(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記工作機械は、前記制御装置によって前記異常が検知された場合に、前記異常が発生したことを示す警告を出力するための出力装置をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の工作機械。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
主軸や軸受が故障した場合、これらの部品は、交換される必要がある。これらの部品の交換には、専門知識や高度な技術がいる。そのため、専門家以外の者がこれらの部品を交換した場合には、工作機械の加工精度が本来よりも低下してしまうことがある。特許文献1に開示される工作機械は、軸受の異常を予見するものであり、主軸が抜き取られたことによる異常を検知することができない。したがって、主軸が工作機械から抜き取られたことを検知することが可能な工作機械が望まれている。
【0006】
本開示は上述のような問題点を解決するためになされたものであって、ある局面における目的は、主軸が抜き取られたことによる異常を検知することが可能な工作機械を提供することである。他の局面における目的は、主軸が抜き取られたことによる異常を検知することが可能な検知方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
ある局面に従うと、工作機械は、ワークまたは工具を回転するための主軸と、上記主軸の回転角度に応じた信号を出力するためのセンサと、上記主軸の回転中および上記主軸の停止中に出力される上記信号とは異なる信号が上記センサから出力された場合に、上記主軸および上記センサの少なくとも一方に異常が発生したことを検知するための制御装置とを備える。
【0008】
好ましくは、上記センサは、磁気式エンコーダである。
好ましくは、上記センサは、上記主軸の回転中および上記主軸の停止中に、互いに位相が所定角度ずれている2つの信号を出力する。上記制御装置は、上記2つの信号の間の位相差が上記所定角度ではないときに、上記異常が発生したことを検知する。
【0009】
好ましくは、上記工作機械は、上記制御装置によって上記異常が検知された場合に、上記異常が発生したことを示す警告を出力するための出力装置をさらに備える。
【0010】
好ましくは、上記警告が出力されるタイミングは、上記工作機械の主電源がオンされたタイミングを含む。
【0011】
好ましくは、上記制御装置は、予め定められた入力を受け付けた場合に、上記警告を停止する。
【0012】
好ましくは、上記工作機械は、当該工作機械に電力を供給するための主電源と、上記制御装置に電力を供給するための副電源とをさらに備える。上記制御装置は、上記主電源のオフ時に上記副電源から電力の供給を受ける。
【0013】
他の局面に従うと、工作機械における異常の検知方法が提供される。上記工作機械は、ワークまたは工具を回転するための主軸と、上記主軸の回転角度に応じた信号を出力するためのセンサとを備える。上記検知方法は、上記主軸の回転角度に応じた信号を上記センサから取得するステップと、上記主軸の回転中および上記主軸の停止中に出力される上記信号とは異なる信号を上記取得するステップで取得した場合に、上記主軸および上記センサの少なくとも一方に異常が発生したことを検知するステップとを備える。
【発明の効果】
【0014】
ある局面において、主軸が抜き取られたことによる異常を検知することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解される本発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照しつつ、本発明に従う各実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。なお、以下で説明される各実施の形態および各変形例は、適宜選択的に組み合わされてもよい。
【0017】
[工作機械100の内部構造]
図1を参照して、工作機械100について説明する。
図1は、工作機械100の内部構造の一例を示す図である。
【0018】
図1には、マシニングセンタとしての工作機械100が示されている。以下では、マシニングセンタとしての工作機械100について説明するが、工作機械100は、マシニングセンタに限定されない。たとえば、工作機械100は、旋盤であってもよいし、その他の切削機械や研削機械であってもよい。
【0019】
図1に示されるように、工作機械100は、主要な構成として、ベッド12と、サドル18と、コラム21と、主軸頭41と、テーブル26とを有する。
【0020】
ベッド12は、サドル18やコラム21などを搭載するためのベース部材であり、工場などの据え付け面に設置されている。
【0021】
ベッド12には、コラム21が取り付けられている。コラム21は、ベッド12に固定されている。コラム21は、全体として、ベッド12の上面に立設される門形形状を有する。
【0022】
より具体的には、コラム21は、その構成部位として、側部22(22s,22t)と、頂部23とを有する。側部22は、ベッド12の上面から鉛直上方向に立ち上がるように設けられている。側部22sおよび側部22tは、水平方向に平行なX軸方向に間隔を隔てて配置されている。頂部23は、X軸方向に沿って側部22sから側部22tまで延設されている。
【0023】
なお、工作機械100の機械構成は、基本的には、X軸方向における中心に対して左右対称の構造を有している。本実施の形態において、参照番号に「s」および「t」が付された構成は、その左右対称に対応する一対の部品である。
【0024】
ベッド12には、サドル18が取り付けられている。サドル18は、ベッド12に対して、X軸方向にスライド移動可能に設けられている。サドル18には、主軸頭41が取り付けられている。主軸頭41は、側部22s、頂部23、側部22tおよびベッド12に囲まれた空間を通って、テーブル26に向けて延出している。主軸頭41は、水平方向に平行であり、X軸方向に直交するZ軸方向にスライド移動可能に設けられている。
【0025】
主軸頭41は、主軸42を有する。主軸42は、Z軸方向に平行な中心軸101を中心に、モータ駆動により回転可能に設けられている。主軸42には、加工対象であるワークを加工するための工具が装着される。主軸42の回転に伴って、主軸42に装着された工具が中心軸101を中心に回転する。なお、工作機械100が旋盤である場合には、主軸42には、ワークが装着される。この場合、主軸42の回転に伴って、主軸42に装着されたワークが回転する。
【0026】
ベッド12、サドル18および主軸頭41には、サドル18のX軸方向へのスライド移動および主軸頭41のZ軸方向へのスライド移動を可能とするための送り機構や案内機構、駆動源としてのサーボモータなどが適宜、設けられている。
【0027】
コラム21には、テーブル26が取り付けられている。テーブル26は、コラム21に対して、鉛直方向に平行であり、X軸方向およびZ軸方向に直交するY軸方向にスライド移動可能に設けられている。
【0028】
テーブル26は、ワークを固定するための装置であり、パレット27と、回転機構部29(29s,29t)とを有する。
【0029】
パレット27は、金属製の台であり、各種のクランプ機構を用いてワークが取り付けられる。パレット27は、回転機構部29によって、X軸に平行な中心軸102を中心に旋回可能に設けられている(a軸旋回)。回転機構部29sおよび回転機構部29tは、X軸方向に間隔を隔てて配置されている。パレット27は、回転機構部29sおよび回転機構部29tの間に装着されている。パレット27は、さらに、パレット27の主面に直交する中心軸を中心に旋回可能に設けられてもよい(b軸旋回)。
【0030】
コラム21およびテーブル26には、テーブル26のY軸方向へのスライド移動を可能とするための送り機構や案内機構、駆動源としてのサーボモータなどが適宜、設けられている。
【0031】
サドル18のX軸方向へのスライド移動、主軸頭41のZ軸方向へのスライド移動およびテーブル26のY軸方向へのスライド移動が組み合わさって、主軸42に装着された工具によるワークの加工位置が3次元的に移動する。
【0032】
工作機械100は、マガジン30と、自動工具交換装置(ATC:Automatic Tool Changer)36とをさらに有する。マガジン30は、主軸42に装着する交換用の工具32を収容するための装置である。自動工具交換装置36は、主軸42およびマガジン30の間で工具を交換するための装置である。
【0033】
マガジン30は、マガジン本体部31と、柱部材14,16と、台部材33とを有する。
【0034】
マガジン本体部31は、複数の工具保持部34と、スプロケット35とを有する。工具保持部34は、工具32を保持可能なように構成されている。複数の工具保持部34は、スプロケット35の周囲に環状に配列されている。スプロケット35は、モータ駆動により、Y軸に平行な中心軸103を中心に回転可能に設けられている。スプロケット35の回転に伴って、複数の工具保持部34が中心軸103を中心に回転移動する。
【0035】
マガジン本体部31は、柱部材14,16と、台部材33とによって、ベッド12から鉛直上方向に距離を設けた位置に支持されている。
【0036】
スプロケット35の回転に伴って、特定の工具32を保持する工具保持部34が機械前方の所定位置に割り出される。特定の工具32は、工具搬送装置(図示しない)によってZ軸方向に搬送され、工具交換位置まで移動する。自動工具交換装置36が有するダブルアーム37が旋回することにより、工具交換位置に搬送された特定の工具32と、主軸42に装着された工具とが交換される。
【0037】
[主軸42の抜き取り検知]
図2を参照して、主軸42が工作機械100から抜き取られたことを検知する方法について説明する。
図2は、工作機械100に対する主軸42の態様と、主軸42の回転角度に応じて出力される電気信号との関係を示す図である。
【0038】
図2に示されるように、工作機械100の主軸頭41は、主軸42と、ハウジング43とを含む。主軸42は、ハウジング43に収納可能に構成されている。主軸42には、ギア45が設けられている。ギア45は、主軸42に固定されている。
【0039】
ギア45に対向して、センサ47が設けられている。センサ47は、主軸42の回転角度に応じた電気信号を出力する。センサ47は、たとえば磁気式エンコーダ(磁気センサ)である。磁気式エンコーダの近傍にはバイアス磁石(図示しない)が設けられている。ギア45が回転することにより、バイアス磁石から発生した磁界が変化する。磁気式エンコーダは、その磁界の変化を検知する。
【0040】
好ましくは、センサ47は、主軸42の回転角度に応じて、互いに位相が所定角度(たとえば、90度)ずれている2つの電気信号を出力する。より具体的には、センサ47は、電源に並列に接続されている2つの磁気抵抗素子を含む。各磁気抵抗素子の抵抗値は、磁束密度の変化に応じて部分的に変化する。そのため、A点およびB点における電圧は、主軸42の回転に応じて変化する。A点とB点との間には、所定のピッチが空けられている。これにより、センサ47は、互いに位相が所定角度(たとえば、90度)ずれているA相の電気信号とB相の電気信号とを出力する。
【0041】
図2(A)には、主軸42の回転中にセンサ47から出力される電気信号の波形48A,48Bが示されている。センサ47は、互いに位相が角度Δθ(たとえば、90度)ずれている2つの電気信号(波形48A,48B)を出力する。ギア45の各歯がセンサ47の前を通過するごとに、電気信号の波形48A,48Bは、1周期変化する。各電気信号は、波形48A,48Bに示されるように、主軸42の回転中に周期的に変化する。
【0042】
図2(B)には、主軸42の停止中にセンサ47から出力される電気信号の波形49A,49Bが示されている。
図2(B)に示されるように、主軸42の停止中においては、電気信号の大きさは、波形49A,49Bに示されるように一定となる。このとき、波形49Aに示される電気信号の位相と波形49Bに示される電気信号の位相とは、互いに所定角度(たとえば、90度)ずれているため、各電気信号の大きさが共にゼロになることはない。すなわち、各電気信号の一方の大きさがゼロになったとしても、他方の大きさは、ゼロにはならない。
【0043】
図2(C)には、主軸42の交換中にセンサ47から出力される電気信号の波形50A,50Bが示されている。
図2(C)に示されるように、主軸42がハウジング43から取り外された場合には、電気信号の大きさは、波形50A,50Bに示されるように、共にゼロとなる。
【0044】
このように、主軸42の交換中におけるセンサ47の信号波形は、主軸42の回転中および停止中で異なる。この点に着目して、工作機械100の制御装置51(
図4参照)は、主軸42の回転中および主軸42の停止中に出力される電気信号とは異なる電気信号がセンサ47から出力された場合に、主軸42およびセンサ47の少なくとも一方に異常(以下、「工作機械100の異常」ともいう。)が発生したことを検知する。検知可能な工作機械100の異常は、主軸42がハウジング43から取り外されたこと、主軸42およびハウジング43が工作機械100から取り外されたこと、およびセンサ47がハウジング43から取り外されたことの少なくとも1つを含む。
【0045】
ある局面において、工作機械100の制御装置51は、センサ47から出力される2つの電気信号の間の位相差が所定角度(たとえば、90度)ではないときに、工作機械100の異常が発生したことを検知する。センサ47から出力される2つの電気信号は、主軸42の回転中および停止中においては、常に所定角度(たとえば、90度)の位相差を有する。一方で、主軸42の交換中においては、センサ47から出力される2つの電気信号に位相差が生じない。そのため、制御装置51は、センサ47から出力される2つの電気信号の位相差に基づいて、主軸42がハウジング43から外されたか否かを判断することができる。
【0046】
他の局面において、工作機械100の制御装置51は、センサ47から出力される2つの電気信号の大きさが共にゼロであるときに、工作機械100の異常を検知する。
【0047】
[工作機械100の異常の警告方法]
図3を参照して、工作機械100の異常を警告する方法について説明する。
図3は、工作機械100の異常を警告する画面例を示す図である。
【0048】
工作機械100の異常が検知された場合に、工作機械100は、異常が発生したことを示す警告を出力する。
図3には、警告の出力装置の一例であるディスプレイ60が示されている。ディスプレイ60は、工作機械100と一体的に構成されてもよいし、工作機械100とは別個の装置として構成されてもよい。
【0049】
ディスプレイ60は、工作機械100の異常が検知された場合に、警告62を表示する。警告62は、たとえばメッセージとして出力される。警告62は、アラームや音声などで出力されてもよい。
【0050】
工作機械100の制御装置51は、予め定められた入力を受け付けた場合に、警告62を停止する。より具体的には、警告画面は、パスワードの入力を受け付ける入力領域64を有する。工作機械100のメンテナンス業者は、入力領域64にパスワードを入力し、解除ボタン66を押下する。工作機械100は、入力されたパスワードを予め登録されているパスワードと照合し、これらのパスワードが互いに一致した場合に、警告62の表示を消す。
【0051】
好ましくは、工作機械100の異常が検知された場合に、工作機械100は、主軸42が取り外されたことを示す通知を他の装置に送信する。当該通知は、たとえば、工作機械100のメンテナンス業者が保持する携帯端末(たとえば、スマートフォンやウェラブル端末など)に送信される。メンテナンス業者は、当該通知を携帯端末上で確認することで、主軸42が取り外されたことを速やかに把握することができる。
【0052】
さらに好ましくは、工作機械100の異常が検知された場合に、工作機械100は、加工を実施するための各装置(たとえば、モータやアクチュエータなど)に対する電力の供給を停止する。これにより、主軸42が工作機械100から抜き取られた場合に、工作機械100は、使用できない状態になる。
【0053】
警告62が出力されるタイミングは、任意である。ある局面において、警告62は、工作機械100の主電源がオンされたタイミングで出力される。これにより、工作機械100は、警告62の出力タイミングを遅らせることができる。その結果、工作機械100は、正規のメンテナンス業者に対して警告62を表示することを防止することができる。他の局面において、警告62は、工作機械100の異常が検知された直後に出力される。
【0054】
[ハードウェア構成]
図4を参照して、工作機械100の異常を検知するためのハードウェア構成について説明する。
図4は、工作機械100の異常を検知するための主要な構成を示す図である。
【0055】
図4に示されるように、工作機械100は、主軸42(
図1参照)のギア45と、制御装置51と、算出回路52と、主電源54と、副電源55とを有する。
【0056】
ギア45の周囲には複数の歯が設けられている。各歯は、等間隔に設けられている。センサ47は、ギア45の回転角度に応じた電気信号を制御装置51に出力する。制御装置51は、たとえば、少なくとも1つの集積回路によって構成される。集積回路は、たとえば、少なくとも1つのCPU(Central Processing Unit)、少なくとも1つのASIC(Application Specific Integrated Circuit)、少なくとも1つのFPGA(Field Programmable Gate Array)、またはそれらの組み合わせなどによって構成される。
【0057】
制御装置51は、工作機械100の異常を検知するための検知ユニットである。工作機械100の異常の検知方法は上述の通りであるので、その説明については繰り返さない。制御装置51は、工作機械100の異常を検知したことをPLC(Programmable Logic Controller)に出力する。また、制御装置51は、センサ47からの電気信号を算出回路52に出力する。
【0058】
算出回路52は、センサ47によって検知された電気信号に基づいて、ギア45の回転角度を算出する。ここで、回転角度の算出方法の一例について説明する。ギア45の歯の1つ(以下、「基準の歯」ともいう。)は、他の歯とは異なる形状を有する。基準の歯がセンサ47の前を通過したときにおける電気信号(以下、「基準信号」ともいう。)の電圧は、他の歯がセンサ47の前を通過したときにおける電気信号の電圧とは異なる。算出回路52は、基準信号を検知したときのギア45の歯数を0とする。電気信号は、ギア45の各歯がセンサ47の前を通過するごとに1周期変化する。算出回路52は、電気信号の波数をカウントする。カウント数は、歯数に相当する。ギア45の回転角度は、カウントされた歯数に比例する。算出回路52は、1つの歯に相当する回転角度をカウント数に乗算することでギア45の回転角度を算出する。上記カウント数は、基準信号が検知される度にリセットされる。算出回路52は、算出したギア45の回転角度を外部制御装置に出力する。ギア45の回転角度は、外部制御装置に合わせたインターフェイスプロトコルで出力される。なお、実際にはギア45の歯ごとに周期的に変化するA相とB相との電気信号の電圧から、一歯の角度より細密な角度情報を割り出し、上記カウント値で得られた粗い回転角度に合成してギア全周に渡り細密な角度情報が出力される場合もある。
【0059】
主電源54は、工作機械100に電力を供給する。すなわち、主電源54は、ワークの加工を実施するための工作機械100の各構成に電力を供給する。一例として、主電源は、制御装置51や算出回路52などに電力を供給する。制御装置51は、工作機械100の駆動中においては、主電源54から電力の供給を受ける。
【0060】
副電源55は、制御装置51に電力を供給する。副電源55は、制御装置51専用の電源である。工作機械100の利用者は、工作機械100から主軸42を取り外すときには、通常、主電源54をオフにする。制御装置51は、主電源54のオフ時には副電源55から電力の供給を受ける。これにより、主電源54がオフである場合でも、制御装置51は、工作機械100の異常を検知することができる。
【0061】
[工作機械100の制御構造]
図5を参照して、工作機械100の制御構造について説明する。
図5は、工作機械100が実行する処理の一部を表わすフローチャートである。
図5の処理は、工作機械100の制御装置51(
図4参照)がプログラムを実行することにより実現される。他の局面において、処理の一部または全部が、回路素子またはその他のハードウェアによって実行されてもよい。
【0062】
ステップS10において、制御装置51は、センサ47(
図2参照)から主軸42(
図2参照)の回転角度に応じた電気信号の入力を受け付ける。
【0063】
ステップS12において、制御装置51は、工作機械100の異常が発生したか否かを判断する。より具体的には、制御装置51は、主軸42の回転中および停止中に出力される電気信号とは異なる電気信号を取得した場合に、主軸42およびセンサ47の少なくとも一方に異常が発生したと判断する。制御装置51は、工作機械100の異常が発生したと判断した場合(ステップS12においてYES)、制御をステップS20に切り替える。そうでない場合には(ステップS12においてNO)、制御装置51は、制御をステップS10に戻す。
【0064】
ステップS20において、制御装置51は、工作機械100の異常を周囲に警告するタイミングが到来したかを判断する。一例として、工作機械100の異常を周囲に警告するタイミングは、工作機械100の主電源がオンされたタイミングである。あるいは、工作機械100の異常を周囲に警告するタイミングは、工作機械100の異常が検知された直後である。制御装置51は、工作機械100の異常を周囲に警告するタイミングが到来したと判断した場合(ステップS20においてYES)、制御をステップS22に切り替える。そうでない場合には(ステップS20においてNO)、制御装置51は、ステップS20の処理を再び実行する。
【0065】
ステップS22において、制御装置51は、工作機械100に異常が発生したことを警告する。警告方法の一例として、制御装置51は、工作機械100に異常が発生したことを示すメッセージをディスプレイ60(
図3参照)に表示する。あるいは、制御装置51は、工作機械100に異常が発生したことを音声やアラームで出力する。
【0066】
[まとめ]
以上のようにして、工作機械100は、主軸42の回転中および停止中に出力される電気信号とは異なる電気信号がセンサ47から出力された場合に、主軸42およびセンサ47の少なくとも一方に異常が発生したことを検知する。これにより、工作機械100は、主軸42が抜き取られたことによる異常を検知することができる。
【0067】
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。