JPH0346056B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、産業用機械設備の異常を診断するた
めの機械設備異常診断装置に関するものである。

産業用機械設備は、その製品開発、出荷検査、
設置検査さらに保守管理とそれぞれの段階で振動
を測定することにより、より優れた機械をより良
い状態で運転させることができる。

特に最近の機械の大形化、精巧化と共に機械の
保守管理は重要になつてきている。常日項から機
械の状態管理を行い、異常が現われたらその初期
にいち早くこれを検知し、全体への影響が一番少
ない時期に停止・修理を行う必要がある。そこ
で、省資源・コスト低減のための道具としての設
備異常診断装置が要望されている。

〔従来の技術とその解決すべき問題点〕

従来のこの種の装置としてポータブルタイプの
小型のものと、大型コンピユータを用いた大型の
ものがある。前者は、診断すべき機械設備から振
動ピツクアツプにより得た信号を低・中・高域フ
イルタを用いて各成分に分割し、各成分の時間的
レベル変化を観察することにより、機械設備の正
常、異常の別を診断するものであるが、異常が何
に原因するかの判断は機械設備の人手による点検
が行われなければ得られないという問題がある。

一方、後者は、ピツクアツプにより得られる振
動信号を広い周波数範囲に亘つて周波数分析して
各周波数におけるスペクトラムを得、このスペク
トラムの全体を予め用意したスペクトル波形と比
較し、この結果得られる比較結果により複数の異
常原因を確率で表わし異常原因をおおよそ判定で
きるようになつている。この装置は据置いて学術
的な研究を行うためのものとしては有効であるか
も知れないが、現場における異常診断にとつて必
要な十分な判定を行うことができないだけでな
く、高精度、広範囲の分析を行つているため大型
となつてしまいとても持ち歩くことができないと
いう問題がある。

よつて本発明は、上述した従来の問題点に鑑み
機械設備の異常を人手によらずに自動的にその原
因も含めて診断できるようにした構成の簡単な機
械設備異常診断装置を提供することを目的として
いる。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明により成された
機械設備異常診断装置は、第１図に示すように、
機械設備からピツクアツプして得た振動データを
周波数分析してパワースペクトルを得る周波数分
析手段１と、該周波数分析手段１により得たパワ
ースペクトルから予め定めた複数の着目周波数の
各々において予め定めた異常レベルを越えるもの
を検出し、該検出結果により、異常レベルを越え
た着目周波数によつて表される測定パターンを形
成する測定パターン形成手段２と、機械設備の複
数の異常項目にそれぞれ対応して形成され、各々
が複数の特定着目周波数によつて表される複数の
異常パターンを予め記憶している第１のメモリ手
段３と、前記複数の異常項目にそれぞれ対応して
形成され、各々が当該異常項目に対応する前記複
数の特定着目周波数以外の着目周波数をマスクす
る複数のマスクパターンを予め記憶している第２
のメモリ手段４と、前記測定パターンを前記第２
のメモリ手段４からの各異常項目についてのマス
クパターンによつて順次マスクするマスク手段５
と、該マスク手段５によつてマスクされた測定パ
ターンと前記第１のメモリ手段３からの前記各異
常項目についての異常パターンとを順次比較する
比較手段６とを備え、前記比較手段６における比
較結果により前記各異常項目についての異常の有
無を判定することを特徴としている。

〔作 用〕

上記構成において、予め定めた着目周波数のレ
ベルが予め定めた異常レベル以上であるか否かに
より機械設備の振動の測定結果をパターン化して
得、この測定パターン中の、特定の異常の判定に
無関係な着目周波数に対応する測定パターン部分
を、各異常項目に対応して予め用意してあるマス
クパターンによりマスクし、このマスクした測定
パターンと予め用意してある異常項目毎の異常パ
ターンとを対比しているので、例え複数の異常を
含む複合異常が生じていたり、無関係な着目周波
数が存在していても、異常の有無と異常の項目を
自動的に判定することができるようになつてい
る。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第２図は本発明による異常診断装置１０を用い
たシステムの構成を示す図であり、振動ピツクア
ツプ１１によつて発生される振動に応じた振動信
号は、振動計１２に印加され、ここで振動の加速
度（又は変位、速度）の振幅を表わす信号に変換
されて装置１０に入力されると共に、その大きさ
指針１２ａの振れによつて指示される。装置１０
にはペンレコーダ１３、例えば診断中の機械設備
を制御するシーケンサ１４、及びパーソナルコン
ピユータ１５が接続されている。

装置１０は携帯し易いようにアタツシユケース
状に作られ、ケース蓋をあけたときの正面パネル
面を第３図に示す。図中１０ａは電源スイツチ、
１０ｂは入力信号レンジ切換スイツチ、１０ｃは
アナログ出力波形切換スイツチ、１０ｄはローパ
スフイルタ接離スイツチ、１０ｅは包絡線フイル
タ接離スイツチ、１０ｆはバツテリイチエツクス
イツチ、１０ｇはデジタル出力伝送速度調整ツマ
ミ、１０ｈはAC100V電源入力端子、１０ｉ及び
１０ｊはアナログ信号入力及び出力端子、１０ｋ
はデジタル信号入出力端子、１０ｌはシリアルデ
ータ出力端子であり、アナログ信号入力端子１０
ｉには振動計１２が、アナログ信号出力端子１０
ｊにはペンレコーダ１３が、シリアルデータ出力
端子１０ｌにはパーソナルコンピユータ１５がそ
れぞれ接続される。１０ｍは32文字×４行の表示
を行うドツトマトリツクス液晶表示器（LCD）、
１０ｎはフアンクシヨンキー、テンキーを有する
キーユニツト（KU）であり、キーユニツト１０
ｎには、１〜８の符号をそれぞれ付された、演算
中、異常、CPU異常、ローパス、包絡線、入力
±2.5V、出力０〜5V、バツテリイ交換を指示す
るインジケータが設けられている。

上記正面パネル面の裏側のケース内には、第４
図にブロツク図で示す電気回路が内蔵されてい
る。図において、１００は所定のプログラムに従
つて各種の仕事を行うセントラルプロセツサユニ
ツト（CPU）、１０２はCPU１０２で所定の仕事
を行わせるプログラムを記憶しているリードオン
リーメモリ（ROM）と、外部から入力されるデ
ータや仕事の過程或いは結果発生するデータを一
時的に記憶するランダムアクセスメモリ
（RAM）とからなるメモリ装置（MU）、１０４
は特定の演算を専用に行う関数演算ユニツト
（APU）、１０６はキーインターフエイス、１０
８はデジタル入出力回路（DIO）、１１０はアナ
ログデジタルコンバータ（ADC）、１１２はデジ
タルアナログコンバータ（DAC）、１１４は並列
−直列データ変換回路（PSC）、１１６はアイソ
レータ、１１８はローパスフイルタ、包絡線フイ
ルタからなるフイルタユニツト、１２０は上記部
分１００〜１１４間に設けられ、これらの間でア
ドレス信号、データ信号、コントロール信号の授
受を行うバスである。

以上のような構成により、装置１０は第５図の
ゼネラルフローチヤート図に示されるようにプロ
グラムされた処理手順によつて機械設備の異常診
断を行う。

プログラムがスタートすると、まず振動計１２
からアナログ信号入力端子１０ｉに入力される第
６図ａに示されるような波形の例えば加速度信号
に基づいて振動の測定を行う。アナログ信号入力
端子１０ｉに入力された加速度信号は例えば3K
Hzのサンプリング周波数で標本化され、標本化さ
れたサンプル値はADC１１０において12ビツト
のデータに量子化される。この結果得られる振動
データはメモリ装置１０２のRAM中に順番に記
憶される。

次に、この記憶した振動データについて周波数
分析を行う。この周波数分析は、時間的に変化し
ている信号が複数の規則正しい繰り返し信号の合
成で成り立つているという原理を用い、それらの
繰り返し信号の基本振動数と寄与の大きさ、すな
わちパーワスペクトルを求めるためのもので、こ
れにより、 Ｆ（ｗ）＝∫^∞ _-∞ｆ（ｔ）e^-jwtdt ＝∫^∞ _-∞ｆ（ｔ）（cos wt−ｊ sin wt）dt なるフーリエ変換を高速で処理するFFTを行う
ことによつて第６図ｂに示すようなパワースペク
トルが得られる。

続くステツプでは、FFTによる結果からピー
クを持つ周波数の自動的な検出が行われる。この
ための方法は、微分値を求め、微分値が所定値以
上でかつその符号が十から一へ反転する場所をピ
ーク周波数とするものでよい。

その後のステツプでは、試験で求められた異常
パターンを判定することのできる周波数と定義さ
れる着目周波数に合うピーク周波数の検出が行わ
れる。この着目周波数に合うピーク周波数の検出
は、ピーク周波数fnが着目周波数f₀±検出幅Δf₀
内にあるかどうかにより行われ、その結果を第６
図ｃにｏ印を付して示す。

続くステツプでは、ピーク値の判定により異常
の判定が行われる。このステツプは、ピーク値が
異常レベルを越えているかどうかを判定するもの
で、異常レベルは正常レベルのｎ倍（ｎは実験的
に求める）であるとして定められる。第６図ｃに
示した着目周波数における異常レベルと該異常レ
ベルを越えた着目周波数を第６図ｄに◎印を付し
て示し、これが測定パターンである。

次に、上記異常の判定結果としての測定パター
ンに基づいて異常項目の決定がパターン判定によ
り行われる。この異常項の決定は、異常周波数の
組み合わせが予め実験的に求められて用意された
異常パターンテーブルに示されているどのパター
ンに合致しているかを判定することにより行われ
る。

上述した異常診断装置１０が回転機構の異常を
診断するためのものであるとすると、メモリ装置
１０２のRAMには、上記異常パターンテーブル
として、第７図及び第８図にそれぞれ示す据付異
常及び軸受異常についてのものが用意される。

回転機構の場合、図示のように21個の着目周波
数が設定され、f₀は回転機構の回転数による固有
振動数、Ｚは回転機構の転動体の個数、fc、fb、
fiは下式で示されるものである。

fc＝１／２f₀（１−D1／D2cosα） fb＝１／２D2／D1｛１−（D2／D1cosα）²｝ fi＝１／２f₀（１＋D1／D2cosα） 上式中、D1は転動体の直径、D2は軸受ピツチ
円直径、αは接触角であり、f₀、Ｚ、D1、D2、
αをキーユニツト１０ｎ中のF₀、Ｚ、D1、D2、
αキーによつて予め入力させることにより特定の
周波数が定まる。

上述の21の着目周波数は21ビツトの各ビツトの
０，１によりその有無を示すことができるが、マ
イクロコンピユータ内部ではデータは１バイト
（８ビツト）単位で処理されるので、処理を簡単
にする都合上８ビツト×３＝24ビツトの情報を使
つている。そして、これを1/3f₀側から４ビツト
ずつに区切ることにより、24ビツトを用いて各々
16進で表すようにしている。例えば軸受偏心につ
いて示すと、〔00、01、20〕₁₆となる。

上述した異常レベルを求めるには、機械設備が
正常であるときの着目周波数におけるレベルを知
る必要がある。第９図はこの正常レベルを決定す
るためのプログラムによるフローチヤートを示
す。プログラムのスタートにより、まず加速度の
振幅を測定し、測定により求めた1024個のサンプ
リング振動データを取り込む。次に取り込んだデ
ータについて周波数分析を行う。この周波数分析
の終に６回終つたかどうかを判定し、この判定が
YESとなるまで以上の動作を繰返す。判定が
YESとなると、次に６回の周波数分析の結果を
加算して平均を求める。その後、着目周波数に合
う測定周波数の平均レベルを取り込む。これは１
つの測定周波数が21個の着目周波数と合致してい
るかを調べ、合つてたらそのレベルを取り込むも
ので、これを512の測定周波数について行う。

以上のようにして求めた正常レベルが、人為的
に生じさせた異常時に何倍になつているかを特定
の着目周波数について調べることによつて、異常
レベルを求めるために上記正常レベルに乗じる定
数ｎが決定される。

次に、第１０図は異常診断を行うためのプログ
ラムによるフローチヤートを示す。このフローチ
ヤートでは、プログラムのスタートにより、診断
すべき機械設備からピツクアツプした振動信号に
基づいて得られる振動の加速度信号の振幅をまず
測定して振動データを1024個取り込む。次に、取
り込んだ振動データについて周波数分析を行い、
これを６回実行した後、その加算したものを平均
する。以上は正常レベルを求める第９図に示すフ
ローチヤートと同じである。

次に、ピーク値を有する周波数を検出し、その
後該検出したピーク周波数のうち着目周波数に合
致するものを検出する。続いて、着目周波数に合
致したピーク周波数のレベルが異常レベルを越え
ているかどうかを判定して異常の判定を行う。こ
のようにして得た異常レベルの周波数に基づい
て、次に、異常項目の決定をパターン判定により
行う。そして、異常項目を表示などによつて知ら
せてプログラムの実行を終了する。

上記異常項目の決定を行うためには、上述の異
常の判定によつて得た21個の着目周波数について
の異常の有無に関するデータが、予め用意してあ
る異常パターンテーブル中のどれに合致している
かを調べればよい。しかし、上記データは複数の
異常項目についての情報を含む場合があり、この
ような場合データと異常パターンの対応ビツトを
対比したのでは異常項目をみつけることができな
い。

第１１図は上述した異常項目の決定を行うため
のプログラムによるフローチヤートを示す。この
フローチヤートではまず、異常判定によつて得た
データに、異常項目に対応して予め用意したマス
クパターンテーブルから判定異常項目に対応して
選んだマスクパターンでマスクをかける。今、測
定パターンが〔00、00、7f〕₁₆であるとすると、
この測定パターンにまず「不つりあい」なる異常
項目用のマスクパターン〔00、00、3F〕₁₆でマス
クがかけられる。このマスク処理は、マスクのビ
ツトパターンと測定された周波数パターンの各ビ
ツト毎の論理積をとることで、測定された周波数
パターンから当面の異常パターンとの比較に不必
要な情報を一時的に消去するものである。本例で
は、このマスク後の測定パターンは〔00、00、
3F〕₁₆となる。

その後、マスク側の測定パターンは対応する異
常項目の異常パターンと合致しているかどうかの
対比が行われる。上記「不つりあい」なる異常項
目の異常パターンは〔00、00、34〕₁₆、〔00、00、
14〕₁₆、〔00、00、24〕₁₆、〔00、00、04〕₁₆の４つあ
り、この各々が〔00、00、3F〕₁₆と対比される。

続いて、対比の結果がどうであつたかの判定が
行われる。上記の例ではNOであり、この場合に
は、それが判定すべき最終異常項目であるかどう
かの判定が行われる。上記の例ではNOであり、
この場合は次の異常項目に進み、上述と同様にマ
スクがかけられ、その後異常パターンとの対比が
行われる。以上の処理を順次行い、上記測定パタ
ーンに「軸受偏心」なる異常項目のマスクパター
ン〔00、01、30〕₁₆をかけたとき、マスク後に
〔00、00、30〕₁₆なるパターンが得られる。これを
軸受偏心異常パターンと対比すると合致するもの
があり、後つてこの合致した異常項目をRAMに
記憶する。最後に、上記測定パターンにはこの軸
受偏心の他にピークがあるので、その他異常があ
るとの記憶も行う。

上記異常項目の記憶後は、それが判定すべき最
終項目であるかどうかの判断を行い、YESであ
れば、次に記憶した異常項目についての表示を行
つて全てを終了する。勿論、上記異常項目の判定
結果は必要に応じて記録として残すこともでき
る。

第１２図は以上を要約した図面であり、ブロツ
ク内に示されたものはRAMに書込まれたデータ
である。

まずブロツク内のデータを用意し、その内の
特定データを用いてブロツクに示す着目周波数
を計算により求めておく。このような状態で、サ
ンプリング周波数3KHzで振幅測定を行い、それ
をアナログデジタル変換したものを1024個振動デ
ータとして収集する。この収集した振動データを
周波数分析して512の周波数のパワースペクトル
を得、以上を６回繰返し行い、その平均したもの
を得る。

このパワースペクトルからピーク周波数を検出
し、検出したピーク周波数から着目周波数の所定
幅内に入るものを得る。そして更に、異常レベル
を越えるものを得、これを測定パターンとする。
その後、測定パターンにマスクをかけたものを
得、これと異常パターンを比較し、異常の項目の
有無を判定する。このマスクと異常項目の判定を
全ての項目について順次繰返し行い、その結果を
異常メツセージとして出力するものである。

〔効 果〕

以上説明したように本発明によれば、予め定め
た着目周波数についてのみデータ処理を行えばよ
く、またマスク後の測定パターンと異常パターン
を対比するだけで、複合異常が生じていても異常
の有無と異常の項目を極めて簡単に自動的に判定
することができるようになつているので、処理デ
ータ数を大幅に減ずることができ、また装置構成
も簡単なものにできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の基本構成を示すブ
ロツク図、第２図は本発明の一実施例による装置
を用いた機械設備異常診断システムの構成図、第
３図は第２図示の装置のパネル面の一例を示す平
面図、第４図は第１図示の装置内の電気回路構成
を示すブロツク図、第５図は第４図中のCPUが
行う仕事を示すゼネラルフローチヤート図、第６
図はCPUによる処理過程のデータを示す図、第
７図及び第８図は回転機構の異なる異常状態につ
いての異常パターンを示す図、第９図は正常レベ
ルデータを収集するためのフローチヤート図、第
１０図は測定パターンを得るためのフローチヤー
ト図、第１１図は異常項目の決定のためのフロー
チヤート図、及び第１２図は第４図中のメモリ装
置に記憶されるデータを要約して示す説明図であ
る。 １…周波数分析手段、２…測定パターン形成手
段、３…第１のメモリ手段、４…第２のメモリ手
段、５…マスク手段、６…比較手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機械設備からピツクアツプして得た振動デー
   タを周波数分析してパワースペクトルを得る周波
   数分析手段と、 該周波数分析手段により得たパワースペクトル
   から予め定めた複数の着目周波数の各々において
   予め定めた異常レベルを越えるものを検出し、該
   検出結果により、異常レベルを越えた着目周波数
   によつて表される測定パターンを形成する測定パ
   ターン形成手段と、 機械設備の複数の異常項目にそれぞれ対応して
   形成され、各々が複数の特定着目周波数によつて
   表される複数の異常パターンを予め記憶している
   第１のメモリ手段と、 前記複数の異常項目にそれぞれ対応して形成さ
   れ、各々が当該異常項目に対応する前記複数の特
   定着目周波数以外の着目周波数をマスクする複数
   のマスクパターンを予め記憶している第２のメモ
   リ手段と、 前記測定パターンを前記第２のメモリ手段から
   の各異常項目についてのマスクパターンによつて
   順次マスクするマスク手段と、 該マスク手段によつてマスクされた測定パター
   ンと前記第１のメモリ手段からの前記各異常項目
   についての異常パターンとを順次比較する比較手
   段とを備え、 前記比較手段における比較結果により前記各異
   常項目についての異常の有無を判定する、 ことを特徴とする機械設備異常診断装置。