JP5141113B2

JP5141113B2 - 駆動軸損傷診断ユニットおよび駆動軸監視システム

Info

Publication number: JP5141113B2
Application number: JP2007172410A
Authority: JP
Inventors: 豊樹杉山; 貴司大野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP2009008616A

Description

この発明は、圧延設備等の駆動軸の損傷を診断するための駆動軸損傷診断ユニットおよび駆動軸監視システムに関する。

鉄鋼の圧延設備では、駆動軸に大きな負荷が掛かるため、駆動軸が損傷しやすく、損傷を早く検知して故障を防止することが重要となっている。そのため、定期的に分解検査が行われていたが、この検査に手間および時間が掛かるため、分解検査に代わる稼働中での検査を可能とするものとして、駆動軸の状態を検出するセンサと、センサのデータ処理を行うマイクロプロセッサと、センサ出力を送信するための無線通信機と、マイクロプロセッサに接続されたタイマ回路と、センサおよび無線通信機に電力を供給する電池とを備えており、駆動軸外部に設けられた親機とワイヤレスで接続されてセンサ出力を親機に送信する駆動軸損傷診断ユニットおよびこれを備えた駆動軸監視システムが提案されている（特許文献１）。
特開２００６−９９３９６号公報

特許文献１の駆動軸損傷診断ユニットおよび駆動軸監視システムによると、駆動軸の損傷を分解せずに診断することが可能となったが、鉄鋼の圧延設備は、２４時間連続稼働である上、駆動軸の径が非常に大きいため、一旦取り付けた後の交換が困難であり、センサ、無線通信機などに電力を供給する電池の交換頻度をいかに少なくするかが重要な課題となっている。

特許文献１のものでは、所定間隔で駆動軸損傷診断ユニットを起動状態とする間欠運転とすることで、電池の寿命を向上させるようになっているが、間欠運転の間隔を例えば３０秒とした場合、圧延中のデータ測定を実施したくとも、３０秒の測定タイミングのずれがあるため、圧延中のタイミングを逃す場合がある。

この発明の目的は、圧延設備等の駆動軸の損傷を診断するに際して、センサ、無線通信機などに電力を供給する電池の交換頻度を少なくするとともに、測定タイミングのずれを解消した駆動軸損傷診断ユニットを提供することにある。

この発明による駆動軸損傷診断ユニットは、圧延設備の駆動軸の状態を検出するセンサと、センサのデータ処理を行うマイクロプロセッサと、マイクロプロセッサに接続されたタイマ回路と、駆動軸外部に設けられた親機との間で送受信を行う無線通信機と、センサ、マイクロプロセッサ、タイマ回路および無線通信機に電力を供給する電池とを備えており、駆動軸に負荷がかかっている圧延中にセンサのデータを取得して駆動軸の損傷を診断する駆動軸損傷診断ユニットにおいて、タイマ回路にだけ電力が供給されてタイマ回路で設定された時間間隔に応じてマイクロプロセッサおよび無線通信機が起動状態とされ、親機からの測定準備信号を監視する休止モードと、親機からの測定準備信号を受信したときに親機からの測定要求信号を監視し、測定要求信号を受信したときにセンサ出力を親機に送信する測定モードとを有しており、測定モードは、タイマ回路の設定時間間隔よりも短い時間間隔で無線通信機が起動状態とスリープ状態とに切り替えられる間欠運転モードとされており、マイクロプロセッサのタイマカウンタは、所定周期ごとに起動信号を出力して無線通信機をスリープ状態から作動状態に切り替える機能を有しており、測定モードにおいては、マイクロプロセッサが常時作動状態とされ、このマイクロプロセッサによって無線通信機がタイマ回路の設定時間間隔よりも短い前記時間間隔で起動されることによって、親機からの信号が受信可能な状態とされることを特徴とするものである。

駆動軸損傷診断ユニットは、月１回程度の診断時を除いては、休止モードとされ、このモードでは、タイマ回路だけが作動状態とされ、無線通信機、マイクロプロセッサなどはスリープ状態とされる。これにより、待機状態での消費電力を抑えることができ、電池の寿命を向上することができる。

休止モードにおいては、タイマ回路の設定時間間隔に応じてオンとされ、この間に親機から信号が出力されていない場合、スリープ状態に戻る（従来の間欠運転モードと同様）。従来行われている間欠運転では、休止モード中のオン状態において、親機からの測定要求信号があった場合に、マイクロプロセッサを含む全ての機器を作動状態として、必要なセンサ信号を親機に送信するものとされているが、この発明においては、親機から子機への信号として、従来からある測定要求信号に加えて、休止モードから測定モードへの切替えを親機から行うための測定準備信号が用意され、駆動軸の診断開始時には、まず、親機から測定準備信号が出力される。測定準備信号を受信すると、駆動軸損傷診断ユニットは、第１の間欠運転モードとしての休止モードから第２の間欠運転モードとしての測定モードへと移行する。

測定モードにおいては、マイクロプロセッサカウンタの設定時間間隔に応じて無線通信機がオンとされ、この間に親機から測定要求信号が出力されていない場合、一旦スリープ状態となるが、タイマの設定時間間隔よりも短い間隔で再びオンとされる。これにより、親機からの測定要求信号（ある一定時間継続して出される）があった場合に、この信号に基づいて、全ての機器を作動状態として、必要なセンサ信号を親機に送信することができる。

休止モードにおけるタイマ回路の設定時間間隔は、従来のものよりも長く設定され、これにより、電池の寿命を向上させることができる。測定モードにおけるマイクロプロセッサカウンタの設定時間間隔は、タイマ回路の設定時間間隔よりも短く設定され、これにより、親機から測定要求信号を送信してからデータを取得するまでの時間が短くなり、測定のタイミングのずれが解消される。駆動軸損傷診断ユニットは、親機から測定準備信号または測定要求信号が出力された場合、それに応じて、測定準備完了信号またはセンサ信号を親機に送信する。

親機には、監視パソコンが接続され、駆動軸の診断を行う際には、作業者は、まず、監視パソコンを介して親機から測定準備信号を子機に送信し、この後、タイマ回路の設定時間間隔に応じた時間待機して、子機（駆動軸損傷診断ユニット）からの測定準備完了信号を確認し、圧延の様子を確認しながら、適切なタイミングに監視パソコンから測定要求信号を送信する。これにより、子機から親機にセンサ信号が送信され、監視パソコンにセンサ出力データが取り込まれ、駆動軸診断作業が完了する。

なお、測定モードおよび休止モードにおけるオンとなる時間間隔は、特に限定されないが、測定モードは、レスポンスよく測定できるように、例えば５秒間隔の間欠運転とされ、休止モードは、バッテリを長寿命化できるように、例えば１００秒間隔の間欠運転とされる。

駆動軸損傷診断ユニットは、十字軸継手のクロスの各軸部（トラニオン）にそれぞれ設けられ、これらの駆動軸損傷診断ユニット（子機）と、子機と送受信してセンサ出力を取得するとともに必要な指示を子機に与える親機と、センサ出力を処理して損傷の程度について判別する監視パソコンなどとから駆動軸監視システムが構成される。

センサは、十字軸継手の損傷（剥離）を検知するもので、例えば、変位センサ（センサからクロス表面までの距離の変化によって損傷を検出する）とされるが、これに限定されるものではなく、圧電型加速度ピックアップにより損傷を振動で検知する振動センサ、損傷部から発生するＡＥ（アコースティック・エミッション）を検知して損傷を診断するＡＥセンサ、損傷を温度上昇で検知する温度センサ、損傷をクロスからころを介してベアリングカップに作用する力に伴う歪量の増大で検知する非接触歪センサ（歪によって損傷を検出する）、その他のセンサが適宜使用される。

この発明の駆動軸損傷診断ユニットによると、休止モードにおけるタイマ回路の設定時間間隔については、電池の寿命が向上するように長く設定し、測定モードにおけるマイクロプロセッサカウンタの設定時間間隔については、測定のタイミングのずれがないように短く設定することができるので、センサ、無線通信機などに電力を供給する電池の交換頻度を非常に少なくすることができるとともに、測定タイミングのずれを解消することができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットが使用される圧延設備の駆動軸(1)の一部を示している。駆動軸(1)は、図示省略した圧延ローラと駆動モータとを接続して、駆動モータの回転を圧延ローラに伝達するもので、圧延ローラに一端部が結合されたローラ回転軸(2)と、ローラ回転軸(2)の他端部に十字軸継手(4)を介して一端部が結合された中間回転軸(3)と、中間回転軸(3)の他端部に十字軸継手を介して一端部が結合され、他端部が駆動モータに結合されたモータ回転軸とからなる。十字軸継手(4)による結合部分の構成は、モータ回転軸側とローラ回転軸(2)側とで同じであり、１対の回転軸(2)(3)がこれらの結合端部に介在された十字軸継手(4)により相対的に揺動可能に結合されている。

一方の回転軸(2)の結合端部には、角度にして９０°の大きさのフランジヨーク(5)が１８０°離れて対向するように設けられており、他方の回転軸(3)の結合端部には、角度にして９０°の大きさのフランジヨーク(6)が一方の回転軸(2)と９０°ずれた位置に１８０°離れて対向するように設けられている。十字軸継手(4)は、４つの軸部（トラニオン）(7a)を有しているクロス（十字軸）(7)と、クロス(7)と各ヨーク(5)(6)との結合部位に設けられる４つのクロスベアリング(8)とからなる。各クロスベアリング(8)は、ベアリングカップ(9)およびこれに支持された複数のころ（図示略）からなる。各フランジヨーク(5)(6)には、めねじ部(5a)(6a)が設けられ、各ベアリングカップ(9)には、ボルト挿通孔(9a)が設けられており、一方の回転軸(2)の突き合わせ端部において、１対のフランジヨーク(5)とこれらに対応する１対のベアリングカップ(9)とがボルトで結合されるとともに、他方の回転軸(3)の突き合わせ端部において、１対のフランジヨーク(6)とこれらに対応する１対のベアリングカップ(9)とがボルトで結合されることにより、回転軸(2)(3)同士が互いに回転を伝達するように結合されている。クロス(7)とベアリングカップ(9)とは、ころを介して接触することにより、相対的に揺動可能であり、一方の回転軸(2)から他方の回転軸(3)に回転運動を伝達する際の衝撃を緩和するバッファー機能を果たしている。こうして、圧延ローラの移動が許容されることにより、駆動軸(1)への衝撃が緩和されている。しかしながら、十字軸継手(4)には、衝撃等による大きな負荷が掛かるため、長期間の使用により損傷が進行していくことになる。この損傷の進行を監視するため、各ベアリングカップ(9)には、センサ(14)を内蔵しクロス(7)の損傷を検知する駆動軸損傷診断ユニット(11)が内蔵されている。

図２は、この発明による駆動軸損傷診断ユニット(11)を使用した駆動軸監視システムのハードウェア構成を示している。同図に示すように、各駆動軸損傷診断ユニット(11)は、この駆動軸監視システムの子機として使用されており、各子機(11)は、センサ(14)からの出力をワイヤレスで親機(19)に送信する。親機(19)には監視パソコン(20)が接続されている。監視パソコン(20)は、圧延設備から離れた監視室内などに設置され、各駆動軸損傷診断ユニット(11)から送られてくるデータを処理して、クロス(7)の損傷の程度について判別し、その結果を監視パソコン(20)のディスプレイに表示する。

図３に示すように、駆動軸損傷診断ユニット(11)は、十字軸継手(4)のクロス(7)の状態を検出するセンサ(14)と、センサ(14)の出力を増幅するプリアンプ(21)と、センサ出力をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器(22)と、センサ出力のデータ処理を行うマイコン（マイクロプロセッサ）(23)と、マイコン(23)に内蔵されたタイマカウンタ(24)と、アンテナ(26)を介して親機と送受信するワイヤレスＩＣ（無線通信機）(25)と、マイコン(23)に接続されたタイマＩＣ（タイマ回路）(27)と、ＤＣ−ＤＣコンバータ(29)を介して各部に電力を供給する電池(28)とを備えている。

駆動軸(1)が回転すると、クロス(7)とベアリングカップ(9)とは、ころを介して力を及ぼし合い、この力によって生じるクロス(7)とベアリングカップ(9)との相対変位がセンサ(14)によって検知され、親機(19)に送信される。クロス(7)表面に損傷が生じていると、センサ(14)からの出力が正常時と相違することになり、この相違量が許容範囲かどうかを判定することにより、駆動軸(1)の損傷診断を行うことができる。クロス(7)の各軸部(7a)は、損傷の進行の程度が通常異なっているので、損傷診断は、各軸部(7a)毎に行われる。こうして、駆動軸(1)を稼働させた状態で損傷の診断を行うことが可能となり、稼働を停止しての分解検査をなくすことができる。

圧延設備における駆動軸(1)の損傷（ベアリング部分の剥離等）は、数年程度で起こり得るものであり、駆動軸(1)の診断は、駆動軸損傷診断ユニット(11)を使用することにより、設備を止めないで（例えば月１回程度の間隔で）行われる。駆動軸損傷診断ユニット(11)は、一旦駆動軸(1)に取り付けられた後は、できるだけ交換せずに済むことが好ましく、電池寿命をできるだけ長くする必要がある。これには、例えば、間欠運転モードを採用して、駆動軸損傷診断ユニット(11)を長い時間間隔（例えば３０秒）でオンとすることで対応できる。しかしながら、圧延設備における駆動軸(1)の診断には、圧延中（負荷がかかっているとき）にデータを取得することが必要であり、そのためには、親機(19)からの測定要求信号があると、速やかにデータを取得して送信する必要があり、電池寿命を長くするようなオンの間隔では、タイミングよくデータが取得できない（測定タイミングがずれる）ことになる。この発明では、下記に示すように、２種類の間欠運転モードを採用することにより、電池寿命の向上と測定タイミングのずれの解消が図られている。

タイマＩＣ(27)は、所定周期ごとに起動信号を出力してマイコン(23)およびワイヤレスＩＣ(25)をスリープ状態から作動状態に切り替えるもので、これにより、タイマＩＣ(27)で設定された第１の時間間隔に応じてオン（親機(19)からの信号が受信可能な状態）とされる第１の間欠運転モードとしての休止モードが得られている。休止モードのスリープ状態においては、タイマＩＣ(27)だけが作動状態であり、駆動軸損傷診断ユニット(11)の他の構成要素(14)(21)(22)(23)(24)(25)(29)には電力は供給されない。

マイコン(23)のタイマカウンタ(24)は、従来から行われているセンサ出力の送信時間を設定する機能などに加えて、所定周期ごとに起動信号を出力してワイヤレスＩＣ(25)などの機器をスリープ状態から作動状態に切り替える機能を有しており、ワイヤレスＩＣ(25)の起動間隔を上記第１の時間間隔よりも短い第２の時間間隔とすることにより、第２の間欠運転モードとしての測定モードが得られている。測定モードにおいては、マイコン(23)が常時作動状態とされ、このマイコン(23)によってワイヤレスＩＣ(25)が適宜な間隔で起動されることによって、親機(19)からの信号が受信可能な状態とされる。

親機(19)からは、従来から使用されている測定要求信号のほか、休止モードから測定モードへの切替えを可能とする測定準備信号が出力されるようになっている。

親機(19)側で行われる操作を図４に示し、子機（駆動軸損傷診断ユニット）(11)側での動作を図５に示す。

図４において、親機(19)は、まず、初期設定を行い(S1)、監視パソコン(20)が測定準備信号を出力しているかを確認し(S2)、測定準備信号が出力されている場合には、子機(11)に測定準備信号を送信する(S3)。この後、子機(11)からの応答（測定準備完了信号送信の有無）を確認する(S4)。子機(11)からの応答があった場合、監視パソコン(20)が測定要求信号を出力しているかを確認し(S5)、測定要求信号が出力されている場合には、子機(11)に測定要求信号を送信する(S6)。これにより、子機(11)はセンサ信号を親機(19)に送信するので、このセンサ信号を受信し(S7)、操作が完了する。なお、子機(11)からの応答を確認するステップ(S4)の後、子機(11)からの応答無しが所定時間経過したかを確認し(S8)、子機(11)からの応答が所定時間を経過しても無い場合には、タイムアウトと判断して操作を終了する。

図５において、子機(11)は、まず、初期設定を行い(S11)、マイコン(23)およびワイヤレスＩＣ(25)がスリープ状態（休止モードのスリープ）とされる(S12)。タイマＩＣ(27)の最大値である１００秒が経過すると(S13)、マイコン(23)およびワイヤレスＩＣ(25)は、起動状態とされる(S14)。このとき、親機(19)から測定準備信号が出ているかを確認し(S15)、信号がない場合には、初期設定時のスリープ状態（休止モードのスリープ）(S12)に戻る。親機(19)からの測定準備信号確認ステップ(S15)で測定準備信号を確認すると、マイコン(23)およびワイヤレスＩＣ(25)の起動状態を保って、測定準備完了信号を親機に送信する(S16)。この後、ワイヤレスＩＣ(25)は、スリープ状態（測定モードのスリープ）(S17)とされる。この状態では、マイコン(23)のタイマカウンタ(24)は、短い時間（例えば５秒）経過するごとに(S18)、ワイヤレスＩＣ(25)を起動状態とし(S19)、親機(19)から測定要求信号が出されているかどうかを確認する(S20)。親機(19)からの測定要求信号が無い場合、所定時間（例えば３００秒）が経過しているかどうかを確認し(S21)、所定時間が経過していない場合には、測定モードのスリープ状態(S17)に戻って短時間間隔でのワイヤレスＩＣ(25)の起動(S19)が繰り返される。なお、所定時間の経過を確認するステップ(S21)において親機(19)からの測定要求信号が所定時間無い場合には、休止モードのスリープ状態(S24)に戻る。親機(19)からの測定要求信号確認ステップ(S20)において親機(19)からの測定要求信号を受信すると、親機(19)にセンサ信号の送信を開始し(S22)、所定時間（例えば１２０秒間）経過するまで(S23)、センサ信号の送信を継続する。センサ信号の送信が完了すると、休止モードのスリープ状態(S24)に戻る。

上記構成とすることにより、電池(28)の寿命は、従来の１０秒間隔の間欠運転を行った場合に１６５日であったものが、６６０日となり、電池(28)の交換回数を大幅に削減することができた。また、従来の間欠運転によって６６０日程度の電池の寿命を確保しようとすると、３０秒間隔の間欠運転が必要となり、測定タイミングのずれが３０秒となるのに対し、測定タイミングのずれを５秒に抑えることができる。

図１は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットが好適に使用される圧延設備の駆動軸を示す斜視図である。図２は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットを使用した駆動軸監視システムを示すブロック図である。図３は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットの回路を示すブロック図である。図４は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットにおける親機側の処理動作を示すフローチャートである。図５は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットにおける子機側の処理動作を示すフローチャートである。

符号の説明

(1) 駆動軸
(11) 駆動軸損傷診断ユニット
(14) センサ
(23) マイコン（マイクロプロセッサ）
(24) タイマカウンタ
(25) ワイヤレスＩＣ（無線通信機）
(27) タイマＩＣ（タイマ回路）
(28) 電池

Claims

圧延設備の駆動軸の状態を検出するセンサと、センサのデータ処理を行うマイクロプロセッサと、マイクロプロセッサに接続されたタイマ回路と、駆動軸外部に設けられた親機との間で送受信を行う無線通信機と、センサ、マイクロプロセッサ、タイマ回路および無線通信機に電力を供給する電池とを備えており、駆動軸に負荷がかかっている圧延中にセンサのデータを取得して駆動軸の損傷を診断する駆動軸損傷診断ユニットにおいて、
タイマ回路にだけ電力が供給されてタイマ回路で設定された時間間隔に応じてマイクロプロセッサおよび無線通信機が起動状態とされ、親機からの測定準備信号を監視する休止モードと、親機からの測定準備信号を受信したときに親機からの測定要求信号を監視し、測定要求信号を受信したときにセンサ出力を親機に送信する測定モードとを有しており、測定モードは、タイマ回路の設定時間間隔よりも短い時間間隔で無線通信機が起動状態とスリープ状態とに切り替えられる間欠運転モードとされており、マイクロプロセッサのタイマカウンタは、所定周期ごとに起動信号を出力して無線通信機をスリープ状態から作動状態に切り替える機能を有しており、測定モードにおいては、マイクロプロセッサが常時作動状態とされ、このマイクロプロセッサによって無線通信機がタイマ回路の設定時間間隔よりも短い前記時間間隔で起動されることによって、親機からの信号が受信可能な状態とされることを特徴とする駆動軸損傷診断ユニット。
駆動軸に設けられた複数の子機と、駆動軸外部に設けられかつ各子機と無線通信が可能な親機と、親機に接続された監視パソコンとを備えている駆動軸監視システムであって、各子機が請求項１の駆動軸損傷診断ユニットである駆動軸監視システム。