JP2018034273A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で、工具の回転異常状態を検知する技術を提供する。
【解決手段】工具を保持する保持手段と、前記保持手段を回転駆動する駆動手段と、
前記保持手段の回転数を検出する回転検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記保持手段の単位時間当たりの回転数が所定の目標数に達している場合には正常と判断する一方、前記目標数に達していない場合には異常と判断する判断手段と、を備えたことを特徴とする工作機械にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具を用いて被加工物の工作を行う工作機械に関し、特に、工作機械における異常判断に関する。

工作機械においてツールホルダのシャンクが主軸のテーパ面内に正しく挿入されてクランプされた状態で、主軸の回転がツールホルダを介してツールに伝達されることが期待されている。しかしながら、このような状態が常時保たれることは、困難であり、異常状態で主軸が回転することによるツールの折損や、加工精度悪化などの悪影響が発生する。そこで、従来から種々の工夫がなされてきた。

例えば、非回転部材であるハウジングに設けた振動センサで、該ハウジング内に回転自在に軸受けされる主軸のテーパ孔にクランプされたツールの回転時の振動を測定することによりツールクランプの異常を検知する方法が知られている（特許文献１参照）。

他の方法としては、工具を駆動装置に取り付けた状態で、駆動装置に密着させた振動センサの出力の特徴量を、競合学習型ニューラルネットワークで分類することにより、駆動装置への工具の取り付け状態の不具合を検出する方法が知られている（特許文献２参照）。

ところで、主軸の回転速度が比較的低い場合は特に大きな問題を生じないが、例えば、主軸の速度が毎分２０，０００回転を超えるような高速回転等に至った場合には、回転による振動が大きくなる場合がある。

ここで、主軸回転時の振動の主な原因としては、軸受を含む主軸の組立精度、主軸回転部の質量アンバランス、構造の共振等と考えられる。クランプ機構は、主軸回転部の質量アンバランスを増大させないことや、特定の主軸速度で共振しないことによって回転振動を抑制することが望ましい。

なお、これに対しては、サーボモータ軸の位置検出器に取り付けた加速度センサを用いて振動を測定し、振動の状態に応じて加工条件の変更や機械の停止等の処置をとることが知られている（特許文献３参照）。

特開平１１−１１４７０７号公報 特許４５０１９１８号 特開平１１−２９６２１３号公報

従来技術では、クランプ異常を検出するためには、振動センサや競合学習型ニューラルネットワークなどの付帯設備が必要となり、高価なシステムになってしまう。

本発明は、簡易な方法で、工具の回転異常状態を検知する技術を提供する。

本発明の工作機械は、工具を保持する保持手段と、前記保持手段を回転駆動する駆動手段と、前記保持手段の回転数を検出する回転検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記保持手段の単位時間当たりの回転数が所定の目標数に達している場合には正常と判断する一方、前記目標数に達していない場合には異常と判断する判断手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、特別な設備が不要であり、非常に簡易な方法で、工具の回転異常状態を検知可能な工作機械を実現できる。

本発明の一実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図。 図１の工作機械におけるクランプ異常を検知シーケンスの流れ図。 図１の工作機械におけるクランプ異常を判定するための流れ図。 本発明の一実施形態のツールクランプ成功例を示す図（図４（ａ）はクランプ前であり、図４（ｂ）はクランプ後を示す）。 ツールクランプ失敗例を示す図（図５（ａ）はクランプ前であり、図５（ｂ）クランプ後を示す）。 本発明の他の実施形態に係る工作機械のクランプ異常を検知シーケンスの流れ図。

以下、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の概要ブロック図である。以降、このブロック図に基づいて説明する。

移動軸１１は、モータ１を駆動することでボールねじ２が回転し、ボールねじ２が回転することで移動テーブル３が移動し、移動テーブル３の位置を位置検出器６で検出している。

そして、移動テーブル３には、保持手段である主軸４が取り付けられており、主軸４はツール５を装着（保持）できる。位置検出器６は、例えば、制御対象物の位置を測定するリニアスケールや、制御モータの回転角度を測定するロータリーエンコーダである。

制御部１２は、主軸４にツール５をクランプさせた状態で、主軸回転手段１０により主軸４を回転させ、主軸４が回転している状態で振動検出手段７は位置検出器（位置検知手段）６から得た情報を用いて振動を検出し、その情報を異常振動判定手段８に渡して異常な振動があるか判定する。もし、異常な振動がある場合は、主軸回転停止手段９により主軸４の回転を停止させる。なお、ここで、振動検出手段７は、位置検出器６の検出結果（より具体的には主軸４の単位時間当たりの位置変化）によって主軸４に振動が生じているか否かを判断するものである。なお、図示しないが、主軸４でクランプされるツールの回転数を検知する回転検知手段は、例えば、ツールに指標を設け、その指標に対して光を照射し、その反射光の受光状態で回転数を検知してもよいし、主軸回転手段１０にエンコーダ等の回転検知手段を設けて主軸４の回転数を検知するようにしてもよい。

ここで、ツールクランプの仕組みを、図４を用いて説明する。

図４はツールクランプ成功した際の、（ａ）クランプ前、（ｂ）クランプ後の状態について説明した図である。

図４（ａ）について説明する。この図はツールクランプ前の状態であるので、ツールホルダ１１３と主軸１１０とは離れている。ツール１１４はツールホルダ１１３に装着されている。ここで、主軸１１０は、上記主軸４の１つの構造例である。

この時の、主軸１１０とツールホルダ１１３のフランジ部分との距離はｄ１で表される。そして、ツールホルダ１１３にはプルスタッド１１２が備わっており、プルスタッド１１２をドローバー１１１で主軸１１０のスラスト方向に引っ張る。

引っ張る際に、ドローバー１１１はプルスタッド１１２の出っ張り部にドローバー１１１の爪を引っかけて引っ張ることになる。

続いて、図４（ｂ）について説明する。この図はツールクランプ後の状態であるので、ツールホルダ１１３と主軸１１０とは接触している。そして、前述のように、ドローバー１１１はプルスタッド１１２の出っ張り部にドローバー１１１の爪を引っかけてある。

図５はツールクランプ失敗した際の、（ａ）クランプ前、（ｂ）クランプ後の状態について説明した図である。

図５（ａ）について説明する。この図はツールクランプ前の状態であるので、ツールホルダ１１３と主軸１１０とは離れている。

この時の、主軸１１０とツールホルダ１１３のフランジ部分との距離はｄ２で表される。ここで、ｄ１＋Δｄ＜ｄ２という関係があり、ｄ１よりｄ２の方が大きく、つまりツールクランプ失敗する時には主軸のスラスト方向に離れた位置でクランプを使用とする場合がある。

続いて、図５（ｂ）について説明する。この図はツールクランプ後の状態であるが、クランプ異常の状態なので、ツールホルダ１１３と主軸１１０とは接触していない。

そして、ドローバー１１１はプルスタッド１１２の出っ張り部にドローバー１１１の爪を引っかけておらず、プルスタッド１１２の出っ張り部そのものを爪で咥えようとしている。

このため、クランプ異常の原因の１つとして、スラスト方向のクランプ位置がツールホルダ１１３と主軸１１０が離れている方向にずれている場合がある。このような時は、ツールホルダ１１３と主軸１１０とは接触しておらず、宙に浮いている状態のため、主軸１１０を回転させると、主軸１１０とツールホルダ１１３が激しく振動しながら回転することになる。その場合は、すぐに主軸の回転を停止すべきである。そして、スラスト方向のクランプ位置を近づけて、再度クランプを試みても良い。

図２は、ツールのクランプ異常を検知するための概略シーケンスの流れ図である。
以降、この流れ図に基づいて説明する。

ステップＳ１０１ではツールをクランプする。クランプする際は、例えば、加工機の各ステージを使い主軸がツールをクランプできる位置まで移動しても良いし、ステージは移動せずに人の手やロボットなど他の手段を使ってツール自体を移動させても良い。

ステップＳ１０２ではツールクランプ異常を検出するために必要な変数を初期化する。たとえば、Ｚ軸位置変化累積回数、Ｚ軸位置変化幅、Ｚ軸最大位置、Ｚ軸最小位置である。これらの変数は、後述する図３のクランプ異常チェックするための流れ図で使用する。

ステップＳ１０３では主軸の目標回転数を任意の回転数に設定する。ステップＳ１０４では主軸を回転させる。続いて、ステップＳ１０５では所定の時間以内に目標回転数に到達し、回転完了状態になったかを確認している。本実施形態では、制御部１２が、主軸の単位時間当たりの回転数が目標回転数に達しているか否かを判断する。

ここで、制御部１２が所定の時間をオーバーしたと判断した場合は、タイムオーバーとし、主軸回転異常と判定する。そうでない場合は、ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０６では主軸の回転数が目標回転数に到達したかを確認している。目標回転数に到達した場合は正常にクランプできたと判定する。そうでない場合は、ステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０７では振動測定と異常振動を判定している。この処理の流れ図は、図３を参照のこと。ここでの処理が終了したらステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では異常振動判定結果により分岐する。異常振動だと判定した場合はステップＳ１０９に進む。そうでない場合は、ステップＳ１０５へ進み引き続き異常振動の判定を続ける。ステップＳ１０９では主軸を停止させる。

図３は、振動を検出して異常振動を判定するための流れ図である。

ツールクランプ異常がある場合は、アンバランスやミスアライメントなどの影響で、主軸を回転させると大きな振動が発生し、主軸を取り付けている移動軸もその影響で振動する。

例えば、ＸＹＺ軸の３軸構成の工作機械でＺ軸に主軸を取り付けている場合は、主軸を回転させた際のＺ軸の振動を検出することで、ツールクランプ異常を検出する。

ステップＳ２０１では主軸の回転数を確認している。主軸を高回転に回すと、クランプ異常が無くても回転による振動が大きくなり、高回転でクランプ異常の検知を試みると誤検知につながる。そこで、所定の回転数以下で検知処理を行い、誤検知を防ぐものとする。所定の回転数は主軸や工作機械に依存するので、データの収集や、経験により値を決めても良い。所定の回転数以下ならば、ステップＳ２０２へ進み検知処理を行う。そうでない場合は、検知処理はせずに正常終了する。

ステップＳ２０２では、振動検出手段７がＺ方向の位置変化を確認している。クランプ異常の判定は、図２で説明したように、主軸の回転数が目標回転数に到達するまで、何回も判定を行っている。そこで、ｎ回目の判定とｎ＋１回目の判定において、それぞれのタイミングでのＺ方向の位置を記憶し、振動検出手段７が、位置の変化があったか確認する。

位置の変化がない場合には、今回のタイミングではクランプは正常と判断して終了する。しかし、位置の変化がある場合は、クランプ異常が発生している可能性があるので、ステップＳ２０３に進みクランプ異常判定処理を続ける。

ステップＳ２０３では、制御部１２（例えば、振動検出手段７又は異常振動判定手段８）が、Ｚ方向の位置変化の累積回数をカウントしている。この変数は、図２のステップＳ１０２や図３のステップＳ３０２で一旦初期化されたものである。その後、クランプ異常判定において、Ｚ方向の位置変化があったらその回数を累積して保存している。

ステップＳ２０４ではＺ方向の位置の変化幅を計算している。変化幅とは、Ｚ軸最大位置と最小位置との差である。

これらの変数は、図２のステップＳ１０２や図３のステップＳ３０２で一旦初期化されたものである。

ここでは、すでに記憶しているＺ軸最大位置よりも現在のＺ方向の位置が大きいならば、Ｚ軸最大位置を更新する。そして、すでに記憶しているＺ軸最小位置よりも現在のＺ方向の位置が小さいならば、Ｚ軸最小位置を更新する。そして、Ｚ軸最大位置と最小位置との差を計算して、変化幅を更新する。

ステップＳ２０５では、制御部１２（例えば、異常振動判定手段８）が、Ｚ軸位置変化累積回数が所定の回数を超えたか確認している。所定の回数は、あらかじめ決めた値でもいいし、ユーザが任意に変更できても良い。所定の回数を超えた場合は、ステップＳ２０６に進む。そうでない場合は、今回のタイミングでは、判断手段となる制御部１２は、クランプは正常と判断して終了する。

ステップＳ２０６では、制御部１２（例えば、異常振動判定手段８）が、Ｚ軸変化幅が所定の値を超えたか確認している。所定の幅は、あらかじめ決めた値でもいいし、ユーザが任意に変更できても良い。所定の幅を超えた場合は、クランプ異常と判定して終了する。そうでない場合は、今回のタイミングでは、判断手段となる制御部１２が、クランプは正常と判断して終了する。

＜他の実施形態＞
以上、本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではない。

図６は、振動を検出して異常振動を判定するための流れ図である。図２との違いは、最初は目標回転数まで上げずに、一旦、振動検知用の回転数に上げて、振動検知が終了してから、目標回転数へ上げるものである。

なぜなら、目標回転数が低い場合には、クランプ異常があろうがなかろうが、振動が低いため、クランプ異常を検知しにくいからである。

そこで、クランプ異常がある場合に大きな振動を検出できる回転数を振動検知用の回転数としてあらかじめ決めておき、その回転数でクランプ異常を検知することで、検知の信頼性を上げる。振動検知用の回転数は、データの収集や、経験により値を決めても良い。

以降、この流れ図に基づいて説明する。ステップＳ３０１ではツールをクランプする。クランプする際は、加工機の各ステージを使い主軸がツールをクランプできる位置まで移動しても良いし、ステージは移動せずに人の手やロボットなど他の手段を使ってツール自体を移動させても良い。

ステップＳ３０２ではツールクランプ異常を検出するために必要な変数を初期化する。たとえば、Ｚ軸位置変化累積回数、Ｚ軸位置変化幅、Ｚ軸最大位置、Ｚ軸最小位置である。これらの変数は、図３のクランプ異常チェックするための流れ図で使用する。

ステップＳ３０３では主軸の回転数を振動検出用の回転数に設定する。ステップＳ３０４では主軸を回転させる。ステップＳ３０５では所定の時間以内に振動検知用回転数に到達し、回転完了状態になったかを確認している。所定の時間をオーバーした場合はタイムオーバーとし、主軸回転異常と判定する。そうでない場合は、ステップＳ３０６へ進む。

ステップＳ３０６では主軸の回転数が振動検知用回転数に到達したかを確認している。振動検知用回転数に到達した場合は、振動検知の準備ができたのでステップＳ３０７へ進む。そうでない場合は、ステップＳ３０５へ進む。

ステップＳ３０７では振動検出用回転数へ到達してからの経過時間が、所定の時間を経過したかを判定している。

所定の時間は、工作機械や主軸の構成に影響されるので、データを収集して決めるか、経験によって決めても良い。所定の時間をオーバーした場合は、所定の時間内に異常振動が検出されなかったので、正常にクランプできていると判断し、ステップＳ３１１へ進む。そうでない場合は、引き続き異常振動を検出するために、ステップＳ３０８へ進む。

ステップＳ３０８では振動測定と異常振動を判定している。この処理の流れ図は、図３を参照のこと。ここでチェック処理が終了したらステップＳ３０９に進む。

ステップＳ３０９では異常振動判定結果により分岐する。異常振動だと判定した場合はステップＳ３１０に進む。そうでない場合は、ステップＳ３０７へ進み引き続き異常振動の判定を続ける。ステップＳ３１０では主軸を停止させる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、次のような特徴を有するものでもよい。例えば、本発明は、工具を保持する保持手段と、前記保持手段を回転駆動する駆動手段と、前記保持手段の回転数を検出する回転検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記保持手段の単位時間当たりの回転数が所定の目標数に達している場合には正常と判断する一方、前記目標数に達していない場合には異常と判断する判断手段と、を備えたことを特徴とする工作機械にある。
かかる本発明の態様によれば、目標数に達しているか否かで簡易に異常判断できるため、工作機械を簡易な構成で安価に実現できる。

また、上記本発明は、前記保持手段の位置変化を検出する位置検知手段を更に備え、前記判断手段は、前記位置検知手段が前記保持手段の位置変化が発生していると検出した場合に異常と判断するようにしてもよい。かかる本発明の態様によれば、保持手段の位置変化を加味した判断を行えるので、より精度の高い異常判定を実現できる。

また、上記本発明は、前記判断手段は、前記保持手段の単位時間当たりの回転数が前記目標数に達していない場合であって、前記位置検知手段が検出する前記保持手段の位置変化が発生したときからの前記保持手段の回転数の累積値に基づいて、異常が生じているか否かを判断するようにしてもよい。かかる本発明の態様によれば、保持手段の位置変化が生じている回転数に基づいて異常判断できるため、より精度の高い異常判定を実現できる。

１、モータ
２、ボールねじ
３、移動テーブル
４、主軸
５、ツール
６、位置検出器
７、振動検出手段
８、異常振動判定手段
９、主軸回転停止手段
１０、主軸回転開始手段
１１、移動軸
１２、制御部
１１０、主軸
１１１、ドローバー
１１２、プルスタッド
１１３、ツールホルダ
１１４、ツール

Claims (3)

1. 工具を保持する保持手段と、
   前記保持手段を回転駆動する駆動手段と、
   前記保持手段の回転数を検出する回転検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づいて前記保持手段の単位時間当たりの回転数が所定の目標数に達している場合には正常と判断する一方、前記目標数に達していない場合には異常と判断する判断手段と、を備えたことを特徴とする工作機械。
2. 前記保持手段の位置変化を検出する位置検知手段を更に備え、
   前記判断手段は、前記位置検知手段が前記保持手段の位置変化が発生していると検出した場合に異常と判断することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記判断手段は、前記保持手段の単位時間当たりの回転数が前記目標数に達していない場合であって、前記位置検知手段が検出する前記保持手段の位置変化が発生したときからの前記保持手段の回転数の累積値に基づいて、異常が生じているか否かを判断することを特徴とする請求項２に記載の工作機械。

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