JP7161967B2

JP7161967B2 - 回転解析装置

Info

Publication number: JP7161967B2
Application number: JP2019073242A
Authority: JP
Inventors: 隆中島; 一博中嶋
Original assignee: A&D Co Ltd
Current assignee: A&D Co Ltd
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2039-04-08
Also published as: JP2020173093A

Description

本発明は、回転体の回転に関する情報を取得する回転解析装置に係り、特に解析信号法を用いながらも回転の反転に対応できる回転解析装置に関する。

機械システムは、モータやエンジンなどの回転機構を持つものが殆どであり、その回転機構においては、回転体の回転速度の変動が振動や騒音の発生原因となる。このため、回転速度の変動をいかに精度よく測定し、低減する方策を見つけることが重要となる。

回転体の回転速度を検出する方法としては、まずロータリーエンコーダを用いることが考えられる。しかし、ロータリーエンコーダは高額であるだけでなく、大きな設置スペースが必要となる。

一方、ローコスト且つ省スペースの回転解析装置として、歯車とセンサ（たとえば電磁センサ、静電センサ、うず電流センサなど）を用いたものが広く使用されている（特許文献１参照）。しかし、歯車とセンサを用いた場合は一般に、回転情報を高精度で得ることができないという問題がある。

そこで、本願の出願人は、歯車とセンサの構成でありながら、解析信号法を用いることによって高精度で回転情報を得られる回転解析装置の特許を過去に出願している（特許文献１参照）。この回転解析装置によれば、まず正弦波状の回転パルス信号をフーリエ変換し、周波数スペクトルを得る。そして、有効範囲だけを残したものを複素スペクトルの逆フーリエ変換により複素数の時間信号を得た後、その実数と虚数の値から位相を求める。さらに、時間に対する位相の変化量から回転速度や回転変動を求める。この解析信号法を用いれば、歯車とセンサを用いた回転解析装置であっても、回転情報を正確に求めることができる。

特開２０１０－１９７３５７号

ところが、解析信号法は、回転体が正方向に回転していることを前提として解析を行うため、回転が反転（逆回転）すると、得られる位相に不連続部分が生じてしまい、さらにそこから得られる回転速度にも異常な部分（実際と大きく異なる部分）が現れてしまう。また、解析信号法では、回転方向に関わらず回転速度を正の値として算出するため、反転情報を把握することが難しいという問題もあった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、解析信号法を用いた場合であっても、反転時の回転速度を正確に求めることのできる回転解析装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は前記目的を達成するために、解析信号法による演算処理として、回転体の回転をセンサで検出することによって得られた回転パルス信号を周波数領域に変換し、正の周波数成分を抽出した後、逆フーリエ変換により時間軸信号に変換し、複素信号から位相を算出して回転速度を求める回転解析装置において、前記回転体の回転に関して反転情報が得られた際、前記センサの回転パルス信号を反転前と反転後で分割し、それぞれについて前記解析信号法により回転速度を求めることを特徴とする。

請求項２の発明は前記目的を達成するために、解析信号法による演算処理として、回転体の回転をセンサで検出することによって得られた回転パルス信号を周波数領域に変換し、正の周波数成分を抽出した後、逆フーリエ変換により時間軸信号に変換し、複素信号から位相を算出して回転速度を求める回転解析装置において、前記回転パルス信号に基づいて、前記回転体の反転情報を入力するための反転情報入力画面を作成して表示させ、前記反転情報が入力されると、前記センサの回転パルス信号を反転前と反転後で分割し、それぞれについて前記解析信号法により回転速度を求めることを特徴とする。

本発明によれば、反転位置で回転パルス信号を分割し、それぞれで演算処理を行うようにした。すなわち、反転時を含まないように分割して範囲を設定し、解析信号法によって回転速度を求めるようにした。これにより、反転時に回転速度が異常値を示すことを防止でき、反転した場合であっても解析信号法によって回転速度を正確に求めることができる。

請求項３の発明は請求項２の発明において、前記分割の前後でそれぞれ求めた回転速度について、逆の符号を付して接続し、表示させることを特徴とする。本発明によれば、分割の前後で求めた回転速度を接続するようにしたので、連続した回転速度が得られる。また、本発明によれば、分割前後の回転速度に逆の符号を付して表示したので、表示画面で視覚的に反転を把握することができる。

請求項４の発明は請求項２または３の発明において、前記反転情報入力画面には、反転位置候補が表示されることを特徴とする。本発明によれば、反転位置候補が反転情報入力画面に表示されるので、反転情報を簡単に入力することができる。

請求項５の発明は請求項４の発明において、前記反転情報入力画面には、前記回転パルス信号、および／または、前記回転パルス信号に基づく包絡線が表示されることを特徴とする。本発明によれば、反転位置候補の根拠となり得る回転パルス信号や包絡線を反転位置候補とともに表示するようにしたので、反転の有無をより正確に判断することができる。

本発明によれば、反転位置で分割し、それぞれで解析信号法の演算処理を行うようにしたので、反転位置で回転速度が異常値を示すことを防止でき、反転時にも解析信号法によって回転速度を正確に求めることができる。

本発明の回転解析装置の構成を示す模式図回転解析装置の制御フローを示す図回転パルス信号の一例を示す図反転情報入力画面の一例を示す図本発明の回転解析装置の表示例を示す図従来の回転解析装置の表示例を示す図

以下添付図面に従って、本発明に係る回転解析装置の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の回転解析装置１０を含む解析システムの構成を示す模式図である。同図に示す解析システムは主として、歯車１２、センサ１４、回転解析装置１０を備えている。

歯車１２は回転軸１１に取り付けられており、回転軸１１とともに回転するようになっている。歯車１２の外周面には多数の歯が同一形状、且つ、同一の角度間隔で形成されている。歯の形状は特に限定するものではないが、たとえばインボリュート形状のものが用いられる。

センサ１４は、電磁センサ、静電センサ、うず電流センサなどの回転検出用センサであり、歯車１２の歯先に近接して配置されている。このセンサ１４は、対象物が近いと出力が大きくなり、対象物が離れると出力が減少するようになっている。したがって、回転する歯車１２の歯先がセンサ１４の正面を通過する際に出力が大きくなり、歯間の底がセンサ１４の正面を通過する際に出力が小さくなる。これにより、センサ１４から正弦波状の回転パルス信号が出力される。センサ１４は回転解析装置１０の入力端子１６に接続されており、センサ１４からの回転パルス信号が回転解析装置１０に入力される。

回転解析装置１０は、センサ１４からの回転パルス信号に基づいて、回転速度や回転変動などの回転情報を求める装置である。回転解析装置１０には、操作ボタンなどの操作部２０が設けられており、電源のオンオフや、各種演算処理の設定変更などを行えるようになっている。また、回転解析装置１０には、液晶モニタなどの表示部２２が設けられており、演算結果などを表示できるようになっている。この表示部２２はタッチパネル液晶画面などの入力手段を兼ねたものを用いてもよいし、装置外に設けた表示画面に表示させるようにしてもよい。さらに、回転解析装置１０にはＣＰＵ１８が内蔵されており、このＣＰＵ１８に図２の回転数算出プログラムが記憶されている。

図２のフローチャートに示すように、回転解析装置１０はまず、回転パルス信号を取得する（ステップＳ１）。ただし、検証試験等を行う場合には、検出器モデルを用いて発生させた回転パルス信号を取得してもよい。

次に、回転解析装置１０は、回転パルス信号を用いて「反転情報入力画面」を作成し、表示部２２に表示させる（ステップＳ２）。「反転情報入力画面」については詳細を後述するが、図３に示す回転パルス信号と、図４に示す包絡線および反転位置候補のマークとが同一画面に上下に並んで表示される。図４の包絡線は、回転パルス信号に基づいて求めたものであり、回転速度に比例する値を持つ包絡線であり、「反転位置候補」は回転パルス信号が極値であり、且つ、包絡線がゼロに近づく位置に表示される。この「反転位置候補」は１つであっても複数であっても良い。なお、「反転位置候補」が無い場合には「反転情報入力画面」を表示せず、「反転なし」としてステップＳ５に進んでもよい。

ステップＳ２で「反転情報入力画面」が表示されると、作業者は、その画面を見て反転が生じたか否かを判断し、反転情報（＝反転の有無と反転の時刻）を入力する（ステップＳ３）。たとえば、「反転情報入力画面」に複数の「反転位置候補」が表示されている場合には、そのなかから、「回転が反転した」と思われる「反転位置候補」を選択する。その際、「反転位置候補」を１つのみ選んでもよいし、複数選んでもよいし、全く選ばずに次の処理に進むようにしてもよい。また、表示された「反転位置候補」と異なる位置（時刻）で反転したと思う場合は、「反転位置候補」以外の部分からも反転位置を選ぶようにしてもよい。

ステップＳ３で反転情報が入力された場合には、反転位置で分割処理を行う（ステップＳ４）。すなわち、ステップＳ１で取得した回転パルス信号を、ステップＳ３で指定した反転時刻で分割する。なお、ステップＳ３で反転位置が入力されなかった場合（すなわち、反転が無いと判断された場合）には、分割処理を行わず、ステップＳ１で取得した回転パルス信号の全体について、後述の処理を行う。

次に、分割した回転パルス信号について（分割しない場合には回転パルス信号全体について）解析信号法による演算処理を行う。具体的には、データ長Ｎ_ｄａｔａを超えるＮ＝２^Ｍ（Ｍ：整数）を見いだし、不足分のデータは０を与えて高速フーリエ変換によって、信号を周波数領域のスペクトルに変換する（ステップＳ５）。なお、得られた回転パルス信号の一部を取り出して０を加えずに分析してもよい。また、Ｎ＝２^Ｍ（Ｍ：整数）ではなく、任意の整数Ｎを用いてＤＦＴとＩＤＦＴを適用してもよい。さらにＮ＝２^Ｍの場合にはフーリエ変換の一般法であるＤＦＴとＩＤＦＴの代わりにそれを高速で行うＦＦＴとＩＦＦＴを使用してもよい。

次に、解析的信号を得るために、正の周波数成分のみを抽出し、その他の部分を０とする（ステップＳ６）。続いて逆フーリエ変換により時間軸信号に変換する（ステップＳ７）。これにより、正の周波数成分を有する複素スペクトルの逆フーリエ変換が複素信号になる。

次に累積位相を計算する（ステップＳ８）。累積位相の計算は、まず、各サンプリング時刻（ｎΔｔ）[sec]における位相φ（ｎ）[rad]を、複素信号の実部ｘ_reと虚部ｘ_imから下式により求める。

数式１の計算を行った際、２π[rad]の範囲でラップされた位相φが出力される場合は回転速度の計算のため、これをアンラップ計算し累積位相値に変更する。こうして求めた回転パルス信号の累積位相を歯数Ｚで除すことにより、歯車の累積位相Φ(n)を計算することができる。

次に、下式により、位相を微分して回転速度N(n)[rpm]を求める（ステップＳ９）。

次に求めた回転速度を分割の前後で繋ぎ合わせる（ステップＳ１０）。すなわち、分割位置までの回転速度と、分割位置からの回転速度を合わせて、データ群を作成する。その際、回転方向が分かるような情報を付加すると良い。たとえば、正回転をプラス、逆回転をマイナスとして、反転の前後の一方のみにマイナスの符号を加える。これにより、反転したことを一目で把握することができる。なお、分割を行わなかった場合は、このステップＳ１０を省略して次の処理を行う。

次に、フィルタ処理を施してノイズを除去する（ステップＳ１１）。具体的には、回転速度に比例してカットオフ周波数が増減するようなローパスフィルタをかけてノイズとなっている回転高次の周波数成分を除去する。このようにしてフィルタリングした回転速度を表示部２２に表示させる（ステップＳ１２）。これにより図のような回転速度情報が表示される。

次に本発明の回転解析装置１０の作用について図３～図６を用いて説明する。図３は、ある状況におけるセンサ１２からの回転パルス信号を示している。

まず図３に示す状況を説明すると、回転体１２の回転が徐々に減少して時刻ｔ１でゼロになり、そのまま時刻ｔ１以降は反転している。そして、時刻ｔ２で再びゼロになり、そのまま回転体１２の回転が停止している。

このような現象に対して、従来の回転解析装置で回転速度を求めた結果が図６に示されている。ここでいう従来の回転解析装置とは、反転位置で分割せず、回転パルス信号の全体に対して解析信号法による演算処理を行う装置である。

従来の回転解析装置では、反転時の位相の不連続性が原因となり、回転速度ゼロ付近において演算結果が不正確になるという問題があった。実際に従来の回転解析装置で演算を行った図６の例では時刻ｔ１から時刻ｔ２までは反転したのか、或いは反転せずに減速しただけなのか分からない。仮に反転している場合ｔ１付近で速度がゼロとなっておらず正確な算出ができていない。

そこで、本実施の形態では、まず、反転情報入力画面によって反転情報を入力する。図４は、反転情報入力画面の一例である。図３には回転パルス信号が、図４には回転パルス信号を微分したデータと、その包絡線が表示されている。

回転パルス信号を微分したデータは、回転パルス信号よりπ/２[rad]進んだ位相を持ち、回転速度に比例する大きさに変化する振幅を持つ波形信号と見なせる。この振幅は回転パルス信号を微分したデータの包絡線を取ることで得られる。つまり、回転速度に比例する情報として、回転パルス信号を微分したデータの包絡線を利用できる。図４の反転情報入力画面には、この包絡線を太実線で示している。包絡線は、センサ１４からの回転パルス信号の微分値を２乗し、低周波フィルタをかけて低周波成分を抽出した後、平方根を取り、√２倍することによって算出されている。

算出した包絡線は回転速度に比例した大きさを持つため、ゼロに近い場合は回転速度がゼロに近くなったことを意味している。したがって、この包絡線から反転の有無や回転の停止を判断することができる。たとえば、上下の包絡線がゼロで交差するように見える時刻では、回転方向の反転があった可能性が高い。

反転の起きる時刻では回転パルス信号は極値をとる。よって回転パルス信号が極値を取る時刻の中で、上下の包絡線が交差しているように見える時刻が反転位置の候補となる。図３、図４に示した反転情報入力画面の例では、「反転位置候補」のマーク（丸）が表示されている。作業者は、図３、図４の反転情報入力画面を見ながら、反転の有無を判断し、反転したと思われる場合はその「反転位置候補」を指定することによって、反転情報を入力する。その際、表示画面がタッチパネルの場合は、マーク（丸）に触れることによって反転情報が入力されるようにする。これにより、反転情報を簡単に入力することができる。図４においては白丸の時刻t1を反転時刻として指定している。

反転情報が入力されると、上述したように、回転解析装置１０は反転位置で回転パルス信号を分割し、それぞれについて解析信号法による演算処理を行い、回転速度を求める。そして、分割前後の回転速度が異なる符号になるように、一方にマイナスを付けて繋ぎ合わせる。図５は、その結果を示している。

図５に示すように、回転速度は、時刻ｔ１でゼロになり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までマイナスの値として算出される。また、反転時刻ｔ１と停止時刻ｔ２を含む全時間領域において回転速度が回転パルス信号と同じ時間分解能で得られる。このように本実施の形態によれば、回転の反転や停止を含んだデータであっても、解析信号法により回転速度を正確に求めることができる。

なお、上述した実施の形態では、分割前後の回転速度の一方にマイナスの符号を付すようにしたが、これに限定するものでは無く、様々な態様が可能である。たとえば、分割前後の回転速度の一方を赤で示すようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、反転位置候補のマークに触れることによって反転情報を入力したが、これに限定するものではなく、様々な態様が可能である。たとえば、マークとして矢印を用い、この矢印に触れたまま指を画面上で移動し、マークを移動させた後に指を画面から離すことによって、元の位置からずれた位置を指定し、反転位置を入力するようにしてもよい。また、反転位置候補のマークを表示せず、指が触れた位置を反転位置候補として入力してもよい。さらに、反転位置候補を表示せず、文字や数字の入力によって反転情報を入力してもよい。

なお、上述した実施の形態では、反転位置候補のマークを表示するようにしたが、回転の停止位置候補を表示するようにしてもよい。この場合には、停止位置を入力し、その位置で回転パルス信号を分割して演算処理を行うことによって、停止位置までの回転速度を正確に求めることができる。

また、上述した実施の形態では、反転情報入力画面として、反転位置候補と、回転パルス信号と、回転速度に比例する値を持つ包絡線を表示するようにしたが、これに限定するものではなく、様々な態様が可能である。反転情報入力画面は、反転の判断基準になりそうなものを表示して反転情報を入力させる画面であればよく、たとえば、反転位置候補のみであってもよいし、回転パルス信号に基づいて求めた回転速度に関する包絡線のみであってもよいし、反転位置候補と前記包絡線だけであってもよい。また、反転位置候補が回転パルス信号から判断できる場合には、反転位置候補と回転パルス信号だけであってもよい。さらには、他のセンサで所得した回転速度情報や、それに基づいて求めた反転位置候補であってもよい。

さらに、上述した実施の形態では、作業者が反転情報入力画面を見ながら反転情報を入力するようにしたが、これに限定するものではなく、回転解析装置１０が自動的に判断するようにしてもよい。たとえば、回転パルス信号と、回転速度に比例する値を持つ包絡線から自動的に判断するようにしてもよい。

１０…回転解析装置、１１…回転軸、１２…回転体、１４…センサ、１６…入力端子、１８…ＣＰＵ、２０…操作部、２２…表示部

Claims

解析信号法による演算処理として、回転体の回転をセンサで検出することによって得られた回転パルス信号を周波数領域に変換し、正の周波数成分を抽出した後、逆フーリエ変換により時間軸信号に変換し、複素信号から位相を算出して回転速度を求める回転解析装置において、
前記回転体の回転に関して反転情報が得られた際、前記センサの回転パルス信号を反転前と反転後で分割し、それぞれについて前記解析信号法により回転速度を求めることを特徴とする回転解析装置。
解析信号法による演算処理として、回転体の回転をセンサで検出することによって得られた回転パルス信号を周波数領域に変換し、正の周波数成分を抽出した後、逆フーリエ変換により時間軸信号に変換し、複素信号から位相を算出して回転速度を求める回転解析装置において、
前記回転パルス信号に基づいて、前記回転体の反転情報を入力するための反転情報入力画面を作成して表示させ、前記反転情報が入力されると、前記センサの回転パルス信号を反転前と反転後で分割し、それぞれについて前記解析信号法により回転速度を求めることを特徴とする回転解析装置。
前記分割の前後でそれぞれ求めた回転速度について、逆の符号を付して接続し、表示させることを特徴とする請求項２に記載の回転解析装置。
前記反転情報入力画面には、反転位置候補が表示されることを特徴とする請求項２または３に記載の回転解析装置。
前記反転情報入力画面には、前記回転パルス信号、および／または、前記回転パルス信号に基づく包絡線が表示されることを特徴とする請求項４に記載の回転解析装置。