JP2025166311A - モータに流れる電流の解析システム及びそれを用いた工具破損検知システム、工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに流れる電流の変動の大きさ（振幅）にて、モータの停止状態及び加減速状態の範囲を除去でき、それにより解析精度が向上する解析システム及びそれを活用した工具の破損を予兆できる検知システム、工作機械の提供を目的とする。
【解決手段】モータに流れる電流の解析システムであって、モータに流れる電流を検出する電流センサと、前記電流センサにて検出した電流の変動幅を検出する変動検出手段と、前記変動検出手段に設けた閾値の設定手段とを備え、前記閾値を用いて電流の解析範囲を設定することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータに流れる電流を用いて、モータによる駆動の状態を解析するための解析システムに関する。
また、このシステムを組み込んだ工具の破損を検知するシステム及び工作機械に関する。
なお、工具の破損には、その破損の予兆も含まれる。

例えば、工作機械の分野においては、各種工具を用いてワークを機械加工するのに工具の回転駆動にモータが使用されている。
また、旋盤等の分野においては、ワークを把持し、回転制御するのにモータが使用されている。
これらのモータは、ＮＣ制御装置に組み込まれたＮＣプログラムによりモータが回転制御されているが、モータに流れる電流の変動を電流センサ等で取得し、正常に機械加工されているか否かを解析することが行われている。
この場合に、モータ流れる電流の変動は、ワークの加工時の負荷による変動の他に、モータの回転が加速される場合や、モータの回転が減速する場合にも生じる。
したがって、モータに流れる電流の変動だけでワークの加工が正常に行われているか否かを解析すると、判断を誤る恐れがある。

そこで、例えば特許文献１には、被削材を加工する工具と、前記被削材とを相対的に回転及び移動させる為のモータ及び駆動回路を有し、ＮＣプログラム命令が速度制御か位置制御であるかを判定し、位置制御である場合に二回微分して加速度情報を算出し、モータが加減速中であるかを判定し、その部分を除外することが提案されている。
しかし、同公報に開示する方法は、工具を回転制御する第一のモータと、この工具と被削材との相対的位置を制御する第二モータを同期させて、回転制御されているものが前提になっていて、適用できる範囲が限定的である。

特許第７０３５８７５号公報

本発明は、モータに流れる電流の変動の大きさ（振幅）にて、モータの停止状態及び加減速状態の範囲を除去でき、それにより解析精度が向上する解析システム及びそれを活用した工具の破損を予兆できる検知システム、工作機械の提供を目的とする。

本発明に係るモータに流れる電流の解析システムは、モータに流れる電流を検出する電流センサと、前記電流センサにて検出した電流の変動幅を検出する変動検出手段と、前記変動検出手段に設けた閾値の設定手段とを備え、前記閾値を用いて電流の解析範囲を設定することを特徴とする。

ここで、電流センサは、公知のセンサを用いることができ、例えばモータに流れる電流の変動を電流波形の変動として検出し、その変動幅を振幅の大きさの変動として検出することができる。
すると、例えば図１に示すようなチャートが得られる。

図１に示したチャートは、横軸に経過時間ｔ，縦軸に電流の変化を中心線ｆ_０に対する±ｆの振幅として取得することができる。
なお、本発明は電流の変動幅の変化を検出できればよく、上記の振幅変化に限らない。
図１のチャートにおいて、モータの停止状態＜ｍ_０＞の振幅ｆ_０＝０に対して、モータの回転速度が加速状態＜ｍ_１＞，回転速度が定常状態＜ｍ_２＞，回転速度が減速状態＜ｍ_３＞及びその後の停止状態＜ｍ_０＞となる範囲を閾値ｆ１を用いて除去することができる。
この場合、電流の変動幅の変化の検出時にノイズの影響を抑えるために、各種ノイズフィルタを組み合せてもよい。
ノイズフィルタとしては、平均値フィルタ，中央値フィルタ等が例として挙げられる。

ここで、解析対象となるモータは工作機械のワーク又は工具の駆動用モータであってよい。

本発明においては、ワークを加工しない空運転の状態で加速範囲及びその前の停止範囲と、減速範囲及びその後の停止範囲を解析範囲から除外することで、ＮＣプログラムに沿って一回の空運転を行い、その時の除去範囲を求めることで、その後のワークの加工工程において、モータが概ね定常状態で回転している期間のみを監視範囲とし、ワークの回転や工具の回転の異常を検出することができる。
これにより、ワークの試し加工によるロスや工具の摩耗を抑えることができる。
また、モータに流れる電流の解析範囲の精度が向上することから、この解析範囲における電流の変化により、工具の破損が生じる恐れ等の予兆又はその破損を検知することに適用した場合に、その予兆又は破損を検知する精度が向上する。

本発明に係る解析システムにおいては、ワークをＮＣプログラムにより加工する際に、予めそのＮＣプログラムを呼び出して、加工開始指令後の１回の空運転により、モータに流れるデータの検出範囲を把握できるので、その後に行われるワークの加工工程において、工具等の回転の定常状態、あるいは漸次的に回転速度が変化する範囲のデータにのみ基づいて、モータの電流変化を検出することができ、工具等の異常判定の精度が向上する。
このような解析システムを工作機械に組み込むと、ＮＣプログラムによる加工開始信号には毎回時間的なずれが生じる恐れがあったが、本発明においては直前のＮＣプログラムの加工開始の実際の電流波形等により解析範囲を絞ることができるので、その解析精度も向上する。

モータに流れる電流変動を示すチャートの例を示す。 本発明に係る解析システムのフロー図を示す。

本発明に係るモータに流れる電流の解析システムの例を以下図に基づいて説明する。
本発明における解析システムは、モータに流れる電流を検出する電流センサと、前記電流センサに基づいて取得した電流波形における振幅の変動を検出する変動検出手段と、前記変動幅の閾値の設定手段を有している。

本発明に係る解析システムを用いて、工作機械によるワークの加工のフロー図の例を図２に示す。
オペレータは、対象となるワークの加工を実行するＮＣプログラムを呼び出す（ステップＳ_１）。
次に、又はＮＣプログラムを呼び出す際に、モータの回転の加速範囲及び減速範囲を検出するための電流の変動幅の閾値ｆ１を設定する（ステップＳ_２）。

次に、ワークを用いずにＮＣプログラムにより空運転を実施する（ステップＳ_３）。
すると、図１に示すような電流の変化の変動幅を振幅ｆとする、振幅（ｆ）－時間（ｔ）のチャートが得られる。
モータの停止状態の振幅ｆ_０＝０に対して、変動幅を±ｆを測定すると、モータが停止状態＜ｍ_０＞からモータの回転の加速状態＜ｍ_１＞において大きな振幅が発生し、その後にモータの回転が定常状態＜ｍ_２＞になると振幅が小さくなり、モータの回転が減速状態＜ｍ_３＞になると再び振幅が大きくなることが分かる（ステップＳ_４）。
本実施例では、閾値ｆ_１として加速状態の振幅に対して、約１／３の値に設定した例になっている。
また、ノイズの影響を抑えるために、各種ノイズフィルタを組み合せてもよい。
これにより、振幅の大きさが閾値ｆ_１を超えた範囲を加減速範囲（ｔ_１，ｔ_３）として除去し、加工開始指令から加速が始まる前の部分をモータの停止状態、モータの回転が減速した後の部分をモータの停止部分として、それらの範囲を予め監視範囲から除去することができる（ステップＳ_５）。
その後は、モータの回転が概ね定常状態にある範囲ｔ_２にて、モータに流れる電流変動を監視しながら、ワークの実加工を繰り返し実行する（ステップＳ_６）。
工作機械においては、加工仕様によりＮＣ加工プログラムをその都度切り換えることになるが、ＮＣプログラムの加工開始のトリガー信号には、ばらつきがある。
そこで、本発明に係る解析システムを用いると、実際に使用するＮＣプログラムの電流波形等にて、解析範囲を絞ることができる。
工具等に異常が発生すると、この電流変動の大きさにより、精度高く検出することができる。
例えば、工具の刃先に変化が生じると、ワークの実加工時の負荷が増大し、電流値が大きくなる方向に変動する。
また、工具に摩耗が生じても加工負荷が増大するので、その変化を検出することができる。

Claims (6)

1. モータに流れる電流の解析システムであって、
   モータに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記電流センサにて検出した電流の変動幅を検出する変動検出手段と、
   前記変動検出手段に設けた閾値の設定手段とを備え、
   前記閾値を用いて電流の解析範囲を設定することを特徴とするモータに流れる電流の解析システム。
2. 前記閾値を用いてモータの加速範囲と減速範囲とを解析範囲から除外することを特徴とする請求項１記載のモータに流れる電流の解析システム。
3. 前記モータは工作機械のワーク又は工具の駆動用モータであることを特徴とする請求項２記載のモータに流れる電流の解析システム。
4. ワークを加工しない空運転の状態で加速範囲及びその前の停止範囲と、減速範囲及びその後の停止範囲を解析範囲から除外することを特徴とする請求項３記載のモータに流れる電流の解析システム。
5. 請求項１～４のいずれかのモータに流れる電流の解析システムを用いて、
   解析範囲におけるモータに流れる電流の変化により、工具の破損が生じる恐れ又は破損を検知することを特徴とする工具破損検知システム。
6. 請求項１～４のいずれかのモータに流れる電流の解析システムを備えたことを特徴とする工作機械。