JP6294262B2 - 工作機械の異常検出機能を備えた異常検出装置、及び異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の主軸又は主軸モータの異常を検出する機能を備えた異常検出装置、及び異常検出方法に関する。

工作機械の主軸又は該主軸を駆動する主軸モータの故障の原因の多くは、該主軸又は該主軸モータの軸受の劣化又は破損であることが多い。主軸が完全に故障した状態で工作機械を使用すると、ワークの加工精度が低下して不良品となる。また、主軸の復旧に時間がかかると、工作機械に大きなダウンタイム（停止時間）が生じ、工作機械の稼働率が下がってしまう。

そこで、主軸が完全に故障する前にその兆候（劣化）を検知して、主軸を修理する等の適切な措置を採れば、ダウンタイムを減らし、工作機械の稼働率を向上させることができる。従来、主軸の異常を検知する方法として、主軸又は主軸モータの振動の悪化を計測するものや、異音を検知することで主軸の異常を検出するものが知られている。

例えば特許文献１には、工作機械の状態監視装置が記載されており、ここでは、主軸回転指令と送り軸駆動指令を受けて、ＡＥセンサ、増幅器及びバンドパスフィルタを用いて振動データを計測し、そのデータが主軸回転情報から求められたしきい値を超えた数をレベルカウント回路でカウントし、そのカウント数とアラームレベルを比較して主軸の状態を判断し、必要ならばアラーム表示器にアラームを表示させる、と記載されている。

また特許文献２には、工作機械用の磁気軸受装置が記載されており、ここでは、主軸の振動を検出する振動検出手段と、振動検出手段の出力信号の主軸の回転に同期した振動成分を抽出する周波数特性可変フィルタと、抽出された信号の周波数特性可変フィルタの出力信号のレベルが規定レベルを超えた状態を異常状態であると判定する判定手段とを設けることで、ツーリングの装着不良や回転不良などの異常状態を自動検出でき、ワークの加工劣化を低減できる、とされている。

特開２００５−０７４５４５号公報 特開２００１−２５９９７２号公報

主軸の振動を検出するためには、主軸モータ又は主軸に振動計測器等を取り付ける必要があるが、人手で振動を計測する場合、作業者等が該振動計測器を持ち、工作機械の各部の振動を定期的に計測しなければならず、これは作業者にとって大きな負担となる。一方、主軸の振動を振動センサ等で自動的に計測することも考えられるが、この場合は、該振動センサを主軸に常に取り付ける必要があり、工作機械のコストアップにつながる。

一方、主軸の異音を聞き取ることで異常を検知する場合、人の聴覚により各々の工作機械の異音を定期的に調査することは、やはり作業者にとっては大きな労力となる。一方、マイクロフォン等を用いて自動で異音を検出することも考えられるが、工作機械が設置される工場内は騒音が大きいので異音を適切に検出することは容易ではないことに加え、マイクロフォンの設置に要する費用もかかる。

そこで本発明は、工作機械の主軸が故障に至る前に、その故障の兆候（異常）を検出する機能を備えた異常検出装置及び異常検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、工作機械の主軸を駆動する主軸モータと、該主軸モータを制御するモータ制御装置とを有する異常検出装置であって、前記モータ制御装置が、前記主軸モータが所定の回転数まで加速されてから、惰走して停止するまでの主軸停止時間を計測する計時部と、前記計時部が計測した主軸停止時間を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された主軸停止時間に関する、正常時のデータを含む複数のデータを比較し、該比較の結果に基づいて前記主軸又は前記主軸モータの異常の有無を判断する比較部と、を含み、前記比較部は、定期的に計測された前記主軸停止時間の変化率が、正常時の主軸停止時間の経時変化として予め設定された停止時間の変化率から外れた場合に、前記主軸又は前記主軸モータに異常があると判断する、異常検出装置を提供する。

第２の発明は、工作機械の主軸又は該主軸を駆動する主軸モータの異常検出方法であって、前記主軸モータを所定の回転数まで加速してから、前記主軸モータが惰走して停止するまでの主軸停止時間を計測する工程と、前記主軸停止時間を記憶する工程と、記憶された主軸停止時間に関する、正常時のデータを含む複数のデータを比較し、該比較の結果に基づいて前記主軸又は前記主軸モータの異常の有無を判断する工程と、定期的に計測された前記主軸停止時間の変化率が、正常時の主軸停止時間の経時変化として予め設定された停止時間の変化率から外れた場合に、前記主軸又は前記主軸モータに異常があると判断する工程と、を含む、異常検出方法を提供する。

本発明によれば、主軸を惰走させたときの停止時間の推移を利用することによって、主軸又は主軸モータの劣化等、故障の兆候を異常として検出することができ、従来よりも低コストで工作機械の故障を未然に防止することができる。

また、主軸及び主軸モータには、速度センサや温度センサが予め設けられている場合が多いので、これらのセンサを利用すれば、実質的なコストアップをせずに、自動で主軸の故障の兆候を検知し、使用者に知らせることができ、工作機械のダウンタイムを減らし、工作機械の稼働率を向上させることができる。

本発明が適用可能な工作機械の主軸周りの構成例を示す図である。 定期的に計測された主軸停止時間の変化率に基づいて異常を検出する例を説明するグラフである。 定期的に計測された主軸停止時間の変化率に基づいて異常を検出する他の例を説明するグラフである。 主軸の惰走時間及び主軸温度に基づいて故障を検出する例を説明するグラフである。 主軸の惰走時間及び主軸温度に基づいて故障を検出する他の例を説明するグラフであり、軸受が正常時の場合を示す。 図５ａに類似するグラフであって、軸受が異常時の場合を示す。 主軸の惰走時間及び主軸速度に基づいて故障を検出する他の例を説明するグラフである。

図１は、本発明が適用可能な工作機械の主軸周辺の構成例を示す図である。工作機械１０（要部のみ図示）は、主軸１２と、主軸を回転駆動するサーボモータ等の主軸モータ１４と、主軸モータ１４を制御するモータ制御装置１６とを有する。主軸１２は、回転可能に構成された主軸ロータ１８と、主軸ロータ１８の軸方向両端部を回転可能に支持する主軸軸受２０及び２２とを有し、一方、主軸モータ１４は、回転可能に構成されたモータロータ２４と、モータロータ２４の軸方向両端部を回転可能に支持するモータ軸受２６及び２８とを有する。

また工作機械１０は、主軸１２の（回転）速度を検出する主軸速度センサ（主軸回転センサ）３０と、主軸１２（主軸軸受）の温度を検出する主軸温度センサ３２とを有し、さらに、主軸モータ１４の（回転）速度を検出するモータ速度センサ（モータ回転センサ）３４と、主軸モータ１４（モータ軸受）の温度を検出するモータ温度センサ３６とを有する。

主軸モータ１４及びモータ制御装置１６は、動力ケーブル３８を介して互いに接続されており、主軸モータ１４に対して駆動電力を供給できるようになっている。また主軸モータ１４及びモータ制御装置１６は、信号ケーブル４０を介して互いに接続されており、主軸速度センサ３０、主軸温度センサ３２、モータ速度センサ３４、及びモータ温度センサ３６の測定結果（出力）は、速度信号又は温度信号としてモータ制御装置１６に送信できるようになっている。

本実施形態では、主軸１２又は主軸モータ１４の異常又は故障（主に主軸軸受２０、２２又はモータ軸受２６、２８の劣化や損傷）を検出する異常検出装置は、主軸モータ１４及びモータ制御装置１６を有し、モータ制御装置１６は、所定の回転数まで加速された主軸モータ１４が惰性走行（惰走、フリーラン）を開始してから、主軸モータ１４（主軸１２）が停止するまでの時間（主軸停止時間）を計測する計時部（タイマ）４２と、計時部４２が計測した主軸停止時間を記憶する記憶部４４と、記憶部４４に記憶された主軸停止時間に関する複数のデータを比較し、該比較の結果に基づいて主軸又は主軸モータの異常の有無を判断する比較部４６を有する。また異常検出装置は、後述する異常検出の態様によっては、主軸速度センサ３０、主軸温度センサ３２、モータ速度センサ３４、及びモータ温度センサ３６の少なくとも１つをさらに有するものとする。

またモータ制御装置１６は、比較部４６による比較結果（例えば後述する図２−図６のようなグラフ）を表示可能なディスプレイ等の表示部４８を有してもよいし、さらに、比較部４６が異常を検出したときにアラーム等を出力するアラーム出力部５０を有してもよい。

以下、本発明に係る異常検出装置を用いて、主軸１２又は主軸モータ１４の異常や故障を検出する方法について説明する。なお以降は、主軸又は主軸軸受の異常の検出について説明するが、主軸モータ又はモータ軸受の異常や故障についても同様の方法で検出できることは明らかである。

先ず、図２−図３は、定期的に計測された主軸停止時間の変化率が、予め設定された停止時間の変化率の範囲を超えた場合に、主軸又は主軸モータに異常が生じていると判断する例を示す図であり、図２はグリースで潤滑するタイプの軸受を使用した場合、図３はオイルエアで潤滑するタイプの軸受を使用した場合を示す。

図２に関し、グリース潤滑の軸受を使用した主軸の場合、定期的（例えば１日に１回又は隔日、等）に主軸停止時間を（好ましくは同一温度にて）計測した場合、初期の頃はグリースの基油が減少し、グリースの増ちょう剤の割合が増加するため、グリースの粘性が増し、その結果、主軸停止時間が徐々に短くなる。そして、ある時点から、増ちょう剤が破壊され、グリースの粘性が低下していくので、主軸停止時間は徐々に長くなる。その結果、正常な主軸では、図２のグラフ５２に示すような、主軸停止時間と時間との関係が得られる。このような計測結果を、正常時の主軸停止時間の経時変化として、予め記憶部４４に記憶しておく。

一方、主軸に何らかの異常が生じている場合は、主軸停止時間の経時変化は、例えば図２においてグラフ５４に示すように、正常時のグラフ５２から乖離したものとなる。そこで、定期的に計測された主軸停止時間の変化率が、予め設定又は記憶された（正常時の）停止時間の変化率の範囲を超えた場合に、主軸に異常が生じていると判断することができる。或いは、主軸停止時間が予め設定された閾値を下回った場合に、主軸に異常が生じていると判断してもよい。この場合の閾値は例えば、主軸が正常である見做しうる主軸停止時間の下限値として設定することができる。

また図３に関し、オイルエア潤滑の軸受を使用した主軸の場合、常に新しい（フレッシュな）潤滑剤が軸受に供給されるため、定期的（例えば１日に１回又は隔日、等）に主軸停止時間を（好ましくは同一温度にて）計測しても、グラフ５６に示すように、その変化率は小さく、換言すれば主軸停止時間は殆ど変化しない。グラフ５６のような計測結果を、正常時の主軸停止時間の経時変化として、予め記憶部４４に記憶しておく。

一方、主軸に何らかの異常が生じている場合は、例えば図３においてグラフ５８に示すように、主軸停止時間が徐々に低下する等、正常時のグラフ５６から乖離したものとなる。そこで、図２の場合と同様、定期的に計測された主軸停止時間の変化率が、予め設定又は記憶された（正常時の）停止時間の変化率の範囲を超えた場合に、主軸に異常が生じていると判断することができる。或いは、主軸停止時間が予め設定された閾値を下回った場合に、主軸に異常が生じていると判断してもよい。この場合の閾値は例えば、主軸が正常である見做しうる主軸停止時間の下限値として設定することができる。

次に図４は、同一温度のもと、主軸の惰走時間及び主軸温度に基づいて故障を検出する他の例を説明する図である。主軸軸受のグリースや潤滑油の粘性は、温度が低いほど高くなるため、主軸が正常であれば、温度が低いほど惰走時間は短くなる。しかし、軸受の軌道面が荒れていたり、該軌道面に錆び等が発生したりしている場合は、軸受の回転負荷が上昇し、惰走時間が大幅に短くなることがある。

図４はこの具体例を示しており、グラフ６０は主軸が正常な場合を示し、グラフ６２は、グラフ６０と主軸温度は同じであるが、軌道面が平滑でないことにより、惰走時間が極度に短くなった場合を示している。このように、グラフ６０のような正常時の惰走時間を軸受温度に関連付けて記憶部４４等に記憶しておき、グラフ６２のように、グラフ６０と同じ軸受温度での惰走時間が、予め設定された閾値を下回った場合に、主軸に異常があると判断することができる。この場合の閾値は例えば、主軸が正常である見做しうる主軸停止時間の下限値として設定することができる。

次に図５ａ及び図５ｂは、主軸の惰走時間及び主軸温度に基づいて故障を検出する例を説明する図である。一般に、軸受の機械損が小さいほど惰走時間は長くなるので、軸受が正常であれば、軸受温度が上がると、軸受内部の潤滑油又は潤滑グリースの粘度が下がり、軸受の機械損が小さくなって惰走時間は長くなる。図５ａはこの具体例を示しており、グラフ６４及び６６は、同一の速度からの惰走による主軸の速度変化を表しているが、グラフ６４の方がグラフ６６よりも主軸温度が高いので、惰走時間（主軸速度がゼロになるまでの時間）が長くなっている。グラフ６４のような惰走時間及び主軸温度に関する計測結果を、正常時のデータとして、予め記憶部４４等に記憶しておく。

しかし、軸受内部の保持器等が破損し、軸受内部に異物が発生すると、異物が温度によらない大きな機械損となり、惰走時間が温度とは無関係に変化し、例えば主軸温度が低いときの方が短くなることがある。図５ｂはこの具体例を示しており、グラフ６８及び７０は、同一の速度からの惰走による主軸の速度変化を表しているが、グラフ６８の方がグラフ７０よりも主軸温度が低いにも関わらす、惰走時間が長くなっている。このように、惰走時間及び主軸温度の双方を計測し、主軸温度が異なることによる、正常時における惰走時間の傾向・特性が得られなかった場合（例えば、主軸温度が高い場合の惰走時間が、低い場合の惰走時間以下である場合）に、主軸に異常が生じていると判断することができる。

図６は、主軸の惰走時間及び主軸速度に基づいて故障を検出する他の手順を説明する図である。正常な主軸の場合、機械損の大半を占めるのは、グリース又は潤滑油の粘性抵抗、及び空気抵抗である。そのため、惰性走行における主軸の減速度はほぼ一定であるか、速度が下がるにつれて小さくなっていく傾向にある。図６のグラフ７２は、この具体例を示しており、主軸速度の減速度（負の加速度）はほぼ一定となっている。

一方、異常のある主軸の場合、例えば主軸軸受の内部に保持器の破片等が存在する場合は、偶発的に軸受の玉が異物に乗り上げ、減速度が急激に大きくなることがある。図６のグラフ７４は、この具体例を示しており、Ａ点を境に主軸速度の減速度が急激に大きくなっている。このように、グラフ７２のような正常時の減速度の変化を記憶部４４等に記憶しておき、同条件での減速度が、記憶された減速度の閾値を上回った場合に、主軸に異常があったと判断することができる。この場合の閾値は例えば、主軸が正常である見做しうる減速度の上限値として設定することができる。

なお図２、図３又は図６の場合において、主軸温度センサ３２又はモータ温度センサ３６を使用し、一定温度のもとで、正常時のデータと異常の有無の判断対象のデータとを比較するようにしてもよい。このようにすれば、温度の影響を排除して、より正確に異常の有無が判断できるようになる。

１０ 工作機械
１２ 主軸
１４ 主軸モータ
１６ モータ制御装置
１８ 主軸ロータ
２０、２２ 主軸軸受
２４ モータロータ
２６、２８ モータ軸受
３０ 主軸速度センサ
３２ 主軸温度センサ
３４ モータ速度センサ
３６ モータ温度センサ
３８ 動力ケーブル
４０ 信号ケーブル
４２ 計時部
４４ 記憶部
４６ 比較部
４８ 表示部
５０ アラーム出力部

Claims (2)

1. 工作機械の主軸を駆動する主軸モータと、該主軸モータを制御するモータ制御装置とを有する異常検出装置であって、
   前記モータ制御装置が、
   前記主軸モータが所定の回転数まで加速されてから、惰走して停止するまでの主軸停止時間を計測する計時部と、
   前記計時部が計測した主軸停止時間を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された主軸停止時間に関する、正常時のデータを含む複数のデータを比較し、該比較の結果に基づいて前記主軸又は前記主軸モータの異常の有無を判断する比較部と、
   を含み、
   前記比較部は、定期的に計測された前記主軸停止時間の変化率が、正常時の主軸停止時間の経時変化として予め設定された停止時間の変化率から外れた場合に、前記主軸又は前記主軸モータに異常があると判断する、異常検出装置。
2. 工作機械の主軸又は該主軸を駆動する主軸モータの異常検出方法であって、
   前記主軸モータを所定の回転数まで加速してから、前記主軸モータが惰走して停止するまでの主軸停止時間を計測する工程と、
   前記主軸停止時間を記憶する工程と、
   記憶された主軸停止時間に関する、正常時のデータを含む複数のデータを比較し、該比較の結果に基づいて前記主軸又は前記主軸モータの異常の有無を判断する工程と、
   定期的に計測された前記主軸停止時間の変化率が、正常時の主軸停止時間の経時変化として予め設定された停止時間の変化率から外れた場合に、前記主軸又は前記主軸モータに異常があると判断する工程と、
   を含む、異常検出方法。

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