CN113423972B - 能够检测预压的丝杠装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种在由单螺母施加预压的丝杠装置中，能够容易地检测预压的丝杠装置。本发明的丝杠装置(1)具备：丝杠轴(2)，其具有螺旋状的外表面槽(2a)；螺母(3)，其嵌入有丝杠轴(2)，并具有螺旋状的内表面槽(3a)和返回路(9)，在返回路(9)连接有形成于外表面槽(2a)与内表面槽(3a)之间的通路(8)；多个滚动体(4)，其配置于通路(8)和返回路(9)；以及应变传感器(5)，其粘贴于螺母(3)的外表面。在粘贴有应变传感器(5)的螺母(3)的粘贴面(3e)和/或所述粘贴面的附近、与螺母(3)的内表面(3d)之间设置有至少一个孔(11)。

Description

能够检测预压的丝杠装置
技术领域
本发明涉及能够检测预压的丝杠装置。
背景技术
丝杠装置具备丝杠轴、螺母、以及夹设于丝杠轴与螺母之间的多个滚动体。在通过电动机等而使丝杠轴旋转时，螺母进行直线运动。丝杠装置作为在旋转运动与直线运动之间转换运动的机械元件而使用。由于在丝杠轴旋转期间，滚动体进行滚动运动，由此具有能够减少摩擦阻力的特征。
为了提高丝杠装置的刚性，提高定位精度，对丝杠装置施加预压。作为丝杠装置的预压方式，已知双螺母预压、偏置预压、以及超尺寸滚珠预压。在双螺母预压中，使用两个螺母，在两个螺母之间夹设有垫片，从而使产生于各螺母的丝杠轴、螺母以及滚珠之间的轴向间隙为零。偏置预压为用单螺母施加预压的方式，通过使螺母的螺旋状的内表面槽的一部分相对于内表面槽的另一部分沿螺母的轴向偏置，使轴向间隙为零。超尺寸滚珠预压为用单螺母施加预压的方式，通过插入比螺母的螺旋状的内表面槽与丝杠轴的螺旋状的外表面槽之间的通路大的滚动体而使轴向间隙为零。
若长时间使用丝杠装置，则滚动体、丝杠轴、螺母磨损。若这些构件磨损，则丝杠装置的预压降低，从而使丝杠装置的刚性、定位精度降低。为了检测预压，在专利文献1中公开有，在双螺母预压方式的滚珠丝杠中，在两个螺母之间夹设有作为垫片的应变传感器。通过由应变传感器检测作用于两个螺母的对置面的轴向力，由此能够监视经年变化所引起的预压的降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-223493号公报
发明内容
发明要解决的课题
在对于由单螺母施加预压的丝杠装置中，存在与由双螺母施加预压的丝杠装置相比难以检测出预压这样的课题。这是因为，即使将应变传感器粘贴于螺母的外表面，由预压载荷所引起的螺母的外表面的应变量也较小。
在此，本发明的目的在于，提供一种在由单螺母施加预压的丝杠装置中能够容易地检测预压的丝杠装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的一方式为能够检测预压的丝杠装置，其具备：丝杠轴，其具有螺旋状的外表面槽；螺母，其嵌入有所述丝杠轴，并具有螺旋状的内表面槽和返回路，所述返回路连接有形成于所述外表面槽与所述内表面槽之间的通路；多个滚动体，其配置于所述通路和所述返回路；以及应变传感器，其粘贴于所述螺母的外表面，在粘贴有所述应变传感器的所述螺母的粘贴面和/或所述粘贴的附近、与所述螺母的内表面之间设置有至少一个孔。
发明效果
根据本发明的一方式，由于在粘贴有应变传感器的螺母的粘贴面和/或所述粘贴面的附近、与螺母的内表面之间设有至少一个孔，因此在设有至少一个孔的部分处，预压载荷难以传递到螺母的外表面。由于应力集中产生于螺母的外表面的变形的部分与难以变形的部分的交界处，使应变量扩大，因此容易利用应变传感器检测预压。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的能够检测预压的丝杠装置的外观立体图。
图2是沿着本实施方式的丝杠装置的轴线的剖视图。
图3是本实施方式的丝杠装置的侧视图。
图4是示出超尺寸滚珠预压原理的示意图(图4的(a)是丝杠装置的局部剖视图、图4的(b)是图4的(a)的b部放大图)。
图5是示出在超尺寸滚珠预压作用下的螺母的变形的示意图(图5的(a)是螺母的侧视图、图5的(b)是螺母的主视图)。
图6是示出螺母的外表面的应变量的大小的示意图(图6的(a)是与丝杠装置的轴线成直角的剖视图、图6的(b)是图6的(a)的b部放大图)。
图7是与丝杠装置的轴线成直角的剖视图(图7的(a)是在螺母上设置一个孔的本发明例1、图7的(b)是在螺母上设置两个孔的本发明例2)。
图8是示出通过实验而求得的预压量与外观应变量的关系的曲线图。
图9是示出伴随经年变化的预压量的推移的曲线图。
图10是本发明的第二实施方式的丝杠装置的外观立体图。
图11是沿着本实施方式的丝杠装置的轴线的剖视图。
图12是示出偏置预压的原理的示意图(图12的(a)是丝杠装置的局部剖视图、图12的(b)是图12的(a)的b部放大图)。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式的能够检测预压的丝杠装置(以下，简称为丝杠装置)进行详细说明。但是，本发明的丝杠装置能够通过各种方式而具体化，不限于本说明书所述的实施方式。本实施方式意在通过使说明书的公开充分而使本领域技术人员能够充分理解发明的范围而提供。
(第一实施方式)
图1示出本发明的第一实施方式的丝杠装置1的外观立体图，图2示出沿着丝杠装置1的轴线的剖视图。本实施方式的丝杠装置1具备丝杠轴2、螺母3、以及夹设于丝杠轴2的外表面槽2a与螺母3的内表面槽3a之间的作为滚动体的滚珠4。
在丝杠轴2的外表面形成有供滚珠4滚动的呈螺旋状的外表面槽2a。外表面槽2a的与长度方向正交的剖面形状为将具有半径比滚珠4的半径略大的两个圆弧组合而成的尖拱状(参照图4的(b))。滚珠4与外表面槽2a以两点接触。
在螺母3上嵌入丝杠轴2。螺母3的轴向的一端部设有用于安装于对象部件的凸缘3b。螺母3的外表面除了凸缘3b之外为大致圆筒状。在螺母3的外表面形成平坦的扁平部3c。在螺母3的内表面形成与丝杠轴2的外表面槽2a对置的螺旋状的内表面槽3a。内表面槽3a的与长度方向正交的剖面形状为将具有半径比滚珠4的半径略大的两个圆弧组合而成的尖拱状(参照图4的(b))。滚珠4与内表面槽3a以两点接触。
如图1以及图2所示，在螺母3的外表面的扁平部3c上利用粘接剂等粘接方法粘贴有应变传感器5。应变传感器5利用金属或半导体进行伸缩时电阻值变化这一原理，对螺母3的外表面的应变进行检测。该实施方式的应变传感器5检测螺母3的外表面的至少圆周方向上(与图1中的丝杠轴2的轴线成直角的Y方向)的应变。
应变传感器5的种类没有特别限定，能够使用例如将金属的电阻体安装于绝缘体上的金属应变计、将半导体安装于绝缘体上的半导体应变计、使用半导体加工技术而制作出MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)应变传感器等。
如图2所示，在丝杠轴2的外表面槽2a与螺母3的内表面槽3a之间形成有螺旋状的通路8。该通路8配置有多个滚珠4。
图3示出丝杠装置1的侧视图。在图3中，由单点划线示出通路8的中心线和与通路8连接的返回路9的中心线。如图3所示，在螺母3上设置有与该通路8的一端和另一端相连的返回路9，以使滚珠4能够循环。返回路9由设置于螺母3的轴向的贯通孔9a、设置于贯通孔9a的两个端部的循环部件9b、9c构成。循环部件9b、9c装配于螺母3的轴向的端面的凹部。在循环部件9b、9c形成有将通路8上滚动的滚珠4向螺母3的贯通孔9a引导的方向转换路。需要说明的是，返回路9也可以由安装在螺母3的外表面上的回流管而构成。
如图1以及图2所示，在粘贴有应变传感器5的螺母3的粘贴面3e与螺母3的内表面3d之间设置有孔11。也能够将孔11设置于螺母3的粘贴面3e的附近与螺母3的内表面3d之间。孔11在轴向上延伸。孔11开口于螺母3的端面，通过粘贴面3e的下方。
本实施方式的丝杠装置1的预压方式为超尺寸滚珠预压。图4的(a)、(b)是示出超尺寸滚珠预压的原理的示意图。针对滚珠4，使用了直径比丝杠轴2的外表面槽2a与螺母3的内表面槽3a之间的通路8大的超尺寸的滚珠4。滚珠4在外表面槽2a与内表面槽3a之间被挤压。附图标记7为接触角线。丝杠轴2的外表面槽2a的间距P在外表面槽2a的整个长度范围内恒定。螺母3的内表面槽3a的间距P也在内表面槽3a的整个长度范围内恒定。
图5的(a)、(b)是示出在超尺寸滚珠预压作用下的螺母3的变形的示意图。图5的(a)、(b)中的实线示出施加预压前的螺母3，图5的(a)、(b)中的虚线示出施加预压后的螺母3。在施加了超尺寸滚珠预压的情况下，螺母3以外径部膨胀的方式变形。在图5的(a)、(b)中。虽然对螺母3的变形进行了夸大表示，但是实际上螺母3只略微应变。这是因为，在超尺寸滚珠预压的情况下，滚珠4作用于螺母3的预压载荷分散至螺母3的整体。
图6的(a)、(b)是示出螺母3的外表面的应变量的大小的示意图。在图6的(a)、(b)中，由双点划线示出螺母3的外表面的应变量的大小。如图6的(b)所示，将孔11设置于螺母3的内部，预压载荷F不在孔11传递，由此抑制了设有孔11的部分向半径方向外侧的螺母3的外表面的膨胀。因此，应力集中产生于螺母3的外表面发生变形的部分与难以变形的部分的交界处，使应变量扩大。如果将应变传感器5配置于应变量被扩大的部分，则能够增大应变传感器5的输出。例如，能够抑制噪声的影响，提高应变传感器5的灵敏度，简化应变传感器5用的放大基板。
图7的(a)示出开设有一个孔11的螺母3的剖视图，图7的(b)示出开设有两个孔11的螺母3的剖视图。可以在螺母3上开设一个孔11，也可以开设相互平行相邻的两个孔11。如上所述，应变量在螺母3的外表面的变形部分与难以变形部分的交界处上扩大。能够通过开设两个孔11，使得扩大的应变量重叠。
如图7的(a)所示，在开设一个孔11的情况下，优选将孔11配置于与返回路9的贯通孔9a在圆周方向上分开180度的位置。另外，如图7的(b)所示，在开设两个孔11的情况下，优选将两个孔11的中心配置于与返回路9的贯通孔9a在圆周方向上分开180度的位置。这是为了使螺母3的重心与螺母3的中心接近。
图8是示出通过实验而求得的预压量与外观应变量的关系的直线图。外观应变量指螺母3的外表面的圆周方向的应变量。图8的▲表示在螺母3上没有设置孔11的比较例，图8的◆表示在螺母3设置一个孔11的本发明例1，图8的■表示在螺母3设置两个孔11的本发明例2。通过在螺母3设置一个孔11，与没有设置孔11的情况相比，能够使外观应变量、换言之应变传感器5的灵敏度提高约2倍。另外，通过在螺母3设置两个孔11，与不设置孔11的情况相比，能够使外观应变量、换言之应变传感器5的灵敏度提高约3.5倍。
若长时间使用丝杠装置1，则滚珠4、丝杠轴2、螺母3磨损，丝杠装置1的预压降低。若预压降低，则螺母3的外表面的应变量变小，应变传感器5的电阻值降低。应变传感器5与未图示的放大基板连接。放大基板输出基于应变传感器5的电阻值的电压信号。通过放大基板的电压信号，能够监视预压的降低。图9是示出放大基板所输出的电压的推移的曲线图。横轴为丝杠装置1的使用时长，纵轴为放大基板输出的电压(即预压残存水平)。如图9所示，能够知道伴随经年变化的预压残存水平的降低。
需要说明的是，也可以导入IoT，且通过发送器将放大基板输出的电压信号经由因特网线路而发送至云。并且，也可以利用云上的故障诊断系统，使用人工智能对放大基板输出的电压信号进行深层学习(深度学习)，从而诊断丝杠装置1的故障。
以上，对本实施方式的丝杠装置的结构进行说明。根据本实施方式的丝杠装置1，起到以下的效果。
通过将孔11设置于粘贴有应变传感器5的螺母3的粘贴面3e和/或粘贴面3e的附近与螺母3的内表面3d之间，由此在设有孔11的部分处，预压载荷难以传递至螺母3的外表面。应力集中产生于螺母3的外表面的变形部分与难以变形的部分的交界处，并且使应变量扩大，由此应变传感器5的预压的检测变得容易。
在超尺寸滚珠预压的情况下，通过检测螺母3的圆周方向的应变，应变传感器5的预压的检测变得容易。
通过设置一个孔11，与不设置孔11的情况相比，能够使应变传感器5的灵敏度提高例如约2倍。
通过设置平行的两个孔11，与不设置孔11的情况相比，能够使应变传感器5的灵敏度提高例如约3.5倍。
通过将应变传感器5安装于螺母3的扁平部3c，由此容易地将传感器5安装于螺母3。
(第二实施方式)
图10示出本发明的第二实施方式的杠装置21的外观立体图，图11示出沿着丝杠装置21的轴线的剖视图。第二实施方式的丝杠装置21也具备丝杠轴2、螺母3、夹设于丝杠轴2的外表面槽2a与螺母3的内表面槽3a之间的作为滚动体的滚珠4。
第一实施方式的丝杠装置1为超尺寸滚珠预压的丝杠装置1，与之相对，第二实施方式的丝杠装置21为偏置预压的丝杠装置21。即，如图12的(a)、(b)所示，使螺母3的内表面槽3a的一部分3a1相对于螺母3的内表面槽3a的另一部分3a2在螺母3的轴向上偏置。使用内表面槽3a的一部分3a1的循环回路与使用内表面槽3a的另一部分3a2的循环回路相互不同。内表面槽3a的一部分3a1的导程是L，内表面槽3a的另一部分3a2的导程是L，一部分3a1与另一部分3a2之间的偏置部18的导程是L+α。需要说明的是，可以在一条内表面槽3a内施加偏置预压，也可以在两条内表面槽3a的条间施加偏置预压。
如图12的(b)所示，丝杠轴2的外表面槽2a的剖面形状为由半径比滚珠4的半径略大的单一的圆弧构成的单圆弧状。滚珠4与外表面槽2a一点接触。螺母3的内表面槽3a的剖面形状为由半径比滚珠4的半径略大的单一的圆弧构成的单圆弧状。滚珠4与内表面槽3a一点接触。附图标记7是接触角线。
如图10和图11所示，应变传感器5利用粘接剂等的粘接方法粘贴于螺母3外表面的扁平部3c。将孔11设置于安装有应变传感器5的螺母3的粘贴面3e与螺母3的内表面3d之间。也可以将孔11设置于螺母3的粘贴面3e的附近与螺母3的内表面3d之间。孔11在与轴向成直角的方向上延伸。也可以设置相邻的平行的两个孔11。孔11开设于螺母3的侧面，通过粘贴面3e的下方。
根据第二实施方式的丝杠装置21，在粘贴有应变传感器5的螺母3的粘贴面3e和/或所述粘贴面3e的附近、与螺母3的内表面3d之间设置有孔11，因此在设有孔11的部分处，预压载荷难以传递至螺母3的外表面。应力集中产生于螺母3的外表面的变形的部分与难以变形的部分的交界处，使应变量扩大，因此应变传感器5的预压的检测变得容易。
在偏置预压的情况下，通过检测螺母3的外表面的轴向的应变量，预压的检测变得容易。这是因为，在偏置预压的作用下，螺母3以在轴向上(图10的X方向)延伸的方式变形。
需要说明的是，本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内具体化为其他的实施方式。例如，滚动体也可以使用辊来代替滚珠。
在上述实施方式中，与孔的延伸方向正交的孔的剖面形状为圆形，但不限于圆形，也可以是四边形等。另外，孔也可以为直线状、或者圆弧状的长孔和/或狭缝状。
在上述实施方式中，孔的内部是中空的，但也能够利用填充材料填充孔的内部。
本说明书基于2019年2月6日申请的特愿2019-019349。该内容全部包含在本说明书中。
附图标记说明
1、21…丝杠装置
2…丝杠轴
2a…外表面槽
3…螺母
3a…内表面槽
3a1…螺母的内表面槽的一部分
3a2…螺母的内表面槽的另一部分
3c…扁平部
3d…螺母的内表面
3e…粘贴面
4…滚珠(滚动体)
5…应变传感器
8…通路
9…返回路
11…孔。

Claims (5)

1.一种能够检测预压的丝杠装置，其中，
所述丝杠装置具备：
丝杠轴，其具有螺旋状的外表面槽；
螺母，其嵌入有所述丝杠轴，并具有螺旋状的内表面槽和返回路，在所述返回路连接有形成于所述外表面槽与所述内表面槽之间的通路；
多个滚动体，其配置于所述通路和所述返回路；以及
应变传感器，其粘贴于所述螺母的外表面，
在粘贴有所述应变传感器的所述螺母的粘贴面和/或所述粘贴面的附近、与所述螺母的内表面之间设置有至少一个孔。
2.根据权利要求1所述的能够检测预压的丝杠装置，其中，
所述丝杠装置的预压为使用比所述通路大的所述滚动体的超尺寸滚珠预压，
所述应变传感器检测所述螺母的至少圆周方向上的应变。
3.根据权利要求1所述的能够检测预压的丝杠装置，其中，
所述丝杠装置的预压为偏置预压，所述偏置预压使所述螺母的所述内表面槽的一部分相对于所述螺母的所述内表面槽的另一部分在所述螺母的轴向上偏置，
所述应变传感器检测所述螺母的轴向上的应变。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的能够检测预压的丝杠装置，其中，
所述至少一个孔为相互平行且相邻的至少两个孔。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的能够检测预压的丝杠装置，其中，
所述应变传感器粘贴于所述螺母的所述外表面的扁平部。
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