JP2009019948A - 回転体の回転バランス修正装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体を回転シャフトに固定するためにナットを用い、アンバランスの修正量と修正方向を、ナットが円形であると想定して求めた場合でも、修正方向に影響されることなく正確な修正量を加工でき、かつその修正によりアンバランス方向が変化しない回転体の回転バランス修正装置及び方法を提供する。
【解決手段】ＮＣ位置決め装置１２、ＮＣ加工装置１４、頂点検出器１６、および補正制御装置１８を備える。頂点検出器１６によりナットの頂点位置を検出し、補正制御装置１８によりナットが円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角と修正方向θｃとの相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正する。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転体の回転バランスを修正する回転バランス修正装置及び方法に関する。

車両用過給機のような回転体の回転バランス計測及びその修正手段として、例えば、特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１の「高速回転機器のバランス調整方法及びその装置」は、高速回転機器のケーシングの振動等による影響を低減し、高速回転時のバランス調整を容易にすることを目的とする。
そのため、この発明は、図８に示すように、支持ばね５２によって支持される剛性台５３に、バランス調整対象の高速回転機器５４を搭載し、高速回転機器の回転による剛性台５３の共振回転数近傍で剛性台の振動量を検出することによって、バランス調整を行い、剛性台５３と高速回転機器５４とを総合した状態で共振させ、感度を高めるとともに、高速回転機器の個体差を吸収するものである。

特許文献２の「過給機の高速バランス修正装置とその方法」は、検査データの再現性と修正精度を向上し、高速バランスの修正回数を減少でき、生産台数の向上を図ることを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図９に示すように、過給機６１の加速度をピックアップしかつ磁石を有する加速度ピックアップ６５と、コンプレッサホイール６４の高速回転時のアンバランス量を検出する回転検出器６６と、これらの検出器から検出された入力信号に基づき演算する演算器６７と、タービン車室６２を取付けるタービン車室取付板６３を有した振動台６８とを備え、加速度ピックアップを振動台のタービン車室取付板に取付けたものである。

特許文献３の「高速回転体のバランス修正方法」は、これまでのバランスマシンを用いて高精度で再現性の高いバランス修正を行うことを目的とする。
そのため、この発明は、図１０に示すように、バランス修正用回転軸７１に高速回転体７２を嵌合固定し、バランスマシン上で高速回転体７２のアンバランス量を求めてバランス修正するに際し、バランス修正用回転軸７１に嵌合固定する高速回転体７２の取付位相を変えて少なくとも４回以上アンバランス量の計測を行い、このバランス修正用回転軸７１の見掛上の回転中心Ｏ_１を求め、このバランス修正用回転軸１の見掛上の回転中心Ｏ_１に対して高速回転体７２のアンバランス量を求めてバランス修正するものである。
これにより、単体ではバランス修正が難しいバランス修正用回転軸の見掛上の回転中心に対して高速回転体のアンバランス量を求めてバランス修正することで、高精度で再現性の高いバランス修正ができるようになる。

特開平６−８２３２８号公報、「高速回転機器のバランス調整方法及びその装置」 特開２００２−３９９０４号公報、「過給機の高速バランス修正装置とその方法」 特開２００４−１５０９８６号公報、「高速回転体のバランス修正方法」

回転体の回転バランス計測では、アンバランス量を求めるために、回転体（例えば過給機）の加速度を検出する加速度センサと、シャフト（回転軸）の回転速度を計測する回転検出センサの２種類のセンサを一般的に備える。

また従来の回転バランス計測では、回転検出センサから回転速度を算出し、算出した回転速度を基に、回転速度毎の加速度のピーク値をトラッキングすることで、回転体のバランス状態を把握しバランス修正の要否を判断する。
バランス修正が必要と判断された時、所定の修正回転速度における回転角（方位）と加速度の関係データから修正量（切削量）と修正箇所（方位）を算出し、その結果に基づきバランス修正（加工）を行っている。

従来、回転体（例えば過給機）では、上述した手段でアンバランス量を求め、バランス修正用に設置したナットを切削することで重心位置を変化させ、回転バランスの修正を行っていた。
すなわち、車両用過給器のような回転体には回転体を回転シャフトに固定するためにナットが用いられており、このナットは生産性およびコスト上の理由で通常は６角ナットであるが、上述した修正量と修正方向は、ナットが円形であると想定して求められていた。

さらに、バランス修正を短時間に自動で行うために、図７に模式的に示すように、エンドミル２を回転体に対して所定のオフセット位置（例えば図では右上の水平から４５度の位置）に固定している。そして、回転体を回転してその修正方向をエンドミルの方向に合わせ、次いでエンドミルを軸方向に移動してナット１の一部を軸方向に削り、その加工深さで修正量を調整していた。

しかし、この場合、修正量と修正方向が円形を想定した計算結果であるためナット（多角柱）を削った場合に計算との狂いが生じる。
例えば、ナット１をその頂点を通る円形１ａで想定して修正量と修正方向を計算した場合、図７（Ｃ）のように、ナットの対象軸とバランス修正の方向が一致しない場合には、円形１ａで想定した修正量（斜線面積×深さ）よりもナットの修正量（ナットの削られた面積×深さ）が少なく、かつその修正の結果、ナットの削られた面積が修正方向に対して対象でないためアンバランスの方向が変化する。
そのため、図７（Ａ）（Ｂ）のように、修正方向がナットの対象軸と一致する特定の場合には、修正量の不足のみが生じるが、それ以外の場合には、同じ深さで切削しても目標の修正量が得られず、かつその修正の結果、アンバランスの方向が変化し、複数回の修正や、アンバランスの再計測が不可欠となり、バランス修正工程の作業性及び歩留まりが低下する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、回転体を回転シャフトに固定するためにナットを用い、アンバランスの修正量と修正方向を、ナットが円形であると想定して求めた場合でも、修正方向に影響されることなく正確な修正量を加工でき、かつその修正によりアンバランス方向が変化せず、これにより、再修正及び再計測の必要性をなくし、修正工程の作業性及び歩留まりを大幅に高めることができる回転体の回転バランス修正装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、端部にナットを有する回転体をその軸心を中心に回転可能に支持しかつ該回転体の回転基準位置を周方向に数値制御して任意の方向に位置決め可能なＮＣ位置決め装置と、
前記回転体の軸心から所定の半径方向にオフセットし軸方向に移動可能な端面加工具を有し、該端面加工具により前記ナットの一部をオフセット位置で切削除去し、その加工深さを数値制御可能なＮＣ加工装置と、
前記ナットの頂点位置を検出する頂点検出器と、
前記ナットが円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角と前記修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正する補正制御装置と、を備え、
前記ＮＣ位置決め装置により前記補正修正方向を端面加工具のオフセット方向に位置決めし、前記ＮＣ加工装置により端面加工具を数値制御して前記補正修正量に相当する加工深さを切削除去する、ことを特徴とする回転体の回転バランス修正装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記補正制御装置により、前記相対角Δθに対応する必要な加工量の補正値ｋと、ベクトル修正のための方位角度補正値θｆを予め解析で求めて記憶し、
前記補正修正量Ｕｏを予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと補正値ｋの積として求め、
前記補正修正方向θｏを予め求められたアンバランスの修正方向θｃと方位角度補正値θｆの和として求める。

また前記頂点検出器は、前記ナットの外周部に近接して設置されたレーザセンサ、超音波センサ、静電容量センサ、または渦電流式センサである、ことが好ましい。又は、カメラなどの画像による形状認識による方法も好ましい。

また本発明によれば、端部にナットを有する回転体をその軸心を中心に回転可能に支持し、
前記回転体の軸心から所定の半径方向にオフセットした端面加工具を軸方向に移動可能に設置し、
前記ナットの頂点位置を検出し、
前記ナットが円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角と前記修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正し、
前記回転体の補正修正方向を端面加工具のオフセット方向に位置決めし、
前記端面加工具により前記補正修正量に相当する加工深さを切削除去する、ことを特徴とする回転体の回転バランス修正方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記相対角Δθに対応する必要な加工量の補正値ｋと、ベクトル修正のための方位角度補正値θｆを予め解析で求めて記憶し、
前記補正修正量Ｕｏを予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと補正値ｋの積として求め、
前記補正修正方向θｏを予め求められたアンバランスの修正方向θｃと方位角度補正値θｆの和として求める。

上記本発明の装置及び方法によれば、頂点検出器によりナットの頂点位置を検出し、補正制御装置によりナットが円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角と前記修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正するので、円形とナットの形状（例えば６角形）との相違による修正量の相違を補正修正量Ｕｏにより修正でき、かつ修正方向がナットの方位角と一致しないことによるアンバランス方向の変化を補正修正方向θｏにより修正できる。
従って、補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏに基づき、回転体の補正修正方向を端面加工具のオフセット方向に位置決めし、端面加工具により前記補正修正量に相当する加工深さを切削除去することにより、アンバランス方向が変化することなく、正確な修正量を加工できる。
これにより、再修正及び再計測の必要性をなくし、修正工程の作業性及び歩留まりを大幅に高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による回転バランス修正装置の全体構成図であり、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。

図１において、本発明の回転バランス修正装置１０は、ＮＣ位置決め装置１２、ＮＣ加工装置１４、頂点検出器１６、および補正制御装置１８を備える。

本発明が対象とする回転体３は、例えば車両用過給機のロータであり、その端部にナット１が固定されている。またこの例において、回転体３の回転軸端面は予めＮ極とＳ極に２分して磁化されている。
なお、本発明はこれに限定されず、回転体は回転バランスの修正が必要なモータ類、クランクシャフト、タービン等であってもよい。また、軸端面をＮ極とＳ極に磁化する代わりに、検出可能なマークを付してもよい。

ＮＣ位置決め装置１２は、回転体３をその軸心を中心に回転可能に支持し、かつ回転体３の回転基準位置を周方向に数値制御して任意の方向に位置決めできるようになっている。
この例において、ＮＣ位置決め装置１２は、軸受ユニット１２ａ、回転アクチュエータ１２ｂ、および磁気センサ１３からなる。磁気センサ１３は、回転体３の軸端面に近接して設けられ、回転軸３の回転により位相が９０°ずれた２つの正弦波信号を出力し、この信号から回転体３の回転基準位置とその回転角度を検出することができる。また、回転アクチュエータ１２ｂは、回転体３を回転駆動して任意の方向に位置決めできるようになっている。

ＮＣ加工装置１４は、図２に示すように、回転体３の軸心から所定の半径方向（この例では水平から反時計方向に４５度の方向）にオフセットした軸方向に移動可能な端面加工具１４ａを有する。端面加工具１４ａは例えば軸に垂直な切削面を有するエンドミルである。
ＮＣ加工装置１４は、この端面加工具１４ａを回転駆動しながら軸方向に数値制御して送り、ナット１の一部をオフセット位置で切削除去し、その加工深さを数値制御できるようになっている。なお、ナットはこの例では、６角ナットであるが、それ以外の多角形ナットであってもよい。
この場合、図２において、ナット１と端面加工具１４ａの重なり部分が軸方向に切削除去される。
なお、回転体３のオフセット方向は、この例に限定されず任意であり、また軸心からのオフセット量もナット端面を加工できる限りで任意である。

頂点検出器１６は、ナット１の外周部に近接して設置されたレーザセンサ、センサ、超音波センサ、または静電容量センサであり、ナット１の頂点位置を検出する。
頂点検出器１６は、この例では軸心に対して回転体３のオフセット方向と点対象位置に設けられているが、本発明はこの位置に限定されず、頂点位置を検出できる限りで任意の位置に設置することができる。

図３は、頂点検出器１６とナット１との距離変化を示す模式図である。この図において、横軸は頂点検出器１６の設置位置とナット１の頂点位置との角度差であり、縦軸は頂点検出器１６とナット１との相対距離である。
この図はナットが６角ナットの場合であり、角度差が０度の場合に相対距離が最小となり、角度差が３０度の場合に相対距離は最大となる。従って、頂点検出器１６により角度差０の位置を正確に検出することができる。

補正制御装置１８は、ナット１が円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角と修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正する機能を有する。
想定する円形は、図２の例では、ナット１の６頂点を通る円形１ａであるが、本発明はこれに限定されず、これより大きくても、小さくてもよい。また、アンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃは、図示しない別の装置で予め計測するのが好ましいが、上述したＮＣ位置決め装置１２により計測できるようにしてもよい。

補正制御装置１８は、例えば記憶装置を有するコンピュータであり、相対角Δθに対応する必要な加工量の補正値ｋと、ベクトル修正のための方位角度補正値θｆを予め解析で求めて記憶する。この記憶方法は、例えば図４に示すようなデータテーブルとして記憶するのがよい。

図４は、相対角Δθと補正値ｋおよび方位角度補正値θｆの関係を示すデータテーブルであり、図５は、同じ関係を示す模式図である。
図４および図５に示すように、加工量補正係数ｋはナットの頂点に対する方位角（Δθ）の絶対値が大きくなるほど大きくなる（エンドミルの進み量に比例する）。
また、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、加工角度補正θ_ｆは方位角Δθが０°と±３０°において、切削物のバランス（重心）が中心なのでゼロである。図５（Ｃ）に示すように、０°と±３０°以外では切削物のバランス（重心）がずれるためΔθが必要になる。
また、切削ドリルの刃先の影響を考慮し、修正量によって加工量補正係数ｋは異なる。

補正制御装置１８は、予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃに基づき、記憶したデータテーブルから補正値ｋと方位角度補正値θｆを読み出す。
次いで、補正修正量Ｕｏを予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと補正値ｋの積として求め、補正修正方向θｏを予め求められたアンバランスの修正方向θｃと方位角度補正値θｆの和として求める。

得られた補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏに基づき、ＮＣ位置決め装置１４は補正修正方向θｏを端面加工具１４ａのオフセット方向に位置決めし、ＮＣ加工装置１４は端面加工具１４ａを数値制御して補正修正量Ｕｏに相当する加工深さを切削除去するようになっている。

上述した装置を用い、本発明の方法では、以下のステップで回転体３の回転バランスを修正する。
まず、ＮＣ位置決め装置１２により端部にナット１を有する回転体３をその軸心を中心に回転可能に支持する。
また、回転体３の軸心から所定の半径方向にオフセットした端面加工具１４ａを軸方向に移動可能に設置する。
頂点検出器１６により、ナット１の頂点位置を検出する。
補正制御装置１８により、ナット１が円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角とアンバランスの修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正する。
図６に示すように、ＮＣ位置決め装置１２により回転体３の補正修正方向θｏを端面加工具１４ａのオフセット方向に位置決めする。
端面加工具１４ａによりオフセット位置で補正修正量Ｕｏに相当する加工深さを切削除去する。

上述したように、本発明ではナット（例えば六角ナット）の頂点位置を検出するための頂点検出器１６を設置してナットの頂点位置を検出し、予め求められたアンバランスの修正方向θｃ（磁気センサ１３で検出した回転基準位置ＣＬ１を基準とする）と軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角との相対角Δθに応じて、あらかじめ用意しておいた相対角Δθとの関係（データテーブル）を基に、修正量Ｕｃと修正方向θｃを補正する。

回転センサが計測している回転基準位置ＣＬ１とアンバランスの修正方向に最も近いナットの頂点の相対位置を知ることで、ナットの切削位置が分かり修正量の補正が可能となる。また、切削量の補正だけで目的のバランス修正が十分でない場合の加工方位の修正も可能となる。

すなわち本発明の装置及び方法によれば、頂点検出器１６によりナット１の頂点位置を検出し、補正制御装置１８によりナット１が円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナット１の頂点を結ぶ方位角と前記修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正するので、円形とナットの形状（例えば６角形）との相違による修正量の相違を補正修正量Ｕｏにより修正でき、かつ修正方向がナットの方位角と一致しないことによるアンバランス方向の変化を補正修正方向θｏにより修正できる。
従って、補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏに基づき、回転体の補正修正方向を端面加工具のオフセット方向に位置決めし、端面加工具により前記補正修正量に相当する加工深さを切削除去することにより、アンバランス方向が変化することなく、正確な修正量を加工できる。
これにより、再修正及び再計測の必要性をなくし、修正工程の作業性及び歩留まりを大幅に高めることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による回転バランス修正装置の全体構成図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 頂点検出器とナットとの距離変化を示す模式図である。 相対角Δθと補正値ｋおよび方位角度補正値θｆの関係を示すデータテーブルである。 相対角Δθと補正値ｋおよび方位角度補正値θｆの関係を示す模式図である。 本発明による回転バランス修正方法の模式図である。 従来の問題点を示す模式図である。 特許文献１の装置の模式図である。 特許文献２の装置の模式図である。 特許文献３の方法の模式図である。

符号の説明

１ ナット、１ａ 頂点を通る円形、２ エンドミル、３ 回転体、
１０ 回転バランス修正装置、１２ ＮＣ位置決め装置、
１２ａ 軸受ユニット、１２ｂ 回転アクチュエータ、１３ 磁気センサ、
１４ ＮＣ加工装置、１４ａ 端面加工具（エンドミル）、
１６ 頂点検出器、１８ 補正制御装置（コンピュータ）

Claims (5)

1. 端部にナットを有する回転体をその軸心を中心に回転可能に支持しかつ該回転体の回転基準位置を周方向に数値制御して任意の方向に位置決め可能なＮＣ位置決め装置と、
   前記回転体の軸心から所定の半径方向にオフセットし軸方向に移動可能な端面加工具を有し、該端面加工具により前記ナットの一部をオフセット位置で切削除去し、その加工深さを数値制御可能なＮＣ加工装置と、
   前記ナットの頂点位置を検出する頂点検出器と、
   前記ナットが円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角と前記修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正する補正制御装置と、を備え、
   前記ＮＣ位置決め装置により前記補正修正方向を端面加工具のオフセット方向に位置決めし、前記ＮＣ加工装置により端面加工具を数値制御して前記補正修正量に相当する加工深さを切削除去する、ことを特徴とする回転体の回転バランス修正装置。
2. 前記補正制御装置により、前記相対角Δθに対応する必要な加工量の補正値ｋと、ベクトル修正のための方位角度補正値θｆを予め解析で求めて記憶し、
   前記補正修正量Ｕｏを予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと補正値ｋの積として求め、
   前記補正修正方向θｏを予め求められたアンバランスの修正方向θｃと方位角度補正値θｆの和として求める、ことを特徴とする請求項１に記載の回転体の回転バランス修正装置。
3. 前記頂点検出器は、前記ナットの外周部に近接して設置されたレーザセンサ、超音波センサ、静電容量センサ、または渦電流式センサである、ことを特徴とする請求項１に記載の回転体の回転バランス修正装置。
4. 端部にナットを有する回転体をその軸心を中心に回転可能に支持し、
   前記回転体の軸心から所定の半径方向にオフセットした端面加工具を軸方向に移動可能に設置し、
   前記ナットの頂点位置を検出し、
   前記ナットが円形であると想定して予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと修正方向θｃを、軸心と修正方向に最も近いナットの頂点を結ぶ方位角と前記修正方向との相対角Δθに応じてそれぞれ補正修正量Ｕｏと補正修正方向θｏとして補正し、
   前記回転体の補正修正方向を端面加工具のオフセット方向に位置決めし、
   前記端面加工具により前記補正修正量に相当する加工深さを切削除去する、ことを特徴とする回転体の回転バランス修正方法。
5. 前記相対角Δθに対応する必要な加工量の補正値ｋと、ベクトル修正のための方位角度補正値θｆを予め解析で求めて記憶し、
   前記補正修正量Ｕｏを予め求められたアンバランスの修正量Ｕｃと補正値ｋの積として求め、
   前記補正修正方向θｏを予め求められたアンバランスの修正方向θｃと方位角度補正値θｆの和として求める、ことを特徴とする請求項４に記載の回転体の回転バランス修正方法。

Images