(57)【要約】【課題】工作機械における異常予兆を高感度に検知できる技術を提供する。【解決手段】異常予兆検知システムは、回転する工具３を有する工作機械１における異常予兆を検知するシステムであって、工作機械１またはワーク４に設置されているＡＥセンサ２と、ＡＥセンサ２からのＡＥ信号を取得する信号処理回路と、ＡＥ信号からＡＥイベントを検出するＡＥイベント検出回路と、ＡＥイベントを用いて、単位時間あたりのＡＥイベント数であるＡＥイベントレートを計算するＡＥイベントレート計算回路と、時系列上に並ぶ複数の指標値が、第１範囲内で第１連続回数以上で連続している第１状態になったかどうかを判定し、第１状態になった場合には異常予兆として検知する判定回路と、異常予兆を検知した場合に、異常予兆を表すアラート出力または加工動作停止を含む出力制御を行う出力制御回路と、を備える。【選択図】図１
2020181380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する工具を有する工作機械における異常予兆を検知する異常予兆検知システムであって、
前記工作機械またはワークに設置されているＡＥセンサと、
前記ＡＥセンサからのＡＥ信号を取得する信号処理回路と、
前記ＡＥ信号からＡＥイベントを検出するＡＥイベント検出回路と、
前記ＡＥイベントを用いて、単位時間あたりのＡＥイベント数であるＡＥイベントレートを計算するＡＥイベントレート計算回路と、
時系列上に並ぶ複数の前記ＡＥイベントレートが、第１範囲内で、第１連続回数以上で連続している第１状態になったかどうかを判定し、前記第１状態になった場合には前記異常予兆として検知する判定回路と、
前記異常予兆を検知した場合に、前記異常予兆を表すアラート出力または加工動作停止を含む出力制御を行う出力制御回路と、
を備える、異常予兆検知システム。
【請求項２】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記第１範囲は、０以上の整数を持ち、基準値に対し所定のばらつきが許容される範囲である、
異常予兆検知システム。
【請求項３】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記ＡＥ信号に基づいて前記第１範囲を動的に設定する閾値設定回路を備える、
異常予兆検知システム。
【請求項４】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記ＡＥイベントレート計算回路は、前記工作機械の制御情報に基づいて、前記工具の回転周期を把握し、前記回転周期を前記単位時間に設定する、
異常予兆検知システム。
【請求項５】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記ＡＥイベント検出回路は、１レベルの電圧閾値を用いて、前記ＡＥ信号の電圧のピーク振幅が前記電圧閾値以上となる時点をカウントし、前記カウントが持続する期間を１ＡＥイベントとして検出する、
異常予兆検知システム。
【請求項６】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記ＡＥイベント検出回路は、２レベルの電圧閾値である第１電圧閾値および第２電圧閾値を用いて、前記ＡＥ信号から包飽線検波を行った後の波形における電圧の振幅が、前記第１電圧閾値を越えてから前記第２電圧閾値以下に減衰するまでの期間を、１ＡＥイベントとして検出する、
異常予兆検知システム。
【請求項７】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記判定回路は、前記第１範囲および前記第１連続回数を含む閾値として、第１段階の第１閾値と第２段階の第２閾値とを含む複数段階の複数の閾値を用いて、前記指標値の前記第１状態について判定し、
前記出力制御回路は、前記異常予兆を判定した段階に応じて、異なる前記出力制御を行う、
異常予兆検知システム。
【請求項８】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記工具が接続されている主軸に設置されている、
異常予兆検知システム。
【請求項９】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記ワークに設置されている、
異常予兆検知システム。
【請求項１０】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記ＡＥセンサは、前記ワークが固定されているバイスまたはテーブルに設置されている、
異常予兆検知システム。
【請求項１１】
請求項１記載の異常予兆検知システムにおいて、
前記指標値の時系列のグラフ、および前記判定のための閾値を、表示画面に表示する、
異常予兆検知システム。
【請求項１２】
回転する工具を有する工作機械における異常予兆を検知する異常予兆検知システムにおける異常予兆検知方法であって、
前記工作機械またはワークに設置されているＡＥセンサからのＡＥ信号を取得するステップと、
前記ＡＥ信号からＡＥイベントを検出するステップと、
前記ＡＥイベントを用いて、単位時間あたりのＡＥイベント数であるＡＥイベントレートを計算するステップと、
時系列上に並ぶ複数の前記ＡＥイベントレートが、第１範囲内で、第１連続回数以上で連続している第１状態になったかどうかを判定し、前記第１状態になった場合には前記異常予兆として検知するステップと、
前記異常予兆を検知した場合に、前記異常予兆を表すアラート出力または加工動作停止を含む出力制御を行うステップと、
を有する、異常予兆検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報処理技術を用いて、例えば工作機械の工具等における異常予兆を検知するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機構を備える機械、例えばドリル等の回転する工具を備える工作機械は、工具の回転駆動によって、ワーク（言い換えると、対象物、被加工材、等）に対する切削や研削等の加工を行う。加工の際には工具またはワーク等の損傷等の異常が生じる場合がある。工作機械または工作機械を含む情報処理システムは、その異常について、異常予兆として前もって検知できることが好ましい。
【０００３】
従来技術例の異常予兆検知システムとしては、ＡＥ（アコースティック・エミッション）センサを用いたＡＥ信号の電圧等のパラメータ値を用いて異常または異常予兆を判定する技術がある。一般的な方式としては、異常時に信号のパラメータ値が指数関数的に増加する現象に対応させて、パラメータ値が閾値を越えた場合に異常等と判定する方式が知られている。
【０００４】
上記異常予兆検知に係わる先行技術例として、国際公開第２００９／０９６５５１号（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、軸受の診断システムとして、軸受に取り付けられたセンサ、センサに接続された監視診断装置等を備える旨や以下の旨が記載されている。この診断システムは、軸受支持された回転軸の１回転時間または間欠動作で１回転する間欠動作時間を複数区間に等分割し、異常判定基準レベルと各区間の計測データとを比較して、区間毎に異常の有無を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０９６５５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術例の異常予兆検知システムにおける判定方式は、例えばＡＥ信号の振幅について、閾値を設定し、振幅が閾値を越える場合に、異常または異常予兆と判定する。このような方式は、ＡＥ信号の振幅が大きい必要があり、例えば低負荷加工の場合で微小な信号しか生じない場合には、検知が難しい。また、このような方式は、検知ができたとしても、検知時点で手遅れの場合が多く、工具の損傷等の異常を防止しにくい。本発明の目的は、工作機械における異常予兆を高感度に検知できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のうち代表的な実施の形態は、以下に示す構成を有する。一実施の形態の異常予兆検知システムは、回転する工具を有する工作機械における異常予兆を検知する異常予兆検知システムであって、前記工作機械またはワークに設置されているＡＥセンサと、前記ＡＥセンサからのＡＥ信号を取得する信号処理回路と、前記ＡＥ信号からＡＥイベントを検出するＡＥイベント検出回路と、前記ＡＥイベントを用いて、単位時間あたりのＡＥイベント数であるＡＥイベントレートを計算するＡＥイベントレート計算回路と、時系列上に並ぶ複数の前記指標値が、第１範囲内で、第１連続回数以上で連続している第１状態になったかどうかを判定し、前記第１状態になった場合には前記異常予兆として検知する判定回路と、前記異常予兆を検知した場合に、前記異常予兆を表すアラート出力または加工動作停止を含む出力制御を行う出力制御回路と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、工作機械における異常予兆を高感度に検知できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態の異常予兆検知システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態で、工具、ワーク、テーブル、およびＡＥセンサ等の構成例を示す図である。
【図３】実施の形態で、ワークにＡＥセンサを設置する構成例を示す図である。
【図４】実施の形態で、ＡＥセンサの構成例を示す図である。
【図５】実施の形態で、ＡＥ信号の伝播経路を示す図である。
【図６】実施の形態で、ＡＥ信号の検出回路の構成例を示す図である。
【図７】実施の形態で、異常予兆検知機能の処理フローを示す図である。
【図８】実施の形態で、ＡＥ波の例を示す図である。
【図９】実施の形態で、ＡＥ波の他の例を示す図である。
【図１０】実施の形態で、ＡＥイベント検出の第１方式を示す図である。
【図１１】実施の形態で、ＡＥイベント検出の第２方式を示す図である。
【図１２】実施の形態で、ＡＥイベントレートの計算について示す図である。
【図１３】実施の形態で、工具の状態の変化に応じたＡＥ波の例を示す図である。
【図１４】実施の形態で、ＡＥ波およびＡＥイベントレートの第１例を示す図である。
【図１５】実施の形態で、ＡＥ波およびＡＥイベントレートの第２例を示す図である。
【図１６】実施の形態で、ＡＥ波およびＡＥイベントレートの第３例を示す図である。
【図１７】実施の形態で、異常予兆判定の第１例を示す図である。
【図１８】実施の形態で、異常予兆判定の第２例を示す図である。
【図１９】実施の形態で、異常予兆判定の第３例を示す図である。
【図２０】実施の形態で、長期間におけるＡＥ振幅およびＡＥイベントレートの推移例等を示す図である。
【図２１】実施の形態で、加工時と非加工時のＡＥ波の例を示す図である。
【図２２】実施の形態で、ＧＵＩ画面の例を示す図である。
【図２３】実施の形態で、工具の刃先の状態の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。実施の形態を説明するための全図面において同一部には原則として同一符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
【００１１】
［比較例］
実施の形態に対する比較例として、従来技術例の異常予兆判定方式は、ＡＥセンサ等のセンサからの信号の電圧や電流等のパラメータ値と、予め設定した閾値とを比較して、異常または異常予兆を判定する。例えば、ピーク振幅が閾値を超えた場合に異常と判定される。高負荷加工の場合には、大きな値の電圧や電流が得られるので、その値から判定が可能である。高負荷加工の例は、荒加工や中仕上げ加工が挙げられる。しかし、低負荷加工の場合には、得られる電圧や電流の値が小さいので、その値からの判定が難しく、高感度の検知は実現できない。低負荷加工の場合、例えば主軸の電流には加工状態が反映されにくいので、電流を用いた判定は困難である。低負荷加工の場合、異常発生前において信号変化が小さい場合が多い。また、高価な測定器を用いる場合、電流や電圧の値からも異常または異常予兆を検知できる場合があるが、高価な測定器は現場への導入が難しい。また、この場合でも、パラメータ値が増加して閾値を越える時点を異常として判定する方式が一般的であるため、実際には工具異常の発生直前の時にならないと検知ができない。このように検知が遅いと、殆どの事例では工具の折損等の異常に至ってしまう。すなわち、工具異常に至る前に異常予兆を検知して工具異常を防止することは難しい。
【００１２】
（実施の形態）
図１〜図２３を用いて、本発明の実施の形態の異常予兆検知システムおよび方法について説明する。実施の形態の異常予兆検知システムは、工作機械の工具等を対象として異常予兆を検知するシステムである。工作機械には、検知に必要な要素であるＡＥセンサ等が設置される。なお、工作機械内に異常予兆検知機能の一部が実装されてもよいし、実装されてなくてもよい。実施の形態の異常予兆検知方法は、実施の形態の異常予兆検知システムにおいて実行されるステップを有する方法である。
【００１３】
異常予兆検知システムは、工作機械によるワークの加工の際、ＡＥセンサを用いて、工具等の異常に係わる異常予兆検知のためのモニタリングを行う。ＡＥセンサは、低負荷加工の場合の微小な信号についても検知可能である。異常予兆検知システムは、低負荷加工の場合で、微小な信号しか得られない場合でも、ＡＥセンサの信号を用いて、所定の方式で判定することで、異常予兆を高精度に検知する。所定の方式は、ＡＥイベントレート（ＡＥ事象率）を用いて判定する方式である。異常予兆検知システムは、時系列上でＡＥイベントレートの状態から異常予兆を判定する。異常予兆検知システムは、ＡＥイベントレートの値が、所定の範囲内で連続的に出現する状態となった場合に、異常予兆と判定する。異常予兆検知システムは、異常予兆を検知した場合、アラーム出力や動作停止等の出力制御を行う。これにより、工具に折損等の異常が生じる前に、言い換えると異常の度合いが拡大する前に、動作停止等の対処が可能である。
【００１４】
［異常予兆検知システム］
図１は、実施の形態の異常予兆検知システムの構成を示す。異常予兆検知システムは、主に工作機械１で構成される。工作機械１は、筐体１１、制御装置１０、プリアンプ７０、信号処理回路７１、オシロスコープ７２等を含む。ユーザは、工作機械１を操作する。ユーザは、加工作業を行う作業者でもよいし、異常を監視する管理者等でもよい。
【００１５】
制御装置１０は、工作機械１の加工制御を含む主制御を行う装置であり、異常予兆検知機能が実装されている。なお、工作機械１とは別に接続される制御装置を設け、その制御装置に異常予兆検知機能を実装してもよい。工作機械１の制御装置１０以外の本体部分は、筐体１１、主軸ステージ３１、主軸３２、工具３、ＡＥセンサ２（ＡＥセンサユニット２０）、テーブル６、バイス５、送液管７等を備える。筐体１１には、主軸ステージ３１やテーブル６等の各部位が接続されている。主軸ステージ３１は、主軸３２の移動を駆動する。主軸３２は、工具３を保持するホルダーを含み、工具３の回転を駆動する。主軸３２内には、工具３と接続されている回転軸３３を含む。
【００１６】
テーブル６は、図示の直交する３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各軸の方向での移動および回転が可能な機構を有する。テーブル６にはバイス５が設けられている。バイス５はワーク４を固定する。ワーク４は、工具３による切削等の加工が行われる対象物、被加工材である。
【００１７】
送液管７は、工具３によってワーク４が切削等の加工が行われる箇所に対し、加工用の液体として切削液８を送る。なお、主軸３２に送液管７を備えてもよい。
【００１８】
ＡＥセンサ２は、加工の際に発生するＡＥ波を検出する。ＡＥセンサ２は、工作機械１のいずれかの箇所に設置されている。その箇所は、工具３等からのＡＥ波が伝播する箇所であり、特に限定せず、ＡＥ波がなるべく検出しやすい位置を選択すればよい。図１中の設置例９Ａでは、ＡＥセンサ２は、主軸３２に固定されるように設置されている。本例では、２個のＡＥセンサ２が主軸３２に固定されている。ＡＥセンサ２は、後述の図３の例のようなＡＥセンサユニット２０の形態で設置されてもよい。
【００１９】
図１中には、ＡＥセンサ２の他の設置例を併せて示している。設置例９Ｂは、ＡＥセンサ２をワーク５に設置する例である。設置例９Ｃは、ＡＥセンサ２をバイス５に設置する例である。設置例９Ｄは、ＡＥセンサ２をテーブル６に設置する例である。設置例９Ｅは、ＡＥセンサ２を、支持器具を介して中空の位置に設置する例である。この位置は、加工箇所や切削液８が供給される箇所の付近の位置である。設置例９Ｆは、ＡＥセンサ２をテーブル６内部に埋め込むようにして設置する例を示す。
【００２０】
プリアンプ７０、信号処理回路７１、およびオシロスコープ７２は、ＡＥ信号を取得するための要素であり、後述の図６の構成例と対応している。ＡＥセンサ２またはＡＥセンサユニット２０は、信号ケーブルを介してプリアンプ７０に接続されている。プリアンプ７０から信号ケーブルを介して信号処理回路７１に接続され、信号処理回路７１から信号ケーブルを介してオシロスコープ７２に接続されている。オシロスコープ７２から信号ケーブルを介して制御装置１０の接続インタフェース部１０３に接続されている。なお、信号処理回路７１から後段では、信号ケーブルを用いた有線通信に限らず、無線通信によるデータ伝送を行ってもよい。
【００２１】
工作機械１の各部は、制御装置１０と信号ケーブル等を介して接続されており、制御装置１０から駆動が制御される。制御装置１０は、ワーク４の加工の際に、テーブル６、主軸３２、工具３、および送液管７等の駆動を制御する。制御装置１０は、加工の際に、ＡＥセンサ２からのＡＥ信号を取得および入力し、工具３等の状態に関わる異常予兆検知を含む制御を行う。
【００２２】
制御装置１０は、プロセッサ１０１、メモリ１０２、接続インタフェース部１０３、入力装置１０４、表示装置１０５、スピーカ１０６、ランプ１０７等を備え、これらはバス等を介して相互に接続されている。プロセッサ１０１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、工作機械１のコントローラを構成する。プロセッサ１０１は、制御用のプログラム１１１に従った処理を実行することで、異常予兆検知機能を実現する。
【００２３】
メモリ１０２は、不揮発性記憶装置等で構成され、プロセッサ１０１が扱う各種のデータや情報が記憶される。メモリ１０２には、制御情報１２１、設定情報１２２等が格納されている。制御情報１２１は、ＮＣデータに対応し、ワーク４の加工をＮＣ制御するためのデータや情報である。設定情報１２２は、異常予兆検知機能に係わるシステム設定情報やユーザ設定情報を含む。
【００２４】
接続インタフェース部１０３は、入力装置１０４等や図示しない通信インタフェース装置等を接続するインタフェース部分である。入力装置１０４は、ユーザの入力操作を受け付ける操作パネルやボタンやキーボード等の装置である。表示装置１０５は、ユーザに対し表示画面でグラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）を通じて各種の情報を表示する装置である。スピーカ１０６は、ガイドやアラーム等の音声を出力する音声出力装置である。ランプ１０７は、ガイドやアラーム等に応じた発光を行うＬＥＤ等の装置である。制御装置１０は、工作機械１の本体に内蔵されてもよいし、外部接続されてもよい。制御装置１０は、ＰＣやサーバ等の計算機で構成されてもよい。制御装置１０に別の計算機やストレージ装置や通信装置等が接続される形態でもよい。
【００２５】
［テーブル、工具、および加工］
図２は、工作機械１のテーブル６、バイス５、ワーク４、工具３等の構成例と、ＡＥセンサ２の設置例９Ｂとを示す。設置例９Ｂは、ワーク４の側面にＡＥセンサ２としてＡＥセンサユニット２０を設置する例である。ＡＥセンサユニット２０からは信号ケーブル２２０が出ており、プリアンプ７０と接続されている。なお、ＡＥセンサ２からプリアンプ７０までの間は、ノイズを拾いやすいので、ケーブル長が短く低ノイズの信号ケーブル２２０を用いると好ましい。
【００２６】
ワーク４は例えばＳＵＳ３０４ステンレス鋼であり、直方体形状である。ワーク４の例えば上面が加工面ＷＳである。加工面ＷＳに対し工具３が接触して切削等の加工が行われる。工具３の例としてドリルである。加工の例として、工具３であるドリルの切削によって加工面ＷＳに小径の穴を形成する穴加工である。この穴加工は、特に、並列の複数の位置に複数の穴を連続的に形成する複数穴加工である。
【００２７】
ワーク４の側面はバイス５によって固定されている。テーブル６の３軸の移動および回転の駆動によって、ワーク４の位置や向き等の状態が変更できる。主軸３２の駆動によって工具３の位置や向き等の状態が変更できる。主軸３２から鉛直方向（Ｚ方向）の下側に工具３が出ている。工具３の先端は小径ドリルである。
【００２８】
加工例として、工具３であるドリルを用いたミーリングを扱う。工作機械１は、ミーリングによる穴加工の際、例えば、テーブル６をＸ，Ｙ方向で移動させることで、ワーク４の加工面ＷＳ上の所定の位置（すなわち穴形成対象位置）が工具３の先端の下側に来る状態にする。工作機械１は、工具３を回転させながらＺ方向で下側に移動させる。これにより、工作機械１は、加工面ＷＳに工具３を当てながら穴を掘る。穴の形成後、工作機械１は、工具３をＺ方向で上側に移動させる。工作機械１は、次の穴の加工のために、主軸ステージ３１またはワーク４を固定するテーブル６をＸ，Ｙ方向で移動させる。なお、横穴加工の場合には、主軸ステージ３１、主軸３２、および工具３は、図１、図２の位置から９０度回転させた位置にあり、工作機械１は、工具３およびワーク４をＸ，Ｙ，Ｚ方向で移動させる。
【００２９】
工具３は、例えばハイス鋼による小径ドリルである。工具３は、図示のように先端に螺旋状の溝および刃を有する。工具３は、寸法の例としては、先端側の径（刃径）が１ｍｍ、シャンク径が３ｍｍ、全長が６０ｍｍ、突出し（ホルダーから出る長さ）が３０ｍｍ、溝長が１２ｍｍである。
【００３０】
加工例として切削による穴加工の場合における加工条件は以下の通りである。穴径が１ｍｍ、穴深さが１ｍｍである。工具３の回転速度が例えば４８００ｒｐｍであり、回転周期（＝１回転時間）に換算すると１２．５ミリ秒である。送り量は０．０２ｍｍ／ｒｅｖである。１穴の加工時間における接触時間は０．６秒である。複数穴加工における穴数は数百個〜千数百個である。また、加工時に送液管７を用いて切削液８を供給する場合（いわゆる湿式）と供給しない場合（いわゆる乾式）とがあり、いずれも適用可能である。工具３は、材質がハイス鋼である場合、負荷がかかるとしなるため、折れにくい。一方、工具３は、超硬の材質である場合には、大きな負荷がかかると折損が起こりやすい。
【００３１】
［ワークおよびＡＥセンサ］
図３は、設置例９Ｂに対応して、ワーク４の一側面にＡＥセンサ２を含むＡＥセンサユニット２０を設置する場合の構成例を示す。なお、バイス５への設置例９Ｃの場合の設置箇所の概略についても併せて示している。ＡＥセンサユニット２０は、図３では、外側のカバーが図示されている。このカバーは、ワーク４の一側面に固定されている。このカバー内にＡＥセンサ２（後述の図４）が収容されている。このカバーの一部の穴から信号ケーブル２２０が出ている。このカバーは、防水性や防油性等を備える。なお、他の実施の形態では、防水性や防油性を備えるタイプのＡＥセンサ２を適用してもよい。その場合には、カバー等の機構を簡略化できる。ワーク４の側面におけるＡＥセンサ２の固定箇所には、後述の音響カプラ（図４、図５）が設けられている。この音響カプラは例えばグリースやワックスや接着剤である。
【００３２】
［ＡＥセンサ（１）］
図４は、ＡＥセンサ２の構成例として、設置面４０１に対する設置の状態における断面構造を示す。公知のＡＥセンサには各種のタイプがあり、いずれも適用可能であるが、実施の形態では、以下のタイプのＡＥセンサ２を適用した。このタイプは、広帯域型かつシングルエンド型である。広帯域型は、周波数特性としてフラットな帯域を含み、例えば１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの広帯域を持つ。このＡＥセンサ２は、圧電素子２１、受信板２２、ダンパー２３、シールドケース２５、蓋２６、コネクタ２７、信号ケーブル２８等を備える。このタイプは、圧電素子２１の上側にダンパー２３を設けることで、共振を抑えている。このＡＥセンサ２の感度は例えば４０〜５５ｄＢである。感度の基準は、０ｄＢ＝１Ｖ／ｍ／ｓである。受信板２２、特にそのうちの受波面は、設置面４０１に対し、グリース４０２等の音響カプラを介して固定される。固定は、接着やねじ止め等の各種の手段を適用できる。圧電素子２１からの信号ケーブル２８は、コネクタ２７に接続されており、コネクタ２７を通じて外部の信号ケーブル２２０と接続される。
【００３３】
設置面４０１は、図１の設置例９Ａでは主軸３２の面であり、図３の設置例９Ｂではワーク４の面である。設置面４０１からのＡＥ波は、音響カプラを介して受信板２２に伝播する。伝播経路に空気が介在しないように、部材間の境界面には、グリース４０２等の音響カプラを用いて密着させることが望ましい。圧電素子２１は、受信板２２に伝播するＡＥ波を、圧電効果によって電気信号（すなわちＡＥ信号）に変換し、信号ケーブル２８から出力する。圧電素子２１は、微小な歪を検出できるように、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミクスが使用されている。広帯域型のＡＥセンサ２は、周波数が異なる様々な特性の現象を観測することに適している。図４のようなＡＥセンサ２は、さらに、図３のようなカバー内に収容されることで、ＡＥセンサユニット２０として構成される。ＡＥセンサユニット２０のカバーは、設置面４０１に対する固定のための構造を持つ。
【００３４】
［ＡＥセンサ（２）］
図１の設置例９Ａで主軸３２に設置されているＡＥセンサ２や図３の設置例９Ｂでワーク４に設置されているＡＥセンサ２は、加工時に工具３およびワーク４から発生して伝播するＡＥ波を、ＡＥ信号として検出する。ＡＥ波は、工具３の回転に伴って工具３がワーク４から受ける力等の状態が反映されている。ＡＥ波は、例えば１００ｋＨｚから１ＭＨｚまでの周波数を含む。ＡＥセンサ２におけるＡＥ信号のサンプリング周波数としては、２ＭＨｚ以上の周波数、例えば４ＭＨｚを用いる。制御装置１０は、ＡＥセンサ２からのＡＥ信号を、プリアンプ７０、信号処理回路７１、およびオシロスコープ７２を通じて取得する。制御装置１０は、ＡＥ信号と共に、日時、ＩＤ、および制御情報１１１に基づいた各種の情報を取得する。ＩＤ（識別情報）は、工作機械１、工具３、ワーク４、およびＡＥセンサ２のＩＤ等がある。
【００３５】
なお、工作機械１には、ＡＥセンサ２のみならず、他の種類のセンサが併設されてもよい。他の種類のセンサの例は、電圧計、電流計、力センサ、加速度センサ、変位センサ、ジャイロセンサ、超音波センサ、歪ゲージ、レーザドップラー振動計、温度センサ、騒音計、カメラ、ＭＥＭＳセンサ等が挙げられる。騒音計は、環境音を計測する。ＡＥセンサ２は、テーブル６等の内部に埋め込まれるように設置されてもよい。ＡＥセンサ２は、なるべく環境音を検出しにくい位置に設置されると好ましい。工作機械１には、動作音等を吸音するための吸音材が設けられてもよい。
【００３６】
［ＡＥセンサ（３）］
図１の設置例９Ａでは、主軸３２に対し２個のＡＥセンサ２が設置されている。主軸３２にＡＥセンサ２を設置する場合、基本的には１個のＡＥセンサ２でも十分な効果が得られる。さらに、２個のＡＥセンサ２を設置する場合には以下のような効果が得られる。２個のＡＥセンサ２は、例えば周波数帯域の異なるものを用いる。例えばワーク４の材質（特に音速と密度）が変化する場合、ＡＥ波の周波数も変化する。そこで、周波数帯域が異なる複数のＡＥセンサ２を用いて検出することで、幅広い音響特性を持つ材質に対応することができる。
【００３７】
また、設置例９Ｄのように、テーブル６に設置する場合には、例えば同一の周波数帯域を持つ２個以上のＡＥセンサ２を設置する形態としてもよい。この場合、２個以上のＡＥ信号を用いて、ＡＥ発生源の位置を、ＡＥ波の到達時間差から算出することができる。その際のＡＥ波の音速とＡＥセンサ位置は、既知の情報である。１次元位置標定に必要なＡＥセンサ２の数は２個である。テーブル６の同一平面上に２個以上のＡＥセンサ２を設置することで、ＡＥ発生源の位置標定が可能である。すなわち、工具３等の異常が発生した位置を詳しく特定することが可能である。位置標定を行う場合、ＡＥセンサ２の設置場所は、テーブル６の側面よりも、設置例９Ｄのようにテーブル６の上面（または下面やテーブル６内部）等の同一平面が好ましい。３個以上の同一のＡＥセンサ２を用いる場合、２次元位置標定が可能である。
【００３８】
［ＡＥ波伝播経路］
図５は、各種の設置例におけるＡＥ波の伝播経路を示す。（Ａ）は、設置例９Ａに対応する伝播経路を示す。ＡＥ波が発生する音源は、ドリル等の工具３とワーク４とが接触する箇所である。加工に伴い発生するＡＥ波は、工具３から主軸３２に伝播する。ＡＥ波は、主軸３２からグリース等の音響カプラ５０１を通じてＡＥセンサ２に伝播する。（Ｂ）は、設置例９Ｂに対応する伝播経路を示す。加工に伴い発生するＡＥ波は、工具３からワーク４に伝播する。ＡＥ波は、ワーク４から音響カプラ５０１を通じてＡＥセンサ２に伝播する。（Ｃ）は、設置例９Ｃに対応する伝播経路を示す。加工に伴い発生するＡＥ波は、工具３からワーク４に伝播し、ワーク４からバイス５に伝播する。ＡＥ波は、バイス５から音響カプラ５０１を通じてＡＥセンサ２に伝播する。（Ｄ）は、設置例９Ｄに対応する伝播経路を示す。この伝播経路は、図示する２種類の経路を含む。加工に伴い発生するＡＥ波は、工具３からワーク４に伝播し、ワーク４からテーブル６に伝播し、テーブル６から音響カプラ５０１を通じてＡＥセンサ２に伝播する。また、加工に伴い発生するＡＥ波は、工具３からワーク４に伝播し、ワーク４からバイス５に伝播し、バイス４からテーブル６に伝播し、テーブル６から音響カプラ５０１を通じてＡＥセンサ２に伝播する。
【００３９】
（Ｅ）は、設置例９Ｅに対応する伝播経路を示す。この伝播経路は、図示する３種類の経路を含む。第１経路では、加工に伴い発生するＡＥ波は、工具３から切削液８を介してＡＥセンサ２に伝播する。切削液８は音響カプラの機能を果たす。第２径路では、ＡＥ波は、ワーク４から切削液８を介してＡＥセンサ２に伝播する。第３経路では、ＡＥ波は、工具３からワーク４に伝播し、ワーク４から切削液８を介してＡＥセンサ２に伝播する。液体である切削液８を介することで、ＡＥ波の伝播が可能である。なお、固体と固体の界面ではＡＥ波がよく透過する。固体と液体の界面では、ＡＥ波はやや反射が大きいが透過する。固体と気体の界面ではＡＥ波はほぼ全反射してしまう。そのため、伝播経路は、空気を介在しない方が好ましい。
【００４０】
［回路構成例］
図６は、ＡＥセンサ２からのＡＥ信号を検出して異常予兆検知等を行うための回路等の構成例を示す。ＡＥセンサ２からのＡＥ信号は、プリアンプ７０で増幅されてから、信号処理回路７１（説明上、第１信号処理回路と記載する場合がある）に入力される。信号処理回路７１は、ＡＥ信号の第１信号処理を行う部分である。信号処理回路７１は、制御装置１０内で接続インタフェース部１０３に接続されている回路としてもよいし、制御装置１０外に接続されている独立した装置等としてもよい。信号処理回路７１は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）８１、メインアンプ８２、包絡線検波回路８３、ＡＥイベント検出回路８４を有する。
【００４１】
ＢＰＦ８１は、所定の周波数帯域のＡＥ信号を通過させる。ＢＰＦ８１は、振動成分である不要な低周波数領域の信号を除去する。メインアンプ８２は、ＡＥ信号をさらに増幅する。なお、本例では、プリアンプ７０とメインアンプ８２との２段の増幅の構成としているが、１段の増幅の構成としてもよい。音源の信号レベルが高い機械加工の場合に、プリアンプ７０のみを使用し、メインアンプ８２のゲインを０ｄＢとしてもよい。あるいは、プリアンプ７０のみを使用し、メインアンプ８２を接続しない形態でもよい。包絡線検波回路８３は、ＡＥ信号から後述の包絡線検波を行う。ＡＥイベント検出回路８４は、ＡＥ信号から後述の方式でＡＥイベント（ＡＥ事象）を検出する。なお、ＢＰＦ８１がプリアンプ７０の前段に設けられていてもよい。また、ＢＰＦ８１がメインアンプ８２の後段に設けられてもよい。また、メインアンプ８２の後段にさらに全波整流回路等が設けられてもよい。
【００４２】
信号処理回路７１のＡＥイベント検出回路８４の後段には、オシロスコープ７２が接続されている。オシロスコープ７２は、波形測定器であり、ＡＤＣ（アナログデジタル変換回路）８５、表示器８６、記録部８７を備える。なお、オシロスコープ７２と信号処理回路７１とが一体の装置として構成されてもよい。ＡＤＣ８５は、アナログ信号であるＡＥ信号から所定の周波数でのサンプリングによってデジタル信号に変換する。表示器８６は、波形表示器であり、ＡＥ信号のＡＥ波の状態（振幅、ＡＥイベント等）を表示画面に表示する。記録部８７は、ＡＥ信号のデータをログとして記録し、出力可能とする。
【００４３】
オシロスコープ７２のＡＤＣ８５の後段には、制御装置１０内に設けられている信号処理回路（説明上、第２信号処理回路と記載する場合がある）が接続されている。この第２信号処理回路は、接続インタフェース部１０３に接続されている回路でもよいし、プロセッサ１０１によるソフトウェアプログラム処理で実現されてもよい。第２信号処理回路は、ＡＥイベントレート計算回路９１、異常予兆判定回路９２、出力制御回路９３、閾値設定回路９４、閾値設定回路９５等を含む。なお、制御装置１０は、既存の機能として、加工制御機能９０を含む。加工制御機能９０は、加工のための制御情報１２１を生成し、制御情報１２１に基づいて工具３やテーブル６等の駆動を制御する機能である。制御情報１２１には工具情報１２３も含まれている。
【００４４】
ＡＥイベントレート計算回路９１は、ＡＤＣ８５からのデジタル信号であるＡＥ信号を入力し、制御情報１２１のうちの工具情報１２３を取得する。工具情報１２３は、工具３の回転数または回転周期等の情報を含む。ＡＥイベントレート計算回路９１は、入力情報から、ＡＥイベントレートを指標値ＥＤとして計算する。ＡＥイベントレートは、単位時間あたりのＡＥイベント数である。
【００４５】
異常予兆判定回路９２は、ＡＥイベントレート計算回路９１からのＡＥイベントレート（指標値ＥＤ）の情報を入力し、閾値を用いて、工作機械１の状態に関わる異常予兆を判定し、判定結果情報を出力する。異常予兆判定回路９２は、時系列上に並ぶ複数の指標値ＥＤを閾値と比較して、異常予兆の有無等を判定する。閾値設定回路９４は、異常予兆判定回路９２に対し、異常予兆判定用の閾値を動的にまたは静的に設定する。設定値である閾値は、後述の連続回数Ｎや第１範囲Ｈ１等がある。
【００４６】
閾値設定回路９５は、ＡＥイベント検出回路８４に対し、ＡＥイベント検出用の閾値（例えば後述の２レベルの電圧閾値）を設定する。
【００４７】
出力制御回路９３は、異常予兆判定回路９２からの判定結果情報に応じて、所定の出力制御を行う。出力制御は、アラート出力９３Ａ、動作停止制御９３Ｂ、グラフ表示９３Ｃ、信号波形表示９３Ｄ等がある。アラート出力９３Ａは、ユーザに対し異常予兆を伝えるアラートであり、例えばスピーカ１０６からのアラート音声出力、ランプ１０７のアラート発光、表示装置１０５の表示画面へのアラート情報表示等である。アラート出力９３Ａは、後述の複数の段階（言い換えると異常の度合いに関する複数のレベル）のアラート出力とすることも可能である。動作停止制御９３Ｂは、即時に加工動作を停止させる制御である。グラフ表示９３Ｃは、表示装置１０５等の表示画面へのＡＥイベントレートのグラフや異常予兆判定結果等の表示である。信号波形表示９３Ｄは、表示装置１０５等の表示画面へのＡＥ波のグラフ等の表示である。ユーザは、上記のような各出力から、工作機械１の工具３等の損傷等の異常に至る前に異常予兆を認識でき、対処が可能となる。
【００４８】
図６の構成の変形例として、第１信号処理回路７１の包絡線検波回路８３およびＡＥイベント検出回路８４を、制御装置１０の第２信号処理回路内に設けた構成としてもよい。回路部の追加や削除、回路部の分離や併合等、各種の変形が可能である。
【００４９】
［ＡＥ測定条件］
実施の形態におけるＡＥ測定条件については以下の通りである。アンプゲインは、プリアンプ７０の利得を２０ｄＢ、メインアンプ８２の利得を０ｄＢとした。ＢＰＦ８１は、振動成分のノイズ除去の目的でハイパスフィルタ処理を行い、サンプリング周波数を４ＭＨｚで測定した。ＢＰＦ８１のうちＨＰＦ（ハイパスフィルタ）のカットオフ周波数は、一般的な超音波領域である２０ｋＨｚ以上の信号を計測するために、２０ｋＨｚとした。ＢＰＦ８１のうちＬＰＦ（ローパスフィルタ）は、ＴＨＲＵ（Ｔｈｒｏｕｇｈ；フィルタリング無し）とした。なお、金属材料の塑性に対するＡＥ周波数帯域は一般的に１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚであることから、金属材料の塑性変形に伴うＡＥ信号を特化して検出するために、ＨＰＦのカットオフ周波数を１００ｋＨｚ程度に設定してもよい。
【００５０】
［処理フロー］
図７は、実施の形態の異常予兆検知システムおよび方法における異常予兆検知機能の処理フローを示す。図７は、ステップＳ１〜Ｓ８を有し、以下、ステップの順に説明する。ステップＳ１は、工作機械１およびワーク４の設定、および加工開始である。設定は、予め、図１等のように工作機械１の所定の箇所にＡＥセンサ２を設置することを含む。設定は、閾値設定回路９４や閾値設定回路９５による初期設定値の設定を含む。ユーザは、工作機械１に加工開始指示を入力する。制御装置１０は、制御情報１２１を生成し、加工制御および異常予兆検知制御を開始する。
【００５１】
ステップＳ２で、制御装置１０は、信号処理回路７１等を通じて、ＡＥセンサ２からＡＥ信号および関連情報を取得および入力する。ステップＳ３で、図６の信号処理回路７１のＡＥイベント検出回路８４は、ＡＥ信号からＡＥイベントを検出する（後述の図１０または図１１）。ステップＳ４で、図６のＡＥイベントレート計算回路９１は、ＡＥ信号（ＡＥイベント情報を含む）から、ＡＥイベントレートを指標値ＥＤとして計算する。
【００５２】
ステップＳ５で、制御装置１０の閾値設定回路９４は、異常予兆判定回路９２に、閾値として例えば動的閾値を設定する。この閾値は、連続回数Ｎおよび第１範囲Ｈ１等である。閾値設定回路９４は、ＡＥイベントレート計算回路９１からの情報を用いて動的閾値を決定する。
【００５３】
ステップＳ６で、異常予兆判定回路９２は、ステップＳ４で得たＡＥイベントレートの指標値ＥＤを時系列に並べ、時点毎に、ステップＳ５で設定された閾値を用いて、異常予兆判定を行う。異常予兆判定は、時系列上で、複数の指標値ＥＤが、第１範囲Ｈ１内で、かつ連続回数Ｎ以上で連続した状態（第１状態とする）になったかどうかの判定である。ステップＳ６の判定結果が、異常予兆有り（ＹＥＳ）の場合にはステップＳ７へ進み、異常予兆無し（ＮＯ）の場合にはステップＳ８へ進む。
【００５４】
ステップＳ７で、出力制御回路９３は、ステップＳ６の異常予兆判定結果（第１状態）に応じた出力制御（前述のアラーム出力９３Ａや動作停止制御９３Ｂ）を行う。
【００５５】
ステップＳ８で、制御装置１０は、加工終了かどうか、例えば複数穴加工がすべて終了したかどうかを確認し、未終了の場合にはステップＳ２へ戻って同様に繰り返し、終了の場合には本処理フローを終了する。
【００５６】
［工具回転数および加工時間］
制御装置１０は、制御情報１２１のうちの工具情報１２３から、工具３の回転数等の情報を参照し、工具３の回転周期（＝１回転時間）を把握する。工具３の回転数は、例えば分あたりの回転数（［ｒｐｍ］）である。回転数は、例えば４８００ｒｐｍ（周波数では８０Ｈｚ）である。回転数（または回転速度等）から、回転周期が算出できる。例えば、４８００ｒｐｍから、回転周期は１２．５ミリ秒である。ＡＥイベントレート計算回路９１は、工具３の回転周期を単位時間ＴＵ（後述の図１２）として設定し、単位時間ＴＵ毎にＡＥイベント数をカウントしてＡＥイベントレートとする。
【００５７】
実施の形態における加工例では、複数穴加工における長い時間を対象として、異常予兆検知を行う。１穴の加工時間は例えば１秒である。例えば千個の穴を加工する場合、加工時間は、少なくとも千秒を要する。
【００５８】
［ＡＥ波および異常］
ＡＥは、材料が変形や破壊する際に内部に蓄積されていた弾性エネルギーが音波（ＡＥ波と呼ばれる）として放出される現象である。ＡＥ波は超音波である。ＡＥ波は、材料が破壊に至る前の変形等の発生に伴って発生する。ＡＥ波を用いて材料の変形等を非破壊的に評価する手法は、ＡＥ法と呼ばれる。ＡＥ法では、ＡＥセンサを用いる。ＡＥセンサは、材料の微視的な破壊を起点として放出される弾性波を検出する。ＡＥ信号は微弱であるため、アンプが用いられる。ＡＥ法は、ＡＥ波の挙動をリアルタイムで観測することで、破壊等の異常の予兆を検知することができる。
【００５９】
図８は、ＡＥ波の例として突発型ＡＥ波について示す。（Ａ）は、突発型ＡＥ波の集合を示す。（Ａ）の一部分を時間的拡大したものを（Ｂ）に示す。（Ｂ）は、複数の突発型ＡＥ波を示す。（Ｂ）の一部分を時間的拡大したものを（Ｃ）に示す。（Ｃ）は、２個の突発型ＡＥ波を示す。１個の突発型ＡＥ波は、１個のＡＥイベントに対応する。工具３やワーク４に異常が発生する前の段階では、このような突発型ＡＥ波が発生する場合がある。このような突発型ＡＥ波は、後述するが、例えば切削により生じた切り屑が穴の外へ排出しきれずに、穴とドリルとの間に残り、あるいは工具３の先端に切り屑が付着し、その切り屑の影響によって発生すると考えられる。
【００６０】
異常の状態とは、規定された正常の状態とは異なる状態である。異常の例としては、工具３、ワーク４または主軸３２等における損傷や破壊が挙げられる。小径ドリルのような工具３の場合、異常として折損が生じる場合がある。他の異常は、クラック、刃先の欠け等が挙げられる。異常予兆検知の対象となる異常とは、このような工具３の損傷や折損等を含む総称である。工具３の折損の場合、ワーク４への損傷も大きく、それまでの加工が無駄になる。また、折損の場合、工作機械１への負荷が大きく、機械故障の原因になる。特に、低負荷加工である仕上げ加工の場合、最終工程である場合が多く、この後の工程では修復が困難となる。ユーザは、工具３の折損をなるべく防止したい。
【００６１】
実施の形態の異常予兆検知システムは、このような突発型ＡＥ波をＡＥイベントとして検出し、複数のＡＥイベントからＡＥイベントレートを計算し、ＡＥイベントレートの状態から異常予兆を判定する。特に、異常予兆検知システムは、ＡＥイベントレートの指標値ＥＤが、ある程度の範囲内で連続して生じる現象を、異常予兆として検知する。これにより、工具３の折損に至る前に、対処が可能である。
【００６２】
図９は、突発型ＡＥ波のバリエーションを示す。（Ａ）は、単純な減衰を持つ１個の突発型ＡＥ波を示す。ＡＥイベント検出回路８４は、このような突発型ＡＥ波を１ＡＥイベントとしてカウントする。（Ｂ）は、立ち上がりに複数のピークを持つように見える複雑な形状の突発型ＡＥ波を示す。ＡＥイベント検出回路８４は、このような突発型ＡＥ波についても１ＡＥイベントとしてカウントする。（Ｃ）は、減衰に複数のピークを持つように見える複雑な形状の突発型ＡＥ波を示す。ＡＥイベント検出回路８４は、このような突発型ＡＥ波についても１ＡＥイベントとしてカウントする。
【００６３】
上記例のように、様々な形状のＡＥ波があり得る。従来技術例での判定方式は、このような様々な形状のＡＥ波について高精度に異常予兆を検知することは難しい。一方、実施の形態の異常予兆検知システムは、ＡＥイベントレートの現象を判断する判定方式であるため、このような様々な形状のＡＥ波についても高精度に異常予兆の検知が可能である。
【００６４】
［ＡＥイベント検出］
図１０および図１１は、ＡＥイベント検出方式の例を示す。ＡＥイベント検出回路８４は、図１０または図１１の方式を用いてＡＥイベントを検出する。いずれの方式を用いるかについては予め設定可能である。ＡＥイベント検出方式は、本例に限らず、他の方式を適用してもよい。
【００６５】
図１０は、閾値として１レベルの電圧閾値Ｖ１を用いてＡＥイベントを判定し検出する方式を示す。図１０中のＡＥ信号のＡＥ波は、縦軸が電圧値である。（ａ）は、ＡＥ波の電圧値のピーク振幅を示す。ＡＥイベント検出回路８４は、ＡＥ波の振幅と電圧閾値Ｖ１とを比較し、振幅が電圧閾値Ｖ１以上となる時点を、（ｃ）のようにＡＥカウントとして計測する。（ｂ）は、（ｃ）のＡＥカウントに対応付けられた、ＡＥイベントの持続時間である。時点ｔ１はＡＥイベントの開始時点、時点ｔ２はＡＥイベントの終了時点である。（ｄ）は、ＡＥイベントの立ち上がり時間を示し、時点ｔ１から（ａ）のピーク振幅の時点となるまでの時間である。ＡＥイベント検出回路８４は、（ｃ）のＡＥカウントに基づいて、（ｂ）のような持続時間を、１ＡＥイベントとしてカウントして検出する。
【００６６】
図１１は、高低の２レベルの電圧閾値｛電圧閾値ＶＨ，ＶＬ｝を用いてＡＥイベントを判定し検出する方式を示す。（Ａ）は、アナログ信号であるＡＥ信号のＡＥ波を示す。縦軸は電圧の振幅を示す。（Ｂ）は、（Ａ）のＡＥ信号から図６の包絡線検波回路８３による全波整流および包絡線検波を行った後の波形（エンベロープ波形）を示す。ＡＥイベント検出回路８４は、この波形について、２レベルの電圧閾値ＶＨ，ＶＬと比較してＡＥイベントを判定し検出する。包絡線とは、電圧のピーク振幅の点を結んだ線である。なお、（Ｂ）の波形は、（Ａ）の波形から全波整流を行った後を示す。全波整流は、負電圧部分を正電圧に変換する整流である。
【００６７】
ＡＥイベント検出回路８４は、（Ｂ）の波形の電圧値が、高側の電圧閾値ＶＨを超えてから低側の電圧閾値ＶＬ以下になるまでの期間を、１ＡＥイベントとして検出する。（Ｃ）は、（Ｂ）の波形に基づいた、ＡＥイベントカウントパルス、言い換えるとＡＥイベント検出信号を示し、１ＡＥイベントとして検出した部分がパルスのオン状態となっている。
【００６８】
［ＡＥイベントレート計算］
図１２は、ＡＥイベントレートの計算について示す。図１２は、横軸を時間としてＡＥ信号の例を示す。ＡＥイベントレート計算回路９１は、ＡＥ信号の時系列上において、単位時間ＴＵ毎に、ＡＥイベント数をカウントし、単位時間あたりのＡＥイベント数であるＡＥイベントレートを指標値ＥＤとする。図１２は、単位時間ＴＵ毎にＡＥイベント数を記載している。
【００６９】
（Ａ）のＡＥ信号の例は、ある１穴の加工の際の一部分を示す。（Ｂ）のＡＥ信号の例は、同じ工具３を用いた、他の１穴の加工の際の一部分を示す。（Ａ）の例では、突発型ＡＥ波が散発的に発生している。単位時間ＴＵ１〜ＴＵ８において、ＡＥイベントレートである指標値ＥＤは、順に｛１，１，１，１，０，０，１，１｝となっている。
【００７０】
（Ｂ）の時には、（Ａ）の時よりも、工具３が多数の穴の加工を経験済みであり、劣化が進んでいる。そのため、（Ｂ）の例では、複数の突発側ＡＥ波が連続的に発生している。単位時間ＴＵ１〜ＴＵ８において、ＡＥイベントレートである指標値ＥＤは、順に｛７，５，６，５，５，５，６，５｝となっている。
【００７１】
なお、ＡＥイベントレート計算回路９１は、単位時間ＴＵの区間に跨って配置されているＡＥ波については、適切にいずれかの単位時間ＴＵでカウントする。
【００７２】
［工具等の状態の変化に応じたＡＥ波］
図１３は、工具３等の状態の変化に応じたＡＥ波の推移の例を示す。（Ａ）は、工具３が正常な状態の場合のＡＥ波を示し、閾値を超えるような突発型ＡＥ波（対応するＡＥイベント）は検出されていない。（Ｂ）は、正常範囲内の場合であり、いくつかの突発型ＡＥ波が散発的に出現している。（Ｃ）は、異常予兆の場合に相当し、複数の突発型ＡＥ波が連続的に出現している。言い換えると、複数の突発型ＡＥ波が連続型ＡＥ波として観測される。すなわち、この状態では、複数のＡＥイベントが連続して出現している。このような連続型ＡＥ波から、ＡＥイベントレートが計算できる。このＡＥイベントレートが所定の範囲内で連続する状態である場合、異常予兆と判定される。（Ｄ）は、工具異常発生直前の異常の場合に相当する連続型ＡＥ波を示す。（Ｅ）は、工具異常発生時の異常の場合を示す。実施の形態の異常予兆検知システムは、（Ｃ）のような時点で異常予兆を検知する。
【００７３】
［ＡＥイベントレートの推移］
図１４は、ＡＥ信号の振幅および対応するＡＥイベントレートの時系列上の推移の例を示す。図１４は、ある１穴を加工する時間（加工時間ＴＰとする）における推移を示し、（Ａ）はＡＥ信号の振幅、（Ｂ）はＡＥイベントレートである指標値ＥＤを示す。図１４の例は、正常範囲内または初期の異常予兆に相当する場合を示す。（Ａ）で、振幅の単位は［ｍＶ］である。加工時間ＴＰは例えば１秒である。（Ｂ）で、１個の点は、単位時間ＴＵを工具の１回転時間とした場合のＡＥイベントレートを示す。最初の正常の期間では、指標値ＥＤが０である。正常の場合、指標値ＥＤとして０が連続し、０以外の値が出現するとしても連続的には出現せずに０に戻る。その後、例えば期間１４１では、指標値ＥＤとして１や２が出現している。指標値ＥＤとして０以外の値が連続して出現する場合、異常の可能性がある。
【００７４】
図１５は、別の加工時間ＴＰの例で、異常予兆に相当する場合を同様に示す。図１５の例では、図１４の場合よりも、指標値ＥＤが大きい。例えば、期間１５１では、指標値ＥＤ＝２，３，４が出現している。
【００７５】
図１６は、別の加工時間ＴＰの例で、異常予兆に相当する場合を同様に示す。図１６の例では、工具３の損傷等の異常が発生する直前の場合を示す。図１６の例では、図１５の場合よりも、指標値ＥＤが大きい。例えば、期間１６１では、指標値ＥＤ＝５，６，７が出現している。時点１６２では、工具３の損傷等の異常が発生している。時点１６２以降の期間では、指標値ＥＤがそれまでよりも小さい値に低下している。
【００７６】
図１４、図１５、図１６の例のように、時系列上で複数のＡＥイベントレートが、ある程度の範囲内で連続し飽和するような現象が観測でき、この現象を異常予兆と対応付けることができる。この現象において、複数のＡＥイベントレートは、ある程度の範囲内である程度のばらつきで分布している。
【００７７】
［異常予兆判定例（１）］
図１７は、ＡＥイベントレートを用いた異常予兆判定の例を示す。図１７は、図１４の期間１４１に対応する一部分の拡大を示す。閾値設定例として、連続回数Ｎおよび第１範囲Ｈ１の設定例を示す。例えば、連続回数Ｎが５である。第１範囲Ｈ１は、０以上の整数を持つ。第１範囲Ｈ１は、基準値Ｄ０＝１、ばらつき範囲を±１とする。基準値Ｄ０は、第１範囲Ｈ１の基準である。ばらつき範囲は、指標値ＥＤに許容されるばらつきを示す。ただし、本例では、第１範囲Ｈ１は、０を含めずに１以上の整数とする条件を持たせる。すなわち、第１範囲Ｈ１は、上限値ＤＨが２、下限値ＤＬが１である範囲｛１，２｝として設定されている。
【００７８】
制御装置１０の異常予兆判定回路９２は、時系列上で複数の指標値ＥＤが、第１範囲Ｈ１内の値で、連続回数Ｎ以上で連続した状態である第１状態となった場合に、異常予兆と判定する。図示の例では、期間１７１や期間１７２は、指標値ＥＤとして１または２が５回連続しているので、異常予兆として検知される。
【００７９】
上記判定に関する変形例として以下のようにしてもよい。第１範囲Ｈ１における指標値ＥＤとして０を許容する条件（言い換えると、第１範囲Ｈ１内で複数回連続する値において、一部の値は１以上となり、一部の値には０を含んでもよいという条件）とする。例えば、第１範囲Ｈ１は、基準値Ｄ０＝１、ばらつき範囲を±１、０を許容する条件では、上限値ＤＨが２、下限値ＤＬが０である範囲｛０，１，２｝として設定される。この場合、例えば期間１７３では、第１範囲Ｈ１内の値が５回連続するので、異常予兆として検知できる。
【００８０】
図１８は、別のＡＥ信号での別の判定例を示す。図１８は、図１５の期間１５１に対応する一部分の拡大を示す。閾値設定例として、連続回数Ｎが１０として設定されている。第１範囲Ｈ１は、基準値Ｄ０＝２とし、ばらつき範囲を±２とし、１以上の整数とする。すなわち、第１範囲Ｈ１は、上限値ＤＨ＝４、下限値ＤＬ＝１で、範囲｛１，２，３，４｝として設定されている。この設定で、異常予兆検知回路９２は、同様に異常予兆判定を行う。例えば、期間１８１は、第１範囲Ｈ１内の値が連続で１０回出現しているため、異常予兆として検知される。
【００８１】
上記基準値Ｄ０＝２は、例えば動的に設定される。例えば、最初、基準値Ｄ０＝１として設定されているとする。次に、指標値ＥＤ＝２がある程度出現した場合、それに応じて、基準値Ｄ０＝２として更新される。その後も、ある程度多く出現する指標値ＥＤの値に合わせて基準値Ｄ０が更新される。
【００８２】
異常予兆検知システムは、上記判定を用いることで、工具３等の異常に至る前に、異常予兆を検知し、動作停止等の対処が可能である。
【００８３】
図１９は、別のＡＥ信号での別の判定例を示す。図１９は、図１６の期間１６１に対応する一部分の拡大を示す。閾値設定例として、連続回数Ｎが５として設定されている。第１範囲Ｈ１は、基準値Ｄ０＝６とし、ばらつき範囲を±１とし、１以上の整数とする。すなわち、第１範囲Ｈ１は、上限値ＤＨ＝７、下限値ＤＬ＝５で、範囲｛５，６，７｝として設定されている。上記基準値Ｄ０＝６は、動的に設定されている。この設定で、異常予兆検知回路９２は、同様に異常予兆判定を行う。例えば、期間１９１は、第１範囲Ｈ１内の値が連続で５回出現しているため、異常予兆として検知される。
【００８４】
他の閾値設定例として、連続回数Ｎについて、第１範囲Ｈ１内で同じ値で連続する必要があるという条件を追加してもよい。例えば、同じ値で連続回数Ｎ＝５以上とする。この設定の場合、例えば期間１９２では、指標値ＥＤ＝６が５回連続するので、異常予兆として検知される。ばらつき範囲を設けない設定の場合でも、同様の判定が可能である。
【００８５】
［異常予兆判定例（２）］
図２０は、長時間におけるＡＥ波の振幅およびＡＥイベントレートの推移例、および２段階の異常予兆判定の例を示す。（Ａ）は、ＡＥ信号の振幅の推移を示す。（Ｂ）は、（Ａ）と時系列で対応した、ＡＥイベントレートの推移を示す。なお、時間軸が長いため、（Ｂ）の複数の単位時間ＴＵのＡＥイベントレートを時間的に圧縮して図示している。例えば、時点２０１では、工具異常として損傷または折損が発生している。（Ａ）のような振幅を用いて異常予兆を判定する従来技術例の場合、時点２０１の工具異常の直前の期間２０２になれば振幅が大きくなるため検出が可能である。しかし、その時点で異常予兆が検出できたとしても、対処できず、破壊の度合いが大きく、手遅れである。従来技術例では、期間２０２よりも前の期間では、振幅が小さいので、異常予兆が検出できない。
【００８６】
一方、（Ｂ）のように実施の形態の異常予兆検知システムにおけるＡＥイベントレートを用いた判定の場合、工具異常の時点２０１よりもずっと前に異常予兆を検知できる。例えば、第１の閾値設定で判定を行うことで、期間２０３内のいずれかの時点で、第１段階の異常予兆検知ができ、対応して第１段階の出力制御が実現できる。第１の閾値設定は、例えば、連続回数Ｎ＝１０で、第１範囲Ｈ１が｛１，２，３｝である。第１段階の出力制御は、例えば第１アラーム出力である。第１アラームは、工具３の寿命が近いことを伝えるアラームである。
【００８７】
また、例えば、第２の閾値設定で第２段階の判定を行うことで、期間２０４内のいずれかの時点で、第２段階の異常予兆検知ができ、対応して第２段階の出力制御が実現できる。第２の閾値設定は、例えば、連続回数Ｎ＝１０で、第１範囲Ｈ１が｛１，２，３，４，５｝である。第２段階の出力制御は、例えば第２アラーム出力や動作停止制御である。第２アラームは、第１アラームよりも異常の度合いが大きいことを表すアラームである。同様に、３段階以上の判定を行うこともできる。工具異常の時点２０１に対し、期間２０４は、例えば数秒から数十秒前の時間とすることができ、時間的に余裕がある。期間２０３は、さらに前の時間とすることができる。
【００８８】
［加工時と非加工時のＡＥ波形］
図２１は、時系列上で加工時および非加工時のＡＥ波形の例を示す。加工時間ＴＰは、１穴の加工時間であり、非加工時間ＴＮは、加工時間ＴＰ間にある非加工状態の時間である。非加工時間ＴＮでは、工具３がワーク４に接触していないので、突発型ＡＥ波等が生じない。制御装置１０は、このようなＡＥ信号の波形から、加工時間ＴＰと非加工時間ＴＮとを把握することができ、加工制御に利用できる。制御装置１０は、その把握に基づいて、例えば、加工時間ＴＰの時に限定して異常予兆判定を実行するようにしてもよい。
【００８９】
［単位時間の設定］
ＡＥイベントレートにおける単位時間ＴＵを工具３の１回転時間（対応する回転周期）として設定する理由等について補足する。制御装置１０は、前述の図１２等のように、単位時間ＴＵを１回転時間とし、時系列上でこの単位時間ＴＵ毎にＡＥイベントレートを計算する。これにより、異常予兆検知に好適な現象として、前述の図１４〜図１９の例のような、ＡＥイベントレートの連続や飽和の現象が現れる。
【００９０】
加工時のＡＥ波に図８等に示した突発型ＡＥ波（対応するＡＥイベント）が現れる理由の１つとしては、加工に伴い工具３に切り屑が付着し、工具３とワーク４の穴との間でその切り屑を噛み込みながら加工が行われる場合が挙げられる。工具３の先端の溝および刃には、切り屑の詰まり等が生じる。このような場合に、工具３等に対する破壊現象が起こる。この破壊現象に基づいて突発型ＡＥ波（対応するＡＥイベント）が発生すると考えられる。上記考察に基づいて、切り屑の付着や離脱を、工具３の１回転時間あたりのＡＥイベントの出現密度の推移から推測することができる。また、工具３に付着できる切り屑には上限があると考えられる。そのため、切り屑の付着によって１回転時間に生じる破壊現象の頻度（対応するＡＥイベントレート）には上限があると考えられる。このことから、図２０等のようなＡＥイベントレートに関する連続および飽和の現象が現れると考えられる。
【００９１】
図２３は、突発型ＡＥ波が発生する場合に対応する工具の状態の例を示す。突発型ＡＥ波が発生する場合として、切削により生じた切り屑が、工具であるドリルの刃先に凝着し、溝部に切り屑が堆積する場合が考えられる。図２３の状態は、実施の形態のシステムで、ある閾値設定において異常予兆を検知して動作停止を実行した時に観察されたドリルの刃先の状態である。この状態は、刃先に切り屑が張り付いたような異常な状態である。この状態で加工を続けさせたところ、突発型ＡＥ波の発生が確認できた。このような状態では、切り屑が詰まりやすく、加工を続けると工具の折損や欠損に至りやすい。
【００９２】
単位時間ＴＵの設定の仕方によっては、上記のようなＡＥイベントレートの連続や飽和の現象が現れるとは限らず、その場合には好適な異常予兆検知はできない。すなわち、単位時間ＴＵは、好適な時間を選択し設定する必要がある。例えば、単位時間ＴＵを、工具３の１回転時間よりも十分に小さく設定した場合、ＡＥイベントレートの値が連続しない。また、単位時間ＴＵを工具３の１回転時間よりも十分に大きく設定した場合（例えば１秒）、上記現象が現れず、急激に増加する現象となる。この場合、従来技術例の判定方式と類似となってしまい、好適な検知はできない。
【００９３】
また、時間を単位時間ＴＵで区切る際に、適切な単位時間ＴＵを設定しない場合、図２１のような加工時間ＴＰと非加工時間ＴＮ（特に工具３がワーク４に接触していない時間）とを区別せずに時間を区切ることになる。そのため、例えば単位時間ＴＵが長すぎる場合には、区切られた時間内における加工時間ＴＰの割合が短くなり、異常予兆検知の精度が劣化する。
【００９４】
［閾値設定］
ＡＥイベント検出用の閾値や、異常予兆判定用の閾値については、静的設定値、動的設定値のいずれとしてもよい。連続回数Ｎや第１範囲Ｈ１は、工具３の種類、材質、寸法、回転数や、ワーク４の種類、材質、寸法や、加工の種類や負荷、等に応じて設定されてもよい。一例として、連続回数Ｎは、３回、５回、１０回、１５回等に設定できるが、これに限らずに可能である。
【００９５】
ＡＥイベントレートを用いた異常予兆判定に関する閾値を動的に設定する場合の方式については以下が挙げられる。制御装置１０は、入力のＡＥ信号から過去のデータ（例えばいくつかの単位時間ＴＵ）を測定し、その測定データから、一旦、閾値を決定して設定する。例えば、閾値設定回路９４は、第１範囲Ｈ１および連続回数Ｎを決定して設定する。異常予兆判定回路９２は、その閾値を用いて、最新の指標値ＥＤと比較し、異常予兆を判定する。制御装置１０は、ある程度の時間が経過すると、同様に、過去のデータから、閾値を更新する。
【００９６】
他の方式については以下が挙げられる。制御装置１０の閾値設定回路９４は、ＡＥ信号から、出現する指標値ＥＤの値毎に、出現の回数をカウントする。図１８の例では、最初、指標値ＥＤ＝２が初めて出現し、３回連続している。閾値設定回路９４は、指標値ＥＤ＝２について連続回数をカウントする。閾値設定回路９４は、指標値ＥＤ＝２がある程度の回数で出現した場合、第１範囲Ｈ１の基準値Ｄ０を２に更新する。その後、指標値ＥＤ＝３が初めて出現し、３回連続している。同様に、閾値設定回路９４は、指標値ＥＤ＝３について連続回数をカウントし、指標値ＥＤ＝３がある程度の回数で出現した場合、基準値Ｄ０を３に更新する。閾値設定回路９４は、例えば、最も出現数が多い指標値ＥＤの値を、基準値Ｄ０として設定してもよい。このようにして、第１範囲Ｈ１を動的に変更できる。また、閾値設定回路９４は、上記指標値ＥＤの各値の出現のばらつき範囲に応じて、第１範囲Ｈ１を動的に設定してもよい。
【００９７】
実施の形態の異常予兆検知システムは、動的閾値設定での判定方式とする場合には、特定の閾値設定に依存せずに異常予兆検知が可能である。この判定方式の場合には、例えば未知の材料のワーク４等の加工条件に関しても好適に検知が可能である。
【００９８】
［ＧＵＩ画面］
制御装置１０は、表示装置１０またはオシロスコープ７２等の表示画面に、ＧＵＩを通じて、ＡＥ信号のＡＥ波、ＡＥイベント、ＡＥイベントレート、および判定用の閾値等の情報を表示し、ユーザによる確認や設定を可能とする。画面には、例えば、図１２、図１４〜図１６、図１７〜図１９、図２０のようなグラフを含む情報が表示できる。
【００９９】
図２２は、ＧＵＩ画面の例を示す。この画面例では、ユーザの操作に基づいて、異常予兆判定用の閾値として連続回数Ｎや第１範囲Ｈ１を確認および設定できる。工具３毎に異なる設定等も可能である。変形例として、ユーザが単位時間ＴＵを設定できるようにしてもよい。
【０１００】
［効果等］
上記のように、実施の形態の異常予兆検知システムによれば、工作機械１における工具３等の異常予兆を高感度に検知できる。実施の形態によれば、様々な加工条件に対応できる汎用性が高い異常予兆検知が実現できる。実施の形態におけるＡＥイベントレートを用いて異常予兆を判定する方式によれば、従来技術例におけるＡＥ波の電圧や電流、持続時間、切削力、または加速度等を用いて判定する方式と比べて、微小な信号の場合でも、高精度に異常予兆の検知が可能である。実施の形態によれば、工具３の折損や欠損に至る前に検知して対処が可能である。加工作業を行う作業者が熟練者ではない場合でも、その作業者は、異常予兆検知の結果を確認し、折損や欠損を防止しながら、効率的に作業を行うことができる。実施の形態によれば、工具３の個体毎に寿命直前まで使用可能になるため、加工の効率向上やコスト低減が実現できる。実施の形態によれば、工具３が折損に至る前に、異常の度合いが小さい段階でも検知可能である。そのため、工具３の折損部分がワーク４に埋まってしまい修復不可能になるようなことも防止でき、軽い損傷の段階でワーク４の修復ができる可能性が高くなる。
【０１０１】
従来技術例では、振幅を用いた判定に関する閾値の設定の際に、工具やワーク等における材質、形状、およびセンサ位置等に応じて異なる適切な閾値を設定する必要があるが、適切な閾値の設定が難しい。一方、実施の形態によれば、判定用の閾値の設定が容易であり、未知の材質等の加工条件に関しても適用可能である。
【０１０２】
また、従来では、例えば未知の材質のワーク等を用いた加工の場合、最適ではない加工条件で試しに加工を行う。実施の形態によれば、その場合にも、異常予兆検知機能を用いて対処ができる。すなわち、実施の形態によれば、最初の最適ではない加工条件で加工を開始し、早い段階で異常予兆を検知し、アラートと共に加工動作を停止でき、その後、ユーザが加工条件をより適切な加工条件に修正して加工を行うことができる。
【０１０３】
実施の形態における異常予兆検知機能および方式は、前述の工具３や加工条件の例に限らず、各種の工作機械１、工具３、ワーク４、および加工条件に関して同様に適用可能である。加工として、リーマ加工、研削加工、旋削加工、フライス加工等にも適用可能である。工具３として旋削用インサート等にも適用可能である。工具３の他の例として、ハイス鋼のドリルで、径が０．５ｍｍから６．０ｍｍまでの範囲内の各値のドリルを用いて加工を行った。また、乾式および湿式の各方式で加工を行った。これらの場合に、同様のＡＥイベントレートの連続や飽和の現象に基づいて異常予兆の検知が可能であることを確認できた。
【０１０４】
なお、実施の形態の異常予兆検知システムは、ある工具３やワーク４等の条件で加工を行った場合にＡＥイベントレート等を観測し記録した結果から、その条件における異常の特性をある程度把握することができる。例えば、ＡＥイベントの出現が周期的ではないこと、１以上のある範囲でのＡＥイベントレートが連続的に生じることがわかる。また、ＡＥイベントレートが急上昇しないこと、ＡＥイベントレートには上限（言い換えると飽和）がみられること、等がわかる。異常予兆検知システムは、このような特性の把握に基づいて、同様の条件の加工に関して、異常予兆判定用の閾値等を設定または更新してもよい。応用として、実施の形態の異常予兆検知システムは、ＡＥイベントレートの指標値ＥＤのデータを入力とした機械学習を用いて、異常予兆判定を行ってもよい。機械学習によって、異常予兆判定のための閾値を含むモデルが更新される。
【０１０５】
実施の形態の異常予兆検知システムの変形例として以下も可能である。ＡＥイベントレートを用いて異常予兆を判定する方式に関して以下としてもよい。変形例で、制御装置１０は、前述の連続回数Ｎを用いた連続の判定については行わず、閾値として基準値Ｄ０または第１範囲Ｈ１を用いて判定を行う。制御装置１０は、ＡＥ信号の指標値ＥＤが、基準値Ｄ０になった場合、あるいは、第１範囲Ｈ１内になった場合には、異常予兆として検知する。以上、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１…工作機械、２…ＡＥセンサ、３…工具、４…ワーク、５…バイス、６…テーブル、７…送液管、８…切削液、１０…制御装置、３２…主軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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