TW201831802A - 運動導引裝置的壽命診斷裝置、方法、程式及系統 - Google Patents

運動導引裝置的壽命診斷裝置、方法、程式及系統 Download PDF

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Abstract

本申請案是揭示可高精度地診斷壽命的運動導引裝置的壽命診斷裝置、方法、程式及系統。一種運動導引裝置的壽命診斷裝置，是透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件，並具備有：應力算出機構，根據移動構件相對於軌道構件所形成的軌道之位移量，按將移動構件的滾動面沿著軌道的方向來區分而得的每個假想的區間來算出移動時應力，其中該移動時應力是在移動構件移動時於各區間發生的應力；計數機構，根據位移量且按每個區間來計數伴隨於移動構件沿著軌道移動時之搖擺(Waving)而重複發生的移動時應力的發生次數；及診斷機構，按每個區間來進行根據移動時應力的大小與移動時應力的發生次數之壽命到達率的算出，並根據已算出的各區間之壽命到達率來進行運動導引裝置的壽命診斷。

Description

運動導引裝置的壽命診斷裝置、方法、程式及系統
發明領域 本申請案是揭示一種運動導引裝置的壽命診斷裝置、方法、程式及系統。
發明背景 在機器人或工作機械、半導體、液晶製造裝置等之各種裝置種類中，會使用用於導引可動部的路線之零件。例如，在可動部直進的位置會使用線性導軌。在像這樣的零件之選定時，雖然通常所選定的是對於乘上安全係數的荷重有餘裕之具有額定荷重的零件，但是在近年來，例如在零件上安裝應變計，來算出施加於零件的實際荷重，以更加適當地管理零件的嘗試也在進行中(參照例如專利文獻1)。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2007-263286號公報
發明概要 發明欲解決之課題 導引可動部的路線之運動導引裝置，若疲勞累積於形成滾動體接觸的滾動面之材料時，會有導引精度降低的可能性。於是，為了掌握形成滾動面的材料之疲勞，雖然可考慮測定施加於滾動面的荷重，來進行壽命診斷，但是由於在例如利用已使用上述之應變計的實際荷重之測定方法的情況下，在應變計上按每個部位來把握滾動面的疲勞之作法較難，因此難以預測滾動面之由局部性的疲勞所造成的壽命。
於是，本申請案是揭示一種可高精度地診斷壽命的運動導引裝置的壽命診斷裝置、方法、程式及系統。 用以解決課題之手段
為了解決上述課題，在本發明中，是設成根據移動構件相對於運動導引裝置的軌道構件所形成的軌道之位移量，按區分滾動面而得的每個假想的區間來算出各區間的發生應力，且按每個區間來計數應力的發生次數，並由根據應力的大小與發生次數而算出之各區間的壽命到達率來進行運動導引裝置的壽命診斷。
詳細而言，本發明是透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件之運動導引裝置的壽命診斷裝置，其具備有：應力算出機構，根據移動構件相對於軌道構件所形成的軌道之位移量，按將移動構件的滾動面沿著軌道的方向來區分而得的每個假想的區間來算出移動時應力，其中該移動時應力是在移動構件移動時於各區間發生的應力；計數機構，根據位移量且按每個區間來計數伴隨於移動構件沿著軌道移動時之搖擺(waving)而重複發生的移動時應力的發生次數；及診斷機構，按每個區間來進行根據移動時應力的大小與移動時應力的發生次數之壽命到達率的算出，並根據已算出的各區間之壽命到達率來進行運動導引裝置的壽命診斷。
在此，搖擺是指移動構件之起因於滾動體相對於滾動面之週期性的相對位置的偏移之姿勢變化或振動(脈動)。由於搖擺是伴隨於移動構件的移動而成為週期性地發生的微小的位移來出現，因此在上述之壽命診斷裝置中，是形成為在起因於滾動體對滾動面重複賦與應力而使材料疲勞之情形的運動導引裝置的壽命診斷中，對伴隨於搖擺而重複的應力之發生次數進行計數，並用於運動診斷裝置的壽命診斷。
並且，由於搖擺在例如將正交於軌道構件所形成的軌道之方向規定作為徑向方向的情況下，在移動構件相對於軌道構件之沿著徑向方向的相對的位移中是成為振動成分來出現，因此在上述之壽命診斷裝置中，是形成為根據移動構件相對於軌道構件所形成的軌道之位移量，來計數移動構件沿著軌道移動時之搖擺的振動數。由於在上述之壽命診斷裝置中，是根據移動構件相對於軌道構件之相對的位移量，來算出發生於滾動面的應力，因此針對伴隨於搖擺之重複發生的應力之發生次數，也可以根據該相對的位移量來計數，藉此可有效地利用移動構件相對於軌道的位移量之資料。
然而，在上述之壽命診斷裝置進行診斷的運動導引裝置中，由於是透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件，因此於滾動面上接觸有複數個滾動體。運動導引裝置即使滾動面局部性性地疲勞也會有對移動構件的路線之導引造成障礙的可能性。於是，在上述之壽命診斷裝置中，是藉由按將移動構件的滾動面沿著軌道的方向區分而得的每個假想的區間來算出應力，因而可比根據滾動面整體的應力之壽命診斷更加謀求診斷精度的提升。假想的區間數只要為至少2個以上，就可成為下述情形：相較於根據滾動面整體的應力之壽命診斷可把握局部的疲勞來謀求診斷精度的提升，例如，由於只要是接觸於滾動面的滾動體之個數量的區間數，就可輕易地掌握在滾動體的各區間發生的應力與施加於各滾動體的荷重之對應關係，因此上述移動時應力的算出是容易的。
再者，本發明也可以由方法、電腦程式或系統的方面來把握。例如，本發明亦可是透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件之運動導引裝置的壽命診斷方法，且該運動導引裝置的壽命診斷方法是進行如下：根據移動構件相對於軌道構件所形成的軌道之位移量，按將移動構件的滾動面沿著軌道的方向區分而得的每個假想的區間，來算出移動時應力，其中該移動時應力是在移動構件移動時於各區間發生的應力；根據位移量且按每個區間來計數伴隨於移動構件沿著軌道移動時之搖擺而重複發生的移動時應力的發生次數；按每個區間來進行根據移動時應力的大小與移動時應力的發生次數之壽命到達率的算出，並根據已算出的各區間之壽命到達率來進行運動導引裝置的壽命診斷。 發明效果
上述之壽命診斷裝置、方法、程式及系統，可高精度地診斷運動導引裝置的壽命。
用以實施發明之形態 以下，說明本發明之實施形態。以下所示的實施形態只是本發明的實施形態之一例，本發明的技術範圍並非限定於以下的態樣。
圖1是顯示本實施形態之運動導引裝置的壽命診斷系統的整體圖。符號1為運動導引裝置，符號2a~2d、3a~3d為感測器，符號4為線性編碼器，符號5為資料記錄器(data logger)，符號6為電腦(在本申請案中為「壽命診斷裝置」的一例)。
首先，說明運動導引裝置1的構成。運動導引裝置1具備：軌道11(在本申請案中為「軌道構件」的一例)、及以可沿軌道11的長度方向相對移動的方式組裝的托架12(在本申請案中為「移動構件」的一例)。在本實施形態中，是將軌道11安裝於實機的基座7上，且對托架12安裝實機的工作台8(參照圖9)。實機是例如機器人、工作機械、半導體或液晶製造裝置等。包含工作台8的可動部之運動方向是藉由運動導引裝置1而被導引。再者，也可以將運動導引裝置1上下反轉，將托架12安裝於基座7，且將軌道11安裝於工作台8。又，運動導引裝置1亦可在軌道11的長度方向不是水平，而是相對於水平面傾斜或正交的狀態下使用。
圖2是顯示運動導引裝置1的外觀立體圖。為了說明的方便，將軌道11配置於水平面，將從軌道11的長度方向來看時的方向，亦即圖2所示的x軸設為前後方向，將y軸設為上下方向，且將z軸設為左右方向來說明運動導引裝置1的構成。當然，運動導引裝置1的配置並不限於這樣的配置。
軌道11的左右兩側各自設置有上下二條的滾動面11a。滾動面11a的截面為圓弧狀。在軌道11的上表面，是將供用於將軌道11緊固於基座7的緊固構件通過之通孔11b沿著長度方向以適當的間距來設置。
托架12具有水平部12-1及一對袖部12-2，而為截面「ㄈ」字形，其中該水平部12-1是相向於軌道11的上表面，該一對袖部12-2是相向於軌道11的側面。托架12具備移動方向的中央之托架本體13、配置於托架本體13的移動方向之兩端的一對蓋構件14a、14b、及配置於一對蓋構件14a、14b的移動方向之兩端的一對感測器安裝構件15a、15b(參照圖1)。蓋構件14a、14b具有水平部14-1及一對袖部14-2，而為截面「ㄈ」字形，其中該水平部14-1是相向於軌道11的上表面，該一對袖部14-2是相向於軌道11的側面。感測器安裝構件15a、15b具有水平部15-1及一對袖部15-2，而為截面「ㄈ」字形(參照圖4(a))，其中該水平部15-1是相向於軌道11的上表面，該一對袖部15-2是相向於軌道11的側面。蓋構件14a、14b是藉由螺栓等之緊固構件而緊固於托架本體13。感測器安裝構件15a、15b是藉由螺栓等之緊固構件而緊固於托架本體13及蓋構件14a、14b。再者，在圖2、圖3中，是將感測器安裝構件15a、15b省略。
圖3是顯示運動導引裝置1的內部構造的概要之圖。如圖3所示，在托架本體13中設置有四條滾動面13a，該等滾動面13a是相向於軌道11的四條滾動面11a。在托架本體13中，是與各滾動面13a平行地設置返回路13b。在蓋構件14a、14b中設置有U字形的方向轉換路14c，該方向轉換路14c是連結各滾動面13a與各返回路13b。方向轉換路14c的內周側是由與托架本體13一體之截面半圓形的內周部13c所構成的。藉由軌道11的滾動面11a與托架本體13的滾動面13a之間的負載滾行路、一對方向轉換路14c、及返回路13b而構成軌道狀的循環路徑。在循環路徑中收容有複數個球珠16(在本申請案中為「滾動體」的一例)。當托架12相對於軌道11而相對地移動時，會使介於其等之間的球珠16在負載滾行路上滾動。已滾動到負載滾行路的一端之球珠16，會被導入至一邊的方向轉換路14c，且經由返回路13b、另一邊的方向轉換路14c，而回到負載滾行路的另一端。
＜感測器的構成＞ 如圖1所示，感測器2a~2d、3a~3d是例如電容式的位移計，且是以非接觸方式來檢測托架12相對於軌道11的位移(參照圖4(b)之放大圖)。如上所述，在托架12的移動方向之兩端部，安裝有一對感測器安裝構件15a、15b。在一邊的感測器安裝構件15a上安裝有4個感測器2a~2d。4個感測器2a~2d是配置在軌道11的長度方向上相同的位置。在另一邊的感測器安裝構件15b上也安裝有4個感測器3a~3d。4個感測器3a~3d是配置在軌道11的長度方向上相同的位置。軌道11的長度方向中的感測器2a~2d與感測器3a~3d之間的距離為L1 (參照圖1)。再者，亦可將各感測器2a~2d、3a~3d沿著托架12的移動方向互相錯開來配置。
圖4是顯示從軌道11的長度方向來看的感測器安裝構件15a。如上所述，感測器安裝構件15a具有水平部15-1及一對袖部15-2，該水平部15-1是相向於軌道11的上表面11c，該一對袖部15-2是相向於軌道11的左右側面。在水平部15-1上配置有檢測徑向方向的位移之2個感測器2a、2b。感測器2a、2b是與軌道11的上表面11c隔著間隙而相向，且檢測到軌道11的上表面11c為止的間隙。2個感測器2a、2b間的左右方向上的距離為L2 。
在一對袖部15-2上配置有檢測水平方向的位移之2個感測器2c、2d。感測器2c、2d是與軌道11的側面11d隔著間隙而相向，且檢測到側面11d為止的間隙。
在假設為已將軌道11配置於水平面的狀態下，感測器2a、2b及感測器2c、2d是配置在比托架12的上表面(安裝面)更下方。這是因為要將工作台8安裝於托架12的上表面(安裝面)之上。感測器2a~2d的纜線2a1 ~2d1 是從感測器安裝構件15a的袖部15-2朝左右方向拉出。再者，也可以將纜線2a1 ~2d1 從感測器安裝構件15a的前面往前方(垂直紙面的方向)拉出。又，也可以將感測器安裝構件15a的上表面之高度設為比托架12的上表面(安裝面)更低，並將感測器安裝構件15a的上表面與工作台8的間隙作為拉出纜線2a1 、2b1 的間隙來利用。
圖1所示的感測器安裝構件15b也和感測器安裝構件15a同樣地具有水平部15-1與一對袖部15-2，且感測器3a~3d是配置在各自對應於感測器2a~2d的位置。
＜線性編碼器的構成＞ 線性編碼器4會檢測托架12的x軸方向的位置。例如，線性編碼器4具備尺規及讀取頭，該尺規是安裝於實機的基座7或軌道11，該讀取頭是安裝於實機的工作台8或托架12，並讀取尺規。再者，檢測軌道11上之托架12的位置之位置檢測機構，並非限定於線性編碼器之機構。例如，實機的工作台為滾珠螺桿驅動的情況下，也可以利用旋轉編碼器來作為位置檢測機構，該旋轉編碼器是檢測驅動滾珠螺桿的馬達的角度。
＜資料記錄器、電腦的構成＞ 感測器2a~2d、3a~3d所檢測出的托架12之位移資訊，是按每個規定的取樣週期而被記錄於記錄儀即資料記錄器5。線性編碼器4所檢測的托架12之位置資訊也是按每個規定的取樣週期而記錄於資料記錄器5。資料記錄器5是透過有線或無線通訊機構將所記錄的位移資訊及位置資訊發送至電腦6。資料記錄器5是配置於實機的附近。電腦6可配置於實機的附近或遠離處。
感測器2a~2d、3a~3d會檢測托架12相對於軌道11的位移量。托架12相對於軌道11的位移量是來自於對托架12未施加有荷重之無負載狀態下的感測器2a~2d、3a~3d的檢測值之差分。於是，在接收從感測器2a~2d、3a~3d所發送的位移資訊的資料記錄器5中，可將從感測器2a~2d、3a~3d所發送的位移資訊之值，減去事先儲存之無負載狀態下的感測器2a~2d、3a~3d的檢測值之值，記錄作為托架12相對於軌道11的位移量。
電腦6是使用已記錄於資料記錄器5的資訊，來進行運動導引裝置1的壽命診斷。圖5A是顯示電腦6執行壽命診斷的第1處理流程之圖。又，圖5B是顯示電腦6執行壽命診斷的第2處理流程之圖。電腦6是在利用運動導引裝置1的實機之運作中，藉由重複執行圖5A所示的第1處理流程，而取得有關於伴隨於托架12沿著軌道11的軌道移動時之搖擺的重複荷重之資料。並且，電腦6是藉由例如按每重複100次第1處理流程、在實機運作的期間按數分鐘到數小時之定期的時間點、或者在實機的維護時之不定期的時間點，來執行圖5B所示的第2處理流程，以根據在第1處理流程所生成的資料來進行壽命診斷。
＜壽命診斷的概要＞ 首先，說明圖5A所示的第1處理流程的概要。
在利用運動導引裝置1的實機之運作中，電腦6是從各感測器2a~2d、3a~3d取得托架12的位移量(S101)。已取得之托架12的位移量是記錄於資料記錄器5。並且，電腦6會根據在步驟S101中所取得之托架12的位移量之資料，來進行作用於托架12的荷重之計算(S102)。
已算出的荷重會用於發生於托架本體13的滾動面13a之各部分的應力之計算。在計算發生於滾動面13a的各部分之應力時，電腦6首先是根據線性編碼器4檢測的托架12之位置資訊，而進行托架12是否為移動中的判定(S103)。
作為顯示運動導引裝置1的壽命之現象的一例，可列舉發生於滾動面13a之鱗狀的剝離(以下，稱為「剝落(flaking)」)。剝落是因為下述情形而發生：來自受到球珠16的荷重之滾動面13a之剪切應力重複施加於比滾動面13a略深的位置，使得形成滾動面13a的材料疲勞。在此，由於伴隨於托架12的移動時之搖擺的重複荷重，是在比滾動面13a略深的位置上重複發生剪切應力的主要原因，因此電腦6在步驟S103中已進行肯定判定的情況下，是根據托架12的位移量及位置資訊，來進行搖擺的頂點之檢測(S104)。再者，若在S103中形成否定判定時，即結束本算出處理。並且，當在步驟S104中檢測搖擺的頂點時，電腦6是根據已在步驟S102中算出的荷重，來計算在托架12移動時發生於滾動面13a之各部分的剪切應力，而對按應力的大小及滾動面13a的每個部位來計數應力的發生次數之計數器進行計數值的加法處理(S105)。再者，若在S104中未進行搖擺的頂點之檢測，即結束本算出處理。
藉由重複執行擁有步驟S101到步驟S105之一系列的處理之上述第1處理流程，可將因托架12移動時的荷重振幅而重複施加於托架12的滾動面13a之各部分的剪切應力之發生次數，按應力的大小及滾動面13a的每個部位來合計。已合計的資料，變得可在接著說明概要的第2處理流程中，用於因重複荷重而進行之滾動面13a的每個部位的疲勞之掌握。
接著，說明圖5B所示的第2處理流程的概要。電腦6是使用藉由重複執行第1處理流程所合計之滾動面13的每個部位之應力的發生次數之資料，來進行利用了線累積損傷律(有時也稱為「線性毀損律(miner's rule)」)的壽命到達率之計算(S201)。並且，電腦6會進行托架12之剩餘的可使用距離(期間)的計算(S202)。
以下，說明各步驟的詳細內容。
＜S101＞ 在利用運動導引裝置1的實機之運作中，電腦6是從各感測器2a~2d、3a~3d取得托架12的位移量。由於各感測器2a~2d、3a~3d的測量值是從感測器到滾動面之距離，因此電腦6會將從未對托架12施加荷重之無負載時的感測器到滾動面的距離設為基準，且將來自此距離的差分作為托架12的位移量來儲存於資料記錄器5。
＜S102＞ 接著，說明步驟S102的詳細內容。電腦6會根據托架12的位移來算出作用於托架12的荷重。電腦6在算出荷重時，首先是根據從各感測器2a~2d、3a~3d取得的托架12之位移量，來算出托架12的位移5成分。接著，電腦6會根據位移5成分，來算出各自作用於複數個球珠16的荷重及接觸角。接著，電腦6會根據各球珠16的荷重及接觸角，來算出作用於托架12的荷重(外力5成分)。在以下詳細地說明上述的3個步驟。
＜托架的位移5成分的算出＞ 如圖2所示，當對運動導引裝置1設定x-y-z座標軸後，作用於x-y-z座標軸的座標原點之荷重為徑向荷重與逆徑向荷重的合計即Fy 、以及水平荷重之Fz 。在將托架12按壓於軌道11的方向上，圖2之往y軸之正方向作用的荷重為徑向荷重。其相反之方向，亦即將托架12從軌道11拉開的方向為逆徑向荷重。在將托架12相對於軌道11往橫向偏移的方向上，圖2之往z軸正負方向作用的荷重為水平荷重。
又，繞著x-y-z座標軸的力矩為俯仰力矩(pitching moment)的合計即Ma 、偏航力矩(yawing moment)的合計即Mb 、及滾轉力矩(rolling moment)的合計即Mc 。徑向荷重Fy 、俯仰力矩Ma 、滾轉力矩Mc 、水平荷重Fz 、偏航力矩Mb 是作為外力而作用於托架12。當此等外力5成分作用於托架12時，會在托架12上產生各自對應於其的位移5成分，亦即徑向位移α1 (mm)、俯仰角α2 (rad)、滾轉角α3 (rad)、水平位移α4 (mm)、及偏航角α5 (rad)。
圖6是顯示外力作用於托架12時之感測器2a~2d的輸出之變化。在圖6中附加斜線之陰影線的箭頭是輸出有變化的感測器，在圖6中空白的箭頭是輸出未變化的感測器。在徑向荷重Fy 作用於托架12時，會使托架12與軌道11之間的上下方向之間隙變小。另一方面，在逆徑向荷重-Fy 作用於托架12時，會使托架12與軌道11之間的上下方向之間隙變大。感測器2a、2b是檢測此上下方向的間隙之變化(位移)。再者，安裝於感測器安裝構件15b(參照圖1)的感測器3a、3b也會檢測此上下方向的位移。
在徑向荷重Fy 或逆徑向荷重-Fy 作用於托架12時，當將感測器2a、2b所檢測到的位移設為A1 、A2 ，且將感測器3a、3b所檢測到的位移設為A3 、A4 時，托架12的徑向位移α1 是以例如以下的數學式來給出。 (數學式1) α1 =(A1 +A2 +A3 +A4 )/4
當水平荷重Fz 作用於托架12時，會使托架12相對於軌道11往橫向偏移，而使托架12的其中一邊之袖部12-2與軌道11之間的水平方向之間隙變小，且使托架12的另一邊之袖部12-2與軌道11之間的水平方向之間隙變大。感測器2c、2d會檢測此水平方向的間隙之變化(位移)。再者，安裝於感測器安裝構件15b(參照圖1)的感測器3c、3d也會檢測此水平方向的位移。當將感測器2c、2d已檢測出的位移設為B1 、B2 ，且將感測器3c、3d已檢測的位移設為B3 、B4 時，托架12的水平位移α4 是以例如以下的數學式來給出。 (數學式2) α4 =(B1 -B2 +B3 -B4 )/4
在俯仰力矩Ma 作用於托架12時，會使感測器2a、2b與軌道11之間的間隙變大，且使感測器3a、3b與軌道11之間的間隙變小。當將俯仰角α2 充分地設得較小時，俯仰角α2 (rad)可藉由例如以下的數學式來給出。 (數學式3) α2 =((A3 +A4 )/2-(A1 +A2 )/2)/L1
在滾轉力矩Mc 作用於托架12時，會使感測器2a、3a與軌道11之間的間隙變小，且使感測器2b、3b與軌道11之間的間隙變大。 將滾轉角α3 充分地設得較小時，滾轉角α3 (rad)可藉由例如以下的數學式來給出。 (數學式4) α3 =((A1 +A3 )/2-(A2 +A4 )/2)/L2
在偏航力矩Mb 作用於托架12時，會使感測器2c、3d與軌道11之間的間隙變小，且使感測器2d、3c與軌道11之間的間隙變大。當將偏航角α5 充分地設得較小時，偏航角α5 (rad)可藉由例如以下的數學式來給出。 (數學式5) α5 =((A1 +A4 )/2-(A2 +A3 )/2)/L2
藉由以上，可以根據感測器2a~2d、3a~3d檢測的位移，來算出托架12的位移5成分。
＜作用於各球珠的荷重及接觸角的算出＞ 將托架12內的球珠16所接觸的部分在x軸方向上形成為截面的狀態顯示於圖7。在圖7中，各球珠間距是利用取比1稍微大的值之κ而設為κDa，且決定各球珠的x座標，並將其設為Xi 。將托架12內之球珠16滾動的部分之長度設成2Ux 。將排列於2Ux 內的球珠數稱為有效球珠數並設為I。在托架12的兩端部分施加有半徑為R且深度成為λε 之被稱為凸面(crowning)加工的R形狀的大的曲面加工。
作為在外力5成分，亦即徑向荷重Fy 、俯仰力矩Ma 、滾轉力矩Mc 、水平荷重Fz 、及偏航力矩Mb 已作用於托架12時，於托架12上產生位移5成分，亦即徑向位移α1 、俯仰角α2 、滾轉角α3 、水平位移α4 、偏航角α5 ，而建立理論公式。
各自將托架12的球珠編號i中的托架12內截面之產生位移5成分前的內部荷重之狀態於圖8顯示，且將產生位移5成分後的內部荷重之狀態於圖9顯示。在此，是將托架12的球珠列編號設為j，且將球珠列內的球珠編號設為i。將珠徑設為Da ，軌道11側、托架12側都將滾動面與球珠16的適合度設為f，也就是將滾動面曲率半徑設為fDa 。又，將軌道側滾動面曲率中心位置設為Ar ，將托架側滾動面曲率中心位置設為Ac ，且將連結其等的線與z軸形成的角即接觸角的初始狀態設為γ。再者，將在位於軌道11的上側的2個滾動面上各自滾動的球珠16彼此之球珠中心間距離設為2Uz12 ，將在位於軌道11的下側的2個滾動面上各自滾動的球珠16彼此之球珠中心間距離設為2Uz34 ，且將在軌道11的上側之滾動面及下側之滾動面上各自滾動的球珠16彼此之球珠中心間距離設為2Uy 。
在球珠16上已有預壓作用。首先，說明預壓的原理。包夾在軌道11、托架12之相向的滾動面之間的部分之尺寸，是藉由軌道11、托架12的設計時之尺寸及滾動面的幾何形狀而決定。雖然用以進入其中的球珠徑為設計時的球珠徑，但若將比設計時的球珠徑稍大的尺寸Da+λ的球珠16組裝至其中時，球珠16與滾動面的接觸部會依據赫茲接觸理論(Hertz contact theory)而進行彈性變形、形成接觸面、使接觸應力發生。如此進行而產生的荷重為內部荷重，且為預壓荷重。
在圖8中，是以P0 來表示該荷重，並以δ0 來表示由接觸部的彈性變形所造成的軌道11、托架12間的相互接近量。實際上，雖然球珠位置存在於圖8之以一點鏈線所描繪之軌道11、托架12的滾動面間的中心位置，但由於兩滾動面之與球珠16的適合度f是相等的，因此發生於球珠16的2處的接觸部之根據赫茲接觸理論之各種特徵值是相同的。因此，藉由將球珠16朝軌道側滾動面位置錯開來描繪，以使軌道11、托架12的滾動面間的相互接近量δ0 易於理解。
通常，預壓荷重是按每一個托架來定義作為上側之2列份(或下側2列份)的徑向方向荷重，因此可將預壓荷重Ppre 以如下的數學式來表示。 (數學式6)
接著，說明從此狀態到外力5成分作用於運動導引裝置1，而產生位移5成分的狀態。如圖9所示，設為座標原點的運動導引裝置1之中心會因位移5成分即徑向位移α1 、俯仰角α2 、滾轉角α3 、水平位移α4 、及偏航角α5 而發生有在第i個的球珠位置上之軌道11與托架12的相對位移。
此時，雖然軌道側滾動面曲率中心不會移動，但由於托架12會移動，因此托架側滾動面曲率中心會在各球珠位置上以幾何上的形式移動。其情形是作為托架側滾動面曲率中心之Ac 為往Ac ’移動之情形來表示。若將此Ac 往Ac ’移動之量區分成y方向與z方向來考慮，而將朝y方向移動之量設為δy ，且將往z方向移動之量設為δz 時，是設為之後下標字是表示第i個球珠、第j球珠列之情形，並可以表示成： (數學式7) δyij ＝α1 ＋α2 xi ＋α3 zcij δzij ＝α4 ＋α5 xi -α3 ycij 在此，zc 、yc 是點Ac 的座標。
接著，由於連結軌道11側與托架12側的滾動面曲率中心之線，成為球珠荷重的法線方向即接觸角，因此原本的初始接觸角之γj 會變化成βij ，此外，此兩滾動面曲率中心間距離會從當初的Ar 、Ac 間的距離變化成Ar、Ac ’間的距離。此兩滾動面曲率中心間距離的變化會成為球珠16的兩接觸部上的彈性變形，而與在圖8中所說明時同樣地，可藉由將球珠16朝軌道側滾動面位置錯開來描繪，而求出球珠16的彈性變形量δij 。
若將此Ar、Ac’間的距離也區分成y方向與z方向來考慮，而將y方向的距離設為Vy ，且將z方向的距離設為Vz 時，利用前述的δyij 、δzij ，可表示成： (數學式8) Vyij ＝(2f-1)Da sinγj ＋δyij Vzij ＝(2f-1)Da cosγj ＋δzij 藉此，Ar、Ac’間的距離會成為(數學式9), 接觸角βij 會成為(數學式10)。 根據以上，球珠16的彈性變形量δij 會成為 (數學式11)。
在此，將圖7所示之托架12內的球珠16所接觸的部分在x軸方向上形成為截面的狀態下，進入凸面、加工部分的球珠16的彈性變形量δij 會形成為托架12側的滾動面曲率中心之Ac’從軌道側滾動面曲率中心Ac 遠離的形式，並比照該量而相應地變少。由於這剛好可以認為和將球珠徑以相抵的形式來形成得較小為同等，因此將該量設為λxi 並在上式中減去。
若利用已藉由赫茲接觸理論導出之顯示滾動體為球珠的情況之彈性接近量的數學式時，可以藉由下述之數學式而由彈性變形量δij 中求出滾動體荷重Pij 。 (數學式12)在此，Cb 是非線性的彈簧常數(N/mm3/2 )，且可藉由下述的數學式來給出。 (數學式13)在此，E是縱彈性模量，1/m是帕桑比(Poisson's ratio)，2K/πμ是赫茲係數，Σρ是主曲率和。
藉由以上，就可以利用托架12的位移5成分α1 ~α5 ，針對托架12內之全部的球珠16，以數學式來表示接觸角βij 、彈性變形量δij 、及滾動體荷重Pij 。
再者，在上述中，為了容易理解，所使用的是將托架12考慮作為剛體之剛體模型負載分布理論。也可以擴張此剛體模型負載分布理論，而使用適用於用以加進托架12的袖部12-2之變形的樑理論之樑模型負載分布理論。再者，也可以使用將托架12與軌道11設為FEM模型的托架、軌道FEM模型負載分布理論。
＜荷重(外力5成分)的算出＞ 之後，只要使用上述之數學式來建立有關於作為外力的5成分，亦即徑向荷重Fy 、俯仰力矩Ma 、滾轉力矩Mc 、水平荷重Fz 、偏航力矩Mb 之平衡條件式即可。 (數學式14) 有關於徑向荷重Fy ，(數學式15) 有關於俯仰力矩Ma ，(數學式16) 有關於滾轉力矩Mc ，在此，ωij 是表示力矩之力臂的長度，且可藉由下式來給出。zr 、yr 是點Ar 的座標。(數學式17) 有關於水平荷重Fz ，(數學式18) 有關於偏航力矩Mb ，從以上的數學式可以算出作用於托架12的荷重(外力5成分)。
＜S103＞ 接著，說明步驟S103的詳細內容。電腦6會進行托架12是否為移動中的判定。托架12是否為移動中，可以根據線性編碼器4檢測的托架12之位置資訊來判定。例如若線性編碼器4檢測的托架12之位置資訊按時間序列而變化，則電腦6會判定為托架12為移動中，若位置資訊未按時間序列而變化，則判定為托架12為停止中。
＜S104＞ 接著，針對步驟S104之細節進行說明。電腦6會根據記錄於資料記錄器5的托架12之位移量及位置資訊，來進行搖擺的頂點之檢測。
搖擺是起因於軌道11的滾動面11a及托架本體13的滾動面13a與球珠16之間發生之週期性的相對位置之偏移的托架12的姿勢變化或振動(脈動)。圖10是顯示托架12在軌道11上移動時的球珠16的動作之圖。雖然托架12中具備有複數個球珠16，但此等複數個球珠16當中支撐托架12的球珠16，是夾在軌道11的滾動面11a與托架本體13的滾動面13a之間的球珠16(在圖10中附加斜線的陰影線之球珠16)。並且，如比較圖10(A)與圖10(B)即可得知的，夾在軌道11的滾動面11a與托架本體13的滾動面13a之間的球珠16的數量，是伴隨於托架12相對於軌道11的相對移動而重複增減。此重複的週期是與托架12相對於軌道11而移動相當於與相鄰的球珠16彼此的間距相同的量之週期一致。據此，搖擺的頂點會成為在藉由感測器2a~2d、3a~3d所檢測出的位移的波形當中，和托架12在軌道11上移動時滾動的球珠16與滾動面11a、13a之間的相對位置之偏移的週期一致之波的頂點。
於是，電腦6在搖擺的頂點之檢測時，首先，針對位移5成分的每一個，來解析表示下述關係之資料：從線性編碼器4所得到的托架12的軌道11上之位置、與從各感測器2a~2d、3a~3d所得到的位移量之關係。並且，電腦6會從表示托架12的位置與位移量之關係的資料之中，判定有無表示搖擺的資料。表示搖擺的資料之有無，在例如設想出將橫軸設為托架12的軌道11上的位置，且將縱軸設為托架12的位移量之圖表的波形之情況下，若有以和球珠16的間距大致相同的週期出現的峰值，即判定為有搖擺，若不存在以和球珠16的間距大致相同的週期出現的峰值，則判定為沒有搖擺。
圖11是將藉由線性編碼器4檢測的托架12在軌道11上的位置設為橫軸，且將藉由感測器2a~2d、3a~3d檢測的位移設為縱軸的圖表。在托架12中具備有8個感測器2a~2d、3a~3d，又，由於托架12會在軌道11上來回，因此顯示托架12的位置與位移之關係的線本來應該存在有複數條。但是，為了容易理解，在圖11的圖表中，是以1條折線來表示托架12的位置與位移的關係。如觀察圖11的圖表即可得知的，可知在托架12的位移中有比較緩慢的位移與比較細微的位移之2種振動成分。在這當中，前者之比較緩慢的位移，可考慮為例如起因於軌道11的滾動面11a的精度等之搖擺以外的振動成分。另一方面，後者之比較細微的位移是起因於搖擺的振動成分，且是托架12在軌道11上移動時發生的位移。圖11之圖表所示的比較細微的位移之各頂點的橫軸之間隔，大致上與球16的間距一致。
電腦6會根據如圖11的圖表所表示之表示出托架12的軌道11上的位置與位移量的關係之資料，來檢測以和球珠16的間距大致相同週期出現的細微的搖擺的振動成分，而進行該振動成分的波形之頂點的檢測。再者，電腦6只要可從藉由有複數個的感測器2a~2d、3a~3d當中的任意1個以上的感測器所檢測之位移的資料中檢測到搖擺，即可檢測出該搖擺的波形之頂點。
＜S105＞ 當電腦6在步驟S104中檢測到搖擺的波形之頂點時，會根據在步驟S102已算出的荷重，來計算發生於托架12的滾動面13a之最大剪切應力(在本申請案中為「移動時應力」之一例)。在本實施形態中，為了掌握滾動面13a之局部性的疲勞所造成的壽命，電腦6會按將滾動面13a沿著軌道的方向區分而得的每個假想的區間，來進行發生於滾動面13a的最大剪切應力的計算。
圖12是顯示區分滾動面13a之假想的區間的一例之圖。在本實施形態中，為了容易理解，是針對按每個假想的區間來計算最大剪切應力的情況進行說明，其中該假想的區間是以有效球珠數來分割滾動面13a而得之區間。在像這樣所區分的滾動面13a之各區間發生的剪切應力，可以依照赫茲彈性接觸理論，且依照利用在步驟S102的說明中所示的滾動體荷重Pij 、及發生於球珠體與平面的接觸部分之應變的解析模型而事先製作出的數學式來算出。
接著，電腦6會根據已算出之各區間的最大剪切應力，按每個應力的大小來計數最大剪切應力的發生次數。圖13是顯示在托架12移動時在滾動面13a上重複發生的最大剪切應力的計數值之一例的圖。電腦6是例如，如圖13所示，將應力的大小按50MPa來分階段地區分，且按每1個搖擺，換言之，在圖11所示的搖擺的波形中按每次頂點發生的時間點，將相當於已算出的最大剪切應力之區分的計數值逐一地加算。據此，計數值會和托架12的累計移動距離成比例來增加。使滾動面13a疲勞的應力之發生次數，按每個應力的大小及按每個區間來合計，藉此即使在例如滾動面13a的特定區間中局部性地發生重複的應力之情況下，仍可以得到可以將滾動面13a之局部性的疲勞反映到運動導引裝置1的壽命診斷上之診斷用的基礎資料。
＜S201＞ 電腦6會使用藉由重複執行第1處理流程而合計出的合計結果，來計算壽命到達率。壽命到達率是按滾動面13a的每個區間來算出的。並且，在已算出的全部區間的壽命到達率之中，將壽命到達率最高的值採用於運動導引裝置1的壽命診斷。壽命到達率是利用例如線累積損傷律來算出。圖14是顯示材料的S-N曲線的一例之圖。由於線累積損傷律是在材料的疲勞中，在物體重複受到應力的情況下，預測因疲勞而到達損傷為止的壽命之律則，因此對於因托架12的移動中發生的荷重振幅而重複的應力所造成的材料疲勞之掌握是有效的。若依照線累積損傷律，當將相對於成為對象的材料之S-N曲線中的特定的重複應力之斷裂重複數設為Li ，且將對材料的實際重複數設為ni 時，壽命到達率D即可藉由以下的數學式來給出。 (數學式19)
＜S202＞ 電腦6在結束步驟S201的處理時，會在按滾動面13a的每個區間已算出的全部區間之壽命到達率之中，使用壽命到達率最高的值，來計算托架12之剩餘的可使用距離(期間)。可使用距離(期間)，若依照例如線累積損傷律，則壽命到達率D是成為1的情況。據此，當將從線性編碼器4的位置資訊得到的托架12之累計移動距離設為Dint 時，可使用距離DLife 即可以藉由以下的數學式來表示。 (數學式20) DLife ＝(1-D)/D*Dint 又，當將從線性編碼器4的使用開始時到壽命到達率D算出時為止的經過時間設為Tint 時，可使用期間TLife 即可以藉由以下的數學式來表示。 (數學式21) TLife ＝(1-D)/D*Tint
電腦6所執行的上述步驟S101到S202的各處理之細節是如以上所述。由於上述之電腦6是將球珠16對托架12的滾動面13a重複賦與應力之搖擺的振動數用於壽命診斷，因此可得到比不利用搖擺的振動數所進行的壽命診斷更高精度的診斷結果。又，由於上述的電腦6在對托架12的滾動面13a上發生的應力的算出上也是使用的感測器2a、2b、3a、3b的位移資訊來計數搖擺的振動數，因此裝置構成比另外設置用於計數搖擺的振動數之感測器類的情況更不複雜。又，由於上述的電腦6是按將托架12的滾動面13a沿著軌道的方向區分而得之每個假想的區間來算出應力，因此可以得到比根據滾動面13a整體的應力之壽命診斷更高的診斷結果。
1‧‧‧運動導引裝置
2a、2b、2c、2d、3a、3b、3c、3d‧‧‧感測器
2a1~2d1‧‧‧纜線
4‧‧‧線性編碼器
5‧‧‧資料記錄器
6‧‧‧電腦
7‧‧‧基座
8‧‧‧工作台
11‧‧‧軌道
11a、13a‧‧‧滾動面
11b‧‧‧通孔
11c‧‧‧上表面
11d‧‧‧側面
12‧‧‧托架
12-1、14-1、15-1‧‧‧水平部
12-2、14-2、15-2‧‧‧袖部
13‧‧‧托架本體
13b‧‧‧返回路
13c‧‧‧內周部
14a、14b‧‧‧蓋構件
14c‧‧‧方向轉換路
15a、15b‧‧‧感測器安裝構件
16‧‧‧球珠
2Ux‧‧‧托架內的球珠滾動的部分之長度
2Uz12、2Uz34、2Uy‧‧‧球珠中心間距離
Ar‧‧‧軌道側滾動面曲率中心位置
Ac、Ac’‧‧‧托架側滾動面曲率中心位置
Da‧‧‧珠徑
Da+λ‧‧‧尺寸
Fy‧‧‧徑向荷重
Fz‧‧‧水平荷重
fDa‧‧‧滾動面曲率半徑
L1、L2‧‧‧距離
Ma‧‧‧俯仰力矩
Mb‧‧‧偏航力矩
Mc‧‧‧滾轉力矩
P0i、Pi1~Pi4‧‧‧荷重
R‧‧‧半徑
S101~S105、S201、S202‧‧‧步驟
X1、X2、Xi‧‧‧各球珠的x座標
x、y、z‧‧‧座標軸
κDa‧‧‧各球珠間距
λε‧‧‧深度
δ0i‧‧‧相互接近量
α1‧‧‧徑向位移
α2‧‧‧俯仰角
α3‧‧‧滾轉角
α4‧‧‧水平位移
α5‧‧‧偏航角
γj、βi1~βi4‧‧‧接觸角
δi1~δi4‧‧‧彈性變形量
圖1是本發明的一實施形態之運動導引裝置的壽命診斷系統的整體圖。 圖2是本實施形態的運動導引裝置的外觀立體圖。 圖3是顯示本實施形態的運動導引裝置的內部構造的概要之圖。 圖4(a)是從軌道的長度方向來看的運動導引裝置的正面圖，圖4(b)是B部分放大圖。 圖5A是顯示電腦執行壽命診斷的第1處理流程之圖。 圖5B是顯示電腦執行壽命診斷的第2處理流程之圖。 圖6是顯示外力作用於托架時之感測器的輸出的變化之圖。 圖7是顯示托架內的球珠所接觸的部分之圖。 圖8是顯示位移5成分產生前的內部荷重的狀態之圖。 圖9是顯示位移5成分產生後的內部荷重的狀態之圖。 圖10是顯示托架在軌道上移動時的球珠的動作之圖。 圖11是將藉由線性編碼器所檢測的托架的位置設為橫軸，且將藉由感測器所檢測的位移設為縱軸之圖表。 圖12是顯示區分滾動面之假想的區間的一例之圖。 圖13是顯示在托架移動時在滾動面上重複發生的最大剪切應力的計數值的一例之圖。 圖14是顯示材料的S-N曲線的一例之圖。

Claims (7)

  1. 一種運動導引裝置的壽命診斷裝置，該運動導引裝置是透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件，該運動導引裝置的壽命診斷裝置具備有： 應力算出機構，根據前述移動構件相對於前述軌道構件所形成軌道之位移量，按將前述移動構件的滾動面沿著前述軌道的方向來區分而得的每個假想的區間來算出移動時應力，其中該移動時應力是在前述移動構件移動時於各區間發生的應力； 計數機構，根據前述位移量且按每個前述區間來計數伴隨於前述移動構件沿著前述軌道移動時之搖擺而重複發生的前述移動時應力的發生次數；及 診斷機構，按每個前述區間來進行根據前述移動時應力的大小與前述移動時應力的發生次數之壽命到達率的算出，並根據已算出的前述各區間之壽命到達率來進行前述運動導引裝置的壽命診斷。
  2. 如請求項1之運動導引裝置的壽命診斷裝置，其中，前述診斷機構是依照線累積損傷律來進行前述壽命到達率的算出，且根據已算出的前述各區間的壽命到達率來進行前述運動導引裝置的壽命診斷。
  3. 如請求項1或2之運動導引裝置的壽命診斷裝置，其中，前述診斷機構是根據按每個前述區間來將前述移動時應力的每個大小之發生次數合計之表格之資料，按每個前述區間來進行前述壽命到達率的算出。
  4. 如請求項1至3中任一項之運動導引裝置的壽命診斷裝置，其中，前述移動構件具有感測器，該感測器是沿著相對於前述軌道正交的方向來測定相對於前述軌道構件的表面之距離，前述位移量是根據前述感測器的輸出而取得。
  5. 一種運動導引裝置的壽命診斷方法，該運動導引裝置是透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件，該運動導引裝置的壽命診斷方法是進行如下： 根據前述移動構件相對於前述軌道構件所形成的軌道之位移量，按將前述移動構件的滾動面沿著前述軌道的方向來區分而得的每個假想的區間來算出移動時應力，其中該移動時應力是在前述移動構件移動時於各區間發生的應力； 根據前述位移量且按每個前述區間來計數伴隨於前述移動構件沿著前述軌道移動時之搖擺而重複發生的前述移動時應力的發生次數； 按每個前述區間來進行根據前述移動時應力的大小與前述移動時應力的發生次數之壽命到達率的算出，並根據已算出的前述各區間之壽命到達率來進行前述運動導引裝置的壽命診斷。
  6. 一種運動導引裝置的壽命診斷程式，該運動導引裝置是透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件， 該運動導引裝置的壽命診斷程式是使電腦進行如下： 根據前述移動構件相對於前述軌道構件所形成的軌道之位移量，按將前述移動構件的滾動面沿著前述軌道的方向來區分而得的每個假想的區間來算出移動時應力，其中該移動時應力是在前述移動構件移動時於各區間發生的應力； 根據前述位移量且按每個前述區間來計數伴隨於前述移動構件沿著前述軌道移動時之搖擺而重複發生的前述移動時應力的發生次數； 按每個前述區間來進行根據前述移動時應力的大小與前述移動時應力的發生次數之壽命到達率的算出，並根據已算出的前述各區間之壽命到達率來進行前述運動導引裝置的壽命診斷。
  7. 一種運動導引裝置的壽命診斷系統，其具備： 運動導引裝置，透過複數個滾動體將移動構件以可相對移動的方式組裝於軌道構件； 應力算出機構，根據前述移動構件相對於前述軌道構件所形成的軌道之位移量，按將前述移動構件的滾動面沿著前述軌道的方向來區分而得的每個假想的區間來算出移動時應力，其中該移動時應力是在前述移動構件移動時於各區間發生的應力； 計數機構，根據前述位移量且按每個前述區間來計數伴隨於前述移動構件沿著前述軌道移動時之搖擺而重複發生的前述移動時應力的發生次數；及 診斷機構，按每個前述區間來進行根據前述移動時應力的大小與前述移動時應力的發生次數之壽命到達率的算出，並根據已算出的前述各區間之壽命到達率來進行前述運動導引裝置的壽命診斷。
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