JP6699140B2 - 異常診断システム - Google Patents

Description

本発明は異常診断システムに関する。

工作機械等の機械設備には、ボールねじやリニアガイド、転がり軸受、モータ等の各種装置が多く装備されている。機械設備を長時間使用することにより摩耗や損傷が発生すると、ボールねじ等の各種装置のスムーズな回転、摺動が阻害され、異常音を発生するだけでなく、寿命の低下を招く可能性がある。このため従来は、機械設備を一定期間使用した後に、ボールねじ等の摩耗や損傷等の異常の有無を検査していた。

この検査は、機械設備のボールねじ等が組み込まれた部位、又は機械設備全体を分解することにより行われ、ボールねじ等に発生した損傷や摩耗は、作業者の目視による検査によって発見される。そして、検査の結果、ボールねじ等に摩耗や損傷等の異常が発見された場合は、当該ボールねじ等を新品に交換して、機械設備の故障や事故を未然に防止していた。しかしながら、機械設備の一部、又は全体を分解し、作業者の目視によって行う検査方法では、機械設備からボールねじ等を取り外す作業と、検査が終了したボールねじ等を再び機械設備に組み込む作業に多大な労力がかかり、機械設備の保守コストが嵩むという問題があった。

このような問題を解決するために、機械設備の実稼動状態で各種装置の異常診断を行う異常診断装置が提案されている。例えば、特許文献１記載の転がり軸受の異常診断装置では、振動センサを用いて測定された振動波形の実効値と、振動波形のエンベロープ波形の交流成分の実効値と、に基づいて転がり軸受の異常診断を行う。これにより、正確な異常診断を実現することを図っている。

特開２０１１−１５４０２０号公報

ところで、特許文献１には、振動センサが軸受に固設されると共に、軸受の振動を検出して、その検出値をデータ処理装置に出力することが開示されている。しかしながら、振動センサからデータ処理装置への検出値の出力方法や、振動センサへの電源供給方法について、具体的記載が全くない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成で検出、発信及び発電が可能なセンサユニットが固定された直動案内装置の異常を診断する異常診断システムを提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）周囲の信号を検出するセンサモジュールと、前記センサモジュールで検出された信号を、無線電波として発信する無線モジュールと、前記センサモジュール及び前記無線モジュールに電力を供給する発電若しくは給電モジュールと、前記センサモジュールと前記無線モジュールと前記発電若しくは給電モジュールとを一つに収める筐体と、を有するセンサユニットが、直動案内装置の内方部材又は外方部材に固定され、前記無線モジュールから発信される無線電波に基づき、前記直動案内装置の異常を診断する異常診断装置と、前記無線モジュールから発信される無線電波を受信する中継装置と、を備え、前記直動案内装置は、ボールねじ及びリニアガイドの少なくとも一方であり、前記異常診断装置は、前記中継装置から転送される信号に基づき、前記直動案内装置の周囲に配置された装置の異常を診断し、前記筐体は、前記センサモジュールと前記無線モジュールと前記発電若しくは給電モジュールとを収める筒状の大径部と、前記大径部の中央部から突出する筒状の小径部と、を有して、前記小径部の外周面には雄ねじ部が形成され、前記直動案内装置には、前記センサユニットを取り付けるための取付穴が設けられ、前記取付穴は、前記筐体の前記大径部に対応して凹設された大径穴と、前記筐体の前記小径部に対応して前記大径穴の中央から凹設された小径穴と、を有して、前記小径穴の側面には雌ねじ部が形成され、前記雄ねじ部は、前記雌ねじ部に螺合固定されることで、前記筐体が前記取付穴に埋設される、異常診断システム。
（２）前記センサモジュールは、振動センサ、温度センサ、ひずみセンサ、及び荷重センサの何れかを有する（１）に記載の異常診断システム。

本発明によれば、コンパクトな構成で検出、発信及び発電が可能である。

実施形態に係る異常診断システムの概略図である。 リニアガイドの側面図である。 ボールねじの側面図である。 ボールねじにセンサユニットを固定する方法を説明するための図である。 リニアガイドにセンサユニットを固定する方法を説明するための図である。 変形例に係るセンサユニットの断面図である。 変形例に係るセンサユニットの断面図である。 センサの検出温度と時間との関係を示すグラフである。 ボールねじ、リニアガイド、モータ、軸受の何れかに異常が発生した場合の、センサの検出温度と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る異常診断システムについて、図面を用いて説明する。なお、この実施形態により本発明は何ら限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が想定できる範囲で実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

図１に示すように、本実施形態の異常診断システム１は、機械設備５内に組み込まれた直動案内装置であるボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９と、ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９それぞれに設置されるセンサユニット２０と、センサユニット２０から出力される信号に基づいて、直動案内装置及び直動案内装置の周囲に配置された各種装置（例えばボールねじ７を駆動するモータ）の異常を診断する異常診断装置３０と、を備える。本実施形態の直動案内装置は、ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９を有するが、この構成に限定されない。すなわち、本発明の直動案内装置は、ボールねじ７及びリニアガイド９の少なくとも一方を有すればよい。

一対のリニアガイド９，９は、ボールねじ７を空間を介して幅方向（図中、左右方向）から挟むように配置される。図２も参照し、リニアガイド９は、基台１１にボルト等で固定される長尺のレール９ａ（内方部材）と、レール９ａに支持されたスライダ９ｂ（外方部材）と、を有する。スライダ９ｂは、ボール等の転動体を介してレール９ａに支持されており、当該レール９ａの長手方向（図１中、紙面奥行き方向。図２中、左右方向。）に沿って直線移動が可能である。一対のスライダ９ｂ，９ｂは、テーブル１３の下面にボルト等で固定される。

図３も参照し、ボールねじ７は、長尺のねじ軸７ａ（内方部材）と、ねじ軸７ａの外周に配置されたナット７ｂ（外方部材）と、を有する。ねじ軸７ａの外周面には、螺旋状のボール溝が形成される。ナット７ｂの内周面には、ねじ軸７ａのボール溝に対向するボール溝が形成される。そして、ねじ軸７ａ及びナット７ｂは、ボール溝に配置された複数のボールを介して、互いに軸方向に相対移動可能に固定される。ナット７ｂは、小径の円筒部７ｃと、円筒部７ｃの軸方向一部から外径側に向かって突出するフランジ部７ｄと、を有する。フランジ部７ｄには、当該フランジ部７ｄを軸方向に貫通する孔７ｅが複数個（本実施形態では６個）形成される。そして、フランジ部７ｄの孔７ｅに取り付けられたボルト等によって、ボールねじ７は、テーブル１３の下面に設けられたブラケット１４に固定される。また、ボールねじ７のねじ軸７ａは、基台１１上に設けられた図示しない軸受部により回転自在に支持されている。ねじ軸７ａは、ステッピングモータ等の駆動モータ等によって回転駆動される。

このように、テーブル１３は、一対のリニアガイド９，９及びボールねじ７等から構成される直動案内装置により直線的に案内される。したがって、不図示の駆動モータを正逆方向に回転させることによって、テーブル１３は直線往復移動する。

ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９には、周囲の信号を検出するセンサユニット２０が、埋め込まれて設置されている。以下、センサユニット２０のボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９への設置方法をより具体的に説明する。

図４に示すように、ボールねじ７の円筒部７ｃの外周面には、センサユニット２０を取り付けるための取付穴８が設けられている。取付穴８は、円筒部７ｃの外周面に凹設された略直方形状の大径穴８ａと、大径穴８ａの中央部に凹設された円筒状の小径穴８ｂと、を有する。小径穴８ｂの側面には雌ねじ部８ｃが形成されおり、後述するセンサユニット２０の筐体２７の雄ねじ部２７ｃが螺合固定可能とされている。

リニアガイド９のスライダ９ｂの幅方向内側（図１中、ボールねじ７側）の側面９ｃには、図５に示すように、センサユニット２０を取り付けるための取付穴１０が設けられている。取付穴１０は、スライダ９ｂの側面９ｃに凹設された略直方形状の大径穴１０ａと、大径穴１０ａの中央部に凹設された円筒状の小径穴１０ｂと、を有する。小径穴１０ｂの側面には雌ねじ部１０ｃが形成されおり、後述するセンサユニット２０の筐体２７の雄ねじ部２７ｃが螺合固定可能とされている。

図４及び図５に示すように、センサユニット２０は、センサモジュール２１と無線モジュール２３と発電モジュール２５を１つに収める筐体２７を有している。このように、各モジュール２１、２３、２５を１パッケージ内に収めることで、各モジュール２１、２３、２５間での断線の発生等の問題が減少し、信頼性が向上する。筐体２７は、各モジュール２１、２３、２５を収める円筒状の大径部２７ａと、大径部２７ａの中央部から下方に突出する円筒状の小径部２７ｂと、を有し、金属材料からなる。小径部２７ｂの外周面には雄ねじ部２７ｃが形成されている。

したがって、筐体２７の雄ねじ部２７ｃを、小径穴８ｂ、１０ｂの雌ねじ部８ｃ、１０ｃに螺合することにより、センサユニット２０はボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９に固定される。このような取り付け形式にすることで、センサユニット２０だけを交換したいとき、又はボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９だけを交換したいとき、容易に取り外すことができる。ここで、大径穴８ａ、１０ａ及び小径穴８ｂ、１０ｂの寸法が、筐体２７の大径部２７ａ及び小径部２７ｂの寸法以上に設定されているので、センサユニット２０はボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９の外部に突出しない。したがって、センサユニット２０が周囲の部材に干渉することを防止できる。

なお、筐体２７の大径部２７ａの形状は、円筒形状に限られず、六角筒形状や八角筒形状等、任意の形状を採用して構わない。大径部２７ａを六角筒形状等とすることで、工具によって大径部２７ａの外周を把持し易くなり、取付穴１２に対するセンサユニット２０の着脱が容易となる。さらに、筐体２７の大径部２７ａの上部に、工具を挿入可能な六角筒状の穴等を設ければ、センサユニット２０の着脱をより容易とすることができる。

なお、センサユニット２０の筐体２７は、上述した構成に限定されず、図６や図７に示す構成を採用しても構わない。図６に示す筐体２７では、大径部２７ａの周縁に小径部２７ｂと逆側に突出するフランジ部２７ｄが設けられることで、上方が開口する有底形状とされている。そして、大径部２７ａの底部に、各モジュール２１、２３、２５を配置した上で、これら各モジュール２１、２３、２５の上部に樹脂モールド２９を成形する。また、図７に示す筐体２７では、図６で示した樹脂モールド２９に代わり、蓋部材２８がフランジ部２７ｄの外周に外嵌される。

なお、本実施形態ではセンサユニット２０を、ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９の全てに固定した例を示したが、ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９の少なくとも一つに固定されればよい。また、センサユニット２０の固定箇所は、ボールねじ７やリニアガイド９の構成部材のうち雌ねじ部が形成可能な部材であれば、特に限定されず、例えばボールねじ７のフランジ部７ｄやリニアガイド９のレール９ａにセンサユニット２０を固定しても構わない。なお、センサユニット２０を取り外す必要がない場合等には、螺合固定ではなく、接着固定や嵌合固定等を採用することができる。

センサユニット２０を構成するセンサモジュール２１は、一つ以上のセンサ素子で構成されており、ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９並びにボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９の周囲に配置された装置（例えば、ボールねじ７を駆動するモータや、ボールねじ７を基部１１に対して回転自在に保持する軸受）の状態を監視（計測）できるセンサが適用される。本実施形態のセンサモジュール２１は、温度センサを搭載したモジュールから構成される。当該温度センサが検出する温度は、ボールねじ７、一対のリニアガイド９，９、モータ、及び軸受等の発熱に影響される。

無線（通信）モジュール２３は、センサモジュール２１で検出された信号を、無線電波として外部に発信するモジュールである。無線の種類は特に問わないが、パッケージの小型化が見込めるため、アナログ通信よりもデジタル通信が好ましい。通信規格も特に問わないが、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷｉ−Ｆｉ等の既存の通信規格を用いることで、コスト面で有利になる。

発電モジュール２５は、センサモジュール２１や無線モジュール２３に電力を供給する。発電モジュール２５の発電方法は、振動を用いた発電や、光を用いた発電、外部からの無線給電による発電等、任意の方法が採用できる。若しくは、バッテリのような給電モジュールを採用してもよい。

センサモジュール２１によって検出された温度データは、無線モジュール２３によって異常診断装置３０に伝達される。異常診断装置３０は、無線モジュール２３によって発信される無線電波を受信する受信装置３４を備えている。また、異常診断装置３０は、例えばマイクロコンピュータを備えており、このマイクロコンピュータ内に記録保持されたプログラムが実行されることにより、データ収集部３１等の各部は以下のような各処理を実行することになる。

異常診断装置３０のデータ収集部３１は、センサモジュール２１からの出力データを収集する。異常診断装置３０のデータ処理部３２は、収集された出力データを処理し、各出力データを記憶する。異常診断装置３０の状態判定部３３は、センサモジュール２１の出力値が定格温度から最初に上昇し若しくは最初に所定の閾値を超えた場合に、ボールねじ７、一対のリニアガイド９，９、モータ、及び軸受等のうち、少なくとも一つが異常状態であると判定する。

異常診断システム１が組み込まれる機械設備５においては、ボールねじ７、一対のリニアガイド９，９、モータ、及び軸受の発熱がある。そのため、図８に示すように、センサユニット２０のセンサモジュール２１の出力値から得られる温度増加曲線は、ボールねじ７、一対のリニアガイド９，９、モータ、及び軸受の運転開始後しばらくは上昇するが、一定時間経過後、ある温度（定格温度Ｔａ）に到達した時点で、ボールねじ７、一対のリニアガイド９，９、モータ、及び軸受の発熱と周囲へ逃げる熱とがバランスし、定常状態となる。

ここで、図９に示すように、時間ｔにおいて、ボールねじ７、一対のリニアガイド９，９、モータ、及び軸受の何れか一つが何らかの要因で異常発熱した場合、センサモジュール２１の出力値が上昇し、所定の閾値Ｔｂを超えることになる。

したがって、異常診断装置３０は、センサモジュール２１の出力値が上昇し、又は出力値が閾値Ｔｂを超えたことに基づいて、ボールねじ７、一対のリニアガイド９，９、モータ、及び軸受のうち、少なくとも一つが異常状態であると判定する。

このように本実施形態の異常診断システム１によれば、ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９の異常診断、並びにボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９の周囲に配置された装置（モータ及び軸受）の異常診断を効率良く行うことが可能である。

なお、センサモジュール２１は、センサ感度を上げることで、センサユニット２０が固定される部材（ボールねじ７やリニアガイド９）の発熱のみを検出しても構わない。この場合、センサモジュール２１はボールねじ７やリニアガイド９の周囲の装置（モータ及び軸受）の発熱の影響を受けないので、異常診断装置３０は、出力値が上昇したセンサモジュール２１が組み込まれたボールねじ７又はリニアガイド９が異常状態であると判定する。

センサユニット２０は機械設備５の内部の測定対象物（ボールねじ７及びリニアガイド９）に組み込まれるため、センサユニット２０が無線電波を伝送する場合に、当該無線電波が異常診断装置３０の受信装置３４まで届かない場合がある。そのため、センサユニット２０の無線モジュール２３と異常診断装置３０の受信装置３４との間に中継装置３５を配置し、当該中継装置３５によって、無線モジュール２３から発信される無線電波を受信し且つ受信装置３４に転送しても構わない。

中継装置３５は、無線信号が通過する非金属でもよいし、機械設備５の内部と外部にアンテナ３６を持ち、内部で受信したデータを外部に送信するものでもよい。中継装置３５の電源は、振動などによる自己発電によってもよく、非接触給電によってもよく、ボタン電池などの一次電池によってもよく、特に限定されない。

なお、１個のセンサユニット２０に対して１個の中継装置３５でデータ転送を行ってもよく、複数のセンサユニット２０に対して１個の中継装置３５でデータ転送を行ってもよい。

無線モジュール２３からの無線電波は、センサモジュール２１で異常データを検出したときのみ、発信するようにしてもよい。この場合、常時無線でデータを発信する必要がないので、センサユニット２０全体の消費電力を抑えることができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更、改良等が可能である。

センサユニット２０の設置位置は、異常を検出したい対象に対し、適した位置又は位相となるように適宜変更しても構わない。例えば、センサユニット２０を、ボールねじ７やリニアガイド９のうちモータ又は軸受の近傍に配置し、モータ又は軸受の異常に対する感度を向上することで、モータ又は軸受の異常検出に適した配置としてもよい。

上記実施形態においてセンサユニット２０は、直動案内装置の外方部材（ナット７ｂ、スライダ９ｂ）に固定されていたが、内方部材（ねじ軸７ａ、レール９ａ）に固定してもよい。

また、センサモジュール２１を構成するセンサは、診断対象の状態を監視できるものであれば種類は限定されず、例えば振動センサや荷重センサ、ひずみセンサを採用してもよい。

異常診断装置３０が、診断対象の異常を判定した場合、上位のシステムに知らせて自動で機械設備を停止させることもできるし、作業者及び管理者にアラームや画面表示等で警告することもできる。

ボールねじ７及び一対のリニアガイド９，９の周囲に配置される装置としては、上述したモータや軸受に限定されず、任意の装置が採用可能である。

１ 異常診断システム
５ 機械設備
７ ボールねじ（直動案内装置）
７ａ ねじ軸（内方部材）
７ｂ ナット（外方部材）
７ｃ 円筒部
７ｄ フランジ部
８ 取付穴
８ａ 大径穴
８ｂ 小径穴
８ｃ 雌ねじ部
９ リニアガイド（直動案内装置）
９ａ レール（内方部材）
９ｂ スライダ（外方部材）
１０ 取付穴
１０ａ 大径穴
１０ｂ 小径穴
１０ｃ 雌ねじ部
１１ 基台
１３ テーブル
１４ ブラケット
２０ センサユニット
２１ センサモジュール
２３ 無線モジュール
２５発電モジュール
２７ 筐体
２７ａ 大径部
２７ｂ 小径部
２７ｃ 雄ねじ部
２７ｄ フランジ部
２８ 蓋部材
２９ 樹脂モールド
３０ 異常診断装置
３１ データ収集部
３２ データ処理部
３３ 状態判定部
３４ 受信装置
３５ 中継装置
３６ アンテナ

Claims (2)

1. 周囲の信号を検出するセンサモジュールと、前記センサモジュールで検出された信号を、無線電波として発信する無線モジュールと、前記センサモジュール及び前記無線モジュールに電力を供給する発電若しくは給電モジュールと、前記センサモジュールと前記無線モジュールと前記発電若しくは給電モジュールとを一つに収める筐体と、を有するセンサユニットが、直動案内装置の内方部材又は外方部材に固定され、
   前記無線モジュールから発信される無線電波に基づき、前記直動案内装置の異常を診断する異常診断装置と、
   前記無線モジュールから発信される無線電波を受信する中継装置と、を備え、
   前記直動案内装置は、ボールねじ及びリニアガイドの少なくとも一方であり、
   前記異常診断装置は、前記中継装置から転送される信号に基づき、前記直動案内装置の周囲に配置された装置の異常を診断し、
   前記筐体は、前記センサモジュールと前記無線モジュールと前記発電若しくは給電モジュールとを収める筒状の大径部と、前記大径部の中央部から突出する筒状の小径部と、を有して、前記小径部の外周面には雄ねじ部が形成され、
   前記直動案内装置には、前記センサユニットを取り付けるための取付穴が設けられ、
   前記取付穴は、前記筐体の前記大径部に対応して凹設された大径穴と、前記筐体の前記小径部に対応して前記大径穴の中央から凹設された小径穴と、を有して、前記小径穴の側面には雌ねじ部が形成され、
   前記雄ねじ部は、前記雌ねじ部に螺合固定されることで、前記筐体が前記取付穴に埋設される、異常診断システム。
2. 前記センサモジュールは、振動センサ、温度センサ、ひずみセンサ、及び荷重センサの何れかを有する請求項１に記載の異常診断システム。

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