JP6499946B2 - 工作機械の軸受診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械において回転軸の軸支に用いられる転がり軸受の異常を検知するための軸受診断装置に関する。

工作機械に設けられる主軸等の回転軸を備える回転軸装置において、回転軸を軸支するために用いられる転がり軸受（以下単に「軸受」という。）は、内輪と、外輪と、両輪間に設けられる複数の転動体（玉やころ等）と、転動体の間隔を保つための保持器とを含んでなり、内輪が回転軸と一体に回転し、外輪が主軸ハウジング等に組み込まれて固定される。
この軸受に発生する異常としては、潤滑不良、異物の混入、摩耗、過大荷重等が挙げられる。これらの異常が発生すると、回転不良や焼き付きが生じ、工作機械の正常運転に支障をきたすため、軸受の異常を診断するのが望ましい。
そこで、軸受の異常を診断する方法として、特許文献１には、軸受を有する回転装置の温度と停止時間とを監視して、温度に応じて予め設定された基準停止時間と比較して軸受の異常の有無を判定する発明が開示されている。また、特許文献２には、運転中に発生する音や振動を検出して周波数分析を行い、予め設定した異常周波数の周波数スペクトルのレベルと比較して異常判定を行う発明が開示されている。さらに、特許文献３には、軸の惰性回転時の回転数の変化から摩擦トルクを算出し、この摩擦トルクを基準値と比較して軸受の異常を判定する発明が開示されている。

特許第４０９１８８５号公報 特開２００９−２００９０号公報 特公平６−６５１８９号公報

特許文献１の発明では、工作機械の主軸、特にマシニングセンタにおいて軸受の温度上昇を監視する場合、軸受近傍の構造体に温度センサを取り付けざるを得ず、間接的な温度計測にとどまり、軸受温度の急激な変化を観測することができない。この観測精度は温度センサ自体の性能によっても左右される。よって、軸受の異常に気づかず機械の破損に至る可能性がある。
特許文献２の発明では、音や振動を解析することで正確に軸受異常を検知できるが、振動センサや音センサといった高価な測定器が必要となり、コストアップに繋がる。
特許文献３の発明では、摩擦トルクを軸の惰性回転時の回転数の変化の割合から換算して求めるため、摩擦トルクが正確と言えず、また、算出した摩擦トルクを単純に基準値と比較して軸受の異常を判定するため、判定精度が高いとは言えない。

そこで、本発明は、機械の破損に至らない早いタイミングで精度よく且つ安価に軸受の異常を診断することができる工作機械の軸受診断装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転駆動する回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置を備える工作機械において、前記軸受の異常を検知するための軸受診断装置であって、
前記回転軸の特定の回転速度における回転数を測定する回転数測定手段と、前記回転軸装置に係る温度を測定する温度測定手段と、前記回転軸装置に係る摩擦トルクを算出する摩擦トルク算出手段と、前記回転数から前記軸受の転がり速度を算出する転がり速度算出手段と、前記摩擦トルク及び前記転がり速度から軸受特性を算出する軸受特性算出手段と、基準の軸受特性を記憶する記憶手段と、前記軸受特性算出手段により算出される前記軸受特性と、前記記憶手段に記憶される基準の前記軸受特性とを比較して異常の有無を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記回転数測定手段は、前記特定の回転速度から前記回転軸が停止するまでの間の回転数を測定することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記温度測定手段は、前記特定の回転速度から前記回転軸が停止するまでの間の温度を測定することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、前記軸受特性算出手段は、前記摩擦トルク及び前記転がり速度に、軸受予圧と潤滑油粘度とを加えて前記軸受特性を算出することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、前記軸受予圧は、前記温度と前記回転数との関係から前記軸受予圧を推定する予圧推定手段によって得られることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５の構成において、前記潤滑油粘度は、前記温度と前記回転数との関係から前記潤滑油粘度を推定する潤滑油粘度推定手段によって得られることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６の何れかの構成において、前記摩擦トルク算出手段は、前記回転数と慣性イナーシャと加速度とを用いた算出式により前記摩擦トルクを算出することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れかの構成において、前記転がり速度算出手段は、前記回転数と転動体ピッチ円直径と転動体直径と接触角とを用いた算出式により前記転がり速度を算出することを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８の何れかの構成において、前記判定手段の判定結果を報知するための報知手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、摩擦トルクと転がり速度とから軸受特性を算出して基準の軸受特性と比較し、異常の有無を判定するので、機械の破損に至らない早いタイミングで精度よく且つ安価に軸受の異常を診断することができる。

工作機械の軸受診断装置の概略図である。 軸受診断手順のフローチャートである。 軸受特性（ストライベック曲線）の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の軸受診断装置の一例を示す概略図で、この軸受診断装置は、工具を回転させる回転軸装置としての主軸装置に用いられる軸受を診断する。
図１において、１は主軸装置で、主軸ハウジング２内には、先端に工具４が装着されて図示しない主軸モータで回転する回転軸としての主軸３が、軸受（ここでは転動体が玉であるボールベアリング）５，５によって軸支されている。６は主軸３の回転速度を検出する回転速度検出器で、主軸ハウジング２には、軸受５，５の近傍にプローブを挿入させた温度センサ７が設けられている。

軸受診断装置１０には、主軸モータを制御する主軸制御装置１１が設けられる一方、回転速度検出器６からの回転検出信号と温度センサ７からの温度検出信号とが入力される計測装置１２が設けられ、回転数及び温度が入力される演算装置１３が設けられている。この回転速度検出器６と計測装置１２とが回転数測定手段となり、温度センサ７及び計測装置１２が温度測定手段となる。
演算装置１３は、計測装置１２から得られる軸受５の温度と回転数とから軸受５の予圧を推定する予圧推定手段としての軸受予圧推定部１４と、当該温度と回転数とから軸受５に供給される潤滑油の粘度を推定する潤滑油粘度推定手段としての潤滑油粘度推定部１５と、計測装置１２から得られる主軸３の回転数から摩擦トルクを算出する摩擦トルク算出手段としての摩擦トルク算出部１６と、当該回転数から軸受５の転がり速度を算出する転がり速度算出手段としての転がり速度算出部１７と、軸受５の予圧、潤滑油粘度、転がり速度、摩擦トルクから軸受特性を算出する軸受特性算出手段としての軸受特性算出部１８とを備える。

１９は、判定基準となる軸受特性を記憶する記憶手段としての記憶装置で、軸受特性算出部１８で算出された軸受特性と、記憶装置１９に記憶された軸受特性とは、判定手段としての判定装置２０で比較されて、軸受異常の有無が判定される、この判定結果は、工作機械のＮＣ装置に設けられた報知手段としての表示装置２１に表示される。

以上の如く構成された軸受診断装置１０における軸受診断手順を図２のフローチャートに基づいて説明する。
診断スタートの指令が軸受診断装置１０に入力されると、まずＳ１では、主軸３が特定の回転速度であるか否かが判別される。ここで特定の回転速度でなければ、Ｓ２で主軸制御装置１１によって特定の回転速度に変更する。そして、再びＳ１で特定の回転速度であることが確認されると、Ｓ３では、温度センサ７から得られる検出温度が安定している（定常状態）か否かが判別される。この定常状態は、検出温度が所定時間の間で所定幅以上変動しないことをいう。よって、検出温度が安定していなければ、Ｓ４で所定温度を目標として暖機運転を行う。

暖機運転の結果、Ｓ３で温度の安定が確認されると、Ｓ５で主軸モータへの通電を停止させて惰性回転を行い、Ｓ６で主軸３の停止が確認されるまで、Ｓ７で回転数と温度とを計測する。
Ｓ６で主軸３の停止が確認されると、演算装置１３では、Ｓ８において、Ｓ７で計測した回転数に基づき、摩擦トルク算出部１６により摩擦トルクを、転がり速度算出部１７により転がり速度をそれぞれ計算する。この摩擦トルク及び転がり速度は、回転数と、記憶装置１９に予め記憶してあるパラメータにより、例えば回転数と慣性イナーシャと加速度とを用いた以下の数１及び、回転数と玉ピッチ円直径、玉直径、接触角とを用いた以下の数２に基づいて算出される。数１が摩擦トルクの算出式、数２が転がり速度の算出式である。

また、Ｓ９において、Ｓ７で計測した温度及び回転数に基づき、軸受予圧推定部１４により軸受予圧を、潤滑油粘度推定部１５により潤滑油粘度をそれぞれ推定する。この軸受予圧は、計測した温度及び回転数を、記憶装置１９に予め記憶してある温度及び回転数と軸受予圧との関係を示すグラフやデータテーブルに参照することで推定される。潤滑油粘度も、計測した温度及び回転数を、記憶装置１９に予め記憶してある温度及び回転数と潤滑油粘度との関係を示すグラフやデータテーブルに参照することで推定される。
そして、Ｓ１０では、これらの計算結果及び、摩擦トルクＴと摩擦係数μとの関係式Ｔ＝μ×Ｐｒ×ｄ／２（Ｐｒ：ラジアル荷重、ｄ：軸受内径）に基づいて、図３に示すような摩擦係数と軸受特性数との関係を示す軸受特性（ストライベック曲線）を算出する。軸受特性数において、粘度とは潤滑油粘度、速度とは回転速度、予圧とは軸受予圧をそれぞれ示す。

次に、判定装置２０では、Ｓ１１において、記憶装置１９に予め記憶してある基準の軸受特性とＳ１０で算出された軸受特性とを比較して異常があるか否かを判別する。
例えば玉の転走面が荒れている場合は、図３に一点鎖線Ａで示すように、実線で示す正常な軸受特性に対して摩擦係数が増加した異同が現れる。よって、特定の範囲において摩擦係数が所定数値だけ増加していれば、Ｓ１２において、軸受５の異常（潤滑不良）が生じたとして表示装置２１にその旨を表示する。また、予圧に異常がある場合は、図３に二点鎖線Ｂで示すように、正常な軸受特性の曲線部分の最小部がシフトし、軸受特性数の高いところで摩擦係数が増加した異同が現れる。よって、最小部のシフトと摩擦係数の増加とが確認できれば、Ｓ１２において、軸受５の異常（予圧抜け）が生じたとして表示装置２１にその旨を表示する。
一方、Ｓ１１の判別で軸受５に異常がなければ、Ｓ１３で、算出した軸受特性を記憶装置１９に記憶する。

このように、上記形態の軸受診断装置１０によれば、主軸３の特定の回転速度における回転数を測定する回転速度検出器６及び計測装置１２と、主軸３の温度を測定する温度センサ７及び計測装置１２と、軸受５の摩擦トルクを算出する摩擦トルク算出部１６と、軸受５の転がり速度を算出する転がり速度算出部１７と、軸受５の予圧を推定する軸受予圧推定部１４と、軸受５の潤滑油粘度を推定する潤滑油粘度推定部１５と、摩擦トルク、転がり速度、軸受予圧、潤滑油粘度から軸受特性を算出する軸受特性算出部１８と、基準の軸受特性を記憶する記憶装置１９と、軸受特性算出部１８により算出される軸受特性と記憶装置１９に記憶される基準の軸受特性とを比較して異常の有無を判定する判定装置２０とを備えたことで、機械の破損に至らない早いタイミングで精度よく且つ安価に軸受の異常を診断することができる。

なお、上記形態では軸受として玉軸受（ボールベアリング）を例示しているが、ころ軸受であってもよい。また、表示装置には、軸受の異常内容を文字表記する他、図３に示したストライベック曲線を異常時の曲線Ａ，Ｂと併せて表示するようにしてもよい。
また、Ｓ１０で算出した軸受特性に異常がない場合、この軸受特性を基準の軸受特性に更新したり、算出した複数回の軸受特性の平均を算出してそれを基準の軸受特性に更新したりすることもできる。

さらに、予圧推定手段による軸受予圧の推定方法、潤滑油粘度推定手段による潤滑油粘度の推定方法、摩擦トルク算出手段による摩擦トルクの算出方法、転がり速度算出手段による転がり速度の算出方法等も上記形態に限らず、適宜変更可能である。
但し、上記形態では、軸受特性を摩擦トルク、転がり速度、軸受予圧、潤滑油粘度から算出しているが、軸受予圧と潤滑油粘度とを用いずに摩擦トルク及び転がり速度のみで算出してもよい。従って、この場合は予圧推定手段と潤滑油粘度推定手段とを省略することができる。
一方、報知手段としては表示装置に限らず、ランプや合成音声、ブザー音等を採用したり、これらを表示装置と併用したりしてもよい。但し、報知手段は省略して記憶装置に異常内容を記憶するにとどめて、必要なタイミングでオペレータが呼び出せるようにすることもできる。
また、回転軸としては工具を回転させる主軸に限らず、ワークを把持して回転させる回転軸装置であっても本発明による軸受診断は可能である。

１・・主軸装置、２・・主軸ハウジング、３・・主軸、４・・工具、５・・軸受、６・・回転速度検出器、７・・温度センサ、１０・・軸受診断装置、１１・・主軸制御装置、１２・・計測装置、１３・・演算装置、１４・・軸受予圧推定部、１５・・潤滑油粘度推定部、１６・・摩擦トルク算出部、１７・・転がり速度算出部、１８・・軸受特性算出部、１９・・記憶装置、２０・・判定装置、２１・・表示装置。

Claims (9)

1. 回転駆動する回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置を備える工作機械において、前記軸受の異常を検知するための軸受診断装置であって、
   前記回転軸の特定の回転速度における回転数を測定する回転数測定手段と、
   前記回転軸装置に係る温度を測定する温度測定手段と、
   前記回転軸装置に係る摩擦トルクを算出する摩擦トルク算出手段と、
   前記回転数から前記軸受の転がり速度を算出する転がり速度算出手段と、
   前記摩擦トルク及び前記転がり速度から軸受特性を算出する軸受特性算出手段と、
   基準の軸受特性を記憶する記憶手段と、
   前記軸受特性算出手段により算出される前記軸受特性と、前記記憶手段に記憶される基準の前記軸受特性とを比較して異常の有無を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械の軸受診断装置。
2. 前記回転数測定手段は、前記特定の回転速度から前記回転軸が停止するまでの間の回転数を測定することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の軸受診断装置。
3. 前記温度測定手段は、前記特定の回転速度から前記回転軸が停止するまでの間の温度を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の軸受診断装置。
4. 前記軸受特性算出手段は、前記摩擦トルク及び前記転がり速度に、軸受予圧と潤滑油粘度とを加えて前記軸受特性を算出することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の軸受診断装置。
5. 前記軸受予圧は、前記温度と前記回転数との関係から前記軸受予圧を推定する予圧推定手段によって得られることを特徴とする請求項４に記載の工作機械の軸受診断装置。
6. 前記潤滑油粘度は、前記温度と前記回転数との関係から前記潤滑油粘度を推定する潤滑油粘度推定手段によって得られることを特徴とする請求項４又は５に記載の工作機械の軸受診断装置。
7. 前記摩擦トルク算出手段は、前記回転数と慣性イナーシャと加速度とを用いた算出式により前記摩擦トルクを算出することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の工作機械の軸受診断装置。
8. 前記転がり速度算出手段は、前記回転数と転動体ピッチ円直径と転動体直径と接触角とを用いた算出式により前記転がり速度を算出することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の工作機械の軸受診断装置。
9. 前記判定手段の判定結果を報知するための報知手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の工作機械の軸受診断装置。

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