JP4164835B2 - ブラスト装置による投射状態情報の推定法および投射状態情報の推定装置、ならびに投射状態情報の推定プログラム - Google Patents

Description

本発明はブラストによる投射状態情報の推定法および投射状態情報の推定装置、ならびに投射状態情報の推定プログラムに関する。さらに詳しくは、投射状態情報を得るための諸条件の絞り込みに掛かる作業コストおよび時間を削減することができるブラスト装置、たとえば遠心投射装置による投射状態情報の推定法および投射状態情報の推定装置、ならびに投射状態情報の推定プログラムに関する。

従来、遠心投射装置において、最適なブラスト処理やピーニング処理のため、投射分布を調整することは公知である（特許文献1参照）。

特開平８−３２３６２９号公報

しかしながら、投射分布や投射速度を確認するには、実際に遠心投射装置でワークを投射してワークの処理結果から確認する必要があったので、最適な処理と投射分布などの正確な関係を把握するには時間を要していた。また、遠心投射装置においては、省エネ化や効率的投射は要望されるようになり、遠心投射装置を被処理品や処理方法に適合するように最適に投射分布させることが望まれている。しかし、最適な処理と投射分布の正確な関係を把握するのに時間がかかるという問題がある。

そこで、本発明は、叙上の事情に鑑み、投射状態情報、たとえば投射分布および／または投射速度を得るための諸条件の絞り込みに掛かる作業コストおよび時間を削減することができるブラスト装置による投射状態情報の推定法および投射状態情報の推定装置、ならびに投射状態情報の推定プログラムを提供することを目的とする。

また、本発明のブラスト装置による投射状態情報の推定法は、複数のブレードを高速回転させて、放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射状態情報を推定するブラスト装置による投射状態情報の推定法であって、ブレードの寸法と回転に関する情報、投射材の放出情報およびブレードに対する投射材の情報を含む初期条件を入力する工程と、該初期条件を記憶する工程と、各投射材の位置とブレードへの衝突後の速度と方向を演算する工程と、該演算の結果に基づいて前記投射状態情報として 投射材の投射分布および／または投射速度を推定する工程とを含むことを特徴としている。

また、本発明のブラスト装置による投射状態情報の推定装置は、複数のブレードを高速回転させて、放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射状態情報を推定するブラスト装置による投射状態情報の推定装置であって、前記投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行なうプログラムを登録するプログラム登録手段と、ブレードの寸法と回転に関する情報、投射材の放出情報およびブレードに対する投射材の情報を含む初期条件を入力する入力手段と、該初期条件を記憶する記憶手段と、各投射材の位置とブレードへの衝突後の速度と方向を演算する演算手段と、該演算の結果に基づいて、前記投射状態情報として投射分布および／または投射速度を表示する表示手段とを含むことを特徴としている。

本発明によれば、投射状態情報（たとえば投射分布および／または投射速度）を得るために必要な諸条件、たとえばブレードの形状などを決定するのに多くの試作を繰り返えさなくても、諸条件の絞り込みができるので、作業コストおよび時間を削減することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明のブラスト装置による投射状態情報の推定法、投射状態情報の推定装置および投射状態情報の推定プログラムを説明する。本発明は、複数のブレードを設けたインペラーを高速回転させて、該インペラーの内部空間に配置される円筒状のコントロールケージの開口窓を通して放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射する遠心投射装置であるブラスト装置や、駆動モータで回転する回転板と、該回転板に取付けた複数枚のブレードと、そのブレードに投射材を供給する供給口を有した流入管とを含むブラスト装置などに適用することができるが、以下、遠心投射装置について説明する。

本実施の形態では、まず、コントロールケージから回転するブレードの中に自由に放たれた投射材の挙動を調べるために、初期実験を行なった。この初期実験では、感圧紙を用いてブレード上の投射材の挙動を確認した。なお、初期実験に用いた遠心投射装置は、図１に示されるように、装置本体の研掃室の天井に配された上壁１に配置されるハウジング（インペラーケース）２と、該ハウジング２の側部２ａの外側である前記上壁１に配設される駆動手段３と、該駆動手段３の駆動軸３ａ側に取り付けられるインペラー４と、該インペラー４の内周空間Ｓに前記駆動軸３ａと同軸に取り付けられるディストリビュータ５と、前記ハウジング２の側部２ａに対向する側部２ｂに取り付けられる円筒状のコントロールケージ６と、前記ハウジング２の側部２ｂに取付けられる導入筒７とを備えている。

前記インペラー４は、前記駆動軸３ａにハブ１０を介してボルト１１により取り付けられており、前記駆動手段３の駆動軸３ａ側の側板１２ａと、該側板１２ａにより前記導入筒７側に所定幅離れた位置の側板１２ｂと、側板１２ａと側板１２ｂとのあいだに放射状に挾着固定された複数枚のブレード１３とから構成されている。

前記ディストリビュータ５は、投射材を撹拌する部品であってボルト１４により前記側板１２ａに固定されており、前記ブレード１３の枚数と同一の数、該枚数より少ない数または該枚数より多い数の開口（切り欠き）１５を周方向にほぼ等間隔に有している。

前記コントロールケージ６は、先端部６ａの円筒部に形成される四角形状の開口窓１７により投射方向を規制する部品であって、前記ディストリビュータ５と前記ブレード１３とのあいだに延設されており、前記ハウジング２の側板２ｂ側に取り付けられている。

前記初期実験の結果、図２に示されるように、投射材の挙動は滑走ではなく、２〜３ヵ所に集中して圧力がかかっていることから、跳ね返りとして捉えることができる。このため、投射分布の解析モデルは、投射材の跳ね返りによる解析モデルを用いて現すことができることがわかった。そこで、本実施の形態では、投射材の衝突後の速度は、図３に示されるように、投射材の移動ベクトルＶ_０とブレード面上の衝突点の移動ベクトルＶ_１より、Ｘ軸とＹ軸の各方向成分の相対速度（Ｖ_０ｘ、Ｖ_０ｙ、Ｖ_１ｘ、Ｖ_１ｙ）に分け、式（１）、（２）に示されるように、垂直成分Ｖ_１ｙは反発係数を用いた跳ねかえり、水平成分Ｖ_１ｘは摩擦抵抗による速度損失としてそれぞれに係数を設定して表現する。
Ｖ_１ｙ＝−ｅ・Ｖ_０ｙ ・・・（１）
Ｖ_１ｘ＝（１−μ）・Ｖ_０ｘ ・・・（２）
ここで、ｅは跳ね返り係数であり、μは摩擦抵抗係数である。

そして、投射分布の解析モデルの初期条件として、実機の諸条件に相当するブレードの寸法と回転に関する情報（ブレード情報）とコントロールケージからの投射材の放出情報などを用いることができ、たとえばブレードの外径、内径、長さ、幅、枚数、回転数（インペラー回転数）などや、図４に示されるように、コントロールケージの開口窓からの投射材の放出範囲（角度α）、投射方向、投射材の初速度およびそれらのバラツキ範囲など設定可能な要因を取り上げることができる。前記放出範囲は、投射材がコントロールケージから放出される範囲に相当し、角度で表され、開口窓やディストリビュータの形状によって決定される。また、前記バラツキ範囲とは、投射材がコントロールケージから放出される際の投射方向、および初速度の分布範囲に相当することを意味している。さらに前記分布は、コントロールケージの開口窓やディストリビュータ形状により変化するため、バラツキ範囲内で確率密度が等しい矩形分布であったり、バラツキ範囲を標準偏差として与えることにより正規分布としてもよい。また、解析モデルにおいて、跳ね返り係数および摩擦抵抗係数については、実際の投射材とブレードを用い、ブレード上における投射材の跳ね返り量の測定結果から実際の跳ね返り係数を求め、実投射試験による投射分布および投射速度の測定結果と演算による投射分布の結果を照合し、的確な組合わせを選定し設定した。

また、前記初期条件のもとに解析モデルは、ブレードが点対称であることを前提とし、投射材を加速する任意のブレード１枚についての演算とし、各投射材に投射方向、投射材の位置および速度の情報を与えることにして、サンプリング時間（たとえば演算の精度を考慮すると、１００μs以下が望ましい）における投射材とブレードの移動量を計算し、衝突条件を満たす投射材について衝突演算を順次行なう。すなわち、投射材の位置を極座標（ｒａ，θａ)で表した時、半径ｒａに相当するブレード面の角度θｂが投射材の角度θａを超えた場合に衝突とみなし、ブレード面を基準とした垂直成分と水平成分における前記式（１）、（２）を求めたのち、図５に示されるように、ブレードの衝突点における移動ベクトルと投射材の相対移動ベクトルとによる、ブレード衝突点における移動ベクトルの和の大きさ（実際の投射材の移動ベクトル）によって、ブレードとの衝突により速度と方向を再計算（衝突演算を繰り返す）。そして、演算後の解析結果は、本発明においては、とくに限定されるものではないが、通常用いられる演算・表示機能を有するコンピュータを搭載した機種のタッチパネルや、制御盤上のディスプレイなどの表示画面に表示する。

したがって、本実施の形態における投射状態情報の推定装置は、前記コントロールケージから放出した投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行なうプログラムを登録するプログラム登録手段と、ブレードの寸法と回転に関する情報、コントロールケージからの投射材の放出情報およびブレードに対する投射材の情報を含む初期条件を入力する入力手段と、該初期条件を記憶する記憶手段と、各投射材の位置とブレードへの衝突後の速度と方向を演算する演算手段と、該演算の結果を表示する表示手段とを含んでいる。また、本実施の形態における投射状態情報の推定プログラムでは、コンピュータを、プログラム登録手段、入力手段、記憶手段、演算手段、表示手段として機能させている。

以下、本実施の形態における投射状態情報の推定法の一例を手順（１）〜（８）に沿って説明する。

（１）まず、図６に示されるように、投射分布の解析モデルのブレード情報として、ブレードの外径、内径、枚数および回転数を入力する（ステップＳ１）。たとえば、このステップＳ１における外径としては３６０ｍｍ、内径としては１３５ｍｍ、枚数としては８枚および回転数としては３０００ｒｐｍを入力する。
（２）ついで、コントロールケージからの放出情報として、投射材の放出範囲（角度）、方向、初速度およびそれらのバラツキを入力する（ステップＳ２）。たとえば、このステップＳ２における放出範囲としては、３５°とし、方向としては、投射位置から回転方向に９０°とし、そのバラツキを±１５°とし、初速度としては、１０ｍ／ｓとし、そのバラツキを±５ｍ／ｓとして入力する。
（３）ついで、跳ね返り係数および摩擦抵抗係数を仮に入力する（ステップＳ３）。たとえば、このステップＳ３における跳ね返り係数としては０．２および摩擦抵抗係数としては０．６を入力する。
（４）ついで、入力が完了したか否かを判定したのち（ステップＳ４）、入力が完了している場合、サンプリング時間８０μｓごとに各投射材の位置をサンプリング時間と移動ベクトルによって算出する（ステップＳ５）。具体的には、時刻ｔにおける任意の投射材の位置（Ｘ，Ｙ）としたとき、その移動ベクトル（Ｖｘ，Ｖｙ）からサンプリング時間Δt後の投射材移動量（Δｘ，Δｙ）はΔｘ=Ｖｘ×Δｔ，Δｙ=Ｖｙ×Δｔのように求められ、時刻ｔ＋Δｔにおける投射材の位置は（Ｘ＋Δｘ，Ｙ＋Δｙ）として求めることができる。
（５）ついで、ブレードを回転させブレードの角度を更新したのち、各投射材がブレードと衝突したか否かを判定する（ステップＳ６、Ｓ７）。そして、この判定により衝突した場合、衝突した投射材の速度と方向を計算し、移動ベクトルを更新する（ステップＳ８）。
すなわち、具体的には、前記投射材の位置（Ｘ，Ｙ）を極座標（ｒａ，θａ)のように換算し、半径ｒａに相当するブレード面の角度θｂが投射材の角度θａを超えた場合に衝突とみなし、ブレード面を基準とした垂直成分と水平成分における前記式（１）、（２）を求めたのち、ブレード衝突点におけるブレードの移動ベクトルとの和によって実際の投射材の移動ベクトルを求め、ブレードとの衝突により速度と方向を計算する。
また、前記判定により衝突していない場合は、投射材の移動ベクトルを更新しない。ついでブレードの位置が投射材の放出範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ９）。放出範囲内にある場合には、投射材を放出する（ステップＳ１０）。ここで、投射材を放出するとは、被処理品への処理中、投射材はディストリビュータにて攪拌されコントロールケージの開口窓から放出され、随時ブレードに放出されることを示す。
ここでブレードの位置が投射材の放出範囲内にあるか否かを判定する理由として、前述のとおりインペラーを構成する複数枚のブレードのうち、任意のブレード１枚において演算しているため、ブレードの位置によって放出された投射材が解析に適さない場合、たとえばブレードの回転が進みコントロールケージの開口窓をブレードが通り過ぎた後など、は投射材を放出しないようにするため、判定を必要とする。
また、放出範囲内にない場合には、現時刻における投射状況の演算の結果を表示する（ステップＳ１１）。使用するコンピュータの演算能力にもよるが、１００〜２００個の投射材が表示可能であり、この演算の結果における表示例を図７に示す。なお、この表示例では初期条件の表示を省略している。
（７）ついで、ブレードの位置が既定位置まで回転したか否かを判定して、回転していないと判定される場合、つぎのサンプリング時間後における各投射材の位置、ブレード角度、投射材移動ベクトルを順次演算するため、前記ステップＳ５〜Ｓ１２を繰り返す（ステップＳ１２）。そして、回転していると判定される場合には、各投射材の移動ベクトルを集計する（ステップＳ１３）。
（８）ついで、集計による投射分布と投射速度の演算結果を表示する（ステップＳ１４）。図８に示されるように、演算投射分布Ｅ１は実投射分布Ｅに近いことがわかる。
また、ブレードからの投射材の投射分布および投射速度については、各投射材の移動ベクトルの方向を角度で表し、それらをヒストグラムで表したものが投射分布である。また、前記移動ベクトルの大きさの平均値を算出したものが投射速度であり、標準偏差を算出したものが投射速度のバラツキである。

つぎにブレードの外径による速度変化を調べた。図９に示されるように、実測値は計算値（破線）によく一致している。

本実施の形態では、前記手順における解析モデルにより前記投射材の投射状態情報である投射材の投射分布や、投射速度、および投射速度のバラツキを推定することができる。このため、初期条件に対して必要な変更をすることにより、投射状態情報を得るために必要な諸条件、たとえばブレードの長さや形状、枚数、回転数、およびコントロールケージの開口窓の形状などを決定するのに多くの試作を繰り返えさなくても、前記諸条件の絞り込みができる。したがって、投射状態情報を得るための諸条件の絞り込みに掛かる作業コストおよび時間を削減することができる

遠心投射装置の一例を示す要部断面図である。 ブレード上の投射材の挙動を示す図である。 ブレードへの衝突前後の速度を示す模式図である。 解析モデルにおける初期条件の放出情報を説明するための模式図である。 投射材の衝突後の速度を示す模式図である。 本発明の一実施の形態にかかわるフローチャートである。 演算の結果の表示例を示す図である。 演算投射分布と実投射分布を示す図である。 周速が等しい場合の外径と平均投射速度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 上壁、２ ハウジング、２ａ、２ｂ 側部、３ 駆動手段、３ａ 駆動軸、４ インペラー、５ ディストリビュータ、６ コントロールケージ、６ａ 先端部、７ 導入筒、１０ ハブ、１１、１４ ボルト、１２ａ、１２ｂ 側板、１３ ブレード、１５ 開口、１７ 開口窓

Claims (8)

1. 複数のブレードを高速回転させて、放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射状態情報を推定するブラスト装置による投射状態情報の推定法であって、
   ブレードの寸法と回転に関する情報、投射材の放出情報およびブレードに対する投射材の情報を含む初期条件を入力する工程と、
   該初期条件を記憶する工程と、
   各投射材の位置とブレードへの衝突後の速度と方向を演算する工程と、
   該演算の結果に基づいて前記投射状態情報として投射材の投射分布および／または投射速 度を推定する工程
   とを含むブラスト装置による投射状態情報の推定法。
2. 各投射材の衝突後の速度を、投射材の移動ベクトルとブレード面上の衝突点の移動ベクトルより、Ｘ軸とＹ軸の各方向成分の相対速度に分け、垂直成分は反発係数を用いた跳ねかえり、水平成分は摩擦抵抗による速度損失としてそれぞれに係数を設定して求めたのち、前記ブレードへの衝突後の速度と方向をブレード衝突点におけるブレードの移動ベクトルとの和によって演算する請求項１のブラスト装置による投射状態情報の推定法。
3. サンプリング時間における投射材とブレードの移動量を計算し、衝突条件を満たす投射材について衝突の演算を順次行なう請求項１または２記載のブラスト装置による投射状態情報の推定法。
4. 前記演算の結果を表示する請求項１、２または３記載のブラスト装置による投射状態情報の推定法。
5. 前記ブラスト装置が遠心投射装置である請求項１、２、３または４記載のブラスト装置による投射状態情報の推定法。
6. 複数のブレードを高速回転させて、放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射状態情報を推定するブラスト装置による投射状態情報の推定装置であって、
   前記投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行なうプログラムを登録するプログラム登録手段と、
   ブレードの寸法と回転に関する情報、投射材の放出情報およびブレードに対する投射材の情報を含む初期条件を入力する入力手段と、
   該初期条件を記憶する記憶手段と、
   各投射材の位置とブレードへの衝突後の速度と方向を演算する演算手段と、
   該演算の結果に基づいて、前記投射状態情報として投射分布および／または投射速度を表示する表示手段
   とを含むブラスト装置による投射状態情報の推定装置。
7. 前記演算手段が、各投射材の衝突後の速度を、投射材の移動ベクトルとブレード面上の衝突点の移動ベクトルより、Ｘ軸とＹ軸の各方向成分の相対速度に分け、垂直成分は反発係数を用いた跳ねかえり、水平成分は摩擦抵抗による速度損失としてそれぞれに係数を設定して求めたのち、前記ブレードへの衝突後の速度と方向をブレード衝突点におけるブレードの移動ベクトルとの和によって演算する請求項６記載のブラスト装置による投射状態情報の推定装置。
8. 前記演算手段が、サンプリング時間における投射材とブレードの移動量を計算し、衝突条件を満たす投射材について衝突演算を順次行なう請求項６または７記載のブラスト装置による投射状態情報の推定装置。