JP6845192B2

JP6845192B2 - 加工環境測定装置

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Publication number: JP6845192B2
Application number: JP2018162448A
Authority: JP
Inventors: 大輔上西
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: DE102019122772A1; CN110874083B; US20200070295A1; CN110874083A; DE102019122772B4; KR20200026107A; KR102579985B1; US11440152B2; JP2020032510A

Description

本発明は、加工環境測定装置に関し、特に高品位加工に影響する加工環境を測定する加工環境測定装置に関する。

近年、マシニングセンタなどの切削加工機でＩＴ部品や装飾品などの外観部品の高品位加工を行うことが多くなってきている（例えば、特許文献１等）。これら高品位加工には単結晶ダイヤモンドや多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）が使われており、高精度な主軸振れと低振動、外乱振動要因がないような設置環境を求められる。

特開２００６−１５９２９９号公報

高品位加工では、例えば主軸衝突による主軸不良によって主軸振動が増大したり、周辺装置として設置されたミストコレクタの振動や、冷却に用いられる扇風機のファンの振動が加工機に伝達することで、高品位加工面へ容易に影響を与えて、加工面不良が発生する。その他にも、設置している床面の耐荷重不足による加減速による振動や、隣接する加工機からの振動等、様々な影響を受けて加工面不良が発生することがある。

これらの高品位加工の問題を解決するために、加工面不良が発生した際は現在行っている量産加工を停止した上で、別途振動測定機などを用意して、主軸やテーブルの振動要因や各種外乱要因をくまなく調査して、原因を除去・改善する手法が取られている。しかしながら、これらの調査では各種測定装置を用意し、且つ、測定結果から加工不良の原因となる現象を判断するため、外部のパソコン等を用いて時間を掛けて解析を行ったり、高品位加工の知見や経験を持った熟練者による作業をしたり、といったコストが必要となる。

そこで本発明の目的は、実加工を行わずに各振動データから自動的に加工面不良の影響となり得る振動源を特定することを可能とする加工環境測定装置を提供することである。

本発明では、加工機における加工への加工環境の影響を簡易に測定／判断する装置として、加工環境測定装置を用いて、各部の振動状態を測定し加工への影響を包括的に判断する。加工環境としては、加工機の周りに配置される機械や、加工機自身の設置状況、加工機自身に取り付けられているファンや周辺装置の状態等を含む。加工環境を測定する際には、機械をベンチマーク動作としての決められた動作を実行させ、その時に測定された各物理量データ（振動情報）を、予め理想的な加工環境（高品位加工が可能な加工環境）で行ったベンチマーク動作時に測定された振動情報を含む基準加工データと比較して、現在の加工環境において測定されたデータと該基準加工データとの差異がどの程度なのかを評価する。また、求める加工面品位によって影響するレベルが異なるため、主軸とテーブルに分けてスコア表示し、どの程度の高品位加工に適しているかを表示することが出来る。

そして、本発明の一態様は、加工機における加工への振動の影響を測定する加工環境測定装置であって、予め理想的な加工環境で測定された振動の時系列データに基づいて算出された基準加工データを記憶した基準加工データ記憶部と、少なくとも前記加工機の主軸に取り付けられたホルダの振動を測定するホルダ部測定センサにより検出された該ホルダの振動の時系列データを取得するデータ取得部と、前記データ取得部が取得した時系列データを解析し、該時系列データの特徴を示す特徴データを算出する解析部と、前記解析部が算出した前記時系列データの特徴を示す特徴データと、前記基準加工データ記憶部に記憶された基準加工データとを比較し、前記加工機の加工環境を判定する比較判定部と、前記比較判定部による判定の結果として、前記加工機の各部位について、検出された振動の周波数成分毎に、時系列データの特徴を示す特徴データ間の距離に基づいて算出されたスコアを表示する表示部と、を備えた加工環境測定装置である。

本発明により、熟練者ではなくても容易に加工の目的に適した加工環境をベンチマークとして評価しス、コア表示することができる。また、本発明を使用して定期点検などを実行することで、加工環境のスコアの変化を確認し、事前に修理することが可能になる。

本発明では、実加工を行わずとも、機械が加工の目的（例えば、高品位加工）に適した環境か容易に確認可能で、仮に突発的に加工面不良が発生した際にも、環境（振動）によるものか、それ以外（切粉やオペレータミス）によるものかの判断が可能となり、複数の切削加工機を使用している場合、全機とも設置環境が同じではない場合などに、加工面不良が発生した場合は迅速に環境差を見極めることが可能となる。更に、スコア表示によって、加工内容に合わせた加工能力の判断が可能となる。

一実施形態による加工環境測定装置の概略的なハードウェア構成図である。第１実施形態による加工環境測定装置の概略的な機能ブロック図である。振動の測定に用いられるセンサを例示する図である。振動の測定に用いられるセンサを例示する図である。ベンチマーク動作の結果として取得された時系列データの例を示す図である。時系列データの特徴を示す特徴データの例を示す図である。基準加工データの例を示す図である。周波数毎のスコア及び時系列データのスコアの算出例を示す図である。スコアに基づく評価判定基準の例を示す図である。第２実施形態による加工環境測定装置の概略的な機能ブロック図である。原因推定データの例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の一実施形態による加工環境測定装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。本実施形態の加工環境測定装置１は、加工機を制御する制御装置として実装することができる。また、加工環境測定装置１は、加工機を制御する制御装置と併設されたパソコンや、加工機とネットワークを介して接続されたセルコンピュータ、ホストコンピュータ、クラウドサーバ等のコンピュータとして実装することが出来る。図１は、加工機を制御する制御装置と併設されたコンピュータとして加工環境測定装置１を実装した場合の例を示している。

本実施形態による加工環境測定装置１が備えるＣＰＵ１１は、加工環境測定装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、バス２２を介して接続されているＲＯＭ１２に格納されたシステム・プログラムを読み出し、該システム・プログラムに従って加工環境測定装置１全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示装置７０に表示するための表示データ及び入力装置７１を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。

不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされたＳＲＡＭ等を用いたり、ＳＳＤ等を用いたりする等して、加工環境測定装置１の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリとして構成される。不揮発性メモリ１４には、入力装置７１を介して入力されたデータやプログラム、加工機２から（図示しないＵＳＢ装置等を介して）オフライン乃至（インタフェース２０を介して）オンラインで取得されたデータ、加工機２に取り付けられた各種センサ３（振動を検出する加速度センサ等）により検出された検出値を（図示しないＵＳＢ装置等を介して）オフライン乃至（インタフェース２１を介して）オンラインで取得したデータ等が記憶される。不揮発性メモリ１４に記憶されたデータやプログラム等は、利用時にはＲＡＭ１３に展開されても良い。また、ＲＯＭ１２には、時系列データの解析のために必要とされる各種アルゴリズムや、その他の必要とされる処理を実行するためのシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。

図２は、本発明の第１実施形態による加工環境測定装置１の概略的な機能ブロック図である。図２に示した各機能ブロックは、図１に示した加工環境測定装置１が備えるＣＰＵ１１がシステム・プログラムを実行し、加工環境測定装置１の各部の動作を制御することにより実現される。

本実施形態の加工環境測定装置１は、データ取得部１００、解析部１１０、比較判定部１２０、表示部１３０を備え、また、予め基準となる高品位加工が行われた際に検出された振動等に係る基準加工データが記憶された基準加工データ記憶部２００が不揮発性メモリ１４上に確保されている。

データ取得部１００は、加工機２に設置されているセンサ３で測定された物理量の時系列データを取得し、不揮発性メモリ１４上に確保された測定データ記憶部２１０に記憶する機能手段である。データ取得部１００がデータを取得するセンサ３としては、主に振動を検出するための加速度センサ等を用い、加工機２の各部に取り付けて、取り付けた部分における振動を検出する。センサ３の取り付け部分としては、図３，４に例示されるように、主軸に取り付けられるホルダの部分（ホルダ部測定センサ３Ａ）や、主軸（主軸部測定センサ３Ｂ）、テーブル(テーブル部測定センサ３Ｃ)等が挙げられる。ホルダ部測定センサ３Ａは、加工時において工具に伝わる振動を検出する重要な役割を果たし、単に加工機２外から伝わってくる振動を検出するだけではなく、加工機２内の各部（例えば、主軸モータを冷却するファンや制御盤内に取り付けられているファンの回転等）で生じ、主軸回転機構内部を伝達してくる微弱な振動等を検出することができる。また、ホルダ部測定センサ３Ａを用いることで、使用工具よって異なる主軸回転時の振動を測定することができる。主軸部測定センサ３Ｂは、主に主軸回転時に発生する一般的な振動の測定に、また、テーブル部測定センサ３Ｃは、テーブルに対して伝わる一般的な振動を検出する。データ取得部１００は、例えば取得された各データに対して加工環境測定装置１に内蔵された図示しないＲＴＣ等から取得した時刻データを関連付けることにより時系列データを生成して、それぞれのデータごとに測定データ記憶部２１０へと記憶するようにしてもよいし、加工機２側で作成された時系列データをそのまま測定データ記憶部２１０に記憶するようにしても良い。データ取得部１００が測定データ記憶部２１０へと記憶する時系列データは、時間と関連付けられた値の集合（離散値）であっても良く、また、該離散値に基づいて求められた近似式（連続値）であっても良い。

解析部１１０は、測定データ記憶部２１０に記憶された時系列データを解析する機能手段である。解析部１１０は、スペクトル解析や減衰振動解析等の公知の解析手法により、測定データ記憶部２１０に記憶された各時系列データを解析し、例えば各時系列データに含まれる周波数成分、該周波数成分の加速度、速度、変位、減衰率等のような、それぞれの時系列データの特徴を示す特徴データを算出する。

比較判定部１２０は、解析部１１０が算出したそれぞれの時系列データの特徴を示す特徴データと、基準加工データ記憶部２００に記憶された基準加工データとを比較し、その比較結果に基づいて測定された加工環境の良否を判定する機能手段である。比較判定部１２０は、例えば測定データ記憶部２１０に記憶されたそれぞれの時系列データと、該時系列データに対応する基準加工データ記憶部２００に記憶された基準加工データとを予め定めた所定の比較式を用いて比較し、その比較結果に基づいて測定された時系列データに対するスコアを算出し、算出されたスコアに基づいて測定された加工環境の良否を判定するようにしても良い。比較判定部１２０は、単に良／否の判定を行うだけでなく、算出されたスコアに基づいて段階的に測定された加工環境の良否を判定するようにしても良い。

表示部１３０は、比較判定部１２０による加工環境の良否の判定結果を表示装置７０に表示する機能手段である。

以下では、上記構成を備えた加工環境測定装置１による、加工環境の測定と、測定された加工環境に関する解析及び比較判定の動作の流れを示す。
加工環境測定装置１は、例えば加工が開始される前に加工機２に行わせる所定のベンチマーク動作の間に加工環境の測定を行う。加工機２によるベンチマーク動作と加工環境測定装置１による加工環境の測定は、例えばプログラム等により加工機２と加工環境測定装置１とが連携して行うようにすれば良い。

ベンチマーク動作は、例えばホルダ部測定センサ３Ａによるホルダに伝達する振動の測定動作、主軸部測定センサ３Ｂによる主軸回転時の振動の測定動作、テーブル部測定センサ３Ｃによるテーブル停止時の振動の測定動作、テーブル部測定センサ３Ｃによるテーブル動作時に発生する振動の測定動作、等がある。

ホルダ部測定センサ３Ａによるホルダに伝達する振動の測定動作は、主に機内で発生した外乱振動の検出のために行われる。そのため、ホルダ部測定センサ３Ａによる測定は、主軸回転が停止している状態で行われることが望ましいが、主軸が回転している状態で主軸部測定センサ３Ｂによる振動の測定と同時に行い、主軸部測定センサ３Ｂによる振動の測定結果を、ホルダ部測定センサ３Ａによる振動の測定結果から減算することで、ある程度信頼性がある測定データが得られることが期待できる。ホルダ部測定センサ３Ａによるホルダに伝達する振動の測定動作は、所定の時間（例えば１０秒）行われ、その測定結果がデータ取得部１００により時系列データとして取得されて、測定データ記憶部２１０に記憶される。

主軸部測定センサ３Ｂによる主軸回転時の振動の測定動作は、主に主軸不良の影響を検出するために行われる。主軸部測定センサ３Ｂによる主軸回転時の振動の測定動作は、予め定めた複数の主軸回転速度（例えば、１００ｒｐｍ〜２４０００ｒｐｍを１００ｒｐｍ刻み等）で行われ、その測定結果がデータ取得部１００により時系列データとして取得されて、測定データ記憶部２１０に記憶される。

テーブル部測定センサ３Ｃによるテーブル停止時の振動の測定動作は、主に加工機２外の外乱振動の影響を検出するために行われる。テーブル部測定センサ３Ｃによるテーブル停止時の振動の測定動作は、所定の時間（例えば１０秒）行われ、その測定結果がデータ取得部１００により時系列データとして取得されて、測定データ記憶部２１０に記憶される。

テーブル部測定センサ３Ｃによるテーブル動作時に発生する振動の測定動作は、加工機２の設置状態（レベル不良、高さの不良や平行度の不良等）の影響を検出するために行われる。テーブル部測定センサ３Ｃによるテーブル動作時に発生する振動の測定動作は、テーブルを動作可能なそれぞれの軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向等）に対して０〜最大移動量まで予め定めた所定の送り速度で移動させて測定が行われ、その測定結果がデータ取得部１００により時系列データとして取得されて、測定データ記憶部２１０に記憶される。このようにして取得された各部の振動を示す時系列データの例を図５に示す。

データ取得部１００により取得され、測定データ記憶部２１０に記憶されたそれぞれの時系列データは、解析部１１０により解析される。解析部１１０は、例えば主軸停止時にホルダ部測定センサ３Ａにより測定された時系列データ、主軸回転時に主軸部測定センサ３Ｂにより測定された時系列データ、テーブル停止時にテーブル部測定センサ３Ｃにより測定された時系列データについて、公知のＦＦＴ等のスペクトル解析を行い、該時系列データに含まれる主要な周波数成分（振動レベルが高い周波数成分）について、加速度（ｍ／ｓ²）、速度（ｍｍ／ｓ）、変位（μｍ）等の該時系列データの特徴を示す特徴データとして算出する。図６は、解析部１１０による主軸回転時に主軸部測定センサ３Ｂにより測定された時系列データの解析結果の例である。特徴データとして算出する周波数は、振動レベルが上位の所定数（例えば、上位２つ、上位１０個等）のものを用いれば良く、振動レベルが低いものについては特徴データとして算出する必要はない。解析部１１０は、同様に主軸停止時にホルダ部測定センサ３Ａにより測定された時系列データ、テーブル停止時にテーブル部測定センサ３Ｃにより測定された時系列データについてスペクトル解析を行い、加速度、速度、変位等の時系列データの特徴を示す特徴データを算出する。一方、テーブル動作時にテーブル部測定センサ３Ｃで測定された時系列データについては、減衰振動解析を行い、振動の減衰率を特徴データとして算出する。

このようにして解析部１１０が各時系列データを解析して算出された特徴データは、比較判定部１２０により基準加工データ記憶部２００に記憶された基準加工データと比較される。基準加工データ記憶部２００には、予め理想的な加工環境において上記と同様にベンチマーク動作時にホルダ部測定センサ３Ａ、主軸部測定センサ３Ｂ、テーブル部測定センサ３Ｃで測定された時系列データに対して解析を行って得られた各時系列データに関する特徴データが、基準加工データとして記憶されている。図７は、基準加工データ記憶部２００に記憶された、理想的な加工環境において主軸回転時に主軸部測定センサ３Ｂにより測定された時系列データを解析して算出された特徴データ（基準加工データ）の例である。

比較判定部１２０は、それぞれの時系列データについて、例えば図８に例示されるように、測定データ記憶部２１０に記憶された時系列データから算出された特徴データに含まれる所定の周波数Ｓ_iのパラメータと、これに対応する基準加工データ記憶部２００に記憶された基準加工データに含まれる所定の周波数Ｆ_iのパラメータとをそれぞれベクトルに見立てた場合の距離Ｄ_iと、予め定めた所定の閾値Ｔｈ１〜とを比較し、その比較結果に基づいて該周波数おけるスコアＸ_iを算出し、特徴データに含まれるすべての周波数に付与されたスコアの平均を算出することで、該時系列データのスコアＸを算出する。比較判定部１２０は、所定の周波数Ｓ_iのパラメータと所定の周波数Ｆ_iのパラメータとの距離を求める際に、それぞれのパラメータにおける差分の自乗に対して重みを付けるようにしても良い。また、測定データ記憶部２１０に記憶された時系列データから算出された特徴データに含まれる所定の周波数Ｓ_iに対応する周波数の特徴データが基準加工データ記憶部２００に記憶されていない場合には、その周波数のスコアＸ_iを０とするようにしても良い。なお、テーブル動作時にテーブル部測定センサ３Ｃで測定された時系列データについては、減衰率という１つのパラメータを要素とした１次元ベクトルとして、上記と同様の演算をすることによりスコアを求めることができる。

そして、比較判定部１２０は、各時系列データに対して算出されたスコアの平均を算出し、例えば図９に例示される判定基準に基づいて加工環境の評価を行う。図９に例示されるＡ〜Ｅの各評価は、例えばＡは高品位加工が可能、Ｂ以上で仕上げ加工が可能、Ｃ以上で通常の加工が可能、Ｄ以上で荒加工が可能、Ｅ以下で加工に適さない、といったように、該加工環境において可能な加工内容に対応付けて評価するようにしても良い。

比較判定部１２０が判定した評価結果は、表示部１３０により表示装置７０に対して表示される。表示部１３０が表示する評価結果は、「加工環境の評価：Ｄ荒加工が可能です」といったような、加工環境に関する総合的な評価を表示するようにしてもよく、これに加えて、ホルダ部、主軸部、テーブル部のそれぞれに付与されたスコアＸを個別に表示したり、また、周波数毎に算出されたスコアＸ_iを併せて表示したりするようにしても良い。更に、過去に算出された各スコアの履歴をグラフ表示するようにしても良い。作業者は、この表示を見ながら現在の加工環境がこれから行う加工に適しているのか否かを判断し、また、改善する場合には表示されたスコア（例えば、周波数毎のスコア）を見ながら、振動の原因を推測して問題に対処することが可能となる。また、過去に算出された各スコアの履歴のグラフ表示を確認することで、経年劣化等に対する修理の判断等も容易に行うことができるようになる。

図１０は、本発明の第２実施形態による加工環境測定装置１の概略的な機能ブロック図である。図１０に示した各機能ブロックは、図１に示した加工環境測定装置１が備えるＣＰＵ１１がシステム・プログラムを実行し、加工環境測定装置１の各部の動作を制御することにより実現される。

本実施形態の加工環境測定装置１は、第１実施形態で説明した各機能手段に加えて、更に、原因推定部１４０を備え、また、予め各部で検出された振動に原因に関連するガイダンスを関連付けた原因推定データを記憶している原因推定データ記憶部２２０が不揮発性メモリ１４上に確保されている。

原因推定部１４０は、比較判定部１２０による判定結果に基づいて原因推定データ記憶部２２０に記憶された原因推定データを参照し、振動の原因に関連するガイダンスを表示する機能手段である。原因推定部１４０が参照する原因推定データ記憶部２２０には、例えば図１１に例示されるように、振動発生部位の組と、主要な周波数成分の範囲乃至組に対して、振動の原因であると推定される事項を示すガイダンスが関連付けられた原因推定データが記憶されている。原因推定部１４０は、比較判定部１２０による判定結果から、スコアの低い部位（振動が発生していると考えられる部位）、及び、スコアが低い周波数を抽出し、これを原因推定データ記憶部２２０に記憶されている原因推定データと対比して、該当すると思われるガイダンスを読み出し、比較判定部１２０による判定結果と共に表示部１３０に出力する。

原因推定データ記憶部２２０に記憶する原因推定データは、予め振動の原因となる部分にわざと問題を生じさせた上で、その時の振動発生部位及び振動の主要な周波数成分を確認し、その確認結果に基づいて作成するようにすれば良い。例えば、制御盤内のファンＡ乃至Ｂを経年劣化したものに取り替えて動作させた上で、ベンチマーク動作を行った場合、その振動は微弱なものであるため、ホルダ部にのみ振動が発生し、その周波数はファンＡの回転速度に依存することが確認できる。このような確認作業（実験）を繰り返し行うことで作成した原因推定データを、原因推定データ記憶部２２０に予め記憶しておき、原因推定部１４０による振動原因の推定に利用することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１加工環境測定装置
２加工機
３センサ
３Ａホルダ部測定センサ
３Ｂ主軸部測定センサ
３Ｃテーブル部測定センサ
１１ＣＰＵ
１２ＲＯＭ
１３ＲＡＭ
１４不揮発性メモリ
１８，１９，２０，２１インタフェース
２２バス
７０表示装置
７１入力装置
１００データ取得部
１１０解析部
１２０比較判定部
１３０表示部
１４０原因推定部
２００基準加工データ記憶部
２１０測定データ記憶部
２２０原因推定データ記憶部

Claims

加工機における加工への振動の影響を測定する加工環境測定装置であって、
予め理想的な加工環境で測定された振動の時系列データに基づいて算出された基準加工データを記憶した基準加工データ記憶部と、
少なくとも前記加工機の主軸に取り付けられたホルダの振動を測定するホルダ部測定センサにより検出された該ホルダの振動の時系列データを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部が取得した時系列データを解析し、該時系列データの特徴を示す特徴データを算出する解析部と、
前記解析部が算出した前記時系列データの特徴を示す特徴データと、前記基準加工データ記憶部に記憶された基準加工データとを比較し、前記加工機の加工環境を判定する比較判定部と、
前記比較判定部による判定の結果として、前記加工機の各部位について、検出された振動の周波数成分毎に、時系列データの特徴を示す特徴データ間の距離に基づいて算出されたスコアを表示する表示部と、
を備えた加工環境測定装置。
前記データ取得部は、更に、前記加工機の主軸の振動を測定する主軸部測定センサにより検出された該主軸の振動の時系列データ、及び、前記加工機のテーブルの振動を測定するテーブル部測定センサにより検出された該テーブルの振動の時系列データ、の少なくともいずれかを取得する、
請求項１に記載の加工環境測定装置。
前記解析部は、スペクトル解析により時系列データの特徴を示す特徴データを算出する、
請求項１または２に記載の加工環境測定装置。
予め振動が検出された部位及び該振動の主要な周波数成分に対して該振動の原因に関係するガイダンスを関連付けた原因推定データを記憶する原因推定データ記憶部と、
前記解析部による解析の結果に基づいて、前記原因推定データ記憶部を参照することにより振動の原因を推定する原因推定部と、
を更に備え、
前記表示部は、更に前記原因推定部が推定した振動の原因の推定結果を表示する、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の加工環境測定装置。