JP6764516B1 - 工作機械および表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボールねじの状態を分かり易く視覚化すること。【解決手段】工作機械であって、暖機運転中の振動、音、ボールねじを駆動するために印加される電流、熱、光および動力値の少なくともいずれか一つの検知値を検知する検知部と、検知部で検知した検知値から第１特徴量と第２特徴量とを抽出する特徴量抽出部と、第１特徴量に係る数値を第１軸とし第２特徴量に係る数値を第２軸とした平面上に、検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも２つの境界線と、を表示する表示部と、を備えた。【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械および表示装置に関する。
上記技術分野において、特許文献１には、ボールねじに加わる総エネルギー値Ａが、寿命エネルギー値Ｂを越えた際に（Ａ≧Ｂ）、ボールねじの寿命の限界と判定する技術が開示されている。
特開２０００−２３８１０６号公報
しかしながら、上記文献に記載の技術では、ボールねじの状態を分かり易く視覚化することが難しかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る工作機械は、
ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部と、
前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出する算出部と、
前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された第１境界線及び第２境界線と、を表示する表示部と、
を備え、
前記第２境界線は、前記第１境界線を囲むように前記表示部に表示される工作機械である。
上記目的を達成するため、本発明に係る他の工作機械は、
ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部と、
前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出する算出部と、
前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも２つの境界線と、を表示する表示部と、
前記表示部に表示された前記少なくとも２つの境界線のうち、選択された前記境界線の形状を変更する補正を行う補正部と、
を備えた工作機械である。
上記目的を達成するため、本発明に係る表示装置は、
ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部を有する工作機械から検出された検知値から第１特徴量と第２特徴量とを抽出し、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表示する表示装置であって、
前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出し、前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された第１境界線及び第２境界線と、を表示する際に、前記第２境界線を、前記第１境界線を囲むように表示する表示装置である。
上記目的を達成するため、本発明に係る他の表示装置は、
ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部を有する工作機械から検出された検知値から第１特徴量と第２特徴量とを抽出し、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表示する表示装置であって、
前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出し、前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも２つの境界線と、を表示する表示部と、
前記表示部に表示された前記境界線の線を選択し、選択した線の形状を変更する補正を行う補正部と、
を備えた表示装置。
本発明によれば、ボールねじの状態を分かり易く視覚化することができる。
第１実施形態に係る工作機械の構成を示す図である。 第２実施形態に係る工作機械の外観およびボールねじを説明するための図である。 第２実施形態に係る工作機械の前提技術による１次元グラフの一例を示す参考図である。 第２実施形態に係る工作機械の内部構成を示す図である。 第２実施形態に係る工作機械の補正部による補正前後の２次元マップの変化の様子を説明する図である 第２実施形態に係る工作機械の特徴量抽出部による特徴量の抽出について説明するための図である。 ２次元マップにおける点の軌跡を説明するための図である。 第２実施形態に係る工作機械が有するテーブルの一例を示す図である。 第２実施形態に係る工作機械の処理手順を説明するフローチャートである。 第２実施形態に係る工作機械の表示部について説明するための図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての工作機械１００について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る工作機械１００の構成を説明するための図である。
図１に示すように、工作機械１００は、検知部１０１、特徴量抽出部１０２および表示部１０３を含む。検知部１０１は、暖機運転中の振動、音、ボールねじ１１０を駆動するために印加される電流、熱、光および動力値の少なくともいずれか一つの検知値を検知する。特徴量抽出部１０２は、検知部１０１で検知した検知値から第１特徴量と第２特徴量とを抽出する。表示部１０３は、第１特徴量に係る数値を第１軸１３４とし第２特徴量に係る数値を第２軸１３５とした平面上に、検知値をプロットした点（図中、Ｔ１〜Ｔ１６）と、ボールねじ１１０に異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも２つの境界線１３２，１３３と、を表示する。
表示部１０３に表示された第１境界線１３２の内側に表示された点（図中、Ｔ１〜Ｔ１０）は、ボールねじ１１０が正常に動作していることを示している。また、境界線１３２および境界線１３３の間に表示された点（Ｔ１１〜Ｔ１４）は、正常に稼働しているが、加工に影響のない軽微な異常（ボールねじ破損による精度低下の予兆と考えられる異常）が発生する可能性があることを示している。さらに、境界線１３３の外側に表示された点（Ｔ１５〜Ｔ１６）は、加工精度に影響がある異常が発生する可能性があることを示している。ここで示した境界は、任意に設定できる。そのため、正常に稼働していることを示している領域を複数の境界線で区切って表示し、一番外側に位置する領域を異常が発生することを示すような境界の設定でもよい。
本発明における工作機械１００は、図１に示す形態に限らず、材料を付着することで加工する付加加工（Additive Manufacturing）の機械、材料を除去する除去加工（Subtractive Manufacturing）の機械、レーザなどの光を照射して加工する機械でもよい。具体的には、旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤、歯切り盤、研削盤、多軸加工機、レーザ加工機、積層加工機等が含まれる。これらは、金属、木材、石材、樹脂等のワークに対して、旋削、切断、穿孔、研削、研磨、圧延、鍛造、折り曲げ、成形、微細加工、積層加工等の各種の加工を施すものである。これらの加工を組み合わせた複合機も含まれる。
本実施形態によれば、ボールねじに異常が発生する可能性を２次元マップとして表示するので、ボールねじの状態を分かり易く視覚化することができる。また、ボールねじに異常が発生する可能性を的確に判断することができるので、ボールねじの破損等を未然に防ぐことができ、例えば、ボールねじの交換による生産性の低下を防止できる。
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る工作機械について、図２乃至図５を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る工作機械の外観およびボールねじを説明するための図である。第２実施形態の工作機械２００について、複合機を用いて説明する。工作機械２００は、ボールねじ２１０、ステージ２１１およびモータ２１２を有する。モータ２１２の回転がボールねじ２１０に伝わり、ボールねじ２１０の回転駆動力によりステージ２１１が往復移動する。ステージ２１１を往復移動させることにより、ステージ２１１に載置された工作対象物を所望の位置へと移動させることができる。ボールねじ２１０とは、ねじ軸、ナット、ボールなどから構成される機械要素部品のひとつであり、直線運動を回転運動に変換、または回転運動を直線運動に変換するためのものである。
図３Ａは、本実施形態の前提技術としての１次元グラフの一例を示す図である。図３Ａには、縦軸３５６にモータ２１２に印加された電流値、横軸３５７に時間Ｔ１〜Ｔ１６を設定したグラフ３５１が表示されている。このようなグラフを用いる場合、破損のタイミングをＴ１６とすると、実際にはＴ１５のタイミングが、適正なアラートのタイミングである。しかし、Ｔ１５のタイミングを検出しようとすると、閾値３５８をあらかじめ定める必要がある。そうすると、閾値３５８を超えたＴ９のタイミングで、ボールねじ２１０の交換を促すことになる。このため、まだボールねじ２１０を使用できるのにも関わらず、ボールねじ２１０を交換することになり、Ｔ９〜Ｔ１５の時間分だけ、無駄が生じてしまう。つまり、ボールねじ２１０の交換頻度が多くなるため、生産性が低下する。
図３Ｂは、本実施形態に係る工作機械２００の内部構成を示す図である。工作機械２００は、検知部３０１、特徴量抽出部３０２、表示部３０３、補正部３０４、操作部３０５、境界データ保持部３０６、異常判定部３０８および境界データ生成部３０９を有する。工作機械２００は、検知部３０１が検知した検知値に基づいて、表示部３０３において、ボールねじに異常が発生する可能性を判断するための２次元マップ３３１を表示する。
検知部３０１は、工作機械２００の暖機運転において、モータ２１２を回転させるために印加される電流値を検知し、検知値（sensed value）として出力する。検知部３０１は、具体的には、三相交流のＵＶＷ相に設けられた電流センサと計測した電流値をデジタルデータに変換するＡＤコンバータとを含む。例えば、ＡＤコンバータのサンプリング周波数を２ｋＨｚとして、１６ｂｉｔの信号に変換する。このとき、２５６点の時系列データを取得でき、１２８ｍｓｅｃごとに入力データとすることができる。
ここで、暖機運転とは、機械を始動した直後などに低負荷での運転を一定時間行うことをいう。暖機運転は、低負荷での運転により機械の構成部品同士の馴染みを促がし、各部の働きを滑らか、かつ確実にするために行われる。低回転、低負荷の運転により、潤滑油を各部へ行き渡らせ、機械が本来の性能を発揮できる状態になるように部品同士の間隙（クリアランス）を適正な状態へ導くことができる。
検知部３０１は、ＡＤコンバータから出力されたデジタル電流値に対し、式（１）の変換式を用いて、Ｑ軸電流ｉqとＤ軸電流ｉdとを算出する。
上の式において、Ｑ軸電流ｉqは実効電流、Ｄ軸電流ｉdは無効電流である。検知部３０１は、Ｑ軸電流ｉqを検知値として特徴量抽出部３０２に送る。
特徴量抽出部３０２は、周波数分解部３２１、正規化部３２２および次元圧縮部３２３を有する。周波数分解部３２１は、例えば、フーリエ変換などを用いて、検知部３０１から受け取った検知値から周波数成分を抽出する。正規化部３２２は、周波数分解された後のデータを正規化する。次元圧縮部３２３は、正規化されたデータの次元を圧縮して２次元の特徴量（第１特徴量成分と第２特徴量成分とを有するデータ）を生成する。特徴量抽出部３０２は、所定のプログラムを実行するためのプロセッサである。
表示部３０３は、次元圧縮部３２３で抽出した２次元の特徴量データに基づいて、ボールねじ２１０に異常が発生する可能性を表す２次元マップ３３１を表示する。２次元マップ３３１は、次元圧縮部３２３で生成される第１特徴量を第１軸３３２とし、第２特徴量を第２軸３３３とした平面を含む。その平面上に、検知値の特徴量をプロットする（Ｔ１〜Ｔ１６）。さらに表示部３０３は、ボールねじ２１０に異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された境界線（この例では３つの境界線３３４〜３３６）を画面に表示する。本実施形態で「異常」とは、ボールねじ２１０の破損を意味する。
２次元マップ３３１は、プロットされる検知値の特徴量が、最も内側の境界線３３４の中心から外側に遠ざかれば遠ざかるほど異常が発生する可能性が高くなることを示している。
例えば、境界線３３４の内側にプロットされた検知値の特徴量（Ｔ１，Ｔ８，Ｔ９・・・）は、異常が発生する可能性が極めて低いため正常な動作状態であると判断できる。つまり、２次元マップ３３１を見たユーザは、境界線３３４の内部にのみ検知値の特徴量を表す点が表示されていれば、安心して工作機械２００を稼働させられる。
検知値の特徴量を表わす点が、境界線３３４および境界線３３５の間にあれば、ユーザは異常が発生する可能性は低いが所定値以上ある動作状態と判断し、注意深く工作機械２００を稼働させればよい。例えば、工作機械の内部の切り屑を清掃することや、潤滑油の確認・注入を行うこと、モータ２１２の回転数をボールねじ２１０の破損の発生し難い回転数に設定することができる。また、ユーザは、境界線３３４および境界線３３５の間に検知値の特徴量があれば、ボールねじ２１０の交換などを検討し始めるべきである。
例えば、２次元マップ３３１を参照すると、Ｔ１１〜Ｔ１４は境界線３３４の外側の点であるため、工作機械２００の稼働中に異常が発生する予兆である可能性が高い。点Ｔ１５は、境界線３３５の外側であるため、即座にボールねじ２１０の交換が必要であることが分かる。このように、２次元マップ３３１を表示することにより、グラフ３５１よりも正確に、実際に切削精度の低下が現れる前にボールねじ２１０の交換のタイミングを判断できる。
また、点の軌跡を見ることにより、工作機械２００に長期的に発生する可能性のある異常の兆候などを容易に把握することができるので、ユーザは工作機械２００の中長期的なメンテナンス計画や消耗品の調達計画を立てることができる。
さらに、例えば、検知値の特徴量が、境界線３３６の外側にプロットされていれば、即座にボールねじ２１０の破損が発生する可能性が高いと考えられるため、ボールねじ２１０の交換を迅速に行なうべきである。
表示部３０３は、検知部３０１が検知値を検知する度に、検知値の特徴をプロットした点を追加的に表示し、同時に正常異常の判定基準となる境界線を表示する。
表示部３０３は、例えば工作機械２００の一部として設けられたディスプレイでもよいし、工作機械２００の外部にあるディスプレイでもよい。また、プロジェクタを用いてスクリーンに２次元マップ３３１を投影してもよい。この場合、表示装置は、暖機運転中の検知値として検知された振動、音、ボールねじ２１０または主軸に印加される電流、熱、光および動力値の少なくとも一つから抽出された特徴量に基づいて、ボールねじ２１０に異常が発生する可能性を２次元マップ３３１として表示する。２次元マップ３３１に関する情報は、表示装置側が保持していてもよい。
補正部３０４は、ユーザからの指示に従い表示部３０３により表示された２次元マップ３３１の補正を行う。具体的には、図３Ｃに示したように、補正部３０４は、左下側に広げる方向に、２次元マップ３３１の境界線３３４の形状の補正を行う。ユーザは、境界線３３４を広げることにより、正常な検知値の範囲を広くすることができる。正常、異常の判定ができるベテランユーザなどが境界線３３４の形状を補正することにより、その機械を使う他のユーザが、ベテランユーザの判断に準ずることができる。図３Ｃの例では、点Ｔ１２〜Ｔ１４が境界線３３４の内部に収まるように、境界線３３４を広げるように補正した例を示している。
工作機械２００の工場出荷時に取得した検知値と、工作機械２００をユーザの工場などに配置した状態で取得した検知値とでは、描画される２次元マップ３３１の境界線３３４〜３３６に違いが生じる場合がある。すなわち、工作機械２００による動作条件が常に同じになるとは限らない。
例えば、工作対象物の重量はそれぞれ異なるため、どの工作対象物を工作するかにより、ボールねじ２１０の破損の可能性を示す２次元マップ３３１の境界線３３４〜３３６の形状が異なる。そこで、描画された２次元マップ３３１の境界線３３４〜３３６の形状に補正を加えることができる構成とすることにより、ユーザの使用環境に合わせた２次元マップ３３１を表示できる。
なお、補正の方法は、例えば、ユーザが、マウスなどの操作部３０５を用いて、境界線３３４〜３３６の一部をドラッグして、境界線３３４〜３３６の形状を変更させてもよい。また、キーボードなどの操作部３０５を用いて、数値を入力することにより境界線３３４〜３３６の形状を変更させてもよい。また、補正後の境界線に関するデータをクラウド上に保存して、他の工作機械と共有してもよい。
異常判定部３０８は、特徴量抽出部３０２が抽出した検知値の特徴に基づいて、異常であるか否かを判定する。異常判定部３０８は、判定結果を境界データ生成部３０９に渡す。
境界データ生成部３０９は、異常判定部３０８において、正常と判定された点と、異常と判定された点との間に境界線を生成する。
境界データ保持部３０６は、表示部３０３に表示される２次元マップ３３１の境界線３３４〜３３６のデータを保持している。補正部３０４は、境界データ保持部３０６が保持する境界線３３４〜３３６のデータを変更することで、境界線３３４〜３３６の形状の補正を行う。
（特徴量抽出処理）
ここで、図３Ｄを参照して、特徴量抽出部３０２による特徴量の抽出方法について詳細に説明する。周波数分解部（図中ＦＦＴ）３２１は、工作機械２００による暖機運転中に検知部３０１が検知した電流値の周波数成分を抽出して、周波数スペクトルを生成する。周波数分解は、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）により行われるが、これには限定されない。
一般に任意の周期的な時系列データｙtは、様々な周期の三角関数の和として考えることができる。これをフーリエ級数展開と呼び、基本周期がＴ0［ｓ］の観測値ｙtのフーリエ級数は、複素数を用いると式（２）のように表せる。
ここで、ω0＝２πｆ0［ｒａｄ／ｓ］は基本角周波数、ｆ0＝１／Ｔ0［Ｈｚ］は基本周波数である。複素フーリエ係数ｃnは、以下の式（３）で求められる。
電流データのサンプリングタイムをｄ、ウインドウ長さをｎとしたとき、最大周波数ｆmaxと周波数分解能Δｆは、以下の式（４）および（５）で表される。
例えば、サンプリング周波数が２ｋＨｚでウインドウ長さが２５６点の場合、ＦＦＴ後の最大周波数ｆmaxは、１ｋＨｚとなり、周波数分解能Δｆは、７．８１２５Ｈｚとなる。つまり、２５６点の時系列データは、ＦＦＴすると１２８点のベクトルで表現することができ、このベクトルが次のオートエンコーダに対する入力となる。なお、１２８点のベクトルは、正規化部３２２において、正規化され、次元圧縮部３２３へ送られる。
次元圧縮部３２３は、オートエンコーダ３６１、ＰＣＡ（Principal Component Analysis、主成分分析）３６２を用いて、次元圧縮を行う。オートエンコーダ３６１は、機械学習におけるニューラルネットワークを使用した次元圧縮のためのアルゴリズムであり、入力サンプルの次元数よりも圧倒的に少ない次元数の特徴を抽出することができるアルゴリズムである。
本実施形態では、印加電流値を周波数分解部３２１により、複数次元のベクトル（ここでは、１２８次元）で表現したデータに周波数分解する。そして、周波数分解された複数次元のベクトル（１２８次元）を次元圧縮部３２３の入力としている。次元圧縮部３２３のオートエンコーダ３６１の中間層を低次元に設定することで、複数次元のベクトル入力を低次元に次元圧縮している。オートエンコーダ３６１は、一般的に、３層ニューラルネットにおいて、入力層と出力層に同じデータを用いて、入力層から中間層に圧縮した後、出力層に復元することを繰り返し、再現率の高い中間層を導き出すものである。ここでは、中間層を６４次元に設定している。つまり、次元圧縮部３２３に入力された１２８次元のベクトルは、特徴をできるだけ維持したまま６４次元に圧縮される。例えば、ＦＦＴ後のベクトルが１２８次元の場合、オートエンコーダ３６１により６４次元や１０次元にすることができる。以下にオートエンコーダ３６１の学習と学習済みのモデルとを用いた処理について説明する。
（ｉ）オートエンコーダの学習
実験番号βの印加電流波形のＦＦＴデータｘβは、以下の式（６）のようにＲ次元のベクトルの集合で表される。
ここで、
は、実験番号βのｒ番目の区間、Ｒは区間総数である。
すると、エンコーダ部は、以下の式（７）で表される。
また、デコーダ部は、以下の式（８）で表される。
ここで、Ｗ’は、Ｗの転置行列であるため、求めるパラメータは、Ｗ、ｂ、ｂ’の３つとなる。
このように、
は、元信号
に類似したものとなる。
例えば、最適化手法にＡｄａｍ（Adaptive moment estimation）を用いると、直前のステップｔ−１までの勾配の２乗の移動平均νt＝Ｅ［ｇ2］tと勾配の移動平均ｍt＝Ｅ［ｇ］tは、以下の式（９）のように表すことができる。
ここで、β1、β2∈［０，１）はハイパーパラメータであり、例えば、Ａｄａｍの推奨値である下記の値を用いてもよいが、推奨値を基準に調整してもよい。
β1＝０．９
β2＝０．９９９
ここで、ν0＝０で初期化したとすると、以下の式（１０）が得られる。
つまり、２次モーメントνtの移動平均Ｅ［νt］と真の２次モーメントＥ［ｇ2 t］の関係性は、以下の式（１１）で表される。
ここで、ζ＝０と近似できるようにハイパーパラメータの値を設定すれば、
が求められる。以上より、
がパラメータ更新式となる。バイアスのｂ、ｂ’においても同様の手順で導出することが可能である。
（ｉｉ）オートエンコーダの処理
学習したオートエンコーダのエンコーダを次元圧縮に用いる。
例えば、ＦＦＴ後のベクトルが１２８次元の場合で、中間層を６４次元に設定してオートエンコーダを学習させた場合、１２８次元の入力
から次元圧縮された６４次元の
が出力される。
ＰＣＡ（Principal Component Analysis；主成分分析）は、主成分を用いてデータをより低い次元で表現する手法である。入力を任意の次元数のデータに次元圧縮して出力することが可能である。
（ｉ）学習
入力のデータ行列をＸ、単一のデータ点を含む列ベクトルをｘとする。データの分散最大化問題を定式化すると、
と表される。この式（１５）を行列とベクトルとの形式で書き直すと、
となる。つまり、ｗのノルムが１となる拘束条件を満たした上で、出力Ｘｗが最大になるｗを求める。その答えはＸの特異値分解にある。ｋ次元の主成分をＶ、ｗ、データ行列をＷとすると、
Ｗ＝Ｖｋ
である。ここで、ｋは、主成分Ｖに含まれる相関のない変数群の個数である。よって、次元圧縮後のベクトルをＺとすると、射影座標のベクトルは、
Ｚ＝ＸＶｋ
と表される。
（ｉｉ）処理
学習により求めた主成分Ｖを用いて、次元圧縮を行う。例えば、オートエンコーダ処理後のベクトル次元が６４次元の場合、６４次元の入力Ｘ64を２次元のベクトルＺ2に次元圧縮するように設定できる。
Ｚ2＝Ｘ64Ｖ2
より、６４次元のＸ64を入力すると主成分Ｖ2により２次元ベクトルＺ2が出力される。ベクトルＺ2の２つのベクトル成分が第１特徴量および第２特徴量に相当する。ベクトルＺ2の２つの成分を第１軸および第２軸として２次元マップへプロットする。
ＳＶＭ（Support Vector Machine）３６３は、本来２クラス分類を目的としたパターン認識手法であり、ＳＶＭ３６３ではマージンを最大化する最適な分離超平面を求める。ここで、マージンとは分離超平面に最も近いサンプルと分離超平面との距離である。最大化されたマージン（距離）は、ｆ（ｘ）で表わされる。
ＳＶＭ３６３は、Ｏｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭ（One Class SVM）であり、通常のＳＶＭを拡張したもので、正常データを非負値に、異常データを負値に写像するモデルを構築する。すなわち、Ｏｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭは、大多数が正常であるようなデータの集合をもとに学習をおこない、未知のデータが正常であるのか、異常であるのかを判定する手法である。一般には正常に作られた製品や正常な状態のデータは多く入手できても、異常な製品や異常な状態のデータはあまり入手できない。そのようなケースに対してＯｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭを適用することが可能である。
（ｉ）学習
モデル構築用データが線型分離不可能な場合、ＳＶＭでは非線形関数を用いてモデル構築用データを高次元空間に写像し、高次元空間内で分離超平面を求める。これは、オリジナルの低次元空間において、非線形な分離境界を求めることに等しい。高次元空間へはカーネル関数Ｋを用いて写像される。
ここで、ｘiが第１特徴量であり、ｘjが第２特徴量である。また、φは非線形関数である。ＳＶＭモデルによって決まる距離ｆ（ｘ）は以下の式（１８）で表される。
ここで、ｗは重みベクトルであり、ｂはバイアスである。ここで新しいサンプルｘは、ｆ（ｘ）の符号によって識別することができる。Ｏｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭにおけるモデル構築は、モデル構築用の正常データを同一クラスに、そして原点を他方のクラスとみなした場合のＳＶＭとして定式化される。つまり、Ｏｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭにおけるマージンとは、原点と原点に最も近いサンプルとの距離として定義され、そのマージン最大化問題は以下の式（１９）のように定式化される。
ここでξi（ｉ＝１，・・・，Ｎ）は、スラック変数であり、ν∈（０，１）は構築したＯｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭモデルでモデル構築用データを識別した場合のエラー率である。ここで、Ｌａｇｒａｎｇｅ乗数αi≧０およびηi≧０を導入すると、この最適化問題は、以下の式（２０）のように書き直される。
Ｌａｇｒａｎｇｅの未定乗数法により、以下の式（２１）を導くことができる。
整理すると、この問題は以下のような双対形式の式（２２）で表現できる。
この最適化問題は標準的な２次計画問題として解くことができる。最終的にＯｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭモデルによって決まる距離ｆ（ｘ）は、以下の式（２３）で表される。
通常、異常検知モデルのような識別モデルを構築するには、正常データと異常データとの両方が必要である。しかし、Ｏｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭでは、上記式（２３）で分かるとおり、正常データのみから識別モデルを構築できる。
上述したようにＯｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭは、超平面との距離ｆ（ｘ）を出力する。距離ｆ（ｘ）に基づいて、正常、異常を判定できる。距離ｆ（ｘ）は異常なデータほど負に大きな値をとり、正常なデータほど正に大きな値をとる。
ここで、境界データ生成部３０９は、距離ｆ（ｘ）が小さいデータ、つまり、異常なデータを外れ値とし、境界線を生成する。
例えば、学習データの中に０．２％の異常値が含まれると仮定した場合、異常判定部３０８は、距離ｆ（ｘ）の小さい順に上位０．２％を外れ値とし、正常範囲を作成することができる。
（ｉｉ）処理
学習させたＯｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭにＰＣＡで次元圧縮したデータを入力することで、上記の式（２３）より、出力ｆ（ｘ）が得られる。
異常判定部３０８は、異常度スコアｇ（ｘ）として、出力ｆ（ｘ）を正負逆転させたものを用いており、
ｇ（ｘ）＝−ｆ（ｘ）
と表される。つまり、異常判定部３０８は、異常度スコアｇ（ｘ）が負の値の場合は正常、０以上の場合は異常と判定する。
境界データ生成部３０９は、異常度スコアｇ（ｘ）により正常と判定された点と、異常と判定された点との間に境界線を生成し、境界データとして、境界データ保持部３０６に保存する。
このように、本実施形態においては、検知した検知値の次元を一旦圧縮して（１２８次元→６４次元→２次元）、正常か異常かを判断し易くして、正常と異常との線引きをしている。もちろんこれに限定されるものではなく、１２８次元のデータをもとにＯｎｅ Ｃｌａｓｓ ＳＶＭを用いて、正常か異常かの判断をさせ、それとは別に次元の圧縮（１２８次元→６４次元→２次元）をして２次元平面にプロットしてもよい。この場合、処理時間がかかるが正常か異常かの判断は、２次元データを用いるよりも精度がよくなる。
また、次元圧縮の手法として、ＰＣＡ３６２を用いたが、ＰＣＡ３６２の代わりに、例えば、ＶＡＥ（Variational Auto Encoder）を用いてもよい。また、ＰＣＡ３６２を用いないでオートエンコーダ３６１のみを用いて２次元まで圧縮してもよい。
なお、次元圧縮の手法はここに示した手法には限定されず、様々な手法を組み合わせて用いてもよい。また、ここに示した例は、ボールねじ２１０の破損についての２次元マップ３３１の作成についての例であるが、ベアリングの破損についても、最初に取得する検知値が異なっているだけで、その後の処理は、同様に行うことができ、同様の２次元マップ３３１を作成できる。例えば、ベアリングの破損の予兆を捉えたい場合には、暖機運転中に発生する音や振動のデータを検知値として取得すればよい。
図４は、２次元マップ３３１における点の軌跡を説明するための図である。上、中、下、いずれの２次元マップ３３１も、正常範囲内に点が存在しているが、軌跡４１１、４２１に比べて、軌跡４３１は、徐々に境界線の中心から離れる方向に移動しているため注意が必要である。すなわち、２次元マップ３３１によれば、従来の１次元の表示に比べて、ボールねじの動作状態の変化をより正確に把握することが可能となる。
図５は、本実施形態に係る工作機械２００が有するテーブル５０１の一例を示す図である。テーブル５０１は、２次元マップ３３１としてマッピングしたいマッピング対象５１１に関連付けて検知値５１２を記憶する。ボールねじ破損、ベアリング破損のそれぞれについて、取得分析すべき検知値５１２として、モータ２１２に印加される電流や、音や、振動や、トルクなどが記憶されている。工作機械２００は、テーブル５０１を参照して２次元マップ３３１を表示するために取得すべきデータを判定する。
以上説明したような工作機械２００は、ハードウェアとして、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびストレージを有する。工作機械２００は、ＲＡＭに本実施形態の実現に必要なデータを読み出し、ＣＰＵにより実行する。ストレージには、データベースや各種のパラメータ、データ、プログラム、モジュールが記憶される。
図６は、本実施形態に係る工作機械２００の処理手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに従ったプログラムを、ＣＰＵが実行することにより、図３Ｂに示した各機能構成が実現される。
ステップＳ６０１において、検知部３０１は、暖機運転中の検知値として、振動、音、モータ２１２または主軸に印加される電流、熱、光および動力値の少なくともいずれか一つの検知値を検知する。ステップＳ６０３において、特徴量抽出部３０２は、検知した検知値の特徴量の次元を減らし、第１特徴量と第２特徴量とを抽出する。ステップＳ６０５において、表示部３０３は、第１特徴量を第１軸３３２とし、第２特徴量を第２軸３３３とした平面上に、検知値をプロットした２次元マップ３３１の画面を生成する。さらに、表示部３０３は、ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された３つの境界線３３４〜３３６を生成する。
ステップＳ６０７において、表示部３０３は、作成された２次元マップ３３１をディスプレイに表示する。ステップＳ６０９において、補正部３０４は、境界線形状の補正を行うか否かを判断する。境界線形状の補正を行わない場合（ステップＳ６０９のＮＯ）、工作機械２００は、処理を終了する。境界線形状の補正を行う場合（ステップＳ６０９のＹＥＳ）、ステップＳ６１１へ進む。ステップＳ６１１において、表示部３０３は、境界線形状を補正した２次元マップ３３１を表示する。
なお、本実施形態の説明においては、検知部３０１が、電流値を検知する例で説明したが、検知部３０１が検知するのは電流値には限定されず、例えば、振動、音、熱、光および加工時に発生する動力のそれぞれの値であってもよい。
本実施形態によれば、暖機運転中の検知値を検知して、２次元マップを表示するので、工作機械の現在の状態を視覚的に容易に把握できる。また、工作機械の工場出荷時の状態の検知値を検知しておけば、出荷時の状態から、今現在どの段階まで工作機械の状態が進行しているかを視覚的に把握できる。例えば、工作機械のサービスマンは、定期点検などのタイミングで、ユーザに対して、２次元マップを見せながら、ボールねじの交換のタイミングを提案することができる。また、サービスマンは、ユーザに対して、ボールねじの劣化の状態を見せることができる。そして、ボールねじの劣化の原因が、切りくずの詰まりによるものなのか、傷によるものなのかなども分かるので、サービスマンは、ユーザに対してより適切な提案をすることができる。
また、例えば、工作機械に何かをぶつけることにより、ボールねじの状態が劣化し、加工精度が低下することがあるが、工場出荷時からの２次元マップを見ることにより、加工精度の低下の原因を明らかにできる。つまり、その原因が、工作機械の初期不良によるものなのか、後発的な不良によるものなのかを明確にでき、工作機械メーカ側の責任なのか、ユーザ側の責任なのかをはっきりさせることができる。さらに、暖機運転中の検知値を検知して、検知した検知値を蓄積しておけば、サービスマンやユーザは、必要なときに２次元マップを見ることも可能である。
なお、表示部３０３は、１画面に複数の２次元マップを並列に表示してもよい。例えば、表示部３０３は、１つの画面にボールねじ２１０の破損についての２次元マップおよびベアリングの破損についての２次元マップを同時に表示してもよい。そのように、複数の２次元マップを同時に表示すれば、各種の異常の発生の可能性を１つの画面上で確認することができる。
また、図７に示したように、表示部７０３は、タッチスクリーンを備え、表示された２次元マップ３３１の点「Ｔ１０」をタッチ（またはマウス等でクリック）すると、点Ｔ１０に関する情報（日時、検知値、工具種、使用可能時間、加工条件など）が表示される。このように、検知値をプロットした点を選択することにより、その検知値に関連する情報をスクリーン上に表示することで、より詳細な動作状態を知ることができる。これにより、数秒前や数分前の動作状態を把握することができる。また、２次元マップにおける過去の動作状態を示す点の位置と、その点の検知値や加工条件などを参考にして、次の加工の加工条件を選択することができる。
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に供給され、内蔵されたプロセッサによって実行される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、プログラムを実行するプロセッサも本発明の技術的範囲に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の技術的範囲に含まれる。

Claims (6)

  1. ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部と、
    前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出する算出部と、
    前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された第１境界線及び第２境界線と、を表示する表示部と、
    を備え、
    前記第２境界線は、前記第１境界線を囲むように前記表示部に表示される工作機械。
  2. 前記境界線の形状の補正を行う補正部をさらに備えた請求項１に記載の工作機械。
  3. ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部と、
    前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出する算出部と、
    前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも２つの境界線と、を表示する表示部と、
    前記表示部に表示された前記境界線の線を選択し、選択した線の形状を変更する補正を行う補正部と、
    を備えた工作機械。
  4. 前記表示部は、前記プロットした点を選択すると、前記プロットした点に関連した情報を表示する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の工作機械。
  5. ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部を有する工作機械から検出された検知値から第１特徴量と第２特徴量とを抽出し、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表示する表示装置であって、
    前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出し、前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された第１境界線及び第２境界線と、を表示する際に、前記第２境界線を、前記第１境界線を囲むように表示する表示装置。
  6. ボールねじの動作を伴う暖機運転中においてボールねじを駆動するために印加される電流を検知値として検知する検知部を有する工作機械から検出された検知値から第１特徴量と第２特徴量とを抽出し、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表示する表示装置であって、
    前記検知値を複数のデータに分解し、前記複数のデータの次元を圧縮して２次元の第１算出量と第２算出量とを算出し、前記第１算出量に係る数値を第１軸とし前記第２算出量に係る数値を第２軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記ボールねじに異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも２つの境界線と、を表示する表示部と、
    前記表示部に表示された前記境界線の線を選択し、選択した線の形状を変更する補正を行う補正部と、
    を備えた表示装置。
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