JPS60228058A - 工具摩耗度検出装置 - 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】 （発明の分野） この発朔は、工作機械にＡ３Ｇノる工具の摩耗度を、加
工中に発生ずるアコースティック・エミッション（以下
、ΔＦという）を利用して検出するようにした工具摩耗
度検出装置に関する。

（発明の背景） 従来、工作機械例えば旋盤において、バイトの摩耗度を
検出するには、切削工程終了後に作業員がバイトの先端
を顕微鏡で観察したり、あるいは切削工程を一時中断し
てバイトの先端をタッチセンサで接触検査するのが通例
である。

しかし、最近フレキシブル・マニコフ１クチャリング・
シテスム（以下、ＦＭＡという）、ファクトリやオート
メーション（以下、ＦＡという）が盛んになるに連れ、
切削工程中にバイトの摩耗度をオンライン的に検出する
ことが要望されている。

そこで、本出願人は先に、特願昭５９−６７４７号公報
等において、工作機械の工具またはその近傍に取付番プ
られたＡＥセンサと、前記ＡＥセンサの出力を、適当な
レベルに増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力側に
設けられ、か゛つ前記工具の摩耗と強い相関のある周波
数成分を通過させるバンドパスフィルタと、前記バンド
パスフィルタの出力を整流、平滑して、工具摩耗度に対
応したレベルの直流信号を得る直流化回路とを備え、こ
の直流化回路の出力を工具摩耗度として出力するように
した工具摩耗度検出装置を出願（未公開）している。

しかしながら、このような工具摩耗度検出装置にあって
は、ＡＥ振幅平均値信号とバイトの逃げ面摩耗幅とは一
定切削条例の下では比重に強い相関関係があるが、切削
状態の変化、特に切り屑形態の変化はＡＥ振幅平均値信
号に大きな影響を与え、バイトの逃げ面摩耗幅との強い
相関関係を崩してしまうという欠点があった。

（発明の目的） この発明の目的は、例えば旋盤に適用した場合、切削工
程中に、すなわち切削工程を何等中断することなく、バ
イトの摩耗度を自動検出することができ、しかも切り屑
形態の影響を除きより信頼性の高い工具摩耗度検出装置
を提供することにある。

（発明の構成と効果） この発明は上記の目的を達成でるために、工作機械の工
具、ワークまたはその近傍に取付けられたＡＥセンサと
、前記ＡＥセセンの出力を、適当なレベルに増幅する増
幅回路と、前記増幅回路の出力側に設けられ、かつ前記
工具の摩耗と強い相関のある周波数成分を通過さけるバ
ンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力信
号を整流する整流回路と、前記整流回路の出力信号を微
小時間毎にサンプルするデータサンプリング手段と、前
記サンプルされたデータの確率密度関数の最大値をめ、
これを工具摩耗度として出力する演篩手段とからなるこ
とを特徴どするものである。

このような構成によれば、例えば旋盤に適用した場合、
切削工程中に、すなわち切削工程を何等中断覆ることな
く、バイトの摩耗度を自動検出することができることに
加え、切り屑形態が変化したとしても、これに影響を受
けることなくバイトの摩耗度を高精喰に検出することが
できる。

（実施例の説明） 第１図は、本発明ＷＡ置を旋盤に適用し、バイトの摩耗
度を検出するようにした構成を丞すブロック図である。

同図において、円筒状ワーク１は周知の如く、心押台２
とチャック３によって回転自在に保持されており、刃物
台４にはバイト５が固定され、このバイト５のシャンク
６にはへＥセンサ７が固定されている。

ＡＥセンサ７は比較的広帯域のもので、１００ｆｌ−１
ｚ〜１ＭＨＩｚのＡＥを検出可能に構成されている。

プリアンプ８は、この例ではゲイン２０ｄＢ。

帯域１００ＫＨｚ　〜ＩＭＨｚに設定され、ＡＥセンサ
７の出力を適当なレベルに増幅する。

プリアンプ８の出力側には、通過帯域を１００ＫＨｚ　
〜３００ＫＨｚ　、−２４ｄ　Ｂ１０ｃｔ　ｋ−設定さ
れたバンドパスフィルタ９が設けられており、このバン
ドパスフィルタ９によって機械振動等に伴うノイズ成分
がカットされる。

次いで、バンドパスフィルタ９を介して取り出された１
００ＫＨｚ〜３００　Ｋ　Ｈｚ成分は、平均化時定数１
　ｍ５ｅｃに設定された全波整流回路１０によって整流
される。

Ａ／Ｄ変換器１１は、全波整流回路１０の出力を、サン
プリング周期０　、１　ｍ５ｅｃ、　−１２ビツトでＡ
／Ｄ変換し、このＡ／Ｄ変換器出力はマイクロコンピュ
ータ１２へと読込まれる。

そして、マイクロコンピュータ１２においては、後述す
るシステムプログラムを実行することによ。

って、バイトの摩耗度をめ、これを例えば％によって摩
耗痕表示装置１３にデジタル表示させるほか、このバイ
ト摩耗度が所定の限界値に達した場合には、摩耗度限界
出力を外部へ出力する。　□従って、この摩耗度限界出
力に基づいて、ロボット等のハンドリング手段に指令を
与え、バイト６を自動交換させる等の適宜な制御を行な
うことができる。

次に、マイクロコンピュータ１２で実行されるシステム
プログラムの構成を、第２図のフローチャートを参照し
ながら説明する。

マイクロコンピュータ１２のＲＡＭ内には、第３図に示
す如く、一連のサンプルデータエリア×（０）　、　Ｘ
　（１）　、　Ｘ　（２＞　・−Ｘ　（Ｎ）が設４フ’
Ｅ）れており、これらの１リアは第４図に示すリンプル
データポインタＩによって指定可能になっている。

また、第５図に示す如く、マイクロコンピュータ１２の
ＲＡＭ内には、一連の確率密度データエリアＡ　（，０
）、　Ａ　（１）、　Ａ　（２＞・・・△（Ｋ）が設け
られており、これらのエリアは、各１ナンプルデータの
値によって特定されるようになされている。また、これ
ら一連のデータエリアによって確率密度関数Ａ（Ｘ（１
））がテーブルとし一〇形成されるようになっている。

また、第４図において、確率密度関数の最大値レジスタ
Ｍには、後述する演輝処理の結果、最も発生確率の高い
サンプルデータＸ　（Ｉ）に対応するサンプルデータ番
号Ｉが記憶される。

第２図のフローチャートにＪ５いて、まずステップ（１
００）では、サンプルデータエリアＸ　（０）、Ｘ（１
）、Ｘ（２）・・・Ｘ（Ｎ）および確率データエリアＡ
　（０）、　Ａ　（１）、Δ（２）・・・Δ（Ｋ）を全
てクリアするとともに、サンプルデータポインタＩをＯ
にリセットＪ゛る。

続く、ステップ（１０１）では、サンプル周期Ｔ（この
例では、０　、１　ｍ５ｅｃ）　缶にＡ／Ｄ出力をサン
プルし、これをサンプルデータエリアｘ（０）、Ｘ（１
）、Ｘ（２＞・・・Ｘ（Ｎ）に順次記憶させる。

なお、第６図は、任意の全波整流波形に対して、サンプ
ルデータポインタＩの内容と各サンプルデータＸ（１）
との関係を示すグラフである。

以後、ステップ（１０５）でナンプルデータポインタを
歩進させ、ステップ（１０２＞でサンプルデータポイン
タ■の値がＮになるまでの間、ステップ（１０３）、（
１０４）を繰り返し実行する。

すなわち、ステップ（１０３）では、サンプルデータポ
インタ！で指定されるリーンプルデータエリア×（１）
の内容を読込み、続くステップ（１０４）では、読込ま
れたサンプルデータＸ（１）の値に対応する確率データ
エリアＡ（Ｘ（Ｉ））の内容に＋１を加算する。

このようにして、ステップ（１０２）−）（１０３）→
（１０４）→（１０５）→（１０２＞を繰り返し実行す
ると、各確率データエリアには、各サンプルデータ１１
０．１．２・・・Ｋの発生頻度が形成記憶され、これに
より確率密度関数Δ（Ｘ（Ｉ））がめられる。

全てのサンプルデータについて以上の処理が終了すると
、ステップ（１０２）の実行結果はＹ　Ｉ三Ｓとなり、
続くステップ（１０６）においては、サンプルデータポ
インタ（および最大値レジスタＭをそれぞれＯにリセッ
トづる。

続くステップ（１０７）〜ステップ（１１０）では、確
率データエリアＡ　（０）、　Ａ　（１）、　Ａ（２）
・・・Ａ　（Ｋ）について、全ての記憶データの中で最
大値Ａ　（Ｘ　（Ｍ）　）がめられ、この最大値Ａ　（
Ｘ　（Ｍ）　）に対応したυンプルデータ番号ｉが最大
値レジスタＭに記憶される。

このようにして、最大値レジスタＭに最も発生頻喰の高
いデータに相当するデータ番号が記憶されると、ステッ
プ（１０７）の実行結果はＹＥＳどなり、続くステップ
（１１１）では、その値がバイトの限界摩耗度に対応し
た閾値ＫＴＨを越えでいるか否かの判定が行なわれ、こ
こでバイトの限界摩耗度を越えていると判定された場合
には、続くステップ（１１２）で摩耗限界信号出力を外
部へ送出し、続くステップ（１１３）では、バイト摩耗
度に相当する最大確率密度レジスタＭの内容を表示デー
タとして、摩耗度表示装＠１３へと送出する。これによ
り、摩耗度表示装置１３には、切削中のバイト摩耗度が
例えば％によってデジタル表示されることとなる。

次に、本発明装置の作用を第７図〜第１０図を参照して
説明する。バイトのフランク摩耗幅（Ｆｌａｎｋ　Ｗｅ
ａｒ　）とＡＥ振幅平均値ＡＥ　（ｖ　）および最大密
度ＡＥ　（Ｉｎ　）との関係を第１０図に示す。

ここで、平均値ＡＥ　（Ｖ　）は最大密度に〒（１をめ
たときと同じ条ｌで得られたデータからめたものである
。

この図から明らかなように、先に出願したΔＦ振幅平均
値△Ｉ三（ｖ）に基づく摩耗幅検出の場合、フランク摩
耗幅が２００μｍ程麿まではフランク摩耗幅に対応して
Ａ’Ｅ平均値ＡＥ（ｖ）Ｇ、ｌＬ＋リニアに変化するが
、フランク摩耗幅が２２０μｍを越えると、図中点線に
示す如く、ＡＥ平均値ＡＥ（Ｖ）は急激に増加し、この
ため、フランク摩耗幅とＡＥ平均値ＡＥ　（Ｖ　）との
相関に基づくものでは、へＥ平均値ＡＥ　（Ｖ　）に基
づいてフランク摩耗幅を正確に検出することができない
。

ここにおいて、本出願人は、このように相関関係が外れ
る原因が、切り屑形態の変化に起因するとの知見を得た
。

第７図（ａ）、第８図（ａ　）および第９図（ａ　）は
それぞれ、切り屑の形態を第７図（Ｃ）に示す円弧型、
第８図（０）に示すコイル状、第９図（Ｃ）に示す渦巻
き型に分類した場合における、へＦ信号の全波整流波形
をそれぞれ示すものである。

第７図（ａ）に示す如く、円弧状切り屑の場合、ＡＥ信
号振幅ＡＥ　（Ｖ　）は数ｍｓ毎にヒゲ状ピーク値とな
り、これは、切り屑が切断づ゛る際の突発的へＥと考え
られる。

第８図（ａ　）に示す如く、コイル状切り屑の場合は、
突発型へＦの発生頻度は円弧型切り屑の場合より低く、
コイル状切り屑の長さが長くなると、切断してその瞬間
にかなりレベルの高いＡＥが発生する。

渦巻き型切り屑の場合には、突発型ＡＥのレベルは円弧
型、コイル状に比べ著しく大きい。このように切り屑形
態が渦巻き型になると、突発型ＡＥのレベルは非常に大
ぎくなるため、これが原因でＡＥ平均１ｉ１１ＡＥ　（
Ｖ　）は急激に増大する訳である。

なお、第１０′図において、逃げ面摩耗幅が２０μｍの
ときは円弧型切り屑となり、２２０μｍ以上のときは渦
巻き型切り屑となり、その他は円弧型とコイル状の切り
屑となる。

これに対して、円弧型、コイル状および渦巻き型切り屑
について、確率密度関数における最大密度に了−（ｍ　
）について観察すると、第７図（ｂ）。

第８図（ｂ）、第９図（ｂ）にそれぞれ示ず如く、切り
屑の形態が円弧型またはコイル状から渦巻き型に変化し
たとしても、最大密度ＡＥ　（ｍ　）についてはＡＥ平
均値ＡＥ　（ｖ　）はどの極端な変動は見られない。

このため、本発明の如く突発型ＡＥの影響を取除き、逃
げ面摩耗幅と相関のある連続型ＡＥだけのレベルを取り
出すために、ＡＥの全波整流出力（ＡＥ信号振幅ＡＥ　
（ｖ　）　）の確率密度関数における最大密度ＡＥ　（
ｍ　）をめるようにすれば、第１０図に示す如く、切り
屑の形態が渦巻き型になったとしても、フランク摩耗幅
と最大密度ＡＥ（ｍ　）との間にリニアな関係を維持す
ることができ、このため精度信頼性の高いバイト摩耗度
検出装置を提供することができる。

このように、この実施例によれば、ＮＣ旋盤においてバ
イトの摩耗が進行した場合、その進行の度合を視覚的に
表示させることができるとともに、予め設定した限界摩
耗度に達した場合には、バイト交換出力を発することが
できる。

また、ＡＥを介してバイトの摩耗度を検出するため、切
削工程が何等中断することなく行なうことができ、更に
切り屑の形態が円弧型またはコイル状から渦巻き型に変
化したとしても、バイトの摩耗度を精密に検出すること
ができ、ＦＭＳ、ＦＡ等における要求を充分に満足させ
ることができる。

なお、以上は旋盤の場合で説明したが、フライス盤、ボ
ール盤、研削盤、ホーニング盤等の各種工作機械に適用
できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を旋盤のバイト摩耗度検出に適用した実
施例を示すブロック図、第２図は本発明装置のマイクロ
コンピュータで実行されるシステムプログラムの構成を
示すフローチャート、第３図はサンプルデータ記憶エリ
アの内容を示すメモリフツブ、第４図はザンブルデータ
ポインタ、最大確率密麿レジスタの内容を示すメモリン
ツブ、第５図は確率データエリアの内容を示４メモリマ
ツプ、第６図は任意の全波整流波形に対して、サンプル
データポインタＩと各ＶンブルデータＸ（１）どの関係
を示すグラフ、第７図は円弧型切り屑について、ＡＥの
全波整流波形、ＡＥ平均値。 最大重１東、および切り屑の形態を示す説明図、第８図
はコイル状切り屑について、第７図と同様な図、第９図
は渦巻き型切り屑について、第７図と同様な図、第１０
図は先に出願したＡＥ平均値によるバイト摩耗度検出方
法と、本発明に係わる確率密度関数の最大密度を利用し
たバイト摩耗度検出方法とを比べて示すグラフである。 １・・・ワーク ２・・・心神台 ３・・・チャック ４・・・刃物台 ５・・・バイト ６・・・シャンク ７・・・へＥセンサ ８・・・プリアンプ ９・・・バンドパスフィルタ １０・・・全波整流回路 １１・・・Ａ　／　Ｄ変換器 １２・・・マイクロコンピュータ １３・・・摩耗痕表示装置 特許出願人 立石電機株式会社 第３図 １　Ｘ（１）　Ｘ（１）’４ に 第４図 第５図 Ａ（Ｘ（Ｉ）） 第７図 （。）　（ｂ） ＴＩＭＥ　Ｆｎｓ （Ｃ） 第８図 ”’　（ｂ）　（ｃ） ＴＩＭＥ　ｍｓ 第９　図 （０）　（ｂ） 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）工作機械の工具、ワークまたはその近傍に取付け
   られたＡ　Ｉ三センサと； 前記ＡＥセンサの出力を、適当なレベルに増幅する増幅
   回路と； 前記増幅回路の出力側に設番ノられ、かつ前記工具の摩
   耗と強い相関のある周波数成分を通過させるバンドパス
   フィルタと： 前記バンドパスフィルタの出力信号を整流する整流回路
   と； 前記整流回路の出力信号を微小時間毎にサンプルするデ
   ータサンプリング手段と； 前記サンプルされたデータの確率密度関数の最大値をめ
   、これを工具摩耗度として出力する演棹手段とからなる
   ことを特徴とする工具摩耗度検出装置。