CN106493607B - 机床的轴承诊断装置 - Google Patents

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Abstract

提供机床的轴承诊断装置，在未发生机床的破损的较早的时机高精度且廉价地诊断轴承的异常。轴承诊断装置具有：旋转速度检测器和计测装置，它们检测主轴的特定的旋转速度下的转速；温度传感器和计测装置，它们检测主轴的温度；摩擦扭矩计算部，其计算轴承的摩擦扭矩；滚动速度计算部，其计算轴承的滚动速度；轴承预压估计部，其估计轴承的预压；润滑油粘度估计部，其估计轴承的润滑油粘度；轴承特性计算部，其根据摩擦扭矩、滚动速度、预压、润滑油粘度计算轴承特性；存储装置，其存储基准的轴承特性；以及判定装置，其对由轴承特性计算部计算出的轴承特性与存储于存储装置的基准的轴承特性进行比较，判定异常的有无。

Description

机床的轴承诊断装置
技术领域
本发明涉及在机床上用于检测在旋转轴的轴支承中使用的滚动轴承的异常的轴承诊断装置。
背景技术
在具有设置于机床的主轴等旋转轴的旋转轴装置中，用于对旋转轴进行轴支承的滚动轴承(以下简称为“轴承”。)包括内圈、外圈、设置于两圈间的多个滚动体(滚子等)以及用于保持滚动体的间隔的保持器，内圈与旋转轴一体地旋转，外圈被装入主轴壳体等而被固定。
作为在该轴承中发生的异常，能够举出润滑不良、混入异物、磨损、过大载荷等。若发生这些异常，则会发生旋转不良或发热胶着，会在机床的正常运转中导致故障，因此期望对轴承的异常进行诊断。
因此，作为对轴承的异常进行诊断的方法，在专利文献1中公开了如下发明：对具有轴承的旋转装置的温度和停止时间进行监视，并与根据温度而预先设定的基准停止时间进行比较来判定轴承是否有异常。另外，在专利文献2中公开了如下发明：对运转中发生的声音或振动进行检测并进行频率分析，与预先设定的异常频率的频谱的水平进行比较来进行异常判定。而且，在专利文献3中公开了如下发明：根据轴的惯性旋转时的转速的变化来计算出摩擦扭矩，且将该摩擦扭矩与基准值进行比较来判定轴承的异常。
专利文献1：日本特许第4091885号公报
专利文献2：日本特开2009-20090号公报
专利文献3：日本特公平6-65189号公报
发明内容
在专利文献1的发明中，在对机床的主轴进行监视，尤其是在加工中心对轴承的温度上升进行监视的情况下，不得不在轴承附近的结构体上安装温度传感器，但仅限于间接的温度计测，而不能观测轴承温度的急剧的变化。该观测精度也受温度传感器自身的性能所左右。因而，有可能察觉不到轴承的异常而导致机床的破损。
在专利文献2的发明中，通过对声音或振动进行解析而能够准确地检测轴承异常，但需要振动传感器或声音传感器这些高价的测定器，导致成本上升。
在专利文献3的发明中，因为根据轴的惯性旋转时的转速的变化的比例进行换算来求出摩擦扭矩，因此不能说摩擦扭矩准确，另外，因为将计算出的摩擦扭矩单纯地与基准值进行比较来判定轴承的异常，因此不能说判定精度较高。
因此，本发明的目的在于提供一种机床的轴承诊断装置，该轴承诊断装置能够在未发生机床的破损的较早的时机高精度且廉价地诊断轴承的异常。
为了实现上述目的，技术方案1中的发明是轴承诊断装置，其用于在机床中检测轴承的异常，其中所述机床具有通过用所述轴承来轴支进行旋转驱动的旋转轴而形成的旋转轴装置，该轴承诊断装置的特征在于，
该机床的轴承诊断装置具有：转速测定单元，其测定所述旋转轴的特定的旋转速度下的转速；温度测定单元，其测定所述旋转轴装置的温度；摩擦扭矩计算单元，其计算所述旋转轴装置的摩擦扭矩；滚动速度计算单元，其根据所述转速计算所述轴承的滚动速度；轴承特性计算单元，其根据所述摩擦扭矩和所述滚动速度计算轴承特性；存储单元，其存储基准的轴承特性；以及判定单元，其对由所述轴承特性计算单元计算出的所述轴承特性与存储于所述存储单元中的基准的所述轴承特性进行比较来判定是否存在异常。
技术方案2的发明的特征在于，在技术方案1的结构中，所述转速测定单元根据所述特定的旋转速度来测定到所述旋转轴停止为止的期间的转速。
技术方案3的发明的特征在于，在技术方案1的结构中，所述温度测定单元根据所述特定的旋转速度来检测到所述旋转轴停止为止的期间的温度。
技术方案4的发明的特征在于，在技术方案1的结构中，所述轴承特性计算单元在所述摩擦扭矩和所述滚动速度之外还考虑轴承预压和润滑油粘度来计算所述轴承特性。
技术方案5的发明的特征在于，在技术方案4的结构中，所述轴承预压由预压估计单元获得，该预压估计单元根据所述温度与所述转速之间的关系来估计所述轴承预压。
技术方案6的发明的特征在于，在技术方案4的结构中，所述润滑油粘度由润滑油粘度估计单元获得，该润滑油粘度估计单元根据所述温度与所述转速之间的关系来估计所述润滑油粘度。
技术方案7的发明的特征在于，在技术方案1的结构中，所述摩擦扭矩计算单元通过使用了所述转速、惯量以及加速度的计算式计算所述摩擦扭矩。
技术方案8的发明的特征在于，在技术方案1的结构中，所述滚动速度计算单元通过使用了所述转速、滚动体节圆直径、滚动体直径以及接触角的计算式计算所述滚动速度。
技术方案9的发明的特征在于，在技术方案1至8中的任意一项的结构中，具有用于通知所述判定单元的判定结果的通知单元。
根据本发明，因为根据摩擦扭矩和滚动速度计算出轴承特性，并且与基准的轴承特性进行比较来判定是否存在异常，因此能够在未产生机床的破损的较早的时间高精度且廉价地诊断轴承的异常。
附图说明
图1是机床的轴承诊断装置的概要图。
图2是轴承诊断步骤的流程图。
图3是轴承特性(斯特里贝克(Stribeck)曲线)的说明图。
具体实施方式
以下基于附图来说明本发明的实施方式。
图1是示出机床的轴承诊断装置的一例的概要图，该轴承诊断装置对轴承进行诊断，该轴承用于作为使刀具旋转的旋转轴装置的主轴装置。
在图1中，1是主轴装置，在主轴壳体2内，在前端安装有刀具4并在未图示的主轴电动机中旋转的作为旋转轴的主轴3被轴承(在此是滚动体为滚珠的球轴承)5、5轴支承。6是对主轴3的旋转速度进行检测的旋转速度检测器，在主轴壳体2中设置有使探针***到轴承5、5的附近的温度传感器7。
在轴承诊断装置10中设置有对主轴电动机进行控制的主轴控制装置11，另一方面，设置有输入来自旋转速度检测器6的旋转检测信号和来自温度传感器7的温度检测信号的计测装置12，并设置有输入转速和温度的运算装置13。该旋转速度检测器6和计测装置12成为转速测定单元，温度传感器7和计测装置12成为温度测定单元。
运算装置13具有：作为预压估计单元的轴承预压估计部14，其根据从计测装置12获得的轴承5的温度和转速来估计轴承5的预压；作为润滑油粘度估计单元的润滑油粘度估计部15，其根据该温度和转速来估计提供给轴承5的润滑油的粘度；作为摩擦扭矩计算单元的摩擦扭矩计算部16，其根据从计测装置12获得的主轴3的转速来计算出摩擦扭矩；作为滚动速度计算单元的滚动速度计算部17，其根据该转速来计算出轴承5的滚动速度；以及作为轴承特性计算单元的轴承特性计算部18，其根据轴承5的预压、润滑油粘度、滚动速度、摩擦扭矩来计算出轴承特性。
19是作为存储单元的存储装置，该存储单元存储作为判定基准的轴承特性，在轴承特性计算部18中计算出的轴承特性与存储于存储装置19的轴承特性由作为判定单元的判定装置20进行比较，来判定轴承是否存在异常，该判定结果显示于在机床的NC装置中设置的作为通知单元的显示装置21中。
基于图2的流程图来说明如以上那样构成的轴承诊断装置10中的轴承诊断步骤。
若诊断开始的指令被输入到轴承诊断装置10，则首先在S1中，判别主轴3是否是特定的旋转速度。在此，若不是特定的旋转速度，则在S2中通过主轴控制装置11变更成特定的旋转速度。然后，若再次在S1中确认是特定的旋转速度，则在S3中判别从温度传感器7获得的检测温度是否稳定(平稳状态)。该平稳状态是指检测温度在规定时间的期间不发生规定的宽度以上的变动。因而，若检测温度不稳定，则在S4中将规定的温度作为目标进行暖机运转。
若暖机运转的结果在S3中被确认为温度稳定，则在S5中使对主轴电动机的通电停止来进行惯性旋转，直到在S6中确认主轴3停止为止都在S7中计测转速和温度。
若在S6中确认主轴3停止，则在运算装置13处，在S8中根据在S7中计测出的转速而利用摩擦扭矩计算部16计算摩擦扭矩，利用滚动速度计算部17计算滚动速度。该摩擦扭矩和滚动速度是利用转速和预先存储于存储装置19的参数而根据例如使用了转速、惯量以及加速度的以下的数学式1以及使用了转速和滚珠节圆直径、滚珠直径、接触角的以下的数学式2计算出的。数学式1是摩擦扭矩的计算公式，数学式2是滚动速度的计算公式。
【数学式1】
T：摩擦扭矩、V：转速、M：惯量
【数学式2】
u front：滚动速度、V:转速、d：滚珠节圆直径、D：滚珠直径β：接触角
另外，在S9中，根据在S7中计测出的温度和转速，利用轴承预压估计部14估计轴承预压，利用润滑油粘度估计部15估计润滑油粘度。该轴承预压通过在示出预先存储于存储装置19的温度及转速与轴承预压之间的关系的曲线图或数据表中参照所计测出的温度和转速来进行估计。润滑油粘度也通过在示出预先存储于存储装置19的温度及转速与润滑油粘度之间的关系的曲线图或数据表中参照所计测出的温度和转速来进行估计。
然后，在S10中，根据这些计算结果以及摩擦扭矩T与摩擦係数μ的关系式T＝μ×Pr×d/2(Pr：径向载荷，d：轴承内径)来计算图3所示那样的示出摩擦系数与轴承特征数之间的关系的轴承特性(斯特里贝克曲线)。在轴承特征数中，粘度表示润滑油粘度，速度表示旋转速度，预压表示轴承预压。
接着，在判定装置20处，在S11中对预先存储于存储装置19的基准的轴承特性与在S10中计算出的轴承特性进行比较来判别是否存在异常。
例如在滚珠的滚动面粗糙的情况下，如图3中单点划线A所示，相对于用实线表示的正常的轴承特性来说，出现摩擦系数增加了的异同。因而，若在特定的范围内摩擦系数增加了规定的数值，则在S12中，在显示装置21上显示轴承5发生了异常(润滑不良)的意思。另外，在预压中存在异常的情况下，如在图3中双点划线B所示那样，正常的轴承特性的曲线部分的最小部偏移，且在轴承特征数较高的部分出现摩擦系数增加了的差别。因而，若能够确认最小部的偏移和摩擦系数的增加，则在S12中，在显示装置21上显示轴承5发生了异常(预压消除)的意思。
另一方面，若在S11的判别中是在轴承5中没有异常，则在S13中将计算出的轴承特性存储于存储装置19。
这样，根据上述方式的轴承诊断装置10，具有：对主轴3的特定的旋转速度下的转速进行测定的旋转速度检测器6和计测装置12；对主轴3的温度进行测定的温度传感器7和计测装置12；计算轴承5的摩擦扭矩的摩擦扭矩计算部16；计算轴承5的滚动速度的滚动速度计算部17；估计轴承5的预压的轴承预压估计部14；估计轴承5的润滑油粘度的润滑油粘度估计部15；根据摩擦扭矩、滚动速度、轴承预压、润滑油粘度计算轴承特性的轴承特性计算部18；存储基准的轴承特性的存储装置19；对由轴承特性计算部18计算出的轴承特性与存储于存储装置19的基准的轴承特性进行比较来判定是否存在异常的判定装置20。由此，能够在未发生机床的破损的较早的时机高精度且廉价地诊断轴承的异常。
此外，在上述方式中作为轴承而例示了滚珠轴承(球轴承)，但也可以是滚子轴承。另外，在显示装置中除了以文字标记轴承的异常内容之外，还可以与异常时的曲线A、B一同显示图3中示出的斯特里贝克曲线。
另外，在S10中计算出的轴承特性中没有异常的情况下，也能够将该轴承特性更新成基准的轴承特性，或者计算所计算出的多次轴承特性的平均并将该平均值更新为基准的轴承特性。
而且，预压估计单元进行的轴承预压的估计方法、润滑油粘度估计单元进行的润滑油粘度的估计方法、摩擦扭矩计算单元进行的摩擦扭矩的计算方法、滚动速度计算单元进行的滚动速度的计算方法等也不限于上述方式，能够进行适当变更。
然而，在上述方式中，虽然根据摩擦扭矩、滚动速度、轴承预压、润滑油粘度计算出轴承特性，但是也可以不使用轴承预压和润滑油粘度而仅利用摩擦扭矩和滚动速度来计算。因而，这种情况下能够省略预压估计单元和润滑油粘度估计单元。
另一方面，作为通知单元，不限于显示装置，也可以采用灯或合成声音、蜂鸣音等，也可以将它们与显示装置并用。但是，也可以省略通知单元而仅限于在存储装置中存储异常内容，并在需要的时间由操作员进行调用。
另外，作为旋转轴，不限于使刀具旋转的主轴，即使是把持工件并使之旋转的旋转轴装置也能够进行基于本发明的轴承诊断。
标号说明
1：主轴装置；2：主轴壳体；3：主轴；4：刀具；5：轴承；6：旋转速度检测器；7：温度传感器；10：轴承诊断装置；11：主轴控制装置；12：计测装置；13：运算装置；14：轴承预压估计部；15：润滑油粘度估计部；16：摩擦扭矩计算部；17：滚动速度计算部；18：轴承特性计算部；19：存储装置；20：判定装置；21：显示装置。

Claims (9)

1.一种机床的轴承诊断装置，其用于在机床中检测轴承的异常，其中所述机床具有通过用所述轴承来轴支进行旋转驱动的旋转轴而形成的旋转轴装置，该机床的轴承诊断装置的特征在于，具有：
转速测定单元，其测定所述旋转轴的规定的旋转速度下的转速；
温度测定单元，其测定所述旋转轴装置的温度；
摩擦扭矩计算单元，其计算所述旋转轴装置的摩擦扭矩；
滚动速度计算单元，其根据所述转速计算所述轴承的滚动速度；
轴承特性计算单元，其根据所述摩擦扭矩和所述滚动速度计算轴承特性；
存储单元，其存储基准的轴承特性；以及
判定单元，其对由所述轴承特性计算单元计算出的轴承特性与存储于所述存储单元的基准的轴承特性进行比较，来判定是否存在异常。
2.根据权利要求1所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
所述转速测定单元根据所述规定的旋转速度来测定到所述旋转轴停止为止的期间的转速。
3.根据权利要求1所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
所述温度测定单元根据所述规定的旋转速度来测定到所述旋转轴停止为止的期间的温度。
4.根据权利要求1所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
所述轴承特性计算单元在所述摩擦扭矩和所述滚动速度之外还考虑轴承预压和润滑油粘度来计算所述轴承特性。
5.根据权利要求4所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
所述轴承预压由预压估计单元获得，该预压估计单元根据所述温度与所述转速之间的关系来估计所述轴承预压。
6.根据权利要求4所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
所述润滑油粘度由润滑油粘度估计单元获得，该润滑油粘度估计单元根据所述温度与所述转速之间的关系来估计所述润滑油粘度。
7.根据权利要求1所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
所述摩擦扭矩计算单元通过使用了所述转速、惯量以及加速度的计算式来计算所述摩擦扭矩。
8.根据权利要求1所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
所述滚动速度计算单元通过使用了所述转速、滚动体节圆直径、滚动体直径以及接触角的计算式来计算所述滚动速度。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的机床的轴承诊断装置，其特征在于，
该机床的轴承诊断装置具有用于通知所述判定单元的判定结果的通知单元。
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