JP2007086021A - 工作機械主軸軸受の損壊予知装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】 高価なＦＦＴを使用せずに、工作機械主軸の転がり軸受の損壊予知を行うと共に、機械の停止・修理についての意思決定を無駄なく実施できる様にする。
【解決手段】 損壊予知装置１は、工作機械主軸の軸受の外筒に取り付けられた加速度検出器２の出力信号を周波数フィルター14，15を通した後に乗算回路16で二乗し、積分回路17で積分してパワー信号を生成するパワー信号出力装置１０と、２秒毎の読みの最小値が閾値を越えた回数が所定以上に達したときに報知手段34で報知すると共に、一日の運転中の読みの最大値と、閾値を超過した回数と、運転時間とを、日付と共に履歴情報として記憶・保持しておき、必要に応じて外部パソコンへ読み出せる様にしたモニター装置30とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、転がり軸受の損壊予知装置に係り、特に、高価なＦＦＴ解析装置を用いることなく、的確に軸受の異常診断を実施するための技術に関する。

工作機械主軸に使用する転がり軸受が、焼き付き、磨耗、打痕の発生あるいは異物の侵入などによって、損傷を受け、それが更に拡大進行して回転不能になる場合がある。この様な軸受の損壊は、突発的な生産停止を引き起こす。このため、軸受に損壊が起こる前に予知して予防的な処置をとれるようにすることが強く望まれている。

従来、こうした軸受の異常を診断するための装置として、回転中の軸受の振動を検出し、演算処理により異常を判定して警報器から出力する装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）
特開２００２−２２６１７号公報（要約、００５１、００５２） 特開２００１−９９７５７号公報（要約） 特開２００１−２５５２４３号公報（要約）

しかし、これら特許文献１〜３に開示されている技術では、ウェーブレット変換演算器、短時間ＦＦＴ演算器、ウィグナー分布関数演算器等を用いて診断のための信号処理を行っているため、装置が高価となり、工作機械主軸軸受の損壊予知装置としては採用し難いという問題がある。

そこで、本発明は、高価な高速フーリエ変換（ＦＦＴ）装置を使用せずに、工作機械主軸の転がり軸受の損壊予知を行うと共に、加えて、機械の停止・修理についての意思決定を無駄なく実施できる様にすることを目的とする。

上記目的を達するためになされた本発明の工作機械主軸軸受の損壊予知装置は、
工作機械主軸の軸受の外筒に取り付けられ、前記軸受の振動状態を計測する加速度検出器と、
前記加速度検出器の出力信号から不要な低周波成分及び高周波成分を取り除く周波数フィルターと、該周波数フィルターからの出力信号を二乗する乗算回路と、該乗算回路からの出力信号を積分する積分回路と、該積分回路による積分結果に対応する直流電圧信号を出力する出力端子とを備えたパワー信号出力装置と、
前記パワー信号出力装置から出力される直流電圧信号の所定の計測期間毎の最小電圧値を読み取る最小電圧値読み取り手段と、前記最小電圧値読み取り手段による読み取り結果の内の最大値を記憶する最大値記憶手段と、前記最小電圧値読み取り手段による読み取り結果が所定の閾値を越える回数を記憶する閾値超過回数記憶手段と、前記閾値超過回数記憶手段の記憶内容から前記閾値を越える回数が所定回数に達したか否かを判定し、所定回数に達した場合はその旨を外部に報知する報知手段と、前記工作機械の運転開始後所定時間が経過するか又は運転が停止される毎に、その間の運転時間と、前記最大値記憶手段の記憶内容と、前記閾値超過回数計数手段の計数結果とを、履歴情報として記憶・保持する履歴情報記憶保持手段と、前記履歴情報記憶保持手段による記憶・保持が完了したら、前記最大値記憶手段及び前記閾値超過回数記憶手段の記憶内容をリセットするリセット手段と、前記履歴情報記憶保持手段が記憶・保持している履歴情報を出力させる履歴情報出力手段とを備えたモニター装置とを備えている。

この本発明の工作機械主軸軸受の損壊予知装置によれば、加速度検出器で検出した信号は、パワー信号出力装置に入力される。パワー信号出力装置では、加速度検出器の出力信号を周波数フィルター（ローパスフィルター及びハイパスフィルター若しくはバンドパスフィルター）を通すことにより、不要な低周波成分及び高周波成分を取り除く。乗算回路の二つの入力端子の両方に、周波数フィルターで不要な低周波成分及び高周波成分を取り除いた信号が共に入力される。これにより、信号は二乗される。この二乗された信号は、積分回路に入力され、時間軸に沿って積分される。この積分結果は、パーセバル（Ｐｅｒｓｅｖａｌ）の等式より明らかな通り、振動のパワーを表す。

こうして生成されたパワー信号は、出力端子を介してモニター装置に入力される。モニター装置では、読み取り手段が、パワー信号出力装置から出力される直流電圧信号の所定の計測期間（例えば、２秒程度の短い期間）毎の最小電圧値を読み取る。すると、最小値記憶手段が、この最小電圧値の中の最大値を記憶する。また、閾値超過回数記憶手段が、最小電圧値読み取り手段による読み取り結果が所定の閾値を越える回数を記憶する。そして、報知手段は、閾値超過回数記憶手段の記憶内容から閾値を越える回数が所定回数に達したときは、その旨を報知する。この閾値を所定回数越えた状態としては、例えば、軸受の損傷が交換すべき程度に進行した状態を設定しておく。これにより、監視者は、軸受けの交換時期を察知することができる。

また、モニター装置では、さらに、工作機械の運転開始後所定時間が経過するか又は運転が停止される毎に、履歴情報記憶保持手段が、その間の運転時間と、その間の読みの最大値と、読みが閾値を超過した回数とを、日付等と共に履歴情報として記憶・保持する。所定時間としては、例えば、８時間、２４時間など、一日単位を採用することが望ましい。

こうして履歴情報記憶保持手段による記憶・保持が完了したら、リセット手段により、最大値記憶手段及び閾値超過回数記憶手段の記憶内容をリセットする。これにより、翌日のモニター作業を開始可能な状態となる。また、モニター装置には、履歴情報出力手段が備えられているので、必要に応じて、履歴情報記憶保持手段が記憶・保持している履歴情報を出力させることができる。

以上の様な作用により、本発明の工作機械主軸軸受の損壊予知装置によれば、振動として軸受の損傷の進行状況を検知するに当たり、ＦＦＴの様な高価な機械装置を用いなくても、簡単な回路により、パーセバルの等式を利用したパワー信号として検出信号を得ることができる。そして、モニター装置では、このパワー信号を、短い計測期間毎にラッチして、その最小値を閾値超過判定に用いている。これにより、工作機械の運転状況による突発的な振動の影響を受けずに、損傷の進行状況を判定することができる。また、閾値を超過した回数が所定値に達したときに、報知がなされることによって、監視者は、軸受の交換を検討する。この際、履歴情報出力手段によって、履歴情報を出力することができ、特に、その履歴情報として、日付、運転時間、読みの最大値、読みが閾値を超過した回数を確認することにより、重大な意思決定となる工作機械主軸の軸受交換の必要性を的確に判断することができる。

本発明によれば、高価なＦＦＴ装置を使用せずに、工作機械主軸の転がり軸受の損壊予知を行うと共に、加えて、機械の停止・修理についての意思決定を無駄なく実施することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、具体的に説明する。図１は、実施形態としての工作機械主軸軸受の損壊予知装置１の回路構成を示すブロック図である。図示の様に、この損壊予知装置１は、検出信号から判定用の信号を生成するためのパワー信号出力装置１０と、損壊予知のための判定等を行うためのモニター装置３０とを備えている。

パワー信号出力装置１０は、信号入力側から、加速度信号入力端子１１、インピーダンス変換回路１２、入力増幅回路１３、ローパスフィルター（１０ｋＨｚ）１４、ハイパスフィルター（５１０Ｈｚ）１５、乗算回路１６、積分回路１７、ローパスフィルター（２２Ｈｚ）１８、出力増幅回路１９及びパワー出力端子２０を備えたものとして構成されるハードウェア回路である。

このパワー信号出力装置１０では、加速度信号入力端子１１を介して装置に入力された加速度検出器２の検出信号は、インピーダンス変換及び入力増幅された後に、ローパスフィルター１４によって１０ｋＨｚ以上の不要な高周波成分が取り除かれる。そして、さらに、ハイパスフィルター１５によって、５１０Ｈｚ以下の不要な低周波成分が取り除かれる。そして、乗算回路１６の二つの入力端子のそれぞれに入力することで、二乗された信号となる。この二乗された信号は、積分回路１７に入力され、時間軸に沿って積分される。この積分結果は、パーセバル（Ｐｅｒｓｅｖａｌ）の等式より明らかな通り、振動のパワーを表す。

従って、ＦＦＴ装置を用いることなく、加速度信号からパワー信号を得ることができる。このパワー信号は、ローパスフィルタ１８で２２Ｈｚ以上の成分を取り除いた後に、出力増幅回路１９で増幅され、パワー出力端子２０からモニター装置３０へと、直流電圧信号として出力される。

モニター装置３０は、パーソナルコンピュータと損壊予知プログラムとによって構成されている。この損壊予知プログラムに従って実行される各種処理を構成要素として示すと、以下の様になる。

パワー信号出力装置１０から出力される直流電圧信号の２秒毎の最小電圧値を読み取る最小電圧値読み取り手段３１と、最小電圧値読み取り手段３１による読み取り結果の内の最大値を記憶する最大値記憶手段３２と、最小電圧値読み取り手段３１による読み取り結果が閾値（１００ｇ^２ ）を越える回数を記憶する閾値超過回数記憶手段３３と、閾値超過回数記憶手段３３の記憶内容から閾値を越える回数が所定回数（例えば、１０００回）に達したか否かを判定し、所定回数に達した場合はその旨を外部に報知する報知手段３４と、工作機械の運転が停止される毎に、その間の運転時間と、最大値記憶手段３２の記憶内容と、閾値超過回数計数手段３３の計数結果とを、日付と共に記憶・保持する履歴情報記憶保持手段３５と、履歴情報記憶保持手段３５による記憶・保持が完了したら、最大値記憶手段３２及び閾値超過回数記憶手段３３の記憶内容をリセットするリセット手段３６と、履歴情報記憶保持手段３５が記憶・保持している履歴情報を出力させる履歴情報出力手段３７とを備えたものとして構成されている。

次に、モニター装置３０の損壊予知プログラムによって実行される処理について説明する。損壊予知プログラムは、読み取りルーチンと、損壊判定・警報ルーチンと、履歴情報記憶ルーチンと、履歴情報読み出しルーチンとから構成されている。まず、読み取りルーチンについて説明する。

読み取りルーチンは、工作機械の運転開始と共にスタートし、図２に示す様に、入力信号（パワー信号）をラッチして一時メモリに一時記憶し（Ｓ１０）、２秒経過したか否かを判定する（Ｓ２０）。２秒経過していないときは、再び入力信号をラッチし（Ｓ３０）、一時記憶してある信号より小さいか否かを判定する（Ｓ４０）。一時記憶してある信号より小さいときは（Ｓ４０：ＹＥＳ）、一時記憶の内容を新たに入力した信号に置き換えた後（Ｓ５０）、Ｓ２０へ戻る。一方、一時記憶してある信号の方が小さいときは（Ｓ４０：ＮＯ）、そのままＳ２０へ戻る。以上の処理をＳ２０において２秒経過と判定されるまで繰り返すことにより、計測期間である２秒間におけるパワー信号の最小値を読み取ることができる。そして、Ｓ２０でＹＥＳと判定されたときは、一時記憶していた読みの最小値を、判定用メモリに書き込むと共に（Ｓ６０）、最大値メモリの値を読み出し（Ｓ７０）、この２秒間の読みの最小値が最大値メモリ内に記憶されている値より大きいか否かを判定する（Ｓ８０）。大きい場合は（Ｓ８０：ＹＥＳ）、最大値メモリをこの２秒間の読みの最小値に書き換える（Ｓ９０）。そして、一時メモリをクリアし（Ｓ１００）、運転が停止されるまでは、再びＳ１０へ戻って読み取り処理を繰り返し実行する。

次に、損壊判定・警報ルーチンについて説明する。このルーチンも工作機械の運転開始と共にスタートする。図３に示す様に、２秒経過する毎に（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、読み取りルーチンが判定用メモリに書き込んだ最小値を読み出し（Ｓ１２０）、閾値（１００ｇ^２ ）を越えているか否かを判定する（Ｓ１３０）。閾値を越えていると判定されたときは（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、閾値超過回数カウンタを１インクリメントする（Ｓ１４０）。そして、インクリメント後の閾値超過回数カウンタの値が１０００を越えたか否かを判定する（Ｓ１５０）。カウンタが１０００を越えていると判定されたときは（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、モニター装置３０の画面にアラーム表示を実行すると共に、監視者の注意を促すためのブザー鳴動等を併せて実行する（Ｓ１６０）。

次に、履歴情報記憶ルーチンについて説明する。このルーチンは、一日の作業が終了し、工作機械の運転が停止されたときに実行される。このルーチンでは、図４に示す様に、履歴情報記憶テーブルにその日の日付を追加して記入欄を確保すると共に（Ｓ２１０）、最大値メモリに記憶されているその日の最大値を読み出し（Ｓ２２０）、その日の記入欄の対応箇所に書き込む（Ｓ２３０）。また、閾値超過回数カウンタの値を読み出し（Ｓ２４０）、その日の記入欄の対応箇所に書き込む（Ｓ２５０）。さらに、運転開始時刻と運転停止時刻から、その日の運転時間を算出し（Ｓ２６０）、その日の記入欄の対応箇所に書き込む（Ｓ２７０）。以上の処理により、その日の日付と共に、その日の最大値と、閾値超過回数と、運転時間とが対応付けられた履歴情報の記憶が完了する。こうしてその日の履歴情報の記憶が完了したら、最小値メモリ、最大値メモリ、判定用メモリ、閾値超過回数カウンタを全てリセットする（Ｓ２８０）。

次に、履歴情報読み出しルーチンについて説明する。このルーチンは、モニター装置３０に、ＲＳ２３２Ｃケーブルを介して外部パソコンを接続した上で実行する。図５に示す様に、このルーチンが起動されると、履歴情報記憶テーブルが読み出されて（Ｓ３１０）、外部パソコン上の記録装置にＸＬＳファイルとして転送される（Ｓ３２０）。この履歴情報記憶テーブルは、表計算ソフトによって処理可能な形式のデータとして記憶してあるので、ＸＬＳファイルを受信した外部パソコン側で、当該表計算ソフトを起動して、日付を横軸とするグラフ表示にすることもできる。また、プリントアウトすることもできる。

次に、加速度検出器２の設置方法について説明する。加速度検出器２は、図６に示す様に、工作機械主軸３の転がり軸受４の外筒５に対して、軸方向位置Ａもしくは半径方向位置Ｂのいずれかに取り付ける。ここで、より望ましいのは軸方向位置Ａである。半径方向位置Ｂに取り付けた場合は、主軸の曲げ振動の影響を受けるおそれがあるからである。

本実施形態の工作機械主軸軸受の損壊予知装置によれば、ＦＦＴアナライザーを用いることなく、軸受の振動状況から損壊の進行状況を判定するための信号を形成することができる。そして、この信号を用いた判定に当たり、２秒毎の読みの最小値を用いる様にしたので、例えばオートツールチェンジャー（ＡＴＣ）によるツール交換が実行されたときのショックによって一瞬大きな値になる等の外乱要素の影響を受け難く、誤判定の危険性を低くしている。しかも、警報時には履歴情報をチェックすることで、主軸交換といった大きな作業を実際にすべきか否かの判断をすることができる。そして、そのために履歴として残しておく情報を、日付と、最大読みと、閾値超過回数と、運転時間とにしたので、工作機械納入から１０年程度の期間の情報を十分に記録しておくことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限らず、その要旨を逸脱しない範囲内での種々なる変形実施が可能であることはいうまでもない。

実施形態の損壊予知装置の構成を示すブロック図である。 実施形態における読み取りルーチンの処理内容を示すフローチャートである。 実施形態における損壊判定・警報ルーチンの処理内容を示すフローチャートである。 実施形態における履歴情報記憶ルーチンの処理内容を示すフローチャートである。 実施形態における履歴情報読み出しルーチンの処理内容を示すフローチャートである。 加速度検出器の設置箇所を説明する断面図である。

符号の説明

１・・・工作機械主軸軸受の損壊予知装置
２・・・加速度検出器
３・・・工作機械主軸
４・・・転がり軸受
５・・・外筒
１０・・・パワー信号出力装置
１１・・・加速度信号入力端子
１２・・・インピーダンス変換回路
１３・・・入力増幅回路
１４・・・ローパスフィルター（１０ｋＨｚ）
１５・・・ハイパスフィルター（５１０Ｈｚ）
１６・・・乗算回路
１７・・・積分回路
１８・・・ローパスフィルター（２２Ｈｚ）
１９・・・出力増幅回路
２０・・・パワー出力端子
３０・・・モニター装置
３１・・・最小電圧値読み取り手段
３２・・・最大値記憶手段
３３・・・閾値超過回数記憶手段
３４・・・報知手段
３５・・・履歴情報記憶保持手段
３６・・・リセット手段
３７・・・履歴情報出力手段

Claims (1)

1. 工作機械主軸の軸受の外筒に取り付けられ、前記軸受の振動状態を計測する加速度検出器と、
   前記加速度検出器の出力信号から不要な低周波成分及び高周波成分を取り除く周波数フィルターと、該周波数フィルターからの出力信号を二乗する乗算回路と、該乗算回路からの出力信号を積分する積分回路と、該積分回路による積分結果に対応する直流電圧信号を出力する出力端子とを備えたパワー信号出力装置と、
   前記パワー信号出力装置から出力される直流電圧信号の所定の計測期間毎の最小電圧値を読み取る最小電圧値読み取り手段と、前記最小電圧値読み取り手段による読み取り結果の内の最大値を記憶する最大値記憶手段と、前記最小電圧値読み取り手段による読み取り結果が所定の閾値を越える回数を記憶する閾値超過回数記憶手段と、前記閾値超過回数記憶手段の記憶内容から前記閾値を越える回数が所定回数に達したか否かを判定し、所定回数に達した場合はその旨を外部に報知する報知手段と、前記工作機械の運転開始後所定時間が経過するか又は運転が停止される毎に、その間の運転時間と、前記最大値記憶手段の記憶内容と、前記閾値超過回数計数手段の計数結果とを、履歴情報として記憶・保持する履歴情報記憶保持手段と、前記履歴情報記憶保持手段による記憶・保持が完了したら、前記最大値記憶手段及び前記閾値超過回数記憶手段の記憶内容をリセットするリセット手段と、前記履歴情報記憶保持手段が記憶・保持している履歴情報を出力させる履歴情報出力手段とを備えたモニター装置と
   を備えている工作機械主軸軸受の損壊予知装置。
   

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