JP2020006486A

JP2020006486A - 工作機械の異常検出装置

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Publication number: JP2020006486A
Application number: JP2018130876A
Authority: JP
Inventors: 学五十部; Manabu Isobe
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: JP6748153B2; US20200019140A1; DE102019209782A1; CN110695769A; CN110695769B; US11194309B2

Abstract

【課題】工作機械の異常を検出する工作機械の異常検出装置を提供する。【解決手段】工作機械の異常検出装置１０は、工具又はワークを回転させる主軸２ｓと、工具又はワークを移動させる送り軸２ｆとを有する工作機械１の制御装置であって、主軸２ｓ及び送り軸２ｆの少なくとも一方の負荷を監視する負荷監視部１２と、負荷監視部１２が監視する主軸２ｓ又は送り軸２ｆの少なくとも一方の負荷が閾値以上であるときに、工作機械が加工状態であると判定する加工状態判定部１４と、ワークの形状データ及び工具の形状データを予め記憶する記憶部１６と、ワークの形状データ及び前記工具の形状データに基づいて、ワークに対して工具が干渉する干渉領域を算出する干渉領域算出部１８と、加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置と、算出された干渉領域とを比較することにより、工作機械１の異常を検出する異常検出部２０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、工具又はワークを移動させてワークの加工を行う工作機械の異常検出装置に関する。

工作機械として、工具又はワークを回転させる主軸と、工具又はワークを移動させる送り軸とを有し、工具とワークとを相対的に移動させてワークの加工を行う機械がある。このような工作機械では、工具とワークとが、又は、工具とワークを固定する冶具とが衝突（干渉）し、主軸又は送り軸に過負荷がかかるような異常が発生することがある。

そのため、工作機械は、主軸及び送り軸の負荷を監視し、負荷が閾値を所定時間超えた場合に機械の異常を検出し、アラーム等を発生して機械を停止させる機能を有している（例えば特許文献１〜３参照）。これにより、工具とワークとの衝突、又は工具と冶具との衝突が発生した場合、工作機械の異常を早急に検出し、機械を早急に停止させることができる。そのため、主軸及び送り軸等の機械の構成要素の劣化又は破損を低減又は防止することができる。

特開２００９−２８５７９２号公報特開平１０−２８６７４３号公報特開平０７−０５１９９７号公報

或いは、工作機械において、工具とワークとが干渉しないようにすることが考えられる。例えば、ワークの形状データ及び工具の形状データを予め記憶し、ワークと工具とが干渉する干渉領域にワーク又は工具が侵入しないように、送り軸の移動範囲を制限することが考えられる。

しかし、誤ったワーク形状データ又は工具形状データが入力されていた場合、誤った位置にワーク又は工具が装着されていた場合、誤ったワーク又は工具が装着されていた場合、又は、破損した工具が装着されていた場合などの異常時、上述した手法が正常に働かず、工具とワークとの干渉が発生してしまい、主軸又は送り軸が劣化又は破損してしまうことがある。

本発明は、工作機械の異常を検出する工作機械の異常検出装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る工作機械の異常検出装置（例えば、後述の異常検出装置１０）は、工具又はワークを回転させる主軸（例えば、後述の主軸２ｓ）と、工具又はワークを移動させる送り軸（例えば、後述の送り軸２ｆ）とを有する工作機械（例えば、後述の工作機械１）の制御装置であって、前記主軸及び前記送り軸の少なくとも一方の負荷を監視する負荷監視部（例えば、後述の負荷監視部１２）と、前記負荷監視部が監視する前記主軸又は前記送り軸の少なくとも一方の負荷が閾値以上であるときに、前記工作機械が加工状態であると判定する加工状態判定部（例えば、後述の加工状態判定部１４）と、ワークの形状データ及び工具の形状データを予め記憶する記憶部（例えば、後述の記憶部１６）と、前記ワークの形状データ及び前記工具の形状データに基づいて、ワークに対して工具が干渉する干渉領域を算出する干渉領域算出部（例えば、後述の干渉領域算出部１８）と、前記加工状態判定部によって加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置又は加工状態であると判定されなかったときのワークに対する工具の位置と、前記干渉領域算出部によって算出された干渉領域とを比較することにより、工作機械の異常を検出する異常検出部（例えば、後述の異常検出部２０）と、を備える。

（２）（１）に記載の工作機械の異常検出装置において、前記負荷監視部が監視する負荷は、主軸又は送り軸にかかる負荷トルク値、又は、主軸又は送り軸のモータ駆動電流値であってもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の工作機械の異常検出装置において、前記異常検出部は、前記加工状態判定部によって加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置が、前記干渉領域算出部によって算出された干渉領域でない場合に、工作機械の異常を検出してもよい。

（４）（１）又は（２）に記載の工作機械の異常検出装置において、前記異常検出部は、前記加工状態判定部によって加工状態であると判定されなかったときのワークに対する工具の位置が、前記干渉領域算出部によって算出された干渉領域である場合に、工作機械の異常を検出してもよい。

本発明によれば、工作機械の異常を検出することができる。

本実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。本実施形態に係る工作機械の異常検出装置の構成を示す図である。負荷監視部によって監視された負荷トルクのタイミングチャートの一例である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。図１に示す工作機械１は、工具（図示省略）を回転させる主軸２ｓと、工具又はワーク（図示省略）を移動させる送り軸２ｆとを有し、工具とワークとを相対的に移動させてワークの加工（例えば、切削加工）を行う。工作機械１は、数値制御装置４と、サーボ制御装置６ｓ，６ｆと、主軸２ｓと、送り軸２ｆとを備える。

送り軸２ｆとしては、３つの直線軸（Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸）と、２つ又は３つの回転軸（Ｘ軸周りに回転するＡ軸、Ｙ軸周りに回転するＢ軸、及びＺ軸周りに回転するＣ軸のうちの何れか２つ又は全部）との５軸又は６軸があるが、図１ではその中の１つを代表して示す。また、サーボ制御装置６ｆとしては、送り軸２ｆ各々に対応して５つ又は６つがあるが、図１ではその中の１つを代表して示す。

数値制御装置４は、加工プログラムに基づいて速度指令を作成し、サーボ制御装置６ｓを介して主軸２ｓを制御する。また、数値制御装置４は、加工プログラムに基づいて送り軸用の位置指令を作成し、サーボ制御装置６ｆを介して送り軸２ｆを制御する。

サーボ制御装置６ｓは、数値制御装置４からの速度指令に基づいて例えばＰＩ制御等を利用した速度制御及び電流制御を行うことにより、主軸２ｓにおけるモータの駆動電流を生成する。例えば、サーボ制御装置６ｓは、速度指令と、例えば主軸２ｓにおけるモータに設けられたエンコーダで検出された速度フィードバックとの速度偏差に基づいて主軸２ｓにおけるモータのトルク指令を生成し（速度制御）、このトルク指令に基づいて主軸２ｓにおけるモータの駆動電流を生成する（電流制御）。

サーボ制御装置６ｆは、数値制御装置４からの位置指令に基づいて、例えばＰＩ制御等を利用した位置制御、速度制御及び電流制御を行うことにより、送り軸２ｆにおけるモータの駆動電流を生成する。例えば、サーボ制御装置６ｆは、位置指令と、例えば送り軸２ｆにおけるモータに設けられたエンコーダで検出された位置フィードバックとの位置偏差に基づいて速度指令を生成し（位置制御）、この速度指令とエンコーダで検出された速度フィードバックとに基づいて送り軸２ｆにおけるモータのトルク指令を生成し（速度制御）、このトルク指令に基づいて送り軸２ｆにおけるモータの駆動電流を生成する（電流制御）。

主軸２ｓは、主軸用モータを含み、サーボ制御装置６ｓからの駆動電流に基づいて駆動する主軸用モータによって回転して、工具を回転させる。送り軸２ｆは、送り軸用モータを含み、サーボ制御装置６ｆからの駆動電流に基づいて駆動する送り軸用モータによって回転して、工具又はワークを移動させる。

このような工作機械１では、工具とワークとが、又は、工具とワークを固定する冶具とが衝突（干渉）し、主軸２ｓ又は送り軸２ｆに過負荷がかかるような異常が発生することがある。この点に関し、例えば、ワークの形状データ及び工具の形状データを予め記憶し、ワークに対して工具が干渉する干渉領域に工具が侵入しないように、送り軸の移動範囲を制限することが考えられる。

しかし、誤ったワーク形状データ又は工具形状データが入力されていた場合、誤った位置にワーク又は工具が装着されていた場合、誤ったワーク又は工具が装着されていた場合、又は、破損した工具が装着されていた場合などの異常時、上述した手法が正常に働かず、工具とワークとの干渉が発生してしまい、主軸又は送り軸が劣化又は破損してしまうことがある。そのため、工作機械１は、以下に示す異常検出装置を備える。

図２は、本実施形態に係る工作機械の異常検出装置の構成を示す図である。図２に示す異常検出装置１０は、主軸２ｓ及び送り軸２ｆの負荷に基づいて加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置（例えば、機械座標）と、予め記憶するワーク形状データ及び工具形状データに基づいて算出されたワークに対する工具の干渉領域（例えば、機械座標）とを比較し、これらに矛盾がある場合に工作機械１の異常を検出する。また、異常検出装置１０は、工作機械１の異常が検出されたときに、アラーム又はメッセージを表示する。異常検出装置１０は、負荷監視部１２と、加工状態判定部１４と、記憶部１６と、干渉領域算出部１８と、異常検出部２０と、表示部２２とを備える。

異常検出装置１０は、図１に示す数値制御装置４に設けられてもよいし、サーボ制御装置６ｓ，６ｆ各々に設けられてもよいし、数値制御装置４及びサーボ制御装置６ｓ，６ｆとは別の制御装置に設けられてもよい。また、異常検出装置１０における負荷監視部１２、加工状態判定部１４、記憶部１６、干渉領域算出部１８、異常検出部２０及び表示部２２の各々は、数値制御装置４、サーボ制御装置６ｓ，６ｆ、及び別の制御装置の何れかに別々に設けられてもよい。
また、異常検出装置１０は、同一加工を行う複数の工作機械の異常検出を行うように設けられてもよい。

負荷監視部１２は、主軸２ｓ及び送り軸２ｆにかかる負荷を監視する。例えば、負荷監視部１２は、負荷として、主軸２ｓ及び送り軸２ｆの負荷トルク値を監視してもよいし、主軸２ｓ及び送り軸２ｆのモータの駆動電流値を監視してもよい。負荷監視部１２は、例えば主軸２ｓ及び送り軸２ｆのモータの電流フィードバックを得るサーボアンプである。

加工状態判定部１４は、負荷監視部１２が監視する主軸２ｓ及び送り軸２ｆのうちの少なくとも一方の負荷（負荷トルク値又は駆動電流値）が、所定時間以上、後述する記憶部１６に記憶された閾値以上であるときに、工作機械１が加工状態であると判定する。
図３に、負荷監視部１２によって監視された負荷トルクのタイミングチャートの一例を示す。図３では、負荷トルクが所定時間以上、閾値以上である期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４において、工作機械１が加工状態であると判定する。
なお、本実施形態では、負荷トルクの立ち上がりから閾値に到達し、所定時間経過するまでの期間が加工状態として判定されないので、この期間も加工状態であると判定するように判定結果が補正されてもよい。

記憶部１６は、上述した工作機械１の加工状態を判定するための閾値を記憶する。この閾値は、加工時に主軸２ｓ又は送り軸２ｆにかかる負荷に設定される。
また、記憶部１６は、ワークの形状データ、及び工具の形状データを予め記憶する。記憶部１６は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。

干渉領域算出部１８は、記憶部１６に記憶されたワーク形状データ及び工具形状データと、上述した数値制御装置４からの加工プログラムが示す位置指令情報（例えば、機械座標）とに基づいて、ワークに対して工具が干渉する干渉領域（例えば、機械座標）を算出する。干渉領域算出部１８は、算出した干渉領域の情報を記憶部１６に一時的に記憶してもよい。

ワーク形状データは、加工前のワーク形状データを用い続けてもよいし、加工途中の時々刻々と変化するワーク形状データであってもよい。

異常検出部２０は、加工状態判定部１４によって加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置と、干渉領域算出部１８によって算出された干渉領域とを比較し、これらに矛盾（例えば、相違）があるときに、工作機械１の異常を検出する。具体的には、異常検出部２０は、加工状態であると判定されたとき（図３の負荷トルクの一例において期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）のワークに対する工具の位置が、干渉領域でない場合に、工作機械１の異常を検出する。これにより、異常検出部２０は、加工領域（干渉領域）でないのに加工負荷が大きいような矛盾を検出することができる。

表示部２２は、異常検出部２０が工作機械１の異常を検出したとき、アラーム又はメッセージを表示する。表示部２２は、例えば液晶ディスプレイである。なお、表示部２２は必ずしも備えられなくてもよい。

異常検出装置１０（記憶部１６及び表示部２２を除く）は、例えば、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等の演算プロセッサで構成される。異常検出装置１０の各種機能は、例えば記憶部１６に格納された所定のソフトウェア（プログラム）を実行することで実現される。異常検出装置１０の各種機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。

以上説明したように、本実施形態の工作機械の異常検出装置１０によれば、主軸２ｓ及び送り軸２ｆの負荷に基づいて加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置（例えば、機械座標）と、予め記憶するワーク形状データ及び工具形状データに基づいて算出されたワークに対する工具の干渉領域（例えば、機械座標）とを比較し、これらに矛盾がある場合に工作機械１の異常を検出する。これにより、工具とワークとの干渉（衝突）が発生する前に、工作機械１の異常、すなわち、誤ったワーク形状データ又は工具形状データが入力されていたこと、誤った位置にワーク又は工具が装着されていたこと、又は誤ったワーク又は工具が装着されていたことなどを検知することができ、誤りを修正することができる。そのため、工具とワークとの干渉が抑制され、主軸２ｓ又は送り軸２ｆの劣化又は破損が低減又は防止される。

また、本実施形態の工作機械の異常検出装置１０によれば、工作機械１の異常が検出されたときに、アラーム又はメッセージを表示する。これにより、操作者は、工具とワークとの干渉が発生する前に、工作機械１の異常、すなわち、誤ったワーク形状データ又は工具形状データが入力されていたこと、誤った位置にワーク又は工具が装着されていたこと、又は誤ったワーク又は工具が装着されていたことなどをより確実に検知することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、異常検出部２０は、加工状態判定部１４によって加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置が、干渉領域算出部１８によって算出された干渉領域でない場合に、工作機械１の異常を検出した。しかし、本発明の特徴はこれに限定されず、異常検出部２０は、加工状態判定部１４によって加工状態であると判定されなかったとき（図３の負荷トルクの一例において期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４以外の期間）のワークに対する工具の位置が、干渉領域算出部１８によって算出された干渉領域である場合に、工作機械１の異常を検出してもよい。

これにより、異常検出部２０は、例えば工具が破損して短くなっている場合に、加工領域（干渉領域）なのに加工負荷が小さいような矛盾を検出することができる。
これにより、操作者は、工具とワークとの干渉が発生する前に、工作機械１の異常、すなわち、誤ったワーク形状データ又は工具形状データが入力されていたこと、誤った位置にワーク又は工具が装着されていたこと、又は誤ったワーク又は工具が装着されていたことなどに加えて、破損した工具が装着されていたことなどをより確実に検知することができる。

また、上述した実施形態では、切削加工を行う工作機械の異常検出装置１０を例示した。しかし、本発明の特徴はこれに限定されず、主軸及び送り軸を用いて種々の加工を行う工作機械の異常検出装置にも適用可能である。

また、上述した実施形態では、主軸２ｓで工具を回転させる工作機械の異常検出装置１０を例示した。しかし、本発明の特徴はこれに限定されず、主軸でワークを回転させる工作機械（例えば、円柱形状又は円筒形状のワークの加工を行う工作機械）の異常検出装置にも適用可能である。

また、上述した実施形態では、異常検出部２０が工作機械１の異常を検出したことを操作者に通知する手段として表示部２２を例示したが、このような通知手段はこれに限定されない。例えば、通知手段は、１又は複数のＬＥＤ等の発光部であってもよい。１つのＬＥＤの場合、点灯及び点滅等により異なる情報を通知してもよい。また、複数のＬＥＤの場合、同色の点灯数、又は、異なる色により異なる情報を通知してもよい。また、例えば、通知手段は、ブザー音又は音声等の発音部であってもよい。

１工作機械
２ｓ主軸
２ｆ送り軸
４数値制御装置
６ｓ，６ｆサーボ制御装置
１０異常検出装置
１２負荷監視部
１４加工状態判定部
１６記憶部
１８干渉領域算出部
２０異常検出部
２２表示部

Claims

工具又はワークを回転させる主軸と、工具又はワークを移動させる送り軸とを有する工作機械の制御装置であって、
前記主軸及び前記送り軸の少なくとも一方の負荷を監視する負荷監視部と、
前記負荷監視部が監視する前記主軸又は前記送り軸の少なくとも一方の負荷が閾値以上であるときに、前記工作機械が加工状態であると判定する加工状態判定部と、
ワークの形状データ及び工具の形状データを予め記憶する記憶部と、
前記ワークの形状データ及び前記工具の形状データに基づいて、ワークに対して工具が干渉する干渉領域を算出する干渉領域算出部と、
前記加工状態判定部によって加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置又は加工状態であると判定されなかったときのワークに対する工具の位置と、前記干渉領域算出部によって算出された干渉領域とを比較することにより、工作機械の異常を検出する異常検出部と、
を備える、工作機械の異常検出装置。
前記負荷監視部が監視する負荷は、主軸又は送り軸にかかる負荷トルク値、又は、主軸又は送り軸のモータ駆動電流値である、請求項１に記載の工作機械の異常検出装置。
前記異常検出部は、前記加工状態判定部によって加工状態であると判定されたときのワークに対する工具の位置が、前記干渉領域算出部によって算出された干渉領域でない場合に、工作機械の異常を検出する、請求項１又は２に記載の工作機械の異常検出装置。
前記異常検出部は、前記加工状態判定部によって加工状態であると判定されなかったときのワークに対する工具の位置が、前記干渉領域算出部によって算出された干渉領域である場合に、工作機械の異常を検出する、請求項１又は２に記載の工作機械の異常検出装置。