WO2014136835A1 - 工作機械の異常診断装置及び異常診断方法 - Google Patents

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spindle
ram
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山本　英明
康二 岩田
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    • G05B2219/50—Machine tool, machine tool null till machine tool work handling
    • G05B2219/50186—Diagnostic of spindle bearing

Definitions

  • the present invention relates to a machine tool abnormality diagnosis apparatus and abnormality diagnosis method, and more particularly, to a machine tool abnormality diagnosis apparatus and abnormality diagnosis method in which a tool for machining a workpiece is attached to a spindle and the spindle is supported by a bearing.
  • the machine tool control device described in Patent Document 1 calculates a collision load that acts on a ball screw that drives a table when a table or a table load collides with a spindle or the like during operation of the machine tool, The magnitude of impact on the ball screw is determined by comparing the calculated load with a preset reference value.
  • the frequency of spindle system collisions is particularly high.
  • the tool attached to the spindle or the spindle itself is damaged, but also the bearing that supports the spindle, the motor that rotates the spindle, or the support structure that supports the spindle via the bearing is damaged.
  • damage is likely to increase. Therefore, it is required to accurately grasp the degree of damage due to the collision of the spindle system.
  • Patent Document 1 performs damage diagnosis due to a collision of a drive system that drives a table, and cannot diagnose the degree of damage due to the collision of the spindle system described above. .
  • the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and provides a machine tool abnormality diagnosis apparatus and abnormality diagnosis method capable of diagnosing the degree of damage caused by a spindle system collision. With the goal.
  • the machine tool abnormality diagnosis apparatus includes a tool for machining a workpiece attached to a spindle, the spindle supported by a bearing, and the bearing supported by a support structure.
  • a bearing displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the bearing
  • an acceleration detecting means for detecting an acceleration of the support structure
  • a bearing displacement detected by the bearing displacement amount detecting means A collision determination means for determining the presence or absence of a collision of the support structure or the spindle with the workpiece based on at least one of the amount or the acceleration of the support structure detected by the acceleration detection means; and the support structure by the collision determination means
  • the displacement of the bearing, the acceleration of the support structure, or the rotation of the spindle obtained from the acceleration of this support structure According based on at least one of the frequency characteristics of the vibration of the support structure, characterized by
  • the collision determination means is based on the amount of displacement of the bearing that is deformed by the collision of the spindle system and the acceleration of the support structure that is moved by the collision of the spindle system. Since the presence or absence of a collision is determined, the presence or absence of a collision can be directly determined. Further, the damage determination means determines the degree of damage of the bearing based on the displacement amount of the bearing that changes according to the degree of damage of the bearing, the acceleration of the support structure, or the frequency characteristics of the vibration of the support structure. It is possible to reliably grasp the degree of bearing damage due to the collision of the main shaft system.
  • the damage determining means can directly determine the degree of damage of the bearing by determining the degree of damage of the bearing based on the amount of displacement of the bearing. Further, the damage judging means judges the degree of damage of the bearing based on the frequency characteristics of the vibration of the support structure due to the rotation of the main shaft, thereby further increasing the degree of damage of the bearing from a plurality of side surfaces such as the base frequency and the peak value. Judgment can be made strictly.
  • the abnormality diagnosis device for a machine tool includes a support structure deformation amount estimation unit that estimates a deformation amount of the support structure, and the damage determination unit is configured to detect the support structure or the support structure by the collision determination unit. At least one of the acceleration of the support structure detected by the acceleration detection means and the deformation amount of the support structure estimated by the support structure deformation amount estimation means when it is determined that there has been a collision with the spindle To determine the degree of damage to the support structure.
  • the damage determination means may damage the support structure based on the acceleration of the support structure that changes according to the degree of damage to the support structure or the deformation amount of the support structure.
  • the damage determination unit can directly determine the degree of damage to the support structure by determining the degree of damage to the support structure based on the deformation amount of the support structure.
  • the machine tool includes a moving body that moves in a direction orthogonal to the axial direction of the main shaft, and a position detection unit that detects the position of the moving body, and the amount of deformation of the support structure
  • the estimating means estimates the deformation amount of the support structure based on the position change of the moving body detected by the position detecting means.
  • the support structure deformation amount estimation unit estimates the deformation amount of the support structure based on the position change of the mobile body when the mobile body collides with the spindle system. The deformation amount of the support structure can be reliably estimated without using a sensor that directly detects the deformation amount of the structure.
  • the machine tool abnormality diagnosis method provides a machine tool abnormality in which a tool for machining a workpiece is attached to a main shaft, the main shaft is supported by a bearing, and the bearing is supported by a support structure.
  • the support structure is detected based on at least one of the step of detecting the displacement amount of the bearing, the step of detecting the acceleration of the support structure, and the detected displacement amount of the bearing or the acceleration of the support structure.
  • a step of determining the degree of bearing damage based on at least one of the frequency characteristics of vibration of the support structure due to the rotation of the main shaft obtained from the acceleration of the support structure. And having a, the.
  • the machine tool abnormality diagnosis apparatus and abnormality diagnosis method of the present invention it is possible to diagnose the degree of damage caused by the collision of the spindle system.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a machine tool to which an abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • 1 is a partially enlarged side view of a main spindle portion of a machine tool to which an abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • It is a block diagram of the abnormality diagnosis apparatus by embodiment of this invention.
  • It is a flowchart of the abnormality diagnosis process which the abnormality diagnosis apparatus by embodiment of this invention performs.
  • It is a flowchart of the bearing damage determination process which the abnormality diagnosis apparatus by embodiment of this invention performs.
  • It is a flowchart of the ram saddle damage determination process which the abnormality diagnosis apparatus by embodiment of this invention performs.
  • FIG. 1 is a partially enlarged side view of a main spindle portion of a machine tool to which an abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention is applied, and is a view showing a ram that is deformed by a collision. It is a diagram which shows the time change of the position of the table before and behind a collision.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a ram protrusion amount from a saddle at the time of a collision and a maximum displacement amount LDmax of the ram tip assumed when the ram saddle is not damaged.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a machine tool to which an abnormality diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a partially enlarged side view of a main spindle portion of a machine tool to which an abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • symbol 1 shows a machine tool
  • This machine tool 1 has the bed 2 installed in a floor surface.
  • a plurality of brackets 4 are fixed to the upper surface of the bed 2.
  • a support bearing is attached to each bracket 4, and both end portions of the ball screw 6 are rotatably supported by these support bearings.
  • the longitudinal axis direction of the ball screw 6 is the X-axis direction
  • the direction orthogonal to the X-axis in the horizontal plane is the Y-axis direction
  • the vertical direction is the Z-axis direction.
  • a nut 8 is screwed into a thread portion of the ball screw 6 positioned between the brackets 4, and a table 10 is fixed to the nut 8.
  • a workpiece 12 that is a workpiece to be processed by the machine tool 1 is installed.
  • a motor 16 is connected to the ball screw 6 through a reduction gear 14 so that the driving force of the motor 16 is transmitted to the ball screw 6 through the reduction gear 14.
  • the motor 16 is controlled by the control unit 18.
  • a position detector 20 that detects the position of the table 10 is provided in the vicinity of the table 10.
  • a pulse coder 22 that detects the rotational speed of the motor 16 is attached to the motor 16.
  • the control unit 18 includes a position command that indicates the position of the table 10, a position feedback that is output from the position detector 20 that detects the position of the table 10, and a speed that is output from the pulse coder 22 that detects the rotational speed of the motor 16. Based on the feedback, the motor 16 is driven to control the moving speed and position of the table 10.
  • FIG. 2 is a partially enlarged side view of the main spindle portion 24 of the machine tool 1 to which the machine tool abnormality diagnosis device according to the embodiment of the present invention is applied.
  • the main shaft portion 24 has a saddle 26.
  • the saddle 26 is attached to the column so as to be movable along the Y-axis direction.
  • a ram 28 is supported by the saddle 26 so as to be linearly movable along the Z-axis direction.
  • a main shaft bearing 30 is provided inside the ram 28, and a main shaft 32 is supported by the main shaft bearing 30 so as to be rotatable about the Z axis.
  • the main shaft 32 protrudes downward along the Z-axis direction from the lower end of the ram 28, and a tool 34 is attached to the tip of the main shaft 32.
  • a displacement sensor 36 for detecting a displacement amount (deformation amount) of the spindle bearing 30 is attached to the spindle bearing 30.
  • a strain gauge or a piezoelectric element is used as the displacement sensor 36.
  • An acceleration sensor 38 that detects acceleration at the lower end of the ram 28 is attached to the lower end of the ram 28 that is a support structure that supports the main shaft 32 via the main shaft bearing 30.
  • the acceleration sensor 38 is a three-axis acceleration sensor that can detect acceleration in the three-axis directions of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis.
  • the control unit 18 outputs a position command that indicates the position of the table 10, a position feedback that is output from the position detector 20 that detects the position of the table 10, and a speed that is output from the pulse coder 22 that detects the rotational speed of the motor 16.
  • the motor 16 is driven based on the feedback, the driving force of the motor 16 is transmitted to the ball screw 6 via the reduction gear 14 and the ball screw 6 rotates.
  • the table 10 moves together with the nut 8 along the axial direction (X-axis direction) of the ball screw 6 to move the workpiece 12 installed on the table 10 to a desired position.
  • the ram 28 or the main shaft 32 is deformed by the impact, and the main shaft bearing 30 is also deformed by the deformation of the main shaft 32.
  • the displacement sensor 36 detects the amount of displacement of the spindle bearing 30, and the acceleration sensor 38 detects the acceleration associated with the deformation of the ram 28.
  • FIG. 3 is a block diagram of the abnormality diagnosis apparatus 40 according to the embodiment of the present invention.
  • the abnormality diagnosis device 40 includes a displacement sensor 36, an acceleration sensor 38, and an abnormality diagnosis unit 42 that diagnoses an abnormality in the machine tool 1.
  • the abnormality diagnosis unit 42 includes a displacement amount of the spindle bearing 30 detected by the displacement sensor 36, an acceleration of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38, a position feedback output from the position detector 20, and an output from the pulse coder 22.
  • An abnormality of the machine tool 1 is diagnosed based on the speed feedback and the motor current value output from the control unit 18.
  • the abnormality diagnosis unit 42 includes displacement data of the spindle bearing 30 detected by the displacement sensor 36, acceleration data of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38, position feedback data output from the position detector 20, and output from the pulse coder 22.
  • a storage unit 44 for storing the speed feedback data and the motor current value output from the control unit 18.
  • the abnormality diagnosis unit 42 includes a collision determination unit 46 that determines whether or not there is a collision with the spindle unit 24 based on the displacement data of the spindle bearing 30 and the acceleration data of the ram 28 that are stored in the storage unit 44, and a collision determination unit 46.
  • the ram deformation amount estimating unit 48 for estimating the deformation amount of the ram 28 and the displacement data of the main shaft bearing 30 and the acceleration data of the ram 28 stored in the storage unit 44, the main shaft bearing 30, the ram 28, and the saddle 26 are stored.
  • a damage determination unit 50 for determining the degree of damage.
  • FIG. 4 is a flowchart of the abnormality diagnosis process performed by the abnormality diagnosis apparatus 40 according to the embodiment of the present invention. This abnormality diagnosis process is executed when machining of the workpiece 12 by the machine tool 1 is started.
  • step S1 the collision determination unit 46 determines whether or not the acceleration of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38 exceeds ⁇ Cmax (m / s 2 ). Determine.
  • This ⁇ Cmax is the maximum acceleration when the motor 16 rotates the ball screw 6 and moves the table 10 by the rotation of the ball screw 6, and is defined by a numerical control parameter for controlling the position of the table 10.
  • the collision determination unit 46 proceeds to step S2 and determines that there is a collision with the main shaft part 24.
  • step S3 the collision determination unit 46 determines whether the displacement amount of the spindle bearing 30 exceeds DCmax (mm). Determine whether or not.
  • the DCmax is a maximum displacement amount of the main shaft bearing 30 that is assumed when no collision with the main shaft portion 24 occurs, and is set in advance.
  • the collision determination unit 46 proceeds to step S2 and determines that there is a collision with the spindle unit 24.
  • step S4 the collision determination unit 46 determines whether or not the acceleration of the table 10 exceeds ⁇ Cmax. Determine whether. Specifically, the collision determination unit 46 calculates the acceleration of the table 10 based on the speed feedback data and the position feedback data. When the calculated acceleration of the table 10 exceeds ⁇ Cmax, the collision determination unit 46 Proceeding to step S2, it is determined that there has been a collision with the main shaft portion 24.
  • the process proceeds to step S5, and the collision determination unit 46 determines whether or not the current value of the motor 16 exceeds ICmax (A). Determine.
  • the ICmax is a maximum current value of the motor 16 that is assumed when a collision with the main shaft portion 24 has not occurred, and is set in advance.
  • the collision determination unit 46 proceeds to step S ⁇ b> 2 and determines that there is a collision with the main shaft unit 24.
  • step S6 the collision determination unit 46 determines that the collision with the main shaft part 24 has not occurred. judge. After step S6, the abnormality diagnosis unit 42 ends the abnormality diagnosis process.
  • step S2 after the collision determination unit 46 determines that there is a collision with the main shaft part 24, the process proceeds to step S7, and the collision determination unit 46 determines the direction of the collision.
  • the collision determination unit 46 specifies the time of occurrence of a collision with the main shaft unit 24 based on the position feedback data, the speed feedback data, or the motor current value.
  • the collision determination unit 46 specifies a time point when the moving speed of the table 10 changes based on the position feedback data and the speed feedback data, and sets the time point as a collision time.
  • the collision determination part 46 specifies the moving direction of the table 10 at the time of a collision, and makes the moving direction the collision direction.
  • the collision determination unit 46 determines the collision direction based on the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38.
  • step S8 the damage determination unit 50 determines the degree of damage of the main shaft bearing 30 based on the displacement data of the main shaft bearing 30, the acceleration data of the ram 28, and the like (bearing damage determination processing).
  • step S9 the damage determination unit 50 determines the degree of damage of the ram 28 and the saddle 26 based on the displacement data of the spindle bearing 30 and the acceleration data of the ram 28 (ram / saddle damage determination processing).
  • step S9 the abnormality diagnosis unit 42 ends the abnormality diagnosis process.
  • FIG. 5 is a flowchart of the bearing damage determination process.
  • step S11 the damage determination unit 50 determines whether or not the displacement amount of the spindle bearing 30 has exceeded DDmax (mm).
  • DDmax is the maximum amount of displacement of the main shaft bearing 30 that is assumed when the main shaft bearing 30 is not damaged, and is set in advance.
  • the process proceeds to step S12, and the damage determination unit 50 determines that the spindle bearing 30 has been damaged.
  • the process proceeds to step S13, and the damage determination unit 50 determines whether an abnormality has occurred in the spindle system. Determine. Specifically, the damage determination unit 50 detects a rotation abnormality or a rotation loss of the main shaft 32 or an overload of a motor that rotates the main shaft 32 by a controller that controls the rotation of the main shaft 32. When an alarm indicating that an abnormality has occurred in the system is output, it is determined that an abnormality has occurred in the spindle system.
  • the process proceeds to step S14, and the damage determination unit 50 estimates the impact force F applied to the main shaft part 24 along the collision direction.
  • Tm is the torque generated by the motor 16 at the time of the collision
  • M is the inertia of the moving object that has collided with the main shaft portion 24.
  • M (weight of the saddle 26) + (weight of the ram 28).
  • ⁇ is the acceleration of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38.
  • step S15 the damage determination unit 50 determines whether or not the impact force F estimated in step S14 exceeds the static load rating of the spindle bearing 30.
  • the damage determination unit 50 determines whether or not the impact force F estimated in step S14 exceeds the static load rating of the spindle bearing 30.
  • step S13 If no abnormality has occurred in the spindle system in step S13, that is, if an alarm indicating that an abnormality has occurred in the spindle system is not output by the controller that controls the rotation of the spindle 32, or in step S15,
  • the process proceeds to step S16, and the damage determination unit 50 is caused by the rotation of the spindle 32.
  • the frequency characteristic of the vibration of the ram 28 is acquired.
  • the damage determination unit 50 performs frequency analysis of the vibration of the ram 28 due to the rotation of the main shaft 32 based on the acceleration data of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38.
  • the damage determination part 50 acquires the peak value of the harmonic frequency with respect to the base frequency equivalent to the rotation speed of the main axis
  • step S17 the damage determination unit 50 determines whether or not the peak values of the basal frequency and the harmonic frequency of the vibration of the ram 28 acquired in step S16 exceed PDmax.
  • the PDmax is a maximum peak value assumed when the main shaft bearing 30 is not damaged, and is set in advance.
  • the process proceeds to step S12, and the damage determination unit 50 determines that the main shaft bearing 30 has been damaged.
  • the process proceeds to step S18, and the damage determination unit 50 acquires the ram acquired in step S16. It is determined whether or not the frequency characteristics of the vibration 28 coincide with the normal frequency characteristics.
  • the damage determination unit 50 determines that the base frequency and the harmonic frequency of the vibration of the ram 28 acquired in step S16 are within a certain range from the base frequency and the harmonic frequency at the normal time, and the base frequency and the harmonics thereof. When the frequency peak value is within a certain range from the normal peak value, it is determined that the frequency characteristic of the vibration of the ram 28 matches the normal frequency characteristic.
  • step S12 when the frequency characteristic of the vibration of the ram 28 does not coincide with the normal frequency characteristic, the process proceeds to step S12, and the damage determination unit 50 determines that the main shaft bearing 30 is damaged.
  • step S19 if the frequency characteristic of the vibration of the ram 28 matches the normal frequency characteristic, the process proceeds to step S19, and the damage determination unit 50 determines that the spindle bearing 30 is not damaged.
  • step S12 or step S19 the damage determination unit 50 ends the bearing damage determination process and returns to the main routine.
  • FIG. 6 is a flowchart of the ram / saddle damage determination process.
  • the damage determination unit 50 determines whether or not an abnormality has occurred in the drive system of the table 10 in step S21. Specifically, the damage determination unit 50 detects an abnormal rotation or a loss of the ball screw 6 or an overload of the motor 16 by the control unit 18 and indicates that an abnormality has occurred in the drive system of the table 10. Is output, it is determined that an abnormality has occurred in the drive system of the table 10.
  • step S22 the damage determination unit 50 determines that the impact force F estimated in step S14 of the bearing damage determination process described with reference to FIG. Determine whether the load is exceeded.
  • the ram 28 may be deformed or damaged to the extent that repair is required. Therefore, it progresses to step S23 and the damage determination part 50 determines with the ram 28 having received damage.
  • step S21 if no abnormality has occurred in the drive system of the table 10 in step S21, that is, if an alarm indicating that an abnormality has occurred in the drive system of the table 10 has not been output by the control unit 18, or
  • step S22 when the impact force F does not exceed the load resistance of the ram 28 (the impact force F is equal to or less than the load resistance of the ram 28), the process proceeds to step S24, where the ram deformation amount estimation unit 48 The amount of displacement L at the tip of 28 is estimated.
  • FIG. 7 is a partially enlarged side view showing the ram 28 that is deformed by a collision.
  • the ram deformation amount estimation unit 48 estimates the displacement amount L of the tip of the ram 28 at the time of the collision.
  • FIG. 8 is a diagram showing the time change of the position of the table 10 before and after the collision.
  • the horizontal axis indicates time
  • the vertical axis indicates the position of the table 10.
  • the time T 0 when the moving speed of the table 10 (that is, the gradient of the time change of the position of the table 10) changes is a collision time.
  • the ram deformation amount estimation unit 48 calculates the distance between the position C 0 of the table 10 at the time of the collision and the stop position C 1 at which the position of the table 10 no longer changes, and calculates the distance at the time of the collision.
  • the amount of displacement L at the tip of the ram 28 is estimated.
  • the damage determination unit 50 determines whether or not the displacement amount L of the tip of the ram 28 estimated by the ram deformation amount estimation unit 48 in step S24 exceeds LDmax.
  • This LDmax is the maximum amount of displacement of the tip of the ram 28 that is assumed when the ram 28 and the saddle 26 are not damaged.
  • the LDmax is preliminarily set for each collision direction in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. Is set.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the amount of protrusion of the ram 28 from the saddle 26 and LDmax at the time of collision. In FIG.
  • the horizontal axis indicates LDmax
  • the vertical axis indicates the amount of protrusion of the ram 28 from the saddle 26.
  • the collision direction is the X-axis direction
  • the ram 28 and the saddle 26 are easily damaged even by a small displacement compared to the other collision directions, so that the LDmax is the smallest compared to the other collision directions.
  • LDmax is the largest compared to the other collision directions.
  • LDmax is intermediate between the case where the collision direction is the X-axis direction and the case of the Z-axis direction.
  • step S25 when the displacement amount L of the tip of the ram 28 estimated by the ram deformation amount estimation unit 48 in step S24 exceeds LDmax, the process proceeds to step S23, where the damage determination unit 50 determines that the ram 28 and the saddle 26 are Determined to have been damaged.
  • step S25 when the displacement amount L of the tip of the ram 28 does not exceed LDmax (the displacement amount L of the tip of the ram 28 is equal to or less than LDmax), the process proceeds to step S26, where the damage determination unit 50 It is determined that 26 is not damaged.
  • step S23 or step S26 the damage determination unit 50 ends the ram / saddle damage determination process and returns to the main routine.
  • the collision determination unit 46 is based on at least one of the displacement amount of the spindle bearing 30 detected by the displacement sensor 36 or the acceleration of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38, and the workpiece 12 of the ram 28 or the spindle 32.
  • the damage determination unit 50 determines the amount of displacement of the spindle bearing 30, the acceleration of the ram 28,
  • the degree of damage to the spindle bearing 30 is determined based on at least one of the frequency characteristics of the vibration of the ram 28 caused by the rotation of the spindle 32 obtained from the acceleration of the ram 28.
  • the collision determination unit 46 determines whether or not there is a collision with the workpiece 12 of the main spindle system based on the displacement amount of the main spindle bearing 30 that is deformed by the collision with the main spindle system and the acceleration of the ram 28 that is moved by the collision with the main spindle system. Since it determines, the presence or absence of a collision can be determined directly. Further, the damage determination unit 50 determines the degree of damage of the main shaft bearing 30 based on the displacement amount of the main shaft bearing 30, the acceleration of the ram 28, or the frequency characteristics of the vibration of the ram 28, which changes according to the degree of damage of the main shaft bearing 30.
  • the damage determination unit 50 can directly determine the degree of damage to the main shaft bearing 30 by determining the degree of damage to the main shaft bearing 30 based on the amount of displacement of the main shaft bearing 30. Further, the damage determination unit 50 determines the degree of damage of the main shaft bearing 30 based on the frequency characteristics of the vibration of the ram 28 due to the rotation of the main shaft 32, so that the main shaft bearing 30 can be obtained from a plurality of side surfaces such as a base frequency and a peak value. The degree of damage can be determined more precisely.
  • the damage determination unit 50 determines the acceleration of the ram 28 detected by the acceleration sensor 38 or the ram deformation amount estimation unit when the collision determination unit 46 determines that there is a collision with the ram 28 or the spindle 32. Based on at least one of the deformation amounts of the ram 28 estimated by 48, the degree of damage of the ram 28 and the saddle 26 is determined. That is, the damage determination unit 50 determines the degree of damage of the ram 28 and the saddle 26 based on the acceleration of the ram 28 that changes according to the degree of damage of the ram 28 and the saddle 26 or the deformation amount of the ram 28. The degree of damage to the ram 28 and the saddle 26 due to the collision of the system can be reliably grasped. In particular, the damage determination unit 50 can directly determine the degree of damage of the ram 28 and the saddle 26 by determining the degree of damage of the ram 28 and the saddle 26 based on the deformation amount of the ram 28.
  • the ram deformation amount estimation unit 48 estimates the deformation amount of the ram 28 based on the position change of the table 10 detected by the position detector 20. That is, the ram deformation amount estimation unit 48 estimates the deformation amount of the ram 28 based on the position change of the table 10 when the workpiece 12 installed on the table 10 or the table 10 itself collides with the spindle system. The deformation amount of the ram 28 can be reliably estimated without using a sensor that directly detects the deformation amount.

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Abstract

　主軸系の衝突による損傷の程度を診断することができる工作機械の異常診断装置及び異常診断方法を提供する。　工作機械(1)の異常診断装置(40)は、主軸ベアリング(30)の変位量を検出する変位センサ(36)と、ラム(28)の加速度を検出する加速度センサ(38)と、変位センサにより検出された主軸ベアリングの変位量、又は、加速度センサにより検出されたラムの加速度の少なくとも何れかに基づき、ラム又は主軸(32)のワークへの衝突の有無を判定する衝突判定部(46)と、衝突判定部によりラム又は主軸のワークへの衝突が有ったと判定された場合に、主軸ベアリングの変位量、ラムの加速度、又は、このラムの加速度から得られた主軸の回転によるラムの振動の周波数特性の少なくとも何れかに基づき、主軸ベアリングの損傷程度を判定する損傷判定部(50)と、を有する。

Description

工作機械の異常診断装置及び異常診断方法
　本発明は、工作機械の異常診断装置及び異常診断方法に係わり、特に、ワークを加工する工具が主軸に取り付けられ、この主軸が軸受によって支持される工作機械の異常診断装置及び異常診断方法に関する。
　従来より、軸受によって支持された主軸を有する工作機械が使用されている。この工作機械では、主軸に取り付けられた工具とワークとを相対的に移動させることにより、ワークに各種の加工を行う。このように、主軸に取り付けられた工具とワークとを相対的に移動させる際に、工具又はワークの移動方向や移動量を規定するＮＣ（Numerical Control）プログラムの入力ミスや作業者の操作ミスにより、主軸、工具、ワーク等を衝突させ、工作機械を損傷させてしまう場合がある。
　そこで、このような衝突による工作機械の損傷の程度を判断し、機械の部品交換が必要であるか否かを判断するための工作機械の制御装置が提案されている。例えば、特許文献１に記載されている工作機械の制御装置は、工作機械の動作時にテーブルやテーブル積載物が主軸などと衝突した場合、テーブルを駆動するボールネジに作用した衝突の負荷を算出し、その算出した負荷をあらかじめ設定された基準値と比較することにより、ボールネジに対する衝撃の大きさを判定する。
特許第４８９７６３２号公報
　工作機械に発生し得る衝突の中では、主軸系の衝突の発生頻度が特に高い。この主軸系の衝突では、主軸に取り付けられた工具や主軸自体の損傷に留まらず、主軸を支持する軸受、主軸を回転させるモータ、あるいは軸受を介して主軸を支持する支持構造体にまで損傷が及ぶ場合もあり、被害が大きくなり易い。従って、主軸系の衝突による損傷の程度を的確に把握することが要求される。
　しかしながら、特許文献１に記載されている工作機械の制御装置は、テーブルを駆動する駆動系の衝突による損傷診断を行うものであり、上述した主軸系の衝突による損傷の程度を診断することができない。
　本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、主軸系の衝突による損傷の程度を診断することができる工作機械の異常診断装置及び異常診断方法を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明の第１発明による工作機械の異常診断装置は、ワークを加工する工具が主軸に取り付けられ、この主軸が軸受により支持され、この軸受が支持構造体により支持される工作機械の異常診断装置において、軸受の変位量を検出する軸受変位量検出手段と、支持構造体の加速度を検出する加速度検出手段と、軸受変位量検出手段により検出された軸受の変位量、又は、加速度検出手段により検出された支持構造体の加速度の少なくとも何れかに基づき、支持構造体又は主軸のワークへの衝突の有無を判定する衝突判定手段と、衝突判定手段により支持構造体又は主軸のワークへの衝突が有ったと判定された場合に、軸受の変位量、支持構造体の加速度、又は、この支持構造体の加速度から得られた主軸の回転による支持構造体の振動の周波数特性の少なくとも何れかに基づき、軸受の損傷程度を判定する損傷判定手段と、を有することを特徴とする。
　このように構成された本発明においては、衝突判定手段は、主軸系の衝突により変形する軸受の変位量や、主軸系の衝突により移動する支持構造体の加速度に基づき、主軸系のワークへの衝突の有無を判定するので、衝突の有無を直接的に判定することができる。また、損傷判定手段は、軸受の損傷程度に応じて変化する軸受の変位量、支持構造体の加速度、又は、支持構造体の振動の周波数特性に基づいて、軸受の損傷程度を判定するので、主軸系の衝突による軸受の損傷の程度を確実に把握することができる。特に、損傷判定手段が、軸受の変位量に基づいて軸受の損傷程度を判定することにより、軸受の損傷程度を直接的に判定することができる。また、損傷判定手段が、主軸の回転による支持構造体の振動の周波数特性に基づいて軸受の損傷程度を判定することにより、基底周波数やピーク値等の複数の側面から、軸受の損傷程度をより厳密に判定することができる。
　また、本発明において、好ましくは、工作機械の異常診断装置は、支持構造体の変形量を推定する支持構造体変形量推定手段を有し、損傷判定手段は、衝突判定手段により支持構造体又は主軸への衝突が有ったと判定された場合に、加速度検出手段により検出された支持構造体の加速度、又は、支持構造体変形量推定手段により推定された支持構造体の変形量の少なくとも何れかに基づき、支持構造体の損傷程度を判定する。
　このように構成された本発明においては、損傷判定手段は、支持構造体の損傷程度に応じて変化する支持構造体の加速度、又は、支持構造体の変形量に基づいて、支持構造体の損傷程度を判定するので、主軸系の衝突による支持構造体の損傷の程度を確実に把握することができる。特に、損傷判定手段が、支持構造体の変形量に基づいて支持構造体の損傷程度を判定することにより、支持構造体の損傷程度を直接的に判定することができる。
　また、本発明において、好ましくは、工作機械は、主軸の軸線方向と直交する方向に移動する移動体と、この移動体の位置を検出する位置検出手段と、を有し、支持構造体変形量推定手段は、位置検出手段により検出された移動体の位置変化に基づき、支持構造体の変形量を推定する。
　このように構成された本発明においては、支持構造体変形量推定部は、移動体が主軸系と衝突した場合の移動体の位置変化に基づき、支持構造体の変形量を推定するので、支持構造体の変形量を直接検出するセンサを用いることなく、支持構造体の変形量を確実に推定することができる。
　また、本発明の第２発明による工作機械の異常診断方法は、ワークを加工する工具が主軸に取り付けられ、この主軸が軸受により支持され、この軸受が支持構造体により支持される工作機械の異常診断方法において、軸受の変位量を検出するステップと、支持構造体の加速度を検出するステップと、検出された軸受の変位量、又は、支持構造体の加速度の少なくとも何れかに基づき、支持構造体又は主軸のワークへの衝突の有無を判定するステップと、支持構造体又は主軸のワークへの衝突が有ったと判定された場合に、検出された軸受の変位量、若しくは、支持構造体の加速度、又は、この支持構造体の加速度から得られた主軸の回転による支持構造体の振動の周波数特性の少なくとも何れかに基づき、軸受の損傷程度を判定するステップと、を有することを特徴とする。
　本発明による工作機械の異常診断装置及び異常診断方法によれば、主軸系の衝突による損傷の程度を診断することができる。
本発明の実施形態による異常診断装置が適用される工作機械の概略斜視図である。 本発明の実施形態による異常診断装置が適用される工作機械の主軸部の部分拡大側面図である。 本発明の実施形態による異常診断装置のブロック図である。 本発明の実施形態による異常診断装置が行う異常診断処理のフローチャートである。 本発明の実施形態による異常診断装置が行うベアリング損傷判定処理のフローチャートである。 本発明の実施形態による異常診断装置が行うラム・サドル損傷判定処理のフローチャートである。 本発明の実施形態による異常診断装置が適用される工作機械の主軸部の部分拡大側面図であり、衝突により変形するラムを示す図である。 衝突前後におけるテーブルの位置の時間変化を示す線図である。 衝突時のサドルからのラムの突出量と、ラム・サドルが損傷を受けていない場合に想定されるラムの先端の最大変位量ＬＤｍａｘとの関係を示す線図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による異常診断装置及び異常診断方法を説明する。
　まず、図１及び図２により、本発明の実施形態による異常診断装置が適用される工作機械について説明する。図１は、本発明の実施形態による異常診断装置が適用される工作機械の概略斜視図である。図２は、本発明の実施形態による異常診断装置が適用される工作機械の主軸部の部分拡大側面図である。
　図１に示すように、符号１は、工作機械を示し、この工作機械１は、床面に設置されるベッド２を有している。このベッド２の上面には、複数のブラケット４が固定されている。各ブラケット４には支持ベアリングが取り付けられており、これらの支持ベアリングにより、ボールスクリュー６の両端部分が回転可能に支持されている。
　以下の説明では、ボールスクリュー６の長手軸線方向をＸ軸方向とし、水平面内においてＸ軸と直交する方向をＹ軸方向とし、鉛直方向をＺ軸方向とする。
　ブラケット４の間に位置しているボールスクリュー６のネジ部には、ナット８が螺合されており、このナット８にテーブル１０が固定されている。このテーブル１０の上面に、工作機械１による加工対象物であるワーク１２が設置される。
　ボールスクリュー６には、減速ギヤ１４を介してモータ１６が連結されており、モータ１６の駆動力が減速ギヤ１４を介してボールスクリュー６に伝達されるようになっている。モータ１６は、制御部１８によって制御される。
　さらに、テーブル１０の近傍にはテーブル１０の位置を検出する位置検出器２０が設けられている。また、モータ１６には、モータ１６の回転速度を検出するパルスコーダ２２が取り付けられている。
　制御部１８は、テーブル１０の位置を指示する位置指令、テーブル１０の位置を検出する位置検出器２０から出力される位置フィードバック、及び、モータ１６の回転速度を検出するパルスコーダ２２から出力される速度フィードバックに基づき、モータ１６を駆動して、テーブル１０の移動速度や位置等を制御する。
　また、工作機械１は、ベッド２を跨ぐように配設された門形のコラム（図示せず）を有しており、このコラムに、主軸部２４が取り付けられている。図２は、本発明の実施形態による工作機械の異常診断装置が適用される工作機械１の主軸部２４の部分拡大側面図である。
　図２に示すように、主軸部２４は、サドル２６を有している。サドル２６は、Ｙ軸方向に沿って移動可能にコラムに取り付けられている。このサドル２６により、ラム２８が、Ｚ軸方向に沿って直動可能に支持されている。
　ラム２８の内部には主軸ベアリング３０が設けられており、この主軸ベアリング３０により、主軸３２がＺ軸を中心に回転可能に支持されている。主軸３２は、ラム２８の下端からＺ軸方向に沿って下向きに突出しており、主軸３２の先端部に工具３４が装着される。
　次に、異常診断装置４０を説明する。主軸ベアリング３０には、この主軸ベアリング３０の変位量（変形量）を検出する変位センサ３６が取り付けられている。この変位センサ３６としては、歪ゲージや圧電素子が使用される。
　また、主軸ベアリング３０を介して主軸３２を支持する支持構造体であるラム２８の下端部には、ラム２８の下端部の加速度を検出する加速度センサ３８が取り付けられている。この加速度センサ３８は、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸の３軸方向の加速度を検出可能な３軸加速度センサである。
　制御部１８が、テーブル１０の位置を指示する位置指令、テーブル１０の位置を検出する位置検出器２０から出力される位置フィードバック、及び、モータ１６の回転速度を検出するパルスコーダ２２から出力される速度フィードバックに基づき、モータ１６を駆動させると、モータ１６の駆動力が減速ギヤ１４を介してボールスクリュー６に伝達され、ボールスクリュー６が回転する。これにより、ナット８と共にテーブル１０がボールスクリュー６の軸線方向（Ｘ軸方向）に沿って直動し、テーブル１０に設置されたワーク１２を所望の位置に移動させる。
　作業者の操作ミス等により、テーブル１０上のワーク１２が主軸部２４に衝突すると、その衝撃によりラム２８や主軸３２が変形し、主軸３２の変形により主軸ベアリング３０も変形する。この主軸ベアリング３０の変位量を変位センサ３６が検出し、ラム２８の変形に伴う加速度を加速度センサ３８が検出する。
　次に、図３により、本発明の実施形態による異常診断装置４０の電気的な構成を説明する。図３は、本発明の実施形態による異常診断装置４０のブロック図である。
　図３に示すように、異常診断装置４０は、変位センサ３６、加速度センサ３８、及び、工作機械１の異常を診断する異常診断部４２を備える。この異常診断部４２は、変位センサ３６により検出された主軸ベアリング３０の変位量、加速度センサ３８により検出されたラム２８の加速度、位置検出器２０から出力される位置フィードバック、パルスコーダ２２から出力される速度フィードバック、及び、制御部１８から出力されるモータ電流値に基づき、工作機械１の異常を診断する。
　異常診断部４２は、変位センサ３６により検出された主軸ベアリング３０の変位データ、加速度センサ３８により検出されたラム２８の加速度データ、位置検出器２０から出力される位置フィードバックデータ、パルスコーダ２２から出力される速度フィードバックデータ、及び、制御部１８から出力されるモータ電流値を記憶する記憶部４４を備える。
　また、異常診断部４２は、記憶部４４に記憶されている主軸ベアリング３０の変位データやラム２８の加速度データに基づき、主軸部２４への衝突の有無を判定する衝突判定部４６と、衝突によるラム２８の変形量を推定するラム変形量推定部４８と、記憶部４４に記憶されている主軸ベアリング３０の変位データやラム２８の加速度データ等に基づき、主軸ベアリング３０、ラム２８、及びサドル２６の損傷程度を判定する損傷判定部５０とを備えている。
　次に、図４乃至図６により、本発明の実施形態による異常診断装置４０が行う各処理について説明する。
　図４は、本発明の実施形態による異常診断装置４０が行う異常診断処理のフローチャートである。この異常診断処理は、工作機械１によるワーク１２の加工が開始された場合に実行される。
　図４に示すように、異常診断処理が開始されると、ステップＳ１において、衝突判定部４６は、加速度センサ３８により検出されたラム２８の加速度がαＣｍａｘ（ｍ／ｓ2）を超えたか否かを判定する。このαＣｍａｘは、モータ１６がボールスクリュー６を回転させ、このボールスクリュー６の回転によりテーブル１０を移動させる際の最大加速度であり、テーブル１０の位置を制御するための数値制御パラメータにより定義される。衝突が発生していない正常な使用状況においては、テーブル１０がαＣｍａｘを超える加速度により移動することは考えられない。従って、ラム２８の加速度がαＣｍａｘを超えた場合、衝突判定部４６は、ステップＳ２に進み、主軸部２４に対する衝突が有ったものと判定する。
　一方、ラム２８の加速度がαＣｍａｘを超えていない（ラム２８の加速度がαＣｍａｘ以下である）場合、ステップＳ３に進み、衝突判定部４６は、主軸ベアリング３０の変位量がＤＣｍａｘ（ｍｍ）を超えたか否かを判定する。このＤＣｍａｘは、主軸部２４に対する衝突が発生していない場合に想定される主軸ベアリング３０の最大変位量であり、予め設定されている。主軸ベアリング３０の変位量がＤＣｍａｘを超えた場合、衝突判定部４６は、ステップＳ２に進み、主軸部２４に対する衝突が有ったものと判定する。
　一方、主軸ベアリング３０の変位量がＤＣｍａｘを超えていない（主軸ベアリング３０の変位量がＤＣｍａｘ以下である）場合、ステップＳ４に進み、衝突判定部４６は、テーブル１０の加速度がαＣｍａｘを超えたか否かを判定する。具体的には、衝突判定部４６は、速度フィードバックデータ及び位置フィードバックデータに基づき、テーブル１０の加速度を算出し、この算出したテーブル１０の加速度がαＣｍａｘを超えている場合、衝突判定部４６は、ステップＳ２に進み、主軸部２４に対する衝突が有ったものと判定する。
　一方、テーブル１０の加速度αＣｍａｘを超えていない（テーブル１０の加速度がαＣｍａｘ以下である）場合、ステップＳ５に進み、衝突判定部４６は、モータ１６の電流値がＩＣｍａｘ（Ａ）を超えたか否かを判定する。このＩＣｍａｘは、主軸部２４に対する衝突が発生していない場合に想定されるモータ１６の最大電流値であり、予め設定されている。モータ１６の電流値がＩＣｍａｘを超えた場合、衝突判定部４６は、ステップＳ２に進み、主軸部２４に対する衝突が有ったものと判定する。
　一方、モータ１６の電流値がＩＣｍａｘを超えていない（モータ１６の電流値がＩＣｍａｘ以下である）場合、ステップＳ６に進み、衝突判定部４６は、主軸部２４に対する衝突が発生していないものと判定する。ステップＳ６の後、異常診断部４２は異常診断処理を終了する。
　ステップＳ２において、主軸部２４に対する衝突が有ったものと衝突判定部４６が判定した後、ステップＳ７に進み、衝突判定部４６は、衝突の方向を判定する。具体的には、衝突判定部４６は、位置フィードバックデータ、速度フィードバックデータ、又は、モータ電流値に基づき、主軸部２４に対する衝突の発生時を特定する。例えば、衝突判定部４６は、位置フィードバックデータや速度フィードバックデータに基づき、テーブル１０の移動速度が変化した時点を特定し、その時点を衝突時とする。そして、衝突判定部４６は、衝突時におけるテーブル１０の移動方向を特定し、その移動方向を衝突方向とする。あるいは、衝突判定部４６は、加速度センサ３８により検出されたラム２８のＸ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸方向の各加速度に基づき、衝突方向を判定する。
　次に、ステップＳ８に進み、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０の変位データやラム２８の加速度データ等に基づき、主軸ベアリング３０の損傷程度を判定する（ベアリング損傷判定処理）。続いて、ステップＳ９に進み、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０の変位データやラム２８の加速度データ等に基づき、ラム２８とサドル２６の損傷程度を判定する（ラム・サドル損傷判定処理）。ステップＳ９の後、異常診断部４２は異常診断処理を終了する。
　次に、異常診断処理のステップＳ８において損傷判定部５０が実行するベアリング損傷判定処理を説明する。図５は、ベアリング損傷判定処理のフローチャートである。
　図５に示すように、ベアリング損傷判定処理が開始されると、ステップＳ１１において、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０の変位量がＤＤｍａｘ（ｍｍ）を超えたか否かを判定する。このＤＤｍａｘは、主軸ベアリング３０が損傷を受けていない場合に想定される主軸ベアリング３０の最大変位量であり、予め設定されている。主軸ベアリング３０の変位量がＤＤｍａｘを超えた場合、ステップＳ１２に進み、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０が損傷を受けたものと判定する。
　一方、主軸ベアリング３０の変位量がＤＤｍａｘを超えていない（主軸ベアリング３０の変位量がＤＤｍａｘ以下である）場合、ステップＳ１３に進み、損傷判定部５０は、主軸系に異常が発生したか否かを判定する。具体的には、損傷判定部５０は、主軸３２の回転を制御するコントローラにより、主軸３２の回転異常や回転損失、あるいは、主軸３２を回転させるモータの過負荷が検出され、このコントローラにより、主軸系に異常が発生した旨のアラームが出力された場合に、主軸系に異常が発生したと判定する。
　その結果、主軸系に異常が発生した場合、ステップＳ１４に進み、損傷判定部５０は、衝突方向に沿って主軸部２４に加えられた衝撃力Ｆを推定する。損傷判定部５０は、Ｆ＝Ｔｍ＋（Ｍ・α）により衝撃力Ｆを算出する。ここで、Ｔｍは、衝突時にモータ１６が発生させていたトルクであり、損傷判定部５０は、モータ電流値に基づきＴｍを算出する。また、Ｍは、主軸部２４に衝突した移動物体のイナーシャである。より詳細には、図４により説明した異常診断処理のステップＳ７において衝突判定部４６により判定された衝突方向がＸ軸方向である場合、損傷判定部５０は、Ｍ＝（テーブル１０の重量）＋（ワーク１２の重量）によりＭを算出する。また、衝突判定部４６により判定された衝突方向がＹ軸方向である場合、損傷判定部５０は、Ｍ＝（サドル２６の重量）＋（ラム２８の重量）によりＭを算出する。また、衝突判定部４６により判定された衝突方向がＺ軸方向である場合、損傷判定部５０は、Ｍ＝ラム２８の重量によりＭを算出する。また、αは、加速度センサ３８により検出されたラム２８の加速度である。
　次に、ステップＳ１５に進み、損傷判定部５０は、ステップＳ１４において推定した衝撃力Ｆが、主軸ベアリング３０の静定格荷重を超えているか否かを判定する。その結果、衝撃力Ｆが、主軸ベアリング３０の静定格荷重を超えている場合、交換を要する程度の変形や損傷が主軸ベアリング３０に生じている可能性がある。従って、ステップＳ１２に進み、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０が損傷を受けたものと判定する。
　ステップＳ１３において、主軸系に異常が発生していない場合、即ち、主軸３２の回転を制御するコントローラにより、主軸系に異常が発生した旨のアラームが出力されていない場合、又は、ステップＳ１５において、衝撃力Ｆが、主軸ベアリング３０の静定格荷重を超えていない（衝撃力Ｆが主軸ベアリング３０の静定格荷重以下である）場合、ステップＳ１６に進み、損傷判定部５０は、主軸３２の回転によるラム２８の振動の周波数特性を取得する。具体的には、損傷判定部５０は、加速度センサ３８により検出されたラム２８の加速度データに基づき、主軸３２の回転によるラム２８の振動の周波数解析を行う。そして、損傷判定部５０は、主軸３２の回転数に相当する基底周波数、及び、その基底周波数に対する高調波周波数のピーク値を取得する。
　次に、ステップＳ１７において、損傷判定部５０は、ステップＳ１６において取得したラム２８の振動の基底周波数及び高調波周波数のピーク値がＰＤｍａｘを超えているか否かを判定する。このＰＤｍａｘは、主軸ベアリング３０が損傷を受けていない場合に想定される最大ピーク値であり、予め設定されている。ラム２８の振動の基底周波数及び高調波周波数のピーク値がＰＤｍａｘを超えている場合、ステップＳ１２に進み、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０が損傷を受けたものと判定する。
　一方、ラム２８の振動の基底周波数及び高調波周波数のピーク値がＰＤｍａｘを超えていない（ピーク値がＰＤｍａｘ以下である）場合、ステップＳ１８に進み、損傷判定部５０は、ステップＳ１６において取得したラム２８の振動の周波数特性が、正常時の周波数特性と一致するか否かを判定する。損傷判定部５０は、ステップＳ１６において取得したラム２８の振動の基底周波数及び高調波周波数が、正常時の基底周波数及び高調波周波数から一定の範囲内にあり、且つ、それらの基底周波数及び高調波周波数のピーク値が、正常時のピーク値から一定の範囲内にある場合に、ラム２８の振動の周波数特性が、正常時の周波数特性と一致すると判定する。
　その結果、ラム２８の振動の周波数特性が、正常時の周波数特性と一致しない場合、ステップＳ１２に進み、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０が損傷を受けたものと判定する。
　一方、ラム２８の振動の周波数特性が、正常時の周波数特性と一致する場合、ステップＳ１９に進み、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０が損傷を受けていないものと判定する。
　ステップＳ１２又はステップＳ１９の後、損傷判定部５０はベアリング損傷判定処理を終了し、メインルーチンに戻る。
　次に、異常診断処理のステップＳ９において損傷判定部５０が実行するラム損傷判定処理を説明する。図６は、ラム・サドル損傷判定処理のフローチャートである。
　図６に示すように、ラム・サドル損傷判定処理が開始されると、ステップＳ２１において、損傷判定部５０は、テーブル１０の駆動系に異常が発生したか否かを判定する。具体的には、損傷判定部５０は、制御部１８により、ボールスクリュー６の回転異常や回転損失、あるいは、モータ１６の過負荷が検出され、テーブル１０の駆動系に異常が発生した旨のアラームが出力された場合に、テーブル１０の駆動系に異常が発生したと判定する。
　その結果、テーブル１０の駆動系に異常が発生した場合、ステップＳ２２に進み、損傷判定部５０は、図５により説明したベアリング損傷判定処理のステップＳ１４において推定した衝撃力Ｆが、ラム２８の耐荷重を超えているか否かを判定する。その結果、衝撃力Ｆが、ラム２８の耐荷重を超えている場合、修理を要する程度の変形や損傷がラム２８に生じている可能性がある。従って、ステップＳ２３に進み、損傷判定部５０は、ラム２８が損傷を受けたものと判定する。
　一方、ステップＳ２１において、テーブル１０の駆動系に異常が発生していない場合、即ち、制御部１８により、テーブル１０の駆動系に異常が発生した旨のアラームが出力されていない場合、又は、ステップＳ２２において、衝撃力Ｆが、ラム２８の耐荷重を超えていない（衝撃力Ｆがラム２８の耐荷重以下である）場合、ステップＳ２４に進み、ラム変形量推定部４８は、衝突時のラム２８の先端の変位量Ｌを推定する。
　図７は、衝突により変形するラム２８を示す部分拡大側面図である。移動するテーブル１０に設置されているワーク１２がラム２８に衝突すると、図７において破線により示すように、衝突方向に沿ってラム２８が変形する。ラム変形量推定部４８は、この衝突時のラム２８の先端の変位量Ｌを推定する。
　図８は、衝突前後におけるテーブル１０の位置の時間変化を示す線図である。この図８において、横軸は時間を示し、縦軸はテーブル１０の位置を示す。
　図８に示すように、テーブル１０の移動速度（即ちテーブル１０の位置の時間変化の傾き）が変化した時点Ｔ0が衝突時である。ラム変形量推定部４８は、位置フィードバックデータに基づき、衝突時におけるテーブル１０の位置Ｃ0と、テーブル１０の位置が変化しなくなった停止位置Ｃ1との距離を算出し、その距離を衝突時のラム２８の先端の変位量Ｌとして推定する。
　次に、ステップＳ２５に進み、損傷判定部５０は、ステップＳ２４においてラム変形量推定部４８により推定されたラム２８の先端の変位量Ｌが、ＬＤｍａｘを超えたか否かを判定する。このＬＤｍａｘは、ラム２８とサドル２６が損傷を受けていない場合に想定されるラム２８の先端の最大変位量であり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及び、Ｚ軸方向の各衝突方向について予め設定されている。
　図９は、衝突時のラム２８のサドル２６からの突出量とＬＤｍａｘとの関係を示す線図である。この図９において、横軸はＬＤｍａｘを示し、縦軸はラム２８のサドル２６からの突出量を示す。
　図９に示すように、ラム２８のサドル２６からの突出量が大きくなるほど、小さい変位でもラム２８とサドル２６が損傷しやすくなるので、ＬＤｍａｘが小さくなっている。
　また、衝突方向がＸ軸方向の場合、他の衝突方向と比較して小さい変位でもラム２８とサドル２６が損傷しやすいので、他の衝突方向と比較してＬＤｍａｘが最も小さくなっている。これに対し、衝突方向がＺ軸方向の場合、他の衝突方向と比較して大きい変位でもラム２８とサドル２６が損傷しにくいので、他の衝突方向と比較してＬＤｍａｘが最も大きくなっている。衝突方向がＹ軸方向の場合、ＬＤｍａｘは、衝突方向がＸ軸方向の場合とＺ軸方向の場合との中間の大きさとなっている。
　ステップＳ２５の結果、ステップＳ２４においてラム変形量推定部４８により推定されたラム２８の先端の変位量ＬがＬＤｍａｘを超えた場合、ステップＳ２３に進み、損傷判定部５０は、ラム２８とサドル２６が損傷を受けたものと判定する。
　ステップＳ２５において、ラム２８の先端の変位量ＬがＬＤｍａｘを超えていない（ラム２８の先端の変位量ＬがＬＤｍａｘ以下である）場合、ステップＳ２６に進み、損傷判定部５０は、ラム２８とサドル２６が損傷を受けていないものと判定する。
　ステップＳ２３又はステップＳ２６の後、損傷判定部５０はラム・サドル損傷判定処理を終了し、メインルーチンに戻る。
　次に、上述した本実施形態の異常診断装置４０及び異常診断方法による作用効果を説明する。
　まず、衝突判定部４６は、変位センサ３６により検出された主軸ベアリング３０の変位量、又は、加速度センサ３８により検出されたラム２８の加速度の少なくとも何れかに基づき、ラム２８又は主軸３２のワーク１２への衝突の有無を判定し、損傷判定部５０は、衝突判定部４６によりラム２８又は主軸３２への衝突が有ったと判定された場合に、主軸ベアリング３０の変位量、ラム２８の加速度、又は、このラム２８の加速度から得られた主軸３２の回転によるラム２８の振動の周波数特性の少なくとも何れかに基づき、主軸ベアリング３０の損傷程度を判定する。
　即ち、衝突判定部４６は、主軸系への衝突により変形する主軸ベアリング３０の変位量や、主軸系への衝突により移動するラム２８の加速度に基づき、主軸系のワーク１２への衝突の有無を判定するので、衝突の有無を直接的に判定することができる。また、損傷判定部５０は、主軸ベアリング３０の損傷程度に応じて変化する主軸ベアリング３０の変位量、ラム２８の加速度、又は、ラム２８の振動の周波数特性に基づいて、主軸ベアリング３０の損傷程度を判定するので、主軸系の衝突による主軸ベアリング３０の損傷の程度を確実に把握することができる。特に、損傷判定部５０が、主軸ベアリング３０の変位量に基づいて主軸ベアリング３０の損傷程度を判定することにより、主軸ベアリング３０の損傷程度を直接的に判定することができる。また、損傷判定部５０が、主軸３２の回転によるラム２８の振動の周波数特性に基づいて主軸ベアリング３０の損傷程度を判定することにより、基底周波数やピーク値等の複数の側面から、主軸ベアリング３０の損傷程度をより厳密に判定することができる。
　また、損傷判定部５０は、衝突判定部４６によりラム２８又は主軸３２への衝突が有ったと判定された場合に、加速度センサ３８により検出されたラム２８の加速度、又は、ラム変形量推定部４８により推定されたラム２８の変形量の少なくとも何れかに基づき、ラム２８とサドル２６の損傷程度を判定する。
　即ち、損傷判定部５０は、ラム２８とサドル２６の損傷程度に応じて変化するラム２８の加速度、又は、ラム２８の変形量に基づいてラム２８とサドル２６の損傷程度を判定するので、主軸系の衝突によるラム２８とサドル２６の損傷の程度を確実に把握することができる。特に、損傷判定部５０が、ラム２８の変形量に基づいてラム２８とサドル２６の損傷程度を判定することにより、ラム２８とサドル２６の損傷程度を直接的に判定することができる。
　また、ラム変形量推定部４８は、位置検出器２０により検出されたテーブル１０の位置変化に基づき、ラム２８の変形量を推定する。即ち、ラム変形量推定部４８は、テーブル１０に設置されたワーク１２やテーブル１０自体が主軸系と衝突した場合のテーブル１０の位置変化に基づき、ラム２８の変形量を推定するので、ラム２８の変形量を直接検出するセンサを用いることなく、ラム２８の変形量を確実に推定することができる。
　１　工作機械
　２　ベッド
　４　ブラケット
　６　ボールスクリュー
　８　ナット
　１０　テーブル
　１２　ワーク
　１４　減速ギヤ
　１６　モータ
　１８　制御部
　２０　位置検出器
　２２　パルスコーダ
　２４　主軸部
　２６　サドル
　２８　ラム
　３０　主軸ベアリング
　３２　主軸
　３４　工具
　３６　変位センサ
　３８　加速度センサ
　４０　異常診断装置
　４２　異常診断部
　４４　記憶部
　４６　衝突判定部
　４８　ラム変形量推定部
　５０　損傷判定部

Claims (4)

  1. 　ワークを加工する工具が主軸に取り付けられ、この主軸が軸受により支持され、この軸受が支持構造体により支持される工作機械の異常診断装置において、
    　上記軸受の変位量を検出する軸受変位量検出手段と、
    　上記支持構造体の加速度を検出する加速度検出手段と、
    　上記軸受変位量検出手段により検出された上記軸受の変位量、又は、上記加速度検出手段により検出された上記支持構造体の加速度の少なくとも何れかに基づき、上記支持構造体又は上記主軸のワークへの衝突の有無を判定する衝突判定手段と、
    　上記衝突判定手段により上記支持構造体又は上記主軸のワークへの衝突が有ったと判定された場合に、上記軸受の変位量、上記支持構造体の加速度、又は、この支持構造体の加速度から得られた上記主軸の回転による上記支持構造体の振動の周波数特性の少なくとも何れかに基づき、上記軸受の損傷程度を判定する損傷判定手段と、
    　を有することを特徴とする工作機械の異常診断装置。
  2. 　上記支持構造体の変形量を推定する支持構造体変形量推定手段を有し、
    　上記損傷判定手段は、上記衝突判定手段により上記支持構造体又は上記主軸への衝突が有ったと判定された場合に、上記加速度検出手段により検出された上記支持構造体の加速度、又は、上記支持構造体変形量推定手段により推定された上記支持構造体の変形量の少なくとも何れかに基づき、上記支持構造体の損傷程度を判定する、請求項１に記載の工作機械の異常診断装置。
  3. 　上記工作機械は、上記主軸の軸線方向と直交する方向に移動する移動体と、この移動体の位置を検出する位置検出手段と、を有し、
    　上記支持構造体変形量推定手段は、上記位置検出手段により検出された上記移動体の位置変化に基づき、上記支持構造体の変形量を推定する、請求項２に記載の工作機械の異常診断装置。
  4. 　ワークを加工する工具が主軸に取り付けられ、この主軸が軸受により支持され、この軸受が支持構造体により支持される工作機械の異常診断方法において、
    　上記軸受の変位量を検出するステップと、
    　上記支持構造体の加速度を検出するステップと、
    　上記検出された上記軸受の変位量、又は、上記支持構造体の加速度の少なくとも何れかに基づき、上記支持構造体又は上記主軸のワークへの衝突の有無を判定するステップと、　上記支持構造体又は上記主軸のワークへの衝突が有ったと判定された場合に、上記検出された上記軸受の変位量、若しくは、上記支持構造体の加速度、又は、この支持構造体の加速度から得られた上記主軸の回転による上記支持構造体の振動の周波数特性の少なくとも何れかに基づき、上記軸受の損傷程度を判定するステップと、
    　を有することを特徴とする工作機械の異常診断方法。
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