JP6507297B1 - 転がり軸受の異常診断方法及び異常診断装置、異常診断プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】軸受諸元が把握できない場合であっても、軸受の損傷の種類を推定可能とする。
【解決手段】診断回転周波数と共に測定開始が指令されると、振動加速度を測定して記録し、回転周波数と振動加速度とを対応付けて記録する（Ｓ１〜Ｓ６）。Ｓ７の判別で全測定が完了していれば、Ｓ８で、回転同期成分強調波形を算出し、Ｓ９では、比基本周波数と比振動源回転周波数を仮定し、回転同期成分強調波形の比基本周波数×自然数±比振動源回転周波数の位置に振動ピークが存在するかを判断し、振動ピークが存在した割合（一致率）を算出する。Ｓ１０の判別で、既定された探索範囲で探索完了していれば、Ｓ１１で、一致率が既定のしきい値以上である比基本周波数と比振動源回転周波数について、比振動源回転周波数の値に応じて軸受異常の種類を判断し、Ｓ１２で診断結果を表示する。
【選択図】図４

Description

本発明は、工作機械等に用いられて主軸等の回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法及び装置、プログラムに関するものである。

回転体を支持する転がり軸受に内輪の損傷などの異常が生じると振動が発生する。軸受の異常によって発生する力は単純な正弦波状ではないため、高調波の周波数成分の振動が同時に観測される。この際に発生する振動の周波数（特徴周波数）は、回転周波数に比例しており、回転体の回転周波数と軸受諸元から算出することが可能である。
例えば特許文献１では、振動加速度を測定してエンベロープ処理および周波数分析等を行った波形を、所定の関係式に基づいて算出した内輪、外輪、転動体などの特徴周波数とともに表示し、特徴周波数に対応する振動ピークがあるか否かを判断できるようにすることで、転がり軸受の損傷部位（内輪、外輪、転動体など）を特定する手法が示されている。
特許文献２では、振動を測定してエンベロープ処理および周波数分析し、所定の関係式に基づいて算出した内輪、外輪、転動体のそれぞれの特徴周波数の値を抽出して、損傷部位（内輪、外輪、転動体）でそれぞれ異なるしきい値を用いて診断する手法が示されている。

特開昭６３−２９７８１３号公報 特許第５１４６００８号公報

しかしながら、損傷部位の特定や損傷部位に応じたしきい値を用いるためには、基本周波数や特徴周波数を算出するための軸受諸元が必要となる。このため、軸受メーカの販売する軸受診断装置においては、その軸受メーカが軸受諸元を把握している自社の軸受については型式を入力することで診断ができるが、他社の軸受については軸受諸元の手入力を要求する実装となっていることが一般的である。この場合、軸受の諸元が入手できない場合には軸受を診断することができないといった課題がある。また、機械の製造者を除くと、その機械で使用されている軸受の型式を把握することさえ困難であるという課題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、診断対象の機械で使用されている軸受の軸受諸元が把握できない場合であっても、軸受の損傷の種類を推定することができる転がり軸受の異常診断方法及び異常診断装置、異常診断プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法であって、
前記回転体の振動を複数回測定する振動測定ステップと、
前記振動を周波数分析して周波数毎の振動の大きさをそれぞれ求め、前記振動の周波数を回転周波数で除算して得られる無次元量を比周波数として、各回の測定で得られた前記振動の大きさの前記比周波数ごとの平均を回転同期成分強調波形として算出する回転同期成分強調波形算出ステップと、
前記回転同期成分強調波形の振動ピーク位置の規則性に基づいて、前記転がり軸受において力の発生する方向が変化する周波数である振動源回転周波数と前記回転周波数との比である比振動源回転周波数を推定し、前記比振動源回転周波数の値が１の場合には、前記転がり軸受の内輪損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が前記転がり軸受の転動体の公転周波数を前記回転周波数で除算した値のとり得る範囲である場合には、前記転動体の損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が０の場合には、前記転がり軸受の外輪損傷と判断する軸受損傷種類判別ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記比振動源回転周波数の推定は、前記回転同期成分強調波形において、比基本周波数と比振動源回転周波数とを仮定して算出される特定の比周波数に振動ピークが存在する割合である一致率を算出し、一致率が所定のしきい値を超過する場合には、仮定した前記比基本周波数と仮定した前記比振動源回転周波数とにより表現される規則性が前記回転同期成分強調波形にあると判断し、仮定した前記比振動源回転周波数を採用することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記振動測定ステップでは、異なる複数の回転周波数で振動を測定することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法であって、
前記回転体の振動を複数回測定する振動測定ステップと、
前記振動を周波数分析して周波数毎の振動の大きさをそれぞれ求め、前記振動の周波数を回転周波数で除算して得られる無次元量を比周波数として、各回の測定で得られた前記振動の大きさの前記比周波数ごとの平均を回転同期成分強調波形として算出する回転同期成分強調波形算出ステップと、
前記回転同期成分強調波形を入力とし、内輪傷の有無、転動体傷の有無、外輪傷の有無の少なくともひとつを出力とする教師データを用いて学習した機械学習モデルを用い、前記回転同期成分強調波形を入力して前記転がり軸受の損傷の種類を判別する軸受損傷種類判別ステップと、を実行することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する装置であって、
前記回転体の振動を複数回測定する振動測定手段と、
前記振動を周波数分析して周波数毎の振動の大きさをそれぞれ求め、前記振動の周波数を回転周波数で除算して得られる無次元量を比周波数として、各回の測定で得られた前記振動の大きさの前記比周波数ごとの平均を回転同期成分強調波形として算出する回転同期成分強調波形算出手段と、
前記回転同期成分強調波形の振動ピーク位置の規則性に基づいて、前記転がり軸受において力の発生する方向が変化する周波数である振動源回転周波数と前記回転周波数との比である比振動源回転周波数を推定し、前記比振動源回転周波数の値が１の場合には、前記転がり軸受の内輪損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が前記転がり軸受の転動体の公転周波数を前記回転周波数で除算した値のとり得る範囲である場合には、前記転動体の損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が０の場合には、前記転がり軸受の外輪損傷と判断する軸受損傷種類判別手段と、を備えることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、前記軸受損傷種類判別手段は、前記転がり軸受の損傷に対応する比基本周波数と、前記比振動源回転周波数と、前記比基本周波数と前記比振動源回転周波数とから算出される特定の比周波数とを用いて前記転がり軸受の損傷の種類毎の前記振動ピーク位置の存在を確認すると共に、前記比振動源回転周波数の値に基づいて前記損傷の種類を判別するものであり、
前記比基本周波数と前記比振動源回転周波数とを合わせて表示する表示手段を備えることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５の構成において、前記軸受損傷種類判別手段は、前記転がり軸受の損傷に対応する比基本周波数と、前記比振動源回転周波数と、前記比基本周波数と前記比振動源回転周波数とから算出される特定の比周波数とを用いて前記転がり軸受の損傷の種類毎の前記振動ピーク値の存在を確認すると共に、前記比振動源回転周波数の値に基づいて前記損傷の種類を判別するものであり、
前記特定の比周波数の位置と前記回転同期成分強調波形とを合わせて表示する表示手段を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、転がり軸受の異常診断プログラムであって、所定の回転周波数で測定された回転体の振動が前記回転周波数と共に入力されたコンピュータに、請求項１乃至４の何れかに記載の転がり軸受の異常診断方法における回転同期成分強調波形算出ステップと軸受損傷種類判別ステップとを実行させることを特徴とする。

本発明によれば、測定した振動に対し、回転体の回転周波数に比例した周波数の振動成分を強調する回転同期成分強調波形を算出し、回転同期成分強調波形の振動ピーク位置の規則性に基づいて転がり軸受における損傷の種類を判別するので、軸受諸元を用いることなく振動ピークの規則性から軸受異常の種類を判断することが可能となる。
特に、請求項３の発明によれば、上記効果に加えて、振動測定ステップでは、異なる複数の回転周波数で振動を測定するので、さらに外乱の影響が低減されて、振動ピークの規則性を捉え易くなるため、軸受異常の推定精度が向上する。
特に、請求項４の発明によれば、上記効果に加えて、軸受損傷種類判別ステップでは、回転同期成分強調波形を入力とし、内輪傷の有無、転動体傷の有無、外輪傷の有無の少なくともひとつを出力とする教師データを用いて学習した機械学習モデルを用い、回転同期成分強調波形を入力して転がり軸受の損傷の種類を判別するので、人間が考える処理よりも汎用的に振動ピークの規則性から軸受異常の種類を判断することが可能となる。
特に、請求項６の発明によれば、上記効果に加えて、比基本周波数と比振動源回転周波数とを合わせて表示する表示手段を備えることで、数字として表示される周波数の値を用いて他の軸受診断処理を行うことが可能となる。
特に、請求項７の発明によれば、上記効果に加えて、特定の比周波数の位置と回転同期成分強調波形とを合わせて表示する表示手段を備えることで、振動ピークの規則性を正しく抽出できているか否かを視覚的に把握できるため、診断結果の妥当性を容易に検証できる。また、各損傷の種類において着目すべき比周波数がわかりやすくなる。

転がり軸受の異常診断装置の機能ブロック図である。 外輪および内輪が損傷している場合の回転同期成分強調波形である。 転動体が損傷している場合の回転同期成分強調波形である。 異常診断方法のフローチャートである。 異常診断方法の他の例のフローチャートである。 異常診断方法の他の例のフローチャートである。 診断回転周波数の表示と測定開始の指令を行う画面である。 図４の方法による異常診断結果を表示する画面である。 図５の方法による異常診断結果を表示する画面である。 図６の方法による異常診断結果を表示する画面である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は転がり軸受の異常診断装置を工作機械の主軸に対して取り付けて使用する場合の構成を示した機能ブロック図で、この図に基づいて具体的に説明する。
工作機械１００において、主軸１が転がり軸受である軸受７を介して主軸ハウジング２に対して回転可能に取り付けられており、主軸１には加工を行うための工具３が固定されている。モータ４は主軸１を駆動する。モータ４には速度検出器５が設けられて、測定されたモータ４の回転周波数が制御装置６に入力されるようになっている。制御装置６は、速度検出器５で測定されたモータ４の回転周波数を測定者によって制御装置６に入力された指令回転周波数に保つようにモータ４へ供給する電流の制御を行っている。表示部８には、速度検出器５で測定されたモータ４の現在の回転周波数が表示される。

コンピュータを含む異常診断装置２００において、振動測定手段としての振動センサ９は、工作機械１００の軸受７の損傷によって生じる振動を測定可能な位置に磁力により取り付けられている。
表示手段としての表示・操作部１３は、測定者が制御装置６へ入力すべき指令回転周波数や診断結果を表示するとともに、表示部８に表示されたモータ４の現在の回転周波数が表示・操作部１３に表示された値と一致したか否かを測定者が判断した結果を入力する操作が可能となっている。振動センサ９で測定される振動加速度は、Ａ／Ｄ変換部１０でデジタル値に変換される。記憶部１１は、表示部８に表示されたモータ４の現在の回転周波数が表示・操作部１３に表示された値と一致したと測定者が判断したときから既定のデータ長となるときまでの振動加速度のデジタル値を振動測定時の回転周波数とともに記憶する。

演算部１２は、記憶部１１に記憶された振動測定時の回転周波数と振動加速度より、予め記憶された異常診断プログラムに基づき、乗算、フーリエ変換、絶対値の算出、内挿処理を行って、比周波数（周波数を回転周波数で割って算出される無次元量）に対する修正振動値を算出し、複数の振動測定時の回転周波数の修正振動値について比周波数毎の平均を算出することで回転同期成分強調波形を算出する。さらに、回転同期成分強調波形のピーク位置の規則性より、後述する比基本周波数と比振動源回転周波数を推定し、比振動源回転周波数の値に応じて、損傷が内輪・転動体・外輪の何れに生じているかを判断する。すなわち、演算部１２は、回転同期成分強調波形算出手段と軸受損傷種類判別手段として機能する。

軸受７において、内輪傷が存在する場合、転動体が内輪傷を通過する周波数（基本周波数）とその自然数倍の周波数の力が発生する。内輪傷の方向は主軸１の回転とともに回転するため、力の発生する方向は回転周波数で変化する。
軸受７において、転動体傷が存在する場合、転動体傷が内輪または外輪に接する周波数（基本周波数）とその自然数倍の周波数の力が発生する。傷のある転動体の位置は転動体の保持器が自転する（転動体が公転する）周波数で変化するため、力の発生する方向は転動体の保持器が自転する（転動体が公転する）周波数で変化する。保持器の自転（転動体の公転）は、主軸の回転よりも必ず遅くなるので、力の発生する方向が変化する周波数は０Ｈｚより大きく回転周波数より小さい値となる。
軸受７において、外輪傷が存在する場合、転動体が外輪傷を通過する周波数（基本周波数）とその自然数倍の周波数の力が発生する。外輪傷の方向は主軸１の回転に依らず一定であるため、力の発生する方向は変化しない。
ここでは力の発生する方向が変化する周波数を振動源回転周波数と呼称する。力の発生する方向の変化しない場合は、振動源回転周波数が便宜上０Ｈｚであるとみなしてよい。

ところで、力の発生する方向が振動源回転周波数で変化する場合、固定された座標系でその力を見ると、力の周波数（基本周波数の自然数倍）に対して、振動源回転周波数だけ前後した２つの周波数の力が生じていることになる。線形とみなせるシステムでは、力と同じ周波数の振動加速度が生じるため、固定された座標系で振動加速度を測定し、周波数分析すると、軸受が損傷している場合には、理想的には振動源回転周波数の２倍だけ離れた周波数に振動ピークの対が観測され、その２つの振動ピークの平均の周波数が、基本周波数の自然数倍となるような位置に複数観測される。この規則性を捉え、振動源回転周波数を推定することで異常の種類を判断することが可能となる。ただし、現実的には、振動を測定し周波数分析するだけでは、振動しにくい周波数の振動ピークはノイズに埋もれてしまい、この規則性を確実に捉えることは難しい。

回転に同期する軸受損傷に起因する振動は、繰り返し測定したり異なる回転周波数で測定したりしたとしても、振動の生じる周波数は常に回転周波数の定数倍である。振動の周波数の回転周波数に対する比の無次元量を比周波数と呼称することにすると、回転に同期する軸受損傷に起因する振動は、回転周波数に依らず同じ比周波数に振動ピークが観測されることになる。このため、複数回測定して平均を取ることでホワイトノイズを低減したり、複数の回転周波数で測定して比周波数毎の平均を取ることでホワイトノイズや回転に同期しない外乱成分を低減したりすることで、回転に同期した振動を強調した波形（回転同期成分強調波形）を算出することができ、軸受損傷に起因する振動ピークの規則性を捉えることが容易となる。

複数の回転周波数で測定する場合、振動の基本周波数と振動源回転周波数とをそれぞれ回転周波数で除算して得られる無次元量の比基本周波数と比振動源回転周波数とを用いた方が議論しやすい。但し、比基本周波数は、軸受の構造によって様々な値をとるため、例えばある軸受の内輪傷の比基本周波数が別の軸受の外輪傷の比基本周波数と同じ大きさとなることもある。このため、比基本周波数の値に着目しても軸受の異常の種類を判別することは不可能である。しかし、前述したように、振動源回転周波数は、軸受損傷の種類によって回転周波数の何倍となるかが異なり、その大小関係に逆転が起こることはない。よって、比振動源回転周波数に換算すると、内輪損傷の場合は１、転動体損傷の場合は、後述する回転周波数に対する転動体公転の比の取りうる範囲の値（工作機械主軸に用いられる軸受の場合には０．４５前後の値が多い）、外輪損傷の場合は０となる。

図２に外輪および内輪が損傷している場合の回転同期成分強調波形、図３に転動体が損傷している場合の回転同期成分強調波形を示す。これらの図に基づいて、軸受損傷の種類毎の振動ピーク位置の規則性を説明する。なお、図２において、内輪損傷時の振動ピークに関連する箇所は破線で、外輪損傷時の振動ピークに関連する箇所は実線で、注釈を記した。図３において、転動体損傷時の振動ピークに関連する箇所は実線で注釈を記した。

内輪損傷があると、図２に示すように、同一の比振動源回転周波数（＝１）の２倍だけ離れた２本の振動ピーク（ピーク対）が複数箇所に存在する。さらに、それぞれのピーク対の平均の比周波数は必ず比基本周波数の自然数倍となるため、比基本周波数が未知であっても、ピーク対の平均の比周波数が自然数比となっていることを確認することで内輪損傷による振動ピークであると確信することができる。
外輪損傷があると、図２に示すように、比周波数の比が自然数比となるような振動ピークが複数箇所に存在する。軸受の比基本周波数は自然数とならないように設計されることが一般的であるため、さらにそれらの振動ピークの比周波数のいくつかが自然数でなければ、比基本周波数が自然数でないと推測できるため、外輪損傷による振動ピークであると確信することができる。
転動体損傷があると、図３に示すように、同一の比振動源回転周波数の２倍だけ離れた２本の振動ピーク（ピーク対）が複数箇所に存在する。さらに、それぞれのピーク対の平均の比周波数は必ず比基本周波数の自然数倍となるため、比基本周波数が未知であっても、ピーク対の平均の比周波数が自然数比となっていることを確認することで転動体損傷による振動ピークであると確信することができる。なお、比振動源回転周波数の値は必ず１より小さい値となるため、内輪損傷との識別が可能である。

図４は、転がり軸受の異常診断を行う方法のフローチャートを示したものであり、このフローチャートに基づいて具体的に説明する。
まず、予め登録されている診断回転周波数の全条件のうちの１つが表示・操作部１３に図７のように表示される（Ｓ１）。
次に、診断装置の使用者は、表示された診断回転周波数を制御装置６へ指令する（Ｓ２）。
次に、診断装置の使用者は、表示部８を確認して、診断対象の軸受に支持された回転体が表示・操作部１３に表示された回転周波数で回転しているかを判断し、一致している場合には表示・操作部１３より測定開始を指令する（Ｓ３）。
すると、異常診断装置２００では、振動加速度を測定して記録し（Ｓ４）、必要なデータ長となったら測定完了と判断してＳ６へ移行する（Ｓ５）。Ｓ６では、振動測定時の回転周波数と振動加速度とを対応付けて記録する。
Ｓ７で、予め登録されている診断回転周波数の全条件の測定が完了しているかを判断し、全条件の測定が完了していればＳ８へ移行する。完了してない場合にはＳ１に戻り、測定が完了していない別の診断回転周波数を表示する。ここでのＳ４〜Ｓ７までが振動測定ステップとなる。

Ｓ８では、まず振動加速度をフーリエ変換し振幅スペクトル密度を算出する。次に、振幅スペクトル密度の絶対値を測定時の角周波数（測定時の回転周波数に、２と円周率を乗算した値）の２乗で除算して修正振動値を算出する。修正振動値の比周波数が等しい周波数成分を複数の回転周波数でそれぞれ平均を算出することで回転同期成分強調波形を算出する（回転同期成分強調波形算出ステップ）。なお、比周波数分解能が一致しない場合には補間処理を行って比周波数分解能を統一して平均を算出する。
次に、Ｓ９では、比基本周波数と比振動源回転周波数とを仮定し、回転同期成分強調波形の比基本周波数×自然数±比振動源回転周波数の位置に振動ピークが存在するかそれぞれ判断する。ある比周波数に振動ピークが存在するか否かの判断は、回転同期成分強調波形と回転同期成分強調波形の移動平均を比較し、回転同期成分強調波形の値の方が大きければ、その比周波数には振動ピークが存在すると判断すればよい。そして、比基本周波数×自然数±比振動源回転周波数の位置に振動ピークが存在した割合（一致率）を算出する。

次に、Ｓ１０では、既定された探索範囲の比基本周波数と比振動源回転周波数との組み合わせについて全て探索完了しているか判断し、完了していればＳ１１へ移行する。
Ｓ１１では、一致率が既定のしきい値以上である比基本周波数と比振動源回転周波数について、比振動源回転周波数の値に応じて軸受異常の種類（内輪損傷、転動体損傷、外輪損傷）を判断する。ここでのＳ９〜Ｓ１１までが軸受損傷種類判別ステップとなる。
そして、Ｓ１２では、図８に示すような診断結果を表示・操作部１３に表示する。ここでは比振動源回転周波数が外輪に対応する０、内輪に対応する１の場合に一致率が高く算出されたため、外輪と内輪とが損傷している可能性ありと表示される。

図５は、転がり軸受の異常診断を行う他の方法のフローチャートを示したものであり、このフローチャートに基づいて具体的に説明する。
Ｓ１〜Ｓ８までは図４の方法と同じである。まず、予め登録されている診断回転周波数の全条件のうちの１つが表示・操作部１３に図７のように表示される（Ｓ１）。診断装置の使用者は、表示された診断回転周波数を制御装置６へ指令する（Ｓ２）。診断装置の使用者は、表示部８を確認して、診断対象の軸受に支持された回転体が表示・操作部１３に表示された回転周波数で回転しているかを判断し、一致している場合には表示・操作部１３より測定開始を指令する（Ｓ３）。振動加速度を測定して記録し（Ｓ４）、必要なデータ長となったら測定完了と判断してＳ６へ移行する（Ｓ５）。振動測定時の回転周波数と振動加速度を対応付けて記録する（Ｓ６）。予め登録されている診断回転周波数の全条件の測定が完了しているかを判断し、全条件の測定が完了していればＳ８へ移行する。完了してない場合にはＳ１に戻り、測定が完了していない別の診断回転周波数を表示する。
Ｓ８では、まず振動加速度をフーリエ変換し振幅スペクトル密度を算出する。振幅スペクトル密度の絶対値を測定時の角周波数（測定時の回転周波数に、２と円周率を乗算した値）の２乗で除算して修正振動値を算出する。修正振動値の比周波数が等しい周波数成分を複数の回転周波数で平均を算出することで回転同期成分強調波形を算出する。なお、比周波数分解能が一致しない場合には補間処理を行って比周波数分解能を統一して平均を算出する。

そして、Ｓ１０９では、まず振動ピークが存在すると判断された比周波数を４つ選択する。ある比周波数に振動ピークが存在するか否かの判断は、回転同期成分強調波形と回転同期成分強調波形の移動平均とを比較し、回転同期成分強調波形の値の方が大きければ、その比周波数には振動ピークが存在すると判断すればよい。
次に、Ｓ１１０では、選択された４つの振動ピークの比周波数Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、Ｆ_４と、公約数を持たない異なる自然数Ｎ_１、Ｎ_２との組み合わせが以下の数１および数２の関係式を満たすか否かを判断する。なお、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、Ｆ_４には同一の比周波数が選ばれても良い（Ｆ_１とＦ_２、Ｆ_３とＦ_４がそれぞれ同一の比周波数のときに外輪損傷の振動ピークを検出できる）。

Ｓ１１０の判別で、４つの振動ピークの比周波数Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、Ｆ_４と、公約数を持たない異なる自然数Ｎ_１、Ｎ_２の組み合わせが数１および数２の関係式を満たす場合、Ｓ１１１へ移行し、関係式を満たさない場合、Ｓ１０９に戻って異なる比周波数を４つ選択してＳ１１０の判別を再度行う。
Ｓ１１１では、まず数１および数２の関係式を満たす振動ピークの比周波数の組み合わせについて、以下の数３、数４より比基本周波数Ｒ_０、比振動源回転周波数Ｒ_１を算出する。

そして、算出した比振動源回転周波数Ｒ_１の値に応じて軸受異常の種類（内輪損傷、転動体損傷、外輪損傷）を判断し、Ｓ１１２で、図９に示すような診断結果を表示・操作部１３に表示する。ここでは比振動源回転周波数が転動体に対応する０．４５と算出されたため、転動体が損傷している可能性ありと表示される。ここでのＳ１０９〜Ｓ１１１が軸受損傷種類判別ステップとなる。

図６は、機械学習を用いて転がり軸受の異常診断を行う他の方法のフローチャートを示したものであり、このフローチャートに基づいて具体的に説明する。
ここでは軸受異常が既知の軸受について後述する方法で算出される回転同期成分強調波形を入力とし、内輪損傷がある（１）か否か（０）、転動体損傷がある（１）か否か（０）、外輪損傷がある（１）か否か（０）、を出力とする教師データを用いて外部の学習器（図１に図示しない）において、予め機械学習させておき、学習済み数理モデルを図１の演算部１２に備えている。数理モデルの形態としては、例えば、多層ニューラルネットワークなどを用いることができる。軸受異常が既知の軸受について評価用データ（回転同期成分強調波形）の値を入力した場合の出力の分布より、内輪、転動体、外輪が異常か否かを判断するしきい値を予め決定しておき、演算部１２に備えている。

Ｓ１〜Ｓ８までは図４の方法と同じである。予め登録されている診断回転周波数の全条件のうちの１つが表示・操作部１３に図７のように表示される（Ｓ１）。診断装置の使用者は、表示された診断回転周波数を制御装置６へ指令する（Ｓ２）。診断装置の使用者は、表示部８を確認して、診断対象の軸受に支持された回転体が表示・操作部１３に表示された回転周波数で回転しているかを判断し、一致している場合には表示・操作部１３より測定開始を指令する（Ｓ３）。振動加速度を測定して記録し（Ｓ４）、必要なデータ長となったら測定完了と判断してＳ６へ移行する（Ｓ５）。振動測定時の回転周波数と振動加速度を対応付けて記録する（Ｓ６）。予め登録されている診断回転周波数の全条件の測定が完了しているかを判断し、全条件の測定が完了していればＳ８へ移行する。完了してない場合にはＳ１に戻り、測定が完了していない別の診断回転周波数を表示する。
Ｓ８では、まず振動加速度をフーリエ変換し振幅スペクトル密度を算出する。振幅スペクトル密度の絶対値を測定時の角周波数（測定時の回転周波数に、２と円周率を乗算した値）の２乗で除算して修正振動値を算出する。修正振動値の比周波数が等しい周波数成分を複数の回転周波数で平均を算出することで回転同期成分強調波形を算出する。回転同期成分強調波形と回転同期成分強調波形の移動平均を比較し、回転同期成分強調波形の値の方が大きければ、その比周波数には振動ピークが存在すると判断する。なお、比周波数分解能が一致しない場合には補間処理を行って比周波数分解能を統一して平均を算出する。

そして、Ｓ２０９では、回転同期成分強調波形を学習済み数理モデルに入力し、内輪損傷があるか否か、転動体損傷があるか否か、外輪損傷があるか否か、の出力値をそれぞれ算出する（軸受損傷種類判別ステップ）。
Ｓ２０９で、それぞれの出力値の値が予め設定されたしきい値を超過していれば異常と判断し、Ｓ２１０で、図１０に示すような診断結果を表示・操作部１３に表示する。図１０には、学習済み数理モデルに入力する回転同期成分強調波形がグラフとして、学習済み数理モデルからの出力値、異常か否かを判断するしきい値、異常か否かを判断した判定結果が表示されている。

このように、上記各形態の異常診断方法及び異常診断装置２００、異常診断プログラムによれば、測定した振動に対し、主軸１の回転周波数に比例した周波数の振動成分を強調する回転同期成分強調波形を算出し、回転同期成分強調波形の振動ピーク位置の規則性に基づいて軸受７における損傷の種類を判別するので、軸受諸元を用いることなく振動ピークの規則性から軸受異常の種類を判断することが可能となる。
また、本発明では、比基本周波数と比振動源回転周波数が推定されているので基本周波数や特徴周波数の算出が行える。このため、基本周波数や特徴周波数を算出するために軸受諸元を利用する必要があった従来の診断技術の診断を行うことも可能となる。ある回転周波数における基本周波数が必要な場合は、比基本周波数の値に回転周波数を乗算することで算出することが可能である。ある回転周波数における、転動体の保持器が自転する（転動体が公転する）周波数が必要な場合には、転動体損傷と判断された比基本周波数と比振動源回転周波数の組み合わせの比振動源回転周波数の値に回転周波数を乗算することで算出することが可能である。

特にここでは、振動測定ステップでは、異なる複数の回転周波数で振動を測定し、回転同期成分強調波形算出ステップでは、振動を周波数分析して周波数毎の振動の大きさをそれぞれ算出し、回転周波数に対する振動の周波数の倍率（比周波数）が同じ成分について振動の大きさの平均をとるようにしている（Ｓ８）ので、さらに外乱の影響が低減されて、振動ピークの規則性を捉え易くなるため、軸受異常の推定精度が向上する。

また、図６に示す異常診断方法では、回転同期成分強調波形を入力とし、内輪傷の有無、転動体傷の有無、外輪傷の有無の少なくともひとつを出力とする教師データを用いて学習した機械学習モデルを用い、回転同期成分強調波形を入力して軸受損傷の種類を判別するので、人間が考える処理よりも汎用的に振動ピークの規則性から軸受異常の種類を判断することが可能となる。
そして、異常診断装置２００では、軸受損傷に対応する比基本周波数と比振動源回転周波数とを合わせて表示・操作部１３に表示するので、数字として表示される周波数の値を用いて他の軸受診断処理を行うことが可能となる。
さらにここでは、特定の比周波数の位置と回転同期成分強調波形とを合わせて表示・操作部１３に表示するので、振動ピークの規則性を正しく抽出できているか否かを視覚的に把握できるため、診断結果の妥当性を容易に検証できる。また、各損傷の種類において着目すべき比周波数がわかりやすくなる。

なお、上記各例では、診断対象の軸受に支持された回転体の回転周波数を直接指令可能な例を示したが、ベルトを介して工作機械主軸を回転させるモータの支持軸受を診断する場合は、減速比を考慮して、モータの支持軸受の回転周波数が診断周波数となるように指定してやればよい。
また、表示・操作部１３に表示された診断回転周波数に診断対象の軸受の回転周波数を合わせることで、振動加速度と回転周波数を対応付けて記憶する方法を示したが、診断対象の軸受の回転周波数を表示・操作部１３より診断装置の使用者が入力する方法や、異常診断装置２００が速度検出器５の情報を直接取り込めるようにする方法でもよい。
さらに、回転周波数（単位はＨｚを用いることが多い）と回転速度（工作機械主軸では、単位ｍｉｎ^−１が用いられることが多い）は、１Ｈｚ＝６０ｍｉｎ^−１の関係がある同一の量であり、どちらを用いてもよい。

一方、すべりのない場合の回転周波数に対する転動体公転周波数の比（転動体異常の場合の比振動源回転周波数Ｒ_１）は、転動体直径ｄ、ピッチ円直径Ｄ、接触角αを用いて、以下の数５で表現される。

数５より、転動体異常の場合の比振動源回転周波数はピッチ円直径に対する転動体直径の比が大きいほど小さくなることがわかる。転がり軸受を構成する上で最低３個の転動体が必要となるので、３個の転動体を密に並べた構造の軸受においてピッチ円直径に対する転動体直径の比が最大となるため、幾何学的な比振動源回転周波数の下限値は、（１−√３÷２）÷２≒０．０６６９である。数５より、転動体直径を無限小にした場合が、転動体異常の場合の比振動源回転周波数が最大となることがわかる。このため、幾何学的には、比振動源回転周波数の上限値は０．５である。転動体異常の場合の比振動源回転周波数がとり得る範囲は、最も広く見積もっても（１−√３÷２）÷２以上から０．５以下である。
工作機械主軸に用いられる軸受の場合、転動体異常の場合の比振動源回転周波数は０．４５前後であるため、仮定する比振動源回転周波数は０、０．４以上０．５以下、１とするなどさらに限定して探索を行ってもよい。

また、複数の回転周波数で測定した振動加速度から回転同期成分強調波形を算出する際に、測定時の角周波数（測定時の回転周波数に、２と円周率を乗算した値）の２乗で除算する処理を入れる例を示しているが、回転体の回転周波数に比例した周波数の振動成分を強調し、振動ピークの抽出を容易に行えるようにする目的が達せられるのであれば省略してもよいし、別の処理を追加しても良い。
さらに、比周波数、比基本周波数、比振動源回転周波数、これらの値と比較される値、の全てに同一の値を乗算しても、全く同じ議論が成立する。つまり、例えば比振動源回転周波数が１と一致するか否かを判断することは、比振動源回転周波数×３０Ｈｚが１×３０Ｈｚと一致するか否かを判断することと同義である。

その他、本実施例では、工作機械と異常診断装置とを別体で示しているが、異常診断装置を制御装置に内蔵しても良い。
また、異常診断装置を複数の工作機械と有線或いは無線で通信可能とし、工作機械側で振動を測定してデータを取得しつつ、異常診断プログラムに基づいて異常診断方法を各工作機械毎に実行するようにしてもよい。さらに、振動の測定から異常診断までを連続して行う場合に限らず、振動の測定データを記憶部に保存しておき、所定のタイミングで異常診断プログラムによる異常診断を行うようにしても差し支えない。

１・・主軸、２・・主軸ハウジング、３・・工具、４・・モータ、５・・速度検出器、６・・制御装置、７・・軸受、８・・表示部、９・・振動センサ、１０・・Ａ／Ｄ変換器、１１・・記憶部、１２・・演算部、１３・・表示・操作部、１００・・工作機械、２００・・異常診断装置。

Claims (8)

1. 回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法であって、
   前記回転体の振動を複数回測定する振動測定ステップと、
   前記振動を周波数分析して周波数毎の振動の大きさをそれぞれ求め、前記振動の周波数を回転周波数で除算して得られる無次元量を比周波数として、各回の測定で得られた前記振動の大きさの前記比周波数ごとの平均を回転同期成分強調波形として算出する回転同期成分強調波形算出ステップと、
   前記回転同期成分強調波形の振動ピーク位置の規則性に基づいて、前記転がり軸受において力の発生する方向が変化する周波数である振動源回転周波数と前記回転周波数との比である比振動源回転周波数を推定し、前記比振動源回転周波数の値が１の場合には、前記転がり軸受の内輪損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が前記転がり軸受の転動体の公転周波数を前記回転周波数で除算した値のとり得る範囲である場合には、前記転動体の損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が０の場合には、前記転がり軸受の外輪損傷と判断する軸受損傷種類判別ステップと、
   を実行することを特徴とする転がり軸受の異常診断方法。
2. 前記比振動源回転周波数の推定は、前記回転同期成分強調波形において、比基本周波数と比振動源回転周波数とを仮定して算出される特定の比周波数に振動ピークが存在する割合である一致率を算出し、一致率が所定のしきい値を超過する場合には、仮定した前記比基本周波数と仮定した前記比振動源回転周波数とにより表現される規則性が前記回転同期成分強調波形にあると判断し、仮定した前記比振動源回転周波数を採用することを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受の異常診断方法。
3. 前記振動測定ステップでは、異なる複数の回転周波数で振動を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受の異常診断方法。
4. 回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する方法であって、
   前記回転体の振動を複数回測定する振動測定ステップと、
   前記振動を周波数分析して周波数毎の振動の大きさをそれぞれ求め、前記振動の周波数を回転周波数で除算して得られる無次元量を比周波数として、各回の測定で得られた前記振動の大きさの前記比周波数ごとの平均を回転同期成分強調波形として算出する回転同期成分強調波形算出ステップと、
   前記回転同期成分強調波形を入力とし、内輪傷の有無、転動体傷の有無、外輪傷の有無の少なくともひとつを出力とする教師データを用いて学習した機械学習モデルを用い、前記回転同期成分強調波形を入力して前記転がり軸受の損傷の種類を判別する軸受損傷種類判別ステップと、
   を実行することを特徴とする転がり軸受の異常診断方法。
5. 回転体を支持する転がり軸受の異常を診断する装置であって、
   前記回転体の振動を複数回測定する振動測定手段と、
   前記振動を周波数分析して周波数毎の振動の大きさをそれぞれ求め、前記振動の周波数を回転周波数で除算して得られる無次元量を比周波数として、各回の測定で得られた前記振動の大きさの前記比周波数ごとの平均を回転同期成分強調波形として算出する回転同期成分強調波形算出手段と、
   前記回転同期成分強調波形の振動ピーク位置の規則性に基づいて、前記転がり軸受において力の発生する方向が変化する周波数である振動源回転周波数と前記回転周波数との比である比振動源回転周波数を推定し、前記比振動源回転周波数の値が１の場合には、前記転がり軸受の内輪損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が前記転がり軸受の転動体の公転周波数を前記回転周波数で除算した値のとり得る範囲である場合には、前記転動体の損傷と判断し、前記比振動源回転周波数の値が０の場合には、前記転がり軸受の外輪損傷と判断する軸受損傷種類判別手段と、
   を備えることを特徴とする転がり軸受の異常診断装置。
6. 前記軸受損傷種類判別手段は、前記転がり軸受の損傷に対応する比基本周波数と、前記比振動源回転周波数と、前記比基本周波数と前記比振動源回転周波数とから算出される特定の比周波数とを用いて前記転がり軸受の損傷の種類毎の前記振動ピーク位置の存在を確認すると共に、前記比振動源回転周波数の値に基づいて前記損傷の種類を判別するものであり、
   前記比基本周波数と前記比振動源回転周波数とを合わせて表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の転がり軸受の異常診断装置。
7. 前記軸受損傷種類判別手段は、前記転がり軸受の損傷に対応する比基本周波数と、前記比振動源回転周波数と、前記比基本周波数と前記比振動源回転周波数とから算出される特定の比周波数とを用いて前記転がり軸受の損傷の種類毎の前記振動ピーク値の存在を確認すると共に、前記比振動源回転周波数の値に基づいて前記損傷の種類を判別するものであり、
   前記特定の比周波数の位置と前記回転同期成分強調波形とを合わせて表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の転がり軸受の異常診断装置。
8. 所定の回転周波数で測定された回転体の振動が前記回転周波数と共に入力されたコンピュータに、請求項１乃至４の何れかに記載の転がり軸受の異常診断方法における回転同期成分強調波形算出ステップと軸受損傷種類判別ステップとを実行させることを特徴とする転がり軸受の異常診断プログラム。

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