JP2008087092A - 工具の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の工具でも容易に対応することができ、しかも工具のわずかな異常でも誤検出なく確実に検出することができる工具の異常検出装置を提供する。
【解決手段】工作機械はワークＷを単一刃の工具Ｔで切削加工する。工具Ｔは駆動装置Ｍにより駆動され、定位置からワークＷに向かって前進し、ワークＷの切削加工を行った後に、ワークＷから離脱して後退し定位置に戻るように駆動制御部２が駆動装置Ｍを制御する。接触検出部３では、工具Ｔの振動を検出する振動センサ１の出力波形から工具ＴがワークＷに接触しているか否かを検出する。切削時間計測部４では工具ＴがワークＷに接触している切削時間を検出し、判定部５では切削時間が正常範囲を逸脱していると、工具Ｔに異常が生じていると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単一刃の工具を用いてワークの切削加工を行う旋盤やねじ切り盤などの工作機械において、工具の欠けを検出する工具の異常検出装置に関するものである。

従来から、切削加工を行う工作機械において、工具の刃が欠けることにより加工中に異常を生じることがある。この種の異常を検出する技術としては、工作機械の駆動源であるモータの負荷電流を監視する技術（たとえば、特許文献１参照）、工具やワークの近傍にアコースティックエミッションを検出するセンサを設け、センサ出力のうちの特定周波数のレベルを監視する技術（たとえば、特許文献２参照）が考えられている。
特開昭６０−５６８５３号公報 特開平１−１４００５８号公報

ところで、特許文献１に記載された技術では、モータの負荷を監視するから、工具の刃欠けだけではなく切りくずの発生具合によって負荷が増減し、誤検出が多くなるという問題を有している。また、特許文献２に記載された技術では、アコースティックエミッションとして生じる特定周波数のレベルを検出しているから、工作機械の振動成分をアコースティックエミッションと誤認することがある。この種の問題を解決するために、特許文献２には、ベアリングノイズを減少させるために、磁性流体と磁石を用いることによりベアリングノイズがセンサに伝達されるのを抑制している。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、特殊な構造を採用することなく既存の工具でも容易に対応することができ、しかも工具のわずかな異常でも誤検出なく確実に検出することができる工具の異常検出装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ワークから離れた位置からワークに接近しワークを単一刃の工具で切削加工した後にワークから離れる工作機械において工具の異常を検出する装置であって、工具を定位置からワークに向かって前進させワークを加工した後に工具を定位置まで後退させるまでの駆動時間が一定時間になるように駆動装置を制御する駆動制御部と、工具の振動を検出する振動センサと、振動センサの出力波形から工具がワークに接触している状態を検出する接触検出部と、接触検出部の出力により工具がワークに接触している切削時間を計測する切削時間計測部と、切削時間計測部により計測された切削時間をあらかじめ定めた正常範囲と比較し切削時間が正常範囲を逸脱しているときに異常と判定する判定部とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記判定部は、正常な工具を用いて前記切削時間計測部により計測した切削時間の分布に基づいて切削時間の正常範囲が設定されていることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、振動センサの出力によって工具がワークに接触している切削時間を検出し、切削時間を正常範囲と比較するから、既存の工作機械であっても振動センサを取り付けるだけで工具の異常の有無を検出することができる。工作機械は単一刃の工具を用いるものであり、旋盤、中ぐり盤、ねじ切り盤などが含まれる。この種の工作機械においてＮＣ旋盤のように工具の送りをあらかじめ定めた時間と速度で自動制御する場合に、正常な工具を用いていると工具がワークを切削する切削時間はほぼ一定であるから、切削時間の正常範囲を設定することができる。一方、工具（バイト）の先端部に刃折れが生じたり、工具が摩耗したりすれば、切削時間は予定されている正常範囲よりも短くなるから、切削時間が正常範囲から逸脱すると、工具に刃折れや摩耗のような異常が生じていると判断することができる。つまり、モータの負荷電流を検出する場合よりも工具の異常を精度よく検出することが可能になる。

請求項２の発明の構成によれば、正常な工具を用いてワークを切削したときの切削時間の分布を用いて切削時間の正常範囲を決定しているから、正常範囲を客観的に決定することができ、工具の異常の有無について判断基準にばらつきのない一定基準で判断することが可能になる。

以下に説明する実施形態の工作機械は、単一刃の工具を備えプログラムに従って工具をワークに対して自動的に前進・後退させる切削加工機であって、この種の切削加工機の例としてＮＣ旋盤を想定する。したがって、工具はバイトであり、ワークを回転させる駆動源とは別に、駆動装置により工具の前進と後退とが行われる。

本実施形態で説明する工具の異常検出装置は、図１に示すように、工具Ｔの振動を検出する振動センサ１を備える。振動センサ１を工具Ｔに直接取り付けると工具Ｔの振動を高感度に検出することができるが、工具Ｔの摩耗や折損の際の交換時に振動センサ１の着脱が必要になるから、振動センサ１は工具Ｔを保持する保持台Ｈに取り付ける。保持台Ｈは駆動装置Ｍにより移動し、工具ＴをワークＷに対して前進・後退させる。また、駆動装置Ｍは工具ＴをワークＷに対して前進・後退させるだけではなく、工具Ｔを切削面に沿って送る機能も有している。

工具ＴがワークＷの切削加工を行わずに待機する位置は定位置に定められており、切削加工は、この定位置からワークＷに向かって工具Ｔを前進させ工具ＴをワークＷに接触させてワークＷの加工を行い、加工終了後にワークＷから工具Ｔを離脱させてワークＷを定位置まで後退させるという一連の動作を伴う。工具ＴはワークＷの加工中には切削面に沿って送られる。また、駆動装置Ｍを制御する駆動制御部２からの指示により、工具Ｔが定位置から前進を開始し加工後に後退して定位置に戻るまでの駆動時間はプログラムによって一定時間に設定されている。

したがって、図２に示すように、定位置から工具Ｔが前進してワークＷに接触する間の移動時間Ｔ１と、工具ＴがワークＷから離脱して定位置に後退する間の移動時間Ｔ２と、工具ＴがワークＷの切削加工を行っている切削時間Ｔ３との合計の駆動時間が一定時間になる。切削時間Ｔ３には、工具Ｔを切削面に沿って送る時間も含まれる。

上述した振動センサ１では、工具ＴがワークＷに接触している切削時間Ｔ３には移動時間Ｔ１，Ｔ２とは異なる振動が検出されるから、この状態を検出すれば、工具ＴがワークＷに接触しているか否かを判断することができる。そこで、振動センサ１の出力を接触検出部３に与え、接触検出部３では振動センサ１の出力波形に基づいて工具ＴがワークＷに接触している状態を検出する。振動センサ１の出力波形から工具ＴがワークＷに接触しているか否かを判定する技術については後述する。

接触検出部３による判定結果は切削時間計測部４に与えられ、工具ＴがワークＷに接触している状態が検出されると切削時間Ｔ３の計時が開始され、工具ＴがワークＷから離脱すると切削時間Ｔ３の計時が終了する。したがって、切削時間計測部４において切削時間Ｔ３を計測することができる。上述したように、工具Ｔが定位置からワークＷに向かって前進し、ワークＷから後退して定位置に戻るまでの駆動時間（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）は一定時間であるから、切削時間Ｔ３が変化すると移動時間（Ｔ１＋Ｔ２）が変化する。このような移動時間（Ｔ１＋Ｔ２）の変化は、工具Ｔの先端部に刃欠けが生じたり、工具Ｔの先端部が摩耗したりした場合にも生じるから、切削時間Ｔ３が許容範囲を超えて変化する場合には、工具Ｔに異常が生じていると判断することができる。

そこで、切削時間Ｔ３についてあらかじめ正常範囲を定めて判定部５に設定しておき、判定部５において、切削時間計測部４で計測した切削時間Ｔ３が正常範囲か否かを判定する。切削時間Ｔ３が正常範囲を逸脱しているときには工具Ｔに何らかの異常が生じていると判断することができる。とくに、工具Ｔに刃欠けや摩耗が生じている場合には、図２（ｂ）のように、工具Ｔの移動時間（Ｔ１＋Ｔ２）が長くなり、切削時間Ｔ３が短くなると考えられるから、正常範囲よりも切削時間Ｔ３が短いときには工具Ｔの刃欠けあるいは摩耗の可能性が高いと判断することができる。

ここに正常範囲は、正常な工具Ｔを用いてワークＷを切削したときの切削時間Ｔ３の分布に基づいて決定すればよい。たとえば、この分布を正規分布に当て嵌めることによって、分散の範囲内を正常範囲として設定したり、分散の３倍の範囲を正常範囲として設定するなど定式化することができる。この方法で正常範囲を決定すれば、切削時間Ｔ３の正常範囲を客観的に設定することが可能になる。

ところで、工具ＴがワークＷに接触しているか否かの判断には、振動センサ１の出力において、ワークＷへの接触に伴って現れる特徴を検出する必要がある。もっとも簡単な技術としては、振動センサ１の出力振幅を検出し、出力振幅が規定した閾値を超えたときにワークＷに工具Ｔが接触したと判断することが考えられる。ただし、この技術を採用する場合には閾値をどのように設定するかの基準が必要である。

一方、振動センサ１の出力から複数の周波数についてパワーを抽出し（つまり周波数成分を抽出し）、この周波数成分を特徴量として、特徴量を分類することで工具ＴがワークＷに接触しているか否かを判定する技術を採用すれば、正確な判断を行うことができる。そこで、接触検出部３において、教師なしの競合学習型ニューラルネットワーク（以下、とくに必要がなければ単に「ニューラルネット」と呼ぶ）を用い、上述した特徴量をニューラルネットに与えることによって、工具ＴがワークＷに接触しているか否かを検出する技術を採用するのが望ましい。

ニューラルネットワークとしては、教師有りのバックプロパゲーション型のものを用いることが可能であるが、競合学習型ニューラルネットワークはバックプロパゲーション型のニューラルネットワークよりも構成が簡単であり、カテゴリ毎の学習データを用いて学習させるだけでよく、一旦学習した後も追加学習によって学習を強化させることが可能である。ニューラルネットは、逐次処理型のコンピュータで適宜のアプリケーションプログラムを実行することにより実現する場合を想定しているが、専用のニューロコンピュータを用いることも可能である。

ニューラルネットの動作には、学習モードと検査モードとがあり、学習モードにおいて適宜の学習データを用いて学習した後に、検査モードにおいて分類しようとする対象信号の特徴量を与えることで、当該特徴量を分類することができる。つまり、正常な工具Ｔを用いてワークＷを切削したときに得られる特徴量を学習データに用い、この学習データによりニューラルネットを学習させるのである。その後、ニューラルネットを検査モードとし、振動センサ１の出力から得られる特徴量を逐次与えることで、工具ＴがワークＷに接触した時点と工具ＴがワークＷから離脱した時点とを検出することができる。

本発明の実施形態を示す概略構成図である。 同上の動作原理を示す図である。

符号の説明

１ 振動センサ
２ 駆動制御部
３ 接触検出部
４ 切削時間計測部
５ 判定部
Ｈ 保持台
Ｍ 駆動装置
Ｔ 工具
Ｗ ワーク

Claims (2)

1. ワークから離れた位置からワークに接近しワークを単一刃の工具で切削加工した後にワークから離れる工作機械において工具の異常を検出する装置であって、工具を定位置からワークに向かって前進させワークを加工した後に工具を定位置まで後退させるまでの駆動時間が一定時間になるように駆動装置を制御する駆動制御部と、工具の振動を検出する振動センサと、振動センサの出力波形から工具がワークに接触している状態を検出する接触検出部と、接触検出部の出力により工具がワークに接触している切削時間を計測する切削時間計測部と、切削時間計測部により計測された切削時間をあらかじめ定めた正常範囲と比較し切削時間が正常範囲を逸脱しているときに異常と判定する判定部とを備えることを特徴とする工具の異常検出装置。
2. 前記判定部は、正常な工具を用いて前記切削時間計測部により計測した切削時間の分布に基づいて切削時間の正常範囲が設定されていることを特徴とする請求項１記載の工具の異常検出装置。

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