CN109690277B - 带故障检测用传感器的致动器以及致动器的故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带故障检测用传感器的致动器，其能够利用兼用的传感器容易地检测线性引导部以及滚珠丝杠部中的至少一方的故障。致动器(10)具备：线性引导部(4)，其引导可动体(1)进行直线移动；以及滚珠丝杠部(7)，其沿丝杠轴(6)的轴向驱动可动体(1)，用于检测致动器(10)的故障的传感器(18)配置于收容有联轴器(12)壳体(11)中，联轴器(12)连结丝杠轴(6)和使丝杠轴(6)旋转的马达(14)。

Description

带故障检测用传感器的致动器以及致动器的故障检测方法
技术领域
本发明涉及带故障检测用传感器的致动器以及致动器的故障检测方法。
背景技术
已知一种线性引导部与滚珠丝杠部组合而成的致动器，即由线性引导部引导可动体进行直线移动，并由滚珠丝杠部对可动体沿丝杠轴的轴向进行驱动的致动器。
线性引导部利用滚珠、滚柱等多个滚动体的滚动运动，来引导可动体进行直线移动。滚珠丝杠部在丝杠轴与螺母之间具备能够滚动运动的多个滚珠，通过使丝杠轴旋转，而在丝杠轴的轴向上驱动螺母。
在长期使用致动器时，在线性引导部以及滚珠丝杠部的至少一方的滚动体、滚动体滚行面会发生表面剥落，即滚动体、滚动体滚行面的一部分呈麟状剥离的现象。上述那样的表面剥落等的故障阻碍可动体的顺畅移动。因此，要求诊断线性引导部以及滚珠丝杠部中的至少一方的故障。
作为线性引导部的故障诊断装置，在专利文献1中公开了在线性引导部安装振动传感器并利用信号处理部处理该振动传感器检测到信号的故障诊断装置。能够通过判定信号处理部处理的信号的强度是否超过规定阈值来判定线性引导部是否故障。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-96541号公报
发明内容
在诊断致动器的故障时，考虑在线性引导部以及滚珠丝杠部分别安装用于检测故障的传感器。然而，在线性引导部以及滚珠丝杠部分别安装有传感器的情况下，传感器数量增加，并且需要布置传感器用的布线。另一方面，在更换致动器的情况下，经常一并地替换致动器，而不单独替换线性引导部或者滚珠丝杠部，也可以说未必需要分别对线性引导部以及滚珠丝杠部进行独立地诊断。
因此，考虑由兼用的传感器检测线性引导部以及滚珠丝杠部中的至少一方的故障。然而，在由兼用的传感器检测线性引导部以及滚珠丝杠部中的至少一方的故障的情况下，会产生滚珠丝杠部的故障容易检测但线性引导部的故障难以检测这种问题。这是因为，在滚珠丝杠部产生的振动等(振动、弹性波或者超声波)的大小大于在线性引导部产生的振动等的大小。滚珠丝杠部用于驱动可动体，在滚珠丝杠部作用有来自马达的转矩，因此在滚珠丝杠部产生的振动等大。
于是，本发明的目的在于，提供一种能够由兼用的传感器容易地检测线性引导部以及滚珠丝杠部中的至少一方的故障的带故障检测用传感器的致动器以及致动器的故障检测方法。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的一方式涉及一种带故障检测用传感器的致动器，其具备：线性引导部，其引导可动体进行直线移动；以及滚珠丝杠部，其沿丝杠轴的轴向驱动所述可动体，所述带故障检测用传感器的致动器的特征在于，用于检测所述致动器的故障的传感器配置于收容有联轴器的壳体，所述联轴器连结所述丝杠轴和使所述丝杠轴旋转的马达。
本发明的另一方式涉及一种致动器的故障检测方法，所述致动器具备：线性引导部，其引导可动体进行直线移动；以及滚珠丝杠部，其沿丝杠轴的轴向驱动所述可动体，所述致动器的故障检测方法的特征在于，将用于检测所述致动器的故障的传感器配置于收容有联轴器的壳体，所述联轴器连结所述丝杠轴和使所述丝杠轴旋转的马达。
发明效果
根据本发明，因故障而导致在滚珠丝杠部产生的振动等(振动、弹性波或者超声波)利用壳体的轴承被衰减而向壳体传递。另一方面，因故障而在线性引导部产生的振动等没有像滚珠丝杠部衰减地向壳体传递。由于从滚珠丝杠部向壳体传递的振动等的大小与从线性引导部向壳体传递的振动等的大小接近，因此由兼用的传感器能够容易地检测线性引导部以及滚珠丝杠部中的至少一方的故障。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的带故障检测用传感器的致动器的示意性侧视图。
图2是取下了马达的上述实施方式的致动器的立体图。
图3的(a)～(d)是取下了马达的上述实施方式的致动器的详细图(图3的(a)是俯视图、图3的(b)是侧视图、图3的(c)是图3的(a)的c-c线剖视图、图3的(d)是主视图)。
图4是本发明的第二实施方式的带故障检测用传感器的致动器的示意性俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式的带故障检测用传感器的致动器以及致动器的故障检测方法。然而，本发明的带故障检测用传感器的致动器以及致动器的故障检测方法能够由各种方式具体化，并未局限于本说明书所记载的实施方式。本实施方式通过在说明书充分地公开，具有使本领域技术人员充分地理解发明的范围的意图而提供。
(本发明的第一实施方式的带故障检测用传感器的致动器)
图1是本发明的第一实施方式的带故障检测用传感器的致动器10的示意性侧视图。本实施方式的致动器10具备引导作为可动体的滑块1进行直线移动的线性引导部4以及沿丝杠轴6的轴向驱动作为可动体的滑块1的滚珠丝杠部7。
线性引导部4具备轨道导轨3、经由滚珠或者滚柱构成的多个滚动体而沿长度方向能够移动地组装于轨道导轨3的移动块2。轨道导轨3安装于基座8。移动块2安装于滑块1。需要说明的是，还能够将线性引导部4的轨道导轨3与基座8设置为一体，并将移动块2与作为可动体的滑块1设置为一体。
滚珠丝杠部7具备丝杠轴6以及经由多个滚珠而螺合于丝杠轴6的螺母5。多个滚珠进入丝杠轴6的滚珠滚行槽与螺母5的滚珠滚行槽之间。螺母5安装于作为可动体的滑块1。丝杠轴6的轴向的一端部能够旋转地支承于壳体11。壳体11固定于基座8或者轨道导轨3。丝杠轴6的轴向的另一端部能够旋转地支承于端部壁13。端部壁13固定于基座8或者轨道导轨3。
丝杠轴6利用马达14驱动而旋转。马达14安装于壳体11。丝杠轴6和马达14利用联轴器12连结。联轴器12收容于壳体11。
当马达14驱动丝杠轴6旋转时，与丝杠轴6螺合的螺母5在丝杠轴6的轴向上移动。由于螺母5安装于滑块1，因此滑块1与螺母5一起在丝杠轴6的轴向上移动。
图2以及图3示出取下了马达14的致动器10的详细图。图2示出立体图，图3的(a)示出俯视图，图3的(b)示出侧视图，图3的(c)示出剖视图，图3的(d)示出主视图。在图2以及图3中，示出将线性引导部4的轨道导轨3与基座8(参照图1)设置为一体，并将移动块2与作为可动体的滑块1(参照图1)设置为一体的致动器10。需要说明的是，在以下的说明中，为了方便说明，在将致动器10配置为水平面的状态下，使用从丝杠轴6的轴向观察的方向、即图2示出的上下、左右、前后的方向来说明致动器10的结构。当然，并不局限于致动器10的配置。
线性引导部4的轨道导轨3呈截面U字形，在前后方向上细长地延伸。轨道导轨3具备底壁部3a、相互对置的一对侧壁部3b。在各侧壁部3b的内侧面在长度方向上形成有滚珠滚行部3b1。在该实施方式中，在各侧壁部3b的上下形成有两条滚珠滚行部3b1。
线性引导部4的移动块2夹在轨道导轨3的一对侧壁部3b之间，经由滚动体而在长度方向上能够移动地组装于轨道导轨3。在移动块2的上表面形成有用于安装于对象部件的螺纹孔2a。移动块2具有轨道状的循环路径。轨道状的循环路径具备与轨道导轨3的滚珠滚行部3b1对置的滚珠滚行部、与该滚珠滚行部平行的返回路径、连接滚珠滚行部的一端与返回路径的一端的一对U字形的方向转换路径。在循环路径排列着作为滚动体的多个滚珠。
在移动块2相对于轨道导轨3进行直线移动时，多个滚珠在轨道导轨3的滚珠滚行部与移动块2的滚珠滚行部之间滚动运动，在循环路径中循环。通过利用滚珠的滚动运动，从而能够使移动块2以在轨道导轨3与移动块2之间不产生晃动的状态移动。
关于滚珠丝杠部7的丝杠轴6，其一端部能够旋转地支承于壳体11，其另一端部能够旋转地支承于端部壁13。在丝杠轴6的外周面形成有螺旋状的滚珠滚行槽6a。在壳体11设有将支承丝杠轴6的一端部支承为能够旋转的轴承15(参照图3的(c))。在端部壁13设有将丝杠轴6的另一端部支承为能够旋转的轴承16(参照图3的(c))。
丝杠轴6贯通移动块2。在移动块2形成有供螺母5插入的装配孔2b(参照图3的(c))。螺母5安装于移动块2的装配孔2b。在螺母5的内周面形成有与丝杠轴6的滚珠滚行槽6a对置的螺旋状的滚珠滚行槽。在螺母5设有将螺母5的螺旋状的滚珠滚行槽的一端与另一端连接的回流管等的循环部件。通过螺母5的螺旋状的滚珠滚行槽以及循环部件，构成滚珠丝杠部7的循环路径。在循环路径中排列着多个滚珠。
在丝杠轴6旋转时，螺母5在轴向上移动。在丝杠轴6旋转时，多个滚珠在丝杠轴6与螺母5之间滚动运动，在循环路径中循环。通过利用滚珠的滚动运动，从而能够在丝杠轴6与螺母5之间不产生不松动的状态使螺母5沿轴向移动。
如图2所示，壳体11通过螺栓等紧固构件而固定于线性引导部4的轨道导轨3。壳体11具备与轨道导轨3一体的底部11c以及从底部11c竖立设置的框状的壁部11a、11b、11d、11e。壁部11a、11b、11d、11e具备设有轴承15的第一壁部11a、与第一壁部11a对置并且通过螺栓等紧固构件安装马达14的第二壁部11b、与第一壁部11a以及第二壁部11b正交并且彼此对置的第三壁部11d以及第四壁部11e。在壳体11收容有连结丝杠轴6与马达14的联轴器12(参照图1)。
如图1所示，在壳体11的内侧配置有用于检测致动器10的故障的传感器18。传感器18配置于壳体11的底部11c的上表面。传感器18是检测壳体11的振动的振动传感器、检测传递到壳体11的弹性波的AE(Acoustic Emission)传感器、或者检测到传递到壳体11的超声波的超声波传感器。在本实施方式中，传感器18检测壳体11的表面的振动的振动传感器。具体地说，是检测壳体11的表面的加速度的加速度传感器。
本实施方式的致动器的故障诊断系统具备致动器10和信号处理部20。传感器18检测到的信号被输入到由计测设备等构成的信号处理部20。信号处理部20具备放大传感器18检测到的信号的放大器21、从放大的信号提取规定范围的频率的滤波器22、从滤波器处理后的信号计算rms(Root Mean Square)强度的rms运算部23以及将传感器18检测到的信号以及/或者滤波器处理后的信号进行FFT(Fast Fourier Transformation)解析的FFT解析部24。
滤波器22从传感器18检测到的信号(包含由放大器21放大后的信号)提取壳体11的共振频带。在线性引导部4以及滚珠丝杠部7的至少一方、即线性引导部4以及/或者滚珠丝杠部7发生表面剥落等故障时，因故障而导致线性引导部4以及/或者滚珠丝杠部7以与正常时的频率不同的频率振动。因故障而导致的线性引导部4以及/或者滚珠丝杠部7的振动传递到壳体11，使壳体11共振。通过提取壳体11的共振频带的振动，将rms强度与正常时进行比较，从而能够了解在线性引导部4以及/或者滚珠丝杠部7是否发生了故障。
需要说明的是，代替利用滤波器22提取壳体11的共振频带的振动，能够利用滤波器22提取因故障而导致的滚珠丝杠部7的振动的频带，利用滤波器22提取因故障而导致的线性引导部4的振动的频带。通过提取这些，将rms强度与正常时进行比较，从而能够了解在线性引导部4以及/或者滚珠丝杠部7是否发生了故障。
rms运算部23根据例如下述的计算式计算滤波器处理的信号的二乘均方根(rms)。
[数学式]
Figure BDA0001986918230000061
n是被捕捉到数据的个数，x是与各数据点对应的物理量(振幅)，i＝1～n。
能够通过判定rms强度是否超过规定阈值，从而了解在线性引导部4以及/或者滚珠丝杠部7是否发生了故障。需要说明的是，也能够使用包络线二乘均方根(Envelopmentrms)来代替均方根，。
FFT解析部24为了解析壳体11的振动的频率，来FFT解析传感器18检测到的信号。利用FFT解析，能够了解因滚珠丝杠部7的故障而导致的振动是否传递到壳体11，或者因线性引导部4的故障而导致的振动是否传递到壳体11。需要说明的是，或者有时还能够与FFT解析一起进行STFT(Short-time Fourier Transform、Short-term Fourier Transform)解析、小波变换(wavelet transformation)等来代替FFT解析。
利用上述的信号处理部20，例如能够进行以下的判定。
(1)在线性引导部4发生故障的情况下
(a)利用壳体11的振动的rms强度，虽然不知道是线性引导部4发生故障、还是滚珠丝杠部7发生故障、还是两方发生故障，但是会判定为至少一方发生故障。
(b)利用壳体11的振动的rms强度，判定为线性引导部4发生故障，滚珠丝杠部7未发生故障。
(c)利用壳体11的振动的rms强度以及FFT解析，判定为线性引导部4发生故障，滚珠丝杠部7未发生故障。
(2)在滚珠丝杠部7发生故障的情况下
(a)利用壳体11的振动的rms强度，虽然不知道是线性引导部4发生故障、还是滚珠丝杠部7发生故障、还是两方发生故障，但是会判定为至少一方发生故障。
(b)利用壳体11的振动的rms强度，判定为滚珠丝杠部7发生故障，线性引导部4未发生故障。
(c)利用壳体11的振动的rms强度以及FFT解析，判定为滚珠丝杠部7发生故障，线性引导部4未发生故障。
(3)在线性引导部4以及滚珠丝杠部7这两方发生故障的情况下
(a)利用壳体11的振动的rms强度，虽然不知道是线性引导部4发生故障、还是滚珠丝杠部7发生故障、还是两方发生故障，但是会判定为至少一方发生故障。
(b)利用壳体11的振动的rms强度，判定为线性引导部4以及滚珠丝杠部7这两方发生故障。
(c)利用壳体11的振动的rms强度以及FFT解析，判定为线性引导部4以及滚珠丝杠部7这两方发生故障。
以上，说明了本发明的第一实施方式的带故障检测用传感器的致动器10。根据本实施方式，起到以下的效果。
因故障而导致在滚珠丝杠部7产生的振动被轴承衰减而传递到壳体11。另一方面，因故障而导致在线性引导部4产生的振动没有像滚珠丝杠部7那样衰减地传递到壳体11。由于从滚珠丝杠部7传递到壳体11的振动的大小与从线性引导部4传递到壳体11的振动的大小接近，因此能够由兼用的传感器18容易地检测线性引导部4以及滚珠丝杠部7中的至少一方的故障。
另外，由于将传感器18配置于壳体11，因此传感器18没有妨碍线性引导部4的移动块2的行程，并且根据上述情况还能够检测马达14内部的轴承、壳体11的轴承的故障。而且，由于将传感器18配置于固定侧，而不是移动块2、螺母5等的移动侧，因此也不需要布线的布置。
由于将传感器18配置于壳体11的底部11c的上表面，因此除了起到上述的效果之外，能够有效利用联轴器12下部的无用空间。
由于利用滤波器22来提取壳体11的共振频带的振动，因此能够检测出因线性引导部4以及/或者滚珠丝杠部7的故障而导致的振动传递到壳体11，壳体11发生共振的情况。线性引导部4的轨道导轨3的共振频率虽然受移动块2的位置影响而发生变化，但是壳体11的共振频率不会被移动块2的位置所影响。通过提取壳体11的共振频带的振动，从而能够检测线性引导部4以及滚珠丝杠部7的至少一方的故障。
(本发明的第二实施方式的带故障检测用传感器的致动器)
图4是本发明的第二实施方式的带故障检测用传感器的致动器的示意性俯视图。第二实施方式的致动器30还具备引导作为可动体的工作台31进行直线移动的线性引导部34以及沿丝杠轴36的轴向驱动作为可动体的工作台31的滚珠丝杠部37。
在第二实施方式的致动器中，线性引导部34由左右一对线性引导件34a、34b构成。各线性引导件34a、34b具备轨道导轨32、经由多个滚动体而沿长度方向能够移动的方式组装在轨道导轨32上的移动块33。轨道导轨32安装于基座38。移动块33安装于工作台31。
滚珠丝杠部37具备丝杠轴36、经由多个滚珠而螺合于丝杠轴36的螺母35。螺母35安装于作为可动体的工作台31上。丝杠轴36的轴向的一端部能够旋转地支承于固定在基座38的上表面的壳体41。丝杠轴36的轴向的另一端部能够旋转地支承于固定在基座38的上表面的端部壁39。
丝杠轴36利用马达42驱动而旋转。马达42安装于壳体41。丝杠轴36和马达42由联轴器43连结。联轴器43收容于壳体41。
壳体41具备底部41c、设有轴承45的第一壁部41a、安装有马达42的第二壁部41b、与第一壁部41a以及第二壁部41b正交，并且相互对置的第三壁部41d以及第四壁部41e。
在壳体41的底部41c的上表面配置有用于检测致动器30的故障的传感器18。由于传感器18、信号处理部20的结构与第一实施方式相同，因此标注相同的附图标记而省略该说明。
需要说明的是，本发明不局限于在上述实施方式中实现，在不变更本发明的主旨的范围内能够各种各样的实施方式中实现。
例如，在上述实施方式中，信号处理部计算rms强度，判定在线性引导部以及/或者滚珠丝杠部是否发生了故障，但还能够在信号处理部计算rms强度之前，由上位的信号处理部进行判定。
本说明书基于2016年9月9日申请的日本专利申请2016-176926，其内容前部包含于此。
附图标记说明：
1…滑块(可动体)，2…移动块，3…轨道导轨，4…线性引导部，5…螺母，6…丝杠轴，7…滚珠丝杠部，10…致动器，11…壳体，11a…第一壁部，11b…第二壁部，11c…底部，12…联轴器，14…马达，15…轴承，18…传感器，20…信号处理部，21…放大器，22…滤波器，23…rms运算部，24…FFT解析部，30…致动器，31…工作台(可动体)，32…轨道导轨，33…移动块，34…线性引导部，35…螺母，36…丝杠轴，37…滚珠丝杠部，41…壳体，41a…第一壁部，41b…第二壁部，41c…底部，42…马达，43…联轴器，45…轴承。

Claims (3)

1.一种带故障检测用传感器的致动器，其具备：
线性引导部，其引导可动体进行直线移动；以及
滚珠丝杠部，其沿丝杠轴的轴向驱动所述可动体，
所述带故障检测用传感器的致动器的特征在于，
用于检测所述致动器的故障的传感器配置于收容有联轴器的壳体中，所述联轴器连结所述丝杠轴和使所述丝杠轴旋转的马达，
所述传感器是检测所述壳体的振动的振动传感器、检测传递到所述壳体的弹性波的AE传感器即声发射传感器、或者检测传递到所述壳体的超声波的超声波传感器。
2.根据权利要求1所述的带故障检测用传感器的致动器，其特征在于，
所述壳体包括：
第一壁部，其设有将所述丝杠轴支承为能够旋转的轴承；
第二壁部，其安装有所述马达；以及
底部，其与所述第一壁部和所述第二壁部连接，
所述传感器配置于所述底部的上表面。
3.一种致动器的故障检测方法，
所述致动器具备：
线性引导部，其引导可动体进行直线移动；以及
滚珠丝杠部，其沿丝杠轴的轴向驱动所述可动体，
所述致动器的故障检测方法的特征在于，
将用于检测所述致动器的故障的传感器配置于收容有联轴器的壳体中，所述联轴器连结所述丝杠轴和使所述丝杠轴旋转的马达，
所述传感器是检测所述壳体的振动的振动传感器、检测传递到所述壳体的弹性波的AE传感器即声发射传感器、或者检测传递到所述壳体的超声波的超声波传感器。
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