JP2002028836A - ボールネジ測長装置 - Google Patents
ボールネジ測長装置Info
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Abstract
ルネジ長を測定する。 【解決手段】 一端はサーボモータ13に取り付けられ
他端はその端面が露出しているボールネジ1と、検出ヘ
ッド面が端面に近接するように配置される近接センサ2
とを備える工作機械であって、近接センサ2は検出ヘッ
ド面と該端面との間の距離を測定する。
Description
た工作機械に関する。
工作機械、たとえばマシニングセンタは、ボールネジ
1,ボールネジナット10,テーブル11,工具12,
サーボモータ13および数値制御装置14(以下NC制
御装置とよぶ)とから構成される。テーブル11はボー
ルネジナット10上に固定されており、ボールネジナッ
ト10はボールネジ1に螺嵌されている。従って、制御
装置14がサーボモータ13に回転(回転回数と回転角
度)の指示を与えると、サーボモータ13はそれに従っ
て回転してボールネジ1を回転させる。ボールネジ1が
回転すると、ボールネジナット10がボールネジの螺刻
に従って図1の左右の方向に移動すると共にテーブル1
1が同じように移動する。加工対象品15はテーブル1
1の上に固定されている。工具12は工作機械に対して
絶対的な位置に取り付けられていて、テーブル11によ
り適切な加工すべき位置に移動された加工対象品15に
加工を施す。加工対象品15を取り替えても常に正しい
位置に加工を施すために、NC制御装置14は機械の出
荷の時点において、サーボモータ13の回転回数および
回転角度とテーブル11の位置が一対一に対応するよう
になっている。すなわち、ボールネジ1がテーブル11
と工具12の位置の基準となっている。NC制御装置1
3により、ある回転回数および回転角度がサーボモータ
13に指示されれば、テーブル11は常に同じ位置に運
ばれる。
ールネジ1の回転で生じた摩擦によってボールネジ1が
熱膨張する。特に近年では工作機械の回転が高速化し
て、ボールネジの熱膨張が加工精度の低下に影響を与え
る問題が大きくなっていた。具体的には、ボールネジ1
が熱膨張によって伸びるとボールネジ1の螺子部も同じ
ように伸びる。NC制御装置14がテーブル11をある
予定位置に停止させるべく、出荷当初に設定した回転回
数と回転角度をサーボモータ13に指示してもボールネ
ジ1が伸びていれば、ボールネジナット10がその伸び
た螺刻に従って移動するのでテーブル11がその伸び量
に対応した予定しない位置まで移動する。工具12がそ
の位置で加工対象品15に加工を施すと、その伸び量に
対応したテーブルの移動後差分だけ加工位置にずれが生
じることになる。
下を防ぐため、以下の手段をとっていた。たとえば、ボ
ールネジ1を中空として、該中空部に冷却液を通して温
度を一定に保ってボールネジ1の熱膨張自体を抑制する
方法が取られる場合があった。しかし、この方法では回
転するボールネジ1に冷却液を流すことになるため、冷
却液を流すためのロータリジョイントからの冷却液の漏
れが発生しやすい。特に長期にわたってこの漏れを完全
に防止することは困難であった。また他の方法として
は、ボールネジ1を予めその軸方向に引張って、プリテ
ンションを与えて、その状態でボールネジ1を工作機械
に取り付ける方法が取られることもあった。この方法で
は、温度上昇による熱膨張はプリテンションを低減化す
るにとどまってボールネジ1自体の伸びが抑制され加工
精度の低下を防ぐことができる理論上の利点があった。
しかし、温度が上昇しない状態では負荷したプリテンシ
ョンによってボールネジ1のサポート部のアンギュラー
ベアリングが大きな負荷を受けたり、またはその他の機
械部品がプリテンションによって変形を起こす実際上の
問題があった。その為、ボールネジ1が実際に10℃程
度上昇するのに対して、負荷可能なプリテンションは温
度上昇に換算して上限3℃程度にとどまり熱膨張の影響
を完全に除去することはできなかった
によって生じたボールネジ1の伸びの長さを検出し、そ
の長さをもとにサーボモータに補正信号を計算して、出
荷当初に設定した回転回数と回転角度に当該補正分を考
慮した新たな回転回数と回転角度をサーボモータ13に
指示するフィードバック方式が提案されている。具体的
には、図3に示したボールネジ1にガラス製の測長用ス
ケール16を並設し、ボールネジ1の膨張による長さの
変化を検知する。ボールネジ1の長さに伸びが認められ
れば、それをフィードバックして補正すべき回転回数と
回転角度を含めてNC制御装置14がサーボモータ13
に回転回数および回転角度を連絡する。
ィードバック方式の技術では、さらに、以下の問題があ
った。工作機械では冷却液(切削油)が使用されたり、
または切粉が発生するので、ガラス製の測長用スケール
が汚れやすい。また、ボールネジ全長にわたって測長ス
ケールを併設する必要があるので、汚れ防止の部材を取
り付けるのが困難である。また、一旦スケールが汚れる
とスケールによる測長が出来ず、この状態でフィードバ
ック方式を採用しても適切な補正を行うことが不可能と
なる。また更に、当該測長用スケールの材料であるガラ
スと、当該工作機械を構成している金属材料(たとえ
ば、鋼,または鋳鉄)とのぞれぞれにおいて、熱膨張係
数が異なる問題が有る。従って測長ができたとしても、
環境温度に差が生じている限り、その測長結果には温度
に対応した大きな誤差が含まれてしまう。具体的には1
℃の温度変化に対して1mで3μmもの誤差を生じる可
能性が有る。
ボモータに取り付けられ他端はその端面が露出している
ボールネジと、検出ヘッド面が該端面に近接するように
配置される該近接センサとを備える工作機械であって、
該近接センサは該検出ヘッド面と該端面との間の距離を
測定することを特徴とする工作機械を提案する。これに
より、測長スケールを利用することなく容易にボールネ
ジ長を測定することが可能となる。
明する。ここで、図1は本発明が適用されるボールネジ
部を示した全体図であり、図2は特にボールネジ端部1
a付近を拡大した図である。図1に示すように、ボール
ネジ1はベアリング21および22によって支持されて
いる。ボールネジ1の一端は結合子23によってサーボ
モータ13に結合されていて、サーボモータ13の回転
がボールネジに伝達される。ボールネジ1の他端1aに
は何も結合されておらず、その端面は露出している。近
接センサ2は、近接センサ2の検出面がその端面に対向
するように配置される。近接センサ2の信号は近接セン
サ用アンプ17,NC制御装置14,サーボアンプ19
を介してサーボモータ1にフィードバックされる。
近接センサ2はボールネジ1の端部に近接するように配
置するのが望ましい。従って、予めボールネジ1の温度
上昇を測定した上でそれに対する伸び長さを予測して、
その長さ分をボールネジ1の端部1aから最低限の距離
として確保し、さらに近接センサ2とボールネジ端部1
aとのなす隙間を変化させたときに、当該隙間距離の変
化に伴って近接センサ2の出力電圧が線形に変化する距
離の範囲となるように配置するのが好ましい。なお実際
には、測定対象であるボールネジ1が温度による熱膨張
で当該隙間が狭くなって近接センサ2の出力に変化が生
じる現象とは別に、さらに近接センサ2は図4に示すよ
うに近接センサ2と端部1a自身の出力値が温度によっ
て変化する特性を有している。従って、近接センサ2の
出力が当該間隔の変化に対して線形変化し、さらに近接
センサ2の温度に対する出力の変化も線形となるように
近接センサ2と端部1aとの間隔を選択して近接センサ
2を配置すれば、温度変化が生じたとしても測定距離に
対する出力電圧に容易に補正が行えるので容易に距離を
測定できる。図4は近接センサ2と測定対象物との距離
が0.4mmの場合における近接センサ2の温度変化に
よる出力電圧の変化を表した図である。この図に示され
るように、0.4mm近傍の距離においては、ほぼ−1
0℃から20℃において温度変化に対して出力電圧が線
形に変化する。具体的には、たとえば、近接センサ2と
ボールネジ1の端部1aとの間隔を温度20℃において
約0.5mmとなるように設定する。このように設定す
れば近接センサ2の出力値は温度変化に対しても線形に
変化するのでその補正が容易である。なお、以上は補正
を容易とするために温度変化に対する出力電圧の変化が
線形に変化する領域を選択したものであって、その他温
度に対して出力電圧が線形に変化しない領域においても
その変動値を考慮して補正を行う限り、本願の目的であ
るボールネジ端部1aの熱膨張による伸びを測定でき
る。また、温度変化に対する出力電圧の線形的な変化が
異なった温度範囲で生じたる近接センサを使用する場合
も上記と同様の基準でボールネジ1に対して近接センサ
2を配置すればよい。
べく高い垂直度となるように、さらにその端部はなるべ
く高い面精度をもつようにすることが望ましい。これら
が高ければ高いほど一般には精度が向上する。ただし、
近接センサ2は回転する端部の時間平均としての端部位
置を検出するので、サーボモータに適切な補正が加えら
れる程度の垂直度や面精度が保たれれば目的を達成でき
る。たとえば、端部の表面粗さは0.1s〜0.2s,
さらにネジ端面と近接センサ2との間の平行度は0.3
μmとなるようにする。
検出をおこなうかについて説明する。ボールネジ1を回
転させない状態でボールネジ1の長さLを測定する。次
に、サーボモータ13によりボールネジ1を回転させ
て、サーボモータ13(ボールネジ1)の回転とテーブ
ル11の位置との対応関係(初期対応関係とよぶ)を取
得する。また、近接センサ2により、この時の端部1a
の位置を測定しこれを基準となる距離Dとする。ボール
ネジ1が温度上昇で熱膨張を始めるとボールネジ1が伸
びてくるので前記初期対応関係に不整合が生じる。この
状態で、ある任意の予定した位置にテーブル11を移動
させるべくサーボモータ13を前記初期対応関係に基づ
いて回転させるとボールネジ1が伸び分ΔLに対応する
量だけテーブル11は余計に移動し、加工時にはこれが
誤差となる。この状態ではボールネジ1が伸びているの
で、近接センサ2が測定する端部1aと検出面との距離
は前記基準となる距離Dよりもボールネジが伸びたΔL
だけ短くなる。従って、この短くなった距離を測長し
て、予定した回転量よりも回転量を減じるようにNC制
御装置14からサーボモータ13に信号を与えれば、ボ
ールネジ1の熱膨張による伸びで初期対応関係がくずれ
てもテーブル11は予定した位置に移動させることがで
き、ボールネジ1の伸びΔLの影響を除去でき、ひいて
は前記加工時の誤差を除去できる。
変化による近接センサ出力電圧の変化を考慮する必要が
有り、たとえば次のように行う。仮に環境温度に変化が
なかったと仮定すれば、近接センサ2の出力電圧Vは距
離(D−ΔL)に直接相当する電圧である。しかし、環
境温度が近接センサ2の初期設定時の温度TIよりもΔ
Tだけ増加しているとすれば、その出力電圧Vは温度増
加分ΔTに対応するだけ電圧ΔVを含んでいる。このΔ
Vは(TI+ΔT)の温度に対する出力電圧V2からTI
の温度に対する出力電圧V1を差し引いた電圧に対応す
る。従って、このΔVを前記出力電圧Vに加えるか若し
くは差し引く補正を行う。その補正後の電圧V’に対応
する距離が実際の熱膨張による伸びΔLとなる。これら
の補正は、図1に示した近接センサ2の出力がフィード
バックされる回路に設けられる補正器18において近接
センサー用アンプ17の出力に対して実行する。その補
正後の出力はNC制御装置14を介してサーボアンプ1
9に入力される。ボールネジ端部1aの表面粗さ,ボー
ルネジ端面部と近接センサ2との平行度、およびボール
ネジ1に対する近接センサの位置を本実施例のとおり設
定したとすれば、その保障精度は1μm以内とすること
ができる。
を利用すればよい。たとえば、本実施例では、渦電流を
測定して変位を測定する近接センサ2を想定している。
センサヘッドの内部のコイルに高周波電流を流してセン
サヘッドの前面から高周波磁界を発生させると、対向す
る端部1aに電磁誘導作用によって渦電流が発生する。
この渦電流は近接センサ2との位置によって変化する。
逆に近接センサ2側では該渦電流の変化によりセンサコ
イルのインピーダンスが変化する。従って、この変化を
電圧または電流等の電気信号に変換させれば、予め近接
センサ2と端部1aとの距離差と該電気信号と対応づけ
と比較して距離が測定できる。
配置される該近接センサを設けることにより、該検出ヘ
ッド面と該端面との間の距離を測定して、当初の距離と
の変化を求めることにより、測長スケールを利用せずに
容易にボールネジ長を測定することが可能となる。
図であり、
拡大した図である。
性の例を示した図である。
Claims (6)
- 【請求項1】一端の端面が露出しているボールネジと、
所定の温度において検出ヘッド面が該端面と一定の距離
をもって近接して配置される近接センサとを備える工作
機械であって、該近接センサは該検出ヘッド面と該端面
との間の距離を測定し、該一定の距離と比較することに
より該ボールネジ長さの伸び量を測定することを特徴と
する工作機械。 - 【請求項2】請求項1において、前記距離の測定は該端
面の位置に応じて生じる該渦電流の変化を該近接センサ
が検出し電気信号に変換することにより測定することを
特徴とする工作機械。 - 【請求項3】請求項2において、温度に対する該近接セ
ンサの電気信号の変化量を予め把握し、前記測定におい
て変換された該電気信号から該変化量を補正することに
より温度の変化を除去した前記伸び量を測定するするこ
とを特徴とする工作機械。 - 【請求項4】請求項2乃至3において、該渦電流は該近
接センサの内部に備えられたコイルを流れる高周波電流
によって生じる高周波磁界に応じて発生することを特徴
とする工作機械。 - 【請求項5】請求項1乃至4において、さらに、ボール
ネジの螺刻に従って移動するテーブルと、該テーブルを
ボールネジの方向に移動させるサーボモータとを備え、
前記伸び量に応じて該サーボモータの回転量に補正を加
える工作機械。 - 【請求項6】請求項1乃至5において、さらに、該近接
センサが前記一定の距離を保った条件の下で、該テーブ
ルの任意の位置と該サーボモータの任意の回転量とが一
対一に対応する初期対応関係を備え、該補正は該伸び量
に対応する回転量を該初期対応関係における回転量に付
加または削除することで補正することを特徴とする工作
機械。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000214371A JP2002028836A (ja) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | ボールネジ測長装置 |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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JP2002028836A5 JP2002028836A5 (ja) | 2005-04-07 |
Family
ID=18709960
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000214371A Pending JP2002028836A (ja) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | ボールネジ測長装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2002028836A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006030970A1 (de) * | 2006-07-03 | 2008-01-17 | Claas Selbstfahrende Erntemaschinen Gmbh | Methode zur Datenkonfiguration und Bereitstellung insbesondere für landwirtschaftliche Arbeitsmaschinen |
TWI407026B (zh) * | 2010-07-30 | 2013-09-01 | Univ Nat Changhua Education | 滾珠導螺桿預壓力失效診斷方法及其裝置 |
WO2017140236A1 (zh) * | 2016-02-15 | 2017-08-24 | 李佑龙 | 用于螺丝制造设备的螺丝检测装置 |
JP2019144088A (ja) * | 2018-02-20 | 2019-08-29 | オークマ株式会社 | ねじ送り機構の診断方法 |
-
2000
- 2000-07-14 JP JP2000214371A patent/JP2002028836A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN108883439A (zh) * | 2016-02-15 | 2018-11-23 | 李佑龙 | 用于螺丝制造设备的螺丝检测装置 |
JP2019144088A (ja) * | 2018-02-20 | 2019-08-29 | オークマ株式会社 | ねじ送り機構の診断方法 |
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