JP6967321B1 - 工作機械の電流計測システムおよびその方法 - Google Patents
工作機械の電流計測システムおよびその方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6967321B1 JP6967321B1 JP2021149089A JP2021149089A JP6967321B1 JP 6967321 B1 JP6967321 B1 JP 6967321B1 JP 2021149089 A JP2021149089 A JP 2021149089A JP 2021149089 A JP2021149089 A JP 2021149089A JP 6967321 B1 JP6967321 B1 JP 6967321B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tool
- current
- current sensor
- motor
- tools
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 55
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims abstract description 47
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 39
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 22
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 13
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 14
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 9
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000004397 blinking Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
- Turning (AREA)
Abstract
Description
また、予め設定した主軸を駆動するモータの有効電力波形とワークを加工中の主軸を駆動するモータの有効電力波形とを比較することで工具摩耗を判定する技術が開示されている(特許文献2参照)。
さらに、回転する主軸に備えられた工具がワークに接触している状態を検知し、接触中の主軸にかかる工具負荷の変化の度合いを使用して工具摩耗度合いを検知する工作機械を提供する技術が開示されている(特許文献3参照)。
また、複数の工具を使用した切削加工への適用に際しては、個々の工具を判別できないことから、現実の生産現場で行われている加工に対しては、そのままのかたちで適用することができないといえる。
第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ情報処理装置に接続されている、工作機械の電流計測システムであって、
複数種類の工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する工作機械は、工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに部材を駆動するための第一のモータと、複数種類の工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、
情報処理装置は、第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流と、第二の電流センサにより計測された第二のモータの電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行い、解析処理において第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流を、複数種類の工具の変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値をワークの加工回数ごとに相対比較することで、工具の種類ごとに工具異常を検知する。
なお、上記の部材は、例えば、NC旋盤の工具台等である。当該部材の位置を変更するときとは、例えば、NC旋盤の工具台のZ軸方向およびX軸方向の移動等である。
工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに部材を駆動するための第一のモータと複数種類の工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、複数種類の工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する工作機械の電流計測方法であって、
第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ接続されている情報処理装置が、第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流と、第二の電流センサにより計測された第二のモータの電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行う工程と、
情報処理装置が、解析処理において、第一の電流センサにより計測された第一のモータの電流を、複数種類の工具の変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値をワークの加工回数ごとに相対比較することで、工具の種類ごとに工具異常を検知する工程と
を有する。
工作機械として、NC旋盤を前提とする。
電流計測システム10は、電流センサ205−a、電流センサ205−b、電流センサ205−c、電流センサ205−dと、ケーブル21−a、ケーブル21−b、ケーブル21−c、ケーブル21−dと、情報処理装置(例えば、産業用パーソナルコンピュータである。)30、表示装置40とから構成されている。
電流センサ205は、例えば公知の磁気式電流センサであり、測定したい電流が電線の周囲に作る磁場を磁気センサによって検知して磁場の大きさを測定することで電流値(電流量)を計測するものである。工作機械1の制御盤2から延びる配線のうち、電流センサ205−aは主軸モータ101に流れる電流を計測するために主軸モータ101に接続されるケーブル(電線)に取り付けられ、電流センサ205−bはサーボモータ102−a(工具台106を駆動するZ軸サーボモータ)に流れる電流を計測するためにサーボモータ102−aに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ205−cはサーボモータ102−b(工具台106を駆動するX軸サーボモータ)に流れる電流を計測するためにサーボモータ102−bに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ205−dはサーボモータ102−c(工具台回転用サーボモータ)に流れる電流を計測するためにサーボモータ102−cに接続されるケーブルに取り付けられている。
電流センサ205−a、電流センサ205−b、電流センサ205−c、電流センサ205−dのそれぞれのケーブル21−a、ケーブル21−b、ケーブル21−c、ケーブル21−dは、情報処理装置30に接続されている(無線接続等であってもよい)。なお、それぞれのケーブル21は、図示しないI/Oモジュール(ノイズ除去と信号増幅のためのアナログ電子回路と、アナログデータをデジタルデータに変換するためのAD変換器を備える。)に接続され、I/Oモジュールが電流センサ205から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、情報処理装置30に対してデジタル信号を有線又は無線通信により出力することであってもよい。
情報処理装置30は、制御部・計算部としての演算装置であるCPU等を備え、記憶部としての所定の記憶装置を内蔵又は外付けHDD等として備えている。また、情報処理装置30は、アナログ回路としての電子回路を内蔵していることであってもよい。
表示装置40は、表示機構と入力機構を備え、所定のスタンドにより支持されたり、工作機械1に所定の治具により固定されていることであってもよい。また、表示装置40は、単なるランプのように報知機能のみ有していることであってもよい。表示装置40は、所定のケーブル41により情報処理装置30と接続されている(無線接続等であってもよい)。表示装置40は、例えば、液晶ディスプレイ、タッチパネルディスプレイ、タブレット端末、スマートフォン等である。
工作機械1には主軸100を駆動する主軸モータ101と、工具台(工具交換装置)106を駆動するサーボモータ102−a・サーボモータ102−b・サーボモータ102−cが取り付けられている。
加工対象であるワーク103(例えば、金属の丸棒である。)は主軸100に取り付けられたチャック104によって固定され、主軸100を軸心として回転する。
ワークを加工するための複数種類の工具105−a、105−b(ここでは説明の便宜上aとbの2個としたが、3個以上であってもよい。)は、工具台(工具交換装置)106に取り付けられ固定されている。なお、工具台106を駆動するサーボモータ102−a(Z軸サーボモータ)・サーボモータ102−b(X軸サーボモータ)・サーボモータ102−c(工具台回転用サーボモータ)は、それぞれ、図1中において、図中のZ軸で示す左右方向の移動、図中のX軸で示す上下方向の移動、図中のθで示す左右方向(Z軸)を軸心とした回動(工具台106の回動により工具105−aと105−bを交換する。)の動作を司る。工作機械によってはサーボモータ102による運動の自由度がさらに増加するものもあり、そのためのモータが追加されることであってもよい。
図1中において、NCプログラムの指示に従うサーボモータ102−a(Z軸サーボモータ)により工具台106・工具105−aが図中左側に前進移動してワーク103(主軸を軸心として回転している。)に工具105−aが当接して切削加工等を行う。
工具105−aから工具105−bへ変更する場合は、図1中において、工具台106・工具105−aが図中右側に後退移動して、サーボモータ102−c(工具台回転用サーボモータ)により工具台106が回動して105−aと工具105−bの位置が入れ替わることにより、工具の変更が実施される(なお、異なる種類の工具への「変更」と、工具の「交換(新品への)」とは異なる概念として説明する。)。これにより、図1中において、サーボモータ102−a(Z軸サーボモータ)により工具台106・工具105−bが図中左側に前進移動するとワーク103(主軸を軸心として回転している。)に工具105−bが当接することとなる。
工具105は、ワーク103の材質と加工の種類によって選択され、例えば、単位加工時間あたりの除去体積をできるだけ多くとることが求められる粗加工においては、ワーク103と工具105の先端との接触体積が大きくなる形状のものが選択され、また、加工品質に直接影響する表面の仕上げ加工においては、表面粗さを均質化する先端形状を有する工具105が選択され、また、ワーク103を回転軸の内側から切削する内径切削においては、中ぐり用の工具105が選択される。
図3において、まず、NC装置201から出力された制御信号はPLC202、インバータ203、サーボアンプ204−a、サーボアンプ204−bおよびサーボアンプ204−cに入力される。
インバータ203は主軸モータ101を駆動し、サーボアンプ204−a、サーボアンプ204−bおよびサーボアンプ204−cはNC装置201からの指示に従ってそれぞれサーボモータ102−a、サーボモータ102−b、サーボモータ102−cの運動(動作)を制御する。
電流センサ205−aは主軸モータ101に流れる電流を計測し、電流センサ205−b、電流センサ205−c、電流センサ205−dは、それぞれサーボモータ102−a、サーボモータ102−b、サーボモータ102−cに流れる電流を計測する。
NC装置201にはワーク103を所望の形状に加工するためのプログラム(NCプログラム)が実装されている。
主軸モータ101が回転することによってチャック104で固定されたワーク103も同時に回転する。
NC装置201からの指示に従ってサーボアンプ204−aがサーボモータ102−aを駆動することで、工具台106が図2中のZ軸で示す左右方向に移動し、工具105がワーク103に接触し、切削加工が行われる。
NC装置201からの指示に従ってサーボアンプ204−bがサーボモータ102−bを駆動することで、工具台106が図2中のX軸で示す上下方向に移動する。
NC装置201からの指示に従ってサーボアンプ204―cが工具台106を回動させるようにサーボモータ102―cを制御することで、ワーク103に接触する工具105が交換される。
切削加工等に使用される工具が、工具105−aから工具105−bへと変更される、又は、工具105−bから工具105−aへと変更される際には、工具台106が回動する。このとき、工具台106を回動させるためにサーボモータ102−cに大きな電流が流れるため、サーボモータ102−cに流れる電流の時刻歴波形302には瞬時的なピークが現れる。この瞬時的なピークを含む時刻歴波形302と、主軸モータ101に流れる電流の時刻歴波形301とを同期させる(重ねる)ことで、工具105−aと工具105−bの使用時間に応じた主軸モータ101に流れる電流の時刻歴波形を抽出する(切り出す)ことができる。
計測された電流値は、情報処理装置30の記憶装置等に保存され、その記憶装置等に接続された情報処理装置30の演算装置によってデジタルデータで同期処理を行うことであっても、また、情報処理装置30のアナログ回路(連続的に変化する電気信号を取り扱う電子回路)においてアナログ情報として同期処理を行うことであってもよい。
具体的には、図4に示すように、切削加工等の開始時点から、時刻歴波形302に最初に現れる瞬時的なピークまでは、工具105−aが使用されており、初めて工具台106が回動する際に瞬時的なピークが最初に現れ、その時点で、工具105−aから工具105−bへと変更され、それ以降は、時刻歴波形302に次の瞬時的なピークが現れるまでは、工具105−bが使用されているとみなす(推定する)ことができる。但し、図4は、理解の容易化のために模式的にグラフを表しているに過ぎなく、切削加工等の開始時点から、ワーク103に工具105−aが当たるまでや、工具105−aから工具105−bへと変更される際のワーク103にいずれの工具105も当たっていない状態は無視して表現したものであるし、電流値も必ずしも工具ごとに一定(フラット)の値をとるものではない。
なお、切削加工等に際して、情報処理装置30の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている複数の工具の使用する順番のデータと紐付けること等により、時刻歴波形302に瞬時的なピークが現れるごとに、1番目の使用工具から2番目の使用工具へ、具体的にどの種類の工具からどの種類の工具へ変更されていくのかを特定することができる。情報処理装置30から上記の複数の工具の使用する順番のデータを取得し、そのデータを、図4に示すデータと紐付けて、表示装置40に具体的にどの時間帯でどの種類の工具が使用されていたかの工具名も表示することであってよい。
例えば、工具105が扉付きの箱等の中に格納されている工作機械1の場合、その扉が所定のモータにより開いて、所定のアームで工具105を選択して把持して取り付ける際の扉の開閉時の大きな電流(瞬時的なピーク)を計測すれば複数種類の工具105の変更のタイミングを推定することができる。
ここでは負荷特徴量とは、図4における各ブロックの電流値の平均値のことをいう。具体的には、図4において、工具105−aが使用されていた時間の電流の大きさがブロック1の領域(切り出し区間)として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図5(a)中の丸印としてプロットされている。同様に、図4において、工具105−bが使用されていた時間の電流の大きさがブロック2の領域(切り出し区間)として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図5(b)中の三角印としてプロットされている。なお、図5(a)・図5(b)にプロットされる丸印・三角印は、例えば同じ製品を100本作るケースなどの、同一のワークを同一の条件で加工することを前提として、情報処理装置30の演算装置によって計算処理された負荷特徴量であり、また、理解の容易化のためにグラフで示したに過ぎなくグラフ化は必須ではない。
加工回数の増加に伴い、図5(a)に示す、工具105−aの負荷特徴量401と、図5(b)に示す、工具105−bの負荷特徴量402はともに増加傾向(計測等の誤差があり得るため必ずしも加工回数に比例して負荷特徴量が大きくなるわけではないという意味である。)を示す。
これは、加工回数の増加に伴い、すなわち工具が使用されるに伴い、工具の表面が摩耗して劣化すると、ワークに対して当たった工具の表面の摩擦が大きくなり、すなわち抵抗力が大きくなり、負荷も大きくなるからである。
情報処理装置30の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている各工具の負荷特徴量の閾値403、閾値404に、情報処理装置30の演算装置によって計算処理された各工具の負荷特徴量が達した(一度達する場合でも、念のため2回連続で達する場合など計測エラ−対策がなされてもよい。9割程度の予備閾値を2回連続で達する場合など追加条件を付加することであってもよい。)と判断された場合、工具の表面が摩耗して劣化が著しく工具の交換時期であるとして推定し、情報処理装置30の演算装置は工具交換のための所定のアラートを表示装置40の表示画面5等に報知する。
なお、上記では、各切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値(二乗平均値)を加工対象の加工回数ごとに相対比較したが、非負関数値として計測した電流値の絶対値の総和値を利用することであってもよい。
さらに、図5(a)・図5(b)において、理論寿命曲線(切削加工に外乱等によるばらつきが生じない場合の理想的な状況での工具105の摩耗の進行をあらわすもの)を示しておくと、プロットされた負荷特徴量とその理論寿命曲線の関係(推移や傾きの傾向など)に基づいて、公知の種々の手法により、工具105の観測時点での摩耗の進行度合いを推定することが可能となる。例えば、理論寿命曲線が略S字状とすると、2回目のカーブにさしかかったタイミングを工具の交換時期と予め決定しておき、プロットされた負荷特徴量の推移から2回目のカーブにさしかかったと情報処理装置30により判断されたときに、工具交換のための所定のアラートを表示装置40の表示画面5等に報知することであってもよい。
また、加工の条件等によっては、所定の工具105に関して、ワーク103を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータとして、主軸モータ101を流れる電流では感度が低いため(工具摩耗の程度と電流値の変化に対応性が乏しい等)効率的効果的に工具摩耗の進行が推定できない等の事情が生じる可能性があり、その場合は、他のサーボモータ102を流れる電流では推定できるということもあり得るため、第一の電流センサとしての候補が複数(例えば、電流センサ205−a、電流センサ205−b、電流センサ205−c)存在することには大きなメリットがある。
表示画面5は、加工品名(例えば、製品名:A社の自動車のカムシャフト)の表示501と、工具交換通知(アラート)の表示502と、工具負荷特徴量の表示503と、電流計測値(電流の時刻歴波形、現時点の電流値も表示されることであってもよい。)の表示504と、工具名の表示505と、過去の履歴情報としての工具交換履歴(交換日時等)の表示506等とによって構成されている。もちろんこれらのすべての表示が必須ということではない。
なお、表示画面5へ出力することなく、所定の別体のランプ等を点滅させることなどにより、工具交換のアラートのみ報知することであってもよい。
また、表示装置40等に出力されるデータは、表示装置40等に出力することなく、情報処理装置30のみにおいて所定の表示部(液晶ディスプレイ等)に表示して利用されることであってもよい。
基本的な流れは、第一の電流センサ(例えば、電流センサ205−a、電流センサ205−b、電流センサ205−c)がワーク103を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ205−dが複数種類の工具105の変更のための動作を司るための第二のモータに流れる電流を計測し、これら2つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させて、解析処理を実行する、というものである。
以下では、工作機械1であるNC旋盤による切削加工等に使用される2種類の工具である工具105−aと工具105−bを変更しながらワーク103を加工する場合において、工具の負荷推定と併用することにより、工具ごとの摩耗状態(摩耗状態が一定限度を超えると「工具異常」の概念に含まれる状態となるものとする。)を推定して工具交換のタイミングを推定して報知するケースについて説明する。
ここでは、第一の電流センサとして主軸モータ101に流れる電流を計測する電流センサ205−aを例にあげて説明するが、第一の電流センサとして、サーボモータ102−aに流れる電流を計測する電流センサ205−bやサーボモータ102−bに流れる電流を計測する電流センサ205−cを適用することも同様に可能である。
従来、工作機械メーカーは機械の内部で動作しているプログラムからデータを解析することができるが、1つの工場で異なるメーカ等の工作機械を複数使用している場合等において、汎用的に工作機械1の外部から(内部の電気回路等に変更を加えると改造品等となりメーカー保証対象外となるリスクもある。)工具の交換タイミング等を判別することが望まれていた。例えば、1個のワークの加工に際して工具を3種類用いて変更しながら加工する場合、ある1種類の工具を相対的に長い時間使用するため、一番早く摩耗するが、工作機械メーカー側で設定された回転数を目安として一括交換するケースや、3種類の工具の合算値で異常値を計測判断しているケースもあり、そのときは残りの2種類の工具はまだ使用できる状態であり、工具費用の無駄が発生していた。各工具の使用許容範囲の限界まで使用してからそれぞれのタイミングで廃棄・新品交換を実施することで原価低減・経済効率性が実現できる。
なお、上記で例示したNC旋盤は単一の主軸を有するものであったが、複数の主軸を有する複合旋盤に対しても適用可能である。
工作機械として、マシニングセンタ(立形マシニングセンタ)を前提とする。
なお、上記の第一の実施の形態に係る工作機械の電流計測システムと重複する説明は適宜省略し、同一の装置等には同一の符号を付していることがある。
電流計測システム10´は、電流センサ205´−a、電流センサ205´−b、電流センサ205´−c、電流センサ205´−d、電流センサ205´−eと、ケーブル21´−a、ケーブル21´−b、ケーブル21´−c、ケーブル21´−d、ケーブル21´−eと、情報処理装置(例えば、産業用パーソナルコンピュータである。)30、表示装置40とから構成されている。
電流センサ205´は、例えば公知の磁気式電流センサであり、測定したい電流が電線の周囲に作る磁場を磁気センサによって検知して磁場の大きさを測定することで電流値(電流量)を計測するものである。工作機械1´の制御盤2´から延びる配線のうち、電流センサ205´−aは主軸モータ101´に流れる電流を計測するために主軸モータ101´に接続されるケーブル(電線)に取り付けられ、電流センサ205´−bはサーボモータ102´−a(主軸のZ軸サーボモータ)に流れる電流を計測するためにサーボモータ102´−aに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ205´−cはサーボモータ102´−b(ステージ107´を駆動するX軸サーボモータ)に流れる電流を計測するためにサーボモータ102´−bに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ205´−dはサーボモータ102´−c(ステージ107´を駆動するY軸サーボモータ)に流れる電流を計測するためにサーボモータ102´−cに接続されるケーブルに取り付けられ、電流センサ205´−eはサーボモータ102´−d(ATC(Automatic Tool Changer:自動工具交換装置)108´を駆動するATC用サーボモータ)に流れる電流を計測するためにサーボモータ102´−dに接続されるケーブルに取り付けられている。
電流センサ205´−a、電流センサ205´−b、電流センサ205´−c、電流センサ205´−d、電流センサ205´−eのそれぞれのケーブル21´−a、ケーブル21´−b、ケーブル21´−c、ケーブル21´−d、ケーブル21´−eは、情報処理装置30に接続されている(無線接続等であってもよい)。なお、それぞれのケーブル21´は、図示しないI/Oモジュール(ノイズ除去と信号増幅のためのアナログ電子回路と、アナログデータをデジタルデータに変換するためのAD変換器を備える。)に接続され、I/Oモジュールが電流センサ205´から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、情報処理装置30に対してデジタル信号を有線又は無線通信により出力することであってもよい。
情報処理装置30は、制御部・計算部としての演算装置であるCPU等を備え、記憶部としての所定の記憶装置を内蔵又は外付けHDD等として備えている。また、情報処理装置30は、アナログ回路としての電子回路を内蔵していることであってもよい。
表示装置40は、表示機構と入力機構を備え、所定のスタンドにより支持されたり、工作機械1´に所定の治具により固定されていることであってもよい。また、表示装置40は、単なるランプのように報知機能のみ有していることであってもよい。表示装置40は、所定のケーブル41により情報処理装置30と接続されている(無線接続等であってもよい)。表示装置40は、例えば、液晶ディスプレイ、タッチパネルディスプレイ、タブレット端末、スマートフォン等である。
工作機械1には主軸100´を駆動する主軸モータ101´、Z軸サーボモータ102´−aと、ステージ107´を駆動するサーボモータ102´−b・サーボモータ102´−cと、ATC108´を駆動するサーボモータ102´−dが取り付けられている。
加工対象であるワーク103´(例えば、立方体状の金属片である。)はステージ107´に取り付けられ固定されている。なお、ステージ107´を駆動するサーボモータ102´−b(X軸サーボモータ)・サーボモータ102´−c(Y軸サーボモータ)は、それぞれ、図9中において、図中のX軸で示す左右方向の移動、図中のY軸で示す前後方向の移動の動作を司る。工作機械によってはサーボモータ102´による運動の自由度がさらに増加するものもあり、そのためのモータが追加されることであってもよい。例えば、回転と傾斜の2軸を加えた5軸加工である。
ワークを加工するための工具105´(ここでは105´−a)は、主軸100´に取り付けられ、主軸100´を軸心として回転し、また、主軸100´を駆動するサーボモータ102´−a(Z軸サーボモータ)により、図9中において、図中のZ軸で示す上下方向に移動する。
ワークを加工するための複数種類の工具105´−a、105´−b、105´−c(ここでは説明の便宜上a、b、cの3個としたが、4個以上であってもよい。)は、ATC108´により交換される。一例として、図9中において、ATC108´には変更用工具として工具105´−b、105´−cが備え付けられており、NCプログラムに基づくNC装置201´からの工具変更信号に従ってATC駆動用のサーボモータ102´−dが動作し、ATC108´は、主軸100´に取り付けられた工具105´−aと、工具105´−b又は工具105´−c´との変更を実施する(なお、異なる種類の工具への「変更」と、工具の「交換(新品への)」とは異なる概念として説明する。)。なお、図9中において示したATC108´が工作機械1´に設けられる(実装される)位置は任意である。
図9中において、NCプログラムの指示に従うサーボモータ102´−aにより主軸100´が図中下側に移動して工具105´−a(主軸を軸心として回転している。)がステージ107´上のワーク103´に当接して切削加工等を行う。
工具105´は、ワーク103´の材質と加工の種類によって選択され、例えば、単位加工時間あたりの除去体積をできるだけ多くとることが求められる粗加工においては、ワーク103´と工具105´の先端との接触体積が大きくなる形状のものが選択され、また、加工品質に直接影響する表面の仕上げ加工においては、表面粗さを均質化する先端形状を有する工具105´が選択され、また、ワーク103´を回転軸の内側から切削する内径切削においては、中ぐり用の工具105´が選択される。
図10において、まず、NC装置201´から出力された制御信号はPLC202´、インバータ203´、サーボアンプ204´−a、サーボアンプ204´−b、サーボアンプ204´−cおよびサーボアンプ204´−dに入力される。
インバータ203´は主軸モータ101´を駆動し、サーボアンプ204´−a、サーボアンプ204´−b、サーボアンプ204´−cおよびサーボアンプ204´−dはNC装置201からの指示に従ってそれぞれサーボモータ102´−a、サーボモータ102´−b、サーボモータ102´−cおよびサーボモータ102´−dの運動(動作)を制御する。
電流センサ205´−aは主軸モータ101´に流れる電流を計測し、電流センサ205´−b、電流センサ205´−c、電流センサ205´−d、電流センサ205´−eはそれぞれサーボモータ102´−a、サーボモータ102´−b、サーボモータ102´−cおよびサーボモータ102´−dに流れる電流を計測する。
NC装置201´にはワーク103´を所望の形状に加工するためのプログラム(NCプログラム)が実装されている。
主軸モータ101´が回転することによって取り付けられた工具105´も同時に回転する。
NC装置201´からの指示に従ってサーボアンプ204´−aがサーボモータ102´−aを駆動することで、主軸100´が図9中のZ軸で示す上下方向に移動し、工具105´がワーク103´に接触し、切削加工が行われる。
NC装置201´からの指示に従ってサーボアンプ204´−bがサーボモータ102´−bを駆動することで、ステージ107´が図9中のX軸で示す左右方向に、また、NC装置201´からの指示に従ってサーボアンプ204´−cがサーボモータ102´−cを駆動することで、ステージ107´が図9中のY軸で示す前後方向に移動する。
NC装置201´からの指示に従ってサーボアンプ204´−dがサーボモータ102´−dを駆動することで、ATC108´が工具105´の変更を実施する。
切削加工等に使用される工具が、例えば、工具105´−aから工具105´−bへと変更される際には、ATC108´が動作する。このとき、ATC108´を動作させるためにサーボモータ102´−dに大きな電流が流れるため、サーボモータ102´−dに流れる電流の時刻歴波形302´には瞬時的なピーク((短期持続的なピークを含む、以下同様である。))が現れる。この瞬時的なピークを含む時刻歴波形302´と、主軸モータ101´に流れる電流の時刻歴波形301´とを同期させる(重ねる)ことで、工具105´−aと工具105´−bの使用時間に応じた主軸モータ101´に流れる電流の時刻歴波形を抽出する(切り出す)ことができる。
計測された電流値は、情報処理装置30の記憶装置等に保存され、その記憶装置等に接続された情報処理装置30の演算装置によってデジタルデータで同期処理を行うことであっても、また、情報処理装置30のアナログ回路(連続的に変化する電気信号を取り扱う電子回路)においてアナログ情報として同期処理を行うことであってもよい。
具体的には、図11に示すように、切削加工等の開始時点から、時刻歴波形302´に最初に現れる瞬時的なピークまでは、工具105´−aが使用されており、初めてATC108´が動作する際に瞬時的なピークが最初に現れ、その時点で、工具105´−aから工具105´−bへと変更され、それ以降は、時刻歴波形302´に次の瞬時的なピークが現れるまでは、工具105´−bが使用されているとみなす(推定する)ことができる。但し、図11は、理解の容易化のために模式的にグラフを表しているに過ぎなく、切削加工等の開始時点から、ワーク103´に工具105´−aが当たるまでや、工具105´−aから工具105´−bへと変更される際のワーク103´にいずれの工具105´も当たっていない状態は無視して表現したものであるし、電流値も必ずしも工具ごとに一定(フラット)の値をとるものではない。
なお、切削加工等に際して、情報処理装置30の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている複数の工具の使用する順番のデータと紐付けること等により、時刻歴波形302´に瞬時的なピークが現れるごとに、1番目の使用工具から2番目の使用工具へ、具体的にどの種類の工具からどの種類の工具へ変更されていくのかを特定することができる。情報処理装置30から上記の複数の工具の使用する順番のデータを取得し、そのデータを、図11に示すデータと紐付けて、表示装置40に具体的にどの時間帯でどの種類の工具が使用されていたかの工具名も表示することであってよい。
ここでは負荷特徴量とは、図11における各ブロックの電流値の平均値のことをいう。具体的には、図11において、工具105´−aが使用されていた時間の電流の大きさがブロック1´の領域(切り出し区間)として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図12(a)中の丸印としてプロットされている。同様に、図11において、工具105´−bが使用されていた時間の電流の大きさがブロック2´の領域(切り出し区間)として示され、その時間帯の電流の大きさの平均値を負荷特徴量として、図12(b)中の三角印としてプロットされている。なお、図12(a)・図12(b)にプロットされる丸印・三角印は、例えば同じ製品を100本作るケースなどの、同一のワークを同一の条件で加工することを前提として、情報処理装置30の演算装置によって計算処理された負荷特徴量であり、また、理解の容易化のためにグラフで示したに過ぎなくグラフ化は必須ではない。
加工回数の増加に伴い、図12(a)に示す、工具105´−aの負荷特徴量401´と、図12(b)に示す、工具105´−bの負荷特徴量402´はともに増加傾向(計測等の誤差があり得るため必ずしも加工回数に比例して負荷特徴量が大きくなるわけではないという意味である。)を示す。
これは、加工回数の増加に伴い、すなわち工具が使用されるに伴い、工具の表面が摩耗して劣化すると、ワークに対して当たった工具の表面の摩擦が大きくなり、すなわち抵抗力が大きくなり、負荷も大きくなるからである。
情報処理装置30の記憶装置の所定のテーブル等に予め設定されている各工具の負荷特徴量の閾値403´、閾値404´に、情報処理装置30の演算装置によって計算処理された各工具の負荷特徴量が達した(一度達する場合でも、念のため2回連続で達する場合など計測エラ−対策がなされてもよい。9割程度の予備閾値を2回連続で達する場合など追加条件を付加することであってもよい。)と判断された場合、工具の表面が摩耗して劣化が著しく工具の交換時期であるとして推定し、情報処理装置30の演算装置は工具交換のための所定のアラートを表示装置40の表示画面5等に報知する。
なお、上記では、各切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値(二乗平均値)を加工対象の加工回数ごとに相対比較したが、非負関数値として計測した電流値の絶対値の総和値を利用することであってもよい。
さらに、図12(a)・図12(b)において、理論寿命曲線(切削加工に外乱等によるばらつきが生じない場合の理想的な状況での工具105´の摩耗の進行をあらわすもの)を示しておくと、プロットされた負荷特徴量とその理論寿命曲線の関係(推移や傾きの傾向など)に基づいて、公知の種々の手法により、工具105´の観測時点での摩耗の進行度合いを推定することが可能となる。例えば、理論寿命曲線が略S字状とすると、2回目のカーブにさしかかったタイミングを工具の交換時期と予め決定しておき、プロットされた負荷特徴量の推移から2回目のカーブにさしかかったと情報処理装置30により判断されたときに、工具交換のための所定のアラートを表示装置40の表示画面5等に報知することであってもよい。
また、加工の条件等によっては、所定の工具105´に関して、ワーク103´を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータとして、主軸モータ101´を流れる電流では感度が低くて(工具摩耗の程度と電流値の変化に対応性が乏しい等)効率的効果的に工具摩耗の進行が推定できない等の事情が生じる可能性があり、その場合は、他のサーボモータ102´を流れる電流では推定できるということもあり得るため、第一の電流センサとしての候補が複数(例えば、電流センサ205´−a、電流センサ205´−b、電流センサ205´−c、電流センサ205´−e)存在することには大きなメリットがある。
表示画面5は、加工品名(例えば、製品名:A社の自動車のカムシャフト)の表示501と、工具交換通知(アラート)の表示502と、工具負荷特徴量の表示503と、電流計測値(電流の時刻歴波形、現時点の電流値も表示されることであってもよい。)の表示504と、工具名の表示505と、過去の履歴情報としての工具交換履歴(交換日時等)の表示506等とによって構成されている。もちろんこれらのすべての表示が必須ということではない。
なお、表示画面5へ出力することなく、所定の別体のランプ等を点滅させることなどにより、工具交換のアラートのみ報知することであってもよい。
また、表示装置40等に出力されるデータは、表示装置40等に出力することなく、情報処理装置30のみにおいて所定の表示部(液晶ディスプレイ等)に表示して利用されることであってもよい。
基本的な流れは、第一の電流センサ(例えば、電流センサ205´−a、電流センサ205´−b、電流センサ205´−c、電流センサ205´−d)がワーク103´を加工するときの負荷変動を受ける第一のモータに流れる電流を計測し、第二の電流センサとしての電流センサ205´−eが複数種類の工具105´の変更のための動作を司るための第二のモータに流れる電流を計測し、これら2つのモータそれぞれに流れる電流の時刻歴波形を同期させて、解析処理を実行する、というものである。
以下では、工作機械1´である立形マシニングセンタによる切削加工等に使用される2種類の工具である工具105´−aと工具105´−bを変更しながらワーク103´を加工する場合において、工具の負荷推定と併用することにより、工具ごとの摩耗状態(摩耗状態が一定限度を超えると「工具異常」の概念に含まれる状態となるものとする。)を推定して工具交換のタイミングを推定して報知するケースについて説明する。
ここでは、第一の電流センサとして主軸モータ101´に流れる電流を計測する電流センサ205´−aを例にあげて説明するが、第一の電流センサとして、サーボモータ102´−aに流れる電流を計測する電流センサ205´−bやサーボモータ102´−bに流れる電流を計測する電流センサ205´−cやサーボモータ102´−cに流れる電流を計測する電流センサ205´−dを適用することも同様に可能である。
従来、工作機械メーカーは機械の内部で動作しているプログラムからデータを解析することができるが、1つの工場で異なるメーカ等の工作機械を複数使用している場合等において、汎用的に工作機械の外部から(内部の電気回路等に変更を加えると改造品等となりメーカー保証対象外となるリスクもある。)工具の交換タイミング等を判別することが望まれていた。例えば、1個のワークの加工に際して工具を3種類用いて変更しながら加工する場合、ある1種類の工具を相対的に長い時間使用するため、一番早く摩耗するが、工作機械メーカー側で設定された回転数を目安として一括交換するケースや、3種類の工具の合算値で異常値を計測判断しているケースもあり、そのときは残りの2種類の工具はまだ使用できる状態であり、工具費用の無駄が発生していた。各工具の使用許容範囲の限界まで使用してからそれぞれのタイミングで廃棄・新品交換を実施することで原価低減・経済効率性が実現できる。
1´ 工作機械(立形マシニングセンタ)
2、2´ 制御盤
21−a、21−b、21−c、21−d、21´−a、21´−b、21´−c、21´−d、21´−e、41 ケーブル
30 情報処理装置
40 表示装置
101、101´ 主軸モータ
102a、102−b、102−c、102´−a、102´−b、102´−c、102´−d サーボモータ
103、103´ ワーク
104 チャック
105−a、105−b、105´−a、105´−b、105´−c 工具
106 工具台
107´ ステージ
108´ ATC
201、201´ NC装置
202、202´ PLC
203、203´ インバータ
204−a、204−b、204−c、204´−a、204´−b、204´−c、204´−d サーボアンプ
205−a、205−b、205−c、205−d、205´−a、205´−b、205´−c、205´−d、205´−e 電流センサ
301、301´ 主軸モータに流れる電流の時刻歴波形
302、302´ サーボモータに流れる電流の時刻歴波形
401 工具105−aの負荷特徴量
401´ 工具105´−aの負荷特徴量
402 工具105−bの負荷特徴量
402´ 工具105´−bの負荷特徴量
403、404、403´、404´ 負荷特徴量の閾値
5 表示画面
501 加工品名の表示
502 工具交換通知の表示
503 工具負荷特徴量の推移の表示
504 電流計測値の表示
505 工具交換履歴の表示
Claims (3)
- 第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ情報処理装置に接続されている、工作機械の電流計測システムであって、
複数種類の工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する前記工作機械は、前記工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに前記部材を駆動するための第一のモータと、前記複数種類の工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、
前記情報処理装置は、前記第一の電流センサにより計測された前記第一のモータの電流と、前記第二の電流センサにより前記計測された前記第二のモータの前記電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行い、解析処理において前記第一の電流センサにより前記計測された前記第一のモータの前記電流を、前記複数種類の工具の前記変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値を前記ワークの加工回数ごとに相対比較することで、前記工具の前記種類ごとに工具異常を検知することを特徴とする工作機械の電流計測システム。 - 前記情報処理装置は、前記工具異常の情報を報知させるために所定の装置に対して出力することを特徴とする請求項1に記載の工作機械の電流計測システム。
- 工具が取り付けられた部材の位置を変更するときに前記部材を駆動するための第一のモータと複数種類の前記工具の変更のための動作を司るための第二のモータとを備え、前記複数種類の前記工具を変更しながらワークを主軸を軸心として回転駆動させて加工する工作機械の電流計測方法であって、
第一の電流センサと第二の電流センサとがそれぞれ接続されている情報処理装置が、前記第一の電流センサにより計測された前記第一のモータの電流と、前記第二の電流センサにより前記計測された前記第二のモータの前記電流とのそれぞれの時刻歴波形を経過時間を一致させて重ねる処理を行う工程と、
前記情報処理装置が、解析処理において、前記第一の電流センサにより前記計測された前記第一のモータの前記電流を、前記複数種類の工具の前記変更のための動作のときに発生する信号ごとに切り出し、それぞれの切り出し区間の電流値を引数とする非負関数値を前記ワークの加工回数ごとに相対比較することで、前記工具の前記種類ごとに工具異常を検知する工程と
を有することを特徴とする工作機械の電流計測方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021149089A JP6967321B1 (ja) | 2021-08-20 | 2021-09-14 | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021134609A JP6962632B1 (ja) | 2021-08-20 | 2021-08-20 | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
JP2021149089A JP6967321B1 (ja) | 2021-08-20 | 2021-09-14 | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021134609A Division JP6962632B1 (ja) | 2020-12-11 | 2021-08-20 | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP6967321B1 true JP6967321B1 (ja) | 2021-11-17 |
JP2023029135A JP2023029135A (ja) | 2023-03-03 |
Family
ID=78409846
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021134609A Active JP6962632B1 (ja) | 2020-12-11 | 2021-08-20 | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
JP2021149089A Active JP6967321B1 (ja) | 2021-08-20 | 2021-09-14 | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021134609A Active JP6962632B1 (ja) | 2020-12-11 | 2021-08-20 | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (2) | JP6962632B1 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023136110A (ja) * | 2022-03-16 | 2023-09-29 | シチズン時計株式会社 | 工作機械 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6059108B2 (ja) * | 1978-02-24 | 1985-12-23 | 株式会社日立製作所 | 工作機の異常監視装置 |
JP3333637B2 (ja) * | 1994-06-30 | 2002-10-15 | 中村留精密工業株式会社 | 加工負荷の上限値設定装置 |
JP6426641B2 (ja) * | 2016-03-08 | 2018-11-21 | ファナック株式会社 | 工具交換装置 |
JP6924529B1 (ja) * | 2020-12-11 | 2021-08-25 | 株式会社Mazin | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 |
-
2021
- 2021-08-20 JP JP2021134609A patent/JP6962632B1/ja active Active
- 2021-09-14 JP JP2021149089A patent/JP6967321B1/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2023028733A (ja) | 2023-03-03 |
JP6962632B1 (ja) | 2021-11-05 |
JP2023029135A (ja) | 2023-03-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3883485B2 (ja) | 工具折損あるいは予知検出装置 | |
EP3214513B1 (en) | Control method for machining tool and control device for machining tool | |
US6937942B2 (en) | Method and apparatus of detecting tool abnormality in a machine tool | |
JP6924529B1 (ja) | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 | |
WO2014181424A1 (ja) | 数値制御装置 | |
JP2003326438A (ja) | 工具異常検出装置 | |
JP5507410B2 (ja) | 工作機械における主軸回転速度のモニタ方法及びモニタ装置、工作機械 | |
JP2006205350A (ja) | 工具損傷異常検出装置 | |
JP7277152B2 (ja) | 工作機械の工具管理システム | |
US20220244701A1 (en) | Control Device for Use on a Numerically Controlled Machine Tool, and Machine Tool Comprising a Control Device | |
JP6967321B1 (ja) | 工作機械の電流計測システムおよびその方法 | |
JP2013188831A (ja) | 工作機械の制御装置およびそれを備えた工作機械 | |
JP2006085328A5 (ja) | ||
JP5821615B2 (ja) | 研削異常監視方法および研削異常監視装置 | |
CN113977351A (zh) | 机床的电流测量***及其方法 | |
KR100548874B1 (ko) | 공구의 날 빠짐 검지기능을 갖는 수치제어장치 | |
JP2010186374A (ja) | 工具折損検出機能を有する工作機械を制御する数値制御装置 | |
CN108942407B (zh) | 一种加工中心主轴皮带断裂检测装置及方法 | |
JP2003223205A (ja) | 工作機械制御装置 | |
JP2012111009A (ja) | 工作機械の切削加工評価装置及び方法 | |
JPS63191553A (ja) | 機械の状態診断方法 | |
EP1560091A2 (en) | Detecting breakages in machine tools and the like | |
JP3783191B2 (ja) | モータ電力異常検知装置 | |
JPH02279256A (ja) | 工具摩耗破損検出装置 | |
JPS59107843A (ja) | 加工異常検知方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210914 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20210914 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210927 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210927 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20211011 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20211018 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6967321 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |