JP5364663B2 - ロータディスク溝加工方法、ダンパの仕様決定システム、制御方法及びプログラム - Google Patents
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Description
上記ディスク外周部の溝の形成加工は、静置されたロータに対して、NC工作機の回転工具を近接させて行なわれる。即ち、この回転工具は、自己回転しながらロータの軸方向に送られて、該回転工具がディスク外周面に対して切削加工を施すことにより、該ディスク外周面に動翼を固定するための溝が形成される。
即ち、ディスクの振動を計測して当該計測結果を油圧シリンダの制御にフィードバックさせるといったアクティブな制御を必要とするため、装置自体が大掛かりかつ複雑なものとなってしまってしまい、製造コスト及びメンテナンスコストの上昇を招いてしまっていた。
また、ディスクの振動周波数は数百Hzに達するため、油圧シリンダでは応答性が遅く、ディスクの振動に対して適切に対応することができないという欠点があった。
即ち、本発明に係るロータディスク溝加工方法は、ディスクを有するロータにおける前記ディスクの外周部に切削加工を施して、動翼を嵌め込むための溝を形成するロータディスク溝加工方法であって、前記ディスクに対して、前記切削加工時における前記ディスクの振動を吸収するダンパを、前記ディスクの端面における同一の径方向位置に周方向に等間隔をあけて少なくとも6つ着脱可能に取り付けるステップと、前記ディスクに前記切削加工を施すステップとを備えることを特徴とする。
これにより、切削加工時のディスクの振動をダンパが吸収し、該ディスク全体として振動を抑制することができる。また、ダンパは着脱可能にディスクの端面に取り付けられるため、作業者自身により取付作業及び取り外し作業を行うことができる。
また、当該ロータディスク溝加工方法に使用される本発明のダンパの仕様決定システム、制御方法、プログラムによれば、切削加工時におけるディスクの振動を効果的に抑制することができるダンパを設計することが可能となる。したがって、このダンパをディスク端面に取り付けて切削加工を行うことにより、該切削加工時のディスクの振動を一層効果的に抑制することができる。
以下、本発明の実施形態に係るロータディスク溝加工方法について図1〜図4を参照して詳細に説明する。
図1及び図2に示されるように、本実施形態のロータディスク溝加工方法が実行されるロータディスク1は、軸線Oが水平方向に沿うようにして図示しないVブロック台等の支持器具に両端部が載置された円柱状をなすロータ2と、該ロータ2に対して外嵌されるようにして一体に固定された円盤状をなすディスク3とから構成されている。当該ディスク3は、例えばロータ2の軸線O方向に互いに離間するようにして複数が設けられている。
さらに、第一ウェイト25aの下面には、ディスク3の端面3bに当接するゴム等の弾性部材からなる防振材29が設けられている。即ち、当該防振材29は、第一ウェイト25aとディスク3の端面3bとに圧縮状態で挟み込まれるようにして第一ウェイト25aに一体に固定されている。
まず、図1に示すように、複数(本実施形態では6つ)のダンパ20をディスク3の端面3bに対して、同一の径方向位置かつ周方向に等間隔をあけた位置に配置する。各ダンパ20は、一対のマグネットベース21,21の離間方向がディスク3の径方向に沿った状態で配置させる。このダンパ20の配置作業は、作業員の手作業により行われ、マグネットベース21,21の磁気的な吸着力によってダンパ20がディスク3の端面3bに不動に固定される。
そして、一の溝4を加工形成した後に、ロータ2を軸線O回りに回転させて再度溝4を加工形成するといった作業を繰り返すことにより、ディスク3の外周部3aに周方向に間隔をあけた複数の溝4が形成される。
図6に、実施形態に係るダンパ仕様決定システム100の利用環境の一例を示す。ダンパ仕様決定システム100は、ダンパ20の仕様、即ち、ダンパ質量m2、ダンパバネ係数k2、個数、配置箇所を提示するコンピュータである。このダンパ仕様決定システム100は、ディスク3に対して溝4を切削加工する際に生じる振動を効果的に吸収することができるダンパ20の上記仕様を提示する。
なお、このダンパ仕様決定システム100においては、ダンパ質量m2はウェイト25の質量と等価なものとして近似し、ダンパバネ定数k2は板バネ22のバネ定数と等価なものとして近似する。
ディスプレイ200は、文字や図形等を表示する装置である。ディスプレイ200としては、陰極線管を利用したテレビと同じ原理のCRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイや、設置面積が小さく消費電力の少ない液晶ディスプレイや、ガス放電を利用したプラズマディスプレイ等が考えられる。
キーボード300は、タイプライターのように、指でキーを押すことによって、ダンパ仕様決定システム100に文字を示すデータを入力する装置である。
作業者は、ダンパ仕様決定システム100を利用するに当たり、上記キーボード300やマウス400を操作することによって、ダンパ20の最適な仕様を得ることができる。
即ち、例えばモード解析を有限要素法に基づいて行った場合、この固有振動数解析部105は、ディスク3の設計図データを解析モデルと設定して、当該解析モデルを上記節点数を備えた有限個の要素に分割し、この結果得られる要素に通し番号を割り振る。そして、有限要素法の定式化により、剛性マトリックス及び質量マトリックスを生成し、これにより特定される固有値問題を数学的に解くことにより、複数の振動モード、及び、これら各振動モードの固有振動数f1を取得する。
なお、本実施形態においては、モード解析部104において固有振動数解析部105、振動モード選択部106及び等価質量・剛性解析部107の各処理による3ステップを踏まえて等価質量m1及び等価剛性k1を取得することとしたが、これに限定されることはなく、モード解析ソフトに従って等価質量(モード質量)m1及び等価剛性k1を取得することができれば、いかなるステップを踏まえた取得方法を採用してもよい。
このように、バネ定数算出部108は、予め設定されたダンパ質量m2及び上記(5)式に基づいてダンパバネ定数k2を算出する。これにより、ダンパ20の仕様であるダンパ質量m2、ダンパバネ定数k2の値が決定される。
本実施形態においては、振動シミュレーション実行部111が解析する減衰特性として減衰比ζを採用しているため、当該減衰特性判定部112における基準減衰特性として基準減衰比ζ0が採用されている。減衰比ζが基準減衰比ζ0以上となる場合には、効果的な減衰効果を得られることを意味し、減衰比ζが基準減衰比ζ0を下回る場合には、減衰効果が低いことを意味している。
そして、減衰特性判定部112は、減衰特性(減衰比ζ)が基準減衰特性(基準減衰比ζ0)を下回ると判断した場合には設計変更部114に出力し、減衰特性(減衰比ζ)が基準減衰特性(基準減衰比ζ0)以上と判断した場合には仕様データ出力部115に出力する。
作業者は、ダンパ仕様決定システム10を利用してダンパ20の仕様を取得しようとする場合、キーボード300やマウス400を操作することによって、ディスク3の材料特性(ヤング率、ポアソン比、密度)やディスク3の外周部3aの加振条件、拘束条件、節点数等、モード解析に必要な条件を入力する。この入力をデータ入力受付部101が受け付けると(S1)、モード解析部104によるモード解析が実行される。
次いで、シミュレーション実行部111が、上記ダンパ質量m2及びダンパバネ係数k2のダンパ20をディスク3に取り付けた際の振動シミュレーションを実行し、ディスク3の減衰特性(減衰比ζ)を取得する(S7)。
減衰特性(減衰比ζ)が予め定めた基準減衰特性(基準減衰比ζ0)を下回ると減衰特性判定部112が判断した場合(S8:No)、設計変更部114が、設計変更データ格納部113に格納されたデータに基づき、ダンパ20の仕様(ダンパ質量m2、ダンパバネ係数k2、ダンパ20の個数及びダンパ20の配置箇所)の少なくとも一つを変更し(S9)、この変更された新たな仕様にて再度上記振動シミュレーションが繰り返し実行される(S7)。
作業者は、このようにディスプレイ200に提示されたダンパ20の仕様に基づいて、該ダンパ20におけるウェイト25の質量、板バネのバネ定数、ダンパ20の個数、配置箇所を設計することで、ディスク3の外周部3aを切削加工する際のディスク3の振動を効果的抑制することができる。
次に、本実施形態のプログラムについて説明する。
ここで、図12にダンパ仕様決定システム100をコンピュータ等の電子情報処理装置で構成した場合のハードウェア構成の一例を示す。
ダンパ仕様決定システム100、CPU(Central Processing Unit)周辺部と、入出力部と、レガシー入出力部とを備える。CPU周辺部は、ホスト・コントローラ901により相互に接続されるCPU902、RAM(Random Access Memory)903、グラフィック・コントローラ904、及び表示装置905を有する。入出力部は、入出力コントローラ906によりホスト・コントローラ901に接続される通信インターフェイス907、ハードディスクドライブ908、及びCD−ROM(Compact Disk Read Only Memory)ドライブ909を有する。レガシー入出力部は、入出力コントローラ906に接続されるROM(Read Only Memory)910、フレキシブルディスク・ドライブ911、及び入出力チップ912を有する。
このような加速度計201によってディスク3の振動を検出する際には、ディスク3の端面3bにおける各加速度計201の径方向内側位置を加振箇所202として、ハンマー、加振器等の加振手段203によって当該加振箇所をそれぞれ加振する。これによって、各加振箇所202を加振した際におけるディスク3の振動が複数の加速度計201によって振動実測値として検出される。
したがって、この場合であっても、実施形態と同様に、切削加工時におけるディスク3の振動を効果的に抑制することができるダンパ20を設計することが可能となる。したがって、切削加工時のディスク3の振動を一層効果的に抑制することができる。
2 ロータ
3 ディスク
3a 外周部
3b 端面
4 溝
10 NC工作機
11 回転工具
20 ダンパ
21 マグネットベース
22 板バネ
23 シム
24 ボルト
25 ウェイト
25a 第一ウェイト
25b 第二ウェイト
26 ワッシャ
27 ワッシャ
28 ボルト
29 防振材
100 ダンパ仕様決定システム
101 データ入力受付部
102 設計図データ格納部
103 振動モードデータ格納部
104 モード解析部
105 固有振動数解析部
106 振動モード選択部
107 等価質量・剛性解析部
108 ダンパ質量データ格納部
109 バネ定数算出部
110 初期個数・配置箇所データ格納部
111 振動シミュレーション実行部
112 減衰特性判定部
113 設計変更データ格納部
114 設計変更部
115 仕様データ出力部
201 加速度計
202 加振箇所
203 加振手段
901 ホスト・コントローラ
902 CPU
903 RAM
904 グラフィック・コントローラ
905 表示装置
906 入出力コントローラ
907 通信インターフェイス
908 ハードディスクドライブ
909 CD−ROMドライブ
910 ROM
911 フレキシブルディスク・ドライブ
912 入出力チップ
992 CD−ROM
993 フレキシブルディスク
Claims (8)
- ディスクを有するロータにおける前記ディスクの外周部に切削加工を施して、動翼を嵌め込むための溝を形成するロータディスク溝加工方法であって、
前記ディスクに対して、前記切削加工時における前記ディスクの振動を吸収するダンパを、前記ディスクの端面における同一の径方向位置に周方向に等間隔をあけて少なくとも6つ着脱可能に取り付けるステップと、
前記ディスクに前記切削加工を施すステップと、を備えることを特徴とするロータディスク溝加工方法。 - 複数のディスクを有するロータにおける前記ディスクの端面に該ディスクの振動を吸収するダンパを、前記ディスクの端面における同一の径方向位置に周方向に等間隔をあけて少なくとも6つ取り付けて、該ディスクの外周部に動翼を嵌め込むための溝を切削加工するロータディスク溝加工方法で用いられる前記ダンパの仕様決定システムであって、
モード解析に基づいて、特定の振動モードにおける前記ディスクの等価質量及び等価剛性を取得するモード解析部と、
前記等価質量、前記等価剛性及び予め定めた前記ダンパの質量から、前記ディスクと前記ダンパとの最適固有角振動数比の算出式に基づき、前記ダンパのバネ定数を算出するバネ定数算出部とを備えることを特徴とするダンパの仕様決定システム。 - 前記モード解析部は、
モード解析に基づいて、前記ディスクの複数の振動モードそれぞれにおける固有振動数を取得する固有振動数解析部と、
前記複数の振動モードのうち、予め前記ディスクへの切削加工時に実測して取得した最も励起し易い振動モードを選択する振動モード選択部と、
モード解析に基づいて、前記振動モード選択部により選択された前記振動モードにおける前記ディスクの等価質量及び等価剛性を算出する等価質量・剛性解析部とから構成されていることを特徴とする請求項2に記載のダンパの仕様決定システム。 - 前記固有振動数解析部は、前記ディスクの設計図データを使用したモード解析に基づいて、前記固有振動数を取得することを特徴とする請求項3に記載のダンパの仕様決定システム。
- 前記固有振動数解析部は、前記ディスクに配置した複数の加速度計による振動実測値からモード解析に基づいて、前記固有振動数を取得することを特徴とする請求項3に記載のダンパの仕様決定システム。
- 予め定めた前記ダンパの質量及び前記バネ定数算出部により算出された前記バネ定数を有する前記ダンパを、前記ディスクに対して予め定めた個数及び配置箇所で取りつけた際の振動シミュレーションを実行し、前記ディスクの振動の減衰特性を取得する振動シミュレーション実行部と、
前記減衰特性が予め定めた基準減衰特性以上か否かを判定する減衰特性判定部と、
前記減衰特性が前記基準減衰特性を下回ると前記減衰特性判定部が判定した場合に、前記ダンパの個数、配置箇所、質量及びバネ定数の少なくとも一つを変更して、これら個数、配置箇所、質量、バネ定数を前記振動シミュレーション実行部に出力する設計変更部とをさらに備え、
前記シミュレーション実行部は、前記設計変更部の出力である個数、配置箇所、質量及びバネ定数の前記ダンパを前記ディスクに取りつけた際の振動シミュレーションを実行し、前記ディスクの振動の減衰率を取得することを特徴とする請求項2から5のいずれか一項に記載のダンパの仕様決定システム。 - 複数のディスクを有するロータにおける前記ディスクの端面に該ディスクの振動を吸収するダンパを、前記ディスクの端面における同一の径方向位置に周方向に等間隔をあけて少なくとも6つ取り付けて、該ディスクの外周部に動翼を嵌め込むための溝を切削加工するロータディスク溝加工方法で用いられる前記ダンパの仕様決定システムを制御する制御方法であって、
モード解析に基づいて、特定の振動モードにおける前記ディスクの等価質量及び等価剛性を取得するモード解析段階と、
前記等価質量、前記等価剛性及び予め定めた前記ダンパの質量から、最適固有角振動数比の算出式に基づき、前記ダンパのバネ定数を算出するバネ定数算出段階と、を備えることを特徴とする制御方法。 - 複数のディスクを有するロータにおける前記ディスクの端面に該ディスクの振動を吸収するダンパを、前記ディスクの端面における同一の径方向位置に周方向に等間隔をあけて少なくとも6つ取り付けて、該ディスクの外周部に動翼を嵌め込むための溝を切削加工するロータディスク溝加工方法で用いられる前記ダンパの仕様決定システム用のプログラムであって、前記ダンパの仕様決定システムを、
モード解析に基づいて、特定の振動モードにおける前記ディスクの等価質量及び等価剛性を取得するモード解析部と、
前記等価質量、前記等価剛性及び予め定めた前記ダンパの質量から、最適固有角振動数比の算出式に基づき、前記ダンパのバネ定数を算出するバネ定数算出部として、機能させることを特徴とするプログラム。
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