TW201812270A - 附有故障檢測用感測器之致動器及致動器之故障檢測方法 - Google Patents

附有故障檢測用感測器之致動器及致動器之故障檢測方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種附有故障檢測用感測器之致動器，其可以兼用之感測器容易地檢測直線運動導引部及滾珠螺桿部之至少一者之故障。本發明之致動器(10)具備有導引可動體(1)進行直線移動之直線運動導引部(4)、及沿著螺桿軸(6)之軸向驅動可動體(1)之滾珠螺桿部(7)，其中，將用以檢測致動器(10)之故障之感測器(18)，配置於收容有連結螺桿軸(6)與使螺桿軸(6)旋轉之馬達(14)之聯軸器(12)的外殼(11)。

Description

附有故障檢測用感測器之致動器及致動器之故障檢測方法
本發明係關於附有故障檢測用感測器之致動器及致動器之故障檢測方法。
已知有一種致動器，係將直線運動導引部(Linear Motion Guide)與滾珠螺桿部組合而成者，亦即，該致動器以直線運動導引部導引可動體進行直線移動，並以滾珠螺桿部沿著螺桿軸之軸向驅動可動體。
直線運動導引部利用滾珠、滾筒等複數個滾動體之滾動運動，來導引可動體進行直線移動。滾珠螺桿部具備有可於螺桿軸與螺帽之間進行滾動運動之複數個滾珠，並藉由使螺桿軸旋轉而沿著螺桿軸之軸向驅動螺帽。
若長期使用致動器，於直線運動導引部及滾珠螺桿部之至少一者之滾動體或滾動體滾動面會產生疲勞剝脫(flaking)、即滾動體或滾動體滾動面之一部分呈鱗狀剝落之現象。如此之疲勞剝脫等之故障，會妨礙可動體圓滑之移動。因此，被要求對直線運動導引部及滾珠螺桿部之至少一者之故障進行診斷。
作為直線運動導引部之故障診斷裝置，於專利文獻1揭示有一種故障診斷裝置，其將振動感測器安裝於直線運動導引 部，並以信號處理部處理該振動感測器所檢測出之信號。藉由判斷信號處理部所處理之信號之強度是否超過既定之臨限值，可判斷直線運動導引部是否已故障。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2010-96541號公報
於診斷致動器之故障時，可分別在直線運動導引部及滾珠螺桿部安裝用以檢測故障之感測器。然而，若分別在直線運動導引部及滾珠螺桿部安裝感測器，便會增加感測器數、或需要進行感測器用配線之迂迴配置。另一方面，於更換致動器之情形時，也經常並非只進行直線運動導引部或滾珠螺桿部單品之更換，而是整體性地更換致動器，並不見得一定需要個別地診斷直線運動導引部及滾珠螺桿部之各者。
因此，可以兼用之感測器來檢測直線運動導引部及滾珠螺桿部之至少一者之故障。然而，於以兼用之感測器來檢測直線運動導引部及滾珠螺桿部之至少一者之故障的情形時，會發生雖然容易檢測出滾珠螺桿部之故障，但卻不易檢測出直線運動導引部之故障的問題。其原因在於在滾珠螺桿部所產生之振動等(振動、聲波或超音波)之大小，大於在直線運動導引部所產生之振動等之大小。由於滾珠螺桿部係用來被使用於驅動可動體，且自馬達會對滾珠螺桿部作用力矩，因此在滾珠螺桿部所產生之振動等會變大。
因此，本發明之目的，在於提供一種附有故障檢測用感測器之致動器及致動器之故障檢測方法，其可以兼用之感測器容易地檢測直線運動導引部及滾珠螺桿部之至少一者之故障。
為了解決前述之問題，本發明一態樣係一種附有故障檢測用感測器之致動器，其具備有：導引可動體進行直線移動之直線運動導引部、及沿著螺桿軸之軸向驅動上述可動體之滾珠螺桿部；其特徵在於，將用以檢測上述致動器之故障之感測器，配置於收容有連結上述螺桿軸與使上述螺桿軸旋轉之馬達之聯軸器的外殼。
本發明另一態樣係一種致動器之故障檢測方法，該致動器具備有：導引可動體進行直線移動之直線運動導引部、及沿著螺桿軸之軸向驅動上述可動體之滾珠螺桿部，如此之致動器之故障檢測方法，其特徵在於，將用以檢測上述致動器之故障之感測器配置於收容有連結上述螺桿軸與使上述螺桿軸旋轉之馬達之聯軸器的外殼。
根據本發明，起因於故障而在滾珠螺桿部所產生之振動等(振動、聲波或超音波)，在藉由外殼之軸承而被衰減後傳遞至外殼。另一方面，起因於故障而在直線運動導引部所產生之振動等，不會如滾珠螺桿部的程度被衰減而傳遞至外殼。由於自滾珠螺桿部傳遞至外殼之振動等之大小，接近自直線運動導引部傳遞至外殼之振動等之大小，因此可以兼用之感測器容易地檢測直線運動導引部及滾珠螺桿部之至少一者之故障。
1‧‧‧塊體(可動體)
2‧‧‧移動塊
2a‧‧‧螺孔
2b‧‧‧安裝孔
3‧‧‧軌道軌條
3a‧‧‧底壁部
3b‧‧‧側壁部
3b1‧‧‧滾珠滾動部
4‧‧‧直線運動導引部
5‧‧‧螺帽
6‧‧‧螺桿軸
6a‧‧‧滾珠滾動溝
7‧‧‧滾珠螺桿部
8‧‧‧基座部
10‧‧‧致動器
11‧‧‧外殼
11a‧‧‧第1壁部
11b‧‧‧第2壁部
11c‧‧‧底部
11d‧‧‧第3壁部
11e‧‧‧第4壁部
12‧‧‧聯軸器
13‧‧‧端部壁
14‧‧‧馬達
15、16‧‧‧軸承
18‧‧‧感測器
20‧‧‧信號處理部
21‧‧‧放大器
22‧‧‧濾波器
23‧‧‧rms運算部
24‧‧‧FFT分析部
30‧‧‧致動器
31‧‧‧平台(可動體)
32‧‧‧軌道軌條
33‧‧‧移動塊
34‧‧‧直線運動導引部
34a、34b‧‧‧線性導引
35‧‧‧螺帽
36‧‧‧螺桿軸
37‧‧‧滾珠螺桿部
38‧‧‧基座部
39‧‧‧端部壁
41‧‧‧外殼
41a‧‧‧第1壁部
41b‧‧‧第2壁部
41c‧‧‧底部
41d‧‧‧第3壁部
41e‧‧‧第4壁部
42‧‧‧馬達
43‧‧‧聯軸器
45‧‧‧軸承
圖1為顯示本發明第1實施形態之附有故障檢測用感測器之致動器之示意側視圖。
圖2為將馬達拆卸之上述實施形態之致動器之立體圖。
圖3為將馬達拆卸之上述實施形態之致動器之詳圖(圖3(a)為俯視圖，圖3(b)為側視圖，圖3(c)為沿圖3(a)中之c-c線之剖視圖，圖3(d)為前視圖)。
圖4為顯示本發明第2實施形態之附有故障檢測用感測器之致動器之示意俯視圖。
以下，參照隨附圖式，對本發明之實施形態之附有故障檢測用感測器之致動器及致動器之故障檢測方法詳細地進行說明。惟，本發明之附有故障檢測用感測器之致動器及致動器之故障檢測方法，可以各種形態具體化，並非被限定於本說明書所記載之實施形態者。本實施形態係藉由充分地進行說明書之揭示，並以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者可充分地理解發明之範圍為目的所提供者。
(本發明第1實施形態之附有故障檢測用感測器之致動器)
圖1為顯示本發明第1實施形態之附有故障檢測用感測器之致動器10之示意側視圖。本實施形態之致動器10具備有：直線運動導引部4，其導引作為可動體之塊體1進行直線移動；及滾珠螺桿部7，其沿著螺桿軸6之軸向驅動作為可動體之塊體1。
直線運動導引部4具備有軌道軌條3、及經由由滾珠或滾筒所構成之複數個滾動體而可沿著長度方向移動地被安裝於 軌道軌條3之移動塊2。軌道軌條3係安裝於基座部8。移動塊2係安裝於塊體1。再者，也可使直線運動導引部4之軌道軌條3與基座部8成為一體，並使移動塊2與作為可動體之塊體1成為一體。
滾珠螺桿部7具備有螺桿軸6、及經由複數個滾珠而螺合於螺桿軸6之螺帽5。複數個滾珠被置入於螺桿軸6之滾珠滾動溝與螺帽5之滾珠滾動溝之間。螺帽5係安裝於作為可動體之塊體1。螺桿軸6之軸向之一端部，可旋轉地被支撐於外殼11。外殼11係固定於基座部8或軌道軌條3。螺桿軸6之軸向之另一端部，可旋轉地被支撐於端部壁13。端部壁13係固定於基座部8或軌道軌條3。
螺桿軸6係藉由馬達14所旋轉驅動。馬達14係安裝於外殼11。螺桿軸6與馬達14係由聯軸器12所連結。聯軸器12係收容於外殼11。
若馬達14旋轉驅動螺桿軸6，螺合於螺桿軸6之螺帽5便沿著螺桿軸6之軸向移動。由於螺帽5被安裝於塊體1，因此塊體1與螺帽5一起沿著螺桿軸6之方向移動。
圖2及圖3顯示將馬達14拆卸之致動器10之詳圖。圖2顯示立體圖，圖3(a)顯示俯視圖，圖3(b)顯示側視圖，圖3(c)顯示剖視圖，而圖3(d)顯示前視圖。於圖2及圖3中，顯示將直線運動導引部4之軌道軌條3與基座部8設為一體(參照圖1)，並將移動塊2與作為可動體之塊體1設為一體(參照圖1)之致動器10。再者，於以下之說明中，為方便說明，於將致動器10配置於水平面之狀態下，使用自螺桿軸6之軸向所觀察之方向、即圖2所示之上下、左右、前後之方向，來說明致動器10之構成。當然，致動 器10之配置並不限定於此。
直線運動導引部4之軌道軌條3係截面U字狀，且沿著前後方向細長地延伸。軌道軌條3具備有底壁部3a、及相互地對向之一對側壁部3b。於各側壁部3b之內側面，沿長邊方向形成有滾珠滾動部3b1。於本實施形態中，於各側壁部3b之上下形成有2條滾珠滾動部3b1。
直線運動導引部4之移動塊2，係夾存於軌道軌條3之一對側壁部3b之間，經由滾動體可沿著長邊方向移動地被組裝於軌道軌條3。於移動塊2之上表面，形成有用以安裝於對象零件之螺孔2a。移動塊2具有環形跑道(track)狀之循環道。環形跑道狀之循環道具備有對向於軌道軌條3之滾珠滾動部3b1之滾珠滾動部、與該滾珠滾動部平行之返回道、及連接滾珠滾動部之一端與返回道之一端之一對U字狀之方向轉換道。於循環道排列有作為滾動體之複數個滾珠。
於移動塊2相對於軌道軌條3直線地移動時，複數個滾珠於軌道軌條3之滾珠滾動部與移動塊2之滾珠滾動部之間進行滾動運動，而於循環道進行循環。藉由利用滾珠之滾動運動，可使移動塊2於不會鬆動作響之狀態下在軌道軌條3與移動塊2之間移動。
滾珠螺桿部7之螺桿軸6，其一端部可旋轉地被支撐於外殼11，而其另一端部可旋轉地被支撐於端部壁13。於螺桿軸6之外周面，形成有螺旋狀之滾珠滾動溝6a。於外殼11，設置有可旋轉地支撐螺桿軸6之一端部之軸承15(參照圖3(c))。於端部壁13，設置有可旋轉地支撐螺桿軸6之另一端部之軸承16(參照圖 3(c))。
螺桿軸6貫通移動塊2。於移動塊2，形成有供螺帽5插入之安裝孔2b(參照圖3(c))。螺帽5係安裝於移動塊2之安裝孔2b。於螺帽5之內周面，形成有對向於螺桿軸6之滾珠滾動溝6a之螺旋狀之滾珠滾動溝。於螺帽5，設置有連接螺帽5之螺旋狀之滾珠滾動溝之一端與另一端之回管(return pipe)等之循環零件。滾珠螺桿部7之循環道係藉由螺帽5之螺旋狀之滾珠滾動溝及循環零件所構成。於循環道，排列有複數個滾珠。
若螺桿軸6旋轉，螺帽5便沿著軸向移動。於螺桿軸6旋轉時，複數個滾珠於螺桿軸6與螺帽5之間進行滾動運動，而於循環道進行循環。藉由利用滾珠之滾動運動，可使螺帽5於不會鬆動作響之狀態下在螺桿軸6與螺帽5之間沿著軸向移動。
如圖2所示，外殼11係藉由螺栓等之緊固構件，被固定於直線運動導引部4之軌道軌條3。外殼11具備有與軌道軌條3一體之底部11c、及自底部11c立設之框狀之壁部11a、11b、11d、11e。壁部11a、11b、11d、11e具備設置有軸承15之第1壁部11a、與第1壁部11a對向且藉由螺栓等之緊固構件而安裝有馬達14之第2壁部11b、以及與第1壁部11a及第2壁部11b正交且相互地對向之第3壁部11d及第4壁部11e。於外殼11，收容有連結螺桿軸6與馬達14之聯軸器12(參照圖1)。
如圖1所示，於外殼11之內側，配置有用以檢測致動器10之故障之感測器18。感測器18係配置於外殼11之底部11c之上表面。感測器18係檢測外殼11之振動之振動感測器、檢測傳遞至外殼11之聲波(acoustic wave)之AE(Acoustic Emission)；聲射 感測器、或檢測傳遞至外殼11之超音波之超音波感測器。於本實施形態中，感測器18係檢測外殼11表面之振動之振動感測器。具體而言，係檢測外殼11表面之加速度之加速度感測器。
本實施形態之致動器之故障診斷系統，具備有致動器10、及信號處理部20。感測器18所檢測出之信號，被輸入至由計測機器等所構成之信號處理部20。信號處理部20具備有：放大器21，其將感測器18所檢測出之信號放大；濾波器22，其自經放大之信號擷取既定範圍之頻率；rms運算部23，其根據經濾波處理之信號計算出rms(Root Mean Square；均方根值)強度；及FFT分析部24，其對感測器18所檢測出之信號及/或經濾波處理之信號進行FFT(Fast Fourier Transformation；快速傅立葉)分析。
濾波器22自感測器18所檢測出之信號(包含以放大器21放大之信號)擷取外殼11之共振頻帶。若於直線運動導引部4及滾珠螺桿部7之至少一者、即直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7產生疲勞剝脫等之故障，直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7便會起因於故障，而在與正常時之頻率不同之頻率下也會振動。起因於故障之直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7之振動，傳遞至外殼11，而使外殼11共振。藉由擷取外殼11之共振頻帶之振動，並將rms強度與正常時做比較，可得知直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7是否發生故障。
再者，也可取代藉由濾波器22來擷取外殼11之共振頻帶之振動，而藉由濾波器22來擷取起因於故障之滾珠螺桿部7之振動之頻帶，並藉由濾波器22來擷取起因於故障之直線運動導引部4之振動之頻帶。藉由擷取該等，並將rms強度與正常時做比 較，可得知直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7是否發生故障。
rms運算部23，例如根據下述之計算式來算出經濾波處理之信號之均方根值(rms)。
n為所捕捉之資料之個數，x為與各資料點對應之物理量(振幅)，而i=1~n。
藉由判定rms強度是否超過既定之臨限值，可得知直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7是否發生故障。再者，也可取代均方根值，而使用包絡線均方根值(Envelopment rms)。
FFT分析部24，為了分析外殼11之振動之頻率，而對感測器18所檢測出之信號進行FFT分析。藉由FFT分析，可得知是起因於滾珠螺桿部7之故障之振動傳遞至外殼11、或是起因於直線運動導引部4之故障之振動傳遞至外殼11。再者，也可取代FFT分析、或與FFT分析一起地進行STFT(short-time Fourier Transform、Short-Term Fourier Transform；短時傅立葉轉換)分析、小波轉換(wavelet transformation)等。
藉由前述之信號處理部20，例如可進行以下之判定。
(1)於直線運動導引部4故障之情形時：
(a)根據外殼11之振動之rms強度，雖不知是直線運動導引部4故障或滾珠螺桿部7故障或者雙方皆故障，但判定至少一者已故障。
(b)根據外殼11之振動之rms強度，判定直線運動導引部4故障，而滾珠螺桿部7未故障。
(c)根據外殼11之振動之rms強度及FFT分析，判定直線運動導引部4故障，而滾珠螺桿部7未故障。
(2)於滾珠螺桿部7故障之情形時：
(a)根據外殼11之振動之rms強度，雖不知是直線運動導引部4故障或滾珠螺桿部7故障或者雙方皆故障，但判定至少一者已故障。
(b)根據外殼11之振動之rms強度，判定滾珠螺桿部7故障，而直線運動導引部4未故障。
(c)根據外殼11之振動之rms強度及FFT分析，判定滾珠螺桿部7故障，而直線運動導引部4未故障。
(3)於直線運動導引部4及滾珠螺桿部7之雙方皆故障之情形時：
(a)根據外殼11之振動之rms強度，雖不知是直線運動導引部4故障或滾珠螺桿部7故障或者雙方皆故障，但判定至少一者已故障。
(b)根據外殼11之振動之rms強度，判定直線運動導引部4及滾珠螺桿部7之雙方皆已故障。
(c)根據外殼11之振動之rms強度及FFT分析，判定直線運動導引部4及滾珠螺桿部7之雙方皆已故障。
以上，已對本發明第1實施形態之附有故障檢測用感 測器之致動器10進行說明。根據本實施形態，可發揮以下之效果。
起因於故障而在滾珠螺桿部7所產生之振動，藉由軸承被衰減後傳遞至外殼11。另一方面，起因於故障而在直線運動導引部4所產生之振動，不會如滾珠螺桿部7的程度被衰減而傳遞至外殼11。由於自滾珠螺桿部7傳遞至外殼11之振動之大小，接近自直線運動導引部4傳遞至外殼11之振動之大小，因此可以兼用之感測器18容易地檢測直線運動導引部4及滾珠螺桿部7之至少一者之故障。
又，由於將感測器18配置於外殼11，因此感測器18不會妨礙直線運動導引部4之移動塊2之衝程，有時甚至可檢測出馬達14內部之軸承、外殼11之軸承之故障。此外，由於並非將感測器18配置在移動塊2、螺帽5等之移動側，而是配置在固定側，因此不需要配線之迂迴配置。
由於將感測器18配置於外殼11之底部11c之上表面，因此除了可發揮前述之效果外，還可有效地利用聯軸器12下部之無效空間。
由於藉由濾波器22擷取外殼11之共振頻帶之振動，因此起因於直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7之故障之振動會傳遞至外殼11，而可檢測出外殼11進行共振之情形。直線運動導引部4之軌道軌條3之共振頻率雖受移動塊2之位置影響而產生變化，但外殼11之共振頻率，並不會受移動塊2之位置所影響。藉由擷取外殼11之共振頻帶之振動，可檢測出直線運動導引部4及滾珠螺桿部7之至少一者之故障。
(本發明第2實施形態之附有故障檢測用感測器之致動器)
圖4為顯示本發明第2實施形態之附有故障檢測用感測器之致動器之示意俯視圖。第2實施形態之致動器30也具備有：直線運動導引部34，其導引作為可動體之平台31進行直線移動；及滾珠螺桿部37，其沿著螺桿軸36之軸向驅動作為可動體之平台31。
於第2實施形態之致動器中，直線運動導引部34係由左右一對之線性導引34a、34b所構成。各線性導引34a、34b具備有軌道軌條32、及經由複數個滾動體而可沿著長度方向移動地被安裝於軌道軌條32之移動塊33。軌道軌條32係安裝於基座部38。移動塊33係安裝於平台31。
滾珠螺桿部37具備有螺桿軸36、及經由複數個滾珠而螺合於螺桿軸36之螺帽35。螺帽35係安裝於作為可動體之平台31。螺桿軸36之軸向之一端部，係可旋轉地被支撐於被固定在基座部38之上表面之外殼41。螺桿軸36之軸向之另一端部，係可旋轉地被支撐於被固定在基座部38之上表面之端部壁39。
螺桿軸36係藉由馬達42所旋轉驅動。馬達42係安裝於外殼41。螺桿軸36與馬達42係由聯軸器43所連結。聯軸器43係收容於外殼41。
外殼41具備有底部41c、設置有軸承45之第1壁部41a、安裝有馬達42之第2壁部41b、以及與第1壁部41a及第2壁部41b正交且相互地對向之第3壁部41d及第4壁部41e。
於外殼41之底部41c之上表面，配置有用以檢測致動器30之故障之感測器18。感測器18、信號處理部20之構成，由於與第1實施形態相同，因此標示相同之符號並省略其說明。
再者，本發明並不限定於由上述實施形態所具現化者，只要在不變更本發明主旨之範圍內，可具現化為各種實施形態。
例如，於上述實施形態中，信號處理部雖計算出rms強度，並判定直線運動導引部4及/或滾珠螺桿部7是否發生故障，但也可設為信號處理部只計算出rms強度，而由上位之信號處理部來進行判定。
本說明書基於2016年9月9日提出申請之日本特願2016-176926。其內容皆包含於本說明書內。

Claims (3)

  1. 一種附有故障檢測用感測器之致動器，其具備有：導引可動體進行直線移動之直線運動導引部、及沿著螺桿軸之軸向驅動上述可動體之滾珠螺桿部；其特徵在於，將用以檢測上述致動器之故障之感測器，配置於收容有連結上述螺桿軸與使上述螺桿軸旋轉之馬達之聯軸器的外殼。
  2. 如請求項1之附有故障檢測用感測器之致動器，其中，上述外殼包含有：第1壁部，其設置有可旋轉地支撐上述螺桿軸之軸承；第2壁部，其安裝有上述馬達；及底部，其係連接於上述第1壁部與上述第2壁部；且上述感測器係配置於上述底部之上表面。
  3. 一種致動器之故障檢測方法，該致動器具備有：導引可動體進行直線移動之直線運動導引部、及沿著螺桿軸之軸向驅動上述可動體之滾珠螺桿部；如此之致動器之故障檢測方法，其特徵在於，將用以檢測上述致動器之故障之感測器配置於收容有連結上述螺桿軸與使上述螺桿軸旋轉之馬達之聯軸器的外殼。
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