JP2009041633A - 自動動バランス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種回転体の振れ回りを抑制し、どのような回転数であっても、又工具交換等によって回転体重量が変化したとしても、自動的に動バランスの修正をすることができる自動動バランス装置を提供する。
【解決手段】回転体２と一体として回転駆動するケーシング３と、ケーシング３の回転周方向に対して放射状にケーシング３内に穿設された収納室７と、収納室７に緩衝域を有して収納された外錘５と、外錘５内に穿設された内錘保持室８と、内錘保持室８に緩衝域を有して保持された内錘６と、ケーシング３のカバー４とからなる自動動バランス装置を基本として提供する。そして、外錘５の外周面に、回転体２の回転により発生する遠心力によって、収納室７に付勢される摺動面５ａを形成するとともに、収納室７の内周面に、付勢された外錘の摺動面５ａを収納室７の底部７ｂに向けて摺動案内する案内面７ｃを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マシニングセンタ等の各種工作機械のツールホルダ，スピンドル，モータ，スクリュー，タービン等々の各種回転体の振れ回りを抑制するための自動動バランス装置に関し、特にはどのような回転数であっても、又工具交換等によって回転体重量が変化したとしても、自動的に動バランスの修正をすることができるものである。

各種工作機械等の回転体においては、回転時の振り回り等の動的アンバランスの修正が必要不可欠である。従来は、バランス測定器によりアンバランス重量とその位相角を測定・表示し、アンバランス重量に相当する重量を削り取り又は付加することにより、動バランスの修正を行っていた。

また、特許文献１には、不つりあいの補正を容易に行なう補正手段として、回転軸のまわりに回転対称的に配置され、不つりあいを補正する物質を収容する空間の形態を有する少なくとも一つの空洞を有する環状研削体からなる工作物の表面加工用といし車が提供されている。即ち、といし車は、収納室と、その収納室に収納されるウエイトとを備え、収納室の内面の一部は、回転周方向にわたる案内面と、軸方向一方と他方とに配置される壁面とにより構成され、ウエイトは、といし車の回転により発生する遠心力によって案内面に押し付けられる押し付け面を有し、といし車の回転時に、案内面に押し付け面を介して押し付けられたウエイトが、といし車に対して回転周方向における位置を変化させることによって、といし車の振れ回りを抑制するものである。

更に、特許文献２には、回転体に一体化されるウエイトホルダーと、そのウエイトホルダーにより保持されるウエイトとを備え、そのウエイトホルダーは、回転周方向にわたり設けられた案内面を有し、そのウエイトは、その回転体の回転により発生する遠心力によって、その案内面に押し付けられる押し付け面を有し、その回転体の回転時に、その案内面に押し付け面を介して押し付けられたウエイトは、そのウエイトホルダーに対して回転周方向における位置が変化することで、その回転体の振れ回りを抑制する位置に配置されたバランサーが提供されている。
特開平０６−１９８５６４号公報 特開２００６−１８９１６４号公報

従来の動バランスの修正は、一定の測定回転数における固定型のバランス修正であるため、修正時の動バランスはよいが、大幅に回転数が変化した場合や工具交換等により回転体の重量が変化したりすると、動バランスの修正値も変化するため、再び動的アンバランスを生じてしまうこととなる。即ち、回転条件が変化した場合に対応することができず、回転条件が変化する都度バランス修正を行う必要がある。

特許文献１にかかるといし車は、衝撃がといし車に作用すると、ウエイトが回転軸方向に変位することで砥石車が振動し、研磨精度が低下するという問題がある。また、そのウエイトの軸方向一方と他方とに配置される壁面により、そのウエイトの周方向変位を許容しつつ軸方向変位を防止しようとすると、その壁面とウエイトとを極めて高精度に加工する必要があり、加工コストが増大する。

特許文献２にかかるバランサーにおけるウエイトホルダーは、ツールチャックの外周部と一体に構成されているため汎用性に欠け、又ウエイトの押し付け面の全面がウエイトホルダーの案内面に密着する構成であるため、ウエイトの回転周方向への位置の移動がスムーズに行われないことがある。

そこで本発明はこのような従来のバランス装置が有している課題を解決し、回転数や回転重量等が変化することにより、回転条件が変動したとしても、その変動に追随して自動的に動バランスの修正をすることができる自動動バランス装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を達成するために、回転体と一体として回転駆動するケーシングと、ケーシングの回転周方向に対して放射状にケーシング内に穿設された収納室と、収納室に緩衝域を有して収納された外錘と、外錘内に穿設された内錘保持室と、内錘保持室に緩衝域を有して保持された内錘と、ケーシングのカバーとからなる自動動バランス装置を基本として提供する。そして、外錘の外周面に、回転体の回転により発生する遠心力によって、収納室に付勢される摺動面を形成するとともに、収納室の内周面に、付勢された外錘の摺動面を収納室の底部に向けて摺動案内する案内面を形成する。

また、外錘の摺動面に収納室の案内面との空隙を確保をするための溝部を穿設し、収納室の底部と直交する中心線が、回転体の回転軸の中心線に対して４５度±３０度傾斜して配置され、収納室の案内面が、回転体の回転軸の中心線に対して４５度±３０度傾斜して配置されている。

更に、内錘の外周面に、回転体の回転により発生する遠心力によって、内錘保持室に付勢される摺動面を形成するとともに、内錘保持室の内周面に、付勢された内錘の摺動面を内錘保持室の底部に向けて摺動案内する案内面を形成し、内錘の摺動面に内錘保持室の案内面との空隙を確保をするための溝部を穿設する。そして、回転体の回転により発生する遠心力によって、外錘の摺動面が収納室の案内面に付勢されるとともに収納室の底部に向けて摺動案内されて、収納室内における回転周方向の位置が変化する。また、回転体の回転により発生する遠心力によって、内錘の摺動面が内錘保持室の案内面に付勢されるとともに内錘保持室の底部に向けて摺動案内されて、内錘保持室内における回転周方向の位置が変化する。

本発明にかかる自動動バランス装置によれば、回転体の回転により発生する遠心力によって、外錘の外周面に形成された摺動面が、収納室の内周面に形成された案内面に付勢されて収納室の底部に向けて摺動案内されることにより、収納室内における外錘の回転周方向の位置が変化する。同時に回転体の回転により発生する遠心力によって、内錘の外周面に形成された摺動面が外錘に穿設された内錘保持室の内周面に形成された案内面に付勢されて内錘保持室の底部に向けて摺動案内されることにより、内錘保持室内における内錘の回転周方向の位置が変化する。これにより、各種工作機械等の回転体において、回転体の回転数や回転重量が変化する等して、回転条件が変動したとしても、その変動に追随して自動的に回転時の振り回り等の動的アンバランスを修正することができる。

以下図面に基づいて本発明にかかる自動動バランス装置の最良の実施形態を説明する。図１は本発明にかかる自動動バランス装置１を各種工作機械のツールホルダ等の回転体２に実施した状態を示す要部断面図である。自動動バランス装置１は、ケーシング３と、カバー４と、外錘５と、内錘６と、収納室７から構成されている。ケーシング３は、中央部に挿通孔３ａ（図１０，図１１参照）が穿設された環状体であり、挿通孔３ａに回転体２の回転軸２ａを挿通することにより、回転体２に装着され、回転体２と一体として回転駆動される。ケーシング３の回転体２への装着方法に限定はなく、回転体２と一体として回転駆動可能であれば、どのような手段であってもよい。

ケーシング３には、図１０の縦断面図、図１１のケーシング３のカバー４方向の端面図に示すように、回転周方向に放射状に等間隔で収納室７が３個穿設されている。収納室７の個数は３個以上で奇数であれば特に限定はない。この収納室７は楕円形状の開口部７ａと底部７ｂを有する有底筒状体であり、開口部７ａがケーシング３のカバー４方向の一面３ｂに開口している。

そして収納室７の底部７ｂと直交する中心線９が、回転軸２ａの中心線１０と所定角度θ傾斜している。所定角度θは４５度±３０度の１５度〜７５度の範囲が適当であり、特には４５度程度が好ましい。よって、収納室７は、図１０、図１１に示すように、開口部７ａが開口しているケーシング３の一面３ｂ方向から視て、外方に向かうように放射状に穿設されている。そして、図１に示す収納室７の内周面は、回転周方向にわたって放射状の案内面７ｃとして形成されている。４はケーシング３のカバーであり、開口部７ａが開口されたケーシング３の一面を被覆してボルト４ａ等の適宜の固定手段によって、ケーシング３に固定される。

図２〜図４は、収納室７に緩衝域を有して収納される外錘５を示すものであり、図２（Ａ）は外錘５の正面図、図２（Ｂ）は右側面図、図２（Ｃ）は左側面図、図２（Ｄ）は底面図、図３は図２（Ａ）のａ−ａ断面図、図４は図２（Ａ）のｂ−ｂ断面図である。外錘５は、側面視の形状が収納室７の底部７ｂと同様の楕円形状を有するものであり、収納室７に緩衝域を有して収納できるように、収納室７の底部７ｂより一回りほど小さい形状を有している。

外錘５の外周面は回転体２の回転により発生する遠心力によって、収納室７の案内面７ｃに付勢される摺動面５ａとして形成され、摺動面５ａの表面には案内面７ｃとの空隙を確保をするための溝部５ｂが十字状に穿設されている。外錘５の底部は回転体２の回転により発生する遠心力によって、収納室７の底部７ｂへ押し付けられる押付面５ｃとして形成されるとともに、押付面５ｃの表面には底部７ｂとの空隙を確保をするための溝部５ｄが十字状に穿設されている。また、外錘５の内部には、内錘保持室８が穿設されている。この内錘保持室８は楕円形状の開口部８ａと底部８ｂを有する有底筒状体であり、開口部８ａが外錘５の一側面に開口している。

図５〜図７は、外錘５の内錘保持室８に緩衝域を有して収納される内錘６を示すものであり、図５（Ａ）は内錘６の正面図、図５（Ｂ）は右側面図、図５（Ｃ）は左側面図、図５（Ｄ）は平面図、図６は図５（Ａ）のｃ−ｃ断面図、図７は図５（Ａ）のｄ−ｄ断面図である。内錘６は、側面視の形状が外錘５と同様の楕円形状を有する中実体であり、内錘保持室８に緩衝域を有して収納できるように、内錘保持室８の底部８ｂより一回りほど小さい形状を有している。

内錘６の外周面は回転体２の回転により発生する遠心力によって、内錘保持室８の案内面８ｃに付勢される摺動面６ａとして形成され、摺動面６ａの表面には案内面８ｃとの空隙を確保をするための溝部６ｂが十字状に穿設されている。内錘６の先端部は回転体２の回転により発生する遠心力によって、内錘保持室８の底部８ｂへ押し付けられる押付面６ｃとして形成されるとともに、押付面６ｃの表面には底部８ｂとの空隙を確保をするための溝部６ｄが十字状に穿設されている。

この内錘６を外錘５の内錘保持室８に緩衝域を有して収納するものであり、図８は収納状態を示す横断面図、図９は縦断面図である。図８に示すように、内錘６は内錘保持室８の開口部８ａの方向から視て、上部に隙間１１及び左右に隙間１２の緩衝域を有する。また、図９に示すように、内錘６の押付面６ｃは内錘保持室８の底部８ｂとの間に隙間１５の緩衝域を有する。内錘６の一方端部は、内錘保持室８の開口部８ａから突出している。

この内錘６を収納した外錘５をケーシング３の収納室７に緩衝域を有して収納するものであり、図１２は収納状態を示す要部断面図、図１３は図１２のｅ−ｅ方向の要部断面図である。図１２、図１３に示すように、内錘６を収納した外錘５は内錘保持室８の開口部８ａの方向から視て、上部に隙間１３及び左右に隙間１４の緩衝域を有する。このように内錘６を収納した外錘５を収納室７に収納した後、ケーシング３の一面３ｂをカバー４にて被覆する。

上記した構成の自動動バランス装置１を装備した回転体２が回転駆動すると、外錘５の摺動面５ａが、回転体２の回転による遠心力によって収納室７の案内面７ｃに付勢されて押し付けられ、底部７ｂの方向に摺動案内されて、底部７ｂに押し付けられることとなり、収納室７内における回転周方向の位置が変化して、回転体２の振れ回りを抑制する位置に配置される。このとき溝部５ｂの存在により、案内面７ｃと摺動面５ａとの過度の密着が避けられ、スムースに摺動案内される。

同様に外錘５の内錘保持室８に収納された内錘６は、回転体２が回転駆動すると、内錘６の摺動面６ａが、回転体２の回転による遠心力によって内錘保持室８の案内面８ｃに付勢されて押し付けられ、底部８ｂの方向に摺動案内されて、底部８ｂに押し付けられることとなり、内錘保持室８内における回転周方向の位置が変化して、回転体２の振れ回りを抑制する位置に配置される。

ケーシング３及びカバー４の材質としては、鋼相当の剛性を有し、熱膨張係数が大きく、比重量の小さい材料、例えばアルミ合金、ステンレス鋼、チタン材などが適している。外錘５、内錘６の材質については比重量が大きく防錆性能が高い材料、例えば、ステンレス鋼などが適している。

次に本発明にかかる自動動バランス装置１の具体的実施例を以下に説明する。
・Ｒ０．５ｍｍ超硬ボールエンドミルでの加工事例
・加工材料：ＶＸ５外壁ロール金型
・加工条件：回転数Ｎ＝１９０００ｍｉｎ^−１
送り速度Ｆ＝６５０ｍｍ／ｍｉｎ
・加工結果：自動動バランス装置１を使用しないツールに対して、自動動バランス装置１付きツールは工具寿命が５倍に延びた。

・φ４．５ｍｍ超硬ドリルでの加工事例
・加工材料：アルミ材（Ａ５０５２），板厚３０ｍｍ，通り穴
・加工条件：回転数Ｎ＝１１０００ｍｉｎ^−１
送り速度Ｆ＝６５０ｍｍ／ｍｉｎ（ステップ送りあり）
・加工結果：自動動バランス装置１を使用しないツールは９４５穴加工時に刃先の欠けが発生したが、自動動バランス装置１では１３００穴を加工した後も工具刃先の欠けはなく、切りくずも正常であった。すなわち、工具寿命は１．４倍となった。

・φ１０ｍｍ超硬エンドミルでの加工事例
・加工材料：アルミ材（Ａ７０７５）
・加工条件：回転数Ｎ＝１４０００ｍｉｎ^−１
送り速度Ｆ＝１４００ｍｍ／ｍｉｎ
切削幅Ｗ＝５ｍｍ
切込みｄ＝１ｍｍ×５回＝５ｍｍ
・加工結果：面粗さについてみると、自動動バランス装置１を使用しないツールでは、側面の面粗さはＲｙ１．８μｍ、底面はＲｙ１．９μｍであり、自動動バランス装置１を使用したツールのときは、側面の面粗さはＲｙ０．３μｍ、底面はＲｙ０．５μｍとなり大幅に向上している。

次に、これら切削加工事例以外に、動バランスを修正すると同時に工具の振れ量を削減した実験の結果を以下に紹介する。
・回転中の工具の振れ量の削減
・使用機械：安田工業株式会社製マシニングセンタ ＹＢＭ６４０Ｖ
・測定装置：レーザ測定装置（ＰＯＬＹＴＥＣ）
ＰＯＬＹＴＥＣ製ＯＦＶ０５０アナライザ
小野測器製ＦＦＴアナライザ
・測定刃物：φ１２ｍｍピンゲージ
・測定結果：上記の測定装置、測定器を用い、無負荷にて回転数を４０００ｍｉｎ^−１から４０００ｍｉｎ^−１ごとに、２００００ｍｉｎ^−１までのピンゲージの振れをレーザ測定装置により測定した。１２０００ｍｉｎ^−１までは双方差を生じないが、１６０００ｍｉｎ^−１くらいから、たて軸の振れ量が、自動動バランス装置１を使用しないツールに対して、自動動バランス装置１を使用したツールの方が振れ精度が向上している。このことから回転軸中心から回転中心に振れが自動的に修正されていることがわかる。

次に、動バランスを修正していない回転体としての通常のツールホルダ（イ）と、特定の回転数で動バランスを修正した回転体としてのツールホルダ（ロ）と、本発明にかかる自動動バランス装置１を使用して動バランスを自動修正した回転体としてのツールホルダ（ハ）の動バランスの変化を振動モニタで直接測定した結果を図１４に示す。図に示すように、（イ）は、回転数の増加によりδ（μｍ）が増加する。（ロ）は回転数が高速回転になるにつれδ（μｍ）が徐々に増加する。（ハ）は回転数が増加してもδ（μｍ）に変化がなく、自動動バランス装置１による動的アンバランスの修正が回転数の変化に関係なく効果的に行われていることが判る。

自動動バランス装置１の各種工作機械のツールホルダ以外の具体的な応用事例としては次のようなものがある。
（１）マシニングセンタの回転主軸
マシニングセンタなどの回転主軸自体に自動動バランス装置１を取り付け、ツールホルダを含む回転体の自動アンバランス修正を行う。
（２）研削用砥石フランジ
研削用砥石フランジに自動動バランス装置１を取り付けて砥石フランジと砥石の動アンバランス修正を行う。ただし、砥石自体のドレッシング、ツルーイングは研削加工前に実施する必要がある。
（３）高周波スピンドル
高周波スピンドルの回転軸自体に、小型高速回転用の自動動バランス装置１を取り付け、小径刃物，砥石を含む回転体の全系の動アンバランスを修正する。
（４）その他
毎分数千回転以上で回転させる必要のある装置で、インペラ，ファンなども考えられる。
以上のように、回転精度と動バランスが重要な役割となる回転体，自動動バランス装置１を取り付け、自動的に動アンバランス量を修正し、アンバランス量を削減する必要のある回転体には有効である。

以上詳細に説明したように、本発明にかかる自動動バランス装置によれば、回転体の回転により発生する遠心力によって、外錘の外周面に形成された摺動面が、収納室の内周面に形成された案内面に付勢されて収納室の底部に向けて摺動案内されることにより、収納室内における外錘の回転周方向の位置が変化する。同時に回転体の回転により発生する遠心力によって、内錘の外周面に形成された摺動面が外錘に穿設された内錘保持室の内周面に形成された案内面に付勢されて内錘保持室の底部に向けて摺動案内されることにより、内錘の内錘保持室内における回転周方向の位置が変化する。これにより、各種工作機械等の回転体において、回転体の回転数や回転重量が変化する等して、回転条件が変動したとしても、その変動に追随して自動的に回転時の振り回り等の動的アンバランスを修正することができる。

そのため、各種工具の寿命を大幅に延ばすことができ、加工面の精度を向上させることができる。また、工具を交換しても自動的に動アンバランスを修正するとともに、機械主軸の微振動を吸収し、機械の回転性能を向上させることができる。更に、高精度で簡易なメカニカル構造のため、電気，油，空圧を必要とせず、機械主軸の形状に合わせた設計・製作のため、主軸形状を選ばない。

本発明にかかる自動動バランス装置を各種工作機械のツールホルダ等の回転体に実施した状態を示す要部断面図。 （Ａ）は外錘の正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は左側面図、（Ｄ）は底面図。 図２（Ａ）のａ−ａ断面図。 図２（Ａ）のｂ−ｂ断面図。 （Ａ）は内錘の正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は左側面図、（Ｄ）は平面図。 図５（Ａ）のｃ−ｃ断面図。 図５（Ａ）のｄ−ｄ断面図。 内錘の外錘への収納状態を示す横断面図。 内錘の外錘への収納状態を示す縦断面図。 ケーシングの縦断面図。 ケーシングの端面図。 収納室への外錘と内錘の収納状態を示す要部断面図。 図１２のｅ−ｅ方向の要部断面図。 動バランスの変化を測定した結果を示すグラフ。

符号の説明

１…自動動バランス装置
２…回転体
２ａ…回転軸
３…ケーシング
４…カバー
５…外錘
６…内錘
５ａ，６ａ…摺動面
５ｂ，５ｄ，６ｂ，６ｄ…溝部
５ｃ，６ｃ…押付面
７…収納室
８…内錘保持室
７ａ，８ａ…開口部
７ｂ，８ｂ…底部
７ｃ，８ｃ…案内面
９，１０…中心線
１１，１２，１３，１４，１５…隙間

Claims (9)

1. 回転体と一体として回転駆動するケーシングと、ケーシングの回転周方向に対して放射状にケーシング内に穿設された収納室と、収納室に緩衝域を有して収納された外錘と、外錘内に穿設された内錘保持室と、内錘保持室に緩衝域を有して保持された内錘と、ケーシングのカバーとからなることを特徴とする自動動バランス装置。
2. 外錘の外周面に、回転体の回転により発生する遠心力によって、収納室に付勢される摺動面を形成するとともに、収納室の内周面に、付勢された外錘の摺動面を収納室の底部に向けて摺動案内する案内面を形成した請求項１記載の自動動バランス装置。
3. 外錘の摺動面に収納室の案内面との空隙を確保をするための溝部を穿設した請求項２記載の自動動バランス装置。
4. 収納室の底部と直交する中心線が、回転体の回転軸の中心線に対して４５度±３０度傾斜して配置されている請求項２又は３記載の自動動バランス装置。
5. 収納室の案内面が、回転体の回転軸の中心線に対して４５度±３０度傾斜して配置されている請求項２，３又は４記載の自動動バランス装置。
6. 内錘の外周面に、回転体の回転により発生する遠心力によって、内錘保持室に付勢される摺動面を形成するとともに、内錘保持室の内周面に、付勢された内錘の摺動面を内錘保持室の底部に向けて摺動案内する案内面を形成した請求項２，３，４又は５記載の自動動バランス装置。
7. 内錘の摺動面に内錘保持室の案内面との空隙を確保をするための溝部を穿設した請求項６記載の自動動バランス装置。
8. 回転体の回転により発生する遠心力によって、外錘の摺動面が収納室の案内面に付勢されるとともに収納室の底部に向けて摺動案内されて、収納室内における回転周方向の位置が変化する請求項２，３，４，５，６又は７記載の自動動バランス装置。
9. 回転体の回転により発生する遠心力によって、内錘の摺動面が内錘保持室の案内面に付勢されるとともに内錘保持室の底部に向けて摺動案内されて、内錘保持室内における回転周方向の位置が変化する請求項２，３，４，５，６，７又は８記載の自動動バランス装置。

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