(57)【要約】【課題】 砥粒の異常脱落や砥石目詰まりなどの工具不具合を精度よく判定することができる工作機械を提供する。【解決手段】  内面研削盤用の磁気軸受13,14,15の制御装置は、制御電流の振幅および絶対値変化から法線方向の研削抵抗および接線方向の研削抵抗の振幅および絶対値変化を算出する研削抵抗演算手段28と、得られた研削抵抗に基づいて工具2の状態の不具合を判定する異常判定手段29とを有している。【選択図】    図１
2009291915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、ケーシング内に配置された回転軸と、回転軸に取り付けられる工具と、回転軸を支持する複数の制御型磁気軸受とを備えている工作機械において、
磁気軸受の制御装置は、制御電流の振幅および絶対値変化から法線方向の加工抵抗および接線方向の加工抵抗の振幅および絶対値変化を算出する加工抵抗演算手段と、得られた加工抵抗に基づいて工具の状態の不具合を判定する異常判定手段とを有していることを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内面研削盤などの工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
研削砥石による加工において、砥粒の異常脱落や砥石目詰まりなどの状態になると、加工能率が低下するという問題があり、そのために、例えば、砥石軸駆動モータへの砥石軸負荷電流値をモニタリングして、異常を判定することが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
また、複数のセンサ（例えば、キスラー社製のロードセル）を使用して研削力を計測し、異常を判定することも行われている。
【特許文献１】特開２００６−３５４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１のものでは、砥粒の異常脱落や砥石目詰まりを精度よく判定することが難しいという問題があり、ロードセルを使用した異常判定は、精度が不十分で、設置の手間やコストがかかるという問題があった。
【０００５】
この発明の目的は、砥粒の異常脱落や砥石目詰まりなどの工具不具合を精度よく判定することができる工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による工作機械は、ケーシングと、ケーシング内に配置された回転軸と、回転軸に取り付けられる工具と、回転軸を支持する複数の制御型磁気軸受とを備えている工作機械において、磁気軸受の制御装置は、制御電流の振幅および絶対値変化から法線方向の加工抵抗および接線方向の加工抵抗の振幅および絶対値変化を算出する加工抵抗演算手段と、得られた加工抵抗に基づいて工具の状態の不具合を判定する異常判定手段とを有していることを特徴とするものである。
【０００７】
工作機械は、たとえば内面研削盤などのように、回転駆動される回転軸の先端に砥石（またはその他の工具）が取り付けられたスピンドル装置を備えたものとされる。
【０００８】
スピンドル装置は、例えば、ケーシング、ケーシング内に水平または垂直に配置された回転軸、回転軸を非接触支持する１つの制御型アキシアル磁気軸受および前後または上下の２つの制御型ラジアル磁気軸受、ならびに、回転軸のアキシアル方向の位置を検出するための１つのアキシアル変位センサおよび回転軸のラジアル方向の位置を検出するための前後または上下の２つのラジアル変位センサを備えているものとされる。ここで、各磁気軸受および各変位センサは、公知のものであり、通常、各ラジアル磁気軸受は、Ｘ軸方向磁気軸受およびＹ軸方向磁気軸受からなるものとされ、各ラジアル変位センサは、Ｘ軸方向変位センサおよびＹ軸方向変位センサからなるものとされる。
【０００９】
磁気軸受制御装置は、制御電流をモニタリングして工具（例えば砥石）に作用する法線方向の力（加工抵抗または研削抵抗）Ｆｎおよび接線方向の力（加工抵抗または研削抵抗）Ｆｔを算出する。正常に加工が行われている場合、ＦｎおよびＦｔは、１回転することに伴って小さな振幅で変動し、その絶対値はほぼ一定に維持される。例えば、研削砥石の砥粒の異常脱落が発生すると、ＦｎおよびＦｔは、１回転するうちに大きい振幅で変動するので、ＦｎおよびＦｔの両方に大振幅の振動が検知されると、砥粒の異常脱落と判定してその警告が出される。また、研削砥石の目詰まりがあると、Ｆｔが小さくなるとともに、Ｆｎが大きくなることから、ＦｎおよびＦｔが互いに逆方向に変化することが検知されると、目詰まりと判定してその警告が出される。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の工作機械によると、磁気軸受制御装置の制御電流の振幅および絶対値変化から加工抵抗が求められ、その加工抵抗に基づいて工具の状態の不具合が判定されるので、砥石の砥粒の異常脱落、砥石の目詰まりなどの工具の不具合を精度よく判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、この発明による工作機械を示している。
【００１３】
この工作機械は、内面研削盤であり、ワーク(W)の内面を研削する砥石（工具）(2)が取り付けられた磁気軸受スピンドル(1)と、内面が被研削面であるワーク(W)を保持して回転させるワーク保持台(3)と、磁気軸受スピンドル(1)を軸方向に移動させるスピンドル移動手段（図示略）と、ワーク保持台(3)を磁気軸受スピンドル(1)に対して相対的に移動させて砥石(2)にワーク(W)に対する切込み動作を行わせるワーク保持台移動手段（図示略）とを備えている。
【００１４】
磁気軸受スピンドル(1)は、鉛直円筒状のケーシング(10)の内側で鉛直軸状の回転軸(11)が回転する縦型のものである。砥石(2)は、クイル(12)を介して回転軸(11)に支持されている。以下の説明において、回転軸(11)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの水平な径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００１５】
磁気軸受スピンドル(1)の機械本体部分には、回転軸(11)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(13)、回転軸(11)を径方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(14)(15)、回転軸(11)のアキシアル方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(16)と、回転軸(11)のラジアル方向の変位を検出するための前後２組のラジアル変位センサ(17)(18)と、回転軸(11)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(19)、ならびに回転軸(11)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転軸(11)を磁気軸受(13)(14)(15)で支持していないときに回転軸(11)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(20)(21)が設けられている。
【００１６】
磁気軸受スピンドル(1)のコントローラ部分（磁気軸受制御装置）には、センサ回路(22)、ＡＤ変換器(23)、ＤＳＰ（ディジタル信号処理プロセッサ）(24)、ＤＡ変換器(25)、電磁石駆動回路(26)およびインバータ(27)が設けられている。
【００１７】
アキシアル磁気軸受(13)は、回転軸(11)の下部に一体に形成されたフランジ部(12a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石(13a)(13b)を備えている。
【００１８】
アキシアル変位センサ(16)は、回転軸(11)の上端面にＺ軸方向の上側から対向するように配置され、回転軸(11)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。
【００１９】
２組のラジアル磁気軸受(14)(15)は、回転軸(11)の上下端部近傍に配置されており、上側のラジアル磁気軸受(14)とアキシアル磁気軸受(13)との間にモータ(19)が配置されている。各ラジアル磁気軸受(14)(15)は、回転軸(11)をＸ軸方向の両側からおよびＹ軸方向の両側から挟むように配置された２対のラジアル電磁石(14a)(15a)を備えている。
【００２０】
上側のラジアル変位センサ(17)は、上側のラジアル磁気軸受(14)の近傍上方に配置されており、下側のラジアル変位センサ(18)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍下方に配置されており、各ラジアル変位センサ(17)(18)は、回転軸(11)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【００２１】
保護軸受(20)(21)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(20)(21)の外輪がケーシング(10)に固定され、内輪が回転軸(11)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受(20)(21)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。運転停止あるいは停電などによって磁気軸受(13)(14)(15)が作動していない状態では、回転軸(11)は保護軸受(20)(21)に支持される。
【００２２】
センサ回路(22)は、各変位センサ(16)(17)(18)を駆動し、各変位センサ(16)(17)(18)の出力に基づいて、回転軸(11)の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサ(17)(18)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(23)を介してＤＳＰ(24)に出力する。
【００２３】
ＤＳＰ(24)は、ＡＤ変換器(20)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(13)(14)(15)の各電磁石(13a)(13b)(14a)(15a)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をＤＡ変換器(25)を介して電磁石駆動回路(26)に出力する。そして、駆動回路(26)は、ＤＳＰ(24)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する各磁気軸受(13)(14)(15)の各電磁石(13a)(13b)(14a)(15a)に供給し、これにより、回転軸(11)が所定の目標位置に非接触される。ＤＳＰ(24)は、また、モータ(19)に対する回転数指令信号をインバータ(27)に出力し、インバータ(27)は、この信号に基づいて、モータ(19)の回転数を制御する。そして、その結果、回転軸(11)が、磁気軸受(13)(14)(15)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(19)により高速回転させられる。
【００２４】
ＤＳＰ(24)には、従来の各種制御部に加えて、研削抵抗（加工抵抗）演算手段(28)および異常判定手段(29)が付加されている。
【００２５】
内面研削盤による研削中には、砥石(2)は、図２に示すように、ワーク(W)から法線方向の研削抵抗Ｆｎおよび接線方向の研削抵抗Ｆｔを受け、これに伴って、ラジアル磁気軸受(14)(15)の制御電流が変化する。したがって、各ラジアル磁気軸受(14)(15)の２方向の制御電流をモニタリングして、これを接線方向の力に対応する成分と法線方向の力に対応する成分とに分解することで、法線方向の研削抵抗Ｆｎおよび接線方向の研削抵抗Ｆｔの時間変化を精度よく求めることができる。研削抵抗演算手段(28)は、制御電流の振幅および絶対値変化から法線方向の研削抵抗および接線方向の研削抵抗の振幅および絶対値変化を算出するようになっている。
【００２６】
図３および図４は、砥石(2)の不具合が発生した際の研削抵抗（制御電流）の変化の様子を示している。
【００２７】
図３において、正常に加工が行われている場合、ＦｎおよびＦｔは、１回転することに伴って小さな振幅で変動し、その絶対値はほぼ一定に維持されている。そして、砥石(2)の砥粒の異常脱落が発生すると、ＦｎおよびＦｔは、１回転するうちに大きい振幅で変動する。したがって、研削抵抗の振幅について、所定の閾値を設定し、１回転毎に得られる振幅とこの閾値とを比較することで、砥粒の異常脱落を判定することができる。
【００２８】
また、図４において、正常に加工が行われている場合、ＦｎおよびＦｔは、１回転することに伴って小さな振幅で変動し、その絶対値はほぼ一定に維持されている。そして、砥石(2)の目詰まりがあると、Ｆｔが小さくなるとともに、Ｆｎが大きくなる（ＦｎおよびＦｔが互いに逆方向に変化する）。したがって、研削抵抗の絶対値変化について、所定の閾値を設定し、１回転毎に得られる（Ｆｎ−Ｆｔ）とこの閾値とを比較することで、目詰まりを判定することができる。
【００２９】
異常判定手段(29)は、得られた研削抵抗に基づいて砥石(2)の状態の不具合を判定するものであり、例えば、ＦｎおよびＦｔの両方に大振幅の振動が検知されると、砥粒の異常脱落と判定し、ＦｎおよびＦｔが互いに逆方向に変化することが検知されると、目詰まりと判定する。
【００３０】
次に、図５のフローチャートを参照して、判定を行う動作について説明する。
【００３１】
図５において、研削を行うことによって変化する各ラジアル磁気軸受(14)(15)の制御電流を所定時間間隔でモニタリングして、法線方向の研削抵抗Ｆｎおよび接線方向の研削抵抗Ｆｔを算出し（ステップ１０１）、ＦｎおよびＦｔについて、回転軸(11)が１回転したときの最大値、最小値および中心値（最大値と最小値との平均）を算出する（ステップ１０２）。次いで、法線方向の研削抵抗の振幅Ｆｎａおよび接線方向の研削抵抗の振幅Ｆｔａを回転軸(11)が１回転したときのＦｎおよびＦｔの最大値−最小値によって算出する（ステップ１０３）。次いで、１回転したときの法線方向の研削抵抗の変化量Ｆｎｃおよび接線方向の研削抵抗の変化量Ｆｔｃを回転軸(11)が１回転したときの中心値−前回の中心値によって算出する（ステップ１０４）。Ｆｎａ、Ｆｔａ、ＦｎｃおよびＦｔｃがいずれも所定の閾値よりも小さければ、正常な加工が行われていることになり、そうでない場合が異常となる。そこで、まず、砥石の砥粒が脱落している場合には、図３のような関係となることを考慮して、Ｆｎａ＞Ｃ０かつＦｔａ＞Ｃ１の関係が成り立っているかどうかでその判定を行う（ステップ１０５）。Ｃ０およびＣ１は、砥粒異常脱落の閾値である。この関係が成り立っている場合は異常であることから、砥粒異常と判定して、その警告が発せられる（ステップ１０６）。次いで、砥石の目詰まりが生じている場合には、図４のような関係となることを考慮して、（Ｆｎｃ−Ｆｔｃ）＞Ｃ２の関係が成り立っているかどうかでその判定を行う（ステップ１０７）。Ｃ２は、目詰まりの閾値である。この関係が成り立っている場合は異常であることから、目詰まりと判定して、その警告が発せられる（ステップ１０８）。必要に応じて、さらなる異常の判定が行われて、異常がない場合には、研削（加工）が継続され（ステップ１０９）、異常があった場合には、警告が発せられた（ステップ１０６および１０８）後に、研削（加工）が中止される（ステップ１１０）。
【００３２】
なお、上記図３および図４は一例であり、ＦｎおよびＦｔについて、時間−研削抵抗との関係を種々蓄積しておくことで、工具の種々の不具合を研削抵抗（制御電流）から得ることができる。
【００３３】
また、上記において、磁気軸受スピンドル(1)は、内面研削盤用として説明したが、研削以外の種々の工作機械やその他の装置に適用することもできる。また、上記実施形態では、回転軸(1)を垂直軸として示しているが、回転軸は水平軸であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、この発明による工作機械の実施形態を示す主要部の概略構成図である。
【図２】図２は、内面研削盤による研削中に砥石に作用する法線方向の研削抵抗Ｆｎおよび接線方向の研削抵抗Ｆｔを示す図である。
【図３】図３は、砥石の不具合が発生した際の研削抵抗の変化の１例を示す図である。
【図４】図４は、砥石の不具合が発生した際の研削抵抗の変化の他の例を示す図である。
【図５】図５は、この発明による工作機械の異常判定の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
(2)           砥石（工具）
(10)          ケーシング
(11)          回転軸
(13)(14)(15)  磁気軸受
(28)          研削抵抗演算手段（加工抵抗演算手段）
(29)          異常判定手段
【図１】
2009291915.tif 000003
【図２】
2009291915.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009291915.tif 000006
【図５】
2009291915.tif 000007