JP7096455B1 - 観測装置および観測方法 - Google Patents

Abstract

主軸（１８）と、主軸（１８）が回転可能に固定され、主軸（１８）の軸方向に直交する方向に移動する移動体（２２）とを備える工作機械（１４）の、主軸（１８）のバランス状態を観測する観測装置（１２）は、回転する主軸（１８）の回転角度を取得する第１の取得部（４４）と、主軸（１８）が回転しているときの移動体（２２）の移動状態を示す移動情報を取得する第２の取得部（４６）と、主軸（１８）の回転角度の各々と移動情報とを対応付けて表示部（３４）に表示させる出力生成部（４８）と、を備える。

Description

本発明は、工作機械の主軸のバランス状態を観測する観測装置および観測方法に関する。

特開平０３－２５１０６６号公報には、フィールドバランサが記載されている。フィールドバランサは、回転駆動する測定対象のバランス状態を測定するための装置である。測定対象は例えばモータ（モータのシャフト）である。

工作機械（例えば、旋盤機）のオペレータは、例えば工作機械の主軸のバランス状態を測定するために、フィールドバランサを使用する。ここで、オペレータは、フィールドバランサ（加速度ピックアップセンサ）を工作機械に取り付ける。しかし、フィールドバランサを工作機械に取り付ける作業は、手間と時間とがかかる。また、フィールドバランサによる主軸のバランス状態の観測精度は、工作機械へのフィールドバランサの取り付け方と、フィールドバランサの取り付け位置とに依存する。したがって、誰もが安定した観測精度で主軸のバランス状態を調べることは難しい。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の第１の態様は、工作機械の主軸のバランス状態を観測する観測装置であって、前記工作機械は、前記主軸と、前記主軸が回転可能に固定され、前記主軸の軸方向に直交する方向に移動する移動体とを備え、前記観測装置は、回転する前記主軸の回転角度を取得する第１の取得部と、前記主軸が回転しているときの前記移動体の移動状態を示す移動情報を取得する第２の取得部と、前記主軸の回転角度の各々と前記移動情報とを対応付けて表示部に表示させる出力生成部と、を備える。

本発明の第２の態様は、工作機械の主軸のバランス状態を観測する観測方法であって、前記工作機械は、前記主軸と、前記主軸が回転可能に固定され、前記主軸の軸方向に直交する方向に移動する移動体とを備え、前記観測方法は、回転する前記主軸の回転角度を取得する第１の取得ステップと、前記主軸が回転しているときの前記移動体の移動状態を示す移動情報を取得する第２の取得ステップと、前記主軸の回転角度の各々と前記移動情報とを対応付けて表示部に表示させる出力生成ステップと、を含む。

本発明の態様によれば、フィールドバランサによらず工作機械の主軸のバランス状態が観測される。

図１は、実施の形態の観測システムの構成図である。 図２は、実施の形態の観測装置の構成図である。 図３は、第１の取得部が取得する主軸の時間軸上の回転角度を例示するグラフである。 図４は、第２の取得部が取得する移動体の位置偏差の位相を示すグラフである。 図５は、実施の形態の観測装置が観測した主軸のバランス状態の観測結果を例示する図である。 図６は、実施の形態の観測方法の流れを例示したフローチャートである。 図７は、変形例４の観測システムの構成図である。 図８は、変形例５の観測装置の構成図である。 図９は、移動体の位置偏差の時間推移を例示するグラフである。 図１０は、変形例６の観測装置の構成図である。 図１１は、主軸の回転角度と、補正部による補正前後の位置偏差との時間軸上の位相を例示するグラフである。 図１２は、記憶部が記憶する補正量を説明するためのグラフである。 図１３は、変形例７の観測装置の構成図である。 図１４は、変形例７の観測装置が観測した主軸のバランス状態の観測結果を例示する図である。

［実施の形態］
図１は、実施の形態の観測システム１０の構成図である。

観測システム１０は、工作機械１４と、制御装置１６と、観測装置１２と、を有する。制御装置１６は、工作機械１４を制御可能に工作機械１４と接続される。制御装置１６と観測装置１２とは通信可能に相互に接続される。

工作機械１４は、例えば旋盤機である。工作機械１４は、主軸１８と、主軸モータ２０と、移動体２２と、送り軸モータ２４と、を備える。主軸１８は軸Ａ_１８を中心に回転する（図１参照）。主軸モータ２０は、スピンドルモータである。主軸モータ２０は、主軸１８を回転させる。主軸モータ２０には、駆動電流が供給される。これにより、主軸モータ２０が駆動する。主軸１８は主軸モータ２０の駆動に応じて回転する。

主軸モータ２０には、第１の検出器２６が設けられる。第１の検出器２６は、例えばロータリエンコーダである。第１の検出器２６は、主軸モータ２０のシャフトの回転角度に応じた信号を出力する。第１の検出器２６は、その信号を、主軸アンプ３２Ａにフィードバックする。なお、主軸アンプ３２Ａは後述される。

移動体２２は、移動方向Ｄ_２２に沿って主軸１８を移動させる。移動方向Ｄ_２２は、軸Ａ_１８の延在方向に直交する方向である（図１参照）。移動体２２は、不図示の変換機構を介して送り軸モータ２４に接続される。この不図示の変換機構は、例えばボールねじ機構である。不図示の変換機構は、送り軸モータ２４が生じる回転力を、移動方向Ｄ_２２の直動力に変換して移動体２２に伝達する。移動体２２は、不図示の変換機構から伝達される直動力に応じて、移動方向Ｄ_２２に沿って移動する。主軸１８は、移動体２２に回転可能に固定（支持）される。したがって、移動体２２が移動方向Ｄ_２２に移動すると、主軸１８も一緒に移動方向Ｄ_２２に移動する。

送り軸モータ２４は、移動体２２の移動を制御するためのサーボモータである。送り軸モータ２４には、駆動電流が供給される。これにより、送り軸モータ２４のシャフトが回転駆動する。その結果、送り軸モータ２４は、前述の回転力を生じる。なお、送り軸モータ２４は、移動体２２の位置を維持させる場合にも、駆動電流の供給を受ける。

送り軸モータ２４には、第２の検出器２８が設けられる。第２の検出器２８は、例えばロータリエンコーダである。第２の検出器２８は、送り軸モータ２４のシャフトの回転角度に応じた信号を出力する。第２の検出器２８は、その信号を、送り軸アンプ３２Ｂにフィードバックする。なお、送り軸アンプ３２Ｂは後述される。

工作機械１４は、送り軸モータ２４を複数備えてもよい。その場合、複数の送り軸モータ２４は、互いに異なる方向に沿って、移動体２２を移動させてもよい。送り軸モータ２４は、リニアモータであってもよい。その場合、送り軸モータ２４は直動軸を有する。また、第２の検出器２８は、送り軸モータ２４の直動軸の位置を検出する。送り軸モータ２４の直動軸の位置を検出する第２の検出器２８は、例えばリニアエンコーダである。送り軸モータ２４がリニアモータである場合、送り軸モータ２４は直動力を生じる。その場合、前述の変換機構は不要である。

制御装置１６は、工作機械１４をフィードバック制御する数値制御装置である。制御装置１６は、指令部（プロセッサ）３０とアンプ３２とを備える。指令部３０は、主軸モータ２０と、送り軸モータ２４とを数値制御するための制御指令を生成する。また、指令部３０は、生成した制御指令をアンプ３２に出力する。なお、指令部３０は、観測制御指令４１に基づく指令を観測装置１２から受けてもよい（詳細は後述）。この場合、指令部３０は、観測制御指令４１に基づく制御指令をアンプ３２に出力する。

アンプ３２は、主軸アンプ３２Ａと、送り軸アンプ３２Ｂと、を有する。主軸アンプ３２Ａは、指令部３０と主軸モータ２０とに接続される駆動装置である。主軸アンプ３２Ａは、指令部３０の制御指令と、主軸モータ２０のシャフトの回転角度とに基づいて、主軸モータ２０に駆動電流を供給する。なお、主軸モータ２０のシャフトの回転角度は、第１の検出器２６の出力信号に基づいて算出される。送り軸アンプ３２Ｂは、指令部３０と送り軸モータ２４とに接続される駆動装置である。送り軸アンプ３２Ｂは、指令部３０の制御指令と、送り軸モータ２４の回転角度とに基づいて、送り軸モータ２４に駆動電流を供給する。なお、送り軸モータ２４の回転角度は、第２の検出器２８の出力信号に基づいて算出される。

工作機械１４と、制御装置１６との説明は以上である。続いて、観測装置１２が以下に説明される。

図２は、実施の形態の観測装置１２の概略構成図である。

観測装置１２は、主軸１８のバランス状態を観測するための電子装置（コンピュータ）である。以下に詳細に説明されるが、観測装置１２は、主軸１８の回転角度と、移動体２２の移動状態を示す情報（移動情報）とを時間軸で対応付けることで、主軸１８のバランス状態を観測する。

観測装置１２は、移動情報を取得する。移動情報は、具体的には例えば移動体２２の位置偏差である。なお、制御装置１６は、送り軸モータ２４をフィードバック制御している。移動体２２の位置偏差は、一般的に、フィードバック制御の過程で算出される。したがって、観測装置１２は、制御装置１６から移動体２２の位置偏差を取得可能である。

移動情報は、主軸１８から伝わる振動の影響を受けた偏差成分を多く含むと好ましい。したがって、観測装置１２は、制御装置１６が移動体２２を静止させるために送り軸モータ２４を制御している状態で、移動情報を取得すると好ましい。

以上の予備的説明を踏まえ、図５に例示される観測結果を得ることが可能な観測装置１２の構成例が以下に説明される。観測装置１２は、表示部３４と、操作部３６と、記憶部３８と、演算部４０と、を備える。

表示部３４は、画面を有する表示装置である。画面は、例えば液晶の画面である。画面には情報が適宜表示される。例えば画面には、図５の観測結果が表示される。

操作部３６は、情報入力を受け付ける入力装置である。操作部３６は、例えばキーボードと、マウスと、タッチパネルとを有する。ただし、操作部３６は、操作盤を有してもよい。タッチパネルは、例えば表示部３４の画面に設置される。オペレータは、操作部３６を介して、例えばバランス状態の観測の開始を観測装置１２に指示することができる。

記憶部３８は、情報を記憶するメモリを有する。記憶部３８は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）とを有する。記憶部３８は、観測制御指令４１と、所定の観測プログラム４２と、を記憶する。

観測制御指令４１は、制御装置１６に指示するための指令内容を含む情報である。観測制御指令４１は、主軸１８を回転させるための指令を含む。また、観測制御指令４１は、移動体２２の位置を予め決められた位置に維持させるための指令をさらに含むと好ましい。

観測プログラム４２は、本実施の形態の観測方法を観測装置１２に実行させるためのプログラムである。観測方法の詳細は後述される。

演算部４０は、情報を演算により処理するプロセッサを有する。演算部４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）とを有する。

演算部４０は、指令出力部４３と、第１の取得部４４と、第２の取得部４６と、出力生成部４８と、を備える。指令出力部４３と、第１の取得部４４と、第２の取得部４６と、出力生成部４８との各々は、演算部４０が観測プログラム４２を実行することにより実現される。

指令出力部４３は、少なくとも観測制御指令４１を含む指令を制御装置１６に出力する。これにより、制御装置１６は、主軸１８を回転させるために主軸モータ２０を制御する。ここで、制御装置１６は、主軸モータ２０のシャフトの回転速度を一定の加速度で徐々に上昇させてもよい。また、制御装置１６は、主軸モータ２０のシャフトの回転速度を段階的に上昇させてもよい。また、制御装置１６は、移動体２２の位置を予め決められた位置に維持させるために送り軸モータ２４を制御する。例えば、移動体２２の位置が予め決められた位置からずれた場合、制御装置１６は、移動体２２を予め決められた位置に移動させる。

第１の取得部４４は、主軸１８の回転角度を取得する。なお、主軸１８の回転角度と主軸モータ２０のシャフトの回転角度とは一致する。ここで、制御装置１６は、主軸モータ２０をフィードバック制御するために、主軸モータ２０のシャフトの回転角度を算出する。したがって、第１の取得部４４は、制御装置１６から主軸モータ２０のシャフトの回転角度を取得してもよい。これにより、第１の取得部４４は、主軸１８の回転角度を実質的に取得する。

記憶部３８は、取得された主軸１８の回転角度を記憶する。

図３は、第１の取得部４４が取得する主軸１８の時間軸上の回転角度を例示するグラフである。

図３に例示されるグラフは、主軸１８の回転角度の位相（ＲＡ）を示す。図３のグラフは、回転角度を示す縦軸と、時間を示す横軸とを有する。なお、図３において、回転角度の範囲は、０度～３６０度（主軸１８の１回転分）である。ただし、回転角度の範囲はこれに限定されない。

第２の取得部４６は、制御装置１６から移動情報を取得する。ここで、制御装置１６は、移動体２２を予め決められた位置に静止させるために送り軸モータ２４を制御している。したがって、移動情報は、主軸１８から伝わる振動の影響を受けた偏差成分を多く含む。

図４は、第２の取得部４６が取得する時間軸上の位置偏差を例示するグラフである。

図４に例示されるグラフは、移動体２２の位置偏差（Ｐｄ）の位相を示す。図４のグラフは、位置偏差を示す縦軸と、時間を示す横軸とを有する。移動体２２の位置偏差は、移動体２２の振動に応じて変動する。この振動は、主軸１８から移動体２２に伝達する。つまり、主軸１８は、回転することで振動を生じる。ここで、主軸１８の振動量は、主軸１８のバランス状態に応じて変わる。したがって、位置偏差の推移は、主軸１８のバランス状態の変化を間接的に示す。

出力生成部４８は、主軸１８の回転角度と、移動情報（移動体２２の位置偏差）とに基づいて、観測結果（図５）を生成する。また、出力生成部４８は、生成した観測結果を表示部３４に出力する。より詳細に、出力生成部４８は、生成部５０と、出力部５２と、を有する。

図５は、実施の形態の観測装置１２が観測した主軸１８のバランス状態の観測結果を例示する図である。

生成部５０は、主軸１８の回転角度（図３）と、移動体２２の位置偏差（図４）とを、時間軸上において互いに対応付ける。すなわち、互いに同時刻において検出された回転角度と位置偏差とが、対応付けられる。これにより、生成部５０は、観測結果（図５）を生成する。図５の例示において、主軸１８の回転に伴う位置偏差（Ｐｄ）の推移は極座標形式で表示される。

図５において、原点からの距離が位置偏差の大きさを示す。Ｐｄ０は、位置偏差の基準値である。つまり、Ｐｄ０において、位置偏差はゼロである。

出力部５２は、生成部５０が生成した観測結果を表示部３４に出力する。オペレータは、表示される観測結果を観察する。これにより、オペレータは、主軸１８の回転に伴う移動体２２の位置偏差の変化を把握することができる。すなわち、オペレータは、回転する主軸１８のバランス状態の変化を容易に把握することができる。

観測装置１２の構成例の説明は以上である。続いて、観測装置１２により実行される観測方法が以下に説明される。

図６は、実施の形態の観測方法の流れを例示したフローチャートである。

本実施の形態の観測方法は、指令出力ステップ（Ｓ１）と、第１の取得ステップ（Ｓ２）と、第２の取得ステップ（Ｓ３）と、判定ステップ（Ｓ４）と、出力生成ステップ（Ｓ５）と、を含む。

まず、観測装置１２は、指令出力ステップを実行する。指令出力ステップでは、指令出力部４３が、制御装置１６に指令を出力する。この指令は、観測制御指令４１の内容を含む。これにより、主軸１８は回転を開始する。また、移動体２２の位置は、予め決められた位置に維持される。次に、観測装置１２は、第１の取得ステップと、第２の取得ステップとを実行する。なお、第１の取得ステップと、第２の取得ステップとは、互いに並行して実行されてもよい。

第１の取得ステップでは、指令に基づいて回転する主軸１８の回転角度を、第１の取得部４４が取得する。記憶部３８は、取得された主軸１８の回転角度を記憶する。第２の取得ステップでは、主軸１８の回転中における移動情報（移動体２２の位置偏差）を、第２の取得部４６が取得する。記憶部３８は、取得された移動情報を記憶する。

第２の取得ステップ（第１の取得ステップ）が行われる間、移動体２２は主軸１８の回転に応じて振動する。したがって、第２の取得部４６により取得される位置偏差は、主軸１８の振動に応じた偏差成分を多く含む。

判定ステップでは、演算部４０が、主軸１８の１回転分の回転角度と、主軸１８の１回転分に対応する位置偏差とを取得できたか否かを判定する。この判定は記憶部３８に記憶済の情報に基づいて行われる。ここで、主軸１８の１回転分の回転角度と、主軸１８の１回転分に対応する位置偏差とが取得されていない場合（判定ステップ：ＮＯ）、観測装置１２は第１の取得ステップと、第２の取得ステップとをもう一度実行する。その一方で、主軸１８の１回転分の回転角度と、主軸１８の１回転分に対応する位置偏差とが取得された場合（判定ステップ：ＹＥＳ）、観測装置１２は、後続のステップを開始する。

出力生成ステップは、生成ステップ（Ｓ５１）と、出力ステップ（Ｓ５２）とを含む。生成ステップでは、主軸１８のバランス状態の観測結果（図５）を、生成部５０が生成する。観測結果は、主軸１８の各回転角度と位置偏差とを対応付けることで生成される。出力ステップでは、生成ステップにおいて生成された観測結果を、出力部５２が表示部３４に出力する。これにより、オペレータは、表示部３４を介して主軸１８のバランス状態を観察することができる。

本実施の形態によれば、フィールドバランサによらず、主軸１８のバランス状態を観測することが可能である。また、本実施の形態によれば、既存の工作機械１４と、既存の制御装置１６との各々を、オペレータは流用可能である。本実施の形態の制御方法の構成例の説明は以上である。

フィールドバランサは、バランス状態の観測精度が不安定であるとの問題点を有する。すなわち、フィールドバランサによるバランス状態の観測の精度は、フィールドバランサの取り付け方と、取り付け位置とに依存する。これに対し、観測装置１２は、制御装置１６から取得される情報に基づいて、バランス状態を観測する。したがって、観測装置１２によるバランス状態の観測の精度は、フィールドバランサを用いる場合よりも安定する。

［変形例］
以下に、実施の形態に係る変形例が説明される。ただし、実施の形態と重複する説明は、以下の説明では可能な限り省略される。実施の形態で説明済の構成要素には、特に断らない限り、実施の形態と同一の参照符号が流用される。

（変形例１）
観測装置１２は、制御装置１６に備わってもよい。これにより、例えば表示部３４と、操作部３６と、記憶部３８と、演算部４０とは、制御装置１６のハードウェアにより実現される。

（変形例２）
観測装置１２は、主軸１８の１回転分の回転角度と、主軸１８の１回転分に対応する移動体２２の位置偏差との取得を完了する前に、観測結果の生成を開始してもよい。例えば観測装置１２は、主軸１８の回転角度の取得と移動体２２の位置偏差の取得との進行に伴って、観測結果を表示部３４に順次描画してもよい。この場合、例えば観測装置１２は、主軸１８の第１の回転角度と、移動体２２の第１の位置偏差とを対応付ける。観測装置１２は、第１の回転角度と第１の位置偏差とを、表示部３４に出力する。次に、観測装置１２は、主軸１８の第２の回転角度と、移動体２２の第２の位置偏差とを対応付ける。観測装置１２は、第２の回転角度と第２の位置偏差とを、表示部３４に出力する。

（変形例３）
回転する部材（主軸１８）と、回転する部材の振動に応じて移動（振動）する部材（移動体２２）とを備える限りにおいて、工作機械１４は旋盤機に限定されない。

（変形例４）
主軸１８は、供給されるエアに応じて回転するエア主軸でもよい。

図７は、変形例４の観測システム１０の構成図である。

図７の主軸１８は、エア主軸である。この場合、図７の工作機械１４は、第３の検出器５４と、エアタービン５５とを備える。第３の検出器５４は、主軸１８の回転角度を検出するためのセンサである。第１の取得部４４は、第３の検出器５４の検出結果に基づいて、主軸１８の回転角度を取得する。エアタービン５５は、主軸１８を回転させるためのタービンである。

図７の第３の検出器５４は、観測装置１２と接続される。この場合、第３の検出器５４は、主軸１８の回転に応じた信号を観測装置１２に入力する。ただし、第３の検出器５４は、主軸１８の回転に応じた信号を制御装置１６に入力してもよい。その場合、観測装置１２は、制御装置１６を介して、第３の検出器５４の信号を取得してもよい。

本変形例においても、フィールドバランサは不要である。

（変形例５）
以下では、送り軸モータ２４のフィードバック制御に関して検討される事項が予備的に説明される。また、その予備的説明を踏まえ、変形例５の観測装置１２が説明される。

送り軸モータ２４のフィードバック制御の応答性は、ゲインに応じて変わる。ゲインの代表例を挙げると、位置ループゲインと、電流ループゲインと、速度ループゲインとがある。

一般に、工作機械１４の加工精度は、ゲインを高くするほどに上がる。したがって、工作機械１４の一般的な制御において、ゲインは、できるだけ高い数値で最適化される。

以下において、加工を精度よく行うためにゲインが最適化された状態は、ハイゲイン状態またはハイゲインと記載される。また、位置ループゲインと、電流ループゲインと、速度ループゲインとの少なくとも１つがハイゲインの設定値よりも低くされた状態は、ローゲイン状態またはローゲインと記載される。以上を踏まえ、本変形例の観測装置１２が以下に説明される。

図８は、変形例５の観測装置１２の構成図である。

本変形例において、第２の取得部４６は、送り軸モータ２４がローゲインで制御される間の移動情報を取得する。これに関し、本変形例の観測装置１２は、ゲイン調整部５６をさらに備える。ゲイン調整部５６は、送り軸モータ２４をローゲインで制御することを制御装置１６（指令部３０）に要求する。

例えば、ゲイン調整部５６は、位置ループゲインを低くすることを制御装置１６に要求する。制御装置１６は、その要求に基づいて位置ループゲインを低くする。なお、ゲイン調整部５６は、電流ループゲインまたは速度ループゲインを低くすることを制御装置１６に要求してもよい。

図９は、移動体２２の位置偏差の時間推移を例示するグラフである。なお、図９には、送り軸モータ２４がハイゲインで制御される場合の位置偏差と、送り軸モータ２４がローゲインで制御される場合の位置偏差と、が図示される。

図９のうち、二点鎖線Ｐｄ_Ｈｉｇｈがハイゲインで取得される位置偏差の位相を示す。図９のうち、破線Ｐｄ_Ｌｏｗがローゲインで取得される位置偏差の位相を示す。ローゲインの場合、送り軸モータ２４の制御の応答性は、ハイゲインの場合よりも低くなる。したがって、ハイゲインの場合の位置偏差と比較して、ローゲインの場合の位置偏差は、より大きく変動し易い。

つまり、ハイゲインとローゲインとでは、ローゲインの方が、主軸１８のバランス状態の影響を位置偏差に反映させ易い。したがって、バランス状態を観測するとの観点では、ローゲインの方がハイゲインよりも好ましい。前述の通り、ゲイン調整部５６は、送り軸モータ２４をローゲインで制御することを制御装置１６に要求する。これにより、第２の取得部４６は、主軸１８のバランス状態をより強く反映した位置偏差を取得し易くなる。

ゲイン調整部５６は、バランス状態の観測をしない場合（観測が完了した場合）に、ゲインの設定を元（ハイゲイン）に戻してもよい。

（変形例６）
以下では、実施の形態で説明した観測結果（図５）に関する補足事項が説明される。また、その補足説明を踏まえ、変形例６の観測装置１２が説明される。

移動体２２と主軸１８とは互いに別個の部材である。したがって、主軸１８が振動してから、その振動が移動体２２に伝達するまでの間にタイムラグがある。タイムラグに応じて、移動体２２の位置偏差の時間的位相は、主軸１８の回転角度の時間的位相よりも遅延する。以下に具体的が説明される。例えば、以下の説明において、時刻ｔにおける主軸１８の回転角度はα（ｔ）である。タイムラグはｔ’である。時刻ｔ＋ｔ’における主軸１８の回転角度はα（ｔ＋ｔ’）である。以下の説明において、時刻ｔ＋ｔ’における移動体２２の位置偏差はＰｄ（ｔ＋ｔ’）である。時刻ｔにおいて主軸１８に生じた振動は、時刻ｔ＋ｔ’において移動体２２に伝達する。この場合、位置偏差Ｐｄ（ｔ＋ｔ’）は、回転角度α（ｔ）における主軸１８のバランス状態を反映する。位置偏差Ｐｄ（ｔ＋ｔ’）は、回転角度α（ｔ＋ｔ’）における主軸１８のバランス状態を反映しない。

ほとんどの場合、前述のタイムラグは、微小時間である。したがって、仮にタイムラグを無視しても、観測結果の信頼性が大きく低下することはない。しかし、観測精度を可能な限り高めるためには、タイムラグを考慮する方が、より好ましい。

以上の説明を踏まえ、本変形例の観測装置１２が以下に説明される。

図１０は、変形例６の観測装置１２の構成図である。

本変形例の観測装置１２は、補正部５８をさらに備える。補正部５８は、主軸１８の回転角度を、補正量Ｃに基づいて補正する。補正量Ｃとは、前述のタイムラグを表す時間量である。

図１１は、主軸１８の回転角度と、補正部５８による補正前後の位置偏差との時間軸上の位相を例示するグラフである。

図１１には、一点鎖線（Ｐｄ’）と、破線（Ｐｄ）と、実線（ＲＡ）とが図示される。一点鎖線（Ｐｄ’）は、補正前の移動体２２の位置偏差の時間的位相を示す。破線（Ｐｄ）は、補正後の移動体２２の位置偏差の時間的位相を示す。実線（ＲＡ）は、主軸１８の回転角度の時間的位相を示す（図３と同様）。補正部５８は、位置偏差（Ｐｄ’）の時間的位相を、補正量Ｃの分だけ進ませる。これにより、生成部５０は、主軸１８の回転角度（ＲＡ）と、移動体２２の位置偏差（Ｐｄ’）とを精度よく対応付けることができる。例えば前述の具体例において、生成部５０は、回転角度α（ｔ）と位置偏差Ｐｄ（ｔ＋ｔ’）とを対応付けることができる。

タイムラグは、主軸１８の回転速度に応じて変わる。したがって、主軸１８の回転速度に応じて補正量Ｃを変えることが望ましい。主軸１８の回転速度ごとの補正量Ｃは、実験に基づいて求められる。その実験は、例えば次のように行われる。まず、実験者は、意図的に主軸１８をアンバランス状態にする。実験者は、主軸１８に錘（鉛）を取り付けることで、主軸１８をアンバランス状態にすることができる。次に、実験者は、主軸１８を特定の回転速度で回転させつつ、移動体２２の位置偏差を観測する。主軸１８がアンバランス状態であるため、移動体２２の位置偏差は、主軸１８の回転角度ごとに異なる。ここで、実験者は、主軸１８のアンバランス角度（錘の取り付け位置）に基づいて、移動体２２の位置偏差の最大値に対応する主軸１８の回転角度を予想することができる。しかし、前述のタイムラグに起因して、移動体２２の位置偏差が最大になる時点における主軸１８の回転角度は、実験者が予想した回転角度と異なる。したがって、この角度差に基づいて、実験者は主軸１８の特定の回転速度に対応するタイムラグ（補正量Ｃ）を逆算することができる。

図１２は、記憶部３８が記憶する補正量Ｃを説明するためのグラフである。

図１２に実線ＴＬが例示される。実線ＴＬは、主軸１８の回転速度に応じたタイムラグ（補正量Ｃ）の変化を示す。主軸１８の回転速度とタイムラグ（補正量Ｃ）との対応関係は、記憶部３８により記憶される。補正部５８は、記憶部３８を参照することで、主軸１８の回転速度に応じて補正量Ｃを使い分ける。これにより、補正部５８は、主軸１８の回転角度を精度よく補正することができる。

複数の補正量Ｃは、前述の実験を、主軸１８の回転速度を変えつつ複数回行うことにより得られる。得られた複数の補正量Ｃは、図１２と同様のグラフ（ただし、縦軸が補正量Ｃを表す）に表すこともできる。

なお、本変形例は、上記の説明に限定されず、さらに変形可能である。例えば前述のタイムラグは、主軸１８の回転速度のみならず、主軸１８の荷重（質量）に応じても異なる。したがって、複数の補正量Ｃは、主軸１８の荷重に応じて求められてもよい。また、例えば図１２のようなグラフに表せる複数の補正量Ｃのうちのいくつかは、既に求められている他のいくつかの補正量Ｃに基づく補間（線形補間）により求められてもよい。その具体的が次に記載される。例えば、複数の補正量Ｃが、第１の補正量と、第２の補正量とを含む場合、第１の補正量と、第２の補正量とに基づいて、第３の補正量が図１２のグラフに補間されてもよい。この場合、補間は例えば線形補間である。

（変形例７）
以下では、実施の形態で説明された観測結果（図５）に関する補足事項が説明される。また、その補足説明を踏まえ、変形例７の観測装置１２が説明される。

図５の観測結果は、制御装置１６から取得される数値に基づいて生成される。ここで、図５に示した位置偏差の推移を示す線（Ｐｄ）は、できるだけ滑らかな線である方がオペレータにとって見やすい。

以上の説明を踏まえ、本変形例の観測装置１２が以下に説明される。

図１３は、変形例７の観測装置１２の構成図である。

本変形例の観測装置１２は、算出部６０をさらに備える。算出部６０は、複数の角度区間の各々について、複数の位置偏差の平均値を求める。

角度区間とは、主軸１８の１回転分の回転角度（０度～３６０度）のうちの、所定の角度幅で区分された区間である。所定の角度幅は、例えば５度である。この場合、主軸１８の１回転分の回転角度は、７２個の角度区間（例えば、０度～５度の区間、６度～１０度の区間、…）を含む。なお、角度幅は５度に限定されず、適宜変更されてもよい。

算出部６０は、生成部５０が行った主軸１８の回転角度と移動体２２の位置偏差との対応付けの結果を参照する。なお、この対応付けは、実施の形態で既に説明されているので、本変形例における説明は割愛される。算出部６０は、各角度区間について、角度区間に含まれる複数の回転角度に対応する複数の位置偏差の平均値を算出する。生成部５０は、算出部６０により算出された平均値に基づいて、主軸１８の回転角度と移動体２２の位置偏差との対応付けを再度行う。ここで、生成部５０は、各角度区間について、角度区間に含まれる複数の回転角度と、その角度区間について算出された平均値とを対応付ける。

図１４は、変形例７の観測装置１２が観測した主軸１８のバランス状態の観測結果を例示する図である。

図１４には、主軸１８の回転に伴う位置偏差の推移が、図５よりも滑らかに表される。したがって、主軸１８のバランス状態の変化の傾向を観察することが、オペレータにとって容易になる。

（変形例８）
前述の算出部６０は、主軸１８の回転角度の各々に対応する複数の位置偏差の平均値を求めてもよい。つまり、主軸１８が複数回転することで、第２の取得部４６は、同一の回転角度に対応する複数の位置偏差を取得することができる。この場合、算出部６０は、その複数の位置偏差の平均値を求めてもよい。

これにより、主軸１８の回転角度の各々に対応する位置偏差が平滑化される。

（変形例９）
前述の算出部６０は、主軸１８が１回転する間の複数の位置偏差の移動平均を求めてもよい。例えば観測装置１２は、ある回転角度αについてｎ回転分の位置偏差（ｐｄ_１、ｐｄ_２、…、ｐｄ_ｎ）を取得する。この場合、算出部６０は、そのｎ個の位置偏差の移動平均値を求めてもよい。また、生成部５０は、回転角度αと、ｎ個の位置偏差（ｐｄ_１、ｐｄ_２、…、ｐｄ_ｎ）の移動平均値と、を対応付けてもよい。なお、ｎは自然数である。

これにより、主軸１８の回転角度の各々に対応する位置偏差が平滑化される。

（変形例１０）
移動情報は、移動体２２の位置偏差に限定されない。観測装置１２は、例えば、送り軸モータ２４の駆動位置、駆動電流、速度、速度偏差、加速度、加速度偏差、加加速度、または加加速度偏差を、移動情報として取得してもよい。

駆動位置と、駆動電流と、速度と、速度偏差と、加速度と、加速度偏差と、加加速度と、加加速度偏差とは、送り軸モータ２４のフィードバック制御において一般に扱われる情報である。したがって、観測装置１２は、駆動位置、駆動電流、速度、速度偏差、加速度、加速度偏差、加加速度、または加加速度偏差を、位置偏差と同様に制御装置１６から取得可能である。

本変形例では、例えば移動情報として速度偏差を用いた場合、図５または図１４に例示される観測結果は、位置偏差に代えて、回転角度ごとの送り軸モータ２４の速度偏差を含む。

（変形例１１）
出力部５２は、観測装置１２の外部機器に観測結果を出力してもよい。外部機器は、例えば制御装置１６である。つまり、出力部５２が観測結果を出力する対象である表示部３４は、観測装置１２の外部機器に備わってもよい。

また、外部機器は、操作用インターフェース（入力装置）を有してもよい。この場合、観測装置１２は、外部機器の操作用インターフェースを介して操作されてもよい。この場合、操作部３６は、不要であれば観測装置１２の構成から省略されてもよい。

（変形例１２）
前述の各変形例は、矛盾の生じない範囲内で適宜組み合わされてもよい。

［実施の形態から得られる発明］
上記実施の形態および変形例から把握しうる発明について、以下に記載する。

＜第１の発明＞
工作機械（１４）の主軸（１８）のバランス状態を観測する観測装置（１２）であって、前記工作機械は、前記主軸と、前記主軸が回転可能に固定され、前記主軸の軸方向に直交する方向（Ｄ_２２）に移動する移動体（２２）とを備え、前記観測装置は、回転する前記主軸の回転角度を取得する第１の取得部（４４）と、前記主軸が回転しているときの前記移動体の移動状態を示す移動情報を取得する第２の取得部（４６）と、前記主軸の回転角度の各々と前記移動情報とを対応付けて表示部（３４）に表示させる出力生成部（４８）と、を備える。

これにより、フィールドバランサによらず工作機械の主軸のバランス状態を観測する観測装置が提供される。

前記主軸が回転し、且つ前記移動体が予め決められた位置からずれないように前記工作機械を制御する指令出力部（４３）をさらに備えてもよい。これにより、移動体を移動させるために生じる偏差成分が移動情報に含まれることがなくなる。

前記工作機械は、前記主軸に接続される主軸モータ（２０）と、前記主軸モータの回転軸の回転角度を検出する検出器（２６）と、をさらに備え、前記主軸は、前記主軸モータの駆動により回転する電動主軸であり、前記第１の取得部は、前記検出器の検出結果に基づいて前記主軸の回転角度を取得してもよい。これにより、加速度ピックアップ等の検出器類を工作機械および制御装置の構成とは別途で主軸に取り付けることなく、電動主軸の回転角度が取得される。

前記工作機械は、前記主軸の回転角度を検出する検出器（５４）をさらに備え、前記主軸はエアによって回転するエア主軸であり、前記第１の取得部は、前記検出器の検出結果に基づいて前記主軸の回転角度を取得してもよい。これにより、加速度ピックアップ等の検出器類を工作機械および制御装置の構成とは別途で主軸に取り付けることなく、エア主軸の回転角度が取得される。

前記工作機械は、前記移動体の移動を制御する送り軸モータ（２４）をさらに備え、前記第２の取得部は、前記移動情報として前記送り軸モータの駆動電流、駆動位置、位置偏差、速度、速度偏差、加速度、加速度偏差、加加速度または加加速度偏差を前記移動情報として取得してもよい。これにより、移動情報を検出するための検出器類を工作機械および制御装置の構成とは別途で取り付けることなく、移動情報が取得される。

第１の発明は、前記送り軸モータを制御するゲインを、前記移動情報を取得する際には前記工作機械の加工実行時よりも低く設定するゲイン調整部（５６）をさらに備えてもよい。これにより、バランス状態の傾向を読み取り易い移動情報が取得され易くなる。

前記ゲインは、前記送り軸モータの位置ループゲイン、電流ループゲインおよび速度ループゲインを含み、前記ゲイン調整部は、前記移動情報を取得する際には前記位置ループゲイン、前記電流ループゲインおよび前記速度ループゲインの少なくとも１つを低下させてもよい。

第１の発明は、前記主軸の回転により生じる振動が前記移動体に伝達されるまでのタイムラグを表す予め決められた補正量（Ｃ）を前記主軸の回転速度に応じて複数記憶した記憶部（３８）と、前記移動情報の時間軸上の位相を前記補正量に基づいて補正する補正部（５８）と、をさらに備え、前記出力生成部は、前記主軸の回転角度の各々と補正された前記移動情報とを対応付けて表示させてもよい。これにより、観測結果の信頼性がより良好となる。

第１の発明は、前記主軸の１回転分の回転位相は複数の角度区間を有し、前記観測装置は、前記複数の角度区間の各々について、前記主軸が角度区間の範囲内を回転しているときの前記移動情報の平均値を求める算出部（６０）をさらに備え、前記出力生成部は、前記複数の角度区間の各々について求められた前記移動情報の平均値を、前記複数の角度区間の各々の範囲に対応する前記移動情報として表示させてもよい。これにより、主軸の回転角度の各々に対応する移動情報を平滑化することができ、観測結果を観察することがオペレータにとってより容易となる。

第１の発明は、前記主軸の回転角度の各々に対応する複数の前記移動情報の平均値を求める算出部（６０）をさらに備え、前記第２の取得部は、前記移動情報を前記主軸の複数回転する間にわたって取得し、前記算出部は、前記第２の取得部が取得した複数回転分の前記移動情報に基づいて平均値を求め、前記出力生成部は、求められた前記平均値を前記主軸の回転角度の各々に対応する前記移動情報として表示させてもよい。これにより、主軸の回転角度の各々に対応する移動情報を平滑化することができ、観測結果を観察することがオペレータにとってより容易となる。

第１の発明は、前記主軸の１回転分に対応する複数の前記移動情報に基づいて、前記主軸が１回転する間の前記移動情報の移動平均を求める算出部（６０）をさらに備え、前記出力生成部は、求められた前記移動平均を前記主軸の回転角度の各々に対応する前記移動情報として表示させてもよい。これにより、主軸の回転角度の各々に対応する移動情報を平滑化することができ、観測結果を観察することがオペレータにとってより容易となる。

＜第２の発明＞
工作機械（１４）の主軸（１８）のバランス状態を観測する観測方法であって、前記工作機械は、前記主軸と、前記主軸が回転可能に固定され、前記主軸の軸方向に直交する方向（Ｄ_２２）に移動する移動体（２２）とを備え、前記観測方法は、回転する前記主軸の回転角度を取得する第１の取得ステップと、前記主軸が回転しているときの前記移動体の移動状態を示す移動情報を取得する第２の取得ステップと、前記主軸の回転角度の各々と前記移動情報とを対応付けて表示部（３４）に表示させる出力生成ステップと、を含む。

これにより、フィールドバランサによらず工作機械の主軸のバランス状態を観測する観測方法が提供される。

前記主軸が回転し、且つ前記移動体が予め決められた位置からずれないように前記工作機械を制御する指令出力ステップをさらに含んでもよい。これにより、移動体を移動させるために生じる偏差成分が移動情報に含まれることがなくなる。

前記工作機械は、前記移動体の移動を制御する送り軸モータ（２４）をさらに備え、前記観測方法は、前記送り軸モータを制御するゲインを、前記移動情報を取得する際には前記工作機械の加工実行時よりも低く設定するゲイン調整ステップをさらに含んでもよい。これにより、バランス状態の傾向を読み取り易い移動情報が取得され易くなる。

第２の発明は、前記主軸の回転により生じる振動が前記移動体に伝達されるまでのタイムラグを表す予め決められた補正量（Ｃ）を前記主軸の回転速度に応じて複数記憶する記憶ステップと、前記移動情報の前記時間軸上の位相を前記補正量に基づいて補正する補正ステップと、をさらに含み、前記出力生成ステップでは、前記主軸の回転角度の各々と補正された前記移動情報とを対応付けて表示させてもよい。これにより、観測結果の信頼性がより良好になる。

Claims (15)

1. 工作機械（１４）の主軸（１８）のバランス状態を観測する観測装置（１２）であって、
   前記工作機械は、前記主軸と、前記主軸が回転可能に固定され、前記主軸の軸方向に直交する方向（Ｄ_２２）に移動する移動体（２２）とを備え、
   前記観測装置は、回転する前記主軸の回転角度を取得する第１の取得部（４４）と、
   前記主軸が回転しているときの前記移動体の移動状態を示す移動情報を取得する第２の取得部（４６）と、
   前記主軸の回転角度の各々と前記移動情報とを対応付けて表示部（３４）に表示させる出力生成部（４８）と、
   を備える、観測装置。
2. 請求項１に記載の観測装置であって、
   前記主軸が回転し、且つ前記移動体が予め決められた位置からずれないように前記工作機械を制御する指令出力部（４３）をさらに備える、観測装置。
3. 請求項１または２に記載の観測装置であって、
   前記工作機械は、
   前記主軸に接続される主軸モータ（２０）と、
   前記主軸モータの回転軸の回転角度を検出する検出器（２６）と、
   をさらに備え、
   前記主軸は、前記主軸モータの駆動により回転する電動主軸であり、
   前記第１の取得部は、前記検出器の検出結果に基づいて前記主軸の回転角度を取得する、観測装置。
4. 請求項１または２に記載の観測装置であって、
   前記工作機械は、前記主軸の回転角度を検出する検出器（５４）をさらに備え、
   前記主軸はエアによって回転するエア主軸であり、
   前記第１の取得部は、前記検出器の検出結果に基づいて前記主軸の回転角度を取得する、観測装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の観測装置であって、
   前記工作機械は、前記移動体の移動を制御する送り軸モータ（２４）をさらに備え、
   前記第２の取得部は、前記移動情報として前記送り軸モータの駆動電流、駆動位置、位置偏差、速度、速度偏差、加速度、加速度偏差、加加速度または加加速度偏差を前記移動情報として取得する、観測装置。
6. 請求項５に記載の観測装置であって、
   前記送り軸モータを制御するゲインを、前記移動情報を取得する際には前記工作機械の加工実行時よりも低く設定するゲイン調整部（５６）をさらに備える、観測装置。
7. 請求項６に記載の観測装置であって、
   前記ゲインは、前記送り軸モータの位置ループゲイン、電流ループゲインおよび速度ループゲインを含み、
   前記ゲイン調整部は、前記移動情報を取得する際には前記位置ループゲイン、前記電流ループゲインおよび前記速度ループゲインの少なくとも１つを低下させる、観測装置。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の観測装置であって、
   前記主軸の回転により生じる振動が前記移動体に伝達されるまでのタイムラグを表す予め決められた補正量（Ｃ）を前記主軸の回転速度に応じて複数記憶した記憶部（３８）と、
   前記移動情報の時間軸上の位相を前記補正量に基づいて補正する補正部（５８）と、
   をさらに備え、
   前記出力生成部は、前記主軸の回転角度の各々と補正された前記移動情報とを対応付けて表示させる、観測装置。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の観測装置であって、
   前記主軸の１回転分の回転位相は複数の角度区間を有し、
   前記観測装置は、前記複数の角度区間の各々について、前記主軸が角度区間の範囲内を回転しているときの前記移動情報の平均値を求める算出部（６０）をさらに備え、
   前記出力生成部は、前記複数の角度区間の各々について求められた前記移動情報の平均値を、前記複数の角度区間の各々の範囲に対応する前記移動情報として表示させる、観測装置。
10. 請求項１～８のいずれか１項に記載の観測装置であって、
    前記主軸の回転角度の各々に対応する複数の前記移動情報の平均値を求める算出部（６０）をさらに備え、
    前記第２の取得部は、前記移動情報を前記主軸の複数回転する間にわたって取得し、
    前記算出部は、前記第２の取得部が取得した複数回転分の前記移動情報に基づいて平均値を求め、
    前記出力生成部は、求められた前記平均値を前記主軸の回転角度の各々に対応する前記移動情報として表示させる、観測装置。
11. 請求項１～８のいずれか１項に記載の観測装置であって、
    前記主軸の１回転分に対応する複数の前記移動情報に基づいて、前記主軸が１回転する間の前記移動情報の移動平均を求める算出部（６０）をさらに備え、
    前記出力生成部は、求められた前記移動平均を前記主軸の回転角度の各々に対応する前記移動情報として表示させる、観測装置。
12. 工作機械（１４）の主軸（１８）のバランス状態を観測する観測方法であって、
    前記工作機械は、前記主軸と、前記主軸が回転可能に固定され、前記主軸の軸方向に直交する方向（Ｄ_２２）に移動する移動体（２２）とを備え、
    前記観測方法は、
    回転する前記主軸の回転角度を取得する第１の取得ステップと、
    前記主軸が回転しているときの前記移動体の移動状態を示す移動情報を取得する第２の取得ステップと、
    前記主軸の回転角度の各々と前記移動情報とを対応付けて表示部（３４）に表示させる出力生成ステップと、
    を含む、観測方法。
13. 請求項１２に記載の観測方法であって、
    前記主軸が回転し、且つ前記移動体が予め決められた位置からずれないように前記工作機械を制御する指令出力ステップをさらに含む、観測方法。
14. 請求項１２または１３に記載の観測方法であって、
    前記工作機械は、前記移動体の移動を制御する送り軸モータ（２４）をさらに備え、
    前記観測方法は、前記送り軸モータを制御するゲインを、前記移動情報を取得する際には前記工作機械の加工実行時よりも低く設定するゲイン調整ステップをさらに含む、観測方法。
15. 請求項１２～１４のいずれか１項に記載の観測方法であって、
    前記主軸の回転により生じる振動が前記移動体に伝達されるまでのタイムラグを表す予め決められた補正量（Ｃ）を前記主軸の回転速度に応じて複数記憶する記憶ステップと、
    前記移動情報の時間軸上の位相を前記補正量に基づいて補正する補正ステップと、をさらに含み、
    前記出力生成ステップでは、前記主軸の回転角度の各々と補正された前記移動情報とを対応付けて表示させる、観測方法。

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