CN106168534A - 具备机床的异常检测功能的异常检测装置及异常检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供异常检测装置以及异常检测方法，具备在机床的主轴发生故障之前检测其故障的征兆的功能。检测主轴或者主轴马达的异常或者故障的异常检测装置具有主轴马达以及马达控制装置，马达控制装置具有：测量从上述主轴马达加速到规定的转速开始到惯性移动停止为止的主轴停止时间的计时部；存储上述计时部测量出的主轴停止时间的存储部；以及比较与存储于上述存储部的主轴停止时间有关的包括正常时的数据的多个数据，并基于该比较的结果判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常的比较部。

Description

具备机床的异常检测功能的异常检测装置及异常检测方法
技术领域
本发明涉及具备检测机床的主轴或者主轴马达的异常的功能的异常检测装置以及异常检测方法。
背景技术
机床的主轴或者驱动该主轴的主轴马达的故障的原因大多是该主轴或者该主轴马达的轴承的劣化或者破损。若在主轴完全发生故障的状态下使用机床，则工件的加工精度降低而不合格。另外，若主轴的修复需要时间，则机床产生较大的停机时间(停止时间)，机床的工作效率下降。
因此，如果采用在主轴完全发生故障之前检测其征兆(劣化)，并修理主轴等的适当的措置，则能够减少停机时间，使机床的工作效率提高。以往，作为检测主轴的异常的方法，已知有测量主轴或者主轴马达的振动的恶化的方法、通过检测异响来检测主轴的异常的方法。
例如日本特开2005－074545号公报记载有机床的状态监视装置，其中记载了如下内容，接受主轴旋转指令和进给轴驱动指令，使用AE传感器、放大器以及带通滤波器来测量振动数据，并利用等级计数电路对该数据超过根据主轴旋转信息求出的阈值的个数进行计数，比较其计数个数和警报等级来判断主轴的状态，如需必要则使警报显示器显示警报。
另外，日本特开2001－259972号公报记载有机床用的磁轴承装置，这里，记载了如下内容，通过设置检测主轴的振动的振动检测单元、提取振动检测单元的输出信号的与主轴的旋转同步的振动成分的频率特性可变滤波器、以及将被提取的信号的频率特性可变滤波器的输出信号的等级超过规定等级的状态判定为是异常状态的判定单元，从而能够自动检测刀夹的安装不良、旋转不良等的异常状态，能够减少工件的加工劣化。
为了检测主轴的振动，需要在主轴马达或者主轴安装振动测量器等，但在手工地测量振动的情况下，作业者等必须拿着该振动测量器，定期测量机床的各部的振动，这对于作业者来说成为较大的负担。另一方面，也考虑利用振动传感器等自动地测量主轴的振动，但该情况下，需要始终将该振动传感器安装在主轴，导致机床的成本提高。
另一方面，在通过听取主轴的异响而检测异常的情况下，利用人的听觉定期调查各个机床的异响对于作业者来说仍为较大的劳力。另一方面，也考虑使用麦克风等来自动地检测异响，但由于设置有机床的工厂内噪声较大所以适当地检测异响不容易，另外，也花费麦克风的设置所要的费用。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供具备在机床的主轴发生故障之前检测其故障的征兆(异常)的功能的异常检测装置以及异常检测方法。
为了实现上述目的，本发明的一方式提供一种异常检测装置，具有驱动机床的主轴的主轴马达和控制该主轴马达的马达控制装置，上述马达控制装置包括：测量从上述主轴马达加速到规定的转速开始到惯性移动停止为止的主轴停止时间的计时部；存储上述计时部测量出的主轴停止时间的存储部；以及比较与存储于上述存储部的主轴停止时间有关的包括正常时的数据的多个数据，并基于该比较的结果判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常的比较部。
在优选的实施方式中，异常检测装置还具有检测上述主轴的温度的主轴温度传感器和检测上述主轴马达的温度的马达温度传感器的至少一方，上述比较部基于与存储于上述存储部的主轴停止时间有关的数据和由上述主轴温度传感器检测到的上述主轴的温度或者由上述马达温度传感器检测到的上述主轴马达的温度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
在优选的实施方式中，异常检测装置还具有检测上述主轴的速度的主轴速度传感器和检测上述主轴马达的速度的马达速度传感器的至少一方，上述比较部基于与存储于上述存储部的主轴停止时间有关的数据和由上述主轴速度传感器检测到的上述主轴的速度或者由上述马达速度传感器检测到的上述主轴马达的速度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
在优选的实施方式中，上述比较部在上述主轴停止时间低于预先设定的阈值的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
在优选的实施方式中，上述比较部在定期测量出的上述主轴停止时间的变化率从预先设定的停止时间的变化率偏离的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
在优选的实施方式中，上述比较部在恒定温度下上述主轴停止时间低于预先设定的时间的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
在优选的实施方式中，上述比较部在上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度不同的情况下，且上述主轴停止时间在上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度较高时的一方比上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度较低时短的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
在优选的实施方式中，上述比较部在恒定温度下定期测量出的上述主轴停止时间的变化率从预先设定的停止时间的变化率偏离的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
在优选的实施方式中，上述比较部在上述主轴或者上述主轴马达的惯性移动中的减速度超过预先设定的阈值的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
本发明的其他的方式提供一种异常检测方法，检测机床的主轴或者驱动该主轴的主轴马达的异常，包括：测量从将上述主轴马达加速到规定的转速开始到上述主轴马达惯性移动而停止为止的主轴停止时间的工序；存储上述主轴停止时间的工序；比较与所存储的主轴停止时间有关的包括正常时的数据的多个数据，并基于该比较的结果判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常的工序。
在优选的实施方式中，还包括检测上述主轴的温度以及上述主轴马达的温度的至少一方的工序，基于与所存储的主轴停止时间有关的数据和上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
还包括检测上述主轴的速度以及上述主轴马达的速度的至少一方的工序，基于与所存储的主轴停止时间有关的数据和上述主轴的速度或者上述主轴马达的速度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
附图说明
本发明的上述或者其他的目的、特征以及优点通过参照附图对以下的优选的实施方式进行说明将会更加清楚。
图1是表示能够应用本发明的机床的主轴周围的结构例的图。
图2是对基于定期测量出的主轴停止时间的变化率来检测异常的例子进行说明的图表。
图3是对基于定期测量出的主轴停止时间的变化率来检测异常的其他例子进行说明的图表。
图4是对基于主轴的惯性移动时间以及主轴温度来检测故障的例子进行说明的图表。
图5a是对基于主轴的惯性移动时间以及主轴温度来检测故障的其他例子进行说明的图表，表示轴承正常时的情况。
图5b是与图5a类似的图表，表示轴承是异常时的情况。
图6是对基于主轴的惯性移动时间以及主轴速度来检测故障的其他例子进行说明的图表。
具体实施方式
图1是表示能够应用本发明的机床的主轴周边的结构例的图。机床10(仅图示主要部分)具有主轴12、旋转驱动主轴的伺服马达等的主轴马达14、以及控制主轴马达14的马达控制装置16。主轴12具有以能够旋转的方式构成的主轴转子18、和以能够旋转的方式支撑主轴转子18的轴向两端部的主轴轴承20以及22，另一方面，主轴马达14具有以能够旋转的方式构成的马达转子24和以能够旋转的方式支撑马达转子24的轴向两端部的马达轴承26以及28。
另外，机床10具有检测主轴12的(旋转)速度的主轴速度传感器(主轴旋转传感器)30、检测主轴12(主轴轴承)的温度的主轴温度传感器32，并且，具有检测主轴马达14的(旋转)速度的马达速度传感器(马达旋转传感器)34、和检测主轴马达14(马达轴承)的温度的马达温度传感器36。
主轴马达14以及马达控制装置16经由动力电缆38而相互连接，能够对主轴马达14供给驱动电力。另外，主轴马达14以及马达控制装置16经由信号电缆40相互连接，主轴速度传感器30、主轴温度传感器32、马达速度传感器34、以及马达温度传感器36的测定结果(输出)能够作为速度信号或者温度信号发送至马达控制装置16。
在本实施方式中，检测主轴12或者主轴马达14的异常或者故障(主要为主轴轴承20、22或者马达轴承26、28的劣化、损伤)的异常检测装置具有主轴马达14以及马达控制装置16，马达控制装置16具有：计时部(计时器)42，其测量从被加速到规定的转速的主轴马达14开始惯性行驶(惯性移动、自由移动)到主轴马达14(主轴12)停止为止的时间(主轴停止时间)；存储部44，其存储计时部42测量出的主轴停止时间；以及比较部46，其比较与存储于存储部44的主轴停止时间有关的多个数据，并基于该比较的结果判断主轴或者主轴马达有无异常。另外，异常检测装置根据后述的异常检测的方式，还具有主轴速度传感器30、主轴温度传感器32、马达速度传感器34、以及马达温度传感器36的至少一个。
另外，马达控制装置16既可以具有能够显示比较部46的比较结果(例如后述的图2～图6那样的图表)的显示器等的显示部48，还可以具有在比较部46检测到异常时输出警报等的警报输出部50。
以下，对使用本发明的异常检测装置来检测主轴12或者主轴马达14的异常、故障的方法进行说明。此外，以下对主轴或者主轴轴承的异常的检测进行说明，但显然对于主轴马达或者马达轴承的异常、故障也能够用相同的方法检测。
首先，图2、图3是表示在定期测量出的主轴停止时间的变化率超过预先设定的停止时间的变化率的范围的情况下，判断为主轴或者主轴马达产生异常的例子的图，图2表示使用利用润滑脂润滑的类型的轴承的情况，图3表示使用利用油气润滑的类型的轴承的情况。
对于图2而言，在使用润滑脂润滑的轴承的主轴的情况下，定期(例如1天1次或者隔天等)地(优选在相同温度下)测量主轴停止时间的情况下，由于初始时润滑脂的基油减少，润滑脂的增稠剂的比例增加，所以润滑脂的粘性增加，其结果，主轴停止时间逐渐地变短。然后，从某时刻开始增稠剂被破坏，润滑脂的粘性逐渐降低，所以主轴停止时间逐渐地变长。其结果，在正常的主轴中，得到如图2的曲线图52所示那样的主轴停止时间与时间的关系。将这样的测量结果作为正常时的主轴停止时间的时间变化预先存储到存储部44。
另一方面，在主轴产生某异常的情况下，主轴停止时间的时间变化例如图2中的曲线图54所示那样，与正常时的曲线图52背离。因此，在定期测量出的主轴停止时间的变化率超过预先设定或者存储的(正常时的)停止时间的变化率的范围的情况下，能够判断为主轴产生异常。或者，也可以在主轴停止时间低于预先设定的阈值的情况下，判断为主轴产生异常。该情况下的阈值例如能够设定为可视为主轴正常的主轴停止时间的下限值。
另外，对于图3而言，在使用油气润滑的轴承的主轴的情况下，始终将新的(新鲜的)润滑剂供给至轴承，所以即使定期(例如1天1次或者隔天等)地(优选在相同温度下)测量主轴停止时间，也如曲线图56所示，其变化率较小，换言之，主轴停止时间几乎没有变化。将如曲线图56一样的测量结果作为正常时的主轴停止时间的时间变化预先存储到存储部44。
另一方面，在主轴产生某异常的情况下，例如图3中的曲线图58所示，主轴停止时间逐渐地降低等与正常时的曲线图56背离。因此，与图2的情况相同地，在定期测量出的主轴停止时间的变化率超过预先设定或者存储的(正常时的)停止时间的变化率的范围的情况下，能够判断为主轴产生异常。或者，也可以在主轴停止时间低于预先设定的阈值的情况下，判断为主轴产生异常。该情况下的阈值例如能够设定为可视为主轴正常的主轴停止时间的下限值。
接下来，图4是对相同温度下基于主轴的惯性移动时间以及主轴温度来检测故障的其他例子进行说明的图。温度越低，主轴轴承的润滑脂、润滑油的粘性越高，所以如果主轴正常，则温度越低，惯性移动时间越短。但是，在轴承的轨道面粗糙、或者该轨道面生锈等的情况下，轴承的旋转负荷上升，惯性移动时间有时会大幅度地变短。
图4表示该具体例，曲线图60表示主轴正常的情况，曲线图62表示主轴温度与曲线图60相同，但由于轨道面不平滑，而惯性移动时间极度变短的情况。这样，将如曲线图60一样的正常时的惯性移动时间与轴承温度建立关联地存储到存储部44等，如曲线图62那样，在与曲线图60相同的轴承温度下的惯性移动时间低于预先设定的阈值的情况下，能够判断为主轴有异常。该情况下的阈值例如能够设定为可视为主轴正常的主轴停止时间的下限值。
接下来，图5a以及图5b是对基于主轴的惯性移动时间以及主轴温度来检测故障的例子进行说明的图。一般来说，轴承的机械损失越小，惯性移动时间越长，所以如果轴承正常，则轴承温度上升，则轴承内部的润滑油或者润滑脂的粘度下降，轴承的机械损失变小而惯性移动时间变长。图5a表示该具体例，曲线图64以及66表示从相同的速度开始的根据惯性移动的主轴的速度变化，但由于曲线图64的一方与曲线图66相比主轴温度较高，所以惯性移动时间(到主轴速度成为零为止的时间)变长。将如曲线图64一样的与惯性移动时间以及主轴温度有关的测量结果作为正常时的数据预先存储到存储部44等。
但是，若轴承内部的保持器等破损，轴承内部产生异物，则异物成为不取决于温度的较大的机械损失，惯性移动时间与温度无关地变化，例如主轴温度较低时的一方惯性移动时间变短。图5b表示该具体例，曲线图68以及70表示从相同的速度开始的根据惯性移动的主轴的速度变化，但尽管曲线图68的一方与曲线图70相比主轴温度较低，惯性移动时间也较长。这样，在测量惯性移动时间以及主轴温度的双方，无法得到主轴温度不同的正常时的惯性移动时间的趋势、特性的情况下(例如，主轴温度较高的情况下的惯性移动时间是主轴温度较低的情况下的惯性移动时间以下的情况)，能够判断为主轴产生异常。
图6是对基于主轴的惯性移动时间以及主轴速度来检测故障的其他过程进行说明的图。在正常的主轴的情况下，占机械损失的大半的是润滑脂或者润滑油的粘性阻力以及空气阻力。因此，惯性移动中的主轴的减速度几乎恒定，或者呈随着速度下降而变小的趋势。图6的曲线图72表示该具体例，主轴速度的减速度(负的加速度)几乎恒定。
另一方面，在主轴有异常的情况，例如主轴轴承的内部存在保持器的碎片等的情况下，轴承的滚珠偶然撞上异物，减速度急剧地变大。图6的曲线图74表示该具体例，将A点作为边界，主轴速度的减速度急剧地变大。这样，将如曲线图72一样的正常时的减速度的变化预先存储在存储部44等，能够在相同条件下的减速度超过所存储的减速度的阈值的情况下，判断为主轴有异常。该情况下的阈值例如能够设定为可视为主轴正常的减速度的上限值。
此外，在图2、图3或者图6的情况中，也可以使用主轴温度传感器32或者马达温度传感器36，在恒定温度下比较正常时的数据和有无异常的判断对象的数据。这样一来，能够排除温度的影响，来更正确地判断有无异常。
根据本发明，通过利用使主轴惯性移动时的停止时间的推移，能够检测主轴或者主轴马达的劣化等故障的征兆作为异常，能够与以往相比低成本地避免机床的故障。
另外，在主轴以及主轴马达预先设置速度传感器、温度传感器的情况较多，所以如果利用这些传感器，则能够不进行实际的成本提高，就自动地检测主轴的故障的征兆，并通知给使用者，能够减少机床的停机时间，使机床的工作效率提高。

Claims (12)

1.一种异常检测装置，具有驱动机床的主轴的主轴马达和控制该主轴马达的马达控制装置，上述异常检测装置的特征在于，
上述马达控制装置包括：
测量从上述主轴马达加速到规定的转速开始到惯性移动停止为止的主轴停止时间的计时部；
存储上述计时部测量出的主轴停止时间的存储部；以及
比较与存储于上述存储部的主轴停止时间有关的包括正常时的数据的多个数据，并基于该比较的结果判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常的比较部。
2.根据权利要求1所述的异常检测装置，其特征在于，
还具有检测上述主轴的温度的主轴温度传感器和检测上述主轴马达的温度的马达温度传感器的至少一方，
上述比较部基于与存储于上述存储部的主轴停止时间有关的数据和由上述主轴温度传感器检测到的上述主轴的温度或者由上述马达温度传感器检测到的上述主轴马达的温度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
3.根据权利要求1所述的异常检测装置，其特征在于，
还具有检测上述主轴的速度的主轴速度传感器和检测上述主轴马达的速度的马达速度传感器的至少一方，
上述比较部基于与存储于上述存储部的主轴停止时间有关的数据和由上述主轴速度传感器检测到的上述主轴的速度或者由上述马达速度传感器检测到的上述主轴马达的速度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
4.根据权利要求1所述的异常检测装置，其特征在于，
上述比较部在上述主轴停止时间低于预先设定的阈值的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
5.根据权利要求1所述的异常检测装置，其特征在于，
上述比较部在定期测量出的上述主轴停止时间的变化率从预先设定的停止时间的变化率偏离的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
6.根据权利要求2所述的异常检测装置，其特征在于，
上述比较部在恒定温度下上述主轴停止时间低于预先设定的时间的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
7.根据权利要求2所述的异常检测装置，其特征在于，
上述比较部在上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度不同的情况下，且上述主轴停止时间在上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度较高时的一方比上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度较低时短的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
8.根据权利要求2所述的异常检测装置，其特征在于，
上述比较部在恒定温度下定期测量出的上述主轴停止时间的变化率从预先设定的停止时间的变化率偏离的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
9.根据权利要求3所述的异常检测装置，其特征在于，
上述比较部在上述主轴或者上述主轴马达的惯性移动中的减速度超过预先设定的阈值的情况下，判断为上述主轴或者上述主轴马达有异常。
10.一种异常检测方法，检测机床的主轴或者驱动该主轴的主轴马达的异常，上述异常检测方法的特征在于，包括：
测量从将上述主轴马达加速到规定的转速开始到上述主轴马达惯性移动而停止为止的主轴停止时间的工序；
存储上述主轴停止时间的工序；
比较与所存储的主轴停止时间有关的包括正常时的数据的多个数据，并基于该比较的结果判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常的工序。
11.根据权利要求10所述的异常检测方法，其特征在于，
还包括检测上述主轴的温度以及上述主轴马达的温度的至少一方的工序，
基于与所存储的主轴停止时间有关的数据和上述主轴的温度或者上述主轴马达的温度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
12.根据权利要求10所述的异常检测方法，其特征在于，
还包括检测上述主轴的速度以及上述主轴马达的速度的至少一方的工序，
基于与所存储的主轴停止时间有关的数据和上述主轴的速度或者上述主轴马达的速度，来判断上述主轴或者上述主轴马达有无异常。
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