JP5644374B2

JP5644374B2 - 工作機械の主軸状態検出装置

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Publication number: JP5644374B2
Application number: JP2010241132A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　宏治; 宏治長谷川; 浩司鬼頭; 貴史松井; 伸充堀; 修東本
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: US20120109539A1; EP2446998A1; JP2012092910A; US10286514B2; CN102452018A; CN102452018B; EP2446998B1

Description

本発明は、工作機械の主軸の寿命に関する状態を検出する装置に関するものである。

工作機械の主軸のメンテナンスの管理方法として、例えば、特開平１１−２８６４４号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。特許文献１には、主軸モータに設けられた電流センサやトルクセンサなどを用いて主軸の負荷を検出し、主軸の負荷レベル毎の使用時間を集計し、負荷レベルを基準負荷レベルに変換した場合のそれぞれの使用時間を算出し、変換後の各使用時間を合計した時間が基準値に達していれば、該当部品を交換することが記載されている。従って、作業者は、例えば、主軸のスピンドルテーパ部が寿命に達したことを把握できるため、スピンドルテーパ部の適切にメンテナンスを行うことができる。

特開平１１−２８６４４号公報

特許文献１に記載の技術では、主軸が寿命に達したことを把握することができる。しかし、本発明者らは、まだ寿命に達していない現時点において、例えば、主軸が寿命に至るまでにどのくらい使用できるのかなどを把握することが重要であると考えた。特に、現時点の主軸の寿命に関する状態を把握できることで、より効率的な加工を実現することもが可能である。また、本発明者らは、工作機械の主軸において、特に主軸を回転可能に支持する軸受の寿命を把握することが最も重要であると判断し、現時点における主軸の軸受の寿命に関する状態を把握することが望まれると考えた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、主軸の軸受の寿命に関する状態を適切に把握することができる工作機械の主軸状態検出装置を提供することを目的とする。

（請求項１）本発明の工作機械の主軸状態検出装置は、工作機械の主軸を回転可能に支持する軸受にかかる負荷を検出する軸受負荷検出手段と、前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷に基づいて、前記軸受の規定寿命に対する前記軸受の現在までの使用率を算出する現在使用率算出手段とを備える。
前記現在使用率算出手段は、前記主軸の回転数を複数の回転数範囲に区分すると共に、それぞれの前記回転数範囲毎に前記軸受の負荷を複数の負荷範囲に区分し、それぞれの前記回転数範囲における前記負荷範囲毎に前記軸受の規定寿命時間を予め設定しておき、前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷および前記回転数検出手段により検出される前記回転数に基づいて、それぞれの前記回転数範囲における前記負荷範囲毎の稼働時間を算出し、それぞれの前記回転数範囲における前記負荷範囲毎に、前記稼働時間を前記規定寿命時間で除算することにより前記軸受の区分別使用率を算出し、全ての前記区分別の使用率を加算することにより、前記現在までの使用率を算出する。
（請求項２）また、本発明の工作機械の主軸状態検出装置は、工作機械の主軸を回転可能に支持する軸受にかかる負荷を検出する軸受負荷検出手段と、前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷に基づいて、前記軸受の規定寿命に対する前記軸受の現在までの使用率を算出する現在使用率算出手段とを備える。
前記現在使用率算出手段は、前記主軸の回転数に対する前記軸受の許容負荷を予め設定し、前記許容負荷に対する現在の負荷率を複数の負荷率範囲に区分しておき、前記負荷率に対する前記軸受の規定寿命時間を予め設定しておき、前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷および前記回転数検出手段により検出される前記回転数に基づいて、前記許容負荷に対する前記現在までの負荷率および前記負荷率範囲毎の稼働時間を算出し、前記負荷率範囲毎に、前記稼働時間を前記規定寿命時間で除算することにより前記軸受の区分別使用率を算出し、全ての前記区分別の使用率を加算することにより、前記現在までの使用率を算出する。

（請求項３）また、本発明において、前記主軸状態検出装置は、前記主軸の回転数を検出する回転数検出手段を備え、前記現在使用率算出手段は、前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷および前記回転数検出手段により検出される前記回転数に基づいて、前記現在までの使用率を算出するようにしてもよい。

（請求項４）また、本発明において、前記主軸状態検出装置は、前記現在までの使用率が１００％に達した場合に前記軸受が寿命であると判定する寿命判定手段を備えるようにしてもよい。

（請求項５）また、本発明において、前記主軸状態検出装置は、前記軸受の規定寿命に対する前記軸受の過去の所定期間における使用率を算出する過去期間使用率算出手段と、前記過去の所定期間における使用率と前記現在までの使用率とに基づいて、前記軸受の寿命までの残寿命時間を算出する残寿命時間算出手段とを備えるようにしてもよい。

（請求項６）また、本発明において、前記主軸状態検出装置は、前記主軸の回転数に応じた前記現在までの使用率を表示する表示手段を備えるようにしてもよい。

（請求項１，２）本発明によれば、軸受の現在までの使用率という指標を新たに導き出し、現在までの使用率を軸受にかかる負荷に基づいて算出するものとした。軸受の現在までの使用率を把握できることにより、作業者は、軸受が現在、寿命に関してどのような状態にあるのかを把握することができるようになる。その結果、現在までの使用率と現在までの加工方法を考慮することで、これまでの主軸の使用状態、例えば主軸の回転数や切込量を変更するなどして、より効率的な加工を実現することに役立つ。
さらに、本発明によれば、確実にかつ容易に、軸受の現在までの使用率を算出することができる。

（請求項３）ところで、軸受にかかる負荷が同一であっても、主軸の回転数によって寿命に与える影響が異なる。具体的には、軸受にかかる負荷が同一の場合に、主軸の回転数が低い場合に比べて、主軸の回転数が高い場合の方が軸受の寿命を短くなる。そこで、軸受の現在までの使用率を算出する際に、軸受にかかる負荷のみではなく、主軸の回転数を用いることで、より高精度に軸受の現在までの使用率を算出することができる。
（請求項４）本発明によれば、軸受が寿命に達したか否かを把握することができる。

（請求項５）本発明によれば、過去の所定期間と同様の使用状態を継続した場合に、軸受の残寿命時間を把握することができる。例えば、同種の被加工物を大量に加工しているような場合には、正確な残寿命時間を得ることができる。また、異種の被加工物を少量ずつ加工している場合であっても、算出された残寿命時間を目安として用いることができる。このように、残寿命時間を把握できることにより、メンテナンスの準備にとりかかる時期をより適切に計画することができる。なお、過去の所定期間とは、被加工物の種類および１つの被加工物の加工時間などに応じて適宜設定され、例えば、１ヶ月、３ヶ月、１年などの一部期間であってもよく、初期から現在までの全期間としてもよい。

（請求項６）本発明によれば、主軸の回転数に応じた軸受の現在までの使用率を表示することで、作業者に対して、これまでの加工方法を見直すきっかけを与えることができ、より効率的な加工を実現するために、主軸の回転数や切込量などの加工条件を変更するように示唆することができる。

主軸状態検出装置の構成図である。第一実施形態：現在使用率に関する表である。表示部の表示画面を示す図である。第二実施形態：現在使用率に関する表である。主軸の回転数と第一軸受の許容負荷との関係を示すと共に、負荷率を説明する図である。負荷率に対する規定寿命時間の関係を示す。

以下、本発明の工作機械の主軸状態検出装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の工作機械の主軸状態検出装置について、図１〜図３を参照して説明する。図１に示すように、工作機械の主軸状態検出装置は、主軸装置１０と、軸受負荷算出部２０と、現在使用率算出部３０と、過去期間使用率算出部４０と、残寿命時間算出部５０と、寿命判定部６０と、表示部７０とを備えて構成される。

主軸装置１０は、例えば、マシニングセンタの工具を回転支持する主軸装置、研削盤の砥石を回転支持する主軸装置、旋盤や研削盤の被加工物を回転支持する主軸装置などである。主軸装置１０は、筒状のハウジング１１と、ハウジング１１の径方向内側において回転可能に支持される主軸１２と、主軸１２の軸方向一端に取り付けられる回転工具１３と、主軸１２をハウジング１１に対して回転支持する第一，第二軸受１４，１５と、ハウジング１１に対する主軸１２の径方向変位を検出するラジアル変位センサ１６と、ハウジング１１に対する主軸１２の軸方向変位を検出するアキシャル変位センサ１７と、ハウジング１１に対する主軸の回転数を検出する回転数検出センサ１８とを備えて構成される。

軸受負荷算出部２０は、ラジアル変位センサ１６により検出されるハウジング１１に対する主軸１２の径方向変位と、アキシャル変位センサ１７により検出されるハウジング１１に対する主軸１２の軸方向変位とに基づいて、第一軸受１４にかかる負荷を算出する。第一軸受１４にかかる負荷は、第一軸受１４がボール型転がり軸受である場合には、第一軸受１４を構成する転動体であるボールと外輪または内輪との接触点の法線方向の負荷としている。ここで、ラジアル変位センサ１６およびアキシャル変位センサ１７を第一軸受１４の近傍に設置することで、第一軸受１４にかかる負荷を高精度に算出することができる。なお、第一軸受１４にかかる負荷の他に、第二軸受１５にかかる負荷を算出するようにしてもよい。ただし、本実施形態の説明においては、第一軸受１４を寿命判断の対象としている。

現在使用率算出部３０は、軸受負荷算出部２０により算出された第一軸受１４にかかる負荷と、回転数検出センサ１８により検出される主軸１２の回転数とに基づいて、第一軸受１４の規定寿命に対する第一軸受１４の初期から現在までの使用率を算出する。初期から現在までの使用率とは、第一軸受１４の初期状態から寿命に至るまでを使用率１００％として、初期から現在までに使用した割合を意味する。以下、第一軸受１４の初期から現在までの使用率を「現在使用率」と称して説明する。

現在使用率の具体的な算出方法について、図２を参照して説明する。現在使用率算出部３０は、図２の左側第１欄から左側第３欄までの範囲を予め設定しておく。具体的には、図２の左側第１欄に示すように、主軸１２の回転数を複数の回転数範囲、ここでは0min^-1以上2000min^-1未満、2000min^-1以上4000min^-1未満、4000min^-1以上6000min^-1未満、6000min^-1以上8000min^-1未満の範囲（４範囲）に区分する。さらに、図２の左側第２欄に示すように、それぞれの回転数範囲毎に第一軸受１４の負荷を複数の負荷範囲、ここでは0N以上1000N未満、1000N以上2000N未満、2000N以上3000N未満、3000N以上4000N未満、4000N以上5000N未満の範囲（４範囲）に区分する。つまり、合計で１６範囲に区分されることになる。そして、図２の左側第３欄に示すように、それぞれの回転数範囲における負荷範囲毎（１６範囲のそれぞれ）に第一軸受１４の規定寿命時間を予め設定しておく。

ここで、第一軸受１４にかかる負荷が同一であっても、主軸１２の回転数が高いほど、規定寿命時間が短くなっていることが分かる。例えば、主軸１２の回転数範囲が0min^-1以上2000 min^-1未満で負荷範囲が0N以上1000N未満の規定寿命時間は、40000時間であるのに対し、主軸１２の回転数範囲が6000min^-1以上8000 min^-1未満で負荷範囲が0N以上1000N未満の規定寿命時間は、28000時間となる。このように、第一軸受１４の規定寿命時間は、第一軸受１４にかかる負荷のみならず、主軸１２の回転数によっても変動する。

そして、現在使用率算出部３０は、さらに、軸受負荷算出部２０により算出される第一軸受１４の負荷および回転数検出センサ１８により検出される主軸１２の回転数に基づいて、それぞれの回転数範囲における負荷範囲毎の稼働時間を算出する。図２の左側第４欄に示すように、それぞれの回転数範囲における負荷範囲毎の稼働時間が累積される。この稼働時間は、初期から現在までの稼働時間の累積値である。例えば、図２において、主軸１２の回転数範囲が0min^-1以上2000 min^-1未満で負荷範囲が0N以上1000N未満の稼働時間（初期から現在までの可動時間）は、100時間であり、主軸１２の回転数範囲が6000min^-1以上8000 min^-1未満で負荷範囲が0N以上1000N未満の稼働時間は、1000時間である。

さらに、現在使用率算出部３０は、図２の左側第５欄に示すように、稼働時間を規定寿命時間で除算することにより、それぞれの回転数範囲における負荷範囲毎の使用率（以下、「区分別使用率」と称する）を算出する。なお、図２において、使用率は、小数点以下第３位を四捨五入した値を図示している。例えば、図２において、主軸１２の回転数範囲が0min^-1以上2000 min^-1未満で負荷範囲が0N以上1000N未満の区分別使用率（初期から現在までの当該区分の使用率）は、0.25%であり、主軸１２の回転数範囲が6000min^-1以上8000 min^-1未満で負荷範囲が0N以上1000N未満の区分別使用率は、3.5714%（なお、図２においては小数点以下第２位までの3.57%と図示する）である。さらに、現在使用率算出部３０は、図２の最下欄に示すように、全ての区分別使用率を加算した現在使用率を算出する。図２において、現在使用率は、44.3257%（なお、図２においては小数点以下第２位までの44.33%と図示する）としている。

過去期間使用率算出部４０は、第一軸受１４の規定寿命時間に対する第一軸受１４の過去の所定期間における使用率（以下、「過去期間使用率」と称する）を算出する。ここで、所定期間は、任意に設定することができ、例えば、１ヶ月、３ヶ月、１年などの一部期間であってもよく、初期から現在までの全期間としてもよい。ここでは、第一軸受１４の寿命が例えば２年程度であれば、所定期間を例えば３ヶ月として設定しておく。この所定期間は、直近の工作機械の使用状態を把握できると共に、今後の計画を予測できる程度の期間とするとよい。

残寿命時間算出部５０は、過去期間使用率と現在使用率とに基づいて、第一軸受１４の寿命までの残寿命時間を算出する。例えば、現在使用率が44.33％であって、３ヶ月間の過去期間使用率10％である場合には、残寿命時間は、(100−44.33)/10×3=16.701ヶ月となる。

寿命判定部６０は、現在使用率が１００％に達したか否かを判定し、現在使用率が１００％に達した場合には第一軸受１４が寿命であると判定する。

表示部７０の表示画面には、図３に示すように、各種情報を表示している。具体的には、表示部７０の表示画面の最上段には、寿命判定部６０により第一軸受１４が寿命に達した場合に、「ベアリング寿命」の表示が点灯または点滅する。また、表示部７０の表示画面には、現在使用率算出部３０により算出された稼働時間、および、現在使用率を表示している。さらに、表示部７０の表示画面には、残寿命時間算出部５０により算出された残寿命時間（ここでは残寿命月数）が表示されている。さらに、表示部７０は、現在使用率算出部３０を介して得られた情報を基に、回転数範囲毎の現在使用率がグラフ表示されている。

本実施形態によれば、第一軸受１４の現在使用率を、第一軸受１４にかかる負荷および主軸１２の回転数に基づいて算出した。この現在使用率を把握できることにより、作業者は、第一軸受１４が現在、寿命に関してどのような状態にあるのかを把握することができるようになる。その結果、現在使用率と現在までの加工方法を考慮することで、これまでの主軸１２の使用状態、例えば主軸１２の回転数や切込量を変更するなどして、より効率的な加工を実現することに役立つ。

また、上述したように、第一軸受１４の現在使用率を、第一軸受１４にかかる負荷のみならず、主軸１２の回転数を用いて算出した。ここで、第一軸受１４にかかる負荷が同一であっても、主軸１２の回転数によって第一軸受１４の寿命に与える影響が異なる。具体的には、第一軸受１４にかかる負荷が同一の場合に、主軸１２の回転数が低い場合に比べて、主軸１２の回転数が高い場合の方が第一軸受１４の寿命を短くなる。そこで、第一軸受１４の現在使用率を算出する際に、第一軸受１４にかかる負荷のみではなく、主軸１２の回転数を用いることで、より高精度に第一軸受１４の現在使用率を算出することができる。

また、第一軸受１４の残寿命時間を算出し表示している。過去の所定期間と同様の使用状態を今後継続した場合に、第一軸受１４の残寿命時間となる。例えば、同種の被加工物を大量に加工しているような場合には、正確な残寿命時間を得ることができる。また、異種の被加工物を少量ずつ加工している場合であっても、算出された残寿命時間を目安として用いることができる。このように、残寿命時間を把握できることにより、メンテナンスの準備にとりかかる時期をより適切に計画することができる。

また、表示部７０には、主軸１２の回転数に応じた第一軸受１４の現在使用率を表示することで、作業者に対して、これまでの加工方法を見直すきっかけを与えることができ、より効率的な加工を実現するために、主軸１２の回転数や切込量などの加工条件を変更するように示唆することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の工作機械の主軸状態検出装置について、図４〜図６を参照して説明する。ここで、第二実施形態の工作機械の主軸状態検出装置は、第一実施形態に対して、現在使用率算出部３０における現在使用率の算出方法が相違する。以下、現在使用率の算出方法のみについて説明する。

本実施形態の現在使用率算出部３０は、軸受負荷算出部２０により算出された第一軸受１４にかかる負荷と、回転数検出センサ１８により検出される主軸１２の回転数とに基づいて、第一軸受１４の規定寿命に対する第一軸受１４の現在使用率を算出する。

現在使用率の具体的な算出方法について、図４〜図６を参照して説明する。現在使用率算出部３０は、図４の左側第１欄および左側第２欄までの範囲を予め設定しておく。具体的には、図４の左側第１欄に示すように、第一軸受１４にかかる負荷率を複数の負荷率範囲に区分する。ここでは、負荷率範囲は、40%以上50%未満、50%以上60%未満、60%以上70%未満、70%以上80%未満、80%以上90%未満、90%以上100%の範囲（６範囲）に区分する。

ここで、負荷率について図５を参照して説明する。図５には、主軸１２の回転数［min^-1］と第一軸受１４の許容負荷との関係を示している。図５に示すように、第一軸受１４の許容負荷は、主軸１２の回転数が低いほど大きくなり、主軸１２の回転数が高いほど小さくなる関係となる。第一軸受１４の許容負荷とは、規定寿命が10,000時間となる第一軸受１４の負荷である。そして、第一軸受１４の許容負荷が、負荷率100%として定義する。つまり、第一軸受１４の負荷率は、第一軸受１４の許容負荷に対する実際の第一軸受１４の負荷の割合である。例えば、図５において、主軸１２の回転数が4,000min^-1のときに第一軸受１４の負荷が2,400Nの場合には、許容負荷が3,000Nであり、負荷率は80%となる。

そして、図４の左側第２欄に示すように、それぞれの負荷率範囲毎に第一軸受１４の規定寿命時間を予め設定しておく。規定寿命時間は、図６を参照して説明する。図６には、負荷率に対する規定寿命時間の関係を示している。図６に示すように、負荷率が小さいほど、規定寿命時間が長くなり、負荷率が大きくなるほど、規定寿命時間が短くなる。例えば、負荷率が80％の場合には、規定寿命時間は19,000時間となっていることが分かる。

そして、現在使用率算出部３０は、さらに、軸受負荷算出部２０により算出される第一軸受１４の負荷および回転数検出センサ１８により検出される主軸１２の回転数に基づいて、それぞれの負荷率範囲毎の稼働時間を算出する。図４の左側第３欄に示すように、それぞれの負荷率範囲毎の稼働時間が累積される。この稼働時間は、初期から現在までの稼働時間の累積値である。例えば、図４において、負荷率範囲が60%以上70％未満の稼働時間（初期から現在までの可動時間）は、2,500時間であり、70%以上80％未満の稼働時間は、4,200時間である。

さらに、現在使用率算出部３０は、図４の左側第４欄に示すように、稼働時間を規定寿命時間で除算することにより、それぞれの負荷率範囲毎の使用率（以下、「区分別使用率」と称する）を算出する。例えば、図４において、負荷率範囲が60%以上70%未満の区分別使用率（初期から現在までの当該区分の使用率）は、8.62%であり、負荷率範囲が70%以上80%未満の区分別使用率は、22.11%である。さらに、現在使用率算出部３０は、図４の最下欄に示すように、全ての区分別使用率を加算した現在使用率を算出する。図２において、現在使用率は、44.33%としている。このように、本実施形態においても、現在使用率を確実に算出することができる。

１０：主軸装置、１１：ハウジング、１２：主軸、１３：回転工具
１４：第一軸受、１５：第二軸受、１６：ラジアル変位センサ
１７：アキシャル変位センサ、１８：回転数検出センサ
２０：軸受負荷算出部、３０：現在使用率算出部、４０：過去期間使用率算出部
５０：残寿命時間算出部、６０：寿命判定部、７０：表示部

Claims

工作機械の主軸を回転可能に支持する軸受にかかる負荷を検出する軸受負荷検出手段と、
前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷に基づいて、前記軸受の規定寿命に対する前記軸受の現在までの使用率を算出する現在使用率算出手段と、
を備え、
前記現在使用率算出手段は、
前記主軸の回転数を複数の回転数範囲に区分すると共に、それぞれの前記回転数範囲毎に前記軸受の負荷を複数の負荷範囲に区分し、それぞれの前記回転数範囲における前記負荷範囲毎に前記軸受の規定寿命時間を予め設定しておき、
前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷および前記回転数検出手段により検出される前記回転数に基づいて、それぞれの前記回転数範囲における前記負荷範囲毎の稼働時間を算出し、
それぞれの前記回転数範囲における前記負荷範囲毎に、前記稼働時間を前記規定寿命時間で除算することにより前記軸受の区分別使用率を算出し、
全ての前記区分別の使用率を加算することにより、前記現在までの使用率を算出する、
工作機械の主軸状態検出装置。
工作機械の主軸を回転可能に支持する軸受にかかる負荷を検出する軸受負荷検出手段と、
前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷に基づいて、前記軸受の規定寿命に対する前記軸受の現在までの使用率を算出する現在使用率算出手段と、
を備え、
前記現在使用率算出手段は、
前記主軸の回転数に対する前記軸受の許容負荷を予め設定し、前記許容負荷に対する現在の負荷率を複数の負荷率範囲に区分しておき、前記負荷率に対する前記軸受の規定寿命時間を予め設定しておき、
前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷および前記回転数検出手段により検出される前記回転数に基づいて、前記許容負荷に対する前記現在までの負荷率および前記負荷率範囲毎の稼働時間を算出し、
前記負荷率範囲毎に、前記稼働時間を前記規定寿命時間で除算することにより前記軸受の区分別使用率を算出し、
全ての前記区分別の使用率を加算することにより、前記現在までの使用率を算出する、
工作機械の主軸状態検出装置。
請求項１または２において、
前記主軸状態検出装置は、前記主軸の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記現在使用率算出手段は、前記軸受負荷検出手段により検出される前記負荷および前記回転数検出手段により検出される前記回転数に基づいて、前記現在までの使用率を算出する、工作機械の主軸状態検出装置。
請求項１〜３の何れか一項において、
前記主軸状態検出装置は、前記現在までの使用率が１００％に達した場合に前記軸受が寿命であると判定する寿命判定手段を備える、工作機械の主軸状態検出装置。
請求項１〜４の何れか一項において、
前記主軸状態検出装置は、
前記軸受の規定寿命に対する前記軸受の過去の所定期間における使用率を算出する過去期間使用率算出手段と、
前記過去の所定期間における使用率と前記現在までの使用率とに基づいて、前記軸受の寿命までの残寿命時間を算出する残寿命時間算出手段と、
を備える、工作機械の主軸状態検出装置。
請求項１〜５の何れか一項において、
前記主軸状態検出装置は、前記主軸の回転数に応じた前記現在までの使用率を表示する表示手段を備える、工作機械の主軸状態検出装置。