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1995 年度 研究成果報告書概要

超精密加工機用静圧エアスピンドルの開発

研究課題

研究課題/領域番号 06555044
研究種目

試験研究(B)

配分区分補助金
研究分野 設計工学・機械要素・トライボロジー
研究機関東京工業大学

研究代表者

小野 京右  東京工業大学, 工学部, 教授 (40152524)

研究分担者 植本 浩紀  リコー, 生産技術研究所, 主任研究員
崔 長植  東京工業大学, 工学部, 教務職員 (00242280)
山本 浩  埼玉大学, 工学部, 助教授 (20220494)
研究期間 (年度) 1994 – 1995
キーワード静圧空気軸受 / 超精密加工機用エアスピンドル / 動剛性最大設計 / 高減衰設計 / 円周・格子溝軸受 / 分布スペクトル励振力 / 応答変位のrms値 / エアスピンドル弾性振動解析
研究概要

1.軸受・ロータ系共振点の減衰を最大とする減衰最大化軸受面設計 空気膜のスクィーズ効果による減衰が最大となる周波数は軸受面の幅を小さくすれば増大することに着目し,格子形細溝を軸受面に形成することにより空気膜減衰を特定の共振点で最大とするラジアル軸受面とスラスト軸受面の設計法を確立した.軸受面の2種類の分割法の中,軸受面寸法によりどれを選ぶべきかも明らかにした.
2.ロータの構造体弾性変形をも考慮した静圧エアスピンドルの振動解析 空気膜・ロータ系の固有振動数と固有モードをロータの弾性変形およびボルト結合剛性をも考慮して解析する手法を確立し,ロータ質量による固有振動数の予測精度を高めると共に,ロータの弾性振動の3次モード(11kHz)までの固有振動数を誤差5%以下で評価できることを示した.
3.加工外乱力に対する変位応答のrms値を最小とするエアスピンドル設計法 加工力による加工点の静的変位が最小となるスラスト・ラジアル軸受寸法の最適配分法を提案した.これによるとラジアル軸受径が従来より大きくなる.また上記1.項の手法を基礎に,各種のスペクトル分布をもつ加工力が作用する場合の加工点の動的応答変位のrms値を最小とする軸受静剛性と共振点減衰比の最適配分設計法を明らかにし,狭帯域スペクトルと広帯域スペクトルの場合の最適設計例を示した.また上記2.項の成果を用いて,従来5kHz近傍にあったロータの曲げ振動の最低次固有振動数を極力高める設計を行い,7kHzを達成した.
4.動的コンプライアンスが3σ値で10nm/N以下となる超精密加工機用エアスピンドルの試作・評価 広帯域スペクトル分布を有し,rms値が1Nの外乱力に対する応答変位のrms値が最小となるエアスピンドルを設計し,試作・評価した.試作したエアスピンドルは軸受すきまが設計値より小さく,静的剛性は計算値の50〜70%,動的剛性は計算値より20〜30%大きく,減衰比は計算値の60〜80%となった.しかしエアスピンドルの自由支持条件および固定支持条件におけるコンプライアンス周波数応答関数から,0.5〜5kHzのrms値が1Nの広帯域外乱力に対するラジアル方向とスラスト方向の動的コンプライアンスが,変位応答の3σ値で,目標値の10nm/N以下が実現できていることを確認した。またダイレクトブラシレスモータを組み込み回転中のロータの振動を測定し,非再現性振動成分のrms値が約12nm,再現性成分が±16nm程度であることを確認した.

  • 研究成果

    (12件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (12件)

  • [文献書誌] 山本 浩,小野京右: "格子形溝を有する静圧気体スラスト軸受の高減衰化設計法" 日本機械学会論文集,(c)編. 61. 204-211 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [文献書誌] 山本 浩,小野京右: "格子形溝を有する静圧気体ラジアル軸受の高減衰化設計法" 日本機械学会論文集,(c)編. 61. 212-219 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [文献書誌] 小野京右,山本 浩,植本浩紀: "格子形溝軸受面を有する高性能静圧エアスピンドルの設計と試作" 日本機械学会論文集,(c)編. 61. 220-227 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [文献書誌] 山本 浩,小野京右,都築正浩: "部材の弾性変形を考慮した静圧気体軸受の振動解析" 日本機械学会第72期通常総会講演会講演論文集. (IV). 71-72 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [文献書誌] 山本 浩,小野京右,都築正浩: "動剛性の向上を図った静圧エアスピンドルの開発" 日本機械学会第72期通常総会講演会講演論文集. (IV). 73-74 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [文献書誌] 山本 浩,小野京右,崔 長植,都築正浩: "ロータの弾性変形を考慮した静圧エアスピンドルの振動解析" 「日本機械学会論文集」. (投稿済み).

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [文献書誌] 小野京右,山本 浩,崔 長植,都築正浩: "最大の動剛性を有する静圧エアスピンドルの設計" 「日本機械学会論文集」. (投稿済み).

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
  • [文献書誌] Hiroshi Yamamoto: "Design of High Damping Hydrostatic Gas Thrust Bearing with Grid-Shaped Grooves" Trans.JSME (C). 61-581. 204-211 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [文献書誌] Hiroshi Yamamoto: "Design Procedure of High Damping Hydrostatic Gas Radial Bearing with Grid-Shaped Grooves" Trans.JSME (C). 61-581. 212-219 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [文献書誌] Kyosuke Ono: "Design and Manufacturing of High-Performance Hydrostatic Air Bearing Spindle with Grid-Shaped Grooves" Trans.JSME (C). 61-581. 220-227 (1995)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [文献書誌] Hiroshi Yamamoto: "Vibration Analysis of Hydrostatic Gas Bearing Spindle by Considering Elastic Deformation of Rotor" Trans.JSME. (Submitted).

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
  • [文献書誌] Kyosuke Ono: "Design of a Hydrostatic Air Bearing Spindle with Highest Possible Dynamic Stiffness" Trans.JSME. (Submitted).

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より

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公開日: 1997-03-04  

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