JPH055620B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は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イツク
エミツシヨン（以下AEという）を利用して監視、
自動検出する工具折損検出装置に関するものであ
る。

〔発明の概要〕

本発明は工具に対応した形状の取付部を有し、
折損時と同一レベルで且つ折損時に得られるAE
信号の周波数を含む擬似AE信号を発生する擬似
AE信号発生手段を工作機械の工具取付位置に取
付けると共に、工具支持部にAEセンサを設けて
いる。こうして取付けた擬似AE信号発生手段を
用いてAEセンサ感度を調整すれば、工具の折損
時にも擬似AE信号と同一の伝達経路によつてAE
信号が伝わるため、AEセンサの感度調整が確実
となり信頼性の高い工具折損検出装置とすること
ができる。

〔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信号に基
づいて工具の折損を検出する装置が提案されてい
る。

しかしながら従来の工具折損検出装置によれ
ば、ワークの近傍にAEセンサが設けられるため
その取付位置によつてAE信号のレベルが大幅に
異なる。そのため従来の工具折損検出装置では
AEセンサの感度を工具の大きさに応じてあらか
じめ定められた標準値に設定し、個々の工作機械
の工具、AEセンサ間の減衰率を試行錯誤で補正
していた。しかるに工具の折損時のAE信号は折
損時にしか得られないのでAEセンサの取付位置
や取付状態の確認が難しく、工具の折損を確実に
検出することが困難であつた。更に工具の種類、
例えばドリル径を変更した時や回転速度等の切削
条件を異ならせたとき、更に形状材質の異なるワ
ーク毎にAE信号のレベルが異なるため、調整が
困難であり使い難く信頼性に問題があるという欠
点があつた。

〔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つて、AEセン
サの感度をワークの形状や材質、表面状態に依存
することなく極めて容易に設定することができる
使い易い工具折損検出装置を提供することを目的
とする。

〔発明の構成と効果〕

本発明は工作機械の工具支持部に設けられた
AEセンサを有し、工具の折損時に得られるAE信
号に基づいて折損を検出する工具折損検出装置で
あつて、工具の取付位置に取付けられる工具の形
状に対応した形状の取付部を有し、工具の折損時
に得られるAE信号の周波数を含み工具の種類に
応じた所定のレベルの擬似AE信号を発生する擬
似AE信号発生手段と、AEセンサの出力レベルを
表示する表示器と、AEセンサの感度を設定する
感度設定手段と、を具備し、該擬似AE信号発生
手段を工具の取付位置に取付けた際に得られる擬
似AE信号に基づいてAEセンサの感度を設定する
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、工作
機械による加工を行う前にあらかじめ擬似AE信
号発生手段により工具の折損時の擬似AE信号を
発生させてAEセンサの感度を調整することがで
きる。このとき工作機械の工具取付部に擬似AE
信号発生手段を設け、工具支持部にAEセンサを
設けるようにしている。従つて擬似AE信号発生
手段より擬似AE信号を発生させれば、工具の折
損時に伝わるAE信号と同一の伝達経路によつて
擬似AE信号がAEセンサに伝わる。このとき適正
な信号が得られるようにAEセンサの感度を調整
する。そうすれば極めて容易にAEセンサの取付
位置や感度を最適に調整することができる。

こうして調整を終えた後工具を取付ければ工具
の折損時には擬似AE信号と同一の経路によつて
AE信号がAEセンサに伝えられる。そのためワー
ク１の種類、形状や表面状態及び材質に影響され
ることはなく、工具からAEセンサまでのAE信号
の減衰等の影響を受けることもないので、工具の
折損検出の信頼性を大幅に向上させることが可能
となり使い易い工具折損検出装置とすることがで
きる。

〔実施例の説明〕

第１図は本発明による工具折損検出装置の一実
施例を示すブロツク図である。本実施例はボール
盤に取付けられた状態を示すものであつて、ワー
ク１はボール盤のベース２上に固定されており上
部よりドリル支持部３にドリルを取付けてワーク
に開口が設けられる。ここでワークに切削を行う
前にドリル支持部３のドリル取付位置に擬似AE
信号発生器４が取付けられる。擬似AE信号発生
器４は後述するように工具の折損時のAE出力波
形と相似で、且つ同一パワースペクトル分布を持
つ擬似AE信号を発生するものである。そしてド
リル支持部３の側面には図示のようにAEセンサ
５が設けられる。AEセンサ５はドリル等の工具
からのAE信号や擬似AE信号発生器４からのAE
信号を検出する広帯域のAEセンサであつて、そ
の出力はアナログスイツチ６に与えられる。アナ
ログスイツチ６は外部の出力によつてアナログス
信号を断続するもので、その出力は増幅器７に与
えられる。増幅器７は可変抵抗器８の調整により
増幅率を任意に設定することができる増幅器であ
つて、その出力を二つのバンドパスフイルタ９，
１０及び切削レベル表示器１１に与えるものであ
る。バンドパスフイルタ９は中心周波数300KHz、
バンドパスフイルタ１０は中心周波数50KHzのフ
イルタであつて、夫々の中心周波数付近の信号の
みを次段の検波器１２，１３に伝える。検波器１
２，１３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つて、検波器１２の出力は
微分回路１４に、検波器１２，１３の出力は夫々
比較器１５に与えられる。これらのバンドパスフ
イルタ９，１０、検波器１２，１３及び比較器１
５により折損時のAE信号を識別する周波数識別
手段を形成している。微分回路１４は入力信号の
急峻な変化分のみを次段のレベル判定器１６及び
折損・異常レベル表示器１７に伝える。レベル判
定器１６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１８と異常切削検出回路１９に伝え
る。又比較器１５は検波器１２，１３の出力を比
較し、検波器１２の出力が大きい場合にのみ出力
を折損検出回路１８に伝える。折損検出回路１８
はこれらの入力の論理積をとつて工具の折損を検
出する論理回路であつて、検出信号によつてアナ
ログスイツチ６を閉成すると共に出力回路２０を
介して外部に出力する。又異常切削検出回路１９
はレベル判定器１６の出力に基づいて異常切削を
検出するものであつて、その出力を出力回路２１
を介して外部に伝えるものである。

第２図は擬似AE信号発生器４の一例を示す断
面図であり、第３図はその電気的構成を示すブロ
ツク図である。これらの図において擬似AE信号
発生器４の筐体３０内には、バツテリー３１が設
けられている。又その側部には発生するAE信号
のレベルを選択する選択スイツチ３２が設けられ
ており、そのスイツチ出力と電源とが駆動回路３
３に加えられる。駆動回路３３は第３図に示すよ
うに所定のタイミングで方形波のクロツク信号を
発生するクロツク発生器３４とその出力を微分す
る微分回路３５が設けられる。微分回路３５は略
三角波状の出力を発生させるものであり、その出
力は乗算器３６に与えられる。又駆動回路３３は
一様な周波数分布を有するホワイトノイズを発生
するノイズ発生器３７と、そのノイズ出力から周
波数300KHz付近の信号のみを取出すバンドパス
フイルタ３８が設けられており、バンドパスフイ
ルタ３８の出力と微分回路３５の出力が乗算器３
６によつて乗算される。そうすれば乗算器３６よ
り微分回路３５の微分出力が包絡線となつた擬似
AE信号が発生する。乗算器３６の出力は増幅器
３９によりレベル選択スイツチ３２によつて選択
された増幅率で増幅される。そしてその増幅出力
はケース３０の内面上部に貼付けられた圧電素子
４０に与えられる。圧電素子４０は与えられた電
気信号をそれに対応する機械振動に変換するもの
であつて、擬似AE信号を工作機械の工具支持部
に伝えるものである。擬似AE信号発生器４のケ
ース３０の上部はAE信号を容易に伝達する金属
部材が用いられており、その上部は使用されるド
リル径に対応して一定の径を有する円筒部材４１
を上方に突出させるようにしている。

第４図は類似AE信号発生器４を工具支持部に
取付けた状態を示す部分断面図である。本図にお
いて工具支持部３は主軸５１が図示しないベアリ
ング部によつて回転自在に保持されており、その
主軸５１の先端にドリルを取付けるチヤツク５２
が設けられる。通常チヤツク５２の先端には所望
の径のドリルが取付けられるが、この工具折損検
出装置を動作させる際にはまずAEセンサ５の感
度調整のためにドリルの取付位置に前述した擬似
AE信号発生器４の上部円筒部材４１を固定する。
AEセンサ５は図示のように工具支持部３の側面
に取付けるものとする。

次に本実施例の工具折損検出装置を工作機械に
設置する際の操作について説明する。まず擬似
AE信号発生器４をチヤツク５２に取付けた後用
いる工具の種類、例えばドリル径に応じてレベル
設定スイツチ３２を操作して擬似AE信号レベル
を設定する。そして擬似AE信号発生器４を動作
させた後工作機械を駆動する。擬似AE信号発生
器４は内部にバツテリー３１を有しているので、
外部から電力を供給することなく動作する。従つ
て主軸５１を回転させれば実際の工具の動作状態
に近い状態で擬似AE信号を得ることができる。
このときAE信号を増幅する増幅器７の可変抵抗
器８によつて切削レベル表示器１１の表示が所定
レベルとなるようにその増幅率を調整する。これ
を使用する工具毎に設定すれば、AEセンサ５の
感度、即ち増幅器７の出力が一定レベルとなるよ
うに調整することが可能となる。このとき擬似
AE信号は主軸５１から工具支持部３を通つてAE
センサ５に伝えられるが、チヤツク５２にドリル
を取付けた際にもドリルの折損時に同一の伝達経
路によつてAE信号が伝わるので、ワークの形状
や材質に影響されることがない。従つて工具の折
損時には擬似AE信号のAE出力と同一レベルの信
号が信号処理部に伝えられる。

さて通常の切削加工時にAEセンサ５より与え
られるAE信号のパワースペクトルの分布は第５
図の曲線ｂ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
衰する分布となつている。。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５図の曲線ａにより表され、周波数
300KHz付近にピークを持つことが明らかとなつ
ている。これは信号源が機械的振動を原因とする
ものでなく、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。従つて
二つのバンドパスフイルタ９，１０により夫々の
周波数成分付近のAE信号のみを取出して検波器
１２，１３により検波し、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。即ち通常の切削時には周波数
50KHz付近のAE信号のパワーが周波数周波数
300KHz付近のパワーより大きく、工具の折損時
には300KHz付近のパワーが周波数50KHz付近の
パワーより大きいからである。比較器１５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１８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
接触や摩擦によつて第５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イルタ９，１０
の中心周波数やＱの値、及び比較器１５のスレツ
シユ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
損信号と誤つて判断することがある。従つて本実
施例においては工具の折損時に見られるAE信号
の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６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つており、一方切屑と工具や
ワークの接触、摩擦によつて発生するAE信号は
第６図ｂに示すように鋭い立上りを示さず所定期
間信号が継続する波形となつている。従つて第１
図のブロツク図に示すように検波器１２の出力を
微分回路１４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１６に与える。そしてそ
の入力レベルを所定の基準値と比較し、急峻な立
上りのAE信号が得られたときにレベル判定器１
６より折損検出回路１８に信号を与える。折損検
出回路１８はこれらの論理積信号によつて工具の
折損を検出する。このように周波数領域の折損検
出と時間領域の折損検出の両者を組み合わせるこ
とによつて確実に工具の折損のみを検出すること
が可能となる。

このようにして工具の折損のみを検出すれば出
力回路１９より折損出力を与えると共に、アナロ
グスイツチ６をオフとして以後AE信号を増幅器
７に伝えないようにしている。これは工具の折損
後に発生する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信号を更に折損
と判定しないようにするためである。又第１図の
ブロツク図に示すように増幅器７の出力をそのま
ま切削レベル表示器１１により表示し切削レベル
を示しており、更に切屑とワークとの異常な接触
摩擦状態を工具の折損、通常の加工信号として分
離することが可能である。レベル判定器１６の出
力により異常切削検出器１９を介して出力回路２
２より異常切削出力を外部に与えているので、異
常切削を同時に検出することも可能となる。

尚本実施例は擬似AE信号発生器にレベル設定
用のスイツチを設け、工具の種類に応じて設定ス
イツチを適宜設定することによつて基準レベルの
擬似AE信号を発生するようにしているが、各工
具の種類毎に所定レベルを有する擬似AE信号発
生器を用いることも可能である。

又本実施例はボール盤のドリル折損検出装置に
ついて説明しているが、本発明は他の工作機械、
例えば旋盤やフライス盤等の種々の工作機械に適
用することが可能である。

【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
施例を示すブロツク図、第２図は本実施例による
擬似AE信号発生器４の断面図、第３図はその電
気的構成を示すブロツク図、第４図は擬似AE信
号発生器４とAEセンサ５とを工作機械に取付け
た状態を示す側面図、第５図はAEセンサ５より
得られるAE信号のパワースペクトルを示す図、
第６図ａは工具折損時に得られるAE信号波形、
第６図ｂは切屑が生じる場合に得られるAE信号
波形を示す図である。 １……ワーク、２……ドリル、３……工具支持
部、４……擬似AE信号発生器、５……AEセン
サ、７……アナログスイツチ、７……増幅器、
９，１０……バンドパスフイルタ、１２，１３…
…検波器、１４……微分回路、１５……比較器、
１６……レベル判定器、１８……折損検出回路、
２０，２１……出力回路、３０……ケース、３１
……バツテリー、３２……レベル設定スイツチ、
３３……駆動回路、４０……圧電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 工作機械の工具支持部に設けられたAEセン
   サを有し、工具の折損時に得られるAE信号に基
   づいて折損を検出する工具折損検出装置におい
   て、 工具の取付位置に取付られる工具の形状に対応
   した形状の取付部を有し、工具の折損時に得られ
   るAE信号の周波数を含み工具の種類に応じた所
   定のレベルの擬似AE信号を発生する擬似AE信号
   発生手段と、 前記AEセンサの出力レベルを表示する表示器
   と、 前記AEセンサの感度を設定する感度設定手段
   と、を具備し、 該擬似AE信号発生手段を工具の取付位置に取
   付けた際に得られる擬似AE信号に基づいて前記
   AEセンサの感度を設定することを特徴とする工
   具折損検出装置。 ２ 前記擬似AE信号発生手段は、内部に電源を
   有し工作機械の駆動時に擬似AE信号を発生する
   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装置。 ３ 前記擬似AE信号発生手段は、工具の種類に
   応じたAE信号レベルを設定するレベル設定手段
   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装置。