JPS6144623B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は切削異常検出装置に係り特にフライス
切削における切削異常の検出装置に関する。

最近NC工作機械の普及に伴い工作機械の無人
運転や多台持ちが一般化して来ている。しかし乍
ら現在普及しつつあるNC装置には工具が折損し
た場合これを検知する機能がほとんどないのでそ
のまゝ加工が継続され被加工物や工具の損傷を大
にしてしまう。

このようなことから工具の折損検知に対する関
心が高まつて来ている。最近に到りこの問題の重
要性が指摘されると共に工具としてドリルの場合
について折損、摩耗に関する検知装置が種々提案
されている。

又もう１つの技術的方向としては適応制御の分
野に属する方向ですでに一部で実用化されてい
る。この方法では例えば切削中の主軸トルクが予
じめ設定された値を超えないように被加工物と工
具との間の物理量（切込み量、送りなど）を制御
せんとするものである。しかしこの方法はNC装
置からの一定の指令値そのものを実際には可変量
としているため、又テーブルなどの被加工物の送
り駆動系と関連させるようにしているため制御系
が複雑となりしかも摩耗の進行により工具として
の切削性能が劣化していくためやがて折損という
現象の避けられないという点で完全ではない。

一方ドリルに次いで多く使用されるフライス切
削についての切削異常、主として折損の検知につ
いてはこれまで発表されておらずその技術的な方
法論においてもドリルの場合とはかなり異質な側
面があるため未開発の分野となつていた。又前述
した如く工作機械の適応制御に関してフライスを
用いた例はあるがこれを折損などと結びつけて新
しい技術思想を示すという段階にはきていない。

前述した異質な側面としてフライス切削の場合
にはパラメータとして切込量、送り量、フ
ライスカツタの外径、１つのフライスカツタで
もいくつのチツプから構成されているかという
点、切削幅などドリルに比してパラメータが多
く又フライスカツタがドリルに比し工具として比
較的強靭であることなどのためいくつかのパラメ
ータで実験を行おうとしても実験自体が相当に作
業量があることやえられたデータ間の相互関係に
ついての評価が困離であることなどが技術者の前
に技術的壁として存在していることが挙げられ
る。

本発明者らはこの技術的課題に対し以下に述べ
る如く種々の実験をくり返すと共にえられた各デ
ータを整理する段階でフライス切削に固有な断続
切削現象に伴う主軸電流値の切削幅（Ｗ）と切削
中のそれの平均値（Ｒ）との間に注目すべき関係
のあることを見い出した。即ち無次元化した量
W/R（又はR/W）が前述したフライス切削にお
けるほとんどのパラメータに依存することなく折
損状態と正常状態とで識別可能になるという関係
を見い出したのである。そしてこの関係を利用す
ることによりフライス切削における折損等の異常
を検出する装置を発明したのである。

以下の説明では上述した実験過程の要点を先ず
経過的に説明することにより無次元化した量(W/
Ｒ）に注目することの有意義であることを述べ
る。

実験過程 実験に使用した工作機械は門型の横中ぐり盤で
あつてフライス工具としては６インチ（10枚刃）
および５インチ（８枚刃）を用いた。

第１図は実験データ測定係のブロツク図であつ
て、フライスカツタを装着する主軸の駆動モータ
（DCモータ）ドライブユニツトのシヤント電流を
検出するシヤント１１からDCアンプ１２，１２
Ａで増幅すると共にデータレコーダにて磁気テー
プに記憶する。（後で周波数分析を行うため）DC
アンプ１２Ａの出力はローパスフイルタLPF１４
を介してペンレコーダ１５により記録紙に記録す
る。振動に関する信号は圧電型ピツクアツプ１６
で検出し、チヤージアンプ１７、フイルタ１８を
通してデータレコーダ１３の他のチヤンネルに記
録する。又フイルタ１８を通つた振動信号は
RMS（自乗平均）変換器１９を介してペンレコ
ーダ２０により記録されるようになつている。

第２図、第３図は６インチ、５インチの前記フ
ライスカツタによる切削を行う際のカツタ中心の
軌跡を示す図であつて、第２図イ，ロでは幅100
mm、長さ450mmのワーク５１をカツタ５２の中心
が→→→の如き経路により切削を行う。
図イは平面図、ロは正面図であり実線は切削送り
破線は早送りを示す。第３図イ，ロでは切削幅を
83mmと17mmとの２種類の加工が遂行できるように
カツタ５３を→→→→→→→の
如き経路にて切削を行つた。

第４図には切削されるワーク５１をテーブル６
１に取付け固定した状態を示す。５１Ａは切削さ
れる面である。

第５図はフライス刃の一部に電気ペンで傷を付
けその位置、形状を変えて４種の欠損刃を形成し
たものでNo.3，No.4、No.5，No.6の各部分のう
ちの１つが切削位置状態にセツトされるようにな
つている。

上述の番号No.3〜No.6に対し、後で参照され
るようにNo.1は正常刃による切削とする。又
No.2は一枚欠刃に対応しておりフライスのチツ
プ自体を１枚だけ抜き去つて切削した場合であ
る。

上記、No.2〜No.6は (イ) 刃が欠けて切削に関与しなくなつた
（No.2） (ロ) 刃に傷が付き切味が低下した（No.3〜
No.6） (ハ) 刃が摩耗して切味が低下した（No.3〜
No.6）場合に対応している。

第６図乃至第８図中のａ〜ｆは10Hzのローパス
フイルタを介して検出された主軸モータ電流値の
波形図である。その他のパラメータは次の如くで
ある。

使用フライスカツタ ６インチ（10枚刃） 切削速度 90ｍ／min 主軸回転数 Ｓ＝190rpm 送り量 0.25mm／刃 （送り速度 Ｆ＝475mm／min） 切込み量 ｈ＝１，２，３（ｍ） 切削幅 100mm 上記条件のもとで第６図ａには正常刃
（No.1）の場合で切込深さｈ＝１，２，３mmの各
場合についての電流波形を示す。同図ｂは１枚欠
刃（No.2）の場合であつて図ａに比べると変動
幅値Ｗの増大傾向が現われている。第７図ｃは欠
損刃（No.3）の場合を示し同図ｄは欠損刃
（No.4）の場合を示す。さらに第８図ｅは欠損刃
（No.5）、同図ｆは欠損刃（No.6）を示す。図
ｃ，ｄ，ｅ，ｆを観察するといずれも図ｂに比し
変動幅Ｗが小さいことがわかる。一方平均値Ｒは
切込み深さｈに応じて変化するがｈが同じならば
程どａ〜ｆに関して相違はない。又図ｂに示す如
く１回転中でピーク（VP）の直前に最低値
（VB）を示すのは１刃分欠刃していることに対応
しておりピークのところで正常の切込量0.25mm／
刃の２倍が与えられるためと考えられる。

第９図ａ，ｂは第６図ａ，ｂにそれぞれ対応す
る波形図であつて相違点は10Hzの代わりに50Hzの
ローパスフイルタを介して記録したものである。
従つて10Hz〜50Hzの間の周波数成分（ペンレコー
ダでは数十Hzまでは応答しないが）が存在してい
ることがわかる。

尚、上述No.3〜No.6の欠損刃の状態は図ｂ
（No.2）の１枚欠刃状態に比しむしろ正常刃
（No.1）に近いようにも考えられるが完全な欠刃
でなくても欠損刃が切削に関与しなくなつたとき
には欠刃となるという点に留意されるべきであ
る。

第１０図、第１１図はそれぞれ第６図ａ，ｂの
波形をスペクトルアナライザーで周波数分析した
結果を示す。各図で横軸には周波数（Hz）を、縦
軸には電流のパワースペクトルをとつてある。こ
の結果を見ると電流の周波数成分は大きく分けて
２つの部分（帯域）に分けることができる。

１つは周波数の低い方の成分で3.2Hz，6.3Hzが
主成分である。もう１つは比較的高い周波数の成
分で30Hz〜40Hzぐらいの帯域に分布している。こ
こで3.2Hzなる成分は主軸回転に起因している。

即ち、主軸回転数が190rpmであるところから 190／60≒3.2（Hz） となり3.2Hzが主軸の回転数に相当する周波数
（以後基本周波数と称す）であることが理解され
よう。

又6.3Hzはその２倍の周波数成分である。一方
高い方の周波数成分についてはこの実験が６イン
チ、10枚刃のフライスカツタを使用したため基本
周波数の刃数倍即ち32Hzがこの帯域に含まれてい
る。その他の成分は機械固有の成分である。（図
示しないが無負荷電流の分析結果から）第１０
図、第１１図を比較すると刃が正常な状態の切削
では（第１０図）切込み（ｈ）の増大に伴い各成
分とも一様に増加しているが、一枚欠刃の状態
（第１１図）では周波数の低い成分の増大が著し
いことがわかる。これは前述した如く、刃を１枚
抜き去るとその刃が切削を開始すべき時になつて
も切削が行われず、従つて切削電流値が一時的に
小さくなり、さらに次の刃が切削を開始する時に
は直前の刃の分も含め２枚分の送り量を切削しな
ければならないために電流値が急増するという現
象として説明できる。従つてこのような切削電流
値の変動が主軸の１回転ごとに現われるので主軸
回転数に相当する周波数3.2Hzの成分が増加する
のである。さらにこの電流値の変動が急激である
ため3.2Hzの高周波成分即ち6.3Hz，9.5Hzなどの成
分も増加するのである。

以上の実験より折損が発生したときには主とし
て低い周波数成分の変化が著しいことがわかり逆
に高い方の周波数成分は余り変化しないのでロー
パスフイルタにより高い方の周波数の成分をカツ
トすれば折損により顕著な相違が現われると期待
できる。

第１２図、第１３図は５インチ（８枚刃）のフ
ライスカツタで１枚欠刃とした場合の10Hzのロー
パ諏フイルタを経たパワスペクトルを示しており
第１２図では切削幅が17mm、第１３図では切削幅
が83mmの場合である。

第１２図、第１３図に対応する正常刃の場合の
パワスペクトルは示してないが同図より3.8Hz，
6.8Hz，6.6Hz等の成分が周波数成分に比し大であ
ることは容易に推察される。

第１４図は主軸回転数を変化させた場合のパワ
スペクトルの変化を観察するデータの１例であつ
て主軸回転数Ｓ＝226rpm（切削速度90m/min）
を基準として100％，90％，80％，70％の４種類
の回転数で切削を行つた。他の切削条件を示すと
次のようである。

使用フライスカツタ ５インチ（８枚刃） 送り量 0.25mm／刃 切込み深さ １，２，３mm （但し図では３mmの場合のみ示す） 切削幅 83mm，17mm 第１４図から判定できることは主軸回転数の変
化に対応して30.0Hz，27.0Hz，23.9Hz，21.1Hz等
が示される。

第１５図、第１６図は６インチ（10枚刃）のフ
ライスカツタによる摩耗実験からえられたデータ
のパワスペクトルである。これによればテストの
回数によつて各周波数成分が少しずつ増加してい
ることがわかる。

第１７図は正常な前述の５インチフライスカツ
タを用いて１刃当りの送り量、送り速度を変化さ
せた場合の変動幅値と平均値電流のデータを示
す。切削幅は83mmと17mmの２種類で行つている。
（送り量の影響） 第１８図は第１７図の条件で切込量を２mmと
し、主軸回転数を変化させた場合のデータを示
す。（切削速度の影響） 第１９図は第１７図の条件で切込量を変化させ
た場合のデータを示す。（切込量の影響） 以上の第１７図乃至第１９からいえることは切
削速度と送り量が変化しても電流の平均値と変動
幅はあまり変化していないという点及び切込み量
と切削幅が変化すると平均値も変動幅も変化する
点である。

第２０図はNo.1〜No.6（No.1…正常刃、No.2
…１枚欠刃、No.3〜No.6は第５図参照）に対し
切込み量を変化させた場合の10Hzのローパスフイ
ルタを通して得られた平均電流値と変動幅値の読
み量をプロツトしたものである。

同図を参照すると欠刃（No.2）に対応する変
動幅値のみが異常に変化の大きいことがわかる。

第２１図は摩耗による影響の調査のためのデー
タであつて変動幅値が切削回数と共に増大してい
る様子が理解されよう。この場合平均電流値も増
大傾向にあることに留意されたい。

例えば10回の切削では変動幅（読み）／平均電
流（読み）は 2.8／28≒１／１０ であるが60回の切削ではおよそ ４．２／３２＞１／１０ という結果がえられている。

これまで示した実験データによると折損や摩耗
という切削異常が生じた場合、主軸モータ電流の
変動幅値が主として変化することが判明した。し
かし上記変動幅値は切込み量や切削幅の変化によ
つても大きく変化することも事実であつて単に変
動幅の変化から折損等を検出することはできない
ということになる。しかしながら又前述したデー
タにおいては切込み量や切削幅が変化した時には
変動幅のみならず平均値も変化するので発明者等
はその変化の態様に留意して変動幅を平均値で除
したところの無次元化した量Ｋをみてみるとある
一定の傾向あるいは有意性をもつことが判明し
た。

第２２図には６インチ（10枚刃）のフライスの
場合の前述したデータにもとづいて切込量を変化
させた場合量ＫをプロツトしたものであつてＸ印
（No.2）すなわち１枚欠刃の場合は、量Ｋの値が
他のプロツト点（No.1，No.3〜No.6）に比べか
なり大きいことがわかる。しかもNo.1の正常刃
の場合や欠損刃No.5，No.6が切込み量に対しＫ
はほとんど変化しないということも理解される。
又欠損刃No.3も値Ｋは0.2程度乍ら変化はない。
さらに欠損刃No.4では逆に0.2近くから0.1以下に
下つている。

第２３図は５インチ（８枚刃）フライスカツタ
による送り量と量Ｋの関係を示すグラフで○印の
プロツトは正常刃の場合である。これに対し×印
の１枚欠刃のプロツト点はやはり上方に分布して
いる。

第２４図は主軸回転数（rpm）とＫとの関係を
プロツトしたグラフで○印のプロツトは正常刃の
場合であり×印のプロツトは１枚欠刃をそれぞれ
示す。

第２３図、第２４図で×印のプロツト点を正常
刃に対応してデータをとらなかつたが、これは現
実の切削では第２３図で0.25mm／刃以下は使用さ
れないことや第２４図で主軸回転数が220rpm以
下で切削をしないという理由である。

第２５図は６インチチ（10枚刃）のフライスカ
ツタを用いて切削回数とＫの関係をその正常刃に
ついてプロツトしたものであり摩耗の進展による
Ｋの変化を示す。

同図による量Ｋの漸増していることが理解され
る。以上第２３図〜第２５図によつていえること
はこの無次元化された量Ｋを監視することによつ
て折損（欠刃）の検知は勿論のこと摩耗に対して
も適当な判定値を設定することで検出が可能であ
る。

この場合、判定の方法として如何なる方法をと
るのかが１つの技術的課題であるが、当発明者ら
の実行した方式はまずヴアージンなフライス工具
Tiの状態で切削したときの量ＫをKo（Ti）とし
て以後その工具Tiによる切削中の値Ｋ（Ti）と
Ko（Ti）の比をとるようにし、その比の値があ
る設定値αを超えたか否かで工具Tiの異常を判
定しようとするようにしている。

第２６図は上述の考え方をもとにして提案しよ
うとする本発明の実施例のブロツク図である。

同図においてフライスカツタを装着している主
軸の回転駆動用モータ例えばDCモータ６１の電
機子電流をシヤント回路６２にて検出するように
なつている。６３はローパスフイルタでその出力
をA/D変換器にてデイジイタル値に変える。

６５は前記モータ６１の切削電流値の変動幅値
Ｗの算出部であつて一定時間の間、前記デイジイ
タル値のピークツーピーク値を計算するようにな
つている。

６６はモータ電流値の平均値（Ｒ）算出部であ
つて切削中一定時間ごとに電流値の平均値を算出
する。６７は前記幅値Ｗと平均値Ｒの比の値Ｋを
算出する算出部でこれにより二つの量Ｒ，Ｗから
１つの無次元量Ｋを算出する。

６８は平均値Ｒの安定状態を検出する検出部で
あつて前記算出部６７からの出力Ｋを用いて判定
部７１が判定動作を行うように指令信号CDを与
える。前記検出部６８の構成は種々ありうるが１
例として例えば切削中に平均値算出部６６の値
（Ru）が各算出されるごとに前回の算出値（Rn
−１）と比較してその差が一定値（δ）以内とな
るような状態に達したとき安定状態とする。すな
わち ｜Rn−Rn−１｜≦δ なる式を満足するとき安定状態とすればよい。

６９は記憶部７０へ今使用されているフライス
カツターのヴアージンな状態での切削における算
出部６７の出力Koを貯蔵せしめるゲートであつ
て、同ゲート６９へは前記指令信号CDが与えら
れている。前記記憶部７０には工具番号Ｔ・Ｎ
がアドレス指令として与えらるとそのアドレスに
対応したメモリ領域が確保され前記値Koがそこ
にストアされるようになつている。ここで工具番
号Ｔ・Ｎは文字通り工具のすなわちフライスカ
ツタの形格に対して区別されるだけでなく同一の
カツタでも被加工物の材質が相違すれば区別す
る。

しかしながら、切込み量や、切削速度等の切削
条件の変化に対しては区別されない。

判定部７１では指令信号CDの存在下において
算出部６７の出力ＫとそのときＴ・Ｎの指定に
より記憶部７０から呼び出されている対応するフ
ライスカツタの値Koとの比K/Koが計算され予じ
め設定されている判定の種類に応じた設定値αｉ
に対し Ｋ／Ｋｏ＞αｉ を満たすか否かで判定信号ｉを発するようになつ
ている。ここにαｉ＝α１，α２，α３…で例え
ばｉ＝１の場合、工具の折損（欠刃）とか、又ｉ
＝２の場合は工具の摩耗とかｉ＝３の場合は工具
の欠損などの如き異常状態が判定されることにな
る。

第２６図ではモータとしてDCモータを例とし
たが交流モータでも差支えない。又A/D変換器６
４を介して幅値Ｗと平均値Ｒを算出するようにし
たがアナログ信号のまゝで量Ｋを算出するように
しメモリ７０、判定部７１の前にA/D変換器を設
けるようにしてもよい。又更にメモリをアナログ
メモリを用いるようにし判定部７１もアナログ量
の加算器 Ｋ＋（−Ko・αｉ＞０ によつて判定を行うようにしてもよい。

更に又、以上の説明では主軸モータ（DC，AC
モータに係らず）の電流値としたが、本発明の主
旨は切削力を反映する他の物理量や電気的量であ
つても実現できる。例えば被加工物を切削中に移
動せしめる駆動系のモータ電流値とか又その駆動
制御系のサーボラグなどを利用することも可能で
ある。

以上説明した如く本発明はフライス切削中の切
削力の変動幅値Ｗと平均値Ｒの比の値Ｋに注目し
これをそのフライスカツタのヴアージンな切削時
の比の値Koと比較するものであつて、これによ
りフライス切削時における切込み量、主軸回転
数、等々の各々の切削条件の変化とは無関係にそ
のフライスカツタの異常状態を検出することがで
きるものである。とくに第２６図に示す如くデイ
ジイタル方式でＷ，Ｒを算出することにより、メ
モリ７０を含め算出部６７、判定部７１、検出部
６８等々をソフト処理することも可能であつて、
既存の工作機械に対し簡単なオプシヨン装置とし
て取付けることも可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は切削に伴う各種データを測定するため
の測定系のブロツク線図、第２図はフライスカツ
タ（６インチ10枚刃）と被加工物との相対移動に
おけるカツタ中心の軌跡を示す図、第３図は５イ
ンチ（８枚刃）のカツタの場合のカツタ中心の軌
跡を示す図、第４図は被加工物のテーブルへの取
付状態を示す図、第５図はフライスカツタの１枚
の刃の４つのコーナーを電気ペンにて損傷せしめ
各コーナーごとに欠損刃を形成せしめた、第６図
は10Hzのローパスフイルタを介して得られた６イ
ンチ（10枚刃）フライスカツタによる切削中の電
流波形図でａは正常刃の場合、ｂは１枚欠刃の場
合を示す図、第７図は第６図と同じ切削条件で欠
損刃の場合についての電流波形を示し、ｃは欠損
刃（No.3）、ｄは欠損刃（No.4）を示す図、第８
図は第６図と同じ切削条件であつてｅは欠損刃
（No.5）、ｆは欠損刃（No.6）よる切削中の電流
波形を示す図、第９図ａ，ｂは第６図ａ，ｂに対
応するもので50Hzのローパスフイルタを介して得
られる電流波形を示す図、第１０図は６インチフ
ライスカツタが正常刃のときの電流のパワースペ
クトルを示す図、第１１図は６インチフライスカ
ツタが１枚欠刃のときの電流のパワースペクトル
を示す図、第１２図は５インチフライスカツタが
１枚欠刃のときの電流のパワースペクトルを示す
図、第１３図は５インチフライスカツタが１枚欠
刃のときで且つ切削幅を第１２図と異るようにし
たときの電流のパワースペクトルを示す図、第１
４図は主軸回転数を変化させた場合の電流のパワ
ースペクトルを示す図、第１５図、第１６図は摩
耗による影響を検出するための電流のパワースペ
クトルを示す図、第１７図は送り量による電流の
変動幅と平均値の変化を示す図、第１８図は主軸
回転（切削速度）による電流の変動幅と平均値の
変化を示す図、第１９図は切削幅をパラメータと
したときの切込み量による電流の変動幅と平均値
の変化を示す図、第２０図は正常刃と１枚欠刃お
よび４種の欠損刃の場合に対する各々の切込み量
による電流の変動幅と平均値との変化を示す図、
第２１図は摩耗による影響を示すものであつて、
切削回数による電流の変動幅と平均値を示す図、
第２２図は切込み量による値Ｋ（変動幅／平均
値）の変化を示す図、第２３図は送り量による値
Ｋの変化を示す図、第２４図は主軸回転数による
値Ｋの変化を示す図、第２５図は切削回数による
値Ｋの変化を示す図、第２６図は本発明による切
削異常検出装置の構成ブロツク図である。 ６１…モータ、６２…シヤント回路、６３…ロ
ーパスフイルタ、６４…A/D変換器、６５…幅値
算出部、６６…平均値算出部、６７…算出部、６
８…平均値安定状態検出部、６９…ゲート、７０
…記憶部、７１…判定部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ フライス切削時における切削工具の切削異常
   を検出する装置において、 前記切削中における切削力に対応する物理量を
   検出する切削力検出手段と、 フライス切削中、前記切削工具の断続切削によ
   る前記切削力検出手段出力の変動幅値（Ｗ）を算
   出する幅値算出手段と、 前記切削力検出手段出力の平均値（Ｒ）を算出
   する平均値算出手段と、 前記平均値Ｒが安定状態に在ることを検出する
   安定状態検出手段と、 前記、幅値Ｗと平均値Ｒとの比の値を算出する
   算出手段と、 前記切削工具のヴアージンな切削時に測定され
   た前記幅値Wo、平均値Roの比の値がストアされ
   る記憶手段と、 前記安定状態検出手段からの出力が在るとき前
   記W/RとWo/Roとを比較し、その比の値が予じ
   め定められた一定値を超えたとき前記切削工具が
   異常であると判定する比較判定手段とを備えたこ
   とを特徴とするフライス切削における切削異常検
   出装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において切
   削力検出手段として主軸回転駆動用モータに流れ
   る電流値を検出記号とすることを特徴とするフラ
   イス切削における切削異常検出装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、主軸駆動用
   モータ電流値を10Hz程度のローパスフイルタを介
   して検出するようにしたことを特徴とするフライ
   ス切削における切削異常検出装置。 ４ 特許請求の範囲第３項において、前記電流値
   をA/D変換器を介して検出するようにしたこと特
   徴とするフライス切削における切削異常検出装
   置。