JP6966166B2

JP6966166B2 - 工作機械の送り軸の稼働状態表示装置及び稼働状態表示方法

Info

Publication number: JP6966166B2
Application number: JP2017220247A
Authority: JP
Inventors: 匠北郷
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: CN109773584B; CN109773584A; US10915088B2; DE102018219327A1; JP2019091299A; US20190146454A1

Description

本発明は、工作機械の送り軸の稼働状態を表示する装置及び方法に関するものである。

工作機械の送り軸では、モータの回転運動をボールねじに伝え駆動する方式が多く使用されている。このような方式では、ボールねじ、及びボールねじを支持する軸受に予圧をかけガタを無くすことにより、バックラッシュが発生しないようにし、ロストモーション量を小さくしている。
しかしながら、数年間稼働した機械では、ボールねじや軸受が摩耗し、予圧が抜け、駆動機構に劣化が生じる場合がある。このような状態となると、ロストモーション量が増加し、ワークの加工不良が生じたり、ハンチングしたりするなどの不具合が発生する。したがって、ボールねじや軸受、ガイドといった機械要素は、劣化や破損が生じ、不具合が発生する前に交換されることが望ましい。また、実施機械設備の稼働率向上といった要求から、計画的かつ効率的に交換時期を設定するために、寿命の予測が望まれている。
例えば、ボールねじの理論的な寿命の予測式は、下記の式（１）で表される。

このような寿命は、設計時に、軸方向平均荷重や平均回転数、運転係数をある程度想定した状態から計算されてはいるが、ユーザーにより実際の稼働状態は様々であり、その時々の適切な寿命予測は困難である。そのため、このような問題を解決するために様々な方法、装置が提案されている。
例えば、特許文献１〜４では、実際の稼働状態から荷重や回転速度を算出し、寿命の計算を行う方法が開示されている。

特開平５−１８７９６５号公報特開２０１１−５３８６０号公報特開２０１１−２４７６６０号公報特開２０１３−１１９２１２号公報

一方で、機械の寿命に影響を及ぼす稼働状態には、前記特許文献１〜４で考慮されている荷重や回転速度だけでなく、送り軸の使用位置という要素も含まれる。例えば、量産対応において、テーブルサイズに対して小さなワークを加工している場合や、同平面上に多数の穴加工をおこなう場合など、特定の加工を繰り返す動作が行われていると、その位置の摩耗が多くなり、他の部分は十分に使用可能であるにもかかわらず交換せざるを得なくなる。
これらの状況は、定期的に段取り位置を変更するなど使用方法を工夫することにより、改善することが可能ではあるが、ＡＴＣ（自動工具交換）動作やＡＰＣ（自動パレット交換）動作のための送り軸の移動といった切削以外の動作も多くあるため、送り軸の使用位置が表示されているのみでは、精度等を気にするべき切削に使用している範囲の稼働状態を把握することは困難となっている。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、切削に使用している送り軸の使用位置を監視し、送り軸の稼働状態を的確に把握することができる工作機械の送り軸の稼働状態表示装置及び方法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、サーボモータによりボールねじを介して移動体を直線移動させる送り軸を備えた工作機械において、送り軸の稼働状態を表示する装置であって、
送り軸の軸動作の動作範囲を予め所定数の区分に分割し、各区分それぞれにおいて移動体の通過回数をカウントする通過回数カウント手段と、カウントした通過回数と軸動作の種類とに基づいて、各区分の使用頻度を、軸動作の種類ごとに分類して算出する使用頻度算出手段と、分類して算出した使用頻度を所定の態様でモニタに表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。
本発明において、「軸動作の種類」とは、送り軸を軸動作させる目的及びそのための動作状態（送り速度等）が異なることで区別される軸動作の動作態様を言う。例えば切削を目的とする軸動作と、ＡＴＣ動作やＡＰＣ動作といった切削以外を目的とする軸動作とでは、送り速度が異なる（後者の方が早い）。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、各区分の使用頻度の偏りを示す閾値を、送り軸の寿命と、動作範囲の総区分数における軸動作の種類が切削送りとなる区分数の割合とに基づいて算出する閾値算出手段をさらに備え、表示手段は、算出された閾値を使用頻度と併せてモニタに表示することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、サーボモータによりボールねじを介して移動体を直線移動させる送り軸を備えた工作機械において、送り軸の稼働状態をモニタに表示する方法であって、
送り軸の軸動作の動作範囲を予め所定数の区分に分割し、各区分それぞれにおいて移動体の通過回数をカウントする通過回数カウントステップと、カウントした通過回数と軸動作の種類とに基づいて、各区分の使用頻度を、軸動作の種類ごとに分類して算出する使用頻度算出ステップと、分類して算出した使用頻度をモニタに表示する表示ステップと、を実行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、各区分の使用頻度の偏りを示す閾値を、送り軸の寿命と、動作範囲の総区分数における軸動作の種類が切削送りとなる区分数の割合とに基づいて算出する閾値算出ステップをさらに実行し、表示ステップでは、算出された閾値を使用頻度と併せてモニタに表示することを特徴とする。

本発明によれば、送り軸の動作範囲内で分割された各区分ごとの使用頻度が、軸動作の種類ごとに表示されるので、切削に使用している送り軸の使用位置を監視し、送り軸の稼働状態を的確に把握することができる。よって、段取り位置の変更といった事前の対応が可能となり、局所的な摩耗による不具合により部品の交換が早まることを防ぎ、機械の寿命を最大限に使用できるようになる。

送り軸の位置制御装置及び稼働状態表示装置のブロック図である。送り軸の動作範囲の分割例を示す説明図である。送り軸の稼働状態表示方法のフローチャートである。送り軸の稼働状態の表示例を示すグラフである。送り軸の稼働状態の表示例を示すグラフである。

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、本発明を適用する工作機械の送り軸の位置制御装置のブロック図の一例である。
この位置制御装置においては、ＮＣ装置１０からの位置指令と、サーボモータ７に取り付けられている位置検出器６からの現在位置が加算器１に入力され、演算された位置偏差が位置制御器２に入力される。位置制御器２は、位置誤差量に応じた速度指令値を生成する。速度制御器３は、前記速度指令値と位置検出器６からの現在位置を微分器５により演算した速度検出値とに応じてトルク指令値を生成する。電流制御器４は、入力されるトルク指令値に基づきサーボモータ７の電流を制御する。８はボールねじ、９はテーブル等の移動体である。

ＮＣ装置１０は、位置指令を出力する図示しない送り軸制御部や入力手段の他、位置検出器６で検出された現在位置や、サーボモータ７の制御電流値をはじめ、これらの処理内で使用された情報を記憶する記憶部１１と、稼働状態を表示するモニタ１２とを備えている。
また、記憶部１１では、図２に示すように、送り軸の動作範囲を複数の区分（ここでは１０区分）に分割し、分割線および各区分の範囲を記憶している。送り軸位置の最小単位で分割すると膨大なデータ量となるので、機械サイズに応じて、ストローク量の１０分の１から１００分の１程度の範囲で適宜設定すればよい。ＡＴＣ動作やＡＰＣ動作の時にしか通過しない範囲などがある場合などでは、特に等間隔で分割する必要はない。

さらに、ＮＣ装置１０には、分割した区分を移動体９が通過した回数をカウントして累計する通過回数カウント手段としての通過回数カウント部１３と、カウントした通過回数と軸動作の種類（ここでは切削を目的とした送りと、ＡＴＣ動作等を目的とした早送りとに分類される）とに基づいて、各区分の使用頻度を軸動作の種類ごとに分類して算出する使用頻度算出手段としての使用頻度算出部１４と、ここで分類して算出した使用頻度から所定のグラフを作成してモニタ１２に表示する表示手段としての表示部１５とが設けられている。すなわち、ＮＣ装置１０は送り軸の稼働状態表示装置としても機能するようになっている。

以上の如く構成された稼働状態表示装置における送り軸の稼働状態の算出方法について、図３のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１では、位置検出器６の位置情報をもとに、送り軸位置Ｘ_ｎ（図２で設定した分割線）を通過したか否かを判別する。分割線の通過を確認すると、次のＳ２では、移動方向がプラス方向か否かを判別する。ここでプラス方向の移動であった場合は、Ｓ３で、送り軸の軸動作の種類が、切削送りであるか早送りであるかを判別する。この判別は、例えば送り速度を予め設定された基準速度と比較することで行われる。
ここで軸動作が切削送りであれば、Ｓ４で、その分割線のマイナス側の区分（送り軸範囲Ｘ_ｎ−１〜Ｘ_ｎ）における切削送りの分類に通過回数を加算する。一方、軸動作が早送りであれば、Ｓ５で、その分割線のマイナス側の区分（送り軸範囲Ｘ_ｎ−１〜Ｘ_ｎ）における早送りの分類に通過回数を加算する。

一方、Ｓ２の判別でマイナス方向への移動であった場合は、Ｓ６で、送り軸の軸動作の種類が、切削送りであるか早送りであるかを判別する。
ここで軸動作が切削送りであれば、Ｓ７で、その分割線のプラス側の区分（送り軸範囲Ｘ_ｎ〜Ｘ_ｎ＋１）における切削送りの分類に通過回数を加算する。一方、軸動作が早送りであれば、Ｓ８で、その分割線のプラス側の区分（送り軸範囲Ｘ_ｎ〜Ｘ_ｎ＋１）における早送りの分類に通過回数を加算する。このＳ１〜Ｓ８までが通過回数カウントステップとなる。

次に、Ｓ９で、カウントされた軸動作の分類ごとの通過回数に基づいて、各区分の使用頻度を、軸動作の種類ごとに分類して算出する（使用頻度算出ステップ）。この使用頻度は、通過回数をそのまま表示するほか、軸方向の荷重や送り速度を考慮した係数をかけたパラメータとして算出してもよい。例えば、軸方向の荷重を考慮する場合は、サーボモータ７の負荷から軸方向の荷重を推定し、設計時の想定の平均荷重との比から係数を算出したり、送り速度を考慮する場合は、送り速度の速さと式（１）の運転係数を対応させたりするなどすればよい。

そして、Ｓ１０でモニタ１２への表示指令が入力されると、Ｓ１１で、算出した使用頻度を分類ごとに区別したグラフを作成してモニタ１２に表示する（表示ステップ）。表示指令が入力されなければＳ１に戻って送り軸位置の通過回数のカウントと使用頻度の算出とを繰り返す。
図４に、モニタ１２への表示例を示す。このように切削送りと早送りとが分類されて各区分ごとに表示されることにより、軸使用位置の偏りを避けるためにどの位置にワークを移動させればよいかの検討が容易となる。

このように、上記形態の送り軸の稼働状態表示装置及び方法によれば、送り軸の動作範囲内で分割された各区分ごとの使用頻度が、軸動作の種類ごとに表示されるので、切削に使用している送り軸の使用位置を監視し、送り軸の稼働状態を的確に把握することができる。よって、段取り位置の変更といった事前の対応が可能となり、局所的な摩耗による不具合により部品の交換が早まることを防ぎ、機械の寿命を最大限に使用できるようになる。

なお、上記形態では、表示指令の入力を待ってモニタに使用頻度を表示させるようにしているが、表示のタイミングはこれに限らず、入力を待たずにリアルタイムでモニタに使用頻度を表示させたり、所定の区分に設定した通過回数の設定値や送り軸の総使用時間の設定値への到達を待って定期的に使用頻度を表示させたりしてもよい。
また、例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸といった複数の送り軸を備える工作機械であれば、各送り軸ごとに使用頻度を切替表示したり、全ての送り軸の使用頻度を１つの画面に同時に表示したりすることもできる。

さらに、図５に示すように、閾値を合わせて表示することも可能である。ここでは寿命と判定する閾値と、使用位置の偏りを示す閾値とを表示している。寿命と判定する閾値は、上記式（１）により算出される寿命を送り軸の動作範囲の区分数で割った値を用いるとよい。使用位置の偏りを示す閾値は、例えば下記の式（２）に基づいて算出すればよい（閾値算出ステップ）。
使用位置の偏りを示す閾値
＝寿命と判定する閾値×切削送りの割合が一定以上の区分数／総区分数・・（２）
このように、切削送りで使用される区分に応じて、使用位置の偏りを示す閾値を設定し、表示することにより、送り軸を万遍なく使用するためのガイダンスが行えるようになる。なお、閾値の表示は２つに限らず、使用位置の偏りを示す閾値のみを表示してもよい。

その他、上記形態では、ＮＣ装置に送り軸の稼働状態表示装置を構成しているが、ＮＣ装置とは別の装置として設けてもよいし、工作機械の外部に別体の装置として設けてもよい。また、１つの稼働状態表示装置を複数の工作機械と有線又は無線で接続して、複数の工作機械ごとに送り軸の稼働状態を表示させることもできる。

１・・加算器、２・・位置制御器、３・・速度制御器、４・・電流制御器、６・・位置検出器、７・・サーボモータ、８・・ボールねじ、９・・移動体、１０・・ＮＣ装置、１１・・記憶部、１２・・モニタ、１３・・通過回数カウント部、１４・・使用頻度算出部、１５・・表示部。

Claims

サーボモータによりボールねじを介して移動体を直線移動させる送り軸を備えた工作機械において、前記送り軸の稼働状態を表示する装置であって、
前記送り軸の軸動作の動作範囲を予め所定数の区分に分割し、各前記区分それぞれにおいて前記移動体の通過回数をカウントする通過回数カウント手段と、
カウントした前記通過回数と前記軸動作の種類とに基づいて、各前記区分の使用頻度を、前記軸動作の種類ごとに分類して算出する使用頻度算出手段と、
分類して算出した前記使用頻度を所定の態様でモニタに表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする工作機械の送り軸の稼働状態表示装置。
各前記区分の使用頻度の偏りを示す閾値を、前記送り軸の寿命と、前記動作範囲の総区分数における前記軸動作の種類が切削送りとなる区分数の割合とに基づいて算出する閾値算出手段をさらに備え、前記表示手段は、算出された前記閾値を前記使用頻度と併せて前記モニタに表示することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の送り軸の稼働状態表示装置。
サーボモータによりボールねじを介して移動体を直線移動させる送り軸を備えた工作機械において、前記送り軸の稼働状態をモニタに表示する方法であって、
前記送り軸の軸動作の動作範囲を予め所定数の区分に分割し、各前記区分それぞれにおいて前記移動体の通過回数をカウントする通過回数カウントステップと、
カウントした前記通過回数と前記軸動作の種類とに基づいて、各前記区分の使用頻度を、前記軸動作の種類ごとに分類して算出する使用頻度算出ステップと、
分類して算出した前記使用頻度を前記モニタに表示する表示ステップと、
を実行することを特徴とする工作機械の送り軸の稼働状態表示方法。
各前記区分の使用頻度の偏りを示す閾値を、前記送り軸の寿命と、前記動作範囲の総区分数における前記軸動作の種類が切削送りとなる区分数の割合とに基づいて算出する閾値算出ステップをさらに実行し、前記表示ステップでは、算出された前記閾値を前記使用頻度と併せて前記モニタに表示することを特徴とする請求項３に記載の工作機械の送り軸の稼働状態表示方法。