JP7260077B1 - 切削システムおよび転削工具の状態判定方法 - Google Patents

Abstract

切削システムは、転削工具と、転削工具のシャフト部に取り付けられた複数のセンサと、管理装置とを備える。管理装置は、複数のセンサからのセンサ情報に基づいて、転削工具の状態を判定する。複数のセンサは、少なくとも１つの加速度センサと、少なくとも１つの歪センサとを含む。管理装置は、少なくとも１つの加速度センサからのセンサ情報に基づいて転削工具の回転の有無を判定し、少なくとも１つの歪センサからのセンサ情報に基づいて転削工具と被切削物との接触の有無を判定する。

Description

本開示は、切削システムおよび転削工具の状態判定方法に関する。

国際公開第２０２１／０２９０９９号（特許文献１）には、工具ホルダ内に、加速度センサおよび歪センサを含む複数のセンサを備えた転削工具が開示されている。

国際公開第２０２１／０２９０９９号

本開示に係る切削システムは、転削工具と、転削工具に取り付けられた複数のセンサと、管理装置とを備える。管理装置は、複数のセンサからのセンサ情報に基づいて、転削工具の状態を判定する。複数のセンサは、少なくとも１つの加速度センサと、少なくとも１つの歪センサとを含む。管理装置は、少なくとも１つの加速度センサからのセンサ情報に基づいて転削工具の回転の有無を判定し、少なくとも１つの歪センサからのセンサ情報に基づいて転削工具と被切削物との接触の有無を判定する。

本開示に係る方法は、転削工具の状態を判定する方法である。転削工具には、少なくとも１つの加速度センサ、および、少なくとも１つの歪センサが配置されている。上記方法は、少なくとも１つの加速度センサおよび少なくとも１つの歪センサからセンサ情報を取得するステップと、少なくとも１つの加速度センサからのセンサ情報に基づいて転削工具の回転の有無を判定するステップと、少なくとも１つの歪センサからのセンサ情報に基づいて転削工具と被切削物との接触の有無を判定するステップとを含む。

図１は、本実施の形態に従う切削システムの概要を示す図である。 図２は、工具ホルダにシャフト部が取り付けられた転削工具を示す図である。 図３は、転削工具をＺ軸の正方向から見た場合の、センサの配置を示す図である。 図４は、無負荷の状態において、転削工具の回転速度を変化させたときの各センサの検出信号の一例を示す図である。 図５は、各センサの検出信号に基づいた転削工具の状態を説明するための図である。 図６は、管理装置で実行される、転削工具の状態判定処理を説明するためのフローチャートである。 図７は、変形例の転削工具を示す図である。

［本開示が解決しようとする課題］
本開示の目的は、転削工具に取り付けられた複数のセンサからの情報に基づいて、当該転削工具の状態を判定可能な切削システムおよび方法を提供することである。

［本開示の効果］
本開示によれば、転削工具に取り付けられた複数のセンサからの情報に基づいて、当該転削工具の状態を判定可能な切削システムおよび方法を提供することができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示に係る切削システム５０は、転削工具１００と、複数のセンサ１２０，１３０と、管理装置２００とを備える。転削工具１００は、被切削物１８を切削するための刃部が設けられた第１端部１０７と、工具ホルダ１０５に取り付けられる第２端部１０８とを有するシャフト部１０６を含む。複数のセンサ１２０，１３０は、転削工具１００のシャフト部１０６に取り付けられている。管理装置２００は、複数のセンサ１２０，１３０からのセンサ情報に基づいて、転削工具１００の状態を判定する。複数のセンサは、少なくとも１つの加速度センサ１２０と、少なくとも１つの歪センサ１３０とを含む。管理装置２００は、少なくとも１つの加速度センサ１２０からのセンサ情報に基づいて転削工具１００の回転の有無を判定し、少なくとも１つの歪センサ１３０からのセンサ情報に基づいて転削工具１００と被切削物との接触の有無を判定する。

（２）上記（１）に係る切削システム５０において、工具ホルダ１０５転削工具１００は、シャフト部１０６の軸方向を回転軸として回転する。少なくとも１つの加速度センサ１２０は、転削工具１００の遠心加速度を検出するように配置されている。

（３）上記（２）に係る切削システム５０において、複数のセンサは、複数の加速度センサ１２０を含む。複数の加速度センサ１２０は、シャフト部１０６の回転軸を法線とする同一平面内において、当該回転軸を中心とする同心円上に配置されている。

（４）上記（３）に係る切削システム５０において、複数の加速度センサ１２０は、加速度センサ１２０の中央部の間隔がシャフト部１０６の周方向に９０°である位置に配置された４つの加速度センサ１２０を含む。

（５）上記（１）から（３）のいずれか１項に係る切削システム５０において、管理装置２００は、少なくとも１つの加速度センサ１２０によって検出された加速度が第１しきい値より大きい場合に、転削工具１００が回転していると判定する。また、管理装置２００は、少なくとも１つの加速度センサ１２０によって検出された加速度が第１しきい値未満の場合に、転削工具１００が停止していると判定する。

（６）上記（１）に係る切削システム５０において、転削工具１００は、シャフト部１０６の軸方向を回転軸として回転する。また、少なくとも１つの歪センサ１３０Ｄは、シャフト部１０６の円周方向の歪みを検出するように配置されている。

（７）上記（１）に係る切削システム５０において、複数のセンサは、複数の歪センサ１３０を含む。複数の歪センサ１３０は、シャフト部１０６の回転軸を法線とする同一平面内において、当該回転軸を中心とする同心円上に配置されている。

（８）上記（７）に係る切削システム５０において、複数の歪センサ１３０は、歪センサの中央部の間隔がシャフト部１０６の周方向に９０°である位置に配置された４つの歪センサ１３０Ａ～１３０Ｄを含む。

（９）上記（６）から（８）のいずれか１項に係る切削システム５０において、管理装置２００は、少なくとも１つの歪センサ１３０Ｄによって検出されたシャフト部１０６の円周方向の歪みが第２しきい値より大きい場合に、転削工具１００が被切削物１８と接触していると判定する。また、管理装置２００は、少なくとも１つの歪センサ１３０Ｄによって検出されたシャフト部１０６の円周方向の歪みが第２しきい値未満の場合に、転削工具１００が被切削物１８と接触していないと判定する。

（１０）上記（１）に係る切削システム５０において、転削工具１００は、シャフト部１０６の軸方向を回転軸として回転する。少なくとも１つの加速度センサ１２０、および、少なくとも１つの歪センサ１３０は、シャフト部１０６の周方向に交互に配置されている。

（１１）上記（１）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、少なくとも１つの加速度センサ１２０からのセンサ情報、および、少なくとも１つの歪センサ１３０からのセンサ情報に基づいて、転削工具１００が切削中であるか否かを判定する。

（１２）上記（１１）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、少なくとも１つの加速度センサ１２０によって検出され加速度が第１しきい値より大きく、かつ、少なくとも１つの歪センサ１３０によって検出されたシャフト部１０６の円周方向の歪みが第２しきい値より大きい場合に、転削工具１００が切削中であると判定する。

（１３）上記（１１）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、少なくとも１つの加速度センサ１２０によって検出された加速度が第１しきい値未満であり、かつ、少なくとも１つの歪センサ１３０によって検出されたシャフト部１０６の円周方向の歪みが第２しきい値より大きい場合に、転削工具１００が異常状態であると判定する。

（１４）上記（１３）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、転削工具１００が異常状態であると判定した場合に、ユーザに異常状態を通知する。

（１５）上記（１１）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、少なくとも１つの加速度センサ１２０によって検出された加速度が第１しきい値より大きく、かつ、少なくとも１つの歪センサ１３０によって検出されたシャフト部１０６の円周方向の歪みが第２しきい値未満の場合に、転削工具１００が切削していない状態で回転中であると判定する。

（１６）上記（１）に係る切削システム５０において、転削工具１００は、被切削物１８を切削するための刃部が設けられた第１端部１０７と、工具ホルダ１０５に取り付けられる第２端部１０８とを有するシャフト部１０６を含む。管理装置２００は、少なくとも１つの歪センサ１３０によって検出されたシャフト部１０６の軸方向の歪みが第２しきい値未満のタイミングにおいて、少なくとも１つの歪センサ１３０の測定値をゼロに補正する。

（１７）上記（１）から（１６）のいずれか１項に係る切削システム５０は、工具ホルダ１０５に取り付けられ、複数のセンサ１２０，１３０からのセンサ情報を管理装置２００に送信するための無線通信装置１４０をさらに備える。

（１８）上記（１）から（１７）のいずれか１項に係る切削システム５０は、工具ホルダ１０５に取り付けられ、複数のセンサ１２０，１３０を駆動するための電力を供給するように構成された蓄電装置１５０をさらに備える。

（１９）上記（１）から（１８）のいずれか１項に係る切削システム５０において、管理装置２００は、複数のセンサ１２０，１３０からのセンサ情報を記憶するための記憶装置２３０をさらに含む。

（２０）上記（１９）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、転削工具１００の状態に対応したラベル情報を付して、複数のセンサ１２０，１３０からのセンサ情報を記憶装置２３０に記憶する。

（２１）上記（２０）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、被切削物１８の加工開始から加工完了までの転削工具１００の状態遷移を予め記憶している。管理装置２００は、当該状態遷移とラベル情報とに基づいて、記憶装置２３０に記憶されたセンサ情報を被切削物１８ごとの加工データ群として分類する。

（２２）上記（２０）に係る切削システム５０において、管理装置２００は、被切削物１８の加工開始から加工完了までの転削工具１００の状態遷移を第１データとして予め記憶している。管理装置２００は、被切削物１８の加工開始から加工完了までに取得したセンサ情報から得られる転削工具１００の状態遷移を示す第２データが第１データと合致しない場合に、ユーザに当該被切削物１８の加工異常を通知する。

（２３）本開示に係る方法は、被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部、および、工作機械に取り付けられる第２端部を有するシャフト部１０６を含む転削工具１００の状態を判定する方法である。シャフト部１０６には、少なくとも１つの加速度センサ１２０、および、少なくとも１つの歪センサ１３０が配置されている。上記方法は、少なくとも１つの加速度センサ１２０および少なくとも１つの歪センサ１３０からセンサ情報を取得するステップと、少なくとも１つの加速度センサ１２０からのセンサ情報に基づいて転削工具１００の回転の有無を判定するステップと、少なくとも１つの歪センサ１３０からのセンサ情報に基づいて転削工具１００と被切削物１８との接触の有無を判定するステップとを含む。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（切削システムの概要）
図１は、本実施の形態に従う切削システム５０の概要を示す図である。図１を参照して、切削システム５０は、転削工具１００と、管理装置２００とを備える。転削工具１００は、マシニングセンタあるいはフライス盤などの工作機械１０に取り付けられて、切削対象の被切削物（ワーク）１８の切削加工のために用いられる。

図１の例における工作機械１０は立型マシニングセンタであり、鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動するヘッド１２に設けられた主軸（スピンドル）１４に転削工具１００が取り付けられる。図１においては、転削工具１００は、刃部が形成されたシャフト部１０６、および、当該シャフト部１０６を保持する工具ホルダ１０５を含み、工具ホルダ１０５の部分が工作機械１０に取り付けられる。なお、工具ホルダ１０５を用いずに、図７で後述する変形例のように、切削インサート１６０（図７参照）を備えたシャフト部１０６を工作機械１０に直接取付ける構成であってもよい。主軸１４に配置されたモータ（図示せず）によって、Ｚ軸方向を回転軸として転削工具１００が回転する。

ワーク１８は、ベッド２０上に設けられたテーブル１６上に配置される。テーブル１６は、ＸＹ平面上に移動可能に構成されている。テーブル１６およびヘッド１２を移動させて、転削工具１００とワーク１８との相対位置を変化させながら、回転中の転削工具１００とワーク１８とを接触させることによって、ワーク１８が切削される。

なお、図１においては、工作機械１０として３軸の立型マシニングセンタを例として説明したが、工作機械１０は、主軸が水平方向に配置された横型マシニングセンタであってもよいし、４軸以上の動作軸を有するものであってもよい。

図２で後述するように、転削工具１００には、複数のセンサが取り付けられている。当該センサによって、転削工具１００に加わる力を検出することができる。

管理装置２００は、転削工具１００に取り付けられたセンサの検出値を用いて、転削工具１００の状態を判定および管理する。管理装置２００は、通信装置２１０と、制御装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２２０と、記憶装置２３０と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）２４０と、表示装置２６０と、入力装置２７０とを含む。

通信装置２１０、ＣＰＵ２２０、記憶装置２３０、および入出力Ｉ／Ｆ２４０は、共通のバス２５０に接続されており、互いに信号の授受が可能に構成されている。表示装置２６０および入力装置２７０は、入出力Ｉ／Ｆ２４０に有線あるいは無線で接続されている。

通信装置２１０は無線通信装置であり、工具ホルダ１０５に取り付けられたセンサの検出値を無線で取得する。ＣＰＵ２２０は、記憶装置２３０に記憶されたプログラムを実行し、通信装置２１０で取得したセンサの検出値を処理することによって、転削工具１００の状態を判定する。

記憶装置２３０は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のようなメモリ、ならびに、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）あるいはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ）のような大容量記憶機器を含む。記憶装置２３０は、ＣＰＵ２２０の処理の際のバッファとして用いられるとともに、ＣＰＵ２２０で実行されるプログラム、センサの検出値、および／または、ＣＰＵ２２０による演算結果等を記憶するために用いられる。

入力装置２７０は、たとえば、キーボード、マウス、トラックボールまたはタッチパネルのようなポインティングデバイスであり、ユーザからの操作信号を受け付ける。表示装置２６０は、代表的には、液晶パネルあるいは有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）パネルであり、ＣＰＵ２２０の演算結果および記憶装置２３０に記憶された情報をユーザに対して表示する。

入出力Ｉ／Ｆ２４０は、表示装置２６０および入力装置２７０を接続するためのインターフェースである。入出力Ｉ／Ｆ２４０を介して、入力装置２７０からのユーザ操作信号を受けるともに、ユーザへ通知するための情報を表示装置２６０へ出力する。

（本実施の形態の目的）
上記のような工作機械に用いられる転削工具は、使用に伴って刃部の摩耗あるいは欠損等の異常が生じることがある。転削工具に異常が生じると、切削対象であるワークを適切に切削できなくなり、加工精度の低下、あるいは、ワークまたは工具自体の破損を招くおそれがある。このような課題に対して、国際公開第２０２１／０２９０９９号（特許文献１）のように、転削工具を保持する工具ホルダ内に加速度センサおよび歪センサを含む複数のセンサを設け、当該センサから検出される物理量のデータに基づいて、切削の不具合の原因が転削工具によるものであるか、工作機械によるものであるかを判断する構成が知られている。

特許文献１のシステムにおいては、対象の工作機械における切削加工時の測定データを所定期間蓄積し、蓄積されたデータを解析することによって不具合の要因を判断している。このデータ解析において、正しく解析を行なうためには、蓄積されたセンサの連続データについて、転削工具の状態（すなわち、工具が回転中であるか、ワークの加工中であるか）の情報を用いることが有用である。

そこで、本実施の形態においては、工具ホルダに配置された加速度センサおよび歪センサのデータから、転削工具の状態を判定する手法について説明する。

（転削工具の詳細）
次に図２および図３を用いて、転削工具１００の詳細について説明する。図２は、工具ホルダ１０５にシャフト部１０６が取り付けられた転削工具１００を示す図である。また、図３は、転削工具１００をＺ軸の正方向から見た場合の各センサの配置を示す図である。

工具ホルダ１０５は、工作機械１０の主軸１４に取り付けられる本体１１０を含む。本体１１０の一方端は、主軸１４に取り付けられる。本体の１１０の他方端には、シャフト部１０６が取り付けられている。

転削工具１００は、たとえば、エンドミル、フライスカッター、ドリル、リーマ、およびタップなどであり、工具自体が回転することによって、ワーク１８を切削する。図２においては、転削工具１００はエンドミルであり、略円柱形状のシャフト部１０６の第１端部１０７に刃部が設けられており、シャフト部１０６の第２端部１０８が工具ホルダ１０５に取り付けられている。刃部は、シャフト部１０６に形成されたものであってもよいし、取り外し可能な刃先部がシャフト部１０６に取り付けられたものであってもよい。主軸１４に設けられたモータ（図示せず）が駆動されることによって、転削工具１００は、Ｚ軸の正方向から見て回転軸ＣＬ廻りに時計回り（ＣＷ：Clock Wise）方向に回転し、刃部とワーク１８とが接触することによって、ワーク１８が切削される。

図３に示されるように、工具ホルダ１０５において、シャフト部１０６の周囲には複数のセンサ１２０，１３０が取り付けられている。本実施の形態においては、複数のセンサは、４つの加速度センサ１２０と、４つの歪センサ１３０とを含む。また、工具ホルダ１０５には、図示しない基板上に、通信装置１４０およびバッテリ１５０が配置されている。通信装置１４０は、バッテリ１５０によって駆動される無線通信装置である。通信装置１４０は、管理装置２００の通信装置２１０と無線で通信することが可能であり、センサ１２０，１３０で検出された検出値を管理装置２００に無線で送信する。

なお、センサ１２０，１３０は、シャフト部１０６に直接取り付けられていてもよいし、転削工具１００の変形状態が測定可能な工具ホルダ１０５上に配置されてもよい。図３においては、説明を容易にするために、センサ１２０，１３０がシャフト部１０６に直接取り付けられている状態について説明する。

４つの加速度センサ１２０は、シャフト部１０６の表面において、加速度センサ１２０の中央部の間隔が周方向に９０°である位置にそれぞれ配置されている。すなわち、４つの加速度センサ１２０は、シャフト部１０６の回転軸ＣＬを法線とする同一平面内において、当該回転軸ＣＬを中心とする同心円上に配置されている。Ｚ軸方向から平面視した場合に、４つの加速度センサ１２０のうちの２つは、転削工具１００の回転軸ＣＬに対して点対称に配置されている。また、４つの加速度センサ１２０のうちの残りの２つも、転削工具１００の回転軸ＣＬに対して点対称に配置されている。各加速度センサ１２０は、少なくとも径方向に測定感度を有しており、転削工具１００が回転する際の遠心加速度を検出することができる。

４つの歪センサ１３０は、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｄを含む。歪センサ１３０Ａ～１３０Ｄは、加速度センサ１２０と同様に、シャフト部１０６の回転軸ＣＬを法線とする同一平面内において、当該回転軸ＣＬを中心とする同心円上に配置されている。また、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｄは、シャフト部１０６の表面において、歪センサの中央部の間隔が周方向に９０°である位置にそれぞれ配置されている。図３の例においては、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｄの各々は、隣り合う２つの加速度センサの間にそれぞれ配置されている。なお、加速度センサ１２０と歪センサ１３０とが、同一平面上に配置されていない場合には、Ｚ軸方向から平面視した場合に、加速度センサ１２０と歪センサ１３０とが同じ位置になるように配置されていてもよい。歪センサ１３０Ａおよび歪センサ１３０Ｃは、転削工具１００の回転軸ＣＬに対して点対称に配置されている。また、歪センサ１３０Ｂおよび歪センサ１３０Ｄも、転削工具１００の回転軸ＣＬに対して点対称に配置されている。

歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃは、鉛直方向（Ｚ軸方向）に測定感度を有するように配置されている。そのため、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃによって、転削工具１００に対してＺ軸方向に垂直な力が作用したときの、シャフト部１０６のたわみを検出することができる。一方、歪センサ１３０Ｄについては、円周方向（せん断方向）に測定感度を有するように配置されている。そのため、歪センサ１３０Ｄによって、転削工具１００に対して円周方向に作用する力、すなわち回転トルクを検出することができる。

（転削工具の状態判定）
図４は、無負荷の状態において、転削工具１００の回転速度を変化させたときの各センサ１２０，１３０の検出信号の一例を示す図である。図４の上段には、歪センサ１３０により検出される歪みが示されており（線ＬＮ１０，ＬＮ２０）、図４の下段には、加速度センサ１２０によって検出される加速度が示されている（線ＬＮ３０）。横軸には時間が示されており、時刻ｔ１～ｔ５においては時間とともに転削工具１００の回転速度が段階的に増加され、時刻ｔ６～ｔ１１においては時間とともに転削工具１００の回転速度が段階的に減少されている。なお、図４の上段において、線ＬＮ１０は、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃによる鉛直方向（Ｚ軸方向）の垂直歪みを示している。また、線ＬＮ２０は、歪センサ１３０Ｄによる周方向の歪みを示している。

図４から、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃにおいて検出される垂直歪みは、回転速度に応じて変化しており、回転速度が増加すると垂直歪みも増加し、回転速度が減少すると垂直歪みも減少している。これは、転削工具１００の回転に伴って、転削工具１００（および／または工具ホルダ１０５）が鉛直方向に膨張することによって生じる歪みである。一方で、歪センサ１３０Ｄにおいて検出される周方向のせん断歪みについては、回転速度に対してほとんど変化しない。

また、加速度センサ１２０において検出される遠心加速度については、転削工具１００の回転による遠心力のために、回転速度が増加すると遠心加速度も増加し、回転速度が減少すると遠心加速度も減少する。

以上のような特性から、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃによる垂直歪み、および、加速度センサ１２０による遠心加速度のデータから、転削工具１００が回転中であるか否かを判定できることがわかる。ただし、垂直歪みについては、切削中などで転削工具１００に外力が作用して変形が生じた場合にも検出されることから、転削工具１００の回転の有無の判定には、加速度センサ１２０で検出される遠心加速度のデータを用いることが適当であるといえる。

一方、転削工具１００が加工中の場合、刃部とワーク１８との接触によって、転削工具１００の回転軸方向、および、回転軸に直交する方向の少なくとも一方に外力が加わる。そのため、加工中の場合には、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｄのいずれかによって歪みが検出され得る。ここで、図４で示したように、Ｚ軸方向の垂直歪みを検出するための歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃについては、ワーク１８からの反力が作用していない状態でも、転削工具１００が回転していると歪みが検出されてしまうため、当該センサを用いて加工中であるか否かを判定することはできない。したがって、歪センサ１３０Ｄで検出されたせん断歪み（すなわち、回転トルク）を用いることによって、転削工具１００の回転の影響を受けることなく、転削工具１００とワーク１８の接触の有無、すなわち転削工具１００が加工中であるか否かを判定することができる。

以上のように、転削工具１００の状態（回転中／加工中）の判定のためには、せん断歪みを検出する歪センサ、および、遠心加速度を検出する加速度センサを、少なくとも１つずつ配置することが必要である。

図５は、各センサの検出信号に基づいた転削工具１００の状態を説明するための図である。図４で説明したように、転削工具１００の回転の有無については、加速度センサ１２０によって検出される遠心加速度を用いることで判定することができる。また、切削の有無については、歪センサ１３０Ｄによって検出されるせん断歪みを用いることで判定することができる。

そして、これらの検出データを組み合わせることによって、以下のように転削工具１００の状態を検出することができる。まず、加速度センサ１２０による遠心加速度および歪センサ１３０Ｄによるせん断歪みの双方が検出される場合には、転削工具１００によって実際にワーク１８を切削中であると判定することができる。

次に、加速度センサ１２０による遠心加速度が検出されるが、歪センサ１３０Ｄによるせん断歪みが検出されない場合には、転削工具１００が無負荷の状態で回転動作のみを行なっている状態（アイドル状態）であると判定することができる。また、加速度センサ１２０による遠心加速度および歪センサ１３０Ｄによるせん断歪みの双方が検出されない場合には、転削工具１００が停止中であると判定することができる。

なお、加速度センサ１２０による遠心加速度が検出されないが、歪センサ１３０Ｄによるせん断歪みが検出される場合は、転削工具１００が停止状態で外力が加わった状態であるため、通常の運転においては実際には生じることはない状態である。このような状態は、たとえば、転削工具１００の過大な切り込み量によって噛み止まりが生じた場合、または、工具停止状態で転削工具１００とワーク１８とが衝突した場合などの異常状態、あるいは、センサに異常が生じた状態である。したがって、遠心加速度が検出されず、かつ、せん断歪みが検出される場合には、異常状態が生じていると判定することができる。

なお、工具ホルダ１０５にセンサが取り付けられている場合には、工具本体であるシャフト部１０６の交換時にも、遠心加速度が検出されず、かつ、せん断歪みが検出される状態となり得る。また、シャフト部１０６にセンサが取り付けられており、シャフト部１０６先端の刃先チップ交換式の転削工具の場合にも、当該刃先チップ交換時に、遠心加速度が検出されず、かつ、せん断歪みが検出される状態となり得る。すなわち、工具の異常状態に加えて、工具交換のタイミングを記録することができる。

さらに、加速度センサ１２０による遠心加速度および歪センサ１３０Ｄによるせん断歪みを用いて判定された転削工具１００の状態は、以下のような処理にも適用することができる。

（１）歪センサのゼロ点補正処理．
上述のように、歪センサ１３０Ｄによるせん断歪みが検出されない場合、すなわち、転削工具１００に外力が作用していない「回転動作のみ」あるいは「停止中」の場合には、本来であれば、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃによる垂直歪みは検出されない。しかしながら、周囲環境温度あるいは切削液による温度分布に起因した熱歪み、または、図４のような回転による遠心力に起因した膨張歪みが生じることで、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃの値が検出される状態となる場合がある。

そのため、「回転動作のみ」あるいは「停止中」と判定された場合に、歪センサ１３０Ａ～１３０Ｃの測定値のゼロ点補正処理を行なうことによって、垂直歪みデータのオフセットを除去することができる。

（２）蓄積データへのラベル付け処理．
転削工具１００の不具合の判定は、特許文献１のように、連続する測定データを蓄積し、蓄積されたデータを解析することによって行なわれる。しかしながら、測定データのままでは、センサデータの変化と工具状態の変化との関係を把握することは難しい。

そこで、図５で示したような分類基準によって判定した工具状態の情報を、測定データに工具状態をラベル情報を付して記憶することによって、後続の解析においてセンサデータの変化と工具状態の変化との関係を把握しやすくするとともに、データ整理に役立てることができる。

（３）製品ごとのデータ分類処理．
工作機械１０においては、予めプログラミングされた順序に従って加工が行なわれ、一般的には同じ製品の加工が連続的に行なわれる。そのため、１つの製品（被切削物）を加工する場合に、予め定められた加工順に基づいて、加工開始から加工完了までにどのように工具状態が推移するかを予め知ることができる。言い換えれば、（２）で説明した測定データへのラベル付け処理ができると、転削工具の状態推移から、連続した測定データにおけるどの範囲のデータ群が１つの製品に対応するかを分類することができる。

逆に、たとえばワーク１８の段取り替えを示す信号等によって、製品ごとの加工開始から加工完了までのデータ群の範囲が予め認識できる場合には、当該データ群において測定データから判定した転削工具の状態推移（第２データ）が、当該製品について予め記憶された転削工具の状態推移パターン（第１データ）と相違する場合には、該当する製品が加工異常となっている可能性があると判断して、ユーザに対して異常を通知することができる。

図６は、本実施の形態の切削システム５０における管理装置２００で実行される、転削工具１００の状態判定処理を説明するためのフローチャートである。図６に示される処理は、管理装置２００において、ＣＰＵ２２０が、記憶装置２３０から読み出されたプログラムを実行することによって実現される。図６の処理は、予め蓄積された測定データに対してオフラインで実行されるものであってもよいし、実際のワーク１８の加工中に測定されたデータに対してオンラインで実行されるものであってもよい。

なお、図６に記載された処理の一部あるいは全部を、半導体集積回路のようなハードウェアで構築してもよい。また、ＣＰＵ２２０で実行されるプログラムは、外部のサーバ装置等からインストールすることができる。あるいは、当該プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭあるいは半導体メモリ等の記憶媒体に格納された状態で流通してもよい。

図６を参照して、管理装置２００は、ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す。）１００にて、工具ホルダ１０５から送信されたセンサデータ、あるいは、記憶装置２３０に蓄積されたセンサデータを取得する。そして、管理装置２００は、Ｓ１１０にて、加速度センサ１２０の測定データに基づいて、遠心加速度が検出されているか、すなわち転削工具１００が「回転中」であるか否かを判定する。具体的には、管理装置２００は、加速度センサ１２０によって検出された遠心加速度が第１しきい値以上の場合には転削工具１００が「回転中」であると判定し、検出された遠心加速度が第１しきい値未満の場合には転削工具１００が「停止中」であると判定する。

遠心加速度が検出されており、転削工具１００が「回転中」である場合（Ｓ１１０にてＹＥＳ）は、処理がＳ１２０に進められる。Ｓ１２０においては、管理装置２００は、歪センサ１３０Ｄの測定データに基づいて、せん断歪みが検出されているか、すなわち転削工具１００に外力が作用してトルクが生じているか否かを判定する。具体的には、管理装置２００は、歪センサ１３０Ｄによって検出されたせん断歪みが第２しきい値以上の場合には転削工具１００がワーク１８に接触してトルクが生じていると判定し、検出されたせん断歪みが第２しきい値未満の場合には転削工具１００がワーク１８と接触しておらずトルクが生じていないと判定する。

せん断歪みが検出されており、転削工具１００にトルクが生じている場合（Ｓ１２０にてＹＥＳ）は、処理がＳ１３０に進められて、管理装置２００は、工具状態が「切削中」であると判定する。そして、管理装置２００は、Ｓ１４０にて、対象のデータに「切削中」を示すラベルを付与して記憶装置２３０に記憶する。

一方、転削工具１００にトルクが生じていない場合（Ｓ１２０にてＮＯ）は、処理がＳ１３５に進められて、管理装置２００は、転削工具１００が回転動作のみを行なっている「アイドル回転中」であると判定する。当該処理がオンラインで実行されている場合には、管理装置２００は、次にＳ１３６にて、垂直歪みを測定する歪センサ１３０Ａ～１３０Ｄについてのゼロ点補正処理を実行してもよい。なお、当該処理がオフラインで実行されている場合には、Ｓ１３６の処理はスキップされる。その後、管理装置２００は、Ｓ１４０にて、対象のデータに「アイドル回転中」を示すラベルを付与して記憶装置２３０に記憶する。

一方、遠心加速度が検出されておらず、転削工具１００が「回転中」でない場合（Ｓ１１０にてＮＯ）は、処理がＳ１７０に進められて、管理装置２００は、歪センサ１３０Ｄの測定データに基づいて、転削工具１００にトルクが生じているか否かを判定する。転削工具１００にトルクが生じていない場合（Ｓ１７０にてＮＯ）は、処理がＳ１８０に進められて、管理装置２００は、転削工具１００が「停止中」であると判定する。そして、管理装置２００は、Ｓ１４０にて、対象のデータに「停止中」を示すラベルを付与して記憶装置２３０に記憶する。

一方、遠心加速度が検出されていないにもかかわらず、転削工具１００にトルクが生じている場合（Ｓ１７０にてＹＥＳ）は、処理がＳ１８５に進められて、管理装置２００は、転削工具１００が「異常状態」であると判定し、ユーザに対してアラームを出力する。その後、管理装置２００は、Ｓ１４０にて、対象のデータに「異常状態」を示すラベルを付与して記憶装置２３０に記憶する。

Ｓ１４０においてデータが記憶されると、処理がＳ１５０に進められて、管理装置２００は、転削工具１００を用いた加工が終了したか否かを判定する。加工が終了していない場合（Ｓ１５０にてＮＯ）は、処理がＳ１００に戻されて、管理装置２００は、上記のＳ１００からＳ１４０までの処理を繰り返し実行する。一方、加工が終了した場合（Ｓ１５０にてＹＥＳ）は、管理装置２００は当該状態判定処理を終了する。

なお、図６には示されていないが、当該処理がオフラインで実行される場合には、Ｓ１５０において、管理装置２００は、記憶装置２３０内の処理すべき全てのセンサデータについての処理が終了したか否かを判定する。そして、処理すべきデータが残っている場合（Ｓ１５０にてＮＯ）には処理がＳ１００に戻される。一方、全てのデータについての処理が終了している場合（Ｓ１５０にてＹＥＳ）には、管理装置２００は、当該状態判定処理を終了する。

以上の処理に従って制御を行なうことによって、工具ホルダに取り付けられた加速度センサおよび歪センサのデータに基づいて、当該工具ホルダに取り付けられた転削工具の状態を判定することができる。

（転削工具の変形例）
図７は、変形例の転削工具１００Ａを示す図である。転削工具１００Ａは、実施の形態１の転削工具１００のような工具ホルダを含まず、工具ホルダを含む工作機械の主軸にシャフト部が取り付けられる構成となっている。

図７を参照して、転削工具１００Ａは、シャフト部１０６Ａと、当該シャフト部１０６Ａの周囲に取り付けられた加速度センサ１２０および歪センサ１３０とを含む。加速度センサ１２０および歪センサ１３０は、シャフト部１０６Ａに設けられたハウジング１７０の内部に格納される。加速度センサ１２０および歪センサ１３０は、実施の形態１の転削工具１００と同様に、シャフト部１０６Ａの周方向に等間隔に配置されている。なお、図７には示されていないが、ハウジング１７０内には、図２に示した通信装置１４０およびバッテリ１５０も配置されている。

シャフト部１０６Ａの第１端部１０７には、交換式の切削インサート（スローアウェイチップ）１６０が取り付けられている。また、シャフト部１０６Ａの第２端部１０８は、工具ホルダを有する工作機械１０の主軸１４に取り付けられる。

このように、工具ホルダを含む主軸に取り付けられる転削工具においても、転削工具のシャフト部に加速度センサおよび歪センサを配置することによって、当該センサのデータに基づいて、転削工具の状態を判定することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 工作機械、１２ ヘッド、１４ 主軸、１６ テーブル、１８ ワーク、２０ ベッド、５０ 切削システム、１００，１００Ａ 転削工具、１０５ 工具ホルダ、１０６，１０６Ａ シャフト部、１０７ 第１端部、１０８ 第２端部、１１０ 本体、１２０ 加速度センサ、１３０，１３０Ａ～１３０Ｄ 歪センサ、１４０，２１０ 通信装置、１５０ バッテリ、１６０ 切削インサート、１７０ ハウジング、２００ 管理装置、２２０ ＣＰＵ、２３０ 記憶装置、２４０ 入出力インターフェース、２５０ バス、２６０ 表示装置、２７０ 入力装置、ＣＬ 回転軸。

Claims (19)

1. 被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部、および、工作機械に取り付けられる第２端部を有するシャフト部を含む転削工具と、
   前記シャフト部に取り付けられた複数のセンサと、
   前記複数のセンサからのセンサ情報に基づいて、前記転削工具の状態を判定する管理装置とを備え、
   前記複数のセンサは、
   少なくとも１つの加速度センサと、
   少なくとも１つの歪センサとを含み、
   前記管理装置は、
   前記少なくとも１つの加速度センサからのセンサ情報に基づいて、前記転削工具の回転の有無を判定し、
   前記少なくとも１つの歪センサからのセンサ情報に基づいて、前記転削工具と被切削物との接触の有無を判定する、切削システム。
2. 前記転削工具は、前記シャフト部の軸方向を回転軸として回転し、
   前記少なくとも１つの加速度センサは、前記転削工具の遠心加速度を検出するように配置されている、請求項１に記載の切削システム。
3. 前記複数のセンサは、複数の加速度センサを含み、
   前記複数の加速度センサは、前記シャフト部の回転軸を法線とする同一平面内において、当該回転軸を中心とする同心円上に配置されている、請求項２に記載の切削システム。
4. 前記複数の加速度センサは、前記加速度センサの中央部の間隔が前記シャフト部の周方向に９０°である位置に配置された４つの加速度センサを含む、請求項３に記載の切削システム。
5. 前記管理装置は、
   前記少なくとも１つの加速度センサによって検出された加速度が第１しきい値より大きい場合に、前記転削工具が回転していると判定し、
   前記少なくとも１つの加速度センサによって検出された加速度が前記第１しきい値未満の場合に、前記転削工具が停止していると判定する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の切削システム。
6. 前記転削工具は、前記シャフト部の軸方向を回転軸として回転し、
   前記少なくとも１つの歪センサは、前記シャフト部の円周方向の歪みを検出するように配置されている、請求項１に記載の切削システム。
7. 前記複数のセンサは、複数の歪センサを含み、
   前記複数の歪センサは、前記シャフト部の回転軸を法線とする同一平面内において、当該回転軸を中心とする同心円上に配置されている、請求項６に記載の切削システム。
8. 前記複数の歪センサは、前記歪センサの中央部の間隔が前記シャフト部の周方向に９０°である位置に配置された４つの歪センサを含む、請求項７に記載の切削システム。
9. 前記管理装置は、
   前記少なくとも１つの歪センサによって検出された前記シャフト部の円周方向の歪みが第２しきい値より大きい場合に、前記転削工具が前記被切削物と接触していると判定し、
   前記少なくとも１つの歪センサによって検出された前記シャフト部の円周方向の歪みが前記第２しきい値未満の場合に、前記転削工具が前記被切削物と接触していないと判定する、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の切削システム。
10. 前記転削工具は、前記シャフト部の軸方向を回転軸として回転し、
    前記少なくとも１つの加速度センサ、および、前記少なくとも１つの歪センサは、前記シャフト部の周方向に交互に配置されている、請求項１に記載の切削システム。
11. 前記管理装置は、前記少なくとも１つの加速度センサからのセンサ情報、および、前記少なくとも１つの歪センサからのセンサ情報に基づいて、前記転削工具が切削中であるか否かを判定する、請求項１に記載の切削システム。
12. 前記管理装置は、前記少なくとも１つの加速度センサによって検出され加速度が第１しきい値より大きく、かつ、前記少なくとも１つの歪センサによって検出された前記シャフト部の円周方向の歪みが第２しきい値より大きい場合に、前記転削工具が切削中であると判定する、請求項１１に記載の切削システム。
13. 前記管理装置は、前記少なくとも１つの加速度センサによって検出された加速度が第１しきい値未満であり、かつ、前記少なくとも１つの歪センサによって検出された前記シャフト部の円周方向の歪みが第２しきい値より大きい場合に、前記転削工具が異常状態であると判定する、請求項１１に記載の切削システム。
14. 前記管理装置は、前記転削工具が異常状態であると判定した場合に、ユーザに異常状態を通知する、請求項１３に記載の切削システム。
15. 前記管理装置は、前記少なくとも１つの加速度センサによって検出された加速度が第１しきい値より大きく、かつ、前記少なくとも１つの歪センサによって検出された前記シャフト部の円周方向の歪みが第２しきい値未満の場合に、前記転削工具が切削していない状態で回転中であると判定する、請求項１１に記載の切削システム。
16. 前記少なくとも１つの歪センサは、前記シャフト部の円周方向の歪みを検出する第１センサ、および、前記シャフト部の軸方向の歪みを検出する第２センサを含み、
    前記管理装置は、前記第１センサによって検出された前記シャフト部の円周方向の歪みが第２しきい値未満のタイミングにおいて、前記第２センサの測定値をゼロに補正する、請求項１に記載の切削システム。
17. 前記管理装置は、前記複数のセンサからのセンサ情報を記憶するための記憶装置をさらに含み、
    前記管理装置は、前記転削工具の状態に対応したラベル情報を付して、前記複数のセンサからのセンサ情報を前記記憶装置に記憶する、請求項１に記載の切削システム。
18. 前記管理装置は、被切削物の加工開始から加工完了までの前記転削工具の状態推移を予め記憶しており、当該状態推移と前記ラベル情報とに基づいて、前記記憶装置に記憶されたセンサ情報を被切削物ごとの加工データ群として分類する、請求項１７に記載の切削システム。
19. 転削工具の状態を判定する方法であって、
    前記転削工具には、少なくとも１つの加速度センサ、および、少なくとも１つの歪センサが配置されており、
    前記方法は、
    前記少なくとも１つの加速度センサおよび前記少なくとも１つの歪センサからセンサ情報を取得するステップと、
    前記少なくとも１つの加速度センサからのセンサ情報に基づいて、前記転削工具の回転の有無を判定するステップと、
    前記少なくとも１つの歪センサからのセンサ情報に基づいて、前記転削工具と被切削物との接触の有無を判定するステップとを含む、方法。

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