(57)【要約】【課題】サイクルタイムを増加させることなく、確実に工具の折損を検出し、工具折損による不良品を発生させることのない工作機械を提供すること。【解決手段】主軸３に装着したツールホルダ２のフランジ外周面の変位を測定し、その測定データからツールホルダ２のフランジ外周面の振れＴ又は振動の値Ｍ、あるいは主軸の回転速度の変化を求めて、加工中の工具１の折損を監視するようにしたので、サイクルタイムを増加させることなく、確実に工具１の折損を検出することができ、工具折損による不良品の発生を防止することができる。【選択図】　　図１
2004042208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具が取り付けられたツールホルダを主軸に装着し、該主軸を回転駆動してワークを加工する工作機械であって、
前記主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定する測定手段と、
前記測定手段で得られた測定データから前記工作機械の異常を判定する判定手段と、を備えた工作機械において、
前記判定手段は、前記測定データから前記ツールホルダのフランジ外周面の振れ又は振動の値を求めることにより前記工具の折損を検知することを特徴とする工作機械。
【請求項２】
工具が取り付けられたツールホルダを主軸に装着し、該主軸を回転駆動してワークを加工する工作機械であって、
前記主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定する測定手段と、
前記測定手段で得られた測定データから前記工作機械の異常を判定する判定手段と、を備えた工作機械において、
前記判定手段は、前記測定データから前記主軸の回転速度を求めることにより前記工具の折損を検知することを特徴とする工作機械。
【請求項３】
前記測定手段は、
所定の測定点から前記ツールホルダのフランジ外周面までの距離を測定する測距手段と、
前記ツールホルダの回転角度に対応させて前記測距手段の測定データを記憶する測定データ記憶手段と、
からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。
【請求項４】
前記ツールホルダのフランジ外周面に切欠きが形成されており、該切欠き部分の測定データを利用して前記主軸の回転速度を求めることを特徴とする請求項２に記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械に係り、特にマシニングセンタ（ＭＣ）等において自動で工具の折損を検出する工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＣでは、複数の加工がプログラムにのっとり自動で行われる。このため、加工途中で工具が折損した場合、これを検知して加工プログラムを停止させないと、加工不良を知らずに最後まで加工し、不良品を次々と製造してしまうことになる。
【０００３】
これを防止するために従来は、工具の刃先位置をレーザー光で測定し、加工前と加工後とを比較することにより刃先の折損を検知して、刃先折損の場合は警報を発して次の加工を停止していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、工具の先端の位置をレーザー光で検出する従来の方法は、ＭＣのようにクーラントを大量に使用する状況下では、クーラントによってレーザー光が遮られやすく、検出ミスが発生しやすいという欠点がある。
【０００５】
また、工具折損検知のための刃先位置の測定はその工具による加工後に行われるため、加工中の折損が検知できず、折損が発生した時に加工されていたワークは不良品になってしまう可能性が大であった。
【０００６】
更に、各工具毎に加工前と加工後に刃先位置の測定を行うため、測定のための時間を要し、加工のサイクルタイムが増加するという問題もあった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、サイクルタイムを増加させることなく、確実に工具の折損を検出し、工具折損による不良品を発生させることのない工作機械を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具が取り付けられたツールホルダを主軸に装着し、該主軸を回転駆動してワークを加工する工作機械であって、前記主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定する測定手段と、前記測定手段で得られた測定データから前記工作機械の異常を判定する判定手段と、を備えた工作機械において、前記判定手段は、前記測定データから前記ツールホルダのフランジ外周面の振れ又は振動の値を求めることにより前記工具の折損を検知することを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、工具が取り付けられたツールホルダを主軸に装着し、該主軸を回転駆動してワークを加工する工作機械であって、前記主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定する測定手段と、前記測定手段で得られた測定データから前記工作機械の異常を判定する判定手段と、を備えた工作機械において、前記判定手段は、前記測定データから前記主軸の回転速度を求めることにより前記工具の折損を検知することを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、その測定データからツールホルダのフランジ外周面の振れ又は振動の値、あるいは主軸の回転速度の変化を求めて、加工中の工具の折損を監視しているので、サイクルタイムを増加させることなく、確実に工具の折損を検出することができ、不良品の発生を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る工作機械の好ましい実施の形態について詳説する。尚、各図において同一の部材には同一の番号又は符号を付している。
【００１２】
図１は、本発明に係る工作機械に組み込まれた工具折損検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。この工具折損検出装置１０は、ＭＣで主軸３に装着された工具１の折損を自動で検出する装置であり、主として測距手段であるセンサ１２とデータ処理装置１４とで構成されている。
【００１３】
センサ１２は、主軸３が取り付けられたヘッド５にブラケット６を介して取り付けられている。このセンサ１２は渦電流センサであり、主軸３に装着されたツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを電気信号として検出する。
【００１４】
データ処理装置１４は、センサ１２で測定された測定データに基づきツールホルダ２に取付けられた工具１の折損を検出するもので、Ａ／Ｄコンバータ１６、ＣＰＵ１８、メモリ２０、入出力回路２２等を備えている。
【００１５】
Ａ／Ｄコンバータ１６は、センサ１２から出力された距離ｄを示す電気信号をディジタル信号に変換して判定手段であるＣＰＵ１８に出力する。ＣＰＵ１８は、このディジタル信号に変換されたセンサ１２の測定データに基づいてツールホルダ２のフランジ部２Ｂ外周面の振れＴ、又は振動の値Ｍを算出する。
【００１６】
そして、その算出した振れＴ、又は振動の値Ｍと予め測定データ記憶手段であるメモリ２０に記憶された夫々の基準値Ｓ、又はＮとを比較し、振れＴと基準値Ｓとの差が予め設定されている閾値Ｐを超えている場合、又は振動の値Ｍと基準値Ｎとの差が予め設定されている閾値Ｑを超えている場合に工具折損と判定する。そして、その結果を入出力回路２２を介してＭＣを制御するＭＣ制御装置２４に出力する。
【００１７】
上記のようにＣＰＵ１８は、センサ１２で測定された距離ｄの測定データに基づきツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍを算出するが、この演算処理は次のように行われる。
【００１８】
まず、ＣＰＵ１８は、入出力回路２２を介してＭＣ制御装置２４から測定開始の指令を受ける。そして、センサ１２から出力される距離ｄの測定データをツールホルダ２の回転角度θに対応させてメモリ２０に記憶する。ツールホルダ一周分の距離ｄの測定データはグラフ表示すると例えば図２のようになる。
【００１９】
次に、ＣＰＵ１８は、メモリ２０に記憶されたツールホルダ一周分の距離ｄの測定データをフーリエ解析（ＦＦＴ解析）し、各周波数の成分に分解する。
【００２０】
ＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示すると例えば図３のようになる。
【００２１】
ここで、上記のようにＦＦＴ解析された各周波数成分のうち基本波周波数成分（１周分の測定データの１山成分）の振幅値がツールホルダ２の振れＴと見なせるので、ＣＰＵ１８は上記ＦＦＴ解析の結果から基本波周波数成分を抽出し、その振幅値を算出してツールホルダ２の振れＴを取得する。そして、この得られた振れＴに基づいて工具折損の判定を行う。
【００２２】
あるいは、前記各周波数成分のうち高周波成分（１周分の測定データの２山以上の成分）から振動の値Ｍを求め、得られた振動の値Ｍに基づいて工具折損と判定する。
【００２３】
次に、前記のごとく構成された本実施の形態の工具折損検出装置１０によるツールホルダ２に取付けられた工具１の折損検出方法を図４、及び図５に示すフローチャートに従って説明する。
【００２４】
最初に、個々のツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍを測定し、それを基準値としてデータ処理装置１４に登録する工程が実施される。先ず、ＭＣ制御装置２４は、主軸を予め設定済みの回転数で回転させる。
【００２５】
センサ１２は、この回転するツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを測定する。ＣＰＵ１８は、このセンサ１２で測定された距離ｄの測定データをツールホルダ２の回転角度θに対応させてメモリ２０に記憶する。測定はツールホルダ一周分行われ、ツールホルダ一周分の測定データが得られる（ステップＳ１）。
【００２６】
ＣＰＵ１８は、メモリ２０に記憶された測定データをＦＦＴ解析し、１山成分を抽出して、その振幅値を算出する。あるいは、２山成分以上を抽出し振動の値Ｍを演算する。この１山成分の振幅値は、ツールホルダ２の振れＴと等しいので、これにより、ツールホルダ２の振れＴが取得される（ステップＳ２）。得られたツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍが基準値Ｓ、　又はＮとしてデータ処理装置１４のメモリ２０に記憶される（ステップＳ３）。
【００２７】
このようにして、ＭＣに用いられるツールホルダ２に対して振れＴの基準値Ｓ又は振動の値Ｍの基準値Ｎが測定され、メモリ２０に記憶される。また、ツールホルダ２に対して工具折損判定のための閾値Ｐ、及びＱが設定され、メモリ２０に記憶される。
【００２８】
次に図５に示すように、実際の加工が開始される（ステップＳ４）と、センサ１２は、この回転するツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを測定し、測定値はメモリ２０に記憶される（ステップＳ５）。メモリ２０に記憶された測定データはＣＰＵ１８によってＦＦＴ解析され、ツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍが演算される（ステップＳ６）。
【００２９】
次に、得られた振れＴ又は振動の値Ｍがメモリ２０に記憶されている夫々の基準値Ｓ、又はＮと比較される（ステップＳ７）。なお、この間ワークの加工は継続されている。比較の結果、振れＴ又は振動の値Ｍの変化が閾値Ｐ又はＱ以上か否かが判定され（ステップＳ８）、閾値以下の場合はステップＳ５に戻って、加工の間このループが繰り返される。
【００３０】
一方、振れＴ又は振動の値Ｍの変化が閾値以上の場合は、工具折損と判定され（ステップＳ９）、その時点で加工を停止する様警報を出力する（ステップＳ１０）。
【００３１】
尚、前述のフローでは、ワークの加工前に予め各ツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍを求めて、データ処理装置１４のメモリ２０に基準値として記憶させたが、加工開始直後に工具折損のない状態でツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍを測定してこれを基準値として記憶させ、この値に対して以後の測定値を比較するようにしてもよい。
【００３２】
この場合の動作の流れを図６のフローチャートで説明する。先ず、ワークの加工が開始されると（ステップＳ２０）、直後に測定工程が入り（ステップＳ２１）、ツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍが算出されて（ステップＳ２２）、この値が基準値Ｓ又はＮとしてメモリ２０に記憶される（ステップＳ２３）。
【００３３】
次に、加工中のツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄが測定され（ステップＳ２４）、ツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍが演算され（ステップＳ２５）、先に登録されている基準値Ｓ又はＮとの比較がなされ（ステップＳ２６）、比較の結果、振れＴ又は振動の値Ｍの変化が閾値Ｐ又はＱ以上か否かが判定され（ステップＳ２７）、閾値以下の場合はステップＳ２４に戻って、この処理が加工中繰り返される。
【００３４】
一方、振れＴ又は振動の値Ｍの変化が閾値以上の場合は、工具折損と判定され（ステップＳ２８）、その時点で加工を停止する様ＮＣへ警報を出力する（ステップＳ２９）。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態の工具折損検出装置１０によれば、ツールホルダ２を１回転させた時のツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを測定し、この距離ｄのデータからツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍを算出して、その振れＴ又は振動の値Ｍに基いてツールホルダ２に取付けられた工具の折損を検出するので、サイクルタイムを増加させることなく、確実に工具の折損を検出することができ、不良品を製造することもない。
【００３６】
次に、本発明に係る工作機械の第２の実施の形態について説明する。なお、使用する装置は上述した第１の実施の形態と同じものを使用する。
【００３７】
上記第１の実施の形態は、センサ１２の測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂが円形の場合であるが、一般にツールホルダ２のフランジ部２Ｂには、図７に示すようにチャックのための切欠き２Ｃ、２Ｃが形成されている。
【００３８】
第２の実施の形態の工具欠損検出方法は、測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃが形成されている場合の検出方法である。
【００３９】
ツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃが２箇所ある場合、ツールホルダ一周分の測定データはグラフ表示すると例えば図８のようになる。同図に示すように、測定データは２つの切欠き２Ｃ、２Ｃの部分で急激に変化する。この切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データから、例えば切欠き２Ｃ、２Ｃ間の時間を算出することによって、あるいは所定時間内の切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データをカウントすることによって、ツールホルダ２の単位時間あたりの回転数、即ち回転速度が求められる。
【００４０】
第２の実施の形態の工具欠損検出方法では、加工中のツールホルダ２の回転速度を監視し、回転速度に予め設定されている閾値以上の変化が認められた時に工具折損と判定するようになっている。
【００４１】
図９は、この第２の実施の形態の工具欠損検出方法を説明するフローチャートである。この第２の実施の形態の工具欠損検出方法の流れは、図６に示した第１の実施の形態での流れと基本的に同一である。即ち図９におけるステップＳ３０〜ステップＳ３９は、図６におけるステップＳ２０〜ステップＳ２９に対応している。図９における流れと図６における流れとの相違点は、図６では測定値からツールホルダ２の振れＴ又は振動の値Ｍを算出し、基準値と比較するのに対し、図９ではツールホルダ２の回転速度を算出して基準値と比較していることである。その他は全く同一であるので、説明は省略する。
【００４２】
このように、第２の実施の形態においても、サイクルタイムを増加させることなく、確実に工具の折損を検出することができ、工具折損による不良品を発生させることもない。
【００４３】
尚、上記一連の実施の形態では、センサ１２として渦電流センサを用いているが、ある特定の測定点からツールホルダ２の外周面までの距離を測定できるセンサであれば渦電流センサに限らず、他のセンサを用いてもよい。この場合、渦電流センサのように非接触式のセンサに限らず、接触式のセンサを用いてもよい。
【００４４】
また、本実施の形態では、ツールホルダの外周の変位を測定し、その測定データをＦＦＴ解析して１山成分を抽出し、その振幅値を求めることにより振れＴを、あるいはＦＦＴ解析データの２山成分以上を抽出して振動の値Ｍを取得するようにしているが、振れＴ又は振動の値Ｍを取得する方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、測定データの最大値と最小値を求め、その差から振幅値を算出してツールホルダの振れＴを取得するようにしてもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、センサ１２の測定点としてツールホルダ２のフランジ部２Ｂを使用しているが、センサ１２の測定点は、これに限定されるものではなく、測定状況等に応じて適宜変更してもよい。
【００４６】
また、本実施の形態では、センサ１２をヘッド５に取り付けているが、センサ１２の設置場所は、これに限定されるものではなく、加工中に測定できる所ならヘッド５以外の個所であっても構わない。
【００４７】
また、本実施の形態では、本発明をＭＣに適用した例で説明したが、本発明はＭＣに限らず、いかなる工作機械にも適用することができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、加工中と加工前（もしくは加工開始直後）の測定値（振れ、振動、回転速度）の差を閾値と照らし合わせて判定しているが、加工中の測定値の絶対値が設定済の上限値と下限値（ゼロを含む）の範囲に入っているか否かで、工具が折損しているか否かを判定してもよい。
【００４９】
また、本実施の形態では、振れ、振動、回転速度を用いて工具折損の判定を行っているが、それらと相関のある物理量であれば、これを工具折損の判定に用いてもよい。
【００５０】
また、本実施の形態では、振れ、振動、回転速度、もしくはそれらと相関のある物理量のいずれか１つを用いて工具折損の判定を行っているが、それらのうち１つ以上を用いて決定されるパラメータを用いて工具折損の判定を行ってもよい。
【００５１】
また、本実施の形態においては、回転速度の測定に２つの切り欠きを用いているが、ツールホルダフランジ部の切り欠きは１つ以上あればよい。また、切り欠きのある場所はツールホルダフランジ部に限られるものではなく、センサ１２により測定できる場所であればどこでもよい。また、ツールホルダに切り欠きがない場合は、センサ１２により検知できる凹凸があれば、それを測定することにより回転速度を求めてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、その測定データからツールホルダのフランジ外周面の振れ又は振動の値、あるいは主軸の回転速度の変化を求めて、加工中の工具の折損を監視しているので、サイクルタイムを増加させることなく、確実に工具の折損を検出することができ、工具折損による不良品の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】工具折損検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図
【図２】ツールホルダ一周分の測定データのグラフ
【図３】ＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示したグラフ
【図４】第１の実施の形態の工具折損検出方法の処理手順を示すフローチャート１
【図５】第１の実施の形態の工具折損検出方法の処理手順を示すフローチャート２
【図６】第１の実施の形態の工具折損検出方法の処理手順を示すフローチャート３
【図７】フランジ部に切欠きを有するツールホルダの平面図
【図８】フランジ部に切欠きを有するツールホルダの一周分の測定データのグラフ
【図９】第２の実施の形態の工具折損検出方法の処理手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１…工具、２…ツールホルダ、２Ａ…嵌合部、２Ｂ…フランジ部、２Ｃ…切欠き、３…主軸、３Ａ…被嵌合部、１０…工具折損検出装置、１２…センサ（測距手段）、１４…データ処理装置、１６…Ａ／Ｄコンバータ、１８…ＣＰＵ（判定手段）、２０…メモリ（測定データ記憶手段）、２２…入出力回路、２４…ＭＣ制御装置、ｄ…距離、θ…回転角度、Ｔ…振れ、Ｓ、Ｎ…基準値、Ｐ、Ｑ…閾値
【図１】
2004042208.tif 000003
【図２】
2004042208.tif 000004
【図３】
2004042208.tif 000005
【図４】
2004042208.tif 000006
【図５】
2004042208.tif 000007
【図６】
2004042208.tif 000008
【図７】
2004042208.tif 000009
【図８】
2004042208.tif 000010
【図９】
2004042208.tif 000011