JP7033023B2

JP7033023B2 - 工作機械の数値制御装置

Info

Publication number: JP7033023B2
Application number: JP2018128138A
Authority: JP
Inventors: 憲之福井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2022-03-09
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: US11526144B2; CN110682160B; DE102019117342A1; CN110682160A; US20200012255A1; JP2020009041A

Description

本発明は、工作機械の数値制御装置に関し、特に、切削工具を装着する主軸に振動検出装置を備え、加工時の切削工具のびびり振動の判定や、主軸軸受の診断などを行うものに関する。

従来の工作機械では、切削工具を装着した主軸を回転させ、被加工物を切削加工する際に、切込や切削量に対する切削工具の剛性不足等の理由によりびびり振動が発生し、被加工物の加工面がびびり振動に応じたムラ模様がついてしまうことがあった。この課題を解決すべく、切削工具の固有振動数と、切削工具の回転数と刃数とから発生する加工時の振動数とが合致するのを避けるよう加工する工作機械も知られている。しかしながら、切削工具の固有振動数と、加工時の振動数とが合致しない回転数を探るには、十分な経験や勘を有する熟練者でも試行錯誤が必要であり、時間を要する作業であった。そのため、熟練者であっても、びびり振動が発生した場合には、切込量を浅くして加工することも少なくなかった。

近年の工作機械にあっては、切削工具ごとに限界切込量に応じた安定限界線図を予め制御装置側に記憶させ、主軸に具備した振動検出装置からの加工振動情報をもとに、加工時の振動周波数が切削工具のびびり振動と一致したと判定し、且つ振動レベルがある閾値を超えたと判定すれば、安定領域へと主軸の回転数を変更する等の機能を備えた技術が紹介されている。先行技術文献として、下記特許文献１や下記特許文献２などが挙げられる。

また、主軸軸受に異常、或いは、異常な兆候があった場合に発生する特徴的な振動を、振動検出装置にて検出することで、主軸軸受の診断を行う工作機械の数値制御装置も見られる。

さて、前述した振動検出装置には、加速度センサが内包されたものを使用することが一般的であり、センサ素子としては、検出感度や堅牢性といった観点から、圧電素子が使用されることが多かった。図３は、振動検出装置の概略構成図である。圧電素子３０２の両端には、電極３０４ａ，ｂを形成しており、電極３０４ｂ片側は振動検出装置３０１のフレームグラウンドに接続されている。もう片側の電極３０４ａは、増幅器３０３に接続されている。これら圧電素子３０２や増幅器３０３は、振動検出装置３０１としての筐体に封入されており、図示はしないが、ボルトや接着剤などで主軸に固定されている。びびり振動などで主軸が振動すると、振動検出装置３０１にも伝達され、圧電素子３０２が振動する。振動に伴う圧電効果によって、圧電素子３０２は電圧を発生させ、増幅器３０３で所定のレベルに増幅後、外部の数値制御装置へ振動情報ＯＵＴとして出力される。数値制御装置は、振動情報ＯＵＴをアナログ・デジタル変換してデジタル情報とし、びびり振動や主軸軸受診断に使用する。

ここで、圧電素子３０２の振動に伴う電圧出力は、０Ｖを中心として、プラスマイナスに振れる。振動がない時は、当然ながら０Ｖの出力のままである。よって、圧電素子３０２が故障し、振動が加えられても全く電圧出力がなくなってしまった場合や、圧電素子３０２と増幅器３０３との間の接続線が断線した場合などは、増幅器３０３からの振動情報ＯＵＴは、０Ｖのままとなってしまう。数値制御装置側としては、振動情報ＯＵＴが０Ｖである時、主軸に振動が加わっていないのか、圧電素子３０２が故障しているのか、圧電素子３０２と増幅器３０３との間の接続線が断線しているのか、について、分からない状態であった。つまり、びびり振動や主軸軸受の損傷に伴う異常な振動が発生していても、圧電素子３０２の故障などで電圧出力が無い場合は、数値制御装置側では、それに気付くことができないということである。そこで、主軸に固定した振動検出装置３０１が、正しく機能していることを確かめる方法として、主軸をソフトハンマーなどで軽打して振動を与え、数値制御装置に表示される振動情報の変化の有無を目視で行うというものがあった。

特開２０１２－２１３８３０公報特開２０１２－５６０７２公報

主軸に振動検出装置を備えた工作機械の数値制御装置にあっては、振動検出装置に内包したセンサ素子の振動－電圧出力特性が、０Ｖを中心として出力されるときは、例えば、センサ素子の故障によって電圧出力が途絶えた場合や、振動検出装置内でのセンサ素子と増幅器との間の接続線が断線し出力が途絶えた場合には、実際に主軸に振動が発生していても、気付けなかった。このような事が起きると、びびり振動や主軸軸受の異常などが発生していても分からないということであり、是即ち、びびり振動抑制機能や主軸軸受診断機能などの本来の機能を果たせなくなり、加工不具合や工具折損、軸受破損といった重大な事態を招くおそれもあった。これを回避するために、例えば、びびり振動抑制機能や主軸軸受診断機能を使用する始業前点検や定期点検を、使用者によってソフトハンマーなどで確認したのでは手間がかかってしまう。この使用者による確認行為は手間がかかるため、例えば１回／日程度の頻度でしか行われず、１日の中で振動検出装置に内包したセンサ素子の破損などが起きた時には、結局、翌日の始業前点検まで気付けないことも考えられる。

本発明の目的は、工作機械の振動検出装置に異常が発生した場合に、比較的短時間でそれに気付くことが可能な数値制御装置を提供することにある。

本発明に係る数値制御装置は、切削工具を装着、回転させることで被加工物を切削加工する主軸と、前記主軸に装着された前記切削工具を交換する自動工具交換装置と、前記主軸または前記主軸のハウジングに取り付けられた振動検出装置と、を備えた工作機械の制御を行う数値制御装置において、前記振動検出装置からの振動情報を取得する取得手段と、前記自動工具交換装置における自動工具交換動作中の振動情報に、規定のレベルを超える振動情報がなかった場合に、前記振動検出装置に異常が発生したと判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る数値制御装置の一態様においては、診断のＯＮ及びＯＦＦを行うスイッチ手段を備え、前記スイッチ手段がＯＮされている場合に、前記判定手段は、前記振動検出装置に異常が発生したと判定することを特徴とする。

本発明の工作機械の数値制御装置によれば、振動検出装置の異常の発生を自動工具交換の際に自動的に判定することができる。

本発明の工作機械の数値制御装置の内部処理を示す概略ブロック図の一例である。振動検出装置を装着した主軸のフロント側縦断面図である。振動検出装置の概略構成図である。

以下に、本発明の実施形態を、図面をもとに説明する。

図１は、本発明の工作機械の数値制御装置の内部処理を示す概略ブロック図の一例である。工作機械にて加工や工具交換などを行うためのプログラムは、プログラム入力部１０１にて数値制御装置１００へ入力される。プログラム入力部１０１は、操作盤のキーボードによる入力や、ＵＳＢメモリなどのメディアからの転送入力などがあり、かつ、加工プログラム自体を記憶しておく記憶部１０４を内包しているのが一般的である。プログラムは、プログラム解釈部１０２へ送出され、プログラム解釈部１０２にてプログラムから主軸や送り軸などの回転方向などのデータを生成する。その他に、プログラム解釈部１０２では、自動工具交換指令の解釈や固定サイクルの解釈なども行っている。プログラム解釈部１０２にて生成されたデータは、関数発生部１０３へ送出される。関数発生部１０３では、データを入力すると、主軸や送り軸などに軸移動制御するために、主軸や送り軸の制御周期ごとに関数発生位置（指令位置Ｐ）の算出を行う。算出した指令位置Ｐは、各軸の制御周期ごとに図示しない位置制御装置へ送出される。

一方で、プログラム解釈部１０２では、自動工具交換指令を解釈したら、記憶部１０４へデータを記憶する信号Ｈｏｌｄを送出する。記憶部１０４は、振動情報を取得する取得手段の例であり、図示はしないが、主軸あるいは主軸のハウジングに固定した振動検出装置からの振動情報Ｖ（ｘ）を入力データとしており、プログラム解釈部１０２からの信号Ｈｏｌｄを指令されたら、振動情報Ｖ（ｘ）を記憶し続ける。プログラム解釈部１０２は、自動工具交換の次のプログラム上のブロックを解釈したタイミング、つまり、自動工具交換が完了したと解釈したタイミングで、記憶部１０４へデータの記憶を停止する信号Ｓｔｏｐを送出する。記憶部１０４は、プログラム解釈部１０２からの信号Ｓｔｏｐを指令されたら、振動情報Ｖ（ｘ）の記憶を停止するとともに、振動情報解析部１０５へ自動工具交換中に記憶したすべての振動情報Ｖ（ｘ）を送出する。振動情報解析部１０５は判定手段の例であり、予め設定された振動レベルＶに対し、記憶部１０４から入力した自動工具交換中のすべての振動情報Ｖ（ｘ）のうち、いずれか一つでもそれを超えた振動情報Ｖ（ｘ）があったか否かを判定する。振動情報解析部１０５は、自動工具交換中のすべての振動情報Ｖ（ｘ）のうち一つでも、振動レベルＶを超えたものがなかった場合、振動検出装置に内包した圧電素子の故障や、振動検出装置内部の断線などの異常を意味するアラーム信号を出力する。

図２は、振動検出装置を装着した主軸のフロント側縦断面図である。切削工具２０２を把持した工具ホルダ２０３は、自動工具交換による装着動作の場合、ドローバー２０４のコレット２０５の引き揚げ動作によって、回転軸２０６の雌テーパ部とテーパ結合される。この引き揚げ動作とテーパ結合動作は、回転軸２０６に衝撃力を発生させ、この衝撃力はハウジング２０７を伝わり、ハウジング２０７に固定した振動検出装置２０１へも伝搬する。また、自動工具交換による取外し動作の場合、ドローバー２０４が工具ホルダ２０３をハンマリングしてテーパ結合を外す仕組みとなっており、このハンマリングによって、回転軸２０６に衝撃力を発生させ、装着動作と同様に振動検出装置２０１に衝撃力による振動が伝搬する。このようにして、自動工具交換動作中に、振動検出装置には必ず振動が伝わっており、この振動レベルを参考にして、本発明を使用する側にて、前述の振動レベルＶを自由に設定すればよい。このようにして、本発明の工作機械の数値制御装置では、振動検出装置の異常を判定できる。

工作機械の数値制御装置では、振動検出装置の振動情報が機能的に必要な状態、換言すれば、びびり振動抑制機能や主軸軸受診断機能など振動検出装置の振動情報を入力とする機能がＯＮされている状態の場合、振動検出装置の異常判定を実施するものとしている。具体的な実施例は、図１において説明すると、各種機能設定部１０６（これはスイッチ手段の例である）にて、びびり振動抑制機能や主軸軸受診断機能がＯＦＦされている場合、振動情報解析部１０５に対し、振動情報解析部１０５が出力する振動検出装置の異常を意味するアラームを無視するよう指令すればよい。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実現方法は以上で示した実施例のみに限定されるものではない。基本的には、自動工具交換の際に主軸に発生する振動を利用して、振動検出装置の異常判定を行うシステムを構築していれば、本発明の工作機械の数値制御装置といえる。例えば、振動情報解析部１０５では、記憶部１０４で振動情報Ｖ（ｘ）を記憶した後に解析を行うのではなく、リアルタイムで解析を行うようにしてもよい。本願第２請求項についても、例えば、各種機能設定部１０６は、びびり振動抑制機能や主軸軸受診断機能がＯＦＦされている場合、振動情報解析部１０５に対し、振動情報解析部１０５が出力する振動検出装置の異常を意味するアラームを無視するよう指令する例について説明したが、プログラム解釈部１０２に信号Ｈｏｌｄを送出しないよう設定してもよい。すなわち、振動情報解析部１０５が診断をしないようにするスイッチがあればよい。

２０１振動検出装置、２０２切削工具、２０３工具ホルダ、２０４ドローバー、２０５コレット、２０６回転軸、２０７ハウジング、２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ，２０８ｄ軸受、２０９モータのロータ、２１０モータのステータ、２１１ａ，２１１ｂボルト。

Claims

切削工具を装着、回転させることで被加工物を切削加工する主軸と、前記主軸に装着された前記切削工具を交換する自動工具交換装置と、前記主軸または前記主軸のハウジングに取り付けられた振動検出装置と、を備えた工作機械の制御を行う数値制御装置において、
前記振動検出装置からの振動情報を取得する取得手段と、
前記自動工具交換装置における自動工具交換動作中の振動情報に、規定のレベルを超える振動情報がなかった場合に、前記振動検出装置に異常が発生したと判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする数値制御装置。
診断のＯＮ及びＯＦＦを行うスイッチ手段を備え、
前記スイッチ手段がＯＮされている場合に、前記判定手段は、前記振動検出装置に異常が発生したと判定することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。