(57)【要約】【課題】波形の変化傾向を検出することによって運転中に加減速を伴う場合でも異常の有無の検出を可能とした工作機械の異常検出装置を提供する。【解決手段】振動センサ１は工作機械の駆動装置Ｘに固定され、駆動装置Ｘから発生する振動を検出する。信号切出部２は、振動センサ１から出力された信号のうち工作機械の運転中における特定期間の信号を対象信号として切り出す。評価値演算部３は、切り出された対象信号について単位期間毎の実効値からなる時系列データを評価値として求める。判定部４は、工作機械の正常運転時における評価値を用いてあらかじめ設定した正常範囲と工作機械の運転時における評価値とを比較し運転時の評価値が正常範囲を逸脱しているときに工作機械の異常と判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の動作を反映した信号を検出する信号検出部と、信号検出部から出力された信号のうち工作機械の運転中における特定期間の信号を対象信号として切り出す信号切出部と、対象信号の波形変化を数値化した評価値を求める評価値演算部と、工作機械の正常運転時における評価値を用いてあらかじめ設定した正常範囲と工作機械の運転時における評価値とを比較し運転時の評価値が正常範囲を逸脱しているときに工作機械の異常と判定する判定部とを備えることを特徴とする工作機械の異常検出装置。
【請求項２】
前記信号切出部は前記特定期間において一定の単位期間ごとの代表値を求め、前記評価値演算部は前記特定期間における各単位期間ごとの代表値の時系列データを評価値とし、前記判定部では、工作機械の正常運転時に得られた複数個の評価値を用いて各単位期間ごとの代表値の分布に基づいて各単位期間ごとの正常範囲を設定し、工作機械の運転時における各単位期間ごとに代表値と正常範囲とを比較し規定個数の単位期間において代表値が正常範囲を逸脱しているときに工作機械の異常と判定することを特徴とする請求項１記載の工作機械の異常検出装置。
【請求項３】
前記信号切出部は、前記工作機械の動作を指示する外部信号をトリガとして前記特定期間の開始時点を規定していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の工作機械の異常検出装置。
【請求項４】
前記信号切出部は、一定の単位期間ごとの代表値を求めるとともに、単位期間の終了時点ごとに時間軸における前後の複数個の単位期間における代表値を規定の開始閾値と比較し、時間軸の後退側の第１の規定数の単位期間のうちの少なくとも１個の単位期間における代表値が開始閾値以下、かつ時間軸の前進側の第２の規定数の単位期間の代表値がいずれも開始閾値以上を開始条件として、開始条件を満たした後の複数個の単位期間を前記特定期間とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の工作機械の異常検出装置。
【請求項５】
前記信号検出部は、前記工作機械の振動を検出する振動センサであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の工作機械の異常検出装置。
【請求項６】
前記工作機械はモータを駆動源とし、前記信号検出部はモータの負荷電流を検出する電流センサであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項の記載の工作機械の異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械において駆動部分の摩耗などによる劣化を検出する工作機械の異常検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、機器の異常徴候の早期検出のために機器の振動を監視する技術が提案されている。たとえば、回転機器において軸振動を検出するために振動検出器を設け、振動検出器の出力をサンプリングして得られる振幅について、現時点から過去のある定められた時間までの複数個から標準偏差を求め、この標準偏差が規定したしきい値以上になると、異常徴候があると判定する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平２−２３２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載された技術は、振幅について求めた標準偏差が閾値以上になると異常と判定するものであるから、機器が定常的に動作している期間には異常の有無を判断することができるが、工作機械のように加減速を伴う機器では、正常動作であっても標準偏差が時間経過に伴って変化するから、特許文献１に記載された技術では異常の有無を検出できない場合がある。
【０００４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、波形の変化傾向を検出することによって運転中に加減速を伴う場合でも異常の有無の検出を可能とした工作機械の異常検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、工作機械の動作を反映した信号を検出する信号検出部と、信号検出部から出力された信号のうち工作機械の運転中における特定期間の信号を対象信号として切り出す信号切出部と、対象信号の波形変化を数値化した評価値を求める評価値演算部と、工作機械の正常運転時における評価値を用いてあらかじめ設定した正常範囲と工作機械の運転時における評価値とを比較し運転時の評価値が正常範囲を逸脱しているときに工作機械の異常と判定する判定部とを備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記信号切出部は前記特定期間において一定の単位期間ごとの代表値を求め、前記評価値演算部は前記特定期間における各単位期間ごとの代表値の時系列データを評価値とし、前記判定部では、工作機械の正常運転時に得られた複数個の評価値を用いて各単位期間ごとの代表値の分布に基づいて各単位期間ごとの正常範囲を設定し、工作機械の運転時における各単位期間ごとに代表値と正常範囲とを比較し規定個数の単位期間において代表値が正常範囲を逸脱しているときに工作機械の異常と判定することを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記信号切出部は、前記工作機械の動作を指示する外部信号をトリガとして前記特定期間の開始時点を規定していることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記信号切出部は、一定の単位期間ごとの代表値を求めるとともに、単位期間の終了時点ごとに時間軸における前後の複数個の単位期間における代表値を規定の開始閾値と比較し、時間軸の後退側の第１の規定数の単位期間のうちの少なくとも１個の単位期間における代表値が開始閾値以下、かつ時間軸の前進側の第２の規定数の単位期間の代表値がいずれも開始閾値以上を開始条件として、開始条件を満たした後の複数個の単位期間を前記特定期間とすることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記信号検出部は、前記工作機械の振動を検出する振動センサであることを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記工作機械はモータを駆動源とし、前記信号検出部はモータの負荷電流を検出する電流センサであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明の構成によれば、工作機械の運転中の特定期間に得られる対象信号の波形変化を数値化した評価値を求め、この評価値を正常範囲と比較することにより工作機械の異常の有無を判断するから、工作機械が定速で運転される場合だけではなく、時間経過に伴って運転速度が変化するように加減速を伴って運転される場合や、工具を取り換えて運転する場合であっても工作機械の異常の有無を判定することができる。
【００１２】
請求項２の発明の構成によれば、特定期間において複数の単位期間ごとの代表値の時系列データを用い、各単位期間ごとに代表値の分布に基づいて正常範囲か否かを評価するから、単位期間ごとの代表値の時間変化により振動波形を評価することができ、比較的少ない計算量で波形変化を評価することができる。
【００１３】
ここに、代表値としては、実効値、包絡線のピーク値、特定周波数のレベルなどを用いることができる。ただし、以下に説明する実施形態では代表値として実効値を用いる例を示す。
【００１４】
請求項３の発明の構成によれば、工作機械の動作を指示する外部信号によって特定期間の開始時点を決めるから、工作機械の運転中における特定期間の開始時点を実質的に同じタイミングとすることができ、定速での動作中のように波形変化がほとんど生じない場合だけではなく、特定期間において時間経過に伴って波形が変化する場合でも開始時点を一致させることによって、波形の比較が可能になる。
【００１５】
請求項４の発明の構成によれば、単位期間ごとの代表値の変化傾向に基づいて対象信号を切り出すタイミングを決めているから、工作機械から特定期間の開始時点を示す信号が得られない場合でも特定期間の開始時点を自動的に決定することができる。しかも、一定の規則に従って開始時点を決定しているから、特定期間の開始時点の決定を定式化し客観性を持たせた設定が可能になる。その結果、特定期間において時間経過に伴って波形が変化する場合でも開始時点を一致させることによって、波形の比較が可能になる。
【００１６】
請求項５の発明の構成によれば、工作機械の振動の監視によって異常の有無を検出することができる。とくに、工作機械が回転部分を有する場合には回転軸の軸ぶれや軸受の摩耗による振動の増加を検出することができる。
【００１７】
請求項６の発明の構成によれば、工作機械を駆動するモータの負荷電流を監視するから、可動部位の摩耗などによる負荷の増加を検出することができる。また、モータの負荷電流を監視するから、センサを用いることなく工作機械の異常の有無を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に説明する工作機械は、図２に示すように、モータを駆動源とする駆動装置Ｘを備え、駆動装置Ｘに工具Ｙを着脱可能に装着する構成であって、ワークに対する駆動装置Ｘの位置および駆動装置Ｘの運転速度がプログラムに従って制御されるものとする。この種の工作機械の例としては、単機能の工作機械のほか、マシニングセンタやターニングセンタのように、工具マガジンに保持された複数個の工具から使用する工具をプログラムに従って自動的に選択するものを用いてもよい。以下では、駆動装置Ｘとしてハウジング１１を備えるスピンドルを想定する。
【００１９】
本実施形態で説明する工作機械の異常検出装置は、図１に示すように、駆動装置Ｘのハウジング１１に固着され駆動装置Ｘの振動を検出する振動センサ１を備え、振動センサ１にはセンサ線１２を介して装置本体１３が接続される。センサ線１２は振動センサ１に付設されており、装置本体１３に対してはコネクタなどによって着脱可能に接続される。また、センサ線１２を通して対象信号に雑音成分が混入しないように、センサ線１２にはシールド線を用いることが望ましい。
【００２０】
振動センサ１としては加速度ピックアップを用いており、振動センサ１は、図２に示すように、駆動装置Ｘのハウジング１１の外側面に密着させる形で取り付けられる。振動センサ１を駆動装置Ｘに取り付けるにあたっては、駆動装置Ｘの動作を妨げず、かつ駆動装置Ｘの動作によって取付状態の変化しないことが要求される。したがって、接着ないし溶着によって振動センサ１を駆動装置Ｘのハウジング１１に固着する。また、振動センサ１の着脱を可能とするために、振動センサ１を着脱可能に結合する保持具をハウジング１１に固着する構成を採用してもよい。
【００２１】
振動センサ１から出力される電気信号は工作機会の動作を反映した信号になるから、振動センサ１が信号検出部として機能する。振動センサ１から出力された信号は、信号切出部２に入力される。
【００２２】
信号切出部２では、駆動装置Ｘの運転開始の時点、つまり特定期間の開始時点を決定するために、工作機械の動作を指示する信号を用いることができる場合には、当該信号を外部信号としてトリガに用いる。つまり、駆動装置Ｘの運転開始の信号が与えられた時点を特定期間の開始時点とすればよい。また、この場合には、駆動装置Ｘの運転停止の信号も与えられると考えられるから、その時点を特定期間の終了時点とすればよい。
【００２３】
一方、外部信号を用いることができない場合には、駆動装置Ｘの運転前と運転中とでは振動センサ１の出力振幅が大きく変化することを利用し、以下の手順で工作機械の運転中における特定期間の信号を対象信号として切り出す。ここで、駆動装置Ｘは、工具Ｙにより加工するワークの投入毎に運転と停止とを繰り返すものとする。
【００２４】
駆動装置Ｘの運転前には振動センサ１の出力振幅は微小であり、駆動装置Ｘの運転中には振動センサ１の出力振幅は運転前よりも大きくなる。そこで、特定期間を切り出すのに必要な適宜の時間分解能に応じて単位期間を決定し、信号切出部２において一定の単位期間ごとの振動センサ１の出力を監視する。ここでは、一例として単位期間を１０ｍｓに設定するものとする。信号切出部２では、各単位期間の境界を着目点とし、着目点に対して時間軸の前後の複数個の単位期間における代表値（ここでは、実効値）を規定の開始閾値と比較する。なお、時間軸の後退側は過去側、時間軸の前進側は未来側を表している。
【００２５】
時間軸の後退側では第１の規定数（たとえば３個）の単位期間について実効値を開始閾値と比較し、時間軸の前進側では第２の規定数（たとえば３０個）の単位期間について実効値を開始閾値と比較する。ここで、後退側の単位期間のうちの少なくとも１個の実効値が開始閾値以下（条件Ａ）であって、前進側の単位期間のすべての実効値が開始閾値以上（条件Ｂ）であることを開始条件とし、開始条件が満足されたときには、着目点を開始時点の候補とする。開始時点の候補では、着目点の前後同数個（たとえば３個）ずつの単位期間に相当する各時間内でのそれぞれの実効値の差分を求め、時間軸において前進側の次の単位期間の境界を着目点として同様の処理を行う。この処理は、最初に条件Ａ，Ｂを満たした着目点から一定時間（たとえば、４００ｍｓ）後まで繰り返して行う。
【００２６】
一方、着目点の前進側の単位期間のうちの１個でも開始閾値未満であるとき、つまり条件Ｂが満たされない場合には、次の単位期間の終了時点を着目点とし、条件Ａ，Ｂを満足するか否かを判断する。また、条件Ｂは満足するが、着目点の後退側の単位期間のいずれもが開始閾値を超えるとき、つまり条件Ａが満たされない場合には、着目点から第２の規定数（つまり３０個）の単位期間を隔てた時点を着目点とし、この着目点について条件Ａ，Ｂを満足するか否かを判断する。
【００２７】
上述のように、最初の着目点から一定時間後までについて、上述の条件Ａ，Ｂを満たすか否かを判定した後、条件Ａ，Ｂをともに満たした着目点（開始時点の候補）のうちで、着目点の前後同数個ずつの単位期間に相当する時間内の実効値の差分が最大であった候補を開始時点に用いる。開始時点の決定を簡略化する場合には、最初の候補を開始時点に用いてもよい。
【００２８】
一方、特定期間の開始時点を上述のようにして振動センサ１の出力から自動的に決定する場合に、終了時点は開始時点から一定時間後とすることが可能であるが、特定期間の終了時点も振動センサ１の出力から自動的に決定するのが望ましい。終了時点についても開始時点と同様に、単位期間の境界を着目点とし、着目点に対して時間軸の前後の複数個の単位期間における実効値を規定の終了閾値と比較する。ここで、着目点の前後の単位期間の個数は、開始時点とは異なっており、後退側の個数を第３の規定数（たとえば６個）とし、前進側の個数を第４の規定数（たとえば１０個）とする。ここに、開始時点を求める際には時間軸の前進側に開始時点の候補を探索したが、終了時点を求める際には時間軸の後退側に開始時点の候補を探索する。
【００２９】
終了時点の検出には、着目点について前進側の第４の規定数の単位期間のうちの少なくとも１個の実効値が終了閾値以下（条件Ｃ）であって、後退側の単位期間のすべての実効値が終了閾値以上（条件Ｄ）であることを終了条件とし、終了条件が満足されたときには、着目点を終了時点の候補とする。終了時点の候補では、着目点の前後に同数個（たとえば３個）ずつの単位時間に相当する各時間内でのそれぞれの実効値の差分を求めた後、時間軸の後退側で次の単位期間の境界を着目点として同じ処理を行う。この処理は、最初に条件Ｃ，Ｄを満たした着目点から一定時間（たとえば、２００ｍｓ）前まで繰り返して行う。
【００３０】
条件Ｄが満足されない場合、つまり着目点から後退側の第３の規定数の単位期間のうち実効値が終了閾値未満のものが１個でもあると、次の着目点において上述の処理を繰り返す。また、条件Ｄが満たされても条件Ｃが満たされない場合には、第４の規定数から１を引いた個数（たとえば９個）の単位期間に相当する時間だけ後退側に移動させた時点を着目点とし、条件Ｃ，Ｄを満足するか否かを判断する。
【００３１】
上述のように、最初の着目点から一定時間前までについて、上述の条件Ｃ，Ｄを満たすか否かを判定した後、条件Ｃ，Ｄをともに満たした着目点（終了時点の候補）のうちで、着目点の前後同数個ずつの単位期間に相当する時間内の実効値の差分が最大であった終了時点の候補を開始時点に用いる。開始時点の決定を簡略化する場合には、最初の候補を開始時点に用いてもよい。
【００３２】
以上の説明から明らかなように、信号切出部２において振動センサ１の出力から開始時点と終了時点とを抽出するには、一連の動作が行われる間の振動センサ１の出力を記憶させておく必要がある。したがって、信号切出部２には、振動センサ１の出力を一定時間分（たとえば２０００ｍｓ）記憶するＦＩＦＯ（先入れ先出し）のメモリが必要である。
【００３３】
上述の動作によって、信号切出部２では振動センサ１の出力から工作機械の運転中に相当する特定期間の対象信号を切り出すことができるから、この対象信号について波形変化を評価する。対象信号の波形変化、つまり時間経過に伴う振幅の変化を評価するために、対象信号は評価値演算部３に与えられる。
【００３４】
評価値演算部３では、特定期間に含まれる単位期間の実効値を時間の進行方向に並べた時系列データを評価値に用いる。２つの時系列データが一致していれば、両時系列データの元になった対象信号はほぼ一致していると言える。ただし、対象信号にはばらつきがあり、信号切出部２による特定期間の切り出し位置には誤差があるから、評価値が完全に一致することは少ない。時系列データをベクトルとみなせば、工作機械が正常に運転されているときに得られた対象信号と、工作機械の運転中に得られる対象信号とのノルムは両者の一致度を反映する。しかしながら、工作機械が正常に運転されている場合であっても、時系列データは一定ではないから、ノルムを一致度とすることは実用的ではない。
【００３５】
そこで、評価演算部３で求めた評価値を判定部４に入力し、判定部４では工作機械の異常の有無を検査する前処理として、工作機械が正常に運転されているときの評価値を多数個収集し、収集した評価値について各単位期間ごとの実効値の分布に基づいて実効値の正常範囲を設定する。
【００３６】
正常範囲を設定するには、各単位期間ごとの実効値の分布を正規分布とみなし、各単位時間ごとに実効値の平均値と分散とを求めることにより分布の形を決定し、平均値に対して分散に適宜の係数を乗じた範囲を正常範囲とすればよい。このように正常範囲を設定しておけば、工作機械の異常の有無ないし異常の徴候を検査するにあたり、運転中に評価値を得るたびに正常範囲と比較することができ、工作機械の異常を迅速に検出することができる。
【００３７】
一方、工作機械の異常の徴候を検出する場合には必ずしも迅速な検出を要しないから、工作機械の運転中において複数回の特定期間について求めた評価値について、各単位期間ごとの実効値の分散を求め、正常時に得た分散に係数を乗じた値を閾値とし、閾値以下の範囲を正常範囲としてもよい。この場合、工作機械の運転時に得られる分散が閾値を超えると、異常の徴候あるいは異常があると判断することができる。
【００３８】
上述のように、工作機械の運転時に得られる評価値が正常範囲を逸脱するときには、判定部４では、工作機械に異常が生じているかあるいは異常の徴候が生じていると判定し、出力部５を通して使用者に異常を報知する。出力部５は表示灯や報知音を発生する装置のほか、ディスプレイ装置を用いて文字による報知を行ってもよい。
【００３９】
上述の例では、振動センサ１の出力を対象信号に用いているが、駆動装置Ｘの駆動源がモータであるから、モータの負荷電流を対象信号に用いることが可能であり、モータがサーボ制御されている場合にはモータに設けたエンコーダの出力を対象信号に用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  振動センサ（信号入力部）
２  信号切出部
３  評価値演算部
４  判定部
５  出力部
１１  ハウジング
１２  センサ線
１３  装置本体
Ｘ  駆動装置
Ｙ  工具
【図１】
2008087093.tif 000003
【図２】
2008087093.tif 000004