JP6423662B2

JP6423662B2 - ねじ溝形状測定装置とそれを用いた工作機械

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Publication number: JP6423662B2
Application number: JP2014188867A
Authority: JP
Inventors: 宏和濱中; 大樹中尾
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2018-11-14
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Also published as: JP2016061631A

Description

この発明は、ボールねじを構成するねじ軸のねじ溝形状を測定するねじ溝形状測定装置に関し、さらには、ねじ溝形状測定装置を備えた工作機械に関する。

ボールねじを構成するねじ軸のねじ溝の断面形状を測定する方法として、たとえば、特許第３５７７９２８号公報に記載された技術が知られている。この文献によれば、まず、ねじ軸のねじ溝を軸線方向に測定することによって軸方向断面形状を求め、次にリード角を用いてねじ溝に直角方向に投影した断面形状を求める。この文献では、測定子（探針）を用いた接触式の測定装置が開示されているが、レーザ変位センサなどの非接触方式の測定装置を用いることも可能である。

特許第３５７７９２８号公報

上記のようにねじ軸の軸線方向に沿って接触式または非接触式の変位センサを移動させながらねじ溝形状を測定する場合、軸線方向の移動量に比べて変位測定方向（軸線に直角方向）の変位量が大きくなると測定点間隔に粗密の差ができてしまう。この結果、ねじ溝の底付近に比べてねじ溝の縁付近（ねじ山の近傍）では正確なデータが得られないという問題が生じる。

この発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、ボールねじを構成するねじ軸のねじ溝形状を従来よりも高精度に測定することが可能なねじ溝形状測定装置を提供することである。

この発明は、ボールねじを構成するねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するねじ溝形状測定装置であって、変位センサと、駆動機構と、制御部とを備える。変位センサは、ねじ軸の表面にレーザ光を照射するかまたは探針を接触させることによって、レーザ光の照射方向の変位または探針の軸方向の変位を検出する。駆動機構は、変位センサをねじ軸に対して相対移動可能であるとともに、少なくとも１つの軸の回りに変位センサを旋回可能である。制御部は、変位センサおよび駆動機構を制御する。ここで、ねじ軸の軸方向を第１の方向とし、第１の方向と垂直な方向を第２の方向とする。制御部は、レーザ光の照射方向または探針の軸方向である変位測定方向が第２の方向に対して傾斜した方向となるように、変位センサを旋回させながら又は変位センサの旋回角を固定した状態で、変位センサによってねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するように構成される。

上記のように変位測定方向を傾斜させることによって、ねじ溝の縁付近まで精度良く測定することができ、測定点の粗密もほとんど生じないようにすることができる。

好ましい一実施形態では、制御部は、第２の方向に対する変位測定方向の傾斜角を固定した状態で、変位センサを第１の方向に相対移動させながら、変位センサによってねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するように構成される。

好ましい他の実施形態では、制御部は、第２の方向に対する変位測定方向の傾斜角を固定した状態で、ねじ溝ごとに第２の方向に対して変位測定方向と反対側に傾斜した方向に変位センサを相対移動させながら、変位センサによって各ねじ溝の形状を測定するように構成される。

上記のように変位センサの移動方向を斜め方向にすることによって、変位センサから測定点までの距離の変動をより小さくすることができるので、測定精度をより高めることができる。

上記の他の実施形態において、好ましくは、ねじ溝ごとの変位センサの相対移動方向と変位測定方向とのなす角度は８５度から９５度の範囲に含まれる。

上記の一実施形態および他の実施形態において、好ましくは、第２の方向に対する変位測定方向の傾斜角は４０度から５０度の範囲に含まれる。

変位測定方向をこのような角度に設定することによって、ボールとねじ溝との接触点付近で最も精度良く測定を行うことができる。

好ましいさらに他の実施形態では、制御部は、レーザ光の照射位置または探針の接触位置において変位測定方向がねじ溝の表面に対して直交するように、ねじ溝ごとに変位センサを相対移動および旋回させながら、変位センサによって各ねじ溝の形状を測定するように構成される。

上記のようにレーザ光の照射位置または探針の接触位置において変位測定方向とねじ溝の表面とを直交させることによって、高精度の測定を可能にする。

上記したさらに他の実施形態において、好ましくは、制御部は、ねじ溝にボールねじのボールを接触させたと仮定した場合に、ボールと同心円上に変位センサが位置するとともにレーザ光または探針の中心軸線がボールの中心を通るように、ねじ溝ごとに変位センサを相対移動および旋回させながら、変位センサによって各ねじ溝の形状を測定するように構成される。

この発明は他の局面において、上記のいずれかのねじ溝形状測定装置を備えた工作機械である。

この発明によれば、ボールねじを構成するねじ軸のねじ溝形状を従来よりも高精度に測定することができる。

第１の実施形態によるねじ溝形状測定装置が設けられた工作機械の構成を模式的に示す斜視図である。図１のねじ溝形状測定装置の機能的構成を示すブロック図である。レーザ変位センサの構造を模式的に示す図である。ねじ軸の側面図である。第１の実施形態によるねじ溝形状の測定手順を示すフローチャートである。第１の実施形態によるねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。比較例によるねじ軸のねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。測定したねじ溝形状データの処理手順を示すフローチャートである。図８のステップＳ２１５，Ｓ２２０について説明するための図である。図８のステップＳ２２５，Ｓ２３０について説明するための図である。図８のステップＳ２３５について説明するための図である。ねじ溝形状がゴシックアーチの場合において、図８のステップＳ２３５について説明するための図である。第２の実施形態によるねじ溝形状の測定手順を示すフローチャートである。第２の実施形態によるねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。第３の実施形態によるねじ溝形状の測定手順を示すフローチャートである。第３の実施形態によるねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。第１〜第３の実施形態の変形例として、接触型変位センサを用いたねじ溝形状の測定について説明するための模式図である。

以下、各実施形態について図面を参照して詳しく説明する。以下では、ねじ溝形状測定装置を組み込んだ工作機械を例に挙げて説明するが、工作機械に限定するものではない。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

＜第１の実施形態＞
［工作機械の概略構成］
図１は、第１の実施形態によるねじ溝形状測定装置２が設けられた工作機械１の構成を模式的に示す斜視図である。図１の工作機械１には、加工装置１０に加えて、ＮＣ（Numerical Control）装置４０、ＡＴＣ（自動工具交換装置：Automatic Tool Changer）４４、およびコンピュータ６４が設けられている。

図２は、図１のねじ溝形状測定装置２の機能的構成を示すブロック図である。図２には、ＮＣ装置４０、ＡＴＣ４４、コンピュータ６４ならびに加工装置１０に備えられているＸ軸用駆動機構３４、Ｙ軸・Ｂ軸用駆動機構３６、Ｚ軸用駆動機構３８、チャック２８，２９、および主軸台２０の回転駆動機構３０が示されている。この明細書では、Ｘ軸用駆動機構３４、Ｙ軸・Ｂ軸用駆動機構３６、およびＺ軸用駆動機構３８を、駆動機構３２と総称する。以下、図１および図２を参照して、加工装置１０およびＮＣ装置４０について簡単に説明する。

加工装置１０は、刃物台２４と、工作物（本実施形態では、ねじ軸８０）を支持する主軸台２０と、工作物の先端部を支持する補助主軸台（または、心押し台）２２と、タレット２６と、機械本体１２とを含む。なお、加工装置１０を正面から見て、上下方向、前後方向、左右方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向とする。互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸により、直交３軸が構成される。Ｘ軸方向における上向きおよび下向きを区別する場合は、＋Ｘ方向および−Ｘ方向のように符号を付して記載する。Ｙ軸方向およびＺ軸方向についても同様である。

主軸台２０は、チャック２８によって工作物を把持し、把持した工作物を回転駆動機構３０によって矢印Ｃ₁に示す方向に回転駆動する。補助主軸台２２は、主軸台２０に対して対向配置されており、Ｚ軸方向と平行なＺ₁軸方向に移動可能である。補助主軸台２２のチャック２９は、矢印Ｃ₂に示すように、工作物を把持して回転可能である。

タレット２６には、主軸台２０のチャック２８に把持されている工作物を旋削加工するための複数の工具が取付けられている。タレット２６は、Ｘ軸方向と平行なＸ₁軸方向と、Ｚ軸方向と平行なＺ₂軸方向にそれぞれ移動可能である。

刃物台２４に設けられた主軸２５には、主軸台２０のチャック２８に把持されている工作物を旋削加工または切削加工するための工具が着脱可能に装着される。主軸２５の工具は、ＡＴＣ（自動工具交換装置）４４によって交換される。

加工装置１０の機械本体１２に設けられたＺ軸用移動部１８は、Ｚ軸用駆動機構３８に駆動されてＺ軸方向に移動する。Ｚ軸用移動部１８に設けられたＸ軸用移動部１４は、Ｘ軸用駆動機構３４に駆動されてＸ軸方向に移動する。Ｘ軸用移動部１４に設けられたＹ軸用移動部１６は、Ｙ軸・Ｂ軸用駆動機構３６に駆動されてＹ軸方向に移動する。

刃物台２４は、Ｙ軸用移動部１６の前方に取付けられている。刃物台２４は、Ｚ軸用移動部１８、Ｘ軸用移動部１４およびＹ軸用移動部１６にそれぞれ駆動されて、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ移動する。Ｙ軸用移動部１６の中心軸すなわちＢ軸は、Ｙ軸と平行になっている。矢印Ｂ₁に示すように、刃物台２４はＹ軸・Ｂ軸用駆動機構３６に駆動されてＢ軸まわりに旋回可能である。

工作機械１は、刃物台２４の工具およびタレット２６の工具で工作物を旋削加工する旋盤の機能と、刃物台２４の工具で工作物を切削加工するマシニングセンタの機能とを有している。工作機械１を旋盤として使用するときには、主軸２５に装着された工具は回転せず、工作物を回転させて工具で旋削加工を行う。または、タレット２６に取付けられた工具を使用し、工作物を回転させてこの工具で旋削加工を行う。工作機械１をマシニングセンタとして使用するときには、主軸２５で工具を回転させて、非回転の工作物を切削加工する。このときの刃物台２４は、マシニングセンタの主軸頭としての機能を発揮することになる。

ＮＣ装置４０は、工作機械１の全体の動作を制御するＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ：Programmable Logic Controller）４２を含む。たとえば、ＰＬＣ４２は、図２のＸ軸用駆動機構３４、Ｙ軸・Ｂ軸用駆動機構３６、Ｚ軸用駆動機構３８、および主軸台２０の回転駆動機構３０を制御する。ＰＬＣ４２は、さらに、補助主軸台２２の移動機構、タレット２６の移動機構、およびＡＴＣ４４を制御する。

［ねじ溝形状測定装置の構成］
ねじ溝形状測定装置２の基本的な機能は、加工装置１０の駆動機構３２およびＮＣ装置４０のＰＬＣ４２と連携することによって、ボールねじを構成するねじ軸のねじ溝形状を測定するものである。ねじ溝形状測定装置２は、さらに、測定したねじ溝形状データ７６とねじ軸の設計データ７８とに基づいて、ねじ軸のリード等を算出する。

図２に示すように、ねじ溝形状測定装置２は、測定ヘッド６２と、駆動機構３２と、コンピュータ６４とを含む。コンピュータ６４とＮＣ装置４０とによって、測定ヘッド６２および駆動機構３２を制御するための制御部６０が構成される。

本実施形態の場合、測定ヘッド６２は、無線通信によってコンピュータ６４と通信する無線式のものであり、刃物台２４の主軸２５にＡＴＣ４４によって装着される着脱可能なものである。これに代えて、刃物台２４に固定的に取り付けられ、信号線を介してコンピュータ６４と通信する有線式の測定ヘッドを用いることもできる。

測定ヘッド６２は、ねじ軸８０の外部の基準点３３（本実施形態の場合、基準点３３はＢ軸上に位置する）からねじ軸８０の表面までの距離ＤＭ、すなわち、ねじ溝形状を測定するための変位センサを含む。測定ヘッド６２に設けられる変位センサは、測定対象物に接触して測定対象物の表面の変位を測定する接触式のものでもよいし、レーザ光、超音波、または電磁波などを利用して非接触で測定対象物の表面の変位を測定する非接触式のものでもよい。

本実施形態では、一例としてレーザ変位センサによってねじ軸８０の表面の変位を測定する例を示す。レーザ変位センサは、測定対象物の表面にレーザ光Ｌを照射し、レーザ光Ｌの反射光に基づいてレーザ変位センサからレーザ光Ｌの照射位置までの距離、すなわち、測定対象物のレーザビーム方向（変位測定方向）の変位を測定する。

駆動機構３２は、測定ヘッド６２（変位センサ）を測定対象物（ねじ軸８０）に対して相対移動可能であるとともに、少なくとも１つの軸の回りに測定ヘッド６２（変位センサ）を旋回可能である。本実施形態の場合、測定ヘッド６２は、駆動機構３２によってＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動可能であるので、少なくとも２軸方向の移動を組み合わせることによって任意の方向に移動可能である。さらに、測定ヘッド６２は、Ｙ軸と平行なＢ軸の回りに旋回可能である（旋回角をψとする）。ねじ軸８０は、その中心軸線８２の方向がＺ軸方向と平行になるようにチャック２８，２９によって固定される（ねじ溝形状の測定時には、主軸台２０の回転駆動機構３０は用いられない）。

コンピュータ６４は、プロセッサ６６、メモリ６８、ＮＣ装置４０との間の入出力インターフェース（図示せず）、および測定ヘッド６２との間で無線通信を行う通信装置７０等を含む。プロセッサ６６は、測定制御プログラムを実行することによってねじ軸８０のねじ溝形状を測定する測定制御部７２として機能する。測定結果（ねじ溝形状データ７６）はメモリ６８に格納される。プロセッサ６６は、さらに、ねじ軸の設計データ７８に基づいて、ねじ溝形状データ７６に対して演算処理を行うデータ処理部７４として機能する。

ねじ軸８０のねじ溝形状を測定する際には、ＰＬＣ４２は、コンピュータ６４のプロセッサ６６からの指令に基づいて駆動機構３２を制御するともに、所定周期でトリガ信号を通信装置７０に出力する。通信装置７０はトリガ信号を受信すると測定指令ｆを測定ヘッド６２に送信する。測定ヘッド６２は、測定指令ｆに従って、基準点３３からねじ軸８０までの変位測定方向（レーザビーム１６２の方向）に沿った距離ＤＭを測定する。測定された距離ＤＭのデータＦは、測定ヘッド６２から通信装置７０を介してコンピュータ６４のプロセッサ６６に送信される。

ＰＬＣ４２は、さらに、上記の測定ヘッド６２による距離測定のタイミングに合わせて、基準点３３の位置情報（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と旋回角ψの情報とを駆動機構３２から取得し、取得したこれらの情報をコンピュータ６４のプロセッサ６６に送信する。プロセッサ６６は、基準点３３の位置情報（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、旋回角ψの情報、および距離ＤＭの測定値に基づいて、ねじ溝の測定点（レーザ光の照射位置）の位置情報を算出し、算出した測定点の位置情報を、ねじ溝形状データ７６としてメモリ６８に記憶する。

［レーザ変位センサの概要］
次に、上記の測定ヘッド６２に組み込まれたレーザ変位センサの構造について説明する。

図３は、レーザ変位センサの構造を模式的に示す図である。図３を参照して、レーザ変位センサ１００は、発光部１１０と、光学系としての集光レンズ１１８と、受光部としてのリニアイメージセンサ（Linear Image Sensor）１２０とを含む。発光部１１０は、レーザダイオード１１２と、レンズ１１４とを含む。

レーザダイオード１１２から発せられたレーザビーム１１６はレンズ１１４によって略平行光に整形され、測定対象物１３０へ照射される。測定対象物１３０上で拡散反射された光は、レーザビーム１１６とγの角度方向に配置されたリニアイメージセンサ１２０上に、集光レンズ１１８によって集光される。この結果、リニアイメージセンサ１２０上ではガウス分布状の輝度レベルを示すデータが得られる。輝度データの重心位置から三角測量に基づいて、発光部１１０から測定対象物１３０上のレーザスポット（レーザ光照射位置）１３２までの距離が計算される。すなわち、レーザビーム１１６の方向１３４（この明細書では、変位測定方向１３４と称する）における測定対象物１３０の変位が測定される。

リニアイメージセンサ１２０はシャインプルーフ条件（Scheimpflug Condition）に基付いた角度で配置されるのが好ましい。すなわち、リニアイメージセンサ１２０の検出面と集光レンズ１１８の主面とは１直線で交わり、これらの面のなす角度をβとする。レーザビーム１１６を含む面が被写体面となる。この配置により、測定対象物１３０とレーザ変位センサ１００の距離が変化しても、レーザスポット１３２はリニアイメージセンサ１２０上にボケることなく結像される。

レーザダイオード１１２から発せられたレーザビーム１１６のビームサイズは、実際にはレーザダイオード１１２からの距離に応じて変化する。具体的に、レンズ１１４の焦点距離によって決まるビームウェストの位置が基準位置となる。この明細書では、レーザダイオード１１２から基準位置までの距離を基準距離と称する。基準位置で最も精度の良い測定が可能であり、基準位置からずれるほどレーザスポットサイズが増大し、測定誤差も増大する。また、測定可能範囲は、リニアイメージセンサ１２０の検出面の大きさによって制限される。

［ボールねじについて］
次に、測定対象であるボールねじについて簡単に説明する。

ボールねじとは、回転運動を直線運動に変換または直線運動を回転運動に変換する機械要素であり、ねじ軸、ナット、ボール（鋼球）、循環部品などから構成されている。ねじ軸とナットとの間をボールが転がることによってねじ軸またはナットを非常に軽く回転させることができる。循環部品は、ボールを無限循環させるように構成されている。

図４は、ねじ軸の側面図である。図４には、傾斜角θ（すなわち、リード角θ）のねじ溝８６を有するねじ軸８０が示されている。図４（Ａ）を参照して、ねじ軸のねじ山８４の部分の外径を呼び径（nominal diameter）Ｄ１と称する。ねじ軸のねじ溝８６に理想的な接触点でボール８８が接触している場合、ボール８８の中心９０を包含する円筒の直径をピッチ円径（pitch circle diameter）Ｄ２と称する。図４（Ａ）において、隣接するボール８８の中心間の距離がリードＬＬに相当する。

図４（Ｂ）を参照して、ねじ軸のリードＬＬの測定手順について簡単に説明する。(i)まず、ねじ軸の軸線方向９２に測定点を移動しながら（すなわち、図４（Ｂ）の直線９２に沿って）ねじ軸の表面形状を測定する。(ii)次に、各測定点のＺ軸座標にリード角θの余弦（cosθ）を乗算することによって、測定した表面形状をねじ溝８６に垂直方向（図４（Ｂ）の直線９４の方向）の表面形状に変換する。(iii)次に、変換後の表面形状に基づいて、ボール８８がねじ溝８６に理想的に接触していると仮定し、このときの隣接するボールの中心間の距離を求める。(iv)次に、求めたボールの中心間の距離をリード角θの余弦（cosθ）で除算する。この結果、ボールねじのリードＬＬが求められる。以下、上記の手順(i)の表面形状の測定についてさらに詳しく説明する。

［ねじ軸の表面形状の測定方法］
図５は、第１の実施形態によるねじ溝形状の測定手順を示すフローチャートである。図６は、第１の実施形態によるねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。図６の模式図は、ねじ軸８０をその中心軸を通る断面で切断した断面図を示している。図６において、ねじ軸８０は、その軸線方向がＺ軸方向になるように固定されており、ねじ軸８０の断面はＸＺ面に平行である。レーザ変位センサ１００による測定点ＭＰは図中の丸印で示されている。

図２、図５、図６を参照して、まず、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、測定ヘッド６２（レーザ変位センサ１００）の旋回角を所定角度に設定する（Ｓ１００）。具体的には図６（Ａ）に示すように、レーザビーム１１６の方向（すなわち、変位測定方向１３４）は、ねじ軸の軸線に垂直な方向（Ｘ軸方向）から角度ψ１だけねじ軸の軸線方向（Ｚ軸方向）に傾けられる。この場合の傾斜角ψ１は４０度〜５０度（典型的には４５度付近）が望ましい。第１の実施形態では、旋回角は固定される。

次に、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することによって、ねじ軸８０に対して相対移動させることによって、図６（Ａ）に示すように、最初のねじ溝の測定開始位置１４０に測定ヘッド６２（レーザ変位センサ１００）を移動させる（Ｓ１０５）。

次に、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、Ｘ軸方向に対して変位測定方向１３４と反対側に傾斜した方向である移動方向１４８に沿って、レーザ変位センサ１００を移動させながら、測定対象のねじ溝８６の形状をレーザ変位センサ１００によって測定する（Ｓ１１０）。この場合の移動方向１４８は、変位測定方向１３４に対して概ね直交する方向（８５°〜９５°）の角度範囲が望ましい。具体的に図６（Ａ）の場合、レーザ変位センサ１００は、測定開始位置１４０から測定終了位置１４２まで斜め方向に直線的に移動しながら、ねじ溝８６の一方側（＋Ｚ方向側）の形状を測定する。なお、このようなレーザ変位センサ１００の斜め方向の移動は、Ｘ軸方向の移動とＺ軸方向の移動とを同時に行うことによって実現できる。

隣接する次のねじ溝の形状を測定する場合には（ステップＳ１１５でＹＥＳ）、レーザ変位センサ１００の旋回角を傾斜角ψ１に固定したまま上記の手順が繰り返される。すなわち、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、次のねじ溝８６の測定開始位置１４４にレーザ変位センサ１００を移動させる（Ｓ１０５）。さらに、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、次に測定開始位置１４４から測定終了位置１４６まで斜め方向に直線的にレーザ変位センサ１００を移動させながら、レーザ変位センサ１００によって測定対象のねじ溝８６の一方側（＋Ｚ方向側）の斜面の形状を測定する（Ｓ１１０）。

以上によって（ステップＳ１１５でＮＯとなるまで）、Ｚ軸方向に沿って配置された複数のねじ溝８６の一方側（＋Ｚ方向側）の斜面の形状がねじ溝８６の配置順に（＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かう順に）測定される。

その後、プロセッサ６６は、変位測定方向１３４がＸ軸方向に対してステップＳ１００の場合とは逆方向に傾斜するように（すなわち、傾斜角ψ２となるように）、ＮＣ装置４０を介して、レーザ変位センサ１００の旋回角を設定する（Ｓ１２０）。そして、プロセッサ６６は、ステップＳ１１０の場合とは逆方向にレーザ変位センサ１００を移動させながら、レーザ変位センサ１００によって複数のねじ溝８６の他方側（−Ｚ方向側）の斜面の形状を測定する。

具体的には図６（Ｂ）に示すように、プロセッサ６６は、最初のねじ溝８６の測定開始位置１４０にレーザ変位センサ１００を移動させる（Ｓ１２５）。次に、プロセッサ６６は、測定開始位置１４０から測定終了位置１４２まで斜め方向に直線的に（変位測定方向１３４に対して８５°〜９５°の角度をなす方向１４８、望ましくは変位測定方向１３４と直交する方向に）レーザ変位センサ１００を移動させながら、レーザ変位センサ１００によって測定対象のねじ溝８６の他方側（−Ｚ方向側）の斜面の形状を測定する（Ｓ１３０）。

隣接する次のねじ溝の形状を測定する場合には（ステップＳ１３５でＹＥＳ）、レーザ変位センサ１００の旋回角を傾斜角ψ２に固定したまま上記の手順が繰り返される。すなわち、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、次のねじ溝８６の測定開始位置１４４にレーザ変位センサ１００を移動させる（Ｓ１２５）。続いて、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、次の測定開始位置１４４から測定終了位置１４６まで斜め方向に直線的にレーザ変位センサ１００を移動させながら、レーザ変位センサ１００によって測定対象のねじ溝８６の他方側（−Ｚ方向側）の斜面の形状を測定する（Ｓ１３０）。

以上によって（ステップＳ１３０でＮＯとなるまで）、Ｚ軸方向に沿って配置された複数のねじ溝８６の他方側（＋Ｚ方向側）の斜面の形状がステップＳ１０５〜Ｓ１１５とは逆順に（−Ｚ方向から＋Ｚ方向に向かう順に）測定される。

［効果］
次に上記のねじ溝形状の測定方法の効果について比較例の測定方法と対比しながら説明する。

図７は、比較例によるねじ軸のねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。図２および図７を参照して、比較例の測定方法では、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、レーザビーム１１６の方向（すなわち、変位測定方向１３４）をねじ軸の軸線に垂直な方向（Ｘ軸方向）に一致させる。この状態で、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、レーザ変位センサ１００をねじ軸の軸線に平行な方向（Ｚ軸方向）に移動させながら、レーザ変位センサ１００によって各ねじ溝の形状を順に測定する。この場合、以下のような問題点がある。

まず、比較例の場合には測定値の変動幅が比較的大きいという問題がある。具体的に図７において、測定値の変動幅は、測定点ＭＰがねじ溝８６の底の場合の測定値Ｌ５とねじ溝８６の縁の場合の測定値Ｌ４との差Ｌ６＝Ｌ５−Ｌ４として与えられる。一方、第１の実施形態における測定値の変動幅は、図６に示すように、Ｌ３＝Ｌ２−Ｌ１で求まり、比較例の変動幅Ｌ６より小さくなる。

既に説明したように、レーザ変位センサの測定範囲には限界があり、さらに、基準位置から離れるについて測定誤差が増大する。本実施形態によれば、比較例に比べて測定値の変動幅をより小さくできるので、測定精度を向上させることができるとともに測定限界を超えてしまう可能性を小さくできる。

比較例の場合の他の問題点として、ねじ軸８０の軸線方向（Ｚ軸方向）のレーザ変位センサ１００の移動量に比べて測定値の変化が大きくなると（具体的には、ねじ溝８６の縁付近において）、測定点ＭＰの間隔が広くなりすぎてしまい正確な測定ができないという点が挙げられる。この結果、図７に示すように、ねじ溝８６の縁付近とねじ溝８６の底付近とで測定点ＭＰの間隔に粗密ができてしまう。本実施形態ではこのような不都合は生じ難く、特に重要なねじ溝８６とボールとの接触点付近（Ｘ軸からの傾斜角が４５度付近において）において正確な形状データを得ることができる。

さらに、比較例の場合には、ねじ溝８６の縁付近でレーザビーム１５２が多重反射する可能性がある。この結果、多重反射したレーザビーム１５２の散乱光がレーザ変位センサ１００の受光部に入射するため、測定精度の低下が避けがたいという問題がある。これに対して本実施形態によれば、ねじ溝８６の縁付近において多重反射したレーザビームの散乱光を誤検出する可能性は低い。

［ねじ軸のリードの算出方法］
次に、測定したねじ溝形状データに基づいて、ねじ軸のリードを算出する手順について説明する。

図８は、測定したねじ溝形状データの処理手順を示すフローチャートである。図９〜図１２は、図８の各ステップについて説明するための図である。具体的に、図９は、図８のステップＳ２１５，Ｓ２２０について説明するための図である。図１０は、図８のステップＳ２２５，Ｓ２３０について説明するための図である。図１１は、図８のステップＳ２３５について説明するための図である。図１２は、ねじ溝形状がゴシックアーチの場合において、図８のステップＳ２３５について説明するための図である。なお、図９〜図１２において、＜Ｚ＞方向はねじ溝に垂直な方向を意味し、＜Ｙ＞方向はＸ方向および＜Ｚ＞方向の両方に垂直な方向を意味する。

図２、図８を主として参照して、まず、プロセッサ６６は、概ね−Ｚ方向へのレーザ変位センサの移動時に（図５のステップＳ１１０で）測定したデータと、概ね＋Ｚ方向へのレーザ変位センサの移動時に（図５のステップＳ１３０で）測定したデータとを統合する（Ｓ２００）。

次に、プロセッサ６６は、図４（Ｂ）で説明したように、各測定点のＺ軸方向の座標にリード角θの余弦（cosθ）を乗算することによって、測定したＺ軸方向の形状データをねじ溝に垂直方向の形状データに変換する（Ｓ２０５）。

次に、プロセッサ６６は、変換後の測定データをねじ溝ごとに分割した後（Ｓ２１０）、分割後のデータごとに、ねじ山部分のデータを抽出してねじ山の高さを算出する（Ｓ２１０）。具体的には、プロセッサ６６は、両端から所定個数の測定点ＭＰ（図９の場合には、ハッチングを付した各３個の測定点）をねじ山部分のデータとして抽出する。なお、図９において、ねじ溝の底には研削時のオイルを逃すための窪みが形成されている。

次に、プロセッサ６６は、分割後の各データにおいて、仮円の近似計算に使用するためのねじ溝部分のデータを抽出する（Ｓ２１５）。具体的には図９に示すように、プロセッサ６６は、ステップＳ２１０で算出したねじ山の高さを基準として、この基準の高さよりも下方の測定点ＭＰのうち基準高さとの距離がＬ７以上Ｌ８以下の測定点を抽出する。これによって、ねじ山の近傍の測定点とねじ溝の底部の測定点とが除外される。上記のＬ７，Ｌ８の値はボールねじの設計データに基づいて決定される。

次に、プロセッサ６６は、ステップＳ２１５で抽出した測定点に基づいて、最小二乗近似によって仮円１６６を決定する（Ｓ２２５）。仮円１６６の半径にはボールの設計データが用いられる。さらに、プロセッサ６６は、決定した仮円１６６に基づいて、ボールとねじ溝との接触点付近の測定点ＭＰをさらに抽出する（Ｓ２３０）。具体的には図１０に示すように、仮円１６６の中心１６８から見て、Ｘ軸方向１７０とのなす角度がδ１−δ２からδ１＋δ２の範囲のデータが抽出される。たとえば、δ１は４０°から５０°の範囲で選択され、δ２は５°から１０°の範囲で選択される。

次に、プロセッサ６６は、ステップＳ２３０で抽出したデータ（ボールとねじ溝との接触点付近のデータ）に基づいて、図１１に示すように、最小二乗近似によって最終的にねじ溝の断面プロファイル（円１７２の中心１７４）を決定する（Ｓ２３５）。

なお、ねじ溝の断面形状がゴシックアーチの場合には、プロセッサ６６は、図１２に示すように、ねじ溝の底に対して一方側（図の右側）の測定点ＭＰに基づいて最小二乗近似によって円１７６（中心１７８）を求め、他方側（図の左側）の測定点ＭＰに基づいて最小二乗近似によって円１８０（中心１８２）を求める。次いで、プロセッサ６６は、円の中心１７８および１８２に基づいて最終的な断面プロファイル（円の中心１８４）を決定する。

次に、プロセッサ６６は、ステップＳ２３５で決定されたねじ溝の断面プロファイルをねじ軸の軸線方向の断面プロファイルに変換する（Ｓ２４０）。具体的には、求めた円の中心の＜Ｚ＞座標をリード角θの余弦（cosθ）で除算する。変換後の断面プロファイルにおいて、隣接する円の中心間の距離がリードに相当する。

［まとめ］
以上のとおり、第１の実施形態によれば、従来技術に比べてボールねじのねじ溝形状の測定精度を高めるとともに、測定点に粗密が生じないようにすることができる。さらに、多重反射したレーザビームによって測定誤差が生じないようにできる。

なお、図５および図６において最初にレーザ変位センサ１００を概ね−Ｚ方向に移動させ、次にレーザ変位センサ１００を概ね＋Ｚ方向に移動させると説明したが、必ずしもこれに限るものでない。変位測定方向１３４を＋Ｚ方向側に傾斜させた場合と、−Ｚ方向側に傾斜させた場合の２回の測定を行うのであれば、レーザ変位センサ１００の移動方向自体は２回とも概ね＋Ｚ方向であってもよいし、その逆方向であってもよい。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、ねじ軸の表面形状の測定中におけるレーザ変位センサの移動方向が第１の実施形態の場合と異なる。具体的に第２の実施形態では、レーザ変位センサをねじ軸の軸線方向（Ｚ軸方向）と平行に移動させる。変位測定方向（レーザビームの方向）をＸ軸方向（ねじ軸の軸線に垂直な方向）から傾けた状態で固定する点は第１の実施形態と同じである。以下、図面を参照して具体的に説明する。なお、ねじ溝形状測定装置の構成は、図２で説明したものと同じであるので説明を繰返さない。

図１３は、第２の実施形態によるねじ溝形状の測定手順を示すフローチャートである。図１４は、第２の実施形態によるねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。図１４の模式図は、第１の実施形態の図６に対応するものであり、ねじ軸８０をその中心軸を通る断面で切断した断面図を示している。図１４において、ねじ軸８０は、その軸線方向がＺ軸方向になるように固定されている。

図２、図１３、図１４を参照して、まず、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、測定ヘッド６２（レーザ変位センサ１００）の旋回角を所定角度に設定する（Ｓ３００）。具体的には図１４（Ａ）に示すように、レーザビーム１１６の方向（すなわち、変位測定方向１３４）は、ねじ軸の軸線に垂直な方向（Ｘ軸方向）から角度ψ１だけねじ軸の軸線方向（Ｚ軸方向）に傾けられる。この場合の傾斜角ψ１は４０度〜５０度（典型的には４５度付近）が望ましい。第２の実施形態においても、旋回角は固定される。

次に、プロセッサ６６は、ＮＣ装置を介して駆動機構３２を制御することにより、レーザ変位センサ１００をねじ軸８０の軸線方向（−Ｚ方向）に移動させながら、各ねじ溝８６の形状をレーザ変位センサ１００によって測定する（Ｓ３１０）。この結果、各ねじ溝８６の一方側（＋Ｚ方向側）の斜面の形状が測定される。

次に、プロセッサ６６は、変位測定方向１３４がＸ軸方向に対してステップＳ３００の場合とは逆方向に傾斜するように（すなわち、傾斜角ψ２となるように）、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、レーザ変位センサ１００の旋回角を設定する（Ｓ３２０）。そして、プロセッサ６６は、ステップＳ３１０の場合とは逆方向である＋Ｚ方向にレーザ変位センサ１００を移動させながら、レーザ変位センサ１００によって複数のねじ溝８６の他方側（−Ｚ方向側）の斜面の形状を測定する（Ｓ３３０）。

上記の測定方法によれば、レーザビーム１１６の方向（すなわち、変位測定方向１３４）をＸ軸方向から傾かせることによって、測定点の粗密を低減させ、測定精度を高めることができる。さらに、レーザビームの多重反射による誤差を回避することができる。第１の実施形態に比べてレーザ変位センサ１００の動きが単純であるので、測定プログラムの作成が容易である。

ただし、図１４に示すように、レーザ変位センサ１００から測定点ＭＰまでの距離の変動幅Ｌ９は、Ｌ８−Ｌ７で与えられ比較的大きくなるので、測定可能範囲の狭いレーザ変位センサを用いる場合は、第１の実施形態の測定方法のほうが望ましい。

なお、上記の説明において最初にレーザ変位センサ１００を−Ｚ方向に移動させ、次にレーザ変位センサ１００を＋Ｚ方向に移動させると説明したが、必ずしもこれに限るものでない。変位測定方向を＋Ｚ方向側に傾斜させた場合と、−Ｚ方向側に傾斜させた場合の２回の測定を行うのであれば、レーザ変位センサ１００の移動方向自体は＋Ｚ方向および−Ｚ方向のどちらでも構わない。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、レーザ変位センサをねじ軸に対して相対移動させるとともにレーザ変位センサを旋回させながら、レーザ変位センサによってねじ溝形状を測定する点に特徴がある。これによって、ねじ溝形状の測定中におけるレーザビームの方向（変位測定方向）をねじ溝の表面と略直交させるようにする。望ましくは、レーザ変位センサから測定点までの距離を一定に保つようにする。以下、図面を参照して具体的に説明する。なお、ねじ溝形状測定装置の構成は、図２で説明したものと同じであるので説明を繰返さない。

図１５は、第３の実施形態によるねじ溝形状の測定手順を示すフローチャートである。図１６は、第３の実施形態によるねじ溝形状の測定方法を説明するための模式図である。図１６の模式図は、第１の実施形態の図６および第２の実施形態の図１４に対応するものであり、ねじ軸８０をその中心軸を通る断面で切断した断面図を示している。図１６において、ねじ軸８０は、その軸線方向がＺ軸方向になるように固定されている。

図２、図１５、図１６を参照して、まず、プロセッサ６６は、測定対象のねじ溝８６に隣接するねじ山８４の高さをレーザ変位センサ１００によって測定する（Ｓ４００）。具体的には図１６（Ａ）に示すように、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、レーザビーム１１６の方向（変位測定方向）がＸ軸方向となるように固定した状態で、レーザ変位センサ１００をねじ軸８０の軸線に平行な−Ｚ方向に移動させながら、レーザ変位センサ１００によってねじ山８４の高さを測定する。この場合、レーザ変位センサ１００からねじ山８４までの距離Ｌ１０は、最も高精度の測定が可能な基準距離となるように設定される。

次に、プロセッサ６６は、ＮＣ装置４０を介して駆動機構３２を制御することにより、レーザ変位センサ１００を相対移動および旋回させながら、レーザ変位センサ１００によって測定対象のねじ溝の形状を測定する（Ｓ４１０）。より具体的には図１６（Ｂ）に示すように、測定対象のねじ溝８６にボール８８が接触した仮定した場合に、プロセッサ６６は、ねじ溝形状の測定中に、想定されるボール８８の外周と同心円１９０上に位置するようにレーザ変位センサ１００を移動させるとともに、レーザビーム１１６がボール８８の中心９０を通るようにレーザ変位センサを旋回させる。この場合も、レーザ変位センサ１００からねじ溝８６の表面の測定点ＭＰまでの距離Ｌ１０は、最も高精度の測定が可能な基準距離となるように設定される。

測定対象のねじ溝形状の測定後に、プロセッサ６６は、ステップＳ４００の場合とは反対側のねじ山８４の高さをレーザ変位センサ１００によって測定する（Ｓ４２０）。具体的な測定方法は、図１６（Ａ）に示したステップＳ４００の場合と同様であるので説明を繰返さない。隣接する次のねじ溝形状を測定する場合には（ステップＳ４３０でＹＥＳ）、上記のステップＳ４００，Ｓ４１０，Ｓ４２０が繰り返される。

上記の測定方法によれば、レーザ変位センサ１００から測定点までの距離が基準距離となるように調整されているので、最も精度良くねじ溝形状を測定することができる。さらに、レーザビーム１１６が想定されるボールの中心を通るようにレーザ変位センサ１００を旋回させるので、レーザビーム１１６がねじ溝の表面にほぼ垂直に入射する。この結果、測定点に粗密が生じ難く、精度良くねじ溝の表面形状を測定することが可能になる。レーザビームの多重反射による誤差の虞もない。さらに、第１および第２の実施形態では、同一のねじ溝に対して変位測定方向の異なる２回の測定が必要であったのに対して、第３の実施形態の場合にはレーザ変位センサ１００を旋回させながら測定することによって、同一のねじ溝に対して１回の測定で済むというメリットがある。

なお、上記は理想的な場合であるが、レーザ変位センサ１００の移動経路がボールの同心円上から多少はずれていても、上記と同様の効果を奏する。

＜変形例＞
第１〜第３の実施形態ではレーザ変位センサを用いて表面形状を測定する例について説明したが、レーザ変位センサに代えて倣い式の接触型変位センサを用いることもできる。

図１７は、第１〜第３の実施形態の変形例として、接触型変位センサを用いたねじ溝形状の測定について説明するための模式図である。図１７の模式図は、第１の実施形態の図６、第２の実施形態の図１４、および第３の実施形態の図１６に対応するものであり、ねじ軸８０をその中心軸を通る断面で切断した断面図を示している。

図１７を参照して、接触型変位センサ２００は、探針２０２を測定対象物の表面に接触させることによって、探針２０２の中心軸線２０４の方向の変位を検出するように構成されている。この場合、探針２０２の中心軸線２０４の方向が第１〜第３の実施形態におけるレーザビーム１１６の方向（すなわち、変位測定方向１３４）に相当する。

図１７（Ｂ）に示すように、探針２０２の中心軸線２０４の方向（すなわち、変位測定方向１３４）が、ねじ軸８０の軸線に垂直方向（Ｘ軸方向）の場合、測定点がねじ溝８６の縁に近づくほどねじ溝８６の表面の傾斜が急になるために、測定精度が低下するという問題がある。さらには、接触型変位センサ２００をＺ軸方向に移動させながらねじ溝８６の表面形状を測定した場合、ねじ溝８６の縁付近と底付近とで測定点に粗密が生じてしまう。

図１７（Ａ）に示すように、探針２０２の中心軸線２０４をねじ軸の軸線方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸方向）から傾けることによって、ねじ溝８６の縁付近においても精度良く表面形状を測定することができ、測定点に粗密も生じ難くなる。また、第３の実施形態の場合には、探針２０２の中心軸線２０４が想定されるボールの中心を通るように接触型変位センサ２００を旋回させることによって、測定精度を高めることができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１工作機械、２ねじ溝形状測定装置、１０加工装置、２５主軸、３２駆動機構、３３基準点、３４Ｘ軸用駆動機構、３６Ｙ軸・Ｂ軸用駆動機構、３８Ｚ軸用駆動機構、４０ＮＣ装置、６０制御部、６２測定ヘッド、６４コンピュータ、６６プロセッサ、６８メモリ、７０通信装置、８０ねじ軸、８２，２０４中心軸線、８４ねじ山、８６ねじ溝、８８ボール、１００レーザ変位センサ、１１６，１５２，１６２レーザビーム、１３０測定対象物、１３２レーザスポット、１３４変位測定方向、１４８移動方向、２００接触型変位センサ、２０２探針。

Claims

ボールねじを構成するねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するねじ溝形状測定装置であって、
前記ねじ軸の表面にレーザ光を照射するかまたは探針を接触させることによって、前記レーザ光の照射方向の変位または前記探針の軸方向の変位を検出する変位センサと、
前記変位センサを旋回可能な第１の駆動機構と、
前記変位センサ、および、前記第１の駆動機構を搭載する移動台と、
前記移動台を前記ねじ軸の軸方向に移動させる第２の駆動機構と、
前記移動台を前記ねじ軸の軸方向と垂直な方向に移動させる第３の駆動機構と、
前記変位センサ、前記第１の駆動機構、前記第２の駆動機構、および、前記第３の駆動機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記レーザ光の照射方向または前記探針の軸方向である変位測定方向が前記ねじ軸の軸方向と垂直な方向に対して傾斜した方向となるように、前記変位センサを旋回させながら又は前記変位センサの旋回角を固定した状態で、前記変位センサによって前記ねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するように構成される、ねじ溝形状測定装置。
ボールねじを構成するねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するねじ溝形状測定装置であって、
前記ねじ軸の表面にレーザ光を照射するかまたは探針を接触させることによって、前記レーザ光の照射方向の変位または前記探針の軸方向の変位を検出する変位センサと、
前記変位センサを前記ねじ軸に対して相対移動可能であるとともに、少なくとも１つの軸の回りに前記変位センサを旋回可能な駆動機構と、
前記変位センサおよび前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
前記ねじ軸の軸方向を第１の方向とし、前記第１の方向と垂直な方向を第２の方向としたとき、前記制御部は、前記レーザ光の照射方向または前記探針の軸方向である変位測定方向が前記第２の方向に対して傾斜した方向となるように、前記変位センサの旋回角を固定した状態で、前記変位センサを前記第１の方向に相対移動させながら、前記変位センサによって前記ねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するように構成される、ねじ溝形状測定装置。
ボールねじを構成するねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するねじ溝形状測定装置であって、
前記ねじ軸の表面にレーザ光を照射するかまたは探針を接触させることによって、前記レーザ光の照射方向の変位または前記探針の軸方向の変位を検出する変位センサと、
前記変位センサを前記ねじ軸に対して相対移動可能であるとともに、少なくとも１つの軸の回りに前記変位センサを旋回可能な駆動機構と、
前記変位センサおよび前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
前記ねじ軸の軸方向を第１の方向とし、前記第１の方向と垂直な方向を第２の方向としたとき、前記制御部は、前記レーザ光の照射方向または前記探針の軸方向である変位測定方向が前記第２の方向に対して傾斜した方向となるように、前記変位センサの旋回角を固定した状態で、前記ねじ溝ごとに前記第２の方向に対して前記変位測定方向と反対側に傾斜した方向に前記変位センサを相対移動させながら、前記変位センサによって各ねじ溝の形状を測定するように構成される、ねじ溝形状測定装置。
前記ねじ溝ごとの前記変位センサの相対移動方向と前記変位測定方向とのなす角度は８
５度から９５度の範囲に含まれる、請求項３に記載のねじ溝形状測定装置。
前記第２の方向に対する前記変位測定方向の傾斜角は４０度から５０度の範囲に含まれ
る、請求項２〜４のいずれか１項に記載のねじ溝形状測定装置。
前記制御部は、前記レーザ光の照射位置または前記探針の接触位置において前記変位測
定方向が前記ねじ溝の表面に対して直交するように、前記ねじ溝ごとに前記変位センサを
相対移動および旋回させながら、前記変位センサによって各ねじ溝の形状を測定するよう
に構成される、請求項１に記載のねじ溝形状測定装置。
ボールねじを構成するねじ軸の各ねじ溝の形状を測定するねじ溝形状測定装置であって、
前記ねじ軸の表面にレーザ光を照射するかまたは探針を接触させることによって、前記レーザ光の照射方向の変位または前記探針の軸方向の変位を検出する変位センサと、
前記変位センサを前記ねじ軸に対して相対移動可能であるとともに、少なくとも１つの軸の回りに前記変位センサを旋回可能な駆動機構と、
前記変位センサおよび前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記ねじ溝に前記ボールねじのボールを接触させたと仮定した場合に、前記ボールと同心円上に前記変位センサが位置するとともに前記レーザ光または前記探針の軸線が前記ボールの中心を通るように、前記ねじ溝ごとに前記変位センサを相対移動および旋回させながら、前記変位センサによって各ねじ溝の形状を測定するように構成される、ねじ溝形状測定装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のねじ溝形状測定装置を備えた工作機械。