JP7394551B2

JP7394551B2 - 故障判定装置及び故障判定方法

Info

Publication number: JP7394551B2
Application number: JP2019129566A
Authority: JP
Inventors: 昭佳横井; 佳晨盧
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2039-07-11
Also published as: JP2021014876A; WO2021006170A1

Description

この発明は、波動歯車減速機の故障を判定する故障判定装置及び故障判定方法に関する。

従来、波動歯車減速機の故障は、波動歯車減速機の入力側を駆動するモータの電流に基づいて波動歯車減速機の過負荷を算出することで、判定している（例えば特許文献１，２参照）。

特開２０１２－２５１４４６号公報特許第４９３１７２５号

しかしながら、波動歯車減速機の過負荷は、波動歯車減速機の出力側で生じる。そのため、波動歯車減速機の入力側を駆動するモータの電流に基づいて波動歯車減速機の過負荷を算出する方法では、精度が低く、改善が求められている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来技術に対して精度よく波動歯車減速機の故障を判定可能な故障判定装置を提供することを目的としている。

この発明に係る故障判定装置は、波動歯車減速機の出力側のトルクを検出するトルク検出器と、トルク検出器により検出されたトルクに基づいて、波動歯車減速機の故障を判定する判定部とを備え、判定部は、トルク検出器により検出されたトルクが、ラチェッティングトルク以上であるかを判定する第１判定部と、第１判定部によりトルクがラチェッティングトルク以上であると判定された場合に、当該トルクが座屈トルク以上であるかを判定する第２判定部とを備え、第２判定部は、トルクが座屈トルク以上であると判定した場合に、波動歯車減速機は座屈状態であると判定し、第２判定部によりトルクが座屈トルク以上ではないと判定された場合に、波動歯車減速機の入力側を駆動するモータにより当該入力側を１回転以上回転させる制御部と、制御部により波動歯車減速機の入力側が１回転以上回転された際でのモータの電流に基づいて、当該波動歯車減速機の入力側のトルクを算出する演算部とを備え、判定部は、演算部により算出されたトルクのムラが閾値以上であるかを判定する第３判定部を備え、第３判定部は、トルクのムラが閾値以上であると判定した場合に、波動歯車減速機はデドイダル状態であると判定することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来技術に対して精度よく波動歯車減速機の故障を判定可能となる。

実施の形態１に係る故障判定装置の構成例を示す図である。波動歯車減速機の構成例を示す図である。実施の形態１に係る故障判定装置の動作例を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る故障判定装置１の構成例を示す図である。
故障判定装置１は、波動歯車減速機２の故障を判定する装置である。故障判定装置１は、図１に示すように、トルク検出器１１、演算部１２、判定部１３、指示部１４、制御部１５及び通知部１６を備えている。なお、演算部１２、判定部１３、指示部１４及び制御部１５は、システムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等により実現される。図１では、故障判定装置１に加え、波動歯車減速機２及びモータ３を示している。

波動歯車減速機２は、楕円と真円の差動を利用した減速機である。波動歯車減速機２は、図２に示すように、サーキュラスプライン２１、ウェーブジェネレータ２２及びフレクスプライン２３を有している。

サーキュラスプライン２１は、リング状の剛体部品である。サーキュラスプライン２１は、内周に歯が刻まれており、フレクスプライン２３より歯数が２枚多い。サーキュラスプライン２１は、通常、ケーシングに固定される。
ウェーブジェネレータ２２は、楕円状のカムの外周に薄肉のボールベアリングを組合わせた部品である。ボールベアリングでは、内輪はカムに固定されているが、外輪はボールを介して弾性変形する。ウェーブジェネレータ２２は、通常、入力軸（モータ３）に取付けられる。
フレクスプライン２３は、薄肉カップ状の金属弾性体部品である。フレクスプライン２３は、開口部外周に歯が刻まれている。フレクスプライン２３の底をダイヤフラムと呼び、通常、出力軸（例えばロボットアーム）に取付けられる。

フレクスプライン２３は、ウェーブジェネレータ２２により楕円状に撓められ、長軸の部分でサーキュラスプライン２１と歯が噛合い、短軸の部分では歯が完全に離れた状態となる。サーキュラスプライン２１を固定してウェーブジェネレータ２２を時計方向に回すと、フレクスプライン２３は弾性変形し、サーキュラスプライン２１との歯の噛合い位置が順次移動していく。ウェーブジェネレータ２２が１回転すると、歯数差２枚分だけフレクスプライン２３は反時計方向へ移動する。
ここでは、サーキュラスプライン２１とフレクスプライン２３との歯数差が２枚である場合を示したが、波動歯車減速機２の減速比又は型式によって歯数差は異なる。

モータ３は、波動歯車減速機２の入力側（ウェーブジェネレータ２２）を駆動する。

トルク検出器１１は、波動歯車減速機２の出力側（フレクスプライン２３）のトルクを検出する。トルク検出器１１は、フレクスプライン２３に取付けられている。

演算部１２は、制御部１５により波動歯車減速機２の入力側が１回転以上回転された際でのモータ３の電流に基づいて、当該波動歯車減速機２の入力側のトルクを算出する。この際、演算部１２は、制御部１５により波動歯車減速機２の入力側が１回転以上回転された際でのトルク検出器１１により検出されたトルクから負荷を推定し、モータ３の電流から当該負荷を差引いた上で、当該波動歯車減速機２の入力側のトルクを算出することが好ましい。
また図１では、トルク検出器１１により検出されたトルクを示すデータは、演算部１２を介して判定部１３にも出力される。

判定部１３は、トルク検出器１１により検出されたトルク及び演算部１２により算出されたトルクに基づいて、波動歯車減速機２の故障を判定する。

この際、判定部１３は、トルク検出器１１により検出されたトルクが、ラチェッティングトルク以上であるかを判定する（第１判定部）。ラチェッティングトルクは、波動歯車減速機２がラチェッティング状態であるかを判定するためのトルクである。ラチェッティングとは、波動歯車減速機２が稼動中に過度なトルクが加わった際にフレクスプライン２３等が破損せずにサーキュラスプライン２１とフレクスプライン２３の歯の噛合いが瞬間的にずれる現象を指す。ラチェッティングトルクは、波動歯車減速機２の仕様及び減速比等により定められている。

また、判定部１３は、トルクがラチェッティングトルク以上であると判定した場合に、当該トルクが座屈トルク以上であるかを判定する（第２判定部）。座屈トルクは、波動歯車減速機２が座屈状態であるかを判定するためのトルクである。座屈とは、ウェーブジェネレータ２２が固定された状態でフレクスプライン２３に過度なトルクがかかった際にフレクスプライン２３が塑性変形を起こしてフレクスプライン２３の胴部が破損する現象を指す。座屈トルクは、波動歯車減速機２の仕様及び減速比等により定められている。
そして、判定部１３は、トルクが座屈トルク以上であると判定した場合には、波動歯車減速機２は座屈状態であると判定する。

また、判定部１３は、演算部１２により算出されたトルクのムラが閾値以上であるかを判定する（第３判定部）。閾値は、波動歯車減速機２がデドイダル状態であるかを判定するための閾値である。デドイダル状態とは、ラチェッティング又は波動歯車減速機２を構成する各部品が無理に押込まれて組付けられた場合等において、歯の噛合いが片方に寄ってしまう現象を指す。
そして、判定部１３は、トルクのムラが閾値以上であると判定した場合には、波動歯車減速機２はデドイダル状態であると判定する。

指示部１４は、判定部１３によりトルクが座屈トルク以上ではないと判定された場合に、制御部１５に対して測定動作指示を示すデータを出力する。測定動作指示は、波動歯車減速機２の入力側を１回転以上回転させる指示である。

制御部１５は、モータ３を制御する。また、制御部１５は、指示部１４から測定動作指示を受付けた場合には、モータ３により波動歯車減速機２の入力側を１回転以上回転させる。

通知部１６は、判定部１３による判定結果を外部に表示又は音声等により通知する。
通知部１６は、判定部１３によりトルクがラチェッティングトルク以上ではないと判定された場合には、波動歯車減速機２が正常である旨を外部に通知する。
また、通知部１６は、判定部１３により波動歯車減速機２が座屈状態であると判定された場合には、波動歯車減速機２が座屈状態である旨（故障している旨）を外部に通知する。
また、通知部１６は、判定部１３により波動歯車減速機２がデドイダル状態であると判定された場合には、波動歯車減速機２がデドイダル状態である旨（故障している旨）を外部に通知する。
また、通知部１６は、判定部１３によりトルクのムラが閾値以上ではないと判定された場合には、波動歯車減速機２にラチェッティングが発生した旨を外部に通知する。

次に、図１に示す実施の形態１に係る故障判定装置１の動作例について、図３を参照しながら説明する。
ここで、従来では、モータ３の電流から波動歯車減速機２の過負荷を推定し、波動歯車減速機２の故障を判定している。一方、この方法では、モータ３の誤差（温度によるトルク定数の変動）又は波動歯車減速機２の誤差（効率又はランニングトルクの変化）等があり、精度が低い。これに対し、実施の形態１に係る故障判定装置１では、トルク検出器１１により検出されたトルクから波動歯車減速機２の過負荷を検出している。すなわち、トルク検出器１１は波動歯車減速機２の出力側に取付けられており、波動歯車減速機２の負荷を直接検出可能である。よって、従来に比べ、実施の形態１に係る故障判定装置１では精度が向上する。

実施の形態１に係る故障判定装置１では、上記のように、波動歯車減速機２の過負荷の判定については、波動歯車減速機２の出力側に取付けられたトルク検出器１１により検出されたトルクを用いる。一方、デドイダル状態の判定については、デドイダル状態が波動歯車減速機２の入力側に現象が現れるため、モータ３の電流を用いる。

図１に示す実施の形態１に係る故障判定装置１の動作例では、図３に示すように、まず、トルク検出器１１は、波動歯車減速機２の出力側（フレクスプライン２３）のトルクを検出する（ステップＳＴ３０１）。

次いで、判定部１３は、トルク検出器１１により検出されたトルクが、ラチェッティングトルク以上であるかを判定する（ステップＳＴ３０２）。

このステップＳＴ３０２において、判定部１３がトルクがラチェッティングトルク以上ではないと判定した場合には、通知部１６は波動歯車減速機２が正常である旨を外部に通知する（ステップＳＴ３０３）。その後、ユーザは、波動歯車減速機２を継続して利用することになる。

一方、ステップＳＴ３０２において、判定部１３は、トルクがラチェッティングトルク以上であると判定した場合には、当該トルクが座屈トルク以上であるかを判定する（ステップＳＴ３０４）。

このステップＳＴ３０４において、判定部１３はトルクが座屈トルク以上であると判定した場合には波動歯車減速機２は座屈状態であると判定し、通知部１６は波動歯車減速機２が故障している旨を外部に通知する（ステップＳＴ３０５，３０６）。その後、ユーザは、波動歯車減速機２の修理又は交換を行うことになる。

一方、ステップＳＴ３０４において、判定部１３がトルクが座屈トルク以上ではないと判定した場合には、指示部１４は制御部１５に対して測定動作指示を行う（ステップＳＴ３０７）。
次いで、制御部１５は、測定動作指示に応じて、モータ３により波動歯車減速機２の入力側を１回転以上回転させる（ステップＳＴ３０８）。

次いで、演算部１２は、制御部１５により波動歯車減速機２の入力側が１回転以上回転された際でのモータ３の電流に基づいて、当該波動歯車減速機２の入力側のトルクを算出する（ステップＳＴ３０９）。なお、例えば波動歯車減速機２がロボットアームの関節部分に取付けられている場合、波動歯車減速機２より先の構成により負荷が変化する。そこで、演算部１２は、制御部１５により波動歯車減速機２の入力側が１回転以上回転された際でのトルク検出器１１により検出されたトルクから負荷を推定し、モータ３の電流から当該負荷を差引いた上で、当該波動歯車減速機２の入力側のトルク（無負荷回転トルク）を算出することが好ましい。これにより、実施の形態１に係る故障判定装置１では、波動歯車減速機２より先の構成により負荷が変化する場合であってもそのまま故障判定を実施可能である。

次いで、判定部１３は、演算部１２により算出されたトルクのムラが閾値以上であるかを判定する（ステップＳＴ３１０）。

このステップＳＴ３１０において、判定部１３はトルクのムラが閾値以上であると判定した場合には波動歯車減速機２はデドイダル状態であると判定し、通知部１６は波動歯車減速機２が故障している旨を外部に通知する（ステップＳＴ３１１，３１２）。その後、ユーザは、波動歯車減速機２の修理又は交換を行うことになる。

一方、ステップＳＴ３１０において、判定部１３はトルクのムラが閾値以上ではないと判定した場合には、通知部１６は波動歯車減速機２にラチェッティングが発生した旨（警告）を外部に通知する（ステップＳＴ３１３）。ラチェッティングが発生すると波動歯車減速機２の寿命が減る可能性がある。そのため、ユーザは、状況に応じて波動歯車減速機２の修理又は交換等を行う。

なお、トルク検出器１１により検出されるトルク及びモータ３の電流と波動歯車減速機２の故障との関係は、波動歯車減速機２が取付けられた装置の動作によって変動する。そこで、上記の関係を学習器で機械学習してもよい。そして、実施の形態１に係る故障判定装置１は、機械学習済みの学習器を用いて波動歯車減速機２の故障判定を行うことで、判定精度が更に向上するものと考えられる。

以上のように、この実施の形態１によれば、故障判定装置１は、波動歯車減速機２の出力側のトルクを検出するトルク検出器１１と、トルク検出器１１により検出されたトルクに基づいて、波動歯車減速機２の故障を判定する判定部１３とを備えた。これにより、実施の形態１に係る故障判定装置１は、従来技術に対して精度よく波動歯車減速機２の故障を判定可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１故障判定装置
２波動歯車減速機
３モータ
１１トルク検出器
１２演算部
１３判定部
１４指示部
１５制御部
１６通知部
２１サーキュラスプライン
２２ウェーブジェネレータ
２３フレクスプライン

Claims

波動歯車減速機の出力側のトルクを検出するトルク検出器と、
前記トルク検出器により検出されたトルクに基づいて、前記波動歯車減速機の故障を判定する判定部とを備え、
前記判定部は、
前記トルク検出器により検出されたトルクが、ラチェッティングトルク以上であるかを判定する第１判定部と、
前記第１判定部によりトルクがラチェッティングトルク以上であると判定された場合に、当該トルクが座屈トルク以上であるかを判定する第２判定部とを備え、
前記第２判定部は、トルクが座屈トルク以上であると判定した場合に、前記波動歯車減速機は座屈状態であると判定し、
前記第２判定部によりトルクが座屈トルク以上ではないと判定された場合に、前記波動歯車減速機の入力側を駆動するモータにより当該入力側を１回転以上回転させる制御部と、
前記制御部により前記波動歯車減速機の入力側が１回転以上回転された際での前記モータの電流に基づいて、当該波動歯車減速機の入力側のトルクを算出する演算部とを備え、
前記判定部は、
前記演算部により算出されたトルクのムラが閾値以上であるかを判定する第３判定部を備え、
前記第３判定部は、トルクのムラが閾値以上であると判定した場合に、前記波動歯車減速機はデドイダル状態であると判定する
ことを特徴とする故障判定装置。
波動歯車減速機の出力側のトルクを検出するトルク検出器を備えた故障判定装置による故障判定方法であって、
前記トルク検出器により検出されたトルクに基づいて、前記波動歯車減速機の故障を判定する判定ステップを有し、
前記判定ステップは、
前記トルク検出器により検出されたトルクが、ラチェッティングトルク以上であるかを判定する第１判定ステップと、
前記第１判定ステップによりトルクがラチェッティングトルク以上であると判定された場合に、当該トルクが座屈トルク以上であるかを判定する第２判定ステップとを有し、
前記第２判定ステップは、トルクが座屈トルク以上であると判定した場合に、前記波動歯車減速機は座屈状態であると判定し、
前記第２判定ステップによりトルクが座屈トルク以上ではないと判定された場合に、前記波動歯車減速機の入力側を駆動するモータにより当該入力側を１回転以上回転させる制御ステップと、
前記制御ステップにより前記波動歯車減速機の入力側が１回転以上回転された際での前記モータの電流に基づいて、当該波動歯車減速機の入力側のトルクを算出する演算ステップとを有し、
前記判定ステップは、
前記演算ステップにより算出されたトルクのムラが閾値以上であるかを判定する第３判定ステップを備え、
前記第３判定ステップは、トルクのムラが閾値以上であると判定した場合に、前記波動歯車減速機はデドイダル状態であると判定する
ことを特徴とする故障判定方法。