(57)【要約】【課題】軸受の異常を低コストかつ高精度に検知する。【解決手段】主軸３を軸受４で軸支してなる主軸装置１は、制御装置７に、主軸３の回転中の軸受４の振動を測定する測定手段（振動センサ５）と、測定した信号波形に信号処理を施して、主軸３の回転速度に対応して予め特定された周波数帯域での波形を抽出する波形抽出手段（演算装置８）と、抽出された波形を定積分して横軸との間の面積を算出する定積分手段（演算装置８）と、算出された面積を予め設定された閾値と比較して軸受４の異常の有無を判定する判定手段（演算装置８）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置であって、
前記回転軸の回転中の前記軸受の振動又は音を測定する測定手段と、
測定した信号波形に信号処理を施して、前記回転軸の回転速度に対応して予め特定された周波数帯域での波形を抽出する波形抽出手段と、
抽出された波形を定積分して横軸との間の面積を算出する定積分手段と、
算出された面積を予め設定された閾値と比較して前記軸受の異常の有無を判定する判定手段と
を含んでなることを特徴とする回転軸装置。
【請求項２】
前記波形抽出手段は、前記信号波形の絶対値を取得して前記周波数帯域のフィルタ処理を施した後、周波数解析を行って、前記軸受の異常に起因する周波数の整数倍の周期でエンベロープ処理を施し、再度周波数解析を行って前記波形を抽出することを特徴とする請求項１に記載の回転軸装置。
【請求項３】
前記波形抽出手段は、最初の前記周波数解析を行った後、所定の数のピーク周波数を算出し、各前記ピーク周波数を予め設定された前記軸受の異常に起因する周波数とそれぞれ比較して、各周波数間の誤差がそれぞれ所定値以下である場合にのみ、前記エンベロープ処理を施し、再度周波数解析を行って前記波形を抽出することを特徴とする請求項２に記載の回転軸装置。
【請求項４】
前記定積分手段は、算出した前記面積を、前記軸受の部位ごとに予め設定された周波数間隔ごとに分割し、
前記判定手段は、前記軸受に異常ありと判定した場合、分割した前記周波数間隔ごとの面積と、前記閾値を前記周波数間隔ごとに分割した面積とを比較して変化率をそれぞれ算出し、各前記変化率を前記周波数間隔ごとに予め設定された各下限変化率と比較して、前記変化率が前記下限変化率を超えていた場合、当該変化率の前記周波数間隔を含む前記軸受の部位を異常と特定することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の回転軸装置。
【請求項５】
前記判定手段による判定結果を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の回転軸装置。
【請求項６】
前記波形抽出手段で抽出された波形を記憶する記憶手段を備え、前記表示手段は、前記記憶手段に記憶された過去の前記波形と、前記波形抽出手段で抽出された現在の前記波形とを併せて表示することを特徴とする請求項５に記載の回転軸装置。
【請求項７】
回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置において、前記軸受の異常を判定する方法であって、
前記回転軸の回転中の前記軸受の振動又は音をセンサによって測定する測定ステップと、
測定した信号波形に信号処理を施して、前記回転軸の回転速度に対応して予め特定された周波数帯域での波形を抽出する波形抽出ステップと、
抽出された波形を定積分して横軸との間の面積を算出する定積分ステップと、
算出された面積を予め設定された閾値と比較して前記軸受の異常の有無を判定する判定ステップと
を実行することを特徴とする回転軸装置における軸受の異常判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸装置等、回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置に関し、詳しくは、分解することなく軸受の異常を判定することができる回転軸装置と、当該回転軸装置における軸受の異常判定方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受は、工作機械の主軸装置等の多くの回転軸装置に使用されている。中でも、ころがり軸受は、一般的に、内輪、外輪、複数個の転動体、転動体を等間隔に保つための保持器で構成され、内輪が回転軸と共に回転し、外輪はハウジングに組み込まれ、固定されている。
このような軸受の異常としては、潤滑不良、異物の混入、摩耗、過大荷重等があり、回転軸装置を用いた生産現場においては、突然の設備故障による生産性低下を防ぐため、装置の常時監視が求められている。この軸受の異常を判定するために、例えば特許文献１には、回転部から発生する振動信号を周波数解析して実測データの周波数成分を求めると共に、回転部の異常に起因する振動の異常周波数を算出して、当該異常周波数に対応した実測データの周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分と閾値との比較照合を行うことで異常の有無を判定する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５１４６００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の方法では、正確な異常判定をするには、非常に性能の高い測定器が必要であるが、性能の高い測定器は高価なため、限られた設備でしか機械の判定ができない。また、振動は突発的に大きくなることがあるため、振動値の閾値による判定だけでは誤診する恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明は、軸受の異常の有無を低コストかつ高精度に判定することができる回転軸装置及び、回転軸装置における軸受の異常判定方法とを提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置であって、
前記回転軸の回転中の前記軸受の振動又は音を測定する測定手段と、測定した信号波形に信号処理を施して、前記回転軸の回転速度に対応して予め特定された周波数帯域での波形を抽出する波形抽出手段と、抽出された波形を定積分して横軸との間の面積を算出する定積分手段と、算出された面積を予め設定された閾値と比較して前記軸受の異常の有無を判定する判定手段とを含んでなることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記波形抽出手段は、前記信号波形の絶対値を取得して前記周波数帯域のフィルタ処理を施した後、周波数解析を行って、前記軸受の異常に起因する周波数の整数倍の周期でエンベロープ処理を施し、再度周波数解析を行って前記波形を抽出することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、前記波形抽出手段は、最初の前記周波数解析を行った後、所定の数のピーク周波数を算出し、各前記ピーク周波数を予め設定された前記軸受の異常に起因する周波数とそれぞれ比較して、各周波数間の誤差がそれぞれ所定値以下である場合にのみ、前記エンベロープ処理を施し、再度周波数解析を行って前記波形を抽出することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、前記定積分手段は、算出した前記面積を、前記軸受の部位ごとに予め設定された周波数間隔ごとに分割し、前記判定手段は、前記軸受に異常ありと判定した場合、分割した前記周波数間隔ごとの面積と、前記閾値を前記周波数間隔ごとに分割した面積とを比較して変化率をそれぞれ算出し、各前記変化率を前記周波数間隔ごとに予め設定された各下限変化率と比較して、前記変化率が前記下限変化率を超えていた場合、当該変化率の前記周波数間隔を含む前記軸受の部位を異常と特定することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかの構成において、前記判定手段による判定結果を表示する表示手段を備えることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、前記波形抽出手段で抽出された波形を記憶する記憶手段を備え、前記表示手段は、前記記憶手段に記憶された過去の前記波形と、前記波形抽出手段で抽出された現在の前記波形とを併せて表示することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、回転軸を軸受で軸支してなる回転軸装置において、前記軸受の異常を判定する方法であって、
前記回転軸の回転中の前記軸受の振動又は音をセンサによって測定する測定ステップと、測定した信号波形に信号処理を施して、前記回転軸の回転速度に対応して予め特定された周波数帯域での波形を抽出する波形抽出ステップと、抽出された波形を定積分して横軸との間の面積を算出する定積分ステップと、算出された面積を予め設定された閾値と比較して前記軸受の異常の有無を判定する判定ステップとを実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、軸受の状態を低コストで高精度に診断し、異常の有無を判定することができる。よって、突然の設備故障による生産性低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】主軸装置の概略図である。
【図２】異常判定制御のフローチャートである。
【図３】振動センサで測定した波形の概略を示す図である。
【図４】演算装置で周波数解析した波形の概略を示す図である。
【図５】表示装置に表示する波形を示すグラフである。
【図６】記憶装置に記憶した前回の波形と今回の測定結果の波形とを表示装置に表示した状態を示すグラフである。
【図７】周波数間隔を設定した波形のグラフで、上が軸受の外輪、中が軸受の内輪、下が転動体である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、回転軸装置の一例である工作機械の主軸装置を示す概略図である。
この主軸装置１は、ハウジング２内に、図示しないモータによって回転駆動する回転軸としての主軸３を、転がり軸受である軸受４，４・・によって軸支してなり、主軸３の先端に工具が着脱可能となっている。
ハウジング２には、回転時の振動を検出する測定手段としての振動センサ５と、主軸３の回転速度を検出する回転速度検出器６とが取り付けられている。振動センサ５は、軸受４の近傍の静止部に設置されている。但し、設置する振動センサ５の数を限定するものではなく、１つのセンサでも異常の検知は可能だが、複数設置することで、軸受の状態をより正確に判断することができる。また、振動センサ５の代用として音を測定するセンサでもよい。
【００１０】
７は制御装置で、制御装置７には、演算装置８と、記憶装置９と、表示装置１０と、入力装置１１とが設けられている。主軸３は、制御装置７から指令された回転速度で回転し、演算装置８には、振動センサ５で検出された回転中の振動が入力される。主軸３の回転速度は、入力装置１１によって任意で設定でき、主軸３の最高回転を設定できる。制御装置７は、記憶装置９に記憶された加工プログラムに従ってモータを回転駆動させて加工を行う他、後述する軸受４の異常判定も実行する。ここでは演算装置８が異常判定に係る波形抽出手段及び定積分手段、判定手段となり、記憶装置９が記憶手段、表示装置１０が表示手段となる。
【００１１】
また、記憶装置９には、図２に示すシーケンスの異常判定プログラムが記憶されており、制御装置７は、主軸３が回転すると、オペレータの入力指示により、或いは予め設定された所定の時間間隔ごとに自動的に、当該異常判定プログラムに基づいて軸受４の異常判定制御を実行する。以下、この異常判定制御を図２に基づいて説明する。
まず、予め制御装置７に内蔵された演算装置８で、回転速度と軸受４の転動体の数、転動体の直径、転動体の回転ピッチ円直径から、軸受４の外輪、内輪、転動体、保持器の傷起因の周波数をそれぞれ算出して記憶装置９に記憶しておく。または、事前に各回転速度の軸受異常に起因する周波数を計算し、記憶装置９に記憶しておく。
【００１２】
そして、異常判定制御がスタートすると、Ｓ１で、回転速度検出器６を介して主軸３の回転数が取得されると共に、Ｓ２で、振動センサ５を介して図３に示すような回転中の振動が測定され、それぞれ記憶装置９に記憶される（測定ステップ）。
次に、Ｓ３で、制御装置７に組み込まれた図示しないＡ／Ｄ変換器により、測定した振動のアナログ信号をデジタル信号に変換後、Ｓ４で整流処理して波形の絶対値を取得する。
次に、Ｓ５で、回転速度に対応した特定の周波数帯域のみを抽出するバンドパスフィルタ処理を施し、Ｓ６で、抽出した波形の周波数解析を行う。この周波数解析は、図４に示すような周波数スペクトルを取得するＦＦＴ解析処理で、取得したスペクトル波形より、Ｓ７で、ピーク５点の周波数を算出する。但し、算出するピークは５点に限定しない。
【００１３】
次に、Ｓ８で、算出したピーク５点の周波数と、記憶装置９に記憶されている軸受異常起因の周波数とを比較し、両者間の誤差が予め設定した所定値（ここでは１０Ｈｚ）以下か否かを判別する。ここで、周波数の誤差が１０Ｈｚより大きい場合は、Ｓ９で軸受４に異常なしと判定する。次のＳ１０の判別で主軸３への回転停止指令が確認されなければ、Ｓ１に戻って再び回転数を取得して以降の処理を行う。Ｓ１０で回転停止指令が確認されれば制御を終了する。
一方、Ｓ８の判別で周波数間の誤差が１０Ｈｚ以下であった場合は、Ｓ１１で、Ｓ４で取得した振動の絶対値の波形に、軸受異常に起因する周波数の整数倍の周期でエンベロープ処理を行った後、Ｓ１２で再度周波数解析を行い、図５に示すような波形を得る（波形抽出ステップ）。
【００１４】
次に、Ｓ１３で、取得した波形を定積分して横軸とで囲まれたグラフの面積Ｓを算出する（定積分ステップ）。
そして、Ｓ１４で、算出したグラフの面積Ｓが予め設定した閾値より大きいか否かを判別し、面積Ｓが閾値より大きい場合、Ｓ１５で軸受４に異常ありと判定し、その判定結果を表示装置１０に表示する（判定ステップ）。なお、閾値は任意で変更することが可能である。異常ありの報知は表示以外にランプやブザー等の他の報知手段と併せて行うようにしてもよい。
【００１５】
ここで、回転速度に対応した周波数帯域では、図７に示すように、予め軸受外輪（同図上）、軸受内輪（同図中）、転動体（同図下）でそれぞれ周波数間隔（図７の縦線で仕切られる間隔）を設定して、閾値の面積を各周波数間隔ごとに分割した面積Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・を算出し、外輪、内輪、転動体に異常がある場合の変化率が大きくなる周波数間隔とその下限変化率とを記憶装置９に保存しておく。
よって、Ｓ１３では、波形を定積分すると共に、各周波数間隔ごとの面積も算出し、変化率が大きくなる周波数間隔において、閾値から分割した面積からの変化率を求める。次に、Ｓ１４では、求めた周波数間隔での変化率と記憶装置９に保存していた下限変化率とを比較して、下限変化率を越えていれば、その変化率となった周波数間隔を含む場所（外輪、内輪、転動体）を軸受４の異常個所として特定することができる。
従って、Ｓ１５では、異常ありの判定結果と共に、特定した異常箇所を併せて表示することで、異常部位も容易に把握できる。なお、記憶装置９に記憶した周波数間隔や下限変化率は任意に変更することができる。変化率の比較も全ての周波数間隔で行ってもよい。
【００１６】
一方、Ｓ１４の判別でグラフの面積Ｓが閾値以下であった場合、Ｓ１６で異常なしと判定してＳ１０へ移行し、回転停止指令の有無を確認する。
なお、判定結果が異常なしの場合でも表示装置１０に表示してもよいし、Ｓ１３で算出した波形を記憶装置９に保存し、図６に示すように、表示装置１０に記憶した過去の測定結果と今回の測定結果とを同じグラフ上に表示するようにしてもよい。グラフ上に表示できるデータは２つに限定するものではなく、さらに遡って３つ以上の測定結果を併せて表示することもできる。
【００１７】
このように、上記形態の主軸装置１によれば、制御装置７に、主軸３の回転中の軸受４の振動を測定する測定手段（振動センサ５）と、測定した信号波形に信号処理を施して、主軸３の回転速度に対応して予め特定された周波数帯域での波形を抽出する波形抽出手段（演算装置８）と、抽出された波形を定積分して横軸との間の面積Ｓを算出する定積分手段（演算装置８）と、算出された面積Ｓを予め設定された閾値と比較して軸受４の異常の有無を判定する判定手段（演算装置８）とを備えたことで、軸受４の状態を低コストで高精度に診断し、異常の有無を判定することができる。よって、突然の設備故障による生産性低下を防ぐことができる。
【００１８】
なお、上記形態では、ＦＦＴ解析して得たスペクトル波形からピーク５つの周波数を算出して軸受異常に起因する周波数と比較して異常なしの判定を行っているが（Ｓ６〜Ｓ９）、これらの処理を省略して、フィルタ処理を施した波形をＳ１１でエンベロープ処理してそれ以降の処理を行ってグラフの面積Ｓを算出し、異常判定を行うようにしてもよい。
【００１９】
その他、本発明の回転軸装置や軸受の異常判定方法は、工作機械の主軸装置に限らず、自動車や鉄道車両、船舶等の他の機械設備においても適用可能である。
【符号の説明】
【００２０】
１・・主軸装置、２・・ハウジング、３・・主軸、４・・軸受、５・・振動センサ、６・・回転速度検出器、７・・制御装置、８・・演算装置、９・・記憶装置、１０・・表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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