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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung betrifft eine Vorschubachsendiagnosevorrichtung und ein Vorschubachsendiagnoseverfahren für eine Werkzeugmaschine, die Vorschubachsen aufweist, um einen beweglichen Körper entlang eines Rollführungsmechanismus zu verfahren.
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BESCHREIBUNG DES STAND DER TECHNIK
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Für neuere Vorschubachsen einer Werkzeugmaschine ist eine Konfiguration weit verbreitet, bei der eine Rotationsbewegung eines Motors auf eine Kugelumlaufspindel übertragen wird, um einen beweglichen Körper zu verfahren, und der bewegliche Körper entlang eines Rollführungsmechanismus beweglich ist. Wenn jedoch eine altersbedingte Verschlechterung, eine Verunreinigung mit Fremdstoffen, eine mangelnde Schmierung oder dergleichen in einem Antriebsteil, wie der Kugelumlaufspindel und dem Rollführungsmechanismus, auftritt, arbeiten die Vorschubachsen nicht regulär, und ein Bearbeitungsfehler, wie eine mangelnde Form eines bearbeiteten Objekts und eine schlechte Bearbeitungsflächeneigenschaft, tritt auf, die sich nachteilig auf seine Produktion auswirkt. Um die stabile Produktion im Betrieb der Werkzeugmaschine zu erreichen, war es daher erwünscht, eine Anomalie in einer Maschine zu detektieren und einen Leiter und einen Arbeiter über den Zustand der Maschine zu benachrichtigen, um den Bearbeitungsfehler eines Werkstücks im Voraus zu vermeiden, und Verfahren, die verschiedene Diagnosen durchführen, wurden vorgeschlagen.
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Eine der Vorschubachsenanomalien in der Werkzeugmaschine ist beispielsweise ein Schaden an einer Endplatte eines beweglichen Blocks im Rollführungsmechanismus. Wenn ein Rollelement im beweglichen Block während des Rollens auf einem Spurelement zirkuliert, wird im Rollführungsmechanismus in der Endplatte des beweglichen Blocks ein Richtungsänderungspfad gebildet, um seine Transferrichtung zu invertieren. Wenn sich der Zirkulationszustand aufgrund einer Verunreinigung mit Fremdstoffen oder dergleichen verschlechtert, kann hier ein Fall auftreten, bei dem eine übermäßige Last auf die Endplatte aufgebracht wird, die Endplatte beschädigt wird und das Rollelement aus dem beweglichen Block herausfällt. Wenn das Rollelement herausfällt, erreicht der bewegliche Block nicht seine Führungsfunktion, und daher ändert sich eine Stellung des beweglichen Körpers, was eine Fehlfunktion, wie eine Verschlechterung des Positioniervermögens, verursacht.
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Als eine Vorrichtung, die den Schaden an der Endplatte des beweglichen Blocks im Rollführungsmechanismus, wie vorstehend beschrieben, detektiert, offenbaren die Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2005-42785 und die Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2012-193803 das folgende Verfahren. Ein Sensor, der eine Verformung der Endplatte in einer Rollführungsvorrichtung detektiert, wird auf dem beweglichen Block angeordnet, um einen Schaden an der Endplatte vorherzusagen oder zu detektieren.
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Zudem offenbart die Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2018-138817 das folgende Verfahren. Bei dem Verfahren werden Ausgangssignale, die sich in der Datenerfassungszeit eines Sensors unterscheiden, unter Verwendung eines Schwingungssensors, der an einem Spurelement einer Rollführungsvorrichtung montiert ist, aufgenommen, und jedes Analyseergebnis wird mit Grenzwertdaten verglichen, um zu bestimmen, an welcher Transferfläche eines beweglichen Blocks oder des Spurelements eine Anomalie auftritt.
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Um das vorstehend beschriebene Verfahren für eine Werkzeugmaschine einzusetzen, wird jedoch eine große Anzahl an Sensoren zur Diagnose montiert. Beispielsweise weist ein Generalbearbeitungszentrum drei Vorschubachsen auf, und vier bewegliche Blöcke werden pro Achse verwendet. Unter der Annahme, dass die Sensoren an beiden Flächen der beweglichen Blöcke montiert werden, werden demnach zumindest 24 Sensoren verwendet. Mit anderen Worten steigen in den vorstehend beschriebenen Verfahren die Kosten der Sensoren selbst und die Fertigungskosten, die durch eine Verdrahtungsarbeit zu einer Informationssammelvorrichtung verursacht werden, und eine Fehlfunktion, die durch eine Fehlfunktion der Sensoren selbst verursacht wird, kann verstärkt werden. Darüber hinaus werden eine bei der Bearbeitung eines Werkstücks erzeugte Last und Schwingung, eine Gewichtsänderung des Werkstücks und ähnliches zu Störungen der Sensorausgänge, weshalb ein spezieller Betrieb zur Diagnose getrennt vom üblichen Betrieb erforderlich ist.
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Daher ist es ein Ziel der Offenbarung, eine Vorschubachsendiagnosevorrichtung und ein Vorschubachsendiagnoseverfahren für eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, die eine Anomaliedetektion in einem Rollführungsmechanismus unter Berücksichtigung des Einflusses durch eine Gewichtsänderung eines Werkstücks basierend auf einem Steuersignal, das für Vorschubachsen einer üblichen Werkzeugmaschine genutzt wird, ermöglichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Um das vorstehend beschriebene Ziel zu erreichen, wird eine Vorschubachsendiagnosevorrichtung für eine Werkzeugmaschine gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung bereitgestellt. Die Werkzeugmaschine bearbeitet ein Werkstück während des Verfahrens eines beweglichen Körpers mit Vorschubachsen entlang einer Führungsfläche eines Rollführungsmechanismus. Die Vorschubachsendiagnosevorrichtung umfasst eine Vorschubachsendiagnoseeinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Anomalie im Rollführungsmechanismus in der Werkzeugmaschine zu detektieren. Die Vorschubachsendiagnoseeinheit ist dazu konfiguriert, eine Vorschubgeschwindigkeit während einer Nichtbearbeitung und eine bei der Vorschubgeschwindigkeit auf die Vorschubachsen aufgebrachte Last zu erfassen. Die Anomalie wird basierend auf einer Näherungsfunktion detektiert, die aus Beziehungen zwischen einer Mehrzahl der Vorschubgeschwindigkeiten und einer Mehrzahl der Lasten, die unter einer Mehrzahl unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeitsbedingungen in einer vorbestimmten Zeit erfasst werden, berechnet wird.
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In der Offenbarung gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung, der im ersten Aspekt der Offenbarung liegt, ist die Vorschubachsendiagnoseeinheit dazu konfiguriert, die Mehrzahl der Vorschubgeschwindigkeiten und die Mehrzahl der Lasten zu erhalten, wenn die Vorschubachsen während der Nichtbearbeitung eine konstante Geschwindigkeit erreicht haben.
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In der Offenbarung gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung, der im ersten oder zweiten Aspekt der Offenbarung liegt, wird bei der Näherungsfunktion eine lineare Näherung durchgeführt. Wenn ein berechneter Koeffizient kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist, wird bestimmt, dass eine schlechte Zirkulation im Rollführungsmechanismus auftritt.
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In der Offenbarung gemäß einem vierten Aspekt der Offenbarung, der im dritten Aspekt der Offenbarung liegt, wird bei der Näherungsfunktion die lineare Näherung durchgeführt. Wenn der berechnete Koeffizient kleiner als der vorgegebene Grenzwert ist und ein berechneter konstanter Term größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, wird bestimmt, dass die schlechte Zirkulation im Rollführungsmechanismus auftritt.
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Die Offenbarung gemäß einem fünften Aspekt ist ein Vorschubachsendiagnoseverfahren für eine Werkzeugmaschine, das eine Anomalie in einem Rollführungsmechanismus in einer Werkzeugmaschine detektiert. Die Werkzeugmaschine bearbeitet ein Werkstück während des Verfahrens eines beweglichen Körpers mit Vorschubachsen entlang einer Führungsfläche des Rollführungsmechanismus. Das Vorschubachsendiagnoseverfahren umfasst ein Erfassen einer Vorschubgeschwindigkeit während einer Nichtbearbeitung und einer bei der Vorschubgeschwindigkeit auf die Vorschubachsen aufgebrachten Last. Das Vorschubachsendiagnoseverfahren umfasst zudem ein Detektieren der Anomalie basierend auf einer Näherungsfunktion, die aus Beziehungen zwischen einer Mehrzahl der Vorschubgeschwindigkeiten und einer Mehrzahl der Lasten, die unter einer Mehrzahl unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeitsbedingungen in einer vorbestimmten Zeit erfasst werden, berechnet wird.
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Mit der Offenbarung gemäß den ersten, dritten und fünften Aspekten kann die Anomaliedetektion des Rollführungsführungsmechanismus basierend auf einem Steuersignal, das für die Vorschubachsen in einer üblichen Werkzeugmaschine verwendet wird, ohne Hinzufügen von Sensoren zur Diagnose durchgeführt werden.
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Mit der Offenbarung gemäß dem zweiten Aspekt kann die Anomaliedetektion des Rollführungsmechanismus mit weiterer hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
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Mit der Offenbarung gemäß dem vierten Aspekt, kann die Anomaliedetektion des Rollführungsmechanismus zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Effekten unter Berücksichtigung des Einflusses einer Gewichtsänderung des Werkstücks durchgeführt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Diagnosevorrichtung von Vorschubachsen der Offenbarung veranschaulicht.
- 2 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Vorgehensweise für eine Vorschubachsendiagnose der Offenbarung zeigt.
- 3 ist ein Diagramm, das Beispiele einer Beziehung zwischen extrahierten Vorschubgeschwindigkeiten und Vorschubachsenlasten zeigt.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das Folgende beschreibt Ausführungsformen der Offenbarung basierend auf den Zeichnungen.
1 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Diagnosevorrichtung von Vorschubachsen der Offenbarung veranschaulicht.
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Eine Werkzeugmaschine umfasst einen beweglichen Körper 9, der durch eine Kugelumlaufspindel 8, die durch Antreiben eines Servomotors 7 rotiert wird, verschiebbar ist. Der bewegliche Körper 9 ist dazu konfiguriert, eine Linearbewegung entlang einer Führungsfläche eines Rollführungsmechanismus 10 auszuführen.
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Der Servomotor 7 verfährt den beweglichen Körper 9 über die Kugelumlaufspindel 8, um ein Werkstück (nicht gezeigt), das auf dem beweglichen Körper 9 platziert ist, bis zu einer vorbestimmten Position zu bewegen, so dass das Werkstück bearbeitet wird.
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Eine Vorschubachsendiagnosevorrichtung umfasst einen Positionsdetektor 6, eine NC-Vorrichtung 12, einen Subtrahierer 1, eine Positionssteuereinheit 2, einen Differenzierer 5, eine Geschwindigkeitssteuereinheit 3 und eine Stromsteuereinheit 4. Der Positionsdetektor 6 ist an dem Servomotor 7 angeordnet und detektiert eine Drehposition des Servomotors 7, um eine Position des beweglichen Körpers 9 zu detektieren. Die NC-Vorrichtung 12 gibt einen Positionsbefehlswert für den beweglichen Körper 9 aus. Der Subtrahierer 1 subtrahiert die Position des beweglichen Körpers 9, der durch den Positionsdetektor 6 gewonnen wurde, von dem Positionsbefehlswert, der von der NC-Vorrichtung 12 ausgegeben wurde, und berechnet eine Positionsabweichung. Die Positionssteuereinheit 2 gibt einen Geschwindigkeitsbefehlswert basierend auf der berechneten Positionsabweichung aus. Der Differenzierer 5 differenziert den ausgegebenen Geschwindigkeitsbefehlswert und ein Drehsignal, das von dem Positionsdetektor 6 erhalten wurde, um eine Rotationsgeschwindigkeit des Servomotors 7 zu erhalten. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 3 gibt einen Motordrehmomentbefehlswert basierend auf der erhaltenen Rotationsgeschwindigkeit des Servomotors 7 aus. Die Stromsteuereinheit 4 verstärkt den Motordrehmomentbefehlswert und gibt ihn an den Servomotor 7 aus. Die Vorschubachsendiagnosevorrichtung umfasst zudem eine Vorschubachsendiagnoseeinheit 11, die eine Anomaliedetektion des Rollführungsmechanismus 10 basierend auf dem Positionsbefehlswert der NC-Vorrichtung 12 und dem von der Geschwindigkeitssteuereinheit 3 ausgegebenen Motordrehmomentbefehlswert durchführt.
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Die NC-Vorrichtung kann Informationen über jeden Befehlswert oder dergleichen erfassen und anzeigen.
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Als Nächstes wird eine Vorgehensweise für die Diagnose in der Offenbarung beschrieben.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das die Vorgehensweise für die Vorschubachsendiagnose der Offenbarung zeigt.
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Zuerst wird bestimmt, ob es während eines Nichtbearbeitungsbetrieb ist oder nicht (S1). Wenn hier eine Änderung in der auf eine in 1 nicht gezeigte Hauptspindel aufgebrachten Last gleich einem oder weniger als ein bestimmter Wert von einer Last wird, direkt nachdem die Hauptspindel eine konstante Rotationsgeschwindigkeit während eines Positionierbetriebsbefehls und während eines Schneidvorschubbefehls aufweist, wird bestimmt, dass ein Nichtbearbeitungsbetrieb vorliegt.
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Wenn bestimmt wird, dass der Nichtbearbeitungsbetrieb vorliegt, wird bestimmt, ob eine Vorschubgeschwindigkeit des beweglichen Körpers 9 eine konstante Geschwindigkeit erreicht hat oder nicht (S2).
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Wenn die Vorschubgeschwindigkeit des beweglichen Körpers 9 die konstante Geschwindigkeit erreicht hat, werden eine Vorschubgeschwindigkeit und eine Vorschubachsenlast in einem Betrieb erfasst (S3). Zu dieser Zeit wird die Vorschubgeschwindigkeit als eine Befehlsgeschwindigkeit erfasst. Zudem wird die Vorschubachsenlast als ein Mittelwert der Lastinformationen erfasst, bis eine Aufhebung der Bestimmung der konstanten Geschwindigkeit der Vorschubgeschwindigkeit oder eine Aufhebung der Bestimmung des Vorliegens des Nichtbearbeitungsbetriebs detektiert wird.
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Die Vorgänge von S1 bis S3 werden wiederholt durchgeführt, bis eine festgelegte vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, und die zu der Mehrzahl der Vorschubgeschwindigkeiten korrespondierenden Vorschubachsenlasten werden erfasst (S4). Eine beliebige Zeitspanne, beispielsweise ein Tag und eine Operation eines Programms, wird als die vorbestimmte Zeitspanne festgelegt.
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Nachdem die vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, werden Beziehungen zwischen der Mehrzahl der erhaltenen Vorschubgeschwindigkeiten und der erhaltenen Vorschubachsenlasten berechnet (S5). Hier werden die Beziehungen zwischen den Vorschubgeschwindigkeiten und den Vorschubachsenlasten durch eine lineare Näherung berechnet. 3 zeigt Beispiele der Beziehung zwischen den Vorschubgeschwindigkeiten und den Vorschubachsenlasten.
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Bei S5 wird ein Vorliegen einer Anomalie im Rollführungsmechanismus 10 basierend auf einem Koeffizienten und einem konstanten Term einer Näherungsformel, mit der die lineare Näherung durchgeführt wurde, diagnostiziert (S6). Wenn eine schlechte Zirkulation im Rollführungsmechanismus 10 auftritt, wird der Koeffizient der Näherungsformel kleiner und der konstante Term wird größer als im Normalfall. Ein Koeffizientengrenzwert und ein Grenzwert des konstanten Terms werden vorab basierend auf den Näherungsformeln, die aus den Beziehungen zwischen den Vorschubgeschwindigkeiten und den Vorschubachsenlasten im Normalfall berechnet werden, festgelegt. Wenn der Koeffizient der Näherungsformel kleiner als der Koeffizientengrenzwert wird und der konstante Term größer als der Grenzwert des konstanten Terms wird, wird bestimmt, dass im Rollführungsmechanismus 10 die schlechte Zirkulation auftritt. Währenddessen verändert sich in einem Fall, bei dem der Rollführungsmechanismus 10 normal funktioniert, wenn sich ein von dem beweglichen Körper 9 auf die Kugelumlaufspindel 8 aufgebrachtes Gewicht durch das Werkstück ändert, ein Gradient der Näherungsformel, und zwar der Koeffizient, nicht, sondern nur der konstante Term ändert sich. Demnach kann die Anomaliedetektion des Rollführungsmechanismus 10 unter Berücksichtigung einer Gewichtsänderung des Werkstücks durchgeführt werden.
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Die Vorschubachsendiagnosevorrichtung der vorstehend beschriebenen Konfiguration umfasst die Vorschubachsendiagnoseeinheit 11, die eine Anomalie im Rollführungsmechanismus 10 in der Werkzeugmaschine detektiert. Die Werkzeugmaschine bearbeitet das Werkstück während des Verfahrens des beweglichen Körpers 9 mit der Kugelumlaufspindel 8 entlang der Führungsfläche des Rollführungsmechanismus 10. Die Vorschubachsendiagnoseeinheit 11 erfasst die Vorschubgeschwindigkeit während einer Nichtbearbeitung und die bei der Vorschubgeschwindigkeit auf die Kugelumlaufspindel 8 aufgebrachte Last. Die Anomalie wird basierend auf einer Näherungsfunktion detektiert, die aus den Beziehungen zwischen einer Mehrzahl der Vorschubgeschwindigkeiten und einer Mehrzahl der Lasten, die unter einer Mehrzahl unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeitsbedingungen in einer vorbestimmten Zeit erfasst werden, berechnet wird.
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Mit der Vorschubachsendiagnosevorrichtung, die derart konfiguriert ist, kann die Anomaliedetektion des Rollführungsmechanismus 10 basierend auf einem Steuersignal, das für die Kugelumlaufspindel 8 in der üblichen Werkzeugmaschine verwendet wird, ohne Hinzufügen von Sensoren zur Diagnose durchgeführt werden.
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Die Vorschubachsendiagnoseeinheit 11 ist dazu konfiguriert, die Mehrzahl der Vorschubgeschwindigkeiten und die Mehrzahl der Lasten, wenn die Kugelumlaufspindel 8 die konstante Geschwindigkeit während der Nichtbearbeitung erreicht, zu beziehen. Die Anomalie wird basierend auf der Näherungsfunktion, die aus den Beziehungen zwischen der Mehrzahl der Vorschubgeschwindigkeiten und der Mehrzahl der Lasten, die unter der Mehrzahl verschiedener Vorschubgeschwindigkeitsbedingungen in der vorbestimmten Zeit erfasst werden, berechnet wird, detektiert.
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Demzufolge kann die Anomaliedetektion des Rollführungsmechanismus 10 mit einer weiteren hohen Genauigkeit durchgeführt werden.
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Die lineare Näherung wird in der Näherungsfunktion durchgeführt. Wenn der berechnete Koeffizient kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist und der berechnete konstante Term größer als ein vorbestimmter Grenzwert ist, wird bestimmt, dass im Rollführungsmechanismus eine schlechte Zirkulation auftritt.
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Dementsprechend kann die Anomaliedetektion des Rollführungsmechanismus 10 unter Berücksichtigung des Einflusses der Gewichtsänderung des Werkstücks durchgeführt werden.
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Die Offenbarung wurde vorstehend basierend auf den Beispielen in den Zeichnungen beschrieben und der technische Anwendungsbereich ist nicht auf die Beispiele beschränkt.
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Beispielsweise kann die Anomalie des Rollführungsmechanismus 10 wie folgt bestimmt werden. Allein unter Verwendung des Koeffizienten der Näherungsformel wird, wenn der berechnete Koeffizient kleiner als der vorgegebene Grenzwert ist, bestimmt, dass die schlechte Zirkulation im Rollführungsmechanismus 10 auftritt.
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Außerdem kann die Vorschubachsendiagnosevorrichtung außerhalb der Werkzeugmaschine angeordnet sein.
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Es wird explizit erklärt, dass alle Merkmale, die in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbart sind, dazu gedacht sind, separat und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung als auch zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung unabhängig der Zusammenstellung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen offenbart zu sein. Es wird explizit erklärt, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder jede mögliche Zwischeneinheit zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung als auch zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen.
