JP6277073B2 - 工作物のバランス測定方法、バランス修正加工方法及びそれを用いた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作物を回転させて加工を行う際に、工作物のバランス状態を測定する技術に関する。

工作物のバランス状態の測定やバランスの修正加工を実施することのできる旋盤は、特許文献１に開示されている。
この旋盤は、主軸台に回転可能に装着された主軸に固定されたチャックと、このチャックに対向する位置に設けられた心押台に支持された心押軸とを備えている。
また主軸に対応してこれの回転角を検出するための角度検出用センサが設けられており、さらに主軸台と、これに対向して配置された心押台には振動センサが設けられている。そして、主軸台側及び心押台にそれぞれ設けられた振動センサの出力信号と、角度検出用センサの主軸回転角信号とから、アンバランス量とアンバランスの方向を示す位相が求められる。
こうして得られたデータに基づいて修正加工を旋盤に実行させ、予め決められた位置（工作物のフランジ部）に対してバランス修正加工を行っている。
また、他の公知文献としては、例えば特許文献２〜４などが存在している。

特開平６−３３５８０１号公報 特開平５−２７３０７０号公報 特開２００３−２８５２４７号公報 特開２０１４−５５９２３号公報

本発明は、工作機械上にて工作物のバランスを測定し、アンバランスを生じさせている質量が存在する回転中心線方向の位置（工作物の長手方向の位置）を特定することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、回転中心線上に一線に配置された一対の固定センタに対して、互いに同一面内においてアンバランスにより生じる力を測定する力センサをそれぞれ設け、前記固定センタの間に工作物の両端部を保持させた状態で、該工作物を前記回転中心線回りへ回転させ、前記力センサのそれぞれから出力される信号を取得し、当該取得した信号に基づいて、前記工作物のアンバランスを生じさせる質量の存在する前記回転中心線方向における位置を演算することを特徴とする。

本発明によれば、固定センタを有する工作機械上で工作物のバランスを測定し、回転中心線方向の位置（工作物の長手方向の位置）を求めることができる。

研削盤の主要部を示す正面視説明図である。 研削盤によりマスターワークを回転させバランスを測定している状態を示す図である。 マスターワークを回転させたときに固定センタに作用する力を示す図である。 研削盤により工作物のバランスを測定している状態を示す図である。 工作物を回転させたときに固定センタに作用する力を示す図である。 研削盤の変形例である。

工作機械として研削盤１００に本実施例を適用した例を用いて説明する。
図１において、研削盤１００は、回転中心線１０上に一線状に配置された一対の固定センタ１、２を備えている。図中左側の固定センタ１は固定主軸３を介して非回転状態に位置保持されており、右側の固定センタ２は心押軸４を介して非回転状態に位置保持されている。固定主軸３は図示しない主軸台に固定されており、また心押軸４は図示しない心押台に固定されている。

力センサとしてフォースセンサ、力変換器、ロードセル、荷重計等と称されるピエゾ式或いは歪みゲージ式の力センサが知られている。本実施例の各固定センタ１、２には、ピエゾ式の力センサ５、６が設けられている。これらの力センサ５、６は固定センタ１、２に作用している力を測定する。各固定センタ１、２は先部７と基部８を具備し、先部７の張出部７ａと基部８の張出部８ａを支点軸部材９で図中上下方向の回りである水平面内に揺動可能に結合している。力センサ５、６は歪みゲージ式の力センサとして機能するものとしてあり、先部７及び基部８の支点軸部材９回りの圧縮力のうち、両者とも同一平面内の圧縮力を測定する。本実施例では、測定された圧縮力は、両者とも水平面内において加わった力に対応するものである。水平面とすることにより、重力の影響を無くすことができる。
尚、力センサ５、６として歪みゲージ式のセンサを用いる場合には、水平面内における各固定センタ１、２の側面に歪みゲージ式のセンサを貼り付けて、力センサ５、６の水平方向の歪みを測定して、力を算出する。この場合、固定センタ１、２は、先部７と基部８に分離されておらず、一体素材の構造物である。

回し板１０ａには、右側へ一対のケレ１１が張り出し状に配置されている。回し板１０ａは図示しないモータで、回転中心線１０の回りに駆動されるものであり、これの回転角度（位相角θ）は角度検出用センサ１２により検出される。回し板１０ａからの回転を伝達するために、工作物ｗに応じてジグ１６が用意されている。ジグ１６は工作物ｗの一端部のテーパ箇所ｗ１を密着状に嵌合させるテーパ孔１６ａを具備し、図中左端面には固定センタ１の尖端が嵌合するセンタ孔１６ｃが形成されている。工作物ｗは、固定センタ１、２の間に保持されケレ１１により、ジグ１６と共に回転中心線１０の回りに回転される。

工作物ｗに対する加工具である砥石１３は、固定センタ１、２に対し図１の紙面の上下方向へ相対移動可能に設けられている。この砥石１３は動力により砥石軸１３ａ回りへ回転作動される。
研削盤１００は、制御装置１４を備えている。制御装置１４は、各力センサ５、６及び角度検出用センサ１２から出力される信号を取得する。制御装置１４内の計算機１５は、これらの信号に基づいて後述するように工作物ｗのアンバランスを生じさせる質量、その存在する位相角θ及び、回転中心線１０方向における位置を演算する。

研削盤１００による工作物ｗのバランス測定方法を説明する。
まず、マスターワークａ１００を研削盤１００に装着する（図２）。マスターワークａ１００は、バランスのとれたものであり、目標形状を有した工作物ｗである。研削盤１００へのマスターワークａ１００の支持には、工作物ｗと同様にケレ１１とジグ１６を用いる。マスターワークａ１００は、バランスさえ取れていれば、工作物ｗと同程度の直径で単純な円柱体であっても測定上は代用可能である。

次にマスターワークａ１００を、通常の研削の回転と比べた場合には高速と言える、例えば毎分、１０００回転程度で回転させる。マスターワークａ１００はバランスしているが、ケレ１１とジグ１６が付加されているため、アンバランス状態になっており、回転することにより振動が生じる。この振動を各固定センタ１、２の力センサ５、６で水平面内の力をそれぞれ測定する。また、エンコーダ１２により位相角もあわせて測定される。これらは計算機１５に入力される。

図３は、測定により得られた各固定センタ１、２にそれぞれ作用する力ｂ１，ｂ２について横軸を時間として模式的に示している。図３中のパルスｂ４はエンコーダ１２から回転中心線１０の回りに一回転するごとに出力される起点位置を示すパルス信号である。力ｂ１、ｂ２は、その波形が、同一の位相で推移している。両者とも、水平内を測定したものであるからである。力ｂ１、ｂ２が、それぞれ交番波形を示すのは、ケレ１１及びジグ１６のアンバランスに起因するものが主である。そして、力の波形が正に大きく振れた箇所が、アンバランスを生じさせる質量が存在する位相角α（パルスｂ４からの角度）である。

次に研削盤１００からマスターワークａ１００を取り外した後、同様にして工作物ｗをケレ１１及びジグ１６を用いて取り付ける。必要な加工を行った後、バランス測定を実施する。
砥石１３を工作物ｗから離反させておき、工作物ｗを回転させる。

工作物ｗを回転させ、力センサ５、６及び角度検出用センサ１２から出力される信号を計算機１５に記憶する。マスターワークａ１００を測定したときの回転数を目指して工作物ｗの回転数を上げるが、この際、力センサ５、６で測定された力が想定の範囲を超えた場合には、これよりも低い速度で回転させる。

図５は、ケレ１１及びジグ１６を装着した状態の工作物ｗについて測定により得られた各固定センタ１、２にそれぞれ作用する力ｃ１，ｃ２について横軸を時間として模式的に示している。力の波形が正に大きく振れた箇所が、アンバランスを生じさせる質量が存在する位相角β（回転起点ｂ４からの角度）である。

力ｃ１，ｃ２からマスターワークａ１００について測定された力ｂ１、ｂ２をそれぞれ減算すると、ケレ１１及びジグ１６を除いた状態の工作物ｗがアンバランスにより生じさせる力ｄ１、ｄ２を求めることができる。

そして力ｄ１、ｄ２の合計が最大となった時点が、アンバランスにより、工作物ｗが遠心力により水平面内で正方向に最大にふられた時点である。そして、この時点の工作物ｗの位相角が工作物ｗのアンバランスを生じさせる質量の存在する位相角γである。

次に工作物ｗのアンバランスを生じさせる質量の回転中心線１０方向における位置（以下、アンバランス位置と称する）を演算する。

支点軸９、９間の回転中心線１０の方向の距離Ｌ１（図４参照）は既知である。回転中心線１０上のアンバランス位置Ｌ２は、力ｄ１、ｄ２の割合から算出する。力ｄ１、ｄ２が同じ値ならば、アンバランス位置Ｌ２は工作物ｗの中央であり、２：１の関係ならば、ケレ１１側に工作物ｗの長さの１／３の位置である。力ｄ１、ｄ２は、最大値を用いるのが良い。
尚、力センサ５，６として歪みゲージを用いた場合には、距離Ｌ１、Ｌ２は支点軸９からの距離では無く、固定センタ１、２の先端からの距離である。

工作物ｗが回転中心線１０の方向位置の各位置で等しい半径を有する円筒状であるか、或いは、円錐台のような形状か否かにはよらず、ほとんどの場合、力ｄ１、ｄ２の割合からアンバランス位置が求めても支障はない。回転中心線１０に対して、線対称である限りは、回転中心線１０の方向位置の各位置においてアンバランス位置以外の位置はバランスしている状態であり、アンバランス位置の影響を特に大きく受けるからである。

尚、回転中心線１０の方向位置の各位置において、太い箇所、細い箇所があり、これが、工作物ｗのしなり具合に影響を及ぼすものであれば、工作物ｗのＣＡＤデータを用いて工作物ｗの形状と材質のヤング率により修正して求めた位置の修正をすれば良い。

質量Ｑが回転することによりもたらした遠心力に起因した分力が力ｄ１、ｄ２であり、これが働いた結果曲げが生じたのである。従って、曲げモーメントの計算により、工作物ｗのアンバランスの質量Ｑは、アンバランス位置と、回転数及び力ｄ１、ｄ２、工作物ｗの形状と材質のヤング率により求めることができる。

つぎに、研削盤１００による工作物ｗのバランス修正を行う。
力ｄ１、ｄ２が予め定めた大きさを超えるか否かを判断し、この判断が否であるとき、バランス修正加工を実施する。

アンバランスを生じさせる質量の位相角、アンバランス位置及びアンバランスの質量Ｑからなるアンバランスデータを求める。そして、工作物ｗのアンバランスの質量Ｑを消失させるための、工作物ｗに対する切除箇所の重量及び位置を計算機１５により求める。

そして、計算機１５は、決定された切除箇所を切除するための修正加工プログラムを作成して、ＮＣデータとして研削盤１００の制御を実行する。修正加工プログラムにより実行されるバランス修正加工については、その切除箇所は単一箇所又は離反した複数箇所であってもよく、この場合、複数の切除箇所の質量Ｍと当該箇所の回転半径との積、及び回転速度により求められる遠心力が、アンバランスの質量Ｑとその回転半径の積及び回転速度により求められる遠心力に相当するものになれば良い。また、各切除箇所の回転基点からの位相角は相違していてもよく、各切除箇所を合成したときに、アンバランスを生じさせる質量の位相角に相当するようになれば良い。

また、修正加工プログラムにより実行されるバランス修正加工は、先ず粗くバランス修正加工を実行し、次にこの時点の工作物ｗについて再び上記したアンバランスを測定して１又は複数回のバランス修正加工を実行して次第に目的に近づけるようにしても良い。この場合、最終的には、マスターワークａ１００を測定したときの回転数となるように、アンバランスを測定する度に工作物ｗの回転数を増加させてバランスを取る。

粗いバランス修正加工では、切除箇所を目標とするアンバランスの質量Ｑを超えない少量部分が残された状態となるように切除箇所を砥石１３で研削し切除する。
これによりアンバランスの質量Ｑが予め定めた一定量より小さくされ、ぶれ量を少なくできるので、この状態の工作物ｗをより早い回転速度で回転させることができる。

粗いバランス修正加工が終了した工作物Ｗに対して、さらにアンバランスデータの測定を実施する。工作物ｗの回転速度は、最初のアンバランスデータを取得する場合の工作物ｗの回転速度よりも高速に回転させる。これにより測定の精度が向上する。

また、研削盤１００によるバランス修正加工により研削する態様として次の３種類がある。
第１の態様は、工作物ｗの回転を止めた状態で、工作物ｗの切除箇所を砥石１３に切り込ませた後に砥石１３から離反させる処理を予め定めた比較的短い周期で繰り返すように実施するものである。この態様では、また砥石１３と工作物ｗが離反したときにこれらの間に研削液を流入させて、研削中の砥石１３及び工作物ｗの間に生じる過大な研削熱に起因した工作物ｗの研削焼けを防止する。研削焼けの起こりにくい工作物ｗでは、砥石を反転させることなく連続的に切り込んでも良い。

第２の態様は、工作物ｗを所定の角度範囲内で工作物ｗを正逆に回転させ、この回転中に回転状態の砥石１３を工作物ｗの切除箇所に切り込ませるように実施するものである。この態様では砥石１３による工作物１３の研削中、工作物ｗに対する砥石１３の研削点が常に変化し、研削点への冷却液の供給が連続的にできるため、工作物ｗの研削焼けを防止することができる。また工作物ｗの切除箇所を比較的広い範囲に設定しても砥石１３による局所的な切除が避けられる。また切除箇所を広い範囲に設定することでその切除厚さを減少させることができ、これにより工作物ｗの切除厚さに限界があるような工作物ｗについても対応可能である。

第３の態様は、工作物ｗを連続的に一方へ回転させながら、この工作物ｗの切除箇所に回転状態の砥石１３を切り込ませるように実施するものである。この場合、砥石１３中心のｘ軸方向の移動と、工作物ｗの回転とを同期的に制御することにより、工作物ｗの切除箇所以外では砥石１３を工作物ｗに切り込ませないように工作物ｗから離反させるように実施することができる。これによれば、第２の態様よりも工作物ｗの研削焼けを効果的に防止でき、また切除箇所の周縁にバリが形成されるのを防止することができる。

上記実施例においては、研削盤１００は固定センタとした。図６に示す研削盤１０１は、これを若干変形した例である。研削盤１０１は、固定主軸３側の固定センタ１の先部７及び前記ジグ１６に対応する回転伝達部１６０の構成が変更されている。固定センタ１の先部７は先鋭形状としないで、回転中心線１０と同心の軸部７ｄが形成されている。この軸部７ｄにはボールベアリング１７を介して筒部材１８が回動自在に装着されている。筒部材１８の左端面には直径箇所の各端部に鍔部１９ａが固定されており、鍔部１９ａが回し板１０ａに固定されたケレ１１に係合されている。

また筒部材１８の右端面には工作物ｗのテーパ部ｗ１を嵌合されるテーパ孔２０ａを形成されたジグ２０が固定されている。
ボールベアリング１７は軸部７ｄの雄ネジに螺着されたナット部材２１で軸部７ｄからの離脱を規制されており、また面板１９の内周箇所にはボールベアリング１７に向けダストが進入するのを規制するダストシール２２が装着されている。その他の点は研削盤１００と変わりない。

研削盤１０１によれば、工作物ｗの右端部が軸部７ｄ、ボールベアリング１７及び筒部材１８を介して回転中心線１０回りの回転を安定化された状態で保持されるため、高精度なバランス修正加工を実施させることができる。

上記実施例においては、工作物ｗの回転数は毎分１０００回転程度とした。力センサに耐用回数の上限があるため、回転数としては低いものとしているが、より高い寿命を持つ力センサを用いれば、回転数を高めても良い。

また、上記実施例においては、研削盤を例として用いて説明したが、これと同様な機能を有する任意な工作機械で置き換えることは差し支えないのであり、この場合、本例における砥石１３は本願発明の課題を解決し得るものであれば他の任意な加工具として差し支えない。

さらに、工作物を加工している際に力センサ５，６から出力される信号を利用して、研削抵抗の測定にも利用できる。

１００、１０１ 研削盤
１、２ 固定センタ
５、６ 力センサ
１０ 回転中心線
１２ 角度検出用センサ
１３ 砥石
１４ 数値制御装置
ｗ 工作物
α、β、γ 位相角

Claims (7)

1. 回転中心線上に一線に配置された一対の固定センタに対して、互いに同一面内においてアンバランスにより生じる力を測定する力センサをそれぞれ設け、前記固定センタの間に工作物の両端部を保持させた状態で、該工作物を前記回転中心線回りへ回転させ、前記力センサのそれぞれから出力される信号を取得し、当該取得した信号に基づいて、前記工作物のアンバランスを生じさせる質量の存在する前記回転中心線方向における位置を演算することを特徴とする工作物のバランス測定方法。
   
2. 回転中心線上に一線状に配置された一対の固定センタに対して、互いに同一面内においてアンバランスにより生じる力を測定する力センサをそれぞれ設け、前記固定センタの間に工作物の両端部を保持させた状態で、前記工作物を前記回転中心線回りへ回転させ、前記力センサのそれぞれから出力される信号、及び、前記工作物の回転角を測定する角度検出用センサから出力される信号を取得し、当該取得した信号に基づいて、前記工作物のアンバランスを生じさせる質量と、当該質量の存在する前記回転中心線方向における位置を演算し、
   前記工作物を加工しバランスさせるバランス修正加工を、前記工作物のアンバランスを生じさせる質量と、当該質量の存在する前記回転中心線方向における位置、及び角度検出用センサから出力される信号に基づいて実行することを特徴とする工作物のバランス修正加工方法。
   
3. 請求項２において、前記工作物を回転させる速度が違う状態で測定された力、位相角を用いて、バランス修正加工を二回以上実行するものであって、後のバランス修正加工の際に用いる力、位相角は、最初のバランス修正加工の際に用いる力、位相角よりも早い回転速度で前記工作物を回転させて取得されたものであることを特徴とする工作機械による工作物のバランス修正加工方法。
   
4. 請求項２において、前記工作物が前記回転中心線回りに回転しない状態で、加工具を前記工作物に切り込ませては離反させる処理を繰り返させるように実行することを特徴とする工作物のバランス修正加工方法。
   
5. 請求項２において、前記工作物を所定の角度範囲内で前記回転中心線回りの正逆に回転させ、この回転中に加工具を前記工作物の切除箇所に切り込ませるように実行するものであることを特徴とする工作物のバランス修正加工方法。
   
6. 請求項２において、前記バランス修正加工は、前記工作物を前記回転中心線回りに連続的に一方へ回転させながら、前記工作物の切除箇所に加工具を切り込ませるように実行するものであることを特徴とする工作物のバランス修正加工方法。
   
7. 回転中心線上に一線に配置され工作物の両端部をそれぞれ保持する一対の固定センタと、
   一対の固定センタのそれぞれに設けられ、互いに同一面内でそれぞれの力を測定する一対の力センサと、
   前記一対の力センサのそれぞれから出力される信号に基づいて、前記工作物のアンバランスを生じさせる質量の存在する前記回転中心線方向における位置を演算する制御装置を備えたことを特徴とする工作機械。