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CN113710926A - 能够检测预压的丝杠装置 - Google Patents

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CN113710926A CN202080029189.0A CN202080029189A CN113710926A CN 113710926 A CN113710926 A CN 113710926A CN 202080029189 A CN202080029189 A CN 202080029189A CN 113710926 A CN113710926 A CN 113710926A
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Abstract

提供一种能够高精度地检测预压并且能够降低传感器的输出因发热而受到的影响的能够检测预压的丝杠装置。丝杠装置(1)具备：丝杠轴(2)；螺母构件(3)；多个滚动体(7、8)；至少一个轴向应变传感器(24)(B、D)，其安装于螺母构件(3)的表面，且用于检测螺母构件(3)的轴向应变；以及至少一个圆周方向应变传感器(24)(A、C)，其安装于螺母构件(3)的表面，且用于检测螺母构件(3)的圆周方向应变。基于轴向应变传感器(24)(B、D)与圆周方向应变传感器(24)(A、C)的输出，检测丝杠装置(1)的预压。

Description

能够检测预压的丝杠装置
技术领域
本发明涉及一种能够检测预压的丝杠装置。
背景技术
丝杠装置具备：丝杠轴，其具有螺旋状的外表面槽；以及螺母构件，其具有螺旋状的内表面槽和返回路。螺母构件的返回路与在丝杠轴的外表面槽与螺母构件的内表面槽之间的通路连接，且与返回路一起构成循环路。在循环路配置有多个滚动体。利用马达等使丝杠轴旋转时，滚动体在丝杠轴的外表面槽与螺母构件的内表面槽之间滚动并在循环路中循环，螺母构件在丝杠轴的轴向上移动。
为了使丝杠装置的刚性提高且使定位精度提高，对丝杠装置给予预压。作为丝杠装置的预压，已知有例如双螺母预压、偏置预压、过尺寸滚动体预压。双螺母预压通过使用两个螺母且在两个螺母之间放入衬垫，从而使在各螺母、丝杠轴、以及滚珠间产生的轴向间隙为零。偏置预压通过使螺母构件的内表面槽的一部分相对于螺母构件的内表面槽的另一部分在轴向上进行偏置，从而使轴向间隙为零。过尺寸滚动体预压通过将比丝杠轴的外表面槽与螺母构件的内表面槽之间的通路大的滚动体插入通路，从而使轴向间隙为零。
若长时间使用丝杠装置，则滚动体、丝杠轴、以及螺母构件发生磨损。若这些构件发生磨损，则丝杠装置的预压降低，丝杠装置的刚性、定位精度降低。为了检测预压，在专利文献1公开了一种在双螺母预压的丝杠装置中在两个螺母之间配置检测轴向力的传感器的能够检测预压的丝杠装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-223493号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，丝杠装置根据其使用而发热。在专利文献1记载的能够检测预压的丝杠装置中，存在丝杠装置的发热对传感器的输出给予不良影响的课题。
于是，本发明提供一种能够高精度地检测预压并且能够降低传感器的输出因发热而受到的影响的能够检测预压的丝杠装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的一方案为一种能够检测预压的丝杠装置，其中，所述丝杠装置具备：丝杠轴，其具有螺旋状的外表面槽；螺母构件，其具有螺旋状的内表面槽、以及和在所述外表面槽与所述内表面槽之间的通路连接的返回路；多个滚动体，其配置于包含所述通路与所述返回路的循环路；至少一个轴向应变传感器，其安装于所述螺母构件的表面，且用于检测所述螺母构件的轴向应变；以及至少一个圆周方向应变传感器，其安装于所述螺母构件的表面，且用于检测所述螺母构件的圆周方向应变，所述丝杠装置基于所述轴向应变传感器与所述圆周方向应变传感器的输出来检测丝杠装置的预压。
发明效果
在丝杠装置的预压作用下，在螺母构件的表面产生沿轴向收缩的应变，并且产生沿圆周方向扩展的应变。另一方面，在丝杠装置的发热的作用下，在螺母构件的表面产生沿轴向扩展的应变，并且产生沿圆周方向扩展的应变。通过根据因预压与发热而动作不同的轴向应变传感器和圆周方向应变传感器的输出来检测丝杠装置的预压，能够增大传感器的输出而高精度地检测预压，并且能够降低传感器的输出因发热而受到的影响。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的能够检测预压的丝杠装置的分解立体图。
图2是对双螺母预压的原理进行说明的丝杠装置的局部剖视图。
图3的(a)是示出由双螺母预压引起的衬垫的外表面的变形的示意图，图3的(b)是示出由发热引起的衬垫的外表面的变形的示意图。
图4的(a)是示出传感器的结构的示意图，图4的(b)是示出桥电路的图。
图5是示出丝杠装置的使用期间与预压残存量间的关系的曲线图。
图6是本发明的第二实施方式的丝杠装置的外观立体图。
图7的(a)是对过尺寸滚动体预压的原理进行说明的丝杠装置的局部剖视图，图7的(b)是图7的(a)的b部放大图。
图8的(a)(b)是示出由过尺寸滚动体预压引起的螺母构件的外表面的变形的示意图(图8的(a)是丝杠装置的主视图、图8的(b)是丝杠装置的侧视图)，图8的(c)是示出由发热引起的螺母构件的外表面的变形的示意图。
图9的(a)是本发明的第三实施方式的丝杠装置的局部剖视图(对偏置预压的原理进行说明的图)，图9的(b)是图9的(a)的b部放大图。
图10的(a)是示出由偏置预压引起的螺母构件的外表面的变形的示意图，图10的(b)是示出由发热引起的螺母构件的外表面的变形的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的能够检测预压的丝杠装置(以下仅称为丝杠装置)进行详细地说明。但是，本发明的丝杠装置能够通过各种的方式具体化，并不限于在本说明书记载的实施方式。本实施方式是以通过使说明书的公开充分而使本领域技术人员能够充分理解发明的范围的目的而提供的。
(第一实施方式)
图1示出本发明的第一实施方式的丝杠装置1的分解立体图。丝杠装置1具备丝杠轴2和螺母构件3。螺母构件3具备两个螺母4、5和夹在两个螺母4、5之间的衬垫6。第一实施方式的丝杠装置1的预压为双螺母预压。
在丝杠轴2的外表面形成有螺旋状的外表面槽2a。作为滚动体的滚珠7、8在该外表面槽2a滚动。外表面槽2a的截面形状为尖拱状或者单圆弧状。
在丝杠轴2安装有两个螺母4、5。在螺母4、5形成有供丝杠轴2贯通的孔。在螺母4、5的内表面形成有与丝杠轴2的外表面槽2a对置的内表面槽4a、5a。内表面槽4a、5a的截面形状为尖拱状或单圆弧状。在螺母5设置有用于安装对象构件的凸缘5b。
在丝杠轴2的外表面槽2a与螺母4的内表面槽4a之间形成有螺旋状的通路11。在螺母4设置有连接该通路11的一端与另一端的返回路12，以使滚珠7能够循环。通过通路11与返回路12构成循环路。多个滚珠7以能够循环的方式配置于循环路。
在该实施方式中，返回路12具备：贯通孔13，其设置于螺母4；以及一对方向转换路(循环构件14a、14b)，其连接贯通孔13与通路11。方向转换路在安装于螺母4的轴向的端面的循环构件14a、14b上形成。循环构件14a从丝杠轴2的外表面槽2a铲起在通路11滚动的滚珠7并向贯通孔13引导。经由贯通孔13的滚珠7从相反侧的循环构件14b再次返回至通路11。在螺母5也同样地形成有通路11、贯通孔13、以及方向转换路(循环构件14b)。需要说明的是，也能够将返回路12形成为安装于螺母4、5的返回管。
在螺母4、5的对置端部的外表面形成有键槽16、17。在该键槽16、17嵌合有将两个螺母4、5连结为不能够相对旋转的作为连结部的键18。在衬垫6也形成有供键18嵌合的键槽19。
在螺母4的与衬垫6的相反侧的端面安装有环状的帽21。同样地，在螺母5的与衬垫6的相反侧的端面也被环状的帽22堵塞。帽21、22通过螺丝等紧固构件安装于螺母4、5。
衬垫6夹入两个螺母4、5之间。衬垫6为环状，且具备中心角为大致180度的圆弧状的一对分割体6a、6b。需要说明的是，衬垫6也可以不被分割。
在衬垫6的外表面形成有平坦的取平部6c。在该取平部6c通过粘接剂等粘接单元而安装有传感器24。虽然之后进行详细说明，但传感器24具备一对轴向应变传感器B、D和一对圆周方向应变传感器A、C(参照图4的(a))。轴向应变传感器B、D和圆周方向应变传感器A、C利用金属或半导体伸缩时电阻值变化这一原理来检测衬垫6的外表面的轴向和圆周方向应变。
轴向应变传感器B、D和圆周方向应变传感器A、C的种类没有特别地限定，能够使用例如在绝缘体上安装有金属的电阻体的金属应变器、在绝缘体上安装有半导体的半导体应变器、使用半导体加工技术制作的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)应变传感器等。
图2是对双螺母预压的原理进行说明的丝杠装置1的局部剖视图。在两个螺母4、5之间放入衬垫6，使两个螺母4、5在相互分离的方向上位移时，能够使在丝杠轴2、滚珠7、8、螺母4、5之间产生的轴向间隙为零。7a、8a为接触角线。
图3的(a)是示出由双螺母预压引起的衬垫6的外表面的变形的示意图。在双螺母预压的作用下，在衬垫6向接触角线7a、8a的方向作用力。因此，在衬垫6的外表面产生在与丝杠轴2平行的轴向上收缩的应变31(压缩应变)。另外，在接触角线7a、8a的方向的力的作用下，衬垫6的外表面以隆起的方式变形，因此在衬垫6的外表面产生沿圆周方向扩展的应变32(拉伸应变)。并且，在衬垫6的外表面产生以轴向的压缩载荷的泊松比的量沿圆周方向扩展的应变32(拉伸应变)。轴向应变31与圆周方向应变32的箭头的粗细示出应变的大小。轴向应变31大于圆周方向应变32。
图3的(b)是示出由丝杠装置1的发热引起的衬垫6的外表面的变形的示意图。另一方面，由发热引起的衬垫6的尺寸变化在轴向与圆周方向上均匀地发生。即，在发热的作用下，在衬垫6的外表面产生沿轴向扩展的应变33(拉伸应变)与沿圆周方向扩展的应变34(拉伸应变)。轴向应变33的大小与圆周方向应变34的大小大致相同。
图4的(a)示出在传感器24配置的一对圆周方向应变传感器A、C和一对轴向应变传感器B、D。圆周方向应变传感器A、C在圆周方向上较长，用于检测衬垫6的外表面的圆周方向应变。轴向应变传感器B、D在轴向上较长，用于检测衬垫6的外表面的轴向应变。
图4的(b)示出组装有圆周方向应变传感器A、C和轴向应变传感器B、D的桥电路30。桥电路30为将四个电阻(圆周方向应变传感器A、C和轴向应变传感器B、D)串联地连接而形成为矩形的电路。一对轴向应变传感器B、D配置于桥电路30的对边。一对圆周方向应变传感器A、C配置于桥电路30的另一对边。在对角线上相对的一对端子与电源连接，施加有施加电压。从另一对端子取出输出电压。输出电压利用未图示的放大器进行放大，利用A-D转换器变化为数字值。
在施加输入电压Vin时，输出电压ΔV由以下的通式表示。
[数学式1]
Figure BDA0003305620000000061
在此，RA、RC为圆周方向应变传感器A、C的电阻，RB、RD为轴向应变传感器B、D的电阻。
桥电路30为平衡状态时，即RA＝RC＝RB＝RD＝R时，输出电压ΔV为零。在预压的作用下轴向应变传感器B、D承受压缩应变，电阻RB、RD从R变化为R-ΔR1(在承受压缩应变时电阻变小)，且在预压的作用下圆周方向应变传感器A、C承受拉伸应变，电阻RA、RC从R变化为R+ΔR2时(在承受拉伸应变时电阻增大)，桥电路30的输出电压ΔV由以下的数学式2表示。
[数学式2]
Figure BDA0003305620000000062
对轴向应变传感器B、D的电阻的变化与圆周方向应变传感器A、C的电阻的变化进行相加，因此可知能够使预压引起的传感器的输出增大。
另一方面，在发热的作用下轴向应变传感器B、D承受拉伸应变，电阻RB、RD从R变化为R+ΔR1，且在发热的作用下圆周方向应变传感器A、C承受拉伸应变，电阻RA、RC从R变化为R+ΔR2时，桥电路30的输出电压ΔV由以下的数学式3表示。
[数学式3]
Figure BDA0003305620000000071
从圆周方向应变传感器A、C的电阻的变化减去轴向应变传感器B、D的电阻的变化，因此可知能够降低由发热引起的传感器的输出。
表1汇总了轴向应变传感器B、D与圆周方向应变传感器A、C的电阻的变化。
[表1]
传感器的符号 A B C D
预压引起的电阻的变化 增 减 增 减
发热引起的电阻的变化 增 增 增 增
图5是示出丝杠装置1的使用期间与预压残存量间的关系的曲线图。若长期间使用丝杠装置1，则滚珠7、8、丝杠轴2、螺母构件3磨损，丝杠装置1的预压降低。若预压降低，则衬垫6的外表面的应变变小，传感器24的输出降低。通过比较初始的传感器24的输出与经过某个时间后的传感器24的输出，能够检测预压、即能够知道经过某个时间后降低了何种程度的预压。
需要说明的是，可以比较传感器24的输出与规定的阈值，判断丝杠装置1的故障，也可以对传感器24的输出进行机器学习，判断丝杠装置1的故障。另外，也可以导入IoT，将传感器24的输出利用发送机通过因特网线路而发送至云端。
以上对第一实施方式的丝杠装置1的结构进行了说明。根据第一实施方式的丝杠装置1，起到有以下的效果。
通过根据因预压与发热而动作不同的轴向应变传感器B、D与圆周方向应变传感器A、C的输出来检测预压，能够使传感器24的输出增大而高精度地检测预压，并且能够降低传感器24的输出因发热而受到的影响。
通过将轴向应变传感器B、D与圆周方向应变传感器A、C组装至桥电路30，能够对预压引起的输出电压进行放大，并且能够消除发热引起的输出电压。
通过在衬垫6的取平部6c安装轴向应变传感器B、D与圆周方向应变传感器A、C，使这些构件容易地安装于螺母构件3。另外，能够高精度地检测圆周方向应变。若在衬垫6的圆周面安装圆周方向应变传感器A、C，则圆周面的曲率随着衬垫6的膨胀而变化，因此难以高精度地检测圆周方向应变。
(第二实施方式)
图6示出本发明的第二实施方式的丝杠装置41的外观立体图。第二实施方式的丝杠装置41具备丝杠轴2和单螺母构件5。丝杠装置41的预压为过尺寸滚动体预压。
丝杠轴2的结构与第一实施方式大致相同，因此标注相同的附图标记而省略其说明。螺母构件5的基本结构与第一实施方式的螺母5大致相同，因此标注相同的附图标记而省略其说明。
图7的(a)是对过尺寸滚动体预压的原理进行说明的丝杠装置41的局部剖视图。滚珠8使用直径比丝杠轴2的外表面槽2a与螺母构件5的内表面槽5a之间的通路11大的过尺寸的滚珠8。滚珠8在外表面槽2a与内表面槽5a之间被压缩。图7的(b)的附图标记8a、8b为接触角线。丝杠轴2的外表面槽2a的间距P在外表面槽2a的全长范围内实质上恒定。螺母构件5的内表面槽5a的间距P也在内表面槽5a的全长范围内实质上恒定。
如图6所示，在螺母构件5的外表面形成有平坦的取平部5c。通过粘接剂等粘接单元将传感器24安装于取平部5c。传感器24在螺母构件5的外表面配置于通路11的轴向的一端与轴向的另一端之间(由图7的3P示出的范围内)。
图8的(a)是示出由过尺寸滚动体预压引起的螺母构件5的外表面的变形的示意图。如图8的(a)所示，在过尺寸滚动体预压的作用下，从滚珠8向螺母构件5作用有半径方向的力P，螺母构件5以其外周部膨胀的方式变形。因此，如图8的(a)(b)所示，在螺母构件5的外表面产生沿圆周方向扩展的应变32(拉伸应变)。另外，在轴向产生相当于螺母构件5的外周部的膨胀的泊松比的量的收缩应变31(压缩应变)。圆周方向应变32大于轴向应变31。
图8的(c)是示出由发热引起的螺母构件5的外表面的变形的示意图。另一方面，由发热引起的螺母构件5的尺寸变化在轴向与圆周方向上均匀地发生。轴向应变33与圆周方向应变34大致相同。
与第一实施方式的丝杠装置1相同，传感器24具备：一对圆周方向应变传感器A、C，其检测螺母构件5的外表面的圆周方向应变；以及一对轴向应变传感器B、D，其检测螺母构件5的外表面的轴向应变(参照图4的(a))。一对轴向应变传感器B、D配置于桥电路30的对边(参照图4的(b))。一对圆周方向应变传感器A、C配置于桥电路30的另一对边(参照图4的(b))。
根据第二实施方式的丝杠装置41，通过根据因预压与发热而动作不同的轴向应变传感器B、D与圆周方向应变传感器A、C的输出来检测预压，能够使传感器24的输出增大而高精度地检测预压，并且能够降低传感器24的输出因发热而受到的影响。
(第三实施方式)
如图9所示，第三实施方式的丝杠装置51具备丝杠轴2和单螺母构件5。第三实施方式的丝杠装置51的基本结构与第二实施方式的丝杠装置41大致相同。第三实施方式的丝杠装置51的预压为偏置预压。
丝杠轴2的结构与第一实施方式大致相同，因此标注相同的附图标记而省略其说明。螺母构件5的结构与第二实施方式的丝杠装置41的螺母构件5大致相同，因此标注相同的附图标记而省略其说明。
图9是对偏置预压的原理进行说明的图。如图9所示，螺母构件5的内表面槽5a的一部分5a1相对于另一部分5a2在螺母构件5的轴向上偏置。内表面槽5a的一部分5a1的导程为L，内表面槽5a的另一部分5a2的导程为L，一部分5a1与另一部分5a2之间的偏置部52的导程为L+α。附图标记8a、8b示出接触角线。包含内表面槽5a的一部分5a1的循环路与包含内表面槽5a的另一部分5a2的循环路在轴向上分离。需要说明的是，也可以在2条内表面槽5a之间进行偏置预压。
在螺母构件5的外表面的取平部5c通过粘接剂等粘接单元安装有传感器24(参照图6)。传感器24在螺母构件5的外表面配置于螺母构件5的内表面槽5a的一部分5a1与另一部分5a2之间的偏置部52。
图10的(a)是示出由偏置预压引起的螺母构件5的外表面的变形的示意图。在螺母构件5的偏置部52在接触角线8a、8b的方向上作用有载荷(参照图9的(a))。因此，在螺母构件5的偏置部52的外表面产生沿轴向收缩的应变31(压缩应变)。另外，在螺母构件5的偏置部52的外表面产生沿圆周方向扩展的应变32(拉伸应变)。需要说明的是，偏置预压引起的圆周方向应变32大于由双螺母预压引起的圆周方向应变32(参照图3的(a))。这是由于螺母构件5形成为一体。
图10的(b)是示出由发热引起的螺母构件5的外表面的变形的示意图。另一方面，由发热引起的螺母构件5的尺寸变化在轴向与圆周方向上均匀地发生。轴向应变33与圆周方向应变34大致相同。
与第一实施方式的丝杠装置1相同，传感器24具备：一对圆周方向应变传感器A、C，其检测螺母构件5的外表面的圆周方向应变；以及一对轴向应变传感器B、D，其检测螺母构件5的外表面的轴向应变(参照图4的(a))。一对轴向应变传感器B、D配置于桥电路30的对边(参照图4的(b))。一对圆周方向应变传感器A、C配置于桥电路30的另一对边(参照图4的(b))。
根据第三实施方式的丝杠装置51，通过根据因预压与发热而动作不同的轴向应变传感器B、D与圆周方向应变传感器A、C的输出来检测预压，能够使传感器24的输出增大而高精度地检测预压，并且能够降低传感器的输出因发热而受到的影响。
需要说明的是，本发明不限于上述实施方式，能够在不变更本发明的主旨的范围以其他的实施方式具体化。例如，对于滚动体，可以使用滚子代替滚珠。
虽然在上述实施方式的双螺母预压的丝杠装置中使衬垫介于两个螺母之间，但也能够代替衬垫使弹簧介于两个螺母之间。另外，也可以使两个螺母以拧入的方式旋转，且在两个螺母之间放入固定销而使两个螺母止转。该情况下，传感器配置于两个螺母的对置端部的至少一方。
在上述实施方式中，虽然在螺母构件的外表面安装应变传感器，但也能够在螺母构件的内表面安装应变传感器。
在上述实施方式中，虽然能够在螺母构件的外表面安装应变传感器，但也可以在螺母构件的外表面形成孔，并将传感器配置于孔的底面。
本说明书基于2019年4月17日申请的特愿2019-078275。其内容全部包含于此。
附图标记说明
1、41、51…丝杠装置；2…丝杠轴；2a…外表面槽；3、5…螺母构件；4、5…螺母；4a、5a…内表面槽；5a1…内表面槽的一部分；5a2…内表面槽的另一部分；5c、6c…取平部；6…衬垫；7、8…滚动体；11…通路；12…返回路；30…桥电路；52…偏置部；A、C…圆周方向应变传感器；B、D…轴向应变传感器。

Claims (6)

1.一种能够检测预压的丝杠装置，其中，
所述丝杠装置具备：
丝杠轴，其具有螺旋状的外表面槽；
螺母构件，其具有螺旋状的内表面槽、以及和在所述外表面槽与所述内表面槽之间的通路连接的返回路；
多个滚动体，其配置于包含所述通路和所述返回路的循环路；
至少一个轴向应变传感器，其安装于所述螺母构件的表面，且用于检测所述螺母构件的轴向应变；以及
至少一个圆周方向应变传感器，其安装于所述螺母构件的表面，且用于检测所述螺母构件的圆周方向应变，
所述丝杠装置基于所述轴向应变传感器与所述圆周方向应变传感器的输出来检测丝杠装置的预压。
2.根据权利要求1所述的能够检测预压的丝杠装置，其特征在于，
所述轴向应变传感器与所述圆周方向应变传感器组装于桥电路。
3.根据权利要求1或2所述的丝杠装置，其特征在于，
所述丝杠装置的预压为使衬垫介于相邻的螺母之间的双螺母预压，
所述轴向应变传感器与所述圆周方向应变传感器配置于所述衬垫的外表面或内表面。
4.根据权利要求1或2所述的丝杠装置，其特征在于，
所述丝杠装置的预压为使用比所述通路大的所述滚动体的过尺寸滚动体预压，
所述轴向应变传感器与所述圆周方向应变传感器在所述螺母构件的外表面或内表面配置于所述通路的所述轴向的一端与所述轴向的另一端之间。
5.根据权利要求1或2所述的丝杠装置，其特征在于，
所述丝杠装置的预压为使单个所述螺母构件的所述内表面槽的一部分相对于另一部分在所述螺母构件的轴向上偏置的偏置预压，
所述轴向应变传感器与所述圆周方向应变传感器在所述螺母构件的外表面或内表面配置于所述内表面槽的所述一部分与所述另一部分之间的偏置部。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的丝杠装置，其特征在于，
所述轴向应变传感器与所述圆周方向应变传感器安装于所述螺母构件的平坦的取平部。
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