JP7467132B2

JP7467132B2 - ボールねじの有効径分布算出システム及び該システムを含む加工装置

Info

Publication number: JP7467132B2
Application number: JP2020009552A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; 武文石井
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2024-04-15
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: JP2021117061A

Description

本発明は、ボールねじの有効径分布算出システム及び該システムを含む加工装置に関し、特に、ねじ研削盤等を用いてボールねじ軸を生産する現場においてボールねじの有効径分布を加工中に自動的に算出するシステムに関する。

ボールねじは、産業機械やロボットなどに用いられる機械要素であり、外周面にねじ溝を有するねじ軸と、内周面にねじ溝を有するナットと、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝とからなる転動路に収容された多数のボール（通常は鋼球）とを備え、高い動力伝達効率と位置精度とをもって回転運動の直線運動への変換（あるいは、直線運動の回転運動への変換）を行う。即ち、ボールねじは、外周面に所定のリードで螺旋状のボール転動溝が形成されたねじ軸と、内周面にねじ軸側のボール転動溝と対向する螺旋状のボール転動溝を有し、ボールを介してねじ軸に螺合するナット部材とから構成されており、ねじ軸の回転に応じてナット部材がねじ軸の軸方向へ移動するように構成されている。かかるボールねじは、例えば、工作機械の送りテーブル等をサブマイクロメートル単位で移動させるために用いられるが、その送り精度を確保するために、ボールねじ軸の有効径を測定する必要があり、このための測定方法として、従来、タッチプローブをボールねじ溝に接触させて有効径を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

実開平２－１３５８０４号公報

従来、ボールねじの有効径測定システムとして、典型的には、ボールねじの有効径のワーク長手方向の変化を評価するシステムが種々提案されている。この手法は、直径測定の方法分類上は半径法と呼ばれる形態をとっている。短尺の測定対象の場合には有効な手法であるが、長尺の対象を特に加工機上で測定しようとする場合、マイクロメートルオーダでの評価に難がある。つまり、対象の曲がりを無視できないという問題があり、装置の構成方向によっては重力による変形も無視できない。また、測定システムを加工機と一体とする場合には測定対象であるワークの振れを抑えるため振れ止めと呼ばれるものでワークを押さえつけるが、これによりワークを回転させたときの押さえた位置での振れは押さえ込まれるが、曲がりと言う観点では増えてしまうという難点がある。図１は、ボールねじの有効径に関する従来の測定方法（半径法）の問題点を説明するための図であり、（Ａ）は、ワーク１０が少し太い部分をスタイラス１２で測定する場合、（Ｂ）は、ワーク１０が長手方向のある個所で振れ止め１４により支持されている場合に振れ止め１４による前進をスタイラス１２で測定してしまう場合、をそれぞれ示す。例えば、長手方向に、それぞれ直径を評価しようとした場合、図１に示すように、局所的に直径が増加しているのかそれとも曲がりにより直径は増加していないのにセンサが直径の増加として感じたのか（図１では振れ止め１４が押したと仮定している）分解が出来ないという事態を生じる。一方、円筒工作物の外径は、円筒研削盤に数マイクロメートルオーダの円筒度を出せる加工システムもあり、そのオーダで評価するシステムもあるので、外径の円筒度の方が管理する装置を得やすい。

本発明は、以上のような事情から為されたものであり、その目的は、半径法による問題点を解消し、比較的長尺のボールねじの有効径を測定する場合でも、ボールねじの曲がりや振れ止めによる影響等を受けることなく、正確に測定することが可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、溝を除いた外周を測定し、該外周の径分布を算出する工程と溝底を測定し、該溝底の径分布を算出する工程を分けてボールねじの長手方向の対応する位置についての外周と溝底相当の径分布を算出することで有効径の径分布を算出することにより、曲がりや振れ止めによる影響等を受けることなく、ボールねじの有効径を正確に測定することが可能となることを見出した。

即ち、本発明の第１の様相に係るボールねじの有効径測定システムは、長尺のボールねじ軸であって曲がりや振れ止めによる影響により該ボールねじ軸の長手方向において有効径が変動するように加工され得るボールねじ軸に加工されたねじ溝の有効径の分布を前記ボールねじ軸を直径方向に測定器で両側から挟まずに測定する方法により算出するボールねじの有効径分布算出システムであって、前記長尺のボールねじ軸の溝のない部分の外周部を長手方向に亘って測定し、該測定した外周部での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第１の工程と、前記ねじ溝の溝底の径を長手方向に亘って測定し、該測定した溝底での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第２の工程とを有し、前記第１の工程と第２の工程に分けて前記ボールねじ軸の長手方向の対応する位置についての外周部と溝底の径変動の分布の差を算出することでボールねじの有効径の長手方向分布を算出することを特徴とする。

また、本発明の第２の様相に係る加工装置は、長尺のボールねじ軸であって曲がりや振れ止めによる影響により該ボールねじ軸の長手方向において有効径が変動するように加工され得るボールねじ軸に加工されたねじ溝の有効径の分布を前記ボールねじ軸を直径方向に測定器で両側から挟まずに測定する方法により算出するボールねじの有効径分布算出システムを含む加工装置であって、前記有効径分布算出システムは、前記長尺のボールねじ軸の溝のない部分の外周部を長手方向に亘って測定し、該測定した外周部での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第１の工程と、前記ねじ溝の溝底の径を長手方向に亘って測定し、該測定した溝底での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第２の工程とを有し、前記第１の工程と第２の工程に分けて前記ボールねじ軸の長手方向の対応する位置についての外周部と溝底の径変動の分布の差を算出することでボールねじの有効径の長手方向分布を算出することを特徴とする。

本発明によれば、比較的長尺のボールねじの有効径を測定する場合でも、曲がりや振れ止めによる影響等を受けることなく、ボールねじの有効径を正確に測定することが可能な技術を提供することができる。

ボールねじの有効径に関する従来の測定方法（半径法）の問題点を説明するための図であり、（Ａ）は、ワークが少し太い部分をスタイラスで測定する場合、（Ｂ）は、ワークが長手方向のある個所で振れ止めにより支持されている場合に振れ止めによる前進をスタイラスで測定してしまう場合、をそれぞれ示す。本発明の第１の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための第１の図であり、（Ａ）は、溝底部の径変動、即ち、ボールねじの溝底を測定した場合の測定値の変動、（Ｂ）は、外周部の径変動、即ち、ボールねじの外周を測定した場合の測定値の変動、をそれぞれ示す。（Ｃ）は、本図を含む本願での座標系を説明する図である。本発明の第１の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法における評価の実施例を示す図であり、（Ａ）は、溝底での測定だけで径変動を評価しようとした場合、（Ｂ）は、外周での測定だけで径変動を評価しようとした場合、（Ｃ）は、溝底での変動評価と外周での変動評価の差、をそれぞれ示す。なお、（Ａ）および（Ｂ）の平均値はそれぞれ０になるように調整している。本発明の第１の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法（螺旋測定の場合）を説明するための第２の図であり、（Ａ）は、溝底を（螺旋）測定している状態、（Ｂ）は、外周を（螺旋）測定している状態、をそれぞれ示す。本発明の第２の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法（長手方向に間欠的に評価する場合）を説明するための図であり、（Ａ）は、プローブの出力を一定にする制御をかけたままＺ走査する場合、（Ｂ）は、溝周辺を基準として溝底までの距離を評価する場合、（Ｃ）は、溝周辺を基準として一定の特定の斜面傾き角度の点までの距離を評価する場合、をそれぞれ示す。本発明の第２の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法における評価の実施例を示す図であり、有効径の目標からの偏差を示すグラフである。本発明の第２の実施形態の変形例に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための図であり、レーザ（非接触）変位計を使用する場合を示す。

まず、本発明の理解を容易にするため、ボールねじの有効径の測定に関する従来の測定方法の問題点について説明しておく。図１は、その問題点を説明するための図であり、上述したように半径法を用いて有効径を測定する従来の方法の一例を示している。図１において、（Ａ）は、ワーク１０が少し太い部分をスタイラス１２で測定する場合、（Ｂ）は、ワーク１０が長手方向のある個所で振れ止め１４により支持されている場合に、振れ止め１４による前進をスタイラス１２で測定してしまう場合、をそれぞれ示す。図１（Ａ）に示すように、ワーク１０が少し太い部分をスタイラス１２で測定することは可能である。しかしながら、図１（Ｂ）に示すように、長尺のボールねじ（長い弾性体円筒と評価できる）の所々が振れ止め１４で支持される場合には、振れ止め１４で抑えられてスタイラス１２方向に前進してしまう分が測定値に混入してしまうので、振れ止め１４で抑えられた長い弾性体円筒の直径を半径法で測定しても、マイクロメートルオーダの直径の評価はできない、という難点がある。

そこで、本発明者は、以下に詳述するように、有効径を測定する場合に、ボールねじ（軸）の外周を測定・評価する第１の工程と、ねじ溝の溝底を測定・評価する第２の工程とに分けてボールねじの長手方向の同じ位置についての外径と溝底相当部の径の評価の差を算出することでボールねじの有効径の評価を行うことを見出した。図２は、本発明の第１の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための図であり、（Ａ）は、溝底部の径変動、即ち、ボールねじの溝底部を測定した場合の測定値の変動、（Ｂ）は、外周部の径変動、即ち、ボールねじの外径を測定した場合の測定値の変動、をそれぞれ示す。
即ち、本実施形態では、ボールねじの有効径の評価システムにおいて、長手方向の有効径変動が図２（Ａ）（Ｂ）のように評価される場合、上（Ａ）の評価に対して下（Ｂ）の評価分を補正し（減じ）て、有効径の長手方向の変動評価とする。
ここで図２（Ａ）（Ｂ）の中にＺと記載しているが、（Ｃ）のように座標系を定義する。即ちワーク１０の長手方向にＺ軸をとり、それと垂直にＸ軸をとる。そしてＺ軸周りに回転Ｃ軸をとる。また、外周部とはワーク１０の溝のない部分であり、外周部分で評価される直径を外径と呼ぶ。以降はこの座標の定義を使用する。
図３は、その変動評価の実施例を示す図であり、（Ａ）は、溝底部での径変動、（Ｂ）は、外周部での径変動、（Ｃ）は、溝底部での径変動と外周部での径変動の分布の差、をそれぞれ示す。このように、（Ａ）溝底部の径変動に対して（Ｂ）外周部の径変動の評価分を補正し（減じ）て、（Ｃ）を得て、これを有効径の長手方向の変動評価とすることで、半径法による問題点を解消し、比較的長尺のボールねじの有効径を測定する場合でも、ボールねじの曲がりや振れ止めによる影響等を受けることなく、正確に測定することが可能になる。尚、ボールねじの外周の径の長手方向の分布評価（外周部の円筒度の評価）は別システムで行っていても良い。また、ボールねじではなく、ナットの場合には、外径は内径に置き換わることは言うまでもない。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法（螺旋測定の場合）を説明するための第２の図であり、（Ａ）は、ワーク１０の溝底をスタイラス１２で（螺旋）測定している状態、（Ｂ）は、ワーク１０の外周をスタイラス１２で（螺旋）測定している状態、をそれぞれ示す。即ち、上述した第１の実施形態の測定を行う具体的方法例として、図４（Ａ）に示すように、ワーク１０の溝の底にスタイラス１２のプローブの先端をあてて螺旋走査させて長手方向の読みの変動を調べる。次に、図４（Ｂ）に示すように、ワーク１０の溝のない外径部分にスタイラス１２のプローブの先端をあてて螺旋走査させて長手方向の読みの変動を調べる。
このとき、スタイラス１２のプローブはワーク１０の振れに相当する成分を拾うがローパスフィルタで濾波して取り除くか、データの位相を揃えて消し去ることが可能である。
ただ、通常、ワークには局所的に傷やゴミの付着が見られるので、ローパスフィルタで濾波するのが最適である。このとき濾波の目的が達せられれば、一般的なローパスフィルタでも良いし、いわゆる平滑化である平滑化スプラインや多項式近似、重み付け多項式近似などでも良い。
ワークの長手方向の評価の数列同士の差の計算で、その長手方向の位置のずれが問題とならないように、外挿・内挿・補間・間引きなどを入れても良いことは言うまでもない。

出来上がった「溝底部の評価」から「外周部の評価」を減じたものは外周を基準とした溝の深さを表し、これこそ従来の測定方法より正確な「ボールねじの有効径のワーク長手方向の変化の評価」となる。即ち、周辺の外径測定と溝底測定の局所的評価とすることで、ワーク長手方向の長周期の曲がりが有効径の変動評価に与える影響を大きく減じることができる。

更に、別測定としてマイクロメータでワークを局所的にはさむなど、ワークの溝のない部分の外径の長手方向の変動が評価できる場合、もしくは溝加工の前の外径の仕上げを行う設備の傾向として必ず一定のテーパ成分が残るなどの事情がある場合には更に補正を加えることができる。前出の「外周部の評価」を「その場での外径の長手方向での分布評価」と言い今回述べた「外径部の評価」を「事前評価での外径の長手方向での分布評価」と言うことにすると、
「溝底部の評価」－「その場での外径の長手方向での分布評価」－「事前評価での外径の長手方向での分布評価」を使用して更に正確な「ボールねじの有効径のワーク長手方向の変化の評価」となる。
なお、直径で評価する器具、半径で評価する器具、符号が反転して評価される測定器具などが組み合わされていても適切に係数を調整することはいうまでもない。

また、プローブの押し込み方向に校正された送り軸を使用する場合には、プローブの線形性の問題を避けるため、溝底部を測るときと外径を測るときでプローブの出力が概ね同じ程度になるように、校正された送り軸で調整するのが良い。また、可能なら校正された送り軸でプローブを微小に押し込んでプローブの入力と出力の関係をその場で校正し直すと、尚良い。当然、プローブの方も押し込み量と出力の関係が校正されているなど十分な線形性がある場合にはこれは絶対ではない。逆に送り軸の側は校正されていなくてプローブの方が校正されている場合には、プローブの測定範囲内で送り軸の押し込み量の差を小さくするように調整するのが良い。

図５は、本発明の第２の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法（長手方向に間欠的に評価する場合）を説明するための図であり、（Ａ）は、プローブのＸ方向の測定範囲が狭いためにスタイラス１２のプローブの出力を一定にするようにプローブを押し込み方向に送る軸（Ｘ軸）で制御をかけたまま、ワーク１０に対してＺ走査する場合、（Ｂ）は、ワーク１０［図５（Ａ）参照］の溝周辺を基準として溝底までの距離を評価する場合、（Ｃ）は、ワーク１０［図５（Ａ）参照］の溝周辺を基準として一定の特定の斜面傾き角度の点までの距離を評価する場合、をそれぞれ示す。即ち、本実施形態では、図５（Ａ）に示ように、スタイラス１２のプローブの出力が一定になるように制御を加えることも可能である。スタイラス１２のプローブの出力の代わりにプローブのＸ方向の送り装置の位置座標を使用する。この場合には、螺旋に測定するのではなく、スタイラス１２を長手方向に直線に動かす。但し、ワーク１０［図５（Ａ）参照］の径の評価は長手方向に飛び飛びになる。このとき局所的な傷やゴミの付着が考えられるので、その長手方向に近傍の評価点で平滑化を行うことが最適である。また、振れ止め（図５では図示せず）の押し付けが不十分な場合などに生じやすい振れの影響を考慮するとワーク１０［図５（Ａ）参照］を２分の１周など回して数回Ｚ走査をして平滑化ないし平均化する方が良い。ここで、一定の傾きの角度の点までの距離を評価したとしても、設計形状を当てはめれば、ワーク１０［図５（Ａ）参照］の溝底に相当する径も推定できるし、ワーク１０［図５（Ａ）参照］をボールねじとして使用する場合の有効径も推定でき、評価する項目を他のものと揃えることは可能である。本願では、溝底径に換算しなくても直接使っても良いし、溝底径を推定して使っても良いし有効径に換算してから使っても良いので、これを溝底径相当と定義する。

図６は、本発明の第２の実施形態に係るボールねじの有効径の測定方法における評価の一実施例を示す図であり、有効径の目標からの偏差を示すグラフである。即ち、図６は、第２の実施形態にて得られた評価例として、第１の実施形態における図３（Ｃ）に相当するデータである。図６に示すように、上述した第２の実施形態の測定方法にて評価した図示の実施例では、長手方向に飛び飛びに径のデータが得られ、それぞれ有効径の目標から図示のような偏差を示している。

図７は、本発明の第２の実施形態の変形例に係るボールねじの有効径の測定方法を説明するための図であり、第２の実施形態のワーク１０に対するＺ走査をレーザ（非接触）変位計１７を使用して行う場合を示す。即ち、図７に示ように、長範囲にわたって線形性の確保ができる非接触の測定器［この例では、レーザ（非接触）変位計１７］を利用しても良い。これにより、スタイラス１２［図５（Ａ）参照］のプローブの出力が一定になるように制御を加えることを省略することができる。従って、より簡素化した制御で、高速の測定が可能になる。

本発明によれば、比較的長尺のボールねじの有効径を測定する場合でも、曲がりや振れ止めによる影響等を受けることなく、ボールねじの有効径を正確に測定することができる。

尚、上述した実施形態では、本発明をボールねじの有効径を測定するシステム及びそのシステムを含む加工装置に適用したが、ボールねじ軸の外周を測定・評価する第１の工程と、前記ねじ溝の溝底を測定・評価する第２の工程に分けてボールねじの長手方向の同じ位置についての外径と溝底相当の評価の差を算出するものであれば、その算出結果を表示する装置、その算出結果を用いて補正加工を行う装置にも、本発明を拡張適用可能なのは勿論である。

１０ワーク、１２スタイラス、１４振れ止め、１７レーザ（非接触）変位計

Claims

長尺のボールねじ軸であって曲がりや振れ止めによる影響により該ボールねじ軸の長手方向において有効径が変動するように加工され得るボールねじ軸に加工されたねじ溝の有効径の分布を前記ボールねじ軸を直径方向に測定器で両側から挟まずに測定する方法により算出するボールねじの有効径分布算出システムであって、前記長尺のボールねじ軸の溝のない部分の外周部を長手方向に亘って測定し、該測定した外周部での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第１の工程と、前記ねじ溝の溝底の径を長手方向に亘って測定し、該測定した溝底での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第２の工程とを有し、前記第１の工程と第２の工程に分けて前記ボールねじ軸の長手方向の対応する位置についての外周部と溝底の径変動の分布の差を算出することでボールねじの有効径の長手方向分布を算出することを特徴とするボールねじの有効径分布算出システム。
長尺のボールねじ軸であって曲がりや振れ止めによる影響により該ボールねじ軸の長手方向において有効径が変動するように加工され得るボールねじ軸に加工されたねじ溝の有効径の分布を前記ボールねじ軸を直径方向に測定器で両側から挟まずに測定する方法により算出するボールねじの有効径分布算出システムを含む加工装置であって、前記有効径分布算出システムは、前記長尺のボールねじ軸の溝のない部分の外周部を長手方向に亘って測定し、該測定した外周部での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第１の工程と、前記ねじ溝の溝底の径を長手方向に亘って測定し、該測定した溝底での前記長手方向に亘る径変動の分布を算出する第２の工程とを有し、前記第１の工程と第２の工程に分けて前記ボールねじ軸の長手方向の対応する位置についての外周部と溝底の径変動の分布の差を算出することでボールねじの有効径の長手方向分布を算出することを特徴とする加工装置。