JP2018044892A

JP2018044892A - 回転軸装置における軸受の異常診断方法及び回転軸装置

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Publication number: JP2018044892A
Application number: JP2016180816A
Authority: JP
Inventors: 一成小池; Kazunari Koike
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-09-15
Also published as: JP6799977B2

Abstract

【課題】惰性回転を利用して軸受の異常を診断するものであっても、異常の有無を低コストかつ高精度に診断できると共に、診断時間の短縮化も図ることができるようにする。【解決手段】Ｓ２で第１の惰性回転を開始した後、Ｓ３で、回転速度が第１目標速度まで低下したことを確認すると、Ｓ４で惰性回転を終了し、Ｓ５で回転速度を第１目標速度よりも低い第２開始速度まで減速し、Ｓ６で、第２開始速度から再び第２の惰性回転を行う。この手順を繰り返した後、Ｓ１２で、各ステップでそれぞれ得られる抵抗トルクに基づいて軸受の異常の有無を判定する。【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械の主軸装置等、回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置において、軸受の異常を診断する方法と、当該方法を実行可能な回転軸装置とに関する。

軸受は、工作機械の主軸装置等の多くの回転軸装置に使用されている。中でも、ころがり軸受は、一般的に、内輪、外輪、複数個の転動体、転動体を等間隔に保つための保持器で構成され、内輪が回転軸と共に回転し、外輪はハウジングに組み込まれ、固定されている。
このような軸受の異常としては、潤滑不良、異物の混入、摩耗、過大荷重等があり、これらによって回転不良や焼き付きが発生すると、回転軸装置が正常に運転できず、装置が修理されるまでの間、停止状態が続いてしまう。よって、このような状況を未然に防ぐため、軸受の異常を早期に診断する予防保全が必要となっている。例えば特許文献１〜３には、振動センサや音センサ、温度センサ等のセンサによる計測情報を監視して、リアルタイムに軸受の異常や寿命を事前に診断する方法が開示されている。
また、特許文献４には、工作機械に標準搭載されている回転速度検出器を用いて回転軸を惰性回転させた際の回転速度の変化から軸受で発生する抵抗トルクを算出し、この抵抗トルクを基準値と比較して軸受の異常を診断する方法が開示されている。

特開２００９−２００９０号公報特開２０１３−４７６９０号公報特開２００２−３４６８８４号公報特公平６−６５１８９号公報

特許文献１〜３の方法を実施するためには、ハードウェアの追加費用（振動、音）や検出感度の低さ（温度）が問題となる。
特許文献４の方法では、このような問題が生じず、軸受の異常を精度よく診断でき、追加のコストも発生しないが、惰性回転から回転軸の自然停止を待つ必要があり、高速回転仕様の場合、異常診断に多大な時間を要してしまう。

そこで、本発明は、惰性回転を利用して軸受の異常を診断するものであっても、異常の有無を低コストかつ高精度に診断できると共に、診断時間の短縮化も図ることができる回転軸装置における軸受の異常診断方法及び回転軸装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置において、所定の回転速度から前記回転軸を惰性回転させ、当該惰性回転時に得られる情報に基づいて前記軸受の異常を診断する方法であって、
前記惰性回転の開始後、前記回転軸の回転速度が、回転停止前の予め設定された目標速度まで低下したら、前記惰性回転を終了する第１の惰性回転ステップと、前記回転速度を前記目標速度よりも低い開始速度まで減速する減速ステップと、前記開始速度から再び前記惰性回転を行う第２の惰性回転ステップと、を少なくとも１回実行した後、各前記惰性回転ステップでそれぞれ得られる前記情報に基づいて前記軸受の異常の有無を判定することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記惰性回転は、回転中の前記回転軸への動力供給の遮断により開始することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記目標速度までの低下は、前記回転軸の惰性回転中にセンサから得られる情報によって確認することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、前記センサは、前記回転速度の検出器であることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置であって、
前記回転軸を所定の回転速度から、回転停止前の予め設定された目標速度へ低下するまで惰性回転させる第１の惰性回転手段と、前記目標速度で前記惰性回転を終了して前記目標速度よりも低い開始速度まで前記回転軸を減速させる減速手段と、前記開始速度から再び前記回転軸を惰性回転させる第２の惰性回転手段と、各前記惰性回転手段の実行時にそれぞれ得られる情報に基づいて前記軸受の異常の有無を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、惰性回転を利用して軸受の異常を診断するものであっても、惰性回転の停止まで待たないので、異常の有無を低コストかつ高精度に診断できると共に、診断時間の短縮化も図ることができる。

主軸装置の概略図である。異常診断制御のフローチャートである。異常診断制御の回転速度の変化を示す説明図である。回転速度と抵抗トルクとの関係を示すグラフである。が転動体である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、回転軸装置の一例である工作機械の主軸装置を示す概略図である。
この主軸装置１は、ハウジング２内に、ステータとロータとからなるモータ３によって回転駆動する回転軸としての主軸４を、転がり軸受である軸受５，５・・によって軸支してなり、主軸４の先端に工具が着脱可能となっている。転がり軸受としては玉軸受やころ軸受、テーパころ軸受が採用されるが、すべり軸受でも差し支えない。

主軸４内には、工具を保持するための図示しないドローバーが設けられて、ハウジング２には、軸受５に潤滑油を供給するための潤滑油供給機構と、軸受５やステータを冷却液で冷却するための冷却機構とが設けられている（何れも図示略）。
但し、主軸４への動力供給は、モータ３に限らず、例えばギヤを介して主軸４を駆動したり、カップリングによって主軸４とモータとを連結して駆動したり、ベルトを介して主軸４を駆動したり、ロータが磁石になって駆動したり等、各方法が採用できる。

また、ハウジング２には、軸受５近傍の温度を検出する温度センサ６と、主軸４の回転速度を検出する回転速度検出器７とが取り付けられている。但し、センサ類はこの限りでなく、主軸４の振動を検出するための加速度計や変位計、軸受５に潤滑供給を行う際のエア圧力検出器、潤滑油の粘度計測器、主軸４の回転時に発生する音を計測するマイクロフォン等も含まれる。

１０は制御装置で、制御装置１０には、指令装置１１と、判定装置１２と、演算装置１３と、記憶装置１４と、表示装置１５とが設けられている。
指令装置１１は、タッチパネル（入力装置）としても機能する表示装置１５に入力された指令情報若しくは入力されたプログラム情報により、主軸４のロータに指令された回転速度で駆動するための指令を行う。一方、後述する軸受５の異常診断制御において、惰性回転指令が入力された際には、動力供給を遮断することで、主軸４を惰性回転（慣性回転）状態にすることができる。その際、潤滑油供給機構や冷却機構は作動し続けるようにする。
また、惰性回転中に指定した目標速度に到達した場合は、動力供給を再開することで、惰性回転状態から制御を復帰して、指定した回転速度まで減速する指令を出すこともできる。すなわち、本発明の第１、第２の惰性回転手段及び減速手段として機能する。

但し、指令方法は上記方法に限らず、例えば、制御装置１０に取り付けられたボタンでの動作実行や、通信ネットワーク等を介した遠隔操作により実行する手段も採用できる。
また、惰性回転を終了させる目標速度は、上記指令方法以外に、記憶装置１４にパラメータとして予め保存されている情報を取得するものとしてもよい。
さらに、惰性回転中の潤滑油供給機構や冷却機構の駆動の有無は変更可能である。
そして、惰性回転状態は、動力供給を遮断する以外に、惰性回転時の回転速度変化に相当する回転指令を送ることで、惰性回転状態を模擬的に生じさせることができる。

判定装置１２は、回転速度検出器７から主軸４の回転速度情報を取得する。指令装置１１により、目標速度までの惰性回転指令が出た場合、主軸４の回転速度情報を取得し、目標速度に到達した場合、その情報を指令装置１１に送ることができる。
記憶装置１４は、異常診断制御時の目標速度や開始速度、演算装置１３における演算時に使用する主軸４の慣性モーメント等の演算パラメータをパラメータとして持ち、惰性回転時の回転速度やその情報を演算装置１３により処理して得た抵抗トルク情報を記憶する。
但し、記憶する項目としては、これ以外にも、例えば、温度センサ６、前述した加速度計や変位計、エア圧力検出器、粘度計測器、マイクロフォン等の情報も記憶することができる。

演算装置１３は、異常診断制御の際には、記憶装置１４に記憶された惰性回転時の回転速度Ｖと慣性モーメントＭと加速度とを用いた下記の式（１）によって、惰性回転時の抵抗トルクＴを算出し、算出した抵抗トルクに基づいて軸受５の異常の有無を判定する。すなわち、本発明の判定手段として機能する。
Ｔ＝−（２πＭ／６０）×（ｄＶ／ｄｔ）・・（１）

表示装置１５には、タッチパネルを利用して、記憶装置１４に惰性回転時の目標速度や演算装置１３における演算時に使用する演算パラメータ等の値を入力することができる。
また、記憶装置１４に記憶されている惰性回転時の回転速度やその情報を演算装置１３により処理して得た抵抗トルク情報等の記憶情報をグラフ表示したり、異常診断制御の判定結果を表示したりすることができる。
但し、表示する情報はこれに限らず、記憶装置１４に記憶された、例えば、温度センサ６、前述した加速度計や変位計、エア圧力検出器、粘度計測器、マイクロフォン等の情報も表示することができる。

以上の如く構成された主軸装置１において、制御装置１０が実行する軸受５の異常診断制御を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１で、主軸４を所定の第１開始速度（ここでは８０００ｍｉｎ^−１）で回転させた後、Ｓ２で回転中の主軸４の動力供給を遮断して第１の惰性回転を開始する（図３のＡ部）と共に、上記式（１）によって１回目の抵抗トルクＴ１の算出を行う。
次に、Ｓ３で、惰性回転中に回転速度検出器７から得られる回転速度が、第１目標速度（ここでは７０００ｍｉｎ^−１）まで低下したか否かを判別する。ここで第１目標速度に達したことが確認されると、Ｓ４で、動力供給を再開して惰性回転を終了する（ここまで第１の惰性回転ステップ）。

次に、Ｓ５で、主軸４の回転速度を、第１目標速度より低い第２開始速度（ここでは４０００ｍｉｎ^−１）まで減速する（減速ステップ）。その後、Ｓ６で主軸４の動力供給を遮断して第２の惰性回転を開始する（図３のＢ部、第２の惰性回転ステップ）と共に、上記式（１）によって２回目の抵抗トルクＴ２の算出を行う。

次に、Ｓ７で、惰性回転中に回転速度検出器７から得られる回転速度が、第２目標速度（ここでは２０００ｍｉｎ^−１）まで低下したか否かを判別する。ここで第２目標速度に達したことが確認されると、Ｓ８で、動力供給を再開して惰性回転を終了する。
次に、Ｓ９で、主軸４の回転速度を、第２目標速度より低い第３開始速度（ここでは１０００ｍｉｎ^−１）まで減速する（減速ステップ）。その後、Ｓ１０で主軸４の動力供給を遮断して第３の惰性回転を開始する（図３のＣ部、第２の惰性回転ステップ）と共に、上記式（１）によって３回目の抵抗トルクＴ３の算出を行う。
次に、Ｓ１１で、惰性回転中に回転速度検出器７から得られる回転速度が、第３目標速度（ここでは０ｍｉｎ^−１）まで低下したか否かを判別する。

ここで第３目標速度に達したことが確認されると、Ｓ１２で、図４に示すように各惰性回転時に得られた３つの抵抗トルクＴ１〜Ｔ３の波形を分析して異常の有無の判定を行う。例えば、抵抗トルクＴ１〜Ｔ３が各段階でそれぞれ予め設定した閾値より大きいか否かを判別し、閾値より大きい場合に異常判定を行ったり、前回の測定結果と比較してその変化量が所定量より大きい場合に異常判定を行ったり、各波形の特徴量を算出して基準の特徴量と比較して誤差が大きい場合に異常判定を行ったりすることが考えられる。
こうして判定した結果は、Ｓ１３で表示装置１５に表示される。

このように、上記形態の主軸装置１によれば、惰性回転の開始後、主軸４の回転速度が、回転停止前の予め設定された目標速度まで低下したら（Ｓ３，Ｓ７）、惰性回転を終了する第１の惰性回転ステップ（Ｓ４，Ｓ８）と、回転速度を目標速度よりも低い開始速度まで減速する減速ステップ（Ｓ５，Ｓ９）と、開始速度から再び惰性回転を行う第２の惰性回転ステップ（Ｓ６，Ｓ１０）とを２回実行した後、各惰性回転ステップでそれぞれ得られる抵抗トルクに基づいて軸受５の異常の有無を判定するようにしているので、惰性回転を利用して軸受５の異常を診断するものであっても、異常の有無を低コストかつ高精度に診断できる。特に、従来のように最高回転速度から惰性回転が停止するまでの間で診断しないので、診断時間の短縮化も図ることができる。
図３に示す点線は、従来のように回転停止まで惰性回転を継続実施した場合を示すものであるが、ここでの診断時間ｔ０に比べて、本形態での第３の惰性回転が終了する診断時間ｔ１の方が短いことが分かる。

なお、上記形態では、第１の惰性回転ステップ、減速ステップの後に第２の惰性回転ステップを２回繰り返して異常診断を行っているが、１回のみ実行してもよいし、逆に３回以上繰り返して実行してもよい。また、開始速度や目標速度は上記形態に限らず、適宜変更可能である。
さらに、惰性回転時の目標速度への到達の確認は、回転速度検出器からの速度情報に限らず、前述のようにセンサとして加速度計や変位計、マイクロフォン等を設けている場合は、これらのセンサから得られる周波数が設定した任意の周波数に達した場合に目標速度への到達と判定することもできる。
その他、本発明の回転軸装置や軸受の異常診断方法は、工作機械の主軸装置に限らず、自動車や鉄道車両、船舶等の他の機械設備においても適用可能である。

１・・主軸装置、２・・ハウジング、３・・モータ、４・・主軸、５・・軸受、６・・温度センサ、７・・回転速度検出器、１０・・制御装置、１１・・指令装置、１２・・判定装置、１３・・演算装置、１４・・記憶装置、１５・・表示装置。

Claims

回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置において、所定の回転速度から前記回転軸を惰性回転させ、当該惰性回転時に得られる情報に基づいて前記軸受の異常を診断する方法であって、
前記惰性回転の開始後、前記回転軸の回転速度が、回転停止前の予め設定された目標速度まで低下したら、前記惰性回転を終了する第１の惰性回転ステップと、
前記回転速度を前記目標速度よりも低い開始速度まで減速する減速ステップと、
前記開始速度から再び前記惰性回転を行う第２の惰性回転ステップと、
を少なくとも１回実行した後、各前記惰性回転ステップでそれぞれ得られる前記情報に基づいて前記軸受の異常の有無を判定することを特徴とする回転軸装置における軸受の異常診断方法。
前記惰性回転は、回転中の前記回転軸への動力供給の遮断により開始することを特徴とする請求項１に記載の回転軸装置における軸受の異常診断方法。
前記目標速度までの低下は、前記回転軸の惰性回転中にセンサから得られる情報によって確認することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転軸装置における軸受の異常診断方法。
前記センサは、前記回転速度の検出器であることを特徴とする請求項３に記載の回転軸装置における軸受の異常診断方法。
回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置であって、
前記回転軸を所定の回転速度から、回転停止前の予め設定された目標速度へ低下するまで惰性回転させる第１の惰性回転手段と、
前記目標速度で前記惰性回転を終了して前記目標速度よりも低い開始速度まで前記回転軸を減速させる減速手段と、
前記開始速度から再び前記回転軸を惰性回転させる第２の惰性回転手段と、
各前記惰性回転手段の実行時にそれぞれ得られる情報に基づいて前記軸受の異常の有無を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする回転軸装置。