JP2007033417A - 量産用機械加工部品寸法検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 産業界における量産機械加工部品の検査手法には長さ計測器であるリニアースケールを空圧シリンダで動作させるという手法の計測方法が使用されてきたがリニアースケールを使用するための価格負担と衝撃または衝突停止を本来的に有する空圧シリンダとの組み合わせにて構成されているために高価で壊れやすいという問題を抱えていた。
【解決の手段】 本発明は、計測動作中のシリンダ速度を自由に制御可能である電動サーボモータとネジを使用した回転−直動変換機構部よりなる電動サーボシリンダを用い、計測用に外部センサーを使用することなく、初回加工品を寸法ワークマスターとして使用し、高精度が得られる「繰り返し位置付け」性能を活用することで従来品の持つ不都合をクリアーした量産機械加工部品検査装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、量産用機械加工部品寸法検査装置に関する。

従来の部品寸法検査には手動計測器であるノギスやマイクロメータを用いる方法と、リニアースケール（長さ方向計測器）を空圧シリンダで動作させる方法とがあった。
ＳＭＣ株式会社 総合版カタログ「Ｂｅｓｔ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ」４版 分冊Ｎｏ．２「ものさしくん＆カウンタ」ページ１９０３〜１９５８

以上述べた手動寸法検査方法を用いた大量な機械加工部品検査では測定者に過大な作業負担を強いることになり、量産工程には適用できない。また、この点を改善するためにリニアースケールを空圧シリンダで駆動させる空圧自動検査方法が考案され実用に供されている。

しかるに、空圧を利用した空圧自動検査方法には以下に述べる基本的な問題が存在している。空圧シリンダは動作原理上停止時に衝撃を伴うアクチュエータである。また、精密測長器であるリニアーセンサーは構造上耐衝撃性能が低く、つまり、計測に際し測長接触子を衝撃無しに被計測物に当てることが必要である。この相反する性能を組み合わせて成る計測用空圧シリンダは必然的に以下に述べる不都合点を潜在的に抱えた計測システムであるといえる。

被計測物に測長接触子を当て止めする際の衝撃を可能なかぎり低く抑えるために、空圧シリンダの駆動用空気圧を小さくし、直動動作可能な限界駆動速度で動作させる必要がある。この事により、空圧シリンダの可動ロッドに対する直動摩擦負荷の僅かの増加で停止状態が発生し、計測不能になる頻度が高いという不都合点に加えて、必然的に低速で駆動することを条件づけられていることによって、計測時間の増加が発生することになる。計測時間を短縮するためには、直動の移動時間を短縮する必要がある。移動時間を短縮するためには、移動速度を速くする必要があり、移動速度を速くすると測長接触子が被測定物に衝突する際の衝撃が大きくなり、衝撃が大きくなるとリニアースケール（精密測長器）が破損する可能性がおおきくなる。また、破損しない場合でも、その際に発生する衝突残留振動によ測長器の周波数応答限界をオーバすることによる誤計測が発生する可能性が増大する、また、その残留振動が継続している時間は計測ムダ時間となり、時間性能を著しく損なうことになる。本発明は、このような従来の構成が有していた基本的な問題を解決しようとするものであり、高価な精密測長器であるリニアーセンサーを用いることなく、計測時間を最短にすると同時に、稼動信頼性の高い計測システムを実現することを目的としたものである。

そして、本発明は上記目的を達成するために、サーボモータには回転位置を検出するエンコーダをモータ回転子軸上に設けた位置制御型のサーボモータを用い、そのサーボモータの回転子軸上にネジのピッチ精度は低いが、安価である転造加工法により製造されたネジを使用した回転−直動変換機構部を設けた電動サーボシリンダを構成する。このように構成された電動サーボシリンダはサーボモータの回転位置指令（角度あるいはパルス）に基づいて、ネジ機構を用いた回転−直動変換機に使用されるネジの１回転あたりの進み量すなわちリード量に比例した「長さ方向」の動きに変換される。

ここで、このような電動サーボシリンダの長さ方向の精度について簡単に説明する。この種の精度は一般に「絶対位置付け精度」と「繰り返し位置付け精度」で定義されている。ここで言う「絶対位置付け精度」はネジ式回転−直動変換機構部に使用されるネジとナットからなるネジのピッチ誤差によって決まってくるものである。所望の長さ（移動量）を指令値としてサーボモータに与えて、その結果サーボシリンダがネジのピッチ誤差により決まってくる誤差量を含んだ長さだけ移動することをあらわしている。しかるに、「繰り返し位置付け精度」は上記ネジとナットで決まってくるネジのピッチ誤差には関係なく、その精度は電動サーボシリンダに使用する位置制御型電動サーボモータ１回転の最小分解能によってのみ決定されると言う性格を持っている。つまり、「繰り返し位置付け精度」とはサーボへの指令値が同じ場合、すなわち、スタート点と最終到達点が同じ動作を繰り返した場合、どれ位正確に前回の移動量が再現できるかを表現したものであり、当然その絶対移動量はネジのピッチ誤差を含んだ値であることは定義上明白である。

本発明は上記「繰り返し位置付け精度」がサーボの最小分解能にだけ依存し、ネジのピッチ誤差には全く影響されないものであることに着目し、つまり、「繰り返し位置付け精度」の定義からくる高い再現性を有効活用したものである。

次に、加工バラツキに対しても、本考案の方式が有効であることを説明する。
ネジとナットで得られる「繰り返し位置付け点」近傍への位置付け精度は、例えば
ネジのピッチ＝１ｍｍ／１回転
ネジのピッチ精度＝±０．０２ｍｍ／ピッチ
誤差はピッチ間で平均的に分布していると仮定すると
「繰り返し位置付け点」近傍±０．１ｍｍの範囲では０．１／１×０．０２ｍｍ＝±０．００２ｍｍ
「繰り返し位置付け点」近傍±０．２ｍｍの範囲では０．２／１×０．０２ｍｍ＝±０．００４ｍｍ
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「繰り返し位置付け点」近傍±１ｍｍの範囲では１／１×０．０２ｍｍ＝±０．０２ｍｍとなる。
従って、上記ネジ・ナットの組み合わせで得られる「繰り返し位置付け点」近傍の微小区間（０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ〜１ｍｍ）に限定した位置付け精度は±０．００２ｍｍ〜±０．０２ｍｍとなり、機械部品加工の加工リッミトをこの「繰り返し位置付け点」近傍の微小区間に設定することにより十分高精度に加工部品寸法を計測でき加工部品の良否判定に利用可能であることは明白である。

また、電動サーボシリンダはその動力源として電動サーボモータを使用していることにより、動作中に速度の制御ができない空圧シリンダと大きく相違して、動作途中での速度制御を自由に行うことが可能である。このことにより、計測用途に使用した場合、被計測物近傍までは最大速度で移動し、その後計測用接触子が被計測物に接触した際に振動が発生しない低速の押し付け動作を行わせることが可能である。これにたいして空圧シリンダを計測用にしようした場合動作途中での速度制御性が全くないために、衝突時の振動を押さえるために、動作開始時から低速動作を行わせる必要があり、これが計測時間が長くかかる要因になっている。電動サーボシリンダと空圧シリンダを計測用途に使用した場合の動作速度比較と計測動作時間の比較を図６に示す。図６より計測時間性能が大幅に改善できることは明白である。

次に、本計測の基本を支える部品寸法計測用ワーク・マスターについて述べる。
先ず、量産機械加工部品が生産される実際の加工と計測の工程についてその流れを分解すると
１ 第一工程初物を加工図面指定寸法を目標に加工する
２ 第二工程第一工程で加工された加工部品寸法を計測する
３ 第三工程加工図面指定寸法内に入るまで加工条件を修正する
４ 第四工程第三工程で得られた加工条件で順次必要個数を加工する（２個目以降の加工）
上記第三工程で得られた加工図面指定寸法内の加工部品をワーク・マスターとすると同時に、その寸法を本発明以外の長さ計測器を用いて計測し、その計測値を記録しておく。

次に、計測用コントローラについて述べる
本コントローラは液晶表示部と数値入力機能を有するテン・キー部と数値演算部と記憶部と計測結果を外部に出力する出力回路部と電動サーボシリンダを動作させるサーボ制御部から構成されており、その動作は寸法計測前処理である「校正」動作と計測器の基本動作である「計測」動作とその演算処理を行う演算動作と演算結果と入力設定値とを記憶しておく記憶部と計測結果を外部へ出力する出力動作とサーボシリンダを動作させるサーボ制御動作とからなる。

以上のようにしてなる電動サーボシリンダと計測用ワークマスターと計測用コントローラを組み合わせて接続し、量産用機械加工部品寸法検査装置を構成する。

本発明の量産用機械加工部品寸法検査装置を用いることにより、加工部品検査に高価かつ機械強度が比較的低い精密測定器であるリニアースケール類を用いることなく、かつ、停止時の衝撃動作を本来的に有している空圧シリンダを用いることなく、機械加工部品の全数検査が経済的に、短時間で、かつ、衝突時に振動が発生しない動作限界最低速度で可動させるために、シリンダへの供給空気量を滑らかな移動速度が得られる限界推力まで絞り込んだ空圧シリンダ計測システムに対して、充分な稼動信頼性を持って実施できるようになる。

発明の実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。

図１は本考案の実施例を示すものであり、図において、１は計測台、２はワーク・マスター、３は電動サーボシリンダのシリンダロッド先端に固着された計測用接触子、４は電動サーボシリンダの可動ロッド、５は電動サーボシリンダの回転−直動変換ネジ−ナット機構を納めたハウジング、６は電動サーボモータ、７は電動サーボモータの回転子軸上に固着された位置信号検出用のエンコーダ、８は電動サーボシリンダと計測用コントローラ（９）を接続するためのケーブル、９は計測用コントローラを表している。

図２は従来からある空圧シリンダとニリアーセンサーを用いた計測装置を示すものであり、図において１０は計測台、１１は非計測物、１２は計測用接触子、１３は空圧シリンダの可動ロッド部（１５）とリニアーセンサーの可動子（１４）を一体に結合するためのロッド結合機構、１４はリニアーセンサーの計測用可動子、１５は空圧シリンダの可動ロッド、１６はリニアーセンサーの本体固定子部、１７はリニアーセンサー（１４，１６）とリニアーセンサーのコントローラ（１８）を接続する結合ケーブル、１８はリニアーセンサーのコントローラ部、１９は空圧シリンダ本体ハウジング部、２０，２１は空圧シリンダの空気注入口を表す。

図３は本考案の計測用コントローラを示すものであり、図において２１は計測用コントローラのパネル、２２はワークマスター及び２個目以降の部品加工寸法の実測値を表示する液晶表示画面、２３は加工図面に指定されている加工部品の加工上限リミット値をテン・キー（３１）を用いて入力し、その値を表示する表示画面、２４は同じく加工基準値を表示する表示画面、２５は同じく加工下限リミット値を表示する表示画面、２６は加工部品の実計測値が図面指定の上・下限リミット値の間に存在するときに表示点灯される表示灯、２７は加工部品の実計測値が図面指定の上・下限リミット値の間に存在しないときに表示点灯される表示灯、２８は実計測前に行われる「校正」動作をスタートさせるためのスイッチ、２９は実計測動作をスタートさせるスイッチ、３０は校正、計測動作が完了した場合にシリンダロッド（４）は待機点まで退避動作を行うが、その待機点を教示するための機能を有するスイッチを表す。加工下限リミット値加工下限リミット値

図４は校正動作時、ワークマスター（２）と計測用接触子（３）が接触している状態と接触点近傍の座標拡大図を表したもので、図において、３３はワークマスター（２）と計測用接触子（３）が接触している点、３４は長さ方向の寸法座標軸、３５は座標軸（３４）上で、加工部品の加工下限リミット値、３６は加工部品の加工基準値、３７はワークマスター２と計測用接触子３との接触点３３の寸法座標、３８は加工部品の加工上限リミット値との関係を拡大表示した拡大表示図を表す。

図５は計測用コントローラ内部の機能を示すためのブロック図で、図において３９は電動サーボシリンダ（（４，５，６，７）を駆動するためのサーボ制御部、４０はテン・キーにて入力されるワークマスターの実測寸法値と加工図面に指定されている加工基準値、加工部品の加工上限リミット値を入力する入力機能を有する入力部、４１は入力された設定値と実測寸法とをを表示する液晶表示機能を持つ表示部、４２は実測値と設定値を演算比較・判定当の処理を行う演算部、４３は入力設定値と実測値等を記憶しておく記憶部、４４は実測値を計測用コントローラの液晶表示画面（２２）に出力する機能と記憶されている実測データを外部機器に出力する機能を持つ出力部を表す。

以下、上記構成の動作を説明する。計測用コントローラ１８のテン・キー部３１を用いてワークマスター寸法と加工図面指定の加工上限リミット値と加工基準値と加工下限リミット値を液晶表示画面２２，２３，２４，２５にそれぞれ表示させる。
計測台１にワークマスター２をセットする。「校正」スイッチ２８を入れる。電動サーボシリンダの計測用接触子３はあらかじめ定められた校正動作速度で前進動作を開始する。計測用接触子３は図４の状態でワークマスターを押し付け停止する。この停止動作で、計測用シリンダ３，４，５，６，７を制御するサーボ制御部３９から押し付け完了信号がサーボ制御部３９の内部信号として生成される。この内部信号により、あらかじめセットされている液晶表示画面２２のワークマスター寸法が計測用シリンダ３，４，５，６，７の現在位置座標（原点）３７として自動的にセットされる。

計測用コントローラパネル２１上の「戻り」スイッチ３０を入れ電動サーボシリンダの計測用接触子３をマスターワーク２より後退させる。所望の位置まで後退したら、「戻り」スイッチ３０を切る。電動サーボシリンダは停止する。この停止点が計測動作時の待機点となる。なお、「戻り」スイッチは押している間はスイッチがＯＮで手を離すとＯＦＦになるように作られている。マスターワーク２を計測台１よりはずす。これで計測のための準備工程つまり校正作業が完了したことになる。

次に計測動作について説明する。計測台１に２回目以降の機械加工部品をセットし、計測用コントローラパネル２１上の計測スイッチ２９をＯＮする。電動サーボシリンダの計測用接触子３は前進し、加工部品をあらかじめ定められた一定の推力で押し付けた後停止する。この時に電動サーボシリンダの現在位置座標をサーボ制御部３９で読み取り記憶部４３にて記憶する。この値は座標原点３７にたいしての座標を表していることになる。ワークマスター寸法に対してのプラスまたはマイナスの数値として表される。従って、２回目以降の機械加工部品の実加工寸法はこの数値にワークマスタの実測寸法値を加算することによって得られるわけである。得られた実測値を液晶画面２２に実測値として表示すると同時に、加工上下限リミット値の内側であるか、外側であるかを演算部４２で判別し、内側であるなら合格ランプ２６を点燈させ、外側であるなら不合格ランプ２７を点燈させ、合わせてその実測値を記憶部４３に記憶する。

次に、図４の座標拡大図と具体的な機械加工部品のワークマスターと２回目以降の加工部品と機械加工図面に指定されている加工寸法との関係について実例を挙げて説明する。その関係は以下のとうりである。

機械加工図面指定の機械加工基準値３６＝１５０．００ｍｍ
機械加工図面指定の機械加工上限リミット値３８＝＋０．２ｍｍ
機械加工図面指定の機械加工上限リミット値３５＝−０．２ｍｍ
ワークマスター実測寸法３７＝１５０．１５ｍｍ
２回目の加工部品寸法＝１４９．９ｍｍであったとした場合
計測動作時電動サーボシリンダの現在位置座標はワークマスター寸法が１５０．１５ｍｍ、
この点を原点、つまり、ゼロ点としたために−０．２５ｍｍとなる。（１４９．９−１５０．１５＝−０．２５）
この値にワークマスタ寸法１５０．１５ｍｍをプラスし、１４９．９ｍｍの実測値を得る。つまり、２回目以降の実計測時はワークマスター寸法（原点、ゼロ点）を基準にしてその値よりどれ位離れているか？を知ることによって、加工部品の実測値を計測している。

当然のことではあるが、ワークマスターは機械加工図面の上下限リミット値の範囲に必ずしも入っている必要はなく基準寸法の近傍であれば良いことは言うまでもない。これはワークマスタを一回目の加工初物ではなく長さの２次基準器である「ブロックゲージ」等で代用する場合に見られることである。

本発明の実施形態を示す接続図 は空圧シリンダとリニアースケールを用いた従来の計測システムの接続図 は本発明を構成する計測用コントローラの表面パネル は本発明を構成するワークマスターに計測用接触子が押し付け制御で接触している状態と接触点近傍の座標拡大図 は本発明を構成する計測用コントローラの内部ブロック図 は本発明と従来の空圧シリンダシステムとの計測時間性能比較用グラフ

符号の説明

１は計測台
２はワークマスタ
３，４，５，６，７は計測用電動サーボシリンダ
９は計測用コントローラ
２２，２３，２４，２５は計測用コントローラの液晶表示画面
２６は合格ランプ
２７は不合格ランプ
２８は校正動作スイッチ
２９は計測動作スイッチ
３０は戻り量を決めるスイッチ
３４は座標拡大図の直線座標
３５は加工図面加工下限リミット値を表す座標点
３６は加工図面加工基準値を表す座標点
３７は実測されたワークマスター寸法を表す座標点
３８は加工図面加工上限リミット値を表す座標点

Claims (2)

1. 大量の機械加工部品の加工寸法を検査する量産用機械加工部品寸法検査装置においてサーボモータとサーボモータの回転動作を直動動作に変換するネジ機構を用いた回転一直動変換機構部とからなる電動サーボシリンダと長さ方向の座標変換・演算機能を有する計測用コントローラと部品寸法計測用ワーク・マスターとからなることを特徴とした量産用機械加工部品寸法検査装置。
2. 請求項１のネジ機構を用いた回転−直動変換機構部に使用するネジを、ネジピッチ精度は研削工法に較べ劣るものの、製造価格が１／１０程度と安価な転造加工製法によるネジを使用するごとくしたことを特徴とする量産用機械加工部品寸法検査装置。

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