JPH11108806A - 機械運動特徴抽出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特徴抽出対象の機械運動機構についての固有
振動周波数情報を必要とせず、しかも、別の装置等から
の雑音振動があっても故障診断等に供することができる
ように特徴を抽出する。 【解決手段】 本発明の機械運動特徴抽出装置は、特徴
抽出対象の機械運動機構の振動を電気信号に変換する振
動／電気変換手段と、この振動／電気変換手段から出力
された振動信号に対し、短時間周波数分析し、短時間パ
ワースペクトルを出力する短時間周波数分析手段とを有
する。また、この短時間周波数分析手段から出力された
短時間パワースペクトルの各周波数成分の時間変動に対
し、周波数分析してその分析結果を特徴情報として出力
する振幅変調成分分析手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機構的な運動体か
ら取り出した振動信号から、その運動状態の特徴情報を
抽出する機械運動特徴抽出装置に関し、例えば、自動車
のトランスミッション装置の故障診断の整備支援システ
ムに適用し得るものである。

【０００２】

【従来の技術】回転軸や往復軸等の軸部材や、その軸部
材を支持する軸受け部材等の機械要素でなる機械運動機
構においては、軸の運動に伴って機構全体が振動してい
る。このような振動は、いずれかの機械要素等に傷があ
ったり機械要素が変形したりした場合には、傷がない場
合や変形していない場合とは異なるものとなっている。
そのため、機械運動機構における振動を解析して、故障
を診断したり、故障原因（傷の有無等）を解析したりす
ることが検討、研究されている。このような振動解析に
よる方法は、機構を分解することなく、また、視覚的に
発見し難い傷等の発見を容易にすることから、今後、重
要性が高まると考えられる。例えば、トランスミッショ
ン装置の構成要素であるボールベアリングの外輪内周面
にある傷は、視覚的には発見し難い。

【０００３】機械運動機構の振動を電気信号に変換した
振動信号から、解析や診断がし易い形態の特徴情報を抽
出する方法としては、一般に、時間領域よりも周波数領
域での処理が適していることが多く、このような特徴抽
出のための処理方法としてフーリエ変換等のスペクトル
解析方法が広く知られている。例えば、下記文献に記載
されている方法が知られている。

【０００４】文献：小林正著、“現場の歯車活用辞
典”、日本プラントメンテナンス協会発行、ｐｐ．２８
７〜２９９ 図２は、スペクトル解析方法を利用した従来の機械運動
特徴抽出装置の機能ブロック図である。

【０００５】図２において、特徴抽出対象の機械運動機
構（例えばそのハウジング）には、圧電センサ等でなる
振動／電気変換センサ１が設けられており、このセンサ
１からの振動信号は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２
によって帯域制限される。バンドパスフィルタ２からの
振動信号は、包絡線検出手段３によってその包絡線が検
出されて処理信号選択スイッチ４に与えられると共に、
直接にも処理信号選択スイッチ４に与えられる。処理信
号選択スイッチ４によって選択された信号（振動信号又
は包絡線検出信号）は、周波数分析手段５によって周波
数分析され、その周波数分析結果が特徴抽出情報として
表示手段６に与えられて表示される。

【０００６】例えば、軸受け部材に傷や変形等の何らか
の異常が生じた場合、軸受け部材の形状や回転数に応じ
た周波数成分や波形の包絡線に変化が現れるため、これ
を装置の診断や故障検出等に利用しようとするものであ
る。

【０００７】なお、上記の構成からバンドパスフィルタ
２を除いた機械運動特徴抽出装置も従来存在する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法において、
バンドパスフィルタ２がなければ、振動信号中に、別の
装置等からの雑音信号が大きく混入してくる場合に、包
絡線が影響を受け、うまく特徴抽出ができなくなること
がある。これを解決するために、特徴抽出対象の機械運
動機構（特に意図している機械要素（例えば軸受け部
材））の固有振動周波数付近の信号を抽出するバンドパ
スフィルタ２を設けている。

【０００９】しかしながら、このような方法は、事前に
特徴抽出対象の機械運動機構の固有振動周波数等の情報
を必要とする。実際上、固有振動周波数が事前に明確に
なっていることはあまりなく、また、その時々の状態の
変化によって固有振動周波数等の情報は変化してしまう
こともある。

【００１０】すなわち、従来のでは、故障診断等に供す
るに値する特徴が適切に抽出しえないことがあった。

【００１１】そのため、特徴抽出対象の機械運動機構に
ついての固有振動周波数等の情報を必要とすることな
く、しかも、別の装置等からの雑音振動があっても故障
診断等に供することができるように特徴を抽出できる機
械運動特徴抽出装置が求められている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、本発明の機械運動特徴抽出装置は、以下の手段を有
することを特徴とする。

【００１３】すなわち、（１）特徴抽出対象の機械運動
機構の振動を電気信号に変換する振動／電気変換手段
と、（２）この振動／電気変換手段から出力された振動
信号に対し、短時間周波数分析し、短時間パワースペク
トルを出力する短時間周波数分析手段と、（３）この短
時間周波数分析手段から出力された短時間パワースペク
トルの各周波数成分の時間変動に対し、周波数分析して
その分析結果を特徴情報として出力する振幅変調成分分
析手段とを有することを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明による機械運動特徴
抽出装置の一実施形態を図面を参照しながら詳述する。

【００１５】ここで、図１が、この実施形態の機械運動
特徴抽出装置の構成を示す機能ブロック図である。

【００１６】この実施形態の機械運動特徴抽出装置は、
振動／電気変換センサ１０、アナログ／ディジタル変換
器（Ａ／Ｄ）１１、短時間周波数分析手段１２、振幅変
調成分分析手段１３及び表示手段１４を備えている。

【００１７】振動／電気変換センサ１０は、特徴抽出対
象の機械運動機構（例えばそのハウジング）に設けら
れ、その機械運動機構の振動を電気信号に変換してアナ
ログ／ディジタル変換器１１に与えるものであり、例え
ば、圧電センサや加速度センサが該当する。図１では、
１個の振動／電気変換センサ１０を示しているが、特徴
抽出対象の機械運動機構に振動方向別の複数の振動／電
気変換センサ１０を設け、いずれかのセンサを選択して
その出力信号をアナログ／ディジタル変換器１１に与え
るようにしても良い。例えば、特徴抽出対象の機械運動
機構が軸部材を含むものであれば、軸部材の延長方向の
振動を検出するセンサ、軸部材の延長方向に直交する２
方向のそれぞれの方向の振動を検出するセンサを設ける
ようにしても良い。

【００１８】アナログ／ディジタル変換器１１は、振動
／電気変換センサ１０からの振動信号（アナログ信号）
をディジタル信号に変換するものである。例えば、サン
プリング周波数が２５０００Ｈｚ、量子化ビットが１６
ビットで、アナログ／ディジタル変換する。この実施形
態の場合、特徴抽出対象の機械運動機構についての固有
振動周波数等の情報を必要とすることなく特徴を抽出す
ることを意識しており、後述する短時間周波数分析手段
１２での周波数の分析範囲を概ね０〜１２５００Ｈｚと
いう広範囲にしており、そのため、サンプリング周波数
も例えば２５０００Ｈｚのように高い周波数のものとし
ている。

【００１９】図３は、振動／電気変換センサ１０から出
力され、アナログ／ディジタル変換器１１でディジタル
信号に変換された振動信号の一例を示すものである。例
えば、回転軸が回転することで振動を生じたりするの
で、図３に示すように、振動信号は、種々の周波数成分
を含むが、一般的には、特徴抽出対象の機械運動機構の
固有振動周波数に応じた周期的な信号となっている。特
に、大きなレベルをとるパルス状部分は、傷等の不具合
が存在するときに生じ易いものである。

【００２０】短時間周波数分析手段１２は、アナログ／
ディジタル変換器１１から与えられた時系列信号である
振動信号から短時間パワースペクトルを計算し、振幅変
調成分分析手段１３に与えるものである。短時間周波数
分析手段１２としては、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）手
段や離散フーリエ変換（ＤＦＴ）手段等の既存の周波数
分析手段を適用できる。

【００２１】以下では、短時間周波数分析手段１２とし
て、離散フーリエ変換手段を適用した場合について詳述
する。

【００２２】ここで、短時間周波数分析手段１２に与え
られる振動信号（時系列信号）をｙ（ｔ）で表す。但
し、ｔは自然数であり、サンプリングの番号を表わして
いる。短時間周波数分析手段１２は、Ｎ個の信号系列ｙ
（ｔ）、ｙ（ｔ−１）、…ｙ（ｔ−Ｎ＋１）から、
（１）式で表される離散フーリエ変換によって時刻ｔに
おける短時間周波数パワースペクトルＹ（ｔ，ｋ）を求
める。

【００２３】ここで、Ｎは１回の分析に係るポイント数
（フレーム長）であり、後述する図６での縞模様が明確
に現れる数に選定されている。例えば、２５０００Ｈｚ
でのサンプリングの場合、１２８に選定される。また、
ｋは、０以上Ｎ未満の任意の整数であり、周波数成分を
間接的に表すパラメータである。各周波数成分は、サン
プリング周期をΔＴとすれば、２πｋ／ＮΔＴで表され
る。フレーム長Ｎはまた、（１）式から明らかなよう
に、分析に係る周波数帯域の全体をいくつ（Ｎ個）に分
割して短時間周波数パワースペクトルＹ（ｔ，ｋ）を求
めるかを規定しているものである。

【００２４】

【数１】 短時間周波数分析手段１２は、（１）式に従って、ある
時刻ｔでの短時間周波数パワースペクトルＹ（ｔ，ｋ）
＝Ｙ（Ｔ，ｋ）を求めると、次は、時刻ｔ＋Δｔでの短
時間周波数パワースペクトルＹ（ｔ＋Δｔ，ｋ）＝Ｙ
（Ｔ＋１，ｋ）を求め、以下同様に、時間Δｔずつ異な
る短時間周波数パワースペクトルＹ（ｔ＋２Δｔ，ｋ）
＝Ｙ（Ｔ＋２，ｋ），Ｙ（ｔ＋３Δｔ，ｋ）＝Ｙ（Ｔ＋
３，ｋ）…を順次求めていく。

【００２５】時間（相前後するフレームでのスライド
量）Δｔが短い（最小１）ほど、短時間周波数パワース
ペクトルＹ（ｔ，ｋ）の時間変化波形として精緻なもの
が得られるが、それだけ演算量は多くなる。一方、時間
Δｔが長いほど、短時間周波数パワースペクトルＹ
（ｔ，ｋ）の時間変化波形としてラフなものが得られる
が、それだけ演算量は少なくなる。そのため、演算量
と、最終的に得られる特徴情報の精度との関係から、時
間Δｔの具体的な値を選定すれば良い。例えば、２５０
００Ｈｚでのサンプリングの場合、時間Δｔとして１６
を選定する。

【００２６】図４は、短時間周波数分析手段１２から出
力された短時間周波数パワースペクトルＹ（ｔ，ｋ）の
一例を示すものであり、上述した図３に示した振動信号
に対応するものである。図４において、横軸は時間、縦
軸は周波数成分を表している。ある時刻での各周波数成
分のパワー強度は、横軸及び縦軸に直交する高さ方向に
表せばわかり易いが、図４では、高さ方向の変動を横軸
及び縦軸を含む平面上にある角度で投影させることで表
している。短時間周波数パワースペクトルＹ（ｔ，ｋ）
の時間的変動も、周波数成分によって多少異なってはい
るが（同じ場合もあるが）周期的な変化を呈するものと
なっている。

【００２７】振幅変調成分分析手段１３は、短時間周波
数分析手段１２から出力された各短時間周波数パワース
ペクトルのそれぞれの時間変動に対し、時間方向へさら
に周波数分析を行うことにより、各周波数成分毎のエネ
ルギー（パワー）の時間変動の周波数スペクトルを計算
し、抽出された特徴情報として表示手段１４に出力する
ものである。

【００２８】振幅変調成分分析手段１３としても、高速
フーリエ変換（ＦＦＴ）手段や離散フーリエ変換（ＤＦ
Ｔ）手段等の既存の周波数分析手段を適用できる。

【００２９】以下では、振幅変調成分分析手段１３とし
て、離散フーリエ変換手段を適用した場合について詳述
する。

【００３０】振幅変調成分分析手段１３は、短時間周波
数分析手段１２から出力された各短時間周波数パワース
ペクトルの時系列Ｙ（ｋ，Ｔ），Ｙ（ｋ，Ｔ−１），
…，Ｙ（ｋ，Ｔ−Ｍ＋１）に対し、（２）式に従って、
時間方向へさらに周波数分析を行い、各周波数成分２π
ｋ／ＮΔＴのパワーの時間変動の周波数スペクトルＹ２
（ｋ，ｌ）を計算する。

【００３１】ここで、Ｍは振幅変調成分分析手段１３に
よる１回の分析に係るポイント数（フレーム長）であ
り、例えば、アナログ／ディジタル変換器１１で２５０
００Ｈｚでサンプリングした場合、２０４８に選定され
る。また、ｌは、０以上Ｍ未満の任意の整数であり、周
波数成分を間接的に表すパラメータであり、短時間周波
数分析手段１２での分析におけるｋと同様なものであ
る。

【００３２】

【数２】 なお、振幅変調成分分析手段１３による周波数分析は、
１回だけ行えば良い。但し、異なるフレームを設定して
２回以上行っても良い。

【００３３】また、振幅変調成分分析手段１３による処
理は、振動信号から見た場合には、短時間周波数分析手
段１２から出力された各短時間周波数パワースペクトル
の周波数成分を搬送波とした振幅変調信号からその振幅
変調成分を取り出していることと等価である。

【００３４】図５は、振幅変調成分分析手段１３から出
力された短時間周波数パワースペクトルＹ（Ｔ，ｋ）の
時間変動の周波数スペクトルの一例を示すものであり、
上述した図３に示した振動信号に対応するものである。
図５において、横軸は振幅変調成分を表す周波数、縦軸
は短時間周波数分析手段１２に係る周波数成分、高さ方
向は振幅変調成分の強度を表している。

【００３５】図６は、振幅変調成分分析手段１３から出
力された短時間周波数パワースペクトルＹ（Ｔ，ｋ）の
時間変動の周波数スペクトルを図５とは異なる表記方法
で示した模式図である。なお、模式図であるので、図５
とは対応してはいない。すなわち、図６は、横軸に振幅
変調成分を表す周波数、縦軸に短時間周波数分析手段１
２に係る周波数成分を取り、振幅変調成分の強度Ｙ２
（ｋ，ｌ）を階調に置き換えて２次元的に濃淡表示した
ものである。この図６から明らかなように、２次元的に
濃淡表示した場合には、多くの縞模様が存在し、一部の
縞模様は、機械要素の傷や機械要素の変形等によってそ
の存在の有無や現れる位置が変化するものである。ま
た、特徴抽出対象の機械運動機構以外の装置からの振動
成分が、センサ１０で捕捉されたとしても、それに応じ
た縞模様は生じても、機械要素の傷や機械要素の変形等
による縞模様とは別の位置に生じる。

【００３６】従って、振幅変調成分分析手段１３からの
出力は、特徴抽出対象の機械運動機構の振動特徴情報と
して十分に機能するものである。

【００３７】因みに、短時間周波数分析手段１２におけ
る分析フレーム長を長くとった場合には（通常の周波数
分析手段を適用した場合には）、（１）における総和機
能により、各短時間パワースペクトルにおける時間変動
のダイナミックレンジが小さくなり、振幅変調成分分析
手段１３からの出力を図６のように濃淡表示したとして
も縞模様は明確でなくなる。

【００３８】表示手段１４は、振幅変調成分分析手段１
３から与えられた振動特徴情報を、例えば、図６に示し
た表示形態で利用者に呈示するものである。例えば、標
準品の機械運動機構から得られた振動特徴情報（予め記
憶されている）と、今回の特徴抽出対象の機械運動機構
から得られた振動特徴情報とを並設して表示させるよう
にしても良い。

【００３９】以上のように、上記実施形態によれば、振
動信号の時系列に対して広範囲な短時間パワースペクト
ルを得た後、各短時間パワースペクトルに対し、さらに
時間方向へ周波数分析を行い、その結果を特徴情報とす
るようにしたので、特徴抽出対象の機械運動機構につい
ての固有振動周波数等の情報を必要とすることなく、し
かも、別の装置等からの雑音振動があっても故障診断等
に供することができるように特徴を抽出できる。

【００４０】また、その結果を２次元濃淡表示すること
により、どの帯域にどの程度の振幅変調が生じているの
かを一度に観察することができ、特徴抽出対象の機械運
動機構に何らかの障害が生じた場合にその早期発見が可
能となる。

【００４１】なお、上記実施形態においては、得られた
特徴情報を濃淡表示するものを示したが、本発明は、特
徴情報の抽出までに特徴を有するものであり、得られた
特徴情報をどのような形で処理しても良いことは勿論で
ある。例えば、変調周波数成分の強度を閾値と比較して
２値等の単純な濃淡情報に変換して表示させるようにし
ても良く、また、２値等の単純な濃淡情報に変換した
後、基準の濃淡情報とパターンマッチング（距離値計
算）したりしても良い。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、本発明の機械運動特徴抽
出装置によれば、特徴抽出対象の機械運動機構の振動を
電気信号に変換する振動／電気変換手段と、この振動／
電気変換手段から出力された振動信号に対し、短時間周
波数分析し、短時間パワースペクトルを出力する短時間
周波数分析手段と、この短時間周波数分析手段から出力
された短時間パワースペクトルの各周波数成分の時間変
動に対し、周波数分析してその分析結果を特徴情報とし
て出力する振幅変調成分分析手段とを有するので、特徴
抽出対象の機械運動機構についての固有振動周波数等の
情報を必要とすることなく、しかも、別の装置等からの
雑音振動があっても故障診断等に供することができるよ
うに特徴を抽出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の構成を示すブロック図である。

【図２】従来の構成を示すブロック図である。

【図３】実施形態のアナログ／ディジタル変換器からの
出力例を示す説明図である。

【図４】実施形態の短時間周波数分析手段からの出力例
を示す説明図である。

【図５】実施形態の振幅変調成分分析手段からの出力例
を示す説明図である。

【図６】実施形態の表示手段による表示方法の説明図で
ある。

【符号の説明】

１０…振動／電気変換センサ、１１…アナログ／ディジ
タル変換器、１２…短時間周波数分析手段、１３…振幅
変調成分分析手段、１４…表示手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾崎 俊二 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特徴抽出対象の機械運動機構の振動を電
   気信号に変換する振動／電気変換手段と、 この振動／電気変換手段から出力された振動信号に対
   し、短時間周波数分析し、短時間パワースペクトルを出
   力する短時間周波数分析手段と、 この短時間周波数分析手段から出力された短時間パワー
   スペクトルの各周波数成分の時間変動に対し、周波数分
   析してその分析結果を特徴情報として出力する振幅変調
   成分分析手段とを有することを特徴とする機械運動特徴
   抽出装置。
2. 【請求項２】 上記振幅変調成分分析手段から出力され
   た特徴情報を、一方の軸に上記振幅変調成分分析手段の
   分析に係る周波数成分、他方の軸に上記短時間周波数分
   析手段の分析に係る周波数成分をとり、上記振幅変調成
   分分析手段の分析による各周波数成分での強度を階調に
   置き換えて２次元的に濃淡表示する表示手段をさらに有
   することを特徴とする請求項１に記載の機械運動特徴抽
   出装置。