JP5375103B2 - 回転バランス修正装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速回転体の回転バランスを修正する回転バランス修正装置及び方法に関する。

従来から、車両用過給機やガスタービン等の高速回転機械では、実運転時における振動を抑制するために、出荷前に高速回転体の回転バランスを修正することが一般的である。
このような回転バランスの修正は、高速回転体の回転軸と一体的に回転する修正対象部（例えば、回転軸に固定されたナット等）の一部を修正加工（切削）することで行う。修正対象部の修正量（切削量）及び修正角度（切削方位）は、高速回転体を実運転に近い速度で回転させた状態で、加速度センサによって高速回転体の振動成分を検出すると共に、回転センサによって高速回転体の回転角を検出し、これら高速回転体の振動成分と回転角との関係に基づいて算出する（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００２−３９９０４号公報

以下、図５を参照して、高速回転体の回転バランス修正方法の具体例について説明する。まず、図５に示すように、高速回転体１０の回転軸１１と一体的に回転するように固定設置された修正対象部である６角ナット１２の修正量（切削量）及び修正角度（切削角度）を求める。具体的には、高速回転体１０を実運転に近い速度で回転させた状態で、加速度センサ２０を用いて回転アンバランスによって発生する回転支持体１３の振動に応じた加速度信号を発生させると共に、光センサ３０を用いて回転軸１１の外周面に塗布されたマーカを検出することで、１回転毎に１個のパルス信号を発生させる。

そして、不図示のバランス演算処理部により、光センサ３０から出力されるパルス信号を基に回転数及び回転角を算出し、所定の修正回転数（例えば実運転に近い回転数）における、回転角と加速度信号（つまり振動成分）との関係に基づいて６角ナット１２の切削量及び切削角度を算出する。

このように６角ナット１２の切削量及び切削角度の算出が完了した後、高速回転体１０を停止させ、不図示の切削ドリルや回転軸１１の回転角を微調整するためのサーボモータ等からなるバランス修正加工部により、上記切削量及び切削角度に基づいて６角ナット１２を切削して回転バランスの修正を行う。具体的には、回転軸１１の回転角の原点復帰を行った後、その原点位置を基準として回転角を切削角度に位置決めし、６角ナット１２の端面から切削量に応じた移動量だけ切削ドリルを６角ナット１２の深さ方向に前進させることで６角ナット１２を切削する。

この時、図６に示すように、６角ナット１２の回転軸１１に対する固定方位（６角ナット１２の回転中心と頂点とを結ぶ直線の方位）によっては、同じ切削角度でも切削される量が異なるため、６角ナット１２の固定方位を検出するナット方位検出用センサ４０を設け、切削角度に対して６角ナット１２の固定方位に応じた補正を行うことで、所望の切削量を実現して正確な回転バランス修正を行う。このため、６角ナット１２の固定方位を検出するためのナット方位検出用センサ４０を設ける必要があり、部品コストの増大を招くこととなる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、低コストで修正対象部の回転軸に対する固定方位を検出することができ、その固定方位に応じた補正を行うことで所望の切削量を実現して正確な回転バランス修正を行うことが可能な回転バランス修正装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、回転バランス修正装置に係る第１の解決手段として、高速回転体の回転軸と一体的に回転するように固定設置された修正対象部を修正加工することにより前記高速回転体の回転バランスを修正する回転バランス修正装置であって、Ｎ極とＳ極に２分して着磁された回転軸の軸端面に対向して設置された磁気センサと、前記高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体に設置された加速度センサと、前記磁気センサ及び前記加速度センサの出力信号に基づいて、前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出するバランス演算処理部と、前記修正角度を基に前記回転軸の回転角を位置決めした後、前記修正量を基に前記修正対象部を修正加工するバランス修正加工部とを備え、前記バランス演算処理部は、前記回転軸の軸端面における着磁方位と、前記修正対象部の回転軸に対する固定方位との関係に応じて前記修正量と修正角度の少なくとも一方を補正することを特徴とする。

また、回転バランス修正装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記バランス演算処理部は、前記磁気センサの出力信号から高速回転体の回転数及び回転軸の回転角を算出し、所定の修正回転数における回転角と加速度センサの出力信号との関係に基づいて前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出することを特徴とする。

また、回転バランス修正装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記磁気センサの出力信号を基に、バランス修正加工部による前記位置決め前の回転軸の原点復帰に必要な原点基準信号を生成する基準信号生成部を備え、前記バランス修正加工部は、前記原点基準信号に基づいて前記位置決め前に回転軸の原点復帰を行うことを特徴とする。

また、回転バランス修正装置に係る第４の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記磁気センサの出力信号を基に回転軸の回転角を検出する回転角検出部を備え、前記バランス演算処理部は、前記回転角検出部にて検出された回転角から高速回転体の回転数を算出し、所定の修正回転数における回転角と加速度センサの出力信号との関係に基づいて前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出することを特徴とする。

また、回転バランス修正装置に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記バランス修正加工部は、前記回転角検出部にて検出された回転角に基づいて前記位置決め前に回転軸の原点復帰を行うことを特徴とする。

また、回転バランス修正装置に係る第６の解決手段として、上記第４または第５の解決手段において、前記回転角検出部は、前記磁気センサの出力信号を基に、前記回転角の検出結果を示すデジタルデータを出力するレゾルバ／デジタル変換器であることを特徴とする。

さらに、本発明では、回転バランス修正方法に係る解決手段として、高速回転体の回転軸と一体的に回転するように固定設置された修正対象部を修正加工することにより前記高速回転体の回転バランスを修正する回転バランス修正方法であって、Ｎ極とＳ極に２分して着磁された回転軸の軸端面に対向して設置された磁気センサの出力信号と、前記高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体に設置された加速度センサの出力信号とに基づいて、前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出する第１工程と、前記修正角度を基に前記回転軸の回転角を位置決めした後、前記修正量を基に前記修正対象部を修正加工する第２工程と、を有し、前記第１工程では、前記回転軸の軸端面における着磁方位と、前記修正対象部の回転軸に対する固定方位との関係に応じて前記修正量と修正角度の少なくとも一方を補正することを特徴とする。

本発明によれば、従来のように、修正対象部の固定方位を検出するための方位検出用センサを用いることなく、修正角度に対する修正対象部の固定方位を求めることができる。すなわち、部品コストの増大を招くことなく、低コストで修正対象部の固定方位に応じた補正を行うことでき、所望の切削量を実現して正確な回転バランス修正を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る回転バランス修正装置のブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る回転バランス修正装置における磁気センサ１及び加速度センサ２の高速回転体１０に対する配置関係を示す模式図である。 回転軸１１の軸端面１１ａにおける着磁方位と、６角ナット１２の回転軸１１に対する固定方位との関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る回転バランス修正装置の変形例である。 方位検出用センサ４０を用いて６角ナット１２の固定方位を検出する場合の回転バランス修正方法に関する説明図である。 ６角ナット１２の固定方位のバラツキによる問題点に関する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る回転バランス修正装置のブロック構成図である。この図１に示すように、本実施形態に係る回転バランス修正装置は、磁気センサ１、加速度センサ２、第１増幅器３、第２増幅器４、比較器５、バランス演算処理部６及びバランス修正加工部７から構成されている。

このような回転バランス修正装置は、図２に示すように、予め軸端面１１ａがＮ極とＳ極に２分して着磁された回転軸１１の軸端面１１ａに対向して設置された磁気センサ１と、高速回転体１０を高速回転可能に支持する回転支持体１２に設置された加速度センサ２の出力信号に基づいて、回転軸１１と一体的に回転するように固定設置された６角ナット１２（修正対象部）の切削量（修正量）及び切削角度（修正角度）を算出し、これら切削量及び切削角度に応じて６角ナット１２を修正加工することで高速回転体１０の回転バランスを修正するものである。

磁気センサ１は、回転軸１１の軸端面１１ａに対向する面内において直交配置された２つの磁気抵抗器を有しており、高速回転体１０が回転すると、回転軸１１の１回転（３６０°）を１周期とする正弦波信号と、該正弦波信号に対して位相が９０°ずれた正弦波信号（つまり余弦波信号）の２つの信号を第１増幅器３に出力する。加速度センサ２は、高速回転体１０の回転アンバランスによって発生する回転支持体１２の振動を検出し、当該振動に応じた加速度信号を第２増幅器４に出力する。

第１増幅器３は、磁気センサ１から入力される正弦波信号及び余弦波信号を増幅した後、正弦波信号を比較器５に出力すると共に、正弦波信号及び余弦波信号をバランス演算処理部６（詳細には信号入力部６ａ）に出力する。第２増幅器４は、加速度センサ２から入力される加速度信号を増幅してバランス演算処理部６（詳細には信号入力部６ａ）に出力する。比較器５（基準信号生成部）は、第１増幅器３から入力される正弦波信号が正の期間、つまり回転軸１１の回転角θが０°〜１８０°の期間のみ所定電圧値となる回転パルス信号（原点基準信号）を生成してバランス修正加工部７（詳細には角度位置決め機構７ａ）に出力する。

バランス演算処理部６は、磁気センサ１の出力である正弦波信号及び余弦波信号と、加速度センサ２の出力である加速度信号とに基づいて、６角ナット１２の切削量及び切削角度を算出するものであり、信号入力部６ａとデジタル演算部６ｂとから構成されている。信号入力部６ａは、例えばＡ／Ｄコンバータであり、第１増幅器３を介して入力される正弦波信号及び余弦波信号と、第２増幅器４を介して入力される加速度信号とをデジタル信号に変換してデジタル演算部６ｂに出力する。

デジタル演算部６ｂは、正弦波信号（または余弦波信号でも良い）から高速回転体１０の回転数を算出すると共に、正弦波信号及び余弦波信号に基づいて回転軸１１の回転角θを算出し（回転角θ＝tan^-1(sinθ/cosθ)）、所定の修正回転数（例えば実運転に近い回転数）における、６角ナット１２の切削量及び切削角度を算出する。さらに、本実施形態におけるデジタル演算部６ｂは、回転軸１１の軸端面１１ａにおける着磁方位と、６角ナット１２の回転軸１１に対する固定方位との関係に応じて切削量と切削角度の少なくとも一方を補正する機能を備えている。

バランス修正加工部７は、バランス演算処理部６（デジタル演算部６ｂ）によって算出された切削量及び切削角度に基づいて６角ナット１２を修正加工するものであり、角度位置決め機構７ａと修正加工機構７ｂとから構成されている。角度位置決め機構７ａは、回転停止時において、回転軸１１の回転角θを微調整するためのサーボモータ等からなる機構であり、回転軸１１の回転角θをデジタル演算部６ｂから入力される切削角度に位置決めする。なお、この時、角度位置決め機構７ａは、比較器５から入力される回転パルス信号を基に回転軸１１の原点復帰を行って原点位置（回転角θ＝０°）を確定し、その原点位置を基準として回転角θを切削角度に位置決めする。

修正加工機構７ｂは、６角ナット１２を修正加工（切削）するための切削ドリルや該切削ドリル先端の移動制御機構等からなる機構であり、デジタル演算部６ｂから入力される切削量に基づいてドリル先端の移動量を制御することにより６角ナット１２を切削する。なお、修正加工機構７ｂは、角度位置決め機構７ａによる回転角θの位置決めが完了した後に、６角ナット１２の切削を実施する。

次に、上記のように構成された本実施形態に係る回転バランス修正装置の動作について説明する。
まず、高速回転体１０を所定の修正回転数で回転させる。例えば、高速回転体１０が車両用過給機のタービンである場合、圧縮空気を供給することで高速回転体１０を回転させる。このように高速回転体１０を回転させるための機構（圧縮空気供給装置等）は、回転バランス修正装置によって制御しても良いし、他の制御装置によって制御するようにしても良い。

上記のように高速回転体１０が回転すると、磁気センサ１から回転軸１１の１回転（３６０°）を１周期とする正弦波信号と、該正弦波信号に対して位相が９０°ずれた余弦波信号が出力される一方、加速度センサ２から高速回転体１０の回転アンバランスによって発生する振動に応じた加速度信号が出力される。

磁気センサ１の出力である正弦波信号及び余弦波信号は、第１増幅器３及び信号入力部６ａを介して増幅及びデジタル変換された後、デジタル演算部６ｂに入力される。一方、加速度センサ２の出力である加速度信号は、第２増幅器４及び信号入力部６ａを介して増幅及びデジタル変換された後、デジタル演算部６ｂに入力される。

そして、デジタル演算部６ｂは、正弦波信号から高速回転体１０の回転数を算出すると共に、正弦波信号及び余弦波信号に基づいて回転軸１１の回転角θを算出し、修正回転数における回転角θと加速度信号（振動成分）との関係に基づいて６角ナット１２の切削量及び切削角度を算出する。ここで、デジタル演算部６ｂは、回転軸１１の軸端面１１ａにおける着磁方位と、６角ナット１２の回転軸１１に対する固定方位との関係に応じて切削量と切削角度の少なくとも一方を補正する。

図３は、回転軸１１の軸端面１１ａにおける着磁方位と、６角ナット１２の回転軸１１に対する固定方位との関係を示す模式図（６角ナット１２及び回転軸１１を軸端面１１ａ側から視た図）である。図３に示すように、例えば回転軸１１の回転角θが０°（原点位置）である場合の軸端面１１ａにおける着磁方位を基準とし、６角ナット１２の固定方位（６角ナット１２の回転中心と頂点とを結ぶ直線の方位）と着磁方位との間に角度ずれΔθが存在していると仮定する。

この場合、回転軸１１の回転角θに対して、６角ナット１２の固定方位はΔθ分だけずれていることになる。図６を用いて説明したように、６角ナット１２の固定方位によっては、同じ切削角度でも実際に切削される量が異なるため、切削角度に対して６角ナット１２の固定方位に応じた補正を行う必要がある。すなわち、予め着磁方位と６角ナット１２の固定方位との角度ずれΔθを求めておくことにより、上記のように算出した切削角度に対する６角ナット１２の固定方位を知ることができ、その６角ナット１２の固定方位に応じて切削角度を補正することで、所望の切削量を実現して正確な回転バランス修正を行うことが可能となる。

具体的には、このような角度ずれΔθは、デジタル演算部６ｂの内部メモリ等に予め記憶されており、デジタル演算部６ｂは、切削角度及び切削量を算出した後、内部メモリに記憶されている角度ずれΔθから切削角度に対する６角ナット１２の固定方位を算出し、その６角ナット１２の固定方位に応じて切削角度を補正する。なお、切削角度ではなく、切削量を補正しても良く、切削角度及び切削量の両方を補正するようにしても良い。

このように補正された切削角度及び切削量は、一旦、デジタル演算部６ｂの内部メモリに格納される。そして、高速回転体１０の回転が停止し、６角ナット１２の修正加工を開始する際において、デジタル演算部６ｂは、内部メモリから読み出した切削角度を角度位置決め機構７ａに出力する一方、同じく内部メモリから読み出した切削量を修正加工機構７ｂに出力する。

角度位置決め機構７ａは、高速回転体１０の回転停止時において、デジタル演算部６ｂから入力される修正角度を基に回転軸１１の回転角θの位置決めを行う。この時、角度位置決め機構７ａは、比較器５から入力される回転パルス信号を基に原点復帰を行って原点位置（回転角θ＝０°）を確定し、その原点位置を基準として回転角θの位置決めを行う。

そして、修正加工機構７ｂは、角度位置決め機構７ａによる回転角θの位置決めが完了した後、デジタル演算部６ｂから入力される切削量に基づいて切削ドリルを制御することにより６角ナット１２を修正加工する。具体的には、６角ナット１２の端面から切削量に応じた移動量だけ切削ドリルを６角ナット１２の深さ方向に前進させることで６角ナット１２を切削する。

以上のように、本実施形態に係る回転バランス修正装置によれば、従来のように、６角ナット１２の固定方位を検出するためのナット方位検出用センサを用いることなく、切削角度に対する６角ナット１２の固定方位を求めることができる。すなわち、部品コストの増大を招くことなく、低コストで６角ナット１２の固定方位に応じた補正を行うことでき、所望の切削量を実現して正確な回転バランス修正を行うことが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が考えられる。
（１）図４に、本変形例における回転バランス修正装置のブロック構成図を示す。なお、図４において、図１と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。この図４に示すように、本変形例における回転バランス修正装置は、比較器５の代わりにＲ／Ｄ（レゾルバ／デジタル）変換器８を備えている。

このＲ／Ｄ変換器８は、磁気センサ１から第１増幅器３を介して入力される正弦波信号及び余弦波信号を基に回転軸１１の回転角θを検出し、その検出結果を示すデジタルデータ（アブソリュート信号）をデジタル演算部６ｂ及び角度位置決め機構７ａに出力する。例えば、図４に示すように、Ｒ／Ｄ変換器８の変換分解能を１０ビット（１０２４）とすると、３６０°／１０２４＝０．３５°となり、１°以下の回転角θの検出が可能である。

このようにＲ／Ｄ変換器８を設けた場合、デジタル演算部６ｂは、Ｒ／Ｄ変換器８から入力されるアブソリュート信号（つまり回転角θの検出結果）から高速回転体１０の回転数を算出し、所定の修正回転数における回転角θと加速度信号（振動成分）との関係に基づいて６角ナット１２の切削量及び切削角度を算出する。また、角度位置決め機構７ａは、切削角度の位置決め前に、Ｒ／Ｄ変換器８から入力されるアブソリュート信号に基づいて、回転軸１１の原点復帰を行う。

図１の回転バランス修正装置では、磁気センサ１から出力される正弦波信号及び余弦波信号を基にソフトウェア演算によって回転角θを算出しているが、この場合、デジタル演算部６ｂにおける演算負荷が重くなり、高性能な演算用ＣＰＵが必要となる。これに対して、図４の回転バランス修正装置では、回転角θをハードウェア（つまりＲ／Ｄ変換器８）によって検出するため、回転角θのソフトウェア演算が不要となり、比較的廉価なＣＰＵを使用することができる。なお、本変形例では、回転角検出部としてＲ／Ｄ変換器８を用いた場合を例示したが、回転軸１１の回転角θを検出可能であれば、Ｒ／Ｄ変換器８以外の検出器を使用しても良い。

（２）上記実施形態では、高速回転体１０として車両用過給器のタービンを想定したが、その他、ガスタービン等の高速回転機械の回転バランスを修正するために、本発明を適用することが可能である。

１…磁気センサ、２…加速度センサ、３…第１増幅器、４…第２増幅器、５…比較器、６…バランス演算処理部、６ａ…信号入力部、６ｂ…デジタル演算部、７…バランス修正加工部、７ａ… 角度位置決め機構、７ｂ…修正加工機構、８…Ｒ／Ｄ変換器、１０…高速回転体、１１…回転軸、１１ａ…軸端面、１２…６角ナット、１３…回転支持体

Claims (7)

1. 高速回転体の回転軸と一体的に回転するように固定設置された修正対象部を修正加工することにより前記高速回転体の回転バランスを修正する回転バランス修正装置であって、
   Ｎ極とＳ極に２分して着磁された回転軸の軸端面に対向して設置された磁気センサと、
   前記高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体に設置された加速度センサと、
   前記磁気センサ及び前記加速度センサの出力信号に基づいて、前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出するバランス演算処理部と、
   前記修正角度を基に前記回転軸の回転角を位置決めした後、前記修正量を基に前記修正対象部を修正加工するバランス修正加工部と、を備え、
   前記バランス演算処理部は、前記回転軸の軸端面における着磁方位と、前記修正対象部の回転軸に対する固定方位との関係に応じて前記修正量と修正角度の少なくとも一方を補正することを特徴とする回転バランス修正装置。
2. 前記バランス演算処理部は、前記磁気センサの出力信号から高速回転体の回転数及び回転軸の回転角を算出し、所定の修正回転数における回転角と加速度センサの出力信号との関係に基づいて前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出することを特徴とする請求項１記載の回転バランス修正装置。
3. 前記磁気センサの出力信号を基に、バランス修正加工部による前記位置決め前の回転軸の原点復帰に必要な原点基準信号を生成する基準信号生成部を備え、
   前記バランス修正加工部は、前記原点基準信号に基づいて前記位置決め前に回転軸の原点復帰を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の回転バランス修正装置。
4. 前記磁気センサの出力信号を基に回転軸の回転角を検出する回転角検出部を備え、
   前記バランス演算処理部は、前記回転角検出部にて検出された回転角から高速回転体の回転数を算出し、所定の修正回転数における回転角と加速度センサの出力信号との関係に基づいて前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出することを特徴とする請求項１記載の回転バランス修正装置。
5. 前記バランス修正加工部は、前記回転角検出部にて検出された回転角に基づいて前記位置決め前に回転軸の原点復帰を行うことを特徴とする請求項４記載の回転バランス修正装置。
6. 前記回転角検出部は、前記磁気センサの出力信号を基に、前記回転角の検出結果を示すデジタルデータを出力するレゾルバ／デジタル変換器であることを特徴とする請求項４または５に記載の回転バランス修正装置。
7. 高速回転体の回転軸と一体的に回転するように固定設置された修正対象部を修正加工することにより前記高速回転体の回転バランスを修正する回転バランス修正方法であって、
   Ｎ極とＳ極に２分して着磁された回転軸の軸端面に対向して設置された磁気センサの出力信号と、前記高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体に設置された加速度センサの出力信号とに基づいて、前記修正対象部の修正量及び修正角度を算出する第１工程と、
   前記修正角度を基に前記回転軸の回転角を位置決めした後、前記修正量を基に前記修正対象部を修正加工する第２工程と、を有し、
   前記第１工程では、前記回転軸の軸端面における着磁方位と、前記修正対象部の回転軸に対する固定方位との関係に応じて前記修正量と修正角度の少なくとも一方を補正することを特徴とする回転バランス修正方法。

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