JP2015094384A

JP2015094384A - スライド型平行板ばね式動吸振器

Info

Publication number: JP2015094384A
Application number: JP2013232323A
Authority: JP
Inventors: 近藤　英二; Eiji Kondo; 英二近藤
Original assignee: Kagoshima University NUC
Current assignee: Kagoshima University NUC
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-05-18

Abstract

【課題】振動する機械構造物に適用して、その振動低減に優れた効果を発揮するスライド型平行板ばね式動吸振器を提供する。【解決手段】ばね‐質量からなる振動系を持ち、減衰器を含んでなる。ベース１３上にスライド可能に載置された錘１１の両側部に、振動方向Ｘと直交方向Ｙに一対の平行な板ばね１２を結合すると共に、各板ばね１２の両端部がベース１３に締結され、一対の板ばね１２それぞれが、減衰材を２枚の鋼板でサンドイッチ状に挟む構造でなる減衰器を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、大型の機械構造物、典型的にはマシニングセンタ等の工作機械に適用されるスライド型平行板ばね式動吸振器関するものである。

一般に受動型の動吸振器は、振動特性(質量、固有振動数及び減衰比)を適切に選ぶことにより、機械構造物の振動を効果的に低減できることが知られている。一方、従来の受動型の動吸振器は、固有振動数と減衰比、特に減衰比を調整することが困難なため、要求される仕様を満足する動吸振器の実現は困難な場合が多い。

なお、この種の動吸振器として、例えば特許文献１に開示されるようなものが知られている。

特開２０１１−１０６５９０号公報

特に機械構造物としての工作機械の場合、その高速化（高能率化）に伴って振動が加工精度に及ぼす影響は大きくなっているが、工作機械の構造変更による振動低減は限界に達しつつある。また、動吸振器は構造物の振動低減に有効な装置であるが、工作機械に適した動吸振器はない。

更に、従来の減衰器は構造が複雑で経年変化が大きく、また任意の減衰を得ることが困難である。また従来から用いられている片持ちはり構造の動吸振器など、板ばねを用いるタイプの動吸振器は、構造は簡単であるが設置スペース（体積）が大きくなるという問題がある。工作機械の場合、重量が重いため錘が大きくなる傾向にあり、限られた場所の中から振動低減に有効な取り付け箇所を確保するのは困難である。

本発明はかかる実情に鑑み、振動する機械構造物に適用して、その振動低減に優れた効果を発揮し、比較的簡単な構造で設置スペース（体積）が小さく、取り付け場所の選択が比較的容易なスライド型平行板ばね式動吸振器を提供することを目的とする。

本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器は、ばね‐質量からなる振動系を持ち、減衰器を含んでなる動吸振器であって、ベース上にスライド可能に載置された錘の両側部に、その振動方向と直交方向に一対の平行な板ばねを結合すると共に、各前記板ばねの両端部が前記ベースに締結され、前記一対の板ばねそれぞれが、減衰材を２枚の鋼板でサンドイッチ状に挟む構造でなる前記減衰器を有することを特徴とする。

また、本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器において、各前記板ばねは、その長手方向中央で前記錘に結合することを特徴とする。

また、本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器において、各前記板ばねの長手方向両端部において長さ調節片が介挿され、この長さ調節片により前記板ばねの実質的な長さが規定されることを特徴とする。

また、本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器において、前記減衰材は、前記一対の板ばねの一方及び他方のいずれか又は双方における長手方向の一端側及び他端側のいずれか、又は双方に配設可能であることを特徴とする。

本発明によれば、２枚の鋼板の間に減衰材を挟むことで任意の減衰比を得られ、この板ばねを一対平行に配置し、それらの間に錘を結合することで、高い固有振動数を実現する。強制振動を生じている主振動系に取り付けることで、その振動を有効に低減及び抑制することができる。

本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器の主振動系との関係でその概要を示す図である。本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器をモデル化した例を示す図である。本発明の実施形態におけるスライド型平行板ばね式動吸振器の適用例を示す図である。本発明の実施形態のスライド型平行板ばね式動吸振器の構成例を示す（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。本発明の実施形態のスライド型平行板ばね式動吸振器の構成例を示す斜視図である。本発明の実施形態のスライド型平行板ばね式動吸振器における板ばね及び長さ調節片等の構成例を示す図である。本発明の実施形態のスライド型平行板ばね式動吸振器における板ばね及び長さ調節片とその作用等を示す図である。本発明の実施形態のスライド型平行板ばね式動吸振器における減衰材の配設パターンを示す図である。本発明の実施形態におけるスライド型平行板ばね式動吸振器の振動試験について示す平面図である。本発明の実施形態における振動試験に使用したスライド型平行板ばね式動吸振器の主要諸元の例を示す図である。本発明の実施形態におけるスライド型平行板ばね式動吸振器の板ばねの長さと固有振動数の関係を示す図である。本発明の実施形態におけるスライド型平行板ばね式動吸振器の板ばねの長さとモード減衰比の関係を示す図である。本発明の実施形態におけるスライド型平行板ばね式動吸振器の板ばねの長さとモード剛性の関係を示す図である。

以下、図面に基づき、本発明によるスライド型平行板ばね式動吸振器の好適な実施の形態を説明する。
ここで先ず、本発明に係るスライド型平行板ばね式動吸振器の基本原理に関連して、その概要について説明する。動吸振器とはばね‐質量からなる振動系を持ち、更に減衰器を含んでなり、図１のように強制振動を生じている機械構造物（主振動系）に取り付けられて振動することにより、主振動系の機械構造物の振動を低減あるいは抑制する装置である。
動吸振器の振動抑制原理は、動吸振器の固有振動数を対象物の固有振動数に一致させ、反共振点をつくって振動を抑制するというものである。
振動の減衰メカニズムとしては、減衰材のせん断変形における振動エネルギから熱エネルギへの変換によるものである。

動吸振器により比較的広い範囲の振動数で振動を低減するためには、動吸振器に任意の振動特性を持たせ、動吸振器の固有振動数と減衰比を適当な値に設定する必要がある。
平行板ばね式動吸振器の固有振動数の計算式は、図２のモデルを適用して次のように表される。
動吸振器のばね定数は、次式で与えられる。

ｋ＝Ｐ／δ＝２ｂＥｎ（ｔ／ｌ）³

また、動吸振器の固有振動数は、次式で与えられる。

ｆ＝１／２π√｛２ｂＥｎ／ｍ（ｔ／ｌ）³｝

なお、図２及び上記各式におけるパラメータは、次の通りである。
Ｐ：荷重
δ：たわみ
ｂ：板ばねの幅
ｔ：板ばねの厚さ
ｎ：重ねた板ばねの枚数（片方）
Ｅ：ばね材料の縦弾性係数
ｌ：板ばねの長さ

図３は、上述の基本原理を踏まえて、本発明の実施形態におけるスライド型平行板ばね式動吸振器１０の適用例を示している。ここではスライド型平行板ばね式動吸振器を特にマシニングセンタ１００に適用した例とし、特にその主軸ヘッド１０１の振動の低減を図ることを目的とする。

動吸振器は、任意の質量の錘、任意のばね定数のばね及び任意の減衰を持つ減衰器を設ける必要があり、本発明では、この三つの機能を動吸振器に持たせるため、図４及び図５に示す構造を有している。即ち、図４及び図５に示す構造の平行板ばね式動吸振器１０の基本構成において錘１１（weight）、板ばね１２（flat spring）及びベース１３（base）からなる。錘１１の振動方向Ｘ（vibrating direction）両側部に一対の板ばね１２がその長手方向（Ｙ方向）中央で結合し、この場合各板ばね１２は締着ボルト１４により錘１１に締結される。また、各板ばね１２の長手方向両端部は、締着ボルト１５によりベース１３に堅固に固定される。錘１１はベース１３上でＸ方向にスライド振動可能である。

一対の板ばね１２を平行に配置することで、振動方向を規定することができる。即ち、板ばね１２によって支持された錘１１は、図４のＸ方向の振動方向に１自由系としてベース１３上で振動し、これにより有害なねじり振動が発生し難い構造となっている。また、薄い板ばねであっても比較的高いばね定数が得られる。更に板ばね１２の枚数や厚さ、材料あるいは長さを変えることによっても、固有振動数や減衰比を容易に変更することが可能である。

錘１１の両側部に結合する一対の板ばね１２の材料としてばね鋼を使用し、それぞれ２枚のばね鋼板相互間には図４のようにスペーサ１６が介挿される。スペーサ１６により２枚のばね鋼板相互間隔、板ばね隙間Ｔ（flat spring thickness）が規定される。また、板ばね１２の長手方向両端部においてばね鋼板間に長さ調節片１７が介挿される。長さ調節片１７により板ばね１２の実質的な長さＬ（flat spring length）が規定される。

長さ調節片１７はスペーサ１６と同一の厚さを有する。この場合、長さ調節片１７には図６に示されるように板ばね１２の長手方向（Ｙ方向）に沿って、締着ボルト１５が挿通する長穴１７ａが形成され、長さ調節片１７は長穴１７ａの長径分に対応してＹ方向にスライド可能である。
長さ調節片１７をその長穴１７ａの長径方向一端側にスライドさせることにより、図７（Ａ）のように板ばね１２の長さＬは最も長くなり、この状態から図７（Ｂ）のように長さ調節片１７をばね１２の内方へ押し込むことでその長さＬは次第に短くなる。そして、長穴１７ａの長径方向他端側まで長さ調節片１７をスライドさせることで、板ばね１２の長さＬは最も短くなる。このように長さ調節片１７を適宜スライドさせることで、ばね１２の固有振動数を変更可能とする。

更に、板ばね１２の２枚のばね鋼板相互間には図６のように減衰材１８（damping material）が介挿される。減衰材１８は、２枚重ねた板ばね１２のばね鋼板間にサンドイッチ状に挟まれ、任意の減衰比を得られるようにしている。減衰材１８の寸法としては長さ２０ｍｍ、幅２３ｍｍ、厚さ１ｍｍのものを６枚使用し、組立後にはスペーサ１６と同一の厚さの５ｍｍまで潰れる。

この場合、減衰材１８は、一対の板ばね１２の一方及び他方のいずれか又は双方における長手方向の一端側及び他端側のいずれか、又は双方に配設される。
図８（Ａ）〜（Ｄ）は、減衰材１８の具体的な配設パターンを示している。図８（Ａ）のように一方の板ばね１２の一端側の１ヶ所に配設し、図８（Ｂ）のように一方の板ばね１２の一端側及び他端側の双方の２ヶ所に配設し、図８（Ｃ）のように一方の板ばね１２の一端側及び他端側の双方の２ヶ所と他方の板ばね１２の一端側の１ヶ所の計３ヶ所に配設し、図８（Ｄ）のように双方の板ばね１２のそれぞれ一端側及び他端側の双方の４ヶ所に配設することができる。

次に、スライド型平行板ばね式動吸振器１０の振動試験について説明する。試験手順として図９を参照して、次のＩ）〜IV）の行程で行われる。
Ｉ）最初に動吸振器１０におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４ヶ所に配置された長さ調節片１７の位置を、板ばね１２の長さが一番長くなるように目盛りに合わせる。
II）打撃点Ｐをインパルスハンマ１で水平に５回打撃する。なお、インパクトハンマ１の反対側の測定点Ｍには１軸加速センサ２が取り付けられる。
III）次に、測定された加振力を入力、振動加速度を出力とし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）アナライザを介してパーソナルコンピュータに取り込み、モーダル解析ソフトを用いて周波数応答関数から固有振動数と減衰比を求める。
IV）Ａ〜Ｄの順番で板ばね１２の長さＬを調節する厚板を１目盛り分ずつ動かして、板ばね１２の長さを短くし、行程II）〜III）を繰り返して動吸振器１０の振動特性を測定する。なお、板ばね１２の長さＬを調節する際、図７のように長さ調節片１７を１目盛り２．５ｍｍでスライドさせる。

上記において図１０は、この振動試験に使用した動吸振器１０の主要諸元の例を示している。タイプ１の動吸振器（ＤＶＡ１）及びタイプ２の動吸振器（ＤＶＡ２）は、錘１１の質量と板ばね１２の厚さが異なっている。

振動試験の試験結果及びその考察等について説明する。図１１は、動吸振器１０において調節片１７を押込んだ目盛の数（板ばね１２の長さＬ）と固有振動数の関係を示している。タイプ１及びタイプ２の動吸振器１０のどちらの場合も、調節片１７を押込んだ目盛の数が多くなる（板ばね１２の長さＬが短くなる）程、固有振動数は増加しており、それぞれ最大値は３０５Ｈｚ、８９５Ｈｚであり、また最小値は２４０Ｈｚ、６６０Ｈｚとなった。また、減衰材１８の数が増える程、増加率は小さくなった。

次に図１２は、動吸振器１０において調節片１７を押込んだ目盛の数（板ばね１２の長さＬ）とモード減衰比の関係を示している。タイプ１の動吸振器１０では、減衰材１８がない場合と減衰材１８が１個の場合、モード減衰比は調節片１７を押込んだ目盛の数が多くなる（板ばね１２の長さＬが短くなる）のに伴って増加した。減衰材１８が２個の場合、約６％で略一定になった。減衰材１８が３個と４個の場合には減衰比は減少し、最小値は約６％になった。タイプ２の動吸振器１０ではぞれぞれの条件において、調節片１７を押込んだ目盛の数（板ばね１２の長さ）に関係なく減衰比の大きさは略一定の値となり、減衰材１８の数の増加に伴って減衰比は大きくなった。

また、図１３は、動吸振器１０において調節片１７を押込んだ目盛の数（板ばね１２の長さＬ）とモード剛性の関係を示している。タイプ１の動吸振器１０では、調節片１７を押込んだ目盛の数が多くなる（板ばね１２の長さＬが短くなる）のに伴ってモード剛性は増加した。一方、タイプ２の動吸振器１０では、調節片１７を押込んだ目盛の数（板ばね１２の長さＬ）、減衰材１８の数に関係なく、モード剛性の大きさは略一定の値になった。

振動試験の結果から本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器１０の特性等につき要約すると先ず、固有振動数については調節片１７を押込んだ目盛の数が多くなる（板ばね１２の長さＬが短くなる）のに伴って増加し、タイプ１及びタイプ２の動吸振器１０において、それぞれ最大値は３０５Ｈｚ、８９５Ｈｚ、最小値は２４０Ｈｚ、６６０Ｈｚであった。また、減衰材１８の数が増えるのに伴って増加率は小さくなった。
モード減衰比については、タイプ１の動吸振器１０では減衰材１８なしと減衰材１８が１個の場合、調節片１７を押込んだ目盛の数が多くなる（板ばね１２の長さＬが短くなる）のに伴って増加したが、減衰材１８が２個の場合は略一定で約６％になった。また、減衰材１８が３個と４個の場合、調節片１７を押込んだ目盛の数が多くなる（板ばね１２の長さＬが短くなる）のに伴って減少し、最小値は約６％になった。タイプ２の動吸振器１０では、調節片１７を押込んだ目盛の数（板ばね１２の長さＬ）に関係なく減衰比の大きさは略一定となった。また、減衰材１８の数が増えるのに伴ってモード減衰比は大きくなった。
モード剛性については、タイプ１の動吸振器１０では、調節片１７を押込んだ目盛の数が多くなる（板ばね１２の長さＬが短くなる）のに伴ってモード剛性は大きくなった。タイプ２の動吸振器１０では、調節片１７を押込んだ目盛の数（板ばね１２の長さＬ）、減衰材１８の数に関係なく略一定の値になった。

以上より本発明のスライド型平行板ばね式動吸振器１０を典型的な例としてマシニングセンタ１００に適用し、強制振動を生じている主軸ヘッド１０１に取り付けることで、その主振動系の振動を有効に低減及び抑制することができる。
この場合、平行板ばね式動吸振器１０は、錘１１がベース１３上でスライドするスライド型であるため、動吸振器１０全体として概略薄箱状の形態を有する。これによりマシニングセンタ１００の主軸ヘッド１０１等に対して、嵩張ることなくコンパクトに搭載することができる。従って、既存設備において大幅な改造等の変更を伴うことなく、本発明の平行板ばね式動吸振器１０を有効に且つ簡易に適用することができ、コストあるいは工数等の点でも極めて有利である。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
マシニングセンタの主軸ヘッドに適用した例を説明したが、その他の工作機械や産業機械等に対しても上記実施形態と同様に本発明を適用可能である。

１インパクトハンマ
２１軸加速センサ
１０スライド型平行板ばね式動吸振器
１１錘
１２板ばね
１３ベース
１４，１５締着ボルト
１６スペーサ
１７長さ調節片
１８減衰材
１００マシニングセンタ
１０１主軸ヘッド

Claims

ばね‐質量からなる振動系を持ち、減衰器を含んでなる動吸振器であって、
ベース上にスライド可能に載置された錘の両側部に、その振動方向と直交方向に一対の平行な板ばねを結合すると共に、各前記板ばねの両端部が前記ベースに締結され、
前記一対の板ばねそれぞれが、減衰材を２枚の鋼板でサンドイッチ状に挟む構造でなる前記減衰器を有することを特徴とするスライド型平行板ばね式動吸振器。
各前記板ばねは、その長手方向中央で前記錘に結合することを特徴とする請求項１に記載のスライド型平行板ばね式動吸振器。
各前記板ばねの長手方向両端部において長さ調節片が介挿され、この長さ調節片により前記板ばねの実質的な長さが規定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のスライド型平行板ばね式動吸振器。
前記減衰材は、前記一対の板ばねの一方及び他方のいずれか又は双方における長手方向の一端側及び他端側のいずれか、又は双方に配設可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスライド型平行板ばね式動吸振器。