JP2002107141A - ねじれ羽根付きシャフトの形状測定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ねじれ羽根付きシャフトの形状測定を高速か
つ高精度に行う。 【解決手段】 ワーク１４の一端部と他端部とを支持し
て軸線周りに回転させて所定の回転位置に割り出し、こ
の位置でタッチプローブ２６の測定子をワーク表面に当
接させ、このワーク表面に当接させたときのワークの回
転角度とタッチプローブ２６のワークの軸線方向および
軸線に垂直な方向における位置とを測定し、この測定値
に基づき、ねじれ羽根部の羽根輪郭、シャフト部の長手
基準面位置・振れ、シャフト部に形成される段差部の位
置・振れ、シャフト部に形成される溝部の位置・径・幅
のうちのいずれかを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービンシャフト
のようなねじれ羽根部とシャフト部とを備えるねじれ羽
根付きシャフトのワーク形状を測定するねじれ羽根付き
シャフトの形状測定方法およびその装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えば内燃機関のターボチャージャーに
用いられるタービンシャフトにおいては、高速化および
高効率化への要求から、その羽根輪郭および軸精度を向
上させることがますます重要となってきている。従来、
この種のねじれ羽根付きシャフトの精密測定において、
羽根の輪郭測定は汎用の三次元測定機によるマニュアル
測定で行われ、軸部の真円度測定は真円度測定機で行わ
れ、軸部の直径測定はマイクロメータによるマニュアル
測定で行われるというように、多数の測定工程および多
大な測定工数を要しているのが実状である。特にねじれ
羽根の輪郭測定については、羽根厚みが薄く、かつ輪郭
測定面は三次元的にねじれているために、測定を行うこ
と自体が困難で、多大な測定工数を必要としている。

【０００３】なお、本発明に類似する先行技術として、
特開平１１−８３４１３号公報に開示されたものがあ
る。この公報に記載のものは、クランクシャフトの輪郭
や長手方向寸法等を測定する測定装置および方法に関わ
るものであって、水平テーブルの上面に、クランクシャ
フトのジャーナル部およびピン部の外周加工面の直径方
向の変位量を測定する輪郭測定ユニットと、軸線方向の
位置を測定する長手測定ユニットとを、軸線に直交する
方向に移動自在に配設するように構成されたものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ねじれ羽根付きシャフトの精密測定に用いられている従
来方法では、多くの工程、工数を必要としていて多大の
時間を要するために、この方法を用いる精密測定による
部品検査は、例えば万本単位毎といった低頻度の抜取り
検査とならざるを得ず、この抜取り検査間に大量の不良
品が流出する恐れが避けられない。また、一旦抜取り検
査で不良品が発見された場合、それまでに流出した部品
の回収、再検査はもとより、生産ライン全体に対する影
響も極めて甚大であり、多大の仕損コストが発生すると
いう問題点がある。さらに、この従来方法では、多くの
測定工程がマニュアル測定であることから、個人差や測
定自体のバラツキが避けられず、測定精度の信頼性の低
下も避けられないという問題点もある。さらにまた、ワ
ーク段取替えや刃具交換後の初物精密検査においても、
従来方法では、検査結果を待つ間機械を休止するため、
ラインの稼動率低下という問題点がある。

【０００５】一方、先行技術として挙げた前記特開平１
１−８３４１３号公報に記載の技術では、クランクシャ
フトの輪郭や長手方向寸法等を測定するのには有効な方
法であっても、この方法を、本発明において測定対象と
する複雑形状のねじれ羽根付きシャフトの精密測定にそ
のまま適用することはできない。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、必要時タイムリーに、高速かつ高精度の自動
測定が可能であり、これによって定期抜取り検査での不
良品流出の可能性を大幅に低減し、品質向上、検査コス
ト低減およびライン稼動率の向上を図ることのできるね
じれ羽根付きシャフトの形状測定方法およびその装置を
提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用・効果】前記目
的を達成するために、第１発明によるねじれ羽根付きシ
ャフトの形状測定方法は、ねじれ羽根部とシャフト部と
を備えるねじれ羽根付きシャフトのワーク形状を測定す
るねじれ羽根付きシャフトの形状測定方法であって、ワ
ークの一端部と他端部とを支持してそのワークを軸線周
りに回転させて所定の回転位置に割り出すステップと、
この所定の回転位置でタッチプローブを前記ワークの軸
線方向および軸線に垂直な方向に移動させてそのタッチ
プローブの測定子を前記ワーク表面に当接させるステッ
プと、このワーク表面に当接させたときの前記ワークの
回転角度と前記タッチプローブのワークの軸線方向およ
び軸線に垂直な方向における位置とを測定するステップ
と、この測定値に基づき、前記ねじれ羽根部の羽根輪
郭、前記シャフト部の長手基準面位置・振れ、前記シャ
フト部に形成される段差部の位置・振れ、前記シャフト
部に形成される溝部の位置・径・幅のうちのいずれかを
求めるステップとを備えることを特徴とするものであ
る。

【０００８】この第１発明によれば、ワークの一端部と
他端部とを支持してそのワークを軸線周りに回転させて
所定の回転位置に割り出す動作と、この所定の回転位置
でタッチプローブをワークの軸線方向および軸線に垂直
な方向に移動させてそのタッチプローブの測定子をワー
ク表面に当接させる動作とを組み合わせるとともに、タ
ッチプローブの測定子をワーク表面に当接させたときの
ワークの回転角度とタッチプローブのワークの軸線方向
および軸線に垂直な方向における位置とを測定すること
で、ねじれ羽根付きシャフトの各部の形状、すなわちね
じれ羽根部の羽根輪郭、シャフト部の長手基準面位置・
振れ、シャフト部に形成される段差部の位置・振れ、シ
ャフト部に形成される溝部の位置・径・幅を測定するこ
とが可能となる。こうして、精度が要求される全箇所ま
たはほとんどの箇所の測定が高速・高精度に行え、多大
な検査測定コストの低減、抜取り検査に伴う不良品の流
出防止とそれに伴う仕損コストの大幅低減を図ることが
でき、またバラツキの少ない信頼性の高い測定が可能と
なる。

【０００９】前記第１発明において、前記ねじれ羽根部
の羽根輪郭を求めるに際して、予め羽根輪郭とねじれの
定義式とを演算手段に記憶させるとともに、羽根輪郭の
勾配角度に複数個の閾値と各閾値間の範囲に対応する測
定ピッチとを設定しておき、入力データに応じて最適の
測定ピッチを自動的に選択するようにされるのが好まし
い（第２発明）。このようにすれば、ねじれ羽根部の羽
根輪郭を測定するに際して、羽根輪郭の勾配角度に応じ
て最適の測定ピッチが自動的に設定され、測定が実行さ
れるので、測定コスト等の大幅な低減が可能である。

【００１０】また、前記第１発明または第２発明におい
て、前記タッチプローブのワークの軸線に垂直な方向へ
の移動とワークの軸線周りの回転割り出しとの組み合わ
せにより、羽根の厚み中心の割出し角度を求め、この割
出し角度から羽根の円周方向の分割誤差とねじれの形状
誤差とを補正するようにされるのが好ましい（第３発
明）。こうすることで、ねじれ羽根の分割誤差とねじれ
誤差の自動補正が行われるので、鋳物誤差などを気にす
ることなく、ねじれ羽根の輪郭測定を高速・高精度に行
うことができる。

【００１１】また、前記第１発明乃至第３発明におい
て、前記ねじれ羽根部の羽根輪郭の各測定点座標におけ
る法線角度を求めるとともに、この法線に沿う前記ワー
クの軸線方向および軸線に垂直な方向の二軸同時補間に
より、前記タッチプローブの測定子を前記羽根輪郭曲線
に常に直角に当接させるようにそのタッチプローブの移
動を制御するようにされるのが好ましい（第４発明）。
このようにすれば、各測定点座標における法線角度が自
動的に求められ、タッチプローブの測定子を羽根輪郭曲
線に直角に当接させることができるので、ねじれ羽根の
輪郭測定を高精度に行うことが可能となる。

【００１２】次に、第５発明によるねじれ羽根付きシャ
フトの形状測定装置は、ねじれ羽根部とシャフト部とを
備えるねじれ羽根付きシャフトのワーク形状を測定する
ねじれ羽根付きシャフトの形状測定装置であって、
（ａ）ワークの一端部と他端部とを支持してそのワーク
を軸線周りに回転駆動するとともに、ワークの回転角度
を検出する回転角度検出手段を有するワーク回転・位置
決め手段、（ｂ）前記ワークの軸線方向および軸線に垂
直な方向に移動自在で、かつそれら各方向における位置
を検出する位置検出手段を有するタッチプローブおよび
（ｃ）このタッチプローブの測定子を前記ワーク表面に
当接させたときの前記回転角度検出手段および位置検出
手段からの測定値に基づき、前記ねじれ羽根部の羽根輪
郭、前記シャフト部の長手基準面位置・振れ、前記シャ
フト部に形成される段差部の位置・振れ、前記シャフト
部に形成される溝部の位置・径・幅のうちのいずれかを
演算する演算手段を備えることを特徴とするものであ
る。

【００１３】この第５発明は、第１発明によるねじれ羽
根付きシャフトの形状測定方法を具体的に実現するため
の装置に関わるものであって、ワークの回転角度を回転
角度検出手段により検出し、ワークの軸線方向および軸
線に垂直な方向における位置を位置検出手段により検出
し、これら各検出手段からの測定値に基づいて演算手段
にて演算を実行することで、ねじれ羽根付きシャフトの
各部の形状を高速・高精度に測定することができる。こ
うして、第１発明と同様の作用・効果を奏し得る。

【００１４】前記第５発明において、前記ワークの軸線
方向および軸線に垂直な方向に移動自在で、かつそれら
各方向における位置を検出する第２の位置検出手段を有
する精密変位測定手段（例えば電気マイクロ式測定手
段）を備え、前記演算手段は、この精密変位測定手段の
測定子を前記ワーク表面に近接させてそのワークを回転
駆動させたときの前記第２の位置検出手段からの測定値
に基づき、前記シャフト部の軸径・振れ・真円度・円筒
度のうちのいずれかを演算するものであるのが好ましい
（第６発明）。このように精密変位測定手段を用いるこ
とで、この精密変位測定手段の測定子をワーク表面に近
接させてそのワークを回転駆動させたときの測定値に基
づき、シャフト部の軸径・振れ・真円度・円筒度を精度
良く計測することができる。

【００１５】また、前記第５発明または第６発明におい
て、前記ねじれ羽根部の羽根輪郭の各測定点座標におけ
る法線角度を求めるとともに、この法線に沿う前記ワー
クの軸線方向および軸線に垂直な方向の二軸同時補間に
より、前記タッチプローブの測定子を前記羽根輪郭曲線
に常に直角に当接させるようにそのタッチプローブの移
動を制御する制御手段を備えているのが好ましい（第７
発明）。このような構成を備えたものでは、第４発明と
同様、各測定点座標における法線角度が自動的に求めら
れ、タッチプローブの測定子を羽根輪郭曲線に直角に当
接させることができるので、ねじれ羽根の輪郭測定を高
精度に行うことが可能となる。

【００１６】さらに、前記第５発明乃至第７発明におい
て、前記ワーク回転・位置決め手段は、前記ワークの他
端部に対してそのワークの軸線方向に常に一定の押圧力
を付与する押圧手段を有するものであるのが好ましい
（第８発明）。このように構成することで、多様な長さ
のねじれ羽根付きシャフトであっても、押圧手段により
ワークの他端部を押す力を、ワークを保持しかつその押
圧手段とワークとが密着する程度の一定の力に保つこと
ができ、押力によるワークの曲げ変形を防止することが
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明によるねじれ羽根付
きシャフトの形状測定方法およびその装置の具体的な実
施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

【００１８】図１には本発明の一実施形態に係るねじれ
羽根付きシャフト測定機の正面図（ａ）および側面図
（ｂ）が示され、図２には同測定機における測定ユニッ
ト部の平面図が、図３には同測定ユニット部の左側面図
（ａ）および右側面図（ｂ）が、図４には同測定ユニッ
ト部の正面図（ａ）および図２のＡ−Ａ断面図（ｂ）が
それぞれ示されている。

【００１９】本実施形態のねじれ羽根付きシャフト測定
機においては、後述する制御装置を内蔵する架台１が設
けられるとともに、この架台１上にレベル調整ジャッキ
２を介して、上面が滑らかに研磨された石からなる定盤
３が設置されている。また、架台１の上面には耐震シャ
フト４が固着され、この耐震シャフト４の先端が定盤３
の下面に設けられた穴に隙間を持って挿入されており、
これによって地震など不測の振動による定盤３の落下を
防止するようにされている。

【００２０】前記定盤３上には測定ユニット部５が設置
されており、この測定ユニット部５の全体は、安全対策
と防塵対策のためにカバー６で覆われている。また、前
記架台１上には、支柱７およびその支柱７の上端部のア
ーム８を介してタッチパネルパソコンを内蔵した操作盤
（操作・表示部）９が、測定ユニット部５の上方に位置
するように設けられている。この操作盤９によって、プ
ログラム作成のためのデータ入力、プログラム選択、プ
ログラムの起動・停止などの測定操作が行われる。

【００２１】次に、測定ユニット部５の詳細構造につい
て説明する。定盤３上の一側（図では左側）にはスピン
ドルユニット１０が固定され、他側（図では右側）には
前記スピンドルユニット１０に対位してテールストック
１１が固定されている。ここで、前記スピンドルユニッ
ト１０にはスピンドルセンタ１２が配置され、前記テー
ルストック１１にはスピンドルセンタ１２と同心になる
ようにテールストックセンタ１３が配置され、これら両
センタ１２，１３によってワーク（タービンシャフト）
１４の一端部および他端部がそれぞれ保持されるように
なっている。なお、本実施形態におけるスピンドルユニ
ット１０およびテールストック１１が、本発明における
ワーク回転・位置決め手段に相当する。

【００２２】前記定盤３上には、両センタ１２，１３の
軸線と平行方向に延設するようにＹ軸スライドユニット
１５が配されている。このＹ軸スライドユニット１５
は、Ｙ軸テーブル１６が、モータ（パルスモータ）１７
の駆動によってタイミングベルト１８を介してボールネ
ジ１９が回転されることでＹ軸方向（左右方向）に摺動
できるように構成されている。なお、このＹ軸テーブル
１６の左右位置はリニアエンコーダ２０によって検出さ
れる。

【００２３】前記Ｙ軸テーブル１６上には、両センタ１
２，１３の軸線と直交する方向に摺動される、互いに平
行なＺ１軸スライドユニット２１とＺ２軸スライドユニ
ット２２とが設けられている。Ｚ１軸スライドユニット
２１は、Ｚ１軸テーブル２３が、モータ（パルスモー
タ）２４の駆動によってボールネジ２５が回転されるこ
とで数値制御によりＺ１軸方向（前後方向）に摺動でき
るように構成されている。このＺ１軸テーブル２３に
は、両センタ１２，１３の軸線と直交するように同心に
調整されたタッチプローブ２６が固着されている。な
お、このＺ１軸テーブル２３の前後位置はリニアエンコ
ーダ２７によって検出される。

【００２４】一方、Ｚ２軸スライドユニット２２は、Ｚ
１軸テーブル２８が、モータ（パルスモータ）２９の駆
動によってボールネジ３０が回転されることで数値制御
によりＺ２軸方向（前後方向）に摺動できるように構成
されている。このＺ２軸テーブル２８には、両センタ１
２，１３の軸線と直交するように同心に調整された精密
変位測定手段、例えば低測定圧型の変位計（電気式マイ
クロメータ）３１が固着されている。なお、このＺ２軸
テーブル２８の前後位置はリニアエンコーダ３２によっ
て検出される。

【００２５】続いて、図５乃至図７を参照しつつ、本実
施形態のスピンドルユニット１０の構造をより詳細に説
明する。このスピンドルユニット１０においては、スピ
ンドルセンタ１２がスピンドル軸３３に固着され、この
スピンドル軸３３が、精密ベアリング３４によって回転
自在に支承されるとともに、モータ３５の駆動によって
ウォームギア３６、ウォームホイール３７よりなる減速
機構によってその軸線周りに回転されるように構成され
ている。また、前記スピンドル軸３３の軸端にはロータ
リエンコーダ３８が取り付けられ、これによってスピン
ドル軸３３、スピンドルセンタ１２の原点からの回転位
置が検出できるようにされている。

【００２６】さらに、スピンドル軸３３の先端面にはケ
レ（ドライバー）３９が固着され、このケレ３９によっ
てワーク１４の１枚の羽根５７の外径付近を把持するこ
とにより、そのワーク１４の回転位置決めと回転駆動と
が行えるようにされている。すなわち、このケレ３９
は、ボルトにて構成される固定把持片３９ａと、この固
定把持片３９ａに対向配置されてバネ３９ｂの付勢力に
よって移動可能な可動把持片３９ｃとにより構成され、
ワーク１４の半径方向には自在に、回転方向には軽く把
持する構成とされている。ここで、前記バネ３９ｂの付
勢力（押力）はワーク１４の回転摺動抵抗に打ち勝つ程
度の力に設定されていて、無理な力がかかることによる
ワークの変形を防止するようにされている。

【００２７】次に、図８、図９を参照しつつ、本実施形
態のテールストック１１の構造をより詳細に説明する。
このテールストック１１においては、テールストックセ
ンタ１３がクイル４０に保持され、このクイル４０がテ
ールストック本体４１に対してリニアボールベアリング
４２によって軸線方向に摺動自在に支承されている。こ
こで、テールストックセンタ１３はクイル４０に対して
回転自在であっても良いし、あるいはクイル４０に対し
て固着されていてクイル４０自体がテールストック本体
４１に対して回転自在であっても良い。

【００２８】また、前記クイル４０は、摺動片４３に取
り付けられた押圧片４４の先端にバネ４５を介して軸線
方向に押圧力を付与され、これによってテールストック
センタ１３がワーク１４にバネ（押圧手段）４５の付勢
力に基づく押圧力を付与するようにされている。ここ
で、前記摺動片４３は操作レバー４６の操作によってテ
ールストックセンタ１３の軸線方向に摺動される。ま
た、テールストック本体４１の上面には摺動方向に直交
する多数の溝部４７ａを有する摺動位置決めブロック４
７が設けられ、所望の摺動位置で操作レバー４６の軸部
４６ａをその溝部４７ａに挿入・保持させることで前記
摺動片４３の軸方向位置が保持できるようにされてい
る。なお、前記摺動位置決めブロック４７の上面に記さ
れている記号（例：ＣＴ９Ｂ）はワーク番号を示してい
る。

【００２９】図１０には、ワーク（タービンシャフト）
１４の正面図（ａ）および側面図（ｂ）が示されてい
る。このワーク１４は、ねじれ羽根部５０とシャフト部
５１とを備えた構成とされ、このワーク１４の形状測定
は、（１）長手基準面５２の位置と振れ、（２）シャフ
ト部５１の大径部５３および小径部５４の直径、振れ、
真円度、円筒度、（３）段差部５５の位置、振れ、
（４）溝５６の位置、溝径、溝幅、（５）羽根５７の分
割誤差補正、（６）羽根５７の輪郭の各測定項目につい
て行われる。

【００３０】この形状測定を実行するために、本実施形
態のねじれ羽根付きシャフト測定機では、図１１に示さ
れるような制御システム（制御装置）６０が用意され
る。この制御システム６０は、制御ユニット部６１、演
算・記録部６２および前記操作・表示部９を備えてい
る。制御ユニット部６１にはデータ収集を専用に行う制
御用コンピュータ６３が設けられ、演算・記録部６２に
はその制御用コンピュータ６３から送信されるデータに
基づく演算・処理を実行して制御信号をその制御用コン
ピュータ６３に送信する操作用コンピュータ６４が設け
られている。前記制御用コンピュータ６３には、前記測
定ユニット部５におけるタッチプローブ２６からの測定
信号がそのＩ／Ｏ入出力端子６５から入力されるととも
に、電気式マイクロメータ３１からの測定信号がローパ
スフィルタ６６を介してアナログ入力端子６７から入力
される。

【００３１】また、前記制御ユニット部６１には、リニ
アエンコーダ２０，２７，３２からの位置検出信号がパ
ルス変換器６８を介して入力されるとともに、ロータリ
エンコーダ３８からの回転位置検出信号が入力され、か
つそれら入力信号に基づきモータドライバ６９を介して
各モータ１７，２４，２９，３５を制御する信号を出力
するモータコントローラ／パルスカウンタ７０が設けら
れている。

【００３２】次に、前述のような制御システム６０によ
る前記（１）〜（６）の各測定項目毎の測定サイクルに
ついて順に説明する。なお、以下の説明では、全てシー
ケンシャル動作として説明しているが、実際の動作はサ
イクルタイム短縮のために一部動作が同時に行われる。

【００３３】（１）長手基準面５２の位置と振れ測定サ
イクル（図１２参照） この長手基準面５２の測定はタッチプローブ２６を用い
て行われる。その測定に際しては、まず開始点Ｓからタ
ッチプローブ２６をＹ軸方向に長手基準面５２を越える
所定位置まで早速で右行させ（Ｍ１）、次いでＺ１軸方
向に早速で小径部５４に接触する手前位置まで前進させ
る（Ｍ２）。次に、タッチプローブ２６をＹ軸方向に遅
速で左行させて（Ｍ３）、長手基準面５２にプローブタ
ッチし（Ｍ４）、この後Ｙ軸方向に早速で右行させる
（Ｍ５）。続いて、ワーク１４を所定角度回転割出し
（Ｘ軸割出し）し（Ｍ６）、これらＭ３，Ｍ４，Ｍ５，
Ｍ６の各ステップを複数回（例えば４回）繰返すことで
長手基準面５２の測定を終了し、Ｚ１軸方向に終了点Ｅ
まで早速で後退して（Ｍ７）測定サイクルを終了する。
こうして、タッチプローブ２６の長手基準面５２への当
接位置検出信号およびワーク１４の回転位置検出信号に
基づき、その長手基準面５２の位置と振れとが測定され
る。

【００３４】（２）シャフト部５１の大径部５３および
小径部５４の直径、振れ、真円度、円筒度測定サイクル
（図１３参照） この測定サイクルは電気式マイクロメータ３１を用いて
行われる。その測定に際しては、まずワーク１４がＸ軸
割出し原点にあるときに、開始点Ｓから電気式マイクロ
メータ３１をＹ軸方向に早速で左行させ（Ｍ１）、次い
でＺ２軸方向へ早速前進および遅速前進を順次行って電
気式マイクロメータ３１をワーク表面近接位置まで移動
させる（Ｍ２）。この後、ワーク１４をＸ軸正転方向に
３６０°＋αだけ回転させて大径部５３の外周面計測を
行い（Ｍ３）、この計測後にＺ２軸方向に早速で後退さ
せ（Ｍ４）、次いでＹ軸方向に早速で所定位置まで右行
させる（Ｍ５）。このようなＭ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５の
各ステップを複数測定点で行うことにより測定を終了
し、最後の測定点の測定終了後にＺ２軸方向に終了点Ｅ
まで早速で後退して（Ｍ４）測定サイクルを終了する。
こうして、電気式マイクロメータ３１からの大径部５３
および小径部５４の位置検出信号およびワーク１４の回
転位置検出信号に基づき、それら大径部５３および小径
部５４の直径、振れ、円筒度が測定される。なお、真円
度については、この測定サイクルにて取得されたデータ
に基づきフーリエ級数を用いる演算によって求められ
る。

【００３５】（３）段差部５５の位置、振れ測定サイク
ル（図１４参照） この段差部５５の測定はタッチプローブ２６を用いて行
われる。その測定に際しては、まず開始点Ｓからタッチ
プローブ２６をＹ軸方向に段差部５５の手前位置まで早
速で左行させ（Ｍ１）、次いでＺ１軸方向に早速で大径
部５３に接触する手前位置まで前進させる（Ｍ２）。次
に、タッチプローブ２６をＹ軸方向に遅速で左行させて
（Ｍ３）、段差部５５にプローブタッチし（Ｍ４）、こ
の後Ｙ軸方向に早速で右行させる（Ｍ５）。続いて、ワ
ーク１４を所定角度回転割出し（Ｘ軸割出し）し（Ｍ
６）、これらＭ３，Ｍ４，Ｍ５、Ｍ６の各ステップを複
数回（例えば４回）繰返すことで段差部５５の測定を終
了し、Ｚ１軸方向に終了点Ｅまで早速で後退して（Ｍ
７）測定サイクルを終了する。こうして、タッチプロー
ブ２６の段差部５５への当接位置検出信号およびワーク
１４の回転位置検出信号に基づき、その段差部５５の位
置と振れとが測定される。

【００３６】（４）溝５６の位置、溝径、溝幅測定サイ
クル（図１５参照） この溝５６の測定はタッチプローブ２６を用いて行われ
る。その測定に際しては、まず開始点Ｓからタッチプロ
ーブ２６をＹ軸方向に早速で左行させ（Ｍ１）、Ｘ軸割
出しを行う。次いで、Ｚ１軸方向に早速で前進させた
後、遅速で前進させ（Ｍ２）て溝５６にプローブタッチ
する（Ｍ３）。この後、Ｚ１軸方向に早速で後退させ
（Ｍ４）た後、Ｙ軸方向に遅速で左行させて（Ｍ５）、
溝５６の前壁面にプローブタッチする（Ｍ６）。続い
て、Ｙ軸方向に早速右行（Ｍ７）および遅速右行（Ｍ
８）を行って溝５６の後壁面にプローブタッチし（Ｍ
９）、Ｙ軸方向へ早速左行する（Ｍ１０）。この後、ワ
ーク１４のＸ軸割出し（Ｍ１１）を行ってＭ２のステッ
プに戻り、以下Ｍ３〜Ｍ１１の各ステップを複数回（例
えば４回または８回）繰返すことで溝５６の測定を終了
し、Ｚ１軸方向に終了点Ｅまで早速で後退して（Ｍ１
２）測定サイクルを終了する。こうして、タッチプロー
ブ２６の溝５６の前壁面および後壁面への当接位置検出
信号およびワーク１４の回転位置検出信号に基づき、そ
の溝５６の位置、溝径および溝幅が測定される。

【００３７】（５）羽根５７の分割誤差補正測定サイク
ル（図１６参照） この羽根５７の分割誤差補正測定はタッチプローブ２６
を用いて行われる。その測定に際しては、まずワーク１
４の回転割出し（Ｘ軸割出し）を行った後、タッチプロ
ーブ２６をＹ軸方向に早速で左行させ、Ｚ１軸方向に早
速で前進させる（Ｍ１）。ここで、Ｚ１軸前進は、測定
する羽根５７とタッチプローブ２６の測定子が適当かつ
分割誤差を考慮しても十分な半径方向隙間を持つように
して行う。次に、ワーク１４をＸ軸正転方向に遅速で回
転させて（Ｍ２）プローブタッチを行い、この接触検出
時のリニアエンコーダ２７の角度（θ１）を読み取り、
記憶する。次に、タッチプローブ２６をＺ１軸方向に早
速で後退させた（Ｍ３）後、羽根５７の厚み中心がタッ
チプローブ２６と計算上一致する位置を所定角度だけ行
き過ぎるまでワーク１４を正転方向に回転割出しし（Ｍ
４）、次いで前述と同じ位置までＺ１軸方向に早速で前
進させる（Ｍ５）。次いで、ワーク１４をＸ軸逆転方向
に遅速で回転させて（Ｍ６）プローブタッチを行い、こ
の接触検出時のリニアエンコーダ２７の角度（θ２）を
読み取り、記憶する。そして、Ｚ１軸方向に早速で後退
させて（Ｍ７）、１つの羽根５７に対する羽根分割誤差
補正測定が終了する。

【００３８】前述のようにして検出されたθ１、θ２に
よって、次式により羽根の厚み中心の割出し角度（θ
ｆ）を求めることができ、これによってワーク座標系が
補正される。 θｆ＝（θ２−θ１）／２

【００３９】前述の手法によれば、羽根厚み（ｔ）の誤
差およびタッチプローブ２６の測定子の半径位置（Ｒ）
を考慮することなく、羽根厚みの中心角度を求めること
ができるが、羽根厚みが十分に大きいか厚み誤差が十分
に小さい場合には、羽根のいずれかの片面だけにタッチ
するようにして、次式によって羽根厚みの中心角度（θ
ｆ）を求めるようにしても良い。 θｆ＝θ１＋ｔａｎ−１（ｔ／２・Ｒ）または θｆ＝θ２−ｔａｎ−１（ｔ／２・Ｒ）

【００４０】前述の手順を羽根５７の長手方向につい
て、１箇所または数箇所行うことにより、羽根５７の円
周方向の分割誤差およびねじれの形状誤差を簡単に自動
補正することができる。したがって、鋳物誤差などを気
にすることなく、ねじれ羽根の輪郭測定を高速・高精度
に行うことができる。

【００４１】（６）羽根５７の輪郭測定サイクル（図１
７参照） この羽根５７の輪郭測定はタッチプローブ２６を用いて
行われる。その測定に際しては、まず開始点Ｓからタッ
チプローブ２６をＹ軸方向に早速で左行させ（Ｍ１）、
Ｘ軸割出しを行った後、Ｚ１軸方向に早速で前進させる
（Ｍ２）。次いで、Ｙ軸方向への右行とＺ１軸方向への
前進との二軸同時補間運動を遅速により行って（Ｍ
３）、プローブタッチを行う（Ｍ４）。続いて、Ｙ軸方
向への左行とＺ１軸方向への後退との二軸同時補間運動
を早速により行って（Ｍ５）、再度Ｘ軸割出しを行い、
前記Ｍ３，Ｍ４およびＸ軸割出しの各ステップを所定回
数繰り返し、その後、Ｚ１軸後退原点まで早速で戻り
（Ｍ６）、更にＹ軸左行原点まで早速で戻り、Ｘ軸割出
し原点まで早速で戻る。

【００４２】この輪郭測定サイクルにおいては、次に示
すように、Ｙ軸方向の測定ピッチおよび測定点座標
（ｙ，Ｚ）をワーク種別に応じて自動的に決定すること
ができ、これによって羽根測定プログラムを自動作成す
ることができる。

【００４３】まず、羽根外径の輪郭曲線は次式のような
高次式で定義される（図１０参照）。 Ｚ＝Ｒ１−ａ×［１−｛（Ｙ２−ｙ）／ｂ｝ｃ］ｄ ……（式１） ここで、Ｚ：基準面からｙの位置における羽根外径の半
径 ｙ：基準面からのＹ軸方向の距離 Ｒ１，Ｙ２，ａ，ｂ，ｃ，ｄ：定数 したがって、各ｘ位置における輪郭曲線の接線の勾配角
度（θｓ）は（式１）をｘについて一回微分することに
より次式にて求められる。 θｓ＝ｔａｎ−１（−ｄ・ａ・［１−｛（Ｙ２−ｙ）／ｂ｝ｃ］（ｄ−１） ×｛ｃ・（Ｙ２−ｙ）ｃ−１／ｂｃ｝） ……（式２）

【００４４】また、羽根の軸方向ねじれ角度（θｎ）は
一般に次のような高次式で定義される。 θｎ＝ｅ×（ｙ−Ｙ３）ｆ ……（式３） ここで、θｎ：基準からｙ位置における羽根の軸方向ね
じれ角度 ｙ：基準からの軸方向の距離 ｅ，Ｙ３：定数

【００４５】前記（式１）（式２）（式３）を予め演算
・記録部６２における操作用コンピュータ６４に登録し
ておけば、ワーク種別に応じて定数（Ｒ１，Ｙ２，ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，Ｙ３等）を指定することで、Ｙ軸方向の測
定ピッチおよび測定点座標（ｙ，Ｚ）を演算により求め
ることができる。

【００４６】Ｙ軸方向の測定ピッチについては、前記
（式２）で求まる接線勾配角度が大きい範囲では細かい
ピッチで、この接線勾配角度が小さい範囲では粗いピッ
チで測定すれば良いことから、勾配角度に何段階かの閾
値と、この閾値の範囲に対するＹ軸方向の測定ピッチと
を設定して最適な測定ピッチを決定するようにされてい
る。図１８には、この測定ピッチを決定するためのアル
ゴリズムの一例が示されている。

【００４７】このアルゴリズムを順に説明すると、まず
直前測定点の接線勾配の絶対値｜θｓ｜が８０°以上で
あるか否かを判定し（Ｓ１）、８０°以上であれば測定
ピッチを０．０５ｍｍに設定する（Ｓ２）。一方、８０
°未満である場合には、次に｜θｓ｜が６５°以上であ
るか否かを判定し（Ｓ３）、６５°以上であれば測定ピ
ッチを０．１０ｍｍに設定する（Ｓ４）。一方、６５°
未満である場合には、次に｜θｓ｜が４５°以上である
か否かを判定し（Ｓ５）、４５°以上であれば測定ピッ
チを０．２０ｍｍに設定する（Ｓ６）。一方、４５°未
満である場合には、次に｜θｓ｜が２５°以上であるか
否かを判定し（Ｓ７）、２５°以上であれば測定ピッチ
を０．５０ｍｍに設定する（Ｓ８）。一方、２５°未満
である場合には、次に｜θｓ｜が１°以上であるか否か
を判定し（Ｓ９）、１°以上であれば測定ピッチを１．
０ｍｍに設定する（Ｓ１０）。一方、１°未満である場
合には、測定ピッチを２．０ｍｍに設定する。このよう
に、接線勾配に応じて測定ピッチを変えることで、測定
をより詳細かつ効率的に行うことができる。

【００４８】次に、測定点座標（ｙ，Ｚ）については、
上述のようにして求められたＹ軸方向の測定ピッチから
軸方向の測定点を自動決定し、更に（式１）に代入する
ことにより自動決定することができる。

【００４９】また、羽根のねじれ角度（θｎ）すなわち
ワークの回転角度（θｗ）は、前記Ｙ軸方向の測定ピッ
チから軸方向の測定点を自動決定し、更に（式３）に代
入することにより自動決定することができる。こうし
て、測定プログラムを簡単に自動作成することができる
ので、プログラムの作成コストおよび測定コストの大幅
削減が可能となる。

【００５０】本実施形態のねじれ羽根付きシャフト測定
機によれば、ターボチャージャーにおけるタービンシャ
フトの羽根輪郭や軸精度の測定を、段取り替え等の必要
時にタイムリーに、かつ高速・高精度に行うことができ
るので、インラインで設置することも可能であり、抜取
り検査に伴う不良品の流出防止とそれに伴う仕損コスト
の大幅低減を図ることができる。具体的には、タービン
シャフト１本の全項目測定について、従来は２〜３時間
要していたのを５〜１０分で行うことが可能となった。
また、オペレータはワークを測定機に取り付け、プログ
ラムを選択するだけでワークにフレキシブルに対応して
全自動で測定することができるので、個人差や測定自体
のバラツキの少ない信頼性の高い測定を実施することが
できる。さらに、測定データは自動的に保存され、表計
算やグラフでの解析が容易に行えるとともに、製品デー
タのトレースも確実に実施することができる。また、加
工精度の経年変化データとして蓄積することにより、加
工設備の予防保全データとして活用することも可能であ
る。

【００５１】本実施形態では、タービンシャフトを例に
取って説明したが、本発明は、例えばポンプ羽根やコン
プレッサーのロータ等の他のねじれ羽根付きシャフトの
形状測定に対しても適用できるのは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るねじれ羽根
付きシャフト測定機の正面図（ａ）および側面図（ｂ）
である。

【図２】図２は、本実施形態におけるねじれ羽根付きシ
ャフト測定機の測定ユニット部の平面図である。

【図３】図３は、同測定ユニット部の左側面図（ａ）お
よび右側面図（ｂ）である。

【図４】図４は、同測定ユニット部の正面図（ａ）およ
び図２のＡ−Ａ断面図（ｂ）である。

【図５】図５は、スピンドルユニットのセンタ軸線方向
断面図である。

【図６】図６は、スピンドルユニットのセンタ軸線に直
角方向の断面図である。

【図７】図７は、図５のＢ矢視図（ａ）、Ｃ矢視図
（ｂ）および（ａ）のＰ部拡大図（ｃ）である。

【図８】図８は、テールストックのセンタ軸線方向断面
図（ａ）およびそのＤ矢視図（ｂ）である。

【図９】図９は、テールストックの構造を説明する平面
図である。

【図１０】図１０は、ワークの正面図（ａ）および側面
図（ｂ）である。

【図１１】図１１は、本実施形態における制御システム
ブロック図である。

【図１２】図１２（ａ）（ｂ）は、長手基準面位置、振
れ測定サイクルを示す図である。

【図１３】図１３は、直径、振れ、真円度、円筒度測定
サイクルを示す図である。

【図１４】図１４は、段差部位置、振れ測定サイクルを
示す図である。

【図１５】図１５（ａ）（ｂ）は、溝位置、溝径、溝幅
測定サイクルを示す図である。

【図１６】図１６は、羽根分割誤差補正測定サイクルを
示す図である。

【図１７】図１７（ａ）（ｂ）は、羽根の輪郭測定サイ
クルを示す図である。

【図１８】図１８は、Ｙ軸方向の測定ピッチ決定のため
のアルゴリズムを示す図である。

【符号の説明】

５ 測定ユニット部 ９ 操作盤 １０ スピンドルユニット １１ テールストック １２ スピンドルセンタ １３ テールストックセンタ １４ ワーク（タービンシャフト） １５ Ｙ軸スライドユニット １７，２４，２９，３５ モータ １９，２５，３０ ボールネジ ２０，２７，３２ リニアエンコーダ（位置検出
手段） ２１ Ｚ１軸スライドユニット ２２ Ｚ２軸スライドユニット ２６ タッチプローブ ３１ 電気式マイクロメータ（精密
変位測定手段） ３３ スピンドル軸 ３８ ロータリエンコーダ（回転角
度検出手段） ３９ ケレ ４０ クイル ４７ 摺動位置決めブロック ５０ ねじれ羽根部 ５１ シャフト部 ５２ 長手基準面 ５５ 段差部 ５６ 溝 ５７ 羽根 ６０ 制御システム ６１ 制御ユニット部 ６２ 演算・記録部（演算手段） ６３ 制御用コンピュータ ６４ 操作用コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五十嵐 英男 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 2F069 AA21 AA39 AA49 AA56 AA66 BB30 CC05 GG02 GG62 HH01 JJ17 JJ23 JJ28 NN21

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ねじれ羽根部とシャフト部とを備えるね
   じれ羽根付きシャフトのワーク形状を測定するねじれ羽
   根付きシャフトの形状測定方法であって、 ワークの一端部と他端部とを支持してそのワークを軸線
   周りに回転させて所定の回転位置に割り出すステップ
   と、この所定の回転位置でタッチプローブを前記ワーク
   の軸線方向および軸線に垂直な方向に移動させてそのタ
   ッチプローブの測定子を前記ワーク表面に当接させるス
   テップと、このワーク表面に当接させたときの前記ワー
   クの回転角度と前記タッチプローブのワークの軸線方向
   および軸線に垂直な方向における位置とを測定するステ
   ップと、この測定値に基づき、前記ねじれ羽根部の羽根
   輪郭、前記シャフト部の長手基準面位置・振れ、前記シ
   ャフト部に形成される段差部の位置・振れ、前記シャフ
   ト部に形成される溝部の位置・径・幅のうちのいずれか
   を求めるステップとを備えることを特徴とするねじれ羽
   根付きシャフトの形状測定方法。
2. 【請求項２】 前記ねじれ羽根部の羽根輪郭を求めるに
   際して、予め羽根輪郭とねじれの定義式とを演算手段に
   記憶させるとともに、羽根輪郭の勾配角度に複数個の閾
   値と各閾値間の範囲に対応する測定ピッチとを設定して
   おき、入力データに応じて最適の測定ピッチを自動的に
   選択するようにされる請求項１に記載のねじれ羽根付き
   シャフトの形状測定方法。
3. 【請求項３】 前記タッチプローブのワークの軸線に垂
   直な方向への移動とワークの軸線周りの回転割り出しと
   の組み合わせにより、羽根の厚み中心の割出し角度を求
   め、この割出し角度から羽根の円周方向の分割誤差とね
   じれの形状誤差とを補正するようにされる請求項１また
   は２に記載のねじれ羽根付きシャフトの形状測定方法。
4. 【請求項４】 前記ねじれ羽根部の羽根輪郭の各測定点
   座標における法線角度を求めるとともに、この法線に沿
   う前記ワークの軸線方向および軸線に垂直な方向の二軸
   同時補間により、前記タッチプローブの測定子を前記羽
   根輪郭曲線に常に直角に当接させるようにそのタッチプ
   ローブの移動を制御するようにされる請求項１〜３のう
   ちのいずれかに記載のねじれ羽根付きシャフトの形状測
   定方法。
5. 【請求項５】 ねじれ羽根部とシャフト部とを備えるね
   じれ羽根付きシャフトのワーク形状を測定するねじれ羽
   根付きシャフトの形状測定装置であって、（ａ）ワーク
   の一端部と他端部とを支持してそのワークを軸線周りに
   回転駆動するとともに、ワークの回転角度を検出する回
   転角度検出手段を有するワーク回転・位置決め手段、
   （ｂ）前記ワークの軸線方向および軸線に垂直な方向に
   移動自在で、かつそれら各方向における位置を検出する
   位置検出手段を有するタッチプローブおよび（ｃ）この
   タッチプローブの測定子を前記ワーク表面に当接させた
   ときの前記回転角度検出手段および位置検出手段からの
   測定値に基づき、前記ねじれ羽根部の羽根輪郭、前記シ
   ャフト部の長手基準面位置・振れ、前記シャフト部に形
   成される段差部の位置・振れ、前記シャフト部に形成さ
   れる溝部の位置・径・幅のうちのいずれかを演算する演
   算手段を備えることを特徴とするねじれ羽根付きシャフ
   トの形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記ワークの軸線方向および軸線に垂直
   な方向に移動自在で、かつそれら各方向における位置を
   検出する第２の位置検出手段を有する精密変位測定手段
   を備え、前記演算手段は、この精密変位測定手段の測定
   子を前記ワーク表面に近接させてそのワークを回転駆動
   させたときの前記第２の位置検出手段からの測定値に基
   づき、前記シャフト部の軸径・振れ・真円度・円筒度の
   うちのいずれかを演算するものである請求項５に記載の
   ねじれ羽根付きシャフトの形状測定装置。
7. 【請求項７】 前記ねじれ羽根部の羽根輪郭の各測定点
   座標における法線角度を求めるとともに、この法線に沿
   う前記ワークの軸線方向および軸線に垂直な方向の二軸
   同時補間により、前記タッチプローブの測定子を前記羽
   根輪郭曲線に常に直角に当接させるようにそのタッチプ
   ローブの移動を制御する制御手段を備えている請求項５
   または６に記載のねじれ羽根付きシャフトの形状測定装
   置。
8. 【請求項８】 前記ワーク回転・位置決め手段は、前記
   ワークの他端部に対してそのワークの軸線方向に常に一
   定の押圧力を付与する押圧手段を有するものである請求
   項５〜７のうちのいずれかに記載のねじれ羽根付きシャ
   フトの形状測定装置。