JP6403743B2

JP6403743B2 - 転がり案内装置の状態診断システム

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Publication number: JP6403743B2
Application number: JP2016225940A
Authority: JP
Inventors: 善之本所; 山中　修平; 修平山中
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: CN109952499A; TWI676752B; CN109952499B; US10712236B2; JP2018084426A; TW201825807A; EP3543673B1; EP3543673A4; EP3543673A1; US20200056961A1; WO2018092498A1

Description

本発明は、工作機械や各種搬送装置等の産業機械の直線案内部あるいは曲線案内部に利用される転がり案内装置に適用され、当該転がり案内装置が本来の性能を発揮できているか否かを診断する状態診断システムに関する。

従来、この種の転がり案内装置は、長手方向に沿って転動体の転走面が形成された軌道部材と、前記転走面を転走する多数の転動体を介して前記軌道部材に組み付けられると共に当該軌道部材に沿って往復動自在な移動部材とを備えている。前記移動部材は転動体が荷重を負荷しながら転走する負荷転走面を有しており、当該負荷転走面は前記軌道部材の転走面と対向することにより前記転動体の負荷通路を構成している。また、前記移動部材は前記負荷通路の一端から他端へ転動体を循環させる無負荷通路を有しており、前記負荷通路及び前記無負荷通路が連続することによって前記転動体の無限循環路が構成されている。これにより、前記移動部材は前記軌道部材に沿ってストロークを制限されることなく移動することが可能となっている。

転がり案内装置の製品寿命は主に前記軌道部材の転走面や前記移動部材の負荷転走面の疲労に左右される。しかし、当該転走面や負荷転走面、更にはそこを転動するボールやローラといった転動体が潤滑剤によって適切に潤滑されていない場合や過大な荷重を受けた場合には、前記転走面や負荷転走面のフレーキングが早期に発生してしまい、転がり案内装置の製品寿命が短命化してしまう可能性がある。また、転がり案内装置の用途は様々であり、特殊な異物が軌道部材に降りかかる環境や、極めて高温又は低温の環境下での使用等、当該用途における使用環境や負荷荷重等（以下、「使用条件」という）によって転走面等の疲労の進行は影響を受けざるを得ない。従って、転がり案内装置にその本来の性能を発揮させると共にその製品寿命を全うさせるためには、当該転がり案内装置の動作状況を各種センサによって逐次検出し、検出した内容に基づいて時々刻々と変化する転がり案内装置の状態を把握できることが望ましい。

例えば回転軸受においては、特許文献１に示されるように、センサを用いて回転軸受の回転動作時の音、振動又はアコースティックエミッションを検出し、当該センサの出力信号を分析した後、その分析結果を所定の基準データと比較して前記回転軸受の異常の有無を判定する診断システムが提案されている。

特開２００４−９３２５６

音、振動又はアコースティックエミッション等の物理量に関し、センサから直接的に得られる信号は連続的なアナログ信号であり、これを所定の基準データと比較して異常の有無を判断するためには、前記アナログ信号を離散的なデシダル信号に変換処理する必要がある。その場合のサンプリング周期や測定時間等のデータ収集条件は、前記回転軸受の動作速度や機械の共振周波数に応じて適宜設定される。

しかし、前記転がり案内装置では転動体の無限循環路が負荷通路と無負荷通路とから構成されているため、たとえ移動部材が軌道部材に沿って正常に走行している場合であっても、転動体が負荷通路に出入りする度に、信号の変化が発生してしまい、前記センサの検出信号を特許文献１の回転軸受の診断システムと同じように処理することができなかった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、転がり案内装置に装着されたセンサを用いて、当該転がり案内装置の軌道部材の転走面の状態を適切に把握することが可能な状態診断システムを提供することにある。

すなわち、本発明は転がり案内装置の状態診断システムに関するものであり、当該転がり案内装置は、多数の転動体と、長手方向に沿って前記転動体の転走面を有する軌道部材と、前記転動体を介して前記軌道部材に組み付けられると共に、前記転動体の負荷通路及び当該負荷通路の両端を連結する無負荷通路からなる当該転動体の無限循環路を有する移動部材と、を備えている。この状態診断システムは、前記移動部材が前記軌道部材に沿って移動している際の物理量を検出するセンサと、前記センサの出力信号を処理して分析データを出力する信号処理部と、前記分析データを閾値データと比較して前記転がり案内装置の異常の有無を判定する判定処理部とを備えている。そして、前記無限循環路内で前後する転動体が前記無負荷通路から前記負荷通路に進入する時間間隔をｔとした場合、前記信号処理部が前記センサの出力信号を取り込むデータ収集時間ＴがＴ≧ｔに設定されている。

本発明によれば、前記データ収集時間内に前記信号処理部に取り込まれるセンサの出力信号には転動体が負荷通路に進入する際の衝撃的振動に対応した波形が必ず含まれていることから、当該出力信号を処理して得られた分析データを閾値データと比較することで、当該転がり案内装置の前記軌道部材に対する前記移動部材の走行状態の良否、換言すれば、前記軌道部材の転走面の状態や転動体の潤滑状態を適切に把握することが可能となる。

本発明を適用可能な転がり案内装置の第一実施形態を示す斜視図である。ボールの無限循環路の構成を示す断面図である。本発明の診断システムの構成の一例を示すブロック図である。振動センサの出力信号の一例を示す図であり、分図（ａ）は転がり案内装置の動作が正常である場合の出力信号を、分図（ｂ）は転がり案内装置の動作に不具合がある場合の出力信号を示している。振動センサの出力信号のデータ収集時間Ｔ₁が周期ｔよりも小さい場合を説明する図である。振動センサの出力信号のデータ収集時間Ｔが周期ｔと同じ場合を説明する図であり、転がり案内装置の動作が正常である場合を示している。振動センサの出力信号のデータ収集時間Ｔが周期ｔと同じ場合を説明する図であり、転がり案内装置の動作に不具合がある場合を示している。

以下、添付図面を用いながら本発明の転がり案内装置の状態診断システムを詳細に説明する。

図１は本発明を適用した転がり案内装置の一例を示す斜視図である。この転がり案内装置は、直線状に延びる軌道部材１と、転動体としての多数のボールを介して前記軌道部材１に組付けられた移動部材２とから構成されており、各種機械装置の固定部に前記軌道部材１を敷設し、前記移動部材２に対して各種の可動体を搭載することで、かかる可動体を軌道部材１に沿って往復移動自在に案内することができるようになっている。

前記軌道部材１は略断面四角形状の長尺体に形成されている。この軌道部材１には長手方向に所定の間隔をおいて上面から底面に貫通するボルト取付け孔１２が複数形成されており、これらボルト取付け孔１２に挿入した固定ボルトを用いて、当該軌道部材１を固定部に対して強固に固定することができるようになっている。前記軌道部材１の左右両側面には転動体の転走面１１が２条ずつ設けられ、軌道部材全体としては４条の転走面１１が設けられている。尚、前記軌道部材１に設けられる転走面１１の条数はこれに限られるものではない。

一方、前記移動部材２は、大きく分けて、金属製の本体部材２１と、この本体部材２１の移動方向の両端に装着される一対の合成樹脂製の蓋体２２Ａ，２２Ｂとから構成されている。この移動部材２は前記軌道部材１の各転走面１１に対応してボールの無限循環路を複数備えている。また、前記蓋体２２Ａ，２２Ｂには前記移動部材２と軌道部材１との隙間を密閉するシール部材４が固定されており、軌道部材１に付着した塵芥などが前記無限循環路の内部に侵入するのを防止している。尚、図１は前記本体部材２１に装着される一対の蓋体２２A，２２Ｂのうち、一方の蓋体２２Ｂを前記本体部材２１から取り外した分解状態を示している。

図２は前記無限循環路を示す断面図である。同図に示すように、無限循環路５は、負荷通路５０、戻し通路５１及び一対の方向転換路５２を有している。前記移動部材２を構成する本体部材２１には、前記軌道部材１の転走面１１と対向する負荷転走面２３が形成されており、転動体６は軌道部材１の転走面１１と本体部材２１の負荷転走面２３との間で荷重を負荷しながら転がる。前記無限循環路５のうち、このように転動体６が荷重を負荷しながら転動している通路部分が前記負荷通路５０である。また、前記本体部材２１には前記負荷通路５０と平行に前記戻し通路５１が形成されている。この戻し通路５１は、通常、前記本体部材２１を貫通して設けられており、その内径は転動体６の直径よりも僅かに大きく設定されている。これにより、転動体６は荷重を負荷することなく前記戻し通路内を転動する。

前記方向転換路５２は一対の蓋体２２Ａ，２２Ｂに設けられている。これら蓋体２２Ａ，２２Ｂは前記本体部材２１を挟むようにして当該本体部材２１の端面に固定されており、各蓋体２２Ａ，２２Ｂの方向転換路５２は前記負荷通路５０の端部と前記戻し通路５１の端部とを接続し、これらの間で転動体６を往来させている。

従って、前記本体部材２１に対して一対の蓋体２２Ａ，２２Ｂを固定すると、転動体６の無限循環路５が完成する。この無限循環路５において転動体６が荷重を負荷しながら転動するのは、前記本体部材２１の負荷転走面２３と前記軌道部材１の転走面１１とが対向して形成された負荷通路５０のみである。一方、前記戻し通路５１と前記方向転換路５２では前記転動体は荷重を負荷しておらず、これら戻し通路５１と方向転換路５２が無負荷通路を構成している。

尚、図を用いて説明した実施形態の転がり案内装置では転動体６としてボールを使用していたが、ローラを使用した転がり案内装置に本発明を適用することもできる。

図１に示すように、前記軌道部材１の長手方向の端部には振動センサ３５が固定されている。この振動センサ３５としては加速度センサを用いることができる。当該振動センサ３５は前記移動部材と前記軌道部材とが相対的に移動する際に発生する振動を検出するものであり、例えば前記軌道部材ではなく、前記移動部材の本体部材に対して固定してもよい。

一方、前記蓋体２２Ｂの外側には近接センサ３６が固定されている。この近接センサ３６は前記蓋体２２Ｂに設けられた方向転換路５２に重なる位置で当該蓋体に固定されており、前記方向転換路５２内における個々の転動体６の通過を検出する。前記蓋体２２Ｂは合成樹脂製であり、前記転動体６は金属製なので、誘導型又は静電容量型の近接センサを用いて前記転動体６の存在を検出することができる。尚、図１に示した例では、前記蓋体２２Ｂに設けられた四個所の方向転換路５２のうち、その一箇所に対応してのみ前記近接センサ３６を設けているが、各方向転換路５２に対応して複数の近接センサ３６を設けても差し支えない。

図３は前記振動センサ３５及び近接センサ３６を用いた転がり案内装置の状態診断システムの構成を示すブロック図である。前記振動センサ３５及び近接センサ３６の出力信号はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３９に入力される。前記制御部３９はＲＡＭ及びＲＯＭを内蔵したマイクロコントローラによって実現される。前記制御部３９は予めＲＯＭに格納された診断プログラムを実行し、診断結果に応じた判定信号を出力する。前記制御部３９が出力する判定信号は警報機、又はディスプレイ等のユーザーインターフェース４０に出力される。

前記振動センサ３５は、前記移動部材２が前記軌道部材１に沿って移動する際の振幅を検出してそれを出力する。図４は前記振動センサ３５の出力信号の波形を模式的に示した図であり、横軸は時間である。図４（ａ）は、前記移動部材２の負荷転走面２３や前記軌道部材１の転走面１１に破損がなく、且つ、前記転動体６の潤滑状態が正常な場合、すなわち転がり案内装置が正常に動作している場合の出力信号の波形を示している。また、図４（ｂ）は、前記移動部材２の負荷転走面２３や前記軌道部材１の転走面１１にフレーキング等の何らかの破損が生じ、あるいは転動体６の潤滑状態が不良な場合、すなわち転がり案内装置の動作に何らかの不具合が生じている場合の出力信号の波形を示している。

図４（ａ）に示されるように、転がり案内装置が正常に動作している場合、前記振動センサ３５の出力信号には略同じ大きさの振動の変化が周期ｔで定期的に記録されている。この周期ｔの振動の変化は、前記転動体６が方向転換路５２から負荷通路５０に進入する際に生じている。前記転動体６が負荷通路５０に進入する際、当該転動体６は前記軌道部材１の転走面１１と前記移動部材２の負荷転走面２３の双方に強く接触して荷重の負荷状態となり、そのときに振動が発生していると考えられる。このため、個々の転動体６が負荷通路５０に進入する度に大きな振動の変化が記録されている。一方、転がり案内装置の動作に何らかの不具合が生じている場合、図４（ｂ）に示されるように、前記振動センサ３５の出力信号には図４（ａ）に示した定期的な振動の変化に対して不定期な振動の変化が混ざって記録されている。

前記制御部３９は前記振動センサ３５の出力信号を取り込んで処理し、振動の強度レベルを示す分析データを生成する。また、前記制御部３９のＲＯＭには前記転がり案内装置が正常に動作している場合の振動の強度レベルを示す閾値データが予め記録されており、当該制御部３９は生成された前記分析データを前記ＲＯＭから読みだした閾値データと比較し、その比較結果から前記転がり案内装置の動作に何らかの不具合が生じているか否かを判断する。すなわち、本発明の信号処理部及び判定処理部は前記制御部３９によって実現されていることになる。

前記制御部３９は前記振動センサ３５が出力するアナログ信号を所定のサンプリング周波数に基づいて、所定のデータ収集時間Ｔだけ取り込む。前記データ収集時間Ｔの間に取り込んだ複数の瞬時値はＲＭＳ（二乗平均平方根）処理されることによって、データ収集時間Ｔにおける代表値を示す分析データとなる。この分析データは当該データ収集時間Ｔにおける振動の強度レベルを示している。前記分析データと比較される前記閾値データは、例えば前記軌道部材１を各種機械装置の固定部に敷設した当初等、前記転がり案内装置が正常に動作している状態で前記分析データと同じ処理によって生成され、前記制御部３９のＲＯＭに格納されている。従って、前記分析データを前記閾値データと比較することにより、前記軌道部材１上における前記移動ブロック２の走行に異常な振動が含まれているか否かを判断することができる。

図４（ａ）に示したように、前記転がり案内装置が正常に動作している状態では、前記負荷通路に対する前記転動体の進入に起因する振動が周期ｔで繰り返し発生し、前記振動センサの出力信号に記録されている。このため、前記振動センサの出力信号を取り込むデータ収集時間が前記周期ｔよりも短く設定されている場合には、前記転がり案内装置が正常に動作している状態でも、分析データの示す振動の強度レベルの大きさが極端に異なってしまう場合がある。

例えば、図５に示すように周期ｔに比べて短いデータ収集時間Ｔ１を用いた場合、データ収集時間の長さは同じだが、データ収集の開始時間が異なるフレームａ１とフレームａ２では、前記転動体６が負荷通路５０に進入する際の振動を含むか否かに応じて、分析データの示す振動の強度レベルが異なってしまう。すなわち、分析データはデータ収集の開始時間に応じてばらつきが大きいものとなるため、これら分析データを閾値データと比較しても、前記転がり案内装置が正常に動作しているか否かを判断することは不可能である。

このため、本発明では前記制御部３９が前記振動センサ３５の出力信号を読み込むデータ収集時間Ｔを、
Ｔ≧ｔ
に設定している。前記ｔは、前記負荷通路５０に対する前記転動体６の進入に起因する振動の発生周期である。

このようにデータ収集時間Ｔを設定すると、当該データ収集時間Ｔの中には前記転動体６が負荷通路５０に進入する際の振動を必ず含むので、前記負荷通路５０に対する前記転動体６の進入に起因する振動の発生周期ｔを把握していれば、分析データを閾値データと比較して、その差異から前記転がり案内装置が正常に動作しているか否かを判断することが可能である。

データ収集時間Ｔをｔ以上に設定する例としては、
Ｔ＝ｎｔ（ｎ：自然数）
に設定することが考えられる。

前記ｎ＝１の場合について検討してみると、前記データ収集時間Ｔ＝ｔとなり、図６に示すように、データ収集の開始時間が異なるフレームＡ₁とフレームＡ₂は必ず前記負荷通路５０に対する前記転動体６の進入に起因する振動を含むことになる。このため、前記転がり案内装置が正常に動作している状態では、フレームＡ₁及びフレームＡ₂のそれぞれと関連付けられた分析データは略同じ強度レベルを示すものとなる。前記転がり案内装置が正常に動作している状態なので、この際の強度レベルは前記閾値データのそれと同じである。

一方、図７に示すように、転がり案内装置の動作に何らかの不具合が生じている場合も、前記データ収集時間Ｔ＝ｔとなる条件下で、前記振動センサ３５の出力信号を制御部３９に取り込み、ＲＭＳ処理によって分析データを生成する。この場合、生成された分析データは前記負荷通路５０に対する前記転動体６の進入に起因する振動の他に、前記軌道部材１に対する前記移動部材２の走行異常に起因する振動を含むので、前記分析データは閾値データよりも大きい強度レベルを示すことになる。このため、分析データと閾値データとの比較結果から、転がり案内装置に何らかの不具合が発生していると判断することができる。

前記制御部３９は前記分析データを前記閾値データと比較し、当該分析データが閾値データよりも大きいと判断した場合には、転がり案内装置に何らかの不具合が発生していることを示す警報を前記ユーザーインターフェース４０に出力する。また、前記転がり案内装置を使用する工作機械等の機器に対して前記判断結果を出力するようにしてもよい。更に、前記制御部３９は前記分析データを前記閾値データと比較し、当該分析データが閾値データと同じ大きさであると判断した場合には、転がり案内装置の走行が正常であることを示す判定信号を出力するように構成してもよい。

本発明の状態診断システムでは、このようにデータ収集時間Ｔを前記負荷通路５０に対する前記転動体６の進入周期ｔの自然数倍としているので、当該診断システムの実施にあたっては前記周期ｔを把握する必要がある。本実施形態では前記近接センサ３６が前記方向転換路５２内における個々の転動体６の通過を検出しているので、当該近接センサの出力信号をチェックすることで前後する２個の転動体の通過間隔、すなわち前記負荷通路５０に対する前記転動体６の進入周期ｔを把握することができる。

従って、前記制御部３９が前記近接センサ３６の出力信号の変化に基づいて前記転動体６の通過個数を計数することにより、当該制御部３９に対しては前記周期ｔの自然数倍であるデータ収集時間Ｔの長さを任意に設定することが可能となる。

また、前記周期ｔは前記無限循環路内における転動体６の転動速度、すなわち前記軌道部材１に対する前記移動部材２の移動速度によって一義的に決定するので、当該移動部材２の移動速度を各種センサによって把握することができれば、前記近接センサ３６の出力信号を用いる必要はない。例えば、前記軌道部材１に沿ってリニアスケールを設けると共に前記移動部材２には前記リニアスケールを読み取るエンコーダを設け、当該エンコーダの出力信号から前記移動部材２の移動速度を把握し、そこから前記周期ｔを把握することができる。また、転がり案内装置とボールねじ装置を組み合わせて案内システムを構築する場合には、前記軌道部材１に対する前記移動部材２の移動速度は前記ボールねじ装置を駆動するモータの回転速度に依存しているので、当該モータの回転速度を把握し、あるいは当該モータの回転を制御している前記案内システムのコントローラから前記移動部材２の移動速度を取得することで前記周期ｔを把握することができる。

本発明において前記分析データと前記制御部３９に予め格納された閾値データのデータ収集時間Ｔは同じでなければならず、例えば、前記分析データの収集時間を周期ｔの2倍（ｎ＝２）とするのであれば、閾値データの収集時間も周期ｔの２倍とする必要がある。

前述のように、転がり案内装置に不具合が発生した際には、当該転がり案内装置が正常に動作している場合とは異なる振動が前記移動部材２に生じる。しかし、転がり案内装置に不具合が発生した場合には、前記移動部材の振動の変化以外にも、前記軌道部材に沿って前記移動部材を移動させる際の走行音の変化や推力の変化、あるいは前記軌道部材上における前記移動部材の変位等、当該転がり案内装置が正常に動作している場合とは異なる様々な物理量の変化が生じる。従って、そのような物理量の変化を各種センサによって検出し、その検出信号を利用して本発明の状態診断を実施することも可能である。

例えば、前記軌道部材１の長手方向と直交する方向に関する前記移動部材２の微小変位を検出する変位センサ、前記移動部材２を定速で移動させる際に必要な推力の変化を検出するロードセル、前記案内システムのボールねじ装置を駆動するモータへの通電電流を検出する電流計、前記移動部材２が前記軌道部材１に沿って移動する際の音の変化を検出するマイクロフォン等、前記移動部材２と前記軌道部材とが相対的に移動した際に生じる物理量の変化を把握することが可能なセンサであれば、前記振動センサに代えて使用することが可能である。

以上説明してきたように、本発明の転がり案内装置の状態診断システムでは、前記軌道部材１に沿って移動する前記移動部材２の振動をセンサで検出し、当該センサの出力信号から転がり案内装置に何らかの不具合が発生したか否かを判断している。その際、前記センサの出力信号を信号処理部としての制御部３９に取り込むデータ収集時間Ｔは前記転動体６が前記負荷通路５０に進入する周期ｔ以上に設定されているので、当該転動体６が前記負荷通路５０を出入りする際に生じる振動を考慮したうえで、転がり案内装置の不具合の発生を診断することができる。

これにより、前記移動部材２の負荷転走面２３や前記軌道部材１の転走面１１にフレーキング等の何らかの破損が生じているか否か、あるいは転動体６の潤滑状態が不良か否かを適切に判断することができ、当該転がり案内装置を使用する各種産業機械の動作を最高の状態に維持することが可能となる。

尚、図を用いて説明した実施形態の転がり案内装置は、前記軌道部材１が固定部上に敷設されるタイプのものであったが、例えばボールスプライン装置やボールねじ装置など、軌道部材が棒軸状に形成されてその両端のみが固定部に支持されるタイプの転がり案内装置に適用することも可能である。

１…軌道部材、２…移動部材、５…無限循環路、６…転動体、２１…本体部材、３５…振動センサ、５０…負荷通路

Claims

多数の転動体と、長手方向に沿って前記転動体の転走面を有する軌道部材と、前記転動体を介して前記軌道部材に組み付けられると共に、前記転動体の負荷通路及び当該負荷通路の両端を連結する無負荷通路からなる当該転動体の無限循環路を有する移動部材と、を備えた転がり案内装置の状態診断システムであって、
前記移動部材が前記軌道部材に沿って移動している際の物理量を検出するセンサと、
前記センサの出力信号を処理して分析データを出力する信号処理部と、
前記分析データを閾値データと比較して前記転がり案内装置の異常の有無を判定する判定処理部とを備え、
前記無限循環路内で前後する転動体が前記無負荷通路から前記負荷通路に進入する周期ｔとした場合、
前記信号処理部が前記センサの出力信号を取り込むデータ収集時間Ｔは、Ｔ≧ｔであることを特徴とする転がり案内装置の状態診断システム。
前記信号処理部が前記センサの出力信号を取り込むデータ収集時間Ｔは、Ｔ＝ｎｔ（ｎは自然数）であることを特徴とする請求項１記載の転がり案内装置の状態診断システム。
前記軌道部材に対する前記移動部材の移動速度を検出し、これら検出結果に基づいて前記周期ｔを把握することを特徴とする請求項１記載の転がり案内装置の状態診断システム。
前記移動部材に取り付けた近接センサを用いて前記無限循環路内を移動する転動体を検出し、かかる検出結果に基づいて前記周期ｔを把握することを特徴とする請求項３記載の転がり案内装置の状態診断システム。