JP6981586B1 - ボールねじの状態監視装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2には、振動加速度センサから取得される加速度信号から、測定のタイミングを得るためのトリガー信号を構築し、定常速度運転時のみの振動測定データを切り出して状態監視を行う技術が開示されている。
また、ボールねじは、工作機械、搬送装置、射出成型機等の各種生産設備に使用されており、ボールねじの状態監視は、上記生産設備における生産上のタクトタイムに影響を及ぼさないようにインラインで行うことが望ましい。しかしながら、上記各特許文献に記載の技術にあっては、この点について考慮されていない。
ここで、無負荷状態とは、ボールねじを備える設備がワークに対する加工処理を行っておらず、ボールねじが当該処理による負荷を受けていない状態のことをいう。例えば工作機械等の加工装置がボールねじを備える場合、加工装置においてワークの加工を行っておらず、ボールねじがワークの加工による負荷を受けていない状態のことをいう。つまり、ここでいう無負荷状態とは、予圧荷重やテーブルの重量による負荷などといった装置構成や製品仕様にてボールねじに作用する負荷が無い状態をいうのではない。
このように、ボールねじの運転サイクルや運転パターン内で、ナットが無負荷状態で一方向に定速で移動している期間をデータ収集期間とし、その間のデータを収集するので、生産上のタクトタイムに影響を及ぼさず、インラインでボールねじの状態を診断するためのデータを収集することができる。
さらに、上記のボールねじの状態監視装置において、前記期間取得部は、前記ボールねじの給脂サイクルを前記データ収集期間として取得してもよい。この場合、例えば潤滑剤(グリース、オイル)を補給した後、潤滑剤を撹拌させるために所定距離、定速で走行させる際のデータを収集することができる。
例えば工作機械等の加工装置がボールねじを備える場合、加工時にナットが走行する区間において部品損傷などの異常が発生しやすい。データ収集を行う区間に、加工時にナットが走行する区間を含めることで、適切に異常検知を行うことが可能となる。
この場合、収集したデータを時系列に並べ、その傾向を監視することができる。したがって、異常等の発生により状態が変化した場合には、これを適切に検知することができる。また、ボールねじに関する物理量(例えば振動)が往路と復路とで異なることを考慮して、毎回ナットが同一方向に移動しているときのデータを収集することができ、診断精度を向上させることができる。
この場合、インラインで収集されたデータを用いて、ボールねじの状態を適切に監視することができる。
この場合、ボールねじのどこに異常が発生しているかを特定することができるので、迅速にボールねじのメンテナンス等を行うことができる。
また、上記のボールねじの状態監視装置は、前記振動のデータを検出する振動センサをさらに備え、前記振動センサは、前記ナットまたは前記ナットに連結され当該ナットとともに前記ねじ軸に対して相対移動可能な移動部材に固定されていてもよい。この場合、振動センサによって、監視対象の物理情報を直接収集することができるので、高精度な状態監視が可能となる。
この場合、サーボモータのトルクや電流を検出すればよいため、ボールねじに関する物理量を検出するセンサを設置するための複雑な配線を必要としない。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
図1に示すように、ボールねじ10は、ねじ軸1と、ナット2と、を備える。ねじ軸1には、サーボモータ11の回転軸がカップリングを介して連結されている。サーボモータ11は、ボールねじ10を駆動する駆動部である。サーボモータ11の回転がねじ軸1に伝達し、ねじ軸1が回転運動すると、ナット2はねじ軸1の軸方向に移動される。
ボールねじ10のねじ軸1は、細長い円柱形状の金属製部材からなり、図2に示すように、ねじ軸1の外周面には螺旋状の転動溝(螺旋溝)1aが形成されている。
ナット2は、ねじ軸1の外径よりも大きな円形の貫通口が形成された略円筒形状の金属製部材からなる。ナット2の内周面には、ねじ軸1の螺旋溝1aに対応するように螺旋状の転動溝(螺旋溝)2aが形成されている。ねじ軸1の螺旋溝1aとナット2の螺旋溝2aとにより、ボール3が転動する転動路が形成される。
さらに、ナット2の軸方向の両端部にはコマ部材4が埋設されている。コマ部材4は、例えば樹脂製部材からなる。コマ部材4には、方向転換路4aが形成されている。方向転換路4aは、上記転動路とボール戻し路2bとを連通するためのものであり、略円弧状をなしている。なお、コマ部材4は、樹脂製に限らず金属製でもよい。
また、ここでは、図2に示すようにコマ部材4を備えるボールねじ10について説明したが、ボール3を循環させるための循環部材は上記に限定されるものではない。例えば、チューブ方式等のボールねじ10であってもよく、循環形式は問わない。
図1に示すように、ボールねじ10のナット2には、被加工物であるワークWを載置するテーブル12が、ブラケット13を介して連結されている。このテーブル12は、ナット2とともにねじ軸1の軸方向に沿って往復移動可能である。テーブル12を移動させることで、切削バイト等の工具30によってワークWの所望の位置を加工することができる。例えば、ナット2を、図1に示す加工区間Aにおいて移動させることで、ワークWの全面を加工することができる。
振動センサ14によって検出された振動のデータ(振動データ)は、状態監視装置20に出力される。
図3に示すように、状態監視装置20は、信号取得部21と、駆動制御部22と、データ収集部23と、記憶部24と、解析部25と、出力部26と、を備える。この図3に示す各部の機能は、図1に示すCPU20aが所定のプログラムを実行することで実現される。
信号取得部21は、設備側からトリガー信号を取得する。ここで、トリガー信号は、例えばワークWの加工が行われる前や加工が行われた後など、ワークWの加工が行われていないタイミングで設備側から出力される。
ここで、無負荷状態とは、加工装置においてワークの加工を行っておらず、ボールねじ10がワークの加工による負荷を受けていない状態のことをいう。つまり、ここでいう無負荷状態とは、予圧荷重やテーブル12の重量による負荷などといった装置構成や製品仕様にてボールねじ10に作用する負荷が無い状態をいうのではない。
空運転の往復回数が多いほど収集されるデータ量が増し、平均化によりノイズ成分を低減させることができるため、往復回数は多い方が望ましい。往復回数が多いほど、状態監視の精度を向上させることができる。また、SN比の観点より、ねじ軸1の回転数は100rpm以上であることが望ましい。
駆動制御部22は、上記のように予め定められた条件でボールねじ10を空運転させた後、診断モードを終了する。
なお、データ収集部23は、駆動制御部22によって診断モードが終了されたら、振動データのデータ収集を終了する。
記憶部24は、データ収集部23により収集された振動データを所定の記憶領域に保存する。
なお、データの安定性を考慮した場合、暖機状態でのデータ収集が望ましい。また、異常の発生を適切に把握するためにも、データ収集間隔は稼働日で1日1回以上となる間隔が望ましい。
出力部26は、解析部25により診断されたボールねじ10の状態を、図1に示す表示部20dに出力し、ユーザに診断結果を提示する。
例えば図3に示すように、解析部25は、比較診断部25aと、異常箇所特定部25bと、判定部25cと、を有していてもよい。この場合、比較診断部25aは、分割した振動データの解析結果を比較し、判定部25cは、比較診断部25aによる比較結果をもとにボールねじ10の状態を判定してもよい。
ボールねじ10においては、ボール3が転動路を転がることによる振動や、ボール3が循環経路の負荷エリアや無負荷エリアを出入りすることによる振動などが発生する。そして、ボールねじ10では、ボールが負荷エリアから無負荷エリアに移行する位置、及びボールが無負荷エリアから負荷エリアに移行する位置が、ナット2が移動する方向によって反転する。つまり、往路と復路とで加振位置が異なる。そのため、往路と復路とでは同一の振動データは測定されない。
したがって、図3に示す比較診断部25aが往路と復路の特徴値を比較することで、往路と復路とで振動データが変化することを利用した状態監視を行うことができ、測定誤差等による誤診断が抑制された高精度な状態監視を行うことができる。
一般に、ボールねじ10においては、負荷がかかる加工区間にて異常が発生しやすい。そのため、加工区間においてのみ異常が発生し、加工区間外では異常は発生しない(すなわち正常値である)と予め定めておけば、加工区間の特徴値と加工区間外の特徴値(正常値)とを比較するだけで、特徴値の時系列データがなくとも簡易的に状態を確認することができる。つまり、図3に示す比較診断部25aは、加工区間と加工区間外の特徴値を比較してもよい。
図4は、ねじ軸1の転走面の一ヶ所に傷がある場合の特徴値の一例である。この図4においては、1往復分の特徴値を示している。図4の各ポイント(点)は、分割した各小区間の振動データから計算した特徴値である。このように、ねじ軸1の転走面の一ヶ所に傷がある場合、往路と復路とで特徴値が大きく変動する箇所(ピーク)が確認できる。したがって、特徴値が変動する箇所を特定することで、ねじ軸1の傷が発生している位置(異常発生箇所)を特定することができる。
図3に示す異常箇所特定部25bは、上記のように全領域の振動データを複数のデータに分割し、分割したデータの解析結果に基づいてボールねじ10の異常発生箇所を特定するようにしてもよい。
つまり、図3に示す比較診断部25aが往路と復路の振動データを比較し、判定部25cは、比較診断部25aにおいて往路と復路の振動データを比較した結果と、異常箇所特定部25bにおいて特定された異常発生箇所とに基づいて、検出された特徴値のピークが測定の誤差によるものであるのか、ねじ軸1の異常発生に起因するものであるのかを判定するようにしてもよい。
往路と復路とで転動体の衝突により加振される位置が代わるため、その違いを考慮することが望ましい。
また、解析部25は、振動データを往路、復路、加工区間、加工区間外に分けずに計算した特徴値を時系列に並べ、傾向の変化を監視するようにしてもよい。この場合、状態監視の精度は劣るが、計算を簡略化することができ、解析に必要なメモリを低減することができる。
このように、状態監視装置20は、ボールねじ10を診断モードで駆動することができるので、一連の運転サイクル中(加工サイクル中)に、定速で1往復以上の空運転動作が存在しない設備であっても、適切にデータ収集を行うことができる。また、加工時ではなく、空運転時の振動データを収集するので、加工時に発生する外乱の影響を最小限にした振動データを収集することができる。また、空運転は1往復以上とするので、状態監視の精度を向上させることができる。また、定速で空運転するので、安定したデータ測定を行うことができる。
例えば特許文献1に記載の技術のように、データ収集時間をボールの通過周期以上に設定する場合には、ボールの通過周期を把握するためのシステムが必要となる。これに対して、本実施形態では、空運転の条件設定に必要なパラメータを把握するための複雑なシステムを別途構築する必要はない。
例えば特許文献2に記載の技術のように、加速度信号からトリガーを構築する場合、必ずしも毎回同じ条件のデータが収集できるわけではない。本実施形態では、ボールねじ10を予め定められた診断モードで駆動した際のデータを収集するので、毎回同じ条件のデータを収集することができる。
次に、本発明における第二の実施形態について説明する。
上述した第一の実施形態では、無負荷状態で1往復以上、ねじ軸1とナット2とを定速で相対移動させた際の測定値を用いて、ボールねじ10の状態を診断する場合について説明した。この第二の実施形態では、所定の運転サイクルや運転パターン内で、無負荷状態で一方向に、ねじ軸1とナット2とが定速で相対移動している期間の測定値を用いて、ボールねじ10の状態を診断する場合について説明する。
この状態監視装置20Aのハードウェア構成は、図1に示す状態監視装置20のハードウェア構成と同様である。
図6に示すように、状態監視装置20Aは、信号取得部21と、データ収集部23と、記憶部24と、解析部25と、出力部26と、を備える。この図6に示す各部の機能は、図5に示すCPU20aが所定のプログラムを実行することで実現される。ここで、図6に示す各部の機能の一部は、図3に示す状態監視装置20の各部の機能とは異なる。
ここで、無負荷状態とは、加工装置においてワークの加工を行っておらず、ボールねじ10がワークの加工による負荷を受けていない状態のことをいう。つまり、ここでいう無負荷状態とは、予圧荷重やテーブル12の重量による負荷などといった装置構成や製品仕様にてボールねじ10に作用する負荷が無い状態をいうのではない。
また、ボールねじ10には給脂サイクルがあり、潤滑剤(グリース、オイル)を補給した後、潤滑剤を撹拌させるために所定距離、定速で走行させる場合がある。したがって、信号取得部21は、例えばこの給脂サイクル内にあることを示すトリガー信号を取得してもよい。
このように、信号取得部21は、往復ではなく、ナット2が一方向に移動している期間をデータ収集期間として取得する。したがって、比較的短時間でデータ収集を行うことができる。ここで、SN比の観点より、データ収集期間は、ねじ軸1の回転数が100rpm以上の期間であることが望ましい。
記憶部24は、データ収集部23により収集された振動データを所定の記憶領域に保存する。
ボールねじ10においては、ボール3が転動路を転がることによる振動や、ボール3が循環経路の負荷エリアや無負荷エリアを出入りすることによる振動などが発生する。そして、ボールねじ10では、ボールが負荷エリアから無負荷エリアに移行する位置、及びボールが無負荷エリアから負荷エリアに移行する位置が、ナット2が移動する方向によって反転する。つまり、往路と復路とで加振位置が異なる。そのため、往路と復路とでは同一の振動データは測定されない。したがって、定期的に振動データを収集する場合には、ナット2の移動方向が常に同じ方向となる条件で振動データを収集するようにする。
また、図5では、ナット2の移動方向を示す矢印を右方向としているが、データ収集期間にナット2が移動する方向はどちらであってもよい。
出力部26は、解析部25により診断されたボールねじ10の状態を、図5に示す表示部20dに出力し、ユーザに診断結果を提示する。
例えば図6に示すように、解析部25は、比較診断部25aと、異常箇所特定部25bと、判定部25cと、を有していてもよい。この場合、比較診断部25aは、分割した振動データの解析結果を比較し、判定部25cは、比較診断部25aによる比較結果をもとにボールねじ10の状態を判定してもよい。
加工区間の振動データから計算された特徴値と、加工区間外の振動データから計算された特徴値とを比較することで、加工区間の劣化や損傷状態を把握することができる。
一般に、ボールねじ10においては、負荷がかかる加工区間にて異常が発生しやすい。そのため、加工区間においてのみ異常が発生し、加工区間外では異常は発生しない(すなわち正常値である)と予め定めておけば、加工区間の特徴値と加工区間外の特徴値(正常値)とを比較するだけで、特徴値の時系列データがなくとも簡易的に状態を確認することができる。例えば、タクトタイムを可能な限り短くするためにデータ収集期間に適した運転パターンが極端に少ないような設備でも、状態監視が可能である。つまり、図6に示す比較診断部25aは、加工区間と加工区間外の特徴値を比較してもよい。
図7は、ねじ軸1の転走面の一ヶ所に傷がある場合の特徴値の一例である。図7の各ポイント(点)は、分割した各小区間の振動データから計算した特徴値である。このように、ねじ軸1の転走面の一ヶ所に傷がある場合、特徴値が大きく変動する箇所(ピーク)が確認できる。したがって、特徴値が変動する箇所を特定することで、ねじ軸1の傷が発生している位置(異常発生箇所)を特定することができる。
図6に示す異常箇所特定部25bは、上記のように全領域の振動データを複数のデータに分割し、分割したデータの解析結果に基づいてボールねじ10の異常発生箇所を特定するようにしてもよい。
また、解析部25は、振動データを加工区間と加工区間外とに分けずに計算した特徴値を時系列に並べ、傾向の変化を監視するようにしてもよい。この場合、加工区間と加工区間外との比較による簡易診断はできないが、計算は簡略化することができ、解析に必要なメモリを低減することができる。
このように、状態監視装置20Aは、加工時ではなく、無負荷時における振動データを収集する。したがって、加工時に発生する外乱の影響を最小限にした振動データを収集することができる。また、ボールねじ10の運転サイクルや運転パターン内でデータ収集を行うので、データ収集のための診断モードを介入させる必要がない。そのため、生産性の低下を防止することができる。また、データの収集範囲は、往復ではなく、ナット2が一方向に移動している範囲とするので、測定時間を短縮することができる。さらに、ナット2が定速で移動している期間のデータを収集するので、安定したデータ測定を行うことができる。
例えば特許文献1に記載の技術のように、データ収集時間をボールの通過周期以上に設定する場合には、ボールの通過周期を把握するためのシステムが必要となる。これに対して、本実施形態では、データ収集期間の設定に必要なパラメータを把握するための複雑なシステムを別途構築する必要はない。
例えば特許文献2に記載の技術のように、加速度信号からトリガーを構築する場合、必ずしも毎回同じ条件のデータが収集できるわけではない。本実施形態では、ナット2が予め定められた区間を一方向に定速で移動する期間を狙ってデータを収集するので、毎回同じ条件のデータを収集することができる。
なお、上記各実施形態においては、振動センサ14をボールねじ10のナット2に固定する場合について説明したが、振動センサ14を固定する位置は上記に限定されない。設備の構造により、ボールねじ10のナット2に振動センサ14を固定することができない場合には、可能な限りナット2の近傍で、ナット2とともにねじ軸1に対して相対移動可能な移動部材に振動センサ14を固定するようにしてもよい。このような移動部材としては、例えば、図1に示すテーブル12やブラケット13がある。振動センサ14が検出する振動は、軸方向の振動であっても円周方向の振動であってもよいが、軸方向の振動の方が望ましい。
また、収集された振動データをもとに特徴値を計算し、特徴値と基準値とを比較して判定したが、特徴値を計算するのではなく、振動データの波形を直接基準値波形と比較し、判定してもよい。
また、コンピュータが読み出したプログラムを実行することにより、実施形態の機能が実現されるだけでなく、プログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているオペレーティングシステム(OS)などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上記した実施形態の機能が実現されてもよい。
Claims (9)
- ねじ軸と、ナットと、複数のボールと、を有するボールねじの状態を監視するボールねじの状態監視装置であって、
前記ボールねじの運転サイクル内で、無負荷状態で一方向に、前記ねじ軸と前記ナットとが定速で相対移動している期間をデータ収集期間として取得する期間取得部と、
前記期間取得部により取得されたデータ収集期間の前記ボールねじに関する物理量を、データとして収集するデータ収集部と、を備え、
前記期間取得部は、前記ボールねじが原点復帰する期間を前記データ収集期間として取得することを特徴とするボールねじの状態監視装置。 - ねじ軸と、ナットと、複数のボールと、を有するボールねじの状態を監視するボールねじの状態監視装置であって、
前記ボールねじの運転サイクル内で、無負荷状態で一方向に、前記ねじ軸と前記ナットとが定速で相対移動している期間をデータ収集期間として取得する期間取得部と、
前記期間取得部により取得されたデータ収集期間の前記ボールねじに関する物理量を、データとして収集するデータ収集部と、を備え、
前記期間取得部は、前記ボールねじの給脂サイクルを前記データ収集期間として取得することを特徴とするボールねじの状態監視装置。 - 前記期間取得部は、
前記データ収集期間に前記ナットが移動する移動区間に、前記ボールねじを備える設備の稼働中に負荷状態で前記ナットが移動する区間を含めることを特徴とする請求項1または2に記載のボールねじの状態監視装置。 - 前記期間取得部は、
定期的に同じ条件の前記データ収集期間を取得することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のボールねじの状態監視装置。 - 前記データ収集部によって収集されたデータを解析し、前記ボールねじの状態を監視する解析部をさらに備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のボールねじの状態監視装置。
- 前記解析部は、
前記データ収集部によって収集されたデータを複数のデータに分割し、分割したデータの解析結果に基づいて前記ボールねじの異常発生箇所を特定する異常箇所特定部を有することを特徴とする請求項5に記載のボールねじの状態監視装置。 - 前記物理量は、前記ナットの軸方向の振動であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のボールねじの状態監視装置。
- 前記振動のデータを検出する振動センサをさらに備え、
前記振動センサは、前記ナットまたは前記ナットに連結され当該ナットとともに前記ねじ軸に対して相対移動可能な移動部材に固定されていることを特徴とする請求項7に記載のボールねじの状態監視装置。 - 前記駆動部は、前記ボールねじを駆動するサーボモータであり、
前記物理量は、前記サーボモータのトルクおよび電流の少なくとも一方であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のボールねじの状態監視装置。
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