JP2010247276A - ボールねじの熱変位検出装置および熱変位検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水分や油分の付着に由来する誤検出の問題は生じず、より信頼性に優れたボールねじの熱変位検出装置を提供する。
【解決手段】本発明は、一側端が回転可能且つ軸方向に移動不能に支持され、他端側が回転可能且つ軸方向に移動可能に支持されるボールねじ７の熱変位を検出する装置であって、ボールねじ７の他端側の端面に、間接的又は直接的に接触するようにリニアセンサ４０のセンサロッド４２を取り付ける。これによれば、ボールねじ７の端面とセンサロッド４２とが接触する状態で熱変位を検出することができるので、従来の電磁誘導センサを検出要素とする形態においては不可避であった、ボールねじ７の他端側の端面に水分や油分等が付着することに起因する誤検出の問題は生じず、信頼性に優れた熱変位検出装置を得ることができる。また、電磁誘導センサのように、ボールねじ７の端面の中心に対する厳密な位置合わせ作業は不要であり、熱変位検出装置の低コスト化に貢献できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじの熱変位を検出するための装置および方法に関する。

ボールねじは、工作機械等の可動体の送り装置或いは位置決め装置として広く適用されている。また、軸受機構との間の摩擦により発生した熱やサーボモータの発熱がボールねじに伝わり温度が上昇すると、ボールねじが熱膨張して軸方向に熱変位が生じることも知られており、かかる熱変位を検出する方法についても種々の方式が提案されている。

例えば、特許文献１では、ボールねじ１２の軸方向の一端側をサーボモータ１８に連結し、軸方向の他端側を変位可能な遊端側とし、当該遊端側の端面１２ａと対向する位置に非接触式の電磁誘導センサ（検出装置２４）を配置し、端面１２ａの中心からセンサまでの間隔距離の変化を捉えることで、ボールねじ１２の軸方向の熱変位を検出している（特許文献１の図２参照）。

特開２００１−１３８１７８号公報（図２、段落番号００１２）

特許文献１のように、ボールねじの端面と対向する位置に配置された非接触式の電磁誘導センサにより熱変位を検出する方法では、水分やベアリングの潤滑油などが遊端側の端面に付着すると、誘導率が変化して熱変位の正確な検出が不可能となる。また、ボールねじの回転中心と端面の中心とが一致していることを前提条件として、ボールねじの端面の中心を検出位置とし、誘電率の変化から当該検出位置からセンサまでの距離を捉えて、これをボールねじの軸方向の熱変位として検出しているため、端面の中心位置と電磁誘導センサとの厳密な位置合わせが必要で、工作機械等の製造コストの上昇を招く不利もある。

本発明は、水分や油分の付着に由来する誤検出の問題は生じず、より信頼性に優れたボールねじの熱変位検出装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は、一側端が回転可能且つ軸方向に移動不能に支持され、他端側が回転可能且つ軸方向に移動可能に支持されるボールねじの熱変位を検出する装置であって、前記ボールねじの他端側の端面に、間接的又は直接的に接触するようにリニアセンサのセンサロッドが取り付けられていることを特徴とする。
ここで言う間接的とは、ボールねじの端面とセンサロッドとの間に、後述のような継手ブロックが存在しており、該継手ブロックにセンサロッドが接触していることを意味する。

また本発明は、ボールねじの他端に継手ブロックを装着する形態を採ることができる。継手ブロックは、ベアリングを介してボールねじと相対回転可能に支持されて、該ボールねじの熱変位に従って軸方向に変位する伝動体を含むものとし、この伝動体にセンサロッドを固定する。

また本発明は、ボールねじの他端に、継手ブロックが装着されており、継手ブロックは、ベアリングを介して前記ボールねじと相対回転可能に支持され、該ボールねじの熱変位に従って軸方向に変位する伝動体を含み、リニアセンサは、センサロッドと該センサロッドのスライド位置を検出する中空筒状のセンサヘッドとを含み、該センサロッドは、その遊端側が該センサヘッドから離れる方向に付勢されており、センサロッドの遊端が伝動体の軸方向の端面に接触する状態で、リニアセンサが配置されている形態を採ることができる。

伝動体は回止め具で回転不能に固定することが好ましい。

ボールねじの他端側の端面に、センサロッドの遊端を固定する形態を採ることができる。

また本発明は、一側端が回転可能且つ軸方向に移動不能に支持され、他端側が回転可能且つ軸方向に移動可能に支持されるボールねじの熱変位を検出する方法であって、ボールねじの他端側の端面に、間接又は直接的に接触するようにリニアセンサのセンサロッドが取り付けられており、ボールねじの軸方向の変位に伴ってセンサロッドがセンサヘッドに対して相対的にスライド移動することにより、該ボールねじの熱変位を検出することができるようになっていることを特徴とする。
ここで言う間接的とは、ボールねじの端面とセンサロッドとの間に、継手ブロックが存在しており、該継手ブロックにセンサロッドが接触していることを意味する。

本発明に係る熱変位検出装置および熱変位検出方法おいては、リニアセンサをボールねじの熱変位の検出要素として、当該リニアセンサのセンサロッドをボールねじの他端側の端面に間接又は直接的に接触させた。これによれば、ボールねじの端面とセンサロッドとが接触する状態で熱変位を検出することができるので、従来の電磁誘導センサを検出要素とする形態においては不可避であった、ボールねじの他端側の端面に水分や油分等が付着することに起因する誤検出の問題は生じず、信頼性に優れた熱変位検出装置および熱変位検出方法を得ることができる。また、電磁誘導センサのように、ボールねじの端面の中心に対する厳密な位置合わせ作業は不要であり、熱変位検出装置の低コスト化に貢献できる。

リニアセンサを使ってボールねじの熱変位を検出する方法としては、例えば、ボールねじと並行状にセンサロッドを配置する方法が考えられる。しかし、この場合には、ボールねじと略同寸法の全長を有するセンサロッドを採用する必要があり、センサロッドが大型化して、熱検出装置およびこれが適用される工作機械等の全体コストが上昇することが避けられない。これに対して、本願発明のように、リニアセンサのセンサロッドをボールねじの他端側の端面に間接又は直接的に接触させていると、小型のリニアセンサを採用することができ、熱変位検出装置の低コスト化を図ることができる。

ボールねじの他端に、ベアリングを介してボールねじと相対回転可能に支持される伝動体を含む継手ブロックを装着して、伝導体にセンサロッドを固定したので、伝導体およびセンサロッドがボールねじの駆動回転に伴って従動回転することは無く、伝動体およびセンサロッドを軸方向にのみ進退変位させることができる。これによれば、伝動体およびセンサロッドと軸受部材との間の摺動摩擦による発熱を最小限化して、当該発熱に起因する伝導体等の熱変位を抑えることができるので、より正確にボールねじの熱変位を検出することができる。また、センサロッド等の軸受部材の摩耗を防いで、長期使用時にもセンサロッド等ががた付くことが無い信頼性に優れた熱変位装置を得ることができる。

リニアセンサが、センサロッドと該センサロッドのスライド位置を検出する中空筒状のセンサヘッドとを含んでユニット部品化されていると、リニアセンサの組み付け作業の手間を少なくして、熱変位検出装置の低コスト化に貢献できる。センサロッドの伝動体への固定作業が不要であり、この点でもリニアセンサの組み付け作業の手間を少なくして、熱変位検出装置の低コスト化に貢献できる。

伝導体は回止め具で回転不能に固定することが好ましい。これによれば、ボールねじの駆動回転に伴う伝導体の従動回転を確実に防ぐことができるので、伝動体と軸受部材との間の発熱を最小限化することができる。従って、当該発熱に起因する伝導体等の熱変位を抑えて、より正確にボールねじの熱変位を検出することができる。

ボールねじの他端側の端面に、センサロッドの遊端が固定されている形態を採ることができる。これによれば、先の継手ブロックを廃することができるので、装置の低廉化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱変位検出装置の縦断側面図である。 本発明の第１実施形態に係る熱変位検出装置が適用される切削装置の概略構成図である。 切削装置のボールねじ機構を示す縦断側面図である。 本発明の熱変位検出装置の補正効果を説明するための検証モデルを説明するための図である。 検証モデルによる熱変位（熱膨張変位）の実際の伸び、および計測伸びを説明するための図である。 検証モデルによる熱変位（熱膨張変位）の実際の伸び、および計測伸びを示す表である。 本発明の第２実施形態に係る熱変位検出装置の縦断側面図である。 本発明の第３実施形態に係る熱変位検出装置の縦断側面図である。

（第１実施形態） 図１乃至図３に、本発明に係るボールねじの熱変位検出装置およびボールねじの熱変位検出方法を、銅板等の金属板の切削装置に適用した第１実施形態を示す。図２に示すように、切削装置１は、基台２と、該基台２上に設けられて銅板３を水平方向に移動させる台車４と、台車４上で上下動可能に構成されたフライス削り機構５と備える。フライス削り機構５は、基台２に設置されて上下方向に走るボールねじ７と、ボールねじ７の回転に伴って上下動されるホルダー９と、ホルダー９に回転可能に組み付けられて、銅板３の表面を切削するフライス刃１０と、ベルト機構１１を介してフライス刃１０に回転駆動力を与えるモータ１２とを備える。

図２において、符号１３は、切削装置１の全体を制御する制御装置を示しており、該制御装置１３は予め設定された制御プログラムに従って、ボールねじ７を駆動回転させるサーボモータ１５、フライス刃１０を駆動回転させるモータ１２、および台車４を駆動制御する。具体的には、制御装置１３は、エンコーダ１６および熱変位検出装置１７からの検出信号を受けながら、台車４により銅板３を水平方向に移動させるとともに、ボールねじ７を回転操作させてホルダー９ごとフライス刃１０を精密に上下動させることにより、所定の厚み寸法で銅板３の表面を削ることができる。

図３に示すように、ボールねじ７は、その全長の殆どを占めて、ホルダー９のナット１９が螺合装着される雌ねじ状のねじ部２０と、ねじ部の両端部に形成された円筒状の軸部２１・２２とで構成される。両軸部２１・２２を基台２に固定された上下一対の軸受ボックス２３・２４でベアリング２５・２６・２７を介して軸支することにより、ボールねじ７の全体が立直姿勢で回転自在に支持されている。上方側の軸部２１は、上方より順に、サーボモータ１５の出力軸１５ａにカップリング２９を介して連結される第１ジャーナル部２１ａと、軸受ボックス２３のベアリング２６・２７に支持される第２ジャーナル部２１ｂと、第２ジャーナル部２１ｂよりも大径の第３ジャーナル部２１ｃとで構成される。第３ジャーナル部２１ｃの上方側の端面が、これに対向するベアリング２６の内輪体２６ｃの下面に接触することにより、ボールねじ７の上方側への移動限界が規制されている。

上方側の軸受ボックス２３は上下一対のベアリング２５・２６を備える。両ベアリング２５・２６の間には予圧が加えられており、これにて、先の第３ジャーナル部２１ｃの端面がベアリング２６の内輪体２６ｃの下面に接触することと相俟って、ボールねじ７の上端の上下方向の変位を規制している。なお、両ベアリング２５・２６のボールのアンギュラー軸線どうしを互いに逆向きに傾斜させることにより、両ベアリング２５・２６の間に予圧を与えている。

下方側の軸受ボックス２４は、一つのベアリング２７を有しており、ボールねじ７の下方側の軸部２２は、該ベアリング２７を介して回転可能に、しかも上下方向に変位可能に構成されている。以上のように下方側の軸部２２を上下方向に変位可能に構成することにより、熱変位に伴うボールねじ７の軸方向の伸長変化を逃すことができる。

ボールねじ７の下端には、ボールねじの熱変位を測定するための熱変位検出装置１７が設けられている。この熱変位検出装置１７は、ボールねじ７の下方側の軸部２２に装着される継手ブロック３０と、検出要素であるリニアセンサ４０とで構成される。図１に示すように継手ブロック３０は、軸部２２の下端に固定される筒状のハウジング３１と、ハウジング３１の内部に装着される上下一対のベアリング３２・３３と、これらベアリング３２・３３を介してハウジング３１およびボールねじ７に対して相対回転可能に支持される伝動体３４とを備える。

伝動体３４は、両ベアリング３２・３３の内輪体３２ａ・３３ａに支持される第１ジャーナル部３４ａと、該第１ジャーナル部３４ａよりも大径の第２ジャーナル部３４ｂと、第１ジャーナル部３４ａの上方端面に突設された雌ねじ部３４ｃとを有する金属部品である。内輪体３３ａの外面に第２ジャーナル部３４ｂの上端面が接触するまで、第１ジャーナル部３４ａを内輪体３２ａ・３２ｂの軸受孔に内嵌状に挿通したのち、内輪体３２ａから突出する雌ねじ部３４ｃにナット３５を螺合装着することにより、伝動体３４はハウジング３１に固定されている。また、以上のようにハウジング３１に伝動体３４を固定した状態で、ハウジング３１をボールねじ７の軸部２２の下端部に螺合装着することにより、ボールねじ７に継手ブロック３０を連結することができる。

両ベアリング３２・３３は、それらのボールのアンギュラー軸線どうしを互いに逆向きに傾斜させることにより、内輪体３２ａ・３３ａどうしが近付く方向の負の隙間となるように、予め内部応力を発生させた状態で組み付けられている。これにて、伝動体３４のラジアル方向およびアキシアル方向の位置決めを正確にするとともに、伝動体３４の軸方向（上下方向）の振れを抑えることができる。

伝動体３４の第２ジャーナル部３４ｂに外嵌状に装着されたリング３６には、ボールねじ７の回転に伴う伝動体３４の従動回転を阻止するための回り止め部材としてのＷ字状の板バネ３７が取り付けられている。詳しくは、板バネ３７は、リング３６に装着されて上下方向に走る第１直線部３７ａと、第１直線部３７ａの延出端から直角に折り曲げられて水平方向に走る第２直線部３７ｂと、第２直線部３７ｂの延出端から直角に折り曲げられて上下方向に走る第３直線部３７ｃと、第３直線部３７ｃの延出部から直角に折り曲げられて水平方向に走り、支持フレーム３８に固定される第４直線部３７ｄとからなり、全体としてＷ字状に形成されている。第１直線部３７ａおよび第４直線部３７ｄには、ビス３９・３９用の貫通孔が設けられている。以上のような板バネ３７を配することにより、ボールねじ７の駆動回転に伴う伝動体３４の従動回転を確実に阻止することができる。また、隣り合う直線部３７ａ〜３７ｄどうしの折り曲げ角度が変化することにより、ボールねじ７の熱変位に伴う伝動体３４の軸方向（上下方向）の変位を吸収することができる。

リニアセンサ４０は、支持フレーム３８に固定される円筒状のセンサヘッド４１と、センサヘッド４１内に挿通されて、直線変位する軸状のセンサロッド４２とで構成される。センサロッド４２の上端は、伝動体３４の第２ジャーナル部３４ｂの下端面に陥没形成された凹部３４ｄ内に内嵌固定されている。センサロッド４２には所定のピッチで磁性マークが設けられており、センサヘッド４１にはコイルが設けられている。そして、センサロッド４２の直線変位に伴う磁性マークとコイルとの間の磁気結合の変化を捉えることにより、センサヘッド４１に対するセンサロッド４２のスライド位置を求めることができる。

上記のように、第３ジャーナル部２１ｃの上方側の端面が、これに対向するベアリング２６の内輪体２６ｃの下面に接触すること、および軸受ボックス２３のベアリング２５・２６の間に予圧を与えることにより、ボールねじ７は、その上方向への移動が規制されている。このため、サーボモータ１５の発熱や、ボールねじ７とナット１９との摺動摩擦による発熱等によりボールねじ７が熱変位すると、下方向に向かってのみボールねじ７は伸長する。換言すると、ボールねじ７は第３ジャーナル部２１ｃの上方端を基準位置として下方に向かって伸長し、この伸長変化を伝動体３４を介してリニアセンサ４０で捉えることで、ボールねじ７の熱変位を検出することができる。

本発明に係る熱変位検出装置１７により検出された変位量に基づく補正精度を、図４乃至図６に基づいて説明する。ここでのボールねじ７は、図４に示すように、ねじ部２０の全長が１０００ｍｍの鉄製であり、ナット１９がねじ部２０の中央部で揺動動作することにより、当該中央部は４０℃に至り、両軸端では２０℃となったと仮定する。図４に示すように、両軸端から中央部、および中央部から両端部への温度勾配は直線と仮定する。

また、熱膨張は計算の簡略化のため、１００ｍｍの鉄材の１℃変化あたりの伸びは１μｍと仮定する。以上より、任意のｘ地点（０〜５００ｍｍ）における実際の伸び量Ｓｘは、図４に示す積分式で求めることができる。

図４に係る積分式により得られた軸各部の伸びは、図６に示す表の系列１の如くとなる。また、これをグラフ上にプロットすると、図５の系列１の如くとなる。

軸端で計測した伸びは１００μｍである。換言すると、リニアセンサによる検出量は１００μｍであり、これから推測する各部位での伸びを全長計測に比例する変位として示すと、図５および図６の系列２の如くとなる。つまり、系列２は補正数値である。

図６の系列１と系列２とを差分が、補正誤差となる。つまり、本検証モデルによれば、最大でも補正誤差を１２μｍに抑えることができ、また、中央部の５００μｍの地点では補正誤差は全く生じないことがわかる。以上より、本発明による熱変位検出装置によれば、熱変位によりねじ部２０において生じた最大１００μｍの誤差を、１２μｍに抑えることが可能である。

（第２実施形態） 図７に本発明の第２実施形態に係る熱変位検出装置および熱変位検出方法を示す。そこでは、全体がユニット部品化されたペンシル型のリニアセンサ４０を採用した点が先の第１実施形態と大きく相違する。

詳しくは、リニアセンサ４０は、筒型のセンサヘッド４１の内部に挿通されたセンサロッド４２の先端に、砲弾状に形成した頭部４３が装着されている。センサヘッド４１の上端面と頭部との間に、当該頭部４３を上方へ付勢するプラスチック製の蛇腹管４４が装着されており、頭部４３の上端が、常に伝動体３４の下端面に接触するようにしている。それ以外の点は、上記第１実施形態と同様であるので、同等の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。

この第２実施形態に係る熱変位検出装置によれば、リニアセンサ４０をユニット部品化したので、リニアセンサ４０の組み付け作業の手間を少なくして、熱変位検出装置の低コスト化に貢献できる。第１実施形態のように、センサロッド４２の伝動体３４への固定作業が不要であり、この点でもリニアセンサ４０の組み付け作業の手間を少なくして、熱変位検出装置の低コスト化に貢献できる。

（第３実施形態） 図８に本発明の第３実施形態に係る熱変位検出装置および熱変位検出方法を示す。そこでは、継手ブロック３０および回り止め部材である板バネ３７を廃して、リニアセンサ４０のロッド４２を直接的にボールねじ７の下端に固定した点が、先の第１実施形態と相違する。

詳しくは、本実施形態に係る熱変位検出装置では、センサロッド４２は、ボールねじ７の下端面に陥没形成された凹部４５内に内嵌固定されており、該ボールねじ７の駆動回転に伴って従動回転するようになっている。それ以外の点は、先の第１実施形態と同様であるので、同等の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態によれば、センサロッド４２をボールねじ７に直接的に固定して、継手ブロック３０を廃したため、装置の低廉化を図ることができる。

７ ボールねじ
１７ 熱変位検出装置（ボールねじの熱変位検出装置）
２０ ねじ部
２１ 軸部
２２ 軸部
３０ 継手ブロック
３２ ベアリング
３３ ベアリング
３４ 伝動体
３７ 回止め具（板ばね）
４０ リニアセンサ
４１ センサヘッド
４２ センサロッド

Claims (6)

1. 一側端が回転可能且つ軸方向に移動不能に支持され、他端側が回転可能且つ軸方向に移動可能に支持されるボールねじの熱変位を検出する装置であって、
   前記ボールねじの他端側の端面に、間接的又は直接的に接触するようにリニアセンサのセンサロッドが取り付けられていることを特徴とするボールねじの熱変位検出装置。
2. 前記ボールねじの他端に、継手ブロックが装着されており、
   前記継手ブロックは、ベアリングを介して前記ボールねじと相対回転可能に支持され、該ボールねじの熱変位に従って軸方向に変位する伝動体を含み、
   前記伝動体に前記センサロッドが固定されている請求項１記載のボールねじの熱変位検出装置。
3. 前記ボールねじの他端に継手ブロックが装着されており、
   前記継手ブロックは、ベアリングを介して前記ボールねじと相対回転可能に支持され、該ボールねじの熱変位に従って軸方向に変位する伝動体を含み、
   前記リニアセンサは、前記センサロッドと該センサロッドのスライド位置を検出する中空筒状のセンサヘッドとを含んでユニット部品化されており、該センサロッドは、その遊端側が該センサヘッドから離れる方向に付勢されており、
   前記センサロッドの遊端が前記伝動体の軸方向の端面に接触する状態で、前記リニアセンサが配置されている請求項１記載のボールねじの熱変位検出装置。
4. 前記伝動体が回止め具で回転不能に固定されている請求項２又は３記載のボールねじの熱変位検出装置。
5. 前記ボールねじの他端側の端面に、前記センサロッドの遊端が固定されている請求項１記載のボールねじの熱変位検出装置。
6. 一側端が回転可能且つ軸方向に移動不能に支持され、他端側が回転可能且つ軸方向に移動可能に支持されるボールねじの熱変位を検出する方法であって、
   前記ボールねじの他端側の端面に、間接又は直接的に接触するようにリニアセンサのセンサロッドが取り付けられており、
   前記ボールねじの軸方向の変位に伴ってセンサロッドがセンサヘッドに対して相対的にスライド移動することにより、該ボールねじの熱変位を検出することができるようになっていることを特徴とするボールねじの熱変位検出方法。

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