JP2021028642A - ボールねじの予圧低下検出方法及び直動駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予圧の低下を検出可能なボールねじを備える直動駆動装置を提供する。【解決手段】直動駆動装置は、ボールねじ９と、ボールねじ９により駆動されて直線移動する直動テーブル１と、ボールねじ９に付与された予圧の低下を検出する異常検出装置１１と、を備える。異常検出装置１１は、ボールねじ９の作動時の振動を測定する振動センサ１０と、振動センサ１０で測定した振動信号のうち特定の周波数帯域の振動信号の振動値を取得する演算処理部１２と、ボールねじ９の作動初期又は正常作動時の振動値を基準値として、この基準値に対して振動値が予め定めた閾値を下回った場合に、ボールねじ９に予圧の低下が発生したと判定する異常検出部１３と、を有する。特定の周波数帯域は１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域であり、演算処理部１２は振動値としてオーバーオール値、ＲＭＳ値、及び平均値のうちの少なくとも１つを取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじの予圧低下検出方法及び直動駆動装置に関する。

ボールねじの異常を検出する方法が種々提案されている。例えば特許文献１には、ボールねじの作動時の振動を測定し、得られた振動信号のうちナットの固有周波数以下の周波数帯域の振動信号について周波数分析を実施し、正常品のボールねじと比較することで、ボールねじに発生した異常を検出する方法が開示されている。
また、特許文献２には、ボールねじの作動時の振動を測定し、ねじ軸の回転速度に同期した特定周波数帯域の２ｎｆｂ成分を正常品のボールねじと比較することで、ボールねじに発生した玉傷、玉剥離等の異常を検出する方法が開示されている。
さらに、特許文献３には、ボールねじの作動信号を検出し、球体通過信号に変換して所定の閾値と比較することで、ボールねじの予圧力の消失を検出する方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１、２、３に開示の方法で異常検出を行うためには、ボールねじの諸元に合わせた軸回転周波数、ボールの公転周期、ボールの自転周期、球体通過信号などを予め計算しておく必要があった。また、特許文献１、２に開示の方法は、被検品のボールねじの振動信号を正常品のボールねじの振動信号と比較する必要があるため、正常品のボールねじの振動信号を取得することが必須となる。さらに、特許文献１、２に開示の方法は、ボール等の部品に発生した圧痕、剥離等の損傷を検出することを目的しており、摩耗等に起因して発生する予圧低下の検出については考慮されていない。

特開２０１０−３８５６７号公報 特開２０１２−２２９９５３号公報 特開２０１５−２３００９７号公報

本発明は、ボールねじに付与された予圧の低下を検出する方法、及び、予圧の低下を検出可能なボールねじを備える直動駆動装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係るボールねじの予圧低下検出方法は、ボールねじに付与された予圧の低下を検出する方法であって、ボールねじの作動時の振動を測定する振動測定工程と、振動測定工程で得られた振動信号のうち特定の周波数帯域の振動信号の振動値を取得する演算処理工程と、前記ボールねじの作動初期又は正常作動時の振動値を基準値として、前記基準値に対して振動値が予め定めた閾値を下回った場合に、ボールねじに予圧の低下が発生したと判定する異常検出工程と、を備え、特定の周波数帯域が１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域であり、演算処理工程においては振動値としてオーバーオール値、ＲＭＳ値、及び平均値のうちの少なくとも１つを取得することを要旨とする。

本発明の他の態様に係る直動駆動装置は、ボールねじと、ボールねじにより駆動されて直線移動する直動部と、ボールねじに付与された予圧の低下を検出する異常検出装置と、を備え、異常検出装置は、ボールねじの作動時の振動を測定する振動センサと、振動センサで測定した振動信号のうち特定の周波数帯域の振動信号の振動値を取得する演算処理部と、前記ボールねじの作動初期又は正常作動時の振動値を基準値として、前記基準値に対して振動値が予め定めた閾値を下回った場合に、ボールねじに予圧の低下が発生したと判定する異常検出部と、を有し、特定の周波数帯域が１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域であり、演算処理部は振動値としてオーバーオール値、ＲＭＳ値、及び平均値のうちの少なくとも１つを取得することを要旨とする。

本発明によれば、ボールねじに付与された予圧の低下を検出することができる。

本発明に係る直動駆動装置の一実施形態を説明する図である。 正常品、微予圧品、及び予圧抜け品のボールねじの振動信号を示すグラフである。 正常品、微予圧品、及び予圧抜け品のボールねじのオーバーオール値を示すグラフである。

本発明の一実施形態を、図１を参照しながら詳細に説明する。図１は、予圧の低下を検出可能なボールねじを備える直動駆動装置の概略構成図である。
図１の直動駆動装置は、ボールねじ９と、ボールねじ９により駆動されて直線移動する直動テーブル１（本発明の構成要件である直動部に相当する）と、ボールねじ９に付与された予圧の低下を検出する異常検出装置１１と、を備える。

そして、この異常検出装置１１は、ボールねじ９の作動時の振動を測定する振動センサ１０と、振動センサ１０で測定した振動信号のうち特定の周波数帯域の振動信号の振動値（例えばオーバーオール値）を取得する演算処理部１２と、ボールねじ９の作動初期又は正常作動時の振動値を基準値として、この基準値に対して振動値が予め定めた閾値を下回った場合に、ボールねじ９に予圧の低下が発生したと判定する異常検出部１３と、を有する。これら振動センサ１０、演算処理部１２、及び異常検出部１３は、一体となって異常検出装置１１を形成していてもよいし、別体となっていてもよい。

この直動駆動装置は、直動テーブル１を図１における左右方向に往復直線移動させるものであり、図１の左右方向に軸線を向けてボールねじ９のねじ軸２が配置されている。ねじ軸２の軸方向両端部は支持軸受３、３によって回転自在に支持されており、支持軸受３のねじ軸２との接触部位には、図示しない転がり軸受等の軸受部材が装着されている。また、ねじ軸２の軸方向両端部のうち一方の端部（図１では右側端部）は、継手４を介して電動モータ５に接続されている。

ねじ軸２は、略円筒状のナット６の内側に挿通されている。ねじ軸２の外周面には、断面が例えばほぼ半円形のボール転動溝７が螺旋状に連続して形成されており、ねじ軸２の外周面に対向するナット６の内周面には、断面が例えばほぼ半円形のボール転動溝（図示せず）が螺旋状に連続して形成されている。ねじ軸２のボール転動溝７とナット６のボール転動溝は対向配置されているので、これら両ボール転動溝の間にはボール転動路（図示せず）が形成される。そして、このボール転動路には、ねじ軸２又はナット６の回転運動に伴って転動するボール（図示せず）が多数配置されている。また、ナット６の内部には、ボール転動路のボールを掬い上げて再びボール転動路に戻し循環させるためのボール戻し路（図示せず）も形成されている。

ナット６の軸方向一方の端部にはフランジ８が設けられ、このフランジ８が直動テーブル１に固定されている。直動テーブル１及びナット６のねじ軸２の軸周りの回転が規制されている状態で、電動モータ５を回転すると、ねじ軸２が回転駆動される。そして、ボール転動路内のボールの転動に伴って、ナット６及び直動テーブル１が図１の左右方向に直線移動する。

ねじ軸２、ナット６、ボール等を備えるボールねじ９においては、このボールの転動に伴って振動が生じる。本実施形態では、ナット６のフランジ８に振動センサ（振動加速度センサ）１０を取付け、振動センサ１０で検出される振動信号からボールねじ９の異常を検出する。なお、振動センサ１０で検出される振動信号は波形データである。また、振動センサ１０の取付箇所はナット６のフランジ８に限定されるものではなく、直動テーブル１の移動方向、つまりナット６の進行方向の振動加速度を検出することが可能な部位であればどこに取り付けてもよい。ただし、振動センサ１０の取付可能部位は、ナット６又は直動テーブル１の何れかである。

ボールねじ９の作動時に生じた振動は振動センサ１０によって測定され（振動測定工程）、測定された振動信号は演算処理部１２に送られて、所定の演算処理が行われる。すなわち、演算処理部１２の演算処理により、振動センサ１０で測定した振動信号のうち特定の周波数帯域の振動信号の振動値が取得される（演算処理工程）。以下においては、振動値としてオーバーオール値を取得する場合の例について説明する。オーバーオール値とは、特定の周波数帯域の振動信号の総和を意味する。ただし、振動値としてＲＭＳ値（実効値）や平均値を取得してもよい。なお、平均値とは、振動信号を絶対値処理した上に平均化処理したものである。

取得されたオーバーオール値は、異常検出部１３に送られる。そして、オーバーオール値が予め定めた閾値を下回った場合に、ボールねじ９に予圧の低下が発生したと、異常検出部１３において判定される（異常検出工程）。オーバーオール値を監視することにより、ボールねじ９に付与された予圧が、ボールねじ９の作動初期よりも低下したことを確実に検出することができる。例えば、ボールねじ９に付与された予圧が、ボールねじ９の作動初期よりも若干低下した状態や、予圧がゼロにまで低下した状態（予圧抜け）を検出することができる。

摩耗に起因する予圧の低下では振動信号の上昇が生じないので、振動信号の上昇を検出する特許文献１、２に開示の方法では、摩耗に起因する予圧の低下を検出することはできない。これに対して、本実施形態のボールねじの予圧低下検出方法によれば、振動値としてのオーバーオール値を監視することにより予圧の低下を確実に検出することができる。また、本実施形態のボールねじの予圧低下検出方法は、ボールねじの諸元を入手する必要がない上、ボールねじの諸元に合わせた軸回転周波数、ボールの公転周期、ボールの自転周期、球体通過信号などを予め計算しておく必要がない。

このような本実施形態のボールねじの予圧低下検出方法及び直動駆動装置は、特別な装置を必要とせず、既存の振動測定装置を使用して、予圧の低下を検出することができる。よって、本実施形態のボールねじの予圧低下検出方法及び直動駆動装置は、例えば工作機械、搬送装置、生産設備等に好適である。

特定の周波数帯域は、ねじ軸の固有周波数の影響を受けやすい１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの低周波数帯域とする。１０ｋＨｚ超過の周波数帯域では、転動体の循環振動に起因する影響を受けやすく、それがノイズとなり、検出精度を低下させてしまう。よって、このような低周波数帯域のオーバーオール値を監視することにより、摩耗による予圧の低下をより確実に検出することができる。

また、閾値は、特に限定されるものではないが、ボールねじ９の作動初期のオーバーオール値を基準として設定してもよい。例えば、振動測定工程においてボールねじ９の作動時の振動を振動センサ１０で経時的に測定するとともに、演算処理工程において演算処理部１２でオーバーオール値を経時的に取得し、異常検出工程において、経時的に取得したそれぞれのオーバーオール値とボールねじ９の作動初期のオーバーオール値との比較を異常検出部１３で随時行い、その差が予め定めた設定値を超えた場合に、ボールねじ９に予圧の低下が発生したと判定してもよい。上記の設定値は、予圧の低下を確実に検出することができるように、適宜設定すればよい。例えば、ボールねじ９の作動初期の所定期間内で何回かに分けて測定したオーバーオール値の平均値に係数を乗じた値などに設定すればよい。

経時的に取得したオーバーオール値とボールねじ９の作動初期のオーバーオール値との比較を異常検出部１３で行う場合には、ボールねじ９の作動初期のオーバーオール値を記憶部１４に記憶させておくとよい。そして、ボールねじ９の作動初期のオーバーオール値を記憶部１４から異常検出部１３に呼び出し、異常検出部１３において、経時的に取得したオーバーオール値との比較を行って、ボールねじ９に予圧の低下が発生したか否かの判定を行ってもよい。

図２に、ボールねじの作動時に振動センサによって測定された振動信号を示す。図２の「正常品」とは、摩耗が生じていないため予圧の低下が発生していない未使用のボールねじであり、作動初期の振動信号が測定されることとなる。また、図２の「微予圧品」とは、摩耗が生じているため予圧の低下が発生した既使用のボールねじであり、作動初期よりも若干低下した振動信号が測定されることとなる。さらに、図２の「予圧抜け品」とは、摩耗により予圧がゼロにまで低下したボールねじであり、作動初期よりも低下した振動信号が測定されることとなる。なお、図２においては、０ｋＨｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域の振動信号を示してある。

図２から分かるように、１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域において、予圧の低下による振動信号の低下が確認され、微予圧品よりも予圧抜け品の方が、振動信号の低下の程度が大きかった。
図２に示した例の正常品、微予圧品、及び予圧抜け品のボールねじのオーバーオール値を、図３に示す。図３から、１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域のオーバーオール値により、ボールねじの摩耗に起因する予圧抜け等の予圧の低下を検出することが可能であることが分かる。

なお、潤滑剤を供給した後のボールねじについては、潤滑剤の供給による振動への影響を排除するために慣らし運転を行い、振動が一定の値に収束した後に振動値の測定を行って、摩耗や予圧の低下を検出することが好ましい。

１ 直動テーブル
２ ねじ軸
３ 支持軸受
４ 継手
５ 電動モータ
６ ナット
７ ボール転動溝
８ フランジ
９ ボールねじ
１０ 振動センサ
１１ 異常検出装置
１２ 演算処理部
１３ 異常検出部
１４ 記憶部

Claims (4)

1. ボールねじに付与された予圧の低下を検出する方法であって、
   前記ボールねじの作動時の振動を測定する振動測定工程と、前記振動測定工程で得られた振動信号のうち特定の周波数帯域の振動信号の振動値を取得する演算処理工程と、前記ボールねじの作動初期又は正常作動時の振動値を基準値として、前記基準値に対して前記振動値が予め定めた閾値を下回った場合に、前記ボールねじに予圧の低下が発生したと判定する異常検出工程と、を備え、
   前記特定の周波数帯域が１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域であり、
   前記演算処理工程においては前記振動値としてオーバーオール値、ＲＭＳ値、及び平均値のうちの少なくとも１つを取得するボールねじの予圧低下検出方法。
2. 前記演算処理工程においては前記振動値を経時的に取得し、前記異常検出工程においては、取得した振動値と前記ボールねじの作動初期の振動値との比較を随時行い、その差が予め定めた設定値を超えた場合に、前記ボールねじに予圧の低下が発生したと判定する請求項１に記載のボールねじの予圧低下検出方法。
3. ボールねじと、前記ボールねじにより駆動されて直線移動する直動部と、前記ボールねじに付与された予圧の低下を検出する異常検出装置と、を備え、
   前記異常検出装置は、前記ボールねじの作動時の振動を測定する振動センサと、前記振動センサで測定した振動信号のうち特定の周波数帯域の振動信号の振動値を取得する演算処理部と、前記ボールねじの作動初期又は正常作動時の振動値を基準値として、前記基準値に対して前記振動値が予め定めた閾値を下回った場合に、前記ボールねじに予圧の低下が発生したと判定する異常検出部と、を有し、
   前記特定の周波数帯域が１０Ｈｚから１０ｋＨｚまでの周波数帯域であり、
   前記演算処理部は前記振動値としてオーバーオール値、ＲＭＳ値、及び平均値のうちの少なくとも１つを取得する直動駆動装置。
4. 前記異常検出装置は、前記演算処理部において前記振動値を経時的に取得し、前記異常検出部において、取得した振動値と前記ボールねじの作動初期の振動値との比較を随時行い、その差が予め定めた設定値を超えた場合に、前記ボールねじに予圧の低下が発生したと判定するようになっている請求項３に記載の直動駆動装置。

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