JP2019056690A

JP2019056690A - ボールねじの有効径及びリードの変動の測定方法

Info

Publication number: JP2019056690A
Application number: JP2018139021A
Authority: JP
Inventors: 武文石井; Takefumi Ishii
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2019-04-11

Abstract

【課題】タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじの有効径及びリードの変動を正確に測定する。
【解決手段】タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点、前記最深部のａ点を９０度とした場合に４５度に相当するｂ点、ｂ点の反対側の４５度に相当するｃ点の、３点それぞれの位置でタッチプローブを接触させて測定する方法であって、前記ａ点の測定部を前記ねじ溝の径より大きいなだらかな円弧状又はフラットな面に形成しておく。
【選択図】図３

Description

本発明は、ボールねじを構成するねじ軸の有効径及びリードの変動を測定する方法に関し、特に、ねじ研削盤等を用いてボールねじ軸を生産する現場においてボールねじ軸の有効径及びリードの変動を加工中に自動的に測定する方法に関する。

ボールねじは、産業機械やロボットなどに用いられる機械要素であり、外周面にねじ溝を有するねじ軸と、内周面にねじ溝を有するナットと、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝とからなる転動路に収容された多数のボール（通常は鋼球）とを備え、高い動力伝達効率と位置精度とをもって回転運動の直線運動への変換（あるいは、直線運動の回転運動への変換）を行う。即ち、ボールねじは、外周面に所定のリードで螺旋状のボール転動溝が形成されたねじ軸と、内周面にねじ軸側のボール転動溝と対向する螺旋状のボール転動溝を有し、ボールを介してねじ軸に螺合するナット部材とから構成されており、ねじ軸の回転に応じてナット部材がねじ軸の軸方向へ移動するように構成されている。かかるボールねじは、例えば、工作機械の送りテーブル等をミクロン単位で移動させるために用いられるが、その送り精度を確保するために、ボールねじ軸の有効径を測定する必要があり、このための測定方法として、従来、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

実開平２−１３５８０４号公報

図１は、上述したようにタッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する従来の方法の一例を示している。図１において、タッチプローブのフィーラーが接触している測定部分は、溝最深部（溝底）に直交する仮想線に対し４５度の位置に接している。この位置での測定結果を基準０として、隣の１リード進ませた箇所で測定すると、タッチプローブは測定機の性質として、全方向からの変位を検知するので、得られる測定結果は測定面の法線方向の変位の値となる。この時、測定結果の変位の原因がリード方向の変位によるものなのか、それとも径方向の変位によるものなのか、両方の要因が合わさってしまっているので分からない。このため、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する従来の方法では、ボールねじの有効径及びリードの変動をそれぞれ正確に測定することは困難であった。

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、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじの有効径及びリードの変動それぞれを正確に測定することが可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明者は、種々検討を重ねた結果、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点、前記最深部のａ点を９０度とした場合に４５度に相当するｂ点、ｂ点の反対側の４５度に相当するｃ点の、３点それぞれの位置でタッチプローブを接触させて測定する方法であって、前記ａ点の測定部を前記ねじ溝の径より大きいなだらかな円弧状又はフラットな面に形成しておくことで、ボールねじの有効径及びリードの変動を正確に測定することが可能となることを見出した。

即ち、本発明の第１の様相に係るボールねじの有効径及びリードの変動の測定方法は、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点、前記最深部のａ点を９０度とした場合に４５度に相当するｂ点、ｂ点の反対側の４５度に相当するｃ点の、３点それぞれの位置でタッチプローブを接触させて測定する方法であって、前記ａ点の測定部を前記ねじ溝の径より大きいなだらかな円弧状又はフラットな面に形成しておくことを特徴とする。

前記ａ点は、測定点がなだらかな円弧の頂点又はフラットな面なので、タッチプローブの接触点であるａ点が接線方向で多少動いた時の変位は、無視して良い程、小さくなる。従って、ａ点での測定値を０（ゼロセット）、Δ ａ１、Δ ａ２、・・・Δａｉ、ｂ点での測定値を０（ゼロセット）、Δ ｂ１、Δ ｂ２、・・・Δｂｉ、ｃ点での測定値を０（ゼロセット）、Δ ｃ１、Δ ｃ２、・・・Δｃｉとした場合に、図２及び図３に示すように、下記の数式（１）（２）の関係が成り立つ。

図２及び図３からも明らかなように、数式（１）（２）により、ａ、ｂ、ｃ点の測定値から、各溝における径方向の変位Δｘとリード方向の変位Δｚを計算により求めることができる。測定機の測定プログラムに組み込むための一般式としては、以下の数式（３）（４）により求めることができる。これは、図２の測定はねじ一巻きに１回の測定を行っているが、測定間隔を細かくするとより細かい測定ができることを意味している。

即ち、上記数式（３）（４）の一般式において、ｉが自然数である必要はない。ｉが自然数の場合、１リードで１回測定。ｉが０．１刻みの場合、１リードで１０回測定（３６°刻み）。ｉが連続が究極の場合で、連続測定になる。これにより、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径（およびリード）を測定する場合に、ボールねじの有効径とリードの変動を分けて、それぞれ正確に測定することが可能になる。また、本発明者は、より簡易な方法として、有効径の変動のみを測定する場合は、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点近傍の１点のみの位置でタッチプローブを接触させて測定する方法も考えた。即ち、本発明の第２の様相に係るボールねじの有効径の変動の測定方法は、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点近傍の位置でタッチプローブを接触させて測定する方法であって、前記ａ点近傍の測定部を前記ねじ溝の径より大きいなだらかな円弧状又はフラットな面に形成しておくことを特徴とする。

本発明によれば、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径およびリードを測定する場合に、ボールねじの有効径とリードの変動に分解してそれぞれを正確に測定することが可能な技術を提供することができる。

ボールねじの有効径及びリードの変動に関する従来の測定方法の問題点を説明するための図である。本発明の実施形態に係るボールねじの有効径測定方法を、ボールねじ軸を加工する研削盤に適用し、ねじ溝を連続的に測定していく例を示す図である。本発明の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための図であり、変動を計算する一般式を説明するための図である。本発明の実施形態に係るボールねじの有効径測定方法を示すフロー図である。本発明の他の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための図であり、変動を計算する一般式を説明するための図である。本発明の他の実施形態に係るボールねじの有効径測定方法を示すフロー図である。

まず、本発明の理解を容易にするため、ボールねじの有効径及びリードの変動の測定に関する従来の測定方法の問題点について説明しておく。図１は、その問題点を説明するための図であり、上述したようにタッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する従来の方法の一例を示している。図１において、タッチプローブのフィーラーが接触している測定部分は、溝最深部（溝底）に直交する仮想線に対し４５度の位置に接している。この位置での測定結果を基準０として、隣の１リード進ませた箇所で測定すると、タッチプローブは測定機の性質として、全方向からの変位を検知するので、得られる測定結果は測定面の法線方向の変位の値となる。この時、測定結果の変位の原因がリード方向の変位によるものなのか、それとも径方向の変位によるものなのか、両方の要因が合わさってしまっているので分からない。このため、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する従来の方法では、ボールねじの有効径とリードの変動を分けてそれぞれ正確に測定することは困難であった。

そこで、本発明者は、以下に詳述するように、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじの有効径及びリードの変動を正確に測定することが可能な方法を見出した。図３は、本発明の第１の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための図である。上述したように、図１で示した４５度の位置でタッチプローブが接している場合、測定値は、図３に示す変位Δｂ又はΔｃの数値が測定機から得られる。測定機の測定プログラムで補正処理を加えるためには、図３に示すＸ方向とＺ方向それぞれの変位の数値が必要になる。従って、図３にしめすΔＸとΔＺの数値を知りたいところとなる。しかしながら、４５度の箇所にタッチプローブを当てただけでは、ΔＸとΔＺの数値は分からないままである。

そこで、図３に示すように、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点、前記最深部のａ点を９０度とした場合に４５度に相当するｂ点、ｂ点の反対側の４５度に相当するｃ点の、３点それぞれの位置でタッチプローブを接触させて測定することとし、前記ａ点の測定部を、図３に示すように、なだらかな円弧状（又は図示しないフラットな面）に形成しておくこととした。このようにした場合、ａ点は、なだらかな円弧の頂点なので、ｚ方向の変位は無視できる程小さくなる。従って、ａ点での測定値を０（ゼロセット）、Δ ａ１、Δ ａ２、・・・、ｂ点での測定値を０（ゼロセット）、Δ ｂ１、Δ ｂ２、・・・、ｃ点での測定値を０（ゼロセット）、Δ ｃ１、Δ ｃ２、・・・Δｃｉとした場合に、図２及び図３に示すように、下記の数式（５）（６）の関係が成り立つ。

図２及び図３からも明らかなように、数式（５）（６）により、ａ、ｂ、ｃ点の測定値から、各溝における径方向の変位Δｘとリード方向の変位Δｚを計算により求めることができる。測定機の測定プログラムに組み込むための一般式としては、以下の数式（７）（８）により求めることができる。これは、図２の測定はねじ一巻きに１回の測定を行っているが、測定間隔を細かくするとより細かい測定ができることを意味している。

即ち、上記数式（７）（８）の一般式において、ｉが自然数である必要はない。ｉが自然数の場合、１リードで１回測定。ｉが０．１刻みの場合、１リードで１０回測定（３６°刻み）。ｉが連続が究極の場合で、連続測定になる。上記数式（７）（８）を図３を用いて説明する。図３（ａ）（ｂ）に示すように、ａ点（測定部）は、（ねじ溝の径より大きい）なだらかな円弧の頂点なので、ｚ方向の変位は無視できる程小さくなる。従って、ａ点において、ｚ方向の変位は無視している。Δｂ、Δｃは、円弧の接線角４５度における頂点の法線方向の変位量を意味する。この時、実際の測定では、接線方向にも変位しているが、上述し
たように（タッチプローブの接触点であるａ点が接線方向で多少動いても法線方向の値は変わらないので）、無視して良い程、小さくなる。よって、ｚ方向の変位量を求める場合に、接線方向の変位は無視して計算するようになっている。これにより、ｘ方向およびｚ方向の変位量とその方向を求めることができるので、有効径およびリードの変動を加工中に自動的に測定可能となる。従って、例えば、その逆数を加える等の補正処理を工作機械の加工プログラムに加える等により、精度良く、ボールねじの研削を行うことが可能になる。

図２は、本発明の実施形態に係るボールねじの有効径測定方法をボールねじ軸を加工する研削盤に適用し、ねじ溝を連続的に測定していく例を示す図である。図２に示すように、１溝目（基準溝）、２溝目、３溝目、・・・・、ｉ＋１溝目の各溝における変位量の測定において、図３で説明した原理を用いて、上記一般式を展開することにより、任意の各溝における変位量を求めることができる。

図４は、本発明の実施形態に係るボールねじの有効径測定方法を示すフロー図である。本発明が適用されるボールねじ軸を加工する研削盤において、まずフィーラーと工作物の位置あわせを行う（Ｓ６０１）。次に、ａ点の測定０，Δａ１，Δａ２，・・・・，Δａｉを行う（Ｓ６０２）。続いて、ｂ点の測定０，Δｂ１，Δｂ２，・・・・，Δｂｉを行う（Ｓ６０３）。更に、ｃ点の測定０，Δｃ１，Δｃ２，・・・・，Δｃｉを行う（Ｓ６０４）。そして、ΔＸ，ΔＺの計算（ΔＸ１，ΔＸ２，・・・・，ΔＸｉ ΔＺ１，ΔＺ２，・・・・，ΔＺｉ）ΔＸｉ，ΔＺｉの値の判定を行う（Ｓ６０５）。この判定がＯＫであれば処理を終了する（Ｓ６０６）。一方、この判定がＮＧであれば、ΔＸ，ΔＺに基づいた補正加工処理を実行する（Ｓ６０７）。

本発明によれば、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじの有効径及びリードの変動を正確に測定することが可能である。工作機械の加工プログラムに、測定したボールねじの有効径およびリードの変動の値から、その数値に応じた補正処理を測定機の測定プログラムにより加えることができる。

尚、上述した実施形態では、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点、前記最深部のａ点を９０度とした場合に４５度に相当するｂ点、ｂ点の反対側の４５度に相当するｃ点の、３点それぞれの位置でタッチプローブを接触させて測定する方法についての本発明の適用を述べたが、上記の４５度の接触角での接触に替えて、４０度の接触角での接触や５０度の接触角での接触であっても、本発明の拡張適用により同様の作用効果が期待されるのは、勿論である。

また、本発明の他の実施形態として、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点の１点のみの位置でタッチプローブを接触させて測定した場合でも、ｘ方向（径方向）のみの変位量を求めることができるので、ｘ方向（径方向）のみの変位を補正することができる。図５は、本発明の他の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための図であり、変動を計算する一般式を説明するための図である。即ち、本発明の他の実施形態として、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点の位置でタッチプローブを接触させて測定する方法であって、前記ａ点の測定部を前記ねじ溝の径より大きいなだらかな円弧状又はフラットな面に形成しておくことを特徴とするボールねじの有効径の変動の測定方法が得られる。

上述したように、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点の位置でタッチプローブを接触させて測定することとし、前記ａ点の測定部を、図５に示すように、なだらかな円弧状（又は図示しないフラットな面）に形成しておくことで、ａ点は、なだらかな円弧の頂点なので、ｚ方向（リード方向）の変位は無視できる程小さくなる。従って、ａ点において、ｚ方向の変位は無視し、ｚ方向の変位量を求めず、ｘ方向のみの変位量を求めることができる。従って、有効径およびリードの変動をｘ方向に関してのみ加工中に自動的に測定可能となる。従って、例えば、ｘ方向の変位量の逆数を加える等の補正処理を工作機械の加工プログラムに加える等により、ｘ方向について精度良く、ボールねじの研削を行うことが可能になる。

図６は、上記他の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法を示すフロー図である。本発明が適用されるボールねじ軸を加工する研削盤において、まずフィーラーと工作物の位置あわせを行う（Ｓ７０１）。次に、ａ点の測定０，Δａ１，Δａ２，・・・・，Δａｉを行う（Ｓ７０２）。そして、ΔＸの計算（ΔＸ１，ΔＸ２，・・・・，ΔＸｉ）ΔＸｉの値の判定を行う（Ｓ７０３）。この判定がＯＫであれば処理を終了する（Ｓ７０４）。一方、この判定がＮＧであれば、ΔＸｉに基づいた補正加工処理を実行する（Ｓ７０５）。

以上のように、本発明の他の実施形態によっても、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじの有効径（Ｘ方向）及びリード（Ｚ方向）の変動に対し、特にＸ方向について、正確に測定することが可能である。従って、工作機械の加工プログラムに、測定したボールねじの有効径の変動の値から、その数値に応じた補正処理を測定機の測定プログラムにより加えることができる。上記他の実施形態は、ボールねじの製作上、リード方向（Ｚ方向）には精度が確保され易い傾向がある場合等において、測定及び補正処理の速度を高め、処理時間を短縮し易い等のメリットがある。

Claims

タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点、前記最深部のａ点を９０度とした場合に４５度に相当するｂ点、ｂ点の反対側の４５度に相当するｃ点の、３点それぞれの位置でタッチプローブを接触させて測定する方法であって、前記ａ点の測定部を前記ねじ溝の径より大きいなだらかな円弧状又はフラットな面に形成しておくことを特徴とするボールねじの有効径及びリードの変動の測定方法。
タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する場合に、ボールねじ溝面に４５度の接触角で接触するボールの断面が形成する円を想定した場合の径方向の仮想中心線（９０度）と交差する最深部のａ点の位置でタッチプローブを接触させて測定する方法であって、前記ａ点の測定部を前記ねじ溝の径より大きいなだらかな円弧状又はフラットな面に形成しておくことを特徴とするボールねじの有効径の変動の測定方法。