JP7410377B2

JP7410377B2 - ドリル破損の予兆検出方法

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Publication number: JP7410377B2
Application number: JP2019208816A
Authority: JP
Inventors: 圭三杉本; 公輔小川; 哲也横山; 俊郎山田
Original assignee: Gifu Prefecture; Ibiden Engineering Co Ltd
Current assignee: Gifu Prefecture; Ibiden Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2024-01-10
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: JP2021079487A

Description

特許法第３０条第２項適用平成３１年２月２８日パンフレットを配布し、パンフレットの内容の説明を行った。

本発明は、加工機でドリル穿孔する際にドリルの破損の予兆を検出するドリル破損の予兆検出方法に関する。

非常に硬質なタングステンカーバイド製の加工物に先端がダイヤモンドコーティングされたタングステンカーバイド製のドリルで孔開け加工する際に、ドリルの平均寿命よりも安全をみて、一定の孔数を開けるとドリルを交換していた。タングステンカーバイド製のドリルは高価であるため、寿命一杯まで使いたいとの要求がある。

特許文献１では、異常音をセンサで捉え刃具の交換時期基準を判断する異常検知方法が開示されている。特許文献２には、切削刃の軸のＸ、Ｙ方向の振動を計測する異常予兆検知方法が開示されている。

特開２０１８－１１１１７１号公報特開２０１７－２２６０２７号公報

特許文献１では、直径が１mm程度の細いドリルの場合、音センサでドリルの破損の検知は難しいと考えられる。特許文献２のように、ドリルの振動だけではワークが関与する破壊モードの予兆検出は難しいと推測される。

本発明の目的は、ドリルの破損の予兆を確実に検出できるドリル破損の予兆検出方法を提供することである。

本発明に係る加工物へドリル穿孔する際にドリルの破損の予兆を検出するドリル破損の予兆検出方法は、加工物の振動を検出し、前記振動を周波数解析し、所定の周波数成分の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際にドリルの破損の予兆検出を出力することを特徴とする。

本発明のドリル破損の予兆検出方法は、加工物の振動を検出し、振動を周波数解析し、所定の周波数成分の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際にドリルの破損の予兆検出を出力する。加工物の振動からドリルの破損の予兆を検出するため、ドリル径が細くても検出でき、また、加工物が関与する破壊モードの予兆も適切に検出することができるため、ドリルの破損の予兆を確実に検出できる。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）は本発明の第１実施形態に係るドリル破損の予兆検出方法のシステムの説明図であり、図１（Ｃ）は第１実施形態の改変例に係るドリル破損の予兆検出方法のシステムの説明図である。第１実施形態のドリル破損の予兆検出方法のフローチャート第２実施形態のドリル破損の予兆検出方法のフローチャート第２実施形態のドリル破損の予兆検出方法のフローチャート第１回目試験時の振動画像第１回目試験時の振動画像第２回目試験時の振動画像第２回目試験時の振動画像

[第１実施形態]
以下、図面に基づいて第１実施形態に係るドリル破損の予兆検出方法が説明される。図１（Ａ）は、第１実施形態に係るドリル破損の予兆検出方法のシステムの説明図である。
加工機１０は、３相交流により駆動されるスピンドルモータ（主軸モータ）３０と、コラム１２上に設けられたＺ軸モータ４０により上下方向に移動可能であって、コラム１２の前面に取り付けられた主軸ユニット２０と、主軸ユニット２０へ回転自在に保持されスピンドルモータ３０により回転駆動される主軸１８と、この主軸１８の先端に装着されたドリルＴとを備える。加工機１０には、更に、ドリルを交換するドリル交換器５０が取り付けられている。図１（Ｂ）に示されるように、ドリルＴは、Ｘ－Ｙ軸上に移動する移動テーブル１４に一対のクランプ１６Ａ、１６Ｂで固定された加工物Ｗに対して孔開け加工するものである。クランプ１６Ｂには、加工軸Ｚ方向への振動を検出する加速度センサ５２が取り付けられている。加速度センサ５２は、ドリル破損の予兆検出装置１００に接続されている。

スピンドルモータ３０を駆動する３相交流電源３４には電流センサ３２が取り付けられている。Ｚ軸モータ４０を駆動する３相交流電源４４には電流センサ４２が取り付けられている。電流センサ３２、電流センサ４２はドリル破損の予兆検出装置１００に接続されている。ドリル破損の予兆検出装置１００はコンピュータ、マイコンボード等の演算装置から構成される。ドリル破損の予兆検出装置１００には、第１実施形態のドリル破損の予兆検出方法を実行するプログラムが保持されている。ドリル破損の予兆検出装置がマイコンボードから成る場合、ドリル破損の予兆検出装置を加工機１０側のシーケンサー等の制御装置に取り付けることもできる。加速度センサ５２で加工物Ｗの振動を測定し、ドリル破損の予兆検出装置１００に出力する。電流センサ３２でスピンドルモータ３０の負荷電流を測定し、ドリル破損の予兆検出装置１００側へ出力する。電流センサ４２でＺ軸モータ４０の負荷電流を測定し、ドリル破損の予兆検出装置１００側へ出力する。ドリル破損の予兆検出装置１００で、加工物Ｗの振動、スピンドルモータ３０の負荷電流、Ｚ軸モータ４０の負荷電流に基づきドリル破損の予兆検出を行う。ここでは、モータ負荷の検出に、検出が容易な負荷電流を用いるが、負荷電力を検出することで、検出精度を高めることもできる。

加工物Ｗは、タングステンカーバイド製のＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）製造用の押出金型である。ドリルＴは先端がダイヤモンドコーティングされたタングステンカーバイド製の直径１．２mmのドリルである。押出金型は、図１（Ａ）に示す加工機１０で、一方の面にセラミック材料が圧送されるマトリクス状の非貫通孔が先ず形成される。そして、次の工程で、マトリクス状の非貫通孔の反対面に、ハニカム状の開口を有するセラミックス材を押し出すための上記非貫通孔と連通するハニカム整形スリットが形成される。

第１実施形態のドリル破損の予兆検出方法の検出原理について説明がなされる。ドリルの切れが悪くなると、先端の食い付きが悪くなり、加工物側に低い周波数の振動が出ることが分かった。一方、ドリルが疲労すると、ドリルが撓んで加工物に対して横当たりし、高い周波数の振動が出ることが分かった。この低い周波数の振動と、高い周波数の振動とを検出することで、ドリル破損の予兆を検出できることが分かった。

更に、モータ電流側から見て、ドリルが折れるモードには、Ｚ軸方向への加工中に負荷により破損するＺ軸モードと、ドリル回転方向への負荷により破損するスピンドル軸モードとがあることが判明した。Ｚ軸モードは、先端がダイヤモンドコーティングされたタングステンカーバイド製のドリルで、ダイヤモンドコーティングが薄くなって切削力が低下し、切削力が押し込み力（Ｚ軸の送り力）を下回ることで発生しているのでは無いかと考えられる。スピンドル軸モードは、ドリル全体が摩耗若しくは金属疲労し、ドリル回転中にねじ込むさいにねじ切れていると考えられる。そして、Ｚ軸モードの破損は、Ｚ軸モータ４０の負荷電流の増加で予兆を検出できることが分かった。また、スピンドル軸モードの破損は、スピンドルモータ３０の負荷電流の増加で予兆を検出できることが分かった。この二つを併用することで、Ｚ軸モードとスピンドル軸モードとの破損予兆を検出できることが分かった。

第１実施形態では、上述された加工物側の低い周波数の振動、高い周波数の振動に、更に、モータ電流の二つを併用することで、ドリルの破損の予兆を確実に検出できる。第１実施形態では、加工物の振動、モータ電流でドリルの破損の予兆を検出しているが、加工物の振動のみでドリルの破損の予兆を実用上十分なレベルで検出できる。

第１実施形態のドリル破損の予兆検出方法では、モータの電流を検出し、ドリルでの１孔加工時間の所定時間内で、時間窓をずらして実効値の平均値を計算し、計算した複数の実効値の平均値から最小値を電流が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化したかの判断に用いる。このため、ノイズの影響を排除し、正確にドリル破損の予兆を検出することができる。

図２は、第１実施形態のドリル破損の予兆検出方法のフローチャートである。
ドリル破損の予兆検出装置１００は、加速度センサ５２から加工軸Ｚ方向への振動値を２ＫＨｚのサンプリングで取得し（Ｓ１２）、短時間フーリエ変換を用いて周波数解析を行い（Ｓ１４）、１０Ｈｚから２００Ｈｚの周波数毎の振動値（振幅値）を求める。ドリル破損の予兆検出装置１００は、低周波域（例えば、１０Ｈｚ～９０Ｈｚ）において所定閾値以上前回予兆の検出されなかったドリルでの振動値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する（Ｓ１６）。閾値としては、予兆の検出されなかったドリルでの振幅値の１．２～２倍の値を採用することができる。値の変化が小さい場合（Ｓ１６：Ｎｏ）、更に、ドリル破損の予兆検出装置１００は、高周波域（例えば、１１０Ｈｚ～１９０Ｈｚ）において所定閾値以上前回の振動値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する（Ｓ１８）。大きく変化しなかった場合、処理はステップ２２に進む。他方、低周波域に置いて振動（振幅）が大きくなった場合（１６：Ｙｅｓ）、高周波域に置いて振動（振幅）が大きくなった場合（１８：Ｙｅｓ）、予兆検知通知が行われる（Ｓ３０）。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置１００がドリル交換器５０に対してドリルの交換を指示する。

振動からドリル破損の予兆されない場合（Ｓ１８：Ｎｏ）、ドリル破損の予兆検出装置１００は、モータ電流からドリル破損の予兆を検出する。先ず、ドリル破損の予兆検出装置１００は、Ｚ軸電流を取得し（Ｓ２２）、１孔加工時間（３８秒）の所定時間（４秒から１２秒の間）、３秒の時間窓をずらして実効値の平均値を計算し（Ｓ２４）、計算した複数の実効値の平均値から最小値を採用する（Ｓ２６）。ドリル破損の予兆検出装置１００は、所定閾値以上前回予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する。閾値としては、予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値の１．２～２倍の値を採用することができる。値の変化が小さい場合（Ｓ２８：Ｎｏ）処理はステップ３２に進む。他方、Ｚ軸電流の値の変化が大きい場合（Ｓ２８：Ｙｅｓ）、予兆検知通知が行われる（Ｓ３０）。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置１００がドリル交換器５０に対してドリルの交換を指示する。

ステップ３２で、ドリル破損の予兆検出装置１００は、スピンドル軸電流を取得し、１孔加工時間（３８秒）の所定時間（２２秒から３０秒の間）、３秒の時間窓をずらして実効値の平均値を計算し（Ｓ３４）、計算した複数の実効値の平均値から最小値を採用する（Ｓ３６）。ドリル破損の予兆検出装置１００は、所定閾値以上前回予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する。閾値としては、予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値の１．２～２倍の値を採用することができる。値の変化が小さい場合（Ｓ３８：Ｎｏ）処理はステップ４２に進み、加工終了まで処理が継続される。他方、スピンドル軸電流の値の変化が大きい場合（Ｓ３８：Ｙｅｓ）、予兆検知通知が行われる（Ｓ３０）。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置１００がドリル交換器５０に対してドリルの交換を指示する。

[第１実施形態の改変例]
図１（Ｃ）は、第１実施形態の改変例に係るドリル破損の予兆検出方法のシステムの説明図である。
ドリルＴは、Ｘ－Ｙ軸上に移動する移動テーブル１４に一対のクランプ１６Ａ、１６Ｂで固定された加工物Ｗに対して孔開け加工するものである。第１実施形態の改変例では、一対のクランプ１６Ａ、１６Ｂのそれぞれに加速度センサ５２Ａ、５２Ｂが設けられ、２つの加速度センサ５２Ａ、５２Ｂからドリル破損の予兆検出装置に出力が送られる。第１実施形態の改変例のドリル破損の予兆検出装置は２つの加速度センサ５２Ａ、５２Ｂからの出力を合算して予兆検知を行う。このため、ドリルＴが一方のセンサから離れた位置を加工しても、加工位置は他方のセンサに近づくので、加工位置により予兆精度が影響されることが無い。

[第２実施形態]
第２実施形態のドリル破損の予兆検出装置１００の機械的構成は、図１（Ａ）に示す第１実施形態と同様である。
図３は、第２実施形態のドリル破損の予兆検出方法のフローチャートである。
ドリル破損の予兆検出装置１００は、加速度センサ５２から加工軸Ｚ方向への振動値を２ＫＨｚのサンプリングで取得し（Ｓ１２）、短時間フーリエ変換を用いて周波数解析を行い（Ｓ１４）、図５～図８に示されるような１０Ｈｚ～２００Ｈｚの周波数毎の振動値の画像を形成する（Ｓ４６）。そして、前回加工した際の画像中の振動値波形と、今回の画像中の振動値波形を比較し、差分を数値化し、前々回の振動値波形と前回の振動値波形の差分値と比較して、１．２～３倍以上かに基づき、画像パターンが大きく変化しているかを判断する（Ｓ４８）。画像パターンが大きく変化していない場合（Ｓ４８：Ｎｏ）、ステップ４２の処理に移行する。画像パターンが大きく変化している場合（Ｓ４８：Ｙｅｓ）、予兆検知通知が行われる（Ｓ３０）。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置１００がドリル交換器５０に対してドリルの交換を指示する。

図４は、第２実施形態のドリル破損の予兆検出方法の加速度センサから信号補正のフローチャートである。
ドリル破損の予兆検出装置１００は、ドリルの加工位置を取得し（Ｓ５２）、加速度センサ５２から加工位置までの距離を算出し（Ｓ５４）、距離に応じた振動の減衰量を補正する補正値を算出し、加速度センサから信号補正を補正する（Ｓ５８）。第２実施形態のドリル破損の予兆検出方法では、加工位置により予兆精度が影響されることが無い。

加工物振動とドリル破損との試験結果について、図５－図８の周波数解析画像が参照され、説明がなされる。
図５、図６は、第１回目試験時にドリル破損の生じた孔数３５１前後の周波数解析画像を示す。ここで、２ＫＨｚでサンプリングがなされ、縦軸は、１０Ｈｚ～２００の周波数、横軸は１孔形成の加工時間を表し、色の変化は振動の大きさを表す。

３５１目の孔の画像が図６中のＢ－６である。３５０孔の画像がＢ－５、３４９孔の画像がＢ－４、３４８孔の画像が図５中のＢ－３、３４７孔の画像がＢ－２、３４６孔の画像がＢ－１である。３４５目の孔の画像が図６中のＡ－６である。３４４孔の画像がＡ－５、３４３孔の画像がＡ－４、３４２孔の画像が図５中のＡ－３、３４１孔の画像がＡ－２、３４０孔の画像がＡ－１である。３５２目の孔の画像が図５中のＣ－１である。３５３孔の画像がＣ－２、３５４孔の画像がＣ－３、３５５孔の画像が図６中のＣ－４、３５６孔の画像がＣ－５、３５７孔の画像がＣ－６である。

ドリル破損の生じた孔数３５１（Ｂ－６）の一つ前の３５０孔（Ｂ－５）において、特に１００Ｈｚ以下での振動が大きくなっていることが分かる。

図７、図８は、第２回目試験時にドリル破損の生じた孔数８１１前後の周波数解析画像を示す。

８１１目の孔の画像が図８中のＥ－４である。８１０孔の画像が図７中のＥ－３、８０９孔の画像がＥ－２、８０８孔の画像がＥ－１である。３０７目の孔の画像が図６中のＤ－６である。８０６孔の画像がＤ－５、８０５孔の画像がＤ－４、８０４孔の画像が図７中のＤ－３、８０３孔の画像がＤ－２、８０２孔の画像がＤ－１である。８１２孔の画像が図８中のＥ－５、８１３孔の画像がＥ－６、８１４目の孔の画像が図７中のＦ－１である。８１５孔の画像がＦ－２、８１６孔の画像がＦ－３、８１７孔の画像が図８中のＦ－４、８１８孔の画像がＦ－５、８１９孔の画像がＦ－６である。

ドリル破損の生じた孔数８１１（Ｅ－４）の３つ前の８０８孔（Ｅ－１）、２つ前８０９孔（Ｅ－２）、一つ前の８１０孔（Ｅ－３）において、３０Ｈｚ以下、及び、１００Ｈｚ－１９０Ｈｚでの振動（振幅）が大きくなっていることが分かる。

上述された試験結果から、加工物の低い周波数の振動と高い周波数の振動とを検出することで、或いは、画像パターンの変化から、ドリル破損の予兆を検出できることが判明した。

１０：加工機
１４：移動テーブル
１６：クランプ
３０：スピンドルモータ
３２：電流センサ
４０：Ｚ軸モータ
４２：電流センサ
５０：ドリル交換器
１００：予兆検出装置
Ｔ：ドリル
Ｗ：加工物

Claims

加工物へドリル穿孔する際にドリルの破損の予兆を検出するドリル破損の予兆検出方法であって、加工物を固定するクランプに取り付けられた加速度センサにより、加工物の振動を検出し、当該加工物の振動を周波数解析して、１０～９０Hzの低周波域の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化したかを判定し、当該低周波域の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化していない場合には、さらに、１１０～１９０Hzの高周波域の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化したかを判定し、前記低周波域の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際、もしくは、前記高周波域の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際にドリルの破損の予兆検出を出力することを特徴とするドリル破損の予兆検出方法。
請求項１のドリル破損の予兆検出方法であって、
更に、ドリルを駆動する主軸モータの電流、ドリルを加工物側へ送るＺ軸モータの電流の少なくとも一方を検出し、
前記主軸モータの電流、Ｚ軸モータの電流の少なくとも一方が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際にドリルの破損の予兆検出を出力することを特徴とするドリル破損の予兆検出方法。
請求項１又は請求項２の予兆検出方法であって、
前記加工物の振動は、前記加速度センサによる前記ドリルの加工軸に沿った振動を検出することを特徴とするドリル破損の予兆検出方法。