(57)【要約】  切削工具を回転させる加工に伴う切削状態量を測定し、測定した信号から基本波及び高調波を含む切削力成分を抽出し、切削力成分の基本波と高調波との比率である高調波比率に基いて異常判定のしきい値を算出し、抽出した切削力成分から切削力を算出し、算出した切削力と前記算出したしきい値とに基いて異常を判定する。
2013031353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具を回転させる加工に伴う切削状態量を測定する測定ステップと、
前記測定した信号から、基本波及び高調波を含む切削力成分を抽出する抽出ステップと、
前記切削力成分の基本波と高調波との比率である高調波比率に基いて、異常判定のしきい値を算出するしきい値算出ステップと、
前記抽出した切削力成分から、切削力を算出する切削力算出ステップと、
前記算出した切削力と、前記算出したしきい値とに基いて、異常を判定する異常判定ステップと、
を含む加工異常検知方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記抽出ステップでは、前記測定した信号を周波数変換して切削力成分を抽出し、
前記切削力算出ステップでは、前記周波数変換されて抽出された切削力成分を、逆周波数変換することにより切削力を算出することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記しきい値算出ステップでは、前記高調波比率に基いて、径切込量を算出し、当該径切込量に基いて、しきい値を算出することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
軸切込量を算出する軸切込量算出ステップを有し、
前記しきい値算出ステップでは、前記高調波比率または径切込み量と、前記軸切込量とに基いて、前記しきい値を設定することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記測定ステップでは、前記切削状態量として、被加工材の振動、加工装置の振動、前記加工工具を回転させるモータの電流、振動に伴って発生する音のいずれかを測定することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
測定した信号を、前記切削工具の回転中心が描く軌跡の移動平均線の接線方向成分と、
垂直方向成分に座標変換し、前記抽出ステップでは当該垂直方向成分を用いることを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項７】
請求項３において、
前記しきい値算出ステップでは、前記測定信号の、一次高調波の振幅Ｆ１と基本波の振幅Ｆ０との比である高調波比率と切込量を関連付けて記憶した変換テーブルまたは数式を用いて、前記径切込量を算出することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記しきい値算出ステップは、前記測定信号の、一次高調波からｎ次高調波の振幅Ｆ１からＦｎと基本波の振幅Ｆ０との比を算出するステップと、シミュレーションあるいは数式から算出される信号の一次高調波からｎ次高調波の振幅Ｆ１からＦｎと基本波の振幅Ｆ０との比を算出するステップと、各高調波比の差を最小化する切込量を算出するステップと
を有することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項９】
切削工具と、前記切削工具を回転させるモータと、制御を行う制御手段と、を備えた加工装置において、
切削工具を回転させる加工に伴う切削状態量を測定する測定手段を有し、
前記制御手段は、
前記測定した信号から、基本波及び高調波を含む切削力成分を抽出する抽出部と、
前記切削力成分の基本波と高調波との比率である高調波比率に基いて、異常判定のしきい値を算出するしきい値算出部と、
前記抽出した切削力成分から、切削力を算出する切削力算出部と、
前記算出した切削力成分と、前記算出したしきい値とに基いて、異常を判定する異常判定分と、
とを有することを特徴とする加工装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記抽出部は、前記測定した信号を周波数変換して切削力成分を抽出し、
前記切削力算出部は、前記周波数変換されて抽出された切削力成分を、逆周波数変換することを特徴とする加工装置。
【請求項１１】
請求項９または１０において、
前記しきい値算出部では、前記高調波比率に基いて、径切込量を算出し、当該径切込量に基いて、しきい値を算出することを特徴とする加工装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
軸切込量を算出する軸切込量算出部を有し、
前記しきい値算出部は、前記高調波比率または径切込み量と、前記軸切込量とに基いて、前記しきい値を設定することを特徴とする加工装置。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれかにおいて、
前記測定手段は、前記切削状態量として、被加工材の振動、加工装置の振動、前記加工工具を回転させるモータの電流、振動に伴って発生する音のいずれかを測定することを特徴とする加工装置。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれかにおいて、
前記しきい値算出部は、前記高調波と前記基本波の比率と切込量を関連付けるテーブルあるいは数式を用いて前記しきい値を算出することを特徴とする加工装置。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかにおいて、
前記しきい値算出部は、切込量と加工条件情報と異常検知しきい値を関連付けるテーブルあるいは数式に基いてを用いて前記しきい値を算出する
をことを特徴とする加工装置。
【請求項１６】
請求項９乃至１５のいずれかにおいて、
前記切削工具の回転軸の回転中心が描く軌跡の移動平均線の接線方向と垂線方向に測定値を座標変換する手段を有することを特徴とする加工装置。
【請求項１７】
請求項９乃至１６のいずれかにおいて、
加工条件記憶部から加工条件を取得し、シミュレーションまたは数式により、切込量変換係数を算出する手段を有することを特徴とする加工装置。
【請求項１８】
請求項１５または１７において、
前記加工条件情報として、チップ枚数およびチップ取り付け位置を有することを特徴とする加工装置。
【請求項１９】
請求項１５または１７において、
前記加工条件情報として、チップ枚数およびチップ取り付け位置を有することを特徴とする加工装置。
【請求項２０】
切削工具を回転させる加工に伴う切削状態量を測定し加工異常検知する加工装置におけるデータ入力を支援するデータ入力支援装置であって、
異常検知しきい値を算出するための加工条件のライブラリ項目と前記加工条件のライブラリ項目をユーザに対して提示しユーザからの加工条件のライブラリ項目の指定を受ける加工条件入力部と、
異常検知しきい値を算出するためのしきい値のライブラリ項目と前記しきい値のライブラリ項目をユーザに対して提示しユーザからのしきい値のライブラリ項目の指定を受けるしきい値条件入力部と、
前記ユーザから指定を受けたしきい値から異常検知しきい値を算出するしきい値変換係数算出部と、
前記しきい値変換係数算出部で算出したしきい値変換係数を記憶するしきい値変換係数記憶部と、
を備えたことを特徴とするデータ入力支援装置。
【請求項２１】
請求項２０において、
前記しきい値変換係数算出部はユーザが入力したしきい値条件からシミュレーションによってしきい値変換係数を算出することを特徴とするデータ入力支援装置。
【請求項２２】
請求項２０において、
前記しきい値条件入力部で選択した入力項目に応じて、しきい値変換係数の算出方法を変更することを特徴とするデータ入力支援装置。
【請求項２３】
請求項２０において、
前記しきい値変換係数算出部は、高調波比率と軸切込み量、および異常検知しきい値を関連づけたデータを生成することを特徴とするデータ入力支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械加工中に加工状態をモニタリングし、異常を検知する方法および加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械加工は様々な金属加工に用いられる一般的な加工方法であり、回転工具に取り付けられた切刃を被削材に切り込み、材料を除去することで様々な形状に加工する。複雑な形状を持つ部品を加工する場合、除去量が多くなるため、切込量や送り速度、工具回転速度を大きくする等して、高能率化を図っている。【０００３】
切込量や工具回転数を上げると、切刃にかかる力が大きくなるため、工具の振動や切刃の摩耗、折損等の加工トラブルが発生しやすい。加工トラブルが発生すると、加工部分の表面粗さが悪化したり、傷ついたりするため、材料を廃棄しなければならず、廃棄コストがかかる。そこで、加工状態をモニタリングし、異常が発生する直前に加工条件を変更したり、加工を停止することができるシステムを構築する技術が不可欠となっている。【０００４】
従来、工具摩耗の検知方法として、主軸回転に用いるモータの駆動電流地量を測定することでモータ負荷を推定し、あらかじめ設定したしきい値と比較することによって異常を検知する方法が知られている。このとき、しきい値の設定方法として、あらかじめ実験やシミュレーションによりモータ駆動電流値の変化パターンを把握しておき、この変化パターンから加工パス毎にしきい値を設定する発明が特許文献１（特開平５−３３７７９０）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３３７７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、加工パス毎にあらかじめしきい値を設定する方法は、一つの加工パスにおける切込量が一定のときのみ適用可能であり、切込量が変化して加工負荷が変化する場合には適用できない。また、複雑な３次元形状の加工では、短い加工パスを多数分割する必要があり、それぞれの加工パスに対して、しきい値を設定することは困難である。【０００７】
本発明の目的は、切込量が時々刻々と変化する加工パスにおいても、動的に切削力異常検知しきい値を決定可能とする方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、回転切削によって発生した信号を測定し、測定した信号から基本波と高周波を含む切削力成分を抽出し、この切削力成分の基本波と高周波との比率に基いて異常検知のしきい値を算出し、切削力成分に基いて切削力を算出し、切削力としきい値とを比較して加工異常を判定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、切込量の変化に応じて動的に切削力異常検知しきい値を決定することができるため、異常検知しきい値の設定精度を向上させるとともに、加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１の加工異常検知方法を説明するフローチャートである。
【図２】本発明の実施例にかかる加工装置の構成を説明するための図である。
【図３】径切込量の変化が小さい加工パスにおいて異常判定する方向の決定方法を説明するための図である。
【図４】径切込量の変化が大きい加工パスにおいて異常判定する方向の決定方法を説明するための図である。
【図５Ａ】径切込量が小さい場合の加工状態を示す図である。
【図５Ｂ】切削力を示す図である。
【図５Ｃ】切削力の周波数変換の一例を説明するための図である。
【図６Ａ】径切込量が大きい場合の加工状態を示す図である。
【図６Ｂ】切削力を示す図である。
【図６Ｃ】切削力の周波数変換の一例を説明するための図である。
【図７Ａ】径切込量の変化を定式化する方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】径切込量の変化を定式化する方法を説明するための図である。
【図７Ｃ】径切込量の変化を定式化する方法を説明するための図である。
【図８】切削力の周波数変換後の高調波成分を説明するための図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態１の異常検知しきい値を決定する方法を説明するための図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態１の異常検知しきい値を決定する方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態１の加工装置の構成を示した図である。
【図１１】加工条件設定方法を入力する入力画面の一例を示す概略図である。
【図１２】図１１に記載のライブラリ情報のファイルフォーマットの一実施形態を表す図である。
【図１３】ファイル情報の一実施例を示す図である。
【図１４】異常検知しきい値入力方法を入力する入力画面の一例を示す概略図である。
【図１５】遷移する入力画面の概要の一実施例を示す図である。
【図１６】ファイルフォーマット情報の一実施例を示す図である。
【図１７】遷移する入力画面の一実施例を示す図である。
【図１８】ライブラリ情報に基づいた設定項目の一例を示す図である。
【図１９】遷移する入力画面の一実施例を示す図である。
【図２０】ライブラリ情報に基づいた設定項目の表示の一例を示す図である。
【図２１】しきい値変換係数算出部の詳細について説明する図である
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明が適用された実施形態の例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１２】
図１〜図９Ｃを用いて第一の実施例を説明する。図２に本実施例で用いる一般的な機械加工装置の装置構成を示す。本実施例では３軸制御の機械加工装置を例に説明するが、制御軸数や装置構成はこれに限られるものではない。機械加工装置１００は、筐体１０１と加工工具１０４，加工工具１０４を保持して回転させる主軸１０３、主軸１０３を軸方向に移動させる主軸ステージ１０２、被削材１０５，被削材を保持して移動させるテーブル１０６、機械加工装置１００を制御するコントローラ１０７で構成される。コントローラ内のMPU（図示せず）は、ソフトウェアを実行することにより、後述する周波数変換部，切削力成分抽出部、切削力算出部，異常判定部、切込量算出部、異常検知しきい値算出部として機能し、メモリ（図示せず）は加工条件記憶部、切込量変換係数記憶部、しきい値変換係数記憶部を有する。機械加工装置１００は、加工工具１０４を回転させて被削材１０５に切り込み、被削材１０５を除去することによって、被削材１０５の形状を加工するものである。加工工具１０４は被削材１０５から受ける力により、加工工具１０４や筐体１０１等が振動し、加工面の表面粗さが低下したり、加工工具１０４が折損する等の不具合が発生する。【００１３】
図１に加工異常判定方法の処理フローを示す。まず、切削状態量測定（Ｓ１）を実施し、測定した信号の周波数変換（Ｓ２）を実施する。次に切削力成分抽出（Ｓ３）を実施し、さらに抽出した信号から切込量算出（Ｓ４）を実施する。次に算出した高調波比率から異常検知しきい値算出（Ｓ５）を実施後、切削力成分抽出（Ｓ３）で抽出した切削力成分を逆周波数変換して切削力を算出する切削力算出（Ｓ６）を実施する。最後に、切削力算出（Ｓ６）で算出した切削力と異常検知しきい値算出（Ｓ５）で算出したしきい値を比較することによって異常状態を判定する異常判定（Ｓ７）を実施する。【００１４】
切削状態量測定（Ｓ１）では、センサ（図示せず）を用いて、切削状態量を測定する。切削状態量として、一般的に力センサ信号や主軸モータの駆動電流値、加速度センサ信号、音響信号、アコースティックエミッション等のセンサ出力を使用することができる。力センサは、テーブル１０６や主軸ステージ１０２に内蔵したり、被削材１０５とテーブル１０６の間に挟み込むように配置する等して、設置することができる。主軸モータの駆動電流値は、加工工具１０４を回転させる力に比例した値となるため、加工負荷を測定することが可能である。加速度センサとアコースティックエミッションは主に筐体１０１や主軸ステージ１０２、テーブル１０６に取り付けられ、装置の振動を測定する。音響信号は装置の振動に伴って発生する音をマイクロフォン等で収集するものである。【００１５】
図３、図４を用いて、信号を解析するときの軸方向について説明する。加工工具１０４は、回転軸１２２に切刃を形成したチップ１２１を取り付けた構造である。加工工具１０４は回転中心Ｃを中心として回転し、チップ１２１を被削材１０５に切り込んで加工する。図３、図４ではチップ１２１が２枚取り付けられている例を示しているが、チップ枚数は工具によって異なってもよい。【００１６】
信号解析に使用する軸方向として、軸切込方向（紙面垂直方向）と加工工具１０４の送り方向、それらに垂直な径切り込み方向を考える。図３に示した例のように、工具送り方向Ｘがほぼ一定の方向であり、回転軸１２２の回転中心が描く軌跡３１の移動平均線３２がほぼ直線となる場合には、工具送り方向Ｘを固定して考えることができる。また、図４のように、工具送り方向Ｘが大きく変化し、回転軸１２２の回転中心が描く軌跡３１の移動平均線３２が曲線となる場合は、現在の回転中心位置における移動平均線３２の接線方向をＦｘ、垂線方向をＦｙとなるよう、測定信号を座標変換すればよい。【００１７】
異常検知においては、必ずしも３方向の異常判定をする必要はなく、代表的な方向、例えば径切り込み方向の信号成分Ｆｙを用いて判定すれば十分である。あるいは、切削状態量の変動が顕著に表れる方向の信号成分で判定してもよい。切削状態量の変動が顕著に表れる方向は、チップ１２１の取り付け角度や工具移動方向等によって決まる。【００１８】
周波数変換（Ｓ２）では、コントローラ１０７内の周波数変換部が、測定した切削状態量測定値を周波数変換する。周波数変換方法としては、離散フーリエ変換やファーストフーリエ変換等の一般的な技術を用いることができる。切削力成分抽出（Ｓ３）では、コントローラ１０７内の切削力成分抽出部が、切削力に関する周波数成分を抽出する。力センサ出力を例に取ると、測定した信号には、被削材を除去するときに発生する切削力と工具振動等により発生する振動力が混在している。この信号を周波数変換することによって、工具回転数と切刃数から決まる切削力周波数（例えば、切刃２枚の加工工具１０４を工具回転数３３００ｍｉｎ―１で回転させると切削力周波数は１１０Ｈｚ（＝３３００ｍｉｎ―１／６０×２枚刃）となる）と、加工工具１０４の固有振動数で決まる振動力周波数に分離することができる。すなわち、切削力成分抽出（Ｓ３）では、主軸モータの回転数に基いて加工工具の回転数を算出し、その回転数に刃数を乗じた値に対応する周波数を基本波とする。そして、基本波及びその整数倍付近の周波数を、測定した信号から、切削力成分として抽出する。【００１９】
切込量算出（Ｓ４）では、コントローラ１０７内の切込量算出部が、径方向の切込量を算出する。これについて、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ａ，図６Ｂ、図６Ｃを用いて説明する。図５Ａ〜図５Ｃは径切込量ｈが小さい場合であり、径切込量ｈが加工工具１０４の半径と同程度な場合の例である。【００２０】
図５Ｂに工具回転数３３００ｍｉｎ−１で回転させたときの切削力信号の例を示す。工具回転数に対応し、０．００９秒間隔で切削力が発生し、チップ１２１が空走する時間があるため、断続的な切削力がかかっている。図５（ｂ）を離散フーリエ変換した結果を図５Ｃに示す。工具回転数３３００ｍｉｎ−１に対応した周波数１１０Ｈｚ（３３００ｍｉｎ−１／６０×２枚刃）を基本波とし、基本波の整数倍の高調波が発生している。高調波は、切削力が断続的であり、不連続部分があるために発生するものである。図６は径切込量ｈが大きい場合であり、径切込量ｈが加工工具１０４の直径と同等な場合の例である。チップ１２２の空走時間がないため、連続的な切削力となっている。周波数変換結果においても、基本波１１０Ｈｚの信号のみ発生していることがわかる。【００２１】
図６Ｂの切削力信号は余弦波で近似され、図５Ｂは図６Ｂのグラフからチップ１２１の空走期間の波形を取り除いた波形となっている。したがって、チップ１２１が被削材１０５に切り込んでいる時間だけ信号を有効とするような窓関数を図６Ｂ波形にかけることによって、図５Ｂの波形を得ることができる。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃを用いて切込量ｈと切削波形の関係式導出方法、およびフーリエ変換について説明する。【００２２】
図７Ａに窓関数を示す。窓関数は、大きさ１の矩形波であり、周期をｆｃ、矩形波幅をｓ・ｆｃとおく。矩形比率ｓはチップ１２１の空走時間と関係する値であり、０≦ｓ≦１の値をとる。図７Ｂは図６Ｂと同じ径切込量での切削力波形を示している。最大切削力をＦ、周期は窓関数と同じくｆｃとする。図７Ｃは窓関数（図７Ａ）と切削力波形（図７Ｂ）を掛け合わせた波形であり、図５Ｂ波形に相当する。【００２３】
図７Ａの窓関数Ｍ（ｔ）は、式１で表される。以下、簡単のため、ω＝２πｆｃの関係式より、角周波数ωを用いて説明する。【００２４】
【数１】
2013031353.tif 000003
【００２５】
また、図７Ｂの切削力波形Ｇ（ｔ）は式２で表される。式２は、２枚のチップ１２１が回転軸１２２に等間隔に取り付けられている場合の切削力波形を数式化したものであり、チップ枚数や各チップ間の間隔、回転軸寸法によって決まる。【００２６】
【数２】
2013031353.tif 000004
【００２７】
径切り込みが小さい場合である図７Ｃの切削力波形Ｈ（ｔ）は、式３で表される。【００２８】
【数３】
2013031353.tif 000005
【００２９】
加工工具１０４の半径をｒ、チップ１２１の枚数をＮとおくと、矩形比率ｓと径切込量ｈの関係は、式４で表される。【００３０】
【数４】
2013031353.tif 000006
【００３１】
式３，式４より、高調波成分の大きさは、径切込量ｈの関数となっており、高調波の比率から、径切込量ｈを算出することができる。【００３２】
高調波比率から径切込量を算出する方法の一例を説明する。図８に示すように、工具回転数に対応した基本周波数をＦ０、一次高調波をＦ１，ｎ次高調波をＦｎとする。式３、式４から、Ｆ１／Ｆ０，Ｆ２／Ｆ０、…、Ｆｎ／Ｆ０は、径切込量ｈの関数であり、他のパラメータ（例えば、軸切込量や加工工具１０４、被削材１０５の剛性）に左右されないことが分かる。基本波Ｆ０（ｔ），第一高調波Ｆ１（ｔ）を式３から求めると、式５、６となる。【００３３】
【数５】
2013031353.tif 000007
【００３４】
【数６】
2013031353.tif 000008
【００３５】
フーリエ変換のパワースペクトルをそれぞれＰ０，Ｐ１とすると、
Ｐ０＝｜Ｆ０（ｔ）｜２、Ｐ１＝｜Ｆ１（ｔ）｜２であることから、式５，式６より
Ｐ１／Ｐ０は式７で表される。【００３６】
【数７】
2013031353.tif 000009
【００３７】
実測値Ｐ１／Ｐ０から式７を使用して、矩形比率ｓを求め、式４から切込量ｈを算出することができる。式７から矩形比率ｓを求める方法としては、ルンゲクッタ法やオイラー法、シミュレーション等の一般的な技術を用いることができる。【００３８】
高調波比率から径切込量を算出する方法の別の一例について説明する。式３から算出される高調波比率をＰ１s／Ｐ０s、Ｐ２s／Ｐ０s、…、Ｐｎs／Ｐ０s、とし、実測値から算出される高調波比率をＰ１ｍ／Ｐ０ｍ、Ｐ２ｍ／Ｐ０ｍ、…、Ｐｎｍ／Ｐ０ｍ、とする。誤差関数として式８を定義し、切込量ｈをパラメータとしたとき、最も誤差関数が小さくなる切込量ｈを求めればよい。式４の関係から、式８において最も誤差関数が小さくなる矩形比率ｓを求めてもよい。また、ｎは十分高次の項まで計算すればよく、無限大まで計算する必要はない。式８から矩形比率ｓを求める方法としては、ルンゲクッタ法やオイラー法、シミュレーション等の一般的な技術を用いることができる。【００３９】
【数８】
2013031353.tif 000010
【００４０】
高調波比率から径切込量を算出する方法の別の一例について説明する。複数個の矩形比率ｓについて、高調波比率（Ｐ１／Ｐ０，Ｐ２／Ｐ０，、、Ｐｎ・Ｐ０）をシミュレーションや実験によりあらかじめ求めて記憶しておく。次に、実測データの高調波比率（Ｐ１ｍ／Ｐ０ｍ、Ｐ２ｍ／Ｐ０ｍ、…、Ｐｎｍ／Ｐ０ｍ、）を求める。最後に、誤差関数（式９）が最も小さくなる矩形比率ｓを選択する。矩形比率ｓの分割数を多くするほど、算出精度を向上することができる。【００４１】
【数９】
2013031353.tif 000011
【００４２】
軸切込量を算出する方法の一例について説明する。切削力の大きさＦは、加工工具１０４と被削材１０５の剛性で決まる定数Ｃと軸切込量ｗを用いて、Ｆ＝Ｃ・ｗと表される。式３より直流成分はＦ・ｓ／２であり、Ｃ・ｗ・ｓ／２と表される。切削力の直流成分の実測値をＬとおくと、式１０が得られる。定数Ｃをあらかじめシミュレーションや実験により求めておけば、直流線分の実測値Ｌと、式７または式８または式９で求めた矩形比率ｓを用いて、軸切込量ｗを式１１から算出することができる。【００４３】
【数１０】
2013031353.tif 000012
【００４４】
【数１１】
2013031353.tif 000013
【００４５】
コントローラ１０７内の異常検知しきい値算出部が行う異常検知しきい値算出（Ｓ５）について説明する。式３における切削力の大きさＦは、加工工具１０４と被削材１０５の剛性、および径切込量、軸切込量に依存する。この中で加工中に変更可能なパラメータは、径切込量と軸切込量であるため、この二つをパラメータとしたしきい値を図９Ａに示すようなテーブルに持たせ、参照できるようにする。各条件におけるしきい値は、あらかじめシミュレーションや実験によって切削力を導出し、その切削力の大きさに応じてテーブルに設定しておく。径切込量と高調波比率は式３の関係があることから、図９Ｂのように径切込量を高調波比率に置き換えたテーブルを使用してもよい。【００４６】
また、式１２から切削力Ｆを求め、このＦにマージンＤを加えた値を異常検知しきい値とすることができる。【００４７】
【数１２】
2013031353.tif 000014
【００４８】
コントローラ１０７内の切削力算出部が、切削力算出（Ｓ６）では、切削力成分抽出(Ｓ３)で分離した切削力の周波数成分を、逆フーリエ変換することで切削力の大きさを求める。コントローラ１０７内の異常判定部が、異常判定（Ｓ７）ではＳ６で求めた切削力とＳ５で求めた異常検知しきい値を比較することによって、切削異常を検知する。【００４９】
本実施例によれば、径切り込みが時々刻々と変化する加工パスにおいて、動的に異常検知しきい値を設定する方法を提供することが可能なため、加工失敗による不良品発生を回避することができるとともに、製造コストの削減に寄与する。【００５０】
図１０は、加工装置のコントローラ１０７うち、加工異常検知にかかる部分の一実施例を説明する構成図である。コントローラ１０７のMPUは、切削状態量測定部１１と周波数変換部１２，切削力成分抽出部１３、切削力算出部１４，異常判定部１５、切込量算出部１６、異常検知しきい値算出部１７として機能し、メモリは、加工条件記憶部１８、切込量変換係数記憶部１９、しきい値変換係数記憶部２０、加工条件入力部２１、しきい値変換係数算出部２３、しきい値条件入力部２５を有する。【００５１】
切削状態量測定部１１は、力センサや主軸モータの駆動電流値、加速度センサ、音響センサ、アコースティックエミッション等のセンサを備え、切削力や機械振動に伴う信号の変化を測定する手段である。力センサは、テーブル１０６や主軸ステージ１０２に内蔵されたり、被削材１０５とテーブル１０６の間に挟み込むように配置する等して、設置することができる。主軸モータの駆動電流値は、加工工具１０４にかかる力に比例した値となるため、加工負荷を測定することが可能である。加速度センサとアコースティックエミッションは主に筐体１０１や主軸ステージ１０２、テーブル１０６に取り付けられ、装置の振動を測定する。音響信号は装置の振動に伴って発生する音をマイクロフォン等で集音するものである。【００５２】
周波数変換部１２は、切削状態量測定部１１から出力されるセンサ信号を周波数変換する手段である。周波数変換方式としては、離散フーリエ変換やファーストフーリエ変換、等の一般的な技術を用いることができる。切削力成分抽出部１３は、加工工具１０４の固有振動数や、切削力の振動数を用いて、切削力成分を分離する手段である。切込量算出部１６は、切削力成分抽出部１３で分離された切削力成分の高調波比率から径切込量を算出する手段である。切込量算出部１６は切込量変換係数記憶部１９より、高調波比率から径切込量を算出する式の係数、あるいは、変換テーブルを取得し、径切込量を算出する。切込量を算出する式は、チップ枚数や各チップ間の間隔、回転軸寸法によって決まるため、これらの情報を切込量変換係数記憶部１９から取得する。【００５３】
異常検知しきい値算出部１７は、加工条件記憶部１８としきい値変換係数記憶部２０の情報を用い、切込量算出部１６で算出した切込量から、計算式あるいは変換テーブルを用いて異常検知しきい値を決定する手段である。しきい値変換係数記憶部２０には、加工条件設定部２３で設定した加工条件と切込量としきい値が関連づけられて記憶されている。【００５４】
切削力算出部１４は、切削力成分抽出部１３で分離された切削力成分を逆周波数変換することにより、切削力を算出する手段である。逆離散フーリエ変換や逆ファーストフーリエ変換等の一般的な技術を用いることができる。異常判定部１５は、切削力算出部１４から出力される切削力と異常検知しきい値算出部１７から出力されるしきい値を比較することによって異常を判定する。【００５５】
加工条件入力部２１の詳細について、図１１〜図１３を用いて説明する。図１１は加工条件設定方法を入力する入力画面１００１の一例を示す概略図である。図１２は、図１１に記載のライブラリ情報のファイルフォーマットの一実施形態を表す図である。ライブラリ情報には、例えばライブラリ番号１００５と、主軸回転速度入力方法等のライブラリ項目１００６が含まれる。図１２のライブラリ情報に基づいて図１１の入力画面１００１に表示項目１００２を表示し、項目毎に使用する条件を、ラジオボタン１００３を押下することによって選択する。全ての項目を選択した後、決定ボタン１００４を押下することによって、入力を終了し、加工条件記憶部１８に選択した項目を記憶する。主軸回転速度入力方法で「装置から取得」を選択した場合には、機械加工装置１００からコントローラ１０７が取得した主軸回転速度を用いて、切削力成分抽出部１３で切削力成分を抽出する。また、「プログラムから取得」を選択した場合には、機械加工装置１００またはコントローラ１０７に保存されているプログラムの主軸回転速度を取得する。一般的に加工プログラムは数ステップで構成されており、各ステップ毎に主軸回転速度を取得することが望ましい。軸切込み量入力方法で「ファイルから取得」を選択した場合のファイル情報の一実施例を図１３に示す。ファイル情報として、例えばライブラリ番号１００７とライブラリ第一項目１００８、ライブラリ第二項目１００９が含まれる。ライブラリ第一項目として、パス番号、またはプログラムのステップ番号を入力し、ライブラリ第二項目として、軸切込み量を入力することで、各パスまたは各プログラムステップ番号に対応した軸切込み量を設定することができる。【００５６】
しきい値条件入力部２５の詳細について、図１４〜図２０用いて説明する。図１４は異常検知しきい値入力方法を入力する入力画面１０４０の一例を示す概略図である。ラジオボタン１００３により、入力方法を選択できるようにする。「テーブルから取得」を押下したときに遷移する入力画面１０４１の概要の一実施例を図１５に示す。しきい値設定テーブル１０４５の縦軸は軸切込み量、横軸は高調波比率または径切込み量であり、横軸は図１１で選択したラジオボタン１００３に連動して、高調波比率または径切込み量の表示が切り替わる。図１５は、図１１において、「テーブルから取得（高調波比率変換）」を選択したときの画面の一例である。しきい値設定テーブル１０４５のパラメータ数および範囲は、パラメータ設定テーブル１０４４に入力された数値で決定される。各項目について、下限値と上限値およびステップ量を入力し、設定ボタン１０４３を押下すると、入力された値に応じてしきい値設定テーブル１０４５のパラメータ数と数値が決定され、表示される。しきい値入力欄１０４６に数値を入力後、決定ボタン１００４を押下することによって、入力を終了する。しきい値およびパラメータの入力は、ファイルから読み込む方法でもよい。この場合、ファイル名入力部１０４７でしきい値設定テーブル１０４５に読み込むファイルを指定し、読込みボタン１０４８を押下することで、データを入力することができる。しきい値設定テーブル１０４５に読み込むファイルのファイルフォーマット情報の一実施例を図１６に示す。ファイル情報として、縦軸の項目名と横軸の項目名、縦軸の下限値と上限値、およびステップ、横軸の下限値と上限値、およびステップ、しきい値で構成される。しきい値は、縦軸のステップ数ｍと横軸のステップ数ｎの積であるｍｎ個のデータを持つ。異常検知しきい値入力方法として、「切削力係数から取得」を選択した場合に遷移する入力画面１０１１の一実施例を図１７に示す。入力画面１０１１には、図１８のライブラリ情報に基づいた設定項目１０１２を表示し、必要な情報を入力する。また、「加工諸元から取得」を選択した場合に遷移する入力画面の一実施例を図１９に示す。入力画面１０２１には、図２０のライブラリ情報に基づいた設定項目１０２２を表示し、情報を入力する。【００５７】
しきい値変換係数算出部２３の詳細について、図２１を用いて説明する。図１４に示す異常検知しきい値入力方法で、「固定値入力」のラジオボタン１００３を選択した場合、しきい値変換係数算出部２３は、図１６に示したファイルフォーマットの項目のしきい値に、入力した固定値を設定したしきい値設定テーブル情報を作成し、しきい値変換係数記憶部２０に記憶する。「テーブルから取得」のラジオボタン１００３を選択した場合、図１５で入力したしきい値設定テーブルをしきい値変換係数記憶部に記憶する。「切削力係数から算出」または「加工諸元から算出」のラジオボタン１００３を選択した場合、図１７または図１９で入力した値をもとにシミュレーションを実施し、工具磨耗量０μmにおける切削力を算出する。算出した切削力にしきい値設定倍率を乗算して、異常検知しきい値を決定する。図１６の実施例に示した縦軸、横軸としての軸切込み量と高調波比率を変えながらしきい値を算出し、図１６に示すファイル情報を含むデータを作成して、しきい値変換係数記憶部２０に記憶する。縦軸、横軸の値の下限値および上限値、ステップはあらかじめ記憶しておいた値を使用する。あるいは、入力画面を設けてもよい。【００５８】
本実施例によれば、径切り込みが時々刻々と変化する加工パスにおいて、動的に異常検知しきい値を設定する手段を提供することが可能なため、加工失敗による不良品発生を回避することができるとともに、製造コストの削減に寄与する。【００５９】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変更可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１・・・筐体、１０２・・・主軸テーブル、１０３・・・主軸、１０４・・・加工工具、１０５・・・被削材、１０６・・・テーブル、１０７・・・コントローラ、１２１・・・チップ、１２２・・・回転軸。
【図１】
2013031353.tif 000015
【図２】
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【図３】
2013031353.tif 000017
【図４】
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【図５Ａ】
2013031353.tif 000019
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2013031353.tif 000021
【図６Ａ】
2013031353.tif 000022
【図６Ｂ】
2013031353.tif 000023
【図６Ｃ】
2013031353.tif 000024
【図７Ａ】
2013031353.tif 000025
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
2013031353.tif 000027
【図８】
2013031353.tif 000028
【図９Ａ】
2013031353.tif 000029
【図９Ｂ】
2013031353.tif 000030
【図１０】
2013031353.tif 000031
【図１１】
2013031353.tif 000032
【図１２】
2013031353.tif 000033
【図１３】
2013031353.tif 000034
【図１４】
2013031353.tif 000035
【図１５】
2013031353.tif 000036
【図１６】
2013031353.tif 000037
【図１７】
2013031353.tif 000038
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
2013031353.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月9日(2014.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具を回転させる加工に伴う切削状態量を測定する測定ステップと、
前記測定した信号から、基本波及び高調波を含む切削力成分を抽出する抽出ステップと、
前記切削力成分の基本波と高調波との比率である高調波比率に基いて、異常判定のしきい値を算出するしきい値算出ステップと、
前記抽出した切削力成分から、切削力を算出する切削力算出ステップと、
前記算出した切削力と、前記算出したしきい値とに基いて、異常を判定する異常判定ステップと、
を含む加工異常検知方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記抽出ステップでは、前記測定した信号を周波数変換して切削力成分を抽出し、
前記切削力算出ステップでは、前記周波数変換されて抽出された切削力成分を、逆周波数変換することにより切削力を算出することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記しきい値算出ステップでは、前記高調波比率に基いて、径切込量を算出し、当該径切込量に基いて、しきい値を算出することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
軸切込量を算出する軸切込量算出ステップを有し、
前記しきい値算出ステップでは、前記高調波比率または径切込み量と、前記軸切込量とに基いて、前記しきい値を設定することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記測定ステップでは、前記切削状態量として、被加工材の振動、加工装置の振動、前記加工工具を回転させるモータの電流、振動に伴って発生する音のいずれかを測定することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
測定した信号を、前記切削工具の回転中心が描く軌跡の移動平均線の接線方向成分と、
垂直方向成分に座標変換し、前記抽出ステップでは当該垂直方向成分を用いることを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項７】
請求項３において、
前記しきい値算出ステップでは、前記測定信号の、一次高調波の振幅Ｆ１と基本波の振幅Ｆ０との比である高調波比率と切込量を関連付けて記憶した変換テーブルまたは数式を用いて、前記径切込量を算出することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記しきい値算出ステップは、前記測定信号の、一次高調波からｎ次高調波の振幅Ｆ１からＦｎと基本波の振幅Ｆ０との比を算出するステップと、シミュレーションあるいは数式から算出される信号の一次高調波からｎ次高調波の振幅Ｆ１からＦｎと基本波の振幅Ｆ０との比を算出するステップと、各高調波比の差を最小化する切込量を算出するステップと
を有することを特徴とする加工異常検知方法。
【請求項９】
切削工具と、前記切削工具を回転させるモータと、制御を行う制御手段と、を備えた加工装置において、
切削工具を回転させる加工に伴う切削状態量を測定する測定手段を有し、
前記制御手段は、
前記測定した信号から、基本波及び高調波を含む切削力成分を抽出する抽出部と、
前記切削力成分の基本波と高調波との比率である高調波比率に基いて、異常判定のしきい値を算出するしきい値算出部と、
前記抽出した切削力成分から、切削力を算出する切削力算出部と、
前記算出した切削力成分と、前記算出したしきい値とに基いて、異常を判定する異常判定分と、
とを有することを特徴とする加工装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記抽出部は、前記測定した信号を周波数変換して切削力成分を抽出し、
前記切削力算出部は、前記周波数変換されて抽出された切削力成分を、逆周波数変換することを特徴とする加工装置。
【請求項１１】
請求項９または１０において、
前記しきい値算出部では、前記高調波比率に基いて、径切込量を算出し、当該径切込量に基いて、しきい値を算出することを特徴とする加工装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
軸切込量を算出する軸切込量算出部を有し、
前記しきい値算出部は、前記高調波比率または径切込み量と、前記軸切込量とに基いて、前記しきい値を設定することを特徴とする加工装置。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれかにおいて、
前記測定手段は、前記切削状態量として、被加工材の振動、加工装置の振動、前記加工工具を回転させるモータの電流、振動に伴って発生する音のいずれかを測定することを特徴とする加工装置。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれかにおいて、
前記しきい値算出部は、前記高調波と前記基本波の比率と切込量を関連付けるテーブルあるいは数式を用いて前記しきい値を算出することを特徴とする加工装置。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかにおいて、
前記しきい値算出部は、切込量と加工条件情報と異常検知しきい値を関連付けるテーブルあるいは数式に基いてを用いて前記しきい値を算出する
をことを特徴とする加工装置。
【請求項１６】
請求項９乃至１５のいずれかにおいて、
前記切削工具の回転軸の回転中心が描く軌跡の移動平均線の接線方向と垂線方向に測定値を座標変換する手段を有することを特徴とする加工装置。
【請求項１７】
請求項９乃至１６のいずれかにおいて、
加工条件記憶部から加工条件を取得し、シミュレーションまたは数式により、切込量変換係数を算出する手段を有することを特徴とする加工装置。
【請求項１８】
請求項１５または１７において、
前記加工条件情報として、チップ枚数およびチップ取り付け位置を有することを特徴とする加工装置。
【国際調査報告】
2013031353.tif 000043
2013031353.tif 000044
2013031353.tif 000045
2013031353.tif 000046
2013031353.tif 000047
2013031353.tif 000048
2013031353.tif 000049