JPH04201159A - 回転工具の異常予知装置及びその方法 - 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） 本発明は、マシニングセンタ、旋盤、フライス盤等の工
作機械に使用される回転工具の異常予知装置に関する。

（従来の技術） 従来、ドリル、タップ、エンドミル等の回転工具により
加工物を切削加工する際に回転工具に折損、欠損、摩耗
等の異常状態が発生するのを、その発生前に予め検出す
る回転工具の異常予知装置が例えば、特開昭６２−１６
６９４８号公報により提案されている。この提案装置に
依れば、回転工具を装着したホルダに当該回転工具の切
削力を検出する検出器を備え、検出された切削力が所定
の値を超えたとき異常信号を出力する第１の比較手段と
、前記検出器で検出された切削力の切削開始時における
切削力に対する倍率が所定の値を超えたとき異常信号を
出力する第２の比較手段、および前記検出器で検出され
た切削力の変動成分が所定の値を超えたとき異常信号を
出力する第３の比較手段、ならびに前記検出器で検出さ
れた切削力の変動・成分が所定の値を超えた回数が所定
の回数を超えたとき異常信号を出力する第４の比較手段
のうちの少なくとも１つの比較手段とを備えたものであ
る。

この提案装置を第８図に示す。１は数値制御（ＮＣ）装
置で、回転工具を回転させるスピンドル等をも含む。２
はツールホルダ型の切削力検出装置である。この切削力
検出装置２にドリル等の回転工具を取り付け、切削を行
う。このときの切削力（スラストおよびトルク）は、検
出装置２内のＦＭ発信器から切削力信号として出力され
、この信号は外部の受信アンテナ３を介して増幅器４に
入力される。この信号をＡ／Ｄ変換器５でデジタル信号
に変換し、コンピュータ６で各種判定を行う。この判定
の内容は後で述べる。切削力の値が異常であると判断さ
れれば、コンピュータ６よりＤ／Ａ変換器７を介して警
報装置８に信号を送って該装置を作動せしめ、かつリモ
ートバッファ９を介してＮＣ装置１に折損回避のための
信号を送り、切削を直ちに停止せしめる。

コンピュータ６には第９図に示すような信号が入力され
る。（ａ）、（ｂ）はアルミニウム材を直径２ｍｍのド
リルで切削し、　（ｃ）、　　（ｄ）は鋼材５５０Ｃを
直径２闘のドリルで切削したときの信号であり、これら
に対しＡ、Ｂ、Ａ’　、Ｂ’　の閾値を設定し、これを
越えたときに警報装置８とＮＣ装置１に信号を出す。こ
こで閾値は種々の切削条件に応じて設定されるもので、
各種実験により求めた値や、切削開始後定常状態になっ
てからの平均値の所定倍数を閾値としたりしている。

しかしながら、閾値を決める場合に各種実験により求め
た閾値を使用すると、被削材、ドリル径、切削条件など
により無数の組合せが発生し、実際の条件にあった閾値
を得ることはむずかしく、閾値の数が多くなり、切削制
御の自動化はむずかしい。これに対して、切削開始後定
常状態になってからの切削力の平均値を求めこの平均値
の所定倍数を閾値とする方法は、閾値を大まかに決める
方法であり、自動化には適している。しかし、新品のド
リルか中古のドリルかによって切削力は大きく異なる。

特にスラストはそれが著しく、閾値設定に大きなばらつ
きがあるという問題があった。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、その目的
とするところは、使用時間等の異なるドリルであっても
、同じ被削材、同じ切削条件であれば、同じ閾値を設定
できる回転工具の異常予知装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） このような目的を達成するために本発明は、回転工具と
、この回転工具を保持するホルダと、このホルダに設け
た切削力検出器と、この切削力検出器からの信号値が所
定閾値を越えた場合に警告信号を出力する演算装置とを
備えた回転工具の異常予知装置において、前記演算装置
は、１回の切削毎に最初のスパイク信号を検出し、前記
最初のスパイク信号の検出直前の切削力の検出信号値に
基いて前記所定閾値を設定するようにしたものである。

（作用） 本発明による回転工具の異常予知装置においては、演算
装置は、１回の切削毎に最初のスパイク信号を検出し、
最初のスパイク信号の検出直前の切削力の検出信号値に
基いて所定閾値を設定する。

これにより、同じ被削材、同じ切削条件であれば、ドリ
ルの使用時間に対応した摩耗状態に拘らず、所定閾値を
同じ値とすることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。同図
において、ＮＣ装置１の主軸には切削力検出器２が取り
付けられている。増幅器４が切削力検出器２からのＦＭ
変調されたトルク、スラストを示すトルク・スラスト信
号（切削力信号）をアンテナ３を介して受信するように
配されている。

増幅器４の出力側にはローパスフィルタ１０を介してＡ
／Ｄ変換器５が接続されている。１１は演算装置として
のＣＰＵであり、該ＣＰＵＩ　１には共通バス１２を介
して前記Ａ／Ｄ変換器５の他、ＲＡＭ１３、表示器１４
、外部出力用入出力部Ｃｌ１０）１５、及び警報用入出
力部（Ｉｌｏ）１６が接続され、警報用入出力部（Ｉｌ
ｏ）１６には警報器１７が接続されている。

次に作用について説明する。切削力検出器２はトルク・
スラストを示すトルク・スラスト信号をＦＭ変調してア
ンテナ３、増幅器４に送る。ＦＭ変調信号はローパスフ
ィルタ１０でノイズ等の高周波を分離し検波され、上記
トルク・スラスト信号が得られる。このトルク・スラス
ト信号はＡ／Ｄ変換器５によりデジタル信号に変換され
てＣＰＵ１ｌに取り込まれ、その値とＣＰＵＩＩにより
設定される所定閾値とが比較され、トルク・スラスト信
号値が所定閾値を超えたときに警報用ｌ１０１６を介し
て警報信号を警報器１７に出力し、警報器１７はその警
報を表示又は音により知らせる。

次に、ＣＰＵＩＩで検出したトルク・スラスト信号例を
第２図〜第４図に示す。第２図〜第４図の特性は、鋼５
４５Ｃ調質材に直径１．５ｍｍのドリルで８ｍｍの穴を
回転数１８０Ｏｒ、ｐ、ｍ、、送り０．０５ｍｍ／ｒｅ
ｖ、であけた場合を示し、第２図は新品のドリルでの穴
あけの場合の特性図である。

第２図（ａ）、（ｂ）にａ、ｂで示すように、いくつか
のスパイク状の信萼がトルク、スラスト共発生している
。トルク信号、スラスト信号はａを過ぎた後、スパイク
状の信号がなめらかに増加しつつ発生している。第３図
（ａ）、（ｂ）は第２図のと同じ新品のドリルで切削を
何回か繰り返し、ドリルの摩耗が進行した場合の特性図
で、第２図のａと同程度の最初のスパイク状信号は、ａ
′に示す位置に発生し、その後ｂ′のようになめらかに
増加しつつスパイク信号が発生している。切削開始直後
の値は、第２図のＣと比べて第３図のＣ′の値から分か
るように、スラストで１．４倍ぐ。

らいになっている。

第４図は折損時の信号であるが、第２図、第３図と同じ
ようにスパイク状の信号が発生している。

立ち上りの信号Ｃ＃は第２図の新品の立ち上がりの信号
Ｃと比べてスラストで１．４倍、トルクで１．２倍とな
り、ｃ、ｃ’　、ｃ’を定常状態とすればその閾値も同
じ倍率でずれてくる。しかし、各切削において最初のス
パイク状の信号の発生時のａ、ａ’　、ａ’面直前トル
ク信号、スラスト信号はトルク約０．９６ｋｇｆ−ｃｍ
、スラスト２０．０ｋｇｆで、ばらつきも５％前後と安
定している。このように、最初のスパイク状信号発生の
直前においてはトルク信号、スラスト信号は安定してい
るので、ａ、ａ’　、ａ’面直前トルク、スラストの値
（平均値）を１回の切削毎に検出し、これの所定倍数を
閾値とすれば、たとえば摩耗が進み折れる直前のドリル
であっても、新品のドリルであっても、同じ閾値を設け
ることができる。

次に、所定閾値の設定方法について説明する。

第５図は、ドリルで切削を行なったときの切削力（本例
ではトルク）対切削時間の関係を示す特性図である。切
削を行なうと、ＳＰで示すようにスパイク信号（切削力
信号に比べて一定時間当りのレベル変化値及びレベル変
化の絶対値が異常に大きな信号）が発生するが、この最
初のスパイク信号に着目し、スパイク信号発生直前の切
削力を閾値設定の基準とする。この閾値はドリル折損予
知の判定に用いるものであり、切削力が上記閾値を越え
たときにＣＰＵＩＩは警報器１７を介して警報信号を出
力すると共に、外部出力用入出力部（Ｉｌｏ）１５を介
してＮＣ装置１をして直ちに切削を中止せしめる。

上記動作を第６図、第７図を用いて更に詳細に説明する
。第６図は第５図のスパイク信号ＳＰをモデル化し拡大
したもので、切削力は時間ΔｔごとにＡ／Ｄ変換器５で
サンプリングされ、データＴｒ（ｔ：）としてＲＡＭ１
３に格納される。サンプリング周期は切削力を正確に再
現するにはなるべく短い方がよいが、実際に発生するス
パイク信号は数百Ｈｚ以下であるから、波形を再現する
ためにはサンプリング周波数に換算して数Ｋ　Ｈｚあれ
ば十分である。

ここで、時刻ｔ、でのデータＴｒ（ｔ、）に着目する。

このとき処理フローを第７図を用いて説明する。切削を
開始した後、切削力検出器２により検出された切削力を
ＲＡＭ１３へ読み込む（ステップ３１）。時刻はｔｌで
あるから、読み込んだデータはＴｒ（ｔ＋）である。次
にステップ３２゜Ｓ３で、読み込んだデータからスパイ
ク信号が発生したかどうかの判定を行なう。第７図の実
施例では、ステップＳ２に示すように、現時点（時刻１
、）の切削力Ｔｒ（ｔ、）と、時刻ｊｅｔ−ｍｌからｔ
　（ニーｕまでの（ａ−１）回の切削力の偏差の絶対値
ΔＴｒ（ｔ、）を算出し、この絶対値ΔＴｒ（ｔ、）を
あらかじめ設定した値すと比較する（ステップＳ３）。

なお、上記ａもあらかじめ設定した値である。第６図に
示すように、単純に今回とその前回とのサンプリング信
号レベルの比較であれば、サンプリングが高速（サンプ
リング周期が短い）の場合には、信号レベル差はほとん
ど生じないので、サンプル数（ａ−１＞を多くする必要
がある。サンプリングが低速の場合には、サンプル数（
ａ−１）は少なくてよい。従って、サンプル数ａ−１の
ａはサンプリングの速度に応じて決定する。また、上記
設定値すは実験により決定される。スパイク信号を検出
するためには、検出切削力信号をローパスフィルタ及び
バイパスフィルタに通してスパイク信号だけを抽出し、
このスパイク信号の値とｂのような閾値とを比較するよ
うにしてもよい。

ステップＳ３でスパイク信号が発生しなかったと判定さ
れれば、ステップＳ１へ戻り、同様のループを繰り返す
。ステップＳ３でスパイク信号が発生したと判定された
ときはステップＳ４に進み、閾値Ｃを設定する。該閾値
Ｃは切削開始後最初のスパイク信号が発生した直前の（
ａ−１）回の切を用いる。この閾値Ｃ１すなわちｄは、
ドリル径、送り、回転数、ドリル材質、被削材などのパ
ラメータを考慮して決定してもよいし、切削力信号の変
化、例えば切削力信号の微分値をパラメータとして用い
てもよいし、実験から求めてもよい。ステップＳ５で、
再び切削力Ｔｒ（ｔ、）を読み込み、ステップＳ６で閾
値Ｃと比較する。Ｔｒ（ｔ＋）値が閾値Ｃを越えていれ
ばステップＳ７へ進み、切削の異常があるとして警報信
号を出力する。同時に、切削の途中であっても切削を停
止させる。また、ステップＳ６で、Ｔｒ（ｊ：、）値が
閾値Ｃを越えていないと判定されればステップＳ８へ進
み、切削が終了したか否かを判定する。切削が終了、す
なわち予定通りの穴あけが完了していれば、本プログラ
ムを終了するが、完了していなければ再びステップＳ５
へ戻り、同様のループを繰り返す。

尚、上記実施例においては最初のスパイク信号発生の直
前の信号値の平均値に所定値ｄを乗算した値を閾値Ｃと
したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば
最初のスパイク信号発生の直前の信号値の大きさに応じ
た所定値を当該信号値に加算したものを閾値としてもよ
い。

また、上記実施例の説明では、ドリルの折損事故を例示
して説明したが、ドリルに限ることはなく、タップやエ
ンドミル等の回転工具に適用できるのは明らかであり、
又、折損事故だけでなく、破損事故や摩耗の場合にも予
知が可能である。さらに、上記実施例の説明では、信号
はトルク信号を用いる例について説明したが、スラスト
信号を用いても、両信号を用いてもよい。

又、上記実施例の説明では、異常状態の予知についての
み述べたが、仮に何等かの理由により予知できない場合
があったとしても、実際に折損等の異常が発生した場合
にこれを検出できることは明らかであり、少なくとも工
作機械は充分に保護することができる。そして、工作機
械の保護に、より完全を期そうとするならば、本発明の
予知装置に加えて、別途適宜の検出システムを併用すれ
ばよい。

又、検出装置としては、必ずしもスラストおよびトルク
の両者を検出するものでなくてもよく、採用する比較手
段に応じてそのいずれか一方のみを検出する装置を用い
てもよい。又、検出装置は検出信号を無線に送受信でと
り出す構成のものを例示して説明したが、光によりとり
出す構成のものを用いてもよい。又、警報装置は必ずし
も必要ではない。

（本発明の効果） 以上説明したように本発明は、回転工具と、この回転工
具を保持するホルダと、このホルダに設けた切削力検出
器と、この切削力検出器からの信号値が所定閾値を越え
た場合に警告信号を出力する演算装置とを備えた回転工
具の異常予知装置において、前記演算装置は、１回の切
削毎に最初のスパイク信号を検出し、前記最初のスパイ
ク信号の検出直前の切削力の検出信号値に基いて前記所
定閾値を設定するようにしたことにより、同じ被削材、
同じ被削条件であれば、ドリルの摩耗状態に拘らず折損
判定のための閾値を同じ値に設定できるので、入力デー
、夕、ソフトウェア変更が不要となり、連続自動運転が
行なえる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図〜第
４図は鋼５４５Ｃ穴穿は時のスラスト・トルク特性図、
第５図、第６図及び第７図は所定閾値の設定方法を説明
するための特性図およびフローチャート、第８図は従来
の装置を示すブロック図、第９図（’ａ”）　、、”’
（ｂ）及び（ｃ）、（ｄ）はアルミニウム及び鋼５５０
Ｃのドリル切削時のスラスト・トルク°特性図である。 １・・・ＮＣ装置、２・・・切削力検出器、３・アンテ
ナ、４・・増幅器、５・・・・Ａ／Ｄ変換器、１０・・
・ローパスフィルタ、１１・・ＣＰＵ、１２・・共通ノ
くス、１３・・・ＲＡＭ、１４・・・表示部、１５・・
・外部出力用Ｉ１０．１６・・警報用Ｉ１０．１７・・
・警告器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、回転工具と、この回転工具を保持するホルダと、こ
   のホルダに設けた切削力検出器と、この切削力検出器か
   らの信号値が所定閾値を越えた場合に警告信号を出力す
   る演算装置とを備えた回転工具の異常予知装置において
   、前記演算装置は、１回の切削毎に最初のスパイク信号
   を検出し、前記最初のスパイク信号の検出直前の切削力
   の検出信号値に基いて前記所定閾値を設定することを特
   徴する回転工具の異常予知装置。