JP2017013187A - 工作機械の主軸負荷モニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予め加工負荷等を設定する必要がなく、主軸への負荷状態を簡単に把握できる工作機械の主軸負荷モニタ装置を提供する。【解決手段】複数の刃を備える工具３を主軸６に装着し、主軸６と共に工具３を回転させて被加工材の加工を行う工作機械において、ＮＣ装置１１は、主軸６の負荷を検出する主軸負荷検出部１７と、主軸負荷検出部１７で検出した主軸負荷の時間変化を、当該主軸負荷の主軸回転角度に対する変化に変換すると共に、変換した主軸負荷の値を、表示画面１９に極座標系で表示する主軸負荷処理部１８とを備えてなる。【選択図】図１

Description

本発明は、主軸に装着した工具を回転させながらワークの加工を行う工作機械において、主軸に対する負荷をモニタするための主軸負荷モニタ装置に関するものである。

工具を回転させてワークを切削加工する工作機械において、工具に損傷が生じると、ワークを希望通りの形状に加工できない加工不具合が発生する。加えて、工具の損傷によりワークが除去できない状況で送り軸が動作し続けると、工具とワークとが衝突する状況になり、機械が損傷を受けることになる。このため工具の状態を最も表していると考えられる主軸モータの負荷をＮＣ装置のモニタに表示し、機械オペレータが切削状態の良否を判断したり、機械が主軸負荷を監視して送り軸を停止するなどといったことが一般的に行われている。
例えば特許文献１には、主軸モータの負荷を表示装置にアナログ表示する際に、負荷値に応じて特定の領域に色分けして棒グラフで表示する方法が開示されている。これにより負荷の状態を色で直感的に把握できる。特許文献２には、切削動力計で加工負荷の平均値を求め、負荷変動の許容幅を設定して許容幅を越える場合は異常信号を出力する工具寿命予知装置が開示されている。この異常信号の出力個数から、加工負荷の顕著な変化の有無が判断できる。特許文献３には、主軸モータの負荷電流値の加減速時の電流を差し引いた値の平均値で工具摩耗の判定を行う負荷監視方法が示されている。ここでは電流値の上下限を設け、この値と比較することで異常を判断してモニタにメッセージを出力するようにしている。

特開昭５８−１２０４５５号公報 特開平５−３２９７４８号公報 特開平７−２４６９４号公報

特許文献１の主軸モータの負荷表示では、負荷値の大きさが色で判断できるという利点はあるが、色と工具の状態との関連性は無い。このため、どの色で工具が損傷するのかを予め知っておく必要がある。また、一般的に主軸負荷は主軸の加減速時や加工における瞬間的な負荷上昇などによりばたつきがある。一方で、工具状態の変化が主軸モータの負荷に与える変化量は微小であることもあるため、棒グラフで読み取るのは難しい。
また、特許文献２では、工具が異常であると判断するために負荷変動を予め設定しておく必要があるが、例えば初品の加工ではその値を設定することは難しい。特許文献３も特許文献２と同様で、異常と判断するための電流値を予め設定する必要がある。

そこで、本発明は、予め加工負荷等を設定する必要がなく、主軸への負荷状態を簡単に把握できる工作機械の主軸負荷モニタ装置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、複数の刃を備える工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記工具を回転させて被加工材の加工を行う工作機械において、前記主軸の負荷を表示するための主軸負荷モニタ装置であって、
前記主軸の負荷を検出する主軸負荷検出手段と、前記主軸負荷検出手段で検出した主軸負荷の時間変化を、当該主軸負荷の主軸回転角度に対する変化に変換する主軸負荷変換手段と、前記主軸負荷変換手段で変換した主軸負荷の値を、表示画面に極座標系で表示する表示制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記主軸負荷変換手段は、前記主軸回転角度に対する前記主軸負荷の変化を正規化し、その結果をフーリエ級数展開して０次成分と１次成分とを除去すると共に、前記１次成分のフーリエ係数と刃数であるｎ次成分のフーリエ係数とを抽出して、前記表示制御手段は、前記１次成分のフーリエ係数を工具振れ回りの指標として、前記ｎ次成分のフーリエ係数を刃の損傷に関する指標として前記表示画面にそれぞれ表示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、前記極座標系の主軸負荷の値を逐次記憶する記憶部を備え、前記表示制御手段は、記憶した前記主軸負荷を複数重ねて前記表示画面に表示することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、事前に試切削して加工負荷の把握をしておく必要がなく、主軸負荷の変化を極座標で表示することで、主軸への負荷状態を視覚的に簡単に把握することができる。
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加えて、工具の振れ回りと損傷との度合いを数値で表すことができ、今回の加工が正常かどうかの判断に使用することができる。
請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加えて、複数の結果を１つの極座標系で同時表示することができ、時間変化による状態の変化などを把握することができる。

工作機械のブロック構成図である。 エンドミルによる溝加工の断面図である。 正常工具における主軸負荷の時間経過のイメージ図である。 振れのある工具における主軸負荷の時間経過のイメージ図である。 振れがあり、工具が損傷して切れ刃が１枚となっている工具における主軸負荷の時間経過のイメージ図である。 主軸回転角度における主軸モータ負荷の変化量を１で正規化した実測図である。 主軸モータ負荷の変化量を極座標で表示した例を示す説明図である。 主軸モータ負荷を表示するまでの計算処理のフローチャートである。 主軸負荷モニタ画面の説明図である。

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ブロック構成図である。工作機械の主軸ハウジング１には、主軸モータ２で回転可能な主軸６が備えられ、主軸６の先端には工具３が取り付けられる。テーブル５の上にはワーク４が固定され、テーブル５を移動させることで工具３とワーク４とを相対的に移動させてワーク４の加工が行われる。
１１は、工作機械を制御するＮＣ装置で、ＮＣ装置１１は、記憶されているＮＣプログラム１２で機械を動作させてワーク４の加工を行うと共に、本発明の主軸負荷モニタ装置としての機能も備える。

ＮＣ装置１１において、ＮＣプログラム１２は、プログラム解釈部１３で実行処理が行われて機械制御命令が解釈され、主軸６やテーブル５の送り軸を制御する送り軸制御部１５に対する目標位置指令および送り速度指令を関数発生部１４に受け渡すとともに、主軸６を制御する主軸制御部１６に対して回転速度の指令を出力する。
１７は、主軸負荷検出手段としての主軸負荷検出部で、この主軸負荷検出部１７は、主軸制御部１６に接続され、主軸モータ２の所要電力または所要トルクに相当する負荷信号（主軸負荷）を主軸回転角度と併せて検出する。そして主軸負荷変換手段及び表示制御手段としての主軸負荷処理部１８では、検出した主軸負荷の時間変化を、主軸負荷の主軸回転角度に対する変化に変換すると共に、変換した主軸負荷をフーリエ級数展開して特定の次数成分をカットしたり、特定の次数のフーリエ係数を抽出したりする処理を行い、表示画面１９に表示する主軸負荷モニタ画面を作成して記憶部２０に保存する。表示画面１９はタッチパネルとなっており、ここで主軸負荷処理部１８で使用する刃数の入力や、主軸負荷モニタ画面の変更操作が可能となっている。

ここで、加工で生じる主軸負荷について、図２〜５を用いて説明する。図２は２刃のエンドミルで溝加工を行う模式図である。主軸６に取り付けられたエンドミルは、ワーク４が乗ったテーブル５を動作させることで回転しながら図２の送り方向に移動するため、ワークにはエンドミル径の溝が加工される。エンドミルの刃が２枚であるため、主軸６が１回転する間に主軸負荷には２回の増減が生じることになる（図３）。
しかし、実際には主軸６の回転中心とエンドミル外径中心にはズレがあるため、主軸６の回転に対してエンドミルには振れ回りが発生する。このため、図２のように２刃の場合は１枚で切り取り量が減り、逆にもう１刃では切り取り量が増えて図４のように主軸負荷に差が生じる波形となる。そして、振れ回り量が大きい場合や、片方の刃の損傷が進むと図５のように１山となる。

図６は、実際の加工における初期の主軸負荷と主軸回転角度との関係及び、加工を継続したことで１刃が損傷した際の主軸負荷と主軸回転角度との関係をそれぞれ示す。ここでは主軸負荷を比較しやすいように変化量を１に正規化した。図６より、損傷が進むと実際の主軸負荷も図５で示したように１山となることが分かる。図６を極座標に示したのが図７である。図７を表示するためには、図６をフーリエ級数展開し、その０次成分と１次成分を差し引いて、極座標表示している。図７から、２刃のエンドミルで加工したために初期の負荷には２次成分が生じた楕円形状となっている。一方で１刃が損傷した場合は１刃による加工と同等となり、円形状になっている。従って、切れ刃が正常な場合は楕円形状となって、実際のエンドミルの２刃のイメージと一致する。同様に３刃で正常な場合は３山、ｎ刃で正常な場合はｎ山となるため、刃の状態判断を容易に行うことが出来る。なお、刃が損傷して刃が減少したことと同等となった場合、刃が減少した分負荷が増加することになる。このため、軸負荷の変化量を１で正規化し、刃の損傷前後の負荷の波形を比較し易くしている。

次に、主軸負荷処理部１８による図７の極座標の主軸負荷の作成手順を、図８のフローチャートに基づいて説明する。
まず、予め設定した主軸回転回数分だけ負荷を計測する（Ｓ１１）。次に、計測した負荷を主軸１回転分で平均化する（Ｓ１２）。そして、主軸回転角度と主軸負荷との関係に置き換え、変化量の最大値で正規化し図７のような結果を得る（Ｓ１３）。この結果をフーリエ級数展開し、０次成分と１次成分とを取り除くと共に１次成分のフーリエ係数と、刃数であるｎ次成分のフーリエ係数とを抽出し（Ｓ１４）、主軸負荷は極座標表示で、１次成分のフーリエ係数は工具の振れ回りの指標、ｎ次成分のフーリエ係数は切れ刃損傷の指標として記憶部２０に記録すると共に、表示画面１９に表示する（Ｓ１５）。

図９は、表示画面１９に表示される主軸負荷モニタ画面の一例である。ここでは主軸負荷の極座標表示に、記憶部２０で記録した複数の波形が重ねて表示されている。また、この図では、時間経過を切削距離と結びつけて表示している。さらに、刃数も同一画面上に併せて表示することで、主軸負荷の形状から工具状況を把握し易くしている。工具の振れ回りの指標は「振れの大きさ」（数字が大きいほど振れが大きい）として、切れ刃損傷の指標は「切れ刃の鋭さ」（数字が大きいほど損傷が大きい）としてそれぞれ表示されている。
表示画面１９の下部には、任意のタイミングでの押し操作によって主軸負荷を測定、記憶して極座標表示を行う「測定」ボタンと、押し操作によって表示されている極座標表示を消去するための「クリア」ボタンとが設けられている。

このように、上記形態のＮＣ装置１１によれば、主軸６の負荷を検出する主軸負荷検出部１７と、主軸負荷検出部１７で検出した主軸負荷の時間変化を、当該主軸負荷の主軸回転角度に対する変化に変換し、変換した主軸負荷の値を、表示画面１９に極座標系で表示する主軸負荷処理部１８とを備えたことで、事前に試切削して加工負荷の把握をしておく必要がなく、主軸負荷の変化を極座標で表示するので主軸６への負荷状態が視覚的に簡単に把握可能となる。
特にここでは、主軸負荷モニタ画面に、工具の振れ回りと損傷の度合いとを数値で表しているので、今回の加工が正常かどうかの判断に使用することができる。
加えて、主軸負荷モニタ画面に、逐次記録した主軸負荷を複数重ねて表示しているので、主軸負荷の時間変化を容易に把握することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、例えば主軸負荷処理部を、主軸負荷の時間変化を主軸回転角度に対する変化に変換したりフーリエ級数展開してフーリエ係数を抽出したりする変換部（主軸負荷変換手段）と、主軸負荷モニタ画面を作成する画面作成部（表示制御手段）とに分けて構成してもよい。工作機械全体に係る軸構成等も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
また、上記形態では、主軸負荷モニタ装置をＮＣ装置で実現して主軸負荷モニタ画面をＮＣ装置の表示画面に表示しているが、少なくとも主軸負荷変換手段と表示制御手段及び表示画面をＮＣ装置と別にして、ＮＣ装置に有線若しくは無線接続される外部装置（パーソナルコンピュータ等）に設け、主軸負荷を外部装置でモニタするようにしても良い。こうすれば複数の工作機械の主軸負荷を一箇所の外部装置で管理することができる。

１・・主軸ハウジング、２・・主軸モータ、３・・工具、４・・ワーク、５・・テーブル、６・・主軸、１１・・ＮＣ装置、１２・・ＮＣプログラム、１３・・プログラム解釈部、１４・・関数発生部、１５・・送り軸制御部、１６・・主軸制御部、１７・・主軸負荷検出部、１８・・主軸負荷処理部、１９・・表示画面、２０・・記憶部。

Claims (3)

1. 複数の刃を備える工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記工具を回転させて被加工材の加工を行う工作機械において、前記主軸の負荷を表示するための主軸負荷モニタ装置であって、
   前記主軸の負荷を検出する主軸負荷検出手段と、前記主軸負荷検出手段で検出した主軸負荷の時間変化を、当該主軸負荷の主軸回転角度に対する変化に変換する主軸負荷変換手段と、前記主軸負荷変換手段で変換した主軸負荷の値を、表示画面に極座標系で表示する表示制御手段とを備えたことを特徴とする工作機械の主軸負荷モニタ装置。
2. 前記主軸負荷変換手段は、前記主軸回転角度に対する前記主軸負荷の変化を正規化し、その結果をフーリエ級数展開して０次成分と１次成分とを除去すると共に、前記１次成分のフーリエ係数と刃数であるｎ次成分のフーリエ係数とを抽出して、前記表示制御手段は、前記１次成分のフーリエ係数を工具振れ回りの指標として、前記ｎ次成分のフーリエ係数を刃の損傷に関する指標として前記表示画面にそれぞれ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主軸負荷モニタ装置。
3. 前記極座標系の主軸負荷の値を逐次記憶する記憶部を備え、前記表示制御手段は、記憶した前記主軸負荷を複数重ねて前記表示画面に表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の主軸負荷モニタ装置。

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