JPS61217761A - 工具折損検出装置 - 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〕 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ィックエミッション（
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〕

本発明による工具折損検出装置は、工具折損検出装置に
工具と切屑の絡み付き等によって生じる異常切削信号を
検出する検出部を設けると共に、そのレベルを擬似異常
切削信号発振部によって各工具毎に最適値に調整するよ
うにしたものである。

こうすれば工具の折損のみならず異常切削信号も個々の
工具の違いに応じて最適値に調整し、切削加工時の異常
切削を正確に監視することができる。

〔発明の背景〕

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倍信号基づいて工
具の折損を検出する装置が提案されている。

ところで工作機械には一台の工作機械で多種多様の工具
が使用される。そして切削加工時に工具と切屑との絡み
付き等によって異常切削が生じることがある。このよう
な異常切削信号は突発型のＡＥ倍信号して検知されるが
、そのレベルは各工具毎に異なる。従って異常切削信号
の検知レベルを一定に保っておけばある工具に対して正
しく異常切削を検出することができても、他の工具に対
しては異常切削を検出できないという問題点があり、異
常切削状態を正確に監視することはできなかった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような工具折損検出装置の問題点に鑑みて
なされたものであって、用いられる工具の大きさにかか
わらず工具と切屑の絡み付き等によって生じる異常切削
を検知し、その状態を正確に監視することができる工具
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近傍に設けられたＡＥセンサを
有し、工具の折損時に得られるＡＥ倍信号基づいて折損
を検出する工具折損検出装置であって、ＡＥセンサの出
力信号に基づいて工具の折損を識別する信号処理部と、
ＡＥセンサの出力信号に基づいて工具の異常切削を識別
する異常切削検出部と、工具の異常切削時に得られるＡ
Ｅ倍信号周波数を含む擬似異常切削信号を発振する擬似
異常切削信号発振部と、工作機械の工具近傍に設けられ
擬似異常切削信号発振部の出力により駆動されるＡＥ信
号変換器と、用いられる工具に対応した擬似異常切削信
号の駆動レベルを記憶する記憶手段と、擬似異常切削信
号によりＡＥ信号変換器を駆動した際に異常切削検出部
の閾値レベルを！ｊｋ通値に調整するレベル調整手段と
、を具備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、擬似異常切削
信号発生手段を用いて工作機械に擬似異常切削信号を与
え、そのレベルに基づいて最適値に調整されたＡＥセン
サ感度で信号処理を行うと共に異常切削信号の検出レベ
ルを調整するようにしている。従って使用工具の違いに
かかわらず常に所望のレベルで異常切削を検知すること
ができ、正確に異常切削状態を監視するこができるとい
う効果を有する。

〔実施例の説明〕

（実施例の全体構成） 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
すブロック図である。本実施例は数値制御装置を用いて
制御されるボール盤に取付けられた工具折損検出装置を
示すものであって、ワーク１はボール盤のベース上に固
定されており、ワーク１の上部よりドリル２を回転させ
て所定速度で押下しワークＩを開口する。ドリル２は数
値制御装置３によってその動作が制御されている。ここ
で用いられるドリルは図示しない自動工具交換器によっ
て自動的に交換されるものとする。さてワーク１の上部
のドリルの刃が接触する位置にワークｌに切削を行う前
にあらかじめＡＥセンサと同じ＜ＰＺＴ等からなるＡＥ
信号変換器４が取付けられる。駆動回路５はこのＡＥ信
号変換器４を駆動するものであって、あらかじめ工具の
折損時及び異常切削時のＡＥ倍信号同一のパワースペク
トル分布を持つ駆動波形を発振するよう構成されており
、その振幅レベルは外部より与えられる。そしてワーク
１が配置される工具の近傍、例えば第１図に示すように
ベース上にＡＥ倍信号検出するＡＥセンサ６を設ける。

ＡＥセンサ６はドリル２等の工具からのＡＥ倍信号ＡＥ
信号変換器４からのへＥ信号を検出する広帯域のＡＥセ
ンサであって、その出力はＡＥ信号処理部７に与えられ
る。

ＡＥ信号処理部７はＡＥセンサ６からの信号を所定のレ
ベルで増幅すると共に工具の折損、異常切削の信号を検
知し、入出力インターフェース８を通じて中央演算装置
（以下ＣＰＵという）９に与えるものである。ＣＰＵ９
にはシステム制御プログラムや数値制御装置３との通信
制御プログラムを記憶するリードオンリメモリ　（以下
ＲＯＭという）１０と、この数値制御装置３によって用
いられる工具に対応するＡＥ倍信号感度情報や異常切削
信号の出力レベルの情報を含むランダムアクセスメモリ
　（以下ＲＡＭという）１１から成る記憶手段が接続さ
れている。ＣＰＵ９には更に入出力インターフェース１
２を介して切削中のＡＥ信号レベル、工具の異常切削や
折損を表示する表示器１３、及び工具の番号や種類、標
準のＡＥセンサの感度を設定する入カキ−１４が接続さ
れる。更に信号伝送ライン１５を介して数値制御袋Ｒ３
が接続されている。ＣＰＵ９はこれらの入力に基づいて
ＡＥセンサの感度及び異常切削信号の閾値レベルを設定
すると共に、信号処理部から折損検出出力が与えられた
ときに折損レベルと比較して折損出力を出すように制御
するものである。

（ＡＥ信号処理部の構成） 次に第２図はＡＥ信号処理部７の詳細な構成を示すブロ
ック図である。本図においてＡＥセンサ６の出力はまず
アナログスイッチ２０に与えられる。アナログスイッチ
２０はＣＰＵ９からの制御信号に基づいてアナログ信号
を断続するスイッチであって、その出力端は可変増幅率
増幅器２１に接続されている。増幅器２１はＣＰＵ９か
らの制御入力に基づいて増幅率を設定することができる
可変増幅率増幅器であって、その出力を二つのバンドパ
スフィルタ２２．２３及び入出力インターフェース８を
介してＣＰＵ９に与えるものである。

バンドパスフィルタ２２は中心周波数３００Ｋ）Ｉｚ。

バンドパスフィルタ２３は中心周波数５０ＫＨｚのフィ
ルタであって、夫々の中心周波数付近の信号のみを次段
の検波器２４．２５に伝える。検波器２４．２５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
って、検波器２４の出力は微分回路２６に、検波器２４
．２５の出力は夫々比較器２７に与えられる。これらの
バンドパスフィルタ２２．２３、検波器２４．２５及び
比較器２７により折損時のＡＥ倍信号識別する周波数識
別手段を形成している。微分回路２６は入力信号の急峻
な変化分のみを次段のレベル判定器２８゜２９及び入出
力インターフェース８を介してＣＰＵ９に伝える。レベ
ル判定器２８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３０に伝える。

又比較器２７は検波器２４．２５の出力を比較し、検波
器２４の出力が大きい場合にのみ出力を折損検出回路３
０に伝える。折損検出回路３０はこれらの入力の論理積
をとって工具の折損を検出する論理回路であって、検出
信号を入出力インターフェース８を介してＣＰＵ９に伝
える。レベル判定器２９はＣＰＵ９からの操作に応じて
基準レベルが変更され、微分回路２６の出力をその基準
レベルと比較するものであって、微分出力がそのレベル
を越えるときに信号を異常切削検出回路３１に、伝える
。異常切削検出回路３１はこのレベル判定出力が与えら
れたときに所定時間異常切削信号を入出力インターフェ
ース８を介してＣＰＵ９に伝えるものである。これらの
バンドパスフィルタ２２．検波器２４．微分回路２６．
レベル判定器２９及び異常切削検出回路３１は異常切削
の検出手段を構成している。

（駆動回路５の構成） 次に擬似異常切削信号を発生する駆動回路５の構成につ
いて第３図を参照しつつ説明する。駆動回路５は周波数
３００　Ｋ　Ｈｚを越える一様なスペクトルを有するホ
ワイトノイズを発生させるノイズ発生器３２を有してお
り、その出力は周波数３００　ＫＨｚをカットオフ周波
数とするローパスフィルタ３３に与えられる。又クロッ
ク発生器３４は一定の周期の方形波を発振する発振器で
あって、その出力は微分回路３５に与えられる。ローパ
スフィルタ３３及び微分回路３５の出力は乗算器３６に
与えられる。乗算器３６はこれらの出力を乗算すること
によって微分信号を包路線とする擬似異常切削信号を発
生するものであって、その出力を増幅器３７に与える。

増幅器３７はＣＰＵ９からの制御によってそのゲインが
制御される増幅器であり、その出力が更に電力増幅され
て第１図のＡＥ信号変換器４に与えられている。駆動回
路５はこの擬似異常切削信号を発生する発注部の他に、
ローパスフィルタ３３を周波数３００ＫＩ（ｚのバンド
パスフィルタに変えた擬似折損信号を発生する発生部が
設けられている。

（ＡＥセンサの感度設定処理） 次に本実施例の動作について説明する。まず本発明によ
る工具毎の感度設定方法について第４図のフローチャー
トを参照しつつ説明する。動作を開始するとまずステッ
プ４０において入カキ−１４より使用者によって入力さ
れたそのとき用いられている工具の大きさに対応するデ
ータ（マガジン番号）を読み込む。そしてステップ４１
に進んでその大きさに対応した擬似折損信号の駆動レベ
ルを駆動回路５に与える。そうすれば駆動回路５は擬似
折損信号によりＡＥ信号変換器４を駆動するため、ＡＥ
信号変換器４より擬似折損信号がワークｌ及びベースを
介してＡＥセンサ６に伝えられる。

このときＡＥセンサ６より得られる擬似折損信号は工具
の折損時と同一のパワースペクトルを有し、更に時間領
域においても折損時の波形と類似の波形を有している。

このＡＥ信号がＡＥ信号処理部７に伝えられアナログス
イッチ２０及び可変増幅率増幅器２１を介して入出力イ
ンターフェース８からＣＰＵ９に伝えられる。ＣＰＵ９
はステップ４２においてＡＥセンサ６の信号レベルを可
変増幅率増幅器２１の増幅率によって調整し、ステップ
４３に進んでその出力レベルが適正であるかどうかをチ
ェックする。このレベルが適正でなければステップ４４
において必要な増幅率の増減を算出し、ステップ４２に
戻って可変増幅率増幅器２１の増幅率を変更する。そし
てステップ４２から４４のループを繰り返しその増幅率
を適正に調整する。こうして得られた最適の増幅率を第
５図のメモリマツプに示すようにＲＡＭＩＩの所定領域
にマガジン番号と共に記憶する（ステップ４５）。次い
でステップ４６に進んで全ての工具の設定が終了したか
どうかをチェックし、その設定が終了していなければス
テップ４０に戻って他の工具によって同様の処理を繰り
返す。こうして数値制御装置３によって用いられる工具
の全てについての感度値を調整してＡＥセンサの感度設
定処理を終了する。

（異常切削レベル設定処理） 次いで異常切削レベルの設定処理について第６図のフロ
ーチャートを参照しつつ説明する。動作を開始するとま
ずステップ５０において人カキ−１４より使用者によっ
て入力されたそのとき用いられている工具の大きさ情報
を読込む。そしてステップ５１に進んでその工具につい
てのＡＥセンサの最適増幅率をＲＡＭＩＩより読出して
可変増幅率増幅器２Ｉに設定する。そしてステップ５２
に進んでＲＯＭｌ０内の工具径−異常切削信号駆動レベ
ルテーブルより擬似異常切削信号の出力レベルが読出さ
れる。ついでステップ５３に進んでこうして読出された
異常切削信号レベルを駆動回路５に与える。そうすれば
Ｎ似異常切削信号がＡＥ信号変換器４より工作機械に伝
えられることとなり、前述した調整時と同様にワーク１
及びベースを介して擬似異常切削信号がＡＥセンサ６に
伝えられる。

この擬似異常切削信号は周波数３００　Ｋ　Ｈｚの成分
を有し異常切削の警報を出力すべき閾値レベルになって
おり、そしてＡＥ信号処理部７の可変増幅率増幅器２１
で最適値に設定された増幅率によって増幅され、バンド
パスフィルタ２２を通過して検波器２４に伝わる。そし
て微分回路２６を介して微分出力がレベル判定器２８．
２９に加えられることとなる。さてステップ５４におい
てこのときＣＰＵ９はレベル判定器２９の基準値レベル
を調整し、ステップ５５に進んでその調整レベルが閾値
レベルかどうかをチェックする。そしてその基準値が閾
値に達していなければステップ５６に進み基準値レベル
の上下判定を行う。そしてステップ５４に戻ってレベル
判定器２９の閾値を調整しステップ５４から５６のルー
プを繰り返す。こうしてレベル判定器２９の基準値レベ
ルが最適値に調整され擬似異常切削信号によってレベル
判定器２９の閾値レベルが決定されれば、ステップ５７
に進んで第５図に示すように工具の大きさ情報と共にＲ
ＡＭ１．１にセンサ感度及ヒレベル判定器２９の閾値レ
ベルを記憶する。そしてステップ５８に進んで全ての工
具について異常切削信号の閾値レベルの設定が終了しか
どうかをチェックし、その設定が終了していなければス
テップ５１に戻って他の工具によって同様の処理を繰り
返す。こうして数値制御装置３によって用いられる工具
の全てについて異常切削信号レベルを調整してこの処理
を終了する。

（監視動作） 次にこうして設定した各工具に対応する最適感度を用い
て工具の折損と異常切削を監視する監視動作について説
明する。監視動作を開始すると使用工具の入力に基づき
その工具に対応した増幅率の最適値を読出してＡＥ信号
処理部７の可変増幅率増幅器２１の増幅率を決定し、更
にレベル判定器２９にその工具に対応した閾値レベルを
設定する。

さてワーク１が切削されるとＡＥセンサ６よりＡＥ倍信
号アナログスイッチ２０に与えられ、最適の増幅率によ
って増幅されて二つのバンドパスフィルタ２２．２３に
与えられる。工具の折損時又は異常切削時には周波数３
００ＫＨｚ付近にピークを有するＡＥ倍信号得られるた
め、バンドパスフィルタ２２を介して検波器２４によっ
てそのレベルを検波し、比較器２７により５０　Ｋ　ｌ
ｌｚの周波数成分を有する信号と比較することによって
工具の折損を検出している。更に微分回路２６により信
号が急激に立上る場合にそのレベルがレベル設定器２８
の基準レベル以上であれば、レベル判定器２８より出力
が得られ折損検出回路３０によってその論理積条件に基
づいて工具の折損が検出される。

このように工具折損検出装置では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っ
て工具折損の信頼性を向上させるようにしている。

さて工具の折損に到る前に工具と切屑との接触等によっ
て突発的な異常信号が発生する場合がある。この場合に
は比較器２７は出力を出さないので折損検出信号は得ら
れない。しかしながら微分回路２６の出力はレベル判定
器２９にも加えられておりそのレベルが最適な異常出力
レベルに設定されているため、所定の異常切削信号レベ
ルでレベル判定器２９より出力が異常切削検出回路３Ｉ
に与えられる。この場合には異常切削信号が入出力イン
ターフェース８を介してＣＰＵ９に与えられるため、Ｃ
ＰＵ９よりそのときの異常切削レベルが表示器１３によ
って表示されることとなる。

尚本実施例は工具のマガジン番号とそれに対応するＡＥ
センサの最適感度値及び異常切削検出レベルを工具折損
検出装置内のメモリに保持するようにしているが、数値
制御装置内のメモリにこのデータを保持するようにして
もよい。

又本実施例は数値制御装置を用いたボール盤に通用した
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、
更に大規模なマシニングセンタに通用することも可能で
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
すブロック図、第２図はＡＥ信号処理部の詳細な構成を
示すブロック図、第３図は本実施例の駆動回路５の擬似
異常切削信号の発生部を示すブロック図、第４図は本実
施例の工具折損検出装置のＡＥセンサの感度設定処理を
示すフローチャート、第５図はＲＡＭＩＩの記憶内容を
示すメモリマツプ、第６図は異常切削信号の検出レベル
の自動設定処理を示すフローチャートである。 １−−−一・−ワーク　　２−−−−−−−ドリル　　
３−・−数値制御装置　　４−−−−−・−ＡＥ信号変
換器　　５−−−−−・・駆動回路　　６−・−・ＡＥ
センサ　　７−−−−−・・ＡＥ信号処理部　　８，１
２−・−一−−−人出力インターフェース９・−・−Ｃ
ＰＵ　　　１０−・−ＲＯＭ　　　１１・−・−・−Ｒ
ＡＭ　　　１３・−一−−−−表示器　　】４−・・・
−人力キー２０−−−−−−−アカログスイッチ　　２
１−−−−−−−一可変増幅率増幅ｍ　　　２２，２３
−−ｍ−・・−バンドパスフィルタ２４．２５・・・−
検波器　　２６−−−−−−−微分回路２７−−−−一
比較器　　２８．２９−・−・−レベル判定器３０−−
−−一折損検出回路　　３１−−−−−一異常切削検出
回路 特許出願人　　　立石電機株式会社 代理人　弁理士　岡本官喜（他１名） 第１図 １−−−−−−ワーフ ４−−−−−−ＡＥ　イ畜４；；東ａＳ＝。 ６−−−−−−ＡＥセ）す 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）工作機械の工具近傍に設けられた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、 前記ＡＥセンサの出力信号に基づいて工具の折損を識別
   する信号処理部と、 前記ＡＥセンサの出力信号に基づいて工具の異常切削を
   識別する異常切削検出部と、 工具の異常切削時に得られるＡＥ信号の周波数を含む擬
   似異常切削信号を発振する擬似異常切削信号発振部と、 工作機械の工具近傍に設けられ前記擬似異常切削信号発
   振部の出力により駆動されるＡＥ信号変換器と、 用いられる工具に対応した前記擬似異常切削信号の駆動
   レベルを記憶する記憶手段と、 前記擬似異常切削信号により前記ＡＥ信号変換器を駆動
   した際に前記異常切削検出部の閾値レベルを最適値に調
   整するレベル調整手段と、を具備することを特徴とする
   工具折損検出装置。
2. （２）前記異常切削検出部は、前記ＡＥセンサより急激
   に立上る信号が与えられたときに出力を出す微分回路と
   、前記微分回路の出力レベルに基づいて異常切削信号を
   出力する比較器と、を具備す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. （３）前記信号処理部は、工具の折損時に得られるＡＥ
   信号の周波数成分と強い相関を持つ周波数成分のＡＥ信
   号が与えられたときに出力を出す周波数識別手段と、前
   記ＡＥセンサより急激に立上る信号が与えられたときに
   出力を出す立上り信号検出手段と、該周波数識別手段及
   び立上り信号検出手段の論理積出力に基づいて工具折損
   を識別する論理出力手段と、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。