JP2013164386A - Ball screw abnormality diagnostic device and ball screw abnormality diagnostic method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ボールねじに対し、分解することなく異常の有無の診断、及び異常の部位の特定を行うことが可能なボールねじの異常診断装置、及びボールねじの異常診断方法に関する。 The present invention relates to a ball screw abnormality diagnosis device and a ball screw abnormality diagnosis method capable of diagnosing the presence / absence of an abnormality without disassembling a ball screw and identifying an abnormal part.
工場内の工作機械、風車等の機械設備には、転がり軸受、ボールねじなどが多く装備されて使用される。これら転がり軸受、ボールねじが長期間使用されることにより摩耗や損傷が発生する。そこで、従前は一定期間使用した後に、機械設備を分解して、作業者の目視による異常の有無の診断が行なわれていた。しかしながら、近年では機械設備の稼働率向上及び作業の効率化などの要求から、異常診断の機械化及び自動化が進み、機械設備の実稼動状態で転がり軸受、ボールねじの異常診断を行う異常診断装置、及び異常診断方法が種々提案されるようになった。 Machine equipment and windmills in factories are equipped with many rolling bearings and ball screws. Wear and damage occur when these rolling bearings and ball screws are used for a long period of time. Therefore, in the past, after use for a certain period of time, the machine equipment was disassembled, and an operator visually diagnosed whether there was any abnormality. However, in recent years, due to demands for improving the operating rate of machinery and equipment and improving work efficiency, mechanization and automation of abnormality diagnosis has progressed, and abnormality diagnosis devices that perform abnormality diagnosis of rolling bearings and ball screws in the actual operation state of machinery and equipment, Various methods for diagnosing abnormalities have been proposed.
例えば、機械設備に組み込まれる転がり軸受の場合において、転がり軸受回転時の振動信号を加速度センサなどで測定し、エンベロープ分析及び周波数分析を行って、その分析結果を正常品と比較照合して、異常の有無の診断、及び異常部位の特定を行うものが知られる（例えば、特許文献１参照）。 For example, in the case of a rolling bearing installed in machinery equipment, the vibration signal during rotation of the rolling bearing is measured with an acceleration sensor, etc., envelope analysis and frequency analysis are performed, and the analysis result is compared and verified with a normal product. There is known one that diagnoses the presence or absence of an anomaly and identifies an abnormal site (for example, see Patent Document 1).
また、テーブル送り装置などに使用されるボールねじについて、ボールねじ駆動時の振動信号を測定し、ナットの固有振動数以下の周波数帯域において周波数分析を行って、その分析結果について正常品と振動レベルで比較照合を行うことにより、異常を検出するものが知られる（例えば、特許文献２参照）。更に、ボールねじの異常診断について、ボールねじのリターンチューブに、振動を検出するためのセンサを取り付けるものも知られる（例えば、特許文献３参照）。 For ball screws used in table feeders, etc., measure the vibration signal when driving the ball screw and perform frequency analysis in the frequency band below the natural frequency of the nut. A device that detects an abnormality by performing comparison and collation is known (for example, see Patent Document 2). Further, for ball screw abnormality diagnosis, there is also known one in which a sensor for detecting vibration is attached to a return tube of a ball screw (see, for example, Patent Document 3).
上記特許文献１の発明においては、ボールねじについても適用可能であると記載されている。ここで、ボールねじは有限長であるため、ナットがボールねじの軸方向（長手方向）で両端部分にあるとき、ボールねじのねじ軸の回転速度がゼロとなり、一定の回転速度が維持されない。しかしながら、上記特許文献１のものは、このような環境下での異常診断を考慮したものではなく、ボールねじに対し高精度に異常診断を行うための具体的な方策を提示するものではない。 In the invention of the above-mentioned patent document 1, it is described that it can be applied to a ball screw. Here, since the ball screw has a finite length, when the nut is at both ends in the axial direction (longitudinal direction) of the ball screw, the rotational speed of the screw shaft of the ball screw becomes zero, and a constant rotational speed is not maintained. However, the thing of the said patent document 1 does not consider the abnormality diagnosis in such an environment, and does not present the concrete policy for performing abnormality diagnosis with high precision with respect to a ball screw.
上記特許文献２の発明は、ボールねじの異常診断に特化したものであるが、比較対象としている周波数帯域を６ｋＨｚ以下と限定しているため、ボールねじが組み込まれる機械設備の機械的特性、例えば、比較的低周波帯域に生じやすい架台の固有値、ボールねじ近傍に取り付けられる部品の固有値などに影響を受けてしまう可能性がある。このため、高精度な異常診断を行うのは困難である。更に、上記特許文献２の発明は、振動信号を周波数分析して得られる振動レベルを比較対象としているため、ボールねじの異常の有無を診断するに留まり、ボールねじの異常の部位を特定することができない。 The invention of Patent Document 2 is specialized in ball screw abnormality diagnosis, but limits the frequency band to be compared to 6 kHz or less, so the mechanical characteristics of the mechanical equipment in which the ball screw is incorporated, For example, there is a possibility that it may be affected by the eigenvalue of the pedestal that is likely to occur in a relatively low frequency band, the eigenvalue of a component attached in the vicinity of the ball screw, and the like. For this reason, it is difficult to make a highly accurate abnormality diagnosis. Furthermore, since the invention of the above-mentioned Patent Document 2 uses the vibration level obtained by frequency analysis of the vibration signal as a comparison object, it is not limited to diagnosing the presence or absence of an abnormality of the ball screw, and specifies the portion of the abnormality of the ball screw. I can't.
また、上記特許文献３の発明は、異常診断の可能な対象がリターンチューブを有するボールねじに限定されるものである。このため、その他のボールねじ、例えば、エンドデフレクタ式などに適用できるものではない。更に、上記特許文献３のものは、リターンチューブとボールの衝突振動の経時変化（ボール又はリターンチューブの摩耗等）に基づく異常診断を行うことはできるものの、上記特許文献２と同様にボールねじの異常の部位を特定することができるものではない。 Moreover, the invention of the above-mentioned patent document 3 is limited to a ball screw having a return tube that can be diagnosed abnormally. For this reason, it cannot be applied to other ball screws such as an end deflector type. Further, although the above-mentioned Patent Document 3 can perform an abnormality diagnosis based on the change with time of the collision vibration between the return tube and the ball (wear of the ball or the return tube, etc.), It is not possible to identify the abnormal part.
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ボールねじに対し、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定を精度良く行うことができるボールねじの異常診断装置、及びボールねじの異常診断方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a ball screw abnormality diagnosis device capable of accurately diagnosing the presence or absence of abnormality and specifying an abnormal part with respect to the ball screw. And providing a ball screw abnormality diagnosis method.
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） ねじ軸及びナットを有して機械設備に組み込まれるボールねじから発生する信号を検出する検出部と、
前記ボールねじの前記ねじ軸が所定の動作パターンで動作するように前記ボールねじの動作を制御する動作制御部と、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出部から出力される信号に基づき前記ボールねじの異常診断を行う異常診断部と、
を備えるボールねじの異常診断装置であって、
前記検出部は、前記ボールねじの動作によって生じる物理量を検出して物理量信号として出力する物理量検出部と、前記ボールねじの前記ねじ軸の回転速度を検出して回転速度信号として出力する回転速度検出部と、を含み、
前記動作制御部には、前記ボールねじが前記機械設備で通常通りの動作をするための通常動作パターンと、前記ボールねじが前記異常診断部により異常診断されるための異常診断動作パターンと、の少なくとも２種類の動作プログラムが実装され、
前記異常診断アルゴリズムは、前記異常診断動作パターンの動作プログラムが実行されるときに実行されることを特徴とするボールねじの異常診断装置。
（２） 前記動作制御部は、前記物理量信号及び前記回転速度信号を取り込み、前記物理量信号、前記回転速度信号、前記ボールねじの全長、前記ボールねじの負荷状態、及び前記ボールねじの運転条件に基づき、前記異常診断動作パターンに関するパラメータを最適化することを特徴とする（１）に記載のボールねじの異常診断装置。
（３） 前記異常診断アルゴリズムは、前記物理量信号に基づき周波数分析を行うと共に、前記回転速度信号に基づき次数比分析を行うアルゴリズムを含むことを特徴とする（１）又は（２）に記載のボールねじの異常診断装置。
（４） 前記異常診断アルゴリズムは、前記物理量信号に基づき周波数分析を行うと共に前記回転速度信号に基づきキャンベル解析を行うアルゴリズムを含むことを特徴とする（１）又は（２）に記載のボールねじの異常診断装置。
（５） ねじ軸及びナットを有して機械設備に組み込まれるボールねじから発生する信号を検出する検出工程と、
前記ボールねじの前記ねじ軸が所定の動作パターンで動作するように前記ボールねじの動作を制御する動作制御工程と、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出工程で検出される信号に基づき前記ボールねじの異常診断を行う異常診断工程と、
を備えるボールねじの異常診断方法であって、
前記検出工程では、前記ボールねじの動作によって生じる物理量を検出して物理量信号として出力すると共に、前記ボールねじの前記ねじ軸の回転速度を検出して回転速度信号として出力し、
前記動作制御工程では、前記ボールねじが前記機械設備で通常通りの動作するための通常動作パターンと、前記ボールねじが前記異常診断部により異常診断されるための異常診断動作パターンと、の少なくとも２種類の動作プログラムを切り替えて前記ボールねじの動作を制御し、
前記異常診断アルゴリズムは、前記異常診断動作パターンが実行されるときに実行されることを特徴とするボールねじの異常診断方法。
（６） 前記動作制御工程では、前記物理量信号及び前記回転速度信号を取り込み、前記物理量信号、前記回転速度信号、前記ボールねじの全長、前記ボールねじの負荷状態、及び前記ボールねじの運転条件に基づき、前記異常診断動作パターンに関するパラメータを最適化することを特徴とする（５）に記載のボールねじの異常診断方法。
（７） 前記異常診断アルゴリズムは、前記物理量信号に基づき周波数分析を行うと共に前記回転速度信号に基づき次数比分析を行うアルゴリズムを含むことを特徴とする（５）又は（６）に記載のボールねじの異常診断方法。
（８） 前記異常診断アルゴリズムは、前記物理量信号に基づき周波数分析を行うと共に前記回転速度信号に基づきキャンベル解析を行うアルゴリズムを含むことを特徴とする（５）又は（６）に記載のボールねじの異常診断方法。
The above object of the present invention can be achieved by the following constitution.
(1) a detection unit that detects a signal generated from a ball screw that has a screw shaft and a nut and is incorporated in a mechanical facility;
An operation control unit for controlling the operation of the ball screw so that the screw shaft of the ball screw operates in a predetermined operation pattern;
In accordance with a predetermined abnormality diagnosis algorithm, an abnormality diagnosis unit that performs an abnormality diagnosis of the ball screw based on a signal output from the detection unit;
A ball screw abnormality diagnosis device comprising:
The detection unit detects a physical quantity generated by the operation of the ball screw and outputs it as a physical quantity signal, and a rotation speed detection that detects the rotation speed of the screw shaft of the ball screw and outputs it as a rotation speed signal. And
The operation control unit includes a normal operation pattern for the ball screw to perform a normal operation in the mechanical facility, and an abnormality diagnosis operation pattern for the ball screw to be abnormally diagnosed by the abnormality diagnosis unit. At least two types of operation programs are implemented,
The abnormality diagnosis device for a ball screw, wherein the abnormality diagnosis algorithm is executed when an operation program for the abnormality diagnosis operation pattern is executed.
(2) The operation control unit takes in the physical quantity signal and the rotation speed signal, and sets the physical quantity signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the load state of the ball screw, and the operation condition of the ball screw. The ball screw abnormality diagnosis device according to (1), wherein parameters relating to the abnormality diagnosis operation pattern are optimized.
(3) The ball according to (1) or (2), wherein the abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs frequency analysis based on the physical quantity signal and also performs order ratio analysis based on the rotation speed signal. Screw abnormality diagnosis device.
(4) The abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs frequency analysis based on the physical quantity signal and performs Campbell analysis based on the rotation speed signal. Abnormality diagnosis device.
(5) a detection step of detecting a signal generated from a ball screw having a screw shaft and a nut and incorporated in a mechanical facility;
An operation control step of controlling the operation of the ball screw so that the screw shaft of the ball screw operates in a predetermined operation pattern;
In accordance with a predetermined abnormality diagnosis algorithm, an abnormality diagnosis step of performing an abnormality diagnosis of the ball screw based on a signal detected in the detection step;
A ball screw abnormality diagnosis method comprising:
In the detection step, a physical quantity generated by the operation of the ball screw is detected and output as a physical quantity signal, and the rotational speed of the screw shaft of the ball screw is detected and output as a rotational speed signal.
In the operation control step, at least two of a normal operation pattern for the ball screw to operate normally in the mechanical facility and an abnormality diagnosis operation pattern for the ball screw to be abnormally diagnosed by the abnormality diagnosis unit. Switch the operation program of the type to control the operation of the ball screw,
The abnormality diagnosis method for a ball screw, wherein the abnormality diagnosis algorithm is executed when the abnormality diagnosis operation pattern is executed.
(6) In the operation control step, the physical quantity signal and the rotation speed signal are captured, and the physical quantity signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the load state of the ball screw, and the operation condition of the ball screw are set. 4. The ball screw abnormality diagnosis method according to (5), wherein parameters relating to the abnormality diagnosis operation pattern are optimized.
(7) The abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs frequency analysis based on the physical quantity signal and also performs order ratio analysis based on the rotational speed signal, and the ball screw according to (5) or (6) Abnormality diagnosis method.
(8) The abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm for performing frequency analysis based on the physical quantity signal and performing Campbell analysis based on the rotation speed signal. Abnormal diagnosis method.
本発明の上記構成（１）によれば、ボールねじの物理量を検出して物理量信号として出力すると共に、ボールねじのねじ軸の回転速度を検出して回転速度信号として出力し、ボールねじの動作を制御する際には、ボールねじが機械設備で通常通りの動作するための通常動作パターンと、ボールねじが異常診断部により異常診断されるための異常診断動作パターンと、に切り替えてボールねじの動作を制御し、そして、異常診断アルゴリズムは、異常診断動作パターンが実行されるときに実行される。これにより、ボールねじに対し、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定を精度良く行うことができる。 According to the configuration (1) of the present invention, the physical quantity of the ball screw is detected and output as a physical quantity signal, and the rotational speed of the ball screw's screw shaft is detected and output as the rotational speed signal. When controlling the ball screw, switch between the normal operation pattern for normal operation of the ball screw in machine equipment and the abnormal diagnosis operation pattern for abnormal diagnosis of the ball screw by the abnormality diagnosis unit. The operation is controlled, and the abnormality diagnosis algorithm is executed when the abnormality diagnosis operation pattern is executed. Thereby, it is possible to accurately diagnose the presence or absence of an abnormality and to identify an abnormal part with respect to the ball screw.
また、本発明の上記構成（２）によれば、異常診断動作パターンでボールねじの動作を制御する際、物理量信号及び回転速度信号を取り込み、物理量信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、異常診断動作パターンに関するパラメータを最適化する。このため、異常診断の結果に対する、ボールねじのねじ軸の回転加速度の影響を抑制して、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定をより精度良く行うことができる。 According to the configuration (2) of the present invention, when controlling the operation of the ball screw with the abnormality diagnosis operation pattern, the physical quantity signal and the rotational speed signal are taken in, the physical quantity signal, the rotational speed signal, the total length of the ball screw, the ball Based on the load state of the screw and the operating condition of the ball screw, parameters relating to the abnormality diagnosis operation pattern are optimized. For this reason, the influence of the rotational acceleration of the screw shaft of the ball screw on the result of the abnormality diagnosis can be suppressed, and the presence / absence of abnormality and the identification of the abnormal part can be performed with higher accuracy.
また、本発明の上記構成（３）によれば、異常診断アルゴリズムは、物理量信号に基づき周波数分析を行うと共に回転速度信号に基づき次数比分析を行うアルゴリズムを含むため、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定をより精度良く行うことができる。 In addition, according to the configuration (3) of the present invention, the abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs frequency analysis based on a physical quantity signal and also performs order ratio analysis based on a rotation speed signal. It is possible to identify an abnormal part with higher accuracy.
また、本発明の上記構成（４）によれば、異常診断アルゴリズムは、物理量信号に基づき周波数分析を行うと共に回転速度信号に基づきキャンベル解析を行うアルゴリズムを含むため、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定をより精度良く行うことができる。 Further, according to the configuration (4) of the present invention, the abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs frequency analysis based on the physical quantity signal and performs Campbell analysis based on the rotation speed signal. It is possible to more accurately identify the part.
以下、本発明に係るボールねじの異常診断装置、及びボールねじの異常診断方法の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a ball screw abnormality diagnosis device and a ball screw abnormality diagnosis method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態に係る異常診断対象であるボールねじ１０は、図１に示すように、電動モータ５０により回転駆動可能なねじ軸１１と、このねじ軸１１に対して複数のボール（不図示）を介して軸方向に移動可能に外嵌するナット１２と、ねじ軸１１の軸方向両端側に、ナット１２を挟むように立設された一対のブラケット１３，１３と、を有している。
ねじ軸１１は、一対のブラケット１３，１３の中央部に形成された貫通孔１３ａ，１３ａに軸受（不図示）を介して内嵌されており、一対のブラケット１３，１３に対して相対回転可能とされている。ナット１２のフランジ１２ａは、図示しない機械設備、例えば、テーブル送り装置に締結される。これにより、このテーブル送り装置は、電動モータ５０の回転駆動に応じたねじ軸１１の回転によってテーブル送り装置が軸方向に沿って移動することになる。本実施形態では、このように機械設備に組み付けられる状態のボールねじ１０の異常診断を行う。
As shown in FIG. 1, the ball screw 10 that is an abnormality diagnosis target according to the present embodiment includes a screw shaft 11 that can be rotationally driven by an electric motor 50, and a plurality of balls (not shown) with respect to the screw shaft 11. And a pair of brackets 13 and 13 erected so as to sandwich the nut 12 between both ends of the screw shaft 11 in the axial direction.
The screw shaft 11 is fitted in through holes 13a and 13a formed in the center of the pair of brackets 13 and 13 via bearings (not shown), and can be rotated relative to the pair of brackets 13 and 13. It is said that. The flange 12a of the nut 12 is fastened to mechanical equipment (not shown), for example, a table feeder. As a result, in the table feeding device, the table feeding device moves along the axial direction by the rotation of the screw shaft 11 according to the rotational drive of the electric motor 50. In the present embodiment, abnormality diagnosis of the ball screw 10 in a state of being assembled in the machine equipment is performed.
図１に示すように、本実施形態のボールねじの異常診断装置（以下、単に「異常診断装置」とも言う。）２０は、ボールねじ１０の動作によって生じる物理量としての振動を検出して振動信号として出力する振動センサ（検出部、物理量検出部）２１と、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転速度を検出して回転速度信号として出力する回転速度センサ（検出部、回転速度検出部）２２と、ボールねじ１０のねじ軸１１が後述する動作パターンで動作するようにボールねじ１０の動作を制御するコントローラ（動作制御部）２３と、後述する異常診断アルゴリズムに従い、振動センサ２１及び回転速度センサ２２から出力される信号に基づきボールねじ１０の異常診断を行う異常診断部２４と、モニタや報知器等からなり、異常診断部２４の診断結果を外部に出力する出力部２５と、振動センサ２１又は回転速度センサ２２から各々出力される信号を増幅する増幅器２６，２７と、を備える。
なお、異常診断部２４では処理の大部分をソフトウエアにて行っているが、同様な機能が実現できれば、その一部又は全部をＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのハードウエアで実現しても良いし、又はその一部又は全部をアナログ電子回路等で適宜実現しても良い。また、図１中にはフィルタ回路などは図示していないが、信号処理を行う際に必要な種々の電子回路は異常診断装置２０に実装される。
As shown in FIG. 1, a ball screw abnormality diagnosis device (hereinafter, also simply referred to as “abnormality diagnosis device”) 20 according to the present embodiment detects vibration as a physical quantity generated by the operation of the ball screw 10 to detect a vibration signal. As a vibration sensor (detection unit, physical quantity detection unit) 21, and a rotation speed sensor (detection unit, rotation speed detection unit) 22 that detects the rotation speed of the screw shaft 11 of the ball screw 10 and outputs it as a rotation speed signal; The vibration sensor 21 and the rotation speed sensor 22 are controlled according to a controller (operation control unit) 23 that controls the operation of the ball screw 10 so that the screw shaft 11 of the ball screw 10 operates in an operation pattern described later, and an abnormality diagnosis algorithm described later. An abnormality diagnosis unit 24 for performing an abnormality diagnosis of the ball screw 10 based on a signal output from the monitor, an alarm, etc. And an output unit 25 for outputting results to the outside, an amplifier 26, 27 for amplifying the signals respectively outputted from the vibration sensor 21 or speed sensor 22, a.
The abnormality diagnosis unit 24 performs most of the processing by software. However, if a similar function can be realized, a part or all of the processing can be realized by hardware such as an FPGA (Field Programmable Gate Array). Alternatively, some or all of them may be appropriately realized by an analog electronic circuit or the like. Although a filter circuit and the like are not shown in FIG. 1, various electronic circuits necessary for performing signal processing are mounted on the abnormality diagnosis device 20.
振動センサ２１は、加速度式のセンサであり、例えばボールねじ１０のフランジ１２ａの端面に固定される。回転速度センサ２２は、電動モータ５０の近傍に配置され、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転数を測定する。また、振動センサ２１及び回転速度センサ２２の固定方法には、ボルト固定、接着、ボルト固定と接着の使用、及び樹脂材による埋め込みなどを適宜採用する。
なお、本実施形態では、振動センサ２１として加速度式のセンサを例示したが、振動を検出する他のセンサ、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサ等を適宜使用可能であり、また、加速度、速度、歪み、応力、変位等を検出することで、等価的に振動を検出して電気信号に変換することができるものも適宜使用することができる。
The vibration sensor 21 is an acceleration type sensor, and is fixed to the end surface of the flange 12a of the ball screw 10, for example. The rotation speed sensor 22 is disposed in the vicinity of the electric motor 50 and measures the number of rotations of the screw shaft 11 of the ball screw 10. As a method for fixing the vibration sensor 21 and the rotation speed sensor 22, bolt fixing, adhesion, use of bolt fixing and adhesion, embedding with a resin material, or the like is appropriately employed.
In the present embodiment, an acceleration sensor is exemplified as the vibration sensor 21, but other sensors that detect vibration, an AE (Acoustic Emission) sensor, an ultrasonic sensor, a shock pulse sensor, and the like can be used as appropriate. In addition, a device that can detect vibration, equivalently, and convert it into an electrical signal by detecting acceleration, speed, strain, stress, displacement, and the like can be used as appropriate.
コントローラ２３は、主に電動モータ５０の動作を制御する動作制御部として機能し、電動モータ５０を制御することでボールねじ１０のねじ軸１１の動作を制御する。そして、コントローラ２３は、少なくとも、ボールねじ１０が機械設備で通常通りの動作をするための通常動作パターンと、ボールねじ１０が異常診断部２４により異常診断されるための異常診断動作パターンと、の２種類の動作プログラムが実装される。 The controller 23 mainly functions as an operation control unit that controls the operation of the electric motor 50, and controls the operation of the screw shaft 11 of the ball screw 10 by controlling the electric motor 50. Then, the controller 23 includes at least a normal operation pattern for the ball screw 10 to perform a normal operation in the mechanical facility, and an abnormality diagnosis operation pattern for the ball diagnostic diagnosis unit 24 to perform an abnormality diagnosis. Two types of operation programs are implemented.
ここで、通常動作パターンの動作プログラムが実行される際には、異常診断動作パターンの動作プログラムは実行されない。即ち、通常動作パターンの動作プログラムと、異常診断動作パターンの動作プログラムと、は相互に切り替えられて実行される。また、その切り替えは、ボールねじ１０の運転時間等より自動的に行なわれるか、或いはユーザにより必要に応じて適宜手動で行なわれても良い。 Here, when the operation program of the normal operation pattern is executed, the operation program of the abnormality diagnosis operation pattern is not executed. That is, the operation program of the normal operation pattern and the operation program of the abnormality diagnosis operation pattern are executed while being switched to each other. Further, the switching may be automatically performed based on the operation time of the ball screw 10 or the like, or may be manually performed as needed by the user.
また、コントローラ２３は、増幅器２６，２７を介して振動センサ２１及び回転速度センサ２２から出力される振動信号及び回転速度信号をリアルタイムに取り込む。そして、コントローラ２３は、振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、異常診断動作パターンに関するパラメータをリアルタイムで最適化する。
なお、本実施形態では、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件については、異常診断装置２０が稼働する前に予めユーザにより設定又は選択されるが、これに限らず、稼働直前の初期動作の際に適宜他のセンサ情報を取り込んで自動的にこれらパラメータの同定を行うように構成しても良い。
Further, the controller 23 takes in vibration signals and rotation speed signals output from the vibration sensor 21 and the rotation speed sensor 22 via the amplifiers 26 and 27 in real time. Then, the controller 23 optimizes parameters relating to the abnormality diagnosis operation pattern in real time based on the vibration signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the load state of the ball screw, and the operation condition of the ball screw.
In the present embodiment, the total length of the ball screw, the load state of the ball screw, and the operating condition of the ball screw are set or selected by the user in advance before the abnormality diagnosis device 20 is operated. In the initial operation immediately before the operation, other sensor information may be taken in as appropriate and these parameters may be automatically identified.
異常診断部２４も、コントローラ２３と同様に、増幅器２６，２７を介して振動センサ２１及び回転速度センサ２２から出力される振動信号及び回転速度信号をリアルタイムに取り込む。異常診断部２４に組み込まれる異動診断アルゴリズムは、前述した異動診断動作パターンの動作プログラムが実行されるときに同時に実行される。更に、異常診断アルゴリズムは、振動信号に基づき振動周波数分析を行うと共に回転速度信号に基づき次数比分析を行うアルゴリズムを含んで構成される。 Similarly to the controller 23, the abnormality diagnosis unit 24 takes in vibration signals and rotation speed signals output from the vibration sensor 21 and the rotation speed sensor 22 via the amplifiers 26 and 27 in real time. The change diagnosis algorithm incorporated in the abnormality diagnosis unit 24 is executed simultaneously when the operation program of the change diagnosis operation pattern described above is executed. Further, the abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs vibration frequency analysis based on the vibration signal and also performs order ratio analysis based on the rotation speed signal.
出力部２５は、ボールねじ１０に関する異常診断の結果をモニタなどにリアルタイムで表示する。また、異常が検出された場合に、ライトやブザー等の警報機を用いてユーザに異常であることの喚起を促すようにしても良い。 The output unit 25 displays the result of abnormality diagnosis regarding the ball screw 10 on a monitor or the like in real time. In addition, when an abnormality is detected, an alarm device such as a light or a buzzer may be used to prompt the user to be informed of the abnormality.
次に、異常診断動作パターンが実行される際の、異常診断装置２０の動作について説明する。
コントローラ２３はボールねじ１０のねじ軸１１の回転速度を低速（数百ｍｉｎ−１）から高速（数千ｍｉｎ−１）まで徐々に段階的に変化させる。このとき、振動センサ２１によりボールねじ１０から発生する振動を検出して振動信号として出力される。また、同時に、回転速度センサ２２により、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転速度が検出されて回転速度信号として出力される。そして、異常診断部２４はこのときの振動信号及び回転速度信号をリアルタイムに取り込み、異動診断アルゴリズムを実行して周波数分析などを実行する。
なお、簡易で異常診断を行う際には、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転速度の条件を数条件のみに制限して、１又は２往復の異常診断として良いが、より高精度な異常診断を実施するためには、ねじ軸１１の回転速度の変化幅を小さくし、数十往復の異常診断を行うのが望ましい。
Next, the operation of the abnormality diagnosis device 20 when the abnormality diagnosis operation pattern is executed will be described.
The controller 23 gradually changes the rotational speed of the screw shaft 11 of the ball screw 10 from a low speed (several hundred min −1 ) to a high speed (several thousand min −1 ). At this time, vibration generated from the ball screw 10 is detected by the vibration sensor 21 and output as a vibration signal. At the same time, the rotational speed sensor 22 detects the rotational speed of the screw shaft 11 of the ball screw 10 and outputs it as a rotational speed signal. Then, the abnormality diagnosis unit 24 takes in the vibration signal and the rotation speed signal at this time in real time, executes a change diagnosis algorithm, and executes frequency analysis and the like.
When performing a simple abnormality diagnosis, the rotational speed condition of the screw shaft 11 of the ball screw 10 may be limited to only a few conditions, and may be one or two reciprocal abnormality diagnosis. However, a more accurate abnormality diagnosis is possible. In order to carry out the above, it is desirable to make an abnormality diagnosis of several tens of reciprocations by reducing the change width of the rotational speed of the screw shaft 11.
コントローラ２３は、ねじ軸１１の回転速度に応じた加速度をできるだけ一定に保ちつつ、異常診断部２４が周波数分析などに必要なサンプリング時間を確保するために、振動信号及び回転速度信号をリアルタイムで取り込み、振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、異常診断動作パターンに関するパラメータである、電動モータ５０の回転を制御するための時定数をリアルタイムで最適化する。これにより、異常診断部２４の異常診断の結果に対する、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転加速度の影響を抑制する。 The controller 23 captures the vibration signal and the rotational speed signal in real time so that the abnormality diagnosis unit 24 secures a sampling time necessary for frequency analysis while keeping the acceleration according to the rotational speed of the screw shaft 11 as constant as possible. A time constant for controlling the rotation of the electric motor 50, which is a parameter relating to an abnormality diagnosis operation pattern, based on the vibration signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the load state of the ball screw, and the operating condition of the ball screw. Optimize in real time. Thereby, the influence of the rotational acceleration of the screw shaft 11 of the ball screw 10 on the result of the abnormality diagnosis of the abnormality diagnosis unit 24 is suppressed.
ここで、異常診断部２４の異常診断の結果に対する、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転加速度の影響について詳細に説明する。通常、機械設備に組み込まれるボールねじ１０は有限長であるため、ナット１２がボールねじ１０の軸方向（長手方向）で両端部分にあるとき、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転速度がゼロとなる。このため、従来技術の異常診断装置では、回転速度がゼロの状態から所定の一定回転速度まで達するまでの回転加速度（直線移動による加速度）が大きいと、この加速度によって生じる振動が、ボールねじ１０から発生する振動信号に重畳することがあった。その結果、異常診断のための振動信号を取り出せないばかりか、振動センサ２１の許容量を超える信号が入力されることにもなり、振動センサ２１の増幅器２６から出力される振動信号に歪みが生じてしまい、場合によっては、正常であるにも関わらず、異常有りとして誤った異常診断される可能性あった。これに対し、本実施形態では、このような事態を回避するために、前述したように、コントローラ２３が、振動信号及び回転速度信号をリアルタイムで取り込み、振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、異常診断動作パターンに関するパラメータ（電動モータ５０の回転を制御するための時定数）をリアルタイムで最適化する。 Here, the influence of the rotational acceleration of the screw shaft 11 of the ball screw 10 on the result of the abnormality diagnosis of the abnormality diagnosis unit 24 will be described in detail. Normally, since the ball screw 10 incorporated in the mechanical equipment has a finite length, when the nut 12 is at both ends in the axial direction (longitudinal direction) of the ball screw 10, the rotational speed of the screw shaft 11 of the ball screw 10 is zero. Become. Therefore, in the abnormality diagnosis device of the prior art, if the rotational acceleration (acceleration due to linear movement) from the state where the rotational speed is zero to a predetermined constant rotational speed is large, vibration caused by this acceleration is caused from the ball screw 10. In some cases, it was superimposed on the generated vibration signal. As a result, not only a vibration signal for abnormality diagnosis cannot be extracted, but also a signal exceeding the allowable amount of the vibration sensor 21 is input, and the vibration signal output from the amplifier 26 of the vibration sensor 21 is distorted. In some cases, there is a possibility that the abnormality is diagnosed as being abnormal although it is normal. On the other hand, in this embodiment, in order to avoid such a situation, as described above, the controller 23 captures the vibration signal and the rotation speed signal in real time, and the vibration signal, the rotation speed signal, and the total length of the ball screw. Based on the load state of the ball screw and the operating condition of the ball screw, the parameter relating to the abnormality diagnosis operation pattern (time constant for controlling the rotation of the electric motor 50) is optimized in real time.
そして、異常診断部２４により、振動信号に基づき振動周波数分析が行なわれると共に、回転速度信号に基づき次数比分析が行なわれる。次数比分析では、振動周波数分析された結果は次数比ごとに正規化され、回転速度信号に起因する成分の現象が検証されることになる。このとき、異常の発生が疑われる箇所ごとに最も適した次数が抽出される。例えば、ボールに起因する異常であればボールの傷に起因した振動成分ｎｆｂが抽出され、ナット１２に起因する異常であればナット１２の軌道面の傷に起因した振動成分ｎｆｍＭが抽出され、ねじ軸１１に起因する異常であればねじ軸１１の軌道面の傷に起因した振動成分ｎｆｍＢが抽出される（ｎは正の整数１、２、３、・・・、を意味する）。このように異常診断された結果は、出力部２５を介してユーザに報知されることになる。 Then, the abnormality diagnosis unit 24 performs vibration frequency analysis based on the vibration signal and also performs order ratio analysis based on the rotation speed signal. In the order ratio analysis, the result of the vibration frequency analysis is normalized for each order ratio, and the phenomenon of the component due to the rotation speed signal is verified. At this time, the most suitable order is extracted for each location where the occurrence of abnormality is suspected. For example, if the abnormality is due to the ball, the vibration component nfb due to the scratch on the ball is extracted. If the abnormality is due to the nut 12, the vibration component nfmm due to the scratch on the raceway surface of the nut 12 is extracted. If an abnormality is caused by the shaft 11, a vibration component nfmB caused by a flaw on the raceway surface of the screw shaft 11 is extracted (n means a positive integer 1, 2, 3,...). The result of the abnormality diagnosis is notified to the user via the output unit 25.
このように構成された、本実施形態によれば、ボールねじ１０の動作によって生じる振動を検出して振動信号として出力すると共に、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転速度を検出して回転速度信号として出力し、ボールねじ１０の動作を制御する際には、ボールねじ１０が機械設備で通常通りの動作するための通常動作パターンと、ボールねじ１０が異常診断部２４により異常診断されるための異常診断動作パターンと、に切り替えてボールねじ１０の動作を制御し、そして、異常診断アルゴリズムは、異常診断動作パターンが実行されるときに実行される。これにより、ボールねじ１０に対し、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定を精度良く行うことができる。 According to the present embodiment configured as described above, the vibration generated by the operation of the ball screw 10 is detected and output as a vibration signal, and the rotation speed of the screw shaft 11 of the ball screw 10 is detected to detect the rotation speed signal. When the operation of the ball screw 10 is controlled, the normal operation pattern for the ball screw 10 to operate normally in the mechanical equipment and the abnormality diagnosis unit 24 for abnormality diagnosis The operation of the ball screw 10 is controlled by switching to the abnormality diagnosis operation pattern, and the abnormality diagnosis algorithm is executed when the abnormality diagnosis operation pattern is executed. As a result, it is possible to accurately diagnose the presence or absence of an abnormality and to specify the abnormal part of the ball screw 10.
また、本実施形態によれば、異常診断動作パターンでボールねじ１０の動作を制御する際、振動信号及び回転速度信号をリアルタイムに取り込み、振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、異常診断動作パターンに関するパラメータである、電動モータ５０の回転を制御するための時定数を、リアルタイムで最適化する。このため、異常診断の結果に対する、ボールねじ１０のねじ軸１１の回転加速度の影響を抑制して、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定をより精度良く行うことができる。 Further, according to the present embodiment, when controlling the operation of the ball screw 10 with the abnormality diagnosis operation pattern, the vibration signal and the rotation speed signal are captured in real time, and the vibration signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the ball screw Based on the load state and ball screw operating conditions, a time constant for controlling the rotation of the electric motor 50, which is a parameter relating to the abnormality diagnosis operation pattern, is optimized in real time. For this reason, the influence of the rotational acceleration of the screw shaft 11 of the ball screw 10 on the result of the abnormality diagnosis can be suppressed, and the presence / absence of abnormality and the identification of the abnormal part can be performed with higher accuracy.
また、本実施形態によれば、異常診断アルゴリズムは、振動信号に基づき振動周波数分析を行うと共に回転速度信号に基づき次数比分析を行うアルゴリズムを含むため、異常の有無の診断、及び異常の部位の特定をより精度良く行うことができる。 In addition, according to the present embodiment, the abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs vibration frequency analysis based on the vibration signal and also performs order ratio analysis based on the rotation speed signal. The identification can be performed with higher accuracy.
次に、前述の実施形態に係るボールねじの異常診断装置、及びボールねじの異常診断方法の変形例について説明する。
本変形例では、異常診断アルゴリズムは、振動信号に基づき振動周波数分析を行うと共に回転速度信号に基づきキャンベル解析を行うアルゴリズムを含む。つまり、本実施例は、前述の実施形態と比べ、次数比分析の代わりにキャンベル解析を行う点で異なる。ここで、キャンベル解析とは、回転速度の変化に対応する振動特性の変化を解析する手法をいう。
Next, modifications of the ball screw abnormality diagnosis device and the ball screw abnormality diagnosis method according to the above-described embodiment will be described.
In this modification, the abnormality diagnosis algorithm includes an algorithm that performs vibration frequency analysis based on the vibration signal and performs Campbell analysis based on the rotation speed signal. That is, this example differs from the above-described embodiment in that Campbell analysis is performed instead of the order ratio analysis. Here, Campbell analysis refers to a technique for analyzing changes in vibration characteristics corresponding to changes in rotational speed.
本実施例においても、前述の実施形態と同様に、異常の発生が疑われる箇所ごとに最も適した成分が抽出される。例えば、ボールに起因する異常であればボールの傷に起因した振動成分ｎｆｂが抽出され、ナット１２に起因する異常であればナット１２の軌道面の傷に起因した振動成分ｎｆｍＭが抽出され、ねじ軸１１に起因する異常であればねじ軸１１の軌道面の傷に起因した振動成分ｎｆｍＢが抽出される（ｎは正の整数１、２、３、・・・、を意味する）。
その他の構成及び作用効果については、前述の実施形態と同じである。
Also in this example, as in the above-described embodiment, the most suitable component is extracted for each location where an occurrence of abnormality is suspected. For example, if the abnormality is due to the ball, the vibration component nfb due to the scratch on the ball is extracted. If the abnormality is due to the nut 12, the vibration component nfmm due to the scratch on the raceway surface of the nut 12 is extracted. If an abnormality is caused by the shaft 11, a vibration component nfmB caused by a flaw on the raceway surface of the screw shaft 11 is extracted (n means a positive integer 1, 2, 3,...).
About another structure and an effect, it is the same as the above-mentioned embodiment.
（実施例）
次に、本発明に係る実施形態の異常診断装置１０を用いた場合の診断結果の精度を確認するため、以下の２つの試験を行った。
なお、実施例１は次数比分析を採用した例を示し、実施例２はキャンベル解析を採用した例を示す。
(Example)
Next, in order to confirm the accuracy of the diagnosis result when the abnormality diagnosis apparatus 10 according to the embodiment of the present invention was used, the following two tests were performed.
In addition, Example 1 shows the example which employ | adopted order ratio analysis, Example 2 shows the example which employ | adopted Campbell analysis.
（実施例１）
本実施例では、試験対象物として、日本精工株式会社製ＢＳＳ５０１２のボールねじを用いた。このボールねじのねじ軸の回転速度３０００ｍｉｎ−１とした時の１次成分（ｎ＝１）のボールの自転周波数ｆｂは２７１Ｈｚ、ナットの軌道面上のボールの通過周波数ｆｍＭは５７３Ｈｚ、ねじ軸の軌道面上のボールの通過周波数ｆｍＢは６８９Ｈｚである（以下の参考文献（１）及び（２）を参照。）。
参考文献（１）：下田博一 「ボールねじの設計解析 第１章 ボールねじ構造の幾何学的解析」 設計・製図、 Ｖｏｌ.２６、 Ｎｏ．１０、 ４７９−４８６
参考文献（２）：下田博一 「ボールねじの設計解析 第２章 ボールねじ構造の幾何学的解析」 設計・製図、 Ｖｏｌ.２６、 Ｎｏ．１１、 ５１９−５２４
Example 1
In this example, a ball screw of BSS5012 manufactured by NSK Ltd. was used as a test object. When the rotational speed of the screw shaft of this ball screw is 3000 min −1 , the ball rotation frequency fb of the primary component (n = 1) is 271 Hz, the ball passing frequency fmM on the raceway surface of the nut is 573 Hz, and the screw shaft The passing frequency fmB of the ball on the raceway surface is 689 Hz (see the following references (1) and (2)).
Reference (1): Hirokazu Shimoda “Ball Screw Design Analysis Chapter 1 Geometrical Analysis of Ball Screw Structure” Design and Drafting, Vol. 10, 479-486
Reference (2): Hirokazu Shimoda “Ball Screw Design Analysis Chapter 2: Geometrical Analysis of Ball Screw Structure” Design and Drafting, Vol. 11, 519-524
なお、本実施例では、日本精工株式会社製ＢＳＳ５０１２のボールねじを用いたが、これ以外のボールねじにも適宜適用することができる。このときには、ボール自転周波数ｆｂ、ボール通過周波数ｆｍＭ，ｆｍＢ、ねじ軸の回転速度に対するコントローラ内の時定数を計算又は試験により求めれば良い。 In this example, the ball screw of BSS5012 manufactured by NSK Ltd. was used, but the present invention can be applied as appropriate to other ball screws. At this time, the time constant in the controller with respect to the ball rotation frequency fb, the ball passing frequency fmM, fmB, and the rotation speed of the screw shaft may be obtained by calculation or test.
また、電動モータの回転を制御するための時定数、即ち、ねじ軸の回転速度に対するコントローラ（動作制御部）内の時定数は１０００ｍｉｎ−１／ｓｅｃ程度となるように初期設定される。また、異常診断部の異常診断の結果に対するねじ軸の回転加速度の影響を抑制するために、時定数は１０００ｍｉｎ−１／ｓｅｃを基準として、振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、コントローラによってリアルタイムで最適化される。 Further, the time constant for controlling the rotation of the electric motor, that is, the time constant in the controller (operation control unit) with respect to the rotational speed of the screw shaft is initially set to be about 1000 min −1 / sec. Further, in order to suppress the influence of the rotational acceleration of the screw shaft on the abnormality diagnosis result of the abnormality diagnosis unit, the time constant is based on 1000 min −1 / sec as a reference, the vibration signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the ball screw Is optimized in real time by the controller based on the load state and the ball screw operating conditions.
この状態で、ねじ軸の回転速度１５０ｍｉｎ−１から３０００ｍｉｎ−１まで徐々に段階的に変化させる。このとき、ボールねじの振動信号及びねじ軸の回転速度信号を同時に取り込んで、次数比分析を実施する。これにより、異常の有無の診断と、ボールねじのいずれかの各部品（ボール、ナット、ねじ軸）で異常が発生しているか否か、異常の部位の特定を行う。即ち、異常の部位に起因した振動が生じている場合、この分析を通じてユーザは、出力部に表示される次数比分析の結果から、その異常の有無及び異常の位置を認識することができる。 In this state, gradually stepwise changing the rotational speed 150 min -1 of the screw shaft up to 3000 min -1. At this time, the vibration ratio signal of the ball screw and the rotational speed signal of the screw shaft are simultaneously acquired, and the order ratio analysis is performed. Thereby, the presence or absence of abnormality is diagnosed, and whether or not an abnormality has occurred in any of the components (ball, nut, screw shaft) of the ball screw is specified. That is, when vibration due to an abnormal part is generated, the user can recognize the presence / absence of the abnormality and the position of the abnormality from the result of the order ratio analysis displayed on the output unit through this analysis.
以下に、ボールねじの部品のうち、ボールについて異常の有無を診断した結果を説明する。図２に新品状態のボール（正常品）を有するボールねじの次数比分析の結果を、図３に剥離が生じたボール（異常品）を有するボールねじの次数比分析の結果を示す。これら図２及び３に示す結果は、いずれも１００ｏｒｄまで次数比分析を実施した結果である。 Below, the result of having diagnosed the presence or absence of abnormality in the ball among the components of the ball screw will be described. FIG. 2 shows the result of the order ratio analysis of a ball screw having a new ball (normal product), and FIG. 3 shows the result of the order ratio analysis of a ball screw having a peeled ball (abnormal product). These results shown in FIGS. 2 and 3 are the results of the order ratio analysis up to 100 ord.
図３に示すように、剥離が生じた場合には、回転速度信号ごとのｎｆｂに相当する次数上にピークが表出し、そのピークはｎ倍成分（２〜１５次成分）にも表出しており、ボールに異常が発生していることが分かる。 As shown in FIG. 3, when peeling occurs, a peak appears on the order corresponding to nfb for each rotation speed signal, and the peak also appears on the n-fold component (2-15th order component). It can be seen that there is an abnormality in the ball.
その一方で、図２に示すように、正常品には、回転速度信号ごとのｎｆｂに相当する次数上に目立ったピークは表出されておらず、ボールに異常が発生していないことが分かる。 On the other hand, as shown in FIG. 2, the normal product does not show a conspicuous peak on the order corresponding to nfb for each rotation speed signal, and it is understood that no abnormality occurs in the ball. .
このように、回転速度信号ごとのｎｆｂに相当する次数上のピークに着目することによって、ボールについての異常診断が可能である。なお、ここには示さないが、ナットやねじ軸等の他の部位についても、回転速度ごとのｎｆｍＭ又はｎｆｍＢに相当する次数上のピークに着目することによって、異常診断を行うことができる。 Thus, by paying attention to the peak on the order corresponding to nfb for each rotation speed signal, it is possible to diagnose the abnormality of the ball. Although not shown here, abnormality diagnosis can be performed for other parts such as nuts and screw shafts by paying attention to the peak on the order corresponding to nfmm or nfmB for each rotation speed.
以上により、本実施例によれば、本発明がボールねじの異常の有無の診断と、及び異常の部位の特定を精度良く行う上で有用であることが分かる。
なお、従来例としてコントローラが振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、異常診断動作パターンに関するパラメータ（電動モータの回転を制御するための時定数）をリアルタイムで最適化していないものを用意し、同様の試験を行った。この試験においては、ボールねじのねじ軸の回転加速度の影響を顕著に受け、次数比分析が殆ど実施できないことが確認された。
As described above, according to the present embodiment, it can be seen that the present invention is useful for diagnosing the presence / absence of abnormality of the ball screw and specifying the abnormal part with high accuracy.
Note that, as a conventional example, the controller has parameters related to an abnormality diagnosis operation pattern (for controlling the rotation of the electric motor) based on the vibration signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the load state of the ball screw, and the operating condition of the ball screw. The same test was carried out with a time constant not optimized in real time. In this test, it was confirmed that the order ratio analysis could hardly be performed due to the remarkable influence of the rotational acceleration of the screw shaft of the ball screw.
（実施例２）
本実施例では、試験対象物として、ねじ軸径Φ５０ｍｍ、ボール径Φ６．３５ｍｍ、ＢＣＤ５１ｍｍのボールねじを用いた。このボールねじのねじ軸の回転速度３０００ｍｉｎ−１とした時の１次成分（ｎ＝１）のボールの自転周波数ｆｂは２７１Ｈｚ、ナットの軌道面上のボールの通過周波数ｆｍＭは５７３Ｈｚ、ねじ軸の軌道面上のボールの通過周波数ｆｍＢは６８９Ｈｚである（上述の参考文献（１）及び（２）参照。）。
(Example 2)
In this example, a ball screw having a screw shaft diameter of Φ50 mm, a ball diameter of Φ6.35 mm, and a BCD of 51 mm was used as a test object. When the rotational speed of the screw shaft of this ball screw is 3000 min −1 , the ball rotation frequency fb of the primary component (n = 1) is 271 Hz, the ball passing frequency fmM on the raceway surface of the nut is 573 Hz, and the screw shaft The passing frequency fmB of the ball on the raceway is 689 Hz (see the above-mentioned references (1) and (2)).
なお、本実施例では、ねじ軸径Φ５０ｍｍ、ボール径Φ６．３５ｍｍ、ＢＣＤ５１ｍｍのボールねじを用いたが、それ以外のボールねじにも適宜適用することができる。このときには、ボール自転周波数ｆｂ、ボール通過周波数ｆｍＭ，ｆｍＢ、ねじ軸の回転速度に対するコントローラ内の時定数を計算又は試験により求めれば良い。 In this embodiment, a ball screw having a screw shaft diameter of Φ50 mm, a ball diameter of Φ6.35 mm, and a BCD of 51 mm is used. However, the present invention can be appropriately applied to other ball screws. At this time, the time constant in the controller with respect to the ball rotation frequency fb, the ball passing frequency fmM, fmB, and the rotation speed of the screw shaft may be obtained by calculation or test.
また、電動モータの回転を制御するための時定数、即ち、ねじ軸の回転速度に対するコントローラ（動作制御部）内の時定数は１０００ｍｉｎ−１／ｓｅｃ程度となるように初期設定される。また、異常診断部の異常診断の結果に対する、ねじ軸の回転加速度の影響を抑制するために、時定数は１０００ｍｉｎ−１／ｓｅｃを基準として、振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき、コントローラによってリアルタイムで最適化される。 Further, the time constant for controlling the rotation of the electric motor, that is, the time constant in the controller (operation control unit) with respect to the rotational speed of the screw shaft is initially set to be about 1000 min −1 / sec. Further, in order to suppress the influence of the rotational acceleration of the screw shaft on the abnormality diagnosis result of the abnormality diagnosis unit, the time constant is based on 1000 min −1 / sec as a reference, the vibration signal, the rotation speed signal, the total length of the ball screw, the ball Based on the load state of the screw and the operating condition of the ball screw, it is optimized in real time by the controller.
この状態で、ねじ軸の回転速度１５０ｍｉｎ−１から３０００ｍｉｎ−１まで徐々に段階的に変化させる。このとき、ボールねじの振動信号及びねじ軸の回転速度信号を同時に取り込んで、キャンベル解析を実施する。これにより、異常の有無の診断と、ボールねじのいずれかの各部品（ボール、ナット、ねじ軸）で異常が発生しているか否か、異常の部位の特定を行う。即ち、本実施例でも、異常の部位に起因した振動が生じている場合、この解析を通じてユーザは、出力部に表示されるキャンベル解析の結果から、その異常の有無及び異常の位置を認識することができる。 In this state, gradually stepwise changing the rotational speed 150 min -1 of the screw shaft up to 3000 min -1. At this time, the vibration signal of the ball screw and the rotational speed signal of the screw shaft are taken in at the same time, and the Campbell analysis is performed. Thereby, the presence or absence of abnormality is diagnosed, and whether or not an abnormality has occurred in any of the components (ball, nut, screw shaft) of the ball screw is specified. That is, also in this embodiment, when vibration due to an abnormal part is generated, the user recognizes the presence / absence of the abnormality and the position of the abnormality from the result of the Campbell analysis displayed on the output unit through this analysis. Can do.
図４には新品状態のボール（正常品）を有するボールねじのキャンベル解析の結果を示すキャンベル線図が、図５には剥離が生じたボール（異常品）を有するボールねじのキャンベル解析の結果を示すキャンベル線図が、それぞれ表されている。これら図４及び５に示す結果は、いずれも１ｆｂを基本次数として１ｆｂ〜９ｆｂまで（回転次数比１〜５０ｏｒｄに相当）のキャンベル解析を実施した結果である。
なお、図中の「○」印は、その位置（回転速度／周波数）において振動が生じていることを示しており、「○」のサイズが大きいものほど振動レベルが大きいことを意味する。
FIG. 4 shows a Campbell diagram showing the result of a Campbell analysis of a ball screw having a new ball (normal product), and FIG. 5 shows the result of a Campbell analysis of a ball screw having a peeled ball (abnormal product). The Campbell diagrams showing are respectively shown. The results shown in FIGS. 4 and 5 are the results of performing Campbell analysis from 1 fb to 9 fb (corresponding to a rotation order ratio of 1 to 50 ord) with 1 fb as the basic order.
Note that “◯” in the figure indicates that vibration is occurring at the position (rotation speed / frequency), and the larger the size of “◯”, the greater the vibration level.
図５に示すように、ボール剥離が生じた場合には、回転速度ごとのｆｂに相当するライン上に「○」が多く表出し、その「○」の大きさも正常品に比べて大きく、密度も高いことが分かる。この「○」は、ｎ倍成分（１〜９ｆｂ）にも表出しており、ボールねじのボールに異常が発生していることが分かる。 As shown in FIG. 5, when the ball is peeled off, many “◯” appear on the line corresponding to fb for each rotation speed, and the size of “○” is larger than that of the normal product, and the density It can be seen that it is expensive. This “◯” is also expressed in the n-fold component (1 to 9 fb), and it can be seen that an abnormality has occurred in the ball of the ball screw.
その一方で、図４に示すように、正常品には、回転速度ごとのｆｂに相当するライン上に密度が高い、目立った「○」は表出されておらず、ボールねじのボールに異常が発生していないことが分かる。 On the other hand, as shown in FIG. 4, the normal product has a high density on the line corresponding to fb for each rotation speed, and no conspicuous “◯” is displayed, and the ball screw ball is abnormal. It turns out that does not occur.
以上により、本実施例によれば、本発明がボールねじの異常の有無の診断と、及び異常の部位の特定を精度良く行う上で有用であることが分かる。
なお、本実施例でも、従来例としてコントローラが振動信号、回転速度信号、ボールねじの全長、ボールねじの負荷状態、及びボールねじの運転条件に基づき異常診断動作パターンに関するパラメータ（電動モータの回転を制御するための時定数）をリアルタイムで最適化していないものを用意し、同様の試験を行った。この試験においては、ボールねじのねじ軸の回転加速度の影響を顕著に受け、キャンベル解析が殆ど実施できないことが確認された。
As described above, according to the present embodiment, it can be seen that the present invention is useful for diagnosing the presence / absence of abnormality of the ball screw and specifying the abnormal part with high accuracy.
In this embodiment as well, as a conventional example, the controller uses a vibration signal, a rotation speed signal, a total length of the ball screw, a load state of the ball screw, and a parameter relating to an abnormality diagnosis operation pattern (the rotation of the electric motor). A time constant for control) that was not optimized in real time was prepared, and the same test was performed. In this test, it was confirmed that the Campbell analysis could hardly be performed due to the influence of the rotational acceleration of the screw shaft of the ball screw.
なお、本発明は前述の実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、前述の異常診断装置では、ボールねじの動作によって生じる物理量として振動を検出対象としたが、物理量としては振動に限らず、音、速度、変位等を用いても良い。また、これらの物理量を検出する箇所も、ボールねじ本体の近傍に設置されれば、いずれの箇所にも設置可能である。
また、前述の異常診断装置では、次数比分析又はキャンベル解析の分析手法を用いたが、ボールねじの異常の有無の診断及び異常の部位の特定を更に精度良くするため、例えば、フィルタ処理、エンベロープ周波数分析などを適宜用いると良い。
In addition, this invention is not limited to what was illustrated to the above-mentioned embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
For example, in the above-described abnormality diagnosis apparatus, vibration is detected as a physical quantity generated by the operation of the ball screw. However, the physical quantity is not limited to vibration, and sound, speed, displacement, or the like may be used. Moreover, if the location which detects these physical quantities is installed in the vicinity of the ball screw main body, it can be installed at any location.
In the above-described abnormality diagnosis apparatus, the analysis method of the order ratio analysis or the Campbell analysis is used. However, in order to make the diagnosis of the presence / absence of abnormality of the ball screw and the identification of the abnormal part more accurate, for example, filter processing, envelope Frequency analysis or the like may be used as appropriate.
１０ ボールねじ
１１ ねじ軸
１２ ナット
１２ａ フランジ
１３ ブラケット
１３ａ 貫通孔
２０ ボールねじの異常診断装置
２１ 振動センサ（検出部、物理量検出部）
２２ 回転速度センサ（検出部、回転速度検出部）
２３ コントローラ（動作制御部）
２４ 異常診断部
２５ 出力部
２６，２７ 増幅器
５０ 電動モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ball screw 11 Screw shaft 12 Nut 12a Flange 13 Bracket 13a Through-hole 20 Ball screw abnormality diagnosis device 21 Vibration sensor (detection unit, physical quantity detection unit)
22 Rotational speed sensor (detector, rotational speed detector)
23 Controller (Operation control unit)
24 Abnormality diagnosis unit 25 Output unit 26, 27 Amplifier 50 Electric motor
Claims (8)
前記ボールねじの前記ねじ軸が所定の動作パターンで動作するように前記ボールねじの動作を制御する動作制御部と、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出部から出力される信号に基づき前記ボールねじの異常診断を行う異常診断部と、
を備えるボールねじの異常診断装置であって、
前記検出部は、前記ボールねじの動作によって生じる物理量を検出して物理量信号として出力する物理量検出部と、前記ボールねじの前記ねじ軸の回転速度を検出して回転速度信号として出力する回転速度検出部と、を含み、
前記動作制御部には、前記ボールねじが前記機械設備で通常通りの動作をするための通常動作パターンと、前記ボールねじが前記異常診断部により異常診断されるための異常診断動作パターンと、の少なくとも２種類の動作プログラムが実装され、
前記異常診断アルゴリズムは、前記異常診断動作パターンの動作プログラムが実行されるときに実行されることを特徴とするボールねじの異常診断装置。 A detection unit for detecting a signal generated from a ball screw having a screw shaft and a nut and incorporated in a mechanical facility;
An operation control unit for controlling the operation of the ball screw so that the screw shaft of the ball screw operates in a predetermined operation pattern;
In accordance with a predetermined abnormality diagnosis algorithm, an abnormality diagnosis unit that performs an abnormality diagnosis of the ball screw based on a signal output from the detection unit;
A ball screw abnormality diagnosis device comprising:
The detection unit detects a physical quantity generated by the operation of the ball screw and outputs it as a physical quantity signal, and a rotation speed detection that detects the rotation speed of the screw shaft of the ball screw and outputs it as a rotation speed signal. And
The operation control unit includes a normal operation pattern for the ball screw to perform a normal operation in the mechanical facility, and an abnormality diagnosis operation pattern for the ball screw to be abnormally diagnosed by the abnormality diagnosis unit. At least two types of operation programs are implemented,
The abnormality diagnosis device for a ball screw, wherein the abnormality diagnosis algorithm is executed when an operation program for the abnormality diagnosis operation pattern is executed.
前記ボールねじの前記ねじ軸が所定の動作パターンで動作するように前記ボールねじの動作を制御する動作制御工程と、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出工程で検出される信号に基づき前記ボールねじの異常診断を行う異常診断工程と、
を備えるボールねじの異常診断方法であって、
前記検出工程では、前記ボールねじの動作によって生じる物理量を検出して物理量信号として出力すると共に、前記ボールねじの前記ねじ軸の回転速度を検出して回転速度信号として出力し、
前記動作制御工程では、前記ボールねじが前記機械設備で通常通りの動作するための通常動作パターンと、前記ボールねじが前記異常診断部により異常診断されるための異常診断動作パターンと、の少なくとも２種類の動作プログラムを切り替えて前記ボールねじの動作を制御し、
前記異常診断アルゴリズムは、前記異常診断動作パターンが実行されるときに実行されることを特徴とするボールねじの異常診断方法。 A detection step of detecting a signal generated from a ball screw having a screw shaft and a nut and incorporated in a mechanical facility;
An operation control step of controlling the operation of the ball screw so that the screw shaft of the ball screw operates in a predetermined operation pattern;
In accordance with a predetermined abnormality diagnosis algorithm, an abnormality diagnosis step of performing an abnormality diagnosis of the ball screw based on a signal detected in the detection step;
A ball screw abnormality diagnosis method comprising:
In the detection step, a physical quantity generated by the operation of the ball screw is detected and output as a physical quantity signal, and the rotational speed of the screw shaft of the ball screw is detected and output as a rotational speed signal.
In the operation control step, at least two of a normal operation pattern for the ball screw to operate normally in the mechanical facility and an abnormality diagnosis operation pattern for the ball screw to be abnormally diagnosed by the abnormality diagnosis unit. Switch the operation program of the type to control the operation of the ball screw,
The abnormality diagnosis method for a ball screw, wherein the abnormality diagnosis algorithm is executed when the abnormality diagnosis operation pattern is executed.
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