JPH06507492A - 軸変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 軸変位測定装置 技術分野 本発明は、回転軸の軸線に対して横断方向の相対変位を測定するための装置に関 する。

技術背景 多くの機械及び装置において、軸線の変位は、軸の回転回数と同等の、あるいは それ以上の頻度で生じる。例えば研削盤においては、砥石車を支持する軸は、回 転質量体の不均衡の結果としても、又、工作物に係合したとき砥石車に及ぼされ る外力の結果としても、変位を生じる。

軸変位を測定する１つの方法として、軸の動きに機械的に追従する探針を使用し 、トランスジューサによりその探針の変位を測定する方法が知られている。完全 な情報を得るためには互いに直角に配置した２本の探針を必要とする。

発明の開示 本発明によれば、軸の角変位を測定する周知の方法を使用し、その方法を２箇所 以上の角度的に離隔したステーション（箇所）に適用し、得られた測定値を処理 して軸の横断方向の相対変位の測定値を得る。ある特定の方向の変位を測定する には２つのステーションでの測定が必要であり、軸の変位に関して完全な情報を 得るためには３箇所以上のステーションでの測定が必要である。

基本的にいえば、本発明は、軸の、その軸線に対して横断方向の相対変位量を表 示するための変位測定装置であって、 （ａ）第１ステーシヨンに配置されており、該第１ステーシヨンにおいて測定さ れた前記軸の角度変位を表す電気信号を第１チヤンネルに創出するための第１検 出器と、 （ｂ）前記第１ステーシヨンから角度的に離隔した第２ステーシヨンに配置され ており、該第２ステーシヨンにおいて測定された前記軸の角度変位を表す電気信 号を第２チヤンネルに創出す−るための第２検出器と、（ｃ）前記第１及び第２ チヤンネルからの情報を処理し、前記第１検出器と前記軸との間、及び、前記第 ２検出器と該軸との間の、該軸の軸線に対して横断方向の相対変位量を表示する ための処理手段と、から成る軸変位測定装置を提供する。

本発明の重要な利点は、軸変位の情報が、角度位置検出器から得られ、従って、 軸の角運動及び横断方向の変位に関する完全な情報を２つの別個の測定装置を用 いる必要なしに導出することができることである。

図面の簡単な説明 図１は、周知のタイプの光式軸エンコーダの概略図である。

図２は、２基の測定ヘッドをほぼ１８０°の間隔をおいて設置し、それらの測定 ヘッドを結ぶ直径に対して横断方向の軸の変位を測定することができるようにし た本発明の一実施例の概略図である。

図３は、軸線に対して任意の横断方向の軸の変位を測定するために３基の測定ヘ ッドをほぼ１２ｏ０の間隔をおいて設置した本発明の第２実施例の概略図である 。

図４は、図２の実施例で得られた測定値から軸変位量を導出する方法を示す図で ある。

図５は、図３の３ヘッド実施例で得られた測定値から軸線に対して横断方向の平 面内での軸の変位量を導出する方法を示す図である。

図６は、図３の実施例の３基のヘッドの出力信号を処理してコンピュータ分析に 適する信号を供給するための回路のブロック図である。

図７〜１０は、本発明の軸変位測定装置のいろいろな応用例を示す図である。

支１１ 本発明の軸変位測定装置は、回転軸の、その回転軸線に対して横断方向の相対変 位を測定するための計測器である０図２に示される最も基本的な構成では、この 軸変位測定装置は、単一方向の変位だけを測定することができる。

本発明の軸変位測定装置は、周知のタイプの光式軸エンコーダ（以下、単に「エ ンコーダ」とも称する）を用いる。このエンコーダは、軸の角速度に比例する周 波数のパルス列から成る電気信号を出力として創出する。図■に示されるように 、この種のエンコーダは、測定値を取るべき軸１１と共に回転するように取り付 けられた透明なディスク１０を有している。固定ベース（図示せず）に設置され た測定ヘッド１２は、ディスク１０の一例に配置された光源（発光体）から成る 。この光源は、ディスクの反対側に配置された感光半導体デバイス（受光体）に 光ビームを投射する。

軸１１と共に回転する透明ディスク１０上に設けられた放射状の光格子（図１〜 ３にディスクの左右に半径方向の格子線として示されている）が、軸の回転に応 じて光ビームを遮る。測定へ、ラド１２からの出力信号は、パルス列であり、各 パルスは、光格子の各１つの開口部が光ビームを横切って通過する毎にそれに対 応して発せられる。

通常、このようなエンコーダは、軸の角度位置と角速度（回転速度）だけを測定 するのに用いられる。角度位置を測定するに当っては、軸線に対するディスクの 運動は誤差源とみなされる。このため、光式軸エンコーダには、測定すべき軸の 軸受とは独立した独自の精密軸受が設けられており、ディスクは、エンコーダを 軸の振動から隔離するベロー型連結器を介して駆動される。

図２に示される本発明の軸変位測定装置においては、ディスク１０を軸１１に固 定し、直径方向に（１８０゜）対向させた２基の測定ヘッド１４．１５を、軸１ １を回転自在に軸承している装置のベース（図示せず）に固定する。

２基の測定ヘッド１４．１５からの出力信号は、図３の実施例に関連して以下に 詳述するような態様で処理され、一連の対の角度位置測定値を創出する。これら の角度位置測定値を例えば汎用コンピュータのようなデータプロセッサ（図示せ ず）で処理し、図４に示されるような関係図から軸の変位量を導出する。２箇所 の測定ステーションの間の距離を１（エル）とし、第１ステーション即ち第１測 定ヘツド１４で測定された軸の角度位置と第２ステーション即ち第２測定ヘツド １５で測定された軸の角度位置との間の差、をθとすると、２つの測定ステーシ ョンを結ぶ線からの軸１１の変位量は、下式ｆｉｌによって与えられる。

軸の変位量　・（π　−〇）・１／４・・・・・・・・・（１１図２の実施例の 装置の作動は１図４を参照することによって理解することができる。最初、軸の 中心線が２基の測定ヘッド１４．１５と整合していると仮定する。この場合、第 １ステーション即ち第１測定ヘツド１４からの信号から導出された角度位置測定 値は、第２ステーション即ち第２測定ヘツド１５からの信号から導出された角度 位置測定値とは正確にπラジアンだけ異なる。従って、データプロセッサは、上 式ｆｉ＋を用いて変位量ゼロを表示する。軸が変位せず、同じ位置に留まってい るとすると、データプロセッサは、πラジアンの差を有する一連の対の角度位置 測定値を受け続ける。

今、軸が図４で見て　左方へ変位したとすると、上記各対の角度位置測定値の差 が減少し、軸の変位量が上式ｆｉ＋　によって表示される。

図２の２ヘッド式装置は、それらのヘッドが配置されている位置を通る直径線に 対して垂直な方向、即ち図４でみて水平な方向の変位だけしか測定することがで きない。図４でみて垂直な方向の変位をも測定するために。

水平方向の直径線の両端に追加の２基の測定ヘッドを配置することもできる。ｌ 、、かじながら、図３に示されるように、１２０°の間隔をおいて３基の測定ヘ ッド１６゜１７．１８を用いる方が、より経済的である。

透明ディスク１０の光格子の個々の格子線の通過時間を測定するだけでは、多く の用例において十分な精度で角度位置を測定することはできない。次々に通過す る格子線の間に補間値を挿入すること（補間法）可能にし、角度位置の測定を、 隣接する格子線の間の角度による測定よりはるかに高い精度にまで高めることが できるシステムを図３．５及び６を参照して以下に説明する。

図６を参照すると、図３に参照番号１６，１７．１８で示されものに相当する測 定ヘッドＡ、Ｂ、Ｃの出力を汎用コンピュータ（図示せず）に接続するためのイ ンタフェース回路が示されている。このインタフェース回路は、測定ヘッドＡ、 Ｂ、Ｃに対応する３つのチャンネル又はラインＡ、Ｂ、Ｃと、１回転毎に１つの 同期信号を収集するための追加のチャンネル又はラインＤを備えている。同期信 号は、測定すべき軸の軸線から主測定ヘッドＡ、Ｂ、Ｃとは異なる距離のところ に配置された追加の測定ヘッド（図示せず）が透明ディスク１０の単一の格子線 を通過することによって創出される。かくして、チャンネルＤの信号は、軸の特 定の角度位置に対応する基準パルスを供給する。ラインＤのこのパルスは、同期 カウンターをリセットするためと、ＯＲゲート２２及び割り込みライン２３を介 して割り込み命令を上記コンピュータに送るためとに用、いられるフリップフロ ップをセットする。

チャンネルＡ、Ｂ、Ｃの各々は、それぞれの測定ヘッドに対応する上述した感光 半導体デバイスからのパルスを方形波に変換し、ラッチ２６に接続されたライン ２５に供給するシュミットトリガ−を備えている。各ラッチ２６は、タイマーバ ス２９によってフィフォ（先入れ先出し）バッファー２７に接続されている。各 チャンネルＡ、Ｂ、Ｃに属する各部品は、それぞれの部品の参照番号の後にＡ、 Ｂ又はＣを付して示されている。

ラッチ２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃは、タイマーバス２８によって同期カウンター ２１に接続されている。カウンター２１は、精密クロック回路又は発振器３０か らのパルスを計数する。

３つのフィフオバッファ−２７Ａ、２７Ｂ及び２７Ｃは、いずれも、データバス ３１及び上記コンピュータのアドレスデコーダ３２に接続されている。

ライン２５Ｃは、ＯＲ回路２２の一方の入力端に接続されており、ラインＤの同 期信号を受け取ったとき送られる上記割り込み命令に加えて、各格子線が通過す る毎に１回割り込み命令がコンピュータへ送られるようになされている。これら の割り込み命令に従ってコンピュータは、アドレスデコーダ３２を経て各バッフ ァ２７Ａ。

２７Ｂ、２７Ｇへ信号を送ることによって１つの格子線と次の格子線が各測定ヘ ッドを通過する間の時間に相当する時間間隔で各バッフ、ア２７Ａ、２７Ｂ、２ ７Ｃの出力を要求することができる。

操作中、クロック３０は、常時作動しており、その出力信号の１つ１つがカウン ターを１つづつ進める。チャンネルＤの同期パルスがフリップフロップ２０をセ ットすると、カウンター２１がゼロにリセットされる。

パルスは、３箇所の測定点において観察された透明ディスク１０の角度位置に応 じての時間遅延の後、チャンネルＡ、Ｂ、Ｃから対応するラッチ２６Ａ、２６Ｂ 、２６Ｃに到達する。各チャンネルにおいて、タイマーバスからラッチ２６Ａ、 ２６Ｂ、２６Ｇによって受け取られたカウントは、ライン２５Ａ、２５Ｂ、２５ Ｃ上のパルスの先行縁がそれぞれのラッチ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃに到達した瞬 間にそれぞれのフィフォバッファ２７Ａ。

２７Ｂ、２７Ｃへ移送される。

アドレスデコーダ３２の制御に従ってバッファ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃからデー タバス３１を通して３つ１組のカウンターが次々に取り出され、後述する事後処 理のためにコンピュータ内に表の形で記憶される。図６のインタフェース回路は 、コンピュータが読取り値を収集し、その測定値から軸の変位量を格子線１本に つき１組の読取り値の割合で算出することを可能にする。

コンピュータは、各チャンネルＡ、Ｂ、Ｃから１つづつ、３つ１組の読取り値を 処理する。各読取り値は、軸が関連する角度位置にまで回転するのに要した時間 を表す。コンピュータは、印１り込み命令の頻度をカウントすることによって得 られた軸の角速度に関する入力を用いて、上記記憶されていた読取り値を角度情 報に変換する図５において、Ａ、Ｂ、Ｃは、３基の測定ヘッドの位置を表す。こ れらの位置は、正三角形のコーナーに位置し、互いに距１ｌｌｌ　（エル）だけ 離隔されている。各測定ヘッドに対する軸の軸線の位置は、例えば測定ヘッドＡ の場合でいえば、Ａからの距離ｍによって、又、Ａを通る垂直線と、軸線とＡを 結ぶ線ＡＳとの間の角゛αによってめられる。コンピュータは、位置Ａ、Ｂ、Ｃ において測定された軸の角度位置であるＡ、　−Ｂ、−Ｃの３つの価を１組とし て次々に得られる値の組を記憶している。これらの値の組は、直前の同期パルス が検出されてから軸が回転した角度として表されている。図５に示される角−ａ 及びｂは、下式によって表される。

−ａ　ニーＡ−−Ｂ・・・・・・・・・・・・令　（２＋−ｂ＝２π−（−Ａ− −Ｃ）争・一番・・・・番（３）図５に示された２つの三角形に関する正弦方程 式を用いれば、小角αに関して、下式が得られる。

・・・・・・・・・（４） 測定ヘッドの中心からの軸の水平方向の変位は、下式によって得られる。

はぼα・ｍ　・・・・・・・・・・・・・（６）図７は、本発明のの軸変位測定 装置を軸受に対する軸の側方変位の測定に応用した場合を示す。軸４０は、可撓 取付部材４３を介して機械ベース４２に取り付けられた軸受４１内に回転自在に 支承されている。光格子４４を有するディスクが、軸４０に固定されており、測 定ヘッドを担持したプラットホーム４５が、剛性の取付部材４６によって軸受４ １に固定されている。コンピュータからの出力が、回転する軸４０の、軸受４１ に対する振動に関する情報を供給する。

図８に示された構成は、プラットホーム４５が剛性の取付部材４７によっ、て機 械ベース４２に固定されているという点で図７のものと異なる０図８の構成では 、コンピュータの出力は、軸４０及びその軸受４１の、機械ベース４２に対する 動きを表示する。

図９（側面図）及び８１０（端面図）は、軸４ｏに固定された部品４９の寸法を 測定するために本発明の軸変位測定装置を用いる方法を示す、この場合、測定ヘ ッドのプラットホーム４５を垂直ガイド４８に沿って機械ベース４２に対して摺 動自在に取り付ける。プラットホームに固定された表面追従探針５２により、プ ラットホームが部品４９の輪郭に追従するようにする。垂直方向の動きを測定す るだけであるから、２基の測定ヘッド５゜、５１で十分である。この例では、軸 は固定であり、軸変位測定装置は、軸に対するプラットホーム４５の垂直方向の 変位を測定する。

本発明の軸変位測定装置は、又、軸受に対しうる軸のクリアランスを所定の限度 内に維持するために、角度的に離隔して配置された軸受ポケット内の流体圧が増 減されるようにしだ液圧式軸受のような自動軸受を制御するのに用いることもで きる。その場合、軸変位測定装置は、所要のクリアランスを維持するために系内 の流体圧を制御するのに用いることができる情報を提供する。

同様にして、電磁石式軸受においては、軸と電磁石との間に荷重の変化に応じて 所要の空隙を維持するように電磁石式軸受への電流を制御するために本発明の軸 変位測定装置の出力を利用することができる。

個々に例示したディスク１０の代わりに、外表面に反射性格子を形成されたドラ ムを用いることができ、ドラムの外側に光源と検出器を設けることができる。あ るいは別法として、ドラムを、透明なものとし、ドラムの内部に光源を、そして ドラ゛ムの外部に検出器を配置すしてもよく、あるいその逆に配置してもよい。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．軸の、その軸線に対して横断方向の相対変位量を表示するための変位測定装 置であって、（ａ）第１ステーションに配置されており、該第１ステーションに おいて測定された前記軸の角度変位を表す電気信号を第１チャンネルに創出する ための第１検出器と、 （ｂ）前記第１ステーションから角度的に離隔した第２ステーションに配置され ており、該第２ステーションにおいて測定された前記軸の角度変位を表す電気信 号を第２チャンネルに創出するための第２検出器と、（ｃ）前記第１及び第２チ ャンネルからの情報を処理し、前記第１検出器と前記軸との間、及び、前記第２ 検出器と該軸との間の、該軸の軸線に対して横断方向の相対変位量を表示するた めの処理手段と、から成る軸変位測定装置。
2. ２．前記軸と共に回転するように装着された光格子を担持したディスクを含み、 前記各検出器は、該光格子の格子線が前記各ステーションを通過するのに対応し て電気信号を創出するようになされた感光デバイスから成るものであることを特 徴とする請求項１に記載の軸変位測定装置。
3. ３．前記第１及び第２ステーションから角度的に離隔した第３ステーションに配 置されており、該第３ステーションにおいて測定された前記軸の角度変位を表す 電気信号を第３チャンネルに創出するための第３検出器を含み、前記処理手段は 、前記３つのすべてのチャンネルからの情報を用いて、前記軸の、軸線に対して 横断方向の平面内の位置を表示するようになされていることを特徴とする請求項 １又は２に記載の軸変位測定装置。
4. ４．前記３つの検出器は、互いにほぼ１２０°離隔されていることを特徴とする 請求項３に記載の軸変位測定装置。
5. ５．前記２つの検出器は、前記軸の両側に互いにほぼ１８０°離隔して配置され ており、前記処理手段は、該２つの検出器を結ぶ線に対して直角方向の前記軸の 変位を表示するようになされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸 変位測定装置。
6. ６．前記第１及び第２ステーションからほぼ９０°角度的に離隔した第３及び第 ４ステーションに配置されており、該第３及び第４ステーションにおいてそれぞ れ測定された前記軸の角度変位を表す電気信号を第３及び第４チャンネルに創出 するための第３及び第４検出器を含み、前記処理手段は、それぞれ２つの検出器 を結ふ線に対して直角方向の前記軸の変位を表示するようになされていることを 特徴とする請求項５に記載の軸変位測定装置。
7. ７．前記検出器の１つの出力から前記軸の角度位置及び角速度の情報を創出する ために手段を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の軸の角度位 置及び角速度及び変位測定装置。