JP2019059000A - 転がり軸受の故障判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり軸受に故障が生じていることの判定精度を高めることができる転がり軸受の故障判定装置を提供する。【解決手段】故障判定装置は、関節を回転駆動するモータと、関節の回転に伴い、転動体が転走面に転がり接触することで摺動する転がり軸受（２２Ａ，２２Ｂ）とを備えるロボットに適用される。故障判定装置は、モータにより関節を回転させる場合に発生する振動を検出する振動検出部と、振動検出部により検出された振動について周波数解析を行い、周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅（Ａｍｐ１，Ａｍｐ２）を算出する振幅算出部と、振幅算出部により算出された振幅に基づいて、振幅の変化量又はその相関値である判定用変化量（ＳＬ１，ＳＬ２）を算出する変化量算出部と、判定用変化量が閾値（Ｓｔｈ１，Ｓｔｈ２）を超えたと判定した場合、転がり軸受が故障していると判定する故障判定部とを備える。【選択図】 図８

Description

本発明は、転がり軸受を備えるロボットに適用される転がり軸受の故障判定装置に関する。

従来、例えば特許文献１に見られるように、関節を回転駆動するモータと、関節の回転に伴い、転動体が転走面に転がり接触することで摺動する転がり軸受とを備えるロボットが知られている。

転がり軸受では、フレーキングや異物混入等により転走面に傷が付くと、その傷付き部分を転動体が通過するたびに大きな振動が発生し得る。この点に着目して、転がり軸受の故障を判定することが考えられる。詳しくは、転がり軸受の故障判定では、まず、モータにより関節を回転させる場合に発生する振動が検出され、検出された振動について周波数解析が行われる。そして、周波数解析により得られた周波数スペクトルの振幅が算出され、算出された振幅が閾値を超えたと判定された場合、転がり軸受の故障が生じていると判定される。

特開２０１５−１８２１８２号公報

ところで、転がり軸受に故障が生じていない場合であっても、モータにより関節が回転されるときに発生する振動が大きくなり得る。例えば、転がり軸受で受ける軸部材の歪に起因して軸部材と転がり軸受との間の同軸度が悪化していることにより、振動が大きくなり得る。この振動が大きくなる度合いは、量産されるロボットの個体差に起因してばらつく。このため、周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅も、ロボットの個体差に起因してばらつく。

ここで、周波数スペクトルの振幅と比較する閾値が、例えば、量産される新品のロボットが取り得る周波数スペクトルの振幅範囲の中間に設定されると、転がり軸受に故障が生じていないにもかかわらず、上記ばらつきに起因して振幅が閾値を超えることがある。その結果、故障が生じていると誤判定されるおそれがある。一方、閾値が、例えば、新品のロボットが取り得る周波数スペクトルの振幅の上限値を超える値に設定されると、転がり軸受に実際に故障が生じているにもかかわらず、振幅が閾値を超えないことがある。その結果、故障が生じていないと誤判定されたり、故障判定されるタイミングが遅延したりするおそれがある。

このように、周波数スペクトルの振幅は、ロボットの個体差の影響を受けやすいパラメータである。したがって、転がり軸受の故障判定については、未だ改善の余地を残すものとなっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、故障が生じていることの判定精度を高めることができる転がり軸受の故障判定装置を提供することを主たる目的とするものである。

第１の発明は、関節を回転駆動するモータと、前記関節の回転に伴い、転動体が転走面に転がり接触することで摺動する転がり軸受と、を備えるロボットに適用される転がり軸受の故障判定装置において、前記モータにより前記関節を回転させる場合に発生する振動を検出する振動検出部と、前記振動検出部により検出された振動について周波数解析を行い、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅を算出する振幅算出部と、前記振幅算出部により算出された振幅に基づいて、該振幅の変化量又はその相関値である判定用変化量を算出する変化量算出部と、前記判定用変化量が閾値を超えたと判定した場合、前記転がり軸受が故障していると判定する故障判定部と、を備える。

周波数スペクトルの振幅の変化量は、今回算出された周波数スペクトルの振幅と、例えば前回算出された周波数スペクトルの振幅との差である。今回及び前回それぞれの振幅には、ロボットの個体差の影響が含まれているものの、それら振幅の差をとると、個体差の影響を小さくできる。このため、周波数スペクトルの振幅の変化量は、周波数スペクトルの振幅自体と比較して、ロボットの個体差の影響が小さくされており、その個体差に起因したばらつきが抑制されたものとなっている。したがって、周波数スペクトルの振幅の変化量は、ロボットの個体差の影響を受けにくいパラメータである。

そこで、第１の発明では、変化量算出部は、算出された周波数スペクトルの振幅に基づいて、該振幅の変化量又はその相関値である判定用変化量を算出する。そして、故障判定部は、判定用変化量が閾値を超えたと判定した場合、転がり軸受が故障していると判定する。ロボットの個体差の影響を受けにくい判定用変化量を用いる第１の発明によれば、転がり軸受に故障が生じていることの判定精度を高めることができる。

第２の発明では、前記判定用変化量は、前記振幅算出部により今回算出された振幅から前回算出された振幅を差し引いた値を、前記振幅算出部により振幅が前回算出されてから振幅が今回算出されるまでの前記関節の累計回転量で規格化した値である。

転がり軸受に故障が生じていないにもかかわらず、モータにより関節が回転されるときに発生する振動が徐々に大きくなることがある。この場合、周波数解析が行われるたびに、得られる周波数スペクトルの振幅が徐々に増加する。周波数スペクトルの振幅が徐々に増加する場合、周波数スペクトルの振幅が徐々に増加しない場合と比較して、振幅算出部により前回算出された振幅に対する今回算出された振幅の変化量が大きくなる。この変化量は、振幅算出部により振幅が前回算出されてから振幅が今回算出されるまでの関節の累計回転量の増加量が大きいとさらに大きくなる。その結果、振幅変化量が閾値を超えたことをもって転がり軸受に故障が生じていると判定する構成が用いられる場合、転がり軸受に故障が生じていないにもかかわらず、故障が生じていると誤判定されるおそれがある。

そこで、第２の発明では、判定用変化量として、振幅算出部により今回算出された振幅から前回算出された振幅を差し引いた値を、振幅算出部により振幅が前回算出されてから振幅が今回算出されるまでの関節の累計回転量で規格化した値が用いられる。この判定用変化量によれば、転がり軸受に故障が生じていないにもかかわらず振幅が徐々に増加する場合であっても、その増加分の影響を小さくできる。このため、転がり軸受の故障判定精度をより高めることができる。

なお、規格化する手法としては、具体的には例えば第３の発明を用いることができる。第３の発明では、前記判定用変化量として、前記振幅算出部により今回算出された振幅から前回算出された振幅を差し引いた値を、前記関節の累計回転量で除算した値又はその相関値が用いられる。

また、前記振幅算出部は、具体的には例えば第４の発明のように、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅のうち、前記転がり軸受に対応して定まる特定周波数における振幅を算出することができる。

また、前記振幅算出部は、具体的には例えば第５の発明のように、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅のうち、前記転がり軸受に対応して定まる特定周波数以外の規定周波数における振幅を算出することができる。

第６の発明では、前記振幅算出部は、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅のうち、前記転がり軸受に対応して定まる特定周波数以外の周波数であって、互いに異なる複数の前記規定周波数それぞれにおける振幅を算出し、前記変化量算出部は、複数の前記規定周波数それぞれにおける前記判定用変化量を算出し、前記故障判定部は、複数の前記規定周波数のうち少なくとも２つの規定周波数における前記判定用変化量それぞれが前記閾値を超えたと判定した場合、前記転がり軸受が故障していると判定する。

転がり軸受に故障が生じた場合における周波数スペクトルの振幅の増加分は、転がり軸受に対応して定まる特定周波数におけるものよりも、特定周波数以外の規定周波数におけるものの方が小さくなると考えられる。増加分が小さくなると、転がり軸受の故障判定精度が低下する懸念がある。

そこで、第６の発明では、変化量算出部は、複数の規定周波数それぞれにおける判定用変化量を算出する。そして、故障判定部は、複数の規定周波数のうち少なくとも２つの規定周波数における判定用変化量それぞれが閾値を超えたと判定した場合、転がり軸受が故障していると判定する。このように、第６の発明では、少なくとも２つの規定周波数に対応する判定がなされるため、規定周波数における振幅が故障判定に用いられる場合であっても、転がり軸受の故障判定精度を高めることができる。

第７の発明では、前記故障判定部は、前記判定用変化量が前記閾値を超えたと判定した場合、前記転がり軸受が軽度故障していると判定し、前記判定用変化量が前記閾値を超えたと複数回連続して判定した場合、前記軽度故障に代えて、該軽度故障よりも故障度合いの大きい重度故障が前記転がり軸受に生じていると判定する。

転がり軸受の故障が進行して故障度合いが大きくなると、周波数スペクトルの振幅の変化量が大きくなる状態が継続される。この点に鑑み、第７の発明では、故障判定部は、判定用変化量が閾値を超えたと判定した場合、転がり軸受が軽度故障していると判定し、判定用変化量が閾値を超えたと複数回連続して判定した場合、軽度故障に代えて、転がり軸受に重度故障が生じていると判定する。これにより、転がり軸受の故障度合いを把握することができる。

なお、前記振動検出部は、具体的には例えば第８の発明のように、前記モータにより前記関節が等速で回転駆動されている期間における振動を検出することができる。

また、第９の発明のように、前記故障判定部により前記転がり軸受に故障が生じていると判定された場合、その旨を通知する通知部をさらに備えることができる。

ロボットの概要を示す図。 転がり軸受を示す図。 転がり軸受の故障判定システムの電気的構成を示す図。 転走面に形成された傷を転動体が超える様子を示す図。 転がり軸受に作用するラジアル荷重の推移を示すタイムチャート。 振幅の周波数スペクトルを示す図。 ロボットの個体差に起因して周波数スペクトルの振幅が異なることを示す図。 転がり軸受の故障判定処理の手順を示すフローチャート。 関節の等速回転期間を示すタイムチャート。 転がり軸受の故障の進行に応じて周波数スペクトルの振幅が増加することを示す図。 関節の累計回転量に対する振幅及び傾き値の推移を示す図。 傾き値を用いた効果を説明するための図。 第２実施形態に係る転がり軸受の故障判定処理の手順を示すフローチャート。 第３実施形態に係る転がり軸受の故障判定処理の手順を示すフローチャート。 ２つの規定周波数を説明するための図。 第４実施形態に係る転がり軸受の故障判定処理の手順を示すフローチャート。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の故障判定装置を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、工場の機械組立ラインにおいて機械等の組み立てを行う産業用ロボット又は工場の加工ラインにおいて素材等に対して加工を行う産業用ロボットに適用された故障判定装置として具体化している。

図１に示すように、ロボット１０は、６つの関節Ｋ１〜Ｋ６を有する６軸ロボットである。ロボット１０は、各関節Ｋ１〜Ｋ６の回転軸（関節軸）として第１〜第６軸Ｊ１〜Ｊ６を有している。本実施形態では、第１軸Ｊ１が鉛直方向に延びるようにしてロボット１０が床等のロボット設置箇所に設置されている。以下の説明では、図１の上下方向が鉛直方向を示すとしている。

ロボット１０において基台１１は、ロボット設置場所に固定される固定部１２と、固定部１２の上方に設けられる回動部１３とを有している。回動部１３は、鉛直方向に延びる第１軸Ｊ１を回動中心として固定部１２に対して回動可能とされている。回動部１３の上端部には下アーム１５が連結されている。下アーム１５は、水平方向に延びる第２軸Ｊ２を回動中心として回動部１３に対して回動可能とされている。

下アーム１５の先端部（上端部）には上アーム１６が連結されている。上アーム１６は、水平方向に延びる第３軸Ｊ３を回動中心として下アーム１５に対し回動可能とされている。上アーム１６は、長手方向に分割された基端側の第１上アーム１６Ａと先端側の第２上アーム１６Ｂとを有している。これら各アーム１６Ａ，１６Ｂのうち第１上アーム１６Ａが下アーム１５に連結されている。第２上アーム１６Ｂは、上アーム１６の長手方向に延びる第４軸Ｊ４を回動中心として第１上アーム１６Ａに対し回動可能に連結されている。

第２上アーム１６Ｂの先端部には手首部１７が設けられている。手首部１７は、水平方向に延びる第５軸Ｊ５を回動中心として第２上アーム１６Ｂに回動可能に連結されている。手首部１７には、ワークやツール等を取り付けるためのハンド部１８が設けられている。ハンド部１８は、その中心線である第６軸Ｊ６を回動中心として手首部１７に対してねじり方向に回動可能に連結されている。

このように、ロボット１０は、各軸Ｊ１〜Ｊ６を回動中心として回動可能とされた複数（具体的には６つ）の構成要素（回動部１３、下アーム１５、第１上アーム１６Ａ、第２上アーム１６Ｂ、手首部１７、ハンド部１８）を備える。この場合、これら各構成要素はそれぞれ、各軸Ｊ１〜Ｊ６を回転中心とした関節Ｋ１〜Ｋ６の回転に伴い回動する。

各関節Ｋ１〜Ｋ６にはそれぞれモータ２１（サーボモータ）が設けられている。これら各モータ２１を駆動させることで各関節Ｋ１〜Ｋ６が回転し、ひいては各構成要素が回動する。

各関節Ｋ１〜Ｋ６にはそれぞれ、関節Ｋ１〜Ｋ６の回転に伴い摺動する転がり軸受が設けられている。転がり軸受は、関節Ｋ１〜Ｋ６の回転を滑らかにするものであり、図２に示すように、関節Ｋ１〜Ｋ６の回転軸Ｊ１〜Ｊ６に繋がる軸部材２７を囲む円環状をなしている。本実施形態において、転がり軸受は、各関節Ｋ１〜Ｋ６にそれぞれ複数ずつ設けられており、具体的には、各関節Ｋ１〜Ｋ６にそれぞれ２つずつ設けられている。以降、各関節Ｋ１〜Ｋ６にそれぞれにおける２つの転がり軸受を第１軸受２２Ａ及び第２軸受２２Ｂと称すこととする。

図２に示すように、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂのそれぞれは、内輪２３と、外輪２４と、それら内輪２３及び外輪２４の間に設けられた複数の転動体２５（例えば、玉又はころ）とを有している。転動体２５は、軸受２２Ａ，２２Ｂの周方向において等間隔に並んでいる。第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂのそれぞれは、各転動体２５が内輪２３及び外輪２４の少なくとも一方に形成された転走面２６に転がり接触することで摺動する。第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂとしては、例えば、ボールベアリング（玉軸受）又はクロスローラベアリングを用いることができる。

次に、図３を用いて、転がり軸受２２の故障判定システムについて説明する。図３は、故障判定システムの電気的構成を示す図である。

故障判定システムは、ロボット１０と、操作装置４０とを備えている。ロボット１０は、ロボット１０の各種動作を制御するコントローラ３０を備えている。コントローラ３０は、ＣＰＵ等を有する周知のマイクロコンピュータを主体に構成され、記憶部３１と、周波数解析部３２とを有している。記憶部３１には、ロボット１０の動作プログラム等の各種プログラムが記憶されている。コントローラ３０は、記憶部３１に記憶された各種プログラムに基づいてロボット１０の動作制御等を行う。

コントローラ３０には、各関節Ｋ１〜Ｋ６に設けられたモータ２１が接続されている。これらのモータ２１は、コントローラ３０からの制御信号に基づいて駆動される。なお、図３には、便宜上、１つのモータ２１のみ図示している。

コントローラ３０には、関節Ｋ１〜Ｋ６の回転位置を検出する位置検出部３４（エンコーダ）が接続されている。位置検出部３４は、各関節Ｋ１〜Ｋ６（各モータ２１）ごとにそれぞれ設けられている。図３には、便宜上、１つの位置検出部３４のみ図示している。コントローラ３０には、各位置検出部３４からそれぞれ関節Ｋ１〜Ｋ６の回転位置情報が入力される。コントローラ３０は、それら入力される回転位置情報に基づいて各モータ２１の駆動をフィードバック制御する。

コントローラ３０には、モータ２１に流れる電流値を検出する電流検出部３５が接続されている。電流検出部３５は、本実施形態において振動検出部に相当し、各モータ２１ごとにそれぞれ設けられている。図３には、便宜上、１つの電流検出部３５のみ図示している。コントローラ３０には、各電流検出部３５からそれぞれ各モータ２１の電流値が入力される。コントローラ３０は、それら入力される各モータ２１の電流値に基づいて、モータ２１により関節Ｋ１〜Ｋ６を回転駆動する際に発生する振動を電流値の振動として検出する。コントローラ３０は、その検出した振動について周波数解析部３２において周波数解析を行う。

コントローラ３０には、故障判定システムに関する各種操作を行うための操作装置４０が接続されている。操作装置４０は、周知のパーソナルコンピュータ（端末装置）により構成されており、キーボード等からなる操作部４１と、ディスプレイ等からなる表示部４２とを有している。なお、操作装置４０は、端末装置に代えて、ティーチングペンダントにより構成されていてもよい。

コントローラ３０には、ロボット１０の動作モードとして、ロボット１０の各関節Ｋ１〜Ｋ６を通常動作させる通常動作モードと、所定の関節Ｋ１〜Ｋ６を等速で回転させる等速動作モードとが設定されている。本実施形態の通常動作モードは、組立作業等の所定の作業を所定のサイクルタイムでロボット１０に繰り返し実施させるモードである。通常動作モード及び等速動作モードのうち一方から他方への切り替えは、操作部４１の操作に基づいて行われる。具体的には、操作部４１によりモードの切替操作が行われると、その切替操作に応じたモード信号が操作部４１からコントローラ３０に入力され、コントローラ３０はその入力されたモード信号に基づいて動作モードの切替を行う。

ところで、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂでは、フレーキングや異物混入等により転走面２６に傷が付くことがある。図４に示すように、内輪２３に凹み（傷）ができた場合、転動体２５が凹みを乗り越えようとするときに図５（ａ）に示すようにトルク変動が生じる。軸受の径方向に作用するラジアル荷重が大きい場合、図５（ｂ）に示すように、トルク変動が大きくなり、発生する振動も大きくなる。

ここで、転動体２５が周方向に等間隔に並んでいるため、転がり軸受に傷が付いて故障が生じた場合には、ロボット１０の関節を等速回転させる場合に周期的に大きな振動が発生する。この振動の周波数は、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂに対応した特定周波数となる。

図５に示すようなトルクが発生する場合の振動の時系列を周波数解析すると、図６のような振動の周波数スペクトルが得られる。図６には、第１軸受２２Ａに対応して定まる第１特定周波数ｆ１と、第２軸受２２Ｂに対応して定まる第２特定周波数ｆ２とが示されている。各特定周波数ｆ１，ｆ２は、軸受における内輪２３及び外輪２４の径や、転動体２５の径・個数等、軸受に関する各種パラメータに基づき定まる軸受の固有の周波数となっている。本実施形態では、各関節Ｋ１〜Ｋ６それぞれにおいて、第１特定周波数ｆ１と第２特定周波数ｆ２とが異なるように第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂが設計されている。なお、本実施形態では、第２特定周波数ｆ２が第１特定周波数ｆ１よりも高い。

続いて、本実施形態と対比するための比較例について説明する。

第１軸受２２Ａに故障が生じると、周波数スペクトルの第１特定周波数ｆ１における振幅が増加する。このため、第１特定周波数ｆ１における振幅が、第１軸受２２Ａに対応して個別に設定された第１閾値Ｔｔｈ１（図６参照）を超えた場合、第１軸受２２Ａが故障していると判定できる。一方、第２軸受２２Ｂに故障が生じると、周波数スペクトルの第２特定周波数ｆ２における振幅が増加する。このため、第２特定周波数ｆ２における振幅が、第２軸受２２Ｂに対応して個別に設定された第２閾値Ｔｔｈ２を超えた場合、第２軸受２２Ｂが故障していると判定できる。

ここで、周波数スペクトルの振幅は、転がり軸受に故障が生じていない場合であっても、転がり軸受のラジアル荷重（軸部材２７のラジアル荷重）が大きくなったり、関節の回転速度が高くなったりする場合に大きくなる。このため、転がり軸受の故障判定精度を高める上では、例えば、ラジアル荷重，回転速度が予め定められた荷重，回転速度とされた状態で、周波数解析用の振動を検出する必要がある。しかしながら、この場合であっても、故障判定精度が低下する事態が発生し得る。以下、このことについて説明する。

量産されるロボット１０の個体差に起因して、モータ２１により関節が回転される場合に発生する振動が大きくなり得る。その要因としては、例えば、新品のロボット１０であっても、転がり軸受で受ける軸部材２７の歪により軸部材２７と転がり軸受との間の同軸度が悪化することが挙げられる。また、別の要因としては、例えば、新品のロボット１０であっても、転がり軸受の精度のばらつき等に起因して軸部材２７の外周と転がり軸受の内周との間の隙間が大きくなり、ロボット１０の組立精度が悪化することが挙げられる。

このため、例えばラジアル荷重，回転速度が予め定められた荷重，回転速度とされた状態で周波数解析用の振動を検出する構成を用いる場合であっても、量産されるロボット毎に、周波数解析で得られる周波数スペクトルの振幅がばらついてしまう。図７に、新品の状態の２つのロボットＡ，Ｂの周波数スペクトルを示す。図７に示すように、第１閾値Ｔｔｈ１が画一的に設定される場合、ロボットＢにおいて、第１軸受２２Ａが故障していないにもかかわらず、第１特定周波数ｆ１における振幅が第１閾値Ｔｔｈ１を超えてしまい、故障が生じていると誤判定されてしまう。なお、図７には、ロボットＡ，Ｂが長期間使用された場合における周波数スペクトルを合わせて示す。この例では、ロボットＢの第２軸受２２Ｂが実際に故障し、第２特定周波数ｆ２における振幅が第２閾値Ｔｔｈ２を超えている。

以上から、周波数スペクトルの振幅は、ロボット１０の個体差の影響を受けやすいパラメータである。そこで、本実施形態のコントローラ３０は、図８に示す転がり軸受の故障判定処理を行う。図８は、この処理の手順を示すフローチャートである。本実施形態において、故障判定処理は、ロボット１０の通常動作モードにおいて実行される。また、故障判定処理は、各関節Ｋ１〜Ｋ６それぞれに対応して実行される。

ステップＳ１０では、関節（モータ）が等速回転している期間であるか否かを判定する。本実施形態では、等速回転期間として、図９に示すように、１サイクルタイムにおいて規定される台形パターンにおける等速回転期間を想定している。

ステップＳ１１では、関節に設けられた電流検出部３５の検出信号に基づいて、ロボット１０の今回の作業期間において関節が等速回転する場合に発生する振動を検出する。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出した振動について周波数解析部３２において周波数解析を行う。この周波数解析により、対象とする関節についての振動の周波数スペクトルが得られる。

ステップＳ１３では、今回のステップＳ１２で算出された周波数スペクトルに基づいて、第１特定周波数ｆ１における今回の振幅である第１振幅Ａｍｐ１［ｎ］と、第２特定周波数ｆ２における今回の振幅である第２振幅Ａｍｐ２［ｎ］とを算出する。なお、各関節Ｋ１〜Ｋ６それぞれにおける各特定周波数ｆ１，ｆ２と第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂとの対応関係は予め記憶部３１に記憶されている。また、本実施形態において、ステップＳ１３の処理が振幅算出部に相当する。

ステップＳ１４では、今回のステップＳ１３において算出した第１振幅Ａｍｐ１［ｎ］から、前回のステップＳ１３において算出した第１振幅Ａｍｐ１［ｎ−１］を減算することにより、第１振幅変化量ΔＡｍｐ１を算出する。また、今回のステップＳ１３において算出した第２振幅Ａｍｐ２［ｎ］から、前回のステップＳ１３において算出した第２振幅Ａｍｐ２［ｎ−１］を減算することにより、第２振幅変化量ΔＡｍｐ２を算出する。今回の第１振幅Ａｍｐ１［ｎ］と前回の第１振幅Ａｍｐ１［ｎ−１］とのそれぞれには、ロボット１０の個体差の影響が含まれている。しかしながら、それら第１振幅Ａｍｐ１［ｎ−１］，Ａｍｐ１［ｎ］の差をとると、個体差の影響を小さくできる。このため、第１振幅変化量ΔＡｍｐ１は、各第１振幅Ａｍｐ１［ｎ−１］，Ａｍｐ１［ｎ］として、個体差の影響が小さくされており、個体差に起因したばらつきが抑制されたパラメータである。したがって、第１振幅変化量ΔＡｍｐ１は、ロボット１０の個体差の影響を受けにくいパラメータである。同様に、第２振幅変化量ΔＡｍｐ２も、ロボット１０の個体差の影響を受けにくいパラメータである。

ステップＳ１５では、算出した第１振幅変化量ΔＡｍｐ１を回転変化量で除算することにより、第１振幅変化量ΔＡｍｐ１の相関値である第１傾き値ＳＬ１（判定用変化量に相当）を算出する。本実施形態において、回転変化量は、図８に示す処理が前回実施されてから今回実施されるまでの関節の累計回転量である。具体的には、例えば、回転変化量は、前回のステップＳ１３で第１振幅Ａｍｐ１［ｎ−１］が算出されてから今回のステップＳ１３で第１振幅Ａｍｐ１［ｎ］が算出されるまでの関節の累計回転量である。より具体的には、例えば、回転変化量は、前回のステップＳ１３で第１振幅Ａｍｐ１［ｎ−１］が算出されてから今回のステップＳ１３で第１振幅Ａｍｐ１［ｎ］が算出されるまでの期間における関節の都度（所定時間Δｔ毎）の角速度ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］の絶対値を時間積分した値「∫｜ω｜・Δｔ」である。回転変化量は、位置検出部３４の検出信号に基づいて算出される。また、ステップＳ１５では、算出した第２振幅変化量ΔＡｍｐ２を上記回転変化量で除算することにより、第２振幅変化量ΔＡｍｐ２の相関値である第２傾き値ＳＬ２（判定用変化量に相当）を算出する。なお、本実施形態において、ステップＳ１４、Ｓ１５の処理が変化量算出部に相当する。

ステップＳ１６では、算出した第１傾き値ＳＬ１が第１判定閾値Ｓｔｈ１（＞０）を超えているか否かを判定する。第１判定閾値Ｓｔｈ１は、第１軸受２２Ａに対応して個別に設定されている。第１判定閾値Ｓｔｈ１は、例えば、故障が生じていない第１軸受２２Ａがロボット１０に用いられた場合に第１傾き値ＳＬ１が取り得る範囲の上限値よりも大きい値に設定されている。

ステップＳ１６において否定判定した場合には、ステップＳ１７に進み、第１軸受２２Ａに故障が生じておらず、第１軸受２２Ａが正常であると判定する。一方、ステップＳ１６において否定判定した場合には、ステップＳ１８に進み、第１軸受２２Ａに故障が生じていると判定する。

ステップＳ１７又はＳ１８の処理の完了後、ステップＳ１９に進み、算出した第２傾き値ＳＬ２が第２判定閾値Ｓｔｈ２（＞０）を超えているか否かを判定する。第２判定閾値Ｓｔｈ２は、第２軸受２２Ｂに対応して個別に設定されている。第２判定閾値Ｓｔｈ２は、例えば、故障が生じていない第２軸受２２Ｂがロボット１０に用いられた場合に、第２傾き値ＳＬ２が取り得る範囲の上限値よりも大きい値に設定されている。

ステップＳ１９において否定判定した場合には、ステップＳ２０に進み、第２軸受２２Ｂが正常であると判定する。一方、ステップＳ１９において否定判定した場合には、ステップＳ２１に進み、第２軸受２２Ｂに故障が生じていると判定する。なお、本実施形態において、ステップＳ１６〜Ｓ２１の処理が故障判定部に相当する。

ステップＳ２０又はＳ２１の処理の完了後、ステップＳ２２に進み、ステップＳ１７又はＳ１８の判定結果と、ステップＳ２０又はＳ２１の判定結果とに基づく通知処理を行う。本実施形態では、第１軸受２２Ａ及び第２軸受２２Ｂそれぞれの故障の有無を、操作装置４０の表示部４２に表示する。例えば、「第１軸受２２Ａ故障」等の警告メッセージを表示部４２に表示する。これにより、例えば、組立ラインの作業者は転がり軸受に故障が生じたことを知ることができるため、転がり軸受の故障に対して迅速な対応をとることができる。なお、第１，第２振幅変化量ΔＡｍｐ１，ΔＡｍｐ２及び第１，第２傾き値ＳＬ１，ＳＬ２の少なくとも一方の時系列データを表示部４２に表示させてもよい。また、本実施形態において、ステップＳ２２の処理が通知部に相当する。

ちなみに、転がり軸受の故障警告は、必ずしも表示部４２を用いて行う必要はない。例えば、操作装置４０に音声を出力するスピーカ等の音声出力部を設け、その音声出力部から出力される音声により警告を行ってもよい。また、操作装置４０に光を発する発光部を設け、その発光部からの光によって警告を行ってもよい。

続いて、図１０及び図１１を用いて、本実施形態の故障判定の一例について説明する。図１０及び図１１には、第１軸受２２Ａに故障が生じる場合を示す。また、図１１の縦軸は、第１特定周波数ｆ１における振幅及び第１傾き値ＳＬ１を示し、横軸は、関節の累積回転量を示す。

図１０（ａ）に示すように、第１軸受２２Ａが新品の状態では、図１１の時刻ｔ１に示すように、第１傾き値ＳＬ１は０又は０に近い値となる。その後、図１０（ｂ）に示すように、第１軸受２２Ａに初期故障が生じると、第１特定周波数ｆ１における振幅が増加する。その結果、図１１の時刻ｔ２に示すように、第１傾き値ＳＬ１が第１判定閾値Ｓｔｈ１を超え、コントローラ３０により第１軸受２２Ａに故障が生じたと判定される。

その後、故障で生じた摩耗粉等により故障が急激に進行し、図１０（ｃ）に示すように、第１特定周波数ｆ１における振幅が、関節の累積回転量の増加とともに急激に増加する。その結果、第１傾き値ＳＬ１が第１判定閾値Ｓｔｈ１を超える状態が継続されることとなる。なお、転がり軸受の故障がさらに進行すると、図１０（ｄ）に示すように、第１特定周波数ｆ１以外の周波数における振幅が大きく増加する。

続いて、図１２を用いて、振幅変化量ではなく、傾き値を故障判定に用いた理由について説明する。なお、以下では、第１軸受２２Ａを例にして説明する。

まず、振幅変化量を用いる場合について説明する。この場合、第１振幅変化量ΔＡｍｐ１が第１振幅閾値Δｔｈ１を超えたと判定されたときに、第１軸受２２Ａに故障が生じていると判定される。

ここで、第１軸受２２Ａに故障が生じていないにもかかわらず、図１２（ａ）に示すように、関節の累計回転量の増加に伴い、第１振幅Ａｍｐ１が徐々に増加する状況が生じ得る。例えば、ロボット１０の慣らし運転が完了しておらず、関節を回転させる際に発生するモータ２１のトルクが大きくなる場合に第１振幅Ａｍｐ１が徐々に増加する。このような状況下、例えば、ロボット１０の作業周期毎に、何らかの要因により周波数解析を行うことができず、周波数スペクトルの振幅を算出できないことがある。この場合、第１振幅Ａｍｐ１が前回算出されてから今回算出されるまでの関節の累計回転量の増加量（「θｎ」−「θｎ−１」）が大きくなる。その結果、前回算出された第１振幅Ａｍｐ１に対して今回算出された第１振幅Ａｍｐ１の変化量である第１振幅変化量ΔＡｍｐ１［ｎ］が大きくなり、第１振幅変化量ΔＡｍｐ１［ｎ］が第１振幅閾値Δｔｈ１を超えたと判定されてしまう。この場合、第１軸受２２Ａに故障が生じていないにもかかわらず、故障が生じていると誤判定されてしまう。

これに対し、第１傾き値ＳＬ１によれば、図１２（ｂ）に示すように、第１軸受２２Ａに故障が生じていないにもかかわらず関節の累計回転量の増加に伴い第１振幅Ａｍｐ１が増加する場合であっても、第１傾き値ＳＬ１の変化が抑制される。このため、第１軸受２２Ａの故障判定精度を高めることができる。

＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、第１，第２傾き値ＳＬ１，ＳＬ２に代えて、第１，第２振幅変化量ΔＡｍｐ１，ΔＡｍｐ２を用いて転がり軸受の故障を判定する。

図１３に、コントローラ３０により実行される故障判定処理の手順を示す。なお、図１３において、先の図８に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

ステップＳ１４の処理の完了後、ステップＳ２３に進み、ステップＳ１４で算出した第１振幅変化量ΔＡｍｐ１が第１振幅閾値Δｔｈ１（＞０）を超えているか否かを判定する。第１振幅閾値Δｔｈ１は、第１軸受２２Ａに対応して個別に設定されている。第１振幅閾値Δｔｈ１は、例えば、故障が生じていない第１軸受２２Ａがロボット１０に用いられた場合に、第１振幅変化量ΔＡｍｐ１が取り得る範囲の上限値よりも大きい値に設定されている。ステップＳ２３において否定判定した場合には、ステップＳ１７に進む。一方、ステップＳ２３において肯定判定した場合には、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１７又はＳ１８の処理の完了後、ステップＳ２４に進み、ステップＳ１４で算出した第２振幅変化量ΔＡｍｐ２が第２振幅閾値Δｔｈ２を超えているか否かを判定する。第２振幅閾値Δｔｈ２は、第２軸受２２Ｂに対応して個別に設定されている。第２振幅閾値Δｔｈ２は、例えば、故障が生じていない第２軸受２２Ｂがロボット１０に用いられた場合に、第２振幅変化量ΔＡｍｐ２が取り得る範囲の上限値よりも大きい値に設定されている。ステップＳ２４において否定判定した場合には、ステップＳ２０に進む。一方、ステップＳ２４において肯定判定した場合には、ステップＳ２１に進む。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に準じた効果を得ることはできる。

＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、特定周波数以外の規定周波数における振幅を用いて転がり軸受の故障を判定する。

図１４に、コントローラ３０により実行される故障判定処理の手順を示す。なお、図１４において、先の図８に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

ステップＳ１２の処理の完了後、ステップＳ３０では、今回のステップＳ１２で算出された周波数スペクトルに基づいて、第１規定周波数ｆａにおける今回の振幅である第１振幅Ａｍｐａ［ｎ］と、第２規定周波数ｆｂにおける今回の振幅である第２振幅Ａｍｐｂ［ｎ］と、第３規定周波数ｆｃにおける今回の振幅である第３振幅Ａｍｐｃ［ｎ］とを算出する。各規定周波数ｆａ〜ｆｃは、第１，第２特定周波数ｆ１，ｆ２以外の周波数である。本実施形態では、図１５に示すように、第１規定周波数ｆａは、第１特定周波数ｆ１よりも低い周波数に設定されている。第２規定周波数ｆｂは、第１特定周波数ｆ１よりも高くてかつ第２特定周波数ｆ２よりも低い周波数に設定されている。すなわち、第２規定周波数ｆｂは、第１特定周波数ｆ１及び第２特定周波数ｆ２に挟まれている。第３規定周波数ｆｃは、第２特定周波数ｆ２よりも高い周波数に設定されている。

ステップＳ３１では、今回のステップＳ３０において算出した第１振幅Ａｍｐａ［ｎ］から、前回のステップＳ３１において算出した第１振幅Ａｍｐａ［ｎ−１］を減算することにより、第１振幅変化量ΔＡｍｐａを算出する。また、今回のステップＳ３１において算出した第２振幅Ａｍｐｂ［ｎ］から、前回のステップＳ３１において算出した第２振幅Ａｍｐｂ［ｎ−１］を減算することにより、第２振幅変化量ΔＡｍｐｂを算出する。また、今回のステップＳ３１において算出した第３振幅Ａｍｐｃ［ｎ］から、前回のステップＳ３１において算出した第３振幅Ａｍｐｃ［ｎ−１］を減算することにより、第３振幅変化量ΔＡｍｐｃを算出する。

ステップＳ３２では、算出した第１振幅変化量ΔＡｍｐａを回転変化量で除算することにより、第１傾き値ＳＬａを算出する。回転変化量は、先の図８のステップＳ１５で説明したものと同じである。また、ステップＳ３２では、算出した第２振幅変化量ΔＡｍｐｂを回転変化量で除算することにより、第２傾き値ＳＬｂを算出し、算出した第３振幅変化量ΔＡｍｐｃを回転変化量で除算することにより、第３傾き値ＳＬｃを算出する。

ステップＳ３３では、算出した第１〜第３傾き値ＳＬａ〜ＳＬｃのうち少なくとも２つが判定閾値Ｓα（＞０）を超えているか否かを判定する。ステップＳ３３において否定判定した場合には、ステップＳ３４に進み、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂが正常であると判定する。一方、ステップＳ３３において否定判定した場合には、ステップＳ３５に進み、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂの少なくとも１つに故障が生じていると判定する。その後、ステップＳ２２に進む。

第１軸受２２Ａに故障が生じた場合における周波数スペクトルの振幅の増加分は、第１特定周波数ｆ１におけるものよりも、各規定周波数ｆａ〜ｆｃにおけるものの方が小さくなると考えられる。また、第２軸受２２Ｂに故障が生じた場合における周波数スペクトルの振幅の増加分は、第２特定周波数ｆ２におけるものよりも、各規定周波数ｆａ〜ｆｃにおけるものの方が小さくなると考えられる。増加分が小さくなると、故障判定精度が低下する懸念がある。

そこで、本実施形態では、３つの規定周波数ｆａ〜ｆｃそれぞれにおける傾き値ＳＬａ〜ＳＬｃが算出される。そして３つの規定周波数ｆａ〜ｆｃのうち少なくとも２つの規定周波数における傾き値それぞれが判定閾値Ｓαを超えたと判定された場合、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂの少なくとも１つが故障していると判定される。本実施形態では、少なくとも２つの規定周波数に対応する判定がなされるため、規定周波数における振幅が故障判定に用いられる場合であっても、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂの故障判定精度を高めることができる。

＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、転がり軸受の故障が軽度故障又は重度故障であるかを判定する。

図１６に、コントローラ３０により実行される故障判定処理の手順を示す。なお、図１６において、先の図８に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

ステップＳ１６において肯定判定した場合には、ステップＳ４０に進み、第１傾き値ＳＬ１が第１判定閾値Ｓｔｈ１を超えているとステップＳ１６においてＮ回（Ｎは２以上の整数）連続して判定されたか否かを判定する。

ステップＳ４０において否定判定した場合には、ステップＳ４１に進み、第１軸受２２Ａが軽度故障していると判定する。

一方、ステップＳ４０において肯定判定した場合には、ステップＳ４２に進み、第１軸受２２Ａが重度故障していると判定する。重度故障は、軽度故障よりも故障が進行し、故障度合いが大きくなった故障である。転がり軸受の故障が進行して故障度合いが大きくなると、周波数スペクトルの振幅の変化量が大きくなる状態が継続される。この場合、第１傾き値ＳＬ１が第１判定閾値Ｓｔｈ１を超えていると連続して判定されると考えられる。

ステップＳ１７、Ｓ４１又はＳ４２の処理の完了後、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１９において肯定判定した場合には、ステップＳ４３に進み、第２傾き値ＳＬ２が第２判定閾値Ｓｔｈ２を超えているとステップＳ１９においてＮ回連続して判定されたか否かを判定する。

ステップＳ４３において否定判定した場合には、ステップＳ４４に進み、第２軸受２２Ｂが軽度故障していると判定する。一方、ステップＳ４３において肯定判定した場合には、ステップＳ４５に進み、第２軸受２２Ｂが重度故障していると判定する。ステップＳ２０、Ｓ４４又はＳ４５の処理の完了後、ステップＳ２２に進む。なお、ステップＳ２２の通知処理は、重度故障の場合、軽度故障の場合よりも警告度合いを強くしたものであってもよい。

以上説明した本実施形態によれば、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂのいずれかに故障が生じたことに加えて、その故障度合いを把握することができる。

＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態を以下のように変更して、実施することもできる。

・故障判定処理が、通常動作モードではなく、等速動作モードにおいて実施されてもよい。

・第３実施形態において、コントローラ３０は、４つ以上の規定周波数それぞれに対応する傾き値を算出し、少なくとも２つの規定周波数における傾き値それぞれが判定閾値Ｓαを超えたと判定した場合に、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂの少なくとも１つが故障していると判定してもよい。

また、コントローラ３０は、４つ以上の規定周波数それぞれに対応する傾き値を算出し、例えば少なくとも３つの規定周波数における傾き値それぞれが判定閾値Ｓαを超えたと判定した場合に、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂの少なくとも１つが故障していると判定してもよい。

また、コントローラ３０は、１つの規定周波数に対応する傾き値を算出し、規定周波数における傾き値が判定閾値Ｓαを超えたと判定した場合に、第１，第２軸受２２Ａ，２２Ｂの少なくとも１つが故障していると判定してもよい。

・第３実施形態において、傾き値に代えて、第２実施形態のように振幅変化量が故障判定に用いられてもよい。

・振幅変化量を回転変化量（関節の累計回転量）で規格化した値としては、図８のステップＳ１５で説明したものに限らない。例えば、閾値と比較する規格化した値として、第１，第２傾き値ＳＬ１，ＳＬ２に所定値（＞０）加算した値又は第１，第２傾き値ＳＬ１，ＳＬ２から所定値減算した値が用いられてもよい。このように加算又は減算した値は、傾き値と正の相関を有する。

また、例えば、閾値と比較する規格化した値として、下式（ｃ１）のように、振幅変化量ΔＡｍｐを回転変化量で除算した値をアークタンジェント演算することにより得られる値βが用いられてもよい。この値βは、上記傾き値と正の相関を有する。

・図８，図１６で説明した傾き値や図１３で説明した振幅変化量である判定用変化量としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。例えば、振幅が前回算出されてから振幅が今回算出されるまでのモータ２１の累計動作時間で、今回算出された振幅から前回算出された振幅を差し引いた値を除算した値を判定用変化量としてもよい。

・上記各実施形態では、電流検出部３５により検出されるモータ２１の電流値に基づいて、モータ２１により関節Ｋ１〜Ｋ６を回転駆動する際に発生する振動を検出したがこれに限らない。例えば、電流検出部３５により検出されるモータ２１の電流値に基づいてモータ２１のトルク値を算出又は推定し、その算出又は推定したトルク値に基づいて上記の振動をトルク値の振動として検出するようにしてもよい。この場合、その検出されたトルク値の振動データに対して周波数解析が実施される。

また、各関節Ｋ１〜Ｋ６に振動を検出する振動センサを設け、その振動センサにより関節Ｋ１〜Ｋ６を回転駆動する際に発生する振動を検出するようにしてもよい。

・各関節に転がり軸受が１つ設けられていたり、３つ以上設けられていたりしてもよい。３つ以上設けられている場合にも、転がり軸受ごとに対応する特定周波数が相違することになるため、例えば先の図８，図１６の処理を適用することができる。

・本発明が適用されるロボットとしては、６軸ロボットに限らず、例えば、５軸ロボットや４軸ロボット等、その他の多関節型ロボットであってもよい。また、本発明が適用されるロボットとしては、多関節を有するものに限らず、関節を１つだけ有する１軸ロボットであってもよい。

１０…ロボット、２１…モータ、２２Ａ，２２Ｂ…第１，第２軸受、３０…コントローラ、Ｋ１〜Ｋ６…関節。

Claims (9)

1. 関節を回転駆動するモータと、
   前記関節の回転に伴い、転動体が転走面に転がり接触することで摺動する転がり軸受と、を備えるロボットに適用される転がり軸受の故障判定装置において、
   前記モータにより前記関節を回転させる場合に発生する振動を検出する振動検出部と、
   前記振動検出部により検出された振動について周波数解析を行い、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅を算出する振幅算出部と、
   前記振幅算出部により算出された振幅に基づいて、該振幅の変化量又はその相関値である判定用変化量を算出する変化量算出部と、
   前記判定用変化量が閾値を超えたと判定した場合、前記転がり軸受が故障していると判定する故障判定部と、を備える転がり軸受の故障判定装置。
2. 前記判定用変化量は、前記振幅算出部により今回算出された振幅から前回算出された振幅を差し引いた値を、前記振幅算出部により振幅が前回算出されてから振幅が今回算出されるまでの前記関節の累計回転量で規格化した値である請求項１に記載の転がり軸受の故障判定装置。
3. 前記判定用変化量は、前記振幅算出部により今回算出された振幅から前回算出された振幅を差し引いた値を、前記関節の累計回転量で除算した値又はその相関値である請求項２に記載の転がり軸受の故障判定装置。
4. 前記振幅算出部は、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅のうち、前記転がり軸受に対応して定まる特定周波数における振幅を算出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受の故障判定装置。
5. 前記振幅算出部は、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅のうち、前記転がり軸受に対応して定まる特定周波数以外の規定周波数における振幅を算出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受の故障判定装置。
6. 前記振幅算出部は、前記周波数解析により得られた振動の周波数スペクトルの振幅のうち、前記転がり軸受に対応して定まる特定周波数以外の周波数であって、互いに異なる複数の前記規定周波数それぞれにおける振幅を算出し、
   前記変化量算出部は、複数の前記規定周波数それぞれにおける前記判定用変化量を算出し、
   前記故障判定部は、複数の前記規定周波数のうち少なくとも２つの規定周波数における前記判定用変化量それぞれが前記閾値を超えたと判定した場合、前記転がり軸受が故障していると判定する請求項５に記載の転がり軸受の故障判定装置。
7. 前記故障判定部は、前記判定用変化量が前記閾値を超えたと判定した場合、前記転がり軸受が軽度故障していると判定し、前記判定用変化量が前記閾値を超えたと複数回連続して判定した場合、前記軽度故障に代えて、該軽度故障よりも故障度合いの大きい重度故障が前記転がり軸受に生じていると判定する請求項１〜６のいずれか１項に記載の転がり軸受の故障判定装置。
8. 前記振動検出部は、前記モータにより前記関節が等速で回転駆動されている期間における振動を検出する請求項１〜７のいずれか１項に記載の転がり軸受の故障判定装置。
9. 前記故障判定部により前記転がり軸受に故障が生じていると判定された場合、その旨を通知する通知部を備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の転がり軸受の故障判定装置。

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