(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受で支持される回転軸又は直線軸を備え、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行う工作機械において、前記転がり軸受の状態を表示する方法であって、
前記転がり軸受の稼働に伴う軸受状態を検出する軸受状態検出ステップと、
前記転がり軸受の累積稼働時間を算出する稼働情報算出ステップと、
検出した前記転がり軸受の所定の軸受状態を、その時点における前記累積稼働時間と併せて取得する情報取得ステップと、
前記転がり軸受の寿命時間を算出する寿命算出ステップと、
各前記累積稼働時間における前記所定の軸受状態と、当該軸受状態を異常と判断する閾値と、前記転がり軸受の寿命時間と、現時点の当該軸受状態とを、前記所定の軸受状態を縦軸、前記累積稼働時間を横軸としたグラフを作成し、前記閾値と前記寿命時間とで前記グラフ内を所定の領域に区分けした状態で表示する軸受状態表示ステップと、を実行することを特徴とする工作機械における転がり軸受の状態表示方法。
【請求項２】
前記軸受状態検出ステップでは、前記転がり軸受の稼働に伴う振動を検出して前記振動を解析し、所定の周波数の振動値を前記転がり軸受の稼働に伴う軸受状態として検出することを特徴とする請求項１に記載の工作機械における転がり軸受の状態表示方法。
【請求項３】
前記稼働情報算出ステップでは前記転がり軸受の平均回転速度も算出し、
前記情報取得ステップでは前記平均回転速度も併せて取得して、
前記寿命算出ステップでは、前記平均回転速度も用いて前記転がり軸受の寿命時間を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械における転がり軸受の状態表示方法。
【請求項４】
転がり軸受で支持される回転軸又は直線軸を備え、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行う工作機械において、前記転がり軸受の状態を表示する装置であって、
前記転がり軸受の稼働に伴う軸受状態を検出する軸受状態検出手段と、
前記転がり軸受の累積稼働時間を算出する稼働情報算出手段と、
所定の軸受状態を、その時点における前記累積稼働時間と併せて取得する情報取得手段と、
前記転がり軸受の寿命時間を算出する寿命算出手段と、
各前記累積稼働時間における前記所定の軸受状態と、当該軸受状態を異常と判断する閾値と、前記転がり軸受の寿命時間と、現時点の当該軸受状態とを、前記所定の軸受状態を縦軸、前記累積稼働時間を横軸としたグラフを作成し、前記閾値と前記寿命時間とで前記グラフ内を所定の領域に区分けした状態で表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする工作機械における転がり軸受の状態表示装置。
【請求項５】
前記軸受状態検出手段は前記転がり軸受の振動を検出するものであって、
検出された前記振動を周波数とそれに対応する振動値との関係に解析する振動解析手段を備え、
前記情報取得手段は、解析された前記周波数及び振動値の関係のうちの所定の周波数の振動値を、その時点における前記累積稼働時間と併せて取得することを特徴とする請求項４に記載の工作機械における転がり軸受の状態表示装置。
【請求項６】
前記稼働情報算出手段は前記転がり軸受の平均回転速度も算出し、
前記情報取得手段は前記平均回転速度も併せて取得して、
前記寿命算出手段は、前記平均回転速度も用いて前記転がり軸受の寿命時間を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の工作機械における転がり軸受の状態算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械において主軸等を支持する転がり軸受の状態を表示する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸に用いられている転がり軸受（以下、「軸受」と略記する。）の異常診断は、従来から振動を利用した方法が主に用いられている。
例えば特許文献１では、軸受の異常を検知する方法として、回転機器または軸受に固定して設置した加速度センサを用いて振動加速度を検出し、その強度に基づいて軸受の損傷度合いや余寿命を判定している。
特許文献２では、軸受の寿命を実際の軸受寿命に則した的確な寿命予測を行っている。すなわち、軸受の諸元情報から動等価荷重を算出し、次いで使用する潤滑剤に応じた潤滑パラメータを算出し、さらに材料係数を考慮して汚染度係数を決定し、前記諸元情報に基づいて疲労限度荷重を算出し、これらをもとに寿命補正係数算出用マップを参照して寿命補正係数を算出し、軸受寿命を補正している。
特許文献３では、予めゴミや水の混入による潤滑油の劣化状態を、各軸受の型番、メーカ名等の軸受諸元毎に加速度センサの共振周波数帯や高周波帯の信号を用いて基礎データの測定を行っておき、この基礎データを用いて、軸受のゴミ混入状態と潤滑油の劣化状態を推定して、軸受の余寿命を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平２−５９４２０号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８１４８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９０９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の技術では、軸受の損傷が振動や音響に現れるレベルで検出している。しかし、工作機械の主軸は、数ミクロンという高い回転精度が要求されるため、このような高い回転精度を有する工作機械において当該技術を適用しても、振動や音響に現れたときにはすでに回転精度が悪化している場合があり、不向きである。
特許文献２に開示されている技術では、異物等の侵入や軸受から出た磨耗粉などによる潤滑油の汚染状態から余寿命を正確に予測する技術が示されている。しかし、工作機械の主軸においては、主軸とワークの衝突で軸受を損傷させてしまうことがあるが、このような場合は潤滑油の汚染では判断できない。
特許文献３に開示されている技術は、潤滑油への異物等の侵入や潤滑油の劣化と軸受振動を結び付けている。しかし、工作機械の主軸において、オイルエア潤滑が採用されている場合は、常に新しく清浄な潤滑油が軸受に供給されている。また、上記で述べたように、潤滑油に汚染によらずに主軸とワークとの衝突で軸受が損傷する場合もある。従って、潤滑油の状態が変わるケースが少ない工作機械では、潤滑油の状態を変えて調査した軸受振動だけでは寿命の判断がつかない可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、高い回転精度を有して潤滑油に関係なく軸受が損傷する可能性がある工作機械であっても、軸受の状態を的確に判定して作業者に報知することができる転がり軸受の状態表示方法及び装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、転がり軸受で支持される回転軸又は直線軸を備え、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行う工作機械において、前記転がり軸受の状態を表示する方法であって、
前記転がり軸受の稼働に伴う軸受状態を検出する軸受状態検出ステップと、
前記転がり軸受の累積稼働時間を算出する稼働情報算出ステップと、
検出した前記転がり軸受の所定の軸受状態を、その時点における前記累積稼働時間と併せて取得する情報取得ステップと、
前記転がり軸受の寿命時間を算出する寿命算出ステップと、
各前記累積稼働時間における前記所定の軸受状態と、当該軸受状態を異常と判断する閾値と、前記転がり軸受の寿命時間と、現時点の当該軸受状態とを、前記所定の軸受状態を縦軸、前記累積稼働時間を横軸としたグラフを作成し、前記閾値と前記寿命時間とで前記グラフ内を所定の領域に区分けした状態で表示する表示ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記軸受状態検出ステップでは、前記転がり軸受の稼働に伴う振動を検出して前記振動を解析し、所定の周波数の振動値を前記転がり軸受の稼働に伴う軸受状態として検出することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記稼働情報算出ステップでは前記転がり軸受の平均回転速度も算出し、前記情報取得ステップでは前記平均回転速度も併せて取得して、前記寿命算出ステップでは、前記平均回転速度も用いて前記転がり軸受の寿命時間を算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、転がり軸受で支持される回転軸又は直線軸を備え、工具又はワークを回転させて前記ワークの加工を行う工作機械において、前記転がり軸受の状態を表示する装置であって、
前記転がり軸受の稼働に伴う軸受状態を検出する軸受状態検出手段と、
前記転がり軸受の累積稼働時間を算出する稼働情報算出手段と、
所定の軸受状態を、その時点における前記累積稼働時間と併せて取得する情報取得手段と、
前記転がり軸受の寿命時間を算出する寿命算出手段と、
各前記累積稼働時間における前記所定の軸受状態と、当該軸受状態を異常と判断する閾値と、前記転がり軸受の寿命時間と、現時点の当該軸受状態とを、前記所定の軸受状態を縦軸、前記累積稼働時間を横軸としたグラフを作成し、前記閾値と前記寿命時間とで前記グラフ内を所定の領域に区分けした状態で表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、前記軸受状態検出手段は前記転がり軸受の振動を検出するものであって、検出された前記振動を周波数とそれに対応する振動値との関係に解析する振動解析手段を備え、前記情報取得手段は、解析された前記周波数及び振動値の関係のうちの所定の周波数の振動値を、その時点における前記累積稼働時間と併せて取得することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５の構成において、前記稼働情報算出手段は前記転がり軸受の平均回転速度も算出し、前記情報取得手段は前記平均回転速度も併せて取得して、前記寿命算出手段は、前記平均回転速度も用いて前記転がり軸受の寿命時間を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、軸受の計算寿命と軸受状態を同時に把握することができる。計算寿命だけでは、真の寿命に対して十分余裕があるにもかかわらず、軸受を早期に交換してしまう可能性がある。一方で、軸受状態のみで判断した場合、目だって増加し始めたタイミングでは、既に軸受寿命の末期である可能性がある。これらの値を併せて表示することで、工作機械のように高い回転精度を有して潤滑油に関係なく軸受が損傷する可能性がある機械であっても、軸受の状態を的確に判定して作業者に報知することができる。
よって、最終的な判断を人に委ねることで寿命診断の精度を向上させることができ、保守計画を立てやすくして、急な故障による生産停止を無くすことができる。また、軸受状態で判定することができるため、保守費用を削減する効果もある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】転がり軸受の状態表示装置を備えた工作機械のＮＣ装置のブロック構成図である。
【図２】主軸ハウジングの側面図である。
【図３】主軸ハウジングの正面図（底面図）である。
【図４】振動情報の記録制御のフローチャートである。
【図５】累積稼働時間の算出制御のフローチャートである。
【図６】記録された軸受状態のデータの説明図である。
【図７】モニタの表示画面を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を工作機械の主軸軸受に、軸受状態として振動値を用いて実施した形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械において、主軸の軸受の状態表示装置を備えたＮＣ装置の一例を示すブロック構成図、図２は、工作機械の主軸ハウジングの側面図、図３は、主軸ハウジングの正面図（軸方向下側から示した図）である。
１は、工作機械において主軸３を有する主軸ハウジングで、主軸３に保持させた工具を回転させて下方のテーブル上に載置したワークを加工する。この主軸ハウジング１には、Ｃ軸回りで回転可能に備えられた主軸３に生じる時間領域の振動（時間軸上の振動）を検出する軸受状態検出手段として、加速度センサである振動センサ２ａ〜２ｃが備えられている。振動センサ２ａ〜２ｃは、互いに直角となる方向における振動情報を検出すべく、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向での時間領域の振動情報を検出可能な状態で、主軸ハウジング１に取り付けられている。
【００１０】
状態表示装置１０は、振動センサ２ａ〜２ｃにより検出された振動を基にフーリエ解析を行うＦＦＴ演算装置１１（振動解析手段）と、ＮＣ装置１２とにより構成される。ＮＣ装置１２は、主軸３の回転速度を主軸ハウジング１に設けられた主軸回転検出器１３により検出すると共に、送り軸の回転速度を送り軸のサーボモータに設けられた送り軸回転検出器１４により検出する回転検出部１５と、回転検出部１５から得られる検出タイミングから稼働時間を算出して累積記録すると共に、平均主軸回転速度を算出する累積稼働時間記録部１６（稼働情報算出手段）と、累積稼働時間記録部１６で記録された累積稼働時間と平均主軸回転速度とから軸受寿命を算出する寿命算出部１７（寿命算出手段）と、ＦＦＴ演算装置１１から得られる解析データを元に振動周波数及び振動値を算出すると共に、回転検出部１５から得られる切削実行情報によって機械が切削中か否かを判定し、非切削中であれば、累積稼働時間記録部１６から累積稼働時間及び平均主軸回転速度を、寿命算出部１７から計算軸受寿命を取得する記録判定部１８（情報取得手段）と、記録判定部１８で取得した情報を記録して所定のグラフを作成する軸受状態記録部１９と、軸受状態記録部１９で記録されたデータをグラフ表示するモニタ２０と、を備える。軸受状態記録部１９とモニタ２０とが表示手段となる。ここでは主軸３の回転により得られる振動や累積稼働時間、平均回転速度をそれぞれ主軸３の軸受の振動や累積稼働時間、平均回転速度とみなして状態表示を行う。
【００１１】
記録判定部１８では、メーカが設定した軸受諸元から記録すべき周波数帯域を計算し、求めた周波数帯の振動値を記録する。一般的に、外輪傷、内輪傷、転動体傷は以下の式１のように知られており、この周波数を記録判定部１８で求めるようにしている。なお、転動体の数や直径、ピッチ円直径、接触角は予め記録判定部１８に入力されている。
［式１］
内輪傷：  Ｚｆｉ＝ｆｒ・（１＋Ｄａ・ｃｏｓα／ｄｍ）・Ｚ／２      
外輪傷：  Ｚｆｃ＝ｆｒ・（１−Ｄａ・ｃｏｓα／ｄｍ）・Ｚ／２
転動体傷：  ２ｆｂ＝ｆｒ・（１−Ｄａ２・ｃｏｓ２α／ｄｍ２）・ｄｍ／Ｄａ
Ｚ：転動体の数
ｆｒ：内輪回転周波数[Hz]
ｆｃ：保持器回転周波数[Hz]
ｆｉ：ｆｒ−ｆｃ
ｆｂ：転動体自転周波数[Hz]
ｄｍ：ピッチ円直径（ＰＣＤ）[mm]
Ｄａ：転動体直径[mm]
α：接触角[°]
【００１２】
また、寿命算出部１７で算出される計算軸受寿命は、基本定格寿命の計算式を利用する。基本定格寿命Ｌ[Hour]は、以下の式２のように表される。
［式２］
Ｌ＝（１０６／６０ｎ）・（Ｃ／Ｐ）Ａ
Ｃ：転がり軸受の基本動定格荷重[N]
Ｐ：軸受に作用する動等価荷重[N]
Ａ：荷重指数（玉軸受の場合３、ころ軸受の場合１０／３）
ｎ：平均回転速度[min−1]
【００１３】
続いて、記録判定部１８で振動情報を取得記録するまでの手順を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ＦＦＴ演算装置１１では、振動センサ２ａ〜２ｃにより検出された振動を周波数及び振動値の関係にフーリエ解析して記録判定部１８へ出力している（信号検出ステップ）。
記録判定部１８では、回転検出部１５から得られる主軸回転速度が変化したかどうかを判定する（Ｓ１１）。ここで変化した場合、機械が切削中かどうかを送り速度で判定（Ｓ１２）する。送り速度が０で非切削中と判断した場合はＳ１３に進む。Ｓ１１で主軸速度が変化していない場合と、Ｓ１２で切削中と判断した場合、再びＳ１１に戻る。
そして、Ｓ１３で、取得時刻、累積稼働時間、平均主軸回転速度、振動取得時の主軸回転速度、計算軸受寿命を、回転検出部１５、累積稼働時間記録部１６、寿命算出部１７からそれぞれ取得する（寿命算出ステップ）と共に、ＦＦＴ演算装置１１からの解析データから所定の周波数の振動値を取得する（情報取得ステップ）。Ｓ１４で、これら取得した情報を軸受状態記録部１９に記録する。こうして軸受状態記録部１９では、図６に示すようなデータが記録される。
【００１４】
ここで、累積稼働時間記録部１６において主軸３の累積稼働時間と平均主軸回転速度とを算出するまでの手順（稼働情報算出ステップ）を、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、主軸３がある回転速度で運転を開始した時刻Ｓと、運転を終了した時刻Ｅを取得するためのフラグｆを初期化する（Ｓ２１）。Ｓ２２で主軸３の回転速度が変化したがどうかを判断し、変化していない場合は再びＳ２２に戻り、変化した場合、Ｓ２３でフラグｆ＝０かどうかを判断する。ここでｆ＝０の場合、ある回転速度で主軸３が運転を開始したと判断してＳ２４でその時刻Ｓを取得する。そして、主軸回転速度をＳ２６で取得し、Ｓ２７でフラグを＝１にセットし、Ｓ２２に戻る。
一方、Ｓ２３でｆ＝０でない場合、すでに時刻Ｓは取得済みで、主軸３がある回転速度から異なる回転速度へ変化したと判断する。この時の時刻ＥをＳ２５で取得する。時刻Ｓと時刻Ｅからある回転速度での運転時間を求めることができ、過去の運転時間とその際の回転速度を記録して加算していくことで、累積稼働時間と平均主軸回転速度を算出する（Ｓ２８）。Ｓ２９でフラグを初期化し、Ｓ３０で主軸３が停止していると判断すれば終了し、運転中であればＳ２２に戻る。
【００１５】
そして、軸受状態記録部１９は、図６のように記録されたデータ１、データ２・・・の累積稼働時間を横軸に、振動値の最大値を縦軸としてモニタ２０に表示する（表示ステップ）。この際に、主軸３の最高回転速度に近い回転速度で取得した振動値と、それ以外の条件で取得した振動値が区別のつくように色を変えて図７に示すようにグラフ表示する。これは、回転速度が高い方が振動値が大きく現れ、転がり軸受の状態を良く表す信頼性の高いデータであることを示すためである。
次に、計算軸受寿命の値（寿命計算値）と、メーカで設定した正常振動の上限値（正常値）とを閾値として線引き表示する。これにより、グラフ内を丸数字１〜丸数字４の４つの領域に分けることができる。丸数字１は危険ゾーン１で、振動が大きく加工精度に影響を与えていることも考えられるので、交換を必要としている状態である。丸数字２は危険ゾーン２で、丸数字１よりも交換の緊急性が高いことを示す。丸数字３は安全ゾーンで、引き続き使用することが可能である。丸数字４は注意ゾーンで、加工に異常がなければこのまま注意しながら使用を続け、次回のメンテナンスのタイミングで軸受交換を行う。
この状態で最終データを「○」で示し、この「○」がどの領域にあるかで作業者は現在の軸受状態を判断することができる。ここでは危険ゾーン２にあるため、すぐに交換が必要であることがわかる。なお、グラフの下方に、現在の状態（どのゾーンに位置するか等）を文字で表すコメントを付してもよい。
【００１６】
このように、上記形態の軸受の状態表示装置１０によれば、非切削中に主軸３の軸受の稼働に伴う振動を検出し、検出された振動を周波数とそれに対応する振動値との関係に解析し、非切削中の軸受の累積稼働時間及び平均回転速度を算出し、解析された周波数及び振動の関係のうちの所定の周波数の振動値を、その時点における累積稼働時間及び平均回転速度と併せて取得し、軸受の寿命を平均回転速度を用いて算出して、モニタ２０には、各累積稼働時間における所定の周波数の振動値を縦軸、累積稼働時間を横軸としたグラフを作成し、振動値を異常と判断する閾値（正常値）と軸受の寿命時間（寿命計算値）とでグラフ内を所定の領域に区分けした状態で現時点の振動値を併せて表示するようにしたことで、軸受の計算寿命と実際の振動状態を同時に把握することができる。計算寿命だけでは、真の寿命に対して十分余裕があるにもかかわらず、軸受を早期に交換してしまう可能性がある。一方で、振動値のみで判断した場合、目だって増加し始めたタイミングでは、既に軸受寿命の末期である可能性がある。これらの値を併せて表示することで、工作機械のように高い回転精度を有して潤滑油に関係なく軸受が損傷する可能性がある機械であっても、軸受の状態を的確に判定して作業者に報知することができる。
よって、最終的な判断を人に委ねることで寿命診断の精度を向上させることができ、保守計画を立てやすくして、急な故障による生産停止を無くすことができる。また、軸受状態で判定することができるため、保守費用を削減する効果もある。
【００１７】
なお、上記形態では、主軸の軸受について状態表示を行っているが、送り軸（直線軸）の転がり案内で実現してもよい。この場合は、主軸が非回転中の場合を非切削中と判断すればよい。また、主軸の振動や回転速度を軸受のそれとみなして状態表示を行っているが、軸受にセンサや検出器を設けて振動や回転速度を直接検出して状態表示を行うことは勿論可能である。
さらに、軸受状態検出手段として、振動センサやマイク、位置・回転検出器、主軸・送り軸モータの電流を用いることもできる。一方で、軸受状態検出手段としては、振動値だけでなく、モータのトルクや電流を検出してそのまま使用してもよい。
加えて、転がり軸受の寿命時間は、主軸等の平均回転速度以外を用いずに、単に稼働時間のみから算出したり、主軸等に加わる負荷トルクなど他の情報に基づいて算出されるものであってもよい。さらに、軸受状態の表示を切削時に行うようにしても良く、この場合には切削による振動を加工プログラム中の加工条件などに基づいて推定して検出された振動をフィルタリングするなどの手法が考えられる。
【００１８】
そして、モニタで軸受状態を表示する手法として、４つの領域に分けた例を説明したが、振動値を正常、注意、警告などと複数のレベルに分けて領域を増やしてもよい。この領域ごとに色を付けて、分かりやすく表示することもできる。また、グラフによらず、文字のみで軸受の状態を表示することも可能である。
その他、上記形態では、主軸に取り付けた工具を回転させてワークを加工する工作機械で説明しているが、回転軸に取り付けたワークを回転させて工具を直線軸で送り制御してワークを加工する複合加工機等であっても本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００１９】
１・・工具ハウジング、２ａ〜２ｃ・・振動センサ、３・・主軸、１０・・状態表示装置、１１・・ＦＦＴ演算装置、１２・・ＮＣ装置、１３・・主軸回転検出器、１４・・送り軸回転検出器、１５・・回転検出部、１６・・累積稼働時間記録部、１７・・寿命算出部、１８・・記録判定部、１９・・軸受状態記録部、２０・・モニタ。
【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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