(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ情報処理装置に接続されている、工作機械の電流計測システムであって、
複数種類の工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する前記工作機械は、前記工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに前記部材を駆動するための第一のモータと、前記複数種類の工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、
前記情報処理装置は、前記第一の電流センサにより計測された前記第一のモータの電流と、前記第二の電流センサにより前記計測された前記第二のモータの前記電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行い、解析処理において前記第一の電流センサにより前記計測された前記第一のモータの前記電流を、前記複数種類の工具の前記変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値を前記ワークの加工回数ごとに相対比較することで、前記工具の前記種類ごとに工具異常を検知することを特徴とする工作機械の電流計測システム。
【請求項２】
前記情報処理装置は、前記工具異常の情報を報知させるために所定の装置に対して出力することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の電流計測システム。
【請求項３】
工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに前記部材を駆動するための第一のモータと複数種類の前記工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、前記複数種類の前記工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する工作機械の電流計測方法であって、
第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ接続されている情報処理装置が、前記第一の電流センサにより計測された前記第一のモータの電流と、前記第二の電流センサにより前記計測された前記第二のモータの前記電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行う工程と、
前記情報処理装置が、解析処理において、前記第一の電流センサにより前記計測された前記第一のモータの前記電流を、前記複数種類の工具の前記変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値を前記ワークの加工回数ごとに相対比較することで、前記工具の前記種類ごとに工具異常を検知する工程と
を有することを特徴とする工作機械の電流計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具による加工を行う工作機械のモータに流れる電流を計測する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削工具（以下、「工具」という場合がある。）による加工を行う工作機械の知能化を目的として、種々のセンサを用いた計測技術が開発されている。とりわけ、低コストであることと取り扱いの簡便性から、工作機械のモータを流れる電流の計測が従来から行われている。計測したモータの電流値から、工具にかかる負荷を推定することで、工具の摩耗の進行状況を推定することが行われている。また、モータの電流値の急激な瞬時的変化によって、工具の折れや欠けなどの異常現象を推定することも試みられている。
【０００３】
従来、加工対象としてのワーク(被削材)と工具との相対運動によって切削加工を行う工作機械において、同じ工具を繰り返し使用することで工具摩耗が進展し、最終的には工具が欠損または破損する。そのため、工作機械で使用される工具には工具メ−カが推奨する交換（同一の新品の工具へ取り替えること。）の目安となる加工回数（被削材を１本加工するごとに１回としてカウントされる。）が設定されているが、加工方法や加工対象によって最適な工具交換時期が異なるため、切削加工中の工具にかかる負荷に基づいた最適な工具交換時期を推定することが求められていた。
【０００４】
ここで、工具を装着した回転する主軸の負荷を予め設定した回転数分だけ検出し、主軸負荷の平均値と回転周波数成分とが連続して一定値となるという条件によって、ＮＣ（数値制御）工作機械の工具摩耗を判定する技術が開示されている（特許文献１参照）。
また、予め設定した主軸を駆動するモータの有効電力波形とワークを加工中の主軸を駆動するモータの有効電力波形とを比較することで工具摩耗を判定する技術が開示されている（特許文献２参照）。
さらに、回転する主軸に備えられた工具がワークに接触している状態を検知し、接触中の主軸にかかる工具負荷の変化の度合いを使用して工具摩耗度合いを検知する工作機械を提供する技術が開示されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第６６３７６８９号公報
【特許文献２】特開２００６−８２１５４号公報
【特許文献３】特開２０１９−３０９５４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、特許文献１に記載の方法では、加速度センサで収集した時系列データの周波数情報を使用する必要があるため、電流センサで収集した時系列データに対しては、適用することが難しい。
また、複数の工具を使用した切削加工への適用に際しては、個々の工具を判別できないことから、現実の生産現場で行われている加工に対しては、そのままのかたちで適用することができないといえる。
【０００７】
特許文献２に記載の方法においても同様に、複数種類の工具を用いた加工に対しては、個々の工具を判別する方法についての言及がなされていないため、単一の工具を用いた加工においては有効ではあるものの、複数種類の工具を使用する加工に対しては、そのままのかたちで適用することができない。
【０００８】
特許文献３に記載の方法では、工作機械に備えられたＮＣ装置に外部機器を接続して工具変更情報を取得することにより、複数種類の工具を使用した加工に対しても適用することが可能であるが、ＮＣ装置に対する外部機器の接続は工作機械メーカからは、工作機械への改造行為とみなされるため、切削加工の現場においてはほとんど用いられていない。
【０００９】
本発明の目的は、現実の生産現場において行われている工作機械による複数種類の工具を使用した切削加工等において、ＮＣ装置に外部機器を接続することなく、使用されている工具の工具異常を検知する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の工作機械の電流計測システムは、
第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ情報処理装置に接続されている、工作機械の電流計測システムであって、
複数種類の工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する工作機械は、工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに部材を駆動するための第一のモータと、複数種類の工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、
情報処理装置は、第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流と、第二の電流センサにより計測された第二のモータの電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行い、解析処理において第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流を、複数種類の工具の変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値をワークの加工回数ごとに相対比較することで、工具の種類ごとに工具異常を検知する。
なお、上記の部材は、例えば、ＮＣ旋盤の工具台等である。当該部材の位置を変更するときとは、例えば、ＮＣ旋盤の工具台のＺ軸方向およびＸ軸方向の移動等である。
【００１１】
本発明の工作機械の電流計測方法は、
工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに部材を駆動するための第一のモータと複数種類の工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、複数種類の工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する工作機械の電流計測方法であって、
第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ接続されている情報処理装置が、第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流と、第二の電流センサにより計測された第二のモータの電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行う工程と、
情報処理装置が、解析処理において、第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流を、複数種類の工具の変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値をワークの加工回数ごとに相対比較することで、工具の種類ごとに工具異常を検知する工程と
を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、工作機械による複数種類の工具を使用した加工において、使用されている工具の工具異常を検知する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施の形態における工作機械の電流計測システムの構成図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態における工作機械の概略図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における信号の流れを説明するブロック図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態における主軸モータを流れる電流とサーボモータを流れる電流の信号の時刻歴波形を示す図である。
【図５】本発明の第一の実施の形態における工具の種類ごとの負荷特徴量の推移の説明図である。
【図６】本発明の第一の実施の形態における表示装置の表示画面例を示す図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態における工作機械の電流計測方法の流れを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第二の実施の形態における工作機械の電流計測システムの構成図である。
【図９】本発明の第二の実施の形態における工作機械の概略図である。
【図１０】本発明の第二の実施の形態における信号の流れを説明するブロック図である。
【図１１】本発明の第二の実施の形態における主軸モータを流れる電流とサーボモータを流れる電流の信号の時刻歴波形を示す図である。
【図１２】本発明の第二の実施の形態における工具の種類ごとの負荷特徴量の推移の説明図である。
【図１３】本発明の第二の実施の形態における表示装置の表示画面例を示す図である。
【図１４】本発明の第二の実施の形態における工作機械の電流計測方法の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の第一の実施の形態に係る工作機械の電流計測システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
工作機械として、ＮＣ旋盤を前提とする。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態における工作機械１の電流計測システム１０の構成図である。
電流計測システム１０は、電流センサ２０５−ａ、電流センサ２０５−ｂ、電流センサ２０５−ｃ、電流センサ２０５−ｄと、ケーブル２１−ａ、ケーブル２１−ｂ、ケーブル２１−ｃ、ケーブル２１−ｄと、情報処理装置（例えば、産業用パーソナルコンピュータである。）３０、表示装置４０とから構成されている。
電流センサ２０５は、例えば公知の磁気式電流センサであり、測定したい電流が電線の周囲に作る磁場を磁気センサによって検知して磁場の大きさを測定することで電流値（電流量）を計測するものである。工作機械１の制御盤２から延びる配線のうち、電流センサ２０５−ａは主軸モータ１０１に流れる電流を計測するために主軸モータ１０１に接続されるケーブル（電線）に取り付けられ、電流センサ２０５−ｂはサーボモータ１０２−ａ（工具台１０６を駆動するＺ軸サーボモータ）に流れる電流を計測するためにサーボモータ１０２−ａに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ２０５−ｃはサーボモータ１０２−ｂ（工具台１０６を駆動するＸ軸サーボモータ）に流れる電流を計測するためにサーボモータ１０２−ｂに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ２０５−ｄはサーボモータ１０２−ｃ（工具台回転用サーボモータ）に流れる電流を計測するためにサーボモータ１０２−ｃに接続されるケーブルに取り付けられている。
電流センサ２０５−ａ、電流センサ２０５−ｂ、電流センサ２０５−ｃ、電流センサ２０５−ｄのそれぞれのケーブル２１−ａ、ケーブル２１−ｂ、ケーブル２１−ｃ、ケーブル２１−ｄは、情報処理装置３０に接続されている（無線接続等であってもよい）。なお、それぞれのケーブル２１は、図示しないＩ／Ｏモジュール（ノイズ除去と信号増幅のためのアナログ電子回路と、アナログデータをデジタルデータに変換するためのＡＤ変換器を備える。）に接続され、Ｉ／Ｏモジュールが電流センサ２０５から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、情報処理装置３０に対してデジタル信号を有線又は無線通信により出力することであってもよい。
情報処理装置３０は、制御部・計算部としての演算装置であるＣＰＵ等を備え、記憶部としての所定の記憶装置を内蔵又は外付けＨＤＤ等として備えている。また、情報処理装置３０は、アナログ回路としての電子回路を内蔵していることであってもよい。
表示装置４０は、表示機構と入力機構を備え、所定のスタンドにより支持されたり、工作機械１に所定の治具により固定されていることであってもよい。また、表示装置４０は、単なるランプのように報知機能のみ有していることであってもよい。表示装置４０は、所定のケーブル４１により情報処理装置３０と接続されている（無線接続等であってもよい）。表示装置４０は、例えば、液晶ディスプレイ、タッチパネルディスプレイ、タブレット端末、スマートフォン等である。
【００１６】
図２は、工作機械１である、周知の「ＮＣ旋盤」の一例を示す概略図である。
工作機械１には主軸１００を駆動する主軸モータ１０１と、工具台（工具交換装置）１０６を駆動するサーボモータ１０２−ａ・サーボモータ１０２−ｂ・サーボモータ１０２−ｃが取り付けられている。
加工対象であるワーク１０３（例えば、金属の丸棒である。）は主軸１００に取り付けられたチャック１０４によって固定され、主軸１００を軸心として回転する。
ワークを加工するための複数種類の工具１０５−ａ、１０５−ｂ（ここでは説明の便宜上ａとｂの２個としたが、３個以上であってもよい。）は、工具台（工具交換装置）１０６に取り付けられ固定されている。なお、工具台１０６を駆動するサーボモータ１０２−ａ（Ｚ軸サーボモータ）・サーボモータ１０２−ｂ（Ｘ軸サーボモータ）・サーボモータ１０２−ｃ（工具台回転用サーボモータ）は、それぞれ、図１中において、図中のＺ軸で示す左右方向の移動、図中のＸ軸で示す上下方向の移動、図中のθで示す左右方向（Ｚ軸）を軸心とした回動（工具台１０６の回動により工具１０５−ａと１０５−ｂを交換する。）の動作を司る。工作機械によってはサーボモータ１０２による運動の自由度がさらに増加するものもあり、そのためのモータが追加されることであってもよい。
図１中において、ＮＣプログラムの指示に従うサーボモータ１０２−ａ（Ｚ軸サーボモータ）により工具台１０６・工具１０５−ａが図中左側に前進移動してワーク１０３（主軸を軸心として回転している。）に工具１０５−ａが当接して切削加工等を行う。
工具１０５−ａから工具１０５−ｂへ変更する場合は、図１中において、工具台１０６・工具１０５−ａが図中右側に後退移動して、サーボモータ１０２−ｃ（工具台回転用サーボモータ）により工具台１０６が回動して１０５−ａと工具１０５−ｂの位置が入れ替わることにより、工具の変更が実施される（なお、異なる種類の工具への「変更」と、工具の「交換（新品への）」とは異なる概念として説明する。）。これにより、図１中において、サーボモータ１０２−ａ（Ｚ軸サーボモータ）により工具台１０６・工具１０５−ｂが図中左側に前進移動するとワーク１０３（主軸を軸心として回転している。）に工具１０５−ｂが当接することとなる。
工具１０５は、ワーク１０３の材質と加工の種類によって選択され、例えば、単位加工時間あたりの除去体積をできるだけ多くとることが求められる粗加工においては、ワーク１０３と工具１０５の先端との接触体積が大きくなる形状のものが選択され、また、加工品質に直接影響する表面の仕上げ加工においては、表面粗さを均質化する先端形状を有する工具１０５が選択され、また、ワーク１０３を回転軸の内側から切削する内径切削においては、中ぐり用の工具１０５が選択される。
【００１７】
図３は、工作機械１であるＮＣ旋盤とその電流計測システム１０の信号の流れを説明するためのブロック図である。
図３において、まず、ＮＣ装置２０１から出力された制御信号はＰＬＣ２０２、インバータ２０３、サーボアンプ２０４−ａ、サーボアンプ２０４−ｂおよびサーボアンプ２０４−ｃに入力される。
インバータ２０３は主軸モータ１０１を駆動し、サーボアンプ２０４−ａ、サーボアンプ２０４−ｂおよびサーボアンプ２０４−ｃはＮＣ装置２０１からの指示に従ってそれぞれサーボモータ１０２−ａ、サーボモータ１０２−ｂ、サーボモータ１０２−ｃの運動（動作）を制御する。
電流センサ２０５−ａは主軸モータ１０１に流れる電流を計測し、電流センサ２０５−ｂ、電流センサ２０５−ｃ、電流センサ２０５−ｄは、それぞれサーボモータ１０２−ａ、サーボモータ１０２−ｂ、サーボモータ１０２−ｃに流れる電流を計測する。
ＮＣ装置２０１にはワーク１０３を所望の形状に加工するためのプログラム（ＮＣプログラム）が実装されている。
主軸モータ１０１が回転することによってチャック１０４で固定されたワーク１０３も同時に回転する。
ＮＣ装置２０１からの指示に従ってサーボアンプ２０４−ａがサーボモータ１０２−ａを駆動することで、工具台１０６が図２中のＺ軸で示す左右方向に移動し、工具１０５がワーク１０３に接触し、切削加工が行われる。
ＮＣ装置２０１からの指示に従ってサーボアンプ２０４−ｂがサーボモータ１０２−ｂを駆動することで、工具台１０６が図２中のＸ軸で示す上下方向に移動する。
ＮＣ装置２０１からの指示に従ってサーボアンプ２０４―ｃが工具台１０６を回動させるようにサーボモータ１０２―ｃを制御することで、ワーク１０３に接触する工具１０５が交換される。
【００１８】
図４は、電流センサ２０５−ａによって計測された、工作機械１であるＮＣ旋盤が稼働している最中の主軸モータ１０１に流れる電流の時刻歴波形３０１（実線）と、電流センサ２０５−ｄによって計測された、工作機械１が稼働している最中のサーボモータ１０２−ｃ（工具台回転用サーボモータ）に流れる電流の時刻歴波形３０２（破線）である。なお、縦軸は電流値、横軸は経過時間である。ここでは、第一の電流センサとして主軸モータ１０１に流れる電流を計測する電流センサ２０５−ａを例にあげて説明するが、第一の電流センサとして、サーボモータ１０２−ａ（Ｚ軸サーボモータ）に流れる電流を計測する電流センサ２０５−ｂやサーボモータ１０２―ｂ（Ｘ軸サーボモータ）に流れる電流を計測する電流センサ２０５−ｃを適用することも同様に可能であり、重複する説明は省略する（なお、後述する図５、図６の説明においてもサーボモータ１０２−ａ（Ｚ軸サーボモータ）に流れる電流を計測する電流センサ２０５−ｂやサーボモータ１０２−ｂ（Ｘ軸サーボモータ）に流れる電流を計測する電流センサ２０５−ｃを適用する説明は重複するので省略する。）。
切削加工等に使用される工具が、工具１０５−ａから工具１０５−ｂへと変更される、又は、工具１０５−ｂから工具１０５−ａへと変更される際には、工具台１０６が回動する。このとき、工具台１０６を回動させるためにサーボモータ１０２−ｃに大きな電流が流れるため、サーボモータ１０２−ｃに流れる電流の時刻歴波形３０２には瞬時的なピークが現れる。この瞬時的なピークを含む時刻歴波形３０２と、主軸モータ１０１に流れる電流の時刻歴波形３０１とを同期させる（重ねる）ことで、工具１０５−ａと工具１０５−ｂの使用時間に応じた主軸モータ１０１に流れる電流の時刻歴波形を抽出する（切り出す）ことができる。
計測された電流値は、情報処理装置３０の記憶装置等に保存され、その記憶装置等に接続された情報処理装置３０の演算装置によってデジタルデータで同期処理を行うことであっても、また、情報処理装置３０のアナログ回路（連続的に変化する電気信号を取り扱う電子回路）においてアナログ情報として同期処理を行うことであってもよい。
具体的には、図４に示すように、切削加工等の開始時点から、時刻歴波形３０２に最初に現れる瞬時的なピークまでは、工具１０５−ａが使用されており、初めて工具台１０６が回動する際に瞬時的なピークが最初に現れ、その時点で、工具１０５−ａから工具１０５−ｂへと変更され、それ以降は、時刻歴波形３０２に次の瞬時的なピークが現れるまでは、工具１０５−ｂが使用されているとみなす（推定する）ことができる。但し、図４は、理解の容易化のために模式的にグラフを表しているに過ぎなく、切削加工等の開始時点から、ワーク１０３に工具１０５−ａが当たるまでや、工具１０５−ａから工具１０５−ｂへと変更される際のワーク１０３にいずれの工具１０５も当たっていない状態は無視して表現したものであるし、電流値も必ずしも工具ごとに一定（フラット）の値をとるものではない。
なお、切削加工等に際して、情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている複数の工具の使用する順番のデータと紐付けること等により、時刻歴波形３０２に瞬時的なピークが現れるごとに、１番目の使用工具から２番目の使用工具へ、具体的にどの種類の工具からどの種類の工具へ変更されていくのかを特定することができる。情報処理装置３０から上記の複数の工具の使用する順番のデータを取得し、そのデータを、図４に示すデータと紐付けて、表示装置４０に具体的にどの時間帯でどの種類の工具が使用されていたかの工具名も表示することであってよい。
【００１９】
また、図４では、工作機械１として所定の構造の「ＮＣ旋盤」を前提として説明したが、工作機械１は、複数種類の工具１０５を変更しながらワーク１０３を加工し、ワーク１０３を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータと、複数種類の工具１０５の変更のための動作を司るための第二のモータとを備えていれば、その具体的な構造は限定されなく、第一の電流センサ（例えば、電流センサ２０５−ａ、電流センサ２０５−ｂ、電流センサ２０５−ｃ）がワーク１０３を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ２０５−ｄが複数種類の工具１０５の変更のための動作を司るための第二のモータに流れる電流を計測し、これら２つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させることで、解析処理を実行することができる（なお、後述する図５、図６の説明においても同様である。）。
例えば、工具１０５が扉付きの箱等の中に格納されている工作機械１の場合、その扉が所定のモータにより開いて、所定のアームで工具１０５を選択して把持して取り付ける際の扉の開閉時の大きな電流（瞬時的なピーク）を計測すれば複数種類の工具１０５の変更のタイミングを推定することができる。
【００２０】
さらに、工具１０５の交換のタイミングを推定することのみでなく、工具台１０６を左右上下に移動させる際にサーボモータ１０２−ａ、サーボモータ１０２−ｂに大きな電流が流れるため、この左右上下の動作に基づいて工作機械１の稼働時間・稼働率等を推定することもできる。
【００２１】
その他、故障予測（異常検知）に用いることもできる。すなわち、第一の電流センサとしての電流センサ２０５−ａがワーク１０３側を駆動する第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ２０５−ｄが工具１０５側を駆動する第二のモータに流れる電流を計測し、これら２つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させ、解析処理を実行し、通常（正常時）の波形とは異なる波形が現れた場合には工作機械１又は工具１０５が故障する予兆又は故障しているとみなして故障予測を実施することができる。
【００２２】
図５（ａ）・図５（ｂ）は、加工回数（加工時間や除去体積等としてもよい。）に対する工具の種類ごとの負荷特徴量（なお、ここでいう「負荷」とは、ワークに対して工具を当てると反発する力の大きさのことをいう。種々の計算式や指標があるが、以下では、負荷は、「電流の大きさ」を測定することで推定されるものとする。すなわち、相対的に大きな負荷がかかっている場合（ワークに対して劣化した工具が当たってその分の抵抗力が生じている。）は、相対的に大きい電流が流れ、相対的に小さな負荷がかかっている場合（ワークに対してそれほど劣化していない工具が当たってその分の抵抗力が生じている。）は、相対的に小さい電流が流れ、負荷がかかっていない場合（空転）は、ほぼ電流が流れないことを利用して推定する。）の推移である。
ここでは負荷特徴量とは、図４における各ブロックの電流値の平均値のことをいう。具体的には、図４において、工具１０５−ａが使用されていた時間の電流の大きさがブロック１の領域（切り出し区間）として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図５（ａ）中の丸印としてプロットされている。同様に、図４において、工具１０５−ｂが使用されていた時間の電流の大きさがブロック２の領域（切り出し区間）として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図５（ｂ）中の三角印としてプロットされている。なお、図５（ａ）・図５（ｂ）にプロットされる丸印・三角印は、例えば同じ製品を１００本作るケースなどの、同一のワークを同一の条件で加工することを前提として、情報処理装置３０の演算装置によって計算処理された負荷特徴量であり、また、理解の容易化のためにグラフで示したに過ぎなくグラフ化は必須ではない。
加工回数の増加に伴い、図５（ａ）に示す、工具１０５−ａの負荷特徴量４０１と、図５（ｂ）に示す、工具１０５−ｂの負荷特徴量４０２はともに増加傾向（計測等の誤差があり得るため必ずしも加工回数に比例して負荷特徴量が大きくなるわけではないという意味である。）を示す。
これは、加工回数の増加に伴い、すなわち工具が使用されるに伴い、工具の表面が摩耗して劣化すると、ワークに対して当たった工具の表面の摩擦が大きくなり、すなわち抵抗力が大きくなり、負荷も大きくなるからである。
情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている各工具の負荷特徴量の閾値４０３、閾値４０４に、情報処理装置３０の演算装置によって計算処理された各工具の負荷特徴量が達した（一度達する場合でも、念のため２回連続で達する場合など計測エラ−対策がなされてもよい。９割程度の予備閾値を２回連続で達する場合など追加条件を付加することであってもよい。）と判断された場合、工具の表面が摩耗して劣化が著しく工具の交換時期であるとして推定し、情報処理装置３０の演算装置は工具交換のための所定のアラートを表示装置４０の表示画面５等に報知する。
なお、上記では、各切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値（二乗平均値）を加工対象の加工回数ごとに相対比較したが、非負関数値として計測した電流値の絶対値の総和値を利用することであってもよい。
さらに、図５（ａ）・図５（ｂ）において、理論寿命曲線（切削加工に外乱等によるばらつきが生じない場合の理想的な状況での工具１０５の摩耗の進行をあらわすもの）を示しておくと、プロットされた負荷特徴量とその理論寿命曲線の関係（推移や傾きの傾向など）に基づいて、公知の種々の手法により、工具１０５の観測時点での摩耗の進行度合いを推定することが可能となる。例えば、理論寿命曲線が略Ｓ字状とすると、２回目のカーブにさしかかったタイミングを工具の交換時期と予め決定しておき、プロットされた負荷特徴量の推移から２回目のカーブにさしかかったと情報処理装置３０により判断されたときに、工具交換のための所定のアラートを表示装置４０の表示画面５等に報知することであってもよい。
また、加工の条件等によっては、所定の工具１０５に関して、ワーク１０３を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータとして、主軸モータ１０１を流れる電流では感度が低いため（工具摩耗の程度と電流値の変化に対応性が乏しい等）効率的効果的に工具摩耗の進行が推定できない等の事情が生じる可能性があり、その場合は、他のサーボモータ１０２を流れる電流では推定できるということもあり得るため、第一の電流センサとしての候補が複数（例えば、電流センサ２０５−ａ、電流センサ２０５−ｂ、電流センサ２０５−ｃ）存在することには大きなメリットがある。
【００２３】
図６は、表示装置４０に表示される表示画面５の一例を示す図である。
表示画面５は、加工品名（例えば、製品名：Ａ社の自動車のカムシャフト）の表示５０１と、工具交換通知（アラート）の表示５０２と、工具負荷特徴量の表示５０３と、電流計測値（電流の時刻歴波形、現時点の電流値も表示されることであってもよい。）の表示５０４と、工具名の表示５０５と、過去の履歴情報としての工具交換履歴（交換日時等）の表示５０６等とによって構成されている。もちろんこれらのすべての表示が必須ということではない。
なお、表示画面５へ出力することなく、所定の別体のランプ等を点滅させることなどにより、工具交換のアラートのみ報知することであってもよい。
また、表示装置４０等に出力されるデータは、表示装置４０等に出力することなく、情報処理装置３０のみにおいて所定の表示部（液晶ディスプレイ等）に表示して利用されることであってもよい。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態に係る工作機械の電流計測システム１０を用いた工作機械１の電流計測方法について、図７のフロ−チャ−トを参照して詳細に説明する。
基本的な流れは、第一の電流センサ（例えば、電流センサ２０５−ａ、電流センサ２０５−ｂ、電流センサ２０５−ｃ）がワーク１０３を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ２０５−ｄが複数種類の工具１０５の変更のための動作を司るための第二のモータに流れる電流を計測し、これら２つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させて、解析処理を実行する、というものである。
以下では、工作機械１であるＮＣ旋盤による切削加工等に使用される２種類の工具である工具１０５−ａと工具１０５−ｂを変更しながらワーク１０３を加工する場合において、工具の負荷推定と併用することにより、工具ごとの摩耗状態（摩耗状態が一定限度を超えると「工具異常」の概念に含まれる状態となるものとする。）を推定して工具交換のタイミングを推定して報知するケースについて説明する。
ここでは、第一の電流センサとして主軸モータ１０１に流れる電流を計測する電流センサ２０５−ａを例にあげて説明するが、第一の電流センサとして、サーボモータ１０２−ａに流れる電流を計測する電流センサ２０５−ｂやサーボモータ１０２−ｂに流れる電流を計測する電流センサ２０５−ｃを適用することも同様に可能である。
【００２５】
まず、情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に工具１０５−ａと工具１０５−ｂごとの負荷特徴量の閾値４０３、閾値４０４を予め設定する（ステップＳ１）。
【００２６】
次に、工作機械１により、工具１０５を用いたワーク１０３の加工が開始されると、電流センサ２０５−ａは主軸モータ１０１に流れる電流を計測し、電流センサ２０５−ｄはサーボモータ１０２−ｃに流れる電流を計測する（ステップＳ２）。
【００２７】
そして、情報処理装置３０は、図４に示すように、主軸モータ１０１に流れる電流の時刻歴波形３０１（実線）と、サーボモータ１０２−ｃに流れる電流の時刻歴波形３０２（破線）を得て、同期処理を行う（ステップＳ３）。
【００２８】
情報処理装置３０の演算装置は、切削加工等の開始時点から、時刻歴波形３０２に最初に現れる瞬時的なピーク（ピーク信号）までは、工具１０５−ａが使用されており、初めて工具台１０６が回動する際に瞬時的なピークが最初に現れ、その時点で、工具１０５−ａから工具１０５−ｂへと変更され、それ以降は、時刻歴波形３０２に次の瞬時的なピークが現れるまでは、工具１０５−ｂが使用されているとみなし（推定し）、図４における、工具１０５−ａが使用されていたブロック１の領域と、工具１０５−ｂが使用されていたブロック２の領域の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として算定する（ステップＳ４）。なお、情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている複数の工具の使用する順番のデータと紐付けること等により、時刻歴波形３０２に瞬時的なピークが現れるごとに、１番目の使用工具から２番目の使用工具へ、具体的にどの種類の工具からどの種類の工具へ変更されていくのかを特定することができる。
【００２９】
そして、情報処理装置３０の演算装置は、上記のステップＳ１で設定した各工具の負荷特徴量の閾値４０３、閾値４０４に、各工具の負荷特徴量が達したか否かをそれぞれ判断し（ステップＳ５）、達したと判断された工具がある場合、その工具の表面が摩耗して劣化が著しく工具の交換時期であるとして推定し、情報処理装置３０の演算装置は、工具摩耗状態がひどく工具交換が必要である旨の所定のアラートを、例えば図６に示すように表示装置４０の表示画面５等に報知する（ステップＳ６）。
【００３０】
このようにすれば、工作機械１のＮＣ装置を経由することなく、回転する主軸を駆動するモータの電流と工具交換台を駆動するモータの電流を計測し同期処理することによって、同一種類のワーク１０３を複数加工する状況において、工具１０５ごとに切り出された電流波形の非負関数値をワークごとに相対比較して推移を観察することで、ワーク１０３の加工回数に対する工具１０５ごとの摩耗状態を推定することができる。
従来、工作機械メーカーは機械の内部で動作しているプログラムからデータを解析することができるが、１つの工場で異なるメーカ等の工作機械を複数使用している場合等において、汎用的に工作機械１の外部から（内部の電気回路等に変更を加えると改造品等となりメーカー保証対象外となるリスクもある。）工具の交換タイミング等を判別することが望まれていた。例えば、１個のワークの加工に際して工具を３種類用いて変更しながら加工する場合、ある１種類の工具を相対的に長い時間使用するため、一番早く摩耗するが、工作機械メーカー側で設定された回転数を目安として一括交換するケースや、３種類の工具の合算値で異常値を計測判断しているケースもあり、そのときは残りの２種類の工具はまだ使用できる状態であり、工具費用の無駄が発生していた。各工具の使用許容範囲の限界まで使用してからそれぞれのタイミングで廃棄・新品交換を実施することで原価低減・経済効率性が実現できる。
【００３１】
上記の本実施の形態によれば、工作機械であるＮＣ旋盤による複数種類の工具を使用した切削加工において、使用されている工具の工具異常を検知することができる。
なお、上記で例示したＮＣ旋盤は単一の主軸を有するものであったが、複数の主軸を有する複合旋盤に対しても適用可能である。
【００３２】
また、電流センサ２０５のうちの少なくともいずれかと所定の電圧センサとを併用することで、電流と同時に電圧も計測することにより、主軸モータ１０１やサーボモータ１０２等の消費電力に基づいて上記の電流を使用した実施形態と同様のことを実現することができる。
【００３３】
次に、本発明の第二の実施の形態に係る工作機械の電流計測システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
工作機械として、マシニングセンタ（立形マシニングセンタ）を前提とする。
なお、上記の第一の実施の形態に係る工作機械の電流計測システムと重複する説明は適宜省略し、同一の装置等には同一の符号を付していることがある。
【００３４】
図８は、本発明の実施の形態における工作機械１´の電流計測システム１０´の構成図である。
電流計測システム１０´は、電流センサ２０５´−ａ、電流センサ２０５´−ｂ、電流センサ２０５´−ｃ、電流センサ２０５´−ｄ、電流センサ２０５´−ｅと、ケーブル２１´−ａ、ケーブル２１´−ｂ、ケーブル２１´−ｃ、ケーブル２１´−ｄ、ケーブル２１´−ｅと、情報処理装置（例えば、産業用パーソナルコンピュータである。）３０、表示装置４０とから構成されている。
電流センサ２０５´は、例えば公知の磁気式電流センサであり、測定したい電流が電線の周囲に作る磁場を磁気センサによって検知して磁場の大きさを測定することで電流値（電流量）を計測するものである。工作機械１´の制御盤２´から延びる配線のうち、電流センサ２０５´−ａは主軸モータ１０１´に流れる電流を計測するために主軸モータ１０１´に接続されるケーブル（電線）に取り付けられ、電流センサ２０５´−ｂはサーボモータ１０２´−ａ（主軸のＺ軸サーボモータ）に流れる電流を計測するためにサーボモータ１０２´−ａに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ２０５´−ｃはサーボモータ１０２´−ｂ（ステージ１０７´を駆動するＸ軸サーボモータ）に流れる電流を計測するためにサーボモータ１０２´−ｂに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ２０５´−ｄはサーボモータ１０２´−ｃ（ステージ１０７´を駆動するＹ軸サーボモータ）に流れる電流を計測するためにサーボモータ１０２´−ｃに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ２０５´−ｅはサーボモータ１０２´−ｄ（ＡＴＣ（Automatic Tool Changer：自動工具交換装置）１０８´を駆動するＡＴＣ用サーボモータ）に流れる電流を計測するためにサーボモータ１０２´−ｄに接続されるケーブルに取り付けられている。
電流センサ２０５´−ａ、電流センサ２０５´−ｂ、電流センサ２０５´−ｃ、電流センサ２０５´−ｄ、電流センサ２０５´−ｅのそれぞれのケーブル２１´−ａ、ケーブル２１´−ｂ、ケーブル２１´−ｃ、ケーブル２１´−ｄ、ケーブル２１´−ｅは、情報処理装置３０に接続されている（無線接続等であってもよい）。なお、それぞれのケーブル２１´は、図示しないＩ／Ｏモジュール（ノイズ除去と信号増幅のためのアナログ電子回路と、アナログデータをデジタルデータに変換するためのＡＤ変換器を備える。）に接続され、Ｉ／Ｏモジュールが電流センサ２０５´から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、情報処理装置３０に対してデジタル信号を有線又は無線通信により出力することであってもよい。
情報処理装置３０は、制御部・計算部としての演算装置であるＣＰＵ等を備え、記憶部としての所定の記憶装置を内蔵又は外付けＨＤＤ等として備えている。また、情報処理装置３０は、アナログ回路としての電子回路を内蔵していることであってもよい。
表示装置４０は、表示機構と入力機構を備え、所定のスタンドにより支持されたり、工作機械１´に所定の治具により固定されていることであってもよい。また、表示装置４０は、単なるランプのように報知機能のみ有していることであってもよい。表示装置４０は、所定のケーブル４１により情報処理装置３０と接続されている（無線接続等であってもよい）。表示装置４０は、例えば、液晶ディスプレイ、タッチパネルディスプレイ、タブレット端末、スマートフォン等である。
【００３５】
図９は、工作機械１´である、周知の立形マシニングセンタ（３軸加工、テーブル（ステージ）駆動式）の一例を示す概略図である。
工作機械１には主軸１００´を駆動する主軸モータ１０１´、Ｚ軸サーボモータ１０２´−ａと、ステージ１０７´を駆動するサーボモータ１０２´−ｂ・サーボモータ１０２´−ｃと、ＡＴＣ１０８´を駆動するサーボモータ１０２´−ｄが取り付けられている。
加工対象であるワーク１０３´（例えば、立方体状の金属片である。）はステージ１０７´に取り付けられ固定されている。なお、ステージ１０７´を駆動するサーボモータ１０２´−ｂ（Ｘ軸サーボモータ）・サーボモータ１０２´−ｃ（Ｙ軸サーボモータ）は、それぞれ、図９中において、図中のＸ軸で示す左右方向の移動、図中のＹ軸で示す前後方向の移動の動作を司る。工作機械によってはサーボモータ１０２´による運動の自由度がさらに増加するものもあり、そのためのモータが追加されることであってもよい。例えば、回転と傾斜の２軸を加えた５軸加工である。
ワークを加工するための工具１０５´（ここでは１０５´−ａ）は、主軸１００´に取り付けられ、主軸１００´を軸心として回転し、また、主軸１００´を駆動するサーボモータ１０２´−ａ（Ｚ軸サーボモータ）により、図９中において、図中のＺ軸で示す上下方向に移動する。
ワークを加工するための複数種類の工具１０５´−ａ、１０５´−ｂ、１０５´−ｃ（ここでは説明の便宜上ａ、ｂ、ｃの３個としたが、４個以上であってもよい。）は、ＡＴＣ１０８´により交換される。一例として、図９中において、ＡＴＣ１０８´には変更用工具として工具１０５´−ｂ、１０５´−ｃが備え付けられており、ＮＣプログラムに基づくＮＣ装置２０１´からの工具変更信号に従ってＡＴＣ駆動用のサーボモータ１０２´−ｄが動作し、ＡＴＣ１０８´は、主軸１００´に取り付けられた工具１０５´−ａと、工具１０５´−ｂ又は工具１０５´−ｃ´との変更を実施する（なお、異なる種類の工具への「変更」と、工具の「交換（新品への）」とは異なる概念として説明する。）。なお、図９中において示したＡＴＣ１０８´が工作機械１´に設けられる（実装される）位置は任意である。
図９中において、ＮＣプログラムの指示に従うサーボモータ１０２´−ａにより主軸１００´が図中下側に移動して工具１０５´−ａ（主軸を軸心として回転している。）がステージ１０７´上のワーク１０３´に当接して切削加工等を行う。
工具１０５´は、ワーク１０３´の材質と加工の種類によって選択され、例えば、単位加工時間あたりの除去体積をできるだけ多くとることが求められる粗加工においては、ワーク１０３´と工具１０５´の先端との接触体積が大きくなる形状のものが選択され、また、加工品質に直接影響する表面の仕上げ加工においては、表面粗さを均質化する先端形状を有する工具１０５´が選択され、また、ワーク１０３´を回転軸の内側から切削する内径切削においては、中ぐり用の工具１０５´が選択される。
【００３６】
図１０は、工作機械１´である立形マシニングセンタとその電流計測システム１０´の信号の流れを説明するためのブロック図である。
図１０において、まず、ＮＣ装置２０１´から出力された制御信号はＰＬＣ２０２´、インバータ２０３´、サーボアンプ２０４´−ａ、サーボアンプ２０４´−ｂ、サーボアンプ２０４´−ｃおよびサーボアンプ２０４´−ｄに入力される。
インバータ２０３´は主軸モータ１０１´を駆動し、サーボアンプ２０４´−ａ、サーボアンプ２０４´−ｂ、サーボアンプ２０４´−ｃおよびサーボアンプ２０４´−ｄはＮＣ装置２０１からの指示に従ってそれぞれサーボモータ１０２´−ａ、サーボモータ１０２´−ｂ、サーボモータ１０２´−ｃおよびサーボモータ１０２´−ｄの運動（動作）を制御する。
電流センサ２０５´−ａは主軸モータ１０１´に流れる電流を計測し、電流センサ２０５´−ｂ、電流センサ２０５´−ｃ、電流センサ２０５´−ｄ、電流センサ２０５´−ｅはそれぞれサーボモータ１０２´−ａ、サーボモータ１０２´−ｂ、サーボモータ１０２´−ｃおよびサーボモータ１０２´−ｄに流れる電流を計測する。
ＮＣ装置２０１´にはワーク１０３´を所望の形状に加工するためのプログラム（ＮＣプログラム）が実装されている。
主軸モータ１０１´が回転することによって取り付けられた工具１０５´も同時に回転する。
ＮＣ装置２０１´からの指示に従ってサーボアンプ２０４´−ａがサーボモータ１０２´−ａを駆動することで、主軸１００´が図９中のＺ軸で示す上下方向に移動し、工具１０５´がワーク１０３´に接触し、切削加工が行われる。
ＮＣ装置２０１´からの指示に従ってサーボアンプ２０４´−ｂがサーボモータ１０２´−ｂを駆動することで、ステージ１０７´が図９中のＸ軸で示す左右方向に、また、ＮＣ装置２０１´からの指示に従ってサーボアンプ２０４´−ｃがサーボモータ１０２´−ｃを駆動することで、ステージ１０７´が図９中のＹ軸で示す前後方向に移動する。
ＮＣ装置２０１´からの指示に従ってサーボアンプ２０４´−ｄがサーボモータ１０２´−ｄを駆動することで、ＡＴＣ１０８´が工具１０５´の変更を実施する。
【００３７】
図１１は、電流センサ２０５´−ａによって計測された、工作機械１´である立形マシニングセンタが稼働している最中の主軸モータ１０１´に流れる電流の時刻歴波形３０１´（実線）と、電流センサ２０５´−ｅによって計測された、工作機械１´が稼働している最中のサーボモータ１０２´−ｄに流れる電流の時刻歴波形３０２´（破線）である。なお、縦軸は電流値、横軸は経過時間である。ここでは、第一の電流センサとして主軸モータ１０１´に流れる電流を計測する電流センサ２０５´−ａを例にあげて説明するが、第一の電流センサとして、サーボモータ１０２´−ａに流れる電流を計測する電流センサ２０５´−ｂやサーボモータ１０２´−ｂに流れる電流を計測する電流センサ２０５´−ｃを適用することも同様に可能であり、重複する説明は省略する（なお、後述する図１２、図１３の説明においても電流センサ２０５´−ｂや電流センサ２０５´−ｃを適用する説明は実質的に重複するので省略する。）。
切削加工等に使用される工具が、例えば、工具１０５´−ａから工具１０５´−ｂへと変更される際には、ＡＴＣ１０８´が動作する。このとき、ＡＴＣ１０８´を動作させるためにサーボモータ１０２´−ｄに大きな電流が流れるため、サーボモータ１０２´−ｄに流れる電流の時刻歴波形３０２´には瞬時的なピーク（（短期持続的なピークを含む、以下同様である。））が現れる。この瞬時的なピークを含む時刻歴波形３０２´と、主軸モータ１０１´に流れる電流の時刻歴波形３０１´とを同期させる（重ねる）ことで、工具１０５´−ａと工具１０５´−ｂの使用時間に応じた主軸モータ１０１´に流れる電流の時刻歴波形を抽出する（切り出す）ことができる。
計測された電流値は、情報処理装置３０の記憶装置等に保存され、その記憶装置等に接続された情報処理装置３０の演算装置によってデジタルデータで同期処理を行うことであっても、また、情報処理装置３０のアナログ回路（連続的に変化する電気信号を取り扱う電子回路）においてアナログ情報として同期処理を行うことであってもよい。
具体的には、図１１に示すように、切削加工等の開始時点から、時刻歴波形３０２´に最初に現れる瞬時的なピークまでは、工具１０５´−ａが使用されており、初めてＡＴＣ１０８´が動作する際に瞬時的なピークが最初に現れ、その時点で、工具１０５´−ａから工具１０５´−ｂへと変更され、それ以降は、時刻歴波形３０２´に次の瞬時的なピークが現れるまでは、工具１０５´−ｂが使用されているとみなす（推定する）ことができる。但し、図１１は、理解の容易化のために模式的にグラフを表しているに過ぎなく、切削加工等の開始時点から、ワーク１０３´に工具１０５´−ａが当たるまでや、工具１０５´−ａから工具１０５´−ｂへと変更される際のワーク１０３´にいずれの工具１０５´も当たっていない状態は無視して表現したものであるし、電流値も必ずしも工具ごとに一定（フラット）の値をとるものではない。
なお、切削加工等に際して、情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている複数の工具の使用する順番のデータと紐付けること等により、時刻歴波形３０２´に瞬時的なピークが現れるごとに、１番目の使用工具から２番目の使用工具へ、具体的にどの種類の工具からどの種類の工具へ変更されていくのかを特定することができる。情報処理装置３０から上記の複数の工具の使用する順番のデータを取得し、そのデータを、図１１に示すデータと紐付けて、表示装置４０に具体的にどの時間帯でどの種類の工具が使用されていたかの工具名も表示することであってよい。
【００３８】
また、図１１では、工作機械１´として所定の構造の「立形マシニングセンタ」を前提として説明したが、工作機械１´は、複数種類の工具１０５´を変更しながらワーク１０３´を加工し、ワーク１０３´を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータと、複数種類の工具１０５´の変更のための動作を司るための第二のモータとを備えていれば、その具体的な構造は限定されなく、第一の電流センサ（例えば、電流センサ２０５´−ａ、電流センサ２０５´−ｂ、電流センサ２０５´−ｃ、電流センサ２０５´−ｄ）がワーク１０３´を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ２０５´−ｅが複数種類の工具１０５´の変更のための動作を司るための第二のモータに流れる電流を計測し、これら２つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させることで、解析処理を実行することができる（なお、後述する図１２、図１３の説明においても同様である。）。
【００３９】
さらに、工具１０５´の交換のタイミングを推定することのみでなく、主軸１００´を上下に移動させたり、ステージ１０７´を左右前後に移動させる際にサーボモータ１０２´−ａ、サーボモータ１０２´−ｂやサーボモータ１０２´−ｃに大きな電流が流れるため、これらの上下、左右前後の動作に基づいて工作機械１´の稼働時間・稼働率等を推定することもできる。
【００４０】
その他、故障予測（異常検知）に用いることもできる。すなわち、第一の電流センサとしての電流センサ２０５´−ａがワーク１０３´を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ２０５´−ｅが複数種類の工具１０５´の変更のための動作を司るための第二のモータに流れる電流を計測し、これら２つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させ、解析処理を実行し、通常（正常時）の波形とは異なる波形が現れた場合には工作機械１´又は工具１０５´が故障する予兆又は故障しているとみなして故障予測を実施することができる。
【００４１】
図１２（ａ）・図１２（ｂ）は、加工回数（加工時間や除去体積等としてもよい。）に対する工具の種類ごとの負荷特徴量（なお、ここでいう「負荷」とは、ワークに対して工具を当てると反発する力の大きさのことをいう。種々の計算式や指標があるが、以下では、負荷は、「電流の大きさ」を測定することで推定されるものとする。すなわち、相対的に大きな負荷がかかっている場合（ワークに対して劣化した工具が当たってその分の抵抗力が生じている。）は、相対的に大きい電流が流れ、相対的に小さな負荷がかかっている場合（ワークに対してそれほど劣化していない工具が当たってその分の抵抗力が生じている。）は、相対的に小さい電流が流れ、負荷がかかっていない場合（空転）は、ほぼ電流が流れないことを利用して推定する。）の推移である。
ここでは負荷特徴量とは、図１１における各ブロックの電流値の平均値のことをいう。具体的には、図１１において、工具１０５´−ａが使用されていた時間の電流の大きさがブロック１´の領域（切り出し区間）として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図１２（ａ）中の丸印としてプロットされている。同様に、図１１において、工具１０５´−ｂが使用されていた時間の電流の大きさがブロック２´の領域（切り出し区間）として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図１２（ｂ）中の三角印としてプロットされている。なお、図１２（ａ）・図１２（ｂ）にプロットされる丸印・三角印は、例えば同じ製品を１００本作るケースなどの、同一のワークを同一の条件で加工することを前提として、情報処理装置３０の演算装置によって計算処理された負荷特徴量であり、また、理解の容易化のためにグラフで示したに過ぎなくグラフ化は必須ではない。
加工回数の増加に伴い、図１２（ａ）に示す、工具１０５´−ａの負荷特徴量４０１´と、図１２（ｂ）に示す、工具１０５´−ｂの負荷特徴量４０２´はともに増加傾向（計測等の誤差があり得るため必ずしも加工回数に比例して負荷特徴量が大きくなるわけではないという意味である。）を示す。
これは、加工回数の増加に伴い、すなわち工具が使用されるに伴い、工具の表面が摩耗して劣化すると、ワークに対して当たった工具の表面の摩擦が大きくなり、すなわち抵抗力が大きくなり、負荷も大きくなるからである。
情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている各工具の負荷特徴量の閾値４０３´、閾値４０４´に、情報処理装置３０の演算装置によって計算処理された各工具の負荷特徴量が達した（一度達する場合でも、念のため２回連続で達する場合など計測エラ−対策がなされてもよい。９割程度の予備閾値を２回連続で達する場合など追加条件を付加することであってもよい。）と判断された場合、工具の表面が摩耗して劣化が著しく工具の交換時期であるとして推定し、情報処理装置３０の演算装置は工具交換のための所定のアラートを表示装置４０の表示画面５等に報知する。
なお、上記では、各切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値（二乗平均値）を加工対象の加工回数ごとに相対比較したが、非負関数値として計測した電流値の絶対値の総和値を利用することであってもよい。
さらに、図１２（ａ）・図１２（ｂ）において、理論寿命曲線（切削加工に外乱等によるばらつきが生じない場合の理想的な状況での工具１０５´の摩耗の進行をあらわすもの）を示しておくと、プロットされた負荷特徴量とその理論寿命曲線の関係（推移や傾きの傾向など）に基づいて、公知の種々の手法により、工具１０５´の観測時点での摩耗の進行度合いを推定することが可能となる。例えば、理論寿命曲線が略Ｓ字状とすると、２回目のカーブにさしかかったタイミングを工具の交換時期と予め決定しておき、プロットされた負荷特徴量の推移から２回目のカーブにさしかかったと情報処理装置３０により判断されたときに、工具交換のための所定のアラートを表示装置４０の表示画面５等に報知することであってもよい。
また、加工の条件等によっては、所定の工具１０５´に関して、ワーク１０３´を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータとして、主軸モータ１０１´を流れる電流では感度が低くて（工具摩耗の程度と電流値の変化に対応性が乏しい等）効率的効果的に工具摩耗の進行が推定できない等の事情が生じる可能性があり、その場合は、他のサーボモータ１０２´を流れる電流では推定できるということもあり得るため、第一の電流センサとしての候補が複数（例えば、電流センサ２０５´−ａ、電流センサ２０５´−ｂ、電流センサ２０５´−ｃ、電流センサ２０５´−ｅ）存在することには大きなメリットがある。
【００４２】
図１３は、表示装置４０に表示される表示画面５の一例を示す図である。
表示画面５は、加工品名（例えば、製品名：Ａ社の自動車のカムシャフト）の表示５０１と、工具交換通知（アラート）の表示５０２と、工具負荷特徴量の表示５０３と、電流計測値（電流の時刻歴波形、現時点の電流値も表示されることであってもよい。）の表示５０４と、工具名の表示５０５と、過去の履歴情報としての工具交換履歴（交換日時等）の表示５０６等とによって構成されている。もちろんこれらのすべての表示が必須ということではない。
なお、表示画面５へ出力することなく、所定の別体のランプ等を点滅させることなどにより、工具交換のアラートのみ報知することであってもよい。
また、表示装置４０等に出力されるデータは、表示装置４０等に出力することなく、情報処理装置３０のみにおいて所定の表示部（液晶ディスプレイ等）に表示して利用されることであってもよい。
【００４３】
次に、本発明の実施の形態に係る工作機械の電流計測システム１０を用いた工作機械１´の電流計測方法について、図１４のフロ−チャ−トを参照して詳細に説明する。
基本的な流れは、第一の電流センサ（例えば、電流センサ２０５´−ａ、電流センサ２０５´−ｂ、電流センサ２０５´−ｃ、電流センサ２０５´−ｄ）がワーク１０３´を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ２０５´−ｅが複数種類の工具１０５´の変更のための動作を司るための第二のモータに流れる電流を計測し、これら２つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させて、解析処理を実行する、というものである。
以下では、工作機械１´である立形マシニングセンタによる切削加工等に使用される２種類の工具である工具１０５´−ａと工具１０５´−ｂを変更しながらワーク１０３´を加工する場合において、工具の負荷推定と併用することにより、工具ごとの摩耗状態（摩耗状態が一定限度を超えると「工具異常」の概念に含まれる状態となるものとする。）を推定して工具交換のタイミングを推定して報知するケースについて説明する。
ここでは、第一の電流センサとして主軸モータ１０１´に流れる電流を計測する電流センサ２０５´−ａを例にあげて説明するが、第一の電流センサとして、サーボモータ１０２´−ａに流れる電流を計測する電流センサ２０５´−ｂやサーボモータ１０２´−ｂに流れる電流を計測する電流センサ２０５´−ｃやサーボモータ１０２´−ｃに流れる電流を計測する電流センサ２０５´−ｄを適用することも同様に可能である。
【００４４】
まず、情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に工具１０５´−ａと工具１０５´−ｂごとの負荷特徴量の閾値４０３´、閾値４０４´を予め設定する（ステップＳ１´）。
【００４５】
次に、工作機械１´により、工具１０５´を用いたワーク１０３´の加工が開始されると、電流センサ２０５´−ａは主軸モータ１０１´に流れる電流を計測し、電流センサ２０５´−ｅはサーボモータ１０２´−ｄに流れる電流を計測する（ステップＳ２´）。
【００４６】
そして、情報処理装置３０は、図１１に示すように、主軸モータ１０１´に流れる電流の時刻歴波形３０１´（実線）と、サーボモータ１０２´−ｄに流れる電流の時刻歴波形３０２´（破線）を得て、同期処理を行う（ステップＳ３´）。
【００４７】
情報処理装置３０の演算装置は、切削加工等の開始時点から、時刻歴波形３０２´に最初に現れる瞬時的なピーク（ピーク信号）までは、工具１０５´−ａが使用されており、初めてＡＴＣ１０８´が動作する際に瞬時的なピークが最初に現れ、その時点で、工具１０５´−ａから工具１０５´−ｂへと変更され、それ以降は、時刻歴波形３０２´に次の瞬時的なピークが現れるまでは、工具１０５´−ｂが使用されているとみなし（推定し）、図１１における、工具１０５´−ａが使用されていたブロック１´の領域と、工具１０５´−ｂが使用されていたブロック２´の領域の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として算定する（ステップＳ４´）。なお、情報処理装置３０の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている複数の工具の使用する順番のデータと紐付けること等により、時刻歴波形３０２´に瞬時的なピークが現れるごとに、１番目の使用工具から２番目の使用工具へ、具体的にどの種類の工具からどの種類の工具へ変更されていくのかを特定することができる。
【００４８】
そして、情報処理装置３０の演算装置は、上記のステップＳ１´で設定した各工具の負荷特徴量の閾値４０３´、閾値４０４´に、各工具の負荷特徴量が達したか否かをそれぞれ判断し（ステップＳ５´）、達したと判断された工具がある場合、その工具の表面が摩耗して劣化が著しく工具の交換時期であるとして推定し、情報処理装置３０の演算装置は、工具摩耗状態がひどく工具交換が必要である旨の所定のアラートを、例えば図１３に示すように表示装置４０の表示画面５等に報知する（ステップＳ６´）。
【００４９】
このようにすれば、工作機械１´の立形マシニングセンタを経由することなく、回転する主軸を駆動するモータの電流とＡＴＣを駆動するモータの電流を計測し同期処理することによって、同一種類のワーク１０３´を複数加工する状況において、工具１０５´ごとに切り出された電流波形の非負関数値をワーク１０３´ごとに相対比較し推移を観察することで、ワーク１０３´の加工回数に対する工具１０５´ごとの摩耗状態を推定することができる。
従来、工作機械メーカーは機械の内部で動作しているプログラムからデータを解析することができるが、１つの工場で異なるメーカ等の工作機械を複数使用している場合等において、汎用的に工作機械の外部から（内部の電気回路等に変更を加えると改造品等となりメーカー保証対象外となるリスクもある。）工具の交換タイミング等を判別することが望まれていた。例えば、１個のワークの加工に際して工具を３種類用いて変更しながら加工する場合、ある１種類の工具を相対的に長い時間使用するため、一番早く摩耗するが、工作機械メーカー側で設定された回転数を目安として一括交換するケースや、３種類の工具の合算値で異常値を計測判断しているケースもあり、そのときは残りの２種類の工具はまだ使用できる状態であり、工具費用の無駄が発生していた。各工具の使用許容範囲の限界まで使用してからそれぞれのタイミングで廃棄・新品交換を実施することで原価低減・経済効率性が実現できる。
【００５０】
上記の本実施の形態によれば、工作機械である立形マシニングセンタによる複数種類の工具を使用した切削加工において、使用されている工具の工具異常を検知することができる。
【００５１】
また、電流センサ２０５´の少なくともいずれかと所定の電圧センサとを併用することで、電流と同時に電圧も計測することにより、主軸モータ１０１´やサーボモータ１０２´等の消費電力に基づいて上記の電流を使用した実施形態と同様のことを実現することができる。
【００５２】
その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されてよい。例えば、ＮＣ旋盤にマシニングセンタのような機能を搭載した複合機にも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１        工作機械（ＮＣ旋盤）
１´        工作機械（立形マシニングセンタ）
２、２´        制御盤
２１−ａ、２１−ｂ、２１−ｃ、２１−ｄ、２１´−ａ、２１´−ｂ、２１´−ｃ、２１´−ｄ、２１´−ｅ、４１    ケーブル
３０      情報処理装置
４０      表示装置
１０１、１０１´    主軸モータ
１０２ａ、１０２−ｂ、１０２−ｃ、１０２´−ａ、１０２´−ｂ、１０２´−ｃ、１０２´−ｄ    サーボモータ
１０３、１０３´    ワーク
１０４    チャック
１０５−ａ、１０５−ｂ、１０５´−ａ、１０５´−ｂ、１０５´−ｃ    工具
１０６    工具台
１０７´    ステージ
１０８´    ＡＴＣ
２０１、２０１´    ＮＣ装置
２０２、２０２´    ＰＬＣ
２０３、２０３´    インバータ
２０４−ａ、２０４−ｂ、２０４−ｃ、２０４´−ａ、２０４´−ｂ、２０４´−ｃ、２０４´−ｄ    サーボアンプ
２０５−ａ、２０５−ｂ、２０５−ｃ、２０５−ｄ、２０５´−ａ、２０５´−ｂ、２０５´−ｃ、２０５´−ｄ、２０５´−ｅ    電流センサ
３０１、３０１´    主軸モータに流れる電流の時刻歴波形
３０２、３０２´    サーボモータに流れる電流の時刻歴波形
４０１    工具１０５−ａの負荷特徴量
４０１´    工具１０５´−ａの負荷特徴量
４０２    工具１０５−ｂの負荷特徴量
４０２´    工具１０５´−ｂの負荷特徴量
４０３、４０４、４０３´、４０４´    負荷特徴量の閾値
５        表示画面
５０１    加工品名の表示
５０２    工具交換通知の表示
５０３    工具負荷特徴量の推移の表示
５０４    電流計測値の表示
５０５    工具交換履歴の表示
【要約】
【課題】工作機械による複数種類の工具を使用した加工において、ＮＣ装置に外部機器を接続することなく、使用されている工具の工具異常を検知する技術を提供すること。
【解決手段】第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ情報処理装置に接続されている、工作機械の電流計測システムであって、複数種類の工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する工作機械は、工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに部材を駆動するための第一のモータと、複数種類の工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、情報処理装置は、第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流と、第二の電流センサにより計測された第二のモータの電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行い、解析処理において第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流を、複数種類の工具の変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値をワークの加工回数ごとに相対比較することで、工具の種類ごとに工具異常を検知する工作機械の電流計測システム。
【選択図】図１【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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