(57)【要約】【課題】サーボ駆動される可動部を備えた機械を衝突させた際に、定量的に最大衝突荷重を推定することで、機械ダメージ(機械部品の損傷状態)を細かく診断することが可能な装置を提供する。【解決手段】可動部の位置情報とサーボアンプによって可動部を駆動・制御する力情報とを蓄積する監視データデータベース２０と、位置情報と力情報から可動部の質量を同定する衝突体質量同定器３０と、位置情報と力情報と可動部の質量とから被衝突体の等価剛性を同定する衝突動作分析器４０と、位置情報と等価剛性から衝突時に生じた衝突荷重の最大値である最大荷重推定値を推定する最大荷重推定器５０と、を備える。【選択図】図４
2020184203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータにより直線軸に沿って駆動される可動部と、
前記可動部の位置を検出する位置検出器と、
前記サーボモータが発生する力、または前記可動部に伝達される力を制御するサーボアンプと、
前記可動部の可動範囲内に配置された干渉物と、
を備えた機械において前記可動部と前記干渉物の衝突時の最大荷重を推定する最大荷重推定装置であって、
前記位置検出器が検出した前記可動部の位置の位置情報と、前記サーボアンプによって制御される力の力情報とを蓄積する監視データデータベースと、
前記可動部と前記干渉物が衝突した際に、前記監視データデータベースから衝突発生以前の前記位置情報および前記力情報を取得し、前記位置情報と前記力情報から前記可動部の質量を同定する衝突体質量同定器と、
前記監視データデータベースから衝突発生前後の時系列の前記位置情報および時系列の前記力情報を取得し、前記位置情報および前記力情報と、前記可動部の質量とに基づき、前記干渉物と前記干渉物を支える周辺の構造物とからなる被衝突体の等価剛性を同定する衝突動作分析器と、
前記監視データデータベースから衝突発生以降の時系列の前記位置情報を取得し、前記位置情報と前記等価剛性から前記衝突時に生じた衝突荷重を算出し、さらにその最大値である最大荷重推定値を推定する最大荷重推定器と、
を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、
前記衝突動作分析器は、
衝突発生前後の前記位置情報と前記可動部の質量とから前記可動部の質量と前記被衝突体の等価質量の和である質量和を同定する質量和同定器と、
衝突発生以降の前記位置情報と前記質量和とから、衝突発生直後の運動量を演算する運動量演算器と、
衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、
前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、当該コンプライアンス特性が示す高域遮断特性のカットオフ周波数から前記質量和を用いて前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、
を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、
前記衝突動作分析器は、
衝突発生前後の前記位置情報と前記可動部の質量とから前記可動部の質量と前記被衝突体の等価質量の和である質量和を同定する質量和同定器と、
衝突発生以前の前記位置情報と前記可動部の質量とから、衝突発生直前の運動量を演算する運動量演算器と、
衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、
前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、当該コンプライアンス特性が示す高域遮断特性のカットオフ周波数から前記質量和を用いて前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、
を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、
前記衝突動作分析器は、
衝突発生前後の前記位置情報と前記可動部の質量とから前記可動部の質量と前記被衝突体の等価質量の和である質量和を同定する質量和同定器と、
衝突発生以降の前記位置情報と前記質量和とから、衝突発生直後の運動量を演算する運動量演算器と、
衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、
前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、当該コンプライアンス特性が示す極低周波域の利得から前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、
を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、
前記衝突動作分析器は、
衝突発生以前の前記位置情報と前記可動部の質量とから、衝突発生直前の運動量を演算する運動量演算器と、
衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、
前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、当該コンプライアンス特性が示す極低周波域の利得から前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、
を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の最大荷重推定装置と、前記最大荷重推定値に基づき、当該機械を構成する少なくとも１つの部品の機械ダメージを診断する機械ダメージ診断器と、を備えたことを特徴とする機械ダメージ診断装置。
【請求項７】
請求項６に記載の機械ダメージ診断装置であって、
前記機械ダメージ診断器は、
機械を構成する部品と当該部品の耐荷重を備えたリストを格納した部品リストデータベースと、
前記最大荷重推定値と、前記部品リストデータベースに格納された各部品の耐荷重とを比較し、前記最大荷重推定値が前記耐荷重を超える部品のリストを診断結果として出力する耐荷重比較器と、
前記耐荷重比較器から診断結果が出力された場合にオペレータに部品交換の必要性を通知、注意喚起するとともに、必要に応じて交換が必要な部品のリストをオペレータに伝達することが可能な診断結果出力器と、
を備えたことを特徴とする機械ダメージ診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等の各種機械の異常診断装置に関し、特に、サーボ駆動される可動部を衝突させた際の最大荷重を推定する装置および機械ダメージを診断する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボ機構で可動部を駆動する機械が知られている。例えば、工作機械においては、サーボ機構によってワークと工具の一方または双方を駆動して、両者の間に相対的な移動を発生させ、これによりワークの加工を行っている。また、可動部は、移動方向や移動量を予め規定したプログラムやパラメータに従って、駆動される。しかし、プログラムやパラメータの入力ミスやオペレータの操作ミスにより、可動部が想定と異なる動きをし、この可動部以外の物体に衝突することで、機械を損傷してしまう場合がある。このようなケースでは、保守担当者が損傷の程度を判断し、可動部を駆動・支持するボールねじやベアリング、ガイドを交換する必要がある。
【０００３】
下記特許文献１には、可動部の重量(イナーシャ)と加速度(角加速度)から衝突時の力(トルク)を計算し、予め設定された基準値と比較することで衝撃の大きさを判定するとともに、衝突直前の速度と予め設定された基準速度とを比較することで衝突の大きさを判定する制御装置が開示されている。また、下記特許文献１では、判定結果を表示することで、保守担当者が部品交換の要否を判断する一助としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８０７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、衝突が発生した際の機械ダメージ、すなわち機械部品の損傷状態は、衝突によって加わる最大衝突荷重と各部品の耐荷重との大小関係によって決まる。しかし、上記特許文献１の発明においては、衝撃の大きさ(衝突時に作用する力)と衝突の大きさ(衝突直前の速度)の２つの判定結果から総合的に機械ダメージを評価する必要があり、最大衝突荷重に基づく定量的な判断を下すことができないため、機械ダメージの推定が不正確なものとなっている。更に、不正確な機械ダメージ推定結果を用いているため、本来、交換の必要が無い部品まで交換を促してしまったり、交換が必要な部品に対し交換不要と誤った判断をしたりする恐れがある。
【０００６】
また、上記特許文献１の発明においては、衝突発生時にモータから供給される力(トルク)の動的変化を考慮していないため、衝突直後、サーボ制御が、衝突により生じた位置偏差を正そうと可動部に更なる力(トルク)を印加した場合や、いち早く衝突を検知して逆方向の力を加えることによって可動部を引戻そうとした場合に、衝撃の大きさの判定を誤る恐れがある。例えば、可動部を引戻そうとすることで、加速度の大きさは大きくなり、衝突後直ちに減速停止するため、機械ダメージは軽減されるが、加速度が高まったことで、加速度に可動部の重量を乗じて計算される衝撃の大きさは大きくなるため、実際の機械ダメージに対し誤った判定をすることがある。
【０００７】
また、最大衝突荷重を評価する手段として、歪ゲージ等を利用して、衝突時に生じる部品の歪を測定し、作用した荷重に換算し、その最大値を評価する方法が一般的である。しかし、予め歪ゲージ等のセンサ機器、及び歪量等を測定する観測機器を設ける必要があり、特にどの部位で衝突が発生するか既知でない場合には、衝突の恐れがある全ての部位に歪ゲージ等の観測点を設ける必要がある。
【０００８】
そこで、本発明は、特別にセンサや測定器を設けることなく、衝突が発生した際にモータから供給される力またはトルクを適切に評価することで、定量的に最大衝突荷重を推定する装置、及び、推定した最大衝突荷重に基づき、機械ダメージ(機械部品の損傷状態)を細かく診断することが可能な装置の少なくとも一方を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、サーボモータにより直線軸に沿って駆動される可動部と、前記可動部の位置を検出する位置検出器と、前記サーボモータが発生する力、または前記可動部に伝達される力を制御するサーボアンプと、前記可動部の可動範囲内に配置された干渉物と、を備えた機械において前記可動部と前記干渉物の衝突時の最大荷重を推定する最大荷重推定装置であって、前記位置検出器が検出した前記可動部の位置の、位置情報と、前記サーボアンプによって制御される力の力情報とを蓄積する監視データデータベースと、前記可動部と前記干渉物が衝突した際に、前記監視データデータベースから衝突発生以前の前記位置情報および前記力情報を取得し、前記位置情報と前記力情報から前記可動部の質量を同定する衝突体質量同定器と、前記監視データデータベースから衝突発生前後の時系列の前記位置情報および時系列の前記力情報を取得し、前記位置情報および前記力情報と、前記可動部の質量とに基づき、前記干渉物と前記干渉物を支える周辺の構造物とからなる被衝突体の等価剛性を同定する衝突動作分析器と、前記監視データデータベースから衝突発生以降の時系列の前記位置情報を取得し、前記位置情報と前記等価剛性から前記衝突時に生じた衝突荷重を算出し、さらにその最大値である最大荷重推定値を推定する最大荷重推定器と、を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置である。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、前記衝突動作分析器は、衝突発生前後の前記位置情報と前記可動部の質量とから前記可動部の質量と前記被衝突体の等価質量の和である質量和を同定する質量和同定器と、衝突発生以降の前記位置情報と前記質量和とから、衝突発生直後の運動量を演算する運動量演算器と、衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、当該コンプライアンス特性が示す高域遮断特性のカットオフ周波数から前記質量和を用いて前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置である。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、前記衝突動作分析器は、衝突発生前後の前記位置情報と前記可動部の質量とから前記可動部の質量と前記被衝突体の等価質量の和である質量和を同定する質量和同定器と、衝突発生以前の前記位置情報と前記可動部の質量とから、衝突発生直前の運動量を演算する運動量演算器と、衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、当該コンプライアンス特性が示す高域遮断特性のカットオフ周波数から前記質量和を用いて前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置である。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項４に係る発明は、請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、前記衝突動作分析器は、衝突発生前後の前記位置情報と前記可動部の質量とから前記可動部の質量と前記被衝突体の等価質量の和である質量和を同定する質量和同定器と、衝突発生以降の前記位置情報と前記質量和とから、衝突発生直後の運動量を演算する運動量演算器と、衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、当該コンプライアンス特性が示す極低周波域の利得から前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置である。
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項５に係る発明は、請求項１に記載の最大荷重推定装置であって、前記衝突動作分析器は、衝突発生以前の前記位置情報と前記可動部の質量とから、衝突発生直前の運動量を演算する運動量演算器と、衝突発生以降の時系列の前記位置情報と時系列の前記力情報をそれぞれ周波数解析し、当該位置情報の周波数特性と当該力情報の周波数特性を演算する周波数解析器と、前記位置情報の周波数特性と、前記力情報の周波数特性と、前記運動量とからコンプライアンス特性を演算し、前記コンプライアンス特性が示す極低周波域の利得から前記被衝突体の等価剛性を同定する等価剛性同定器と、を備えたことを特徴とする最大荷重推定装置である。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の最大荷重推定装置と、前記最大荷重推定値に基づき、当該機械を構成する少なくとも１つの部品の機械ダメージを診断する機械ダメージ診断器と、を備えることを特徴とする機械ダメージ診断装置である。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項７に係る発明は、請求項６に記載の機械ダメージ診断装置であって、前記機械ダメージ診断器は、更に、機械を構成する部品と当該部品の耐荷重を備えたリストを格納した部品リストデータベースと、前記最大荷重推定値と、前記部品リストデータベースに格納された各部品の耐荷重とを比較し、前記最大荷重推定値が前記耐荷重を超える部品のリストを診断結果として出力する耐荷重比較器と、前記耐荷重比較器から診断結果が出力された場合にオペレータに部品交換の必要性を通知、注意喚起するとともに、必要に応じて交換が必要な部品のリストをオペレータに伝達することが可能な診断結果出力器と、を備えたことを特徴とする機械ダメージ診断装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の最大荷重推定装置によれば、特別にセンサや測定器を設けることなく、衝突が発生した際に、定量的に最大衝突荷重を推定することが可能となる。更に、本発明の機械ダメージ診断装置によれば、推定した最大衝突荷重に基づき、機械ダメージ(機械部品の損傷状態)を細かく診断することが可能となり、交換が必要な部品を適切に見極めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一般的な工作機械の一例を示した図である。
【図２】図１の工作機械に関し、衝突直前の状況を模式的に示した図である。
【図３】図１の工作機械に関し、衝突直後の状況を模式的に示した図である。
【図４】本発明に係る最大荷重推定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る衝突動作分析器の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る衝突動作分析器の構成の他の例を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る衝突動作分析器の構成のさらに他の例を示すブロック図である。
【図８】本発明に係る衝突動作分析器の構成のさらに他の例を示すブロック図である。
【図９】本発明に係る機械ダメージ診断装置および機械ダメージ診断器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、一般的な工作機械の一例を示した図である。
【００２０】
床面に固定されたベース１上に立設された構造体２の前面には、モータ３、ボールねじ４、ガイド５、主軸頭６が配置されている。モータ３で発生したトルクは、ボールねじ４によって直線方向に作用する力へと変換され、ガイド５によって移動可能に支持された主軸頭６を図中の左右方向へ移動制御する。同様の機構により、主軸頭６は図中の上下方向に移動制御され、先端に取り付けられた工具を移動制御する。また、ベース１上に配置されたテーブル７は、紙面を貫く方向に移動制御され、上面に取り付けられたワーク８を移動制御する。更に、ワーク８は、主軸頭６に取り付けられた工具を回転させることによって加工される。
【００２１】
また、モータ３で発生するトルクは、モータ３に取り付けられた位置検出器１１、または主軸頭６の位置を直接検出可能となるよう構造体２に取り付けられた位置検出器によって検出される位置検出値が、数値制御装置１３で生成される位置指令値と一致するよう、サーボアンプ１２により位置制御・速度制御され、生成される。
【００２２】
ここで、主軸頭６を図面の下方向へ突き出した状態、またはワーク８の高さを高くした状態で、主軸頭６を紙面の左右方向に移動した場合、位置関係によっては、主軸頭６とワーク８が衝突する場合がある。
【００２３】
図２、図３は、主軸頭６とワーク８の衝突について、それぞれ衝突直前、衝突直後の状況を模式的に示した図である。なお、衝突時の挙動に対する影響が小さい構造体２及びガイド５については図示を省略する。
【００２４】
図２、図３において、モータ３からボールねじ４を介して駆動される主軸頭６が、衝突する物体、即ち衝突体であり、ワーク８及びワーク８を支える周辺の構造物を衝突される物体、即ち被衝突体９として表現している。また、ベース１と被衝突体９をバネ要素１０で繋ぐことにより、衝突により被衝突体９に生じる変位(弾性変形)を表現している。
【００２５】
ここで、
＜観測可能な信号＞
fm(t)：モータ３から衝突体(図１では主軸頭)６へ印加される力(モータ３で発生す
るトルクの推力換算値)
y0(t)：衝突体６の変位 (衝突時t＝0の位置y0(0)＝0とする)
＜観測できない信号・定数＞
fc(t)：衝突荷重
y1(t)：被衝突体９の変位 (衝突時t＝0の位置y1(0)＝0とする)
m0：衝突体６の質量
m1：被衝突体９の等価質量
k：バネ要素１０のバネ定数 (被衝突体９の等価剛性)
を定義する。
【００２６】
図２の衝突直前(t＜0)の状態では
【数１】
2020184203.tif 000003
の関係を持ち、図３の衝突直後(t＞0)の状態では、衝突体６と被衝突体９が一体となって動くことから
【数２】
2020184203.tif 000004
の関係を持つ。更に、衝突の直前・直後で衝突体６、及び被衝突体９の運動量が保存されることから
【数３】
2020184203.tif 000005
の関係が成り立つ。
【００２７】
ここで、式(１)、式(４)、式(５)から、下記、式(６)、式(７)を導出できる。
【数４】
2020184203.tif 000006
【００２８】
式(６)は、衝突前における、モータ３で発生するトルクの推力換算値fm(t)と衝突体６の変位y0(t)の情報から、衝突体６の質量m0を同定することができることを意味する。一方、式(７)は、式(６)で得た衝突体６の質量m0および衝突直前・直後の衝突体６の変位y0(t)の情報から、衝突体６の質量m0と被衝突体９の等価質量m1の質量和を同定することができることを意味する。
【００２９】
一方、式(２)、式(４)から、下記、式(８)を、更に、式(７)を用いて式(９)を導出できる。
【数５】
2020184203.tif 000007
【００３０】
式(８)、式(９)において、
Fm(s)＝L{fm(t)}，Y0(s)＝L{y0(t)}
である。sはラプラス演算子を表し、L{・}は{ }内に記された関数のラプラス変換を意味する。
式(８)は、入力、出力をそれぞれ、
(入力)  Fm(s)+(m0+m1)・limt→+0(d/dt)・y0(t)、(出力)  Y0(s)
とした時のコンプライアンス特性が、高域遮断特性を持つ二次遅れ特性となることを意味する。また、同様に、式(９)も、入力、出力を、
(入力)  Fm(s)+m0・limt→-0(d/dt)・y0(t)、(出力)  Y0(s)
とした時のコンプライアンス特性が、高域遮断特性を持つ二次遅れ特性となることを意味する。また、二次遅れ特性では、高域遮断特性のカットオフ周波数が、
{1/(2π)}・√{k/(m0+m1)}
となること、および極低周波域(s≒0)では利得が、
1/k
となることから、コンプライアンス特性を評価することにより、バネ要素１０のバネ定数(被衝突体９の等価剛性)kを同定することができることを意味する。
【００３１】
このようにして得られたバネ要素１０のバネ定数(被衝突体９の等価剛性)kを、式(３)、式(４)から導くことができる、下記、式(１０)に代入することで衝突荷重fc(t)を推定することが可能となる。
【数６】
2020184203.tif 000008
【００３２】
また、時間的に変化する衝突荷重fc(t)の最大値max{fc(t)}を評価することによって定量的に最大衝突荷重を推定することが可能となり、各部品の耐荷重との大小関係を比較することによって、機械ダメージ(機械部品の損傷状態)を判定することが可能となる。
【００３３】
図４は、最大荷重推定装置１４の概略構成を示すブロック図である。最大荷重推定装置１４は、例えば数値制御装置１３が所定のプログラムに従って動作することによって実現される。
【００３４】
記憶装置に記憶された監視データデータベース２０は、衝突体(図１では主軸頭)６を制御するサーボアンプ１２から、衝突体６の位置情報y0(t)、及び、モータ３から衝突体６へ印加される力(具体的には、モータ３で発生するトルクの推力換算値)情報fm(t)を取得し、当該位置情報および当該力情報を時系列のデータとして蓄積する。なお、所定期間を経過した古いデータは適宜破棄されるものとし、本発明に係る最大荷重推定装置１４においては、数分間程度、時系列データを保持可能であれば良い。
【００３５】
サーボアンプ１２で実施される位置制御・速度制御において、位置偏差、速度偏差、トルク指令値、あるいはトルク指令値の変化量が所定の閾値を超えた場合に、衝突が発生したと判断し、衝突が発生したと判断された場合に、衝突体質量同定器３０は、衝突発生以前の位置情報y0(t)と力情報fm(t)を監視データデータベース２０から取得し、式(６)に基づいて衝突体(主軸頭)６の質量m0を同定する。次に、衝突動作分析器４０は、衝突発生時の位置情報y0(t)と力情報fm(t)を監視データデータベース２０から取得するとともに、衝突体質量同定器３０で同定された質量m0を用いて、バネ要素１０のバネ定数(被衝突体９の等価剛性)kを同定する。なお、バネ定数kの同定については後で詳細を説明する。衝突動作分析器４０で同定されたバネ定数kは最大荷重推定器５０に入力され、式(１０)に従い、監視データデータベース２０から取得した衝突発生以降の位置情報y0(t)と乗算されて、衝突荷重fc(t)が取得される。最大荷重推定器５０は、更に、衝突荷重fc(t)の最大値を特定し、最大荷重推定値max{fc(t)}を出力する。
【００３６】
図５〜図８は、衝突動作分析器４０の詳細な構成を示した図である。図５〜図８のいずれかを図４の衝突動作分析器４０として採用することで、最大荷重推定値max{fc(t)}を得ることを可能とする。
【００３７】
図５に示す衝突動作分析器４０の一例において、質量和同定器４１は、衝突発生の直前および直後の位置情報y0(t)を監視データデータベース２０から取得し、衝突体質量同定器３０で同定された質量m0を用いて、式(７)に基づき衝突体(主軸頭)６の質量m0と被衝突体９の等価質量m1の質量和m0+m1を同定する。次に、第１運動量演算器４２は、衝突発生の直後の位置情報y0(t)を監視データデータベース２０から取得し、質量和同定器４１で同定された質量和m0+m1を用いて、下記の式(１１)に基づき運動量pを演算する。
【数７】
2020184203.tif 000009
【００３８】
一方、周波数解析器４４は、衝突発生以降の位置情報y0(t)を監視データデータベース２０から取得して周波数解析を行い、位置情報y0(t)の周波数特性(即ち、スペクトル)Y0(s)を演算する。同様に、周波数解析器４５は、衝突発生以降の力情報fm(t)を監視データデータベース２０から取得し、周波数解析を行い、力情報fm(t)の周波数特性(スペクトル)Fm(s)を演算する。
【００３９】
第１等価剛性同定器４６は、式(８)、あるいは、式(９)の右辺に基づき、周波数解析器４４で演算された周波数特性Y0(s)を、周波数解析器４５で演算された周波数特性Fm(s)に運動量pを加えた特性で除し、コンプライアンス特性を演算する。次に、得られたコンプライアンス特性に関し、低域通過特性、即ち周波数に対して利得がほとんど変化しない低周波な周波数帯と、高域遮断特性、即ち周波数が高くなるにつれて利得が低下していく高周波な周波数帯との境界の周波数としてカットオフ周波数fxを特定する。更に、特定したカットオフ周波数fxと、質量和同定器４１から出力された質量和m0+m1を用いて、バネ定数(等価剛性)kを同定する。具体的には、前述した二次遅れ系のカットオフ周波数、
{1/(2π)}・√{k/(m0+m1)}
がコンプライアンス特性から得られたカットオフ周波数fxと一致するとして、下記の式(１２)に基づきバネ定数(等価剛性)kを同定する。
【数８】
2020184203.tif 000010
なお、カットオフ周波数fxは、上記手法に限らず、コンプライアンス特性の利得が、低周波帯域の利得からある一定値(例えば-3dB)低下した時の周波数として特定しても良い。
【００４０】
図６に示す衝突動作分析器は、図５と類似した構成を有するが、第１運動量演算器４２が第２運動量演算器４３に改められている点で異なる。第２運動量演算器４３は、衝突発生の直前の位置情報y0(t)を監視データデータベース２０から取得し、衝突体質量同定器３０から出力された質量m0を用いて、下記の式(１３)に基づき運動量pを算出する。
【数９】
2020184203.tif 000011
【００４１】
なお、式(１１)で与えられる運動量pと式(１３)で与えられる運動量pは、式(４)、式(５)から明らかなように、等価である。ただし、演算に用いる信号・定数が異なるため、図５と図６とで異なった構成となっている。
【００４２】
次に、図７に示す衝突動作分析器は、図５と類似した構成を有するが、第１等価剛性同定器４６が第２等価剛性同定器４７に改められている点で異なる。第２等価剛性同定器４７は、式(８)、あるいは、式(９)の右辺に基づき、周波数解析器４４で演算された周波数特性Y0(s)を、周波数解析器４５で演算された周波数特性Fm(s)に運動量pを加えた特性で除し、コンプライアンス特性を演算する。次に、得られたコンプライアンス特性の極低周波域(s≒0)の利得を求め、バネ定数(等価剛性)kを算出する。具体的には、前述した二次遅れ系の極低周波域の利得1/kの逆数をバネ定数(等価剛性)kとして同定する。
【００４３】
図５の構成に対し、図７の構成ではバネ定数(等価剛性)kの同定に際し、必要となるパラメータを削減することができ、より簡便な手法で同定を可能としている。
【００４４】
また、図８に示す衝突動作分析器は、図７と類似した構成を有するが、第１運動量演算器４２が第２運動量演算器４３に改められている点で異なる。第２運動量演算器４３は、図６に関してすでに説明されており、ここでの説明は省略する。なお、第１運動量演算器４２を第２運動量演算器４３に改めたことにより、質量和同定器４１から出力される質量和m0+m1を用いる必要が無くなり、そもそも質量和同定器４１を不要とすることができる。結果、より簡便な手法でバネ定数(等価剛性)kの同定を可能としている。
【００４５】
図９は、図４に示された最大荷重推定装置１４が出力する最大荷重推定値max{fc(t)}に基づき、機械ダメージ(機械部品の損傷状態)を診断する機械ダメージ診断器６０の構成を示した図である。機械ダメージ診断装置７０は、前述の最大荷重推定装置１４と以下に説明する機械ダメージ診断器６０を含む。
【００４６】
部品リストデータベース６１には、機械を構成する部品の各方向に対する耐荷重が予めリスト化され、格納されている。最大荷重推定装置１４の最大荷重推定器５０から最大荷重推定値max{fc(t)}が出力されると、耐荷重比較器６２は、部品リストデータベース６１に格納された衝突体の移動方向に対する各部品の耐荷重と比較する。比較した結果、最大荷重推定値max{fc(t)}が耐荷重を超えた場合、当該部品のリストを診断結果として出力する。診断結果出力器６３は、耐荷重比較器６２から診断結果が出力された場合に、機械ダメージが有ると判断し、部品交換が必要であることをブザー音や警告表示灯、モニタ画面などを通して、オペレータに通知する。また、必要に応じて耐荷重比較器６２から出力された診断結果をモニタ画面やファイル、紙面などに出力し、交換が必要な部品をリスト化し、通知する。
【００４７】
以上の如く構成された機械ダメージ診断装置によれば、衝突が発生した際の最大衝突荷重を定量的に推定・評価できるため、衝突による機械ダメージ(機械部品の損傷状態)を細かく診断することが可能となり、交換が必要な部品を適切に見極めることができる。
【００４８】
なお、上記実施例では、機械ダメージ診断装置について、モータからボールねじを介して主軸頭を駆動する軸を備えた工作機械を例に説明したが、リニアモータ駆動の工作機械にも適用可能であるし、工作機械以外の他の産業機械等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１・・ベース、２・・構造体、３・・モータ、４・・ボールねじ、５・・ガイド、６・・衝突体(主軸頭)、７・・テーブル、８・・ワーク、９・・被衝突体、１０・・バネ要素、１１・・位置検出器、１２・・サーボアンプ、１３・・数値制御装置、１４・・最大荷重推定装置、２０・・監視データデータベース、３０・・衝突体質量同定器、４０・・衝突動作分析器、４１・・質量和同定器、４２・・第１運動量演算器、４３・・第２運動量演算器、４４，４５・・周波数解析器、４６・・第１等価剛性同定器、４７・・第２等価剛性同定器、５０・・最大荷重推定器、６０・・機械ダメージ診断器、６１・・部品リストデータベース、６２・・耐荷重比較器、６３・・診断結果出力器、７０・・機械ダメージ診断装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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