JP2019169003A - 異常検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械での加工において、実際に加工が行われている区間の情報に基づいて工作機械の加工状態の異常を検知することが可能な異常検知装置を提供すること。【解決手段】本発明の異常検知装置１は、工具でワークを加工する工作機械の加工状態の異常を検知する異常検知装置１であって、工作機械での工具によるワークの加工中における実切削区間に係る情報を用いて加工状態を判定する判定部３３を備える。判定部３３は、実切削区間として認識された区間の位置や長さのずれ、工作機械２から取得された実切削区間における物理量を用いて加工状態の判定を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、加工状態の異常検知装置に関する。

工作機械での加工において、工具の摩耗や破損、ワークの取り付け作業ミス、プログラムやオフセットの設定ミス、外乱等に起因して加工不良が発生する。また、加工済みのワークを再度加工してしまうことにより加工不良が発生する場合もある。これらはいずれも正常な加工状態とは言えず、これらの加工状態の異常を検知して未然に加工不良の発生を判断できるようにすることが望まれている。

加工状態の異常を検知する従来技術として、例えば特許文献１には、コンテキスト情報に基づいた個々の期間に対応する物理量の検知情報から工具の状態を判定し、その品質情報を出力する技術が開示されている。

特許第６１５６５６６号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、ワークの加工中に検知された検知情報を用いて工具の状態を検知しているものの、ワークの取り付け作業ミス、プログラムやオフセットの設定ミス、加工済みのワークの再度加工といった加工状態の異常を判別することができないという問題がある。

そこで本発明の目的は、実際に加工が行われている区間の情報に基づいて工作機械の加工状態の異常を検知することが可能な異常検知装置を提供することである。

本発明の異常検知装置では、加工プログラム中の切削送りを行っている区間を機械信号やＣＮＣ情報などから取得し、同時に取得したモータの速度や電流、機械の振動や可聴音などから、切削送り区間中に実際に切削加工が行われている区間（実切削区間）を認識する。通常の加工の正常な実切削区間のパターンとの比較により、異常状態を検出し、その検出パターンからどのような異常が起こっているか推定することが出来る。異常状態の緊急性や確度に応じてアラーム停止や警告通知を行う。

そして、本発明の一態様は、
工具でワークを加工する工作機械の加工状態の異常を検知する異常検知装置であって、前記工作機械での前記工具による前記ワークの加工中における、実切削区間情報を用いて異常の種類を判別する、異常検知装置である。

また、本発明の他の態様は、工具でワークを加工する工作機械の加工状態の異常を検知する処理を装置に実行させる異常検知プログラムであって、前記工作機械での前記工具による前記ワークの加工中における実切削区間に係る情報を用いて前記加工状態を判定する判定処理を実行させる、異常検知プログラムである。

本発明により、従来加工後の外部検査や、加工中の機内計測等によって確認していた加工不良を、特別な計測装置等を使うことなく、かつ時間を掛けずに検出することが出来るようになる。

第１の実施形態による異常検知装置の概略的なハードウェア構成図である。 第１の実施形態による異常検知装置の概略的な機能ブロック図である。 工作機械から正常な加工状態における実切削区間や物理量を取得する方法を例示する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の一実施形態による異常検知装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。異常検知装置１は、工作機械を制御する制御装置として実装することができる。また、異常検知装置１は、工作機械を制御する制御装置と併設されたパソコンや、制御装置とネットワークを介して接続されたセルコンピュータ、ホストコンピュータ、クラウドサーバ等のコンピュータとして実装することが出来る。図１は、工作機械を制御する制御装置として異常検知装置１を実装した場合の例を示している。

本実施形態による異常検知装置１が備えるＣＰＵ１１は、異常検知装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステム・プログラムをバス２０を介して読み出し、該システム・プログラムに従って異常検知装置１全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ、図示しない入力部を介してオペレータが入力した各種データ等が一時的に格納される。

不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされるなどして、異常検知装置１の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリとして構成される。不揮発性メモリ１４には、インタフェース１５を介して外部機器７２から読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラム、異常検知装置１の各部や工作機械から取得された各種データ（例えば、各種信号、数値制御情報、加速度センサや音響センサ等のセンサにより取得された加工時に発生する振動や音、モータ等の電流・電圧値、加工条件、工具やワークの情報、工作機械の各軸の位置や速度等）が記憶されている。不揮発性メモリ１４に記憶された加工プログラムや各種データは、実行時／利用時にはＲＡＭ１３に展開されても良い。また、ＲＯＭ１２には、公知の解析プログラムなどの各種のシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。

インタフェース１５は、異常検知装置１とアダプタ等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からはプログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、異常検知装置１内で編集したプログラムや各種パラメータ等は、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、異常検知装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械及び該工作機械の周辺装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８は表示器／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は各軸を手動で駆動させる際に用いる手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。

工作機械が備える軸を制御するための軸制御回路３０はＣＰＵ１１からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ４０に出力する。サーボアンプ４０はこの指令を受けて、工作機械が備える軸を移動させるサーボモータ５０を駆動する。軸のサーボモータ５０は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図１のハードウェア構成図では軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０は１つずつしか示されていないが、実際には制御対象となる工作機械に備えられた軸の数だけ用意される。

スピンドル制御回路６０は、製造機械への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、製造機械のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。スピンドルモータ６２にはポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１によって読み取られる。

図２は、第１の実施形態による異常検知装置１の概略的な機能ブロック図である。図２に示した各機能ブロックは、図１に示した異常検知装置１が備えるＣＰＵ１１が、それぞれのシステム・プログラムを実行し、異常検知装置１の各部の動作を制御することにより実現される。

本実施形態の異常検知装置１は、異常検知装置１の各部及び工作機械２から取得された（そして、不揮発性メモリ１４に記憶された）データに基づいて実切削区間（切削送り区間中に実際に切削加工が行われている区間）を認識する実切削区間認識部３２、加工プログラムや判定部３３から出力された加工状態の判定結果に基づいて警告等の出力や工作機械２（が備えるサーボモータ５０及びスピンドルモータ６２）の制御を行う制御部３４を備える。

実切削区間認識部３２は、現在実行中の加工プログラムの情報や、工作機械２から取得された振動、音、サーボモータ５０の速度、電流値、位置、トルク値、スピンドルモータ６２の速度、電流値等の物理量に基づいて、実切削区間を認識する機能手段である。一般に、加工プログラムの切削送りを指令するブロックを実行中であってもエアカット等が存在するので、その実行区間の全てが実切削区間であるわけではない。そこで、実切削区間認識部３２は、切削送りの最中（制御に係る情報、例えば実行中ブロックの情報や切削送り中であることを示す信号から取得できる）に工作機械２から取得された振動や音、サーボモータ５０の速度、電流値、位置、トルク値、スピンドルモータ６２の速度、電流値等の物理量の変化に基づいて実切削区間を認識する。実切削区間認識部３２は、認識した実切削区間に係る情報（例えば、実切削区間の時間の範囲等）を不揮発性メモリ１４等に記憶するようにしても良い。

一例として、実切削区間認識部３２は、工作機械２から取得された振動や音等の物理量から周波数成分を抽出し、抽出した主要な周波数成分に変化が起きた場合に、その変化が発生した区間を実切削区間として認識するようにしても良い。また、工作機械２が正常に動作している場合の工作機械２から取得される物理量について、予め実験等を行いエアカットの場合と実切削区間の場合の物理量を取得してそれぞれの周波数成分を抽出しておき、工作機械２を運転している時に取得された物理量の周波数成分が、どちらの場合の周波数成分に類似するのかに基づいて実切削区間を抽出するようにしても良い。このようにする場合、ワークと工具が接触して加工が行われている最中における物理量の周波数成分は、ワークの材質や工具の種類（加工の種類）によって異なるので、それぞれの組み合わせにおいて実切削区間に発生する物理量の周波数成分を記憶しておくようにすると良い。

また、実切削区間認識部３２をよりシンプルに構成する場合には、例えばモータのトルク値等は実切削区間中に大きな値を示すことに着目し、ワークと工具が接触して加工が行われた際の物理量の大きさに着目し、モータの電流値やトルク値等が予め定めた閾値を超えた区間を実切削区間として認識するようにしても良い。

更に、他の例としては、実切削区間認識部３２は、予め実験等により工作機械２から取得された振動や音、モータの電流値等に基づいて実切削区間とそれ以外の区間とを分類する分類器を作成しておき、この分類器を用いて実切削区間を認識するようにしても良い。この分類器としては、例えば公知のクラスタ分類器やニューラルネットワーク等を用いても良い。

このように、実切削区間認識部３２は、工作機械２から取得した情報に基づいて、実際に工具がワークと接触して加工が行われている区間である実切削区間を認識することができるのであれば、どのような手法で実切削区間を認識するようにしても良い。

判定部３３は、実切削区間認識部３２が判定した実切削区間に基づいて、工作機械２における加工状態を判定する機能手段である。判定部３３は、実切削区間認識部３２が認識した実切削区間の位置に基づいて工作機械２で行われている加工の状態を判定しても良いし、工作機械２での加工の実切削区間において取得された振動や音、サーボモータ５０の速度、電流値、位置、トルク値、スピンドルモータ６２の速度、電流値等の物理量に基づいて工作機械２で行われている加工の状態を判定するようにしても良い。

判定部３３による実切削区間認識部３２が認識した実切削区間の位置に基づいて工作機械２で行われている加工の状態を判定する例としては、予め不揮発性メモリ１４に工作機械２が正常な加工状態において実切削区間認識部３２が認識した実切削区間の位置（開始位置、終了位置）を加工プログラムの各ブロックに関連付けて記憶しておき、その位置や区間の長さに予め定めた閾値（許容誤差）を超える相違が有る場合に、加工の状態が異常であると判定するようにしても良い。

また、判定部３３は、予め不揮発性メモリ１４に記憶された正常な加工状態において工作機械２から取得された実切削区間の物理量と比較して、実切削区間認識部３２が認識した実切削区間において取得された物理量の逸脱が検出された場合に、工作機械２で行われている加工が異常な状態にあると判定するようにしても良い。この様にする場合、判定部３３による、予め不揮発性メモリ１４に記憶された正常な加工状態において工作機械２から取得された実切削区間の物理量に対しての、実切削区間認識部３２が認識した実切削区間において取得された物理量の逸脱の判定に、例えば物理量の周波数成分や大きさに関する外れ値検定を用いても良い。外れ値検定のような統計的手法を加工の状態の判定に用いる場合は、例えば、図３に例示するように、工作機械２によるワークの加工を開始してからしばらくの間、所定の周期毎に工作機械２から実切削区間における振動、音、サーボモータ５０の速度、電流値、位置、トルク値、スピンドルモータ６２の速度、電流値等の物理量を取得し、加工状態が良好な状況で取得された物理量として不揮発性メモリ１４に記憶しておき、これを用いて加工状態の判定を行う。不揮発性メモリ１４に記憶する加工状態が良好な状況で取得された物理量は、統計的処理が行える程度の数だけ記憶しておくと良い。

判定部３３は、単純に工作機械２で行われている加工の状態が正常であるのか、異常であるのかだけを判定するだけでなく、異常の度合いを判定するようにしても良い。この様にする場合、判定部３３が工作機械２の加工の状態を判定に用いる閾値（実切削区間の位置や長さを判定するための閾値、外れ値検定で外れ値であると判定する際に用いる閾値等）を複数の段階用意しておき、いずれの閾値を超えたかによって異常の度合い（軽度、中度、重度等）を判定するようにしても良い。

更に、判定部３３は、異常である場合の原因を判定するようにしても良い。例えば、判定部３３は、実切削区間認識部３２が認識した実切削区間の位置や長さが、正常な加工状態において実切削区間認識部３２が認識した実切削区間の位置に対して、どのようにずれがあるのかに基づいて、異常の原因を判定することができ、実切削区間の開始位置がずれている場合には、ワークの取り付け不良や治具の不具合があると判定できるし、実切削区間の開始位置が常に後ろ寄りになる場合には、工具の欠損が有ると判定できる。また、実切削区間の終了位置のみが前よりにずれることで加工中の工具折損が発生したと判定でき、実切削区間が極端に短い又は認識されない場合には、ワークの不在や２度加工等が起きていると判定できる。

判定部３３が、工作機械２で行われている加工における異常の原因を判定する場合には、判定部３３は、実切削区間認識部３２が認識した実切削区間と、実切削区間に取得された工作機械２の物理量に加えて、制御部３４から取得できる数値制御情報や、実行している加工プログラムなどを判定の条件に用いるようにしても良い。

制御部３４は、加工プログラムに基づいて工作機械２によるワークの加工を制御すると共に、判定部３３から出力された加工状態の判定結果に基づいて警告等の出力や工作機械２の停止制御を行う機能手段である。制御部３４は、例えば、判定部３３から現在の加工状態が異常であるという出力がされた場合に、警告を発するように異常検知装置１の各部乃至工作機械２に指令するようにしても良い。また、制御部３４は、判定部３３から現在の加工状態が異常であるという出力がされた場合に、工作機械２が現在行っている加工を停止するように制御しても良い。また、制御部３４は、図示しないインタフェースを介してセルコンピュータやホストコンピュータ、クラウドサーバ等の外部の演算装置等に判定部３３による判定の結果を出力するようにしても良い。

制御部３４は、例えば判定部３３が現在の加工状態の異常の度合いを判定して出力する場合には、判定部３３が出力した異常の度合いに応じて異なる動作をするようにしても良い。例えば、判定部３３が出力した現在の加工状態が軽度の異常である場合には、制御部３４は、その旨を伝える警告のみを出力するようにしても良いし、判定部３３が出力した現在の加工状態が重度の異常である場合には、制御部３４は、警告の出力に合わせて工作機械２の停止制御を行うようにしても良い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

例えば、上記した実施形態では実切削区間認識部３２と判定部３３とを異常検知装置１の内部に設けているが、例えば実切削区間認識部３２及び判定部３３の少なくともいずれかをセルコンピュータ、ホストコンピュータ、クラウドサーバ等のコンピュータ上に設けるようにしても良い。例えば、複数の工作機械２が設置されている工場において、実切削区間認識部３２を各工作機械２を制御する制御装置上に設け、複数の工作機械２の動作を管理するホストコンピュータ上に判定部３３を設け、１つの判定部３３で複数の工作機械２の加工状態を判定するように構成することで、効率的に工作機械２の稼働管理を行うことができる。

１ 異常検知装置
２ 工作機械
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５，１８，１９ インタフェース
１７ Ｉ／Ｏユニット
２０ バス
３０ 軸制御回路
３２ 実切削区間認識部
３３ 判定部
３４ 制御部
４０ サーボアンプ
５０ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ 表示器／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器

Claims (7)

1. 工具でワークを加工する工作機械の加工状態の異常を検知する異常検知装置であって、
   前記工作機械での前記工具による前記ワークの加工中における実切削区間に係る情報を用いて前記加工状態を判定する判定部、
   を備える異常検知装置。
2. 加工状態の判定結果を前記工作機械又は外部演算装置に出力する、
   請求項１に記載の異常検知装置。
3. 前記判定部は、前記加工状態の異常の度合いを判定する、
   請求項１又は２に記載の異常検知装置。
4. 前記判定部は、正常な加工状態において取得された実切削区間の位置又は長さに対する、前記工作機械において加工中に取得された実切削区間の位置又は長さの相違に基づいて前記加工状態を判定する、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の異常検知装置。
5. 前記判定部は、正常な加工状態において取得された実切削区間における物理量に対して、前記工作機械において加工中に取得された実切削区間における物理量が外れ値であるか否かを検定することにより前記加工状態を判定する、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の異常検知装置。
6. 前記判定部は、前記加工状態の異常の原因を判定する、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の異常検知装置。
7. 工具でワークを加工する工作機械の加工状態の異常を検知する処理を装置に実行させる異常検知プログラムであって、
   前記工作機械での前記工具による前記ワークの加工中における実切削区間に係る情報を用いて前記加工状態を判定する判定処理を実行させる、
   異常検知プログラム。

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