JPS61192443A - 非接触式アクテイブダンパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明は円筒研削加工、特に円筒トラバース方式の研
削加工に用いるアクティブダンパに関するものである。

細長い円筒形のワークを機械工作する場合のびびり振動
等を防止し、もってミクロンオーダーの高精度の工作を
可能とするものであって、タービン、ジャイロの軸など
の軸一般、その他、宇宙航空機器などの精密機器の製作
等に利用され得るものである。

［従来の技術］ 従来よりタービンやジャイロの軸のような、ミクロンオ
ーダーの精度を要求される細長い円筒形のワークを作る
場合には、円筒トラバース方式という機械研削の方式が
とられている。この方式では、所定の細長い円筒形に予
め成形されたワークの表面に、砥石による研削加工を施
し、目的の精度を得ている。

即ち、第９図にその原理を示すように、円筒形のワーク
１００を、その中心軸の両端において回転可能に支持し
、このワーク１００の外周面に、高速で回転する円盤型
の砥石車１０２の外周面を押し当てて研削する。ワーク
１００と砥石車１０２との中心軸は互いに平行であり、
ワーク１００と砥石車１０２とは、それぞれ、その中心
軸のロリに異なる回転速度で回転駆動されており、かつ
ワーク１００は、支持部材１０３につながるテーブル（
図示せず）ごと、ワーク１００の回転中心に平行に例え
ば方向１０４に沿って移動し、その結果砥石車１０２は
相対的に方向１０４の逆方向１０５にワーク１００上を
トラバースしつつ研削するものである。ここで第１０図
に示すように砥石車１０２とワーク１００の間には研削
抵抗と呼ばれる力が作用する。この力はワークの法線方
向（×方向）と接線方向（Ｕ方向）とに分けることがで
きるが、ワーク１００が細長いため、研削盤等の工作機
械系の剛性に比して、ワーク１００の剛性が非常に小さ
くなり、従って上記研削抵抗や外部からの強制力が原因
となって、ワーク１００には振動が発生しやすく、この
振動が高精度或いは高能率な加工を困難にするという問
題がある。

従来、このような細長いものの研削時にワークの不要な
動きを防止する手段としては、レスト１０６が用いられ
ている。

レスト１０６には自動式、手動式、固定式等のものがあ
るが、ワーク１００を支持したテーブルの面に固定され
る一種の押さえ部材であって、その先端部であるシュー
１０７は摩耗しにくい素材で構成され、シュー１０７で
ワークに直接接触して支持することによりワークを押え
、その不要な動きを防止しようとするものである。

し発明が解決しようとする問題点］ しかるに従来のレストは、シューの接触位置をネジで固
定したり、或いはバネでただ単に押し返しているという
ものであり、ワークの静的変位は防止できても、振動と
いう、動的な変位には対応できない。しかもトラバース
研削の場合はワーク上で砥石の削り位置が変化し撮動の
周波数が変動するため、周波数に追従してこの撮動を制
御・防止することは更に困難であり、しかもこれら従来
のレストは、ワークを載せているテーブルの面に固定し
て使用するためワークのある特定の点しか押えることが
できず、従ってトラバース研削の場合は何個かのレスト
を重複して使用しなくてはならず、かつ面倒な熟練的な
ノウハウを要するという問題があった。また、ワークに
接触しているレストのシューがワークをきづつけるとい
う問題があった。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであつ
−（、円筒トラバース方式の研削時等の、刻々変化する
ワークの撮動をインプロセスで検出し、速度比例形の減
衰力を電磁力によって非接触でワークに加えて、研削系
の制振を行うことができ、従って、熟練者を要さず、一
般の作業者にも高精度、高能率な工作が可能なアクティ
ブダンパを提供することを目的としている。

（ロ）発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の非接触式アクティブダ
ンパは、円筒研削ワークの撮動を検出する振動検出装置
と、前記振動検出装置からの信号を処理する処理制御装
置と、前記円筒研削ワークの側面に非接触で対向して位
置する電磁力ヘッドを有し研削砥石に追従して移動可能
な電磁ダンパ部とを備え、前記振動検出装置によって検
出された前記円筒研削ワークの撮動速度を前記処理制御
装置で導出し、前記振動速度に比例した電磁力を前記電
磁力ヘッドによって前記円筒研削ワークに作用させるよ
うに構成したことを特徴としている。

以下、この発明の詳細を、一実施例を示す図面について
説明する。

第１図、第２図、第３図及び第４図において、１は円筒
研削盤であり、ワーク２を砥石車３によって研削するも
のである。砥石車３は砥石台５に回転可能に支持されて
おり、かつワーク２に離接する前後の移動とワーク２の
軸方向に沿った横方向の移動が可能である。

４はこの発明に係るダンパである。ダンパ４は電磁ダン
パ部２０、振動検出装置３０及び処理制御装置２５を備
えている。電磁ダンパ部２０は砥石台５に取り付けられ
ていて砥石台５とともに移動可能である。

電磁ダンパ部２０は支持脚６と、センタコア７を備え、
センタコア７の両端にアーム８ａ、８ｂを接続した電磁
ヘッド９で構成されている。センタコア７は鉄心１１に
電磁コイル１２が巻回されて構成されており、また、ア
ーム８ａ、８ｂは鉄心１１の両端に接続していてワーク
２に向う方向に延出して平面視において砥石車３の両側
に位置している。アーム８ａ、８ｂは鉄心１１との磁気
的な接続状態を保ったまま、調整ねじ１３を操作するこ
とによって調整ねじ１３の軸方向に直線変位することが
できる。またアーム８ａ、８ｂはそれぞれ関節１４によ
って連結する基部１５と先端部１６とからなっており、
先端部１６は関節１４において基部１５に対して回転変
位することが可能である。これらの直線変位や回転変位
によりアーム８ａ、８ｂの先端部１６はワーク２に対し
て位置決めされる。

また、必要に応じてアーム８ａ、８ｂの基部１５を軸２
２に関して回転するように構成してもよい。それぞれの
アーム８ａ、８ｂの先端部１６はワーク２の側面とわず
かな隙間を保って非接触で対向する。

このような構成のＭ磁ダンパ部２０においては、電磁コ
イル１２に通電すると、アーム８ａ、先端部１６ａ、ワ
ーク２、先端部１６ｂ、アーム８ｂ、鉄心１１の間に磁
束が形成され、ワーク２が先端部１６ａ、１６ｂに吸引
される。この吸引力がこの発明において、ワーク２の振
動を減衰させるためにワーク２に加えられる外力である
。

この電磁コイル１２に通電される電流は第４図に示すよ
うに、振動検出装Ｖ！Ｉ３０からの信号にもとづいて、
処理制御装置２５によって制御される。

振動検出装置３０は心押台センタ３１に取り付けられた
歪ゲージ３２を備えている。

処理制御装置２５はダンピング制御系２７及びコンプラ
イアンス補正制御系２８を備えている。

ダンピング副面系２７は心挿台センタ３１に取付けられ
た歪ゲージ３２、歪ゲージ３２の出力を受けるストレー
ンアンプ３３、ストレーンアンプ３３からの出力信号を
処理する信号調整回路３４及び信号調整回路３．４から
の信号を受けて電流を増幅するパワーアンプ３５を備え
ている。信号調整回路３４はフィルター３６、微分回路
３７、微分回路３８及び加算回路４１を備えている。

また、コンプライアンス補正制御系２８はスケールヘッ
ド４２、カウンター４３、ＡＤコンバータ４５を備えて
おり、ＡＤコンバータ４５はコンピュータ４６のＧＰ−
ＩＢインターフェース４７に接続している。また、コン
ピュータ４６はＧＰ−ＩＢインターフェース４７、ＤＡ
コンバータ４８を介して加算回路４１に直流電圧を出力
する。

［作用］ 以上のように構成されたダンパ４の作用は次の通りであ
る。

すなわち、円筒研削の場合に、ワーク２は砥石車３と接
触して変動研削力Ｆｇを受ける。

この場合のワーク系運動方程式（ワークは弾性はり部材
）は、Ｅを弾性係数、Ｉを新面２次モーメント、ｙをた
わみ、Ｘを中心軸上の座標、ｔを時間、ρを密度、Ａを
断面積、ｃｏを減衰係数、Ｆｇを変動研削力、Ｆを外力
とすると ＥＩ（９’ｙ／θｘ’）＋Ｃ（９Ｖ／ａｔ）＋ρＡ（ａ
　　Ｖ／９ｔ　　）＝ＦＱ＋Ｆ　　　　（１）（ｒ１１
石台系の特性は省略） 外力Ｆに Ｆ＝−Ｃ（ａｙ／９ｔ＞（Ｃ＞Ｏ）　　　　　　（２）
を加えると Ｅ　Ｉ　（８４ｙ／ＦＸ’　） ＋　（Ｇｏ＋ｃ＞　（２ｓｙ／９ｔ） ＋ρＡ（Ｂ　　Ｖ／３ｔ２＞＝＝ＦＱ　　　　　（３）
つまり減衰項の係数が（−Ｇｏ＋Ｃ）となってワーク系
の減衰が大きくなる。

びびりに最も影響の深い、１次固有振動数だけｉωｔ に注目すると、ＦＱ＝ｅ　　　　の場合、ワークのたわ
みｙ（ｘ、ｔ＞は定常振動を仮定すると、近似的に次の
ように求められる。

Ｖ　（ｘ、ｔ）＝　（ＡＩ　Ｓ団λ１ｘ＋Ａ　　ｃｏｓ
λ１ｘ ＋Ａ　　５ｉｎｈλ１ｘ １ω［＋θ ＋Ａ　　ｃｏｓｈλ１ｘ）ｅ ・・−（４） ここにλ　は１次の固有値、Ａ１−Ａ４は定数である。

歪ゲージ３２からの出力はワークの心神金側端部のたわ
みに比例するため、ワーク任意点の撮幅は、式（４）よ
り求めることができる。

従って歪ゲージ３２からの出力を微分すると、それは速
度に比例するものと考えられる。

以上がこの発明で採用するダンピング方式の制御理論で
ある。

そこでまず、歪ゲージ３２でワークの心押台側端部のた
わみを検出する。歪ゲージ３２で検出された変位信号は
ストレーンアンプ３３で増幅されのち、フィルター３６
で二次振動モード以上の周波数域がカットされ、−次振
動モード域の振動成分だけが取り出される。次にフィル
ター３６から出力された信号は微分回路３７で微分され
て振動の速度比例形の信号となり、さらに微分回路３８
で微分されて電磁ダンパ部２０の電磁コイル１２のイン
ダクタンス負荷を補償するための調整が行われる。つい
で振動の調整された信号は加算回路４１に入力される。

加算回路４１には、振動成分の２倍の周波数をもつ電磁
力成分を除去するためと、さらに、ワーク２の円筒度を
確保するためにワーク２に対する砥石車３の切込み量が
どの位置でも一定（ワークの静的コンプライアンスが長
手方向で一定）になるような力を電磁ダンパ部２０に発
生さぜるために、ＤＣバイアス信号がＯＡコンバータ４
８から入力される。加算回路４１はＤＣバイアス信号と
調整された振動信号を加え合わせパワーアンプ入力に付
加する。

第５図に示すように、先端部１６ａ、１６ｂの断面積を
Ｓ　、ワークの断面積を８２、電磁へツドとワーク間の
ギャップをδ、電磁ヘッド９の比透磁率をμｍ、ワーク
の比透磁率をＩ２、電磁コイルの巻数をｎ、電磁ヘッド
の磁束の通路長を１　、ワークの磁束通路長を１２、電
ｒ／ｉＪ］イルに通電される電流を１１そのうち、ＡＣ
成分を１１、ＤＣ成分を１　　真空の透磁率をμ。とす
ると電Ｏゝ 磁力Ｆは Ｆ＝　（（１／Ｓ　　）（１−（１／μ２））Ｘ（ｎＩ
）２）／（（１／μ　） Ｘ（（１／（μｍ５１）） ＋（２δ／Ｓ　　）＋（１／（Ｉ２Ｓ２）））　〕；α
（Ｉ　　ｓｉｎωｔ’＋ｌ　　）２２．２ ＝ａ（１１ｓｉｎ　　ωｔ ＋２１１１ｏｓｉｎω１．＋１゜） ＝αＮＴ１　／２） −（（１１／２）ｃｏＳ２ωｔ　） ＋（２［１１ｏ　ｓｉｎω口→ｉｏ　）・（５）研削点
マ＝ｉでｙのたわみをワークに生じさせるためのには、 Ｆ　　＝ｙ／（（１／６）ａｂ（＜１−Ｉ２−ｂ２）＋
（（ａ／ｋ　　　）−（ｂ／ｋ　１　））ａ＋　（ｂ　
／　ｋ　１）　）　、　）　　　　　　・・・（６）な
る力Ｆ５が必要である。ここに Ｆ　　＝（Ｆ　　Ｉ２）／（Ｅｌ）、 ａ−ａ／Ｉ、ワ＝ｙ／１、 ｋ、＝（ｋ、Ｉ３）／（Ｅｌ）（ｉ＝１．２）ｂ＝１−
ａで１はワーク全長、ｋｌ、ｋ２はそれぞれ主軸台セン
タ、心押台センタのバネ定数である。

したがって式（５）より Ｆ、−Ｉｂ　　ｏｃＶｂ なる関係があるから ｖ　ｂ　ｏｃ　ａ　Ｅ である。そこでこのＶｂをＤＣバイアス信号としてパワ
ーアンプ入力に付加する。このＶｂはスケールヘッド４
２からの研削位置信号をカウンタ４３で計数し、ＡＤコ
ンバータ４５を介してコンピュータ４６で演算され、Ｄ
Ａコンバータ４８を介して加算回路４１に入力される。

第６図は本発明のアクティブダンパのワーク振動抑制効
果を丞すちので ワークの長さ　４９０ｍｍ 加振及び制振位置　ワークの中央 加娠力　５Ｎ パワーアンプ入力　ＤＣバイアス　０．５Ｖギヤツプ　
１ｍｍ としたとぎ、パワーアンプのゲインを上げて行くと振動
の振幅がしだいに低下していくことが判る。

第７図はワークの撮動のベクトル線図であり、本発明の
ダンパを使用した場合はびびりの発生が小さいことがわ
かる。

第８図は実際の研削における歪ゲージの出力を示したも
ので、第８図（ａ）はダンパなしの場合、第８図（ｂ）
本発明のダンパを使用したものであるが、本発明のダン
パを使用した場合は良好な減衰効果を発揮することがわ
かる。

（ハ）発明の効果 このようにこの発明のアクティブダンパはインプロセス
で振動を検出し、それに相応する減衰力を工作物系に与
えて、ワークの振動を減衰させるので研削加工に熟練を
要さずに、一般の作業者にも高精度、高能率な工作が可
能であり、また特に重要なこととして、この発明のアク
ティブダンパはワークに対して非接触で振動減衰力を与
えるので、ワークの研削面に損傷を与えることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は電磁ダンパ部の平面図、第２図は電磁ダンパ部
の正面図、第３図は電磁ダンパ部の側面図、第４図はア
クティブダンパの構成説明図、第５図はｉ！磁ヘッドと
ワークの電磁関係を示す説明図、第６図はワークの振動
の特性変化を示すグラフ、第７図はワーク振動のベクト
ル線図、第８図は円筒研削におけるワークの撮動の時間
変化を示すグラフ、第９図は従来の円筒研削盤を示す平
面説明図、及び第１０図はワークに作用する研削抵抗を
示す説明図である。 １・・・円筒研削盤　　２・・・ワーク　　３・・・砥
石車４・・・ダンパ　　５・・・砥石台　　６・・・支
持脚　　７・・・センタコア　　８ａ、８ｂ・・・アー
ム　　９・・・電磁ヘッド　　１１・・・鉄心　　１２
・・・電磁コイル１３・・・調整ねじ　　　１４・・・
関節　　　１６ａ。 １６ｂ・・・先端部　　２０・・・電磁ダンパ部　　２
２・・・ｆ＊２５・・・処理制御装置　　２７・・・ダ
ンピング制御系　　２８・・・コンプライアンス補正制
御系３０・・・振動検出装置　　３１・・・心押台セン
タ３２・・・歪ゲージ　　３３・・・ストレーンアンプ
３４・・・信号調整回路　　３５・・・パワーアンプ３
６・・・フィルター　　３７・・・微分回路　　３８・
・・微分回路　　４１・・・加算回路　　４２・・・ス
ケールヘッド　　４３・・・カウンタ　　４５・・・Ａ
Ｄコンバータ　　４６・・・コンピュータ　　４７・・
・ＧＰ−ＩＢインターフェイス　　４８・・・ＯＡコン
バータ第１図 第２図 第８図 （（１＞

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円筒研削ワークの振動を検出する振動検出装置と、前記
   振動検出装置からの信号を処理する処理制御装置と、前
   記円筒研削ワークの側面に非接触で対向して位置する電
   磁力ヘッドを有し研削砥石に追従して移動可能な電磁ダ
   ンパ部とを備え、前記振動検出装置によつて検出された
   前記円筒研削ワークの振動速度を前記処理制御装置で導
   出し、前記振動速度に比例した電磁力を前記電磁力ヘッ
   ドによつて前記円筒研削ワークに作用させるように構成
   したことを特徴とする非接触式アクティブダンパ