JP2017067448A

JP2017067448A - 回転角度センサ及び変位センサの一括自律校正機能付きねじリード測定装置

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Publication number: JP2017067448A
Application number: JP2015189068A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; Takemi Asai
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-09-28
Also published as: JP6636288B2

Abstract

【課題】高精度なセンサを用いずに、直線変位と回転変位の較正を実施できるねじリード測定装置を提供する。
【解決手段】直線変位の補正は、通常測定操作で回転角度λとｙの関係式を得る工程と、直線変位計の検出ヘッドを親ねじに平行に微小変位δだけ移動させ、同様な関係式を得る工程と、直線変位計の非線形成分を計算する行程と、得られた非線形性により、通常測定操作で得られた測定結果を補正する行程を有す。また回転変位の補正は、通常測定操作で回転角度λとｙの関係式を得る工程と、回転変位計の検出ヘッドを主軸に対し僅かにねじり、同様な関係式を得る工程と、回転変位計の非線形成分を計算する行程と、得られた非線形性により、通常測定操作で得られた測定結果を補正する行程を有す。
【選択図】図３

Description

本発明は、ねじリード測定装置に関し、特に、精密送りねじ等のねじリード測定装置であって、回転角度センサ及び変位センサの一括自律校正機能付きのねじリード測定装置に関する。

従来のねじリード測定装置は、例えば、非特許文献１に記載されている。

一方、非特許文献２には、余分なスペースや付加的な器具を殆ど用いないで、変位センサ・角度センサ等の単独のセンサの線形誤差を自律的に較正する方法が提案されている。

山本晃他，「レーザ干渉ねじリード測定機の実用化」，精密機械４１／９（１９７５），ｐｐ．９１９．清野慧他，「幾何学量センサのその場自律校正」，精密工学会誌６３／１０（１９９７），ｐｐ．１４１７．

しかしながら、例えば、上述した非特許文献１に記載の従来例では、通常レーザ干渉計は波長の何分の一の周期を基本周期として、内挿してナノメータ（ｎｍ）オーダの高分解能を実現しているため、内挿に起因する非線形成分の混入が避けられないという問題点がある。また、回転角度検出器側でも同様である。

上記問題点に対しては、スライド移動の変位と回転角度とをより精密に測定することが出来れば、より精密に累積ピッチ偏差及び酔歩偏差が算出され得る。そして、通常は、これらの非線形成分は、より高精度（高線形性・高分解能・高再現性）のセンサを用いて較正を行うことで、繰り返し性の範囲内で最良の測定結果を実現するように調整され得る。従って、より高精度なセンサを用いずに較正を実施できるならば、コスト削減が期待できることになる。

本発明は、以上のような事情から為されたものであり、その目的は、より高精度なセンサを用いずに較正を実施できるねじリード測定装置を提供することにある。

本発明者は、上述したねじリード測定装置について、非特許文献２に記載されている自律校正の原理を適用できるように構成すれば、ねじリード測定機の回転角度センサおよび変位センサの一括自律校正機能が得られ、より高精度なセンサを用いずに較正を実施できることを見出した。

即ち、本発明では、前提条件として、変位の測定・角度測定の繰り返し性・再現性は十分に高いものとし、本発明による以下の方法及び装置が得られる。
本発明の一様相によれば、一度通常通り測定操作を行い回転角度λとｙの関係を調べることで、以下の数式（１）を得る工程と、

次に、変位計の検出ヘッドを親ねじに平行に微小変位δだけ移動させ、その状態でもう一度リード測定を行うことで、以下の数式（２）を得る工程と、

ここに、

は測定対称の形状を表す関数であり、

はこの測定器の変位計の非線形成分を表す関数であり、

は角度変位計側の非線形成分を表す関数である。また、

はリード測定の結果を表す関数であるが、変位の測定・角度測定の繰り返し性・再現性は十分に高いものとする前提条件は満たされているとする。
このとき、導関数の近似となる差分式として、以下の数式（３）（４）を得る工程と、

上記数式（３）（４）より数値積分により変位計側の

を推定により得る工程であり、この時点で、較正をしなければ残った

の分の不確かさを減少する工程と、
さらに、変位計と角度計の立場を入れ替えても以上と同様の式が成り立つので、それにより、

の低減を成し遂げる工程と、を含むことを特徴とするねじリード測定装置における回転角度センサ及び変位センサの一括自律校正方法が得られる。

また、本発明の他の様相によれば、上記回転角度センサ及び変位センサの一括自律校正方法を適用可能なねじリード測定装置であって、
前記変位計の検出ヘッドを親ねじに平行に微小変位δだけ移動させ、その状態でもう一度リード測定を行うことで、数式（２）を得る工程を可能とするために、ねじリード測定装置側は、ホモダイン干渉計式変位計の取り付け部分に細工をし、ネジの押し込み等により、僅かに移動できる手段を有し、
前記変位計と角度計の立場を入れ替えても数式（１）（２）（３）（４）と同様の式が成り立つので、それにより、

の低減を成し遂げる工程を可能とするためにねじリード測定装置側は、ロータリエンコーダの取り付け部分に細工をしネジの押し込み等により、主軸に対して検出ヘッドを僅かにねじることが出来る手段を有していることを特徴とするねじリード測定装置が得られる。

上記ねじリード測定装置において、前記僅かに移動できる手段は、微小変位を与える構造として、マイクロメータヘッドで固定側全体を押し引きする構造により構成されており、是延期僅かにねじることが出来る手段は、ロータリエンコーダを２段構成とし、ロータリエンコーダの固定側を回転軸まわりに微小旋回し再クランプできる装置を搭載することにより構成されているようにしても良い。

本発明の方法を用いれば、外部センサによらず、精密送りねじのリード測定器用のセンサの較正を行う機能をもたせることができる。

本発明の実施形態に係るねじリード測定装置とその測定方法を説明するための図であり、（ａ）は、そのねじリード測定装置の平面図、（ｂ）は、その側面図、（ｃ）は、その斜視図である。本発明の実施形態に係るねじリード測定装置における被測定ねじ、スライド、及びフィラーの関係を拡大して示す図である。本発明の実施形態に係るねじリード測定装置における直線変位計分の補正のフローチャートである。本発明の実施形態に係るねじリード測定装置における回転変位計分の補正のフローチャートである。本発明の実施形態に係る微小回転を実現するための機構の例である。

まず、本発明の概要を説明する。本発明は、本明細書の冒頭で述べた非特許文献１に記載の従来のねじリード測定装置と機械的には略同じ構成のねじリード測定装置に適用される。この測定装置は、例えば、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような装置が用いられる。本実施形態では、精密送りねじとしてのボールねじのリード測定について説明する。

図１は、本実施形態に係るねじリード測定装置とその測定方法を説明するための図であり、（ａ）は、そのねじリード測定装置の平面図、（ｂ）は、その側面図、（ｃ）は、その斜視図である。図２は、図１に示したねじリード測定装置における被測定ねじ、スライド、及びフィラーの関係を拡大して示す図である。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図２において、被測定ねじ１０１は両センタ（回転センタ２０１，２０２）で支持され、主軸モータにより回転させられる。２個のフィラー２０６及び２０７は、被測定ねじ１０１のねじフランクに接触させる。往復台２０４は測定器の親ねじ２０５により、被測定ねじ１０１の呼びリードにほぼ等しいリードに従って送られる。スライド２０８は、親ねじ２０５の軸方向及びそれと直角方向に軽く動き得るようになっている。

３個の平面鏡２０９、２１０及び２１１はスライド２０８に取り付けられている。これら３個の平面鏡２０９、２１０及び２１１を移動鏡（コーナキューブ）としてレーザ干渉計が構成されている。この移動鏡は、２個のフィラー２０６及び２０７を固定したスライド２０８の親ねじ２０５の送り方向に平行な方向の位置を捕らえている。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）では、測定に用いているのはホモダイン干渉計式変位計２２１である。この場合、固定鏡側の光学系はホモダイン干渉計のヘッドの中に組み込まれており、図１（ａ）に矢印で示しているのは移動鏡側の光学系のみである。この構成は、リニアエンコーダ等で代用しても良い。ロータリエンコーダ２３１により主軸の回転角度を直線変位と同時に測定することが出来るように構成されている。

主軸の回転角にあわせて、ロータリエンコーダ２３１によって発せられる信号を基準として角度に対する移動鏡変位が記録され、これをもとに累積ピッチ偏差および酔歩偏差が算出され得るようになっている。上記非特許文献１に指摘されるように、２個のフィーラを用いた測定では、ねじの１回転あたり１周期等、奇数周期の成分が測られないため、１個のフィーラを用いた測定方法も採用されることがある。しかしながら、例えば、上述した従来例では、通常レーザ干渉計は波長の何分の一の周期を基本周期として、内挿してナノメータ（ｎｍ）オーダの高分解能を実現しているため、内挿に起因する非線形成分の混入が避けられないという問題点がある。また、回転角度検出器側でも同様である。

本発明は、以上のような事情から為されたものであり、その目的は、より高精度なセンサを用いずに較正を実施できるねじリード測定装置を提供することにある。
本発明者は、上述したねじリード測定装置について様々な観点から鋭意研究した結果、非特許文献２に記載の校正方法を適用できるように改造すれば、より高精度なセンサを用いずに較正を実施できることを見出した。方法の概略を以下に述べる。

まず、本発明では、前提条件として，変位の測定・角度測定の繰り返し性・再現性は十分に高いものとする。
最初に、一度通常通り測定操作を行い回転角度λとｙの関係を調べる。

しかる後に、変位計の検出ヘッドを親ねじに平行に微小変位δだけ移動させ、その状態でもう一度リード測定を行うと、

が得られる。

これを可能とするために装置側は、ホモダイン干渉計式変位計２２１の取り付け部分に細工をし、ネジの押し込みなどにより、僅かに移動できるようになっている。このように僅かに移動できるようにするために、微小変位を与える構造とする場合は、たとえばマイクロメータヘッドで固定側全体を押し引きする構造とするのが好適である。
ここに、

は測定対称の形状を表す関数である。また、

はこの測定器の変位計の非線形成分を表す関数であり、

は角度変位計側の非線形成分を表す関数である。
ここで、

はリード測定の結果を表す関数であるが、前提条件は満たされているとする（同じ関数、形状関数とする）。
このとき、導関数の近似となる差分式は以下のようになる。

この式より数値積分により変位計側の

の推定は可能である。
この時点で、較正をしなければ残った

の分の不確かさが減少する。
さらに、変位計と角度計の立場を入れ替えても同様の式が成り立ち、

の低減に繋がる。

これを可能とするために装置側は、ロータリエンコーダ２３１の取り付け部分に細工をしネジの押し込みなどにより、主軸に対して検出ヘッドを僅かにねじることが出来るようになっている。このように僅かにねじることが出来るようにするために、ロータリエンコーダを２段構成とし、ロータリエンコーダの固定側を回転軸まわりに微小旋回し再クランプできる装置を搭載するのが好適である。もしくは，微小旋回側はリニアエンコーダでもよい。もちろん、ロータリエンコーダの読み取りヘッドを微小に移動さえできればよいので、マイクロメータヘッドでも、単にねじでもよい。図５に、微小回転を実現するための機構の例を示す。同図に示すように、円筒部５０５の中央をねじ（ねじ穴を二重丸で指示）で押し込むと円筒部５０５の端面同士に若干旋回角が発生するという仕組みである。
以上のように、回転角度センサ及び変位センサを同時に使用することにより、

と

の両方の不確かさ要因を低減し得る。このような方法を用いれば、外部センサによらず、精密送りねじのリード測定器用のセンサの較正を行うことができる。

以上の装置及び方法によれば、ねじリード測定機の回転角度センサおよび変位センサの一括自律校正機能が得られ、その機能をねじリード測定装置に適用することで、より高精度なセンサを用いずに較正を実施できる。

ここで、図３及び図４を参照して、本実施形態に係るねじリード測定装置における直線変位計分の補正と回転変位計分の補正のフローについて説明する。図３は、本実施形態に係るねじリード測定装置における直線変位計分の補正のフローチャートである。図４は、同じく回転変位計分の補正のフローチャートである。
直線変位計分の補正は、まず、一度通常通りリード測定の操作を行い（Ｓ３０１）、測定結果から回転角度λとｙの関係を調べ、上述した数式（１）を得る（Ｓ３０２）。続いて、変位計の検出ヘッドをオフセットする（Ｓ３０３）、即ち、親ねじに平行に微小変位δだけ移動させ、その状態でもう一度（２回目の）リード測定を行い（Ｓ３０４）、測定結果から上述した数式（２）を得る。この後、直線変位計の非線形性を計算する（Ｓ３０５）。得られた直線変位計の非線形性をにより、Ｓ３０２で得た測定結果を補正する（Ｓ３０６）。
回転変位計分の補正は、まず、一度通常通りリード測定の操作を行い（Ｓ４０１）、測定結果から回転角度λとｙの関係を調べ、上述した数式（１）を得る（Ｓ４０２）。続いて、回転変位計（角度計）の検出ヘッドをオフセットする（Ｓ４０３）、即ち、その状態でもう一度（２回目の）リード測定を行い（Ｓ４０４）、測定結果から上述した数式（２）を得る。この後、回転変位計の非線形性を計算する（Ｓ４０５）。得られた回転変位計（角度計）の非線形性により、Ｓ４０２で得た測定結果を補正する（Ｓ４０６）。
このように直線変位計と回転変位計（角度計）それぞれについて補正（較正）を行い、両補正の結果として回転変位計（角度計）及び直線変位計の一括自律校正が可能になる。そして、直線変位計の検出ヘッドをオフセットする構造と回転変位計（角度計）の検出ヘッドをオフセットする構造としては、最低限、ネジの押し込み等の簡単な構成で実現できるので、より高精度なセンサを用いずに較正を実施できるねじリード測定装置を提供することができる。

複数回の測定作業が必要になるが、測定の信頼性の確保のため、全数でないにしても、複数回の測定が行われることは現実的であり実用性を失うようなことはない。

１０１被測定ねじ、２０１、２０２回転センタ、２０４往復台、
２０５（測定器の）親ねじ、２０６、２０７フィラー、２０８スライド、
２０９、２１０、２１１平面鏡、２２１ホモダイン干渉計式変位計、
２３１ロータリエンコーダ

Claims

一度通常通り測定操作を行い回転角度λとｙの関係を調べることで、以下の数式（１）を得る工程と、

次に、変位計の検出ヘッドを親ねじに平行に微小変位δだけ移動させ、その状態でもう一度リード測定を行うことで、以下の数式（２）を得る工程と、

ここに、

は測定対称の形状を表す関数であり、

はこの測定器の変位計の非線形成分を表す関数であり、

は角度変位計側の非線形成分を表す関数である。また、

はリード測定の結果を表す関数であるが、変位の測定・角度測定の繰り返し性・再現性は十分に高いものとする前提条件は満たされているとする。
このとき、導関数の近似となる差分式として、以下の数式（３）（４）を得る工程と、

上記数式（３）（４）より数値積分により変位計側の

を推定により得る工程であり、この時点で、較正をしなければ残った

の分の不確かさを減少する工程と、
さらに、変位計と角度計の立場を入れ替えても以上と同様の式が成り立つので、それにより、

の低減を成し遂げる工程とを実施できるように構成されたことを特徴とするねじリード測定における回転角度センサ及び変位センサの一括自律校正装置。
請求項１記載の回転角度センサ及び変位センサの一括自律校正方法を適用可能なねじリード測定装置であって、
前記変位計の検出ヘッドを親ねじに平行に微小変位δだけ移動させ、その状態でもう一度リード測定を行うことで、数式（２）を得る工程を可能とするために、ねじリード測定装置側は、ホモダイン干渉計式変位計の取り付け部分に細工をし、ネジの押し込み等により、僅かに移動できる手段を有し、
前記変位計と角度計の立場を入れ替えても数式（１）（２）（３）（４）と同様の式が成り立つので、それにより、

の低減を成し遂げる工程を可能とするためにねじリード測定装置側は、ロータリエンコーダの取り付け部分に細工をしネジの押し込み等により、主軸に対して検出ヘッドを僅かにねじることが出来る手段を有していることを特徴とするねじリード測定装置。
請求項２に記載のねじリード測定装置において、前記僅かに移動できる手段は、微小変位を与える構造として、マイクロメータヘッドで固定側全体を押し引きする構造により構成されており、是延期僅かにねじることが出来る手段は、ロータリエンコーダを２段構成とし、ロータリエンコーダの固定側を回転軸まわりに微小旋回し再クランプできる装置を搭載することにより構成されていることを特徴とするねじリード測定装置。