JP2019076993A - 工作機械における直動軸の異常診断装置及び異常診断方法、工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】直動軸における軸位置に依存した異常の有無を診断する。【解決手段】異常診断装置２は、送り軸４上の複数の軸位置にそれぞれ対応した動作情報を取得する動作情報取得手段と、取得した各動作情報に基づいて、送り軸４のストローク範囲における代表値を算出し、代表値を用いて各軸位置ごとに各動作情報を正規化する正規化手段と、正規化した各動作情報を予め設定された閾値とそれぞれ比較し、正規化した動作情報が閾値を越えている場合に、当該動作情報に対応する軸位置を異常と判断する軸位置特定手段とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械における直動軸の異常を診断する装置及び方法と、その異常診断装置を備えた工作機械とに関する。

工作機械を備える生産設備では高い生産性を求められている。高い生産性の実現には高精度での加工が求められており、加工不良といった生産ロスを出さないことが望まれる。そのため、機械の不良や加工不良を出さないようにする対策方法が必要となる。
また工作機械は長期的に使用されることで動作状態は劣化する。そのため損傷した機械部品を特定し、修理の時間を短縮することで生産ロスを出来るだけ少なくすることが求められている。そこで、現在までに多くの工作機械の異常判定方法が提案されている。
特許文献１では、ＮＣ装置によって制御されるモータのトルク指令や速度指令を保存し、そのパワースペクトルを求め、特定の周波数の強度の評価によって機械部品の摩耗を判断する機械診断装置が提案されている。この装置によれば、摩耗の発生をオペレータが知ることができる。

特開２００９−６８９５０号公報

工作機械の直動軸の動作においては、直動軸を覆うテレスコカバーにより負荷がかかり、サーボモータから得られるトルク指令値において、軸位置によっては変動が大きくなることがある。
そのため、特許文献１の技術を工作機械に当てはめた場合、テレスコカバーの負荷の影響がトルク指令値や速度指令値の変動に現れることにより、評価するパワースペクトルに影響を与える。テレスコカバーの動作によって発生する振動は、直動軸において周波数の低域の振動になるが、直動軸が備えるボールねじの回転周波数は当該振動に近くなるため、機械部品の摩耗の評価が困難になってしまう。
また、機械の加工において、送り軸に備えるテレスコカバーの負荷が大きくなる機械座標と加工を実施する機械座標との位置が一致すると、加工精度に悪影響を与えることにもなる。

そこで、本発明は、以上のことを鑑みたものであり、直動軸における軸位置に依存した異常の有無を診断することができる異常診断装置及び異常診断方法、工作機械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、サーボモータにより駆動する直動軸を備えた工作機械において、直動軸の軸位置に依存した異常の有無を診断する異常診断装置であって、
直動軸上の複数の軸位置にそれぞれ対応した動作情報を取得する動作情報取得手段と、取得した各動作情報に基づいて、直動軸のストローク範囲における代表値を算出し、代表値を用いて各軸位置ごとに各動作情報を正規化する正規化手段と、正規化した各動作情報を予め設定された閾値とそれぞれ比較し、正規化した動作情報が前記閾値を越えている場合に、当該動作情報に対応する軸位置を異常と判断する軸位置特定手段と、を備え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、代表値は、ストローク範囲における各動作情報の平均値であ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、異常と判断した軸位置を表示する表示手段を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、サーボモータにより駆動する直動軸を備えた工作機械において、直動軸の軸位置に依存した異常の有無を診断する異常診断方法であって、
直動軸上の複数の軸位置にそれぞれ対応した動作情報を取得する動作情報取得ステップと、取得した各動作情報に基づいて、直動軸のストローク範囲における代表値を算出し、代表値を用いて各軸位置ごとに各動作情報を正規化する正規化ステップと、正規化した各動作情報を予め設定された閾値とそれぞれ比較し、正規化した動作情報が閾値を越えている場合に、当該動作情報に対応する軸位置を異常と判断する軸位置特定ステップと、を実行す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、サーボモータにより駆動する直動軸と、サーボモータから得られる情報に基づいて直動軸の異常を判定する異常判定手段とを備えた工作機械であって、
請求項１乃至３の何れかに記載の直動軸の異常診断装置を具備すると共に、異常判定手段は、異常診断装置の軸位置特定手段で異常と判断された軸位置の情報を取得し、取得した軸位置を除いた直動軸のストローク範囲で直動軸の異常を判定することを特徴とする。

本発明によれば、テレスコカバー等の影響による軸位置に依存した動作情報の変動を把握でき、軸位置ごとに異常の有無を診断することができる。よって、機械の状態の把握を目的とする異常判定装置における判定精度を向上させることができる。また、不具合箇所を精度よく把握できるため、迅速なメンテナンスが可能となり、加工不具合を少なくすることもできる。

工作機械の送り軸の位置制御装置を示すブロック図である。 トルク指令値の周波数に及ぼすテレスコカバーによる負荷の影響を示すグラフである。 一方向に一定速度で軸動作したときの軸位置に関するトルク指令値のグラフである。 軸位置に関連したトルク指令値の周波数分析結果を示すグラフである。 位置依存の機械振動位置の表示例を示す説明図である。 異常判定方法のフローチャートである。

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、本発明を適用する異常診断装置２及び送り軸４の位置制御装置３を備えた工作機械１の一例を示すブロック図である。
位置制御装置３では、図示しないＮＣ装置から入力された位置指令５と、直動軸としての送り軸４の位置検出器１３からの現在位置とが加算器６に入力され、演算された位置偏差が位置制御器７に入力される。位置制御器７は、当該位置偏差に応じた速度指令値を生成する。速度指令値は、加算器８において位置指令５から演算されたフィードフォワード制御量が加算されて速度制御器１０へ出力される。

また、速度指令値には、送り軸４の現在位置を微分器１１により演算した速度検出値が、加算器９で加算されて、演算された速度偏差が速度制御器１０に入力されて、トルク指令値が生成される。電流制御器１２は、入力されるトルク指令値に基づきサーボモータ１４の電流を制御する。すなわち、電流制御器１２にてトルク指令値に応じた電流をサーボモータ１４に出力し、サーボモータ１４はトルクを出力する。サーボモータ１４から出力されるトルクは、継手１５を介して、ブラケット１６，１６に保持されるサポート軸受１７，１７に軸支されるボールねじ１８に伝達される。よって、ボールねじ１８のナット１９が移動することで、ナット１９と一体のテーブル等が直線移動する。位置検出器１３は、サーボモータ１４の回転に同期されており、検出した位置をフィードバックすることにより所定の位置へ制御するクローズドループ制御がなされている。

異常診断装置２は、ＮＣ装置から入力される位置指令５と、電流制御器１２から算出されるトルク指令値とに基づいて、軸位置（ストローク位置）に依存したトルク指令値の変動を把握して軸位置ごとに異常の有無の診断を行う。また、異常診断装置２は、サーボモータ１４から得られる情報に基づき、送り軸４の異常の有無を判断する（例えばサーボモータの情報としての負荷電流値の波形における異常時の特徴点の有無を抽出して、特徴点が抽出できれば送り軸４の異常と判断する等）異常判定機能も備えている。

次に軸位置に依存したトルク指令値の変動（機械振動の発生位置）を特定する方法を示す。
まず、図２に、送り軸４を覆うテレスコカバーによって影響があった軸位置での周波数分析結果２１と、影響のなかった領域での周波数分析結果２２とを示す。影響がある場合のトルク指令値の周波数には、影響のない場合には現れない周波数成分が現れる。この特性を利用して軸位置に関連付けたトルクの周波数により、トルク指令値の変動の種類を区別する。

図３は、一定速度における軸動作中のトルク指令値を軸位置に関して表示している。図３で示すトルク指令値は、テレスコカバーにより定位置で影響を受けている。これを等ピッチ間隔で区切った区間と、その区間を通過する際のトルク指令値の周波数分析結果を軸上の座標順で並べた結果を図４に示す。
この結果から、送り軸４が備えるテレスコカバーの負荷の影響により、軸位置座標４５付近と１０５付近で、トルク指令値に異なる周波数成分の変動２３がそれぞれ発生したことがわかる。図４と図３のトルク指令値と比較すると、軸位置座標４５の位置の変動は目視で判断するのは困難であるが、軸位置毎に周波数分析を行うと判断することが可能である。本発明はこの特性を利用したものである。

そこで、異常診断装置２では、電流制御器１２から入力されるトルク指令値に基づき、周波数分析を行う手段によって周波数分析を行う。この周波数分析結果は、位置指令から得られる座標の情報と関連付けられ、軸位置に関する周波数分析結果として記憶手段によって記憶される。この軸位置に関する周波数分析結果が本発明の動作情報に該当し、ここでの処理が本発明の動作情報取得手段による動作情報取得ステップとなる。
次に、記憶された周波数分析結果から、ストローク範囲内の位置に関する周波数分析結果の周波数毎の強度を、記憶したストローク範囲内の周波数分析結果からそれぞれ周波数毎に平均した強度と周波数とのテーブルを作成することで代表値として算出し、このテーブルの代表値を用いて、一定の閾値で判定できるように周知の正規化手法を用いて正規化する。ここでの処理が本発明の正規化手段による正規化ステップとなる。

そして、所定の閾値Ｇ_０と、正規化した軸位置ごとの周波数分析結果とを比較し、閾値Ｇ_０を越える軸位置がある場合、当該軸位置において異常があると判断する。ここでの処理が本発明の軸位置特定手段による軸位置特定ステップとなる。異常と判断した軸位置は、記憶手段によって記憶される。
次に、記憶した軸位置を、図示しない表示画面に転送し、加工にテレスコカバーの影響が現れる軸位置をストローク範囲中で明らかにするために、例えば図５のように表示する。ここでの処理が本発明の表示手段によるものとなる。これにより、異常と判断された軸位置が容易に把握できる。

一方、この工作機械１では、異常診断装置２における軸位置を特定する方法を利用して、機械が備える異常判定機能の判定精度を向上させる方法も実行可能となっている。
まず、軸位置に依存したトルク指令値の変動の影響を避けるには、動作中に発生するトルク指令値の変動の軸位置におけるサーボモータ１４の情報を異常判定に使用しないことが必要になる。そのため、記憶した変動がある軸位置を除外したストローク範囲を決定し、そのストローク範囲に関連したサーボモータ１４の情報を異常判定に使用することになる。
以下、判定精度を向上させるための工作機械１での異常判定方法を、図６のフローチャートに従って説明する。

まず、ステップS101では、送り軸４が一方向に一定速度で動作中の位置指令及びトルク指令値と、異常判定に用いるサーボモータ１４の情報とを時系列で同時に保存する。
次に、ステップS102では、ステップS101にて保存したトルク指令と位置指令の値とに基づいて、上記形態に従って、軸位置に依存するトルクの変動を区別し、異常と判断される軸位置を特定する。
次に、ステップS103では、特定した軸位置を軸の座標をトリガー条件として、記録開始位置から軸位置に依存したトルク変動がある位置の手前までのストローク範囲を、異常判定に用いるストローク範囲として選定する。なお、トルクの変動がなければ、ストローク全域とする。
次に、ステップS104にて、ステップS101にて保存した異常判定に用いるサーボモータ１４の情報から、S103で選定したストローク範囲に関する時系列のデータ（サーボデータ）を抽出する。
そして、ステップS105では、S103で選定したストローク範囲においてサーボモータ１４の情報を用いて送り軸の異常判定を実行する。

このように、上記形態の送り軸４の異常診断装置２及び異常診断方法によれば、送り軸４上の複数の軸位置にそれぞれ対応した周波数分析結果を取得する動作情報取得手段と、取得した各周波数分析結果に基づいて、送り軸４のストローク範囲における代表値を算出し、代表値を用いて各軸位置ごとに各周波数分析結果を正規化する正規化手段と、正規化した各周波数分析結果を予め設定された閾値Ｇ_０とそれぞれ比較し、正規化した周波数分析結果が閾値Ｇ_０を越えている場合に、当該周波数分析結果に対応する軸位置を異常と判断する軸位置特定手段と、を備えることで、テレスコカバー等の影響による軸位置に依存したトルク指令値の変動を把握でき、軸位置ごとに異常の有無を診断することができる。

また、上記形態の工作機械１によれば、送り軸４の異常判定手段を備えた異常診断装置２は、異常判定にあたり、軸位置特定手段で異常と判断された軸位置を取得し、取得した軸位置を除いた送り軸４のストローク範囲で送り軸４の異常を判定することで、軸位置に依存するトルク指令値の変動の影響を受けないストローク範囲でのサーボモータ１４の情報を異常判定に使用可能となる。よって、異常判定機能の判定精度を向上させることができる。また、不具合箇所を精度よく把握できるため、迅速なメンテナンスが可能となり、加工不具合を少なくすることもできる。

なお、上記形態では、軸位置に依存した異常を判定する異常診断装置が、サーボモータの情報に基づく送り軸の異常判定機能も備える例で説明しているが、異常診断装置とは別に異常判定装置を設けて、図６のS103で軸位置に依存したトルク指令値の変動の影響を受けないストローク範囲を選定した後、当該ストローク範囲に関する時系列のデータを異常判定装置に転送して異常判定を行うようにしてもよい。この場合、異常判定装置は工作機械の外部にあっても差し支えない。

また、代表値の算出方法に関して、平均をとるのではなく、中央値など所望の判定基準によって決定しても良い。周波数分析に関しても、トルク指令値に限らず、送り軸のストローク動作を阻害する影響が得られるものであれば、動作情報として位置偏差や速度を採用することもできる。
さらに、軸位置に依存した機械の振動を機械座標で特定すれば、テレスコカバーの影響のみならず、機械の不具合箇所も把握しやすくなり、保全作業に役立てることができる。そのため、これらは加工に影響のみを与えるストローク範囲を表示することに限らず、不具合のある機械座標位置として表示してもよい。

１・・工作機械、２・・異常診断装置、３・・位置制御装置、４・・送り軸、５・・位置指令、７・・位置制御器、６，８，９・・加算器、１０・・速度制御器、１１・・微分器、１２・・電流制御器、１３・・位置検出器、１４・・サーボモータ、１８・・ボールねじ。

Claims (5)

1. サーボモータにより駆動する直動軸を備えた工作機械において、前記直動軸の軸位置に依存した異常の有無を診断する異常診断装置であって、
   前記直動軸上の複数の軸位置にそれぞれ対応した動作情報を取得する動作情報取得手段と、
   取得した各前記動作情報に基づいて、前記直動軸のストローク範囲における代表値を算出し、前記代表値を用いて各前記軸位置ごとに各前記動作情報を正規化する正規化手段と、
   正規化した各前記動作情報を予め設定された閾値とそれぞれ比較し、正規化した前記動作情報が前記閾値を越えている場合に、当該動作情報に対応する前記軸位置を異常と判断する軸位置特定手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械における直動軸の異常診断装置。
2. 前記代表値は、前記ストローク範囲における各前記動作情報の平均値であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械における直動軸の異常診断装置。
3. 異常と判断した前記軸位置を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械における直動軸の異常診断装置。
4. サーボモータにより駆動する直動軸を備えた工作機械において、前記直動軸の軸位置に依存した異常の有無を診断する異常診断方法であって、
   前記直動軸上の複数の軸位置にそれぞれ対応した動作情報を取得する動作情報取得ステップと、
   取得した各前記動作情報に基づいて、前記直動軸のストローク範囲における代表値を算出し、前記代表値を用いて各前記軸位置ごとに各前記動作情報を正規化する正規化ステップと、
   正規化した各前記動作情報を予め設定された閾値とそれぞれ比較し、正規化した前記動作情報が前記閾値を越えている場合に、当該動作情報に対応する前記軸位置を異常と判断する軸位置特定ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械における直動軸の異常診断方法。
5. サーボモータにより駆動する直動軸と、前記サーボモータから得られる情報に基づいて前記直動軸の異常を判定する異常判定手段とを備えた工作機械であって、
   請求項１乃至３の何れかに記載の直動軸の異常診断装置を具備すると共に、
   前記異常判定手段は、前記異常診断装置の軸位置特定手段で異常と判断された前記軸位置の情報を取得し、取得した前記軸位置を除いた前記直動軸のストローク範囲で前記直動軸の異常を判定することを特徴とする工作機械。

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