CN108474702B - 运动引导装置的负荷测量系统和负荷测量方法以及运动引导装置的寿命算出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够高精度地对作用于使用状态下的运动引导装置的负荷进行测量的运动引导装置的负荷测量系统。设置：用于检测滑动构件(12)相对于轨道构件(11)的相对移动方向的位置的位置检测单元(4)；和对滑动构件(12)相对于轨道构件(11)的径向方向和/或水平方向的相对位移进行检测的至少一个传感器(2a～2d、3a～3d)。算出单元(6)基于位置检测单元(4)检测出的位置信息以及至少一个传感器(2a～2d、3a～3d)检测出的位移信息来算出与滑动构件(12)的位置建立关联的运动引导装置(1)的负荷。

Description

运动引导装置的负荷测量系统和负荷测量方法以及运动引导 装置的寿命算出方法

技术领域

本发明涉及对作用于运动引导装置的负荷进行测量的运动引导装置的负荷测量系统和负荷测量方法以及运动引导装置的寿命算出方法。

背景技术

运动引导装置具备轨道构件和滑动构件，其中，滑动构件经由多个滚动体以能够相对移动的方式组装于轨道构件。若滑架相对于轨道构件相对地进行移动，则介于它们之间的滚动体就会进行滚动运动。通过利用滚动体的滚动运动，从而能够使滑动构件相对于轨道构件轻快地移动。

运动引导装置被嵌入到机器人、工作机械、半导体/液晶制造装置等实机中，对可动部进行的线运动进行引导。在运动引导装置的使用状态下，有负荷(也称为实际负荷)作用于运动引导装置。该负荷根据运动引导装置的使用条件，例如可动部的质量、作用于可动部的外力的大小以及方向、可动部的加减速的大小等而有各种变化。除了这些使用条件以外，负荷还会根据实机的热应变、在运动引导装置中产生的不平衡负荷等使用条件的不同而有变化。特别是，后者的使用条件很难预测，高精度地预测运动引导装置的负荷很困难。因此，一直以来，在选定运动引导装置时，对根据前者的使用条件算出的负荷乘以安全系数，选定具有相对于乘以安全系数后得到的负荷有富余的额定负荷的运动引导装置。

取代根据使用条件对运动引导装置的负荷进行预测，正尝试着对使用状态下的运动引导装置的负荷进行测量。作为该尝试，已知有以下方法：在滑动构件与可动部的工作台等之间夹入应变仪，从而测量作用于滑动构件的负荷；以及在滑动构件的一对袖部分别粘附应变仪，基于一对袖部的应变，使用示出应变量与负荷的关系的曲线图，算出作用于滑动构件的负荷(参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-263286号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在前者的负荷测量方法中，可动部的重心会变高在滑动构件与可动部的工作台等之间夹入应变仪而产生的高度，因此在加减速时作用于滑动构件的力矩与使用状态时相比会变大。因此，存在不能高精度地测量使用状态下的运动引导装置的负荷这样的课题。

在后者的负荷测量方法中，无论对滑动构件作用径向方向的负荷、水平方向的负荷、还是力矩，都会以滑动构件的一对袖部打开的方式发生变形，因此存在难以根据应变仪的输出来判断作用了哪个方向的负荷这样的课题。此外，在运动引导装置的尺寸被变更的情况下，还存在每次变更时都需要制作示出应变量与负荷的关系的曲线图这样的课题。

因此，本发明的目的在于，提供一种能够高精度地测量作用于使用状态下的运动引导装置的负荷的运动引导装置的负荷测量系统和负荷测量方法以及运动引导装置的寿命算出方法。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明的一个方式是一种运动引导装置的负荷测量系统，在所述运动引导装置中，滑动构件经由多个滚动体以能够相对移动的方式组装于轨道构件，所述运动引导装置的负荷测量系统具备：位置检测单元，用于检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的相对移动方向的位置；至少一个传感器，用于检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的径向方向和/或水平方向的位移；以及算出单元，基于所述位置检测单元检测出的位置信息以及所述至少一个传感器检测出的位移信息，算出与所述位置建立关联的所述运动引导装置的负荷。

本发明的另一个方式是一种运动引导装置的负荷测量方法，在所述运动引导装置中，滑动构件经由多个滚动体以能够相对移动的方式组装于轨道构件，所述运动引导装置的负荷测量方法具备：检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的相对移动方向的位置的工序；检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的径向方向和/或水平方向的位移的工序；以及基于检测出的位置信息以及检测出的位移信息，算出与所述位置建立关联的所述运动引导装置的负荷的工序。

本发明的又一个方式是一种运动引导装置的寿命算出方法，其中，基于使用上述的负荷测量方法算出的所述运动引导装置的负荷，算出实机的动作模式下的所述运动引导装置的平均负荷，并基于所述平均负荷，算出所述运动引导装置的寿命。

发明效果

在本发明中，并不是直接检测作用于滑动构件的负荷，而是检测滑动构件相对于轨道构件的径向方向和/或水平方向的位移，并基于检测出的位移算出运动引导装置的负荷。根据本发明，不需要在滑动构件与可动部的工作台等之间夹入应变仪就能够在实机的使用状态下高精度地测量运动引导装置的负荷。此外，在本发明中，将运动引导装置的负荷与滑动部相对于轨道构件的相对移动方向的位置建立关联。因此，能够高精度地测量在行驶中发生变动的运动引导装置的负荷。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的运动引导装置的负荷测量系统的整体图。

图2是本实施方式的运动引导装置的外观立体图。

图3是本实施方式的运动引导装置的水平剖视图。

图4的(a)是从导轨(rail)的长度方向观察的运动引导装置的主视图，图4的(b)是B部分放大图。

图5是示出外力作用于滑架时的传感器的输出的变化的图。

图6是滑架内的球所接触的部分的x轴方向的剖视图。

图7是示出产生五个位移分量之前的内部负荷的状态的滑架的剖视图。

图8是示出产生了五个位移分量之后的内部负荷的状态的滑架的剖视图。

图9是示出滑架的位置与作用于滑架的负荷的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一个实施方式的运动引导装置的负荷测量系统进行详细说明。但是，本发明的运动引导装置的负荷测量系统能够以各种方式具体化，并不限定于说明书记载的实施方式。本实施方式是根据如下意图提供的，即，通过使说明书的公开充分，从而使本领域技术人员能够充分理解发明的范围。

图1示出本实施方式的运动引导装置的负荷测量系统的整体图。附图标记1为运动引导装置，附图标记2a～2d、3a～3d为传感器，附图标记4为作为位置检测单元的线性编码器，附图标记5为作为记录计的数据记录器，附图标记6为作为算出单元的计算机。

<运动引导装置的结构>

首先，对运动引导装置1的结构进行说明。运动引导装置1具备：作为轨道构件的导轨11；和以能够在其长度方向上移动的方式组装于导轨11的作为滑动构件的滑架12。在该实施方式中，导轨11安装于实机的基座7，实机的工作台8(参照图8)安装于滑架12。实机例如是机器人、工作机械、半导体或液晶制造装置等。包含工作台8的可动体的直线运动由运动引导装置1进行引导。另外，还能够将运动引导装置1上下反转，将滑架12安装于基座7，并将导轨11安装于工作台8。可动体载置在滑架12之上，此外，可动体与滑架12固定，同滑架12一起运动，可动体的种类没有限定。可动体也有时不包含工作台8。

图2示出运动引导装置1的外观立体图。为了便于说明，将导轨11配置在水平面，将从导轨11的长度方向观察时的方向，即，图2所示的x轴设为前后方向，将y轴设为上下方向，将z轴设为左右方向，来对运动引导装置1的结构进行说明。当然，运动引导装置1的配置并不限于这样的配置。

在导轨11的左右两侧分别设置作为滚动体滚走部的上下两条轨道面11a。轨道面11a的剖面为圆弧状。在导轨11的上表面，在长度方向上以固定的间距设置有穿过用于将导轨11紧固于基座7的紧固构件的通孔11b。

滑架12具有与导轨11的上表面对置的水平部12-1和与导轨11的侧面对置的一对袖部12-2，且剖面为コ字状。滑架12具备：移动方向的中央的滑架主体13；配置在滑架主体13的移动方向的两端的一对盖构件14a、14b；以及配置在一对盖构件14a、14b的移动方向的两端的一对传感器安装构件15a、15b(参照图1)。盖构件14a、14b具有与导轨11的上表面对置的水平部14-1和与导轨11的侧面对置的一对袖部14-2，且剖面为コ字状。传感器安装构件15a、15b也具有与导轨11的上表面对置的水平部15-1和与导轨11的侧面对置的一对袖部15-2，且剖面为コ字状(参照图4(a))。盖构件14a、14b通过螺钉等紧固构件紧固于滑架主体13。传感器安装构件15a、15b通过螺钉等紧固构件紧固于滑架主体13和/或盖构件14a、14b。另外，在图2、图3中，省略了传感器安装构件15a、15b。

如图3的运动引导装置1的水平剖视图所示，在滑架主体13设置有与导轨11的四条轨道面11a对置的四条轨道面13a。在滑架主体13与各轨道面13a平行地设置有作为滚动体返回通路的返回通路13b。在盖构件14a、14b设置有将各轨道面13a和各返回通路13b相连的U字状的方向转换通路14c。方向转换通路14c的内周侧由与滑架主体13一体的剖面为半圆状的内周部13c构成。由导轨11的轨道面11a与滑架主体13的轨道面13a之间的负载滚走通路、一对方向转换通路14c、以及返回通路13b构成跑道状的循环通路。在循环通路容纳有作为滚动体的多个球16。若滑架12相对于导轨11相对地移动，则介于它们之间的球16就会在负载滚走通路上滚动。滚动至负载滚走通路的一端的球16导入到一个方向转换通路14c，并经由返回通路13b、另一个方向转换通路14c而返回到负载滚走通路的另一端。

<传感器的结构>

如图1所示，传感器2a～2d、3a～3d例如是静电电容式的位移计，以非接触方式检测滑架12相对于导轨11的位移(参照图4的(b)的放大图)。如上所述，在滑架12的移动方向的两端部安装一对传感器安装构件15a、15b。在一个传感器安装构件15a安装四个传感器2a～2d。四个传感器2a～2d在导轨11的长度方向上配置在同一位置。在另一个传感器安装构件15b也安装四个传感器3a～3d。四个传感器3a～3d在导轨11的长度方向上配置在同一位置。导轨11的长度方向上的传感器2a～2d与传感器3a～3d之间的距离为L₁。另外，还能够将四个传感器2a～2d在导轨11的长度方向上错开配置，并将四个传感器3a～3d在导轨11的长度方向上错开配置。

图4示出从导轨11的长度方向观察的传感器安装构件15a。如上所述，传感器安装构件15a具有与导轨11的上表面11c对置的水平部15-1和与导轨11的左右侧面对置的一对袖部15-2。在水平部15-1配置对径向方向的位移进行检测的两个径向传感器2a、2b。径向传感器2a、2b与导轨11的上表面11c隔开间隙地彼此相向，检测到导轨11的上表面11c的间隙。两个径向传感器2a、2b间的左右方向上的距离为L₂。

在一对袖部15-2配置对水平方向的位移进行检测的两个水平传感器2c、2d。水平传感器2c、2d与导轨11的侧面11d隔开间隙地彼此相向，检测到侧面11d的间隙。

在假定为将导轨11配置在水平面的状态下，径向传感器2a、2b以及水平传感器2c、2d配置得比滑架12的上表面(安装面)更靠下方。这是为了在滑架12的上表面(安装面)之上安装工作台8。传感器2a～2d的电缆2a₁～2d₁从传感器安装构件15a的袖部15-2向左右方向引出。另外，还能够将电缆2a₁～2d₁从传感器安装构件15a的前表面向前方(向与纸面垂直的方向)引出。此外，还能够使传感器安装构件15a的上表面的高度比滑架12的上表面(安装面)低，从而将传感器安装构件15a的上表面与工作台8的间隙利用为将电缆2a₁、2b₁引出的间隙。

图1所示的传感器安装构件15b也与传感器安装构件15a同样地，具有水平部15-1和一对袖部15-2。在水平部15-1配置两个径向传感器3a、3b。在一对袖部15-2配置两个水平传感器3c、3d。

<线性编码器的结构>

线性编码器4对滑架12的x轴方向的位置进行检测。例如，线性编码器4具备：安装在实机的基座7或导轨11的标尺；和安装在实机的工作台8或滑架12并对标尺进行读取的读取头。另外，在导轨11移动的情况下，线性编码器4对导轨11的x轴方向的位置进行检测。在本发明中，“检测滑动构件相对于轨道构件的相对移动方向的位置”包括如这样对导轨11的x轴方向的位置进行检测的情况。此外，位置检测单元并不限定于线性编码器。例如，在实机的工作台为滚珠螺杆驱动的情况下，作为位置检测单元，还能够使用对驱动滚珠螺杆的马达的角度进行检测的旋转编码器。

<数据记录器、计算机的结构>

传感器2a～2d、3a～3d检测出的滑架12的位移信息按给定的每个采样周期记录到作为记录计的数据记录器5。线性编码器4检测出的滑架12的位置信息也按给定的每个采样周期记录到数据记录器5。数据记录器5经由有线或无线通信单元将所记录的位移信息以及位置信息发送到计算机6。数据记录器5配置在实机的附近。计算机6配置在实机的附近或远程位置。

作为位移的基准，传感器2a～2d、3a～3d在滑架12移动过程中对从滑架12拆卸了实机的可动部的无负载状态下的滑架12相对于导轨11的位置进行检测。此外，传感器2a～2d、3a～3d在滑架12移动过程中对在滑架12安装了实机的可动部的负载状态下的滑架12相对于导轨11的位置进行检测。负载状态下的滑架12的位置与无负载状态下的滑架12的位置之差为位移。传感器2a～2d、3a～3d检测无负载状态以及负载状态下的滑架12的位置来作为位移信息，并发送到数据记录器5。

计算机6算出传感器2a～2d、3a～3d检测出的无负载状态以及负载状态下的滑架12的位置之差(位移)。然后，计算机6基于滑架12的位移算出作用于运动引导装置1(滑架12)的负荷。计算机6在算出负荷时，首先，基于位移算出滑架12的五个位移分量。接着，计算机6基于五个位移分量算出作用于多个球16中的每一个球的负荷以及接触角。接着，计算机6基于各球16的负荷以及接触角算出作用于滑架12的负荷(五个外力分量)。以下，对计算机所执行的上述三个工序进行详细说明。

<滑架的五个位移分量的算出>

如图2所示，若在运动引导装置1设定x-y-z坐标轴，则作用于x-y-z坐标轴的坐标原点的负荷是作为径向负荷与反径向负荷的合计的F_y和作为水平负荷的合计的F_z。在将滑架12压附于导轨11的方向上，向图2的y轴的正方向作用的负荷为径向负荷。其反方向，即，使滑架12从导轨11远离的方向为反径向负荷。在使滑架12相对于导轨11向横向偏移的方向上，向图2的z轴正负方向作用的负荷为水平负荷。

此外，绕x-y-z坐标轴的力矩是作为俯仰力矩的合计的M_a、作为偏转力矩的合计的M_b、以及作为转动力矩的合计的M_c。对于滑架12，作为外力而作用径向负荷F_y、俯仰力矩M_a、转动力矩M_c、水平负荷F_z、偏转力矩M_b。若这五个外力分量作用于滑架12，则会在滑架12产生与它们分别对应的五个位移分量，即，径向位移α₁(mm)、俯仰角α₂(rad)、转动角α₃(rad)、水平位移α₄(mm)、偏转角α₅(rad)。

图5示出外力作用于滑架12时的传感器2a～2d的输出的变化。图5中带斜线的箭头是输出有变化的传感器，图5中中空的箭头是输出不变化的传感器。在径向负荷F_y作用于滑架12时，滑架12与导轨11之间的上下方向的间隙变小。另一方面，在反径向负荷-F_y作用于滑架12时，滑架12与导轨11之间的上下方向的间隙变大。径向传感器2a、2b检测该上下方向的间隙的变化(位移)。另外，安装于传感器安装构件15b(参照图1)的径向传感器3a、3b也检测该上下方向的位移。

在径向负荷F_y或反径向负荷-F_y作用于滑架12时，若将径向传感器2a、2b检测出的位移设为A₁、A₂并将径向传感器3a、3b检测出的位移设为A₃、A₄，则滑架12的径向位移α₁例如可由以下的式子给出。

(数学式1)

α₁＝(A₁+A₂+A₃+A₄)/4

在水平负荷F_Z作用于滑架12时，滑架12相对于导轨11向横向偏移，滑架12的一个袖部12-2与导轨11之间的水平方向的间隙变小，滑架12的另一个袖部12-2与导轨11之间的水平方向的间隙变大。水平传感器2c、2d检测该水平方向的间隙的变化(位移)。另外，安装于传感器安装构件15b(参照图1)的水平传感器3c、3d也检测该水平方向的位移。若将水平传感器2c、2d检测出的位移设为B₁、B₂并将水平传感器3c、3d检测出的位移设为B₃、B₄，则滑架12的水平位移α₄例如可由以下的式子给出。

(数学式2)

α₄＝(B₁-B₂+B₃-B₄)/4

在俯仰力矩M_a作用于滑架12时，径向传感器2a、2b与导轨11之间的间隙变大，径向传感器3a、3b与导轨11之间的间隙变小。若设俯仰角α₂充分小，则俯仰角α₂(rad)例如可由以下的式子给出。

(数学式3)

α₂＝((A₃+A₄)/2-(A₁+A₂)/2)/L₁

在转动力矩M_c作用于滑架12时，径向传感器2a、3a与导轨11之间的间隙变小，径向传感器2b、3b与导轨11之间的间隙变大。若设转动角α₃充分小，则转动角α₃(rad)例如可由以下的式子给出。

(数学式4)

α₃＝((A₁+A₃)/2-(A₂+A₄)/2)/L₂

在偏转力矩M_b作用于滑架12时，水平传感器2c、3d与导轨11之间的间隙变小，水平传感器2d、3c与导轨11之间的间隙变大。若设偏转角α₅充分小，则偏转角α₅(rad)例如可由以下的式子给出。

(数学式5)

α₅＝((A₁+A₄)/2-(A₂+A₃)/2)/L₂

根据以上，能够基于传感器2a～2d、3a～3d所检测的位移算出滑架12的五个位移分量。

<作用于各球的负荷以及接触角的算出>

在图6示出将滑架12内的球16所接触的部分在x轴方向上设为剖面的状态。根据图6，关于各球间距，使用取稍大于1的值的κ而设为κDa，决定各球的x坐标，并将其设为x_i。将滑架12内的球16进行滚动的部分的长度设为2U_x。将在2U_x内排列的球数称为有效球数，并设为I。在滑架12的两端部分，实施半径为R且深度成为λ_ε那样的被称为凸面加工的R形状的大的曲面加工。

设在五个外力分量，即，径向负荷F_y、俯仰力矩M_a、转动力矩M_c、水平负荷F_z、以及偏转力矩M_b作用于滑架12时，在滑架12产生五个位移分量，即，径向位移α₁、俯仰角α₂、转动角α₃、水平位移α₄、偏转角α₅，从而建立理论式。

分别将滑架12的球编号i处的滑架12内剖面的、产生五个位移分量之前的内部负荷的状态示于图7，将产生了五个位移分量之后的内部负荷的状态示于图8。在此，将滑架12的球列编号设为j，将球列内的球编号设为i。将球径设为D_a，对于导轨11侧、滑架12侧均将轨道面与球16的匹配度设为f，即，将轨道面曲率半径设为fD_a。此外，将导轨侧轨道面曲率中心位置设为A_r，将滑架侧轨道面曲率中心位置设为A_c，将作为连结它们的线与z轴所成的角的接触角的初始状态设为γ。进而，将球中心间距离设为2U_z12、2U_z34、2U_y。

对球16作用有预压。首先，对预压的原理进行说明。导轨11、滑架12的夹在对置的轨道面间的部分的尺寸由导轨11、滑架12的设计时的尺寸以及轨道面的几何形状决定。应进入到那里的球径为设计时的球径，但是若在那里嵌入比设计时的球径稍大的尺寸为Da+λ的球16，则根据赫兹(Hertz)的接触论，球16与轨道面的接触部会发生弹性变形，形成接触面，产生接触应力。这样产生的负荷为内部负荷，是预压负荷。

在图7中，用P₀表示该负荷，并用δ₀表示由接触部的弹性变形造成的导轨11、滑架12间的相互接近量。实际上，球位置存在于图7的用单点划线描绘的、导轨11、滑架12的轨道面间的中心位置，但是因为两轨道面的与球16的匹配度f相等，所以在球16的两处接触部产生的基于赫兹的接触论的各特性值相同。因此，通过将球16描绘得向导轨侧轨道面位置偏移，从而就会容易得知导轨11、滑架12的轨道面间的相互接近量δ₀。

通常，预压负荷定义为每一个滑架上侧的两列的量(或下侧两列的量)的径向方向负荷，因此预压负荷P_pre可用下式表示。

(数学式6)

接着，说明从该状态起对运动引导装置1作用五个外力分量并产生了五个位移分量的状态。如图8所示，设为坐标原点的运动引导装置1的中心由于作为五个位移分量的径向位移α₁、俯仰角α₂、转动角α₃、水平位移α₄、偏转角α₅而引起第i个球位置处的导轨11与滑架12的相对位移。

此时，虽然导轨侧轨道面曲率中心没有动，但是滑架12移动，因此滑架侧轨道面曲率中心在各球位置处以几何学方式进行移动。这种情形表示为作为滑架侧轨道面曲率中心的A_c向A_c′移动。将该A_c向A_c′移动的量分为y方向和z方向来考虑，若将在y方向上移动的量设为δ_y并将向z方向移动的量设为δ_z，则在以下设下标表示第i个球、第j个球列的情况下，能够表示为

(数学式7)

δ_yij＝α₁+α₂x_i+α₃z_cij

δ_zij＝α₄+α₅x_i-α₃y_cij。

在此，z_c、y_c为点A_c的坐标。

接着，连结了导轨11侧和滑架12侧的轨道面曲率中心的线在球负荷的法线方向上成为某个接触角，因此曾是初始接触角的γ_j变化为β_ij，进而，该两轨道面曲率中心间距离从最初的A_r、A_c间的距离变化为A_r、A_c′间的距离。该两轨道面曲率中心间距离的变化成为球16的两接触部处的弹性变形，与在图7中进行说明时同样，通过将球16描绘得向导轨侧轨道面位置偏移，从而就可求出球16的弹性变形量δ_ij。

该Ar、Ac′间的距离也分为y方向和z方向来考虑，若将y方向的距离设为V_y并将z方向的距离设为V_z，则使用前述的δ_yij、δ_zii表示为

(数学式8)

V_yij＝(2f-1)D_asinγ_i+δ_yij

V_zij＝(2f-1)D_acosγ_i+δ_zij。

由此，A_r、A_c′间的距离成为

(数学式9)

接触角β_ij成为

(数学式10)

根据以上，球16的弹性变形量δ_ij成为

(数学式11)

在此，在将图6所示的滑架12内的球16所接触的部分在x轴方向上设为剖面的状态下，成为滑架12侧的轨道面曲率中心的A_c′与导轨侧轨道面曲率中心A_c分离的形式，进入到凸面加工部分的球16的弹性变形量δ_ij变少该部分的量。由于这可以被视为等同于使球径恰好以与其相称的形式减小，因此将该量设为λ_xi并从上式中减去。

若使用根据赫兹的接触论导出的表示滚动体为球的情况下的弹性接近量的式子，则可根据弹性变形量δ_ij通过下述的式子求出滚动体负荷P_ij。

(数学式12)

在此，C_b为非线性的弹簧常数(N/mm^3/2)，由下述的式子给出。

(数学式13)

在此，E为纵向弹性系数，1/m为泊松比，2K/πμ为赫兹系数。

根据以上，能够使用滑架12的五个位移分量α₁～α₅，对滑架12内的全部的球16，用式子表示接触角、弹性变形量、滚动体负荷。

另外，在上述中，为了容易理解，使用了将滑架12考虑为刚体的刚体模型负载分布理论。也能够对该刚体模型负载分布理论进行扩展，为了考虑滑架12的袖部12-2的变形而使用应用了梁理论的滑架梁模型负载分布理论。进而，还能够使用将滑架12、导轨11设为FEM模型的滑架-导轨FEM模型负载分布理论。

<负荷(五个外力分量)的算出>

之后，只要使用上述的式子建立关于作为外力的五个分量，即，径向负荷F_y、俯仰力矩M_a、转动力矩M_c、水平负荷F_z、偏转力矩M_b的平衡条件式即可。

(数学式14)

关于径向负荷F_y，

(数学式15)

关于俯仰力矩M_a，

(数学式16)

关于转动力矩M_c，

在此，ω_ij表示力矩的臂的长度，由下式给出。z_r、y_r为点Ar的坐标。

ω_ij＝z_rijsinβ_ij-y_rijcosβ_ij

(数学式17)

关于水平负荷F_z，

(数学式18)

关于偏转力矩M_b，

根据以上的式子，能够算出作用于滑架12的负荷(五个外力分量)。

<寿命算出>

接着，计算机6基于算出的滑架12的负荷，算出运动引导装置1的寿命。以下，说明运动引导装置1的寿命算出方法。将计算机6算出的滑架12的负荷与滑架12的位置建立关联。若将横轴作为滑架12的位置并将纵轴作为滑架12的负荷，则滑架12的负荷例如可如图9那样曲线图化。图9示出在实机的一个循环的动作模式中运动引导装置1的径向负荷变化为P₁、P₂、P_n的例子。计算机6基于变动负荷P₁、P₂、P_n算出运动引导装置1的行驶中的平均负荷。平均负荷例如通过以下的式子来算出。

(数学式19)

在此，P_m为平均负荷(N)，P_n为变动负荷(N)，L为冲程(mm)，L_n为将P_n作为负载而行驶的距离。同样，计算机6对作用于滑架12的五个外力分量算出运动引导装置1的行驶中的平均负荷。

接着，计算机6基于算出的平均负荷来算出用于寿命计算的等效负荷。等效负荷的算出式根据运动引导装置1的型号的不同而不同，由运动引导装置1的制造商给出。例如，在HSR型(THK公司的型号)的运动引导装置1的情况下，等效负荷P_c使用径向负荷的平均负荷P_R和水平负荷的平均负荷P_T通过以下的式子来算出。

(数学式20)

P_c＝P_R+P_T

接着，计算机6例如使用以下的式子来算出额定寿命L(km)。所谓额定寿命，是指在使一组相同的运动引导装置1以相同的条件独立地运动时，其中的90％在不引起粉屑(金属表面的鳞状的剥离)的情况下所能够到达的总行驶距离。

(数学式21)

在此，L为额定寿命(km)，C为基本动态额定负荷(N)，P_c为等效负荷(N)。f_H为硬度系数，f_T为温度系数，f_c为接触系数。f_w为负荷系数。f_H、f_T、f_c、f_w由运动引导装置1的制造商给出。例如为f_H＝f_T＝f_c＝f_w＝1。

以上对本实施方式的运动引导装置1的负荷测量系统的结构进行了说明。根据本实施方式的运动引导装置1的负荷测量系统，可达到以下的效果。

根据本实施方式，无需在滑架12与实机的工作台8之间夹入应变仪，能够在实机的使用状态下实时地、高精度地对运动引导装置1的负荷(是在实机中嵌入了运动引导装置1的状态下作用于运动引导装置1的负荷，且是包含了载置于滑架12之上的物体的重量的负荷)进行测量。此外，将运动引导装置1的负荷与滑架12相对于导轨11的相对移动方向的位置建立关联。因此，能够高精度地对在行驶中发生变动的运动引导装置1的负荷进行测量。如果能够高精度地测量运动引导装置1的负荷，无需选定具有过大的额定负荷的运动引导装置1，就也能够更准确地预测运动引导装置1的寿命。

在算出负荷时，算出介于导轨11与滑架12之间的多个球16的负荷以及接触角，因此能够高精度地算出负荷。

因为径向传感器2a、2b、3a、3b以及水平传感器2c、2d、3c、3d被配置于安装在滑架12的移动方向的两端部的传感器安装构件15a、15b，所以在将径向传感器2a、2b、3a、3b以及水平传感器2c、2d、3c、3d安装到滑架12时，无需对滑架12进行改造。此外，因为能够使径向传感器2a、2b、3a、3b彼此的距离以及水平传感器2c、2d、3c、3d彼此的距离分开，从而能够观察球列整体的位移，所以能够高精度地算出滑架12的力矩位移。

因为传感器安装构件15a、15b具有与导轨11的上表面11c对置的水平部15-1和与导轨11的侧面对置的袖部15-2，所以能够将径向传感器2a、2b、3a、3b以及水平传感器2c、2d、3c、3d容易地配置在传感器安装构件15a、15b。

作为滑架12的位移的基准，对从滑架12拆卸了实机的工作台8的无负载状态下的滑架12相对于导轨11的径向方向以及水平方向的位置进行检测，此后，对在滑架12安装了实机的工作台8的负载状态下的滑架12相对于导轨11的径向方向以及水平方向的位置进行检测，因此即使导轨11弯曲，也能够高精度地检测使用状态下的滑架12的位移。

另外，本发明并不限定于具体化为上述实施方式，能够在不变更本发明的主旨的范围内具体化为各种各样的实施方式。

虽然在上述实施方式中算出了滑架的五个位移分量，但是在能够确定作用于滑架的力或力矩的情况下，为了使计算简单，还能够算出滑架的位移的一个以上四个以下的分量。由此，能够减少传感器的个数而实现成本的削减。

虽然在上述实施方式中将导轨配置在水平面，但是也能够将导轨配置在垂直面，还能够配置在倾斜面。

虽然在上述实施方式中对使用球来作为滚动体的例子进行了说明，但是还能够使用滚轴作为滚动体。

在滑架的移动方向上的传感器安装构件的两端面，还能够安装密封件、润滑剂供给装置等可选部件。

本说明书以2016年1月22日申请的日本特愿2016-010548为基础。其内容全部包含于此。

附图标记说明

1：运动引导装置，2a、2b、3a、3b：径向传感器(传感器)，2c、2d、3c、3d：水平传感器(传感器)，4：线性编码器(位置检测单元)，5：数据记录器(记录计)，6：计算机(算出单元)，11：导轨(轨道构件)，12：滑架(滑动构件)，15a、15b：传感器安装构件，15-1：水平部，15-2：袖部，16：球(滚动体)。

Claims (7)

1.一种运动引导装置的负荷测量系统，在所述运动引导装置中，滑动构件经由多个滚动体以能够相对移动的方式组装于轨道构件，该运动引导装置的负荷测量系统的特征在于，具备：

位置检测单元，用于检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的相对移动方向的位置；

至少一个传感器，用于检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的位移；以及

算出单元，基于所述位置检测单元检测出的位置信息以及所述至少一个传感器检测出的位移信息，算出与所述位置建立关联的所述运动引导装置的负荷，

所述算出单元使用作为所述滑动构件的五个位移分量的径向位移、俯仰角、转动角、水平位移、以及偏转角的全部，分别算出作为所述运动引导装置的五个外力分量的径向负荷、俯仰力矩、转动力矩、水平负荷、以及偏转力矩。

2.根据权利要求1所述的运动引导装置的负荷测量系统，其特征在于，

所述算出单元在算出所述运动引导装置的负荷时，算出介于所述轨道构件与所述滑动构件之间的所述多个滚动体的负荷以及接触角。

3.根据权利要求2所述的运动引导装置的负荷测量系统，其特征在于，

所述至少一个传感器具备：

径向传感器，对与所述轨道构件的上表面之间的径向方向的间隙进行检测；和/或

水平传感器，对与所述轨道构件的侧面之间的水平方向的间隙进行检测，

所述径向传感器和/或所述水平传感器配置在安装于所述滑动构件的所述相对移动方向的两端部的传感器安装构件。

4.根据权利要求3所述的运动引导装置的负荷测量系统，其特征在于，

所述传感器安装构件具有与所述轨道构件的上表面对置的水平部、和与所述轨道构件的侧面对置的袖部，

所述径向传感器配置在所述传感器安装构件的所述水平部，

所述水平传感器配置在所述传感器安装构件的所述袖部。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的运动引导装置的负荷测量系统，其特征在于，

所述至少一个传感器作为所述位移的基准而检测从所述滑动构件拆卸了实机的可动部的无负载状态下的、所述滑动构件相对于所述轨道构件的径向方向和/或水平方向的位置，之后，

检测在所述滑动构件安装了所述实机的所述可动部的负载状态下的、所述滑动构件相对于所述轨道构件的所述径向方向和/或所述水平方向的位置。

6.一种运动引导装置的负荷测量方法，在所述运动引导装置中，滑动构件经由多个滚动体以能够相对移动的方式组装于轨道构件，所述运动引导装置的负荷测量方法的特征在于，具备：

检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的相对移动方向的位置的工序；

检测所述滑动构件相对于所述轨道构件的位移的工序；以及

基于检测出的位置信息以及检测出的位移信息，算出与所述位置建立关联的所述运动引导装置的负荷的工序，

在算出所述运动引导装置的负荷的工序中，使用作为所述滑动构件的五个位移分量的径向位移、俯仰角、转动角、水平位移、以及偏转角的全部，分别算出作为所述运动引导装置的五个外力分量的径向负荷、俯仰力矩、转动力矩、水平负荷、以及偏转力矩。

7.一种运动引导装置的寿命算出方法，其特征在于，

基于使用权利要求6所述的负荷测量方法算出的所述运动引导装置的所述负荷，算出实机的动作模式下的所述运动引导装置的平均负荷，

基于所述平均负荷，算出所述运动引导装置的寿命。

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