CN115246080A - 进给轴机构的异常诊断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种进给轴机构的异常诊断装置，在将伺服马达的旋转经由联轴器传递至滚珠丝杠而使移动体沿轴向移动的进给轴机构中，能够迅速地检测到异常的产生，并且能够准确地确定该异常的部位。异常诊断装置在测量出的谐振频率中的至少一个谐振频率相对于基准值的变化量超过异常有无判定用阈值的情况下，判定为进给轴机构存在异常。另外，在这样判定为进给轴机构存在异常时，求出在联轴器连结侧的行程位置测量出的谐振频率相对于基准值的变化量、与在反联轴器连结侧的行程位置测量出的谐振频率相对于基准值的变化量之差，在该差超过异常部位确定用阈值的情况下，诊断为是联轴器异常，除此以外的情况下，诊断为是滚珠丝杠异常。

Description

进给轴机构的异常诊断装置
技术领域
本发明涉及用于对搭载于机床的进给轴机构的异常及其异常部位进行诊断的异常诊断装置。
背景技术
在机床中有搭载了由伺服马达、联轴器、支承轴承、滚珠丝杠构成的进给轴机构的机床。在搭载了这样的进给轴机构的机床中，若产生非预期的不良情况，则会导致计划外的损失，因此，要求在不良情况产生前进行预兆的检测。另外，在检测出不良情况的预兆时，为了消除不良情况，还需要确定成为不良情况发生的原因的异常部位。
在机床的进给轴机构中，很多使用将马达的旋转运动传递给滚珠丝杠而使其旋转，从而使移动体沿着引导装置移动的方式。并且，作为诊断这样的进给轴机构的动作是否正常的方法，提出了使用谐振频率的方法。
例如，在专利文献1中公开了一种异常诊断方法，通过控制用于驱动机床的伺服马达的控制装置来检测谐振频率，根据谐振频率来计算出刚性，根据该计算的结果来通知应该进行检查。另外，在专利文献2中公开了一种故障诊断系统，根据由马达旋转驱动丝杠轴的时间点的包括滚珠丝杠单元以及马达的规定的机械结构体的轴向的谐振频率和与该谐振频率对应的丝杠轴上的螺母部件的位置的组合，来检测伴随滚珠丝杠的预压降低的故障。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2016-34224号公报
专利文献2：日本特开2019-105317号公报
发明内容
发明要解决的课题
在由伺服马达、联轴器、支承轴承、滚珠丝杠等要素构成的进给轴机构中，谐振频率综合地反映了进给轴系统的要素整体。因此，除了滚珠丝杠的磨损引起的预压降低以外，联轴器的板簧的变形引起的刚性的变化等也可能成为给谐振频率带来影响的进给轴的故障的原因。因此，在如上述的专利文献1、2那样以往的故障诊断方法中，在谐振频率变化那样的故障中，难以确定是怎样的部位的故障(即，是怎样的原因引起的故障)。
本发明的目的在于提供一种异常诊断装置，消除如专利文献1、2那样以往的进给轴机构的故障诊断方法中的问题点，在将伺服马达的旋转经由联轴器传递到滚珠丝杠而使移动体在轴向上移动的进给轴机构中，能够迅速地检测到异常的发生，并且能够准确地确定该异常的部位(即，异常的详细原因)。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，技术方案1所记载的发明是一种诊断装置，对进给轴机构的异常发生以及异常部位进行诊断，所述进给轴机构将马达的旋转传递到通过联轴器连接的滚珠丝杠而进行旋转驱动，其特征在于，在进给轴机构的行程范围内的多个行程位置处测量谐振频率，根据这些行程位置与测量出的各谐振频率相对于基准值的变化量之间的关系，进行异常部位的确定。
技术方案2所记载的发明的特征在于，在技术方案1所记载的发明中，在2个行程位置处测量出的谐振频率中的至少1个谐振频率相对于基准值的变化量超过预先设定的异常有无判定用阈值的情况下(在谐振频率相对于基准值的变化量比阈值大的情况下，或者在谐振频率相对于基准值的变化量为阈值以上的情况下)，判定为进给轴机构存在异常，在判定为进给轴机构存在异常时，求出在联轴器连结侧的行程位置处测量出的谐振频率相对于基准值的变化量与在反联轴器连结侧的行程位置处测量出的谐振频率相对于基准值的变化量之差，在该差超过预先设定的异常部位确定用阈值的情况下，诊断为是联轴器异常，在除此以外的情况下，诊断为是滚珠丝杠异常。
技术方案3所记载的发明的特征在于，在技术方案1所记载的发明中，在多个行程位置处测量出的谐振频率中的至少1个谐振频率相对于基准值的变化量超过预先设定的异常有无判定用阈值的情况下(谐振频率相对于基准值的变化量比阈值大的情况下、或者谐振频率相对于基准值的变化量为阈值以上的情况下)，判定为进给轴机构存在异常，通过数学式对测量出的各行程位置处的谐振频率相对于基准值的变化量进行近似，利用近似式进行异常部位的确定。
技术方案4所记载的发明的特征在于，在技术方案3所记载的发明中，使用1次的线性近似式作为所述近似式，根据该1次的线性近似式中的系数与预先设定的异常部分确定用阈值的比较结果、以及联轴器相对于行程位置的设置位置，来诊断是丝杠轴的异常，还是联轴器的异常，亦或是滚珠丝杠的螺母部或滚动体的异常。
即，在技术方案4所记载的发明中，包括如下内容等：在联轴器处于行程位置的正侧的情况下，在系数超过异常部分确定用阈值的情况(系数比阈值大的情况、或者系数为阈值以上的情况)下，诊断为是联轴器异常，在系数低于异常部分确定用阈值的情况(系数比阈值小的情况、或者系数为阈值以下的情况)下，诊断为是滚珠丝杠的螺母或滚动体引起的滚珠丝杠异常，在联轴器处于行程位置的负侧的情况下，在系数低于异常部分确定用阈值的情况(系数比阈值小的情况、或者系数为阈值以下的情况)下，诊断为是联轴器异常，在系数超过异常部分确定用阈值的情况(系数比阈大值的情况、或者系数为阈值以上的情况)下，诊断为是滚珠丝杠的螺母或滚动体引起的滚珠丝杠异常。
技术方案5所记载的发明的特征在于，在技术方案3所记载的发明中，使用2次的近似式作为所述近似式，在该2次的近似式中的系数为负的情况下，诊断为是丝杠轴的局部磨损引起的异常，在成为所述2次的近似式的顶点(最高点)的行程位置相对于行程的中央处于联轴器侧的情况下，诊断为是滚珠丝杠的螺母部或滚动体的异常，在成为所述2次的近似式的顶点(最高点)的行程位置相对于行程的中央处于联轴器的相反侧的情况下，诊断为是联轴器异常。
发明效果
根据技术方案1所记载的进给轴机构的异常诊断装置(以下，简称为异常诊断装置)，在将伺服马达的旋转经由联轴器传递至滚珠丝杠而使移动体沿轴向移动的进给轴机构中，能够迅速地检测出异常的发生，并且能够高精度地确定产生了该异常的原因的部位。
根据技术方案2所记载的异常诊断装置，能够非常准确地确定异常部位是联轴器还是滚珠丝杠。
根据技术方案3～5所记载的异常诊断装置，能够极其准确地确定异常部位是联轴器、还是滚珠丝杠的螺母部或滚动体、亦或是丝杠轴。
附图说明
图1是表示应用异常诊断装置的进给轴机构的结构例的说明图。
图2是表示基于进给轴机构的故障部位的谐振频率的变化的情况(一例)的说明图。
图3是表示异常诊断装置的异常诊断的过程的流程图。
图4是表示对基于进给轴机构的故障部位的谐振频率的变化进行了线性近似的情况(一例)的说明图。
图5是表示通过2次式对基于进给轴机构的故障部位的谐振频率的变化进行了近似的情况(一例)的说明图。
标号说明
1：NC控制装置；
2：进给轴机构；
10：移动体；
11：伺服马达；
12：位置检测器；
13：联轴器；
14a、14b：支承轴承；
15：滚珠丝杠；
17：螺母部；
D、D’、D”：异常诊断装置。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的异常诊断装置的一实施方式进行说明。
[第一实施方式]
<进给轴机构以及异常诊断装置的结构>
图1示出了设置有本发明的异常诊断装置的进给轴机构的一例，进给轴机构2由以下部分构成：进给轴主体，其由滚珠丝杠15、支承轴承14a、14b、伺服马达11、联轴器13、引导装置16、移动体10、以及螺母部17构成；以及NC(数值控制)装置1(位置控制装置)，其用于控制该进给轴主体的动作。
即，在进给轴机构2中，在未图示的基台上固定安装有支承轴承14a、14b，利用这些支承轴承14a、14b将滚珠丝杠15保持为旋转自如。该滚珠丝杠15经由联轴器13而与作为驱动装置的伺服马达11的轴部件连结。另外，在伺服马达11设置有用于检测移动体10在滚珠丝杠15的轴向上的位置的位置检测器12，该伺服马达11与NC装置1连接。
在NC装置1设置有用于测量谐振频率的谐振频率测量部21、以及用于诊断动作的异常的诊断部22。另外，NC装置1具备由RAM、ROM等构成的存储单元、计时器等，NC装置1成为经由接口而与监视器等显示单元、数字键等输入单元等连接的状态(此外，在图1中，省略NC装置1的各构成要素的记载)。并且，该NC装置1通过与伺服马达11、位置检测器12协作，而构成用于诊断进给轴机构2的异常的异常诊断装置D。
另外，在滚珠丝杠15的前后的支承轴承14a、14b之间，螺母部17为能够移动地螺合的状态，在该螺母部17的上部固定安装有移动体10。并且，在滚珠丝杠15的上方，以沿着滚珠丝杠15的长度方向的方式设置有引导装置(轨道等)16，移动体10的下表面为能够滑动地卡合于该引导装置16的状态。
在上述的进给轴机构2中，通过被发送由NC装置1生成的指令，由此，伺服马达11进行动作，滚珠丝杠15旋转规定量，由此，固定安装于螺母部17的移动体10由引导装置16进行引导而沿着滚珠丝杠15的轴向平移。另外，伺服马达11所具备的位置检测器12根据滚珠丝杠15的旋转量来检测移动体10的位置，并将其检测信号反馈给NC装置1，由此，控制平移动作。
<异常诊断装置对进给轴机构的异常诊断方法>
接着，对异常诊断装置D对进给轴机构2的异常诊断方法进行说明。在通过异常诊断装置D进行进给轴机构2的异常的诊断时，通过谐振频率测量部21，在进给轴机构2的行程动作范围(即，从移动体10最接近支承轴承14a的位置到移动体10离开至距支承轴承14a最远的位置为止的范围)内的多个位置处，测量谐振频率。即，通过NC装置1的指令，对伺服马达11干扰输入在规定的频率范围内扫描的正弦波的控制信号，在该输入时，使用由位置检测器12检测出的信号和输入波形来计算频率响应。并且，将计算出的频率响应的增益为极大的频率作为谐振频率检测出来。在这样检测出谐振频率时，异常诊断装置D根据测量出的行程位置与谐振频率相对于预先存储于NC装置1的存储单元中的基准值(后述)的降低量之间的关系，通过各种方法来确定异常部位(故障部位)。
在如图1所示的进给轴机构2中，进给轴系统的谐振频率受到移动体10与滚珠丝杠15的螺母部17之间的连结部分、滚珠丝杠15的丝杠轴、支承滚珠丝杠15的两端的支承轴承14a、14b、联轴器13等构成进给轴系统的所有要素的影响而变动。另外，在如图1所示的进给轴机构2中，由于因滚珠丝杠15的磨损、损伤而使滚珠丝杠15的螺母部17的刚性降低、因联轴器13的板簧的变形而使联轴器13的刚性变化，会产生异常(故障)。
图2示出了在具有如图1所示的构造的进给轴机构2产生了异常时，在行程位置处谐振频率变化的情况(一例)。滚珠丝杠15的丝杠轴根据螺母部17的位置而被分割为行程的两侧(正侧以及负侧)，在螺母部17的位置(即，行程位置)处，谐振频率会变化。因此，根据螺母部17的位置，对构成行程的两侧的部分的各要素的谐振频率的变化的影响程度会变化。
并且，在联轴器13位于行程的正侧且该联轴器13存在异常的情况下，正侧的变化量变得极大(图2中的A的情况)。另外，在滚珠丝杠15存在异常的情况下，主要在螺母部17(或者滚动体)有磨损的情况下，相对于正常的情况下的谐振频率起的降低量成为滚珠丝杠异常1(图2中的B的情况)所示那样的变化。另一方面，在丝杠轴局部磨损的情况下，相对于正常的情况下的谐振频率的降低量成为滚珠丝杠异常2(图2中的C的情况)所示那样的变化。异常诊断装置D对进给轴机构2的异常诊断根据如上所述的各行程位置处的谐振频率的降低量的变化，进行进给轴机构2中的异常的产生的检测以及异常部位的确定。
以下，根据图3的流程图对异常诊断装置D的异常诊断的具体过程进行说明。
在通过异常诊断装置D进行异常诊断时，首先，在步骤(以下，仅由“S”表示)1中，通过谐振频率测量部21针对行程的两端的2点分别测量谐振频率(S1)。然后，在接下来的S2中，针对测量出的各谐振频率，计算相对于预先设定(存储)的基准值的降低量(S2)。此外，在NC装置1的存储单元中，预先存储有在进给轴机构2刚刚组装后测量出的谐振频率作为谐振频率的基准值(正常值)。
在S2中计算出各谐振频率相对于基准值的降低量之后，在接下来的S3中，判断行程的两侧的各谐振频率的降低量中的任一个是否为预先设定的(预先存储于NC装置1的存储单元中的)异常有无判定用阈值以上。然后，在S3中判断为“是”的情况(即，在判断为各谐振频率的降低量中的任一个为异常有无判定用阈值以上的情况)下，视为进给轴系统存在异常，执行用于确定异常部位的S4。
在S4中，将联轴器连结侧(接近联轴器13的一侧)的谐振频率的降低量和反联轴器连结侧(远离联轴器13的一侧)的谐振频率的降低量进行比较，判断联轴器连结侧的降低量与反联轴器连结侧的降低量相比是否为异常部位确定用阈值以上。并且，在S4中判断为“是”的情况(即，在判断为联轴器连结侧的降低量与反联轴器连结侧的降低量相比为异常部位确定用阈值以上的情况)下，在S5中，视为因联轴器13的影响而产生异常，将该意思显示于NC装置1的显示单元。
另一方面，在S3中，在判断为“否”的情况(即，在判断为各谐振频率的降低量均小于异常有无判定用阈值的情况)下，判断为进给轴机构2正常，将该意思显示于NC装置1的显示单元。另外，在S4中判断为“否”的情况(即，在判断为反联轴器连结侧的降低量比联轴器连结侧的降低量大、或者联轴器连结侧的降低量与反联轴器连结侧的降低量之差小于异常部位确定用阈值的情况)下，在S6中，视为因滚珠丝杠15的影响而产生异常，将该意思显示于NC装置1的显示单元。
<异常诊断装置的效果>
如上所述，异常诊断装置D在进给轴机构2的行程范围内的2点测量谐振频率，根据这些行程位置与测量出的各谐振频率相对于基准值的变化量之间的关系，进行异常部位的确定，因此，能够迅速地检测出异常的产生，而且能够确定产生该异常的原因的部位。
另外，如上所述，异常诊断装置D在测量出的2个谐振频率中的任一个相对于基准值的变化量超过异常有无判定用阈值的情况下，判定为进给轴机构2存在异常，此时，求出在联轴器连结侧的行程位置处测量出的谐振频率相对于基准值的变化量与在反联轴器连结侧的行程位置处测量出的谐振频率相对于基准值的变化量之差，在该差超过异常部位确定用阈值的情况下，诊断为是联轴器13异常，在除此以外的情况下，诊断为是滚珠丝杠15异常。因此，根据异常诊断装置D，能够非常准确地确定异常部位是联轴器13还是滚珠丝杠15。
[第二实施方式]
第二实施方式的异常诊断装置D’的构造与第一实施方式的异常诊断装置D相同，但谐振频率测量部21对谐振频率的测量方法(测量数)以及测量出的谐振频率的处理方法与第一实施方式的异常诊断装置D不同。即，第二实施方式的异常诊断装置D’通过谐振频率测量部21在行程内的多个位置(以相等间隔分离的位置)处分别测量谐振频率。然后，针对测量出的各行程位置处的谐振频率相对于基准值的变化量，如图4所示，通过最小二乘法等方法进行1次的线性近似，求出1次的线性近似式(y＝ax+b)。
并且，在该1次的线性近似式中的系数a为预先设定的(存储于NC装置1的存储单元中的)异常部分确定用阈值的范围内的情况(即，在系数a的绝对值为异常部分确定用阈值以下的情况，例如，图4中的C’的情况)下，诊断为滚珠丝杠15的丝杠轴的局部磨损引起的异常。
另外，在进给轴机构2中，联轴器13位于行程位置的负侧，因此，在系数a超过异常部分确定用阈值的情况(系数a比异常部分确定用阈值大的情况，例如，图4中的A’的情况)下，诊断为是联轴器13异常，在除此以外的情况(系数a为负的数值，且其绝对值比异常部分确定用阈值大的情况，例如，图4中的B’的情况)下，诊断为滚珠丝杠15的主要起因于螺母部17(或滚动体)的异常。
此外，在异常诊断装置D’搭载于联轴器13位于行程位置的正侧的进给轴机构2的情况下，在系数a超过异常部分确定用阈值的情况下，能够诊断为是滚珠丝杠15的主要起因于螺母部17(或滚动体)的异常，在除此以外的情况下，能够诊断为是联轴器13异常。
如上所述，第二实施方式的异常诊断装置D’通过数学式对各行程位置处的谐振频率(测量值)相对于基准值的变化量进行近似，使用1次的线性近似式作为近似式，根据该1次的线性近似式中的系数与预先设定的异常部分确定用阈值的比较结果、以及联轴器13相对于行程位置的设置位置，确定异常部位。因此，根据异常诊断装置D’，能够极其准确地确定异常部位是联轴器13，还是滚珠丝杠15的螺母部17，亦或是丝杠轴。
[第三实施方式]
第三实施方式的异常诊断装置D”的构造与第一实施方式的异常诊断装置D相同，但谐振频率测量部21对谐振频率的测量方法(测量数)以及测量出的谐振频率的处理方法与第一实施方式的异常诊断装置D不同。即，与第二实施方式的异常诊断装置D’同样地，第三实施方式的异常诊断装置D”通过谐振频率测量部21在行程内的多个位置(以相等间隔分离的位置)处分别测量谐振频率。然后，如图5所示，通过最小二乘法等方法针对测量出的各行程位置处的谐振频率相对于基准值的变化量进行2次的近似，求出2次近似式(y＝px2+qx+r)。
并且，在该2次近似式中的系数p为负的情况(例如，图5中的C”的情况)下，诊断为是滚珠丝杠15的丝杠轴的局部磨损引起的异常。另一方面，在2次近似式中的系数p为正的情况(例如，图5中的A”或B”的情况)下，诊断为是联轴器13异常。
并且，在2次近似式中的系数p为负的情况下，在成为2次式的顶点(最高点)的行程位置相对于行程的中央处于联轴器13的设置侧的情况下，诊断为是滚珠丝杠15的主要起因于螺母部17(或滚动体)的异常，在成为2次式的顶点(最高点)的行程位置相对于行程的中央处于反联轴器侧(联轴器13的设置位置的相反侧)的情况下，诊断为是联轴器13异常。
如上所述，第三实施方式的异常诊断装置D”通过数学式对各行程位置处的谐振频率(测量值)相对于基准值的变化量进行近似，使用2次的近似式作为近似式，在该2次的近似式中的系数为负的情况下，诊断为是丝杠轴的局部磨损引起的异常，在成为2次的近似式的顶点的行程位置相对于行程的中央处于联轴器侧的情况下，诊断为是滚珠丝杠15的螺母部17(或滚动体)的异常，在成为2次的近似式的顶点的行程位置相对于行程的中央处于联轴器13的相反侧的情况下，诊断为是联轴器13异常。因此，根据第三实施方式的异常诊断装置D”，能够极其准确地确定异常部位是联轴器13，还是滚珠丝杠15的螺母部17(或者滚动体)，亦或是丝杠轴。
<异常诊断装置的变更例>
本发明的异常诊断装置不限定于上述实施方式的形态，能够在不脱离本发明的主旨的范围内根据需要适当变更NC装置(谐振频率测量部、诊断部)、伺服马达、位置检测器等的结构。另外，搭载本发明的异常诊断装置的进给轴机构的结构也不限定于上述实施方式的形态，能够根据需要适当变更滚珠丝杠、支承轴承、伺服马达、联轴器、引导装置、移动体、螺母部等的结构。
例如，本发明的异常诊断装置并不限定于如上述实施方式那样，通过对伺服马达干扰输入在规定的频率范围内扫描的正弦波的控制信号，检测在该输入时使用由位置检测器检测出的信号和输入波形而计算出的频率响应的增益为极大的频率，来求出谐振频率，也可以通过其他方法来求出谐振频率。另外，本发明的异常诊断装置并不限定于如上述实施方式那样，将刚刚组装后测量出的谐振频率设为谐振频率的基准值(正常值)，也能够变更为将在同型的多个进给轴机构中测量出的谐振频率的平均值设为谐振频率的基准值等。并且，本发明的异常诊断装置并不限定于如上述实施方式那样，利用最小二乘法，通过1次或2次的数学式等对各行程位置处的谐振频率(测量值)相对于基准值的变化量进行近似，也可以通过其他数学方法，通过1次或2次的数学式等对各行程位置处的谐振频率相对于基准值的变化量进行近似。

Claims (5)

1.一种进给轴机构的异常诊断装置，对进给轴机构的异常发生以及异常部位进行诊断，所述进给轴机构将马达的旋转传递到通过联轴器连接的滚珠丝杠而进行旋转驱动，其特征在于，
在进给轴机构的行程范围内的多个行程位置处测量谐振频率，根据这些行程位置与测量出的各谐振频率相对于基准值的变化量之间的关系，进行异常部位的确定。
2.根据权利要求1所述的进给轴机构的异常诊断装置，其特征在于，
在2个行程位置处测量出的谐振频率中的至少1个谐振频率相对于基准值的变化量超过预先设定的异常有无判定用阈值的情况下，判定为进给轴机构存在异常，
在判定为进给轴机构存在异常时，求出在联轴器连结侧的行程位置处测量出的谐振频率相对于基准值的变化量与在反联轴器连结侧的行程位置处测量出的谐振频率相对于基准值的变化量之差，在该差超过预先设定的异常部位确定用阈值的情况下，诊断为是联轴器异常，在除此以外的情况下，诊断为是滚珠丝杠异常。
3.根据权利要求1所述的进给轴机构的异常诊断装置，其特征在于，
在多个行程位置处测量出的谐振频率中的至少1个谐振频率相对于基准值的变化量超过预先设定的异常有无判定用阈值的情况下，判定为进给轴机构存在异常，
通过数学式对测量出的各行程位置处的谐振频率相对于基准值的变化量进行近似，利用近似式进行异常部位的确定。
4.根据权利要求3所述的进给轴机构的异常诊断装置，其特征在于，
使用1次的线性近似式作为所述近似式，
根据该1次的线性近似式中的系数与预先设定的异常部分确定用阈值的比较结果、以及联轴器相对于行程位置的设置位置，来诊断是丝杠轴的异常，还是联轴器的异常，亦或是滚珠丝杠的螺母部或滚动体的异常。
5.根据权利要求3所述的进给轴机构的异常诊断装置，其特征在于，
使用2次的近似式作为所述近似式，在该2次的近似式中的系数为负的情况下，诊断为是丝杠轴的局部磨损引起的异常，
在成为所述2次的近似式的顶点的行程位置相对于行程的中央处于联轴器侧的情况下，诊断为是滚珠丝杠的螺母部或滚动体的异常，
在成为所述2次的近似式的顶点的行程位置相对于行程的中央处于联轴器的相反侧的情况下，诊断为是联轴器异常。
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