JPH07311082A

JPH07311082A - 回転機器の異常診断装置

Info

Publication number: JPH07311082A
Application number: JP13103194A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Mikasa; 一男三笠
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】モータ２に取り付けた振動センサ２２によっ
てモータ回転軸回りの振動を検出する。ロータリーエン
コーダ２３によりモータ回転軸４が一定微小角度Δθ回
転する毎にサンプリングパルスを発生させる。Ａ／Ｃコ
ンバータ２４は、ロータリーエンコーダ２３から出力さ
れるサンプリングパルスと同期して振動センサ２２から
出力されている時系列振動信号ｓ（ｔ）をアナログ／デ
ジタル変換することにより、時系列振動信号ｓ（ｔ）を
回転軸回転角度空間の信号Ｒ（θ）に変換する。さら
に、ノイズ除去部２６では、回転角度空間信号Ｒ（θ）
を移動相乗平均または移動相加平均することにより、ノ
イズ成分を除去する。【効果】回転軸の回転数が時間とともに変動している
場合や、回転軸の回転数が異なる場合でも、回転角度空
間信号は共通な一定周期の信号となるので、異常診断の
ための信号処理を簡単にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転機器の異常診断装置
に関する。特に、本発明は、回転機器の振動を計測した
振動信号を回転機器の特定回転部の回転角についての角
度空間における振動信号に変換し、当該振動信号を解析
することにより、回転機器の異常を認識診断する異常診
断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動を利用した異常診断装置で
は、時系列信号である振動信号ｓ（ｔ）そのもの、並び
に振動信号ｓ（ｔ）を周波数空間信号に変換したフーリ
エ変換信号Ｓ（ｆ；ｔ）の特徴を分類して異常を認識診
断している。図１はこのような従来の異常診断装置を示
すブロック図であって、モータ駆動機械１を駆動してい
るモータ２の軸回りの異常を診断するための装置であ
る。ここで、軸回りの異常としては、例えば、モータ２
のロータのアンバランス、ギア３の噛み合い不良、ギア
３の傷（すなわち、傷や欠け、摩耗、片減り、加工不良
等の広い意味での傷）、軸受け内輪の傷、軸受け外輪の
傷、軸受け転動体（ボール、コロ）の傷などがある。

【０００３】モータ駆動機械１は、モータ２とその回転
軸４に結合されたギア列などから構成されており、モー
タ２には加速度センサ５が取り付けられている。そし
て、モータ駆動機械１側から異常診断装置６側へは、加
速度センサ５によって検出したモータ２の振動を示す信
号、すなわち時系列振動信号ｓ（ｔ）が出力されてい
る。異常診断装置６は、増幅器７と、周波数フィルタ８
と、フーリエ変換部（ＦＦＴ）９と、２つの特徴抽出部
１０，１１と、分類・診断部１２とから構成されてい
る。加速度センサ５から送信された時系列振動信号ｓ
（ｔ）は増幅器７で増幅された後、周波数フィルタ８で
必要な周波数領域の信号、すなわちモータ駆動機械１の
モータ回転数及び異常振動の周波数領域の信号だけを通
過させられる。ついで、周波数フィルタ８通過後の信号
は、一方ではそのまま特徴抽出部１１へ入力され、他方
ではフーリエ変換部９で周波数空間における信号に高速
フーリエ変換された後、特徴抽出部１０へ入力される。

【０００４】例えば、加速度センサ５から出力された時
系列振動信号ｓ（ｔ）には、モータ２のロータのアンバ
ランスのため、通常図２（ａ）（ｂ）に示すように、モ
ータ２の回転数と同じ周波数の基本振動信号１３が表わ
れる。さらに、モータ２の回転軸４に取り付けられてい
る初段のギア３の一部に傷がある場合には、図２（ａ）
に示すように、基本振動信号１３の上に初段のギア３の
傷に起因する異常振動信号１４ａがモータ回転周期と同
周期で発生する。また、初段のギア３と噛み合っている
歯数１／２のギア３に傷がある場合には、図２（ｂ）に
示すように、基本振動信号１３の上に当該ギア３の傷に
起因する異常振動信号１４ｂがモータ回転周期の１／２
の周期で表われる。同様に、軸受け内輪や軸受け外輪に
傷がある場合にも、その寸法等によって決まる一定周期
で異常振動信号が発生する。さらに、これら各部の異常
を示す情報を含んでいる時系列振動信号ｓ（ｔ）がフー
リエ変換部９で周波数空間内のフーリエ変換信号Ｓ
（ｆ；ｔ）に変換されると、図２（ｃ）に示すように、
基本振動信号１３やその他の異常を示す異常振動信号１
４ａ，１４ｂ，…は周波数空間内では一定周波数位置に
表われる。

【０００５】しかして、特徴抽出部１１では、時系列振
動信号ｓ（ｔ）に表われている多数の信号を解析するこ
とにより基本振動信号１３や異常振動信号１４ａ，１４
ｂ，…の特徴抽出を行なう。また、特徴抽出部１０で
は、フーリエ変換信号Ｓ（ｆ；ｔ）に表われている多数
の信号を解析することにより基本振動信号１３や異常振
動信号１４ａ，１４ｂ，…の特徴抽出を行なう。特徴抽
出が行なわれると、分類診断部１２では、傷や異物混入
などといった異常の発生位置やその種別を分類して診断
結果（診断出力）を出力する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の異常診断装置６
にあっては、モータ２が一定回転数で回転している場合
には、ロータのアンバランスやギア３の傷等の軸回りの
異常があると、例えば図２（ａ）（ｂ）に示すように、
時系列振動信号ｓ（ｔ）に一定周期の基本振動信号１３
や異常振動信号１４ａ，１４ｂ，…が表われる。また、
図２（ｃ）に示すように、フーリエ変換信号Ｓ（ｆ；
ｔ）の一定周波数位置に基本振動信号１３や異常振動信
号１４ａ，１４ｂ，…が表われる。

【０００７】しかし、モータ２の回転速度が変化してい
る場合、例えば図４（ａ）に示すように、モータ回転速
度が増加している場合（加速時）には、時系列振動信号
ｓ（ｔ）中の基本振動信号１３の周期が変動し、また同
じ原因による異常振動信号であってもその異常振動信号
１４が一定周期で表われないので、異常診断装置６によ
って軸回りの異常を検出することが困難であった。同様
に、モータの回転速度が変化している場合には、基本振
動信号１３や異常振動信号１４の周期が変動しているた
め、フーリエ変換信号Ｓ（ｆ；ｔ）中でも基本振動信号
１３や異常振動信号１４の位置が時間と共に変動し、軸
回りの異常を検出するのが困難であった。

【０００８】さらに、モータ２が一定速度で回転してい
る場合でも、フーリエ変換部９における信号の変換処理
に時間が掛かり、またフーリエ変換等の信号処理も非常
に複雑であった。

【０００９】また、モータ２の回転数が一定値に安定し
た状態で異常を検出しようとしても、図５（ａ）に示す
ように、モータ回転数の違いによって時系列振動信号ｓ
（ｔ）中の基本振動信号１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３
ｄの周期が大幅に異なる。同様に、ギア３の傷等による
異常振動信号の周期もモータ回転数によって大幅に変化
する。さらに、時系列振動信号ｓ（ｔ）における周期が
変動するので、フーリエ変換信号Ｓ（ｆ；ｔ）において
も、基本振動信号１３や異常振動信号１４の発生する位
置はモータ回転数によって不定となる。このため、任意
の回転数で回転するモータ駆動機械１では、特徴抽出部
１０，１１における特徴抽出処理が困難で、異常診断装
置６に汎用性を持たせることが困難であった。

【００１０】また、時系列振動信号ｓ（ｔ）にはモータ
駆動機械１内のあちらこちらの箇所における振動が含ま
れているので、必要な信号だけからみれば非常にノイズ
成分の多い信号となっている。このＳ／Ｎ比の改善策と
しては、周波数フィルタ８を用いることが有効である。
しかし、モータ２の回転数により周波数フィルタ８に要
求される通過帯域が異なるため、実際にはたいして効果
を期待することができなかった。

【００１１】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、時系列振動
信号を回転軸の回転角度空間信号に変換して処理するこ
とにより、これらの問題点を解決することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による回転機器の
異常診断装置は、回転軸回りの振動を検出する振動セン
サと、前記回転軸の回転角をサンプリング信号に変換す
るサンプリング信号発生手段と、前記振動センサの信号
をサンプリング信号発生手段のサンプリング信号毎にサ
ンプリングして回転軸回転角度空間の信号に変換する変
換手段とを備え、前記変換手段の出力する回転軸回転角
度空間の信号に基づいて、回転機器の異常を診断するこ
とを特徴としている。

【００１３】本発明の異常診断装置によれば、回転軸回
りの重心のアンバランス、ギアの噛み合い不良、軸受け
の傷などの異常を診断することができる。

【００１４】また、サンプリング信号発生手段として
は、回転軸又は回転軸と連動して回転する回転部分の回
転角度と回転の向きを検出するロータリーエンコーダを
用いることができる。あるいは、回転軸と連動して回転
するギアの歯を近接スイッチや電磁ピックアップなどの
検出器で検出し、それによってサンプリング信号を生成
するサンプリング信号発生手段を用いてもよい。

【００１５】また、サンプリング信号発生手段は、振動
センサの信号中のロータによるアンバランス信号のゼロ
クロス点を検出し、それによってサンプリング信号を生
成するものでもよい。あるいは、振動センサの信号中の
ギア噛み合い信号によってサンプリング信号を生成する
ものをサンプリング信号発生手段としてもよい。

【００１６】前記診断処理のタイミングとしては、一定
時間毎に診断処理を行なうようにすることができる。あ
るいは、回転軸の回転数が一定回転数となっているとき
に診断処理を行なうようにもできる。あるいは、プログ
ラマブルロジックコントローラその他の機器よりタイミ
ング信号を受信した時に診断処理を行なうようにしても
よい。

【００１７】

【作用】本発明の異常診断装置にあっては、回転軸回り
の振動を振動センサで検出し、一方、サンプリング信号
発生手段により回転軸の回転角に応じたサンプリング信
号を発生させ、振動センサから出力される時系列振動信
号を当該サンプリング信号と同期してサンプリングし、
それによって振動センサの信号を回転軸回転角度空間の
信号に変換する。そして、異常診断装置は、この回転軸
回転角度空間の信号に基づいて、回転機器の異常を診断
する。

【００１８】回転軸回りのアンバランスによる信号や回
転軸回りの一定箇所の傷等に起因する信号は、回転軸回
転角度空間においては、回転軸の回転速度や回転加速度
に関係なく一定周期の信号となる。また、回転軸の回転
数が異なる場合でも、同じ周期の信号となる。従って、
回転軸回りの異常を診断するための信号処理や判断処理
を簡単にすることができる。

【００１９】また、前記サンプリング信号発生手段とし
てロータリーエンコーダを用いれば、このロータリーエ
ンコーダを回転軸等に設けておくだけで簡単にサンプリ
ング信号を発生させることができる。

【００２０】また、回転軸と連動して回転するギアの歯
を近接スイッチや電磁ピックアップなどの検出器で検出
するようにすれば、検出器の出力を必要に応じて逓倍す
ることによりサンプリング信号を発生させることができ
る。しかも、この近接スイッチや電磁ピックアップを回
転軸回りの機構に組込む必要がないので、サンプリング
信号発生手段の後付けも可能になる。

【００２１】さらに、サンプリング信号発生手段とし
て、振動センサの信号中のロータによるアンバランス信
号のゼロクロス点を検出したり、あるいは、振動センサ
の信号中のギア噛み合い信号を用いたりしてサンプリン
グ信号を発生させるようにすれば、電気的にサンプリン
グ信号を発生させることができる。

【００２２】

【実施例】図３は本発明の一実施例による異常診断装置
２１を示すブロック図であって、モータ駆動機械１を駆
動しているモータ２の軸回りの異常を診断するための装
置である。モータ駆動機械１には、モータ２の回転軸回
りの振動を検出し易い位置、好ましくはモータ２自身の
内部もしくは外面に振動センサ２２が取り付けられてお
り、振動センサ２２からは回転軸回りの振動により発生
した時系列振動信号ｓ（ｔ）が出力されている。ここ
で、振動センサ２２としては、加速度センサ、速度セン
サ、あるいは微小変位を検出する位置センサ等の各種セ
ンサを用いることができる。モータ駆動機械１ないしモ
ータ２に取り付けられる振動センサ２２は、１個だけで
もよいが、同種または異種の複数個の振動センサ２２を
取り付けるようにしてもよい。また、複数個の振動セン
サ２２を取り付ける場合には、互いに直交する感度を持
つように配置するとよい。特に、３個の同種または異種
の振動センサ２２を、各感度方向が互いに直交するよう
にして、モータ２に取り付けるのが好ましい。

【００２３】また、モータ回転軸４又はモータ回転軸４
と連動して回転する他の回転軸などにはパルス信号発生
手段としてロータリーエンコーダ２３が設けられてい
る。ロータリーエンコーダ２３はモータ回転軸４の回転
角度θを検出し、モータ回転軸４が一定微小角度Δθだ
け回転する毎にサンプリングパルスＰを出力する。ロー
タリーエンコーダ２３としては、モータ回転軸４の回転
角度θを検出すると共にモータ回転軸４の回転の向きも
検出できるインクリメンタル・ロータリーエンコーダを
用いるのが好ましく、取り付け位置も直接モータ回転軸
４に設けるのが好ましい。インクリメンタル・ロータリ
ーエンコーダを用いれば、モータ回転軸４の回転の向き
を判別でき、回転軸４が正回転している場合だけでな
く、回転軸４が逆回転している場合にもサンプリングパ
ルスＰを出力させることができる。さらには、ゼロ点信
号を出力できるインクリメンタル・ロータリーエンコー
ダを用いれば、回転軸回転角度空間の原点を常に固定す
ることができる。

【００２４】異常診断装置２１は、図３に示すように、
増幅回路を含むアナログ・デジタル変換回路（以下、Ａ
／Ｄコンバータという）２４、カウント値ｍを設定可能
な複数のｍ進カウンタ２５、移動平均処理を行なう複数
のノイズ除去部２６、特徴抽出部２７及び分類診断部２
８から構成されている。振動センサ２２で検出されたモ
ータ回転軸回りの振動は時系列振動信号ｓ（ｔ）として
Ａ／Ｄコンバータ２４に入力される。一方、ロータリー
エンコーダ２３では、モータ回転軸４が一定微小角度Δ
θ回転する毎にサンプリングパルスＰを発生している。
Ａ／Ｄコンバータ２４は、アナログ信号である時系列振
動信号ｓ（ｔ）をデジタル信号である回転角度空間信号
Ｒ（θ）に変換する。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ２４
では、ロータリーエンコーダ２３から出力されるサンプ
リングパルスＰと同期して時系列振動信号ｓ（ｔ）をサ
ンプリングし、多値デジタル信号（例えば２５６階値の
８ビット信号）として出力する。サンプリングパルスＰ
はモータ回転軸４が一定角度回転する毎に出力され、多
値デジタル信号はモータ回転軸４の一定回転角度毎の信
号となるので、回転軸回転角度空間における信号となっ
ている。すなわち、時系列振動信号ｓ（ｔ）はＡ／Ｄコ
ンバータ２４により回転角度空間信号Ｒ（θ）に変換さ
れる。

【００２５】例えば、モータ２の回転数が時間と共に増
加している場合を考える。この場合には、図４（ａ）に
示す時系列振動信号ｓ（ｔ）では、モータ２のロータの
アンバランスにより発生する基本振動信号１３やギア３
の傷等によって発生する異常振動信号１４は、不規則な
周期で発生する。しかし、このときロータリーエンコー
ダ２３からは、図４（ｂ）に示すようにモータ回転数と
比例した周波数でサンプリングパルスＰが発生するの
で、このサンプリングパルスＰを用いて時系列振動信号
ｓ（ｔ）を回転軸回転空間における回転角度空間信号Ｒ
（θ）に変換すると、基本振動信号１３や異常振動信号
１４は図４（ｃ）に示すように一定周期で表われる。従
って、この回転角度空間信号Ｒ（θ）を用いて特徴抽出
等を行なえば、従来のように時系列振動信号ｓ（ｔ）や
そのフーリエ変換信号Ｓ（ｆ；ｔ）を用いて特徴抽出等
を行なう場合と比較して、信号処理を極めて容易にする
ことができる。

【００２６】また、モータ２の回転数は一定であって
も、各運転毎にモータ２の回転数が異なっている場合を
考える。図５（ａ）は時系列振動信号ｓ（ｔ）を示す図
であって、モータ２の回転数が異なる場合の各基本振動
信号１３を示している。なお、モータ回転数は、基本振
動信号１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの順に大きくな
っている。これらの基本振動信号１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄがＡ／Ｄコンバータ２４により回転角度空間
信号Ｒ（θ）に変換されると、もとの基本振動信号１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄはいずれも図５（ｂ）に示
すように同じ周期の基本振動信号１３となる。特に、回
転角度空間信号Ｒ（θ）における基本振動信号１３の周
期は、モータ２の回転速度や回転加速度によっても変化
せず、常に２πラジアンとなる。従って、この場合も回
転角度空間信号Ｒ（θ）を用いて特徴抽出等を行なえ
ば、従来のように時系列振動信号ｓ（ｔ）やそのフーリ
エ変換信号Ｓ（ｆ；ｔ）を用いて特徴抽出等を行なう場
合と比較して、信号処理が簡単になる。

【００２７】このようにして時系列振動信号ｓ（ｔ）が
回転角度空間信号Ｒ（θ）に変換されると、同じ原因に
起因する振動信号は、モータ２の回転速度や回転加速度
に関係なく、回転軸回転角度空間では常に一定の周期で
表われることになる。例えば、モータ２のロータのアン
バランスに起因する基本振動信号１３は、上記のように
常に２πラジアンの周期で表われる。また、モータ回転
軸４に取り付けられた初段ギア３の噛み合いによる振動
（異常振動信号）は、図６に示すように、ロータのアン
バランスによる基本振動信号１３の上に乗った周期２π
／Ｋラジアン（Ｋは当該初段ギア３の歯数）の異常振動
信号１４Ａとして表われる。

【００２８】さらに、モータ回転軸を回転自在に支持し
ている転がり軸受け（図示せず）の内輪に１箇所の傷が
ある場合には、内輪軌道の直径をＤｉ、外輪軌道の直径
をＤｏ、転動体（ボール、コロ；セパレータで均等に配
置されているとする）の数をＮとすると、内輪の傷が転
動体に接触するときの異常振動信号１４Ｂの周期Ｔｉ
は、Ｔｉ＝２π（Ｄｉ＋Ｄｏ）／（ＤｏＮ）ラジアンと
なる。いま、内輪軌道の直径Ｄｉ＝５０ｍｍ、外輪軌道
の直径Ｄｏ＝８０ｍｍ、転動体の数Ｎ＝６とすると、内
輪の傷が転動体に接触するときの異常振動信号１４Ｂの
周期Ｔｉ＝０.５４πラジアンとなる。従って、図７に
示すように、この異常振動信号１４Ｂは、基本振動信号
１３の上に転がり軸受けの寸法によって決まる一定周期
で表われる。

【００２９】また、転がり軸受けの外輪に１箇所の傷が
ある場合には、外輪の傷が転動体に接触するときの異常
振動信号１４Ｃの周期Ｔｏは、Ｔｏ＝２π（Ｄｉ＋Ｄ
ｏ）／（ＤｉＮ）ラジアンとなる。ここでも上記数値を
用いると、外輪の傷が転動体に接触するときの異常振動
信号１４Ｃの周期Ｔｏ＝０.８６πラジアンとなる。従
って、この場合も図８に示すように、基本振動信号１３
の上に転がり軸受けの寸法によって決まる一定周期で異
常振動信号１４Ｃが表われる。

【００３０】また、転がり軸受けの転動体に１箇所の傷
がある場合には、転動体の傷が内輪に接触するときの異
常振動信号１４Ｄの周期Ｔｉｒは、転動体の直径をｄと
するとき、Ｔｉｒ＝２πｄ（Ｄｉ＋Ｄｏ）／（ＤｉＤｏ
Ｎ）ラジアンとなる。同じく、転動体の傷が外輪に接触
するときの異常振動信号１４Ｄの周期Ｔｏｒは、Ｔｏｒ
＝２πｄ（Ｄｉ＋Ｄｏ）／（ＤｉＤｏＮ）ラジアンとな
る。ここでも上記数値を用いると、転動体の傷が内輪又
は外輪に接触するときの異常振動信号１４Ｄの周期は、
Ｔｉｒ＝Ｔｏｒ＝０.９８πラジアン（位相差０.６πラ
ジアン）となる。従って、この場合も図９に示すよう
に、基本振動信号１３の上に転がり軸受けの寸法によっ
て決まる一定周期で異常振動信号１４Ｄが表われる。

【００３１】なお、モータ回転軸から離れた従段ギア、
従段ギアを有する従動軸の負荷変動、ノイズなどはモー
タ回転軸の回転角度とは非同期で発生するが、本異常診
断装置はモータ回転軸の周囲の異常診断を目的とするた
めに振動センサをモータ回転軸の振動を検出し易い位置
に設けているので、これらの非同期の信号は診断対象外
のノイズとして扱われる。また、これらは比較的小さな
信号レベルである。

【００３２】つぎに、ｍ進カウンタ２５とノイズ除去部
２６を用いた移動平均によるノイズ除去について説明す
る。ｍ進カウンタ２５は、０からカウントを開始し、カ
ウント値ｍになるとキャリア信号を出力すると共に０に
クリアするものであって、カウント値ｍは予め任意に設
定することができる。また、各ｍ進カウンタ２５はロー
タリーエンコーダ２３から出力されるサンプリングパル
スと同期してカウント動作している。従って、モータ回
転軸４が１回転する間にロータリーエンコーダ２３から
出力されるサンプリングパルス数をＭとすると、ｍ進カ
ウンタ２５からは２π（ｍ／Ｍ）ラジアンの周期でキャ
リア信号が出力される。つまり、各ｍ進カウンタ２５の
カウント値ｍがｎ１，ｎ２，…に設定されていれば、各
ｍ進カウンタ２５からは、２π（ｎ１／Ｍ）ラジアン，
２π（ｎ２／Ｍ）ラジアン，…の各周期でキャリア信号
が出力される。

【００３３】複数のノイズ除去部２６は、それぞれＡ／
Ｄコンバータ２４で変換された回転角度空間信号Ｒ
（θ）が入力されており、各ノイズ除去部２６は互いに
異なるサンプリング周期で回転角度空間信号Ｒ（θ）を
移動平均（例えば、移動相乗平均、移動相加平均など）
することにより、ノイズや各サンプリング周期と異なる
周期の信号をノイズ成分として除去している。すなわ
ち、各ノイズ除去部２６には対応する各ｍ進カウンタ２
５のキャリア信号が入力されており、各ノイズ除去部２
６は入力されたキャリア信号と同期して移動平均処理を
行なっている。例えばカウント値ｍ＝ｎｊのｍ進カウン
タ２５とつながれたノイズ除去部２６では、２π（ｎｊ
／Ｍ）ラジアンのサンプリング周期で移動相乗平均また
は移動相加平均を行なっている。従って、各ノイズ除去
部２６から特徴抽出部２７へは、ノイズ成分を取り除い
た高Ｓ／Ｎ比の回転角度空間信号Ｒ（θ）を出力するこ
とができ、信号成分を明瞭にすることができる。なお、
各ノイズ除去部２６における移動相乗平均または移動相
加平均は、それぞれ位相をずらせて実行される。

【００３４】例えば、転がり軸受けの内輪の傷を診断し
ようとする場合には、内輪の傷によって発生する異常振
動信号１４Ｂの周期Ｔｉを計算により、あるいは実験的
に求め、１つのｍ進カウンタ２５のカウント値ｍをｍ＝
ＭＴｉ／（２π）となるようにセットしておく。対応す
るノイズ除去部２６は、図１０に示すように内輪の傷に
よる異常振動信号１４Ｂの周期（Ｔｉ＝０.５４π）と
等しい周期２πｍ／Ｍ＝Ｔｉで回転角度空間信号Ｒ
（θ）をサンプリングし、これを移動相乗平均もしくは
移動相加平均する。内輪の傷による異常振動信号１４Ｂ
は、ノイズ除去部２６のサンプリング周期と等しいの
で、移動相乗平均または移動相加平均されてもそのまま
残るが、ノイズもしくは異なる周期の異常振動信号は移
動相乗平均または移動相加平均される結果、ノイズ成分
として扱われ、抑制される。従って、このノイズ除去部
２６では内輪の傷による異常振動信号１４Ｂだけが取り
出される。

【００３５】同じように、別なｍ進カウンタ２５及びノ
イズ除去部２６では、外輪の傷によって発生する異常振
動信号１４Ｃの周期Ｔｏを計算により、あるいは実験的
に求め、当該ｍ進カウンタ２５のカウント値ｍをｍ＝Ｍ
Ｔｏ／（２π）となるようにセットしておく。対応する
ノイズ除去部２６は、図１１に示すように外輪の傷によ
る異常振動信号１４Ｃの周期（Ｔｏ＝０.８６π）と等
しい周期２πｍ／Ｍ＝Ｔｏで回転角度空間信号Ｒ（θ）
をサンプリングし、これを移動相乗平均または移動相加
平均する。これにより、当該ノイズ除去部２６からは、
ノイズを抑制して内輪の傷による異常振動信号１４Ｃが
高いＳ／Ｎ比で出力される。

【００３６】また、別なｍ進カウンタ２５及びノイズ除
去部２６では、転動体の傷によって発生する異常振動信
号１４Ｄの周期Ｔｉｒ＝Ｔｏｒを計算により、あるいは
実験的に求め、当該ｍ進カウンタ２５のカウント値ｍを
ｍ＝ＭＴｉｒ／（２π）＝ＭＴｏｒ／（２π）となるよ
うにセットしておく。対応するノイズ除去部２６は、図
１２に示すように転動体の傷による異常振動信号１４Ｄ
の周期（Ｔｏ＝０.９８π）と等しい周期２πｍ／Ｍ＝
Ｔｉｒ＝Ｔｏｒで回転角度空間信号Ｒ（θ）をサンプリ
ングし、これを移動相乗平均もしくは移動相加平均す
る。これにより、当該ノイズ除去部２６からは、ノイズ
を抑制して転動体の傷による異常振動信号１４Ｄが高い
Ｓ／Ｎ比で出力される。

【００３７】同様にして、他のそれぞれのｍ進カウンタ
２５及びノイズ除去部２６には、検出しようとする異常
現象の回転角度空間における周期に対応したカウント値
ｍを設定しておくことにより、当該異常を検出対象とす
ることができる。

【００３８】特徴抽出部２７では、各ノイズ除去部２６
から入力された移動平均処理を施された信号の特徴抽出
を行なう。特徴抽出部２７では、画像解析法で用いられ
ている手法と同様にして、しきい値、統計諸量（平均
値、分散、最大値、最小値、相関係数）、判別関数など
の値や量を用いて特徴抽出が行なわれる。こうして特徴
抽出が行なわれると、分類診断部２８では、同じく画像
解析法で用いられているような最尤法や最短距離分類
法、クラスタ分析などの手法を用いて、傷や欠け、異物
混入などといった異常の発生位置や種類を分類して診断
結果（診断出力）を出力する。

【００３９】上記のように、本発明の異常診断装置２１
によれば、時系列振動信号ｓ（ｔ）を回転角度空間信号
Ｒ（θ）に変換して異常診断しているので、モータ回転
数が変化している場合や、異なる回転数でモータ２が回
転している場合でも、一定周期の振動信号として異常振
動信号を検査することができ、異常診断を容易かつ確実
に行なわせることができる。また、ノイズ除去部２６に
おいては、移動平均を用いて回転角度空間信号Ｒ（θ）
の一定周期以外の信号を除去しているので、高いＳ／Ｎ
比を有する信号を得ることができ、確度の高い異常検出
が可能となる。しかも、従来例の周波数フィルタのよう
にモータ２の回転数等が変化しても要求される特性が変
化するといった問題もない。

【００４０】図１０は本発明の別な実施例による異常診
断装置２９を示すブロック図である。この異常診断装置
２９においては、モータ回転軸４に取り付けられた初段
ギア３の歯を検出する検出器３０、特に近接スイッチや
電磁ピックアップなどの金属センサと、周波数逓倍回路
３１とによって、サンプリング信号発生手段を構成して
いる。検出器３０でギア３の歯を検出して出力する検出
信号は、モータ回転軸４が一定角度回転する度に発生
し、回転角度空間では一定周期の信号となる（図９）か
ら、この検出信号を周波数逓倍回路３１で数１０〜数１
００逓倍して出力することによりサンプリング信号とす
ることができる。

【００４１】図１１は本発明のさらに別な実施例による
異常診断装置３２を示すブロック図である。この異常診
断装置３２においては、振動センサ２２から出力された
時系列振動信号ｓ（ｔ）に含まれる基本振動信号１３の
ゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出器３３と、周
波数逓倍回路３１とによって、サンプリング信号発生手
段を構成している。時系列振動信号ｓ（ｔ）に含まれる
基本振動信号１３は、モータ回転軸４の回転速度や回転
加速度に関係なく、モータ回転軸４の回転角度と共に変
化して回転角度空間では一定周期の信号となる（図４，
図５）から、この検出信号を周波数逓倍回路３１で数１
０〜数１００逓倍して出力することによりサンプリング
信号として用いることができる。

【００４２】また、時系列振動信号ｓ（ｔ）の基本振動
信号１３には、モータ回転軸４に取り付けられた初段ギ
ア３の噛み合いによる異常振動信号１４Ａが乗っている
ので（回転角度空間信号Ｒ（θ）におけるものを図６に
示した）、この初段ギア３の噛み合いによる異常振動信
号１４Ａを検出すれば、モータ回転軸４の回転角度と対
応したサンプリング信号を得ることができる。例えば、
図１２に示す異常診断装置３４では、基本振動信号１３
の周波数域の信号をカットし初段ギア３の噛み合いによ
る異常振動信号１４Ａの周波数域の信号を通過させるハ
イパスフィルタ３５と、ハイパスフィルタ３５通過後の
信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出器３３
と、周波数逓倍回路３１とによって、サンプリング信号
発生手段を構成している。時系列振動信号ｓ（ｔ）のう
ち基本振動信号１３をハイパスフィルタ３５によってカ
ットすると、ハイパスフィルタ３５通過後の時系列振動
信号ｓ（ｔ）は初段ギア３の噛み合いによる異常振動信
号１４Ａによってゼロクロスすることになる。従って、
ゼロクロス点検出器３３によって当該信号のゼロクロス
点を検出し、周波数逓倍回路３１で数１０〜数１００逓
倍することにより、図１０の実施例と同様に、目的とす
るサンプリング信号を得ることができる。

【００４３】異常診断装置により常に異常診断を行なわ
せるようにしてもよいが、必要な場合のみ、あるいは異
常診断に適した場合にのみ異常診断を行なうようにして
もよい。例えば、モータが一定回転数で回転している場
合にだけ、異常診断装置により異常診断を行なわせるよ
うにしてもよい。図１３に示す実施例では、回転数検出
部３７でロータリーエンコーダ２３から出力されるサン
プリングパルスによってモータ回転軸４の回転数をモニ
ターし、モータ回転軸４の回転数が一定速度となってい
る状態の時に異常診断装置３６をオンとし、回転数が変
動したり、不安定になったりしている時には異常診断装
置３６をオフにしている。このようにモータ回転数が安
定している状態でのみ異常診断を行なわせれば、診断結
果の的中率を高めることができる。

【００４４】また、一定時間だけ異常診断を行なわせる
ようにしてもよい。例えば、図１４に示す実施例のよう
に、タイマー３８に異常診断装置３６のオン時間とオフ
時間をセットし、一定時間毎に繰り返し異常診断を行な
えるようにする。これによって連続的に異常診断するの
でなく、定期的に異常診断させることができる。あるい
は、操作者がタイマー３８をオンにすると異常診断装置
３６がオンとなり、タイマー３８の設定時間が経過する
と、再び異常診断装置３６がオフとなるようにする。こ
のようにすれば、適宜必要時にのみモータ軸回りの異常
診断を行なわせることができる。

【００４５】また、図１５に示すように、プログラマブ
ルロジックコントローラ（ＰＣＬ）その他の機器３９、
例えばモータ駆動機械１を制御する制御装置からタイミ
ング信号を出力することによって診断処理を行なわせる
ようにしてもよい。この場合には、例えばモータ駆動機
械１の始動時に自動的にモータ駆動機械１の異常診断を
行なわせるようにすることができる。

【００４６】なお、上記各実施例では、モータ駆動機械
に異常診断装置を用いたものを説明したが、駆動源とし
てはモータ（電動機）に限らず、レシプロエンジンも回
転軸に注目すれば、駆動軸から出力軸までの任意の回転
軸に対して本発明の異常診断装置を適用することができ
る。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、振動センサから出力し
た時系列振動信号を回転軸回転角度空間の信号に変換
し、この回転角度空間信号に基づいて、回転機器の異常
を診断しているので、回転軸の回転速度や回転加速度に
関係のない一定周期の回転角度空間信号によって異常診
断を行なえる。また、回転軸の回転数が異なる場合で
も、回転角度空間信号は同じ周期の信号となる。従っ
て、回転軸回転角度空間内の信号の周期によって回転軸
回りの異常の種類をパターン分けすることができ、故障
診断のための信号処理や判断処理を簡単にすることがで
きる。

【００４８】また、従来例のようにフーリエ変換を必要
としないので、信号処理時間を短くできると共に信号処
理をより簡単にできる。

【００４９】さらに、回転角度空間信号は一定周期の信
号となるので、ノイズ消去のために移動相乗平均や移動
相加平均等の移動平均によるノイズ除去手段を用いるこ
とができる。このノイズ除去手段は、従来の周波数フィ
ルタのように、周波数特性を回転速度や回転加速度等に
よって変化させる必要もなく、高いＳ／Ｎ比を達成する
ことができて異常検出の確度も良好となる。

【００５０】前記サンプリング信号発生手段としてロー
タリーエンコーダを用いれば、このロータリーエンコー
ダを回転軸等に設けておくだけで簡単にサンプリング信
号を発生させることができる。しかも、回転の向きも検
出できるインクリメンタル・ロータリーエンコーダを用
いれば、回転軸が正逆いずれの向きに回転していても異
常診断処理を行なうことができる。また、ギアの歯を近
接スイッチや電磁ピックアップなどの検出器で検出する
ようにすれば、検出器の出力を必要に応じて逓倍するこ
とによりサンプリング信号を発生させることができる。
しかも、近接スイッチや電磁ピックアップを用いる場合
には、これらを回転軸回りの機構に組込む必要がないの
で、サンプリング信号発生手段の後付けも可能になる。
さらに、サンプリング信号発生手段として、振動センサ
の信号中のロータによるアンバランス信号のゼロクロス
点を検出したり、あるいは、振動センサの信号中のギア
噛み合い信号を用いたりしてサンプリング信号を発生さ
せるようにすれば、電気的にサンプリング信号を発生さ
せることができる。

【００５１】また、異常診断処理を一定の時間毎に行な
わせるようにすれば、定期的に異常診断を行なわせるこ
とができる。あるいは、回転軸の回転数が一定回転数と
なっているときに異常診断処理を行なえば、安定した状
態で異常診断処理を行なうことができ、診断処理を容易
にできると共に診断結果の確度が向上する。また、プロ
グラマブルロジックコントローラその他の機器よりタイ
ミング信号を得て異常診断処理を行なえば、例えば回転
機器の運転開始時などに異常診断を行なうことができ、
異常のないことを確認して回転機器を運転することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の異常診断装置を示すブロック図である。

【図２】（ａ）（ｂ）はいずれも回転軸の時系列振動信
号を示す波形図、（ｃ）は時系列振動信号から変換され
たフーリエ変換信号を示す波形図である。

【図３】本発明の一実施例における異常診断装置を示す
ブロック図である。

【図４】（ａ）はモータ回転速度が上昇している状態で
の時系列振動信号を示す波形図、（ｂ）は同じ状態での
サンプリングパルスを示す図、（ｃ）は変換された回転
角度空間信号を示す波形図である。

【図５】（ａ）はモータ回転速度が異なる各状態におけ
る時系列振動信号を示す波形図、（ｂ）は各時系列振動
信号から変換された回転角度空間信号を示す波形図であ
る。

【図６】回転角度空間信号の他例を示す波形図である。

【図７】回転角度空間信号のさらに他例を示す波形図で
ある。

【図８】回転角度空間信号のさらに他例を示す波形図で
ある。

【図９】回転角度空間信号のさらに他例を示す波形図で
ある。

【図１０】本発明の別な実施例における異常診断装置を
示すブロック図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施例における異常診断
装置を示すブロック図である。

【図１２】本発明のさらに別な実施例における異常診断
装置を示すブロック図である。

【図１３】本発明のさらに別な実施例における異常診断
装置を示す概略ブロック図である。

【図１４】本発明のさらに別な実施例における異常診断
装置を示す概略ブロック図である。

【図１５】本発明のさらに別な実施例における異常診断
装置を示す概略ブロック図である。

【符号の説明】

２モータ３ギア４モータの回転軸１３ロータのアンバランスによる振動信号１４，１４Ａ〜１４Ｄ異常振動信号２２振動センサ２３ロータリーエンコーダ２４Ａ／Ｄコンバータ２５ｍ進カウンタ２６ノイズ除去部３０近接スイッチや電磁ピックアップなどの検出器３１周波数逓倍回路３３ゼロクロス点検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸回りの振動を検出する振動センサ
と、前記回転軸の回転角をサンプリング信号に変換する
サンプリング信号発生手段と、前記振動センサの信号を
サンプリング信号発生手段のサンプリング信号毎にサン
プリングして回転軸回転角度空間の信号に変換する変換
手段とを備え、前記変換手段の出力する回転軸回転角度空間の信号に基
づいて、回転機器の異常を診断する回転機器の異常診断
装置。
【請求項２】回転軸回りの重心のアンバランス、ギア
の噛み合い不良、軸受けの傷などの異常を診断すること
を特徴とする請求項１に記載の回転機器の異常診断装
置。
【請求項３】前記サンプリング信号発生手段は、回転
軸又は回転軸と連動して回転する回転部分の回転角度と
回転の向きを検出するロータリーエンコーダであること
を特徴とする請求項１又は２に記載の回転機器の異常診
断装置。
【請求項４】前記サンプリング信号発生手段は、回転
軸と連動して回転するギアの歯を近接スイッチや電磁ピ
ックアップなどの検出器で検出し、それによってサンプ
リング信号を生成するものであることを特徴とする請求
項１又は２に記載の回転機器の異常診断装置。
【請求項５】前記サンプリング信号発生手段は、振動
センサの信号中のロータによるアンバランス信号のゼロ
クロス点を検出し、それによってサンプリング信号を生
成するものであることを特徴とする請求項１又は２に記
載の回転機器の異常診断装置。
【請求項６】前記サンプリング信号発生手段は、振動
センサの信号中のギア噛み合い信号によってサンプリン
グ信号を生成するものであることを特徴とする請求項１
又は２に記載の回転機器の異常診断装置。
【請求項７】一定の時間毎に前記診断処理を行なうよ
うにしたことを特徴とする請求項１，２，３，４，５又
は６に記載の回転機器の異常診断装置。
【請求項８】回転軸の回転数が一定回転数となってい
るときに前記診断処理を行なうようにしたことを特徴と
する請求項１，２，３，４，５又は６に記載の回転機器
の異常診断装置。
【請求項９】プログラマブルロジックコントローラそ
の他の機器よりタイミング信号を得て前記診断処理を行
なうようにしたことを特徴とする請求項１，２，３，
４，５又は６に記載の回転機器の異常診断装置。