JPS58219424A - 回転機器検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転機器特に小型モータにより駆動される回転
体の品質を検査する装置、とくにＦＦＴ式演算により回
転機器の振動のスペクトル分析を行すってその品質とく
にバランス不良やベアＩＪ　７グ軸受の良否の検査をお
こなうことのできる回転機器の検査装置に関するもので
ある。

一般に、回転機器の品質検査、とくに小形モータにより
駆動される回転体なかでもビデイオヘッドは、たとえば
１０ミクロン・オーダのブレ・ガタをなくすべく、精密
な回転状態を要求されている。

従来これらの品質検査は人間の音感又は触感によるＦ８
　ｆｉ旧灸査が主流を占めており、又振動解析法を応用
する場合も汎用の振動解析器では取扱が糖性で又、専用
器１１Ｓされていないだめ量産ラインの検査には実用」
二無駄が多かった。

通常、回転機器にバランス不良やベアリング軸受の傷な
どが発生しているとその振Ｕノのオーバオール振幅値は
大きくなるので、これが正常な時に１咬べ異常に大きく
なれば何らかの異常が発生していると判定できる。すな
わち、振動振幅のオーバ・オール値の大小により損閤異
常の有無を知ることができる。−１：だ、この種の回転
機器類では検知した振動のオーバオ−ル値から周波数ス
ペクトル分析し各々周波数スペクトル振幅を算出するこ
とにより回転体の異常個所異常原因を具体的に判定出来
ることがよく知られており、第１表に示す如き発生振動
数と異常原因の関係表が現実に装置産業の作全部門では
大型の回転機の異常診断に多用１１１１１１：１ されている。

表１　異常原因と発生振Ｕ１数 イ１１シｆ。：ロータの回転数、 Ｚ：ベアリングの玉の数、 ｄ：　　〃　　　玉の直ｉ子、 Ｄ：　　〃　　　ピッチ円径、 α　：ｌ／］妾角虫ｆＩ］、 このため最近、ビデイオヘッドなど小型モータを組込ん
だ回転体の品質検査にもディジタル演埠器を用いたＦ　
Ｆ　１”　（Ｔ”ａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　’ｒｒａｎ
ｓ　ｆｏｒｍ）（３） 方式の周波数スペクトル分析器が提案されている。

すなわち第１表かられかるように回転体にバランス不良
があればロータ回ＩＩ云数ｆ。に等しい周波数の振動を
強く発生し、又ころがり軸受に傷があれば以下のような
周波数及びその高次のモードの周波数の振動を強く発生
することが知られている。

この基本周波数は次式により定まる。

内］論きず； 外輪きず； 転動体きず； ここで ｆｏ二ロータの回転数 α：ベアリングの接触角 Ｚ：　　〃　　　玉の数 （１：　　　／／　　　　玉の直径 ■）：〃　　　　ピッチ円径 （４） 故に回転体の異常がある場合、その異常の原因はイタ１
表にｚ１応する振動周波数スペクトルの振幅が大きくな
ったものを抽出してみれば判定できる。

しだがって、分析した周波数スペクトルのうち、これら
異常発生時に強くあられれる周波数を設定し、その周波
数スペクトルの振幅値が一定ｉｆｆを越えているか否か
の基準を設定し、両昔の大小を比較して演算値が設定値
を越えておれば警報を出し、被検査対象の回転体に異常
があるか無いかの判定をさせると検査装置として使い易
くなる。ところが現状では、汎用の周波数分析器が算出
するｆｆｉ波数スペクトルの分布とその各周波数ごとの
腺スペクトルの振幅の大小をＣＲＴディスプレーに周波
数スペクトル分布を表示するかこの場合各層波数ごとの
スペクトル振幅はカーソルを移ｍｌさせ指定の周波数に
対応するスペクトル振幅を数字表示させこれを読取るこ
とにより各線スペクトル値の振幅が確認出来る構造の周
波数分析器か、またはペンＡ）き式のＸ、−Ｙレコーダ
を便って横１１１１１１を周波数、縦軸を振幅の関係と
なるよう算出した周波数スペクトル分布を記録してこの
周波数スペクトル１直を読み取ることにより被検査対象
の異常の有無と異常の原因を判定している。

ここで、これら周波数スペクトル分布を算出するディジ
タル演算器を１吏つだＩ”　Ｆ　Ｔ方式に注目すると、
よく知られているように、Ｆ　Ｆ　Ｔ方式による周波数
スペクトル分布の算出はディジタル演算の宿命から有限
の分解能しか有していないといつだ欠点がある。

この分解能は、算出された周波数スペクトルの振幅に関
してはデータ演算レジスタ長により定まる。例えばレジ
スタ長が８ビツトであればフルスケール入力の１　／２
５６となりレジスタ長が１０ビツトであれば１／１０２
４　の分解能を有するデータが得られる。

一方、ＦＦＴ演算をおこない周波数スペクトルを算出す
る場合周波数の分解能も有限の１直をとる。

周波数の分解能はＦＦＴ演算で公知の如くサンプリング
時間間隔（アナログディジタル変換間隔）と入力データ
数により定まる。

すなわち、サンプリング時間間隔をΔ【とじ人力データ
数をＮ−２ｍ個とすると分析周波数の最大値ｆＭは ｆ　Ｍ＝　１　／２Δ［ となり分析周波数の分解能Δｆは Ｎ　　　　２ｍ となる。

すなわち周波数スペクトルはΔｆおきにｆＭまで分析結
果が出てくる。したがって、周波数スペクトル個数はＮ
／２個である。

ここで検出した振ωｌ値入力がｎΔｆ（ｎは整数ｎ一〇
、　１．２．・・・・・・−−１）で表わされる周波数
以外の振動周期を持つ時系列関数すなわちｆ（ｔ）　−
Ａｓｉｎ２πｆ　ｍ　ｔである場合この人力をＦＦＴに
より周波数スペクトル分析をした結果は１本のすなわち
単一周波数の腺スペク、トルにはならず各種の周波数ス
ペクトルの混合したものとして表わされる。

たとえば、入力データ数　１０２４点 サンプリング時間間隔　９．７６５Ｘ］０＝秒（７） とした場合、分析周波数の最大値は ｆＭ＝１／２ΔＬ＝５１２Ｈｚ となり、分析した周波数スペクトルはＩＩ−Ｉｚから５
１２Ｈ２まで１）Ｉｚおきに表示することができる。

ここで検出した振動値入力が ｆ（ｔ）−Ａ、ｓｉｎ　２　ｙｒ　ｆ　ｍ　’　　　で
ある場合ｆｍが５０．０１１ｚであれば、スペクトルは
線スペクトルとなるがｆｍが４９．７Ｈｚ　４．９．８
）Ｉｚ　４９．９Ｈｚ　５Ｑ、１）（Ｚ５０．２１−１
　ｚ・・・・・・・・・・・・５Ｑ、６１（ｚ　　など
である場合は線スペクトルとはならず、入力周波数近傍
にスペクトル分布する、すなわち単一の調和振動でなく
あたかも調和振動の混合入力をスペクトル分析したごと
くに表示される。

このことは分析周波数の分解能の整数倍以外の振動周期
をもつ振動値が入力されたときその振幅を正確に知るこ
とができないことを意味する。

このだめ周波数スペクトル分析方式の検査器で（８） 被検査対象回転体を検査すれば、振動周波数スペクトル
の振幅の絶対値が簡ｑｔに得られないことが多い。

本発明はしたがってＦｌ”ｒ大周波数スペクｉ・ル分析
方式を採用した回転機器の検査装置におけるスペクトル
分析における上記問題点を解消すべくなされたものであ
って、分析周波数の整数倍でない周波数を有する振動入
力であっても入力周波数スペクトルの振幅に実用上等し
いとみなすことのできるスペクトル振幅値を与えること
ができるとともに、被検査対象が異常時に大きな振幅の
振動ＩＮ波数スペクトルを発生した場合、あらかじめこ
の周波数と周波数スペクトルの振幅値とを設定できる設
定器と、これら設定器と１１丁記振幅値との大小比較を
おこない自動的に検査結果を判定できる回転機器用の品
質検査装置を提供することを基本的な目的としている。

このため本発明ではＦＦ−ｒ方式でスペクトル解析を行
ない、その結果書られる周波数スペクトルのなかからあ
らかじめ選定されたＩＮ波数（この周波数はたとえば５
組選ばれる）についてその周波数の１辰幅値を中心にそ
の前後たとえば１０組（選定された周波数の振幅値の他
その選定された周波数の前後のｌｉ！□ｉ１波数各５組
）の周波数の振幅値を選んで２乗和開平演算を行ないそ
の値とあらかじめ設定した当該周波数の振幅設定値とを
比較して被検査対僚の回転機の品質判定を自動的に行な
うようにしたことを基本的な特徴としている。すなわち
、本発明にかかる回転機器検査装置は、検査すべき回転
機器の振動を電気信号として検出する振動検出手段と、
回転機器の基準振動に反応して上記検出手段からの電気
信号の通過帯域を決めるフィルタ手段と、該フィルタ手
段の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
該変換器の出力を各周波数毎にスペクトルの振幅の分布
を演算するディジタル式周波数スペクトル分析計算器、
予め警報すべき異常信号とする周波数スペクトルの振幅
の範囲を決める警報周波数設定器と、」二相異常信号と
一緒に演算すべき該異常信号の周辺範囲の川波数の数を
設定する警報周波数スペクトル振幅２乗範囲設定器と、
」二相分析計算器の出力を上記警報周波数設定器で選出
すると共に、該選定した周波数の出力とその出力の周辺
範囲を−に１４２重範囲設定器で選定して、かつ該選定
した周波数ノ訂を各選出した周波数毎に２乗和開平で周
波数スペクトルの振幅を演算する２乗和開平演算器と、
予め警報すべき周波数スペクトルの振幅を決める警報周
波数スペクトル振幅設定器と、上記２乗和間モ演算器の
出力を警報周波数スペクトル振幅設定器の入力に比較す
る比較器と、該比較器の出力で作動する警報表示器と、
上記変換器、分析計算器、２乗和開平演算器、比較器及
び警報表示器の作動の９シークエンスを制御する制御器
とを備えてなる新規な装置を創作したものである。

以下、本発明を図面に示す実施例について詳細に説明す
る。

図において、１は検査すべき回転機器の振動を電気信号
として検出する振動検出手段、２は回転機器の基準振動
に反応して」二相検出手段１からの電気信号の通過帯域
を決めるフィルタ手段で、高（１１） 周波ｒＩｉＶ遮断フィルタ２ａと低周波域遮断フィルタ
２ｂとよりなる。３は上記フィルタ手段２の出力をディ
ジタル信号・に変換するＡ／Ｄ変換器、４は該変換器の
出力を各周波数毎にスペクトルの振幅の分布を演算する
ディジタル式周波数スペクトル分析計算器、６は予め警
報すべき異常信号とする周波数スペクトルの振幅の範囲
を決める警報周波数設定器、７は該設定器６の異常信号
と一緒に演算すべき該異常信号の周辺範囲の周波数の数
を設定する警報周波数スペクトル振幅２乗範囲設定器で
ある。５は上記分析計算器４の出力の中から特定のもの
を上記警報周波数設定器６で選出すると共に、該選定し
た周波数の出力とその出力の周辺範囲を上記２乗範囲設
定器７で選定して、かつ該選定した周波数群を各選出し
た周波数毎に２乗和開平で周波数スペクトルの振幅を演
算する２乗和開平演算器である。８は予め警報すべき周
波数スペクトルの振幅を決める警報周波数スペクトル振
幅設定器、９は上記２乗和開平演算器５の出力を管轄周
波数スペクトル振幅設定器８の入力に比較（１２） する比較器１０、該比較器の出力で作動する警報表示器
１１は」二相変換器３、分析計算器４．２乗和開平演算
器５、比較器９及び警報表示器１ｏの作動のシーフェン
スを制御する制御器である。

上記の如き構成で検出手段１は検査対物たる回転機器に
取付けて機械振動を電気信号に変換する振動を検出し、
それを帯域フィルタ２の高周波遮断フィルタ２ａと低周
波遮断フィルタ２ｂとを組合せて回転機器の品質検査に
とって不要な周波数成分をカットする。次に帯域フィル
タ２を通過してきたアナログ電気信号をディジタル信号
にアナログディジタル変換器３で変換し、該アナログデ
ィジタル変換器３によって変換されたディジタル信号の
周波数スペクトル分析をＦＦ−ｒ式のディジタル式周波
数スペクトル分析計算器４で行う。このディジタル式周
波数スペクトル分析計算器４によって得られるスペクト
ル振幅のうち定められた周波数ｆ。を中心にして分解周
波数Δｆ（たとえば１Ｈｚ）の間隔をおいて±ｎΔｆ（
ｎは少なくとも１以上の整数）の範囲における振幅値が
ら腺スペクトルと等価な振幅値２乗和開平演算器５で演
算する。２乗和開モ演算器５の演算をおこなう周波数を
管機周波数設定器６で設定すると共に、上記２乗和開平
演算器５で演算する２乗和開平する範囲ｎを警報周波数
スペクトル振幅２乗範囲設定器７で定める。このように
して得た演算器５の演算結果が定められた値を越えてい
るか否かを判定するだめの基準値警報周波数スペクトル
振幅設定器８で決める。演算器５の演算結果と設定器８
の設定値との大小を比較器９で判別してその判定結果が
演算器５の演算値が設定器８の設定値を越えている場合
被検査対象回転機器が品質不良であることを警報表示器
１０で警報する。このようにして回転機器の異常振動が
警報表示器１０で表示されるようになる。

通常異常原因に対応した顕著なスペクトル振幅は、回転
機により発生する振幅の基本振動数ｆ。

と同しかその整数倍に等しい周波数かまたは軸受の損傷
（内輪きず、外輪きず、転動体きず）により発生する周
波数でその大半が生ずることは前述した如くであるが、
その周波数が、アナログディジタル変換器３およびディ
ジタル演算式周波数スペクトル分析計算器４で定まる周
波数分解能Δｆの整数倍に一致しない場合には振動入力
が＋Ｘ４Ｅ一本の腺スペクトルであるにもかかわらず周
波数スペクトル分析した結果は一本の線スペクトルとは
ならず振動入力周波数近傍の多数の線スペクトルを組合
せたものとして演算される。しかしこのような多数の腺
スペクトルの組合せの丑までは真の振幅値は簡単に読み
取れない。

そこで、本発明では選ばれた周波数を含む相隣る前後例
えば、９組の周波数スペクトルから前述の２乗和開平を
実行するとこの随は回転機が発生する振動の周波数スペ
クトルのなかで最大のものを近似的に示すことになると
いう事実を利用する。

即ち、いま最大周波数スペクトルが例えばＪｌ（本周波
数近傍でＦＦＴ演算により定まる分解能Ｎ］波数だけず
れた周波数スペクトルの混合としてプリントされた場合
は入力信号が分解能周波数の整数倍となっていないと判
定する。

（１５） この場合実験結果及び理論式の確認によると第２表のご
とく、振動値入力の振動周波数近傍の９ケの周波数スペ
クトルの２乗・加算・開平を実行することにより約９８
％以上の近似量で被診断対象回転機の振動周波数スペク
トル振幅が得られる。

第２表 （１６） ※１１分解周波数は］Ｈｚ　とした。

※２　出力値は１．００のとき線スペクトルであること
を示す。

これらの処理により被診断対象回転機器の回転数から定
まる振動周波数とＦ　ＦＴ分解能周波数の整数倍が一致
しなくても当該回転機器の振動スペクトルが線スペクト
ルの形で得られる。すなわち実用上問題にならない精度
で振動人力の真の振幅を得ることができる。回転機器が
発生する振動の周波数スペクトルのなかで最大のものの
周波数がアナログ・ディジタル変換ＲＫ３およびディジ
タル演算式周波数スペクトル分析計算器４で定まる分解
能周波数の整数倍と一致する場合はディジタル演算式周
波数スペクトル分析計算器４で周波数スペクトルを算出
した時点ですでに線スペクトルの状態に処理されており
その周波数を含む相隣る９組の１波数スペクトルを２乗
和開平しても相隣る周波数スペクトルの振幅値はほぼ零
であり結局、このような場合も正確な振幅の線スペクト
ルを算出することができる。

今第２図に示す如きディジタル式周波数スペクトルの分
析計算器出力を仮定すると、ここで警報設定器の設定周
波数をｆｓ 警報周波数スペクトル振幅２乗範囲設定数をｎ　−４゛ 餐報周波数スペクトル振幅設定値をＡ５とすると、２乗
範囲ｎ個の周波数スペクトル振幅２型和開平値の出力Ａ
ｘは次式で与えられる。

但し　Ａ（ｆｓ＋１）の須は周波数ｆｓ　−１−ｉの時
の周波数スペクトル振幅値、 これを第３図で示す如き比較器の入出力関係で見ると、
比較器９の出力は Ａｘ　）　Ａｓ　　の時　　出力１直ＩＡｘ（Ａｓ　　
の時　　出力値Ｏと々る。

１、：ｌｌｌ：””’Ｉ・ ここで出力値１０時に警報表示器１０からアラームが出
力される。

上記実施例に詳記した如く、本発明にかかる回転機器の
険査装圓は、回転機器の振Ｊｌ）を電気（Ｍ号として検
出する振ＩＩ）　ｌ金高手段と、回転機器の基ｌす（振
動に７１応して通１１め４４）蹟を調整することができ
る帯域フィルタと、帯域フィルタを通過してきたアナロ
グ信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル
変換器と、人力されるディジタル信号から周波数スペク
トル分布を演１：１するディジタル式周波数計算器と、
周波数分布を計算した結果から特定の周波数スペクトル
の振幅が定められた１直より大きい場合警報を出すだめ
の警報周波数設定器警報周波数スペクトル振幅設定器と
、警報周波数スペクトル振幅設定器の設定値と比較する
だめの周波数スペク１−ルを演算するだめの警報周波数
スペクトル振幅２乗範囲設定器と２乗和開平演算器と、
警報周波数スペクトル振幅１設定器の設定値と、２乗和
開平演算器の演算値とを比１咬するだめの比較器と比較
器の出力に対応して警報を表示するだめの警報表示器と
を備えたことを特徴とするもので、簡単な構造よりなり
、容易かつ確実に回転機器の異常振！肋を警報すること
ができるもので（１９） ある。

【図面の簡単な説明】

・第１図は本発明装置の概略の構成図、第２図はデジタ
ル式周波数スペクトル分析計算器の出力を示す線図、第
３図は比較器の入出力関係図である。 １・・・振動検出装置、２ａ・・・高周波域遮断フィル
タ、２　＋）・・・低周波域遮断フィルタ、３・・・ア
ナログディジタル変換器、４・・・ディジタル式周波数
スペクトル分析計算器、５・・・２乗和開平演算器、６
・・・警報周波数設定器、７・・・警報周波数スペクト
ル振幅２乗範囲設定器、８・・・善報周波数スペクトル
振幅設定器、９・・・比較器、１０・・・警報表示器、
１１・−・制御部 特　許　出　願　人　　川崎製鉄株式会社ほか１名代理
人　弁理士青白　葆ほか２名 （２０）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）検査すべき回転機器の振動を電気信号として検出
   する振動検出手段と、回転機器の基準振動に反応して上
   記検出手段からの電気信号の通過帯域を決めるフィルタ
   手段と、該フィルタ手段の出力をディジタル信号に変換
   するん中度換器と、該変換器の出力を各周波数毎にスペ
   クトルの振巾の分布を演算するディジタル式周波数スペ
   クトル分析計算器、予め警報すべき異常信号とする周波
   数スペクトルの振巾の範囲を決める警報周波数設定器と
   、上記異常信号と一緒に演算すべき該異常信号の周辺範
   囲の周波数の数を設定する警報周波数スペクトル振巾２
   乗範囲設定器と、上記分析計算器の出力を上記警報周波
   数設定器で選出すると共に、該選定した周波数の出力と
   その出力の周辺範囲を上記２乗範囲設定器で選定して、
   かつ該選定した周波数群を各選出した周波数毎に２乗和
   開平で周波数スペクトルの振［１］を演算する２乗和開
   平演算器と、予め警報すべき周波数スペクトルの振幅を
   決める警報周波数スペクトル振幅設定器と、」二記２乗
   和開ヅ演算器の出力を訃報周波数スペクトル振幅設定器
   の入力と比較する比ｖｇ＋と、該比較器の出力で作動す
   る警報表示器とを備えたことを特徴とする回転機器検査
   装置。