JP6637844B2 - 工作機械における軸受診断前の暖機運転時間の決定方法、工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、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手段を備えた工作機械において、軸受診断に伴う暖機運転時間を決定する方法と、軸受診断を実行可能な工作機械とに関する。

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、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 特公平６−６５１８９号公報 特開２００５−３４９２９号公報 特開２００９−１１３１３８号公報

特許文献１，２に記載されているような軸受の摩擦特性に起因する指標は、様々な要因に左右される繊細な情報であるため、測定時の軸受状態を安定させるのが望ましい。
ここで、軸受の摩擦特性は、軸受予圧、潤滑油粘度、回転速度に依存することが知られているが、このうち軸受予圧と潤滑油粘度とは、温度に左右されるため、安定した軸受診断を行う際には、暖機運転を行って測定時の温度条件を揃える必要がある。特に、軸受予圧に関しては、温度変化による熱変位の影響も考慮する必要がある。
こうした暖機運転による安定化の技術として、特許文献３には、工作機械の起動後、暖機運転を行い、ボールネジの温度が、変位量が飽和する閾値を越えた際に暖機運転を終了して加工を開始する発明が記載されている。また、特許文献４には、必要以上の暖機運転を防止するために、工具の先端位置をカメラ等の撮像データを解析して算出し、先端位置の変化量が設定許容精度以内である状態が設定範囲時間継続したら、工具の先端位置が安定したとみなして暖機運転を終了する発明が開示されている。

しかし、このような暖機運転に係る発明を軸受診断に採用した場合、特許文献３の発明では、単純に温度閾値を暖機運転終了の目安とするため、軸受異常時に発熱量が変化して定常状態の温度が変わると、暖機運転の終了のタイミングが不適切となって正確な軸受診断が行えなくなる。特許文献４の発明は、工具の先端位置を新たな指標として信頼性は高まるものの、カメラ等の付加装置が必要となってコストアップに繋がってしまう。

そこで、本発明は、適切な暖機運転時間を低コストで決定して不必要な暖機運転時間を解消でき、効率的な軸受の異常診断が可能となる工作機械における軸受診断前の暖機運転時間の決定方法及び工作機械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と、前記回転軸の回転を制御する制御手段と、前記軸受の温度を検出する温度検出手段と、前記制御手段によって前記回転軸を所定の回転数で、且つ前記温度検出手段による検出温度が定常状態となるまでの時間で回転させる暖機運転を行った後、前記軸受の異常を検知する軸受診断を実行する軸受診断手段とを備えた工作機械において、前記暖機運転の時間を決定する方法であって、
前記軸受診断の実行前の通常運転時に、前記温度検出手段によって前記軸受の温度を検出する温度検出ステップと、
検出された前記軸受の温度変化と前記回転軸の回転数とに基づいて、前記通常運転時の温度時定数を算出する温度時定数算出ステップと、
算出された前記温度時定数を記憶する記憶ステップと、
前記暖機運転を行う際に、記憶された前記温度時定数に基づいて前記所定の回転数での前記暖機運転の時間を決定する時間決定ステップと、を実行す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、前記温度検出ステップは、前記所定の回転数での通常運転時にのみ実行し、前記温度時定数算出ステップでは、前記所定の回転数での温度上昇変化から前記所定の回転数での温度時定数を算出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、前記時間決定ステップでは、前記温度時定数から熱変位飽和時間を推定し、推定した前記熱変位飽和時間の任意の割合として前記暖機運転の時間を決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３の構成において、前記任意の割合は、８９％以上であることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項５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と、前記回転軸の回転を制御する制御手段と、前記軸受の温度を検出する温度検出手段と、前記制御手段によって前記回転軸を所定の回転数で、且つ前記温度検出手段による検出温度が定常状態となるまでの時間で回転させる暖機運転を行った後、前記軸受の異常を検知する軸受診断を実行する軸受診断手段とを備えた工作機械であって、
前記軸受診断の実行前の通常運転時に、前記温度検出手段によって前記軸受の温度を検出し、検出された前記軸受の温度変化と前記回転軸の回転数とに基づいて、前記通常運転時の温度時定数を算出する温度時定数算出手段と、
算出された前記温度時定数を記憶する記憶手段と、
前記暖機運転を行う際に、記憶された前記温度時定数に基づいて前記所定の回転数での前記暖機運転の時間を決定する時間決定手段と、を備えることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、前記温度時定数算出手段では、前記所定の回転数での通常運転時にのみ前記軸受の温度を検出し、前記所定の回転数での温度上昇変化から前記所定の回転数での温度時定数を算出することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６の構成において、前記時間決定手段は、前記温度時定数から熱変位飽和時間を推定し、推定した前記熱変位飽和時間の任意の割合で前記暖機運転の時間を決定することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項７の構成において、前記任意の割合は、８９％以上であることを特徴とする。

本発明によれば、通常運転時に取得した温度時定数に基づいて暖機運転時間を決定し、その暖機運転時間に従って暖機運転を行っているので、適切な暖機運転時間を低コストで決定して不必要な暖機運転時間を解消できる。よって、効率的な軸受の異常診断が可能となる。

工作機械の概略図である。 通常運転のフローチャートである。 軸受診断のフローチャートである。

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、工作機械の一例を示す概略図で、この工作機械は、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。
工作機械１において、２は主軸装置で、主軸ハウジング３内には、先端に工具５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４が、軸受（ここでは転動体が玉であるボールベアリング）６，６によって軸支されている。７は主軸４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３には、軸受６，６の近傍にプローブを挿入させた温度センサ８が設けられている。主軸４の主軸モータは、工作機械１の送り軸モータ等も制御する制御手段としての制御装置９によって制御される。

１０は、軸受診断手段としての軸受診断装置で、回転速度検出器７からの回転検出信号と温度センサ８からの温度検出信号とが入力される計測装置１１と、主軸４の回転数及び温度が入力されて軸受特性や後述する温度時定数等を算出する温度時定数算出手段及び時間決定手段としての演算装置１２と、演算装置１２で算出された軸受特性や温度時定数等が記憶される記憶手段としての記憶装置１３とが設けられている。記憶装置１３には軸受診断時の診断プログラム等も格納される。１４は、演算装置１２での軸受診断結果が表示される表示装置である。ここでは温度センサ８及び計測装置１１が温度検出手段となる。

以上の如く構成された工作機械１における通常運転を図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１で主軸回転指令が制御装置９に入力されると、Ｓ２で制御装置９は主軸モータを制御して指令された回転数で主軸４を回転させ、Ｓ３では加工プログラムによって送り軸等が制御されて加工が行われる。
加工中は、Ｓ４で、主軸４の回転数が軸受診断用に予め指定された回転数か否かを確認し、指定回転数でなければ、そのままＳ５で加工プログラムの終了を確認するまで加工を継続する。

一方、Ｓ４の判別で指定回転数が確認されると、Ｓ６で、温度センサ８によって軸受６の温度を検出し、計測装置１１を介して記憶装置１３に検出温度の変化を記録する（温度検出ステップ）。
そして、Ｓ７では、演算装置１２が、記録された検出温度の上昇変化から現在の回転数での温度時定数を算出する（温度時定数算出ステップ）。この温度時定数τは、例えば初期温度から定常状態となった温度までの温度差の６３．２％や５０％の時点の時間として算出される。
次に、Ｓ８で、算出した温度時定数を回転数と共に記憶装置１３に保存し（記憶ステップ）、Ｓ５に戻る。ここで加工終了でなければＳ４で指定回転数を確認し、指定回転数であればＳ６以下の処理を実行する。よって、指定回転数での軸受温度の記録と温度時定数の算出、保存は、加工終了まで繰り返され、データが更新されることになる。

そして、軸受６の異常を検知する軸受診断は、図３のフローチャートによって実行される。
まず、Ｓ１１で、診断開始指令が図示しない入力装置によって軸受診断装置１０に入力されると、Ｓ１２では、主軸４が、軸受診断用の指定回転数であるか否かが判別される。ここで指定回転数でなければ、Ｓ１３で制御装置９によって指定回転数に変更する。そして、再びＳ１２で指定回転数であることが確認されると、Ｓ１４では、記憶装置１３に保存されている指定回転数と温度時定数とを参照して演算装置１２が暖機運転時間を算出する（時間決定ステップ）。この暖機運転時間は、温度時定数から熱変位飽和時間を推定し、推定した熱変位飽和時間の任意の割合として決定される。例えば、温度時定数τが、初期の温度差の６３．２％変化までの時間として取得されており、任意の割合が８９％であれば、暖機運転時間は、（τ／０．６３２）×０．８９で決定される。
よって、Ｓ１５では、制御装置９が、こうして算出された暖機運転時間に従い、暖機運転を開始する。
Ｓ１６で、算出した暖機運転時間の経過が確認されると、Ｓ１７で暖機運転を終了してＳ１８で軸受診断を開始する。

この軸受診断は、例えば、主軸モータへの通電を停止させて惰性回転を行い、主軸４の停止が確認されるまで回転数と温度とを計測し、計測した回転数に基づき、摩擦トルクや転がり速度、軸受予圧等を算出して軸受特性を求め、その軸受特性を記憶装置１３に予め記憶した基準の軸受特性と比較して異常の有無を判定することで行われる。
診断の結果、Ｓ１９で軸受６が異常と判定したら、Ｓ２０で表示装置１４にその旨を表示して異常発生を報知し、異常がなければ異常診断を終了する。

このように、上記形態の工作機械１及び暖機運転時間の決定方法によれば、通常運転時に取得した温度時定数に基づいて暖機運転時間を決定し、その暖機運転時間に従って暖機運転を行っているので、適切な暖機運転時間を低コストで決定して不必要な暖機運転時間を解消できる。よって、効率的な軸受の異常診断が可能となる。

なお、上記形態では、通常運転時の指定回転数の場合にのみ温度時定数を算出するようにしているが、全ての回転数の場合に温度時定数を算出するようにしてもよい。
また、温度時定数から推定した熱変位飽和時間から暖機運転時間を決定する割合は、８９％に限らず、それより高い割合としてもよく、割合でなく熱変位飽和時間をそのまま暖機運転時間とすることもできる。
さらに、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暖機運転時間の決定及び軸受診断は可能である。

１・・工作機械、２・・主軸装置、３・・主軸ハウジング、４・・主軸、５・・工具、６・・軸受、７・・回転速度検出器、８・・温度センサ、９・・制御装置、１０・・軸受診断装置、１１・・計測装置、１２・・演算装置、１３・・記憶装置、１４・・表示装置。

Claims (8)

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と、前記回転軸の回転を制御する制御手段と、前記軸受の温度を検出する温度検出手段と、前記制御手段によって前記回転軸を所定の回転数で、且つ前記温度検出手段による検出温度が定常状態となるまでの時間で回転させる暖機運転を行った後、前記軸受の異常を検知する軸受診断を実行する軸受診断手段とを備えた工作機械において、前記暖機運転の時間を決定する方法であって、
   前記軸受診断の実行前の通常運転時に、前記温度検出手段によって前記軸受の温度を検出する温度検出ステップと、
   検出された前記軸受の温度変化と前記回転軸の回転数とに基づいて、前記通常運転時の温度時定数を算出する温度時定数算出ステップと、
   算出された前記温度時定数を記憶する記憶ステップと、
   前記暖機運転を行う際に、記憶された前記温度時定数に基づいて前記所定の回転数での前記暖機運転の時間を決定する時間決定ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械における軸受診断前の暖機運転時間の決定方法。
2. 前記温度検出ステップは、前記所定の回転数での通常運転時にのみ実行し、
   前記温度時定数算出ステップでは、前記所定の回転数での温度上昇変化から前記所定の回転数での温度時定数を算出することを特徴とする請求項１に記載の工作機械における軸受診断前の暖機運転時間の決定方法。
3. 前記時間決定ステップでは、前記温度時定数から熱変位飽和時間を推定し、推定した前記熱変位飽和時間の任意の割合として前記暖機運転の時間を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械における軸受診断前の暖機運転時間の決定方法。
4. 前記任意の割合は、８９％以上であることを特徴とする請求項３に記載の工作機械における軸受診断前の暖機運転時間の決定方法。
5. 回転駆動する回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置と、前記回転軸の回転を制御する制御手段と、前記軸受の温度を検出する温度検出手段と、前記制御手段によって前記回転軸を所定の回転数で、且つ前記温度検出手段による検出温度が定常状態となるまでの時間で回転させる暖機運転を行った後、前記軸受の異常を検知する軸受診断を実行する軸受診断手段とを備えた工作機械であって、
   前記軸受診断の実行前の通常運転時に、前記温度検出手段によって前記軸受の温度を検出し、検出された前記軸受の温度変化と前記回転軸の回転数とに基づいて、前記通常運転時の温度時定数を算出する温度時定数算出手段と、
   算出された前記温度時定数を記憶する記憶手段と、
   前記暖機運転を行う際に、記憶された前記温度時定数に基づいて前記所定の回転数での前記暖機運転の時間を決定する時間決定手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械。
6. 前記温度時定数算出手段では、前記所定の回転数での通常運転時にのみ前記軸受の温度を検出し、前記所定の回転数での温度上昇変化から前記所定の回転数での温度時定数を算出することを特徴とする請求項５に記載の工作機械。
7. 前記時間決定手段は、前記温度時定数から熱変位飽和時間を推定し、推定した前記熱変位飽和時間の任意の割合で前記暖機運転の時間を決定することを特徴とする請求項５又は６に記載の工作機械。
8. 前記任意の割合は、８９％以上であることを特徴とする請求項７に記載の工作機械。

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