JP2009229216A - 回転体のアンバランス修正方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】除去部分の重心方位とアンバランス重心方位とを一致させることでアンバランス修正を高精度に行う。
【解決手段】重心ズレ角度φ１（アンバランス重心方位Ｄ１の、除去対象部品の多角形の一つの頂点Ｖからの角度）に基づいて、除去加工部分の重心Ｇの方位がアンバランス重心方位Ｄ１と一致するような、回転体上の除去加工方位φ２を算出し、算出した除去加工方位φ２において除去加工を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体のアンバランス修正方法及び装置に関する。

例えば過給機などの高速回転機械の製造においては、製品の高速回転時のバランス性能を検査・修正するために、高速回転バランス試験を実施してアンバランス量を測定し、アンバランス修正を行う。従来のアンバランス修正方法と装置を開示するものとして、下記特許文献１がある。

図４は、下記特許文献１に開示されたアンバランス修正装置４０の構成を示す図である。このアンバランス修正装置４０は、過給機４１用の修正装置として構成されており、振動台４２の上にタービン車室取付板４３を介して固定されたタービン車室４４と、タービン車室取付板４３に取り付けられた加速度センサ４５と、過給機４１のコンプレッサインペラ４６の先端近傍に配置される回転検出器４７と、加速度センサ４５と回転検出器４７からの検出信号に基づいてアンバランス質量と方位を演算する演算器４８とを備える。

上記のアンバランス修正装置４０によりアンバランス修正を行う場合、タービン車室４４に空気を導入して過給機４１のタービンインペラ４９を回転させることで、タービンインペラ４９、シャフト５０及びコンプレッサインペラ４６からなる過給機ロータを回転させ、アンバランス計測のための所定の回転速度に達したら、加速度センサ４５で加速度（振動）を検出するとともに回転検出器４７で回転角度を検出し、その検出信号に基づいて演算器４８により、アンバランス質量と方位を演算する。そして、この演算結果に基づいて、コンプレッサインペラ４６の先端部に設けられたナット５１の一部を除去加工することで、アンバランスを修正する。この場合の除去加工は、エンドミル加工によるのが一般的である。

特開２００２−３９９０４号公報

図５は、アンバランス修正の際のエンドミル加工による除去部分５３の形状を示す模式図である。図５に示すように、除去部分５３の形状は、ナット５１の形状とエンドミル切刃の外接円５４との重なり部分の形状となる。上述した従来のアンバランス修正方法において、ナット５１に対して除去加工する方位（除去加工方位）はアンバランス質量の重心が位置する方位（アンバランス重心方位）Ｄ１に設定されていた。

ところが、図５に示すように、ナット７は多角形であるため、除去部分５３の形状がアンバランス重心方位Ｄ１に一致する直線に対して線対称とならない。このため、除去部分５３の重心Ｇの方位Ｄ２と、本来除去すべき部分の重心方位であるアンバランス重心方位Ｄ１とが一致しないという問題があった。また、このような不一致の問題に対処するため、目標除去質量に対してプラスマイナスα分を除去した後、アンバランス量を再計測し、最終加工を実施する必要があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、除去部分の重心方位とアンバランス重心方位とを一致させることでアンバランス修正を高精度に行うことができるアンバランス修正方法及び装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のアンバランス修正方法及び装置は、以下の技術的手段を採用する。
（１）本発明の方法は、回転体に固定された断面多角形の除去対象部品の一部を除去することで回転アンバランスを修正する回転体のアンバランス修正方法であって、前記回転体のアンバランス質量と方位を計測し、回転体上のアンバランス重心が位置する方位であるアンバランス重心方位の、前記除去対象部品の多角形の一つの頂点からの角度を重心ズレ角度として計測し、前記重心ズレ角度に基づいて、除去加工する部分の重心方位がアンバランス重心方位と一致するような、回転体上の除去加工方位を算出し、算出した除去加工方位において前記除去対象部品の一部を除去加工する、ことを特徴とする。

（２）また上記（１）のアンバランス修正方法において、回転体のアンバランス質量と方位を計測した後、回転体中心と加工工具の中心とを通る直線をゼロ度とする原点位置に回転体を復帰させ、次に、アンバランス重心方位が前記ゼロ度の方向を向くように回転体を回転させ、次に、そのときの除去対象部品の前記頂点の位置を計測し、その頂点位置の前記ゼロ度からのズレ角度を前記重心ズレ角度として算出する、ことを特徴とする。

（３）また本発明の装置は、回転体に固定された断面多角形の除去対象部品の一部を除去することで回転アンバランスを修正する回転体のアンバランス修正装置であって、前記回転体のアンバランス質量と方位の算出に必要なデータを検出するセンサと、前記除去対象部品の多角形の頂点の位置を検出する頂点検出装置と、前記除去対象部品の一部を除去加工する加工装置と、前記回転体の回転位置を調節する回転位置調節装置と、前記回転位置調節装置及び前記加工装置を制御する演算制御装置と、を備え、前記演算制御装置は、前記センサ及び前記頂点検出装置からの検出情報に基づいて、回転体上のアンバランス重心が位置する方位であるアンバランス重心方位の、前記除去対象部品の多角形の一つの頂点からの角度を重心ズレ角度として算出し、該重心ズレ角度に基づいて、除去加工する部分の重心方位がアンバランス重心方位と一致するような、回転体上の除去加工方位を算出し、算出した除去加工方位において前記除去対象部品の一部を除去加工するように前記回転位置調節装置及び前記加工装置を制御する、ことを特徴とする。

上記（１）のアンバランス修正方法及び上記（３）のアンバランス修正装置によれば、重心ズレ角度（アンバランス重心方位の、除去対象部品の多角形の一つの頂点からの角度）に基づいて、除去加工部分の重心方位がアンバランス重心方位と一致するような、回転体上の除去加工方位を算出する。重心ズレ角度と除去加工方位との間には、２次関数または３次関数で表現される相関関係があるので、この相関関係をあらかじめ求めておくことで、重心ズレ角度に基づいて除去加工方位を算出することができる。そして、算出した除去加工方位において除去加工を行うので、除去した部分の重心方位とアンバランス重心方位とが一致する。これにより、アンバランス修正を高精度に行うことができる。また、上記（２）の手順により、重心ズレ角度を容易に算出することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

また、以下では回転体の一例として過給機ロータを対象としたアンバランス修正方法及び装置について説明するが、本発明はこれに限定されず、他の回転機械における回転体（回転軸など）に対しても同様に適用可能である。

図１は、本発明の実施形態にかかるアンバランス修正装置１０の概略構成図（平面図）である。図１では、計測対象となる回転体である過給機ロータ２を備えた過給機１が、アンバランス修正装置１０に取り付けられた状態が示されている。

過給機１において、過給機ロータ２は、回転軸３の両端にタービンインペラ４とコンプレッサインペラ５が連結された構成を有する。回転軸３はベアリングハウジング６に内蔵された図示しないラジアル軸受によってベアリングハウジング６の内部で回転自在に支持されている。アンバランス修正を行うため、過給機１からはタービンハウジングとコンプレッサハウジングが取り外されている。

コンプレッサインペラ５は、ナット７によって回転軸３に固定されている。本実施形態ではこのナット７が、アンバランス修正の際に一部が除去加工される「断面多角形の除去対象部品」に該当する。ここで、「断面多角形」とは、軸方向に垂直な断面における輪郭形状が多角形のことをいう。本実施形態においてナット７は、６角形であるが、５角形以下または７角形以上の多角形であってもよい。

アンバランス修正装置１０は、過給機１を取り付けて固定できるように構成されたマウント１２と、マウント１２に取り付けられた振動センサ１４と、回転体である過給機ロータ２の回転を検出する回転検出器７と、アンバランス質量及び方位を演算する演算制御装置１６と、過給機ロータ２の回転位置を調整する回転位置調節装置２０と、過給機ロータ２の一部を除去加工する加工装置２６と、除去対象部品であるナット７の頂点の位置を検出する頂点検出装置３０とを備える。

マウント１２は、タービンインペラ４を内部に収容する状態で過給機１を取り付けて固定できるように構成されおり、床面などに図示しないバネ要素を介して固定されている。マウント１２には、図示しない空気導入口と空気排出口が設けられており、内部に空気が圧送されることでタービンインペラ４を回転させるようになっている。

上記の振動センサ１４と回転検出器７は、ともに回転体である過給機ロータ２のアンバランス質量と方位の算出に必要なデータを検出するセンサである。

振動センサ１４は、従来のアンバランス計測において用いられていたものと同様に、振動を検出できる各種センサであればよく、例えば、加速度センサ、速度センサ、変位センサを単独で、あるいは組み合わせて用いてよい。振動センサ１４による検出データは演算制御装置１６に送信される。なお振動センサ１４は、マウント１２ではなくて、ベアリングハウジング６に取り付けられてもよい。

回転検出器７は、アンバランス計測を行う際に、回転軸３の先端近傍に配置され、回転軸３の基準位置からの回転角を検出する。回転検出器７には光学式や磁気式のものを適用できる。回転検出器７による検出データは演算制御装置１６に送信される。

演算制御装置１６は、振動センサ１４及び回転検出器７からの検出信号に基づいてアンバランス質量及び方位を演算する。この点は、従来と同様であるが、演算制御装置１６はさらに、適正な除去加工方位を算出して回転位置調節装置２０と加工装置２６を制御する。なお、この点の詳細については後述する。

回転位置調節装置２０は、軸回りの相対回転を拘束するようにタービンインペラ４の先端に連結可能な連結部２１と、連結部２１に回転力を伝えるシャフト２２と、シャフト２２を回転させる駆動モータ２３と、シャフト２２の軸方向に移動する移動ステージ２４とを有する。

移動ステージ２４は駆動モータ２３、シャフト２２及び連結部２１を一体的に軸方向（図１で左右方向）に移動させる。上記の演算制御装置１６は、連結部２１がタービンインペラ４と連結する位置と、連結しない位置との間を移動するように、移動ステージ２４を制御する。

駆動モータ２３は位置決め制御可能なサーボモータである。上記の演算制御装置１６は、連結部２１とタービンインペラ４が連結した状態において、過給機ロータ２が所望の回転位置となるように、駆動モータ２３を制御する。

加工装置２６は、除去対象部品であるナット７を切削加工する加工工具２７と、加工工具２７を回転駆動する駆動装置２８と、加工工具２７及び駆動装置２８を一体的に水平面内で２次元的に移動させる移動ステージ２９とを有する。

加工工具２７としては、エンドミルまたはドリルを適用できる。移動ステージ２９は、軸方向（図１では左右方向）及び軸方向に対して水平直角方向（図１では上下方向）の２軸の駆動軸を有し、上記の演算制御装置１６による制御の下、各軸が数値制御されることで、加工工具２７の先端部が位置決め制御される。

頂点検出装置３０の構成は、画像処理方式、レーザ計測方式、タッチセンサ計測方式など、いずれの方式でもよい。本実施形態では頂点検出装置３０として撮像装置（カメラ）３１を採用している。図１の構成例において、撮像装置３１は移動ステージ２９上に固定されており、移動ステージ２９によってナット７の正面位置に移動して、ナット７を正面から撮像できるようになっている。撮像した画像は、演算処理装置１６によって画像処理され、ナット７の頂点の位置が検出される。なお、頂点検出装置３０は、加工装置２６の移動ステージ２９とは別のステージ上に固定されてもよい。

次に、図１〜図３を参照し、上述したアンバランス修正装置１０を用いたアンバランス修正方法について説明する。

まず、マウント１２に空気を導入して過給機１のタービンインペラ４を回転駆動させることで、過給機ロータ２を回転させ、回転速度がアンバランス計測のための所定の速度に達したら、振動センサ１４で振動を検出するとともに回転検出器７で回転角度を検出し、その検出信号に基づいて演算制御装置１６により、アンバランス質量と方位を演算する。

次に、演算制御装置１６により回転位置調節装置２０を制御して、連結部２１をタービンインペラ４に連結して過給機ロータ２を回転させることで、図２（Ａ）に示すように、過給機ロータ２上の基準点Ｐを、過給機ロータ２の中心ａ１と加工工具２７の中心ａ２とを通る直線をゼロ度とする原点位置に復帰させる。ここで、このときのアンバランス重心方位は符号Ｄ１で示す矢印方向にあるものとする。

次に、図２（Ｂ）に示すように、アンバランス重心方位Ｄ１が上記ゼロ度の方向を向くように過給機ロータ２を回転させる。
次に、図２（Ｃ）に示すように、頂点検出装置３０（本実施形態では撮像装置３１）によって、そのときの除去対象部品（ナット７）の頂点の位置を検出する。このとき検出する頂点は、ゼロ度（アンバランス重心方位Ｄ１）から直近の位置にある頂点Ｖである。そして、演算制御装置１６により、頂点位置の上記ゼロ度からのズレ角度を「重心ズレ角度φ１」として算出する。

次に、演算制御装置１６により、重心ズレ角度φ１に基づいて、除去加工する部分の重心方位がアンバランス重心方位Ｄ１と一致するような、回転体（過給機ロータ２）上の除去加工方位φ２を算出する。ここで、「除去加工方位」は、頂点Ｖを基準として、頂点Ｖからアンバランス重心方位Ｄ１へ向かう方向にとった角度である。

重心ズレ角度φ１と除去加工方位φ２との間には、２次関数または３次関数で表現される相関関係があるので、この相関関係をあらかじめ求めておくことで、重心ズレ角度φ１に基づいて除去加工方位φ２を算出することができる。図３に、重心ズレ角度と除去加工方位との相関関係を示す曲線の一例を示す。図３に示した相関関係によれば、例えば重心ズレ角度φ１が１５°であるとき、除去加工する部分の重心方位をアンバランス重心方位Ｄ１と一致させるための除去加工方位φ２は、１９°付近にあることが分かる。

除去加工する部分の重心は、ナット７と加工工具２７の中心間距離、ナット７の形状を表す直線式、および、加工工具２７の切刃の外接円を表す式から求めることができる。これにより、除去加工する部分の重心方位がアンバランス重心方位Ｄ１と一致するような、回転体（過給機ロータ２）上の除去加工方位φ２を算出できる。

なお、ナット７が６角形の場合、アンバランス重心方位Ｄ１と、その直近位置にある頂点Ｖとの角度は必ず３０°以内であるので、図３では、重心ズレ角度φ１、除去加工方位φ２ともに最大値が３０°となっている。

次に、演算制御装置１６により回転位置調節装置２０を制御して、図２（Ｄ）に示すように、除去加工方位φ２がゼロ度を向くように回転させる。そして、演算制御装置１６により加工装置２６を制御して、図２（Ｅ）に示すように、算出した除去加工方位φ２において除去対象部品（ナット７）の一部を除去加工する。図２（Ｅ）において、符号３２で指示されたハッチング部分が、除去した部分である。

なお、除去加工の切り込み深さ（軸方向の加工寸法）は、目標除去質量Ｍ／（除去加工面積Ａ×密度ρ）であるので、除去加工部分５３の重心Ｇの方位とアンバランス重心方位Ｄ１が一致するように除去加工するときの加工面積（図２（Ｅ）の除去部分３２の面積）に応じて切り込み深さを設定すればよい。

上述した本発明のアンバランス修正装置１０及び方法によれば、重心ズレ角度φ１に基づいて算出した適正な除去加工方位φ２において除去加工を行うので、図２（Ｅ）に示すように、除去した部分３２の重心Ｇの方位とアンバランス重心方位Ｄ１とが一致する。したがって、アンバランス修正を高精度に行うことができる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施形態にかかるアンバランス修正装置の概略構成図である。 本発明のアンバランス修正方法を説明する図である。 重心ズレ角度と除去加工方位との相関関係を示す曲線の一例を示す図である。 特許文献１に開示されたアンバランス修正装置の構成を示す図である。 従来のアンバランス修正における問題点を説明する図である。

符号の説明

１ 過給機
２ 過給機ロータ
３ 回転軸
４ タービンインペラ
５ コンプレッサインペラ
６ ベアリングハウジング
７ ナット
１０ アンバランス修正装置
１２ マウント
１４ 振動センサ
１５ 回転検出器
１６ 演算制御装置
２０ 回転位置調節装置
２１ 連結部
２２ シャフト
２３ 駆動モータ
２４ 移動ステージ
２６ 加工装置
２７ 加工工具
２８ 駆動装置
２９ 移動ステージ
３０ 頂点検出装置
３１ 撮像装置
３２ 除去部分

Claims (3)

1. 回転体に固定された断面多角形の除去対象部品の一部を除去することで回転アンバランスを修正する回転体のアンバランス修正方法であって、
   前記回転体のアンバランス質量と方位を計測し、
   回転体上のアンバランス重心が位置する方位であるアンバランス重心方位の、前記除去対象部品の多角形の一つの頂点からの角度を重心ズレ角度として計測し、
   前記重心ズレ角度に基づいて、除去加工する部分の重心方位がアンバランス重心方位と一致するような、回転体上の除去加工方位を算出し、
   算出した除去加工方位において前記除去対象部品の一部を除去加工する、ことを特徴とする回転体のアンバランス修正方法。
2. 回転体のアンバランス質量と方位を計測した後、
   回転体中心と加工工具の中心とを通る直線をゼロ度とする原点位置に回転体を復帰させ、
   次に、アンバランス重心方位が前記ゼロ度の方向を向くように回転体を回転させ、
   次に、そのときの除去対象部品の前記頂点の位置を計測し、その頂点位置の前記ゼロ度からのズレ角度を前記重心ズレ角度として算出する、請求項１記載のアンバランス修正方法。
3. 回転体に固定された断面多角形の除去対象部品の一部を除去することで回転アンバランスを修正する回転体のアンバランス修正装置であって、
   前記回転体のアンバランス質量と方位の算出に必要なデータを検出するセンサと、
   前記除去対象部品の多角形の頂点の位置を検出する頂点検出装置と、
   前記除去対象部品の一部を除去加工する加工装置と、
   前記回転体の回転位置を調節する回転位置調節装置と、
   前記回転位置調節装置及び前記加工装置を制御する演算制御装置と、を備え、
   前記演算制御装置は、前記センサ及び前記頂点検出装置からの検出情報に基づいて、回転体上のアンバランス重心が位置する方位であるアンバランス重心方位の、前記除去対象部品の多角形の一つの頂点からの角度を重心ズレ角度として算出し、該重心ズレ角度に基づいて、除去加工する部分の重心方位がアンバランス重心方位と一致するような、回転体上の除去加工方位を算出し、算出した除去加工方位において前記除去対象部品の一部を除去加工するように前記回転位置調節装置及び前記加工装置を制御する、ことを特徴とする回転体のアンバランス修正装置。

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