JP6625137B2

JP6625137B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP6625137B2
Application number: JP2017554757A
Authority: JP
Inventors: 左京松下
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: EP3401056A1; US10766113B2; EP3401056B1; WO2017098658A1; CN108367407B; EP3401056A4; JPWO2017098658A1; CN108367407A; US20180354088A1

Description

本発明は、加工機の異常振動の発生をオペレータが認識し易くした工作機械に関する。

特許文献１には、切削加工時に生じる振動データから切削加工時の異常を検出する異常検出方法が記載されている。特許文献１の発明では、切削加工時に生じる振動データを取得し、該振動データに基づいて振幅データを算出し、該振幅データを所定の時間間隔で移動平均処理して、閾値とを比較して異常が検出するようになっている。

特開２００８−１３２５５８号公報

特許文献１の発明では振動の周波数を考慮していない。然しながら、工作機械で発生する振動は発生源によって様々な周波数を含んでおり、また、周波数帯域によって異常振動の振幅も異なっているので、特許文献１の発明のように、工作機械で発生した振動の振幅を閾値と比較しただけでは、それが異常振動であるかどうかは明確ではなく、実際上オペレータは異常振動の発生を認識できない場合もある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、深刻な破損につながる異常振動の発生をオペレーターが認識し易くした工作機械を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、振動を計測する振動センサを有し、加工時の異常振動を検出する工作機械において、前記振動センサで測定できる周波数の範囲内で、主軸系の固有振動数を含み、上限を主軸系固有振動数よりも高い値にした第１の周波数帯域と、機械構造体系の固有振動数を含み、下限を機械構造体系固有振動数よりも低い値にし、上限を前記第１の周波数帯域の下限と等しい値にした第２の周波数帯域とを設定する周波数帯域設定部と、前記振動センサからの出力を、前記第１及び第２の周波数帯域毎に分けるフィルタ部と、前記周波数帯域設定部で設定された各周波数帯域毎に閾値を記憶する記憶部と、何れかの周波数帯域に分けられた前記振動センサの出力の振動の振幅が前記閾値を超えた場合に警告する警告部とを備えた工作機械が提供される。

本発明によれば、主軸系の固有振動数を含む第１の周波数帯域と、機械構造体系の固有振動数を含む第２の周波数帯域とを設定して、振動センサの出力から各周波数帯域毎の振動成分を抽出し、周波数帯域毎に異なる閾値を設定することによって、工作機械の異常振動の検出が容易かつ明りょうになる。

本発明の好ましい実施形態を示すブロック図である。本発明を適用する加工機の一例を示す側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
図２を参照すると、本発明を適用する加工機の一例が示されている。図２において、本発明の好ましい実施の形態による加工機１００は、横形のフライス盤を構成しており、工場の床面に固定された基台としてのベッド１０２、ベッド１０２の前方部分（図２では左側）の上面で前後方向またはＺ軸方向（図１では左右方向）に移動可能に設けられワークＷが固定されるテーブル１０８、ベッド１０２の後端側（図２では右側）で同ベッド１０２の上面に立設、固定されたコラム１０４、該コラム１０４の前面で上下方向またはＹ軸方向に移動可能に取り付けられたＹスライダ１１２、Ｙスライダ１１２の前面で左右方向またはＸ軸方向（図１では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたＸスライダ１１６、Ｘスライダ１１６の前面に取付けられ主軸１１８を回転可能に支持する主軸頭１２０を具備している。

テーブル１０８は、ベッド１０２の上面において水平なＺ軸方向（図１の左右方向）に延設された一対のＺ軸案内レール１０６に沿って往復動可能に設けられており、ベッド１０２には、テーブル１０８をＺ軸案内レールに沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＺ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、テーブル１０８には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。

Ｙスライダ１１２は、コラム１０４の前面においてＹ軸方向に延設された一対のＹ軸案内レール１１０に沿って往復動可能に設けられている。コラム１０４には、Ｙスライダ１１２をＹ軸案内レールに沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＹ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、Ｙスライダ１１２には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。

Ｘスライダ１１６は、Ｙスライダの前面においてＸ軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に延設された一対のＸ軸案内レール１１４に沿って往復動可能に設けられている。Ｙスライダ１１２には、Ｘスライダ１１６をＸ軸案内レール１１４に沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、Ｘスライダ１１６には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。

主軸頭１２０は、Ｘスライダ１１６の前面に固定された一対のブラケット１２２によって、Ｘ軸と平行な水平の軸線を中心とした回転送り軸であるＡ軸方向に回転送り可能にＸスライダ１１６に取付けられている。

図１において、本発明の好ましい実施形態による工作機械１０は、図２に示したような加工機１００、入力装置１２、加工機１００のための制御装置１４、加工機１００に取り付けた振動センサ１８、加工機１００の制御盤に設けられている表示装置２６を主要な構成要素として具備することができる。

入力装置１２は、加工機１００の制御盤に取付けられているキーボードやタッチパネルや、制御装置２０にＬＡＮのようなコンピュータネットワーク（図示せず）を介して接続されたパーソナルコンピュータのような端末器（図示せず）によって構成することができる。入力装置１２からは、後述するように、周波数帯域１４ａと閾値１４ｂとが記憶部２０に入力され、入力装置１２は、制御装置１４に対して周波数帯域を設定する周波数帯域設定部を構成している。

制御装置２０は、加工機１００による加工プロセスの開始、停止、工具交換、パレット交換、加工済ワークの測定などの加工機１００の全般的な制御を行う機械制装置によって構成することができ、記憶部２０、フィルタ部２２および比較部２４を含んでいる。記憶部２０は、メモリ装置やハードドライブ装置から形成することができ、入力装置１２から入力される周波数帯域や閾値を記憶させる周波数帯域記憶領域２０ａおよび閾値記憶領域２０ｂを含んでいる。

振動センサ１８は、例えば加速度センサとすることができる。更に、振動センサ１８は、加工機１００の主軸頭１１８に取り付けることができる。振動センサ１８を取り付ける位置は、主軸頭１８に限らず、コラム１０４や工具Ｔであってもよい。フィルタ部２２は、振動センサ１８が出力する信号のうち、所定の周波数帯域の振動を表す信号のみを比較部２４に通過させるバンドパスフィルタを具備している。フィルタ部２２は、好ましくは、記憶部２０の周波数帯域記憶領域２０ａに記憶されている少なくとも２つの周波数帯域に基づいて、フィルタ部２２を通過させる少なくとも２つの周波数帯域を設定可能な可変バンドパスフィルタを具備している。

表示装置２６は、加工機１００の制御盤に備えられている液晶パネルやタッチパネルによって形成することができ、グラフ表示領域２８と警告表示領域３０とを含むことができる。グラフ表示領域２８は、フィルタ部２２において少なくとも２つの周波数帯域に分離またはフィルタ処理された振動センサ１８からの信号に基づいて、各周波数帯域における振動の振幅または振動強度を例えば棒グラフのようなグラフにして表示する。表示装置２６は、単に振動の振幅や振動強度を表示するのではなく、記憶部２０の閾値記憶領域２０ｂに記憶されている各周波数帯域における閾値に対する割合でグラフ表示するようにしてもよい。表示装置２６は、また、比較部２４による比較結果に基づいて、加工機１００に異常振動が発生していることを警告表示領域３０に表示し、その旨ユーザに警告する。

入力装置１２から入力される周波数帯域は、主軸系の固有振動数を含む第１の周波数帯域と、機械構造体系の固有振動数を含む第２の周波数帯域とを含むことができる。主軸系の固有振動数は、主軸１１８、主軸１１８に装着される工具Ｔの形状、寸法、重量および主軸頭１２０内における主軸１１８の支持構成等によって変化するが、表１の例では1532Hzとなっている。機械構造体系の固有振動数は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸装置のボールねじおよびその固定部であるベッド１０２やコラム１０４の形状、寸法、重量等によって変化するが、表１の例では30Hzとなっている。第１の周波数帯域の上限は、主軸系固有振動数よりも高い値で適当に選択することができ、表１の例では、2000Hzとなっている。第２の周波数帯域の下限は機械構造体系固有振動数よりも低い値で適当に選択することができ、表１の例では、10Hzとなっている。

周波数帯域を設定するための基準となる周波数の値は、工作機械で実測することで知ることができる。工作機械が停止しているときに、ハンマ等で工具Ｔをたたき、振動センサ１８から得られる出力を周波数解析すると、主軸系固有振動数がピークの周波数として現れる。本実施形態の工作機械では、主軸系固有振動数は1532Hzであった。同様に、工作機械が停止しているときに、ハンマ等でコラムをたたき、振動センサ１８から得られる出力を周波数解析し、ピークとなる周波数（本実施形態では、35Hz）がコラムの固有振動数となる。表１は、コラムの固有振動数35Hzを機械構造体系固有振動数とした場合の例である。

第１の周波数帯域の下限は、第２の周波数帯域の上限と等しい値であり、主軸系固有振動数と機械構造体系固有振動数の平均とすることができる。表１の例では、主軸系固有振動数1532Hzと機械構造体系固有振動数30Hzの各々の常用対数値3.185259および1.477121の平均値2.33119に基づいて10^2.33119の値214.383を四捨五入して第１の周波数帯域の下限および第２の周波数帯域の上限を214Hzとした。表１の例では常用対数を用いたが自然対数を用いてもよい。

また、表１の例では、第２の周波数帯域は、機械構造体系の固有振動数を含むようになっているが、表２に示すように、第２の周波数帯域を更に機械構造体系の固有振動数を含む低周波数帯域と、移動体系の固有振動数を含む中周波数帯域とに分割し、第１の周波数帯域を高周波数帯域としてもよい。表２の例では、低周波数帯域は、機械構造体系を形成するコラムおよびベッドの固有振動数を含み、中周波数帯域は、移動体系を形成するＸスライダ１１６および主軸頭１２０の固有振動数を含んでいる。

より詳細には、表２の例では、工作機械が停止しているときに、ハンマ等で主軸頭をたたき、振動センサ１８から得られる出力を周波数解析し、ピーク周波数145Hzを中周波数帯域として設定した。中周波数帯域の移動体系の固有振動数145Hzの他に、表１の例と同様に高周波数帯域の主軸系固有振動数に1532Hz、低周波の機械構造体系固有振動数としてコラムの固有振動数の35Hzを設定した。表２の例でも、35Hz〜1352Hzの周波数を計測できる範囲として、表１の周波数帯域の上限は2000Hz、低周波数帯域の下限は10Hzとなっている。

高周波数帯域の下限は、中周波数帯域の上限に等しい値であり、主軸系固有振動数と移動体系固有振動数の平均とすることができる。表２の例では、主軸系固有振動数1532Hzと移動体体系固有振動数145Hzの各々の常用対数値3.185259および2.161368の平均値2.673313384に基づいて10^2.673313384の値471.3173029を四捨五入して高周波数帯域の下限および中周波数帯域の上限を471Hzとした。

中周波数帯域の下限は、低周波数帯域の上限に等しい値であり、移動体系固有振動数と機械構造体系固有振動数の平均とすることができる。表２の例では、移動体体系固有振動数145Hzと機械構造体系固有振動数30Hzの各々の常用対数値2.161368および1.477121の平均値1.819244628に基づいて10^1.819244628の値65.95452979を四捨五入して中周波数帯域の下限および低周波数帯域の上限を66Hzとした。

本発明では、周波数帯域記憶領域２０ａに記憶されている複数の周波数帯域に基づいて、フィルタ部２２は、振動センサ１８からの信号を各周波数帯域毎に分ける。フィルタ部２２を通過した信号に基づいて、各周波数帯域毎の振動の振幅または振動強度がグラフ表示領域２８にグラフ表示される。また、フィルタ部２２において各周波数帯域毎に分割された信号は比較部２４へ送出される。比較部２４は、入力装置１２から記憶部２０へ入力された閾値と、フィルタ部２２から受信した信号の振幅または振動強度を各周波数帯域毎に比較する。比較部２４において、閾値を超える振幅や振動強度が検知されると、表示装置２６の警告表示領域３０に警告が表示される。

例えば、高周波数帯域において、閾値を超える振幅や振動強度が検知されると、主軸系、つまり主軸１１８や工具Ｔに異常が生じたことが警告表示領域３０に表示される。中周波数帯域において、閾値を超える振幅や振動強度が検知されると、移動体系、つまり主軸頭１２０やＡ軸の回転送り軸装置、Ｘスライダ１１６またはＸ軸の送り軸装置に異常が生じたことが警告表示領域３０に表示される。低周波数帯域において、閾値を超える振幅や振動強度が検知されると、機械構造体系、つまりベッド１０２やコラム１０４或いはベッド１０２に支持されているＺ軸の送り軸装置やコラム１０４に支持されているＹ軸の送り軸装置に異常が生じたことが警告表示領域３０に表示される。

また、本実施形態では、このように設定した少なくとも２つの周波数帯域に対して異なる閾値１４ｂを入力装置１２から入力し、記憶部２０の閾値記憶領域２０ｂに記憶させることができる。或いは、少なくとも２つの周波数帯域の各々につき、低閾値または警告閾値と、高閾値またはアラーム閾値とを設定し、振動センサ１８からの信号（振幅）が低閾値または警告閾値より低い場合には、加工機１００が正常に作動していると判断して、表示装置２６のグラフ表示領域２８に緑色を表示し、振動センサ１８からの信号（振幅）が低閾値または警告閾値より高くかつ高閾値またはアラーム閾値よりも低い場合には、今後、加工機１００に深刻な損傷が生じる状態へ遷移する可能性があると判断して、表示装置２６のグラフ表示領域２８に黄色或いはオレンジ色を表示し、振動センサ１８からの信号（振幅）が高閾値またはアラーム閾値よりも高い場合には、加工機１００に深刻な損傷が生じる振動が発生したと判断して、表示装置２６のグラフ表示領域２８に赤色を表示すると共に、加工機１００を停止するようにできる。

第２の実施形態として、機械構造体の固有振動数には、主軸回転速度に固有の振動がある。主軸回転速度に固有の振動とは、主軸の回転速度を周波数に換算した値のことで、主軸が毎分15000回転するときは250Hzの周波数で、毎分33000回転するときは550Hzの周波数になる。主軸のバランスが十分にとれてなく、主軸の重心と回転中心とのずれが大きいときに、主軸回転速度の周波数で振幅が大きくなる。主軸回転速度の周波数帯域で周波数が大きいときは、工具Ｔの取付けの不良や、主軸を支える軸受の破損などが発生したことが疑われる。

主軸回転速度に固有の振動が出やすい工作機械の場合は、表３に示すように、表２で中周波数帯域の振動数としていた移動体系固有振動数を低周波数として設定し、新たな中周波数帯域として主軸回転速度の周波数を設定する。表３の例では、主軸の回転速度が毎分15000回転から毎分33000回転の間で可変である工作機械で、移動体系固有振動数は、表２と同じ145Hzであった。

１０工作機械
１２入力装置
１４制御装置
１８振動センサ
２０記憶部
２０制御装置
２０ａ周波数帯域記憶領域
２０ｂ閾値記憶領域
２２フィルタ部
２４比較部
２６表示装置
２８グラフ表示領域
３０警告表示領域
１００加工機
１０２ベッド
１０４コラム
１０６Ｚ軸案内レール
１０８テーブル
１１０Ｙ軸案内レール
１１２Ｙスライダ
１１４Ｘ軸案内レール
１１６Ｘスライダ
１１８主軸頭
１１８主軸
１２０主軸頭
１２２ブラケット

Claims

振動を計測する振動センサを有し、加工時の異常振動を検出する工作機械において、
前記振動センサで測定できる周波数の範囲内で、主軸系の固有振動数を含み、上限を主軸系固有振動数よりも高い値にした第１の周波数帯域と、機械構造体系の固有振動数を含み、下限を機械構造体系固有振動数よりも低い値にし、上限を前記第１の周波数帯域の下限と等しい値にした第２の周波数帯域とを設定する周波数帯域設定部と、
前記振動センサからの出力を、前記第１及び第２の周波数帯域毎に分けるフィルタ部と、
前記周波数帯域設定部で設定された各周波数帯域毎に閾値を記憶する記憶部と、
何れかの周波数帯域に分けられた前記振動センサの出力の振動の振幅が前記閾値を超えた場合に警告する警告部と、
を備えたことを特徴とする工作機械。
前記周波数帯域設定部は、移動体系の固有振動数を含む周波数帯域を前記第２の周波数帯域とし、更に送り軸装置の固定系の固有振動数を含む周波数帯域を第３の周波数帯域として設定し、
前記フィルタ部は、前記振動センサからの出力を、前記第１と第２と第３の周波数帯域毎に分けるフィルタである請求項１に記載の工作機械。
前記周波数帯域設定部は、移動体系の固有振動数を含む周波数帯域を前記第２の周波数帯域とし、更に主軸回転の周波数を含む周波数帯域を第３の周波数帯域として設定し、
前記フィルタ部は、前記振動センサからの出力を、前記第１と第２と第３の周波数帯域の振動成分毎に分けるフィルタである請求項１に記載の工作機械。
前記周波数帯域設定部は、主軸回転の周波数を含む周波数帯域を前記第１の周波数帯域とする請求項１に記載の工作機械。
前記周波数帯域設定部は、主軸回転の周波数を含む周波数帯域を前記第２の周波数帯域とする請求項１に記載の工作機械。
前記記憶部は、周波数帯域毎に異なる複数の閾値を記憶しており、前記警告部は、該異なる複数の閾値毎に異なる警告を発するようにした請求項１に記載の工作機械。
前記振動センサで計測した振動の前記周波数帯域の各々における振幅をグラフ表示する表示部を具備する請求項１に記載の工作機械。
前記第２の周波数帯域の上限は、主軸系固有振動数と機械構造体系固有振動数との平均値である請求項１に記載の工作機械。