JP7306922B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、主軸と主軸モータとの間に掛け渡されたベルトの状態を判定する工作機械に関する。

工作機械は、ワークに回転を与える主軸装置を有し、主軸モータと主軸（スピンドル）との間にベルトが掛け渡されている。例えば旋盤であれば、主軸に主軸チャックが設けられ、ワーク自動搬送機との間でワークの受渡しが行われるようになっている。主軸モータの駆動によって主軸が回転することにより、主軸チャックに把持されたワークが回転し、そこにバイトなどの切削工具が当てられて所定の加工が行われる。下記特許文献１には、ベルトが劣化することによりプーリとの間でスベリが発生するため、ベルトのスベリを監視して所定の条件以上のスベリが発生したときに警告を表示する工作機械が開示されている。

具体的には、ベルト管理コンピュータのデータベースに、判定パラメータや時間パラメータのほか、工作機械の測定運転によってモータ回転速度に応じた主軸回転速度が実測され、速度比計算式で速度比を求めた速度比データが格納されている。工作機械では、回転数が毎分２００回を越える回転速度で回っているときに主軸モータが回っていると判断され、ベルト管理プログラムが作動する。そして、工作機械のワーク加工中、主軸速度検出器とモータ速度検出器のデータがリアルタイムに入力され、スベリ率計算式によって算出された値が記録され、スベリ率が５％を越えた状態が０．７秒続いた場合に警告表示が行われる。また、他の所定条件が満たされた場合には、工作機械に対するワーク加工後の停止や即時停止が行われる。

特開２００３－０９４２８９号公報

前記特許文献１の従来例は、スベリの状態が細分化されているので、その工作機械には各状態を確認するための主軸速度検出器やモータ速度検出器が設けられている。従って、従来例では、こうした各種検出器の設置や信号処理回路が工作機械の生産コストを上げてしまっている。また、主軸速度検出器やモータ速度検出器を使用した従来の構成は、各検出器によって検出されたデータがリアルタイムで入力され、そのデータからスベリ率計算式に基づいてスベリ率を算出するため、複雑な処理が必要であった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、簡単な構成によってベルトの状態を確認する工作機械を提供することを目的とする。

本発明に係る工作機械は、主軸チャックを備えた主軸に対してベルトを介して主軸モータの回転を伝達する主軸装置と、工具台に設けられた工具を加工軸に沿って移動させる駆動装置と、前記各装置の駆動を制御するものであり、前記主軸モータに対する回転停止制御開始から回転停止に至るまでの所定の停止経過時間に基づきベルトの状態を判定するベルト判定部を備えた制御装置と、前記ベルト判定部の判定結果に従って警報を行う警報装置と、を有し、前記ベルト判定部は、回転停止制御開始直後の加速度変化が大きい高回転域を対象として、前記主軸モータに対する回転停止制御開始から、前記主軸モータに設けた回転検出器によって得られた回転数が所定の数値に至るまでの前記停止経過時間に従い、前記警報装置を作動させるものである。

前記構成によれば、制御装置のベルト判定部により、主軸モータに対する回転停止制御開始から回転停止に至る所定の停止経過時間に基づきベルトの状態を判定し、その判定結果に従って警報装置が警報を行うため、簡単な構成によってベルトの交換時期などを知ることができる。

工作機械の一実施形態について内部構造を示した側面図である。 工作機械の制御システムを表すブロック図である。 主軸装置の回転伝達部に関する構成を簡略化して示した図である。 主軸モータの回転停止に関して正常な時（Ａ）とスベリが生じた時（Ｂ）をグラフに示した図である。 工具毎に異なる停止経過時間の設定画面を示した図である。 ベルト判定プログラムに従って実行されるベルト交換判定処理のフローチャートを示した図である。

本発明に係る工作機械の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の工作機械について、その内部構造を示した側面図である。工作機械１は、車輪を備えた可動ベッド２の上に組み付けられ、ベース１０の上面に敷設されたレール１０１に沿って前後方向（Ｘ軸方向）の移動が可能である。その可動ベッド２には主軸装置３などの各装置が搭載されている。主軸装置３は、把持したワークＷを回転させるものであり、回転自在な主軸２３に対して主軸チャック１１が設けられている。そして、主軸２３にはプーリ２２が固定され、主軸モータ１２に固定されたプーリ２１との間にタイミングベルト１３が掛け渡されている（図３参照）。

工作機械１は、複数の工具を備えた工具台１４の旋回割出しを行うタレット装置４を有し、可動ベッド２上にはタレット装置４を加工軸方向に移動させる駆動装置が組み付けられている。主軸チャック１１に把持されたワークＷに対して、工具を機体前後方向であるＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動装置５と、機体上下方向であるＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動装置６である。そのＺ軸駆動装置５およびＸ軸駆動装置６は、摺動可能なＺ軸スライド１５又はＸ軸スライド１６を有し、サーボモータの回転出力をボールネジ機構によって直進運動に変換するよう構成されている。

また、工作機械１は、主軸装置３、タレット装置４、Ｚ軸駆動装置５およびＸ軸駆動装置６などの各駆動部を制御するための制御装置７が搭載されている。図２は、工作機械１の制御システムを表すブロック図である。制御装置７は、ＣＰＵ３１のほかにＲＯＭ３２やＲＡＭ３３、不揮発性メモリ３４といった記憶装置などを備えたコンピュータを主体とするものであり、Ｉ／０３５を介して主軸装置３、タレット装置４、Ｚ軸駆動装置５およびＸ軸駆動装置６などの各駆動部に接続されている。

工作機械１の前面部には、タッチパネル式の入力手段が機体前面に設けられている。作業情報や操作画面などの表示のほか、作業者による設定値の入力などが可能な操作表示装置３７であり、制御装置７に接続されている。制御装置７には、各種加工に関する加工プログラムやワークの種類、工具や治具に関するワーク加工情報などが記憶部に格納されている。特に、本実施形態では、主軸モータ１２の回転を主軸２３に伝達するタイミングベルト１３について、その劣化状態を判定するベルト判定プログラム３４１が不揮発性メモリ３４に格納されている。

ここで、図３は、主軸装置３の回転伝達部に関する構成を簡略化して示した図である。ワーク加工時の工作機械１は、主軸モータ１２の駆動により、その回転出力がプーリ２１からタイミングベルト１３を介し、主軸２３のプーリ２２に伝達されて主軸チャック１１が回転する。そのため、主軸チャック１１に把持されたワークＷに加工時の回転が与えられる。一方、タレット装置４は、旋回割出しによって加工内容に応じて工具が選択され、その工具がＺ軸駆動装置５およびＸ軸駆動装置６の駆動により、加工軸であるＺ軸およびＸ軸の各方向に移動し、回転するワークＷに当てられて所定の加工が行われる。

加工終了後は、ワークＷの回転が止められるとともにタレット装置４が後退する。そして、ワーク自動搬送機によって主軸チャック１１とワークＷの受渡しが行われ、新たなワークＷに対して加工が行われる。工作機械１による加工は、一つのワークＷに対して一工程の加工もあれば、複数の工具を使用した複数工程の加工を行う場合もある。いずれにしても工作機械１は、一つの加工が終了するとワークＷの回転が止められ、次の加工時には再び所定の回転数でワークＷに回転が与えられ所定の加工が行われる。

こうしたワークＷの加工は、主軸２３の回転と停止とが繰り返されるため、主軸モータ１２の回転を主軸２３へと伝達するタイミングベルト１３にかかる負荷が大きくなってしまう。そして、タイミングベルト１３は、そのまま使用を継続すれば経年変化によって最終的には切断してしまうため、一定の使用量に応じて交換が必要となる。そこで、本実施形態の工作機械１は、作業者にタイミングベルト１３の交換時期を知らせるベルト判定プログラム３４１が設けられている。

タイミングベルト１３の経年変化は、劣化によってプーリ２１，２２との噛み合いにズレを生じさせ、いわゆるスベリが起きる。回転を停止させる際は、直径が小さく噛み合いの少ない主軸モータ１２側のプーリ２１が、径の大きい主軸２３側のプーリ２２における停止時の慣性力によって引っ張られ、タイミングベルト１３との間でスベリを生じる。そして、スベリの量は、劣化が進行するに従って大きくなる。そのため、タイミングベルト１３の劣化状態は、タイミングベルト１３のスベリを監視することによって間接的に判定することができる。特に本実施形態では、タイミングベルト１３のスベリが大きくなれば主軸モータ１２の回転が停止するまでの時間が長くなることに着目した構成がとられている。

主軸装置３は、図３に示すように、主軸モータ１２側の径の小さいプーリ２１と、主軸２３側の径の大きいプーリ２２との間にタイミングベルト１３が掛け渡され、回転伝達機構が構成されている。主軸モータ１２には回転検出器としてエンコーダ２５が組み付けられ、接続された制御装置７には主軸モータ１２の回転検出信号が送信されるようになっている。制御装置７では、エンコーダ２５から送信された回転検出信号に基づいて主軸モータ１２の回転数が算出される。工作機械１では、主軸モータ１２の回転数が毎分５０回転を下回ったところで回転が停止したと判断される。

制御装置７では、ベルト判定プログラム３４１に従い、主軸モータ１２に対する回転停止信号を発信してから、主軸モータ１２の回転が停止に至るまでの時間が計測される。タイミングベルト１３のスベリが生じた場合には、回転が停止するまでの時間がスベリ量によって延びるからである。ここで、図４は、主軸モータ１２の回転停止に関して正常な時（Ａ）とスベリが生じた時（Ｂ）をグラフに示した図であり、縦軸が主軸モータ１２の回転数であり、横軸が時間である。

工作機械１には工具台１４に複数種類の工具が取り付けられ、それぞれについてワークＷに対する加工が行われる。工具の加工内容によってワークＷに与えられる加工回転数は異なるものの、主軸モータ１２の回転を停止させる場合には、正常な時（Ａ）とスベリが生じた時（Ｂ）とのグラフの変化は概ね図４に示すようになる。

図４に示す場合は、主軸モータ１２が毎分６０００回転の出力によってワークＷを回転させた加工である。そして、ワークＷの加工が終了した後は、制御装置７における回転停止指令信号に基づいて主軸モータ１２の回転が止められ、そのときの停止経過時間が計測される。停止経過時間は、回転停止指令信号の発信時を０時とし、変化する主軸モータ１２の回転数に対応した時間を計測したものである。特に本実施形態は、主軸モータ１２の回転が毎分５０回転の停止状態に至るまでの時間が停止経過時間として計測される。

例えば、スベリのない正常時には、図４（Ａ）に示すように、停止状態に至るまでの停止経過時間がｔ１程度となる。一方で、タイミングベルト１３とプーリ２１との間にスベリが生じる場合には、図４（Ｂ）に示すように、停止状態に至るまでの停止経過時間が正常時のｔ１を超えてしまう。停止経過時間は、タイミングベルト１３の劣化の程度によって変化するものであり、劣化が進行することによってスベリの程度が大きくなるため、停止経過時間も徐々に延びることになる。

ところで、タイミングベルト１３とプーリ２１とのスベリは、主軸モータ１２に対する回転停止制御開始直後の加速度変化が大きい高回転域で生じ、例えば主軸モータ１２の回転数が加工回転数である６０００回転で回転停止制御がかけられた場合には、主に５０００回転程度にまで低下する間にスベリが生じていると考えられる。このことは、違う工具を使用することによりワークＷの加工回転数が異なる場合であっても、停止までの変化は概ね図４（Ｂ）に示すグラフのようになる。

次に、図５は、加工回転数毎に設定する警報作動時間の設定画面を示した図であり、操作表示装置３７のモニタに表示された設定画面４０である。本実施形態では、工具台１４に３種類の工具Ａ，Ｂ，Ｃが取り付けられている場合を例にして説明する。工具情報は予め登録されているため、モニタ操作によって工具ボックス４３から使用する工具Ａ，Ｂ，Ｃが選択でき、回転数ボックス４４に各工具に対する加工回転数が入力される。そして、設定ボタン４７が押されると、加工回転数に応じて警報を行うべき停止経過時間が時間ボックス４５に自動表示される。

工作機械１では、タイミングベルト１３が装着されると、複数の異なる回転数でワークＷの試し加工が行われ、停止状態に至るまでの時間が正常な停止経過時間として計測される。そして、その値と、例えば過去のタイミングベルト１３に関する破断データまたは破断予測シミュレーションなどに基づいて、安全率を考慮した交換時期が、停止経過時間に置き換えられて算出される。本実施形態の場合、６０００，４０００，３０００の加工回転数に対して、警報を行う停止経過時間がそれぞれｔ５，ｔ４，ｔ３と算出され、その値が時間ボックス４５に自動表示される。

また、本実施形態では、時間ボックス４５に表示された停止経過時間の変更が可能である。設定画面４０の変更ボタン４８を押した後、点滅する数値を不図示のテンキーの入力によって、或いはスクロール画面によって変更することができるようになっている。そして、この変更ボタン４８における停止経過時間の変更は何時でも可能な構成となっている。例えば、工作機械１を稼働させる前、或いは設定した停止経過時間に達して警報を行った後であっても変更できるようになっている。これは、作業者が実際にタイミングベルト１３を確認することによって、その状態から使用回数の増減を調整できるようにしたものである。

続いて、ベルト判定プログラム３４１に従ったタイミングベルト１３の交換判定処理について説明する。図６は、ベルト判定プログラムに従って実行されるベルト交換判定処理のフローチャートを示した図である。そこで先ず、工作機械１では、一つのワークＷの一つの加工が終了すると、制御装置７からの回転停止指令が発信され（Ｓ１０１）、主軸モータ１２は印加電圧の遮断により駆動力が喪失し、負荷トルクを受けて減速しながら回転停止に至る。その際、制御装置７ではエンコーダ２５から発信される回転検出信号に基づき、主軸モータ１２の回転数が算出されるとともに、回転停止の開始時点から停止経過時間が計測される（Ｓ１０２）。

主軸モータ１２の回転が毎分５０回転つまり回転停止状態になるまでステップＳ１０２が繰り返される（Ｓ１０３：ＮＯ）。そして、主軸モータ１２が回転停止状態になった場合には（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、対象となる工具であるか否か（Ｓ１０４）および、警報を行うべき停止経過時間に達したか否か（Ｓ０１５）の確認が行われる。工作機械１のワークＷに対する工具Ａ，Ｂ，Ｃの加工は、数ロットごとに工具を交換して行われる単独加工や、一つのワークＷに３つの工具Ａ，Ｂ，Ｃの加工が連続して行われる複数加工がある。単独加工の場合は工具Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ対象工具となる（Ｓ１０４：ＹＥＳ）。一方で、複数加工の場合は劣化の影響が最も現れやすい高速加工回転の工具Ａを対象工具として交換のタイミングが判定され（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、それ以外の工具Ｂ，Ｃの場合には（Ｓ１０４：ＮＯ）、交換の判断を行わずに終了する。なお、複数加工の場合であっても全ての工具について交換のタイミングを判定するようにしてもよい。

よって、例えば加工回転数が６０００の工具Ａの加工であれば、回転停止指令が発信されてから回転停止状態に至るまでの停止経過時間がｔ５を超えていなければ（Ｓ１０５：ＮＯ）、この交換判定処理は終了する。一方、回転停止状態になるまでの停止経過時間がｔ５を超えた場合には（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、制御装置７によってシグナルタワー３８（図３参照）が作動し、作業者に対するベルト交換のための警報が行われる（Ｓ１０６）。そのため、警報を確認した作業者によってタイミングベルト１３の交換が行われる。

警報が行われた後でも、作業者がタイミングベルト１３を実際に見て、その状態から経験的に使用を更に継続させても良いと判断できる場合もある。そうしたタイミングベルト１３の使用延長は、前述したように、設定画面４０に表示された変更ボタン４８を押し、警報を行う停止経過時間が長くなるように再設定することができる。これにより、警報が行われた後であってもタイミングベルト１３を交換することなく、更にそのまま加工を継続させることができる。また、警報の再設定は、停止経過時間ではなく加工回数に基づく別の設定画面が用意され、警報が行われた後にその再設定画面から入力した回数分だけタイミングベルト１３を使用した加工を継続させるようにしてもよい。

よって、本実施形態の工作機械１によれば、エンコーダ２５やベルト判定プログラム３４１などの簡単な構成により、タイミングベルト１３の劣化状態を判定することができる。すなわち、タイミングベルト１３と主軸モータ１２側のプーリ２１とのスベリが、主軸モータ１２の停止経過時間に反映されることに着目したことで、簡単な構成によってタイミングベルト１３の交換時期を知ることができる。また、タイミングベルト１３の交換時期を知らせるための情報、つまり警報を行うための停止経過時間を変更することができるため、タイミングベルト１３ごとに交換時期を調整することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、警報のために設定する停止経過時間を、主軸モータ１２の回転数が毎分５０回転の停止状態に至るまでの時間ｔ５としたが、スベリが主に生じている高回転域の時間、例えば図４（Ｂ）の例では回転数が５０００回転にまで落ちる時間ｔ２を、警報するために設定する停止経過時間としてもよい。
また、前記実施形態では、警報装置としてシグナルタワー３８を例に挙げたが、操作表示装置３７を警報装置として利用し、モニタに警告表示を行うようにしてもよい。

１…工作機械 ３…主軸装置 ４…タレット装置 ５…Ｚ軸駆動装置 ６…Ｘ軸駆動装置 ７…制御装置 １２…主軸モータ １１…主軸チャック １３…タイミングベル ２１，２２…プーリ ２３…主軸 ２５…エンコーダ ３７…操作表示装置 ３４１…ベルト判定プログラム

Claims (4)

1. 主軸チャックを備えた主軸に対してベルトを介して主軸モータの回転を伝達する主軸装置と、
   工具台に設けられた工具を加工軸に沿って移動させる駆動装置と、
   前記各装置の駆動を制御するものであり、前記主軸モータに対する回転停止制御開始から回転停止に至るまでの所定の停止経過時間に基づきベルトの状態を判定するベルト判定部を備えた制御装置と、
   前記ベルト判定部の判定結果に従って警報を行う警報装置と、
   を有し、
   前記ベルト判定部は、回転停止制御開始直後の加速度変化が大きい高回転域を対象として、前記主軸モータに対する回転停止制御開始から、前記主軸モータに設けた回転検出器によって得られた回転数が所定の数値に至るまでの前記停止経過時間に従い、前記警報装置を作動させる工作機械。
2. 前記ベルト判定部は、ワークの加工回転数が異なる複数の前記工具に対応して、それぞれ前記警報装置を作動させる前記停止経過時間を設定するものである請求項１に記載の工作機械。
3. 前記ベルト判定部は、前記警報装置を作動させる前記停止経過時間を任意に設定可能なものである請求項１または請求項２に記載の工作機械。
4. 前記ベルト判定部における前記停止経過時間に対する任意の設定は、前記警報装置を作動させる前記停止経過時間を変更させる再設定が可能であり、前記制御装置は、当該再設定に従い前記各装置を駆動させる請求項３に記載の工作機械。

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