JPH0113989B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は工作機械における実加工と空加工とを
判別する方法および装置に係り、特に被加工物の
加工時に発生する振動に基づいて実加工と空加工
とを判別する方法および装置に関するものであ
る。

従来技術 工作機械、特にNC制御等によつて被加工物の
加工を行う工作機械においては、装置の自動化お
よび無人化のために、実加工と空加工とを判別
し、その判別結果に基づいて加工を行つている。

ところで、この実加工と空加工とを判別する方
法としては、以前より、駆動系にトルク検出機構
を設けてその動的なトルクを検出し、その動的な
トルクの変動に基づいて判別する方法や、駆動モ
ータの負荷電流を検出してその負荷電流の変動か
ら判別する方法などが提案されていたが、これら
トルクや負荷電流の変動に基づいて判別する方法
では判別精度や応答性に難があり、実用上望まし
いものとは言い難かつた。

そこで、特開昭57−173462号公報や特開昭57−
189751号公報等において、被加工物の実際の加工
時に発生する振動を振動センサによつて検出し、
その振動の検出の有無によつて実加工と空加工と
を判別する方法が提案されるに至つている。被加
工物の加工時に発生する振動に基づいて実加工と
空加工とを判別するようにすれば、判別精度や応
答性を著しく向上できるのである。

発明が解決しようとする問題点 しかし、このような方法では、判別精度や応答
性の面では実用上十分なものが得られるものの、
振動センサに外部から雑音が混入した場合に、そ
の雑音を被加工物の加工時に発生する振動と判別
できず、例えば、雑音によつて空加工を実加工と
誤認し、空加工時には本来高い速度で送るべきと
ころを不必要に低い送り速度にしてしまう誤動作
をし、また、雑音が頻発する場合には送りにチヤ
タリング現象が生じて加工機械の故障を引き起こ
す等の問題があつた。

問題点を解決するための手段 本発明は、このような事情を背景に、上述の如
き被加工物の加工時に発生する振動に基づいて実
加工と空加工とを判別する方法において、外部か
らの雑音によつても誤動作することのない信頼性
の高い実加工−空加工判別方法、およびその方法
を好適に実施する装置を提供するために為された
ものである。

本発明者らの研究によれば、被加工物の加工時
に発生する振動は、第４図に示すように、0.1Hz
〜1MHz程度の広範囲にわたつてその大きさが一
定レベル以上となる。一方、外部で発生する雑音
は、作業環境によつて異なるが、一般的に工作機
械の急激な動作時に発生する摺動音、他の工作機
械における加工時の振動や被加工物設置の際の打
撃音等の機械的雑音である比較的低周波（例えば
数ＫHz以下）の成分と、周辺機器における各種ス
イツチ類のON、OFF、荷物運搬車の点火プラ
グ、放電加工機、アーク溶接等の作動に伴ういわ
ゆる電磁的雑音である比較的高周波（例えば
100KHz前後）の成分とがあり、雑音全体につい
て見れば発生周波数帯域は上記被加工物の加工時
に発生する振動の発生周波数帯域以上の広範囲に
わたるものの、同図に一点鎖線で示されているよ
うに、大きさが一定レベル以上となる個々の雑音
の周波数帯域幅はそれぞれ比較的狭く、しかも異
なる周波数域でそのような雑音が同時に発生する
ことは殆んどない。

本方法発明はこの知見に基づいて為されたもの
であり、その要旨とするところは、工作機械にお
いて被加工物の加工時に広範囲の周波数帯域にわ
たつて発生する振動を、それぞれ比較的狭い周波
数帯域にわたつて発生する各雑音の周波数帯域の
うちで最も広い周波数帯域の幅より大きい量だけ
検出周波数帯域を異にする複数個の振動センサに
よつて検出し、それら振動センサのうちの少なく
とも２個の振動センサによつて同時に信号が出力
された場合に実加工と判断し、その他の場合には
空加工と判断することにある。

また、その方法を好適に実施するための装置
は、(a)工作機械に取り付けられ、被加工物の加工
時に広範囲の周波数帯域にわたつて発生する振動
のうち、それぞれ比較的狭い周波数帯域にわたつ
て発生する各雑音の周波数帯域のうちで最も広い
周波数帯域の幅より大きい量だけ異なる周波数帯
域の振動を検出する複数個の振動センサと、(b)そ
れら振動センサにそれぞれ対応して設けられ、そ
れら振動センサの出力信号をそれぞれ瀘波するフ
イルタと、(c)それらフイルタのうち少なくとも２
個のフイルタの出力信号が同時に出力されたと
き、実加工検出信号を発し、その他の状態では空
加工検出信号を発するアンド回路とを含むように
構成される。

作用および発明の効果 上記のように、複数個の振動センサの検出周波
数帯域がそれぞれ、すべての雑音の各周波数帯域
の幅より大きい量だけ異なつていれば、一つの雑
音がそれら複数個の振動センサに信号を出力させ
ることはなく、また、前述のように複数の雑音が
同時に発生することも殆どないため、空加工時に
雑音によつて複数個の振動センサが同時に信号を
出力することは殆どない。一方、実加工時に発生
する振動は広範囲の周波数帯域にわたるため、実
加工時には検出周波数帯域を異にする少なくとも
２個の振動センサが共に信号を出力する。したが
つて、実際に加工が行われている場合だけ実加工
と判断されるため、判別精度および応答性の良好
な、しかも外部からの雑音によつても誤作動する
ことのない実用性に優れた実加工−空加工判別方
法および装置を得ることができる。例えば、空加
工を実加工と誤認し、本来高い速度で送るべきと
ころを不必要に低速度で送つて加工能率を低下さ
せ、あるいは空加工時における外部雑音の頻発に
起因して送りにチヤタリング現象が生じ、工作機
械の故障を引き起こす等の不都合が回避されるの
である。

したがつて、工作機械における実加工と空加工
との判別方法として本発明に係る実加工−空加工
判別方法を採用し、この判別結果によつて工作機
械を稼働させるようにすれば、工作機械の自動化
および無人化が可能となり、空加工時間の短縮に
よる加工能率の向上が達成され、ひいては製品コ
ストを大幅に低減することが可能となる。

また、前述の如き装置発明によれば、実加工と
空加工とを確実に判断できることは勿論、各振動
センサに対応して設けられたフイルタによつて振
動センサの検出周波数帯域幅に拘わらず振動の検
出周波数帯域幅を任意に設定できるので、最適な
周波数帯域による判断が可能になるとともに、振
動センサを選択する際の自由度が高くなるという
利点もある。

実施例 以下、本発明に係る実加工−空加工判別方法お
よび装置について、そのいくつかの実施例を図面
に基づいて詳細に説明する。

まず、第１図に示す実施例について説明する。
この図において、１０および１２は振動センサと
してのアコーステイツクエミツシヨンセンサ（以
下、単にAEセンサという）および振動加速度セ
ンサであつて、旋盤、フライス盤、ボール盤、研
削盤等の工作機械１３の被加工物を保持する図示
しないセンタや主軸台、心押台あるいはワークテ
ーブル等、被加工物の実際の加工時に発生する振
動が良好に伝達され、検出される位置に装着され
る。AEセンサ１０は、被加工物が加工される際
の被加工物または加工具の破壊や変形などによつ
て発生する周波数の高い領域の弾性波、所謂アコ
ーステイツクエミツシヨン（以下、AEという）
を検出するセンサであつて、検出したAEを第一
増幅器１４を介して第一バンドパスフイルタ１６
に供給する。一方、振動加速度センサ１２は、
AEの周波数帯域よりもかなり低い周波数帯域の
振動を検出し、これを第二増幅器１８を介して第
二バンドパスフイルタ２０に供給する。そして、
第一バンドパスフイルタ１６および第二バンドパ
スフイルタ２０は、それら各センサ１０および１
２から供給された信号を、それらセンサ１０およ
び１２の振動検出周波数帯域よりも狭い通過帯域
で濾波し、それぞれその濾波した信号をアンド回
路２２に供給する。第２図に、各フイルタ１６お
よび２０から出力される信号の周波数成分の一例
をそれぞれ点線および実線で示すが、それぞれの
通過帯域は数100KHzおよび数ＫHzであり、これ
らの通過帯域同士は予想される各種雑音の周波数
帯域のうち最も広い周波数帯域の幅より大きな量
だけ互いに異なつている。

アンド回路２２は判別手段を成すものであり、
各フイルタ１６および２０を経て供給される振動
の検出信号が共に予め定められたしきい値以上の
レベルを有する場合には、Ｈレベルの実加工検出
信号を出力し、またいずれか一方でもそのしきい
値レベルより下回つた場合には、Ｌレベルの空加
工検出信号を出力してマイクロコンピユータ（以
下、単にマイコンという）２４に供給する。そし
て、マイコン２４は、アンド回路２２からＨレベ
ルの実加工検出信号が供給されている間、工作機
械１３に対して実加工に応じた低い送り速度を指
令する信号を供給し、逆にＬレベルの空加工検出
信号が供給されている間、所謂ギヤツプエリミネ
ート速度に応じた比較的速い送り速度を指定する
信号を工作機械１３に対して供給する。また、マ
イコン２４には、工作機械１３から加工具や被加
工物の位置を表す位置信号がフイードバツクされ
るようになつており、この位置信号と予め記憶さ
れているプログラム内容とに基づいて被加工物あ
るいは加工具の位置を制御する信号を工作機械１
３に随時供給するようになつている。そして、工
作機械１３は、そのマイコン２４からの指令信号
に応じて被加工物や加工具を移動させる。

次に、上述のような装置を用いて被加工物を加
工する場合について説明する。

第３図のａに示すように、加工具２６を矢印方
向に送つて被加工物２８の削り代部分３０を切削
加工する場合、加工具２６はまず加工開始前の退
避位置から早送りによつて被加工物に向かつて前
進させられる。そして、加工具２６が予め定めら
れた位置まで前進すると、その速度がギヤツプエ
リミネート速度まで落とされ、加工具２６が被加
工物２８に接触して被加工部材２８の切削を開始
するまでその速度が維持される。ところで、この
被加工物２８の切削が開始されるまでの間は、被
加工物２８の切削に伴う振動は発生していない。
このため、AEセンサ１０および振動加速度セン
サ１２からは、第３図ｂおよびｃに示されるよう
に、工場内の他の部分で発生し、それらセンサ１
０および１２に混入した雑音だけが出力される。
この場合、検出される雑音中には、符号Ｎで示さ
れているように、前記アンド回路２２のしきい値
よりも大きいレベルのものもあるが、そのしきい
値よりもレベルの大きい雑音Ｎは一般に周波数帯
域が狭く、しかもランダムに発生するため、AE
センサ１０および振動加速度センサ１２で同時に
そのような雑音が検出されることは殆んどない。
したがつて、アンド回路２２はＬレベルの信号、
つまり空加工検出信号を出力する。

一方、加工具２６が第３図のａにおいてＡで示
される位置まで前進し、被加工物２８に接触して
被加工物２８の切削が開始されると、その加工に
伴つて振幅の大きな振動がほぼ0.1Hz〜1MHzの範
囲に渡つて発生する。このため、各センサ１０お
よび１２からは、第３図ｂおよびｃに示されてい
るように、共にアンド回路２２のしきい値よりも
大きなレベルの信号が検出され、したがつてアン
ド回路２２からはＨレベルの実加工検出信号が出
力されて、これ以後、加工具２６は実加工に応じ
た遅い送り速度で送られる。そして、加工具２６
が第３図のａに符号Ｂで示される位置まで前進
し、被加工部材２８の切削が終了すると、各セン
サ１０および１２では再び雑音だけが検出される
こととなつて、前述のようにマイコン２４に空加
工検出信号が供給され、それに伴つて加工具２６
の送り速度が空加工に応じた速い速度に切り換え
られる。

このように、本実施例によれば、たとえ外部に
レベルの大きな雑音が発生し、その雑音がAEセ
ンサ１０あるいは振動加速度センサ１２に混入し
ても、アンド回路２２から出力される信号は実加
工および空加工に正確に応じた内容となり、雑音
によつて実加工と空加工が誤判断されることはな
い。また、本実施例では、振動センサがAEセン
サ１０と振動加速度センサ１２とされて振動の検
出周波数帯域が大きく異なるものとされているこ
とから、たとえ周波数帯域の広い雑音が発生する
ような環境でも、空加工と実加工とを誤判断する
ことはない。

次に、本発明の他の実施例を第５図に基づいて
説明する。

この実施例では、工作機械１３に、AEセンサ
１０および振動加速度センサ１２に加えて、それ
らとは振動の検出周波数帯域の異なる振動加速度
センサ３２が設けられている。そして、その振動
加速度センサ３２から出力された信号が第三増幅
器３４および第三バンドパスフイルタ３６を経
て、AEセンサ１０および振動加速度センサ１２
から出力された信号と共に判別手段としての三入
力のアンド回路３８に供給され、アンド回路３８
では、それら各センサから各フイルタを経て入力
された信号が全てしきい値を上回るレベルのとき
Ｈレベルの実加工検出信号が、またそれ以外のと
きＬレベルの空加工検出信号がそれぞれ出力さ
れ、マイコン２４に供給されるようになつてい
る。

例えば、鋳物をボールエンドミルによつてフラ
イス加工する場合には、実加工時に(イ)刃具の回転
数と刃数に起因する振動、(ロ)切削に伴うワーク、
刃具のびびり音、および(ハ)切削に伴うワークの破
壊に起因する振動が発生する。(イ)の振動数は（回
転数×刃数÷60）×ｎHz（ｎは整数）で表され、
回転数では1400rpm、刃数が１枚である場合には
23×ｎHzとなる。(ロ)びびり振動は、通常、人間の
耳で聞くことができる周波数であつて、500Hzな
いし10KHzである。また、(ハ)ワークの破壊に起因
する振動は鋳物の場合、切削点（ワークまたは切
粉）で発生するクラツプに起因するものであり、
50〜90KHzとなる。したがつて、(イ)、(ロ)および(ハ)
の各振動をそれぞれ加速度センサ、マイクロホ
ン、AEセンサによつて検出し、それらの出力信
号のアンドを取れば、実加工を確実に検出するこ
とができる。

このように振動センサの数を３個にすれば、一
定レベル以上の雑音が各センサで同時に検出され
る確率がさらに小さくなり、実加工と空加工とを
誤判断する割合が減少して、その分信頼性が向上
する。なお、振動センサを４個以上設ければ、さ
らに判別結果の信頼性を増すことが可能となる。

また、加工条件によつて振動の方向が異なるよ
うな場合には、第６図に示すように、同様の振動
検出周波数帯域を備えた振動加速度センサ１２を
それぞれの振動方向、例えば振動が加工条件によ
つてＸ軸方向とＹ軸方向とに振れる場合には、Ｘ
軸方向とＹ軸方向とに対応させて設け、それらで
検出された信号をオア回路４０に供給するととも
に、そのオア回路４０の出力信号とAEセンサ１
０の出力信号をアンド回路２２に供給するように
することが望ましい。このようにすれば、たとえ
加工条件によつて振動方向が変わるような場合に
も、実加工と空加工との判別結果として安定した
信頼性を得ることができる。なお、方向によつて
振動の周波数特性が著しく異なるような場合に
は、それら振動加速度センサとして検出周波数帯
域の異なるものを採用しても差し仕えない。

また、第７図に示す実施例では、AEセンサ１
０と振動加速度センサ１２の外に、第三および第
四の振動センサとして振動加速度センサ３２が２
個設けられ、この２個設けられた振動加速度セン
サ３２が互いに異なる方向に対応して工作機械１
３に取り付けられている。そして、２個の振動加
速度センサ３２の出力信号がオア回路４０を経て
アンド回路３８に供給されるとともに、AEセン
サと振動加速度センサ１２の出力信号がアンド回
路３８に供給されるようになつている。このよう
な装置は、振動加速度センサ３２の検出周波数帯
域に対応した周波数帯域の振動の振動方向が加工
条件によつて異る場合に有効である。

また、第８図には、本発明のさらに他の実施例
が示されている。この実施例は基本的には第１図
に示した実施例と同じであるが、判別手段である
アンド回路２２を経ることなく実加工と空加工と
を判別できる振動加速度センサ３２が設けられて
いる点において異なつている。すなわち、本実施
例においては、振動加速度センサ３２の検出周波
数帯域がしきい値レベル以上の雑音が発生するこ
とのない周波数帯域に設定されているのである。
なお、このような雑音の発生条件は規模の小さい
工場においてしばしば見られるものである。

以上、本発明の実施例を説明したが、これらは
文字通り例示であつて、本発明はこれらの具体例
に限定して解釈されるべきものではない。

例えば、前記実施例では、振動センサで検出さ
れた信号は全てバンドパスフイルタを経て判別手
段としてのアンド回路に供給されるようになつて
いたが、バンドパスフイルタを通過させることな
くアンド回路に供給するようにしても、実加工−
空加工判別結果を得ることができる。

また、前記実施例では、いずれも振動センサの
一つとしてアコーステイツクエミツシヨンを検出
するAEセンサ１０が設けられていたが、必ずし
もAEセンサを設ける必要はなく、状況によつて
は振動センサとして振動加速度センサだけを設け
るようにしてもよい。要するに、振動センサとし
ては、ランダムに発生する雑音を同時にしきい値
以上のレベルの信号として検出することのないも
のを用いればよいのである。

また、前記実施例では、判別手段としていずれ
もアンド回路が採用されていたが、実加工と空加
工とをマイコン２４によつて判別させるようにす
ることも可能である。

その他、一々列挙はしないが、本発明がその趣
旨を逸脱しない範囲内において種々なる変形、改
良等を施した態様で実施し得ることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するためのブ
ロツク線図であり、第２図は第１図における２つ
のバンドパスフイルタの出力信号の周波数成分の
一例を示す波形図であり、第３図は第１図の装置
の加工例とその加工例に対応した各センサの出力
信号の一例を説明するための図であつて、ａは加
工例を、ｂはAEセンサの出力信号を、またｃは
振動加速度センサの出力信号をそれぞれ示す図で
ある。第４図は被加工物の加工時に発生する振動
と雑音との発生状況を説明するための図である。
第５図、第６図、第７図および第８図はそれぞれ
本発明の他の実施例の第１図に相当する図であ
る。 １０：アコーステイツクエミツシヨンセンサ
（振動センサ）、１２，３２：振動加速度センサ
（振動センサ）、１３：工作機械、１６，２０，３
６：バンドパスフイルタ、２２，３８：アンド回
路（判別手段）、２４：マイクロコンピユータ、
４０：オア回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 工作機械において被加工物の加工時に広範囲
   の周波数帯域にわたつて発生する振動を、それぞ
   れ比較的狭い周波数帯域にわたつて発生する各雑
   音の周波数帯域のうちで最も広い周波数帯域の幅
   より大きい量だけ検出周波数帯域を異にする複数
   個の振動センサによつて検出し、それら振動セン
   サのうちの少なくとも２個の振動センサによつて
   同時に信号が出力された場合に実加工と判断し、
   その他の場合には空加工と判断することを特徴と
   する実加工−空加工判別方法。 ２ 工作機械に取り付けられ、被加工物の加工時
   に広範囲の周波数帯域にわたつて発生する振動の
   うち、それぞれ比較的狭い周波数帯域にわたつて
   発生する各雑音の周波数帯域のうちで最も広い周
   波数帯域の幅より大きい量だけ異なる周波数帯域
   の振動をそれぞれ検出する複数個の振動センサ
   と、 それら振動センサにそれぞれ対応して設けら
   れ、それら振動センサの出力信号をそれぞれ瀘波
   するフイルタと、 それらフイルタのうちの少なくとも２個のフイ
   ルタの出力信号が同時に出力されたとき、実加工
   検出信号を発し、その他の状態では空加工検出信
   号を発するアンド回路と を含むことを特徴とする実加工−空加工判別装
   置。