JP2016099237A - 回転アンバランス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置において、アンバランス測定精度を向上させる。【解決手段】静止テーブル上に設置された併進振動用リニアレールと、併進振動用リニアレールに沿って往復動可能とされた移動テーブルと、移動テーブルに回転可能に接続されたスピンドルと、スピンドルに設けられた回転体保持部と、スピンドルを回転させる回転駆動源と、回転駆動源及びスピンドルの接続部に設けられたオルダムカップリングと、移動テーブルの移動周期及び移動量を測定するギャップセンサよりなるテーブル変位測定部と、回転体保持部に保持された前記回転体の回転位置を測定するロータリエンコーダよりなる回転位置測定部と、移動テーブルの初動位置を規定する弾性要素よりなるテーブル初動位置規定部と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転体における回転アンバランス（重心オフセット）の円周上の位置及び大きさを測定するために用いられる回転アンバランス測定装置に関する。本発明の回転アンバランス測定装置は例えば、高速回転によるアンバランスに起因する振れ回り振動や破損を問題とする回転体の生産・検査工程における自動アンバランス測定装置として用いられる。

近年の回転機械は、その精密化・高速化が図られ、より高い性能と機能が要求されている。回転機械の運転において機器の性能を損なう最大の要因は振動とこれに伴う騒音であり、バランシングマシンによる釣合せによりこれを解決する必要がある。

図３に、従来技術に係る回転アンバランス測定装置６１の簡易模式図を示す。この従来技術に係る回転アンバランス測定装置６１は例えば、図４に示すアンバランス測定試料（回転体）５１における回転アンバランス部Ｐの円周上位置及び大きさを測定するために用いられる装置であって、その振動検出部分の構成として、垂直方向トーションバー（板バネ）６２を備える垂直方向トーションバー方式（懸垂式揺動運動）と、水平方向トーションバー（板バネ）６３を備える水平方向トーションバー方式（水平式揺動運動）とを有している。振動発生部分の構成としては何れの方式においても、駆動プーリ６４がベルト６５を介して受動プーリ６６を駆動させることによって、スピンドル６７上部に設置した試料（回転体）５１が回転する。そこで、回転する試料（回転体）５１のアンバランス部Ｐに遠心力Ｆ（図４）が発生することによって、筐体部６８が振り子運動を行なう。また懸垂式及び水平式のそれぞれにおいて、図５に示すような振り子運動軌跡Ｋ１，Ｋ２をたどる。Ｇは試料５１の重心位置を示している。

ここで、図６より振動方向へ受動プーリ６６が変位した場合、ベルト６５を介して伝達した駆動プーリ６４はベルト張力が変化するため、回転変動を伴う乱れた回転となり、アンバランスとは異なる新たな振動を併発させる要因となるため、アンバランス計測精度の悪化を招いている。尚、図６は、図３に示す測定装置６１をその下方から視た図である。

次に、複数種類の試料を計測する場合には、それぞれの試料に応じて校正試料が必要となる。そこで、試料の前提条件としては円柱状であるためＸ軸、Ｙ軸上の重心は一致しているが、Ｚ軸上の重心は試料毎に異なっているものと考えることができる。懸垂式においてはＸＺ平面上を揺動運動するため揺動運動中心点と重心点間距離は各試料によって異なり、校正試料としては揺動中心点と重心点間の距離と重量を考慮して慣性モーメントを一致させる必要がある。一方、水平式の場合にはＺ軸上の重心位置が異なったとしても揺動運動中心点と重心点間距離は変化することがないため、校正試料は重量のみを一致させることによって慣性モーメントを一致させることができる。

次に、筐体部の保持の構造として、どちらの方式においても板バネによって保持を行なうが、懸垂式の場合には板バネの引張り方向により保持している。一方、水平式の場合には長手方向ではあるが曲げ方向によって保持を行なうため、材料力学の観点から板材のたわみは引張り方向に強く曲げ方向に弱いため、アンバランス計測後鉛直方向のドリル加工によるアンバランス修正を、計測器の機構として導入する場合には、水平式は強固な板バネの設計が必要となってくる。

特許３２１３１０２号公報

本発明は以上の点に鑑みて、上記従来技術対比でアンバランス測定精度を向上させることができる回転アンバランス測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による回転アンバランス測定装置は、回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置であって、静止テーブル上に設置された併進振動用リニアレールと、前記併進振動用リニアレールに沿って往復動可能とされた移動テーブルと、前記移動テーブルに回転可能に接続されたスピンドルと、前記スピンドルに設けられた回転体保持部と、前記スピンドルを回転させる回転駆動源と、前記回転駆動源及び前記スピンドルの接続部に設けられたオルダムカップリングと、前記移動テーブルの移動周期及び移動量を測定するギャップセンサよりなるテーブル変位測定部と、前記回転体保持部に保持された前記回転体の回転位置を測定するロータリエンコーダよりなる回転位置測定部と、前記移動テーブルの初動位置を規定する弾性要素よりなるテーブル初動位置規定部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による回転アンバランス測定装置は、上記した請求項１記載の回転アンバランス測定装置において、前記回転体は、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品であることを特徴とする。

上記構成を備える本発明の回転アンバランス測定装置においては、測定試料である回転体を回転体保持部に装着し、回転駆動源を駆動して回転トルクをスピンドルに伝達し、スピンドル、回転体保持部及びこれに保持された回転体を回転させる。しかして回転体に回転アンバランスが存在しなければ移動テーブルは併進振動用リニアレール上を移動しないところ、回転体に回転アンバランスが存在すると、偏った遠心力が発生するため、これにより移動テーブルが併進振動用リニアレール上を移動し、回転体の回転とともに往復動を繰り返す。そしてこの移動テーブルの往復動の周期及び振幅並びに回転体の回転位置をギャップセンサよりなるテーブル変位測定部及びロータリエンコーダよりなる回転位置測定部にて測定することにより、移動テーブルの往復動の周期及び回転体の回転位置から回転体における回転アンバランスの円周上位置を特定するとともに移動テーブルの往復動の振幅（そのピーク値）から回転アンバランスの大きさを特定する。

本発明において、測定試料である回転体の種類はとくに限定されないが、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品などは高速で回転するので、回転アンバランスによる不都合が顕在化しやすい。したがって本発明の装置によってこれらプーリ製品やダンパ製品の回転アンバランスを測定し、のちの工程でこれを低減・解消することは、これらプーリ製品やダンパ製品を正常に作動させるうえで極めて重要な事柄である。

以上説明したように本発明によれば、回転体に回転アンバランスが存在するときに移動テーブルが往復動することを利用して回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定するものであって、測定時、スピンドル、回転体保持部及びこれに保持された回転体は回転駆動源によって回転せしめられるほかは、回転しない。したがって上記従来技術のようにアンバランスと異なる振動が発生しないため、この分、アンバランス測定精度を向上させることができる。

本発明の実施例に係る回転アンバランス測定装置の構成説明図（斜視図） 本発明の実施例に係る回転アンバランス測定装置の構成説明図（断面図） 測定試料である回転体の説明図 従来例に係る測定装置の構成説明図 従来例に係る測定装置の構成説明図 従来例に係る測定装置の作動説明図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）モータの回転伝達をオルダムカップリングを用いてスピンドルを回転させる機構とする。
（２）リニアレールを用いることにより水平併進振動によって計測を行なう機構とする。
（３）鉛直方向荷重に対しリニアレールによって支持する構造とする。
（４）これらに対しモータをスピンドルに直結する状態、すなわちモータ部と筐体部が連動して振動する場合には、機構部全体の慣性質量が増大し、計測困難や精度悪化を招き、実用上問題が発生する虞がある。
（５）本発明ではオルダムカップリングを用いるが、偏心を許容し且つ等速で回転伝達が可能なカップリングであればオルダムカップリングに含むものとする。
（６）下記する実施例に付属する図面はイメージしやすいように模式的に表したものであり、用途としては計測開始のゼロ点出しと、構造体をバネ・マス系にし、且つ実用上低回転周波数での計測を行なうためバネは柔らかいものとする。
（７）アンバランスによる振幅はＴＶＤの場合では、±１ミリ以内とする。
（８）変位はギャップセンサによって検出を行なう。
（９）回転はサーボモータのエンコーダにより検知する。
（１０）検出された変位データをＦＦＴにかけ、アンバランスによる変位のみを抽出し、このデータをモータの回転波形と組み合わせ、どの角度にて振幅が最大であるかを計算させることで、アンバランス箇所を算出する。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１及び図２に示すように、当該実施例に係る回転アンバランス測定装置１１は、測定試料である回転体（試料とも称する、図４参照）５１における回転アンバランス部（重心オフセット部）Ｐの円周上位置及び大きさを測定するために用いられる装置であって、脚部２１ａ及び天板部２１ｂを備える静止テーブル２１と、静止テーブル２１の天板部２１ｂ上に設置された併進振動用リニアレール２２と、併進振動用リニアレール２２に沿って直線的に往復動可能とされた移動テーブル２３と、移動テーブル２３に軸受２５を介して回転可能に接続されたスピンドル３１と、スピンドル３１の上端部に設けられた回転体保持部３２と、スピンドル３１の下方に配置されスピンドル３１を回転させる回転駆動源４１と、回転駆動源４１の駆動軸４１ａ及びスピンドル３１間の接続部に設けられたオルダムカップリング４２と、移動テーブル２３の移動周期及び移動量を測定するギャップセンサよりなるテーブル変位測定部（図示せず）と、回転体保持部３２に保持された回転体５１の回転位置を測定するロータリエンコーダよりなる回転位置測定部（図示せず）と、移動テーブル２３の初動位置を規定する弾性要素（センタリングバネ）よりなるテーブル初動位置規定部４３とを有している。測定試料である回転体５１としては例えば図４に示すような、ハブ５２、ゴムリング５３および質量体リング（プーリ）５４の組み合わせよりなるダイナミックダンパであって、このような製品には製作直後、回転アンバランスが存在するため、その円周上位置及び大きさを測定し、ドリルによる穿孔などによって、回転アンバランスを解消する。

併進振動用リニアレール２２は、互いに平行に並べられた２本の直動式リニアレール本体２２ａを備え、各リニアレール本体２２ａに２個ずつリニアレールガイ２２ｂを組み付けたものであって、都合４個のリニアレールガイド２２ｂを平面田の字状に並べ、その上に平板状の移動テーブル２３が水平に固定されている。リニアレールガイド２２ｂ及び移動テーブル２３よりなる組立移動体は、自走はせず、外部から荷重が作用するとこれを駆動力としてリニアレール本体２２ａに沿って移動する。また、移動テーブル２３に固定した連結板２３ａと静止テーブル２１の天板部２１ｂとの間にゴムマウント状のセンタリングバネよりなるテーブル初動位置規定部４３が介装されているので、リニアレールガイド２２ｂ及び移動テーブル２３よりなる組立移動体は外部から荷重が作用するとテーブル初動位置規定部４３を弾性変形させつつ移動し、荷重が作用しなくなるとテーブル初動位置規定部４３が弾性復帰するので、その復元力を駆動力として初動位置に復帰する。

移動テーブル２３の平面中央に貫通穴が設けられ、貫通穴にフランジ付き円筒体よりなる筐体部２４が差し込み固定され、この筐体部２４の内周に軸受２５を介してスピンドル３１が回転可能に貫挿保持され、スピンドル３１の上端部に円盤状の回転体保持部３２が一体に設けられている。円盤状の回転体保持部３２はその上に回転体５１の種類ごとの固定治具（図示せず）を設置し、この治具をもって回転体５１を同軸上に固定する。

回転駆動源４１は、具体的には回転モータよりなり、静止テーブル２１の下段テーブル２１ｃに固定され、上向きの駆動軸４１ａを備え、この駆動軸４１ａがオルダムカップリング４２を介してスピンドル３１と接続されている。オルダムカップリング４２は、駆動軸４２ａ及びスピンドル３１の偏心を許容し且つ等速で回転トルクを伝達可能なカップリングであって、このような機能を備えていればその名称の如何を問わず本発明におけるオルダムカップリング４２の範疇に属するものとする。以下、回転駆動源４１をモータとも称し、駆動軸４１ａをモータシャフトとも称する。

上記したように当該実施例では、静止テーブル２１上にリニアレール本体２２ａを設置し、リニアレール本体２２ａ上にリニアレールガイド２２ｂを配置し、さらに移動テーブル２３をリニアレールガイド２２ｂへ固定している。したがって移動テーブル２３の運動軌跡は、テーブル水平面上をリニアレール２２によって規制された方向のみ、併進運動が可能となる。また移動テーブル２３の平面中央に筐体部２４を固定し、筐体部２４を貫通するようにスピンドル３１を設置し、筐体部２４及びスピンドル３１間に軸受２５を介装したため、スピンドル３１は独立して回転し、アンバランスによる遠心力を移動テーブル２３へ伝達する。

スピンドル３１上部の回転体保持部３２に、各試料５１の治具を固定する。図１及び図２では簡明な例としてセンターボルトを表記しているが、エアチャック等によって自動機構による固定を行なうことも可能である。

スピンドル３１下部にオルダムカップリング３２によって連結されたモータ４１が静止テーブル２１の下段テーブル２１ｃに固定されている。ここでオルダムカップリング３２を用いることによってその特性上、回転体５１のアンバランスによる遠心力が発生して、スピンドル３１の鉛直方向軸とモータシャフト４１ａの鉛直方向の軸がずれるような、いわゆる偏心状態でも等角速度で回転を伝達できるため、移動テーブル２３は安定した併進往復動を行なうことが可能である。

また、静止テーブル２１と移動テーブル２３間にセンタリングバネよりなるテーブル初動位置規定部４１が介装されているので、測定開始前には自動でスピンドル３１がセンタリングできる機構になっている。

上記構成の回転アンバランス測定装置１１においては、測定試料である回転体５１を回転体保持部３２に装着し、回転駆動源４１を駆動して回転トルクをスピンドル３１に伝達し、スピンドル３１、回転体保持部３２及びこれに保持された回転体５１を回転させる。回転体５１に回転アンバランスが存在しなければ移動テーブル２３は併進振動用リニアレール２２上を移動しないところ、回転体５１に回転アンバランスが存在すると、偏った遠心力Ｆが発生するため、これにより移動テーブル２３が併進振動用リニアレール２２上を移動し、回転体５１の回転とともに往復動を繰り返す。そしてこの移動テーブル２３の往復動の周期及び振幅並びに回転体５１の回転位置をギャップセンサよりなるテーブル変位測定部及びロータリエンコーダよりなる回転位置測定部にて測定することにより、移動テーブル２３の往復動の周期及び回転体５１の回転位置から回転体５１における回転アンバランスの円周上位置を特定し、移動テーブル２３の往復動の振幅（ピーク値）から回転アンバランスの大きさを特定する。

次に、本発明の実施例に係る回転アンバランス測定装置１１の特徴を、上記従来技術と比較しつつ説明する。

（１）先ず、上記従来技術において、ベルト駆動によって、振動方向へ変位した場合にベルト張力が変化した場合に生じる回転変動は、本発明実施例では、オルダムカップリング４２を使用しているため、併進振動中においても安定した駆動をスピンドル３１へ伝達することが可能となる。

（２）上記従来技術に係る垂直方向トーションバー方式においては、校正試料は単純に試料５１の質量や慣性モーメントを合わせるのではなく、この方式に設置した状態における校正重量および揺動運動中心点と校正重心点間距離を考慮した慣性モーメント、すなわちこの方式における機構部としての慣性モーメントを一致させる必要がある。これに対し本発明実施例では、併進振動機構を導入しているため、校正試料は各試料５１と重量のみ一致させれば良い。そのため様々な試料５１の計測を行なう場合や、新規の試料５１の校正試料の手配において容易に製作することが可能となる。

（３）上記従来技術に係る水平方向トーションバー方式においては、板バネの曲げ方向によって筐体部６８を保持していたが、本発明実施例では、リニアレール２２にてテーブル２３の水平方向の変位規制を行なうとともに、垂直方向の荷重支持を可能としている。

（４）回転方式について
従来技術における試料回転方式は図３に示したように、駆動プーリ６４がベルト６５を介して受動プーリ６６を駆動させているため、計測時に試料５１を回転させた場合、そのアンバランスによって、図６に示したように駆動プーリ６４の中心点を回転中心として、受動プーリ６６および筐体部６８は振り子運動を行なう。このときベルト張力は刻々と変化しており、つまり回転変動を生じながら振り子運動を行なっていることになる。このような回転変動は、アンバランスとは別の振動を併発させる要因となり、アンバランス計測精度の悪化を招いてしまう。これに対し本発明実施例における試料５１の回転方式は、図１及び図２に示したようにモータ４１による駆動力をオルダムカップリング４２を介してスピンドル３１へ伝達し、試料５１を回転させる。ここでオルダムカップリング４２の特性上、アンバランスの遠心力によって併進往復動を行なうと、鉛直方向におけるモータ４１の軸とスピンドル３１の軸がずれる、いわゆる偏心状態となるが、モータ４１の駆動は等角速度にてスピンドル３１へ伝達を行なうことが可能となるため、従来技術にあるようなアンバランスとは別の振動が発生することはなく、計測精度の向上が期待できる。

（５）校正試料について
従来技術における垂直方向トーションバー方式（懸垂式揺動運動）における校正試料の条件として、質量および校正試料をこの方式の設備に設置した状態にて、計測機構部における慣性モーメントを一致させる必要がある。ここで慣性モーメントについては図５に示したように、垂直方向トーションバー方式（懸垂式揺動運動）における機構的な特性から、各試料５１によって鉛直方向における重心位置は変化するため、鉛直方向重心位置と揺動回転中心点間との距離を考慮したうえで、質量を設定しなければならない。これに対し本発明実施例における校正試料は図１及び図２に示したように、筐体部２４および試料５１の変位方向をリニアレール２２を導入することによって、アンバランスによる変位を水平併進方向へと規制を行なっているため、校正試料は質量のみを一致させれば良く、よって従来方式と比較した場合に容易に校正試料の製作や設定などが可能である。

（６）筐体部支持方法について
従来技術の水平方向トーションバー方式（水平式揺動運動）における筐体部６８の支持方法は図５に示したように、板バネの長手方向における曲げによって支持を行なっている。ここで一般的にアンバランス計測設備を生産ラインにて導入する場合には、計測後アンバランス量を補正するためにドリル加工できる機構を計測設備に追加している。そのため水平方向トーションバー方式（水平式揺動運動）にてドリル加工を行なう場合、板バネの曲げだけによって支持することは不十分であるため、加工時における荷重をアシストする機構の追加が必要となってくる。これに対し本発明実施例における支持方式は図１及び図２に示したように、リニアレール２２によって鉛直方向の荷重支持を行なうことが可能であるため、水平方向トーションバー方式（水平式揺動運動）のように、荷重アシスト機構の導入は不要である。

したがって本発明実施例によれば、上記従来技術と比較して回転変動の現象による計測精度の向上および、従来技術方式における欠点を払拭した計測設備であると云える。

１１ 回転アンバランス測定装置
２１ 静止テーブル
２１ａ 脚部
２１ｂ 天板部
２１ｃ 下段テーブル
２２ 併進振動用リニアレール
２２ａ リニアレール本体
２２ｂ リニアレールガイド
２３ 移動テーブル
２３ａ 連結部
２４ 筐体部
２５ 軸受
３１ スピンドル
３２ 回転体保持部
４１ 回転駆動源
４１ａ 駆動軸
４２ オルダムカップリング
４３ テーブル初動位置規定部
５１ 回転体
５２ ハブ
５３ ゴムリング
５４ 質量体リング

Claims (2)

1. 回転体における回転アンバランスの円周上位置及び大きさを測定する回転アンバランス測定装置であって、
   静止テーブル上に設置された併進振動用リニアレールと、前記併進振動用リニアレールに沿って往復動可能とされた移動テーブルと、前記移動テーブルに回転可能に接続されたスピンドルと、前記スピンドルに設けられた回転体保持部と、前記スピンドルを回転させる回転駆動源と、前記回転駆動源及び前記スピンドルの接続部に設けられたオルダムカップリングと、前記移動テーブルの移動周期及び移動量を測定するギャップセンサよりなるテーブル変位測定部と、前記回転体保持部に保持された前記回転体の回転位置を測定するロータリエンコーダよりなる回転位置測定部と、前記移動テーブルの初動位置を規定する弾性要素よりなるテーブル初動位置規定部と、を有することを特徴とする回転アンバランス測定装置。
2. 請求項１記載の回転アンバランス測定装置において、
   前記回転体は、自動車等車両に装着するクランクプーリ等のプーリ製品又はダイナミックダンパ若しくはトーショナルダンパ等のダンパ製品であることを特徴とする回転アンバランス測定装置。

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