JP2020071633A - 送り軸およびウォームギヤ異常判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも簡便かつ迅速に、ＮＣ工作機械の送り軸が精度良く送り動作しているかどうかを診断・判定する技術を提供する。
【解決手段】テーブル１１および主軸４１を送り動作させる複数の送り軸と、各送り軸を駆動するサーボモータ１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚ，１７Ａと、これらのサーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部５０と、送り軸の速度および送り位置を検出するエンコーダＥＣ−Ｘ，ＥＣ−Ｙ，ＥＣ−Ｚ，ＥＣ−Ａとを備える工作機械に設けられ、送り軸の正常および異常を判定するシステムであって、数値制御部５０によって送り軸を送り動作範囲の下限値から上限値まで所定の速度で正方向に動作させるコマンド生成部と、コマンド生成部による送り軸の正方向動作中に駆動トルク指令をモニタして正方向動作中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力する送り軸異常判定部とを備える。
【選択図】図８

Description

この発明はＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）工作機械に使用される異常判定システムに関するものである。

工作機械に分類されるマシニングセンタは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸といった直線方向の移動や、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸といった回転方向の移動に関する複数の送り軸を具備し、数値制御（ＮＣ）により、主軸をこれらのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸等のそれぞれに関する位置に、所定速度で移動させ、ワークを加工する。これらの送り動作は、各軸に対応する送り軸を駆動するサーボモータをフィードバック制御することにより実行される。

代表例として、ＮＣ化されたロータリテーブル装置は、円テーブルと、その下部に連続して設けられた主軸と、主軸に設けられるウォームギヤと、ウォームギヤに係合するウォームねじと、ウォームねじのシャフトに設けられたメインギヤと、メインギヤに係合するモータギヤと、モータギヤに接続されたサーボモータと、サーボモータの駆動トルクを制御する制御部とを含む。主軸は例えばＡ軸に関する送り軸であり、回転方向の送り動作を実行する。

具体的にはウォームギヤとウォームねじとがかみ合っており、サーボモータの駆動トルクを、モータギヤ、メインギヤ経由でウォームねじに伝えて、ウォームギヤを回転させる。ロータリーテーブルの主軸の外周にウオームギヤが取付けられているので、ウオームギヤの回転に伴って円テーブルが回転し、所望の角度に割出される。

ロータリーテーブル装置のような代表例（ＮＣ割出ユニット）において割出の誤差を補正する方法が例えば、下記の特許文献１に記載されている。特許文献１において割出誤差を補正する原理は、３６０°全周におけるロータリーテーブルの割出誤差の分布が、回転角度０°，１８０°，３６０°で割出誤差０になり、回転角度９０°，２７０°で割出誤差最大になるという三角関数の波形を示すという知見に基づき、割出誤差の補正を迅速に完了させるというものである。

特開２０１２−０３５３６７号公報

特許文献１ではまずロータリテーブルを３６０°回転したときの１°ごとに誤差を測定する必要がある。誤差の測定は、ロータリエンコーダ等の測定器具を主軸後端に取り付けることにより行われる。この測定には、ロータリエンコーダのセッティングおよびデータ収集等、人手および時間を必要とする。

昨今、工作機械の省人化、高効率化の要請が高まっている。そこで例えば、工作機械の始動時や、ワークを工作機械にチャッキングしていないアイドル時等、空き時間において割出角度の精度不良を簡便かつ迅速に診断することができれば、生産管理上有利である。

本発明は、従来よりも簡便かつ迅速に、ＮＣ工作機械の送り軸が精度良く割り出されているかどうかを診断・判定する技術を提供することを目的とする。

本発明のウォームギヤ異常判定システムは、割出を実行する主軸と、主軸に設けられるウォームギヤと、ウォームギヤと噛合するウォームねじと、ウォームねじを駆動するサーボモータと、サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、主軸の速度または位置を検出するエンコーダとを備える割出ユニットに設けられ、主軸の正常および異常を判定するシステムであって、数値制御部によって主軸を割出角度０°から３６０°まで所定速度で正回転させるコマンド生成部と、コマンド生成部による主軸の正回転中に数値制御部からサーボモータへ出力される駆動トルク指令をモニタし、正回転中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、駆動トルク指令が正常値から逸脱しない場合を正常と判定し、駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力するウォームギヤ異常判定部とを備える。

かかる本発明のウォームギヤ異常判定システムによれば、主軸に測定器具を取り付けることなく、サーボモータの数値制御に関するデータから、主軸のウォームギヤ異常を発見することができる。数値制御部は例えば、サーボモータに設けられるエンコーダが検出するサーボモータ回転軸の回転角度に基づき、サーボモータをフィードバック制御し、さらに主軸の角度および位置を算出する。主軸は例えばロータリテーブル装置の回転軸であったり、あるいは傾斜軸であったりする。本発明のウォームギヤ異常判定システムは例えば単体のＮＣ工作機械であってもよく、あるいは例えば互いに離れたコンピュータおよびＮＣ工作機械の組み合わせであってもよく、あるいは例えば互いに離れた１台のコンピュータおよび複数のＮＣ工作機械からなるネットワークであってもよい。

サーボモータの上述した所定の速度は特に限定されないが、例えば一定速である。駆動トルク指令の正常値は、予めウォームギヤ異常検出部に記憶されるか、あるいは外部からウォームギヤ異常検出部に入力される。正回転は主軸の正面からみて時計回りであってもよいし、あるいは反時計回りであってもよい。本発明の一局面として正常値は、主軸、テーブルといった回転部品等を割出ユニットに新規に組み付け慣らし運転し、ワークの加工に必要な治具を工作機械に取り付けて運転した後の駆動トルク指令である。ここで好ましくは最初の試運転直後の駆動トルク指令である。

駆動トルク指令の正常値は上限値および下限値の間で変動幅を伴う。正常値の上限値および下限値は、例えば０°〜３６０°の全ての範囲で一定である。あるいは例えば０°〜３６０°の範囲においてサインカーブを描く。本発明中、駆動トルク指令のモニタ結果が正常値から逸脱するとは、例えば、モニタ結果が正常値の変動幅から外れて大きくなったり、あるいはモニタ結果が正常値の変動幅から外れて小さくなったりすることである。本発明の一局面としてモニタ結果の逸脱は、駆動トルク指令のモニタ結果が正常値に１よりも大きな所定の係数を乗じた値よりも大きくなることである。例えば正常値とされる駆動トルク指令の変動幅に係数１．３を乗じ、駆動トルク指令のモニタ結果が、正常値の上限値よりも３０％以上大きくなる場合、正常値を逸脱したものとして、異常と判定する。

本発明の一局面としてウォームギヤ異常判定部は、所定の速度と、主軸の回転開始時からモニタされた駆動トルク指令の逸脱時までの時間に基づき、主軸の割出角度を算出し、正常値から逸脱する駆動トルク指令に係る割出角度を、異常割出角度として出力する、かかる局面によれば、異常割出角度と正常に割出される割出角度を区別することができるので、割出ユニットの保守・点検が容易になる。

ウォームギヤが正常か異常かの判定は１周回転のみの正回転で行われてもよいが、好ましい局面として逆回転をさらに行うのがよい。あるいは複数周回転で行われてもよい。例えばコマンド生成部は、数値制御部によって主軸を割出角度３６０°から０°まで所定の速度で逆回転させ、ウォームギヤ異常判定部は主軸の逆回転中に駆動トルク指令をモニタし、逆回転中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、正常値から逸脱する駆動トルク指令に係る割出角度を、異常割出角度として出力する。かかる局面によれば両回転で異常判定を実行することからウォームギヤ異常の発見能力が向上する。

好ましい局面として本発明は、異常割出角度におけるウォームギヤとウォームねじの噛合箇所におけるバックラッシ量を算出するバックラッシ量算出部をさらに備える。かかる局面によれば、バックラッシ量が小さければ数値制御のパラメータを修正して、割出ユニットを継続使用することができる。

一局面として主軸にはロータリテーブルが固定され、バックラッシ量算出部は、まず数値制御部によって主軸を異常割出角度まで正回転させ、次に数値制御部によって主軸を逆回転させるというバックラッシ算出プログラムを実行し、逆回転の際の駆動トルク指令の経時的変化から逆回転のバックラッシ量を算出する。バックラッシ量を算出するプログラムは、特願２０１８−１０９３０２号明細書に記載される。

好ましい局面として０°から３６０°の範囲のうち複数の割出角度で異常と判定される場合、バックラッシ量算出部は全ての異常割出角度でバックラッシ量を算出する。より好ましい局面として異常割出角度等のウォームギヤ異常判定部から出力される情報を表示する割出角度異常判定表示部をさらに備える。

本発明の異常判定システムは、上述した主軸およびウォームギヤのように回転動作によって送り位置を割り出す送り軸に適用可能である他、ＮＣ工作機械のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸といったあらゆる送り軸に適用可能である。

すなわち上述した主軸を送り軸と読み替え、上述した割出角度を送り位置と読み替える本発明の送り軸異常判定システムは、送り軸と、送り軸を駆動するサーボモータと、サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、送り軸の速度または位置を検出するエンコーダとを備える工作機械に設けられ、送り軸の正常および異常を判定するシステムであって、数値制御部によって送り軸を送り動作範囲の下限値から上限値まで所定の速度で正方向に動作させるコマンド生成部と、コマンド生成部による送り軸の正方向動作中に数値制御部からサーボモータへ出力される駆動トルク指令をモニタし、正方向動作中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力する送り軸異常判定部とを備える。

送り軸は例えば、上述した回転運動による主軸であってもよい。この場合、上述したウォームギヤによる歯車機構を介して、主軸を駆動してもよいし、あるいは直動モータ（ダイレクトドライブ電動モータ）で主軸を駆動してもよい。あるいは送り軸は、直線などのリニア運動によって送り動作する。例えばサーボモータの出力回転を、ボールねじ機構を介して直線運動に変換する。エンコーダは例えばサーボモータに設けられ、サーボモータ回転軸の速度または位置を検出し、係る検出結果に基づいて送り軸の速度または位置を検出することができる。

本発明に係る送り軸異常判定システムの一局面として正常値は、工作機械を新規に組み付け慣らし運転し、次にワークの加工に必要な治具を工作機械に取り付けて運転した後の駆動トルク指令である。このように新品同様の工作機械の駆動トルク指令を正常値として、経年劣化後の工作機械の駆動トルク指令が正常値から逸脱しているかどうか判断する。

本発明に係る送り軸異常判定システムの一局面として逸脱は、駆動トルク指令のモニタ結果が正常値に１よりも大きな所定の係数、例えば１．３といった３０％増しの係数、を乗じた値よりも大きくなることである。

本発明に係る送り軸異常判定システムの一局面として送り軸異常判定部は、サーボモータの所定の速度と、送り軸の正方向動作開始時から正方向動作中の逸脱時までの時間に基づき送り軸の送り位置を算出し、当該送り位置を異常送り位置として出力する。

本発明に係る送り軸異常判定システムの一局面としてコマンド生成部は、数値制御部によって送り軸を送り動作範囲の上界値から下界値まで所定の速度で逆方向に動作させ、送り軸異常判定部は、所定の速度と、送り軸の逆方向動作開始時から逆方向動作中の逸脱時までの時間に基づき送り軸の送り位置を算出し、当該送り位置を異常送り位置として出力する。かかる局面によれば判定精度が向上する。

このように本発明によれば、従来よりも簡便かつ迅速に、精度良く割り出しされているかどうか割出角度の正常・異常を診断・判定することができる。また本発明によれば、工作機械が割出角度の正常・異常を自己診断することができ、割出ユニットの検査が省人化、効率化される。

主軸の割り出しを実行する割出ユニットの分解斜視図である。 ロータリテーブル装置内部で実行されるサーボ制御を示す模式図である。 ウォームギヤおよびウォームねじを示す正面図である。 図３中、ウォームねじと噛合するウォームギヤの当たり面を示す拡大図である。 ロータリテーブル装置の数値制御部から主軸サーボモータへ出力される駆動トルク指令のモニタ結果を示すグラフである（異常値）。 ロータリテーブル装置の数値制御部から主軸サーボモータへ出力される駆動トルク指令のモニタ結果を示すグラフである（正常値）。 傾斜軸に作用するアンバランス負荷を時系列で説明する模式図、およびこの模式図に対応する数値制御部から傾斜軸サーボモータへ出力される駆動トルク指令を示すグラフである。 複数の送り軸を備えるマシニングセンタを示す斜視図である。 各送り軸の数値制御に関する箇所を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。まず送り軸の代表例として、Ａ軸ロータリテーブル装置について説明する。

図１は、割出ユニットの一例になるロータリテーブル装置を示す分解斜視図である。図２は、ロータリテーブル装置内部で実行されるサーボ制御を示す模式図である。割出ユニット１０はテーブル１１と、主軸１２と、ウォームギヤ１３と、ウォームねじ１４と、メインギヤ１５と、モータギヤ１６と、サーボモータ１７と、数値制御部１８と、ウォームギヤ異常判定部１９と、バックラッシ量算出部２０と、ウォームギヤ異常表示部２１を備え、ロータリテーブル装置の主要部をなす。

テーブル１１は例えば円テーブルであり、図示しない筐体に回転自在に支持される。テーブル１１の表面には図示しないワークがチャッキングされる。主軸１２はテーブルの裏面に立設される。主軸１２は、ワークを回転させる回転軸であるが、図示しない変形例としてワークを傾斜させる傾斜軸であってもよい。ウォームギヤ１３は主軸１２と同軸になるよう主軸１２に取り付けられ、ウォームねじ１４と噛合する。ウォームねじ１４は両側のシャフトで回転自在に支持される。ウォームねじ１４の一方のシャフト端部にはメインギヤ１５が設けられる。モータギヤ１６は、サーボモータ１７のモータ回転軸に設けられ、メインギヤ１５と噛合する。

サーボモータ１７にはエンコーダＥＣが設けられる。エンコーダＥＣは、サーボモータ１７のモータ回転軸の回転角度（つまり速度または位置）を検出して、数値制御部１８に出力する。エンコーダＥＣからサーボモータ１７の速度フィードバックを受信する数値制御部１８は、サーボモータ１７をフィードバック制御する。また数値制御部１８は外部のコマンド生成部（図示せず）に連結される。コマンド生成部は数値制御プログラムに基づき、位置指令ＰＣＭＤを数値制御部１８に出力する。なおコマンド生成部は、ロータリテーブル装置に設けられていてもよいし、あるいはロータリテーブル装置の外部、例えば、複数のロータリテーブル装置を統括制御する上位コンピュータ、に設けられていてもよい。

エンコーダＥＣはサーボモータ１７の速度フィードバックＳＰＥＥＤ、あるいは位置フィードバックＰＯＳＦを数値制御部１８に出力する。数値制御部１８はテーブル１１の位置指令ＰＣＭＤと位置フィードバックＰＯＳＦの差分から速度指令ＶＣＭＤを求める。また数値制御部１８は、速度指令ＶＣＭＤと速度フィードバックＳＰＥＥＤの差分から駆動トルク指令ＴＣＭＤを求め、スイッチＳＷ経由でサーボアンプＳＡに駆動トルク指令ＴＣＭＤを出力する。サーボアンプＳＡは入力された駆動トルク指令ＴＣＭＤを増幅してサーボモータ１７に出力する。駆動トルク指令ＴＣＭＤの出力は１［ｍｓｅｃ］以内の所定の間隔である。

数値制御部１８が位置指令ＰＣＭＤを受けて駆動トルク指令ＴＣＭＤをサーボアンプＳＡ経由でサーボモータ１７へ出力すると、サーボモータ１７は入力された駆動トルク指令ＴＣＭＤに応じてモータギヤ１６を駆動し、かかる駆動回転がモータギヤ１６からメインギヤ１５とウォームねじ１４を経由してウォームギヤ１３に伝達され、主軸１２およびテーブル１１が数値制御プログラムどおりに割り出される。

本実施形態では、外部のコマンド生成部によるテーブル１１の割り出しの他、ウォームギヤ異常判定部１９によるウォームギヤ異常判定モードが実行される。

図２に示す位置指令ＰＣＭＤ、速度指令ＶＣＭＤ、駆動トルク指令ＴＣＭＤ、速度フィードバックＳＰＥＥＤ、位置フィードバックＰＯＳＦといったサーボデータは、少なくとも１種類を対象として、ウォームギヤ異常判定部１９のモニタ部によりモニタされる。モニタとは連続して監視することである。

ウォームギヤ異常判定部１９はサーボデータのモニタ結果に基づき、主軸１２が所定の精度を満足するよう割り出されているか否か判定する。ウォームギヤ異常判定部１９は、ロータリテーブル装置に内蔵されるものであってもよいし、あるいはロータリテーブル装置外部に設けられ、ネットワーク手段等のデータ通信手段を介して数値制御部１８に接続されるものであってもよい。

ウォームギヤ異常判定モードで数値制御部１８は、主軸１２を一回転させるよう位置指令ＰＣＭＤを入力される。主軸１２は割出角度Ｒ０°からＲ３６０°（＝０°）まで所定の速度で一回転させられる。ウォームギヤ異常判定モードでウォームギヤ異常判定部１９は、駆動トルク指令ＴＣＭＤをモニタし、駆動トルク指令ＴＣＭＤの経時的変化を記憶する。さらにウォームギヤ異常判定部１９は、駆動トルク指令ＴＣＭＤに対応する主軸１２の割出角度Ｒθを算出して記憶する。割出角度ＲθはエンコーダＥＣからの速度フィードバックＳＰＥＥＤあるいは位置フィードバックＰＯＳＦから算出可能である。

所定の速度、あるいは所定の速度指令ＶＣＭＤとは例えば、一定速度である。ここで附言すると判定精度向上のため、割出角度の異常判定に伴うサーボモータ１７への速度指令ＶＣＭＤは低速領域であり、ウォームギヤ異常判定モードでワークをテーブル１１にチャックしない。これに対し作業効率向上のため、テーブル１１がワークをチャックする際のサーボモータ１７への速度指令ＶＣＭＤは低速領域から高速領域までである。

例えば数年間使用された割出ユニット１０において、図４に示すようにウォームギヤ１３の歯面は、周方向一部において片摩耗する場合がある。片摩耗したウォームギヤ１３歯面と正常なウォームギヤ１３歯面を対比すると、ウォームねじ１４に対する当たりが異なるから、駆動トルク指令ＴＣＭＤも異なったものになる。

図５は、駆動トルク指令ＴＣＭＤのモニタ結果を示すグラフであり、ウォームギヤ異常と判定される場合である。所定の速度指令ＶＣＭＤで主軸１２を割出角度０°から３６０°まで正回転させ、次に割出角度３６０°から０°まで逆回転させる場合において、駆動トルク指令ＴＣＭＤは、正回転時に割出角度１８０°付近（丸囲Ａ）で乱れ、正常値と異なる。また逆回転時に割出角度３５０°付近（丸囲Ｂ）および９０°付近（丸囲Ｃ）で乱れ、正常値から逸脱する。図５中、縦軸は駆動トルク指令ＴＣＭＤを表す、また図５中、横軸は時刻であるが、サーボモータ１７は一定速回転であるため、横軸は割出角度Ｒと同義である。

駆動トルク指令ＴＣＭＤの正常値のデータは、正回転の場合と、逆回転の場合と、予め記憶されている。ウォームギヤ異常判定部１９は、モニタ結果と正常値を対比してモニタ結果の乱れを発見する。

駆動トルク指令ＴＣＭＤが乱れる理由は、図４に示すようにウォームギヤ１３の１個の異常な歯１３ｔとウォームねじ１４との歯面同士の当たりＥＡ，ＥＢが、ウォームギヤ１３の残りの正常な歯とウォームねじ１４との歯面同士の当たりと異なるためである。なお当たりＥＡは、テーブル１１の表面からみて主軸１２およびウォームギヤ１３が時計回りに正回転するときの当たりである。また当たりＥＢは、テーブル１１の表面からみて主軸１２およびウォームギヤ１３が反時計回りに逆回転するときの当たりである。正回転および逆回転をモニタすることにより、ウォームギヤ異常の検出能力が向上する。

ウォームギヤ異常判定部１９は、図５のモニタ結果に基づき、割出角度Ｒ１８０°付近で割出角度の異常があると判定し、判定結果を外部へ出力する。また割出角度Ｒ３５０°付近で割出角度の異常の虞があると判定し、判定結果を外部および／またはウォームギヤ異常表示部２１へ出力する。図５の例では、判定された割出角度Ｒ１８０°およびＲ３５０°が異常割出角度である。

ウォームギヤ異常表示部２１は、音あるいは映像により、ウォームギヤ１３に異常があることと、異常割出角度を表示する。

対比のため、正常と判定される場合の駆動トルク指令ＴＣＭＤのモニタ結果（グラフ）を図６に示す。所定の速度指令ＶＣＭＤで主軸１２を割出角度３６０°から０°まで逆回転させ、割出角度０°から３６０°まで正回転させる場合において、駆動トルク指令ＴＣＭＤは乱れてなく、正常値から逸脱しない。正常値とはサーボモータ１７の単位角度当たりに駆動トルク指令ＴＣＭＤが一定の変動幅Ｗで変動する乱れのない波形をいう。

図６に示すモニタ結果は例えば、組み立て直後の新品状態である。ウォームギヤ異常判定部１９は、図６に示すモニタ結果を正常値として記憶するとよい。

説明を図５に戻すとウォームギヤ異常判定部１９は、割出角度Ｒ１８０°（丸囲Ａ，Ｃ）でモニタ結果の駆動トルク指令ＴＣＭＤが所定時間以上に亘って変動幅Ｗよりも小さくなったり、割出角度Ｒ３５０°（丸囲Ｂ）でモニタ結果の駆動トルク指令ＴＣＭＤが変動幅Ｗを超えて大きく振れたりすることを発見する。

このように割出角度Ｒ１８０°およびＲ３５０°で判定結果がウォームギヤ異常である場合、バックラッシ量算出部２０を起動させる。バックラッシ量算出部２０はバックラッシ算出プログラムを実行して、異常割出角度におけるバックラッシ量を算出する。

機械系の逆回転方向のバックラッシ量は、まず機械系を正回転させた後に停止させ、次に数値制御部１８からサーボモータ１７に逆回転の速度指令ＶＣＭＤおよび／または駆動トルク指令ＴＣＭＤを出力させ、逆回転の駆動トルク指令ＴＣＭＤの出力開始から機械系が実際に逆回転を開始するまでの所要時間および逆回転の際の駆動トルク指令ＴＣＭＤのモニタ結果（経時的変化）から算出される。なおバックラッシ量を精度良く算出するため、上述した正回転の速度指令ＶＣＭＤおよび逆回転の速度指令ＶＣＭＤは、ワーク加工時のような高速領域よりも低速領域であることが好ましい。また一定側で逆回転させることが好ましい。

本実施形態は、割出を実行する主軸１２と、主軸１２に設けられるウォームギヤ１３と、ウォームギヤ１３と噛合するウォームねじ１４と、ウォームねじ１４を駆動するサーボモータ１７と、サーボモータ１７の駆動トルクを制御する数値制御部１８と、サーボモータ１７の回転角度を検出するエンコーダＥＣとを備える割出ユニット１０に設けられ、割出ユニット１０によって割出される主軸１２の割出角度Ｒの正常および異常を判定する装置であって、数値制御部１８からサーボモータ１７へ駆動トルク指令ＴＣＭＤを出力させて主軸１２を割出角度Ｒ０°からＲ３６０°まで所定の速度で正回転させる外部のコマンド生成部と、コマンド生成部による主軸１２の正回転中に駆動トルク指令ＴＣＭＤをモニタし、正回転中のモニタ結果（図５）と駆動トルク指令ＴＣＭＤの正常値（図６）を対比し、図５の駆動トルク指令ＴＣＭＤが図６の正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力するウォームギヤ異常判定部１９とを備える。本実施形態によれば数値制御部１８のサーボモータを利用して主軸１２の割出角度の精度を判定することから、割出角度の精度をチェックする際、主軸１２の後端にロータリエンコーダを取り付けて割出角度を測定する作業が不要になる。したがって従来よりも簡便かつ迅速に、精度良く割り出しされているかどうか割出角度の正常および異常を診断・判定することができる。また本実施形態によれば、工作機械が割出角度の正常および異常を自己診断することができ、割出ユニットの検査が省人化、効率化される。

図６に示す正常値は、例えば主軸１２を割出ユニット１０に新規に取り付け割出ユニット１０を慣らし運転した直後の駆動トルク指令である。これは、新品同様の割出ユニット１０では、各種の回転部材に摩耗が無く、駆動トルク指令が正常値を示すためである。

また本実施形態のウォームギヤ異常判定部１９は、予め定められた一定の速度と、主軸１２の回転開始時（Ｒ０°）から逸脱時（図５の丸囲Ａ）までの時間に基づきから主軸１２の割出角度（図５のＲ９０°）を算出し、この割出角度Ｒθを、異常割出角度として出力する。なお駆動トルク指令ＴＣＭＤの逸脱時は、モニタ結果に係る駆動トルク指令ＴＣＭＤと、正常値の駆動トルク指令のデータとを時系列で対比することにより検知される。

また本実施形態のコマンド生成部は、数値制御部１８からサーボモータ１７へ駆動トルク指令ＴＣＭＤを出力させて主軸１２を割出角度３６０°から０°まで所定の速度で逆回転させ、ウォームギヤ異常判定部１９は主軸１２の逆回転中に駆動トルク指令ＴＣＭＤおよびエンコーダＥＣが検出する割出角度Ｒθをモニタし、逆回転中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、正常値から逸脱する駆動トルク指令ＴＣＭＤに係る割出角度Ｒθを、異常割出角度として出力する。これによりウォームギヤ異常を発見し易くなる。また異常割出角度を正しく発見することができる。

また本実施形態は、異常割出角度におけるウォームギヤ１３とウォームねじ１４の当たりＥＡ，ＥＢにおけるバックラッシ量を算出するバックラッシ量算出部２０をさらに備える。

また本実施形態のバックラッシ量算出部２０は、数値制御部１８からサーボモータ１７に駆動トルク指令ＴＣＭＤを出力させて主軸１２を異常割出角度Ｒ１８０°まで正回転させ、次に数値制御部１８からサーボモータ１７に駆動トルク指令を出力させて主軸１２を逆回転させるバックラッシ算出プログラムを実行し、駆動トルク指令ＴＣＭＤの経時的変化から逆回転のバックラッシ量を算出する。

もし複数の割出角度で異常と判定される場合、バックラッシ量算出部２０は、全ての異常割出角度Ｒθで、バックラッシ量を算出する。

また本実施形態は、ウォームギヤ異常判定部１９から出力される情報を表示するウォームギヤ異常表示部２１をさらに備える。

次に本発明を傾斜軸に適用する場合につき説明する。図７の下部は、傾斜軸のアンバランス回転を時系列的に示す模式図である。図７の上部は、ロータリテーブル装置の数値制御部から傾斜軸サーボモータへ出力される駆動トルク指令を示すグラフである。

傾斜軸２２を備えるロータリテーブル装置は、図１に示す主軸１２を回転軸と称し、図１に示す割出ユニット１０全体を傾斜させる傾斜軸２２（図７下部）をさらに備える。傾斜軸２２を割り出しする割出ユニットは、図１および図２と同じ構成であるため、ここでは重複した説明を省略する。

図７下部に示すように回転軸の割出ユニット１０の重心は、傾斜軸２２の中心からずれるようアンバランスな配置になる。傾斜軸２２の割出角度の異常を判定するため、外部のコマンド生成部は、数値制御部１８によって図７下部左側に示すように傾斜軸２２を時計回りに正回転させる。また外部のコマンド生成部は、数値制御部１８によって図７下部右側に示すように傾斜軸２２を反時計回りに逆回転させる。

このときの駆動トルク指令は例えば図７上部に示すようになり、前述した図６に示す一定の変動幅Ｗではない。ウォームギヤ異常判定部１９は、図７上部に示す正常値を予め記憶しておき、駆動トルク指令のモニタ結果と正常値とを対比して、割出角度の正常か異常かを判定し、異常割出角度を算出し、これらの結果をウォームギヤ異常表示部２１に出力する。

正常値は、傾斜軸２２を割出ユニットに新規に取り付け割出ユニットを慣らし運転した直後の駆動トルク指令である。

図７に示す実施形態によれば、ウォームギヤ異常判定部１９がロータリテーブル装置の傾斜軸の割出角度の正常・異常を判定することから、回転軸のみならず、傾斜軸の検査が省人化、効率化される。

次に、本発明の送り軸異常判定システムの実施形態につき説明する。図８は、送り軸異常判定システムの判定対象になる４軸制御マシニングセンタを示す斜視図である。４軸制御マシニングセンタの各送り軸を数値制御する箇所を示す模式図である。

図８に示すように４軸制御マシニングセンタは、割出ユニット１０と、主軸装置４０と、数値制御ユニット５０と、各送り軸のサーボアンプＳＡ―Ｘ，ＳＡ―Ｙ，ＳＡ―Ｚ，ＳＡ―Ａを具備する。

割出ユニット１０は前述したとおりであり、テーブル１１と、テーブル１１に同軸に固定される主軸１２と、主軸１２を駆動するサーボモータ１７Ａを有する。主軸１２は回転に関する送り軸（Ａ軸）に相当する。割出ユニット１０はＡ軸の回転角度を数値制御される工作機械である。

主軸装置４０は、主軸４１と、主軸４１をＸ軸方向に駆動するサーボモータ１７Ｘと、主軸４１をＹ軸方向に駆動するサーボモータ１７Ｙと、主軸４１をＺ軸方向に駆動するサーボモータ１７Ｚを備える。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、直動に関する送り軸である。主軸装置４０は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を数値制御される工作機械である。

これらのサーボモータにはエンコーダＥＣ―Ｘ，ＥＣ―Ｙ，ＥＣ―Ｚ，ＥＣ―Ａがそれぞれ附設される。各サーボモータ１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚ，１７Ａは対応するサーボアンプＳＡ―Ｘ，ＳＡ―Ｙ，ＳＡ―Ｚ，ＳＡ―Ａに接続される。各サーボアンプＳＡ―Ｘ，ＳＡ―Ｙ，ＳＡ―Ｚ，ＳＡ―Ａは数値制御ユニット５０に接続される。図８に二点鎖線で示すこれらの接続手段はケーブル等の有線であるが、図２に示すような駆動トルク指令等のコマンドやモニタといった微弱電流による信号通信に関しては無線通信手段、あるいはネットワーク接続手段であってもよい。

数値制御ユニット５０は、各エンコーダＥＣ―Ｘ，ＥＣ―Ｙ，ＥＣ―Ｚ，ＥＣ―Ａから回転角度に関するデータを入力され、各サーボアンプＳＡ―Ｘ，ＳＡ―Ｙ，ＳＡ―Ｚ，ＳＡ―Ａへコマンドを出力し、各サーボモータ１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚ，１７Ａのフィードバック制御を実行する。

数値制御ユニット５０は、プログラマブルマシンコントローラＰＭＣと、数値制御部ＮＣと、送り軸異常判定部（図略）を有する。コマンド生成部であるプログラマブルマシンコントローラＰＭＣは、数値制御部ＮＣによってＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各送り軸を、送り動作範囲の下限値から上限値まで所定の速度で正方向に動作させる。

送り軸異常判定部は、各送り軸の正方向動作中に駆動トルク指令をモニタし、正方向動作中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、モニタされた駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力する。このような送り軸異常判定部の処理は、前述したＡ軸の送り軸（主軸１２）と同様であるため、説明の繰り返しを省略する。

図８および図９に示す実施形態によれば、Ａ軸の割出角度が正常かあるいは異常か、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各送り位置が正常かあるいは異常かを判定することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

本発明は工作機械に適用される。

１０ 割出ユニット、 １１ テーブル、 １２ 主軸、
１３ ウォームギヤ、 １４ ウォームねじ、 １５ メインギヤ、
１６ モータギヤ、 １７ サーボモータ、 １８ 数値制御部、
１９ ウォームギヤ異常判定部、 ２０ バックラッシ量算出部、
２１ ウォームギヤ異常表示部、 ＥＡ，ＥＢ 当たり、 ＥＣ エンコーダ。

本発明のウォームギヤ異常判定システムは、割出を実行する主軸と、主軸に設けられるウォームギヤと、ウォームギヤと噛合するウォームねじと、ウォームねじを駆動するサーボモータと、サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、主軸の速度または位置を検出するエンコーダとを備える割出ユニットに設けられ、主軸の正常および異常を判定するシステムであって、数値制御部によって主軸を割出角度０°から３６０°まで所定速度で正回転させるコマンド生成部と、コマンド生成部による主軸の正回転中に数値制御部からサーボモータへ出力される駆動トルク指令をモニタし、正回転中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、駆動トルク指令が正常値から逸脱しない場合を正常と判定し、駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力するウォームギヤ異常判定部とを備える。そしてウォームギヤ異常判定部は、サーボモータの所定速度と、主軸の正回転開始時から逸脱時までの時間に基づき主軸の割出角度を算出し、正常値から逸脱する駆動トルク指令に係る割出角度を、異常割出角度として出力する。

かかる本発明のウォームギヤ異常判定システムによれば、主軸に測定器具を取り付けることなく、サーボモータの数値制御に関するデータから、主軸のウォームギヤ異常を発見することができる。数値制御部は例えば、サーボモータに設けられるエンコーダが検出するサーボモータ回転軸の回転角度に基づき、サーボモータをフィードバック制御し、さらに主軸の角度および位置を算出する。主軸は例えばロータリテーブル装置の回転軸であったり、あるいは傾斜軸であったりする。本発明のウォームギヤ異常判定システムは例えば単体のＮＣ工作機械であってもよく、あるいは例えば互いに離れたコンピュータおよびＮＣ工作機械の組み合わせであってもよく、あるいは例えば互いに離れた１台のコンピュータおよび複数のＮＣ工作機械からなるネットワークであってもよい。本発明によれば異常割出角度と正常に割出される割出角度を区別することができるので、割出ユニットの保守・点検が容易になる。

駆動トルク指令の正常値は上限値および下限値の間で変動幅を伴う。正常値の上限値および下限値は、例えば０°〜３６０°の全ての範囲で一定である。あるいは例えば０°〜３６０°の範囲においてサインカーブを描く。本発明中、駆動トルク指令のモニタ結果が正常値から逸脱するとは、例えば、モニタ結果が正常値の変動幅から外れて大きくなったり、あるいはモニタ結果が正常値の変動幅から外れて小さくなったりすることである。

本発明の一局面としてモニタ結果の逸脱は、駆動トルク指令のモニタ結果が正常値に１よりも大きな所定の係数を乗じた値よりも大きくなることである。例えば正常値とされる駆動トルク指令の変動幅に係数１．３を乗じ、駆動トルク指令のモニタ結果が、正常値の上限値よりも３０％以上大きくなる場合、正常値を逸脱したものとして、異常と判定する。

すなわち上述した主軸を送り軸と読み替え、上述した割出角度を送り位置と読み替える本発明の送り軸異常判定システムは、送り軸と、送り軸を駆動するサーボモータと、サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、送り軸の速度または位置を検出するエンコーダとを備える工作機械に設けられ、送り軸の正常および異常を判定するシステムであって、数値制御部によって送り軸を送り動作範囲の下限値から上限値まで所定の速度で正方向に動作させるコマンド生成部と、コマンド生成部による送り軸の正方向動作中に数値制御部からサーボモータへ出力される駆動トルク指令をモニタし、正方向動作中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力する送り軸異常判定部とを備える。そして送り軸異常判定部は、サーボモータの所定速度と、送り軸の正方向動作開始時から正方向動作中の逸脱時までの時間に基づき送り軸の送り位置を算出し、当該送り位置を異常送り位置として出力する。

本発明のウォームギヤ異常判定システムは、割出を実行する主軸と、主軸に設けられるウォームギヤと、ウォームギヤと噛合するウォームねじと、ウォームねじを駆動するサーボモータと、サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、主軸の速度または位置を検出するエンコーダとを備える割出ユニットに設けられ、主軸の正常および異常を判定するシステムであって、数値制御部によって主軸を割出角度０°から３６０°まで所定速度で正回転させるコマンド生成部と、コマンド生成部による主軸の正回転中に数値制御部からサーボモータへ出力される駆動トルク指令および／または位置フィードバックをモニタし、正回転中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、駆動トルク指令が正常値から逸脱しない場合を正常と判定し、駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力するウォームギヤ異常判定部とを備える。そしてウォームギヤ異常判定部は、サーボモータの所定速度と、主軸の正回転開始時から逸脱時までの時間に基づき、もしくは前記位置フィードバックに基づき、主軸の割出角度を算出し、正常値から逸脱する駆動トルク指令に係る割出角度を、異常割出角度として出力する。

ウォームギヤが正常か異常かの判定は１周回転のみの正回転で行われてもよいが、好ましい局面として逆回転をさらに行うのがよい。あるいは複数周回転で行われてもよい。例えばコマンド生成部は、数値制御部によって主軸を割出角度３６０°から０°まで所定の速度で逆回転させ、ウォームギヤ異常判定部はサーボモータの逆回転中の所定角度と主軸の逆回転開始時から逆回転中の逸脱時までの時間に基づき、もしくはサーボモータへ出力される位置フィードバックに基づき、主軸の割出角度を算出し、当該割出角度を、異常割出角度として出力する。かかる局面によれば両回転で異常判定を実行することからウォームギヤ異常の発見能力が向上する。

一局面として主軸にはロータリテーブルが固定される。またバックラッシ量算出部は、まず数値制御部によって主軸を異常割出角度まで正回転させ、次に数値制御部によって主軸を逆回転させるというバックラッシ算出プログラムを実行し、逆回転の際の駆動トルク指令の経時的変化、もしくは逆回転の際の駆動トルク指令の位置に対する変化から逆回転のバックラッシ量を算出する。バックラッシ量を算出するプログラムは、特願２０１８−１０９３０２号明細書に記載される。

すなわち上述した主軸を送り軸と読み替え、上述した割出角度を送り位置と読み替える本発明の送り軸異常判定システムは、送り軸と、送り軸を駆動するサーボモータと、サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、送り軸の速度または位置を検出するエンコーダとを備える工作機械に設けられ、送り軸の正常および異常を判定するシステムであって、数値制御部によって送り軸を送り動作範囲の下限値から上限値まで所定の速度で正方向に動作させるコマンド生成部と、コマンド生成部による送り軸の正方向動作中に数値制御部からサーボモータへ出力される駆動トルク指令および／または位置フィードバックをモニタし、正方向動作中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、駆動トルク指令が正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力する送り軸異常判定部とを備える。そして送り軸異常判定部は、サーボモータの所定速度と、送り軸の正方向動作開始時から正方向動作中の逸脱時までの時間に基づき、もしくは位置フィードバックに基づき、送り軸の送り位置を算出し、当該送り位置を異常送り位置として出力する。

本発明に係る送り軸異常判定システムの一局面としてコマンド生成部は、数値制御部によって送り軸を送り動作範囲の上界値から下界値まで所定の速度で逆方向に動作させ、送り軸異常判定部は、所定の速度と、送り軸の逆方向動作開始時から逆方向動作中の逸脱時までの時間に基づき、もしくは位置フィードバックに基づき、送り軸の送り位置を算出し、当該送り位置を異常送り位置として出力する。かかる局面によれば判定精度が向上する。

Claims (14)

1. 送り軸と、前記送り軸を駆動するサーボモータと、前記サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、前記送り軸の速度および送り位置を検出するエンコーダとを備える工作機械に設けられ、前記送り軸の正常および異常を判定するシステムであって、
   前記数値制御部によって前記送り軸を送り動作範囲の下限値から上限値まで所定速度で正方向に動作させるコマンド生成部と、
   前記コマンド生成部による前記送り軸の正方向動作中に前記数値制御部から前記サーボモータへ出力される駆動トルク指令をモニタし、前記正方向動作中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、前記駆動トルク指令が前記正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力する送り軸異常判定部とを備える、送り軸異常判定システム。
2. 前記正常値は、前記工作機械を新規に組み付け慣らし運転し、ワークの加工に必要な治具を前記工作機械に取り付けて運転した後の駆動トルク指令である、請求項１に記載の送り軸異常判定システム。
3. 前記逸脱は、前記駆動トルク指令の前記モニタ結果が前記正常値に１よりも大きな所定の係数を乗じた値よりも大きくなることである、請求項１または２に記載の送り軸異常判定システム。
4. 前記送り軸異常判定部は、前記サーボモータの前記所定速度と、前記送り軸の前記正方向動作開始時から正方向動作中の前記逸脱時までの時間に基づき前記送り軸の送り位置を算出し、当該送り位置を異常送り位置として出力する、請求項１〜３のいずれかに記載の送り軸異常判定システム。
5. 前記コマンド生成部は、前記数値制御部によって前記送り軸を前記送り動作範囲の前記上界値から前記下界値まで所定速度で逆方向に動作させ、
   前記送り軸異常判定部は、前記サーボモータの逆方向動作中の前記所定速度と、前記送り軸の逆方向動作開始時から逆方向動作中の前記逸脱時までの時間に基づき前記送り軸の送り位置を算出し、当該送り位置を、異常送り位置として出力する、請求項４に記載の送り軸異常判定システム。
6. 割出を実行する主軸と、前記主軸に設けられるウォームギヤと、前記ウォームギヤと噛合するウォームねじと、前記ウォームねじを駆動するサーボモータと、前記サーボモータの駆動トルクを制御する数値制御部と、前記主軸の速度または位置を検出するエンコーダとを備える割出ユニットに設けられ、前記主軸の異常を判定するシステムであって、
   前記数値制御部によって前記主軸を割出角度０°から３６０°まで所定速度で正回転させるコマンド生成部と、
   前記コマンド生成部による前記主軸の正回転中に前記数値制御部から前記サーボモータへ出力される駆動トルク指令をモニタし、前記正回転中のモニタ結果と駆動トルク指令の正常値を対比し、前記駆動トルク指令が前記正常値から逸脱する場合を異常と判定して該判定結果を出力するウォームギヤ異常判定部とを備える、ウォームギヤ異常判定システム。
7. 前記正常値は、前記割出ユニットを新規に組み付け慣らし運転し、ワークの加工に必要な治具を前記割出ユニットに取り付けて試運転した後の駆動トルク指令である、請求項６に記載のウォームギヤ異常判定システム。
8. 前記逸脱は、前記駆動トルク指令の前記モニタ結果が前記正常値に１よりも大きな所定の係数を乗じた値よりも大きくなることである、請求項６または７に記載のウォームギヤ異常判定システム。
9. 前記ウォームギヤ異常判定部は、前記サーボモータの前記所定速度と、前記主軸の前記正回転開始時から前記逸脱時までの時間に基づき前記主軸の割出角度を算出し、前記正常値から逸脱する前記駆動トルク指令に係る割出角度を、異常割出角度として出力する、請求項６〜８のいずれかに記載のウォームギヤ異常判定システム。
10. 前記コマンド生成部は、前記数値制御部によって前記主軸を割出角度３６０°から０°まで所定速度で逆回転させ、
    前記ウォームギヤ異常判定部は、前記サーボモータの逆回転中の前記所定角度と、前記主軸の逆回転開始時から逆回転中の前記逸脱時までの時間に基づき前記主軸の割出角度を算出し、当該割出角度を、異常割出角度として出力する、請求項９に記載のウォームギヤ異常判定システム。
11. 前記異常割出角度における前記ウォームギヤと前記ウォームねじの噛合箇所におけるバックラッシ量を算出するバックラッシ量算出部をさらに備える、請求項１０に記載のウォームギヤ異常判定システム。
12. 前記主軸にはテーブルが固定され、
    前記バックラッシ量算出部は、
    まず前記数値制御部によって前記テーブルを前記異常割出角度まで正回転させ、
    次に前記数値制御部によって前記テーブルを逆回転させてバックラッシ算出プログラムを実行し、前記駆動トルク指令の経時的変化から前記逆回転の前記バックラッシ量を算出する、請求項１１に記載のウォームギヤ異常判定システム。
13. 複数の割出角度で前記異常と判定される場合、前記バックラッシ量算出部は、全ての前記異常割出角度で、前記バックラッシ量を算出する、請求項１２に記載のウォームギヤ異常判定システム。
14. 前記ウォームギヤ異常判定部から出力される情報を表示するウォームギヤ異常表示部をさらに備える、請求項６〜１３のいずれかに記載のウォームギヤ異常判定システム。

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