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
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 Download PDFInfo
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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。
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。
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。
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。
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。
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Dkと重みE(Dk)の対応テーブルから抽出する。重みE(Dk)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Vkで駆動し続けた時の寿命をLk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Dkを加えている切削状態で、所定の速度Vkで駆動し続けた時の寿命をL(Dk)とすると、切削時の寿命は、非切削時のL(Dk)/Lk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(Dk)としては、切削時の寿命を非切削時の寿命で割った値L(Dk)/Lk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Dkに応じた重みE(Dk)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。
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。
●[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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
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