JP2017077588A - 工作機械の主軸異常検出装置及び主軸異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ短時間な方法で、主軸の異常を日常的に診断する。
【解決手段】主軸異常検出装置の異常検出部４は、主軸１の回転速度を検出する回転速度検出手段（回転速度検出器３及び回転速度計測部５）と、回転速度検出手段で検出した主軸１の惰性運転開始時の回転速度と、惰性運転を開始してから予め設定した計測時間後に回転速度検出手段で検出した主軸１の回転速度とに基づいて、主軸１の回転速度が所定の回転速度閾値に到達する到達時間を、非線形モデルを用いて推定する到達時間推定手段（回転速度変化推定演算部６）と、到達時間推定手段で推定された到達時間と、予め設定された、回転速度閾値に到達する設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて主軸１の異常を判定する判定手段（主軸異常判定部８）と、を含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械に設けられる主軸の異常を検出する装置及び方法に関する。

工作機械の主軸は、回転体である軸、軸を支持する軸受、外部からの異物の混入を防ぐシールなどから構成されている。この主軸においては、潤滑不良、異物混入、過大荷重、摩耗が原因で、軸に対する摩擦トルクが過剰あるいは不足することで、焼付きや回転不良などの故障を引き起こす。工作機械で加工する際に主軸が故障した場合、主軸を交換あるいは修理するまで使用を中断せざるを得ない。
よって、使用中断によるユーザの損失を防止するためには、故障に至る前にメンテナンスを促す必要があるため、主軸の異常を事前に検出することが重要となる。
そこで、主軸など回転体の状態を把握し診断する装置として特許文献１〜２などが知られている。例えば、特許文献１には、軸受から発生する振動をあらかじめ測定した正常時の振動と比較する装置が開示されている。特許文献２には、動力を遮断し惰性状態で回転させた際の単位時間当たりの回転速度の変化量と、予め計測した正常時における回転速度の変化量とを比較する装置が開示されている。

特開２００９−２００９０号公報 特公平６−６５１８９号公報

しかし、特許文献１に記載されているような、振動を分析する装置の場合、異常検知に所要する時間は短時間で済むものの、振動を計測するためのセンサを備える必要があり、高価となってしまう。
また、特許文献２に記載されているような、主軸駆動装置の動力遮断後の惰性状態における回転速度の変化量を比較する装置の場合、回転速度検出手段は一般的に搭載されているため安価である。しかし、経過時間に対して回転速度変化は軸受の潤滑状態が変化することで非線形性を示すので、単位時間当たりの回転速度の変化量は一定ではなく、潤滑状態の変化を含めた正確な異常診断を実施するためには長時間を要し、日常的に診断することができない。

そこで、本発明は、安価かつ短時間な方法で、主軸の異常を日常的に診断することができる工作機械の主軸異常検出装置及び主軸異常検出方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工作機械の主軸異常検出装置であって、主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記回転速度検出手段で検出した前記主軸の惰性運転開始時の回転速度と、惰性運転を開始してから予め設定した計測時間後に前記回転速度検出手段で検出した前記主軸の回転速度とに基づいて、前記主軸の回転速度が所定の回転速度閾値に到達する到達時間を、非線形モデルを用いて推定する到達時間推定手段と、
前記到達時間推定手段で推定された到達時間と、予め設定された、前記回転速度閾値に到達する設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する判定手段と、を含んでなることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記判定手段によって前記主軸の異常を判定した際に、前記主軸の惰性運転を継続して、前記回転速度検出手段で検出される前記主軸の回転速度が前記回転速度閾値に到達する到達時間を計測する到達時間計測手段と、
前記到達時間計測手段で計測した到達時間と前記設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する第２判定手段と、をさらに備えることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記到達時間推定手段で用いる非線形モデルとして、ｅｘｐ関数を用いることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を有する工作機械において、主軸の異常を検出する方法であって、
前記主軸の惰性運転開始時の回転速度を前記回転速度検出手段で検出する第１回転速度検出ステップと、
惰性運転を開始してから予め設定した計測時間後に前記主軸の回転速度を前記回転速度検出手段で検出する第２回転速度検出ステップと、
前記第１回転速度検出ステップで検出された回転速度と前記第２回転速度検出ステップで検出された回転速度とに基づいて、前記主軸の回転速度が所定の回転速度閾値に到達する到達時間を、非線形モデルを用いて推定する到達時間推定ステップと、
前記到達時間推定ステップで推定された到達時間と、予め設定された、前記回転速度閾値に到達する設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する判定ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、前記判定ステップによって前記主軸の異常を判定した際に、前記主軸の惰性運転を継続して、前記回転速度検出手段で検出される前記主軸の回転速度が前記回転速度閾値に到達する到達時間を計測する到達時間計測ステップと、
前記到達時間計測ステップで計測した到達時間と前記設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する第２判定ステップと、をさらに実行することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５の構成において、前記到達時間推定ステップで用いる非線形モデルとして、ｅｘｐ関数を用いることを特徴とする。

本発明によれば、短時間の回転速度変化の計測結果を基に、主軸回転速度が回転速度閾値に到達する時間を、非線形モデルで推定し、推定された到達時間を設定到達時間と比較することで、短時間かつ正確な異常判定が可能となり、主軸の異常を日常的に診断できる。
特に、請求項２及び５に記載の発明によれば、上記効果に加えて、最初に異常と判定した場合、実際の回転速度閾値までの到達時間を計測して再度設定到達時間と比較して異常判定を行うため、異常判定の精度が向上し、診断が正しく行われない場合においても不慮の機械停止を防止することができる。

主軸異常検出装置の機能ブロック図である。 主軸異常検出方法のフローチャートである。 惰性運転時の回転速度と、回転速度の推定例とを示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、主軸異常検出装置の機能ブロック図で、図において、１は工作機械の主軸、２は工具で、主軸１には、回転速度検出器３が設けられる。４は、異常検出部で、この異常検出部４には、回転速度検出器３からの検出信号に基づいて主軸１の惰性運転時の回転速度を計測する回転速度計測部５が設けられる。この回転速度計測部５が回転速度検出器３と併せて本発明の回転速度検出手段となる。
また、異常検出部４には、計測した回転速度に基づいて、回転速度が予め設定された回転速度閾値に到達する時間を推定する到達時間推定手段としての回転速度変化推定演算部６と、回転速度変化推定演算部６で演算された到達時間と、第１記憶装置７に記憶された設定到達時間とを比較して主軸１の異常を判定する判定手段としての主軸異常判定部８と、主軸異常判定部８で異常判定がされた場合に警告表示を指令する警告表示指令部９とが設けられている。

さらに、異常検出部４には、主軸異常判定部８で異常を検出した際に、継続された惰性運転時の回転速度を回転速度計測部５から取得して、取得した回転速度が回転速度閾値に到達する時間を計測し、計測した到達時間と第２記憶装置１０に記憶された設定到達時間とを比較して主軸１の異常を再判定する第２判定手段としての主軸故障判定部１１と、主軸故障判定部１１で主軸１の異常が再判定された場合に主軸モータへの停止指令を出力するモータ停止指令部１２とが設けられている。この異常検出部４は、例えば工作機械のＮＣ装置内に構成される。

この異常検出部４による異常検出方法を、図２のフローチャートに添って説明する。
まず、主軸回転中の工作機械において、Ｓ１で回転停止信号を出力して、Ｓ２で、回転速度計測部５によって惰性運転開始直前の回転速度ω_０を取得する（第１回転速度検出ステップ）。
次に、Ｓ３で、惰性運転の経過時間を計測するタイマーをリセットし、Ｓ４でタイマーをスタートさせて計測を開始すると共に、Ｓ５で動力を遮断し惰性運転を開始する。
次に、Ｓ６で、惰性運転開始後の経過時間が、異常検出に用いる計測時間ｔ_１に到達するまでカウントし、計測時間ｔ_１に到達したら、Ｓ７でそのときの回転速度ω_１を、回転速度計測部５によって取得する（第２回転速度検出ステップ）。

次に、Ｓ８で、回転速度変化推定演算部６において、予め設定した回転速度閾値に到達する到達時間ｔ’を、Ｓ２，Ｓ７で取得した回転速度ω_０、ω_１、計測時間ｔ_１を基に非線形モデルを用いて推定する（到達時間推定ステップ）。
ここで、惰性運転時の回転速度と、回転速度の推定の一例を、図３を用いて説明する。図３では横軸に時間を、縦軸に回転速度を示す。ａに示す実線は、惰性運転時の回転速度を、ｂに示す一点鎖線は、本発明で用いた回転速度の推定結果を、ｃに示す破線は、計測で求めた回転速度ω_０、ω_１、計測時間ｔ_１を基に線形モデルで推定した結果をそれぞれ示す。
図３において、一点鎖線ｂでは下記の（Ａ）式に示す非線形モデルを、破線ｃでは下記の（Ｂ）式に示す線形モデルをそれぞれ用いた。ここで、ｔは惰性運転開始後の任意の経過時間を、ωは回転速度を、Ｃは定数をそれぞれ示す。

図３からわかるように、単位時間当たりの回転速度の変化が一定でないため経過時間ｔの増加に伴い誤差が増大し、破線ｃの線形モデルを用いた推定の場合は正確な診断ができない。しかし、一点鎖線ｂの非線形モデルを用いた推定の場合は、推定誤差は小さくなる。
ここでは、非線形モデルとしてｅｘｐ関数を用いたが、多項式、対数関数等、他の非線形モデルや、複数の数式を途中で切り替えるものでもよい。また、回転速度ω_０、ω_１、計測時間ｔ_１以外に、主軸の運転条件、機体温度など他の情報によって数式を変化させてもよい。

次に、Ｓ９では、主軸異常判定部８において、Ｓ８で求めた到達時間ｔ’と、予め測定もしくは設定して第１記憶装置７に記録された、回転速度閾値に到達する設定到達時間ｔ_Ｃとの差を、判定用の閾値と比較し異常か否かを判定する（判定ステップ）。判定用の閾値は、摩耗などによって摩擦抵抗が減少するｔ_Ｃ＞ｔ_１となる場合と、潤滑不良などによって摩擦抵抗が増加するｔ_１＞ｔ_Ｃとなる場合があるため複数設けて、当該時間差が複数の閾値の間であれば正常と判定し、最大閾値より大側、最小閾値より小側であれば異常と判定することが考えられる。
このＳ９において、主軸１が正常と判定した場合、Ｓ１５で主軸ブレーキ信号をＯＮとし主軸１の惰性回転を終了させ、異常検出処理を終了する。

一方、Ｓ９において、主軸１が異常と判定した場合、Ｓ１０で、警告表示指令部９により警告を開始し、異常と判定した要因が、Ｓ８で行った推定精度か主軸１の異常かを判断するために、Ｓ１１で、主軸回転速度が回転速度閾値に到達するまで惰性運転を継続してその到達時間ｔ_２を計測する（到達時間計測ステップ）。
そして、Ｓ１２では、主軸故障判定部１１において、到達時間ｔ_２と、回転速度閾値に到達する設定到達時間ｔ_Ｃとの差を判定用の閾値と比較し、推定精度が要因か、主軸が異常かを判定する（第２判定ステップ）。
Ｓ１２で用いる判定用の閾値は、摩耗などによって摩擦抵抗が減少するｔ_Ｃ＞ｔ_２となる場合と、潤滑不良などによって摩擦抵抗が増加するｔ_２＞ｔ_Ｃとなる場合があるためＳ９と同様に複数設けて、当該時間差が複数の閾値の間であれば推定精度が要因と判定し、最大閾値より大側、最小閾値より小側であれば主軸異常が要因と判定することが考えられる。なお、閾値は、Ｓ９で用いた閾値と同一のものでもよい。

このＳ１２において、警告が推定精度に起因すると判断した場合、Ｓ１４で警告を解除し、引き続き主軸１を回転できる状態とし、Ｓ１５で主軸ブレーキ信号をＯＮとし主軸１の惰性回転を終了させ、異常検出処理を終了する。
一方、Ｓ１２において、再度主軸１が異常であると判定した場合、主軸故障判定部１１では故障が生じたと判断してモータ停止指令部１２を介してＳ１３で主軸回転を禁止し、Ｓ１５で主軸ブレーキ信号をＯＮとして異常検出処理を終了する。

このように、上記形態の主軸異常検出装置及び方法によれば、短時間の回転速度変化の計測結果を基に、主軸回転速度が回転速度閾値に到達する時間を、ｅｘｐ関数を用いた非線形モデルで推定し、推定された到達時間を設定到達時間と比較することで、短時間かつ正確な異常判定が可能となり、主軸１の異常を日常的に診断できる。
特にここでは、異常と判定した場合、実際の回転速度閾値までの到達時間を計測して再度設定到達時間と比較して異常判定を行うため、異常判定の精度が向上し、診断が正しく行われない場合においても不慮の機械停止を防止することができる。

なお、上記形態では、異常検出部において２つの記憶装置を設けているが、１つの記憶装置にまとめてよい。
また、ここでは最初の異常判定後に惰性運転を継続して回転速度が回転速度閾値まで低下するまでの到達時間を計測し、当該到達時間を設定到達時間と比較して再度異常判定を行うようにしているが、二度目の異常判定（到達時間計測ステップ、第２判定ステップ）は省略することができる。
さらに、異常検出部は、ＮＣ装置で兼用する場合に限らず、工作機械の外部のコンピュータにより形成することもできる。このようにすれば複数の工作機械の主軸異常を同時にモニタできる。

１・・主軸、２・・工具、３・・回転速度検出器、４・・異常検出部、５・・回転速度計測部、６・・回転速度変化推定演算部、７・・第１記憶装置、８・・主軸異常判定部、９・・警告表示指令部、１０・・第２記憶装置、１１・・主軸故障判定部、１２・・モータ停止指令部。

Claims (6)

1. 主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段で検出した前記主軸の惰性運転開始時の回転速度と、惰性運転を開始してから予め設定した計測時間後に前記回転速度検出手段で検出した前記主軸の回転速度とに基づいて、前記主軸の回転速度が所定の回転速度閾値に到達する到達時間を、非線形モデルを用いて推定する到達時間推定手段と、
   前記到達時間推定手段で推定された到達時間と、予め設定された、前記回転速度閾値に到達する設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する判定手段と、
   を含んでなる工作機械の主軸異常検出装置。
2. 前記判定手段によって前記主軸の異常を判定した際に、前記主軸の惰性運転を継続して、前記回転速度検出手段で検出される前記主軸の回転速度が前記回転速度閾値に到達する到達時間を計測する到達時間計測手段と、
   前記到達時間計測手段で計測した到達時間と前記設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する第２判定手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸異常検出装置。
3. 前記到達時間推定手段で用いる非線形モデルとして、ｅｘｐ関数を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の主軸異常検出装置。
4. 主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を有する工作機械において、主軸の異常を検出する方法であって、
   前記主軸の惰性運転開始時の回転速度を前記回転速度検出手段で検出する第１回転速度検出ステップと、
   惰性運転を開始してから予め設定した計測時間後に前記主軸の回転速度を前記回転速度検出手段で検出する第２回転速度検出ステップと、
   前記第１回転速度検出ステップで検出された回転速度と前記第２回転速度検出ステップで検出された回転速度とに基づいて、前記主軸の回転速度が所定の回転速度閾値に到達する到達時間を、非線形モデルを用いて推定する到達時間推定ステップと、
   前記到達時間推定ステップで推定された到達時間と、予め設定された、前記回転速度閾値に到達する設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する判定ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械の主軸異常検出方法。
5. 前記判定ステップによって前記主軸の異常を判定した際に、前記主軸の惰性運転を継続して、前記回転速度検出手段で検出される前記主軸の回転速度が前記回転速度閾値に到達する到達時間を計測する到達時間計測ステップと、
   前記到達時間計測ステップで計測した到達時間と前記設定到達時間とを比較し、その比較結果に基づいて前記主軸の異常を判定する第２判定ステップと、をさらに実行することを特徴とする請求項４に記載の工作機械の主軸異常検出方法。
6. 前記到達時間推定ステップで用いる非線形モデルとして、ｅｘｐ関数を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の工作機械の主軸異常検出方法。

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