JP2003251545A - 刃具寿命診断システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】刃具費の低減と加工品質維持の両立を図るとと
もに、マシニングセンター等に適用する場合に発生する
特有の問題を解決すること。 【解決手段】複数の刃具５と１つの刃具駆動用モータ８
とを備え、刃具５を交換しながらワーク１を加工する加
工センター２０または複数の加工センター２０からなる
加工ラインに適用される刃具寿命診断システムであり、
交換後の刃具５に応じたレンジ切替指令にしたがい、モ
ータ８の有効電力波形を測定するモータ電力量検出装置
１１と、各刃具５の寿命を示すモータ８の基準有効電力
波形を予め記憶するとともに、モータ電力量検出装置１
１に対し交換後の刃具５に応じたレンジ切替指令を送信
し、モータ電力量検出装置１１から受信した有効電力波
形と基準電力波形とをパターン認識により比較し刃具５
の寿命を判定する制御装置３０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワークを加工する
刃具の寿命を診断する刃具寿命診断システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、刃具寿命診断装置として、刃具の
駆動軸に振動計を接続し、切削加工中の振動レベルが正
常時の振動レベルの最大値（判定レベル）を超えたと
き、刃具に欠けが発生したと判断する振動診断方式を採
用した装置が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高精度
の品質が要求される製品例えば油圧制御ソレノイドバル
ブのスリーブでは、十分に高い円筒度および面粗さが要
求されるが、上記のような振動診断方式では、上記判定
レベル以下において発生する刃具の寿命に基づく異常
（欠け以外の寿命に基づく異常）について診断すること
ができないため、円筒度不良および面粗さ不良を検出で
きないという問題があった。

【０００４】そのため、加工品質維持のため刃具の交換
タイミングを早めるようにしていたが、このことは、刃
具の正規寿命（当該刃具によって加工可能なワークの総
数量を基準とした寿命）前に刃具を交換することになり
刃具費の増大を招いていた。

【０００５】そこで、本発明者らは、刃具費の低減と加
工品質維持との両立を図る方策について鋭意検討をした
結果、刃具に駆動力を与えるモータの供給電力量（有効
電力量）と刃具の寿命とに相関関係があり、刃具の加工
ワーク数の増加（通常、この増加にしたがって刃具は劣
化し円筒度および面粗さが低下してゆく）に伴いワーク
加工中の有効電力波形が全域にわたって増大側にシフト
してゆくとともに、この有効電力波形の特異的変化箇所
によって、予測に反した刃具の寿命到来(刃具のばらつ
き、あるいはワークの異常設定等)に起因する円筒度お
よび面粗さの品質異常を検出できることを見出した。

【０００６】そして、本発明者らは、本発明に先立っ
て、上記のような知見に基づき、モータの有効電力波形
に基づいて刃具を交換すべきタイミングを正確に把握で
き、刃具費の低減と加工品質維持の両立を図ることがで
きる刃具寿命診断装置に関する発明をした。この本発明
の前提となる発明については、後記の「発明の実施の形
態」の前半部分において詳述するが、本発明は、この前
提発明をマシニングセンター等に適用する場合に発生す
る特有の問題を解決することを目的としてなされたもの
である。なお、この特有の問題点については、同じく後
記の「発明の実施の形態」において前提発明を説明した
後で説明する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１によると、マシ
ニングセンター等、複数の刃具を交換しながら使用する
加工センターまたは複数の加工センターからなる加工ラ
インにおいて、各刃具の寿命を正確に診断可能になり、
操作者が複数の刃具の寿命を監視する労力を軽減するこ
とができ、作業効率の向上、誤作業の防止を図ることが
できる。また、モータ電力量検出装置は、交換後の刃具
に応じたレンジでモータの有効電力波形を測定すること
から、モータ突入電力波形がオーバーレンジすることを
防止でき、パターン認識での閾値の設定が可能になる。

【０００８】また、請求項２によると、モータ起動後、
加工開始以降の有効電力波形に基づいてパターン認識を
行うことから、モータ突入電力波形に基づく種々の問題
が発生しなくなり、正確な寿命診断が可能になる。

【０００９】また、請求項３によると、刃具に寿命がき
た旨の警報がされることから、不良品の大量発生の防止
などを図ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、最初に、本発明の前提とな
った発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【００１１】図１は、前提発明に係る刃具寿命診断装置
が適用された単軸刃具診断システムの構成図を示す。こ
の単軸刃具診断システムは、油圧制御ソレノイドバルブ
のスリーブをワークとし、図２に示すようなスリーブ加
工ラインにおける仕上げ加工機に組み込まれる。

【００１２】図１において、１は、治具２に固定された
油圧制御ソレノイドバルブのスリーブ（ワーク）を表
す。油圧制御ソレノイドバルブは、図３に示すように、
コイル３への通電の有無によってスプール４がスリーブ
１内を軸方向へ移動し、油圧を制御するバルブであり、
スリーブ１には、製造時に円筒度が例えば８μｍ以下、
面粗さが例えば２．４μＲｚ以下の品質が要求されてい
る。５は、ワーク１を切削加工する刃具例えばダイヤリ
ーマを表す。刃具５は、主軸６の先端に取り付けられ、
主軸６は、ベルト７を介してモータ例えば三相誘導電動
機８によって駆動される。そして、主軸６およびモータ
８は、ワーク１に対して進退可能なスライド９の上に固
定されている。

【００１３】刃具寿命診断装置１０は、モータ８の電流
および電圧を検出してモータ８の有効電力波形を測定す
るモータ電力量検出装置１１を備える。モータ電力量検
出装置１１は、刃具５の寿命診断開始時に、主軸６に新
品刃具５を取り付けてワーク１を切削加工したときの有
効電力波形を測定する。この測定された有効電力波形
は、パターン認識形出力監視装置１２において当該刃具
５の使用期間（寿命期間）全体における初期波形として
扱われ、パターン認識形出力監視装置１２は、この初期
波形から当該刃具５の寿命を示す基準有効電力波形を設
定し記憶する。ここで、初期波形は、図４に示すよう
に、スリーブ１の刃具加工部位Ａ〜Ｆに応じて変化する
有効電力（％）で表される。この有効電力は、切削負荷
と１対１の関係をもち、切削負荷が大きいときには大き
く、小さいときには小さな値となる。また、基準有効電
力波形は、図５に、「特徴１」として示すように、刃具
磨耗（加工数）の増大にしたがって有効電力波形が相似
的に増大側にシフトするとともに円筒度および面粗さが
悪化してゆく点、「特徴２」として示すように、円筒度お
よび面粗さの品質異常が有効電力波形の特異的変化によ
って検出できる点、および、刃具５に欠けが生じた場合
には有効電力が著しく減少する点に着目し、図６に示す
ような、初期波形を増大側に所定倍(例えば１．４倍)し
て得られる上限基準波形と、減少側に所定倍（例えば
０．７倍）して得られる下限基準波形とで構成される。

【００１４】パターン認識形出力監視装置１２は、基準
有効電力波形設定後に行われるワーク１ごとの加工時
に、モータ電力量検出装置１１によって現に測定された
有効電力波形と上限基準波形および下限基準波形とをパ
ターン認識により比較し、刃具５の寿命を判定し、刃具
５が寿命に達したと判定したとき、パトライト等にてそ
の旨警報する。

【００１５】図７〜図９は、パターン認識形出力監視装
置１２にて刃具５に寿命がきたと判定される場合を例示
している。図７は、円筒度不良の場合を示す。円筒度不
良の場合、図７から、加工期間の中間における波形に上
限基準波形を超える部分があることが分かる。図８は、
面粗さ不良の場合を示す。面粗さ不良の場合、図８か
ら、加工期間の後半における波形に上限基準波形を超え
る部分があることが分かる。図９は、刃具５の欠けによ
る不良の場合を示す。欠けの場合、図９から、加工期間
の途中から波形が下限基準波形を大きく下回ることが分
かる。

【００１６】以上説明したように、前提発明に係る刃具
寿命診断装置１０は、モータ８より駆動力を得てワーク
１を加工する刃具５の寿命を診断する刃具寿命診断装置
であり、刃具５によるワーク加工中のモータ８の有効電
力波形を測定するモータ電力量検出装置１１と、モータ
電力量検出装置１１により測定された新品刃具５による
ワーク加工中のモータ有効電力波形を初期波形として取
り込み、初期波形に基づいて、当該刃具５の寿命を示す
基準有効電力波形を設定するとともに、基準有効電力波
形設定後、モータ電力量検出装置１１により測定された
有効電力波形と基準有効電力波形とをパターン認識によ
り比較し当該刃具５の寿命を判定するパターン認識形出
力監視装置１２とを備える。このため、前提発明による
と、刃具５の欠けの他、刃具５の劣化等に基づく円筒度
および面粗さの品質異常も検出可能となり、刃具５を交
換すべきタイミングを正確に把握でき、刃具費の低減と
加工品質維持の両立を図ることができるようになる。

【００１７】また、パターン認識形出力監視装置１２が
当該刃具５に寿命がきたと判定したとき、その旨を警報
するようにしたため、速やかに加工停止、刃具交換など
適切な処置をとることが可能となり、大量の不良品の発
生につながる事態に対して早期の対応をすることができ
るようになる。

【００１８】次に、上述した前提発明をマシニングセン
ター等、複数の刃具５と１つの刃具駆動用モータ８を備
え、刃具５を交換しながらワーク１を加工する加工セン
ターに適用する場合の問題点について説明する。

【００１９】上述した単軸刃具診断システムでは、主軸
６（モータ８）は起動後常時回転しているため、図１０
に示すように、有効電力波形において有効電力が所定レ
ベルを超えた時点が加工開始時点であると容易に判断で
き、この時点を切削加工波形（有効電力波形）収集のト
リガポイントとして正確に認識することができる。しか
し、マシニングセンター等では、複数の刃具５が１つの
モータ８に対して交換されて使用されるため、刃具交換
のたびに、モータ８は、停止―作動―停止を繰り返すこ
とになり、作動時には、図１１に示すようにモータ突入
電力（ピークパルス）が発生する。このモータ突入電力
波形には通常図１２に示すような乱れがあり、モータ突
入電力波形にトリガポイントを設定するようにすると、
トリガポイントにズレが発生し、その結果、切削加工波
形にズレが発生して正確な寿命判定が不可能になるとい
う問題がある。また、モータ起動波形が図１３に示すよ
うにオーバーレンジとなり、パターン認識の閾値（基準
有効電力波形）の設定が不可能になる場合があるという
問題もある。さらに、図１４に示すように、モータ起動
波形の立下り時の傾斜にバラツキがあり、その結果、切
削加工波形にズレが発生して正確な寿命判定が不可能に
なるという問題もある。

【００２０】本発明は、マシニングセンター等に前提発
明を適用した場合に発生する上記のような問題点を解決
することを目的としてなされたものである。以下、本発
明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

【００２１】図１５は、一実施形態に係る刃具寿命診断
システムの構成を示し、刃具寿命診断装置を１つのマシ
ニングセンター２０に適用した場合を示す。

【００２２】図１５において、マシニングセンター２０
では、上述したように、複数の刃具５と１つの刃具駆動
用モータ８を備え、刃具５はモータ８(主軸６)に対して
交換して使用される。

【００２３】モータ電力量検出装置１１は、後述する波
形システム３０からの交換後の刃具に応じたレンジ切替
指令にしたがってレンジを切換え、モータ８の有効電力
波形を測定する。

【００２４】波形システム（制御装置）３０は、コンピ
ュータ等で構成され、予め、マシニングセンター２０で
使用される刃具５ごとに、新品刃具を用いてワーク１を
加工したときのモータ８の有効電力波形（初期波形）に
基づいて設定した基準有効電力波形（上限基準波形およ
び下限基準波形）を記憶しているとともに、刃具５ごと
のレンジ切替情報を記憶している。ここで、有効電力波
形（初期波形）は、上述したようなモータ突入電力を含
まず、加工波形部分のみからなる。つまり、図１６に示
すように、波形収集のトリガポイントをモータ起動後の
加工開始付近に設定するようにしている。このトリガポ
イントの設定方法は、モータ起動時から所定のサンプリ
ング周期（例えば２ms）で有効電力値を取り込み、今回
のサンプリングによって取り込んだ有効電力値（仮にＰ
nとする）と、前回までの連続ｎ個（例えば１０個）の
有効電力値の平均値(仮にＰoとする)とを大小比較し、
Ｐn＜Ｐoが所定回数連続した後、Ｐn＞Ｐoに切り替わっ
た時点をトリガポイントとして設定するようにしてい
る。このようにしてトリガポイントを設定したことによ
って、モータ突入電力を含まず切削加工波形のみからな
る有効電力波形（初期波形）を得ることができる。な
お、後述する寿命判定の際に基準有効電力波形とパター
ン認識によって比較される測定された有効電力波形のト
リガポイントも上記と同様に設定してある。

【００２５】また、波形システム３０は、マシニングセ
ンター２０から送信されてくる刃具情報つまり刃具交換
のたびに送信されてくる交換後の刃具５の識別情報を受
信すると、モータ電力量検出装置１１に対して当該刃具
５のレンジ切替情報を送信し、モータ電力量検出装置１
１のレンジを刃具５に適したものに設定する。

【００２６】また、波形システム３０は、マシニングセ
ンター２０から刃具交換ごとに加工スタート信号を受信
すると、当該刃具５についての基準有効電力波形を読み
出し、モータ電力量検出装置１１から送信されてくる測
定された有効電力波形と基準有効電力波形とをパターン
認識により比較し、刃具５の寿命を判定する。この刃具
５の寿命判定方法は、上述した前提発明におけるパター
ン認識形出力監視装置１２による寿命判定方法と同様で
ある。この寿命判定は、上述したように、モータ突入電
力波形は除外され、切削加工波形のみについて行われ
る。このため、モータ突入電力波形に基づく上記の如き
問題は発生せず、正確な寿命判定を行うことができる。

【００２７】そして、波形システム３０において、異常
波形を検出し刃具５に寿命がきたと判定した場合、波形
システム３０からマシニングセンター２０に対して設備
停止信号が送信され、マシニングセンター２０は停止す
る。

【００２８】図１７は、他の実施形態に係る刃具寿命診
断システムの構成を示し、複数のマシニングセンター２
０からなる加工ラインに刃具寿命診断装置を適用した場
合を示す。この場合、波形システム３０は、各マシニン
グセンター２０との間で、上述した１つのマシニングセ
ンター２０との間での処理と同様な処理を行い、複数の
マシニングセンター２０を一括して管理する。

【００２９】以上説明したように、本実施形態に係る刃
具寿命診断システムは、マシニングセンター２０等、複
数の刃具５を交換しながら使用する加工センターまたは
複数の加工センターからなる加工ラインにおいて、各刃
具５の寿命を正確に診断可能になることから、操作者が
複数の刃具５の寿命を監視する労力を軽減することがで
き、作業効率の向上、誤作業の防止を図ることができ
る。

【００３０】また、モータ電力量検出装置１１は、交換
後の刃具５に応じたレンジ切替指令にしたがってレンジ
を切替え、モータ８の有効電力波形を測定するよう構成
されるため、モータ突入電力波形がオーバーレンジしな
くなり、パターン認識での閾値の設定が可能になる。

【００３１】また、波形システム３０は、モータ起動
後、加工開始以降の有効電力波形に基づいてパターン認
識を行うよう構成されるため、モータ突入電力波形に基
づく問題が発生しなくなり、正確な寿命診断が可能にな
る。

【００３２】また、波形システム３０は、刃具に寿命が
きたと判定したとき、その旨を警報するよう構成される
ため、不良品の大量発生の防止などの効果が発揮され
る。

【００３３】

【発明の効果】本発明の刃具寿命診断システムによる
と、前提発明の効果つまり究極的に刃具費の低減と加工
品質維持の両立を図ることができるという効果に加え、
マシニングセンター等、複数の刃具を交換しながら使用
する加工センターまたは複数の加工センターからなる加
工ラインにおいて、各刃具の寿命を正確に診断可能にな
り、操作者が複数の刃具の寿命を監視する労力を軽減す
ることができ、作業効率の向上、誤作業の防止を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】前提発明の一実施形態に係る刃具寿命診断装置
が適用された単軸刃具診断システムの構成図である。

【図２】単軸刃具診断システムが適用されるスリーブ加
工ラインを示す図である。

【図３】ワークとしてのスリーブが組み込まれた油圧制
御ソレノイドバルブの構成図である。

【図４】初期波形の説明図である。

【図５】有効電力波形の相似的変化および特異的変化に
ついての説明図である。

【図６】基準有効電力波形の説明図である。

【図７】円筒度不良の判定例の説明図である。

【図８】面粗さ不良の判定例の説明図である。

【図９】刃具の欠けによる不良の判定例の説明図であ
る。

【図１０】単軸刃具診断システムでの波形収集のトリガ
ポイントの説明図である。

【図１１】前提発明をマシニングセンター等に適用した
場合に発生するモータ突入電力波形の説明図である。

【図１２】モータ突入電力波形に起因する問題の説明図
である。

【図１３】同じくモータ突入電力波形に起因する問題の
説明図である。

【図１４】同じくモータ突入電力波形に起因する問題の
説明図である。

【図１５】本発明の一実施形態に係る刃具寿命診断シス
テムの概念的構成図である。

【図１６】波形収集のトリガポイントの説明図である。

【図１７】他の実施形態に係る刃具寿命診断システムの
概念的構成図である。

【符号の説明】

１ ワーク ５ 刃具 ８ モータ １０ 刃具寿命診断装置 １１ モータ電力量検出装置 １２ パターン認識形出力監視装置 ２０ マシニングセンター（加工センター） ３０ 波形システム（制御装置）

フロントページの続き (72)発明者 吉良 耕一 兵庫県西宮市高畑町３−48 川鉄アドバン テック株式会社内 Ｆターム(参考） 2G024 AD10 BA12 CA19 DA06 3C029 DD01 DD11

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の刃具と１つの刃具駆動用モータと
   を備え、前記刃具を交換しながらワークを加工する加工
   センターまたは複数の加工センターからなる加工ライン
   に適用される刃具寿命診断システムであって、 交換後の刃具に応じたレンジ切替指令にしたがい、モー
   タの有効電力波形を測定するモータ電力量検出装置と、 各刃具の寿命を示すモータの基準有効電力波形を予め記
   憶するとともに、前記モータ電力量検出装置に対し交換
   後の刃具に応じたレンジ切替指令を送信し、該モータ電
   力量検出装置から受信した有効電力波形と前記基準電力
   波形とをパターン認識により比較し当該刃具の寿命を判
   定する制御装置とを備えることを特徴とする刃具寿命診
   断システム。
2. 【請求項２】 前記制御装置は、モータ起動後、加工開
   始以降の有効電力波形に基づいてパターン認識を行うこ
   とを特徴とする請求項１記載の刃具寿命診断システム。
3. 【請求項３】 前記制御装置は、刃具に寿命がきたと判
   定したとき、その旨を警報することを特徴とする請求項
   １または２記載の刃具寿命診断システム。