JPS63295159A - 自動利得制御機能による漸進的切削工具破損の検出方式 - 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】 発明の背景 本発明は切削振動信号を平均レベルに調節する自動利得
制御（ＡＧＣ）をそなえた音響式１具破損検出方法とシ
ステムに関するものであり、特に切削振動信号レベルを
徐々に減少させるような工具破損を、ＡＧＣ特性を使用
して検出することに関するものである。

与えられた設備の工作機械モニタ（ＭＴＭ）の切削雑音
信号レベルは工作物の材料の性質、切込み深さ、表面速
度、送り速度、すくい角等の要因によって広範囲に変り
得る。現存の１つのシステムでは、パート−プログラマ
が切削毎のＭＴＭアナログ信号チャネルの利得を＠ｔＩ
御して、試験の結果として工具破損検出性能を最適化す
ることがわかったレベルのほぼ近傍に信号レベルを維持
するようにしている。工具破損に特有の音響的なシグナ
チュア（ＳｊｇｎａｔｕｒＱ　）すなわち独特な音響信
号パターンがあるか試験するための信号パターン認識論
理装置がディジタル・プロセッサに設けられている。

パート・プログラマの負担を軽減するため、また各切削
中に利得制御が行なえるようにするため、工作機械モニ
タ用のＡＧＣ機能が開発されてきた。

ソフトウェア型ディジタル自動利得制御が１９８７年３
月１８日出願の米国特許出願第０２７，３６７号に開示
され、ハードウェア型ＡＧＣ回路が１９８６年１２月１
９日出願の米国特許出願第９３４．３９７号に開示され
ている。後者の教示するところによれば、ＡＧＣ時定数
を充分に長く、たとえば３秒より長くして、これにより
、損傷を起したり再切削を必要とするような重大な急激
に発生する工具折損事象による振動信号の大きな急速な
変化が影響を受けないようにして、これらの音響的なシ
グナチュアをまだ工具破損検出論理装置で認識できるよ
うにしている。しかし、第２図に示すように別の形態の
音響的な工具破損シグナチュアがある。工具の急速な摩
耗や次々と欠は落ちる微破砕のような漸進的工具破損に
よって生じる数秒の期間にわたる緩やかな信号レベルの
変化は、その入力信号が急激な低下部分を持たずに次第
に減少すればＡＧＣ動作によって本質的に除去される。

したがって、このようなＡＧＣの作用を受けた信号に対
して従来の工具破損検出論理装置は良好に対応できなか
った。他の微破砕による破損事象では、人力信号レベル
が一連の不等間隔で生じる急峻ではあるが小さな低下部
分を有しながら減少するが、これらの小さな低下部分の
いずれも標準的な工具破損検出論理装置の要求条件に合
致しない。本発明は上記のような急激ではなく成る時間
にわたって生じる重大な工具破損事象の両方を検出しよ
うとするものである。

米国特許第４，６４２，６１７号および１９８６年３月
３日出願の米国特許出願第８３５，６９８号は、ＭＴＭ
システムにおいてより緩やかに生じる工具破損を検出す
るためにアナログ・チャネル自動利得制御や警報機能を
持たない工具破損検出器を対象としている。

米国特許第４．５１４，７９７号は切削工具摩滅検出器
の中にソフトウェア制御型の自動利得制御回路を有する
ものである。

発明の要約 本発明の１つの目的は急激に生じない工具の故障によっ
て発生される工具破損振動シグナチュアを検出するため
の改良された方法とシステムを提供することである。

もう１つの目的はパート・プログラムで要求される金属
から空気への工具径路の遷移による誤警報を避けるため
に不作動にする必要のない方式を用いて上述の方法とシ
ステムを提供することである。

更にもう１つの目的はＭＴＭアナログ信号チャネルの利
得がハードウェアまたはソフトウェア型ＡＧＣシステム
で制御されているときに上記の両方の目的を達成するこ
とである。

更にもう１つの目的は自動利得制御と両立し、正常な切
削の開始と終了の音響的なシグナチュアに正しく応答す
る漸進的工具破損検出論理装置を提供することである。

本発明の一面によれば、ハードウェア型ＡＧＣが設けら
れ、またＡＧＣプリセット利得制御機能を用いて、振動
センサ信号が緩やかに減少してしきい値より下がったと
きに振動信号に急峻なレベル低下を発生させる。その結
果生じたレベル低下は急激工具破損検出論理装置によっ
て検出することができる。本発明による改良された工作
機械モニタは、チャネル利得を制御する可変減衰器を含
む、切削振動信号を調整するためのアナログ信号処理チ
ャネルと、既に述べたようなディジタル・プロセッサお
よび緩動ＡＧＣ回路とをそなえている。漸進的な工具破
損により入力信号がゆっくりと減少するときにＡＧＣの
動作によって生じる高利得を検出して、利得を低レベル
にリセットし、その結果、持続する急速な信号レベルの
変化を生じさせて破損検出論理装置で認識させる手段が
設けられる。リセットを行うための利得の上限は選択可
能であり、切削条件によって定められる。これは公称フ
ルカット（ｆ’ｕｌｌ−ｃｕｔ）利得に所定の係数を乗
じたものとすることができる。

好ましい実施例では、ソフトウェアまたはファームウェ
ア型ＡＧＣを用い、また入力信号が低下してＡＧＣによ
りアナログ・チャネルの利得が高利得しきい値まで増加
したときに破損警報を直接発生することによって漸進的
工具破損シグナチュアを検出する。高利得しきい値は各
切削の開始時にユーザにより設定するか、再計算する。

急激な工具破損と漸進的工具破損を検出するための改良
されたＭＴＭは、前に述べたようなセンサおよびアナロ
グ・チャネル、ならびに急激工具破損検出論理装置およ
び自動利得制御論理装置をそなえたディジタル・プロセ
ッサで構成される。

自動利得制御論理装置はアナログ・チャネル出力信号を
選択された平均レベルに保持するための減衰器利得指令
を決定する。漸進的工具破損論理装置が利得指令を監視
し、利得が上昇して高利得警報レベルを越えたときに破
損検出信号を発生する。

漸進的工具破損論理装置は、好ましくは、利得が安定し
た後の利得を求めて、それに所定の比を乗算することに
より、各切削中の警報レベルを計算する手段をそなえて
いる。

本発明の別の面によれば、工具と工作物との界面におけ
る振動を監視することによって工具の破損を検出する改
良された方法が提供される。工具の重大な破損事象を表
わす信号パターンを探索するためにアナログ・チャネル
出力が工具破損検出論理装置内でディジタル的に処理さ
れる。チャネル利得は自動制御され、またＡＧＣ時定数
は充分に長いので工具折損事象によって生じる急激で持
続する信号レベルの変化はＡＧＣの影響を受けず、警報
が発生される。振動信号をゆっくり低下させる微破砕に
よる漸進的な工具破損は、ＡＧＣ動作によって利得が増
大してチャネル利得が選択可能な高利得しきい値を越え
たとき検出される。前述したように高利得警報レベルは
各切削毎に再計算され、利得を警報レベルと比較する高
利得試験が行なわれる。高利得試験は切削終了から所定
時間後に終了される。電流利得を求めて警報レベルを計
算し、また高利得試験を終了させるための時間間隔は、
信号レベルがＡＧＣ作動レベルより上昇し、またそれよ
り低下した時から測定してもよい。

発明の詳細な説明 アナログ信号チャネルのディジタル化された出力信号に
適用される標準的な工作機械モニタ（ＭＴＭ）の工具破
損検出論理装置は、急峻さ、変化量および持続性につい
ての特定の規準に合致する特有の信号レベル変化を探す
ことにより工具破損の音響的なシグナチュアを認識する
。金属切削状態を著しく変化させる工具破損事象の殆ん
どはこれらの規準に合致し、この論理装置によって検出
される。典型的には、もとの切刃を含むインサートの一
部が破損して脱落し、切込み深さの減少により切削信号
レベルが小さくなる。この信号レベルの低下は急速で約
１ミリ秒以内に完了する。信号レベルのシフトは工作物
の少なくとも１回転の間持続する。このような摂動シグ
ナチュアの１つが第１図に示されている。しかし、時に
は信号レベルを徐々に減少させて、信号レベルの半減に
１秒以上かかり、空気を切るレベルまで下るのに数秒を
要するような他の形態の工具破損事象がある。

このような漸進的な工具破損の２つの形態を表わすシグ
ナチュアが第２図に示されている。第２図の左側に示す
第１の形態では、平均信号レベルは連続的またはほぼ連
続的に減少する。これはたとえば連続的な微破砕により
生じ、切削状態が緩やかに変化する。第２図の右側に示
す第２の形態では、信号レベルは一連の広く且つ一様で
ない間隔の急峻な小さなステップで減少する。これはた
とえば切削状態に急激で小さな変化を生じさせる一連の
小さな破損によって生じる。

このような微破砕または急速な摩耗による工具破損事象
は一般に標準的なＭＴＭ工具破損検出アルゴリズムによ
って検出されない。更に、ＭＴＭアナログ・プロセッサ
に緩動０動利得制御機能を付加すると、信号レベルの緩
やかな変化がわかりにくくなる傾向がある。というのは
、入力レベルが徐々に減少するにつれてＡＧＣがシステ
ム利得を増大させて出力信号レベルを一定に保つからで
ある。

第３図に示す本発明の一形式ではハードウェア型自動利
得制御回路を設け、チャネル利得の選択可能な上限を使
用し、ＡＧＣ動作の制御のもとに利得が上限に達したと
きに利得を急激により低い値にリセットする。チャネル
利得のこの突然の低下によって、標準的なＭＴＭ急激工
具破損検出規準を満足するほどの急峻で持続する信号レ
ベルの低下を生じさせる。一実施例による工作機械モニ
タは以下に述べるように構成される。すなわち、加速度
計のような広帯域振動センサ１０が工作機械たとえば旋
盤またはフライス盤上の、切削工具と工作物との相互作
用によって発生される振動に対する結合の良好な位置に
取り付けられる。１つの加速度計の出力はほぼ０乃至７
０ｋＨｚの周波数成分を有する低レベルＡＣアナログ信
号であり、その振幅は切削過程によって生じる振動の強
さにつれて変る。この信号はアナログ信号処理チャネル
の固定利得フィルタ１１に供給される。電子回路のダイ
ナミック・レンジは加速度計と整合させ、周波数範囲は
帯域フィルタによって３０乃至７０ｋｌｌｚに制限され
る。種々の機械雑音源からの妨害を少なくするために低
周波成分が減衰され、また高周波成分はセンサが工具ホ
ルダに近接していない場合には大きく減衰するので使用
されない。アナログ・チャネルの利得は減衰器１２によ
って制御される。減衰器１２は、受信したディジタル制
御信号に従って、選択された相対チャネル利得係数を発
生することができる。エンベロープまたはエネルギー検
出器１３ならびに固定利得フィルタ１４が全波整流器お
よび５００　！Ｉｚ以下の低域通過エイリアシング防止
フィルタで構成される（フィルタの作用に伴なって固定
利得がある）。処理されたアナログ出力信号は典型的に
は○乃至１０ボルトであり、ＤＣから５００　！Ｉｚの
帯域幅の信号である。

ダイナミック・レンジを考慮して、ハードウェア型ＡＧ
Ｃ回路１５により減衰器１２およびチャネル利得を制御
して、アナログ・チャネルからの平均信号レベルを１ボ
ルトの近傍に保持する。前に説明したようにＡＧＣ時定
数は充分に長くしであるので、工具の重大な破砕事象に
よる急激な持続する変化は影響を受けない。ディジタル
争プロセッサがサンプリングおよびアナログ／ディジタ
ル（Ａ／Ｄ）変換装置１６、ならびにディジタル破損検
出論理装置１７で構成される。アナログ・チャネルの出
力電圧はサンプリングされてディジタル化される。論理
装置１７は信号サンプルを分析し、急激工具破損振動シ
グナチュアを認識したとき、工具破損警報を発生する。

急激な工具破損またはより緩かな漸進的な工具破損が生
じたときに警報が発生される。漸進的な工具破損を検出
するために、ＡＧＣ回路１５はリセット動作のための利
得限界を持つように変形される。

次に第４図および第５図を参照して、漸進的な工具破損
が生じ、切削振動信号レベルが徐々に減少する場合につ
いて説明する。出力信号レベルの減少はＡＧＣの制御に
よる利得の増大によって防止される。ＡＧＣにより制御
されるチャネル利得の上限を選択し、切削状態に応じて
定める。これは公称フルカット・チャネル利得に、たと
えば１゜５乃至５の範囲内の係数を乗じたものとするこ
とができる。ＡＧＣの作用により、入力信号レベルが減
少するにつれて利得が高利得しきい値に向って上昇する
。しきい値を越えたとき利得は低い値にリセットされ、
これにより急激な信号レベルの低下が生じる。この急激
な信号レベルの低下は持続して、破損検出論理装置１７
によって工具破損と認識され、警報が発生される。利得
がリセットされる低い値は、アナログ・チャネル出力電
圧が予め定めたＡＧＣ作動レベルより低いときに減衰器
１２に与えられるプリセットされた一定の利得であって
もよい。

第６図に示す本発明の一形式では、ソフトウェア型自動
利得制御システムが設けられ、ソフトウェア論理装置が
高利得しきい値の交差を検出して、利得指令をリセット
することなく破損検出信号を発生する。振動センサ、ア
ナログ信号処理チャネ゛ルおよびディジタル争プロセッ
サは前と同様であるが、第６図ではディジタル・プロセ
ッサがＡＧＣ論理装置１８を有し、これにディジタル化
されたチャネル出力信号が与えられる点が相違している
。ＡＧＣ論理装置は減衰器１２に対する利得指令を決定
して、チャネル出力信号を選択された平均レベルに保持
する。ＡＧＣ時定数は充分に長いので、急激な工具破損
シグナチュアを検出して、警報を発生することができる
。漸進的工具破損論理装置により利得指令を監視して、
利得が高い値に上昇してしきい値を越えたときに破損検
出信号を発生する。利得制御信号が交差して漸進的工具
破損警報を発生させる高利得しきい値は２つの交代的な
方法で決定される。第１の方法はパート・プログラマま
たはユーザによって現在の切削状態に応じてしきい値を
設定する方法である。これは公称フルカットψチャネル
利得の整数倍にすることができる。もう１つの方法は、
ソフトウェアにより、所定の切削時間後の基準利得を求
めて、この基準利得にユーザの選択した係数を乗算した
ものとしてしきい値を計算する方法である。両方の方法
とも工具破損検出ソフトウェアの一部としてマイクロコ
ンピュータのアセンブリ言語のソフトウェアに入れるこ
とができる。

第７図は利得を監視し高利得警報を発生するための第１
の方法と論理により漸進的工具破損を検出する場合を示
す。ブロック１９で高利得しきい値Ｔｃ、が設定され、
ブロック２０で電流利得指令Ｇが読出される。現在の利
得が高利得しきい値未満であれば、電流利得が上昇して
しきい値を交差−するまでブロック２１で比較が継続さ
れる。しきい値を越えたとき、ブロック２２で高利得警
報が発生される。ディジタル出力信号を選択された平均
レベルに保持するために必要な利得指令が警報レベルま
で上昇した場合、これはアナログ・チャネルの入力信号
が減少したことを意味すると共に、この入力信号の減少
が徐々に緩やかに生じて、ＡＧＣシステムがその時定数
により入力信号のレベルの変化に追従できたということ
を意味する。したがって、このシステムは切削の正常な
終了による一層急速な信号レベルの低下を無視しながら
、工具の漸進的破損による信号レベルのゆっくりした減
少を検出することができる。自動利得制御は上述の急速
な信号レベルの低下に反応しない。この急速な信号レベ
ルの低下により信号レベルは、緩動自動利得制御がチャ
ネル利得を増大させることができるようになる前に、Ａ
ＧＣ作動レベルよりも下る。一旦信号レベルがＡＧＣ作
動レベルよりも下ると、ＡＧＣはもはや作用しない。

第８図乃至第１３図に示す漸進的工具破損を検出するた
めのシステムと方法は自動利得制御と両立し、バート争
プログラマによる調節は殆んどまたは全く必要としない
。第８図は現在の利得と高利得しきい値すなわち警報レ
ベルとの比較を行う高利得試験を正常の切削作業中に開
始して終了させる方法を例示する。第９図は漸進的工具
破損が発生したときにＭＴＭＭ’損警報を発生する方法
を例示する。両図には利得制御後の信号を所望の出力信
号レベル（１ボルト）に保持するための入力信号の変化
に対する利得の変化を示しである。ＡＧＣ作動レベルは
ＡＧＣアルゴリズムに関連したパラメータであり、ここ
では高利得警報アルゴリズムでも使用される。入力の振
動信号がＡＧＣ作動レベルより低いとき（たとえば金属
を切削していないとき）　、ＡＧＣ動作が抑制される。

ＡＧＣ作動レベルを適当に低い値に設定すれば、すべて
の金属切削中はＡＧＣにより一様な信号レベルを維持す
るようにすることができると共に、非切削期間中は利得
が異常に高い値にまで駆動されることを防止することが
できる。

「高利得イネーブル時間」、「高利得ディスエーブル時
間」および「高利得警報比」というパラメータをそなえ
た高利得警報アルゴリズムが導入される。イネーブル時
間は入力信号がＡＧＣ作動レベルを超えて上昇したとき
から測定され、ディスエーブル時間はＡＧＣ作動レベル
以下に低下したときから測定されるが、これらの時間は
切削の始めと終りのような他の都合の良い時点から測っ
てもよい。高利得試験は次のように禁止され開始される
。

ＭＴＭアルゴリズムが初期設定または再初期設定される
とき、高利得試験は禁止される。

工具破損警報が発生した後、および平均信号レベルが（
たとえば切削の終りにおける静止状態中の）高利得ディ
スエーブル時間の相次ぐサンプルに対してＡＧＣ作動レ
ベルよりも低いとき、高利得試験は禁止される。

平均信号レベルが高利得イネーブル時間の相次ぐサンプ
ルに対してＡＧＣ作動レベルよりも高くなり、高利得試
験が禁止されている場合は、高利得警報レベルがそのと
きの利得とユーザの選択した高利得警報比（たとえば２
）との積に等しい値に設定され、その後、高利得試験が
開始される。

この試験の場合、漸進的工具破損警報が発生される条件
は、更に詳しく述べると、利得が高利得警報レベルを超
えたときであり、このときＭＴＭ破損警報が発生される
。高利得イネーブル時間の間の値がゼロの場合は永久的
に高利得試験を禁止しなければならない。これによりパ
ート・プログラマはこの漸進的工具破損検出モードなし
に操作する自由が与えられる。高利得警報レベルはパー
ト・プログラマには見えない内部パラメータである。

第８図は工具破損のない正常な切削の際の手順を示す。

高利得イネーブル時間の終りに、高利得試験が開始され
る。正常な切削中に利得が大きくなって高利得警報レベ
ルに達することはない。切削終了時に、信号レベルがＡ
ＧＣ作動レベルより下って、高利得ディスエーブル時間
が終了した時に、高利得試験は終了する（禁止される）
。他方、切削中に工具の微破砕による破損がある場合に
は、第９図に示すようにＡＧＣ動作によって利得が高い
値に上昇して高利得警報レベルを越え、漸進的工具破損
警報が発生される。破損警報が発生されたとき、高利得
試験は終了する。

適正な動作のため、高利得イネーブル時間は充分に長く
、たとえばＡＧＣ時定数の数倍に設定されて、高利得試
験が開始されるときの利得が安定するようにする。プロ
グラマは実際の利得値を知っている必要はない。警報条
件は高利得警報比、すなわち漸進的破損による振動信号
の相対的な変化の尺度として指定される。各切削の始め
に高利得警報レベルを再計算して、プロセスパラメータ
（スピンドル速度、切込み深さ等）の変化を自動的に補
償するように、高利得試験の禁止（終了）および開始条
件が設計される。高利得ディスエーブル時間は工作物の
回転時間に関連付けてもよく、１回転の時間の倍数とす
るのが都合がよい。

ＡＧＣ時定数は切削の正常な終了時の時定数より大きく
設定されて、平均信号レベルがＡＧＣ作動レベルよりも
低下してからＡＧＯ動作により利得が高利得警報レベル
以上に上昇するようにする。

同様の理由によりＡＧＣ時定数は漸進的工具破損の時定
数より小さくしなければならない。これらの制約条件は
厳しくない。実際には、ＡＧＣ時定数に対する１つの値
がすべての機械加工条件に対して適切になるようにする
。

ディジタル・プロセッサ内のソフトウェアまたはファー
ムウェアで実施される上述の工具破損検出手順を、更に
第１０図乃至第１３図の簡略化されたフローチャートを
参照して説明する。第１０図のブロック２３は高利得試
験を禁止する１つのステップを除いてＭＴＭ初期設定ア
ルゴリズムの詳細を示していない。ブロック２４のＭＴ
Ｍアルゴリズムは標準的なステップ２５乃至２７を有す
る。これらのステップでは、Ａ／Ｄ変換装置１６からサ
ンプルを得て、破損検出論理装置１７で急激破損試験を
行ない、２個以上で２５６個以下の信号サンプルを使っ
て移動平均信号レベルを計算する。次いで高利得ディス
エーブル試験２８、高利得イネーブル試験２９および高
利得試験３０が行なわれるが、これらは第１１図乃至第
１３図に示されている。ステップ３１で破損警報が発生
されていなければ、新゛しい信号サンプルを入手するご
とにＭＴＭアルゴリズムが反復される。漸進的破損警報
が発生されると高利得試験が禁止される（終了する）。

高利得ディスエーブル試験は、第１１図に示すように、
平均アナログ出力信号レベルがＡＧＣ作動レベルより低
いか判定するステップ３２、イネーブル−カウンタをゼ
ロにセットするステップ３３、サンプル毎１こディスエ
ージ１１番カウンタを１計数ずつ増数させるステップ３
４、ディスエーブル・カウンタが（相次ぐサンプル数で
測った）ディスエーブル時間より大きいか判定するステ
ップ３５、および高利得試験を禁止するステップ３６を
有する。平均レベルがＡＧＣ作動レベルより高い場合、
または高利得試験が禁止される場合、第１２図に示す高
利得イネーブル試験に進む。この試験は第１２図に示す
ようにステップ３７乃至４２を有し、平均アナログ出力
信号レベルがＡＧＣ作動レベルより大きいとき、ディス
エーブル・カウンタをゼロにセットし、イネーブル・カ
ウンタを１単位だけ増数する。イネーブル−カウンタが
イネーブル時間より大きく且つ高利得試験が禁止されて
いる場合、高利得警報レベル（現在の利得と予め割当て
られた警報比との積）が計算され、高利得試験が開始さ
れる。高利得試験は第１３図に示すようにステップ４３
乃至４５を有し、現在の利得が高利得警報レベルを超え
たときに漸進的破損警報が発生される。他方、第１２図
で一平均振動信号レベルがＡＧＣ作動レベルより小さい
場合、またはブロック４０の条件が満足されない場合に
は、高利得試験に直接進み、ステップ４３で再びＭＴＭ
アルゴリズムを通る。

これは１９８６年１２月１９日出願の米国特許出願第９
３４．３９７号（工作機械モニタ用自動利得制御）に述
べられている。第１４図および第１５図はこの出願から
引用したものであるが、但し第１４図のシステムでは高
利得しきい値を検出して、素早く利得をより低い値にリ
セットする手段を含むように変更されている。図に示す
ように、加速度計のようなセンサからの振動信号が入力
ポテンショメータ４６に与えられて、電子回路のダイナ
ミック拳レンジをセンサに整合させるようにする。この
信号を調整して０乃至１０ボルトのＤＣ乃至５００１１
ｚの信号とするためのＭＴＭアナログ増幅器が固定利得
部４７、可変減衰器としての役目を果す乗算型ディジタ
ル／アナログ変換器（ＭＤＡＣ）４８、および固定利得
と整流の機能を有する部分４９をそなえている。ディジ
タル式にプログラム可能なＭＤＡＣ４８の利得は、アナ
ログ増幅チャネルの利得を定めるためのアップ／ダウン
中カウンタ５０の並列出力からの信号でその２進入力を
設定することにより調節される。

ＡＧＣ回路は入力フィルタ５１、レベル検出器５２、可
変クロック５３、禁止回路５４、しきい値タイマ５５、
最大／最小計数値検出器５６、計数禁止回路５７、プリ
セット可能なアップ／ダウン・カウンタ５０、およびプ
リセット論理装置５８で構成される。第１５図はＡＧＣ
の動作を入力信号レベルの関数として例示したものであ
る。左側に示す、種々の動作が行なわれる電圧は、ＭＴ
Ｍの１つの応用例についてのものである。増数指令と減
数指令はカウンタ５０に対するものである。

減数指令によってアナログ増幅器の利得を減少させ（減
衰度増大）、増数指令によって利得を増大させる（減衰
度低下）。ＡＧＣを復旧するためのしきい値電圧は工作
機械の背景レベルの雑音より高くする。ＡＧＣが何の動
作も行なわない不感帯または窓がある。

アナログ会チャネル出力信号は、最初の信号平均化を行
なう１００１１ｚの低域通過フィルタ５１を介してＡＧ
Ｃ回路に入力される。この信号は、３つの制御信号すな
わち増数信号、減数信号およびしきい値信号を発生する
レベル検出器５２に与えられる。信号がしきい値タイマ
５５によって設定された時間（１秒）の間しきい値より
低い場合、チャネル利得は利得プリセット論理装置５８
によって定められた低いプリセット値に保持される。

これは遠隔ＭＴＭディジタル拳プコプロセッサ手動また
はパート・プログラムにより設定することができる。信
号レベルがしきい値（０，１５ボルト）を超え、しかも
窓（０，７ボルトから１．７５ボルト）の中にないとき
、増数または減数信号によりアップ／ダウンφカウンタ
５０および可変クロック５３を動作させる。その速度が
カウンタ出力によってきまるクロック出力により、信号
レベルが所望の窓の中に入るか、またはカウンタが最大
出力または最小出力に達するまで、カウンタが駆動され
る。このような状態になったとき、クロックは禁止され
る。窓の機能およびしきい値に於ける雑音除去にはヒス
テリシスがある。可変クロックはＭＴＭ急激破損アルゴ
リズムをその元の基亭から変更しないで動作し得るよう
にするために必要である。ＡＧＣは利得とほぼ一定の速
度で変える。たとえば５１２から２５６への２：１の利
得の変化には２４から１２への利得の変化と同じ時間が
かかる。ＡＧＣが利得を変える時間速度は一定で、利得
によって変らない。この時間速度は２：１の利得変化が
工具急激破損確認期間より長くかかるように設定される
。

突然ではなくである時間にわたって発生する漸進的工具
破損を検出するために高利得しきい値検出器５９が設け
られる。減衰器利得すなわちアップ／ダウン・カウンタ
５０の出力が監視される。

減衰器利得が選択可能な」：側しきい値に達したとき、
カウンタのプリセット作動入力が駆動され、利得が低い
値にプリセットされる。その結果生ずるチャネル出力信
号のレベル低下は標準的な急激工具破損検出論理装置に
よって検出される。

ソフトウェア型ＡＧＣ 次に１９８７年３月１８０出願の米国特許出願第０２７
．３６７号（高速ディジタル自動利得制御方法）に記載
内容を引用して説明する。被制御減衰器はアナログ人力
ｘ１ディジタル人力Ｇ１ならびにこの２つの入力の積Ｇ
ｘに比例したアナログ出力を有する乗算型ディジタル／
アナログ変換器とすることができる。このアナログ出力
は適当な速度でサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換器によっ
てディジタル値Ｘに変換される。ディジタル自動利得制
御の目的はＧを連続的かつ自動的に調節することにより
Ｘの長時間の値を所望の平均レベルＬに維持することで
ある。サンプリング周期単位で表わした、指数平均のた
めの選択された時定数を表わす正の整数をＴとする。こ
のときの目標は周期的にＧを調節することにより（時定
数Ｔによる）Ｘの指数平均値をレベルＬに保つことであ
る。

高速ディジタルＡＧＣにより各サイクルで利得Ｇを調節
する方法は加算と減算で具現され、乗算や除算は用いら
れない。ｔａＮＴがＧの最大許容値以上になるような最
小の整数をＮとする。ＴがＧの最大許容値以上であれば
、Ｎは１である。任意の整数変数Ａが、ディジタル化さ
れたチャネル出力信号Ｘと所望の平均出力レベルＬとの
間の多数のサンプリング周期にわたる累積差と定義され
る。

Ａの大きさがしより大きくなったとき、任意の整数変数
Ｂはそのときの利得Ｇだけ変る。Ｂの大きさがＮＴより
大きくなったとき、利得ＧはＮだけ変えられる。変数Ａ
はサイクル毎に変るが、Ｂは規則的な間隔を置いて、ま
たはサイクル毎に変化することはない。第６図の工作機
械モニタでは、典型的には、利得は１０２４より小さい
正の整数であり、時定数はたとえば５００と８０００と
の間の正の整数である。代表的な時定数が０，２５秒乃
至４秒で、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング速度が２０００
／秒である場合には、サンプリング周期で表わした時定
数は上記の通りになる。定数Ｎは利得が変化する最小の
量である。時定数が１０２４より大きいとき、Ｎは１で
ある。ディジタル化された出力信号は４０９６　（単位
当り２．５ミリボルト）より小さい正の整数である。所
望の平均出力レベルは１ボルトまたはコンピュータにお
ける４００である。他のすべての変数は−３２７６８と
＋３２７６８との間の値を持つ２バイトの整数である。

最初に変数ＡとＢがゼロまたは他の初期値に設定される
。定数Ｎ、　ＮＴ、　Ｌ、　−ＮＴおよび−Ｌの値がプ
ロセスの開始時に決定されて格納される。

ＬとＴは選択され、他は計算される。次にサンプリング
周期毎にＧの新しい値が次のように決定される。

１、ＡをＸだけ増数させる。

２、　Ａをしたけ減数する。

３、このときＡがＬより大きければ、 ａ）ＡをＬだけ減数し、 ｂ）ＢをＧだけ増数し、 Ｃ）このときＢがＮｆＴより大きければ、（イ）ＢをＮ
”　Ｔだけ減数し、 １口）ＧをＮだけ減数し、 ｄ）Ａがまだしより大きければ、ステップ３ａに戻る。

そうでなければ、ステップ５にジャンプする。

４、　Ａが−Ｌより小さければ、 ａ）Ａをしたけ増数し、 ｂ）ＢをＧだけ減数し、 Ｃ）このときＢが−Ｎ”　Ｔより小さければ、（イ）Ｂ
をＮ”　Ｔだけ増数し、 （ロ）ＧをＮだけ増数し、 ｄ）Ａがまだ−Ｌより小さければ、ステップ４ａに戻る
。そうでなければステップ５に進む。

５、Ａ、ＢおよびＧの値は次のサイクルで使うため保持
しつつ、Ｇの値を戻す。（計算終了）信号の平均が１つ
の時定数の期間内に大きく変ることの少ない代表的な用
途では、ステップ３ａから３ｄ（または４ａから４ｄ）
は通常、全く実行されない（Ａが−Ｌからしの範囲内に
ある場合）か、またはサイクル毎に１回だけ実行される
。これはＡが一２Ｌから２Ｌの範囲の外に出ることが少
ないからである。

したがって代表的な用途では、使用されることの多い最
長の径路はステップ１．　２．　３．　４．　４ａ、４
ｂ、４ｃ　（イ）、　　４ｃ　（Ｃ７）、　　４ｄおよ
び５である。この径路は６つの加算／減算と４つの比較
を必要とする。

第７図および第８乃至１３図で漸進的破損検出論理を付
加した場合、そのソフトウェア論理装置は高利得しきい
値の交差を検出し、利得指令をリセットすることなく漸
進的破損警報を発生する。

前に述べたように、アナログ・チャネル利得はＡＧＣに
よって制御され、ディジタル化されたチャネル出力は所
望の平均レベルに保持される。時定数は充分に長いので
、工具の重大な折損事象によって生じる急激な持続する
信号レベルの変化が検出され、警報が発生される。入力
振動信号をゆっくりと低下させる漸進的に生じる工具破
損は、ＡＧＣ動作によって利得が増大してチャネル利得
が高利得しきい値と交差したときに検出される。このし
きい値は切削状態によって定められる。ＡＧＣ論理装置
と漸進的破損検出論理装置はファームウェアで具現して
もよい。

急激工具破損検出についての本出願人による米国特許と
しては、米国特許第４．６３６，７７９号および第４，
６３６，７８０号がある。これらの特許は急激に発生す
る破損に特有の他の形態の音響的なシグナチュアを示し
ている。ある時間にわたって生じる漸進的工具破損につ
いての特許と特許出願は前に列挙した。

いくつかの実施例について本発明を説明してきたが、本
発明の趣旨と範囲を逸脱することなく形式と細部に於い
て種々の変更を加え得ることは当業者には明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は急激に発生する工具の重大な破損事象の代表的
な音響的なシグナチュアを示す時間線図である。第２図
は切削振動レベルをゆっくり低下させる２つの形態の漸
進的工具破損に特有の音響的なシグナチュアを示す時間
線図である。第３図はハードウェア型ＡＧＣを有し、急
激破損と漸進的破損の両方についての警報を発生する工
具破損検出システムのブロック図である。第４図は利得
のリセットにより信号レベルが急激に低下するまでアナ
ログ出力信号を平均レベルに維持するためのＡＧＣ動作
を例示する線図である。第５図はしきい値に達して利得
がリセットされるまでの入力信号レベルの減少に伴なう
利得の増大を例示する線図である。第６図はソフトウェ
ア型ＡＧＣを有し、両方の形態の工具破損を検出するた
めの本発明の別の形式のシステムを示すブロック図であ
る。 第７図は利得の監視とユーザが設定したしきい値に達し
たときの高利得警報の発生を示すフローチャートである
。第８図は正常な切削中の代表的な入力信号および利得
制御後の振動信号を示し、利得調節、高利得試験の開示
と終了、ならびに高利得警報レベルの設定のための手順
を説明するための線図である。第９図は漸進的工具破損
の際の信号および利得を示し、破損警報の発生を説明す
るための線図である。第１０図はＭＴＭ信号処理および
破損検出アルゴリズムの簡略化したフローチャートであ
る。第１１乃至１３図はそれぞれ高利得ディスエーブル
試験、高利得イネーブル試験、および高利得試験のフロ
ーチャートである。第１４図は第３図のハードウェア型
ＡＧＣの詳細なブロック図である。第１５図はハードウ
ェア型ＡＧＣの動作を入力信号レベルの関数として示し
た線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、切削工具の急激な破損と漸進的な破損の両方を検出
   するための工作機械モニタに於いて、切削過程中の工具
   と工作物との相互作用によって生じる振動を表わす信号
   を発生する振動センサ、切削振動信号を限定された周波
   数範囲の単極性の出力電圧となるよう調整するアナログ
   信号処理チャネルであって、利得制御用の減衰器を含む
   アナログ信号処理チャネル、 所定の確認時間の間持続する信号レベルの急速な大きな
   変化を有する急激工具破損振動シグナチュアを認識して
   、警報を発生する破損検出論理装置を含むディジタル・
   プロセッサ、 上記急激工具破損シグナチュアを検出するのに充分な長
   さの時定数を有し、上記減衰器の利得を動的に調節して
   、上記アナログ出力電圧を選定された平均レベルに保持
   するための自動利得制御（ＡＧＣ）回路、 漸進的工具破損によって入力振動信号レベルがゆっくり
   と減少するときに上記ＡＧＣの動作により生じる高利得
   を検出する手段、ならびに 利得を低い値にリセットして、信号レベルに急速かつ持
   続する変化を生じさせて、この変化を上記破損検出論理
   で検出させて警報を発生させるリセット手段、 をそなえることを特徴とする工作機械モニタ。 ２、上記リセットを行うときの高利得が選択可能であっ
   て、切削状態によって定められている請求項１記載の工
   作機械モニタ。 ３、上記高利得が公称フルカット利得と所定の係数との
   積である請求項２記載の工作機械モニタ。 ４、上記ＡＧＣ回路は上記チャネルの出力がしきい値よ
   り低いときに利得をプリセットする手段を含み、上記リ
   セット手段が利得をプリセット利得に素早く変化させる
   手段である請求項１記載の工作機械モニタ。 ５、上記減衰器が、アップ／ダウン・カウンタの出力に
   よって設定される２進入力を有するディジタル式にプロ
   グラム可能な乗算型ディジタル／アナログ変換器であり
   、上記リセット手段が上記カウンタを監視して、上記カ
   ウンタにプリセット利得を出力させる請求項１記載の工
   作機械モニタ。 ６、切削工具の急激な破損と漸進的な破損の両方を検出
   するための工作機械モニタに於いて、切削過程中の工具
   と工作物との相互作用によって生じる振動を表わす信号
   を発生する振動センサ、切削振動信号を限定された周波
   数範囲の単極性の出力電圧となるよう調整するアナログ
   信号処理チャネルであって、チャネル利得を制御するた
   めのディジタル式にプログラム可能な減衰器を含むアナ
   ログ信号処理チャネル、 上記アナログ出力電圧のサンプリングしてディジタル化
   し、破損検出論理装置で信号サンプルを分析して、所定
   の確認時間の間持続する信号レベルの急速な変化を有す
   る急激工具破損振動シグナチュアを認識して警報を発生
   するディジタル・プロセッサ、 上記ディジタル・プロセッサ内に設けられていて、上記
   急激工具破損シグナチュアを検出するのに充分な長さの
   ＡＧＣ時定数を有し、上記減衰器に対する利得指令を決
   定して、上記チャネル出力電圧を選定された平均レベル
   に保持するための自動利得制御論理装置、ならびに 上記利得指令を監視し、上記切削振動信号をゆっくり減
   少させる漸進的工具破損により上記利得が上昇して高利
   得しきい値を越えたときに工具破損警報を発生する漸進
   的破損論理装置、 をそなえることを特徴とする工作機械モニタ。 ７、上記高利得しきい値がユーザにより選択可能であっ
   て、切削状態によって定められる請求項６記載の工作機
   械モニタ。 ８、上記高利得しきい値が所定の係数と公称フルカット
   利得との積である請求項７記載の工作機械モニタ。 ９、上記漸進的破損論理装置が、利得が安定化した後の
   切削中の一時点での利得を求めて、それに所定の比を乗
   算することによって、各切削中に上記高利得しきい値を
   計算する手段を含んでいる請求項６記載の工作機械モニ
   タ。 １０、上記一時点の利得が、上記自動利得制御が作動さ
   れてから選定された時間後に求められる請求項９記載の
   工作機械モニタ。 １１、上記選定された時間が上記ＡＧＣ時定数の倍数で
   ある請求項１０記載の工作機械モニタ。 １２、各切削終了時にその時の利得と計算された高利得
   しきい値との比較を禁止する手段をも含む請求項９記載
   の工作機械モニタ。 １３、工具と工作物との界面での振動を監視することに
   より切削工具の破損を検出する方法に於いて、 振動信号を発生し、チャネル利得を制御するためのディ
   ジタル式にプログラム可能な可変利得装置をそなえたア
   ナログ信号処理チャネルで上記振動信号を予備処理し、 破損検出論理装置内で上記アナログ信号処理チャネルの
   出力をディジタル的に処理して、重大な工具破損を表わ
   す信号パターンを探索し、この信号パターンがあれば警
   報を発生し、 上記警報を発生させるような工具の折損事象による急激
   な持続する信号レベルの変化が影響を受けないように充
   分長いＡＧＣ時定数で、上記チャネルの利得を自動的に
   制御することにより上記チャネルの出力を選定された平
   均レベルに保持し、ＡＧＣ動作によって利得が増大して
   予め選定された高チャネル利得に達したことを検出する
   ことによって、上記振動信号をゆっくり減少させる漸進
   的工具破損を検出する各ステップを含むことを特徴とす
   る切削工具破損検出方法。 １４、上記可変利得装置に与えられる利得指令を監視し
   て、それがユーザの設定した高利得しきい値を越えたと
   きに高利得漸進的破損警報が発生される請求項１３記載
   の切削工具破損検出方法。 １５、上記ユーザの設定したしきい値が切削状態によっ
   て定められる請求項１４記載の切削工具破損検出方法。 １６、工具と加工品との界面での振動を監視することに
   よって切削工具の破損を検出する方法に於いて、 振動信号を発生し、チャネル利得を制御するためのディ
   ジタル式にプログラム可能な可変利得装置をそなえたア
   ナログ信号処理チャネルで上記振動信号を予備処理し、 破損検出論理装置内で上記チャネルの出力をディジタル
   処理して工具の重大な破損を表わす信号パターンを探し
   、この信号パターンがあれば急激破損警報を発生し、 工具の折損事象による急激な持続する信号レベルの変化
   が影響を受けないように充分長いＡＧＣ時定数を有する
   自動利得制御（ＡＧＣ）システムにより、上記可変利得
   装置の利得を調節して、上記チャネルの出力を選定され
   た平均レベルに保持し、 各切削中に高利得警報レベルを計算し、ＡＧＣの動作に
   より利得が増大して上記警報レベルを越えたときに漸進
   的破損警報を発生することによって、上記振動信号をゆ
   っくり減少させる漸進的工具破損を検出する各ステップ
   を含むことを特徴とする切削工具破損検出方法。 １７、切削開始後の所定の時点における利得を検知して
   、それに所定の比を乗算することにより、上記高利得警
   報レベルが計算され、利得を上記警報レベルと比較する
   高利得試験が開始される請求項１６記載の切削工具破損
   検出方法。 １８、上記所定の時間が上記ＡＧＣ時定数よりも長い請
   求項１７記載の切削工具破損検出方法。 １９、切削終了後の所定の時点で上記高利得試験が禁止
   される請求項１７記載の切削工具破損検出方法。 ２０、利得が検知するための上記所定の時点が上記チャ
   ネルの出力が上記ＡＧＣシステムを作動する信号レベル
   よりも高くなったときから測られ、上記チャネルの出力
   が上記のＡＧＣを作動する信号レベルよりも下がったと
   きから測られた時点で上記高利得試験が禁止される請求
   項１９記載の切削工具破損検出方法。