JP5836186B2 - 歯車検査装置及び方法 - Google Patents
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Description
また、各種歯車装置を有する機械製品においては、震災等で生じる設計時の想定を超える負荷に対する安全性確保の観点から、歯車装置の保守管理の要求が高まっている。
藤尾ら(非特許文献3参照)は、高解像度CCDイメージセンサを用いて斜入射レーザ干渉法による歯車歯面形状偏差の測定手法の開発を行っている。この手法によって、従来の触針式の歯形・リード試験機と同程度の精度で、歯車歯面形状を測定可能であることが明らかとなっている。
ただし藤尾らや永田らの手法は、比較的高額で大きな装置を必要とする。また、これらの手法を用いる場合、計測時には歯車を停止させる必要があり、計測に要する時間も比較的長い。
同発明は、歯車の歯面等の損傷検知方法及び装置に係るものであり、歯面に対してレーザ光を照射し、その反射の様子を調べるものである。同発明によれば、消しゴム程度に小形で数万円程度のレーザセンサ1つで容易に歯面状況を把握できる。
このため、特許文献2が開示する発明においても、全ての歯に損傷や製造誤差がある場合に高精度に歯面状態を診断するためには、損傷前の理想的な状態の歯車、すなわちマスター歯車で測定された基準強度曲線データを用いるのが望ましい。
しかしながら、マスター歯車を全ての機械製品について用意することは、多品種生産の状況下では困難である。
この歯車検査装置によれば、強度プロファイルの概算値を隣接歯の影響に応じて補正することで、得られる強度プロファイルの理論値が高精度である。このため、強度プロファイルの理論値を実測値と比較すれば、検査対象歯車の歯面の状態を高精度にて判定することができ、損傷を早期に確実に発見することができる。
また、この歯車検査装置は、検査対象歯車の諸元に基づいて歯形曲線を演算するので、複数種類の検査対象歯車を迅速に検査することができる。よって、この歯車検査装置は、他品種生産の全数検査に適している。
この結果、強度プロファイルの実測値と理論値との間で、反射光量の最大値と最小値との差(レンジ)が高精度にて一致し、反射光量のオフセット量、即ちバックグランドの高低のみを調整すれば、実測値と理論値とを比較することができる。つまり、実測値と理論値とを比較する際に、レンジを調整する必要がない。このため、この歯車検査装置では、理論値のレンジを任意に調整する必要がなく、実測値と理論値とを客観的に比較することができ、判定を的確に行うことができる。
マスター歯車を準備することは、特注品などの一品物や少量生産品では困難であるが、基礎データ取得用歯車は、加工精度に関していえば検査対象歯車と同程度の歯車であればよく、且つ、傷が無い歯車であればよい。このため、基礎データ取得用歯車を準備することは容易であり、基礎データを低コストで容易に求めることができる。
また、基礎データを求めた後には、基礎データ取得用歯車を製品として用いることもできる。
そして、隣接歯有歯車及び隣接歯無歯車は、加工精度に関していえば検査対象歯車と同程度であればよく、且つ、傷が無い歯車であればよい。このため、隣接歯有歯車及び隣接歯無歯車を準備することは容易であり、近似関数も低コストで容易に求めることができる。
また、近似関数を求めた後には、隣接歯有歯車を製品として用いることもできる。
この結果、この構成の歯車検査装置は汎用性が更に高く、他品種生産の全数検査に適している。
この構成では、サンプリング位置を回転中心として周方向及び径方向に移動可能にレーザセンサが設けられているので、迅速且つ高精度にて基礎データを取得することができる。
この歯車検査方法によれば、強度プロファイルの概算値を隣接歯の影響に応じて補正することで、得られる強度プロファイルの理論値が高精度である。このため、強度プロファイルの理論値を実測値と比較すれば、検査対象歯車の歯面の状態を高精度にて判定することができ、損傷を早期に確実に発見することができる。
また、この歯車検査方法は、検査対象歯車の諸元に基づいて歯形曲線を演算するので、複数種類の検査対象歯車を迅速に検査することができる。よって、この歯車検査方法は、他品種生産の全数検査に適している。
この結果、強度プロファイルの実測値と理論値との間で、反射光量の最大値と最小値との差(レンジ)が高精度にて一致し、反射光量のオフセット量、即ちバックグランドの高低のみを調整すれば、実測値と理論値とを比較することができる。つまり、実測値と理論値とを比較する際に、レンジを調整する必要がない。このため、この歯車検査装置では、理論値のレンジを任意に調整する必要がなく、実測値と理論値とを客観的に比較することができ、判定を的確に行うことができる。
マスター歯車を準備することは、特注品などの一品物や少量生産品では困難であるが、基礎データ取得用歯車は、加工精度に関していえば検査対象歯車と同程度の歯車であればよく、且つ、傷が無い歯車であればよい。このため、基礎データ取得用歯車を準備することは容易であり、基礎データを低コストで容易に求めることができる。
また、基礎データを求めた後には、基礎データ取得用歯車を製品として用いることもできる。
また、近似関数を求めた後には、隣接歯有歯車を製品として用いることもできる。
この結果、この構成の歯車検査方法は汎用性が更に高く、他品種生産の全数検査に適している。
図1は、歯車検査装置の概略構成とともに、検査対象の歯車(以下、検査対象歯車ともいう)10を示している。検査対象歯車10は例えば平歯車であり、検査対象歯車10の外周には周方向にて等間隔で複数の歯12が形成されている。各歯12は、検査対象歯車10の回転軸と平行に延びている。つまり、検査対象歯車10の歯筋は回転軸と平行に延びている。歯車検査装置にとって、各歯12が検査対象の歯(検査対象歯)であり、歯車検査装置は、各検査対象歯12の表面状態を判定することができる。
なお、検査対象歯車10は、はすば歯車や転位歯車であってもよい。
また、レーザ光の照射角度は、検査対象歯車10の回転軸と直交する面に対して傾斜しており、検査対象歯車10が回転しても、検査対象歯12の表面に対してレーザ光が垂直に入射することはない。このため、受光部24によって検出されるのは、常に、正反射光ではなく乱反射光である。
また、検査対象歯車10がはすば歯車の場合、基礎円筒ねじれ角に沿ってレーザ光を照射可能なように、レーザセンサ20を傾けて配置する。この場合、はすば歯車に対するレーザセンサの位置と姿勢は、適当な方程式を解くことにより求めることができる。
なお、検査対象歯車10の回転速度が一定であれば、回転角度と回転時間との関係に基づいて回転角度を求めることができる。この場合、角度検出手段としてのロータリエンコーダは不要である。
図1は、判定装置28の機能的な構成を示しており、判定装置28は、測定装置26から入力された検査対象歯車10の実測値を記憶する検査対象歯車実測値記憶部30を有する。
歯車諸元記憶部32は、検査対象の検査対象歯車10の諸元を記憶している。例えば、歯車諸元記憶部32は、歯車10の諸元として、モジュール、カッタ歯先丸み半径e、圧力角α、歯先幅中心角度ζk、転位係数χ、及び、歯数zを記憶している。検査対象歯車10の諸元は、例えば検査の担当者によって判定装置28に入力される。
X=rbcosθ+rbθcosαsin(θ+α)
Y=rbsinθ+rbθcosαcos(θ+α)
X=(rb+x1)cosθ+(rbθ−y1)sinθ−ecos(θ+β)
Y=(rb+x1)sinθ−(rbθ−y1)sinθ−esin(θ+β)
ただし、
x1=(χ−1.25)m+e
y1=x1tanα−e/cosα
β=tan−1((rbθ−y1)/(−x1))
ζk=(π+4χtanα)/z−2(invαk−invα)
ただし、
αk=cos−1(d0cosα/dk)
なお式中、rbは基準ピッチ円半径であり、dkは歯先円直径である。
なお、基礎データ取得用歯52における、基礎データを測定するときにレーザ光を照射する位置(サンプリング位置)は、ピッチ円と歯面とが交わるピッチ点であるのが好ましいが、ピッチ点から多少離れていてもよい。
基礎データ取得用歯車50の基礎データ取得用歯52の表面には損傷が無いのが望ましいため、基礎データ取得用歯車50は未使用であるのが望ましい。
また、表面粗さが同程度であるとは、精密仕上げならば精密仕上げ、上仕上げならば上仕上げ、並仕上げならば並仕上げ、荒仕上げならば荒仕上げというように、仕上げレベルが同一であるという程度の意味である。
ユニット60は平坦なステージ62を有し、ステージ62上には、基礎データ取得用歯車50の軸孔に挿入される歯車固定軸64が立設されている。ステージ62上における歯車固定軸64の位置は、ステージ62に沿う一の方向(Y方向)にて調整可能である。
ステージ62に隣接してスライダー66が設けられ、スライダー66の位置は、Y方向と直交するX方向にて調整可能である。スライダー66には回転ピン68を介してアーム70が相対回転可能に連結されている。歯車固定軸64及び回転ピン68はXY平面に直交しており、アーム70はXY平面に沿って回転する。
なお、ユニット60の歯車固定軸64に検査対象歯車10を固定し、図示しない回転機構で検査対象歯車10を回転させれば、検査対象歯車実測値を測定することもできる。
なお、隣接歯無歯車87は、隣接歯有歯車86の一つ以上の歯を除去することによって製造することができる。
規格化影響関数演算部82は、近似関数演算部80によって演算された近似関数を、隣接歯有歯車86及び隣接歯無歯車87とはモジュール及び歯数の異なる検査対象歯車10に適用可能にするために規格化し、これにより規格化影響関数を求める。
位相は、隣接歯有歯車86及び隣接歯無歯車87の1つの歯に相当する回転角度を1周期として、回転角度の位置を1周期における位置として表すものである。
規格化割合は、隣接歯有無差を、隣接歯有歯車86の歯面部における実測値の最大値と最小値との差(歯面計測電圧レンジ)で除した値を百分率で示すものである。
規格化影響関数は、ピッチ点付近で傾きが変化している。
そして、判定装置28は、理論値演算部89、実測値理論値差演算部90、判定部91及び出力部92を有する。
理論値演算部89は、概算値演算部40で演算された概算値を、規格化影響関数記憶部84に記憶されている規格化影響関数を用いて補正することによって、隣接歯の影響まで考慮した強度プロファイルの理論値を演算する。
図12は、歯車検査方法の概略的な手順を示すフローチャートである。なお、図12の歯車検査方法の実施の前に、検査対象歯車10の諸元、歯形曲線方程式、基礎データ、及び、規格化影響関数は、判定装置28に記憶されているものとする。
歯車検査方法では、まず、検査対象歯車10の検査対象歯12について、強度プロファイルの実測値を測定する(検査対象歯車実測値測定工程S10)。
図13は、基礎データ取得方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
基礎データ取得方法では、まず、検査対象歯車10と同程度の表面粗さ及び表面色を有する基礎データ取得用歯車50が準備される(基礎データ取得用歯車準備工程S30)。
従って、全範囲の測定が終了するまで、照射位置が一定のまま、照射角度θ及び照射距離Lが段階的に変更され、各段階において反射光量が測定される。そして、全範囲の測定が終了すると、基礎データの取得が終了する。
図14は、規格化影響関数取得方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
規格化影響関数取得方法では、まず、検査対象歯車10と同程度の表面粗さ及び表面色を有する隣接歯有歯車86が準備される(隣接歯有歯車準備工程S40)。そして、隣接歯有歯車86について、強度プロファイルの実測値が測定される(隣接歯有歯車実測値測定工程S42)。
そして、隣接歯有歯車86の実測値と隣接歯無歯車87の実測値の差(隣接歯有無差)が演算され(隣接歯有無差演算工程S48)、隣接歯有無差が一次関数で多項式近似され、近似関数が演算される(近似関数演算工程S50)。
それから、近似関数が規格化されて、規格化影響関数が演算され(規格化影響関数演算工程S52)、規格化影響関数が取得される。
この歯車検査装置及び検査方法によれば、強度プロファイルの概算値を隣接歯の影響に応じて補正することで、得られる強度プロファイルの理論値が高精度である。このため、強度プロファイルの理論値を実測値と比較すれば、検査対象歯車10の歯面の状態を高精度にて判定することができ、損傷を早期に確実に発見することができる。
また、この歯車検査装置及び検査方法は、検査対象歯車10の諸元に基づいて歯形曲線を演算するので、複数種類の検査対象歯車10を迅速に検査することができる。よって、この歯車検査装置及び検査方法は、製造現場における品質管理用途に適しており、特に、精度未達の製品や損傷等のある製品を容易に選別できるので、他品種生産の全数検査に適している。
一方、図15(b)は、板状の金属片を用いて測定された基礎データを用いて演算された比較例の理論値と、検査対象歯車10の実測値とを示している。図15(b)に示したように、比較例の理論値と検査対象歯車10の実測値との間では、レンジが大きく異なっている。
マスター歯車を準備することは、特注品などの一品物や少量生産品では困難であるが、基礎データ取得用歯車50は、加工精度に関していえば検査対象歯車と同程度の歯車であればよく、且つ、傷が無い歯車であればよい。つまり、製品の中から損傷などのない歯車を基礎データ取得用歯車50として選出すればよい。このため、基礎データ取得用歯車50を準備することは容易であり、基礎データを低コストで容易に求めることができる。
また、基礎データを求めた後には、基礎データ取得用歯車50を製品として用いることもできる。
また、近似関数を求めた後には、隣接歯有歯車86を製品として用いることもできる。
この結果、この構成の歯車検査装置及び検査方法は汎用性が更に高く、他品種生産の全数検査に適している。
図16(a)及び(b)から、規格化影響関数は、検査対象歯車10とはモジュール及び歯数が異なる隣接歯有歯車86及び隣接歯無歯車87を用いて演算されたものであっても、検査対象歯車10の検査に適用可能であることがわかる。
また、歯車検査装置及び検査方法を適用する機械製品は、歯車装置を有していればよく、特に限定されることはない。
12 検査対象歯
20 レーザセンサ
22 照射部
24 受光部
26 測定装置
28 判定装置
36 歯形曲線演算部
38 基礎データ記憶部
40 概算値演算部
50 基礎データ取得用歯車
52 基礎データ取得用歯
60 基礎データ測定用のユニット
62 ステージ
66 スライダー
68 回転ピン
70 アーム
72 ホルダ
78 隣接歯有無差演算部
80 近似関数演算部
82 規格化影響関数演算部
86 隣接歯有歯車
87 隣接歯無歯車
88 隣接歯無歯
89 理論値演算部
91 判定部
Claims (6)
- 検査対象歯車の検査対象歯の表面からの反射光量と前記検査対象歯車の回転角度との関係を表す強度プロファイルの実測値と、前記強度プロファイルの理論値とを比較して、前記検査対象歯の表面状態を判定する歯車検査装置であって、
前記検査対象歯車の諸元に基づいて、前記検査対象歯の外形形状を表す歯形曲線を演算する歯形曲線演算部と、
前記検査対象歯車と同程度の表面粗さ及び表面色を有する基礎データ取得用歯車の基礎データ取得用歯のサンプリング位置における、照射角度と照射距離と反射光量との関係を表す基礎データを記憶する基礎データ記憶部と、
前記歯形曲線及び前記基礎データに基づいて、前記強度プロファイルの概算値を演算する、概算値演算部と、
前記強度プロファイルの概算値を、前記検査対象歯に隣接する隣接歯の影響に応じて補正して前記強度プロファイルの理論値を演算する理論値演算部と
を備えることを特徴とする歯車検査装置。 - 前記隣接歯の影響を表す近似関数を演算するための近似関数演算部を更に備え、
前記近似関数演算部は、
前記検査対象歯車と同程度の表面粗さ及び表面色を有する隣接歯有歯車の隣接歯有歯の表面からの反射光量と前記隣接歯有歯車の回転角度との関係を表す強度プロファイルの実測値と、隣接歯が存在しない隣接歯無歯を有する点において前記隣接歯有歯車とは異なる隣接歯無歯車の前記隣接歯無歯の表面からの反射光量と前記隣接歯無歯車の回転角度との関係を表す強度プロファイルの実測値との差を演算し、そして、前記差を近似することによって前記近似関数を演算する
ことを特徴とする請求項1に記載の歯車検査装置。 - 前記基礎データを取得する基礎データ取得用ユニットを更に備え、
前記基礎データ取得用ユニットは、
前記基礎データ取得用歯車を固定するステージと、
前記基礎データ取得用歯車の基礎データ取得用歯のサンプリング位置を回転中心として周方向及び径方向に移動可能に設けられ、前記サンプリング位置に向けて光を照射する出射部及び前記サンプリング位置からの反射光を受光する受光部を有するレーザセンサと、
を有する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の歯車検査装置。 - 検査対象歯車の検査対象歯の表面からの反射光量と前記検査対象歯車の回転角度との関係を表す強度プロファイルの実測値と、前記強度プロファイルの理論値とを比較して、前記検査対象歯の表面状態を判定する歯車検査方法であって、
前記検査対象歯車の諸元に基づいて、前記検査対象歯の外形形状を表す歯形曲線を演算する歯形曲線演算工程と、
前記検査対象歯車と同程度の表面粗さ及び表面色を有する基礎データ取得用歯車の基礎データ取得用歯のサンプリング位置における、照射角度と照射距離と反射光量との関係を表す基礎データを記憶する基礎データ記憶工程と、
前記歯形曲線及び前記基礎データに基づいて、前記強度プロファイルの概算値を演算する、概算値演算工程と、
前記強度プロファイルの概算値を、前記検査対象歯に隣接する隣接歯の影響に応じて補正して前記強度プロファイルの理論値を演算する理論値演算工程と、
を備えることを特徴とする歯車検査方法。 - 前記隣接歯の影響を表す近似関数を演算する近似工程を更に備え、
前記近似工程は、
前記検査対象歯車と同程度の表面粗さ及び表面色を有する隣接歯有歯車の隣接歯有歯の表面からの反射光量と前記隣接歯有歯車の回転角度との関係を表す強度プロファイルの実測値である隣接歯有歯車実測値を取得する、隣接歯有歯車実測値取得工程と、
前記隣接歯有歯に隣接する隣接歯が除去されている点において前記隣接歯有歯車とは異なる隣接歯無歯車の隣接歯有歯の表面からの反射光量と前記隣接歯無歯車の回転角度との関係を表す強度プロファイルの実測値である隣接歯無歯車実測値を取得する隣接歯無歯車実測値取得工程と、
前記隣接歯有歯車実測値と前記隣接歯無歯車実測値の差を演算し、そして、前記差を近似することによって前記近似関数を演算する近似工程と
を有することを特徴とする請求項4に記載の歯車検査方法。 - 前記基礎データを取得する基礎データ取得工程を更に備え、
前記基礎データ取得工程は、
前記基礎データ取得用歯車をステージに固定するとともに、前記基礎データ取得用歯車の基礎データ取得用歯のサンプリング位置を中心として周方向位置及び径方向位置を変化可能に、前記サンプリング位置に向けて光を照射する出射部及び前記サンプリング位置からの反射光を受光する受光部を有するレーザセンサを配置する基礎データ取得用歯車配置工程と、
前記サンプリング位置に対する前記センサの回転方向位置及び径方向位置を段階的に変化させながら、各段階において、前記レーザセンサの出射部から前記サンプリング位置に向けて光を照射する一方、前記レーザセンサの受光部にて前記サンプリング位置からの反射光を受光する測定工程と
を有することを特徴とする請求項4又は5に記載の歯車検査方法。
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