JPH0616981B2 - 工具欠損検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、被加工物の面形状や切り込み変化や工具の位
置等による影響を受けずに、確実に工具欠損等の異常の
検出を行うことのできる工具欠損検出装置に関する。

（従来の技術） フライス加工機などにおいては、機械加工のため数値制
御や倣い制御が行われる。これら数値制御や倣い制御を
行う自動工作機械にあっては、被加工物の加工精度を向
上させるために、工具が欠損した時にこれを検出して、
この検出信号により工作機械を停止させ、あるいは警報
を発生させる必要がある。この目的で現在多くの提案が
なされている。特に最近では、各種検出および信号処理
技術の発達により、フライス加工中の検出、即ちインプ
ロセスでの検出方法と装置に関心が高まっている。

従来における工具欠損の検出は、工具が欠損することに
よって切削抵抗，切削温度，振動，主軸モータ電流，ア
コースティック・エミッションなどが変化することに着
目し、これらの信号を測定して処理することにより、工
具欠損を間接的に検出するという方法がとられている。

しかし、特に金型の自動切削加工においては、毎回形状
が異なる単品加工であり、更に、曲面が幾重にも連続し
て形成された複雑な曲面加工をしなければならない。そ
のために、前回、加工した条件および切削現象を記憶し
て、今回の切削状態と比較させ、異常現象を抽出させる
方法の採用は根本的に不可能である。

既に、本発明者らは切削負荷力を検出し、その出力値よ
り予め設定した上限値および下限値を有する定常負荷値
と比較して工具送り速度を制御することから高負荷水準
化して加工能率を高め、一方、定常負荷値より大きく設
定した異常負荷基準値と比較し、それを越えた時に工作
機械を停止させる工具欠損検出装置を発明した。また、
工具欠損時の特有なトルク波形に着目し、その出力信号
の上昇および下降時間に対する微分値を検出し、予め記
憶された欠損時特有のものか否かを判断する波形演算回
路を有する工具欠損検出装置を発明した。

これらの先に提案した発明では、工具欠損時に発生する
特有なトルク波形に着目し、そのトルク波形を忠実に、
迅速に抽出し、予め設定された基準値と比較させること
により工具欠損を検出するものであり、精度よく、即ち
誤動作なく稼働でき、性能的に優れた装置である。しか
し、高水準の演算回路および処理回路を用いる必要があ
るため、装置製作時の回路設計に高度の技術力を必要と
し、また、価格が高くなるという難点があった。

（発明の目的） この発明は、このような障害を除去し、多機種の工作機
械に適用でき、被加工物の形状に応じて異なる各種の切
削条件にも対応し得、また、回路の構成が簡単で、価格
が低廉である工具欠損検出装置を提供することを目的と
するものである。

（発明の原理） 工作機械の主軸モータから検出する負荷電流には、種々
の情報が含まれている。本発明者らは上記目的のため
に、その負荷電流の周波数分析を行い、工具欠損との対
応を検討し、その結果、本発明に到達したものである。
その検討結果によれば、フライス加工を自動切削法で実
施した場合には、負荷電流値をトルクに換算してそのト
ルク変動を見ると、被加工物に設置した基準面に対する
加工面の傾き、即ち工具が自動送りされるに伴い傾斜面
を昇降する時、平坦部を水平に移動する時、溝部に食い
込む時などに生ずるトルク変動分、および切り込み量が
粗形材の寸法精度により大きく変化するのに伴う荒削り
時などの変動分等は、比較的低い周波数のものであるこ
とがわかった。一方、刃先が切粉を被加工物より分離さ
せる時、および工具欠損の時等に生ずるトルク変動分
は、比較的高い周波数のものであることがわかった。従
って、トルク変動をモータ負荷電流値などにより検出
し、その検出信号に含まれる工具欠損に相当する周波数
帯域の信号成分を抽出して、これを監視することによ
り、工具欠損の発生を検出し得ることがわかった。

このような検討結果を数式により説明すると、 Ｔ＝Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３＋Ｔ_４＋Ｔ_５ 但し、Ｔ：測定値（原波形出力） Ｔ_１：被加工物の加工面の基準面に対する傾きに
よるトルク変動分 Ｔ_２：切り込み量（取代量）の変化による変動分 Ｔ_３：刃先が切粉を生成する際の変動分 Ｔ_４：工具欠損等の異常現象による突発的出力値 Ｔ_５：工具の回転に伴う加工機主軸部のベアリン
グ等の抵抗値 Ｔ_１とＴ_２は低周波変動分であり、また、Ｔ_３，Ｔ_４，
Ｔ_５は高周波変動分であり、Ｔ_４＞Ｔ_３＞Ｔ_５となり、
Ｔ_５はＴ_４に比べて非常に微小のために無視できる値で
ある。Ｔ_４＝Ｔ−（Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３＋Ｔ_５）≧０の場
合には、工具欠損検出が可能となる。Ｔ_ｔｈを工具欠損
検出用設定値とすると、 Ｔ_４−Ｔ_ｔｈ≧０の時に、または Ｔ_ｔｈ＝ｎ（Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３＋Ｔ_５）とすれば、 Ｔ_４−ｎ（Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３＋Ｔ_５）≧０となり、 Ｔ−（ｎ＋１）（Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３＋Ｔ_５）≧０の場合
にも工具欠損検出が可能となる。

以上の説明は、フライス加工における自動切削時の現象
であるが、旋削加工および穴あけ加工においても同様に
トルク変動が解析でき、その際には前述のＴ_１（被加工
物の基準面との傾きによるトルク変動分）が省略され、
Ｔ_２，Ｔ_３，Ｔ_４，Ｔ_５のみに注目すればよい。

第１図は、切削加工機において切削時間と主軸モータの
負荷電流値をトルクに換算した関係を示すものである。
数値制御または倣い制御加工においては、正常な状況で
の切削過程の主軸モータの電力または負荷電流値は変動
があって不安定であり、欠損が発生した時にその増加分
が特徴的な挙動を示すものである。第１図の波形Ａはこ
の状態を示すもので、矢印の点Ｐより左の部分の正常切
削時の出力波形は、被加工物の加工面が基準面に対して
種々の傾きを持つこと、および切り込み量が不均一であ
ること等により、変動が激しく不安定である。

一方、第１図の矢印のところＰでは工具欠損時の状態を
示しており、ここではトルクが急上昇または急下降し
て、低周波変動レベル（第１図の波形Ｂ）を基準とした
ときの波形Ａの波高値が一時的に急激に高くなるので、
それ以前の状況と区別できることになる。工具の欠損
時、このように特徴的にトルクが変化するのは、その欠
損部が被加工物と工具との間に挟まれるとか、あるいは
欠損過程において一時的に工具に加わる過負荷状態によ
ってトルクが急上昇し、次にこれに関連して生じる空切
削に伴い急下降する切削抵抗によるものである。そこ
で、この波形Ａを、例えばローパス・フィルタ（例えば
２Hz）を内蔵した平均値化回路を通して高い周波数成
分、即ち前述のトルク成分Ｔ_３，Ｔ_４，Ｔ_５を除去する
と波形Ｂが得られる。なお、波形Ｂは説明および信号処
理の便宜上、レベルを下げて表示している。この波形Ｂ
は、被加工物の加工面の基準面に対する傾きによる変動
分、および切り込みが不均一であるための変動分を含む
ものであり、この波形Ｂに対し波形Ａに対比することに
より、波形Ａに含まれる工具欠損等の特徴的な成分が明
確に表れることになる。対比した結果は、その一例とし
て第５図に示すような波形Ｃで示される。この波形Ｃか
らも明らかなように、切粉生成に伴う変動分のレベルは
工具欠損時の変動分のレベルに比べて低いものであり、
よって、工具欠損に伴う変動分のみを検出できる基準を
設定比較することにより、工具欠損のみを検出できる。

（発明の構成、効果） 本発明の工具欠損検出装置は、前記目的を達成するため
に、以上のようなトルクの周波数解析した論理に基づい
てなされたもので、加工機の主軸モータの電力又は負荷
電流から、被加工物の加工面の基準面に対する傾きによ
る変動、切り込み量の変化による変動等の比較的低い周
波数の信号の変動分と、刃先が切粉を生成する際の変
動、工具欠損等の異常現象による突発的な出力の変動、
工具の回転に伴う加工機主軸部の抵抗による変動等の比
較的高い周波数の信号の変動分とを含む工具負荷変動信
号を検出する工具負荷検出回路と、工具負荷変動信号か
ら比較的高い周波数の信号の変動分を抽出して出力する
出力回路と、出力回路から出力された比較的高い周波数
の信号の変動分のレベル値が工具欠損検出用設定値を越
えると、工具欠損等の異常の発生を表す信号を出力する
比較回路とを有する信号処理回路とを具備していること
を特徴とする。

本発明は、このように加工機の主軸モータの電力または
負荷電流を検出することにより、工具負荷を検出し、そ
の検出信号を特定の遮断周波数で波し、波された信
号と比較的高い周波数の変動分における波高値の大きい
部分を検出するための比較信号とを比較することによ
り、工具欠損の発生を示す特徴的波形の情報を含む比較
的高い周波数の信号の変動分を抽出することにより、不
安定なレベル変動分である比較的低い周波数の信号の変
動分の影響を受けることがない。即ち、被加工物の形状
に応じて異なる切削条件、例えば工具送り方向および切
り込み量の変化等による比較的低い周波数成分として表
れる変動の影響を受けることなく、確実に工具欠損を検
出することができる。更に、構成が簡単であるので、小
型，安価，かつ容易に製造することができる。

本発明の第１の態様によれば、工具負荷検出回路は、加
工機の主軸モータの電力または負荷電流を検出して負荷
を常時検出するものである。また、信号処理回路の出力
回路は、工具負荷変動信号から比較的低い周波数の信号
の変動分のみを抽出する平均値化回路と、工具負荷変動
信号から平均値化回路において抽出された比較的低い周
波数の信号の変動分を減算して、比較的高い周波数の信
号の変動分のレベル値を出力する減算回路とを備えてい
る。この態様では、減算回路の出力を工具欠損検出用基
準設定値と比較するので、切粉生成に伴う変動分を識別
して工具欠損を精度よく検出できるとともに、更に、数
値制御または倣い制御において異常工具軌跡の入力によ
って生じる工具と被加工物との衝突、あるいは工具と加
工機との衝突、即ち異常トルクの発生時をも確実に検出
することが可能である。

本発明の第２の態様によれば、信号処理回路の出力回路
は、工具負荷変動信号から比較的高い周波数の信号の変
動分のみを抽出するハイパス・フィルタによって構成さ
れる。この態様では、信号処理回路がハイパス・フィル
タと比較回路で構成されるため、簡単な回路で工具欠損
検出が可能となる。高い周波数のノイズが混入する場合
には、それらを遮断するバンドパスフィルタやその他の
ノイズ対策が必要になる。

本発明の第３の態様によれば、第１の態様の工具欠損検
出装置において、減算回路と比較回路との間に、設定さ
れた積分時間で減算回路の出力信号を積分することによ
り、刃先が切粉を生成する際の比較的高い周波数の信号
の変動分を平均値化する積分回路が設けられる。この積
分回路により、刃先現象のみの変動分のうち切粉生成に
よる変動分を平均値化するので、工具欠損時の波形部分
の識別性が向上する。

本発明の第４の態様によれば、第３の態様の工具欠損検
出装置において、積分回路と比較回路との間に、積分回
路の出力を交互に順次サンプル・ホールドする第１及び
第２のサンプル・ホールド回路と、第１及び第２のサン
プル・ホールド回路から出力される隣接したサンプル値
間で減算を行う積分値減算回路とが設けられる。これに
より、積分回路の出力の隣接するサンプル値間で減算を
行うので、定常的に発生する切粉生成による平均値化レ
ベル値を除去することができ、工具欠損時の波形部分の
識別性がより一層向上できる。

（実施例） 以下、本発明の種々の実施例について、図面により説明
する。

第２図は、各実施例に共通する基本的構成を示すもので
ある。第２図において、被加工物１は定盤２上に設置さ
れ、被加工物１の上部には工具３が、その下端（刃先）
を被加工物１の表面（加工面）に当接させた状態で加工
機の工具保持部４に保持されている。工具保持部４は、
支持機構によって上下，前後，左右に移動できるように
なっている。そして、このように移動させながら工具３
を回転させることにより、被加工物１を所望の形状に加
工できる。工具３は加工機の主軸モータによって駆動さ
れ、その主軸モータの工具負荷（駆動力）、即ち供給さ
れる電力あるいは負荷電流が工具負荷検出回路５によっ
て常時検出されている。工具負荷検出回路の出力は信号
処理回路６に導かれ、工具負荷検出回路５の出力に含ま
れる工具欠損に対応する信号を抽出する。信号処理回路
６は、前述の駆動力（トルク）の工具欠損に対応して生
ずる変動分Ｔ_４が、比較的高い周波数と平均値レベルか
らの高い波高値を持っていることに着目して、その存在
を検出するように構成されている。

第３図は本発明の第１の実施例の構成を示すもので、そ
の信号処理回路６は、工具負荷検出回路５の出力である
工作機械の主軸モータから検出した出力の低周波分のみ
通し平均化する平均値化回路８と、その平均値化回路８
の出力と工具負荷検出回路５の出力とを比較し、その差
を増幅出力する減算回路９と、しきい値Ｔ_ｔｈを設定す
るためのしきい値設定回路10と、減算回路９の出力とし
きい値設定回路10の出力とを比較し、しきい値Ｔ_ｔｈよ
り大きい振幅の部分を抽出する比較回路11からなってい
る。第４図は、第３図における信号処理回路６を更に具
体的に示すものである。なお、この回路には過電流防止
回路12が付加されている。過電流防止回路12は、演算増
幅器121の入力部に一対の逆方向に並列接続したダイオ
ード122,123を接続して入力信号の振幅を制限してい
る。これにより、突発的な異常入力に対して信号処理回
路を保護する。平均値化回路８は、演算増幅器81,82，
ダイオード83,84，コンデンサ85および抵抗器からな
り、入力信号を全波整流した後、高域を除去するローパ
ス・フィルタとして構成されている。そのローパス・フ
ィルタの遮断周波数は、前記刃先が切粉を生成する際の
変動分Ｔ_３、工具欠損による変動分Ｔ_４、加工機主軸の
ベアリング等の抵抗値による変動分Ｔ_５等の比較的高い
周波数成分を除去し、加工面の基準面に対する傾きによ
る変動Ｔ_１、および切り込み量の変化による変動分Ｔ_２
等の比較的低い周波数成分を通過させることのできる周
波数（例えば２Hz）を選択する。第１図の波形Ａが平均
値化回路８を通過すると、同図の波形Ｂのような出力が
得られる。減算回路９は、演算増幅器91と入力抵抗器9
2,93からなり、過電流防止回路12の出力する第１図の波
形Ａに示すような信号から平均値化回路８の出力する波
形Ｂに示すような信号を減算し、増幅して、第５図に示
すような波形Ｃのような信号を得る。減算回路９の出力
は、比較回路11によりしきい値設定回路10で工具欠損検
出用に設定されたしきい値Ｔ_ｔｈと比較され、しきい値
Ｔ_ｔｈを越えた時、工具欠損が発生したことを表す信号
が出力される。即ち、第５図の工具欠損発生時点付近Ｐ
においてしきい値を越え、第６図に示すような工具欠損
検知信号Ｓを生ずる。

なお、減算回路９の出力である第５図に示す波形Ｃのよ
うな高周波成分は、工具負荷検出回路５の出力をハイパ
ス・フィルタに通すことによっても得られる。従って、
第３図および第４図の回路において、平均値化回路８と
減算回路９の組合せに代えてハイパス・フィルタを用い
てもよい。ただ、用いるフィルタにおける雑音の発生に
関しては、平均値化回路と減算回路の組合せの方が有利
である。即ち、ハイパス・フィルタを用いた際には、高
周波成分の出力波形に雑音が混入することがあるが、平
均値化回路と減算回路の組合せの場合には、ローパス・
フィルタにおいては高周波の雑音成分が生ぜず、有利で
ある。なお、バンドパス・フィルタを用いることもでき
る。

第７図は本発明の第２の実施例を示すもので、第３図と
同一の機能の部には同一の符号を用いている。この実施
例は、第３図の実施例の減算回路９とは比較回路11の間
に、積分時間設定回路13を接続した積分回路14を挿入し
たものである。即ち、減算回路９の出力を積分回路14に
より微小時間内で積分することにより、切粉生成による
変動Ｔ_３を平均化して工具欠損時の急激な出力上昇を明
確化することである。第８図は、第５図の波形Ｃと同じ
減算回路９の出力する刃先現象レベルのみの波形に積分
時間設定回路13から得る時間幅を設定したものである。
第９図は、第８図に示す刃先現象レベルのみの波形Ｃに
積分時間設定回路13から得る時間幅内での出力を平均化
したものであり、切粉生成に伴う波形変動分を平均値化
して工具欠損時の急激な出力を明確化した波形を示すも
のである。第９図のように明確化した出力値を、比較回
路11においてしきい値設定回路10により設定された工具
欠損検出用設定値と比較し、それを越えた場合に工具欠
損等の異常の発生を表す信号を出力する。

第10図は本発明の第３の実施例を示すもので、第７図と
同じ機能の部分には同一の符号を用いている。この実施
例は、第２の実施例（第７図）の積分回路14と比較回路
11との間に、積分時間制御回路15を接続した第１および
第２のサンプル・ホールド回路16,17と積分値減算回路1
8を挿入した構成のものである。即ち、減算回路９にお
いて刃先現象のみの変動レベルを積分回路14で微小時間
幅で積分して切粉生成による変動分を平均値化し、更に
積分時間制御回路15を接続した第１および第２のサンプ
ル・ホールド回路16,17でもって微小時間幅で積分した
出力値を順次ずらして積分値減算回路18に入力せしめて
減算し、切粉生成による変動分を削除することにより、
工具欠損時の急激な出力上昇分を明確化することができ
るものである。

第11図は、減算回路９において工具負荷検出回路５の出
力波形からローパス・フィルタである平均値化回路８の
出力を減算して得た刃先現象レベルのみの波形に、積分
時間設定回路13から得る時間で積分回路14により積分し
た積分出力値を示したものであり、切粉現象レベルでの
変動を平均値化した結果が得られている。第12図は、第
１および第２のサンプル・ホールド回路16,17によって
保持され、微小時間で区切られた１つ前の積分値と次の
積分値が交互に積分値減算回路18に入力されて減算され
た値を示す図である。この図に示すように、積分減算処
理により切粉生成レベルでの変動分を減衰させることが
できるので、工具欠損による変動分を一層明確にするこ
とができる。比較回路11では、しきい値設定回路10によ
り設定した工具欠損検出用設定値Ｔ_ｔｈを入力値が越え
た際に工具欠損を検知する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、切削加工機における工具のトルクの変動波形
の一例と、その波形を平均値化した波形とを示すもので
ある。 第２図は、本発明の基本的構成を示す図である。 第３図および第４図は、本発明の第１の実施例を示す図
である。 第５図は、トルク信号から比較的低い周波数成分を除去
した波形Ｃ（第３図の減算回路９の出力）を示す図であ
る。 第６図は、第５図の波形Ｃがしきい値Ｔ_ｔｈを越えた時
に出力する信号（第３図の比較回路11の出力信号）を示
す図である。 第７図は、本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。 第８図および第９図は、第２の実施例を説明するための
波形図である。 第10図は、本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。 第11図および第12図は、第３の実施例を説明するための
波形図である。 １……被加工物、２……定盤、３……工具、４……工具
保持部、５……工具負荷検出回路、６……信号処理回
路、７……マシン制御盤、８……平均値化回路、９……
減算回路、10……しきい値設定回路、11……比較回路、
12……過電流防止回路、13……積分時間設定回路、14…
…積分回路、15……積分時間制御回路、16,17……サン
プル・ホールド回路、18……積分値減算回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 正弘 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大庫 和孝 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 植松 偉人 愛知県刈谷市恩田町４丁目26番地

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加工機の主軸モータの電力又は負荷電流か
   ら、被加工物の加工面の基準面に対する傾きによる変
   動，切り込み量の変化による変動等の比較的低い周波数
   の信号の変動分と、刃先が切粉を生成する際の変動，工
   具欠損等の異常現象による突発的な出力の変動，工具の
   回転に伴う加工機主軸部の抵抗による変動等の比較的高
   い周波数の信号の変動分とを含む工具負荷変動信号を検
   出する工具負荷検出回路と、 前記工具負荷変動信号から前記比較的高い周波数の信号
   の変動分を抽出して出力する出力回路と、前記出力回路
   から出力された前記比較的高い周波数の信号の変動分の
   レベル値が工具欠損検出用設定値を越えると、工具欠損
   等の異常の発生を表す信号を出力する比較回路とを有す
   る信号処理回路と を具備していることを特徴とする工具欠損検出装置。
2. 【請求項２】前記信号処理回路の出力回路は、 前記工具負荷変動信号から前記比較的低い周波数の信号
   の変動分のみを抽出する平均値化回路と、 前記工具負荷変動信号から前記平均値化回路において抽
   出された前記比較的低い周波数の信号の変動分を減算し
   て、前記比較的高い周波数の信号の変動分のレベル値を
   出力する減算回路と からなることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載
   の工具欠損検出装置。
3. 【請求項３】前記信号処理回路の出力回路は、前記工具
   負荷変動信号から前記比較的高い周波数の信号の変動分
   のみを抽出するハイパス・フィルタからなることを特徴
   とする特許請求の範囲第(1)項記載の工具欠損検出装
   置。
4. 【請求項４】前記減算回路と前記比較回路との間に、設
   定された積分時間で前記減算回路の出力信号を積分する
   ことにより、前記刃先が切粉を生成する際の前記比較的
   高い周波数の信号の変動分を平均値化する積分回路を設
   けたことを特徴とする特許請求の範囲第(2)項記載の工
   具欠損検出装置。
5. 【請求項５】前記積分回路と前記比較回路との間に、前
   記積分回路の出力を交互に順次サンプル・ホールドする
   第１及び第２のサンプル・ホールド回路と、前記第１及
   び第２のサンプル・ホールド回路から出力される隣接し
   たサンプル値間で減算を行う積分値減算回路とを設けた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第(4)項記載の工具欠
   損検出装置。