JP6735183B2 - 回転軸を有する工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば工具又はワークを回転させながら加工するための回転軸装置を備えた工作機械に関するものである。

回転軸を回転させて加工を行う工作機械には、回転軸を軸支するための転がり軸受が設けられている。しかしながら、転がり軸受の転走面の摩耗が進行すると、びびり振動の発生の原因となったり、加工精度が悪化したりする。そして、さらに摩耗が進行すると、転がり軸受が焼き付いて工作機械が動作停止してしまうおそれがある。そこで、そのような事態を防止すべく、転がり軸受の予圧を診断する方法が考案されている。そして、そのような予圧の診断方法としては、回転軸の先端に荷重を付加した際の変位を測定し、その測定結果から算出した転がり軸受の剛性を算出するとともに、算出した剛性と、予め計算により求めた適正な予圧を得るために必要な転がり軸受の剛性とを比較するといった方法が従来知られている。しかしながら、この従来の方法では、荷重計等を取り付ける必要があるために手間がかかるという問題がある。また、荷重を付加する位置による誤差や測定誤差があるため、作業者によって測定結果にばらつきが出てしまうといった問題もある。

そこで、上述したような問題が出ない方法として、回転軸を惰性で回転させ、惰性回転中の回転軸装置から生じる音や振動を測定し、基準値を超えるピーク値の数の和（若しくはピーク値の平均値）が所定の閾値を超えたことをもって、回転軸装置の異常を検出するといった方法が考案されている（たとえば特許文献１）。

特開平２−２９８８２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、転がり軸受の潤滑状態の僅かな変化や異物の混入等の外乱によってピーク値が変動してしまうため、閾値の設定が難しく、軸受に異常が発生しているか否かの検出精度が低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、より正確に軸受の予圧異常を検出することができ、ひいては軸受の焼き付きを未然に防止することができる回転軸を有する工作機械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、回転軸を軸受にて軸支した回転軸装置と、前記回転軸装置の動作を制御するとともに、前記回転軸装置の振動を検出する振動検出手段、及び報知手段を有する制御装置とを備えた回転軸を有する工作機械であって、前記制御装置は、前記回転軸を所定の回転速度で回転させた状態で前記回転軸装置の駆動装置をＯＦＦとして、前記回転軸を惰性で回転させ、当該惰性で前記回転軸が回転している前記回転軸装置の振動を検出するとともに検出した振動を周波数分析し、その分析結果にもとづき前記回転軸の固有振動数を算出するとともに、今回算出した前記回転軸の固有振動数と予め記憶されている第１基準固有振動数とを比較し、今回算出した前記回転軸の固有振動数が、前記第１基準固有振動数に対して設定されている所定の第１閾値を超えて低下していると、前記軸受に予圧異常が発生していると判断し、前記報知手段を作動させてその旨を作業者に報知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に記載の発明において、前記回転軸装置が、前記回転軸の内部に、皿ばねにより工具を引き上げて前記回転軸に装着させるための工具引き上げ軸を備えた回転軸を有する工作機械であって、前記制御装置は、前記振動の分析結果にもとづき前記工具引き上げ軸の固有振動数を算出するとともに、今回算出した前記工具引き上げ軸の固有振動数と予め記憶されている第２基準固有振動数とを比較し、今回算出した前記工具引き上げ軸の固有振動数が、前記第２基準固有振動数に対して設定されている所定の第２閾値を超えて低下していると、前記皿ばねに異常が生じていると判断し、前記報知手段を作動させてその旨を作業者に報知することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記制御装置は、種々の工具について、工具が装着された前記回転軸を前記所定の回転速度で回転させた状態で前記回転軸装置の駆動装置をＯＦＦとし、前記回転軸を惰性で回転させ、当該惰性で前記回転軸が回転している前記回転軸装置の振動を検出するとともに検出した振動を周波数分析することで、各前記工具毎に固有振動数を夫々算出するとともに、前記工具の刃数との積が当該工具の固有振動数となる回転速度を、強制びびり振動が発生する非推奨回転速度として算出し、当該非推奨回転速度を前記工具の種類に関連づけて記憶しており、実加工を行うにあたって、前記回転軸に装着される工具に対応する前記非推奨回転速度を、前記報知手段により作業者に報知することを特徴とする。

本発明によれば、回転軸を所定の回転速度で回転させた状態で回転軸装置の駆動装置をＯＦＦとして回転軸を惰性で回転させ、当該惰性で回転軸が回転している回転軸装置の振動を検出するとともに検出した振動を周波数分析し、その分析結果にもとづき回転軸の固有振動数を算出するとともに、今回算出した回転軸の固有振動数と予め記憶されている第１基準固有振動数とを比較し、今回算出した回転軸の固有振動数が、第１基準固有振動数に対して設定されている所定の第１閾値を超えて低下していると、軸受に予圧異常が発生していると判断し、報知手段を作動させてその旨を作業者に報知する。すなわち、外乱の影響が小さい固有振動数にもとづいて軸受の予圧異常の有無を判断するため、従来よりも正確に軸受の予圧異常を検出することができ、ひいては軸受の焼き付きを未然に防止することができる。したがって、このような回転軸を有する工作機械とすることで、加工精度の悪化を未然に防止することができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、振動の分析結果にもとづき工具引き上げ軸の固有振動数を算出するとともに、今回算出した工具引き上げ軸の固有振動数と予め記憶されている第２基準固有振動数とを比較し、今回算出した工具引き上げ軸の固有振動数が、第２基準固有振動数に対して設定されている所定の第２閾値を超えて低下していると、皿ばねに異常が生じていると判断し、報知手段を作動させてその旨を作業者に報知する。したがって、軸受の予圧異常の検出と同時に皿ばねの破損をも検出することができる。
さらに、請求項３に記載の発明によれば、種々の工具について、工具が装着された回転軸を所定の回転速度で回転させた状態で回転軸装置の駆動装置をＯＦＦとし、回転軸を惰性で回転させ、当該惰性で回転軸が回転している回転軸装置の振動を検出するとともに検出した振動を周波数分析することで、各工具毎に固有振動数を夫々算出するとともに、工具の刃数との積が当該工具の固有振動数となる回転速度を、強制びびり振動が発生する非推奨回転速度として算出し、当該非推奨回転速度を工具の種類に関連づけて記憶しており、実加工を行うにあたって、回転軸に装着される工具に対応する非推奨回転速度を、報知手段により作業者に報知する。したがって、強制びびり振動が発生してしまうような回転速度が設定されにくく、強制びびり振動の発生を効果的に防止することができる。

工作機械を示した説明図である。 転がり軸受の予圧異常の検出に係る制御を示したフローチャート図である。 皿ばねの破損の検出に係る制御を示したフローチャート図である。

以下、本発明の一実施形態となる工作機械における軸受予圧異常検出装置について、図面にもとづき詳細に説明する。

図１は、工作機械２０を示した説明図である。
工作機械２０は、主軸装置１と制御装置７とを有する。主軸装置１は、回転軸としての主軸２と、主軸２を軸支する複数の転がり軸受３、３と、主軸２を回転させるための図示しない駆動装置とを備えてなるものであって、主軸２の先端には、図示しない工具を装着可能となっている。また、主軸２の内部には、皿ばね（図示せず）の力で工具を引き上げて主軸２の先端に工具を装着させる工具引き上げ軸４が設けられている。さらに、主軸装置１には、振動を測定するための振動センサ５と、主軸２の回転速度を検出するための回転速度検出部６とが設けられている。一方、制御装置７は、主軸装置１の動作を制御するとともに、主軸装置１における転がり軸受３、３の予圧異常を検出するためのものであって、振動センサ５により測定された振動に係る情報や、回転速度検出部６により検出された主軸２の回転速度等にもとづいて種々の演算を行う演算装置８、記憶装置９、及び表示装置１０が備えられている。なお、記憶装置９には、予め測定された主軸２、工具引き上げ軸４、及び工具の夫々の固有振動数が記憶されている。

ここで、本発明の要部となる制御装置７による転がり軸受３の予圧異常の検出に係る制御について、図２のフローチャート図に沿って説明する。
まず、事前に、最低組み込み予圧で転がり軸受３、３を組み込んだ状態において、主軸２に所定の診断用工具（図示せず）を装着させた際の固有振動数を測定し、基準固有振動数として記憶装置９に記憶させる。この基準固有振動数の測定については、主軸２に診断用工具を装着した状態で、制御装置７による制御のもと、主軸２を所定の診断用回転速度で回転させる。その後、当該状態から駆動装置をＯＦＦとして主軸２を惰性で回転させる。そして、惰性回転中の振動を振動センサ５で測定し、その測定結果を演算装置８で周波数分析（ＦＦＴ分析）し、振動加速度がピーク値をとる振動周波数のうち、所定の振動周波数を回転体（診断用工具が装着された主軸２）の固有振動数（ここでは第１基準固有振動数）とする。

そして、主軸装置１の転がり軸受３の予圧が異常であるか否かを診断するにあたっては、まず、上記同様に主軸２に診断用工具を装着する（Ｓ１）。また、制御装置７による制御のもと、診断用工具が装着された主軸２を診断用回転速度で回転させた（Ｓ２）後、駆動装置をＯＦＦとして主軸２を惰性で回転させる（Ｓ３）。さらに、惰性回転中の振動を振動センサ５で測定する（Ｓ４）とともに、その測定結果を演算装置８で周波数分析する（Ｓ５）ことにより、回転体の固有振動数を算出し（Ｓ６）、記憶装置９に記憶する（Ｓ７）。

ここで、転がり軸受３で摩耗が進行すると、転がり軸受３の予圧が低下して転がり軸受３の支持剛性が下がる。そして、転がり軸受３の支持剛性が下がると、回転体の固有振動数は低くなる。したがって、制御装置７では、Ｓ６で算出した回転体の固有振動数と、記憶装置９に予め記憶されている第１基準固有振動数とを比較し（Ｓ８）、Ｓ６で算出した回転体の固有振動数が、第１基準固有振動数に対して予め設定されている第１閾値（たとえば２０％）を超えて低下している（Ｓ８でＹＥＳと判断する）と、予圧異常を検出したとして表示装置１０にその旨を表示する（Ｓ１０）。また、Ｓ６で算出した回転体の固有振動数が、第１基準固有振動数に対して予め設定されている第１閾値を超えるほどには低下していない（Ｓ８でＮＯと判断する）と、予圧が正常である（予圧異常は検出されなかった）として表示装置１０にその旨を表示する（Ｓ９）。

また、周波数分析を行うにあたり、回転体の固有振動数のみならず、工具引き上げ軸４の固有振動数を算出することもできる。そこで、上記軸受予圧異常検出方法を実行することにより、以下のようにして工具引き上げ軸４が有する皿ばねの破損をも検知することができる。

この皿ばねの破損の検知に係る制御について図３のフローチャート図に沿って説明するが、まず事前に、加振試験等して正常な状態にある工具引き上げ軸４の固有振動数である第２基準固有振動数を測定し、記憶装置９に記憶させておく。そして、上記軸受予圧異常検出方法の実行となり、制御装置７による制御のもと、診断用工具が装着された主軸２を診断用回転速度で回転させた（Ｓ１１、Ｓ１２）後、駆動装置をＯＦＦとして主軸２を惰性で回転させ（Ｓ１３）、惰性回転中の振動を振動センサ５で測定し（Ｓ１４）て、その測定結果を演算装置８で周波数分析する（Ｓ１５）ことになる。そして、この分析において、上記回転体の固有振動数とは別に、工具引き上げ軸４の固有振動数（回転体の固有振動数を示すピーク値とは異なるピーク値をとる振動周波数）を算出し（Ｓ１６）、記憶装置９に記憶する（Ｓ１７）。

ここで、皿ばねが破損すると、工具を引き上げる力が低下し、ひいては工具引き上げ軸４の固有振動数が低下する。したがって、制御装置７では、Ｓ１６で算出した工具引き上げ軸４の固有振動数と、記憶装置９に予め記憶されている第２基準固有振動数とを比較し（Ｓ１８）、Ｓ１６で算出した工具引き上げ軸４の固有振動数が、第２基準固有振動数に対して予め設定されている第２閾値（たとえば１０％）を超えて低下している（Ｓ１８でＹＥＳと判断する）と、皿ばねの破損を検出したとして表示装置１０にその旨を表示する（Ｓ２０）。また、Ｓ１６で算出した工具引き上げ軸４の固有振動数が、第２基準固有振動数に対して予め設定されている第２閾値を超えるほどには低下していない（Ｓ８でＮＯと判断する）と、皿ばねは破損していない（皿ばねは正常である）として表示装置１０にその旨を表示する（Ｓ１９）。

さらに、周波数分析を行うにあたり、主軸２に装着されている診断用工具の固有振動数についても算出することができる。そこで、第１基準固有振動数の算出に際して、診断用工具として加工で使用する種々の工具を用い、各工具毎に夫々の基準固有振動数（第３基準固有振動数であって、回転体や工具引き上げ軸４の固有振動数を示すピーク値とは更に異なるピーク値をとる振動周波数となる）を算出し、記憶装置９に記憶させることで、以下のように強制びびり振動の発生防止に応用することができる。と言うのも、主軸２の回転速度と工具の刃数との積が、当該工具の基準固有振動数（第３基準固有振動数）と一致すると、強制びびり振動が発生してしまう。そこで、制御装置７では、第３基準固有振動数の算出にあたり、強制びびり振動が発生する回転速度を非推奨回転速度として、工具の種類や第３基準固有振動数等に関連づけて記憶装置９に記憶する。

そして、実加工を行うにあたり、加工に使用する工具の種類に対応する非推奨回転速度を表示装置１０に表示し、作業者に非推奨回転速度を設定しないよう警告する。また、制御装置７が主軸２の回転速度を自動で変更する機能を有している場合には、加工プログラム中に非推奨回転速度が設定されていると、加工プログラムにしたがって指令される回転速度を予め設定した割合で変更する（たとえば１０％〜２０％速い若しくは遅い回転速度にする（一例：現在６０００ｍｉｎ^−１であったとすると、６６００ｍｉｎ^−１若しくは５４００ｍｉｎ^−１に変更する））ことで、強制びびり振動の発生を未然に回避する。

以上のような構成を有する工作機械２０によれば、主軸２が惰性で回転している主軸装置１の振動を振動センサ５で測定するとともに、その測定結果を演算装置８で周波数分析することにより、回転体の固有振動数を算出する。そして、今回算出した回転体の固有振動数と、記憶装置９に予め記憶されている第１基準固有振動数とを比較し、今回算出した回転体の固有振動数が、第１基準固有振動数に対して予め設定されている第１閾値を超えて低下していると、予圧異常を検出したとして表示装置１０にその旨を表示するようになっている。すなわち、外乱の影響が小さい固有振動数にもとづいて転がり軸受３の予圧異常の有無を判断するため、従来よりも正確に転がり軸受３の予圧異常を検出することができ、ひいては転がり軸受３の焼き付きや加工精度の悪化を未然に防止することができる。

また、回転体の固有振動数の算出に伴い、工具引き上げ軸４の固有振動数についても算出し、算出した工具引き上げ軸４の固有振動数と、記憶装置９に予め記憶されている第２基準固有振動数とを比較して、算出した工具引き上げ軸４の固有振動数が、第２基準固有振動数に対して予め設定されている第２閾値を超えて低下していると、皿ばねの破損を検出したとして表示装置１０にその旨を表示するようになっている。したがって、転がり軸受３の予圧異常の検出と同時に皿ばねの破損をも検出することができる。

さらに、第１基準固有振動数の算出に際して、診断用工具として加工で使用する種々の工具を用い、各工具毎に夫々の基準固有振動数（第３基準固有振動数）を算出するとともに、工具の刃数との積が当該工具の第３基準固有振動数となる回転速度を、強制びびり振動が発生する非推奨回転速度として算出し工具の種類や第３基準固有振動数等に関連づけて記憶装置９に記憶する。そして、実加工を行うにあたり、加工に使用する工具の種類に対応する非推奨回転速度を表示装置１０に表示し、作業者に非推奨回転速度を設定しないよう警告する。したがって、強制びびり振動が発生してしまうような回転速度が設定されにくく、強制びびり振動の発生を効果的に防止することができる。

なお、本発明の回転軸を有する機械に係る構成は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、機械全体の構成は勿論、軸受の予圧異常の検出に係る制御等に係る構成についても、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可能である。

たとえば、上記実施形態では、振動センサの設置位置について特に言及していないものの、その設置位置は回転軸装置における軸受の近傍であるのが好ましい。ただ、振動を測定可能であれば、振動センサの設置位置が限定されることはない。
また、上記実施形態では、軸受の予圧異常の検出に係り回転軸に診断用工具を装着するとしているが、診断用工具を装着することなく回転軸を惰性回転とさせ、基準固有振動数を算出するようにしても何ら問題はない。

さらに、診断用工具は、実加工で用いる工具のうちの何れかであってもよいし、診断専用の工具であってもよく、その形状や質量等が限定されることはない。さらにまた、複数種類の工具を診断用工具とし、各工具毎に、その工具が装着された回転軸の第１基準固有振動数を夫々算出・記憶させておくようにしても何ら問題はない。

また、軸受の予圧異常や皿ばねの破損を検出した際、その旨を表示装置においてどのような態様で表示させるかは適宜変更設計可能であり、たとえば警告する文章を表示してもよいし、グラフや表等を表示するように構成することも可能である。
さらに、上記実施形態では、報知手段として表示装置を設けているが、たとえば報知手段としてランプを設け、軸受の予圧異常を検出するとランプを点灯させるとしたり、報知手段としてスピーカを設け、軸受の予圧異常を検出すると警告音を報音させるとしたりしても何ら問題はない。

さらにまた、第１閾値や第２閾値をどのような値とするか等については、言うまでもなく上記実施形態の値に限定されることはない。
加えて、上記実施形態では、最低組み込み予圧で軸受を組み込んだ状態において回転体の基準固有振動数（第１基準固有振動数）を算出しているが、同様にして上限の組み込み予圧で軸受を組み込んだ状態における回転体の基準固有振動数をも算出して記憶装置に記憶させておけば、たとえば出荷時に上記方法を実行して、上限での回転体の基準固有振動数と比較することで、軸受予圧が適正であるか否かを判断することができる。したがって、不良品の出荷を未然に防ぐことができ、製品品質の均一化を図ることができるといった効果を奏することができる。
また、本発明は、工作機械以外の機械（たとえば発電機や圧延機等）にも適用することができる。

１・・主軸装置（回転軸装置）、２・・主軸（回転軸）、３・・転がり軸受（軸受）、４・・工具引き上げ軸、５・・振動センサ（振動検出手段）、６・・回転速度検出部、７・・制御装置、８・・演算装置、９・・記憶装置、１０・・表示装置（報知手段）、２０・・工作機械（回転軸を有する機械）。

Claims (3)

1. 回転軸を軸受にて軸支した回転軸装置と、前記回転軸装置の動作を制御するとともに、前記回転軸装置の振動を検出する振動検出手段、及び報知手段を有する制御装置とを備えた回転軸を有する工作機械であって、
   前記制御装置は、前記回転軸を所定の回転速度で回転させた状態で前記回転軸装置の駆動装置をＯＦＦとして、前記回転軸を惰性で回転させ、当該惰性で前記回転軸が回転している前記回転軸装置の振動を検出するとともに検出した振動を周波数分析し、その分析結果にもとづき前記回転軸の固有振動数を算出するとともに、
   今回算出した前記回転軸の固有振動数と予め記憶されている第１基準固有振動数とを比較し、今回算出した前記回転軸の固有振動数が、前記第１基準固有振動数に対して設定されている所定の第１閾値を超えて低下していると、前記軸受に予圧異常が発生していると判断し、前記報知手段を作動させてその旨を作業者に報知することを特徴とする回転軸を有する工作機械。
2. 前記回転軸装置が、前記回転軸の内部に、皿ばねにより工具を引き上げて前記回転軸に装着させるための工具引き上げ軸を備えた回転軸を有する工作機械であって、
   前記制御装置は、前記振動の分析結果にもとづき前記工具引き上げ軸の固有振動数を算出するとともに、
   今回算出した前記工具引き上げ軸の固有振動数と予め記憶されている第２基準固有振動数とを比較し、今回算出した前記工具引き上げ軸の固有振動数が、前記第２基準固有振動数に対して設定されている所定の第２閾値を超えて低下していると、前記皿ばねに異常が生じていると判断し、前記報知手段を作動させてその旨を作業者に報知することを特徴とする請求項１に記載の回転軸を有する工作機械。
3. 前記制御装置は、種々の工具について、工具が装着された前記回転軸を前記所定の回転速度で回転させた状態で前記回転軸装置の駆動装置をＯＦＦとし、前記回転軸を惰性で回転させ、当該惰性で前記回転軸が回転している前記回転軸装置の振動を検出するとともに検出した振動を周波数分析することで、各前記工具毎に固有振動数を夫々算出するとともに、
   前記工具の刃数との積が当該工具の固有振動数となる回転速度を、強制びびり振動が発生する非推奨回転速度として算出し、当該非推奨回転速度を前記工具の種類に関連づけて記憶しており、
   実加工を行うにあたって、前記回転軸に装着される工具に対応する前記非推奨回転速度を、前記報知手段により作業者に報知することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転軸を有する工作機械。

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