JP2004216467A - 工作機械の計測装置,工作機械の異常検出方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

工作機械の計測装置,工作機械の異常検出方法及びコンピュータプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】工作機械の変位状態の異常をより確実に検出することができる工作機械の計測装置を提供する。
【解決手段】工作機械の制御系である計測装置の主演算部は、主軸ヘッドにおける熱膨張変位量に関する異常を、ステップS8,S10の2段階で検出する。そして、ステップS8,S10における異常検出用の比較データを夫々選択可能とする。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の変位量を計測して変位状態の異常を検出する工作機械の計測装置、及び工作機械の異常検出方法、並びに工作機械の計測装置に搭載されるコンピュータによって実行されるコンピュータプログラムに関する。
【0002】
【従来の技術】
工作機械の変位量を測定して変位状態の異常を検出する従来技術として、例えば、特許文献1には、工作機械の主軸とテーブルとの夫々にタッチセンサと被測定物とを取り付け、タッチセンサを移動させて接触した位置の座標をサンプリングすることを複数回繰り返し、今回と前回との座標の差が許容値内に収まるか否かを判定する方法が開示されている。
【0003】
また、特許文献2には、工作機械の工具長を定期的に測定し、測定結果を前回の結果と比較して、その差が許容値以内であれば、制御装置に登録された工具長を最新の測定結果により更新登録する方法が開示されている。
【0004】
更に、特許文献3には、熱変位量を計測して履歴を記憶させ、その履歴に基づいて変位量の推移を判断し、その判断結果に基づき計測を行なう回数を決定し、計測を行わない場合の変位量を推定する変位補正装置が開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開昭63−302309号公報
【0006】
【特許文献2】
特開平6−335844号公報
【0007】
【特許文献3】
特開平7−186003号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術は何れも、基本的には今回の測定結果と前回の測定結果との差を許容値と比較し、その比較結果に基づいて異常検出を行なうものである。即ち、特許文献3においても、計測される熱変位量は前回の測定結果との差である。しかしながら、例えば熱変位は、0.1mm/時間のように極めて僅かな変位しか生じない場合もあるため、例えば、計測間隔が10分程度に設定されていると有意な差を検出できない場合がある。このように、単に前回の測定結果との差に基づいて異常検出を行なうと、異常の発生態様が当初の予測範囲を超えるような現われ方をした場合に検出漏れが生じるおそれがある。
【0009】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、工作機械の変位状態の異常をより確実に検出することができる工作機械の計測装置、及び工作機械の異常検出方法、並びに工作機械の計測装置に搭載されるコンピュータによって実行されるコンピュータプログラムを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1記載の工作機械の計測装置は、工作機械の変位量を計測する計測手段と、
この計測手段によって計測された結果に基づいて、変位状態の異常を検出する複数の異常検出手段とを備え、
前記複数の異常検出手段は、異常検出用の比較データを夫々選択可能に構成されていることを特徴とする。
【0011】
斯様に構成すれば、複数の異常検出手段が、夫々異なる異常検出用の比較データに基づいて変位状態の異常を検出するので、その異常の発生態様が複雑である場合でも、複数の異常検出手段によって多面的に検出を行なうことができる。従って、工作機械の変位状態の異常をより確実に検出することができる。
【0012】
この場合、請求項2に記載したように、前記計測手段によって計測された変位量の履歴を記憶させるための記憶手段を備え、
前記異常検出手段を、前記記憶手段に記憶されている変位量の履歴データを、前記比較データとして選択可能に構成すると良い。
【0013】
斯様に構成すれば、各異常検出手段について変位量の履歴データを適宜選択することで、変位状態の時系列的な変化をより多面的に捉えて異常検出を行なうことができる。
【0014】
また、この場合、請求項3に記載したように、前記異常検出手段の1つを、前記計測手段によって今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回の変位量の履歴データを前記比較データとして選択するように構成し、前記異常検出手段の他の少なくとも1つを、前記計測手段によって今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回よりも過去の変位量の履歴データを前記比較データとして選択するように構成するのが好ましい。
【0015】
斯様に構成すれば、1つの異常検出手段における前回の変位量に基づく短期的な比較では異常を検出できない場合でも、他の少なくとも1つの異常検出手段におけるそれよりも過去の変位量に基づく長期的な比較によって異常を検出することが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。図6は、工作機械の側面図である。工作機械は、上面にワーク(被加工物)1が載置され、水平面内(X,Y方向)において移動可能に構成される加工テーブル2と、主軸ヘッド3に取付けられた工具4を回転させる主軸モータ5と、主軸ヘッド3をボールねじ6によって及びナット7を介して上下方向(Z方向)に移動させるZ軸モータ8とを備えている。
【0017】
ボールねじ6は、その上下端部において上端軸受9,下端軸受10により回転可能に支持されている。上端軸受9は、ボールねじ6を軸方向にスライドさせないように支持しており、下端軸受10は、ボールねじ6を軸方向にスライド可能に支持している。これは、ボールねじ6が熱膨張した場合の伸張分を下端軸受10よりスライドさせて逃がすためである。
【0018】
工作機械を運転すると、主軸モータ5とZ軸モータ8とが発熱し、また、主軸ヘッド3を保持するナット7とボールねじ6とが摩擦により発熱する。ボールねじ6に噛み合っているナット7により保持されている主軸ヘッド3は、ボールねじ6の熱膨張に伴って下方向に変位する。工作機械は、工具4を検出器(計測手段)10に接触させることにより前記変位を計測するようになっている。
【0019】
図7は、工作機械の制御系である計測装置の構成を示す機能ブロック図である。マイクロコンピュータで構成される主演算部(計測手段,異常検出手段,コンピュータ)12は、NCデータ13が入力されると、温度変化に無関係な誤差補正値,熱変位に対する誤差補正値が夫々記憶されている誤差補正記憶部14A,14Bのピッチ補正量を読み出し、NCデータ13の指令値を補正したものをモータ制御部15に出力する。
【0020】
モータ制御部15は、与えられた指令値に基づいてモータ部16の主軸モータ5及びZ軸モータ8を制御し、工具4を保持する主軸3を回転させながらワーク1方向(Z軸)に移動させ、また、図示しないX軸,Y軸モータにより加工テーブル2及びワーク1をX,Y方向に移動させて加工作業を行う。それらのモータ5,7等の動きは、モータ部16の図示しないエンコーダよりモータ制御部15に入力され、位置情報としてメモリ(記憶手段)17に記憶保持される。メモリ17は、その少なくとも一部が不揮発性のメモリによって構成されている。また、メモリ17には、主演算部12に数値制御や以下に述べる計測処理を実行させるための制御プログラム(コンピュータプログラム)18も記憶されている。
【0021】
検出器11は、工作機械の所定位置に、Z軸方向に対する位置が調整可能な状態で配置され、工具4が接触した場合に接触信号をモータ制御部15に出力するように構成されている。計測指令はNCデータ13中に含まれており、主演算部12は、その計測指令に基づきモータ制御部15を制御し、工具4を移動させて検出器11に接触させる。すると、検出器11は、接触信号をモータ制御部15に出力し、主演算部12は、接触信号に基づいて変位量を求め、必要に応じて誤差補正記憶部14Bのピッチ補正量を更新する。
【0022】
また、主演算部12には、各部へ各種信号やデータを出力したり、外部からの信号やデータを入出力するための外部入出力インターフェイス(I/F)19が接続されている。そして、主演算部12は、図示しない操作盤からの指令に基づいてメモリ17の記憶内容を、I/F19を介してパーソナルコンピュータ(パソコン)20になどに出力可能に構成されている。従って、オペレータは、工作機械の熱変位の状態や傾向をパソコン20の表示によって知ることができ、各種データの設定や工作機械の可動状況が最適となるように設定操作することも可能となっている。
【0023】
次に、本実施例の作用について図1乃至図5をも参照して説明する。図1は、主演算部12によって実行される計測処理に関する部分を中心とする制御内容を示すフローチャートである。また、図2は、図1のフローチャートにおいて使用される異常検出用の比較データ1,2の設定をユーザが行うためのテーブルであり、図3は、許容値1,2の設定を行うためのテーブルである。
【0024】
図2において、項目「比較データ1」は設定範囲のパラメータが「0〜2」であり、パラメータを「0」に設定すると、比較データ1は初回、即ち、メモリ17に記憶されている最も過去の測定結果が選択される。また、パラメータを「1」に設定すると、比較データ1はメモリ17に記憶されている過去の測定結果の履歴データの内、項目「履歴回数1」の設定範囲「1〜99999」で指定されたデータが選択される。例えば、「履歴回数1」の設定範囲が「1」であれば、1回前(前回)の計測結果が選択される。
【0025】
また、パラメータを「2」に設定すると、比較データ1は項目「指定値1X〜1Z」の設定範囲「−9999.999〜9999.999」において設定された指定値1となる。尚、指定値1は三次元座標値X,Y,Zについて夫々指定可能であるが、本実施例において指定値1を使用する場合は、指定値1Zだけが使用される。
【0026】
そして、項目「比較データ2」,「履歴回数2」,「指定値2X〜2Z」については、比較データ2について上記比較データ1に関するものと同様の設定が行われる。
【0027】
図3において、項目「許容値1X〜1Z」は、比較データ1を用いた比較において設定される許容値1を、設定範囲「−9999.999〜9999.999」で設定するもので、項目「許容値2X〜2Z」は、比較データ2を用いた比較において設定される許容値2を、同様に設定するものである。尚、図2,図3のテーブルはメモリ17に記憶されている。
【0028】
図1において、主演算部12は、プログラム終了指令を実行したか否かを判断する(ステップS1)。プログラム終了指令を実行した場合は(「YES」)運転を終了し、実行しない場合は(「NO」)NCデータ13の1ブロックを読み込む(ステップS2)。
【0029】
続いて、主演算部12は、読み込んだNCデータ13が計測指令であるか否かを判断し(ステップS3)、計測指令でなければ(「NO」)そのNCデータ13の1ブロックを実行して(即ち、工作機械の制御処理,ステップS4)ステップS1に戻る。一方、読み込んだNCデータ13が計測指令であれば(「YES」)、その計測指令を実行する(ステップS5)。即ち、モータ制御部15を制御し、工具4を移動させて検出器11に接触させる。
【0030】
そして、モータ制御部15を介して得られた計測結果(A)をメモリ17に記憶させる(ステップS6)。この場合、計測結果であるZ軸座標データと共に、計測日時や計測回数などのデータも同時に記憶させる。それから、メモリ17より比較データ1を読み込んで比較データ(B)とし(ステップS7)、計測結果(A)と比較データ(B)との差が許容値1よりも大であるか否かを判断する(ステップS8,異常検出手段)。両者の差が許容値1よりも大である場合は(「YES」)、アラームを発生させて(ステップS11)運転処理を終了する。
【0031】
一方、ステップS8において両者の差が許容値1以下である場合(「NO」)、主演算部12は、メモリ17より比較データ2を読み込んで比較データ(C)とする(ステップS9)。そして、計測結果(A)と比較データ(C)との差が、許容値2よりも大であるか否かを判断する(ステップS10,異常検出手段)。両者の差が許容値2よりも大である場合は(「YES」)、ステップS11に移行し、両者の差が許容値2以下である場合は(「NO」)ステップS1に移行する。
【0032】
ここで、図4は、主軸3の熱膨張変位量(初期値を基準としたトータルでの変異量)の測定結果の一例を示すものであり、図5は、図4の測定結果をグラフ化して表したものである。例えば、図1のフローチャートに使用される比較データ1,2及び許容値1,2を以下のように設定する。
比較データ1 設定値「1」
履歴回数1 設定値「1」
許容値1Z 設定値「15(μm)」
比較データ2 設定値「0」
履歴回数2 設定値「−」
許容値2Z 設定値「70(μm)」
【0033】
即ち、ステップS8における比較データBは、今回の計測に対する直前の計測結果となる。また、ステップS10における比較データCは、メモリ17に記憶されている最も過去の測定結果(初期値)が選択される。
【0034】
そして、計測結果が図5に示すように得られる場合、異常▲2▼のケースでは、
ステップS8においてA=35(μm),B=57(μm)であるから、
|A−B|=|35−57|=22>15
となり「YES」と判断され、アラームが発生する。
【0035】
また、異常▲1▼のケースでは、ステップS10においてA=73(μm),
C=0(μm)であるから、
|A−C|=|73−0|=73>70
となり「YES」と判断され、アラームが発生する。そして、このケースでは、ステップS8で異常が検出されることはない。
【0036】
即ち、ステップS8では、比較的短期間内における大きな熱膨張変位について異常検出が行われる。それに対してステップS10では、比較的長い期間内における累積的な熱膨張変位について異常検出が行なわれる。
【0037】
以上のように本実施例によれば、工作機械の制御系である計測装置の主演算部12は、主軸ヘッド3における熱膨張変位量に関する異常を、ステップS8,S10の2段階で検出するようにした。そして、ステップS8,S10における異常検出用の比較データを夫々選択可能とした。従って、異常の発生態様が複雑である場合でも検出を多面的に行なうことができるので、工作機械の変位状態の異常をより確実に検出することができる。
【0038】
また、主演算部12は、メモリ17に記憶されている変位量の履歴データを、ステップS8,S10における異常検出用の比較データとして選択可能としたので、その履歴データを適宜選択することで、変位状態の時系列的な変化をより多面的に捉えて異常検出を行なうことができる。
【0039】
そして、ステップS8では、今回計測された変位量に対して、メモリ17に記憶されている前回の履歴データを比較データとして選択し、ステップS10では、メモリ17に記憶されている履歴データの初期値を比較データとして選択した。従って、ステップS8における短期的な比較では異常を検出できない場合でも、ステップS10における長期的な比較によって異常を検出することが可能となる。
【0040】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
比較データ2の設定値「2」,許容値2Zの設定値「0(μm)」のように設定を行っても、同様の検出が可能である。
ステップS8,S10における条件の論理積によってステップS11のアラームを発生させるようにしても良い。
異常検出手段は、3つ以上あっても良い。
主軸ヘッド3における熱膨張変位量の計測に限ることなく、ワークの加工寸法やゼロ点検出について適用しても良い。
【0041】
【発明の効果】
請求項1記載の工作機械の計測装置によれば、複数の異常検出手段が、夫々異なる異常検出用の比較データに基づいて変位状態の異常を検出するので、その異常の発生態様が複雑である場合でも、複数の異常検出手段によって多面的に検出を行なうことができる。従って、工作機械の変位状態の異常をより確実に検出することができる。
【0042】
請求項2記載の工作機械の計測装置によれば、各異常検出手段について変位量の履歴データを適宜選択することで、変位状態の時系列的な変化をより多面的に捉えて異常検出を行なうことができる。
【0043】
請求項3記載の工作機械の計測装置によれば、1つの異常検出手段における前回の変位量に基づく短期的な比較では異常を検出できない場合でも、他の少なくとも1つの異常検出手段におけるそれよりも過去の変位量に基づく長期的な比較によって異常を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であり、計測装置の主演算部によって実行される計測処理に関する部分を中心とする制御内容を示すフローチャート
【図2】図1のフローチャートにおいて使用される異常検出用の比較データ1,2の設定をユーザが行うためのテーブルを示す図
【図3】許容値1,2の設定を行うためのテーブルを示す図
【図4】主軸の熱膨張変位量の測定結果の一例を示す図
【図5】図4の測定結果をグラフ化して表した図
【図6】工作機械の側面図
【図7】工作機械の制御系である計測装置の構成を示す機能ブロック図
【符号の説明】
11は検出器(計測手段)、12は主演算部(計測手段,異常検出手段)、17はメモリ(記憶手段)、18は制御プログラム(コンピュータプログラム)を示す。

Claims (9)

  1. 工作機械の変位量を計測する計測手段と、
    この計測手段によって計測された結果に基づいて、変位状態の異常を検出する複数の異常検出手段とを備え、
    前記複数の異常検出手段は、異常検出用の比較データを夫々選択可能に構成されていることを特徴とする工作機械の計測装置。
  2. 前記計測手段によって計測された変位量の履歴を記憶させるための記憶手段を備え、
    前記異常検出手段は、前記記憶手段に記憶されている変位量の履歴データを、前記比較データとして選択可能に構成されていることを特徴とする請求項1記載の工作機械の計測装置。
  3. 前記異常検出手段の1つは、前記計測手段によって今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回の変位量の履歴データを前記比較データとして選択し、
    前記異常検出手段の他の少なくとも1つは、前記計測手段によって今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回よりも過去の変位量の履歴データを前記比較データとして選択するように構成されていることを特徴とする請求項2記載の工作機械の計測装置。
  4. 工作機械の変位量を計測手段により計測し、
    前記計測手段により計測された結果に基づいて、複数の異常検出手段により変位状態の異常を検出する工作機械の異常検出方法において、
    前記複数の異常検出手段は、異常検出用の比較データを夫々選択可能であることを特徴とする工作機械の異常検出方法。
  5. 計測された変位量の履歴を記憶手段に記憶させ、
    前記異常検出手段は、前記記憶手段に記憶されている変位量の履歴データを、前記比較データとして選択可能であることを特徴とする請求項4記載の工作機械の異常検出方法。
  6. 前記異常検出手段の1つは、前記計測手段によって今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回の変位量の履歴データを前記比較データとして選択し、
    前記異常検出手段の他の少なくとも1つは、前記計測手段によって今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回よりも過去の変位量の履歴データを前記比較データとして選択することを特徴とする請求項5記載の工作機械の異常検出方法。
  7. 工作機械の変位量を計測し、計測された結果に基づいて工作機械の異常検出を行なうための計測装置に搭載されるコンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、
    前記異常検出を、夫々異なる異常検出用の比較データを選択して複数の段階で実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
  8. 計測された変位量の履歴を記憶手段に記憶させ、
    前記異常検出に用いる比較データを、前記記憶手段に記憶されている変位量の履歴データから選択させることを特徴とする請求項7記載のコンピュータプログラム。
  9. 前記異常検出の1つの段階では、今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回の変位量の履歴データを前記比較データとして選択させ、
    前記異常検出の他の少なくとも1つの段階では、今回計測された変位量に対して、前記記憶手段に記憶されている前回よりも過去の変位量の履歴データを前記比較データとして選択させることを特徴とする請求項8記載のコンピュータプログラム。
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