(57)【要約】【課題】  ＡＥセンサでセンシングを行ない、主軸の異常や劣化状態を正確に検知して、主軸のダメージを判断し、アラームを表示させる。【解決手段】  主軸回転指令５７と送り軸駆動指令５６を受けて、ＡＥセンサ５１と増幅器５２、バンドパスフィルタ５３を用いて振動データを計測し、そのデータが主軸回転情報４１から求められたしきい値を超えた数をレベルカウント回路でカウントし、そのカウント数とアラームレベルを比較し主軸の状態を判断し、必要ならばアラーム表示器５５にアラームを表示させる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸において、軸受近傍にＡＥセンサを固定し、主軸回転中に発生するＡＥ振動を検出する状態監視装置であって、主軸回転指令、送り軸駆動指令などの工作機械の駆動指令に基づいてＡＥ振動の検出を行うことを特徴とする工作機械の状態監視装置。
【請求項２】
ＡＥ振動を計測するタイミングとして、主軸回転開始からの経過時間をカウントし、あらかじめ設定してある主軸回転時間経過後にＡＥ振動の計測を開始することを特徴とする、請求項１記載の工作機械の状態監視装置。
【請求項３】
ＡＥ振動を計測するタイミングとして、送り軸駆動指令の開始からの経過時間や移動距離、または送り軸駆動指令終了までの経過時間や移動距離を認識し、あらかじめ設定してある送り軸駆動状態でＡＥ振動の計測を開始することを特徴とする、請求項１または２に記載の工作機械の状態監視装置。
【請求項４】
計測されたＡＥ振動波形を事象率としてカウントする際に、主軸の回転数毎にしきい値となる電圧レベルを設け、主軸回転中に発生するＡＥ振動を、その回転数におけるしきい値電圧と比較し事象率を計算することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の工作機械の状態監視装置。
【請求項５】
計測されたＡＥ振動波形の事象率をカウントし、軸受の異常を判断する際、計測された事象率とそれ以前に計測された任意の回数分の事象率とを合わせた平均事象率を計算し、１回の事象率と平均事象率の値をあらかじめ設定してある軸受異常事象率レベルと比較することで、主軸の状態を判断することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の工作機械の状態監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械において、回転する主軸の状態を監視する状態監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械において、回転する主軸の状態を監視する装置として、一般的なものの一つに、軸受部近傍の温度を計測する装置がある。この装置では、あらかじめ主軸の軸受部近傍に温度を計測するセンサを固定し、主軸が回転することによって発生する軸受発熱による温度上昇をそのセンサで読み取る。
【０００３】
別の監視装置としては、主軸の振動を計測する装置がある。この装置では、主軸の任意の位置に振動を計測するための振動センサを固定し、主軸が回転することによって発生する振動をそのセンサで読み取る。
【０００４】
このような監視装置において、主軸の状態を正確に判断するには様々な問題点があった。
【０００５】
まず、軸受部近傍の温度を計測する装置であるが、軸受の発熱量は、軸受の潤滑状態に大きく左右される。そのため、軸受潤滑のために外部から供給される油の量やその供給方法、あるいは軸受にあらかじめ封入されている潤滑用グリースの軸受への付着状態によって、油の攪拌抵抗に大きな違いが現れ、その結果、温度上昇に差が出る。
【０００６】
また、温度の計測そのものにおいても限界がある。軸受において発熱を起こすのは、転動体と内輪・外輪との接触部である。しかし、実際に発熱を起こしている転動体接触部の温度は直接計測出来ないため、どうしても介在物をとおして温度を計測することとなる。そのため、軸受が発熱してから温度計測する場所に温度が伝わってくるまでに時間的な遅れが出る。合わせて、発熱部から温度計測部まで熱が伝わってくる間に熱が周辺に拡散してしまい、計測部での温度変化はゆるやかになる。結果、実際の発熱状態と計測される温度変化に違いが生じる。
【０００７】
そのため、軸受がかなりダメージを受け、発熱量がかなり多くなった状態では、初期状態からの違いを捉えることが出来るが、軸受異常の初期で発熱がわずかな状態では、その変化を捉えることが出来ない。
【０００８】
次に、振動の計測による状態監視についての問題点を示す。
【０００９】
一般的に使用される振動センサにおいて計測できる振動周波数は、数十ｋＨｚ以下の振動である。軸受に生じたキズや異物のかみ込みによる振動、アンバランスやミスアライメントなど、比較的振動が大きく出て、発生する周波数もそれほど高くない主軸振動は、このような振動センサを用いて計測を行なうことが出来る。
【００１０】
それに対し、発生する振動が非常に微小でしかも超高周波の振動を計測するためにはＡＥセンサを用いる。このセンサを用いれば、物体どうしが接触した時に発生する超高周波のＡＥ振動が検知でき、潤滑不良などの状態変化も捉えることが可能となる。
【００１１】
しかし、ＡＥ振動はごく微弱な超高周波振動として発生するため、軸受部以外の部分から発生する別のＡＥ振動レベルが大きいと、計測される振動は軸受部以外から生じた振動に隠れてしまう。また、ＡＥ振動そのものは非常に不規則で、レベルも変動し、また転動体回転速度によっても振動の大きさが変わるため、計測された振動データの評価が難しい。
【００１２】
実際の工作機械主軸の軸受損傷は、軸受異常が比例的に進行して破壊に至るわけではなく、潤滑不良を伴う初期の軽微な異常が緩やかに続き、ある時急激に損傷が激化し破壊に至るケースが多い。そのため、主軸の状態を監視し、損傷の進行および寿命を予測する上では、ダメージが大きくなる前の、初期の異常状態をなるべく正確に把握できる監視装置が必要とされる。
【００１３】
上記したように、温度センサや一般的な振動センサを用いた主軸の状態監視では、潤滑不良など軸受のわずかな状態変化を捉えることが出来ないために、軸受の劣化を早期段階で検知することが出来ない。また、ＡＥセンサを用いた単純な計測では、主軸軸受以外から発生するＡＥ振動のせいで軸受の状態変化が観測できなかったり、発生するＡＥ振動のレベルが不安定なために軸受の状態変化が判断できなかったりと、使用上不便な点が多い。
【００１４】
ＡＥを用いた工作機械の状態監視装置としては、工具の折損などを監視するものが知られているが（特許文献１、特許文献２）、これを、主軸軸受の異常を検出するために適用することはできない。
【特許文献１】特許第２５８３１８５号公報
【特許文献２】特開平６−２１８６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明は上記課題を解決し、工作機械の状態監視装置において、軸受の状態変化を早期段階から正確に観測し、その劣化の進行度合いを正確に判断できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、主軸の状態を監視する手段として、主軸のあらかじめ設定された位置に取り付けられたＡＥ振動計測用のセンサを用いる。
【００１７】
また、微弱な振動信号を、より信頼性が高く、なるべく外乱の影響を受けない状態で測定するには、切削加工中で加工振動が発生している状態や、主軸回転開始直後で潤滑が安定していない時の計測を避けたほうが好ましい。そこで、請求項２または３の発明は、主軸は安定して回転しているが切削加工は行われていない状態を機械の制御装置で判断し、その時のＡＥ振動データを計測値として取り込む。
【００１８】
主軸は回転しているが送り軸は動いていない状態とは、一日の始めに機械を立ち上げて主軸の暖気運転を行っている状態や、加工終了後に主軸を停止させる直前などを示す。このような状態での計測を行うために、主軸の回転指令、停止指令、送り軸の切削送り指令を認識し、さらに、主軸の回転開始からの経過時間をカウントさせる。
【００１９】
具体的には、主軸の回転指令と送り軸の切削送り指令を検知し、主軸回転開始からの時間をカウントしておいて、あらかじめ設定してあるカウント時間が経過しているかどうかをみる。それにより、主軸が安定して回転しているが切削加工は行われていないことが判断されれば計測を行う。また、送り軸の切削送り指令が実施されている状態においても、次に主軸停止指令が来るのであれば、その直前には実際の切削は完了しているので、主軸停止指令が実行させる前に計測を行う。
【００２０】
このような状態で取り込まれたデータを時系列で比較し、そのレベルの変化によって主軸の劣化度合いを判定する。
【００２１】
また、取り込まれたデータのレベルにより主軸の劣化度合いを判定するためには、請求項４の発明のように、ＡＥ振動の事象率を計測し、その計測には回転数毎にしきい値電圧を設ける。
【００２２】
軸受の状態が同じでも回転している回転数が異なれば、発生するＡＥ振動のレベルも違ってくる。常に同じ回転数で回っている状態で振動データが計測出来れば、単純にそのデータを比較すれば軸受の劣化状態を判断することが出来る。しかし、毎回計測を行なう際の回転数が異なる場合、直接計測されたデータどうしを比較することが出来ない。そこで、あらかじめ設定してある回転数ごとのしきい値電圧からその状態における事象率をカウントすれば、どの回転数で計測しても一連の結果として主軸の劣化度合いの判定に使用できるようになる。
【００２３】
さらに、計測されたデータによる判定を正確に行うために、請求項５の発明のように、計測されたＡＥ振動結果を計測時間と合わせて記録しておき、データの比較を行う。その際、軸受異常かどうかを判断させるために、最新のＡＥ振動事象率測定結果と、現在から過去にさかのぼって測定された設定回数分のＡＥ振動事象率測定結果の平均値を用い、異常判断用の評価値と比べることで異常の判断を行う。1回の測定結果だけで判断を行わないのは、突発的な潤滑異常などを検知した場合、それだけで軸受寿命だと判断してしまわないためである。
【００２４】
軸受の異常が徐々に進行してくると、平均事象率もだんだん上がってくる。そして、その値が異常判断用の評価値を超えた場合、軸受寿命と判断し、それを外部にアラームとして表示させ、加工の停止や主軸の回転停止などの措置を取る。また、平均値は評価値を超えていないが最新の計測においてのみ計測結果が評価値を超える場合は、寿命ではなくて主軸潤滑ユニットの故障など突発的な異常の可能性があるため、その旨を外部にアラームとして表示させる。作業者はその表示を受け、機械の点検などを行うこととなる。
【発明の効果】
【００２５】
以上詳述したように、請求項１の発明によれば、切削中など主軸以外からの振動が多く発生する状態ではない、安定した主軸回転状態でのみ振動を計測することにより、主軸の状態を判断するための信頼性のあるデータ取りを行なうことが出来る。また請求項２の発明によれば、データを取るために主軸を同じ回転数で回さなくても、回転数毎に設定されたしきい値と比較することで、どの回転数で計測されたデータも同じように判断に使用することが出来る。さらに請求項３の発明によれば、計測されたデータを平均化させることで、突発的な異常か軸受寿命による劣化かを見極め、主軸の状態変化を適確に判断することが出来るようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、この発明の実施形態を、図を参照して説明する。
【００２７】
図１はＡＥセンサを取り付けた主軸の例である。図１において、主軸１の周囲下方４カ所と上方後部１カ所に転がり軸受６ａ〜６ｄ、７が設けられ、固定された円筒状の固定ハウジング２と３内に回転支持され、固定ハウジング２と３は主軸頭４に固定され、主軸頭４は主軸台などの機械本体５に固定されている。尚、前側の転がり軸受は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円錐ころ軸受等、ラジアル荷重と少なくとも一方向のスラスト荷重が受けられるもの、後ろ側の軸受はラジアル荷重が受けられるコロ軸受や深溝玉軸受などが用いられている。
【００２８】
前側の転がり軸受６ａ〜６ｄと後ろ側の転がり軸受７の間には、主軸１を回転させるための駆動装置としてビルトイン型の電動機９が設けられ、この電動機９は主軸１の外周に設けられたロータ９ａと、その周囲の主軸頭４の内周に設けられたステータ９ｂとから構成されている。
【００２９】
また、主軸１内部にはドローバー８が設けられ、ドローバー８は圧縮バネ１２の引き込み力によりホルダ把持具１３を介してホルダ１０を主軸１に引き込んで固定保持されている。そして、ホルダ１０先端には、工具１１が取り付き、この工具によってワークが加工される。
【００３０】
そして、ＡＥセンサ１５は、固定ハウジング２に取り付けられている。また、１４は軸受６ａ〜６ｄの外輪を抑えている蓋である。ＡＥセンサを取り付ける場所として一番良いのは軸受そのものである。しかし実際にはスペースの関係上などから軸受に直接ＡＥセンサを固定することは難しい。よって、軸受を固定しているハウジングなどに取り付けることとなる。
【００３１】
図２は、ＡＥ振動計測実行タイミングのフローチャートである。主軸の回転が安定している状態で、なおかつ切削を行っていない状態での計測を行うために、次のように計測タイミングを決定する。
【００３２】
最初に、加工する機械の電源が入れられた状態で、主軸の起動を判別する。主軸が起動された場合、あらかじめ求めてある設定された時間の間、タイマーを働かせる。この時間によって、主軸が回転を開始してから潤滑が安定し、定常状態になるのを待つ。実際の計測においては回転数によっても異なるが、タイマーの設定時間としては数分程度になる。
【００３３】
設定されたタイマー時間が経過した後に、切削送りが行われていなければ、ＡＥの計測を開始する。そして計測された1回分のデータは保存され、次の計測に入る。基本的にはこれを繰り返し計測を行っていく。
【００３４】
それに対し、切削送り指令が入った場合は、加工が行われていると判断し、計測は行わない。そして、切削送り指令停止後、まだ主軸が回っていれば、その状態でのＡＥの計測を行う。しかし、主軸回転停止指令が入るようならば、主軸停止指令が実行される直前に1回だけ計測を行う。この状態では、指令的には切削送りが終了していない状態があるが、実際の加工ではワークから少し離れた位置まで軸を動かしてから主軸を止めるため、最後の数秒は工具とワークは接触していない。よって、実質的に主軸だけが回っている状態での計測になる。
【００３５】
このようにして、計測を繰り返してデータを蓄積していく。
【００３６】
図３は、ＡＥ計測で事象率をカウントする時のしきい値の決め方を示した概念図である。
【００３７】
図で、横軸が時間経過、縦軸がＡＥセンサからとり込まれる電圧信号である。事象率の計測においては、あらかじめ設定してある測定周期の間に取り込まれた電圧信号において、しきい値電圧を超えた電圧信号の回数をカウントし、その計測における事象率の値とする。
【００３８】
その際、事象率を求めるしきい値を固定にしておくと、回転数が比較的低く、発生するＡＥ振動レベルが小さい時は事象率は少なく、回転数が高く発生するＡＥ振動レベルが大きい時は、事象率は多くカウントされてしまう。同じ回転数でのみ計測を行うのであればそれでも問題ないが、計測毎に回転数が違うと、データの比較が出来なくなってしまう。よって、あらかじめ回転数によるしきい値を変えておいて、例えば図のように低い回転数の時のしきい値電圧をＡと設定し、高い回転数の時のしきい値電圧をＢとして、Ａより高い電圧に設定し、同じレベルの事象率が計測されるようにしておけば、回転数には影響されずに計測データを比較することが出来る。
【００３９】
図４は、実際ＡＥ振動を計測する回路を示す。
【００４０】
最初に、工作機械に対し所定の動作を実行させるためにプログラムや手動操作によって、主軸回転指令５７や送り軸駆動指令５６が工作機械の制御装置４０に与えられる。指令が与えられると、制御装置４０は指令内容に合わせ、主軸回転情報４１と送り軸駆動情報４２を発信する。
【００４１】
主軸回転情報４１と送り軸駆動情報４２をもとに、前述した計測開始判断回路４３で、主軸が安定して回転していて尚且つワークは加工していない状態を判断して、計測開始指令を発信する。
【００４２】
主軸の任意位置に取り付けてあるＡＥセンサ５１によって検知され、増幅器５２によって増幅、バンドパスフィルタ５３によって必要な周波数帯域のみの信号として処理された振動データは、計測開始指令を受け、振動データ取り込み回路４４に入力される。
【００４３】
主軸回転情報４１は、しきい値設定回路４６にも送られる。しきい値設定回路４６では、前述したようにあらかじめ回転数毎に設定してあるしきい値データ４５と、主軸回転数情報４１を受けて、現在の運転状態でのしきい値を発生させる。
【００４４】
決定されたしきい値に対して、レベルカウント回路４７では、振動データ取り込み回路４４に入力された振動データが、あらかじめ設定してある測定周期の間に、何回しきい値を超えたかをカウントする。そしてカウント数はカウント数記録回路４８の中に計測時間と合わせてデータとして記録される。
【００４５】
アラームレベル比較回路４９は、得られた最新のカウント数とそれ以前に計測された任意の回数分のカウント数とを合わせた平均カウント数を計算し、平均カウント数の値があらかじめ設定してあるアラームレベルより大きくなると、軸受寿命と判断する。そして、アラーム表示器５５では、アラーム信号を受けて、主軸寿命であることを表示する。合わせて、加工の停止や主軸の回転停止などの措置を取る。また、平均カウント数はアラームレベルを超えていないが最新の計測においてのみカウント数がアラームレベルを超える場合は、寿命ではなくて主軸潤滑ユニットの故障など突発的な異常として、その旨をアラーム表示器５５に伝える。アラーム表示器５５ではそれを受けてアラーム信号を発生させる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ＡＥセンサを取り付けた主軸の例である。
【図２】ＡＥ振動を計測するタイミングを決めるフローチャートである。
【図３】回転数毎のしきい値を求める考え方を示した図である。
【図４】実際に計測を行う回路を示した図である。
【符号の説明】
【００４７】
５１…ＡＥセンサ、５２…増幅器、５３…バンドパスフィルタ、４０…制御装置、５５…アラーム表示器、４４…振動データ取り込み回路、４６…しきい値設定回路、４７…レベルカウント回路、４９…アラームレベル比較回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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