JPWO2019082302A1

JPWO2019082302A1 - 主軸ユニット芯振れ検知装置

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Publication number: JPWO2019082302A1
Application number: JP2018522697A
Authority: JP
Inventors: 浩希植村; 弘太朗長岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: JP6452898B1; WO2019082302A1

Abstract

運転開始後から切削開始までの間に主軸ユニットの芯振れを検知することが可能な主軸ユニット芯振れ検知装置を得ることを目的とし、工具が着脱自在の主軸ユニットを有し、主軸ユニットに工具を装着し、工具を主軸モータ（２）により駆動しワークの加工を行う工作機械のサーボモータ駆動装置（７）に接続された主軸ユニット芯振れ検知装置（１）であって、工具の装着時及び取り外し時における、主軸ユニットを直線移動方向に可動させるサーボモータ検出器（６）の検出結果に基づき、主軸ユニットの芯振れを判定する主軸ユニット芯振れ判定部（９）を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、工作機械に接続される主軸ユニット芯振れ検知装置に関する。

従来、回転可能な主軸ユニットに切削工具を支持させ、この切削工具とワークとを相対移動させて、切削工具によりワークに加工を施す工作機械が知られている。このような工作機械において、主軸ユニットに芯振れが発生していると、主軸モータの回転に伴って切削工具の先端に振れ回りが発生する。また、主軸ユニットの芯振れにより振動が発生する場合もある。切削工具の先端の振れ回り又は振動により、加工面の仕上げ精度の低下、切削工具の急速な摩耗及び切削工具の欠損といった問題が生じる。なお、芯振れとは、主軸ユニット端に取り付けられた切削工具の先端が回転時に振れ回る現象をいう。芯振れの要因には、主軸ユニットのアンバランス及びベアリング異常をはじめとする主軸ユニットの異常、主軸モータの異常、工具のアンバランス、及び工具のチャッキング不良を例示することができる。

従来技術の一例である特許文献１には、工作機械の工具の回転に伴う振動を検出することを目的とし、主軸ユニットに加速度センサユニットを設け、主軸ユニットの振動加速度を検出し、この振動加速度をしきい値と比較し、工具のアンバランスを判定する技術が開示されている。

特開平０３−２２８５４２号公報

しかしながら、上記の従来技術によれば、主軸ユニットに加速度センサユニットを設けたとしても、芯振れの要因の一つである工具のアンバランスしか検知することができず、その他の芯振れの要因を判別することはできない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、主軸ユニットに加速度センサユニット等の特別な装置を付加することなく、運転開始から切削開始までの間に、主軸ユニットの複数の芯振れの要因を判別することが可能な主軸ユニット芯振れ検知装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工具が着脱自在の主軸ユニットを有し、前記主軸ユニットに前記工具を装着し、前記工具を主軸モータにより駆動しワークの加工を行う工作機械のサーボモータ駆動装置に接続された主軸ユニット芯振れ検知装置であって、前記工具の装着時及び取り外し時における、前記主軸ユニットを直線移動方向に可動させるサーボモータの検出器の検出結果に基づき、前記主軸ユニットの芯振れを判定する主軸ユニット芯振れ判定部を備えることを特徴とする。

本発明に係る主軸ユニット芯振れ検知装置は、運転開始後から切削開始までの間に主軸ユニットの芯振れを検知することができるという効果を奏する。

実施の形態に係る主軸ユニット芯振れ検知装置の構成及び主軸ユニット芯振れ検知装置に接続される周辺構成を示すブロック図図１に示す主軸ユニット芯振れ検知装置に接続される具体的な周辺構成を示す側面図実施の形態に係る主軸ユニット芯振れ検知装置の詳細な一構成例を示すブロック図図３に示す主軸ユニット芯振れ検知装置の動作を示すフローチャート図３に示す主軸ユニット芯振れ検知装置を実現するハードウェアの一般的な構成を示す図横軸を主軸モータの位相とし、縦軸をサーボモータドループとした、工具取り付け位相変更前後のドループを示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る主軸ユニット芯振れ検知装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る主軸ユニット芯振れ検知装置の構成及び主軸ユニット芯振れ検知装置に接続される周辺構成を示すブロック図である。図１に示す主軸ユニット芯振れ検知装置１は、主軸ユニット異常検知部８及び主軸ユニット芯振れ判定部９を備える。図１には、主軸ユニット側の主軸モータ２と、主軸モータ検出器３と、主軸モータ２及び主軸モータ検出器３に接続された主軸モータ駆動装置４と、サーボ軸側のサーボモータ５と、サーボモータ検出器６と、サーボモータ５及びサーボモータ検出器６に接続されたサーボモータ駆動装置７とが示されている。また、主軸ユニット異常検知部８は、主軸モータ駆動装置４と、サーボモータ駆動装置７とに接続されている。また、主軸ユニット芯振れ判定部９は、主軸ユニット異常検知部８に接続されており、判定結果を外部に出力可能である。主軸モータ検出器３は、主軸モータ２の検出結果を主軸モータ駆動装置４に出力する。サーボモータ検出器６は、サーボモータ５の検出結果をサーボモータ駆動装置７に出力する。

図２は、図１に示す主軸ユニット芯振れ検知装置１に接続される具体的な周辺構成を示す側面図である。図２には、主軸ユニットを駆動する主軸モータ２と、主軸モータ検出器３と、主軸モータ駆動装置４と、サーボ軸を駆動するサーボモータ５と、サーボモータ検出器６と、サーボモータ駆動装置７と、サーボモータ５に接続されたボールねじ１０と、ボールねじ１０に組み付けられたナット１１と、主軸モータ２に接続されたチャック１２と、チャック１２を介して主軸モータ２に接続された切削工具である工具１３とを備える。主軸モータ２と、主軸モータ検出器３と、ナット１１と、チャック１２とは、可動部である主軸ユニットを構成する。この可動部の可動方向は、ボールねじ１０の軸方向であり、可動部の可動方向以外の自由度は拘束されている。主軸ユニットにアンバランスが発生している場合、工具１３にアンバランスが発生している場合又は工具１３のチャッキング不良がある場合には、振れ回りが発生し、その反力がサーボモータ駆動装置７によってドループの波形として取得される。なお、ドループとは、サーボ制御における追従誤差をいう。以下の説明において、サーボモータ駆動装置からのドループは、サーボモータドループとも表記する。

図３は、図１に示す主軸ユニット芯振れ検知装置１の詳細な一構成例を示すブロック図である。図３に示す主軸ユニット芯振れ検知装置１は、ドループ取得部２１と、周波数成分分析部２２と、主軸モータ回転周波数取得部２３と、周波数比較部２４と、位相比較部２５と、異常要因判定部２６とを備える。

ドループ取得部２１は、サーボモータ駆動装置７からドループを取得する。周波数成分分析部２２は、ドループ取得部２１が取得したドループの周波数成分を分析してドループの周波数成分を出力する。主軸モータ回転周波数取得部２３は、主軸モータ駆動装置４から主軸モータの回転周波数を取得する。周波数比較部２４は、周波数成分分析部２２が出力するドループの周波数成分と主軸モータの回転周波数とを比較する。位相比較部２５は、ドループ取得部２１が複数回取得したドループのドループ位相を比較する。異常要因判定部２６は、周波数比較部２４が出力する周波数比較結果と位相比較部２５が出力する位相比較結果とに基づいて異常要因を判定する。この判定結果は、図示しない外部の出力装置、一例として表示装置に出力される。

なお、ドループ取得部２１と、周波数成分分析部２２と、主軸モータ回転周波数取得部２３と、周波数比較部２４とは、主軸ユニット異常検知部８を構成する。異常要因判定部２６は、主軸ユニット芯振れ判定部９を構成する。

図４は、図３に示す主軸ユニット芯振れ検知装置１の動作を示すフローチャートである。図４においては、工具１３が主軸ユニットに取り付けられると、処理がスタートする。まず、主軸モータ駆動装置４は、工具１３が取り付けられた主軸モータを回転させ（Ｓ１１）、主軸モータ回転周波数取得部２３は、主軸モータの回転周波数を取得する（Ｓ１２）。次に、ドループ取得部２１は、サーボモータ駆動装置７からドループを取得する（Ｓ１３）。周波数成分分析部２２は、Ｓ１３で取得したドループの周波数成分の分析を行う（Ｓ１４）。そして、周波数比較部２４は、Ｓ１４で分析したドループの周波数成分とＳ１２で取得した主軸モータの回転周波数とを比較する（Ｓ１５）。異常要因判定部２６は、Ｓ１５の比較結果から、Ｓ１４で分析したドループの周波数成分が、Ｓ１２で取得した主軸モータの回転周波数と一致しているか否かを判定する（Ｓ１６）。

ここで、ドループの周波数成分が主軸モータの回転周波数と一致していない場合には（Ｓ１６：Ｎｏ）、異常要因判定部２６は、主軸ユニットに芯振れなしと判定して（Ｓ１７）、この判定結果を出力して処理を終了する。

ドループの周波数成分が主軸モータの回転周波数と一致している場合には（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、ユーザは主軸ユニットから工具１３を外し（Ｓ２１）、工具１３を外した状態で主軸モータ駆動装置４が主軸モータを回転させ（Ｓ２２）、主軸モータ回転周波数取得部２３は主軸モータの回転周波数を取得する（Ｓ２３）。次に、ドループ取得部２１は、サーボモータ駆動装置７からのドループを取得する（Ｓ２４）。周波数成分分析部２２は、Ｓ２４で取得したドループの周波数成分の分析を行う（Ｓ２５）。そして、周波数比較部２４は、Ｓ２５で分析したドループの周波数成分とＳ２３で取得した主軸モータの回転周波数とを比較する（Ｓ２６）。異常要因判定部２６は、Ｓ２６の比較結果から、Ｓ２５で分析したドループの周波数成分が、Ｓ２３で取得した主軸モータの回転周波数と一致しているか否かを判定する（Ｓ２７）。

ここで、Ｓ２５で分析したドループの周波数成分が主軸モータの回転周波数と一致している場合には（Ｓ２７：Ｙｅｓ）、異常要因判定部２６は、主軸モータに異常あり、或いは主軸ユニットに芯振れありと判定して（Ｓ２８）、この判定結果を出力して処理を終了する。この場合、主軸ユニットの芯振れの要因は、工具のアンバランス又はチャッキング不良以外の要因、例えば、主軸ユニットのアンバランス又はベアリング異常をはじめとする主軸ユニットの異常及び主軸モータの異常であると推定される。

Ｓ２５で分析したドループの周波数成分が主軸モータの回転周波数と一致していない場合には（Ｓ２７：Ｎｏ）、主軸ユニットに対し、Ｓ１１における工具の取り付け位置とは異なる位相になるよう工具１３を取り付けて（Ｓ３１）、異なる位相に工具１３を取り付けた主軸モータを主軸モータ駆動装置４が回転させ（Ｓ３２）、主軸モータ回転周波数取得部２３は主軸モータの回転周波数を取得する（Ｓ３３）。次に、ドループ取得部２１はサーボモータ駆動装置７からドループを取得する（Ｓ３４）。そして、位相比較部２５は、Ｓ３４で取得したドループの位相とＳ１３で取得したドループの位相との変化量と、Ｓ１３とＳ３４の工具取り付け位相の変更量とを比較する（Ｓ３５）。

ここで、Ｓ３５で比較したドループの位相の変化量と工具取り付け位相の変更量とが一致している場合には（Ｓ３６：Ｙｅｓ）、異常要因判定部２６は、工具１３のアンバランスによる異常ありと判定して（Ｓ３７）、この判定結果を出力して処理を終了する。

Ｓ３５で比較したドループの位相の変化量と工具取り付け位相の変更量とが一致していない場合には（Ｓ３６：Ｎｏ）、異常要因判定部２６は、チャッキング不良と判定して（Ｓ３８）、この判定結果を出力して処理を終了する。

ここで、本実施の形態に係る主軸ユニット芯振れ検知装置１を実現するためのハードウェア構成について説明する。図５は、図３に示す主軸ユニット芯振れ検知装置１を実現するハードウェアの一般的な構成を示す図である。図５には、インターフェイスであるＩＦ３１、プロセッサ３２及び記憶回路３３が示されている。プロセッサ３２は、プログラムの実行及び演算を行うことで、周波数成分分析部２２、周波数比較部２４、位相比較部２５及び異常要因判定部２６を実現する。プロセッサ３２は、代表的にはＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）である。記憶回路３３は、プロセッサ３２が実行するプログラムを記憶し、且つプロセッサ３２がプログラムの実行及び演算を行うに際して必要なデータの記憶を行う。ＩＦ３１は、主軸ユニット芯振れ検知装置１の外部入出力を実現する構成であり、ドループ取得部２１及び主軸モータ回転周波数取得部２３を実現する。なお、異常要因判定部２６は、ＩＦ３１、プロセッサ３２及び記憶回路３３により実現される。なお、ＩＦ３１、プロセッサ３２及び記憶回路３３は、各々複数設けられていてもよい。

図６は、横軸を主軸モータの位相とし、縦軸をサーボモータドループとした、工具取り付け位相変更前後のドループを示す図である。図６の上図は、工具取り付け位相変更前のサーボモータドループを示し、図６の下図は、工具取り付け位相変更後のサーボモータドループを示している。まず、工具取り付け位相の変更前にサーボモータドループを取得し、その後、工具取り付け位相を変更してサーボモータドループを取得し、主軸モータ２の位相とサーボモータ５のサーボモータドループとの関係を工具取り付け位相変更前後で比較する。そして、工具取り付け位相の変更量とドループ波形の位相の変化量とを比較して、これらが一致していれば、図４のＳ３７に示すように、工具１３のアンバランスによる異常であると判定する。図６の下図には、工具１３にアンバランスがある場合の工具取り付け位相変更後のサーボモータドループを示している。

本実施の形態にて説明した主軸ユニット芯振れ検知装置によれば、切削開始前に主軸ユニットの芯振れを検知することができる。そのため、ワークの加工面の仕上げ精度の低下、工具の急速な摩耗及び工具の欠損を防止することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１主軸ユニット芯振れ検知装置、２主軸モータ、３主軸モータ検出器、４主軸モータ駆動装置、５サーボモータ、６サーボモータ検出器、７サーボモータ駆動装置、８主軸ユニット異常検知部、９主軸ユニット芯振れ判定部、１０ボールねじ、１１ナット、１２チャック、１３工具、１４主軸ユニット、２１ドループ取得部、２２周波数成分分析部、２３主軸モータ回転周波数取得部、２４周波数比較部、２５位相比較部、２６異常要因判定部、３１ＩＦ、３２プロセッサ、３３記憶回路。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工具が着脱自在の主軸ユニットを有し、前記主軸ユニットに前記工具を装着し、前記工具を主軸モータにより駆動しワークの加工を行う工作機械のサーボモータ駆動装置に接続された主軸ユニット芯振れ検知装置であって、前記工具の装着時及び取り外し時における、前記主軸ユニットを直線移動方向に可動させるサーボモータの検出器の検出結果および主軸モータの回転周波数に基づき、前記主軸ユニットの芯振れを判定し、前記検出結果に基づいて芯振れの要因を判別する主軸ユニット芯振れ判定部を備えることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工具が着脱自在の主軸ユニットを有し、前記主軸ユニットに前記工具を装着し、前記工具を主軸モータにより駆動しワークの加工を行う工作機械のサーボモータ駆動装置に接続された主軸ユニット芯振れ検知装置であって、前記工具が装着されている状態及び前記工具が取り外されている状態における、前記主軸ユニットを直線移動方向に可動させるサーボモータの検出器の検出結果および前記主軸モータの回転周波数に基づき、前記主軸ユニットの芯振れの有無を判定し、前記サーボモータ駆動装置から取得したドループの周波数成分と前記主軸モータの回転周波数とを比較して、芯振れの要因が、主軸ユニット又は主軸モータの異常であるか否かを判別する主軸ユニット芯振れ判定部を備えることを特徴とする。

Claims

工具が着脱自在の主軸ユニットを有し、前記主軸ユニットに前記工具を装着し、前記工具を主軸モータにより駆動しワークの加工を行う工作機械のサーボモータ駆動装置に接続された主軸ユニット芯振れ検知装置であって、
前記工具の装着時及び取り外し時における、前記主軸ユニットを直線移動方向に可動させるサーボモータの検出器の検出結果に基づき、前記主軸ユニットの芯振れを判定する主軸ユニット芯振れ判定部を備えることを特徴とする主軸ユニット芯振れ検知装置。
前記サーボモータ駆動装置から取得したドループと前記主軸モータの回転周波数とを比較して前記主軸ユニットの異常を検知する主軸ユニット異常検知部を備えることを特徴とする請求項１に記載の主軸ユニット芯振れ検知装置。
前記主軸ユニット芯振れ判定部は、
前記工具の取り付け位相が異なる複数の状態における前記主軸ユニット異常検知部の前記サーボモータ駆動装置のドループ位相を比較した結果から、前記主軸ユニットの芯振れの異常要因が前記工具のアンバランスであるのか又は前記工具のチャッキング不良であるのかを判定することを特徴とする請求項２に記載の主軸ユニット芯振れ検知装置。
前記主軸ユニット芯振れ判定部は、
前記主軸ユニットの異常要因が、前記主軸モータの異常、或いは主軸ユニットの芯振れであるのか、前記工具のアンバランスであるのか又は前記工具のチャッキング不良であるのかを判定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の主軸ユニット芯振れ検知装置。