JP7707953B2 - Gear Fault Detection System - Google Patents
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Description
本発明は、歯車の故障を検出する歯車故障検出システムに関する。 The present invention relates to a gear failure detection system that detects gear failures.
歯車には色々な疲労が生じ得るし、使用時間等に応じた自然発生的な損傷も生じ得る。一般的に、歯車は、損傷が無くても、時間経過に伴い変化する噛み合い剛性その他の理由により振動を発生する。振動の発生は、損傷の存在によって大きくなる。 Gears can experience various types of fatigue, and can also suffer spontaneous damage depending on the length of use. In general, even if there is no damage, gears can generate vibrations due to changes in meshing stiffness over time and other reasons. The presence of damage increases the amount of vibration.
歯車変速機構において、歯車の振動は、歯車を支持する軸および軸受を通って歯車変速機構のケースに伝達される。歯車変速機構の歯車の異常を検出する装置として、特許文献1の装置がある。
特許文献1の装置は、2つの歯車が噛み合う際に発生する振動を検出する加速度センサを有する。加速度センサは、トランスミッションのケーシングに固定されている。
In a gear transmission mechanism, vibrations of the gears are transmitted to a case of the gear transmission mechanism through a shaft and bearings that support the gears. Patent Document 1 discloses a device for detecting an abnormality in the gears of a gear transmission mechanism.
The device disclosed in Patent Document 1 has an acceleration sensor that detects vibrations that occur when two gears mesh with each other. The acceleration sensor is fixed to a casing of the transmission.
歯車が噛み合う際に発生する振動エネルギの一部は、歯車を収容するケースから可聴ノイズとして外部に放出される。この可聴ノイズの伝達経路に亘って、元々の噛み合いにより励起された振動は、振動励起点からピックアップ点(加速度センサの設置位置)に到達する過程で、ケース固有の振動伝達経路の影響を受ける。従って、ピックアップ点で計測される振動特性は、励起点の振動と比べて振動特性が変化している。これは、伝達経路に存在する物体の剛性および質量特性や、減衰に依るものであり、周波数帯域全体に亘って、変更された振幅および位相に関して、振動時系列を変化させる。 A part of the vibration energy generated when the gears mesh is released from the case that houses the gears to the outside as audible noise. Along the transmission path of this audible noise, the vibration excited by the original meshing is affected by the vibration transmission path specific to the case as it travels from the vibration excitation point to the pick-up point (the installation position of the acceleration sensor). Therefore, the vibration characteristics measured at the pick-up point are changed compared to the vibration at the excitation point. This is due to the stiffness and mass properties of the objects in the transmission path, as well as damping, which changes the vibration time series in terms of altered amplitude and phase across the entire frequency band.
特許文献1に開示されている構成では、加速度センサが増速機のケーシングに取り付けられているので、2つの歯車(歯車対)が噛み合う際に発生する振動が、増速機のケーシングを介して加速度センサに伝達される。加速度センサに到達する振動は、ケーシング固有の振動伝達経路の影響を受けるので、加速度センサで計測される振動は、振動発生箇所(噛み合う歯車対)の振動と比べて振動特性が変化している可能性がある。また、特許文献1の構成では、歯車の個々の歯の異常を検出することはできない。
また、センサが高性能であればあるほど、診断精度は向上すると予想されるが、高性能なセンサは高価である。
In the configuration disclosed in Patent Document 1, the acceleration sensor is attached to the casing of the speed-up gear, so the vibrations generated when two gears (gear pairs) mesh are transmitted to the acceleration sensor via the casing of the speed-up gear. The vibrations that reach the acceleration sensor are affected by the vibration transmission path specific to the casing, so the vibrations measured by the acceleration sensor may have different vibration characteristics compared to the vibrations at the vibration generating point (the meshing gear pairs). In addition, the configuration of Patent Document 1 cannot detect abnormalities in individual teeth of the gears.
In addition, it is expected that the higher the performance of the sensor, the higher the diagnostic accuracy will be, but high-performance sensors are expensive.
そこで、本発明は、センサの性能が低くても、歯車の異常を正確に検出できる技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a technology that can accurately detect gear abnormalities even if the sensor performance is low.
本発明のある態様によれば、歯車の故障を検出する歯車故障検出システムが提供される。この歯車故障検出システムは、歯車が設けられた軸を回転可能に支持する軸受部に設けられ、前記軸が回転する毎に前記軸の1回転に要する時間より短い所定時間、前記軸受部の振動に起因する加速度の瞬時値を計測する加速度センサと、前記軸が複数回、回転する間に前記加速度センサに計測された加速度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、前記軸の1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを生成する加速度プロファイル生成部と、前記加速度プロファイル生成部により生成された前記加速度プロファイルに基づいて、歯車の故障を判断する故障判断部とを備える。 According to one aspect of the present invention, a gear failure detection system is provided for detecting gear failure. The gear failure detection system includes an acceleration sensor that is provided in a bearing that rotatably supports a shaft on which a gear is provided, and that measures instantaneous values of acceleration caused by vibration of the bearing each time the shaft rotates for a predetermined time shorter than the time required for one rotation of the shaft; an acceleration profile generation unit that rearranges multiple instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor while the shaft rotates multiple times, and generates an acceleration profile that represents the change in acceleration per one rotation of the shaft by connecting the rearranged instantaneous values of acceleration; and a failure determination unit that determines gear failure based on the acceleration profile generated by the acceleration profile generation unit.
本発明の一態様においては、軸が複数回、回転する間に加速度センサに計測された加速度の多数の瞬時値が蓄積される。歯車の故障箇所は、360°の角度範囲のいずれかの角度位置での加速度の異常として検出され、軸の複数回の回転では、歯車の故障箇所に対応する加速度の異常が繰り返し計測されることになる。本発明の一態様においては、軸の複数回の回転で蓄積された加速度の多数の瞬時値を並べ替え、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることで、加速度センサの性能が低くても、軸の1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを生成することができるので、歯車の故障を精度よく判断することができる。 In one aspect of the present invention, multiple instantaneous values of acceleration measured by an acceleration sensor are accumulated while the shaft rotates multiple times. A faulty location in the gear is detected as an acceleration anomaly at any angular position within a 360° angular range, and the acceleration anomaly corresponding to the faulty location in the gear is repeatedly measured during multiple rotations of the shaft. In one aspect of the present invention, multiple instantaneous values of acceleration accumulated during multiple rotations of the shaft are sorted, and the sorted instantaneous values of acceleration are connected together to generate an acceleration profile that represents the change in acceleration per rotation of the shaft, even if the performance of the acceleration sensor is low, so that gear failure can be accurately determined.
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施形態を説明する。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、一部の特徴は誇張または省略されることもある。 Various embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. The drawings are not necessarily drawn to scale, and some features may be exaggerated or omitted.
本実施形態の歯車故障検出システムは、歯車の状態をモニタリングし、歯車の故障を検出する。本実施形態の歯車故障検出システムは、自己発電型のセンサ付き軸受(軸受装置)を使用して、歯車のモニタリングを行い、歯車の歯ごとの振動信号を評価できるように構成されている。本実施形態で使用する軸受装置は、軸を回転自在に支持するという軸受本来の機能に加え、自己発電とセンシングと無線送信の機能を有する。つまり、軸受装置は、軸を支持するデバイスであると共に、センサデバイス(計測装置)としての機能も有する。センサデバイスは計測装置と称することもできるので、センサ付き転がり軸受は、計測装置付き軸受と称してもよい。 The gear failure detection system of this embodiment monitors the condition of the gears and detects gear failures. The gear failure detection system of this embodiment is configured to monitor the gears using a self-powered sensor-equipped bearing (bearing device) and to evaluate the vibration signal of each gear tooth. The bearing device used in this embodiment has the functions of self-power generation, sensing, and wireless transmission in addition to the original function of a bearing, which is to rotatably support the shaft. In other words, the bearing device is a device that supports the shaft, and also functions as a sensor device (measurement device). A sensor device can also be called a measurement device, so the sensor-equipped rolling bearing can also be called a measurement device-equipped bearing.
以下の記載において、歯車変速機構はギアボックスと称されることがある。また、本実施形態では、説明を簡単にするために、歯車変速機構として単純な1段歯車機構の歯車変速機構を例示する。
本発明の範囲は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で変更および修正等をすることが可能である。
In the following description, the gear transmission mechanism may be referred to as a gear box. In addition, in this embodiment, for ease of explanation, a gear transmission mechanism having a simple one-stage gear mechanism is exemplified as the gear transmission mechanism.
The scope of the present invention is not limited to the following embodiments, and changes and modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
図1は、本発明の実施形態の歯車故障判断装置10と歯車変速機構20を示している。歯車変速機構20は、ハウジング21と、ハウジング21内に設けられた第1歯車22および第2歯車23を有する。ハウジング21は、間隔をおいて対向する第1壁21aと第2壁21bを有する。第1歯車22と第2歯車23は互い噛み合う。また、歯車変速機構20は、第1歯車22が取り付けられた第1軸24aと、第1軸24aの両端を支持する第1軸受25および第2軸受26を有する。第1軸受25は、ハウジング21の第1壁21aに設けられている。第2軸受26は、ハウジング21の第2壁21bに設けられている。 Figure 1 shows a gear failure determination device 10 and a gear transmission mechanism 20 according to an embodiment of the present invention. The gear transmission mechanism 20 has a housing 21, and a first gear 22 and a second gear 23 provided within the housing 21. The housing 21 has a first wall 21a and a second wall 21b that face each other at a distance. The first gear 22 and the second gear 23 mesh with each other. The gear transmission mechanism 20 also has a first shaft 24a to which the first gear 22 is attached, and a first bearing 25 and a second bearing 26 that support both ends of the first shaft 24a. The first bearing 25 is provided in the first wall 21a of the housing 21. The second bearing 26 is provided in the second wall 21b of the housing 21.
さらに、歯車変速機構20は、第2歯車23が取り付けられた第2軸24bと、第2軸24bの両端を支持する第3軸受27および第4軸受28を有する。第3軸受27は、第1軸受25の下方において、ハウジング21の第1壁21aに設けられている。第4軸受28は、第2軸受26の下方において、ハウジング21の第2壁21bに設けられている。本実施形態では、第1軸受25~第4軸受28は、転がり軸受であってよく、例えば、円すいころ軸受または深溝玉軸受であってよい。 The gear transmission mechanism 20 further includes a second shaft 24b to which the second gear 23 is attached, and a third bearing 27 and a fourth bearing 28 that support both ends of the second shaft 24b. The third bearing 27 is provided on the first wall 21a of the housing 21 below the first bearing 25. The fourth bearing 28 is provided on the second wall 21b of the housing 21 below the second bearing 26. In this embodiment, the first bearing 25 to the fourth bearing 28 may be rolling bearings, for example, tapered roller bearings or deep groove ball bearings.
本実施形態では、4つの軸受25~28のうち、1つの軸受(例えば第1軸受25)だけが、計測装置100(図3)を内蔵する計測装置付き軸受装置である。計測装置100は、第1歯車22と第2歯車23が噛み合うことにより発生する振動を計測する。また、計測装置100は、第1軸受25の回転角度位置(第1軸24aの回転角度位置)も検出する。計測装置100は通信機能を備え、歯車故障判断装置10と無線通信できる。さらに、計測装置100は、発電部149(図8)も備える。歯車故障判断装置10は、第1軸受25の計測装置100から受信した信号に基づいて、第1歯車22の故障を検出する。本実施形態では、歯車故障判断装置10と計測装置100とにより、歯車故障検出システム30が構成される。第1軸受25は、計測装置100を備えるので、軸受装置と称してもよい。 In this embodiment, only one of the four bearings 25 to 28 (for example, the first bearing 25) is a bearing device with a built-in measuring device 100 (FIG. 3). The measuring device 100 measures the vibration generated by the meshing of the first gear 22 and the second gear 23. The measuring device 100 also detects the rotational angle position of the first bearing 25 (the rotational angle position of the first shaft 24a). The measuring device 100 has a communication function and can wirelessly communicate with the gear failure determination device 10. Furthermore, the measuring device 100 also has a power generation unit 149 (FIG. 8). The gear failure determination device 10 detects a failure of the first gear 22 based on a signal received from the measuring device 100 of the first bearing 25. In this embodiment, the gear failure detection system 30 is configured by the gear failure determination device 10 and the measuring device 100. The first bearing 25 is equipped with the measuring device 100, so it may be called a bearing device.
図2は歯車故障判断装置10の構成を示すブロック図である。図2に示すように、歯車故障判断装置10は、入力部11、制御部12、記憶部13、表示部14および通信部15を有する。歯車故障判断装置10は、例えば、パーソナルコンピュータであってよい。
入力部11は、ボタン、スイッチ、マウス、タッチパネル等からなり、ユーザは入力部11を介して各種入力等を行う(例えば、第1歯車22の歯の数を入力する)。ユーザは、歯車故障判断装置10を操作する際に、入力部11を使用する。入力部11は、操作部と称することもできる。
Fig. 2 is a block diagram showing the configuration of the gear failure determination device 10. As shown in Fig. 2, the gear failure determination device 10 has an input unit 11, a control unit 12, a storage unit 13, a display unit 14, and a communication unit 15. The gear failure determination device 10 may be, for example, a personal computer.
The input unit 11 includes a button, a switch, a mouse, a touch panel, etc., and a user performs various inputs, etc., via the input unit 11 (for example, inputs the number of teeth of the first gear 22). The user uses the input unit 11 when operating the gear failure determination device 10. The input unit 11 can also be referred to as an operation unit.
制御部12は、1つまたは複数のCPU(Central Processing Unit)やMPU(Mircoprosessor Unit)により構成され、歯車故障判断装置10の入力部11、記憶部13、表示部14および通信部15の動作を制御する。制御部12は、計測装置10から受信した信号を処理して、歯車の故障判断を行う(故障判断処理を実行する)。制御部12は、記憶部13に記憶される制御プログラムを実行することにより歯車故障判断装置10を制御したり、歯車の故障判断処理を実行したりする。 The control unit 12 is composed of one or more CPUs (Central Processing Units) or MPUs (Microprocessor Units), and controls the operation of the input unit 11, memory unit 13, display unit 14, and communication unit 15 of the gear failure judgment device 10. The control unit 12 processes signals received from the measurement device 10 and judges whether a gear has a failure (performs the failure judgment process). The control unit 12 controls the gear failure judgment device 10 and executes the gear failure judgment process by executing a control program stored in the memory unit 13.
記憶部13は、HDD(Hard Disk Drive)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、および/またはIC(Integrated Circuit)メモリカード等により構成され、制御部12が実行する制御プログラムや第1歯車22の角度と歯の関係を表すマップ(後述)を生成するためのアルゴリズム等の各種情報を記憶する。マップの生成は、記憶部13に記憶された制御プログラムを制御部12が実行することにより行われる。記憶部13は計測装置100から受信したデータを記憶することができる。
表示部14は、液晶ディスプレイなどからなり、各種データ、数値、文字および画像等の表示を行う。表示部14は、計測装置100から受信したデータを表示部に表示することができる。また、表示部14は、制御部12の制御の下、歯車の故障判断処理の処理結果を表示することができる。
通信部15は、計測装置100との無線通信を行う。
The storage unit 13 is configured with a hard disk drive (HDD), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and/or an integrated circuit (IC) memory card, and stores various information such as a control program executed by the control unit 12 and an algorithm for generating a map (described later) showing the relationship between the angle and teeth of the first gear 22. The map is generated by the control unit 12 executing the control program stored in the storage unit 13. The storage unit 13 can store data received from the measuring device 100.
The display unit 14 is configured with a liquid crystal display or the like, and displays various data, numerical values, characters, images, etc. The display unit 14 can display data received from the measuring device 100 on the display unit. Furthermore, under the control of the control unit 12, the display unit 14 can display the processing results of the gear failure determination processing.
The communication unit 15 performs wireless communication with the measuring device 100 .
図3および図4は、第1軸受25の構成を示す分解斜視図である。図3は、第1軸受25を左側面からみた分解斜視図である。図4は、第1軸受25を右側面から見た分解斜視図である。図3に示すように、第1軸受25は、計測装置100と、軸受部250とを有する。計測装置100は、軸受部250の左側面に取り付けられる。計測装置100は、カバー110と、コイル基板120(図4)と、回転部130と、回路基板群140(図4)と、蓄電池(キャパシタ)150と、リテーナ(図示せず)と、Z相用磁石ユニット160とを備える。リテーナは、薄い環状の部材であり、カバー110とZ相用磁石ユニット160の間に位置する。回路基板群140は、後述するように、複数の基板により構成されている。 3 and 4 are exploded perspective views showing the configuration of the first bearing 25. FIG. 3 is an exploded perspective view of the first bearing 25 as viewed from the left side. FIG. 4 is an exploded perspective view of the first bearing 25 as viewed from the right side. As shown in FIG. 3, the first bearing 25 has a measuring device 100 and a bearing unit 250. The measuring device 100 is attached to the left side of the bearing unit 250. The measuring device 100 includes a cover 110, a coil board 120 (FIG. 4), a rotating unit 130, a circuit board group 140 (FIG. 4), a storage battery (capacitor) 150, a retainer (not shown), and a Z-phase magnet unit 160. The retainer is a thin ring-shaped member and is located between the cover 110 and the Z-phase magnet unit 160. The circuit board group 140 is composed of a plurality of boards, as described below.
回転部130は、第1軸24aに取り付けられ、第1軸24aと共に回転する。カバー110が軸受部250に取り付けられると、カバー110は軸受部250の外輪250Aに取り付けられる。よって、カバー110は回転しない。リテーナは軸受部250の内輪250Bに取り付けられる。リテーナにより、Z相用磁石ユニット160は軸受部250の内輪250Bに固定される。よって、Z相用磁石ユニット160は、軸受部250の内輪250B(ひいては第1軸24a)と共に回転する。 The rotating part 130 is attached to the first shaft 24a and rotates together with the first shaft 24a. When the cover 110 is attached to the bearing part 250, the cover 110 is attached to the outer ring 250A of the bearing part 250. Therefore, the cover 110 does not rotate. The retainer is attached to the inner ring 250B of the bearing part 250. The Z-phase magnet unit 160 is fixed to the inner ring 250B of the bearing part 250 by the retainer. Therefore, the Z-phase magnet unit 160 rotates together with the inner ring 250B of the bearing part 250 (and thus the first shaft 24a).
カバー110は、円環状の平板部材であり、例えば、ケイ素鋼板、炭素鋼(JIS SS400またはS45C)、マルテンサイト系ステンレス(JIS SUS420)またはフェライト系ステンレス(JIS SUS430)などのような磁性を有する材料により形成される。カバー110にはセンサが取り付けられるので、カバー110をセンサケースと称してもよい。 The cover 110 is a circular flat plate member, and is made of a magnetic material such as silicon steel plate, carbon steel (JIS SS400 or S45C), martensitic stainless steel (JIS SUS420), or ferritic stainless steel (JIS SUS430). Since a sensor is attached to the cover 110, the cover 110 may be referred to as a sensor case.
カバー110のうち軸受部250と対向する面には、図4に示すように、コイル基板120、回路基板群140および蓄電池150が取り付けられている。回路基板群140は、電源制御基板141と、角度センサ基板142と、制御基板143を含む。電源制御基板141、角度センサ基板142および制御基板143は、例えばカバー110に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルトが締結することで、カバー110に固定される。ボルトは、カバー110に取り付けられた状態で、カバー110から突出しない長さを有する。 As shown in FIG. 4, the coil board 120, the circuit board group 140, and the storage battery 150 are attached to the surface of the cover 110 facing the bearing portion 250. The circuit board group 140 includes a power supply control board 141, an angle sensor board 142, and a control board 143. The power supply control board 141, the angle sensor board 142, and the control board 143 are fixed to the cover 110, for example, by fastening bolts made of a non-magnetic material such as brass into female threaded holes drilled in the cover 110. The bolts have a length that does not protrude from the cover 110 when attached to the cover 110.
電源制御基板141は、図6に示される、整流回路261、平滑回路262、電源管理IC263およびFET264(Field Effect Transistor)を有する。電源制御基板141の回路261~263およびFET264については、図6を用いて後述する。 The power supply control board 141 has a rectifier circuit 261, a smoothing circuit 262, a power supply management IC 263, and a FET 264 (field effect transistor) as shown in FIG. 6. The circuits 261 to 263 and the FET 264 of the power supply control board 141 will be described later with reference to FIG. 6.
カバー110には、貫通孔111が形成されており、貫通孔111は、樹脂などの非磁性材料で形成された蓋117で密閉されている。後述するように、制御基板143には、アンテナ147(図5A)が実装される。カバー110は磁性を有するので、アンテナ147からの電磁波をシールドする作用を有する。しかしながら、アンテナ147は蓋117と対向する位置に配置され、これにより、アンテナ147の電磁波は、非磁性の蓋117を介して、外部の歯車故障判断装置10へ到達することができる。
コイル基板120は、例えば接着剤によりカバー110に固定されている。
A through hole 111 is formed in the cover 110, and the through hole 111 is sealed with a lid 117 made of a non-magnetic material such as resin. As described below, an antenna 147 ( FIG. 5A ) is mounted on the control board 143. The cover 110 is magnetic, and therefore acts to shield electromagnetic waves from the antenna 147. However, the antenna 147 is disposed in a position opposite the lid 117, and thus the electromagnetic waves from the antenna 147 can reach the external gear fault determination device 10 via the non-magnetic lid 117.
The coil substrate 120 is fixed to the cover 110 by, for example, an adhesive.
図5Aは、カバー110とコイル基板120と回路基板群140と蓄電池150の構成例を示す平面図である。図5Bは、カバー110とコイル基板120だけを示した図である。図5Bに示すように、コイル基板120は、フレキシブル基板121と、フレキシブル基板121に設けられたコイルパターン123と、フレキシブル基板121に設けられた複数のヨーク125とを有する。なお、ヨーク125の設置は任意である。フレキシブル基板121の平面視による形状は、回転中心軸Axを中心とする正円のリング状である。コイルパターン123は、フレキシブル基板121の厚さ方向に積層された複数の平面コイルを有する。平面コイルとは、絶縁体の所定の面上にパターニングされて設けられた導電体のパターンである。本実施形態においては、導電体のパターンが絶縁体の複数の面上に形成されている。尚、これに限られず、導電体のパターンが絶縁体の1つの面上に形成されていてもよい。コイルパターン123のターン数は平面コイルの積層数に比例する。平面コイルの積層数を変化させることにより、発電量を調整することができる。 5A is a plan view showing an example of the configuration of the cover 110, the coil board 120, the circuit board group 140, and the storage battery 150. FIG. 5B is a view showing only the cover 110 and the coil board 120. As shown in FIG. 5B, the coil board 120 has a flexible board 121, a coil pattern 123 provided on the flexible board 121, and a plurality of yokes 125 provided on the flexible board 121. The yokes 125 may be installed arbitrarily. The shape of the flexible board 121 in a planar view is a perfect circular ring shape centered on the rotation center axis Ax. The coil pattern 123 has a plurality of planar coils stacked in the thickness direction of the flexible board 121. The planar coil is a pattern of a conductor patterned and provided on a predetermined surface of an insulator. In this embodiment, the conductor pattern is formed on multiple surfaces of the insulator. However, this is not limited to this, and the conductor pattern may be formed on one surface of the insulator. The number of turns of the coil pattern 123 is proportional to the number of layers of the planar coil. The amount of power generated can be adjusted by changing the number of layers in the planar coil.
また、コイルパターン123は、平面視で、回転中心軸Axを中心とする円の円周方向に沿って凹凸が交互に並ぶように設けられている。この凹凸の凹部にヨーク125が1つずつ配置されている。コイルパターン123は、後述するエンコーダマグネットの磁気変化を検出できる位置に角度センサを配置するため、一部円形を欠けさせる形状としてもよい。 In addition, the coil pattern 123 is arranged so that, in a plan view, the concaves and convexes are arranged alternately in the circumferential direction of a circle centered on the central axis of rotation Ax. The yokes 125 are arranged in the concaves of the concaves and convexes. The coil pattern 123 may be shaped so that a portion of the circle is missing in order to place an angle sensor at a position where it can detect magnetic changes in the encoder magnet, which will be described later.
図5Aに示すように、電源制御基板141、角度センサ基板142、制御基板143および蓄電池150は、平面視で、コイル基板120よりも径方向外側に取り付けられている。電源制御基板141(より詳しくは、後述する電源管理IC263)は、2つのDC-DCコンバータ(降圧用と昇圧用)を備えており、蓄電池(キャパシタ)150から供給された直流電圧を降圧して、当該直流電圧を角度センサ基板142および制御基板143へ供給する。 As shown in FIG. 5A, the power supply control board 141, angle sensor board 142, control board 143, and storage battery 150 are attached radially outward from the coil board 120 in a plan view. The power supply control board 141 (more specifically, the power supply management IC 263 described later) has two DC-DC converters (one for step-down and one for step-up), and steps down the DC voltage supplied from the storage battery (capacitor) 150 and supplies the DC voltage to the angle sensor board 142 and control board 143.
角度センサ基板142には、角度センサ443とZ相検出器(パルス生成部)444が実装されている。後述するように、本実施形態で用いる角度センサ443は、低分解能で低サンプリング周波数の低性能の加速度センサである。Z相検出器444は、例えば、ホールICである。Z相検出器444は、第1軸受25の内輪250Bに対して静止して内輪250Bとともに回転するZ相用磁石162がZ相検出器444の近傍を通過するたびに、1つのパルスを生成する。つまり、Z相検出器444は、第1軸受25の内輪250Bが1回転する毎に(第1軸24aが1回転する毎に)、1つのパルスを生成する。
制御基板143には、制御回路145、アンテナ147、加速度センサ441および温度センサ442が実装されている。なお、加速度センサ441、温度センサ442、角度センサ443、制御回路145およびアンテナ147は、別々のICチップで構成されていてもよいし、それらの一部または全部が1つのICチップで構成されていてもよい。温度センサ442は、加速度および角度を検出した時(あるいは、検出前)の温度を検出するために設けられている。本実施形態で用いる加速度センサ441は、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度センサである。また、本実施形態で用いる加速度センサ441は、図5Aに示すように、3軸(X/Y/Z軸)のそれぞれで加速度値を測定する(計測加速度値を取得)ように構成されている(すなわち、3軸加速度センサである)。後述するように、本実施形態で用いる加速度センサ441は、低分解能で低サンプリング周波数の低性能の加速度センサである。
An angle sensor 443 and a Z-phase detector (pulse generating unit) 444 are mounted on the angle sensor board 142. As described later, the angle sensor 443 used in this embodiment is a low-performance acceleration sensor with low resolution and low sampling frequency. The Z-phase detector 444 is, for example, a Hall IC. The Z-phase detector 444 generates one pulse every time the Z-phase magnet 162, which is stationary with respect to the inner ring 250B of the first bearing 25 and rotates together with the inner ring 250B, passes near the Z-phase detector 444. In other words, the Z-phase detector 444 generates one pulse every time the inner ring 250B of the first bearing 25 rotates once (every time the first shaft 24a rotates once).
The control circuit 143 is equipped with a control circuit 145, an antenna 147, an acceleration sensor 441, and a temperature sensor 442. The acceleration sensor 441, the temperature sensor 442, the angle sensor 443, the control circuit 145, and the antenna 147 may be configured as separate IC chips, or a part or all of them may be configured as one IC chip. The temperature sensor 442 is provided to detect the temperature when the acceleration and angle are detected (or before detection). The acceleration sensor 441 used in this embodiment is, for example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) acceleration sensor. Furthermore, the acceleration sensor 441 used in this embodiment is configured to measure acceleration values (obtain measured acceleration values) in each of three axes (X/Y/Z axes) as shown in FIG. 5A (i.e., it is a three-axis acceleration sensor). As will be described later, the acceleration sensor 441 used in this embodiment is a low-performance acceleration sensor with low resolution and low sampling frequency.
コイルパターン123の両端は、コイル基板120の外周の所定位置に設けられた延出部116を介して、電源制御基板141に接続される。なお、延出部116の代わりに、リード線によりコイル基板120と電源制御基板141と接続してもよい。あるいは、延出部116の代わりに、FPC(Flexible Printed Circuit)コネクタによりコイル基板120と電源制御基板141と接続してもよい。FPCコネクタを使用した接続では、半田が不要となるので、計測装置100の生産性を高めることができる。 Both ends of the coil pattern 123 are connected to the power supply control board 141 via extensions 116 provided at predetermined positions on the outer periphery of the coil board 120. Note that instead of the extensions 116, the coil board 120 and the power supply control board 141 may be connected by lead wires. Alternatively, instead of the extensions 116, the coil board 120 and the power supply control board 141 may be connected by an FPC (Flexible Printed Circuit) connector. Connections using FPC connectors do not require soldering, which can increase the productivity of the measuring device 100.
図3および図4に戻って、回転部130は、環状の磁気トラック131と、環状の基材133と、環状の取付け治具135とを有する。基材133および取付け治具135は、磁性を持つ金属材料であることが望ましい。磁気トラック131は、基材133の左面に設けられている。基材133は開口部を有する。取付け治具135は、基材133の右面に固定されている。取付け治具135は、基材133の右面から、基材133の開口部を通って、基材133の左面側に突き出ている。基材133の左面はカバー110と対向する面である。なお、磁気トラック131は、基材133に対して着脱可能な構成であってもよい。 3 and 4, the rotating part 130 has an annular magnetic track 131, an annular base material 133, and an annular mounting jig 135. The base material 133 and the mounting jig 135 are preferably made of a magnetic metal material. The magnetic track 131 is provided on the left surface of the base material 133. The base material 133 has an opening. The mounting jig 135 is fixed to the right surface of the base material 133. The mounting jig 135 protrudes from the right surface of the base material 133 through the opening of the base material 133 to the left surface side of the base material 133. The left surface of the base material 133 is the surface facing the cover 110. The magnetic track 131 may be configured to be detachable from the base material 133.
本実施形態では、磁気トラック131と基材133とを合わせて、エンコーダマグネットと称する。例えば、エンコーダマグネットは、金属製の基材133の一方の面にプラスチックマグネットが形成され、形成されたプラスチックマグネットの表面にN極とS極とが交互に着磁されることにより形成される。取付け治具135は、エンコーダマグネット(回転部130)を第1軸部24aに取り付けるための治具である。 In this embodiment, the magnetic track 131 and the substrate 133 are collectively referred to as the encoder magnet. For example, the encoder magnet is formed by forming a plastic magnet on one side of the metal substrate 133, and magnetizing the surface of the formed plastic magnet with alternating north and south poles. The mounting jig 135 is a jig for mounting the encoder magnet (rotating portion 130) to the first shaft portion 24a.
磁気トラック131は、N極131NとS極131Sとからなる磁極対311を複数有する。複数の磁極対311は、磁気トラック131の円周方向に並んでいる。N極131NおよびS極131Sは、交互に配置されている。
磁気トラック131における隣り合うN極131NとS極131Sとの中心間の距離は、コイル基板120における隣り合うヨーク125の中心間の距離(図5B参照)と同じである。
The magnetic track 131 has a plurality of magnetic pole pairs 311 each consisting of an N pole 131N and an S pole 131S. The plurality of magnetic pole pairs 311 are arranged in the circumferential direction of the magnetic track 131. The N poles 131N and S poles 131S are arranged alternately.
The distance between the centers of adjacent north poles 131N and south poles 131S on the magnetic track 131 is the same as the distance between the centers of adjacent yokes 125 on the coil substrate 120 (see FIG. 5B).
本実施形態では、回転中心軸Ax(図5B)を中心に、コイル基板120に対して磁気トラック131が相対的に回転すると、隣り合うヨーク125のうち一方のヨーク125がN極と対向するときは、他方のヨーク125はS極と対向する。また、一方のヨーク125がS極と対向するときは、他方のヨーク125はN極と対向する。つまり、コイル基板120の隣り合うヨーク125は、磁気トラック131の同一磁極と対向することはない。これにより、一方のヨーク125を通る磁束密度の変化の位相と、他方のヨーク125を通る磁束密度の変化の位相は、180°ずれた状態となる。 In this embodiment, when the magnetic track 131 rotates relative to the coil substrate 120 around the central axis of rotation Ax (Figure 5B), when one of the adjacent yokes 125 faces the N pole, the other yoke 125 faces the S pole. Also, when one yoke 125 faces the S pole, the other yoke 125 faces the N pole. In other words, adjacent yokes 125 of the coil substrate 120 do not face the same magnetic pole of the magnetic track 131. As a result, the phase of the change in magnetic flux density passing through one yoke 125 and the phase of the change in magnetic flux density passing through the other yoke 125 are shifted by 180°.
このように、コイル基板120に対して磁気トラック131が相対的に回転すると、ヨーク125と対向する磁極が交互に替わる。これにより、ヨーク125を通る磁束密度が周期的に変化する。この磁束密度の周期的な変化に応じて、ヨーク125の周りに位置するコイルパターン123に電圧変化(例えば、正弦波の交流電圧)が生成される。つまり、本実施形態では、第1軸受25の内輪250Bが第1軸24aと共に回転すると、第1軸受25の中で電磁誘導による発電が行われる。この発電は自己発電である。エンコーダマグネット(磁気トラック131)とコイル基板120の組み合わせは、発電部149と称されることがある。発電部149は、第1軸受25の外輪250Aと内輪250Bとの相対的な回転に基づいて発電することになる。発電部149で生成された直流電圧は、蓄電池150に蓄えられる。 In this way, when the magnetic track 131 rotates relative to the coil substrate 120, the magnetic poles facing the yoke 125 alternate. This causes the magnetic flux density passing through the yoke 125 to change periodically. In response to this periodic change in magnetic flux density, a voltage change (e.g., a sinusoidal AC voltage) is generated in the coil pattern 123 located around the yoke 125. That is, in this embodiment, when the inner ring 250B of the first bearing 25 rotates together with the first shaft 24a, power is generated by electromagnetic induction in the first bearing 25. This power generation is self-generated. The combination of the encoder magnet (magnetic track 131) and the coil substrate 120 is sometimes referred to as the power generation unit 149. The power generation unit 149 generates power based on the relative rotation of the outer ring 250A and the inner ring 250B of the first bearing 25. The DC voltage generated by the power generation unit 149 is stored in the storage battery 150.
Z相用磁石ユニット160は、Z相用磁石ホルダ161とZ相用磁石162を有する。Z相用磁石ホルダ161は環状の部材であり、Z相用磁石162がZ相用磁石ホルダ161に形成された孔に埋設されている。Z相用磁石ホルダ161は金属製(例えば、アルミニウム製)である。Z相用磁石ユニット160が第1軸24aと共に1回転すると、Z相用磁石162がZ相検出器444を1回横切る。この時、Z相検出器444は、1つのパルスを生成する。 The Z-phase magnet unit 160 has a Z-phase magnet holder 161 and a Z-phase magnet 162. The Z-phase magnet holder 161 is an annular member, and the Z-phase magnet 162 is embedded in a hole formed in the Z-phase magnet holder 161. The Z-phase magnet holder 161 is made of metal (e.g., aluminum). When the Z-phase magnet unit 160 rotates once together with the first shaft 24a, the Z-phase magnet 162 crosses the Z-phase detector 444 once. At this time, the Z-phase detector 444 generates one pulse.
図6は、上記した自己発電のメカニズムを概略的に示した図である。図6において、コイルCは、カバー(金属ケース)110に取り付けられたコイルパターン123に対応し、磁石Mは、第1軸受25の内輪250Bに設けられたエンコーダマグネットに対応する。
図6に示すように、コイルCと磁石Mが相対回転することで電磁誘導が生じて発電が行われる。発電された電流は交流であるため、整流回路261を通して直流に変換する。整流回路261は、例えば、ダイオードブリッジである。整流回路261で変換された電流には脈流が含まれる可能性があるので、本実施形態では、より直流に近い状態するために、整流回路261の出力を平滑回路262に接続している。
6 is a schematic diagram of the self-power generation mechanism described above. In this figure, the coil C corresponds to the coil pattern 123 attached to the cover (metal case) 110, and the magnet M corresponds to the encoder magnet provided on the inner ring 250B of the first bearing 25.
As shown in Fig. 6, the coil C and the magnet M rotate relative to each other, causing electromagnetic induction and generating power. The generated current is AC, so it is converted to DC through a rectifier circuit 261. The rectifier circuit 261 is, for example, a diode bridge. Since the current converted by the rectifier circuit 261 may contain pulsating current, in this embodiment, the output of the rectifier circuit 261 is connected to a smoothing circuit 262 to make the current closer to DC.
平滑回路262を通った直流は電源管理IC(蓄電池制御部、充電完了検知部)263に入力され、蓄電池(キャパシタ)150に蓄えられる。電源管理IC263は2つのDC-DCコンバータ(降圧用と昇圧用)を備えており、発電機(図6のコイルCと磁石M)で発電される微小な電力が電源管理IC263の昇圧DC-DCコンバータにより昇圧されて、蓄電池150に蓄電される。蓄電池150への充電、過充電時の放電、および、負荷L(加速度センサ441、角度センサ443、Z相検出器444および制御基板143)への電圧Vccでの電力供給は、電源管理IC263により管理される。
不定電圧の流入による制御基板143の暴走を阻止するために、電源管理IC263と負荷Lの間には、FET264を設けている。また、電源管理IC263は、FET264を制御することにより、負荷Lへの電力の供給と遮断を切り替えることができる。
The direct current that has passed through the smoothing circuit 262 is input to a power management IC (storage battery control unit, charging completion detection unit) 263 and stored in the storage battery (capacitor) 150. The power management IC 263 has two DC-DC converters (for step-down and step-up), and the minute electric power generated by the generator (coil C and magnet M in FIG. 6 ) is stepped up by the step-up DC-DC converter of the power management IC 263 and stored in the storage battery 150. Charging the storage battery 150, discharging during overcharging, and supplying power at a voltage Vcc to the load L (acceleration sensor 441, angle sensor 443, Z-phase detector 444, and control board 143) are managed by the power management IC 263.
In order to prevent runaway of the control board 143 due to the inflow of an unstable voltage, an FET 264 is provided between the power management IC 263 and the load L. In addition, the power management IC 263 can switch between supplying and cutting off power to the load L by controlling the FET 264.
第1軸24aの回転(コイル基板120と磁気トラック131との相対回転)によって得られる電力は極めて小さいため、電源管理IC263として、例えば、微小電力でも蓄電可能であるエナジーハーベストに使用される電源管理ICを採用する(例えば、Texas Instruments社製の超低消費電力ハーベスタ・パワー・マネージメントIC-BQ25570)。 Since the power obtained by the rotation of the first shaft 24a (relative rotation between the coil substrate 120 and the magnetic track 131) is extremely small, the power management IC 263 is, for example, a power management IC used for energy harvesting that can store even minute amounts of power (for example, the ultra-low power consumption harvester power management IC-BQ25570 manufactured by Texas Instruments).
蓄電池150は、少なくとも計測装置100の1回分の動作が行える電荷量を蓄電可能である。計測装置100の1回分の動作とは、歯車の歯の角度位置および加速度を所定時間(例えば、25ms)計測して、計測結果を歯車故障判断装置10に送信するまでの動作である。
蓄電池150の充電が完了すると、電源管理IC263は、蓄電池150の充電完了を検知し、FET264に充電完了を知らせる充電完了信号を送る。すると、蓄電池150は負荷Lへの給電を再開する。
蓄電池150のESR(Equivalent Series Resistance)が低いほど瞬間的に取り出せる電流が増加するため、低ESRの蓄電池を採用することが好ましい。低ESRの蓄電池を採用しない場合、蓄電池150を並列に接続できるコンデンサや全固体電池を設けてもよい。この場合は、並列接続をするとよい。
なお、整流回路261、平滑回路262、電源管理IC263およびFET264をまとめて回路群431(図8)と称する場合がある。
The storage battery 150 is capable of storing an amount of charge sufficient to perform at least one operation of the measurement device 100. One operation of the measurement device 100 is an operation from measuring the angular position and acceleration of the gear teeth for a predetermined time (e.g., 25 ms) to transmitting the measurement results to the gear fault determination device 10.
When the charging of the storage battery 150 is completed, the power management IC 263 detects the completion of charging of the storage battery 150 and sends a charging completion signal notifying the FET 264 of the completion of charging. Then, the storage battery 150 resumes supplying power to the load L.
Since the lower the ESR (Equivalent Series Resistance) of the storage battery 150, the more current can be instantly extracted, it is preferable to use a storage battery with a low ESR. If a storage battery with a low ESR is not used, a capacitor or an all-solid-state battery that can be connected in parallel to the storage battery 150 may be provided. In this case, it is preferable to connect them in parallel.
The rectifier circuit 261, the smoothing circuit 262, the power management IC 263, and the FET 264 may be collectively referred to as a circuit group 431 (FIG. 8).
図7は、電源管理IC263の動作を説明する2つのグラフを示している。図7の上のグラフの縦軸は、蓄電池150の電圧を示しており、横軸は時間を示している。下のグラフの縦軸は、充電完了信号を示している。このグラフの縦軸は信号の強度(HighまたはLow)を示し、横軸は時間を示している。充電完了信号がLow(低)の場合は、蓄電池150の充電が完了していない(充電中)状態である。充電完了信号がHigh(高)の場合は、蓄電池150が電力供給している状態である。充電完了信号がHighからLowに移行した場合、蓄電池150が電力供給を停止(終了)し、充電状態になったことを表している。充電完了信号は電源管理IC263が生成する信号であり、図7の2つのグラフを組み合わせて見ると、電源管理IC263が蓄電池150の電圧に対してどのような管理(制御)を行うかが分かる。 Figure 7 shows two graphs that explain the operation of the power management IC 263. The vertical axis of the upper graph in Figure 7 indicates the voltage of the storage battery 150, and the horizontal axis indicates time. The vertical axis of the lower graph indicates the charging completion signal. The vertical axis of this graph indicates the signal strength (High or Low), and the horizontal axis indicates time. When the charging completion signal is Low, the charging of the storage battery 150 is not completed (charging). When the charging completion signal is High, the storage battery 150 is supplying power. When the charging completion signal transitions from High to Low, it indicates that the storage battery 150 has stopped (ended) the power supply and is in a charging state. The charging completion signal is a signal generated by the power management IC 263, and by combining the two graphs in Figure 7, it can be seen how the power management IC 263 manages (controls) the voltage of the storage battery 150.
図7に示すように、充電完了信号がLowの場合、時間の経過に伴い、蓄電池150の充電量が増加し、時間t1で充電完了信号がHighになる。時間t1における蓄電池150の電圧はV2である。電圧V2は、負荷Lに給電を再開するための閾値である。
時間t1の後(負荷Lへの給電を開始した後)、負荷Lの電力消費が発電量より大きい場合には、電圧はV2から低下していく(実線J1)。電圧が低下してV1に到達すると、電源管理IC263は、負荷Lへの給電を停止する。つまり、V1は給電停止のための閾値である。給電停止の間に、電源管理IC263は蓄電池150を充電する。
V1は、Vccと等しいか、Vccより僅かに大きい値を有する。V1がVccより小さいと、電源管理IC263の昇圧DC-DCコンバータが機能しなくなるからである。
7, when the charge completion signal is Low, the charge amount of the storage battery 150 increases over time, and the charge completion signal becomes High at time t1. The voltage of the storage battery 150 at time t1 is V2. The voltage V2 is a threshold value for resuming power supply to the load L.
After time t1 (after power supply to the load L starts), if the power consumption of the load L is greater than the power generation amount, the voltage drops from V2 (solid line J1). When the voltage drops and reaches V1, the power management IC 263 stops power supply to the load L. In other words, V1 is a threshold for stopping power supply. During the power supply stop, the power management IC 263 charges the storage battery 150.
V1 has a value equal to or slightly larger than Vcc, because if V1 is smaller than Vcc, the step-up DC-DC converter of the power management IC 263 will not function.
時間t1の後、負荷Lの電力消費が発電量に等しい場合、電圧はV2を維持する(二点鎖線J2)。
時間t1の後、負荷Lの電力消費が発電量より小さい場合、電圧はV2から上昇していく(一点鎖線J3)。電力が上昇してV3に到達すると、電源管理IC263は、蓄電池150への充電を停止する。これは、過充電を防ぐためである。
After time t1, when the power consumption of the load L is equal to the power generation, the voltage remains at V2 (dashed double-dashed line J2).
After time t1, when the power consumption of the load L is smaller than the power generation, the voltage rises from V2 (dotted line J3). When the power rises and reaches V3, the power management IC 263 stops charging the storage battery 150. This is to prevent overcharging.
本実施形態では、蓄電池150は、計測装置100の1回分の動作に必要な電荷量を蓄電可能である。通常の条件では、蓄電池150の電圧は、図7の実線J1のように変化する。そして、電圧がV2からV1に低下する時間t1から時間t2の間で、計測装置100が1回分の動作を行うことができるようになっている。時間t1から時間t2の間は、蓄電池150が負荷L(角度センサ基板142、制御基板143、およびそれらの上の加速度センサ441、角度センサ443、Z相検出器444、アンテナ147等)に給電できる時間であり、加速度および角度の計測と、計測したデータの転送とが時間t1から時間t2の間に行われる。 In this embodiment, the storage battery 150 can store the amount of charge required for one operation of the measurement device 100. Under normal conditions, the voltage of the storage battery 150 changes as shown by the solid line J1 in FIG. 7. The measurement device 100 can perform one operation between time t1 and time t2, when the voltage drops from V2 to V1. The period from time t1 to time t2 is the period during which the storage battery 150 can supply power to the load L (the angle sensor board 142, the control board 143, and the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, the Z-phase detector 444, the antenna 147, etc. thereon), and the measurement of acceleration and angle and the transfer of the measured data are performed between time t1 and time t2.
図8は、計測装置100の構成を示すブロック図である。計測装置100は、上述したように、電源制御基板141と、角度センサ基板142と、制御基板143を備える。角度センサ基板142は、センサ基板170とZ相検出器基板171を備える。
電源制御基板141は、回路群431を備える。回路群431は、図6に示した整流回路261、平滑回路262、電源管理IC263およびFET264を含む。回路群431は蓄電池150と発電部149に接続されている。
8 is a block diagram showing the configuration of the measurement device 100. As described above, the measurement device 100 includes the power supply control board 141, the angle sensor board 142, and the control board 143. The angle sensor board 142 includes a sensor board 170 and a Z-phase detector board 171.
The power supply control board 141 includes a circuit group 431. The circuit group 431 includes the rectifier circuit 261, the smoothing circuit 262, the power supply management IC 263, and the FET 264 shown in FIG.
発電部149は、磁気トラック131(図4)とコイル基板120(図5B)を備える。発電部149は、軸受部250の外輪250Aと内輪250Bとの相対的な回転に基づいて発電し、角度センサ基板142等に電力を供給する。
発電部149は、単相交流電力を発電して回路群431に出力する。回路群431の整流回路261は、発電部149で発電された単相交流電力を全波整流して直流電力へと変換する。整流回路261から出力された直流電力は、平滑回路262により平滑化され安定した電力にされる。当該電力は、その後、電源管理IC263を介して(電源管理IC263の昇圧DC-DCコンバータにより昇圧されて)蓄電池150に蓄電される。蓄電池150に蓄電された直流電力は、計測を行うタイミングで電源管理IC263を介して(電源管理IC263の降圧DC-DCコンバータにより降圧されて)、角度センサ基板142および制御基板143に供給される。
The power generating unit 149 includes a magnetic track 131 (FIG. 4) and a coil substrate 120 (FIG. 5B). The power generating unit 149 generates electricity based on the relative rotation of the outer ring 250A and the inner ring 250B of the bearing unit 250, and supplies the electricity to the angle sensor substrate 142 and the like.
The power generation unit 149 generates single-phase AC power and outputs it to the circuit group 431. The rectifier circuit 261 of the circuit group 431 full-wave rectifies the single-phase AC power generated by the power generation unit 149 and converts it into DC power. The DC power output from the rectifier circuit 261 is smoothed by the smoothing circuit 262 to be stable power. This power is then stored in the storage battery 150 via the power management IC 263 (boosted by the step-up DC-DC converter of the power management IC 263). The DC power stored in the storage battery 150 is supplied to the angle sensor board 142 and the control board 143 via the power management IC 263 (stepped down by the step-down DC-DC converter of the power management IC 263) at the timing of measurement.
センサ基板170には、角度センサ443が実装されている。Z相検出器基板171には、Z相検出器444が実装されている。制御基板143には、加速度センサ441と、温度センサ442と、マイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と称する)451と、外部メモリ452と、無線モジュール(送信部)453が実装されている。マイコン451、外部メモリ452および無線モジュール453は、制御回路145(図5)に含まれる。 An angle sensor 443 is mounted on the sensor board 170. A Z-phase detector 444 is mounted on the Z-phase detector board 171. An acceleration sensor 441, a temperature sensor 442, a microcomputer (hereinafter referred to as "microcomputer") 451, an external memory 452, and a wireless module (transmitter) 453 are mounted on the control board 143. The microcomputer 451, the external memory 452, and the wireless module 453 are included in the control circuit 145 (Figure 5).
加速度センサ441、温度センサ442および角度センサ443は、電源制御基板141から供給される直流電力を使用して、それぞれ、加速度、温度および回転角度(位置)を検出する。
例えば、角度センサ443は、磁気トラック131の側方に位置するようにセンサ基板170に実装されている。磁気トラック131を有する回転部130は軸受部250の内輪250Bに固定されており、角度センサ443は、軸受部250の内輪250Bと共に磁気トラック131が回転することによって変化する磁束密度を検出することによって、軸受部250の外輪250Aに対する内輪250Bの回転角度を検出する。角度センサ443は磁気式のロータリーエンコーダである。角度センサ443は、磁気トラック131の回転を読み取る1つの読み取り器を有してもよいが、各々が磁気トラック131の回転を読み取る複数の読み取り器を有してもよい。本実施形態では、角度センサ443は、軸24aの軸線周りに等角間隔に配置された25個の読み取り器を有し、各読み取り器が磁気トラック131の回転を読み取る。したがって、読み取り器は、隣の読み取り器の読み取り値と14.4°離れて類似する読み取り値を出力する。
角度センサ443は、アブソリュート型でもよいが、本実施形態では、インクリメンタル型とZ相検出器444を利用した疑似アブソリュート方式を使用する。
The acceleration sensor 441, temperature sensor 442, and angle sensor 443 use DC power supplied from the power supply control board 141 to detect acceleration, temperature, and rotation angle (position), respectively.
For example, the angle sensor 443 is mounted on the sensor board 170 so as to be located to the side of the magnetic track 131. The rotating part 130 having the magnetic track 131 is fixed to the inner ring 250B of the bearing part 250, and the angle sensor 443 detects the rotation angle of the inner ring 250B relative to the outer ring 250A of the bearing part 250 by detecting the magnetic flux density that changes due to the rotation of the magnetic track 131 together with the inner ring 250B of the bearing part 250. The angle sensor 443 is a magnetic rotary encoder. The angle sensor 443 may have one reader that reads the rotation of the magnetic track 131, or may have multiple readers that each read the rotation of the magnetic track 131. In this embodiment, the angle sensor 443 has 25 readers arranged at equal angular intervals around the axis of the shaft 24a, and each reader reads the rotation of the magnetic track 131. Thus, the reader outputs a similar reading value to the reading value of the adjacent reader at a distance of 14.4°.
The angle sensor 443 may be of an absolute type, but in this embodiment, an incremental type and a pseudo-absolute system using a Z-phase detector 444 are used.
マイコン451は、CPU455と、DMA(Direct Memory Access)コントローラ456と、内部メモリ457とを備える。マイコン451は、加速度センサ441および角度センサ443から取得した計測値を内部メモリ457と外部メモリ452に書き込む。DMAコントローラは、図面においてDMACと記載する。
外部メモリ452は、加速度センサ441および角度センサ443から取得した計測値のデータに対して、内部メモリ457の記憶容量が不足する場合に補助的に使用される。したがって、外部メモリ452は、絶対必要というわけではない。以下、内部メモリ457と外部メモリ452を記憶部230と称することがある。
The microcomputer 451 includes a CPU 455, a DMA (Direct Memory Access) controller 456, and an internal memory 457. The microcomputer 451 writes the measured values obtained from the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 into the internal memory 457 and the external memory 452. The DMA controller is abbreviated as DMAC in the drawings.
The external memory 452 is used as an auxiliary memory when the storage capacity of the internal memory 457 is insufficient for the data of the measurement values obtained from the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443. Therefore, the external memory 452 is not absolutely necessary. Hereinafter, the internal memory 457 and the external memory 452 may be referred to as the storage unit 230.
また、加速度センサ441が大容量のFIFO(first in, first out)バッファを有し、角度センサ443が大容量のFIFOバッファを有する場合、DMAコントローラ456、内部メモリ457および外部メモリ452を省略してもよい。この場合、加速度センサ441のFIFOバッファに加速度センサ441の計測値のデータを蓄積し、角度センサ443のFIFOバッファに角度センサ443の計測値のデータを蓄積することができ、内部メモリ457、外部メモリ452へのデータ転送のためのクロックおよびDMAコントローラ456が不要であり、消費電力を低減することができる。 In addition, if the acceleration sensor 441 has a large-capacity FIFO (first in, first out) buffer and the angle sensor 443 has a large-capacity FIFO buffer, the DMA controller 456, the internal memory 457, and the external memory 452 may be omitted. In this case, the measurement value data of the acceleration sensor 441 can be stored in the FIFO buffer of the acceleration sensor 441, and the measurement value data of the angle sensor 443 can be stored in the FIFO buffer of the angle sensor 443, and a clock and DMA controller 456 for transferring data to the internal memory 457 and the external memory 452 are not required, and power consumption can be reduced.
CPU455は、記憶部230、加速度センサ441、温度センサ442および角度センサ443の初期化や、DMAコントローラ456の初期設定を行う。DMAコントローラ456は、DMAトリガ(加速度センサ441からのINT信号)が入力されると、DMA転送を開始する。具体的には、DMAコントローラ456は、DMAトリガが入力されると、CPU455を介さずに、加速度センサ441および角度センサ443がそれぞれ保持する最新の計測値(後述する離散的な複数の瞬時値)を、無変換データ(生データ)のまま記憶部230(内部メモリ457および必要に応じて外部メモリ452)に転送する。
加速度センサ441および角度センサ443は、それぞれ定められた更新周期で計測値(離散的な複数の瞬時値)を更新し、保持する。加速度センサ441がMEMS加速度センサである場合、更新周期はMEMS加速度センサのODR(Output Data Rate)である。加速度センサ441はデータ出力可能になる度にINT信号(割り込み信号)を生成し、当該INT信号がDMAコントローラ456にトリガとして入力される。更新周期(サンプリング周期)については、図10を用いて後述する。
The CPU 455 initializes the storage unit 230, the acceleration sensor 441, the temperature sensor 442, and the angle sensor 443, and initializes the DMA controller 456. When a DMA trigger (an INT signal from the acceleration sensor 441) is input, the DMA controller 456 starts DMA transfer. Specifically, when a DMA trigger is input, the DMA controller 456 transfers the latest measurement values (a plurality of discrete instantaneous values described later) held by the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 as unconverted data (raw data) to the storage unit 230 (the internal memory 457 and the external memory 452 as necessary) without going through the CPU 455.
The acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 update and hold the measurement values (multiple discrete instantaneous values) at a predetermined update period. When the acceleration sensor 441 is a MEMS acceleration sensor, the update period is the ODR (Output Data Rate) of the MEMS acceleration sensor. The acceleration sensor 441 generates an INT signal (interrupt signal) every time data output becomes possible, and the INT signal is input to the DMA controller 456 as a trigger. The update period (sampling period) will be described later with reference to FIG. 10.
無線モジュール453は、CPU455の制御下で、記憶部230に記憶されたデータを歯車故障判断装置10に送信する。無線モジュール453は、アンテナ147(図5A)を備える。例えば、無線モジュール453は、BLEなどの無線通信によりデータを歯車故障判断装置10に送信する。BLEはBluetooth(登録商標) Low Energyの略である。送信されたデータは、歯車故障判断装置10の通信部15で受信され、歯車故障判断装置10の制御部12により処理される。
BLEを用いる場合、データは、例えば、1パケットずつ送信する。なお、スループットを大きくしたい場合には、More dataやData Length Extensionを利用してもよい。あるいは、BLE5.xで規定されているPHY 2Mbpsを採用することにより、スループットを大きくすることもできる。
第1軸受25と歯車故障判断装置10が無線通信を行う場合、BLE以外の通信規格に準拠した無線通信を行ってもよい。例えば、Zigbee(登録商標)やThreadを採用してもよい。あるいは、BLEとは異なる周波数帯域(例えば、920MHz帯特定小電力無線)を利用してもよい。
The wireless module 453 transmits the data stored in the storage unit 230 to the gear failure determination device 10 under the control of the CPU 455. The wireless module 453 includes an antenna 147 (FIG. 5A). For example, the wireless module 453 transmits the data to the gear failure determination device 10 by wireless communication such as BLE. BLE is an abbreviation for Bluetooth (registered trademark) Low Energy. The transmitted data is received by the communication unit 15 of the gear failure determination device 10 and processed by the control unit 12 of the gear failure determination device 10.
When BLE is used, data is transmitted, for example, one packet at a time. If it is desired to increase the throughput, More data or Data Length Extension may be used. Alternatively, the throughput can be increased by adopting PHY 2 Mbps defined in BLE 5.x.
When the first bearing 25 and the gear failure determination device 10 perform wireless communication, the wireless communication may be in accordance with a communication standard other than BLE. For example, Zigbee (registered trademark) or Thread may be adopted. Alternatively, a frequency band other than BLE (for example, a 920 MHz band specific low power radio) may be used.
回路群431内の電源管理IC263は、加速度センサ441による所定時間の加速度の計測および角度センサ443による所定時間の角度の計測が終わるたびに、負荷Lへの電力供給を遮断する。好ましくは、電源管理IC263は、無線モジュール453が加速度センサ441で計測された瞬時値と角度センサ443で計測された瞬時値をBLE無線通信した後に、負荷L(加速度センサ441、角度センサ443、Z相検出器444および制御基板143)への電力供給を遮断する。
また、電源管理IC263は、蓄電池150への充電完了を検知すると(蓄電池150の電圧が閾値V2を超えると)、負荷Lへの電力供給を再開する。
The power supply management IC 263 in the circuit group 431 cuts off the power supply to the load L every time the acceleration sensor 441 finishes measuring the acceleration for a predetermined time and the angle sensor 443 finishes measuring the angle for a predetermined time. Preferably, the power supply management IC 263 cuts off the power supply to the load L (the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, the Z-phase detector 444, and the control board 143) after the wireless module 453 has communicated via BLE wireless communication the instantaneous value measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous value measured by the angle sensor 443.
Furthermore, when the power management IC 263 detects that charging to the storage battery 150 is completed (when the voltage of the storage battery 150 exceeds the threshold V2), it resumes the power supply to the load L.
図9は計測装置100の動作を説明するためのタイミングチャートである。図9(A)は、電源管理IC263による電力供給の期間を示し、図9(B)は、計測装置100が歯車故障判断装置10に無線ネットワーク(BLE)で接続する期間を示す。図9(C)は、Z相検出器444が出力するパルスを示し、図9(D)は、加速度センサ441が出力した計測加速度値であって、加速度センサ441から記憶部230に記憶される計測加速度値を示す。図9(E)は、角度センサ443が出力した計測角度値であって、角度センサ443から記憶部230に記憶される計測角度値を示す。
電源オンにより、電源管理IC263は、蓄電池150からマイコン451および無線モジュール453のアンテナ147への給電を開始する。すると、計測装置100のCPU455は無線モジュール453を制御し、歯車故障判断装置10の通信部15と無線通信に必要な情報の交換を行い、接続を確立する。すなわち、計測装置100は歯車故障判断装置10とペアリングを行う。「ペアリング時間」は、計測装置100が歯車故障判断装置10との通信(接続)を確立するのに要する時間である。ペアリング時間は、例えば、5秒である。「ペアリング完了」はBLE接続が確立された時点を示している。ペアリング完了後、電源管理IC263は、蓄電池150から加速度センサ441、角度センサ443およびZ相検出器444にも給電を開始する。
Fig. 9 is a timing chart for explaining the operation of the measurement device 100. Fig. 9(A) shows a period during which power is supplied by the power management IC 263, and Fig. 9(B) shows a period during which the measurement device 100 is connected to the gear failure determination device 10 via a wireless network (BLE). Fig. 9(C) shows a pulse output by the Z-phase detector 444, and Fig. 9(D) shows a measured acceleration value output by the acceleration sensor 441 and stored in the memory unit 230 from the acceleration sensor 441. Fig. 9(E) shows a measured angle value output by the angle sensor 443 and stored in the memory unit 230 from the angle sensor 443.
When the power is turned on, the power management IC 263 starts supplying power from the storage battery 150 to the microcomputer 451 and the antenna 147 of the wireless module 453. Then, the CPU 455 of the measurement device 100 controls the wireless module 453 to exchange information required for wireless communication with the communication unit 15 of the gear failure determination device 10 and establish a connection. That is, the measurement device 100 pairs with the gear failure determination device 10. The "pairing time" is the time required for the measurement device 100 to establish communication (connection) with the gear failure determination device 10. The pairing time is, for example, 5 seconds. The "pairing completion" indicates the time when the BLE connection is established. After the pairing is completed, the power management IC 263 also starts supplying power from the storage battery 150 to the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, and the Z-phase detector 444.
本実施形態では、Z相検出器444の出力はアクティブロー(Low)であり、Z相検出器444は、Z相用磁石162を検出すると、Low信号を出力するが、図9(C)では、Z相検出器444がZ相用磁石162を検出したときに出力したパルスをHighレベルで示す。
図9において、「センサ準備時間」は、加速度センサ441、角度センサ443およびZ相検出器444への給電開始の後にZ相検出器444、加速度センサ441および角度センサ443が正確に計測可能になるまで待機する時間であり、例えば、50msである。「処理待ち時間」は、CPU455が所定のモニタリング処理を終了するのに必要な時間以上の時間に設定されている。処理待ち時間は、例えば、30秒である。
ペアリング完了後、センサ準備期間と処理待ち時間が終了した後、最初にZ相検出器444がZ相用磁石162を検出すると、CPU455は、加速度センサ441と角度センサ443に計測開始信号を供給する。計測開始信号の供給後、加速度センサ441と角度センサ443が初期化される(加速度センサ・角度センサ初期化時間)。加速度センサ441と角度センサ443の初期化とは、加速度センサ441と角度センサ443に給電がなされて角度センサ443が正しく動作できるようになることを意味する。加速度センサ441と角度センサ443の初期化が終了すると、計測開始遅れ(例えば、約480ms)の後に、加速度センサ441と角度センサ443が計測を開始する。加速度センサ・角度センサ初期化時間は、例えば、100msである。
In this embodiment, the output of the Z-phase detector 444 is active low (Low), and when the Z-phase detector 444 detects the Z-phase magnet 162, it outputs a Low signal. However, in FIG. 9 (C), the pulse output when the Z-phase detector 444 detects the Z-phase magnet 162 is shown at a High level.
9, the "sensor preparation time" is the time to wait until the Z-phase detector 444, the acceleration sensor 441, and the angle sensor 443 can measure accurately after the start of power supply to the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, and the Z-phase detector 444, and is, for example, 50 ms. The "processing waiting time" is set to a time equal to or longer than the time required for the CPU 455 to finish a predetermined monitoring process. The processing waiting time is, for example, 30 seconds.
After pairing is completed, when the Z-phase detector 444 detects the Z-phase magnet 162 for the first time after the sensor preparation period and the processing wait time are ended, the CPU 455 supplies a measurement start signal to the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443. After the measurement start signal is supplied, the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 are initialized (acceleration sensor/angle sensor initialization time). The initialization of the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 means that the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 are supplied with power so that the angle sensor 443 can operate correctly. When the initialization of the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 is completed, the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 start measurement after a measurement start delay (for example, about 480 ms). The acceleration sensor/angle sensor initialization time is, for example, 100 ms.
図9(D)に示すように、計測開始遅れの後に、加速度センサ441は、所定の計測時間、3軸(X/Y/Z軸)それぞれについての加速度を計測する。加速度センサ441の計測値は、第1歯車22と第2歯車23の噛み合いにより、第1歯車22ひいては軸受部250で生じた振動を表している。なお、図9(D)では3軸のうちのいずれかの軸についての、加速度センサ441による計測加速度値を示す。所定の計測時間は、例えば、25msであって、軸24aの1回転未満に相当する時間である。所定の計測時間の間、加速度センサ441は、サンプリング周期で計測を繰り返すので、計測結果は離散的な複数の瞬時値である。このように、加速度センサ441は、Z相検出器444がパルスを生成した後、計測開始時点から一定の計測時間、軸受部250の振動に起因する加速度の瞬時値を計測する。
計測開始遅れの間に、CPU455は3つの処理(1)~(3)を行う。
処理(1)で、CPU455は、温度センサ442から測定開始前の温度データを取得する。CPU455は、温度センサ442が計測した温度に基づいて、第1軸受25内部で異常な発熱が生じていないかを判定することができる。CPU455は、温度センサ442が計測した温度が所定値以上である場合、異常発熱を示す信号を歯車故障判断装置10に送信する。当該信号を受信した歯車故障判断装置10は、異常発熱を示すメッセージを表示部14に表示する。また、CPU455は、温度センサ442が計測した温度に基づいて、角度センサ443が計測した角度を補正することができる。角度センサ443は磁気式センサであるので、温度変化による磁気への影響が角度センサ443の計測誤差として現れる場合がある。この角度誤差については、事前に温度毎にどのような影響・誤差が角度センサ443の計測値に現れるかを確認しておき、当該影響・誤差を打ち消す補正を行うための補正テーブルを作成する。そして、CPU455は、補正テーブルに基づいて、角度データの補正を行う。
処理(2)で、CPU455は、DMAコントローラ456のプログラミングを行う。DMAコントローラ456のプログラミングとは、加速度センサ441からのINT信号をトリガにして加速度センサ441および角度センサ443の計測データを取得し、記憶部230に当該計測データを格納するように、プログラミングすることである。
処理(3)で、CPU455は、計測終了(タイマアウト)を判定するためのWake-upタイマを起動する。
As shown in FIG. 9D, after a delay in starting measurement, the acceleration sensor 441 measures the acceleration for each of the three axes (X/Y/Z axes) for a predetermined measurement time. The measurement value of the acceleration sensor 441 represents the vibration generated in the first gear 22 and the bearing part 250 due to the meshing of the first gear 22 and the second gear 23. Note that FIG. 9D shows the acceleration value measured by the acceleration sensor 441 for any one of the three axes. The predetermined measurement time is, for example, 25 ms, which is a time equivalent to less than one rotation of the shaft 24a. During the predetermined measurement time, the acceleration sensor 441 repeats measurement at a sampling period, so the measurement result is a plurality of discrete instantaneous values. In this way, the acceleration sensor 441 measures the instantaneous value of the acceleration caused by the vibration of the bearing part 250 for a certain measurement time from the measurement start point after the Z-phase detector 444 generates a pulse.
During the measurement start delay, the CPU 455 performs three processes (1) to (3).
In process (1), the CPU 455 acquires temperature data from the temperature sensor 442 before the start of measurement. The CPU 455 can determine whether abnormal heat generation is occurring inside the first bearing 25 based on the temperature measured by the temperature sensor 442. When the temperature measured by the temperature sensor 442 is equal to or higher than a predetermined value, the CPU 455 transmits a signal indicating abnormal heat generation to the gear failure determination device 10. The gear failure determination device 10, which receives the signal, displays a message indicating abnormal heat generation on the display unit 14. The CPU 455 can also correct the angle measured by the angle sensor 443 based on the temperature measured by the temperature sensor 442. Since the angle sensor 443 is a magnetic sensor, the influence of the magnetism due to the temperature change may appear as a measurement error of the angle sensor 443. Regarding this angle error, it is confirmed in advance what kind of influence/error appears in the measurement value of the angle sensor 443 for each temperature, and a correction table is created for performing correction to cancel the influence/error. Then, the CPU 455 corrects the angle data based on the correction table.
In process (2), the CPU 455 programs the DMA controller 456. The programming of the DMA controller 456 is to program the DMA controller 456 so as to acquire measurement data of the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 using the INT signal from the acceleration sensor 441 as a trigger, and to store the measurement data in the storage unit 230.
In process (3), the CPU 455 starts a wake-up timer for determining the end of measurement (timer out).
計測開始遅れは、例えば、約480msである。上記3つの処理の実施後、CPU455はスリープ(Sleep)状態になる。加速度および角度の計測は、CPU455がスリープ状態にある間に、DMAコントローラ456、加速度センサ441、加速度センサ443などの必要最小限の機能ブロックのみを起動して行う。加速度および角度の計測は、Wake-upタイマが満了すると終了する。加速度および角度の計測が終了すると、CPU455のスリープは解除され、CPU455は稼働状態に復帰する。このようにすることで、最低限の機能ブロックだけが動作し、低消費電力による計測システムが実現できる。 The measurement start delay is, for example, about 480 ms. After the above three processes are performed, the CPU 455 goes into a sleep state. Acceleration and angle measurements are performed while the CPU 455 is in a sleep state by activating only the minimum necessary functional blocks such as the DMA controller 456, acceleration sensor 441, and acceleration sensor 443. Acceleration and angle measurement ends when the wake-up timer expires. When acceleration and angle measurement ends, the CPU 455 is released from sleep and returns to an operating state. In this way, only the minimum necessary functional blocks operate, and a measurement system with low power consumption can be realized.
また、図9(E)に示すように、計測開始遅れの後に、角度センサ443は、所定の計測時間、第1軸24aの角度位置を計測する。所定の計測時間は、例えば、25msであって、軸24aの1回転未満に相当する時間である。所定の計測時間の間、角度センサ443は、サンプリング周期で計測を繰り返すので、計測結果は離散的な複数の瞬時値である。このように、角度センサ443は、Z相検出器444がパルスを生成した後、計測開始時点から一定の計測時間、軸24aの角度の瞬時値を計測する。本実施形態では、角度センサ443の25個の読み取り器は、同時に所定の計測時間、サンプリング周期で軸24aの角度位置を計測する。
角度センサ443の波形は加速度センサ441の波形に比べて、「DMA遅れ」の分だけ、遅れて記憶部230に記憶される。理論的には、加速度センサ441の計測値と角度センサ443の計測値は、加速度センサ441からのINT信号を共通のタイミングソース(トリガ)としてDMA転送される(サンプリングされる)。しかし、実際には、加速度センサ441の計測値と角度センサ443の計測値の転送にはナノ秒レベルのずれがあり、当該ずれを「DMA遅れ」と称する。
加速度および角度の計測の終了後、「データ転送時間」において計測装置100から歯車故障判断装置10へデータ(加速度センサで計測された加速度の瞬時値と角度センサで計測された角度の瞬時値の組)が転送される。データ転送時間は、例えば、1秒である。電源オンからデータ転送時間の終わりまでが、計測装置100の1回の動作である。
Also, as shown in FIG. 9E, after the measurement start delay, the angle sensor 443 measures the angular position of the first shaft 24a for a predetermined measurement time. The predetermined measurement time is, for example, 25 ms, which is a time equivalent to less than one rotation of the shaft 24a. During the predetermined measurement time, the angle sensor 443 repeats measurement at a sampling period, so the measurement result is a plurality of discrete instantaneous values. In this way, the angle sensor 443 measures the instantaneous value of the angle of the shaft 24a for a certain measurement time from the measurement start point after the Z-phase detector 444 generates a pulse. In this embodiment, the 25 readers of the angle sensor 443 simultaneously measure the angular position of the shaft 24a for a predetermined measurement time and at a sampling period.
The waveform of the angle sensor 443 is stored in the memory unit 230 with a delay of "DMA delay" compared to the waveform of the acceleration sensor 441. Theoretically, the measurement values of the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 are DMA transferred (sampled) using the INT signal from the acceleration sensor 441 as a common timing source (trigger). However, in reality, there is a delay of nanoseconds between the transfer of the measurement values of the acceleration sensor 441 and the measurement values of the angle sensor 443, and this delay is called "DMA delay."
After completing the measurement of the acceleration and angle, data (a pair of instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor and instantaneous values of angle measured by the angle sensor) is transferred from the measuring device 100 to the gear fault determination device 10 during a "data transfer time". The data transfer time is, for example, one second. The period from when the power is turned on to the end of the data transfer time constitutes one operation of the measuring device 100.
データ転送が終了すると、電源管理IC263が負荷Lへの給電を停止し、蓄電池150に充電を開始する。蓄電池150の充電が完了すると、電源管理IC263はFET264に充電完了を知らせる充電完了信号を送り、負荷L(角度センサ基板142、制御基板143、およびそれらの上の加速度センサ441、角度センサ443、Z相検出器444、アンテナ147等)への給電を再度可能となる。 When the data transfer is complete, the power management IC 263 stops supplying power to the load L and starts charging the storage battery 150. When charging of the storage battery 150 is complete, the power management IC 263 sends a charge completion signal to the FET 264 to notify the completion of charging, and it becomes possible to supply power to the load L again (the angle sensor board 142, the control board 143, and the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, the Z-phase detector 444, the antenna 147, etc. on them).
この後、ペアリング時間とセンサ準備期間と処理待ち時間が終了した後、最初にZ相検出器444がZ相用磁石162を検出したパルスを生成すると、CPU455は、加速度センサ441と角度センサ443に計測開始信号を供給する。但し、直前の計測開始信号の供給時点は、Z相検出パルスの生成(Z相検出器444によるZ相用磁石162の検出)の直後であるのに対して、今回の計測開始信号の供給時点は、Z相検出パルスの生成の後、一定時間ずれている。これは、加速度センサ441による所定時間の加速度の計測および角度センサ443による角度の計測のたびに、計測開始時点を変化させるためである。したがって、加速度センサ441と角度センサ443は、所定時間の計測のたびに、異なる機械角(軸24aの周囲の実際の角度)に対応する瞬時値を計測することになる。このようにすることで計測開始時点の重複を防ぐことができる。
CPU455(計測開始時点変化部)は、Z相検出パルスに対する次の計測開始信号の供給時点を決定する。Z相検出パルスに対する計測開始信号の供給時点は、例えば、直前の供給時点より遅れるように決定することができる。
After that, when the Z-phase detector 444 generates a pulse for detecting the Z-phase magnet 162 for the first time after the pairing time, the sensor preparation time, and the processing wait time are over, the CPU 455 supplies a measurement start signal to the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443. However, the time when the previous measurement start signal was supplied was immediately after the generation of the Z-phase detection pulse (detection of the Z-phase magnet 162 by the Z-phase detector 444), whereas the time when the current measurement start signal is supplied is shifted by a certain time after the generation of the Z-phase detection pulse. This is because the measurement start time is changed every time the acceleration sensor 441 measures the acceleration for a predetermined time and the angle sensor 443 measures the angle. Therefore, the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 measure instantaneous values corresponding to different mechanical angles (actual angles around the shaft 24a) every time a measurement is performed for a predetermined time. In this way, it is possible to prevent the measurement start time from overlapping.
The CPU 455 (measurement start time changing unit) determines the time point at which the next measurement start signal is supplied for the Z-phase detection pulse. The supply time point of the measurement start signal for the Z-phase detection pulse can be determined to be delayed from the previous supply time point, for example.
計測開始信号の後、加速度センサ441と角度センサ443の初期化が終了すると、計測開始遅れの後に、加速度センサ441と角度センサ443が再び計測を開始する。加速度および角度の計測の終了後、データが計測装置100から歯車故障判断装置10へ転送される。データ転送が終了すると、電源管理IC263が負荷Lへの給電を停止し、蓄電池150に充電を開始する。蓄電池150の充電が完了すると、電源管理IC263はFET264に充電完了を知らせる充電完了信号を送り、負荷Lへの給電を再度可能となる。この後、ペアリング時間とセンサ準備期間と処理待ち時間が終了し、Z相検出パルスが生成された後、CPU455は、加速度センサ441と角度センサ443に計測開始信号を供給する。以降、このような動作が繰り返される。したがって、電源管理IC263は、加速度センサ441による所定時間(軸24aの1回転未満に相当する時間)の加速度の瞬時値の計測と角度センサ443による所定時間(軸24aの1回転未満に相当する時間)の角度の瞬時値の計測が終わるたびに、蓄電池150による加速度センサ441、角度センサ443等への給電を停止し、発電部149で発生した電気を蓄電池150に充電する。 After the measurement start signal, when the initialization of the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 is completed, the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 start measuring again after a measurement start delay. After the measurement of the acceleration and angle is completed, the data is transferred from the measurement device 100 to the gear failure determination device 10. When the data transfer is completed, the power management IC 263 stops the supply of power to the load L and starts charging the storage battery 150. When the charging of the storage battery 150 is completed, the power management IC 263 sends a charge completion signal to the FET 264 to notify the completion of charging, and the supply of power to the load L becomes possible again. After this, the pairing time, the sensor preparation period, and the processing wait time are completed, and after the Z-phase detection pulse is generated, the CPU 455 supplies a measurement start signal to the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443. This operation is repeated thereafter. Therefore, each time the acceleration sensor 441 finishes measuring the instantaneous value of acceleration for a predetermined time (a time equivalent to less than one rotation of the shaft 24a) and the angle sensor 443 finishes measuring the instantaneous value of angle for a predetermined time (a time equivalent to less than one rotation of the shaft 24a), the power management IC 263 stops the power supply to the acceleration sensor 441, angle sensor 443, etc. from the storage battery 150, and charges the electricity generated by the power generation unit 149 to the storage battery 150.
図10は、加速度センサ441の計測値と角度センサ443の計測値の更新周期を示している。本実施形態では、図10に示すように、加速度センサ441の計測値の更新完了タイミングと角度センサ443の計測値の更新完了タイミング(サンプリングタイミング)が同期するように設定されている。つまり、加速度センサ441の更新周期(サンプリング周期)は、角度センサ443の更新周期(サンプリング周期)と等しい。そして、加速度センサ441の計測値と角度センサ443の計測値が、同期した形で(同じ時間基準を共有するか、少なくとも1つの時間基準を共有して)、記憶部230に記憶される。つまり、記憶部230は、加速度センサ441と角度センサ443によって同時に計測された加速度の瞬時値と角度の瞬時値を関連付けて記憶する。本実施形態では、角度センサ443の25個の読み取り器は同時に所定の計測時間、軸24aの角度位置を計測する。したがって、計測装置100の記憶部230および歯車故障判断装置10の記憶部13は、加速度センサ441と25個の読み取り器によって同時に計測された加速度の瞬時値と角度の瞬時値を関連付けて記憶する。このように、本実施形態では、時間に同期した角度・加速度計測が行われる。加速度センサ441と角度センサ443のサンプリング周波数(ODR)は、例えば、歯車の噛み合い周波数に基づいて、予め選択(設定)されている。 Figure 10 shows the update period of the measurement value of the acceleration sensor 441 and the measurement value of the angle sensor 443. In this embodiment, as shown in Figure 10, the update completion timing of the measurement value of the acceleration sensor 441 and the update completion timing (sampling timing) of the measurement value of the angle sensor 443 are set to be synchronized. In other words, the update period (sampling period) of the acceleration sensor 441 is equal to the update period (sampling period) of the angle sensor 443. Then, the measurement value of the acceleration sensor 441 and the measurement value of the angle sensor 443 are stored in the memory unit 230 in a synchronized form (sharing the same time base or sharing at least one time base). In other words, the memory unit 230 associates and stores the instantaneous value of acceleration and the instantaneous value of angle measured simultaneously by the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443. In this embodiment, the 25 readers of the angle sensor 443 simultaneously measure the angular position of the axis 24a for a predetermined measurement time. Therefore, the memory unit 230 of the measurement device 100 and the memory unit 13 of the gear failure determination device 10 store the instantaneous acceleration and angle values measured simultaneously by the acceleration sensor 441 and the 25 readers in association with each other. In this manner, in this embodiment, angle and acceleration measurements are performed in synchronization with time. The sampling frequency (ODR) of the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 is selected (set) in advance based on, for example, the gear meshing frequency.
図11は、計測装置100の動作を説明するためのフローチャートである。この動作は、計測装置100への最初の電源オン(図9(A)の最初の電源オン)で開始する。
S1において、CPU455は、ペアリング時間(例えば、5秒)が経過したか否かを判定する。判定結果がYesの場合、動作はS2に進む。判定結果がNoの場合、S1を繰り返す。
S2において、CPU455は、センサ準備期間(例えば、50ms)が経過したか否かを判定する。判定結果がYesの場合、動作はS3に進む。判定結果がNoの場合、S2を繰り返す。
11 is a flowchart for explaining the operation of the measuring apparatus 100. This operation starts when the measuring apparatus 100 is first powered on (first power on in FIG. 9(A)).
In S1, the CPU 455 judges whether or not the pairing time (for example, 5 seconds) has elapsed. If the judgement result is Yes, the operation proceeds to S2. If the judgement result is No, S1 is repeated.
In S2, the CPU 455 determines whether or not a sensor preparation period (for example, 50 ms) has elapsed. If the determination result is Yes, the operation proceeds to S3. If the determination result is No, S2 is repeated.
S3において、CPU455は、処理待ち時間(例えば、30秒)が経過したか否かを判定する。判定結果がYesの場合、動作はS4に進む。判定結果がNoの場合、S3を繰り返す。
S4において、CPU455は、Z相検出器444がZ相用磁石162を検知したか否かを判定する。判定結果がYesの場合、動作はS5に進む。判定結果がNoの場合、S4を繰り返す。
S5において、CPU455は、計測開始信号の供給時点であるか否かを判定する。判定結果がYesの場合、動作はS6に進む。判定結果がNoの場合、S5を繰り返す。計測開始信号の供給時点の初期値はゼロであり、したがって第1回の計測の場合、S4の直後、S5の判定結果はYesになって、動作はS6に進む。
In S3, the CPU 455 judges whether or not a processing waiting time (for example, 30 seconds) has elapsed. If the judgment result is Yes, the operation proceeds to S4. If the judgment result is No, S3 is repeated.
In S4, the CPU 455 determines whether or not the Z-phase detector 444 has detected the Z-phase magnet 162. If the determination result is Yes, the operation proceeds to S5. If the determination result is No, S4 is repeated.
In S5, the CPU 455 judges whether or not it is the time when the measurement start signal is supplied. If the judgement result is Yes, the operation proceeds to S6. If the judgement result is No, S5 is repeated. Since the initial value of the time when the measurement start signal is supplied is zero, in the case of the first measurement, the judgement result of S5 becomes Yes immediately after S4, and the operation proceeds to S6.
S6において、CPU455は、加速度センサ441と角度センサ443に計測開始信号を供給する。計測開始信号が供給されると、図9に示すように、加速度センサ441と角度センサ443が初期化され(初期化時間は、例えば、100ms)、計測開始遅れ(約480ms)の後に加速度センサ441と角度センサ443が計測を所定の計測時間(例えば、25ms)行い、加速度センサ441が計測した加速度の瞬時値と角度センサ443が計測した角度の瞬時値を同期した形でDMAコントローラ456が記憶部230に記憶させる。上記の通り、計測開始遅れの間に、CPU455は3つの処理(1)~(3)を行い、スリープ状態になる。 In S6, the CPU 455 supplies a measurement start signal to the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443. When the measurement start signal is supplied, as shown in FIG. 9, the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 are initialized (initialization time is, for example, 100 ms), and after a measurement start delay (about 480 ms), the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 perform measurement for a predetermined measurement time (for example, 25 ms), and the DMA controller 456 stores the instantaneous value of acceleration measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous value of angle measured by the angle sensor 443 in a synchronized form in the memory unit 230. As described above, during the measurement start delay, the CPU 455 performs the three processes (1) to (3) and goes into a sleep state.
次に、S7において、CPU455は計測値の送信時点であるか否かを判定する。判定結果がYesの場合、動作はS8に進む。判定結果がNoの場合、S7を繰り返す。S7の判定結果がYesとは、上記のWake-upタイマの満了によって、CPU455がスリープ状態から稼働状態に復帰することを意味する。
S8において、記憶部230に格納された加速度センサ441が計測した瞬時値と角度センサ443が計測した瞬時値を、CPU455が計測装置100から歯車故障判断装置10にBLE無線通信で送信(転送)する。
このように、S2~S8によって、計測装置100の1回分の計測が行われる。
Next, in S7, the CPU 455 judges whether it is time to transmit the measurement value. If the judgment result is Yes, the operation proceeds to S8. If the judgment result is No, S7 is repeated. The judgment result of S7 being Yes means that the CPU 455 will return from the sleep state to the operating state due to the expiration of the wake-up timer.
In S8, the CPU 455 transmits (transfers) the instantaneous values measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous values measured by the angle sensor 443 stored in the memory unit 230 from the measuring device 100 to the gear failure determination device 10 via BLE wireless communication.
In this manner, one measurement by the measuring device 100 is performed through steps S2 to S8.
次に、S9において、CPU455は、電源管理IC263に給電停止を指令する。これにより、電源管理IC263は、蓄電池150による加速度センサ441、角度センサ443等への給電を停止し、発電部149で発生した電気を蓄電池150に充電する。
上記の通り、蓄電池150の充電が完了すると、電源管理IC263はFET264に充電完了を知らせる充電完了信号を送り、蓄電池150による加速度センサ441、角度センサ443等への給電を再開する。蓄電池150の充電が完了すると、電源管理IC263はCPU455にも充電完了信号を送る。
S10において、CPU455は、電源管理IC263から充電完了信号を受け取ったか否か判定する。判定結果がYesの場合、動作はS11に進む。判定結果がNoの場合、S8を繰り返す。
S11において、CPU455は、次の計測を実行するか否か判定する。換言すれば、実行した計測回数が所定数に達したか否か判定する。判定結果がYesの場合、S12に進む。判定結果がNoの場合、動作は終了する。
S12において、CPU455は、給電の停止直前の計測開始信号の供給時点(計測開始指令時点)に基づいて、Z相検出パルスに対する次の計測開始信号の供給時点(計測開始指令時点)を決定する。次の計測開始指令時点は、例えば直前の計測開始指令時点に所定の時間を加算または減算して決定することができる。こうして、CPU455は、所定時間の加速度と角度の計測のたびに、計測開始時点を変化させる。
この後、動作はS1に戻る。
Next, in S9, the CPU 455 instructs the power management IC 263 to stop power supply. As a result, the power management IC 263 stops power supply from the storage battery 150 to the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, etc., and charges the storage battery 150 with electricity generated by the power generation unit 149.
As described above, when charging of the storage battery 150 is completed, the power management IC 263 sends a charge completion signal to the FET 264 to notify the FET 264 of the completion of charging, and resumes power supply from the storage battery 150 to the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, etc. When charging of the storage battery 150 is completed, the power management IC 263 also sends a charge completion signal to the CPU 455.
In S10, the CPU 455 determines whether or not a charging completion signal has been received from the power management IC 263. If the determination result is Yes, the operation proceeds to S11. If the determination result is No, S8 is repeated.
In S11, the CPU 455 determines whether or not to execute the next measurement. In other words, it determines whether or not the number of measurements executed has reached a predetermined number. If the determination result is Yes, the process proceeds to S12. If the determination result is No, the operation ends.
In S12, the CPU 455 determines the time when the next measurement start signal is to be supplied (measurement start command time) for the Z-phase detection pulse based on the time when the measurement start signal was supplied (measurement start command time) immediately before the power supply was stopped. The next measurement start command time can be determined, for example, by adding or subtracting a predetermined time from the immediately previous measurement start command time. In this way, the CPU 455 changes the measurement start time every time it measures the acceleration and angle for a predetermined time.
After this, the operation returns to S1.
次に、本実施形態における歯車故障判断の原理について説明する。
図12は、計測装置100で計測された加速度と角度の時間的変化を示す。具体的には、上のグラフは3軸加速度センサ441が出力した1つの軸に関する加速度の変化を示す。他の2軸に関する加速度の変化の図示は省略する。中央のグラフは角度センサ443の1つの読み取り器が出力した角度(電気角)の変化を示し、下のグラフは角度センサ443の他の読み取り器(中央のグラフに関する読み取り器の隣の読み取り器)が出力した角度の変化を示す。他の23個の読み取り器が出力した角度の変化の図示は省略する。
上記の通り、所定の計測時間の間、加速度センサ441は、サンプリング周期で計測を繰り返すので、計測結果は離散的な複数の瞬時値である。また、所定の計測時間の間、角度センサ443の各読み取り器は、サンプリング周期で計測を繰り返すので、計測結果は離散的な複数の瞬時値である。
上記の通り、所定時間(軸24aの1回転未満に相当する時間)の加速度と角度の計測のたびに、計測開始時点が変化するので、第1回の計測と第2回の計測では、Z相検出時点に対して、計測開始ずれがある。以降の複数回の計測でも同様である。
上記の通り、25個の読み取り器は、軸24aの軸線周りに等角間隔に配置されているので、読み取り器は、隣の読み取り器の読み取り値と14.4°離れて類似する読み取り値を出力する。
Next, the principle of gear failure determination in this embodiment will be described.
12 shows the change over time in acceleration and angle measured by the measurement device 100. Specifically, the upper graph shows the change in acceleration about one axis output by the three-axis acceleration sensor 441. The change in acceleration about the other two axes is not shown. The center graph shows the change in angle (electrical angle) output by one reader of the angle sensor 443, and the lower graph shows the change in angle output by another reader of the angle sensor 443 (the reader next to the reader related to the center graph). The change in angle output by the other 23 readers is not shown.
As described above, the acceleration sensor 441 repeats measurements at sampling intervals during a predetermined measurement time, so that the measurement results are a plurality of discrete instantaneous values. Also, each reader of the angle sensor 443 repeats measurements at sampling intervals during a predetermined measurement time, so that the measurement results are a plurality of discrete instantaneous values.
As described above, the measurement start time changes each time the acceleration and angle are measured for a predetermined time (a time equivalent to less than one rotation of the shaft 24a), so there is a measurement start time difference between the first and second measurements with respect to the Z-phase detection time. The same applies to the subsequent measurements.
As noted above, the 25 readers are equiangularly spaced about the axis of shaft 24a so that the readers output similar readings 14.4° apart from the readings of adjacent readers.
図13は、歯車故障検出システム30のうち歯車故障判断に特に関連する要素を示す。上記の通り、計測装置100において、加速度センサ441が計測した加速度の瞬時値と角度センサ443が計測した角度の瞬時値を同期した形でDMAコントローラ456が記憶部230に記憶させる。記憶部230に格納された加速度センサ441が計測した瞬時値と角度センサ443が計測した瞬時値は、無線モジュール453からBLE無線送信され、歯車故障判断装置10の通信部15で受信される。BLE無線送信は周期的に繰り返されるので、歯車故障判断装置10の通信部15は、加速度の瞬時値と角度の瞬時値を周期的に受信する。 Figure 13 shows elements of the gear failure detection system 30 that are particularly related to gear failure judgment. As described above, in the measurement device 100, the DMA controller 456 stores in the memory unit 230 the instantaneous value of acceleration measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous value of angle measured by the angle sensor 443 in a synchronized form. The instantaneous value measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous value measured by the angle sensor 443 stored in the memory unit 230 are wirelessly transmitted by BLE from the wireless module 453 and received by the communication unit 15 of the gear failure judgment device 10. Since the BLE wireless transmission is repeated periodically, the communication unit 15 of the gear failure judgment device 10 periodically receives the instantaneous value of acceleration and the instantaneous value of angle.
歯車故障判断装置10の制御部12は、記憶部13に加速度センサ441が計測した加速度の瞬時値と角度センサ443が計測した角度の瞬時値を蓄積する。一回の蓄積では、所定時間(軸24aの1回転未満に相当する時間)の加速度と角度の瞬時値が記憶部13に格納され、蓄積は、軸24aが複数回、回転する間、周期的に行われる。したがって、記憶部13は、軸24aが複数回、回転する間に加速度センサ441によって計測された加速度の瞬時値と角度センサ443によって計測された角度の瞬時値を記憶する。
制御部(加速度プロファイル生成部)12は、記憶部13に蓄積された加速度の複数の瞬時値を読み出して、軸24aが複数回、回転する間に加速度センサ441に計測された加速度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを生成する。
また、制御部(角度プロファイル生成部)12は、記憶部13に蓄積された角度の複数の瞬時値を読み出して、軸24aが複数回、回転する間に角度センサ443に計測された角度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転あたりの計測角度値の変化を表す角度プロファイルを生成する。上記の通り、加速度センサ441と角度センサ443のサンプリング周期は同じであり、記憶部230は加速度センサ441と角度センサ443によって同時に計測された加速度の瞬時値と角度の瞬時値を関連付けて記憶するので、生成された角度プロファイルは、加速度プロファイルと同期している。
The control unit 12 of the gear failure determination device 10 accumulates in the memory unit 13 the instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous values of the angle measured by the angle sensor 443. In one accumulation, the instantaneous values of acceleration and angle for a predetermined time (a time equivalent to less than one rotation of the shaft 24a) are stored in the memory unit 13, and accumulation is performed periodically while the shaft 24a rotates multiple times. Therefore, the memory unit 13 stores the instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous values of the angle measured by the angle sensor 443 while the shaft 24a rotates multiple times.
The control unit (acceleration profile generating unit) 12 reads out multiple instantaneous values of acceleration stored in the memory unit 13, rearranges the multiple instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor 441 while the axis 24a rotates multiple times, and connects together the rearranged instantaneous values of acceleration to generate an acceleration profile that represents the change in acceleration per rotation of the axis 24a.
Furthermore, the control unit (angle profile generating unit) 12 reads out a plurality of instantaneous values of the angle stored in the memory unit 13, rearranges the plurality of instantaneous values of the angle measured by the angle sensor 443 while the shaft 24a rotates a plurality of times, and connects the rearranged instantaneous values of the angle to generate an angle profile that represents the change in the measured angle value per one rotation of the shaft 24a. As described above, the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 have the same sampling period, and the memory unit 230 associates and stores the instantaneous values of the acceleration and the instantaneous values of the angle measured simultaneously by the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443, so that the generated angle profile is synchronized with the acceleration profile.
図14は、計測装置100から加速度の離散的な複数の瞬時値と角度の離散的な複数の瞬時値を受信した歯車故障判断装置10の制御部12が生成した加速度プロファイルのグラフと角度プロファイルのグラフを示す。測定対象の歯車22は22個の歯を有し、参考のため歯番号を図14に描写する。
加速度プロファイルのグラフと角度プロファイルのグラフの横軸は、時間であり、機械角(軸24aの周囲の実際の角度)とみなすこともできる。
加速度プロファイルのグラフは、3軸加速度センサ441が計測した1つの軸に関する加速度の変化を示す。制御部12は、3軸加速度センサ441の3軸に関する加速度プロファイルを生成するが、他の2軸に関する加速度プロファイルのグラフの図示は省略する。
図12に示すように、加速度センサ441の計測結果は離散的な複数の瞬時値である。加速度センサ441の計測結果は、周期的にBLE無線送信で、歯車故障判断装置10に受信される。したがって、制御部12は、計測結果の受信時点を基準として、軸24aが複数回、回転する間の加速度センサ441の計測結果を並べ替えて、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転(360°)あたりの加速度プロファイルを生成することができる。
14 shows a graph of an acceleration profile and a graph of an angle profile generated by the control unit 12 of the gear fault determination device 10 which receives a plurality of discrete instantaneous values of acceleration and a plurality of discrete instantaneous values of angle from the measurement device 100. The gear 22 to be measured has 22 teeth, and the tooth numbers are depicted in FIG. 14 for reference.
The horizontal axis of the acceleration profile graph and the angle profile graph is time, which can also be thought of as mechanical angle (the actual angle around axis 24a).
The acceleration profile graph shows a change in acceleration about one axis measured by the triaxial acceleration sensor 441. The control unit 12 generates an acceleration profile about the three axes of the triaxial acceleration sensor 441, but graphs of the acceleration profiles about the other two axes are not shown.
12, the measurement results of the acceleration sensor 441 are a plurality of discrete instantaneous values. The measurement results of the acceleration sensor 441 are periodically received by the gear failure determination device 10 via BLE wireless transmission. Therefore, the control unit 12 rearranges the measurement results of the acceleration sensor 441 while the shaft 24a rotates multiple times, based on the time point at which the measurement results are received, and connects the rearranged instantaneous values of acceleration together, thereby generating an acceleration profile per one rotation (360°) of the shaft 24a.
図14の角度プロファイルのグラフは、角度センサ443の25個の読み取り器が計測した角度(電気角)の変化を示す。
図12に示すように、角度センサ443の計測結果は離散的な複数の瞬時値である。角度センサ443の計測結果は、周期的にBLE無線送信で、歯車故障判断装置10に受信される。したがって、制御部12は、計測結果の受信時点を基準として、軸24aが複数回、回転する間の角度センサ443の計測結果を並べ替えて、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転(360°)あたりの角度プロファイルを生成することができる。
角度センサ443は、軸24aの軸線周りに等角間隔に配置された25個の読み取り器を有するので、25個の読み取り器の計測結果から生成された角度プロファイルは、軸24aの1回転(機械角360°の角度変位)の間に、25個のほぼ直線状の斜めのセグメントを有する。各セグメントは、25個の読み取り器が計測した電気角(絶対角)の瞬時値から構成された0°から360°の電気角の変位を有する。
The angle profile graph of FIG. 14 shows the change in angle (electrical angle) measured by the 25 readers of the angle sensor 443.
12, the measurement results of the angle sensor 443 are a plurality of discrete instantaneous values. The measurement results of the angle sensor 443 are periodically received by the gear failure determination device 10 via BLE wireless transmission. Therefore, the control unit 12 rearranges the measurement results of the angle sensor 443 while the shaft 24a rotates multiple times, based on the time point at which the measurement results are received, and connects the rearranged instantaneous values of the angles to generate an angle profile per one rotation (360°) of the shaft 24a.
Since the angle sensor 443 has 25 readers arranged at equal angular intervals around the axis of the shaft 24a, the angle profile generated from the measurement results of the 25 readers has 25 approximately linear diagonal segments during one rotation of the shaft 24a (angle displacement of 360° mechanical angle), with each segment having a displacement of an electrical angle from 0° to 360° composed of instantaneous values of the electrical angle (absolute angle) measured by the 25 readers.
図15は、本発明の実施形態ではなく、高分解能で高サンプリング周波数の高額な加速度センサと角度センサで、軸24aの1回転(360°)の間、連続的に計測された結果から得られた加速度プロファイルのグラフと角度プロファイルのグラフを示す。測定対象の歯車22は22個の歯を有し、参考のため歯番号を図15に描写する。角度センサは、1個の読み取り器を有する。
図14と図15の比較から明らかなように、本実施形態に係る低分解能で低サンプリング周波数の低性能の加速度センサと角度センサで繰り返し計測することにより得られた加速度プロファイルと角度プロファイルは、高分解能で高サンプリング周波数の高額な加速度センサと角度センサで計測することにより得られた加速度プロファイルと角度プロファイルに比べて、遜色ない精度を有する。
15 shows graphs of an acceleration profile and an angle profile obtained by continuous measurement over one rotation (360°) of the shaft 24a using an expensive acceleration sensor and angle sensor with high resolution and high sampling frequency, which are not an embodiment of the present invention. The gear 22 to be measured has 22 teeth, and the tooth numbers are depicted in FIG. 15 for reference. The angle sensor has one reader.
As is clear from a comparison between Figures 14 and 15, the acceleration profile and angle profile obtained by repeated measurements using the low-performance acceleration sensor and angle sensor with low resolution and low sampling frequency in this embodiment have accuracy that is comparable to that of the acceleration profile and angle profile obtained by measurement using an expensive acceleration sensor and angle sensor with high resolution and high sampling frequency.
歯車故障判断装置10の制御部(故障判断部)12は、加速度プロファイルと角度プロファイルに基づいて、歯車の故障を判断する。
次に、歯車故障判断装置10の制御部12が実行する故障判断処理について、図16を用いて説明する。本実施形態では、歯車の歯毎に故障を検出するために、Per-tooth法(Per-tooth評価法)と称される手法を用いる。
まず、制御部12は、角度プロファイル(図14)の計測角度(電気角)を機械角φ(t)に換算する。この換算は、限定されないが、電気角の差分を累積した値を360で除算して、余りを求めることで行われる(処理490)。
制御部12は、加速度プロファイルの計測加速度値a(t)と、処理490で得られた機械角φ(t)と、加速度プロファイルと角度プロファイルの時間tを関連付けて、記憶部13に記憶する(処理500)。図では、1つの軸に関する加速度値a(t)のみ示し、他の2軸に関する加速度値の図示は省略されている。
The control unit (fault determination unit) 12 of the gear fault determination device 10 determines a fault in the gear based on the acceleration profile and the angle profile.
Next, the fault determination process executed by the control unit 12 of the gear fault determination device 10 will be described with reference to Fig. 16. In this embodiment, a method called the Per-tooth method (Per-tooth evaluation method) is used to detect a fault for each tooth of a gear.
First, the control unit 12 converts the measured angle (electrical angle) of the angle profile ( FIG. 14 ) into a mechanical angle φ(t) by, but not limited to, dividing the accumulated value of the electrical angle differences by 360 and finding the remainder (process 490).
The control unit 12 associates the measured acceleration value a(t) of the acceleration profile, the mechanical angle φ(t) obtained in process 490, and the time t of the acceleration profile and the angle profile, and stores them in the storage unit 13 (process 500). In the figure, only the acceleration value a(t) for one axis is shown, and the acceleration values for the other two axes are omitted.
歯車故障判断装置10のユーザは、歯車の歯の数を入力部11を用いて入力する(処理510)。必須ではないが、歯の角度オフセット値を入力する場合もある。歯の角度オフセット値とは、特定の既知の歯がどの絶対角度位置に位置しているかを示す(把握する)ための校正値(キャリブレーション値)である。角度オフセット値については、図17と図18を用いて後述する。 The user of the gear failure determination device 10 inputs the number of gear teeth using the input unit 11 (process 510). Although not required, a tooth angle offset value may also be input. The tooth angle offset value is a calibration value for indicating (understanding) at which absolute angle position a specific known tooth is located. The angle offset value will be described later with reference to Figures 17 and 18.
制御部(マップ生成部)12は、角度と歯のマップ(角度と歯のマッピング関数)を作成する(処理520)。
図17および図18は角度と歯のマップの例を示す図である。図17のマップの縦軸は22個の歯を示し、横軸は軸角度位置(相対値)を示す。図17は角度オフセット値を用いずに作成したマップである。角度オフセット値を用いないと、マップ作成時に軸角度=0度の位置にある歯を1番の歯とする。
図18のマップの縦軸は22個の歯を示し、横軸は軸角度位置(絶対値)を示す。つまり、図18は角度オフセット値を用いて作成したマップである。図18のマップを作成する場合、歯車の歯には予め番号(または印)を付けておく(図18の例では歯番号:1番~22番)。マップ作成時に軸角度=0度の位置にある歯は、図18の例では、20番の歯である。つまり1番の歯は44.6度(絶対角度)で噛み合いを開始するので、図18のマップを使用する場合は、ユーザは、処理510において角度オフセット値として44.6度を入力部11に入力することになる。
The control unit (map generating unit) 12 creates a map of angles and teeth (a mapping function of angles and teeth) (process 520).
Figures 17 and 18 are diagrams showing examples of angle vs. tooth maps. The vertical axis of the map in Figure 17 shows 22 teeth, and the horizontal axis shows shaft angle position (relative value). Figure 17 shows a map created without using an angle offset value. If an angle offset value is not used, the tooth at shaft angle = 0 degrees when the map is created would be tooth number 1.
The vertical axis of the map in Fig. 18 indicates the 22 teeth, and the horizontal axis indicates the shaft angle position (absolute value). That is, Fig. 18 is a map created using angle offset values. When creating the map in Fig. 18, the gear teeth are numbered (or marked) in advance (tooth numbers 1 to 22 in the example in Fig. 18). The tooth at the position where shaft angle = 0 degrees when the map is created is tooth number 20 in the example in Fig. 18. That is, tooth number 1 starts meshing at 44.6 degrees (absolute angle), so when using the map in Fig. 18, the user will input 44.6 degrees as the angle offset value into input unit 11 in process 510.
図17および図18に示すように、歯車は1周で360度なので、360度を22で割った線分Sが22個できる。図17および図18は、軸角度位置が決まると、22個の歯のうちの1つの歯が決まるので、マッピング関数を表していると言える。つまり、処理520によりマッピング関数が生成される。制御部12は、図17のマップまたは図18のマップを使用する。図17のマップを使用した場合、歯車のどの歯が破損しているのかが分からないが、歯車に破損した歯が含まれていることは分かる。図18のマップを使用した場合、歯車のどの歯が破損しているのかが分かる。以下の記載においては、図18のマップを使用すると想定する。 As shown in Fig. 17 and Fig. 18, one revolution of the gear is 360 degrees, so 22 line segments S are created by dividing 360 degrees by 22. Fig. 17 and Fig. 18 can be said to represent a mapping function, because when the shaft angle position is determined, one of the 22 teeth is determined. In other words, the mapping function is generated by process 520. The control unit 12 uses the map in Fig. 17 or the map in Fig. 18. When the map in Fig. 17 is used, it is not possible to know which tooth of the gear is damaged, but it is possible to know that the gear contains a damaged tooth. When the map in Fig. 18 is used, it is possible to know which tooth of the gear is damaged. In the following description, it is assumed that the map in Fig. 18 is used.
角度と歯のマップ(マッピング関数)を生成した後、制御部12は、歯毎の平均加速度信号強度を算出する(処理530)。平均加速度信号強度は、以下、加速度信号強度と称する。加速度信号強度の算出において入力として用いる数値および情報は、処理500で記憶部13に記憶された機械角φ(t)と計測加速度値a(t)と、図18のマップである。k番目の歯の加速度信号強度の算出は、Per-tooth法に従い、式(1)を用いて行う。
ここで、P(tooth=k)はk番目の歯の加速度信号強度(acceleration signal power)であり、s(φ(i))はあるサンプル角度位置φ(i)における計測加速度値である。tooth(φ(i))は、サンプル角度位置φ(i)におけるマッピング関数の値である。サンプル角度位置φ(i)がk番目の歯に対応しない場合、tooth(φ(i))はkに等しくないので、s(φ(i))は0になる。サンプル角度位置φ(i)がk番目の歯に対応する場合、tooth(φ(i))はkに等しいので、s(φ(i))は計測加速度値(a(i))になる。nsamples,kは、条件(*)に合致する計測加速度値のサンプル数(k番目の歯に対応する計測加速度値のサンプル数)を示している。 Here, P (tooth=k) is the acceleration signal power of the k-th tooth, and s(φ(i)) is the measured acceleration value at a certain sample angular position φ(i). tooth(φ(i)) is the value of the mapping function at the sample angular position φ(i). If the sample angular position φ(i) does not correspond to the k-th tooth, tooth(φ(i)) is not equal to k, so s(φ(i)) is 0. If the sample angular position φ(i) corresponds to the k-th tooth, tooth(φ(i)) is equal to k, so s(φ(i)) is the measured acceleration value (a(i)). n samples,k indicates the number of samples of the measured acceleration value that meets the condition (*) (the number of samples of the measured acceleration value corresponding to the k-th tooth).
式(1)により、1つの歯に対応するすべての計測加速度値(サンプル値)が平方されて合計され、1つの歯に対応する計測加速度値のサンプル数で除算されて、1つの歯当たりの加速度信号強度を得ることができる。つまり、k番目の歯の加速度信号強度を得ることができる。この計算を歯車の各歯について行うので、22個の歯の加速度信号強度値Pのリストを作成することができる。つまり、処理530により、22個の歯の加速度信号強度を得ることができる。
図16の符号540は、式(1)で使用される値を、歯毎に示している。
According to equation (1), all the measured acceleration values (sample values) corresponding to one tooth are squared and summed, and then divided by the number of measured acceleration value samples corresponding to one tooth to obtain the acceleration signal strength per tooth. That is, the acceleration signal strength of the kth tooth can be obtained. This calculation is performed for each tooth of the gear, so that a list of acceleration signal strength values P of 22 teeth can be created. That is, the acceleration signal strengths of the 22 teeth can be obtained by process 530.
Reference number 540 in FIG. 16 indicates the values used in equation (1) for each tooth.
本実施形態では、上記のように、加速度センサ441は、3軸(X/Y/Z軸)のそれぞれで計測加速度値を取得するように構成されている。X軸、Y軸、Z軸に対して取得される計測加速度値をそれぞれ、x(φ(i))、y(φ(i))、z(φ(i))とする。k番目の歯(tooth(φ(i))=k)の場合に、式(1)におけるs(φ(i))を、これらの計測加速度値の合成(ベクトル合成)として定義する。このとき、s(φ(i))は以下の式(2)のように表される。
よって、3軸のそれぞれで取得された計測加速度値x(φ(i))、y(φ(i))、z(φ(i))を用いると、式(2)を考慮した式(1)の加速度信号強度は、以下の式(3)のように表される。
式(3)の計算が終了すると、図16の処理550が行われる。この処理により、相対信号強度係数(relative signal power values)を計算する。この信号強度係数は、歯の損傷を表す指標となる。歯と歯が噛み合うと、歯に損傷が無くても振動が発生する。正常な歯から発生する振動と、異常な歯から発生する振動を容易に区別できるように、本実施形態では、処理550を行う。具体的には、処理550では、まず、制御部(第2算出部)12は、式(4)の計算を行う。すなわち、全ての歯の加速度信号強度の平均値P ̄を計算する。
次に、制御部(第3算出部)12は、式(5)を用いて、各歯について相対信号強度係数Prel(k)を計算する。
相対信号強度係数Prel(k)は次のような特性を表す係数である。
歯kの信号強度が平均加速度信号強度に一致するなら、Prel(k)= 0となる。
歯kの信号強度が平均加速度信号強度の2倍である場合、Prel(k)=1となる。
歯kの信号強度が平均加速度信号強度の3倍である場合、Prel(k)=2となる。
以下、同様にPrel(k)が3、4、・・・となる。
歯kの信号強度が平均加速度信号強度より低い場合、Prel(k)の値は0より小さい値を取り得る(つまり、Prel(k)=0ではなくPrel(k)<0となり得る)。
従って、平均振動基準がゼロになるように正規化すれば、Prel(k)の値は、各歯の正常・異常の評価を簡単に行うための数値として使用できる。当該評価は、作業者の判断に基づく評価でもよいし、自動評価でもよい(例えば、閾値を設定し、Prel(k)の値が閾値以上なら異常という評価をしてもよい)。
このように、本実施形態によれば、相対信号強度係数は、個々の歯の状態を示す損傷指標値として使用され、加速度信号強度の歯毎の評価(Per-tooth評価)が可能になる。
The relative signal strength coefficient P rel (k) is a coefficient that represents the following characteristics.
If the signal strength of tooth k matches the average acceleration signal strength, then P rel (k)=0.
If the signal strength at tooth k is twice the average acceleration signal strength, then P rel (k)=1.
If the signal strength at tooth k is three times the average acceleration signal strength, then P rel (k)=2.
Similarly, P rel (k) becomes 3, 4, . . .
If the signal strength of tooth k is lower than the average acceleration signal strength, then the value of P rel (k) can be less than 0 (ie, P rel (k)<0 instead of P rel (k)=0).
Therefore, if the average vibration standard is normalized to zero, the value of P rel (k) can be used as a numerical value to easily evaluate whether each tooth is normal or abnormal. The evaluation can be based on the judgment of an operator or can be automatic (for example, a threshold value can be set and if the value of P rel (k) is equal to or greater than the threshold value, it can be evaluated as abnormal).
Thus, according to this embodiment, the relative signal strength coefficient is used as a damage index value indicating the condition of each individual tooth, making it possible to evaluate the acceleration signal strength for each tooth (per-tooth evaluation).
次に、上記した実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、軸24aが複数回、回転する間に加速度センサ441に計測された加速度の多数の瞬時値と角度センサ443に計測された角度の多数の瞬時値が蓄積される。歯車の故障箇所は、360°の角度範囲のいずれかの角度位置での加速度の異常として検出される。軸24aの複数回の回転では、歯車の故障箇所に対応する加速度の異常および歯車の故障箇所に対応する角度が繰り返し計測されることになる。本実施形態においては、軸24aの複数回の回転で蓄積された加速度の多数の瞬時値を並べ替え、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることで、加速度センサ441の性能が低くても、軸24aの1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを生成することができる。また、軸24aの複数回の回転で蓄積された角度の多数の瞬時値を並べ替え、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることで、角度センサ443の性能が低くても、軸24aの1回転あたりの角度の変化を表す角度プロファイルを生成することができる。このようにして得られた互いに同期している角度プロファイルと加速度プロファイルに基づいて、歯車の故障を精度よく判断することができる。すなわち軸24aの回転中どの角度でどのような振動が起きているのかを適切に把握することができ、異常発生箇所(角度)を適切に特定することができる。また、角度プロファイルと加速度プロファイルは同期しているので、軸24aの回転数が変動しても異常発生個所を特定することができる。
Next, the effects of the above-described embodiment will be described.
In this embodiment, a large number of instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor 441 and a large number of instantaneous values of angles measured by the angle sensor 443 are accumulated while the shaft 24a rotates multiple times. A faulty part of the gear is detected as an acceleration abnormality at any angle position in an angle range of 360°. In multiple rotations of the shaft 24a, an acceleration abnormality corresponding to the faulty part of the gear and an angle corresponding to the faulty part of the gear are repeatedly measured. In this embodiment, even if the performance of the acceleration sensor 441 is low, an acceleration profile representing the change in acceleration per rotation of the shaft 24a can be generated by rearranging a large number of instantaneous values of acceleration accumulated in multiple rotations of the shaft 24a and connecting the rearranged instantaneous values of acceleration. In addition, even if the performance of the angle sensor 443 is low, an angle profile representing the change in angle per rotation of the shaft 24a can be generated by rearranging a large number of instantaneous values of angles accumulated in multiple rotations of the shaft 24a and connecting the rearranged instantaneous values of angles. Based on the thus obtained angle profile and acceleration profile, which are synchronized with each other, a gear failure can be accurately determined. That is, it is possible to properly grasp what kind of vibration occurs at what angle during the rotation of the shaft 24a, and to properly identify the location (angle) where the abnormality occurs. In addition, since the angle profile and acceleration profile are synchronized, it is possible to properly identify the location where the abnormality occurs even if the rotation speed of the shaft 24a fluctuates.
計測装置100においては、加速度センサ441による所定時間の加速度の計測のたびに、計測開始時点が変化させられる。したがって、所定時間の計測のたびに、軸24aにおける異なる角度位置での加速度の瞬時値を加速度センサ441が計測する。したがって、軸24aの複数回の回転で蓄積された加速度の多数の瞬時値を並べ替え、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることで、軸24aの1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを容易に生成することができる。
また、計測装置100においては、角度センサ443による所定時間の角度の計測のたびに、計測開始時点が変化させられる。したがって、所定時間の計測のたびに、軸24aにおける異なる角度位置での角度の瞬時値を角度センサ443が計測する。したがって、軸24aの複数回の回転で蓄積された角度の多数の瞬時値を並べ替え、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることで、軸24aの1回転あたりの角度の変化を表す角度プロファイルを容易に生成することができる。
In the measurement device 100, the measurement start time is changed each time the acceleration sensor 441 measures the acceleration for a predetermined time. Therefore, the acceleration sensor 441 measures the instantaneous value of the acceleration at a different angular position on the axis 24a each time a measurement is performed for a predetermined time. Therefore, by rearranging a large number of instantaneous values of acceleration accumulated over multiple rotations of the axis 24a and connecting the rearranged instantaneous values of acceleration, it is possible to easily generate an acceleration profile that represents the change in acceleration per rotation of the axis 24a.
Furthermore, in the measurement device 100, the measurement start time point is changed each time the angle sensor 443 measures the angle for a predetermined time. Therefore, the angle sensor 443 measures the instantaneous value of the angle at a different angular position on the shaft 24a each time a measurement is performed for a predetermined time. Therefore, by rearranging a large number of instantaneous values of the angle accumulated over multiple rotations of the shaft 24a and connecting the rearranged instantaneous values of the angle, it is possible to easily generate an angle profile that represents the change in angle per rotation of the shaft 24a.
計測装置100において、加速度センサ441と角度センサ443のサンプリング周期は同じであり、加速度センサ441と角度センサ443によって同時に計測された加速度の瞬時値と角度の瞬時値は関連付けられて記憶部230に記憶される。そして、記憶部230に記憶された計測値の生データ(加速度の離散的な複数の瞬時値と角度の離散的な複数の瞬時値が時間軸上で関連付けられている)は、歯車故障判断装置10に転送され、歯車故障判断装置10の記憶部13に蓄積される。したがって、歯車故障判断装置10では、制御部12が同期した加速度プロファイルと角度プロファイルを容易に生成することができる。 In the measurement device 100, the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 have the same sampling period, and the instantaneous acceleration and angle values measured simultaneously by the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 are associated and stored in the memory unit 230. The raw data of the measurement values stored in the memory unit 230 (multiple discrete instantaneous acceleration values and multiple discrete instantaneous angle values associated on the time axis) is then transferred to the gear failure judgment device 10 and accumulated in the memory unit 13 of the gear failure judgment device 10. Therefore, in the gear failure judgment device 10, the control unit 12 can easily generate synchronized acceleration and angle profiles.
本実施形態では、X軸、Y軸、Z軸のそれぞれの加速度を計測する3軸加速度センサ441によって、歯車の故障箇所を精度よく判断することができる。 In this embodiment, the location of a fault in the gear can be determined with high accuracy using a three-axis acceleration sensor 441 that measures the acceleration of each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis.
角度センサ443は、軸24aの軸線周りに等角間隔に配置された複数の読み取り器を有するので、個々の読み取り器の分解能が低くても、歯車故障判断装置10は高精度な角度プロファイルを生成することができる。 The angle sensor 443 has multiple readers arranged at equal angular intervals around the axis of the shaft 24a, so even if the resolution of each reader is low, the gear fault determination device 10 can generate a highly accurate angle profile.
本実施形態の計測装置100(加速度センサ441、角度センサ443、回路基板群140等)は第1軸受25に内蔵されている。また、軸受部250の外輪250Aと内輪250Bとの相対的な回転を利用して発電する発電部149で得られた電気が、加速度センサ441、角度センサ443、Z相検出器444等に給電するエネルギ源となるので、軸受部250またはその周辺に大きなエネルギ源を設ける必要がない。よって、計測装置100の小型化と省電力化を実現することができる。
このように、自己発電機能を有するデータ無線送信型の計測装置100は、自己発電機能により生成された微小な電力を用いて、加速度と角度の計測および計測されたデータを、故障判断装置10へ無線送信することができる。自己発電機能によって、長期にわたって(少なくとも軸24aの複数回の回転の間)、加速度センサ441を加速度の計測に使用することができる。
また、加速度センサ441と角度センサ443による所定期間の計測のたびに蓄電池150による加速度センサ441、角度センサ443、Z相検出器444等への給電が停止されて、発電部149で発生した電気の蓄電池150への充電が行われるので、蓄電池150の蓄電可能な電荷量が小さくてもよい。
さらに、加速度センサ441と角度センサ443による計測の間、CPU455はスリープ状態になるので、蓄電池150の蓄電可能な電荷量が小さくてもよい。
The measuring device 100 of this embodiment (acceleration sensor 441, angle sensor 443, circuit board group 140, etc.) is built into the first bearing 25. Moreover, electricity obtained by power generating unit 149, which generates electricity by utilizing the relative rotation between outer ring 250A and inner ring 250B of bearing portion 250, becomes the energy source that supplies power to acceleration sensor 441, angle sensor 443, Z-phase detector 444, etc., so there is no need to provide a large energy source at or near bearing portion 250. Therefore, it is possible to realize a compact measuring device 100 with low power consumption.
In this way, the data wireless transmission type measurement device 100 having a self-power generation function can use the minute power generated by the self-power generation function to measure acceleration and angle and wirelessly transmit the measured data to the failure determination device 10. The self-power generation function allows the acceleration sensor 441 to be used to measure acceleration for a long period of time (at least for multiple rotations of the shaft 24a).
Furthermore, each time the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 perform measurements for a specified period, the power supply from the storage battery 150 to the acceleration sensor 441, the angle sensor 443, the Z-phase detector 444, etc. is stopped, and the electricity generated by the power generation unit 149 is charged to the storage battery 150. Therefore, the amount of charge that can be stored in the storage battery 150 may be small.
Furthermore, since the CPU 455 goes into a sleep state during measurements by the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443, the amount of charge that can be stored in the storage battery 150 may be small.
計測装置100は、マイコン451に加速度センサ441、温度センサ442、角度センサ443を接続することで構成全体の小型化に貢献している。そのため、カバー(デバイス筐体)110が小型であっても同一筐体内に計測装置100を格納することが可能である。
さらに、各センサから取得した計測値は、無変換データのまま記憶部230に記憶している。そのため、データ記憶時に、例えば16進数表記から10進数表記への変換などのデータ処理が不要であり、高速なデータ格納が可能である。また、データ処理による負荷を軽減させることができるとともに、消費電力を低減させることができる。
The measurement device 100 contributes to miniaturization of the entire configuration by connecting an acceleration sensor 441, a temperature sensor 442, and an angle sensor 443 to a microcomputer 451. Therefore, even if the cover (device housing) 110 is small, the measurement device 100 can be stored in the same housing.
Furthermore, the measured values obtained from each sensor are stored in the storage unit 230 as unconverted data. Therefore, when storing data, data processing such as conversion from hexadecimal notation to decimal notation is not required, and high-speed data storage is possible. In addition, the load due to data processing can be reduced, and power consumption can be reduced.
計測装置100は、DMA転送によりデータ取得およびデータ格納を行うことできるため、CPU455の負荷を軽減することができる。
つまり、本実施形態における計測装置100は、安価なMEMSセンサや低消費電力のマイコンにより構成することが可能である。
計測装置100は、加速度センサ441を振動源の間近に設置できる(振動励起点に物理的に近い位置に設置できる)ので、歯車変速機構20のハウジング21の外表面に振動センサ(例えば、歯車同士が噛合う作用線方向でのセンシングを行う高性能センサ)を設置する場合と比較して、S/N比が高い信号を取得できる。従って、安価なMEMS加速度センサを用いても、信頼できる歯車診断ができる。
The measuring device 100 can acquire and store data by DMA transfer, thereby reducing the load on the CPU 455 .
In other words, the measuring device 100 in this embodiment can be configured using an inexpensive MEMS sensor and a low-power consumption microcomputer.
Since the measurement device 100 can install the acceleration sensor 441 very close to the vibration source (can be installed at a position physically close to the vibration excitation point), it can acquire a signal with a higher S/N ratio than when a vibration sensor (for example, a high-performance sensor that performs sensing in the direction of the action line where the gears mesh) is installed on the outer surface of the housing 21 of the gear transmission mechanism 20. Therefore, reliable gear diagnosis is possible even when an inexpensive MEMS acceleration sensor is used.
本実施形態で採用している歯車診断アルゴリズムはPer-tooth法であり、以下のような利点を有する。
異常な歯の特定ができる。低い計算コストで診断できる。従来、歯車診断において行われている正常な歯車の振動データとの比較を行わず、単独の評価結果から異常判定ができる.
低い計算コストで診断できるとは、四則演算で診断ができるということを意味している。つまり、FFT(高速フーリエ変換)のような高い計算コストを必要としない。また、図16の処理は、僅かな数学的計算しか必要としないので、低電力での計算を可能にする。
また、本実施形態によれば、3軸それぞれについて計測された計測加速度値を用いて、Per-tooth法により、歯車判断を行う。3軸のデータを用いことにより、単軸のデータがPeak-Peak値の異常を捉えることができない場合であっても、他の軸のデータが、それを補うことで高い診断感度を実現することが可能となる。
The gear diagnosis algorithm used in this embodiment is the Per-tooth method, which has the following advantages:
Abnormal teeth can be identified. Diagnosis can be made with low calculation cost. Abnormalities can be determined from the evaluation results alone, without the need to compare with vibration data of normal gears, as was previously done in gear diagnosis.
Being able to perform diagnosis at low computational cost means that diagnosis can be performed using arithmetic operations. In other words, high computational costs such as FFT (Fast Fourier Transform) are not required. In addition, the process of FIG. 16 requires only a small number of mathematical calculations, which enables calculations at low power.
Furthermore, according to this embodiment, gear type judgment is performed by the Per-tooth method using acceleration values measured for each of the three axes. By using data from three axes, even if data from a single axis cannot detect an abnormality in the peak-peak value, data from the other axes can compensate for it, thereby achieving high diagnostic sensitivity.
また、加速度センサ441をハウジング21の表面に取り付けないので、ハウジング21がどのような形状であっても、システム30を採用することができ、ハウジング21の形状は故障診断の精度に無関係である。
歯車変速機構20のハウジング21に加速度センサを設置すると、歯車の噛合い点から加速度センサまでの間にハウジング21が存在するため、振動経路の影響を受けため、高級な高性能センサが必要となる。本実施形態では加速度センサ441が第1軸受25に内蔵されているので、加速度センサ441は第1歯車22の間近で振動を計測することができる。加速度センサ441は、振動伝達経路の影響を受けないので、高級な高性能センサである必要がない。つまり、安価な加速度センサでよい。安価な加速度センサでも、正確に振動を検出できるので、故障判断も正確に行うことができる。
本実施形態では、安価な加速度センサとして、MEMS加速度センサを採用しているので、センサ位置だけでなくコスト面でも、優れている。
Furthermore, since the acceleration sensor 441 is not attached to the surface of the housing 21, the system 30 can be used regardless of the shape of the housing 21, and the shape of the housing 21 is irrelevant to the accuracy of fault diagnosis.
If an acceleration sensor is installed in the housing 21 of the gear transmission mechanism 20, the housing 21 exists between the meshing point of the gears and the acceleration sensor, so it is affected by the vibration path, and a high-end, high-performance sensor is required. In this embodiment, the acceleration sensor 441 is built into the first bearing 25, so the acceleration sensor 441 can measure vibrations in close proximity to the first gear 22. The acceleration sensor 441 does not need to be a high-end, high-performance sensor because it is not affected by the vibration transmission path. In other words, an inexpensive acceleration sensor will suffice. Even an inexpensive acceleration sensor can accurately detect vibrations, so fault determination can also be performed accurately.
In this embodiment, since a MEMS acceleration sensor is used as an inexpensive acceleration sensor, it is excellent not only in terms of sensor position but also in terms of cost.
また、加速度センサ441は第1軸受25の外輪250Aに設置されている。この場所は、通常、歯車の噛み合い部に最も近い非回転機械要素の1つであり、取得できる振動は歯車の噛合い振動と言ってもよい。振動源の近くで加速度を計測することで,ハウジングなどの振動伝達経路の影響を受けない。 The acceleration sensor 441 is also installed on the outer ring 250A of the first bearing 25. This location is usually one of the non-rotating mechanical elements closest to the gear meshing portion, and the vibration that can be obtained can be said to be gear meshing vibration. By measuring the acceleration close to the vibration source, it is not affected by the vibration transmission path such as the housing.
次に本実施形態の変形例を説明する。図19は、変形例に係る歯車故障検出システム30のうち歯車故障判断に特に関連する要素を示す。この変形例では、DMAコントローラ456の代わりに、FPGA(Field Programmable Gate Array)456Aが設けられている。
加速度センサ441は、加速度の瞬時値を計測するたびに、加速度の瞬時値をFPGA456Aに送り、FPGA(加速度タイムスタンプ生成部)456Aは、加速度センサ441から加速度の瞬時値を受け取ると、加速度センサ441が加速度の瞬時値を計測した時刻を示す加速度タイムスタンプを生成する。そして、FPGA456Aは、加速度タイムスタンプを加速度の瞬時値に関連付けて、記憶部230に記憶させる。角度センサ443は、角度の瞬時値を計測するたびに、角度の瞬時値をFPGA456Aに送り、FPGA(角度タイムスタンプ生成部)456Aは、角度センサ443から角度の瞬時値を受け取ると、角度センサ443が角度の瞬時値を計測した時刻を示す角度タイムスタンプを生成する。そして、FPGA456Aは、角度タイムスタンプを角度の瞬時値に関連付けて、記憶部230に記憶させる。
Next, a modified example of this embodiment will be described. Fig. 19 shows elements of the gear failure detection system 30 according to the modified example that are particularly related to gear failure judgment. In this modified example, a field programmable gate array (FPGA) 456A is provided instead of the DMA controller 456.
The acceleration sensor 441 sends the instantaneous value of acceleration to the FPGA 456A every time it measures the instantaneous value of acceleration, and when the FPGA (acceleration timestamp generating unit) 456A receives the instantaneous value of acceleration from the acceleration sensor 441, it generates an acceleration timestamp indicating the time when the acceleration sensor 441 measured the instantaneous value of acceleration. Then, the FPGA 456A associates the acceleration timestamp with the instantaneous value of acceleration and stores it in the storage unit 230. The angle sensor 443 sends the instantaneous value of angle to the FPGA 456A every time it measures the instantaneous value of angle, and when the FPGA (angle timestamp generating unit) 456A receives the instantaneous value of angle from the angle sensor 443, it generates an angle timestamp indicating the time when the angle sensor 443 measured the instantaneous value of angle. Then, the FPGA 456A associates the angle timestamp with the instantaneous value of angle and stores it in the storage unit 230.
記憶部230に格納された加速度センサ441が計測した瞬時値と角度センサ443が計測した瞬時値は、加速度タイムスタンプと角度タイムスタンプに関連付けられたまま、無線モジュール453からBLE無線送信され、歯車故障判断装置10の通信部15で受信される。BLE無線送信は周期的に繰り返されるので、歯車故障判断装置10の通信部15は、加速度の瞬時値と角度の瞬時値を周期的に受信する。
歯車故障判断装置10の制御部12は、記憶部13に加速度センサ441が計測した加速度の瞬時値と角度センサ443が計測した角度の瞬時値を加速度タイムスタンプと角度タイムスタンプに関連付けられたまま、蓄積する。つまり、記憶部13は、加速度センサ441によって計測された加速度の瞬時値と加速度タイムスタンプを関連付け、角度センサ443によって計測された角度の瞬時値と角度タイムスタンプを関連付けて記憶する。蓄積は、軸24aが複数回、回転する間、周期的に行われる。
The instantaneous values measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous values measured by the angle sensor 443 stored in the memory unit 230 are wirelessly transmitted via BLE from the wireless module 453 while being associated with the acceleration timestamp and the angle timestamp, and are received by the communication unit 15 of the gear failure determination device 10. Since the BLE wireless transmission is repeated periodically, the communication unit 15 of the gear failure determination device 10 periodically receives the instantaneous acceleration value and the instantaneous angle value.
The control unit 12 of the gear failure determination device 10 accumulates in the memory unit 13 the instantaneous value of acceleration measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous value of the angle measured by the angle sensor 443 while they are associated with the acceleration timestamp and the angle timestamp. In other words, the memory unit 13 associates the instantaneous value of acceleration measured by the acceleration sensor 441 with the acceleration timestamp, and stores the instantaneous value of the angle measured by the angle sensor 443 in association with the angle timestamp. The accumulation is performed periodically while the shaft 24a rotates multiple times.
この変形例では、加速度センサ441と角度センサ443が同期していなくても、加速度に関するタイムスタンプと角度に関するタイムスタンプに基づいて、同期した加速度プロファイルと角度プロファイルを容易に生成することができる。
つまり、図20に示すように、加速度センサ441と角度センサ443のサンプリング周期は一致しなくてもよい。
In this modified example, even if the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 are not synchronized, synchronized acceleration profiles and angle profiles can be easily generated based on the time stamps related to acceleration and the time stamps related to angles.
In other words, as shown in FIG. 20, the sampling periods of the acceleration sensor 441 and the angle sensor 443 do not need to match.
図20に示すように、加速度センサ441のサンプリング周期よりも角度センサ443のサンプリング周期が長い場合には、加速度センサ441によって加速度の瞬時値が計測された瞬間、角度センサ443によって角度の瞬時値が計測されていないことがある。つまり、計測された加速度の瞬時値の数に対して、計測された角度の瞬時値の数が少ない。そこで、図21に示すように、歯車故障判断装置10の制御部(線形補間計算部)12は、加速度センサ441によって加速度の瞬時値が計測され、角度センサ443によって角度の瞬時値が計測されていない瞬間の角度の瞬時値を、角度センサ443によって計測された角度の2つの瞬時値から補間して計算するのが好ましい。軸24aの角度変化は時間に対してほぼ線形であるから、補間は線形補間であってよい。図21において、点Aは角度センサ443によって計測された角度の2つの瞬時値を示し、点Bは補間で得られた角度の瞬時値を示す。
制御部12は、角度センサ443によって計測された角度の2つの瞬時値に対応する角度タイムスタンプから、線形補間で得られた角度の瞬時値に対応する角度タイムスタンプを生成し、線形補間で得られた角度の瞬時値に当該角度タイムスタンプを関連付けて、記憶部13に記憶する。
As shown in FIG. 20, when the sampling period of the angle sensor 443 is longer than the sampling period of the acceleration sensor 441, the instantaneous value of the angle may not be measured by the angle sensor 443 at the moment when the instantaneous value of the acceleration is measured by the acceleration sensor 441. In other words, the number of instantaneous values of the angle measured is small compared to the number of instantaneous values of the acceleration. Therefore, as shown in FIG. 21, it is preferable that the control unit (linear interpolation calculation unit) 12 of the gear failure determination device 10 calculates the instantaneous value of the angle at the moment when the instantaneous value of the acceleration is measured by the acceleration sensor 441 and the instantaneous value of the angle is not measured by the angle sensor 443 by interpolating from the two instantaneous values of the angle measured by the angle sensor 443. Since the change in angle of the shaft 24a is approximately linear with respect to time, the interpolation may be linear. In FIG. 21, point A indicates the two instantaneous values of the angle measured by the angle sensor 443, and point B indicates the instantaneous value of the angle obtained by the interpolation.
The control unit 12 generates an angle timestamp corresponding to the instantaneous value of the angle obtained by linear interpolation from the angle timestamps corresponding to the two instantaneous values of the angle measured by the angle sensor 443, associates the angle timestamp with the instantaneous value of the angle obtained by linear interpolation, and stores it in the memory unit 13.
制御部(加速度プロファイル生成部)12は、記憶部13に蓄積された加速度の複数の瞬時値と加速度タイムスタンプを読み出して、加速度タイムスタンプを利用して、軸24aが複数回、回転する間に加速度センサ441に計測された加速度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを生成する。
また、制御部(角度プロファイル生成部)12は、記憶部13に蓄積された角度の複数の瞬時値と角度タイムスタンプを読み出して、角度タイムスタンプを利用して、軸24aが複数回、回転する間に角度センサ443に計測された角度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転あたりの計測角度値の変化を表す角度プロファイルを生成する。
加速度センサ441のサンプリング周期よりも角度センサ443のサンプリング周期が長い場合でも、制御部12は、計測された角度の瞬時値と角度タイムスタンプに加えて、線形補間によって得られた角度の瞬時値と角度タイムスタンプを利用するので、生成された角度プロファイルは、加速度プロファイルと同期している。
The control unit (acceleration profile generating unit) 12 reads out the multiple instantaneous values of acceleration and the acceleration time stamps stored in the memory unit 13, and uses the acceleration time stamps to rearrange the multiple instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor 441 while the axis 24a rotates multiple times, and connects together the rearranged instantaneous values of acceleration to generate an acceleration profile that represents the change in acceleration per rotation of the axis 24a.
In addition, the control unit (angle profile generation unit) 12 reads out multiple instantaneous angle values and angle timestamps stored in the memory unit 13, and uses the angle timestamps to rearrange multiple instantaneous angle values measured by the angle sensor 443 while the shaft 24a rotates multiple times, and by connecting the rearranged instantaneous angle values together, generates an angle profile that represents the change in the measured angle value per rotation of the shaft 24a.
Even if the sampling period of the angle sensor 443 is longer than the sampling period of the acceleration sensor 441, the control unit 12 uses the instantaneous value of the angle obtained by linear interpolation and the angle timestamp in addition to the instantaneous value of the measured angle and the angle timestamp, so that the generated angle profile is synchronized with the acceleration profile.
次に、加速度センサ441の性能の好ましい範囲を説明する。
図22は、本実施形態で得られたY軸に関する加速度プロファイルの例を示す図である。この加速度プロファイルは、歯車の歯数が22、軸の回転数が3000rpm、伝達トルクが1000Nmの条件で得られた。歯車には中程度の損傷があった。
図22の加速度プロファイルにおいて、正常振動(歯車の損傷がない状態での振動)は、-2Gから+2Gの加速度の範囲内にある。中程度の歯車損傷による異常振動は、正常振動の加速度の範囲の2倍(-4Gから+4G)から3倍(-6Gから+6G)である。
歯車の振動加速度は、伝達トルクにはあまり影響を受けず、軸の回転数、歯車の噛み合い状態、および歯車の種類によって変化しうる。図22の加速度プロファイルは、振動加速度が低い条件に対応する。それゆえ、加速度センサ441は、少なくとも正常振動の加速度の範囲の2倍である-4Gから+4Gの範囲の加速度を計測可能であれば、歯車の中程度の損傷を判断することができる。但し、加速度センサ441の計測値が長時間飽和すると、加速度センサ441の出力が不安定になる。したがって、加速度センサ441の計測可能な加速度の範囲は、少なくとも正常振動の加速度の範囲の3倍である-6Gから+6Gであると好ましい。
振動加速度が高い条件の場合、正常振動は-5.3Gから+5.3Gの加速度の範囲内にある。中程度の歯車損傷による異常振動は、正常振動の加速度の範囲の2倍(-10.6Gから+10.6G)から3倍(-16Gから+16G)である。それゆえ、加速度センサ441が-10.6Gから+10.6Gの加速度を計測可能であれば、歯車の中程度の損傷を判断することができる。但し、加速度センサ441の計測値が長時間飽和すると、加速度センサ441の出力が不安定になる。したがって、加速度センサ441の計測可能な加速度の範囲は、正常振動の加速度の範囲の3倍である-16Gから+16Gであると好ましい。
したがって、加速度センサ441の計測可能な加速度の範囲は、少なくとも-6Gから+6Gであり、多くとも-16Gから+16Gであると好ましい。
3軸加速度センサについては、3軸とも計測可能な加速度の範囲は、少なくとも-6Gから+6Gであり、多くとも-16Gから+16Gであると好ましい。このような計測可能な加速度の範囲の場合、歯車の噛み合い状態、および歯車の種類によっては、1軸の加速度計測結果だけでは、歯車の故障を識別できない場合もありうるが、3軸加速度センサによれば、歯車の故障を的確に識別することができる。
Next, a preferable range of the performance of the acceleration sensor 441 will be described.
22 shows an example of an acceleration profile for the Y axis obtained in this embodiment. This acceleration profile was obtained under the conditions of a gear with 22 teeth, a shaft rotation speed of 3000 rpm, and a transmission torque of 1000 Nm. The gear had moderate damage.
In the acceleration profile of Figure 22, normal vibration (vibration without gear damage) is in the acceleration range of -2 G to +2 G. Abnormal vibration due to moderate gear damage is two times (-4 G to +4 G) to three times (-6 G to +6 G) the acceleration range of normal vibration.
The vibration acceleration of the gears is not significantly affected by the transmission torque, and can vary depending on the rotation speed of the shaft, the meshing state of the gears, and the type of gears. The acceleration profile in FIG. 22 corresponds to a condition where the vibration acceleration is low. Therefore, if the acceleration sensor 441 can measure acceleration in the range of -4G to +4G, which is at least twice the acceleration range of normal vibration, it can determine moderate damage to the gears. However, if the measurement value of the acceleration sensor 441 becomes saturated for a long period of time, the output of the acceleration sensor 441 becomes unstable. Therefore, it is preferable that the measurable acceleration range of the acceleration sensor 441 is at least three times the acceleration range of normal vibration, which is -6G to +6G.
Under conditions of high vibration acceleration, normal vibration is within the range of acceleration from -5.3G to +5.3G. Abnormal vibration due to moderate gear damage is twice (-10.6G to +10.6G) to three times (-16G to +16G) the acceleration range of normal vibration. Therefore, if the acceleration sensor 441 can measure acceleration from -10.6G to +10.6G, moderate damage to the gear can be determined. However, if the measurement value of the acceleration sensor 441 becomes saturated for a long period of time, the output of the acceleration sensor 441 becomes unstable. Therefore, it is preferable that the measurable acceleration range of the acceleration sensor 441 is -16G to +16G, which is three times the acceleration range of normal vibration.
Therefore, the range of acceleration that can be measured by the acceleration sensor 441 is preferably at least from −6G to +6G, and at most from −16G to +16G.
For a three-axis acceleration sensor, the range of acceleration that can be measured on all three axes is preferably at least -6 G to +6 G, and at most -16 G to +16 G. In the case of such a measurable acceleration range, depending on the meshing state of the gears and the type of gears, it may not be possible to identify a gear fault with only the acceleration measurement results on one axis, but a three-axis acceleration sensor makes it possible to accurately identify a gear fault.
加速度センサ441の分解能は、計測可能な加速度の範囲の10分の1以下であることが好ましい。図22の例では、-6Gから+6Gが計測可能な加速度の範囲であるから、1.2G以下であることが好ましい。-16Gから+16Gが計測可能な加速度の範囲である場合には、3.2G以下であることが好ましい。
図23は、分解能が計測可能な加速度の範囲の5分の1である3軸加速度センサを用いて、Per-tooth法により計算された3軸それぞれの相対信号強度係数Prelを示すグラフである。図23に示すように、分解能が計測可能な加速度の範囲の5分の1であっても、3軸それぞれにおいて14番目の歯に損傷があることが判断された。
計測の精度をさらに向上するためには、加速度センサ441の分解能が計測可能な加速度の範囲の10分の1以下であることが好ましい。この場合には、Per-tooth法を利用することによって、確実に歯車の故障を検出することができる。
加速度センサ441の分解能が高ければ高いほど、歯車の故障を的確に検出することができる。しかし、分解能が高いセンサは高額である。したがって、加速度センサ441の分解能は、計測可能な加速度の範囲の4096分の1(12ビット分の1)以上であることが好ましい。
The resolution of the acceleration sensor 441 is preferably 1/10 or less of the measurable acceleration range. In the example of Fig. 22, since the measurable acceleration range is from -6G to +6G, the resolution is preferably 1.2G or less. If the measurable acceleration range is from -16G to +16G, the resolution is preferably 3.2G or less.
Fig. 23 is a graph showing the relative signal strength coefficient P rel for each of the three axes calculated by the Per-tooth method using a three-axis acceleration sensor whose resolution is one-fifth of the measurable acceleration range. As shown in Fig. 23, even though the resolution is one-fifth of the measurable acceleration range, it was determined that the 14th tooth was damaged in each of the three axes.
In order to further improve the accuracy of the measurement, it is preferable that the resolution of the acceleration sensor 441 is equal to or less than one tenth of the measurable range of acceleration. In this case, by using the Per-tooth method, it is possible to reliably detect a gear failure.
The higher the resolution of the acceleration sensor 441, the more accurately it is possible to detect a gear failure. However, a sensor with a high resolution is expensive. Therefore, it is preferable that the resolution of the acceleration sensor 441 is equal to or greater than 1/4096 (1/12 bits) of the measurable range of acceleration.
図24は、3軸の加速度プロファイルからFFT(高速フーリエ変換)によって得られた3軸のFFT結果を示すグラフである。図24の中央のY軸のFFT結果は、図22の加速度プロファイルから得られた。これらのFFT結果は、歯車の歯数が22、軸の回転数が3000rpm、伝達トルクが1000Nmの条件で得られた。歯車には中程度の損傷があった。歯車の歯数が22、軸の回転数が3000rpmであったので、噛み合い周波数は1100Hzであった。
図24の3軸のFFT結果とも、正常振動成分と異常振動成分は、噛み合い周波数の整数倍で局所的最大値を有する。特に噛み合い周波数の1倍、3倍では、局所的最大値は高い。但し、軸の回転数および/または伝達トルクによっては、噛み合い周波数の2倍で局所的最大値が高い場合もありうる。
注目すべきなのは、3軸とも、噛み合い周波数の1倍から2倍までの範囲で異常振動成分が正常振動成分を上回っていることである。この特徴は、軸の回転数および/または伝達トルクを変えても同じであった。したがって、加速度センサ441の計測可能な周波数帯域(検知帯域)は、歯車の噛み合い周波数の0.9倍以上、2.1倍以下であることが好ましく、歯車の噛み合い周波数の1倍以上、2倍以下であることがさらに好ましい。
以上のように、性能が低い加速度センサ441を本実施形態では使用することができる。
FIG. 24 is a graph showing the three-axis FFT results obtained by FFT (Fast Fourier Transform) from the three-axis acceleration profile. The Y-axis FFT results in the center of FIG. 24 were obtained from the acceleration profile in FIG. 22. These FFT results were obtained under the conditions of 22 gear teeth, 3000 rpm shaft rotation speed, and 1000 Nm transmission torque. There was moderate damage to the gears. Since the gear teeth were 22 and the shaft rotation speed was 3000 rpm, the meshing frequency was 1100 Hz.
In the three-axis FFT results in Fig. 24, the normal vibration components and the abnormal vibration components have local maximum values at integer multiples of the meshing frequency. The local maximum values are particularly high at 1 and 3 times the meshing frequency. However, depending on the shaft rotation speed and/or transmission torque, the local maximum value may be high at twice the meshing frequency.
It should be noted that for all three axes, the abnormal vibration components exceed the normal vibration components in the range from 1 to 2 times the meshing frequency. This characteristic remained the same even when the rotation speed and/or transmission torque of the axis was changed. Therefore, the measurable frequency band (detection band) of the acceleration sensor 441 is preferably 0.9 to 2.1 times the meshing frequency of the gears, and more preferably 1 to 2 times the meshing frequency of the gears.
As described above, the acceleration sensor 441 having low performance can be used in this embodiment.
実際に設定する加速度センサ441のサンプリング周波数は、理想的には噛み合い周波数の1倍であることが好ましい。但し、上記の検知帯域にあれば、加速度センサ441のサンプリング周波数は重要ではない。本実施形態および図19~図21を参照して上述した変形例では、計測された加速度の瞬時値と角度の瞬時値が同期しており、また加速度と角度の計測のたびに、計測開始時点が変化させられ、軸の多くの角度位置について加速度と角度を計測することができからである。 Ideally, the sampling frequency of the acceleration sensor 441 that is actually set should be one time the meshing frequency. However, as long as it is within the above detection band, the sampling frequency of the acceleration sensor 441 is not important. This is because in this embodiment and the modified example described above with reference to Figures 19 to 21, the measured instantaneous values of acceleration and angle are synchronized, and the measurement start point is changed each time acceleration and angle are measured, making it possible to measure acceleration and angle for many angular positions of the axis.
次に、角度センサ443の性能の好ましい範囲を説明する。
角度センサ443の各読み取り器の分解能は、図25に示すように、歯車の角度ピッチの10分の1以下であることが好ましい。また、角度センサ443の各読み取り器の繰り返し精度も歯車の角度ピッチの10分の1以下であることが好ましい。発明者は、分解能の上限と繰り返し精度の上限を調べるシミュレーションを行った。
図26はシミュレーションの基準としたY軸に関する加速度プロファイルを示すグラフである。この加速度プロファイルは、図22の加速度プロファイルと同様に、歯車の歯数が22、軸の回転数が3000rpm、伝達トルクが1000Nmの条件で得られた。歯車には中程度の損傷があった。図22の加速度プロファイルは本実施形態で得られたのに対して、図26の加速度プロファイルは、高分解能で高サンプリング周波数の高額な加速度センサと角度センサで、軸24aの1回転(360°)の間、連続的に計測された結果から得られた。
シミュレーションでは、図26に示す実際に計測された高精度の加速度プロファイルに1.8°の一様分布誤差を機械角に与えた。歯数22個の歯車の角度ピッチが16.36°であるから、1.8°は角度ピッチの9.09分の1である。図27は、このシミュレーションで得られた加速度プロファイルを示すグラフである。図26との比較から明らかなように、シミュレーション結果は基準の加速度プロファイルと類似し、このシミュレーション結果からPer-tooth法によって異常振動を検出することができた。
Next, a preferred range of performance of the angle sensor 443 will be described.
The resolution of each reader of the angle sensor 443 is preferably equal to or less than one tenth of the angular pitch of the gears, as shown in Fig. 25. The repeatability of each reader of the angle sensor 443 is also preferably equal to or less than one tenth of the angular pitch of the gears. The inventors performed a simulation to investigate the upper limit of the resolution and the upper limit of the repeatability.
Fig. 26 is a graph showing an acceleration profile for the Y-axis, which was used as the basis for the simulation. This acceleration profile was obtained under the same conditions as the acceleration profile in Fig. 22, that is, the number of teeth of the gear was 22, the rotation speed of the shaft was 3000 rpm, and the transmission torque was 1000 Nm. The gear had moderate damage. While the acceleration profile in Fig. 22 was obtained in this embodiment, the acceleration profile in Fig. 26 was obtained from the results of continuous measurements during one rotation (360°) of the shaft 24a using expensive acceleration and angle sensors with high resolution and high sampling frequency.
In the simulation, a uniformly distributed error of 1.8° was applied to the mechanical angle of the high-precision acceleration profile actually measured as shown in Figure 26. Since the angular pitch of a gear with 22 teeth is 16.36°, 1.8° is 1/9.09 of the angular pitch. Figure 27 is a graph showing the acceleration profile obtained in this simulation. As is clear from a comparison with Figure 26, the simulation results are similar to the reference acceleration profile, and abnormal vibrations could be detected from these simulation results using the Per-tooth method.
他のシミュレーションでは、図26に示す実際に計測された高精度の加速度プロファイルに2°の一様分布誤差を機械角に与えた。歯数22個の歯車の角度ピッチが16.36°であるから、2°は角度ピッチの8.18分の1である。図28は、このシミュレーションで得られた加速度プロファイルを示すグラフである。図26との比較から明らかなように、シミュレーション結果は基準の加速度プロファイルより劣化し、このシミュレーション結果からPer-tooth法によって異常振動を検出することができなかった。
したがって、角度センサ443の各読み取り器の分解能と繰り返し精度は、歯車の角度ピッチの9.09分の1以下であることが好ましく、計測の精度をさらに向上するためには10分の1以下であることがさらに好ましい。
In another simulation, a uniformly distributed error of 2° was added to the mechanical angle of the actually measured high-precision acceleration profile shown in Figure 26. Since the angular pitch of a gear with 22 teeth is 16.36°, 2° is 1/8.18 of the angular pitch. Figure 28 is a graph showing the acceleration profile obtained in this simulation. As is clear from a comparison with Figure 26, the simulation results were inferior to the reference acceleration profile, and abnormal vibrations could not be detected from this simulation result by the Per-tooth method.
Therefore, the resolution and repeatability of each reader of angle sensor 443 is preferably equal to or better than 1/9.09 of the angular pitch of the gears, and more preferably equal to or better than 1/10 to further improve the accuracy of the measurement.
分解能が高ければ高いほど、歯車の故障を的確に検出することができる。しかし、分解能が高いセンサは高額である。したがって、角度センサ443の各読み取り器の分解能は、歯車の角度ピッチの65536分の1(16ビット分の1)以上であることが好ましい。
また、繰り返し精度が高ければ高いほど、歯車の故障を的確に検出することができる。しかし、繰り返し精度が高いセンサは高額である。したがって、角度センサ443の各読み取り器の繰り返し精度は、歯車の角度ピッチの256分の1(8ビット分の1)以上であることが好ましい。
以上のように、性能が低い角度センサ443を本実施形態では使用することができる。
The higher the resolution, the more accurately gear faults can be detected. However, high-resolution sensors are expensive. Therefore, it is preferable that the resolution of each reader of the angle sensor 443 is equal to or greater than 1/65536 (1/16 bits) of the gear's angular pitch.
Also, the higher the repeatability, the more accurately gear failures can be detected. However, sensors with high repeatability are expensive. Therefore, it is preferable that the repeatability of each reader of the angle sensor 443 is equal to or greater than 1/256 (1/8 bits) of the gear's angular pitch.
As described above, the angle sensor 443 with low performance can be used in this embodiment.
図29は、実施形態のさらに他の変形例に係る歯車故障検出システム30のうち歯車故障判断に特に関連する要素を示す。この変形例では、角度センサ443が設けられておらず、Z相検出器444をタコメータとして用い、Z相検出器444が出力するZ相検出パルスに基づいて仮想的な角度プロファイルを生成する。
加速度センサ441は、加速度の瞬時値を計測するたびに、加速度の瞬時値をFPGA456Aに送り、FPGA(加速度タイムスタンプ生成部)456Aは、加速度センサ441から加速度の瞬時値を受け取ると、加速度センサ441が加速度の瞬時値を計測した時刻を示す加速度タイムスタンプを生成する。そして、FPGA456Aは、加速度タイムスタンプを加速度の瞬時値に関連付けて、記憶部230に記憶させる。Z相検出器444は、Z相用磁石162を検出してZ相検出パルスを生成するたびに(軸24aが1回転するたびに)、Z相検出パルスをFPGA456Aに送り、FPGA456Aは、Z相検出パルスを受け取ると、Z相検出器444がZ相検出パルスを生成した時刻を示すZ相タイムスタンプを生成する。そして、FPGA456Aは、Z相タイムスタンプを記憶部230に記憶させる。
29 shows elements particularly related to gear fault determination in a gear fault detection system 30 according to yet another modified example of the embodiment. In this modified example, the angle sensor 443 is not provided, and the Z-phase detector 444 is used as a tachometer to generate a virtual angle profile based on the Z-phase detection pulse output by the Z-phase detector 444.
The acceleration sensor 441 sends the instantaneous value of acceleration to the FPGA 456A every time it measures the instantaneous value of acceleration, and when the FPGA (acceleration time stamp generating unit) 456A receives the instantaneous value of acceleration from the acceleration sensor 441, it generates an acceleration time stamp indicating the time when the acceleration sensor 441 measured the instantaneous value of acceleration. Then, the FPGA 456A associates the acceleration time stamp with the instantaneous value of acceleration and stores it in the storage unit 230. Every time the Z-phase detector 444 detects the Z-phase magnet 162 and generates a Z-phase detection pulse (every time the shaft 24a rotates once), it sends the Z-phase detection pulse to the FPGA 456A, and when the FPGA 456A receives the Z-phase detection pulse, it generates a Z-phase time stamp indicating the time when the Z-phase detector 444 generated the Z-phase detection pulse. Then, the FPGA 456A stores the Z-phase time stamp in the storage unit 230.
記憶部230に格納された加速度タイムスタンプに関連付けられた加速度センサ441が計測した瞬時値と、Z相タイムスタンプは、無線モジュール453からBLE無線送信され、歯車故障判断装置10の通信部15で受信される。BLE無線送信は周期的に繰り返されるので、歯車故障判断装置10の通信部15は、加速度の瞬時値とZ相タイムスタンプを周期的に受信する。
歯車故障判断装置10の制御部12は、記憶部13に加速度タイムスタンプに関連付けられた加速度センサ441が計測した瞬時値と、Z相タイムスタンプを蓄積する。つまり、記憶部13は、加速度センサ441によって計測された加速度の瞬時値と加速度タイムスタンプを関連付けて記憶し、さらにZ相タイムスタンプを記憶する。蓄積は、軸24aが複数回、回転する間、周期的に行われる。
The instantaneous value measured by the acceleration sensor 441 associated with the acceleration timestamp stored in the memory unit 230 and the Z-phase timestamp are transmitted via BLE wireless from the wireless module 453 and received by the communication unit 15 of the gear failure determination device 10. Since the BLE wireless transmission is repeated periodically, the communication unit 15 of the gear failure determination device 10 periodically receives the instantaneous value of acceleration and the Z-phase timestamp.
The control unit 12 of the gear failure determination device 10 accumulates the instantaneous value measured by the acceleration sensor 441 associated with the acceleration time stamp and the Z-phase time stamp in the memory unit 13. That is, the memory unit 13 stores the instantaneous value of acceleration measured by the acceleration sensor 441 and the acceleration time stamp in association with each other, and further stores the Z-phase time stamp. The accumulation is performed periodically while the shaft 24a rotates multiple times.
この変形例では、角度センサで計測された角度の瞬時値がなくても、加速度に関するタイムスタンプとZ相タイムスタンプに基づいて、同期した加速度プロファイルと角度プロファイルを生成することができる。
歯車故障判断装置10の制御部(角度推定部)12は、Z相タイムスタンプの時間間隔(つまりZ相検出パルスの間隔)から軸24aの角度の瞬時値を推定する。具体的には、図30に示すように、制御部12は、Z相タイムスタンプで識別される瞬間を機械角のある周期の終わりの電気角360°、および次の周期の始まりの電気角0°と推定する。点Aは、こうしてZ相タイムスタンプを当てはめた角度の瞬時値を示す。さらに、制御部12は、加速度センサ441によって加速度の瞬時値が計測された瞬間(加速度タイムスタンプで識別される瞬間)の角度の瞬時値を、Z相タイムスタンプで識別される瞬間の角度の2つの瞬時値から補間して計算する。軸24aが等速回転する場合、軸24aの角度変化は時間に対して線形であるから、補間は線形補間であってよい。図30において、点Bは補間で得られた角度の瞬時値を示す。
制御部12は、点Aに対応する角度の瞬時値に対応するZ相タイムスタンプから、推定されたすべての角度の瞬時値に対応する角度タイムスタンプを生成する。点Aに対応する角度の瞬時値に対応する角度タイムスタンプは、Z相タイムスタンプそのものでよい。制御部12は、点Aに対応する角度の2つの瞬時値に対応する角度タイムスタンプから、線形補間で得られた角度の瞬時値に対応する角度タイムスタンプを生成し、角度の瞬時値に角度タイムスタンプを関連付けて、記憶部13に記憶する。
In this modified example, even if there is no instantaneous value of the angle measured by the angle sensor, it is possible to generate a synchronized acceleration profile and angle profile based on the acceleration timestamp and the Z-phase timestamp.
The control unit (angle estimator) 12 of the gear fault determination device 10 estimates the instantaneous value of the angle of the shaft 24a from the time interval of the Z-phase time stamps (i.e., the interval of the Z-phase detection pulses). Specifically, as shown in FIG. 30, the control unit 12 estimates the moment identified by the Z-phase time stamp as an electrical angle of 360° at the end of a certain cycle of the mechanical angle, and an electrical angle of 0° at the beginning of the next cycle. Point A indicates the instantaneous value of the angle to which the Z-phase time stamp is thus applied. Furthermore, the control unit 12 calculates the instantaneous value of the angle at the moment when the acceleration sensor 441 measures the instantaneous value of the acceleration (the moment identified by the acceleration time stamp) by interpolating from the two instantaneous values of the angle at the moment identified by the Z-phase time stamp. When the shaft 24a rotates at a constant speed, the change in the angle of the shaft 24a is linear with respect to time, so the interpolation may be linear interpolation. In FIG. 30, point B indicates the instantaneous value of the angle obtained by the interpolation.
The control unit 12 generates angle timestamps corresponding to instantaneous values of all estimated angles from the Z-phase timestamps corresponding to the instantaneous value of the angle corresponding to point A. The angle timestamp corresponding to the instantaneous value of the angle corresponding to point A may be the Z-phase timestamp itself. The control unit 12 generates angle timestamps corresponding to the instantaneous value of the angle obtained by linear interpolation from the angle timestamps corresponding to two instantaneous values of the angle corresponding to point A, and stores the angle timestamps in the storage unit 13 in association with the instantaneous value of the angle.
制御部(加速度プロファイル生成部)12は、記憶部13に蓄積された加速度の複数の瞬時値と加速度タイムスタンプを読み出して、加速度タイムスタンプを利用して、軸24aが複数回、回転する間に加速度センサ441に計測された加速度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを生成する。
また、制御部(角度プロファイル生成部)12は、記憶部13に蓄積された角度の複数の瞬時値と角度タイムスタンプを読み出して、角度タイムスタンプを利用して、軸24aが複数回、回転する間に角度センサ443に計測された角度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、軸24aの1回転あたりの計測角度値の変化を表す角度プロファイルを生成する。
The control unit (acceleration profile generating unit) 12 reads out the multiple instantaneous values of acceleration and the acceleration time stamps stored in the memory unit 13, and uses the acceleration time stamps to rearrange the multiple instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor 441 while the axis 24a rotates multiple times, and connects together the rearranged instantaneous values of acceleration to generate an acceleration profile that represents the change in acceleration per rotation of the axis 24a.
In addition, the control unit (angle profile generation unit) 12 reads out multiple instantaneous angle values and angle timestamps stored in the memory unit 13, and uses the angle timestamps to rearrange multiple instantaneous angle values measured by the angle sensor 443 while the shaft 24a rotates multiple times, and by connecting the rearranged instantaneous angle values together, generates an angle profile that represents the change in the measured angle value per rotation of the shaft 24a.
軸24aが等速回転する場合、生成された角度プロファイルは、加速度プロファイルと同期している。
上記の加速度センサの性能の好ましい範囲は、この変形例にも当てはまる。
When the shaft 24a rotates at a uniform speed, the generated angular profile is synchronous with the acceleration profile.
The preferred ranges of acceleration sensor performance described above also apply to this variant.
他の変形例
以上、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を図示して説明したが、当業者にとって特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の変更が可能であることが理解されるであろう。このような変更、改変および修正は本発明の範囲に包含されるはずである。
Although the present invention has been shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims. All such changes, modifications and alterations are intended to be embraced within the scope of the invention.
例えば、歯車故障判断装置10はパーソナルコンピュータであるが、タブレット端末、スマートフォン、ウエラブルウォッチなどでもよい。
上記した実施形態では、計測装置100は計測値を処理せずに歯車故障判断装置10に送信するが、歯車故障判断装置10が行う処理の一部を計測装置100内で実行してもよい。つまり、計測装置100は、歯車故障判断装置10の機能の一部を備えていてもよい。例えば、図16で示した処理をマイコン451で行ってもよい。図16の処理は、計算処理が少ないので、消費電力は小さい。したがって、第1軸受25が自己発電する電力が十分大きければ、マイコン451が図16の処理を行ってもよい。このような構成は、オンベアリングデータ処理(on-bearing data processing)と称することができる。このような構成を採用すると、計測装置100から歯車故障判断装置10へ送信されるデータの量が、かなり少なくなる。なぜなら、1回の計測毎に何千もの角度データおよび加速度データが、(各軸について)歯毎に1つのスカラー値に凝縮されるからである。
計測時間は、記憶部230の容量や消費電力に応じて適宜設定することができる。
For example, the gear failure determination device 10 is a personal computer, but it may also be a tablet terminal, a smartphone, a wearable watch, etc.
In the above embodiment, the measurement device 100 transmits the measurement values to the gear fault judgment device 10 without processing them, but part of the processing performed by the gear fault judgment device 10 may be executed within the measurement device 100. In other words, the measurement device 100 may have part of the functions of the gear fault judgment device 10. For example, the processing shown in FIG. 16 may be performed by the microcomputer 451. The processing in FIG. 16 requires less calculation processing, so the power consumption is small. Therefore, if the power self-generated by the first bearing 25 is sufficiently large, the microcomputer 451 may perform the processing in FIG. 16. Such a configuration can be called on-bearing data processing. When such a configuration is adopted, the amount of data transmitted from the measurement device 100 to the gear fault judgment device 10 is significantly reduced. This is because thousands of angle data and acceleration data are condensed into one scalar value per tooth (for each axis) for each measurement.
The measurement time can be set appropriately depending on the capacity and power consumption of the storage unit 230 .
温度センサ442は設けなくてもよい。
図6において、平滑回路262と電源管理IC263の間に保護回路を設けてもよい。図6では、磁石MとコイルCの相対回転により電磁誘導発電を行っている。このため、コイルCの回転数の上昇に伴い、起電力も比例増加する。第1軸24aに繋がっている機器が何らかの理由により故障し、第1軸24aが想定を超える回転数で回転し、当該回転に比例して磁石MとコイルCの起電力が増加すると、電源管理IC263の入力限界を超える起電力が電源管理IC263に入力され、測定装置100が破損する可能性がある。当該破損を回避するために、つまり、想定を超える起電力が発生しても、測定装置100が破損しないようにするために、平滑回路262と電源管理IC263の間に保護回路を設けてもよい。この保護回路は入力保護回路であり、種々の方式の保護回路を採用することができる。例えば、保護回路としてツェナーダイオードを平滑回路262と電源管理IC263の間に設ける。ツェナーダイオードは、所定の値を超える入力電圧を熱に変換して消費することで、測定装置100を保護する保護回路として機能する。
The temperature sensor 442 may not be provided.
In FIG. 6, a protection circuit may be provided between the smoothing circuit 262 and the power management IC 263. In FIG. 6, electromagnetic induction power generation is performed by the relative rotation of the magnet M and the coil C. Therefore, as the rotation speed of the coil C increases, the electromotive force also increases proportionally. If the device connected to the first axis 24a breaks down for some reason, the first axis 24a rotates at a rotation speed that exceeds the expected rotation speed, and the electromotive force of the magnet M and the coil C increases in proportion to the rotation, an electromotive force that exceeds the input limit of the power management IC 263 is input to the power management IC 263, and the measuring device 100 may be damaged. In order to avoid such damage, that is, to prevent the measuring device 100 from being damaged even if an electromotive force that exceeds the expected value is generated, a protection circuit may be provided between the smoothing circuit 262 and the power management IC 263. This protection circuit is an input protection circuit, and various types of protection circuits can be adopted. For example, a Zener diode is provided as a protection circuit between the smoothing circuit 262 and the power management IC 263. The Zener diode functions as a protection circuit that protects the measuring device 100 by converting an input voltage exceeding a predetermined value into heat and dissipating the heat.
10 歯車故障判断装置
12 制御部(加速度プロファイル生成部、角度プロファイル生成部、故障判断部、マップ生成部、第1算出部、第2算出部、第3算出部、角度推定部)
13 記憶部
20 歯車変速機構
24a 第1軸
25 第1軸受
30 歯車故障検出システム
100 計測装置
150 蓄電池(キャパシタ)
142 角度センサ基板
149 発電部
250 軸受部
263 電源管理IC(蓄電池制御部、充電完了検知部)
441 加速度センサ
443 角度センサ
444 Z相検出器(パルス生成部)
455 CPU(計測開始時点変化部)
456A FPGA(加速度タイムスタンプ生成部、角度タイムスタンプ生成部)
10 Gear failure determination device 12 Control unit (acceleration profile generation unit, angle profile generation unit, failure determination unit, map generation unit, first calculation unit, second calculation unit, third calculation unit, angle estimation unit)
13 Memory unit 20 Gear transmission mechanism 24a First shaft 25 First bearing 30 Gear failure detection system 100 Measurement device 150 Storage battery (capacitor)
142 Angle sensor board 149 Power generation unit 250 Bearing unit 263 Power supply management IC (storage battery control unit, charging completion detection unit)
441 Acceleration sensor 443 Angle sensor 444 Z-phase detector (pulse generating unit)
455 CPU (measurement start time change unit)
456A FPGA (Acceleration time stamp generator, Angle time stamp generator)
Claims (15)
前記軸が複数回、回転する間に前記加速度センサに計測された加速度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた加速度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、前記軸の1回転あたりの加速度の変化を表す加速度プロファイルを生成する加速度プロファイル生成部と、
前記加速度プロファイル生成部により生成された前記加速度プロファイルに基づいて、歯車の故障を判断する故障判断部と
を備えることを特徴とする歯車故障検出システム。 an acceleration sensor provided in a bearing that rotatably supports a shaft having a gear mounted thereon, the acceleration sensor measuring an instantaneous value of acceleration caused by vibration of the bearing for a predetermined period of time each time the shaft rotates, the period being shorter than the time required for one rotation of the shaft;
an acceleration profile generating unit that generates an acceleration profile representing a change in acceleration per one rotation of the axis by rearranging a plurality of instantaneous values of acceleration measured by the acceleration sensor while the axis rotates a plurality of times and connecting the rearranged instantaneous values of acceleration;
a fault determination unit that determines a fault in a gear based on the acceleration profile generated by the acceleration profile generation unit.
前記加速度センサは、前記パルス生成部がパルスを生成した後、計測開始時点から前記軸の1回転に要する時間より所定時間、加速度の瞬時値を計測し、
前記加速度センサによる所定時間の加速度の計測のたびに、前記計測開始時点を変化させる計測開始時点変化部をさらに備える
ことを特徴とする請求項1に記載の歯車故障検出システム。 A pulse generating unit generates one pulse for each rotation of the shaft,
After the pulse generating unit generates a pulse, the acceleration sensor measures an instantaneous value of acceleration for a predetermined time from a measurement start point to a time required for one rotation of the shaft,
2. The gear failure detection system according to claim 1, further comprising a measurement start time changing unit that changes the measurement start time each time the acceleration sensor measures the acceleration for a predetermined period of time.
前記発電部で発生した電荷を蓄えて前記加速度センサに給電する蓄電池と、
前記加速度センサによる所定時間の加速度の計測が終わるたびに、前記蓄電池による前記加速度センサへの給電を停止し、前記発電部で発生した電気を前記蓄電池に充電する蓄電池制御部と、
前記蓄電池の充電完了を検知する充電完了検知部とをさらに備え、
前記加速度センサは、前記充電完了検知部が前記蓄電池の充電完了を検知した後、かつ前記パルス生成部がパルスを生成した後、計測開始時点から一定時間、加速度の瞬時値を計測する
ことを特徴とする請求項2に記載の歯車故障検出システム。 a power generating unit that generates power by utilizing relative rotation between an outer ring and an inner ring of the bearing unit;
a storage battery that stores the electric charge generated by the power generation unit and supplies the electric charge to the acceleration sensor;
a storage battery control unit that stops power supply from the storage battery to the acceleration sensor and charges the storage battery with electricity generated by the power generation unit each time the acceleration sensor finishes measuring the acceleration for a predetermined period of time;
a charging completion detection unit that detects the charging completion of the storage battery,
3. The gear failure detection system according to claim 2, wherein the acceleration sensor measures an instantaneous value of acceleration for a certain period of time from a measurement start point after the charge completion detection unit detects the charge completion of the storage battery and after the pulse generation unit generates a pulse.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 4. The gear failure detection system according to claim 1, wherein the acceleration sensor is a three-axis acceleration sensor that measures acceleration along each of an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis.
前記軸が複数回、回転する間に前記角度センサに計測された角度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、前記軸の1回転あたりの角度計測値の変化を表しており、前記加速度プロファイルと同期している角度プロファイルを生成する角度プロファイル生成部とをさらに備え、
前記故障判断部は、前記加速度プロファイル生成部により生成された前記加速度プロファイルと前記角度プロファイル生成部により生成された前記角度プロファイルに基づいて、歯車の故障を判断する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 an angle sensor provided in the bearing portion for measuring an instantaneous value of an angle of the shaft for a predetermined time shorter than a time required for one rotation of the shaft each time the shaft rotates;
an angle profile generating unit that generates an angle profile that represents a change in the angle measurement value per one rotation of the shaft and is synchronized with the acceleration profile by rearranging a plurality of instantaneous values of the angle measured by the angle sensor while the shaft rotates a plurality of times and connecting the rearranged instantaneous values of the angle,
4. The gear failure detection system according to claim 1, wherein the failure determination unit determines a gear failure based on the acceleration profile generated by the acceleration profile generation unit and the angle profile generated by the angle profile generation unit.
前記加速度センサと前記角度センサによって同時に計測された前記加速度の瞬時値と前記角度の瞬時値を関連付けて記憶する記憶部をさらに備える
ことを特徴とする請求項5に記載の歯車故障検出システム。 The sampling period of the acceleration sensor and the sampling period of the angle sensor are the same,
6. The gear failure detection system according to claim 5, further comprising a storage unit that stores the instantaneous value of the acceleration and the instantaneous value of the angle measured simultaneously by the acceleration sensor and the angle sensor in association with each other.
前記角度センサが前記角度の瞬時値を計測した時刻を示す角度タイムスタンプを生成する角度タイムスタンプ生成部と、
前記加速度センサによって計測された前記加速度の瞬時値と前記加速度タイムスタンプを関連付け、前記角度センサによって計測された前記角度の瞬時値と前記角度タイムスタンプを関連付けて記憶する記憶部をさらに備える
ことを特徴とする請求項5に記載の歯車故障検出システム。 an acceleration time stamp generation unit that generates an acceleration time stamp indicating a time when the acceleration sensor measures the instantaneous value of the acceleration;
an angle timestamp generation unit that generates an angle timestamp indicating a time when the angle sensor measures an instantaneous value of the angle;
6. The gear failure detection system according to claim 5, further comprising a storage unit that stores the instantaneous value of the acceleration measured by the acceleration sensor in association with the acceleration time stamp, and stores the instantaneous value of the angle measured by the angle sensor in association with the angle time stamp.
前記加速度センサによって加速度の瞬時値が計測され、前記角度センサによって角度の瞬時値が計測されていない時の角度の瞬時値を、前記角度センサによって計測された角度の複数の瞬時値から線形補間して計算する線形補間計算部をさらに備える
ことを特徴とする請求項7に記載の歯車故障検出システム。 a sampling period of the angle sensor is longer than a sampling period of the acceleration sensor;
8. The gear fault detection system according to claim 7, further comprising a linear interpolation calculation unit that calculates an instantaneous value of an angle when an instantaneous value of acceleration is measured by the acceleration sensor and an instantaneous value of an angle is not measured by the angle sensor, by linear interpolation from a plurality of instantaneous values of the angle measured by the angle sensor.
前記パルスの間隔から軸の角度の瞬時値を推定する角度推定部と、
前記角度推定部により推定された角度の複数の瞬時値を並べ替えて、並べ替えられた角度の瞬時値を繋ぎ合わせることにより、前記軸の1回転あたりの角度計測値の変化を表しており、加速度プロファイルと同期している角度プロファイルを生成する角度プロファイル生成部とをさらに備え、
前記故障判断部は、前記加速度プロファイル生成部により生成された前記加速度プロファイルと前記角度プロファイル生成部により生成された前記角度プロファイルに基づいて、歯車の故障を判断する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 A pulse generating unit that generates one pulse for each rotation of the shaft;
an angle estimator that estimates an instantaneous value of an axis angle from the pulse interval;
an angle profile generating unit that generates an angle profile that represents a change in the angle measurement value per one rotation of the shaft and is synchronized with the acceleration profile by rearranging a plurality of instantaneous values of the angle estimated by the angle estimating unit and connecting the rearranged instantaneous values of the angle,
4. The gear failure detection system according to claim 1, wherein the failure determination unit determines a gear failure based on the acceleration profile generated by the acceleration profile generation unit and the angle profile generated by the angle profile generation unit.
前記故障判断部は、
前記歯車の歯と前記軸の回転角度との関係を規定するマップを生成するマップ生成部と、
式(1)を用いて、各歯の加速度信号強度を算出する第1算出部と、
式(2)を用いて、すべての歯の前記加速度信号強度の平均値を算出する第2算出部と、
式(3)を用いて、各歯の損傷指標値を算出する第3算出部と、
を備え、
前記式(1)は、
前記式(2)は、
前記式(3)は、
ことを特徴とする請求項5から9のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 the acceleration sensor is a three-axis acceleration sensor that measures acceleration along each of an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis;
The failure determination unit is
a map generator that generates a map that defines a relationship between the teeth of the gear and a rotation angle of the shaft;
a first calculation unit that calculates an acceleration signal intensity of each tooth using equation (1);
a second calculation unit that calculates an average value of the acceleration signal strengths of all teeth using equation (2);
A third calculation unit that calculates a damage index value for each tooth using formula (3);
Equipped with
The formula (1) is
The formula (2) is
The formula (3) is
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 11. The gear failure detection system according to claim 1, wherein the acceleration sensor has a measurable acceleration range of at least -6G to +6G and at most -16G to +16G.
ことを特徴とする請求項11に記載の歯車故障検出システム。 12. The gear fault detection system according to claim 11, wherein the resolution of the acceleration sensor is greater than or equal to 1/4096 and less than or equal to 1/10 of the measurable range of acceleration.
ことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 13. The gear failure detection system according to claim 1, wherein a measurable frequency band of the acceleration sensor is 0.9 to 2.1 times the meshing frequency of the gears.
ことを特徴とする請求項5から8のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 9. A gear fault detection system according to claim 5, wherein the resolution of the angle sensor is greater than or equal to 1/65536 and less than or equal to 1/10 of the angular pitch of the gear.
ことを特徴とする請求項5から8および14のいずれか1項に記載の歯車故障検出システム。 15. A gear fault detection system according to any one of claims 5 to 8 and 14, characterized in that the repeatability of the angle sensor is greater than or equal to 1/256 and less than or equal to 1/10 of the angular pitch of the gear.
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