JP5257762B2 - 高速回転体の回転バランス計測装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、過給機など高速回転体のアンバランスの大きさと角度を計測する回転バランス計測装置及び方法に関する。

車両用過給機のような高速回転体の回転バランス計測及びその修正手段として、例えば、特許文献１が既に提案されている。

特許文献１の「過給機の高速バランス修正装置とその方法」は、検査データの再現性と修正精度を向上し、高速バランスの修正回数を減少でき、生産台数の向上を図ることを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図８に示すように、過給機５１の加速度をピックアップしかつ磁石を有する加速度ピックアップ５５と、コンプレッサホイール５４の高速回転時のアンバランス量を検出する回転検出器５６と、これらの検出器から検出された入力信号に基づき演算する演算器５７と、タービン車室５２を取り付けるタービン車室取付板５３を有した振動台５８とを備え、加速度ピックアップを振動台のタービン車室取付板に取り付けたものである。

特開２００２−３９９０４号明細書、「過給機の高速バランス修正装置とその方法」

図９は、従来の回転バランス計測装置の模式図である。この図において、高速回転体１は、例えば車両用過給機であり、図示しない回転駆動装置により軸心を中心に高速回転される。回転角度センサ６２は、高速回転体１のシャフト２の側面又は端面のマーカを検出し、高速回転体１の回転位置と回転速度を検出する。加速度センサ６４は、高速回転体１の例えばケーシングに取り付けられ、高速回転体１の高速回転による加速度を検出する。

従来、上述した加速度センサ６４の出力信号から、図１０に模式的に示す回転一次振動（振幅・位相）を算出していた。
図１０において、（Ａ）は、高速回転体１の回転数（すなわち回転速度）と回転一次振動の実部との関係図、（Ｂ）は、高速回転体１の回転数（すなわち回転速度）と回転一次振動の虚部との関係図である。以下、本発明において、回転数とは回転速度を意味する。
図１０に示すように、加速度センサ６４の出力信号から、算出した従来の回転一次振動（振幅・位相）のデータは、回転数の変動のために、変動が大きく、再現性が悪いという問題があった。

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、加速度センサの出力信号から、再現性の高い回転一次振動（振幅・位相）のデータを得ることができ、これにより高速回転体のアンバランスの大きさと角度を高い精度で検出することができる高速回転体の回転バランス計測装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体と、
該回転支持体に作用する加速度を検出する加速度センサと、
前記高速回転体の回転角度を検出する回転角度センサと、
前記検出された加速度と回転角度から高速回転体のアンバランスの大きさと角度を演算する演算処理装置とを備え、
該演算処理装置は、所定の速度範囲における回転周波数と、回転数の周波数と同じ周波数成分の振動の振幅と回転体の回転数の周波数と同じ周波数成分の振動の回転角度の基準位置に対する位相（角度）からなる回転一次振動データとを取得し、回転一次振動データを実部と虚部のデータに変換し、
前記所定の速度範囲を複数の周波数域に分割し、周波数域ごとにその周波数域を含む複数の周波数域の前記データを最小二乗直線により近似して最小二乗直線上の値をその周波数域の前記データに置き換える、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測装置が提供される。

また本発明によれば、（Ａ） 高速回転体を所定の速度範囲で高速回転させ、
（Ｂ） 前記高速回転時の高速回転体による加速度とその回転角度を同時に検出し、
（Ｃ） 高速回転体の同一回転角度における回転周波数と回転一次振動データを取得し、これから振幅を大きさ、位相差を偏角として実部と虚部のデータに変換し、
（Ｄ） 前記所定の速度範囲を複数の周波数域に分割し、周波数域ごとにその周波数域を含む複数の周波数域の前記データを最小二乗直線により近似して最小二乗直線上の値をその周波数域の前記データに置き換え、
（Ｅ） 前記置き換え後の前記データを出力し、
（Ｆ） 前記置き換え後の前記データから高速回転体のアンバランスの大きさと角度を演算する、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記最小二乗直線による近似の前に、各周波数域に含まれるデータをその周波数域の中心周波数のデータとして修正する。

上記本発明の装置および方法によれば、所定の速度範囲における回転周波数と回転一次振動データを取得し、該回転一次振動データを実部と虚部のデータに変換し、所定の速度範囲を複数の周波数域に分割し、周波数域ごとにその周波数域を含む複数の周波数域の前記データを最小二乗直線により近似して最小二乗直線上の値をその周波数域の前記データに置き換えるので、回転数変動による一次回転振動の変動を小さくし、一次回転振動データの再現性を向上することができる。

特に、前記最小二乗直線による近似の前に、各周波数域に含まれるデータをその周波数域の中心周波数のデータとして修正することにより、回転数変動による一次回転振動の変動をさらに小さくできる。

従って、加速度センサの出力信号から、再現性の高い回転一次振動（振幅・位相）のデータを得ることができ、これにより高速回転体のアンバランスの大きさと角度を高い精度で検出することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による回転バランス計測装置の全体構成図である。
この図に示すように、本発明の回転バランス計測装置１０は、回転支持体１２、加速度センサ１４、回転角度センサ１６、および演算処理装置１８を備える。

本発明において高速回転体１は、例えば車両用過給機のロータであるが、本発明はこれに限定されず、回転バランスの修正が必要なモータ類、クランクシャフト、タービン等であってもよい。
本発明では、高速回転体１の回転角度の基準位置として、例えば高速回転体１の回転軸２の軸端面を予めＮ極とＳ極に２分して磁化しておく。なお、本発明はこれに限定されず、磁化以外の周知のマーカであってもよい。

回転支持体１２は、例えば車両用過給機のハウジングであり、高速回転体を高速回転可能に支持する。
加速度センサ１４は、回転支持体１２に取り付けられ、高速回転体の高速回転時に回転支持体１２の加速度を検出する。検出した加速度信号は、演算処理装置１８に入力される。

回転角度センサ１６は、例えば１回転毎に周期信号を出力する磁気センサであり、磁気センサ１６の出力から回転軸２の回転角度を検出する。この回転角度は、基準位置からの角度であり、１回転毎に同一の角度（０〜３６０度）を出力する。
ここで、「基準位置」とは、回転角度の基準位置であり、図７に示すＡ相の０°の位置を意味する。

演算処理装置１８は、加速度センサ１４及び回転角度センサ１６からの検出信号に基づいてアンバランス量Ｕを演算する。演算した修正量、修正方位は出力装置２０に出力される。
出力装置２０は、例えばプリンタ、ＣＲＴ、あるいはアンバランス修正装置である。

アンバランス量の算出は、回転体の回転数をある特定の回転数に設定して振動を計測し、その特定の回転数に対応した影響係数Ｆを使用する。ここで、影響係数Ｆとは、回転体のアンバランス量Ｕが回転一次振動Ｖに与える影響を示す伝達関数をいい、アンバランス量Ｕは、Ｕ＝Ｖ／Ｆで求めることができる。

アンバランス量Ｕはアンバランスの大きさ（重さ）及び高速回転体１上の任意の基準位相に対する位相（角度）とからなる物理量である。演算処理装置１８によるアンバランス量の算出は、以下のようにして行う。

演算処理装置１８は、回転数毎の振動データＶ（Ｎ）を算出し、回転数毎の振動データＶ（Ｎ）と、それぞれの回転数に対応した影響係数Ｆ（Ｎ）とに基づいて、回転数毎のアンバランス量Ｕ（Ｎ）を算出する。

ここで、振動データＶ（Ｎ）は、高速回転体１の回転数の周波数と同じ周波数成分の振動の振幅Ｓと、高速回転体１の回転数の周波数と同じ周波数成分の振動の高速回転体１上の基準位置に対する位相（角度）θからなる情報であり、回転数（Ｎ）ごとに算出される。また、この振動データＶ（Ｎ）は計算上の理由からベクトル量で扱うのが都合がよいため、振幅Ｓを大きさ、位相θを偏角とした複素数として扱う。

影響係数Ｆは、高速回転体１のアンバランス量Ｕが振動Ｖに与える影響を示す伝達関数である。回転数毎の影響係数Ｆ（Ｎ）は、下記（１）〜（３）のようにして算出する。

（１）おもり無しでの振動データの計測
まず、回転バランス計測装置１０のマウントに、計測対象の回転機械ではなく、回転機械と同等に模擬された模擬体（図示せず）を取り付けて、模擬体の回転体を回転させ、回転数を増速、減速するなどして、広い回転数領域で回転数毎の振動データを取得する。このときの振動データを、
Ｖ０（Ｎ）＝ａｒ０（Ｎ）＋ｊ×ａｉ０（ｎ）・・・（１）
とする。Ｎは回転数である。

（２）おもり付加での振動データの計測
次に、図２に示すように、模擬体の高速回転体１上の基準位置からθの位置に、重さｍのおもりを付加し、この状態で模擬体の高速回転体１を回転させ、回転数を増速、減速するなどして、広い回転数範囲で回転数毎の振動データを取得する。このときの振動データを、
Ｖ１（Ｎ）＝ａｒ１（Ｎ）＋ｊ×ａｉ１（Ｎ）・・・（２）
とする。

（３）影響係数の算出
上記（１）、（２）で取得した振動データから、下記（３）式により、広い回転数領域での影響係数Ｆ（Ｎ）を算出する。
影響係数Ｆ（Ｎ）＝{Ｖ１（Ｎ）−Ｖ０（Ｎ）}／{ｍ（ｃｏｓθ＋ｊｓｉｎθ）}・・・（３）
ここで、ｍ（ｃｏｓθ＋ｊｓｉｎθ）は、おもりデータを表す。

影響係数Ｆ（Ｎ）を算出する回転数の範囲は、アンバランス計測をする回転数を考慮して決定される。例えば、特定の回転数（例えば５万ｒｍｐ）でのみアンバランス計測を実施する場合には、その回転数の前後（例えばプラスマイナス１０００ｒｐｍ）の範囲で影響係数Ｆ（Ｎ）を算出する。また、広い範囲にわたる回転数（例えば１万〜１０万ｒｐｍ）で各回転数毎にアンバランス計測を実施する場合には、その範囲に対応した広い範囲で影響係数Ｆ（Ｎ）を算出する。

（４）アンバランス量の算出
演算処理装置１８は、以上のようにして回転数毎の影響係数Ｆ（Ｎ）を算出し、これを記憶しておく。そして、回転バランス計測装置１０のマウントに計測対象の回転機械を取り付けて、高速回転体１をアンバランス計測のための特定の回転数で回転させ、振動データを取得する。このとき、高速回転体１の回転数は特定の回転数となるように制御されるが、実際には回転数の変動があるため、複数の回転数についてのデータが得られる。このときの振動データを、
Ｖ３（Ｎ）＝ａｒ３（Ｎ）＋ｊａｉ３（Ｎ）・・・（４）
とする。

回転数毎のアンバランス量Ｕ（Ｎ）は、次の（５）式で求めることができる。
Ｕ（Ｎ）＝Ｖ３（Ｎ）／Ｆ（Ｎ）＝Ａ（Ｎ）＋ｊＢ（Ｎ）・・・（５）
演算処理装置１８は、回転数毎のアンバランス量Ｕ（Ｎ）を算出し、得られた回転数毎のアンバランス量Ｕ（Ｎ）を平均化して、高速回転体１のアンバランス量Ｕを算出する。

上記（５）の式では、回転数の関数になっているが、真のアンバランス量は回転数によって変動しないため、それぞれの回転数での値を平均化することで、１つの回転数での計測結果が悪かったとしても、それに大きく影響されずにアンバランス量を算出することができる。

Ａ（Ｎ）＋ｊＢ（Ｎ）を平均した値を、アンバランス量Ｕ＝Ａ＋ｊＢ、とすると、
（アンバランス量の大きさ）＝（Ａ^２＋Ｂ^２）^１／２
（アンバランス角度）＝ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）
として算出できる。

しかし上述したように、加速度センサの出力信号から、算出した回転一次振動（振幅・位相）のデータは、回転数の変動のために、変動が大きく、再現性が悪い。そのため、この再現性を高めて上記Ａ，Ｂを高い精度で検出する必要がある。

図３は、本発明の回転バランス計測方法の全体フロ−図である。
この図に示すように、本発明の方法は、Ｓ１〜Ｓ６の各ステップからなる。

ステップＳ１では、高速回転体１を所定の速度範囲（例えば３万〜１２万ｒｐｍ）で高速回転させる。この回転は低速側から高速側に昇速運転しながら、順次所定の回転速度にするのが好ましい。

ステップＳ２では、ステップＳ１の高速回転時の高速回転体１による加速度とその回転角度を同時に検出する。すなわち、加速度センサ１４からの加速度センサ信号と、回転角度センサ１６からの回転角度センサ信号から、回転速度ごとの回転一次振動のデータが得られる。
次いで、回転一次振動データの振幅・位相データを複素数としてデータを扱うために、振幅を大きさ、位相差を偏角として、回転一次振動データを実部と虚部のデータに変換する。

図４は、図３における「各周波数域への振り分け」の説明図である。
図３のステップＳ３では、所定の速度範囲（例えば３万〜１２万ｒｐｍ）を複数の周波数域に分割し、各周波数域に含まれるデータをその周波数域の中心周波数のデータとして修正する。

すなわち、最小二乗法を適用するために、この例では周波数域を周波数分解能（例：５Ｈｚ）ごとに、周波数番号（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２，Ｎｏ．３，…）をつけて、実部と虚部のデータを周波数分解能ごとに振り分ける。この振分けにより、図４（Ａ）に示す周波数域（例えば、２．５〜７．５Ｈｚ，７．５〜１２．５Ｈｚ，１２．５〜１７．Ｈｚ）に分散している各データ（○印）を、図４（Ｂ）に示すように、それぞれの周波数域の中心周波数（例えば、５Ｈｚ，１０Ｈｚ，１５Ｈｚ）のデータとして修正する。
なお、周波数域の幅は、周波数分解能（この例では５Ｈｚ）であるのが好ましいが、それ以外であってもよい。

このステップを行うことより、最小二乗法の適用を容易にし、計算時間を短縮することができる。
また、上述したように、回転一次振動（振幅・位相）のデータの変動は、回転数の変動が要因であるため、この修正により回転数変動による一次回転振動の変動を小さくすることができる。

図５は、図３における「最小二乗直線による近似」の説明図である。
図３のステップＳ４では、上述した所定の速度範囲（例えば３万〜１２万ｒｐｍ）を複数の周波数域に分割し、周波数域ごとにその周波数域を含む複数の周波数域のデータを最小二乗直線により近似して最小二乗直線上の値をその周波数域のデータに置き換える。

例えば、図５（Ａ）の例では、複素数化した振幅・位相データを、実部、虚部それぞれで、近似区間（この例では、周波数番号Ｎｏ．１〜９の９点）で最小二乗近似して、近似直線の傾きと、切片を算出し、周波数番号Ｎｏ．５（２５Ｈｚ＝１５００ｒｐｍ）のデータを最小二乗直線上の値（●：矢印で示す）に置き換える。
同様に、図５（Ｂ）の例では、周波数番号Ｎｏ．２〜１０の９点で最小二乗近似して、最小二乗直線を求め、周波数番号Ｎｏ．６（３０Ｈｚ＝１８００ｒｐｍ）のデータを最小二乗直線上の値（●：矢印で示す）に置き換える。
以下同様に、各周波数番号について実施する。なお、最小二乗近似する周波数域の数は、この例では９であるが、本発明はこれに限定されず、その周波数域を含む３以上であればよい。

図６は、図３における「最小二乗直線上の値」の説明図である。
図３のステップＳ５では、最小二乗近似後のデータを出力する。
すなわち、図５における近似直線上における、近似区間中心の周波数番号の点を、最小二乗近似後の値として出力する。
図６の（Ａ）（Ｂ）は従来の一次振動データの実部（Ａ）と虚部（Ｂ）であり、図６の（Ｃ）（Ｄ）は、ステップＳ５における一次振動データの実部（Ａ）と虚部（Ｂ）である。
この図に示すように、ステップＳ４において最小二乗近似を行うことで、回転数の変動の影響を小さくすることができ、算出結果の再現性を向上することができる。

図３のステップＳ６では、ステップＳ４で置き換え後のデータから高速回転体１のアンバランスの大きさと角度を演算する。
すなわち、図６の（Ｃ）（Ｄ）において、アンバランスを計測する角速度ω（すなわち回転速度）を任意の速度、例えば１万ｒｐｍに設定することにより、この角速度ωする一次振動の実部と虚部を求めることができる。
この実部と虚部から、上述した式によりその位置のアンバランスの質量ｍとして求めることができる。この質量ｍはアンバランス修正装置による修正量に相当する。

上述した本発明の装置および方法によれば、所定の速度範囲における回転周波数と回転一次振動データを取得し、該回転一次振動データを実部と虚部のデータに変換し、所定の速度範囲を複数の周波数域に分割し、周波数域ごとにその周波数域を含む複数の周波数域の前記データを最小二乗直線により近似して最小二乗直線上の値をその周波数域の前記データに置き換えるので、回転数変動による一次回転振動の変動を小さくし、一次回転振動データの再現性を向上することができる。

特に、前記最小二乗直線による近似の前に、各周波数域に含まれるデータをその周波数域の中心周波数のデータとして修正することにより、回転数変動による一次回転振動の変動をさらに小さくできる。

従って、加速度センサの出力信号から、再現性の高い回転一次振動（振幅・位相）のデータを得ることができ、これにより高速回転体のアンバランスの大きさと角度を高い精度で検出することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明による回転バランス計測装置の全体構成図である。 回転体のアンバランスと回転振動データとの関係を示す説明図である。 本発明の回転バランス計測方法の全体フロ−図である。 図３における「各周波数域への振り分け」の説明図である。 図３における「最小二乗直線による近似」の説明図である。 図３における「最小二乗直線上の値」の説明図である。 回転角度の基準位置の説明図である。 特許文献１の手段の模式図である。 従来の回転バランス計測装置の模式図である。 回転数と回転一次振動との従来の関係図である。

符号の説明

１ 高速回転体、２ 回転軸、
１０ 回転バランス計測装置、１２ 回転支持体、
１４ 加速度センサ、１６ 回転角度センサ、
１８ 演算処理装置、２０ 出力装置

Claims (3)

1. 高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体と、
   該回転支持体に作用する加速度を検出する加速度センサと、
   前記高速回転体の回転角度を検出する回転角度センサと、
   前記検出された加速度と回転角度から高速回転体のアンバランスの大きさと角度を演算する演算処理装置とを備え、
   該演算処理装置は、所定の速度範囲における回転周波数と、回転数の周波数と同じ周波数成分の振動の振幅と回転体の回転数の周波数と同じ周波数成分の振動の回転角度の基準位置に対する位相（角度）からなる回転一次振動データとを取得し、回転一次振動データを実部と虚部のデータに変換し、
   前記所定の速度範囲を複数の周波数域に分割し、周波数域ごとにその周波数域を含む複数の周波数域の前記データを最小二乗直線により近似して最小二乗直線上の値をその周波数域の前記データに置き換える、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測装置。
2. （Ａ） 高速回転体を所定の速度範囲で高速回転させ、
   （Ｂ） 前記高速回転時の高速回転体による加速度とその回転角度を同時に検出し、
   （Ｃ） 高速回転体の同一回転角度における回転周波数と回転一次振動データを取得し、該回転一次振動データを実部と虚部のデータに変換し、
   （Ｄ） 前記所定の速度範囲を複数の周波数域に分割し、周波数域ごとにその周波数域を含む複数の周波数域の前記データを最小二乗直線により近似して最小二乗直線上の値をその周波数域の前記データに置き換え、
   （Ｅ） 前記置き換え後の前記データを出力し、
   （Ｆ） 前記置き換え後の前記データから高速回転体のアンバランスの大きさと角度を演算する、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測方法。
3. 前記最小二乗直線による近似の前に、各周波数域に含まれるデータをその周波数域の中心周波数のデータとして修正する、ことを特徴とする請求項２に記載の高速回転体の回転バランス計測方法。

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