JPH0663761B2

JPH0663761B2 - ミスアライメントの検出方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0663761B2
Application number: JP31309088A
Authority: JP
Inventors: 昭彦松村; 博正山本
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Priority date: 1988-12-12
Filing date: 1988-12-12
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPH02157611A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸
との連結部位のミスアライメントを検出する方法及びそ
の装置に関する。

〔従来の技術〕

回転駆動装置のミスアライメントを検出する従来の技術
としては、例えば、特開昭56−81428号公報に記載され
たものがある。

この従来の技術は、回転機器に回転同期信号を発生する
パルサを設け、このパルサの回転同期信号によって回転
軸の振動信号を一定回転同期信号数でフーリエ変換して
異常振動を検出することにより、回転機器の起動，停止
及び定常運転時においても、常に正しい周波数領域で一
定の精度で診断が行えるようにしたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の技術は、振動解析法に基づい
て行われるので、回転装置の各箇所に振動計を取り付け
る必要があるし、また、測定場所に設置された解析装置
と上記振動装置との間を配線で接続しなければならな
い。

このため、多数の回転装置の集中管理を目的とするシス
テム化を考えると、振動計が多数必要であり、振動計及
び解析装置間の距離も長く配線も多大なものとなってし
まうので、コスト高となってしまう。また、一般的に、
安全上の問題から、上記従来の技術は機械が停止してい
る状態でなければ実施することができず、従って、測定
タイミングが制約されている。

この発明は、このような従来技術における未解決の課題
に着目してなされたものであり、安価な構成で、測定タ
イミングを制約されることもなく、高い検出精度が得ら
れるミスアライメントの検出方法及び装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、請求項（１）記載の発明
は、電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸との連結
部位のミスアライメントを検出する方法であって、前記
電動モータの出力軸の回転周波数を検出すると共に、前
記電動モータに供給される電流値をフーリエ解析して前
記出力軸におけるトルク変動の各周波数成分を求め、こ
の求められた各周波数成分の内、前記出力軸の回転周波
数の自然数倍の周波数成分に基づいて前記連結部位のミ
スアライメントを検出するものである。

また、同様に、上記目的を達成するために、請求項
（２）記載の発明は、電動モータの出力軸と被駆動装置
の回転軸との連結部位のミスアライメントを検出する装
置であって、前記電動モータの出力軸の回転周波数を検
出する回転周波数検出手段と、前記電動モータに供給さ
れる電流値を検出する電流値検出手段と、この電流値検
出手段で検出された電流値をフーリエ解析して前記出力
軸におけるトルク変動の各周波数成分を求めるフーリエ
解析手段と、このフーリエ解析手段で求められた各周波
数成分の内、前記回転周波数検出手段で検出された回転
周波数の自然数倍の周波数成分に基づいて前記連結部位
のミスアライメントを検出するミスアライメント検出手
段と、を備えている。

〔作用〕

請求項（１）記載の発明にあっては、電動モータの出力
軸の回転周波数ｆ_０を検出すると共に、電動モータに供
給される電流値をフーリエ解析して前記出力軸における
トルク変動の各周波数の成分が求められる。

そして、各周波数成分の内、上記出力軸の回転周波数ｆ
_０の自然数（1,2,3,…,n）倍の周波数（ｆ_０,2f_０,3
f_０，…,nf_０）の成分に基づいて、電動モータの出力軸
と被駆動装置の回転軸との連結部位のミスアライメント
が検出され（例えば、この周波数成分が大きくて、他の
周波数成分と明らかに区別できる場合にはミスアライメ
ントが有ると判定できる。）る。

即ち、電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸との連
結部位にミスアライメントが有る場合には、このミスア
ライメントによって、電動モータの出力軸に回転周波数
ｆ_０に同期したトルク変動が発生し、このトルク変動が
電動モータに供給される電流値に影響を与えるから、電
動モータに供給される電流値の変動には、出力軸の回転
周波数ｆ_０の自然数倍の周波数（ｆ_０,2f_０,3f_０，…,n
f_０）の成分が多く含まれるため、これら周波数成分に
基づいて、ミスアライメントを検出することができる。

また、請求項（２）記載の発明にあっては、電動モータ
の出力軸の回転周波数ｆ_０が回転周波数検出手段で検出
され、電動モータに供給される電流値が電流値検出手段
で検出される。

そして、フーリエ解析手段で、電流値検出手段で検出さ
れた電流値がフーリエ解析されて、電動モータの出力軸
におけるトルク変動の各周波数成分が求められ、この求
められた各周波数成分の内、前記回転周波数検出手段で
検出された回転周波数ｆ_０の自然数（1,2,3,…,n）倍の
周波数（ｆ_０,2f_０,3f_０，…,nf_０）の成分に基づき、
ミスアライメント検出手段において、電動モータの出力
軸と被駆動装置の回転軸との連結部のミスアライメント
が検出される。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。

同図において、電動式のモータ１は、駆動装置２から供
給される電流に応じて駆動されるものであり、その出力
軸1aと、例えば圧延ロール等の被駆動装置としての負荷
３の回転軸3aとが、カップリング４を介して連結されて
いて、これらモータ1,駆動装置２及び負荷３で構成され
る回転装置には、出力軸1a及び回転軸3a間のミスアライ
メントを検出するミスアライメント検出装置20が接続さ
れている。

即ち、モータ１の出力軸1aの逆側はカップリング5aを介
してセンサ５に連結されていて、このセンサ５は、出力
軸1aの一回転毎にパルス波を回転周波数演算器６に出力
するものであり、この回転周波数演算器６は、センサ５
から供給されるパルス波の間隔感覚に応じて、出力軸1a
の回転周波数ｆ_０を演算し出力するものである。

一方、駆動装置２及びモータ１間には、この駆動装置２
からモータ１に供給される電流値を検出する電流検出器
７が設けられていて、この電流検出器７の検出値が電流
値演算器８に供給され、電流値が算出される。

また、電流値演算器８で算出された電流値は、フーリエ
解析手段としてのフーリエ解析演算器９に供給されて、
例えばFFT等によってフーリエ解析が行われ、各周波数
成分（例えば、パワースペクトル）が求められる。

そして、回転周波数演算器６で算出された出力軸1aの回
転周波数ｆ_０と、フーリエ解析演算器９で求められた各
周波数成分とが、ミスアライメント検出手段としてのミ
スアライメント検出器10に供給される。

ミスアライメント検出器10は、供給される回転周波数ｆ
_０の自然数倍の周波数成分に基づいて、モータ１の出力
軸1aと負荷３の回転軸3aとを連結するカップリング４に
おけるミスアライメント（芯ずれ及び角度ずれ）の有無
及びその量を検出するものである。

なお、センサ５及び回転周波数演算器６で回転周波数検
出手段が構成され、電流検出器７及び電流値演算器８で
電流値検出手段が構成される。

ここで、後述するミスアライメント検出器10の構成を理
解するために、出力軸1a及び回転軸3aの連結部位のミス
アライメントを検出するための理論的な背景について説
明する。

今、出力軸1aと回転軸3aとが、第２図（ａ）及び（ｂ）
に示すように、タイヤカップリング4aを介して連結さ
れ、且つ出力軸1aと回転軸3aとの間に、平行な芯ずれが
生じているものとする。

また、タイヤカップリング4aは、出力軸1aの端部に同軸
に固定されたホイール4bと、このホイール4bと同寸法で
且つ回転軸3aの端部に同軸に固定されたホイール4cと、
これら両方のホイール4b,4cに外嵌する弾性部材からな
るタイヤ4dとから構成されていて、モータ１の出力は、
出力軸1a,ホイール4b,タイヤ4d,ホイール4c及び回転軸3
aを介して、負荷３に伝わるようになっている。

このようなタイヤカップリング4aにあって、上述したよ
うに、出力軸1aと回転軸3aとの間に芯ずれがあると、出
力軸1aが回転するに従いタイヤ4dが変形して、両軸1a及
び3a間に応力が発生する。即ち、出力軸1aの回転角θが
０度（第２図（ａ））の場合には応力は０であるが、回
転角θが大きくなるに従ってタイヤ4dが変形して応力が
発生し、回転角θが180度の時（第２図（ｂ））に最大
の応力が発生す、180度からさらに増加すると応力は減
少していき、360度で０となる。つまり、両軸1a及び3a
の応力変動は、その回転数に同期した周期関数となる。

第３図（ａ）は、ホイール4b及び4cを軸方向からみた状
態を示していて、同図（ｂ）は、同図（ａ）の部分拡大
図である。

モータ１側のホイール4bの中心をO_M,負荷３側のホイー
ル4cの中心をO_Lとし、両中心間の距離（即ち、芯ずれ
量）をｄとする。また、ホイール4bの外周上に任意の点
Ａをとり、第３図（ｂ）に示すように、O_M及びO_L間の中
点O_Cと点Ａとを結ぶ線と、O_MとO_Lとを結ぶ線との成す角
をα、O_Lと点Ａとを結ぶ線と、O_MとO_Lとを結ぶ線との成
す角をα_Ｌ、O_Mと点Ａとを結ぶ線と、O_MとO_Lとを結ぶ線
との成す角をα_Ｍとする。なお、ｒはホイール4b及び4c
の半径である。

そして、両ホイール4b及び4c間の端面のずれｆ（α）
が、タイヤ4dの変形量となる。また、このｆ（α）は下
記の（１）式のようになる。

ｆ（α）＝dcosα_Ｌ＋rcos（α_Ｍ−α_Ｌ）−ｒ ……
（１）さらに、α_Ｌαα_Ｍであるから、上記（１）式は、
下記の（２式のように変形できる。

ｆ（α）＝dcosα ……（２）次に、第４図に示すように、両軸1a及び3aが平衡状態
（応力がない状態）から、θだけ回転した時点における
任意の位相角αの近傍でのホイールの微小部分（ｒ・Δ
α）が、軸の半径方向に与える力ΔＦは、タイヤ4dのバ
ネ定数をｋとした場合、下記の（３）式のように表せ
る。

そして、（２）及び（３）式より、下記の（４）式が求
められる。

応力ΔＦは、モータ１及び負荷３のベアリング（図示せ
ず）の摩擦係数μ_Ｍ及びμ_Ｌを介して、下記の（５）式
に示すトルクΔＴを発生する。

ΔＴ＝（μ_Ｍ＋μ_Ｌ）×｜ΔF|×ｒ ……（５）このΔＴをタイヤカップリング4aの全周に渡って積分す
れば、モータ負荷トルクＴ（θ）が求められ、このモー
タ負荷トルクＴ（θ）は、となる。

そして、上記（６）式をフーリエ展開すると、となり、直流分の他にｎθ（ｎは自然数）の成分の高周
波が含まれ、軸の回転周波数ｆ_０のｎ倍のトルク脈動が
発生し、これがモータ１に供給される電流を変動させる
ようになる。

また、芯ずれによって、モータ１の出力軸1aと負荷３の
回転軸3aとの周速が異なり、見掛け上の出力軸1a換算の
慣性力が回転周波数ｆ_０と同期して周期的に変動し、回
転ムラが生じてしまう。

つまり、芯ずれにより軸の回転は均一でなくなるため、
出力軸1a側からみた見掛け上のはずみ車効果（回転体慣
性モーメント）GD^２は周期的に変化してしまい、モータ
１に供給される電流は周期的に外乱を受けることにな
る。

ここで、出力軸1aの角速度を_Ｍ、回転軸3aの角速度を
_Ｌとする。また、第３図（ａ）及び（ｂ）から、下記
の（８）式の関係が得られる。

ｒ／sin（α_Ｌ）＝ｄ／sin（α_Ｍ−α_Ｌ） ……（８）従って、α_Ｌとα_Ｍとの間には、よって、回転軸3aの回転角速度_Ｌは、となる。

つまり、芯ズレを有するカップリングでは、見掛け上変
速比が周期的に変化してしまう。この変速比をβ（ｔ）
とすれば、となる。

従って、出力軸1a側からみた見掛け上のはずみ車効果GD
^２は、出力軸1a側のホイール4bのはずみ車効果をG
D_M ^２、回転軸3a側のホイール4cのはずみ車効果をGD_L ^２
とすれば、 GD^２＝GD_M ^２＋GD_L ^２／β^２（ｔ） ……（12）となる。

これによっても、モータ１に供給される電流は変動して
しまうが、これは、回転周波数ｆ_０のみの電流変動に表
れ、2f_０以降の周波数には影響を及ぼさない。

また、出力軸1a及び回転軸3a間の角度ずれの影響は、応
力変化に対してのみ表れ、回転ムラには表れない。

従って、両軸1a及び3a間の芯ずれ量及び角度ずれ量の両
方を検出するためには、先ず、回転周波数ｆ_０を除いた
2f_０以降の周波数の成分に基づいてモータ１の負荷トル
ク変動を演算し、次いで、周波数ｆ_０の成分から負荷ト
ルク変動分を除いた残りの成分から、見掛け上のはずみ
車効果GD^２の変動分を算出して、芯ずれ量を求める。そ
して、この負荷トルク変動分から芯ずれ量による影響を
除いた成分が両軸の角度ずれ量に対応するから、角度ず
れ量も求められる。

よって、ミスアライメント検出器10の具体的な構成は、
第５図に示すように、フーリエ解析演算器９から供給さ
れる各周波数成分の内、回転周波数演算器６から供給さ
れる回転周波数ｆ_０の自然数（1,2,3,…,n）倍の周波数
（ｆ_０,2f_０,3f_０，…,nf_０）の周波数成分を抽出する
抽出器11と、この抽出器11が出力する周波数成分の内、
回転周波数ｆ_０以外の周波数に対応する周波数成分が供
給され、芯ずれ及び角度ずれの両方による負荷トルク変
動分を演算する第１演算器12と、この第１演算器12の出
力に基づいて、周波数ｆ_０に換算した負荷トルク変動分
を算出する第２演算器13と、抽出器11が出力する周波数
ｆ_０の周波数成分から第２演算器13の出力を減じて、見
掛け上のはずみ車効果GD^２の変動分を算出する減算器14
と、この減算器14の出力から、出力軸1a及び回転軸3a間
の芯ずれ量を算出する芯ずれ量演算器15と、この芯ずれ
量演算器15の演算結果（芯ずれ量）から、芯ずれによる
負荷トルク変動分を算出する第３演算器16と、第１演算
器12の演算結果（芯ずれ及び角度ずれによる負荷トルク
変動分）から、第３演算器16の演算結果（芯ずれによる
負荷トルク変動分）を減じて、角度ずれによる負荷トル
ク変動分を算出する減算器17と、この減算器17の出力、
即ち角度ずれによる負荷トルク変動分から、角度ずれ量
を算出する角度ずれ量演算器18と、を備えていればよ
く、このミスアライメント検出器10は、電子回路又はマ
イクロコンピュータで構成することができる。

なお、芯ずれ量演算器15及び角度ずれ量演算器18での演
算方法は、以下に示すようは方法が考えられる。

例えば、芯ずれ量を求めるには、第１図の構成におい
て、芯ずれ量が判っている数種類のカップリング４を用
いて実験を行い、そのときの電流変動を求めて記憶テー
ブル等に保存しておき、この記憶テーブルから対応する
芯ずれ量を求めるようにすればよい。

第６図は、3.0mm,2.0mm,0.5mmの芯ずれ量ｘを有するカ
ップリング４と、芯ずれがない（ｘ＝０）カップリング
４を用い、回転数200,400,600及び800（rpm）時の電流
変動を計測した結果を示すグラフである。

これをみると、芯ずれ量が増えると電流変動量が増し、
回転数が増えると電流変動量が減ることが判る。即ち、
低回転数領域で測定した方が、正確にミスアライメント
を測定することができる。しかし、高回転数領域であっ
ても、充分測定可能であることは言うまでもない。

また、今回測定したデータから、諸条件のよっても異な
るが、一般的に0.1mm程度の芯ずれ量までは充分測定可
能である。

そして、角度ずれ量に関しては、角度ずれ量が判ってい
るカップリングを用いて記憶テーブルを作成しておけ
ば、微小の角度ずれ量まで計測することができる。

第７図（ａ）は、電流検出器７で測定した電流の変動を
示すグラフであり、同図（ｂ）は、この電流値のデータ
をフーリエ解析した結果である。

これによると、出力軸1aの回転周波数ｆ_０とその２倍の
周波数2f_０との成分（パワースペクトル）が突出してい
ることが判るが、3f_０以上の周波数は減衰しているた
め、確認することができない。しかし、ミスアライメン
ト検出器10では、この周波数ｆ_０及び周波数2f_０のパワ
ースペクトルに基づいて芯ずれ量及び角度ずれ量を求め
ることができる。

先ず、周波数2f_０のパワースペクトルから芯ずれ及び角
度ずれの両方による負荷トルク変動分を第１演算器12で
求め、この第１演算器12の演算結果から周波数ｆ_０に換
算した負荷トルク変動分が第２演算器13で算出され、次
いで、減算器14により、抽出器11が出力する周波数ｆ_０
の周波数成分から第２演算器13の出力を減じることによ
り見掛け上のはずみ車効果GD^２の変動分が算出される。
そして、この減算器14の出力から、実験に基づいて作成
した記憶テーブル（例えば、第６図のような）に基づい
て出力軸1a及び回転軸3a間の芯ずれ量が、芯ずれ量演算
器15で算出される。

次に、芯ずれ量演算器15の演算結果（芯ずれ量）に基づ
いて第３演算器16において芯ずれによる負荷トルク変動
分が算出され、続いて、減算器17により、第１演算器12
の演算結果（芯ずれ及び角度ずれによる負荷トルク変動
分）から、第３演算器16の演算結果（芯ずれによる負荷
トルク変動分）が減じられて、角度ずれによる負荷トル
ク変動分が算出され、最後に、この減算器17の出力、即
ち角度ずれによる負荷トルク変動分と、実験に基づいて
作成された記憶テーブルとに基づき、角度ずれ量演算器
18で角度ずれ量が算出される。

このように、本発明を適用した上記実施例によれば、モ
ータ１の出力軸1aと負荷３の回転軸3aとの連結部位にお
けるミスアライメントを、モータ１の電流値と、出力軸
1aの回転周波数ｆ_０とから検出する構成であるため、被
駆動装置の運転中であっても検出可能であるから、従来
の振動診断法のように測定タイミングを制約されるこの
もないし、多数のセンサを必要ともしない。

しかも、電流検出器７は殆どの設備において既存である
し、また、モータ１の出力軸1aの回転数は、回転数を検
出するためのセンサを設けなくても、理論的に求めるこ
とができる。

つまり、例えば直流モータにあっては、モータの電流Ｉ
と端子電圧Ｖとを測定すれば、電機子抵抗をＲ、界磁を
Φ、定数をＫとした場合、回転数Ｎは、Ｎ＝（Ｖ−IR）
／ＫΦで求められる。交流モータであっても、同様に理
論通りに求めることできる。

また、今後、多数の回転装置の集中管理を目的とするシ
ステム化の動向を考えると、既存のセンサ（電流検出
器）が使用でき、且つ、電子部品で構成される解析装置
は一般的に耐環境性の問題から電流検出器と同一の電気
室内への設置される場合が多く、電流検出器から解析装
置までの配線も短くて済むから、本発明を採用した上記
実施例はコスト的に大変有利である。しかも、配線が短
いとノイズが入り込む恐れも低減できる。

なお、上記実施例では、出力軸1aと回転軸3aとの間に変
速器を設けていない場合について説明しているが、変速
器が存在する場合であっても、ミスアライメントが存在
する軸の回転周波数を測定し、この回転周波数に基づい
て上記実施例と同様の処理を行えばよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、電動モータの出
力軸の回転周波数を検出すると共に、電動モータに供給
される電流値をフーリエ解析して前記出力軸におけるト
ルク変動の各周波数成分を求め、この求められた各周波
数成分の内、出力軸の回転周波数の自然数倍の周波数成
分に基づいて電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸
との連結部位のミスアライメントを検出するようにした
ため、被駆動装置の運転を停止しなくても検出可能であ
るから測定タイミングに制約がないし、また、センサも
少なくて済み、多くの場合既存のセンサで充分であり、
且つ配線も短くて済むから、コスト的にも大変有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
２図乃至第４図は本発明の理論的な背景を説明するため
の説明図であり、第２図（ａ）及び（ｂ）はタイヤカッ
プリングの側面図、第３図（ａ）はタイロッドカップリ
ングの平面図、第３図（ｂ）は同図（ａ）の拡大図、第
４図は応力を説明する平面図である。第５図は、ミスア
ライメント検出器の構成を示すブロック図、第６図は実
験結果を示すグラフ、第７図（ａ）は電流の変動例を示
すグラフ、第７図（ｂ）はフーリエ解析結果の例を示す
グラフである。１……モータ、1a……出力軸、２……駆動装置、３……
負荷（被駆動装置）、3a……回転軸、４……カップリン
グ、５……センサ、６……回転周波数演算器、７……電
流検出器、８……電流値演算器、９……フーリエ解析演
算器、10……ミスアライメント検出器、20……ミスアラ
イメント検出装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸
との連結部位のミスアライメントを検出する方法であっ
て、前記電動モータの出力軸の回転周波数を検出すると
共に、前記電動モータに供給される電流値をフーリエ解
析して前記出力軸におけるトルク変動の各周波数成分を
求め、この求められた各周波数成分の内、前記出力軸の
回転周波数の自然数倍の周波数成分に基づいて前記連結
部位のミスアライメントを検出することを特徴とするミ
スアライメントの検出方法。
【請求項２】電動モータの出力軸と被駆動装置の回転軸
との連結部位のミスアライメントを検出する装置であっ
て、前記電動モータの出力軸の回転周波数を検出する回
転周波数検出手段と、前記電動モータに供給される電流
値を検出する電流値検出手段と、この電流値検出手段で
検出された電流値をフーリエ解析して前記出力軸におけ
るトルク変動の各周波数成分を求めるフーリエ解析手段
と、このフーリエ解析手段で求められた各周波数成分の
内、前記回転周波数検出手段で検出された回転周波数の
自然数倍の周波数成分に基づいて前記連結部位のミスア
ライメントを検出するミスアライメント検出手段と、を
備えたことを特徴とするミスアライメントの検出装置。