JP2013221877A - 異常検査方法および異常検査装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の複雑化を招かずに、被検査物を検査できる異常検査方法を提供する。
【解決手段】本発明は、第1センサで検出した回転体の振動に応じた振動信号を前記第1センサから取得する工程と、前記第1センサからの前記振動信号に基いて前記回転体の異音検査を実施する工程と、前記第1センサからの前記振動信号から前記回転体の回転数を算出する工程と、AEセンサで検出した前記回転体で発生するAEに応じたAE信号を前記AEセンサから取得する工程と、前記回転数と前記AE信号とに基いて前記回転体の回転によって発生する固有AE信号を検出する工程と、前記固有AE信号に基づいて前記回転体のAE検査を実施する工程と、前記異音検査と前記AE検査との結果に基いて前記回転体の異常の有無を判定する工程と、を含む異常検査方法を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、回転体の異常を検査する異常検査技術に関するものである。
モータなどの回転体の異常検査技術として、AE(アコースティックエミッション)センサを用いてAE検査を実施する従来のAE検査装置100が知られている(例えば特許文献1参照)。この従来のAE検査装置100を図5に示し、その動作を説明する。
被検査物である回転体101に対して、AEを検出するAEセンサ102が取り付けられる。このAEセンサ102は、検出したAEの強度に応じたAE信号を比較器103へ出力する。比較器103は、入力されたAE信号がしきい値を超えたときに、パルスをPC104へ出力する。PC104は、入力されたパルスの相互時間から、しきい値を超えたAE信号の発生頻度を求める。さらに、PC104は、求めたAE信号の発生頻度が回転体101の回転数に同期しているか否かを判定し、同期していると判定した場合に回転体101に異常があると判定する。PC104による異常検査の結果は、表示部105に表示される。なお、回転体101の回転数は、回転体101に取り付けられた回転数センサ106よりPC104に入力される。
また、別の異常検査手技術として、振動型マイクロホンを用いて回転体からの異音を検査する従来の異音検査装置200がある(例えば特許文献2参照)。この異音検査装置200を図6に示す。以下に、従来の異音検査装置200を用いた異音検査方法について説明する。
回転体201に接触する振動型マイク202によって、回転体201の振動の情報が波形データとして検出される。検出された波形データは、FFT演算処理回路203によって周波数スペクトラムに変換される。変換された周波数スペクトラムの周波数成分について、正常時と比較して大きくなっている部分が存在するか否かをPC204で判定する。判定の結果、正常時と比べて高いレベルの周波数成分が検出された場合に、PC204は、回転体201に異常ありの判定を行う。
特開平1−232230号公報 特開平8−210909号公報
回転体の異常を高精度に検出するために、従来のAE検査装置と従来の異音検査装置とを組み合わせてAE検査と異音検査とを同時に実施することが考えられる。
しかしながら、両者を組み合わせると、被検査物である回転体に対してAEセンサ、回転数センサ、振動型マイクロホンの3つのセンサを配置する必要があり、装置が複雑になる。
そこで、本発明は、複雑な装置を用いずに被検査物に対してAE検査と異音検査とを同時に実施可能な異常検査方法及び異常検査装置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、本発明の異常検査方法は、第1センサで検出した回転体の振動に応じた振動信号を前記第1センサから取得する工程と、前記第1センサからの前記振動信号に基いて前記回転体の異音検査を実施する工程と、前記第1センサからの前記振動信号から前記回転体の回転数を算出する工程と、AEセンサで検出した前記回転体で発生するAEに応じたAE信号を前記AEセンサから取得する工程と、前記回転数と前記AE信号とに基いて前記回転体の回転によって発生する固有AE信号を検出する工程と、前記固有AE信号に基づいて前記回転体のAE検査を実施する工程と、前記異音検査と前記AE検査との結果に基いて前記回転体の異常の有無を判定する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の異常検査装置は、回転体の振動を検出して、検出した前記振動に応じた振動信号を出力する第1センサと、前記第1センサからの前記振動信号に基いて前記回転体の異音検査を実施する異音検査ユニットと、前記第1センサからの前記振動信号から前記回転体の回転数を算出する回転数算出ユニットと、前記回転体で発生するAEを検出して、検出した前記AEに応じたAE信号を出力するAEセンサと、前記回転数と前記AE信号とに基いて前記回転体の回転によって発生する固有AE信号を検出すると共に、該固有AE信号に基いて前記回転体のAE検査を実施するAE検査ユニットと、前記異音検査と前記AE検査との結果に基づいて前記回転体の異常の有無を判定する判定ユニットと、を備えることを特徴とする。
以上のように、本発明によれば、複雑な装置を用いずに被検査物に対してAE検査と異音検査とを同時に実施できる。
実施の形態に係る異常検査装置の模式図 実施の形態に係る加速度センサからの振動信号を示す図 実施の形態に係る加速度センサからの振動信号を周波数解析した際のピークを示す図 実施の形態に係る異常検査装置による異常検査方法を示すフローチャート 特許文献1に記載された従来のAE検査装置を示す図 特許文献2に記載された従来の異音検査装置を示す図
以下に実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施の形態に係る異常検査装置1を示した模式図である。
異常検査装置1は、被検査物の一例である回転体2の振動に応じた出力信号(振動信号)を出力する加速度センサ8(第1センサ)と、この振動信号に基いて回転体2の異音検査を実施する異音検査ユニット11と、振動信号から回転体2の回転数(固有周波数)を算出する回転数算出ユニット12を備える。更に、異常検査装置1は、回転体2で生じるAE(アコースティックエミッション)に応じたAE信号を出力するAEセンサ4と、回転体2の回転数とAE信号とに基いて回転体2の回転に依存して発生するAE信号(固有AE信号)を検出すると共にこの固有AE信号に基いて回転体2のAE検査を実施するAE検査ユニット7を備える。また、異常検査装置1は、異音検査ユニット11による異音検査とAE検査ユニット7によるAE検査との結果に基いて回転体2の異常の有無を判定する判定ユニット13と、判定ユニット13による判定結果を表示する表示器14とを備える。
本実施の形態では、このように構成することで、異音検査とAE検査とを同時に実施できる。そして、本実施の形態は、異音検査を行うと同時にAE検査を行うことで検査の信頼性を向上できる。なぜなら、異音検査とAE検査とを別々に実施すると、各検査時における被検査物の条件が変化する場合があったが、異音検査とAE検査とを同時にすれば、両方の検査を同じ条件で実施できるからである。
本実施の形態において、異音検査とAE検査とを同時に実施するために、加速度センサ8からの振動信号を、AE検査ユニット7と異音検査ユニット11との両方の検査に用いる。加速度センサ8からの振動信号を異音検査とAE検査との両方に用いることで、検査に必要なセンサの数を最小限に抑えることが可能である。センサ数が増加すると、増加したセンサを設置するために十分な領域を有さないような小型の被検査物を検査することができなくなる。つまり、センサ数の増加に伴う設備の複雑化により、検査を実行可能な被検査物に制約が課せられる。そこで、本実施の形態では、加速度センサ8からの振動信号を異音検査とAE検査との両方に用いて設備の複雑化を防止する。
続いて、図1の異常検査装置1の構成毎に説明する。
被検査物である回転体2は、例えば、回転軸と軸受を備えるモータである。回転軸は、回転体2および軸受により支持される。軸受は、転動体、内輪、外輪にて構成される。
PC5は、AE検査ユニット7と、異音検査ユニット11と、回転数算出ユニット12と、判定ユニット13とを備えるコンピュータである。各構成は後述する。
加速度センサ8は、回転体2の振動に応じて変化する振動信号を、異音検査ユニット11と回転数算出ユニット12とに出力する。1つの加速度センサ8から2つのユニットに情報を出力することで装置の複雑化を防止できる。なお、加速度センサ8は、回転体2が磁性体の場合にはマグネットで、それ以外の場合には両面テープなどで回転体2に取り付ける。加速度センサ8からの振動信号は、アンプとA/D変換器とを介して異音検査ユニット11と回転数算出ユニット12とに出力しても良い。なお、振動信号は、電気信号そのもの(例えば電圧の変化)や、電気信号に対応する符号、数値、データ等の信号でも良い。
なお、加速度センサ8の代わりに振動信号を取得できるセンサを異常検査装置1に適用しても良い。具体例として、加速度センサ8よりも感度は下がるが、振動センサなどの接触式のセンサや、レーザ変位計などの非接触式のセンサが挙げられる。
異音検査ユニット11は、加速度センサ8からの振動信号を時間の情報と共に集録する。これにより、振動信号は波形データとして異音検査ユニット11に取得される。このとき取得される波形データを図2に示す。図2は、横軸に時間(s)、縦軸に強度としての電圧(V)を示したものである。図1の異音検査ユニット11は、図2に示した振動信号である波形データを周波数解析することにより心理音響パラメータを算出する。そして、その心理音響パラメータに基づいて異音検査ユニット11は異音検査を実施する。心理音響パラメータの算出は、異音検査ユニット11の心理音響パラメータ算出部11aにより実施される。心理音響パラメータを用いた異音検査は異音検査ユニット11の異音検査部11bにより実施される。
ここで、異音検査に用いられる心理音響パラメータについて説明する。心理音響パラメータとは、機械による定量的な検査の精度を人の聴覚による官能検査の精度と同水準にするために考案されたものである。心理音響パラメータの具体例には、ラウドネスやノイジネス等がある。ラウドネスは人の聴覚で感じる音の大きさに高い相関を示し、ノイジネスは人が感じる音のうるささに高い相関を示す数値とされている。これらの心理音響パラメータは、波形データを周波数解析することで算出できる。心理音響パラメータの算出方法の詳細は、E.Zwicker著、山田由紀子訳「心理音響学」に掲載されている。また、ラウドネスの求め方についてはISO532B、ノイジネスの求め方についてはISO3891で規格化されている。以上が心理音響パラメータの説明である。
図1の異常検査装置1の構成の説明に戻る。
AEセンサ4は、回転体2で発生したAEを、このAEの強度に応じて電圧値で表されるAE信号としてPC5のAE検査ユニット7に出力する。AEセンサ4は、回転体2が磁性体の場合にはマグネットで、それ以外の場合にはエポキシ系接着剤で回転体2に取り付けられる。このとき、AEセンサ4からのAE信号は、アンプとA/D変換器とを介してAE検査ユニット7に入力しても良い。なお、AE信号は、電気信号そのもの(例えば電圧の変化)や、電気信号に対応する符号、数値、データ等の信号でも良い。
AE検査ユニット7は、AEセンサ4から入力されるAE信号を一定時間集録することで波形データとして取得する。更に、このAE検査ユニット7は、波形データとして取得されたAE信号の中から回転体2の異常に起因して発生する固有AE信号を検出する。固有AE信号とは、クラック、割れ、剥離、偏心等の異常の発生が原因となって回転体2の回転に依存してAEセンサ4から出力されるAE信号のことである。
この固有AE信号の発生頻度は、回転体2の固有周波数と一致することが発明者らによって見出されている。このため、AE検査ユニット7は、AEセンサ4からのAE信号の中から、回転体2の固有周波数と一致する発生頻度のAE信号を、固有AE信号として検出する。
固有周波数とは、回転体2の回転挙動を示す特徴量であり、回転体2を構成する部材によって決定される。ここでは、回転体2の固有周波数の一例として、回転軸の回転周波数に依存する軸回転周波数f(s−1)を(式1)に示す。(式1)においてN(rpm)は、回転体2の回転数である。
(式1)で示したように、固有周波数は回転体2の回転数Nによって決定される。回転数Nは、回転体2の仕様によりある程度の予測は可能であるが、実際はばらつきが生じるため、回転数Nを回転体2から実測する必要がある。回転数Nを実測するためには、新たに回転数センサを設けることが考えられる。しかし、この場合、回転数センサはその構成上ある程度の大きさが必要なため設備の大型化を招いてしまう。設備が大型化すると、被検査物である回転体2にセンサを配置するために十分な領域が存在しない場合に異常検査を実施できなくなる場合生じる。例えば、AEセンサ4と加速度センサ8と以外のセンサを設置するのが困難なような小型のモータが被検査物の場合、新たに回転数センサを採用した異常検査装置ではこの被検査物に対してAE検査と異音検査とを同時に実施できない。本実施の形態では新たに回転数センサは採用しない代わりに、上述の加速度センサ8からの振動信号(図2参照)を用いて回転数Nを算出する。
回転数Nの算出方法としては、まず、図2に示した振動信号に対してフーリエ変換により時間―周波数変換を行い、周波数毎の振幅を算出する。図3はその結果得られたグラフであり、横軸に周波数(Hz)、縦軸に振幅(dB)を示す。この図3から、ピークの位置を検出し、ピークの位置における周波数を算出する。そして、算出した周波数から回転数Nを算出する。なお、回転体2の仕様から、ピークの存在する領域(ピークの位置を含むと推定される領域)は予測できる。この領域を回転周波数存在領域として予め設定し、この回転数周波数領域内に存在するピークを検出してもよい。ちなみに、図3は、回転数周波数領域を40〜58(Hz)に設定して取得したグラフであり、ピークが55.75(Hz)に位置する状態を示す。このように、ピークの存在する領域を予め限定することでノイズの影響を低減可能となり、より正確に回転体2の回転数Nを算出できる。算出した回転数Nは(式1)に代入することで回転体2の固有周波数を算出できる。ここでは、回転数Nは3345(rpm)となる。
この回転数Nの算出は図1の回転数算出ユニット12により実施される。回転数算出ユニット12で算出された回転数Nは、AE検査ユニット7へ入力される。AE検査ユニット7は、AEセンサ4からのAE信号の中から入力された回転数Nを用いて回転体2の回転に依存して発生する固有AE信号を検出する。そして、AE検査ユニット7は、一定の値を超える固有AE信号を検出した場合に回転体2にAE異常ありと判定する。なお、固有AE信号の発生回数を検出し、検出した発生回数が所定の回数を上回った場合に、回転体2に異常ありと判定しても良い。
なお、AEセンサ4からのAE信号の中から回転体2の固有周波数と一致する発生頻度の固有AE信号を検出するためには、AEセンサ4からのAE信号の発生頻度を求める必要がある。これは、AEセンサ4からのAE信号を周波数解析することでAEセンサ4からのAE信号の発生頻度を算出できる。
ただし、AEセンサ4からのAE信号に多くのノイズが含まれる場合は次の処理を実施する。まず、取得したAE信号を短時間の区間毎に切り出して、切り出した区間毎にフーリエ変換により時間−周波数変換を行い、各区間において含まれる周波数を算出する。そして、フーリエ変換後の各区間を時間に沿って結合することで検出される周波数が時間変化に対応してどのように変化するかを示す周波数毎の時間変化信号を算出する。次に、算出した周波数毎の時間変化信号から周波数毎にAE信号の発生頻度を算出する。各周波数におけるAE信号の発生頻度は、フーリエ変換により時間−周波数変換することで算出可能である。これにより、ノイズの影響を除去して、AEセンサ4からのAE信号の発生頻度を算出できる。このAE信号の発生頻度の算出は、AE検査ユニット7にて実施される。AE検査ユニット7は、算出したAE信号の発生頻度を用いてAE検査を実施し、その結果を判定ユニット13へ出力する。
判定ユニット13には、AE検査ユニット7によるAE検査の結果と、異音検査ユニット11による異音検査の結果とが入力される。判定ユニット13は、両者の結果に基いて回転体2の異常の有無を判定する。具体的には、判定ユニット13は、異音検査とAE検査との両方で異常なしと判定された場合に、最終的に、回転体2に異常なしとの判定を行う。一方、判定ユニット13は、AE検査か異音検査かのいずれかで異常ありと判定された場合は、最終的に、回転体2に異常ありとの判定を行う。AE検査と異音検査の両方で異常なしと判定された場合のみを良品と判定することで高精度な検査を実現できる。
以上が異常検査装置1の構成毎の説明である。
続いて、図1の異常検査装置1の動作について図1と図4とを用いて説明する。
図4は、本実施の形態に係る異常検査方法を実施する際の異常検査装置1の動作を示すフローチャートである。
図4のステップS1は、回転体2に取り付けたAEセンサ4にて回転体2で発生するAEを検出し、検出したAEに応じて出力されるAE信号をAEセンサ4から取得する工程である。
ステップS2は、回転体2に取り付けた加速度センサ8にて回転体2の振動を検出し、検出した振動に応じて出力される振動信号を加速度センサ8から取得する工程である。
ステップS3は、加速度センサ8からの振動信号について、周波数解析を行うことで心理音響パラメータを算出する工程である。このステップS3は、異音検査ユニット11の心理音響パラメータ算出部11aにて行われる。
ステップS4は、ステップS3で算出した心理音響パラメータに基づいて回転体2の異音検査を実施する工程である。ステップS3で算出した心理音響パラメータの値を予め定めたしきい値と比較することで、異常判定を行う。例えば、心理音響パラメータの一例であるラウドネスの値に40[sone]のしきい値を設ける。この場合、ステップS3で振動信号からラウドネスを算出し、算出したラウドネスがしきい値を上回るか否かで異音検査を実施する。算出したラウドネスがしきい値を上回った場合、回転体2に異常ありと判定する。このステップS4は、異音検査ユニット11の異音検査部11bにて行われる。しきい値は予め異音検査部11bに記憶させておく。
ステップS5は、加速度センサ8からの振動信号から回転体2の回転数を算出する工程である。このステップS5は、回転数算出ユニット12にて行われる。ステップS2で加速度センサ8を用いて取得した振動信号は、ステップS3とステップS5との両方の工程に採用される。
ステップS6は、AEセンサ4からのAE信号とステップS5で算出した回転体2の回転数とに基いて回転体2の回転に依存して発生する固有AE信号を検出する工程である。このステップS6は、AE検査ユニット7にて実施される。より詳細には、AE検査ユニット7に備わる固有周波数算出部7aにて、ステップS5で算出した回転数から回転体2の固有周波数を算出する。また、AE検査ユニット7に備わるAE信号発生周期算出ユニット7bにて、ステップS1で取得したAE信号からAE信号の発生周期を算出する。続いて、AE検査ユニット7に備わる固有AE検出部7cにて、発生周期を算出したAE信号の中から算出した回転体2の固有周波数と一致するものを固有AE信号として検出する。
ステップS7は、ステップS6で検出した固有AE信号に基いて回転体2のAE検査を実施する工程である。このステップS7では、AE検査ユニット7のAE検査部7dにて、検出した固有AE信号がしきい値を上回るか否かを判定することでAE検査を実施する。しきい値は、AE信号の振幅に対して設定し、その値は、例えば20(dB)とする。
ステップS8は、ステップS4での異音検査と、ステップS7でのAE検査との結果に基いて回転体2の異常の有無を判定する工程である。異音検査とAE検査との両方で異常なしと判定された場合はステップS9に進む(ステップS8のNo)。一方、異音検査かAE検査の少なくとも一方で異常ありと判定された場合はステップS10に進む(ステップS8のYes)。なお、ステップS8は判定ユニット13にて行われる。
ステップS9は、回転体2に異常が含まれないとして、正常である旨を表示器14に表示する工程である。
ステップS10は、回転体2で異常がある旨を表示器14に表示する工程である。
以上が図1の異常検査装置1の動作の説明である。この動作により、異常検査装置1は、設備の複雑化を招くことなくAE検査と異音検査とを同時に実施し、被検査物である回転体2の異常検査を高精度に行うことが可能である。さらに、2つのセンサでAE検査と異音検査とを同時に実施できるため、センサを最大2つしか設置できないような小型の被検査物に対しても異常検査を実施できる。
なお、回転体2を構成する軸受が複数存在するよう比較的大型の被検査物の場合、各軸受にAEセンサ4と加速度センサ8とを1つずつ取り付ける。
なお、回転体2の固有周波数は、回転体2を構成する部材によって異なる。例えば、回転体2に備わる転動体の自転に関する固有周波数(転動体自転周波数)f(s−1)は、(式2)で表される。また、回転体2に備わる内輪に関する固有周波数(内輪転動体通過周波数)f(s−1)は(式3)で表される。このとき、固有AE信号の発生頻度が(式1)〜(式3)のいずれかの固有周波数と一致した場合、一致した固有周波数を示す部材に異常があることが理解できる。このため、AE検査によって、異常の箇所を特定することが可能である。なお、以下の(式2)、(式3)において、Zは転動体の個数、Dは転動体の直径(mm)、dは軸受のピッチ円径(mm)である。
本発明は、換気扇、空気清浄機、モータ等、回転体を有する製品の異常検査に適用することが可能である。
1 異常検査装置
2 回転体
4 AEセンサ
7 AE検査ユニット
8 加速度センサ
11 異音検査ユニット
12 回転数算出ユニット
13 判定ユニット

Claims (6)

  1. 第1センサで検出した回転体の振動に応じた振動信号を前記第1センサから取得する工程と、
    前記第1センサからの前記振動信号に基いて前記回転体の異音検査を実施する工程と、
    前記第1センサからの前記振動信号から前記回転体の回転数を算出する工程と、
    AEセンサで検出した前記回転体で発生するAEに応じたAE信号を前記AEセンサから取得する工程と、
    前記回転数と前記AE信号とに基いて前記回転体の回転によって発生する固有AE信号を検出する工程と、
    前記固有AE信号に基づいて前記回転体のAE検査を実施する工程と、
    前記異音検査と前記AE検査との結果に基いて前記回転体の異常の有無を判定する工程と、を含む異常検査方法。
  2. 前記異音検査は、前記振動信号を周波数解析して心理音響パラメータを算出し、該心理音響パラメータに基づいて実施される、請求項1に記載の異常検査方法。
  3. 前記第1センサは、加速度センサである、請求項1又は2に記載の異常検査方法。
  4. 回転体の振動を検出して、検出した前記振動に応じた振動信号を出力する第1センサと、
    前記第1センサからの前記振動信号に基いて前記回転体の異音検査を実施する異音検査ユニットと、
    前記第1センサからの前記振動信号から前記回転体の回転数を算出する回転数算出ユニットと、
    前記回転体で発生するAEを検出して、検出した前記AEに応じたAE信号を出力するAEセンサと、
    前記回転数と前記AE信号とに基いて前記回転体の回転によって発生する固有AE信号を検出すると共に、該固有AE信号に基いて前記回転体のAE検査を実施するAE検査ユニットと、
    前記異音検査と前記AE検査との結果に基づいて前記回転体の異常の有無を判定する判定ユニットと、を備える異常検査装置。
  5. 前記異音検査ユニットは、前記振動信号を周波数解析して心理音響パラメータを算出すると共に、該心理音響パラメータに基いて前記異音検査を実施する、請求項4に記載の異常検査装置。
  6. 前記第1センサは、加速度センサである、請求項4又は5に記載の異常検査装置。
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