2020 Fiscal Year Research-status Report
Creation of non-circular and non-axisymmetric inner cylinder machining method by controlling the axis' center position of the machine tool spindle
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20K04215
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
森本 喜隆 金沢工業大学, 工学部, 教授 (00290734)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 晃生 金沢工業大学, 工学部, 講師 (50734430)
大島 政英 公立諏訪東京理科大学, 工学部, 教授 (70233103)
加藤 秀治 金沢工業大学, 工学部, 教授 (90278101)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 工作機械 / 主軸 / 軌跡制御 / 電磁力 / 歳差運動 / 外乱オブザーバ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気自動車へのシフト，内燃機関のさらなる効率化を実現はカーボンニュートラルの社会実現にとってキーファクターである．その課題解決の一つにモータケーシング，エンジンシリンダの非円形・非軸対象ボーリング加工の実現がある．半径方向に数十μm程度の起伏と深さ方向に連続的に変化する内筒形状の創成は，EVモータのコギング現象の激減，内燃機関の熱効率50％以上達成の突破口となる．
本研究では，電磁力により回転トルクと半径方向力を同時に発生させ，磁気軸受機能と主軸軸心の二次元位置決め機能を併せ持つ新しいビルトインモータを開発した．このモータの半径方向発生力を利用して，ロータとステータ間のクリアランスを二次元位置制御し，主軸回転位置制御と同期させながら内径工具の軸心の歳差運動が可能となることを実証するために，主軸の動特性パラメータを求め，外乱オブザーバを実装し，動作確認を行った．この結果，主軸が歳差運動すること，軌跡精度は制御系のチューニングに依存しながらも，十分に初期の目標である1μm程度に入ることを確認した．
特に，外乱オブザーバーの構成に取り組み，主軸系の運動方程式の構築とそれに伴う動特性パラメータの実測および算出を行い，主軸の挙動を精度良く表すことに成功した．また，得られたパラメータを用いて外乱オブザーバを構築するためのシミュレーションを行い，十分な効果が得られることを確認したので，これを実装するためのプログラム作成，基本性能試験等を行い，十分な効果が得られることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
主軸の開発が機械系ハード，制御系ハードともに順調に推移し，当初の計画どおり進展した．これに伴い制御ソフトウエアの開発では，外乱オブザーバーの実装に伴う，動特性パラメータの同定が精度よく取得でき，また，主軸用モータの制御系のセットアップも応答時間を維持しながらも，剛性をもたせられるように高速サンプリングを可能とし，さらに，動作中に挙動を観測できるように，制御系内部，および変位計測等を同時に行うことを可能としたため，各種の主軸の動作特性評価が円滑に実行できた．
これにより，特に外乱オブザーバーを実装し，その効果を確認する際に，バンドパスフィルターを併用し，従来の外乱オブザーバーの性能を超える成果が得られた．このとき，切削抵抗の中でも，主分力，背分力に相当する力を高精度に予測することが可能となり，当初の予定より早い研究の進捗を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は，これまでに得られた主軸の基本性能の確認と，主軸をマシニングセンタに実装して，実際に加工するための準備を行う．これと並行して，主軸に装着した工具が主軸の動剛性にどのように影響するかを検証し，1次モード，2次モードに着目し，これらのモードパラメータの算出，これを用いた強制振動によるビビリ振動の発生を検出，抑制できるような制御系の整備を行う．これを外乱オブザーバーを用いた振動抑制システムとして完成させて，主軸制御システムに実装する．マシニングセンタには，試作した主軸を装着できるように改造を行い，主軸保持系の動剛性，静剛性を確保しながら加工実験が可能となるように整備する．これらの完成を受けて，加工実験に移行する．このとき，通常の主軸としての真円加工，主軸軸心位置制御を行った真円加工，非円形加工を行い，主軸の評価を開始する．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍で学会発表の予定が変更となり，海外への調査も行うことができませんでした．このため，45万円あまりの経費を今年度に使用することとします．今年度は当初予定に加えた活動を行い，研究成果を広く公表することに努める予定です．
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