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[TECHNISCHES GEBIET]
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Diagnosesystem für eine Kugelumlaufspindeleinheit und ein Motorsteuerungssystem zur Steuerung eines Motors, der eine Gewindespindel der Kugelumlaufspindeleinheit antreibt und dreht.
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[TECHNISCHER HINTERGRUND]
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Eine Kugelumlaufspindeleinheit wird verwendet, um ein Werkstück in verschiedenen Apparaten zu fördern und zu positionieren, z.B. in Werkzeugmaschinen, Industrierobotern und Halbleiterfertigungsanlagen. Die Kugelgewindespindeleinheit hat eine Gewindespindel und ein Mutterelement, das auf der Gewindespindel befestigt ist. Die Kugelgewindespindeleinheit ist so konfiguriert, dass eine Vielzahl von Kugeln, die als Wälzkörper dienen, zwischen der Gewindespindel und dem Mutterelement eingreifen und somit das Mutterelement in axialer Richtung der Gewindespindel beweglich ist. Dann wird die Gewindespindel von einem Motor angetrieben und gedreht, wodurch das Mutterelement in Bezug auf die Gewindespindel bewegt wird. Dementsprechend hat ein Tisch, der an dem Mutterelement befestigt ist und das darauf platzierte Werkstück trägt, die Position, die auf eine gewünschte Position gesteuert wird. In Patentliteratur 1 wird eine Technik offenbart, die sich auf eine wie oben beschrieben konfigurierte Kugelumlaufspindeleinheit bezieht. Darüber hinaus wird in Patentliteratur 2 eine Antriebsvorrichtung mit Kugelgewindespindel offenbart, die eine wie oben beschrieben konfigurierte Kugelgewindespindeleinheit verwendet.
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Andererseits wird in Patentliteratur 3 eine Technik offenbart, die sich auf ein Gerät zur Steuerung eines Servomotors bezieht, das einen Servomotor zum Antrieb einer Werkzeugmaschine steuert. Im Falle der in Patentliteratur 3 beschriebenen Technik wird eine Resonanzfrequenz durch Eingabe eines externen Sinuswellen-Störwertes in einen Drehzahlregelkreis des Servomotors ermittelt und die mechanische Steifigkeit der Werkzeugmaschine auf der Grundlage der ermittelten Resonanzfrequenz gemessen. Dann wird der Inspektionszeitpunkt für die Werkzeugmaschine auf der Grundlage der gemessenen mechanischen Steifigkeit mitgeteilt.
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[LITERATUR ZUM STAND DER TECHNIK]
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[PATENTLITERATUR]
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- Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2010-149770
- Patentliteratur 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2017-53431
- Patentliteratur 3: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2016-34224
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[ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG]
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[DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME]
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An der Außenumfangsfläche der Gewindespindel der Kugelumlaufspindeleinheit ist eine Kugelrollnut ausgebildet, in der die Kugeln bei Bewegung des Mutterelements abrollen. Außerdem wird in der Kugelumlaufspindeleinheit eine vorbestimmte Vorspannung aufgebracht, um den Verschiebungsbetrag des Mutterelements in axialer Richtung in Bezug auf die äußere Belastung zu unterdrücken. Wie bei der Kugelrollnut der Gewindespindel entsteht (entstehen) dabei in einigen Fällen aufgrund der säkularen oder zeitabhängigen Änderung ein Abrieb und/oder ein Bruch. Wenn an der Kugelrollnut Abrieb und/oder Bruch auftreten, wird in einigen Fällen eine Abnahme der Vorspannung verursacht.
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Auf diese Weise wird die Bewegungsgenauigkeit des Mutterelements in Bezug auf die Gewindespindel verringert, wenn eine Störung oder ein Versagen (Fehler) auftritt, das die Abnahme der Vorspannung verursacht. Es ist daher zu befürchten, dass ein schädlicher Einfluss auf die Lagesteuerung für den Tisch ausgeübt wird. Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorgenannten Problematik gemacht, deren Ziel es ist, eine Technik zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, das Versagen, das mit der Abnahme der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit einhergeht, vorzugsweise zu erkennen.
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[MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME].
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Um das oben beschriebene Problem zu lösen, nimmt die vorliegende Erfindung eine solche Konfiguration an, dass die Fehlerdiagnose für eine Kugelumlaufspindeleinheit auf der Grundlage einer Kombination aus einer Resonanzfrequenz in axialer Richtung einer vorbestimmten Maschinenbaugruppe mit einer Kugelumlaufspindeleinheit und einem Motor, wie sie sich ergibt, wenn eine Gewindespindel durch den Motor angetrieben und gedreht wird, und einer der Resonanzfrequenz entsprechenden Position eines Mutterelements auf der Gewindespindel durchgeführt wird.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist insbesondere vorgesehen, ein Fehlerdiagnosesystem zum Durchführen einer Fehlerdiagnose für eine Kugelumlaufspindeleinheit mit einer Gewindespindel, die eine an einer Außenumfangsfläche ausgebildete Kugelrollnut aufweist, und einem Mutterelement, das an der Gewindespindel in einem solchen Zustand angebracht ist, dass eine Vielzahl von in der Kugelrollnut zu rollenden Kugeln dazwischen liegt, und die in einer axialen Richtung der Gewindespindel durch Antreiben und Drehen der Gewindespindel beweglich ist; wobei das Fehlerdiagnosesystem für die Kugelumlaufspindeleinheit umfasst einen Motor, der die Gewindespindel antreibt und dreht; eine Erfassungsvorrichtung, die eine Zustandsgröße in Bezug auf einen Rotationszustand der Gewindespindel erfasst; und ein Diagnosevorrichtung, das die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit durchführt, wobei die Diagnosevorrichtung eine Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit aufweist, die eine Resonanzfrequenz in der axialen Richtung einer vorbestimmten Maschinenbaugruppe, welche so konfiguriert ist, dass sie die Kugelumlaufspindeleinheit und den Motor umfasst, auf der Grundlage der Zustandsgröße in Bezug auf den Rotationszustand der Gewindespindel, die durch die Erfassungsvorrichtung erfasst wird, wenn die Gewindespindel durch den Motor angetrieben und gedreht wird, ableitet; und die Diagnosevorrichtung die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit auf der Grundlage einer Kombination aus der Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe, die von der Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit abgeleitet wird, und einer Hubposition des Mutterelements als eine Position des Mutterelements auf der Gewindespindel, die der erhaltenen Resonanzfrequenz entspricht, durchführt.
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Beim erfindungsgemäßen Fehlerdiagnosesystem wird die Zustandsgröße, die sich auf den Rotationszustand der Gewindespindel bezieht, wenn die Gewindespindel vom Motor angetrieben und gedreht wird, durch die Erfassungsvorrichtung erfasst. Dann wird die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe, die so konfiguriert ist, dass sie die Kugelgewindespindel und den Motor umfasst, von der Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit der Diagnosevorrichtung auf der Grundlage der von der Erfassungsvorrichtung erfassten Zustandsgröße abgeleitet. In diesem Zusammenhang ist die vorbestimmten Maschinenbaugruppe die Aggregation von Maschinenelementen, die zusammen mit der Kugelumlaufspindeleinheit und dem Motor in Schwingungen versetzt werden, wenn die Gewindespindel vom Motor angetrieben und gedreht wird. Ferner ist die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe die Resonanzfrequenz in Bezug auf die Schwingung in axialer Richtung der Gewindespindel der vorgegebenen Maschinenbaugruppe.
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Wenn in diesem Zusammenhang die Vorspannung aufgrund des Auftretens von Abrieb und/oder Bruch an der Kugelrollnut der Gewindespindel der Kugelumlaufspindeleinheit abgesenkt wird, weist die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe, die von der Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit abgeleitet wird, wenn die Gewindespindel durch den Motor angetrieben und gedreht wird, eine Charakteristik auf, die sich von derjenigen unterscheidet, die sich ergibt, wenn die Vorspannung einen normalen Wert hat. Mit anderen Worten, wenn die Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit verringert wird, wird die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe abgesenkt.
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Aber selbst wenn die Vorspannung der Kugelumlaufspindeleinheit konstant ist, wenn die Hubposition des Mutterelements, d.h. die Position des Mutterelements auf der Gewindespindel, unterschiedlich ist, dann unterscheidet sich die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe. Weiterhin treten der Abrieb und/oder der Bruch der Kugelrollnut der Gewindespindel der Kugelumlaufspindeleinheit in einigen Fällen nur an einem Teilbereich der Gewindespindel auf. In dieser Situation tritt die Abnahme der Vorspannung nur dann auf, wenn das Mutternelement an dem Abschnitt positioniert ist, an dem der Abrieb und/oder der Bruch der Kugelrollnut der Gewindespindel auftritt. Infolgedessen wird die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe im Vergleich zu der im Normalzustand erhaltenen abgesenkt.
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In Anbetracht der obigen Ausführungen führt die Diagnosevorrichtung bei der vorliegenden Erfindung die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit durch, indem sie die der Resonanzfrequenz entsprechende Hubstellung des Mutterelement (d.h. die bei der Ableitung der Resonanzfrequenz erhaltene Hubstellung des Mutterelements) kombiniert, ohne sich auf die Verwendung nur der Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe zu beschränken, die von der Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit abgeleitet wird. Entsprechend dieser Eigenschaft ist es möglich, die Störung oder den Ausfall (Fehler), der mit der Abnahme der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit einhergeht, mit hoher Genauigkeit zu erkennen.
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[VORTEILHAFTE WIRKUNG DER ERFINDUNG].
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Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Störung oder den Ausfall (Fehler), der mit der Abnahme der Vorspannung im Kugelumlaufspindeleinheit einhergeht, besser zu erkennen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Anordnung eines Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp nach einer Ausführungsform.
- 2 erläutert eine schematische Anordnung einer Kugelumlaufspindeleinheit des in 1 dargestellten Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp.
- 3 zeigt ein Blockschaltbild, das Funktionseinheiten einer Fehlerdiagnoseeinrichtung des in 1 dargestellten Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp zeigt.
- 4 zeigt ein Blockschaltbild mit Funktionseinheiten einer Motorsteuerungseinrichtung des in 1 dargestellten Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp.
- 5 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Hubposition eines Mutterelements, der Resonanzfrequenz in axialer Richtung einer vorgegebenen Maschinenbaugruppe und der Vorspannung der Kugelumlaufspindeleinheit, wenn eine Gewindespindel bei dem in 1 dargestellten Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp von einem Motor angetrieben und gedreht wird.
- 6 zeigt ein Flussdiagramm, das den Ablauf der Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit entsprechend der Ausführungsform darstellt.
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[AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG]
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Im Folgenden wird anhand der Zeichnungen eine Erläuterung zu einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Beispielsweise sollen die Abmessung oder Größe, das Material, die Form und die relative Anordnung der einzelnen in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschriebenen Bestandteile oder Komponenten den technischen Umfang der Erfindung nicht nur darauf beschränken, es sei denn, dies ist ausdrücklich vermerkt.
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(Schematische Anordnung des Systems)
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1 zeigt eine schematische Anordnung eines Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 erläutert ferner eine schematische Anordnung einer für das Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp vorgesehenen Kugelumlaufspindeleinheit nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 1 dargestellt, ist das Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp 1 nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Kugelumlaufspindeleinheit 2, einer Führungsvorrichtung 3, einem Tisch 4, einem Motor 5, einer Erfassungsvorrichtung 6 und einem Basiselement 7 versehen. Ferner hat die Kugelumlaufspindeleinheit 2 eine Gewindespindel 21, ein Mutterelement 22 und Stützlager 23a, 23b.
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Wie in 2 dargestellt, ist an der Außenumfangsfläche der Gewindespindel 21 der Kugelumlaufspindeleinheit 2 eine Kugelrollnut 211 ausgebildet. Dann wird das Mutternelement 22 auf die Gewindespindel 21 in einem Zustand montiert, in dem eine Vielzahl von Kugeln 24, die in der Kugelrollnut 211 rollen, dazwischen liegen. Weiterhin ist im Inneren des Mutternelements 22 eine Kugelrücklaufpassage 221 gebildet, die sich in axialer Richtung der Gewindespindel 21 erstreckt. Wenn das Mutternelement 22 in axialer Richtung der Gewindespindel 21 bewegt wird, werden die Kugeln 24 von der Kugelrollnut 211 in die eine Stirnseite der Kugelrücklaufpassage 221 und die Kugeln 24 von der anderen Stirnseite der Kugelrücklaufpassage 221 in die Kugelrollnut 211 geführt. Mit anderen Worten, wird ein endloser Zirkulationspfad, entlang dem die Kugeln 24 zirkulieren, durch die Kugelrollnut 211, die auf der Gewindespindel 21 ausgebildet ist, und die Kugelrücklaufpassage 221, die auf dem Mutterelement 22 ausgebildet ist, gebildet. Wenn dann das Mutterelement 22 in axialer Richtung der Gewindespindel 21 bewegt wird, zirkulieren die Kugeln 24 in dem endlosen Zirkulationspfad. Es ist zu beachten, dass 2 in einem Zustand dargestellt ist, in dem ein Teil des Mutterelements 22 ausgeschnitten ist, um den inneren Aufbau des Mutterelements 22 zu erklären. Ferner ist, wie in 1 dargestellt, die Gewindespindel 21 durch das Stützlagerpaar 23a, 23b in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 drehbar gelagert. Es ist zu beachten, dass die entsprechenden Stützlager 23a, 23b am Basiselement 7 befestigt sind.
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Der Tisch 4, der zum Auflegen eines Werkstücks vorgesehen ist, ist am Mutterelement 22 der Kugelumlaufspindeleinheit 2 befestigt. Wenn also das Mutterelement 22 in axialer Richtung der Gewindespindel 21 bewegt wird, wird auch der Tisch 4 entsprechend bewegt. Weiterhin ist die Führungsvorrichtung 3 die Vorrichtung, die vorgesehen ist, um die Bewegung des Tisches 4 entsprechend der Bewegung des Mutterelements 22 in axialer Richtung der Gewindespindel 21 zu führen und gleichzeitig den Tisch 4 abzustützen. Die Führungsvorrichtung 3 hat zwei Schienen 31a, 31b und vier Blöcke 32a, 32b, 32c, 32d. Die beiden Schienen 31a, 31b erstrecken sich jeweils in axialer Richtung der Gewindespindel 21, und die beiden Schienen 31a, 31b sind so am Basiselement 7 befestigt, so dass die beiden Schienen 31a, 31b parallel zueinander verlaufen, während die Gewindespindel 21 dazwischen liegt. Dann werden die Blöcke 32a, 32b an der einen Schiene 31a in einem Zustand befestigt, in dem eine Vielzahl von Kugeln (nicht abgebildet), die als Wälzkörper dienen sollen, dazwischen liegen. Ferner werden die Blöcke 32c, 32d an der anderen Schiene 31b in einem Zustand befestigt, in dem eine Vielzahl von Kugeln (nicht dargestellt) als Wälzkörper dazwischen liegen. Dementsprechend ist die Führungsvorrichtung 3 so konfiguriert, dass die Blöcke 32a, 32b in der axialen Richtung der Schiene 31a und die Blöcke 32c, 32d in der axialen Richtung der Schiene 31b beweglich sind. Dann wird der Tisch 4 an den jeweiligen Blöcken 32a, 32b, 32c, 32d befestigt. Dementsprechend werden, wenn der Tisch 4 entsprechend der Bewegung des Mutterelements 22 in axialer Richtung der Gewindespindel 21 bewegt wird, die Blöcke 32a, 32b, 32c, 32d in axialer Richtung der Schienen 31a, 31b bewegt, und somit wird die Bewegung des Tisches 4 geführt.
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Darüber hinaus ist bei dem Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp 1 ein Endabschnitt der Gewindespindel 21 über ein Kupplungselement mit der rotierenden Welle des Motors 5 verbunden. Die Gewindespindel 21 wird durch den Motor 5 angetrieben und gedreht. Dann wird das Mutterelement 22 in axialer Richtung der Gewindespindel 21 bewegt, indem die Gewindespindel 21 angetrieben und gedreht wird. Weiterhin ist der Motor 5 mit einer Erfassungseinrichtung 6 wie einem Encoder o.ä. versehen, die die Zustandsgröße (z.B. die Rotationsposition und die Rotationsgeschwindigkeit der Gewindespindel 21) in Bezug auf den Rotationszustand der Gewindespindel 21 erfasst.
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Ferner ist das Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp 1 nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Fehlerdiagnoseeinrichtung 10, die die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit durchführt, und einer Motorsteuereinrichtung 20, die den Antrieb des Motors 5 steuert, versehen. 3 zeigt ein Blockschaltbild, in dem die Funktionseinheiten der Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 dargestellt sind. Wie in 3 dargestellt, verfügt die Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 über eine Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit 110, eine Hubpositions-Ableitungseinheit 111 und eine Informationsausgabeeinheit 112. Ferner zeigt 4 ein Blockdiagramm, das Funktionseinheiten des Motorsteuergeräts 20 darstellt. Wie in 4 dargestellt, verfügt das Motorsteuergerät 20 über eine Verstärkungseinstellungseinheit 210. Es ist zu beachten, dass die Funktionen der jeweiligen Funktionseinheiten der Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 und des Motorsteuergerätes 20 später im Detail beschrieben werden.
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(Fehlerdiagnose)
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Als nächstes wird die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Bei der Kugelumlaufspindeleinheit 2 wird die vorgegebene Vorspannung aufgebracht, um den Verschiebungsbetrag in axialer Richtung des Mutterelementes 22 gegenüber der äußeren Belastung zu unterdrücken. Es ist zu beachten, dass das System zum Aufbringen der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 jedes bekannte System verwendet werden kann. Ferner wird der Wert der vorbestimmten Vorspannung, die auf die Kugelumlaufspindeleinheit 2 aufgebracht wird, z.B. auf der Grundlage eines Experiments auf einen geeigneten Wert eingestellt. Bei der Kugelumlaufspindeleinheit 2 ist der Spalt zwischen den Kugeln 24 und der durch die Kugelrollnut 211 gebildeten Gewindenut aufgrund der wie oben beschrieben aufgebrachten Vorspannung annähernd Null. Daher ist es möglich, den Verschiebungsbetrag in axialer Richtung des Mutterelements 22 in Bezug auf die äußere Belastung zu unterdrücken. Dadurch ist es möglich, die Steifigkeit in axialer Richtung der Kugelumlaufspindeleinheit 2 zu verbessern und somit die Bewegungsgenauigkeit des Mutterelements 22 in Bezug auf die Gewindespindel 21 zu erhöhen.
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Allerdings tritt (treten) in einigen Fällen Abrieb und/oder Bruch auf, z.B. aufgrund der säkularen oder zeitabhängigen Verschlechterung in Bezug auf die Kugelrollnut 211 der Gewindespindel 21. Wenn dann ein Abrieb und/oder ein Bruch an der Kugelrollnut 211 auftritt, wird in einigen Fällen die Abnahme der Vorspannung verursacht. Kommt es also zu einem Bruch, der die Abnahme der Vorspannung verursacht, in der Kugelumlaufspindeleinheit 2, so wird die Steifigkeit in axialer Richtung verringert und damit die Bewegungsgenauigkeit des Mutterelements 22 in Bezug auf die Gewindespindel 21 vermindert. Infolgedessen ist zu befürchten, dass beim Fördern und Positionieren des Werkstücks ein schädlicher Einfluss auf die Lagesteuerung des Tisches 4 ausgeübt wird. Vor diesem Hintergrund wird in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Fehlerdiagnose durchgeführt, um den Fehler zu erkennen, der mit der Abnahme der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 einhergeht.
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Beim Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp 1 nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wenn die Gewindespindel 21 durch den Motor 5 angetrieben und gedreht wird, die mechanischen Elemente, zu denen z.B. die Führungsvorrichtung 3 und der Tisch 4 gehören, zusammen mit der Kugelumlaufspindeleinheit 2 und dem Motor 5 in Schwingungen versetzt. In der folgenden Beschreibung wird die Aggregation der mechanischen Elemente der Kugelumlaufspindeleinheit 2 und des Motors 5 sowie der Führungsvorrichtung 3 und des Tisches 4, die zusammen im Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp 1 in Schwingungen versetzt werden, als „vorgegebene Maschinenbaugruppe“ bezeichnet. Ferner kann in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Erfassungsvorrichtung 6 dazu verwendet werden, die Änderung der Ist-Zustandsgröße der Gewindespindel 21 zu erfassen, wenn das Mutterelement 22 in axialer Richtung der Gewindespindel 21 bewegt wird, indem die Gewindespindel 21 durch den Motor 5 angetrieben und gedreht wird. Dann ist es möglich, die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe auf der Grundlage der in dieser Situation festgestellten Änderung der Ist-Zustandsgröße der Gewindespindel 21 abzuleiten.
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Anhand von
5 soll nun der Zusammenhang zwischen der Hubstellung des Mutterelements
22, der Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe und der Vorspannung der Kugelumlaufspindeleinheit
2 bei Antrieb und Drehung der Gewindespindel
21 durch den Motor
5 im Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp
1 erläutert werden. Die horizontale Achse von
5 stellt die Hubposition des Mutterelements
22 dar, d.h. die Position des Mutterelements
22 auf der Gewindespindel
21. In diesem Fall wird angenommen, dass die Hubposition des Mutterelements
22 die relative Position des Mutterelements
22 in Bezug auf das in
1 gezeigte Stützlager
23a ist (d.h. das Stützlager befindet sich auf der Seite gegenüber der Seite des Motors
5). In der vorliegenden Erfindung ist die Hubposition des Mutterelements jedoch nicht auf die Position des Mutterelements auf der Basis des Stützlagers der Gewindespindel beschränkt. Ferner stellt die vertikale Achse von
5 die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe dar. Ferner werden in
5 die x-Markierungen (×), die Rhombenmarkierungen (
), die Ballonmarkierungen (○) und die Dreieckmarkierungen (Δ) verwendet, um die Korrelationen zwischen der Hubposition des Mutterelements
22 und der Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe aufzuzeichnen, wenn die Vorspannung der Kugelgewindetriebeinheit
2 absichtlich auf jeweils unterschiedliche Werte eingestellt wird. In diesem Fall zeigen die x-Markierungen die Korrelation an, die sich ergibt, wenn keine Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit
2 aufgebracht wird. Ferner zeigen die Rhombenmarkierungen die Korrelation an, die sich ergibt, wenn die relativ geringe Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit
2 aufgebracht wird. Die Dreiecksmarkierungen zeigen die Korrelation an, die sich ergibt, wenn die relativ hohe Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit
2 aufgebracht wird. Des Weiteren zeigen die Ballonmarkierungen die Korrelation an, die sich ergibt, wenn die niedrige Vorspannung, die höher ist als die, die bei der durch die Rhombenmarkierungen angezeigten Korrelation aufgebracht wird, und die niedriger ist als die, die bei der durch die Dreieckmarkierungen angezeigten Korrelation aufgebracht wird, in der Kugelumlaufspindeleinheit
2 aufgebracht wird.
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Wie in 5 dargestellt, besteht bei identischer Hubstellung des Mutterelements 22 eine solche Tendenz, dass die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe umso höher ist, je höher die Vorspannung der Kugelumlaufspindeleinheit 2 ist, und zwar aus Folgendem Grund. Das heißt, je höher die Vorspannung der Kugelumlaufspindeleinheit 2 ist, desto höher ist die Steifigkeit in axialer Richtung der Kugelumlaufspindeleinheit 2. Unter Berücksichtigung einer solchen Tendenz wird davon ausgegangen, dass die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe gesenkt wird, wenn ein Fehler, der mit der Abnahme der Vorspannung einhergeht, bei der Kugelumlaufspindeleinheit 2 verursacht wird, im Vergleich dazu, wenn sich die Kugelumlaufspindeleinheit 2 im Normalzustand befindet. Daher ist es möglich, das mit der Abnahme der Vorspannung einhergehende Versagen der Kugelumlaufspindeleinheit 2 auf der Basis der Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe zu erkennen.
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Wie in 5 dargestellt, ist jedoch im Falle der Kugelumlaufspindeleinheit 2 auch bei konstanter Vorspannung die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe je nach Hubstellung des Mutterelements 22 unterschiedlich. Weiterhin wird bzw. werden der Abrieb und/oder der Bruch der Kugelrollnut 211 der Gewindespindel 21 der Kugelumlaufspindeleinheit 2 nur an einem Teilbereich der Gewindespindel 21 verursacht. In diesem Fall tritt die Abnahme der Vorspannung nur dann ein, wenn sich das Mutterelement 22 an der Stelle befindet, an der der Abrieb und/oder der Bruch der Kugelrollnut 211 der Gewindespindel 21 verursacht wird/werden. Mit anderen Worten, die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe ist im Vergleich zum Normalzustand nur dann abgesenkt, wenn die Hubposition des Mutterelements 22 die vorgegebene Position ist.
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Im Lichte des oben gesagten wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit 2 auf der Grundlage der Kombination der Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe und der Hubstellung des Mutterelements 22 durchgeführt, die sich bei der Ableitung der Resonanzfrequenz ergibt, wenn die Gewindespindel 21 vom Motor 5 angetrieben und gedreht wird. 6 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Ablauf der Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser Ablauf wird durch die Ausführung eines vorgegebenen Programms realisiert, das in der Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 gespeichert ist, wenn die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit 2 durchgeführt wird. Weiterhin wird die Steuerung des Motors 5 durch das Motorsteuergerät 20 ausgeführt, um die Gewindespindel 21 in diesem Fluss anzutreiben und zu drehen.
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Wie oben beschrieben, wird der Abrieb und/oder der Bruch der Kugelrollnut 211 der Gewindespindel 21 der Kugelumlaufspindeleinheit 2 in einigen Fällen nur an einem Teilbereich der Gewindespindel 21 verursacht. Aus diesem Grund werden in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit 2 als Hubpositionen auf der Gewindespindel 21, auf der das Mutterelement 22 angeordnet ist, vorab mehrere vorgegebene Hubpositionen eingestellt. Dann wird das Mutternelement 22 nacheinander in jede der vorbestimmten Hubpositionen bewegt, um den Vorgang für die Fehlerdiagnose an jeder der vorbestimmten Hubpositionen auszuführen. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung, wenn die jeweiligen vorbestimmten Hubpositionen beschrieben werden, während sie voneinander unterschieden werden, jede der vorbestimmten Hubpositionen als „n-te vorbestimmte Hubposition“ beschrieben wird (n = 1, 2, 3,...).
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In dem in 6 dargestellten Fluss wird zunächst in S101 das Mutternelement 22 in die n-te vorbestimmte Hubposition bewegt, bei der der Vorgang ausgeführt werden soll, um die Fehlerdiagnose durch Antreiben und Drehen der Spindel 21 durch den Motor 5 durchzuführen. Es ist zu beachten, dass in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 die Hubpositions-Ableiteinheit 111 aufweist. Die Zustandsgröße, die sich auf den Rotationszustand der Gewindespindel 21 bezieht, wird von der Erfassungseinrichtung 6 in die Hubpositions-Ableiteinheit 111 eingegeben. Die Hubpositions-Ableiteinheit 111 leitet dann die Hubposition des Mutterelements 22 auf der Grundlage der eingegebenen Zustandsgröße, die sich auf den Rotationszustand der Gewindespindel 21 bezieht, ab. In S101 wird die Gewindespindel 21 durch den Motor 5 angetrieben und gedreht, bis die Hubposition des Mutterelements 22, die von der Hubpositions-Ableiteinheit 111 abgeleitet wird, die n-te vorbestimmte Hubposition erreicht.
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Anschließend wird in S102 das Antriebssignal (Steuersignal), das innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs liegt, von der Motorsteuereinrichtung 20 in den Motor 5 in einem Zustand eingegeben, in dem das Mutterelement 22 an der n-ten vorbestimmten Hubposition angeordnet ist. Mit anderen Worten, das Antriebssignal für den Motor 5 wird innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs abgetastet, um die Gewindespindel 21 anzutreiben. Bei diesem Verfahren ist der vorgegebene Frequenzbereich der Bereich, in dem davon ausgegangen wird, dass die Resonanz in der vorgegebenen Maschinenbaugruppe bei der Frequenz innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs auftritt, und der vorgegebene Frequenzbereich wird vorher z.B. auf der Grundlage eines Experiments festgelegt.
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Anschließend wird in S103 die Resonanzfrequenz fm in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe durch die Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit 110 der Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 abgeleitet. Insbesondere wird die Zustandsgröße, die sich auf den Drehzustand der Gewindespindel 21 bezieht, von der Erfassungseinrichtung 6 in die Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit 110 eingegeben. Dementsprechend leitet die Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit 110 bei überstrichen des Ansteuersignals (Steuersignals) für den Motor 5 innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs in S102 die Schwingungsfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe auf der Grundlage der Änderung der Zustandsgröße der Gewindespindel 21 ab. Dann, in S103, leitet die Frequenzcharakteristik-Ableitungseinheit 110 die Resonanzfrequenz fm auf der Grundlage der Schwingungsfrequenz in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe ab, die während der Periode abgeleitet wird, in der das Antriebssignal (Steuersignal) für den Motor 5 überstrichen wird.
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Anschließend wird in S104 beurteilt, ob die in S103 abgeleitete Resonanzfrequenz fm in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe niedriger ist als die n-te Schwellenfrequenz fmlimitn, die in Abhängigkeit von der n-ten vorgegebenen Hubstellung entschieden wird. Bei diesem Verfahren ist die Schwellenfrequenz der untere Grenzwert der Resonanzfrequenz fm in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe, mit dem beurteilt werden kann, ob die vorgegebene Vorspannung auf die Kugelumlaufspindeleinheit 2 aufgebracht wird. Weiterhin, wie oben beschrieben, ändert sich, selbst wenn die vorbestimmte Vorspannung auf die Kugelumlaufspindeleinheit 2 aufgebracht wird, die Resonanzfrequenz fm in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe in Abhängigkeit von der Hubposition des Mutterelements 22. Aus diesem Grund wird die Schwellenfrequenz, die jeder der vorgegebenen Hubpositionen entspricht, vorher z.B. durch ein Experiment festgelegt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dann die Schwellenfrequenz, die der n-ten vorgegebenen Hubstellung entspricht, als n-te Schwellenfrequenz fmlimitn bezeichnet.
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Wenn die Beurteilung in S104 positiv ausfällt, ist es möglich zu beurteilen, dass die Vorspannung der Kugelumlaufspindeleinheit 2 im Vergleich zur vorgegebenen Vorspannung geringer ist. Aus diesem Grund wird in diesem Fall anschließend in S105 beurteilt, dass der Fehler, der mit der Abnahme der Vorspannung einhergeht, in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 verursacht wird. In diesem Fall speichert die Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 die in dieser Situation vorgesehene Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe und die Hubposition (eine beliebige aus der Vielzahl der vorbestimmten Hubpositionen) des Mutterelements 22, die bei der Ableitung der Resonanzfrequenz vorgesehen ist.
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Andererseits kann bei einer negativen Beurteilung in S104 beurteilt werden, dass das Versagen (Abrieb und/oder Bruch der Gewindespindel 21), das mit der Abnahme der Vorspannung einhergeht, nicht an der zu diesem Zeitpunkt behandelten vorbestimmten Hubposition verursacht wird. In diesem Fall wird der Prozess von S106 anschließend ausgeführt. In S106 wird bei allen vorbestimmten Hubpositionen beurteilt, ob die Resonanzfrequenz fm in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe nicht kleiner als die Schwellenfrequenz fmlimitn ist, die jeder der vorbestimmten Hubpositionen entspricht. Mit anderen Worten, es wird unterschieden, ob die Prozesse von S102 bis S104 in den Zuständen ausgeführt werden, in denen das Mutterelement 22 in allen vorbestimmten Hubpositionen angeordnet ist, und die negative Beurteilung in S104 in Bezug auf alle Fälle erfolgt. Wenn die positive Beurteilung in S106 erfolgt, kann beurteilt werden, dass der Ausfall, der mit der Abnahme der Vorspannung einhergeht, in allen vorbestimmten Hubpositionen nicht verursacht wird. In diesem Fall wird anschließend in S107 beurteilt, dass die Kugelgewindetriebeinheit 2 normal ist. Wenn andererseits die negative Beurteilung in S106 vorgenommen wird, ist es möglich zu beurteilen, dass die Fehlerdiagnose nicht bei allen vorbestimmten Hubpositionen abgeschlossen ist. Mit anderen Worten, es muss unterschieden werden, ob das Versagen, das mit der Abnahme der Vorspannung einhergeht, bei einer beliebigen vorbestimmten Hubposition verursacht wird, die sich von der zu diesem Zeitpunkt behandelten vorbestimmten Hubposition unterscheidet. Dementsprechend wird in diesem Fall dieser Fluss wieder von S101 aus ausgeführt. In diesem Fall wird in S101 das Mutterelement 22 in die vorbestimmte Hubposition bewegt, in der der Prozess für die Fehlerdiagnose das nächste Mal ausgeführt werden soll.
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Wie oben erläutert, wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Fehlerdiagnose für die Kugelumlaufspindeleinheit 2 durchgeführt, wobei nicht nur die Resonanzfrequenz der vorgegebenen Maschinenbaugruppe berücksichtigt wird, die sich ergibt, wenn die Gewindespindel 21 angetrieben und gedreht wird, sondern auch die Hubposition des Mutterelements 22, die sich ergibt, wenn die Resonanzfrequenz abgeleitet wird. Daher ist es möglich, den Fehler, der mit der Abnahme der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 einhergeht, mit hoher Genauigkeit zu erkennen.
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Weiterhin wird bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterschieden, ob die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe niedriger ist als die Schwellenfrequenz, die in Abhängigkeit von jeder der vorgegebenen Hubpositionen in Bezug auf die Mehrzahl der vorgegebenen Hubpositionen festgelegt wird. Daher ist es möglich, bei Auftreten des Fehlers, der mit der Abnahme der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 einhergeht, die Position des Auftretens des Fehlers auf der Gewindespindel 21 anzugeben.
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Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, zu unterscheiden, ob die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe in Bezug auf die Vielzahl der vorgegebenen Hubpositionen niedriger als die Schwellenfrequenz ist oder nicht. So kann z.B. der Bereich, in dem der Abrieb und/oder der Bruch an der Gewindespindel 21 relativ dazu neigt bzw. neigen, an der Gewindespindel 21 aufzutreten, vorher z.B. auf der Grundlage eines Versuchs und/oder einer Anwendungssituation des Antriebssystems vom Kugelumlaufspindeltyp 1 festgelegt werden. Der spezifizierte eine Teil kann als die vorbestimmte Hubposition festgelegt werden. Aber auch in diesem Fall wird die Schwellenfrequenz, die mit der Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorgegebenen Maschinenbaugruppe bei der vorgegebenen Hubposition zu vergleichen ist, in Abhängigkeit von der vorgegebenen Hubposition festgelegt. Auch in diesem Fall ist es möglich, den Fehler, der mit der Abnahme der Vorspannung im Kugelumlaufspindeleinheit 2 einhergeht, hochgenau zu erkennen.
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(Motorsteuerung)
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Als nächstes wird erläutert, welche Motorsteuerung nach einer solchen Situation durchzuführen ist, dass der Fehler, der mit der Abnahme der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 einhergeht, durch die oben beschriebene Fehlerdiagnose erkannt wird. Wird durch die oben beschriebene Fehlerdiagnose festgestellt, dass der Fehler, der mit der Abnahme der Vorspannung in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 einhergeht, verursacht wird, gibt die Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 die für den Fehler relevanten Informationen von der Informationsausgabeeinheit 112 an das Motorsteuergerät 20 aus. Die für den Fehler relevante Information, auf die hier Bezug genommen wird, bedeutet die Frequenzkennlinieninformation in Bezug auf die Resonanzfrequenz in axialer Richtung der vorbestimmten Maschinenbaugruppe, die bereitgestellt wird, wenn der Fehler erkannt wird, und die Positionsinformation in Bezug auf die Hubposition des Mutterelements 22, die bereitgestellt wird, wenn der Fehler erkannt wird.
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In diesem Fall verfügt die Motorsteuervorrichtung 20 über die Verstärkungseinstelleinheit 210, die die Steuerverstärkung des an den Motor 5 anzulegenden Steuersignals einstellt. Dementsprechend wird in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die für den Fehler wie oben beschrieben relevante Information (Frequenzcharakteristikinformation und Positionsinformation) von der Informationsausgabeeinheit 112 der Fehlerdiagnoseeinrichtung 10 an die Motorsteuereinrichtung 20 ausgegeben wird, die Steuerverstärkung des an den Motor 5 anzulegenden Steuersignals, wenn die Positionsregelung des Tisches 4 nach der Ausführung der Fehlerdiagnose ausgeführt wird, von der Verstärkungseinstelleinheit 210 auf der Grundlage der oben beschriebenen Information eingestellt. Insbesondere senkt die Verstärkungseinstelleinheit 210 die Steuerverstärkung des an den Motor 5 anzulegenden Steuersignals im Vergleich zu dem im Normalfall anzulegenden Steuersignal auf der Grundlage der Frequenzkennlinieninformation und der Positionsinformation. Tritt der Fehler, der mit der Abnahme der Vorspannung einhergeht, bei der Kugelumlaufspindeleinheit 2 auf, kann dementsprechend die Abnahme der Genauigkeit der Lageregelung des Tisches 4 unterdrückt werden. Es ist zu beachten, dass die Motorsteuerung 20 auch die Position des Auftretens des Fehlers an der Gewindespindel 21 erfassen kann. Daher ist es auch zulässig, dass nur die Steuerverstärkung, die vorgesehen ist, wenn das Mutterelement 22 an der Position des Auftretens des Fehlers auf der Gewindespindel 21 positioniert ist, während der Ausführung der Positionsregelung des Tisches 4 durch die Verstärkungseinstelleinheit 210 im Vergleich zu der in der normalen Situation vorgesehenen, abgesenkt wird.
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Ferner kann die Fehlerdiagnoseeinrichtung 10, wenn festgestellt wird, dass der Fehler, der mit dem Abfall der Vorspannung einhergeht, in der Kugelumlaufspindeleinheit 2 auftritt, die Informationen über die Frequenzkennlinie und die für den Fehler relevanten Positionsinformationen mit Hilfe der Informationsausgabeeinheit 112 an jede externe Vorrichtung ausgeben, die nicht im Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp 1 enthalten ist. In diesem Fall ist es, wie bei der externen Vorrichtung, möglich, ein Informationsverarbeitungsgerät zu veranschaulichen, das Informationen in Bezug auf die Zustände der jeweiligen Systeme aggregiert, wenn mehrere Antriebssysteme vom Kugelumlaufspindeltyp 1 gesteuert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1:
- Antriebssystem vom Kugelumlaufspindeltyp,
- 2:
- Kugelumlaufspindeleinheit,
- 21:
- Gewindespindel,
- 211:
- Kugelrollnut,
- 22:
- Mutterelement,
- 222:
- Kugelrücklaufpfad,
- 23a, 23b:
- Stützlager,
- 24:
- Kugel,
- 4:
- Tisch,
- 5:
- Motor,
- 6:
- Erfassungseinrichtung,
- 10:
- Fehlerdiagnoseeinrichtung,
- 20:
- Motorsteuerungseinrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010149770 [0003]
- JP 2017053431 [0003]
- JP 2016034224 [0003]
