JP5179648B2 - 大型のクランクシャフトの機械加工を行うための機械及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、装置−機械産業、例えば造船産業において、大型のクランクシャフトを機械加工するために使用され得る。

現在、大型のクランクシャフトの機械加工に使用される機械には、機械加工が施されるクランクシャフトの長さに沿って変位する機械加工工具が含まれる。同様に、機械は、二つの端支持エレメントを含む。これらの端支持エレメントは、通常は、主軸台（ヘッドストック、headstock）及び心押台（テールストック、tailstock）と呼ばれ、クランクシャフトの端部を保持する。これらの端支持エレメントは、更に、クランクシャフトの中央軸線に従って配向されたトルクを及ぼし、軸線を中心とした回転運動をクランクシャフトに伝達し、これにより、旋盤と同じ作動原理に従って中央軸線又はトラニオンと平行な移動によって、機械加工工具でクランクシャフトの外面全体に機械加工を施すことができる。

大型のクランクシャフトに機械加工を施すためのこの装置及び機械により、端部を除くクランクシャフト全体に機械加工が施すことができる。クランクシャフトの端部は、クランクシャフトが機械の端支持エレメントのプレートに固定される領域と対応する。通常は、クランクシャフトの端部は、後の段階で、クランクシャフト機械加工装置以外の装置を使用して機械加工される。このため、クランクシャフトは、その機械加工中、常に端支持エレメントによって支持されている。

この種の大型のクランクシャフトに関し、クランクピンの機械加工中、クランクピンシャフトがクランクシャフトの中央軸線に設けられておらず、機械の端支持エレメントに固定されているため、クランクシャフトに大きな剪断応力が発生する。この剪断応力により、クランクシャフトが剛性の部品でないため、クランクシャフトに過度の変形が生じ、そのため、多くの場合、適当な機械加工許容差が得られなくなり、クランクシャフトで振動が発生し、これにより、低サイクル時間を達成するための最適条件における例えば荒加工(roughing)等の機械加工プロセスが行えなくなる。

上述の欠点を解決することを目的として、この種のクランクシャフトを機械加工するための機械は、クランクシャフトの中央部を支持することができる、一般的に電動振止台と呼ばれる中央支持エレメント即ち中間支持エレメントを含む。電動振止台は、主軸台及び心押台と同様に、クランクシャフトの中央軸線に従って配向されたトルクを及ぼし、クランクシャフトの軸線を中心とした回転運動をクランクシャフトに伝達する。

クランクシャフトの表面全体に機械加工を施すため、前記中間支持エレメントの位置を変えることができなければならない。一方の支持エレメントから他方の支持エレメントまでシフトすることによって、クランクシャフトに対する中間支持エレメントの固定箇所を変化させ、機械により支持エレメントを機械加工することができ、これによって中間支持エレメントを固定し、これによってクランクシャフト全体に機械加工を施す。

同様に、クランクシャフトに回転を伝達せず、これによって、機械加工中、クランクシャフトの自重又は前記機械加工作業中に発生する応力の作用によりクランクシャフトに過度の変形が加わらないようにするのに役立つ、他の種類の中間支持エレメントを含む機械がある。これらの振止台により、機械加工を高精度で行うことができるが、これらの振止台には、追加の捩じり作用をクランクシャフトに加える反作用を発生するという欠点がある。この望ましからぬ副作用に留意し、特に過度の捩じりが加わったときにクランクシャフトに過度の応力が作用しないようにする上での決定的なファクタは、クランクシャフトの回転を、その端部の両方で、即ち主軸台及び心押台で、及び中間振止台の領域で完全に同期させることである。

通常は、これらの機械は、主軸台、心押台、及び中間位置の電動振止台を含み、これらの三つの支持箇所でクランクシャフトを保持し、クランクシャフトに回転運動を伝達する。この態様に鑑みると、これらの三つのエレメントの各々によって伝達された回転運動によりクランクシャフトに捩じり応力が発生し、これらの回転運動が完全に同期していない場合、これによりクランクシャフトに過度の変形をもたらすということが明らかにわかる。この理由により、クランクシャフトに機械加工を適切に施すためには、これらの三つのエレメントの回転を同期させることが重要である。

現在、回転運動を同期するための手段が、クランクシャフトに機械加工を施すためのこれらの機械の端支持エレメント及び電動振止台のところに設けられている。前記同期手段は、主軸台と心押台との間に配置された固定バーを含み、このバーにより、主軸台の回転運動を心押台の回転運動とリンクさせることができ、この理由のため、バーの長さは、機械の端支持エレメント間の距離と等しい。

次に、固定バーを電動振止台に連結するため、クラッチ機構が設けられている。運動を伝達するため、このクラッチ機構により、バーを振止台と係合させることができる。その結果、前記機構の回転、及び従って振止台の回転、及び、主軸台及び心押台の両方の回転をバーの回転と同期させる。他方、電動振止台の位置を変えなければならないとき、クラッチ機構により、バーを係合状態から外すことができる。これは、この振止台が、上文中に説明したように、機械加工プロセスに亘ってクランクシャフトに関して固定位置にあるのではないためである。

このように、電動振止台をバーに接合することによって、振止台の回転モータは、主軸台の回転モータに組み込まれ、及び従って、クランクシャフトを回転するために二つのモータを互いに直列に連結したのと同じ結果となる。バーが二つの直列のモータを備えており、一方のモータが主軸台に配置され、他方のモータが心押台に配置されている場合には、バーを電動振止台と係合したとき、直列の第３のモータを設けるのと同じ効果が得られる。

この同期システムの主な欠点は、クランクシャフトが非常に長い場合、端支持エレメントの回転を完全に同期させるのが困難であり、クランクシャフトに過度の捩じり応力が発生するということである。このシステムが機械的同期システムであることに加え、機械の製造及び作動が非常に複雑であり、信頼性が非常に低く、その複雑さがかなり大きくなってしまう。同様に、これらの同期手段には、電動振止台を様々な支持エレメントに設置したクランクシャフト全体に沿って移動できるようにするため、バーを電動振止台と係合させたり係合状態から外さなければならないという重大な作動上の欠点がある。

本発明の第１の特徴は、大型のクランクシャフトを機械加工するための機械に関し、第２の特徴は、この機械による前記クランクシャフトの機械加工方法に関するものであり、機械加工が施される、好ましくは様々な箇所に機械加工が施されるクランクシャフトの電子的クランクシャフト回転同期システムを提供することができ、固定バー等の複雑な機械的エレメント又は歯車及びクラッチを含む複雑な機械的システムを不要にし、クランクシャフトの端支持エレメントの運動、並びに、電動振止台が設けられている場合にこの電動振止台の運動の完全な同期を実現することができる。

本発明が提案する大型のクランクシャフトを機械加工するための機械は、少なくとも一つのガイドに沿って主軸台と呼ばれる第１端支持エレメントと心押台と呼ばれる第２端支持エレメントとの間で移動するように構成された機械加工工具を含み、前記端支持エレメントは、クランクシャフトの各端を保持し、各端部に回転トルクを伝達するように構成されている、機械である。

本発明によれば、機械は、第１端支持エレメントの第１回転シャフトに配置された、好ましくは前記第１回転シャフトの自由端に配置された電子式角度位置センサを含む。

更に、機械は、第２端支持エレメントの第２回転シャフトに、好ましくはその自由端に配置された電子式第２角度位置センサを含み、第１端支持エレメントの回転運動を第２端支持エレメントの回転運動と同期させる。この目的のため、電子的手段を使用して電子式角度位置センサからの信号を同期し、各端支持エレメントの駆動手段を独立して作動する。これは、例えば、機械の数値制御を使用して行われ、クランクシャフトの回転を電子的に同期させることができる。本発明の好ましい実施の形態によれば、これらの電子式角度位置センサは、回転駆動センサを含んでいてもよい。

同期を行うため、回転運動センサは、第１端支持エレメントのシャフトに直接的に組み込んであり、第２端支持エレメントの軸線に直接的に組み込んであり、これにより主軸台及び心押台のシャフトの角度位置が直接的に計測され得る。これらのエレメント間に取り付けられたクランクシャフトにこれらのエレメントの回転により及ぼされた捩じりの程度が常にわかる。

同様に、機械には、各端支持エレメントで、クランクシャフトの回転の同期における特定の差(ずれ、specific difference) が限度を越えたとき、部品に過度の応力が作用しないようにする目的で、機械の消勢又はクランクシャフト支持エレメントの駆動手段の停止を可能にする警報手段が設けられている。

本発明は、更に、前記第１端支持エレメントと前記第２端支持エレメントとの間で移動するように構成された少なくとも一つの中間支持エレメント即ち振止台を含む。好ましい実施の形態によれば、機械は、機械加工が施されるクランクシャフトの中央スパンの支持体を受け入れ且つこれに回転運動を伝達するように構成された電動振止台を、含む中間支持エレメントを含む。

同様に、少なくとも一つの電動振止台には、例えば機械の制御モジュールによって、前記電動振止台の回転運動を端支持エレメントの運動と同期させ得るように構成された電子式中間角度位置センサが含まれる。

本発明の好ましい実施の形態によれば、端支持エレメント及び少なくとも一つの中間支持エレメントは、各々、独立して回転するように構成されたモータを含む。各支持エレメントは、機械加工が施されるクランクシャフトの回転シャフトと接するように係合することによって回転を伝達する手段を含む。前記伝達手段は、好ましくは、支持エレメント毎に、回転歯車用の二つのウォーム歯車を含む。これらのウォーム歯車は、クラウン歯車（冠歯車）を回転させ、回転運動を各クランクシャフト支持エレメントに直接伝達するように構成されている。ウォーム歯車は、螺旋状のねじが外面に設けられた歯車と定義される。

第１及び第２の端支持エレメントの夫々の回転シャフトに位置センサを設けることができるようにするため、回転伝達システムは、シャフトの端部が位置センサと自由に整合（位置合わせ、整列）できるように、シャフトと接するようにして噛み合う。伝達システムは、例えば、ダブルウォーム−クラウン歯車伝達システムである。

少なくとも一つの電子式中央角度位置センサを、接するように係合して回転するウォーム歯車に配置してもよい。

クランクシャフトが挿入される中空部品であるため、回転を直接的に発生する軸を持たない電動振止台の場合には、クランクシャフトに回転を伝達するクラウン歯車と噛み合ったウォーム歯車の一方で回転位置の間接的計測が行われる。

他方、本発明の第２の特徴は、上文中に説明したのと同様のクランクシャフトを機械加工するための機械を使用することによって、大型のクランクシャフトを機械加工する方法に関する。

従って、開示された発明によれば、本発明が提案する、大型のクランクシャフトに機械加工を施すための機械及び方法は、現在まで使用されてきた機械及び機械加工方法における前進であり、機械加工が施されるクランクシャフトの回転運動を前記クランクシャフトに沿った様々な箇所で同期させ得るようにし、固定バー、歯車、及びクラッチ等の複雑な機械的エレメントを使用する必要をなくし、支持エレメント端部の運動並びに電動振止台の運動を完全に同期することによって、上述の問題点を、満足のいく方法で完全に解決する。

本発明の機械により、支持エレメントを各回転計測システムと一体化でき、クランクシャフトを捩じることなく、主軸台の回転を前記支持エレメントと対応するように同期する上で必要な精度を確保する。この一体化は、主軸台及び心押台のシャフトに配置された二つの回転センサ及び電動振止台に設けられたウォーム歯車に配置された回転位置センサによって直接的に行うことができ、三つの支持エレメントの各々の角度位置を、非常に高い精度で、主軸台の各々の回転毎に２００００箇所以上の位置で知るように数値制御することができる。これによって得られた全ての情報が、現在の数値制御装置の位置同期ループで一体化され、これにより電子的に同期を行い、クランクシャフトが捩じれないことを全体として保証する。

従来技術と比較した本発明の技術的利点は以下の通りである。

ストリングロッドの機械的システム全体及び振止台でのその係合システムがなくなることにより、機械的な機構が簡単になり、従って、その信頼性が向上する。

電動振止台をクランクシャフトからいつでも外すことができ、同じ又は異なる角度位置で異なる箇所に取り付けることができる。これは、振止台の角度位置が、電子的に同期されていようと独立して回転していようと、常に知られているためである。

別の重要な利点は、剪断応力の分布に応じて、端部の位置を、モータの各々のトルクに従って独立して同期させることができるということである。主軸台の近くで応力が発生した場合には、そのモータによって更に大きなトルクが伝達され、振止台が伝達するトルクが心押台よりも小さくなり、三つの支持エレメントで同じ角度位置を維持するのに必要なトルクだけが伝達される。このようにして、主軸台の近くを機械加工する場合に最も大きな抵抗を受け取る支持エレメントは主軸台の回転モータである。逆に、当該技術分野の現状では、同期が、バーによって、捩じり応力及び前記バーの位置及び応力に応じて行われる場合には、応力が生じる各位置での捩じり応力及び剛性の差により、位置の不整合が生じる。

本発明の一つの利点は、三つの支持エレメントの各々について、角度位置を直接知ることができ、及び従って、機械の制御モジュール内でパラメータによって計測された特定レベルを越える位置の不整合が生じた場合に機械を消勢するように形成された警報手段と作動的に関連した位置監視システムを組み込むことができるということである。これは、更に、特定のクランクシャフトの各々の許容差に応じて調節することができる。

本説明を完全なものとするため、及び本発明の特徴が本発明の好ましい実際的な実施の形態に従って更によく理解されるようにするため、本説明の一体の部分として一組の図面を添付する。これらの図面に示す実施の形態は、単なる例示であって限定ではない。

図１は、大型のクランクシャフトを機械加工するための機械の好ましい実施の形態の概略斜視図である。この図では、電動振止台（motorized steady rest）が主軸台（ヘッドストック、headstock）と心押台（テイルストック、tailstock）との間に配置されており、機械の大きさがわかるように何人かのオペレータが示してある。 図２は、主軸台の回転シャフトのクラウン歯車（冠歯車）に回転を伝達するための二つのウォーム歯車を示す、機械の主軸台の詳細斜視図である。主軸台の外側のエレメントは、回転伝達機構を更に明瞭に示すことができるように透明であるように示してある。 図３は、機械の心押台の、図２と同様の詳細斜視図である。 図４は、機械の好ましい実施の形態の電動振止台の、図２及び図３と同様の詳細斜視図である。電動振止台の一方の回転伝達手段の一方のウォーム歯車の端部に電子式角度位置センサが設けられている。

添付図面を考慮すると、本発明の可能な一実施の形態において、本発明が提案する大型のクランクシャフトを機械加工するための機械は、主軸台（ヘッドストック、headstock）と呼ばれる第１端支持エレメント（３）と心押台（テイルストック、tailstock）と呼ばれる第２端支持エレメント（４）との間でガイド（２）に沿って移動するように形成された機械加工工具（１）を含む。前記端支持エレメント（３、４）は、クランクシャフト（１４）の各端に取り付けられ、各端に回転トルクを伝達するように構成されている。

機械は、第１端支持エレメント（３）の第１回転シャフト（７）に配置された電子式第１角度位置センサ（６）と、第２端支持エレメント（４）の第２回転シャフト（９）に配置された電子式第２角度位置センサ（８）と、を含み、前記第１端支持エレメント（３）の回転を第２端支持エレメント（４）の回転と同期させる。これによって、電子式手段が使用されて、電子式角度位置センサから発生された信号および各端支持エレメント（３、４）の駆動手段に及ぼされる効果を、機械の制御モジュールの使用によって、独立して同期させる。前記電子式角度位置センサは、回転駆動センサを含む。

同様に、機械は、警報手段を備えている。警報手段により、クランクシャフト（１４）の回転の同期における特定の差(specific difference) が、その端支持エレメントの各々で越えたとき、前記クランクシャフトに過度の応力が作用しないようにする目的で、機械を消勢することが可能となる。

更に、機械は、中間支持エレメント（５）を有する。この中間支持エレメント（５）は、機械加工が施されるクランクシャフト（１４）の中央スパンの支持体を受ける電動振止台（電動式の固定振れ止め台、motorized steady rest）であって、前記クランクシャフト（１４）に回転運動を伝達する電動振止台を含む。前記中間支持エレメント（５）は、前記第１端支持エレメント（３）と前記第２端支持エレメント（４）との間を移動するように構成されている。

電動振止台は、電子式中間角度位置センサ（１０）を有する。中間角度位置センサ（１０）は、前記電動振止台の回転運動が機械の制御モジュールを介して端支持エレメント（３、４）の移動と同期することが可能となるように構成されている。

端支持エレメント（３、４）及び中間支持エレメント（５）は、各々、独立して回転するように構成されたモータ（１１）を備えている。各支持エレメント（３、４、５）は、機械加工が施されるクランクシャフト（１４）の回転シャフトと接するように係合することによって回転を伝達する手段を含む。前記伝達手段は、接するように係合して回転する二つのウォーム歯車（１２）を支持エレメント（３、４、５）毎に備えている。これらのウォーム歯車（１２）は、クラウン歯車（１３）を回転させるように構成されている。これにより、その回転をクランクシャフト（１４）の各支持エレメント（３、４、５）に直接伝達する。電子式中間角度位置センサ（１０）は、接するように係合して回転する二つのウォーム歯車（１２）に配置されている。

以上の説明及び添付図面から、ここに開示した本発明の実施の形態は、本発明の範疇で、様々な方法で組み合わせることができるということは当業者には理解されよう。本発明を幾つかの好ましい実施の形態に従って説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を逸脱することなく、前記好ましい実施の形態に様々な態様を導入してもよいということは当業者には明らかであろう。

Claims (4)

1. 大型のクランクシャフトの機械加工を行うための機械であって、前記クランクシャフト（１４）の回転運動を同期させることを可能にし、少なくとも一つのガイド（２）に沿って第１端支持エレメント（３）と第２端支持エレメント（４）との間で移動するように構成された機械加工工具（１）を含み、前記端支持エレメント（３、４）は、前記クランクシャフト（１４）の各端を固定し、各端に回転トルクを伝達するように構成されている、機械において、
   前記第１端支持エレメント（３）の第１回転シャフト（７）に設けられた電子式第１角度位置センサ（６）と、前記第２端支持エレメント（４）の第２回転シャフト（９）に配置された電子式第２角度位置センサ（８）と、を備え、前記第１端支持エレメント（３）の回転を前記第２端支持エレメント（４）の回転と同期させ、
   前記第１端支持エレメント（３）と前記第２端支持エレメント（４）との間で移動するように構成された少なくとも一つの中間支持エレメント（５）を、さらに備え、
   前記少なくとも一つの中間支持エレメント（５）は、機械加工が施される前記クランクシャフト（１４）を支持し且つ前記クランクシャフト（１４）に回転運動を伝達するように構成された電動振止台を含み、
   前記少なくとも一つの電動振止台は、前記電動振止台の回転運動が前記端支持エレメント（３、４）の運動と同期させられ得るように構成された電子式中間角度位置センサ（１０）を含み、
   前記少なくとも一つの中間支持エレメント（５）は、独立して回転するように構成されたモータ（１１）を含み、且つ、機械加工が施される前記クランクシャフト（１４）の回転シャフトと接するように係合して回転を伝達する手段を含み、前記回転を伝達する手段は、クラウン歯車（１３）を回転させるように構成された、接するように係合する二つの回転ウォーム歯車（１２）を含み、前記電子式中間角度位置センサ（１０）が、接するように係合する回転ウォーム歯車（１２）の一つに設けられている、機械。
2. 各端支持エレメント（３、４）は、独立して回転するように構成されたモータ（１１）を含み、機械加工が施される前記クランクシャフト（１４）の回転シャフトと接するように係合して回転を伝達する手段を含む、請求項１に記載の機械。
3. 前記回転を伝達する手段は、前記支持エレメント（３、４）の各々について、クラウン歯車（１３）を回転させるように構成された、接するように係合する二つの回転ウォーム歯車（１２）を含む、請求項２に記載の機械。
4. 大型のクランクシャフトの機械加工を行うための方法であって、
   請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載のクランクシャフトの機械加工を行うための機械を使用することを含む、方法。

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