JP5759193B2 - ネジ加工システムおよびその加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂材料からなるネジを製造するネジ加工システムおよび加工方法に関するものである。

従来、樹脂材料によるネジが製造されている。例えば、金属の腐食性が高い環境で使用されるネジは、フッ素系樹脂などの樹脂材料によってネジが製造される。また、ネジの使用後に回収が必要な場合、樹脂材料が分解されれば、ネジの回収が必要なくなる。そこで現在、樹脂材料の棒を切削加工することによってネジを製造する場合がある。

しかし、樹脂材料の力学的強度を向上させるために棒は延伸などによって製造するが、完璧な直線に製造することが難しい。棒が完全な直線状ではなく、弧状を含んだ形状になることがある。そのような樹脂材料の棒の製造ロットが変わると、同じ切削条件にもかかわらず、ネジの仕上がり寸法が変化する。製品の寸法を測定して、旋盤の切削条件を変更する必要が生じる。この変更をおこなっている間に切削が進行すると、大量の不良品が発生する。寸法測定が終了するまで切削を中断すると、製造効率が悪くなる。

下記の特許文献１は、切削加工をおこないながらワークの寸法を測定して、フィードバックをおこなって、再び切削加工をおこなう電極の製造方法が開示されている。しかし、特許文献２は放電加工機用の電極の切削加工である。電極材料よりも軟性の樹脂材料でも同じように適用できるか不明である。電極材料と樹脂材料とでは内部応力などが異なり、樹脂材料の棒を切削中に正確に寸法を測定できるか不明である。ネジの種類によっては全数検査を要するものもある。そのような場合は、切削後の寸法測定が必ず必要であり、切削中の寸法測定は必ずしも必要でない。

特開平５−１４６９４９号公報

本発明の目的は、樹脂材料からなるネジが規格内の寸法になるように製造するネジ加工システムおよび加工方法を提供することにある。

ネジ加工システムは、樹脂材料の棒から連続してネジを製造する。前記樹脂材料の棒を把持する第１のチャックと、前記樹脂材料の棒をネジの形状に切削加工する切削刃と、前記ネジのネジ頭の溝を形成するためのエンドミルと、前記ネジの製造後、次のネジの製造中に、製造されたネジの外観を撮影するスキャナと、前記撮影された画像からネジの寸法を求める手段と、前記第１のチャック、切削刃およびエンドミルの駆動を制御する制御手段とを備える。

求めた前記ネジの寸法が規定値とは異なった場合に、製造中のネジが規定値に入るように、規定値よりも大きければ切削量を大きくし、規定値よりも小さければ切削量が小さくなるように、第１のチャック、切削刃、エンドミルの駆動条件を変更する。

樹脂材料の棒において、切削加工された部分を把持する第２のチャックを備えても良い。この場合、第２のチャックの駆動条件も変更される。また、樹脂材料の棒を第１のチャックに向けて押し当てるセンタであっても良い。

前記切削加工は、ネジ先からネジ頭に向けて加工をおこない、前記寸法を求める手段は、切削開始後からネジ先におけるネジ山の加工を始めるまでに、画像からネジの大きさを求める。

前記スキャナは、プリズムを用いてネジ山とネジ頭の溝を同時に撮影する。

前記寸法を求める手段は、画像の中でコントラストが変化する複数の点を抽出し、該複数の点から二次曲線、三次曲線または直線によってネジ螺旋部の側面またはネジ山の山頂を近似し、近似された曲線および直線を基にネジ山の形状および各部の寸法を算出する。

本発明は、ネジの寸法を求めて、以後の切削加工において調整をおこなうため、１本の棒から製造したネジを全て廃棄することはない。廃棄するネジを極端に減少させることができる。ネジ山が形成される前にネジの寸法を求めることによって、切削中のネジから調整をおこなうことができる。切削加工後のネジの寸法を測定しているため、全数検査をおこなうことができ、全てのネジのデータ管理することができる。

ネジ加工システムの構成を示す図である。 ネジを配置するジグの図であり、（ａ）は溝の形状を示す側面図であり、（ｂ）は上面図である。 スキャナでの撮影を示す図であり、（ａ）はネジ頭の側方にプリズムを配置した図であり、（ｂ）はネジの軸とネジ頭の溝とが同時に撮影された画像の図である。 画像処理を示す図であり、（ａ）はエッジの複数の点を抽出した図であり、（ｂ）は二次曲線や直線でネジを近似した図である。 ネジ山の山径の値を示すグラフである。 エンドミルの配置を変更したネジ加工システムの構成を示す図である。 センタを使用したネジ加工システムの構成を示す図である。

本発明について図面を使用して説明する。

図１に示すネジ加工システム１０は、樹脂材料の棒１２を把持する第１のチャック１４、切削加工をおこなう切削刃（バイト）１６、切削された棒１２の先端部分を把持する第２のチャック（サブスピンドル）１８、ネジ頭の溝を形成するエンドミル２０を備える。

樹脂材料は生分解性樹脂を含み、その中には生体内で加水分解されて生体に吸収される性質を有するものが含まれる。樹脂材料として、例えば、ポリグリコール酸、ポリ−Ｌ−乳酸、ポリ−Ｄ−乳酸、ポリ−Ｄ，Ｌ−乳酸、ポリ−Ｌ−およびＤ−乳酸／グリコール酸共重合体、ポリ−Ｌ−およびＤ−乳酸／カプロラクトン共重合体、及びこれにバイオセラミック（ハイドロキシアパタイト、シトロンチウムアパタイト、α−リン酸三カルシウム、β−リン酸三カルシウムなどのリン酸カルシウム系化合物、Ａ−Ｗ結晶化ガラス、アルミナ、ジルコニア、カーボン、バイオガラス等）を含む公知の熱可塑性の生分解性高分子が挙げられる。さらに樹脂材料としてはポリカーボネート、ポリアセタール、ポリ塩化ビニル、ナイロン、レーニー、耐溶剤性の高い材料としてはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などが含まれる。

樹脂材料を溶融、延伸することによって、樹脂材料の棒１２を製造する。棒１２は円柱を長くした物であり、棒１２の長さは複数本のネジが製造できる長さである。棒１２の直径は、ネジ頭の直径よりも大きい。延伸時の径方向の温度分布や延伸速度を制御することによって分子配向を制御して、棒１２の強度を高める。従来技術で説明したように、この製造方法によって、製造された棒１２に多少の弧状を含む場合がある。

樹脂材料の棒１２は、第１のチャック１４に対して切削刃１６の反対側に待機される。待機される棒１２の本数は限定されない。棒１２を押し出す手段を備え、棒１２を切削刃１６のある方向に向けて押し出す。切削加工するための長さに押し出したところで、ストップする。棒１２の押し出した長さを検出するために、光スイッチなどの非接触センサーを備えても良い。

第１のチャック１４は、押し出し手段が切削刃１６の有る方向に向けて棒１２を押し出した後、棒１２を把持する。第１のチャック１４は、樹脂材料の棒１２を把持して、回転する。第１のチャック１４としてコレットチャックを使用すれば、棒１２を傷つけにくい。

切削刃１６は回転する棒１２に押し当てられて、棒１２を切削する。回転軸がぶれないように、ガイドチャック２２が棒１２に押し当てられる。切りくずを除去するためのエアガンを備えても良い。

ネジ先からネジ頭まで切削加工した後、第２のチャック１８は、切削加工されたネジ先部分を把持する。ネジ先部分のネジ山を破壊しないように、ネジ山に嵌めあわされる溝を設けても良い。第２のチャック１８でネジ先部分を把持した後、第１のチャック１４が棒１２を放す。第２のチャック１８は回転して、切削刃１６によって棒１２とネジ頭を分離させることができる。分離後、第２のチャック１８はエンドミル２０に対向する位置まで移動する。

エンドミル２０は、回転することによって切削をおこなう。エンドミル２０によって、ネジ頭に「＋」や「−」などの溝を形成する。この溝に工具をはめ込んでネジの締め付けをおこなうことできる。第２のチャック１８は固定され、形成する溝の方向に沿ってエンドミル２０が移動する。エンドミル２０の位置を固定して第２のチャック１８を移動させても良い。

さらにネジ加工システム１０は、ネジの外観を撮影するスキャナ２４、撮影された画像を画像処理するコンピュータ２６、およびネジ加工システム１０の動作を制御する制御手段を備える。

スキャナ２４は、立体を撮影することが可能な工業用スキャナを使用する。スキャナ２４は撮像素子が水平方向に移動するように配置する。ネジの軸が水平方向を向くように、ネジを配置するための凹部３７ａを備えたジグ３７を設ける（図２）。ジグ３７の凹部３７ａにネジの軸を配置する。このとき、ネジ頭は空中に浮く。撮影された画像のネジ２８と背景とのコントラストが大きくなるように、スキャナ２４のネジ２８を配置する場所の色を選択する。

ネジ頭３４の端部に設けた溝と対向するようにプリズム３８を設ける（図３（ａ））。プリズム３８は光軸を屈折させ、さらに焦点距離を補正するものである。スキャナ２４の焦点はネジ２８の中心軸にあり、スキャナ２４から見てネジ２８の側方のネジ山３２に焦点を合わせて撮影することができる。側方のネジ山３２に焦点を合わせるのは、撮影したときに背景との境界となるためである。さらに、プリズム３８によって、ネジ頭３４の溝３６も同一焦点となるようになっている。図３（ａ）における上方から撮影した場合に、１回の撮影でネジ山３２とネジ頭３４の溝３６を同時に撮影することができる（図３（ｂ））。同時に撮影することによって、確実にネジ２８を加工したか否かを判別し易い。また、１つの画像データとして保存に便利である。

コンピュータ２６は、撮影された画像からネジ２８の寸法を求める手段、求めたネジ２８の寸法が規定値であるかを判定する手段として機能する。寸法を求めるための画像処理については後述する。コンピュータ２６に接続されたモニタ４０に種々のデータを表示させる。

押し出し手段、第１のチャック１４、切削刃１６、第２のチャック１８、エンドミル２０にはプログラマブル・ロジック・コントローラ（Programmable Logic Controller、ＰＬＣ）が備えられている。ＰＬＣが、実際に所定の処理をおこなうための動力源などをシーケンス制御する。ＰＬＣは、同等のマイクロコンピュータであっても良い。

押し出し手段、第１のチャック１４、切削刃１６、第２のチャック１８、エンドミル２０に対してコンピュータ２４が通信接続される。コンピュータ２６はネジ２８の切削加工条件を設定する手段として機能する。この設定は、求められたネジ２８の寸法によって変更される。切削加工条件は、押し出し手段、第１のチャック１４、切削刃１６、第２のチャック１８、エンドミル２０に送信される。

コンピュータ２６で切削加工条件を設定して、ＰＬＣによって押し出し手段、第１のチャック１４、切削刃１６、第２のチャック１８、エンドミル２０の動作が制御される。すなわち、コンピュータ２６とＰＬＣが切削を制御する制御手段として機能する。最初の切削加工条件は、操作者によってコンピュータ２６に入力しても良い。

コンピュータ２６がおこなう画像処理について説明する。（Ａ）画像のノイズをノイズ除去フィルタで除去する。以下の画像処理をおこなう上で、確実にネジ２８の寸法を求めるためである。ノイズ除去フィルタは周知のものを使用できる。例えば、一の画素とその周辺の画素の輝度値を小さい値から順番に並べ、中心の輝度値を一の画素の出力値とするフィルタが挙げられる。

（Ｂ）画像にネジ頭３４が含まれることをチェックする。撮影するときにプリズム３８を用いてネジ山３２とネジ頭３４の溝３６とを同時に撮影しており、画像内に棒状の領域と円形の領域とが並んでいることをチェックする。ネジ２８と背景とのコントラストが大きく異なれば、エッジを抽出することによって、画像内から棒状の領域と円形の領域を抽出し、これらが並んでいることを確認できる。並んでいなければ撮影ミスまたはネジ２８に対するプリズム３８の位置ずれと判定する。再度撮影をおこなったり、以降の処理を中止したりする。

（Ｃ）ネジ２８が水平を向くように画像を回転させ、基準点を決定する。このとき、画像からネジ２８を抽出する。画像のコントラストが大きく変化する境界（エッジ）４２から複数点抽出する（図４（ａ））。抽出する点の数は任意である。抽出された点は、ネジ山らせん部の側面部３２であれば二次曲線または三次曲線で近似し、ネジ山の山頂部４６であれば直線で近似する（図４（ｂ））。

（Ｄ）ネジ２８の各部の大きさを求める。撮影倍率は設計時に既知であり、画像内でのネジ２８の寸法から実際の寸法を求めることができる。したがって、抽出されたネジ２８の外形からネジ２８の長さ、山径（山頂部４６から反対側の山頂部４６までの長さ）、谷径（ネジ谷から反対側のネジ谷までの長さ）、山頂幅、ネジ山３２のピッチ、ネジ頭３４の直径、溝３６の長さ、溝の幅などを求めることができる。

上記（Ａ）〜（Ｄ）の手順で求めたネジ２８の各部の大きさは、コンピュータ２６の記憶装置に記憶する。ネジ２８は全数検査をおこなうため、その測定されたデータとなる。また、コンピュータ２６はネジ２８の規定値を記憶しておき、求めたネジ２８の寸法が規定値に入っているか否かを判定する。判定の方法は、後述する切削加工の中で説明する。判定結果は、ネジ２８の寸法の切削量の変更に使用する。

上述したネジ加工システム１０を使用したネジ２８の切削加工について説明する。（１）樹脂材料の棒１２を準備し、第１のチャック１４を通して押し出す。このとき、第１のチャック１４から押し出される長さは、切削刃１６がネジ山３２の切削加工をできる長さである。

（２）第１のチャック１４が棒１２を把持し、棒１２の中心軸を回転軸として回転させる。このとき、切削刃１６が棒１２に押し当てられ、切削加工がなされる。また、回転がぶれないように、ガイドチャック２２が棒１２に当てられる。棒１２の端部がネジ先３０なるように切削加工する。ネジ山３２の高さになるまで棒１２を均一に切削した後、ネジ山３２およびネジ谷を形成するように切削する。

（３）ネジ山３２を切削加工した後、第１のチャック１４は回転を停止する。このとき、切削刃１６はネジ２８から放される。

ネジ山３２を切削加工した後、ネジ首３３、ネジ頭３４を切削加工するために、上記（１）に戻る。（１）で棒１２を所定長だけ押し出し、（２）と（３）の切削と停止を繰り返す。ネジ先３０からネジ頭３４まで切削加工する。このとき、ネジ頭３４の端部は棒１２から切り離されていない。

（４）第２のチャック１８でネジ先部分を把持し、その後、第１のチャック１４は棒１２を放す。なお、ネジ先部分以外に、ネジ２８の軸全体やネジ首３３など、切削加工の終了した部分であって、ネジ頭３４を棒１２から切り離す加工をおこなうときに、切削刃１６の邪魔にならない部分を把持しても良い。

（５）第２のチャック１８が回転して、切削刃１６によってネジ頭３４の端部を切削加工しながら棒１２からネジ２８を切り離す。切り離されたとき、ネジ２８は第２のチャック１８で把持されている。

（６）第２のチャック１８はネジ２８を把持しながらエンドミル２０と対向する位置まで移動する。エンドミル２０が回転しながらネジ頭３４の端部に押し当てられ、ネジ頭３４の端部に溝３６ができるように切削加工する。溝３６は工具でネジ２８を回せるように「＋」や「−」などの溝である。

（７）第２のチャック１８からネジ２８を放し、ロボットアームによる自動または操作者による手動によってネジ２８をスキャナ２４で撮影できるようにセットする。上述した方法で切削加工されたネジ２８をスキャナ２４で撮影して、コンピュータ２６がネジ２８の各部の寸法を求める。また、求めた寸法はコンピュータ２６の記憶装置に記憶する。

（８）コンピュータ２６は、求めた寸法が規定値に入っているかを確認する。規定値は一定の幅を有しており、確認は、規定値の中心値と求めた寸法との差分の絶対値を求めることによりおこなう。差分の絶対値が所定値よりも大きければ、規定値に入っていないことが分かる。また、求めた寸法と規定値とを直接比較しても良い。コンピュータ２６は規定値を記憶しておく。

規定値とは異なった場合に、製造中のネジ２８が規定値に入るように、規定値よりも大きければ切削量を大きくし、規定値よりも小さければ切削量が小さくなるように、第１のチャック１４、切削刃１６、第２のチャック１８、エンドミル２０の駆動条件を変更する。すなわち、切削加工における切り込み量や送り量の駆動条件が変更される。駆動条件を含む信号が第１のチャック１４、切削刃１６、第２のチャック１８、エンドミル２０に送られる。

例えば、図５のようにネジ山３２が１１あるネジ２８を製造し、ネジ山３２の山径を求める。Ａネジ２８は規定値に入っており、駆動条件を変更する必要はない。Ｂネジ２８は１〜３のネジ山３２の山径が規定値に入っていない。１〜３のネジ山３２の山径において、切削量が大きくなるように駆動条件を変更する。

上記（１）〜（８）を繰り返すことによって、１本の棒１２から次々とネジ２８を切削加工する。一のネジ２８の（７）と（８）をおこなっているときに次のネジ２８の（１）を開始する。一のネジ２８についての上記（７）と（８）は、次のネジ２８の上記（２）でのネジ先３０のネジ山３２の高さまで切削加工が終わるまでに完了させる。ネジ山３２を切削加工する前に駆動条件を変更することにより、一のネジ２８が規定値にならずに廃棄になったとしても、次のネジ２８が規定値に入るようにできる。

以上のように、ネジ２８の寸法を求めて、以後の切削加工において調整をおこなうため、廃棄するネジ２８を極端に減少させることができる。切削加工後のネジ２８の寸法を測定しているため、全数検査をおこなうことができ、ネジ２８を使用することができる。

以上、一実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。ネジ２８の切削加工をおこなう第１のチャック１４、切削刃１６、第２のチャック１８およびエンドミル２０を複数にしても良い。この複数にした分、同時に複数のネジ２８が切削加工され、１台のスキャナ２４で複数のネジ２８の寸法を一気に測定する。１つの画像に複数のネジ２８が撮影される。

コンピュータ２６は、上記（Ａ）の前に、ネジ２８ごとに画像を分割する。分割する方法は、ネジ２８の撮影される位置が決まっている場合、その位置ごとに画像を分割することによって、ネジ２８ごとに画像を分割することができる。分割された画像の以降の処理は上記の（Ａ）以降と同じである。

ネジ２８の切削加工はネジ先３０からおこなったが、ネジ頭３４からおこなっても良い。図６のネジ加工システム１０ｂは、図１のネジ加工システム１０と異なり、第１のチャック１４が移動する。第２のチャック１８とエンドミル２０が第１のチャック１４と対向するようになっている。

切削加工は以下のようにおこなう。（ａ）棒１２を第１のチャック１４で把持して、ネジ頭３４を切削加工する。（ｂ）第１のチャック１４がエンドミル２０と対向する位置に移動して、ネジ頭３４の溝３６をエンドミル２０で形成する。（ｃ）第１のチャック１４は元の位置に戻り、ネジ山３２を切削加工する。（ｄ）第１のチャック１４は棒１２を放し、第２のチャック１８でネジ頭３４を把持する。（ｅ）第２のチャック１８が回転して、切削刃１６でネジ先３２を切削加工しながら、棒１２から切り離す。ネジ２８の切削加工をおこなうために、（ａ）〜（ｅ）において、適宜棒１２を押し出す。以降、上記（７）と（８）の工程がおこなわれる。上述したように、切削加工をおこなう際、一のネジ２８の寸法によって、次のネジ２８の切削加工の調節をおこなう。

図１および図６では第２のチャック１８を備えていたが、図７のネジ加工システム１０ｃのように、第２のチャック１８の代わりにセンタ５０を取り付けた心押台５２であっても良い。センタ５０が棒１２を第１のチャック１４の方向に押し当てられる。センタ５０が回転中心軸となり、センタ５０によって棒１２の回転ブレが防がれる。センタ５０によって回転ブレが防がれるため、ガイドチャック２２は必要ない。

切削加工は以下のようにおこなう。（ａ）棒１２を第１のチャック１４で把持して、ネジ頭３４を切削加工する。このとき、センタ５０によって棒１２の先端を第１のチャック１４へ押し当てる。（ｂ）第１のチャック１４がエンドミル２０と対向する位置に移動して、ネジ頭３４の溝３６をエンドミル２０で形成する。（ｃ）第１のチャック１４は元の位置に戻り、ネジ山３２を切削加工する。このとき、センタ５０によって棒１２の先端を第１のチャック１４へ押し当てる。切削刃１６でネジ先３２を切削加工しながら、棒１２から切り離す。ネジ２８の切削加工をおこなうために、（ａ）〜（ｃ）において、第１のチャック１４の回転を停止して、適宜棒１２を押し出す。以降、上記（７）と（８）の工程がおこなわれる。上述したように、切削加工をおこなう際、一のネジ２８の寸法によって、次のネジ２８の切削加工の調節をおこなう。

上記の各実施例において、ネジ２８の撮影を複数回にしても良い。ネジ２８は１方向からの撮影だけでは不十分であり、ネジ２８を回転させて複数回撮影する。ジグ３７の凹部３７ａにローラなどの回転装置を設けてネジ２８を回転させても良いし、操作者によって回転させても良い。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０、１０ｂ、１０ｃ：ネジ加工システム
１２：樹脂材料の棒
１４：第１のチャック
１６：切削刃
１８：第２のチャック
２０：エンドミル
２２：ガイドチャック
２４：スキャナ
２６：コンピュータ
２８：ネジ
３０：ネジ先
３２：ネジ山
３４：ネジ頭
３６：溝
３７：ジグ
３８：プリズム
５０：センタ
５２：心押台

Claims (6)

1. 樹脂材料の棒から連続してネジを製造するためのネジ加工システムであって、
   前記樹脂材料の棒を把持する第１のチャックと、
   前記樹脂材料の棒をネジの形状に切削加工する切削刃と、
   前記ネジの製造後、次のネジの製造中に、プリズムを用いて製造されたネジのネジ山とネジ頭の溝を同時に撮影するスキャナと、
   前記撮影された画像からネジの寸法を求める手段と、
   求めた前記ネジの寸法が規定値であるか否かを判定する手段と、
   前記第１のチャックおよび切削刃の駆動を制御する制御手段と、
   を備え、
   求めた前記ネジの寸法が規定値とは異なった場合に、製造中のネジが規定値に入るように、規定値よりも大きければ切削量を大きくし、規定値よりも小さければ切削量が小さくなるように、第１のチャックおよび切削刃の駆動条件を変更するネジ加工システム。
2. 前記ネジのネジ頭の溝を形成するためのエンドミルを備えた請求項１のネジ加工システム。
3. 前記切削加工は、ネジ先からネジ頭に向けて加工をおこない、
   前記寸法を求める手段は、切削開始後からネジ先におけるネジ山の高さまで切削加工が終わるまでに、画像からネジの寸法を求める請求項１または２のネジ加工システム。
4. 樹脂材料の棒から連続してネジを製造するためのネジ加工方法であって、
   第１のチャックによって樹脂材料の棒を把持するステップと、
   切削刃によって前記樹脂材料の棒をネジの形状に切削加工するステップと、
   前記ネジの製造後、次のネジの製造中に、スキャナがプリズムを用いて製造されたネジのネジ山とネジ頭の溝を同時に撮影するステップと、
   前記撮影された画像からネジの寸法を求めるステップと、
   求めた前記ネジの寸法が規定値であるか否かを判定するステップと、
   を備え、
   求めた前記ネジの寸法が規定値とは異なった場合に、製造中のネジが規定値に入るように、規定値よりも大きければ切削量を大きくし、規定値よりも小さければ切削量が小さくなるように、第１のチャックおよび切削刃の駆動条件を変更するネジ加工方法。
5. エンドミルによって前記ネジのネジ頭の溝を形成するステップを備える請求項４のネジ加工方法。
6. 前記切削加工は、ネジ先からネジ頭に向けて加工をおこない、
   前記寸法を求める手段は、切削開始後からネジ先におけるネジ山の高さまで切削加工が終わるまでに、画像からネジの寸法を求める請求項４または５のネジ加工方法。

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