JPH03213249A - 熱流計測を利用した工具のモニタリング方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、熱流計測を利用した工具のモニタリング方法
に関し、さらに具体的にいえば、加工熱により生じる熱
流を監視することにより、工具のチッピング等の欠損や
摩耗、切削屑のからみつき等を検出するための方法に関
する。

［背景技術］ 近年、ＦＭＳ　（フレキシブル生産システム）に代表さ
れる生産の自動化、無人化を推し進めるうえで、切削加
工及び工具の状態をインプロセスで認識可能なモニタリ
ング技術を確立することは、生産システムのより以上の
高度化・知能化を図るうえで、極めて重要な課題である
。

工具のチッピング等の欠損や摩耗を検出する方法につい
ては、従来よりＡＢセンサーを用いた方法が知られてい
る。物体が壊れる時、物体内部には微細な割れが生じ、
その割れの進行に伴なって弾性エネルギーが解放される
ため、物体内部に弾性波（超音波）が発生する。この弾
性波をＡＥ（アコースティック・エミッション）といい
、ＡＥセンサーにより検出することができる。すなわち
、ＡＥセンサーは、物体が破壊する音を検知するもので
あり、従来の方法では、加工機のテーブルや工具に取り
付けられたＡＥセンサーによってＡＥを検出し、工具の
チッピング等の欠損や摩耗な検知している。もう少し具
体的に説明すると、ＡＥセンサーによるモニタリングシ
ステムからの出力は、連続した振幅の小さな高周波の〔
ノイズ状の）ＡＥ信号であり、工具にチッピング等が発
生すると、ノイズ状のＡＥ倍信号中に振幅の大ぎなパル
ス状のＡＥ倍信号発生するので、ＡＥセンサーによりし
きい値以上の振幅を持つ大きなＡＥ倍信号検知した場合
に欠損等が発生したと判断するものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、ＡＥセンサーを用いた工具の欠損等の検
出方法では、ＡＥセンサーが外乱音や周囲の振動を拾う
ため、ＡＥセンサーによって拾われた外乱音等の信号が
ノイズ成分となってＡＢ倍信号ＳＮ比を低下させるとい
う問題があり、外乱音や周囲の振動に弱かった。特に、
工場内部では、種々の騒音が発生しているので、重要な
問題となている。

また、工具の切削点に加工油等がかかると、工具と被切
削物の間の摩擦係数が小さくなるので、ＡＥが発生しな
くなったり、ＡＥ信号レベルが変化したりし、工具の摩
耗や欠損等を正しく測定できなくなる場合がある。

また、工具等に取り付けられたＡＥセンサーによってＡ
Ｅ（弾性波）を検知する方法では、振動特有の原因（例
えば、ＡＥと工具表面からの反射波との干渉など）によ
りＡＥを検知できない位置があり、ＡＥセンサーを設置
するにあたっては、適切な設置位置を探す必要がある。

しかも、工具の寸法や形状が変わると、ＡＥセンサーの
設置位置も変わるので、工具の種類が変わるとＡＥセン
サーの設置位置も変更する必要があり、煩わしかった。

さらに、旋盤やフライス盤、平面研削盤など加工機の種
類が異なったり、工具の種類や被切削材料が変わったり
すると、発生するＡＥの周波数分布が変化する恐れがあ
るので、加工機の種類等が変化した場合には、ＡＥセン
サーも異なる機種に変更する必要があり、汎用性が乏し
いという問題があった。

さらに、軽負荷加工時にはＳＮ比が得にくく、工具の摩
耗状態等を評価するのが困難であった。

また、ＡＥセンサーは、外形寸法が大きいので、比較的
小形の工具等に取り付ける場合、取り付は位置に制限な
受は易い。しかも、価格も高価である。

加えて、ＡＥセンサーは、チッピング等によって発生す
るＡＥを検出する方法であるので、発生したチッピング
を検出することばできるが、予めチッピングの発生を予
知することは困難であった。

本発明は、叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたもので
あり、その主な目的とするところは、周囲の環境条件に
より影響を受けに＜＜、軽負荷時でも確実に工具の摩耗
等を検知でき、信頼性及び汎用性の高い工具のモニタリ
ング方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ このため、本発明の熱流計測を利用した工具のモニタリ
ング方法は、工具もしくは工具近傍に熱流センサーを配
設し、工具の加工熱により生じる熱流を前記熱流センサ
ーで計測することにより、工具の加工抵抗力や摩耗状態
、欠損状態等の工具特性を監視することを特徴としてい
る。

［作用コ 本発明は、加工熱により発生する熱流を検出することに
より、工具の摩耗等を監視するものであり、本発明によ
れば、工具の摩耗状態や欠損状態等の特性を正確に、か
つ効率的に検出することができる（詳細は、実施例の欄
において述べる）。

また、工具の欠損等の検知に止まらず、工具のチッピン
グ等の発生を事前に予知することも可能となる。

しかも、ＡＥセンサーを用いた検知方法と比較した場合
、周囲の外乱音や騒音等の影響を受けにくく、また急激
な周囲温度の変動は極めて稀れであるので、安定したモ
ニタリングを行なえる。また、熱流センサーからの出力
はＳＮ比が極めて良好であり、しかも熱流の特性曲線は
変化が顕著であるので、軽負荷加工時の工具の摩耗等も
容易に評価でか、さらに工具に加工油等がかかっても影
響がなく、高い精度で信頼性の高いモニタリングを実施
することかできる。

さらに、本発明のモニタリング方法は、ＡＥセンサーを
用いたモニタリング方法のように振動な検出するもので
なく、熱流を検出するものであるので、検出不能位置が
なく、しかも熱流センサーは、ＡＥセンサーに比較して
小形セあるので、ＡＥセンサーの工具等への取り付は位
置に制約が少ない。また、工具の種類や被加工材料、加
工機等が変っても、熱流センサーを異なる機種に交換し
たり、熱流センサーの取り付は位置を変えたりする必要
もなく、汎用性が高く、取扱いが容易である。

また、熱流センサーは、ＡＥセンサーに較べて安価であ
るので、安価なモニタリングシステムを構成することが
できる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を添付図に基づいて詳述する。

第１図には、熱流計測を利用してバイトの摩耗や欠損等
をモニタリングするための基本的な構成を示しである。

熱流を計測するための熱流センサー２は、第１図もしく
は第２図（ａ）　（ｂ：ｌに示すように、バイト（チッ
プ）１の近傍においてバイトホルダー３の表面（図示例
では、側面）に密着させて取り付けられている。

熱流（熱流束）ｑとは、一般的に、対象面の単位面積を
単位時間に通過する熱量を表わし、ｑ＝ｃ　（ｄＴ／ｄ
ｔ） で定義される。ここで、Ｃは対象面（いまの場合、熱流
センサー２）の熱容量、Ｔは温度、ｔは時間であり、熱
流は温度Ｔの時間微分に定数Ｃを乗じたものとなってい
る。このように定義される熱流を計測するための熱流セ
ンサー２としては、例えば、第４図に示すような薄板状
構造の透過熱流センサー（シュミット形熱流センサー）
がある。これは、熱抵抗体５の表面に螺旋状にサーモパ
イル６を形成したものをカバー材７によって外装してあ
り、熱抵抗体５の両面間に生じる温度差ΔＴをサーモバ
イル６によって検出し、 ｑ＝λ（ΔＴ／ｄ） の関係式に従って熱流センサー２を透過する熱流ｑを測
定するものである。なお、ｄは熱抵抗体５の厚さ、λは
熱抵抗体５の熱伝導率である。

しかして、第１図に示すように、バイトホルダー３の表
面に熱流センサー２を取り付けであると、バイト１によ
り切削加工を行なった時、バイト１の切削点で発生した
加工熱がバイトホルダー３中を拡散し、その一部は熱流
センサー２を透過して空気中へ放散する。この時、熱流
センサー２を透過する熱流ｑの値を・測定することがで
きるので、これによってバイトｌの加工抵抗力を評価し
、バイト１の摩耗や欠損等を監視することかできる。

なお、第３図に示すように、バイトホルダー３の表面に
取り付けられた熱流センサー２を断熱カバー４によって
覆うようにしてもよい。この断熱カバー４は、ベークラ
イト製角材から構成されており、熱流センサー２からの
熱放散を可能にするため、熱流センサー２に密着させる
ことなく空隙を介して取り付けられている。こうして、
断熱カバー４によって熱流センサー２を覆っであると、
被切削物から排出された切削屑による熱的外乱や、外気
の温度変化等による熱的外乱から熱流センサー２を保護
することができるので、工具摩耗等を効率的に検出する
ことができ、熱流センサー２を用いた工具監視の信頼性
を高めることができる。

また、断熱カバー４により、熱流センサー２を切削屑等
による損傷から保護することができる。

次に、熱流計測による工具のモニタリング方法の原理を
説明する。第５図は、切削工程における熱流センサーの
温度上昇Ｔ、を表わした特性曲線であり、第６図は、切
削工程において熱流センサーを透過する熱流ｑの変化を
表わした特性曲線である。すなわち、第８図の特性曲線
は、熱流センサーを用いることにより直接に測定される
ものであるが、第５図の特性曲線を時間微分して定数を
乗じることによっても得られるものである。第５図及び
第６図において、ｔ、は加工開始時刻、ｔ。

は加工終了時刻、Δ１（＝１．−１．）は加工時間、ｔ
ｌは加工開始後温度が上昇し始めるまでのデイレ−タイ
ムである。また、ｑｏは、第６図の特性曲線における熱
流ｑの極大値を示している。

第５図から明らかなように、加工工程において、熱流セ
ンサーの温度は、滑らかに漸増しており、しかも加工終
了後も温度上昇を続けている。そして、工具の摩耗や欠
損が進行し、加工抵抗力が大きくなってくると、全体の
温度上昇が大きくなり、第５図の特性曲線が上方へ移動
してゆく。したがって、温度上昇からバイトの摩耗や欠
損等を検出することも考えることができるが、温度変化
量が小さいことに加え、バイトの摩耗等を評価する時期
やしぎい値の設定も困難である。

これに対し、実験の結果、第５図の特性曲線の勾配、す
なわち、第８図の熱流を表わす特性曲線に注目すれば、
工具の加工抵抗力の変化を的確に評価できることか明ら
かとなった。つまり、工具の摩耗等が進行し、加工抵抗
力が大きくなると、第５図の特性曲線の勾配の最大値が
次第に変化して大きくなることがわかった。第６図でい
うと、工具の摩耗等の進行により、その特性曲線の熱流
の極大値ｑｃの値が次第に大きくなり、第６図の特性曲
線が次第に縦長のパターンとなってゆく。

したがって、温度上昇な表わす特性曲線（第５図）の最
大勾配、もしくは熱流を表わす特性曲線（第６図）の極
大値ｑ。の大小から切削抵抗の大小を容易に把握するこ
とが可能となり、的確に工具の摩耗状態等を検出でとる
。さらに、工具に切削屑がからみついたり、チッピング
等の破損が生じた場合も、勾配もしくは熱流の極大値ｑ
。が大ぎくなるので、工具の異常を速やかに検出するこ
とかできる。また、勾配もしくは熱流の極大値ｑｃが、
予め設定されたしきい値を越えると、工具の交換時期と
判断させることもできる。

しかしながら、第５図の特性曲線から勾配を読み取るよ
りも、第６図の特性曲線の極大値を読み取る方が容易な
ことは明らかである。しかも、第６図の特性曲線は、第
５図に較べて変化量が大きいうえ、評価位置（極大点）
も明瞭である。さらに、第５図の特性曲線よりも第６図
の特性曲線の方が、立ち上がりが早く、加工状態を敏感
に捉えることかできる。よって、温度上昇の勾配を用い
るよりも、直接に熱流を監視する方法が優越しているこ
とは明らかである。

なお、温度上昇を検出し、これを例えばコンピューター
処理して温度上昇カーブの勾配（時間微分）を求めてモ
ニタリングすることも可能であるが、本発明のように熱
流センサーによって直接熱流を検出すれば、装置が簡略
かつコンパクトになり、装置の価格も安価にすることが
できる。また、演算誤差などが入らないので、監視精度
も良好になる。

第７図に、工具のインプロセスモニタリングシステムの
一例の概略構成図を示す。これは、チャック８に掴まれ
た被切削物９をバイトｌにより切削加工する際のモニタ
リングシステムを示している。熱流センサー２を側面に
貼着されたバイトｌは、ツールポストｌＯに保持されて
おり、熱流センサー２により検出された熱流は電圧信号
に変換され、増幅器１１によって増幅された後、そのア
ナログ出力はモニター用のデータレコーダー１２に記録
される。したがって、システムの管理者は、このデータ
レコーダー１２を見ることによって熱流の極大値を知る
ことかできる。一方、増幅器１１からのアナログ出力は
、Ａ／Ｄ変換器１３によってデジタル信号に変換された
後、コンピューター１４に入力されてコンピューター処
理される。

すなわち、コンピューター１４は、熱流の変化パターン
もしくは極大値を認識し、これらのデータに基づいてバ
イ）１の加工抵抗力や摩耗状態、欠損状態を評価する。

さらに、バイト１の摩耗が進行してバイト１の交換時期
に達したと判断したり、バイトｌのチッピング等の欠損
を検知したり、あるいはバイトｌに破損が生じると予知
した場合には、コンピューター１４から生産システムへ
制御信号が出力され、疲労したバイトｌは新しいバイト
ｌに自動的に交換される。バイトｌの交換は、例えば、
熱流センサーを貼着された複数本のバイトホルダー３を
ツールポスト１０に取り付けておき、ツールポストを回
転させて別なバイトを切削箇所へ移動させることにより
行なうことができる。

したがって、このようなＦＭＳに上記のよう、なインプ
ロセスモニタリングシステムを組み込むことにより、生
産の自動化及び無人化をさらに推進させることができる
。

なお、上記実施例では、バイトによる切削加工を例にと
って説明したが、本発明の利用分野としては切削加工に
限る理由はなく、フライス等による切削加工においてフ
ライス等の摩耗や欠損を監視する場合や、ドリル等の穴
あけ加工においてドリル等の折損等を監視する場合など
にも用いることができる。また、熱流センサーの構造や
設置方法は、上記以外にも種々のものが知られているの
で、第４図に示した構造以外の熱流センサーを利用して
もよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、工具の加工抵抗力の変化や、摩耗状態
、チッピング等の欠損を高い確度で効率的に検知するこ
とができる。しかも、工具の欠損等を検知するだけでな
く、熱流の特性曲線の変化等から、工具の破損や交換時
期等を事前に予知し、破損前に工具を交換することがで
きる。したがって、ＦＭＳにおける無人化や自動化に大
きく寄与することがでとる。

しかも、ＡＢセンサーを用いた工具のモニタリング方法
と比較した場合、■周囲の外乱音等の影響を受けにくり
、安定したモニタリングを行なえる、■軽負荷加工時の
工具の摩耗等も容易に評価でき、さらに工具に加工油等
がかかつても影響がなく、良好な精度で信頼性の高いモ
ニタリングを行なえる、■熱流センサーは、小形で、し
かも取り付は位置を選ばないので、工具等への取り付は
位置に制約が少ない、■工具の種類や被加工材料等が変
っても、異なる機種の熱流センサーに交換したり、取り
付は位置を変更したりする必要がなく、汎用性が高い、
■安価なモニタリングシステムを構成できる、などの利
点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の基本的構成を示す斜視図、
第２図（ａ）（ｂ）は同上の平面図及び側面図、第３図
は熱流センサーを断熱カバーにより覆った実施例を示す
斜視図、第４図は熱流センサーの概略を示す原理図、第
５図及び第６図は加工工程における熱流センサーの温度
上昇特性及び熱流の変化特性を示すグラフ、第７図は熱
流計測を利用して工具の摩耗等を監視するインプロセス
モニタリングシステムの概略構成図である。 １・・・バイト ２・・・熱流センサー ３・・・バイトホルダー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）工具もしくは工具近傍に熱流センサーを配設し、
   工具の加工熱により生じる熱流を前記熱流センサーで計
   測することにより、工具の加工抵抗力や摩耗状態、欠損
   状態等の工具特性を監視することを特徴とする熱流計測
   を利用した工具のモニタリング方法。