JP2018194303A - リニアガイドウェイの予圧変化を計測する方法 - Google Patents
リニアガイドウェイの予圧変化を計測する方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】リニアガイドウェイを工作機械から一々取り外すことなくリニアガイドウェイの予圧の変化を検出する方法を提供する。【解決手段】第１の時点でのテーブルに関する第１の振動信号を生成し、第１の振動信号に基づいて固有周波数と実稼働モード形状を算出し、理論モード形状と実稼働モード形状に基づいて第１の固有周波数を算出し、第２の時点でのテーブルに関する第２の振動信号を生成し、第２の振動信号に基づいて固有周波数と実稼働モード形状を算出し、理論モード形状と実稼働モード形状に基づいて第２の固有周波数を算出し、第１の固有周波数と第２の固有周波数に基づいてリニアガイドウェイの予圧の変化を計測する。【選択図】図２
Description
本発明は、リニアガイドウェイのための予圧変化を計測する方法に関し、特には、工作機械に用いられるリニアガイドウェイのための予圧変化の算出方法に関する。
動力伝達装置としてのリニアガイドウェイは、その位置決め精度及び剛性を高めるために、出荷前に所定の予圧（プリロード）が選定され与えられている。また、所定の予圧が付与されたリニアガイドウェイが工作機械に取り付けられて用いられると、良好な精度、剛性で作動することができる。しかし、リニアガイドウェイは使用につれて摩損するため、所定の与圧が一定に保持することができず下がってしまう。そして、所定の剛性、作動精度等を良好に保持するために、予圧が所定のしきい値以下になると、リニアガイドウェイの交換が行われる。予圧の低下を検出するにあたって計測工具によってリニアガイドウェイの予圧の計測を行う方法が従来から用いられているが、予圧を計測するためにはリニアガイドウェイをまず工作機械から取り外さなければならない。このように予圧の変化を計測するために一々工作機械からリニアガイドウェイを取り外すことをしなければならないのは、面倒で時間が掛かる問題点がある。
そこで、特許文献１では、ボールねじが作動する時の予圧残存率を測定することで、予圧の変化を推定して予圧の低下状態を検出する方法が提案されている。
特許文献１による予圧残存率計測方法はボールねじに適用しているが、リニアガイドウェイに適用する例については説明していない。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、リニアガイドウェイを工作機械から一々取り外すことなくリニアガイドウェイの予圧の変化を検出する方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明にかかる方法は、少なくとも１つのリニアガイドウェイと、少なくとも１つの前記リニアガイドウェイを跨いで設けられたテーブルを備え、複数の振動センサーが前記テーブルに取り付けられている工作機械における少なくとも１つの前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測する方法であって、複数の前記振動センサー及び計算モジュールを用いて、複数の前記振動センサーによって第１の時点での前記テーブルの振動を検出して複数の第１の振動信号を生成するステップと、前記計算モジュールによって前記テーブルに関する少なくとも１つの理論モード形状と複数の前記第１の振動信号とに基づき、前記テーブルに関する少なくとも１つの第１の固有周波数を算出するステップと、複数の前記振動センサーによって第２の時点での前記テーブルの振動を検出して複数の第２の振動信号を生成するステップと、前記計算モジュールによって前記テーブルに関する少なくとも１つの理論モード形状と複数の前記第２の振動信号とに基づき、前記テーブルに関する少なくとも１つの第２の固有周波数を算出するステップと、前記計算モジュールによって少なくとも１つの前記第１の固有周波数と少なくとも１つの前記第２の固有周波数に基づき、少なくとも１つの前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測するステップと、を実行することを特徴とする。
本発明に係る方法によれば、少なくとも１つの理論モード形状と複数の第１の振動信号に基づいて第１の時点でのテーブルに関する少なくとも１つの第１の固有周波数を取得する。少なくとも１つの理論モード形状と複数の第２の振動信号に基づいて第２の時点でのテーブルに関する第２の固有周波数を取得する。少なくとも１つの第１の固有周波数と少なくとも１つの第２の固有周波数に基づいてリニアガイドウェイの予圧値の低下を測る。このようにすると、リニアガイドウェイを工作機械から取り外さなくてもリニアガイドウェイの予圧値の変化を計測することができる
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する以下の実施形態の詳細な説明において明白になるであろう。
以下、本発明に係るリニアガイドウェイの予圧計測方法の一例について図面を参照して説明する。
図１は、リニアガイドウェイが用いられている工作機械を示す平面図である。図中、２は、従来から用いられている工作機械を表す。工作機械２は、従来機であり、モーター２１と、フィードユニット２２とを備えている。フィードユニット２２はモーター２１に連結されたねじ軸２２１と、ねじ軸２２１と枢動可能に連結されたベアリング２２２と、ねじ軸２２１と同じ軸方向に沿うように平行にねじ軸２２１の両側に並んで設けられた２つのリニアガイドウェイ２２３と、リニアガイドウェイ２２３を跨いで設けられたテーブル２２４とを有する。なお、リニアガイドウェイ２２３はそれぞれ、同じ初期予圧（プリロード）が付与されている。
テーブル２２４は、ねじ軸２２１によって駆動可能にリニアガイドウェイ２２３の長手方向に沿って滑り移動可能に設けられており、複数例えば３つの振動センサー１が並んで取り付けられている。
各振動センサー１は、テーブル２２４の振動を計測するために用いられるものであり、計測モジュール（図示せず）に電気的に連結されている。なお、計測モジュールは、リニアガイドウェイ２２３に付与された予圧（プリロード）の変化を例えば下述の方法で算出できるものであればよく、例えば携帯装置のマイクロコントローラー、パソコン（ＰＣ）のセントラルプロセシングユニット（ＣＰＵ）、又はシステムオンチップ（ＳｏＣ）等によって実現される。この例では、計測モジュールは、汎用計算機を含有している。
次に、上記のように構成された工作機械２のリニアガイドウェイ２２３の動きによる振動を計測する方法について図２を参照して説明する。
ステップＳ３１では、モーター２１によって第１の時点でフィードユニット２２を励磁させ、テーブル２２４が振動する。各振動センサー１によってテーブル２２４の振動を検出して第１の時点に応じる第１の振動信号を生成し、計測モジュール（図示せず）に送出する。なお、テーブル２２４を振動させるのは、モーター２１によってフィードユニット２２を励磁することによって行われているが、これに制限されない。例えば、１例としては、外部の加振器（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｉｔｅｒ）を用いてフィードユニット２２を励磁することでテーブル２２４を振動させてもよい。
ステップＳ３２では、計測モジュールは、既存の実稼働モーダル解析法（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ／ＯＭＡ）を用いて複数の第１の振動信号に基づいてテーブル２２４に関する複数の固有周波数（ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）と複数の固有周波数に対応する複数の実稼働モード形状（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｅ ｓｈａｐｅｓ ／ＯＭＳ）を算出する。ＯＭＡの詳細は、当該技術分野では既知技術であるため、ここではその説明は省略する。
複数の第１の振動信号それぞれに対応する周波数領域信号をそれぞれＸ１（ｋ）、Ｘ２（ｋ）、Ｘ３（ｋ）とし、ｋは周波数である。各周波数領域信号に基づいてテーブル２２４に対応する複数の変位伝達率（displacement transmissibility）Ｔ１２（ｋ）、Ｔ１３（ｋ）、Ｔ２３（ｋ）は、式1、式２、式３とそれぞれ表す。ここで、Ｇはパワースペクトル密度（power spectrum density/ＰＳＤ）関数である。
各周波数ｋに関して、行列式１を特異値分解（singular value decomposition/SVD）すると、行列式２が得られる。ここで、Ｕ（ｋ）、 Ｖ（ｋ）は、ユニタリ行列を表し、行列式３は特異値行列を表し、また、各特異値σ２（ｋ）は式４を満たしている。
そして、各特異値σ２（ｋ）の逆数である式５によってなったカーブにおけるピークに対応する周波数とは、固有周波数である。ある固有周波数に対応するＯＭＳ（実稼働モード形状）はその固有周波数の対応する特異値が特異値分解において対応する固有ベクトル（eigenvector）である。例えば図３に示されたように、各ＯＭＳは、各固有周波数ｋ１、ｋ２、ｋ３に対応し、各ｋ１、ｋ２、ｋ３は各σ２（ｋ１）、σ２（ｋ２）、σ２（ｋ３）に対応する固有ベクトルである。
ステップＳ３３では、計測モジュールは、テーブル２２４に対応する少なくとも１つの第１の固有周波数を第１の振動信号に基づいて決定すると共に、テーブル２２４に対応する少なくとも１つの理論モード形状（ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｓｈａｐｅ／ＴＭＳ）を決定する。少なくとも１つのＴＭＳは、テーブル２２４の振動に対して最も妥当な形に近づくように、前もって有限要素法（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ／ＦＥＭ）によって得られる。なお、ＦＥＭの詳細は、当該技術分野では既知技術であるため、ここではその説明は省略する。この例では、ＴＭＳはその数が１個であるが、これに制限されない。
具体的に言うと、計測モジュールは、ＯＭＳ及びＴＭＳの間の類似性に基づいてＯＭＳと対応する複数の固有周波数から少なくとも１つの第１の固有周波数を選ぶ。この例では、第１の固有周波数はその数が１つであるが、これに制限されない。言い換えれば、計測モジュールは、複数のＯＭＳにおいてＴＭＳとの類似性が最大である１つのＯＭＳに対応する固有周波数を１つの第１の固有周波数として選定する。このように、複数のＯＭＳのそれぞれに対応する複数の固有周波数（ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）から第１の固有周波数として選定する。
この例では、複数のＯＭＳの１つ及びＴＭＳの上記の類似性は２つのモード間の相関を表す評価基準であるモード信頼性評価基準（Ｍｏｄａｌ Ａｓｓｕｒａｎｃｅ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ：ＭＡＣ）を使って定められる。また、モードベクトル１と他のモードベクトル２とのＭＡＣは、式６より得られる。この式によると、ＭＡＣの値が大きいほど、モードベクトル１と他のモードベクトル２の直交性が低く、類似性が大きいことを示している。１例としては、ベクトル３をＴＭＳとし、複数のベクトル（ベクトル４）をステップＳ３２で求められた複数の第１の振動信号に基づいた複数のＯＭＳとした場合、式７を計算すると共に、最大のＭＡＣ値を有するＯＭＳに対応する固有周波数が第１の固有周波数として求められる。そして、第２の固有周波数等の算出は、第１の固有周波数の算出過程と同様なので、その詳細を省略する。
ステップＳ３４では、第１の時点より後の第２の時点でモーター２１によってフィードユニット２２が励磁され、テーブル２２４が振動する。各振動センサー１によってテーブル２２４の振動を検出して第２の時点に応じる第２の振動信号を生成し、計測モジュールに送出する。
ステップＳ３５では、第１の振動信号についての処理と同様に、計算モジュールは、第２の振動信号に基づいてＯＭＡを演算して、テーブル２２４に関する他の複数の固有周波数が得られると共に、他の複数の固有周波数に関する他の複数のＯＭＳが得られる。
ステップＳ３６では、計算モジュールは、第２の振動信号とステップＳ３３で説明されたＴＭＳとに基づいてテーブル２２４に関する少なくとも１つの第２の固有周波数を定める。計算モジュールは、他の複数のＯＭＳそれぞれのＴＭＳとの類似性に基づいて、他の複数の固有周波数から少なくとも1つの第２の固有周波数を選定する。この例では、第２の固有周波数はその数が１個であるが、これに制限されない。この場合、計算モジュールは、他の複数のＯＭＳにおいてＴＭＳと最も類似している１つに関する他の複数の固有周波数の１つを選定し、これを第２の固有周波数とする。なお、他の複数のＯＭＳの１つ及びＴＭＳの上記の類似性については、前記と同様に、ＭＡＣを使って定められるので、その詳細を省略する。
ステップＳ３７では、計算モジュールは、第１の固有周波数と第２の固有周波数に基づいて、工作機械２のリニアガイドウェイ２２３の予圧の変化を判定する。第１の固有周波数が第２の固有周波数よりも大きい場合、計算モジュールはリニアガイドウェイ２２３の予圧値が小さくなったと判定する。第１の固有周波数と第２の固有周波数との差の第１の固有周波数に対しての比率を、リニアガイドウェイ２２３の予圧値の下げ率とする。
言い換えれば、リニアガイドウェイ２２３が工作機械２に取り付けられて稼働を開始した直後の時刻を第１の時点とし、リニアガイドウェイ２２３が第１の時点から所定の時間だけ稼働された時刻を第２の時点とした場合、リニアガイドウェイ２２３の第１の時点に対応する予圧値は、リニアガイドウェイ２２３の出荷時の初期予圧値である。計算モジュールは、初期予圧値及び第1の固有周波数と第２の固有周波数との間の差の第1の固有周波数に対する比率に基づいて、工作機械２からリニアガイドウェイ２２３を取り外す必要なく、工作機械２が所定時間だけ稼働された第２の時点でのリニアガイドウェイ２２３にかかる予圧量を算出することができる。
なお、上記のように１つのＴＭＳを用いた例を説明したが、これに制限されない。例えば、テーブル２２４に関する複数のＴＭＳが予めＦＥＭ（有限要素法）によって取得される。そして、計算モジュールは、第１の振動信号に基づいて定められたＯＭＳのそれぞれとＴＭＳのそれぞれとによってＭＡＣ値を算出する。そして、計算モジュールは、複数の固有周波数から、最大のＭＡＣ値を有するＯＭＳに関する固有周波数を第１の固有周波数として選定する。次に、同様に、計算モジュールは、第２の振動信号に基づいて定められたＯＭＳのそれぞれ及びＴＭＳのそれぞれからＭＡＣ値を算出する。そして、計算モジュールは、他の複数の固有周波数から、最大のＭＡＣ値を有するＯＭＳに関する固有周波数を第２の固有周波数として選定する。
言い換えれば、複数のベクトル（ベクトル５）のそれぞれをＴＭＳとし、複数のベクトル（ベクトル４）を複数の第１の振動信号に基づいた複数のＯＭＳとした場合、式８を計算すると共に、複数のベクトル（ベクトル４）における最大のＭＡＣ値を有する１つに対応する固有周波数が第１の固有周波数として求められる。第２の固有周波数も、同様にして求められる。
また、例えば、予め第１の時点でテーブル２２４に対応する複数のＴＭＳ及び第１の振動信号に対応して求められた複数のＯＭＳに基づいて、ＦＥＭによって複数の第１の固有周波数が求められる。そして、第２の時点で、複数のＴＭＳに基づくと共に第２の振動信号に対応して定められた他の複数のＯＭＳに基づいて、複数の第２の固有周波数が求められる。その後、複数の第１の固有周波数と複数の第２の固有周波数とに基づき、第１の時点から第２の時点へのリニアガイドウェイ２２３の予圧値の低下比率を求める。
また、例えば、第１の振動信号に基づいて算出された複数のＯＭＳから、一番大きなＭＡＣ値と次に大きなＭＡＣ値を有する２つのＯＭＳを選定する。そして、選ばれた２つのＯＭＳに対応する固有周波数を２つの第１の固有周波数とする。この時、ベクトル６とベクトル７とのそれぞれを２つの第１の固有周波数が対応するＯＭＳとして表す。なお、ベクトル６が対応する固有周波数はベクトル７が対応する固有周波数より小である。
次に、同様に、ベクトル８とベクトル９とをそれぞれ第２の振動信号に基づいて得られた２つの第２の固有周波数が対応するＯＭＳとして表す。ここで、ベクトル８が対応する固有周波数はベクトル９が対応する固有周波数より小である。
そして、行列４を入力として、例えば人工の神経ネットワーク技術、線形回帰技術などのように予めトレーニングされた予測モデリング（pre-trained classifier of predictive modeling）に入れて、リニアガイドウェイ２２３の予圧値の低下比率を求める。
以上のように、本発明に係る工作機械のリニアガイドウェイ２２３の予圧変化を計測する方法によれば、少なくとも１つのＴＭＳと複数の第１の振動信号に基づいて第１の時点でのテーブルに関する少なくとも１つの第１の固有周波数を取得する。少なくとも１つのＴＭＳと複数の第２の振動信号に基づいて第２の時点でのテーブルに関する第２の固有周波数を取得する。少なくとも１つの第１の固有周波数と少なくとも１つの第２の固有周波数に基づいてリニアガイドウェイの予圧値の低下を計測する。このようにすると、リニアガイドウェイを工作機械から取り外さなくてもリニアガイドウェイの予圧値の変化を計測することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明に係る方法は、工作機械に用いられるリニアガイドウェイの予圧の変化を計測することに有用である。
１ 振動センサー
２ 工作機械
２１ モーター
２２ フィードユニット
２２１ ねじ軸
２２２ ベアリング
２２３ リニアガイドウェイ
２２４ テーブル
２ 工作機械
２１ モーター
２２ フィードユニット
２２１ ねじ軸
２２２ ベアリング
２２３ リニアガイドウェイ
２２４ テーブル
Claims (8)
- 少なくとも１つのリニアガイドウェイと、少なくとも１つの前記リニアガイドウェイを跨いで設けられたテーブルと、を備え、複数の振動センサーが前記テーブルに取り付けられている工作機械における少なくとも１つの前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測する方法であって、複数の前記振動センサー及び計算モジュールを用いて、
複数の前記振動センサーによって第１の時点での前記テーブルの振動を検出して複数の第１の振動信号を生成するステップと、
前記計算モジュールによって前記テーブルに関する少なくとも１つの理論モード形状と複数の前記第１の振動信号とに基づき、前記テーブルに関する少なくとも１つの第１の固有周波数を算出するステップと、
複数の前記振動センサーによって第２の時点での前記テーブルの振動を検出して複数の第２の振動信号を生成するステップと、
前記計算モジュールによって前記テーブルに関する少なくとも１つの理論モード形状と複数の前記第２の振動信号とに基づき、前記テーブルに関する少なくとも１つの第２の固有周波数を算出するステップと、
前記計算モジュールによって少なくとも１つの前記第１の固有周波数と少なくとも１つの前記第２の固有周波数に基づき、少なくとも１つの前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測するステップと、
を実行することを特徴とする方法。 - 前記第１の固有周波数を算出するステップは、
実稼働モーダル解析法を用いて複数の前記第１の振動信号に基づき、前記テーブルに関する複数の固有周波数と複数の前記固有周波数に対応する実稼働モード形状とを求めるサブステップと、
前記実稼働モード形状のそれぞれと少なくとも１つの前記理論モード形状との類似性に基づいて複数の前記固有周波数から少なくとも１つの前記第１の固有周波数を選定するサブステップと、を有し、
前記第２の固有周波数を算出するステップは、
前記第２の振動信号について前記実稼働モーダル解析法を行って、前記テーブルに関する他の複数の固有周波数と前記他の複数の固有周波数に関する他の複数の実稼働モード形状とを求めるサブステップと、
前記他の複数の実稼働モード形状のそれぞれと少なくとも１つの前記理論モード形状との類似性に基づき、前記他の複数の固有周波数から少なくとも１つの前記第２の固有周波数を選定するサブステップと、を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記第１の固有周波数と前記第２の固有周波数とはその数がそれぞれ１つであり、
前記第１の固有周波数を選定するサブステップでは、前記複数の実稼働モード形状において前記理論モード形状との類似性が最大である１つの実稼働モード形状に対応する前記固有周波数を前記第１の固有周波数として選定し、
前記第２の固有周波数を選定するサブステップでは、前記他の複数の実稼働モード形状において前記理論モード形状との類似性が最大である１つの実稼働モード形状に対応する前記固有周波数を前記第２の固有周波数として選定することを特徴とする請求項２に記載の方法。 - 前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測するステップでは、前記第１の固有周波数が前記第２の固有周波数よりも大きい場合、前記工作機械の少なくとも１つの前記リニアガイドウェイの予圧が減少したと判定することを特徴とする請求項３に記載の方法。
- 前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測するステップにおいて、前記予圧の減少は、前記第１の固有周波数と前記第２の固有周波数との差の前記第１の固有周波数に対する比率に関するものであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
- 前記第１の固有周波数を算出するステップでは、前記類似性は、複数の前記実稼働モード形状のそれぞれと少なくとも１つの前記理論モード形状とにおけるモード信頼性評価基準に関するものであり、
前記第２の固有周波数を算出するステップでは、前記類似性は、他の複数の前記実稼働モード形状のそれぞれと少なくとも１つの前記理論モード形状とにおけるモード信頼性評価基準に関するものであることを特徴とする請求項２に記載の方法。 - 前記第１の固有周波数を算出するステップで得られた前記第１の固有周波数と、前記第２の固有周波数を算出するステップで得られた前記第２の固有周波数と、はそれぞれの数が１つであり、
前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測するステップでは、前記第１の固有周波数が前記第２の固有周波数よりも大きい場合、前記工作機械の少なくとも１つの前記リニアガイドウェイの予圧が減少したと判定することを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記リニアガイドウェイの予圧の変化を計測するステップにおいて、前記予圧の減少は、前記第１の固有周波数と前記第２の固有周波数との差の前記第１の固有周波数に対する比率に関するものであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
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