JP6051606B2

JP6051606B2 - ボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法

Info

Publication number: JP6051606B2
Application number: JP2012134330A
Authority: JP
Inventors: 雅人殿谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: JP2013257014A

Description

本発明は、ボールねじ軸とボールねじナットとの間のボール転動路で多数のボールを転動させてボールねじ軸又はボールねじナットを回転移動するボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法に関するものである。

一般に、ボールねじは、外周面に螺旋状のボール転動溝が形成されたボールねじ軸と、前記ボールねじ軸のボール転動溝と対向する螺旋状のボール転動溝を有するボールねじナットと、前記ボールねじ軸及びボールねじナットのボール転動溝間のボール転動路を当該ボールねじ軸又はボールねじナットの回転運動に伴って転動する多数のボールと、前記ボールの転がり方向を変更してボール戻し路に送給し且つボール戻し路からボールをボール転動路に戻すボール循環路とを備えて構成される。

転がり軸受などの異常を検出する方法としては、例えば下記特許文献１に記載されるように、振動センサによって軸受の振動を検出し、その検出信号に基づいて異常を判定する方法が提案されている。検出した振動信号を用いて異常を判定する方法としては、振動強度解析により異常を判定する方法や、振動周波数解析により異常を判定する方法がある。振動強度解析により異常を判定する際には、一般的に知られた方法として、例えば下記特許文献２に記載されるように、振動値の大きさの変化を追跡することによって異常を判定する方法がある。また、振動周波数解析により異常を判定する際には、例えば下記特許文献３に記載されるように、判定対象を駆動することにより発生する振動周波数のうち、幾何学的に計算される周波数（例えば転動体通過振動周波数や転動体自転周波数）などに着目し、その増減に基づいて異常を判定する方法がある。また、下記特許文献４に記載されるように、判定対象に異常が発生した場合には、計算周波数を基本周波数として、その自然数倍の高調波成分にも変化が表れるので、その高長波成分の変化を用いて異常の判定を行う方法もある。また、下記特許文献５では、ボールねじの異常を検出する場合、前述の高長波成分の変化が明確に表れる周波数範囲に制限のあることを明らかにしており、その周波数範囲を使用したボールねじの異常検出方法が記載されている。

特開２００７−１９２８２８号公報特開２００６−１３３１６２号公報特開２００５−１７１２８号公報特開２００４−２１２２２５号公報特開２０１０−３８５６７号公報

前記特許文献５によれば、ボールねじナット単体の固有振動数を境に、ボールねじナットの固有振動数以下の振動成分には高調波成分が明確に表れるのに対し、ボールねじナットの固有振動数以上の振動成分には高調波成分が現れにくい。そのため、ボールねじの異常検出のためには、ボールねじナットの固有振動数以下の周波数帯の高調波成分の変化を用いる。しかしながら、特に工作機械に用いられるボールねじの異常検出の場合に限っては、ボールねじナットの固有振動数以下の成分においても、高調波成分の出現に有為差があることが分かってきた。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、ボールねじナットの１０倍以上の質量のテーブルにボールねじナットの端部が堅固に固定される場合に、ボールねじの異常を正確に検出することが可能なボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のボールねじの異常検出装置は、ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出装置において、前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられ振動を検出する振動センサと、前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する濾波部と、前記濾波部で濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出する異常検出部とを備え、前記濾波部は、前記ボールねじナットの自由−自由一次固有振動数の１／２〜１倍の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするものである。

また、前記異常検出部は、正常時の前記ボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されている前記正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較する比較部と、前記比較部で比較された振動データの比較データに基づいて前記ボールねじの異常を判定する異常判定部とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明のボールねじ装置の異常検出方法は、ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出方法において、前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられた振動センサで振動を検出し、前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出し、前記ボールねじナットの自由−自由一次固有振動数の１／２〜１倍の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするものである。

而して、本発明のボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法によれば、ボールねじのボールねじナットの１０倍以上の質量のテーブルに当該ボールねじナットの端部が堅固に固定される場合に、ボールねじナット又はテーブルに取付けられた振動センサで振動を検出し、検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出し、その場合に、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波する。ボールねじナットの１０倍以上の質量のテーブルにボールねじナットの端部が堅固に固定される場合には、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯に高調波成分が現れやすい。従って、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯の高調波成分の変化からボールねじの異常を正確に検出することができる。

また、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶し、記憶されている正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較し、比較された振動データの比較データに基づいてボールねじの異常の異常を判定する。そのため、ボールねじの異常をより一層正確に検出することができる。

本発明のボールねじ装置の異常検出装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１の異常検出装置のブロック図である。ボールねじナットの固有振動数の説明図である。ボールねじナットの自由−自由固有振動数以下の振動データの説明図である。ボールねじ異常検出周波数帯の振動データの説明図である。

次に、本発明のボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の異常検出装置が適用されたボールねじ装置の概略構成図であり、例えば工作機械などに適用されたものである。このボールねじ装置は、直動テーブル１を図１の左右方向に往復移動させるものであり、軸線を図の左右方向に向けてボールねじ軸２が配置されている。ボールねじ軸２の軸方向両端部は支持軸受３によって回転自在に支持されており、支持軸受３のボールねじ軸２との接触部位には図示しない転がり軸受などの軸受部材が内装されている。また、ボールねじ軸２の軸方向両端部のうち、図示右端部は継手４を介して電動モータ５に接続されている。

ボールねじ軸２にはボールねじナット６が被嵌されている。ボールねじ軸２の外周面には、断面がほぼ半円形のボール転動溝７が螺旋状に形成されており、これに対向するボールねじナット６の内周面にも、断面がほぼ半円形のボール転動溝が螺旋状に形成されている。このボールねじ軸２のボール転動溝７とボールねじナット６のボール転動溝との間にボール転動路が形成される。そして、このボール転動路には、ボールねじ軸２又はボールねじナット６の回転運動に伴って転動するボールが多数配設されている。また、ボールねじナット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すためのボール戻し路も形成されている。

ボールねじナット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に堅固に固定されている。本実施形態の直動テーブル１は、ボールねじナット６の１０倍以上の質量を有する。直動テーブル１及びボールねじナット６のボールねじ軸２軸周りの回転が規制されている状態で、電動モータ５を回転するとボールねじ軸２が回転し、ボール転動路内のボールの転動に伴ってボールねじナット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。ボールねじ軸２やボールねじナット６、ボールなどを備えて構成されるボールねじ９では、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、ボールねじナット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で検出される振動データからボールねじ装置の異常を検出する。なお、振動センサ１０の取付箇所はボールねじナット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、つまりボールねじナット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付けてもよい。但し、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の何れかに限定する。

振動センサ１０は異常検出装置１１に接続されている。この異常検出装置１１は、振動センサ１０の振動データを読込んで所定の演算処理を行う演算処理部１２、種々のプログラムやデータ、演算結果などを記憶する記憶部１３、演算処理部１２の演算処理結果や指示内容を表示する表示部１４を備えて構成される。図２には、異常検出装置１１の構成をブロック図で示す。振動センサ１０で検出される振動データは波形データである。この異常検出装置１１は、振動センサ１０からの振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する濾波部１５と、濾波部１５で濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじ９の異常を検出し、場合によっては、その異常検出結果を表示部１４に表示指示する異常検出部１６とを備えて構成される。

記憶部１３には、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データ及び正常時の支持軸受異常検出周波数帯の振動データが記憶されている。そこで、本実施形態の異常検出部１６は、記憶部１３に記憶されている正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較する比較部１９と、比較部１９で比較された振動データの比較データに基づいてボールねじ９の異常を判定する異常判定部２０を備えて構成される。なお、比較部１９では、例えば正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データから閾値を設定し、その閾値と濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データを比較する。

ボールねじ軸２やボールねじナット６などの棒材の縦固有振動数は下記１式で求められる。式中のｌは軸方向の長さ、Ｅは縦弾性係数、ρは密度である。また、式中のλ_nは、境界条件と振動モードによって決まる無次元の定数で、棒材の両端部が自由支持（自由−自由）の場合には、棒材の両端部で定常波が腹となるため、例えばλ₁＝π、λ₂＝２π、λ₃＝３π、…となる。一方、棒材の一方の端部が固定支持、他方の端部が自由支持（固定−自由）の場合には、固定支持側で定常波が節となるため、例えばλ₁＝π／２、λ₂＝３π／２、λ₃＝５π／２、…となる。つまり、自由−自由一次固有振動数に対して固定−自由一次固有振動数は１／２となる。

ボールねじナット６の自由−自由一次固有振動数を測定した実測例を図３に示す。ボールねじナット６の長さは１５０〜２００ｍｍ程度であるから、その長さ範囲のボールねじナット６の固有振動数は６．５ｋＨｚ程度以上となる。本発明の対象となる工作機械に使用される一般的なボールねじ装置においては概ね５ｋＨｚ以上の周波数範囲にボールねじナットの自由−自由一次固有振動数が存在する。

ボールねじにおいては、循環するボールが非負荷圏から負荷圏に進入する際に軌道面と衝突し、その衝突による軌道面側部材の自由振動が励起されて部材の固有振動周波数を周波数とする振動が発生する。このボールねじの異常を、ボールねじナット６の振動データから検出しようとする際、ボールねじナット６の固有振動数以上の周波数成分では、高長波成分が隠れてしまい、一般的な転がり軸受などと同じように部材の固有振動成分を含む振動データでは、正常時と異常時の変化割合が小さくなってしまい、異常を判定しにくくしてしまう。そこで、自由−自由一次固有振動数を測定したボールねじナット６を剛性の低い（質量の小さい）直動テーブルに取付け、異常発生前後のボールねじ９の振動測定を行った。測定結果を図４に示す。同図から明らかなように、ボールねじナット６の固有振動数以下の周波数帯では、図に楕円で囲んだ範囲（約６ｋＨｚ以下の周波数帯）で、ボールねじ損傷有無の差異が顕著に確認できる。

しかしながら、本実施形態の直動テーブル１は、質量がボールねじナット６の１０倍以上で剛性が高い。この剛性の高い直動テーブル１にボールねじナット６の軸方向端部を堅固に固定し、異常発生前後のボールねじ９の振動測定を行った。測定結果を図５に示す。同図から明らかなように、ボールねじナット６の固有振動数よりも低い周波数帯、即ち図に楕円で囲んだ範囲（約４ｋＨｚ以下の周波数帯）で、ボールねじ損傷有無の差異が顕著に確認できる。

図４と図５の違いは、ボールねじナット６を保持する直動テーブル１の剛性の高低によるものであると考えられる。即ち、剛性の低い直動テーブル１に保持されたボールねじナット６は、前記１式の自由−自由支持により近く、剛性の高い直動テーブル１に保持されたボールねじナット６は、前記１式の固定−自由支持に近い。何れの場合も、ボールねじナット６の一次固有振動数以下の周波数帯で損傷有無の差異を顕著に確認できるが、両者では一次固有振動数そのものが異なるため、損傷有無の差異を顕著に確認できる周波数帯が異なる。

このことから、剛性の高いテーブルの工作機械に用いられるボールねじの異常検出には、剛性の高い案内テーブルを含んだボールねじナット系の一次固有振動数以下の周波数帯の振動成分を抽出することが必要となり、その範囲は、ボールねじナット６の自由−自由一次固有振動数の１／２〜１倍となる。本実施形態では、直動テーブル１はボールねじナット６の質量の１０倍以上と剛性が高いので、ボールねじナット６の固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯、約４ｋＨｚ以下の周波数帯をボールねじ異常検出周波数帯と設定した。そして、ボールねじ９の正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶部１３に記憶する。濾波部１５では、振動センサ１０の振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する。比較部１９では、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較し、異常判定部２０では、比較された振動データの比較データに基づいてボールねじ９の異常を判定する。異常判定方法としては、例えば濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データが正常時のボールねじ検出周波数帯の振動データから得られた閾値以上である場合に、異常であると判定する方法などがある。

このように本実施形態のボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法では、ボールねじ９のボールねじナット６の１０倍以上の質量の直動テーブル１に当該ボールねじナット６のフランジ（端部）８が堅固に固定される場合に、ボールねじナット６に取付けられた振動センサ１０で振動を検出し、検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじ８の異常を検出し、その場合に、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波する。ボールねじナット６の１０倍以上の質量の直動テーブル１にボールねじナット６の端部が堅固に固定される場合には、ボールねじナット６の固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯に高調波成分が現れやすい。従って、ボールねじナット６の固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯の高調波成分の変化からボールねじ９の異常を正確に検出することができる。

また、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶し、記憶されている正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較し、比較された振動データの比較データに基づいてボールねじ９の異常の異常を判定する。そのため、ボールねじ９の異常をより一層正確に検出することができる。

１は直動テーブル
２はボールねじ軸
３は支持軸受
４は継手
５は電動モータ
６はボールねじナット
７はボール転動溝
８はフランジ
９はボールねじ
１０は振動センサ
１１は異常検出装置
１２は演算処理部
１３は記憶部
１４は表示部
１５は濾波部
１６は異常検出部
１９は比較部
２０は異常判定部

Claims

ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出装置において、
前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられ振動を検出する振動センサと、
前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する濾波部と、
前記濾波部で濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出する異常検出部とを備え、
前記濾波部は、前記ボールねじナットの自由−自由一次固有振動数の１／２〜１倍の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするボールねじ装置の異常検出装置。
前記異常検出部は、
正常時の前記ボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較する比較部と、
前記比較部で比較された振動データの比較データに基づいて前記ボールねじの異常を判定する異常判定部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置の異常検出装置。
ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出方法において、
前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられた振動センサで振動を検出し、
前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、
前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出し、
前記ボールねじナットの自由−自由一次固有振動数の１／２〜１倍の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするボールねじ装置の異常検出方法。