进给轴的异常诊断方法及异常诊断装置与流程

本发明涉及在具有由滚珠丝杠构成的进给轴的机床等机器中诊断进给轴的异常的方法及装置。

背景技术：

在机床的进给轴中，多使用将电机的旋转运动传递到滚珠丝杠而使其直线驱动的方式。然而，在运行几年的机器中，由于磨损导致的预压泄漏、异物的混入、润滑不良等引起的损伤等，存在产生精度不良或异常噪音等情况。若成为这样的状态，则发生工件的形状不良或加工外观不良等缺陷。因此，期望构成进给轴的滚珠丝杠或轴承、线状导轨这样的机器要素在发生劣化或损伤、产生缺陷前被更换。

为了得知机器要素的状态，提出以下各种进行诊断的方法：通过振动传感器检测并诊断滚珠丝杠或轴承、线状导轨的振动的方法、内置位移传感器来测定定位精度的方法等。但是，在这样的方法中，由于需要在期望诊断的部位的周边新追加传感器，因此成为成本增加的主要原因。此外，由于可能发生故障的部位增加，所以还存在导致故障风险増加的问题。

因此，提出不使用诊断用的追加传感器，而是使用用于控制的伺服信息进行诊断的方法。在专利文献1中，作为判定减速器的异常的方法，提出对控制中的干扰估计值、扭矩指令进行频率分析，比较与轴的旋转频率的整数倍对应的频谱的方法。此外，在专利文献2中提出以下方法：在由电机驱动的机器中，对扭矩指令值进行傅立叶变换，求出频谱，使其显示，注意电机旋转时的转速及转速引起的高阶模式的频谱，确认机器的损伤。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4112594号公报

专利文献2：日本特开2009-68950号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在由滚珠丝杠构成的进给轴中，驱动部件有多个滚珠丝杠、轴承、线状导轨，而且故障的状态也涉及磨损、损伤的多方面。上述的诊断方法着眼于电机旋转或其高阶模式的频谱，检测旋转振动的恶化。即，在没有组装不良或部件的精度不良的正常状态的机器中，旋转振动的恶化由于如下重度损伤而发生：所述重度损伤达到相当于滚珠丝杠和轴承的磨损、或者大部分传送表面损伤那样的磨损状态的程度。但是，鉴于机床中要求的加工精度，为了进行预防维护，期望能够检测旋转振动恶化前的轻度损伤。

因此，本发明是鉴于这样的问题而被完成的，提供在不新追加传感器等的情况下进行轴承、滚珠丝杠、线状导轨这样的进给轴的异常诊断的方法及装置。

用于解决课题的手段

为了达到上述目的，权利要求1中记载的发明是一种进给轴的异常诊断方法，在具有借助于被伺服电机转动的滚珠丝杠使移动体移动的进给轴的机床中，诊断进给轴的异常，其特征在于执行以下步骤：

频率取得步骤，取得进给轴的频率特性及损伤的进给轴进行轴动作时产生的损伤频率；

进给速度计算步骤，根据取得的频率特性，计算能够检测到损伤频率的峰值的进给速度；

轴动作步骤，使进给轴以计算出的进给速度进行轴动作；

频率分析步骤，在进行轴动作时，对与伺服电机的控制相关的伺服信息进行频率分析；以及

判断步骤，根据频率分析的结果确认有无损伤频率的峰值，在具有峰值的情况下判断为异常。

此外优选为，在进给速度计算步骤中，计算取得的频率特性中增益最大的频率与损伤频率一致的进给速度，作为进给速度。

此外优选为，在进给速度计算步骤中，计算取得的频率特性中增益为规定值以上的频带内包含损伤频率的最大值的进给速度，作为进给速度。

此外优选为，在进给速度计算步骤中，还计算相对于计算出的进给速度为非整数倍的关系的进给速度，在轴动作步骤中，使进给轴以多个进给速度进行轴动作，在频率分析步骤中，对各进给速度下得到的伺服信息进行频率分析，在判断步骤中，根据按各进给速度的频率分析的结果确认有无损伤频率的峰值。

此外优选为，进给轴的异常诊断方法还执行如下的显示步骤：根据在频率分析步骤中得到的频率分析的结果，创建显示频率和显示相对于进给轴的旋转频率的频率比的两种曲线图，一并显示按各进给速度的频率分析的结果。

此外优选为，在频率分析步骤中进行频率分析的伺服信息是扭矩波形。

此外优选为，在频率分析步骤中进行频率分析的伺服信息在损伤频率小于规定值的情况下，是对进给轴的位置指令与伺服电机的当前位置之间的位置偏差，在损伤频率为规定值以上的情况下，是扭矩波形。

为了达到上述目的，权利要求8中记载的发明是一种进给轴的异常诊断装置，该异常诊断装置在具有借助于被伺服电机转动的滚珠丝杠使移动体移动的进给轴的机床中，诊断进给轴的异常，其特征在于具备：

存储单元，其存储有进给轴的频率特性及损伤的进给轴进行轴动作时产生的损伤频率；

进给速度计算单元，其根据存储的频率特性，计算能够检测到损伤频率的峰值的进给速度；

轴动作执行单元，其使进给轴以计算出的进给速度进行轴动作；

频率分析单元，在进行轴动作时，该频率分析单元对与伺服电机的控制相关的伺服信息进行频率分析；以及

判断单元，其根据频率分析的结果确认有无损伤频率的峰值，在具有峰值的情况下判断为异常。

发明效果

根据本发明，能够在不新追加传感器等的情况下以低成本进行轴承、滚珠丝杠、线状导轨这样的进给轴的异常诊断。

附图说明

图1是进给轴的位置控制装置及异常诊断装置的框图。

图2是实施方式1的异常诊断方法的流程图。

图3是示出进给轴的频率响应特性的例子的图。

图4是实施方式2的异常诊断方法的流程图。

图5是示出轴承的损伤频率的图。

图6是示出进给速度F7500[mm/min]下的扭矩波形的FFT分析结果的图。

图7是示出进给速度F20000[mm/min]下的扭矩波形的FFT分析结果的图。

图8是示出多个进给速度下实施诊断时的结果显示例的图，(a)显示频率，(b)显示相对于旋转频率的频率比。

具体实施方式

以下基于附图，说明本发明的实施方式。

[实施方式1]

图1是示出应用本发明的机床的进给轴的位置控制装置及异常诊断装置的一例的框图。

机床的进给轴1具备：滚珠丝杠2，其接受来自形成在数控(NC)装置内的异常诊断装置20的进给轴控制部21的位置指令而被伺服电机3进行旋转驱动；以及移动体5，其经由螺母4与滚珠丝杠2进行螺纹结合，通过滚珠丝杠2的旋转沿轴向进行丝杠进给移动。滚珠丝杠2的两端由未图示的轴承进行枢转支承，移动体5被未图示的线状导轨引导而进行直线移动。伺服电机3中安装有位置检测器6。

位置控制装置10具备加法器11、位置控制器12、微分器13、速度控制器14以及电流控制器15。加法器11被输入来自进给轴控制部21的位置指令和来自位置检测器6的当前位置，运算位置偏差，位置控制器12生成与由加法器11运算出的位置偏差对应的速度指令值。速度控制器14根据由位置控制器12生成的速度指令值和通过微分器13运算来自位置检测器6的当前位置而得到的速度检测值，生成扭矩指令值。电流控制器15基于从速度控制器14输入的扭矩指令值控制流向伺服电机3的电流。以由位置检测器6检测出的当前位置为首，在该位置控制装置10内使用的信息能够存储于异常诊断装置20内的存储部22，在显示部23显示。

异常诊断装置20具备：作为进给速度计算单元的进给速度计算部24，其根据作为存储单元的存储部22中存储的频率特性或损伤频率，计算异常诊断用的进给速度；作为频率分析单元的频率分析部25，当作为轴动作单元的进给轴控制部21使进给轴1以由进给速度计算部24计算出的进给速度进行轴动作时，该频率分析部25对从位置控制装置10得到的与伺服电机3的控制相关的伺服信息进行频率分析；以及作为判断单元的判断部26，其根据频率分析部25的分析结果判断有无异常。

当该异常诊断装置20从操作者接受诊断模式的指令时，计算考虑到进给轴1的频率响应特性的进给速度，使进给轴1以该进给速度进行轴动作，进行伺服信息的频率分析，来进行异常诊断。以下基于图2的流程图说明该异常诊断方法。

首先，S1中，取得进给轴1的频率特性及诊断対象的损伤频率，并存储于存储部22(频率取得步骤)。作为获知进给轴1的频率特性的方法，例如具有进行频率连续地变化的正弦波的速度输入来确认输入和输出的响应的扫频试验等。但是，频率特性及损伤频率预先存储于存储部22，也可以在即将进行诊断动作时取得。

图3中示出取得的进给轴1的频率特性的例子。横轴表示频率，纵轴表示与输入对应的增益

此外，轴承、滚珠丝杠、线状导轨这样的机器要素损伤时发生的振动的频率(损伤频率)通过几何数学的式子计算。例如，在轴承的损伤中，按内圈(环面的损伤)、外圈(环面的损伤)、滚动体(表面的损伤)，通过以下数学式(1)～(3)计算。此外，滚珠丝杠或螺母的损伤能够根据与轴承类似的数学式求出，线状导轨的损伤能够根据滚动体节距求出。

【数学式1】

内圈损伤的频率：

外圈损伤的频率：

滚动体损伤的频率：

f_in：基于内圈损伤的频率[Hz]、f_out：基于外圈损伤的频率[Hz]、f_ball：基于滚动体损伤的频率[Hz]、f_r：旋转频率[Hz]、D：轴承节圆直径[mm]、d：滚动体的直径[mm]、Z：滚动体数量、a：接触角[deg.]

接着，在S2中，在进给速度计算部24内，根据频率特性的结果计算增益最大的频率fg，在S3中，计算各损伤频率与该增益最大的频率fg一致的进给速度Fg(S2、S3：进给速度计算步骤)。该进给速度Fg能够通过上述数学式中使用的进给轴的旋转频率fr×滚珠丝杠的导程×60来计算。

若以图3的频率特性为例，则增益最大的频率fg是142Hz，诊断轴承的损伤的进给速度Fg如下。

内圈：10650[mm/min]

外圈：12241[mm/min]

滚动体：11451[mm/min]

另外，在预先取得频率特性的情况下，进给速度Fg也可以预先计算，存储于存储部22。

接着，在S4中，由进给轴控制部21以各进给速度Fg实施进给轴1的动作(轴动作步骤)，在S5中，由频率分析部25对轴动作时的伺服信息(此处为扭矩波形)进行频率分析(频率分析步骤)。

然后，在S6中，由判断部26根据频率分析结果判别是否具有损伤频率的峰值(判断步骤)。关于该峰值的有无，例如在损伤频率的绝对值超过预先设定的阈值的情况下判断为具有峰值。此外预先取得轴承无损伤的正常状态下的频率分析结果，与该正常时的频率分析结果进行比较，与正常状态之差超过预先设定的阈值的情况下，能够判断为具有峰值。另外，根据损伤部位的不同，对加工产生的影响的程度不同，因此若按每个损伤部位设置这些阈值，则能够更高精度地进行损伤的检测。

若这样在S6中确认了损伤频率的峰值，则在S7中判断为异常(有损伤)，如果没有确认损伤频率的峰值，则在S8中判断为正常(无损伤)，将判断结果显示于显示部23。

这样，根据上述实施方式1的进给轴1的异常诊断方法及装置，取得进给轴1的频率特性及损伤频率，根据取得的频率特性计算能够检测到损伤频率的峰值的进给速度Fg，使进给轴1以计算出的进给速度Fg进行轴动作，在进行轴动作时对与伺服电机3的控制相关的伺服信息进行频率分析，根据频率分析的结果确认有无损伤频率的峰值，在具有峰值的情况下判断为异常，由此能够在不新追加传感器等的情况下以低成本判定轴承、滚珠丝杠、线状导轨这样的进给轴的损伤。

特别是在此处，由于使用取得的频率特性中增益最大的频率与损伤频率一致的进给速度作为进给速度Fg，因此能够明确地检测有无损伤频率的峰值。

[实施方式2]

在上述实施方式1中，主要以涉及轴承的损伤为例进行说明，能够检测的损伤由于涉及滚珠丝杠或螺母、线状导轨等多方面，因此还存在进行诊断的进给速度的种类增多、诊断时间延长的课题。以应对该课题的方法作为实施方式2进行说明。但是，由于进给轴1的位置控制装置10及异常诊断装置20的结构本身与实施方式1相同，因此省略重复的说明，基于图4的流程图说明异常诊断装置20的异常诊断方法。

首先，在S11中，取得进给轴1的频率特性及诊断対象的损伤频率并存储于存储部22(频率取得步骤)。这与实施方式1相同。

接着，在S12中，由进给速度计算部24根据取得的频率特性，计算增益为一定值以上的频带。此处，在图3的频率特性中，将增益设定为-5dB以上，将5～200Hz设为响应性良好的频带A。

接下来，在S13中，由进给速度计算部24根据轴承的规格，计算多个期望诊断的部位的损伤频率的最大值包含于频带A的进给速度Fg(S12、S13：进给速度计算步骤)。例如，考虑对内圈、外圈、滚动体分别与实施方式1同样地计算进给速度，从由3个进给速度规定的进给速度的范围中选择进给速度Fg。

作为例子，图5中示出进给速度Fg7500[mm/min]及进给速度Fg20000[mm/min]下的轴承的损伤频率，图6、图7中示出对进给速度Fg7500[mm/min]及进给速度Fg20000[mm/min]下的扭矩波形进行频率分析后的曲线图。

在该进给轴中，在轴承的内圈和外圈具有损伤。进给速度Fg7500[mm/min]下，在87Hz、100Hz具有峰值，能够检测到被装入的的轴承的内外圈中的损伤。但是可知：在进给速度Fg20000[mm/min]下，轴承的内外圈的损伤频率为231Hz、268Hz，由于超过响应性良好的频带的上限即200Hz，因此不能确认峰值。

因此，此处计算的进给速度Fg为7500[mm/min]。

但是存在以下情况：在正常的进给轴中，由于机器动作中的振动、外部干扰的振动等影响，进行扭矩波形的频率分析的结果是具有峰值。还存在如下课题：当该峰值与损伤频率重叠时，难以知晓正常时和诊断时的峰值的变化。

在这样的情况下进行处理，为了提高异常的检测精度，只要是除了在S13中计算出的进给速度Fg7500[mm/min]以外，还由进给速度计算部24计算各进给速度的关系为非整数倍的多个进给速度Fg即可。例如，在以Fg7500[mm/min]为基准的情况下，除了Fg7500[mm/min]之外，还将其0.6倍即4500[mm/min]和1.4倍即10500[mm/min]设定为进给速度Fg。由于机器动作产生的振动或外部干扰的振动不根据进给速度变化，因此通过按非整数倍的多个进给速度实施，能够容易把握进给速度与按比例关系变化的机器要素的损伤分离的状态。

后面的的处理与实施方式1同样，在S14中，由进给轴控制部21根据设定的多个进给速度Fg实施进给轴1的动作(轴动作步骤)，在S15中，由频率分析部25对轴动作时的伺服信息(扭矩波形)进行频率分析(频率取得步骤)。

并且，在S16中，由判断部26根据各频率分析结果判别是否具有损伤频率的峰值(判断步骤)。当在此处确认了损伤频率的峰值时，在S17中判断为异常(有损伤)、如果没有确认损伤频率的峰值，则在S18中判断为正常(无损伤)，将判断结果显示于显示部23。

此处，对向显示部23显示的显示方法进行说明。

图8中示出以多个进给速度实施了诊断的情况下的结果的显示例。(a)将横轴显示为频率，(b)将横轴显示为相对于进给轴的旋转频率的频率比。旋转频率通过进给速度/滚珠丝杠的导程/60来计算，频率比通过频率/旋转频率计算。纵轴均是频率分析后的强度，使其上下偏移，以能够为了方便而在一个曲线图内显示多个进给速度。

标记M1是轴承的内圈损伤产生的影响，在显示频率的曲线图(a)中，进给速度使得峰值位置变化，与此相对，在显示相对于旋转频率的频率比的曲线图(b)中，进给速度没有使峰值位置变化。

另外，标记M2是轴动作产生的振动的影响，在显示频率的曲线图(a)中，进给速度没有使峰值位置变化，与此相对，在显示相对于旋转频率的频率比的曲线图(b)中，进给速度使峰值位置变化。

这样，在实施判断步骤后，通过并排地一并显示以频率显示横轴的曲线图和以相对于旋转频率的频率比显示的曲线图(显示步骤)，能够区别是否是机器要素的损伤的影响，能够容易进行状态的把握。此外，可以显示与轴承、滚珠丝杠、线状导轨这样的机器要素的损伤对应的标记。

由此，根据上述实施方式2的进给轴1的异常诊断方法及装置，取得进给轴1的频率特性及损伤频率，根据取得的频率特性计算能够检测到损伤频率的峰值的进给速度Fg，使进给轴1以计算出的进给速度Fg进行轴动作，在进行轴动作时对与伺服电机3的控制相关的伺服信息进行频率分析，根据频率分析的结果确认有无损伤频率的峰值，在具有峰值的情况下判断为异常，由此能够在不新追加传感器等的情况下以低成本判定轴承、滚珠丝杠、线状导轨这样的进给轴的损伤。

特别是在此处，由于使用在取得的频率特性中增益为一定值以上的频带A内包含损伤频率的最大值的进给速度作为进给速度Fg，因此即使期望诊断的部位有多个，也能够在短时间内检测有无损伤频率的峰值。

另外，在上述实施方式1、2中，作为伺服信息而对扭矩波形进行频率分析，但对于根据位置检测器的位移信息计算的位置偏差或速度也能够实施同样的方法。但是，由于根据位移信息容易检测的频率为比根据扭矩波形进行检测的情况低的频率，因此例如在损伤频率小于20Hz的情况下，根据位置偏差进行检测，在为20Hz以上的情况下，根据扭矩波形进行检测等，根据期望检测的损伤频率，通过对根据扭矩波形来检测还是根据位置偏差等来检测进行分开使用，也能够提高损伤检测的精度。该分开使用的频率的规定值能够适当变更。

此外，在上述实施方式1、2中，在机床内形成异常诊断装置来进行异常诊断，但也可以是：将进给轴的频率特性或损伤频率存储于外部PC等外部设备，通过有线方式或无线方式将进行轴动作时的伺服信息发送到外部设备，在外部设备中进行频率分析，进行异常诊断。即，本发明的异常诊断装置可以构成为包括具有作为诊断对象的进给轴的机床和外部设备。由此如果使用外部设备构成异常诊断装置，则具有如下优点：能够同时进行多个机床的异常诊断，诊断数据也能够集中管理。

并且，本发明不限于机床，只要是具备进给轴的机器就能够应用。

标号说明

1：进给轴；2：滚珠丝杠；3：伺服电机；4：螺母；5：移动体；6：位置检测器；10：位置控制装置；11：加法器；12：位置控制器；13：微分器；14：速度控制器；15：电流控制器；20：异常诊断装置；21：进给轴控制部；22：存储部；23：显示部；24：进给速度计算部；25：频率分析部；26：判断部。