CN110121639A - 运动引导装置的寿命诊断装置、方法、程序及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种能够高精度地诊断寿命的运动引导装置的寿命诊断装置、方法、程序及系统。一种运动引导装置的寿命诊断装置，在所述运动引导装置中，将移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寿命诊断装置具备：应力计算机构，其基于移动构件相对于轨道构件形成的轨道的位移量，按将移动构件的滚行面沿着轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，计算在移动构件移动时在各区间产生的应力即移动时应力；计数机构，其基于位移量按每个区间对伴随移动构件沿着轨道移动时的摆动而重复产生的移动时应力的产生次数进行计数；以及诊断机构，其基于移动时应力的大小和移动时应力的产生次数按每个区间进行寿命到达率的计算，基于计算出的各区间的寿命到达率来进行运动引导装置的寿命诊断。

Description

运动引导装置的寿命诊断装置、方法、程序及系统

技术领域

本申请涉及运动引导装置的寿命诊断装置、方法、程序及系统。

背景技术

在机器人、工作机械、半导体-液晶制造装置等各种装置种类中，使用用于引导可动部的路线的部件。例如，在可动部直线前进的部位使用线性引导件。在选定这样的部件时，通常选定针对乘以安全系数所得到的负荷而具有富裕的额定负荷的部件，但近年来，例如还进行了如下尝试：在部件上安装应变仪，计算施加于部件的实际负荷而将部件更严格地管理(例如，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

对可动部的路线进行引导的运动引导装置若在形成与滚动体接触的滚行面的材料上累积疲劳，则有可能降低引导精度。因此，为了掌握形成滚行面的材料的疲劳，考虑测定施加于滚行面的负荷，并进行寿命诊断，但例如在使用了上述的应变仪的实际负荷的测定方式的情况下，在应变仪中难以按每个部位捕捉滚行面的疲劳，因此难以预测由滚行面的局部疲劳导致的寿命。

因此，本申请公开了能够高精度诊断寿命的运动引导装置的寿命诊断装置、方法、程序及系统。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，在本发明中，基于移动构件相对于运动引导装置的轨道构件形成的轨道的位移量，按将滚行面划分而得到的每个假想的区间来计算各区间的产生应力，按每个区间对应力的产生次数进行计数，根据基于应力的大小和产生次数而计算出的各区间的寿命到达率来进行运动引导装置的寿命诊断。

详细而言，本发明是一种运动引导装置的寿命诊断装置，在所述运动引导装置中，将移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寿命诊断装置具备：应力计算机构，其基于移动构件相对于轨道构件形成的轨道的位移量，按将移动构件的滚行面沿着轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，计算在移动构件移动时在各区间产生的应力即移动时应力；计数机构，其基于位移量按每个区间对伴随移动构件沿着轨道移动时的摆动而重复产生的移动时应力的产生次数进行计数；以及诊断机构，其基于移动时应力的大小和移动时应力的产生次数按每个区间进行寿命到达率的计算，基于计算出的各区间的寿命到达率来进行运动引导装置的寿命诊断。

在此，摆动是指因滚动体相对于滚行面的周期性的相对位置的偏移而引起的移动构件的姿态变化、振动(脉动)。摆动表现为伴随移动构件的移动周期性地产生的微小位移，因此在上述的寿命诊断装置中，在因滚动体对滚行面重复施加应力而导致使材料疲劳的运动引导装置的寿命诊断中，对伴随摆动而重复产生的应力的产生次数进行计数，并用于运动诊断装置的寿命诊断。

而且，摆动例如在将与轨道构件形成的轨道正交的方向规定为径向方向的情况下，在移动构件相对于轨道构件的沿着径向方向的相对的位移中出现振动成分，因此在上述的寿命诊断装置中，基于移动构件相对于轨道构件形成的轨道的位移量，对移动构件沿着轨道移动时的摆动的振动频率进行计数。在上述的寿命诊断装置中，基于移动构件相对于轨道构件的相对的位移量来计算在滚行面产生的应力，因此针对伴随摆动的重复产生的应力的产生次数，也可以基于该相对的位移量来计数，由此有效地利用移动构件相对于轨道的位移量的数据。

然而，在上述的寿命诊断装置进行诊断的运动引导装置中，为了将移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，使多个滚动体与滚行面接触。运动引导装置即使滚行面局部地疲劳也有可能对移动构件的路线的引导造成影响。因此，在上述的寿命诊断装置中，通过按将移动构件的滚行面沿着轨道的方向划分而得到的每个假想的区间来计算应力，从而与基于滚行面整体的应力的寿命诊断相比实现了诊断精度的提高。假想的区间数量只要为至少两个以上，则与基于滚行面整体的应力的寿命诊断相比捕捉局部疲劳而实现诊断精度的提高，例如，只要是与滚行面接触的滚动体的个数量的区间数量，则容易掌握在滚动体的各区间产生的应力与各滚动体的负荷的对应关系，因此上述移动时应力的计算是容易的。

需要说明的是，本发明也可以由方法、计算机程序或者系统的方面来捕捉。例如，本发明也可以是运动引导装置的寿命诊断方法，在所述运动引导装置中，将移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，其中，在所述运动引导装置的寿命诊断方法中，基于移动构件相对于轨道构件形成的轨道的位移量，按将移动构件的滚行面沿着轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，计算在移动构件移动时在各区间产生的应力即移动时应力，基于位移量按每个区间对伴随移动构件沿着轨道移动时的摆动而重复产生的移动时应力的产生次数进行计数，基于移动时应力的大小和移动时应力的产生次数按每个区间进行寿命到达率的计算，基于计算出的各区间的寿命到达率来进行运动引导装置的寿命诊断。

发明效果

上述的寿命诊断装置、方法、程序及系统能够高精度地诊断运动引导装置的寿命。

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寿命诊断系统的整体图。

图2是本实施方式的运动引导装置的外观立体图。

图3是表示本实施方式的运动引导装置的内部结构的概要的图。

图4的(a)是从导轨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5A是表示计算机执行的寿命诊断的第一处理流程的图。

图5B是表示计算机执行的寿命诊断的第二处理流程的图。

图6是表示外力作用于滑架时的传感器的输出的变化的图。

图7是表示滑架内的球所接触的部分的图。

图8是表示产生五个位移分量之前的内部负荷的状态的图。

图9是表示产生了五个位移分量之后的内部负荷的状态的图。

图10是表示滑架在导轨上移动时的球的动作的图。

图11是将由线性编码器检测的滑架的位置作为横轴，将由传感器检测的位移作为纵轴的曲线图。

图12是表示划分滚行面的假想的区间的一例的图。

图13是表示在滑架移动时在滚行面上重复产生的最大剪切应力的计数值的一例的图。

图14是表示材料的S－N曲线的一例的图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。以下所示的实施方式为本发明的实施方式的一例，本发明的技术范围并非限定于以下的方案。

图1表示本实施方式的运动引导装置的寿命诊断系统的整体图。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为线性编码器，附图标记5为数据记录器，附图标记6为计算机(本申请中所说的“寿命诊断装置”的一例)。

首先，对运动引导装置1的结构进行说明。运动引导装置1具备导轨11(本申请中所说的“轨道构件”的一例)和以沿着导轨11的长度方向能够相对移动的方式组装的滑架12(本申请中所说的“移动构件”的一例)。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9)安装于滑架12。实机例如为机器人、工作机械、半导体或液晶制造装置等。包含工作台8的可动部的运动方向由运动引导装置1进行引导。需要说明的是，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。另外，运动引导装置1也可以在导轨11的长度方向不是水平而相对于水平面倾斜或正交的状态下使用。

图2表示运动引导装置1的外观立体图。为了方便说明，将导轨11配置在水平面上，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上下两条滚行面11a。滚行面11a的剖面为圆弧状。在导轨11的上表面，沿长度方向以适当的间距设置通孔11b，该通孔11b供用于将导轨11紧固于基座7的紧固构件通过。

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具备位于移动方向的中央的滑架主体13、配置于滑架主体13的移动方向的两端的一对盖构件14a、14b和配置于一对盖构件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的(a))。盖构件14a、14b通过螺栓等紧固构件紧固于滑架主体13。传感器安装构件15a、15b通过螺栓等紧固构件紧固于滑架主体13及盖构件14a、14b。需要说明的是，在图2、图3中，省略了传感器安装构件15a、15b。

图3是表示运动引导装置1的内部结构的概要的图。如图3所示，在滑架主体13设置有与导轨11的四条滚行面11a对置的四条滚行面13a。在滑架主体13与各滚行面13a平行地设置有返回通路13b。在盖构件14a、14b设置有将各滚行面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的滚行面11a与滑架主体13的滚行面13a之间的负载滚行通路、一对方向转换通路14c、返回通路13b构成跑道状的循环通路。在循环通路收容有多个球16(本申请中所说的“滚动体”的一例)。若滑架12相对于导轨11相对地移动，则夹设于它们之间的球16会在负载滚行通路上滚动。滚动至负载滚行通路的一端的球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而返回到负载滚行通路的另一端。

＜传感器的结构＞

如图1所示，传感器2a～2d、3a～3d例如为静电电容式的位移计，以非接触的方式检测滑架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(参照图1)。需要说明的是，还能够将各传感器2a～2d、3a～3d沿着滑架12的移动方向相互错开配置。

图4表示从导轨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配置有对径向方向的位移进行检测的两个传感器2a、2b。传感器2a、2b与导轨11的上表面11c隔开间隙地彼此相对，检测到导轨11的上表面11c的间隙。两个传感器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传感器2c、2d。传感器2c、2d与导轨11的侧面11d隔开间隙地彼此相对，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，传感器2a、2b及传感器2c、2d配置在比滑架12的上表面(安装面)靠下方的位置。这是由于在滑架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。需要说明的是，还能够将电缆2a₁～2d₁从传感器安装构件15a的前面向前方(向与纸面垂直的方向)引出。另外，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，传感器3a～3d配置在分别与传感器2a～2d对应的位置。

＜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具备安装于实机的基座7或导轨11的标尺和安装于实机的工作台8或滑架12并对标尺进行读取的读取头。需要说明的是，对导轨11上的滑架12的位置进行检测的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丝杠驱动的情况下，作为位置检测单元，还能够使用对驱动滚珠丝杠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的位移信息按规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的位置信息也按规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及位置信息向计算机6发送。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。

传感器2a～2d、3a～3d对滑架12相对于导轨11的位移量进行检测。滑架12相对于导轨11的位移量是与未对滑架12施加负荷的无负载状态下的传感器2a～2d、3a～3d的检测值的差分。因此，在从传感器2a～2d、3a～3d发送位移信息的数据记录器5中，将从传感器2a～2d、3a～3d发送的位移信息的值减去预先存储的无负载状态下的传感器2a～2d、3a～3d的检测值而得到的值记录为滑架12相对于导轨11的位移量。

计算机6使用记录于数据记录器5的信息来进行运动引导装置1的寿命诊断。图5A是表示计算机6执行的寿命诊断的第一处理流程的图。另外，图5B是表示计算机6执行的寿命诊断的第二处理流程的图。计算机6通过在使用运动引导装置1的实机运转中重复执行图5A所示的第一处理流程，取得有关与滑架12沿着导轨11的轨道移动时的摆动相伴的重复负荷的数据。而且，计算机6例如按每重复100次第一处理流程、在实机运转期间按几分钟到几小时这样的定期时刻、或者实机的维护时这样不定期的时刻来执行图5B所示的第二处理流程，从而进行基于第一处理流程中所生成的数据的寿命诊断。

＜寿命诊断的概要＞

首先，对图5A所示的第一处理流程的概要进行说明。

在使用运动引导装置1的实机的运转中，计算机6从各传感器2a～2d、3a～3d取得滑架12的位移量(S101)。所取得的滑架12的位移量被记录于数据记录器5。而且，计算机6基于在步骤S101中取得的滑架12的位移量的数据进行作用于滑架12的负荷的计算(S102)。

计算出的负荷会用于在滑架主体13的滚行面13a的各部分产生的应力的计算。当计算在滚行面13a的各部分产生的应力时，计算机6首先基于线性编码器4检测的滑架12的位置信息，来进行滑架12是否为移动中的判定(S103)。

作为表示运动引导装置1的寿命的现象的一例，可举出在滚行面13a产生的鳞状的剥离(以下，称为“剥落”)。剥落是因如下情况而产生的，即，在比滚行面13a略深的位置重复施加来自承受球16的负荷的滚行面13a的剪切应力，使得形成滚行面13a的材料疲劳。在此，与滑架12的移动时的摆动相伴的重复负荷是在比滚行面13a略深的位置重复产生剪切应力的主要原因，因此计算机6在步骤S103中进行了肯定判定的情况下，基于滑架12的位移量及位置信息来进行摆动的顶点的检测(S104)。需要说明的是，若在S103中进行否定判定，则结束本计算处理。而且，若在步骤S104中检测摆动的顶点，则计算机6基于在步骤S102中计算出的负荷，来计算在滑架12移动时在滚行面13a的各部分产生的剪切应力，对按应力的大小和滚行面13a的每个部位来计数应力的产生次数的计数器进行计数值的加法处理(S105)。需要说明的是，若在S104中未进行摆动的顶点的检测，则结束本计算处理。

通过重复执行具有步骤S101到步骤S105的一系列处理的上述第一处理流程，从而可将因滑架12移动时的负荷振幅而重复施加于滑架12的滚行面13a的各部分的剪切应力的产生次数按应力的大小和滚行面13a的每个部位来合计。已合计的数据在接下来说明概要的第二处理流程中用于把握因重复负荷进行的滚行面13a的每个部位的疲劳。

接着，对图5B所示的第二处理流程的概要进行说明。计算机6使用通过重复执行第一处理流程所合计的滚行面13的每个部位的应力的产生次数的数据，来进行使用线性累积损伤法则(有时也称为“Miner's rule”)的寿命到达率的计算(S201)。而且，计算机6进行滑架12的残留的可使用距离(期间)的计算(S202)。

以下，对各步骤的详细内容进行说明。

＜S101＞

在使用运动引导装置1的实机的运转中，计算机6从各传感器2a～2d、3a～3d取得滑架12的位移量。由于各传感器2a～2d、3a～3d的测量值是从传感器到滚行面的距离，因此计算机6以从未对滑架12施加负荷的无负载时的传感器到滚行面的距离为基准，将距该距离的差分作为滑架12的位移量储存于数据记录器5。

＜S102＞

接着，对步骤S102的详细内容进行说明。计算机6基于滑架12的位移计算作用于滑架12的负荷。计算机6在计算负荷时，首先，基于从各传感器2a～2d、3a～3d取得的滑架12的位移量，计算滑架12的五个位移分量。接着，计算机6基于五个位移分量，计算分别作用于多个球16的负荷及接触角。接着，计算机6基于各球16的负荷及接触角，计算作用于滑架12的负荷(五个外力分量)。以下，对上述的三个工序进行详细说明。

＜滑架的五个位移分量的计算＞

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和水平负荷的F_z。在将滑架12压向导轨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、即将滑架12从导轨11分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。

另外，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和作为滚转力矩的合计的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、滚转力矩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)、滚转角α₃(rad)、水平位移α₄(mm)、偏转角α₅(rad)。

图6表示外力作用于滑架12时的传感器2a～2d的输出的变化。图6中带斜线阴影的箭头是输出有变化的传感器，图6中空心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。传感器2a、2b对该上下方向的间隙的变化(位移)进行检测。需要说明的是，安装于传感器安装构件15b(参照图1)的传感器3a、3b也对该上下方向的位移进行检测。

在径向负荷F_y或反径向负荷－F_y作用于滑架12时，若将传感器2a、2b检测出的位移设为A₁、A₂，将传感器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。传感器2c、2d对该水平方向的间隙的变化(位移)进行检测。需要说明的是，安装于传感器安装构件15b(参照图1)的传感器3c、3d也对该水平方向的位移进行检测。若将传感器2c、2d检测出的位移设为B₁、B₂，将传感器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，传感器2a、2b与导轨11之间的间隙变大，传感器3a、3b与导轨11之间的间隙变小。若将俯仰角α₂设得足够小，则俯仰角α₂(rad)例如由以下的式子给出。

(数学式3)

α₂＝((A₃+A₄)/2－(A₁+A₂)/2)/L₁

在滚转力矩M_c作用于滑架12时，传感器2a、3a与导轨11之间的间隙变小，传感器2b、3b与导轨11之间的间隙变大。若将滚转角α₃设得足够小，则滚转角α₃(rad)例如由以下的式子给出。

(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，传感器2c、3d与导轨11之间的间隙变小，传感器2d、3c与导轨11之间的间隙变大。若将偏转角α₅设得足够小，则偏转角α₅(rad)例如由以下的式子给出。

(数学式5)

α₅＝((A₁+A₄)/2－(A₂+A₃)/2)/L₂

由此，能够基于传感器2a～2d、3a～3d检测的位移计算滑架12的五个位移分量。

＜作用于各球的负荷及接触角的计算＞

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示于图7。根据图7，关于各球间距，使用取稍大于1的值的κ而设为κDa，确定各球的x坐标，将其设为X_i。将滑架12内的球16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。

在五个外力分量、即径向负荷F_y、俯仰力矩M_a、滚转力矩M_c、水平负荷F_z、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、滚转角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、产生五个位移分量前的内部负荷的状态示于图8，将产生了五个位移分量之后的内部负荷的状态示于图9。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侧均将滚行面与球16的匹配度设为f，即将滚行面曲率半径设为fD_a。另外，将导轨侧滚行面曲率中心位置设为A_r，将滑架侧滚行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。并且，将在位于导轨11的上侧的两个滚行面上各自滚动的球16彼此的球中心间距离设为2U_z12，将在处于导轨11的下侧的两个滚行面上各自滚动的球16彼此的球中心间距离设为2U_z34，将在导轨11的上侧的滚行面及下侧的滚行面上各自滚动的球16彼此的球中心间距离设为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的夹在对置的滚行面间的部分的尺寸由导轨11、滑架12的设计时的尺寸及滚行面的几何形状确定。应进入其中的球径为设计时的球径，但若在其中组装比设计时的球径稍大的尺寸为Da+λ的球16，则根据赫兹(赫兹)的接触论，球16与滚行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8中，用P₀表示该负荷，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8的以单点划线描绘的、导轨11、滑架12的滚行面间的中心位置，但由于两滚行面的与球16的匹配度f相等，因此在球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以向导轨侧滚行面位置偏移的方式描绘，从而容易得知导轨11、滑架12的滚行面间的相互接近量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由下式表示。

(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9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、滚转角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，虽然导轨侧滚行面曲率中心不会移动，但由于滑架12会移动，因此滑架侧滚行面曲率中心在各球位置处以几何学的方式移动。这种情形表示为作为滑架侧滚行面曲率中心的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，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侧的滚行面曲率中心的线成为作为球负荷的法线方向的接触角，因此原本为初始接触角的γ_j变化为β_ij，并且，该两滚行面曲率中心间距离从最初的A_r、A_c间的距离变化为Ar、A_c′间的距离。该两滚行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，与图8中进行说明时同样，通过将球16以向导轨侧滚行面位置偏移的方式描绘，从而求出球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，将z方向的距离设为V_z，则使用前述的δ_yij、δ_zij表示为

(数学式8)

V_yij＝(2f－1)D_asinγ_j+δ_yij

V_zij＝(2f－1)D_acosγ_j+δ_zij。

由此，Ar、Ac′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7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侧的滚行面曲率中心的Ac′与导轨侧滚行面曲率中心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与该量相应地变少，由于这可以被视为等同于使球径恰好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，Σρ为主曲率和。

由此，能够使用滑架12的五个位移分量α₁～α₅，针对滑架12内的全部的球16，用式子来表示接触角β_ij、弹性变形量δ_ij、滚动体负荷P_ij。

需要说明的是，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。并且，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)的计算＞

之后，只要使用上述的式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、滚转力矩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)

关于滚转力矩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A_r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，能够计算作用于滑架12的负荷(五个外力分量)。

＜S103＞

接着，对步骤S103的详细内容进行说明。计算机6进行滑架12是否为移动中的判定。对于滑架12是否为移动中，能够基于线性编码器4检测的滑架12的位置信息来判定。若例如线性编码器4检测的滑架12的位置信息按时间序列而变化，则计算机6判定滑架12为移动中，若位置信息未按时间序列变化，则计算机6判定滑架12为停止中。

＜S104＞

接着，对步骤S104的详细内容进行说明。计算机6基于记录于数据记录器5的滑架12的位移量及位置信息来进行摆动的顶点的检测。

摆动是源于导轨11的滚行面11a及滑架主体13的滚行面13a与球16之间产生的周期性的相对位置的偏移的滑架12的姿态变化、振动(脉动)。图10是表示滑架12在导轨11上移动时的球16的动作的图。虽然滑架12中具备多个球16，但这些多个球16中的支承滑架12的球16是夹在导轨11的滚行面11a与滑架主体13的滚行面13a之间的球16(图10中带斜线阴影的球16)。而且，如比较图10的(A)和图10的(B)可知，夹在导轨11的滚行面11a与滑架主体13的滚行面13a之间的球16的数量随着滑架12相对于导轨11的相对移动而重复增减。该重复的周期和滑架12相对于导轨11而移动相当于与相邻的球16彼此的间距相同的量的周期一致。因此，摆动的顶点成为在通过传感器2a～2d、3a～3d所检测的位移的波形中的、和滑架12在导轨11上移动时滚动的球16与滚行面11a、13a之间的相对位置的偏移的周期一致的波的顶点。

因此，计算机6在摆动的顶点的检测时，首先，针对五个位移分量的每一个，来解析表示下述关系的数据，即，从线性编码器4得到的滑架12的导轨11上的位置与从各传感器2a～2d、3a～3d得到的位移量的关系。而且，计算机6从表示滑架12的位置与位移量的关系的数据中判定有无表示摆动的数据。对于表示摆动的数据的有无，在例如设想出将横轴设为滑架12的导轨11上的位置，将纵轴设为滑架12的位移量的曲线图的波形的情况下，若有以与球16的间距大致相同的周期出现的峰值，则判定为有摆动，若不存在以与球16的间距大致相同的周期出现的峰值，则判定为没有摆动。

图11是将通过线性编码器4检测的滑架12在导轨11上的位置设为横轴，将通过传感器2a～2d、3a～3d检测的位移设为纵轴的曲线图。在滑架12中具有八个传感器2a～2d、3a～3d，另外，由于滑架12在导轨11上往复，因此表示滑架12的位置与位移的关系的线原本存在多条。但是，为了容易理解，在图11的曲线图中，以一条折线表示滑架12的位置与位移的关系。如观察图11的曲线图可知，在滑架12的位移中有比较缓慢的位移与比较细微的位移这两种振动成分。其中，前者的比较缓慢的位移可考虑为例如源于导轨11的滚行面11a的精度等的除了摆动以外的振动成分。另一方面，后者的比较细微的位移是源于摆动的振动成分，且是滑架12在导轨11上移动时产生的位移。图11的曲线图所示的比较细微的位移的各顶点的横轴的间隔大致与滚珠16的间距一致。

计算机6基于如图11的曲线图所示那样表示滑架12在导轨11上的位置与位移量的关系的数据，来检测以与球16的间距大致相同的周期出现的细微的摆动的振动成分，从而进行该振动成分的波形的顶点的检测。需要说明的是，计算机6只要由多个传感器2a～2d、3a～3d中的任意一个以上的传感器检测的位移的数据检测到摆动，则检测出该摆动的波形的顶点。

＜S105＞

当计算机6在步骤S104中检测到摆动的波形的顶点时，基于步骤S102中计算出的负荷，计算在滑架12的滚行面13a产生的最大剪切应力(本申请中所说的“移动时应力”的一例)。在本实施方式中，为了把握因滚行面13a的局部疲劳造成的寿命，计算机6按将滚行面13a沿着轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，来进行在滚行面13a产生的最大剪切应力的计算。

图12是表示划分滚行面13a的假想的区间的一例的图。在本实施方式中，为了容易理解，对按每个假想的区间来计算最大剪切应力的情况进行说明，其中，该假想的区间是以有效球数分割滚行面13a而得到的。在这样划分的滚行面13a的各区间产生的剪切应力可以根据赫兹的弹性接触论、且根据利用在步骤S102的说明中所示的滚动体负荷P_ij、及在球体与平面的接触部分产生的应变的解析模型而预先制作的式子来计算。

接着，计算机6基于计算出的各区间的最大剪切应力，按每个应力的大小来计数最大剪切应力的产生次数。图13是表示在滑架12移动时在滚行面13a上重复产生的最大剪切应力的计数值的一例的图。计算机6例如如图13所示，将应力的大小按50MPa来分阶段地区分，且按每一个摆动、换言之，在图11所示的摆动的波形中按每次顶点发生的时刻，将相当于计算出的最大剪切应力的区分的计数值逐一相加。因此，计数值与滑架12的累积移动距离成比例地增加。使滚行面13a疲劳的应力的产生次数按每个应力的大小及按每个区间来合计，由此即使在例如滚行面13a的特定区间中局部性地产生重复的应力的情况下，仍可以得到能够将滚行面13a的局部疲劳反映到运动引导装置1的寿命诊断上的诊断用的基础数据。

＜S201＞

计算机6使用通过重复执行第一处理流程而合计出的合计结果，来计算寿命到达率。寿命到达率是按滚行面13a的每个区间来计算的。而且，在计算出的全部区间的寿命到达率中，将寿命到达率最高的值采用于运动引导装置1的寿命诊断。寿命到达率利用例如线性累积损伤法则来计算。图14是表示材料的S－N曲线的一例的图。线性累积损伤法则是在材料的疲劳中，在物体重复承受应力的情况下，预测因疲劳而达到损伤为止的寿命的法则，因此对把握因滑架12的移动中产生的负荷振幅而重复的应力造成的材料的疲劳是有效的。若根据线性累积损伤法则，则当将相对于成为对象的材料的S－N曲线中的特定的重复应力的断裂重复数设为L_i，将对材料的实际的重复数设为n_i时，寿命到达率D由以下的式子给出。

(数学式19)

＜S202＞

计算机6在结束步骤S201的处理时，在按滚行面13a的每个区间计算出的全部区间的寿命到达率的中使用寿命到达率最高的值，来计算滑架12的残留的可使用距离(期间)。可使用距离(期间)若例如根据线性累积损伤法则，则寿命到达率D是成为1的情况。因此，当将从线性编码器4的位置信息得到的滑架12的累积移动距离设为D_int时，可使用距离D_Life可以由以下的式子表示。

(数学式20)

D_Life＝(1－D)/D*D_int

另外，当将从线性编码器4的使用开始时到计算寿命到达率D时为止的经过时间设为T_int时，可使用期间T_Life可以由以下的式表示。

(数学式21)

T_Life＝(1－D)/D*T_int

计算机6执行的上述步骤S101到S202的各处理的详细内容如上以述。上述的计算机6将球16对滑架12的滚行面13a重复施加应力的摆动的振动频率用于寿命诊断，因此可得到比不使用摆动的振动频率而进行的寿命诊断更高精度的诊断结果。另外，上述的计算机6利用在滑架12的滚行面13a上产生的应力的计算中也使用的传感器2a、2b、3a、3b的位移信息来计数摆动的振动频率，因此与另外设置用于对摆动的振动频率进行计数的传感器类的情况相比，装置结构不复杂。另外，上述的计算机6按沿着轨道的方向划分滑架12的滚行面13a而得到的每个假想的区间来计算应力，因此可以得到比基于滚行面13a整体的应力的寿命诊断更高的诊断结果。

附图标记说明：

1…运动引导装置，2a、2b、2c、2d、3a、3b、3c、3d…传感器，4…线性编码器，5…数据记录器，6…计算机，11…导轨，12…滑架，15a、15b…传感器安装构件，15－1…水平部，15－2…袖部，16…球。

Claims (7)

1.一种运动引导装置的寿命诊断装置，在所述运动引导装置中，将移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，其中，

所述运动引导装置的寿命诊断装置具备：

应力计算机构，其基于所述移动构件相对于所述轨道构件形成的轨道的位移量，按将所述移动构件的滚行面沿着所述轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，计算在所述移动构件移动时在各区间产生的应力即移动时应力；

计数机构，其基于所述位移量按每个所述区间对伴随所述移动构件沿着所述轨道移动时的摆动而重复产生的所述移动时应力的产生次数进行计数；以及

诊断机构，其基于所述移动时应力的大小和所述移动时应力的产生次数按每个所述区间进行寿命到达率的计算，基于计算出的所述各区间的寿命到达率来进行所述运动引导装置的寿命诊断。

2.根据权利要求1所述的运动引导装置的寿命诊断装置，其中，

所述诊断机构根据线性累积损伤法则进行所述寿命到达率的计算，基于计算出的所述各区间的寿命到达率来进行所述运动引导装置的寿命诊断。

3.根据权利要求1或2所述的运动引导装置的寿命诊断装置，其中，

所述诊断机构基于按每个所述区间对每个所述移动时应力的大小的产生次数进行合计而得到的表的数据，按每个所述区间来进行所述寿命到达率的计算。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的运动引导装置的寿命诊断装置，其中，

所述移动构件具有传感器，该传感器沿着相对于所述轨道正交的方向来测定所述传感器相对于所述轨道构件的表面的距离，

所述位移量基于所述传感器的输出而取得。

5.一种运动引导装置的寿命诊断方法，在所述运动引导装置中，将移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，其中，

所述运动引导装置的寿命诊断方法包括如下步骤：

基于所述移动构件相对于所述轨道构件形成的轨道的位移量，按将所述移动构件的滚行面沿着所述轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，计算在所述移动构件移动时在各区间产生的应力即移动时应力；

基于所述位移量按每个所述区间对伴随所述移动构件沿着所述轨道移动时的摆动而重复产生的所述移动时应力的产生次数进行计数；以及

基于所述移动时应力的大小和所述移动时应力的产生次数按每个所述区间进行寿命到达率的计算，基于计算出的所述各区间的寿命到达率来进行所述运动引导装置的寿命诊断。

6.一种运动引导装置的寿命诊断程序，在所述运动引导装置中，将移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，其中，

在运动引导装置的寿命诊断程序中，使计算机进行如下操作：

基于所述移动构件相对于所述轨道构件形成的轨道的位移量，按将所述移动构件的滚行面沿着所述轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，计算在所述移动构件移动时在各区间产生的应力即移动时应力，

基于所述位移量按每个所述区间对伴随所述移动构件沿着所述轨道移动时的摆动而重复产生的所述移动时应力的产生次数进行计数，

基于所述移动时应力的大小和所述移动时应力的产生次数按每个所述区间进行寿命到达率的计算，基于计算出的所述各区间的寿命到达率来进行所述运动引导装置的寿命诊断。

7.一种运动引导装置的寿命诊断系统，其具备：

运动引导装置，其将移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；

应力计算机构，其基于所述移动构件相对于所述轨道构件形成的轨道的位移量，按将所述移动构件的滚行面沿着所述轨道的方向划分而得到的每个假想的区间，计算在所述移动构件移动时在各区间产生的应力即移动时应力；

计数机构，其基于所述位移量按每个所述区间对伴随所述移动构件沿着所述轨道移动时的摆动而重复产生的所述移动时应力的产生次数进行计数；以及

诊断机构，其基于所述移动时应力的大小和所述移动时应力的产生次数按每个所述区间进行寿命到达率的计算，基于计算出的所述各区间的寿命到达率来进行所述运动引导装置的寿命诊断。