WO2024052978A1 - 状態検出システム、方法、およびプログラム - Google Patents

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milling tool
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雄介 小池
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
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    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4065—Monitoring tool breakage, life or condition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37355—Cutting, milling, machining force

Definitions

  • the present disclosure relates to a state detection system, method, and program.
  • Patent Document 1 discloses a tool abnormality detection device that detects an abnormality occurring in a tool by using the interrelationship of principal force, feed force, and back force generated during cutting. Disclosed.
  • Patent Document 2 discloses abnormal phenomenon monitoring in which chipping is determined by determining the cutting force ratio of principal force, feed force, and back force, and the differential coefficient of the force force ratio with respect to time.
  • JP-A-09-076144 (Patent Document 3) describes a machining state monitoring method for detecting loads on the X-axis and Y-axis to monitor the machining state in drilling with a machine tool. ing.
  • a state detection system for a milling tool used in milling includes a first end provided with a blade for cutting a workpiece, and a second end attached to a machine tool.
  • a milling tool including a shaft portion having a shaft portion and rotatable around a rotation axis of the shaft portion; a plurality of sensors attached to the shaft portion for detecting an external force acting on the milling tool; a display device; a management device; Equipped with The plurality of sensors are configured to apply a first force acting on the milling tool in a first direction along the rotation axis, a second force acting on the milling tool in a direction along a plane normal to the rotation axis, and a second force acting on the milling tool in a first direction along the rotation axis.
  • a load torque acting in a direction that prevents rotation of the tool is detected.
  • the management device causes the display device to display information based on at least two of the first force, the second force, and the load torque.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a state detection system for a milling tool according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the milling tool.
  • FIG. 3 is a diagram of the milling tool in FIG. 2 viewed from the negative side of the Y-axis.
  • FIG. 4 is a diagram of the milling tool in FIG. 2 viewed from the positive direction of the X-axis.
  • FIG. 5 is a diagram of the shaft portion in FIG. 2 viewed from the positive direction side of the Z-axis.
  • FIG. 6 is a diagram of the free end of the shaft portion 106 in FIG. 2 viewed from the positive direction side of the Z-axis.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between external forces Fx, Fy, Fz and the state of the blade.
  • FIG. 8 is a first example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 9 is a second example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 10 is a third example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 11 is a fourth example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 12 is a fifth example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 13 is a sixth example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 14 explains the relationship between external force, specific cutting resistance, and cutting area.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the relationship between load torque and cutting area.
  • FIG. 16 is a seventh example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 17 is an eighth example of a graph showing the state of the milling tool.
  • FIG. 18 is a flowchart showing the processing procedure of this embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing measurement results of a test for creating a normal region.
  • FIG. 20 is a diagram displaying a graph based on the measurement results of FIG. 19.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of setting a normal region in period Dr2.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of setting normal regions in periods Dr2 and Dr3.
  • An object of the present disclosure is to provide a state detection system that detects the state of a milling tool used for milling.
  • an external force that is generated on a milling tool acts in a direction along the rotation axis, an external force that acts in a direction along a plane normal to the rotation axis, and a load torque that acts in a direction that prevents rotation. Based on this, it is possible to provide a state detection system capable of detecting the state of a milling tool used for determining abnormality of the milling tool.
  • the state detection system for a cutting tool used in milling includes a first end provided with a blade for cutting a workpiece, and a second end attached to a machine tool.
  • a milling tool including a shaft portion having a shaft portion and rotatable around a rotation axis of the shaft portion; a plurality of sensors attached to the shaft portion to detect an external force acting on the milling tool; a display device; and a management device.
  • the plurality of sensors are configured to apply a first force acting on the milling tool in a first direction along the rotation axis, a second force acting on the milling tool in a direction along a plane normal to the rotation axis, and a second force acting on the milling tool in a first direction along the rotation axis.
  • a load torque acting in a direction that prevents rotation of the tool is detected.
  • the management device causes the display device to display first information based on at least two of the first force, the second force, and the load torque.
  • the management device displays the first information using a graph.
  • the management device in addition to the first information, the management device generates second information based on at least two of the first force, the second force, and the load torque. is displayed on the display device.
  • the second information is information different from the first information.
  • the first information is information based on the ratio of the first force to the load torque and the ratio of the second force to the load torque.
  • the plurality of sensors detect strain in the first direction, and include a first strain sensor, a second strain sensor, and a second strain sensor attached to the shaft portion. and a third strain sensor, and a fourth strain sensor that detects strain in the circumferential direction of the shaft portion and is attached to the shaft portion.
  • the method according to the present disclosure is a method of detecting the state of a milling tool used for milling.
  • the milling tool includes a shaft portion having a first end portion provided with a blade portion for cutting a workpiece and a second end portion attached to a machine tool, and rotates around a rotation axis of the shaft portion.
  • a plurality of sensors are attached to the shaft portion to detect external forces acting on the milling tool.
  • the method includes the steps of: obtaining a first force acting in a first direction along the rotation axis using detection values of the plurality of sensors; and setting the rotation axis as a normal line using the detection values of the plurality of sensors.
  • a step of obtaining a second force acting in a direction along the plane a step of obtaining a load torque acting in a direction that prevents rotation of the milling tool using detection values of the plurality of sensors; a first force; displaying first information based on at least two of the second force and the load torque.
  • the program according to the present disclosure is a program that detects the state of a milling tool used for milling.
  • the milling tool includes a shaft portion having a first end portion provided with a blade portion for cutting a workpiece and a second end portion attached to a machine tool, and rotates around a rotation axis of the shaft portion.
  • a plurality of sensors are attached to the shaft portion to detect external forces acting on the milling tool.
  • a step of obtaining a force a step of obtaining a load torque acting in a direction that impedes rotation of the milling tool; and displaying first information based on at least two of the first force, the second force, and the load torque. Execute the steps.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a state detection system 100 for a milling tool 50 in this embodiment.
  • the state detection system 100 of the milling tool 50 in FIG. 1 can be applied to a milling tool of a machine tool such as a machining center or a milling machine.
  • the state detection system 100 includes a management device 10 and a machine tool 70.
  • Machine tool 70 includes a motor 20 and a milling tool 50.
  • the milling tool 50 is a milling tool that cuts a fixed object to be cut (workpiece), and is a milling tool used in a machine tool such as a machining center or a milling machine.
  • the milling tool 50 in this embodiment is an end mill.
  • the milling tool 50 may be a milling tool other than an end mill, such as a drill or a milling cutter.
  • the milling tool 50 includes a shaft portion 106 in which a cutting portion is formed.
  • the milling tool 50 is attached to the machine tool 70 via the tool holder 30 that holds the shaft portion 106 .
  • a blade portion is provided at the end of the shaft portion 106 on the lower side in the vertical direction, and the end portion of the shaft portion 106 on the upper side in the vertical direction is attached to the tool holder 30 on the machine tool 70 side.
  • the end of the shaft section 106 on the lower side in the vertical direction is an example of the "first end” in the present disclosure
  • the end of the shaft section 106 on the upper side in the vertical direction is an example of the "second end” in the present disclosure. ” is an example.
  • the tool holder 30 may be formed at the end of the shaft portion 106 on the upper side in the vertical direction. In that case, the milling tool 50 includes the tool holder 30.
  • the tool holder 30 is connected to the shaft portion 106 and supports the shaft portion 106 from above in the vertical direction.
  • the tool holder 30 has a conical end on the positive side of the Z axis, and the conical end is attached to the machine tool 70 .
  • the motor 20 included in the machine tool 70 rotates the milling tool 50 integrally. In other words, the motor 20 rotates the milling tool 50.
  • Motor 20 is, for example, a servo motor.
  • the milling tool 50 which is an end mill in this embodiment, has at least one blade portion.
  • the blade of the milling tool 50 and the surface of the workpiece come into contact and the surface of the workpiece is scraped off. Thereby, the shape of the work becomes the shape desired by the user.
  • the strain sensors N1 to N3, S4 are attached to the shaft portion 106.
  • the strain sensors N1 to N3, S4 are sensors capable of detecting strain occurring in the shaft portion 106, and are, for example, strain gauges configured by a bridge circuit.
  • the strain sensors N1 to N3, S4 are wirelessly connected to the management device 10, and transmit the values detected by each to the management device 10.
  • the management device 10 detects the state of the milling tool 50 using the detected values of strain sensors N1 to N3 and S4 attached to the milling tool 50.
  • the management device 10 includes a communication device 210, a CPU (Central Processing Unit) 220 that is a control device, a storage device 230, an input/output interface (I/F) 240, a display device 40, and an input device 270. .
  • CPU Central Processing Unit
  • I/F input/output interface
  • the communication device 210, CPU 220, storage device 230, and input/output I/F 240 are connected to a common bus 250 and are configured to be able to exchange signals with each other.
  • the display device 260 and the input device 270 are connected to the input/output I/F 240 by wire or wirelessly.
  • the communication device 210 is a wireless communication device, and wirelessly acquires the detected values of the strain sensors N1 to N3 and S4 attached to the tool holder 30.
  • the CPU 220 executes a program stored in the storage device 230 and processes the detected values of the strain sensors N1 to N3 and S4 acquired by the communication device 210, thereby detecting the state of the milling tool 50.
  • the storage device 230 includes memories such as ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), as well as memory such as HDD (Hard Disc Drive) or SSD (Solid State Disk). Including mass storage devices.
  • the storage device 230 is used as a buffer during processing by the CPU 220, and is also used to store programs executed by the CPU 220, detected values of the strain sensors N1 to N3, S4, and/or calculation results by the CPU 220. It will be done.
  • the input device 270 is, for example, a keyboard, a mouse, a trackball, or a pointing device such as a touch panel, and receives operation signals from the user.
  • the display device 40 is typically a liquid crystal panel or an organic EL (Electro Luminescence) panel, and displays the calculation results of the CPU 220 and information stored in the storage device 230 to the user.
  • the management device 10 allows the user to recognize the state of the milling tool 50 by displaying information based on the detected values of the strain sensors N1 to N3, S4 on the display device 40.
  • the input/output I/F 240 is an interface for connecting the display device 40 and the input device 270. Via the input/output I/F 240, it receives a user operation signal from the input device 270, and outputs information to notify the user to the display device 40.
  • FIG. 2 is a perspective view of the milling tool 50.
  • the Z axis shown in FIG. 2 is the rotation axis of the milling tool 50. That is, the milling tool 50 is rotated about the Z-axis by being driven by the motor 20.
  • the milling tool 50 rotates in a clockwise rotation direction Rd when viewed from the positive direction side of the Z-axis.
  • the X-axis and Y-axis, which are perpendicular to each other, are also perpendicular to the Z-axis.
  • the positive direction of the Z axis in each figure may be referred to as the upper surface side
  • the negative direction may be referred to as the lower surface side.
  • the rotating milling tool 50 comes into contact with the surface of the workpiece and scrapes the surface of the workpiece.
  • an external force acts on the milling tool 50.
  • external forces that act on the milling tool 50 due to contact between the milling tool 50 and the workpiece include external forces Fx, Fy, and Fy that act in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, respectively.
  • Fz and a load torque Mz that acts in a direction that prevents rotation of the milling tool 50. Since the load torque Mz acts in a direction that prevents the rotation of the milling tool 50, it acts in a rotation direction opposite to the rotation direction Rd of the milling tool 50. That is, when viewed from the positive direction side of the Z-axis, the load torque Mz acts counterclockwise.
  • the direction in which the external force Fx acts is shown as the positive direction of the X-axis
  • the direction in which the external force Fy acts is shown as the negative direction of the Y-axis
  • the direction in which the external force Fz acts is shown as the negative direction of the Z-axis.
  • external force Fx, external force Fy, and external force Fz are marked with different hatching. Note that the external forces Fx, Fy, and Fz may act in a direction opposite to that shown in FIG. 2 in some cases.
  • the strain sensors N1 to N3, S4 are arranged on the same XY plane.
  • the strain sensors N1 to N3, S4 are arranged on the surface of the shaft portion 106 at intervals of 90° in the circumferential direction of the shaft portion 106. That is, when the shaft portion 106 is viewed from the negative side of the Y-axis, the strain sensor N1 and the strain sensor N3 are arranged line-symmetrically with respect to the Z-axis. Further, when the shaft portion 106 is viewed from the positive side of the X-axis, the strain sensor N2 and the strain sensor S4 are arranged line-symmetrically with respect to the Z-axis.
  • the strain sensors N1 to N3 have measurement sensitivity to the strain of the shaft portion 106 in the Z-axis direction.
  • the strain sensor S4 has measurement sensitivity for circumferential strain of the shaft portion 106. A method of detecting external forces Fx, Fy, Fz and load torque Mz using strain sensors N1 to N3 and S4 will be described below.
  • FIG. 3 is a diagram of the milling tool 50 in FIG. 2 viewed from the negative side of the Y-axis.
  • external forces Fx and Fz are shown.
  • the shaft portion 106 is a cantilever beam having a fixed end on the positive side of the Z-axis and a free end on the negative side of the Z-axis where the blade portion is formed. Therefore, when the external force Fx acts on the milling tool 50, a bending moment is generated. The magnitude of the bending moment is determined from the magnitude of the external force Fx and the distance D1 between the strain sensors N1, N3 and the free end of the shaft portion 106 in the Z-axis direction.
  • the shaft portion 106 Due to the action of the bending moment, the shaft portion 106 is deformed into a slightly warped state so that a convexity is formed on the negative side of the X-axis. That is, the shaft portion 106 is bent by the external force Fx.
  • the bending moment generates compressive stress Cx and tensile stress Tx as bending stress depending on the section modulus of the shaft portion 106.
  • compressive stress Cx and tensile stress Tx generated by external force Fx are marked with the same hatching as external force Fx.
  • the strain sensor N1 disposed on the positive side of the X-axis of the shaft portion 106 has measurement sensitivity with respect to compressive stress Cx.
  • the strain sensor N1 also has measurement sensitivity to tensile stress Tz generated by external force Fz.
  • the tensile stress Tz generated by the external force Fz is marked with the same hatching as the external force Fz. Therefore, the strain sensor N1 detects the resultant force of the compressive stress Cx and the tensile stress Tz.
  • the detected value Dv1 of the strain sensor N1 is the resultant force of the compressive stress Cx and the tensile stress Tz.
  • the strain sensor N1 transmits the detected value Dv1 to the management device 10.
  • the strain sensor N3 has measurement sensitivity to the tensile stress Tx caused by the external force Fx in addition to the tensile stress Tz caused by the external force Fz. Therefore, the detected value Dv3 of the strain sensor N3 is the resultant force of the tensile stress Tx and the tensile stress Tz. The strain sensor N3 transmits the detected value Dv3 to the management device 10.
  • the management device 10 determines the tensile stress Tz, the tensile stress Tx, and the compressive stress Cx from the detected value Dv1 indicating the resultant force of the compressive stress Cx and the tensile stress Tz and the detected value Dv3 indicating the resultant force of the tensile stress Tx and the tensile stress Tz. Calculate each value.
  • the strain sensors N1 and N3 are arranged line-symmetrically with respect to the Z axis on the same XY plane, and the compressive stress Cx and the tensile stress Tx are bending stresses generated based on the same bending moment. Compressive stress Cx and tensile stress Tx are stresses of the same magnitude.
  • the management device 10 calculates the magnitude of each of the compressive stress Cx and the tensile stress Tx by calculating the difference between the detected value Dv1 and the detected value Dv3.
  • the magnitude of each of the compressive stress Cx and the tensile stress Tx changes depending on the bending moment determined from the magnitude of the external force Fx and the distance D1. That is, the management device 10 can calculate the magnitude of the external force Fx from the magnitude of each of the compressive stress Cx and the tensile stress Tx and the distance D1.
  • the management device 10 subtracts the magnitude of the compressive stress Cx from the detected value Dv1 or subtracts the magnitude of the tensile stress Tx from the detected value Dv3.
  • the magnitude of the tensile stress Tz can also be calculated by any one of these processes. Since the tensile stress Tz is a force generated by the external force Fz, the management device 10 can calculate the magnitude of the external force Fz based on the magnitude of the tensile stress Tz. In this way, the management device 10 calculates the magnitude of the external force Fx and the magnitude of the external force Fz from the detected values Dv1 and Dv3 of the strain sensors N1 and N3.
  • FIG. 4 is a diagram of the milling tool 50 in FIG. 2 viewed from the positive side of the X-axis.
  • FIG. 4 shows external forces Fy and Fz generated by contact between the milling tool 50 and the workpiece.
  • the strain sensor N2 has measurement sensitivity in the Z-axis direction.
  • the external force Fy causes the shaft portion 106 to bend to form a convexity in the positive direction of the Y-axis.
  • the strain sensor N2 disposed on the positive side of the Y-axis of the shaft portion 106 detects the resultant force of the tensile stress Ty and the tensile stress Tz as a detected value Dv2.
  • the management device 10 calculates the magnitude of the tensile stress Tz from the detected values Dv1 and Dv3 of the strain sensors N1 and N3.
  • the management device 10 can calculate the magnitude of the tensile stress Ty by subtracting the tensile stress Tz from the detected value Dv2.
  • the management device 10 can calculate the magnitude of the external force Fy from the magnitude of the tensile stress Ty and the distance D1 in the same way as calculating the magnitude of the external force Fx.
  • FIG. 5 is a diagram of the shaft portion 106 in FIG. 2 viewed from the positive direction side of the Z-axis.
  • the strain sensor S4 has measurement sensitivity in the circumferential direction of the tool holder 30. Therefore, when the milling tool 50 comes into contact with the workpiece, a load torque Mz acts on the tool holder 30 in a rotation direction opposite to the rotation direction Rd of the milling tool 50 and the tool holder 30. That is, as long as the rotating milling tool 50 is in contact with the workpiece, the detected value of the strain sensor S4 includes the load torque Mz.
  • the detected value of the strain sensor S4 includes at least one of the external force Fx and the external force Fy in addition to the load torque Mz. .
  • the arrangement of the strain sensor S4 on the XY plane changes depending on the rotation angle of the tool holder 30.
  • the strain sensor S4 in the arrangement Ag1 has measurement sensitivity to the external force Fx because the measurement direction of the strain sensor S4 is parallel to the X-axis direction.
  • the strain sensor S4 in the arrangement Ag2 has measurement sensitivity to the external force Fy because the measurement direction of the strain sensor S4 is parallel to the Y-axis direction.
  • the strain sensor S4 in the arrangement Ag3 has measurement sensitivity to both the external force Fx and the external force Fy because the measurement direction of the strain sensor S4 intersects both the X-axis direction and the Y-axis direction. Strain sensor S4 detects the resultant force of external force Fx, external force Fy, and load torque Mz.
  • the management device 10 calculates the magnitude of the external force Fx and the magnitude of the external force Fy based on the detected values Dv1 to Dv3 of the strain sensors N1 to N3.
  • the management device 10 can calculate the load torque Mz by removing the influence of the external force Fx and the external force Fy from the detected value of the strain sensor S4.
  • the external forces Fx, Fy, Fz and the load are controlled by strain sensors N1 to N3 having measurement sensitivity in the Z-axis direction and S4 having measurement sensitivity in the circumferential direction of the shaft portion 106.
  • the magnitude of torque Mz can be calculated.
  • the condition detection system 100 has a configuration including a total of six strain sensors, three strain sensors having measurement sensitivities in the circumferential direction and three strain sensors having measurement sensitivities in the Z-axis direction;
  • the configuration may include a total of five strain sensors, including three strain sensors having measurement sensitivity in the Z-axis direction and two strain sensors having measurement sensitivity in the Z-axis direction. In this way, by increasing the number of strain sensors, it is possible to directly detect the load torque Mz, etc., so that in the state detection system 100, the calculation processing performed by the management device 10 can be reduced.
  • FIG. 6 is a diagram of the free end of the shaft portion 106 in FIG. 2 viewed from the positive direction side of the Z-axis.
  • the milling tool 50 has three blade parts 6A, 6B, and 6C.
  • the external forces Fx, Fy, Fz and load torque Mz explained in FIGS. 1 to 5 are generated when each of the blade parts 6A to 6C comes into contact with the workpiece.
  • the load torque Mz calculated using the strain sensor S4 is the load torque MzA acting on the blade portion 6A shown in FIG. 6, the load torque MzB acting on the blade portion 6B, and the load acting on the blade portion 6C. This is the resultant force with torque MzC. Since all of the load torques MzA, MzB, and MzC are forces that act in the same circumferential direction, the load torque Mz calculated using the strain sensor S4 is the absolute value of each of the load torques MzA, MzB, and MzC. The value is the sum of the values.
  • the external forces Fx and Fy are calculated as the sum of vectors rather than the sum of the absolute values of the external forces generated on each blade part. Therefore, the external forces generated on each blade portion may cancel each other out.
  • the resultant force of the external forces Fx and Fy will be referred to as "external force Fxy.”
  • external force FxyA acts on the blade portion 6A
  • external force FxyB acts on the blade portion 6B
  • external force FxyC acts on the blade portion 6C.
  • the load torque Mz is actually a value obtained by multiplying the component force in the tangential direction of the external force Fxy by the radius of the milling tool 50, but in FIG. 6, for ease of explanation, the tangential line is The arrow extending from the direction is described as the load torque Mz.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the external forces Fx, Fy, and Fz and the state of the blade.
  • FIG. 7 shows the blade portion 6A in states St1, St2, and St3, respectively.
  • State St1 is a state in which there is no problem with the blade portion 6A and cutting can be performed appropriately.
  • State St2 is a state in which the cutting edge of the blade portion 6A is worn.
  • State St3 is a state in which the cutting edge of the blade portion 6A is damaged.
  • FIG. 7 shows a workpiece 60 being scraped off.
  • the external force Fx generated by the contact between the workpiece 60 and the blade portion 6A is determined from the specific cutting resistance Kx and the cutting area.
  • the specific cutting resistance Kx is the resistance in the X-axis direction based on the state of the blade.
  • the specific cutting resistance has different values in each direction of the X-axis, Y-axis, and Z-axis.
  • the cutting area is determined from the cutting depth ap and the feed amount fz.
  • the external force Fx is a value obtained by multiplying the specific cutting resistance Kx, the cutting depth ap, and the feed amount fz.
  • the external force Fy is a value obtained by multiplying the specific cutting resistance Ky in the Y-axis direction, the cutting depth ap, and the feed amount fz.
  • the external force Fz is a value obtained by multiplying the specific cutting resistance Kz indicating the state of the blade portion in the Z-axis direction by the cutting depth ap and the feed amount fz. Since each of the specific cutting forces Kx, Ky, and Kz changes depending on the state of the cutting edge in each axial direction, the values of the specific cutting forces Kx, Ky, and Kz are different from each other.
  • FIGS. 8 to 10 show the results of experiments conducted under the following processing conditions.
  • the material of the workpiece is carbon steel (S50C).
  • the milling tool 50 is a four-blade end mill.
  • the tool diameter is ⁇ 6 mm.
  • the cutting speed is 60 m/min.
  • the feed amount per blade is 0.015 mm/t (tooth).
  • the depth of cut in the axial direction is 1 mm.
  • the amount of cut in the radial direction is 2.4 mm.
  • FIG. 8 is a first example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis indicates the external force Fz
  • the horizontal axis indicates the external force Fxy.
  • plots N11 to N18 are shown. Each of the plots N11 to N18 shows the external force Fz and the external force Fxy at specific timings calculated by the method described in FIGS. 2 to 6.
  • Each of the plots N11 to N18 is a value detected during the period in which the milling tool 50 is rotated by the motor 20 to cut the workpiece, and the values are detected in the order of the plots N11 to N18.
  • Plot N11 is the value detected at the earliest time
  • plot N18 is the value detected at the latest time. That is, the timing at which plot N18 is detected has the largest number of cutting times and the largest cutting time compared to the timing at which other plots are detected. Therefore, at the timing when plot N18 is detected, the wear of the milling tool 50 is more advanced than at the timing when other plots are detected.
  • each plot moves toward the upper right on the graph as wear progresses.
  • the cutting area is determined independently, regardless of the state of the cutting edge. Furthermore, since the blade repeatedly contacts the workpiece 60, the size of the cutting area may vary each time the blade and the workpiece 60 come into contact. Therefore, even in a state where the wear of the cutting edge has progressed, the external force Fz and the external force Fxy may decrease depending on the size of the cutting area. However, if the tendency of movement from plot N11 to plot N18 is grasped as a whole, each plot moves toward the upper right on the graph.
  • the user can estimate the degree of progress of wear based on the direction and amount of movement of the graph plot shown in FIG. 8. That is, the condition detection system can visually display to the user the degree of progress of wear indicating the condition of the milling tool 50. That is, in the state detection system 100 according to the present embodiment, the user can recognize the wear state of the milling tool 50 based on the trend in the moving direction of the plot and the amount of movement. Thereby, the user can easily predict when to replace the milling tool 50.
  • FIG. 9 is a second example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis shows the external force Fxy
  • the horizontal axis shows the load torque Mz.
  • plots N21 to N28 are shown. Plots N21 to N28 are detected in the same order as plots N11 to N18. That is, among the plots N21 to N28, the timing at which plot N28 is detected is the timing at which wear is most advanced.
  • the state detection system 100 can be used to This allows the user to recognize the state of wear of the milling tool 50.
  • FIG. 10 is a third example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis indicates external force Fz
  • the horizontal axis indicates load torque Mz.
  • Plots N31 to N38 are shown in FIG. Plots N31 to N38 are detected in the same order as plots N11 to N18. That is, among the plots N31 to N38, the timing at which plot N38 is detected is the timing at which wear is most advanced. Also in the graph of FIG. 10, as the wear progresses, the external force Fz and the load torque Mz increase, so each plot in FIG. 10 also tends to move toward the upper right on the graph.
  • the display device 40 may display the detected abnormality. More specifically, a test machining is performed using a specific milling tool shape and specific machining conditions, and the range in which plots are detected due to wear in the graphs of FIGS. 8 to 10 is obtained in advance. That is, the condition detection system 100 obtains in advance the movement range of the plot when wear progresses normally. After that, when starting new machining under the same machining conditions using a new milling tool with the same shape, the plot detected by the new milling tool will be acquired in advance. It is determined whether the movement range of the plot is exceeded when the wear progresses normally. If the plot is detected in a range different from the movement range of the plot when wear progresses normally, the management device 10 determines that an abnormality has occurred, and displays a message on the display device 40 indicating that an abnormality has occurred. Display.
  • the graphs in FIGS. 8 to 10 all show the relationship between at least two of external force Fz, external force Fxy, and load torque Mz. More specifically, the graph in FIG. 8 shows the relationship between external force Fz and external force Fxy, the graph in FIG. 9 shows the relationship between external force Fxy and load torque Mz, and the graph in FIG. The relationship between Fz and load torque Mz is shown.
  • the information shown as graphs in FIGS. 8 to 10 is an example of "first information" in the present disclosure.
  • the management device 10 can display the graph of FIG. 8 and the graph of FIG. 9 on the display device 40. Furthermore, the management device 10 can display the graph in FIG. 9 and the graph in FIG. 10 on the display device 40. Alternatively, the management device 10 may display the graph in FIG. 8 and the graph in FIG. 10 on the display device 40.
  • the display device 40 displays a graph including all information on the external force Fz, the external force Fxy, and the load torque Mz, and the state detection system 100 allows the user to display information indicating a more accurate state of the milling tool 50. It can be displayed against When two graphs are displayed in this way, one graph is an example of "first information” and the other graph is an example of "second information.” Note that the state detection system 100 may display all three graphs in FIGS. 8 to 10.
  • FIGS. 11 to 13 show the results of experiments conducted under the following processing conditions.
  • the material of the workpiece is stainless steel (SUS304).
  • the milling tool 50 is a four-blade end mill.
  • the tool diameter is ⁇ 16 mm.
  • the cutting speed was 80 m/min.
  • the feed amount per blade is 0.10 mm/t (tooth).
  • the depth of cut in the axial direction is 2 mm.
  • the amount of cut in the radial direction is 10 mm.
  • FIG. 11 is a fourth example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis shows the external force Fz
  • the horizontal axis shows the external force Fxy.
  • FIG. 11 shows a plot group Ns1 included in the area Ar1 and a plot group Ns2 included in the area Ar2.
  • the plot group Ns1 is a value detected in a state where no chipping occurs on the cutting edge.
  • the plot group Ns2 is the value detected in a state where a defect has occurred on the cutting edge.
  • the external force Fxy increases due to the cutting edge loss.
  • the plotted area moves rightward on the graph based on the fact that the cutting edge is damaged. Cutting edge damage does not progress over time like tool wear, but breakage occurs suddenly. Therefore, the area to be plotted moves from area Ar1 to area Ar2 before and after the cutting edge chipping occurs.
  • the state detection system 100 allows the user to recognize whether or not a cutting edge has occurred in the milling tool 50 based on the change of the plotted area Ar1 to another area Ar2. can be done. This allows the user to determine whether or not the milling tool 50 needs to be repaired.
  • each plot moves in a different direction depending on the position and shape of the cutting edge defect, so there is no tendency in the moving direction of each plot. Therefore, in the state detection system 100 of the present embodiment, for example, the k-nearest neighbor method is used to determine whether or not the cutting edge has been plotted in a different area from the area Ar1 that is plotted in a state where there is no chipping of the cutting edge. That is, if the newly plotted values are clustered within a different range from the past plots, the management device 10 determines that the blade edge has been damaged, and causes the display device 40 to display this fact. Thereby, the condition detection system 100 can detect the defective state of the cutting edge and display the detection result to the user. As will be described later, the management device 10 may determine whether there is an abnormality in the cutting edge by calculation using the tool shape and processing conditions, or by comparison with a normal region obtained from a test conducted in advance.
  • FIG. 12 is a fifth example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis shows the external force Fxy
  • the horizontal axis shows the load torque Mz.
  • FIG. 12 shows a plot group Ns3 included in area Ar3 and a plot group Ns4 included in area Ar4.
  • Plot group Ns3 is a value detected in a state where no chipping occurs on the cutting edge.
  • Plot group Ns4 is the value detected when the cutting edge has a defect.
  • the external force Fxy increases and the load torque Mz decreases due to the influence of the position and shape of the chipped cutting edge in the example of FIG.
  • the plotted area moves toward the upper left on the graph based on the fact that the cutting edge is damaged.
  • the plotted area Ar3 changes to another area Ar4. Based on this, the user can recognize whether or not the cutting edge of the milling tool 50 has been damaged.
  • FIG. 13 is a sixth example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis indicates external force Fz
  • the horizontal axis indicates load torque Mz.
  • FIG. 13 shows a plot group Ns5 included in the area Ar5 and a plot group Ns6 included in the area Ar6.
  • Plot group Ns5 is a value detected in a state where no chipping occurs on the cutting edge.
  • Plot group Ns6 is the value detected in a state where a defect has occurred on the cutting edge.
  • the load torque Mz decreases due to the influence of the position and shape of the chipped cutting edge in the example of FIG. In other words, each plot moves leftward on the graph based on the fact that the cutting edge is damaged.
  • the plotted area Ar5 changes to another area Ar6. Based on this, the user can recognize whether or not the cutting edge of the milling tool 50 has been damaged.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the relationship between external force, specific cutting resistance, and cutting area.
  • the specific cutting force K changes due to tool wear or cutting edge chipping, if the size of the cutting area varies, the external forces Fx, Fy, Fz and load torque Mz will apparently change from the specific cutting force. There is a possibility that they will be canceled out so that K does not change. Therefore, a method for eliminating the influence of the cutting area will be described below.
  • FIG. 14 shows the blade portion 6A in states St4, St5, and St6, respectively.
  • states St4 and St5 there is no problem with the blade portion 6A and cutting can be performed appropriately.
  • State St6 is a state in which the cutting edge of the blade portion 6A is worn.
  • the cutting depth ap of the blade portion 6A is the distance D2.
  • the cutting depth ap of the blade portion 6A is the distance D3.
  • Distance D3 is longer than distance D2.
  • the feed amount fz in all states St4, St5, and St6 is the same value.
  • the external force Fx is a value obtained by multiplying the specific cutting resistance Kx indicating the state of the blade, the cutting depth ap, and the feed amount fz.
  • the specific cutting resistance Kx is determined depending on the state of the blade, regardless of the cutting depth ap and the feed amount fz.
  • the cutting depth ap and the feed amount fz change depending on the state of contact between the blade and the workpiece 60, regardless of the state of the blade.
  • the external force Fx is based on the specific cutting resistance Kx, which indicates an appropriate state in which neither wear nor chipping occurs on the blade, the cutting depth apD2 when cutting to a depth of distance D2, and the feed amount fz. It is determined.
  • the external force Fx is based on the specific cutting resistance Kx indicating an appropriate state in which neither wear nor chipping occurs on the blade, the cutting depth apD3 when cutting to a depth of distance D3, and the feed amount fz. It is determined.
  • the external force Fx is determined based on the specific cutting resistance Kxf where the blade is worn, the cutting depth apD2 when cutting by the depth of the distance D2, and the feed amount fz. As shown in FIG. 14, the external forces Fy and Fz in each state are also determined in the same manner as the external force Fx.
  • the ratio of external force Fx to external force Fz is the ratio of specific cutting resistance Kx to specific cutting resistance Kz.
  • the external force Fz and the external force Fx each include the depth of cut apD2 and the feed amount fz, when the external force Fx is divided by the external force Fz, the influence of the depth of cut apD2 and the feed amount fz is removed. It will be done. Therefore, the ratio of the external force Fx to the external force Fz is the ratio of the specific cutting resistance Kx to the specific cutting resistance Kz, with the influence of the depth of cut apD2 and the feed amount fz removed.
  • the influence of the depth of cut apD2 and the feed amount fz is similarly removed from the ratio of the external force Fy to the external force Fz, and the ratio becomes the ratio of the specific cutting resistance Ky to the specific cutting resistance Kz.
  • the ratio of external force Fx to external force Fz in state St5 is also the ratio of specific cutting resistance Kx to specific cutting resistance Kz, similar to state St4. That is, the influence of the cutting depth apD3 and the feed amount fz is removed by division. Therefore, the ratio of external force Fx to external force Fz in state St5 and the ratio of external force Fy to external force Fz in state St4 have the same value.
  • the ratio of external force Fx to external force Fz is the ratio of specific cutting resistance Kxf to specific cutting resistance Kzf.
  • the specific cutting forces Kxf and Kzf differ from the specific cutting forces Kx and Kz in states St4 and St5 due to wear of the blade portion. Therefore, the ratio of external force Fx to external force Fz in state St6 is different from the ratio of external force Fy to external force Fz in states St4 and St5.
  • the management device 10 displays a graph in which the vertical axis shows the ratio of the external force Fx to the external force Fz, and the horizontal axis shows the ratio of the external force Fy to the external force Fz. status can be displayed to the user. Note that other combinations may be used to divide the external forces Fx, Fy, and Fz as long as the influence of the cutting area is eliminated.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the relationship between load torque and cutting area.
  • the load torque Mz is a force that obstructs rotation, and is a value obtained by multiplying the external force Ft generated in the tangential direction of the milling tool 50 by the radius R1 of the milling tool 50.
  • the arrow extending from the tangential direction of the blade portion 6A is explained as the load torque MzA, but in reality, as shown in FIG. 15, the external force is the component force in the tangential direction of the external force FxyA. It is a value obtained by multiplying Ft by the radius R1 of the milling tool 50.
  • the external force Ft is a value obtained by multiplying the specific cutting resistance Kt, the cutting depth ap, and the feed amount fz. That is, the load torque Mz includes the cutting depth ap and the feed amount fz. Therefore, by dividing any of the external forces Fx, Fy, and Fz by the load torque Mz, the influence of the cutting area can be eliminated.
  • FIG. 16 is a seventh example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis shows the ratio of external force Fz to load torque Mz
  • the horizontal axis shows the ratio of external force Fxy to load torque Mz.
  • plots N41 to N48 are shown. Plots N41 to N48 are detected in the same order as plots N11 to N18. That is, among plots N41 to N48, the timing at which plot N48 is detected is the timing at which wear is most advanced.
  • FIG. 17 is an eighth example of a graph showing the state of the milling tool 50.
  • the vertical axis shows the ratio of external force Fz to load torque Mz
  • the horizontal axis shows the ratio of external force Fxy to load torque Mz.
  • FIG. 17 shows a plot group Ns7 included in area Ar7 and a plot group Ns8 included in area Ar8.
  • Plot group Ns7 is a value detected in a state where no chipping occurs on the cutting edge.
  • Plot group Ns8 is a value detected in a state where a defect has occurred on the cutting edge.
  • the vertical axis indicates the external force Fz relative to the load torque Mz
  • the horizontal axis indicates the external force Fxy relative to the load torque Mz. Also, the user can be made aware of the state of wear of the milling tool 50 and the loss of the cutting edge.
  • the load torque Mz always takes a value larger than "0" as long as the blade of the rotating milling tool 50 is in contact with the workpiece 60.
  • each of the external forces Fx, Fy, and Fz may appear to be "0" because the external forces generated at each blade portion cancel each other out.
  • the denominator of the values indicated by the vertical and horizontal axes is the load torque. Therefore, the values indicated by the vertical and horizontal axes are not divided by "0", and a situation where the values indicated by the vertical and horizontal axes are divided by "0" and cannot be detected does not occur.
  • strain sensors N1 to N3 and S4 are examples of each of the “first strain sensor to fourth strain sensor” in the present disclosure.
  • FIG. 18 is a flowchart showing the processing procedure of this embodiment.
  • FIG. 18 shows a processing procedure for displaying any of the graphs in FIGS. 8 to 13, 16, and 17.
  • the processing procedure shown in FIG. 18 is realized by executing the program in the storage device 230 by the CPU 220 of the management device 10.
  • the management device 10 acquires the external force Fz (step S100). Subsequently, the management device 10 acquires the external force Fxy (step S110). Furthermore, the management device 10 acquires the load torque Mz (step S120). More specifically, in steps S100 to S120, the management device 10 uses the detected values of the strain sensors N1 to N3, S4 as explained in FIGS. 3 and 4 to determine the external force Fz, the external force Fxy, and the load torque. Calculate Mz.
  • the management device 10 displays a graph created based on at least two of the external force Fz, the external force Fxy, and the load torque Mz (step S130). That is, the management device displays any of the graphs in FIGS. 8 to 13, 16, and 17.
  • FIG. 19 is a diagram showing the measurement results of a test for creating a normal region.
  • FIG. 19 shows time series data of external force Fz, external force Fxy, and load torque Mz. More specifically, FIG. 19 shows the values of external force Fz, external force Fxy, and load torque Mz in the period from 0 to 17.5 seconds.
  • FIG. 19 shows the measurement results of a test conducted under the following processing conditions.
  • the rotation speed of the milling tool 50 is 2300 times/min.
  • the feeding speed is 500 mm/min.
  • the amount of cut in the radial direction is 10 mm. That is, each of the blade parts 6A to 6C cuts the workpiece so that the depth of cut gradually increases from 0 mm to 10 mm.
  • each of the external force Fz, the external force Fxy, and the load torque Mz fluctuates over time.
  • the period Dr1 is a period in which the depth of cut is 0 mm to 1 mm.
  • the period Dr2 is a period in which the depth of cut is 4 mm to 5 mm.
  • Period Dr3 is a period in which the depth of cut is 9 mm to 10 mm.
  • FIG. 20 is a diagram displaying a graph based on the measurement results of FIG. 19.
  • FIG. 20 shows a graph in which the vertical axis is external force Fz and the horizontal axis is load torque Mz, a graph in which the vertical axis is external force Fxy and the horizontal axis is load torque Mz, and a graph in which the vertical axis is external force Fz and the horizontal axis is external force.
  • Four graphs are shown: a graph in which Fxy is Fxy, and a graph in which the vertical axis is the ratio of external force Fz to load torque Mz and the horizontal axis is the ratio of external force Fxy to load torque Mz.
  • plot P1 is a plot in period Dr1 in FIG. 19.
  • Plot P2 is a plot in period Dr2 in FIG. 19.
  • Plot P3 is a plot in period Dr3 in FIG. 19. That is, in FIG. 20, the values of external force Fz, external force Fxy, and load torque Mz shown in FIG. 19 are displayed as a graph for each period.
  • the actual measured values of the external force Fz, external force Fxy, and load torque Mz shown in FIG. 19 are not displayed as plots, but the external force Fz, external force Fxy, and The moving average of the load torque Mz and the load torque Mz are displayed as a plot.
  • each plot is arranged within a predetermined range on the graph within the same period.
  • the test was conducted under machining conditions in which the depth of cut gradually increased, so the test was conducted under different machining conditions in period Dr1, period Dr2, and period Dr3. It can be said that this is being done.
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of setting a normal region in period Dr2.
  • FIG. 21 displays graphs similar to the four graphs shown in FIG. 20.
  • FIG. 21 shows normal regions Cr1, Cr2, Cr3, and Cr4 that overlap the four graphs, respectively.
  • the normal regions Cr1 to Cr4 are determined based on the plot P2 in the period Dr2.
  • the normal regions Cr1 to Cr4 are, for example, regions that include all the plots P2 in the period Dr2, and are regions that are represented by an ellipse or a circle centered on the average value of the set of plots P2.
  • the normal regions Cr1 to Cr4 are determined by the management device 10. Note that the management device 10 may define the minimum area that includes all of the set of plots P2 as the normal areas Cr1 to Cr4 without using the average value of the set of plots P2.
  • the state detection system 100 obtains the normal regions Cr1 to Cr4, which are the regions to be plotted, by performing the trial processing performed in FIGS. 19 and 20. Thereafter, when machining is performed under the machining conditions corresponding to period Dr2, if the newly detected plot is not located within the normal regions Cr1 to Cr4, it can be determined that an abnormality has occurred. That is, when a plot is detected in a region that is not within the normal regions Cr1 to Cr4, the management device 10 can display on the display device 40 that an abnormality has occurred. Further, the management device 10 may display the four graphs shown in FIG. 22 and the normal regions Cr1 to Cr4 on the display device 40 in real time. This allows the user to visually grasp in real time whether each plot is located within the normal ranges Cr1 to Cr4.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of setting normal regions in periods Dr2 and Dr3.
  • normal regions Cr5, Cr6, Cr7, and Cr8 are shown.
  • the normal regions Cr5 to Cr8 are determined based on the plot P2 in the period Dr2 and the plot P3 in the period Dr3.
  • the normal regions Cr5 to Cr8 are, for example, regions that include all the plots P2 and P3, and are rectangular regions centered on the average value of the set of plots P2 and P3.
  • the state detection system 100 obtains the normal regions Cr5 to Cr8 through the trial processing performed in FIGS. 19 and 20. Thereafter, when machining is performed under the machining conditions corresponding to the periods Dr2 and Dr3, it can be determined whether an abnormality has occurred based on whether the newly detected plot is located within the normal regions Cr5 to Cr8. As shown in FIGS. 21 and 22, the state detection system 100 can create a normal region according to each processing condition.
  • the state detection system 100 may use the actual measured value, The average value, maximum value, standard deviation, etc. may be used.
  • the unit time can be determined based on the rotation speed of the milling tool 50.
  • the state detection of the cutting tool using the external forces Fx, Fy, and Fxy has been described, but in a certain situation, the state detection system 100 may detect the condition of each axis instead of each of the external forces Fx, Fy, and Fxy. Torques Mx, My, and Mxy generated in the directions may also be used.
  • the shaft portion 106 is held using the tool holder 30.
  • the shaft portion 106 may be directly attached to the main shaft of the machine tool 70 without using a tool holder like the milling tool 50 of the present embodiment.
  • the shaft portion 106 includes a housing.
  • the strain sensors N1 to N3, S4 are stored inside a housing provided in the shaft portion 106.
  • the strain sensors N1 to N3, S4 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the shaft portion 106, similarly to the milling tool 50 of this embodiment. In this way, even in the case of the milling tool 50 that is directly attached to the spindle without using a tool holder, by arranging the strain sensors N1 to N3, S4 in the housing of the shaft portion 106, the management device 10 can The external force and load torque generated at 50 can be obtained.
  • the management device 10 has been described as being separate from the machine tool 70.
  • the management device 10 may be included in the machine tool 70.
  • the management device 10 and the machine tool 70 may be configured integrally.
  • 6A to 6C blade section 10 management device, 20 motor, 30 tool holder, 40 display device, 50 milling tool, 60 workpiece, 70 machine tool, 100 condition detection system, Ag1 to Ag3 arrangement, Ar1 to Ar8 area, Cx compression Stress, D1 to D3 distance, Dv1 to Dv3 detected value, Ft, Fx, Fxy, FxyA to FxyC, Fy, Fz external force, K, Kt, Kx, Kxf, Ky, Kz, Kzf specific cutting force, Mz, MzA to MzC Load torque, N1 to N3, S4 strain sensor, N11 to N18, N21 to N28, N31 to N38, N41 to N48, P1 to P3 plot, Ns1 to Ns8 plot group, R1 radius, Rd rotation direction, St1 to St6 condition, Tx, Ty, Tz stress, ap, apD2, apD3 cutting depth, Cr1 to Cr8 normal range.
  • condition detection system Ag1 to Ag

Landscapes

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Abstract

転削加工に用いられる転削工具の状態検出システムであって、第１端部と第２端部とを有するシャフト部を含み、シャフト部の回転軸を中心に回転可能な転削工具と、シャフト部に取り付けられ転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサと、表示装置と、管理装置とを備え、複数のセンサは、転削工具に対して、回転軸に沿った第１方向に作用する第１力と、回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力と、転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクとを検出し、管理装置は、第１力、第２力、および負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第１情報を表示装置に表示させる。

Description

状態検出システム、方法、およびプログラム
　本開示は、状態検出システム、方法、およびプログラムに関する。
　近年、様々な転削条件下において転削工具の状態を検出するシステムが求められている。特開昭５９－１４２０４８（特許文献１）には、切削において発生する主分力、送り分力および背分力の相互関係を用いて工具に発生している異常を検出する工具異常検出装置が開示されている。特開昭５８－２１７２４７（特許文献２）には、主分力、送り分力および背分力の切削分力比率並びに該分力比率の時間に対する微分係数を求めて欠損を判断する異状現象監視方法が記載されており、特開平０９－０７６１４４（特許文献３）には、工作機械の穴あけ加工において、Ｘ軸，Ｙ軸の負荷を検出して加工状態を監視する加工状態監視方法が記載されている。
特開昭５９－１４２０４８ 特開昭５８－２１７２４７ 特開平０９－０７６１４４
　本開示に係る転削加工に用いられる転削工具の状態検出システムは、被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部と、工作機械に取り付けられる第２端部とを有するシャフト部を含み、シャフト部の回転軸を中心に回転可能な転削工具と、シャフト部に取り付けられ、転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサと、表示装置と、管理装置とを備える。複数のセンサは、転削工具に対して、回転軸に沿った第１方向に作用する第１力と、回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力と、転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクとを検出する。管理装置は、第１力、第２力、および負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく情報を表示装置に表示させる。
図１は、本実施の形態における転削工具の状態検出システムの概略図である。 図２は、転削工具の斜視図である。 図３は、図２における転削工具をＹ軸の負方向側から視た図である。 図４は、図２における転削工具をＸ軸の正方向側から視た図である。 図５は、図２におけるシャフト部をＺ軸の正方向側から視た図である。 図６は、図２におけるシャフト部１０６の自由端をＺ軸の正方向側から視た図である。 図７は、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと刃部の状態の関係性を示す図である。 図８は、転削工具の状態を示すグラフの第１例である。 図９は、転削工具の状態を示すグラフの第２例である。 図１０は、転削工具の状態を示すグラフの第３例である。 図１１は、転削工具の状態を示すグラフの第４例である。 図１２は、転削工具の状態を示すグラフの第５例である。 図１３は、転削工具の状態を示すグラフの第６例である。 図１４は、外力と比切削抵抗と切削面積との関係を説明する。 図１５は、負荷トルクと切削面積との関係を説明するための図である。 図１６は、転削工具の状態を示すグラフの第７例である。 図１７は、転削工具の状態を示すグラフの第８例である。 図１８は、本実施形態の処理手順を示すフローチャートである。 図１９は、正常領域を作成するための試験の測定結果を示す図である。 図２０は、図１９の測定結果に基づいてグラフを表示した図である。 図２１は、期間Ｄｒ２における正常領域を設定する例を示す図である。 図２２は、期間Ｄｒ２，Ｄｒ３における正常領域を設定する例を示す図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　本開示の目的は、転削加工に用いられる転削工具の状態を検出する状態検出システムを提供することである。
　［本開示の効果］
　本開示によれば、転削工具に発生する回転軸に沿った方向に作用する外力、回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する外力、および回転を妨げる方向に作用する負荷トルクに基づいて、転削工具の異常判定に用いられる転削工具の状態を検出可能な状態検出システムを提供することができる。
　［本開示の実施形態の説明］
　最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
　（１）　本開示に係る転削加工に用いられる転削工具の状態検出システムは、被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部と、工作機械に取り付けられる第２端部とを有するシャフト部を含み、シャフト部の回転軸を中心に回転可能な転削工具と、シャフト部に取り付けられ、転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサと、表示装置と、管理装置とを備える。複数のセンサは、転削工具に対して、回転軸に沿った第１方向に作用する第１力と、回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力と、転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクとを検出する。管理装置は、第１力、第２力、および負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第１情報を表示装置に表示させる。
　（２）　上記（１）に係る状態検出システムにおいて、管理装置は、グラフを用いて第１情報を表示する。
　（３）　上記（１）また（２）に係る状態検出システムにおいて、管理装置は、第１情報に加えて、第１力、第２力、および負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第２情報を表示装置に表示させる。第２情報は、第１情報と異なる情報である。
　（４）　上記（１）に係る状態検出システムにおいて、第１情報は、負荷トルクに対する第１力の割合と負荷トルクに対する第２力の割合に基づく情報である。
　（５）　上記（１）から（４）のいずれかに係る状態検出システムにおいて、複数のセンサは、第１方向の歪みを検出し、シャフト部に取り付けられる第１歪センサ、第２歪センサ、および第３歪センサと、シャフト部の周方向の歪みを検出し、シャフト部に取り付けられる第４歪センサとを含む。
　（６）　本開示に係る方法は、転削加工に用いられる転削工具の状態を検出する方法である。転削工具は、被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部と工作機械に取り付けられる第２端部とを有するシャフト部を含み、シャフト部の回転軸を中心に回転可能であり、シャフト部には、転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサが取り付けられる。方法は、複数のセンサの検出値を用いて、回転軸に沿った第１方向に作用する第１力を取得するステップと、複数のセンサの検出値を用いて、回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力を取得するステップと、複数のセンサの検出値を用いて、転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクを取得するステップと、第１力、第２力、および負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第１情報を表示するステップとを含む。
　（７）　本開示に係るプログラムは、転削加工に用いられる転削工具の状態を検出するプログラムである。転削工具は、被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部と工作機械に取り付けられる第２端部とを有するシャフト部を含み、シャフト部の回転軸を中心に回転可能であり、シャフト部には、転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサが取り付けられる。コンピュータに、複数のセンサの検出値を用いて、回転軸に沿った第１方向に作用する第１力を取得するステップと、回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力を取得するステップと、転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクを取得するステップと、第１力、第２力、および負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第１情報を表示するステップとを実行させる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
　（状態検出システムの概要）
　図１は、本実施の形態における転削工具５０の状態検出システム１００の概略図である。図１における転削工具５０の状態検出システム１００は、マシニングセンタまたはフライス盤などの工作機械の転削工具に対して適用され得る。状態検出システム１００は、管理装置１０と、工作機械７０とを備える。工作機械７０は、モータ２０と、転削工具５０とを含む。
　転削工具５０は、固定されている被切削物（ワーク）を切削する転削工具であって、マシニングセンタまたはフライス盤などの工作機械において使用される転削工具である。本実施の形態における転削工具５０は、エンドミルである。なお、転削工具５０は、エンドミル以外の転削工具であってもよく、たとえば、ドリルまたはフライスカッターなどであってもよい。転削工具５０は、刃部が形成されたシャフト部１０６を含む。転削工具５０は、当該シャフト部１０６を保持する工具ホルダ３０を介して工作機械７０に取り付けられる。すなわち、鉛直方向の下方側のシャフト部１０６の端部に刃部が設けられており、鉛直方向の上方側のシャフト部１０６の端部が工作機械７０側の工具ホルダ３０に取り付けられている。鉛直方向の下方側のシャフト部１０６の端部は、本開示における「第１端部」の一例であり、鉛直方向の上方側のシャフト部１０６の端部は、本開示における「第２端部」の一例である。なお、工具ホルダ３０は、鉛直方向の上方側のシャフト部１０６の端部に形成されていてもよい。その場合、転削工具５０は工具ホルダ３０を含む。
　工具ホルダ３０は、シャフト部１０６と接続され、鉛直方向の上方からシャフト部１０６を支持する。工具ホルダ３０はＺ軸の正方向側に円錐形状を有する端部を有し、当該円錐形状の端部が工作機械７０へと取り付けられている。工作機械７０に含まれるモータ２０は、転削工具５０を一体的に回転させる。換言すれば、モータ２０は、転削工具５０を回転駆動させる。モータ２０は、たとえば、サーボモータである。
　本実施の形態においてエンドミルである転削工具５０は、少なくとも１つの刃部を有する。モータ２０の駆動により転削工具５０が回転することにより、転削工具５０の刃部とワークの表面とが接触してワークの表面が削り取られる。これにより、ワークの形状は、ユーザの所望の形状となる。
　歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、シャフト部１０６に取り付けられる。歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、シャフト部１０６に発生する歪みを検出可能なセンサであって、たとえば、ブリッジ回路によって構成される歪みゲージである。歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、管理装置１０と無線によって接続されており、各々が検出した値を管理装置１０に送信する。
　管理装置１０は、転削工具５０に取り付けられた歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４の検出値を用いて、転削工具５０の状態を検出する。管理装置１０は、通信装置２１０と、制御装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）２２０と、記憶装置２３０と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）２４０と、表示装置４０と、入力装置２７０とを含む。
　通信装置２１０、ＣＰＵ２２０、記憶装置２３０、および入出力Ｉ／Ｆ２４０は、共通のバス２５０に接続されており、互いに信号の授受が可能に構成されている。表示装置２６０および入力装置２７０は、入出力Ｉ／Ｆ２４０に有線あるいは無線で接続されている。
　通信装置２１０は無線通信装置であり、工具ホルダ３０に取り付けられた歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４の検出値を無線で取得する。ＣＰＵ２２０は、記憶装置２３０に記憶されたプログラムを実行し、通信装置２１０で取得した歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４の検出値を処理することによって、転削工具５０の状態を検出する。
　記憶装置２３０は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）などのメモリ、ならびに、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｃ　Ｄｒｉｖｅ）あるいはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｉｓｋ）などの大容量記憶機器を含む。記憶装置２３０は、ＣＰＵ２２０の処理の際のバッファとして用いられるとともに、ＣＰＵ２２０で実行されるプログラム、歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４の検出値、および／または、ＣＰＵ２２０による演算結果等を記憶するために用いられる。
　入力装置２７０は、たとえば、キーボード、マウス、トラックボールまたはタッチパネルのようなポインティングデバイスであり、ユーザからの操作信号を受け付ける。表示装置４０は、代表的には、液晶パネルあるいは有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）パネルであり、ＣＰＵ２２０の演算結果および記憶装置２３０に記憶された情報をユーザに対して表示する。本実施の形態において、管理装置１０は、歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４の検出値に基づく情報を表示装置４０に表示させることで、転削工具５０の状態をユーザに認識させる。
　入出力Ｉ／Ｆ２４０は、表示装置４０および入力装置２７０を接続するためのインターフェースである。入出力Ｉ／Ｆ２４０を介して、入力装置２７０からのユーザ操作信号を受けるともに、ユーザへ通知するための情報を表示装置４０へ出力する。
　（歪センサの詳細）
　図２は、転削工具５０の斜視図である。図２に示されているＺ軸は、転削工具５０の回転軸である。すなわち、転削工具５０は、モータ２０が駆動することによりＺ軸を中心に回転する。転削工具５０は、Ｚ軸の正方向側からみたときに時計回りの回転方向Ｒｄで回転する。互いに垂直なＸ軸およびＹ軸は、Ｚ軸に対しても垂直な軸である。以降の説明において、各図におけるＺ軸の正方向を上面側、負方向を下面側と称する場合がある。
　上述したように、回転する転削工具５０は、ワークの表面と接触してワークの表面を削り取る。転削工具５０とワークとが接触することによって、転削工具５０には、外力が作用する。図２に示されるように、転削工具５０とワークとの接触によって転削工具５０に対して作用する外力は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に対してそれぞれ作用する外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび転削工具５０の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクＭｚを含む。負荷トルクＭｚは、転削工具５０の回転を妨げる方向に作用するため、転削工具５０の回転方向Ｒｄと逆向きの回転方向に作用する。すなわち、Ｚ軸の正方向側からみたときに、負荷トルクＭｚは反時計回りに作用する。
　図２においては、外力Ｆｘが作用する方向はＸ軸の正方向、外力Ｆｙが作用する方向はＹ軸の負方向、外力Ｆｚが作用する方向はＺ軸の負方向として図示されている。図２に示されるように外力Ｆｘ，外力Ｆｙ，外力Ｆｚには、異なるハッチングが付されている。なお、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、図２に示される方向と逆向きに作用する場合もある。
　歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、同一のＸＹ平面上に配置されている。歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、シャフト部１０６の表面において、シャフト部１０６の周方向に９０°間隔で配置されている。すなわち、Ｙ軸の負方向側からシャフト部１０６を見たとき、歪センサＮ１と歪センサＮ３とは、Ｚ軸に対して線対称に配置されている。また、Ｘ軸の正方向側からシャフト部１０６を見たとき、歪センサＮ２と歪センサＳ４とは、Ｚ軸に対して線対称に配置されている。
　歪センサＮ１～Ｎ３は、シャフト部１０６のＺ軸方向の歪みに対して測定感度を有する。一方で、歪センサＳ４は、シャフト部１０６の周方向の歪みに対して測定感度を有する。以下、歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４を用いて、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、および負荷トルクＭｚの検出方法を説明する。
　図３は、図２における転削工具５０をＹ軸の負方向側から視た図である。図３には、外力Ｆｘ，Ｆｚが示されている。シャフト部１０６は、Ｚ軸の正方向側に固定端を有し、刃部が形成されているＺ軸の負方向側が自由端となる片持ち梁である。そのため、転削工具５０に対して外力Ｆｘが作用することによって、曲げモーメントが発生する。曲げモーメントの大きさは、外力Ｆｘの大きさとＺ軸方向における歪センサＮ１，Ｎ３とシャフト部１０６の自由端との間の距離Ｄ１とから定められる。
　曲げモーメントが作用することによって、シャフト部１０６は、Ｘ軸の負方向側に凸が形成されるようにわずかに反り曲がった状態に変形する。すなわち、シャフト部１０６は外力Ｆｘによって撓む。曲げモーメントは、シャフト部１０６の断面係数に応じて、曲げ応力として圧縮応力Ｃｘと引張応力Ｔｘとを発生させる。図３において、外力Ｆｘによって、発生する圧縮応力Ｃｘおよび引張応力Ｔｘには、外力Ｆｘと同じハッチングが付されている。
　シャフト部１０６のＸ軸の正方向側に配置されている歪センサＮ１は、圧縮応力Ｃｘに対して測定感度を有する。また、歪センサＮ１は、外力Ｆｚによって生じる引張応力Ｔｚに対しても測定感度を有する。図３において、外力Ｆｚによって、発生する引張応力Ｔｚには、外力Ｆｚと同じハッチングが付されている。そのため、歪センサＮ１は、圧縮応力Ｃｘと引張応力Ｔｚとの合力を検出する。換言すれば、歪センサＮ１の検出値Ｄｖ１は、圧縮応力Ｃｘと引張応力Ｔｚとの合力となる。歪センサＮ１は、検出値Ｄｖ１を管理装置１０へ送信する。
　歪センサＮ３は、歪センサＮ１と同様に、外力Ｆｚによる引張応力Ｔｚに加えて外力Ｆｘによって生じる引張応力Ｔｘに対して測定感度を有する。そのため、歪センサＮ３の検出値Ｄｖ３は、引張応力Ｔｘと引張応力Ｔｚとの合力となる。歪センサＮ３は、検出値Ｄｖ３を管理装置１０へ送信する。
　管理装置１０は、圧縮応力Ｃｘと引張応力Ｔｚとの合力を示す検出値Ｄｖ１および引張応力Ｔｘと引張応力Ｔｚとの合力を示す検出値Ｄｖ３から、引張応力Ｔｚ、引張応力Ｔｘ、および圧縮応力Ｃｘの各々の値を算出する。歪センサＮ１，Ｎ３とは同一のＸＹ平面上においてＺ軸に対して線対称に配置されており、圧縮応力Ｃｘと引張応力Ｔｘとは同一の曲げモーメントに基づいて発生する曲げ応力であるため、圧縮応力Ｃｘおよび引張応力Ｔｘは、同じ大きさの応力である。
　管理装置１０は、検出値Ｄｖ１と検出値Ｄｖ３との差を算出することによって、圧縮応力Ｃｘおよび引張応力Ｔｘの各々の大きさを算出する。圧縮応力Ｃｘおよび引張応力Ｔｘの各々の大きさは、外力Ｆｘの大きさと距離Ｄ１とから定められる曲げモーメントによって変化する。すなわち、管理装置１０は、圧縮応力Ｃｘおよび引張応力Ｔｘの各々の大きさと、距離Ｄ１とから外力Ｆｘの大きさを算出できる。
　さらに、管理装置１０は、圧縮応力Ｃｘおよび引張応力Ｔｘの各々の大きさを算出した後、検出値Ｄｖ１から圧縮応力Ｃｘの大きさを差し引くか、検出値Ｄｖ３から引張応力Ｔｘの大きさを差し引くかのいずれかの処理によって、引張応力Ｔｚの大きさも算出できる。引張応力Ｔｚは、外力Ｆｚによって発生する力であるため、管理装置１０は、引張応力Ｔｚの大きさに基づいて外力Ｆｚの大きさを算出できる。このようにして、管理装置１０は、歪センサＮ１，Ｎ３の検出値Ｄｖ１，Ｄｖ３から、外力Ｆｘの大きさ、外力Ｆｚの大きさを算出する。
　図４は、図２における転削工具５０をＸ軸の正方向側から視た図である。図４には、転削工具５０とワークとが接触することによって生じる外力Ｆｙ，Ｆｚが示されている。上述したように、歪センサＮ２は、Ｚ軸方向に測定感度を有する。
　外力Ｆｘに基づいて発生する曲げモーメントによってシャフト部１０６がＸ軸の負方向側に凸を形成することと同様に、外力Ｆｙは、シャフト部１０６がＹ軸の正方向側に凸を形成する曲げモーメントを発生させる。すなわち、シャフト部１０６のＹ軸の正方向側に配置されている歪センサＮ２は、引張応力Ｔｙと引張応力Ｔｚとの合力を、検出値Ｄｖ２として検出する。
　図３にて説明したように、管理装置１０は、歪センサＮ１，Ｎ３の検出値Ｄｖ１，Ｄｖ３とから引張応力Ｔｚの大きさを算出する。管理装置１０は、検出値Ｄｖ２から引張応力Ｔｚを差し引くことによって、引張応力Ｔｙの大きさを算出できる。また、管理装置１０は、外力Ｆｘの大きさの算出と同様に、引張応力Ｔｙの大きさと距離Ｄ１とから外力Ｆｙの大きさを算出できる。
　図５は、図２におけるシャフト部１０６をＺ軸の正方向側から視た図である。図５では、歪センサＳ４の検出値について説明する。歪センサＳ４は、工具ホルダ３０の周方向に測定感度を有する。そのため、転削工具５０がワークと接触することによって、工具ホルダ３０には、転削工具５０および工具ホルダ３０の回転方向Ｒｄと逆向きの回転方向に負荷トルクＭｚが作用する。すなわち、回転している転削工具５０がワークと接触している限り、歪センサＳ４の検出値には、負荷トルクＭｚが含まれる。
　上述にて説明したように、ワークと接触する転削工具５０には、外力Ｆｘと外力Ｆｙとが作用する。外力Ｆｘと外力Ｆｙとは、負荷トルクＭｚと同様にＸＹ平面に沿う方向であるため、歪センサＳ４の検出値には、負荷トルクＭｚに加えて、外力Ｆｘおよび外力Ｆｙの少なくとも一方が含まれる。
　歪センサＳ４は、工具ホルダ３０の回転角度に応じてＸＹ平面における配置が変化する。たとえば、図５に示されるように、配置Ａｇ１の歪センサＳ４は、歪センサＳ４の測定方向がＸ軸方向と平行であるため、外力Ｆｘに対して測定感度を有する。また、配置Ａｇ２の歪センサＳ４は、歪センサＳ４の測定方向がＹ軸方向と平行であるため、外力Ｆｙに対して測定感度を有する。さらに、配置Ａｇ３の歪センサＳ４は、歪センサＳ４の測定方向がＸ軸方向およびＹ軸方向の両方と交差することから外力Ｆｘ，外力Ｆｙの両方に対して測定感度を有する。歪センサＳ４は、外力Ｆｘと外力Ｆｙと負荷トルクＭｚとの合力を検出する。
　図３，４にて説明したように管理装置１０は、歪センサＮ１～Ｎ３の検出値Ｄｖ１～Ｄｖ３に基づいて、外力Ｆｘの大きさと外力Ｆｙの大きさとを算出する。管理装置１０は、歪センサＳ４の検出値から、外力Ｆｘと外力Ｆｙとの影響を取り除くことによって、負荷トルクＭｚを算出できる。このように、本実施の形態においては、Ｚ軸方向に測定感度を有する歪センサＮ１～Ｎ３と、シャフト部１０６の周方向に測定感度を有するＳ４とによって、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、および負荷トルクＭｚの大きさを算出できる。
　なお、状態検出システム１００では、上述の手法のみならず、他の手法で外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、負荷トルクＭｚを算出してもよい。ある局面においては、状態検出システム１００は、周方向に測定感度を有する３つの歪センサと、Ｚ軸方向に測定感度を有する３つの歪センサとの合計６つの歪センサを有する構成、または、周方向に測定感度を有する３つの歪センサと、Ｚ軸方向に測定感度を有する２つの歪センサとの合計５つの歪センサを有する構成であってよい。このように、歪センサの数を増加させることによって直接的に負荷トルクＭｚなどを検出することができるため、状態検出システム１００では、管理装置１０によって行われる演算処理を軽減できる。
　図６は、図２におけるシャフト部１０６の自由端をＺ軸の正方向側から視た図である。本実施の形態では、転削工具５０は、刃部６Ａ，６Ｂ，６Ｃの３つの刃部を有する。図１～図５において説明した外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、および負荷トルクＭｚは、刃部６Ａ～６Ｃの各々がワークと接触することによって発生する。
　すなわち、歪センサＳ４を用いて算出される負荷トルクＭｚは、図６に示される刃部６Ａに作用する負荷トルクＭｚＡと、刃部６Ｂに作用する負荷トルクＭｚＢと、刃部６Ｃに作用する負荷トルクＭｚＣとの合力である。各負荷トルクＭｚＡ，ＭｚＢ，ＭｚＣの全ては、同一の周方向に向かって作用する力であるため、歪センサＳ４を用いて算出される負荷トルクＭｚは、各負荷トルクＭｚＡ，ＭｚＢ，ＭｚＣの絶対値を合計した値となる。
　一方で、外力Ｆｘ，Ｆｙは、各刃部に発生する外力の絶対値の和ではなくベクトルの和として算出される。そのため、各刃部に発生する外力は、互いに打ち消し合う場合がある。以下では、外力Ｆｘ，Ｆｙの合力を「外力Ｆｘｙ」と称する。図６に示されるように、刃部６Ａには外力ＦｘｙＡが作用し、刃部６Ｂには外力ＦｘｙＢが作用し、刃部６Ｃには外力ＦｘｙＣが作用する。
　外力Ｆｘ，Ｆｙは、ＸＹ平面に沿った方向に作用するため、図６に示されるように、転削工具５０全体に作用する外力Ｆｘｙは、外力ＦｘｙＡと外力ＦｘｙＢと外力ＦｘｙＣとを示すベクトルの和となる。そのため、転削工具５０とワークとが接触している場合であっても、各刃部６Ａ～６Ｃに作用する外力ＦｘｙＡ～外力ＦｘｙＣが互いに打ち消し合い、転削工具５０全体に作用する外力Ｆｘｙは、「０」となることがあり得る。換言すれば、各刃部６Ａ～６Ｃには外力ＦｘｙＡ～外力ＦｘｙＣが作用しているが、転削工具５０全体には、見かけ上、外力Ｆｘｙが作用していない状態となる場合がある。
　なお、負荷トルクＭｚは、実際には、外力Ｆｘｙの接線方向における分力に対して、転削工具５０の半径を乗じた値であるが、図６においては説明を容易にするために、接線方向から延伸する矢印を負荷トルクＭｚとして説明している。
　図７は、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと刃部の状態の関係性を示す図である。図７は、状態Ｓｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３の刃部６Ａがそれぞれ示されている。状態Ｓｔ１は、刃部６Ａに問題が生じておらず切削を適切に行うことが可能な状態である。状態Ｓｔ２は、刃部６Ａの刃先に摩耗が生じている状態である。状態Ｓｔ３は、刃部６Ａの刃先に欠損が生じている状態である。図７には、削り取られているワーク６０が示されている。
　ワーク６０と刃部６Ａとの接触によって発生する外力Ｆｘは、比切削抵抗Ｋｘと切削面積とから定められる。比切削抵抗Ｋｘは、刃部の状態に基づくＸ軸方向における抵抗である。比切削抵抗は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向で異なる値となる。切削面積は、切り込み深さａｐと送り量ｆｚとから定められる。
　図７の下部に示されるように、外力Ｆｘは、比切削抵抗Ｋｘと切り込み深さａｐと送り量ｆｚとを乗じた値となる。また、外力Ｆｙも同様に、Ｙ軸方向の比切削抵抗Ｋｙと切り込み深さａｐと送り量ｆｚとを乗じた値となる。外力Ｆｚも同様に、Ｚ軸方向の刃部の状態を示す比切削抵抗Ｋｚと切り込み深さａｐと送り量ｆｚとを乗じた値となる。比切削抵抗Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚの各々は、各軸方向における刃先の状態によって変化するため、比切削抵抗Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚの値は互いに異なる。
　＜工具摩耗の実験例＞
　以下では、図８～図１０を用いて転削工具５０の摩耗状態を検出する実験例を示す。図８～図１０において、下記の加工条件にて行われた実験結果を示す。ワークの材質は、炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）である。転削工具５０は、４枚刃のエンドミルである。工具径はφ６ｍｍである。切削速度は、６０ｍ／ｍｉｎである。１つの刃部あたりの送り量は、０．０１５ｍｍ／ｔ(tooth)である。軸方向の切り込み量は、１ｍｍである。径方向の切り込み量は、２．４ｍｍである。
　図８は、転削工具５０の状態を示すグラフの第１例である。図８に示される第１例のグラフでは、縦軸は外力Ｆｚを示し、横軸は外力Ｆｘｙを示す。図８には、プロットＮ１１～Ｎ１８が示されている。各プロットＮ１１～Ｎ１８は、図２～図６にて説明した方法にて算出する特定のタイミングにおける外力Ｆｚと外力Ｆｘｙとを示している。
　プロットＮ１１～Ｎ１８の各々は、モータ２０によって転削工具５０が回転しワークを切削する期間内において検出された値であり、プロットＮ１１～Ｎ１８の順番で検出されている。プロットＮ１１は最も早い時間に検出された値であり、プロットＮ１８は最も遅い時間に検出された値である。すなわち、プロットＮ１８が検出されたタイミングは、他のプロットが検出されたタイミングと比較して、切削回数および切削時間が最も多い。そのため、プロットＮ１８が検出されたタイミングでは、他のプロットが検出されたタイミングよりも転削工具５０の摩耗が進行している。
　図８のプロットＮ１１～Ｎ１８に示されるように、切削回数、切削時間が多くなると、転削工具５０の摩耗が進み、外力Ｆｚおよび外力Ｆｘｙは、共に増加傾向を示す。図７の状態Ｓｔ２に示されるように、摩耗が進行すれば、ワーク６０と転削工具５０との接触面積が増加する。接触面積が増加すると、転削工具５０がワーク６０との接触時間、摩擦力が増加することから外力Ｆｚおよび外力Ｆｘｙも増加する。
　つまり、各プロットは、摩耗進行とともにグラフ上を右上方向に向かって移動する。切削面積は、刃先の状態と関係なく独立して定められる。また、刃部はワーク６０と繰り返して接触するため、切削面積の大きさが刃部とワーク６０との接触ごとにばらつくことがある。そのため、刃先の摩耗が進行した状態であっても切削面積の大きさによっては、外力Ｆｚおよび外力Ｆｘｙは減少する場合がある。しかしながら、プロットＮ１１からプロットＮ１８までの移動の傾向を全体として把握すれば、各プロットは、グラフ上を右上方向に移動する。
　このことから、ユーザは、図８に示されるグラフのプロットの移動する方向および移動量に基づいて、摩耗の進行度合いを推測することができる。すなわち、状態検出システムは、転削工具５０の状態を示す摩耗の進行度合いをユーザに対して視覚的に表示することができる。すなわち、本実施の形態における状態検出システム１００では、プロットの移動方向の傾向および、移動量に基づいて転削工具５０の摩耗の状態をユーザに認識させることができる。これにより、ユーザは、転削工具５０の交換時期を容易に予測することができる。
　図９は、転削工具５０の状態を示すグラフの第２例である。図９に示される第２例のグラフでは、縦軸は外力Ｆｘｙを示し、横軸は負荷トルクＭｚを示す。図９には、プロットＮ２１～Ｎ２８が示されている。プロットＮ２１～Ｎ２８は、プロットＮ１１～Ｎ１８と同様に、プロットＮ２１～Ｎ２８の順番で検出されている。すなわち、プロットＮ２１～Ｎ２８のうち、プロットＮ２８が検出されたタイミングが、最も摩耗が進行しているタイミングである。
　図９のプロットＮ２１～Ｎ２８に示されるように、切削回数、切削時間が多くなると、転削工具５０の摩耗が進み、外力Ｆｘｙおよび負荷トルクＭｚは、共に増加傾向を示す。図７の状態Ｓｔ２に示されるように、摩耗が進行すれば、ワークと転削工具５０との接触面積が増加する。接触面積が増加すると、摩擦力が増加するため、転削工具５０の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクも増加する。したがって、図９に示されるように、摩耗が進行すれば、負荷トルクＭｚも増加し、図９における各プロットも、グラフ上を右上方向に移動する傾向にある。
　このように、本実施の形態における状態検出システム１００では、縦軸が外力Ｆｘｙを示し、横軸が負荷トルクＭｚを示す図９のグラフにおいても、プロットの移動方向の傾向および、移動量に基づいて、転削工具５０の摩耗の状態をユーザに認識させることができる。
　図１０は、転削工具５０の状態を示すグラフの第３例である。図１０に示される第３例のグラフでは、縦軸は外力Ｆｚを示し、横軸は負荷トルクＭｚを示す。図１０には、プロットＮ３１～Ｎ３８が示されている。プロットＮ３１～Ｎ３８は、プロットＮ１１～Ｎ１８と同様に、プロットＮ３１～Ｎ３８の順番で検出されている。すなわち、プロットＮ３１～Ｎ３８のうち、プロットＮ３８が検出されたタイミングが、最も摩耗が進行しているタイミングである。図１０のグラフにおいても、摩耗が進行すると外力Ｆｚおよび負荷トルクＭｚは増加するため、図１０における各プロットもグラフ上を右上方向に移動する傾向を有する。
　このように、本実施の形態における状態検出システム１００では、縦軸が外力Ｆｚを示し、横軸が負荷トルクＭｚを示す図１０のグラフにおいても、プロットの移動方向の傾向および、移動量に基づいて、転削工具５０の摩耗の状態をユーザに認識させることができる。
　また、状態検出システム１００では、予め定めた正常領域ではない範囲にプロットが検出された場合、異常が発生したことを検出して、表示装置４０に表示させてもよい。より具体的には、特定の転削工具の形状、特定の加工条件にて試験的な加工を行い、予め図８～図１０のグラフにおいて摩耗に伴ってプロットが検出される範囲を取得する。すなわち、状態検出システム１００では、正常に摩耗が進行したときのプロットの移動範囲を予め取得する。その後、新たな転削工具であって同一の形状の転削工具を用いて、同一の加工条件にて新たに加工を開始する場合、当該新たな転削工具において検出されるプロットが、予め取得した正常に摩耗が進行したときのプロットの移動範囲を越えるか否かを判定する。正常に摩耗が進行したときのプロットの移動範囲と異なる範囲にプロットが検出された場合、管理装置１０は、異常が発生していると判断して、表示装置４０に異常が発生している旨を表示させる。
　図８～図１０のグラフは、いずれも、外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚのうち少なくとも２つの関係性を示している。より具体的には、図８のグラフは、外力Ｆｚと外力Ｆｘｙとの関係性を示し、図９のグラフは、外力Ｆｘｙと負荷トルクＭｚとの関係性を示し、図８のグラフは、外力Ｆｚと負荷トルクＭｚとの関係性を示す。図８～図１０のグラフとして示される情報は、本開示における「第１情報」の一例である。
　本実施の形態の状態検出システム１００では、図８～図１０のグラフのうち、１つのグラフだけを表示するのではなく、図８～図１０のグラフのうちの２つのグラフを同時に表示させてもよい。すなわち、管理装置１０は、図８のグラフと図９のグラフとを表示装置４０に表示させ得る。また、管理装置１０は、図９のグラフと図１０のグラフとを表示装置４０に表示させ得る。あるいは、管理装置１０は、図８のグラフと図１０のグラフとを表示装置４０に表示させ得る。これによって、表示装置４０には、外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚの全ての情報を含むグラフが表示され、状態検出システム１００では、より正確な転削工具５０の状態を示す情報をユーザ対して表示することができる。このように２つのグラフが表示される場合、一方のグラフは「第１情報」の一例であり、他方のグラフは「第２情報」の一例である。なお、状態検出システム１００では、図８～１０の３つのグラフの全てを表示させてもよい。
　本実施の形態においては、外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚの関係性をグラフとして表示する例について説明したが、たとえば、外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚの大きさを表形式にて単に数値として表示してもよい。また、上述の例では、二次元のグラフとしてユーザに表示する例を説明したが、ある局面において状態検出システム１００は、外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚの３つの関係性を３次元の立体的なグラフを用いて表示してもよい。このような立体的なグラフでは、たとえば、Ｘ軸は外力Ｆｚを示し、Ｙ軸は外力Ｆｘｙを示し、Ｚ軸は負荷トルクＭｚを示す。
　＜刃先欠損の実験例＞
　以下では、図１１～図１３を用いて転削工具５０の刃先欠損の状態を検出する実験例を示す。図１１～図１３において、下記の加工条件にて行われた実験結果を示す。ワークの材質は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）である。転削工具５０は、４枚刃のエンドミルである。工具径はφ１６ｍｍである。切削速度は、８０ｍ／ｍｉｎである。１つの刃部あたりの送り量は、０．１０ｍｍ／ｔ(tooth)である。軸方向の切り込み量は、２ｍｍである。径方向の切り込み量は、１０ｍｍである。
　図１１は、転削工具５０の状態を示すグラフの第４例である。図１１に示される第４例のグラフでは、縦軸は外力Ｆｚを示し、横軸は外力Ｆｘｙを示す。図１１には、領域Ａｒ１に含まれるプロット群Ｎｓ１と領域Ａｒ２に含まれるプロット群Ｎｓ２とが示されている。プロット群Ｎｓ１は、刃先に欠損が生じていない状態で検出された値である。プロット群Ｎｓ２は、刃先に欠損が生じた状態で検出された値である。
　図１１のプロット群Ｎｓ１，Ｎｓ２に示されるように、刃先欠損によって、外力Ｆｘｙが増加している。つまり、プロットされる領域は、刃先が欠損したことに基づいてグラフ上を右方向に移動している。刃先欠損は、工具摩耗のように経時的に進行せず、突発的に破損が発生する。そのため、刃先欠損が生じた前後において、プロットされる領域は領域Ａｒ１から領域Ａｒ２へと移動する。
　このように、本実施の形態における状態検出システム１００では、プロットされる領域Ａｒ１が他の領域Ａｒ２に変化したことに基づいて、転削工具５０に刃先の欠損が生じたか否かをユーザに認識させることができる。これにより、ユーザは、転削工具５０を修理する必要があるか否かを判断することができる。
　刃先欠損の例では、刃先の欠損の位置、形状に応じて、各プロットが移動する方向が異なるため、各プロットの移動方向には傾向がない。そのため、本実施の形態の状態検出システム１００では、刃先の欠損のない状態においてプロットされる領域Ａｒ１から異なる領域にプロットされたか否かを、たとえばｋ近傍法を用いて判断する。すなわち、管理装置１０は、新たにプロットされた値が過去のプロットと異なる範囲内にクラスタリングされる場合、刃先に破損が発生したと判断し、その旨を表示装置４０に表示させる。これにより、状態検出システム１００では、刃先の欠損状態を検出し、検出結果をユーザに表示させることができる。後述するように、管理装置１０は、工具形状および加工条件を用いた計算、もしくは、事前に実施した試験によって得られた正常領域との比較によって、刃先の異常の有無を判断してもよい。
　図１２は、転削工具５０の状態を示すグラフの第５例である。図１２に示される第５例のグラフでは、縦軸は外力Ｆｘｙを示し、横軸は負荷トルクＭｚを示す。図１２には、領域Ａｒ３に含まれるプロット群Ｎｓ３と領域Ａｒ４に含まれるプロット群Ｎｓ４とが示されている。プロット群Ｎｓ３は、刃先に欠損が生じていない状態で検出された値である。プロット群Ｎｓ４は、刃先に欠損が生じた状態で検出された値である。
　図１２のプロット群Ｎｓ３，Ｎｓ４に示されるように、図１２の例における欠損した刃先の位置、形状の影響によって、外力Ｆｘｙが増加し負荷トルクＭｚが減少する。つまり、プロットされる領域は、刃先が欠損したことに基づいてグラフ上を左上方向に移動している。このように、本実施の形態における状態検出システム１００では、縦軸が外力Ｆｘｙを示し、横軸が負荷トルクＭｚを示す図１２のグラフにおいても、プロットされる領域Ａｒ３が他の領域Ａｒ４に変化したことに基づいて、転削工具５０に刃先の欠損が生じたか否かをユーザに認識させることができる。
　図１３は、転削工具５０の状態を示すグラフの第６例である。図１３に示される第６例のグラフでは、縦軸は外力Ｆｚを示し、横軸は負荷トルクＭｚを示す。図１３には、領域Ａｒ５に含まれるプロット群Ｎｓ５と領域Ａｒ６に含まれるプロット群Ｎｓ６とが示されている。プロット群Ｎｓ５は、刃先に欠損が生じていない状態で検出された値である。プロット群Ｎｓ６は、刃先に欠損が生じた状態で検出された値である。
　図１３のプロット群Ｎｓ５，Ｎｓ６に示されるように、図１２の例における欠損した刃先の位置、形状の影響によって、負荷トルクＭｚが減少する。つまり、各プロットは、刃先が欠損したことに基づいてグラフ上を左方向に移動している。このように、本実施の形態における状態検出システム１００では、縦軸が外力Ｆｚを示し、横軸が負荷トルクＭｚを示す図１３のグラフにおいても、プロットされる領域Ａｒ５が他の領域Ａｒ６に変化したことに基づいて、転削工具５０に刃先の欠損が生じたか否かをユーザに認識させることができる。
　＜切削面積の影響の排除＞
　図１４は、外力と比切削抵抗と切削面積との関係を説明するための図である。上述したように、刃部はワーク６０と繰り返して接触するため、切削面積の大きさにばらつきが発生し得る。工具摩耗または刃先欠損が生じることによって比切削抵抗Ｋが変化しても、切削面積の大きさにばらつきが発生すれば、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，および負荷トルクＭｚは、見かけ上、比切削抵抗Ｋが変化していないように相殺されてしまう可能性がある。そこで、以下では、切削面積の影響の排除する手法について説明する。
　図１４には、状態Ｓｔ４，Ｓｔ５，Ｓｔ６の刃部６Ａがそれぞれ示されている。状態Ｓｔ４，Ｓｔ５は、刃部６Ａに問題が生じておらず切削を適切に行うことが可能な状態である。状態Ｓｔ６は、刃部６Ａの刃先に摩耗が生じている状態である。
　状態Ｓｔ４，Ｓｔ６において、刃部６Ａの切り込み深さａｐは距離Ｄ２である。状態Ｓｔ５において、刃部６Ａの切り込み深さａｐは距離Ｄ３である。距離Ｄ３は、距離Ｄ２よりも長い。また、状態Ｓｔ４，Ｓｔ５，Ｓｔ６の全ての状態における送り量ｆｚは同一の値である。
　図７にて説明したように、外力Ｆｘは、刃部の状態を示す比切削抵抗Ｋｘと切り込み深さａｐと送り量ｆｚとを乗じた値である。比切削抵抗Ｋｘは、切り込み深さａｐと送り量ｆｚにかかわらず、刃部の状態に応じて定まる。一方で、切り込み深さａｐと送り量ｆｚは、刃部の状態にかかわらず、刃部とワーク６０との接触状況によって変化する。
　状態Ｓｔ４では、外力Ｆｘは、刃部に摩耗も欠損も生じていない適切な状態を示す比切削抵抗Ｋｘと、距離Ｄ２の深さだけ切り込むときの切り込み深さａｐＤ２と、送り量ｆｚとに基づいて定まる。状態Ｓｔ５では、外力Ｆｘは、刃部に摩耗も欠損も生じていない適切な状態を示す比切削抵抗Ｋｘと、距離Ｄ３の深さだけ切り込むときの切り込み深さａｐＤ３と、送り量ｆｚとに基づいて定まる。状態Ｓｔ６では、外力Ｆｘは、刃部に摩耗が生じている比切削抵抗Ｋｘｆと、距離Ｄ２の深さだけ切り込むときの切り込み深さａｐＤ２と、送り量ｆｚとに基づいて定まる。図１４に示されるように、各状態における外力Ｆｙ，Ｆｚについても、外力Ｆｘと同様に定められる。
　図１４の状態Ｓｔ４の下部に示されるように、状態Ｓｔ４において外力Ｆｚに対する外力Ｆｘの割合は、比切削抵抗Ｋｚに対する比切削抵抗Ｋｘの割合となる。すなわち、外力Ｆｚおよび外力Ｆｘの各々に切り込み深さａｐＤ２と送り量ｆｚが含まれているため、外力Ｆｚに対して外力Ｆｘを除算したとき、切り込み深さａｐＤ２と送り量ｆｚとの影響が取り除かれる。したがって、外力Ｆｚに対する外力Ｆｘの割合は、切り込み深さａｐＤ２と送り量ｆｚの影響が排除されて、比切削抵抗Ｋｚに対する比切削抵抗Ｋｘの割合となる。状態Ｓｔ４において、外力Ｆｚに対する外力Ｆｙの割合も、同様に切り込み深さａｐＤ２と送り量ｆｚとの影響が取り除かれ、比切削抵抗Ｋｚに対する比切削抵抗Ｋｙの割合となる。
　図１４の状態Ｓｔ５の下部に示されるように、状態Ｓｔ５における外力Ｆｚに対する外力Ｆｘの割合も、状態Ｓｔ４と同様に、比切削抵抗Ｋｚに対する比切削抵抗Ｋｘの割合となる。すなわち、除算によって切り込み深さａｐＤ３と送り量ｆｚとの影響が取り除かれる。そのため、状態Ｓｔ５における外力Ｆｚに対する外力Ｆｘの割合と、状態Ｓｔ４における外力Ｆｚに対する外力Ｆｙの割合は同じ値となる。
　一方で、図１４の状態Ｓｔ６の下部に示されるように、状態Ｓｔ６において外力Ｆｚに対する外力Ｆｘの割合は、比切削抵抗Ｋｚｆに対する比切削抵抗Ｋｘｆの割合となる。除算によって切り込み深さａｐＤ２と送り量ｆｚとの影響が取り除かれるが、刃部の摩耗によって比切削抵抗Ｋｘｆ，Ｋｚｆが状態Ｓｔ４，Ｓｔ５の比切削抵抗Ｋｘ，Ｋｚと異なる。そのため、状態Ｓｔ６における外力Ｆｚに対する外力Ｆｘの割合と、状態Ｓｔ４，Ｓｔ５の外力Ｆｚに対する外力Ｆｙの割合と異なる値になる。
　このように、本実施の形態における状態検出システム１００では、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを互いに除算した値を用いることによって、切削面積の影響を排除し、比切削抵抗Ｋだけの変化に着目可能となる。たとえば、管理装置１０は、縦軸は外力Ｆｚに対する外力Ｆｘの割合を示し、横軸は外力Ｆｚに対する外力Ｆｙの割合を示すグラフを表示することによって、切削面積の影響を排除した転削工具５０の状態をユーザに表示することができる。なお、切削面積の影響が排除されていれば、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを除算する組合せは他の組合せであってもよい。
　＜負荷トルクを用いる切削面積の排除＞
　図１５は、負荷トルクと切削面積との関係を説明するための図である。負荷トルクＭｚは、回転を妨げる力であり、転削工具５０の接線方向に発生する外力Ｆｔに対して転削工具５０の半径Ｒ１を乗じた値である。上述したように、図６においては、刃部６Ａにおける接線方向から延伸する矢印を負荷トルクＭｚＡとして説明したが、実際には図１５に示されるように外力ＦｘｙＡの接線方向における分力である外力Ｆｔに対して、転削工具５０の半径Ｒ１を乗じた値である。
　外力Ｆｔは、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと同様に、比切削抵抗Ｋｔと切り込み深さａｐと送り量ｆｚとを乗じた値である。すなわち、負荷トルクＭｚには、切り込み深さａｐと送り量ｆｚとが含まれている。そのため、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚのいずれかに対して、負荷トルクＭｚを除算することによって、切削面積の影響を排除することができる。
　図１６は、転削工具５０の状態を示すグラフの第７例である。図１６に示される第７例のグラフでは、縦軸は負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｚの割合を示し、横軸は負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙの割合を示す。図１６には、プロットＮ４１～Ｎ４８が示されている。プロットＮ４１～Ｎ４８は、プロットＮ１１～Ｎ１８と同様に、プロットＮ４１～Ｎ４８の順番で検出されている。すなわち、プロットＮ４１～Ｎ４８のうち、プロットＮ４８が検出されたタイミングが、最も摩耗が進行しているタイミングである。
　図１６に示されるグラフでは、上述にて説明したように、縦軸、横軸に示される値から切削面積の影響が排除されている。これにより、図１６のグラフは、比切削抵抗Ｋの変化をより正確に表すことができる。
　図１６に示される例では、摩耗が進行すれば、負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙの割合が小さくなる。すなわち、摩耗が進行することによる負荷トルクＭｚの増加率は、外力Ｆｘｙの増加率よりも大きい。また、摩耗が進行すれば、負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙの割合が大きくなる。摩耗が進行することによる負荷トルクＭｚの増加率は、外力Ｆｘｙの増加率よりも小さい。このため、図１６に示されるように、各プロットは、グラフ上を右下方向に移動する傾向にある。
　図１７は、転削工具５０の状態を示すグラフの第８例である。図１７に示される第８例のグラフでは、縦軸は負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｚの割合を示し、横軸は負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙの割合を示す。図１７には、領域Ａｒ７に含まれるプロット群Ｎｓ７と領域Ａｒ８に含まれるプロット群Ｎｓ８とが示されている。プロット群Ｎｓ７は、刃先に欠損が生じていない状態で検出された値である。プロット群Ｎｓ８は、刃先に欠損が生じた状態で検出された値である。
　図１７のプロット群Ｎｓ７，Ｎｓ８に示されるように、刃先欠損が生じたことによって、負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙの割合は増加する。つまり、プロットされる領域は、刃先が欠損したことに基づいてグラフ上を右方向に移動している。このように、本実施の形態における状態検出システム１００では、縦軸が負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｚの割合を示し、横軸が負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙの割合を示す図１７のグラフにおいても、プロットされる領域Ａｒ７が他の領域Ａｒ８に変化したことに基づいて、転削工具５０に刃先の欠損が生じたか否かをユーザに認識させることができる。
　このように、図１６，１７において、本実施の形態における状態検出システム１００では、縦軸が負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｚを示し、横軸が負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙを示す図１６，１７のグラフにおいても、転削工具５０の摩耗の状態および刃先の欠損をユーザに認識させることができる。
　また、図６にて説明したように、負荷トルクＭｚは、回転する転削工具５０の刃部がワーク６０と接触する限り、常に「０」よりも大きい値となる。一方で、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの各々は、各刃部に発生する外力同士が打ち消し合い、見かけ上「０」になることがある。図１６，１７に示される例では、縦軸、横軸が示す値の分母は、負荷トルクである。そのため、縦軸、横軸が示す値は「０」で除算されることがなく、縦軸、横軸が示す値が「０」で除算されるため検出できないといった状況が発生することがない。
　なお、歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、本開示における「第１歪センサ～第４歪センサ」のそれぞれの一例である。
　図１８は、本実施形態の処理手順を示すフローチャートである。図１８では、図８～図１３、図１６、１７のいずれかのグラフを表示するための処理手順が示されている。図１８に示される処理手順は、管理装置１０のＣＰＵ２２０によって記憶装置２３０のプログラムが実行されることによって実現される。
　管理装置１０は、外力Ｆｚを取得する（ステップＳ１００）。続いて、管理装置１０は、外力Ｆｘｙを取得する（ステップＳ１１０）。さらに、管理装置１０は、負荷トルクＭｚを取得する（ステップＳ１２０）。より具体的には、ステップＳ１００～ステップＳ１２０では管理装置１０は、図３，４にて説明したように歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４の検出値を用いて、外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚを算出する。
　その後、管理装置１０は、外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚのうちの少なくとも２つにも基づいて作成したグラフを表示する（ステップＳ１３０）。すなわち、管理装置は、図８～図１３、図１６、１７のいずれかのグラフを表示する。
　［事前に実施した試験による正常領域の作成方法］
　本実施の形態の状態検出システム１００において、刃先の欠損のない状態においてプロットされる領域Ａｒ１から異なる領域にプロットされたか否かをｋ近傍法を用いて判断する構成を説明した。しかしながら、異常が発生したか否かを判定する方法は、ｋ近傍法を用いた方法に限られない。以下では、グラフ上に正常領域を作成する方法について説明する。
　図１９は、正常領域を作成するための試験の測定結果を示す図である。図１９には、外力Ｆｚ，外力Ｆｘｙ，および負荷トルクＭｚの時系列データが示されている。より具体的には、図１９には、０～１７．５秒までの期間における外力Ｆｚ，外力Ｆｘｙ，および負荷トルクＭｚの値が示されている。
　図１９では、下記の加工条件にて行われた試験の測定結果が示されている。転削工具５０の回転数は、２３００回／ｍｉｎである。送り速度は、５００ｍｍ／ｍｉｎである。半径方向の切り込み量は、１０ｍｍである。すなわち、刃部６Ａ～６Ｃの各々は、０ｍｍから１０ｍｍまで徐々に切り込み量を増加させるようにワークを切削する。
　図１９に示されるように、外力Ｆｚ，外力Ｆｘｙ，および負荷トルクＭｚの各々は、時間の経過に伴って変動している。期間Ｄｒ１は、切込量が０ｍｍ～１ｍｍの期間である。期間Ｄｒ２は、切込量が４ｍｍ～５ｍｍの期間である。期間Ｄｒ３は、切込量が９ｍｍ～１０ｍｍの期間である。
　図２０は、図１９の測定結果に基づいてグラフを表示した図である。図２０には、縦軸が外力Ｆｚであり横軸が負荷トルクＭｚであるグラフ、縦軸が外力Ｆｘｙであり横軸が負荷トルクＭｚであるグラフ、縦軸が外力Ｆｚであり横軸が外力Ｆｘｙであるグラフ、および縦軸が負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｚの割合であり横軸が負荷トルクＭｚに対する外力Ｆｘｙの割合であるグラフの４つのグラフが示されている。
　各グラフには、プロットＰ１、プロットＰ２、プロットＰ３の三種類のプロットが表示されている。図２０の左上部に示されるように、プロットＰ１は、図１９における期間Ｄｒ１におけるプロットである。プロットＰ２は、図１９における期間Ｄｒ２におけるプロットである。プロットＰ３は、図１９における期間Ｄｒ３におけるプロットである。すなわち、図２０では、図１９にて示されている外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚの値が期間ごとにグラフとして表示されている。
　図２０の例では、図１９に示されている外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚの実測値をプロットとして表示しているのではなく、図１９に示されている外力Ｆｚ、外力Ｆｘｙ、および負荷トルクＭｚの移動平均をプロットとして表示している。これにより、図２０に示されるように各プロットは同一の期間内においてグラフ上で所定の範囲内に固まって配置される。また、上述したように、図１９では、徐々に切り込み量が増加するような加工条件で試験が行われているため、期間Ｄｒ１と、期間Ｄｒ２と、期間Ｄｒ３とでは、異なる加工条件による試験が行われているといえる。
　図２１は、期間Ｄｒ２における正常領域を設定する例を示す図である。図２１には、図２０にて示した４つのグラフと同様のグラフが表示されている。図２１には、４つのグラフに重畳する正常領域Ｃｒ１，Ｃｒ２，Ｃｒ３，Ｃｒ４がそれぞれ示されている。正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４は、期間Ｄｒ２におけるプロットＰ２を基準として定められている。正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４は、たとえば、期間Ｄｒ２における全てのプロットＰ２が包括される領域であって、プロットＰ２の集合の平均値を中心とする楕円または円形状で示される領域である。正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４は、管理装置１０によって定められる。なお、管理装置１０は、プロットＰ２の集合の平均値を用いずにプロットＰ２の集合の全てが含まれる最小限の領域を正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４として定めてもよい。
　このように、状態検出システム１００は、図１９，２０にて行われた試験的な加工を行うことによってプロットされるべき領域である正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４を取得する。その後、期間Ｄｒ２に対応する加工条件での加工が行われる場合、新たに検出されるプロットが正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４内に位置していない場合、異常が発生していると判定できる。すなわち、管理装置１０は、正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４内ではない領域にプロットが検出された場合、異常が発生した旨を表示装置４０に表示させることができる。また、管理装置１０は、図２２に示される４つのグラフと正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４とを表示装置４０にリアルタイムで表示させてもよい。これにより、ユーザは、各プロットが正常領域Ｃｒ１～Ｃｒ４の範囲内に位置しているかをリアルタイムで視覚的に把握することができる。
　図２２は、期間Ｄｒ２，Ｄｒ３における正常領域を設定する例を示す図である。図２２には、正常領域Ｃｒ５，Ｃｒ６，Ｃｒ７，Ｃｒ８が示されている。正常領域Ｃｒ５～Ｃｒ８は、期間Ｄｒ２におけるプロットＰ２および期間Ｄｒ３におけるプロットＰ３を基準として定められている。正常領域Ｃｒ５～Ｃｒ８は、たとえば、全てのプロットＰ２，Ｐ３が包括される領域であって、プロットＰ２，Ｐ３の集合の平均値を中心とする矩形形状の領域である。
　このように、状態検出システム１００は、図１９，２０にて行われた試験的な加工によって正常領域Ｃｒ５～Ｃｒ８を取得する。その後、期間Ｄｒ２，Ｄｒ３に対応する加工条件での加工が行われる場合、新たに検出されるプロットが正常領域Ｃｒ５～Ｃｒ８内に位置しているかによって異常が発生しているか否かを判定できる。図２１，図２２に示されるように状態検出システム１００では、加工条件ごとに応じた正常領域を作成することができる。
　なお、図２０の例では、図１９における実測値を用いずに移動平均の値を用いる例を説明したが、ある局面における状態検出システム１００では、実測値を用いてもよいし、単位時間あたりの平均値、最大値、標準偏差などを用いてもよい。当該単位時間は、転削工具５０の回転数に基づいて定められ得る。また、本実施の形態において外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｘｙを用いた転削工具の状態検出について説明したが、ある局面における状態検出システム１００では、外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｘｙの各々に代えて、各軸方向に発生するトルクＭｘ，Ｍｙ，Ｍｘｙを用いてもよい。
　（変形例）
　本実施の形態の転削工具５０においては、工具ホルダ３０を用いてシャフト部１０６が保持される構成であった。しかしながら、変形例の転削工具５０では、本実施の形態の転削工具５０のような工具ホルダを用いず、シャフト部１０６が工作機械７０の主軸に直接取り付けられてもよい。この場合、シャフト部１０６は、ハウジングを備える。
　歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、シャフト部１０６に設けられたハウジングの内部に格納される。歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４は、本実施の形態の転削工具５０と同様に、シャフト部１０６の周方向に等間隔に配置されている。このように、工具ホルダを用いずに主軸に直接取り付けられる転削工具５０においても、シャフト部１０６のハウジング内に歪センサＮ１～Ｎ３，Ｓ４を配置することによって、管理装置１０は、転削工具５０に発生する外力、負荷トルクを取得できる。
　また、本実施の形態において管理装置１０は、工作機械７０と別体である構成について説明した。しかしながら、管理装置１０は、工作機械７０に含まれてもよい。換言すれば、管理装置１０と工作機械７０とは一体的に構成されてもよい。
　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　６Ａ～６Ｃ　刃部、１０　管理装置、２０　モータ、３０　工具ホルダ、４０　表示装置、５０　転削工具、６０　ワーク、７０　工作機械、１００　状態検出システム、Ａｇ１～Ａｇ３　配置、Ａｒ１～Ａｒ８　領域、Ｃｘ　圧縮応力、Ｄ１～Ｄ３　距離、Ｄｖ１～Ｄｖ３　検出値、Ｆｔ，Ｆｘ，Ｆｘｙ，ＦｘｙＡ～ＦｘｙＣ，Ｆｙ，Ｆｚ　外力、Ｋ，Ｋｔ，Ｋｘ，Ｋｘｆ，Ｋｙ，Ｋｚ，Ｋｚｆ　比切削抵抗、Ｍｚ，ＭｚＡ～ＭｚＣ　負荷トルク、Ｎ１～Ｎ３，Ｓ４　歪センサ、Ｎ１１～Ｎ１８，Ｎ２１～Ｎ２８，Ｎ３１～Ｎ３８，Ｎ４１～Ｎ４８，Ｐ１～Ｐ３　プロット、Ｎｓ１～Ｎｓ８　プロット群、Ｒ１　半径、Ｒｄ　回転方向、Ｓｔ１～Ｓｔ６　状態、Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ　応力、ａｐ，ａｐＤ２，ａｐＤ３　切り込み深さ、Ｃｒ１～Ｃｒ８　正常領域。

Claims (7)

  1. 　転削加工に用いられる転削工具の状態検出システムであって、
    　被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部と、工作機械に取り付けられる第２端部とを有するシャフト部を含み、前記シャフト部の回転軸を中心に回転可能な転削工具と、
    　前記シャフト部に取り付けられ、前記転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサと、
    　表示装置と、
    　管理装置とを備え、
    　前記複数のセンサは、前記転削工具に対して、
    　　前記回転軸に沿った第１方向に作用する第１力と、
    　　前記回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力と、
    　　前記転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクとを検出し、
    　前記管理装置は、前記第１力、前記第２力、および前記負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第１情報を前記表示装置に表示させる、状態検出システム。
  2. 　前記管理装置は、グラフを用いて前記第１情報を表示する、請求項１に記載の状態検出システム。
  3. 　前記管理装置は、前記第１情報に加えて、前記第１力、前記第２力、および前記負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第２情報を前記表示装置に表示させ、
    　前記第２情報は、前記第１情報と異なる情報である、請求項１または請求項２に記載の状態検出システム。
  4. 　前記第１情報は、前記負荷トルクに対する前記第１力の割合と前記負荷トルクに対する前記第２力の割合に基づく情報である、請求項１に記載の状態検出システム。
  5. 　前記複数のセンサは、
    　　前記第１方向の歪みを検出し、前記シャフト部に取り付けられる第１歪センサ、第２歪センサ、および第３歪センサと、
    　　前記シャフト部の周方向の歪みを検出し、前記シャフト部に取り付けられる第４歪センサとを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の状態検出システム。
  6. 　転削加工に用いられる転削工具の状態を検出する方法であって、
    　前記転削工具は、被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部と工作機械に取り付けられる第２端部とを有するシャフト部を含み、前記シャフト部の回転軸を中心に回転可能であり、
    　前記シャフト部には、前記転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサが取り付けられ、
    　前記方法は、
    　　前記複数のセンサの検出値を用いて、前記回転軸に沿った第１方向に作用する第１力を取得するステップと、
    　　前記複数のセンサの検出値を用いて、前記回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力を取得するステップと、
    　　前記複数のセンサの検出値を用いて、前記転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクを取得するステップと、
    　　前記第１力、前記第２力、および前記負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第１情報を表示するステップとを含む、方法。
  7. 　転削加工に用いられる転削工具の状態を検出するプログラムであって、
    　前記転削工具は、被切削物を切削するための刃部が設けられた第１端部と工作機械に取り付けられる第２端部とを有するシャフト部を含み、前記シャフト部の回転軸を中心に回転可能であり、
    　前記シャフト部には、前記転削工具に作用する外力を検出する複数のセンサが取り付けられ、
    　コンピュータに、
    　　前記複数のセンサの検出値を用いて、前記回転軸に沿った第１方向に作用する第１力を取得するステップと、
    　　前記回転軸を法線とする平面に沿った方向に作用する第２力を取得するステップと、
    　　前記転削工具の回転を妨げる方向に作用する負荷トルクを取得するステップと、
    　前記第１力、前記第２力、および前記負荷トルクのうち少なくとも２つに基づく第１情報を表示するステップとを実行させる、プログラム。
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