JP7022101B2

JP7022101B2 - 工作機械

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Publication number: JP7022101B2
Application number: JP2019145728A
Authority: JP
Inventors: 圭六人部; 昇黒髪
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: JP2020157468A

Description

本発明は、工作機械に関する。

工作機械において、工具交換等のタイミングで、切粉等の異物がホルダに噛み込むことがある。異物の噛み込みは、主軸の振れに繋がり、位置ずれや、芯ずれ、いびつな加工面等の加工不良の原因となることがある。

図１は、加工工具５１を保持する工具ホルダ５２のテーパ部５３への異物５４の噛み込みを示す図である。図１に示すように、異物５４の噛み込みにより工具５１が偏心することにより、主軸回転時の偏重心が発生することで加工不良の原因となる。

また、工具ホルダ５２への異物の噛み込みのみならず、例えば、テーパ部の摩耗による加工工具５１の装着不良、工具チャックの不良、加工工具５１の破損や曲がりにより、工具ホルダ５２に保持された加工工具５１の振れが発生することがある。

工作機械において加工工具の振れを検知するため、ホルダにおける加工工具の保持箇所付近にセンサを設置し、当該センサで加工工具の振れを直接検知する技術が知られている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２０１７－００７０３０号公報特開平０８－１９７３８４号公報

しかし、加工工具の振れを検知するセンサを後付けで設置する場合、設置台数分のコスト、設置時の配線、加工液等によるセンサの劣化等、懸念される点が複数存在する。
したがって、加工工具の振れを検知するセンサの追加を要することなく、加工工具の振れを検知することが可能な工作機械が望まれている。

本開示の一態様は、ワークの切削加工を行う工作機械であって、前記切削加工に用いる工具を装着したホルダを回転する主軸と、前記ホルダ及び／又は前記ワークが載置される載置台を移動させる１軸以上の移動軸と、前記主軸及び／又は前記移動軸の駆動トルクを測定するトルク測定部と、正常時に主軸回転による空運転を実行することにより測定される前記駆動トルクを基準値とする基準値算出部と、実加工前に主軸回転による空運転を実行することにより測定される前記駆動トルクを前記基準値と比較するトルク比較部と、前記比較の結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する警報部と、を備える、工作機械である。

一態様によれば、工作機械において、工具の振れを検知するセンサの追加を要することなく、工具の振れを検知することが可能となる。

工具ホルダのテーパ部への異物の噛み込みを示す図である。一実施形態に係る工作機械とワークを載置するワーク台とを示す図である。一実施形態の工作機械における主軸の移動機構を示す図である。正常時の駆動トルクの時系列変化を示すグラフである。異常時の駆動トルクの時系列変化を示すグラフである。一実施形態に係る工作機械の機能ブロック図である。一実施形態に係る工作機械の動作を示すフローチャートである。一実施形態に係る工作機械の機能ブロック図である。一実施形態に係る工作機械の動作を示すフローチャートである。一実施形態における空運転時の主軸の回転数と反力トルクとの関係を示すグラフである。一実施形態における空運転時の主軸の回転数と反力トルクとの関係を示すグラフである。一実施形態に係る工作システムの全体構成を示す図である。一実施形態に係る工作システムに含まれる機械学習装置の機能ブロック図である。一実施形態に係る工作システムに含まれる機械学習装置の動作を示すフローチャートである。

〔１第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図２～図７を参照することにより説明する。図２は、本実施形態に係る工作機械とワークを載置するワーク台とを示す図である。図３は、図２に示す工作機械における主軸のＺ軸方向への移動機構を示す図である。図４は、正常時の駆動トルクの時系列変化を示すグラフである。図５は、異常時の駆動トルクの時系列変化を示すグラフである。図６は、本実施形態に係る工作機械の機能ブロック図である。図７は、本実施形態における工作機械の動作を示すフローチャートである。

〔１．１発明の概要〕
最初に第１実施形態に係る発明の概要について、図２～図５を参照することにより説明する。なお、図２において、工作機械１０は、主軸と、主軸を支える移動軸であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有するものとする。また、主軸を回転するホルダ１１に加工工具１２が装着され、加工工具１２が回転することにより、ワーク台２０に載置される冶具２１に固定されたワーク２２が加工されるとする。

また、図３において、工作機械１０のホルダ１１及び加工工具１２は、移動軸駆動モータ１３が回転し、当該回転がタイミングベルト１４によって、Ｚ軸直線移動用のボールねじ１５に伝達してボールねじ１５が回転する。ボールねじ１５が回転することにより、ボールねじ１５に係合するナット１６がボールねじ１５の軸方向に移動することで、ナット１６に固定されるホルダ１１が、Ｚ軸方向の直線案内軸受け１６Ａ及び１６Ｂに沿ってＺ軸方向に移動する。これにより、主軸及び主軸周りに回転する加工工具１２が、Ｚ軸方向に移動する。

図１を参照して上述したように、ホルダ１１のテーパ部に異物が噛み込むことにより、加工工具１２が偏心すると、図２において、主軸回転時の偏重心の原因となり、主軸を支える移動軸であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に反力が生じる。反力は主軸の回転に同期し、図３における移動軸駆動モータ１３の反力トルクとなる。
より詳細には、図３において、主軸回転に同期した反力が発生すると、この反力は、主軸を中心に回転する加工工具１２を支えるホルダ１１を介して、ボールねじ１５に伝達し、更にタイミングベルト１４を介して、移動軸駆動モータ１３の反力トルクとなる。

図４に示すように、正常時の駆動トルクは、微小な幅で変化するものの、基本的には所定値を保つが、上記のように、主軸回転に同期した偏重心による振れ回りにより、図５に示すように反力トルクが発生し、駆動トルクは主軸１回転に同期する周期の波状となる。なお、この偏重心による振れ回りは、テーパ部への切粉の噛み込み、テーパ部の摩耗による加工工具の偏心、チャックの不良、加工工具の破損や曲がりによって発生する。

移動軸駆動モータ１３の駆動トルクに含まれる反力トルクの成分は、加工中には、加工自体の反力によって大きな力が生じるため、駆動トルクの中に埋もれてしまい、測定が難しい。

そこで、加工開始前に加工工具１２をワーク２２に接触させず、加工しない状態で、主軸を一定の回転数による空回転で回転させて、移動軸駆動モータ１３の駆動トルクを測定する。

正常時には、偏重心に起因する振れ回りによって反力トルクが発生することがないため、この時の移動軸の駆動トルクを正常時の基準とする。正常時の基準を設定した上で、実加工開始前に、主軸を一定の回転数による空回転で回転させて、移動軸駆動モータ１３の駆動トルクを測定し、この駆動トルクを正常時の基準と比較することにより、加工工具１２の振れに係る異常を検知し、異常の場合には警報を発報する。

とりわけ、工作機械１０の主軸は、加工精度を確保する観点から滑らかに回転するように設計され、組み立てられていることが多い。このため、正常時の駆動トルクに生じる変動成分、すなわち、偏重心が発生した場合の振れ回りに伴う周期成分に対する外乱成分は小さいと考えられることがある。

本実施形態においては、これを前提として、主軸の回転数を一定とした状態で、実加工前の空回転により発生する駆動トルクの変動幅（図５のａ_１）を、正常時の変動幅である基準値と比較してもよい。あるいは、当該駆動トルクの最大値（図５のａ_２）を、正常時の最大値である基準値と比較してもよい。

また、比較方法としては、正常時の空回転により発生する駆動トルクの変動幅である基準値と、実加工前の空回転により発生する駆動トルクの変動幅との差分を求めた上で、当該差分の絶対値と、基準値の２０％等の値の閾値とを比較してもよい。あるいは、正常時の空回転により発生する駆動トルクの最大値である基準値と、実加工前の空回転により発生する駆動トルクの最大値との差分を求めた上で、当該差分の絶対値と、基準値の２０％等の値の閾値とを比較してもよい。外乱による変動成分にマージンを設けることにより、異常の誤検知を少なくすることが可能となる。

〔１．２発明の構成〕
図６は、工作機械１０の機能ブロック図である。工作機械１０は、図６に示すように、加工工具が取り付けられて主軸モータ１１２で回転する主軸１１１と、この主軸１１１を送り出す移動軸１１６とによって加工を行う。すなわち、この加工工具は、主軸１１１を駆動する主軸モータ１１２により回転し、移動軸１１６を駆動する移動軸モータ１１７によって送り出される。なお、実施例では、工作機械１０を切削機械として説明することがあるが、これに限定されない。

工作機械１０は、上記の主軸１１１、主軸モータ１１２、移動軸１１６、移動軸モータ１１７に加え、モータ制御回路１３０、モータ駆動アンプ１３１Ａ及び１３１Ｂ、制御部１５０を備える。
モータ制御回路１３０は、主軸モータ１１２及び移動軸モータ１１７を駆動する動作指令を作成する。モータ駆動アンプ１３１Ａは、動作指令を増幅して主軸モータ１１２に出力する。モータ駆動アンプ１３１Ｂは、動作指令を増幅して移動軸モータ１１７に出力する。

制御部１５０は、工作機械１０の全体を制御する部分であり、各種プログラムを、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ又はハードディスク（ＨＤＤ）等の記憶領域から適宜読み出して実行することにより、本実施形態における各種機能を実現している。制御部１５０は、ＣＰＵであってよい。制御部１５０は、トルク測定部１５１、基準値算出部１５２、トルク比較部１５３、及び警報部１５４を備える。

トルク測定部１５１は、主軸１１１及び移動軸１１６の駆動トルクを測定する。トルク測定部１５１は、例えば、主軸モータ１１２及び移動軸モータ１１７を駆動させるための負荷電流を元に駆動トルクを算出してもよい。あるいは、トルク測定部１５１は、主軸１１１及び移動軸１１６に備わる磁歪式トルクセンサにより、駆動トルクを測定してもよい。

基準値算出部１５２は、正常時に、工作機械１０で主軸回転により空運転を実行した際に、トルク測定部１５１によって測定される駆動トルクを基準値とする。上記のように、基準値算出部１５２は、正常時の駆動トルクの最大値を基準値としてもよく、駆動トルクの振れ幅を基準値としてもよい。

トルク比較部１５３は、実加工前に、工作機械１０で主軸回転による空運転を実行することにより測定される駆動トルクを基準値と比較する。より詳細には、トルク比較部１５３は、実加工前に測定される駆動トルクと基準値との差分の絶対値が閾値を超えるか否かを判定することにより、実加工前の駆動トルクと基準値とを比較してもよい。この閾値としては、基準値の値の所定割合、例えば基準値の２０％の値を用いてもよい。

警報部１５４は、トルク比較部１５３による比較結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する。より詳細には、トルク比較部１５３によって、実加工前の駆動トルクと基準値との差分の絶対値が閾値を超えたと判定された際に、警報部１５４は警報を発報してもよい。

〔１．３発明の動作〕
図７は、工作機械１０の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１１において、工作機械１０は、モータ制御回路１３０の制御により、正常時に主軸の回転による空運転を実行する。

ステップＳ１２において、トルク測定部１５１が駆動トルクを測定し、基準値算出部１５２が、駆動トルクの測定値を基準値とする。

ステップＳ１３において、工作機械１０は、モータ制御回路１３０の制御により、実加工前に主軸の回転による空運転を実行する。

ステップＳ１４において、トルク測定部１５１が駆動トルクを測定する。

ステップＳ１５において、測定値と基準値との差分の絶対値が閾値を超えた場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）には、処理はステップＳ１６に移行する。測定値と基準値との差分の絶対値が閾値以下の場合（Ｓ１５：ＮＯ）には、処理を終了する。

ステップＳ１６において、警報部１５４は警報を発報する。

〔１．４発明の効果〕
本実施形態に係る工作機械１０は、ワークの切削加工を行う工作機械であって、切削加工に用いる工具を装着したホルダ１１を回転する主軸１１１と、ホルダ１１及び／又はワーク２２が載置される載置台を移動させる１軸以上の移動軸１１６と、主軸１１１及び／又は移動軸１１６の駆動トルクを測定するトルク測定部１５１と、正常時に主軸回転による空運転を実行することにより測定される駆動トルクを基準値とする基準値算出部１５２と、実加工前に主軸回転による空運転を実行することにより測定される駆動トルクを基準値と比較するトルク比較部１５３と、比較の結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する警報部１５４と、を備える。

これにより、工作機械において、工具の振れを検知するセンサの追加を要することなく、工具の振れを検知することが可能となる。

また、空運転時における主軸１１１の回転数を一定値とし、基準値算出部１５２は、正常時の駆動トルクの最大値又は振れ幅を基準値とし、トルク比較部１５３は、切削加工前の駆動トルクの最大値又は振れ幅を基準値と比較してもよい。

これにより、トルク比較部１５３による駆動トルクと基準値との比較を簡便なものとすることができる。

〔２第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図８及び図９を参照することにより説明する。図８は、本実施形態に係る工作機械の機能ブロック図である。図９は、本実施形態における工作機械の動作を示すフローチャートである。

〔２．１発明の概要〕
最初に第２実施形態に係る発明の概要について説明する。

第１実施形態においては、主として、偏重心が発生した場合の振れ回り周期成分に対する外乱成分が小さいことを前提とし、駆動トルクの変動幅又は駆動トルクの最大値を、正常時の基準値と比較した。

一方、第２実施形態においては、主軸の回転数を任意に設定した一定回転数とすると、原理的に振れ回り偏心反力の周波数が主軸回転数となるため、移動軸に発生するトルクの周波数分析をすることにより、主軸回転数に同期した特定の周波数成分のみ抽出し、その値を正常時の基準値と比較する。これにより、駆動トルクのうち、駆動系のベアリング等の要素から発生する外乱トルク成分を分離できるため、偏重心が発生した場合の振れ回り周期成分に対する外乱成分が小さいことを前提とする必要がない。
なお、この周波数成分の値としては、例えば振幅値を用いることが可能である。振幅値としては、ピーク振幅、振幅の実効値（ＲＭＳ）、パワー、パワースペクトル密度（ＰＳＤ）を用いてもよい。
周波数成分の値として振幅値を用いた上で、実加工開始前の測定値を正常時の基準値と比較することにより、加工工具の振れに起因する主軸回転時の偏重心を検知することが可能となる。

〔２．２発明の構成〕
図６は、工作機械１０Ａの機能ブロック図である。なお、以下では主として、工作機械１０Ａと工作機械１０との相違点について記載し、共通する構成要素については、基本的に説明を省略する。

工作機械１０Ａは、工作機械１０とは異なり、制御部１５０の代わりに制御部１５０Ａを備える。制御部１５０Ａは、制御部１５０とは異なり、トルク比較部１５３を備えず、その代わりに周波数成分抽出部１５５と周波数成分比較部１５６とを備える。また、制御部１５０Ａは、基準値算出部１５２の代わりに基準値算出部１５２Ａを、警報部１５４の代わりに警報部１５４Ａを備える。

周波数成分抽出部１５５は、トルク測定部１５１によって測定された駆動トルクをＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）解析することにより、主軸１１１の回転数に同期した周波数成分を抽出する。より詳細には、周波数成分抽出部１５５は、トルク測定部１５１によって測定された主軸１１１及び／又は移動軸１１６の駆動トルクに対し、ＦＦＴ演算を施すことにより、駆動トルクのパワースペクトルを求めた上で、主軸１１１の回転数に同期した周波数成分の値を、後述の基準値算出部１５２Ａ及び周波数成分比較部１５６に出力する。
なお、上記のように、この周波数成分の値としては、例えば振幅値を用いることが可能であり、振幅値としては、ピーク振幅、振幅の実効値（ＲＭＳ）、パワー、パワースペクトル密度（ＰＳＤ）を用いてもよい。

基準値算出部１５２Ａは、正常時に、工作機械１０Ａで主軸回転により空運転を実行した際に、周波数成分抽出部１５５によって抽出される周波数成分の値を基準値とする。

周波数成分比較部１５６は、実加工前に、工作機械１０Ａで主軸回転による空運転を実行することにより、周波数成分抽出部１５５によって抽出された周波数成分の値を基準値と比較する。より詳細には、周波数成分比較部１５６は、実加工前に抽出される周波数成分の値と基準値との差分の絶対値が閾値を超えるか否かを判定することにより、実加工前の周波数成分の値と基準値とを比較してもよい。この閾値としては、基準値の値の所定割合、例えば基準値の２０％の値を用いてもよい。

警報部１５４Ａは、周波数成分比較部１５６による比較結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する。より詳細には、周波数成分比較部１５６によって、実加工前の周波数成分の値と基準値との差分の絶対値が閾値を超えたと判定された際に、警報部１５４Ａは警報を発報してもよい。

〔２．３発明の動作〕
図９は、工作機械１０Ａの動作を示すフローチャートである。
ステップＳ２１において、工作機械１０Ａは、モータ制御回路１３０の制御により、正常時に主軸の回転による空運転を実行する。

ステップＳ２２において、トルク測定部１５１が駆動トルクを測定する。
ステップＳ２３において、周波数成分抽出部１５５が、測定された駆動トルクから周波数成分を抽出し、基準値算出部１５２Ａが、抽出された周波数成分の値を基準値とする。

ステップＳ２４において、工作機械１０は、モータ制御回路１３０の制御により、実加工前に主軸の回転による空運転を実行する。

ステップＳ２５において、トルク測定部１５１が駆動トルクを測定する。

ステップＳ２６において、周波数成分抽出部１５５が、測定された駆動トルクから周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分の値を測定値とする。

ステップＳ２７において、測定値と基準値との差分の絶対値が閾値を超えた場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）には、処理はステップＳ２８に移行する。測定値と基準値との差分の絶対値が閾値以下の場合（Ｓ２７：ＮＯ）には、処理を終了する。

ステップＳ２８において、警報部１５４は警報を発報する。

〔２．４発明の効果〕
本実施形態に係る工作機械１０Ａは、ワークの切削加工を行う工作機械であって、切削加工に用いる工具を装着したホルダ１１を回転する主軸１１１と、ホルダ１１及び／又はワーク２２が載置される載置台を移動させる１軸以上の移動軸１１６と、主軸１１１及び／又は移動軸１１６の駆動トルクを測定するトルク測定部１５１と、駆動トルクをＦＦＴ解析して、主軸１１１の回転数に同期した周波数成分を抽出する周波数成分抽出部１５５と、正常時に主軸回転による空運転を実行することにより抽出される周波数成分の値を基準値とする基準値算出部１５２Ａと、実加工前に主軸回転による空運転を実行することにより抽出される周波数成分の値を基準値と比較する周波数成分比較部１５６と、比較の結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する警報部１５４Ａと、を備える。

これにより、偏重心が発生した場合の振れ回り周期成分に対する外乱成分が小さいことを前提としない場合においても、工具の振れを検知するセンサの追加を要することなく、工具の振れを検知することが可能となる。

〔３第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を、図１０を参照することにより説明する。図１０は、本実施形態における空運転時の主軸１１１の回転数と、反力トルクの値との関係を示すグラフである。

〔３．１発明の概要〕
最初に第３実施形態に係る発明の概要について説明する。
偏重心が小さく、反力トルクが小さいために加工に影響はあるものの、反力が外乱に埋もれて、反力トルクの検出が困難なケースも想定される。そのような場合に、主軸１１１を支える機械系における剛性を踏まえた共振点と、偏重心回転を加振として捉えた共振現象を利用することで、偏重心が小さい場合の反力トルクを際立たせることができる。

より具体的には、図１０において、空運転時の主軸回転数が、機械系との共振点に一致したときに、反力トルクにおける回転数周期成分の値がピーク値となる。これを利用して、空回転時の主軸回転数を共振が発生する共振点とすることにより、反力トルクを際立たせることができる。

〔３．２発明の構成及び動作〕
第３実施形態に係る工作機械の構成自体は、基本的に第１実施形態に係る工作機械１０、及び第２実施形態に係る工作機械１０Ａと共通であるため、その説明を省略する。

第１実施形態及び第２実施形態においては、モータ制御回路１３０によって制御される主軸モータ１１２、及び／又は移動軸モータ１１７の回転数を一定値としたが、第３実施形態においては、この回転数を共振が発生する共振点とする。

なお、主軸の回転数を共振点とする際は、予め共振点を見つけておき、空運転時の主軸の回転数を共振点に一致させてもよく、低回転の回転数から、その間に共振点を含むと考えられる高回転の回転数まで回転数を変化させて、その区間での測定値を、図１０に示すａ３に基づく閾値と比較することにより、共振点と一致させてもよい。

〔３．３発明の効果〕
本実施形態においては、空運転時における主軸１１１の回転数を、工作機械１０又は１０Ａにおいて共振が発生する回転数とする。

これにより、反力が外乱に埋もれて、反力トルクの検出が困難なケースにおいても、工具の振れを検知するセンサの追加を要することなく、工具の振れを検知することが可能となる。

〔４．１発明の概要〕
最初に第４実施形態に係る発明の概要について説明する。
第３実施形態においては、基本的には予め共振点を把握した上で、空運転時の主軸の回転数を共振点に一致させていた。一方で、例えば機械系によって異なる剛性や、機械系に取り付けられる工具の種類によって共振点が異なることもあり、共振点を予め把握することが困難な場合がある。

そこで、図１１に示すように、空運転における主軸回転数を低回転の回転数から、高回転の回転数まで上げながら、反力トルクにおける回転数周期成分の値を、正常状態における回転数周期成分の値を上回る閾値と比較し、閾値を超えた所をピークと推定する。その上で、このピークに達した時点の回転数における、基準値と駆動トルクを比較し、この比較結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する。

〔４．２発明の構成及び動作〕
第４実施形態に係る工作機械の構成自体は、基本的に第１実施形態に係る工作機械１０、及び第２実施形態に係る工作機械１０Ａと共通であるため、その説明を省略する。

第１実施形態及び第２実施形態においては、モータ制御回路１３０によって制御される主軸モータ１１２、及び／又は移動軸モータ１１７の回転数を一定値とし、第３実施形態においては、この回転数を共振が発生する共振点としていた。
一方、第４実施形態においては、モータ制御回路１３０によって制御される主軸モータ１１２、及び／又は移動軸モータ１１７の回転数を、低回転の回転数から高回転の回転数まで変化させていき、反力トルクにおける回転数周期成分の値がピークに達したと推定される時点での回転数における基準値と駆動トルクとを比較する。

なお、ピークと推定される箇所が複数存在する場合には、反力トルクにおける回転数周期成分の値がもっとも高い点をピークと推定する。

また、回転数周期成分の値がピークに達したと推定される時点での回転数が確定した後、当該回転数を工具の種類別に記憶部（不図示）に記憶してもよい。これにより、二回目以降の測定時に、最初から、主軸の回転数を工具に紐づけられた回転数に固定した上で、基準値と駆動トルクとを測定することが可能となる。

〔４．３発明の効果〕
本実施形態においては、空運転時における主軸１１１の回転数を、低回転の回転数から高回転数の回転数まで上げながら、共振が発生する回転数を推定する。

これにより、予め共振点が分かっていない場合にも、工具の振れを検知するセンサの追加を要することなく、工具の振れを検知することが可能となる。

〔５第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態を図１２～図１４を参照することにより説明する。図１２は、本実施形態に係る工作システム１の全体構成を示す図である。図１３は、主として、工作システム１に含まれる機械学習装置７０の機能ブロックを示す図である。図１４は、機械学習装置７０の動作を示すフローチャートである。

〔５．１発明の概要〕
第１実施形態～第４実施形態においては、駆動トルクのデータ自体、又は駆動トルクデータから抽出した周波数成分の値を、正常時と異常時とで比較することにより、異常時には警報を発報していた。一方で、第５実施形態においては、正常時の駆動トルクと工作機械１０における加工工具１２の装着状態が正常であることを示すラベルとを組とするデータ、及び、故意に異常を発生させた際の駆動トルクと工作機械１０における加工工具１２の装着状態が異常であることを示すラベルとを組とするデータからなる教師データを用いる機械学習、すなわち「教師あり学習」をする。この教師あり学習により学習モデルを構築し、当該学習モデルを用いて加工工具１２の装着状態を判定して、判定結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する。

〔５．２発明の構成〕
工作システム１は、図１２に示すように、機械学習装置７０と、ｎ台の工作機械１０を備える（ｎは自然数）。

機械学習装置７０と、工作機械１０とは、相互に通信可能に接続されている。なお、機械学習装置７０と、工作機械１０とは、接続インタフェースを介して直接接続されても、ネットワーク４０を介して接続されてもよい。ネットワーク４０は、例えば、工場内に構築されたＬＡＮ（Local Area Network）や、インターネット、公衆電話網、あるいは、これらの組み合わせである。ネットワーク４０における具体的な通信方式や、有線接続及び無線接続のいずれであるか等については、特に限定されない。

機械学習装置７０は、教師あり機械学習により、工作機械１０における加工工具１２の装着状態の異常を検知するための学習モデルを構築する。そのため、図１３に示すように、機械学習装置７０は、入力部７１、ラベル取得部７２、学習部７３、及び学習モデル記憶部７４を備えている。

入力部７１は、工作機械１０から、特徴量として駆動トルクに係るデータを取得する。
ラベル取得部７２は、工作機械１０における加工工具１２の装着状態が正常か異常かを示すラベルを取得する。

学習部７３は、特徴量とラベルとの組を教師データとして教師あり学習を行うことにより、工作機械１０における加工工具１２の装着状態が正常か異常かを検知するための学習モデルを構築し、構築した学習モデルを、工作機械１０の制御部１５０に送信する。学習モデル記憶部７４は、学習部７３が構築した学習モデルを記憶する。

なお、学習部７３は、例として、サポート・ベクター・マシン（Support Vector Machine、以下ＳＶＭともいう）を用いて実現することが可能である。ＳＶＭは公知技術であるのでその詳細な説明は省略するが、教師あり学習（正解データと非正解データが教師データとして与えられる学習）を用いる識別手法の１つであり、識別が優れた学習モデルとして知られており、例えば、未学習データに対して高い識別性能（高い汎化性能）を得られることが知られている。

学習部７３は、上記のラベルとして、加工工具１２の装着状態に係る二値化されたラベルを用いると共に、上記の特徴量を含む空間を、加工工具１２の装着状態が正常か異常かに関して、マージンが最大となるように分離する超平面を算出する。さらに、学習部７３は、この超平面の係数を、工作機械１０が、加工工具１２の装着状態を判定するために用いる学習モデルのパラメータとすることが可能である。

学習モデル記憶部７４は、上記のように、学習部７３が構築した学習モデルを記憶する。

〔５．３発明の動作〕
図１４は、機械学習時の機械学習装置７０の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ３１において、機械学習装置７０の入力部７１は、工作機械１０から特徴量を取得する。より具体的には、機械学習装置７０の入力部７１は、工作機械１０から、加工工具の装着状態が正常時の駆動トルクデータと異常時の駆動トルクデータとを取得する。

ステップＳ３２において、機械学習装置７０のラベル取得部７２は、加工工具の装着状態が正常か異常かを示すラベルを取得する。

ステップＳ３３において、機械学習装置７０の学習部７３は、特徴量とラベルとの組を教師データとして受け付ける。

ステップＳ３４において、機械学習装置７０の学習部７３は、この教師データを用いて機械学習を実行する。

ステップＳ３５において、機械学習装置７０の学習部７３は、機械学習を終了するか、それとも機械学習を繰り返すかを判定する。ここで、機械学習を終了させる条件は任意に定めることができる。例えば、予め定められた回数だけ機械学習を繰り返した場合に、機械学習を終了させるようにしてもよい。

ここで、機械学習を繰り返す場合、処理はステップＳ３１に戻り、機械学習装置７０は同じ動作を繰り返す。一方、機械学習を終了する場合、ステップＳ３６において、機械学習装置７０は、その時点までの機械学習により構築した学習モデルをネットワーク４０経由で各工作機械１０に送信する。

また、機械学習装置７０の学習モデル記憶部７４は、この学習モデルを記憶する。これにより、新たに設置された工作機械１０から学習モデルを要求された場合に、その工作機械１０に学習モデルを送信することができる。また、新たな教師データを取得した場合に、学習モデルに対して更なる機械学習を行うこともできる。

〔５．４発明の効果〕
本実施形態においては、機械学習により構築された学習モデルを、複数の工作機械１０で共有することが可能となる。

〔６その他の実施形態〕
上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記実施形態に本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を施した形態での実施が可能である。

〔６．１変形例１〕
第４実施形態に係る工作システムは、機械学習装置７０と、第１実施形態に係るｎ台の工作機械１０とを備えていたが、これには限定されない。例えば、ｎ台の工作機械１０の代わりに、第２実施形態に係る工作機械１０Ａを備えてもよく、第３実施形態に係る工作機械１０又は１０Ａを備えてもよい。

工作機械１０Ａを備える場合、機械学習装置７０の入力部７１は、工作機械１０から特徴量として、駆動トルクに係るデータの代わりに、周波数成分の値を取得する。

また、工作機械１０又は１０Ａに、機械学習装置７０が組み込まれることにより、工作機械１０又は１０Ａと機械学習装置７０とが一体化していてもよい。

〔６．２変形例２〕
第１実施形態において、トルク測定部１５１は、移動軸１１６の駆動トルクを測定していたが、これには限定されない。例えば、トルク測定部１５１は、移動軸１１６の駆動トルクの代わりに、各軸が静止状態にある際の保持トルクを測定してもよい。なお、この保持トルクは、静摩擦トルクに振れ回りトルクが加算されたものである。

〔６．３変形例３〕
変形例２において、移動軸が停止した状態で反力を測定すると、移動軸駆動系における静摩擦トルク成分の影響から、反力が上手く測定できない場合も想定される。そこで、変形例３として、トルク測定部１５１は、移動軸１１６の駆動トルクや、各軸が静止状態にある際の保持トルクの代わりに、一定速度、例えば１００ｍｍ／ｓｅｃでの低速移動時の駆動トルクを用いてもよい。なお、この駆動トルクは、静摩擦トルクではなく動摩擦トルクに振れ回りトルクが加算されたものである。移動軸をゆっくり動作させることで、動摩擦成分が支配的になるケースでは、反力成分を検知しやすくなる場合がある。

１工作システム
１０１０Ａ工作機械
４０ネットワーク
７０機械学習装置
７１入力部
７２ラベル取得部
７３学習部
７４学習モデル記憶部
１１１主軸
１１３主軸モータ
１１６移動軸
１１７移動軸モータ
１３０モータ制御回路
１３１Ａ１３１Ｂモータ駆動アンプ
１５０１５０Ａ制御部
１５１トルク測定部
１５２１５２Ａ基準値算出部
１５３トルク比較部
１５４１５４Ａ警報部
１５５周波数成分抽出部
１５６周波数成分比較部

Claims

ワークの切削加工を行う工作機械であって、
前記切削加工に用いる工具を装着したホルダを回転する主軸と、
前記ホルダ及び／又は前記ワークが載置される載置台を移動させる１軸以上の移動軸と、
前記主軸及び／又は前記移動軸の駆動トルクを測定するトルク測定部と、
前記ホルダに装着した前記工具が偏心していない正常時に、前記工具を前記ホルダに前記工具を装着した状態で、前記工具を前記ワークに接触させず、加工しない状態で主軸回転による空運転を実行することにより測定される前記駆動トルクを基準値とする基準値算出部と、
前記工具を前記ホルダに装着し実加工する前に、前記工具を前記ホルダに装着した状態で、前記工具を前記ワークに接触させず、加工しない状態で主軸回転による空運転を実行することにより測定される前記駆動トルクを前記基準値と比較するトルク比較部と、
前記比較の結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する警報部と、
を備える、工作機械。
空運転時における前記主軸の回転数を一定値とし、
前記基準値算出部は、正常時の前記駆動トルクの最大値又は振れ幅を前記基準値とし、
前記トルク比較部は、切削加工前の前記駆動トルクの最大値又は振れ幅を前記基準値と比較する、請求項１に記載の工作機械。
空運転時における前記主軸の回転数を一定値とし、
前記トルク測定部は、前記移動軸の各軸が静止状態の保持トルク、又は前記移動軸の各軸が所定値以下の速度で移動する際の前記駆動トルクを測定する、請求項１に記載の工作機械。
ワークの切削加工を行う工作機械であって、
前記切削加工に用いる工具を装着したホルダを回転する主軸と、
前記ホルダ及び／又は前記ワークが載置される載置台を移動させる１軸以上の移動軸と、
前記主軸及び／又は前記移動軸の駆動トルクを測定するトルク測定部と、
前記駆動トルクをＦＦＴ解析して、前記主軸の回転数に同期した周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、
前記ホルダに装着した前記工具が偏心していない正常時に、前記ホルダに前記工具を装着した状態で、前記工具を前記ワークに接触させず、加工しない状態で主軸回転による空運転を実行することにより抽出される前記周波数成分の値を基準値とする基準値算出部と、
前記工具を前記ホルダに装着し実加工する前に、前記ホルダに前記工具を装着した状態で、前記工具を前記ワークに接触させず、加工しない状態で主軸回転による空運転を実行することにより抽出される前記周波数成分の値を前記基準値と比較する周波数成分比較部と、
前記比較の結果に基づいて警報を発報するか否かを決定する警報部と、
を備える、工作機械。
空運転時における前記主軸の回転数を、前記工作機械において共振が発生する回転数とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の工作機械。
空運転時における前記主軸の回転数を、低回転の回転数から高回転の回転数まで変化させながら、前記主軸の反力トルクにおける回転数周期成分の値がピーク値となったことが推定された時点での回転数とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の工作機械。
前記主軸の反力トルクにおける回転数周期成分の値がピーク値となったことが推定された時点での回転数を、前記工具の種別ごとに記憶する記憶部をさらに備え、
空運転時における前記主軸の回転数を、前記記憶部に記憶された回転数とする、請求項６に記載の工作機械。
１台以上の請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の工作機械と、
機械学習装置と、を備える工作システムであって、
前記機械学習装置は、
前記工作機械における前記工具の装着状態が正常と異常のいずれにあるかを示すデータをラベルとして取得するラベル取得部と、
前記工具の装着状態が正常時に測定された前記駆動トルクと前記装着状態が正常であることを示す前記ラベルとの組、及び、前記工具の装着状態が異常時に測定された前記駆動トルクと前記装着状態が異常であることを示す前記ラベルとの組を教師データとして教師あり学習を行うことにより、前記工具の装着状態の識別を行う学習モデルを構築する学習部とを更に備える、工作システム。
前記機械学習装置が、前記工作機械に組み込まれて一体化している、請求項８に記載の工作システム。