检测切削工具异常的装置及其方法 【技术领域】
本发明涉及检测切削加工设备的切削工具异常的装置及其方法。背景技术
以往，在金属模等制造工序中，是使用加工机床(中心)对工件进行切削加工的。如图1所示，机床1具有底座2，在该底座2的后端垂直方向上设有立柱3，此立柱3的前表面的垂直方向延伸有2条平行的异轨4，导轨4上装设主轴头5，该主轴头5可导引在Z轴方向作往复移动。主轴头5上连结着驱动装置(未图示)，驱动主轴头5进行Z轴方向的往复移动。
在主轴头5上设有主轴6，该主轴6上可装卸地安装着切削工具70，主轴6可由装设在主轴头5上部的电机8高速或低速地旋转驱动。
另外，在底座2的上表面，设置水平方向(Y轴方向)延伸的2条平行导轨9，其上装设鞍座10，它可引导沿Y轴方向往复移动，在鞍座10的上表面装设有可自在回转地放置加工工件W的工作台11。15是工作台移动机构，在驱动工作台11沿Y轴方向往复运动的同时使工作台11在鞍座10上旋转。
在主轴箱6的左侧部配置工具更换件16，如图2所示，该工具更换件16具有可容纳多个切削工具71的工具箱161及配置在工具箱161与主轴6之间的工具更换用臂162。
工具箱161由内藏的电机驱动旋转，使收容其上的切削工具顺次移向交换位置，同时工具更换用臂162也由内藏的电机驱动，进行绕Z轴转动和沿Z轴上下移动，该工具更换用臂162的二端形成可与设置在切削工具周围的缺口结合的钩部163、164。如图1所示，在立柱3的右侧部设置输入装置12，通过操作该输入装置12可将加工指令预先或逐次输入，另外，在输入装置12后配置控制装置13，对机床1整体进行控制。控制装置13备有工作台移动控制装置14，通过该工作台移动控制装置14，利用工作台移动机构15控制工作台11作移动及旋转。
操作人员通过向输入装置12输入工具更换指令，工具更换件16即开始更换动作，主轴6上安装的切削工具70就与工具箱161上收容的切削工具71交换。
使用如上所述的机床1进行金属模等的切削加工时，通常的方法是如日本公开发明公报平8-243827号所记载的那样，使切削工具沿Z轴方向移动，向加工工件W的深度方向切入，同时，也使切削工具沿水平方向移动进行切削加工。
但是，切削工具的寿命受切削工件的硬度等影响，大致为1小时到4小时，切削工具的刀刃一磨损，加工负荷增大，切削能力下降，就会产生加工精度的误差，不能进行精度好效率高的切削加工。因此，工人在加工中只能在一旁注视着切削加工的进行，边将切削工具在适宜情况下换上新的来进行切削加工。
因而，操作工人除了更换切削工具以外什么也不做，光是监视切削加工，工效会大大恶化，且由于只凭操作人员的主观判断来决定工具的更换，就会随操作工人不同而形成工具更换时期的参差，特别是经验不足的工人把尚能使用的工具更换了，这样就不能有效地利用工具，甚至也有这样的情况，由于不注意，没把切削工具装上切削加工机，就开始进行加工，实际上是在没有进行加工的状态下开始了加工动作。
本发明的目的在于提供一种可提高操作人员工作效率，同时使切削工具有效使用的切削工具异常检测装置。发明内容
本发明的切削工具异常检测装置，是在控制装置的控制之下驱动切削工具对工件进行切削加工的切削加工机中，它具有：检测伴随切削加工产生的振动的振动检测手段；根据该振动检测手段检测的振动变化，检测切削工具的异常状态的异常状态检测手段；在该异常状态检测手段检测有异常状态时，向所述控制装置发出停止加工指令的停止指令手段；在该异常状态检测手段检测有异常状态时，向操作人员报告异常状态的报告手段。
另外，本发明的切削工具异常检测装置，是在控制装置的控制下驱动切削工具对工件进行切削加工的切削加工机中，它具有：检测伴随切削加工产生的振动的振动检测手段；根据该振动检测手段检测的振动变化检测切削工具异常状态的异常状态检测手段；在该异常状态检测手段检测有异常状态时向所述控制装置发出停止加工指令的停止指令手段；在该异常状态检测手段检测有异常状态时发出切削工具更换指令的工具交换指令手段。
在具体构成中，所述振动检测手段具有对一定时间内上述振动振幅超过设定值的峰值发生次数进行周期性计数的计数手段。所述异常状态检测手段具有：把所述计数手段计得的峰值发生次数与设定阈值进行比较，当峰值发生次数超过预定阈值时，所述停止指令手段指令输出停止指令的比较判断手段。
在其他具体构成中，振动检测手段具有对一定时间内发生的所述振动波形进行周期性积分的波形积分手段，所述异常状态检测手段具有计算从所述波形积分手段得到的积分值的标准偏差的标准偏差计算手段及将该标准偏差计算手段得到的标准偏差与预定阈值比较，当标准偏差比阈值大时向所述停止指令手段指令输出停止指令的比较判断手段。
在其他具体构成中，所述异常状态检测手段具有对一定时期内发生的所述振动的振幅随时间变化施以周期性的频率解析的频率解析手段及用该频率解析手段得到的解析值比正常时的解析值有预定量以上变化时，向所述停止指令手段指令输出停止指令的比较判断手段。
具有，本发明的切削工具异常检测装置具有：根据所述振动检测手段检测的振动振幅的时间变化，抽出加工时间、实际切削时间、切削次数等切削工具的切削状态信息的信息抽出手段；对由该信息抽出手段抽取的信息和/或由所述振动检测手段检测的振动振幅的时间变化进行显示的显示手段。
本发明的切削工具异常检测装置还具有：监测切削加工机动作的监测单元及将切削加工机和监测单元相互连接的网络；在该监测单元上配置所述显示手段，通过该网络向监测单元发送所述信息抽出手段抽取的信息和/或所述振动检测手段检测的振动变化并在显示手段上显示。
本发明的一种在控制装置控制下驱动切削工具对加工工件进行切削加工的切削加工机中的切削工具异常检测方法，该方法包括下述步骤：检测伴随切削加工产生的振动的振动检测步骤；根据该振动检测步骤检测的振动变化检测切削刀具异常状态的异常状态检测步骤；当该异常状态检测步骤检测到异常状态时，向所述控制装置发出停止切削加工指令的停止指令步骤；当该异常状态检测步骤检得异常状态时对操作人员告知切削工具异常状态的报告步骤。
本发明的在控制装置控制下驱动切削工具对工件进行切削加工的切削加工机中的切削刀具异常检测方法，包括下述步骤：检测伴随切削加工发生的振动的振动检测步骤；根据该振动检测步骤检测的振动变化，检测切削工具异常状态的状态检测步骤；当该异常状态检测步骤检测到异常状态时，向所述控制装置发出停止切削加工指令的停止指令步骤；由该停止指令步骤停止切削加工后，发出更换切削工具指令的工具更换步骤；由该切削工具更换步骤更换切削工具后，向所述控制装置发出重新开始切削加工指令的加工重开步骤。
在具体构成中，前述振动检测步骤具有对在一定时间内所述振动的振幅超过设定值的峰值发生次数进行计数的计数步骤；所述异常状态检测步骤具有将所述计数步骤检测的峰值发生次数与所设定的阈值比较并当峰值发生次数超过预定阈值时，由所述停止指令步骤指令输出停止指令的比较判断步骤。
其他的具体构成中，所述振动检测步骤具有对一定时间由发生的所述振动波形进行周期性积分的波形积分步骤、所述异常状态检测步骤具有：计算所述波形积分步骤得到的积分值的标准偏差的标准偏差计算步骤；将该标准偏差计算步骤计算的标准偏差与预定阈值比较，当标准偏差比预定阈值大时，由所述停止指令步骤指令输出停止指令的比较判断步骤。
再有，其他的具体构成中，所述异常状态检测步骤具有：对一定时间内发生的所述振动的振幅的时间变化施加周期性的频率解析的频率解析步骤；由该频率解析步骤得到的解析值比正常得到的解析值有预定量以上的变化时，所述停止指令步骤指令输出停止指令的比较判断步骤。附图说明
图1是机床外形立体图。
图2是装设在机床上的工具更换件和主轴的立体图。
图3是表示用工具更换件更换工具过程的立体图。
图4是切削工具异常检测装置的控制框图。
图5是表示本发明动作的流程图。
图6是切削工具例示侧视图。
图7是该切削工具的正面图。
图8是切削开始时振动检测传感器的检测信号示图。
图9是在切削工具磨损过程中振动检测传感器的检测信号示图。
图10是第2实施例的切削工具异常检测装置的控制框图。
图11是切削工具正常时的振动检测传感器检测信号示图。
图12是切削工具异常时振动检测传感器检测信号示图。
图13是图10所示切削工具异常检测装置的主要动作流程图。
图14是第3实施例的切削工具异常检测装置的控制框图。
图15是图14所示切削工具异常检测装置主要动作流程图。
图16是表示切削工具正常时振动检测传感器的检测信号的频率解析值的曲线图。
图17是表示切削工具异常时振动检测传感器检测信号的频率解析值的曲线图。
图18是第4实施例的切削工具异常检测装置的控制框图。
图19是第5实施例的切削工具异常检测装置的控制框图。
图20是图19所的切削工具异常检测装置主要动作的流程图。具体实施方式
以下，对本发明的切削加工机的切削工具异常检测装置的具体构造作说明。另外，由于作为本切削加工机的机床与现有的产品结构相同，说明省略，但作为切削工具，可安装例如立铣刀、立式磨具、平面铣刀等。
第1实施例
图4中，振动检测传感器17检测切削工具70的振动，即检测切削工具70在切削工件W时发生的振动，前置放大器18将振动检测传感器17的检测信号进行放大，滤波器19从经前置放大器18放大的信号中除去噪声成分，仅抽取表示切削工具70振动的信号，即仅抽取振动的时间变化信号。A/D变化器20把滤波器19的输出信号从模拟信号变换成数字信号，信号处理控制部21对经A/D变换器20的数字信号施加后述的预定处理。
前述振动检测器17，例如是一种声发射传感器AE，为了能检测切削工具的振动，它应安装在靠近切削工具70的位置，例如安装在主轴头5上或安装在放置加工件W的底座2、鞍座10、工作台11等中的任一位置上。在图4中，振动检测传感器17是被配置在鞍座10上。所谓声发射，是指伴随关固体的变形和破坏而释放的一部分能量成为弹性波而传输的现象，检测这种弹性波的敏感元件称为AE传感器。作为检测该振动的传感器17不限于AE元件，其他如超声波传感器等只要能检测振动，哪一种都可以。
前述把振动检测传感器17的安装地点设置在底座2、鞍座10及工作台11中的任何一个，只要配置在切削工具附近，会让用来驱动切削工具转动的电机的振动及其他机械的振动很容易地与从切削工具发出的振动一起被检测，使所检出的振动中叠加噪声，因而不能期望精度的改善。但如果把振动检测传感器17配置在切削工具附近，则容易获得大的检测信号，设定场所也不会造成操作人员的麻烦，因此，若采取某种抗噪声对策，可把传感元件配置在切削工具近处。
前述的信号处理控制部21具有：对一定时间内来自A/D变换器20的输入信号中超过预定值的峰值产生次数进行周期性计数的峰值检测部22；把该峰值检测部22所检测的计数值与使用切削工具70所预定的阈值相比较，当计数值大于预定阈值时输出比较信号的比较部23；根据该比较部23输出的比较信号，向机床1的控制装置13输出动作停止信号的作业停止部24；根据比较部23的比较信号，将需要更换切削工具70的信息通过因特网或电话线路发送到操作人员携带的寻呼机26的无线呼叫部25。另外，信号处理控制部21还接收机床1的控制装置13发出的加工开始信号及加工结束信号。
这样，由所述的振动检测传感器17、前置放大器18、滤波器19、A/D变换器20以及信号处理控制部21组成本发明的切削工具异常检测装置。另外，由无线呼叫部25和寻呼机26组成本发明的报知手段。还有，该切削工具异常检测装置除振动检测传感器17外，均配置在控制装置13的近傍。
以下根据图5，对所述切削工具异常检出装置的动作一说明。首先在步骤1，将加工材料(工件)放置在机床1的工作台11上，然后在步骤S2，从输入装置12向控制装置13输入设定加工动作程序。这时所使用的切削工具也予设定，在比较部23设定了与设定的切削工具相应的阈值。在步骤S3，操作起动按钮(未图示)，使机床开始进行加工作业。在步骤S4，对切削加工过程是否终了进行判断。具体地说，判断信号处理控制部21是否收到来自机床1的控制装置13的加工终了信号。如该步骤判断为终了，则转移至步骤S13，切削工具70复位，切削加工机停机，切削加工完成。如果现在是刚开始，则从步骤S4移向步骤S5。在步骤S5用振动检测传感器17检测振动，由此获得的检测信号经滤波后进行A/D转换，从而得到数字信号。
切削工具70，例如图6及图7中所示，前端放射状配置多个切削刃。在对工件W切削加工时，将该切削工具70安装在主轴6上使之旋转，将切削刃27压向加工件W，进行加工，切削刃27受到工件W的反力发生振动，由振动检测传感器17检测该振动，这时振动检测传感器17检出的信号如图8及图9所示。
容易推测，切削工具70切削加工件W的过程中发生的振动，其频率与切削工具70的转速和切削工具70上形成的切削刀刃27的数量成比例。因此在图5的步骤S6，由峰值检测部22检测步骤S5得到的检测信号中周期产生的峰值。即检测随着加工件W与切削刃27接触而发生的振动的峰值。
具体地说，峰值检测部22，将从A/D变换器22输出的信号与预定电平相比较，抽取超过预定电平的峰值，计数在预定时间内抽取的峰值数。在刚换上切削工具70时，如图8所示，超过预定电平的信号电平的峰值以大致相同的间隔发生，而且在预定时间内峰值发生的次数较少。然而其后随着时间的消逝，切削工具70的切削刃磨损，峰值信号就如图9所示那样不定期发生，而且在预定时间内发生次数增加。这是因为用切削工具70加工工件W过程不断推进，切削工具70的切削刃27由于与工件W的冲击而慢慢打出缺口，切削加工的推进变难，因此切削工具70产生不规则的高频振动。在本发明中，这样峰值发生的次数增加时可判断是切削工具的磨损程度增加。
在图5的步骤S7中，把步骤S6检测到的峰值发生次数与步骤S2设定的峰值发生次数阈值比较，其结果，在判断为峰值发生次数不超过阈值时，返回步骤S4，直到步骤S7判断为峰值发生次数超过阈值，步骤S4至步骤S7反复循环。
当在步骤S7判断为峰值发生次数超过阈值时，即测得如图9所示状态时，流程向步骤S8转移。在步骤S8，比较部23输出比较信号。在步骤S9，作业停止部24接收步骤S8的比较信号，向机床1输出停止信号。在步骤S10，接收步骤S8的比较信号，无线呼叫部25向操作人员携带的寻呼机发出无线信号，呼叫操作人员，进行联系以便进行切削工具的更换。在步骤S11被呼叫的操作人员更换机床1的切削工具，然后在步骤S12，将机床1再启动，重新开始加工作业。
上述从步骤S5至步骤S12的程序不断循环进行直到步骤S4作出加工作业完成的判定。在步骤S4作出加工作业终了的判定时，流程转移到步骤S13，停止动作。
利用上述本发明的切削工具异常检测装置，由于能检出切削工具的磨损，可防止更换尚能使用的切削工具，从而可实现切削工具的有效使用，另外，可以使切削工具在损坏前更换，因此能防止工件被破损的切削工具损坏。而且操作人员也没有必要一直盯在机床1旁进行操作，在其间可以从事其他作业，因此可提高工作效率。进而，即使由于操作人员不注意机床1上没装上切削工具70就开始加工，振动检测传感器17不能检出振动，信号处理部就判定为异常，就同检测出切削工具70磨损的情况一样，比较部23向作业停止部24及无线呼叫部25输出比较信号，就可以得到“不能加工”的提示。
再者，也可以考虑利用振动检测传感器检测的电平来检测切削工具磨损和损伤的方法，但这个方法容易受到其他机器在的振动等外来因素的影响，易产生相应的误差，还是本发明那样检测由切削工具发出的振动的峰值次数变化这种方法来得有效。
第2实施例
以下，对第2实施例进行说明。
本实施例关注如图11所示，正常时一定时间内发生的振动波形积分值不随时间变化，而如图12所示，在切削工具的磨损增加时，一定时间内发生的振动波形的积分值随时间变化，检测这个变化就可以检出切削工具的异常状态。
上述第一实施例中，信号处理控制部21设有检测振动峰值发生次数的峰值检测部22，本实施例的信号处理控制部21，如图10所示，具有按每个设定时间对振动检测传感器17检测的振动波形进行积分的波形积分部27。
另外，在信号处理控制部21设有计算波形积分部27所得的积分值的标准偏差的标准偏差计算部28及将该标准偏差计算部算出的标准偏差与所设定的阈值作比较，如标准偏差超过规定的阈值时输出比较信号的比较手段29。
根据图13对上述切削工具异常检测装置的动作作一说明，图13仅表示与图5所示的第1实施例的动作不同的步骤，图5中的步骤S6及步骤S7在图13中被代以步骤S14、S15及S16。
即，在步骤S14中，由波形积分部27对由振动检测传感器检测的振动波形按每一预定时间积分，在步骤S15，根据步骤S14算出的多个积分值，由标准偏差计算手段28算出积分值的标准偏差。在步骤S16，将由步骤S15算出的标率偏差与所设定的阈值作比较，判断标准偏差是否超过预定阈值。
如步骤S16判断为“是”时，则程序转到步骤S8，如判断为“否”时，则转到步骤S4。
在本实施例中，随着切削工具的磨损增加，如图12所示，在设定时期内振动波形的积分值产生大的变动时，所述标率偏差超过了预定阈值，从而检测出切削工具的磨损。
另外，上述预定的阈值，如图11所示，根据切削工具尚未发生磨损的状态下其波形积分值的标率偏差，设定为适当大小。
第3实施例
下面对第3实施例进行说明。
在本实施例注意到，如果对振动波形进行频率解析，如图16所示，正常情况下，由切削工具70的转速及切削刃27的数量决定的基频分量与其他的频率分量相比，为压倒性的大，而异常情况下则如图17所示，基频分量几乎与其他频率分量没有差别，检测这个变化也就检出切削工具的异常。
如图14所示，本实施例的信号处理控制部21具有：对由用振动检测传感器17检出的振动波形进行频率解析，例如施加傅里叶分析的频率解析部30，将由该频率解析部30得到的解析值与预先设定的正常情况下的解析值作比较，在判断为超过规定量以上的变化时，输出比较信号的比较部31。
以下根据图15说明上述切削工具异常检测装置的动作。图15中仅表示与图5中所表示的第1实施例的工序不同的动作步骤，图15中实行的步骤S17及步骤S18代替图5中的步骤S6、S7，还有在本实施例中，图5的步骤S4，将正常状况下的频率解析值(阈值Z)作为初始值进行设定。
如图15所示在步骤S17，对用振动检测传感器17检出的振动波形由频率解析部30对其进行频率解析。在步骤S18将在步骤S17所得的解析值与预先设定的正常状态的解析值作比较，判断是否出现超过预定量的变化，例如图16中所示基频解析值(功率)X是否比图17中按正常状态的解析值决定的阈值Z小。
然后在步骤S18判断为“是”时，程序转向步骤S8，如判断为“否”，则程序转向步骤S4。
本实施例中，由于切削工具的磨损增加，出现图17那样地基频解析值比阈值Z为小，即检出了切削工具的磨损。
第4实施例
以下对第4实施例进行说明。
本实施例中，如图18所示，异常检测装置具有：设在信号处理控制部21中、根据振动的时间变化，抽取加工时间、实际切削时间、切削次数等的切削工具的切削状态信息的信息抽取部32；设置在机床1中用于显示上述信息抽取部32抽取的信息的第1显示部33；设在离开机床1的场所对机床1的动作进行监测的监测单元34；设于该监测单元34上，显示由上述信息取抽取部32所抽取的信息的第2显示部35。
而且，机床1的控制装置13，信号处理控制部21及监测单元34可以通过公司的内部网或互联网等网络相互连接在一起。
上述切削工具异常检测装置中，信息抽取部32根据振动检测传感器17检出的振动波形，抽取诸如加工时间、实际切削时间、切削次数等切削工具的切削状态信息，通过网络，可以向机床1的第1显示部33和监测单元34的第2显示部35发送信息并显示。
由此，在机床1近傍的操作人员和在远处的监测单元34上监视的工作人员再也不需要以往那样依赖于倾听机械的切削声音或观察切屑颜色的变化等监视切削加工的状态，其结果是，不论是谁监测均能得到一致的监测结果，给设备维修时提供正确的判断。
第5实施例
对第5实施例进行说明。
本实施例中，将前述的各实施例中依靠从无线呼叫部25发出的连络来进行切削工具的手动更换代之以图19中所示的用工具更换件16来进行切削工具的自动更换。
本实施例的切削工具异常检测装置的动作参照图20进行说明，图20中所表示的仅限于与示于图5的第1实施例中不同工序的动作步骤，图20中的步骤S19、步骤S20及步骤S21取代图5中的步骤S10、步骤S11、步骤S12。
在步骤S19，接收来自步骤S9的停止信号，控制装置13将工具更换指令信号传给工具更换件16。在步骤S20，接收来自步骤S19的工具交换指令信号，驱动工具更换件161，并令主轴6上装着的切削工具70与工具箱161收容的切削工具71交换。
具体地说，首先让图2中的工具更换用臂162下降，然后在到达与切削工具70、71的缺口170、171相同高度时停止下降，同时按图中箭头A所示方向旋转，使工具更换用臂162的钩部163嵌入切削工具70的缺口170中，同时，工具更换用臂162的钩部164嵌入切削工具71的缺口171中。
接着，令工具更换用臂162下降，切削工具70从主轴6上脱开的同时，切削工具71从工具箱161脱离，成如图3所示的状态。
接着，再使工具更换用臂162旋转180度后上升，使切削工具70收容在工具箱161中的同时，切削工具71装入主轴6上，然后将工具更换用臂162按图中箭头B方向旋转90度，籍此让工具更换用臂162的钩部163从切削工具70的缺口170脱开，同时让工具更换用臂162的钩部164从切削工具71的缺口171脱开，然后令工具更换用臂162上升，这样，更换动作结束。
在图20的步骤S21，从工具更换件16向控制部13输入作业重开信号，机床1重新启动使加工作业重新开始。然后流程转入步骤S4，继续进行加工作业。
根据上述切削工具异常检测装置，切削工具的磨损一旦检出，不必等待操作人员的更换指令就可自动地进行切削工具的更换，由于加工作业可连续进行，所以操作人员不必每当更换切削工具时就要到机床旁。结果，可进一步提高机床的作业效率，还能提高操作人员的工作效率。
再有，本实施例中，根据无线呼叫部25的连络来进行切换工具的手动交换被采用工具更换件的切削工具自动更换所取代，但可以采用这样的方式，即设置无线呼叫25，在采用工具更换件进行切削工具自动更换的同时，无线呼叫部25还向操作人员联系。
另外，在设置无线呼叫部25时，可构成为，万一工具箱没有待更换的切削工具时，可通过无线呼叫部25与操作人员联系。这种情况下，操作人员知道适宜的切削工具的补给时间，因此，工具箱一旦没有可供更换的切削工具而使机床加工作业停工，或使用已用过的切削工具等上述情况不致发生，使机床的工作效率更加提高。