JP5608036B2 - 稼動履歴管理方法、及び稼動履歴管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械における回転軸の回転速度等の稼動履歴を管理するための稼動履歴管理方法、及び稼動履歴管理装置に関するものである。

従来、工作機械の稼動履歴を管理する装置としては、たとえば特許文献１や特許文献２に記載のものがある。特許文献１に記載の稼動履歴管理装置は、生産予定等といった予定情報や工作機械から入力される稼動情報（稼動中であるか、休止中であるか、保守中であるかを示す情報）、検査装置から入力される検査情報を記憶するように構成したものである。また、特許文献２に記載の稼動履歴管理装置は、工作機械の運転状態が変化すると、回転軸の回転速度や変化した時刻等の稼動履歴をログデータとして記憶するように構成したものである。

一方、回転軸を有するような工作機械にあっては、工具の剛性が低い等の理由により、加工中にびびり振動が発生することがある。そして、びびり振動が発生すると、ワークの表面にびびりマークが生じて加工面精度が悪化したり、工具がダメージをうけて工具寿命が低下するといった問題が生じる。そこで、従来では、作業者が自身の経験にもとづいて回転軸の回転速度を変化させ、びびり振動の発生状況を記録することにより、次回以降の加工時においてびびり振動が生じにくい加工条件を決定していた。

特開平５−７３７４５号公報 特開平１０−３２８９７６号公報

上述したような経緯をふまえると、びびり振動の容易で且つ効果的な抑制を図るためには、回転軸の回転速度の変化等とびびり振動の発生状況とを関連づけて記憶するような稼動履歴管理装置が望まれる。しかしながら、特許文献１及び２に記載の稼動履歴管理装置では、工作機械の運転状態しか稼動履歴として記憶しないため、びびり振動の発生状況と回転軸の回転速度等とを関連づけることが難しく、使い勝手が悪いという問題がある。

また、特許文献１に記載の稼動履歴管理装置では、稼動中における諸条件を全て稼動履歴として記憶すると考えられるため、稼動履歴のデータ量が膨大となり、作業者が稼動履歴を参照しづらいという問題がある。
一方、特許文献２に記載の稼動履歴管理装置では、運転状態が変化した場合にのみ稼動履歴を記憶するため稼動履歴のデータ量を抑制できるものの、あくまで運転状態の変化を契機として稼動履歴を記憶するため、びびり振動の発生時における工作機械の稼動状況、たとえばびびり振動の発生に気づいた瞬間の回転軸の回転速度等を記憶することができないという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、びびり振動の発生状況と工作機械の稼働状況とを関連づけて把握することができ、びびり振動の容易で且つ効果的な抑制を図ることができる稼動履歴管理方法、及び稼動履歴管理装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備え、所定の加工プログラムにしたがって前記回転軸の回転速度を制御して加工するとともに、作業者が操作可能で、その操作により前記加工プログラムによらず前記回転軸の回転速度を変更する変更手段を備えた工作機械における稼動履歴を管理するための稼動履歴管理方法であって、前記回転軸の回転速度、及び前記回転軸に生じる周波数領域の振動加速度を検出する第１ステップと、今回検出した回転速度が前回検出した回転速度から変化しているか否か、及び、周波数領域の振動加速度の最大値が所定の閾値を超えているか否かを判断する第２ステップと、回転速度が変化していた場合、若しくは、最大値が所定の閾値を超えていた場合に、前記工作機械に対して前記加工プログラムにもとづく回転速度変更指令の入力があったか否かを判断し、当該入力があった場合には回転速度変更指令の情報を追加し、少なくとも前記回転軸の回転速度及び周波数領域の振動加速度を、今回追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて前記稼動履歴として記憶する一方、前記入力がなかった場合には、たとえ回転速度が最近追加された回転速度変更指令の情報に係る値から変化していたとしても、前記最近追加された回転速度変更指令の情報に関連づけて前記稼動履歴を記憶する第３ステップとを実行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に記載の発明における第３ステップにおいて、加工点座標、ワークの原点、前記回転軸に装着している工具の種類、工作機械において実行中の加工プログラムの種類、該加工プログラムのシーケンス番号やコード、及び回転速度が変化していた場合若しくは最大値が所定の閾値を超えていた場合を検出した時刻のうちいずれかを前記稼動履歴として記憶することを特徴とする。
一方、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項３に記載の発明は、工具又はワークを回転させるための回転軸を備え、所定の加工プログラムにしたがって前記回転軸の回転速度を制御して加工するとともに、作業者が操作可能で、その操作により前記加工プログラムによらず前記回転軸の回転速度を変更する変更手段を備えた工作機械における稼動履歴を管理するための稼動履歴管理装置であって、前記回転軸の回転速度を検出するための回転速度検出手段と、前記回転軸に生じる周波数領域の振動加速度を検出するための振動検出手段と、今回検出した回転速度が前回検出した回転速度から変化しているか否かを判定する回転速度判定部と、周波数領域の振動加速度の最大値が所定の閾値を超えているか否かを判断するびびり振動検出部と、回転速度が変化していた場合、若しくは、最大値が所定の閾値を超えていた場合に、工作機械に対して前記加工プログラムにもとづく回転速度変更指令の入力があったか否かを判断する動作判定部と、回転速度が変化していた場合、若しくは、最大値が所定の閾値を超えていた場合に、前記入力があると回転速度変更指令の情報を追加し、今回追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて少なくとも前記回転軸の回転速度及び周波数領域の振動加速度が前記稼動履歴として記憶される一方、前記入力がないと、たとえ回転速度が最近追加された回転速度変更指令の情報に係る値から変化していたとしても、前記最近追加された回転速度変更指令の情報に関連づけて前記稼動履歴を記憶する記憶部とを備えており、請求項１に記載の稼動履歴管理方法を実行して前記稼動履歴を管理することを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも回転軸の回転速度及び周波数領域の振動加速度を稼動履歴として記憶するとともに、当該稼動履歴を、回転軸の回転速度が変化した場合のみならず、周波数領域の振動加速度の最大値が所定の閾値を超えた場合にも記憶するため、回転軸の回転速度の変化とびびり振動の発生状況とを関連づけて記憶することができる。したがって、作業者は回転軸の回転速度とびびり振動の発生状況とを関連づけて把握することができ、ひいてはびびり振動の容易且つ効果的な抑制を図ることができる。
また、回転速度が変化していた場合、若しくは、最大値が所定の閾値を超えていた場合に、工作機械に対して加工プログラムにもとづく回転速度変更指令の入力があったか否かを判断し、当該入力があった場合には回転速度変更指令の情報を追加し、今回追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて稼動履歴を記憶する一方、入力がなかった場合には、たとえ回転速度が最近追加された回転速度変更指令の情報に係る値から変化していたとしても、最近追加された回転速度変更指令の情報に関連づけて稼動履歴を記憶する。つまり、稼動履歴は回転速度変更指令の入力毎に区切られて記憶されることになるため、作業者は、稼動履歴を回転速度変更指令の情報毎に区別しやすく、たとえば加工状態の分析に使用する稼動履歴を最新の回転速度変更指令の情報で区切られた稼動履歴と決める等することで、容易に加工状態を分析することができ、ひいてはびびり振動の効果的な抑制を図ることができる。
さらに、請求項２に記載の発明によれば、第３ステップにおいて、加工点座標、ワークの原点、回転軸に装着している工具の種類、工作機械において実行中の加工プログラムの種類、該加工プログラムのシーケンス番号やコード、及び回転速度が変化していた場合若しくは最大値が所定の閾値を超えていた場合を検出した時刻のうちいずれかを稼動履歴として記憶するため、より詳細な稼動履歴を得ることができる。

管理装置のブロック構成を示した説明図である。 工作機械の回転軸ハウジングを側方から示した説明図である。 回転軸ハウジングを軸方向から示した説明図である。 工作機械の稼動履歴の管理制御に係るフローチャート図である。 時間領域の振動加速度のフーリエ解析結果の一例を示した説明図である。 稼動履歴の表示の一例を示した説明図である。 稼動履歴にもとづく分析結果の一例を示した説明図である。 稼動履歴にもとづく分析結果の別の一例を示した説明図である。 稼動履歴にもとづく分析結果の別の一例を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる稼動履歴管理装置（以下、管理装置と称す）、及び該管理装置における稼動履歴管理方法（以下、管理方法と称す）について、図面にもとづき詳細に説明する。

図１は、管理装置１０のブロック構成を示した説明図である。図２は、工作機械１の回転軸ハウジング１ａを側方から示した説明図であり、図３は、回転軸ハウジング１ａを軸方向から示した説明図である。
管理装置１０は、回転軸ハウジング１ａにＣ軸周りで回転可能に備えられた回転軸３に生じる「びびり振動」の発生状況に関連づけて、回転軸ハウジング１ａを備えた工作機械１の稼動履歴を管理するためのものであって、回転中の回転軸３に生じる振動に伴う特性値である時間領域の振動加速度（時間軸上の振動加速度を意味する）を検出するための振動センサ２ａ〜２ｃと、該振動センサ２ａ〜２ｃによる検出値を解析して「びびり振動」の発生の有無を判断したり、回転軸３の回転速度をプログラム指令により制御したり、回転軸３に生じる振動や回転軸３の回転速度等を稼動履歴として記憶したりするための制御装置５とを備えてなる。

振動センサ２ａ〜２ｃは、図２及び図３に示す如く回転軸ハウジング１に取り付けられており、一の振動センサは、他の振動センサに対して直角方向への時間領域の振動加速度を検出するようになっている（たとえば、振動センサ２ａ〜２ｃにて、それぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動加速度を検出するように取り付ける）。

一方、制御装置５は、振動センサ２ａ〜２ｃから検出される時間領域の振動加速度をもとにした解析を行うことにより周波数領域の振動加速度（周波数軸上の振動加速度）を求めるとともに、該周波数領域の振動加速度の最大値と所定の閾値（予め設定される）とを比較する振動演算部１１と、回転軸３の回転速度等といった工作機械１の動作状態を判別する動作判定部１２と、振動センサ２ａ〜２ｃから検出される振動に係るデータや回転軸３の回転速度等の工作機械１の稼動履歴を記憶する記憶部１３と、作業者により入力される加工プログラムにしたがって工作機械１の加工動作を制御するプログラム解釈部１４と、記憶部１３に記憶されている稼動履歴を選択的に表示させたり、稼動履歴の表示態様を切り替えたりするための稼動履歴処理部１５と、表示手段としてのモニタ１６とを備えている。また、記憶部１３は、管理装置１０とは別に設けられた外部記憶装置２１と接続されており、外部記憶装置２１へ稼動履歴等を読み出して保存可能となっている。尚、１８は、回転軸３の回転速度を変更するためのダイヤルであって、工作機械１に備えられており、該ダイヤル１８を操作することによって、プログラム解釈部１４からの回転速度変更指令とは独立に、回転軸３の回転速度を変更可能となっている。

ここで、上記制御装置５による工作機械１の稼動履歴の管理制御について、図４のフローチャートにもとづき説明する。
制御装置５のプログラム解釈部１４は、作業者によって入力された加工プログラムを解釈し、そのプログラムにしたがって工作機械１における回転軸３の回転速度を変化させ、工作機械１における加工を制御している。そして、プログラム解釈部１４は、プログラムにもとづいて回転軸３の回転速度を変化させるに際して、工作機械１へ回転速度変更指令を送信するようになっている。尚、プログラム解釈部１４は、該回転速度変更指令を動作判定部１２へも送信する。

以上のようにプログラム解釈部１４による制御のもと工作機械１での加工が開始されると（Ｓ１）、動作判定部１２では、回転軸ハウジング１ａに設けられた回転速度検出センサ（図示せず）等により、回転軸３の回転速度を工作機械１から取得する（Ｓ２）とともに、回転軸３の回転速度が変化したか否かを判断する（Ｓ３）。一方、振動演算部１１では、回転中に検出される振動センサ２ａ〜２ｃにおける時間領域の振動加速度のフーリエ解析を行い、図５に示すような、回転軸３の周波数と、その周波数における回転軸３の周波数領域の振動加速度（周波数軸上の振動加速度）との関係を解析し、振動加速度の最大値（最大加速度であって、図５中の振動６）を取得する（Ｓ４）とともに、当該最大値が予め設定されている所定の閾値を超えたか否かを判断する（Ｓ５）。この動作判定部１２での回転速度の取得や上記判断、及び振動演算部１１での振動加速度の取得及び上記判断は、加工が終了する（Ｓ９でＹＥＳ）までリアルタイムで常時行われている。

そして、Ｓ２において回転軸３の回転速度の変化が検出されると、動作判定部１２では、該回転速度の変化がプログラムによるものか否か、すなわちプログラム解釈部１４から回転速度変更指令が工作機械１へ入力されたか否かを判断する（Ｓ６）。そして、回転速度変更指令の入力が確認されると（Ｓ６でＹＥＳ）、回転速度変更指令の情報を記憶部１３に追加する（Ｓ７）とともに、今回追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて稼動履歴（たとえば、回転軸３の回転速度、回転速度の変化を検出した時点での周波数領域の振動加速度、回転軸３の送り速度、加工点の機械座標、ワークの原点、回転軸３に装着している工具の種類、加工プログラムの種類、加工プログラムにおけるシーケンス番号、実行中のプログラムコード、回転速度の変化を検出した時刻等）を記憶部１３に記憶する（Ｓ８）。一方、たとえばダイヤル１８の操作による回転速度の変化等、回転速度変更指令による回転速度の変化でない場合（Ｓ６でＮＯ）、最近追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて上述したような稼動履歴を記憶部１３に記憶する（Ｓ８）。尚、稼動履歴を記憶するに際して、振動に係る情報については振動演算部１１から記憶部１３へ記憶される。

一方、Ｓ４において最大加速度が閾値を超える事態が検出された（すなわち、びびり振動の発生が検出された）場合にも、振動演算部１１及び動作判定部１２は上述したような稼動履歴（たとえば、びびり振動の発生を検出した時点での回転軸３の回転速度、閾値を超える最大加速度を含んだ周波数領域の振動加速度、回転軸３の送り速度、加工点の機械座標、ワークの原点、回転軸３に装着している工具の種類、加工プログラムの種類、加工プログラムにおけるシーケンス番号、実行中のプログラムコード、びびり振動を検出した時刻等）を最近追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて記憶部１３に記憶する（Ｓ８）。
そして、加工が終了していなければ、上記Ｓ２〜Ｓ５を繰り返し、回転速度の変化やびびり振動の発生を検出する度に、上記Ｓ６〜Ｓ８の動作を実行し、記憶部１３に稼動履歴を記憶する。

本実施形態の管理装置１０及び管理方法によれば、以上のようにして稼動履歴を記憶することにより、図６に示すように回転速度変更指令の情報毎に区切られた状態で稼動履歴は記憶されることになる。したがって、稼動履歴処理部１５を介して稼動履歴をモニタ１６へ表示することにより、作業者は、記憶部１３に記憶されている稼動履歴を回転速度変更指令の情報毎に区別しやすく、たとえば加工状態の分析に使用する稼動履歴を最新の回転速度変更指令の情報で区切られた稼動履歴と決める等することで、容易に加工状態を分析することができ、ひいてはびびり振動の効果的な抑制を図ることができる。尚、図６中の振動周波数とは、周波数領域の振動加速度が最大値をとる周波数であって、図６中の振動とは周波数領域の振動加速度の最大値である。
また、回転軸３の回転速度が変化した場合、若しくは、周波数領域の振動加速度の最大値が所定の閾値を超えた場合にのみ稼動履歴を記憶するため、稼動履歴のデータ量を抑制することができるし、回転速度の変化のみならず、びびり振動の発生状況に応じて稼動履歴を記憶するため、作業者は回転軸の回転速度とびびり振動の発生状況とを関連づけて把握することができ、ひいては回転軸３に生じるびびり振動の容易且つ効果的な抑制を図ることができる。

さらに、稼動履歴処理部１５により、記憶部１３に記憶されている稼動履歴のうち振動に係る情報を図７に示すように時系列でモニタ１６に表示すれば、たとえば回転軸３に装着している工具の摩耗状態を把握することができる。すなわち、短い時間で図７に示すように振動（周波数領域の振動加速度の最大値）が増加するようであれば、その加工条件は工具にとって適していないと判断することができる。
また、稼動履歴処理部１５により、図８に示すように、縦軸を振動（周波数領域の振動加速度の最大値）、横軸を回転速度とした平面内に稼動履歴をプロットしてモニタ１６に表示することにより、びびり振動を最も効果的に抑制することができる、すなわち振動が最も小さくなる回転速度を極めて容易に把握することができる。

加えて、稼動履歴処理部１５により、記憶部１３に記憶されている稼動履歴をもとに図９に示すような安定限界線図を求めてもよい。該安定限界線図を求める手法については、たとえば「２００８年精密工学会春季大会学術講演会講演論文集『エンドミル加工における実験結果を利用した伝達関数の逆同定』」等に記載されているような公知の方法を採用すればよい。そして、該安定限界線図を求めることにより、実行していない速度範囲における安定回転速度を算出したり、安定限界線の周期性を利用して安定回転速度を予測したりすることが可能となる。

なお、本発明に係る管理方法及び管理装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、検出手段、制御装置、及び制御装置における稼動履歴の管理制御等に係る構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、ダイヤル１８が備えられており、作業者がプログラムとは別に回転速度を変更させるタイプの工作機械の稼動履歴を管理する管理装置について説明しているが、回転軸の回転速度を自動変更可能な回転速度制御装置を搭載した工作機械の稼動履歴を管理することも当然可能である。
また、上記実施形態では、振動センサにより回転軸の振動加速度を検出するよう構成しているが、振動による回転軸の変位や音圧を検出し、当該変位や音圧にもとづいて最適回転速度を算出したり、回転軸や該回転軸を送るための送り軸モータの電流値をもとに振動加速度を検出するように構成することも可能である。

さらに、ネットワークを介して管理装置１０を外部のコンピュータと接続し、外部のコンピュータにおいて記憶部１３に記憶されている稼動履歴を参照したり、該稼動履歴にもとづく加工状態の分析を行ったりするように構成することも可能である。
加えて、上記実施形態では、工作機械の回転軸における振動を検出する構成としているが、回転しない側（固定側）の振動を検出するように構成してもよいし、工具を回転させるマシニングセンタに限らず、ワークを回転させる旋盤等といった工作機械にも適用可能である。尚、振動検出手段の設置位置や設置数等を、工作機械の種類、大きさ等に応じて適宜変更してもよいことは言うまでもない。

１・・工作機械、１ａ・・回転軸ハウジング、２・・振動センサ（振動検出手段）、３・・回転軸、５・・制御装置、１０・・管理装置、１１・・振動演算部（振動検出手段、びびり振動検出部）、１２・・動作判定部（回転速度検出手段、回転速度判定部）、１３・・記憶部、１４・・プログラム解釈部、１５・・稼動履歴処理部、１６・・モニタ。

Claims (3)

1. 工具又はワークを回転させるための回転軸を備え、所定の加工プログラムにしたがって前記回転軸の回転速度を制御して加工するとともに、作業者が操作可能で、その操作により前記加工プログラムによらず前記回転軸の回転速度を変更する変更手段を備えた工作機械における稼動履歴を管理するための稼動履歴管理方法であって、
   前記回転軸の回転速度、及び前記回転軸に生じる周波数領域の振動加速度を検出する第１ステップと、
   今回検出した回転速度が前回検出した回転速度から変化しているか否か、及び、周波数領域の振動加速度の最大値が所定の閾値を超えているか否かを判断する第２ステップと、
   回転速度が変化していた場合、若しくは、最大値が所定の閾値を超えていた場合に、前記工作機械に対して前記加工プログラムにもとづく回転速度変更指令の入力があったか否かを判断し、当該入力があった場合には回転速度変更指令の情報を追加し、少なくとも前記回転軸の回転速度及び周波数領域の振動加速度を、今回追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて前記稼動履歴として記憶する一方、前記入力がなかった場合には、たとえ回転速度が最近追加された回転速度変更指令の情報に係る値から変化していたとしても、前記最近追加された回転速度変更指令の情報に関連づけて前記稼動履歴を記憶する第３ステップと
   を実行することを特徴とする稼動履歴管理方法。
2. 第３ステップにおいて、加工点座標、ワークの原点、前記回転軸に装着している工具の種類、工作機械において実行中の加工プログラムの種類、該加工プログラムのシーケンス番号やコード、及び回転速度が変化していた場合若しくは最大値が所定の閾値を超えていた場合を検出した時刻のうちいずれかを前記稼動履歴として記憶することを特徴とする請求項１に記載の稼動履歴管理方法。
3. 工具又はワークを回転させるための回転軸を備え、所定の加工プログラムにしたがって前記回転軸の回転速度を制御して加工するとともに、作業者が操作可能で、その操作により前記加工プログラムによらず前記回転軸の回転速度を変更する変更手段を備えた工作機械における稼動履歴を管理するための稼動履歴管理装置であって、
   前記回転軸の回転速度を検出するための回転速度検出手段と、前記回転軸に生じる周波数領域の振動加速度を検出するための振動検出手段と、今回検出した回転速度が前回検出した回転速度から変化しているか否かを判定する回転速度判定部と、周波数領域の振動加速度の最大値が所定の閾値を超えているか否かを判断するびびり振動検出部と、回転速度が変化していた場合、若しくは、最大値が所定の閾値を超えていた場合に、工作機械に対して前記加工プログラムにもとづく回転速度変更指令の入力があったか否かを判断する動作判定部と、回転速度が変化していた場合、若しくは、最大値が所定の閾値を超えていた場合に、前記入力があると回転速度変更指令の情報を追加し、今回追加した回転速度変更指令の情報に関連づけて少なくとも前記回転軸の回転速度及び周波数領域の振動加速度が前記稼動履歴として記憶される一方、前記入力がないと、たとえ回転速度が最近追加された回転速度変更指令の情報に係る値から変化していたとしても、前記最近追加された回転速度変更指令の情報に関連づけて前記稼動履歴を記憶する記憶部とを備えており、
   請求項１に記載の稼動履歴管理方法を実行して前記稼動履歴を管理することを特徴とする稼動履歴管理装置。

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