(57)【要約】      （修正有）【課題】加工中に刃具の使用状態を随時に検査可能な刃具状態検査システム及び方法を提供する。【解決手段】刃具が作業を実行する時に機械主軸又は作業環境に与える影響をセンシングすることで、刃具の状態をリアルタイムに分析する刃具状態検査システム及び方法であって、センシング結果時間領域情報をリアルタイムに生成すると共に、良品特徴空間モデルを用いて、センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行することで、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報及び第三センシング結果周波数領域情報をそれぞれ得て、更に、第一センシング結果周波数領域情報と第三センシング結果周波数領域情報とを差分比較することで、刃具の使用状態をリアルタイムに分析する。【選択図】図３
2019098515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械に用いられて、機械主軸の刃具の状態を検査するための刃具状態検査システムであって、
該機械主軸に設けられ、該刃具が作業を実行する時に該機械主軸に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成するためのセンサであって、該センシング結果時間領域情報には、良品センシング結果時間領域情報が含まれ、該良品センシング結果時間領域情報は、良品に該当する前記刃具が作業を実行する時に該機械主軸に与える影響を該センサでセンシングして生成されたものであるセンサと、
該良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、該良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築するための良品特徴空間モデル構築モジュールと、
前記刃具が作業を実行する時に、前記センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報を得ると共に、該第一センシング結果周波数領域情報に対し、前記良品特徴空間モデルを用いて、前記第二周波数領域空間で第二センシング結果周波数領域情報を得て、その後、該第二センシング結果周波数領域情報に対し、前記良品特徴空間モデルを用いて、前記第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報を得て、次いで、前記第一センシング結果周波数領域情報と前記第三センシング結果周波数領域情報との差分比較により、刃具状態指標を生成して前記刃具の状態をリアルタイムに分析するための状態分析モジュールと、を含む
刃具状態検査システム。
【請求項２】
前記センサは、加速度センサ、歪みセンサ、応力センサ及び電流センサの少なくとも１つである
請求項１に記載の刃具状態検査システム。
【請求項３】
工作機械に用いられて、作業環境で作業を実行する刃具の状態を検査するための刃具状態検査システムであって、
該工作機械に設けられ、該刃具が作業を実行する時に該作業環境に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成するセンサであって、該センシング結果時間領域情報には、良品センシング結果時間領域情報が含まれ、該良品センシング結果時間領域情報は、良品に該当する前記刃具が作業を実行する時に該作業環境に与える影響を該センサでセンシングして生成されたものであるセンサと、
該良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、前記良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築するための良品特徴空間モデル構築モジュールと、
前記刃具が作業を実行する時に、前記センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報を得ると共に、該第一センシング結果周波数領域情報に対し、前記良品特徴空間モデルを用いて、前記第二周波数領域空間で第二センシング結果周波数領域情報を得て、その後、該第二センシング結果周波数領域情報に対し、前記良品特徴空間モデルを用いて、前記第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報を得て、次いで、前記第一センシング結果周波数領域情報と前記第三センシング結果周波数領域情報との差分比較により、刃具状態指標を生成して前記刃具の状態をリアルタイムに分析するための状態分析モジュールと、を含む
刃具状態検査システム。
【請求項４】
前記センサは、音センサ、光センサ及び色センサの少なくとも１つである
請求項３に記載の刃具状態検査システム。
【請求項５】
刃具の刃先が周期的にワークに接触する場合、前記良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴と、前記状態分析モジュールにより得られた前記第一センシング結果周波数領域情報とは、前記刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における周波数逓倍の周波数帯域情報から適切なものを取得するのに対し、刃具の刃先が継続的にワークに接触する場合、前記良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴と、前記状態分析モジュールにより得られた前記第一センシング結果周波数領域情報とは、前記刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における全ての周波数帯域から適切なものを取得する
請求項１又は３に記載の刃具状態検査システム。
【請求項６】
前記主要良品特徴は、前記第二周波数領域空間で第二周波数領域主要良品特徴として表され、前記第二周波数領域空間は、直交関係をもつ主要軸線及び副次軸線を有し、前記第二周波数領域主要良品特徴の前記主要軸線への投影は、第一区間範囲に分布し、前記第二周波数領域主要良品特徴の前記副次軸線への投影は、第二区間範囲に分布し、前記第一区間範囲が前記第二区間範囲よりも大きくされることで、前記第二周波数領域主要良品特徴は、前記副次軸線よりも前記主要軸線で顕著となり、前記良品センシング結果周波数領域情報ついて、前記第二周波数領域空間で、前記主要軸線に基づいて前記良品特徴空間モデルを構築することが可能になる
請求項１又は３に記載の刃具状態検査システム。
【請求項７】
前記良品特徴空間モデルにおいては、前記第二周波数領域主要良品特徴のうち、代表的なものが残され、代表的ではないものが削除される
請求項６に記載の刃具状態検査システム。
【請求項８】
前記刃具は、回転切削作業を実行するための刃具、又は、直線切削作業を実行するための刃具である
請求項１又は３に記載の刃具状態検査システム。
【請求項９】
工作機械に用いられて、作業環境で作業を実行する機械主軸の刃具の状態を検査するための刃具状態検査方法であって、
該刃具が作業を実行する時に該機械主軸又は該作業環境に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成する工程であって、該センシング結果時間領域情報には、良品センシング結果時間領域情報が含まれ、該良品センシング結果時間領域情報は、良品に該当する前記刃具が作業を実行する時に前記機械主軸又は前記作業環境に与える影響をセンサでセンシングして生成されたものである工程と、
該良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、前記良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築する工程と、
前記刃具が作業を実行する時に、前記センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報を得ると共に、該第一センシング結果周波数領域情報に対し、前記良品特徴空間モデルを用いて、前記第二周波数領域空間で第二センシング結果周波数領域情報を得て、その後、該第二センシング結果周波数領域情報に対し、前記良品特徴空間モデルを用いて、前記第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報を得て、次いで、前記第一センシング結果周波数領域情報と前記第三センシング結果周波数領域情報との差分比較により、刃具状態指標を生成して前記刃具の状態をリアルタイムに分析する工程と、を含む
刃具状態検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、設備検査の技術分野に関し、具体的に、刃具状態検査システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、機械加工産業において、コストに最も直接に関係しているのは、人力、原料及び加工消耗材であり、その中でも、刃具の使用が、これらの三者に最も直接に関係している。刃具の交換及び使用の観点から、今までは、主に人為的な経験で刃具の使用寿命を判断しているが、このやり方は、強い主観性を持っているため、人工的な経験値により設定された条件は、必ずしも実際の加工の条件に一致するとは限らない。従って、加工品質の面から考慮すると、このやり方は、間違いなく刃具の使用期限の短縮を犠牲にしている。つまり、刃具の過剰使用による品質上の不良を避けるために、刃具交換の回数を間違いなく増やすことになり、これに伴い、使用される刃具の数も増えてしまう。しかしながら、刃具の頻繁な交換は、人件費の増加に繋がる一方で、刃具の数の増加は、刃具のコストの増加をもたらしてしまう。これに対して、もし両方のコストを削減したいのであれば、刃具の使用期限を延ばして刃具交換の回数を減らさなければならないが、こうした場合、加工品質が悪くなるリスクを招くことが避けられない。そこで、刃具の使用効率を向上させるために刃具の現在の品質状況を如何に効果的に把握できるかは、現在の機械加工産業にとって、効果的なコスト削減、競争力の向上を可能にする鍵となる。
【０００３】
従来の刃具品質検査技術では、光学的方法及び接触式の方法を主に用いて刃具の外観を検査する直接検査方法がメインになっているが、この検査方法の場合、加工環境における異物の干渉により、検査の困難さが増えると共に、検査結果に誤差が生じやすくなる。例えば、カットフライス加工中には、刃具に切削油を吹き付けることが考えられるが、刃具に残留された切削油により、光学的検査方法の困難さが増えてしまう。一方、カットフライス加工中には、一部の鉄くずが刃具に巻き付けられたり、固着されたりすることで、接触式検査方法に誤差が生じてしまう。
【０００４】
更に、刃具を間接的に検査する方法もあり、例えば、振動信号や音信号による測定など、直接に刃具と接触しないやり方で測定する。しかし、この測定方法の場合、データの分析に面倒な問題がある。具体的に、音周波数及び振動周波数には、単一の変数だけで刃具の品質差異を判定できない周波数特徴がたくさん存在しており、それに、加工条件の変化に伴い、元の特徴が変化することも多いため、判定すべき特徴を探すには、相当の時間資源を費やしてデータ分析の部分を処理することがよくある。
【０００５】
なおかつ、上述した全ての検査方法は、いずれも、オフラインで処理しない限り、刃具の状況を検査又は診断することができない。オフラインでは、刃具によるワーク加工中にリアルタイムに情報を得ることができない。そのため、余分な時間を費やして検査しなければならない。これに起因して、製品の加工時間が増え、検査の回数が増えてしまうと、加工時間も必然的に増えることになる。生産ラインでの生産能力の効率も、コストに最も直接に関係しているので、如何に最短の時間で最大の生産量を得るのかも、コストを削減するための肝心なところである。刃具の検査に起因した時間コストの増加は、産業界にとって歓迎するものではないが、その理由のために刃具の検査回数を減らすと、逆に、品質を効果的にコントロールできないという悪循環の問題に陥ってしまう。
【０００６】
そこで、従来技術に存在する様々な問題を克服するための刃具状態検査技術を如何に提供するかは、本願の解決しようとする課題となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、加工中に刃具の使用状態を随時に検査可能な刃具状態検査システム及び方法を提供すると共に、刃具の使用効率を向上させ、ワークの加工品質を向上させることが可能な刃具状態検査システム及び方法を更に提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的及び他の目的を達成するために、本発明の第一実施例による刃具状態検査システムは、工作機械に用いられて、機械主軸の刃具の状態を検査するための刃具状態検査システムであって、
機械主軸に設けられ、刃具が作業を実行する時に機械主軸に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成するためのセンサであって、センシング結果時間領域情報には、良品センシング結果時間領域情報が含まれ、良品センシング結果時間領域情報は、良品に該当する刃具が作業を実行する時に機械主軸に与える影響を当該センサでセンシングして生成されたものであるセンサと、
良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築するための良品特徴空間モデル構築モジュールと、
刃具が作業を実行する時に、センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報を得るとともに、第一センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第二周波数領域空間で第二センシング結果周波数領域情報を得て、その後、第二センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報を得て、次いで、第一センシング結果周波数領域情報と第三センシング結果周波数領域情報との差分比較により、刃具状態指標を生成して刃具の状態をリアルタイムに分析するための状態分析モジュールと、を含む。
【０００９】
好ましくは、センサは、加速度センサ、歪みセンサ、応力センサ及び電流センサの少なくとも１つである。
【００１０】
本発明の第二実施例による別の刃具状態検査システムは、工作機械に用いられて、作業環境で作業を実行する刃具の状態を検査するための刃具状態検査システムであって、
工作機械に設けられ、刃具が作業を実行する時に作業環境に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成するためのセンサであって、センシング結果時間領域情報には、良品センシング結果時間領域情報が含まれ、良品センシング結果時間領域情報は、良品に該当する刃具が作業を実行する時に作業環境に与える影響を当該センサでセンシングして生成されたものであるセンサと、
良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築するための良品特徴空間モデル構築モジュールと、
刃具が作業を実行する時に、センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報を得ると共に、第一センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第二周波数領域空間で第二センシング結果周波数領域情報を得て、その後、第二センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報を得て、次いで、第一センシング結果周波数領域情報と第三センシング結果周波数領域情報との差分比較により、刃具状態指標を生成して刃具の状態をリアルタイムに分析するための状態分析モジュールと、を含む。
【００１１】
好ましくは、センサは、音センサ、光センサ及び色センサの少なくとも１つである。
【００１２】
好ましくは、刃具の刃先が周期的にワークに接触する場合、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴と、状態分析モジュールにより得られた第一センシング結果周波数領域情報とは、刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における周波数逓倍の周波数帯域情報から適切なものを取得するのに対し、刃具の刃先が継続的にワークに接触する場合、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴と、状態分析モジュールにより得られた第一センシング結果周波数領域情報とは、刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における全ての周波数帯域から適切なものを取得する。
【００１３】
好ましくは、主要良品特徴は、第二周波数領域空間で第二周波数領域主要良品特徴として表され、第二周波数領域空間は、直交関係をもつ主要軸線及び副次軸線を有し、第二周波数領域主要良品特徴の主要軸線への投影は、第一区間範囲に分布し、第二周波数領域主要良品特徴の副次軸線への投影は、第二区間範囲に分布し、第一区間範囲が第二区間範囲よりも大きくされることで、第二周波数領域主要良品特徴は、副次軸線よりも主要軸線で顕著となり、良品センシング結果周波数領域情報ついて、第二周波数領域空間で、主要軸線に基づいて良品特徴空間モデルを構築することが可能になる。
【００１４】
好ましくは、良品特徴空間モデルにおいては、第二周波数領域主要良品特徴のうち、代表的なものが残され、代表的ではないものが削除される。
【００１５】
好ましくは、刃具は、回転切削作業を実行するための刃具、又は、直線切削作業を実行するための刃具である。
【００１６】
更に、本発明の他の実施例による刃具状態検査方法は、工作機械に用いられて、作業環境で作業を実行する機械主軸の刃具の状態を検査するための刃具状態検査方法であって、
刃具が作業を実行する時に機械主軸又は作業環境に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成する工程であって、センシング結果時間領域情報には、良品センシング結果時間領域情報が含まれ、良品センシング結果時間領域情報は、良品に該当する刃具が作業を実行する時に機械主軸又は作業環境に与える影響をセンサでセンシングして生成されたものである工程と、
良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築する工程と、
刃具が作業を実行する時に、センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報を得ると共に、第一センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第二周波数領域空間で第二センシング結果周波数領域情報を得て、その後、第二センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報を得て、次いで、第一センシング結果周波数領域情報と第三センシング結果周波数領域情報との差分比較により、刃具状態指標を生成して刃具の状態をリアルタイムに分析する工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のいくつかの実施例による刃具状態検査システム及び方法は、刃具が作業を実行する時に機械主軸又は作業環境に与える影響をセンシングすることで、センシング結果時間領域情報をリアルタイムに生成すると共に、良品特徴空間モデルを用いて、センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行することで、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報及び第三センシング結果周波数領域情報をそれぞれ得て、更に、第一センシング結果周波数領域情報と第三センシング結果周波数領域情報とを差分比較することで、刃具の使用状態をリアルタイムに分析する。これにより、加工中に刃具の使用状態を随時に検査することができ、余分な時間を費やして検査する必要がなくなり、刃具の検査コストを削減することができる。しかも、得られた刃具使用状態の検査結果の正確率が高く、刃具の使用効率を向上させ、ワークの加工品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】図１Ａは、本願に係る刃具状態検査システムの第一実施例のシステムブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す刃具状態検査システムの使用状態図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａに示す刃具状態検査システムの使用状態図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本願に係る刃具状態検査システムの第二実施例のシステムブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示す刃具状態検査システムの使用状態図である。
【図３】図３は、本願に係る刃具状態検査方法の一実施例のフロー模式図である。
【図４】図４は、フライス加工の模式図である。
【図５】図５は、穴あけ、タッピング又は穴広げ加工の模式図である。
【図６】図６は、本願において、センシングされた時間領域情報の模式図である。
【図７】図７は、本願において、センシングされた時間領域情報を周波数領域情報に変換した模式図である。
【図８】図８は、本願に係る良品特徴空間モデルの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願に係る刃具状態検査システムは、工作機械の機械主軸の刃具の使用状態の検査に用いることが可能である。図１Ａ〜図１Ｃは、本願に係る刃具状態検査システムの第一実施例の構造模式図を示しており、これらの図を参照し、本実施例に係る刃具状態検査システム１は、機械加工機械２に用いられて、例えば穴あけ、タッピング、穴広げ、フライスや研磨等の機械加工中に、刃具２２が正常の状況と異なっているかどうかをリアルタイムに測ることが可能である。刃具２２が正常の状況と異なっているとは、例えば、刃具の摩耗、刃具の折損、刃具の立ち往生や刃先の摩耗等の刃具の異常状況をいう。本願においては、主に、最初（正常）の加工手順の状態を差異比較の標的とし、その後、同じ加工手順を繰り返して実行する際、加工中に、単一の比較指標を、加工手順が正常状態と異なっているかどうかを判断する根拠としてリアルタイムに出力して、刃具２２の使用状態に異常があるかどうかに対するリアルタイムな判断に用いるようにしている。そのため、本願は、生産ラインで同じ単一加工手順を繰り返して実行する刃具２２の状態検査に適用することができる。上述した比較指標は、異常状態の警告に対するリアルタイムな監視、又は、刃具品質の判定に用いられてもよい点に留意されたい。
【００２０】
言い換えれば、本願は、設備が同じ作業手順を繰り返して実行する時に、正常の作業状態を差異比較の標的とし、その後、設備が同じ作業手順を繰り返して実行する際、作業中に、単一の比較指標を、設備が正常作業状態と異なっているかどうかを判断する根拠としてリアルタイムに出力して、設備の使用状態に異常があるかどうかをリアルタイムに検査するようになっている。従って、本願は、ロボットアーム、ロボット、自動機械、モータ、風力発電機、発動機や、交通手段のエンジンなど、同じ作業手順を繰り返して実行する装置における設備検査にも適用することができる。
【００２１】
図１Ｂに示すように、工作機械２は、機械主軸２１を有する。機械主軸２１には、図１Ｃに示すように、ワーク２３に対して切削等の加工作業を実行するために、機械主軸２１の駆動の下で回動する刃具２２が取り付けられている。刃具２２は、同じ作業手順を繰り返して実行するための刃具であり、回転切削作業又は直線往復切削作業を実行可能である。
【００２２】
図１Ａを参照し、本実施例の刃具状態検査システム１は、センサ１１、良品特徴空間モデル構築モジュール１２、及び、状態分析モジュール１３を含む。
【００２３】
センサ１１は、刃具２２が作業を実行する時に機械主軸２１に与える影響をセンシングするために用いることが可能なセンサであり、例えば、加速度センサ、歪みセンサ、応力センサ、電圧センサ、又は、他のタイプのセンサである。センサ１１は、刃具２２と直接接触して損傷してしまうことを避けるために、機械主軸２１に選択的に設けられてもよい。センサ１１は、刃具２２が作業を実行する時に機械主軸２１に与える影響をセンシングして、これを元にセンシング結果時間領域情報を生成して、刃具２２の使用状態を間接的にセンシングするためのものである。刃具２２は、最初の使用の際、摩耗の度合いが低く、良品に該当するはずなので、センサ１１は、良品に該当する刃具２２が最初の切削作業を実行する時に機械主軸２１に与える影響をセンシングして、時間領域でのセンシング結果時間領域情報を、刃具２２に対する良品センシング結果時間領域情報として生成してもよい。また、複数のセンサ１１を用いて、例えばＸ，Ｙ，Ｚ軸のような機械主軸２１の各軸方向又は機械主軸２１の各物理的パラメータより、良品に該当する刃具２２が機械主軸２１に与える影響をセンシングして、より完全で正確な良品センシング結果時間領域情報を生成してもよい。
【００２４】
その後、図１Ｂを参照して、センサ１１が、信号線を介してセンサインターフェース回路及び信号プロセッサ３と通信接続され、且つ、センサインターフェース回路及び信号プロセッサ３が、更に信号線を介してコンピュータ４と通信接続されることで、センサ１１により生成されたセンシング結果時間領域情報が処理されてからコンピュータ４へ伝送され、コンピュータ４が、予め設定された演算式及び演算フローを実行することにより、受け取ったセンシング結果時間領域情報に対して分析処理を行うと、刃具２２の現在の使用状態が判断される。
【００２５】
以下、本願の一つの具体的な実施例を例示的に説明する。
【００２６】
図１Ｃに示すように、センサ１１は、機械主軸２１に設けられた加速度センサ（即ち、加速度計）であり、機械主軸２１の駆動で刃具２２が回動してワーク２３に対して切削作業を行うと、ワーク２３が刃具２２の切削に対抗して刃具２２を振動させるため、それに伴い、刃具２２を回動させるように駆動する機械主軸２１にも、振動が発生することになり、この際、機械主軸２１に設けられたセンサ１１が、時間領域で、機械主軸２１の現在状態の振動加速度信号波形を収集することで、刃具２２の振動の物理的パラメータを間接的にセンシングすることが可能となり、その後、収集された振動加速度信号波形における複数のセグメントを選んで、センシング結果時間領域情報を生成することが可能である。図６に示す枠で囲まれた箇所は、複数の振動加速度信号波形における複数のセグメントのうち一つのセグメントとなる。
【００２７】
その後、生成されたセンシング結果時間領域情報について、フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、時間領域で収集された振動加速度信号波形における各セグメントを周波数領域情報にそれぞれ変換することが可能であり、前記振動加速度信号波形における各セグメントの周波数成分を周波数領域で展開すると、図７に示すようになる。共鳴効果により、周波数領域で展開された各セグメントの周波数成分には、刃具回動周波数ｆに近い周波数逓倍（即ち、図７に示す１ｆ，２ｆ，３ｆ，・・・）のところに大きなデータ値が顕著に現れ、これらのデータ値は、刃具２２が作業を実行する時に機械主軸２１に与える影響の傾向を判断するために用いることが可能である。しかし、留意すべきなのは、刃具２２の切削時に回転速度の所定値と実際の値とに差異があることが多いため、実用上では、ある周波数逓倍におけるデータ値の抽出について、回転速度の差異状況に応じて前記ある周波数逓倍における許容誤差範囲内で抽出して、該許容誤差範囲内で抽出された最大のデータ値を前記ある周波数逓倍のデータ値としてもよい。
【００２８】
具体的に、カットフライス加工の場合、図４に示すように、刃具２２は、Ｔ１方向に回転しながらＫ１方向へ進行して加工を行うようになっており、この際、刃具２２の刃先は、周期的にワークを切削することになり、即ち、刃具の刃先は、一定の周期でワークに接触することになる。前記一定の周期は、刃具の回転速度と関係しているため、刃具状態を示すことが可能な特徴信号の大部分は、刃具回転速度の周波数逓倍に反映されることになる。従って、刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における周波数逓倍の周波数帯域情報における適切なものを用いて刃具の状況を分析することが可能である。
【００２９】
その一方、穴あけ、タッピング又は穴広げ加工の場合、図５に示すように、刃具２２は、Ｔ２方向に回転しながらＫ２方向へ進行して加工を行うようになっており、この際、刃具の刃先は、継続的にワークを切削することになり、即ち、刃具の刃先は、継続的にワークに接触することになる。そのため、刃具状態を示すことが可能な特徴信号は、必ずしも刃具回転速度の周波数逓倍に反映されるとは限らない。従って、刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における全ての周波数帯域（周波数逓倍の周波数帯域及び周波数逓倍以外の周波数帯域を含む）情報における適切なものを用いて刃具の状況を分析しなければならない。
【００３０】
次いで、図７で展開した周波数成分のうち刃具回動周波数ｆの周波数逓倍（１ｆ，２ｆ，３ｆ・・・）についてのデータ値を分析観測変数項とすると、ｉ番目のデータは、次のように表すことが可能である。
2019098515.tif 000003
【００３１】
ここで、ｘｉは、振動加速度信号波形におけるｉ番目のセグメントの周波数成分を表し、ｘ１ｉは、振動加速度信号波形におけるｉ番目のセグメント周波数逓倍１ｆのデータ値（次元１：観測変数項１）を表し、ｘ２ｉは、振動加速度信号波形におけるｉ番目のセグメント周波数逓倍２ｆのデータ値（次元２：観測変数項２）を表し、ｘｐｉは、振動加速度信号波形におけるｉ番目のセグメント周波数逓倍ｐｆのデータ値（次元ｐ：観測変数項ｐ）を表す。
【００３２】
良品特徴空間モデル構築モジュール１２は、センサ１１により生成された良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、例えば第一周波数領域空間で良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、例えば第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築するためのものである。
【００３３】
好ましくは、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴は、刃具２２が切削作業を実行する回転速度により定義された周波数逓倍（例えば、図７の１ｆ，  ２ｆ，３ｆ，・・・，ｐｆ）の周波数から取得されたものである。
【００３４】
好ましくは、良品特徴空間モデル構築モジュール１２の差異比較モデル構築の演算コンセプトは、以下の通りである。
【００３５】
以下に示すＸは、ｐ×ｎ次元のマトリックスを表し、ｐ個の観測変数項を含むｎ個の（良品）測定データである。
2019098515.tif 000004
ここで、［ｘｊ１  ｘｊ２  ・・・  ｘｊｎ］は、観測変数項ｊ（ｊ＝１〜ｐ）であり、以下に示すｘｉは、Ｘマトリックスのｉ番目のデータを表す。
2019098515.tif 000005
【００３６】
以下に示す
2019098515.tif 000006
は、ｊ番目の観測変数の全てのデータの平均値である。
2019098515.tif 000007
【００３７】
以下に示すＤは、ｐ×ｎ次元のマトリックスを表し、ｐ個の観測変数項を含むｎ個の（良品）測定データであり、そのデータが、観測変数のデータの平均値を差し引いたものである。
2019098515.tif 000008
ここで、以下に示すｄｉは、マトリックスＤのｉ番目のデータを表す。
2019098515.tif 000009
【００３８】
好ましくは、主要良品特徴は、第二周波数領域空間で第二周波数領域主要良品特徴として表され、第二周波数領域空間は、直交関係をもつ主要軸線及び副次軸線を有し、第二周波数領域主要良品特徴の主要軸線への投影は、第一区間範囲に分布し、第二周波数領域主要良品特徴の副次軸線への投影は、第二区間範囲に分布し、第一区間範囲が第二区間範囲よりも大きくされることで、第二周波数領域主要良品特徴は、副次軸線よりも主要軸線で顕著となり、良品センシング結果周波数領域情報について、第二周波数領域空間で、主要軸線に基づいて該良品特徴空間モデルを構築することが可能である。
【００３９】
図８は、良品特徴空間モデルの二次元空間模式図を示している。図８に示すように、ｘ１、ｘ２は、それぞれ、第一周波数領域空間で、第一周波数領域主要良品特徴の第一初期軸線及び第二初期軸線を表し、ｚ１、ｚ２は、それぞれ、第二周波数領域空間で、第二周波数領域主要良品特徴の主要軸線及び副次軸線を表す。
【００４０】
以下に示すＴは、変換マトリックスを表し、Ｔで表される変換マトリックスを通じて、マトリックスＤを新しい周波数領域空間に変換してマトリックスＺを得て，マトリックスＺは、Ｚ＝ＴＤとして表すことが可能である。以下に示すＴは、ｐ×ｐ次元のマトリックスを表す。
2019098515.tif 000010
【００４１】
以下に示すＺは、ｐ×ｎ次元のマトリックスを表し、マトリックスＤから変換マトリックスＴを介して変換された結果である。
2019098515.tif 000011
ここで、［ｚｊ１  ｚｊ２  ・・・  ｚｊｎ］は、観測変数項ｊ（ｊ＝１〜ｐ）であり、以下に示すｚｉは、マトリックスＺのｉ番目のデータを表す。
2019098515.tif 000012
【００４２】
好ましくは、良品特徴空間モデルにおいては、該第二周波数領域主要良品特徴のうち、代表的なものが残され、代表的ではないものが削除される。また、良品特徴空間モデル構築モジュール１２は、複数の分散（ｖａｒｉａｎｃｅ；観測変数）を収束させる差異比較モデルマトリックス構築方法を通じて、空間次元方向を変換する変換マトリックスを用いると共に、分散の小さい次元方向を除去して、差異比較モデルマトリックス（即ち、該良品特徴空間モデル）とするようにしており、詳しくは、以下の通りである。
【００４３】
新しい次元空間で、マトリックスＺに対して、各次元の軸方向でその分散Ｖａｒ１，Ｖａｒ２，・・・，Ｖａｒｐを求め、ここで、新次元１方向におけるマトリックスＺの分散Ｖａｒ１は、
2019098515.tif 000013
で表すことが可能であり、新次元２方向におけるマトリックスＺの分散Ｖａｒ２は、
2019098515.tif 000014
で表すことが可能であり、新次元ｐ方向におけるマトリックスＺの分散Ｖａｒｐは、
2019098515.tif 000015
で表すことが可能であり、
以下、Ｖａｒ１，Ｖａｒ２，・・・，Ｖａｒｐ等の分散値を降順でソートしてからＳ１，Ｓ２，・・・，Ｓｐとして定義する。即ち、Ｓ１は、Ｖａｒ１，Ｖａｒ２，・・・，Ｖａｒｐ等の分散値のうち、最大のものとなる。
2019098515.tif 000016
【００４４】
以下の方程式は、データの全分散に対するカバレッジ度となる百分比ｑ％に基づいて、ｋ個の次元の軸方向における情報を残すように選択することを示すものであり、即ち、第二周波数領域主要良品特徴のうち代表的ではないものを削除する一方、第二周波数領域主要良品特徴のうち代表的なものを残すことで、変換マトリックスＴを差異比較モデルマトリックスＭにして、本実施例に係る良品特徴空間モデルとする。
2019098515.tif 000017
ここで、以下の差異比較モデルマトリックスＭは、ｋ×ｐマトリックスである。
2019098515.tif 000018
【００４５】
状態分析モジュール１３は、刃具２２が作業を実行する時に、センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で第一センシング結果周波数領域情報を得ると共に、第一センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第二周波数領域空間で第二センシング結果周波数領域情報を得て、その後、第二センシング結果周波数領域情報に対し、良品特徴空間モデルを用いて、第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報を得て、次いで、第一センシング結果周波数領域情報と第三センシング結果周波数領域情報との差分比較により、刃具状態指標を生成して刃具２２の状態をリアルタイムに分析するためのものである。
【００４６】
好ましくは、状態分析モジュール１３は、リアルタイムな差異比較指標計算メカニズムを実行するためのものであり、即ち、毎回に、１セットのデータしか収集せず、このデータを差異比較モデルマトリックスによって新しい次元空間に変換してから、差異比較モデルマトリックスの転置マトリックスによって再び元の次元空間に変換し、このデータの変換前と変換後との差異程度を刃具状態指標（即ち、差異比較指標）をとして、刃具２２の状態をリアルタイムに分析する。上述した計算メカニズムは、後ほど図３のフローチャットを参照して詳述する。
【００４７】
図２Ａ及び図２Ｂは、本願に係る刃具状態検査システムの第二実施例の模式図である。本実施例における刃具状態検査システム１は、図１Ａに示す第一実施例との相違点が、刃具状態検査システム１が工作機械２に用いられて、作業環境で作業を実行する刃具の状態を検査するためのものであるところにある。
【００４８】
図２Ｂも参照し、センサ１１は、工作機械２が位置する作業環境に設けられ、且つ機械主軸２１に接触しておらず、刃具２２が作業を実行する時に作業環境に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成するためのものである。センサ１１は、刃具２２が切削作業時に作業環境に与える影響をセンシングするために用いることが可能なセンサであってもよく、例えば、音センサ、光センサ、色センサ又は他のタイプのセンサである。なお、本実施例における良品特徴空間モデル構築モジュール１２及び状態分析モジュール１３の基本原理は、説明を省略し、上述の実施例における説明を参照されたい。
【００４９】
図３は、本願に係る刃具状態検査方法の一実施例のフロー模式図を示しており、同図を参照し、本実施例に係る方法フローは、工作機械に用いられて、作業環境で作業を実行する機械主軸の刃具の状態を検査するためのものであり、そのフローの具体的なステップとして、以下の通りである。
【００５０】
ステップＳ３１は、刃具が作業を実行する時に機械主軸又は作業環境に与える影響をセンシングして、センシング結果時間領域情報を生成する。刃具が初期使用状態の際（即ち、刃具が良品状態の際）には、生成されたセンシング結果時間領域情報を良品センシング結果時間領域情報としてもよく、つまり、良品センシング結果時間領域情報は、良品に該当する刃具が作業を実行する時に機械主軸又は作業環境に与える影響をセンサでセンシングして生成されたものとなる。言い換えれば、センサ１１で、良品に該当する刃具２２が機械主軸２１に与える影響をセンシングして、時間領域でのセンシング結果時間領域情報を生成して、良品センシング結果時間領域情報とする。
【００５１】
ステップＳ３２は、良品センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理を実行して、良品センシング結果周波数領域情報を得ると共に、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴を採集して、第二周波数領域空間で良品特徴空間モデルを構築する。具体的に、上述した良品特徴空間モデル構築モジュール１２により実行される差異比較モデル構築コンセプトに従って、以下に示すような差異比較モデルマトリックスＭを得て、上述した良品特徴空間モデルとしてもよい。
2019098515.tif 000019
【００５２】
ステップＳ３３は、刃具が作業を実行する時に、センシング結果時間領域情報に対して時間領域から周波数領域への変換処理をリアルタイムに実行して、第一周波数領域空間で以下に示すような第一センシング結果周波数領域情報ｄを得る。
2019098515.tif 000020
【００５３】
なお、留意すべきなのは、刃具の刃先が周期的にワークに接触する場合、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴と、状態分析モジュール１３により得られた第一センシング結果周波数領域情報とは、刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における周波数逓倍の周波数帯域情報から適切なものを取得するのに対して、刃具の刃先が継続的にワークに接触する場合、良品センシング結果周波数領域情報における代表的な主要良品特徴と、状態分析モジュール１３により得られた第一センシング結果周波数領域情報とは、刃具が作業を実行する回転速度に関係する周波数範囲における全ての周波数帯域から適切なものを取得する。
【００５４】
ステップＳ３４は、第一センシング結果周波数領域情報ｄに対し、良品特徴空間モデルＭを用いて、第二周波数領域空間で以下に示すような第二センシング結果周波数領域情報ｙを得る。
2019098515.tif 000021
つまり、差異比較モデルマトリックスＭを用いて、ステップＳ３３において生成されたｄを新しい観測変数ｙに変換する。
【００５５】
ステップＳ３５は、第二センシング結果周波数領域情報ｙに対し、転置された良品特徴空間モデル（差異比較モデルマトリックス）ＭＴを用いて、第一周波数領域空間で第三センシング結果周波数領域情報
2019098515.tif 000022
を得る。つまり、転置された差異比較モデルマトリックスＭＴを再度利用して、ｙを再び
2019098515.tif 000023
に変換する。詳しくは、以下の通りである。
2019098515.tif 000024
【００５６】
ステップＳ３６は、第一センシング結果周波数領域情報ｄと、第三センシング結果周波数領域情報
2019098515.tif 000025
との差分比較により、差異比較指標を刃具状態指標ｆｄとして生成して、刃具の状態をリアルタイムに分析する。詳しくは、以下の通りである。
2019098515.tif 000026
ここで、ｆｄは、刃具状態指標であり、ｆｄの値が大きいほど、元の標的（良品特徴空間モデル）データのセットとの差異が大きくなり、刃具の状態が良品特徴と一致せず、異常状況がある可能性が高くなることを表している。
【００５７】
なお、留意すべきなのは、本願に係る刃具状態検査システムの実施例の作動中に、収集された信号が多くなるにつれ、より多くのセットの刃具状態指標ｆｄを生成した場合、本願に係る刃具状態検査システムの実施例は、これらの複数セットの刃具状態指標ｆｄのうち中位のものを取るようにし、即ち、生成された複数セットの刃具状態指標ｆｄを降順でソートして、真ん中の１つを代表の刃具状態指標ｆｄとして探し出すようにすることで、刃具状態指標ｆｄのデータの急激な変化によって長期的傾向判定が干渉されて判定の正確性が影響されてしまうリスクを低減する。
【００５８】
以上を纏め、本願に係る刃具状態検査システム及び方法の実施例は、機械主軸又は工作機械にセンサを設けることで、刃具がワークを加工する時に発生した振動信号を観測分析データとして抽出するようになっているため、余分な時間を費やして刃具を検査する必要がなくなり、刃具状態の検査コストを削減することができる。
【００５９】
また、特定の検査方法メカニズムを構築することで、複数の比較特徴から１つの差異比較モデルを良品特徴空間モデルとして探し出し、この差異比較モデルで、加工中にリアルタイムに収集されたデータに対して、１つの単一差異比較指標を刃具状態指標として算出し、更に、刃具の使用状況が良品特徴と一致するかどうかを判定するようになっているため、加工中に比較判定を随時に行うことができると共に、検査結果の正確率が高く、刃具の使用効率を向上させ、ワークの加工品質を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１…刃具状態検査システム
２…工作機械
３…信号プロセッサ
４…コンピュータ
１１…センサ
１２…良品特徴空間モデル構築モジュール
１３…状態分析モジュール
２０…作業環境
２１…機械主軸
２２…刃具
２３…ワーク
Ｓ３１〜Ｓ３６…ステップ
【図１Ａ】
2019098515.tif 000027
【図１Ｂ】
2019098515.tif 000028
【図１Ｃ】
2019098515.tif 000029
【図２Ａ】
2019098515.tif 000030
【図２Ｂ】
2019098515.tif 000031
【図３】
2019098515.tif 000032
【図４】
2019098515.tif 000033
【図５】
2019098515.tif 000034
【図６】
2019098515.tif 000035
【図７】
2019098515.tif 000036
【図８】
2019098515.tif 000037