JP2007061918A - ワークにおけるトルクのアンバランス補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワーク１に対し、修正加工（損傷）を加えずに、回転中において発生したトルクのアンバランスを是正し得るようなトルクのアンバランス補正方法を提供すること。
【解決手段】 加工の対象物であるワーク１の回転中に発生するトルクのアンバランス量を検出し、かつ当該アンバランスを補正する方法において、ワーク１と一体をなして回転可能なバランステーブル３をワーク１に対し着脱自在にて設置し、バランステーブル３においてトルクのアンバランスの最小値に対応する角度方向を設定し、当該角度方向、又は当該方向と近傍の領域にウェイトを付加するか、又はトルクのアンバランスの最小値に対応する角度方向又は当該方向と近傍の領域を切削することによって、前記課題を達成することができるワーク１におけるトルクのアンバランス補正方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、加工の対象物であるワークが回転中に発生するトルクのアンバランスを検出し、かつ補正する方法に関するものである。

ワークは全長に亘って、必ずしも回転軸を中心として正確な円形断面を形成している訳ではない。

このため、ワークが回転する場合、回転トルクにアンバランスが生ずることがあるが、当該アンバランスの発生は、回転による機械加工に際し、誤差を発生する原因とならざるを得ない。

このようなトルクのアンバランスの発生を防止するため、例えば特許文献１、及び同２においては、ワークの周面又は内側に孔や切落し部を加工することによって、アンバランスの修正を行っている。

しかしながら、加工の対象物であるワークに対して、孔や切落し部を設けることは加工物に損傷を加えることを意味しており、決して好ましいものではない。

特開平６−３３５８０１号公報。

特開２００３−２８５２４７号公報。

本発明は、ワークに対し、何らの修正加工（損傷）を加えずに、回転中に発生したトルクのアンバランスを是正し得るような補正方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明の基本構成は、加工の対象物であるワークの回転中に発生するトルクのアンバランス量を検出し、かつ当該アンバランスを補正する方法において、ワークと一体をなして回転可能なバランステーブルをワークに対し着脱自在にて設置し、ワーク及びバランステーブルにおいて発生するトルクの時間変化及び当該時間変化に対応して駆動モータ又はバランステーブルの各周期ごとにおける回転角度の時間変化を検出したうえで、トルクのアンバランスが最小値となった時点の回転角度を検出し、駆動モータ又はバランステーブルの回転方向によって予め設定した回転座標における回転角度零の方向から回転方向の反対方向に対し、前記検出された角度の分だけ偏差した方向を以って、前記最小値に対応しているバランステーブルの角度方向と設定し、当該角度方向若しくは当該方向と近傍の領域にウェイトを付加するか、又はトルクのアンバランスが最大値となった時点の回転角度を検出し、前記回転座標における回転角度零の方向から回転方向の反対方向に対し、前記検出された回転角度の分だけ偏差した方向を以って、前記最大値に対応しているバランステーブルの角度方向と設定したうえで、当該角度方向若しくは当該方向と近傍の領域を切削し、トルクのアンバランスの程度に応じて付加するウェイトの質量、及び付加する位置、又は切削質量及び切削位置を調整することによってトルクのアンバランスを補正することによるワークにおけるトルクのアンバランス補正方法からなる。

前記のような基本構成による本発明においては、ワークに嵌着したバランステーブルに対するウェイトの付加又は切削によって、前記アンバランスを是正することが可能となり、ワークに対しアンバランスを是正するために必要な格別の修正加工（損傷）を必要とせず、ひいてはワークについて本来の加工状態による精度の維持に資することができる。

本発明においては、バランステーブル３をワーク１に対して着脱自在な状態にて一体となって回転可能な状態にて設置するという本発明の要件を具体的に実現するためには、図１に示すように、回転テーブルによって支持されているワーク１に対し、バランステーブル３をワーク１に対し嵌合自在とし、かつ嵌合段階では双方を固定状態に設定すると良い。

トルクのアンバランスは、図２（ａ）の上側に示すように、ワーク１の回転作動の開始時点（尚、当該時点においては、ワーク１を回転作動の状態に突入させるために、特に大きなトルクを必要としており、トルクはピーク値を呈する。）から回転を終了時点（尚、当該時点においては、ワーク１に対する制動が生じ、ワーク１の回転角加速度が減少するため、トルクはマイナスの値となるような下方のピーク値を呈する。）までの間、平均値を中心としてバランステーブル３の回転周期と同一の周期にて振動状態を呈することになる。

したがって、特定の方向に即してバランステーブル３の回転角度を順次検出した場合には、アンバランスが発生しているトルクとバランステーブル３の回転角度とは、相互に対応関係を有している。

ワーク１の回転に際して生ずるトルクのアンバランスは、ワーク１の重心と回転中心位置との間に偏差（ずれ）が生じていることを基本的原因としているが、この点はワーク１にバランステーブル３が設置された場合においても同様である。

即ち、ワーク１とバランステーブル３とによる重心の位置とワーク１の回転中心位置との偏差（ずれ）によってトルクのアンバランスが生ずることに変りはない（そうであるが故に、ウェイトの付加又は切削が行われるのである。）。

図２（ａ）に示すトルクのアンバランスによる変化は、実際には、駆動モータに要する駆動電力の変化によって測定されているが、回転中心位置からワーク１とバランステーブル３とによる重心の位置に向かう方向（以下「重心方向」と略称し、重心方向と１８０°相違している反対方向を「重心反対方向」と略称する。）との関係においては、特定の方向を基準としてトルクのアンバランスの変化を特定しているものと見做すことができる。

即ち、駆動モータの回転軸２は、重心方向が回転しながら特定の方向を通過する場合には最大値を呈し、他の特定の方向であって前記最大値を呈する方向と反対の方向を通過する場合には最小値を呈するが、図２（ａ）の最大値は、重心方向が当該特定の方向を通過する際に最大値が検出されることを示し、かつ当該特定の方向と反対方向を通過した際最小値が検出されることを示している（以下前記特定の方向を「最大値検出方向」と略称し、その反対方向を「最小値検出方向」と略称する。）。

通常、ワーク１に対する駆動モータの回転角度方向には、角度座標が設定されており、本発明においても駆動モータ又はバランステーブル３に角度座標を設定している。

このような場合、図２（ａ）の下側に示す回転角度の周期的な変化は、角度座標において角度零の方向（以下「基準方向」とする。）の角度変化を示している。

仮に基準方向と重心方向とが一致しているのであれば、図２（ａ）において、下側の基準方向による角度が零となる時期とトルクバランスが最大値となる時期、即ち最大値検出方向を通過する時期と一致している筈であり、同様に基準方向と重心反対方向とが一致しているのであれば、図２（ａ）において、基準方向による角度が零となる時期とトルクバランスが最小値となる時期、即ち最小値検出方向を通過する時期とは一致している筈である。

しかしながら、実際にはこのような一致は例外的であり、通常一致している訳ではない。

ここで、基準方向と重心反対方向との角度をθ_１としたうえで考察するに、双方の方向が一致している場合（θ_１＝０の場合）には、基準方向による角度が零となる時期と、最大値検出方向を通過する時期とが一致している以上、重心反対方向が最小値検出方向を通過する時点では、基準方向の角度は常に零の位置から回転によってθ_１の角度に変化していることに帰する。

とすれば、逆に基準方向がθ_１だけ回転した時期に最小値が検出されるのであれば、当該時期において重心反対方向が最小値検出方向を通過していることに帰する以上、重心反対方向は、基準方向がθ_１だけ回転し、かつトルクアンバランスが最小値に至った場合には、重心反対方向は回転方向と反対方向にθ_１だけ偏差した（ずれた）位置にあることを意味しており、当該反対方向にθ_１だけ偏差した位置をワークテーブル３において、最小値に対応する角度方向と設定することができる。

同様の根拠に基づき、バランステーブル３がθ_２だけ回転した時点において、トルクアンバランスが最大値を呈した場合、基準方向から回転方向と反対方向にθ_２だけ偏差した方向を以って、最大値に対応しているバランステーブル３の角度方向と設定することができる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分的な拡大図を示すが、トルクアンバランス及び回転角度を画像表示によってモニターしたうえで基準方向による回転角度零の時期とトルクアンバランスが最小値を呈する時期との時間差を角度差に変換し、同様に基準方向による角度が零の時期とトルクのアンバランスが最小値を呈する時期との時間差を角度差に変換することによって、前記θ_１及びθ_２を設定している（尚、図２（ｂ）においては、θ_１＝π／９（＝４０°）であり、θ_２＝１１π／９（＝２２０°）の場合を示している。）。

このように、アンバランスを生じているトルクの回転周期ごとの最大値又は最小値に対応するバランステーブル３の角度方向が存在することから、前記ウェイトの付加、又は切削を行う場合には、前記最小値に対するバランステーブル３の角度方向及び当該方向と近傍の領域においてウェイトを付加するか、又は前記最大値に対応する角度方向及び当該方向と近傍の領域において切削を行うことによって、ワーク１とバランステーブル３とによる重心の位置を回転中心位置と概略一致させるという作業を不可欠とする。

図３（ａ）もまた、θ_１＝π／９が前記最小値に対応する角度方向であって、当該方向において、ウェイトを付加する場合を示しており、図３（ｂ）は、θ_２＝１１π／９が前記最大値に対応する角度方向であって、当該方向において、切削を行っている場合を示す。

一般に、ワーク１において発生するトルクをＴとし、トルクの平均値（アンバランスが生じていない場合のトルクの値と概略等しい。）をＴ_０とし、トルクのアンバランスとして発生している偏差の量をΔＴとした場合には、Ｔ＝Ｔ_０＋ΔＴが成立し、ワーク１とバランステーブル３との重量をＭとし、ワーク１とバランステーブルとによる慣性モーメントの内、重心を基準とする慣性モーメントをＩ_０とし、回転中心を基準とする慣性モーメントをＩとし、ワーク１とバランステーブル３とによる重心の位置と、ワーク１の回転中心との距離をｄとし、ワーク１及びバランステーブル３の回転速度をωとし、かつ回転速度ωの平均値をω_０とし、ワーク１及びバランステーブル３に加えられている単位時間当りのエネルギーをＷとした場合には、
Ｔ_０＝Ｗ／ω_０
ΔＴ＝Ｉ（ｄω／ｄｔ）
Ｉ＝Ｉ_０＋Ｍｄ^２
が成立する。

各角度方向及び当該方向と近傍の領域におけるウェイトの付加、又は切削を行うことは、前記Ｉに関する一般式においてｄ≒０とすることによって、Ｉ≒Ｉ_０とし、ひいては前記ΔＴ式において、回転角速度を一定状態とし、ｄω／ｄｔ≒０とすることを意味している。

前記ウェイトの付加又は切削を行う部位が、前記最大値又は前記最小値に対応する角度方向又はその近傍であることを付加するならば、付加するウェイトの質量ｍ、又は切削質量であるｍと、当該付加又は切削を行う位置３１、３２と回転中心位置との距離ｒは、
Ｍｄ≒ｍｒ ・・・・・・・・・ （１）
が成立するようなｍ及びｒを設定すれば良い。

何故ならば、前記（１）式が成立する場合には、ウェイトの付加又は切削によってワーク１及びバランステーブル３の重心の位置が回転中心位置と一致することに帰するからである。
但し、前記ｄの算出は、前記最大値に対応する角度方向を基準として精密な測定が必要であることから、必ずしも容易ではない。

このため、前記ｍ及びｒの具体的数量を設定する場合には、通常試行錯誤を伴う実験を必要とすることになる。

ウェイトの付加を行う場合には、トルクのアンバランスの最小値に対応しているワークテーブル３の角度の方向、又は当該角度から等角度をなす両側の角度方向において、前記最小値と平均値との差の程度に応じて、ウェイトの質量、及び当該ウェイトを付加する位置３１と中心位置からの距離を設定することによって、正確なウェイトの質量、及び当該距離を設定することが可能である。

同様に、実際に切削を行う場合には、トルクのアンバランスの最大値に対応しているワークテーブル３の角度の方向、又は当該角度から等角度をなす両側の角度方向において、前記最大値と平均値との差の程度に応じて、切削質量及び当該切削を行う位置３２と回転中心位置からの距離を設定することによって正確な切削質量及び当該距離を設定することが可能となる。

前記最小値に対応したバランステーブル３の角度方向及び当該方向と近傍の領域において、付加する当該質量及び付加する位置と回転中心位置との距離を効率的に設定するには、
（ａ−１）ウェイトを付加する位置３１の回転中心からの距離ｒを特定したうえで、付加する質量ｍを順次増加し、トルクのアンバランスの最小値と平均値との差が概略零に至った段階の当該ｍを適正値として設定することを特徴とする方法、
又は
（ａ−２）付加する質量ｍを特定したうえで、付加する位置と回転中心からの距離ｒを順次増加させ、トルクのアンバランスの最小値と平均値との差が概略零に至った段階の当該ｒを適正値として設定することを特徴とする方法
の何れかを採用すると良い。

即ち、前記各実施形態の場合には、付加するウェイト質量、又は付加する位置の一方を予め特定したうえで、他方を順次増加することによって双方について適切な課題を極めて効率的に設定することが可能となる。
尚、予めウェイトの質量を選択し、回転中心位置からの距離を順次増加させることによる前記（ａ−２）の実施形態において、回転中心位置からの距離をバランステーブル３の最大径に対応する位置に設定したとしても、トルクのアンバランスを補正できない場合には、付加するウェイトの質量をより大きな値に選択したうえで、改めて回転中心位置からの距離を増加しながら補正のアンバランスが解消されているか否かを検討することになる。

同様に、トルクのアンバランスの最大値に対応するバランステーブル３における角度方向及び当該方向と近傍の領域において、切削質量を効率的に設定するには、
（ｂ）切削を行う位置３２の回転中心からの距離ｒを特定としたうえで、切削質量ｍを順次増加し、アンバランスの最大値と平均値との差が概略零となった段階の当該ｍを適正値として設定することを特徴とする方法
を採用すると良い。

即ち、当該実施形態においては、予め回転中心位置からの距離を選択することによって、順次切削質量を増加することによって適切な切削質量を効率的に設定することが可能となる。

前記（ａ−１）、（ａ−２）又は（ｂ）による実施形態においては、ワーク１及びバランステーブル３のトルクのアンバランス及び回転角度を検出する際の回転速度は特に限定される訳ではないが、実際には最低速度を選択することによって、より正確な質量ｍ及び距離ｒを設定することが可能となる。

このような最低速度を選択することを前提とする前記（ａ−１）、（ａ−２）又は（ｂ）による実施形態は、図４のフローチャートによって要約することができる。

本発明において設定する前記質量ｍ及び回転中心位置からの距離ｒは、結局前記（１）式を充足する関係にあれば良いことから、適切な質量ｍ及び回転中心位置からの距離ｒの積ｍｒは概略一定である。

したがって、一端適切な質量ｍ及び回転中心位置からの距離ｒが選択された場合には、ウェイトを付加する場合、及び切削を行う場合の何れにおいても、ｍｒを概略一定としたうえで個別の質量ｍ及び個別の回転中心位置からの距離ｒを変化させることは当然可能である。

以上の実施形態においては、ウェイトを付加する方法と切削を行う方法との何れか一方を選択することを前提として説明したが、双方は（１）式を充足するような質量ｍ及び回転中心位置からの距離ｒを選択するに帰する以上、双方を併用することも当然可能である。

前記併用の場合において、付加する適切な質量をｍとし、付加を行う位置と回転中心位置との距離をｒとし、切削質量をｍ′とし、切削を行う位置３２と回転中心位置との距離をｒ′とした場合には、前記（１）式は、
ｍｄ≒ｍｒ＋ｍ′ｒ′ ・・・・・・・・・ （２）
と変容されることになる。

以下、実施例に即して説明する。

実施例においては、図５に示すように、トルクのアンバランスの最小値又は最大値に対応するワークテーブル３の角度方向を検出した後に、当該角度方向に沿って複数個の孔５を設置し、トルクのアンバランスの最小値又は最大値とトルクの平均値の差が概略零となるように、孔５に嵌合するウェイトの質量及び嵌合する孔５の位置を選択することを特徴としている。

このように、バランステーブル３において最小値に対応する角度方向に複数個の孔５を設けた場合には、質量をｍとする１個のウェイトを選択し、他の孔５については、各孔５を形成していたバランステーブル３の構成部分と同一の質量によるウェイトを予め用意したうえで嵌合して固着し、前記（１）式が成立するように設定することによって、速やかにウェイトの付加を実現することが可能である。
但し、１個のウェイトを採用するだけでなく、質量をそれぞれｍ_１、ｍ_２、・・・ｍ_ｉとする複数個（ｉ個）のウェイトを選択し、かつ嵌合する孔５と回転中心位置からの距離をｒとするような孔５を嵌合する孔５と回転中心位置からの距離をそれぞれｒ_１、ｒ_２・・・ｒ_ｉであるような位置を選択し、当該選択が行われた以外の孔５については、孔５を形成していたバランステーブル３の構成部分と同一の質量を有するウェイトを予め用意したうえで嵌合して固着し、前記（１）式に代えて、
Ｍｄ＝ｍ_１ｒ_１＋ｍ_２ｒ_２＋・・・＋ｍ_ｉｒ_ｉ ・・・・・・・・・ （３）
が成立するように、ｍ_１、ｍ_２、・・・ｍ_ｉ及びｒ_１、ｒ_２、・・・ｒ_ｉを設定するような手法も可能である。

これに対し、バランステーブル３において、最大値に対応する角度方向に複数個の孔５を設けた場合には、相当数の孔５に孔５を構成していたバランステーブル３の構成部分と同一の質量を有するウェイトを予め用意したうえで嵌合して固着し、残る孔５による切削部分を１個として、当該孔５の切削質量をｍとし、かつ当該孔５の回転中心位置からの距離をｒとし、前記（１）式を成立させることによって、速やかな切削の選択が可能となる。
但し、１個の孔５による切削部分を選択するだけでなく、孔５による切削部分による質量をそれぞれｍ_１、ｍ_２、・・・ｍ_ｉとする複数個（ｉ個）の孔５による切削部分を選択し、かつ当該孔５による切削部分の位置と回転中心位置からの距離をｒ_１、ｒ_２、・・・ｒ_ｉであるような位置を選択し、当該選択が行われた以外の孔５については、孔５を形成したバランステーブル３の構成部分と同一の質量を有するウェイトを予め用意したうえで嵌合して固着し、前記（３）が成立するように、ｍ_１、ｍ_２、・・・ｍ_ｉ及びｒ_１、ｒ_２、・・・ｒ_ｉを設定するような手法も可能である。

このように、実施例においては、複数個のウェイトの付加又は複数個の孔５による切削部分を結合し易い点に特徴を有しているが、実施例においても、ウェイトの付加と孔５の残存による切削との双方を当然併用することができる。

本発明は、主軸と一体をなすワークに対する加工を行う全領域において利用することができる。

回転軸、ワーク、バランステーブル、更には主軸及び工具間の配置関係を示す見取図である。 トルクのアンバランスによる変動と、当該変動に対応するバランステーブルの回転角度との対応関係を示すグラフであり、（ａ）はワーク回転開始状態から回転終了に至るまでの状態を示しており、（ｂ）は、（ａ）ｎｏ部分的な拡大図を示している。 ワークテーブルに対し、ウェイトの負荷又は切削を行うことを示す平面図であって、（ａ）はウェイトを付加する場合を示しており、（ｂ）は切削を行う場合を示している。 本発明の実施形態を示すフローチャートである。 複数個の孔を最大値に対応する角度方向又は最小値に対応する角度方向に沿って設けた実施例におけるワークテーブルの構成を示す平面図である。

符号の説明

１ ワーク
２ 回転軸
３ バランステーブル
３１ ウェイトを付加する位置
３２ 切削を行う位置
４ ウェイトの付加又は切削を行う位置
５ 孔
６ 主軸
７ 工具

Claims (8)

1. 加工の対象物であるワークの回転中に発生するトルクのアンバランス量を検出し、かつ当該アンバランスを補正する方法において、ワークと一体をなして回転可能なバランステーブルをワークに対し着脱自在にて設置し、ワーク及びバランステーブルにおいて発生するトルクの時間変化及び当該時間変化に対応して駆動モータ又はバランステーブルの各周期ごとにおける回転角度の時間変化を検出したうえで、トルクのアンバランスが最小値となった時点の回転角度を検出し、駆動モータ又はバランステーブルの回転方向によって予め設定した回転座標における回転角度零の方向から回転方向の反対方向に対し、前記検出された角度の分だけ偏差した方向を以って、前記最小値に対応しているバランステーブルの角度方向と設定し、当該角度方向若しくは当該方向と近傍の領域にウェイトを付加するか、又はトルクのアンバランスが最大値となった時点の回転角度を検出し、前記回転座標における回転角度零の方向から回転方向の反対方向に対し、前記検出された回転角度の分だけ偏差した方向を以って、前記最大値に対応しているバランステーブルの角度方向と設定したうえで、当該角度方向若しくは当該方向と近傍の領域を切削し、トルクのアンバランスの程度に応じて付加するウェイトの質量、及び付加する位置、又は切削質量及び切削位置を調整することによってトルクのアンバランスを補正することによるワークにおけるトルクのアンバランス補正方法。
2. トルクのアンバランスの最小値に対応しているバランステーブルの角度方向、又は当該角度から等角度をなす両側の角度方向において、前記最小値と平均値との差の程度に応じて、ウェイトの質量、及び当該ウェイトを付加する位置と中心位置からの距離を設定することを特徴とする請求項１記載のワークにおけるトルクのアンバランス補正方法。
3. ウェイトを付加する位置の回転中心からの距離ｒを特定したうえで、付加する質量ｍを順次増加し、トルクのアンバランスの最小値と平均値との差が概略零に至った段階の当該ｍを適正値として設定することを特徴とする請求項１、２記載のワークにおけるトルクのアンバランス補正方法。
4. 付加する質量ｍを特定したうえで、付加する位置と回転中心からの距離ｒを順次増加し、トルクのアンバランスの最小値と平均値との差が概略零に至った段階の当該ｒを適正値として設定することを特徴とする請求項２記載のワークにおけるトルクのアンバランス補正方法。
5. トルクのアンバランスの最大値に対応しているワークテーブルの角度方向、又は当該角度から等角度をなす両側の角度方向において、前記最大値と平均値との差の程度に応じて、切削質量及び当該切削を行う位置と回転中心位置からの距離を設定することを特徴とする請求項１記載のワークにおけるトルクのアンバランス補正方法。
6. 切削を行う位置の回転中心からの距離ｒを特定としたうえで、切削質量ｍを順次増加し、アンバランスの最大値と平均値との差が概略零となった段階の当該ｍを適正値として設定することを特徴とする請求項１、５記載のワークにおけるトルクのアンバランス補正方法。
7. トルクのアンバランスの最小値又は最大値に対応するワークテーブルの角度方向を検出した後に、当該角度方向に沿って複数個の孔を設置し、トルクのアンバランスの最小値又は最大値とトルクの平均値の差が概略零となるように、孔に嵌合するウェイトの質量及び嵌合する孔の位置を選択することを特徴とする請求項２、５記載のワークにおけるトルクのアンバランス補正方法。
8. ワーク及びバランステーブルの合計質量をＭとし、ワークの回転中心位置とワークとバランステーブルとによる重心との距離をｄとした場合、トルクのアンバランスの最小値に対応するバランステーブルの回転角度方向において付加するウィイトの質量ｍ及び付加する位置と回転中心位置との距離ｒとするか、又はトルクのアンバランスの最大値に対応する角度方向における切削質量ｍ及び切削位置の回転中心との距離ｒとしたうえで、Ｍｄ＝ｍｒを充足するように、ｍ及びｒを組合わせることを特徴とする請求項２、５記載のトルクのアンバランス補正方法。

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