JP2018036184A - ねじ形状自動計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】ねじ形状自動計測システムにおいて、小型化を図れる構成で、計測対象ワークであるねじのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、ねじの軸方向に沿った寸法とを自動的に精度よく計測することである。
【解決手段】ねじ形状自動計測システム１０は、ねじを計測対象ワークとして、ワークのおねじ側の軸方向一方端を把持する把持部と、把持部を軸方向周りに３６０度回転駆動する把持回転部と、基台に上下方向に移動可能、かつ、上下方向に対し直交する第１方向に移動可能に支持された変位計であって、ワークの変位を計測する変位計と、変位計を上下方向に移動させる上下移動部と、変位計で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータからワークのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法を算出し、かつ、ワークの軸方向に沿った寸法を算出する演算制御装置とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ形状自動計測システムに係り、特に、変位計で計測された変位に基づく寸法を算出して出力するねじ形状自動計測システムに関する。

ねじ製造メーカでは、製造されたねじを予め定めた規格を満たす製品として出荷するためにねじの各種寸法測定を行う。ねじの各種寸法にはそれぞれ規格があり、これらの規格に対する計測のために、マイクロメータ、ノギス、ねじゲージ等の多種多様の計測機器を使い分けながら、計測のほとんどにおいて検査員の手作業によるねじ寸法検査が行われる。その検査結果は検査表に作業員の手書きによって記録される。

このようなねじ寸法測定には多大の手間と時間を要する。いくつかの自動測定方法が提案されている。例えば、特許文献１には、ねじ検査装置として、ねじの頭部をチャックユニットで固定し、ねじ部を含む部分に発光器から平行光線を照射し、ねじ部に対し発光器と逆の側に設けた受光器によってねじ部の明暗映像を取得する構成が開示されている。この構成では、ねじ部の取得映像に対してコンピュータにより計算を行ってねじの長さ、径幅、ねじ山等の測定情報を表示する。発光器と受光器はねじ部の軸方向に沿って移動でき、ねじの頭部を回転してねじ部の向きを変えることでねじの外周を３６０度に亘って検査できると述べられている。

特許文献２には、ねじ形状測定装置として、光をねじの螺旋に平行に照射する光源と、光源と同一の受光光軸を有し光軸に平行な成分のみを結像させるテレセントリックレンズとを有するものが開示されている。この装置は、ねじの軸に直交する方向の１次元画像を取得するラインセンサも有する。

特許文献３には、三次元成形品にレーザ光を照射し、その反射光を受光してその受光情報から三次元成形品の形状の良否を判定する形状検査装置が記載されている。この装置では、三次元成形品の計測点における基準距離と実際の測定距離とを比較して三次元成形品の形状の良否を判定する。

特開２０１２−１１２９２９号公報 特開２０１０−２１０２９２号公報 特開２０１５−８７２９５号公報

特許文献１または特許文献２に記載された構成では、測定対象のねじを介して両側に配置される発光器及び受光器、または光源及び撮像装置を必要とするので、装置が大型化する原因となる。一方、特許文献３に記載された構成を用いてねじの計測点までの測定距離と基準距離とを比較して良否を判定する構成では、ねじのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法も、ねじの軸方向に沿った寸法もいずれも計測できない。

本発明の目的は、小型化を図れる構成で、計測対象ワークであるねじのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、ねじの軸方向に沿った寸法とを自動的に精度よく計測できるねじ形状自動計測システムを提供することである。

本発明に係るねじ形状自動計測システムは、基台に支持され、ねじを計測対象ワークとして、前記ワークのおねじ側の軸方向一方端を把持する把持部と、前記把持部を軸方向周りに３６０度回転駆動する把持回転部と、前記基台に対し上下方向に移動可能、かつ、上下方向に対し直交する第１方向であって、前記ワークの軸方向に対し直交する第１方向に移動可能に支持された変位計であって、前記ワークにレーザ光を照射する照射部、及び前記レーザ光の反射光を受光する受光部を含み、前記ワークの変位を計測する変位計と、前記変位計を上下方向に移動させる上下移動部と、前記上下移動部を制御し、前記変位計で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータから前記ワークのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法を算出し、かつ、前記ワークの軸方向に沿った寸法を算出し、算出結果を出力装置に出力させる演算制御装置とを備える。

上記構成によれば、ワークのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、ワークの軸方向に沿った寸法とを自動的に精度よく計測できる。また、ワークを介して両側に配置される発光器及び受光器も、光源及び撮像装置もいずれも必要としないので、計測システムの小型化を図れる。

また、本発明に係る構成において、好ましくは、前記変位計を前記第１方向に移動させる第１方向移動部と、前記上下方向及び前記第１方向の両方に対し直交する第２方向の軸を中心に前記変位計を回転させるモータとを備え、前記演算制御装置は、前記変位計が前記ワークの軸方向他端の頭部に前記レーザ光を照射するように、前記上下移動部、前記第１方向移動部、及び前記モータを制御し、前記変位計で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータから前記ワークの頭部形状に基づく寸法を算出し、算出結果を前記出力装置に出力させる。

上記の好ましい構成によれば、変位計の数を少なくできる構成で、ワークの頭部形状に基づく寸法を自動的に精度よく計測できる。

また、本発明に係る構成において、好ましくは、前記把持部は、円板状の外形を有するアダプタであって、前記ワークの前記おねじの先端部がねじ込まれるねじ孔を一方端面の中心部に有するアダプタと、前記アダプタの外周面を少なくとも３点で挟持して固定する締付チャックとを含む。

上記の好ましい構成によれば、ワークを軸周りに回転させても安定した計測を行うことができる。

また、本発明に係る構成において、好ましくは、前記アダプタは、前記ワークの前記おねじの先端部がねじ込まれる基準めねじを有するリングゲージと、前記リングゲージの基準めねじの他方側にねじ込まれるホルダ側ねじ部が突き出る一方端面を有する円板状のホルダと、を有する。

上記の好ましい構成によれば、ワークの軸方向がぶれないようにアダプタにしっかりと固定できる。

また、本発明に係る構成において、好ましくは、前記把持回転部の回転角度位置を検出する回転位置検出部を備え、前記演算制御装置は、前記回転位置検出部の検出信号に応じて周期的パルスで取得された前記ワークの外形または前記アダプタの変位を取得し、得られた前記ワークの前記外形または前記アダプタの変位のデータから前記ワークのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、前記ワークの軸方向に沿った寸法との一方または両方を算出して前記出力装置に出力させる。

上記の好ましい構成によれば、ワークのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、ワークの軸方向に沿った寸法との一方または両方を精度よく計測できる。

また、本発明に係る構成において、好ましくは、前記把持回転部の回転角度位置を検出する回転位置検出部を備え、前記演算制御装置は、前記回転位置検出部の検出信号に応じて周期的パルスで取得された前記ワークの前記外形の変位を取得し、得られた前記ワークの前記外形の変位のデータから前記頭部形状に基づく寸法として、前記ワークの前記頭部の直径を算出して前記出力装置に出力させる。

上記の好ましい構成によれば、ワークの頭部の直径を精度よく計測できる。

また、本発明に係る構成において、好ましくは、前記ワークが前記頭部に締付工具が係止されて回すための頭部穴を有する頭部付ねじであり、前記把持回転部の回転角度位置を検出する回転位置検出部を備え、前記演算制御装置は、前記回転位置検出部の検出信号に応じて周期的パルスで取得された前記ワークの前記外形の変位を取得し、得られた前記ワークの前記外形の変位のデータから前記頭部形状に基づく寸法として、前記頭部穴の直径及び深さを算出して前記出力装置に出力させる。

上記の好ましい構成によれば、ワークの頭部穴の直径及び深さを精度よく計測できる。

本発明に係るねじ形状自動計測システムによれば、小型化を図れる構成で、計測対象ワークであるねじのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、ねじの軸方向に沿った寸法とを自動的に精度よく計測できる

本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムの構成図であり、ねじ形状自動計測装置の正面図である。 図１に示すねじ形状自動計測装置の上部において、一部を省略して示す拡大断面図である。 図２Ａの上方から見た図である。 本発明に係る実施の形態のねじ形状自動計測システムの把持部と把持される計測対象ワークであるねじを示す図である。（ａ）は、締付チャックの側面図であり、（ｂ）は、アダプタの断面図であり、（ｃ）は、計測対象ワークのねじを示す図である。（ｄ）はアダプタの分解図である。（ｅ）から（ｇ）は、（ａ）から（ｃ）に対応する上面図である。 図３（ｂ）に示すアダプタの拡大図である。 図２Ａにおいて、ワークを計測する場合におけるレーザ変位計の移動位置を示す図である。 本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムを用いてキャリブレーション用のピンゲージ部とレーザ変位計との距離を計測する状態を示す図である。 図６Ａにおいて、レーザ変位計によりピンゲージ部の軸中心とレーザ変位計との距離を計測する状態を示す図である。 本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムを用いてワークとレーザ変位計との距離を計測する状態を示す図である。 図７Ａにおいて、レーザ変位計によりワークの軸中心とレーザ変位計との距離を計測する状態を示す図である。 図２Ａにおいて、ワークを計測する場合におけるレーザ変位計の移動位置を示す図である。 本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムにおける計測手順の１例を示すフローチャートと計測項目とを示す図である。 本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムにおける山径の計測方法を示す図である。（ａ）は、計測対象ワークの軸方向に沿った輪郭データを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の輪郭データの回帰直線を求める図であり、（ｃ）は、回帰直線から左側の最大のねじ山までの距離を求める図であり、（ｄ）は、回帰直線から右側の最大のねじ山までの距離を求める図である。 本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムにおける谷径の計測方法を示す図である。（ａ）は、計測対象ワークの軸方向に沿った輪郭データにおいて、回帰直線を求める図であり、（ｂ）は、回帰直線から右側の最大のねじ谷までの距離を求める図であり、（ｃ）は、回帰直線から右側の最小のねじ谷までの距離を求める図である。 本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムにおいて、ワークの首下丸み部の半径を求める方法を示す図である。 本発明に係る実施形態のねじ形状自動計測システムにおいて、ワークの首下丸み部の半径を求める方法の別例を示す図である。 ワークの軸方向寸法を計測する状態を示す図である。 ワークの軸方向寸法を計測する場合において、ワークとリングゲージとの接続部におけるＹ方向位置とレーザ変位計からワークまたはリングゲージまでの距離との関係を示す図である。 ワークの軸方向寸法を計測する場合において、頭部下におけるＹ方向位置と変位計からワークまでの距離との関係を示す図である。 ワークの軸方向寸法を計測する場合の別例において、ワークとリングゲージとの接続部におけるＹ方向位置と変位計からワークまでの距離との関係を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施形態につき、詳細に説明する。以下では、ねじを計測対象ワークとして、ねじの呼びがＭ１２であり、頭部に六角形の頭部穴が形成されたボルトを主として述べるが、これは説明のための例示である。ねじの種類としてはメートル並目ねじの他に、メートル細目ねじ、管用テーパねじ、管用平行ねじ、ウイットウォース並目ねじ、ユニファイ並目ねじ、ユニファイ細目ねじ、ミニチュアねじ、メートル台形ねじであってもよい。頭部穴は頭部に設けられ、締付工具が係止されて回すための回し溝または回し穴である。頭部穴は、六角穴の他に、すりわり（マイナス溝）、十字穴、プラスマイナス穴、四角穴、トルクス（登録商標）やその改良版であるトルクス・プラス（登録商標）等の六角星形の穴であるヘクスローブ穴、三角穴であってもよい。

以下で述べる形状、寸法、材質、計測箇所等は、説明のための例示であって、ねじ形状自動計測システムの仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略もしくは簡略化する。

図１は、実施の形態のねじ形状自動計測システム１０の構成図である。図２Ａは、図１に示すねじ形状自動計測装置１２の上部において、一部を省略して示す拡大断面図である。図２Ｂは、図２Ａの上方から見た図である。ねじ形状自動計測システム１０は、ねじ形状自動計測装置１２と、演算制御装置１００と、出力装置１０４とを含んで構成される。ねじ形状自動計測装置１２は、架台（図示せず）の上に固定された基台１６を含んで構成される。基台１６は、架台の上に設けられるケース（図示せず）の内部に配置される。架台の代わりに防振台が用いられてもよい。図１は、ねじ形状自動計測装置１２の正面図を示している。図１〜２Ｂでは、直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向が示される。ＸＺ平面は基台１６の上面に平行な面で、基台１６の上面に垂直な方向が重力方向であるＹ方向である。Ｚ方向は、図１の正面図における左右方向であり、Ｘ方向は水平方向に沿い、Ｚ方向に対し直交する方向である。Ｚ方向は第１方向に相当し、Ｘ方向は第２方向に相当する。

図１では、ねじ形状自動計測装置１２の構成要素ではないが、計測対象のワーク８を示している。ワーク８は、ねじの呼びがＭ１２で呼び長さが３０ｍｍであるボルトである。ワーク８の軸方向はＹ方向に平行な方向である。換言すればＹ方向はワーク８の軸方向である。

ねじ形状自動計測装置１２は、Ｙ方向アクチュエータとしてのＹ方向ロボシリンダ２０と、Ｚ方向アクチュエータとしてのＺ方向ロボシリンダ２２と、変位計モータとしてのＸ軸ロボシリンダ２４と、レーザ変位計２６とを含む。具体的には、Ｙ方向ロボシリンダ２０は、Ｙ柱部２０ａと、Ｙモータ２０ｂと、Ｙ移動部材２０ｃ（図２Ｂ）とを有する。Ｙ柱部２０ａは、基台１６の上面を形成する上面板に立設して固定される。Ｙ柱部２０ａは、断面略矩形の筒状であり、上下方向であるＹ方向に長い。Ｙ移動部材２０ｃは、Ｙ柱部２０ａの−Ｚ側側面の外側に配置され、Ｙ方向に変位可能である。例えば、Ｙ方向ロボシリンダ２０は、Ｙ柱部２０ａの内側に配置されＹ方向に長いねじ軸（図示せず）と、複数のボールを介してねじ軸に螺合するナット部材（図示せず）とを含む。ねじ軸はＹモータ２０ｂの出力軸に固定され、ねじ軸の回転によりナット部材がＹ方向に移動する。Ｙモータ２０ｂの駆動は演算制御装置１００によって制御される。Ｙ柱部２０ａの内側のナット部材は、複数のボール及びねじ軸のねじ部とともにボールねじ機構を構成する。ナット部材の一部は、Ｙ柱部２０ａにおいて、Ｙ方向に形成されたガイド孔（図示せず）を通じて−Ｘ側に突出してＹ移動部材２０ｃに固定される。Ｙ移動部材２０ｃは、正面（図１の手前側面、図２Ｂの下側面）に伸びるように形成された把持部２０ｄ（図２Ｂ）により、Ｚ方向ロボシリンダ２２のＺ方向に長尺なＺケース２２ａを上下方向両側から掴むように固定される。これによりＹモータ２０ｂの回転に伴って、Ｚケース２２ａがＹ方向に沿って移動される。

Ｚ方向ロボシリンダ２２は、第１方向移動部である。Ｚ方向ロボシリンダ２２は、断面略矩形の筒状であるＺケース２２ａと、Ｚモータ２２ｂと、ねじ軸（図示せず）及びナット部材（図示せず）とを含む。Ｚケース２２ａの＋Ｚ側端部には、Ｚモータ２２ｂのケースが固定される。Ｚモータ２２ｂから−Ｚ方向に伸びる出力軸には、ねじ軸がＺケース２２ａ内に−Ｚ方向に沿って伸びて配置され、Ｚケース２２ａに回転可能に支持される。これによりＺモータ２２ｂの回転によりねじ軸が回転する。Ｚモータ２２ｂの駆動は演算制御装置１００によって制御される。

Ｚケース２２ａ内のナット部材は、ねじ軸のねじ部に複数のボールを介して噛合して、ボールねじ機構を構成する。ナット部材の一部は、Ｚケース２２ａにＺ方向に形成されたガイド孔（図示せず）を通じて＋Ｘ側に突出してＺ移動部材２３（図２Ｂ）に固定される。これによりＺモータ２２ｂの回転に伴って、Ｚ移動部材２３がＺ方向に沿って移動される。Ｚケース２２ａは、図２以降の図面では図示が省略されている。Ｚ移動部材２３は、ブロック状である。Ｚ移動部材２３の−Ｘ側側面にはＸ軸ロボシリンダ２４のケースが固定されて取り付けられる。Ｘ軸ロボシリンダ２４は、ケースの正面側から突出する回転軸を有し、その回転軸の端部にレーザ変位計２６が固定される。Ｘ軸ロボシリンダ２４は、第２方向であるＸ方向の軸αを中心にレーザ変位計２６を回転、すなわち揺動変位させる。変位計モータ２５は、ステッピングモータまたはサーボモータである。レーザ変位計２６は、Ｘ軸ロボシリンダ２４に対し、Ｘ方向の回転軸の中心軸と一致する軸αを中心に回転可能に支持される。

さらに、Ｙ方向ロボシリンダ２０は、リニアスケール方式のＹ位置センサ（図示せず）を持っており、Ｙ位置センサにより、Ｙ移動部材２０ｃのＹ方向位置が検出されるように構成される。また、Ｚ方向ロボシリンダ２２は、リニアスケール方式のＺ位置センサ（図示せず）を持っており、Ｚ位置センサにより、Ｚ移動部材２３のＺ方向位置が検出されるように構成される。Ｙ位置センサ及びＺ位置センサの検出信号は、演算制御装置１００（図１）に送信される。Ｙ方向ロボシリンダ２０及びＺ方向ロボシリンダ２２は、それぞれボールねじ機構、モータ、リニアガイド機構が組み込まれた一体型の製品であり、位置決めと位置読み出しとが可能に構成される。また、ねじ形状自動計測システム１０の各電気部品の電源として、例えば１００Ｖの単一電源を用いることができる。これにより、ねじ形状自動計測システム１０の接地場所の確保及び取り回しの容易化を図れる。

これにより、レーザ変位計２６は、基台１６に対し、上下方向であるＹ方向に移動可能であり、かつ、Ｚ方向に移動可能に支持される。また、Ｙ方向ロボシリンダ２０は、レーザ変位計２６をＹ方向に移動させる。Ｚ方向ロボシリンダ２２は、レーザ変位計２６をＺ方向に移動させる。また、レーザ変位計２６のＹ方向位置であるＹ位置及びＺ方向位置であるＺ位置は、位置決め可能である。さらに、レーザ変位計２６のＹ位置及びＺ位置は、Ｙ位置センサ及びＺ位置センサによって計測可能である。

レーザ変位計２６は、ワーク８にレーザ光を照射する照射部２６ａ（図２Ａ）、及びレーザ光の反射光を受光する受光部２６ｂ（図２Ａ）を含み、ワーク８の変位を計測する。レーザ変位計２６は、レーザ光をワーク８に照射し、その反射光の受光に基づいて、ワーク８の周方向一部の変位を計測する。レーザ変位計２６で計測された変位は、演算制御装置１００に送信される。演算制御装置１００は、その変位に基づく２次元形状を示すデータから、ワーク８のねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法等の所定項目の寸法を計測するために用いられる。レーザ変位計２６の構成は後で詳しく説明する。

なお、Ｙ方向ロボシリンダ２０の代わりに、外側に、リニアスケール方式のＹ方向位置の位置センサが設けられたＹ方向アクチュエータが用いられてもよい。Ｚ方向ロボシリンダ２２の代わりに、外側に、リニアスケール方式のＺ方向位置の位置センサが設けられたＺ方向アクチュエータが用いられてもよい。

図１に戻って、ねじ形状自動計測装置１２は、ワーク８を把持する把持部６２を備える。把持部６２は、把持回転部６０を介して基台１６の上側に軸方向周りに回転可能に支持されて設けられ、ワーク８のおねじ側の軸方向一方端を把持する。

後述の図３に示すように、把持部６２は、円板状の外形を有するアダプタ８０とアダプタ８０の外周側面を少なくとも３点で挟持して固定する締付チャック７０とを含んで構成される。把持回転部６０は、締付チャック７０を軸方向周りに３６０度回転駆動するθモータ９１（図１）を含んで構成される。

図１に戻って、θモータ９１の回転動作は、演算制御装置１００によって制御される。かかるθモータ９１としては、ＡＣサーボモータまたはＤＣサーボモータまたはステッピングモータを用いることができる。また、θモータ９１の回転は、把持回転部６０の回転と同期する。このθモータ９１の回転角度位置は、回転位置検出部であるロータリエンコーダ９３により検出される。ロータリエンコーダ９３の検出信号は、演算制御装置１００に入力される。

図３は、把持部６２の詳細を示す分解図である。ここでは、把持部６２を構成する締付チャック７０と、締付チャック７０によって固定されるアダプタ８０と、アダプタ８０に把持されるワーク８とのそれぞれの詳細構成が示される。図３の（ａ）は、締付チャック７０の側面図を示し、図３（ｂ）（ｃ）は、アダプタ８０とワーク８のそれぞれの断面図を示し、（ｄ）はアダプタ８０の分解図を示し、（ｅ）から（ｇ）は、締付チャック７０とアダプタ８０とワーク８のそれぞれの上面図を示す。

ワーク８は、おねじ部２と、頭部４と、おねじ部２と頭部４の間の首下部３とを含んで構成される。頭部４は、ワーク８の軸方向他端（図３の上端）に設けられる。頭部４は、上端に、締付工具が係止されて回すための六角形の頭部穴６を有する。

締付チャック７０は、電源から電力が供給されることによって駆動される電動チャックであり、締付ケース７２の上に移動可能に配置された３つの爪部７４を含む。締付チャック７０は、電動モータである締付モータを有し、締付モータの駆動によって、放射状に配置された３つの爪部７４が同期して径方向の内側または外側に移動するように構成される。例えば、初期状態では、３つの爪部７４が締付ケース７２の外周側に退避している。締付ケース７２の内側には締付モータ（図示せず）が配置される。締付モータの上側に突出する回転軸の上部には渦巻き状のスクリュー溝が形成された板部（図示せず）が固定される。このスクリュー溝には、各爪部７４の下側面に形成された複数の円弧溝が係止される。そして、演算制御装置１００によって締付モータが一方向に回転した場合には、複数の爪部７４が径方向の内側に、すなわち中心軸側に径方向に移動する。一方、演算制御装置１００によって締付モータが他方向に回転した場合には、複数の爪部７４が径方向の外側に移動する。

なお、締付チャック７０は、空圧制御装置から供給される空気圧で作動する構成としてもよい。このとき、締付チャック７０は、空気圧でピストン・シリンダ機構のピストンが動作することによって、支持台の上に配置された３つのスライド台が同期して、径方向に移動駆動される。３つのスライド台に３つの爪部がそれぞれ取り付けられる。

締付チャック７０のセンタリング挟持動作は、演算制御装置１００の制御の下で行われる。締付チャック７０によるアダプタ８０の挟持は、３つの爪部７４の先端部で行われる。アダプタ８０の外周側面の挟持は少なくとも３点で行えばよい。例えば、爪部の先端部の形状をＶ字形として、互いに向かい合う２つの爪部でアダプタ８０の外周側面を挟持する構造としてもよい。この場合には、４点でアダプタ８０の外周側面が挟持される。

図４は、図３（ｂ）に示すアダプタ８０の拡大図である。アダプタ８０は、締付チャック７０に挟持される円板状の外形部を有し、ワーク８のおねじ部２の先端部をねじ込んだときに、ワーク８の軸方向がぶれないように固定できる所定の噛み合わせ長さの基準めねじ８３を一方端面の中心に有するワーク固定治具である。

アダプタ８０は、リングゲージ８２の基準めねじ８３にホルダ８６のおねじ９２をねじ込んで、リングゲージ８２及びホルダ８６が一体化されることにより構成される。リングゲージ８２には、ホルダ８６と反対側で、ワーク８のおねじ部２の先端部が所定の噛み合わせ長さでねじ込まれる。そして、リングゲージ８２の基準めねじ８３において、上側のワーク８（図３）をねじ込み可能な部分の設計上の軸方向の隙間長さが、ワーク８のおねじ部２の２ピッチ、３ピッチ等のｎピッチ分（ｎは正の整数である。）の長さになるように、ホルダ８６が製作される。ホルダ８６は、締付チャック７０によって挟持される円板状の外形部を有する。

リングゲージ８２は、円板状の形状を有し、その中心軸に沿って基準めねじ８３が刻まれた部材である。基準めねじ８３は、ワーク８のおねじ部２のねじ寸法に対応し予め定めた噛み合い精度を有するめねじである。かかるリングゲージ８２は、ねじ検査に用いられるねじ外径ゲージをそのまま用いることができる。標準的なねじ外径ゲージは、Ｍ１２の場合、例えば８ピッチの基準めねじ８３が刻まれる。１ピッチ＝１．７５ｍｍであるので、リングゲージ８２は、例えば設計値としての厚さが８ピッチ＝１４．００ｍｍになるように製作される。基準めねじ８３は、不完全ねじ部を有しない。

ワーク８のおねじ部２の先端部は、リングゲージ８２の一方端面側である上面側から所定の噛み合わせ長さでねじ込まれる。所定の噛み合わせ長さは、ワーク８のおねじ部２の先端部をリングゲージ８２の基準めねじ８３にねじ込んで噛み合わせたときに、ワーク８が軸方向にぶれない程度に設定される。ワーク８の軸方向のぶれ量はゼロであることが好ましいが、ワーク８の各種寸法の計測精度に影響がない範囲であれば許容される。ワーク８が良品であれば、ワーク８のおねじ部２の有効ねじ部を約１ピッチ分、リングゲージ８２の基準めねじ８３に噛み合わせれば、ほぼワーク８の軸方向のぶれが許容範囲に収まる。ワーク８のおねじ部２は最大で２ピッチ分の不完全ねじ部を有するので、ワーク８のねじ込み量である所定の噛み合わせ長さは、（不完全ねじ部のピッチ数分の長さ＋完全ねじ部の１ピッチ分の長さ）よりもできるだけ長く設定することが好ましい。

以下では、設計値としての所定の噛み合わせ長さ＝ワーク８のおねじ部２の３ピッチ分の長さ＝５．２５ｍｍとする。所定の噛み合わせ長さを１ピッチの長さの整数倍である３ピッチ分の長さとするのは、ワーク８のおねじ部２の先端部のリングゲージ８２へのねじ込み深さを１ピッチの整数倍と略同一とするためである。ワーク８はＭ１２のねじ呼びで呼び長さが３０ｍｍのメートル並目ねじであり、日本工業規格値によればおねじ部２の不完全ねじ部は最大で２ピッチである。そこで、この最大の２ピッチに１ピッチを加算して、少なくとも１ピッチは完全ねじ部で噛み合わせられるように、所定の噛み合わせ長さを３ピッチ分の長さとした。

なお、品質レベルの低いワーク８の場合は、不完全ねじ部が２ピッチ以上あることもあり、噛み合わせ長さが３ピッチ分の長さとしてもワーク８が軸方向にぶれることがある。そのような場合には、所定の噛み合わせ長さを３ピッチ分の長さから１ピッチ分の長さを単位として長くする。例えば、所定の噛み合わせ長さを４ピッチ分の長さ、あるいは５ピッチ分の長さとする。逆に、高精度用に加工されたねじ等の場合で不完全ねじ部が１ピッチ以下で収まる場合には、所定の噛み合わせ長さを３ピッチ分の長さから１ピッチ分の長さ単位で短くしてもよい。また、上記で説明した所定の噛み合わせ長さは、設計上の長さである。実際には、設計上の長さに基づいてワーク８の首下長さ等の軸方向の長さの算出を行うのではない。リングゲージ８２の基準めねじ８３に、ホルダ８６のおねじ９２を、リングゲージ８２がホルダ８６の上面に突き当たるまでねじ込んだ状態で、基準めねじ８３がワーク８のねじ部をねじ込み可能な軸方向の隙間長さを、ダイヤルゲージ等を用いて実測する。そして、設計上の目標隙間長さに対して実測で得られた隙間長さの増減量をオフセット値として、演算制御装置１００にプリセットとして事前登録する。一方、ワーク８の大きさに応じて所定の形状及び大きさのリングゲージ８２及びホルダ８６が用意される。そして、ワーク８の実際の計測時には、予めワーク８の大きさに応じてリングゲージ８２及びホルダ８６の組み合わせを選択し、演算制御装置１００にはその組み合わせを表す情報が入力される。これにより、演算制御装置１００は、事前登録されたオフセット値と目標隙間長さとを用いて、ワーク８の首下長さ等の軸方向長さの算出を行う。

ホルダ８６は、リングゲージ８２の基準めねじ８３に噛み合うおねじ９２が突き出る一方端面である上面を有する円板状の部材である。リングゲージ８２にワーク８のおねじ部２がねじ込まれる側をリングゲージ８２の上面側とすると、ホルダ８６のおねじ９２は、リングゲージ８２の下面側からねじ込まれる。ホルダ８６は、挟持リング部８８と、挟持リング部８８より外径が大きいストッパ鍔部９０とを有する。挟持リング部８８は、ワーク８の呼び寸法が異なっても同じ外径を有することが締付チャック７０を標準化できるので好ましい。ストッパ鍔部９０の−Ｙ方向側の端面である下面が締付チャック７０の爪部７４の上面に当接することで、ホルダ８６が締付チャック７０によって挟持されるときのＹ方向位置決めが正確に行われる。

おねじ９２は、ホルダ８６のストッパ鍔部９０の一方側端面である上面から予め設定された突出量で突き出す。

おねじ９２がリングゲージ８２の基準めねじ８３にねじ込まれる長さは、｛（リングゲージ８２の厚さ）−（リングゲージ８２にワーク８のおねじ部２が噛み合う所定の噛み合わせ長さ）｝に正確に設定される。おねじ９２の突出量は、設計上は、ピッチの整数倍となることを狙いに設定される。

リングゲージ８２にワーク８のおねじ部２をねじ込む場合には、リングゲージ８２の下面側からホルダ８６のおねじ９２をリングゲージ８２の基準めねじ８３に噛み合わせる。そして、リングゲージ８２の上面側からワーク８のおねじ部２の先端をリングゲージ８２の基準めねじ８３にねじ込む。これにより、ワーク８のおねじ部２の先端部はホルダ８６のおねじ９２の先端のところで止まる。ワーク８のおねじ部２の先端部のリングゲージ８２へのねじ込み深さは、｛（リングゲージ８２の厚さ）−（リングゲージ８２にホルダ８６のおねじ９２がねじ込まれる長さ）｝である。

ここで、アダプタ８０を構成するリングゲージ８２とホルダ８６のおねじ９２とは、ワーク８の種類によってそれぞれ異なる厚さやねじ部を有するものを採用できる。一方、挟持リング部８８とストッパ鍔部９０とは、ワーク８の種類によらず共通の形状と寸法を有する。

なお、アダプタ８０は、リングゲージ８２とホルダ８６との間に１枚または複数枚のスペーサが挟まれて、スペーサの中心穴にホルダ８６のおねじ９２が挿入されるように一体化されて構成されるものでもよい。

図１に戻って、演算制御装置１００は、ねじ形状自動計測装置１２を構成するロボシリンダ、モータ等の各要素の動作を全体として制御する。これにより、演算制御装置１００は、ワーク８を回転させるとともに、レーザ変位計２６で計測されたワーク８の外形の変位を取得する。また、演算制御装置１００は、Ｙ方向ロボシリンダ２０を制御し、レーザ変位計２６で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータから、ワーク８のねじ山及びねじ谷に関する寸法を算出し、かつ、ワーク８の軸方向に沿った長さを算出する。そして、演算制御装置１００は、その算出結果を出力装置１０４に出力させる。

具体的には、レーザ変位計２６は、図２Ａを参照して、計測対象物に対してａ_Z軸方向の変位とａ_X軸方向に並んだ受光素子の間隔とで、計測対象物の変位を計測するものであり、レーザ光の発光素子を有する照射部２６ａと、受光部２６ｂとを有する。照射部２６ａは、把持部６２によって把持されたワーク８の周方向一部において、ワーク８のねじ軸の外周面、またはワーク８の頭部４の座面、または頭部４の外周面、または頭部４の上面に向けてレーザ光を照射する。受光部２６ｂは、照射部２６ａから照射されたレーザ光の反射光を受光する。ワーク８で反射された反射光は、受光部５２のレンズに入射され、入射された光は、そのレンズによって光センサチップ（図示せず）に集光される。光センサチップは、半導体基板上に多数の受光素子が一列に配置されたラインセンサとしての半導体デバイスである。光センサチップ上での反射光の受光位置は、ワーク８までの距離に応じて変化する。これにより、レーザ変位計２６は、光センサチップ上での受光位置に基づいて、ワーク８の周方向一部におけるワークの外形の変位を計測する。そして、レーザ変位計２６から、その変位を表す信号が演算制御装置１００（図１）に送信される。

演算制御装置１００は、ワーク８の軸方向回りの周方向複数位置においてレーザ変位計２６で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータからワーク８の所定項目の寸法を算出して出力装置１０４に出力させる。具体的には、演算制御装置１００は、レーザ光の反射光の受光に基づいて、レーザ変位計２６で計測された変位から、ワーク８の２次元形状を示すデータを作成する。このとき、演算制御装置１００は、ロータリエンコーダ９３の検出信号に応じて周期的パルスで取得されたワーク８の外形またはアダプタ８０の変位を取得する。演算制御装置１００は、このデータからワーク８の軸方向及び軸周り等の寸法を算出し、算出した結果をプリンタ等の出力装置１０４に伝送し、出力装置１０４に出力させる。例えば、演算制御装置１００は、得られた外形またはアダプタ８０の変位のデータからワーク８のねじ山及びねじ谷に関する寸法と、ワーク８の軸方向に沿った長さとの一方または両方を算出する。出力装置１０４は検査書をプリントアウトさせる機能を有する。

また、演算制御装置１００は、レーザ変位計２６がワーク８の頭部４にレーザ光を照射するように、Ｙ方向ロボシリンダ２０、Ｚ方向ロボシリンダ２２、Ｘ軸ロボシリンダ２４を制御する。演算制御装置１００は、レーザ変位計２６で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータからワーク８の頭部形状に基づく寸法を算出し、その算出結果を出力装置に出力させる。具体的には、演算制御装置１００は、ロータリエンコーダ９３の検出信号に応じて周期的パルスで取得された頭部４の外形の変位を取得する。演算制御装置１００は、得られた頭部４の外形の変位のデータから頭部形状に基づく寸法として頭部４の直径を算出して出力装置１０４に出力させる。

さらに、演算制御装置１００は、周期的パルスで取得された頭部４の外形の変位のデータから頭部形状に基づく寸法として、頭部穴６（図３）の直径であり、後述する二面幅及び対角直径と頭部穴６の深さとを算出して出力装置１０４に出力させる。

かかる演算制御装置１００は、適当なコンピュータで構成することができる。出力装置は、画面に検査書の内容を表示するディスプレイ、または検査書の内容を記録媒体に記録させる記録装置であってもよい。また、出力装置は、検査書の内容が記録されたファイルを外部に出力または送信するものであってもよい。

また、ロータリエンコーダ９３の検出信号は、演算制御装置１００に入力されるのではなく、図２Ａに破線Ｚ、Ａ、Ｂで示すように、ロータリエンコーダ９３とレーザ変位計２６とが信号線で接続されてもよい。そして、レーザ変位計２６は、ロータリエンコーダ９３から取得されたワーク８の回転角度位置に応じたパルスタイミングで、レーザ変位計２６で計測された変位を演算制御装置１００に出力する構成としてもよい。破線Ｚは、サンプリングの開始トリガとなるＺ相の信号を出力する信号線を示す。破線Ａ、Ｂは、それぞれＡ相、Ｂ相のサンプリングパルスの信号を出力する信号線を示す。なお、把持部６２、把持回転部６０、及びロータリエンコーダ９３を一体化したロボシリンダを用いて、そのロボシリンダによりアダプタ８０を把持し、かつ、そのアダプタ８０を回転させる構成としてもよい。

演算制御装置１００は、ねじ径計測、首下丸み部半径計測、首下長さ算出、頭部寸法計測及び計測結果出力の各機能を有する。これらの機能は、演算制御装置１００が実行するソフトウェアによって実現でき、具体的には、ねじ自動計測プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。

上記のねじ形状自動計測システム１０の作用、特に演算制御装置１００の各機能について、図５〜１２を用いて詳細に説明する。まず、図５から図７Ｂを用いて、ワーク８のねじ径の計測アルゴリズムを説明する。ワーク８の計測の前に、まず、図５、図６Ａ、図６Ｂに示すように、キャリブレーションとして、高い形状精度で予め作られたマスターゲージ５３を用いて中心軸（θ軸中心）とレーザ変位計２６との距離ＤＣ（図６Ｂ）を求める。この距離ＤＣは、後でワーク８の外径ｄａ（図７Ｂ）を求めるために用いられる。マスターゲージ５３は、円柱状のピンゲージ部５３ａと、大径リング部５３ｂ及びその下側の小径リング部５３ｃとを一体化させた形状であり、切削加工により高精度の形状に製作される。ピンゲージ部５３ａはワーク８に対応し、大径リング部５３ｂはアダプタ８０のリングゲージ８２に対応し、小径リング部５３ｃは挟持リング部８８に対応する。高精度の形状のピンゲージ部５３ａは、大径リング部５３ｂの上側に直立する。

そして、この状態で、所定のＹ方向位置にレーザ変位計２６をセットする。この位置では、レーザ変位計２６は、ピンゲージ部５３ａにレーザ光を照射して、その反射したレーザ光の受光から、マスターゲージ５３のその部分における変位を計測する。このとき、小径リング部５３ｃが把持部６２（図１）により把持され、θモータ９１（図１）によりマスターゲージ５３が軸周りに３６０度回転する。この回転の際に、ロータリエンコーダ９３（図１）からマスターゲージ５３の回転角度位置が演算制御装置１００に送信される。演算制御装置１００は、マスターゲージ５３の１回転当たりに対応する３６０度について、０度位置と１８０度位置との２つの位置で、レーザ変位計２６とピンゲージ部５３ａの外周面との距離を計測し、その計測値を取得する。演算制御装置１００は、その計測値を用いて、ピンゲージ部５３ａの中心軸とレーザ変位計２６との距離ＤＣを求める。

具体的には、レーザ変位計２６が０度位置にあるときのレーザ変位計２６とピンゲージ部５３ａの外周面との距離Ｄ０を計測する。また、レーザ変位計２６が１８０度位置にあるときのレーザ変位計２６とピンゲージ部５３ａの外周面との距離Ｄ１８０を計測する。そして、予め記憶または計測されたピンゲージ部５３ａの外径をＤａとして、ピンゲージ部５３ａの中心軸とレーザ変位計２６との距離ＤＣを次の（１）式から求める。
ＤＣ＝（Ｄ０＋Ｄ１８０＋Ｄａ）／２ ・・・（１）

次に、マスターゲージ５３を把持部６２から取り外して、図７Ａに示すように、アダプタ８０にワーク８のおねじ部２がねじ込まれた状態で、アダプタ８０の挟持リング部８８を把持部６２（図１）で把持させる。そして、マスターゲージ５３の場合と同様に、ワーク８を回転させる。このとき、レーザ変位計２６はマスターゲージ５３の変位を計測したときと同じ位置にセットする。演算制御装置１００は、上記で求められた距離ＤＣを基準にワーク８の外径ｄａを求める。このとき、レーザ変位計２６が０度位置にあるときのレーザ変位計２６とワーク８の外周面との距離ｄ０を計測する。また、レーザ変位計２６が１８０度位置にあるときのレーザ変位計２６とワーク８の外周面との距離ｄ１８０を計測する。ワーク８の外径ｄａは、距離ｄ０、ｄ１８０を用いて次の（２）式から求められる。
ｄａ＝（ＤＣ−ｄ０）＋（ＤＣ−ｄ１８０）＝２ＤＣ−（ｄ０＋ｄ１８０）・・・（２）

このように０度位置と１８０度位置での計測値からワーク８の寸法を計測することにより、ワーク８及びワーク８の保持部が傾いた場合でも、ワーク８の寸法の誤計測を防止できる。

実際には、ワーク８の計測時には、０度位置と１８０度位置とを含むワーク８の外形の二次元形状からＸＹ平面におけるワーク８の外形の二値化画像を求める。二値化画像では、例えばワークの内部が黒、外部が白とされる。この二値化画像において、後述のように回帰直線が引かれて、ワーク８の山径、谷径、有効径、ピッチの算出が行われる。ワーク８の１つの計測位置について、１回転の複数のサンプリングパルスで計測され、例えば最大値、最小値及び平均値が求められる。

例えば、演算制御装置１００は、ワーク８の１回転に対応する３６０度について、３６０の逓倍で、例えば３６０個のサンプリングパルスにおいて、レーザ変位計２６によりワーク８の周方向一部の外形形状の変位を計測させ、その計測値を取得する。演算制御装置１００は、その計測値を用いて、山径、谷径、有効径、ピッチについて、最大値、最小値及び平均値を算出し、それを出力させる。

次に、演算制御装置１００により、ワーク８の寸法を計測する場合の具体的な方法を説明する。図８は、図２Ａにおいて、ワーク８を計測する場合におけるレーザ変位計２６の移動位置を示す図である。図９は、ねじ形状自動計測システム１０における計測手順の１例を示すフローチャートと計測項目とを示す図である。

ワーク８の計測の際に、レーザ変位計２６は、図８の（１）位置から（２）、（３）・・・（６）の位置に順に移動して、それぞれの位置でワーク８の計測を行う。レーザ変位計２６は、演算制御装置１００で予め設定された、ワーク８の種類に応じたデータによって、移動開始位置、停止位置、及び、Ｘ方向周りの回転位置が予め設定される。また、ワーク８の移動開始位置、停止位置、回転位置は、それぞれ上記のマスターゲージ５３を用いた計測によって補正されるようにしてもよい。以下の各計測項目の計測では、ワーク８の二値化画像が作成され、その画像から各計測項目のいずれか１つ以上が計測されてもよい。

ワーク８の計測のときには、ねじ形状自動計測システム１０の初期化がまず行われる。初期化は、電源をオン状態とし、演算制御装置１００を初期状態とする。これによって、レーザ変位計２６は、所定の初期位置である待機位置（図８の（１））にセットされる。初期Ｙ位置は、把持部６２の先端位置よりもＹ方向に沿って高い位置に設定される。把持部６２は所定の初期角度位置に戻る。締付チャック７０の３つの爪部７４は退避状態に戻る。

初期化が終わると、図９のステップＳ１０で、アダプタ８０にワーク８をセットする。以下の図９の説明では「ステップＳ」は単にＳと記載する。次いで、把持部６２の締付チャック７０にアダプタ８０をセットする。図１、図３、図４で説明したように、ワーク８は、おねじ部２の先端部が把持部６２に把持されて固定される。このときおねじ部２の先端は、アダプタ８０にねじ込まれたホルダ８６のおねじ９２の先端に突き当たって止まる。次に、ワーク８を把持したアダプタ８０を、締付チャック７０の退避状態にある３つの爪部７４の間の空間にセットする。ここまでの処理は、作業者の手作業で行われる。

把持部６２にワーク８がセットされると、作業者が締付固定ボタン等を押すことで、演算制御装置１００が締付チャック７０の締付モータに指令を出して、締付モータを一方向に回転させる。これによって３つの爪部７４が同期して締付ケース７２の中心軸側に移動し、ワーク８をしっかりと締付固定する。この状態からワーク８の形状寸法の計測が開始される。

その後、ねじ径計測、首下丸み部半径（首下Ｒ）計測、首下長さ計測、頭部寸法計測が順に行われる。これらの処理は、演算制御装置１００によって実行される。具体的には、演算制御装置１００は、Ｙ方向ロボシリンダ２０、Ｚ方向ロボシリンダ２２、Ｘ軸ロボシリンダ２４、及びθモータ９１を制御する。

まず、図８の（１）に示す待機位置で、レーザ変位計２６により、アダプタ８０の外形が計測される。その計測値は、後述するワーク８の首下長さの計測に用いられる。具体的には、図８の（１）に示す待機位置で、レーザ変位計２６により、ワーク８において、アダプタ８０の上面のＹ位置Ｙ１（図１３）を含む部分におけるレーザ変位計２６からの距離が計測される。また、Ｙ方向ロボシリンダ２０のＹ位置センサによってレーザ変位計２６のＹ位置であるＥ１（図１３）が取得される。そして、レーザ変位計２６の計測データを用いて、変位計測範囲におけるリングゲージ反対側端からリングゲージ８２の上面までの距離Ｈ１（図１３、図１４Ａ）の算出値が取得される。このとき、ワーク８を軸周りに３６０度回転させながら、各サンプリングのパルスタイミングで距離Ｈ１が算出される。各サンプリングのデータで、算出した距離Ｈ１について平均値を求める。

次いで、レーザ変位計２６が図８の（２）の位置に移動して、ワーク８のねじ径計測として、山径計測、谷径計測及び有効径計測が行われる（図９のＳ１１）。山径はねじ山の外径寸法であり、谷径はねじ谷の内径寸法である。山径計測と谷径計測とは、ワーク８のおねじ部２の軸方向に沿って１箇所または複数箇所について行われる。図８では、レーザ変位計２６が（２）の位置で、山径計測及び谷径計測が行われる。計測箇所の数は、Ｙ方向において、ワーク８のおねじ部２の長さによって適宜定めることができる。

図１０は、山径計測の方法を示す図である。図１０（ａ）は、ワーク８の軸方向に沿った輪郭データを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の輪郭データの回帰直線を求める図であり、（ｃ）は、回帰直線から左側の最大のねじ山までの距離を求める図である。（ｄ）は、回帰直線から右側の最大のねじ山までの距離を求める図である。

また、図１０（ａ）、（ｂ）は、レーザ変位計２６で計測された変位に基づく２次元形状である、ワーク８のおねじ部２の２次元ビットマップ上の輪郭データを示す図である。図１０（ｃ）は（ｂ）のＡ部の拡大図である。輪郭データは、おねじ部２の軸中心の周りにおいて１８０度角度が異なる２つの位置における、レーザ変位計２６で計測された軸中心からねじ部外周面までの距離から作成される。輪郭データは、演算制御装置１００によって作成される。

山径計測の計測アルゴリズムは、次の（１）〜（５）の処理によって行われる。
（１）ワーク８の軸方向回りの所定角度毎に、ロータリエンコーダ９３の出力信号のパルスに同期して、レーザ変位計２６からおねじ部２の外形の変位をサンプリングとして取得する。例えば、３６０度に対して３６０の逓倍でサンプリングが行われる。

（２）そして、１８０度で角度が異なる２つの位置、例えば０度と１８０度との位置で取得されたおねじ部２の変位のデータが組み合わされることにより、おねじ部２の軸中心を中心とした、ある２つの角度位置での外形の断面形状としての２次元形状が形成される。サンプリングしたデータは、ノイズを除去または低減するようにフィルタ処理が行われてもよい。図１０（ａ）は、ワーク８のおねじ部２の２つの輪郭データ１７０，１７１が示される。２つの輪郭データ１７０，１７１は、ワーク８のおねじ部２の左右両側の輪郭形状を示すデータである。図１０（ａ）ではおねじ部２の内部を灰色で示し、外側を白で示している。

（３）２つの輪郭データ１７０，１７１のうち、左右方向一方側（例えば図１０（ａ）の左側）の輪郭データ１７０が表わすおねじ部２の外形に回帰直線１７２を引く。図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）の部分拡大図で、これを用いて輪郭データ１７０の回帰直線１７２を求める方法が示される。回帰直線１７２は、おねじ部２の複数の山部頂点及び谷部底点である複数のエッヂにおける平均位置を通る直線である。

（４）回帰直線１７２を求めた後、輪郭データ１７０の全体について回帰直線１７２よりも外径側（図１０（ｂ）の左側）にある輪郭データ１７０に垂線１７３を引く。垂線１７３と外径側の輪郭データ１７０との交点との距離ａを求める。このような垂線１７３をＹ軸方向にピクセル単位で走査して、矩形範囲等の設定された範囲での距離ａの最大値ａｍａｘを求める。距離ａの最大値ａｍａｘは、回帰直線１７２から見て輪郭データ１７０において最も外径側にある山部頂点の位置を示す値である。

（５）次に、図１０（ｄ）に示すように、回帰直線１７２から、左右方向他方側（例えば図１０（ｄ）の右側）の輪郭データ１７１に向かって垂線１７４を引く。そして、垂線１７４が山部または谷部のエッヂに接触するときにおいて、回帰直線１７２からエッヂまでの距離ｂを求める。このような垂線１７４をＹ軸方向にピクセル単位で走査して、設定された範囲での距離ｂの最大値ｂｍａｘを求める。図１０（ｄ）では、走査される垂線１７４のうち、一部の垂線１７４のみを示している。距離ｂの最大値ｂｍａｘは、輪郭データ１７１において最も外径側にある山部頂点の位置を示す値である。山径は、ワーク８のおねじ部２における山部の外径であるので、距離ａの最大値ａｍａｘと、距離ｂの最大値ｂｍａｘの和（ａｍａｘ＋ｂｍａｘ）として算出される。

上記のようにロータリエンコーダ９３のパルスに同期した複数の画像データに基づいて、（ａｍａｘ＋ｂｍａｘ）が求められる。各画像データの（ａｍａｘ＋ｂｍａｘ）の値が求まると、その最大値、最小値、平均値をその計測箇所における山径の計測値とする。山径の計測値として平均値のみが算出されてもよい。

図１１は、谷径計測の方法を示す図である。図１１は、図１０と同様に、図１１（ａ），（ｃ）は、２次元ビットマップ上におけるワーク８のおねじ部２の輪郭データを示す図で、（ｂ）は（ａ）の一部の拡大図である。図１１（ａ）には図１０と同じ２つの輪郭データ１７０，１７１が示される。谷径計測は、山径計測に似ていて、山径計測で説明した（１）〜（５）の処理のうち、（１）〜（３）は同じである。（１）〜（３）の処理の後、（４ａ）〜（５ａ）の処理を行う。

（４ａ）回帰直線１７２を求めた後、輪郭データ１７０の全体について回帰直線１７２よりも内径側（図１１（ｂ）の右側）にある輪郭データ１７０に垂線１７７を引く。垂線１７７と内径側の輪郭データ１７０との交点との距離ｃを求める。このような垂線１７７をＹ軸方向にピクセル単位で走査して、設定された範囲での距離ｃの最大値ｃｍａｘを求める。距離ｃの最大値ｃｍａｘは、回帰直線１７２から見て輪郭データ１７０において最も内径側にある谷部底点の位置を示す値である。

（５ａ）次に、図１１（ｃ）に示すように、回帰直線１７２から、左右方向他方側（例えば図１１（ｃ）の右側）の輪郭データ１７１に向かって垂線１７８を引く。そして、垂線１７８が山部または谷部のエッヂに接触するときにおいて、回帰直線１７２からエッヂまでの距離ｄを求める。このような垂線１７８をＹ軸方向にピクセル単位で走査して、設定された範囲での距離ｄの最小値ｄｍｉｎを求める。図１１（ｃ）では、走査される垂線１７８のうち、一部の垂線１７８のみを示している。距離ｄの最小値ｄｍｉｎは、輪郭データ１７１において最も内径側にある谷部底点の位置を示す値である。谷径は、ワーク８のおねじ部２における谷部の最小外径であるので、距離ｃの最大値ｃｍａｘと、距離ｄの最小値ｄｍｉｎとの差である（ｄｍｉｎ−ｃｍａｘ）として算出される。

上記のようにロータリエンコーダ９３のパルスに同期した複数の画像データに基づいて、（ｄｍｉｎ−ｃｍａｘ）が求められる。各画像データの（ｄｍｉｎ−ｃｍａｘ）の値が求まると、その最大値、最小値、平均値をその計測箇所における谷径の計測値とする。谷径の計測値として平均値のみが算出されてもよい。

また、山径の計測値と谷径の計測値とが算出されると、有効径が算出される。有効径は、例えばＪＩＳＢ０２０５の規格に基づいて、次の（３）式で算出される。このとき、有効径はｄｅとし、谷径はｄ１とし、山径はｄ２とする。
ｄｅ＝ｄ１＋（ｄ２−ｄ１）×２／５・・・（３）

有効径についても最大値と最小値と平均値とを算出する。有効径として平均値のみが算出されてもよい。なお、有効径として、（有効径）＝（山径＋谷径）／２等の他の算出式で算出する場合もあり、その場合には、その算出式に基づいて有効径が算出される。このように本システムによれば、三針法で有効径を計測する場合と異なり、有効径を簡易に計測できる。

次いで、レーザ変位計２６が図８の（３）の位置に移動して、ワーク８の頭部下斜め計測が行われることにより、首下丸み部半径計測が行われる（図９のＳ１２）。首下丸み部半径は、頭部４とおねじ部２との間の首下部３における曲率半径である。具体的には、レーザ変位計２６は、図８の（３）位置で、Ｘ方向の軸を中心として斜め上に向くように回転する。そして、レーザ変位計２６で頭部斜め下から首下部３を計測し、その計測された首下部３の変位に基づいて、演算制御装置１００が２次元ビットマップ上で首下部３の輪郭データを作成する。

図１２Ａは、ねじ形状自動計測システム１０において、ワーク８の首下丸み部の半径を求める方法を示す図である。首下丸み部半径計測でも、ねじ径計測と同様に、ワーク８を軸周りに３６０度回転させる。そして、それぞれのサンプリングした輪郭データで、首下丸み部の両側の２直線Ｌ１，Ｌ２を回帰直線で求める。このとき、頭部４の座面７の輪郭データに対応して直線Ｌ２を引き、ねじ軸の輪郭データに対応して直線Ｌ１を引く。

次いで、２直線Ｌ１，Ｌ２のなす角度を２等分する角度分割線Ｌ３に向かって、２直線Ｌ１，Ｌ２と首下丸み部の円弧Ｌ４との２つの交点Ｐａ、Ｐｂからそれぞれ垂線１８０，１８１を引く。そして、それぞれの垂線１８０，１８１の長さの平均値を算出し、各データで算出された垂線１８０，１８１の長さの平均値を、首下丸み部半径の値として算出する。このとき、各輪郭データから、首下丸み部半径の最大値、最小値、平均値が算出されてもよい。

図１２Ｂは、ねじ形状自動計測システム１０において、ワーク８の首下丸み部の半径を求める方法の別例を示す図である。図１２Ｂに示す方法では、首下丸み部の半径を求めるときに、ニュートン・ラフソン法を用いる。具体的には、上記の図１２Ａで示した方法と同様に、首下丸み部の両側の２直線Ｌ１，Ｌ２を回帰直線で求めた後、直線Ｌ１，Ｌ２の交点Ｐｃを求める。そして、首下丸み部において、交点Ｐｃからの距離が最小である点Ｑを求める。次いで、首下丸み部の円弧Ｌ４と２直線Ｌ１，Ｌ２との２つの交点Ｐａ，Ｐｂを結ぶ弦長ｄＬと、円弧Ｌ４の高さである矢高ＨＬとを幾何学的な計算で求める。そして、以下の（４）〜（６）式と、弦長ｄＬ及び矢高ＨＬとを用いて、ニュートン・ラフソン法により、円弧の長さである弧長ＬＲと首下丸み部半径ｒとを算出する。このとき、円弧Ｌ４の中心角をθｒとする。

Ｌ＝ｒ×θｒ・・・（４）
ｄ＝２×ｒ×ｓｉｎ（θｒ／２）・・・（５）
ＨＬ＝ｒ×（１−ｃｏｓ（θｒ／２））・・・（６）

次いで、レーザ変位計２６が図８の（４）の位置に移動して、ワーク８の頭部下径方向計測が行われることにより、首下長さ計測が行われる（図９のＳ１３）。図１３は、ワーク８の軸方向寸法を計測する状態を示す図である。図１４Ａは、ワーク８の軸方向寸法を計測する場合において、ワーク８とリングゲージ８２との接続部におけるＹ方向位置とレーザ変位計２６からワーク８またはリングゲージ８２までの距離との関係を示す図である。図１４Ｂは、ワーク８の軸方向寸法を計測する場合において、頭部下におけるＹ方向位置とレーザ変位計２６からワーク８までの距離との関係を示す図である。また、図１４Ａでは、リングゲージ８２の外径がレーザ変位計２６の計測範囲にある場合における、Ｙ方向位置とレーザ変位計２６からの距離との関係を示している。

首下長さＬは、ワーク８の頭部４の座面７からおねじ部２の先端までの距離である。この計測では、予め図８の（１）の位置で計測されたリングゲージ８２の上面のＹ位置Ｙ１についての距離Ｈ１の算出値の平均値が用いられる。

また、図８、図１３の（４）に示す位置で、レーザ変位計２６により、ワーク８において、頭部４の座面のＹ位置Ｙ２を含む部分におけるレーザ変位計２６からの距離が計測される。また、Ｙ位置センサによってレーザ変位計２６のＹ位置であるＥ２（図１３）が取得される。そして、レーザ変位計２６の計測データから、変位計測範囲の頭部４の先端とは反対側端から頭部４の座面７（図１３）までの距離Ｈ２（図１３）の算出値が取得される。このとき、ワーク８を軸周りに３６０度回転させながら、各サンプリングのパルスタイミングで距離Ｈ２が算出される。各サンプリングのデータで、算出した距離Ｈ２について平均値を求める。

次にレーザ変位計２６のＹ位置Ｙ１及びそれに対応する距離Ｈ１の計測値と、レーザ変位計２６のＹ位置Ｙ２及びそれに対応する距離Ｈ２の計測値とを用いて、次の（７）式から、ワーク８の座面７からリングゲージ８２の上面までの距離Ｌａが求められる。

Ｌａ＝Ｅ２−Ｅ１−│Ｈ２−Ｈ１│＋ＯＦＦ・・・（７）

（７）式において、ＯＦＦは、アダプタ８０におけるオフセット値であり、アダプタ８０での固有の値である。そして、リングゲージ８２の基準めねじ８３とワーク８のおねじ部２の先端部との噛み合わせ長さとして、実測に基づくオフセット値で修正された値Ｌｂと、求められた距離Ｌａとに基づいて、ワーク８の首下長さＬ（＝Ｌａ＋Ｌｂ）が算出される。

図１４Ｃは、ワーク８の軸方向寸法を計測する場合の別例において、ワーク８とリングゲージ８２との接続部におけるＹ方向位置とレーザ変位計２６からワーク８までの距離との関係を示す図である。リングゲージ８２の外径がレーザ変位計２６から近すぎる等の理由により、リングゲージ８２の外径がレーザ変位計２６の計測範囲から外れる場合も考えられる。この場合には、図１４Ｃに示すように、ワーク８のおねじ部２の外周面位置である計測可能領域と、リングゲージ８２の外周面位置である計測不能領域との境界を、リングゲージ８２の上面位置として、距離Ｈ１が算出される。

このようにしてワーク８の首下長さが計測された後、ワーク８の丸み移行円の直径が計測される。このとき、ワーク８が軸周りに回転されながら、レーザ変位計２６で計測された頭部４の下面の変位から、頭部４の下面の輪郭データが取得される。そして、サンプリングで取得された輪郭データから、頭部４の丸み移行円の直径の平均値が算出される。輪郭データにおいて、頭部の下面の座面７は直線状であり、頭部の下面におけるＸ方向両側の２つの直線部と首下丸み部との２つの交点Ｐｂ（図１２Ａ）のＸ方向（図１２Ａの左右方向）距離から、丸み移行円の直径が計測される。このとき、各輪郭データから、丸み移行円の直径の最大値、最小値、平均値が算出されてもよい。

さらに、頭部高さと頭部直径とが計測される。頭部高さの計測では、図８の（４）の位置で、レーザ変位計２６により頭部４の下端を含む頭部下径方向計測が行われ（図９のＳ１３）、図８の（５）の位置で、レーザ変位計２６により頭部４の上端を含む頭部上径方向計測が行われる（図９のＳ１４）。このとき、首下長さの計測の場合と同様に、図８の（４）（５）の２つの位置でＹ位置センサにより計測された、レーザ変位計２６のＹ位置と、レーザ変位計２６で計測された頭部４のＹ位置に関係するＹ方向距離とから、頭部高さが計測されてもよい。

また、頭部直径について、図８の（４）の位置または（５）の位置でのレーザ変位計２６によって頭部４の直径が計測される。このとき、頭部４の外周面を含むサンプリングされた各輪郭データの角部から、頭部４の直径の最大値、最小値、平均値が算出されてもよい。

次いで、レーザ変位計２６は、図８の（６）位置に移動され、さらに、変位計モータ２５によって、Ｘ方向の軸を中心に回転されることによって、レーザ変位計２６の照射部２６ａ及び受光部２６ｂが下側に向き、ワーク８の頭部４の上面に対向する。これによって頭部４の上面の変位が計測可能である。そして、ワーク８が軸周りに回転されながら、レーザ変位計２６により頭部４の上面の変位計測が行われ（図９のＳ１５）、頭部４の六角形の頭部穴６を含む上面の輪郭データが取得される。これにより、頭部穴６の最小直径幅であり、六角形の対向する２面間の長さである二面幅と、頭部穴６の最大直径幅であり、六角形の対向する角部間の長さである対角直径とが計測される。また、レーザ変位計２６により頭部穴６の深さも計測される。このとき、六角形の頭部４の外周面における直径の最小幅である二面幅計測が行われてもよい。

その後、レーザ変位計２６が、図８（１）の待機位置まで移動されて、計測が終了する。このようなワーク８の各種寸法の計測データの算出が終了すると、計測結果の出力が行われる。具体的には、ねじ径、首下丸み部半径、首下長さ、丸み移行円の直径、頭部直径、頭部高さ、頭部穴の二面幅、対角直径、深さ等が所定の検査書に印刷されて出力される。このとき、検査書では、予め設定された所定のフォーマットに従って所定の記入箇所に各種の計測値が記入される。このとき、検査書は、各計測項目のヘッダと計測値とをカンマで区切ったテキストファイルであるＣＳＶファイルで出力されてもよい。また、検査書は、表計算ソフトウェア等の任意のフォーマットに計測結果が割り付けられて出力されてもよい。

このように、ねじ形状自動計測システム１０によれば、ねじに関する各種寸法を自動的に計測でき、その計測結果を所定または任意のフォーマットの検査書として自動的に出力できる。

また、上記の計測シーケンスは１例であり、ねじ形状自動計測システム１０では、計測項目と計測順とを、作業者が演算制御装置１００の操作部を用いて入力または選択する等により、ティーチングと呼ばれる処理で設定することもできる。例えば、コンピュータのディスプレイにおいて、アダプタ８０の上側に直立するように一体化したワーク８の模式的な図形を表示させる。そして、その図形に対して、ユーザがキーボードまたはマウス等の操作部を用いて矩形の枠部を描いて単純な操作で計測個所を指示することができる。例えばねじ部の軸方向中間部を囲うように枠部を描き、所定のキーボタンの押し下げ等の所定の単純な操作を行うことで、ねじの枠部で囲んだ部分の山径、谷径、有効径の少なくともいずれかを計測させる指示を行うこともできる。また、ねじの頭部からアダプタ８０にわたるように枠部を描き、所定の操作を行うことでねじの首下長さを計測させる指示を行うこともできる。ねじ形状自動計測システムは、それらの指示に応じて自動的に計測個所の計測を行う。また、計測個所、計測方法及び計測手順は、作業者が予め対応するパラメータを設定して演算制御装置１００に設定することもできる。例えば、レーザ変位計２６を、図８の（６）位置から（１）位置に移動させながら、実施形態とはほぼ逆に計測項目が計測されてもよい。また、計測ロジックは、種々の補助計測ロジックが、幾何学的な関係で求められる計算式である幾何計算式の組み合わせで用いられ、計測項目に割り当てられることで実行されてもよい。

また、レーザ変位計２６は、照射部２６ａ及び受光部２６ｂを有するヘッドユニットと、ヘッドユニットから送られたデータによって変位を算出する演算制御装置とが、物理的に離れて、互いにケーブルで接続される構成としてもよい。

上記のねじ形状自動計測システム１０によれば、ワーク８のねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、ワーク８の軸方向に沿った寸法とを自動的に精度よく計測できる。また、ワークを介して両側に配置される発光器及び受光器も、光源及び撮像装置もいずれも必要としないので、計測システムの小型化を図れる。

なお、ワーク８の計測において、ねじ径は、図８の（１）位置で計測されてもよい。また、ねじ径を計測する際に、ねじの外形のサンプリングしたデータからねじのピッチが計測されてもよい。ピッチは、各サンプリングしたデータの平均値が算出されてもよいが、最大値、最小値、及び平均値が算出されてもよい。

また、ワーク８の頭部下斜め計測が行われるときに、頭部４の座面７の傾きが計測されてもよい。この傾きは、例えばワーク８の軸方向または軸方向に対し直交する方向に対し座面が傾斜する角度として算出されてもよい。このとき、頭部４の六角形の頂部に対応する１〜３つのいずれかの対角位置において、頭部４の周方向において１８０度角度が異なる２つの位置での頭部の座面の計測データから、座面７の傾きが算出されてもよい。また、座面７の傾きは、ねじ軸の軸方向に対応する仮想軸方向線に対し直交する正規座面線に対する座面の角度として算出されてもよい。

また、ワーク８の頭部４とおねじ部２との間に位置する円筒部の直径が計測されてもよい。円筒部は、ワーク８において、頭部４とおねじ部２との間でねじ部が形成されない軸部である。このとき、それぞれのサンプリングした円筒部の輪郭データから円筒部直径の平均値が算出されてもよい。この場合に、各輪郭データから、円筒部の直径の最大値、最小値、平均値が算出されてもよい。

また、ワークの円筒部がセレーション部を有する場合に、レーザ変位計２６によりセレーション部の数と、セレーション部の径方向の高さとが算出または計測されてもよい。

また、ワーク８の曲がりの計測が行われてもよい。曲がりは、例えばワークのねじ軸の外形のサンプリングしたデータから、例えば上、下の２個所位置でのねじ軸の径方向の中心を結び、上下方向に関して中間位置でのねじ軸の径方向の中心のずれを最大振れ幅と設定する。そして、曲がりは、最大振れ幅と、最大振れ幅位置でのねじ径との和として算出される。

２ おねじ部、３ 首下部、４ 頭部、６ 頭部穴、７ 座面、８ ワーク、９ 円筒部、１０ ねじ形状自動計測システム、１２ ねじ形状自動計測装置、１６ 基台、２０ Ｙ方向ロボシリンダ、２０ａ Ｙ柱部、２０ｂ Ｙモータ、２０ｃ Ｙ移動部材、２０ｄ 把持部、２２ Ｚ方向ロボシリンダ、２２ａ Ｚケース、２３ Ｚ移動部材、２４ Ｘ軸ロボシリンダ、２５ 変位計モータ、２６ レーザ変位計、２６ａ 照射部、２６ｂ 受光部、５３ マスターゲージ、５３ａ ピンゲージ部、５３ｂ 大径リング部、５３ｃ 小径リング部、６０ 把持回転部、６２ 把持部、７０ 締付チャック、７２ 締付ケース、７４ 爪部、８０ アダプタ、８２ リングゲージ、８３ 基準めねじ、８６ ホルダ、８８ 挟持リング部、９０ ストッパ鍔部、９１ θモータ、９２ おねじ、９３ ロータリエンコーダ、１００ 演算制御装置、１０４ 出力装置、１７０，１７１ 輪郭データ、１７２ 回帰直線、１７３，１７４、１７７，１７８，１８０，１８１ 垂線。

Claims (7)

1. 基台に支持され、ねじを計測対象ワークとして、前記ワークのおねじ側の軸方向一方端を把持する把持部と、
   前記把持部を軸方向周りに３６０度回転駆動する把持回転部と、
   前記基台に対し上下方向に移動可能、かつ、上下方向に対し直交する第１方向であって、前記ワークの軸方向に対し直交する第１方向に移動可能に支持された変位計であって、前記ワークにレーザ光を照射する照射部、及び前記レーザ光の反射光を受光する受光部を含み、前記ワークの変位を計測する変位計と、
   前記変位計を上下方向に移動させる上下移動部と、
   前記上下移動部を制御し、前記変位計で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータから前記ワークのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法を算出し、かつ、前記ワークの軸方向に沿った寸法を算出し、算出結果を出力装置に出力させる演算制御装置とを備える、ねじ形状自動計測システム。
2. 請求項１に記載のねじ形状自動計測システムにおいて、
   前記変位計を前記第１方向に移動させる第１方向移動部と、
   前記上下方向及び前記第１方向の両方に対し直交する第２方向の軸を中心に前記変位計を回転させるモータとを備え、
   前記演算制御装置は、前記変位計が前記ワークの軸方向他端の頭部に前記レーザ光を照射するように、前記上下移動部、前記第１方向移動部、及び前記モータを制御し、前記変位計で計測された変位に基づく２次元形状を示すデータから前記ワークの頭部形状に基づく寸法を算出し、算出結果を前記出力装置に出力させる、ねじ形状自動計測システム。
3. 請求項１または請求項２に記載のねじ形状自動計測システムにおいて、
   前記把持部は、
   円板状の外形を有するアダプタであって、前記ワークの前記おねじの先端部がねじ込まれるねじ孔を一方端面の中心部に有するアダプタと、
   前記アダプタの外周面を少なくとも３点で挟持して固定する締付チャックとを含む、ねじ形状自動計測システム。
4. 請求項３に記載のねじ形状自動計測システムにおいて、
   前記アダプタは、
   前記ワークの前記おねじの先端部がねじ込まれる基準めねじを有するリングゲージと、
   前記リングゲージの基準めねじの他方側にねじ込まれるホルダ側ねじ部が突き出る一方端面を有する円板状のホルダと、を有する、ねじ形状自動計測システム。
5. 請求項４に記載のねじ形状自動計測システムにおいて、
   前記把持回転部の回転角度位置を検出する回転位置検出部を備え、
   前記演算制御装置は、前記回転位置検出部の検出信号に応じて周期的パルスで取得された前記ワークの外形または前記アダプタの変位を取得し、得られた前記ワークの前記外形または前記アダプタの変位のデータから前記ワークのねじ山に関する寸法及びねじ谷に関する寸法と、前記ワークの軸方向に沿った寸法との一方または両方を算出して前記出力装置に出力させる、ねじ形状自動計測システム。
6. 請求項４に記載のねじ形状自動計測システムにおいて、
   前記把持回転部の回転角度位置を検出する回転位置検出部を備え、
   前記演算制御装置は、前記回転位置検出部の検出信号に応じて周期的パルスで取得された前記ワークの前記外形の変位を取得し、得られた前記ワークの前記外形の変位のデータから前記頭部形状に基づく寸法として、前記ワークの前記頭部の直径を算出して前記出力装置に出力させる、ねじ形状自動計測システム。
7. 請求項４に記載のねじ形状自動計測システムにおいて、
   前記ワークが前記頭部に締付工具が係止されて回すための頭部穴を有する頭部付ねじであり、
   前記把持回転部の回転角度位置を検出する回転位置検出部を備え、
   前記演算制御装置は、前記回転位置検出部の検出信号に応じて周期的パルスで取得された前記ワークの前記外形の変位を取得し、得られた前記ワークの前記外形の変位のデータから前記頭部形状に基づく寸法として、前記頭部穴の直径及び深さを算出して前記出力装置に出力させる、ねじ形状自動計測システム。

Images