JP6511573B1

JP6511573B1 - 転がり軸受の異常診断方法及び異常診断装置、異常診断プログラム

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Publication number: JP6511573B1
Application number: JP2018123489A
Authority: JP
Inventors: 拓杉浦
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: JP2020003363A

Abstract

【課題】回転周波数や伝達関数の影響を考慮したロバストな評価指標を算出して、異常の有無を高い精度で判断可能とする。【解決手段】Ｓ１で振動を測定する回転周波数に変更し、Ｓ２で振動加速度を測定し記憶する。Ｓ３で振動測定時の回転周波数と振動加速度とにより修正振動値を算出し、Ｓ４で修正振動値のフーリエ変換を行い、比周波数毎の振幅を記録する。Ｓ５の判別で既定された全ての振動を測定する複数の回転周波数における振動測定が終了していれば、Ｓ６で記録された比周波数毎の修正振動値の値について平均を算出し、Ｓ７で特徴比周波数の修正振動値の値を抽出する。振動の成長率によって診断する場合、全ての振動を測定する回転周波数における振動測定を２回繰り返した後、Ｓ１１で軸受起因振動値より評価指標を算出し、Ｓ１２で評価指標がしきい値を超過したか否かを判断する。【選択図】図５

Description

本発明は、工作機械等に用いられて主軸等の回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法及び装置、プログラムに関するものである。

回転体を支持する転がり軸受に内輪の損傷などの異常が生じると振動が発生する。軸受の異常によって発生する力は単純な正弦波状ではないため、高調波の周波数成分の振動が同時に観測される。この際に発生する振動の周波数（特徴周波数）は、回転速度に比例しており、回転体の回転速度と軸受諸元から算出することが可能である。
基本周波数だけ離れた２つの特徴周波数の振動の大きさがともに大きい場合、測定される振動の波形を見ると、基本周波数で振幅が変動しているように解釈することも可能である。よって、測定された振動の波形に対してエンベロープ処理をしたのちに周波数分析をすることで、振幅の変動の度合いを定量化し、診断する手法が知られている。
例えば特許文献１では、振動もしくは音響を測定してエンベロープ処理および周波数分析し、基本周波数成分の振動の大きさを全スペクトル成分の積分値であるオーバーオール値で除算して得られた算出値の大小によって異常の有無の判定を行う手法が示されている。
特許文献２では、振動を測定してエンベロープ処理および周波数分析し、特徴周波数成分の値を、打撃試験により予め測定した振動応答のレベル差や回転周波数を考慮した特徴周波数ごとに個別に設定されるしきい値と比較して診断する手法が示されている。

特許第４１２００９９号公報特許第５１４６００８号公報

工作機械のような手作業による精度の調整が行われる機械の場合には、機能上問題とならない範囲では機台ばらつきが存在する。工場の地盤、室温等の機械の使用環境も機械の伝達関数を変化させる要因となる。同一機種で同一の異常による同一の大きさの加振力が発生する同一の回転周波数において振動測定する場合であったとしても、機械の振動モード（伝達関数）の影響を受けるため、振動の大きさは同一に測定することはできない。後述する事例では、同一機種３台の伝達関数の大きさを比較した場合、ある周波数において伝達関数の大きさが最小の機台は最大の機台に対して約１０％以下となっていた。同一機種の多数の機台において振動の大きさの分布を調査し、正常と異常を判別するしきい値を決定しようと試みても、機台ばらつきによる伝達関数の大きさの違いに比べて、正常時と異常時の振動の大きさの違いが小さい場合には、機台ばらつきを考慮すると正常・異常を確実に識別するためのしきい値を設けることができないことになる。
工作機械の主軸のような複雑な振動モードを持つ回転体に対して診断を実施する場合、エンベロープ処理をしたとしても回転体の回転周波数を１割変化させて特徴周波数が１割変化しただけであっても特徴周波数の振動の大きさは数倍変わってしまうことがある。これは、伝達関数の大きさが周波数毎に大きく異なるためである。エンベロープ処理は、伝達関数の大きさがそれぞれの周波数において異なることを考慮せず、複数の周波数の振動を一括して捉える処理である。複数の周波数の情報が不可逆に混ざり合ってしまう処理手法であるため、エンベロープ処理後に伝達関数の大きさを考慮した処理を行うことは理論上不可能である。

よって、特許文献１のようにエンベロープ処理後の特徴周波数の振動の大きさをオーバーオールで除算するという処理も、伝達関数や回転周波数の影響を除去する手法ではないため、特許文献１の手法で算出される算出値は、傷の有無の判別程度には用いることができても、定量的な比較をすることはできないという課題がある。
また、特許文献２で提案されているような、エンベロープ処理後の特徴周波数の振動の大きさに対する、伝達関数や回転周波数の影響を考慮したしきい値というのは、伝達関数や回転周波数から合理的に決定することはできないといった課題がある。
このため、一般に市販されている軸受診断装置では、異常と判断するしきい値の設定が使用者に任されており、容易に異常診断に用いることができないか、異常と判断するしきい値をもっているが測定を実施する回転周波数をわずかに変えるだけであっても判定結果が大きく変わってしまい、本当に異常であるのか判断できないという課題がある。
一方、回転周波数によって軸受異常により生じる力の大きさが変化する種類の異常の場合には、回転周波数の影響も考慮しなければ適切な診断ができないという課題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、回転周波数や伝達関数の影響を考慮したロバストな評価指標を算出して、異常の有無を高い精度で判断できる転がり軸受の異常診断方法及び装置、異常診断プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法であって、
前記回転体の複数の回転周波数における前記回転体の振動を測定する振動測定ステップと、
前記振動を振動測定時の前記回転体の回転周波数と比例関係にある所定の物理量の零より大きい指数のべき乗で除すと共に周波数分析して、周波数毎の振動の大きさを算出する周波数分析ステップと、
前記振動測定ステップでの振動測定時の前記回転体の回転周波数に対する周波数の比が同一な前記振動の大きさについて平均をとった振動平均値を算出する振動平均値算出ステップと、
前記振動平均値のうち、前記軸受に起因する振動が生じる周波数の前記回転周波数に対する比である特徴比周波数における軸受起因振動値を抽出する軸受起因振動値抽出ステップと、
前記軸受起因振動値に基づき評価指標を算出する評価指標算出ステップと、
前記評価指標に基づいて異常の有無を判断する判断ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記振動平均値算出ステップでは、前記回転周波数、前記回転周波数の逆数、前記回転周波数の対数のいずれか１つが等間隔となるような前記回転周波数の組み合わせにおいて測定された前記振動の大きさを用いて前記振動平均値を算出することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記振動測定ステップでは、前記回転周波数が同一の組み合わせの振動測定を複数回行い、
前記評価指標算出ステップでは、前記軸受起因振動値の変化の度合いに基づいて前記評価指標を算出することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の構成において、前記振動平均値算出ステップでは、振動の周波数が既定した範囲内である振動の大きさのみを用いて平均を取ることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する装置であって、
前記回転体の複数の回転周波数における前記回転体の振動を測定する振動測定手段と、
前記振動を振動測定時の前記回転体の回転周波数と比例関係にある所定の物理量の零より大きい指数のべき乗で除すと共に周波数分析して、周波数毎の振動の大きさを算出する周波数分析手段と、
前記振動測定手段での振動測定時の前記回転体の回転周波数に対する周波数の比が同一な前記振動の大きさについて平均をとった振動平均値を算出する振動平均値算出手段と、
前記振動平均値のうち、前記軸受に起因する振動が生じる周波数の前記回転周波数に対する比である特徴比周波数における軸受起因振動値を抽出する軸受起因振動値抽出手段と、
前記軸受起因振動値に基づき評価指標を算出する評価指標算出手段と、
前記評価指標に基づいて異常の有無を判断する判断手段と、を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、回転体を支持する転がり軸受の異常を診断するプログラムであって、複数の回転周波数でそれぞれ測定された回転体の振動が各回転周波数と共に入力されたコンピュータに、請求項１乃至４の何れかに記載の転がり軸受の異常診断方法における周波数分析ステップと、振動平均値算出ステップと、軸受起因振動値抽出ステップと、評価指標算出ステップと、判断ステップとを実行させることを特徴とする。

請求項１及び５，６に記載の発明によれば、測定された振動値から回転周波数の影響を取り除いた上で平均を算出するため、機台ばらつきの影響を低減して軸受起因振動値を得ることができる。この軸受起因振動値より算出する評価指標も機台ばらつきの影響が小さいため、異常と判断するしきい値の設定が容易となる。すなわち、回転周波数や伝達関数の影響を考慮したロバストな評価指標を算出して、異常の有無を高い精度で判断可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加えて、伝達関数の大きさの機台ばらつき、および、伝達関数の大きさの比周波数毎のばらつきの低減効果が向上する。
請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加えて、評価指標の値が伝達関数の大きさの値に依存しない値となるため、異なる構造の回転体の診断をする場合や異なる振動センサ位置で測定する場合でも同一のしきい値を用いた診断が可能となる。
請求項４に記載の発明によれば、上記効果に加えて、伝達関数の大きさの機台ばらつき、および、伝達関数の大きさの比周波数毎のばらつきの低減効果がさらに向上する。

転がり軸受の異常診断装置の機能ブロック図である。軸受異常による加振力と角速度との関係を示すグラフである。同一機種における伝達関数の大きさのばらつきを示すグラフである。同一機種における伝達関数の大きさの平均のばらつきを示すグラフである。異常診断方法のフローチャートである。評価指標として振動の成長率を用いる場合の診断結果表示の説明図である。評価指標として軸受起因振動値の最大値を用いる場合の診断結果表示の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は転がり軸受の異常診断装置を工作機械の主軸に対して適用した場合の構成を示した機能ブロック図で、この図に基づいて具体的に説明する。
主軸１は、転がり軸受である軸受７を介して主軸ハウジング２に対して回転可能に取り付けられており、加工を行うための工具３が固定されている。モータ４は主軸１を駆動する。モータ４には速度検出器５が設けられて、測定されたモータ４の回転周波数が制御装置６に入力されるようになっている。制御装置６は、加工時には、速度検出器５で測定されたモータ４の回転周波数を指令回転周波数に保つようにモータ４へ供給する電流の制御を行っている。

主軸ハウジング２には、振動測定手段としての振動センサ８が取り付けられ、振動センサ８で測定される振動加速度は、Ａ／Ｄ変換部９でデジタル値に変換され、振動測定時の回転周波数とともに記憶部１０に記憶される。記憶部１０は、予め設定するしきい値も記憶する。コンピュータである演算部１１は、記憶部１０に記憶された異常診断プログラムに従い、記憶部１０に記憶された軸受諸元より軸受異常の特徴比周波数の算出を行い、記憶部１０に記憶された振動測定時の回転周波数と振動加速度より、乗算、フーリエ変換、絶対値の算出、内挿処理を行って、比周波数に対する後述する修正振動値を算出すると共に、周波数毎の振動の大きさを算出する。また、演算部１１は、振動測定時の主軸１の回転周波数に対する周波数の比が同一な振動の大きさについて平均をとった振動平均値を算出し、振動平均値の軸受に起因する振動が生じる周波数の回転周波数に対する比である特徴比周波数における軸受起因振動値を抽出する。さらに、演算部１１は、軸受起因振動値に基づいて評価指標である異常度合いを算出し、軸受７が正常か否かを判断する。すなわち、演算部１１は、周波数分析手段、振動平均値算出手段、軸受起因振動値抽出手段、評価指標算出手段、判断手段として機能する。演算部１１による診断結果は表示部１２に表示される。

軸受７において、内輪傷が局所的に存在する場合、内輪傷は主軸１の回転とともに回転し傷の位置を転動体が通過する際に生じる振動の方向が変化するため、内輪傷に対して転動体が通過する周波数に対して、回転周波数ｆ_ＲＯＴだけ低い周波数と回転周波数ｆ_ＲＯＴだけ高い周波数の振動が観測される。この特徴周波数の計算は、以下の数１、数２のように行うことができる。ここで、ｆ_Ｉ，Ｎ−は内輪傷Ｎ次の低い側の特徴周波数、ｆ_Ｉ，Ｎ＋は内輪傷Ｎ次の高い側の特徴周波数、Ｚは軸受７の転動体の数、Ｄは軸受７のピッチ円直径、ｄは軸受７の転動体直径、αは軸受７の接触角である。

図２は、内輪傷の存在する軸受７により支持された主軸１について複数の回転周波数で振動加速度を測定し、特徴比周波数の振動振幅を算出し、それぞれの特徴比周波数に対応する軸受異常による加振力から振動センサ８の位置における振動への伝達関数で除算して算出された軸受異常による加振力Ｆを、角速度を横軸にプロットしたものである。
但し、ここで用いた伝達関数は、軸受異常による加振力から振動センサ８の位置における振動への伝達関数ではなく、軸受近傍を加振した際の振動センサ８の位置における振動を測定することで得られた伝達関数を代用している。ここで、軸受近傍とは、有限要素解析などにより求めた、振動センサ８の位置に加振した際に、軸受異常による加振力の発生位置と振動の方向・大きさが少なくともある周波数範囲において、同じと見なせる位置のことを表している。伝達関数の入力と出力を入れ替えても同じとなる相反定理により、ある周波数範囲においては軸受近傍を加振して得られる伝達関数は、軸受異常による加振力から振動センサ８の位置における振動への伝達関数として代用することが可能である。

図２から、角速度の増加に対して軸受異常による加振力が増加する傾向があることがわかる。おおむね、軸受異常による加振力は角速度の２乗前後に比例している。内輪傷があると、転動体が通過する際に、主軸１は傷方向に変位・変形させられると考えられるが、この際、主軸１の重心が通る軌跡（変位）が回転周波数によらず一定と見なせるのであれば、主軸１の重心を変位させる反作用として発生する力は重心の変位の２階微分に比例することになる。重心の振動変位の周波数は回転周波数や角速度に比例する特徴周波数であるため、この力は振動測定をした際の回転周波数の２乗に比例することになる。これらの実験結果と仮説により、内輪傷による加振力は回転周波数の２乗に比例して近似していると推測される。

このように、軸受異常による加振力と回転周波数との関係が明らかとなると、測定した振動の値から回転周波数の影響を除いた値（修正振動値）を算出することが可能となるため、複数の回転周波数において振動測定を行うことで、伝達関数の大きさの影響を低減する処理を実現することができる。
なお、複数の回転周波数で測定する場合、回転周波数によって変化する特徴周波数では議論がしにくいため、特徴周波数を回転周波数で割った値（特徴比周波数）で論じる。内輪傷のＮ次の低い側の特徴比周波数ｋ_Ｉ，Ｎ−、内輪傷のＮ次の高い側の特徴比周波数ｋ_Ｉ，Ｎ＋は、以下の数３、数４のようにそれぞれ求めることができる。

一方、回転周波数がｆ_ＲＯＴの場合の特徴比周波数ｋにおける軸受異常による加振力の大きさＦ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）は、軸受７の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数Ｆ^＊を用いて以下の数５のように表現できる。

この軸受異常による加振力から振動センサ８の位置における振動への伝達関数の大きさをＧ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）とすると、振動センサ８で測定される回転周波数がｆ_ＲＯＴの場合の特徴比周波数ｋにおける振動の大きさＡ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）は、以下の数６のように表現できる。なお、伝達関数の大きさＧ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）は、比周波数が同一であっても回転周波数が異なる場合は別の値をとる。

よって、振動センサ８で測定される振動の大きさＡ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）と軸受７の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数Ｆ^＊には、以下の数７の関係がある。

測定される振動から回転周波数による軸受異常による加振力の大きさの変化の影響を除去するためには、特徴比周波数ｋにおける振動の大きさＡ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）を角速度２πｆ_ＲＯＴの２乗で除算して、修正振動値Ａ^＊（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）を以下の数８のように求めれば良い。

図３に、同一機種３台のそれぞれの伝達関数の大きさと、３台における伝達関数の大きさの最大に対する最小の比を示す。回転周波数のわずかな違いによって伝達関数の大きさが大きく異なるため、測定する回転周波数を変えることで特徴周波数が変わると、測定される振動の大きさが大きく変化することは明らかである。さらに、ある周波数において伝達関数の大きさが最小の機台は最大の機台に対して約１０％以下となっている。このように、伝達関数Ｇ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）は、同一構造の機械であっても機台ばらつきがあり、同一の異常度合いであっても機台と回転周波数の組み合わせによって振動は全く異なる大きさに測定される可能性があるため、異常と判断するしきい値の設定は困難である。また、伝達関数の大きさは機械の使用環境・使用状況などによって変化する。
そこで、数８を用いて、数７の特徴比周波数ｋにおける振動の大きさＡ（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）を修正振動値Ａ^＊（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）に置き換えると、以下の数９となる。

数９について既定範囲内であるＮ条件の回転周波数で平均をとった値を算出すると、以下の数１０となる。数１０の左辺は修正振動値の平均（振動平均値）であり、特徴比周波数ｋにおける軸受起因振動値でもある。数１０の右辺は複数の回転周波数のそれぞれに対応する特徴比周波数ｋの伝達関数の大きさの平均と、軸受の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数Ｆ^＊との積である。

図４に、前述の同一機種３台について複数の回転周波数のそれぞれに対応する比周波数毎の伝達関数の大きさの平均（振動の大きさの平均）を示す。伝達関数の大きさの平均は、特定の比周波数範囲において比周波数が異なってもほとんど大きさが変わらないことがわかる。また、伝達関数の大きさの平均は機台ばらつきも小さく、伝達関数の大きさの平均が最小の機台であっても最大の機台に対して約７０％の大きさがある。
軸受の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数Ｆ^＊は、数９、数１０のいずれであっても同じであり、軸受の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数Ｆ^＊にかかる比例係数の機台ばらつきが小さいため、数９の左辺の値（修正振動値）によって評価指標を算出するよりも、修正振動値の平均（数１０左辺の値）によって評価指標を算出する方が高い診断精度となる。伝達関数の大きさの平均の機台ばらつきに比べれば、正常時と異常時で振動の大きさの差異が十分大きいため、同一機種のデータを十分数集めることで修正振動値の平均（数１０左辺の値）から算出した評価指標に対するしきい値の設定は容易である。

さらに、軸受がＭ回転した後に同一条件で測定した修正振動値の大きさをＡ^＊’（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）、そのときの伝達関数をＧ’（ｋ、ｆ_ＲＯＴ）、軸受の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数をＦ^＊’ とすると、同様に以下の数１１が成り立つ。伝達関数の大きさの平均は機械の使用環境・使用状況の影響も小さいため、以下の数１２の近似が成立する。

振動の成長率Ｒを、軸受１回転あたりの軸受の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数の増分の、軸受の損傷度合いに依存し回転周波数に依存しない定数の平均に対する比として、以下の数１３のようにおく。数１３は伝達関数の大きさを含んでいないため、異なる機種であっても比較可能な値である。

数１３に含まれるＦ^＊およびＦ^＊’ は直接測定することができない値だが、数８、数９、数１０、数１１、数１２を用いて、数１３は以下の数１４のように書き換えられる。

数１４の右辺は全て測定可能又は算出可能な変数しか含まれておらず、振動の成長率Ｒを推定することは容易である。同一機種のデータを十分数集めることが困難な場合は、機種に依存する変数を含まない振動の成長率Ｒの分布を求めてしきい値を設定すれば異常を検出することができる。
ここでの振動の成長率Ｒは、軸受１回転あたりの振動の平均に対する振動の増加量の比として算出する事例を示したが、２回の測定における振動の平均値の比、軸受の回転回数Ｍ、基準の軸受の回転回数Ｍ_０を使った以下の式１５など別の定義式を用いることも可能である。

そして、図５は、軸受７の異常診断を行う方法のフローチャートを示したものであり、このフローチャートに基づいて具体的に説明する。
まず、Ｓ１で、主軸１の回転周波数を振動を測定する回転周波数に変更し、Ｓ２で、振動センサ８によって振動加速度を測定し記憶する（Ｓ１，Ｓ２：振動測定ステップ）。
次に、Ｓ３で、振動測定時の回転周波数と振動加速度とにより修正振動値を算出し、Ｓ４で、修正振動値のフーリエ変換を行い、周波数が既定範囲内である修正振動値について比周波数毎の振幅を記録する（Ｓ３，Ｓ４：周波数分析ステップ）。
そして、Ｓ５で、既定された全ての振動を測定する複数の回転周波数における振動測定が終了しているか否かを判別し、振動測定が終了していればＳ６へ移行し、終了していなければＳ１へ戻ってＳ４までの処理を繰り返す。
なお、ここで振動を測定する複数の回転周波数は、回転周波数、回転周波数の逆数、回転周波数の対数の何れか１つが等間隔となるような回転周波数の組み合わせとするのが望ましい。このような回転周波数の組み合わせで測定された振動の大きさを用いて振動平均値を算出すれば、伝達関数の大きさの機台ばらつき、および、伝達関数の大きさの比周波数毎のばらつきの低減効果が向上する。

Ｓ６で、記録された比周波数毎の修正振動値の値について振動平均値を算出し（振動平均値算出ステップ）、Ｓ７で、特徴比周波数における修正振動値の値（軸受起因振動値）を抽出する（軸受起因振動値抽出ステップ）。
次に、Ｓ８では、診断を行う責任者が予め選択して設定した振動の成長率（軸受起因振動値の変化の度合い）によって診断するか否かを判断する。ここで振動の成長率によって診断する場合はＳ９へ移行し、振動の成長率によって診断しない場合はＳ１１へ移行する。
振動の成長率によって診断する場合、Ｓ９では、全ての振動を測定する回転周波数における振動測定が２回繰り返されたか否かを判断する。ここで当該振動測定が２回繰り返された場合は、Ｓ１１へ移行する。一方、当該振動測定が２回繰り返されていない場合は、Ｓ１０へ移行し、予め設定された時間又は回数だけ軸受７が回転するまで慣らし運転を実施し、Ｓ１へ移行する。

そして、Ｓ１１では、軸受起因振動値より評価指標を算出し（評価指標算出ステップ）、Ｓ１２で評価指標がしきい値を超過したか否かを判断する（判断ステップ）。ここで評価指標がしきい値を超過した場合はＳ１３で異常と判断し、評価指標がしきい値を超過していない場合はＳ１４で正常と判断して、Ｓ１５で図６または図７に示すような診断結果を表示する。図６は、評価指標として振動の成長率を用いた場合の診断結果画面であり、図７は、評価指標として軸受起因振動値の最大値を用いた場合の診断結果画面である。

このように、上記形態の転がり軸受の異常診断方法及び異常診断装置、異常診断プログラムによれば、主軸１の複数の回転周波数における主軸１の振動を測定する振動測定ステップと、振動を振動測定時の主軸１の回転周波数と比例関係にある角速度の２乗で除すと共に周波数分析して、周波数毎の振動の大きさを算出する周波数分析ステップと、振動測定ステップでの振動測定時の主軸１の回転周波数に対する周波数の比が同一な振動の大きさについて平均をとった振動平均値を算出する振動平均値算出ステップと、振動平均値の軸受７に起因する振動の生じる周波数の回転周波数に対する比である特徴比周波数における軸受起因振動値を抽出する軸受起因振動値抽出ステップと、軸受起因振動値に基づき評価指標を算出する評価指標算出ステップと、評価指標に基づいて異常の有無を判断する判断ステップと、を実行することで、測定された振動値から回転周波数の影響を取り除いた上で平均を算出するため、機台ばらつきの影響を低減して軸受起因振動値を得ることができる。この軸受起因振動値より算出する評価指標も機台ばらつきの影響が小さいため、異常と判断するしきい値の設定が容易となる。すなわち、回転周波数や伝達関数の影響を考慮したロバストな評価指標を算出して、異常の有無を高い精度で判断可能となる。

特にここでは、振動測定ステップでは、測定ばらつきに対して振動の成長が明確に捉えられるように既定時間又は既定回転だけ軸受が回転する間隔をあけて回転周波数が同一の組み合わせの振動測定を複数回行い、評価指標算出ステップでは、軸受起因振動値の変化の度合い（振動の成長率）に基づいて評価指標を算出するようにしているので、評価指標の値が伝達関数の大きさの値に依存しない値となるため、異なる構造の主軸１の診断をする場合や異なる振動センサ８の位置で測定する場合でも同一のしきい値を用いた診断が可能となる。
また、振動平均値算出ステップでは、振動の周波数が既定した範囲内である振動の大きさのみを用いて平均を取るようにしているので、伝達関数の大きさの機台ばらつき、および、伝達関数の大きさの比周波数毎のばらつきの低減効果がさらに向上する。

なお、上記形態では、回転周波数を考慮した振動値（修正振動値）の算出において、角速度の２乗で除算しているが、回転周波数そのものなど、回転周波数と比例関係にある物理量であれば同等の効果が得られるため置き換えてもよい。べき乗の指数の値が２である場合を示したが、回転周波数により加振力が変化する影響を低減する目的を達することが可能な別の数値（指数の値は０より大きい）に置き換えることが可能である。
また、角速度の２乗で除算する計算は定数のスカラー量で除算するだけの処理であるため、上記形態の周波数分析ステップでは、周波数分析の前に修正振動値を算出する例となっているが、振動平均値算出ステップを開始するまでであれば計算結果に影響しないため、例えばフーリエ変換して周波数領域での加速度を算出した後、角速度の２乗で除算する等、どのタイミングで行ってもよい。
一方、軸受起因振動値から評価指標を算出する場合は、各特徴比周波数の軸受起因振動値の平均値を採用しても良いし、各特徴比周波数の振動の成長率を求めてそれらの最大値や平均値としても良い。さらに、軸受起因振動値以外の振動平均値の値も参照した複雑な関数等によって決定してもよい。

その他、上記形態では、内輪傷による軸受異常を例に挙げて説明をしたが、転動体の損傷等異なる軸受異常に対して適用しても良い。
また、工作機械以外の機械に用いられる転がり軸受であっても本発明は適用可能である。
さらに、異常診断装置としては工作機械に組み込む形態の他、少なくとも記憶部と演算部と表示部とを工作機械とは別の装置として工作機械と有線又は無線で通信可能とし、工作機械側で振動を測定してデータを取得しつつ、異常診断プログラムに基づいて異常診断方法を実行するようにしてもよい。このようにすれば複数の工作機械に対して集中管理が行える。

１・・主軸、２・・主軸ハウジング、３・・工具、４・・モータ、５・・速度検出器、６・・制御装置、７・・軸受、８・・振動センサ、９・・Ａ／Ｄ変換器、１０・・記憶部、１１・・演算部、１２・・表示部。

Claims

回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法であって、
前記回転体の複数の回転周波数における前記回転体の振動を測定する振動測定ステップと、
前記振動を振動測定時の前記回転体の回転周波数と比例関係にある所定の物理量の零より大きい指数のべき乗で除すと共に周波数分析して、周波数毎の振動の大きさを算出する周波数分析ステップと、
前記振動測定ステップでの振動測定時の前記回転体の回転周波数に対する周波数の比が同一な前記振動の大きさについて平均をとった振動平均値を算出する振動平均値算出ステップと、
前記振動平均値のうち、前記軸受に起因する振動が生じる周波数の回転周波数に対する比である特徴比周波数における軸受起因振動値を抽出する軸受起因振動値抽出ステップと、
前記軸受起因振動値に基づき評価指標を算出する評価指標算出ステップと、
前記評価指標に基づいて異常の有無を判断する判断ステップと、を実行することを特徴とする転がり軸受の異常診断方法。
前記振動平均値算出ステップでは、前記回転周波数、前記回転周波数の逆数、前記回転周波数の対数のいずれか１つが等間隔となるような前記回転周波数の組み合わせにおいて測定された前記振動の大きさを用いて前記振動平均値を算出することを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受の異常診断方法。
前記振動測定ステップでは、前記回転周波数が同一の組み合わせの振動測定を複数回行い、
前記評価指標算出ステップでは、前記軸受起因振動値の変化の度合いに基づいて前記評価指標を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受の異常診断方法。
前記振動平均値算出ステップでは、振動の周波数が既定した範囲内である振動の大きさのみを用いて平均を取ることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の転がり軸受の異常診断方法。
回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する装置であって、
前記回転体の複数の回転周波数における前記回転体の振動を測定する振動測定手段と、
前記振動を振動測定時の前記回転体の回転周波数と比例関係にある所定の物理量の零より大きい指数のべき乗で除すと共に周波数分析して、周波数毎の振動の大きさを算出する周波数分析手段と、
前記振動測定手段での振動測定時の前記回転体の回転周波数に対する周波数の比が同一な前記振動の大きさについて平均をとった振動平均値を算出する振動平均値算出手段と、
前記振動平均値のうち、前記軸受に起因する振動が生じる周波数の回転周波数に対する比である特徴比周波数における軸受起因振動値を抽出する軸受起因振動値抽出手段と、
前記軸受起因振動値に基づき評価指標を算出する評価指標算出手段と、
前記評価指標に基づいて異常の有無を判断する判断手段と、を備えることを特徴とする転がり軸受の異常診断装置。
複数の回転周波数でそれぞれ測定された回転体の振動が各前記回転周波数と共に入力されたコンピュータに、請求項１乃至４の何れかに記載の転がり軸受の異常診断方法における周波数分析ステップと、振動平均値算出ステップと、軸受起因振動値抽出ステップと、評価指標算出ステップと、判断ステップとを実行させることを特徴とする転がり軸受の異常診断プログラム。