JP2013015432A - 回転体のアンバランス修正加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンバランス量が１箇所について切削できる最大量を超えた場合であっても、アンバランス量の修正ができる修正加工方法を提供する。
【解決手段】回転体の除去対象部に周方向に一定の角度を隔てた複数の切削除去部を設定し（Ｓ１）、回転体のアンバランスの量と方位を示すアンバランスベクトルを計測し（Ｓ２）、アンバランスベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに分割し（Ｓ３）、各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量を超える場合に（Ｓ４でＹＥＳ）、前記分割ベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに再分割し（Ｓ５）、前記再分割（Ｓ５）を各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量以下になるまで繰り返し、相当する切削除去部を切削除去する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転体の除去対象部を部分的に切削除去してアンバランス量を低減する回転体のアンバランス修正加工方法に関する。

図１は、回転機械の構成例であり、この例において、回転機械は過給機である。
この図において、回転体４１は、コンプレッサ翼４３、タービン翼４５、および、両者を結合する回転軸４７を有する。また、図１において、ナット４９が、回転体４１の軸方向端部に螺合しており、ナット４９を締めつけることで、コンプレッサ翼４３を回転軸４７に締結している。

従来のアンバランス修正では、回転体４１のアンバランスを計測し、アンバランスが存在する周方向位置（回転体の中心軸周りの方向に関する位置）において、アンバランスの大きさに相当する量だけ、回転体４１における除去対象部（例えばナット４９）を部分的に切削していた。

なお、本願の先行技術文献として、下記の特許文献１、２がある。
特許文献１においては、回転軸の他端に、ロータディスクを固定し、このロータディスクを削ることで、回転体のアンバランスを修正している。
特許文献２には、アンバランスの計測方法が記載されている。

特開２００６−０２２７７１号公報、「ターボ分子ポンプ」 特開２０１０−０４８５８８号公報、「回転体のアンバランス量算出方法及び装置」

図１において、コンプレッサ翼４３は、複数の翼部４３ａとこれを周方向に結合する翼結合部４３ｂとからなる。翼結合部４３ｂのうち、軸方向から見て翼部４３ａと重ならない領域を「水かき部」と呼ぶ。

コンプレッサ翼４３を部分的に切削除去してアンバランス量を修正する場合、コンプレッサ翼４３の「水かき部」を除去対象部とすることができる。
しかし、水かき部は、翼部４３ａの間に位置するため、切削除去できる位置が限定される。また、水かき部の肉厚（軸方向の厚さ）は薄いため、１箇所について切削できる最大量（質量）が制限される。

そのため、回転体のアンバランス計測の結果、修正すべきアンバランス量が、１箇所について切削できる最大量を超える場合に、アンバランス量の修正ができない問題点があった。

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、アンバランス量が１箇所について切削できる最大量を超えた場合であっても、アンバランス量の修正ができる回転体のアンバランス修正加工方法を提供することにある。

本発明によれば、回転体の除去対象部を部分的に切削除去してアンバランス量を低減する回転体のアンバランス修正加工方法であって、
（Ａ）前記回転体の除去対象部に、周方向に一定の角度を隔てた複数の切削除去部を設定し、
（Ｂ）前記回転体のアンバランスの量と方位を示すアンバランスベクトルを計測し、
（Ｃ）前記アンバランスベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに分割し、
（Ｄ）前記各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量を超える場合に、前記分割ベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに再分割し、
（Ｅ）前記再分割を、各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量以下になるまで繰り返し、
（Ｆ）前記各分割ベクトルに相当する複数の切削除去部をそれぞれのアンバランス量で切削除去する、ことを特徴とする回転体アンバランス修正加工方法が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記再分割において、
前記各分割ベクトルの総和が回転体の前記アンバランスベクトルと一致し、
前記各切削除去部における切削除去量の累積が１箇所について切削除去できる最大量以下であることを条件として、
前記各分割ベクトルに相当するアンバランス量の総和を最小にする最小化問題を、逐次２次計画法で解く。

上記本発明の方法によれば、回転体のアンバランスの量と方位を示すアンバランスベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに分割するので、回転体のアンバランス量が１箇所について切削できる最大量を超えた場合であっても、その方位の両側に位置する１対の切削除去部をそれぞれのアンバランス量で切削除去することにより、回転体のアンバランス量の修正ができる。

また、前記１対の分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量を超える場合でも、その分割ベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに再分割し、各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量以下になるまで再分割を繰り返すので、３箇所以上の切削除去部をそれぞれのアンバランス量で切削除去することにより、より大きなアンバランス量の修正が可能となる。

また、各分割ベクトルに相当するアンバランス量は、対応する切削除去部について切削除去できる最大量以下になるように設定するので、アンバランス計測と切削除去を繰り返す場合でも、同一の切削除去部における切削量を前回の切削量を含めて演算するため、複数回の切削が可能である。

回転機械の一例としての過給機を示す概略図である。 本発明の方法を適用するバランス修正装置の構成図である。 本発明によるアンバランス修正加工方法の全体フロー図である。 本発明によるアンバランス修正加工方法の模式図である。

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。

図２は、本発明の方法を適用するバランス修正装置の構成図である。
このバランス修正装置１０は、回転機械３に設けられた回転体５の回転翼５ａを部分的に除去（この例では切削）することで、回転体５に存在するアンバランスを修正する装置である。

なお、以下において、回転体５の中心軸Ｃ周りの方向を単に周方向といい、当該中心軸Ｃに対する半径方向を単に半径方向といい、当該中心軸Ｃと平行な方向を単に軸方向という。

回転翼５ａは、周方向に間隔を置いて配置された複数の翼部７と、複数の翼部７を周方向に結合するように周方向に延びている翼結合部９とを有する。
回転翼５ａは、軸方向に厚みを有する板形状を有し、軸方向から見た場合に円形である。また、回転翼５ａを収容するハウジング（この例でコンプレッサハウジング）は取り外されている。
図１では、回転機械３は、過給機であり、回転翼５ａは、コンプレッサ羽根車であり、翼部７は、コンプレッサ翼である。

［過給機に関する構成］
過給機３の回転体５は、エンジンの排ガスにより回転駆動されるタービン翼１３と、タービン翼１３と一体的に回転することで圧縮空気をエンジンに供給するコンプレッサ翼（回転翼５ａ）と、一端部にタービン翼１３が結合され他端部にコンプレッサ翼が結合される回転軸１５とを有する。

過給機３は、上述のコンプレッサハウジング（図示せず）、タービンハウジング１４、および軸受ハウジング１９を備える。

タービンハウジング１４は、タービン翼１３を内部に収容する。タービンハウジング１４には、タービン翼１３を回転駆動する流体を流す流路（スクロール）が形成されている。タービンハウジング１４は、この例では、支持体２１の内部に取り付けられている。

軸受ハウジング１９の内部には、回転体５を回転可能に支持する軸受１７が内部に組み込まれている。この例において、軸受ハウジング１９は、支持体２１に取り付けられている。これにより、支持体２１は、軸受ハウジング１９を介して回転体５を回転可能に支持する。

［バランス修正装置の構成］
バランス修正装置１０は、演算部２３および加工装置２５を備える。

演算部２３は、回転翼５ａの翼結合部９を部分的に切削除去してバランスを修正するときに、回転翼５ａの外周部において、回転体５に存在するアンバランスの周方向位置に翼部７が位置している場合には、そのアンバランスを、翼部７が位置していない複数の周方向位置におけるアンバランス成分に分解する。

加工装置２５は、複数の周方向位置の各々において、対応するアンバランス成分に相当する量だけ翼結合部９を部分的に切削除去する。

加工装置２５は、回転翼５ａの翼結合部９を切削する加工具２５ａ（例えば、エンドミル）と、加工具２５ａが取り付けられる可動部２５ｂと、可動部２５ｂを移動させる切削制御部２５ｃとを有する。

また、加工装置２５は、位置決め装置２５ｄを備える。位置決め装置２５ｄは、回転体５の端部を把持し、この状態で、回転体５を回転させ、回転角センサ２９による検出回転角が設定値（例えばゼロ度）になるように回転体５を位置決めする。図の例では、位置決め装置２５ｄは、回転翼５ａと反対側の端部を、支持体２１に形成された排気穴２１ａを通して把持する。

バランス修正装置１０は、回転体５において翼部７が存在する周方向位置の範囲を求めるために、回転角センサ２９およびデータ処理部３２を有する。

回転角センサ２９は、初期状態から回転体５が回転した量を示す回転角（０度〜３６０度の回転角）を検出する。回転角センサ２９は、例えば、着磁されたコンプレッサ翼７側の軸方向端部による磁場を検出する磁気センサであってよい。この場合、当該磁場は、回転体５の回転に応じて変化するので、磁気センサ２９は、この変化に基づいて回転体５の回転角を検出できる。

データ処理部３２は、回転角センサ２９による検出データに基づいて、後述のステップＳ１のように、回転体５において翼部７が存在する周方向位置の範囲を求める。

図３は、本発明によるアンバランス修正加工方法の全体フロー図であり、図４は、本発明によるアンバランス修正加工方法の模式図である。

図３に示すように本発明の方法は、Ｓ１〜Ｓ８の各行程（ステップ）からなる。

本発明の方法では、初めに、回転体５の除去対象部（翼結合部９）に、図４（Ａ）に示すように、周方向に一定の角度を隔てた複数（この例では１２箇所）の切削除去部１を設定する（Ｓ１）。
回転体５の周方向基準位置（図示せず）からの各切削除去部１の周方向角度を、θ１〜θｎ（ｎは整数、この例では１２）とする。

次に、Ｓ２において、回転体５のアンバランスの量Ｍと方位θを示すアンバランスベクトルＵ（図４（Ｂ）参照）を計測する。この場合、アンバランスベクトルＵは以下の式（１）で表すことができる。
Ｕ＝Ｍｅ^ｉθ・・・（１）

次いで、Ｓ３において、計測されたアンバランスベクトルＵをその方位θの両側に位置する１対の切削除去部１における分割ベクトルｕ_ｋ、ｕ_ｋ＋１に分割する。
この場合、アンバランスベクトルＵは以下の式（２）で表すことができる。ここで、θ_ｋ、θ_ｋ＋１は、方位θの両側に位置する切削除去部１の角度、ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１は、方位θ_ｋ、θ_ｋ＋１に位置する切削除去部１のアンバランス量である。
Ｕ＝ｕ_Ｋ＋ｕ_Ｋ＋１＝ｍ_Ｋｅ^ｉθＫ＋ｍ_Ｋ＋１ｅ^{ｉθＫ＋１}・・・（２）

上記（１）（２）から、方位θ_ｋ、θ_ｋ＋１のアンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１を求めることができる。

次いで、求めたアンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１が対応する切削除去部１について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘ以下である場合（Ｓ４でＹＥＳ）、Ｓ６において、各分割ベクトルｕ_ｋ、ｕ_ｋ＋１に相当する複数の切削除去部１をそれぞれのアンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１で切削除去する。
ここで、対応する切削除去部１について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘは、既に同一の切削除去部１について切削除去が１回以上実施されている場合には、各切削除去部１における切削除去量の累積が１箇所について切削除去できる最大量以下であるように設定する。

Ｓ４において、求めたアンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１が対応する切削除去部１について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘを超える場合（Ｓ４でＮＯ）、Ｓ５において、分割ベクトルｕ_ｋ、ｕ_ｋ＋１をその方位の両側に位置する１対の切削除去部１における分割ベクトルに再分割する（図４（Ｃ）参照）。
すなわち、アンバランス量ｍ_Ｋが最大量Ｍ_ｍａｘを超える場合、分割ベクトルｕ_ｋをその方位の両側に位置する１対の切削除去部１における分割ベクトルｕ_ｋ−１、ｕ_ｋ＋１に再分割し、方位θ_ｋ−１、θ_ｋ、θ_ｋ＋１のアンバランス量ｍ_Ｋ−１、ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１を求める。
同様に、アンバランス量ｍ_Ｋ＋１が最大量Ｍ_ｍａｘを超える場合、分割ベクトルｕ_ｋ＋１をその方位の両側に位置する１対の切削除去部１における分割ベクトルｕ_ｋ、ｕ_ｋ＋２に再分割し、方位θ_ｋ、θ_ｋ＋１、θ_ｋ＋２のアンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１、ｍ_Ｋ＋２を求める。
なお、アンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１の両方が超える場合も同様である。また、再分割によるアンバランス量は、対応する方位のアンバランス量に加算する。

次いで、Ｓ４に戻り、求めたアンバランス量ｍ_Ｋ−１、ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１、ｍ_Ｋ＋２と、それぞれが対応する切削除去部１について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘとを比較する。
すべてのアンバランス量ｍ_Ｋ−１、ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１、ｍ_Ｋ＋２が最大量Ｍ_ｍａｘ以下である場合（Ｓ４でＹＥＳ）、上述したＳ６を実施する。

また、いずれかのアンバランス量ｍ_Ｋ−１、ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１、ｍ_Ｋ＋２が最大量Ｍ_ｍａｘを超える場合（Ｓ４でＮＯ）、上述したＳ５の再分割を、各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量以下になるまで繰り返す。

Ｓ５における再分割は、計測されたアンバランスベクトルＵの方位θに対して、分割ベクトルの方位θ_ｌが、θ＋９０°＜θｌ＜θ−９０°の範囲で実施する。この範囲を超えると、アンバランス修正ができないからである。

また、再分割（Ｓ５）を繰り返すと、複数のアンバランス量ｍ_ｉ（ｉ＝１，２，…）の計算が困難になる。その場合には、以下の（１）（２）を条件として、各分割ベクトルｕ_ｉ（ｉ＝１，２，…）に相当するアンバランス量ｍ_ｉ（ｉ＝１，２，…）の総和Σｍｉを最小にする最小化問題を、逐次２次計画法で解くことができる。
（１）各分割ベクトルｕ_ｉ（ｉ＝１，２，…）の総和Σｕ_ｉが回転体５のアンバランスベクトルＵと一致する。
（２）各切削除去部１における切削除去量の累積が１箇所について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘ以下である。

Ｓ６において、各分割ベクトルｕ_ｉ（ｉ＝１，２，…）に相当する複数の切削除去部１をそれぞれのアンバランス量ｍ_ｉ（ｉ＝１，２，…）で切削除去する。この切削除去により、回転体５のアンバランスは修正された状態となる。

次いで、この例では、修正結果を確認するため、アンバランスベクトルＵを再計測し（Ｓ７）、アンバランスＭが所定の許容値α以上の場合の場合（Ｓ１２でＮＯ）、上述したＳ３〜Ｓ６を再実施し、アンバランスＭが所定の許容値α未満の場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、修正を終了する。

上述した本発明の方法によれば、回転体５のアンバランスの量と方位を示すアンバランスベクトルＵをその方位の両側に位置する１対の切削除去部１における分割ベクトルｕ_ｋ、ｕ_ｋ＋１に分割するので、回転体５のアンバランス量が１箇所について切削できる最大量Ｍ_ｍａｘを超えた場合であっても、その方位の両側に位置する１対の切削除去部１をそれぞれのアンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１で切削除去することにより、回転体５のアンバランス量の修正ができる。

また、前記１対の分割ベクトルｕ_ｋ、ｕ_ｋ＋１に相当するアンバランス量ｍ_Ｋ、ｍ_Ｋ＋１が対応する切削除去部１について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘを超える場合でも、その分割ベクトルｕ_ｋ、ｕ_ｋ＋１をその方位の両側に位置する１対の切削除去部１における分割ベクトルｕ_ｋ−１〜ｕ_ｋ＋２に再分割し、各分割ベクトルに相当するアンバランス量ｍ_Ｋ−１〜ｍ_Ｋ＋２が対応する切削除去部１について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘ以下になるまで再分割を繰り返すので、３箇所以上の切削除去部１をそれぞれのアンバランス量で切削除去することにより、より大きなアンバランス量の修正が可能となる。

また、各分割ベクトルに相当するアンバランス量は、対応する切削除去部について切削除去できる最大量Ｍ_ｍａｘ以下になるように設定するので、アンバランス計測と切削除去を繰り返す場合でも、同一の切削除去部１における切削量を前回の切削量を含めて演算するため、複数回の切削が可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、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。

１ 切削除去部、３ 回転機械、５ 回転体、５ａ 回転翼、
７ 翼部、９ 翼結合部、１０ バランス修正装置、
１３ タービン翼、１４ タービンハウジング、
１５ 回転軸、１７ 軸受、１９ 軸受ハウジング、
２１ 支持体、２１ａ 排気穴、２３ 演算部、
２５ 加工装置、２５ａ 加工具、２５ｂ 可動部、
２５ｃ 切削制御部、２５ｄ 位置決め装置、
２９ 回転角センサ、３２ データ処理部、
４１ 回転体、４３ コンプレッサ翼、
４３ａ 翼部、４３ｂ 翼結合部、
４５ タービン翼、４７ 回転軸、４９ ナット

Claims (2)

1. 回転体の除去対象部を部分的に切削除去してアンバランス量を低減する回転体のアンバランス修正加工方法であって、
   （Ａ）前記回転体の除去対象部に、周方向に一定の角度を隔てた複数の切削除去部を設定し、
   （Ｂ）前記回転体のアンバランスの量と方位を示すアンバランスベクトルを計測し、
   （Ｃ）前記アンバランスベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに分割し、
   （Ｄ）前記各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量を超える場合に、前記分割ベクトルをその方位の両側に位置する１対の切削除去部における分割ベクトルに再分割し、
   （Ｅ）前記再分割を、各分割ベクトルに相当するアンバランス量が対応する切削除去部について切削除去できる最大量以下になるまで繰り返し、
   （Ｆ）前記各分割ベクトルに相当する複数の切削除去部をそれぞれのアンバランス量で切削除去する、ことを特徴とする回転体のアンバランス修正加工方法。
2. 前記再分割において、
   前記各分割ベクトルの総和が回転体の前記アンバランスベクトルと一致し、
   前記各切削除去部における切削除去量の累積が１箇所について切削除去できる最大量以下であることを条件として、
   前記各分割ベクトルに相当するアンバランス量の総和を最小にする最小化問題を、逐次２次計画法で解く、ことを特徴とする請求項１に記載の回転体のアンバランス修正加工方法。