JP7312427B2 - Dynamic vibration absorber for suppressing stick-slip and method for suppressing the same - Google Patents

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Description

本発明は、スティックスリップを抑制する動吸振器及びその抑制方法に関する。 The present invention relates to a dynamic vibration reducer that suppresses stick-slip and a method for suppressing the same.

スティックスリップを抑制させるための設計式は過去の研究により公表されている。その設計式によれば、摺動面に発生するスティックスリップを抑制する手法は、一般的には、静摩擦と動摩擦の差を小さくすること、動摩擦係数の相対速度依存性を正勾配にすること、システムの剛性を大きくすること、などがあげられる。前者の摩擦係数を制御する手法では、摺動面の粗さや潤滑油の改良などがベースとなるが、そもそも摩擦係数の特性を変化させることは難しく、設計段階で設計できるものではない。また後者の剛性に着目したものは、システムの機能的に(例えば摺動面を支える冶具が片持ちの梁であったりしてスペースがないなどで)難しい場合も多い。 Design formulas for suppressing stick-slip have been published in past studies. According to the design formula, methods for suppressing stick-slip that occurs on the sliding surface generally include reducing the difference between static friction and dynamic friction, making the relative velocity dependence of the dynamic friction coefficient positive, and increasing the rigidity of the system. The former method of controlling the coefficient of friction is based on improving the roughness of the sliding surface and the lubricating oil. The latter, which focuses on rigidity, is often difficult in terms of system functionality (for example, the jig that supports the sliding surface is a cantilever beam and there is no space).

一方で、振動を抑制または低減させるための一般的な技術として動吸振器がある。動吸振器では振動する物体(主振動系)に付加質量(副振動系)を取り付けることで、主振動系と副振動系の振動をともに低減する技術であり、動吸振器の設計法についてはすでに公知のものとなっている。 On the other hand, there is a dynamic vibration absorber as a general technique for suppressing or reducing vibration. A dynamic vibration absorber is a technology that reduces the vibration of both the main vibration system and the secondary vibration system by attaching an additional mass (secondary vibration system) to a vibrating object (main vibration system), and the design method of the dynamic vibration absorber is already known.

特許文献1には、摺動して相対運動する駆動部と従動部の摺動に発生する摩擦により励起される振動である摩擦振動について、「駆動部110の駆動面の駆動方向」と「従動部120の支持部が変形する方向」に、駆動部110の駆動方向と従動部120の変形方向とがなす角度として、φ≠0である駆動角度φ、好ましくは、臨界駆動角度φc以上の角度を与えるような「横滑りを伴う摺動面を有する構造」を設けること、臨界駆動角度φcは駆動部110と従動部120の相対速度Vrelおよびこの相対速度Vrelをパラメータとする摩擦係数μ(Vrel)によって規定され、摩擦振動に起因する騒音を抑制できる旨が記載されている。また、特許文献2には、平行板ばね式動吸振器のばね定数につき、動吸振器の固有振動数について記載されている。 Patent Document 1 describes a frictional vibration, which is vibration excited by friction generated by the sliding of a driving portion and a driven portion that slide relative to each other, and describes a "structure having a sliding surface with lateral slip" that gives a driving angle φ where φ≠0 as an angle between the driving direction of the driving portion 110 and the deformation direction of the driven portion 120, preferably an angle equal to or greater than the critical driving angle φc, in the "driving direction of the driving surface of the driving portion 110" and the "direction in which the supporting portion of the driven portion 120 deforms." , and that the critical drive angle φc is defined by the relative speed Vrel between the drive portion 110 and the driven portion 120 and the friction coefficient μ (Vrel) with this relative speed Vrel as a parameter, and that the noise caused by the frictional vibration can be suppressed. Further, Patent Document 2 describes the natural frequency of the dynamic vibration absorber with respect to the spring constant of the parallel leaf spring type dynamic vibration absorber.

特開2013-007737号公報JP 2013-007737 A 特開2015-094384号公報JP 2015-094384 A

しかしながら、従来技術では、スティックスリップ現象に動吸振器の技術を適用することは行われていない。そこで、本発明では動吸振器によりスティックスリップを抑制するための設計式を提案することを目的とする。 However, in the prior art, the technology of the dynamic vibration reducer is not applied to the stick-slip phenomenon. Therefore, an object of the present invention is to propose a design formula for suppressing stick-slip by using a dynamic damper.

(1)スティックスリップが発生する摺動面を有する振動体に接することにより作用し、スティックスリップを抑制する動吸振器である。
(2)(1)に記載の作用は、動吸振器の取り付けモデルを適用した設計式が、式(9)により定まるダンピング比ζeqと、式(6)により定まる無次元パラメータλとによって定義される式(10)の不等式が成立するように、質量比率μoptが決定される質量比率決定ステップと、決定された質量比率μoptにより式(11)、(12)及び(13)によってそれぞれ定まる動吸振器の最適な付加質量maopt、動吸振器のばね定数kaopt、動吸振器の減衰係数caoptが決定される動吸振器特性決定ステップと、を備える手順によって発現することを特徴とするスティックスリップを抑制する動吸振器の設計方法である。
(3)(2)に記載の設計方法によって設計された動吸振器を利用したスティックスリップの抑制方法である。
(1) A dynamic vibration absorber that acts by contacting a vibrating body having a sliding surface on which stick-slip occurs and suppresses stick-slip.
(2)(1)に記載の作用は、動吸振器の取り付けモデルを適用した設計式が、式(9)により定まるダンピング比ζ eqと、式(6)により定まる無次元パラメータλとによって定義される式(10)の不等式が成立するように、質量比率μ optが決定される質量比率決定ステップと、決定された質量比率μ optにより式(11)、(12)及び(13)によってそれぞれ定まる動吸振器の最適な付加質量m aopt 、動吸振器のばね定数k aopt 、動吸振器の減衰係数c aoptが決定される動吸振器特性決定ステップと、を備える手順によって発現することを特徴とするスティックスリップを抑制する動吸振器の設計方法である。
(3) A stick-slip suppression method using the dynamic vibration absorber designed by the design method described in (2).

スティックスリップを抑制するための設計式により設計された動吸振器により、発生したスティックスリップを抑制することができる。 A dynamic vibration absorber designed according to a design formula for suppressing stick-slip can suppress stick-slip that occurs.

本発明の一つの実施態様である動吸振器を、スティックスリップする振動体に取り付けた具体例を模式的に示した図である。1 is a diagram schematically showing a specific example in which a dynamic vibration reducer according to one embodiment of the present invention is attached to a stick-slip vibrating body; FIG. スティックスリップする振動体に被削材を固定した実例を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing an example in which a work material is fixed to a stick-slip vibrating body; (A)スティックスリップする振動体のモデル、(B)本発明の一つの実施態様である動吸振器をスティックスリップする振動体に取り付けたモデル、をそれぞれ模式的に示した図である。FIG. 2A is a diagram schematically showing (A) a model of a stick-slip vibrating body, and (B) a model in which a dynamic vibration reducer according to one embodiment of the present invention is attached to a stick-slip vibrating body. 設計式により定まるスティックスリップ発生条件を表す式において、μ=0.0833のとき、実効的な減衰比ζeq=0.10であることを示した図である。FIG. 4 is a diagram showing that the effective damping ratio ζ eq =0.10 when μ=0.0833 in the formula representing the stick-slip generation condition determined by the design formula. スティックスリップ発生(Stick-Slip)と不発生(Damped vibration)の領域を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing regions where stick-slip occurs (Stick-Slip) and where no stick-slip occurs (Damped vibration); 図5において(a)-I(スティックスリップ)、(a)-II(スティックスリップ)、(a)-III(減衰振動)を、それぞれ示した図である。FIG. 6 is a diagram showing (a)-I (stick-slip), (a)-II (stick-slip), and (a)-III (damped vibration) in FIG. 5;

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be made without departing from the scope of the invention.

図1には、スティックスリップする振動体(4)(以下、「振動体」と言う場合がある)に、そのスティックスリップを抑制する動吸振器(10)(以下、「動吸振器」と言う場合がある)を取り付けた具体例として切削装置(1)を示した。切削装置(1)は動吸振器(10)、振動体(4)、動力機構(2)及び被削材(4)を備えて構成されている。振動体(4)は、支持機構(3)によって動力機構(2)に連結され、動吸振器(10)の構成要素である付加質量(11)は振動体(4)に取り付けら、被削材(20)は、振動体(4)の上に接して固定される。振動体(4)は、それが発揮する機能の観点から、すべり案内面と言われることがある。なお、被削材(20)とは工作機械により加工する対象となる部品である。 FIG. 1 shows a cutting apparatus (1) as a specific example in which a stick-slip vibrating body (4) (hereinafter sometimes referred to as "vibrating body") is attached with a dynamic vibration reducer (10) (hereinafter sometimes referred to as "dynamic vibration reducer") that suppresses the stick-slip. A cutting device (1) comprises a dynamic vibration reducer (10), a vibrating body (4), a power mechanism (2) and a work material (4). A vibrating body (4) is connected to the power mechanism (2) by a support mechanism (3), an additional mass (11), which is a component of the dynamic vibration absorber (10), is attached to the vibrating body (4), and a workpiece (20) is fixed on the vibrating body (4) in contact therewith. The vibrating body (4) is sometimes referred to as a sliding guide surface from the viewpoint of the function that it exhibits. A work material (20) is a part to be machined by a machine tool.

振動体(4)は、支持機構(3)の駆動に従って駆動するとき、動力機構(2)が有するガイド(6)の摩擦面(7)に接して駆動する。摩擦面(7)であって振動体(4)とガイド(6)が接して形成される面を特に摺動面(8)と言う。 When the vibrating body (4) is driven by the support mechanism (3), it is driven in contact with the friction surface (7) of the guide (6) of the power mechanism (2). The friction surface (7) formed by contact between the vibrator (4) and the guide (6) is particularly called a sliding surface (8).

動力機構(2)としては、ボールネジなどが使用される。振動体(4)の大きさについて、固定する被削材の大きさの観点から、長手方向の寸法L1は1000~2000mmであり、短手方向の寸法L2は500~1000mmである。
一方、付加質量(11)の質量は、工作機械全体の軽量化と振動低減効果の観点から、振動体(4)の数%~10%が好ましい。
A ball screw or the like is used as the power mechanism (2). Regarding the size of the vibrating body (4), the longitudinal dimension L1 is 1000 to 2000 mm and the lateral dimension L2 is 500 to 1000 mm from the viewpoint of the size of the workpiece to be fixed.
On the other hand, the mass of the additional mass (11) is preferably several % to 10% of the vibrating body (4) from the viewpoint of reducing the weight of the machine tool as a whole and effect of reducing vibration.

図2は、振動体に被削材を固定した実例であって、被削材部材(21)が振動体(14)の上に固定して置かれている。なお、装置22は砥石などの加工工具を取り付ける場合に使用する。動吸振器の役割は、振動体(4)に取り付けて振動体(4)に発生する振動を抑制するものであって、装置22などの駆動を制限することはない。 FIG. 2 shows an example of fixing the work piece to the vibrating body, where the work piece member (21) is placed fixedly on the vibrating body (14). Note that the device 22 is used when a processing tool such as a grindstone is attached. The role of the dynamic vibration absorber is to suppress the vibration generated in the vibrating body (4) by attaching it to the vibrating body (4), and does not limit the driving of the device 22 or the like.

図3のモデルに基づいて動吸振器(12)の説明を行う。図3(A)に示したように、振動体は、質量m(kg)、静止摩擦係数(Static friction coefficient)μ、動摩擦係数(kinetic friction coefficient)μを有し、ばね定数k(N/m)を介して固定面(Rigid base)に固定されている。そして、振動体(14)は負荷(Normal load)W(N)が加えられた状態で、下面が速度V(m/s、Driving speed)で駆動する場合にスティックスリップは発生する。
一方、動吸振器(12)(DVAシステム)は、その設計式により質量m(kg)、動吸振器のばね定数k(N/m)、動吸振器のダンピング定数c(N sm)を有するものとして与えられ、図3(B)に示したように振動体に連結される。なお、下面の駆動速度V(m/s)は同様である。
The dynamic vibration reducer (12) will be described based on the model of FIG. As shown in FIG. 3A, the vibrating body has a mass m (kg), a static friction coefficient μ s and a kinetic friction coefficient μ k , and is fixed to a rigid base via a spring constant k (N/m). Stick-slip occurs when the lower surface of the vibrator 14 is driven at a speed V (m/s, driving speed) while a load (Normal load) W(N) is applied.
On the other hand, the dynamic vibration absorber (12) (DVA system) is given by its design formula to have a mass ma (kg), a spring constant ka (N/m) of the dynamic vibration absorber, and a damping constant ca (Nsm) of the dynamic vibration absorber, and is connected to the vibrator as shown in FIG. 3(B). The driving speed V (m/s) for the lower surface is the same.

静止摩擦係数μは、スティックスリップする振動体(14)が摺動面(18、図示せず)を有することによって発生するものであり、動吸振器(12)がスティックスリップする振動体(14)に結合することにより、作用して動吸振器(12)は振動体(14)のスティックスリップを抑制することになるのである。結合することは接することの一態様として、動吸振器はスティックスリップする動吸振器に作用することになるのである。 The static friction coefficient μs is generated by the stick-slip vibrating body (14) having a sliding surface (18, not shown), and the dynamic vibration damper (12) is coupled to the stick-slip vibrating body (14), thereby suppressing the stick-slip of the vibrating body (14). Combining is one aspect of contacting, and the dynamic vibration absorber acts on the dynamic vibration absorber that sticks and slips.

図3(B)における振動体(14)および動吸振器(12)の運動方程式は下記の式(1)で表される。 The equation of motion of the vibrator (14) and the dynamic vibration absorber (12) in FIG. 3(B) is represented by the following equation (1).

ただし、Fは振動体(14)の摺動面(18)に作用する摩擦力であり、すべり方向の向きに応じて下記の式で表される。 However, F is the frictional force acting on the sliding surface (18) of the vibrating body (14) and is expressed by the following formula according to the sliding direction.

ここで、x(ドット)は振動体(14)の速度である。x(ドット)=V(stick state)の場合は、振動体(14)と下面の速度が等しく、両者が固着している条件であり、その場合は静止摩擦力Fが作用する。なお、静止摩擦力Fの範囲は、下記の式で表される。 Here, x (dot) is the velocity of the vibrator (14). In the case of x (dot)=V (stick state), the velocity of the vibrator (14) and the lower surface are equal and the two are stuck together. In this case, the static friction force Fs acts. The range of the static friction force Fs is expressed by the following formula.

また、x(ドット)とV(stick state)が異なる場合は、振動体(14)と下面の間にすべりが作用して動摩擦力Fが作用する。なお、動摩擦力Fは下記の式で表される。 Moreover, when x (dot) and V (stick state) are different, a slip acts between the vibrating body (14) and the lower surface, and a dynamic friction force Fk acts. Note that the dynamic friction force Fk is represented by the following formula.

なお、本モデルでの静止摩擦係数(Static friction coefficient)μ、動摩擦係数(kinetic friction coefficient)μkは下記の通り、摺動面の速度に依存せずに一定であるとする。 Note that the static friction coefficient μ s and the kinetic friction coefficient μ k in this model are assumed to be constant independent of the speed of the sliding surface, as described below.

上記の式(1)から式(5)からなる支配方程式を数値計算により計算することで図6が得られる。図6の縦軸は振動体(14)の変位x、横軸は時間である。 FIG. 6 is obtained by numerically calculating the governing equations consisting of the above equations (1) to (5). The vertical axis in FIG. 6 is the displacement x of the vibrator (14), and the horizontal axis is time.

ここで、下記の式(6)で定義する無次元パラメータλを導入すれば、スティックスリップの非発生条件は式(7)で表すことができる。なお、式(7)の妥当性は参考文献1(スティックスリップ回避のための設計指針,中野健,日本ゴム協会誌,2007)により実証されている。 Here, if a dimensionless parameter λ defined by the following equation (6) is introduced, the stick-slip non-occurrence condition can be expressed by the equation (7). The validity of Equation (7) is verified by reference 1 (design guidelines for avoiding stick-slip, Takeshi Nakano, Japan Rubber Association, 2007).

さらに、式(8)で定義する無次元パラメータμを導入すれば、式(7)に含まれるζeqは式(9)で表される。なお、式(9)の妥当性は参考文献2(動吸振器とその応用,背戸一登,コロナ社,2010)により実証されている。なお、式(9)で示されるμとζeqの関係は図5で示す。 Furthermore, by introducing a dimensionless parameter μ defined by Equation (8), ζ eq included in Equation (7) is expressed by Equation (9). In addition, the validity of Formula (9) is proved by the reference document 2 (Dynamic vibration absorber and its application, Kazuto Seto, Coronasha, 2010). Note that FIG. 5 shows the relationship between μ and ζ eq given by equation (9).

式(7)と式(9)をまとめると、スティックスリップ回避のための設計式として式(10)を得る。 Combining equations (7) and (9), equation (10) is obtained as a design equation for avoiding stick-slip.

以上より、スティックスリップ回避のための設計指針として、以下を得る。まず、図3(A)に示したスティックスリップする振動体を対象として、質量m(kg)、静止摩擦係数(Static friction coefficient)μ、動摩擦係数(kinetic friction coefficient)μk、ばね定数k(N/m)、負荷W(N)、速度V(m/s、Driving speed)を見積もり、無次元パラメータλを決定する。次に、得られたλを代入した上で式(10)が成立するための無次元パラメータμ(式(10)が成立するように調整されたμをμoptと呼ぶ)とする。最後に得られたμoptより、図3(B)に示した本発明の一つの実施態様である動吸振器をスティックスリップする振動体に取り付けたモデルにおける質量m(kg)、動吸振器のばね定数ka(N/m)、動吸振器のダンピング定数c(N sm)の最適値であるmaopt、kaopt、caoptを式(11)から(13)より得る。まとめると、式(10)によりμoptを決定して、式(11)から(13)よりmaopt、kaopt、caoptをそれぞれ決定し、それらの動吸振器パラメータを有する動吸振器を振動体に取り付けることでスティックスリップを抑制することができる。 From the above, the following is obtained as a design guideline for stick-slip avoidance. First, for the stick-slip vibrating body shown in FIG. 3A, mass m (kg), static friction coefficient μ s , kinetic friction coefficient μ k , spring constant k (N/m), load W (N), and speed V (m/s, driving speed) are estimated to determine the dimensionless parameter λ. Next, after substituting the obtained λ, a dimensionless parameter μ for establishing the expression (10) is set (μ adjusted so that the expression (10) holds is called μ opt ). From the finally obtained μ opt , optimum values of mass ma (kg), spring constant ka (N / m) of the dynamic vibration absorber, and damping constant ca (N sm) of the dynamic vibration absorber in the model shown in FIG. Get more. In summary, stick-slip can be suppressed by determining μ opt from equation (10), determining m aopt , k aopt , and caopt from equations (11) to (13), and attaching a dynamic vibration reducer having these dynamic vibration reducer parameters to the vibrating body.

図6の解析結果を式(10)の不等式に当てはめた結果が図5である。同図より、図5のa-(III)のみスティックスリップが抑制されており、不等式を満たせば(図中のDamped vibrationの領域に入れば)スティックスリップが抑制されることがわかる。不等式を満たさない(図中のStick-slip領域に入っている)a-(I)とa-(II)では、スティックスリップを回避できていない様子がわかる。以上より、式(10)の妥当性が確認される。 FIG. 5 shows the result of applying the analysis result of FIG. 6 to the inequality of formula (10). It can be seen from the figure that stick-slip is suppressed only in a-(III) of FIG. 5, and stick-slip is suppressed if the inequality is satisfied (if the damped vibration region in the figure is entered). It can be seen that stick-slip cannot be avoided in a-(I) and a-(II), which do not satisfy the inequality (in the stick-slip region in the figure). From the above, the validity of Expression (10) is confirmed.

スティックスリップが発生する振動体に対してそのスティックスリップを抑制することができる。 Stick-slip can be suppressed for vibrating bodies that cause stick-slip.

1:切削装置
2:動力機構
3:支持機構
4、14:振動体
5:動吸振器が取り付けられた振動体
6:ガイド
7:摩擦面
8、18:摺動面
10、12:動吸振器
11:付加質量
20:被削材
22:装置
L1:振動体の長手方向の寸法
L2:振動体の短手方向の寸法

1: Cutting device 2: Power mechanism 3: Support mechanism 4, 14: Vibrating body 5: Vibrating body with dynamic vibration absorber 6: Guide 7: Friction surface 8, 18: Sliding surface 10, 12: Dynamic vibration absorber 11: Added mass 20: Work material 22: Apparatus L1: Longitudinal dimension of vibrating body L2: Transverse dimension of vibrating body

Claims (3)

スティックスリップが発生する摺動面を有する振動体に接することにより作用し、スティックスリップを抑制する動吸振器であって、
式(6)により定めた無次元λに対して、式(10)が成立するように調整されたμについての質量比率μ opt を使用し、式(11)、(12)及び(13)により求めた最適な動吸振器パラメータの付加質量m aopt 、最適な動吸振器のばね定数k aopt 及び最適な動吸振器の減衰係数c aopt を有する動吸振器。

(式(6)中、μ :振動体の静止摩擦係数、μ :振動体の動摩擦係数、W:振動体に加えられた負荷(N)、V:負荷Wが加えられた状態での振動体の下面の駆動速度(m/s)、m:振動体の質量(kg)、k:ばね定数k(N/m)をそれぞれ表す)



A dynamic vibration absorber that acts by contacting a vibrating body having a sliding surface on which stick-slip occurs and suppresses stick-slip ,
A dynamic vibration absorber having the added mass m aopt of the optimum dynamic vibration absorber parameters, the optimum dynamic vibration absorber spring constant k aopt , and the optimum dynamic vibration absorber damping coefficient c aopt obtained from the formulas (11), (12) and (13) using the mass ratio μ opt for μ adjusted so that the formula (10) holds for the dimensionless λ determined by the formula ( 6 ) .

(In formula (6), μ s : static friction coefficient of vibrating body, μ k : dynamic friction coefficient of vibrating body, W: load (N) applied to vibrating body, V: driving speed (m/s) of lower surface of vibrating body with load W applied, m: mass of vibrating body (kg), k: spring constant k (N/m), respectively)



請求項1に記載の作用は、動吸振器の取り付けモデルを適用した設計式が、式(6)により定めた前記無次元パラメータλに対して、式(10)の不等式が成立するように調整された前記質量比率μoptが決定される質量比率決定ステップと、決定された前記質量比率μoptにより式(11)、(12)及び(13)によってそれぞれ定まる動吸振器の前記最適な付加質量maopt、動吸振器の前記最適なばね定数kaopt、動吸振器の前記最適な減衰係数caoptが決定される動吸振器特性決定ステップと、を備える手順によって発現することを特徴とするスティックスリップを抑制する動吸振器の設計方法。 The operation described in claim 1 includes a mass ratio determination step in which the mass ratio μ opt is adjusted so that the inequality of equation (10) holds true for the dimensionless parameter λ determined by equation (6), and the optimum additional mass m aopt of the dynamic vibration absorber and the dynamic absorber determined by equations (11), (12) and (13) based on the determined mass ratio μ opt , respectively. A dynamic vibration absorber characteristic determining step in which the optimum spring constant k aopt of the vibration absorber and the optimum damping coefficient caopt of the dynamic vibration absorber are determined. 請求項2に記載の設計方法によって設計された動吸振器を利用したスティックスリップの抑制方法。 A method for suppressing stick-slip using a dynamic vibration absorber designed by the design method according to claim 2.
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