进给轴装置的异常诊断方法和异常诊断装置
阅读说明：本技术 进给轴装置的异常诊断方法和异常诊断装置 (Method and device for diagnosing abnormality of feed shaft device ) 是由 伊藤真理子 北乡匠 于 2020-11-03 设计创作，主要内容包括：提供进给轴装置的异常诊断方法和异常诊断装置。使用在进给轴装置的控制中使用的最低限度的结构以低成本和低风险进行进给轴装置的异常诊断。针对具有滚珠丝杠和螺母并组装在机床中的进给轴装置执行以下步骤：检测步骤(S1),控制进给轴装置的动作,以使滚珠丝杠以规定的动作模式进行动作,检测从进给轴装置产生的物理量信号；以及异常诊断步骤,根据在检测步骤中检测出的物理量信号来进行进给轴装置(11)的异常诊断,在异常诊断步骤中,对物理量信号进行频率分析(S2),分别提取与动作模式中的多个动作位置对应的频率(S3),将与各动作位置对应的频率的变化与弯曲振动模式进行比较而进行异常诊断(S4)。(Provided are a method and a device for diagnosing an abnormality of a feed shaft device. Abnormality diagnosis of the feed shaft device is performed at low cost and at low risk using a minimum structure used in control of the feed shaft device. The following steps are performed for a feed shaft device having a ball screw and a nut and assembled in a machine tool: a detection step (S1) for controlling the operation of the feed shaft device so that the ball screw operates in a predetermined operation mode, and detecting a physical quantity signal generated from the feed shaft device; and an abnormality diagnosis step of performing abnormality diagnosis of the feed shaft device (11) based on the physical quantity signal detected in the detection step, wherein in the abnormality diagnosis step, frequency analysis is performed on the physical quantity signal (S2), frequencies corresponding to a plurality of operation positions in the operation pattern are extracted (S3), and a change in the frequency corresponding to each operation position is compared with the bending vibration pattern to perform the abnormality diagnosis (S4).)
技术领域
本发明涉及在具有基于滚珠丝杠的进给轴装置的机床等机械设备中诊断进给轴装置的异常的方法和装置。
背景技术
例如在机床的进给轴装置中，较多使用了将马达的旋转运动传递给滚珠丝杠而进行驱动的方式。但是，在运转了几年的机械中，有时会由于因磨耗引起的预压不够、异物的混入、润滑不良等引起的损伤而产生精度不良、异常噪声等情况。当成为这样的状态时，会产生工件的形状不良或加工痕不良等不良情况。因此，滚珠丝杠、支承轴承、引导件这样的进给轴装置的机械要素优选在产生劣化或破损、发生不良情况之前进行更换。
因此，为了知道进给轴装置的机械要素的状态，提出了内置位移传感器以测定定位精度的方法、通过振动传感器检测滚珠丝杠、支承轴承、直线导轨的振动以进行诊断的方法等进行各种诊断的方法。特别是在专利文献1中，公开了如下方法：计算被驱动体的位置检测值与马达的位置检测值之差即挠曲量，在挠曲量的大小超过阈值的情况下，作为机械的异常进行警告显示。此外，在专利文献2中，公开了如下方法：通过检测滚珠丝杠的振动和转速并对振动信号进行频率分析、基于转速的次数比分析或基于转速的坎贝尔分析，来确定构成滚珠丝杠的哪个部件发生了异常。
专利文献1：日本特开2007-219689号公报
专利文献2：日本特开2013-164386号公报
在一般的机床中，较多采用仅使用旋转编码器的半闭环方式。但是，专利文献1中的机械采用了全闭环方式，因此不适用于半闭环方式的机械。此外，在专利文献1中采用挠曲量检测器，在专利文献2中追加了诊断用的传感器。在这些方法中，存在如下课题：由于与在进给轴装置的控制中使用的最低限度的结构相比，结构要素增加，因此成本增加，且因可能发生故障的部位增加而导致故障风险增加。
发明内容
因此，本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种能够使用在机床的进给轴装置的控制中使用的最低限度的结构以低成本和低风险进行进给轴装置的异常诊断的异常诊断方法和异常诊断装置。
为了实现上述目的，第1方面的发明是一种诊断进给轴装置的异常的方法，对具有螺纹轴和螺母并组装在机械设备中的所述进给轴装置的异常进行诊断，所述进给轴装置的异常诊断方法的特征在于，包含以下步骤：
动作控制步骤，控制所述进给轴装置的动作，以使所述螺纹轴以规定的动作模式进行动作；
检测步骤，检测从所述进给轴装置产生的物理量信号；以及
异常诊断步骤，按照规定的异常诊断算法，根据在所述检测步骤中检测出的所述物理量信号来进行所述进给轴装置的异常诊断，
在所述异常诊断步骤中，对所述物理量信号进行频率分析，分别提取与所述动作模式中的多个动作位置对应的频率，根据与各所述动作位置对应的频率的变化进行异常诊断。
第2方面的发明的特征在于，在上述结构中，在所述异常诊断步骤中，将与各所述动作位置对应的所述频率的变化与所述进给轴装置的各所述动作位置处的弯曲振动模式进行比较而进行异常诊断。
第3方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述异常诊断是如下的异常诊断：将在根据所述弯曲振动模式而设定的规定的区域中、包含与各所述动作位置对应的所述频率的区域所占的比例与规定的阈值进行比较。
为了实现上述目的，第4方面的发明是一种诊断进给轴装置的异常的装置，对具有螺纹轴和螺母并组装在机械设备中的所述进给轴装置的异常进行诊断，所述进给轴装置的异常诊断装置的特征在于，具有：
动作控制单元，其控制所述进给轴装置的动作，以使所述螺纹轴以规定的动作模式进行动作；
检测单元，其检测从所述进给轴装置产生的物理量信号；以及
异常诊断单元，其按照规定的异常诊断算法，根据由所述检测单元检测出的所述物理量信号来进行所述进给轴装置的异常诊断，
所述异常诊断单元对所述物理量信号进行频率分析，分别提取与所述动作模式中的多个动作位置对应的频率，根据与各所述动作位置对应的频率的变化进行异常诊断。
第5方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述异常诊断单元将与各所述动作位置对应的所述频率的变化与所述进给轴装置的各所述动作位置处的弯曲振动模式进行比较而进行异常诊断。
第6方面的发明的特征在于，在上述结构中，所述异常诊断是如下的异常诊断：将在根据所述弯曲振动模式而设定的规定的区域中、包含与各所述动作位置对应的所述频率的区域所占的比例与规定的阈值进行比较。
根据本发明，能够在不针对在进给轴装置的控制中使用的最低限度的结构增加传感器等其他结构要素的情况下进行异常诊断，不会产生伴随传感器等的增加的成本增加或故障风险的增加。因此，能够以低成本和低风险进行进给轴装置的异常诊断。
附图说明
图1是进给轴装置和位置控制装置的框图。
图2是示出异常诊断的过程的流程图。
图3是示出进给轴装置的弯曲振动模式的说明图。
图4是示出提取出的动作位置与频率的关系的说明图。
标号说明
1：加法器；2：位置控制器；3：速度控制器；4：电流控制器；5：微分器；6：位置检测器；7：马达；8：滚珠丝杠；9：移动体；10：NC装置；11：进给轴装置；12：位置控制装置；13：异常诊断部。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是应用本发明的机床的进给轴装置和位置控制装置的框图的一例。
进给轴装置11通过马达7对滚珠丝杠8进行旋转驱动，从而使移动体9进行直线移动，该移动体9上的螺母9a与滚珠丝杠8螺合。
在位置控制装置12中，来自NC装置10的位置指令和来自安装在马达7上的位置检测器6的当前位置被输入到加法器1，计算出的位置偏差被输入到位置控制器2。位置控制器2生成与位置误差量对应的速度指令值。速度控制器3根据由微分器5根据速度指令值和当前位置计算出的速度检测值来生成转矩指令值。电流控制器4根据被输入的转矩指令值来控制流向马达7的电流。以由位置检测器6检测出的当前位置为代表的这些在处理内使用的信息能够在包含位置控制装置12在内的NC装置10中记录和显示。
在此，NC装置10具有异常诊断部13，也作为异常诊断装置发挥功能，该异常诊断部13捕捉与进给轴装置11的动作位置对应的频率的变化而进行进给轴装置11的异常诊断。
异常诊断部13根据存储在NC装置10的存储部中的按照规定的异常诊断算法而生成的程序，作为本发明的动作控制单元、检测单元、异常诊断单元发挥功能，执行进给轴装置11的异常诊断。以下，根据图2的流程图说明异常诊断部13的异常诊断的过程。
首先，在S(“STEP”的缩写，以下相同)1中，以规定的动作模式使进给轴装置11进行动作，检测由进给轴装置11产生的物理量信号(动作控制步骤和检测步骤)。
接着，在S2中，对检测出的物理量信号的数据进行频率分析。
接着，在S3中，根据频率分析的结果，计算与动作位置对应的频率及其频率强度，提取具有比规定的阈值大的频率强度的动作位置和频率。
然后，在S4中，通过判定提取出的动作位置和频率的关系、与进给轴装置11中产生弯曲振动模式的动作位置和频率的关系的一致情况，进行滚珠丝杠8的磨耗判定(S2～S4：异常诊断步骤)。进给轴装置11的弯曲振动模式是通过将进给轴装置11的参数代入以下所示的梁的弯曲振动模式(固有振动频率)的式(1)中而计算出的。
[式1]
在此，设根据边界条件和振动模式而确定的无量纲的常数为λ、梁的长度为l、梁的材料的杨氏模量为E、梁的面积二次矩为I、梁的材料的每单位体积的质量为ρ、梁的截面积为A。
接着，对上述异常诊断方法的具体例进行叙述。
首先，在S1中的规定的动作模式中，设以固定速度通过单程进给进行滚珠丝杠8的全行程，要检测的物理量信号是转矩指令值。
在S2中，关于针对检测出的转矩指令值的数据进行的频率分析，对按每个固定行程区间进行划分得到的转矩指令值的数据进行FFT，得到全行程的量的转矩指令值的数据的FFT结果。
在S3中，通过将被进行了FFT的行程区间和FFT结果对应起来，计算与各动作位置对应的频率及其频率强度，提取具有比规定的阈值大的频率强度的动作位置和频率。
在S4中，图3所示的进给轴装置11的弯曲振动模式是通过将进给轴装置11的参数代入梁的弯曲振动模式的式(1)中计算出的。λ为根据滚珠丝杠8的支承状态而发生变化的值。l为从滚珠丝杠8的支承轴承到螺母9a的距离，例如使用螺母9a的中心而计算出。E为滚珠丝杠8的杨氏模量，I为滚珠丝杠8的面积二次矩，ρ为滚珠丝杠8的密度，A为滚珠丝杠8的截面积。
图4是示出在S3中提取出的动作位置与频率的关系的图，是动作声音较大且滚珠丝杠8出现了磨耗的事例。可以确认出现了如图3所示的曲线。
并且，在确认提取出的动作位置和频率的关系、与产生弯曲振动模式的动作位置和频率的关系的一致情况时，例如，将边界条件为两端固定且振动模式为1次的情况下的值4.730代入到式(1)的λ，以在该情况下得到的图3所示的进给轴装置11的弯曲振动模式的实线所示的1次曲线A为中心，设定在两端具有宽度的区域A1(在图4中用单点划线包围的区域)。关于具有宽度的方式，可以设定成使作为中心的曲线平行移动而得到的范围，也可以设定成从作为中心的曲线起沿着曲线的法线方向隔开固定距离而得到的范围。此外，将动作位置与频率的关系的整个区域设为A2(图4中用虚线包围的区域)。
计算所设定的区域A1内的、成为区域A2中的频率强度的平均值以上的区域所占的比例，将计算结果大于规定的阈值的情况诊断为异常(滚珠丝杠8的磨耗)。规定的阈值例如也可以是区域A2中的、成为频率强度的平均值以上的区域所占的比例。诊断结果通过显示在NC装置10的监视器上或发出警告声来通知。
这样，根据上述方式的进给轴装置11的异常诊断方法和NC装置10(异常诊断装置)，针对具有滚珠丝杠8(丝杠轴)和螺母9a并组装在机床中的进给轴装置11执行以下步骤：动作控制步骤(S1)，控制进给轴装置11的动作，以使滚珠丝杠8以规定的动作模式进行动作；检测步骤(S1)，检测从进给轴装置11产生的转矩指令值(物理量信号)；以及异常诊断步骤，根据在检测步骤中检测出的转矩指令值来进行进给轴装置11的异常诊断，在异常诊断步骤中，对转矩指令值进行频率分析(S2)，分别提取与动作模式中的多个动作位置对应的频率(S3)，将与各动作位置对应的频率的变化与弯曲振动模式进行比较而进行异常诊断(S4)。
因此，能够在不针对在进给轴装置11的控制中使用的最低限度的结构增加传感器等其他结构要素的情况下进行异常诊断，从而不会产生伴随传感器等的增加的成本增加或故障风险的增加。因此，能够以低成本和低风险进行进给轴装置11的异常诊断。
另外，在本实施方式中，作为最有优点的例子，将要检测的物理量信号设为针对马达的转矩指令值，但只要是从进给轴装置产生的物理量信号即可，也可以检测声音或振动。此外，关于要进行比较的进给轴装置的弯曲振动模式的曲线，可以根据需要扩展为使用图3中虚线所示的2次、3次曲线那样的高次幂。
此外，作为捕捉与动作位置对应的频率的变化来进行诊断的方法，集中说明了提取比规定的阈值大的频率强度的动作位置和频率而与进给轴装置的弯曲振动模式进行比较的方法，但不限于该方式。例如，也可以向预先对因异常时的动作位置而变化的频率的特征进行学习而得到的神经网络中，输入对与多个动作位置对应的频率分析结果进行了彩色图显示的图像而进行异常诊断。同样，也可以将与多个动作位置对应的频率分析结果以矩阵的方式输入到该神经网络中而进行异常诊断。
并且，在本实施方式中，是将滚珠丝杠的磨耗作为异常而进行诊断的，但由于弯曲振动模式是因滚珠丝杠振摆而产生的，因此本发明也能够用于组装时的振摆的状态的判定。
此外，也可以将异常诊断装置与NC装置分开地设置，通过有线或无线与NC装置连接来实施异常诊断。在该情况下，能够同时进行多个机床的异常诊断。
并且，本发明不限于机床，也可以适用于具有进给轴装置的其他机械设备。