特開 2024-151942 工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法及び異常判定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024151942

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法及び異常判定装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/00 20060101AFI20241018BHJP

   B23Q 5/04 20060101ALI20241018BHJP

   B23Q 5/54 20060101ALI20241018BHJP

   B23Q 5/58 20060101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

B23Q17/00 A

B23Q5/04 F

B23Q5/54 A

B23Q5/58 Z

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023065782

(22)【出願日】2023-04-13

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2024-09-13

(71)【出願人】

【識別番号】000154990

【氏名又は名称】株式会社牧野フライス製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100227835

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 剛孝

(72)【発明者】

【氏名】中安 和正

(72)【発明者】

【氏名】眞弓 一矢

(72)【発明者】

【氏名】松本 勇毅

【テーマコード（参考）】

3C029

【Ｆターム（参考）】

3C029EE01

(57)【要約】

【課題】送り軸クランプ機構に過度な負担をかけることなく、かつ、工作機械を分解することなく送り軸クランプ機構の異常を判定できる異常判定方法及び異常判定装置を提供する。
【解決手段】送り軸２２ｂ、３８を停止状態に保持する工作機械１２の送り軸クランプ機構５２、５６の異常判定方法であって、クランプ機構を作動して送り軸２２ｂ、３８の移動を停止状態に保持し、複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２を負荷したときの送り軸変位を測定して駆動力との相関関係ＥＲを導出し、試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、判定用駆動力を負荷したときの想定変位ＳＤを相関関係から予測し、想定変位に許容変動幅を持たせた変位許容範囲ＲＡを算出し、送り軸２２ｂ、３８に判定用駆動力を負荷したときの実送り軸変位を測定し、実送り軸変位が変位許容範囲から外れるときに送り軸クランプ機構５２、５６が異常と判定する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械の送り軸に設けられ、前記送り軸を停止状態に保持する工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法であって、
前記送り軸クランプ機構によって前記送り軸の移動を停止状態に保持し、
予め設定した異なる複数の試験用駆動力を前記送り軸に負荷したときの送り軸変位を測定し、
測定した前記送り軸変位及び対応する前記試験用駆動力から前記送り軸変位と駆動力との相関関係を導出し、
複数の前記試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、前記判定用駆動力を負荷したときの前記送り軸の想定変位を前記相関関係に基づいて予測し、
予測した前記想定変位に所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を算出し、
実際に前記送り軸に前記判定用駆動力を負荷したときの実送り軸変位を測定し、
測定した前記実送り軸変位が前記変位許容範囲から外れているときに前記送り軸クランプ機構が異常であると判定する、ことを特徴とした工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法。

【請求項2】

前記判定用駆動力が、複数の前記試験用駆動力の最大の試験用駆動力よりも大きい請求項１に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法。

【請求項3】

送り軸を駆動する送り軸駆動手段と、前記送り軸の変位測定手段と、前記送り軸の移動を停止状態に保持する送り軸クランプ機構とを有する工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置であって、
前記送り軸クランプ機構によって前記送り軸の移動を停止状態に保持した状態で、予め設定した異なる複数の試験用駆動力を前記送り軸駆動手段によって前記送り軸に負荷し、前記変位測定手段で測定した送り軸変位及び対応する前記試験用駆動力から前記送り軸変位と駆動力との相関関係を導出する軸変位・駆動力相関関係導出手段と、
前記軸変位・駆動力相関関係導出手段によって導出した前記相関関係から前記試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、前記判定用駆動力を負荷したときの前記送り軸の想定変位を前記相関関係に基づいて予測する想定変位予測手段と、
前記想定変位予測手段によって予測した前記想定変位に所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を算出する変位許容範囲算出手段と、
実際に前記送り軸に前記判定用駆動力を負荷した状態で前記変位測定手段によって測定した実送り軸変位が、前記変位許容範囲算出手段で算出した前記変位許容範囲から外れているときに前記送り軸クランプ機構が異常であると判定する判定手段と、
を具備することを特徴とした工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項4】

前記判定用駆動力が、複数の前記試験用駆動力の最大の試験用駆動力よりも大きい請求項３に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項5】

前記送り軸変位と前記駆動力との前記相関関係は、弾性域における関係である請求項４に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項6】

前記判定手段による判定結果を表示する表示手段を具備する、請求項５に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項7】

前記工作機械に配置され、前記送り軸駆動手段及び前記送り軸クランプ機構を作動させるための送り軸制御手段であって、前記送り軸制御手段は、前記判定手段が前記送り軸クランプ機構を異常であると判定した場合に、前記送り軸を停止させる請求項６に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項8】

前記送り軸は、回転送り軸又は直動送り軸である請求項３から請求項７の何れか１項に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械の回転送り軸や直動送り軸を停止状態に保持する送り軸クランプ機構の異常判定方法及び異常判定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械は回転送り軸や直動送り軸に対してクランプ動作を行うことによって、これを停止状態に保持するが、工作機械を継続的に使用することによって送り軸クランプ機構が劣化し、故障する場合がある。このような故障が発生すると、通常は、工作機械を分解して点検及び修理を行うことになるため、作業効率の低下及びコストの増加によってユーザの大きな負担となる。また、クランプして加工中に送り軸がずれ、ワークの加工精度が悪化したり、電源オフ時に重力方向の直動送り軸が不用意に移動したりする問題もある。

【0003】

このため、特許文献１には、ワーク載置用テーブルを停止位置に保持するためのクランプ機構を備えた回転テーブルが開示されている。この回転テーブルは、クランプ機構によってワーク載置用テーブルをクランプしている状態において、モータに回転軸を回転させるトルクが徐々に大きくなるように回転指令を与え、回転軸の状態の変化と回転指令によるモータのトルク情報に基づきクランプトルクを測定する手段を有する。ここでいう、クランプトルクとは、ワーク載置用テーブルを停止位置に保持する送り軸クランプ機構が滑り始めるときのモータの回転トルクである。一般的には、クランプトルクは、安全率を考慮してモータの定格トルクよりも十分大きくなるように設定される。このため、クランプ装置本来の役割とは別に、クランプ力の異常の有無を検査するためのクランプトルク測定のたびに大きな回転トルクが負荷され、結果として送り軸クランプ機構には大きな負担がかかる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５８８７２９９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、送り軸クランプ機構に過度な負担をかけることなく、かつ、工作機械を分解することなく送り軸クランプ機構の異常を判定することができる工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法及び異常判定装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によれば、工作機械の送り軸に設けられ、送り軸を停止状態に保持する工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法であって、送り軸クランプ機構によって送り軸の移動を停止状態に保持し、予め設定した異なる複数の試験用駆動力を送り軸に負荷したときの送り軸変位を測定し、測定した送り軸変位及び対応する試験用駆動力から送り軸変位と駆動力との相関関係を導出し、複数の試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、判定用駆動力を負荷したときの送り軸の想定変位を相関関係に基づいて予測し、予測した想定変位に所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を算出し、実際に送り軸に判定用駆動力を負荷したときの実送り軸変位を測定し、測定した実送り軸変位が変位許容範囲から外れているときに送り軸クランプ機構が異常であると判定する、工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法が提供される。

【0007】

また、本発明によれば、送り軸を駆動する送り軸駆動手段と、送り軸の変位測定手段と、送り軸の移動を停止状態に保持する送り軸クランプ機構とを有する工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置であって、送り軸クランプ機構によって送り軸の移動を停止状態に保持した状態で、予め設定した異なる複数の試験用駆動力を送り軸駆動手段によって送り軸に負荷し、変位測定手段で測定した送り軸変位及び対応する試験用駆動力から送り軸変位と駆動力との相関関係を導出する軸変位・駆動力相関関係導出手段と、軸変位・駆動力相関関係導出手段によって導出した相関関係から試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、判定用駆動力を負荷したときの送り軸の想定変位を相関関係に基づいて予測する想定変位予測手段と、想定変位予測手段によって予測した想定変位に所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を算出する変位許容範囲算出手段と、実際に送り軸に判定用駆動力を負荷した状態で変位測定手段によって測定した実送り軸変位が、変位許容範囲算出手段で算出した変位許容範囲から外れているときに送り軸クランプ機構が異常であると判定する判定手段と、を具備する工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法及び異常判定装置によれば、送り軸クランプ機構によって送り軸の移動を停止状態に保持した状態で、予め設定した異なる複数の試験用駆動力を送り軸に負荷したときの送り軸変位を測定し、測定した送り軸変位及び対応する試験用駆動力から送り軸変位と駆動力との相関関係を導出することができる。正常な機構、この場合、正常な送り軸クランプ機構では、駆動力と変位の間には線形又は弾性域において二次関数等で近似できる様な一定の関係性を有する。このため、送り軸変位と駆動力との相関関係を導出するためには、複数の試験用駆動力とこれらに対応する送り軸変位が把握できればよく、試験用駆動力には定格値よりも小さい駆動力を用いることができる。これによって、送り軸クランプ機構に過度な負担をかけることなく送り軸クランプ機構の異常を判定するための送り軸変位と駆動力との相関関係を導出することができる。

【0009】

また、本発明に係る工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法及び異常判定装置によれば、複数の試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、判定用駆動力を負荷したときの送り軸の想定変位を相関関係に基づいて予測することができる。ここでは、導出した送り軸変位と駆動力との相関関係に判定用駆動力と想定変位との関係が当てはまるかどうかを対比できればよいため、判定用駆動力には、定格値よりも小さい駆動力を用いることができる。これによって、送り軸クランプ機構の異常を判定するための判定用駆動力を送り軸クランプ機構に過度な負担をかけない大きさに設定することができる。さらに、予測した想定変位に所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を算出することができる。このため、例えば、判定用駆動力に対する想定変位に、弾性域内での許容変動幅、並びに、工作機械の使用年数及び使用状況や使用する工場内の温度等の外的環境等に応じた想定変位の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を合理的に設定することができる。また、実際に送り軸に判定用駆動力を負荷したときの実送り軸変位を測定し、測定した実送り軸変位が変位許容範囲から外れているときに送り軸クランプ機構が異常であると判定することができる。このため、工作機械を分解することなく、実送り軸変位と変位許容範囲との対比に基づいて送り軸クランプ機構の異常の有無を迅速かつ容易に判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本実施形態に係る異常判定装置を備えた工作機械の斜視図を示す。

【図2】図２は、本実施形態に係るテーブルを機械上下方向に沿って切断した断面図を示す。

【図3】図３は、本実施形態に係る移動体の平面図を示す。

【図4】図４は、本実施形態に係る移動体の正面図を示す。

【図5】図５は、本実施形態に係る異常判定装置のブロック図を示す。

【図6】図６は、本実施形態に係る異常判定のための駆動力と変位の相関関係であって、判定用駆動力が複数の試験用駆動力の中の最大の試験用駆動力よりも大きい場合の例を示す。

【図7】図７は、本実施形態に係る異常判定のための駆動力と変位の相関関係であって、判定用駆動力を複数の試験用駆動力の中の最大の試験用駆動力と最小の試験用駆動力の間に設定する場合の例を示す。

【図8】図８は、本実施形態に係る異常判定のための駆動力と変位の相関関係であって、判定用駆動力が複数の試験用駆動力の中の最小の試験用駆動力よりも小さい場合の例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面を参照して、実施形態に係る工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置を説明する。同様な又は対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。理解を容易にするために、図の縮尺を変更して説明する場合がある。

【0012】

図１には、本実施形態に係る送り軸クランプ機構の異常判定装置１０を備えた工作機械１２の斜視図を示す。工作機械１２は、基台となるベッド１４と、ベッド１４の上面に立設されたコラム１６とを備える。ベッド１４の上面には、移動体１８が配置されている。移動体１８には、傾斜旋回台２０を介してテーブル２２が配置されている。テーブル２２の上方側には、ワーク（図示省略）を上面に固定するための円板状のワーク取付け面２２ａが形成されている。

【0013】

コラム１６の前面にはサドル２４が配置され、サドル２４の前面には主軸ヘッド２６が配置されている。主軸ヘッド２６の先端側、ここでは、下方側には、回転可能に構成された主軸２８が取り付けられている。主軸２８は、これと共に回転しながらワークを加工するための工具（図示省略）を着脱可能に構成されている。

【0014】

本実施形態に係る工作機械１２は、加工対象となるワークに対する工具の相対位置を変更するための駆動手段３０（図５参照）を備える。工作機械１２には、所定の位置を原点とした機械座標が予め設定されており、互いに直交する直動送り軸として、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を含む。また、機械座標は、回転方向を示すＢ軸及びＣ軸を含む。

【0015】

本実施形態に係る工作機械１２は立形であり、Ｚ軸は鉛直方向に沿って延在する。また、Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸に垂直な平面上、ここでは、水平面上に設定する。また、本実施形態に係る工作機械１２では、移動体１８は、Ｙ軸方向（機械前後方向）に沿って移動するように構成されている。また、サドル２４は、Ｘ軸方向（機械左右方向）に沿って、主軸ヘッド２６は、サドル２４の前面をＺ軸方向（機械上下方向）に沿って移動可能に構成されている。

【0016】

傾斜旋回台２０は、Ｂ軸を回転方向として回動可能に構成されている。また、テーブル２２は、回転中心線Ａ１（図２参照）周りのＣ軸を回転方向として回動可能に構成されている。回転中心線Ａ１は、ワーク取付け面２２ａの回転送り軸としての中心軸２２ｂの中心を通り、ワーク取付け面２２ａに直交する方向、ここでは鉛直方向に沿って延在する。

【0017】

駆動手段３０は、工具とワークとをＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に沿って相対的に移動可能に構成されている。また、駆動手段３０は、工具とワークとをＢ軸方向及びＣ軸方向に沿って相対的に回動可能に構成されている。

【0018】

駆動手段３０は、工具とワークとをＸ軸方向に沿って相対移動させるために、コラム１６の前面に形成された一対のＸ軸レール３２ａ、３２ｂを有する。サドル２４は、Ｘ軸レール３２ａ、３２ｂに取り付けられ、これに沿った往復移動が可能となるように構成されている。また、駆動手段３０は、ボールねじ機構等によりサドル２４を移動させるＸ軸サーボモータ３４を有する。このため、主軸２８及び工具は、サドル２４と共にＸ軸方向に沿って移動させることができる。

【0019】

駆動手段３０は、工具とワークとをＹ軸方向に沿って相対移動させるために、ベッド１４の上面に配置された一対のＹ軸レール３６ａ、３６ｂを有する。移動体１８は、ガイドブロック（図示省略）を介してＹ軸レール３６ａ、３６ｂに支持され、これに沿った往復移動が可能となるように構成されている。コラム１６には、Ｙ軸方向に沿って移動する移動体１８が通過できるように空洞部１６ａが形成されている。また、駆動手段３０は、直動送り軸としてのボールねじ機構３８（図３及び図４参照）により移動体１８を移動させるＹ軸サーボモータ（図示省略）をベッド１４の背面に有する。このため、傾斜旋回台２０及びテーブル２２は、移動体１８と共にＹ軸方向に沿って移動させることができる。

【0020】

駆動手段３０は、工具とワークとをＺ軸方向に沿って相対移動させるために、サドル２４の前面に形成された一対のＺ軸レール４０ａ、４０ｂを有する。主軸ヘッド２６は、Ｚ軸レール４０ａ、４０ｂに取り付けられ、これに沿って往復移動が可能となるように構成されている。また、駆動手段３０は、ボールねじ機構等により主軸ヘッド２６を移動させるためのＺ軸サーボモータ４２を有する。このため、工具及び主軸２８は、主軸ヘッド２６と共にＺ軸方向に沿って移動させることができる。さらに、主軸ヘッド２６の内部には、主軸２８をＺ軸方向に沿った軸線周りに回転させるための駆動モータ（図示省略）が配置されている。

【0021】

駆動手段３０は、工具とワークとをＢ軸方向に相対的に回転させるために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の全ての軸に対して傾斜している傾斜回転中心線を中心軸とする傾斜旋回台２０を有する。移動体１８の内部には、傾斜旋回台２０を回転させるためのＢ軸サーボモータ（図示省略）が配置されており、Ｂ軸サーボモータを駆動することによって傾斜旋回台２０をＢ軸方向に沿って回転させることができる。このため、テーブル２２上に固定されたワークは、傾斜旋回台２０と共にＢ軸方向に沿って回転させることができる。

【0022】

駆動手段３０は、工具とワークとをＣ軸方向に相対的に回転させるために、図２に示すようにダイレクトドライブモータ４４（以下、ＤＤモータ４４と称する。）を有する。このため、ＤＤモータ４４を駆動させて、鉛直方向に沿った回転中心線Ａ１周り、すなわちＣ軸方向に沿ってテーブル２２のワーク取付け面２２ａ及びこれに固定されたワークを回転させることができる。

【0023】

図２には、テーブル２２の送り軸クランプ機構を説明するためにテーブル２２を機械上下方向に沿って切断した断面図を模式的に示す。テーブル２２は、外周形状が円筒形状に形成され、内部空間を有するハウジング２２ｃを有しており、中心軸２２ｂはハウジング２２ｃの内部空間に回転可能に配置されている。ハウジング２２ｃの内周面には、中心軸２２ｂの外周面と対向するように転がり軸受４６が配置されており、ワーク取付け面２２ａ及び中心軸２２ｂは、転がり軸受４６を介して回転中心線Ａ１周りに回転可能に構成されている。

【0024】

ハウジング２２ｃの内周部における転がり軸受４６の下方側には、中心軸２２ｂを回転駆動するためのＤＤモータ４４が配置されている。また、ハウジング２２ｃの内周部におけるＤＤモータ４４の下方側には、中心軸２２ｂの回転中心線Ａ１周りの回転位置及び変位量を読み取るためのロータリーエンコーダ等の変位測定手段としてのエンコーダ４８が取付けられている。なお、以下の説明では、ハウジング２２ｃには、ＤＤモータ４４が配置されているとして説明するが、これに限らず、例えば、周知のモータと歯車列を用いてテーブルが回転駆動されてもよい。また、ここでは、中心軸２２ｂの変位はエンコーダ４８によって計測されるとして説明するが、これに限らず、機械的に中心軸の変位を計測する他の変位測定手段が用いられてもよい。

【0025】

ハウジング２２ｃの内周部の下方側には、ハウジング２２ｃの内周形状に沿って中空円板状に形成されたディスクブレーキ５０が配置されている。また、中心軸２２ｂの内側は回転中心線Ａ１を中心線とする円筒形状の空間が形成されており、その空間には、回転中心線Ａ１を中心線とし、鉛直方向に沿って延在する円筒形状の送り軸クランプ機構としてのクランプ軸５２が配置されている。ここでは、クランプ軸５２は、油圧式のピストンとして構成されており、クランプ軸５２の下端には、クランプ軸５２の外径よりも大きな外径を有する円板状の送り軸クランプ機構としての当接部材５４がクランプ軸５２と一体で形成されている。クランプ軸５２は、中心軸２２ｂの内部を上下動可能に構成され、中心軸２２ｂをクランプするために、上方側へ向けてクランプ動作ＣＡを行う。このため、クランプ軸５２は、上昇した状態で中心軸２２ｂの内部にロック可能に構成されている。当接部材５４は、上昇したクランプ軸５２が中心軸２２ｂに対してロックされたときに、上面がディスクブレーキ５０の下面に当接すると共に、ディスクブレーキ５０を中心軸２２ｂの下面の間に挟み込むように構成されている。これによって、ワーク取付け面２２ａ及び中心軸２２ｂの回転中心線Ａ１周りの回転をクランプし、停止状態を保持することができる。

【0026】

図３及び図４には、移動体１８のクランプ機構を説明するために、移動体１８の平面図及び正面図を模式的に示す。移動体１８の下方側には、ガイドブロック（図示省略）とは別個に、送り軸クランプ機構としてのクランプブレーキ５６が取り付けられている。クランプブレーキ５６は、正面視で下方側へ向けて開放した凹形状とされており、Ｙ軸レール３６ａ、３６ｂを跨ぐように配置されている。

【0027】

クランプブレーキ５６は、Ｙ軸レール３６ａ、３６ｂの両側に鉛直方向に沿って延在するグリップ部材５６ａ、５６ｂを有する。グリップ部材５６ａ、５６ｂは、水平方向、ここでは、Ｘ軸方向に沿ってＹ軸レール３６ａ、３６ｂへ向けてスライド可能に構成されている。このため、グリップ部材５６ａ、５６ｂをＹ軸レール３６ａ、３６ｂへ向けてクランプ動作ＣＡさせることによってＹ軸レール３６ａ、３６ｂを押圧し、これによって移動体１８をクランプすることができる。また、移動体１８のＸ軸方向の側部には、Ｙ軸レール３６ａ、３６ｂに並行して移動体１８の位置及び変位量を計測するための変位測定手段としての光学式リニアエンコーダ（図示省略）を構成するスケール５８が配置されている。なお、ここでは、スケール５８は、光学式リニアエンコーダを構成するものとして説明するが、これに限らず、例えば、画像から移動体の位置を読み取るための目盛りを刻んだスケールとされてもよい。

【0028】

図２を用いて回転送り軸である中心軸２２ｂ（Ｃ軸）のクランプ機構の構造を説明したが、テーブル２２を傾斜旋回台２０に、ハウジング２２ｃを移動体１８のハウジングに置き換えると、移動体１８には、ＤＤモータ４４及びロータリーエンコーダ４８と同等のものが設けられているため、傾斜旋回台２０の回転軸（Ｂ軸）のクランプ機構も中心軸２２ｂ（Ｃ軸）のクランプ機構とほぼ同様と見なすことができる。このため、傾斜旋回台２０の回転軸（Ｂ軸）のクランプ機構については、説明を省略する。また、図３及び図４を用いて直動送り軸であるＹ軸のクランプブレーキ５６の構造を説明したが、図３及び図４における移動体１８をサドル２４又は主軸ヘッド２６に、Ｙ軸レール３６ａ、３６ｂをＸ軸レール３２ａ、３２ｂ又はＺ軸レール４０ａ、４０ｂに置き換えることによって、Ｘ軸及びＺ軸のクランプブレーキも図３及び図４とほぼ同様と見なすことができる。このため、Ｘ軸及びＺ軸のクランプブレーキについての説明を省略する。なお、直動送り軸のクランプブレーキ５６はＹ軸レール３６ａ、３６ｂをグリップ部材５６ａ、５６ｂによって押圧するタイプのブレーキであるとして説明したが、これに限らず、ブレーキとして、例えば、ボールねじ機構のねじ軸に固定したディスクにブレーキパッドを押圧させるディスクブレーキが用いられてもよい。

【0029】

図５には、Ｃ軸（クランプ軸５２）及びＹ軸（Ｙ軸レール３６ａ、３６ｂに対するクランプブレーキ５６）を代表例とする異常判定装置１０のブロック図を示す。なお、上記のとおり、Ｂ軸（傾斜旋回台２０の回転軸）、Ｘ軸（Ｘ軸レール３２ａ、３２ｂ）、及び、Ｚ軸（Ｚ軸レール４０ａ、４０ｂ）についても同様の取り扱いができるため、ここでは説明を省略する。異常判定装置１０は、工作機械１２に付属され、工作機械１２を制御するためのＮＣ装置６０に組み込まれている。なお、以下の説明では、異常判定装置１０は、ＮＣ装置６０に組み込まれているとして説明するが、これに限らず、異常判定装置は、ＮＣ装置とは別個に構成されてもよい。

【0030】

異常判定装置１０は、送り軸制御手段６４と、軸変位・駆動力相関関係導出手段６６と、想定変位予測手段６８と、変位許容範囲算出手段７０とを有して構成されている。送り軸制御手段６４は、工具とワークとを相対的に移動させるために、駆動指令を送信して駆動手段３０を作動させるように構成されている。また、送り軸制御手段６４は、中心軸２２ｂをクランプするために、停止指令をクランプ軸５２及び当接部材５４に送信してクランプ動作ＣＡをさせるように構成されている。さらに、送り軸制御手段６４は、移動体１８、すなわち、Ｙ軸レール３６ａ、３６ｂをクランプするために、停止指令をクランプブレーキ５６に送信してクランプ動作ＣＡをさせるように構成されている。

【0031】

送り軸制御手段６４は、Ｃ軸及びＹ軸をクランプし、これらの移動を停止状態に保持した状態で、駆動手段３０に駆動指令を送信し、予め設定された異なる複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２（図６参照）をＣ軸及びＹ軸に負荷させるように構成されている。また、送り軸制御手段６４は、Ｃ軸及びＹ軸に試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２を負荷した状態で、測定指令をエンコーダ４８及びスケール５８（光学式リニアエンコーダ）に送信し、Ｃ軸及びＹ軸、すなわち、テーブル２２の回転位置及び／又は移動体１８の直動位置を測定させ、回転位置及び／又は直動位置の測定値を受信するように構成されている。

【0032】

軸変位・駆動力相関関係導出手段６６は、送り軸制御手段６４並びにエンコーダ４８及びスケール５８と電気的に接続されており、送り軸制御手段６４が駆動手段３０に指令した試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２のデータを受信するとともに、エンコーダ４８及びスケール５８から回転位置又は直動位置の測定値を受信するように構成されている。また、軸変位・駆動力相関関係導出手段６６は、受信した回転位置又は直動位置の測定値からＣ軸及び／又はＹ軸の回転変位又は直動変位を算出するように構成されている。さらに、軸変位・駆動力相関関係導出手段６６は、Ｃ軸の回転変位又はＹ軸の直動変位並びに対応する試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２から変位と駆動力との相関関係を導出するように構成されている。

【0033】

想定変位予測手段６８は、送り軸制御手段６４及び軸変位・駆動力相関関係導出手段６６と電気的に接続されており、送り軸制御手段６４において予め設定され、複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２とは異なる判定用駆動力ＪＦ（図６から図８参照）のデータを受信すると共に、軸変位・駆動力相関関係導出手段６６から変位と駆動力との相関関係ＥＲ（図６参照）のデータを受信するように構成されている。また、想定変位予測手段６８は、受信したこれらのデータから判定用駆動力ＪＦを負荷したときのＣ軸及びＹ軸の想定変位ＳＤ（図６から図８参照）を予測するように構成されている。図６から図８には、設定する判定用駆動力ＪＦと複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２との関係毎の変位と駆動力との相関関係ＥＲを示す。具体的には、図６には、判定用駆動力ＪＦが複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２の最大の試験用駆動力ＴＦ２よりも大きい場合の相関関係ＥＲを示す。また、図７には、判定用駆動力ＪＦを複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２の中の最大の試験用駆動力ＴＦ２と最小の試験用駆動力ＴＦ１の間に設定する場合の相関関係ＥＲを示す。さらに、図８には、判定用駆動力ＪＦが複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２の最小の試験用駆動力ＴＦ１よりも小さい場合の相関関係ＥＲを示す。

【0034】

図５に示すように、変位許容範囲算出手段７０は、想定変位予測手段６８と電気的に接続されており、想定変位予測手段６８から受信した想定変位ＳＤに所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲ＲＡ（図６から図８参照）を算出するように構成されている。ここで、所定の許容変動幅とは、例えば、判定用駆動力ＪＦに対する想定変位ＳＤの弾性域内での許容変動幅、並びに、工作機械１２の使用年数及び使用状況や工作機械１２を使用する工場内の温度等の外的環境等に応じた想定変位ＳＤの許容変動幅といったように、個別のＣ軸及びＹ軸に生じうる変動幅を意味する。

【0035】

異常判定装置１０は、また、判定手段７２を有する。判定手段７２は、変位許容範囲算出手段７０と電気的に接続され、これから算出した変位許容範囲ＲＡのデータを受信するように構成されている。送り軸制御手段６４は、Ｃ軸及びＹ軸をクランプし、これらの移動を停止状態に保持した状態で、駆動手段３０に駆動指令を送信し、判定用駆動力ＪＦをＣ軸及びＹ軸に実際に負荷させるように構成されている。また、送り軸制御手段６４は、Ｃ軸及びＹ軸に判定用駆動力ＪＦを負荷した状態で、測定指令をエンコーダ４８及びスケール５８に送信し、Ｃ軸及びＹ軸回転位置及び直動位置を測定させ、実際の回転位置及び直動位置の測定値を受信するように構成されている。

【0036】

判定手段７２は、エンコーダ４８及びスケール５８から実際の回転位置又は直動位置の測定値を受信し、これらからＣ軸及びＹ軸の実際の送り軸変位、すなわち、実送り軸変位の測定値を算出するように構成されている。さらに、判定手段７２は、算出した実送り軸変位が変位許容範囲ＲＡ内にあるか否かを確認し、変位許容範囲ＲＡから外れているときにクランプ軸５２及び当接部材５４並びにクランプブレーキ５６及びグリップ部材５６ａ、５６ｂ、すなわち、送り軸クランプ機構５２、５４、５６が異常であると判定するように構成されている。判定手段７２は、送り軸制御手段６４と電気的に接続されており、送り軸クランプ機構５２、５４、５６が異常であると判定した場合は、送り軸制御手段６４に停止指令を送信し、送り軸クランプ機構５２、５４、５６を含む駆動手段３０及び工作機械１２を停止させるように構成されている。

【0037】

異常判定装置１０は、また、表示手段７４を有しており、判定手段７２と電気的に接続されている。表示手段７４は、判定手段７２が送り軸クランプ機構５２、５４、５６を異常であると判定した場合に、異常を工作機械１２の外側にいるユーザ等に迅速に伝達するために、例えば、異常を知らせるアラーム音を発することや、異常を知らせる表示を工作機械１２の表示パネル等に表示させることができるように構成されている。

【0038】

続いて、本実施形態に係る異常判定装置１０を使用した異常判定の説明を通じて、異常判定装置１０の作用及び効果を説明する。

【0039】

はじめに、中心軸２２ｂの異常判定方法について説明する。中心軸２２ｂは、送り軸制御手段６４がクランプ軸５２の当接部材５４を作動してディスクブレーキ５０に当接させることによってクランプされる。送り軸制御手段６４は、中心軸２２ｂがクランプされた状態で、駆動手段３０、ここでは、ＤＤモータ４４に駆動指令を送信し、予め設定された異なる複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２（回転トルク）を中心軸２２ｂに負荷する。図６に示すように、複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２には、定格トルク（１００％）よりも小さいトルクＴＦ１、ＴＦ２が用いられる。試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２を負荷することによってディスクブレーキ５０を基点に中心軸２２ｂには送り軸変位としての回転変位が生じる。回転変位（図６中の丸印）はエンコーダ４８によって測定され、回転変位のデータが送り軸制御手段６４に伝達される。軸変位・駆動力相関関係導出手段６６は、送り軸制御手段６４から取得した中心軸２２ｂの回転変位及び対応する試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２から変位と駆動力との相関関係ＥＲを導出する。

【0040】

発明者らは、同一の工作機械１２をクランプした状態で駆動力を与えて変位を計測することを多数繰り返した実験を行っている。この結果、所定の繰り返し回数までは、図６に示すように変位と駆動力（図中の指令トルク）の相関関係ＥＲは線形性を有すること、及び、変位と駆動力の関係は高い繰返し性、すなわち再現性を持つことを検証している。さらに、発明者らは、所定の繰り返し回数を超えると、図６に一例として示すように、変位と駆動力の関係ＰＲは、例えば、塑性変形が生じることによって、線形性を持たなくなることも検証している。

【0041】

変位許容範囲算出手段７０は、想定変位予測手段６８から受信した想定変位ＳＤに所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲ＲＡを算出する。ここで、所定の許容変動幅とは、例えば、判定用駆動力ＪＦに対する想定変位ＳＤの弾性域内での許容変動幅並びに工作機械１２の使用年数及び使用状況や工作機械１２を使用する工場内の温度等の外的環境等に応じた想定変位ＳＤの許容変動幅といったように、個別の中心軸２２ｂに生じうる変動幅を意味する。変位許容範囲ＲＡを算出すると、送り軸制御手段６４は、ＤＤモータ４４に駆動指令を送信し、判定用駆動力ＪＦを中心軸２２ｂに実際に負荷する。さらに、送り軸制御手段６４は、測定指令をエンコーダ４８に送信し、中心軸２２ｂの回転位置を測定させる。

【0042】

判定手段７２は、エンコーダ４８から受信した実際の回転位置の測定値から中心軸２２ｂの実送り軸変位の測定値を算出し、算出した実送り軸変位が変位許容範囲ＲＡ内にあるか否かを確認し、変位許容範囲ＲＡから外れているときにクランプ軸５２及び当接部材５４が異常であると判定する。判定手段７２は、クランプ軸５２及び当接部材５４が異常であると判定した場合は、表示手段７４に異常を伝達して、これに異常であることを表示させると共に、送り軸制御手段６４に停止指令を送信し、中心軸２２ｂを含む駆動手段３０及び工作機械１２を停止させる。

【0043】

つぎに、Ｙ軸レール３６ａ、３６ｂのクランプブレーキ５６の異常判定方法について説明する。Ｙ軸は、送り軸制御手段６４がクランプブレーキ５６のグリップ部材５６ａ、５６ｂを作動してＹ軸レール３６ａ、３６ｂを押圧することによってクランプされる。送り軸制御手段６４は、Ｙ軸がクランプされた状態で、駆動手段３０、ここでは、Ｙ軸サーボモータに駆動指令を送信し、予め設定された異なる複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２（トルク）をボールねじ機構３８に負荷する。ここで、複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２には、定格トルク（１００％）よりも小さいトルクＴＦ１、ＴＦ２が用いられる。試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２を負荷することによってクランプブレーキ５６を基点に移動体１８には送り軸変位としての直動変位が生じる。直動変位（図６中の丸印）はスケール５８によって測定され、直動変位のデータが送り軸制御手段６４に伝達される。軸変位・駆動力相関関係導出手段６６は、送り軸制御手段６４から取得した移動体１８の直動変位及び対応する試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２から変位と駆動力との相関関係ＥＲを導出する。

【0044】

変位許容範囲算出手段７０は、想定変位予測手段６８から受信した想定変位ＳＤに所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲ＲＡを算出する。また、送り軸制御手段６４は、Ｙ軸サーボモータに駆動指令を送信し、判定用駆動力ＪＦをボールねじ機構３８に実際に負荷する。判定手段７２は、スケール５８から受信した実際の直動位置の測定値が変位許容範囲ＲＡ内にあるか否かを確認し、変位許容範囲ＲＡから外れているときにクランプブレーキ５６が異常であると判定する。判定手段７２は、クランプブレーキ５６が異常であると判定した場合は、表示手段７４に異常を伝達して、これに異常であることを表示させると共に、送り軸制御手段６４に停止指令を送信し、ボールねじ機構３８を含む駆動手段３０及び工作機械１２を停止させる。

【0045】

本実施形態に係る異常判定方法及び異常判定装置１０によれば、送り軸クランプ機構５２、５４、５６によってＣ軸及びＹ軸の移動を停止状態に保持した状態で、予め設定した異なる複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２をＣ軸及びＹ軸に負荷したときの送り軸変位を測定し、測定した送り軸変位及び対応する試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２から送り軸変位と駆動力との相関関係ＥＲを導出することができる。正常な送り軸クランプ機構５２、５４、５６では、トルクと変位の相関関係ＥＲは一定の線形性を有する。このため、送り軸変位と駆動力との相関関係ＥＲを導出するためには、複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２とこれらに対応する送り軸変位が把握できればよく、試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２には定格トルクよりも小さい駆動力を用いることができる。これによって、送り軸クランプ機構５２、５４、５６に過度な負担をかけることなく、これらの異常を判定するための送り軸変位と駆動力との相関関係ＥＲを導出することができる。

【0046】

また、本実施形態に係る異常判定方法及び異常判定装置１０によれば、複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２とは異なる判定用駆動力ＪＦを設定し、判定用駆動力ＪＦを負荷したときのＣ軸及びＹ軸の想定変位ＳＤを相関関係ＥＲに基づいて予測することができる。ここでは、導出した送り軸変位と駆動力との相関関係ＥＲに判定用駆動力ＪＦと想定変位ＳＤとの関係が当てはまるかどうかを対比できればよいため、判定用駆動力ＪＦには、定格トルクよりも小さい駆動力を用いることができる。これによって、送り軸クランプ機構５２、５４、５６の異常を判定するための判定用駆動力ＪＦを送り軸クランプ機構５２、５４、５６に過度な負担をかけない大きさに設定することができる。

【0047】

さらに、本実施形態に係る異常判定方法及び異常判定装置１０によれば、予測した想定変位ＳＤに所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲ＲＡを算出することができる。このため、例えば、判定用駆動力ＪＦに対する想定変位ＳＤに、弾性域内での許容変動幅並びに工作機械の使用年数及び使用状況や工作機械を使用する工場内の温度等の外的環境等に応じた想定変位ＳＤの許容変動幅を持たせた変位許容範囲ＲＡを合理的に設定することができる。また、実際にＣ軸及びＹ軸に判定用駆動力ＪＦを負荷したときの実送り軸変位を測定し、測定した実送り軸変位が変位許容範囲ＲＡから外れているときに送り軸クランプ機構５２、５４、５６が異常であると判定することができる。このため、工作機械を分解することなく、実送り軸変位と変位許容範囲ＲＡとの対比に基づいて送り軸クランプ機構５２、５４、５６の異常の有無を迅速、かつ、容易に判定することができる。

【0048】

以上の説明のとおり、本実施形態に係る異常判定装置１０は、クランプ軸５２やクランプブレーキ５６に過度な負担をかけることなく、かつ、工作機械１２を分解することなくクランプ軸５２やクランプブレーキ５６の異常を判定することができる。

【0049】

なお、ここでは、送り軸クランプ機構５２、５４、５６の異常の有無を判定用駆動力ＪＦと変位許容範囲ＲＡとの対比から判定するとして説明したが、これに限らず、例えば、駆動力を負荷したときに生じる変位の時系列、すなわち、変位波形の形状や傾向に基づいて判定してもよい。また、このように変位波形の形状や傾向に基づいて判定する場合に、変位波形が弾性挙動又は非弾性挙動であることを計算機等によって統計処理をすることによって判定してもよく、このような統計処理には、変位波形の画像処理やＡＩによるビッグデータ化などのデータ処理が活用されてもよい。

【0050】

正常な送り軸クランプ機構５２、５４、５６によれば、トルクと変位の相関関係ＥＲは一定の線形性を有する。このため、判定用駆動力ＪＦ及び試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２の大小関係にかかわらず、トルクと変位の相関関係ＥＲが線形性の関係にあれば正常と判断判定することができ、また、線形性を大きく逸脱する関係であれば異常と判定することができるためである。

【0051】

以上、工作機械１２の異常判定装置１０の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。当業者が想到する範囲において、上記の実施形態の様々な変形が本発明の実施形態に含まれる。なお、クランプ時の送り軸の変位と駆動力との関係は線形性を有するとして説明したが、発明者らは予め行った実験において、正常な変位と駆動力の関係は、弾性域において二次関数や他の関数で近似しうる関係も生じ得ることを確認している。このため、変位と駆動力の関係が、二次関数や他の関数で近似できる関係も、本発明の実施形態として含まれてもよい。すなわち、変位と駆動力の関係が予め定まっていれば、複数の試験駆動力に対応する送り軸変位を測定し、送り軸変位と駆動力との相関関係を一義的に導出することができるからである。また、ここでは、複数の試験用駆動力ＴＦ１、ＴＦ２は、２つの場合を例示したが、これに限らず、３つ以上の試験用駆動力を用いてもよい。さらに、３つ以上の試験用駆動力に対する３つ以上の送り軸変位から近似直線や近似２次曲線等を導出して相関関係を導出してもよい。

【符号の説明】

【0052】

１０ 異常判定装置
１２ 工作機械
２２ｂ 中心軸（回転送り軸）
３８ ボールねじ機構（直動送り軸）
４８ エンコーダ（変位測定手段）
５２ クランプ軸（送り軸クランプ機構）
５４ 当接部材（送り軸クランプ機構）
５６ クランプブレーキ（送り軸クランプ機構）
５８ スケール（変位測定手段）
６４ 送り軸制御手段
６６ 軸変位・駆動力相関関係導出手段
６８ 想定変位予測手段
７０ 変位許容範囲算出手段
７２ 判定手段
７４ 表示手段
ＥＲ 相関関係
ＪＦ 判定用駆動力
ＳＤ 想定変位
ＴＦ１ 試験用駆動力
ＴＦ２ 試験用駆動力
ＲＡ 変位許容範囲

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-10

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械の送り軸に設けられ、前記送り軸を停止状態に保持する工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法であって、
前記送り軸クランプ機構によって前記送り軸の移動を停止状態に保持し、
予め設定した異なる複数の試験用駆動力を前記送り軸に加えたときの送り軸変位を測定し、
測定した前記送り軸変位及び対応する前記試験用駆動力から前記送り軸変位と駆動力との線形性の相関関係を導出し、
複数の前記試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、前記判定用駆動力を加えたときの前記送り軸の想定変位を前記線形性の相関関係に基づいて予測し、
予測した前記想定変位に所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を算出し、
実際に前記送り軸に前記判定用駆動力を加えたときの実送り軸変位を測定し、
測定した前記実送り軸変位が前記変位許容範囲から外れているときに前記送り軸クランプ機構が異常であると判定する、ことを特徴とした工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法。

【請求項2】

前記判定用駆動力が、複数の前記試験用駆動力の最大の試験用駆動力よりも大きい請求項１に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定方法。

【請求項3】

送り軸を駆動する送り軸駆動手段と、前記送り軸の変位測定手段と、前記送り軸の移動を停止状態に保持する送り軸クランプ機構とを有する工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置であって、
前記送り軸クランプ機構によって前記送り軸の移動を停止状態に保持した状態で、予め設定した異なる複数の試験用駆動力を前記送り軸駆動手段によって前記送り軸に加え、前記変位測定手段で測定した送り軸変位及び対応する前記試験用駆動力から前記送り軸変位と駆動力との線形性の相関関係を導出する軸変位・駆動力相関関係導出手段と、
前記軸変位・駆動力相関関係導出手段によって導出した前記線形性の相関関係から前記試験用駆動力とは異なる判定用駆動力を設定し、前記判定用駆動力を加えたときの前記送り軸の想定変位を前記線形性の相関関係に基づいて予測する想定変位予測手段と、
前記想定変位予測手段によって予測した前記想定変位に所定の許容変動幅を持たせた変位許容範囲を算出する変位許容範囲算出手段と、
実際に前記送り軸に前記判定用駆動力を加えた状態で前記変位測定手段によって測定した実送り軸変位が、前記変位許容範囲算出手段で算出した前記変位許容範囲から外れているときに前記送り軸クランプ機構が異常であると判定する判定手段と、
を具備することを特徴とした工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項4】

前記判定用駆動力が、複数の前記試験用駆動力の最大の試験用駆動力よりも大きい請求項３に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項5】

前記判定手段による判定結果を表示する表示手段を具備する、請求項４に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項6】

前記工作機械に配置され、前記送り軸駆動手段及び前記送り軸クランプ機構を作動させるための送り軸制御手段であって、前記送り軸制御手段は、前記判定手段が前記送り軸クランプ機構を異常であると判定した場合に、前記送り軸を停止させる請求項５に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。

【請求項7】

前記送り軸は、回転送り軸又は直動送り軸である請求項３から請求項６の何れか１項に記載の工作機械の送り軸クランプ機構の異常判定装置。