CN112803870B - 诊断装置、马达驱动装置以及诊断方法 - Google Patents

诊断装置、马达驱动装置以及诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及对齿轮的状态进行诊断的诊断装置、马达驱动装置以及诊断方法。本发明提供一种即使对既有的机械也能够诊断齿轮的状态的诊断装置。转速取得部(101)取得马达(201)的转速。电流取得部(102)取得与马达(201)的转矩电流对应的马达电流。时序数据生成部(104)确定多个在与转速有关的特征值产生规定的变化的时刻作为基准时刻，针对每个基准时刻，生成与该基准时刻对应的规定期间的马达电流的时序数据。相似度计算部(106)计算各时序数据之间的相似度。异常诊断部(107)基于相似度，诊断齿轮(203)的状态。

Description

诊断装置、马达驱动装置以及诊断方法
技术领域
本发明涉及对齿轮的状态进行诊断的诊断装置、马达驱动装置以及诊断方法。
背景技术
作为机床(例如，钢铁用辊扎机等)那样的机械故障的重要因素之一，能够列举磨损等导致的齿轮的异常。
与此相对，专利文献1记载了一种能够检测齿轮的状态的技术记载。在专利文献1所记载的技术中，针对被马达驱动的驱动部执行诊断用驱动，而取得驱动部的齿隙那样的评价数据，将该评价数据的值与预先准备的设定值进行比较，由此进行异常诊断。将在第一次或者第规定次的诊断用驱动中计算出的评价数据的值与规定比例相加而对设定值进行设定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018－73327号公报
在工业领域中，有时需要针对不具备齿轮的异常诊断功能的既有的机械进行齿轮的异常诊断。然而，在专利文献1所记载的技术中，为了进行异常诊断，需要根据在第一次或者第规定次的诊断用驱动中计算出的评价数据求得设定值，但在既有的机械的情况下，有可能齿轮已经磨损，因此难以获得用作异常诊断的基准的适当的设定值。因此，难以针对既有的机械诊断齿轮的状态。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种即使针对既有的机械也能够诊断齿轮的状态的诊断装置、马达驱动装置以及诊断方法。
基于本公开的一个方式的诊断装置对与马达的旋转对应地动作的齿轮的状态进行诊断，该诊断装置具有：转速取得部，其取得上述马达的转速；电流取得部，其取得与上述马达的转矩电流对应的马达电流；生成部，其确定多个与上述转速有关的特征值产生规定的变化的时刻作为基准时刻，针对每个上述基准时刻，生成与该基准时刻对应的规定期间的上述马达电流的时序数据；计算部，其计算各时序数据之间的相似度；以及诊断部，其基于上述相似度，诊断上述齿轮的状态。
本发明的效果如下。
根据本发明，即使相对于既有的机械，也能够诊断齿轮的状态。
附图说明
图1是表示本公开的实施例1的驱动系统的结构图。
图2是表示马达的角速度指令值与马达电流的关系的一个例子的图。
图3是用于对在齿轮异常时产生电流脉动的理由进行说明的图。
图4是表示马达的角速度指令值与马达电流的关系的其他的例子的图。
图5是用于对在齿轮异常时产生电流脉动的理由进行说明的图。
图6是用于对时序数据生成部的动作的一个例子进行说明的流程图。
图7是用于对时序数据生成部的动作的一个例子进行说明的流程图。
图8是用于对时序数据生成部的动作的一个例子进行说明的流程图。
图9是表示时序马达电流数据的一个例子的图。
图10是用于对相似度计算部的动作的一个例子进行说明的流程图。
图11是表示在图10中说明的动作中的时序马达电流数据的电流波形的一个例子的图。
图12是用于对异常诊断部的动作的一个例子进行说明的流程图。
图13是表示本公开的实施例2的驱动系统的结构图。
图14是表示角速度指令的一个例子的图。
图15是表示角速度指令的其他的例子的图。
图16是表示角速度指令的其他的例子的图。
图17是用于对时序数据生成部的动作的其他的例子进行说明的流程图。
图18是表示本公开的实施例3的驱动系统的结构图。
附图标记的说明
1～3-驱动系统，100-异常诊断装置，101-转速取得部，102-电流取得部，103-负荷状态取得部，104-时序数据生成部，105-临时存储部，106-相似度计算部，107-异常诊断部，108-显示部，109-角速度指令输出部，200-旋转机械部，201-马达，202-第1输出轴，203-齿轮，204-第2输出轴，205-旋转动作部，300-马达驱动装置，301-编码器，302-马达驱动电路，303-控制部，601-第1时序马达电流数据，502-第2时序马达电流数据，701-马达侧齿轮，702-旋转动作部侧齿轮。
具体实施方式
以下，参照附图，对本公开的实施例进行说明。
[实施例1]
首先，使用图1～图12，对本公开的实施例1的异常诊断装置进行说明。
图1是表示实施例1的驱动系统的结构图。图1所示的驱动系统1具备：异常诊断装置100、旋转机械部200、马达驱动装置300、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)400。
首先，对旋转机械部200进行说明。
旋转机械部200应用于需要齿轮的机械(例如，钢铁用辊扎机等)。旋转机械部200具备：马达201、第1输出轴202、齿轮203、第2输出轴204、旋转动作部205。
马达201与来自马达驱动装置300的驱动信号对应地被旋转驱动。马达201的转子与第1输出轴202连接。齿轮203与第1输出轴202以及第2输出轴204连接。第2输出轴204与旋转动作部205连接。
若马达201被旋转驱动，则第1输出轴202与马达201的转子的旋转连动地旋转。齿轮203使第1输出轴202的旋转减速或者增速，并将该减速或者增速后的旋转传递至第2输出轴204。旋转动作部205与第2输出轴204的旋转连动地旋转。由此，实现机械的规定的动作(例如，钢铁用辊扎机的辊扎动作)。
接下来，对马达驱动装置300进行说明。
马达驱动装置300具备编码器301、马达驱动电路302、控制部303。
编码器301与旋转机械部200的马达201的转子连接，检测与马达201的旋转有关的旋转值。具体而言，编码器301检测马达201的旋转角(旋转位置)来作为旋转值。编码器301将表示检测到的旋转角的旋转检测信号发送至控制部303。此外，马达201由感应机等构成，在不进行位置控制的情况下，也可以设置有检测马达201的转速作为旋转值的转速检测器，来代替编码器301。
马达驱动电路302是向马达201供给电压或者电流的驱动信号由此驱动马达201的驱动电路。马达驱动电路302具备电流检测器(未图示)，使用该电流检测器将供给至马达201的电流检测为马达201的转矩电流，将表示该检测出的转矩电流的电流检测信号输出至控制部303。
控制部303基于来自编码器301的旋转检测信号、来自马达驱动电路302的电流检测信号、来自PLC400的角速度指令信号，生成表示针对在马达201流经的电流的指令值即电流指令值的电流指令信号，并输出至马达驱动电路302。角速度指令信号表示针对马达201的角速度的指令值即角速度指令值。此外，马达201也可以通过不使用编码器301那样的旋转检测部的无传感器来驱动。在该情况下，代替来自编码器301的旋转检测信号，控制部303也可以基于控制部303自身计算的马达201的旋转角或者转速的预测值来计算电流指令值。另外，控制部303也可以通过自身来计算角速度指令值。
接下来，对PLC400进行说明。
PLC400是异常诊断装置100以及马达驱动装置300的上位系统。PLC400为了控制旋转机械部200的旋转动作部205的转速，将表示马达201的角速度指令值的角速度指令信号输出至控制部303以及异常诊断装置100。
接下来，对异常诊断装置100进行说明。
异常诊断装置100是对与旋转机械部200的马达201的旋转对应地动作的齿轮203的状态进行诊断的诊断装置。异常诊断装置100具备：转速取得部101、电流取得部102、负荷状态取得部103、时序数据生成部104、临时存储部105、相似度计算部106、异常诊断部107、显示部108。也可以通过处理器读取规定处理器的动作的程序，并执行该读取的程序来实现异常诊断装置100的各部。
转速取得部101取得马达201的转速，并将其暂时保存。在本实施例中，转速取得部101取得来自PLC400的角速度指令信号表示的角速度指令值作为马达201的转速。此外，转速取得部101也可以从控制部303取得角速度指令值。另外，也可以代替角速度指令值，转速取得部101基于来自编码器301的旋转角，取得马达201的转速。另外，在代替编码器301而设置有转速检测器的情况下，转速取得部101也可以取得来自转速检测器的转速。
电流取得部102取得与马达201的转矩电流对应的马达电流，并将其暂时保存。具体而言，马达电流是与转矩电流本身或者转矩电流具有相关关系的电流。在本实施例中，电流取得部102取得来自马达驱动电路302的电流检测信号表示的马达电流。此外，电流取得部102也可以取得控制部303输出的电流指令信号表示的电流指令值作为马达电流。
负荷状态取得部103取得施加于旋转动作部205的负荷的状态即负荷状态。负荷状态可以表示施加于旋转动作部205的负荷的程度的数值，也可以表示有无针对旋转动作部205的负荷。例如，在将旋转机械部200应用于钢铁用辊扎机的情况下，对钢板进行辊扎的状态成为具有负荷的有负荷状态，不对钢板进行辊扎的状态成为没有负荷的无负荷状态。
在本实施例中，PLC400检测旋转动作部205的负荷状态，并将该负荷状态输出至负荷状态取得部103。负荷状态取得部103取得来自PLC400的负荷状态。另外，在旋转动作部205的附近等设置检测负荷状态的传感器(未图示)，负荷状态取得部103也可以从该传感器取得负荷状态。作为该传感器，例如能够列举检测在旋转动作部205的附近是否存在负荷(例如，在钢铁辊扎机的情况下为钢板材料)的传感器等。另外，负荷状态取得部103也可以计算与由转速取得部101取得的转速的变化对应的马达电流，将该马达电流与由电流取得部102取得的马达电流进行比较，由此推断旋转动作部205的负荷状态。
时序数据生成部104基于由转速取得部101取得的转速，具体而言，基于角速度指令值，生成能够诊断齿轮203的状态的时序马达电流数据。具体而言，时序数据生成部104确定多个与由转速取得部101取得的角速度指令值有关的特征值产生规定的变化的时刻作为基准时刻，针对每个基准时刻，生成与该基准时刻对应的规定期间的、由电流取得部102取得的马达电流的时序数据，作为时序马达电流数据。
在本实施例中，与角速度指令值有关的特征值是以时间对角速度指令值进行微分而得的角加速度，规定期间是具有作为基准时刻的角加速度变化时刻之后的规定的长度的期间。另外，时序数据生成部104确定2个角加速度变化时刻，生成与该2个角加速度变化时刻中的每一个对应的时序马达电流数据，作为第1时序马达电流数据以及第2时序马达电流数据。
临时存储部105暂时存储由时序数据生成部104生成的多个时序马达电流数据。具体而言，临时存储部105分别暂时地存储第1时序马达电流数据以及第2时序马达电流数据，作为第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502。
相似度计算部106是计算并输出存储于临时存储部105的第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502之间的相似度的计算部。
异常诊断部107是基于来自相似度计算部106的相似度诊断齿轮203的状态的诊断部。
显示部108显示异常诊断部107的诊断结果。显示部108也可以设置于异常诊断装置100的外部。在该情况下，异常诊断装置100具备用于将诊断结果向外部输出的接口，来代替显示部108。
图2是用于对马达201的角速度指令值与马达201的马达电流的关系的一个例子进行说明的图。
图2中的(a)表示角速度指令值的时间变化。在图2的例子中，角速度指令值在时刻t1之前减少，从时刻t1至时刻t2增加，在时刻t2以后减少。换句话说，齿轮203在时刻t1之前减速，从时刻t1至时刻t2增速，在时刻t2以后减速。
图2中的(b)表示以时间对角速度指令值进行微分而得的微分值即角加速度的时间变化。在图2的例子中，角加速度在时刻t1之前为负，在时刻t1变为正，之后，在时刻t2之前为正，在时刻t2变为负。将在时刻t1变化前的角加速度设为“A1A”、将在时刻t1变化后的角加速度设为“A1B”、将在时刻t2变化前的角加速度设为“A2A”、将在时刻t2变化后的角加速度设为“A2B”。在图2的例子中，角加速度“A1B”与角加速度“A2A”相等，角加速度“A2B”的绝对值小于角加速度“A1B”的绝对值。
图2中的(c)以及(d)表示马达电流的时间变化。具体而言，图2中的(c)表示齿轮203为正常状态的齿轮正常时的马达电流的时间变化，图2中的(d)表示齿轮203为异常状态的齿轮异常时的马达电流的时间变化。如图2中的(c)以及(d)所示，在角加速度为负的情况下，马达电流成为负，在角加速度为正的情况下，马达电流成为正。
另外，在齿轮异常时，如图2中的(d)所示，在齿轮203的角加速度的符号反转(变化)的时刻t1以及t2之后，在马达电流产生电流脉动。具体而言，在时刻t1+Δt1，在马达电流产生脉动振幅(最大脉动振幅)ΔI1的电流脉动，在时刻t2+Δt2，在马达电流产生脉动振幅ΔI2的电流脉动。此外，在这些电流脉动(时刻t1后的电流脉动与时刻t2后的电流脉动)中，从角加速度的符号反转的时刻t1以及t2至产生电流脉动为止，在时间Δt1以及Δt2之间产生差，另外，在脉动振幅ΔI1以及ΔI2之间产生差。
图3是用于对在齿轮异常时产生电流脉动的理由进行说明的图，以二维示意性地表示图2的时刻t1之前(角加速度变化前)、t1+Δt1以及t2+Δt2各自的齿轮203的状态。在图3中，齿轮203包含与第1输出轴202连接的马达侧齿轮701以及与第2输出轴204连接并与马达侧齿轮701啮合的旋转动作部侧齿轮702。
在时刻t1之前，马达侧齿轮701逆时针方向旋转，旋转动作部侧齿轮702顺时针方向旋转。然后，在时刻t1，马达侧齿轮701的角加速度的符号反转，从而马达侧齿轮701的角速度变化。另一方面，就旋转动作部侧齿轮702而言，角速度不因旋转动作部侧齿轮702以及旋转动作部205等的惯性而变化，因此马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702不接触。
之后，在时刻t1+Δt1，马达侧齿轮701的向上的齿面701A与旋转动作部侧齿轮702的向下的齿面702A碰撞，通过该碰撞将转矩施加于马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702。施加于马达侧齿轮701的转矩经由第1输出轴202传递至马达201，从而使马达电流产生电流脉动。
相同地，即使在时刻t2，马达侧齿轮701的角加速度的符号也反转，从而马达侧齿轮701的角速度变化。另一方面，旋转动作部侧齿轮702的角速度不会因旋转动作部侧齿轮702以及旋转动作部205等的惯性而变化，因此马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702不接触。
之后，在时刻t2+Δt2，马达侧齿轮701的向下的齿面701B与旋转动作部侧齿轮702的向下的齿面702B碰撞，通过该碰撞将转矩施加于马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702。施加于马达侧齿轮701的转矩经由第1输出轴202传递至马达201，从而使马达电流产生电流脉动。
在上述的动作中，在齿轮203正常且齿轮203的齿隙703充分小的情况下，在齿轮203的角加速度的符号反转后产生的、马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702不接触的非接触时间非常短，碰撞时的马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702的角速度的差较小。因此，通过碰撞而生成的转矩较小，电流脉动小到能够忽略。另一方面，在齿轮203异常且齿轮203的齿隙较大的情况下，非接触时间与齿轮203正常的情况相比延长，从而碰撞时的马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702的角速度的差增大。因此，通过碰撞而生成的转矩较大，电流脉动显著增大。
在齿轮203异常且齿轮203的齿隙较大的情况下，对从时刻t1至产生电流脉动的时间Δt1与从时刻t2至产生电流脉动的时间Δt2产生差的理由进行说明。时刻t2后的角加速度的大小与时刻t1后且时刻t2以前的角加速度相比较小。因此，齿轮203的角加速度较小的时刻t2后与时刻t1后相比，非接触时间延长。因此，从时刻t2至产生电流脉动的时间Δt2长于从时刻t1至产生电流脉动的时间Δt1。换句话说，成为Δt1＜Δt2。
在齿轮203异常且齿轮203的齿隙较大的情况下，对在时刻t1后的电流脉动的脉动振幅ΔI1与时刻t2后的电流脉动的脉动振幅ΔI2产生差的理由进行说明。马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702的角速度的差在齿轮203的角加速度较小的时刻t2后小于齿轮203的角加速度较大的时刻t1后。因此，通过马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702的碰撞而产生的转矩也在齿轮203的角加速度较小的时刻t2后小于齿轮203的角加速度较大的时刻t1后。因此，时刻t1后的电流脉动的脉动振幅ΔI1大于时刻t2后的电流脉动的脉动振幅ΔI2。换句话说，成为ΔI1＞ΔI2。
图4是用于对马达201的角速度指令值与马达201的马达电流的关系的其他的例子进行说明的图。
图4中的(a)表示角速度指令值的时间变化。在图4的例子中，角速度指令值在时刻t1之前减少，从时刻t1至时刻t2与在时刻t2以后增加。另外，角速度指令值的增加率在时刻t2以后大于从时刻t1至时刻t2。
图4中的(b)表示利用时间对角速度指令值进行微分的微分值即角加速度的时间变化。在图4的例子中，角加速度在时刻t1之前为负，在时刻t1变为正，在时刻t2进一步增大。因此，在时刻t2变化后的角加速度“A2B”大于在时刻t1变化后的角加速度“A1B”。
图4中的(c)以及(d)表示马达电流的时间变化。具体而言，图4中的(c)表示齿轮正常时的马达电流的时间变化，图4中的(d)表示齿轮异常时的马达电流的时间变化。在齿轮异常时，如图4中的(d)所示，在齿轮203的角加速度从负变为正的时刻t1后，在马达电流产生电流脉动。具体而言，在时刻t1+Δt1产生电流脉动。
图5是用于对在齿轮异常时产生电流脉动的理由进行说明的图，以二维示意性地表示图4的时刻t1之前(角加速度变化前)、t1+Δt1以及t2+Δt2各自的齿轮203的状态。在图5中，齿轮203与图3的例子相同，包含马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702。
在时刻t1之前，马达侧齿轮701逆时针方向旋转，旋转动作部侧齿轮702顺时针方向旋转。然后，在时刻t1，马达侧齿轮701的角加速度的符号反转，从而马达侧齿轮701的角速度变化。另一方面，旋转动作部侧齿轮702的角速度不因旋转动作部侧齿轮702以及旋转动作部205等的惯性而变化，因此马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702不接触。因此，通过与使用图3说明的原理相同的原理，在齿轮异常时，在时刻t1+Δt1，马达侧齿轮701的向上的齿面701A与旋转动作部侧齿轮702的向下的齿面702A碰撞，通过该碰撞在马达电流产生电流脉动。
另一方面，在角加速度的符号未反转的时刻t2，马达侧齿轮701的角加速度的方向不变化，因此马达侧齿轮701与旋转动作部侧齿轮702的接触面不变化。因此，在时刻t2以后，即便在齿轮异常时，也不产生齿轮203的碰撞带来的电流脉动。
图6～图8是用于对时序数据生成部104的动作的一个例子进行说明的流程图。
在图6的步骤S101中，时序数据生成部104从转速取得部101读入角速度指令值，从电流取得部102读入马达电流，从负荷状态取得部103读入旋转动作部205的负荷状态，进入步骤S102。
在步骤S102中，时序数据生成部104对角速度指令值进行微分而计算齿轮203的角加速度，进入步骤S103。
在步骤S103中，时序数据生成部104将角加速度的变化量与规定的变化阈值进行比较，判断角加速度的变化量＞变化阈值是否成立。在角加速度的变化量＞变化阈值成立的情况下(步骤S103：是)，时序数据生成部104判定为角加速度已变化，进入步骤S104。另一方面，在角加速度的变化量＞变化阈值不成立的情况下(步骤S103：否)，时序数据生成部104判定为角加速度不变化，返回步骤S101。
在步骤S104中，时序数据生成部104判断旋转动作部205的负荷状态是否满足规定条件。以下，负荷状态表示作为表示施加于旋转动作部205的负荷的程度的数值的负荷度，时序数据生成部104将旋转动作部205的负荷度与负荷阈值进行比较，判断旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值是否成立。
时序数据生成部104在旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值成立的情况下(步骤S104：是)，判断为旋转动作部205的负荷状态不满足规定条件，返回步骤S101。另一方面，时序数据生成部104在旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值不成立的情况下(步骤S104：否)，判断为旋转动作部205的负荷状态满足规定条件，进入步骤S105。此外，在负荷状态表示有无负荷的情况下，就时间序列数据生成部104而言，在存在负荷的情况下，判断为旋转动作部205的负荷状态不满足规定条件，返回步骤S101，在没有负荷的情况下，判断为旋转动作部205的负荷状态满足规定条件，进入步骤S105。
在步骤S105中，时序数据生成部104将在步骤S103中判断为角加速度已变化的时刻确定为基准时刻(角加速度变化时刻)，将与该基准时刻对应的规定期间的马达电流、角速度指令值以及负荷状态的时序数据暂时保存于时序数据生成部104内，进入步骤S106。在本实施例中，规定期间是基准时刻以后的具有规定的长度T0的期间，例如，在将图2的时刻t1确定为基准时刻的情况下，规定期间是从时刻t1至时刻t1+T0的期间。
在步骤S106中，时序数据生成部104将规定期间内的负荷度与负荷阈值进行比较，判断在规定期间内负荷度是否始终小于负荷阈值。就时序数据生成部104而言，当在规定期间内负荷度始终小于负荷阈值的情况下(步骤S106：是)，判断为在规定期间内负荷状态始终满足规定条件，进入步骤S107，当在规定期间内负荷度成为负荷阈值以上的情况下(步骤S106：否)，判断为在规定期间内负荷状态不满足规定条件，返回步骤S101。
在步骤S107中，时序数据生成部104将在步骤S105中保存的马达电流的时序数据作为第1时序马达电流数据输出并存储于临时存储部105，进入步骤S108。此外，如后所述，在将时序马达电流数据标准化的情况下，时序数据生成部104也可以将与第1时序马达电流数据对应的基准时刻前后的角加速度赋予在第1时序马达电流数据并存储于临时存储部105。
在步骤S108中，时序数据生成部104将在步骤S103中判断为角加速度已变化后(在步骤S105中确定的基准时刻后)的角加速度作为第1角加速度A1暂时保存于时序数据生成部104内，进入步骤S109。
在步骤S109中，时序数据生成部104判断在步骤S103中判断为角加速度已变化的时刻(在步骤S105中确定的基准时刻后)前后的角加速度的符号是否相互一致。时序数据生成部104在那些角加速度的符号相互一致的情况下(步骤S109：是)，进入图7的步骤S110，在那些角加速度的符号相互不同的情况下(步骤S109：否)，进入图8的步骤S118。
图7的步骤S110～S115的处理与图6的步骤S101～106的处理相同。在步骤S115中为是的情况下，进入步骤S116。
在步骤S116中，时序数据生成部104判断在步骤S112中判断为角加速度已变化的时刻(在步骤S114中确定的基准时刻后)前后的角加速度的符号是否相互一致。就时序数据生成部104而言，在那些角加速度的符号相互一致的情况下(步骤S116：是)，进入步骤S117，在那些角加速度的符号相互不同的情况下(步骤S116：否)，返回步骤S110。
在步骤S117中，时序数据生成部104将在步骤S114中保存的马达电流的时序数据作为第2时序马达电流数据输出至临时存储部105，结束处理。此外，如后所述，在将时序马达电流数据标准化的情况下，时序数据生成部104也可以将与第2时序马达电流数据对应的基准时刻前后的角加速度赋予在第2时序马达电流数据并存储于临时存储部105。
图8的步骤S118～S123的处理与图6的步骤S101～106的处理相同。当在步骤S123中为是的情况下，进入步骤S124。
在步骤S124中，时序数据生成部104将在步骤S120中判断为角加速度已变化后(在步骤S122中确定的基准时刻后)的角加速度作为第2角加速度A2暂时保存于时序数据生成部104内，进入步骤S125。
在步骤S125中，时序数据生成部104判断在步骤S120中判断为角加速度已变化的时刻(在步骤S122中确定的基准时刻)前后的角加速度的符号是否相互一致。时序数据生成部104在那些角加速度的符号相互一致的情况下(步骤S125：是)，进入步骤S127，在那些角加速度的符号相互不同的情况下(步骤S125：否)，进入步骤S126。
在步骤S126中，时序数据生成部104将第1角加速度A1的绝对值与第2角加速度A2的绝对值的差分的绝对值即评价值与基准值进行比较，判断评价值是否大于基准值。换句话说，时序数据生成部104判断||A1|－|A2||＞基准值是否成立。此外，|X|表示X的绝对值。时序数据生成部104在||A1|－|A2||＞基准值成立的情况下(步骤S127：是)，进入步骤S127，在||A1|－|A2||＞基准值不成立的情况下(步骤S127：否)，返回步骤S118。
在步骤S127中，时序数据生成部104输出在步骤S122中保存的马达电流的时序数据作为第2时序马达电流数据并存储于临时存储部105，结束处理。此外，如后所述，在将时序马达电流数据标准化的情况下，时序数据生成部104也可以将与第2时序马达电流数据对应的基准时刻前后的角加速度赋予在第2时序马达电流数据并存储于临时存储部105。
此外，在以上说明的时序数据生成部104的动作中，作为时序马达电流数据，生成以下的两种组合的任一个。在第1组合中，生成与角加速度已变化且角加速度的符号在该变化的前后不同的第1时刻、以及角加速度已变化且角加速度的符号在该变化的前后一致的第2时刻分别对应的时序马达电流数据。在第2组合中，生成与角加速度已变化且上述角加速度的符号在该变化的前后不同的第1时刻、以及角加速度已变化并且角加速度的符号在该变化的前后不同且该变化后的角加速度的绝对值与第1时刻后的上述角加速度的绝对值的差的绝对值为基准值以上的第2时刻分别对应的时序马达电流数据。
另外，以上说明的时序数据生成部104的动作仅为一个例子，不限定于此。例如，在马达201的转速较低的情况下，有时编码器301或者代替编码器301而使用的转速检测器的检测精度降低。另外，若针对马达201进行弱磁控制，则转速增高，但在该情况下，存在马达电流与施加于马达201的转矩不成为比例关系的情况。因此，时序数据生成部104也可以在规定期间角速度指令值(转速)被包含于规定范围的情况下，生成并输出时序马达电流数据。
图9是表示存储于临时存储部105的时序马达电流数据的一个例子的图。在图9的例子中，作为第1时序马达电流数据501，存储有图2的从时刻t1至t1+T0的马达电流的时序数据，作为第2时序马达电流数据502，存储有图2的从时刻t2至t2+T0的马达电流的时序数据。另外，图9中的(a)表示齿轮正常时的时序马达电流数据的一个例子，图9中的(b)表示齿轮异常时的时序马达电流数据的一个例子。
如图9所示，在齿轮异常时，在齿轮正常时无法确认的电流脉动在第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502中产生。
图10是用于对相似度计算部106的动作的一个例子进行说明的流程图。图11是表示在图10说明的动作中的第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502的一个例子的图。图11中的(a)表示齿轮正常时的时序马达电流数据的一个例子，图11中的(b)表示齿轮异常时的时序马达电流数据的一个例子。
在步骤S201中，相似度计算部106从临时存储部105读入第1时序马达电流数据501、第2时序马达电流数据502、以及与它们对应的基准时刻前后的角加速度。然后，相似度计算部106计算与第1时序马达电流数据501对应的基准时刻t1的前后的角加速度的差G1(＝A1B―A1A)、与第2时序马达电流数据502对应的基准时刻t2的前后的角加速度的差G2(＝A2B―A2A)，进入步骤S202。此外，在存储于临时存储部105的时序马达电流数据存在3个以上的情况下，相似度计算部106例如从那些时序马达电流数据读入任意的2个时序马达电流数据作为第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502。
图11中的(a－1)以及图11中的(b－1)表示在步骤S201中读入的第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502。图11中的(a－1)以及图11中的(b－1)所示的第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502与图9中的(a)和(b)所示的第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502相同。
在步骤S202中，相似度计算部106以使第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502的初始值(时刻t1以及t2的值)成为0的方式进行第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502的偏置调整，进入步骤S203。
例如，在将在步骤S201中读入的第1时序马达电流数据501的值设为“I10”，将第2时序马达电流数据502的值设为“I20”，将第1时序马达电流数据501的时刻t1处的值设为I10(t1)，将第2时序马达电流数据502的时刻t2处的值设为I20(t2)的情况下，相似度计算部106使用以下的公式(1)以及公式(2)，求得被偏置调整的第1时序马达电流数据501的值“I11”以及第2时序马达电流数据502的值“I21”。
I11＝I10－I10(t1)···(1)
I21＝I20－I20(t2)···(2)
图11中的(a-2)以及图11中的(b-2)表示在步骤S202中被偏置调整的第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502。
在步骤S203中，相似度计算部106通过角加速度的差将第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502各自的符号以及大小标准化，进入步骤S204。
例如，相似度计算部106使用以下的公式(3)以及公式(4)，求得被标准化的第1时序马达电流数据501的值“I12”以及第2时序马达电流数据502的值“I22”。
I12＝I11/G1＝I11/(A1B－A1A) ··· (3)
I22＝I21/G2＝I21/(A2B－A2A)···(4)
图11中的(a-3)以及图11中的(b-3)表示在步骤S203中被标准化的第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502。
在步骤S204中，相似度计算部106使第1时序马达电流数据501以及第2时序马达电流数据502的时间轴一致(例如，使得t1＝t2＝t0)，之后，计算第1时序马达电流数据501与第2时序马达电流数据502的相似度，结束处理。
接下来，对相似度的具体例进行说明。
在第1例中，相似度计算部106将作为时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的各时刻t的差分的平方和的SSD(Sum of Squared Difference)计算为相似度。SSD能够使用以下的公式(5)进行计算。
【数式1】
在公式(5)中，将角加速度变化时刻形成t＝0，将时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的时间幅度形成t＝0～T0。另外，I12(t)是时序马达电流数据501的时刻t的值，I12(t)是时序马达电流数据502的时刻t的值。SSD的值越小，时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的相似度越高。
在第2例中，相似度计算部106计算作为时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的各时刻t的差分的绝对值和的SAD(Sum of Absolute Difference)来作为相似度。SAD能够使用以下的公式(6)进行计算。
【数式2】
SAD的值越小，时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的相似度越高。
在第3例中，相似度计算部106计算作为时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的正规化相互相关的NCC(Normalized Cross-Correlation)来作为相似度。NCC能够使用以下的公式(7)进行计算。
【数式3】
NCC采取－1～1的范围的值。在NCC为1的情况下，时序马达电流数据501与时序马达电流数据502一致或者呈比例关系，在NCC为－1的情况下，时序马达电流数据501的－1倍与时序马达电流数据502一致或者呈比例关系。因此，NCC的值与0越远，则时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的相似度越高，NCC的值越接近0，则时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的相似度越低。
以上说明的相似度仅为一个例子，并不限定于这些。例如，相似度计算部106也可以分别求得时序马达电流数据501与时序马达电流数据502的特征量，根据将它们的特征量进行比较的比较结果，计算相似度。作为特征量，例如，能够列举角加速度变化时刻与马达电流在规定期间内成为峰值的时刻的差、角加速度变化时刻的马达电流与规定期间内的马达电流的峰值的差、规定期间内的马达电流的峰值以及它们的组合等。比较结果例如是各特征量的差分或者比率等。另外，特征量也可以是与时序数据的频率解析的结果对应的值。
图12是用于对异常诊断部107的动作的一个例子进行说明的流程图。在图12中，作为相似度使用NCC，但即使在使用了其他的相似度的情况下也相同。
在步骤S301中，异常诊断部107读入作为由相似度计算部106计算出的相似度的NCC，进入步骤S302。
在步骤S302中，异常诊断部107将NCC与阈值TH1A进行比较，判断时序马达电流数据501与时序马达电流数据502是否相似。异常诊断部107在NCC＞阈值TH1A成立的情况下(步骤S302：是)，判断为时序马达电流数据501与时序马达电流数据502相似，进入步骤S303。另一方面，异常诊断部107在NCC＞阈值TH1A不成立的情况下(步骤S302：否)，判断为时序马达电流数据501与时序马达电流数据502不相似，进入步骤S304。阈值TH1A也可以是恒定值，但阈值TH1A也可以根据时序马达电流数据501以及时序马达电流数据502各自中的角加速度变化时刻的前后的角加速度来决定。
在步骤S303中，异常诊断部107判断为在齿轮203没有异常的预兆，将没有异常的预兆的主旨的消息(例如，“齿轮无异常预兆”)作为诊断结果显示于显示部108，结束处理。
在步骤S304中，异常诊断部107判断为在齿轮203存在异常的预兆，将存在异常的预兆的主旨的警报(例如，“齿轮存在异常预兆”)作为诊断结果显示于显示部108，结束处理。
此外，异常诊断部107也可以对相似度的时间变化进行解析，基于该解析结果，诊断齿轮203的状态。例如，在相似度逐渐减少的情况下，异常诊断部107也可以基于相似度的减少速度，预测在齿轮203产生异常的时期，将其预测结果作为诊断结果显示于显示部108。
如以上说明的那样，根据本实施例，转速取得部101取得马达201的转速。电流取得部102取得与马达201的转矩电流对应的马达电流。时序数据生成部104确定多个与转速有关的特征值产生规定的变化的时刻作为基准时刻，针对每个基准时刻，生成作为与该基准时刻对应的规定期间的马达电流的时序数据的时序马达电流数据。相似度计算部106计算各时序马达电流数据之间的相似度。异常诊断部107基于相似度，诊断齿轮203的状态。由此，基于针对在与马达201的转速有关的特征值产生规定的变化的每个基准时刻而生成的时序马达电流数据的相似度，诊断齿轮203的状态。因此，即使不预先取得正常时的马达电流，也能够诊断齿轮203的状态，因此即使针对既有的机械也能够诊断齿轮203的状态。
另外，在本实施例中，特征值是以时间对转速进行微分而得的角加速度，规定期间是基准时刻以后的具有规定的长度的期间。因此，能够生成适当的时序马达电流数据，因此能够更加正确地诊断齿轮203的状态。
另外，在本实施例中，生成上述的第1组合以及第2组合的任意的时序马达电流数据。因此，能够生成适当的时序马达电流数据，因此能够更加准确地诊断齿轮203的状态。
另外，在本实施例中，基于被标准化的时序马达电流数据计算相似度，因此能够更加正确地计算相似度，从而能够更加准确地诊断齿轮203的状态。
另外，在本实施例中，相似度计算部106将对各时序马达电流数据中的、基准时刻与马达电流在规定期间内成为峰值的时刻的差、基准时刻的马达电流与规定期间内的马达电流的峰值的差以及规定期间内的马达电流的峰值中的至少一个进行比较而得的比较结果作为相似度而进行计算。在该情况下，能够容易地计算相似度。
另外，在本实施例中，当在规定期间施加于旋转动作部205的负荷的状态满足规定条件的情况下，生成时序马达电流数据。能够抑制齿轮203的状态因负荷而被错误地诊断，因此能够更加准确地诊断齿轮203的状态。
另外，在本实施例中，当马达201的转速在规定期间被包含于规定范围的情况下，生成时序马达电流数据。在该情况下，能够更加准确地诊断齿轮203的状态。
另外，在本实施例中，在各时序马达电流数据相互不相似的情况下，输出警报。在该情况下，当在齿轮203存在异常或者异常的预兆的情况下，能够通知警报。
[实施例2]
接下来，使用图13～图17，对本公开的实施例2的异常诊断装置进行说明。以下，主要对与实施例1不同的点进行说明。
图13是表示实施例2的驱动系统的结构图。图13所示的驱动系统2与图1所示的驱动系统1比较，在对异常诊断装置100追加角速度指令输出部109这点不同。
角速度指令输出部109是控制马达201的转速，在马达201的角加速度产生规定的变化的指令部。具体而言，角速度指令输出部109根据来自时序数据生成部104的指示，向PLC400要求输出在马达201的角加速度产生规定的变化的诊断用的角速度指令信号，由此控制马达201的转速，在马达201的角加速度产生规定的变化。此外，PLC400根据该要求，将诊断用的角速度指令信号输出至控制部303。
图14～图16是表示诊断用的角速度指令信号的一个例子的图。
如图14～图16所示，诊断用的角速度指令信号包含在相互不重复的时间输出的第1角速度指令信号以及第2角速度指令信号。
第1角速度指令信号表示包含角速度指令值的微分值即角加速度变化的角加速度变化时刻的角速度指令值。例如，第1角速度指令信号可以如图14以及图15所示那样表示角加速度的符号在角加速度变化时刻的前后反转的角速度指令值，也可以如图16所示表示该符号不反转的角速度指令值。
另外，第2角速度指令信号与第1角速度指令信号相同地，表示包含作为角速度指令值的微分值的角加速度变化的角加速度变化时刻的角速度指令值。另外，如图16所示，在第1角速度指令信号的角加速度变化时刻前后的角加速度的符号不反转的情况下，第2角速度指令信号如图16所示表示角加速度变化时刻前后的角加速度的符号反转的角速度指令值。另一方面，如图14以及图15所示，在第1角速度指令信号的角加速度变化时刻前后的角加速度的符号反转的情况下，第2角速度指令信号可以如图15所示表示角加速度变化时刻前后的角加速度的符号不反转的角加速度指令值，也可以如图14所示是角加速度变化时刻前后的角加速度的符号反转的角加速度指令值。但是，在角加速度变化时刻前后的角加速度的符号反转的情况下，第1角速度指令信号的角加速度变化时刻后的角加速度“A1B”的绝对值与第2角速度指令信号的角加速度变化时刻后的角加速度“A2B”的绝对值的差的绝对值大于基准值。
图17是用于对时序数据生成部104的动作的一个例子进行说明的流程图。
在步骤S501中，时序数据生成部104从转速取得部101读入角速度指令值，从电流取得部102读入马达电流，从负荷状态取得部103读入旋转动作部205的负荷状态，进入步骤S502。
在步骤S502中，时序数据生成部104将旋转动作部205的负荷状态表示的负荷度与负荷阈值进行比较，判断旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值是否成立。时序数据生成部104在旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值成立的情况下(步骤S502：是)，返回步骤S501，在旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值不成立的情况下(步骤S502：否)，进入步骤S503。
在步骤S503中，时序数据生成部104在从当前的时刻(例如，图14～图16的时刻t1)至与当前的时刻相比经过了规定的长度的时间的时刻(例如，图14～图16的t1+T0)的规定期间，预测旋转动作部205的负荷状态是否变化。
例如，在PLC400能够掌握或者控制旋转动作部205的负荷状态变化的时刻的情况下，时序数据生成部104从PLC400取得旋转动作部205的负荷状态变化的时刻，基于该时刻，预测旋转动作部205的负荷状态在规定期间是否变化。另外，也可以在旋转动作部205的附近设置能够检测负荷的接近的检测器，时序数据生成部104基于来自检测器的输出数据，预测旋转动作部205的负荷状态在规定期间是否变化。另外，也可以将过去的角速度指令值、马达电流以及负荷状态使用为学习数据并进行机械学习，时序数据生成部104也可以基于该学习结果，预测旋转动作部205的负荷状态在规定期间是否变化。
时序数据生成部104在预测为负荷状态在规定期间不变化的情况下(步骤S503：否)，进入步骤S504，在预测为负荷状态在规定期间变化的情况下(步骤S503：是)，返回步骤S501。
在步骤S504中，时序数据生成部104相对于角速度指令输出部109输出指示第1角速度指令信号的输出的第1指示，进入步骤S505。第1角速度指令信号例如是图14～图16所示的第1角速度指令信号的任一个。
在步骤S505中，时序数据生成部104将规定期间内的负荷状态表示的负荷度与负荷阈值进行比较，判断负荷度在规定期间内是否始终小于负荷阈值。就时序数据生成部104而言，在负荷度在规定期间内始终小于负荷阈值的情况下(步骤S505：是)，进入步骤S506，在负荷度在规定期间内成为负荷阈值以上的情况下(步骤S505：否)，返回步骤S501。
在步骤S506中，时序数据生成部104将第1角速度指令信号的角加速度变化时刻以后的具有规定的长度的规定期间的马达电流的时序数据作为第1时序马达电流数据向临时存储部105输出，进入步骤S507。
在步骤S507中，时序数据生成部104从转速取得部101读入角速度指令值，从电流取得部102读入马达电流，从负荷状态取得部103读入旋转动作部205的负荷状态，进入步骤S508。
在步骤S508中，时序数据生成部104将旋转动作部205的负荷状态表示的负荷度与负荷阈值进行比较，判断旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值是否成立。时序数据生成部104在旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值成立的情况下(步骤S508：是)，返回步骤S501，在旋转动作部205的负荷度＞负荷阈值不成立的情况下(步骤S508：否)，进入步骤S509。
在步骤S509中，时序数据生成部104在从当前的时刻(例如，图14～图16的时刻t2)至与当前的时刻相比经过了规定的长度的时间的时刻(例如，图14～图16的t2+T0)的规定期间，预测旋转动作部205的负荷状态是否变化。就时序数据生成部104而言，在预测为负荷状态在规定期间不变化的情况下(步骤S509：否)，进入步骤S510，在预测为负荷状态在规定期间变化的情况下(步骤S509：是)，返回步骤S507。
在步骤S510中，时序数据生成部104对角速度指令输出部109输出以输出第2角速度指令信号为主旨的第2指示，进入步骤S511。例如在由基于步骤S505的第1指示来指示输出的第1角速度指令信号为图14～图16所示的第1角速度指令信号中的任一个的情况下，第2角速度指令信号是与该第1角速度指令信号相同的附图所示的第2角速度指令信号。
在步骤S511中，时序数据生成部104将规定期间内的负荷状态表示的负荷度与负荷阈值进行比较，判断负荷度在规定期间内是否始终小于负荷阈值。时序数据生成部104在负荷度在规定期间内始终小于负荷阈值的情况下(步骤S511：是)，进入步骤S512，在负荷度在规定期间内成为负荷阈值以上的情况下(步骤S511：否)，返回步骤S507。
在步骤S512中，时序数据生成部104将第2角速度指令信号的角加速度变化时刻以后的具有规定的长度的规定期间的马达电流的时序数据作为第2时序马达电流数据向临时存储部105输出，结束处理。
如以上说明的那样，根据本实施例，角速度指令输出部109控制马达201的转速，在马达201的角加速度产生规定的变化。因此，能够生成能够进行齿轮203的状态的诊断的状态，因此能够适当地诊断齿轮203的状态。
[实施例3]
接下来，使用图18，对本公开的实施例3的异常诊断装置进行说明。以下，主要对与实施例2不同的点进行说明。
图18是表示实施例3的驱动系统的结构图。图18所示的驱动系统3与图13所示的驱动系统2比较，马达驱动装置300具备异常诊断装置100这点不同。
根据本实施例，例如，能够使用实现马达驱动装置300的结构(例如，控制部303等)的处理器等实现异常诊断装置100的各部，因此能够不进行新的硬件的追加而诊断齿轮203的状态。
上述的本公开的实施方式是用于说明本公开的例示，并非表示将本公开的范围仅限定为这些实施方式。本领域技术人员能够不脱离本发明的范围，而以其他的各种方式实施本发明。
例如，在实施例1中说明的异常诊断装置100也可以配备于马达驱动装置300。另外，异常诊断装置100也可以配备于PLC400。

Claims (10)

1.一种诊断装置，其对与马达的旋转对应地动作的齿轮的状态进行诊断，
其特征在于，所述诊断装置具有：
转速取得部，其取得所述马达的转速；
电流取得部，其取得与所述马达的转矩电流对应的马达电流；
生成部，其确定多个与所述转速有关的特征值产生规定的变化的时刻作为基准时刻，针对每个所述基准时刻，生成与该基准时刻对应的规定期间的所述马达电流的时序数据；
计算部，其计算各时序数据之间的相似度；以及
诊断部，其基于所述相似度，诊断所述齿轮的状态，
所述特征值是以时间对所述转速进行微分而得的角加速度，
所述规定期间是所述基准时刻以后的具有规定的长度的期间，
所述计算部将对各时序数据中的、所述基准时刻与所述马达电流在所述规定期间内成为峰值的时刻的差、所述基准时刻的所述马达电流与所述规定期间内的所述马达电流的峰值的差、以及所述规定期间内的马达电流的峰值中的至少一个进行比较而得的比较结果作为所述相似度而进行计算。
2.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，
所述生成部分别确定第1时刻和第2时刻来作为所述基准时刻，所述第1时刻是所述角加速度已变化，并且所述角加速度的符号在该变化的前后不同的时刻，所述第2时刻是所述角加速度已变化，并且所述角加速度的符号在该变化的前后一致的时刻。
3.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，
所述生成部分别确定第1时刻和第2时刻来作为所述基准时刻，所述第1时刻是所述角加速度已变化，并且所述角加速度的符号在该变化的前后不同的时刻，所述第2时刻是所述角加速度已变化，并且所述角加速度的符号在该变化的前后不同且该变化后的所述角加速度的绝对值与所述第1时刻后的所述角加速度的绝对值的差的绝对值大于基准值的时刻。
4.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，
所述诊断装置还具有控制所述马达的转速并对所述特征值产生所述规定的变化的指令部。
5.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，
所述计算部基于各基准时刻的前后的角加速度的差使各时序数据标准化，基于该标准化的时序数据计算所述相似度。
6.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，
所述诊断装置还具有取得施加于与所述齿轮连动的旋转动作部的负荷的状态的负荷取得部，
当所述负荷的状态在所述规定期间满足规定条件的情况下，所述生成部生成所述时序数据。
7.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，
当所述转速在所述规定期间被包含于规定范围的情况下，所述生成部生成所述时序数据。
8.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，
所述诊断部基于所述相似度，判断各时序数据是否相互相似，在各时序数据相互不相似的情况下，输出警报。
9.一种马达驱动装置，其特征在于，包含：
权利要求1所述的诊断装置、以及
驱动所述马达的驱动电路。
10.一种诊断方法，其是对与马达的旋转对应地动作的齿轮的状态进行诊断的诊断装置的诊断方法，其特征在于，
取得所述马达的转速，
取得与所述马达的转矩电流对应的马达电流，
将确定多个与所述转速有关的特征值产生规定的变化的时刻作为基准时刻，针对每个所述基准时刻，生成与该基准时刻对应的规定期间的所述马达电流的时序数据，
计算各时序数据之间的相似度，
基于所述相似度，诊断所述齿轮的状态，
所述特征值是以时间对所述转速进行微分而得的角加速度，
所述规定期间是所述基准时刻以后的具有规定的长度的期间，
将对各时序数据中的、所述基准时刻与所述马达电流在所述规定期间内成为峰值的时刻的差、所述基准时刻的所述马达电流与所述规定期间内的所述马达电流的峰值的差、以及所述规定期间内的马达电流的峰值中的至少一个进行比较而得的比较结果作为所述相似度而进行计算。
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