JP2012002615A - アンバランス量測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基準アンバランス量によって影響係数が変化する場合でも計測回転体の実アンバランス量を正しく測定することができるアンバランス量測定方法と装置を提供する。
【解決手段】同一形状の計測回転体１１の１つを基準回転体１１Ａとして選定し（Ｓ１）、基準回転体１１Ａに２以上の異なる基準アンバランス量Ｕｉ（ｉ＝１，２・・ｎ：ｎは２以上の整数）を付与し（Ｓ２）、それぞれの振動ベクトルＶｉ（ｉ＝１，２・・ｎ）を計測し（Ｓ３）、基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから計測点間を中間補間し（Ｓ４）、実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求め（Ｓ５）、計測回転体１１を基準回転体と同一条件で回転させて実振動ベクトルｖを計測し（Ｓ６）、実振動ベクトルｖと前記関係Ｆ＝ｆ（ｕ）から計測回転体１１の実アンバランス量ｕを演算する（Ｓ７）。
【選択図】図２

Description

本発明は、影響係数を自動補正するアンバランス量測定方法と装置に関する。

過給機などの回転体のアンバランス量を測定する手段として、例えば特許文献１〜４が、従来から提案されている。

従来のアンバランス量測定装置は、架台にバネ支持されたマウントを有し、マウントに搭載された軸受（ラジアル／スラスト軸受）により回転体を保持し、エア駆動で回転体を回している。マウントには振動センサが設置され、さらに回転体の回転基準位相（０ｄｅｇ）を捉える回転パルス計を備えることにより、回転体のアンバランス量によって生じた振動の振幅と位相差（回転体の回転基準とマウント振動の位相差）を検出するようになっている。

また、回転パルス計は、回転体のアンバランス量によって生じた振動の振幅と位相差（回転体の回転基準とマウント振動の位相差）の他に、回転体の回転速度を計測するようになっている。

バランス計測前の準備作業として、まず基準となる回転体（以下、「基準回転体」という）に既知のアンバランス量（以下、「基準アンバランス量」という）を付与して所定の回転速度（「修正回転速度」と呼ぶ）で回し、マウントの振動ベクトル（振幅と位相差）を計測することにより、基準回転体のアンバランス量と振動ベクトルを関係づける式（１）の影響係数αを取得しておく。

Ａ（Ω）＝α（Ω）×Ｕ ・・・（１）
ここで、Ａはマウントの振動ベクトル、Ｕは回転体のアンバランス量、αは影響係数、Ωは回転速度である。また、振動ベクトルＡと影響係数αは回転速度に依存するので、影響係数の取得時とバランス計測時の回転速度（すなわち修正回転速度）は同一に合わせる必要がある。

上述した基準回転体は、同一形状の回転体（以下、「計測回転体」という）の１つである。従って、不釣合い量（アンバランス量）は個々に若干相違しても、影響係数αは同一とみなすことができる。

次に実際のバランス計測では、上述した回転体用バランサを用い、計測回転体（個々に未知の不釣合いを有する）を上記修正回転速度で回し、そのときの振動ベクトルＡを先の影響係数αで除すことにより不釣合いを同定している。

特開２００４−６１４９３号公報、「回転バランス測定装置、並びに、そのキャリブレーション方法及び診断方法」 特開２００８−１０２０４９号公報、「バランス修正装置」 特開２０１０−４８５８８号公報、「回転体のアンバランス量算出方法及び装置」 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」

影響係数αの取得には相当の時間を要するため、計測回転体が同一形状のものである場合には、上述したように従来のバランス計測では、基準回転体と計測回転体の影響係数αを同一とみなしている。

しかし、実際には、基準アンバランス量によって影響係数αが変化する。この原因は、軸受の非線形性、すなわち軸受負荷能力が非線形バネ特性を有することなどによる。
そのため、影響係数の取得時に用いた錘（基準アンバランス量）と相違するアンバランス量を有する計測回転体に対しては計測精度が悪化する。その結果、誤った計測結果に基づいて修正加工、すなわち不釣合いを除去するための切削加工を行うことになり、バランス計測／修正のやり直しが多発したり、バランスが修正しきれず歩留まりが低下したり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、基準アンバランス量によって影響係数が変化する場合でも計測回転体の実アンバランス量を正しく測定することができるアンバランス量測定方法と装置を提供することにある。

本発明によれば、（Ａ） 同一形状の計測回転体の１つを基準回転体として選定し、
（Ｂ） 前記基準回転体に２以上の異なる基準アンバランス量Ｕｉ（ｉ＝１，２・・ｎ：ｎは２以上の整数）を付与して、それぞれの振動ベクトルＶｉ（ｉ＝１，２・・ｎ）を計測し、
（Ｃ） 前記基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから、計測点間を中間補間して実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求め、
（Ｄ） 前記計測回転体を前記基準回転体と同一条件で回転させて実振動ベクトルｖを計測し、
（Ｅ） 前記実振動ベクトルｖと前記関係Ｆ＝ｆ（ｕ）から、前記計測回転体の実アンバランス量ｕを演算する、ことを特徴とするアンバランス量測定方法が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記実アンバランス量ｕの演算において、
（１） 影響係数Ｆを一定値Ｆ１として、実振動ベクトルｖから実アンバランス量ｕを計算し、
（２） 次いで、前記実アンバランス量ｕに対応する影響係数Ｆ２を前記関係Ｆ＝ｆ（ｕ）から求め、
（３） 次に、影響係数Ｆを一定値Ｆ２として、前記実振動ベクトルｖから実アンバランス量ｕを再計算し、
（４） （３）において得られた実アンバランス量ｕが一定値に収束するか、指定回数に達するまで前記（２）（３）を繰り返す。

また、本発明によれば、同一形状の計測回転体の１つが基準回転体として選定されており、
前記計測回転体を回転させて振動ベクトルを計測する回転体用バランサと、
前記振動ベクトルから計測回転体のアンバランス量を演算する演算装置とを備え、
前記回転体用バランサは、前記基準回転体に２以上の異なる基準アンバランス量Ｕｉ（ｉ＝１，２・・・）を付与して、それぞれの振動ベクトルＶｉ（ｉ＝１，２・・・）を計測し、
かつ前記計測回転体を前記基準回転体と同一条件で回転させて実振動ベクトルｖを計測し、
前記演算装置は、前記基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから、計測点以外を補間した実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求め、
かつ、前記実振動ベクトルｖと前記関係Ｆ＝ｆ（ｕ）から、前記計測回転体の実アンバランス量ｕを演算する、ことを特徴とするアンバランス量測定装置が提供される。

上記本発明の方法と装置によれば、演算装置により、基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから、計測点以外を補間した実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求め、この関係と計測回転体を基準回転体と同一条件で計測した実振動ベクトルｖとから、計測回転体の実アンバランス量ｕを演算するので、基準アンバランス量Ｕｉによって影響係数Ｆが変化する場合でも計測回転体の実アンバランス量ｕを正しく測定することができる。

本発明によるアンバランス量測定装置の全体構成図である。 本発明によるアンバランス量測定方法の全体フロー図である。 基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉの大きさとの関係図（Ａ）と、実アンバランス量ｕと影響係数Ｆとの関係図（Ｂ）である。

以下、本発明の好ましい実施例について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、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるアンバランス量測定装置の全体構成図である。
本発明のアンバランス量測定装置は、同一形状の計測回転体１１のアンバランス量を測定するバランス計測装置である。

例えば、本発明のアンバランス量測定装置は、特許文献３，４のような計測装置（いわゆるハイスピードバランサ）であってもよい。

計測回転体１１は、この例では、回転軸とタービンとが一体化された回転体である。しかし、本発明はこれに限定されず、軸心を中心とする回転体であればよい。

例えば、計測回転体１１は、コンプレッサを含むもの、例えば回転軸とタービンとコンプレッサを備える回転体で、軸受ハウジングによって回転可能に支持されているもの、或いは過給機からコンプレッサハウジングとタービンハウジングを取り外した状態のものでもよい。

また計測回転体１１の回転軸方向は、縦向き（鉛直）に限定されず、横方向（水平）でもよい。

この図において、本発明のアンバランス量測定装置は、回転体用バランサ１０と演算装置２０を備える。

回転体用バランサ１０は、架台１５にバネ支持されたマウント１２を有し、マウント１２に搭載された軸受（ラジアル／スラスト軸受）により計測回転体１１を保持し、エア駆動で計測回転体１１を回転させるようになっている。

軸受は、この例では空気軸受であるが、本発明はこれに限定されず、作動流体も空気に限定されない。例えば作動流体を潤滑オイルとしたすべり軸受等でもよい。

また、マウント１２には振動センサ１３が設置され、さらに計測回転体１１の回転基準位相（０ｄｅｇ）を捉える回転パルス計１４を備えることにより、計測回転体１１の不釣合い（アンバランス量）によって生じた振動の振幅と位相差（回転体の回転基準とマウント振動の位相差）を検出するようになっている。

振動センサ１３は、例えば加速度センサや速度センサである。回転パルス計１４は、計測回転体１１の不釣合い（アンバランス量）によって生じた振動の振幅と位相差（回転体の回転基準とマウント振動の位相差）の他に、計測回転体１１の回転速度を計測するようになっている。

上述した構成の回転体用バランサ１０により、計測回転体１１を所定の速度範囲で回転させて振動ベクトルを計測するようになっている。

演算装置２０は、例えばコンピュータであり、回転体用バランサ１０から得られた振動ベクトルから計測回転体１１のアンバランス量を演算するようになっている。

図２は、本発明によるアンバランス量測定方法の全体フロー図である。
この図において、本発明のアンバランス量測定方法は、Ｓ１〜Ｓ７の各ステップ（工程）からなる。

ステップＳ１では、同一形状の計測回転体１１の１つを基準回転体１１Ａとして選定する。

ステップＳ２では、基準回転体１１Ａに２以上の異なる基準アンバランス量Ｕｉ（ｉ＝１，２・・ｎ：ｎは２以上の整数）を付与し、ステップＳ３で、それぞれの振動ベクトルＶｉ（ｉ＝１，２・・ｎ）を計測する。

ここで基準アンバランス量Ｕｉの選定にあたっては生産ラインで流れてくる計測回転体１１が有する不釣合いの大きさ（推測値）の上下限を含むようにするのが望ましい。例えば従来用いていた基準アンバランス量をδｍ_ｃとし、δｍ_ｃより大きな錘は上記不釣合いの上限値δｍ_Ｍａｘ、δｍ_ｃより小さな錘は上記不釣合いの下限値δｍ_ｍｉｎとして、大中小３種類の錘を選定する。

ステップＳ２，Ｓ３は、２以上の異なる基準アンバランス量Ｕｉについて順次実施し、それぞれの基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉを記憶する。
ここで、振動ベクトルは、振動の振幅と位相差を意味する。

図３（Ａ）は、ステップＳ２，Ｓ３で得られた基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉの大きさとの関係を示す模式図である。この図における○印が計測点である。

ステップＳ４、Ｓ５では、基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから、計測点間を中間補間して実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求める。
すなわち、上述したアンバランス量と振動ベクトルを関係づける式（１）を用いて、各計測点における影響係数Ｆを求め（ステップＳ４）、次いで計測点間を中間補間して関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求める（ステップＳ５）。
中間補間は、例えば線形補間による。

図３（Ｂ）は、ステップＳ４、Ｓ５で得られた実アンバランス量ｕと影響係数Ｆとの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を示す模式図である。

ステップＳ６では、計測回転体１１を基準回転体１１Ａと同一条件で回転させて実振動ベクトルｖを計測する。

ステップＳ７では、計測した実振動ベクトルｖと前記関係Ｆ＝ｆ（ｕ）から、計測回転体１１の実アンバランス量ｕを演算する。

ステップＳ７における実アンバランス量ｕの演算方法を以下に説明する。
上述したアンバランス量と振動ベクトルを関係づける式（１）から、以下の式（２）（３）が成り立つ。

実振動ベクトルｖ＝ｆ（ｕ）×ｕ・・・（２）
ｇ（ｕ）＝ｖ−ｆ（ｕ）×ｕ＝０・・・（３）

従って、ｕを変化させて、数値解析により、式（３）を満たす実アンバランス量ｕを求めることができる。

また、ステップＳ７における実アンバランス量ｕの演算を以下のように実施してもよい。
（１） 影響係数Ｆを一定値Ｆ１として、実振動ベクトルｖから、ｖ＝Ｆ１×ｕの関係により実アンバランス量ｕを計算する。すなわち、影響係数Ｆを不釣合いに依らず一定値Ｆ１と見なし、計測した実振動ベクトルｖと一定値Ｆ１から実アンバランス量ｕを計算する。
（２） 次いで、計算した実アンバランス量ｕに対応する影響係数Ｆ２を前記Ｆ＝ｆ（ｕ）の関係から求める。
（３） 次に、影響係数Ｆを一定値Ｆ２として、前記実振動ベクトルｖから、ｖ＝Ｆ２×ｕの関係により実アンバランス量ｕを再計算する。
（４） （３）において得られた実アンバランス量ｕが一定値に収束するか、指定回数に達するまで前記（２）（３）を繰り返す。

上述した本発明の方法と装置によれば、演算装置２０により、基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから、計測点以外を補間した実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求め、この関係と計測回転体１１を基準回転体１１Ａと同一条件で計測した実振動ベクトルｖとから、計測回転体１１の実アンバランス量ｕを演算するので、基準アンバランス量Ｕｉによって影響係数Ｆが変化する場合でも計測回転体１１の実アンバランス量ｕを正しく測定することができる。

従って、バランス計測精度が不釣合い（アンバランス量）の大きさに依らず安定化することによって、以下の効果が期待できる。
（１）バランス計測／修正の行き来が少なくなる。
（２）バランスが修正しきれないケースが少なくなり、歩留まりが向上する。
（３）精密バランス工程と粗バランス工程を分けず、１工程にまとめることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１０ 回転体用バランサ、
１１ 計測回転体、１１Ａ 基準回転体、
１２ マウント、
１３ 振動センサ（ロードセル）、
１４ 回転パルス計、
１５ 架台、１６ 給気圧センサ、
２０ 演算装置（コンピュータ）

Claims (3)

1. （Ａ） 同一形状の計測回転体の１つを基準回転体として選定し、
   （Ｂ） 前記基準回転体に２以上の異なる基準アンバランス量Ｕｉ（ｉ＝１，２・・ｎ：ｎは２以上の整数）を付与して、それぞれの振動ベクトルＶｉ（ｉ＝１，２・・ｎ）を計測し、
   （Ｃ） 前記基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから、計測点間を中間補間して実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求め、
   （Ｄ） 前記計測回転体を前記基準回転体と同一条件で回転させて実振動ベクトルｖを計測し、
   （Ｅ） 前記実振動ベクトルｖと前記関係Ｆ＝ｆ（ｕ）から、前記計測回転体の実アンバランス量ｕを演算する、ことを特徴とするアンバランス量測定方法。
2. 前記実アンバランス量ｕの演算において、
   （１） 影響係数Ｆを一定値Ｆ１として、実振動ベクトルｖから、ｖ＝Ｆ１×ｕの関係により実アンバランス量ｕを計算し、
   （２） 次いで、前記実アンバランス量ｕに対応する影響係数Ｆ２を前記Ｆ＝ｆ（ｕ）の関係から求め、
   （３） 次に、影響係数Ｆを一定値Ｆ２として、前記実振動ベクトルｖから、ｖ＝Ｆ２×ｕの関係により実アンバランス量ｕを再計算し、
   （４） （３）において得られた実アンバランス量ｕが一定値に収束するか、指定回数に達するまで前記（２）（３）を繰り返す、ことを特徴とする請求項１に記載のアンバランス量測定方法。
3. 同一形状の計測回転体の１つが基準回転体として選定されており、
   前記計測回転体を回転させて振動ベクトルを計測する回転体用バランサと、
   前記振動ベクトルから計測回転体のアンバランス量を演算する演算装置とを備え、
   前記回転体用バランサは、前記基準回転体に２以上の異なる基準アンバランス量Ｕｉ（ｉ＝１，２・・・）を付与して、それぞれの振動ベクトルＶｉ（ｉ＝１，２・・・）を計測し、
   かつ前記計測回転体を前記基準回転体と同一条件で回転させて実振動ベクトルｖを計測し、
   前記演算装置は、前記基準アンバランス量Ｕｉと振動ベクトルＶｉから、計測点以外を補間した実アンバランス量ｕと影響係数Ｆの関係Ｆ＝ｆ（ｕ）を求め、
   かつ、前記実振動ベクトルｖと前記関係Ｆ＝ｆ（ｕ）から、前記計測回転体の実アンバランス量ｕを演算する、ことを特徴とするアンバランス量測定装置。