JP2023127857A - 機械の性能診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械の状態情報から得られた周波数解析結果に基づき、機械の状態をより適切に診断できる性能測定診断装置を提供する。【解決手段】機械の性能を測定し診断する性能測定診断装置は、前記機械の状態情報を取得する情報取得部と、前記情報取得部によって取得された前記状態情報を前処理する情報前処理部と、前記情報前処理部によって前処理された後のデータを周波数解析することにより、前記機械の状態を示す周波数特徴の候補である状態周波数特徴候補と、ノイズを示す周波数特徴とを判別する、周波数特徴判別部と、前記状態周波数特徴候補および前記ノイズを示す周波数特徴に基づいて、前記状態周波数特徴候補のうちから前記機械の状態に対応した周波数特徴を推定する、周波数特徴推定部と、前記周波数特徴推定部によって推定された周波数特徴の数および位置関係に基づいて特徴を特定し、前記機械の状態を診断する、性能測定診断部と、診断された前記機械の状態を画面に表示する表示部と、を備える。【選択図】図７

Description

本発明は性能診断装置に関する。

機械の点検の一環として、機械の各コンポーネントがどのような状態にあるのかを定量的に把握するための性能測定が定期的に実施される。たとえば機械が建設機械の場合には、作業者は建設機械を所定の状態にした後に性能測定に関わる規定の動作を実施し、その動作時間を計測して基準性能を示す値（以下、基準値と呼ぶ）と比較することで、建設機械の状態を診断する。

建設機械の走行駆動系の性能診断方法として、走行速度の計測が挙げられる。建設機械が所定の距離を最高走行速度で走行する時間を計測し、走行時間を基準値と比較することで、走行性能が基準を満たすかどうかを判断する。この方法には、建設機械が走行するための十分なスペースを用意する必要があるが、作業現場において計測に適切なスペースを確保することは難しく、また計測の準備に時間がかかるという問題がある。

これに対して、履帯の回転速度を計測することで建設機械の走行駆動系の性能を診断する方法がある。作業者は建設機械の履帯の一部に布等を巻きつけて計測用の目印をつけたあと、建設機械が停止した状態で片側の履帯を持ち上げるようにして建設機械を傾け、浮いた履帯をその場で空転させる。そして目印を確認しながら履帯が規定の回数分回転する時間をたとえばストップウォッチを用いて手動で計測し、あらかじめ定められた基準値と比較することで基準性能を満たしているか否かを判断する。

この方法では建設機械を実際に走行させる必要はなく、測定用のスペースの確保や準備に手間がかからない。しかしながら、通常この測定は作業員１人で行われる。そのため、履帯を空転させるためのレバーの操作、履帯につけた目印が規定の回数分回転する様子を目視で確認すること、およびストップウォッチによる時間の計測を同時に行う必要がある。これは複数の異なる動作を同時に行うことになるため測定作業に労力を要し、また測定精度にも改善の余地がある。そこで、人手を介さずに履帯回転速度を機械的に自動計測する方法が望まれる。

履帯回転速度を機械的に測定する方法として、建設機械内部のネットワークを流れるＣＡＮ（Control Area Network）データを利用することが挙げられる。しかしＣＡＮデータは建設機械の仕様や性能にも因るためすべての建設機械が取得できるものではなく、ＣＡＮデータを取得できるように新たにセンサを取り付ける場合はコストがかかる。そのため、建設機械に対して容易に取り付けることが可能な外付けセンサが望ましいと考えられる。外付けセンサの例としてはカメラや音センサ、加速度センサなどが挙げられる。

この中で、カメラや音センサは環境依存性が高いため、設置場所の足場の安定性を確保する必要があったり、測定対象である建設機械に関連しない外部の騒音を防ぐ必要があったりするなど、事前準備に手間がかかる。そのため、簡易な準備で計測できるように建設機械の周辺環境への依存性が低いセンサを用いることが望ましいと考えられる。加速度センサは上記を鑑みた望ましいセンサの一例である。

物体の振動情報に基づいて、物体の速度や状態を推定する方法がよく知られている。従来、車両の車輪部分の振動数を測定する方法として加速度センサを活用する技術がある（特許文献１）。

走行中ではなく、履帯をその場で空転させる際の振動を検知する方法として、周波数解析において周波数特徴としてピーク点を検出する方法が考えられる。履帯が回転する際の履帯の部品同士の衝突による振動を検出し、周波数解析することで振動の周波数を特定する。振動データに周波数解析を適用する他分野における先行技術としては特許文献２がある。

特許第６８７７４０３号公報 特許第５５６５１２０号公報

特許文献１には、振動の演算における周波数解析においてカルマンフィルタなどの既知の方法が用いられている。これは当該技術が対象物の速さの推測を目的にしているためであり、測定対象も走行中の車両に留まる。

また、特許文献２はインバータのキャリア周波数の値に基づいてピーク点を検出しており、事前にピーク点の発生位置が判明している必要がある。履帯の回転に伴う周期的な振動には回転速度に対応した周波数である基本波と、その整数倍の周波数に対応する高調波が含まれるが、周波数帯域内の基本波や高調波にあたるピーク点の位置は履帯の回転速度に応じて動的に変化する。そのため、事前にピーク点の発生位置を限定することができず正しいピーク点を特定できないという課題がある。履帯回転速度の計測では、回転速度に応じて、周波数帯域内のピーク点の位置や数が動的に変化するため、正しいピーク点を特定できないという課題がある。

また履帯の振動に伴う周波数特徴を特定するその他の手法としては、周波数解析結果より最も振幅の大きい周波数特徴を特定することが考えられる。しかし履帯の回転速度に対応した周波数である基本波と、その整数倍の周波数である高調波のどちらの振幅が大きいかは場合に依るため、単に最大振幅を求めるだけでは回転速度に対応した周波数を特定できない。もし高調波の振幅の方が大きい場合、誤って不適切な周波数特徴を特定する可能性がある。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、機械の状態情報から得られた周波数解析結果に基づき、機械の状態をより適切に診断できる性能測定診断装置を提供することを目的とする。

本発明に係る、機械の性能測定診断装置の一例は、
機械の性能を測定し診断する性能測定診断装置であって、
前記機械の状態情報を取得する情報取得部と、
前記情報取得部によって取得された前記状態情報を前処理する情報前処理部と、
前記情報前処理部によって前処理された後のデータを周波数解析することにより、前記機械の状態を示す周波数特徴の候補である状態周波数特徴候補と、ノイズを示す周波数特徴とを判別する、周波数特徴判別部と、
前記状態周波数特徴候補および前記ノイズを示す周波数特徴に基づいて、前記状態周波数特徴候補のうちから前記機械の状態に対応した周波数特徴を推定する、周波数特徴推定部と、
前記周波数特徴推定部によって推定された周波数特徴の数および位置関係に基づいて特徴を特定し、前記機械の状態を診断する、性能測定診断部と、
診断された前記機械の状態を画面に表示する表示部と、
を備える。

本発明に係る性能測定診断装置は、機械の状態情報から得られた周波数解析結果に基づき、機械の状態をより適切に診断できる。

本発明の実施形態１が適用可能な機械の例を示す図である。 実施形態１に係る性能測定診断装置の概略構成図である。 周波数特徴推定部が建設機械の状態に対応した周波数特徴を推定するための判断基準を説明するグラフである。 性能測定診断装置が建設機械の履帯の状態を診断する手順を説明するフローチャートである。 Ｓ１０３の具体例を説明する図である。 周波数特徴判別部がピーク点を判別する手順を説明するフローチャートである。 Ｓ２０４、Ｓ２０５、Ｓ２０６の具体例を説明する図である。 性能測定診断部が回転速度の算出および状態の診断を実施する手順を説明するフローチャートである。 Ｓ３０２、Ｓ３０５、Ｓ３０６の具体例を説明する図である。 実施形態２に係る性能測定診断装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１が適用可能な機械の例を示す図である。本実施形態は、建設機械５０に適用可能であり、建設機械５０の性能を測定することで状態を診断する。建設機械５０は、周期性を伴う振動を発生するコンポーネント（部位）を含む。このコンポーネントは履帯５１（履帯部）を含む。

本実施形態では、建設機械５０における周期性を伴う振動に関する測定および診断を行うことができる。なお、変形例において、周期性を伴う振動を発生するコンポーネントは履帯５１に限られない。たとえば任意の回転部を含む他のコンポーネントであってもよい。

建設機械５０は、本実施形態が適用可能な作業機械の一例に過ぎず、履帯５１以外の構成は当業者が任意に設計可能であるため、詳細については割愛する。また、一般に、建設機械においては周期性を伴う振動に基づく測定および診断が有益であるが、本実施形態が適用可能な機械は建設機械に限られず、他の建設機械であってもよく、建設機械以外の任意の作業機械であってもよい。たとえば、産業用ロボットなどの作業機械、その他の回転機械など、周期性のある振動を発する機械にも適用可能である。

図２は、実施形態１に係る、機械の性能測定診断装置１を示す概略構成図である。性能測定診断装置１は、機械の性能を測定し診断する性能測定診断装置であり、とくに本実施形態では、建設機械５０の履帯５１の回転速度の算出および状態の診断を実施するための装置である。本実施形態において、性能測定診断装置１は建設機械５０が備える運転室や車体フレーム上などの計測時の安定性がある程度確保できる任意の場所に載置可能な携帯端末１０などによって構成される。

性能測定診断装置１は、加速度センサ１１、情報取得部１２、情報前処理部１３、周波数特徴判別部１４、周波数特徴推定部１５、性能測定診断部１６、表示部１７を備える。

携帯端末１０に搭載された加速度センサ１１を用いて、性能測定診断装置１に対して加えられる振動を、たとえば３軸加速度として測定する。性能測定診断装置１を建設機械５０内の任意の場所に設置することにより、加速度センサ１１は、履帯５１が発する振動を間接的に測定できる。

情報取得部１２は、建設機械５０の状態情報を取得する。たとえば、情報取得部１２は、加速度センサ１１から、履帯回転時に生じる履帯を構成する部品同士の衝突による振動の情報を受け取り、各軸ごとの時系列データとして格納する。なお、本実施形態では建設機械５０の状態情報は加速度を表す情報であるが、変形例において、加速度以外の物理量に関する情報を用いることも可能である。

情報前処理部１３は、情報取得部１２によって取得された状態情報を前処理する。たとえば、取得した時系列データから、履帯５１の回転区間に該当する時間区間内の時系列データを抽出する処理を行う。

周波数特徴判別部１４は、情報前処理部１３によって前処理された後のデータを周波数解析し、周波数スペクトルを取得する。そして周波数スペクトル上に存在するピーク点を周波数特徴として捉え、これによって、建設機械５０の状態を示す周波数特徴の候補（状態周波数特徴候補）と、ノイズを示す周波数特徴とを判別する。たとえば、周波数スペクトルにおいて、建設機械５０の動作に関連した特徴が発生する区間に存在するすべてのピーク点について、各ピーク点が、建設機械５０の状態に関連する状態周波数特徴候補であるか、または、それ以外のノイズを示す周波数特徴であるかを判別する。

周波数特徴推定部１５は、状態周波数特徴候補と、ノイズを示す周波数特徴とに基づいて、状態周波数特徴候補のうちから、建設機械５０の状態に対応した周波数特徴を推定する。たとえば、周波数特徴判別部１４がノイズと判定したピーク点における振幅から閾値を算出し、この閾値に基づいて、状態周波数特徴候補の中から、建設機械５０の状態に対応した周波数特徴を推定する。

性能測定診断部１６は、周波数特徴推定部１５によって推定した周波数特徴の数および位置関係に基づいて特徴を特定し、建設機械５０の状態を診断する。たとえば、履帯５１の回転速度に対応した周波数特徴を特定し、履帯５１が回転している間の回転速度を算出する。そして算出した回転速度に基づいて、建設機械５０の状態が正常か否かを判定する。このように、具体的な根拠に基づく建設機械５０の状態判断が可能となる。

表示部１７は画面を備えており、診断された前記機械の状態を画面に表示する。たとえば、表示部１７は、性能測定診断部１６が算出した履帯５１の回転速度、および建設機械５０の状態の判定結果を携帯端末上に表示する。このとき、周波数特徴判別部１４で取得した周波数スペクトル図、ピーク点の判別結果（状態周波数特徴候補またはノイズ）、周波数特徴推定部１５で取得した閾値、等を一緒に表示してもよい。

図３は、周波数特徴推定部１５が建設機械５０の状態に対応した周波数特徴を推定するための判断基準を説明するグラフの例である。このグラフは横軸（Ｘ軸）が周波数を、縦軸（Ｙ軸）が各周波数成分のエネルギーを示す周波数スペクトルである。振動データを周波数解析する（たとえば時間領域表現を周波数領域表現に変換する）ことで、その振動に含まれる周波数成分を検出することができる。

履帯５１が回転している間の振動を測定するとき、建設機械５０の履帯５１以外の作業装置等は停止しているため、履帯５１に関連した振動の特徴が大きく現れると仮定している。そのため、振動情報を、各周波数成分をエネルギーとして表す周波数スペクトルで表現した場合、履帯５１に関連した周波数特徴が大きく表れると想定できる。本実施形態ではこの想定をもとに、周波数特徴のパワーが大きい箇所と、そうではないノイズの箇所を判別する閾値を求め、この閾値との差分に基づいて、履帯５１に関連した周波数特徴を推定する。

図４は、性能測定診断装置１により建設機械５０の履帯５１の状態を診断する手順を説明するフローチャートである。以下で図の各ステップについて説明する。

（図４：ステップＳ１０１）
作業員は性能測定診断装置１を建設機械５０上の適当な場所に載置する。作業員は、加速度センサ１１の検出軸のうちいずれかが、水平面に対して平行および垂直になっているか否かを確認してもよい。そうすることで、さらに正確な測定が可能になる。

（図４：ステップＳ１０２）
作業員は建設機械５０の動作を開始する。建設機械５０をその場で停止させた状態で、片側の履帯５１を宙に浮かせるようにして建設機械５０を傾ける。そして宙に浮いた状態の履帯５１を回転（空転）させる。加速度センサ１１は、携帯端末を建設機械５０上に載置してから履帯の回転が終了した直後までの振動情報を３軸加速度として取得し、情報取得部１２はその情報を時系列データとして取得する。

（図４：ステップＳ１０３）
情報前処理部１３は、Ｓ１０２で取得した時系列データから、履帯５１が回転していた区間を抽出する。本ステップの具体例は後述する。

（図４：ステップＳ１０４）
周波数特徴判別部１４は、Ｓ１０３で取得した時系列データを対象に周波数解析を行い、周波数スペクトルを取得する。このとき、周波数解析を行う前に自己相関関数を適用して振動の周期性を強調したり、窓関数を適用してサイドローブの影響を抑えたりしてもよい。また、これらの周波数解析を行う前の処理は、情報前処理部１３が行ってもよい。

（図４：ステップＳ１０５）
周波数特徴判別部１４は、Ｓ１０４で取得した周波数スペクトルからすべてのピーク点を検出する。ピーク点とは、隣接する前後の点よりも振幅の大きい点のことを示す。本ステップの具体例な処理は後述する。

（図４：ステップＳ１０６）
周波数特徴判別部１４は、Ｓ１０５で取得した周波数スペクトルを対象に、ピーク点を周波数特徴と捉え、建設機械５０の状態を示す状態周波数特徴候補とノイズを示す周波数特徴とに判別する。本ステップの具体的な処理と例は後述する。

（図４：ステップＳ１０７）
周波数特徴推定部１５は、Ｓ１０６でノイズと判別されたピーク点より閾値を算出し、状態周波数特徴候補から建設機械５０の状態に対応した特徴を推定する。たとえば、図３に示すように、状態周波数特徴候補の振幅の値と、ノイズを示す周波数特徴の振幅に基づいて算出される閾値との差分に基づいて、建設機械５０の状態に対応した周波数特徴を推定する。具体例として、差分が０以上である場合（すなわち状態周波数特徴候補の振幅がノイズを示す周波数特徴の振幅に基づいて算出される閾値以上である場合）に、その状態周波数特徴候補は建設機械５０の状態に対応した周波数特徴として推定される。このような処理によれば、ノイズの大きさに応じて閾値を動的に変更することができる。閾値よりも小さい（または基準値以下の）振幅をもつ状態周波数特徴候補はノイズとして削除する。

閾値の算出方法の一例としては、ノイズと比較したときの外れ値にあたる特徴が注目すべき建設機械５０の状態に対応した特徴であるという仮定に基づいて閾値を設定する。具体的には、ノイズと判別されたピーク点の振幅の平均＋３σを基準値として設定してもよい。なおσはノイズに対応するピーク点の振幅の標準偏差を表す。これは、ノイズと判別したピーク点の振幅の分布が正規分布に基づく場合、平均＋３σ以下の範囲にノイズの９９％が含まれることになり、それに含まれない外れ値は建設機械５０の状態に対応した周波数特徴とみなすことができるためである。なおこの算出方法は一例であり、単に平均値や中央値を閾値に設定してもよい。

なお、Ｓ１０６でノイズと判別されたピーク点が存在しなかった場合の処理については当業者が適宜設計可能である。たとえば閾値を０に設定してもよい。

（図４：ステップＳ１０８）
性能測定診断部１６は、Ｓ１０７で推定した、建設機械５０の状態に対応した周波数特徴の数および位置関係に基づいて、履帯５１の回転速度に対応した周波数特徴を特定して履帯５１の回転速度を算出し、建設機械５０の状態を診断する。本ステップの具体的な処理と例は後述する。

図５（Ａ）（Ｂ）は、Ｓ１０３における具体例を説明する図である。Ｓ１０２で取得した時系列の加速度センサデータは、図５（Ａ）に示すように履帯が停止している区間と履帯が回転している区間の両方を含んでいる。そのため、データから履帯が回転している区間を抽出する必要がある。

履帯５１が静止している状態では、加速度センサデータの変位は０に近く（すなわち振幅が小さく）、履帯５１が回転している状態では、加速度センサの変位は大きくなる。そこで図５（Ｂ）の太線矩形で示すように、加速度センサデータの変位が大きい状態が持続している区間を、履帯５１が回転している区間として抽出する。そして履帯５１が回転している区間（回転区間）の時系列加速度センサデータを取得する。このとき、回転区間のデータをすべて用いてもよく、回転区間のデータからさらに一部の区間のデータを切り出して用いてもよい。また、回転区間からは、履帯５１の回転し始めと回転終わりの、徐々に振幅が変化している区間を除いてもよい。

図６は、Ｓ１０４～Ｓ１０６における具体例な処理を説明するフローチャートである。周波数特徴判別部１４が、周波数解析後の周波数スペクトルに存在するピーク点を周波数特徴と捉え、それらを建設機械５０の状態を示す状態周波数特徴候補とノイズを示す周波数特徴に判別している。以下で図の各ステップについて説明する。

（図６：ステップＳ２０１）
ステップＳ１０３における前処理完了後の時系列データを周波数解析し、周波数スペクトルを取得する。このステップは図４のステップＳ１０４に対応する。

ステップＳ２０２およびＳ２０３は、図４のステップＳ１０５に対応する。
（図６：ステップＳ２０２）
Ｓ２０１で取得した周波数スペクトルに対し、建設機械５０の状態を示す周波数特徴の候補が発生し得る周波数帯域の所定の範囲内（以下、探索範囲と呼ぶ）をピーク点を探索する範囲とする。探索範囲は事前の検証結果に基づいて決定されてもよく、計測したい回転速度の範囲に基づいて決定されてもよい。一例として、本実施形態では計測対象となる履帯回転速度はその取りうる値から１Ｈｚから１２Ｈｚの範囲内になると仮定しているため、その区間を探索範囲として周波数スペクトルを取得する。

（図６：ステップＳ２０３）
Ｓ２０２で探索範囲に存在するピーク点をすべて抽出する。ここでピーク点とは、隣接する前後の点よりも振幅値が大きい点のことを指す。

ステップＳ２０４～Ｓ２０６は、図４のステップＳ１０６に対応する。
（図６：ステップＳ２０４）
Ｓ２０３で抽出した複数のピーク点（たとえばすべてのピーク点）のうち、最大の振幅をもつピーク点を、建設機械５０の状態を示す周波数特徴の候補である状態周波数特徴候補として判別する（状態周波数特徴候補判別処理）。この際、既に状態周波数特徴候補またはノイズとして判別されているピーク点は、最大の振幅をもつピーク点の探索から除外される。

（図６：ステップＳ２０５）
Ｓ２０４で状態周波数特徴候補として判別されたピーク点の前後の所定の範囲内（たとえば前後各１Ｈｚの範囲内）に存在するピーク点を、ノイズを示す周波数特徴として判別する（ノイズ判別処理）。本実施形態では状態周波数特徴候補に対応するピーク点同士が１Ｈｚ以上離れているという条件で特徴の判別を行う。そのため、特徴候補の前後各１Ｈｚ以内に存在するピーク点はノイズと判別する。１Ｈｚという条件は、基本周波数と高調波が整数倍の関係になることより定められている。本実施形態の探索範囲の下限は１Ｈｚであり、履帯５１の回転速度に対応した周波数が探索範囲の中で最も小さい１Ｈｚの場合、高調波が１Ｈｚ間隔で発生すると想定される。すなわち最小でも１Ｈｚ間隔で特徴候補の探索を行う必要があるため、ピーク点の前後間隔を１Ｈｚと設定している。このような範囲を用いると、一般的に建設機械に用いられる履帯について適切な判別を行うことができる。

（図６：ステップＳ２０６）
探索範囲に存在するすべてのピーク点が判別されたか否かを判定する。未判定のピーク点が存在する場合、Ｓ２０４に戻って処理を続行する（Ｓ２０６：いいえ）。２回目のＳ２０４（追加判別処理）において、複数のピーク点のうち、すでに状態周波数特徴候補として判別されたピーク点と、ノイズを示す周波数特徴として判別されたピーク点とを除いたピーク点の中で、最大の振幅を持つピーク点をさらに状態周波数特徴候補として判別する。そして２回目のＳ２０５（追加判別処理）において、新たに判別された状態周波数特徴候補の前後各１Ｈｚ以内に存在するピーク点をノイズと判別する。このような状態周波数特徴候補とノイズを判別する繰り返し処理により、複数の状態周波数特徴候補を適切に判別することができる。このように、周波数特徴判別部１４は、追加判別処理として、周波数帯域の所定の範囲内で判別がされていないピーク点を対象に、追加の状態周波数特徴候補判別およびノイズ判別処理を行う。

すべてのピーク点が判別済みである場合、周波数特徴判別部１４における処理を完了する（Ｓ２０６：はい）。このように、本実施形態では、探索範囲の複数のピーク点のすべてが状態周波数特徴候補またはノイズを示す周波数特徴のいずれかに判別されるまで、Ｓ２０４とＳ２０５の追加判別処理を繰り返し実行する。そして、最終的に状態周波数特徴候補と判別されたピーク点の集合と、ノイズと判別されたピーク点の集合とが出力される。このような繰り返し処理により、状態周波数特徴候補をより適切に判別することができ、これら判別されたピーク点により、前述したステップＳ１０７の処理が実行される。

変形例として、ステップＳ２０４およびＳ２０５を規定の回数だけ繰り返してもよい。この場合の繰り返し回数については、ピーク点のうち一定数以上が状態周波数特徴候補またはノイズのいずれかに判別されればよいため、ピーク点の判別は少なくとも１回以上行われればよい。

図７を用いて、Ｓ２０４、Ｓ２０５、Ｓ２０６における具体的な処理手順を説明する。図７は縦軸が周波数特徴のパワー、横軸が周波数となる周波数スペクトルを示している。

まずＳ２０４にて、Ｓ２０２で決定された探索範囲において最大の振幅をもつピーク点を探索し、ピーク点ｐ_１を状態周波数特徴候補として判別する。その結果を図７（Ａ）に示す。次にＳ２０５にて、ｐ_１の前後各１Ｈｚの範囲内に存在するピーク点ｐ_２をノイズとして判別する。その結果を図７（Ｂ）に示す。そしてＳ２０６にて、探索範囲に存在するピーク点がすべて判別されたかを判定する。図７（Ｂ）の時点ではすべてのピーク点の判別が終わっていないため、Ｓ２０４に戻って状態周波数特徴候補の判別およびノイズの判別処理を繰り返す。

２回目のＳ２０４にて、既に判別が完了しているｐ_１およびｐ_２を除いたピーク点の中から最大の振幅をもつピーク点ｐ_３を探索し、状態周波数特徴候補として判別する。続く２回目のＳ２０５にて、ピーク点ｐ_３の前後各１Ｈｚに存在するピーク点を探索するが、ピーク点が存在しないのでノイズの判別処理は行われない。２回目のＳ２０４とＳ２０５の処理が行われたあとの結果を図７（Ｃ）に示す。このようにして、探索範囲に存在するピーク点を状態周波数特徴候補とノイズのいずれかに判別する。

図７（Ｄ）は周波数スペクトルのすべてのピーク点が状態周波数特徴候補またはノイズのいずれかに判別された様子を示しており、丸い枠で囲まれたピーク点が状態周波数特徴候補として、四角い枠で囲まれたピーク点がノイズとして判別されたことを示す。

図８は、性能測定診断部１６が回転速度の算出および状態の診断を実施する手順を説明するフローチャートである。性能測定診断部１６は、周波数特徴推定部１５によって推定された建設機械の状態に対応した周波数特徴の数や位置関係に基づき、履帯５１の回転速度に対応した周波数を特定する。以下で図８の各ステップについて説明する。

（図８：ステップＳ３０１～Ｓ３０３）
周波数特徴推定部１５によって推定された周波数特徴の数を確認する。周波数特徴の数が０の場合（Ｓ３０１：０）、建設機械５０の状態に対応した周波数特徴は取得できなかったとしてＳ３１０に進む（変形例として、処理を終了してもよい）。また、この場合には、表示部１７が、再測定するように指示を提示してもよい。

周波数特徴推定部１５によって推定された周波数特徴が１つの場合（Ｓ３０１：１）、当該周波数特徴に基づいて建設機械５０の状態を診断する。具体的には、その周波数特徴の周波数を履帯５１の回転速度に対応したものとして出力するステップＳ３０２に進む。

周波数特徴推定部１５によって推定された周波数特徴が複数の場合（Ｓ３０１：２以上）には、当該各周波数特徴の位置関係に基づいて建設機械５０の状態を診断する。具体的には、当該周波数特徴の中から最大振幅をもつ周波数特徴を取得するステップＳ３０３に進む。

このように、周波数特徴推定部１５によって推定された周波数特徴の数に応じて異なる処理を行うことにより、より柔軟な診断処理が可能となる。

（図８：ステップＳ３０４～Ｓ３０６）
ステップＳ３０４では、Ｓ３０３で取得した周波数特徴の周波数が、他の周波数特徴の周波数の整数倍になっているかどうかを判定する。なお、この判定は、厳密に整数倍になっているかどうかを判定する必要はなく、所定の誤差範囲を考慮してもよい。互いの周波数が整数倍となる関係にある周波数特徴が存在する場合（Ｓ３０４：はい）、両者は基本波と高調波の関係にあると推測できる。そのため、それらの周波数特徴の中で最も小さい周波数を、履帯５１の回転速度に対応したものとして出力するステップＳ３０５に進む。整数倍に該当する周波数特徴がほかに存在しない場合（Ｓ３０４：いいえ）、Ｓ３０３で取得した周波数（最大振幅をもつ周波数特徴の周波数）を履帯５１の回転速度に対応したものとして出力するステップＳ３０６に進む。

（図８：ステップＳ３０７～Ｓ３０９）
ステップＳ３０７では、Ｓ３０２、Ｓ３０５またはＳ３０６で特定された周波数より、履帯５１が１周分回転するのにかかる時間を算出し、これを履帯５１の回転速度とする。回転速度はたとえば以下の式（１）にて計算される。算出した回転速度が基準性能を満たすか照らし合わせ、建設機械５０の状態が正常か異常か否かを判定する。
回転速度（秒／周） ＝ １周分の回転時間（秒） ＝ 履帯を構成するトラックリンク（回／周） ÷ 周波数（回／秒） …（１）
回転速度が基準性能を満たす場合は、建設機械５０の状態が正常であると診断するステップＳ３０８に進む。回転速度が基準性能を満たさない場合は、建設機械５０の状態が異常であると診断するステップＳ３０９に進む。

（図８：ステップＳ３１０）
このステップは必ずしも実行される必要はないが、履帯５１の回転速度に基づいて建設機械５０が正常か否かを診断したあと、ほかの異常（速度以外の異常）が発生しているかどうか判定を行ってもよい。例えば、お互いに整数倍の関係にない特徴が複数存在する場合、Ｓ３０６では最も大きい振幅をもつ周波数特徴のみを回転速度に対応したものとして扱い、そのほかの周波数特徴は回転速度に対応したものとしては扱わない。回転速度に対応したものとして扱わなかった周波数特徴が、ほかの何らかの異常に関連しているとわかっている場合、性能測定診断部１６は、Ｓ３１０において、その周波数特徴に基づいて、異常の原因および可能性を診断してもよく、表示部１７が異常の原因および可能性を提示してもよい。

図９は、Ｓ３０２、Ｓ３０５、Ｓ３０６の具体例を説明する図である。各グラフの破線は閾値を示す。図９（Ａ）は、Ｓ３０２における具体例を説明する図である。この図は建設機械５０の状態に対応した周波数特徴が１つのみ推定された場合を示している。この場合、推定された周波数Ｆ_１が、履帯５１の回転速度に対応するもの（すなわち建設機械５０の状態に対応した周波数特徴）として選択される。

図９（Ｂ）は、Ｓ３０５における具体例を説明する図である。履帯５１の回転速度に対応した周波数の整数倍に対応する周波数には、高調波として周波数特徴が現れることがある。そのため、回転速度によっては、探索範囲に、履帯５１の回転速度に対応した周波数Ｆ_２と、その高調波に対応する周波数Ｆ_３との、複数のピーク点が現れる場合がある。このように、整数倍の関係にある周波数特徴が複数存在する場合、小さい方の周波数Ｆ_２が回転速度に対応するもの（すなわち建設機械５０の状態に対応した周波数特徴）として選択される。

図９（Ｃ）は、Ｓ３０６における具体例を説明する図である。周波数特徴推定部１５にて排除しきれなかったノイズや、建設機械５０のほかのコンポーネントの振動による周波数特徴が現れる場合がある（例：図９（Ｃ）の周波数Ｆ_５）。履帯５１の回転中に発生する振動は主に履帯特有のものであることから、周波数特徴はほかの特徴に比べて大きくなると想定される。そのため、最も振幅の大きい周波数特徴を取得し、その周波数Ｆ_４を回転速度に対応するもの（すなわち建設機械５０の状態に対応した周波数特徴）として選択する。

＜実施形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る性能測定診断装置１は、履帯５１に起因する振動情報から取得した周波数解析結果から、建設機械５０の状態を示す周波数特徴の候補（状態周波数特徴候補）とノイズに対応する特徴とを判別することで、建設機械５０の状態に対応した周波数特徴を推定し、履帯５１の回転速度に対応する周波数を特定する。状態周波数特徴候補とノイズを動的に判別することにより、回転速度に対応する周波数の位置やその高調波の数に依存せずに、履帯５１の回転速度をより正確に算出でき、これによって建設機械５０の状態をより適切に診断できる。また、本実施形態1では建設機械５０の履帯５１以外のコンポーネントが静止している状態で計測を実施しており、建設機械５０を実際に走行させなくても走行性能を評価することができる。

＜実施形態２＞
本発明の実施形態２では、図１０に示すように、性能測定診断装置１は携帯端末１０およびクラウド２０からなる。加速度センサ１１、情報取得部１２、表示部１７が携帯端末１０上に設けられ、情報前処理部１３、周波数特徴判別部１４、周波数特徴推定部１５、性能測定診断部１６がクラウド２０上に設けられる。携帯端末１０およびクラウド２０は、互いに無線通信を介して情報を送受信するための構成を備えてもよい。以上の点において実施形態２は上述の実施形態１と異なるが、その他の構成は実施形態１と同様である。

携帯端末１０とクラウド２０の間は通信が可能なように構成されることで、例えば取得したセンサデータをクラウド２０にアップロードし、クラウド２０上で周波数解析や性能測定診断を行うことができる。そしてクラウド２０上で算出された性能測定診断結果を携帯端末１０に送信し、携帯端末１０の表示部１７上で確認することができる。

このような構成の性能測定診断装置１では、上述の実施形態１と同様な作用効果を得られる。さらに、情報前処理部１３、周波数特徴判別部１４、周波数特徴推定部１５、性能測定診断部１６がクラウド２０上に設けられるので、すべての処理が携帯端末１０で行われる場合と比較して、携帯端末１０の性能に依存しない性能測定診断が可能になる。また、任意のタイミングで性能測定診断および結果の確認を行うことが可能になる。

＜各実施形態の変形例について＞
上述の各実施形態およびその変形例では、性能測定診断装置１は、履帯５１の回転状況に基づいて建設機械５０の状態（たとえば正常であるか否か）を診断するが、建設機械５０のコンポーネントの状態を診断することも可能である。たとえば履帯５１の状態を診断する装置として用いる場合には、履帯５１の状態を表す物理量としての回転速度等を算出すると解釈することも可能である。

本発明は、前述した各実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…性能測定診断装置
１０…携帯端末
１１…加速度センサ
１２…情報取得部
１３…情報前処理部
１４…周波数特徴判別部
１５…周波数特徴推定部
１６…性能測定診断部
１７…表示部
２０…クラウド
５０…建設機械
５１…履帯
Ｆ_１…周波数（機械の状態に対応した周波数特徴）
Ｆ_２…周波数（機械の状態に対応した周波数特徴）
Ｆ_３…周波数
Ｆ_４…周波数（機械の状態に対応した周波数特徴）
Ｆ_５…周波数
ｐ_１…ピーク点（状態周波数特徴候補）
ｐ_２…ピーク点（ノイズ）
ｐ_３…ピーク点（状態周波数特徴候補）

Claims (8)

1. 機械の性能を測定し診断する性能測定診断装置であって、
   前記機械の状態情報を取得する情報取得部と、
   前記情報取得部によって取得された前記状態情報を前処理する情報前処理部と、
   前記情報前処理部によって前処理された後のデータを周波数解析することにより、前記機械の状態を示す周波数特徴の候補である状態周波数特徴候補と、ノイズを示す周波数特徴とを判別する、周波数特徴判別部と、
   前記状態周波数特徴候補および前記ノイズを示す周波数特徴に基づいて、前記状態周波数特徴候補のうちから前記機械の状態に対応した周波数特徴を推定する、周波数特徴推定部と、
   前記周波数特徴推定部によって推定された周波数特徴の数および位置関係に基づいて特徴を特定し、前記機械の状態を診断する、性能測定診断部と、
   診断された前記機械の状態を画面に表示する表示部と、
   を備える、機械の性能測定診断装置。
2. 請求項１に記載の機械の性能測定診断装置において、前記情報取得部は、前記機械の状態情報として、周期性を伴う振動を発生するコンポーネントの状態情報を取得する機械の性能測定診断装置。
3. 請求項２に記載の機械の性能測定診断装置において、
   前記コンポーネントは建設機械の履帯部を含み、
   前記性能測定診断部は、前記履帯部が回転している間の回転速度を算出する、
   機械の性能測定診断装置。
4. 請求項１に記載の機械の性能測定診断装置において、
   前記周波数特徴判別部は、
   周波数帯域内の所定の範囲内に含まれる複数のピーク点のうち最大の振幅をもつピーク点を前記状態周波数特徴候補として判別する状態周波数特徴候補判別処理と、
   前記状態周波数特徴候補として判別されたピーク点の前後の所定の範囲内に存在するピーク点を、ノイズを示す周波数特徴として判別するノイズ判別処理と、
   前記周波数帯域の所定の範囲内で判別がされていないピーク点を対象に、
   追加の前記状態周波数特徴候補判別処理および前記ノイズ判別処理を行う追加判別処理と、を実行する、機械の性能測定診断装置。
5. 請求項４に記載の機械の性能測定診断装置において、前記周波数特徴判別部は、前記複数のピーク点のすべてが前記状態周波数特徴候補または前記ノイズを示す周波数特徴のいずれかに判別されるまで、前記追加判別処理を繰り返し実行する、機械の性能測定診断装置。
6. 請求項１に記載の機械の性能測定診断装置において、
   前記性能測定診断部は、
   前記周波数特徴推定部によって推定された前記周波数特徴が１つの場合には、当該周波数特徴に基づいて前記機械の状態を診断し、
   前記周波数特徴推定部によって推定された前記周波数特徴が複数の場合には、当該各周波数特徴の位置関係に基づいて前記機械の状態を診断する、
   機械の性能測定診断装置。
7. 請求項１に記載の機械の性能測定診断装置において、周波数特徴推定部は、前記状態周波数特徴候補の振幅の値と、前記ノイズを示す周波数特徴の振幅に基づいて算出される閾値との差分に基づいて、前記機械の状態に対応した周波数特徴を推定する、
   機械の性能測定診断装置。
8. 請求項４に記載の機械の性能測定診断装置において、前記所定の範囲は、前記ピーク点の前後各１Ｈｚの範囲である、機械の性能測定診断装置。

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