JPS6059108B2 - 工作機の異常監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、工作機の異常運転を速やかに検出するための
工作機の異常監視装置に関するものである。

近年、材料の加工作業を省力化してゆくため、あらかじ
め定めたプログラムに従い、材料の加工を進めるよう工
作機を自動運転することが行なわれている。

この場合、工作機が正常な運転を続け重大事故を引き起
すことがないよう常に監視していなければならない。例
えば切削機では、バイトの摩耗が進むと極めて大きな振
動が発生する。また、バイトのチップが欠けたり、バイ
トが折れた場合はバイトが被加工物にかみ合い極めて大
きな応力が発生する。このようなことが起きると被加工
物が不良になるばかりでなく工作機自身も大きな被害を
受けることになる。そこで従来から、このような工作機
の異常状態を検出し、重大事故を未然に防ぐためにさま
ざまな監視装置が考えられている。これの例を上げると
、あるものは工作機の駆動電動機の流入電流を常に監視
し、所定以上の電流が流れた場合、電源を遮断し駆動電
動機を止めていた。また、あるものは工作機にマイクロ
ホンあるいは振動検出子を取付け、加工作業時に異常音
あるいは規定以上の振動が発生したとき、バイトの送り
を止めるようにしていた。しかし、従来の監視装置では
工作機の正常運転と異常運転の判別が難しく、また、加
工作業以外のことが原因て異常値を検出することが多く
、異常検出動作の信頼性に欠けるものであつた。そこで
本発明は、信頼性の極めて高い動作を行．なう工作機の
異常監視装置を提供するものてある。

また、本発明の他の目的は複数個の切削工具を備えた工
作機であつても、各切削工具に適した監視を行なうこと
のできる工作機の異常監視装置を！提供するものてある
。

さらに、本発明の他の目的は異常検出のための比較の基
準となる標準的な値を容易に記憶することのてきる工作
機の異常監視装置を提供するものである。

すなわち本発明は、複数個の切削工具を備えた工作機に
おいて、この工作機の駆動電動機の消費電力を検出する
電力検出手段と、工作機の切削工具によつて生じる振動
方向に合わせ、これの振動を検出する複数個の振動検出
子を設けると共に、切削工具によつて生じる振動方向に
合わせて最も適切な方向に配置した振動検出子を選択す
る振動検出手段と、工作機が正常な切削を続けていると
きの標準的な消費電力値を記憶する電力記憶手段と、工
作機が正常な切削を続けているときの標準的な振動値を
記憶する振動記憶手段と、工作機が切削運転を行なつて
いるとき電力検出手段により検出した検出値と電力記憶
手段に記憶した記憶値フを比べ、この差があらかじめ定
めた値以上になつたとき、信号を発する第１の比較手段
と、工作機が切削運転を行なつているとき、振動検出手
段により検出した検出値と振動記憶手段に記憶した記憶
値とを比べ、この差があらかじめ定めた値以上：になつ
たとき、信号を発する第２の比較手段と、第１の比較手
段と第２の比較手段の少なくともどちらか一方よりあら
かじめ定めた一定時限以上の信号が続いたとき、この信
号を受けて工作機の警護動作を行なう警護手段とを備え
てなる工作機の・異常監視装置を提供するものであり、
本発明は極めて信頼性の高い異常信号を得るようにした
ものである。

以下、実施例を詳しく説明してゆく。

実施例は一般的にＮＣ旋盤と呼ばれる工作機に本発明を
実施したものである。まず、このＮＣ旋盤１の概略を第
３図により説明する。２は円板状の被加工物であり、図
示しないチャックにより固定してい・る。

この被加工物２は端面を平らに切削した後、中心にねじ
穴を明けるようＮＣ旋盤１のプログラムが組まれている
。３は刃物台であり、バイト４あるいはドリル５等の切
削工具を複数個備えている。

６は刃物台３を回転し、必要な切削工具を選び出し固定
するためのクランプ装置である。

すなわち、このように構成したＮＣ旋盤１はあらかじめ
定めたプログラムに従つて必要な切削工具を選択し、例
えは荒削り、中削り、仕上け削り、穴明け、タップ立て
と自動的に被加工物２の加工を行なつてゆく。７はＮＣ
旋盤１に取付けた振動検出器である。

次に第１図によつて、更に説明を加える。８ｘ，８ｙは
振動検出器７を構成する２個の振動検出子であり、これ
らの振動検出子８ｘ，８ｙは一方向の振動を効果的に検
出するピエゾ式のものを用意すれば良い。

この２個の振動検出子８ｘ，８ｙを設けるのは次の理由
による。すなわち、切削工具にバイト４を選んだときと
、ドリル５を選んだときでは振動モーメントの方向が異
なるからである。切削工具としてバイト４を選んだとき
、バイト４の摩耗により発生する振動モーメントは切削
点において被加工物２の移動方向、つまり第３図におい
てａ方向となる。この振動モーメントａは刃物台３の回
転軸をＸとすれば、これの回転方向ｂに振動する振動モ
ーメントとなる。振動モーメントｂはクランプ装置６を
伝つて回転軸Ｘを中心として回転する振動モーメントＣ
となり、振動検出器７を設けたボディ９上ではｙ方向の
振動モーメントとなつて表われる。一方、切削工具とし
てドリル５を選んだとき、ドリル５の摩耗により発生す
る振動モーメントは切削点においてドリル５の送り方向
、つまり第３図においてｄ方向となる。この振動モーメ
ントｄは刃物台３を軸方向Ｘに振動させる振動モーメン
トｅとなる。振動モーメントｅはクランプ装置６を伝つ
て回転軸Ｘ方向に振動する振動モーメントとなり、振動
検出器７を設けたボディ９上にＸ方向の振動モーメント
となつて表われる。１０ｘ，１０ｙは振動検出子８ｘ，
８ｙの検出信号を増幅する増幅器、１１は被加工物２の
あらかじめ定めた加工のプログラムを納めたＮＣ旋盤１
の制御盤、１２は電力検出器であり、ＮＣ旋盤１の図示
しない駆動電動機の消費電力を検出するためのものであ
る。

１３は切削信号発生器てあり、制御盤１１からの工具選
択信号とクランプ装置６が閉じたときに発するクランプ
完了信号を受け、切削工具の種類に応じて２個の振動検
出子８ｘ，８ｙのどちらかを選択する選択スイッチ１３
ｓを閉じる。

また、同時に切削信号発生器１３は監視動作開始のため
の信号を発する。１４はサンプリングパルス発生器であ
り、振動検出器７あるいは電力検出器１２の検出値を取
り込むためのサンプリングパルスを発する。

１５はＮＣ旋盤１が正常な切削運転を行なつているとき
の駆動電動機の標準的な消費電力値を記憶しておく電力
メモリ、１６は同じくＮＣ旋盤１が正常な切削運転を行
なつているときの標準的な振動値を記憶しておく振動メ
モリである。

１７は切削信号発生器１３の信号を遅延して伝えるため
の遅延回路であり、切削工具の選択時に生ずる消費電力
あるいは振動の検出値の不安定な時期を避けるためのも
のである。

１８はＡ−Ｄ変換器であり遅延回路１７の出力信号を受
けているとき、電力検出器１２が検出したアナログ値を
サンプリングパルス発生器１４のサンプリングパルスに
同期してデジタル値に変換した出力信号を発する。

１９は同じくＡ−Ｄ変換器であり、振動検出器７の検出
したアナログ値をサンプリングパルスに同期してデジタ
ル値に変換した出力信号を発する。

２０はサンプリングパルスを取り込み一定周期毎に分周
パルスを発生する分周器である。

２１は比較器であり、電力メモリ１５の記憶値とＡ−Ｄ
変換器１８の出力値とを分周器２０の分周パルス毎に比
較してゆくものである。

更に説明すると比較器２１は分周パルス間隔毎に入力し
た電力メモリ１５の記憶値とＡ−Ｄ変換器１８の出力信
号の平均値を割り出し、分周パルス毎に比較を続け、例
えば両者の間に２０％以上の開きが生じたとき出力信号
を発する。２２は同じく比較器であり、分周パルス間隔
毎に入力した振動メモｌ川６の記憶値とＡ−Ｄ変換器１
９の出力信号の平均値を割り出し分周パルス毎に比較を
続け、例えば両者の間に２０％以上の開きが生じたとき
出力信号を発する。

２３はアンド回路であり、両比較器２１，２２より同時
に信号が入つた時、出力信号を発する。

２４はアンド回路２３の出力により附勢するリレーであ
り、このリレー２４によりランプやブザーが警報を発し
たり、ＮＣ旋盤１の刃物台３の送りを停止するなどの保
護動作を行なう。

２５は比較器であり、電力メモリ１５の記憶値とＡ−Ｄ
変換器１８の出力信号をサンプリングパルス毎に取り込
゛んで比較し、例えば両者の間に１０％以上の開きが生
じたとき出力信号を発する。

２６は同じように比較器であり、振動メモ！川６の記憶
値とＡ−Ｄ変換器１９の出力信号をサンプリングパルス
毎に比較し、例えば両者の間に１０％以上の開きが生じ
・たとき、出力信号を発する。

２７はオア回路であり、少なくとも両比較器２５，２６
のどちらかよりの入力信号を受けて出力信号を発する。

２８は時限回路であり、オア回路２７からあらかじめ定
めた一定期間、例えば分周パルスの間隔よりも若）干長
い時間入力信号が続いたとき出力信号を発する。２９は
リレーであり、時限回路２８の出力信号を受けてランプ
やブザーにより警報を発したり、ＮＣ旋盤１の刃物台３
の送りを停止するなどの保護動作を行なう。

次にこのように構成したものの動作を第２図により説明
する。

まず、被加工物２をチャックで固定し制御盤１１を操作
すると、ＮＣ旋盤１はあらかじめ檜定したプログラム通
りの動作を始める。第２図において、それぞれ左端に示
す数字は、この数字と対応する各構成要素の出力信号の
波形を示すことを意味する。時間Ｔ１において駆動電動
機を電源に投入すると、被加工物２は回転を始める。こ
の始動時のショックによる消費電力の上昇およびボディ
９の振動の状態を期間ｔ１にて示す。駆動電動機の始動
が完了すれば、時間Ｔ２において制御盤１１よりの信号
で刃物台３が回転し、最初に必要な荒削り用のバイト４
を選択してクランプ装置６を閉じる。クランプ装置６が
閉じるとＮＣ旋盤１は刃物台３を送りバイト４を被加工
物２に近づけ、切削運転に入る。これと同時に、切削信
号発生器１３は工具選択信号とクランプ完了信号を受け
、バイト４の振動を検出するのに適切な振動検出子８ｙ
を選ぶよう選択スイッチ１３ｓを増幅器１０ｙ側に閉じ
る。時間Ｔ２の前後に示す期間Ｔ２は駆動電動機の無負
荷運転状態を表わす。続いて遅延回路１７は切削工具の
選択時の不安定な時期を避け、時間Ｔ２からあらかじめ
定めた期間Ｔ３だけ遅れた、時間Ｔ３に出力信号を発す
る。時間Ｔ３になるとバイト４は被加工物２に当たり切
削が始まる。遅延回路１７の出力信号を受けて電力メモ
リ１５および振動メモリ１６は切削時間の経過に従つて
記憶している記憶値を出力する。同時に電力検出器１２
、振動検出器７によつてそれぞれ検出した検出値がサン
プリングパルス．毎にＡ−Ｄ変換器１８，１９に取り込
まれる。期間ζは被加工物２の荒削りが完了する、時間
Ｔ４までの切削運転期間を示す。すなわち期間ζにおい
て、実線Ａ，Ｂは正常な切削運転が行なわれている場合
の標準的な消費電力値および標準的な振動！値を示すも
のてあり、これと同じ消費電力値および振動値がそれぞ
れ電力メモ？川５および振動メモＩ川６にデジタル的に
記憶されている。今、被加工物２およびバイト４に何の
問題もなく正常な切削運転を続けているとき、比較器２
１，２２，・２５，２６には出力信号が現れずリレー２
４，２９は動作しない。次に、切削運転が繰返され、バ
イト４の摩耗が進むとバイト４の振動はしだいに大きく
なる。また、切削抵抗が増すため駆動電動機の消費電力
も増加する。期間Ｔ，においてバイト４が摩耗したため
に生じた消費電力値および振動の増加を点線Ｃ，Ｄおよ
び期間Ｔ，で示す。この増加した検出器はＡ−Ｄ変換器
１８，１９を通じ、比較器２１，２２に取り込まれる。
すると比較器２１，２２はこれらの検出値の分周パルス
間隔毎の平均値を、電力メモＩ川５、振動メモリ１６の
記憶値の分周パルス間隔毎の平均値と比べ、両者の間に
例えば、２０％以上の開きが生じると出力信ノ号を発す
る。両比較器２１，２２の出力信号がアンド回路２３を
介してリレー２４に入ると、リレー２４は附勢する。リ
レー２４の附勢により図示しないランプあるいはブザー
は警報を発する。また、駆動電動機を電源から切り離し
、被加工物２・の回転や刃物台３の送りを止める。この
とき、検出値の異常な期間Ｔ５が時限回路２８のあらか
じめ定めた期間！より長く続けば、比較器２５，２６よ
りの出力信号を受け、同じようにリレー２９も附勢する
。このように消費電力および振動の両面”に異常が生じ
た場合を、ＮＣ旋盤１の異常運転とすれば、外乱による
影響がなく信頼性の高い異常検出を行なうことができる
。ここで消費電力あるいは振動のどちらかだけに異常値
が検出される例として、他の工作機が始動したために生
じる急激な電源電圧の変動、あるいは工場内にある物品
の衝突から生じるパルス的な振動などが上げられる。次
に消費電力あるいは振動の一方のみに異常値が検出され
るような場合を説明する。

ここで、消費電力のみが変化するものとして、駆動電動
機の絶縁不良による消費電力の増加、あるいは巻線の一
部断線による消費電力の低下などがある。一方、振動の
みが増加する例として、バイト４のチップが一部欠けた
ときなどが上げられる。今、ＮＣ旋盤１の切削運転中に
、バイト４の振動だけが振動メモｌ川６に記憶している
記憶値より１０％程度増加したときを検討する。この異
常値Ｅを期間ちで示す。検出値の増加が記憶値の１０％
程度であれば比較器２２は出力信号を発せす、勿論リレ
ー２４も附勢しない。これに対し、比較器２６はサンプ
リングパルス毎に取り込む検出値が振動メモリ１６の記
憶値の１０％を越えると、出力信号を発する。オア回路
２７を介して時限回路２８に入る比較器２６の出力信号
があらかじめ定めた時限回路２８の設定時間Ｔ６以上続
くと、時限回路２８は出力信号を発し、リレー２９を附
勢する。リレー２９の附勢により前記と同様にＮＣ旋盤
１の警護動作が行なわれる。このうに時限回路２δを通
してＮＣ旋盤１の異常の検出を行なえば、外乱に影響さ
れない信頼性を高めた異常検出を行なうことができる。
第２図の期間ζにおいて異常な振動Ｄ，Ｅの検出値は中
心線に対して、ほぼ対称的な値になるものであるが、説
明の関係上、中心線の上下でそれぞれ別個の現像を表わ
した。

更に、図には示されないが、バイト４のチップが欠けた
ような場合に、振動と消費電力の異常値が同時ではなく
段階的に発生することがある。このときは、比較器２５
，２６の出力信号がオア回路２７を介し、時限回路２８
で加算され、時限回路２８のあらかじめ定めた期間Ｔ６
以上になるとリレー２９を附勢し、前記と同様な警護動
作が行なわれる。リレー２４，２９が附勢した段階で、
バイト４の交換あるいは駆動電動機その他の修理が終る
と、リレー２４，２９の附勢を解き、再び切削運転を続
ける。また制御盤１１よりあらかじめ定めたプログラム
が完了（荒削りが完了）したどを知らせる信号が切削信
号発生器１３に入ると、切削信号発生器１３は出力信号
の発生を終る。すると遅延回路１７の出力信号が消え、
電力メモリ１５、振動メモリ１６の記憶値の読み出し、
および検出値の取り込みは完了する。引き続いて、制御
盤１１内のプログラムに従い、刃物台３を回転し、必要
な切削工具を選択し、前記と同様中削り、仕上げ削りを
行なう。更にプログラム通り切削加工を続けドリル５を
選択すると、切削信号発生器１３は制御盤１１からの工
具選択信号を受け、ドリル５の振動を検出するのに適切
な振動検出子８ｘを選ふため、選択スイッチ１３ｓを増
幅器１０ｘ側に閉じる。この後、プログラムに従い穴明
け、タップ立てを行なうと被加工物２の切削加工は終了
する。前記した実施例においてバイト４あるいはドリル
５などの切削工具を複数個備えたＮＣ旋盤１について説
明したが、本発明はこれに限らず多軸ボール盤、その他
の工作機、例えばマシニングセンタなどに応用すること
もできる。また実施例では振動検出器７をＸ．５Ｙの軸
方向に感応するよう２個のピエゾ式の振動検出子８ｘ，
８ｙを設けたが、これは切削刃の種類や発生する振動の
方向に合わせて、３個以上の振動検出子を設けることも
できる。また、ピエゾ式ばかりでなく被加工物の材質に
よつては電磁式、その他の形式の振動検出子が使用可能
になる。また、実施例においては、比較器２１，２２の
検出幅を記憶値に対し検出値が±２０％以上に変動した
とき、また比較器２５，２６の検出幅を記憶値に対し検
出値力壮１０％以上に変動したとき、それぞれ出力信号
を発するように設定した。しかし、これは工作機の種類
、被加工物の形状、切削工具の種類、切削条件などによ
つて、プラス方向の幅（例えば＋５％、＋１０％、＋１
５％、 ・・・・）およびマイナス方向の幅（例えば
−１０％、−２０％、・ ・・・・・）を自由に選択す
ることができる。また、実施例では時限要素２８として
、オア回路２７からの入力信号が期間！以上続いたとき
、出力信号を発するように設定したが、これは切削条件
に応じて適当な期間を定めれば良い。また、この時限要
素２８に外乱による信号が繰返し加算されてゆくと誤動
作の原因となるので、適当な周期あるいは条件で入力値
をリセットしてゆくことも考えられる。更に、前記実施
例ではＮＣ旋盤１の監視を２組の比較器２１と２２、比
較器２５と２６による出力信号を基に行なつたが、これ
はどちらか一方のみを実施することもできるし、また、
記憶値と検出値が異なる他の比較器を並列的に組み合わ
せ、一層効果的な異常監視装置を得ることもできる。更
に、本発明において、全切削運動を監視することも可能
であるが、１バイトが欠けたり、ドリルが折れるなどの
事故は、被加工物の最初の荒削りあるいは穴明け時に多
いことから、ここだけ重点的に監視するのも良い。更に
また、前記実施例では、あらかじめ測定し・てあつたデ
ータを電力メモリ１５あるいは振動メモリ１６にセット
したが、これは次のようにすることもできる。

すなわち、あらかじめ定めたプログラムに従つて被加工
物を切削してゆく工作機においては、同じ仕様のものを
繰返し加工してゆくフことが多い。そして、新しいワー
クのロッドと交換する準備として、工作機の整備・点検
を行ない新しい（摩耗の少ない）切削工具に取り替える
のが普通である。したがつて、切削作業を始めるに当つ
て、まず、ロッドの最初の被加工物を切削している時の
消費電力値および振動値を取り込んで記憶し、この記憶
値を次の被加工物の切削作業時の検出値と比較してゆく
ようにすれば良い。これには第１図に示す実施例におい
て、Ａ−Ｄ変換器１８，１９の出力信号をそれぞれ電力
メモリ１５、振動メモリ１６に取り込み、切削時間の経
過に従つて記憶してゆくのが簡単である。以上の説明か
ら明かなように、本発明は複数個の切削工具を備えた工
作機において、この工作機の駆動電動機の消費電力を検
出する電力検出手段と、工作機の切削工具によつて生じ
る振動方向に合わせ、これの振動を検出する複数個の振
動検出子を設けると共に、切削工具によつて生じる振動
方向に合わせて最も適切な方向に配置した振動検出子を
選択する振動検出手段と、工作機が正常な切削を続けて
いるときの標準的な消費電力値を記憶する電力記憶手段
と、工作機が正常な切削を続けているときの標準的な振
動値を記憶する振動記憶手段と工作機が切削運転を行な
つているとき電力検出手段により検出した検出値と電力
記憶手段に記憶した記憶値を比べ、この差があらかじめ
定めた値以上になつたとき、信号を発する第１の比較手
段と、工作機が切削運転を行なつているとき、振動検出
手段により検出した検出値と振動記憶手段に記憶した記
憶値とを比べ、この差があらかじめ定めた値以上になつ
たとき、信号を発する第２の比較手段と、第１の比較手
段と第２の比較手段の少なくともどちらか一方よりあら
かじめ定めた一定時限以上の信号が続いたとき、この信
号を受けて工作機の警護動作を行なう警護手段とを備え
てなる工作機の異常監視装置を提供するものである。

したがつて本発明は、振動検出方向の異なる複数個の振
動検出子を用意し、使用する切削工具に応じて適切な方
向に配置した振動検出子を選択し、これの検出する信号
と工作機の消費電力を基に異常の検出を行なうものであ
るから、外乱による影響の極めて少ない、しかも、どの
ような異常でも的確に検出し、重大事故を未然に防ぐこ
とのできる工作機の異常監視装置を得られるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一つの実施例の構成を説明するための
ブロック図、第２図は同動作を説明するための線図、第
３図は同振動の伝わり方を示す略図である。 １・・・・・・工作機、２・・・・・・被加工物、４，
５・・・・・・切削刃、７・・・・・・振動検出手段、
８ｘ，８ｙ・・・・・・振動検出子、１２・・・・・・
電力検出手段、１５・・・・・・電力記憶手段、１６・
・・・・・振動記憶手段、２１，２５：・第１の比較手
段、２２，２６・・・・・・第２の比較手段、２３，２
４，２７，２８，２９・・・・警護手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の切削工具を備えた工作機において、この工
   作機の駆動電動機の消費電力を検出する電力検出手段と
   、工作機の切削工具によつて生じる振動方向に合わせ、
   これの振動を検出する複数個の振動検出子を設けると共
   に、切削工具によつて生じる振動方向に合わせて最も適
   切な方向に配置した該振動検出子を選択する振動検出手
   段と、工作機が正常な切削を続けているときの標準的な
   消費電力値を記憶する電力記憶手段と、工作機が正常な
   切削を続けているときの標準的な振動値を記憶する振動
   記憶手段と工作機が切削運転を行なつているとき、前記
   電力検出手段により検出した検出値と前記電力記憶手段
   に記憶した記憶値を比べ、この差があらかじめ定めた値
   以上になつたとき、信号を発する第１の比較手段と、工
   作機が切削運転を行なつているとき、前記振動検出手段
   により検出した検出値と前記振動記憶手段に記憶した記
   憶値とを比べ、この差があらかじめ定めた値以上になつ
   たとき、信号を発する第２の比較手段と、前記第１の比
   較手段と前記第２の比較手段の少なくともどちらか一方
   よりあらかじめ定めた一定時限以上の信号が続いたとき
   、この信号を受けて工作機の警護動作を行なう警護手段
   とを備えてなる工作機の異常監視装置。 ２ 複数個の切削工具を備えた工作機において、この工
   作機の駆動電動機の消費電力を検出する電力検出手段と
   、工作機の切削工具によつて生じる振動方向に合わせ、
   これの振動を検出する複数個の振動検出子を設けると共
   に、切削工具によつて生じる振動方向に合わせて最も適
   切な方向に配置した該振動検出子を選択する振動検出手
   段と、工作機が正常な切削を続けているときの標準的な
   消費電力値を記憶する電力記憶手段と、工作機が正常な
   切削を続けているときの標準的な振動値を記憶する振動
   記憶手段と、工作機が切削運動を行なつているとき、前
   記電力検出手段により検出した検出値と前記電力記憶手
   段に記憶した記憶値を比べ、その差かあらかじめ定めた
   値以上になつたとき、信号を発する第１の比較手段と、
   工作機が切削運転を行なつているとき、前記振動検出手
   段により検出した検出値と前記振動記憶手段に記憶した
   記憶値とを比べ、この差があらかじめ定めた値以上にな
   つたとき、信号を発する第２の比較手段と、前記第１の
   比較手段と前記第２の比較手段が同一時に信号を発した
   時、この二つの信号を受けて工作機の警護動作を行なう
   警護手段とを備えてなる工作機の異常監視装置。