JP2017170578A - 工具認識機能を有した工作機械監視予測制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の稼働状況を監視する装置では、取り付けられている工具を、工作機械の改造をすることなく認識することが難しく、工具ごとに監視を行うことが難しかった。【解決手段】主軸により工具を駆動して加工を行う工作機械システムにおいて、主軸の状態を測定する測定部があって、前記測定部には主軸の電流を測定する測定手段と主軸の振動を測定する測定手段を有し、前記測定手段により測定した電流データと振動データを用いて工作機械システムに取り付けられている工具を特定することで、工具に適した条件で工作機械の監視を行うことが可能となる。【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械に、後から取り付けることで工作機械の監視、予測、制御を行う工作機械システムに関する。

従来の工作機械は、工作機械の稼働状況を遠隔地から監視する機能、不具合の発生を予測する機能、不具合が発生した場合遠隔地から制御する機能が搭載されていなかった。

そのため、従来技術では、工作機械が正常に動作しているかを確認するために電流を測定し、閾値を設けて監視を行っていた（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３）。

特開昭62-34755号 特開平5-253799号 特開平5-116056号

田口、"複合センサを用いた遠隔監視装置の開発"、平成24年度長崎県工業技術センター研究報告、pp.3-7、平成25年8月30日 田口、"機械装置知的遠隔監視装置の開発"、平成25年度長崎県工業技術センター研究報告、pp.6-7、平成26年8月29日 田口、"機械装置知的遠隔監視装置の開発"、平成26年度長崎県工業技術センター研究報告、pp.8-9、平成27年8月31日

１つの工具のみを用いる工作機械であれば、従来技術を用いて監視することが可能であるが、工具交換をする工作機械や自動工具交換装置を搭載した工作機械の場合、使用する工具により監視する閾値を変更する必要があった。

自動工具交換機を制御する制御信号から使用する工具を認識し、閾値を自動で変更することが可能であるが、監視機能を搭載していない従来型の工作機械の場合、制御信号を取り出すためには、工作機械を改造して自動工具交換機への制御信号を読み取る必要があるため、実現することが難しかった。

監視機能が搭載されていない工作機械に、後から監視装置を取り付け監視機能を付加する場合は、画像センサを用いて現在取り付けられている工具を認識する試みがなされているが、工作機械を使用する環境で発生する粉塵や潤滑剤の影響を排除することが難しく、使用する場所が限定されていた。

また、画像センサを使用するためには、高機能なコンピュータ装置を使用することが必要となるため、監視装置の耐環境性能の低下や、装置が高価になるという問題点があった。

本発明は、工作機械に取り付けることで、工具交換をする工作機械の監視を、工具を特定して、工具ごとの標準値により監視を行う工作機械システム監視装置に関する。

また、監視した内容を記録部に時系列と共に記録し、比較解析することで、不具合の発生を予測する工作機械システム予測装置を実現する。

さらに、工作機械システム監視装置で監視した結果や、工作機械システム予測装置で予測した結果を基に制御信号を発生し、工作機械や工作機械の制御盤に機構部を取り付けることで、工作機械本体を改造することなく工作機械システム御装置を実現する工作機械システム制御装置に関する。

発明１の構成要素を表すブロック図を図１に示す。発明１は、主軸により工具もしくはワークを駆動して加工を行う工作機械システムにおいて、主軸の状態を測定する測定部があって、前記測定部には主軸の電流を測定する測定手段と主軸の振動を測定する測定手段を有し、前記測定手段により測定した電流データと振動データを用いて工作機械システムに取り付けられている工具を特定する判定部を有し、前記判定部により特定した工具ごとの標準値を記録した記録部を有し、測定部で測定した電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データを記録部から呼び出した標準値とを比較解析する監視部を有し、前記監視部を用いて工作機械システムの動作を監視する工作機械システム監視装置である。

発明１は、少なくとも１つの電流を測定するセンサと少なくとも１つの振動を測定するセンサにより、主軸が無負荷で回転するときの電流データや振動データと、切削により負荷がかかった状態での主軸の電流データや振動データを測定し、比較解析することで、工具特有の特徴を分析し、工具の特定を行うことで、工具ごとに設定された標準値を基に工作機械の監視を行うことが可能となる。

発明２は、請求項１の工作機械システム監視装置において、特定した工具に関連付けて測定した電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データを時系列と共に記録する記録部を有し、前記記録部に時系列と共に保存された工具に関連付けた電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データを、測定部で測定した電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データと比較解析する予測部を有し、前記予測部により工作機械システムの異常発生を予測する工作機械システム予測装置である。

発明１により特定した工具の種類ごとに、測定した電流データ、振動データの時系列と共に記録することで切削状況の変化を推定し、比較解析することで、工作機械の不具合発生を予測することが可能となる。

発明３は、請求項１の工作機械システム監視装置からの監視結果もしくは請求項２の工作機械システム予測装置からの予測結果を受信する受信部を有し、前記受信部で受信した監視結果もしくは予測結果を基に制御を行う制御部を有し、前記制御部からの信号により工作機械もしくは工作機械の制御盤の操作部を操作する機構部を有し、前記機構部により工作機械もしくは工作機械の制御盤の操作部の操作を行うことで工作機械システムの制御をする工作機械システムの制御装置である。

発明1の工作機械システム監視装置もしくは工作機械システム発明２の工作機械システム予測装置に、工作機械もしくは工作機械の制御盤に後から取り付ける機構部により、工作機械もしくは工作機械制御盤の操作部を操作し、工作機械本体の改造を行わずに工作機械の制御を行う工作機械システムの実現が可能となる。

なお、電流を測定するセンサや振動を測定するセンサを複数用いることも可能であり、さらに、力センサ、温度センサ、音響センサなどのセンサを追加しても良い。

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されているような効果を奏する。

発明１は、少なくとも１つの電流を測定するセンサと少なくとも１つの振動を測定するセンサにより、工作機械の電流データと振動データを測定し、測定した電流データおよび振動データを用いて、工作機械に取り付けられている工具を特定することが可能となる。

工具を特定した後、測定した電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データから工具にかかっている負荷や力を推定し、工作機械の稼働状況を測定し、監視することができる。

工具を主軸により駆動する工作機械の場合、工具が無負荷で稼働しているときに測定した電流データと振動データから工具に固有の特徴量を測定することができる。

測定した特徴量を基に、現在取り付けられている工具を特定し、監視を行う電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データの標準値を記録部から読み出し、決定する。

標準値は、事前に電流および振動ごとに個別に設定しても良いし、電流と振動の双方を用いて設定しても良い。

あるいは、電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データから機械学習の手法や品質工学の手法を用いて動的に設定しても良い。

工具を主軸により駆動する工作機械の場合は無負荷で工具を駆動させたときの、電流データと振動データで工具を特定した後に、切削時の電流データと振動データを測定することで、さらに詳細な工具の特定が可能となる。

ワークを主軸で駆動する工作機械の場合は、切削時の電流データと振動データにより、工具を特定する。

工具を特定した後は、取得した電流データ、振動データを工具ごとに分類し、正常な状態の特徴を標準値として記録部に記録することで、標準値の修正が可能となる。

工具ごとに記録された正常な状態の特徴の標準値からの偏差を、比較解析することで、規定の範囲以上の偏差を測定した場合は、警報信号を送信する。

警報信号は通信回線やインターネット回線を介してパソコン、スマートフォン、携帯電話、携帯端末に送信しても良い。

発明２は、発明1で特定した工具ごとに電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データを時系列と共に記録し、比較解析することで異常発生前に、異常の発生を予測することが可能となる工作機械システム予測装置である。

異常を発生する前に、警報を出すことができるため、製品不良率の低減や工作機械の生産性向上に効果がある。

発明３は、警報信号により工作機械もしくは工作機械の制御盤の操作部を操作する機構部により、工作機械の制御を行うことで、警報発生時の制御を行うことが可能となる工作機械システム制御装置である。

不具合発生時の工作機械の緊急停止や、再起動を行うことが可能となり、工作機械の稼働率を向上させる効果がある。

本発明は、工具が回転するフライス盤、ボール盤、研削盤の他に、ワークが回転する旋盤、工具やワークが往復運動する型削り盤、平削り盤、立削り盤でも使用可能である。

発明１を実施するための形態を、図２に示す。図２は、工作機械装1でワーク2を工具3により加工するときの稼働状況を監視する装置である。主軸4を駆動するモータに取り付けられている少なくとも１つの電流を測定するセンサ5と主軸のベアリング部に取り付けられている少なくとも１つの振動を測定するセンサ6を用いて取得した電流データと振動データを基に、工作機械に取り付けられている工具3を特定し監視する監視装置7で構成されている。

監視装置7は電流を測定するセンサ5と振動を測定するセンサ6からの信号をインターフェース回路8で変換し監視装置用ＣＰＵ9で読み込み、監視装置用記録部10に保存されている工具ごとの標準値と比較解析することで監視を行い、異常の発生を検出した場合は、パソコン、スマートフォン、携帯電話、携帯端末11に警報の通知を行う。

図９に示した発明１のプログラムフロー図に沿って工作機械システム監視装置の動作を説明する。

図１０に測定部の一例を示す。まず図１０に示す工作機械主軸部で主軸4を駆動するモータに流れる電流を電流センサ5により測定し、主軸ベアリング近傍に取り付けた振動センサ6により、主軸回転に伴う振動を測定する。

測定した電流データと振動データを用いて、図１２で示したように電流データにより主軸が駆動しているときの振動データのみを測定する。

測定した電流データおよび振動データは図１３に示すように時間軸上での極大値、極小値、平均値、分散およびFFT演算結果、ウェーブレット演算結果により算出される周波数軸上での、極大値、極小値および各周波数の算出を行い、特徴量を算出する。

図１４に示すように電流データと振動データの特徴量を用いて、記録部10に登録されている工具ごとの特徴量との差を比較解析し、差が最も小さい工具が取り付けらていると特定する。

また、工具ごとに設定されている標準値を記録部10から読み取り、標準値から外れたら、警報信号を通知する。

警報信号により、サイレンやランプで異常を通知しても良いし、ネットワークを通じてパソコン、スマートフォン、携帯電話、携帯端末11に異常を通知しても良い。

取り付けられている工具を電流データと振動データから推定するため、自動工具交換装置（ＡＴＣ、オートマッチックツールチェンジャー）を備えたＣＮＣ工作機械であっても工作機械本体の改造を行わずに工作機械の駆動状況を監視することが可能となる。

発明２を実施するための形態を、図３に示す。発明２は、発明１の工作機化システム監視装置7で特定した工具情報と、電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データをＣＰＵ13で読み込み、時系列と共に継続的に収取し、予測装置用記録部14に保存し解析する機能を有した予測装置12により、切削工具や工作機械の異常発生を予測し通知を行う工作機械システム予測装置である。

予測装置12が、将来発生する不具合を予測した場合は、警報信号を通知する。警報信号により、サイレンやランプで異常を通知しても良いし、ネットワークを通じてパソコン、スマートフォン、携帯電話、携帯端末11に異常を通知しても良い。

図１１に示した発明２のプログラムフロー図に沿って工作機械システム予測装置の動作を説明する。

予測装置は監視装置で推定した工具推定値を読み込んだ後、電流データ、振動データを読み込む。

読み込んだ電流データ、振動データを基に、図１２で示したように工作機械駆動時の振動データを測定し、測定した振動データは図１３に示すように時間軸上での極大値、極小値、平均値、分散およびFFT演算結果、ウェーブレット演算結果により算出される周波数軸上での、極大値、極小値および各周波数の算出を行い、特徴量を算出する。

算出した特徴量を、記録部14に時系列と共に保存するとともに、過去の特徴量および特徴量の時間変化を読み込む。

取得した特徴量、過去の特徴量、特徴量の時間変化が規定範囲以内であれば、加工を継続する。

取得した特徴量、過去の特徴量、特徴量の時間変化が規定範囲から外れていれば、異常が発生すると予測し警報の通知を行う。

正常に加工が実施されているときに、電流データと振動データの特徴量を取得しておき、時系列と共に偏差の範囲を設定しておくことで、不具合の発生を予測し、警報を出すことが可能となる。

規定の範囲の設定は、品質工学や機械学習の手法を用いて動的に設定しても良い。

なお、図４に示すように監視装置および予測装置の機能をまとめて、１つのＣＰＵ13a、１つの記録部14aで構築する監視・予測装置12aとしても良い。

発明３を実施する形態を図５に示す。発明３は、発明１の機械システム監視装置の監視結果もしくは発明２の機械システム予測装置での予測結果を受信する受信部15を有し、前記受信部で受信した監視結果もしくは予測結果を基に制御を行う制御部16を有し、前記制御部からの信号により工作機械もしくは工作機械の制御盤の操作を行う機構部17を取り付けることで、工作機械もしくは工作機械の制御盤18の操作部を操作することにより、工作機械の制御を行う工作機械システム制御装置である。

工作機械もしくは工作機械の制御盤に後付けする機構部を用いることで、工作機械本体の改造を行わずに操作部を操作することで工作機械の一時停止、緊急停止、リセット、再起動などの制御を行うことができる。

なお、図６に示すように、監視装置と、受信部、制御部をまとめて、監視・制御装置7aとしても良い。

また、図７に示すように、予測装置と受信部、制御部をまとめて、予測・制御装置12ｂとしても良い。

さらに、図8に示すように、監視装置、予測装置、制御装置の機能をまとめて、１つのＣＰＵ、１つの記録部で構築した監視・予測・制御装置12Cとしても良い。

本発明１を用いれば、工作機械を改造することなく、異なった工具を用いた場合でも稼働状況を監視することができるため、自動工具交換装置（ＡＴＣ、オートマッチックツールチェンジャー）を搭載したＣＮＣ工作機械の稼働率向上や、迅速な不具合対策が可能となる。

本発明２を用いれば、不具合が発生する前に、不具合発生を予測し通知を行うことができるため、工作機械の稼働率向上や不良品の削減に貢献できる。

本発明３を用いれば、工作機械を改造することなく、異常発生時に一時停止、緊急停止、リセット、再起動などの処理を行えるため、安全性の向上や工作機械の稼働率向上に貢献できる。

発明１の構成を表すブロック図である。 発明１に係る第１実施例の形態を示す構成図である。 発明２に係る第１実施例の形態を示す構成図である。 発明２に係る第２実施例の形態を示す構成図である。 発明３に係る第１実施例の形態を示す構成図である。 発明３に係る第２実施例の形態を示す構成図である。 発明３に係る第３実施例の形態を示す構成図である。 発明３に係る第４実施例の形態を示す構成図である。 発明１に係るプログラムのフロー図である。 測定部の一例を示す説明図である。 発明２に係るプログラムのフロー図である。 駆動時の振動データを算出する手法の一例である。 特徴量を算出する手法の一例である。 工具推定用記録部の一例である。

１ 工作機械
２ ワーク（加工対象物）
３ 工具
４ 主軸
５ 電流センサ
６ 振動センサ
７ 監視装置
７ａ 監視・制御装置
８ インターフェース回路
９ 監視装置用CPU
１０ 監視装置用記録部
１１ 携帯端末、パソコン
１２ 予測装置
１２ａ 監視・予測装置
１２ｂ 予測・制御装置
１２ｃ 監視・予測・制御装置
１３ 予測装置用CPU
１３ａ 監視・予測装置用CPU
１４ 予測装置用記録部
１４ａ 監視・予測装置用記録部
１５ 受信部
１６ 制御部
１７ 機構部
１８ 工作機械操作部

Claims (3)

1. 主軸により工具もしくはワークを駆動して加工を行う工作機械システムにおいて、主軸の状態を測定する測定部があって、前記測定部には主軸の電流を測定する測定手段と主軸の振動を測定する測定手段を有し、前記測定手段により測定した電流データと振動データを用いて工作機械システムに取り付けられている工具を特定する判定部を有し、前記判定部により特定した工具ごとの標準値を記録した記録部を有し、前記測定部で測定した電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データを前記記録部から呼び出した標準値とを比較解析する監視部を有し、前記監視部を用いて工作機械システムの動作を監視する工作機械システム監視装置。
2. 請求項１の工作機械システム監視装置において、特定した工具に関連付けて測定した電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データを時系列と共に記録する記録部を有し、前記記録部に時系列と共に保存された工具に関連付けた電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データを、測定部で測定した電流データもしくは振動データもしくは電流データと振動データと比較解析する予測部を有し、前記予測部により工作機械システムの異常発生を予測する工作機械システム予測装置。
3. 請求項１の工作機械システム監視装置からの監視結果もしくは請求項２の工作機械システム予測装置からの予測結果を受信する受信部を有し、前記受信部で受信した監視結果もしくは予測結果を基に制御を行う制御部を有し、前記制御部からの信号により工作機械もしくは工作機械の制御盤の操作部を操作する機構部を有し、前記機構部により工作機械もしくは工作機械の制御盤の操作部の操作を行うことで工作機械システムの制御をする工作機械システムの制御装置。