JP3227403B2 - センサ、工作機械の状態判別装置及び状態判別方法 - Google Patents
センサ、工作機械の状態判別装置及び状態判別方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、センサ、工作機
械の状態判別装置、及び、状態判別方法に関し、特に、
加工環境における多次元的な状態変化を把握し得るセン
サ、及び、状態判別装置・方法に関するものである。
械の状態判別装置、及び、状態判別方法に関し、特に、
加工環境における多次元的な状態変化を把握し得るセン
サ、及び、状態判別装置・方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】生産における高精度化と高効率化への要
求は年々高まっている。反面、生産現場における熟練労
働者の数は、次第に減少している。このため、自動化あ
るいは無人化されたＦＭＳ（フレキシブル生産システ
ム）を推進することが重要になっている。このような生
産環境を合理的に実現するためには、切削加工等の加工
システムの構成要素の状態をインプロセスで認識可能な
モニタリング技術を確立することが緊急の課題となって
いる。特に、無人化された閉鎖加工環境を実現する上で
は、インプロセスモニタリング技術の開発が最重要とな
る。
求は年々高まっている。反面、生産現場における熟練労
働者の数は、次第に減少している。このため、自動化あ
るいは無人化されたＦＭＳ（フレキシブル生産システ
ム）を推進することが重要になっている。このような生
産環境を合理的に実現するためには、切削加工等の加工
システムの構成要素の状態をインプロセスで認識可能な
モニタリング技術を確立することが緊急の課題となって
いる。特に、無人化された閉鎖加工環境を実現する上で
は、インプロセスモニタリング技術の開発が最重要とな
る。
【０００３】ここで、切削加工の状態、例えば、工具の
チッピング等の欠損を検出するために、従来からＡＥセ
ンサを用いる方法が知られている。この方法では、ＡＥ
センサにより、物体が壊れる時の割れの進行に伴って発
生する弾性波（アコースティック・エミッション）を検
出し、工具のチッピング等の欠損・摩耗を捉えていた。
チッピング等の欠損を検出するために、従来からＡＥセ
ンサを用いる方法が知られている。この方法では、ＡＥ
センサにより、物体が壊れる時の割れの進行に伴って発
生する弾性波（アコースティック・エミッション）を検
出し、工具のチッピング等の欠損・摩耗を捉えていた。
【０００４】しかしながら、このＡＥセンサでは、弾性
波を用いるために、外乱、周囲の振動等の影響を受けて
Ｓ／Ｎ比が低下するという課題があった。このため、本
発明者は、特開平３−２１３２４９号にて、熱流センサ
を用いて工具の摩耗状態や欠損を検出することで、ノイ
ズの影響を小さくし得る技術を提案した。
波を用いるために、外乱、周囲の振動等の影響を受けて
Ｓ／Ｎ比が低下するという課題があった。このため、本
発明者は、特開平３−２１３２４９号にて、熱流センサ
を用いて工具の摩耗状態や欠損を検出することで、ノイ
ズの影響を小さくし得る技術を提案した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記熱
流センサを用いる技術においても、ＡＥセンサを用いる
方法と同様に、切削力の静的、動的成分といった単一現
象を観察するのみなので、加工環境における多次元的な
状態変化を把握することができず、加工環境を統合的に
判断することが不可能であった。例えば、工具の衝突や
欠損、工具自体の撓み等の力学的状態の変化に起因する
挙動は、熱的挙動変化には現れ難いので、単に熱的挙動
変化を監視することでは捉え難いことがあり、反対に、
力学的挙動のみでは捉え難い挙動変化もある。即ち、従
来の方法では、複雑な熱的および力学的な監視対象の状
態変化を同時かつ正確に捉えることができなかった。
流センサを用いる技術においても、ＡＥセンサを用いる
方法と同様に、切削力の静的、動的成分といった単一現
象を観察するのみなので、加工環境における多次元的な
状態変化を把握することができず、加工環境を統合的に
判断することが不可能であった。例えば、工具の衝突や
欠損、工具自体の撓み等の力学的状態の変化に起因する
挙動は、熱的挙動変化には現れ難いので、単に熱的挙動
変化を監視することでは捉え難いことがあり、反対に、
力学的挙動のみでは捉え難い挙動変化もある。即ち、従
来の方法では、複雑な熱的および力学的な監視対象の状
態変化を同時かつ正確に捉えることができなかった。
【０００６】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、機械的
挙動と熱的挙動とを同時に検出し得るセンサ、工作機械
の状態判別装置、及び、状態判別方法を提供することに
ある。
なされたものであり、その目的とするところは、機械的
挙動と熱的挙動とを同時に検出し得るセンサ、工作機械
の状態判別装置、及び、状態判別方法を提供することに
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１のセンサでは、測定対象面に位置し、測定対象
面の歪変化を検出可能であり、測定対象と線膨張係数の
異なる材質からなる第１歪ゲージと、前記第１歪ゲージ
を一方の面に接着した粘弾性体と、前記粘弾性体の他方
の自由界面側の測定面に接着され前記第１歪ゲージと同
一構造の第２歪ゲージと、前記第１歪ゲージと前記第２
歪ゲージとをブリッジ接続した出力より、前記測定対象
面の歪変化が重畳された前記測定対象面と前記自由界面
側の測定面との温度差または熱流束を出力する出力手段
とからなることを技術的特徴とする。
請求項１のセンサでは、測定対象面に位置し、測定対象
面の歪変化を検出可能であり、測定対象と線膨張係数の
異なる材質からなる第１歪ゲージと、前記第１歪ゲージ
を一方の面に接着した粘弾性体と、前記粘弾性体の他方
の自由界面側の測定面に接着され前記第１歪ゲージと同
一構造の第２歪ゲージと、前記第１歪ゲージと前記第２
歪ゲージとをブリッジ接続した出力より、前記測定対象
面の歪変化が重畳された前記測定対象面と前記自由界面
側の測定面との温度差または熱流束を出力する出力手段
とからなることを技術的特徴とする。
【０００８】
【０００９】
【００１０】上記目的を達成するため請求項２の工作機
械の状態判別装置では、工作機械の工具の測定対象面に
位置し、測定対象面の歪変化を検出可能であり、測定対
象と線膨張係数の異なる材質からなる第１歪ゲージと、
前記第１歪ゲージを一方の面に接着した粘弾性体と、前
記粘弾性体の他方の自由界面側の測定面に接着され前記
第１歪ゲージと同一構造の第２歪ゲージと、前記第１歪
ゲージと前記第２歪ゲージとをブリッジ接続した出力よ
り、前記測定対象面の歪変化が重畳された前記測定対象
面と前記自由界面側の測定面との温度差または熱流束を
出力する出力手段と、出力手段の値から工作機械の状態
を判別する判別手段とからなることを技術的特徴とす
る。
械の状態判別装置では、工作機械の工具の測定対象面に
位置し、測定対象面の歪変化を検出可能であり、測定対
象と線膨張係数の異なる材質からなる第１歪ゲージと、
前記第１歪ゲージを一方の面に接着した粘弾性体と、前
記粘弾性体の他方の自由界面側の測定面に接着され前記
第１歪ゲージと同一構造の第２歪ゲージと、前記第１歪
ゲージと前記第２歪ゲージとをブリッジ接続した出力よ
り、前記測定対象面の歪変化が重畳された前記測定対象
面と前記自由界面側の測定面との温度差または熱流束を
出力する出力手段と、出力手段の値から工作機械の状態
を判別する判別手段とからなることを技術的特徴とす
る。
【００１１】
【００１２】
【００１３】本発明は、上記目的を達成するため請求項
３の状態検出方法では、測定対象物に設けられた測定対
象面の歪変化を検出可能な第１歪ゲージと、前記第１歪
ゲージと粘弾性体を介した自由界面側の測定面に接着さ
れ前記第１歪ゲージと同一構造の第２歪ゲージとから測
定対象面の歪変化が重畳された前記測定対象面と前記自
由界面側の測定面との温度差または熱流束を検出し、測
定対象物の状態を検出することを技術的特徴とする。
３の状態検出方法では、測定対象物に設けられた測定対
象面の歪変化を検出可能な第１歪ゲージと、前記第１歪
ゲージと粘弾性体を介した自由界面側の測定面に接着さ
れ前記第１歪ゲージと同一構造の第２歪ゲージとから測
定対象面の歪変化が重畳された前記測定対象面と前記自
由界面側の測定面との温度差または熱流束を検出し、測
定対象物の状態を検出することを技術的特徴とする。
【００１４】また、請求項４の状態検出方法では、請求
項３において、前記測定対象物は、工作機械の工具であ
り、検出する測定対象物の状態は、工具の切削条件の変
化、びびり振動、切屑の巻き付き、工具摩耗の少なくと
も一つであることを技術的特徴とする。
項３において、前記測定対象物は、工作機械の工具であ
り、検出する測定対象物の状態は、工具の切削条件の変
化、びびり振動、切屑の巻き付き、工具摩耗の少なくと
も一つであることを技術的特徴とする。
【００１５】本発明においては、測定対象の歪変化（機
械的挙動）と温度差または熱流束（熱的挙動）との重畳
した信号、即ち、該機械的挙動と熱的挙動とを同時に出
力し得るため、工作の状態を多次元に捉えることが可能
となる。
械的挙動）と温度差または熱流束（熱的挙動）との重畳
した信号、即ち、該機械的挙動と熱的挙動とを同時に出
力し得るため、工作の状態を多次元に捉えることが可能
となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施形態に係る
センサ１０の平面図であり、図１（Ｂ）は、該センサ１
０が工具２０に取り付けられた状態を示す断面図であ
る。本実施態様では、図１（Ｂ）に示すように、測定対
象面（工具２０）に張り付けられた歪ゲージＡ１、Ａ２
と、鋼鈑１４に張り付けられた歪ゲージＢ１、Ｂ２と
が、力学的に絶縁されるように粘弾性体であるシリコン
ゴム１２で接着された多層構造からなる。図１（Ａ）に
示すように、歪ゲージＡ１と、Ａ２とは、平行に取り付
けられ、図示しないが、歪ゲージＢ１、Ｂ２も同様に平
行に取り付けられている。
図を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施形態に係る
センサ１０の平面図であり、図１（Ｂ）は、該センサ１
０が工具２０に取り付けられた状態を示す断面図であ
る。本実施態様では、図１（Ｂ）に示すように、測定対
象面（工具２０）に張り付けられた歪ゲージＡ１、Ａ２
と、鋼鈑１４に張り付けられた歪ゲージＢ１、Ｂ２と
が、力学的に絶縁されるように粘弾性体であるシリコン
ゴム１２で接着された多層構造からなる。図１（Ａ）に
示すように、歪ゲージＡ１と、Ａ２とは、平行に取り付
けられ、図示しないが、歪ゲージＢ１、Ｂ２も同様に平
行に取り付けられている。
【００１７】これら４個の歪ゲージＡ１、Ａ２、Ｂ１、
Ｂ２は、図２に示すようにブリッジ回路を構成するよう
に接続されている。歪ゲージは、同一形状のものであっ
て、図３に示すようにフィラメント３４を所要の抵抗値
及びゲージ長さになるように格子状にし、薄い絶縁ベー
ス３６の上に接着剤で固定、形成されて成る。フィラメ
ント３４には、めっき銅線から成るゲージリード３２が
取り付けられている。該歪ゲージは、機械的な歪みが加
えられることにより、フィラメント３４の長さが変わ
り、これに応じて抵抗値が変化する。
Ｂ２は、図２に示すようにブリッジ回路を構成するよう
に接続されている。歪ゲージは、同一形状のものであっ
て、図３に示すようにフィラメント３４を所要の抵抗値
及びゲージ長さになるように格子状にし、薄い絶縁ベー
ス３６の上に接着剤で固定、形成されて成る。フィラメ
ント３４には、めっき銅線から成るゲージリード３２が
取り付けられている。該歪ゲージは、機械的な歪みが加
えられることにより、フィラメント３４の長さが変わ
り、これに応じて抵抗値が変化する。
【００１８】この歪ゲージには、工具鋼の線膨張係数と
異なる材質のものを用い、該工具鋼の材質に対して校正
された自己温度補償形とすることにより、歪ゲージの出
力と測定対象面の温度との関係に線形を持たせてある。
即ち、工具の材質に合わせた歪ゲージを使用したので
は、熱変形がキャンセルされて、出力が得られないた
め、ここでは、アルミニウム材用の歪ゲージを校正して
用いている。これにより、それぞれの歪ゲージの出力信
号と認識対象の温度との間に線形の関係を持たせてい
る。本実施態様では、歪ゲージとして、抵抗線式歪ゲー
ジの一例である格子型ゲージを用いているが、本発明
は、測定面の熱的・力学的歪みを検出できればどの様な
タイプの歪ゲージも使用可能である。
異なる材質のものを用い、該工具鋼の材質に対して校正
された自己温度補償形とすることにより、歪ゲージの出
力と測定対象面の温度との関係に線形を持たせてある。
即ち、工具の材質に合わせた歪ゲージを使用したので
は、熱変形がキャンセルされて、出力が得られないた
め、ここでは、アルミニウム材用の歪ゲージを校正して
用いている。これにより、それぞれの歪ゲージの出力信
号と認識対象の温度との間に線形の関係を持たせてい
る。本実施態様では、歪ゲージとして、抵抗線式歪ゲー
ジの一例である格子型ゲージを用いているが、本発明
は、測定面の熱的・力学的歪みを検出できればどの様な
タイプの歪ゲージも使用可能である。
【００１９】また更に、シリコンゴム１２は、監視対象
の熱的挙動として歪ゲージからの出力信号のパターン変
化を捉えるため、該パターン変化が捉え易い熱伝導率の
材質を選択する。即ち、測定対象（工具２０）の材質、
自由界面側の鋼鈑１４の材質に合わせてもっとも適切な
材質、厚みを設定する。
の熱的挙動として歪ゲージからの出力信号のパターン変
化を捉えるため、該パターン変化が捉え易い熱伝導率の
材質を選択する。即ち、測定対象（工具２０）の材質、
自由界面側の鋼鈑１４の材質に合わせてもっとも適切な
材質、厚みを設定する。
【００２０】鋼鈑１４としては、線膨張係数が既知であ
り、歪ゲージを接着するのに十分な剛性を有する材質の
ものを用いる必要がある。この鋼鈑１４は、切り屑の接
触によって歪ゲージが損傷することを防止する保護カバ
ーとしての役割と共に、測定対象から発生した熱を、自
由界面側において放散する役割をも果たす。この放熱の
目的からフィン等を設けることも可能である。以上の役
割を果たし得る限り、鋼鈑はどの様な形状・材質のもの
を用い得るが、鋼鈑の線膨張係数と工具の材質とが異な
る場合には、後述する温度差測定の演算が非常に困難と
なるため、鋼鈑は、工具の線膨張係数と等しい材質のも
のが望ましい。
り、歪ゲージを接着するのに十分な剛性を有する材質の
ものを用いる必要がある。この鋼鈑１４は、切り屑の接
触によって歪ゲージが損傷することを防止する保護カバ
ーとしての役割と共に、測定対象から発生した熱を、自
由界面側において放散する役割をも果たす。この放熱の
目的からフィン等を設けることも可能である。以上の役
割を果たし得る限り、鋼鈑はどの様な形状・材質のもの
を用い得るが、鋼鈑の線膨張係数と工具の材質とが異な
る場合には、後述する温度差測定の演算が非常に困難と
なるため、鋼鈑は、工具の線膨張係数と等しい材質のも
のが望ましい。
【００２１】以上の構成から明らかなように、測定対象
面に張り付けられた歪ゲージＡ１、Ａ２から測定対象面
における歪変化を出力する。また、シリコンゴム１２の
上面と下面の温度差、即ち、測定対象面と自由界面側の
鋼鈑１４との温度差ΔＴは、歪ゲージＡ１、Ａ２と歪ゲ
ージＢ１、Ｂ２とから評価する。
面に張り付けられた歪ゲージＡ１、Ａ２から測定対象面
における歪変化を出力する。また、シリコンゴム１２の
上面と下面の温度差、即ち、測定対象面と自由界面側の
鋼鈑１４との温度差ΔＴは、歪ゲージＡ１、Ａ２と歪ゲ
ージＢ１、Ｂ２とから評価する。
【００２２】次式に表されるように、単位時間内にセン
サ１０内を通過する熱流束ｑ[ Ｗ／ｍ2 ] が評価でき
る。 ｑ= λ（ΔＴ／ｄ） ここで、λ[ Ｗ／ｍＫ] はシリコンゴムの熱伝導率、ｄ
〔ｍ] は厚さである。
サ１０内を通過する熱流束ｑ[ Ｗ／ｍ2 ] が評価でき
る。 ｑ= λ（ΔＴ／ｄ） ここで、λ[ Ｗ／ｍＫ] はシリコンゴムの熱伝導率、ｄ
〔ｍ] は厚さである。
【００２３】更に、温度差の測定について詳細に説明す
る。線膨張係数θc の材料に対して構成された自己温度
補償型歪みゲージを線膨張係数θt の測定物表面に張り
付けた場合、見かけの歪み出力εT と温度Ｔとの関係
は、次式で表される。 εT ＝（θt −θc ）（Ｔ−Ｔ0 ） Ｔ0 ：基準温度
る。線膨張係数θc の材料に対して構成された自己温度
補償型歪みゲージを線膨張係数θt の測定物表面に張り
付けた場合、見かけの歪み出力εT と温度Ｔとの関係
は、次式で表される。 εT ＝（θt −θc ）（Ｔ−Ｔ0 ） Ｔ0 ：基準温度
【００２４】次に、本センサ構造において、測定面と鋼
鈑の温度及び線膨張係数をそれぞれＴA 、ＴB 及びθA
、θB とすると、歪みゲージＡ１、Ａ２及びＢ１、Ｂ
２の温度変化による見かけ歪み出力εTA及びεTBは次式
で表される。 εTA＝（θA −θC ）（ＴA −Ｔ0 ） εTB＝（θB −θC ）（ＴB −Ｔ0 ） ブリッジ回路における出力電圧ｅは、次式で表される。 ｅ＝（Ｅ／２）Ｋa （εTA−εTB） ＝（Ｅ／２）Ｋa(( θA −θC)( ＴA −Ｔ0)−( θB −
θC)( ＴB −Ｔ0)) Ｅ：ブリッジ電圧 Ｋa ：ゲージ率
鈑の温度及び線膨張係数をそれぞれＴA 、ＴB 及びθA
、θB とすると、歪みゲージＡ１、Ａ２及びＢ１、Ｂ
２の温度変化による見かけ歪み出力εTA及びεTBは次式
で表される。 εTA＝（θA −θC ）（ＴA −Ｔ0 ） εTB＝（θB −θC ）（ＴB −Ｔ0 ） ブリッジ回路における出力電圧ｅは、次式で表される。 ｅ＝（Ｅ／２）Ｋa （εTA−εTB） ＝（Ｅ／２）Ｋa(( θA −θC)( ＴA −Ｔ0)−( θB −
θC)( ＴB −Ｔ0)) Ｅ：ブリッジ電圧 Ｋa ：ゲージ率
【００２５】測定界面（工具２０）及び鋼鈑１４の線膨
張係数が同じ場合、 ｅ＝（Ｅ／２）Ｋa （θA −θC ）（ＴA −ＴB ） から、粘弾性体１２の両面での温度差ΔＴは、次式で与
えられる。 ΔＴ＝ＴA −ＴB ＝２ｅ／（ＥＫa(θA −θC ））
張係数が同じ場合、 ｅ＝（Ｅ／２）Ｋa （θA −θC ）（ＴA −ＴB ） から、粘弾性体１２の両面での温度差ΔＴは、次式で与
えられる。 ΔＴ＝ＴA −ＴB ＝２ｅ／（ＥＫa(θA −θC ））
【００２６】図４を参照して歪ゲージの取り付け位置に
ついて説明する。図４に示すように、センサ１０は工作
物Ｗを旋削する工具２０の下面に取り付けられている。
ここで、センサ１０の取り付け方向は、図１（Ａ）中に
示すＺ方向、即ち、歪ゲージＡ１〜Ｂ２の歪み検出感度
が最大となるように、工具２０のシャンク軸と平行、即
ち、図４中の水平方向と平行として、工具シャンク下面
の圧縮歪みを検出できるようになっている。一般的に
は、歪みゲージの取り付け方向は、切削力による表面歪
みが最大となる方向に設定する。
ついて説明する。図４に示すように、センサ１０は工作
物Ｗを旋削する工具２０の下面に取り付けられている。
ここで、センサ１０の取り付け方向は、図１（Ａ）中に
示すＺ方向、即ち、歪ゲージＡ１〜Ｂ２の歪み検出感度
が最大となるように、工具２０のシャンク軸と平行、即
ち、図４中の水平方向と平行として、工具シャンク下面
の圧縮歪みを検出できるようになっている。一般的に
は、歪みゲージの取り付け方向は、切削力による表面歪
みが最大となる方向に設定する。
【００２７】図５を参照して本実施態様のセンサを用い
た工作機械の状態判別装置の構成について説明する。該
状態判別装置は、工作機械用制御装置４４により制御さ
れる工作機械４０の工具２０に取り付けられたセンサ１
０からの信号に基づき、加工状態を判別する。センサ１
０からの出力信号は、増幅器４２によって増幅されコン
ピュータ５０へ入力される。該コンピュータ５０は、Ｃ
ＰＵ５２と、種々の切削状態のパターンを記憶したメモ
リ５４とから成り、センサ１０からの出力信号のパター
ンに対応したパターンをメモリ５４から検索し、このパ
ターンに基づいて加工状態を判別し、データ表示装置４
６に判別した結果を表示する。
た工作機械の状態判別装置の構成について説明する。該
状態判別装置は、工作機械用制御装置４４により制御さ
れる工作機械４０の工具２０に取り付けられたセンサ１
０からの信号に基づき、加工状態を判別する。センサ１
０からの出力信号は、増幅器４２によって増幅されコン
ピュータ５０へ入力される。該コンピュータ５０は、Ｃ
ＰＵ５２と、種々の切削状態のパターンを記憶したメモ
リ５４とから成り、センサ１０からの出力信号のパター
ンに対応したパターンをメモリ５４から検索し、このパ
ターンに基づいて加工状態を判別し、データ表示装置４
６に判別した結果を表示する。
【００２８】引き続き、上記センサ１０の設計パラメー
タとセンサ出力との相互関係を定量化するために有限要
素解析法を用いてコンピュータにてシュミレーションし
た結果について図６を参照して説明する。切削中におけ
る実際のセンサ１０の出力は、機械的及び熱的挙動が重
畳したものとして得られる。ここでは、特に重要となる
熱的挙動に基づくセンサ１０を通過する熱流束を評価す
る目的で、シュミレーションを行っている。
タとセンサ出力との相互関係を定量化するために有限要
素解析法を用いてコンピュータにてシュミレーションし
た結果について図６を参照して説明する。切削中におけ
る実際のセンサ１０の出力は、機械的及び熱的挙動が重
畳したものとして得られる。ここでは、特に重要となる
熱的挙動に基づくセンサ１０を通過する熱流束を評価す
る目的で、シュミレーションを行っている。
【００２９】図６中には、センサ１０を通過する熱流束
（センサ部温度差）及び工具内温度上昇を示している。
図中から明らかなように一定の熱源からの熱流束変化の
指標となる「センサ部温度差」（図中実線で示す）が、
「工具内温度上昇」（図中点線で示す）の挙動変化に比
較して、温度上昇及び温度下降が迅速なパターン変化と
して現れ、しかも特徴的な略矩形形状のパターンを呈し
ていることが分かる。即ち、通常の切削状態において
は、熱流束の上昇が工具温度の上昇に先行すること示し
ている。
（センサ部温度差）及び工具内温度上昇を示している。
図中から明らかなように一定の熱源からの熱流束変化の
指標となる「センサ部温度差」（図中実線で示す）が、
「工具内温度上昇」（図中点線で示す）の挙動変化に比
較して、温度上昇及び温度下降が迅速なパターン変化と
して現れ、しかも特徴的な略矩形形状のパターンを呈し
ていることが分かる。即ち、通常の切削状態において
は、熱流束の上昇が工具温度の上昇に先行すること示し
ている。
【００３０】引き続き、切削加工を対象として実際に実
験を行った結果について図７〜図９を参照して説明す
る。ここでは、各切削条件を設定して鋼材Ｓ４５Ｃ製の
円筒工作物の外丸削りを行った際の切削抵抗、振動、熱
流束の変化に応じたセンサ１０出力の変化を示してい
る。
験を行った結果について図７〜図９を参照して説明す
る。ここでは、各切削条件を設定して鋼材Ｓ４５Ｃ製の
円筒工作物の外丸削りを行った際の切削抵抗、振動、熱
流束の変化に応じたセンサ１０出力の変化を示してい
る。
【００３１】図７は、定常状態における切削加工中のセ
ンサ出力の典型的な例を示している。ここでは、図６を
参照して上述した熱流束の時間的変化のシュミレーショ
ン結果の波形に、切削抵抗の変化に起因する力学的変化
が重畳した波形となっている。
ンサ出力の典型的な例を示している。ここでは、図６を
参照して上述した熱流束の時間的変化のシュミレーショ
ン結果の波形に、切削抵抗の変化に起因する力学的変化
が重畳した波形となっている。
【００３２】図８は、びびり振動が発生した際のセンサ
出力信号の一例を示す。ここで、びびり振動とは、工作
物Ｗが共振状態となったり、或いは、工具自体の取り付
けが不良となって揺すられている状態等を意味する。び
びり振動においては、切削点における工具と工作物との
接触状態変化に基づく微弱な熱流変動が、センサ出力信
号に的確に反映されていることから、自励振動現象に基
づく特徴的な出力信号が得られていることが分かる。
出力信号の一例を示す。ここで、びびり振動とは、工作
物Ｗが共振状態となったり、或いは、工具自体の取り付
けが不良となって揺すられている状態等を意味する。び
びり振動においては、切削点における工具と工作物との
接触状態変化に基づく微弱な熱流変動が、センサ出力信
号に的確に反映されていることから、自励振動現象に基
づく特徴的な出力信号が得られていることが分かる。
【００３３】図９は、工具先端部に切り屑が絡まった際
のセンサの出力信号を示している。加工点で発生した熱
エネルギは、一般に工具・工作物系の各要素、特に切り
屑と工具とに分散されることが知られている。ここで、
何らかの異常により切り屑が工具先端に絡み付いた場合
には、図６を参照して上述した定常状態のパターンから
徐々にドリフトする特徴的な出力信号が得られる。この
ため、従来決め手となる方法がなかった切り屑排出状態
の監視が、熱的・力学的特性変化を同時に捉えることで
可能となった。
のセンサの出力信号を示している。加工点で発生した熱
エネルギは、一般に工具・工作物系の各要素、特に切り
屑と工具とに分散されることが知られている。ここで、
何らかの異常により切り屑が工具先端に絡み付いた場合
には、図６を参照して上述した定常状態のパターンから
徐々にドリフトする特徴的な出力信号が得られる。この
ため、従来決め手となる方法がなかった切り屑排出状態
の監視が、熱的・力学的特性変化を同時に捉えることで
可能となった。
【００３４】図８および図９から判るようにびびり振動
や切り屑の排出状態の異常は、図７に示す正常な状態と
は明らかに異なる特徴的な出力パターンが得られる。従
って、本実施の形態のセンサでは、パターン形状の変化
から異常状態の識別が可能となる。
や切り屑の排出状態の異常は、図７に示す正常な状態と
は明らかに異なる特徴的な出力パターンが得られる。従
って、本実施の形態のセンサでは、パターン形状の変化
から異常状態の識別が可能となる。
【００３５】次に上記した異常状態だけでなく、正常な
状態における切削条件の違いや工具摩耗の進展による出
力パターンの変化について述べる。図７に示した本実施
の形態のセンサ出力の経時的変化をとらえる代表値とし
てパラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑを設定する。ここでパラ
メータＥｆは、センサ出力より得られる切削抵抗の静的
成分に対応し、パラメータＥｑはセンサ出力の最大値、
パラメータθｑはセンサ出力の勾配に対応する。
状態における切削条件の違いや工具摩耗の進展による出
力パターンの変化について述べる。図７に示した本実施
の形態のセンサ出力の経時的変化をとらえる代表値とし
てパラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑを設定する。ここでパラ
メータＥｆは、センサ出力より得られる切削抵抗の静的
成分に対応し、パラメータＥｑはセンサ出力の最大値、
パラメータθｑはセンサ出力の勾配に対応する。
【００３６】図１０は、切削速度Ｖと上記パラメータＥ
ｆ，Ｅｑ，θｑの関係を示したものである。これから判
るように、切削速度Ｖの増大に伴い、工具２０に流入す
る熱流が増大するため、センサ出力、即ち熱流束の最大
値Ｅｑおよび勾配θｑは増大するが、切削抵抗は変化し
ないためにＥｆはほぼ一定となる。Ｅｑおよびθｑは、
一定の切削条件下ではシミュレーションにより予測可能
であるため、これらのパラメータの変化を監視すること
によって加工中の切削速度Ｖの変化を認識することがで
きる。
ｆ，Ｅｑ，θｑの関係を示したものである。これから判
るように、切削速度Ｖの増大に伴い、工具２０に流入す
る熱流が増大するため、センサ出力、即ち熱流束の最大
値Ｅｑおよび勾配θｑは増大するが、切削抵抗は変化し
ないためにＥｆはほぼ一定となる。Ｅｑおよびθｑは、
一定の切削条件下ではシミュレーションにより予測可能
であるため、これらのパラメータの変化を監視すること
によって加工中の切削速度Ｖの変化を認識することがで
きる。
【００３７】図１１は、送り量ｆ（工具２０の工作物Ｗ
の軸方向に対する移動量）と上記パラメータＥｆ，Ｅ
ｑ，θｑの関係を示したものであり、図１２は、切り込
み量ｄ（工具２０の工作物Ｗの半径方向に対する移動
量）と上記パラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑの関係を示した
ものである。送り量ｆと切り込み量ｄは、切削面積を支
配する因子であり、切削面積の増大により切削抵抗およ
び加工点における発生熱量が増大することから、図１１
および図１２のいずれの場合においても、上記パラメー
タＥｆ，Ｅｑ，θｑは単調に増大する。従って、これら
のパラメータの変化を監視することによって加工中の送
り量ｆおよび切り込み量ｄの変化を認識することができ
る。
の軸方向に対する移動量）と上記パラメータＥｆ，Ｅ
ｑ，θｑの関係を示したものであり、図１２は、切り込
み量ｄ（工具２０の工作物Ｗの半径方向に対する移動
量）と上記パラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑの関係を示した
ものである。送り量ｆと切り込み量ｄは、切削面積を支
配する因子であり、切削面積の増大により切削抵抗およ
び加工点における発生熱量が増大することから、図１１
および図１２のいずれの場合においても、上記パラメー
タＥｆ，Ｅｑ，θｑは単調に増大する。従って、これら
のパラメータの変化を監視することによって加工中の送
り量ｆおよび切り込み量ｄの変化を認識することができ
る。
【００３８】図１３は、工具２０の摩耗量（フランク摩
耗）の進展と上記パラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑの関係を
示したものである。切削抵抗に基づくＥｆには明確な傾
向が見られないものの、工具２０の摩耗の進展に伴い、
熱的挙動の変化に起因するＥｑおよびθｑが経時的に増
大していることが判る。従って、これらのパラメータの
変化を監視することによって加工中の工具の摩耗の進展
を認識することができる。
耗）の進展と上記パラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑの関係を
示したものである。切削抵抗に基づくＥｆには明確な傾
向が見られないものの、工具２０の摩耗の進展に伴い、
熱的挙動の変化に起因するＥｑおよびθｑが経時的に増
大していることが判る。従って、これらのパラメータの
変化を監視することによって加工中の工具の摩耗の進展
を認識することができる。
【００３９】このように本実施の形態のセンサは、力学
的挙動と熱的挙動を同時に計測し、これらの相互補間に
よって加工状態を正確に認識することができる。また、
各切削条件で得られたセンサ出力を格納した加工データ
ベースを参照することによって、所望の加工における切
削条件を同定することができる。さらに上記パラメータ
Ｅｆ，Ｅｑ，θｑの変化を監視するだけでなく、パター
ンマンチング等の波形解析を行うことによって、加工状
態を詳細かつ総合的にモニタリングすることができる。
的挙動と熱的挙動を同時に計測し、これらの相互補間に
よって加工状態を正確に認識することができる。また、
各切削条件で得られたセンサ出力を格納した加工データ
ベースを参照することによって、所望の加工における切
削条件を同定することができる。さらに上記パラメータ
Ｅｆ，Ｅｑ，θｑの変化を監視するだけでなく、パター
ンマンチング等の波形解析を行うことによって、加工状
態を詳細かつ総合的にモニタリングすることができる。
【００４０】以上は、本実施の形態のセンサ出力の静的
特性について述べたが、次にセンサ出力の動的特性につ
いて述べる。本実施の形態のセンサの出力に含まれる動
的成分は、切削抵抗の動的成分に対応すると考えられ
る。
特性について述べたが、次にセンサ出力の動的特性につ
いて述べる。本実施の形態のセンサの出力に含まれる動
的成分は、切削抵抗の動的成分に対応すると考えられ
る。
【００４１】この本実施の形態のセンサの出力に含まれ
る動的成分は、切削実験により得られたセンサの出力信
号を基に高速フーリエ変換を用いてセンサ出力の振幅ス
ペクトルを求めることにより得られる。図１４から図１
６は、切削速度Ｖ、送り量ｆおよび切り込み量ｄとセン
サ出力の動的成分との関係を示したものである。図から
明らかなようにセンサ出力に含まれる動的成分は、切削
速度Ｖの上昇とともに減少し、送り量ｆおよび切り込み
量ｄの増大に伴い増加する傾向があることが判る。切削
抵抗の動的成分を監視することによって切削屑の形態や
工具摩耗の進展等を認識できることは、「切削抵抗の動
的成分による工具摩耗の検出」（精密機械，５０−７
（１９８４），１１１７−１１２２）等より公知である
ため、本実施の形態のセンサの出力に含まれる動的成分
を監視することにより、切削屑の形態や工具摩耗の進展
を認識することが可能となる。
る動的成分は、切削実験により得られたセンサの出力信
号を基に高速フーリエ変換を用いてセンサ出力の振幅ス
ペクトルを求めることにより得られる。図１４から図１
６は、切削速度Ｖ、送り量ｆおよび切り込み量ｄとセン
サ出力の動的成分との関係を示したものである。図から
明らかなようにセンサ出力に含まれる動的成分は、切削
速度Ｖの上昇とともに減少し、送り量ｆおよび切り込み
量ｄの増大に伴い増加する傾向があることが判る。切削
抵抗の動的成分を監視することによって切削屑の形態や
工具摩耗の進展等を認識できることは、「切削抵抗の動
的成分による工具摩耗の検出」（精密機械，５０−７
（１９８４），１１１７−１１２２）等より公知である
ため、本実施の形態のセンサの出力に含まれる動的成分
を監視することにより、切削屑の形態や工具摩耗の進展
を認識することが可能となる。
【００４２】以上図７から図１６を参照して説明したよ
うに本実施の形態のセンサ１０を工具２０の表面に取り
付けることによって、切削力（力学的挙動）と切削熱
（熱的挙動）の重畳された信号を得ることができる。こ
のため、センサ１０の出力信号を監視することで、切削
力や切削熱が経時的に変化する様々な加工状態、即ち、
切削条件の変化、工具摩耗、工具欠損、切り屑の排出状
態、びびり振動の発生、工具と工作物との衝突などを検
出することが可能となる。以上述べた実施の形態では、
旋削用の工具にセンサを取り付けた構成としているが、
その他の研削、切削加工等にも本実施の形態のセンサが
使用できることはもちろんである。
うに本実施の形態のセンサ１０を工具２０の表面に取り
付けることによって、切削力（力学的挙動）と切削熱
（熱的挙動）の重畳された信号を得ることができる。こ
のため、センサ１０の出力信号を監視することで、切削
力や切削熱が経時的に変化する様々な加工状態、即ち、
切削条件の変化、工具摩耗、工具欠損、切り屑の排出状
態、びびり振動の発生、工具と工作物との衝突などを検
出することが可能となる。以上述べた実施の形態では、
旋削用の工具にセンサを取り付けた構成としているが、
その他の研削、切削加工等にも本実施の形態のセンサが
使用できることはもちろんである。
【００４３】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、センサ
がシンプル且つコンパクトな構造で、測定原理が単純で
あるにも関わらず、従来の方法では困難であった切り屑
の排出状態等の加工環境において生ずる微弱な状態変
化、複合現象についても的確に捉えることができる。ま
た、加工中の熱的・力学的特性の変化を同時に、かつ的
確に捉えることができるため、物理現象の異なる特性変
化を同時に監視することで、従来技術では補足できなか
った種々の加工状態の変化を、応答パターンから検出す
ることが可能となった。また、熱流束を捉えることで高
い応答性を得ることができる。
がシンプル且つコンパクトな構造で、測定原理が単純で
あるにも関わらず、従来の方法では困難であった切り屑
の排出状態等の加工環境において生ずる微弱な状態変
化、複合現象についても的確に捉えることができる。ま
た、加工中の熱的・力学的特性の変化を同時に、かつ的
確に捉えることができるため、物理現象の異なる特性変
化を同時に監視することで、従来技術では補足できなか
った種々の加工状態の変化を、応答パターンから検出す
ることが可能となった。また、熱流束を捉えることで高
い応答性を得ることができる。
【００４４】更に、センサが小型且つ堅牢であるため、
工具等の被測定カ所に直接取り付けることができ、精密
な加工状態を把握するのに必要な種々の情報を得ること
が可能となる。また、熱的・力学的変化を同時に捉える
ため、機械の振動や、周囲温度の変化等の単一的な外乱
の影響を受け難い特徴を有している。更に、センサ自体
が小型であるため、工具への取り付け、交換が容易であ
るという長所を併せ持つ。
工具等の被測定カ所に直接取り付けることができ、精密
な加工状態を把握するのに必要な種々の情報を得ること
が可能となる。また、熱的・力学的変化を同時に捉える
ため、機械の振動や、周囲温度の変化等の単一的な外乱
の影響を受け難い特徴を有している。更に、センサ自体
が小型であるため、工具への取り付け、交換が容易であ
るという長所を併せ持つ。
【図１】図１（Ａ）は本実施形態に係るセンサの平面図
であり、図１（Ｂ）は該センサが工具に取り付けられた
状態を示す断面図である。
であり、図１（Ｂ）は該センサが工具に取り付けられた
状態を示す断面図である。
【図２】図１に示すセンサの結線を示す回路図である。
【図３】歪ゲージの平面図である。
【図４】センサの取り付け位置を示す説明図である。
【図５】工作機械の状態判別装置のブロック図である。
【図６】センサの応答パターンと工具の温度変化とのシ
ュミレーション結果を示すグラフである。
ュミレーション結果を示すグラフである。
【図７】正常な切削状態におけるセンサの応答パターン
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図８】びびり振動が発生した際におけるセンサの応答
パターンを示すグラフである。
パターンを示すグラフである。
【図９】切り屑が巻き付いた際におけるセンサの応答パ
ターンを示すグラフである。
ターンを示すグラフである。
【図１０】切削速度ＶとパラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑの
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
【図１１】送り量ｆとパラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑの関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
【図１２】切り込み量ｄとパラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑ
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
【図１３】工具の摩耗量とパラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑ
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
【図１４】切削速度Ｖとセンサ出力の動的成分の関係を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図１５】送り量ｆとセンサ出力の動的成分の関係を示
すグラフである。
すグラフである。
【図１６】切り込み量ｄとパラメータＥｆ，Ｅｑ，θｑ
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
１０ センサ １２ シリコンゴム（粘弾性体） １４ 鋼鈑 ２０ 工具（測定対象） ４０ 工作機械 ４４ 工作機械用制御装置 ５０ コンピュータ（判別手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23Q 17/09 G01N 25/00,25/72 G01L 1/12,9/16,19/04
Claims (4)
- 【請求項１】 測定対象面に位置し、測定対象面の歪変
化を検出可能であり、測定対象と線膨張係数の異なる材
質からなる第１歪ゲージと、 前記第１歪ゲージを一方の面に接着した粘弾性体と、 前記粘弾性体の他方の自由界面側の測定面に接着され前
記第１歪ゲージと同一構造の第２歪ゲージと、 前記第１歪ゲージと前記第２歪ゲージとをブリッジ接続
した出力より、前記測定対象面の歪変化が重畳された前
記測定対象面と前記自由界面側の測定面との温度差また
は熱流束を出力する出力手段とからなることを特徴とす
るセンサ。 - 【請求項２】 工作機械の工具の測定対象面に位置し、
測定対象面の歪変化を検出可能であり、測定対象と線膨
張係数の異なる材質からなる第１歪ゲージと、 前記第１歪ゲージを一方の面に接着した粘弾性体と、 前記粘弾性体の他方の自由界面側の測定面に接着され前
記第１歪ゲージと同一構造の第２歪ゲージと、 前記第１歪ゲージと前記第２歪ゲージとをブリッジ接続
した出力より、前記測定対象面の歪変化が重畳された前
記測定対象面と前記自由界面側の測定面との温度差また
は熱流束を出力する出力手段と、 出力手段の値から工作機械の状態を判別する判別手段と
からなる工作機械の状態判別装置。 - 【請求項３】 測定対象物に設けられた測定対象面の歪
変化を検出可能な第１歪ゲージと、前記第１歪ゲージと
粘弾性体を介した自由界面側の測定面に接着され前記第
１歪ゲージと同一構造の第２歪ゲージとから測定対象面
の歪変化が重畳された前記測定対象面と前記自由界面側
の測定面との温度差または熱流束を検出し、測定対象物
の状態を検出することを特徴とする状態検出方法。 - 【請求項４】 前記測定対象物は、工作機械の工具であ
り、検出する測定対象物の状態は、工具の切削条件の変
化、びびり振動、切屑の巻き付き、工具摩耗の少なくと
も一つであることを特徴とする請求項３の状態検出方
法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10668397A JP3227403B2 (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | センサ、工作機械の状態判別装置及び状態判別方法 |
| EP98302779A EP0870574A1 (en) | 1997-04-09 | 1998-04-09 | Sensor, apparatus for determining machining state of machine tool, and method for determining state |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10668397A JP3227403B2 (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | センサ、工作機械の状態判別装置及び状態判別方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10286742A JPH10286742A (ja) | 1998-10-27 |
| JP3227403B2 true JP3227403B2 (ja) | 2001-11-12 |
Family
ID=14439873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10668397A Expired - Lifetime JP3227403B2 (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | センサ、工作機械の状態判別装置及び状態判別方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0870574A1 (ja) |
| JP (1) | JP3227403B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6669903B2 (en) | 2000-11-13 | 2003-12-30 | Michio Hayashi | Bactericidal or bacteriostatic method |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3213725B2 (ja) * | 1999-07-16 | 2001-10-02 | 東京工業大学長 | 工作機械の加工状態検出方法および装置、並びにそれに用いる切削工具 |
| JP5108869B2 (ja) * | 2009-12-25 | 2012-12-26 | 神鋼検査サービス株式会社 | 熱流束導出方法、この導出方法を含む傷部検出方法、及びこの検出方法を用いた傷部検出装置 |
| JP6107210B2 (ja) | 2013-02-20 | 2017-04-05 | 日本精工株式会社 | ねじ部の加工方法及び加工装置 |
| GB201313279D0 (en) * | 2013-07-25 | 2013-09-11 | Univ Brunel | Cutting tool |
| JP7024400B2 (ja) * | 2017-12-27 | 2022-02-24 | 株式会社デンソー | 歪みセンサの製造装置、歪みセンサの製造方法および歪みセンサの検査方法 |
| CN108527002B (zh) * | 2018-04-27 | 2020-04-07 | 上海理工大学 | 一种数控机床主轴生热量内置式检测*** |
| FR3129211B1 (fr) * | 2021-11-17 | 2023-11-10 | Arianegroup Sas | Fluxmètre thermique résistif à dérive compensée et un procédé de fabrication d’un tel fluxmètre |
| CN117260378B (zh) * | 2023-11-22 | 2024-03-15 | 上海航天壹亘智能科技有限公司 | 用于智能刀柄的数据处理方法及数控机床*** |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH595622A5 (ja) * | 1976-06-28 | 1978-02-15 | Heinrich Gruenbaum | |
| US4555955A (en) * | 1984-01-27 | 1985-12-03 | Eaton Corporation | Combination loading transducer |
| DE3608572A1 (de) * | 1986-03-14 | 1987-09-17 | Krupp Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen bruch- und verschleissueberwachung von werkzeugen |
| JPH0719199B2 (ja) * | 1991-08-21 | 1995-03-06 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | グラフィカル・ユーザ・インターフェースを備えたクライアント−サーバー型分散方式の工業プロセス制御システムにおける異常状態の表示方式 |
| WO1995014917A1 (en) * | 1993-11-23 | 1995-06-01 | Grumman Aerospace Corporation | Instrumented patch for repair of fatigue damaged or sensitive structure |
-
1997
- 1997-04-09 JP JP10668397A patent/JP3227403B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1998
- 1998-04-09 EP EP98302779A patent/EP0870574A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6669903B2 (en) | 2000-11-13 | 2003-12-30 | Michio Hayashi | Bactericidal or bacteriostatic method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10286742A (ja) | 1998-10-27 |
| EP0870574A1 (en) | 1998-10-14 |
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