JPH066252B2 - 擬似折損信号発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は工作機械における工具の折損や異常を切削加工
及び折損時に発生するアコースティックエミッション
（以下ＡＥという）を利用して監視，自動検出する工具
折損検出装置のＡＥセンサの感度調整に用いる擬似折損
信号発生装置に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明による擬似折損信号発生装置は、擬似折損信号変
換器内に送波用変換素子の他に受波用の変換素子を設
け、その出力に基づいて擬似折損信号を工具径に対応し
た所定値と比較して弁別し、その結果に基づいて擬似折
損信号の駆動レベルを調整することにより取付対象に与
える擬似折損信号レベルを適正にするようにしている。
そのため擬似折損信号発生装置を用いてＡＥセンサの感
度を正確に設定することが可能となる。

〔従来技術とその問題点〕

工作機械において工具を用いて加工対象（以下ワークと
いう）を切削加工する場合、何らかの原因で工具が折損
し又切屑のつまりを起こして異常切削している場合があ
る。近年の工場自動化の進展に伴いこのような工具の折
損や異常切削を自動的に検出することが強く要求されて
いる。こうした工作機械の工具の折損を検出する一手法
として、従来より工作機械の工具やワークの近傍にＡＥ
センサを設け、そこから得られるＡＥ信号に基づいて工
具の折損を検出する装置が提案されている。

しかしながら従来の工具折損検出装置によれば、ＡＥセ
ンサは工具の近傍やワークに接触するように取付けられ
るが、その取付位置によってＡＥ信号のレベルが大幅に
なる。そのため従来の工具折損検出装置ではＡＥセンサ
の感度を工具の大きさに応じてあらかじめ定められた標
準値に設定し、個々の工作機械の工具，ＡＥセンサ間の
減衰率を試行錯誤で補正していた。しかるに工具の折損
時のＡＥ信号は折損時にしか得られないのでＡＥセンサ
の取付位置や取付状態の確認が難しく、工具の折損を確
実に検出することが困難であった。更に工具の種類、例
えばドリル径を変更した時や切削条件を異ならせたとき
にもＡＥ信号レベルが異なるため、調整が困難であり使
い難いという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の工具折損検出装置の問題点に
鑑みてなされたものであって、ＡＥセンサの感度を調整
するため工具折損時のＡＥ信号と同一の特性を有するＡ
Ｅ信号を発生し、しかもそのレベルを擬似折損信号変換
器を取付けた対象に対応して正しいレベルの擬似折損信
号を発生することができる擬似折損信号発生装置を提供
することを目的とする。

〔発明の構成と効果〕

本発明は工作機械の工具近傍に設けられるＡＥセンサを
有し、工具折損時のＡＥ信号に基づいて折損を検出する
工具折損検出装置の感度調整に用いる擬似折損信号発生
装置であって、送受波用の変換素子を有する擬似折損信
号変換器と、工具に対応して設定されたレベルにより工
具の折損時に得られるＡＥ信号の周波数を含む擬似折損
信号を発生して前記擬似折損信号変換器の送波用変換素
子を駆動する駆動手段と、擬似折損信号変換器の受波用
変換素子に得られる擬似折損信号を増幅する受信手段
と、受信手段の受波レベルを工具に対応した擬似折損信
号レベルにより弁別する弁別手段と、弁別手段により弁
別された擬似折損信号レベルの過不足を表示する表示手
段と、を具備することを特徴とするものである。

このような特徴を有する本発明によれば、擬似折損信号
変換器内に擬似折損信号をそのまま受波して電気信号に
変換する変換素子を設けて、その受波レベルに基づいて
擬似折損信号の適否を表示している。従って擬似折損信
号のレベルが適正でなければそれに基づいて駆動レベル
を変更することにより常に擬似折損信号のレベルを正確
に調整することが可能となる。こうして調整されたレベ
ルの擬似折損信号を用いればＡＥセンサの感度を最適値
に調整することが可能となり、又ＡＥセンサの後段に接
続される工具折損検出装置の信号処理部の周波数特性を
適切に調整することも可能になるという効果が得られ
る。

〔実施例の説明〕

（擬似折損信号発生装置の構成） 第１図は本発明による擬似折損信号発生装置の全体構成
を示すブロック図であり、第２図はその擬似折損信号変
換器の構造を示す断面図である。これらの図において、
擬似折損信号変換器１は擬似折損信号発生回路部２に接
続されている。そして第２図に示すようにケース３の下
面に２枚の圧電素子４及び５が取付けられる。圧電素子
４は回路部２より与えられる擬似折損信号を超音波信号
に変換して取付対象に送波するための変換素子であり、
圧電素子５は擬似折損信号変換器を取付ける取付対象の
底面から反射して得られる擬似折損信号を受波して電気
信号に変換する変換素子である。擬似折損信号変換器１
は図示のようにワーク６上に取付けられるものとする。

次に第１図はこの擬似折損信号発生装置の全体構成を示
すブロック図である。本図においてレベル設定器１０は
使用される工具に基づいたレベルを設定する設定手段で
あって、例えばこの擬似折損信号発生装置をボール盤に
取付ける場合にはドリルの径に応じたレベルが設定され
る。そしてその設定レベルの信号は駆動回路１１に与え
られる。駆動回路１１はレベル設定器１０によって設定
されたレベルに基づいて工具の折損時のＡＥ信号と相似
で、且つ同一のパワースペクトル分布を持つ駆動波形を
発振するものであり、その出力は擬似折損信号変換器１
の送波用の圧電素子４に与えられている。一方擬似折損
信号変換器１の受波用圧電素子５には変換された擬似折
損信号を増幅する増幅器１２が接続されている。増幅器
１２は図示のようにフイードバック抵抗Ｒ１〜Ｒｎがア
ナログスイッチ１３-1〜１３-nの開閉に基づいて選択さ
れて、選択されるフイードバック抵抗と入力抵抗の比に
より定まる増幅率により擬似折損信号を増幅する増幅器
であって、その出力はカウンタ１４及び２つの比較器１
５，１６に伝えられる。又クロック発生器１７は所定周
期のクロック信号を発生する発振器であって、そのクロ
ック信号は取付対象設定部１８に与えられる。取付対象
設定部１８には取付対象、例えばワークの材質を直接選
択するものであって、その選択データはリードオンリメ
モリ（以下ＲＯＭという）１９に与えられる。ＲＯＭ１
９は取付対象の音響インピーダンス、即ち密度ρ及び取
付対象を伝播する音波の音速ｃ、より定まる定数に対応
する値が用いられる材質毎に記憶されており、取付対象
設定部１８によって選択されてデータが適宜読出され
る。取付対象設定部１８はその値を読出してクロック発
生器１７の出力を適宜分周してカウンタ１４に伝える。
カウンタ１４は取付対象設定部１８から与えられるパル
スを計数するｎビットのバイナリカウンタであって、そ
の並列出力に基づいてアナログスイッチ１３-1〜１３-n
が開閉される。そしてカウンタ１４の計数値によって開
閉される増幅器１２の入出力間の抵抗値が、対数的に増
加するように抵抗Ｒ１からＲｎの値が定められているも
のとする。一方比較器１５，１６は夫々一方の端子に基
準電圧が与えられる。これらの基準電圧はレベル設定器
１０へのレベル設定によって抵抗Ｒc1，Ｒc2の値が変更
され、工具径が大きくなれば基準レベルも高くなるよう
に適宜切換えられるものとする。比較器１５，１６は増
幅信号と基準レベルとを比較するもので、その出力が過
不足表示器２０に与えられる。過不足表示器２０は擬似
折損信号のレベルが適正であるか過不足であるかを発光
ダイオード等の表示器によって使用者に表示するもので
ある。

（工具折損検出装置の構成） 次に第３図はこの擬似折損信号発生装置を適用した工具
折損検出装置の全体の構造を示すブロック図である。本
図においてワーク６の上部のドリル３０の刃が接触する
位置にワーク６に切削を行う前にあらかじめ前述した擬
似折損信号変換器１が取付けられる。そしてワーク６が
配置される工具の近傍、例えば第３図に示すようにベー
ス上にＡＥ信号を検出するＡＥセンサ３１を設ける。Ａ
Ｅセンサ３１はドリル３０等の工具からのＡＥ信号や擬
似折損信号変換器１からの擬似折損信号を検出する広帯
域のＡＥセンサであって、その出力はアナログスイッチ
３２に与えられる。アナログスイッチ３２は外部の出力
によってアナログ信号を断続するもので、その出力は増
幅器３３に与えられる。増幅器３３は可変抵抗器３４の
調整により増幅率を任意に設定することができる増幅器
であって、その出力を二つのバンドパスフィルタ３５，
３６及び切削レベル表示器３７に与えるものである。バ
ンドパスフィルタ３５は中心周波数300ＫHz，バンドパ
スフィルタ３６は中心周波数50ＫHzのフィルタであっ
て、夫々の中心周波数付近の信号のみを次段の検波器３
８，３９に伝える。検波器３８，３９は夫々その入力信
号を検波し振幅に応じた出力を得るものであって、検波
器３８の出力は微分回路４０に、検波器３８，３９の出
力は夫々比較器４１に与えられる。微分回路４０は入力
信号の急峻な変化分のみを次段のレベル判定器４２に伝
える。レベル判定器４２は所定の基準レベルと入力信号
とを比較するものであり、入力信号が大きければ出力を
折損検出回路４３と異常切削検出回路４４に伝える。又
比較器４１は検波器３８，３９の出力を比較し、検波器
３８の出力が大きい場合にのみ出力を折損検出回路４３
に伝える。折損検出回路４３はこれらの入力の論理積を
とって工具の折損を検出する論理回路であって、折損検
出信号によって出力回路４５を介して外部に出力する。
又異常切削検出回路４４はレベル判定器４２の出力に基
づいて異常切削を検出するもので、その出力を出力回路
４６を介して外部に伝えるものである。

（擬似折損信号発生装置の動作） 次に本実施例の擬似折損信号発生装置の振幅の調整動作
について説明する。まず擬似折損信号変換器１を第１図
に示すようにワーク６の上部に固定し用いられる工具の
種類、例えばドリル径に応じてレベル設定器１０によっ
て擬似折損信号レベルを設定する。そのとき同時に取付
対象設定部１８より擬似折損信号変換器１が取付けられ
るワーク６の材質を設定しておく。そうすればその出力
に基づいて比較器１５，１６の基準レベルが調整され
る。そして設定レベルによって駆動回路１１を介して擬
似折損信号変換器１の送波用圧電素子３が駆動され、固
定されているワーク内に第２図に破線で示すように擬似
折損信号が伝わる。ここで擬似折損信号の減衰率は信号
が伝播する媒体の音速ｃ，密度ρ及び伝播距離ｘによっ
て定まり、その距離ｘにおける出力レベルＰはＰｏを初
期値とすると次式 Ｐ＝Ｐｏ ｅｘｐ（−ρｃｘ） ……(1) で与えられる。従って擬似折損信号レベルを調整するに
は、この減衰率を考慮する必要がある。前述したように
取付対象設定部１８より使用者によって擬似折損信号変
換器１の取付対象、即ちワーク６の材質が選択されてい
る。従って例えば鉄，アルミニウム等の種類に応じた音
速と密度との積ρｃがＲＯＭ１９より読出されており、
取付対象設定部１８よりそれに対応したクロック幅のク
ロック信号がカウンタ１４に与えられている。さて取付
対象であるワーク６の底面で信号が反射して受波用圧電
素子５に受波されるまでの時間をｔとすると、ｔは次式
に与えられる。

ｔ＝２ｄ／ｃ ……(2) （ｄ：ワーク６の厚さ） 従って本実施例では擬似折損信号の減衰を補償するため
増幅器１２の増幅率Ｇを次式 Ｇ(t)＝Ｇｏ ｅｘｐ（−ρｃｔ／２） ……(3) ｄＢ表示で Ｇ_dB(t)＝Ｇｏ′ρｃｔ ……(4) のように時間の経過と共に連続して増加させる。第４図
の破線はこの増幅率Ｇ_dBの増加を示す曲線である。この
増幅率の増加は実際にはカウンタ１４によって計数され
る計数値に応じて増幅器１２のフィードバック抵抗の合
成値がアナログスイッチ１３-1〜１３-nの開閉によって
順次増加し、第４図に階段状に示すように増幅率が変え
られることによって実現される。このようにして増幅器
１２の増幅率を順次増加させれば、ワーク６の厚さｄに
依存することなく送出した擬似折損信号レベルに対応し
た出力が増幅器１２から得られることとなる。そして時
刻t1に増幅器１２が反射波を検知すれば、カウンタ１４
にホールド信号を与えて計数を停止させる。比較器１
５，１６はレベル設定器１０によって設定されたレベル
に応じた基準信号が夫々の一方の入力端に与えられてお
り、他方の入力端には増幅器１２によって増幅されたワ
ーク６の厚さに依存しない発生レベルの擬似折損信号が
伝えられることとなる。従って比較器１５により過大レ
ベル，比較器１６により過小レベルの信号を検出し、そ
れらのいずからも信号が得られない場合にのみ適切な擬
似折損信号レベルを擬似折損信号変換器１より発生して
いるものとして過不足表示器２０によりそれらいずれか
を表示する。そうすれば使用者はその表示に基づいて駆
動回路１１の駆動レベルを適宜調整し、適切なレベルと
なるように擬似折損信号レベルを調整することが可能と
なる。

（工具折損検出装置の動作） こうして擬似折損信号発生装置の擬似折損信号を適切な
レベルに調整すれば、工具折損検出装置のＡＥセンサの
感度を切削レベル表示器３７の表示レベルが所定値とな
るように増幅器３３の増幅率を可変抵抗器３４によって
調整する。こうすればＡＥセンサ３１から適切なレベル
で信号処理部にＡＥ信号を伝達することが可能となる。
そして工具の折損時には周波数300ＫHz付近にピークを
する折損信号が得られるため、バンドパスフィルタ３５
によってそのレベルを検波し比較器３１により50ＫHzの
周波数成分を有する信号と比較することによって工具の
折損を検出している。更に微分回路１５により信号が急
激に立上る場合にそのレベルが所定値以上であれば比較
器４２によって出力を出し、折損検出回路４３によりそ
の論理積条件に基づいて工具の折損を検出している。こ
のように工具折損検出装置では周波数領域の折損検出と
時間領域の折損検出の両者を組み合わせることによって
工具折損の信頼性を向上させるようにしている。

尚本実施例は擬似折損信号変換器１が取付けられる取付
対象をその材質によって設定するようにしているが、取
付対象の音響インピーダンス自体、即ち音速と密度との
積をそのまま入力してクロック幅を設定するようにする
ことも可能である。又本実施例では比較器１５，１６に
より発生した折損検出信号レベルが適正であるか過不足
であるかの表示を行っているが、これらの出力に基づい
て駆動回路１１の駆動レベルを自動的に増減させ、擬似
折損信号レベルが設定された工具とワークとの種類に応
じて自動的に最適レベルとなるように調整することも可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による擬似折損信号発生装置の回路部の
一実施例を示すブロック図、第２図はこの擬似折損信号
発生装置の擬似折損信号変換器の構造を示す断面図、第
３図は本発明の擬似折損信号発生装置を工具折損検出装
置に適用した一例を示すブロック図、第４図は擬似折損
信号発生装置のレベル調整時の増幅器の増幅率変化を示
すグラフである。 １……擬似折損信号変換器 ２……擬似折損信号発生
回路部 ３……ケース ４，５……圧電素子 ６
……ワーク １０……レベル設定器 １１……駆動
回路 １２……増幅器 １３-1〜１３-n……アナロ
グスイッチ １４……カウンタ １５，１６……比
較器 １７……クロック発生器 １８……取付対象
設定部 １９……ＲＯＭ ２０……過不足表示器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工作機械の工具近傍に設けられるＡＥセン
   サを有し、工具折損時のＡＥ信号に基づいて折損を検出
   する工具折損検出装置の感度調整に用いる擬似折損信号
   発生装置であって、 送受波用の変換素子を有する擬似折損信号変換器と、 工具に対応して設定されたレベルにより工具の折損時に
   得られるＡＥ信号の周波数を含む擬似折損信号を発生し
   て前記擬似折損信号変換器の送波用変換素子を駆動する
   駆動手段と、 前記擬似折損信号変換器の受波用変換素子に得られる擬
   似折損信号を増幅する受信手段と、 前記受信手段の受波レベルを工具に対応した擬似折損信
   号レベルにより弁別する弁別手段と、 前記弁別手段により弁別された擬似折損信号レベルの過
   不足を表示する表示手段と、を具備することを特徴とす
   る擬似折損信号発生装置。
2. 【請求項２】前記受信手段は、前記擬似折損信号変換器
   が取付けられる対象物を選択する選択手段と、選択され
   た対象物の音響インピーダンスに基づいた変化率により
   増幅率を可変しつつ前記受波用圧電素子の出力を増幅す
   る増幅器と、を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の擬似折損信号発生装置。