JP2017169353A

JP2017169353A - 診断装置

Info

Publication number: JP2017169353A
Application number: JP2016052250A
Authority: JP
Inventors: 松添　雄二; Yuji Matsuzoe; 雄二松添; 井上　毅; Takeshi Inoue; 毅井上
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: JP6020752B1; US9772357B1; US20170269133A1

Abstract

【課題】回転機の制御等において、ノイズの影響を少なくすることを目的とする。【解決手段】回転機が有する刃具又は前記回転機の診断を該回転機に供給される電力に基づいて実施する診断装置が、前記電力を計測し、電力計測部の入力側及び前記電力計測部の出力側から進入するノイズをフィルタリングすることで上記課題を解決する。【選択図】図８

Description

本発明は、診断装置に関する。

モータ等を利用する工作機械が知られている。そして、工作機械が有するモータの異常を検知する以下のような方法が知られてる。

まず、工作機械において、作動部を周期的に駆動させるモータに供給される電力を計測し、作動部の駆動サイクル周期ごとに計測される電力のデータを記憶する。次に、今回の電力のデータと、前回に記憶した前回の電力のデータとの変化率を計算し、計算される変化率に基づいて、作動部の異常を検知する。このようにして、モータに供給される電力の異常を検知する方法が知られている（例えば、特許文献１等）。

特許第３７８３１９１号公報

しかしながら、従来の方法では、回転機の制御等において、ノイズの影響を受ける場合がある。

本発明の１つの側面は、このような問題に鑑みてなされたものであり、回転機の制御等において、ノイズの影響を少なくすることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、回転機が有する刃具又は前記回転機の診断を該回転機に供給される電力に基づいて実施する診断装置は、
前記電力を計測する電力計測部と、
前記電力計測部の入力側及び前記電力計測部の出力側から進入するノイズをフィルタリングするフィルタ部と
を含む。

本発明によれば、回転機の制御等において、ノイズの影響を少なくすることができる。

本発明の一実施形態における診断装置を用いる全体構成の一例を示す概念図である。本発明の一実施形態における診断装置が有する電力計測部及びフィルタ部の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態における診断装置が有する積算回路の一例を示す図である。本発明の一実施形態における電力演算信号を用いる診断の一例を示す図である。本発明の一実施形態における電力演算信号を用いる別の診断の一例を示す図である。本発明の一実施形態における診断装置が有する電力計測部及びフィルタ部の等価回路の一例を示す回路図である。本発明の一実施形態における診断装置が有する集磁コアの一例を示す図である。本発明の一実施形態における診断装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。比較例の診断装置を用いる全体構成の一例を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

１．全体構成例
２．診断装置の機能構成例
≪ １．全体構成例 ≫
図１は、本発明の一実施形態における診断装置を用いる全体構成の一例を示す概念図である。例えば、診断装置１は、図示するような構成において使用される。具体的には、図示する構成は、回転機の例であるモータＭに、電力供給部の例である電力供給線ＬＰを介して、インバータＩＮＶから電力を供給する構成である。以下、図示する構成を例に説明する。

モータＭは、刃具取付け治具ＪＧによって取付けられるフライス又はドリル等の加工用刃具ＣＴを回転させる。そして、回転している加工用刃具ＣＴが金属等のワークに接触すると、ワークが切削されたり、穴が開けられたりする加工が、加工用刃具ＣＴによって、行われる。このようにして、モータＭは、インバータＩＮＶ又はサーボアンプ等から供給される電力を用いて、加工用刃具ＣＴを回転させて、ワークを加工する。

また、モータＭは、モータＭが有する治具等によってワークを固定し、ワークを回転させてもよい。この場合には、回転するワークに加工用刃具ＣＴし、ワークが加工される。

インバータＩＮＶには、ＰＬＣ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等のコントローラＣＴＬが接続される。そして、コントローラＣＴＬは、制御信号ＳＩＧＣによって、インバータＩＮＶ又はサーボアンプ等を制御する。具体的には、コントローラＣＴＬは、モータＭの回転数を制御する速度制御又はモータＭの位置を制御する位置制御等を行う。また、コントローラＣＴＬは、診断部ＤＩを有する。図示するように、診断部ＤＩは、電力演算信号ＳＩＧＤ等に基づいて、モータＭ又は加工用刃具ＣＴの診断を実施する。なお、診断の詳細は、後述する。

また、図示する例において、診断装置１は、電力供給線ＬＰに接続される。具体的には、診断装置１は、電力供給線ＬＰに対して、電力計測部の例である電力センサＳＰを取り付けて接続される。なお、電力センサＳＰは、例えば、ホール素子を有する。また、電力センサＳＰは、電力供給線ＬＰ上の印加電圧を示す電圧信号ＳＩＧＶを取り込む。電力センサＳＰの詳細は、後述する。そして、加算演算器ＣＯは、電力計測部の例であるそれぞれの電力センサＳＰに信号線を通じて接続され、電力センサＳＰによって計測されるそれぞれの電力を加算する。具体的には、図示するように、３相のモータＭである場合には、加算演算器ＣＯは、３つの電力を加算する。

図２は、本発明の一実施形態における診断装置が有する電力計測部及びフィルタ部の構成を示すブロック図である。図示するように、電力センサＳＰは、積算回路ＩＮと、増幅回路ＡＰとを有する。また、診断装置は、例えば、図示するように、フィルタ部の例であり、入力側に配置される第１フィルタＦＬ１と、フィルタ部の例であり、出力側に配置される第２フィルタＦＬ２とを有する。なお、第１フィルタＦＬ１及び第２フィルタＦＬ２に加えて、加算演算器ＣＯ（図１参照）がフィルタを更に有してもよい。

積算回路ＩＮは、例えば、ホール素子等によって実現される。具体的には、積算回路ＩＮは、例えば、以下のような回路である。

図３は、本発明の一実施形態における診断装置が有する積算回路の一例を示す図である。図示する例のように、積算回路ＩＮは、磁気を検出するホール素子ＨＥを用いて構成される。すなわち、積算回路ＩＮは、いわゆるホール乗算によって電力を算出する。

具体的には、まず、積算回路ＩＮは、ホール素子ＨＥの入力端子間に、電力供給線ＬＰ（図１参照）によって供給される電力の印加電圧、すなわち、電圧信号ＳＩＧＶが示す電圧に比例する電流（以下「ホール電流Ｉｃ」という。）を流す。

次に、図示するように、積算回路ＩＮは、ホール素子ＨＥのセンサ面に、電力供給線ＬＰによって供給される電力の印加電流、すなわち、モータＭ（図１参照）への印加電流に比例する磁束Ｂを加える。このようにすると、積算回路ＩＮの出力端子には、磁束Ｂと、ホール電流Ｉｃとの積に比例する電圧（以下「ホール電圧Ｖｈ」という。）が発生する。そして、積算回路ＩＮは、ホール電圧Ｖｈを示す信号を増幅回路ＡＰ（図２参照）に出力する。

図２に戻り、増幅回路ＡＰは、ホール電圧Ｖｈを示す信号を増幅させ、電力を示す信号（以下「電力信号ＳＩＧＰ」という。）を生成する。すなわち、増幅回路ＡＰは、入力される信号をあらかじめ定められる所定の電圧レベルとなるように増幅する。

そして、診断装置は、各相の電力信号ＳＩＧＰ、すなわち、３相では、３つの電力信号ＳＩＧＰがそれぞれ示すそれぞれの電力を加算する。次に、診断装置は、加算した結果、すなわち、モータＭ（図１参照）に供給される電力等を示す電力演算信号ＳＩＧＤ等をコントローラＣＴＬ等に送信する。コントローラＣＴＬは、電力演算信号ＳＩＧＤに基づいて、各種制御を行ってもよい。また、例えば、電力演算信号ＳＩＧＤを用いて、以下のような診断が行われる。

図４は、本発明の一実施形態における電力演算信号を用いる診断の一例を示す図である。図示するグラフは、電力演算信号ＳＩＧＤ（図１参照）が、各相の電力信号ＳＩＧＰを加算した結果、すなわち、モータＭ（図１参照）に供給される電力（図では縦軸で示す。）を示す場合において、信号が示す値を時系列（図では横軸で示す。）に示す例である。図示するように、加工が行われる時間が経過すると、刃具の消耗により、電力は、増加していく。したがって、電力があらかじめ設定される所定の値以上であるか否か等に基づいて、診断装置は、刃具が消耗している状態であるか否かを診断することができる。他にも、診断装置は、電力演算信号ＳＩＧＤに基づいて、例えば、以下のような診断を行うことができる。

図５は、本発明の一実施形態における電力演算信号を用いる別の診断の一例を示す図である。図示するグラフは、図４と同様に、電力演算信号ＳＩＧＤ（図１参照）が、各相の電力信号ＳＩＧＰを加算した結果、すなわち、モータＭ（図１参照）に供給される電力（図では縦軸で示す。）を示す場合において、信号が示す値を時系列（図では横軸で示す。）に示す例である。例えば、刃具の一部が何らかの理由により欠けると、刃具は、加工中に欠けている部分がワークに引っかかる場合がある。そのため、このような引っかかりがあると、図示するように、電力演算信号ＳＩＧＤが示す値は、周期的に刃具が欠けた部分に対応して高くなる。したがって、図示するような波形が観察される場合には、診断装置は、刃具の一部が損傷している等と診断することができる。なお、図示するような波形は、刃具の１回転ごとに周期的に観察される場合が多い。そのため、電力は、高速に計測されるのが望ましい。

以下、モータＭ（図１参照）が３６００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｐｅｒｍｉｎｕｔｅ）、すなわち、６０ｒｐｓ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）で刃具を回転させる例で説明する。この例では、１回転は、「１／６０ｒｐｓ＝１６．６６６・・・ｍｓｅｃ≒１５ｍｓｅｃ」程度である（以下、１回転が１５ｍｓｅｃであるとする）。

さらに、この例において、例えば、５°の刃具の損傷があるとする。すなわち、刃具が、１回転、３６０°のうち、「５°／３６０°＝１／７２」の部分が損傷しているとする。この場合には、損傷部分を示す波形は、「１５ｍｓｅｃ×（１／７２）＝０．２０８３３３・・・ｍｓｅｃ＝２０８．３３３・・・μｓｅｃ≒２００μｓｅｃ」程度のパルス幅となる（以下、損傷部分を示す波形のパルス幅が２００μｓｅｃであるとする）。そして、このような波形を計測するには、診断装置は、サンプリング定理に基づいて、計測するパルス幅の「１／２」以下程度の分解能で計測する。なお、分解能は、計測するパルス幅の「１／５」以下程度であるのが望ましい。より望ましくは、分解能は、計測するパルス幅の「１／１０」以下程度であるのが望ましい。すなわち、「２００μｓｅｃ」程度のパルス幅となる波形を計測する場合には、診断装置は、「１５乃至２０μｓｅｃ」以下程度の速度で計測できる分解能であるのが望ましい。なお、分解能は、検出する刃具が損傷している角度等に基づいて定められてもよい。

このように、高速で計測する場合には、図２に示すように、回路等を用いる構成であるのが望ましい。すなわち、図２に示すような構成とすると、診断装置は、高速に電力を計測することができる。

他にも、診断装置は、回転機の異常を検出してもよい。例えば、電力があらかじめ設定される所定の値以上となる場合には、回転機に異常が発生している場合がある。具体的には、回転機が何かに引っかかっているような場合には、回転機を回転させようと、大きなトルクを発生させるため、大きな電流が流れる場合がある。このような場合には、電力も電流に伴って増加する。このようにして、診断装置は、回転機の異常を検出してもよい。

また、第１フィルタＦＬ１（図２参照）及び第２フィルタＦＬ２（図２参照）がフィルタリングするノイズは、１０Ｖ印加における６０ＭＨｚ乃至８０ＭＨｚのノイズ及び１０Ｖ／ｍにおける１５０ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚのノイズであるのが望ましい。

電圧信号ＳＩＧＶ（図２参照）等には、モータＭ（図１参照）等が主に発生させる磁気ノイズ（「電動ノイズ」という場合もある。）が影響する場合が多い。さらに、電圧信号ＳＩＧＶ等には、インバータＩＮＶ（図１参照）等が主に発生させる電波ノイズが影響する場合が多い。特に、工作機械を小型化等の理由で、電力センサＳＰ（図１参照）、加算演算器ＣＯ、モータＭ及びインバータＩＮＶが近くに配置される構成では、ノイズの影響が大きくなりやすい。また、スイッチング電源を用いる場合には、スイッチング電源による電源ノイズ等も影響がある。そこで、診断装置は、入力側、すなわち、第１フィルタＦＬ１によって、上記のような周波数帯のノイズをフィルタリングするようにすると、診断装置は、ノイズの影響を少なくすることができる。

また、図２に示すように、出力側、すなわち、第２フィルタＦＬ２がある構成であるのが望ましい。出力側では、出力側に接続される機器等からノイズが入りやすい。そこで、第２フィルタＦＬ２があると、診断装置は、出力側から入るノイズをフィルタリングでき、ノイズの影響を少なくすることができる。

以上のような電力計測部及びフィルタ部の構成とすると、例えば、以下に示すようなことができる。

図６は、本発明の一実施形態における診断装置が有する電力計測部及びフィルタ部の等価回路の一例を示す回路図である。例えば、図２に示す構成は、図示するような回路図で示すことができる。

まず、電圧信号ＳＩＧＶが示す電圧が入力される。次に、電圧信号ＳＩＧＶに基づく電圧が入力されると、ホール電流Ｉｃ（図３参照）が発生する。さらに、電力供給線ＬＰに流れる印加電流に比例する磁束Ｂがホール素子ＨＥにかかると、ホール素子ＨＥは、磁束Ｂと、ホール電流Ｉｃとを積算して、電力を示すホール電圧Ｖｈ（図３参照）を出力することができる。そして、ホール電圧Ｖｈを示す信号がアンプ等によって増幅されると、診断装置は、電力を示す電力信号ＳＩＧＰを出力できる。

さらに、第１フィルタＦＬ１があると、診断装置は、電圧信号ＳＩＧＶに影響を与えるノイズ（以下「第１ノイズＮＺ１」という。）をフィルタリングし、影響を少なくできる。なお、第１ノイズＮＺ１は、電力計測部へ入力される回転機への印加電圧に含まれるノイズの例である。同様に、第２フィルタＦＬ２があると、診断装置は、電力信号ＳＩＧＰに影響を与えるノイズ（以下「第２ノイズＮＺ２」という。）をフィルタリングし、影響を少なくできる。なお、第２ノイズＮＺ２は、電力計測部の出力側から入るノイズの例である。このように、ホール素子ＨＥ等を囲うように、診断装置がフィルタを有すると、診断装置は、第１ノイズＮＺ１及び第２ノイズＮＺ２のような様々なノイズをフィルタリングし、ノイズの影響を少なくすることができる。

また、診断装置は、磁束Ｂを発生させるのに、例えば、以下のような集磁コアを有するのが望ましい。

図７は、本発明の一実施形態における診断装置が有する集磁コアの一例を示す図である。図示するように、集磁コアは、フェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）又はパーマロイ（ｐｅｒｍａｌｌｏｙ）等の磁性材料ＢＭを有する。そして、磁性材料ＢＭは、図示するように、電力供給線ＬＰ等の電線を覆うように設置される。さらに、磁性材料ＢＭは、切欠部を有し、図示するように、切欠部に、ホール素子ＨＥが設置される。このような集磁コアが用いられると、集磁コアがシールドとなるため、診断装置は、外乱ノイズの影響を少なくすることができる。

≪ ２．診断装置の機能構成例 ≫
図８は、本発明の一実施形態における診断装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。図示するように、診断装置１は、例えば、電力供給部ＦＮ１と、電力計測部ＦＮ２と、フィルタ部ＦＮ３と、加算演算部ＦＮ４と、診断部ＦＮ５とを含む。

電力供給部ＦＮ１は、モータＭ等の回転機に電力を供給する。例えば、電力供給部ＦＮ１は、電力供給線ＬＰ（図１参照）等で実現される。

電力計測部ＦＮ２は、電力供給部ＦＮ１によって供給される電力を計測する。例えば、電力計測部ＦＮ２は、電力センサＳＰ（図１参照）等で実現される。

フィルタ部ＦＮ３は、電力計測部ＦＮ２への入力及び電力計測部ＦＮ２からの出力に含まれるノイズをフィルタリングする。例えば、フィルタ部ＦＮ３は、第１フィルタＦＬ１（図２参照）及び第２フィルタＦＬ２（図２参照）等によって実現される。

加算演算部ＦＮ４は、電力計測部ＦＮ２による複数の計測結果を加算して、モータＭに供給される電力を演算する。例えば、加算演算部ＦＮ４は、加算演算器ＣＯ（図１参照）等で実現される。

診断部ＦＮ５は、加算演算部ＦＮ４が演算した演算結果、すなわち、モータＭに供給される電力に基づいて、モータＭ又は刃具の診断を実施する。例えば、診断部ＦＮ５は、コントローラＣＴＬ（図１参照）等で実現される。

図示するように、フィルタ部ＦＮ３を含む構成であると、診断装置１は、電力計測部ＦＮ２への入力及び電力計測部ＦＮ２からの出力に含まれるノイズの影響を少なくすることができる。例えば、以下のような比較例と比較して説明する。

図９は、比較例の診断装置を用いる全体構成の一例を示す概念図である。図示するような比較例では、電流信号線及び電圧信号は、磁気ノイズ又は電波ノイズ等のノイズＮＺの影響を受けやすい。そのため、加算演算器による演算結果にノイズが含まれ、精度の良い診断が難しい場合がある。

特に、電流センサは、微弱な信号を出力する場合が多い。そのため、Ｓ／Ｎ比が悪い等のため、ノイズに特に弱い構成である場合が多い。

一方で、本発明に係る実施形態では、磁気ノイズ又は電波ノイズ等の影響をフィルタ部ＦＮ３によってフィルタリングし、電力計測部ＦＮ２に進入するノイズを低減させることができる。ゆえに、本発明に係る診断装置は、回転機の制御等において、ノイズの影響を少なくすることができる。そのため、診断装置は、電力の小さい変化も検出できるため、刃具の小さな変化を診断することができる。他にも、電力センサＳＰ（図１参照）で計測される値を用いる場合の方が、電流センサで計測される値を用いるより、電力を精度良く計算できる。

また、診断装置を有する工作機械は、例えば、フライス盤、ボール盤又はＮＣ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）機械等である。他にも、工作機械は、旋盤等であってもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

１診断装置
Ｍモータ
ＳＰ電力センサ
ＳＩＧＶ電圧信号
ＳＩＧＰ電力信号
ＦＬ１第１フィルタ
ＦＬ２第２フィルタ
ＨＥホール素子
Ｂ磁束
ＦＮ１電力供給部
ＦＮ２電力計測部
ＦＮ３フィルタ部
ＦＮ４加算演算部
ＦＮ５診断部

上述した課題を解決し、目的を達成するため、回転機が有する刃具又は前記回転機の診断を該回転機に供給される電力に基づいて実施する診断装置は、
前記電力を計測する電力計測部と、
前記電力計測部の入力側及び前記電力計測部の出力側から進入するノイズをフィルタリングするフィルタ部とを含み、
前記電力計測部は、ホール素子を有し、前記回転機に前記電力を供給する電力供給線の印加電圧が該ホール素子に入力され、前記印加電圧に基づいて前記ホール素子にホール電流が流され、前記回転機への印加電流に比例する磁束を前記ホール素子が有するセンサ面に加えると発生し、前記磁束及び前記ホール電流の積に比例するホール電圧に基づいて前記電力を算出する。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、回転機が有する刃具又は前記回転機の診断を該回転機に供給される電力に基づいて実施する診断装置は、
前記電力を計測する電力計測部と、
前記電力計測部の入力側及び前記電力計測部の出力側から進入するノイズをフィルタリングするフィルタ部とを含み、
前記電力計測部は、ホール素子を有し、前記回転機に前記電力をインバータ又はサーボアンプから供給する電力供給線の印加電圧が該ホール素子に入力され、
前記印加電圧に基づいて前記ホール素子にホール電流が流され、前記回転機への印加電流に比例する磁束を前記ホール素子が有するセンサ面に加えると発生し、前記磁束及び前記ホール電流の積に比例するホール電圧に基づいて前記電力を算出する。

Claims

回転機が有する刃具又は前記回転機の診断を該回転機に供給される電力に基づいて実施する診断装置であって、
前記電力を計測する電力計測部と、
前記電力計測部の入力側及び前記電力計測部の出力側から進入するノイズをフィルタリングするフィルタ部と
を含む診断装置。
前記電力計測部は、ホール素子を有し、
前記回転機への印加電圧に基づいて前記ホール素子に流されるホール電流と、前記回転機への印加電流に基づいて発生する磁束とから前記電力を算出する請求項１に記載の診断装置。
前記印加電流を発生するのに、集磁コアを用いる請求項２に記載の診断装置。
前記フィルタ部は、
前記電力計測部へ入力される前記回転機への印加電圧に含まれるノイズをフィルタリングする第１フィルタと、
前記電力計測部の出力側に配置され、出力側から入るノイズをフィルタリングする第２フィルタとを含む請求項１から３のいずれか１項に記載の診断装置。
前記フィルタ部は、６０乃至８０ＭＨｚ及び１５０ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚの前記ノイズをフィルタリングする請求項１から４のいずれか１項に記載の診断装置。
前記回転機は、モータであり、かつ、前記刃具を回転させる請求項１から５のいずれか１項に記載の診断装置。
前記電力計測部は、２０μｓｅｃ以下の分解能である請求項１から６のいずれか１項に記載の診断装置。
複数の前記電力計測部を含み、
前記電力計測部からのそれぞれの出力を加算して、前記回転機に入力される電力を加算演算する加算演算器を更に含む請求項１から７のいずれか１項に記載の診断装置。