JP6591581B2 - 伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械のマシンアセンブリに注入された潤滑油の消耗率を検知する潤滑油消耗率検知方法に関し、特に、工作機械に配置された伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法に関する。

ボールねじは、位置決め精度が高く、長く使用できることから、精密作業が必要な工作機械に広く使われている。ボールねじは、概ねねじ軸、ナット、ボールから構成され、ボールがナット内の転がり運動によりナットがねじ軸に対してリニア運動を行う。また、リニア運動を行なう際は、ナットとねじ軸間の摩擦を少なくするために、ねじ軸の外周面のボール伝動溝に潤滑油を供給することが必要である。ここで、潤滑油の消耗に応じて適切な時に供給するために潤滑油の消耗を検知する手段としては、特許文献１に記載の方法が知られている。

台湾特許第Ｉ５２５４０９号公報

この潤滑油消耗検知方法は、ねじ軸に振動センサーを設け、振動センサーによる振動信号を分析してねじ軸の潤滑油が消耗された時間を判定することによって伝動マシンアセンブリに潤滑油を供給するタイミングを決定するが、複雑な計算分析を行わなければならないため、より多くの計算資源を投入しなければならず、設備コストを高める問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、計算資源を効率的且つ経済的に利用し、資源コストを節減することができる伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知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、本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法は、計算装置を有する検知システムによって実行する。伝動マシンアセンブリは工作機械に配置され且つ所定量の潤滑油が注入され、一つの動作速度に対応して稼働する。前記伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法は、前記計算装置が、所定量の前記潤滑油に対応して予め用意された第１の予測モデルを用いて、前記伝動マシンアセンブリの前記動作速度に基づいて、前記動作速度に対応する総動作物理量を予測し、前記総動作物理量とは、前記動作速度をもって前記所定量の潤滑油を消耗することによって前記伝動マシンアセンブリを作動させることによる動作物理量の全ての和であり、前記動作物理量とは、前記伝動マシンアセンブリの１回の動作によるものである、ステップ（Ａ）と、前記計算装置を用いて前記動作物理量と予測された前記総動作物理量に基づいて前記動作速度に対応する総動作回数を予測する、ステップ（Ｂ）と、前記計算装置を用いて、前記工作機械から所定の時間帯における動作情報を受信し、受信された前記動作情報に基づいて前記時間帯において前記伝動マシンアセンブリが動作した動作回数を算出する、ステップ（Ｃ）と、前記計算装置を用いて、前記時間帯において前記伝動マシンアセンブリの前記動作回数と予測された前記総動作回数に基づいて、前記時間帯に対応する潤滑油消耗率を算出する、ステップ（Ｄ）と、を有することを特徴とする。

本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法は、計算装置を用いて定期的に工作機械から動作情報を受信し、時間順で複数の時間帯における潤滑油消耗率を加算し、潤滑油消耗率の和である総潤滑油消耗率を導出することができるので、振動センサー等を設けなくても、伝動マシンアセンブリに潤滑油を供給する時を推定することでき、計算資源を効率的且つ経済的に利用することができ、資源コストを節減することができる。

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。

伝動マシンアセンブリが配置された工作機械の構成を概略的に示すブロック図である。 本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法の第１の実施例のフローチャートである。 ボールねじの外観斜視図である。 第１の予測モデルと対応する訓練データを説明する図である。 工作機械から出力される電圧信号のタイミングチャートである。 第１の実施例に係る方法を用いて伝動マシンアセンブリに潤滑油を再び注入する時間を判定するフローチャートである。 温度センサーが設けられたボールねじの外観斜視図である。 本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法の第２の実施例のフローチャートである。 第２の予測モデルと対応する訓練データを説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施例）
図１は伝動マシンアセンブリが配置された工作機械の構成を概略的に示すブロック図である。

本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法の第１の実施例は、検知システムを用いて実行される。検知システムは、図１に示すように、工作機械１と計算装置２を含んでいる。工作機械１には伝動マシンアセンブリ１１が設けられ、伝動マシンアセンブリ１１には所定量の潤滑油が注入されている。計算装置２は伝動マシンアセンブリ１１と電気的に接続されている。伝動マシンアセンブリ１１は所定の動作速度に対応して稼働する。伝動マシンアセンブリ１１は例えばボールねじ或いはボールスプラインであり、所定の回転速度で動作する。

次に、本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法の第１の実施例について説明する。図２は本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法の第１の実施例のフローチャートである。

ステップＳ１１では、計算装置２が、所定量の潤滑油に対応する予め用意された第１の予測モデルを用いて、動作速度に基づいて、動作速度に対応する総動作物理量を予測する。総動作物理量とは、動作速度をもって所定量の潤滑油を消耗することによって伝動マシンアセンブリ１１を作動させることによる動作物理量の全ての和である。動作物理量とは、伝動マシンアセンブリの１回の動作によるものである。

なお、伝動マシンアセンブリ１１としては、一例として図３に示されたボールねじ３を用いる。ボールねじ３は、ねじ軸３１とナット３２とを備え、ねじ軸３１の長手方向の相反する第１の端部３１１と第２の端部３１２とを有し、ねじ軸３１の外周面にらせん状のねじ溝３３が設けられている。この例では、伝動マシンアセンブリ１１の動作速度とは、ボールねじ３の回転速度である。ボールねじ３の１回の動作とは、工作機械１が稼働する時、ナット３２が第１の端部３１１から第２の端部３１２に移動され、又は第２の端部３１２から第１の端部３１１に移動されることをいう。ボールねじ３の１回の動作による動作物理量とは、ナット３２が第１の端部３１１から第２の端部３１２への移動、又は第２の端部３１２から第１の端部３１１への移動による、ねじ溝３３の表面積、ねじ溝３３の長さ、或いはナット３２の直線移動距離のいずれかの一つである。ボールねじ３の総動作物理量とは、所定量の潤滑油の消耗によるボールねじ３の動作に相関するそれぞれのねじ溝３３の表面積の全ての和、それぞれのねじ溝３３の長さの全ての和、或いはそれぞれのナット３２の直線移動距離の全ての和のいずれかの一つである。

図４は、第１の予測モデルと対応する訓練データを説明する図である。第１の予測モデルとは、第１の対数関数ｌｎ（Ｘ_１）による線形関数：
（数１）
Ｙ_１＝Ａ×ｌｎ（Ｘ_１）＋Ｃ_１
である。なお、Ｘ_１は動作速度、Ｙ_１は動作速度に対応する総動作物理量である。この例では、動作速度を第１の対数関数の入力とする。

第１の予測モデルを使う前に、第１の予測モデルのパラメータＡ、Ｃ_１を訓練・評価するために予め第１の予測モデルの訓練データ４を複数用意しなければならない。ここで、第１の予測モデルの各訓練データ４は２つの因子、「動作速度」と、動作速度に対応する「総動作物理量」とを含む。

なお、第１の予測モデルは、対数関数のような線形関数を１例として挙げられているが、上記の例に制限されず、例えばリニア回帰モデル（ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）又は、ニューラルネットワークモデル（ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ）などであってもよい。

また、第１の予測モデルの訓練データ４を用意する手法は一つだけではない。ボールねじ３としては、台湾特許第５２５４０９号公告に開示された方法で、ボールねじ３が所定の回転速度を条件として、所定量の潤滑油を消耗するために所要な動作をする全ての時間量を推定する。所定の回転速度においては、単位時間毎にボールねじ３の回動／移動による動作物理量は一定であるので、所定の回転速度に対応する総動作物理量を算出することができる。図４に示されているように、第１の予測モデルの訓練データ４は、複数の異なる動作速度と、該動作速度のそれぞれに対応する総動作物理量を含むことが可能である。以上により、第１の予測モデルを用いることによってあらゆる動作速度に対応する総動作物理量を予測することができる。

ステップＳ１２では、計算装置２を用いて動作物理量と予測された総動作物理量に基づいて動作速度に対応する総動作回数を予測する。なお、予測された総動作回数は、予測された総動作物理量を動作物理量で割ることによって得られることが好ましい。

（数２）

ステップＳ１３では、計算装置２を用いて、工作機械１から所定の時間帯における動作情報を受信し、受信された動作情報に基づいて該時間帯において伝動マシンアセンブリ１１が動作した動作回数を算出する。図５は、工作機械から出力される電圧信号のタイミングチャートである。図５において、伝動マシンアセンブリ１１が作動した時、工作機械１はゼロ以上の第１の電圧値αを出力し、また、伝動マシンアセンブリ１１が作動しない場合、工作機械１から出力された電圧値がゼロである。計算装置２は、工作機械１から受信された所定の時間帯に対応する電圧信号６を受信し、電圧信号６のピーク６１の数を該所定の時間帯において伝動マシンアセンブリが動作した回数として算出する。図５に示された例では、伝動マシンアセンブリ１１が６０秒間において１０回だけ動作されたとする。

ステップＳ１４では、計算装置２を用いて、所定の時間帯において伝動マシンアセンブリ１１の動作回数と予測された総動作回数に基づいて、所定の時間帯に対応する潤滑油消耗率を算出する。

ここでいう潤滑油消耗率（％）とは、所定の時間帯において伝動マシンアセンブリの動作回数を予測された総動作回数で割ることによって得られ、即ち、
（数３）

そして、伝動マシンアセンブリ１１の潤滑油消耗率検知方法を用いることにより、伝動マシンアセンブリ１１に注入された所定量の潤滑油が消耗され、伝動マシンアセンブリ１１に潤滑油を再度注入する時を判定することが可能である。

図６は、第１の実施例に係る方法を用いて伝動マシンアセンブリ１１に潤滑油を再び注入する時を判定するフローチャートである。図６におけるステップＳ１１〜ステップＳ１２は図２におけるステップＳ１１〜ステップＳ１２と同様なので、その詳細な説明を省略する。なお、計算装置２は、予め定められた、伝動マシンアセンブリ１１が稼働可能に維持できる潤滑油の最低量を上限値として記憶している。上限値は１例としては１００％とする。

ステップＳ１３では、計算装置２を用いて定期的に例えば６０秒毎に工作機械１から動作情報を受信して、受信された所定の時間帯における動作情報に基づいて該時間帯における伝動マシンアセンブリ１１の動作回数を算出する。

ステップＳ１４では、計算装置２を用いてステップＳ１２からの総動作回数及びステップＳ１３の時間帯における動作回数に基づいて、該時間帯に応じた潤滑油消耗率を算出する。そして、複数の時間帯のそれぞれについて時間順でそれぞれ算出された潤滑油消耗率の和である総潤滑油消耗率を導出する。

ステップＳ１５では、計算装置２を用いて、ステップＳ１４からの総潤滑油消耗率が上限値以上であるかどうかを判定する。ステップＳ１４からの総潤滑油消耗率が上限値以上であると判定された場合、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、計算装置２を用いて、ステップＳ１４からの総潤滑油消耗率が上限値以上である判定に基づいて、伝動マシンアセンブリ１１に再度潤滑油を注入すると判定する。なお、伝動マシンアセンブリ１１に再度潤滑油を注入すると判定された場合、例えば潤滑油注入信号を生成して自動潤滑油注入装置或いはディスプレイに送出する。その一方、ステップＳ１４からの総潤滑油消耗率が上限値以下と判定された場合、ステップＳ１３に戻って再度行う。

なお、伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率と潤滑油注入時を検知するために第１の実施例に係る方法をオンラインで実施するために、訓練データを事前に用意して第１の予測モデルを得る必要がある。但し、第１の予測モデルの訓練は、オフラインで１回のみ行う。

以上のように、工作機械１・伝動マシンアセンブリ１１がオンラインで稼働された時、訓練された第１の予測モデルが適用されることにより、オンラインで第１の実施例に係る方法を実行するための計算量を多く軽減することができる。また、従来技術のように伝動マシンアセンブリ１１を検出する振動センサーによる振動信号を用いる必要がなくなるので、設備コストや計算資源の需要を低く抑えることができる。

（第２の実施例）
次に、第２の実施例に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法について添付図面を参照しながら説明する。第２の実施例において適用される伝動マシンアセンブリ及び工作機械は、概ね第１の実施例に適用される伝動マシンアセンブリ及び工作機械の構成を有するが、更に温度センサーが設けられている。第２の実施例に係る方法は、所定量の潤滑油に対応する総動作物理量を推定する時、伝動マシンアセンブリ１１の動作速度を考慮する以外にも、伝動マシンアセンブリ１１が稼働された時の温度の影響を含めて考慮するように実施される。なお、温度が高い時、潤滑油が消耗されるのが速くなり、所定量の潤滑油に対応する総動作物理量が少なくなる。

図７は、温度センサーが設けられたボールねじの外観斜視図である。図７に示されたように、温度センサー７がボールねじ３のナット３２に配置されている。

図８は、第２の実施例に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法のフローチャートである。

ステップＳ２１では、ステップＳ１１のように、計算装置２が、所定量の潤滑油に対応する予め用意された第１の予測モデルを用いて、動作速度即ち回転速度に基づいて、動作速度に対応する総動作物理量を予測する。

ステップＳ２２では、計算装置２を用いて、所定時間帯において温度センサー７によって検出された温度値を受信し、予め用意された所定量の潤滑油と動作速度に対応する第２の予測モデルを用いると共に、受信された温度値に基づいて温度値に対応する温度パラメータを予測する。

ここでいう温度パラメータとは、伝動マシンアセンブリ１１の検出された温度値における動作に対応する総動作物理量と、基準温度を基に対応する総動作物理量との比例で求められる。総動作物理量は温度パラメータに正相関する。但し、基準温度は検出された温度値以下である。例えば、基準温度が２０℃で、検出された温度値が３０℃で、そして、伝動マシンアセンブリ１１が回転速度３０００ＲＰＭを基にそれぞれ対応する総動作物理量がＭ、Ｎとそれぞれ仮定した時、回転速度３０００ＲＰＭに対する温度値３０℃に対しての温度パラメータを、
（数４）
Ｎ／Ｍ
と得る。

図９は、第２の予測モデルと対応する訓練データを説明する図である。第２の予測モデルとは、第２の対数関数ｌｎ（Ｘ_２）による線形関数：
（数５）
Ｙ_２＝Ｂ×ｌｎ（Ｘ_２）＋Ｃ_２
である。なお、Ｘ_２は検出された温度値、Ｙ_２は検出温度値に対応する温度パラメータである。この例では、温度値を第１の対数関数の入力とする。

第２の予測モデルを使う前に、第２の予測モデルのパラメータＢ、Ｃ_２を訓練・評価するために予め第２の予測モデルの訓練データ８を複数用意しなければならない。ここで、第２の予測モデルの各訓練データは２つの因子、「検出温度値」と、検出温度値に対応する「温度パラメータ」とを含む。また、回転速度により集められた訓練データも異なるため、第２の予測モデルのパラメータも変わる。

なお、第２の予測モデルは、対数関数のような線形関数を１例として挙げられているが、上記の例に制限されず、例えばリニア回帰モデル（ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）又は、ニューラルネットワークモデル（ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ）などであってもよい。

また、第２の予測モデルの訓練データ８を用意する手法は一つだけではない。ボールねじ３としては、台湾特許第Ｉ５２５４０９号公告に開示された方法で、ボールねじ３の検出された温度に基づいて、異なる温度値を基にボールねじ３が所定の回転速度を条件として、所定量の潤滑油を消耗するために所要な動作をする全ての動作物理量を記録する。そして、該動作速度をもって、異なる温度値に対応するそれぞれの温度パラメータが導出される。

ステップＳ２３では、計算装置２を用いて、温度パラメータ、動作物理量及び総動作物理量に基づいて総動作回数を予測する。

（数６）

ステップＳ２４とステップＳ２５は第１の実施例におけるステップＳ１３とステップＳ１４と同様なので、その説明を省略する。

以上により、第２の実施例に係る方法によれば、第１の実施例と同様に、計算装置２を用いて定期的に工作機械１から動作情報を受信し、時間順に複数の時間帯における潤滑油消耗率を加算し、潤滑油消耗率の和である総潤滑油消耗率を導出することができる。また、総潤滑油消耗率が予め定められた上限値以上と判定された場合、伝動マシンアセンブリ１１が所定量の潤滑油を消耗し、何時潤滑油を新たに供給するべきか判定することができる。

また、第２の実施例は、温度パラメータを取得するために温度センサー７を設けているが、伝動マシンアセンブリ１１が動作している中温度による影響を考慮するために、潤滑油消耗率の推測がより精確になる。また、温度センサーを設置しても従来の技術（台湾特許第Ｉ５２５４０９号公告）における振動センサーのような設備よりもそのコストが低いので、設備コストを低く抑えることができる。従って第２の実施例に係る方法は、第１の実施例と同様に、設備コストや計算資源の需要を低く抑える効果を奏することができる。

以上のように、本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法は、第１の予測モデルを用いて伝動マシンアセンブリの動作速度に対応する総動作物理量を予測し、第２の予測モデルを用いて伝動マシンアセンブリの動作温度に対応する温度パラメータを予測すると共に、動作物理量、予測された総動作物理量及び予測された温度パラメータに基づいて総動作回数を予測し、工作機械の動作情報に基づいて伝動マシンアセンブリの所定の時間帯における動作回数を算出することによって、所定の時間帯で伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率を算出することができ、伝動マシンアセンブリに再び潤滑油を供給する時をも算出することができる。

以上、本発明の実施例をもとに説明した。これらの実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者には理解されるところである。

本発明に係る伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法は、伝動マシンアセンブリの保守に有用である。

１ 工作機械
１１ 伝動マシンアセンブリ
２ 計算装置
３ ボールねじ
３１ ねじ軸
３１１ 第１の端部
３１２ 第２の端部
３２ ナット
３３ ねじ溝
４ 第１の予測モデルの訓練データ
６ 電圧信号
６１ ピーク
７ 温度センサー
８ 第２の予測モデルの訓練データ

Claims (7)

1. 計算装置を有する検知システムによって実行する伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法であって、前記伝動マシンアセンブリは工作機械に配置され且つ所定量の潤滑油が注入され、前記伝動マシンアセンブリは一つの動作速度に対応して稼働し、
   前記伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法は、
   前記計算装置が、所定量の前記潤滑油に対応して予め用意された第１の予測モデルを用いて、前記伝動マシンアセンブリの前記動作速度に基づいて、前記動作速度に対応する総動作物理量を予測し、前記総動作物理量とは、前記動作速度をもって前記所定量の潤滑油を消耗することによって前記伝動マシンアセンブリを作動させることによる動作物理量の全ての和であり、前記動作物理量とは、前記伝動マシンアセンブリの１回の動作によるものである、ステップ（Ａ）と、
   前記計算装置を用いて前記動作物理量と予測された前記総動作物理量に基づいて前記動作速度に対応する総動作回数を予測する、ステップ（Ｂ）と、
   前記計算装置を用いて、前記工作機械から所定の時間帯における動作情報を受信し、受信された前記動作情報に基づいて前記時間帯において前記伝動マシンアセンブリが動作した動作回数を算出する、ステップ（Ｃ）と、
   前記計算装置を用いて、前記時間帯において、前記伝動マシンアセンブリの前記動作回数と予測された前記総動作回数に基づいて、前記時間帯に対応する潤滑油消耗率を算出する、ステップ（Ｄ）と、
   を有することを特徴とする伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法。
2. 前記検知システムは更に前記伝動マシンアセンブリの温度を検出するように前記伝動マシンアセンブリに設けられた温度センサーを有し、
   前記ステップ（Ｂ）では、前記計算装置を用いて、前記時間帯において前記温度センサーによって検出された温度値を受信し、予め用意された前記潤滑油と前記動作速度に対応する第２の予測モデルを用い、受信された前記温度値に基づいて前記温度値に対応する温度パラメータを予測し、前記計算装置を用いて前記動作物理量、予測された前記総動作物理量及び予測された前記温度パラメータに基づいて、前記総動作回数を予測し、前記総動作回数は予測された前記温度パラメータに正相関する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法。
3. 前記ステップ（Ｂ）では、前記伝動マシンアセンブリの検出された前記温度値における動作に対応する前記総動作物理量と、検出された前記温度値以下の基準温度を基に対応する前記総動作物理量との比例で前記温度パラメータが求められる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法。
4. 前記ステップ（Ａ）では、前記第１の予測モデルが第１の対数関数による線形関数であり、前記動作速度を前記第１の対数関数の入力とし、
   前記ステップ（Ｂ）では、前記第２の予測モデルが第２の対数関数による線形関数であり、前記温度値を前記第２の対数関数の入力とする、
   ことを特徴とする請求項２に記載の伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法。
5. 前記ステップ（Ａ）では、前記第１の予測モデルが第１の対数関数による線形関数であり、前記動作速度を前記第１の対数関数の入力とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法。
6. 前記伝動マシンアセンブリは、ねじ軸とナットとを備えたボールねじであり、前記ねじ軸の外周面にらせん状のねじ溝が設けられ、
   前記伝動マシンアセンブリの動作速度とは、前記ボールねじの回転速度であり、
   前記ステップ（Ａ）では、前記総動作物理量が前記ナットが前記ねじ軸に移動された前記ねじ溝の表面積の全ての和、それぞれの前記ねじ溝の長さの全ての和、或いはそれぞれの前記ナットの直線移動距離の全ての和のいずれか一つである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法。
7. 前記計算装置を用いて定期的に前記工作機械から前記動作情報を受信し、
   前記時間帯において、受信された前記動作情報に基づいて前記伝動マシンアセンブリの前記動作回数を算出し、
   前記時間帯において、前記計算装置を用いて前記時間帯に応じた前記潤滑油消耗率を算出し、
   時間順にそれぞれ算出された前記潤滑油消耗率の和である総潤滑油消耗率を導出し、
   前記計算装置を用いて、前記総潤滑油消耗率が予め定められた上限値以上と判定された場合、前記伝動マシンアセンブリに再度潤滑油を注入するべきであると判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝動マシンアセンブリの潤滑油消耗率検知方法。

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