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JP2013257014A - Abnormality detecting device and abnormality detecting method for ball screw device - Google Patents

Abnormality detecting device and abnormality detecting method for ball screw device Download PDF

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JP2013257014A
JP2013257014A JP2012134330A JP2012134330A JP2013257014A JP 2013257014 A JP2013257014 A JP 2013257014A JP 2012134330 A JP2012134330 A JP 2012134330A JP 2012134330 A JP2012134330 A JP 2012134330A JP 2013257014 A JP2013257014 A JP 2013257014A
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ball screw
frequency band
abnormality detection
abnormality
screw nut
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NSK Ltd
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Abstract

【課題】ボールねじナットの１０倍以上の質量のテーブルにボールねじナットの端部が堅固に固定される場合に、ボールねじの異常を正確に検出する。
【解決手段】ボールねじナット６に取付けられた振動センサ１０で振動を検出し、検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出する。その場合に、ボールねじナット６の固定−自由一次縦固有振動数以下の周波数帯をボールねじ９の異常検出周波数帯として濾波する。質量がボールねじナット６の１０倍以上の高い剛性の直動テーブル１にボールねじナット６の軸方向端部を堅固に固定した場合、ボールねじナット系は固定−自由支持に近いので、ボールねじナット６の固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯の高調波成分の変化から異常を検出する。
【選択図】図２An object of the present invention is to accurately detect an abnormality of a ball screw when the end of the ball screw nut is firmly fixed to a table having a mass 10 times or more that of the ball screw nut.
Vibration is detected by a vibration sensor 10 attached to a ball screw nut 6, vibration data in a ball screw abnormality detection frequency band is filtered from the detected vibration data, and the filtered ball screw abnormality detection frequency band is detected. An abnormality of the ball screw is detected based on the vibration data. In that case, the frequency band below the fixed-free primary longitudinal natural frequency of the ball screw nut 6 is filtered as an abnormal detection frequency band of the ball screw 9. When the axial end of the ball screw nut 6 is firmly fixed to the linear motion table 1 having a mass 10 times higher than that of the ball screw nut 6, the ball screw nut system is close to fixed-free support. An abnormality is detected from the change in the harmonic component in the frequency band below the fixed-free primary natural frequency of the nut 6.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、ボールねじ軸とボールねじナットとの間のボール転動路で多数のボールを転動させてボールねじ軸又はボールねじナットを回転移動するボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法に関するものである。   The present invention relates to an abnormality detection device and an abnormality detection method for a ball screw device in which a large number of balls roll on a ball rolling path between a ball screw shaft and a ball screw nut to rotationally move the ball screw shaft or the ball screw nut. It is about.

一般に、ボールねじは、外周面に螺旋状のボール転動溝が形成されたボールねじ軸と、前記ボールねじ軸のボール転動溝と対向する螺旋状のボール転動溝を有するボールねじナットと、前記ボールねじ軸及びボールねじナットのボール転動溝間のボール転動路を当該ボールねじ軸又はボールねじナットの回転運動に伴って転動する多数のボールと、前記ボールの転がり方向を変更してボール戻し路に送給し且つボール戻し路からボールをボール転動路に戻すボール循環路とを備えて構成される。   Generally, a ball screw includes a ball screw shaft having a spiral ball rolling groove formed on an outer peripheral surface thereof, and a ball screw nut having a spiral ball rolling groove facing the ball rolling groove of the ball screw shaft. , A ball rolling path between the ball screw shaft and the ball rolling groove of the ball screw nut, and a number of balls rolling with the rotational movement of the ball screw shaft or the ball screw nut, and the rolling direction of the ball is changed. And a ball circulation path for feeding the ball to the ball return path and returning the ball from the ball return path to the ball rolling path.

転がり軸受などの異常を検出する方法としては、例えば下記特許文献１に記載されるように、振動センサによって軸受の振動を検出し、その検出信号に基づいて異常を判定する方法が提案されている。検出した振動信号を用いて異常を判定する方法としては、振動強度解析により異常を判定する方法や、振動周波数解析により異常を判定する方法がある。振動強度解析により異常を判定する際には、一般的に知られた方法として、例えば下記特許文献２に記載されるように、振動値の大きさの変化を追跡することによって異常を判定する方法がある。また、振動周波数解析により異常を判定する際には、例えば下記特許文献３に記載されるように、判定対象を駆動することにより発生する振動周波数のうち、幾何学的に計算される周波数（例えば転動体通過振動周波数や転動体自転周波数）などに着目し、その増減に基づいて異常を判定する方法がある。また、下記特許文献４に記載されるように、判定対象に異常が発生した場合には、計算周波数を基本周波数として、その自然数倍の高調波成分にも変化が表れるので、その高長波成分の変化を用いて異常の判定を行う方法もある。また、下記特許文献５では、ボールねじの異常を検出する場合、前述の高長波成分の変化が明確に表れる周波数範囲に制限のあることを明らかにしており、その周波数範囲を使用したボールねじの異常検出方法が記載されている。   As a method of detecting an abnormality such as a rolling bearing, for example, as described in Patent Document 1 below, a method of detecting the vibration of a bearing with a vibration sensor and determining the abnormality based on the detection signal has been proposed. . As a method for determining abnormality using the detected vibration signal, there are a method for determining abnormality by vibration intensity analysis and a method for determining abnormality by vibration frequency analysis. When determining an abnormality by vibration intensity analysis, as a generally known method, for example, as described in Patent Document 2 below, a method of determining an abnormality by tracking changes in the magnitude of vibration values There is. Further, when determining abnormality by vibration frequency analysis, for example, as described in Patent Document 3 below, among the vibration frequencies generated by driving the determination target, a geometrically calculated frequency (for example, There is a method of judging an abnormality based on the increase or decrease of the rolling element passing vibration frequency or the rolling element rotation frequency). In addition, as described in Patent Document 4 below, when an abnormality occurs in the determination target, the calculation frequency is set as a fundamental frequency, and a change also appears in a harmonic component that is a natural number multiple thereof. There is also a method of determining an abnormality by using the change of. Further, in Patent Document 5 below, when detecting an abnormality of a ball screw, it is clarified that there is a limit to the frequency range in which the above-described change in the high and long wave components clearly appears. An anomaly detection method is described.

特開２００７−１９２８２８号公報JP 2007-192828 A 特開２００６−１３３１６２号公報JP 2006-133162 A 特開２００５−１７１２８号公報JP 2005-17128 A 特開２００４−２１２２２５号公報JP 2004-212225 A 特開２０１０−３８５６７号公報JP 2010-38567 A

前記特許文献５によれば、ボールねじナット単体の固有振動数を境に、ボールねじナットの固有振動数以下の振動成分には高調波成分が明確に表れるのに対し、ボールねじナットの固有振動数以上の振動成分には高調波成分が現れにくい。そのため、ボールねじの異常検出のためには、ボールねじナットの固有振動数以下の周波数帯の高調波成分の変化を用いる。しかしながら、特に工作機械に用いられるボールねじの異常検出の場合に限っては、ボールねじナットの固有振動数以下の成分においても、高調波成分の出現に有為差があることが分かってきた。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、ボールねじナットの１０倍以上の質量のテーブルにボールねじナットの端部が堅固に固定される場合に、ボールねじの異常を正確に検出することが可能なボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法を提供することを目的とするものである。 According to Patent Document 5, the harmonic component clearly appears in the vibration component below the natural frequency of the ball screw nut at the boundary of the natural frequency of the ball screw nut alone. Harmonic components are unlikely to appear in more than a few vibration components. Therefore, in order to detect an abnormality of the ball screw, a change in a harmonic component in a frequency band equal to or lower than the natural frequency of the ball screw nut is used. However, it has been found that there is a significant difference in the appearance of harmonic components even in components below the natural frequency of the ball screw nut, particularly in the case of detecting abnormalities in ball screws used in machine tools.
The present invention has been made paying attention to the above-described problems. When the end of the ball screw nut is firmly fixed to a table having a mass 10 times or more that of the ball screw nut, An object of the present invention is to provide an abnormality detection device and an abnormality detection method for a ball screw device capable of accurately detecting an abnormality.

上記課題を解決するために、本発明のボールねじの異常検出装置は、ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出装置において、前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられ振動を検出する振動センサと、前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する濾波部と、前記濾波部で濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出する異常検出部とを備え、前記濾波部は、前記ボールねじナットの自由−固定一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするものである。   In order to solve the above-described problems, a ball screw abnormality detection device according to the present invention includes a ball screw including a ball screw shaft and a ball screw nut, and an axial end portion of the ball screw nut that is firmly fixed. An abnormality detection device for a ball screw device including a table having a mass 10 times or more that of a nut, a vibration sensor attached to the ball screw nut or the table to detect vibration, and vibration data detected by the vibration sensor A filtering unit that filters vibration data of a ball screw abnormality detection frequency band; and an abnormality detection unit that detects abnormality of the ball screw based on vibration data of the ball screw abnormality detection frequency band filtered by the filtering unit, The filtering unit filters the frequency band below the free-fixed primary natural frequency of the ball screw nut as an abnormal detection frequency band of the ball screw. And it is characterized in Rukoto.

また、前記異常検出部は、正常時の前記ボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されている前記正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較する比較部と、前記比較部で比較された振動データの比較データに基づいて前記ボールねじの異常を判定する異常判定部とを備えたことを特徴とするものである。   The abnormality detection unit stores vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band and vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band stored in the storage unit. A comparison unit that compares the vibration data of the filtered ball screw abnormality detection frequency band and an abnormality determination unit that determines abnormality of the ball screw based on comparison data of vibration data compared by the comparison unit. It is characterized by this.

また、本発明のボールねじ装置の異常検出方法は、ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出方法において、前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられた振動センサで振動を検出し、前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出し、前記ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするものである。   The abnormality detection method for the ball screw device according to the present invention includes a ball screw including a ball screw shaft and a ball screw nut, and an axial end portion of the ball screw nut is firmly fixed, and is 10 times or more that of the ball screw nut. In a method for detecting an abnormality of a ball screw device having a table having a mass of, the vibration is detected by a vibration sensor attached to the ball screw nut or the table, and the ball screw abnormality is detected from the vibration data detected by the vibration sensor. Filter the vibration data of the frequency band, detect the abnormality of the ball screw based on the filtered vibration data of the ball screw abnormality detection frequency band, and fix the ball screw nut to a frequency band equal to or lower than the free primary natural frequency. Filtering as a ball screw abnormality detection frequency band.

而して、本発明のボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法によれば、ボールねじのボールねじナットの１０倍以上の質量のテーブルに当該ボールねじナットの端部が堅固に固定される場合に、ボールねじナット又はテーブルに取付けられた振動センサで振動を検出し、検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出し、その場合に、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波する。ボールねじナットの１０倍以上の質量のテーブルにボールねじナットの端部が堅固に固定される場合には、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯に高調波成分が現れやすい。従って、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯の高調波成分の変化からボールねじの異常を正確に検出することができる。   Thus, according to the abnormality detection device and abnormality detection method of the ball screw device of the present invention, the end of the ball screw nut is firmly fixed to a table having a mass 10 times or more that of the ball screw nut of the ball screw. In this case, the vibration is detected by a vibration sensor attached to the ball screw nut or the table, the vibration data in the ball screw abnormality detection frequency band is filtered from the detected vibration data, and the vibration in the filtered ball screw abnormality detection frequency band is filtered. An abnormality of the ball screw is detected based on the data, and in that case, a frequency band equal to or lower than the fixed-free primary natural frequency of the ball screw nut is filtered as an abnormality detection frequency band of the ball screw. When the end of the ball screw nut is firmly fixed to a table having a mass 10 times or more that of the ball screw nut, the harmonic component tends to appear in the frequency band below the fixed primary free frequency of the ball screw nut. . Therefore, the abnormality of the ball screw can be accurately detected from the change of the harmonic component in the frequency band below the fixed-free primary natural frequency of the ball screw nut.

また、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶し、記憶されている正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較し、比較された振動データの比較データに基づいてボールねじの異常の異常を判定する。そのため、ボールねじの異常をより一層正確に検出することができる。   It also stores vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band, and compares the stored vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band with the vibration data in the filtered ball screw abnormality detection frequency band. The abnormality of the ball screw is determined based on the comparison data of the compared vibration data. Therefore, the abnormality of the ball screw can be detected more accurately.

本発明のボールねじ装置の異常検出装置の一実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the abnormality detection apparatus of the ball screw apparatus of this invention. 図１の異常検出装置のブロック図である。It is a block diagram of the abnormality detection apparatus of FIG. ボールねじナットの固有振動数の説明図である。It is explanatory drawing of the natural frequency of a ball screw nut. ボールねじナットの自由−自由固有振動数以下の振動データの説明図である。It is explanatory drawing of the vibration data below the free-free natural frequency of a ball screw nut. ボールねじ異常検出周波数帯の振動データの説明図である。It is explanatory drawing of the vibration data of a ball screw abnormality detection frequency band.

次に、本発明のボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の異常検出装置が適用されたボールねじ装置の概略構成図であり、例えば工作機械などに適用されたものである。このボールねじ装置は、直動テーブル１を図１の左右方向に往復移動させるものであり、軸線を図の左右方向に向けてボールねじ軸２が配置されている。ボールねじ軸２の軸方向両端部は支持軸受３によって回転自在に支持されており、支持軸受３のボールねじ軸２との接触部位には図示しない転がり軸受などの軸受部材が内装されている。また、ボールねじ軸２の軸方向両端部のうち、図示右端部は継手４を介して電動モータ５に接続されている。   Next, an embodiment of an abnormality detection device and an abnormality detection method for a ball screw device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a ball screw device to which the abnormality detection device of the present embodiment is applied, and is applied to, for example, a machine tool. This ball screw device reciprocates the linear motion table 1 in the left-right direction in FIG. 1, and a ball screw shaft 2 is arranged with its axis line directed in the left-right direction in the figure. Both end portions in the axial direction of the ball screw shaft 2 are rotatably supported by a support bearing 3, and a bearing member such as a rolling bearing (not shown) is housed in a contact portion of the support bearing 3 with the ball screw shaft 2. Of the both ends in the axial direction of the ball screw shaft 2, the right end in the figure is connected to the electric motor 5 through the joint 4.

ボールねじ軸２にはボールねじナット６が被嵌されている。ボールねじ軸２の外周面には、断面がほぼ半円形のボール転動溝７が螺旋状に形成されており、これに対向するボールねじナット６の内周面にも、断面がほぼ半円形のボール転動溝が螺旋状に形成されている。このボールねじ軸２のボール転動溝７とボールねじナット６のボール転動溝との間にボール転動路が形成される。そして、このボール転動路には、ボールねじ軸２又はボールねじナット６の回転運動に伴って転動するボールが多数配設されている。また、ボールねじナット６の内部には、ボール転動路のボールを掬い上げて再びボール転動路に戻すためのボール戻し路も形成されている。   A ball screw nut 6 is fitted on the ball screw shaft 2. A ball rolling groove 7 having a substantially semicircular cross section is formed on the outer peripheral surface of the ball screw shaft 2 in a spiral shape, and the inner peripheral surface of the ball screw nut 6 opposed thereto is also substantially semicircular in cross section. The ball rolling groove is formed in a spiral shape. A ball rolling path is formed between the ball rolling groove 7 of the ball screw shaft 2 and the ball rolling groove of the ball screw nut 6. The ball rolling path is provided with a large number of balls that roll with the rotational movement of the ball screw shaft 2 or the ball screw nut 6. In addition, a ball return path is formed inside the ball screw nut 6 for picking up the ball on the ball rolling path and returning it to the ball rolling path again.

ボールねじナット６の軸方向一方の端部にはフランジ８が設けられ、このフランジ８が直動テーブル１に堅固に固定されている。本実施形態の直動テーブル１は、ボールねじナット６の１０倍以上の質量を有する。直動テーブル１及びボールねじナット６のボールねじ軸２軸周りの回転が規制されている状態で、電動モータ５を回転するとボールねじ軸２が回転し、ボール転動路内のボールの転動に伴ってボールねじナット６及び直動テーブル１が図１の左右方向に直線移動する。ボールねじ軸２やボールねじナット６、ボールなどを備えて構成されるボールねじ９では、このボールの転動に伴って振動が生じる。本実施形態では、ボールねじナット６のフランジ８に振動センサ（振動加速度センサ）１０を取付け、振動センサ１０で検出される振動データからボールねじ装置の異常を検出する。なお、振動センサ１０の取付箇所はボールねじナット６のフランジ８に限定されるものではなく、直動テーブル１の移動方向、つまりボールねじナット６の進行方向の振動加速度を検出することが可能な部位であればどこに取付けてもよい。但し、振動センサ１０の取付可能部位は、ナット６又は直動テーブル１の何れかに限定する。   A flange 8 is provided at one end of the ball screw nut 6 in the axial direction, and the flange 8 is firmly fixed to the linear motion table 1. The linear motion table 1 of the present embodiment has a mass 10 times or more that of the ball screw nut 6. When the electric motor 5 is rotated in a state where the rotation of the linear motion table 1 and the ball screw nut 6 around the ball screw shaft 2 is restricted, the ball screw shaft 2 rotates and the balls in the ball rolling path roll. Accordingly, the ball screw nut 6 and the linear motion table 1 linearly move in the left-right direction in FIG. In the ball screw 9 including the ball screw shaft 2, the ball screw nut 6, the ball, and the like, vibration is generated as the ball rolls. In this embodiment, a vibration sensor (vibration acceleration sensor) 10 is attached to the flange 8 of the ball screw nut 6, and abnormality of the ball screw device is detected from vibration data detected by the vibration sensor 10. The mounting location of the vibration sensor 10 is not limited to the flange 8 of the ball screw nut 6, and it is possible to detect the vibration acceleration in the moving direction of the linear motion table 1, that is, in the traveling direction of the ball screw nut 6. It may be attached anywhere as long as it is a part. However, the attachable part of the vibration sensor 10 is limited to either the nut 6 or the linear motion table 1.

振動センサ１０は異常検出装置１１に接続されている。この異常検出装置１１は、振動センサ１０の振動データを読込んで所定の演算処理を行う演算処理部１２、種々のプログラムやデータ、演算結果などを記憶する記憶部１３、演算処理部１２の演算処理結果や指示内容を表示する表示部１４を備えて構成される。図２には、異常検出装置１１の構成をブロック図で示す。振動センサ１０で検出される振動データは波形データである。この異常検出装置１１は、振動センサ１０からの振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する濾波部１５と、濾波部１５で濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじ９の異常を検出し、場合によっては、その異常検出結果を表示部１４に表示指示する異常検出部１６とを備えて構成される。   The vibration sensor 10 is connected to the abnormality detection device 11. The abnormality detection device 11 includes an arithmetic processing unit 12 that reads vibration data of the vibration sensor 10 and performs predetermined arithmetic processing, a storage unit 13 that stores various programs, data, and arithmetic results, and arithmetic processing of the arithmetic processing unit 12. A display unit 14 for displaying results and instruction contents is provided. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the abnormality detection device 11. The vibration data detected by the vibration sensor 10 is waveform data. This abnormality detection device 11 is based on the filtering unit 15 for filtering the vibration data in the ball screw abnormality detection frequency band from the vibration data from the vibration sensor 10, and the vibration data in the ball screw abnormality detection frequency band filtered by the filtering unit 15. And an abnormality detection unit 16 that detects an abnormality of the ball screw 9 and, in some cases, instructs the display unit 14 to display the abnormality detection result.

記憶部１３には、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データ及び正常時の支持軸受異常検出周波数帯の振動データが記憶されている。そこで、本実施形態の異常検出部１６は、記憶部１３に記憶されている正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較する比較部１９と、比較部１９で比較された振動データの比較データに基づいてボールねじ９の異常を判定する異常判定部２０を備えて構成される。なお、比較部１９では、例えば正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データから閾値を設定し、その閾値と濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データを比較する。   The storage unit 13 stores vibration data in a normal ball screw abnormality detection frequency band and vibration data in a normal support bearing abnormality detection frequency band. Therefore, the abnormality detection unit 16 of the present embodiment compares the vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band stored in the storage unit 13 with the vibration data in the filtered ball screw abnormality detection frequency band. 19 and an abnormality determination unit 20 that determines abnormality of the ball screw 9 based on the comparison data of the vibration data compared by the comparison unit 19. For example, the comparison unit 19 sets a threshold value from vibration data in a normal ball screw abnormality detection frequency band, and compares the threshold value with the vibration data in the filtered ball screw abnormality detection frequency band.

ボールねじ軸２やボールねじナット６などの棒材の縦固有振動数は下記１式で求められる。式中のｌは軸方向の長さ、Ｅは縦弾性係数、ρは密度である。また、式中のλnは、境界条件と振動モードによって決まる無次元の定数で、棒材の両端部が自由支持（自由−自由）の場合には、棒材の両端部で定常波が腹となるため、例えばλ1＝π、λ2＝２π、λ3＝３π、…となる。一方、棒材の一方の端部が固定支持、他方の端部が自由支持（固定−自由）の場合には、固定支持側で定常波が節となるため、例えばλ1＝π／２、λ2＝３π／２、λ3＝５π／２、…となる。つまり、自由−自由一次固有振動数に対して固定−自由一次固有振動数は１／２となる。 The longitudinal natural frequency of bars such as the ball screw shaft 2 and the ball screw nut 6 can be obtained by the following equation (1). In the equation, l is the axial length, E is the longitudinal elastic modulus, and ρ is the density. In addition, λ n in the equation is a dimensionless constant determined by the boundary condition and the vibration mode. When both ends of the bar are free-supported (free-free), the standing wave becomes antinode at both ends of the bar. Therefore, for example, λ 1 = π, λ 2 = 2π, λ 3 = 3π, and so on. On the other hand, when one end of the bar is fixedly supported and the other end is free supported (fixed-free), a standing wave becomes a node on the fixed support side, and thus, for example, λ 1 = π / 2, λ 2 = 3π / 2, λ 3 = 5π / 2, and so on. That is, the fixed-free primary natural frequency is ½ with respect to the free-free primary natural frequency.

Figure 2013257014
Figure 2013257014

ボールねじナット６の自由−自由一次固有振動数を測定した実測例を図３に示す。ボールねじナット６の長さは１５０〜２００ｍｍ程度であるから、その長さ範囲のボールねじナット６の固有振動数は６．５ｋＨｚ程度以上となる。本発明の対象となる工作機械に使用される一般的なボールねじ装置においては概ね５ｋＨｚ以上の周波数範囲にボールねじナットの自由−自由一次固有振動数が存在する。   An actual measurement example in which the free-free primary natural frequency of the ball screw nut 6 was measured is shown in FIG. Since the length of the ball screw nut 6 is about 150 to 200 mm, the natural frequency of the ball screw nut 6 in the length range is about 6.5 kHz or more. In a general ball screw device used for a machine tool which is a subject of the present invention, a free-free primary natural frequency of a ball screw nut exists in a frequency range of approximately 5 kHz or more.

ボールねじにおいては、循環するボールが非負荷圏から負荷圏に進入する際に軌道面と衝突し、その衝突による軌道面側部材の自由振動が励起されて部材の固有振動周波数を周波数とする振動が発生する。このボールねじの異常を、ボールねじナット６の振動データから検出しようとする際、ボールねじナット６の固有振動数以上の周波数成分では、高長波成分が隠れてしまい、一般的な転がり軸受などと同じように部材の固有振動成分を含む振動データでは、正常時と異常時の変化割合が小さくなってしまい、異常を判定しにくくしてしまう。そこで、自由−自由一次固有振動数を測定したボールねじナット６を剛性の低い（質量の小さい）直動テーブルに取付け、異常発生前後のボールねじ９の振動測定を行った。測定結果を図４に示す。同図から明らかなように、ボールねじナット６の固有振動数以下の周波数帯では、図に楕円で囲んだ範囲（約６ｋＨｚ以下の周波数帯）で、ボールねじ損傷有無の差異が顕著に確認できる。   In a ball screw, when a circulating ball collides with the raceway surface when entering the load zone from the non-load zone, free vibration of the raceway side member due to the collision is excited, and vibration with the natural vibration frequency of the member as the frequency Will occur. When detecting this ball screw abnormality from vibration data of the ball screw nut 6, a high-long wave component is hidden by a frequency component equal to or higher than the natural frequency of the ball screw nut 6. Similarly, in the vibration data including the natural vibration component of the member, the rate of change between the normal time and the abnormal time becomes small, and it becomes difficult to determine the abnormality. Therefore, the ball screw nut 6 whose free-free primary natural frequency was measured was attached to a linear motion table having low rigidity (small mass), and vibrations of the ball screw 9 before and after the occurrence of abnormality were measured. The measurement results are shown in FIG. As is clear from the figure, in the frequency band below the natural frequency of the ball screw nut 6, the difference in the presence or absence of the ball screw damage can be remarkably confirmed in the range enclosed by the ellipse in the figure (frequency band of about 6 kHz or less). .

しかしながら、本実施形態の直動テーブル１は、質量がボールねじナット６の１０倍以上で剛性が高い。この剛性の高い直動テーブル１にボールねじナット６の軸方向端部を堅固に固定し、異常発生前後のボールねじ９の振動測定を行った。測定結果を図５に示す。同図から明らかなように、ボールねじナット６の固有振動数よりも低い周波数帯、即ち図に楕円で囲んだ範囲（約４ｋＨｚ以下の周波数帯）で、ボールねじ損傷有無の差異が顕著に確認できる。   However, the linear motion table 1 of the present embodiment has a mass that is 10 times or more that of the ball screw nut 6 and has high rigidity. The axial end of the ball screw nut 6 was firmly fixed to the high-stiffness linear motion table 1, and the vibration of the ball screw 9 before and after the occurrence of abnormality was measured. The measurement results are shown in FIG. As is clear from the figure, the difference in the presence or absence of damage to the ball screw is remarkably confirmed in a frequency band lower than the natural frequency of the ball screw nut 6, that is, in a range surrounded by an ellipse (frequency band of about 4 kHz or less) it can.

図４と図５の違いは、ボールねじナット６を保持する直動テーブル１の剛性の高低によるものであると考えられる。即ち、剛性の低い直動テーブル１に保持されたボールねじナット６は、前記１式の自由−自由支持により近く、剛性の高い直動テーブル１に保持されたボールねじナット６は、前記１式の固定−自由支持に近い。何れの場合も、ボールねじナット６の一次固有振動数以下の周波数帯で損傷有無の差異を顕著に確認できるが、両者では一次固有振動数そのものが異なるため、損傷有無の差異を顕著に確認できる周波数帯が異なる。   The difference between FIG. 4 and FIG. 5 is considered to be due to the level of rigidity of the linear motion table 1 holding the ball screw nut 6. That is, the ball screw nut 6 held by the linear motion table 1 with low rigidity is closer to the free-free support of the above-described set 1, and the ball screw nut 6 held by the linear motion table 1 with high rigidity is Fixed-close to free support. In either case, the difference in presence or absence of damage can be remarkably confirmed in a frequency band equal to or lower than the primary natural frequency of the ball screw nut 6, but the difference in presence or absence of damage can be remarkably confirmed because the primary natural frequency itself is different in both cases. The frequency band is different.

このことから、剛性の高いテーブルの工作機械に用いられるボールねじの異常検出には、剛性の高い案内テーブルを含んだボールねじナット系の一次固有振動数以下の周波数帯の振動成分を抽出することが必要となり、その範囲は、ボールねじナット６の自由−自由一次固有振動数の１／２〜１倍以下となる。本実施形態では、直動テーブル１はボールねじナット６の質量の１０倍以上と剛性が高いので、ボールねじナット６の固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯、約４ｋＨｚ以下の周波数帯をボールねじ異常検出周波数帯と設定した。そして、ボールねじ９の正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶部１３に記憶する。濾波部１５では、振動センサ１０の振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する。比較部１９では、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較し、異常判定部２０では、比較された振動データの比較データに基づいてボールねじ９の異常を判定する。異常判定方法としては、例えば濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データが正常時のボールねじ検出周波数帯の振動データから得られた閾値以上である場合に、異常であると判定する方法などがある。   For this reason, to detect abnormalities in ball screws used in highly rigid table machine tools, extract vibration components in the frequency band below the primary natural frequency of the ball screw nut system including the highly rigid guide table. And the range is 1/2 to 1 times or less the free-free primary natural frequency of the ball screw nut 6. In this embodiment, the linear motion table 1 has a rigidity as high as 10 times or more of the mass of the ball screw nut 6. Therefore, the frequency range of the fixed and free primary natural frequency of the ball screw nut 6 is less than about 4 kHz. It was set as the ball screw abnormality detection frequency band. Then, the vibration data of the ball screw abnormality detection frequency band when the ball screw 9 is normal is stored in the storage unit 13. The filtering unit 15 filters vibration data in the ball screw abnormality detection frequency band from the vibration data of the vibration sensor 10. The comparison unit 19 compares the vibration data of the normal ball screw abnormality detection frequency band with the vibration data of the filtered ball screw abnormality detection frequency band, and the abnormality determination unit 20 is based on the comparison data of the compared vibration data. To determine whether the ball screw 9 is abnormal. As an abnormality determination method, for example, when the vibration data of the filtered ball screw abnormality detection frequency band is equal to or greater than a threshold value obtained from the vibration data of the normal ball screw detection frequency band, etc. There is.

このように本実施形態のボールねじ装置の異常検出装置及び異常検出方法では、ボールねじ９のボールねじナット６の１０倍以上の質量の直動テーブル１に当該ボールねじナット６のフランジ（端部）８が堅固に固定される場合に、ボールねじナット６に取付けられた振動センサ１０で振動を検出し、検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじ８の異常を検出し、その場合に、ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波する。ボールねじナット６の１０倍以上の質量の直動テーブル１にボールねじナット６の端部が堅固に固定される場合には、ボールねじナット６の固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯に高調波成分が現れやすい。従って、ボールねじナット６の固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯の高調波成分の変化からボールねじ９の異常を正確に検出することができる。   As described above, in the abnormality detection device and abnormality detection method for the ball screw device according to this embodiment, the flange (end portion) of the ball screw nut 6 is attached to the linear motion table 1 having a mass 10 times or more that of the ball screw nut 6 of the ball screw 9. ) When 8 is firmly fixed, vibration is detected by the vibration sensor 10 attached to the ball screw nut 6, and vibration data in the ball screw abnormality detection frequency band is filtered from the detected vibration data and filtered. Based on the vibration data of the ball screw abnormality detection frequency band, the abnormality of the ball screw 8 is detected, and in that case, the ball screw nut is fixed and the frequency band below the free primary natural frequency is filtered as the ball screw abnormality detection frequency band To do. When the end of the ball screw nut 6 is firmly fixed to the linear motion table 1 having a mass 10 times or more that of the ball screw nut 6, the ball screw nut 6 is fixed to a frequency band equal to or lower than the free primary natural frequency. Harmonic components are likely to appear. Therefore, the abnormality of the ball screw 9 can be accurately detected from the change in the harmonic component in the frequency band below the fixed-free primary natural frequency of the ball screw nut 6.

また、正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶し、記憶されている正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較し、比較された振動データの比較データに基づいてボールねじ９の異常の異常を判定する。そのため、ボールねじ９の異常をより一層正確に検出することができる。   It also stores vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band, and compares the stored vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band with the vibration data in the filtered ball screw abnormality detection frequency band. The abnormality of the ball screw 9 is determined based on the comparison data of the compared vibration data. Therefore, the abnormality of the ball screw 9 can be detected more accurately.

１は直動テーブル
２はボールねじ軸
３は支持軸受
４は継手
５は電動モータ
６はボールねじナット
７はボール転動溝
８はフランジ
９はボールねじ
１０は振動センサ
１１は異常検出装置
１２は演算処理部
１３は記憶部
１４は表示部
１５は濾波部
１６は異常検出部
１９は比較部
２０は異常判定部 1 is a linear motion table 2 is a ball screw shaft 3 is a support bearing 4 is a joint 5 is an electric motor 6 is a ball screw nut 7 is a ball rolling groove 8 is a flange 9 is a ball screw 10 is a vibration sensor 11 is an abnormality detection device 12 Arithmetic processing unit 13 is a storage unit 14 is a display unit 15 is a filtering unit 16 is an abnormality detection unit 19 is a comparison unit 20 is an abnormality determination unit

Claims (3)

ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出装置において、前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられ振動を検出する振動センサと、前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波する濾波部と、前記濾波部で濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出する異常検出部とを備え、前記濾波部は、前記ボールねじナットの自由−固定一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするボールねじ装置の異常検出装置。   Abnormality of a ball screw device including a ball screw having a ball screw shaft and a ball screw nut, and a table having an axial end portion of the ball screw nut firmly fixed and having a mass more than 10 times that of the ball screw nut In the detection device, a vibration sensor that is attached to the ball screw nut or table and detects vibration, a filtering unit that filters vibration data of a ball screw abnormality detection frequency band from vibration data detected by the vibration sensor, and the filtering unit An abnormality detection unit that detects an abnormality of the ball screw based on the vibration data of the ball screw abnormality detection frequency band filtered by the filter, and the filtering unit has a frequency equal to or less than a free-fixed primary natural frequency of the ball screw nut. An abnormality detection device for a ball screw device, wherein the belt is filtered as a ball screw abnormality detection frequency band. 前記異常検出部は、正常時の前記ボールねじ異常検出周波数帯の振動データを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されている前記正常時のボールねじ異常検出周波数帯の振動データを前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データと比較する比較部と、前記比較部で比較された振動データの比較データに基づいて前記ボールねじの異常を判定する異常判定部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置の異常検出装置。   The abnormality detection unit stores vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band, and filters the vibration data in the normal ball screw abnormality detection frequency band stored in the storage unit. A comparison unit that compares the vibration data of the detected ball screw abnormality detection frequency band, and an abnormality determination unit that determines abnormality of the ball screw based on the comparison data of the vibration data compared by the comparison unit. The abnormality detection device for a ball screw device according to claim 1, wherein: ボールねじ軸及びボールねじナットを備えたボールねじと、前記ボールねじナットの軸方向端部が堅固に固定され前記ボールねじナットの１０倍以上の質量を有するテーブルとを備えたボールねじ装置の異常検出方法において、前記ボールねじナット又はテーブルに取付けられた振動センサで振動を検出し、前記振動センサで検出された振動データからボールねじ異常検出周波数帯の振動データを濾波し、前記濾波されたボールねじ異常検出周波数帯の振動データに基づいてボールねじの異常を検出し、前記ボールねじナットの固定−自由一次固有振動数以下の周波数帯をボールねじの異常検出周波数帯として濾波することを特徴とするボールねじ装置の異常検出方法。   Abnormality of a ball screw device including a ball screw having a ball screw shaft and a ball screw nut, and a table having an axial end portion of the ball screw nut firmly fixed and having a mass more than 10 times that of the ball screw nut In the detection method, vibration is detected by a vibration sensor attached to the ball screw nut or the table, vibration data in a ball screw abnormality detection frequency band is filtered from the vibration data detected by the vibration sensor, and the filtered ball It detects a ball screw abnormality based on vibration data of a screw abnormality detection frequency band, and filters the frequency band below the fixed-free primary natural frequency of the ball screw nut as a ball screw abnormality detection frequency band. An abnormality detection method for a ball screw device.
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