って工具がワークを実際に加工している加工中におい
て、単位時間毎に工具とワークとの間に生じさせるべき
指令運動量を前記加工プログラム中に指定される加工条
件データに基づいて設定するステップ又は手段と、前記
加工中における単位時間内に工具とワークとの間に実際
に生じた実運動量を検出するステップ又は手段と、前記
指令運動量と実運動量とに基づいて工具異常の有無を判
定するステップ又は手段と、を含むことを特徴する。

【０００６】本発明によれば、加工動作中における単位
時間当たりの工具−ワーク間の相対指令運動量と実運動
量との差が工具異常のパラメータとして把握される。よ
り具体的には、工具が折損又は過度に摩耗するとき、工
具−ワーク間の加工抵抗が増加するので、指令運動量に
対する実運動量の遅れは工具が正常であるときのそれを
超えた遅れとなり、よって指令運動量と実運動量とに基
づき、例えば前記遅れ量を予め設定した正常−異常を判
別する閾値と比較することにより、工具異常の有無を判
定する。この場合、単位時間毎の指令運動量は、加工プ
ログラムに従ってその時点において実行されるべき工具
−ワーク間の運動量として算出できるので、その指令運
動量をその時点における判定基準情報として用いること
ができると共に、例えば１つの加工から次の加工へ移行
する場合における加工条件の変更に即応して変化させる
ことができる。この結果、判定基準情報をモデル加工等
の実施により予め定めることを要しない。前記指令運動
量は、単位時間毎に算出してもよいが、加工動作に先立
って各単位時間毎の指令運動量を一括して算出するよう
にしてもよい。

【０００７】実施の形態において詳述されるように、ド
リル折損時における判定基準情報に対する実運動量の遅
れは正常時の数１０倍となることが本発明者の実験で確
認されており、これにより正常−異常の閾値は正常時と
異常時とを大きなマージンを持って判別できる値とする
ことができ、これにより外乱の影響を受け難い工具異常
判定が実現される。前記指令運動量と実運動量を特定す
る単位時間とは、好適には、数ミリ秒〜数１０ミリ秒程
度の時間幅として設定されるが、この時間幅は工具−ワ
ーク間に相対運動をもたらす電動機を含むサーボ系の応
答特性に依存する。高い応答特性をもつサーボ系の場合
では、前記単位時間を短く設定して工具異常を高感度に
検出できるが、応答性の低いサーボ系の場合では前記指
令運動量に対する実運動量の遅れを工具異常時に高感度
に検出できないので、前記単位時間を数１０ミリ秒以上
とすることが必要となる。

【０００８】前記指令運動量と実運動量は、共に同一単
位時間内の運動量であることが望ましいが、異常検出に
支障を来さない限度においてそれぞれ多少ずれた時間帯
の運動量であっても実用上差し支えない。これは、前述
したように、正常−異常の閾値が正常時と異常時を大き
なマージンを持って判別できる値に設定可能であること
に依存している。

【０００９】本発明によれば、請求項２及び７に記載さ
れるように、タップやバイトを用いるネジ切り加工及び
ドリル加工での使用に好適な異常検出方法及び装置が提
供される。この場合、前記単位時間毎の指令運動量及び
実運動量は、主軸の単位時間毎の回転量としてそれぞれ
設定及び検出される。工具−ワーク間の指令回転量とこ
れに対する実回転量とを比較することにより、工具異常
を比較的簡単な処理により検出できる。つまり、本発明
者らは、例えば数１０ミリ秒程度の比較的短い単位時間
内でさえ、指令回転量とこれに対する実回転量の差は工
具が正常な場合と異常な場合とで顕著な差を示すことを
実験を通じて発見し、この発見に基づき本発明の着想に
到達したものである。

【００１０】ドリル加工においては、好ましくは請求項
３及び８に記載されるように、判定基準値となる単位時
間当たりの前記指令回転量を、加工プログラム中に指定
される工具主軸の回転速度指令と、前記単位時間を特定
すべく予め設定されるサンプリング周期と、主軸の回転
角度位置を検出するエンコーダの分解能とに基づいて算
出し、実際の加工動作中に前記サンプリング周期でエン
コーダ出力を抽出して単位時間当たりの主軸の実回転量
を求め、単位時間当たりの指令回転量と実回転量とに基
づき、例えばこれら回転量の差が予め設定した閾値を超
えるか否かの判定を行って、工具異常を検出する。この
構成によれば、主軸の単位時間内の指令回転量を専ら加
工プログラム中の主軸回転速度指令に依存して設定する
ようにしたので、主軸に装着されるドリルに応じた加工
条件に適合した判定基準値を設定でき、特に使用するド
リルに応じた確実な工具異常の判定を実現できる。

【００１１】タップやバイトを用いるネジ切り加工の場
合、好ましくは請求項４及び９に記載されるように、加
工中に工具とワークが主軸軸線方向において単位時間毎
に移動すべき指令切込量と同期して主軸が前記単位時間
毎に回転すべき指令回転量を判定基準値として算出す
る。この算出のために、加工プログラム中に指定される
工具−ワーク間の切込み速度データ、主軸回転速度デー
タ及び加工すべきネジピッチデータ等に基づき、単位時
間毎に設定される工具切込み位置に対して主軸が到達す
べき回転位置を同時２軸制御下で補間演算する公知の手
法を利用する。この演算により、ネジ切り工具上に定義
される任意の切削点が単位時間経過後に到達する位置
は、螺旋軌跡上に存在する多数の補間点群として定義さ
れる。単位時間毎の指令回転量は、このような補間点群
の内の連続する２点間の増分を求めることによって得る
ことができる。

【００１２】一方、単位時間当たりの主軸の実回転量
は、実際の加工動作中に、主軸の回転角度位置を検出す
るエンコーダの出力を前記単位時間を定義するサンプリ
ング周期で抽出することにより求め、前記指令回転量と
実回転量とに基づいて工具異常の有無を検出する。この
構成によれば、単位時間毎の工具切込み量と同期して主
軸がその単位時間内に回転すべき指令回転量を判定基準
値として算出するようにしたので、工具異常の判定は単
に主軸の指令回転量と実回転量に基づいて簡単な処理に
より確実に実行できる。

【００１３】タップやネジ切り工具を用いるネジ切り加
工における工具異常検出は、さらに好適には請求項５及
び１０に定義される別の方法及び装置により実現でき
る。この場合、ネジ切り加工開始位置、つまり主軸の軸
方向切込みと回転との同期制御を開始する位置の座標
が、これら切込み運動を検出するエンコーダ及び主軸回
転位置を検出するエンコーダの出力を読み取ることによ
り検出される。検出するタイミングは、加工プログラム
中にタップ開始位置が指定されるので、この位置に切り
込み軸が到達する瞬間に主軸回転検出用エンコーダの出
力を読み取ることで可能となる。加工すべきネジのピッ
チによって決まる切込み−回転比率が、加工すべきネジ
ピッチと単位時間当たりの工具切込み量及び主軸回転量
とに基づいて算出される。ネジピッチは、通常加工プロ
グラム中に指定されるが、工具切込み量及び主軸回転量
は、加工プログラム中に指定される工具−ワーク間の切
込み速度データ、主軸回転速度データ、前記ネジピッチ
データ及び切込み深さデータ等に基づいて算出可能であ
る。前記切込み−回転比率は、単位時間毎に算出しても
よいが、ネジ切り加工の実行に先立って、予め算出して
おいてもよい。

【００１４】また、加工動作中に前記単位時間のサンプ
リング周期で切込み位置検出用エンコーダの出力及び主
軸回転位置検出用エンコーダの出力を抽出して、単位時
間内の実際の切込み量を求め、この実際の切込み量と前
記切込み−回転比率とに基づき実際に主軸が回転すべき
であった名目総回転量を求め、この名目総回転量と主軸
の実回転量とに基づきネジ切り工具の異常の有無を検出
する。この構成によれば、目的とするピッチのネジ切り
加工を行う場合に主軸の切り込み移動量に対して主軸が
回転すべき名目総回転量及び主軸の実総回転量とを単位
時間毎に算出し、これら両回転量に基づきネジ切り工具
異常の有無を判定するようにしたので、ネジ切り工具自
体の異常を検出できることに加えて、リード誤差が所定
値以内に保証されるネジを加工できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。本発明を実施する工作機械の一例
を示す図１において、ベッド１０上のＸ軸ガイドウエイ
１１に沿ってコラム１２が紙面垂直方向に移動（以下、
左右移動と称する。）できる。左右移動するコラム１２
は、その垂直側面に設けＹ軸ガイドウエイ１３に沿って
サドル１４を上下動可能に案内している。サドル１４
は、その垂直側面に設けたＺ軸ガイドウエイ１５に沿っ
て主軸ヘッド１６を前後動（図の左右方向）可能に案内
している。主軸ヘッド１６は、主軸１７を水平の軸線周
りに回転可能に支持し、主軸１７の先端に図略の工具交
換装置によりドリル、タップ、エンドミル、フライス、
切削バイトなどの各種工具Ｔを選択的に取り付け可能と
している。

【００１６】Ｘ軸送り装置は、ベッド１０に固定したサ
ーボモータ２１と、コラム１２にネジ係合する図略の送
りネジからなる。Ｙ軸送り装置は、コラム１２の上面に
固定したサーボモータ２２と、サドル１４にネジ係合す
る送りネジ２３からなる。Ｚ軸送り装置は、サドル１４
に固定したサーボモータ２４と、主軸ヘッド１６にネジ
係合する送りネジ２５からなる。主軸１７を回転駆動す
るサーボモータ２６は、主軸ヘッド１６に固定されてい
る。サーボモータ２１、２２及び２４は、その回転位置
及び速度を制御できる形式のもので、主軸駆動用のサー
ボモータ２６は速度制御可能な形式のものが使用され
る。

【００１７】ベッド１０上のコラム１２の前方には、回
転割り出しテーブル２８が垂直軸線の周りに図略の割り
出し機構により回転割り出し可能に設けられ、このテー
ブル２８上に加工すべきワークＷが図略の治具により取
り付け可能である。これにより、主軸１７の先端に図略
の自動工具交換装置により取り付けられるドリルによっ
て、ワークＷに穴明けでき、この下穴ｗ１の内面にタッ
プ又はバイトを用いてネジを形成できる。また、ワーク
Ｗの正面から突出する円筒突出部ｗ２の外周にバイトに
よりネジを形成できる。

【００１８】図２は、上記工作機械を制御する制御シス
テムを示す。ＣＮＣ装置３０は、主として中央処理装置
（以下、ＣＰＵと称する。）３１、メモリー３２からな
り、メモリー３２のＲＯＭに記憶されたシステムプログ
ラムＳＴＭの制御下で各種演算処理を実行する。メモリ
ー３２のＲＡＭには、数値制御プログラム（以下、ＮＣ
プログラム）ＮＣＰを記憶する領域、各種信号のオン・
オフを記憶するフラッグ領域ＦＬＧ、各種パラメータや
データＢＭ、Ｑｎなどを記憶する領域および演算処理を
実行するワーキング領域ＷＯＲＫが設けられている。Ｃ
ＰＵ３１は、インタフェース３５を介して入力装置３３
及びシーケンス制御用のプログラマブル・ロジック・コ
ントローラ（以下、ＰＬＣと称する。）３４に接続さ
れ、これらとの間で種々の情報を伝達或いは交換する。
入力装置３３は、各種の命令スイッチ類３３１、データ
入力用のテンキー３３２、表示装置３３３等からなる。

【００１９】また、ＣＰＵ３１は、インタフェース３６
を介して駆動装置３７に接続され、この駆動装置３７
は、Ｘ軸制御ユニットＤＵＸ、Ｙ軸制御ユニットＤＵ
Ｙ、Ｚ軸制御ユニットＤＵＺ及びＣ軸制御ユニットＤＵ
Ｃから構成され、対応するサーボモータ２１、２２、２
４及び２６を制御し、これらモータの回転位置を検出す
るエンコーダ２１１、２２１、２４１及び２６１の出力
を受け取る。ＣＰＵ３１が実行する機能の説明図である
図３を参照して説明すると、ＣＰＵ３１は、入力装置３
３から入力されるＮＣプログラムＮＣＰ及び各種パラメ
ータをメモリー３２に記憶したり、逆にＣＮＣ３０内で
計算或るいは記憶される各種情報を表示装置３３に表示
させる処理と、ＰＬＣ３４との間でのデータ及び信号交
換処理と、ＮＣ実行処理４１と、さらに移動指令処理４
２をシステムプログラムＳＴＭの制御下で実行する。

【００２０】ＣＰＵ３１が実行するこれらの処理機能は
この種の工作機械を制御するＣＮＣ装置が持つ一般的機
能として公知であるので、本発明に関係する処理につい
て以下に簡単に説明する。ＮＣ実行処理４１が指令され
るとき、ＣＰＵ３１は、ＮＣプログラムＮＣＰを構成す
る複数のデータブロックをメモリー３２から１ブロック
づつ順次読み出し、解読し、実行する。実行されるブロ
ックが工作機械を構成するコラム１２、サドル１４、主
軸ヘッド１６などの可動要素についての送り制御を命令
する場合、ＣＰＵ３１はその命令で指定される目標位置
に指定された速度で可動要素を駆動するように移動指令
処理４２を実行する。

【００２１】この移動指令処理４２は、図４の制御ルー
チンに従って実行され、先ずその指令された命令が送り
制御か否か判別され（ステップ８０）、送り制御命令で
ない場合は、例えば補助機能命令等のその他の処理が実
行される（ステップ８１）。送り制御命令が指令される
場合、ポイント・ツー・ポイント（ＰＴＰ）制御処理
か、輪郭制御処理か判別される（ステップ８２）。ＰＴ
Ｐ制御処理の場合、ＣＰＵ３１は、指定される可動要素
を現在位置から目標位置とへ位置決めするために単位時
間、例えば１０ミリ秒毎に可動要素が到達すべき通過点
を順次演算してメモリー３２の分配データ領域ＰＤＡに
記憶し（ステップ８３）、その後通過点データを前記単
位時間毎のインターバルで与えられる割り込みに応答し
て分配データ領域ＰＤＡから順次読み出して駆動ユニッ
ト３７の対応する制御軸へ出力する（ステップ８４）。

【００２２】この分配データ領域ＰＤＡは、各制御軸、
つまりＸ、Ｙ、Ｚ及びＣ軸のそれぞれ用に分割され、こ
の分割部の各々にはその制御軸が目標位置に到達するま
でに単位時間毎に到達すべき通過点を記憶することがで
きるようになっている。この単位時間毎の通過点は、Ｎ
Ｃデータ中に指定される目標位置データ、速度指令に基
づいて算出される。即ち、目標位置データに基づいて移
動距離が求められ、速度指令に基づいて移動所要時間が
算出されると、この移動所要時間を前記単位時間で分割
した分割位置の座標、つまり前記通過点を求めることが
できる。

【００２３】ＰＴＰ制御でない場合（ステップ８２）、
２以上の制御軸を同時に制御する輪郭制御か或いはネジ
切り加工か判別される（ステップ８５）。輪郭制御の場
合、ＣＰＵ３１は、それら制御軸のそれぞれの目標位置
データと速度指令データとに基づいて、それぞれの目標
位置へ同時に到達するように目標位置までの経路上で単
位時間毎に到達すべき通過点を公知の補間演算機能によ
り求めて分配データ領域ＰＤＡに記憶し（ステップ８
６）、単位時間毎の割り込みに応答してこれら通過点デ
ータを指定された制御軸の制御ユニットへ出力する（ス
テップ８４）。各制御ユニットＤＵＸ、ＤＵＹ、ＤＵＺ
は、単位時間毎に指定される通過点にその制御軸を位置
決めするように制御する。また、ネジ切り制御の場合、
後述するように、ネジ切り制御処理が実行される（ステ
ップ８７）。

【００２４】本発明による工具異常検出機能を実現する
ため、ＣＰＵ３１は上述した移動指令処理４２と協働す
る監視処理４３を実行するように構成されている。以
下、この監視処理４３を実行するルーチンについて図５
のフローチャートを参照して説明する。ＣＰＵ３１は、
図５に示す監視処理ルーチンを実行するときドリル加工
及びタップやバイトを使用するネジ切り加工時における
工具異常を検出するように動作する。

【００２５】（１）ドリル加工における工具異常検出：
移動指令処理４２がドリル加工用のＮＣデータブロック
について実行されるとき、図４のステップ８３及び８４
が実行され、ドリル先端が到達すべき目標位置までに主
軸ヘッド１４を位置決めすべき通過点がＺ軸制御ユニッ
トＤＵＺに単位時間（１０ミリ秒）毎に出力される。同
時に、ＮＣデータ中に指定される主軸回転速度指令がＣ
軸制御ユニットＤＵＣに出力され、主軸１７がこの速度
指令に応じた回転速度で回転される。これにより、主軸
１７が指令された回転速度で回転されながら、主軸ヘッ
ド１６が単位時間毎に分配データ領域ＰＤＡから読み出
される通過点を順次追跡するように移動され、ドリルＴ
をワークＷに対し切込み送りし、ワークＷに穴ｗ１を穿
ける。

【００２６】図５に示す監視処理ルーチンは、ドリル加
工又はネジ切り加工が開始されるとき例えば１０ミリ秒
毎の単位時間インターバルで実行される。このドリル加
工の実行が判別されるとき（ステップ５１）、このドリ
ル加工条件に適合した工具異常判定のための判定基準値
Ｂが下記の式（１）により算出される。Ｂ＝Ｓ＊Ｎ／６０／１０００＊Δｔ・・・・・・・（１）ここで、Δｔはサンプリング周期（単位：ミリ秒）を、
Ｓは毎分当たりの回転数で表わされる主軸の回転速度指
令を、またＮはエンコーダの１回転当たりパルス数で定
義される分解能を、それぞれ示す。この判定基準値Ｂ
は、指令速度Ｓで主軸１７を回転するときに単位時間と
してのサンプリング周期の各インターバル間で主軸１７
が回転すべき理論回転量（回転角に対応するパルス数）
を示し、この算出された判定基準値Ｂはメモリー３２の
基準値記憶領域ＢＭに記憶される（ステップ５２）。

【００２７】次に、単位時間Δt内における主軸駆動用
サーボモータ２６の実運動量である実回転量ΔＱが、エ
ンコーダ２６１からのフィードバック位置Ｑｎを取り込
み（ステップ５３）、Δｔ時間前のフィードバック値Ｑ
ｎ_−１との差を求めることにより算出される（ステップ
５５）。フィードバック位置Ｑｎは、次の単位時間後の
実回転量ΔＱを算出するために、メモリー３２に記憶さ
れる（ステップ５６）。そして、指令運動量である判定
基準値Ｂと実運動量ΔＱとの差の絶対値がメモリー３２
に記憶された閾値Ｅを超えるか否かによりドリルの折損
又は過度の摩耗が検出される（ステップ５７）。工具異
常が検出されるとき、入力装置３３の表示装置３３３に
工具異常が通知される（ステップ５８）。本実施の態様
においては、オペレータが入力装置３３から運転継続を
指令していない場合（ステップ５９）、ドリル加工動作
が停止される（ステップ６０）。そして、オペレータが
工具異常の状態をチェックした後に主軸ヘッド１６を後
退する指令を入力すると（ステップ６１）、主軸ヘッド
１６が後退動作される（ステップ６２）が、この後退指
令をオペレータが入力しないとき所定時間後にこの制御
ルーチンが終了する。

【００２８】ステップ５７で異常が判定されないとき、
またはオペレータがその異常を軽微な異常として無視す
るように運転の継続指令を与えているとき、この制御ル
ーチンが終了される。このようにして、ドリル加工の
間、単位時間Δｔ毎の周期で本制御ルーチンが実行さ
れ、ドリルの異常の有無が検出される。図６は、ドリル
加工において、単位時間（１０ミリ秒）毎にサンプリン
グしたＺ軸サーボモータ２４のエンコーダ２４１の出力
から算出される実際の切込み速度の変動と関連してＣ軸
サーボモータ２６のエンコーダ２６１の出力から算出さ
れる主軸回転速度の変動を示すグラフである。このグラ
フの拡大部から理解されるように、ドリル加工中におい
て、ドリルの異常がなく主軸１７が正常回転していると
きはエンコーダ２６１出力の速度変動は４パルス程度以
内に収まることが確認された。しかしながら、単位時間
内における主軸１７の回転は、ドリル折損が起こる直前
では主軸１７への負荷増加により正常時の回転速度より
も１００パルス分に相当する程度低下し、ドリルが折損
した瞬間に主軸１７への負荷が急激低下するので、反動
として正常時の回転速度よりも１００パルス分に相当す
る程度増加することが確認された。

【００２９】即ち、ドリルが破損する時、単位時間内の
主軸回速度は正常時のそれに対し５０倍程度変動し、こ
の変動を検出することによりドリルの破損が検出され
る。同様に、図６では示されていないが、ドリルが過度
に摩耗するときは、主軸１７への切削抵抗が増加し、単
位時間内の主軸回速度が正常時のそれに比べて顕著に低
下する。ドリルの破損及び過度の摩耗を検出するため
に、前記単位時間はこのような主軸回転速度の変動を確
実に取り込めるように、数ミリ秒〜１００ミリ秒の範囲
内で設定可能である。

【００３０】（２）ネジ切り加工における工具異常検
出：タップ加工が指令されるとき、ＣＮＣ３１は、図４
に示す移動指令処理ルーチンのステップ８７において、
図７に示すように、１０ミリ秒毎にＺ軸に沿う主軸ヘッ
ド１６の通過点Ｚｎを目標位置まで演算すると共に、タ
ップ外周上の任意の点が主軸ヘッド１６の通過点Ｚｎと
対応して取るべき角度位置Ｐｎをネジ切り動作開始点か
らの絶対角度として演算する。この演算は、公知の同時
２軸補間処理機能により行われる。このように計算され
た主軸ヘッド１６の通過点Ｚｎは、１０ミリ秒毎にＺ軸
制御ユニットＤＵＺに出力される。一方、主軸駆動用サ
ーボモータ２６のエンコーダ２６１の出力は、１０ミリ
秒毎に取り込まれ、ネジ切り動作開始点からの絶対角度
に変換され、この絶対角度が指令絶対角度と一致するか
否か比較され、この比較結果に基づき主軸ヘッド１６の
各通過点（補間点）に対応する絶対角度位置にタップ上
の前記任意の点が通過するようにＣ軸制御ユニットＤＵ
Ｃへ出力する速度指令値が制御される。これにより、タ
ップ動作開始点からのタップのＺ軸に沿う多数の補間点
とタップの絶対回転位置とが対応され、ワークＷに指定
されたピッチの正しいネジ穴が形成される。

【００３１】上記のようにタップ加工が実行される間、
図５の制御ルーチンが１０ミリ秒毎に実行される。この
ため、タップ加工の実行中が判別されるとき（ステップ
５０）、ステップ６５〜６７が実行され、タップ加工に
おける判定基準値Ｂがそのタップ加工における加工条件
に適合して算出される。この場合、その時点で算出され
た絶対回転角Ｐｎが取り込まれ（ステップ６５）、メモ
リー３２に記憶されている先回の絶対回転角Ｐｎ（図５
では、説明上Ｐｎ_−１として示す。）との差が算出され
（ステップ６６）、メモリー３２の判定基準記憶領域Ｂ
Ｍに記憶される。また、ステップ６５で取り込んだ絶対
回転角Ｐｎがメモリー３２に記憶される（ステップ６
７）。従って、その後ステップ５３〜５７が前述したド
リル加工の場合と同様に実行されるとき、タップの異常
の有無が検出される（ステップ５７）。

【００３２】図８は、タップ加工において、単位時間
（１０ミリ秒）毎にサンプリングしたＺ軸サーボモータ
２４のエンコーダ２４１出力に基づく切込み速度の変動
及びＣ軸サーボモータ２６のエンコーダ２６１出力に基
づく主軸回転速度の変動を示すグラフである。このグラ
フの拡大部内の破線で示すように、単位時間毎の主軸の
回転速度は、タップの折損が起こる直前では主軸１７へ
の負荷増加により正常時の実線で示す回転速度よりも若
干低下し、ドリルが折損した瞬間に主軸１７への負荷が
急激に低下するので、反動として正常時の回転速度より
も顕著に増加する。この単位時間内の主軸の回転速度変
動を検出することによりタップの折損が検出される。

【００３３】（第2の実施の形態）図９は、タップ加工
における工具異常検出機能を実行する監視処理ルーチン
の他の実施の形態を示すもので、例えば１０ミリ秒のよ
うな単位時間インターバルで実行される。タップ加工中
であることが判別されるとき（ステップ７０）、第1位
置データとしての主軸ヘッド１６及び工具主軸１７のタ
ップ動作開始位置Ｐｚ_０，Ｐｃ_０が取り込まれる（ステ
ップ７１）。次に、加工すべきネジのピッチに応じたＺ
軸に沿う切込みと主軸１７の回転との比率を示すネジピ
ッチ情報Ｒが取り込まれる（ステップ７２）。このネジ
ピッチ情報Ｒは、図３に示すＮＣ実行処理４１におい
て、タップ動作開始に先立って次式（２）により算出さ
れ、タップ加工開始前にメモリー３２に記憶されてい
る。Ｒ＝ＰＨ＊ΔＣ／ΔＺ・・・・・・・（２）ここで、ＰＨはＮＣデータ中に指定される加工すべきネ
ジのピッチ（単位：ｍｍ）を示し、ΔＺはＺ軸送りネジ
２５がエンコーダ２４１の出力１パルスに相当する角度
分だけ回転されたときの主軸ヘッド１６の送り量（単
位：ｍｍ）を示し、ΔＣはエンコーダ２６１の出力１
パルスに相当する主軸１７の回転角度を示す。

【００３４】次に、第2位置データとしてのタップの切
込み位置Ｑｚ_ｎ及び回転位置Ｑｃ_ｎがそれぞれエンコー
ダ２４１及び２６１の出力を読み取ることにより求めら
れ（ステップ７３）、さらにＺ軸の移動に対して主軸１
７が正常時に回転すべき名目総回転量（角度）と実際に
回転した実総回転量（角度）との誤差Ｇが次式（３）を
用いて算出される（ステップ７４）。Ｇ＝Ｒ＊（Ｑｚ_ｎ−Ｐｚ_０）−（Ｑｃ_ｎ−Ｐｃ_０）・・・・・（３）このステップ７４においては、Ｚ軸に沿うタップ動作開
始位置Ｐｚ_０からその時点における切込み位置Ｑｚ_ｎま
での実際の移動量を求め、この移動量に前記ネジピッチ
情報Ｒを乗算することによりこの実際の移動量に相当し
て主軸１７が回転すべき名目総回転量（角度）を求め
る。また、主軸１７がタップ動作開始位置Ｐｃ_０からそ
の時点の角度位置Ｑｃｎまでに実際に回転した実総回転
量（角度）を求め、名目総回転量から実総回転量を減算
することにより主軸１７の回転誤差Ｇを算出する。

【００３５】図１０は、この第2の実施の形態における
主軸１７の回転速度の変動と前記回転誤差Ｇの変動との
関係を示すグラフで、タップが正常な状態での誤差Ｇは
破線で示すように非常に小さいが、タップが破損した時
の誤差Ｇは実線で示すように正常状態の誤差Ｇの数１０
倍以上の値となるので、この誤差Ｇの絶対値を閾値Ｅと
比較することによりタップ異常の有無が確実に検出され
る（ステップ７５）。なお、図９のルーチンにおける以
降の処理ステップ５８１〜６２１は、図５のルーチンの
ステップ５８〜６２にそれぞれ対応するので、詳細な説
明は省略する。

【００３６】（その他の実施の態様）上述した各実施の
態様においては、好適な実施の形態として、ドリル加工
時或いはタップ加工時における主軸１７の回転角の変動
を単位時間毎に検出してドリル又はタップの異常を検出
するように構成されているが、本発明によれば、ドリル
或いはタップの異常時における主軸ヘッド１６のＺ軸方
向の送り位置を単位時間毎に検出してこれら工具の異常
を検出することも可能である。検出感度の観点では、主
軸１７の質量に比べてこの主軸１７を含む主軸ヘッド１
６系の質量が遥かに大きいので、主軸ヘッド１６の送り
位置の変動を検出する態様よりも、主軸１７の回転角の
変動を検出するようにした上述した実施の態様の方が好
ましい。

【００３７】また、本発明は、ドリル加工時及びタップ
加工時における工具異常検出に限定されず、主軸１７に
エンドミル或いはフライスを装着した状態でワークＷに
対しこれらの工具をＺ軸方向、Ｘ軸方向、或いはＹ軸方
向に送る場合にも適用可能である。この場合において
も、主軸１７の単位時間毎の回転量の変動を検出して工
具異常を検出してもよく、或いはＺ軸、Ｘ軸及びＹ軸に
おける単位時間毎の移動量の変動を検出して工具以上を
検出する形態でも実施できる。さらに、上述の実施の態
様では、タップを用いたネジ切り加工における工具異常
検出について説明したが、本発明におけるネジ切り加工
における工具異常検出は、主軸１７にバイト工具を取り
付け回転させた状態で、ワークＷの円筒突出部ｗ２の外
周や比較的大きな径の下穴内面にネジ切りする場合にも
適用できる。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１及び６の
発明によれば、切削加工時における工具−ワーク間の相
対的な指令運動量と実際の運動量との差を単位時間毎に
検出し、この差に基づいて工具異常を検出するようにし
たので、外乱の影響をうけることがなく、また指令運動
量を加工プログラムに基づいて算出するようにしたの
で、加工プログラムの入力データが指令運動量、つまり
判定基準情報を算出するデータとなり、従って、加工動
作の変更に応じて自動的に判定基準情報を適合させるこ
とができ、汎用性のある工具異常検出が実現される効果
が奏せられる。

【００３９】請求項２及び７の発明によれば、単位時間
毎に主軸の指令回転量と実際の回転量を比較することに
より工具異常を判定するようにしたので、工具異常にお
ける加工抵抗の増加が比較的小さくかつ短時間となるド
リル加工やネジ切り加工において工具の折損又は過度の
摩耗を確実に検出できる効果がある。好適には、請求項
３及び８に定義されるように、判定基準となる主軸の単
位時間毎の指令回転量を、加工プログラム中に指定され
る主軸の回転速度指令と、前記単位時間を特定すべく予
め設定されるサンプリング周期と、主軸の回転角度位置
を検出するエンコーダについて予め設定された分解能と
に基づいて算出し、実際の加工動作中に前記サンプリン
グ周期で前記エンコーダ出力を抽出して単位時間当たり
の主軸の実回転量を求めるようにしたので、請求項３及
び８の発明と同様に確実な工具異常検出が実現されるこ
とに加え、工具異常検出のための特別な機構を付加せず
に従来の例えばマシニングセンタ等のハードウエア構成
を利用してドリル加工やネジ切り加工に好適な工具異常
検出が実現される。

【００４０】さらに好適には、請求項４及び９に定義さ
れるように、目的とするピッチのネジを加工するために
工具とワークが単位時間毎に移動すべき指令切込量と同
期して主軸が単位時間毎に回転すべき指令回転量を判定
基準値として使用し、この判定基準値を単位時間毎に抽
出する前記主軸の実回転量と比較して工具異常を検出す
るようにしたので、常時監視される単位時間当たり工具
の実回転量が正常時のそれと大きな差を持つ時に工具異
常を判断でき、よって、確実な工具異常検出を実現でき
ると共に、加工されるネジそのものの正常／異常加工の
判別を並行して行うことができる効果が奏せられる。

【００４１】さらに好適には請求項５及び１０に定義さ
れるように、ネジ加工用の加工プログラム中に指定され
るネジピッチと主軸とワーク間の切込み量と主軸の回転
量に基づいてその指定ネジピッチにより定まる切り込み
−回転比率を予め算出し或いは単位時間毎に算出するよ
うにし、また、ネジ加工開始位置を抽出し、その後の加
工動作中に前記単位時間のサンプリング周期で主軸の切
込み位置及び回転位置を抽出し、前記単位時間毎にその
単位時間が経過するまでに前記ネジ加工開始位置から主
軸がワークに対して切り込まれた実際総切込み量と前記
切込み−回転比率とに基づき主軸がその単位時間が経過
するまでに主軸が回転すべきであった名目総回転量を求
め、この名目総回転量とその単位時間が経過するまでに
前記ネジ加工開始位置から主軸が実際に回転した実総回
転量とに基づき回転誤差を算出し、この誤差に基づきネ
ジ加工における工具異常を検出するようにしたので、請
求項４及び９と同様に、タップなどのネジ切り工具自体
の異常を検出できることに加えて、リード誤差が所定値
以内に保証されるネジ加工が可能となる。

【００４２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工具異常検出方法及び装置を実施する
工作機械の一例を示す側面図。

【図２】前記工作機械の制御系を示すブロック線図。

【図３】図２に示すＣＰＵが実行する処理を説明するた
めの機能ブロック図。

【図４】前記ＣＰＵが図３に示す移動指令処理において
実行する移動指令処理ルーチンの概要を示すフローチャ
ート。

【図５】前記ＣＰＵが工具異常検出のために図３に示す
監視処理において実行する監視処理ルーチンの詳細を示
すフローチャート。

【図６】ドリル加工における単位時間当たりの切込み速
度の変化に関連して単位時間毎の主軸の回転速度の変化
を示すグラフ。

【図７】タップ加工において工具−ワーク間に生起され
るべき切込み位置の変化と主軸が取るべき回転位置の変
化との関係を単位時間経過毎に関連して示すグラフ。

【図８】タップ加工における単位時間当たりの切込み速
度の変化に関連して単位時間毎の主軸の回転速度の変化
を示すグラフ。

【図９】図５の監視ルーチンにおけるネジ切り加工時の
工具異常検出機能に関する部分についての別の実施の態
様を示すフローチャート。

【図１０】タップ加工における単位時間毎の主軸の名目
総回転量と実総回転量との誤差を主軸の回転速度変化に
関連して示すグラフ。

【符号の説明】

１０：ベッド、１２：コラム、１４：サドル、１
６：主軸ヘッド、１７：主軸、Ｔ：工具、Ｗ：ワ
ーク、３０：ＣＮＣ装置、３１：ＣＰＵ、３２：メ
モリ、３７：駆動装置、２１、２２、２４、２６：Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸サーボモータ、２１１、２２
１、２４１、２６１：Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸エンコー
ダ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工具を先端に取り付けた主軸を回転した
状態でこの主軸とワークとを設定された加工プログラム
に従って相対移動させて前記工具により前記ワークを切
削加工する工作機械において、前記工具により前記ワー
クを加工している加工中に前記工具と前記ワークとの間
に単位時間毎に生じさせるべき指令運動量を前記加工プ
ログラムに指定される加工条件データに基づいて設定す
る設定ステップと、前記単位時間が経過する毎にこの単
位時間内で前記工具と前記ワークとの間に実際に生じた
実運動量を検出する検出ステップと、前記単位時間が経
過する毎に関連する前記指令運動量と実運動量とに基づ
き工具異常の有無を判定する判定ステップと、を含むこ
とを特徴する工具異常検出方法。
【請求項２】請求項１に記載の工具異常検出方法にお
いて、前記設定ステップでは前記指令運動量として前記
主軸が前記単位時間毎に回転すべき指令回転量を設定す
る共に、前記検出ステップでは前記実運動量として前記
主軸が対応する前記単位時間内に実際に回転した回転量
を検出し、前記判定ステップでは前記指令回転量とこれ
に対する前記実回転量とを比較することにより工具異常
の有無を判定することを特徴する工具異常検出方法。
【請求項３】請求項２に記載の工具異常検出方法にお
いて、前記工具はワークに穴明けするドリルであり、前
記設定ステップでは前記指令回転量を、前記加工プログ
ラム中に指定される前記主軸の回転速度指令と、前記単
位時間を特定すべく予め設定されるサンプリング周期
と、前記主軸の回転角度位置を検出するエンコーダの分
解能とに基づいて算出し、前記検出ステップでは実際の
加工動作中に前記サンプリング周期で前記エンコーダの
出力を抽出して前記単位時間当たりの前記主軸の実回転
量を求めることを特徴する工具異常検出方法。
【請求項４】請求項２に記載の工具異常検出方法にお
いて、前記工具は前記ワーク上にネジ切りするネジ切り
工具であり、前記設定ステップでは前記主軸が前記ワー
クに対し相対的にその軸線方向に単位時間毎に移動すべ
き指令切込量と同期して前記主軸が前記単位時間毎に回
転すべき指令回転量を判定基準値として算出し、前記検
出ステップでは前記主軸の回転角度位置を前記単位時間
に関連するサンプリング周期で抽出することにより前記
主軸の実回転量を求めることを特徴する工具異常検出方
法。
【請求項５】ネジ切り工具を先端に取り付けた主軸の
回転とこの主軸の軸線方向における前記主軸とワークと
の相対的な切込みとを加工プログラムに従って同期制御
して前記ワーク上にネジを形成できる工作機械におい
て、前記主軸の回転と前記切込み送りとを同期制御した
状態で実行されるネジ切り加工を開始する前記主軸の回
転位置及び前記主軸軸線方向の切込み位置をそれぞれ第
１回転位置データ及び第１切込み位置データとして抽出
する開始位置抽出ステップと、前記ネジを形成するため
に必要な前記主軸の回転と前記切込み送りとの比率であ
る切込み−回転比率を確定する切込み−回転比率確定ス
テップと、単位時間毎に前記主軸の回転位置と前記切込
み位置をそれぞれ第２回転位置データ及び第２切込み位
置データとして抽出する現在位置抽出ステップと、前記
単位時間毎に実行され前記第１及び第２切込み位置デー
タによりその時点における実際の切込み量を算出してこ
の実際の切込み量と前記切込み−回転比率とに基づいて
前記第１回転位置から前記第２回転位置までに前記主軸
が回転すべき名目総回転量を算出すると共に、前記第１
及び第２回転位置データに基づき前記第１回転位置から
前記第２回転位置までに前記主軸が実際に回転した実総
回転量を算出した後この実総回転量と前記名目総回転量
とに基づいて前記ネジ切り工具の異常の有無を判定する
ステップと、からなることを特徴とする工具異常検出方
法。
【請求項６】工具を先端に取り付けた主軸を回転した
状態でこの主軸とワークとを設定された加工プログラム
に従って相対移動させて前記工具により前記ワークを切
削加工する工作機械において、前記加工プログラム中に
指定される情報に基づき加工動作中に単位時間毎に前記
工具とワークとの間で実行されるべき指令運動量を演算
する指令運動量演算手段と、前記加工プログラムに従っ
て実際に前記工具とワークとの間で実行された実運動量
を前記単位時間毎に検出する実運動量検出手段と、前記
指令運動量と実運動量との間の誤差を算出して工具異常
の有無を判定する判定手段と、からなることを特徴とす
る工具異常検出装置。
【請求項７】請求項６に記載の工具異常検出装置にお
いて、前記指令運動量として前記主軸が前記単位時間毎
に回転すべき指令回転量を前記指令運動量演算手段が演
算するように構成し、前記実運動量検出手段を、前記単
位時間の周期で前記主軸の回転位置を抽出するサンプリ
ング手段と、この抽出した回転位置を記憶するメモリー
と、先回抽出され前記メモリーに記憶された回転位置と
今回抽出された回転位置とに基づいて前記単位時間内に
おける前記主軸の実回転量を演算する手段と、で構成し
たことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項８】請求項７に記載の工具異常検出装置にお
いて、前記工具としてドリルを用いるドリル加工におけ
る前記加工プログラム中に指定される前記主軸の回転速
度指令と、前記単位時間を特定すべく予め設定されるサ
ンプリング周期と、前記主軸の回転位置を検出するエン
コーダの分解能とに基づいて、前記指令運動量演算手段
が判定基準値となる前記指令回転量を算出するようにし
たことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項９】請求項７に記載の工具異常検出装置にお
いて、加工中に前記工具としてのネジ切り工具と前記ワ
ークとが前記主軸の軸線方向に前記単位時間毎に相対移
動すべき指令切込量と同期して前記主軸が前記単位時間
毎に回転すべき指令回転量を判定基準値として算出する
ように前記指令運動量演算手段を構成したことを特徴と
する工具異常検出装置。
【請求項１０】ネジ切り工具を先端に取り付けた主軸
の回転とこの主軸の軸線方向における前記主軸とワーク
との相対的な切込みとを加工プログラムに従って同期制
御して前記ワーク上にネジを形成できる工作機械におい
て、前記主軸の回転と前記切込み送りとを同期制御した
状態で実行されるネジ切り加工を開始する前記主軸の回
転位置及び前記主軸軸線方向の切込み位置をそれぞれ第
１回転位置データ及び第１切込み位置データとして抽出
する開始位置抽出手段と、前記ネジを形成するために必
要な前記主軸の回転と前記切込み送りとの比率である切
込み−回転比率を確定する切込み−回転比率確定手段
と、単位時間毎に前記主軸の回転位置と前記切込み位置
をそれぞれ第２回転位置データ及び第２切込み位置デー
タとして抽出する現在位置抽出手段と、前記単位時間毎
に実行され前記第１及び第２切込み位置データによりそ
の時点における実際の切込み量を算出してこの実際の切
込み量と前記切込み−回転比率とに基づいて第１回転位
置から前記第２回転位置までに前記主軸が回転した名目
総回転量を算出すると共に、前記第１及び第２回転位置
データに基づき前記第１回転位置から前記第２回転位置
までに前記主軸が実際に回転した実総回転量を算出した
後この実総回転量と前記名目総回転量とに基づいて前記
ネジ切り工具の異常の有無を判定する判定手段と、から
なることを特徴とする工具異常検出方法。