JP3185975U

JP3185975U - ボール試験機

Info

Publication number: JP3185975U
Application number: JP2013003749U
Authority: JP
Inventors: 政豪洪; 進忠魏; 勤軒魏
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2023-07-01

Abstract

【課題】多項目の性能テストを行い、テストコストを削減可能であるボール試験機を提供する。
【解決手段】ベース１０は、第一作動部１１および第二作動部１２を有する。回転軸２０は、第一作動部１１に接続され、連結部２１および第一テスタ連結部２２を有する。第一テスタ７１は、第一テスタ連結部２２に連結され、レール７１１を有する。第二テスタ７２は、第二作動部１２に配置され、嵌合溝７２１を有する。径方向荷重装置５１は、ベース１０に配置され、第二テスタ７２に一定の径方向圧力を加える。軸方向荷重装置は５２、ベース１０に配置され、第二テスタ７２に一定の軸方向圧力を加える。駆動部６０は、ベース１０に配置され、回転軸２０の連結部２１に連結されることで回転軸２０を駆動する。
【選択図】図１

Description

本考案は、ボール試験機に関し、詳しくは、ボールの性能を分析するのに用いるボール試験機に関するものである。

精密な位置決めは、ボールねじなどの部品の間の幾何学的運動に基づいて行う。様々な条件で、ボールねじなどの部品の性能を正確に分析し、精密な位置決めに用いるボールねじの界面の動作を予測および制御するには、部品の接触面の間に生じた摩擦および運動を計算し、同時に接触状況、温度および運動などの実態を参考にすることが必要である。

ボールのパラメータ(例えば温度、プレロード、磨耗、疲労など)の原因でワークベンチの性能が低下するか、付属品の効果が失う。接触式試験台によって、内部にボールがない部品の変化を明確にすることができる。（しかしながら、国際的にも、付属品にボールが含まるような一般のワークベンチの試験設備は未だになかった）

国内外において、僅かの一部の製造業者は専用の試験装置が整えるが、実物試験を行うたびに非常に高い費用がかかる。一方、負荷、潤滑、温度上昇、位置決めおよび使用寿命などの技術ポイントを理解するには、さらに非常に多い試験を行う必要があるのに対し、コストが高く付く。

特開２００３−２９４５８１号公報

本考案は、多項目の性能テストを行い、テストコストを削減可能であるボール試験機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本考案によるボール試験機は、ベース、回転軸、第一テスタ、第二テスタ、径方向荷重装置、軸方向荷重装置、駆動部、抵抗検出ユニットおよび温度センサを備える。
ベースは、第一作動部および第二作動部を有する。
回転軸は、第一作動部に接続されており、連結部および第一テスタ連結部を有する。
第一テスタは、第一テスタ連結部に連結されており、レールを有する。
第二テスタは、第二作動部に配置されており、嵌合溝を有する。
径方向荷重装置は、ベースに配置され、第二テスタに対して所定の径方向圧力を加える。
軸方向荷重装置は、ベースに配置され、第二テスタに対して所定の軸方向圧力を加える。
駆動部は、ベースに設けられ、回転軸の連結部に連結されることで回転軸を駆動する。
抵抗検出ユニットは、第一テスタおよび第二テスタの接触抵抗値を測定する。
温度センサは、第一テスタと第二テスタとの間の温度を測定する。
第一テスタのレールおよび第二テスタの嵌合溝に測定対象となるボールが置かれており、駆動部によって回転軸が駆動されると、ボールがレールおよび嵌合溝の中を転動する。径方向荷重装置および軸方向荷重装置の圧力を調整することによってボールを異なる方向に偏移させる。径方向荷重装置および軸方向荷重装置の圧力の方向、ボールの変位、抵抗検出ユニットにより検出される接触抵抗値、および、温度センサにより検出される温度は、ボールの性能を分析するのに用いられる。

本考案の一実施形態によるボール試験機を示す分解斜視図である。本考案の一実施形態によるボール試験機を示す斜視図である。本考案の一実施形態によるボール試験機の二つのテスタおよびボールの一部を示す断面図である。本考案の一実施形態によるボール試験機の二つのテスタおよびボールを示す断面図である。本考案の一実施形態によるボール試験機の温度センサの接続状態を示す斜視図である。本考案の一実施形態によるボール試験機の作動を示す模式図である。本考案の一実施形態によるボール試験機の作動を示す模式図である。本考案の一実施形態によるボール試験機の温度変化を示すグラフである。本考案の一実施形態によるボール試験機の摩擦係数の変化を示すグラフである。本考案の一実施形態によるボール試験機の接触抵抗の変化を示すグラフである。

以下、本考案の一実施形態によるボール試験機を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
図１および図２に示すように、本実施形態によるボール試験機は、ベース１０、回転軸２０、第一テスタ７１、第二テスタ７２、径方向荷重装置５１、軸方向荷重装置５２、駆動部６０、抵抗検出ユニット４１および温度センサ４２を備える。

ベース１０は、第一作動部１１および第二作動部１２を有する。
回転軸２０は、第一作動部１１に接続され、連結部２１および第一テスタ連結部２２を有する。
第一テスタ７１は、第一テスタ連結部２２に連結され、レール７１１を有する。
第二テスタ７２は、第二作動部１２に配置され、嵌合溝７２１を有する。
径方向荷重装置５１は、ベース１０に配置され、第二テスタ７２に一定の径方向圧力を加える。
軸方向荷重装置は５２、ベース１０に配置され、第二テスタ７２に一定の軸方向圧力を加える。
駆動部６０は、ベース１０に配置され、回転軸２０の連結部２１に連結されることで回転軸２０を駆動する。本実施形態において、駆動部６０がステッピングモーターである場合、ボールねじの高低速度に対応するために、速度範囲は０から８００ｒｐｍの間に制限される。つまりスライド速度は０から２．２３ｍ／ｓの間である。
抵抗検出ユニット４１は、第一テスタ７１および第二テスタ７２の接触抵抗値を測定する。
温度センサ４２は、第一テスタ７１および第二テスタ７２の間の温度を測定する。

第一テスタ７１のレール７１１および第二テスタ７２の嵌合溝７２１に測定対象となるボール８０を置き、駆動部６０によって回転軸２０を駆動すると、ボール８０はレール７１１および嵌合溝７２１の中を転動する。このとき径方向荷重装置５１および軸方向荷重装置５２からの圧力を調整することによってボール８０を異なる方向に偏移させ、続いて圧力を加えれば、圧力の方向、偏移したボール８０の変化、接触抵抗値、温度に基づいて性能を分析することができる。

本実施形態では、さらに制御部８５を備える。制御部８５は径方向荷重装置５１および軸方向荷重装置５２を制御し、抵抗検出ユニット４１で検出した抵抗値を受信する。

図１に示すように、径方向荷重装置５１は径方向圧力制御部５１１、径方向出力部５１２および径方向圧力検出部５１３を有する。径方向圧力制御部５１１は第二テスタ７２に加える径方向出力部５１２の圧力を制御する。径方向圧力検出部５１３は径方向出力部５１２からの圧力の大きさを測定する。軸方向荷重装置５２は軸方向圧力制御部５２１、軸方向出力部５２２および軸方向圧力検出部５２３を有する。軸方向圧力制御部５２１は第二テスタ７２に加える軸方向出力部５２２の圧力を制御する。軸方向圧力検出部５２３は軸方向出力部５２２からの圧力の大きさを測定する。

第一テスタ７１および第二テスタ７２は、測定対象となるボールねじのサイズによって設計されるため、測定を行う際、測定対象となるボール８０を加えれば、実際にねじに据えられたボール８０の変化を明確にすることができる。

つまり、規格（サイズおよび形）が様々なボールねじ（例えば半円形ねじ、コジック形状のねじまたは別の形が違うねじ）に応じて複数の規格が異なる第一テスタ７１および第二テスタ７２を製作しておくことによって、規格が異なるテストを行う際、第一テスタ７１および第二テスタ７２を迅速に交換することができる。

駆動部６０によって回転軸２０を駆動する際、回転軸２０は第一テスタ７１を連動させるため、レール７１１はボール８０を摩擦し、回転させる。このときボール８０は嵌合溝７２１をスライドする。

摩擦試験について、本実施形態では、乾燥状態および潤滑油状態での摩擦試験を進める。
「ａ」、乾燥状態での摩擦試験は、第一テスタ７１と第二テスタ７２の間に潤滑油を添加せず、回転軸２０を回転させることであるため、ボール８０と第一テスタ７１および第二テスタ７２とは相互に接触して通路を形成し、抵抗検出ユニット４１は抵抗値を検出する。このとき抵抗値の変化に基づいてボール８０と第一テスタ７１および第二テスタ７２の接触状況を明確にすることができる。詳しく言えば、抵抗値が小さければ小さいほど接触率が高くなる。抵抗値が大きければ大きいほど接触率が小さくなる。

「ｂ」、潤滑油状態での摩擦試験は、第一テスタ７１と第二テスタ７２の間に潤滑油を添加し、油膜を形成した上で回転軸２０を回転させることである。このとき抵抗検出ユニット４１によって抵抗値を検出し、抵抗値の変化に基づいてボール８０と第一テスタ７１および第二テスタ７２の接触状況を明確にすることができる。詳しく言えば油膜が厚ければ厚いほど抵抗値が高くなる。つまりボール８０と第一テスタ７１および第二テスタ７２の接触率が小さくなる。

温度測定を行う際、温度センサ４２は異なる技術に基づいてボール８０と第一テスタ７１および第二テスタ７２との間の温度を測定する。以下、二つの例を挙げて測定方式を説明する。

「Ａ」、赤外線方式は、図１に示すように、赤外線熱イメージャ、即ち温度センサ４２をベース１０の横に配置し、ボール８０と第一テスタ７１のレール７１１および第二テスタ７２の嵌合溝７２１との間の表面温度を測定し、潤滑油が添加された場合、同時に潤滑油の温度を測定することである。赤外線熱イメージャは最高温度、最低温度および平均温度を表示できる。

「Ｂ」、熱電対方式は、測定範囲を−２７０℃から４００℃の間に設定し、Ｔタイプの熱電対線によってボール８０と第一テスタ７１のレール７１１および第二テスタ７２の嵌合溝７２１との間の表面温度を測定し、潤滑油が添加された場合、同時に潤滑油の温度を測定することである。図５に示すように、熱電対線、即ち温度センサ４２を第二テスタ７２上（横の表面から１ｍｍ離れる位置）に配置し、そして外部まで伸ばせば、ボール８０と第一テスタ７１および第二テスタ７２との間の表面温度を測定することができる。

本実施形態では、測定を行うと同時に、第二テスタ７２に径方向荷重および軸方向荷重を加えることにより、荷重が異なる状況下でボール８０が第一テスタ７１および第二テスタ７２に接触して生じた変化を測定することができる。

径方向圧力制御部５１１および軸方向制御部５２１は、０から３００Ｎの圧力を放出できる空気圧シリンダーである。径方向圧力検出部５１３および軸方向圧力検出部５２３は検出した圧力信号を伝送することによって圧力調整を行う。径方向圧力検出部５１３および軸方向圧力検出部５２３は、０から５００Ｎの荷重変化を検出できる精度が０．０１％に達する。

図６Ａおよび図６Ｂは、規格が異なるレール７１１を示す模式図である。
図６Ａに示すように、第一テスタ７１のレール７１１は円弧形ボールねじの陥没溝である。軸方向荷重装置５２および径方向荷重装置５１を調整することによって第二テスタ７２の軸方向移動および径方向移動を行うことができる。軸方向荷重装置５２および径方向荷重装置５１が第二テスタ７２に圧力（図６に示した半径方向力Ｆ１および軸方向力Ｆ２）を加えると、第二テスタ７２は第一位置Ｐ１１から第二位置Ｐ１２まで軸方向に移動すると同時に、ボール８０を移動させる。このときボール８０と第一テスタ７１のレール７１１との接触点は第一接触点Ｐ１から第二接触点Ｐ２に移り、偏移角度θ（即ち接触角）を生じる。偏移角度が異なるインターフェースに反応する性能の表現に基づいて性能の変化を分析することができる。

図６Ｂに示すように、第一テスタ７１のレール７１１が階段状ボールねじの陥没溝であり、第一外径Ｄ１上のボール８０に対応する際、ボール８０と第一テスタ７１のレール７１１とは第三接触点Ｐ３、第四接触点Ｐ４および第五接触点Ｐ５に相互に接触する。圧力を加えれば、ボール８０を運動させ、接触点を変えることができるだけでなく、ボール８０とレール７１１との接触率を変えることができる。図６Ｂに示すように、径方向および軸方向の圧力（図６Ｂに示した半径方向力Ｆ１および軸方向力Ｆ２）を第二テスタ７２に加える際、接触点はあまり変わらないが、ボール８０とレール７１１との間の接触率は変わる。

本実施形態では、テスタの材料、半径方向力（プレロード）、軸方向力、回転速度を制御することによって異なる状況下でボール、ねじの性能を事前に試験し、大量生産前の評価および改善を進めることができる。一方、試験を行う際、ボールの幾何学的変化（即ちレール７１１および嵌合溝７２１の変化）に基づいて差異を比較することができる。図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは試験データを示すグラフである。半径方向力を３００Ｎ、軸方向力を７５Ｎ、回転速度を１００ｒｐｍ、角度（即ちボール８０と第一テスタ７１の接触角）を３１．３４度に設定した上でボールおよびねじの性能を試験すれば、時間に伴う作動温度、油の温度、摩擦係数および接触抵抗の変化を明確にすることができる。続いて試験結果に基づいて分析を行う。図７Ａから図７Ｃに示すように、第一曲線Ｌ１は時間によって異なる温度変化を表示する。第二曲線Ｌ２は時間によって異なる油の温度変化を表示する。第三曲線Ｌ３は時間によって異なる摩擦係数の変化を表示する。第四曲線Ｌ４は時間によって異なる接触抵抗の変化を表示する。

上述したとおり、本実施形態の長所および効果は次の通りである。
「１」多項式性能テストをできること。本実施形態では荷重を調整し、潤滑、温度上昇および接触点などの技術ポイントにテストを行うことによって大量生産前の評価および改善を進めるため、多項式性能テストをできる。

「２」テストコストを削減できること。国内外において、僅かの一部の製造業者は専用のテスタが整えるが、実物試験を行うたびに非常に高い費用がかかる。一方、負荷、潤滑、温度上昇、位置決めおよび使用寿命などの技術面を理解するには、さらに非常に多い試験を行う必要があるのに対し、コストが高く付く。それに対し、本実施形態は、測定対象となるボールねじおよびボールを円盤状の第一テスタ７１および第二テスタ７２を据え、二つのコストが低い円盤状の第一テスタ７１および第二テスタ７２によってボール８０の転動効果を分析し、試験目的を達成するため、テストコストを削減できる。

以上、本考案は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、考案の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
例えば、ほかの実施形態では、ボール８０と第一テスタ７１および第二テスタ７２との間の表面温度を測定することができる。潤滑油が添加された場合、同時に潤滑油の温度を測定することができる。

１０：ベース、
１１：第一作動部、
１２：第二作動部、
２０：回転軸、
２１：連結部、
２２：第一テスタ連結部、
４１：抵抗検出ユニット、
４２：温度センサ、
５１：径方向荷重装置、
５１１：径方向圧力制御部、
５１２：径方向出力部、
５１３：径方向圧力検出部、
５２：軸方向荷重装置、
５２１：軸方向圧力制御部、
５２２：軸方向出力部、
５２３：軸方向圧力検出部、
６０：駆動部、
７１：第一テスタ、
７１１：レール、
７２：第二テスタ、
７２１：嵌合溝、
８０：ボール、
８５：制御部、
θ：偏移角度、
Ｐ１１:第一位置、
Ｐ１２：第二位置、
Ｐ１：第一接触点、
Ｐ２：第二接触点、
Ｐ３：第三接触点、
Ｐ４：第四接触点、
Ｐ５：第五接触点、
Ｄ１：第一外径、
Ｆ１：半径方向力、
Ｆ２：軸方向力、
Ｌ１：第一曲線、
Ｌ２：第二曲線、
Ｌ３：第三曲線、
Ｌ４：第四曲線。

Claims

ベース、回転軸、第一テスタ、第二テスタ、径方向荷重装置、軸方向荷重装置、駆動部、抵抗検出ユニット、および温度センサを備え、
前記ベースは、第一作動部および第二作動部を有し、
前記回転軸は、前記第一作動部に接続されており、連結部および第一テスタ連結部を有し、
前記第一テスタは、前記第一テスタ連結部に連結されており、レールを有し、
前記第二テスタは、前記第二作動部に配置されており、嵌合溝を有し、
前記径方向荷重装置は、前記ベースに配置され、前記第二テスタに対して所定の径方向圧力を加え、
前記軸方向荷重装置は、前記ベースに配置され、前記第二テスタに対して所定の軸方向圧力を加え、
前記駆動部は、前記ベースに設けられ、回転軸の連結部に連結されていることで回転軸を駆動し、
前記抵抗検出ユニットは、前記第一テスタおよび前記第二テスタの接触抵抗値を測定し、
前記温度センサは、前記第一テスタと前記第二テスタとの間の温度を測定し、
前記第一テスタの前記レール、および、第二テスタの前記嵌合溝に、測定対象となるボールが置かれており、前記駆動部によって前記回転軸が駆動されると、前記ボールが前記レールおよび前記嵌合溝の中を転動し、前記径方向荷重装置および前記軸方向荷重装置の圧力を調整することによって前記ボールを異なる方向に偏移させ、前記径方向荷重装置および前記軸方向荷重装置の圧力の方向、前記ボールの変位、前記抵抗検出ユニットにより検出される接触抵抗値、および、前記温度センサにより検出される温度を前記ボールの性能を分析するのに用いることを特徴とするボール試験機。
前記温度センサは、赤外線イメージセンサであることを特徴とする請求項１に記載のボール試験機。
前記温度センサは、熱電対線であることを特徴とする請求項１に記載のボール試験機。
制御部を更に備え、
前記制御部は、前記径方向荷重装置および前記軸方向荷重装置を制御し、前記抵抗検出ユニットにより検出された接触抵抗値を受信することを特徴とする請求項１に記載のボール試験機。