JP7000135B2 - 送り軸の異常診断方法及び異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじによる送り軸をもつ工作機械等の機械において、送り軸の異常を診断する方法及び装置に関する。

工作機械の送り軸では、モータの回転運動をボールねじに伝えて直線駆動させる方式が多く使用されている。しかしながら、数年間稼働した機械では、摩耗による予圧抜けや、異物の混入、潤滑不良などによる損傷等により、精度不良や異音等が発生する場合がある。このような状態となると、ワークの形状不良や加工目不良などが生じるといった不具合が発生する。したがって、送り軸を構成するボールねじや軸受、リニアガイドといった機械要素は、劣化や破損が生じ、不具合が発生する前に交換されることが望ましい。

機械要素の状態を知るために、振動センサによりボールねじや軸受、リニアガイドの振動を検知し診断する方法や、変位センサを内蔵し位置決め精度を測定する方法など、さまざまな診断を行う方法が提案されている。しかし、係る方法では診断したい部位の周辺にセンサを新たに追加する必要があるため、コスト増加の要因となる。また故障する可能性のある個所が増加するため、故障リスクの増加につながるといった課題もある。

そのため、診断用の追加センサを用いず、制御の為に使用しているサーボ情報を用いて診断する手法が提案されている。特許文献１では、減速機の異常を判定する方法として、制御における外乱推定値やトルク指令を周波数解析し、軸の回転周波数の整数倍に対応する周波数のスペクトルを比較する方法が提案されている。また、特許文献２では、モータにより駆動する機械において、トルク指令値をフーリエ変換し、スペクトルを求め、表示させ、モータが回転しているときの回転数および回転数に起因する高次モードのスペクトルに注目し、機械の破損を確認する方法が提案されている。

一方で、モータの回転運動をボールねじに伝え駆動する方式の送り機構を持つ工作機械では、振動を発生する要因が、ボールねじや軸受、リニヤガイド等多数存在するため、複数要素の振動を切り分けて、異常個所を判断する必要がある。軸受、ボールねじ、リニアガイドといった機械要素の動作時に発生する振動の周波数は、幾何学的な式により算出できることが知られており、該当する周波数、及びその整数倍の周波数のピーク値の大きさ、ピークの有無等により損傷部位の判断が行われる。
以下の式（１）～（７）に、軸受、ボールねじ、リニアガイドの振動周波数の計算式をそれぞれ示す。

特許第４１１２５９４号公報 特開２００９－６８９５０号公報

一方で、式（４）で算出しているボールねじの１リードあたりの転動体は、幾何学的に算出されたものであり、実際のボールねじでは、リターンチューブ等の循環経路のためのスペース確保、スペーサーボールによる負荷の分散等の理由により、理論式よりも低い振動周波数が発生したり、位置や時間軸において安定した振動周波数とならない場合があったりする。また、ボールねじは、転動体の軌道が不連続となるため、損傷のない状態においても、ボールねじのナットを転動体が通過する際に振動が発生する場合が多くみられる。このような場合が複合して発生すると、サーボ情報を用いて異常診断を行う場合、軸受とボールねじの振動周波数が近い送り軸の構成において、正常状態におけるボールねじの振動を軸受の振動として誤診してしまう場合が存在する。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、軸受とボールねじとの振動周波数が近い送り軸の構成において、適切に軸受の損傷を検出することができる送り軸の異常診断方法及び装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、サーボモータにより回転するボールねじを介して移動体を移動させ、軸受によってボールねじを支持する送り軸を有する機械において、送り軸の異常を診断する方法であって、
送り軸を所定の診断条件で軸動作させてサーボモータの制御に係るサーボ情報を取得するサーボ情報取得ステップと、取得したサーボ情報を周波数解析する周波数解析ステップと、周波数解析の結果から、軸受が損傷した送り軸が軸動作を行った際に発生する損傷周波数のピーク値を取得する損傷周波数ピーク値取得ステップと、取得された損傷周波数のピーク値を所定の閾値と比較して異常の有無を判断する判断ステップと、を実行し、判断ステップでは、損傷周波数のピーク値を閾値と比較する前に、損傷周波数が、ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数と干渉するか否かの判断を行い、干渉する場合と干渉しない場合とでそれぞれ異なる閾値を設定して比較を行うことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、判断ステップでは、ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数を帯域として設定し、損傷周波数がボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数の帯域内にある場合と当該帯域外にある場合とでそれぞれ異なる閾値を設定することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、サーボモータにより回転するボールねじを介して移動体を移動させ、軸受によって前記ボールねじを支持する送り軸を有する機械において、送り軸の異常を診断する装置であって、
送り軸を所定の診断条件で軸動作させてサーボモータの制御に係るサーボ情報を取得するサーボ情報取得手段と、取得したサーボ情報を周波数解析する周波数解析手段と、周波数解析の結果から、軸受が損傷した送り軸が軸動作を行った際に発生する損傷周波数のピーク値を取得する損傷周波数ピーク値取得手段と、取得された損傷周波数のピーク値を所定の閾値と比較して異常の有無を判断する判断手段と、を備え、判断手段では、損傷周波数のピーク値を閾値と比較する前に、損傷周波数が、ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数と干渉するか否かの判断を行い、干渉する場合と干渉しない場合とでそれぞれ異なる閾値を設定して比較を行うことを特徴とする。

本発明によれば、取得した損傷周波数を閾値と比較する前に、軸受の損傷周波数が、ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数と干渉するか否かの判断を行い、干渉する場合と干渉しない場合とでそれぞれ異なる閾値を設定して比較を行うので、サーボ情報を用いて異常診断を行う場合、軸受とボールねじとの振動周波数が近い送り軸の構成においても、正常状態におけるボールねじの振動を軸受の振動として誤診してしまうおそれが低減される。よって、軸受の損傷を適切に検出することが可能となる。

工作機械の送り軸及び位置制御装置のブロック図である。 異常診断方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用する工作機械の送り軸１及び位置制御装置１０のブロック図の一例である。
まず、工作機械の送り軸１は、ＮＣ装置２０の送り軸制御部２１からの位置指令を受けて、サーボモータ３により回転駆動するボールねじ２と、ボールねじ２にナット４を介して螺合し、ボールねじ２の回転によって軸方向へネジ送り移動する移動体５とを備える。ボールネジ２の両端は、図示しない軸受によって軸支されており、移動体５は、図示しないリニアガイドによって直線移動が案内される。サーボモータ３には、位置検出器６が取り付けられている。

位置制御装置１０では、ＮＣ装置２０の送り軸制御部２１から出力される位置指令と、モータ３に取り付けられている位置検出器６からの現在位置とが加算器１１に入力され、演算された位置偏差が位置制御器１２に入力される。位置制御器１２は、位置誤差量に応じた速度指令値を生成して速度制御器１４に出力する。速度制御器１４は、入力された速度指令値と現在位置を微分器１３により演算された速度検出値とに応じてトルク指令値を生成して電流制御器１５に出力する。電流制御器１５は、入力されるトルク指令に基づきサーボモータ３の電流を制御する。位置検出器６で検出された現在位置をはじめ、これらの処理内で使用された情報は、ＮＣ装置２０の記憶部２２で記録し、図示しないモニタへ表示することが可能である。

一方、ＮＣ装置２０では、送り軸制御部２１と記憶部２２とに加えて、送り軸１を後述する異常診断用の軸動作（診断動作）させた際にサーボモータ３の制御に係るサーボ情報を周波数解析する周波数解析手段としての周波数解析部２３と、その周波数解析結果から、ボールねじ２の軸受が損傷した際に発生する損傷周波数のピーク値を取得して、取得された損傷周波数のピーク値を所定の閾値と比較して異常の有無を判断する異常診断部２４とが構成されている。すなわち、ＮＣ装置２０は、本発明の異常診断装置としての機能も具備しており、ここでは異常診断部２４が、送り軸制御部２１を介して送り軸を所定の診断条件で軸動作させてサーボ情報を取得するサーボ情報取得手段と、周波数解析部２３から軸受の損傷周波数のピーク値を取得する損傷周波数ピーク値取得手段と、異常の有無を判断する判断手段として機能する。以下、ＮＣ装置２０による異常診断方法を、図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、Ｓ１で、サーボ情報に基づいて送り軸を異常診断するために適切な診断動作を実行し、Ｓ２で、動作時のサーボ情報を取得する（サーボ情報取得ステップ）。なお、このサーボ情報は、ＮＣ装置２０から、オシロスコープ等に情報を引出し、記録してもよいし、ＮＣ装置２０内に記録されてもよい。
ここで、Ｓ１の軸動作において、サーボ情報に基づいて送り軸１を異常診断するために適切な診断条件は、診断を行う送り軸１のサーボ系の周波数特性において、ゲイン特性が一定値以上となる周波数帯に、軸受の振動周波数が入るように設定された送り速度において、周波数解析を行うために必要なサンプリング時間が確保できる移動距離以上を動作することを示す。例えば、ボールねじ２のリード１０mm、軸受内輪損傷の周波数の回転周波数に対する係数が１０、ゲイン特性が一定値以上となる周波数帯が３０－２００Hzの送り軸１において、軸受の振動周波数が１００Hzとなるように診断動作を設定する。その場合、回転周波数が１０Hzとなり、送り速度は６０００mm/minとなる。周波数解析にＦＦＴを採用し、周波数分解能を１Hz程度確保したいとすると、サーボ情報を取得する際のサンプリング時間が１msecの場合、１０２４点サンプリングが必要となり、加速時間、減速時間がそれぞれ０．１secかかるとすると、１．２２４secの動作時間、すなわち１２２．４mm以上の移動距離が必要となる。

次に、Ｓ３で、取得したサーボ情報（ここではトルク指令値を例として取得する）について、ＦＦＴにより周波数解析を行い（周波数解析ステップ）、Ｓ４で、周波数解析結果における軸受損傷周波数のピーク値を取得する（損傷周波数ピーク値取得ステップ）。
次に、Ｓ５で、軸受の損傷周波数とボールねじ２のナット４を転動体が通過する振動周波数とが干渉するか否かの判断を行う。ここで、軸受の損傷周波数とナット４側の振動周波数とが干渉する場合は、Ｓ６で、軸受の損傷周波数とナット４側の振動周波数とが干渉する際の閾値を設定する。一方、軸受の損傷周波数とナット４側の振動周波数とが干渉しない場合は、Ｓ７で、軸受単体用の閾値を設定する。これらの閾値は、例えば、予め出荷時等の正常な状態の工作機械において、軸受の損傷周波数のピーク値を算出し、軸受の損傷周波数とナット４側の振動周波数とが干渉する場合としない場合とでそれぞれ設定される。
そして、Ｓ８では、Ｓ６又はＳ７で設定された閾値を用いて、軸受の損傷周波数のピーク値が閾値を超えているか否かの判断を行い、閾値を超えている場合は、Ｓ９で軸受損傷と判定し、閾値以下の場合は、Ｓ１０で正常と判定する（判断ステップ）。判定結果はモニタに表示される。

ここで、Ｓ５において軸受の損傷周波数とナット４側の振動周波数とが干渉するか否かの判断方法について示す。
前述のように、理論式よりも低い振動周波数が発生するため、ボールねじ２のナット４を転動体が通過する振動周波数帯を設定し、ボールねじ２のナット４を転動体が通過する振動周波数帯の範囲内に軸受の損傷周波数が入っている場合に、軸受の損傷周波数とナット４側の振動周波数とが干渉すると判断する。
ボールねじ２のナット４を転動体が通過する振動周波数帯は、例えば、以下のように設定を行う。上記式（４）、（５）により算出される値を、ナット４側の振動の周波数の上限値とし、下記の式（８）、（９）により算出される値を、ナット４側の振動の周波数の下限値として、ナット４を転動体が通過する振動周波数帯として設定する。１リードあたりの転動体数の減算転動体数は１～２個程度である場合が多い。

ここでは、例として、１リードあたりの転動体数の減算転動体数を考慮し、ナット４を転動体が通過する振動周波数帯を設定したが、理論式に係数をかけて設定してもよい。

このように、上記形態の異常診断方法及び装置によれば、取得した軸受の損傷周波数のピーク値を閾値と比較する前に、軸受の損傷周波数が、ボールねじ２のナット４を転動体が通過する際に発生する振動周波数と干渉するか否かの判断を行い、干渉する場合と干渉しない場合とでそれぞれ異なる閾値を設定して比較を行うので、サーボ情報を用いて異常診断を行う場合、軸受とボールねじ２との振動周波数が近い送り軸１の構成においても、正常状態におけるボールねじ２の振動を軸受の振動として誤診してしまうおそれが低減される。よって、軸受の損傷を適切に検出することが可能となる。

なお、上記形態では、工作機械内に異常診断装置を形成して異常診断を行うようにしているが、外部ＰＣ等の外部機器に送り軸の周波数特性や損傷周波数を記憶させ、軸動作時のサーボ情報を有線又は無線で外部機器に送信して、外部機器で周波数解析を行い、異常診断を行うようにしてもよい。すなわち、本発明の異常診断装置及び方法は、診断対象の送り軸を有する工作機械と外部機器とを含めて実施可能である。このように外部機器を用いて異常診断装置を構成して異常診断を実施すれば、複数の工作機械の異常診断が同時に行え、診断データも集中管理できる利点がある。
そして、本発明は工作機械に限らず、送り軸を備えた機械であれば適用可能である。

１・・送り軸、２・・ボールねじ、３・・サーボモータ、４・・ナット、５・・移動体、６・・位置検出器、１０・・位置制御装置、１１・・加算器、１２・・位置制御器、１３・・微分器、１４・・速度制御器、１５・・電流制御器、２０・・ＮＣ装置、２１・・送り軸制御部、２２・・記憶部、２３・・周波数解析部、２４・・異常診断部。

Claims (3)

1. サーボモータにより回転するボールねじを介して移動体を移動させ、軸受によって前記ボールねじを支持する送り軸を有する機械において、前記送り軸の異常を診断する方法であって、
   前記送り軸を所定の診断条件で軸動作させて前記サーボモータの制御に係るサーボ情報を取得するサーボ情報取得ステップと、
   取得した前記サーボ情報を周波数解析する周波数解析ステップと、
   前記周波数解析の結果から、前記軸受が損傷した前記送り軸が軸動作を行った際に発生する損傷周波数のピーク値を取得する損傷周波数ピーク値取得ステップと、
   取得された前記損傷周波数のピーク値を所定の閾値と比較して異常の有無を判断する判断ステップと、を実行し、
   前記判断ステップでは、前記損傷周波数のピーク値を前記閾値と比較する前に、前記損傷周波数が、前記ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数と干渉するか否かの判断を行い、干渉する場合と干渉しない場合とでそれぞれ異なる前記閾値を設定して比較を行うことを特徴とする送り軸の異常診断方法。
2. 前記判断ステップでは、前記ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数を帯域として設定し、前記損傷周波数が前記ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数の帯域内にある場合と当該帯域外にある場合とでそれぞれ異なる前記閾値を設定することを特徴とする請求項１に記載の送り軸の異常診断方法。
3. サーボモータにより回転するボールねじを介して移動体を移動させ、軸受によって前記ボールねじを支持する送り軸を有する機械において、前記送り軸の異常を診断する装置であって、
   前記送り軸を所定の診断条件で軸動作させて前記サーボモータの制御に係るサーボ情報を取得するサーボ情報取得手段と、
   取得した前記サーボ情報を周波数解析する周波数解析手段と、
   前記周波数解析の結果から、前記軸受が損傷した前記送り軸が軸動作を行った際に発生する損傷周波数のピーク値を取得する損傷周波数ピーク値取得手段と、
   取得された前記損傷周波数のピーク値を所定の閾値と比較して異常の有無を判断する判断手段と、を備え、
   前記判断手段では、前記損傷周波数のピーク値を前記閾値と比較する前に、前記損傷周波数が、前記ボールねじのナットを転動体が通過する際に発生する振動周波数と干渉するか否かの判断を行い、干渉する場合と干渉しない場合とでそれぞれ異なる前記閾値を設定して比較を行うことを特徴とする送り軸の異常診断装置。

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