| 研究課題/領域番号 |
19K04148
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
深田 茂生 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (70156743)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | すべり摩擦 / 油圧 / 半浮上 / 分離度 / 送りねじ |
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| 研究実績の概要 |
直動ガイドや送りねじでは，摩擦の低減と負荷に対する剛性の向上が同時に要求される．しかし一般に，それらを両立させることは困難である．すべり面方式では，法線荷重に対する剛性は高いが摩擦も大きい．逆に静圧浮上方式の場合は，摩擦は低減できるが剛性も低下してしまう．そこで低摩擦と高剛性を両立させるために，二面が分離しない程度の流体圧を接触面間に供給して見かけの摩擦係数を低減する‘半浮上すべり面’が提案され，直動案内面で実用化されている．本研究では作動流体として鉱油を用いた油圧半浮上すべり面について，摩擦の最小化と高剛性を両立するための接触・摩擦状態の能動的な制御方法を実現し，本方法を半浮上すべり送りねじに応用して，低摩擦で高剛性な位置決め要素を実現することを目的としており，令和元年度には実験装置の構成と基礎実験を中心に以下の内容を実施した．
まず，実機ねじにおけるねじ面間の接触を円筒端面どうしの接触にモデル化して実験を行うこととした．令和元年度は，実機ねじの円筒モデル化を行い，実験装置と基本的制御系を構成した．対象とする基準ねじ山形状は，メートル台形ねじTr30×8とし，これに対応する円筒モデルの内外径を決定した．次に，供給圧力と浮上変位の関係が絞りとリセスおよび漏れ流路の形状によってどのように変化するかを，静圧理論を援用して計算し，適切な形状を求めた．次に実験装置の構築と圧力制御系の構成を行った．実験は円筒摩擦摩耗試験機を改造して行い，接触面間の浮上変位と分離電圧および絞り前の圧力を検出してPCに取り込む構成とした．また操作量は供給圧力とし，PCからサーボ弁に操作信号を出力して接触・摩擦状態を制御することとし，圧力センサによる検出値とPID動作によるフィードバック制御系を構築した．過渡応答実験と周波数応答実験から，160Hzのバンド幅を確保することができた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
静圧すべり面の供給油圧を減少してゆくと，油膜の厚さが減少して固体どうしの局所的な接触が存在する状態となり，表面の粗さやうねりなどの形状偏差により形成される微小なすきまhを通して流体が漏出する状態となる．このような半浮上状態を操作するためには，浮上開始点近傍における浮上変位hの供給圧力Psに対する感度が重要である．制御しやすさの観点からはdh／dPsが小さい方が望ましい．そこでdh／dPsの値が絞りとリセスおよび漏れ流路の形状によってどのように変化するかを計算し，内径0.4 mm，長さ15 mmの毛細管絞りを円筒端面に3等配に設置し，三分割されたリセスに毛細管絞りを介して油圧が供給される構造とした．またナットモデル端面には，実機ねじに存在するリード誤差等により形成されるすきまを模擬するために，幅8 mm，深さ10 micronのステップ状の段差を三カ所設けた．
一定の半浮上状態を維持するためには，半浮上状態の変化を定量的に示す尺度が必要である．金属どうしの真実接触面積に対応した接触電気抵抗は，接触状態を表すための代表的指標である．そこで円筒モデルの二面間に一定の電圧Vsを印加し，二面間の接触抵抗に比例して現れる電位差Vxとの比である分離度τを検出する回路を構成した．さらに円筒モデルの2面間の浮上変位を静電容量型非接触変位計により12 nmの高分解能で検出することを可能とした．
以上により，メートル台形ねじTr30×8を想定した円筒モデルの実験装置を構築することができた．また基礎的な実験を行って動作を確認し，次年度以降の詳細な実験のための準備をほぼ完了した．なお，円筒モデルを回転させた場合の摩擦トルクをより精密に測定するために，円筒モデルを支持する軸受を現状の転がり軸受から空気軸受に変更する必要があり，次年度にその改良を行うこととした．
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度は前年度に構築した実験装置を用いて円筒モデルによる検討を行う．まず，圧力制御系の目標値を準静的な正弦波状に変化させた場合の浮上変位と分離電圧（分離度）および摩擦トルクを測定し，制御対象となる接触・摩擦面の浮上変位特性と接触電気抵抗特性を把握する．次に，分離度制御系の構成と評価を行う．分離度τ（0≦τ≦1）を制御量とするフィードバック制御系を構成する．先に構築した圧力制御系を2次調節量（マイナーループ）として内包するカスケード制御系を基本とする．まず回転させない停止状態について，τ＝0.5の目標値に対して制御量が安定に整定するようにパラメータを調整し，応答速度と定常偏差等の制御性能を評価する．また，分離度変動の時系列信号としての特性を把握し，分離度と浮上変位の関係について考察する．次に，回転を与えた場合について，分離度制御性能と摩擦トルク特性（空気軸受を使用）を評価する．なお，前年度に行った基礎実験により，分離度の計測においては半浮上状態の遷移過程において激しい変動を伴うことが判明したので，適切なフィルタ処理を検討して適用することとする．
令和3年度（最終年度）には，実機半浮上すべり送りねじによる検証と考察を行う．円筒モデルでの実験結果をもとに，実機半浮上すべり送りねじによる実験を行う．ねじ軸およびナットの基本部分は現有しているので，ナット油路における絞りを再設計・製作して取り付ける．現有する送りねじ試験機上で回転速度と荷重を種々に設定して分離度制御実験を行い，最小駆動トルクの保持特性を明らかにする．円筒モデルによる実験結果から，油圧操作による半浮上すべり面の接触・摩擦状態の能動的制御のための一般的な知見を整理し，摩擦を最小とする半浮上状態保持のための必要条件と適用限界を明示する．また半浮上送りねじにおける分離度制御の実用化に向けた展望を示す．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究では，油圧制御系を構成するための部品を必要とするが，本経費で支出する予定であった直動サ－ボ弁と圧力センサおよび油圧配管部品類に関しては，既存の部品等を有効利用することで対応したため残額が生じた．次年度においては実験装置の改良のために空気軸受を使用する予定であり，そのための空気圧関連部品にこれらの経費を有効に使用する予定である．
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