JP2009241172A - 回転体バランス補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転体を適正な位置に位置決め後に切削装置によりバランス修正リングを不釣り合い重さに対応する量だけ切削するため、スピンドルと工具ホルダとから成る回転体の回転を停止してバランス修正リングを切削する作業が必要になり、時間と手間を要することになる。
【解決手段】 主軸の回転によって回転体が回転する回転体バランス補正装置であって、主軸を回転動作させるモータと、該モータの回転と同期した振動を検知する振動センサと、回転体の回転中の位置情報を検知する位置センサと、振動センサからの信号を位置センサからの信号で同期検波し、その同期検波信号を積分した直流電圧を出力する信号処理部と、信号処理部からの直流電圧によって駆動するアクチュエータと該アクチュエータの先端部に設置された重りを備えた偏心バランサを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は主軸の回転によって回転体が回転する加工工具、測定器具、外部記憶装置等に主に使用され、特にスピンドルに加工工具を取り付けた精密加工機械、スピンドルに測定子を取り付けた三次元測定器、スピンドルに円盤状記憶媒体を取り付けたDVD-RＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の回転体バランス補正に関するものである。

従来より加工工具、測定器具、外部記憶装置等を取り付けたスピンドルをモータで高速回転させる装置は、高能率、高精度、高速度の加工・測定・応答処理が必要されることからスピンドルを更なる高速回転させることが要求されている。

しかし、スピンドルを高速回転させることはスピンドルの残留バランス及び加工工具、測定器具、外部記憶装置等の回転体を保持し、且つスピンドル、加工工具、測定器具、外部記憶装置の主軸に該当するホルダ（支持体）の回転バランスが不安定になる問題を生じる。このように回転体を保持するホルダ（支持体）の回転バランスが不安定なままで高速回転させた場合はホルダ（支持体）の偏心が原因となり、スピンドルを支持する軸受を破損させる危険が高いこと、及び加工工具においては切削面粗度に影響があること、測定器具では測定精度に大きな誤差を生じること、外部記憶装置では読み書き誤差が生じること等の問題が発生してしまう。

それに対して特許文献１は、マシニングセンタによるワークの加工において、マシニングセンタのスピンドルに工具ホルダを装着した状態で、そのスピンドルと工具ホルダとから成る回転体の回転バランスを修正するためのバランス修正方法として、回転体の回転時の不釣り合いによる振動を計測する振動センサと、回転数を計測する回転センサによって回転体を現状のまま高速回転させたときの不釣り合い量と不釣り合いの角度位置を測定すると共に、回転体の外周所定位置に試し重りをつけて高速回転させたときの不釣り合い量と不釣り合いの角度位置を測定し、試し重り付加前の初期測定データと、付加後の付加測定データとから回転体の不釣り合い重さおよび基準位置からの不釣り合い角度位置をベクトル演算し、その演算結果からスピンドルをマシニングセンタのテーブル上にセットされた切削装置の切削加工位置に不釣り合い角度位置が対応するよう位置決めし、その位置決め後、切削装置によりバランス修正リングを不釣り合い重さに対応する量だけ切削することが記載されている。

特開２００２−２１９６２９号公報

しかし、この方法によりスピンドルと工具ホルダとから成る回転体の回転バランスを修正した場合、回転体を適正な位置に位置決め後に切削装置によりバランス修正リングを不釣り合い重さに対応する量だけ切削するため、スピンドルと工具ホルダとから成る回転体の回転を停止してバランス修正リングを切削する作業が必要になり、時間と手間を要することになる。更に一度スピンドルに工具ホルダを装着した状態での回転バランスを修正したスピンドルと工具ホルダとから成る回転体の主軸となる箇所についても、例えば機器の経年変化や汚れの付着、スピンドルの先端に挟み込まれる工具ホルダのアンバランス等、一旦、スピンドルと工具ホルダとから成る回転体の回転バランスを修正したとしても、短期間で別の回転バランスを不安定化する要因が発生し、回転体の主軸に偏心が生じる。

従って本発明は、このような課題に関して、面倒な回転バランス修正作業を必要とせず、且つアンバランスが生じた時に適時、回転体バランス補正を行うことを可能とする回転体バランス補正装置を提供することを目的とする。

即ち、主軸の回転によって回転体が回転する回転体バランス補正装置であって、主軸を回転駆動させるモータと、該モータの回転と同期した振動を検知する振動センサと、回転体の回転中の位置情報を検知する位置センサと、振動センサからの信号を位置センサからの信号で同期検波し、その同期検波信号を積分した直流電圧を出力する信号処理部と、信号処理部からの直流電圧によって駆動するアクチュエータと該アクチュエータの先端部に設置された重りを備えた偏心バランサを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、スピンドルと工具ホルダとから成る回転体の回転を停止してバランス修正リングを切削する作業が不要になり、モータの回転と同期した振動を検知する振動センサにて振動を検知すると、回転体の主軸の偏心バランスを直ちに補正制御する。

加えてバランス修正リングを切削する作業が不要なことから、そのことによる粉塵の発生でのモータ駆動阻害を防ぐことが出来る。

以下、本発明の回転体バランス補正装置の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例である回転体バランス補正装置の構成図である。又、図２は本発明における回転体バランス補正装置の偏心バランサの構成図である。図１において、本発明の回転体バランス補正装置は回転体であるチャック部３と偏心バランサ４が、主軸２を中心軸として回転駆動している。モータ１が主軸２を回転駆動する動力源になっており、主軸２の先端には回転工具を取り付けるためのチャック部３がある。チャック部３と回転工具の取り付けは片側をおねじ、もう一方をめねじにしてネジ締めしても良いし、片側に突起部を形成し、もう一方に溝部を形成して嵌め込むようにしてチャック３と回転工具を取り付けるようにしても良いし、取り付け方法は限定されるものではない。又、モータ１とチャック部３の間で、且つ主軸２を中心軸とする軸上に偏心バランサ４が取り付けられている。チャック部３、偏心バランサ４及び主軸２は密着しており、主軸２が回転すると、チャック部３と偏心バランサ４もその回転動作に合わせて一体的に動作するようになっている。その為、主軸２、チャック部３、偏心バランサ４のバランスが不安定になった場合、モータ１の回転駆動中の主軸２は偏心した状態になる。そこで、偏心バランサ４の偏心状態を補正制御することで、主軸２の偏心を補正する。具体的には、モータ１の側面に設置した振動センサ５の振動が最低になるようにフィードバック制御するようになっている。モータ１の端部に位置センサ６が設置されており、主軸２の回転中に回転体であるチャック部３と偏心バランサ４の位置情報を検知しており、偏心バランサ４に関しては、偏心バランサ４に設置されたアクチュエータ９、アクチュエータ１０、アクチュエータ１１、アクチュエータ１２がどのポイントに位置しているかを検知している。

そして、信号処理部７では、振動センサ５の振動を位置センサ６の信号で同期検波することにより、主軸２の回転中に偏心バランサ４のどの領域のどのポイントにて主軸２が偏心しているかの情報を抽出し、その抽出情報を基にモータ１の側面に設置した振動センサ５の振動が最低になるようにフィードバック制御信号を偏心バランサ４にて送出し、偏心バランサ４の偏心を補正制御している。

図２の偏心バランサ４は、円盤形状の偏心バランサ筐体１３を４分割した扇形状の領域上には主軸２の偏心を補正するために、それぞれバランス重り８が配置されている。４分割した領域にはそれぞれアクチュエータ９、アクチュエータ１０、アクチュエータ１１、アクチュエータ１２が偏心バランサ筐体１３の外枠側に配置され、そして各アクチュエータの偏心バランサ筐体１３の中心方向側にバランス重り８が取り付けられている。各アクチュエータは偏心バランサ筐体１３の外枠側が固着され、偏心バランサ筐体１３の中心方向側に動作する。例えばアクチュエータ９は、アクチュエータを伸張する場合にはα方向に伸び、アクチュエータを収縮する場合にはα‘方向に縮む。尚、ここでは後述する本発明の説明の為、円盤形状の偏心バランサ筐体１３を図２の点線のように均等に４分割した扇形状の領域で、且つアクチュエータ９が配置している領域をアクチュエータ９の領域と記載することとする。同様に円盤形状の偏心バランサ筐体１３を４分割した扇形状の領域で、且つアクチュエータ１０が配置している領域をアクチュエータ１０の領域、アクチュエータ１１が配置している領域をアクチュエータ１１の領域、アクチュエータ１２が配置している領域をアクチュエータ１２の領域と記載することとする。

図３は位置センサ６の動作領域別タイミングチャートである。位置センサ６は、円盤形状の偏心バランサ筐体１３を図２の点線のように均等に４分割した扇形状の各領域に合わせて４つの信号が発生している。ここでは、モータ１による主軸２の回転運動に合わせて偏心バランサ４が回転しており、アクチュエータ９の領域が振動センサ５の近傍を通過した際に信号ＡがＨｉｇｈの論理信号となるように設定している。そして、Ｈｉｇｈの論理信号となった後に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＡはＬｏｗの論理信号となる。更に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＡはＨｉｇｈの論理信号となるようになっている。

そして、信号Ｂは信号Ａよりも９０°遅れで、アクチュエータ１０の領域が振動センサ５の近傍を通過した際にＨｉｇｈの論理信号となるように設定している。そして、Ｈｉｇｈの論理信号となった後に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＢはＬｏｗの論理信号となる。更に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＢはＨｉｇｈの論理信号となるようになっている。

又、信号Ｃは信号Ａよりも１８０°遅れで、アクチュエータ１１の領域が振動センサ５の近傍を通過した際にＨｉｇｈの論理信号となるように設定している。そして、Ｈｉｇｈの論理信号となった後に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＣはＬｏｗの論理信号となる。更に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＣはＨｉｇｈの論理信号となるようになっている。ここで、信号Ｃは信号Ａの論理信号と反対の論理信号となる。

又、信号Ｄは信号Ａよりも２７０°遅れで、アクチュエータ１１の領域が振動センサ５の近傍を通過した際にＨｉｇｈの論理信号となるように設定している。そして、Ｈｉｇｈの論理信号となった後に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＤはＬｏｗの論理信号となる。更に偏心バランサ４が半周、回転した（１８０℃回転した）時に信号ＤはＨｉｇｈの論理信号となるようになっている。

図４は本発明における振動センサ及び偏心バランサの位置と、振動センサ５の振動振幅の関係を示す概略図である。図４では例として偏心バランサ４が回転し、各アクチュエータの領域がそれぞれ振動センサ５の近傍を通過した際の振動センサ５の振動振幅波形を示している。更に説明すると、図４の右側には振動センサ５の近傍を回転する偏心バランサ４を記載しており、左側にはアクチュエータ９の領域が振動センサ５に対してどの位置にあるかと、その時の振動センサ５の振動振幅波形の関係を示している。

図４を詳述すると、図４の右側一番上には振動センサ５の近傍にアクチュエータ９の領域が位置する場合が記載されており、その時に振動センサ５にて検知される振動はプラス側に最大値となる。このことで、主軸２がアクチュエータ９の領域の方向に偏心していることが分かる。尚、図４の偏心バランサ４内に記載している矢印はアクチュエータ９が振動センサ５に対してどこに位置しているかを示している。

又、図４の右側上から二番目には振動センサ５の近傍にアクチュエータ１０の領域が位置し、アクチュエータ９の領域は９０°進んだ状態に位置する場合が記載されており、この場合はアクチュエータ１０の領域は偏心していないので、振動センサ５にて検知される振動は０となる。次に図４の右側上から三番目には振動センサ５の近傍にアクチュエータ１１の領域が位置し、アクチュエータ９の領域は１８０°進んだ状態に位置する場合が記載されており、その時に振動センサ５にて検知される振動はマイナス側に最大値となる。このことで、主軸２がアクチュエータ１１と反対側の領域の方向に偏心していることが分かる。つまり、主軸２がアクチュエータ９の領域の方向に偏心していることが分かる。次に、図４の右側の一番下には振動センサ５の近傍にアクチュエータ１２の領域が位置し、アクチュエータ９の領域は２７０°進んだ状態に位置する場合が記載されており、この場合はアクチュエータ１２の領域は偏心していないので、振動センサ５にて検知される振動は０となる。このようにして主軸２がどの方向に偏心しているかを判別できる。

図６は図４で示された振動センサ５の振動振幅波形信号を図３の位置センサ６の信号Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄにてそれぞれ同期検波したタイミングチャートを示している。ここで、Ａの検波信号は振動振幅波形が正方向側（+側）と中心線（±０の線）にあることから、主軸２は位置センサの信号Ａに該当するアクチュエータ９の領域の方向に偏心していることになる。又、Ｂ及びＤの検波信号は振動振幅波形が正方向側（+側）と負方向側（−側）の両方で示され、正方向側（+側）の面積と負方向側（−側）の面積は点対称の関係となり、正方向側（+側）の面積から負方向側（−側）の面積を引くと差し引き０なので、主軸２は位置センサの信号Ｂに該当するアクチュエータ１０の領域の方向に或いはＤに該当するアクチュエータ１２の領域の方向には偏心していないことが分かる。

一方、Ｃの検波信号は振動振幅波形が負方向側（−側）と中心線（±０の線）にあることから、主軸２は位置センサの信号Ｃに該当するアクチュエータ１１の領域のマイナス方向に偏心していることになる。ここで、マイナス方向に偏心しているということは、偏心バランサ４におけるアクチュエータ１１の領域に対して反対側の領域であるアクチュエータ９の領域の方向に偏心していることを示している。このように３６０°全ての位置において、主軸２が偏心していたとしてもその偏心方向及びどの程度の偏心量かを抽出することができる。

図５は信号処理部７に関する構成図であり、図中の点線部が信号処理部７に該当する。図３で示された位置センサ６の信号Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄに対して、図４で示された振動センサ５の振動を同期検波する。同期検波により抽出された図６の信号Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄの各検波信号を積分処理することにより、直流成分となる。例えば主軸２が位置センサの信号Ａに該当するアクチュエータ９の領域の方向に偏心していると判別された場合は、図２の偏心バランサ４にて、バランス重り８が先端部に取り付けられているアクチュエータ９に、図６の信号Ａの検波信号を積分した直流成分を印加してアクチュエータ９を
偏心バランサ筐体１３の中心方向側（図２でのα方向）に伸張させる。このことによって偏心バランサ筐体１３の偏心が補正され、従って主軸２の偏心が補正されることになる。

ここではバランス重り８が先端部に取り付けられているアクチュエータ９に、図６の信号Ａの検波信号を積分した直流成分を印加してアクチュエータ９を偏心バランサ筐体１３の中心方向側（図２でのα方向）に伸張させているが、このことに加えて、更にアクチュエータ９の領域の対面にあるアクチュエータ１１の領域にて、バランス重り８が先端部に取り付けられているアクチュエータ１１に、図６の信号Ｃの検波信号を積分したマイナスの直流成分を印加してアクチュエータ１１を偏心バランサ筐体１３の中心方向側から離間する方向（図２でのγ´方向）に収縮させることも行うと拠り主軸２の偏心の補正には好ましい。

尚、上記で各アクチュエータに振動センサ５の振動振幅波形信号を図３の位置センサ６の信号Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄにてそれぞれ同期検波した検波信号を積分した直流成分を印加しているが、アクチュエータの種類に応じて、適時、増幅回路等により誘導や、ブラシなどを使い、駆動したいアクチュエータに供給されるようにしても良い。又、本発明の説明において、振動センサ５を１つのみにて検知しているが、複数の振動センサで検知することも可能である。又、本発明の説明において、アクチュエータを４つ設けたが、それに限るものではない。

又、上記では、偏心バランサ４はモータ１とチャック部３の間に配置しているが、この配置に限るものではない。例えばモータ１と偏心バランサ４の位置を置き換えても構わず、主軸２を中心軸とする軸上に偏心バランサ４が取り付けられていれば問題ない。又、モータ１は一般的に使用される電磁モータや超音波モータに限らず、外部から高圧空気の絞りを通して狭い軸受すきまに送り、その圧力によって負荷能力を得る静圧空気軸受で支持された回転ユニットであるエアスピンドルに代えて用いても良い。

本発明によれば、主軸の回転によって回転体が回転する加工工具、測定器具、外部記憶装置等に主に使用される回転体の主軸の偏心を、回転体の回転を停止してバランス修正リングを切削する作業を行うことなく、リアルタイムにバランス補正することが可能となる。

本発明の一実施例である回転体バランス補正装置の構成図である。 本発明における回転体バランス補正装置の偏心バランサの構成図である。 本発明における位置センサの動作領域別タイミングチャートである。 本発明における振動センサ及び偏心バランサの位置と、振動センサの振動振幅の関係を示す概略図である。 本発明における信号処理部に関する構成図である。 本発明における振動センサの信号と位置センサの信号を同期検波した検波信号のタイミングチャートである。

符号の説明

１：モータ
２：主軸
３：チャック部
４：偏心バランサ
５：振動センサ
６：位置センサ
７：信号処理部
８：バランス重り
９、１０、１１、１２：アクチュエータ
１３：偏心バランサ筐体

Claims (1)

1. 主軸の回転によって回転体が回転する回転体バランス補正装置であって、主軸を回転駆動させるモータと、該モータの回転と同期した振動を検知する振動センサと、回転体の回転中の位置情報を検知する位置センサと、振動センサからの信号を位置センサからの信号で同期検波し、その同期検波信号を積分した直流電圧を出力する信号処理部と、信号処理部からの直流電圧によって駆動するアクチュエータと該アクチュエータの先端部に設置された重りを備えた偏心バランサを備えたことを特徴とする回転体バランス補正装置。

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