JP5674859B2 - 主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた数値制御装置に関する。

工作機械の主軸の軸受けとして使われているベアリングは、摩擦や負荷によって除々に劣化していくため、適切な時期に交換する必要がある。従来、工作機械における主軸ベアリングの交換時期の目安として、主軸の回転速度や回転時間を積算した総回転数や総回転時間が用いられている。例えば、特許文献１には、寿命管理機能付き数値制御装置が開示されており、当該数値制御装置は、可動部の部品の寿命に関する動作量の累積値と、予め設定された可動部の寿命値とを比較し、部品の寿命の判定を行うという内容で、累積値を表示する表示手段を備えている。また、特許文献２には、ベアリングの寿命モニタリング方法が開示されており、当該モニタリング方法は、機械の運転状況からベアリングを支持する回転体の回転数と回転体にかかるロードの平均値を逐一計算し、ベアリングの寿命値を求める。そして、回転体の回転時間の積算値が寿命値を超えた場合に、メンテナンス時期をメッセージ表示する。

特開平５−２０８３４３号公報 特開２０１１−２４７６６０号公報

工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命は、主軸に作用する力の影響を受ける。非切削時は、主軸と被加工物は非接触状態にあるが、切削時は主軸と被加工物が接触するため、被加工物からの反力と同等の力が主軸に作用する。そのため、切削時は、非切削時に比べてベアリングへの負荷が大きくなり、相対的に寿命が短くなる。

しかし、従来は、非切削時と切削時を区別せず、単純に主軸の回転速度や回転時間を積算していたため、主軸への負荷の影響が考慮されてなかった。例えば、特許文献１に開示される寿命管理技術は、主軸の動作量を単に積算しているだけで、可動部の部品に作用する力の影響については考慮されていない。そのため、部材にかかる力の大きさによらず、所定の累積値に達した場合、交換時期であると判定されてしまう。

そこで、本発明の目的は、切削状態を示す切削信号を監視し、非切削時は、従来通り主軸の回転速度や回転時間を積算し、切削時は、回転速度や回転時間に主軸に作用する力に応じた重みを乗じて積算し、切削時の主軸に作用する負荷の影響を積算値に考慮することで、より精度よく交換時期を見積もることが可能な、主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた工作機械を制御する数値制御装置において、前記主軸の回転速度と送り軸のトルクを、駆動軸を制御する制御部、又は、各駆動軸に取り付けられた検出器から所定の周期毎に取得する物理データ取得部と、前記制御部が出力する切削状態を示す切削信号を監視する切削信号監視部と、前記物理データ取得部で取得した送り軸のトルクから主軸に作用する力を算出する負荷算出部と、前記負荷算出部で算出した主軸に作用する力に応じた重みを予め与えられたテーブルから抽出する重み抽出部と、前記切削信号が非切削状態にある場合、前記主軸の回転速度を所定の周期毎に積算し、前記切削信号が切削状態にある場合、前記物理データ取得部で取得した前記主軸の回転速度に前記重み抽出部で抽出した重みを乗算した第２の主軸の回転速度を所定の周期毎に積算する第１積算部と、前記第１積算部で積算した積算値を記憶する記憶部と、を備え、前記積算値に基づいて前記ベアリングの寿命を推定することを特徴とする数値制御装置である。
請求項２に係る発明は、工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた工作機械を制御する数値制御装置において、前記主軸の回転速度と送り軸のトルクを、駆動軸を制御する制御部、又は、各駆動軸に取り付けられた検出器から所定の周期毎に取得する物理データ取得部と、前記制御部が出力する切削状態を示す切削信号を監視する切削信号監視部と、前記物理データ取得部で取得した送り軸のトルクから主軸に作用する力を算出する負荷算出部と、前記負荷算出部で算出した主軸に作用する力に応じた重みを予め与えられたテーブルから抽出する重み抽出部と、前記主軸が回転中か停止中かを示す回転状態信号を監視する回転信号監視部と、前記回転状態信号が回転中、且つ、前記切削信号が非切削状態の場合、前記所定の周期を積算し、前記回転状態信号が回転中、且つ、前記切削信号が切削状態の場合、前記所定の周期に前記重み抽出部で抽出した重みを乗算した第２の所定の周期を前記所定の周期毎に積算する第２積算部と、前記第２積算部で積算した積算値を記憶する記憶部と、を備え、前記積算値に基づいて前記ベアリングの寿命を推定することを特徴とする数値制御装置である。

請求項３に係る発明は、前記負荷算出部は、前記物理データ取得部で取得した前記送り軸のトルクから前記制御部、又は、前記検出器で取得した送り軸の加速度にイナーシャを乗じた加速度分のトルクを差し引いたトルクから主軸に作用する力を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置である。
請求項４に係る発明は、前記負荷算出部は、前記送り軸のトルクから送り軸の摩擦に相当するトルク分を差し引いたトルクから主軸に作用する力を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の数値制御装置である。

本発明により、切削状態を示す切削信号を監視し、非切削時は、従来通り主軸の回転速度や回転時間を積算し、切削時は、回転速度や回転時間に主軸に作用する力に応じた重みを乗じて積算し、切削時の主軸に作用する負荷の影響を積算値に考慮し、より精度よく交換時期を見積もることが可能な、主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた数値制御装置を提供できる。

本発明の数値制御装置を説明するブロック図である。 各軸が互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸で、主軸がＺ軸方向に移動する機械構成における主軸に作用する合力を説明する図である。 主軸に作用する重みを考慮するかしないかによって、ベアリングの寿命を判断する指標値に差がでることを説明する図である。 ベアリングの寿命を判断する指標値を算出する処理を説明するフロー図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明は、工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命値を求めるのではなく、寿命値と比較する指標値を算出する。指標値は、ベアリングが支持する主軸の回転時間を単純に積算するのではなく、主軸に作用する力の影響を考慮した上で積算する。これによって、寿命値が固定値であっても、主軸に作用する力の影響が考慮されるので、精度よくベアリングの寿命を判定することが可能になる。なお、本明細書では、指標値、積算値、および回転時間を同じ符号Ｍを用いて説明する。

＜実施形態１＞
図１は本発明の数値制御装置を説明するブロック図である。数値制御装置２０は工作機械１０の機構部に備わったサーボモータ１１によって工作機械の各軸が駆動制御される。 工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命は、摩耗や金属疲労等の蓄積の影響を受けるため、交換時期を判定するのに使われる指標値としては、ベアリングが支持する主軸の回転速度や回転時間の累積値が有効である。しかし、ベアリングの寿命は、主軸に作用する力の影響を受けるため、単純に主軸の回転速度や回転時間を積算するだけでは指標値としては不十分である。

例えば、ベアリングが支持する主軸を駆動させた場合、同じ総回転数でも主軸に作用する力の大きさ（電流の大きさ）によってベアリングの寿命が異なる。主軸にかかる力が大きいとベアリングにかかる力も大きくなるので、必然的に寿命が短くなり、ベアリングにかかる力が小さいと寿命が長くなる。

そこで、実施形態１では、切削状態を示す切削信号を監視し、主軸が被加工物を加工する切削状態にある場合は、主軸の回転速度や回転時間に主軸に作用する力に応じた重みを乗算して積算する。一方、切削信号が、加工状態でない非切削状態である場合は、重みを乗算せずに積算する。これにより、主軸とワークが接触している切削中は、主軸に作用する力の影響を指標値に考慮することができるので、単純に積算する場合に比べて精度よく交換時期を見積もることができる。

具体的には、数値制御装置２０の物理データ取得部２２において、主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）と送り軸のトルクＳ（ｋΔｔ）（ｋ＝０，１，２，３…．）を、工作機械１０の各駆動軸（モータ）を制御する制御部２１、又は、駆動軸に取り付けられた検出器（図示せず）から所定の周期Δｔ毎に取得する。そして、負荷算出部２３において物理データ取得部で取得した送り軸のトルクＳ（ｋΔｔ）から、主軸に作用する力Ｄ（ｋΔｔ）を算出する。

図２は、各軸が互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸で、主軸がＺ軸方向に移動する機械構成を図示している。テーブル３４上に載置されたワーク３３を、主軸３０に装着された工具３２によって加工する。Ｚ軸の位置を固定した場合、Ｘ軸のトルクをＳｘ（ｋΔｔ）、Ｙ軸のトルクをＳｙ（ｋΔｔ）とすると、主軸にかかる力は、数１式に示すように、Ｘ、Ｙ軸の合力Ｄ（ｋΔｔ）になる。合力Ｄ（ｋΔｔ）は主軸に垂直に作用する力であるが、ここでは合力“Ｄ（ｋΔｔ）≒ベアリングに作用する力”としている。なお、主軸の構成と上記の主軸に作用する力Ｄ（ｋΔｔ）をもとにベアリング３１に作用する力を求めてもよい。

次に、重み抽出部２５において、負荷算出部２３で算出した値Ｄ（ｋΔｔ）をもとに主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）に乗算する重みＥ（ｋΔｔ）を、予め与えられた力Ｄ_ｋと重みＥ（Ｄ_ｋ）の対応テーブルから抽出する。重みＥ（Ｄ_ｋ）は、実測値やシミュレーション結果などから求められる。

例えば、主軸と被加工物が接触していない非切削状態で、所定の速度Ｖ_ｋで駆動し続けた時の寿命をＬ_ｋとする。そして、送り軸が主軸と被加工物の相対的な位置を制御して主軸に力Ｄ_ｋを加えている切削状態で、所定の速度Ｖ_ｋで駆動し続けた時の寿命をＬ（Ｄ_ｋ）とすると、切削時の寿命は、非切削時のＬ（Ｄ_ｋ）／Ｌ_ｋ倍になる。したがって、主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）に乗算する重みＥ（Ｄ_ｋ）としては、切削時の寿命を非切削時の寿命で割った値Ｌ（Ｄ_ｋ）／Ｌ_ｋなどが考えられる。

次に、切削フラグ監視部２４において制御部２１から得られる切削、非切削の信号（フラグ）をもとに主軸が切削状態にあるか、非切削状態にあるかを監視する。切削信号は、工作機械のＮＣプログラム上のＧ０１、Ｇ０３などの切削送りのコードや、主軸の負荷が所定値よりも大きくなった場合に切削状態とみなして生成される。

切削状態にある場合、重み抽出部２５で抽出された重みＥ（Ｄ（ｋΔｔ））は、積算部２６において回転速度Ｖ（ｋΔｔ）に乗算され、数２式に示すように第２の回転速度Ｖ’（ｋΔｔ）として算出される。そして、数３式に示すように、重みを考慮した第２の回転速度Ｖ’（ｋΔｔ）に所定の周期Δｔを乗算した値の絶対値を積算部２６において積算し、指標値Ｍを算出する。一方、非切削時は、切削時に比べて主軸に直接力が作用しないので、数４式に示すように回転速度Ｖ（ｋΔｔ）に所定の周期Δｔを乗算した値の絶対値をそのまま積算し、指標値Ｍとする。

図３は、（ａ）主軸に作用する力Ｄ_ｋに応じた重みＥ（Ｄ_ｋ）と、（ｂ）主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）と、（ｃ）主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）に重みＥ（Ｄ（ｋΔｔ））を乗じた値Ｖ’（ｋΔｔ）とその積算値（指標値）Ｍ’を示し、積算値（指標値）Ｍは主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）を単純に積算した値になる。なお、ここでは所定の周期Δｔを１としている。このように重みを考慮するか、しないかによって指標値Ｍの値が違ってくることがわかる。

こうして算出された指標値Ｍは、記憶部２７に記憶されて、保守のために利用される。例えば、指標値Ｍを表示器等の出力部（図示せず）に出力して、その結果をもとにオペレータが交換時期かどうかを判断する。また、予め定められた交換時期の目安と指標値を比較して、指標値が上回った場合に交換時期が近づいていることを警告したり、機械を停止させたりする。その他には、指標値と交換時期の目安とを比較しながら、ベアリングの寿命が近づいている場合や、ベアリングを長く使いたい場合には、動作条件の設定を自動的にゆるめて運転する。

＜実施形態２＞
実施形態２では、主軸の回転時間Ｍ（所定の周期Δｔの積算値）（注：回転時間は積算値の一つの例であるので積算値を表すＭを用いた。）を算出する。回転信号監視部（図示せず）において、制御部２１から回転状態信号（フラグ）を取得し、主軸が回転中か停止中かを監視する。例えば、ＮＣプログラム上で主軸の回転指令であるＳ指令が０以外の値の場合は回転中とみなし、０の場合は停止中とみなす。

そして、積算部２６において、回転状態信号が回転中、且つ、切削信号が非切削状態である場合、数５式に示すように所定の周期Δｔを積算して回転時間Ｍを算出する。一方、回転状態信号が回転中、且つ、切削信号が切削状態である場合、数６式に示すように所定の周期Δｔに重み抽出部２５で抽出した重みＥ（Ｄ（ｋΔｔ））を乗算した第２の所定の周期Δｔ’を積算して回転時間Ｍを算出する。

ここで、図１に示される数値制御装置２０で実行される指標値（積算値）Ｍを求める処理を図４により説明する。図４はベアリングの寿命を判断する指標値を算出する処理を説明するフロー図である。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＡ０１］ｋとＭを初期値（＝０）とする。
●［ステップＳＡ０２］ベアリングが支持する主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）と送り軸のトルクＳ（ｋΔｔ）を取得する。
●［ステップＳＡ０３］送り軸のトルクＳ（ｋΔｔ）から主軸に作用する力Ｄ（ｋΔｔ）を算出する。
●［ステップＳＡ０４］主軸に作用する力Ｄ（ｋΔｔ）に応じた重みＥ（Ｄ（ｋΔｔ））を算出する。
●［ステップＳＡ０５］切削時か否か判断し、切削時のとき（ＹＥＳ）、ステップＳＡ０７へ移行し、切削時ではないとき（ＮＯ）、ステップＳＡ０６へ移行する。
●［ステップＳＡ０６］回転速度Ｖ（ｋΔｔ）を指標値（積算値）Ｍに積算し、ステップＳＡ０９へ移行する。
●［ステップＳＡ０７］主軸の回転速度Ｖ（ｋΔｔ）に重みＥ（Ｄ（ｋΔｔ））を乗算し、第２の回転速度Ｖ’（ｋΔｔ）を算出する。
●［ステップＳＡ０８］第２の回転速度Ｖ’（ｋΔｔ）を指標値（積算値）Ｍに積算する。
●［ステップＳＡ０９］積算値Ｍを記憶部に記憶する。
●［ステップＳＡ１０］所定の周期Δｔ経過後、ｋに１を加算した値を新たにｋとし、ステップＳＡ０２に戻る。

上述したフローチャートを補足して説明する。フローチャートの各ステップの処理と図１の数値制御装置２０の各部との対応を説明すると、ステップＳＡ０２の処理は物理データ取得部２２、ステップＳＡ０３の処理は負荷算出部２３、ステップＳＡ０４の処理は重み抽出部２５、ステップＳＡ０５は切削フラグ監視部２４、ステップＳＡ０６〜ステップＳＡ０８は積算部２６、ステップＳＡ０９の記憶部は記憶部２７に対応する。

＜実施形態３，４＞
送り軸のトルクＳ（ｋΔｔ）は、送り軸の加減速に伴うトルクＡ（ｋΔｔ）と摩擦に伴うトルクＦ（ｋΔｔ）を含んでいるため、主軸にかかるトルクＳ’（ｋΔｔ）だけを抽出するためには、数７式に示すようにＳ（ｋΔｔ）から加減速分のトルクＡ（ｋΔｔ）と摩擦分のトルクＦ（ｋΔｔ）を差し引く必要がある。

加減速分のトルクは、送り軸を駆動するモータにかかるイナーシャＪに各駆動軸に取り付けられた検出器や、制御部から得られる加速度ａ（ｋΔｔ）を乗じることで求められる。加速度ａ（ｋΔｔ）は、位置や速度を微分することで求めてもよい。又、摩擦分のトルクＦ（ｋΔｔ）は、モータを駆動する際の静止摩擦や動摩擦から算出される。

１０ 工作機械
１１ サーボモータ

２０ 数値制御装置
２１ 制御部
２２ 物理データ取得部
２３ 負荷算出部
２４ 切削フラグ監視部
２５ 重み抽出部
２６ 積算部
２７ 記憶部

３０ 主軸
３１ ベアリング
３２ 工具
３３ ワーク
３４ テーブル

Claims (4)

1. 工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた工作機械を制御する数値制御装置において、
   前記主軸の回転速度と送り軸のトルクを、駆動軸を制御する制御部、又は、各駆動軸に取り付けられた検出器から所定の周期毎に取得する物理データ取得部と、
   前記制御部が出力する切削状態を示す切削信号を監視する切削信号監視部と、
   前記物理データ取得部で取得した送り軸のトルクから主軸に作用する力を算出する負荷算出部と、
   前記負荷算出部で算出した主軸に作用する力に応じた重みを予め与えられたテーブルから抽出する重み抽出部と、
   前記切削信号が非切削状態にある場合、前記主軸の回転速度を所定の周期毎に積算し、
   前記切削信号が切削状態にある場合、前記物理データ取得部で取得した前記主軸の回転速度に前記重み抽出部で抽出した重みを乗算した第２の主軸の回転速度を所定の周期毎に積算する第１積算部と、
   前記第１積算部で積算した積算値を記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記積算値に基づいて前記ベアリングの寿命を推定することを特徴とする数値制御装置。
2. 工作機械の主軸を支持するベアリングの寿命を推定する機能を備えた工作機械を制御する数値制御装置において、
   前記主軸の回転速度と送り軸のトルクを、駆動軸を制御する制御部、又は、各駆動軸に取り付けられた検出器から所定の周期毎に取得する物理データ取得部と、
   前記制御部が出力する切削状態を示す切削信号を監視する切削信号監視部と、
   前記物理データ取得部で取得した送り軸のトルクから主軸に作用する力を算出する負荷算出部と、
   前記負荷算出部で算出した主軸に作用する力に応じた重みを予め与えられたテーブルから抽出する重み抽出部と、
   前記主軸が回転中か停止中かを示す回転状態信号を監視する回転信号監視部と、
   前記回転状態信号が回転中、且つ、前記切削信号が非切削状態の場合、前記所定の周期を積算し、前記回転状態信号が回転中、且つ、前記切削信号が切削状態の場合、前記所定の周期に前記重み抽出部で抽出した重みを乗算した第２の所定の周期を前記所定の周期毎に積算する第２積算部と、
   前記第２積算部で積算した積算値を記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記積算値に基づいて前記ベアリングの寿命を推定することを特徴とする数値制御装置。
3. 前記負荷算出部は、前記物理データ取得部で取得した前記送り軸のトルクから前記制御部、又は、前記検出器で取得した送り軸の加速度にイナーシャを乗じた加速度分のトルクを差し引いたトルクから主軸に作用する力を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置。
4. 前記負荷算出部は、前記送り軸のトルクから送り軸の摩擦に相当するトルク分を差し引いたトルクから主軸に作用する力を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の数値制御装置。