JP3225618B2

JP3225618B2 - 振動検査装置

Info

Publication number: JP3225618B2
Application number: JP23282292A
Authority: JP
Inventors: 博之松崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 2001-11-05
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JPH0658849A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軸受の真円度・形状、
うねり（ウェービネス）を評価するのに好適な振動検査
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受を構成する外輪、内輪、転動
体（玉、ころ）などの転動部品（軸受部品）の真円度・
形状、うねりを評価する装置として、従来、真円度測定
機、ウェービネス・メータが知られている。

【０００３】真円度測定機は、転動部品の軌道面の凹凸
を示す形状信号を測定子により検出し、検出した形状信
号の中からローパスフィルタにより所定角数範囲（うね
りの山数）に対応する周波数成分を抽出することによ
り、軸受部品の軌道面の円周方向の半径の変化、すなわ
ち真円度を評価している。

【０００４】また、ウェービネス・メータは、各軸受部
品を単体で一定速度で回転させ、速度型センサにより軌
道面の凹凸をピックアップし、一定の角数範囲の速度振
幅、または変位振幅の実効値（例えば２乗平均値）とし
て、通常２バンド（ＬｏｗＢａｎｄ、ＨｉｇｈＢａｎ
ｄ）で角数（うねりの山数）を評価している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、完成軸受に
おいて、各軸受部品の全ての角数成分が振動を励起する
のではなく、各軸受部品の特定の角数成分だけが振動を
励起し、その特定の角数成分に対応する振動数も知られ
ている。また、軸受の振動特性では、軸受が組み込まれ
るハウジング等との共振を回避することが要求されてい
る。

【０００６】しかし、従来の真円度測定機、ウェービネ
ス・メータは、いずれも一定角数範囲内の全ての角数成
分のトータル値で評価しており、軸受振動、或いは共振
を励起する特定の角数成分だけを抽出して評価すること
ができないため、各軸受部品の出来ばえが完成軸受にお
いてどの程度振動・騒音に影響を及ぼすか、さらに完成
軸受のどの軸受部品が悪いのか、すなわちどの軸受部品
が軸受振動の発生原因となるのかを判定することができ
ず、更に、たとえ軸受が組み込まれるハウジング等との
共振周波数が与えられたとしても、共振を回避するため
の各軸受部品の加工情報を得ることができななった。

【０００７】本発明は、このような事情の下になされた
もので、その目的は、軸受単品の段階で軸受振動の発生
原因となるうねりの山数成分のレベルを正確に把握し
て、完成軸受の振動を大幅に低減することができ、かつ
完成軸受の振動から振動発生源となる軸受部品を特定す
ることができ、かつ、軸受と他の構造体との共振を回避
するための各軸受部品の加工情報を得ることができる振
動検査装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、外輪、内輪、転動体等の転動部品を単体
で回転させて軌道表面の凹凸による振動波を検知するセ
ンサと、該センサにより検知された振動波の強度を周波
数分析する周波数分析手段とを有する振動検査装置にお
いて、前記周波数分析手段の分析対象としての強度を変
位振幅、速度振幅、加速度振幅のいずれの評価量にする
かを選択する評価量選択手段と、前記評価量選択手段に
よる選択に基づいて前記周波数分析手段により周波数分
析された変位振幅、速度振幅、加速度振幅のいずれかの
振幅スペクトルを得て、測定対象の前記転動部品の測定
すべきうねりの山数の範囲の変位スペクトルから前記転
動部品の変位に係る形状・精度を演算する真円度形状演
算手段か、或いは測定対象の前記転動部品が使用される
完成軸受の諸元データを設定する軸受諸元設定部と、前
記軸受諸元設定部に設定された測定対象の前記転動部品
が使用される完成軸受の諸元データに基づいて、測定す
べき転動部品に励起される振動の振動数の抽出範囲を決
定する振動数決定部と、前記振動数決定部により決定さ
れた振動数における速度スペクトル、又は加速度スペク
トルの統計量を演算する統計量演算部とを有する抽出演
算手段かのいずれか一方の手段を少なくとも備えてい
る。また、本発明では、前記軸受諸元設定部に設定され
る前記完成軸受の諸元データは、転動体数、内輪回転速
度、保持器回転速度、転動体自転速度等のパラメータを
用いて前記測定すべきうねりの山数、及び各転動部品に
励起される振動の振動数を表現した演算式データにより
構成されてメモリに記憶されている。また、本発明で
は、前記真円度形状演算手段は、測定対象の前記転動部
品の軸方向に前記センサを走査するセンサ走査部を有し
ている。また、本発明では、前記周波数分析手段は、Ｆ
ＦＴアナライザにより構成され、前記センサは、速度型
振動検知センサにより構成されている。

【０００９】

【作用】センサは、外輪、内輪、転動体からなる転動部
品により構成された転がり軸受を回転させ、或いは前記
転動部品を単体で回転させて軌道表面の凹凸による振動
波を検知する。

【００１０】周波数分析手段は、前記センサにより検知
された振動波の強度を周波数分析する。

【００１１】評価量選択手段は、前記周波数度分析手段
の分析対象としての強度を変位振幅、速度振幅、加速度
振幅のいずれの評価量にするかを選択する。

【００１２】前記真円度形状演算手段は、前記評価量選
択手段による選択に基づいて前記周波数分析手段により
周波数分析された変位振幅、速度振幅、加速度振幅のい
ずれかの振幅スペクトルを得て、測定対象の前記転動部
品の測定すべきうねりの山数の範囲の変位スペクトルか
ら前記転動部品の変位に係る形状・精度を演算する。

【００１３】前記抽出演算手段の軸受諸元設定部は、測
定対象の前記転動部品が使用される完成軸受の諸元デー
タを設定する。

【００１４】前記抽出演算手段の振動数決定部は、前記
軸受諸元設定部に設定された測定対象の前記転動部品が
使用される完成軸受の諸元データに基づいて、測定すべ
き転動部品に励起される振動の振動数の抽出範囲を決定
する。

【００１５】前記抽出演算手段の統計量演算部は、前記
振動数決定部により決定された振動数における速度スペ
クトル、又は加速度スペクトルの統計量を演算する。

【００１６】すなわち、本発明では、軸受単品の段階で
軸受振動の発生原因となるうねりの山数成分のレベルが
把握され、或いは、軸受単品の段階で軸受として完成さ
れた場合に軸受振動の発生源となる軸受部品が特定され
る。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施例による振動検査
装置の概要を示すブロック図であり、速度型振動検知セ
ンサ１、ロータリーエンコーダ２、アンプ３、ローパス
フィルタ４、Ａ／Ｄ変換器５、同期加算器６、時間軸波
形表示制御部７、ＦＦＴアナライザ８、評価量選択部
９、角数範囲設定部１０、真円度・形状演算部１１、セ
ンサー走査部１２、軸受部品選択部１３、軸受諸元設定
部１４、抽出角数成分決定部１５、および統計量演算部
１６を有している。なお、ＦＦＴアナライザ８は、ＦＦ
Ｔ演算部８１、およびパワースペクトル演算部８２を有
している。また、時間軸波形表示制御部７、評価量選択
部９、角数範囲設定部１０、真円度・形状演算部１１、
センサー走査部１２、軸受部品選択部１３、軸受諸元設
定部１４、抽出角数成分決定部１５、および統計量演算
部１６は、パーソナルコンピュータＰＣにより構成され
ている。

【００１９】速度型振動検知センサ１は、完成軸受、或
いは軸受部品単体を回転させたときのたの振動速度を検
知するために設けられ、例えば接触式のムービングコイ
ル型のセンサが採用されている。完成軸受の振動速度を
検知する場合は、触針（図示省略）を完成軸受の外周に
接触させ、軸受部品単体の振動速度を検知する場合は、
軌道面に触針を接触させて検知を行う。速度型振動検知
センサ１の触針は、検査対象のワークＷとしての完成軸
受、軸受部品の軌道面のうねり等により変位するが、そ
の際、１．７７８ｍ／ｓｅｃの変位速度あたり１Ｖの電
圧信号、すなわち速度振幅信号を発生する。なお、ワー
クＷの回転速度は任意に変更可能であるが、以下の説明
では、４８０ｒｐｍ、すなわち８回転／ｓｅｃの回転速
度で回転されるものとして説明する。

【００２０】ロータリーエンコーダ２は、ワークＷの回
転に連動して回転し、ワークＷが１回転する間に２０４
８個のパルスを発生し、そのパルスをＡ／Ｄ変換器５に
出力する。

【００２１】速度型振動検知センサ１により検知された
速度振幅信号（電圧信号）は、アンプ３により増幅さ
れ、ローパスフィルタ４により７．５ＫＨｚ以上の高周
波成分が低減されて、Ａ／Ｄ変換器５に出力される。そ
こで、Ａ／Ｄ変換器５は、ロータリーエンコーダ２から
のパルスに基づいて、１回転当たりの速度振幅信号を２
０４８区画に分割した形でサンプリングしてＡ／Ｄ変換
を行い、デジタルの速度振幅信号を同期加算器６と時間
軸波形表示制御部７とに出力する。

【００２２】同期加算器６は、Ａ／Ｄ変換器５により１
回転当たり２０４８個出力されるデジタルの速度振幅信
号について、Ｓ／Ｎ比の少ない速度振幅信号にするため
に、同一区画に対応する速度振幅信号を所定個数ずつ加
算して、ＦＦＴアナライザ８のＦＦＴ演算部８１に出力
する。

【００２３】なお、完成軸受では、同期加算は行なわ
ず、Ａ／Ｄ変換後の速度振幅信号をそのままＦＦＴ演算
部８１に出力することができる。

【００２４】時間軸波形表示制御部７は、速度振幅信号
の波形（時間軸波形）をモニタ表示させるものであり、
ワークＷに傷がある場合には、ＦＦＴアナライザ８によ
り得られるパワースペクトルが角数（うねりの山数）を
忠実に反映しなくなるため、この傷を見つけだすために
設けられている。

【００２５】ＦＦＴアナライザ８のＦＦＴ演算部８１
は、同期加算器６から出力された速度振幅信号（時間軸
上の信号）を周波数軸上の信号に変換するための演算
を、高速フーリエ変換の手法により行う。この際、ＦＦ
Ｔ演算部８１は、２０４８ポイントの速度振幅信号を取
り込んで演算を行い、パワースペクトルを求める（図２
参照）。すなわち、ＦＦＴアナライザ８は、ワークＷの
１回転分に対応する速度振幅信号の周波数を分析し、パ
ワースペクトルを求める。なお、ＦＦＴアナライザ８
は、次に説明するように、評価量選択部９により変位振
幅、或いは加速度振幅が選択されたときは、速度振幅ス
ペクトルを変位振幅スペクトル、或いは加速度振幅スペ
クトルに変換する。また、パワースペクトル演算部８２
は、最高８１９２Ｈｚまで演算可能となっている。

【００２６】評価量選択部９は、変位振幅、速度振幅、
加速度振幅の評価量のうちのいずれかを目的に応じて選
択する。パワースペクトル演算部８２は、評価量選択部
９により変位振幅が選択されたときは、速度振幅スペク
トルを積分して変位振幅スペクトルに変換し、加速度振
幅が選択されたときは、速度振幅スペクトルを微分して
加速度振幅スペクトルに変換する。

【００２７】角数範囲設定部１０は、評価量選択部９に
より変位振幅が選択された場合に、任意に角数範囲（周
波数範囲）を設定する。この場合、上限の角数と下限の
角数を設定することにより角数範囲を設定する。

【００２８】軸受部品単体に対しては、真円度・形状演
算部１１は、角数範囲設定部１０により設定された範囲
の角数成分（周波数成分）について、パワースペクトル
演算部８２により演算された変位振幅スペクトルに基づ
いて真円度・形状を演算する。真円度・形状演算部１１
により演算された真円度・形状は、例えば図３に示した
ように２次元的にパーソナルコンピュータＰＣの表示部
に表示される。なお、図３は、角数範囲設定部１０によ
り角数範囲として１５０角〜３００角が設定された場合
を示し、１２本のスケールの１目盛りは、０．２ｎｍを
示している。

【００２９】センサー走査部１２は、ワークＷの検査位
置をスラスト方向にシフトすべく速度型振動検知センサ
１の触針を走査する。例えば、外輪の軌道面の真円度・
形状を検査する場合は、図４（ａ）に矢印で示したよう
に、外輪の軌道面上でスラスト方向に所定間隔で速度型
振動検知センサ１の触針を走査する。センサー走査部１
２により速度型振動検知センサ１の触針が走査される
と、その走査位置に対応するラインでの速度振幅が検知
され、ＦＦＴアナライザ８により変位振幅スペクトルが
演算され、真円度・形状演算部１１により真円度・形状
が演算される。そして、全てのスキャニングラインにお
ける真円度・形状は、図４（ｂ）に示したように、３次
元的に表示される。なお、図４は、外輪の軌道面の真円
度・形状を測定した測定データを１万倍した図であり、
角数範囲設定部１０により角数範囲として２角〜５０角
が設定され、スキャニングピッチは０．２ｍｍの場合の
例を示している。

【００３０】次に、軸受部品選択部１３、軸受諸元設定
部１４、抽出角数成分決定部１５、および統計量演算部
１６について説明するが、その前に、角数と振動数との
関係を説明しておく。

【００３１】一定のスラスト荷重が加わり、内輪が回転
する転がり軸受の外輪の半径方向、角方向（傾き方
向）、および軸方向の振動に影響する正弦波状のうねり
の山数（角数）と、外輪に発生する振動の振動数との関
係は、図５に示したようになることが理論的に知られて
いる。図５は、特定の山数（角数）をもったうねりだけ
が外輪振動の発生原因となり、それ以外の山数（角数）
をもったうねりは外輪振動の発生原因とはならないこと
を示している。たとえば、転動体の数（Ｚ）が８個の場
合は、内輪の半径方向の（ｎＺ±１）山、すなわち８±
１山、１６±１山、２４±１山…の山数（角数）をもっ
たうねりだけが外輪の半径方向の振動を励起し、その場
合の内輪のうねりによる外輪の振動数は、ｆｉ＝ｆｒ
（内輪回転速度）−ｆｃ（保持器回転速度：転動体の公
転速度）とすると、（ｎ８ｆｉ±１）となる。また、同
様に転動体の場合は、偶数角のみが軸受振動を誘起する
ので、奇数成分は除外した統計量、例えば２山、４山…
１０山までの成分の総和や最大量を算出する。これら軌
道輪、転動体の測定対象とする山数は、製品の共振特性
回避、ＮＲＲＯ低減など、評価の目的に応じて選択され
る。なお、図５の情報は、図示省略したメモリにプリセ
ットされている。

【００３２】軸受部品選択部１３、軸受諸元設定部１
４、抽出角数成分決定部１５、統計量演算部１６では、
このような振動発生原理を利用して、ＦＦＴアナライザ
８により分析されたパワースペクトルについて、振動発
生に関与する周波数成分（角数成分）のみを抽出してい
る。

【００３３】軸受部品選択部１３は、評価量選択手段９
により速度振幅、または加速度振幅のいずれかが選択さ
れた場合に、外輪、内輪、転動体のいずれかを選択す
る。この場合、速度型振動検知センサ１の検知対象とし
てのワークＷが軸受部品単体、すなわち外輪、内輪、転
動体のいずれか１つである場合は、その検知対象となっ
ている外輪、内輪、或いは転動体のいずれか１つを選択
し、完成軸受が検知対象となっている場合は、外輪、内
輪、転動体を順次１つずつ選択する。また、軸受部品選
択部１３は、軌道輪（外輪、または内輪）を選択した場
合は、うねりの方向（半径方向、角方向、或いは軸方
向）をも選択する。

【００３４】完成軸受については軸受諸元設定部１４
は、軸受部品選択部１３により選択された軸受部品の軌
道面のうねりに起因する外輪振動の振動数に関与する転
動体数（Ｚ）、内輪回転速度（ｆr）、保持器回転速度
（転動体公転速度：ｆc）、転動体自転速度（ｆb）など
の諸元データを、図５の振動発生原理に従って設定す
る。この際、軸受諸元設定部１４は、最高次数（ｎの
値）をも設定する。たとえば、軸受部品選択部１３によ
り外輪、および半径方向が選択された場合は、図５にお
いて外輪のうねりに起因する外輪の半径方向の振動数は
ｎＺｆcとなっているので、軸受諸元設定部１４は、諸
元データとして転動体数（Ｚ）、保持器回転速度（ｆ
c）、および最高次数（ｎ）を設定する。また、軸受部
品選択部１３により転動体、および軸方向が選択された
場合は、図５において転動体のうねりに起因する外輪の
軸方向の振動数は２ｎｆbとなっているので、軸受諸元
設定部１４は、諸元データとして転動体自転速度（ｆ
b）、および最高次数（ｎ）を設定する。なお、図５に
おいて振動数の式にｆiが含まれている場合は、ｆi＝
（ｆr：内輪回転速度）−（ｆc：保持器回転速度）であ
り、ｆiは内輪回転速度（ｆr）と保持器回転速度（ｆ
c）により求められるので、軸受諸元設定部１４は、ｆi
の代わりに内輪回転速度（ｆr）と保持器回転速度（ｆ
c）を設定する。

【００３５】抽出角数成分決定部１５は、軸受部品選択
部１３により選択された軸受部品、うねりの方向と、軸
受諸元設定部１４により設定された諸元データ、最高次
数とに基づいて、対応する振動数成分（角数成分）を図
５の振動発生原理に従って決定する。

【００３６】統計量演算部１６は、パワースペクトル演
算部８２により演算された速度振幅スペクトル、或いは
加速度振幅スペクトルから、抽出角数成分決定部１５に
より決定された抽出周波数に対応するパワースペクトル
を切り出して、２乗平均値の平方根、算術平均値、最大
値などの統計量を演算し、表示部に表示する。たとえ
ば、外輪単体でＺ＝６，ｎ＝３とすると、半径方向振動
に関与する成分として、５角、７角、１１角、１３角、
１７角、１９角成分を抽出する。このように、外輪の振
動に関与するパワースペクトルのみを切り出して統計量
を演算することにより、各軸受部品、或いは完成軸受の
良否を判断することが可能となる。

【００３７】また、統計量演算部１６は、パワースペク
トル演算部８２により演算された速度振幅スペクトル、
或いは加速度振幅スペクトルから、角数範囲設定手段１
０により設定された角数範囲（角数成分）に対応するパ
ワーペクトルを切り出して、２乗平均値の平方根、算術
平均値、最大値などの統計量を演算し、表示部に表示す
る。この場合の統計量は、次のような場合に利用する。
すなわち、軸受と他の構造体との共振を励起する角数成
分（周波数成分）が予め分かっているような場合、その
角数成分を角数範囲設定手段１０により設定する。する
と、統計量演算部１６は、共振を励起する角数成分に対
応するパワーペクトルを切り出して、２乗平均値の平方
根、算術平均値、最大値などの統計量を演算し、表示部
に表示する。そこで、その表示内容に基づいて、軸受と
他の構造体との間で共振を発生する恐れがあるか否かを
判断し、共振を発生する恐れがあれば、それを回避する
ための各軸受部品の加工条件を決定したり、或いは転動
体数の変更を決定したりすることができる。

【００３８】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ことなく、たとえば、角数範囲設定手段１０により、低
次の角数範囲内で各角数を１つずつ設定し、図６に示し
たように、変位振幅スペクトル、速度振幅スペクトル、
加速度振幅スペクトルのいずれかについて、各角数ごと
の成分の大きさを得るハーモニック解析を行うことも可
能である。なお、図６（ａ）は、鋼玉（転動体）の１回
転当たりの変位振幅についてハーモニック解析した場合
の生のデータ例を示しており、図６（ｂ）は図６（ａ）
の生のデータをグラフ化したものである。

【００３９】また、従来のウェービネス・メータは、評
価する周波数帯域を２区分としているが、これを３区
分、６区分…、または１／Ｎオクターブバンドに分割
し、その区分ごとの実効値、最大値等を得るようにして
も良い。

【００４０】なお、軸受または軸受単体部品について説
明したが、歯車、プーリなど周期的振動を生じるものに
ついても、本発明は同様に適用できる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の振動検査
装置によれば、軸受単品段階で軸受振動の発生原因とな
る角数成分の程度を把握することで完成軸受の振動を大
幅に低減することができ、又、完成軸受については、軸
受振動の発生源となる軸受部品を特定することができ、
かつ、軸受と他の構造体との共振を回避するための各軸
受部品の加工情報を得ることができる振動検査装置を実
現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による振動検査装置の概略構
成を示すブロック図である。

【図２】速度振幅スペクトルを例示した図である。

【図３】測定した真円度・形状を２次元的に表示した図
である。

【図４】測定した真円度・形状を３次元的に表示した図
である。

【図５】軸受振動の発生原理を示した図である。

【図６】本発明の一実施例による振動検査装置をハーモ
ニック解析に応用した応用例を示す図である。

【符号の説明】

１速度型振動検知センサ２ロータリーエンコーダ４ローパスフィルタ５Ａ／Ｄ変換器６同期加算器８ＦＦＴアナライザ９評価量選択部１０角数範囲設定部１１真円度・形状演算部１２センサー走査部１３軸受部品選択部１４軸受諸元設定部１５抽出角数成分決定部１６統計量演算部８１ＦＦＴ演算部８２パワースペクトル演算部ＰＣパーソナルコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 13/04 F16C 19/52 G01H 17/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外輪、内輪、転動体等の転動部品を単体
で回転させて軌道表面の凹凸による振動波を検知するセ
ンサと、該センサにより検知された振動波の強度を周波
数分析する周波数分析手段とを有する振動検査装置にお
いて、前記周波数分析手段の分析対象としての強度を変位振
幅、速度振幅、加速度振幅のいずれの評価量にするかを
選択する評価量選択手段と、前記評価量選択手段による選択に基づいて前記周波数分
析手段により周波数分析された変位振幅、速度振幅、加
速度振幅のいずれかの振幅スペクトルを得て、測定対象
の前記転動部品の測定すべきうねりの山数の範囲の変位
スペクトルから前記転動部品の変位に係る形状・精度を
演算する真円度形状演算手段か、或いは測定対象の前記転動部品が使用される完成軸受の
諸元データを設定する軸受諸元設定部と、前記軸受諸元
設定部に設定された測定対象の前記転動部品が使用され
る完成軸受の諸元データに基づいて、測定すべき転動部
品に励起される振動の振動数の抽出範囲を決定する振動
数決定部と、前記振動数決定部により決定された振動数
における速度スペクトル、又は加速度スペクトルの統計
量を演算する統計量演算部とを有する抽出演算手段かの
いずれか一方の手段を少なくとも備えたことを特徴とす
る振動検査装置。
【請求項２】前記軸受諸元設定部に設定される前記完
成軸受の諸元データは、転動体数、内輪回転速度、保持
器回転速度、転動体自転速度等のパラメータを用いて前
記測定すべきうねりの山数、及び各転動部品に励起され
る振動の振動数を表現した演算式データにより構成され
てメモリに記憶されていることを特徴とする請求項１記
載の振動検査装置。
【請求項３】前記真円度形状演算手段は、測定対象の
前記転動部品の軸方向に前記センサを走査するセンサ走
査部を有することを特徴とする請求項１記載の振動検査
装置。
【請求項４】前記周波数分析手段は、ＦＦＴアナライ
ザにより構成され、前記センサは、速度型振動検知セン
サにより構成されていることを特徴とする請求項１記載
の振動検査装置。