JP2007263286A

JP2007263286A - 直動案内ユニットおよびそのひずみ検出方法

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Publication number: JP2007263286A
Application number: JP2006090961A
Authority: JP
Inventors: Shoji Nagao; 祥司長尾; Hironori Yamamoto; 浩徳山本
Original assignee: Nippon Thompson Co Ltd
Current assignee: Nippon Thompson Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP4435104B2; US20070237435A1

Abstract

【課題】小型化を実現するとともに安価に製造することができる力情報検出手段を備えた直動案内ユニットを提供する。
【解決手段】ケーシングＣは、一対の袖部３を取付部２に設けてなり、一対の袖部は、軌道レールＲに対向する転動面４ａ〜４ｄと、この転動面に連通するリターン孔５ａ〜５ｄとを設け、これら転動面とリターン孔内とを転動する転動体６を組み込み、転動面と軌道レールとの間を転動体が転動しながらケーシングを移動させる構成にした直動案内ユニット１において、上記ケーシングに荷重が作用して、上記一対の袖部に、それらが互いに離れる方向の力が作用したとき、その力の作用で、これら一対の袖部の外側面に形成される膨らみ部Ｙに引張りひずみ検出用センサ８を設ける一方、この膨らみ部が形成されたとき、その膨らみ部よりも取付部側に連続する凹み部Ｘに圧縮ひずみ検出用センサ７を設けた。
【選択図】図２

Description

この発明は、ケーシングに作用する荷重に応じて発生するひずみを検出する直動案内ユニットと、そのひずみ検出方法に関する。

この種の直動案内ユニットとして、特許文献１に示すものが従来から知られている。
この従来の直動案内ユニットは、それに組み込んだ複数の転動体が軌道レールとの間に転動自在に介在し、両者の相対移動をスムーズにするものであるが、この直動案内ユニットには、本体とは別部材からなる弾性部材や、本体を加工して形成した薄肉部からなる弾性機構を設けている。
そして、本体に荷重が作用したときに、この荷重によって上記弾性機構を変位させるとともに、この弾性機構の変位量をセンサ等の検出手段によって検出し、荷重方向や荷重の大きさ等の力情報を取得している。

このようにして取得した力情報は、例えば、工具の形状変化や異常検出、ワークの形状認識や加工状況等の状態検知に用いることができる。すなわち、正常時における力情報をあらかじめコンピュータに記憶しておき、このコンピュータが記憶した数値と上記検出手段が検出した数値とを比較することによって、ワークやレール、あるいは工具や装置等がどのような状態にあるのかを検知することができる。そして、このようにさまざまな状態を検知することによって、装置故障の未然防止や、修理箇所の早急な対処が可能となる。
特許第２６７３８４９号

上記従来の直動案内ユニットにおいては、荷重によって変位する弾性機構を本体に設け、この弾性機構の変位量を検出手段が検出するようにしている。
しかし、変位量を検出するために設ける弾性機構を、本体とは別部材からなる上記弾性部材によって構成するとなれば、弾性部材の取り付けスペースが必要となり、その分どうしても装置全体が大型化してしまうという問題があった。
また、弾性部材を設けずに、本体を加工して形成した薄肉部によって弾性機構を設けるとなれば、その加工が非常に面倒なものとなり、その分製造コストが高くなるという問題があった。

この発明の第１の目的は、小型化を実現するとともに安価に製造することができる力情報検出手段を備えた直動案内ユニットを提供することである。
また、第２の目的は、直動案内ユニットに生じるひずみを簡単に検出する方法を提供することである。

第１の発明は、ケーシングが、軌道レールを跨いで対向する一対の袖部を取付部に設けてなり、上記一対の袖部は、軌道レールに対向する転動面と、この転動面に連通するリターン孔とを設け、これら転動面とリターン孔内とを転動する転動体を組み込み、上記転動面とそれに対向する軌道レールとの間を転動体が転動しながら上記ケーシングを軌道レールに沿って移動させる構成にした直動案内ユニットにおいて、上記ケーシングに荷重が作用して、上記一対の袖部に、それらが互いに離れる方向の力が作用したとき、その力の作用で、これら一対の袖部の外側面に形成される膨らみ部に引張りひずみ検出用センサを設ける一方、この膨らみ部が形成されたとき、その膨らみ部よりも取付部側に連続する凹み部に圧縮ひずみ検出用センサを設けた点に特徴を有する。

第２の発明は、ケーシングは、軌道レールを跨いで対向する一対の袖部を取付部に設けてなり、上記一対の袖部は、軌道レールに対向する転動面と、この転動面に連通するリターン孔とを設け、これら転動面とリターン孔内とを転動する転動体を組み込み、上記転動面とそれに対向する軌道レールとの間を転動体が転動しながら上記ケーシングを軌道レールに沿って移動させる構成にした直動案内ユニットであって、上記ケーシングに荷重が作用して、上記一対の袖部に、それらが互いに離れる方向の力が作用したとき、その力の作用で、これら一対の袖部の外側面に形成される膨らみ部に引っ張りひずみ検出用センサを取り付ける一方、この膨らみ部が形成されたとき、その膨らみ部よりも取付部側に連続する凹み部に圧縮ひずみ検出用センサを取り付けて圧縮ひずみを検出する点に特徴を有する。

第１、第２の発明によれば、ケーシングに荷重が作用したとき、ケーシングには、その袖部の外側面に膨らみ部と凹み部とが形成されるとともに、これら膨らみ部あるいは凹み部には、引張ひずみと圧縮ひずみという相反する性質のひずみが現れる。そして、上記のように引張ひずみおよび圧縮ひずみという相反する性質を有するひずみが現れる点に着目し、これら膨らみ部と凹み部においてそれぞれのひずみを検出するようにした点に特徴を有する。

そして、引張ひずみ、および圧縮ひずみの相対変位差を測定すれば、特に弾性機構を設けることなく、ケーシングに作用する荷重方向や荷重の大きさ等の力情報を精度よく検出することができる。
したがって、第１の発明によれば、本体に弾性機構を設ける必要がないので、その分装置全体を小型化することができるとともに、安価に製造することができる。
また、第２の発明によれば、本体に弾性機構を設けなくてもケーシングのひずみを検出することができるので、既存の装置であっても簡単にひずみを検出することができるとともに、この検出した情報から正確な寿命の推定等を行うことができる。

図１〜図６を用いて、この実施形態における直動案内ユニットについて説明する。
図１に示す直動案内ユニット１は、軌道レールＲに沿って摺動するものであり、スライダＳは、ケーシングＣと、このケーシングＣの摺動方向両端に設けたエンドキャップＥ，Ｅとによって構成される。
この直動案内ユニット１を構成するスライダＳのケーシングＣは、図２に示すように、軌道レールＲの上方であって、この軌道レールＲ上面と水平な取付部２と、この取付部２の幅方向両端から下方に伸びるとともに、上記軌道レールＲを跨いで対向する一対の袖部３，３とからなる。

また、上記袖部３，３における軌道レールＲとの対向面には、転動面４ａ〜４ｄが形成されるとともに、これら転動面４ａ〜４ｄに対向する位置にリターン孔５ａ〜５ｄが形成されている。このリターン孔５ａ〜５ｄが、図１のエンドキャップＥ，Ｅ内に形成した図示しない方向転換路を介して、転動面４ａ〜４ｄに連続している。このようにした転動面４ａ〜４ｄ、リターン孔５ａ〜５ｄおよびエンドキャップＥ，Ｅに形成した上記方向転換路が相まって、転動体であるころ６が循環する循環路を形成するものである。

したがって、上記直動案内ユニット１と軌道レールＲとを軸方向に相対移動させると、ころ６が上記循環路を転動して、直動案内ユニット１と軌道レールＲとの相対移動をスムーズに支持することとなる。
上記の構成にした直動案内ユニット１は、実際には、軌道レールＲを走行する過程で、図３に示すように、ケーシングＣに対していろいろな方向の荷重が作用する。
例えば、図３（ａ）に示すように、ケーシングＣに対して上方から下方に向かう圧縮荷重Ｐ１が作用した場合、転動面４ｂ，４ｄがころ６を介して軌道レールＲに押し付けられる。したがって、ケーシングＣには、軌道レールＲ側からころ６を介して反力が作用するが、この反力は、袖部３，３が互いに離れる方向の力として作用することとなる。

一方、図３（ｂ）に示すように、ケーシングＣに対して下方から上方に向かう引張荷重Ｐ２が作用した場合、転動面４ａ，４ｃがころ６を介して軌道レールＲに押し付けられる。したがって、ケーシングＣには、軌道レールＲ側からころ６を介して反力が作用するが、この反力は上記と同様、袖部３，３が互いに離れる方向の力として作用する。
また、図３（ｃ）に示すように、ケーシングＣに対して矢印のローリング方向のモーメントＰ３が作用した場合には、転動面４ａ，４ｄがころ６を介して軌道レールＲに押し付けられる。したがって、ケーシングＣには、軌道レールＲ側からころ６を介して反力が作用するが、この反力も上記と同様、袖部３，３が互いに離れる方向の力として作用する。
いずれにしても、このケーシングＣには、上記一対の袖部３，３が互いに離れる方向の力が作用することになる。

図４は、上記のようにしてケーシングＣに袖部３，３が互いに離れる方向の力が作用したときに、ケーシングＣに生じるひずみの分布をＦＥＭ解析によって表したものである。なお、ここでは袖部３の一方の側について説明することとする。
取付部２の上方から上記Ｐ１〜Ｐ３のいずれかの荷重Ｐが作用し、袖部３，３に対して、それらが互いに離れる方向の力が作用すると、ケーシングＣの外側面に膨らみ部Ｙと凹み部Ｘとが形成される。このようにケーシングＣの外側面に膨らみ部Ｙと凹み部Ｘとが形成されるのは、ケーシングＣの外側面にいわゆる引張ひずみと圧縮ひずみが生じるためである。引張ひずみとは引張応力によるひずみのことであり、引張応力を作用させたとき、長さＬを有する物質が伸びる割合、すなわち、ひずみ値ε＝＋ΔＬ／Ｌで表され、圧縮ひずみとは圧縮応力によるひずみのことであり、圧縮応力を作用させたとき、長さＬを有する物質が圧縮する割合、すなわち、ひずみ値ε＝―ΔＬ／Ｌで表される。

そして、上記引張ひずみ、および圧縮ひずみは、それを実際に計った結果次のようにして現れた。
すなわち、上記のように袖部３，３にそれらが互いに離れる方向の力が作用したとき、ちょうど袖部３，３が外側に折れ曲がる起点になるような位置Ｘ１の範囲を中心に大きな圧縮ひずみが生じ、Ｘ１から遠ざかるごとにＸ２→Ｘ３→Ｘ４という順に、圧縮ひずみが徐々に小さくなっていった。また、Ｘ１の下方におけるＹ１およびＹ２の範囲には圧縮ひずみではなく引張ひずみが発生していた。

このように、ケーシングＣの外側面においては、異なる大きさの圧縮ひずみが生じるとともに、圧縮ひずみの中の一部分に、圧縮ひずみとは相反する性質を有する引張ひずみが生じるが、上記引張りひずみがもっとも強く発生する位置Ｙ１の部分に膨らみ部Ｙが形成され、圧縮ひずみがもっとも強く発生する位置Ｘ１の部分に凹み部Ｘが形成される。

そして、この直動案内ユニット１においては、図２に示すように、上記凹み部Ｘに圧縮ひずみ検出用センサ７を設けるとともに、上記膨らみ部Ｙに引張ひずみ検出用センサ８を設けている。このように、ケーシングＣ外側面であって、もっとも圧縮ひずみが大きくなる位置Ｘ１に発生する凹み部Ｘと、もっとも引張ひずみが大きくなる位置Ｙ１に発生する膨らみ部Ｙとに両センサ７，８を取り付けて、相反する２つのひずみ値を検出するようにしている。なお、この実施形態においては、ひずみを検出するセンサとしてひずみゲージを用いている。

上記のようにして設けた両センサ７，８が、直動案内ユニット１に対して圧縮荷重Ｐ１および引張荷重Ｐ２が作用したときに検出する、凹み部Ｘに生じる圧縮ひずみ、および膨らみ部Ｙに生じる引張ひずみの各ひずみ値を図５に示す。この図５は、理論的に予圧のない状態で、レール幅約３０ｍｍの軌道レールＲに０Ｎ〜１０ｋＮまで荷重を作用したときの上記各ひずみ値の変位をＦＥＭ解析により観察したものである。
図５においては、直動案内ユニット１に対して圧縮荷重Ｐ１が作用したとき、膨らみ部Ｙに生じる引張ひずみのひずみ値の変位をａで示し、凹み部Ｘに生じる圧縮ひずみのひずみ値の変位をｂで示している。また、直動案内ユニット１に対して引張荷重Ｐ２が作用したとき、膨らみ部Ｙに生じる引張ひずみのひずみ値の変位をｃで示し、凹み部Ｘに生じる圧縮ひずみのひずみ値の変位をｄで示している。

直動案内ユニット１に対して圧縮荷重Ｐ１、引張荷重Ｐ２のどちらが作用した場合にも、凹み部Ｘにもっとも大きい圧縮ひずみが生じるとともに、膨らみ部Ｙにもっとも大きい引張ひずみが生じること前記したとおりであるが、図５からも明らかなように、その荷重Ｐ１，Ｐ２の大きさが同じなら、引張荷重Ｐ２よりも圧縮荷重Ｐ１が作用した場合の方が、圧縮ひずみ、引張ひずみどちらも大きくなる。
このように、同じ大きさの圧縮荷重Ｐ１、引張荷重Ｐ２が作用しているにも関わらず、異なったひずみ値が算出されるのは、上記したように、荷重方向によって軌道レールＲ側から作用する反力が異なる転動面に作用することが原因と考えられる。

そして、図６に表すように、この直動案内ユニット１に圧縮荷重Ｐ１を１０ｋＮ作用させたときの圧縮ひずみは−１７７μεであり、引張ひずみは７４μεとなる。また、引張荷重Ｐ２を１０ｋＮ作用させたときの圧縮ひずみは−１６３μεであり、引張ひずみは５１μεとなる。
さらに、上記のように検出したひずみ値から、圧縮ひずみ／引張ひずみの算式で求めるひずみ割合を表すと、圧縮荷重Ｐ１が作用したときのひずみ割合は−２．４となり、引張荷重Ｐ２を作用したときのひずみ割合は−３．２となる。

このように同じ大きさの荷重が作用しても、その荷重方向によって、異なったひずみ割合が算出される。しかも、図５に示すように、両センサ７，８で検出するひずみ値は、荷重Ｐ１、Ｐ２の大きさに比例するので、上記のように算出したひずみ割合は、作用する荷重の大きさに関係なく、ほとんど同じ数値となる。つまり、同じ荷重が作用した場合であっても、算出したひずみ割合の絶対値が大きければ、引張荷重Ｐ２が作用していると判別することができる。なお、図５、図６に表す数値は、ＦＥＭ解析によるものであるが、ひずみ値を実測した場合にも、ひずみ値と荷重とがほぼ比例する関係にあることがわかっている。
したがって、ケーシングＣの外側面に生じる圧縮ひずみ、引張ひずみを検出するとともに、検出されたひずみ値に基づいてひずみ割合を求めれば、直動案内ユニット１にどのような圧縮荷重Ｐ１が作用しているのか、引張荷重Ｐ２が作用しているのかを簡単に判別することができる。

また、両袖部３，３の両側で異なるひずみ割合が算出された場合には、ローリング方向のモーメントＰ３がどの方向に作用しているのかを判別することができる。
すなわち、一対の袖部３，３のうち、一方の外側面を基準面Ａ、他方の外側面を反基準面Ｂとする。そして、図７に示すように、矢印のローリング方向のモーメントＰ３が作用すると、基準面Ａ側には引張荷重Ｐ２が作用し、反基準面Ｂ側には圧縮荷重Ｐ１が作用する。上記のようなモーメントＰ３と、基準面Ａ側に作用する引張荷重Ｐ２および反基準面Ｂ側に作用する圧縮荷重Ｐ１との関係は、図８に示すとおりである。

図８は、レール幅約３０ｍｍの軌道レールＲを用いるとともに、予圧をかけた直動案内ユニットに上記モーメントＰ３が作用したときの各ひずみ値を実測したものであるが、その大きさが０〜１００Ｎｍの範囲にあるときは、予圧の関係により各ひずみ値に差が生じないが、モーメントＰ３が１００Ｎｍを超えたあたりから、次のような一定の法則が現れる。
図８においては、直動案内ユニット１に対して矢印のローリング方向のモーメントＰ３が作用したとき、基準面Ａ側の凹み部Ｘに生じる圧縮ひずみのひずみ値の変位をａで示し、膨らみ部Ｙに生じる引張ひずみのひずみ値の変位をｂで示している。また、反基準面Ｂ側の凹み部Ｘに生じる圧縮ひずみのひずみ値の変位をｃで示し、膨らみ部Ｙに生じる引張ひずみのひずみ値の変位をｄで示している。
図８からも明らかなように、基準面Ａ側における凹み部Ｘの圧縮ひずみ値は、反基準面Ｂ側における凹み部Ｘの圧縮ひずみ値よりもその絶対値が大きくなり、基準面Ａ側における膨らみ部Ｙの引張ひずみ値は、反基準面Ｂ側における膨らみ部Ｙの圧縮ひずみ値よりも小さくなる。しかも、各数値の変位は、モーメントＰ３にほぼ比例的に上昇する。

そして、図９に表すように、この直動案内ユニット１に上記モーメントＰ３を３００Ｎｍ作用させたときのひずみ割合を前記と同じ計算式で算出すると、基準面Ａ側のひずみ割合は−４．９となり、反基準面Ｂ側のひずみ割合は−１．９となる。
このように、袖部３，３の両外側面におけるひずみ割合を算出すれば、ローリング方向のモーメントが作用した場合に、両基準面Ａ，Ｂで異なったひずみ割合が算出される。しかも、図８に示すように、両センサ７，８で検出するひずみ値は、予圧の影響を受ける範囲を超えた以降、モーメントＰ３の大きさにほぼ比例する。したがって、上記のように算出したひずみ割合は、作用するモーメントの大きさに関係なくほとんど同じ数値となる。また、当然のこととして、モーメントＰ３のローリング方向が反対方向である場合には、基準面Ａ側と反基準面Ｂ側とで算出されるひずみ割合がそのまま逆になる。
つまり、基準面Ａ側と反基準面Ｂ側とで異なるひずみ割合が算出された場合には、いずれかのローリング方向のモーメントが作用していると簡単に判別することができる。

そして、上記のようにして検出したひずみ値は、例えば、当該直動案内ユニットのセッティング時におけるセッティングの正確性を調べたり、その寿命を調べたりするのに利用することができる。
例えば、軌道レールＲが設置面に対して水平に設置されているかを検査する場合には、所定の荷重を作用させながら直動案内ユニット１を摺動すればよい。もし、軌道レールＲが傾いた状態で設置されていれば、両袖部３，３で異なったひずみ値が検出されるので、どちらの方向に傾いているかを簡単に検知することができる。

また、一対の軌道レールＲ，Ｒが平行に設置されているかを検査する場合には、一対の軌道レールＲ，Ｒそれぞれに直動案内ユニット１，１を跨がせるとともに、両直動案内ユニット１，１を互いに固定し、これに所定の荷重を均等に作用させながら摺動すればよい。もし、一対の軌道レールＲ，Ｒが平行に設置されていれば、常に一定のひずみ値が検出されるが、平行に設置されていない場合にはひずみ値が変動するので、一対の軌道レールＲ，Ｒが平行に設置されているかを簡単に検知することができる。

しかも、あらかじめ正常時における作業ごとのひずみ値やひずみ割合を算出してコンピュータに記憶しておけば、熱膨張等による各部位の異常を、検出値の変位から容易に検知することができる。
また、ひずみ値から作用している荷重を測定することができるため、荷重から理論的な製品寿命を導くことも可能である。

上記実施形態によれば、ケーシングＣに荷重が作用したときに形成される膨らみ部Ｙおよび凹み部Ｘにおいて、引張ひずみ、および圧縮ひずみの相反する性質を有するひずみを検出するようにした。したがって、特に弾性機構を設ける必要がなく、装置全体を小型化するとともに安価に製造しながらも、ケーシングＣに作用する荷重を精度よく検出することができる。
また、上記のように引張ひずみ、および圧縮ひずみを検出すれば、既存の装置に両センサ７，８を取り付けるだけで簡単かつ安価にひずみを検出することができる。しかも、両センサ７，８で検出したひずみ値を、無線で周辺機器に送信するようにすれば、コード等を用いる必要もなくなり、より構造を簡素化することができる。

このように、この実施形態によれば、小型化かつ安価に製造可能な構造でありながら、ケーシングＣ外側面に生じる圧縮ひずみおよび引張ひずみを検出することで、セッティングの正確性や、装置の寿命、あるいは作動時における異常等を簡単に調べることができ、装置故障の未然防止や、修理箇所の早急な対処が可能となる。
なお、上記実施形態ではころを用いたが、転動体はころに限らずボールであってもよい。
また、引張ひずみ検出用センサ８を圧縮ひずみ検出用センサ７の垂直方向真下に設けたが、両センサ７，８は必ずしも垂直方向に設けなくてもよい。ただし、当然のこととして両センサ７，８を垂直方向に設ければ、より精度の高いひずみ値を検出することができるとともに、両センサ７，８を軸方向に複数組設ければ、さらに精度の高いひずみ値を検出することが可能となる。
なお、垂直方向に作用する荷重のみを検出する場合には、両センサ７，８を、一方の袖部３にのみ設けてもかまわない。

この実施形態の直動案内ユニットを示す斜視図である。この実施形態の直動案内ユニットの軸方向断面図である。ケーシングに圧縮荷重が作用したときの反力を示す概念図である。ケーシングに引張荷重が作用したときの反力を示す概念図である。ケーシングにローリング方向のモーメントが作用したときの反力を示す概念図である。一対の袖部が互いに離れる方向の力が作用したときのひずみ分布を表す図である。ケーシング外側面に生じるひずみ値を表すグラフである。荷重が１０ｋＮ作用したときの各ひずみ値、ひずみ割合を表す表である。ローリング方向のモーメントが作用したときのケーシングを表す図である。ローリング方向のモーメントが作用したときに両外側面に生じるひずみ値を表すグラフである。ローリング方向のモーメントが３００Ｎｍ作用したときの両外側面のひずみ割合を表す表である。

符号の説明

１直動案内ユニット
２取付部
３袖部
４ａ〜４ｄ転動面
５ａ〜５ｄリターン孔
６転動体であるころ
７圧縮ひずみ検出用センサ
８引張ひずみ検出用センサ
Ｃケーシング
Ｅエンドキャップ
Ｒ軌道レール
Ｓスライダ
Ｘ膨らみ部
Ｙ凹み部

Claims

ケーシングは、軌道レールを跨いで対向する一対の袖部を取付部に設けてなり、上記一対の袖部は、軌道レールに対向する転動面と、この転動面に連通するリターン孔とを設け、これら転動面とリターン孔内とを転動する転動体を組み込み、上記転動面とそれに対向する軌道レールとの間を転動体が転動しながら上記ケーシングを軌道レールに沿って移動させる構成にした直動案内ユニットにおいて、上記ケーシングに荷重が作用して、上記一対の袖部に、それらが互いに離れる方向の力が作用したとき、その力の作用で、これら一対の袖部の外側面に形成される膨らみ部に引張りひずみ検出用センサを設ける一方、この膨らみ部が形成されたとき、その膨らみ部よりも取付部側に連続する凹み部に圧縮ひずみ検出用センサを設けた直動案内ユニット。
ケーシングは、軌道レールを跨いで対向する一対の袖部を取付部に設けてなり、上記一対の袖部は、軌道レールに対向する転動面と、この転動面に連通するリターン孔とを設け、これら転動面とリターン孔内とを転動する転動体を組み込み、上記転動面とそれに対向する軌道レールとの間を転動体が転動しながら上記ケーシングを軌道レールに沿って移動させる構成にした直動案内ユニットであって、上記ケーシングに荷重が作用して、上記一対の袖部に、それらが互いに離れる方向の力が作用したとき、その力の作用で、これら一対の袖部の外側面に形成される膨らみ部に引っ張りひずみ検出用センサを取り付ける一方、この膨らみ部が形成されたとき、その膨らみ部よりも取付部側に連続する凹み部に圧縮ひずみ検出用センサを取り付けて圧縮ひずみを検出する直動案内ユニットのひずみ検出方法。