JPH0751993A

JPH0751993A - Ｃｎｃの機械要素寿命推定方式

Info

Publication number: JPH0751993A
Application number: JP19503193A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nagatomi; 隆志永冨
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1993-08-06
Publication date: 1995-02-28

Abstract

(57)【要約】【目的】軸受や送り軸等の寿命を推定するＣＮＣ（数
値制御装置）の機械要素寿命推定方式において、より正
確に機械要素の寿命を推定できるようにする。【構成】外乱負荷トルク推定手段１は、サーボモータ
６３の速度信号Ｘ１ｚとサーボモータ６３への電流指令
値Ｕ１ｚを基にして、サーボモータ６３に働く外乱負荷
トルクＹｚを推定する。積算手段２は、外乱負荷トルク
Ｙｚをサンプリング周期毎に積算し、その積算値を寿命
状態監視手段３に送る。寿命状態監視手段３は、サーボ
モータ６３に連結された機械要素であるボールネジ６４
およびベアリング６５等の寿命レベルを、予め記憶保持
している。寿命状態監視手段３は、各機械要素ボールネ
ジ６４およびベアリング６５の寿命レベルを積算値と常
時比較し、積算値が寿命レベルを越えた場合には、アラ
ーム表示等を行ってオペレータに知らせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は軸受や送り軸等の寿命を
推定するＣＮＣ（数値制御装置）の機械要素寿命推定方
式に関し、特に軸制御用の各モータに連結された軸受や
送り軸等の寿命を推定するＣＮＣの機械要素寿命推定方
式に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＮＣによって制御される工作機械やロ
ボット等では、軸制御用のモータに連結されている軸受
けや送り軸等の機械要素が、劣化や破損する前に交換す
ることが必要である。このため、従来は、運転環境を考
慮して各機械要素の寿命時間を予め設定しておき、その
寿命時間の運転がなされた場合には、その機械要素の交
換や点検等を行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来は、この
設定される寿命時間はあくまでも設計者・オペレータの
経験等によって決定されていたので、必ずしも正確なも
のではなく、運転環境の変化等にも対応することができ
なかった。

【０００４】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、機械要素の寿命をより正確に把握することの
できるＣＮＣの機械要素寿命推定方式を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、軸制御用の各モータに連結された軸受や
送り軸等の寿命を推定するＣＮＣ（数値制御装置）の機
械要素寿命推定方式において、前記モータに働く外乱負
荷トルクを推定する外乱負荷トルク推定手段と、前記推
定した外乱負荷トルクの値を時間経過に従って積算する
積算手段と、前記積算値に応じて前記機械要素の寿命状
態を監視し、前記寿命状態を外部に知らせる寿命状態監
視手段と、を有することを特徴とするＣＮＣの機械要素
寿命推定方式が提供される。

【０００６】

【作用】外乱負荷トルク推定手段によりモータに働く外
乱負荷トルクを推定し、推定した外乱負荷トルクの値を
積算手段により時間経過に従って積算する。寿命状態監
視手段は、積算値に応じて機械要素の寿命状態を監視
し、寿命状態を外部に知らせる。これにより、各機械要
素の劣化を決定する外乱負荷トルクの積算値に応じた寿
命判定を行うことができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図２は本発明のＣＮＣの機械要素寿命推定方式
を実施するための数値制御装置（ＣＮＣ）のハードウェ
アのブロック図である。図において、１０は数値制御装
置である。プロセッサ（ＣＰＵ）１１は、数値制御装置
１０全体の制御の中心となるプロセッサであり、バス２
１を介して、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラ
ムを読み出し、このシステムプログラムに従って、数値
制御装置１０全体の制御を実行する。ＲＡＭ１３には一
時的な計算データ、表示データ等が格納される。ＲＡＭ
１３にはＤＲＡＭが使用される。ＣＭＯＳ１４には加工
プログラム及び各種パラメータ等が格納される。また、
ＣＭＯＳ１４には後述する外乱負荷トルクの積算値が格
納される。ＣＭＯＳ１４は、図示されていないバッテリ
でバックアップされ、数値制御装置１０の電源がオフさ
れても不揮発性メモリとなっているので、それらのデー
タはそのまま保持される。

【０００８】インタフェース１５は外部機器用のインタ
フェースであり、紙テープリーダ、紙テープパンチャ
ー、紙テープリーダ・パンチャー等の外部機器３１が接
続される。紙テープリーダからは加工プログラムが読み
込まれ、また、数値制御装置（ＣＮＣ）１０内で編集さ
れた加工プログラムを紙テープパンチャーに出力するこ
とができる。

【０００９】ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コント
ローラ）１６はＣＮＣ１０に内蔵され、ラダー形式で作
成されたシーケンスプログラムで機械を制御する。すな
わち、加工プログラムで指令された、Ｍ機能、Ｓ機能及
びＴ機能に従って、これらをシーケンスプログラムで機
械側で必要な信号に変換し、Ｉ／Ｏユニット１７から機
械側に出力する。この出力信号は機械側のマグネット等
を駆動し、油圧バルブ、空圧バルブ及び電気アクチュエ
ータ等を作動させる。また、機械側のリミットスイッチ
及び機械操作盤のスイッチ等の信号を受けて、必要な処
理をして、プロセッサ１１に渡す。

【００１０】グラフィック制御回路１８は各軸の現在位
置、アラーム、パラメータ、画像データ等のディジタル
データを画像信号に変換して出力する。この画像信号は
ＣＲＴ／ＭＤＩユニット２５の表示装置２６に送られ、
表示装置２６に表示される。インタフェース１９はＣＲ
Ｔ／ＭＤＩユニット２５内のキーボード２７からのデー
タを受けて、プロセッサ１１に渡す。

【００１１】インタフェース２０は手動パルス発生器３
２に接続され、手動パルス発生器３２からのパルスを受
ける。手動パルス発生器３２は機械操作盤に実装され、
手動で機械稼働部を精密に位置決めするのに使用され
る。

【００１２】軸制御回路４１〜４３はプロセッサ１１か
らの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアン
プ５１〜５３に出力する。サーボアンプ５１〜５３はこ
の移動指令を受けて、各軸のサーボモータ６１〜６３を
駆動する。Ｚ軸の送りを制御するサーボモータ６３に
は、位置検出用のパルスコーダ６３１が内蔵されてお
り、このパルスコーダ６３１から位置信号がパルス列と
して軸制御回路４３にフィードバックされる。ここでは
図示されていないが、Ｘ軸の送りを制御するサーボモー
タ６１、Ｙ軸の送りを制御するサーボモータ６２にも、
上記サーボモータ６３と同様に位置検出用のパルスコー
ダが内蔵され、そのパルスコーダから位置信号がパルス
列としてフィードバックされる。場合によっては、位置
検出器として、リニアスケールが使用される。また、こ
のパルス列をＦ／Ｖ（周波数／速度）変換することによ
り、速度信号Ｘ１ｚを生成することができる。

【００１３】軸制御回路４３は、ここでは図示されてい
ないプロセッサを備えてソフトウェア処理を行い、その
一部にオブザーバ４１０を有している。オブザーバ４１
０は、上記の速度信号Ｘ１ｚ等を受けてサーボモータ６
３に働く外乱負荷トルクＹｚを推定する。その推定外乱
負荷トルクＹｚはプロセッサ１１に送られる。その詳細
は後述する。

【００１４】スピンドル制御回路７１はスピンドル回転
指令及びスピンドルのオリエンテーション等の指令を受
けて、スピンドルアンプ７２にスピンドル速度信号を出
力する。スピンドルアンプ７２はこのスピンドル速度信
号を受けて、スピンドルモータ７３を指令された回転速
度で回転させる。また、オリエンテーション指令によっ
て、所定の位置にスピンドルを位置決めする。

【００１５】スピンドルモータ７３には、歯車あるいは
ベルトでポジションコーダ８２が結合されている。又
は、スピンドルモータ７３内部にポジションコーダ８２
が結合されている。従って、ポジションコーダ８２はス
ピンドルモータ７３に同期して回転し、帰還パルスを出
力し、その帰還パルスはスピンドル制御回路７１にフィ
ードバックされる。このパルス列をＦ／Ｖ（周波数／速
度）変換することにより、速度信号Ｘ１ｓを生成するこ
とができる。

【００１６】スピンドル制御回路７１は、上記軸制御回
路４３と同様に、ここでは図示されていないプロセッサ
を備えてソフトウェア処理を行い、その一部にオブザー
バ７１０を有している。オブザーバ７１０は、上記の速
度信号Ｘ１ｓ等を受けてスピンドルモータ７３に働く外
乱トルクＹｓを推定する。その推定外乱負荷トルクＹｓ
は、上記の推定外乱負荷トルクＹｚと同様に、プロセッ
サ１１に送られる。

【００１７】プロセッサ１１は、これらの推定外乱負荷
トルクＹｚ，Ｙｓを受けて、所定のソフトウェアによっ
て後述する寿命管理処理を行う。図３は外乱負荷トルク
を推定するためのオブザーバのブロック図である。ここ
で、外乱負荷トルクは、切削負荷トルク、重力軸の重力
負荷トルク、機構部の摩擦トルク等の外乱負荷トルクを
含むものであり、サーボモータの全トルクから加減速の
ための加減速トルクを除いたものである。

【００１８】このブロック図に示した処理は、上述した
ように、軸制御回路４３のオブザーバ４１０及びスピン
ドル制御回路７１のオブザーバ７１０において実行され
る。オブザーバ４１０及び７１０は、同一の構成を有し
ているので、ここではオブザーバ４１０について説明
し、オブザーバ７１０の説明は省略する。

【００１９】図において、電流指令値Ｕ１ｚは、上述し
たプロセッサ１１からの移動指令を受けてサーボモータ
６３に出力されるトルク指令値であり、要素４０１に入
力されてサーボモータ６３を駆動する。サーボモータの
出力トルクには演算要素４０２において、外乱トルクＸ
２が加算される。演算要素４０２の出力は要素４０３に
よって、速度信号Ｘ１ｚとなる。ここで、Ｊはサーボモ
ータ６３のイナーシャである。

【００２０】一方、電流指令値Ｕ１ｚはオブザーバ４１
０に入力される。オブザーバ４１０は電流指令値Ｕ１ｚ
とサーボモータ６３の速度Ｘ１ｚから、外乱負荷トルク
を推定する。なお、ここではサーボモータ６３の速度制
御については省略し、外乱負荷トルクを推定するための
演算のみを説明する。電流指令値Ｕ１ｚは要素４１１で
（Ｋｔ／Ｊ）をかけ、演算要素４１２へ出力される。演
算要素４１２では、後述する演算要素４１４からの帰還
信号を加え、さらに、演算要素４１３で演算要素４１５
からの帰還信号を加算する。演算要素４１２及び４１３
の出力単位は加速度である。演算要素４１３の出力は積
分要素４１６に入力され、サーボモータ６３の推定速度
ＸＸ１として出力される。

【００２１】推定速度ＸＸ１と実速度Ｘ１ｚとの差を演
算要素４１７で求め、それぞれ、演算要素４１４及び４
１５に帰還する。ここで、比例要素４１４は比例定数Ｋ
１を有する。比例定数Ｋ１の単位はｓｅｃ^-1である。ま
た、積分要素４１５にも積分定数Ｋ２を有する。積分定
数の単位はｓｅｃ^-2である。

【００２２】ここで、積分要素４１５の出力（ＸＸ２／
Ｊ）は図より、以下の式で求められる。（ＸＸ２／Ｊ）＝（Ｘ１ｚ−ＸＸ１）・（Ｋ２／Ｓ）＝（Ｘ２／Ｊ）・〔Ｋ２／（Ｓ²＋Ｋ１・Ｓ＋Ｋ２）〕したがって、極が安定するように定数Ｋ１，Ｋ２を選択
すると上記の式は、以下の式となる。

【００２３】（ＸＸ２／Ｊ）≒（Ｘ２／Ｊ）ＸＸ２≒Ｘ２すなわち、外乱負荷トルクＸ２をＸＸ２で推定できる。
ただし、積分要素４１５の出力は推定外乱負荷トルクＸ
Ｘ２をＪで除した推定加速度（ＸＸ２／Ｊ）であり、比
例要素４２０によって、電流値に変換される。ただし、
トルク表示をするために、この電流値を推定外乱負荷ト
ルクＹｚで表示する。ここで、Ｊは先の要素４０３のＪ
と同じサーボモータ６３のイナーシャであり、Ｋｔは要
素４０１のトルク定数と同じである。Ａは係数であり、
１以下の数値であり、推定加速度（ＸＸ２／Ｊ）を補正
するための係数である。このように、オブザーバ４１０
を用いてサーボモータ６３の外乱負荷トルクＹｚ（Ｘ
２）が推定できる。

【００２４】スピンドルモータ７３の外乱負荷トルクＹ
ｓも、同様にしてオブザーバ７１０を用いて推定でき
る。この場合、オブザーバ７１０は、電流指令値Ｕ１ｓ
とスピンドルモータ７３の速度信号Ｘ１ｓから外乱負荷
トルクＹｓを推定する。電流指令値Ｕ１ｓは、プロセッ
サ１１からのスピンドル回転指令を受けてスピンドルモ
ータ７３に出力されるトルク指令値である。

【００２５】これらの推定外乱負荷トルクＹｚ及びＹｓ
は勿論、推定値であるが、以後のこれらの推定外乱負荷
トルクＹｚ，Ｙｓを外乱負荷トルクとして説明する。図
１はこのような構成を有するＣＮＣ１０による機械要素
寿命推定方式の概念図である。ここでは、穴空け加工を
例として説明する。サーボモータ６３はボールネジ６４
を回転させてスピンドルモータ７３に接続された主軸ヘ
ッド７４のＺ軸方向での位置および送り速度を制御す
る。サーボモータ６３の速度信号Ｘ１ｚは、軸制御回路
４３の外乱負荷トルク推定手段（オブザーバ４１０）１
に入力される。

【００２６】スピンドルモータ７３の主軸ヘッド７４に
は、ドリル７５が取り付けられている。スピンドルモー
タ７３の回転によって、ドリル７５はワーク９１を加工
する。スピンドルモータ７３の速度信号Ｘ１ｓは、軸制
御回路７１の外乱トルク推定手段（オブザーバ７１０）
４に入力される。

【００２７】外乱負荷トルク推定手段１は、サーボモー
タ６３の速度信号Ｘ１ｚとサーボモータ６３への電流指
令値Ｕ１ｚを基にして、サーボモータ６３に働く外乱負
荷トルクＹｚを推定する。積算手段２は、外乱負荷トル
クＹｚをサンプリング周期毎に積算し、その積算値を寿
命状態監視手段３に送る。寿命状態監視手段３は、サー
ボモータ６３に連結された機械要素であるボールネジ６
４およびベアリング６５等の寿命レベルを、予め記憶保
持している。

【００２８】寿命状態監視手段３は、各機械要素ボール
ネジ６４およびベアリング６５の寿命レベルを積算値と
常時比較し、積算値が寿命レベルを越えた場合には、表
示装置２６等でアラーム表示する。また、場合によって
は、サーボモータ６３の回転を停止させる。さらに、寿
命状態監視手段３は、積算値が各寿命レベルに対してど
れくらいの割合にあるか等を表示し、各機械要素の劣化
状態をオペレータに知らせる。

【００２９】一方、外乱負荷トルク推定手段４は、スピ
ンドルモータ７３の速度信号Ｘ１ｓとスピンドルモータ
７３への電流指令値Ｕ１ｓを基にして、スピンドルモー
タ７３に働く外乱負荷トルクＹｓを推定する。積算手段
５は、外乱負荷トルクＹｓをサンプリング周期毎に積算
し、その積算値を寿命状態監視手段６に送る。寿命状態
監視手段６は、スピンドルモータ７３に連結された機械
要素である主軸ヘッド７４内の図示されていないベアリ
ング等の寿命レベルを、予め記憶保持している。

【００３０】寿命状態監視手段６は、ベアリング６５の
寿命レベルを積算値と常時比較し、積算値が寿命レベル
を越えた場合には、表示装置２６等でアラーム表示す
る。また、場合によっては、スピンドルモータ７３の回
転を停止させる。さらに、寿命状態監視手段６は、積算
値が各寿命レベルに対してどれくらいの割合にあるか等
を表示し、各機械要素の劣化状態をオペレータに知らせ
る。

【００３１】図４は外乱負荷トルクおよびその積算値の
時間変化を示す図であり、（Ａ）は外乱負荷トルクＹｚ
の時間変化を示す図、（Ｂ）は積算値Ｐの時間変化を示
す図である。図（Ａ）から分かるように、外乱負荷トル
クＹｚは時間の経過に関係なく増減する。この増減の度
合いは、そのときの加工状態によって決定される。この
外乱負荷トルクＹｚに比例して各機械要素にも負荷がか
かる。

【００３２】一方、外乱負荷トルクＹｚの積算値Ｐは、
図（Ｂ）に示すように、時間とともに増大していく。あ
る機械要素の寿命レベルをＰａとすると、積算値Ｐが寿
命レベルＰａを越えた時点ｔａで、その機械要素に対す
るアラーム処理がなされる。また、寿命レベルＰａを越
える前には、現在の積算値Ｐと寿命レベルＰａとの比率
等から、その機械要素の残りの寿命等も表示する。

【００３３】なお、外乱負荷トルクＹｓについても同様
の特性が得られる。図５はこのような機械要素寿命推定
方式を行うためのプロセッサ側での処理手順を示すフロ
ーチャートである。〔Ｓ１〕オブザーバ４１０等で推定された外乱負荷トル
クＹｚ等を読み取る。〔Ｓ２〕外乱負荷トルクＹｚ等をそれぞれ積算する。〔Ｓ３〕積算値Ｐが寿命レベルＰａを越えたか否かを判
断し、越えればステップＳ６に進み、越えなければステ
ップＳ４に進む。

【００３４】〔Ｓ４〕外乱負荷トルクと寿命レベルＰａ
とを比較する。〔Ｓ５〕各機械要素の寿命状態等を表示する。〔Ｓ６〕アラーム表示や動作停止等のアラーム処理を行
う。

【００３５】このように、本実施例では、外乱負荷トル
クＹｚ等積算して、その積算値Ｐによって各機械要素の
寿命を推定するようにしたので、より正確に寿命を推定
することができる。

【００３６】本実施例では、オブザーバ４１０等で推定
された外乱負荷トルクＹｚ等に基づく寿命推定演算をプ
ロセッサ１１によって行う例を示したが、この他にも、
ＰＭＣ１６や、図示されていない外部装置によって行う
ようにしてもよい。

【００３７】また、本実施例では、サーボモータ６３お
よびスピンドルモータ７３に連結された各機械要素の寿
命推定を行う例を示したが、他のサーボモータ６１およ
び６２についても同様の手順により寿命推定を行うこと
ができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、外乱負
荷トルクの積算値に応じて機械要素の寿命状態を監視
し、寿命状態を外部に知らせるようにしたので、劣化を
決定する外乱負荷トルクの積算値に応じて各機械要素の
寿命推定を行うことができる。

【００３９】したがって、より正確な寿命推定を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＮＣによる機械要素寿命推定方式の概念図で
ある。

【図２】本発明の工具破損防止方式を実施するための数
値制御装置（ＣＮＣ）のハードウェアのブロック図であ
る。

【図３】本発明に係るオブザーバのブロック図である。

【図４】外乱負荷トルクおよびその積算値の時間変化を
示す図であり、（Ａ）は外乱負荷トルクの時間変化を示
す図、（Ｂ）は積算値の時間変化を示す図である。

【図５】機械要素寿命方式を行うためのプロセッサ側で
の処理手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１，４外部負荷トルク推定手段２，５積算手段３，６寿命状態監視手段１０数値制御装置（ＣＮＣ）１１プロセッサ（ＣＰＵ）１４ＣＭＯＳ１６ＰＭＣ４３軸制御回路５３サーボアンプ６３Ｚ軸サーボモータ６４ボールネジ６５ベアリング７１スピンドル制御回路７２スピンドルアンプ７３スピンドルモータ７４主軸ヘッド７４８２ポジションコーダ９１ワーク４１０，７１０オブザーバ６３１パルスコーダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸制御用の各モータに連結された軸受や
送り軸等の寿命を推定するＣＮＣ（数値制御装置）の機
械要素寿命推定方式において、前記モータに働く外乱負荷トルクを推定する外乱負荷ト
ルク推定手段と、前記推定した外乱負荷トルクの値を時間経過に従って積
算する積算手段と、前記積算値に応じて前記機械要素の寿命状態を監視し、
前記寿命状態を外部に知らせる寿命状態監視手段と、を有することを特徴とするＣＮＣの機械要素寿命推定方
式。
【請求項２】前記寿命状態監視手段は、前記積算値が
前記機械要素毎に予め設定された寿命判定値を越えた場
合には、前記機械要素が寿命となったことを外部に知ら
せるように構成されていることを特徴とする請求項１記
載のＣＮＣの機械要素寿命推定方式。
【請求項３】前記寿命状態監視手段は、前記積算値を
機械要素毎に予め設定された寿命判定値と常時比較し、
前記機械要素の残り寿命状態を外部に知らせるように構
成されていることを特徴とする請求項１記載のＣＮＣの
機械要素寿命推定方式。