JP2021076450A

JP2021076450A - 送り軸装置の異常診断方法及び異常診断装置

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Publication number: JP2021076450A
Application number: JP2019202550A
Authority: JP
Inventors: 真理子伊藤; Mariko Ito; 匠北郷; Takumi Kitago
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: JP7361573B2; US11268884B2; US20210140853A1; DE102020213960A1; CN112775719A

Abstract

【課題】送り軸装置の制御に使われる最低限の構成を用いて送り軸装置の異常診断を低コスト及び低リスクで行う。
【解決手段】ボールねじ及びナットを有して工作機械に組み込まれる送り軸装置に対し、ボールねじが所定の動作パターンで動作するように送り軸装置の動作を制御し、送り軸装置から発生する物理量信号を検出する検出ステップ（Ｓ１）と、検出ステップで検出された物理量信号に基づき送り軸装置１１の異常診断を行う異常診断ステップと、を実行し、異常診断ステップでは、物理量信号に対して周波数解析を行って（Ｓ２）、動作パターンでの複数の動作位置に対応した周波数をそれぞれ抽出し（Ｓ３）、各動作位置に対応した周波数の変化を曲げ振動モードと比較して異常診断を行う（Ｓ４）。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボールねじによる送り軸装置をもつ工作機械等の機械設備において、送り軸装置の異常を診断する方法及び装置に関する。

例えば工作機械の送り軸装置では、モータの回転運動をボールねじに伝えて駆動する方式が多く使用されている。しかしながら、数年間稼働した機械では、摩耗による予圧抜けや、異物の混入、潤滑不良などによる損傷により、精度不良や異音等が発生する場合がある。このような状態となると、ワークの形状不良や加工目不良などの不具合が発生する。したがって、ボールねじやサポート軸受、ガイドといった送り軸装置の機械要素は、劣化や破損が生じ、不具合が発生する前に交換されることが望ましい。
そこで、送り軸装置の機械要素の状態を知るために、変位センサを内蔵し位置決め精度を測定する方法や、振動センサによりボールねじやサポート軸受、リニアガイドの振動を検知し診断する方法など、さまざまな診断を行う方法が提案されている。特に特許文献１では、被駆動体の位置検出値とモータの位置検出値との差であるたわみ量を算出し、たわみ量の大きさが閾値を越えた場合に、機械の異常として警告表示する方法が開示されている。また、特許文献２では、ボールねじの振動と回転数とを検出し、振動信号を周波数分析と回転数に基づいた次数比分析または回転数に基づいたキャンベル解析とを行うことによって、ボールねじを構成するどの部品に異常が発生しているかを特定する方法が開示されている。

特開２００７−２１９６８９号公報特開２０１３−１６４３８６号公報

一般的な工作機械では、ロータリーエンコーダのみを用いたセミクローズドループ方式が採用されることが多い。しかし、特許文献１における機械は、フルクローズドループ方式を採用しているため、セミクローズドループ方式の機械には適用できない。また、特許文献１ではたわみ量検出器を採用し、特許文献２では診断用のセンサを追加している。これらの方法では、送り軸装置の制御に使われる最低限の構成よりも構成要素が増えるため、コスト増加の要因、また故障する可能性のある個所が増加することによる、故障リスクの増加といった課題がある。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、工作機械の送り軸装置の制御に使われる最低限の構成を用いて、送り軸装置の異常診断を低コスト及び低リスクで行うことができる異常診断方法及び異常診断装置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、請求項１に記載の発明は、ねじ軸及びナットを有して機械設備に組み込まれる送り軸装置の異常を診断する方法であって、
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送り軸装置の動作を制御する動作制御ステップと、
前記送り軸装置から発生する物理量信号を検出する検出ステップと、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出ステップで検出された前記物理量信号に基づき前記送り軸装置の異常診断を行う異常診断ステップと、を含み、
前記異常診断ステップでは、前記物理量信号に対して周波数解析を行って、前記動作パターンでの複数の動作位置に対応した周波数をそれぞれ抽出し、各前記動作位置に対応した周波数の変化に基づいて異常診断を行うことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、上記構成において、前記異常診断ステップでは、各前記動作位置に対応した前記周波数の変化を、前記送り軸装置の各前記動作位置における曲げ振動モードと比較して異常診断を行うことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、上記構成において、前記異常診断は、前記曲げ振動モードに基づいて設定した所定の領域内に、各前記動作位置に対応した前記周波数が含まれる割合を所定の閾値と比較するものであることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、ねじ軸及びナットを有して機械設備に組み込まれる送り軸装置の異常を診断する装置であって、
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送り軸装置の動作を制御する動作制御手段と、
前記送り軸装置から発生する物理量信号を検出する検出手段と、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出手段で検出された前記物理量信号に基づき前記送り軸装置の異常診断を行う異常診断手段と、を含み、
前記異常診断手段は、前記物理量信号に対して周波数解析を行って、前記動作パターンでの複数の動作位置に対応した周波数をそれぞれ抽出し、各前記動作位置に対応した周波数の変化に基づいて異常診断を行うことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、上記構成において、前記異常診断手段は、各前記動作位置に対応した前記周波数の変化を、前記送り軸装置の各前記動作位置における曲げ振動モードと比較して異常診断を行うことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、上記構成において、前記異常診断は、前記曲げ振動モードに基づいて設定した所定の領域内に、各前記動作位置に対応した前記周波数が含まれる割合を所定の閾値と比較するものであることを特徴とする。

本発明によれば、送り軸装置の制御に使われる最低限の構成に対してセンサ等の他の構成要素を増やすことなく異常診断が行えることになり、センサ等の増加に伴うコストの増加や故障リスクの増加が生じない。従って、送り軸装置の異常診断を低コスト及び低リスクで行うことができる。

送り軸装置及び位置制御装置のブロック図である。異常診断の手順を示すフローチャートである。送り軸装置の曲げ振動モードを示す説明図である。抽出した動作位置と周波数との関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用する工作機械の送り軸装置及び位置制御装置のブロック図の一例である。
送り軸装置１１は、モータ７によってボールねじ８を回転駆動させることで、ボールねじ８にナット９ａが螺合する移動体９を直線移動させる。
位置制御装置１２では、ＮＣ装置１０からの位置指令とモータ７に取り付けられている位置検出器６からの現在位置が加算器１に入力され、演算された位置偏差が位置制御器２に入力される。位置制御器２は、位置誤差量に応じた速度指令値を生成する。速度制御器３は、速度指令値と現在位置とを微分器５により演算された速度検出値に応じてトルク指令値を生成する。電流制御器４は、入力されるトルク指令値に基づきモータ７への電流を制御する。位置検出器６で検出された現在位置をはじめ、これらの処理内で使用された情報は、位置制御装置１２を含むＮＣ装置１０で記録、表示することが可能である。

ここでは、ＮＣ装置１０が、送り軸装置１１の動作位置に対応した周波数の変化を捉えて送り軸装置１１の異常診断を行う異常診断部１３を備えて、異常診断装置としても機能する。
異常診断部１３は、ＮＣ装置１０の記憶部に記憶され、所定の異常診断アルゴリズムに則って作成されたプログラムに基づいて、本発明の動作制御手段、検出手段、異常診断手段として機能し、送り軸装置１１の異常診断を実行する。以下、異常診断部１３による異常診断の手順を、図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、Ｓ（「ＳＴＥＰ」の略、以下同じ）１で、所定の動作パターンで送り軸装置１１を動作させ、送り軸装置１１から発生する物理量信号を検出する（動作制御ステップ及び検出ステップ）。
次に、Ｓ２で、検出した物理量信号のデータに対して周波数解析を行う。
次に、Ｓ３で、周波数解析の結果から、動作位置に対応した周波数とその周波数強度とを算出し、所定の閾値より大きい周波数強度をもつ動作位置と周波数とを抽出する。
そして、Ｓ４で、抽出した動作位置と周波数との関係と、送り軸装置１１に曲げ振動モードが発生する動作位置と周波数との関係との一致具合を判定することによって、ボールねじ８の摩耗判定を行う（Ｓ２〜Ｓ４：異常診断ステップ）。送り軸装置１１の曲げ振動モードは、以下に示す梁の曲げ振動モード（固有振動数）の式（１）に送り軸装置１１のパラメータを代入することによって算出する。

ここで、境界条件と振動モードとによって決まる無次元の定数をλ、梁の長さをｌ、梁の材料のヤング率をＥ、梁の断面２次モーメントをＩ、梁の材料の単位体積あたりの質量をρ、梁の断面積をＡとしている。

次に、上述した異常診断方法の具体例について述べる。
まず、Ｓ１での所定の動作パターンは、一定速度でボールねじ８のフルストロークを片道送ることとし、検出する物理量信号はトルク指令値とする。
Ｓ２において、検出したトルク指令値のデータに対する周波数解析は、一定ストローク区間毎に区切ったトルク指令値のデータに対してＦＦＴを行い、フルストローク分のトルク指令値のデータに対するＦＦＴ結果を得る。
Ｓ３では、ＦＦＴを行ったストローク区間とＦＦＴ結果とを対応付けることによって、各動作位置に対応した周波数とその周波数強度とを算出し、所定の閾値より大きい周波数強度をもつ動作位置と周波数とを抽出する。
Ｓ４において、図３に示した送り軸装置１１の曲げ振動モードは、梁の曲げ振動モードの式（１）に送り軸装置１１のパラメータを代入することによって算出する。λはボールねじ８の支持状態によって変わる値である。ｌはボールねじ８の支持軸受からナット９ａまでの距離となり、例えばナット９ａの中心を用いて計算する。Ｅはボールねじ８のヤング率、Ｉはボールねじ８の断面２次モーメント、ρはボールねじ８の密度、Ａはボールねじ８の断面積となる。

図４は、Ｓ３において抽出した動作位置と周波数との関係を示したものであり、動作音が大きくボールねじ８に摩耗が起きている事例である。図３に示したような曲線が現れていることが確認できる。
そして、抽出した動作位置と周波数との関係と、曲げ振動モードが発生する動作位置と周波数との関係との一致具合を確認する際は、例えば、境界条件が両端固定で振動モードが１次の場合の値４．７３０を式（１）のλに代入し、その場合に得られる図３に示した送り軸装置１１の曲げ振動モードの実線で示す１次の曲線を中心として、両側に幅をもたせた領域Ａ１（図４に一点鎖線で囲まれる領域）を設定する。幅の持たせ方は、中心とする曲線を平行移動させた範囲を設定しても、中心とする曲線から曲線の法線方向に一定距離離れた範囲を設定してもよい。また、動作位置と周波数との関係の全領域をＡ２（図４に点線で囲まれる領域）とする。
設定した領域Ａ１内において、領域Ａ２における周波数強度の平均値以上となっている領域の割合を算出し、算出結果が所定の閾値より大きい場合を異常（ボールねじ８の摩耗）と診断する。所定の閾値は、例えば領域Ａ２において、周波数強度の平均値以上となっている領域の割合としてもよい。診断結果は、ＮＣ装置１０のモニタに表示したり警告音を鳴らしたりすることで報知する。

このように、上記形態の送り軸装置１１の異常診断方法及びＮＣ装置１０（異常診断装置）によれば、ボールねじ８（ねじ軸）及びナット９ａを有して工作機械に組み込まれる送り軸装置１１に対し、ボールねじ８が所定の動作パターンで動作するように送り軸装置１１の動作を制御する動作制御ステップ（Ｓ１）と、送り軸装置１１から発生するトルク指令値（物理量信号）を検出する検出ステップ（Ｓ１）と、検出ステップで検出されたトルク指令値に基づき送り軸装置１１の異常診断を行う異常診断ステップと、を実行し、異常診断ステップでは、トルク指令値に対して周波数解析を行って（Ｓ２）、動作パターンでの複数の動作位置に対応した周波数をそれぞれ抽出し（Ｓ３）、各動作位置に対応した周波数の変化を曲げ振動モードと比較して異常診断を行う（Ｓ４）ようになっている。
よって、送り軸装置１１の制御に使われる最低限の構成に対してセンサ等の他の構成要素を増やすことなく異常診断が行えることになり、センサ等の増加に伴うコストの増加や故障リスクの増加が生じない。従って、送り軸装置１１の異常診断を低コスト及び低リスクで行うことができる。

なお、本実施形態では、一番メリットのある例として、検出する物理量信号をモータへのトルク指令値としているが、送り軸装置から発生する物理量信号であれば音や振動を検出してもよい。また、比較する送り軸装置の曲げ振動モードの曲線に関しては、必要に応じて図３に点線で示す２次、３次の曲線のような高次数を用いるように拡張してもよい。
また、動作位置に対応した周波数の変化を捉えて診断する方法として、所定の閾値より大きい周波数強度の動作位置と周波数とを抽出して送り軸装置の曲げ振動モードと比較する方法にしぼって説明したが、この形態に限らない。例えば、あらかじめ異常時の動作位置によって変化する周波数の特徴を学習させたニューラルネットワークに、複数の動作位置に対応した周波数分析結果をカラーマップ表示した画像を入力して異常診断を行うようにしてもよい。同様に、当該ニューラルネットワークに、複数の動作位置に対応した周波数分析結果を行列として入力して異常診断を行うようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、ボールねじの摩耗を異常として診断したが、曲げ振動モードはボールねじが振れ回ることによって発生するため、本発明は組立時の振れ回りの状態の判定にも用いることができる。
その他、異常診断装置をＮＣ装置と別に設けて、有線若しくは無線によってＮＣ装置と接続することで異常診断を実施することもできる。この場合、複数の工作機械の異常診断を並行して行うことができる。
そして、本発明は工作機械に限らず、送り軸装置を備えた他の機械設備であっても適用可能である。

１・・加算器、２・・位置制御器、３・・速度制御器、４・・電流制御器、５・・微分器、６・・位置検出器、７・・モータ、８・・ボールねじ、９・・移動体、１０・・ＮＣ装置、１１・・送り軸装置、１２・・位置制御装置、１３・・異常診断部。

Claims

ねじ軸及びナットを有して機械設備に組み込まれる送り軸装置の異常を診断する方法であって、
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送り軸装置の動作を制御する動作制御ステップと、
前記送り軸装置から発生する物理量信号を検出する検出ステップと、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出ステップで検出された前記物理量信号に基づき前記送り軸装置の異常診断を行う異常診断ステップと、を含み、
前記異常診断ステップでは、前記物理量信号に対して周波数解析を行って、前記動作パターンでの複数の動作位置に対応した周波数をそれぞれ抽出し、各前記動作位置に対応した周波数の変化に基づいて異常診断を行うことを特徴とする送り軸装置の異常診断方法。
前記異常診断ステップでは、各前記動作位置に対応した前記周波数の変化を、前記送り軸装置の各前記動作位置における曲げ振動モードと比較して異常診断を行うことを特徴とする請求項１に記載の送り軸装置の異常診断方法。
前記異常診断は、前記曲げ振動モードに基づいて設定した所定の領域内に、各前記動作位置に対応した前記周波数が含まれる割合を所定の閾値と比較するものであることを特徴とする請求項２に記載の送り軸装置の異常診断方法。
ねじ軸及びナットを有して機械設備に組み込まれる送り軸装置の異常を診断する装置であって、
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送り軸装置の動作を制御する動作制御手段と、
前記送り軸装置から発生する物理量信号を検出する検出手段と、
所定の異常診断アルゴリズムに従い、前記検出手段で検出された前記物理量信号に基づき前記送り軸装置の異常診断を行う異常診断手段と、を含み、
前記異常診断手段は、前記物理量信号に対して周波数解析を行って、前記動作パターンでの複数の動作位置に対応した周波数をそれぞれ抽出し、各前記動作位置に対応した周波数の変化に基づいて異常診断を行うことを特徴とする送り軸装置の異常診断装置。
前記異常診断手段は、各前記動作位置に対応した前記周波数の変化を、前記送り軸装置の各前記動作位置における曲げ振動モードと比較して異常診断を行うことを特徴とする請求項４に記載の送り軸装置の異常診断装置。
前記異常診断は、前記曲げ振動モードに基づいて設定した所定の領域内に、各前記動作位置に対応した前記周波数が含まれる割合を所定の閾値と比較するものであることを特徴とする請求項５に記載の送り軸装置の異常診断装置。