JP5510068B2

JP5510068B2 - 被加工物の加工表面の欠陥検出装置

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Publication number: JP5510068B2
Application number: JP2010119097A
Authority: JP
Inventors: 孝幸東; 亮伊藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-05-25
Also published as: JP2011247664A

Description

本発明は、被加工物を被検査体として、被検査面である加工表面の欠陥、例えば、加工変質層や傷などを非破壊で検出する被加工物の加工表面の欠陥検出装置に関するものである。

研削加工または切削加工を行う場合には、工作物における加工部位の温度が高温になりやすい。そのため、加工条件によっては工作物の表面に加工変質層（一般に「研削焼け」または「切削焼け」と言う場合がある）が生じることがある。この加工変質層は、工作物の機械的強度を低下させる要因となるおそれがあった。つまり、加工変質層が生じた工作物の表面からの深さやその範囲により機械的強度への影響が変わるものと考えられることから、工作物における加工変質層の有無およびその状態を高精度に検出することが望ましい。

そして、非破壊検査により工作物の加工変質層を検出する方法が、例えば、特開平１０−２０６３９５号公報（特許文献１）や、特開２０００−１８０４１５号公報（特許文献２）に記載されている。特許文献１，２に記載の加工変質層検出装置によれば、工作物に渦電流を誘導し、その渦電流の変化または渦電流による誘導起電力に基づいて加工変質層を検出できるものとされている。

また、渦流探傷検査において、渦流探傷プローブを被検査面に垂直に一定の力で押しつけることができ、被検査面の凹凸に追従して損傷が少なく、高い検出精度を得ることができる渦流探傷装置について、特開２０１０−２５８０１号公報（特許文献３）に記載されている。

特開平１０−２０６３９５号公報特開２０００−１８０４１５号公報特開２０１０−２５８０１号公報

ところで、転がり玉軸受の内輪や外輪の転動体軌道面に加工変質層が存在すると、軸受使用時に剥離や亀裂が発生して破損するおそれがある。そのため、転がり玉軸受の転動体軌道面において加工変質層の有無の検査を行う必要がある。転動体軌道面などのような曲面形状の被検査面に対しては、破壊検査を行うことはできるが、非破壊検査を行うのは容易ではない。非破壊検査において、高精度な加工変質層の検出を行うには、センサと被検査面との距離を均一にすることが望まれるが、被検査面が曲面形状の場合には、センサと被検査面との距離を均一にすることが容易ではないからである。さらに、被検査面が曲面形状の場合には、被検査面に対するセンサの向きによっても、センサと被検査面との距離が異なる。このことからも、被検査面が曲面形状の場合には、非破壊検査を高精度に行うことが容易ではない。

ここで、特許文献３に記載の装置は、平面形状の被検査面に対して一定の力で押しつけることとしている。当該装置が押しつけることができる方向は特定の一方向のみであるため、当該装置を曲面形状の被検査面に適用した場合には、曲面形状の被検査面の各部位における法線方向に一定の力で押しつけることができない。そのため、当該装置を適用したとしても、曲面形状の被検査面の部位によって、センサと被検査面との距離が異なり、高い検査精度を得ることができない。また、加工変質層の他に、加工表面に傷が生じている場合にも、高精度に検出することが望まれる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被検査面である加工表面が曲面形状である場合に、高精度に加工表面の欠陥を検出できる被加工物の加工表面の欠陥検出装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る被加工物の加工表面の欠陥検出装置は、円環状の被加工物を被検査体として、当該被検査体において軸方向断面形状が円弧凹形状となる被検査面における欠陥を検出する被加工物の加工表面の欠陥検出装置において、前記被検査体を支持する被検査体支持体と、前記被検査体支持体に対して移動可能に設けられた移動基台と、前記移動基台に、前記被検査体の軸方向に直交する軸回りに回転可能に支持された回転体と、前記回転体の回転軸に対して直交する直線第一方向に移動可能となるように前記回転体に支持されるセンサ支持体と、前記センサ支持体に支持され、前記欠陥を検出可能なセンサと、前記直線第一方向における前記センサによる前記被検査面に対する接触荷重を検出する荷重検出センサと、前記直線第一方向が前記被検査面のうち前記センサに接触する位置の法線方向に一致するように前記回転体を移動すると共に、前記センサによる前記被検査面に対する前記法線方向の接触荷重が設定された範囲内となるように前記被検査体支持体と前記移動基台とを相対移動する位置決め手段と、前記位置決め手段により位置決めした後に前記センサから出力される信号により前記欠陥を検出する検出手段とを備えるものである。

請求項２に係る被加工物の加工表面の欠陥検出装置は、前記センサ支持体は、前記回転体に対して前記直線第一方向へスライド可能となるようにガイドされ、かつ、前記回転体に対して前記直線第一方向に伸縮する弾性体を介して前記回転体に連結され、前記荷重検出センサは、前記回転体に対する前記センサ支持体の前記直線第一方向における離間距離を検出することにより、前記直線第一方向における前記センサによる前記被検査面に対する前記法線方向の接触荷重を検出するものである。

請求項３に係る被加工物の加工表面の欠陥検出装置は、前記被検査体は、前記円環状の軸回りに全周に亘って前記軸方向断面形状が円弧凹形状となる前記被検査面を有し、前記被検査体支持体は、前記被検査体を前記被検査体の軸回りに回転可能に支持し、前記検出手段は、前記位置決め手段により位置決めした後に、前記被検査体を回転させながら前記センサから出力される信号により前記円環状の軸回りの全周に亘る前記被検査面の前記欠陥を検出するものである。

請求項１に係る発明によれば、センサ支持体が、回転体に対して直線第一方向に移動可能に設けられている。つまり、センサ支持体が移動基台に対して移動する直線方向は、移動基台に対する回転体の回転位相に応じて変化する。このように構成することにより、被検査面が曲面形状であったとしても、センサの向きを、被検査面のうちセンサに接触する位置の法線方向に一致させることができる。

さらに、センサ支持体は回転体に対して直線第一方向に移動可能であって、荷重検出センサにより当該直線第一方向におけるセンサによる被検査面に対する接触荷重を検出している。このように構成することにより、センサによる被検査面に対する接触荷重を、被検査面のうちセンサに接触する位置の法線方向に一致させることができる。さらに、当該接触荷重を設定された範囲内とすることができる。

従って、本発明によれば、曲面形状の被検査面のどの部位を検査する際においても、センサを被検査面のうちセンサに接触する位置の法線方向に一定の力で押しつけることができる。その結果、非破壊検査を適用したとしても、曲面形状の加工表面である被検査面における加工変質層や傷などの欠陥を高精度に検出することができる。

請求項２に係る発明によれば、ガイドと弾性体とにより、センサ支持体が回転体に支持されている。これにより、センサ支持体が回転体に対して直線第一方向に移動するように規制できると共に、センサによる被検査面に対する直線第一方向の接触荷重を設定された範囲内にすることが容易にできる。また、ガイドと弾性体を用いた構成にすることで、距離センサにより回転体に対するセンサ支持体の直線第一方向の離間距離を検出することにより、センサによる被検査面に対する直線第一方向における接触荷重を確実に検出することができる。さらに、センサを被検査面に接触した状態で相対移動させる場合には、被検査面に微小な凹凸形状が存在するとしても、ガイドと弾性体とにより、センサが被検査面の法線方向に常に接触した状態を維持することができる。

請求項３に係る発明によれば、所定軸回りに全周に亘って曲面形状の被検査面を有する場合に、被検査体を回転させながらセンサを被検査面に接触させた状態を維持しつつ加工変質層や傷などの欠陥を検出する。ここで、所定軸回りに全周に亘って有する曲面形状の被検査面は、加工精度や被検査体支持体への取付精度によって、振れ回りを生じる。このような場合であっても、ガイドと弾性体とにより、センサが被検査面の法線方向に常に接触した状態を維持することができる。

被加工物の加工表面の欠陥検出装置の正面図である。図１の右側面図である。図１の左側面図である。被加工物の加工表面の欠陥検出装置の正面図であって、センサを被検査体の被検査面に接触させている状態を示す図である。

以下、本発明の被加工物の加工表面の欠陥検出装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の被加工物の加工表面の欠陥検出装置について、図１〜図４を参照して説明する。ここで、本実施形態における被加工物の加工表面の欠陥検出装置は、磁気を用いた非破壊検査により、被加工物である被検査体Ｗの加工表面である被検査面Ｆにおいて加工変質層や傷などの欠陥の有無を検出する装置である。そして、被検査体Ｗは、転がり玉軸受の外輪とし、被検査体Ｗの被検査面Ｆは、外輪の内周面のうち転動体軌道面とする。つまり、被検査面Ｆである転動体軌道面は、曲面形状、具体的には軸方向断面形状が円弧凹形状である。

被加工物の加工表面の欠陥検出装置は、図１〜図４に示すように、ベース１０と、被検査体支持体２０と、柱固定部３０と、上下スライド体４０と、左右スライド体５０（本発明の移動基台に相当する）と、回転体６０と、センサ支持体７０と、センサ８０と、距離センサ９０と、制御装置１００（本発明の位置決め手段に相当する）と、欠陥検出処理部１１０（本発明の検出手段に相当する）とを備えて構成される。

ベース１０は、機械設置床面に設置される。このベース１０の上面に、被検査体支持体２０が配置されている。被検査体支持体２０は、被検査体Ｗである転がり玉軸受の外輪の外周面を把持することができる。この被検査体支持体２０は、ベース１０に対して鉛直な軸Ｌ１の回りに回転可能にベース１０に支持されている。そして、被検査体支持体２０の回転軸Ｌ１が被検査体Ｗである外輪の中心軸に一致するように位置決めされている。

柱固定部３０は、ベース１０の上面のうち被検査体支持体２０の位置とは異なる位置に立設されている。柱固定部３０の側面には、Ｙ方向（図１〜図４の上下方向）に延びる一対のガイド３１が形成されている。上下スライド体４０は、柱固定部３０のガイド３１に支持されており、このガイド３１に沿って柱固定部３０に対してＹ方向に移動可能である。上下スライド体４０は、柱固定部３０に取り付けられているサーボモータ（図示せず）の駆動によりＹ方向へ移動する。

左右スライド体５０は、上下スライド体４０に対してＸ１方向（図１の左右方向）に移動可能となるように、上下スライド体４０に貫通支持されている。左右スライド体５０は、上下スライド体４０に取り付けられているサーボモータ（図示せず）の駆動によりＸ１方向へ移動する。左右スライド体５０における先端側（図１の右端側）には、図１の上方から見た場合にＬ字形状となる板を有している。

回転体６０は、直方体のうち一つの角を共有する三平面をなす形状に形成されている。すなわち、回転体６０は、回転体６０のうち図１の手前側端面形状、図１の上面側端面形状および図２の手前側端面形状がＬ字形状となる形状に形成されている。なお、以下において、回転体６０のうち図１の左側面を後面部６１とし、回転体６０のうち図１の下側面を底面部６２とし、回転体６０のうち図２の右側面（図１の奧側面）を側面部６３とする。回転体６０の側面部６３は、左右スライド体５０のＬ字形状の側板５１に対して平行に配置され、かつ、軸Ｌ２の回りに回転可能となるように当該Ｌ字形状の側板５１に支持されている。この軸Ｌ２は、Ｘ１方向およびＹ方向に直交する軸である。また、回転体６０の底面部６２の上面には、軸Ｌ２に直交するＸ２方向（本発明の直線第一方向に相当する）にガイドを形成している。

センサ支持体７０は、回転体６０の底面部６２のガイドに支持されており、この回転体６０の底面部６２のガイドに沿って回転体６０に対してＸ２方向に移動可能である。センサ支持体７０は、回転体６０に取り付けられているサーボモータ（図示せず）の駆動により軸Ｌ２の回りに回転する。さらに、センサ支持体７０は、回転体６０の後面部６１にばね（弾性体）７１を介して支持されている。そして、このばね７１は、センサ支持体７０が回転体６０に対してＸ２方向に移動する際に、Ｘ２方向に伸縮変形するものである。つまり、ばね７１は、センサ支持体７０の回転体６０に対するＸ２方向の位置に応じて、回転体６０およびセンサ支持体７０に対してＸ２方向に引張力または圧縮力を付与する。

センサ８０は、センサ支持体７０の先端側（図１の右側）に取り付けられている。このセンサ８０は、例えば、渦流式センサなどが適用され、当該被検査面Ｆおける加工変質層や傷などの欠陥を検出することができる。ここで、本実施形態におけるセンサ８０は、先端側が直角に折れ曲がったＬ字形状に形成されている。これは、被検査体Ｗの被検査面Ｆが、転がり玉軸受の外輪における転動体軌道溝であるためである。

距離センサ９０は、回転体６０の後面部６１に設けられ、回転体６０の後面部６１とセンサ支持体７０のうち当該後面部６１に対向する面との距離（Ｘ２方向の離間距離）を検出する。つまり、距離センサ９０は、ばね７１のＸ２方向の長さを検出することになる。ここで、ばね７１は、Ｘ２方向の伸縮量に応じて、回転体６０およびセンサ支持体７０にＸ２方向の力を付与する。すなわち、距離センサ９０により検出される離間距離は、ばね７１により回転体６０およびセンサ支持体７０に付与されるＸ２方向の荷重に相当するものとなる。つまり、距離センサ９０は、実質的に、センサ８０が被検査体Ｗの被検査面Ｆに接触することで生じるＸ２方向の接触荷重を検出するものとなる。

制御装置１００は、上下スライド体４０をＹ方向に移動させるためのサーボモータ、および、左右スライド体５０をＸ１方向に移動させるためのサーボモータを制御することで、回転体６０の回転中心（軸Ｌ２）を移動させる。さらに、制御装置１００は、図４に示すように、左右スライド体５０に対して回転体６０を軸Ｌ２の回りに回転するためのサーボモータを制御することで、センサ８０の先端部の角度を変更する。すなわち、センサ支持体７０が回転体６０に対して移動可能な方向であるＸ２方向が、被検査体Ｗの被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向に一致するように、制御装置１００は、回転体６０を軸Ｌ２の回りに回転させる。

さらに、制御装置１００は、距離センサ９０により検出された回転体６０の後面部６１とセンサ支持体７０のうち当該後面部６１に対向する面との離間距離を入力する。そして、制御装置１００は、距離センサ９０から入力された離間距離を用いて、センサ８０による被検査体Ｗの被検査面Ｆに対する接触荷重が設定された範囲内となるように、上下スライド体４０をＹ方向に移動させるためのサーボモータ、および、左右スライド体５０をＸ１方向に移動させるためのサーボモータを制御する。さらに、制御装置１００は、被検査体支持体２０を軸Ｌ１の回りに回転するためのサーボモータを制御する。

欠陥検出処理部１１０は、被検査体Ｗを軸Ｌ１の回りに回転させながら、センサ８０を被検査体Ｗの被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向に一致させ、センサ８０による被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向における接触荷重が設定された範囲内とした状態において、センサ８０により出力される信号を受け取る。そして、欠陥検出処理部１１０は、受け取った信号により、被検査体Ｗの被検査面Ｆにおける加工変質層や傷などの欠陥の有無を検出する。

上述した構成からなる被加工物の加工表面の欠陥検出装置により、被検査体Ｗの曲面形状の被検査面Ｆにおける加工変質層や傷などの欠陥を検出する処理手順について説明する。まず、図４に示すように、Ｘ２方向が被検査体Ｗの被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向に一致するように、左右スライド体５０に対して回転体６０を軸Ｌ２の回りに回転するためのサーボモータを制御する。続いて、上下スライド体４０をＹ方向に移動させるためのサーボモータ、および、左右スライド体５０をＸ１方向に移動させるためのサーボモータを制御することで、センサ８０を被検査面Ｆの近傍まで移動させる。

続いて、さらに、上下スライド体４０をＹ方向に移動させるためのサーボモータ、および、左右スライド体５０をＸ１方向に移動させるためのサーボモータを制御することで、センサ８０を被検査面Ｆに接触させる。続いて、センサ８０による被検査面Ｆに対する接触荷重が設定された範囲内となるまで、上下スライド体４０をＹ方向に移動させるためのサーボモータ、および、左右スライド体５０をＸ１方向に移動させるためのサーボモータを制御することで、センサ８０を移動させる。この判断は、距離センサ９０により出力される信号が設定された範囲内となったか否かで行う。

そして、センサ８０による被検査面Ｆに対する接触荷重が設定された範囲内になると、被検査体支持体２０を軸Ｌ１の回りに回転させる。その状態で、欠陥検出処理部１１０が、センサ８０から出力される信号により被検査面Ｆの加工変質層や傷などの欠陥の有無を検出する。

以上説明した被加工物の加工表面の欠陥検出装置によれば、センサ支持体７０が、回転体６０に対してＸ２方向に移動可能に設けられている。つまり、センサ支持体７０が左右スライド体５０に対して移動する直線方向は、左右スライド体５０に対する回転体６０の回転位相に応じて変化する。これにより、被検査体Ｗの被検査面Ｆが転動体軌道面のような曲面形状であったとしても、センサ８０の向きを、被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向に一致させることができる。

さらに、センサ支持体７０は回転体６０に対してＸ２方向に移動可能であって、距離センサ９０によりＸ２方向におけるセンサ８０による被検査面Ｆに対する接触荷重の相当値を検出している。これにより、センサ８０による被検査面Ｆに対する接触荷重を、被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向に一致させることができる。さらに、当該接触荷重を設定された範囲内とすることができる。

従って、被検査体Ｗの曲面形状の被検査面Ｆのどの部位を検査する際においても、センサ８０を被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向に一定の力で押しつけることができる。その結果、非破壊検査を適用したとしても、曲面形状の被検査面Ｆにおける加工変質層や傷などの欠陥を高精度に検出することができる。

また、回転体６０の底面部６２のガイドとばね７１とにより、センサ支持体７０が回転体６０に支持されている。これにより、センサ支持体７０が回転体６０に対してＸ２方向に移動するように規制できると共に、センサ８０による被検査面Ｆに対するＸ２方向の接触荷重を設定された範囲内にすることが容易にできる。また、回転体６０の底面部６２のガイドとばね７１を用いた構成にすることで、距離センサ９０により回転体６０に対するセンサ支持体７０のＸ２方向の離間距離を検出することにより、センサ８０による被検査面Ｆに対するＸ２方向における接触荷重を確実に検出することができる。さらに、センサ８０を被検査面Ｆに接触した状態で相対移動させる場合には、被検査面Ｆに微小な凹凸形状が存在するとしても、回転体６０の底面部６２のガイドとばね７１とにより、センサ８０が被検査面Ｆの法線方向に常に接触した状態を維持することができる。

また、被検査体Ｗが軸Ｌ１の回りに全周に亘って曲面形状の被検査面Ｆを有するため、被検査体Ｗを回転させながらセンサ８０を被検査面Ｆに接触させた状態を維持しつつ加工変質層や傷などの欠陥を検出している。ここで、軸Ｌ１の回りに全周に亘って有する曲面形状の被検査面Ｆは、加工精度や被検査体支持体２０への取付精度によって、振れ回りを生じる。このような場合であっても、回転体６０の底面部６２のガイドとばね７１とにより、センサ８０が被検査面Ｆの法線方向に常に接触した状態を維持することができる。

上記実施形態においては、Ｘ２方向が被検査体Ｗの被検査面Ｆのうちセンサ８０に接触する位置の法線方向に一致させた後に、センサ８０を被検査面Ｆに接触させて、その後にセンサ８０により加工変質層や傷などの欠陥の検出を行うものとした。そして、他の被検査面Ｆの加工変質層や傷などの欠陥を検出する際には、一度センサ８０を被検査面Ｆから離間させて、上記同様の処理を行うことができる。この他に、センサ８０を被検査面Ｆに接触させた状態を維持し、回転体６０を左右スライド体５０に対する回転位相を連続的に変更させながら、センサ８０により加工変質層や傷などの欠陥の検出を行うようにすることもできる。この場合にも、上記効果を奏する。

また、上記実施形態においては、被検査体Ｗとして、転がり玉軸受の外輪を例にあげ、被検査面Ｆとして、当該外輪の内周面における転動体軌道面とした。本発明は、この場合に限られず、被検査面Ｆが任意の曲面形状に適用することができ、上述した効果を奏する。そして、被検査面Ｆの形状に応じて、センサ８０の形状を適宜変更する。また、上記実施形態において、回転体６０の後面部６１とセンサ支持体７０との間にばね７１を設け、距離センサ９０により回転体６０の後面部６１とセンサ支持体７０のうち当該後面部６１に対向する面との距離（Ｘ２方向の離間距離）を検出するものとした。このようにして、Ｘ２方向におけるセンサ８０による被検査面Ｆに対する接触荷重を検出している。これに代えて、直接、Ｘ２方向におけるセンサ８０による被検査面Ｆに対する接触荷重を検出する荷重検出センサを設けるようにしてもよい。

１０：ベース、２０：被検査体支持体、３０：柱固定部、３１：ガイド
４０：上下スライド体、５０：左右スライド体、５１：側板
６０：回転体、６１：後面部、６２：底面部、６３：側面部
７０：センサ支持体、８０：センサ、９０：距離センサ
１００：制御装置、１１０：欠陥検出処理部
Ｗ：被検査体、Ｆ：被検査面

Claims

円環状の被加工物を被検査体として、当該被検査体において軸方向断面形状が円弧凹形状となる被検査面における欠陥を検出する被加工物の加工表面の欠陥検出装置において、
前記被検査体を支持する被検査体支持体と、
前記被検査体支持体に対して移動可能に設けられた移動基台と、
前記移動基台に、前記被検査体の軸方向に直交する軸回りに回転可能に支持された回転体と、
前記回転体の回転軸に対して直交する直線第一方向に移動可能となるように前記回転体に支持されるセンサ支持体と、
前記センサ支持体に支持され、前記欠陥を検出可能なセンサと、
前記直線第一方向における前記センサによる前記被検査面に対する接触荷重を検出する荷重検出センサと、
前記直線第一方向が前記被検査面のうち前記センサに接触する位置の法線方向に一致するように前記回転体を移動すると共に、前記センサによる前記被検査面に対する前記法線方向の接触荷重が設定された範囲内となるように前記被検査体支持体と前記移動基台とを相対移動する位置決め手段と、
前記位置決め手段により位置決めした後に前記センサから出力される信号により前記欠陥を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする被加工物の加工表面の欠陥検出装置。
請求項１において、
前記センサ支持体は、前記回転体に対して前記直線第一方向へスライド可能となるようにガイドされ、かつ、前記回転体に対して前記直線第一方向に伸縮する弾性体を介して前記回転体に連結され、
前記荷重検出センサは、前記回転体に対する前記センサ支持体の前記直線第一方向における離間距離を検出することにより、前記直線第一方向における前記センサによる前記被検査面に対する前記法線方向の接触荷重を検出することを特徴とする被加工物の加工表面の欠陥検出装置。
請求項２において、
前記被検査体は、前記円環状の軸回りに全周に亘って前記軸方向断面形状が円弧凹形状となる前記被検査面を有し、
前記被検査体支持体は、前記被検査体を前記被検査体の軸回りに回転可能に支持し、
前記検出手段は、前記位置決め手段により位置決めした後に、前記被検査体を回転させながら前記センサから出力される信号により前記円環状の軸回りの全周に亘る前記被検査面の前記欠陥を検出することを特徴とする被加工物の加工表面の欠陥検出装置。