JP6307782B2

JP6307782B2 - マスセンタリングマシン

Info

Publication number: JP6307782B2
Application number: JP2014184529A
Authority: JP
Inventors: 正典久松; 豊迫田
Original assignee: Nagahama Seisakusho Ltd
Current assignee: Nagahama Seisakusho Ltd
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2016057201A

Description

この発明は、回転体の質量中心（マスセンタや慣性主軸とも呼ばれる）を測定し、質量中心にセンタ穴加工を行うマスセンタリングマシンに関する。

マスセンタリングマシンの一例として、下記特許文献１に開示された質量中心測定機は、エンジン用のクランクシャフトといった回転体の質量中心や、回転体の回転軸心（回転体の幾何学的回転中心）と質量中心とのずれ量（偏重心距離）等を測定する。この質量中心測定機は、補償おもりを備えているので、３気筒エンジン用のクランクシャフトといった非対称回転体に固有の偶不釣合いを補償おもりによって打ち消した状態で非対称回転体の質量中心等を測定できる。

特開２０１４−７０９１９号公報

質量中心が測定された回転体のセンタ穴加工の前段階として、センタ穴加工を行うための工具と質量中心との位置合わせのために、回転体の姿勢制御が行われる。回転体の姿勢制御として、回転体の回転軸（クランクシャフトの場合におけるジャーナル等）を支持する軸受が垂直方向や水平方向に移動する。
非対称回転体の場合には、たとえば直列３気筒エンジン用のクランクシャフトの姿勢制御において、３つあるクランクピンのうち軸方向一端に位置する＃１ピンを最下位に位置決めした状態で、ジャーナルを支持した軸受を移動させる。軸受を垂直移動させる場合には特に問題はないが、軸受を水平移動させると、クランクシャフトが＃１ピンを基準に若干回転するように位置ずれするので、質量中心を測定したときにおけるクランクシャフトと補償おもりとの間の角度関係がずれてしまい、回転体の不釣合いに誤差が生じる。

そのため、回転体の質量中心を正確に測定しても、質量中心に対する正確なセンタ穴加工が困難になる。
この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、非対称回転体に対する正確なセンタ穴加工を可能にするマスセンタリングマシンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、センタ穴加工すべき回転体（２６）を支持する支持部（Ｋ２７）と、前記回転体が偶不釣合い（Ｕ_Ｃ）を有する非対称回転体である場合に、質量中心が測定された前記回転体をセンタ穴加工の前段階として姿勢制御するために前記支持部を移動させる際の移動量を、前記支持部の水平移動に起因する前記回転体の回転によって生じる前記偶不釣合いのずれに応じて補正する補正手段（５０）とを含むことを特徴とする、マスセンタリングマシン（１）である。

なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素などを表す。
この構成によれば、質量中心が測定された回転体が非対称回転体である場合において、センタ穴加工の前段階として姿勢制御するために支持部を移動させる際の移動量が、支持部の水平移動に起因する回転体の回転によって生じる偶不釣合いのずれ（偶不釣合いを打ち消すための補償おもりに対する回転角度）に応じて補正される。そのため、回転体を正確に姿勢制御できるので、姿勢制御後の非対称回転体に対して正確なセンタ穴加工が可能になる。

図１は、この発明の一実施形態に係るマスセンタリングマシン１の模式的な正面図である。図２は、図１に示すマスセンタリングマシン１における右架台１５および回転体２６を抜き出して描いた図である。図３は、クランクシャフト２６と、マスセンタリングマシン１の加工ステーションにおいてクランクシャフト２６を支持する支持部Ｋ２７とを抜き出して描いた図である。図４は、クランクシャフト２６におけるジャーナル４０およびクランクピン４１の位置関係を示す図である。図５は、センタ穴加工の前段階としてクランクシャフト２６を姿勢制御するために移動させる支持部Ｋ２７の移動量についての測定値と補正値との関係を示す表である。

以下では、この発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るマスセンタリングマシン１の模式的な正面図である。マスセンタリングマシン１は、センタ穴加工すべき回転体２６の質量中心を測定する測定ステーション１０と、回転体２６の測定された質量中心にセンタ穴加工（マスセンタ加工）を行うための加工ステーション（図示せず）とを含む。ここでの回転体２６は、エンジン用のクランクシャフトである。

測定ステーション１０は、基台１１上にばね１２によって支持された振動枠１３を有し、振動枠１３上には、左架台１４および右架台１５が左右に並んで配置されている。左架台１４および右架台１５のそれぞれは、振動枠１３の上面のガイドレール１６に沿って左右方向に位置決めされる。左架台１４および右架台１５のそれぞれは、ガイドレール１６と係合するベース１７上に設けられたスピンドルユニット１８と、スピンドルユニット１８から上方へ延びる垂直フレーム１９に取り付けられたモータ２０とを有する。モータ２０の回転力は、モータ側プーリ２１、ベルト２２およびスピンドル側プーリ２３を介して、スピンドルユニット１８内を左右方向に水平に延びるスピンドル２４に伝達される。

スピンドル２４においてスピンドルユニット１８から突出した先端部には、把持円盤２５が備えられている。左架台１４および右架台１５の把持円盤２５の互いの対向面には、回転体２６の端部を支持する軸受等の支持部２７と、回転体２６の端部を支持部２７に押さえ付けるためのクランプユニット２８とが設けられている。
左架台１４および右架台１５の各モータ２０が同期回転されると、左架台１４の把持円盤２５および右架台１５の把持円盤２５が、回転体２６の両端部を把持した状態で一体回転する。このとき、回転体２６の回転軸心と質量中心とにずれがある場合は、そのずれ量に比例した不釣合いが生じて振動枠１３が振動し、その振動は、図示しない振動検出器によって検出される。マスセンタリングマシン１においてＣＰＵ等によって構成された制御部５０（補正手段）が、振動検出器の検出結果に基いて、回転体２６の不釣合いや、質量中心や、回転体２６の回転軸心と質量中心とのずれ量等を演算によって測定する。ここでの測定を、以下では「質量中心測定」と呼ぶことにする。

ところで、回転体２６が直列３気筒エンジン用の非対称なクランクシャフトである場合には、非対称回転体２６を回転させると、非対称回転体２６に固有の偶不釣合いＵ_Ｃに基づく振動が現れる。そこで、測定ステーション１０には、非対称回転体２６の偶不釣合いＵ_Ｃを打ち消すための補償おもりが、例えば右架台１５に組み込まれている。補償おもりは、クランクシャフトが実際のエンジン内で回転する際に加わるコンロッドおよびピストンの重量に相当するダミーウェイトである。

図２は、図１に示すマスセンタリングマシン１における右架台１５および直列３気筒エンジン用のクランクシャフト２６を抜き出して描いた図である。図２において、右架台１５が縦断面構成で示されており、一部が省略されている。
補償おもりは、把持円盤２５の外周部に取り付けられた第１おもり３１と、スピンドル側プーリ２３に取り付けられた第２おもり３２とで構成される。第１おもり３１と第２おもり３２とは、把持円盤２５およびスピンドル２４の回転軸心Ａを中心とする周方向における角度位置が１８０°異なった位置、すなわち回転軸心Ａに対して逆方向の角度位置にそれぞれ固定されている。

右架台１５における把持円盤２５およびスピンドル２４は、第１おもり３１および第２おもり３２に応じた偶不釣合いＵ_Ｃ１を有する。
クランクシャフト２６の偶不釣合いＵ_Ｃと、第１おもり３１および第２おもり３２による偶不釣合いＵ_Ｃ１とは、ベクトル量に換算して、Ｕ_Ｃ＋Ｕ_Ｃ１＝０いう関係になる。この関係が成立した状態で把持円盤２５を回転させることにより、偶不釣合いＵ_Ｃが打ち消された状態のクランクシャフト２６の質量中心測定を実施できる。

次に、質量中心測定後の非対称回転体２６がセンタ穴加工されるまでの流れについて、非対称回転体２６として直列３気筒エンジン用のクランクシャフト２６を例にとって説明する。
図３は、クランクシャフト２６と、マスセンタリングマシン１の加工ステーションにおいてクランクシャフト２６を支持する支持部Ｋ２７とを抜き出して描いた図である。クランクシャフト２６は、その両端部として同軸状に配置される一対のジャーナル４０と、これらのジャーナル４０間に配置される３つのクランクピン４１とを含む。一対のジャーナル４０のうち、左側のジャーナル４０は、エンジン内で駆動力を伝達するフロント側の第１ジャーナル４０Ａであり、右側のジャーナル４０は、エンジン内においてフランジに近いリア側の第２ジャーナル４０Ｂである。３つのクランクピン４１を、第１ジャーナル４０Ａに近い順に、＃１ピン４１Ａ、＃２ピン４１Ｂ、＃３ピン４１Ｃと呼ぶ。

図４は、ジャーナル４０およびクランクピン４１の位置関係を示す図である。クランクシャフト２６の軸方向から見て、３つのクランクピン４１は、ジャーナル４０に対して径方向外側に配置され、ジャーナル４０回りに１２０°ずつずれて配置されている。ジャーナル４０の回転軸心（各ジャーナル４０の幾何学的回転中心）を通って垂直に延びる垂直座標軸Ｖと、ジャーナル４０の回転軸心を通って水平に延びる水平座標軸Ｈとを規定する。ジャーナル４０の回転軸心を中心とする回転方向における０°の角度位置および１８０°の角度位置は、垂直座標軸Ｖ上に位置し、９０°の角度位置および２７０°の角度位置は、水平座標軸Ｈ上に位置する。

クランクシャフト２６の質量中心測定が完了した直後では、一対のジャーナル４０が支持部２７によって支持された状態において、＃１ピン４１Ａが、位置決め部材４２によって、最下位の１８０°の角度位置において位置決めされている。
そして、クランクシャフト２６は、センタ穴加工のために、測定ステーション１０から加工ステーション（図示せず）に受け渡される。加工ステーションにおいて支持部２７に相当する構成を支持部Ｋ２７という。加工ステーションは、クランクシャフト２６の姿勢制御のために各支持部Ｋ２７を移動させるアクチュエータ等の移動手段（図示せず）と、姿勢制御が完了したクランクシャフト２６にセンタ穴加工する加工手段としての工具４３（図３参照）とを含む。

図３を参照して、加工ステーションでは、クランクシャフト２６の姿勢制御のために、ジャーナル４０を支持した各支持部Ｋ２７の位置が垂直および水平のそれぞれに移動される。具体的に、第１ジャーナル４０Ａを支持した支持部Ｋ２７と、第２ジャーナル４０Ｂを支持した支持部Ｋ２７とのそれぞれが、＃１ピン４１Ａを基準にして、垂直方向および水平方向（クランクシャフト２６の軸方向に直交する水平方向）のそれぞれに移動する。これによって、質量中心が測定されたクランクシャフト２６のセンタ穴加工の前段階として、クランクシャフト２６の質量中心と工具４３とが位置合わせされるように、クランクシャフト２６の姿勢制御が行われる。制御部５０（図１参照）は、質量中心測定の際、クランクシャフト２６の不釣合い測定の結果に基いて、加工ステーションでのクランクシャフト２６の姿勢制御のための支持部Ｋ２７の移動量の計測値を予め求める。

支持部Ｋ２７が垂直移動する場合には、クランクシャフト２６は、＃１ピン４１Ａを中心として回転することなく、同じ姿勢を保ったまま移動する。しかし、支持部Ｋ２７が水平移動すると（水平方向に対して傾斜した方向の移動も含む）、クランクシャフト２６が＃１ピン４１Ａを中心としてジャーナル４０の回転軸心に対して回転する。
ここで、マスセンタリングマシン１では、直交する２つの機械座標軸Ｖ_ｍおよびＨ_ｍを実際の座標軸としており（図４参照）、これらの座標軸Ｖ_ｍおよびＨ_ｍは、垂直座標軸Ｖおよび水平座標軸Ｈのそれぞれに対して４５°傾斜している。機械座標軸Ｖ_ｍおよびＨ_ｍを基準とした場合において、支持部Ｋ２７が移動した場合における各ジャーナル４０の水平方向の移動量Ｈ_ｎは、以下の式（１）で表される。なお、移動量Ｈ_ｎのｎは、第１ジャーナル４０Ａを示す「１」または第２ジャーナル４０Ｂを示す「２」である。

Ｈ_ｎ＝（Ｈ_ｍ−Ｖ_ｍ）／２^１／２ …式（１）
式（１）より求められた第１ジャーナル４０Ａの水平方向の移動量Ｈ_１および第２ジャーナル４０Ｂの水平方向の移動量Ｈ_２から、各支持部Ｋ２７の水平移動に起因するクランクシャフト２６全体の水平方向の移動量Ｈが求められる。移動量Ｈにおける移動量Ｈ_１および移動量Ｈ_２のそれぞれの影響度合いは、クランクシャフト２６の軸方向における各支持部Ｋ２７（ジャーナル４０との接触部）から＃１ピン４１Ａの中心までの距離に反比例する。そのため、軸方向における第１ジャーナル４０Ａの支持部Ｋ２７から＃１ピン４１Ａの中心までの距離を距離ａとし、軸方向における第２ジャーナル４０Ｂの支持部Ｋ２７から第１ジャーナル４０Ａの支持部Ｋ２７までの距離を距離ｃとすると、これらのａ、ｃ、Ｈ_１およびＨ_２から、以下の式（２）によってＨが求められる。

Ｈ＝（（ｃ−ａ）／ｃ）・Ｈ_１＋（ａ／ｃ）・Ｈ_２ …式（２）
クランクシャフト２６のハーフストローク（ジャーナル４０とクランクピン４１との軸間距離）をｓとすると、移動量Ｈの水平移動に応じて回転したときのクランクシャフト２６の回転角度θ（図４参照）は、以下の式（３）によって求められる。
θ＝ｓｉｎ^−１（Ｈ／ｓ） …式（３）
図４を参照して、３つのクランクピン４１が１２０°間隔で配置されたクランクシャフト２６の回転方向には、エンジンの設定によって、時計回りと反時計回りとがある。クランクシャフト２６の偶不釣合いＵ_ｃは、図４に示す時計回りの場合には３０°および２１０°の方向に存在し、反時計回りの場合には３３０°および１５０°の方向に存在する。質量中心測定の際に用いられる補償おもりは、時計回りの場合には、２１０°および３０°の方向（角度位置）に取り付けられ、反時計回りの場合には、１５０°および３３０°の方向に取り付けられる。

式（３）で求められるクランクシャフト２６の回転角度θは、クランクシャフト２６の水平移動に起因するクランクシャフト２６の偶不釣合いＵ_ｃと補償おもりとの角度関係のずれ（質量中心測定時からの偶不釣合いＵ_ｃの位置ずれの量）である。回転角度θは、大きくても１°程度なので、クランクシャフト２６の回転角度θの回転により発生する不釣合いの誤差ΔＵは、クランクシャフト２６の偶不釣合いＵ_ｃに対するほぼ直角方向に近似できる。そのため、誤差ΔＵの発生する方向は、時計回りの場合は３００°（図４の太線矢印参照）となり、反時計回りの場合は１２０°となる。

このような関係より、クランクシャフト２６の偶不釣合いＵ_ｃと、回転角度θぶんのクランクシャフト２６の回転で生まれる誤差ΔＵとの関係は、以下の式（４）で表される。
ΔＵ＝Ｕ_ｃ・ｓｉｎθ …式（４）
質量中心測定後のクランクシャフト２６を受け取って実際のマスセンタリングを行う加工ステーション（図示せず）内での姿勢制御の際に、クランクシャフト２６では回転角度θの回転が発生する。そのため、質量中心測定の際、制御部５０が、前述した支持部Ｋ２７の移動量の計測値に従って水平移動した場合におけるクランクシャフト２６の移動量Ｈから発生するクランクシャフト２６の回転角度θを算出する。そして、制御部５０は、回転角度θに相当する誤差ΔＵを支持部Ｋ２７の移動量の計測値からベクトル的に差し引いて得られた値を、加工ステーションでの実際の姿勢制御における支持部Ｋ２７の補正移動量とする。つまり、制御部５０は、姿勢制御のための支持部Ｋ２７の移動量を、回転角度θの回転によって生じる偶不釣合いＵ_ｃのずれに応じて補正する。

一例として、図５の表では、４つのサンプルにおける移動量の計測値と補正値（補正移動量）とを示している。この表において、Ｈ_ｍ１およびＶ_ｍ１のそれぞれは、機械座標軸Ｈ_ｍおよびＶ_ｍのそれぞれに沿う方向における第１ジャーナル４０Ａ（支持部Ｋ２７）の移動量であり、Ｈ_ｍ２およびＶ_ｍ２のそれぞれは、機械座標軸Ｈ_ｍおよびＶ_ｍのそれぞれに沿う方向における第２ジャーナル４０Ｂ（支持部Ｋ２７）の移動量である。たとえば、Ｎｏ．１のサンプルでは、第１ジャーナル４０ＡをＨ_ｍ１の方向に１ｍｍ移動させるだけの計測値に対し、補正値では、回転角度θのずれを考慮して、Ｈ_ｍ１、Ｖ_ｍ１、Ｈ_ｍ２およびＶ_ｍ２の全ての方向に第１ジャーナル４０Ａおよび第２ジャーナル４０Ｂを移動させる結果となっている。

以上の構成によれば、移動量の補正値に応じて支持部Ｋ２７を移動させることによってクランクシャフト２６を正確に姿勢制御できるので、姿勢制御後の非対称クランクシャフト２６に対して正確なセンタ穴加工が可能になる。ちなみに、ここでの補正によって新たに生じた誤差は、十分小さいので無視できる。
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

たとえば、前述した実施形態における非対称の回転体２６は、３気筒エンジン用のクランクシャフトであったが、たとえば、Ｖ型６気筒エンジンやＶ型８気筒エンジンや５気筒エンジン用のクランクシャフト等の非対称クランクシャフト全般であってもよい。
また、マスセンタリングマシン１は、前述した制御部５０を、測定ステーション１０および加工ステーション（図示せず）のどちらに備えてもよい。

１マスセンタリングマシン
２６回転体
５０制御部
Ｋ２７支持部
Ｕ_Ｃ偶不釣合い

Claims

センタ穴加工すべき回転体を支持する支持部と、
前記回転体が偶不釣合いを有する非対称回転体である場合に、質量中心が測定された前記回転体をセンタ穴加工の前段階として姿勢制御するために前記支持部を移動させる際の移動量を、前記支持部の水平移動に起因する前記回転体の回転によって生じる前記偶不釣合いのずれに応じて補正する補正手段とを含むことを特徴とする、マスセンタリングマシン。