JP3701449B2

JP3701449B2 - ロール計測方法およびその装置

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Publication number: JP3701449B2
Application number: JP28883597A
Authority: JP
Inventors: 村浩内; 刀孝功; 藤哲加
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH11123656A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロール計測装置に係り、特に、ロール研削盤により加工したロールの直径、真円度等のロールの各種幾何学的な量を非接触式センサを応用して計測するようにしたロール計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロール研削盤や旋盤では、加工対象のワークの寸法を測りながら加工できるように、自動計測が行われており、ワークを高精度に加工するためには不可欠である。この自動計測では、ワークの直径、真円度、振れ、プロファイルなどが測定されている。
【０００３】
従来、この種のロール形状のワーク（以下、ロールという。）の自動計測には、センサに差動変圧器等の接触式変位センサを用いたキャリパ型の計測装置が用いられている。このキャリパ型計測装置では、２つ１組のセンサでロールを挟むようにして、それぞれの接触子をロールの表面に接触させて直径を測定する。そして、ロールを回転させながら、つぎつぎに多数の測定ポイントで直径を測定し、これらの測定データを演算処理して、直径、真円度、振れなどを求めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ロールの外周面全体が平滑であれば、回転するロールの表面を接触子が滑動してくので、接触式のセンサによる自動計測は、旋盤や研削盤でロールを回転させながらであっても大きな問題は生じない。自動計測により測定したデータを工作機構の制御と結びつけて、生産効率および精度の向上を図ることができる。
【０００５】
しかしながら、加工するロールには、その外周面が平滑なものばかりではなく、なかには溝や切り欠きが加工されているものがある。
【０００６】
この溝付きのロールの直径を測定する場合、接触式のセンサでは、回転するロールの溝に接触子が入り込むと、接触子が引っ掛かり破損する。このため、旋盤や研削盤でロールを回転させながらの同時計測ができない。溝付きロールの直径等を計測するためには、一度、機械を止めて中断し、ロールの回転を停止してから実施せざるを得なかった。
【０００７】
また、実際に測定するときには、溝のある部分を測らないように、軸の割り出しを行う必要がある。しかも、測定精度を良くするたためには、周方向の多数点で測定する必要があり、何度も割り出しをしなければならない。このように溝付きのロールの計測では、測定に時間がかかり自動計測の実を挙げられなかった。
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、測定対象のロールの表面に溝のある無しにかかわらずに精度良く直径等を計測することができ、特に、溝のあるロールであっても、軸の回転を停止することなく測定を可能とするロール計測方法およびその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、ロール研削盤で加工された円柱状のワークについて長さ計測を行い、直径、真円度その他の幾何学的寸度を表す量を機上で計測するロール研削盤のロール計測方法であって、２つの非接触式の変位センサを前記ワークを間に軸心を通る水平線上に対向させて配置するとともに、前記変位センサの位置を検出し、前記ワークを回転させながら各変位センサから前記ワーク表面までの距離を複数の測定点について離散的に測定し、前記各測定点の測定データと予め設定したしきい値を比較してゆき、各測定点について前記しきい値より大きければ溝または切り欠きによって生じる不良なデータで無効であると判別し、不良データと判別された無効なデータが生じた場合に、その前後の有効な測定データから線形補間を行い、前記無効のデータを除外した有効な測定データと、線形補完した補完データとに基づいて直径、真円度その他の量を計測することを特徴とするものである。
この発明によれば、非接触式の変位センサにより測定するとともに、溝や切り欠きの部分の測定データを無効とするデータ処理を行って、ワークの直径、真円度を計測するので、溝や切り欠き等の窪みのあるワークが計測対象であっても、ワークを停止させる必要もなく、旋盤、研削盤などで回転させたままの加工中の自動計測が可能となる。
【００１０】
測定する量としては、直径、真円度の他、振れ、プロファイルがあり、プロファイルの計測の場合は、２つの非接触式の変位センサを軸方向に移動しながら測定を行い、前記ワークのプロファイルを計測する。
【００１１】
また、本発明の計測方法を実施する装置は、ロール研削盤で加工された円柱状のワークについて長さ計測を行い、直径、真円度その他の幾何学的寸度を表す量を機上で計測するロール計測装置であって、計測対象のワークを間に対向して配置され、前記ワーク表面までの距離を複数の測定点について離散的に測定する２つの非接触式の変位センサと、前記変位センサをそれぞれワークの軸線を通る水平線に対向するように支持する支持手段と、前記支持手段を接離両方に移動させ、前記変位センサをワークの軸心に関して略対称な測定位置に移動させる移動手段と、前記各測定点の測定データと予め設定したしきい値を比較し、各測定点について前記しきい値より大きければ溝または切り欠きによって生じる不良なデータで無効であると判別し、前記無効のデータを除外した有効な測定データと、無効なデータの前後の有効な測定データから線形補間を行った補完データと、に基づいて直径、真円度その他の量を演算する演算手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の計測方法および計測装置では、非接触式の変位センサとしては、静電容量型の変位センサが最も好ましく、これにより精密な計測を可能とする。非接触式式変位センサは、静電容量型に限るものではなく、計測精度が良好であれば、他の形式の非接触式センサでもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるロール計測装置の一実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
図１は、ロール研削盤を示す。計測対象のワークは、ロール研削盤で加工されるロールである。この実施形態では、本発明の計測方法を適用することにより、加工をしながらロールの直径、真円度、プロフィール等を計測する。
図１において、１０は砥石台であり、１１は心押台を示す。砥石台１０は、往復台１２の上にＸ軸方向に移動可能なように設けられている。砥石台１０には、砥石１３がロール１４の軸方向に対して直角に向き合うように設けられており、図示しないインフィード機構により、砥石１３は、ロール１４に対して前後（Ｘ軸方向）に移動し、ロール１４に切り込みを与えることができるようになっている。
【００１４】
一方、心押台１１は、ロール１４のＺ軸方向に延びるラック１５に沿ってピニオン・ラック機構を利用してＺ軸方向に移動することができるようになっている。
【００１５】
前記砥石台１０に載せてある往復台１２は、サーボモータによりボールねじを駆動してＺ軸方向に送られるもので、ボールねじや送り運動を案内するガイドレールは、伸縮自在な入れ子状の摺動面カバー１６によって被覆されており、その摺動面が保護されている。
【００１６】
２０がロール計測装置を示す。このロール計測装置２０は、砥石台１０の上に設置されており、このロール計測装置２０がロール１４の直径等の自動計測を実施する。
【００１７】
図２は、ロール計測装置２０を示す側面図である。
この図２において、２２は、一対の非接触式の変位センサ２４ａ、２４ｂを備えた測定部を示す。この測定部２２は、砥石台１０上を前後に、すなわち図１におけるＸ軸方向に進退自在なように構成されるものである。砥石台１０の上面には、機台２１が取り付けられている。この機台２１には、ガイドレール２３がＸ軸方向に延びるように設けられ、このガイドレール２３を移動台２６が摺動しながら移動できるようになっている。移動台２６を進退動させるための駆動源として、機台２１の一端部に前後移動用シリンダ２７が設けられており、この前後移動用シリンダ２７のピストンロッド２７ａが移動台２６と連結されている。移動台２６からは、水平方向にビーム３０が張り出すように取り付けられており、測定部２２は、このビーム３０によって支持されるようになっている。
【００１８】
ビーム３０には、鉛直方向に垂下するアーム３１ａ、３１ｂが設けられている。非接触式の変位センサ２４ａ、２４ｂは、このアーム３１ａ、３１ｂを支持手段として、ロール１４を間に挟んで対向するように支持されるようになっている。また、変位センサ２４ａ、２４ｂを互いに接近または離間させる方向に移動させて所定の測定位置に移動させる手段を構成するものとして、サーボモータ３２と、このサーボモータ３２により駆動されてアーム３１ａ、３１ｂを接近または離間させる方向に送る送り伝動機構が設けられている。
【００１９】
この実施の形態では、サーボモータ３２の回転軸には歯車３４が取り付けられ、この歯車３４に噛み合う従動歯車３５ａ、３５ｂから、送り伝動機構を構成する２本のボールねじ３３ａ、３３ｂにそれぞれサーボモータ３２の回転が伝動される。一方のボールねじ３３ａは、左ねじのボールねじが用いられ、他方のボールねじ３３ｂには、右ねじのボールねじが用いられ、これにより、サーボモータ３２を単一の駆動源として、変位センサ２４ａ、２４が同じ量だけ互いに反対方向に移動し、接離両方向の移動が可能になっている。
【００２０】
ボールねじ３３ａには、ナット３６ａが螺合し、このナット３６ａは、変位センサ２４ａを支持するアーム３１ａが取り付けられているフレーム３７ａに固定されている。同じように、他方のボールねじ３３ｂには、ナット３６ｂが螺合し、このナット３６ｂは、変位センサ２４ｂを支持するアーム３１ｂが取り付けられているフレーム３７ｂに固定されている。これらのアーム３１ａ、３１ｂは、それぞれフレーム３７ａ、３７ｂに対して昇降用シリンダ３８ａ、３８ｂを介して取り付けられており、変位センサ２４ａ、２４ｂを先端に有するアーム３１ａ、３１ｂは、昇降可能に構成されている。
【００２１】
変位センサ２４ａ、２４ｂとしては、この実施形態では、静電容量型の変位センサが用いられている。この場合、各変位センサ２４ａ、２４ｂとロール１４を電極として形成されるコンデンサの間の距離の変化が比誘電率の変化に比例することを利用して、各各変位センサ２４ａ、２４ｂからロール１４の表面までの距離を検出する。
【００２２】
各変位センサ２４ａ、２４ｂの出力は、ＮＣ装置４０の演算装置４２に導入されて、図４のフローチャートに従って、測定値が演算される。また、ＮＣ装置４０は、ロール研削盤の砥石台１０、往復台１２の運動を数値制御するほか、変位センサ２４ａ、２４ｂの位置を制御するためにサーボモータ３２を制御する。この場合、サーボ回路４４と、位置検出器４６によって、位置制御ループが組まれ、演算装置４２で発生した指令に基づいてサーボモータ３２を制御する。エンコーダ等からなる位置検出器４６によって、サーボモータ３２の回転角度から変位センサー２４ａ、２４ｂの位置を間接的に検出され、この位置フィードバックと指令位置とを比較し、各変位センサ２４ａ、２４ｂの位置を所定の測定位置に正確に位置決めすることができるようになっている。また、各変位センサ２４ａ、２４ｂの位置についての検出信号は、演算装置４２にも導入され、直径等の演算に用いられる。
【００２３】
次に、以上のように構成されるロール計測装置を用いて実施するロール計測方法について説明する。
図３は、ロール計測の各段階における変位センサ２４ａ、２４ｂの位置を示す図である。
図３（i）は、計測精度を高めるためにあらかじめ行う校正の仕方を説明する図である。５０は、長さ基準器として用いられるブロックゲージである。このブロックゲージ５０の長さをＬとする。
【００２４】
変位センサ２４ａ、２４ｂをブロックゲージ５０の軸線上に位置するように位置決める。変位センサ２４ａ、２４ｂの位置について、座標系は図３（i）に示すように、ブロックゲージ５０の軸線上に設定される。左側の変位センサ２４ａは、位置ＯAを測定基準原点とし、右側の変位センサ２４ｂは、位置ＯBを測定基準原点として、位置検出器４６により、それぞれ位置ＯA、ＯBからの距離が検出される。位置ＯAＯB間の距離Ｃは、予め設定されている長さである。ここで、ブロックゲージ５０の長さＬは、計測システムに内在する誤差をαとして、測定基準原点ＯA、ＯBからそれぞれブロックゲージ５０の両端面までの距離をＡ、Ｂとすれば、
Ｌ＝Ｃ＋Ａ＋Ｂ＋α …（１）
である。
【００２５】
そこで、ブロックゲージ５０の両端にそれぞれ変位センサ２４ａ、２４ｂを接近させ、各変位センサ２４ａ、２４ｂからブロックゲージ５０の左右両端面までの距離ａ、ｂを実測する。また、この実測位置での各変位センサ２４ａ、２４ｂの位置を位置検出器４６の出力から検出する。この場合、各変位センサ２４ａ、２４ｂの位置は、それぞれａ＋Ａ、ｂ＋Ｂに相当する。ａ、ｂは、前記のように変位センサ２４ａ、２４ｂにより測定されているので、各変位センサ２４ａ、２４ｂの位置からそれぞれａ、ｂを引くことにより、測定基準原点ＯA、ＯBからそれぞれブロックゲージ５０の両端面までの距離Ａ、Ｂを求めることができる。したがって、（１）式から、誤差αは、
α＝Ｌ−Ｃ−Ａ−Ｂ …（２）
として求めることができる。この誤差αを用いて、ロール１４の直径の測定値を修正する。また、この誤差αは、経年的に変化していくので、適宜、上述のようなブロックゲージを用いた校正を行う。
【００２６】
次に、ロール１４を測定する場合、図２において、昇降用シリンダ３７ａ、３７ｂによりアーム３１ａ、３１ｂを昇降させて、また、サーボモータ３２により、変位センサ２４ａ、２４ｂの位置を調整し、図３（ii）に示すように、変位センサ２４ａ、２４ｂをロール１４の中心Ｏを通る直線上で、中心Ｏに関して略対称に位置させる。
【００２７】
その後、サーボモータ３２を駆動しアーム３１ａ、３１ｂを移動させる。図３（iii）に示すように、変位センサ２４ａ、２４ｂをロール１４に接近させて、測定位置まで移動させる。ここで、ロール１４の測定における測定基準原点は、図３（i）と同様である。
【００２８】
各変位センサ２４ａ、２４ｂからロール１４の表面までの距離ａi、ｂiを計測し、この計測位置での各変位センサ２４ａ、２４ｂの位置を検出すれば、測定基準原点ＯA、ＯBからそれぞれロール１４の表面までの距離をＡ、Ｂは求めることができる。ロール１４の直径Ｄは、
Ｄ＝Ｃ＋Ａ＋Ｂ＋α …（３）
であるから、上記のＡ、Ｂと校正により得たαからロール１４の直径Ｄを測定することできる。
【００２９】
このロール１４の直径測定は、ロール１４を回転させながら、多数の測定点で実施する。例えば、ロール１４が１回転する間に４０ポイントで測定し、ロール１４を３回転させて合計１２０ポイントについて測定する。この測定データは、図４にフローチャートにしたがって演算装置４２により処理される。
【００３０】
まず、測定データａi、ｂiを最初のデータから順番に読み取り（ステップＳ１）、各データａi、ｂiと所定のしきい値εとを比較する（ステップＳ２）。このしきい値εは、計測対象のロール１４ごとにあらかじめ設定される定数である。図３（iii）に示すように、表面に溝５１あるいは切り欠きがあるロール１４を計測対象とした場合に、溝５１の部分を測定したデータかどうかを判別するための基準となるしきい値である。
【００３１】
溝５１が変位センサ２４ａ、２４ｂと向き合うと、溝５１のない部分に較べて、測定されるａi、ｂiは大きな値となる。溝５１のない平滑な部分のデータは、測定値に大きな変動がないのにくらべて、溝５１のある部分では、測定値が急に大きな値に変動するので、適当なしきい値εを定め、これと比較することで、その測定データが平滑な部分での測定データか、溝５１の部分での測定データかを判別することができる。
【００３２】
しきい値εとの比較の結果、ａi、ｂiのいずれかがしきい値εよりも大きければ、そのデータは、溝５１または切り欠きに起因する不良ののデータと判別し（ステップＳ２のyes）、この測定データを無効して直径の演算の基礎にはしない（ステップＳ３）。
【００３３】
続く、ステップＳ４では、無効となった測定データが何回連続したかをカウントする変数をＣＴとして、前のステップＳ３で無効となった場合、この変数ＣＴに１を加算して計数する。ステップＳ５では、無効の測定データが、例えば、１０回連続するような場合（ステップＳ５のyes）は、なんらかの不都合があるものとして、アラームを発し（ステップＳ６）、データ処理を中断する（ステップＳ７）。
【００３４】
ステップＳ５からステップＳ８に進んだ場合は、データが最後のデータでなければ、データの番号を次の番号にし（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻る。次の測定データについて、上述の処理を同じようにして繰り返す。
一方、ステップＳ２で、しきい値εとの比較の結果、ａi、ｂiのいずれもがしきい値εよりも小さければ、この測定データは、ロール１４の平滑な表面の部分で測定した有効なデータとする。続く、ステップＳ１０では、有効なデータの場合は、無効のデータの連続をカウントする変数ＣＴをリセットする。以下、最後の測定データまで同様の処理を繰り返す。
【００３５】
こうして測定したすべての測定データについて、有効か無効なデータかどうかを判別した後、ステップＳ１１では、無効とされたデータについての補間処理を行う。
図５に示すように、例えば、変位センサ２４ａで測定したデータについて、ａk-1 ，ａk ，ａk+1 について３つ連続して、溝５１による無効なデータとされた場合を考える。このロール１４の場合は、その外周表面は、データ無効の原因である溝を別にすれば、連続している曲面からなるから、隣の有効なａk-2 、ａk+2 のデータに基づいて線形的に比例補間して、各ａk-1 ，ａk ，ａk+1 のデータの値を算出することで、溝がなかったとした場合の測定データに近い値を得ることができる。
【００３６】
こうして、有効な測定データおよび補間したデータから、ロール１４の直径Ｄ、真円度を演算する（ステップＳ１２）。ロール１４の直径Ｄは、各測定ポイントで算出した直径の平均値とする。また、真円度は、測定データから直径の最大値と最小値を求め、最大値と最小値の差をロール１４の真円度とする。
【００３７】
これらの計測結果は、表示装置４８に図６に示すような図形として表示される。この表示装置４８には、各測定ポイントでの直径の値を実線で結んで描画して表示される。その表示から、ロール１４が真円よりもどの部分で誤差があるかを一目で確認することができる。また、補間した部分は、測定した部分とは色や線種を変えて描画するのが好ましく、これによれば、容易に補間した部分が判明する。
【００３８】
以上のロール１４の直径、真円度については、変位センサ２４ａ、２４ｂの位置をロールの軸方向には移動せずに測定したが、ロール１４の振れ、プロファイルの計測については、変位センサ２４ａ、２４ｂの位置をロールの軸方向には移動させながら計測する。この軸方向の移動は、砥石台１０の乗っている往復台１２を移動させることにより実現することができる。プロフィールの測定については、ロール１４は、回転させずに、変位センサ２４ａ、２４ｂの位相を固定して、変位センサ２４ａ、２４ｂとロール１４の表面までの距離を計測する。その場合の測定データの有効、無効の判別処理は、図４のフローチャートの処理と同様である。このプロファイルの計測結果については、図７に示すように、表示装置４８に描画される。
【００３９】
以上のように、非接触式の変位センサ２４ａ、２４ｂを用いるとともに、溝や切り欠きの部分の測定データを無効とするデータ処理を行って、ロール１４の直径、真円度を計測するので、溝のないロールの場合はもちろんのこと、溝５１のあるロール１４が計測対象であっても、ロール１４を停止させる必要もなく、回転させながらの自動計測が可能となる。
また、この実施態様のように、非接触式の変位センサ２４ａ、２４ｂとしての静電容量式のセンサの場合、０．１μｍもの分解能が得られ、高精度の計測が可能となる。
【００４０】
なお、変位センサとしては、静電容量式のセンサに限定されるものではなく、例えば、光電式センサ、超音波センサ等の非接触式センサを用いても、おなじように実施することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ロール研削盤で加工したワークについて、非接触式の変位センサにより複数の測定点を離散的に測定し、溝や切り欠きの部分を除いた部分の測定値はほぼ正確であることを活用して、溝や切欠の部分の測定データを無効とするデータ処理や、線形補完処理を行って、ワークの直径、真円度を正確に計測できるので、溝や切り欠き等の窪みのあるワークが計測対象であっても、ワークを停止させる必要もなく、回転させたままの自動計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるロール研削盤の斜視図。
【図２】本発明の一実施形態によるロール計測装置の側面図。
【図３】本発明によるロール計測装置の計測手順の各段階での変位センサの一を示す図。
【図４】測定データから無効のデータを除くための処理の流れを示すフローチャート。
【図５】無効とされたデータの替わりに行う補間処理を説明する図。
【図６】計測結果から表示装置に描画される真円度の測定結果を示す図。
【図７】計測結果から表示装置に描画されるプロファイルの測定結果を示す図。
【符号の説明】
１０砥石台
１１心押し台
１２往復台
１３砥石
１４ロール
２０ロール計測装置
２２測定部
２４ａ、２４ｂ変位センサ
２７前後移動用シリンダ
３１アーム
３２サーボモータ
３３ａ、３３ｂボールねじ
４０ＮＣ装置
４６位置検出器

Claims

ロール研削盤で加工された円柱状のワークについて長さ計測を行い、直径、真円度その他の幾何学的寸度を表す量を機上で計測するロール研削盤のロール計測方法であって、
２つの非接触式の変位センサを前記ワークを間に軸心を通る水平線上に対向させて配置するとともに、前記変位センサの位置を検出し、
前記ワークを回転させながら各変位センサから前記ワーク表面までの距離を複数の測定点について離散的に測定し、
前記各測定点の測定データと予め設定したしきい値を比較してゆき、各測定点について前記しきい値より大きければ溝または切り欠きによって生じる不良なデータで無効であると判別し、
不良データと判別された無効なデータが生じた場合に、その前後の有効な測定データから線形補間を行い、
前記無効のデータを除外した有効な測定データと、線形補完した補完データとに基づいて直径、真円度その他の量を計測することを特徴とするロール研削盤のロール計測方法。
前記２つの非接触式の変位センサを軸方向に移動しながら測定を行い、前記ワークのプロファイルを計測することを特徴とする請求項１に記載のロール研削盤のロール計測方法。
ロール研削盤で加工された円柱状のワークについて長さ計測を行い、直径、真円度その他の幾何学的寸度を表す量を機上で計測するロール計測装置であって、
計測対象のワークを間に対向して配置され、前記ワーク表面までの距離を複数の測定点について離散的に測定する２つの非接触式の変位センサと、
前記変位センサをそれぞれワークの軸線を通る水平線に対向するように支持する支持手段と、
前記支持手段を接離両方に移動させ、前記変位センサをワークの軸心に関して略対称な測定位置に移動させる移動手段と、
前記各測定点の測定データと予め設定したしきい値を比較し、各測定点について前記しきい値より大きければ溝または切り欠きによって生じる不良なデータで無効であると判別し、前記無効のデータを除外した有効な測定データと、無効なデータの前後の有効な測定データから線形補間を行った補完データと、に基づいて直径、真円度その他の量を演算する演算手段と、
を具備することを特徴とするロール研削盤のロール計測装置。
前記移動手段は、単一のサーボモータと、ねじのねじれ方向の異なる左ねじボールねじ、右ねじボールねじと、前記右ねじボールねじと左ねじボールねじを前記サーボモータに結合する歯車機構と、からなる送り伝動機構を有することを特徴とする請求項３に記載のロール研削盤のロール計測装置。