小径ドリル加工における加工時のモータ電力変化とドリル折損の関係
桑原修

The Relationship of Motor Electric Power Chang to Drill Breakage in Micro Drill Processing

Osamu KUWABARA

In micro drill processing with small motor, drill breakage was detected in motor power change. Dispersion ofmotor power grows immediately before the drill break. It was confirmed that drill breakage was detected
analysis of dispersion of motor power. Electricity measurement and analytical calculation was applied
parameter design method of quality engineering.
It was realized that drill breakage was detected in measurement of electric current and calculation which
T-Method is applied.

Keywords: Micro drilling, DC brushless motor, power evaluation, drill breakage, Quality Engineering,
S/N-ratio, T-Method

小径ドリル加工において、小型モータを用いた加工を行い、その時のモータ電力変化からドリル折損の検出を行った。モータ電力の変化を観察すると、ドリル折損前に電力のばらつきが大きくなっている事が確認できた。ドリル折損を検出するには、モータ電力のばらつきを評価すれば良い事が分かった。また、電力の計測方法と解析方法について、品質工学によるパラメータ設計を行った。その結果、Ｔ法を用いることにより、電流値のみの計測からドリル折損を検出できることが分かった。

キーワード：小径ドリル,DCブラシレスモータ,モータ電力,ドリル折損,品質工学,ＳＮ比,Ｔ法

１．はじめに加工モニタリングすることは適さない。前報(1)では、小径ドリルを用いた穴加工は、工具径が小さいた

小型のモータを用いたドリル加工により、小径ドリめ、加工状態や工具状態の観察が困難である。また、ル加工をモータ電力変化でモニタリングする方法を

この加工は工具折損が多いため、加工状態を観察す試みた。本研究では加工電力のばらつきから、ドリる要望が高い。切削加工のモニタリング方法として、

ル折損を検出する方法を検討した。

主軸モータの電力変化を観察する方法がある。しかし、この方法による小径ドリル加工のモニタリング

２．実験方法では、主軸電力に対し加工負荷が小さいため、空転実験装置の概略を図1に示す。モータは3相4線のブ時電力と加工時電力の差が小さくなり、この方法でラシレス・センサレス・モータを用い、冶具を介し- 37 -てドリルを取り付けた。3相4線のモータでは電流は中性点に向かって流れるので、3相分の電流電圧を計被加工物測し、そのデータの積と和から瞬時の電力値を算出

ドリル刃先した。

E:送り軸傾き

ドリル加工において、ドリル折損に関係する要因

送り軸

回転軸は複数あり、それらが複雑に影響して折損が発生する。本実験では折損に影響する代表的な因子を抽出

D:振れ角度し、L18直交表(2)を使った組み合わせ実験を行うことドリルにより、ランダムな組み合わせでの加工を試みた。

C:回転振れ回転中心

実験の因子を表1及び図2に示す。その他の共通の加工条件は表2のとおりである。

図2 ドリル加工実験に用いる因子の概略図

表2 共通の加工条件
項目

条件

使用ドリル

φ0.5㎜，超硬材質(菱高精機製 ZH‑380)

回転数5,400rpm

加工穴深さ4㎜

ステップ送りなし

被削材

S50C(Hv210)

テストピース
S50C(Hv210)
送り

φ0.5mm
ドリル

冶具モータ

u,v,w
直流
電源

制御基盤
中性点

A 電流測定○V 電圧測定○３．加工実験結果

図1 加工実験と電力測定の概略図

加工実験の結果、4つの加工条件でドリル折損が発生した。ドリル折損が有る場合と無い場合における、加工時の電力波形を図3に示す。工具状態や加工状態がモータ電力に反映され、工具折損前には電力波形

表1 ドリル加工実験に用いる因子と水準

EFG

送り速度(mm/sec)
加工液種類

630459000.008/50.016/50.40.50.6

無切削油潤滑油a)通常加工b)ドリル折損時

(W)

1088
加工

6

工具折損

6電力

D

回転振れ量
（μｍ）
振れ角度
（ °）
送り軸傾きが大きく乱れていることが確認できた。

水準(W)

C子

電力

因

4422000510時間

15(s)0510時間

d=0.5mm,5400rpm,被削材S50C
図3 ドリル加工時の電力波形- 38 -15(s)４．モータ電力の解析

５．Ｔ法による電力ばらつきＮ‑1の予測

モータ電力のばらつきを評価するために、品質工

モータ電力のＮ‑1を3相の電流電圧データから計学における望目特性(3)の解析を行った。データは、算し、ドリル折損を検出することができた。しかし、加工に使われた電力を評価するため、加工時の電力そのためには6チャンネル高速データレコーダを準から空転時の電力平均を引いた値を、加工電力とし備し、膨大な量のデータを解析する必要があり、コて解析に用いた。図4に示す要領で0.005秒間隔の最ストがかかる。そのため、電力の計算をすることな大値(max)、最小値(min)、分散(σ２)を求め、そのデ

く、電流と電圧の波形からドリル折損を検出する方ータから0.1秒ごとのデータを抽出して望目特性の法を検討した。

計算を行い、0.1秒間ごとの加工電力のばらつき変化

ここでは、電力ばらつきを推定するのにＴ法(4)をを求めた。通常の望目特性の計算では、ＳＮ比(2)を用いることとした。Ｔ法の解析では単位空間と特徴算出するが、ここでは加工電力のばらつきを評価す量が必要となる。単位空間は加工の安定している部るため、ノイズ成分(Ｎ)のみを算出した。ここでの分とした。特徴量は電流電圧データのばらつき量とノイズ成分は電力のばらつき量となり、ばらつきをし、空転時の波形を基準とした標準ＳＮ比(5)の計算逆数で表しＮ‑1(db)としている。

で求めた。
‑1

図5に加工時間と電力ばらつき(Ｎ )の変化の関

前述のL18直交表を使った加工実験のＮ‑1に対し係を示す。図から分かるように工具の折損前にはＮて、各電流電圧の特徴量を計算して、表4のデータを‑1が急激に悪くなり、Ｎ‑1で工具折損を検出できるこ得た。これらのデータからＴ法の解析により、Ｎ‑1とが分かる。の推定を行うと図6のようになる。Ｎ‑1を電力から計算した場合とＴ法で推定した場合において、推定対象である信号空間では同様の傾向を示した。

40.1s(W)3

電力

空転2このことから、電流電圧のばらつきを特徴量としmax

たＴ法の解析により、電力の計算を行わずに工具の折損が検出できることが分かった。

minσ120.005s

0.005s

0.005s

表4 Ｔ法による予測の信号と特徴量

0024

時間

信号(s)

N

図4 電力解析用データの抽出(db)

104No1No5No122-1UV

W（db）

電圧

電流

電圧

電流

電圧

電流

8.18

68.17

62.89

68.59

62.95

68.38

62.81

8.16

68.42

61.69

68.73

61.26

69.05

62.58

8.08

68.11

61.41

68.80

61.43

68.77

61.87

8.07

62.30

58.44

62.32

58.41

62.40

58.41

8.07

67.68

61.84

68.68

62.31

68.33

62.22

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

86N

特徴量 (標準SN比 ｄｂ)-10折損-2-4折損-6-80246
加工時間

810(s)

図5 加工時間と電力N‑1の変化- 39 -

表5 電流電圧計測と解析の制御因子と水準(db)108電力から計算

6T法で推定因 子

4N-12水準B

単位空間の範囲

8.18 〜
7.63(db)

8.18 〜
7.37(db)

8.18 〜
7.24(db)

C

計測対象

電流・電圧

電流のみ

電圧のみ

D

計測する相数

1相

2相

3相

E

ﾃﾞｰﾀﾚｺｰﾀﾞの周波数応答特性 (kS/s)

100

10

10-2-4-6-8024
加工時間

68(s)

(db)

図6 電力N‑1計算値とＴ法による推定値の関係-2-3-4T法のSN比６．電流電圧計測と解析のパラメータ設計
更に計測にかかるコストを減らすため、電流電圧計測および解析方法についてパラメータ設計を行った。この実験は前述のL18直交表実験で求めたデータ-5-6-7B

CDE-8を使って、再計算することによって行った。

図7 電流電圧計測と解析の要因効果図

制御因子は、電流電圧計測と解析に関する因子であり表5に示す。BはＴ法による解析における単位空間の範囲である。Cは計測対象、Dは計測する相の数である。Eは擬似的にデータレコーダの周波数応答特７．おわりに性とした。実際のデータは100kS/sで計測してあり、小型モータを用い、加工電力のばらつきを評価しＥが100kS/sの設定ではデータをそのまま用い、10以下のことが分かった。

kS/sの場合は10点毎に1 kS/sは100点毎に平均した・モータ電力波形はドリルが折損する前にばらつき値を用いた。

が大きくなっており、それを評価することによっこれらの制御因子をL18直交表に割付け、計算実てドリル折損を検出することが出来る。

験を行った。この時の信号空間の範囲は、前述と同・電流値のみを計測し、Ｔ法を用いることによりドじ電力ばらつきの大きい部分である。Ｎ‑1を入力とし、Ｔ法による予測値を出力として動特性のSN比リル折損を検出することが出来る。

(3)を計算し、図7の要因効果図(2)を作成した。

参考文献

要因効果図から効果の大きい因子は、C,Eということが分かる。因子Cは計測対象であり、電流のみを計測する事で電力ばらつきの推定ができることが分か(1) 桑原 修,広島市工業技術センター年報,vol.18, pp.36‑37,(2004)(2) 矢野 宏,品質工学入門,日本規格協会,pp.63‑67,(1995)(3) 立林 和夫,入門タグチメソッド,日科技連,pp.32‑36,(2004)(4) 田口 玄一,目的機能と基本機能(6)‑Ｔ法による総合予測‑,った。近年では加工に用いるモータは電圧をインバ

品質工学,vol.13,No3,pp.5‑10,(2005)

ータ制御しているものが多く、電圧の測定に高サン(5) 立林 和夫,入門タグチメソッド,日科技連,プリングが可能な機器を必要としている。しかし、電流のデータのみから電力ばらつきの推定が可能となれば、安価なデータレコーダを用いたドリル折損の予測も可能となる。

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pp.102‑106,(2004)