JP7374271B2 - 複数のセンサを利用した歯付き物品の測定 - Google Patents

Description

本発明は、歯車および他の歯付き物品を含む工作物の測定に関し、特に複数のプローブまたはセンサを利用したそのような測定に関する。

長年にわたり、触覚プローブ（「接触」または「タッチ」プローブとしても知られている）は、２つのカテゴリーの測定機器：座標測定機（ＣＭＭ）および歯車測定機（ＧＭＭ）に使用されてきており、それらは動作モードによって区別することができる。ＣＭＭによる歯車の測定中、触覚プローブは、歯先、歯面、歯元、またはそれらの何らかの組合せなどの選択された位置（すなわち点）で対象表面に接触する。そのような各接触において、機器は、プローブ先端の座標位置に関する情報を収集し、さらに処理することによって、各接触点の座標を推論することができる。そのような接触点データを試験片の理論モデルと比較すると、実際の測定表面の公称値からの偏差が明らかになる。ＣＭＭは、試験片の形（形状）、位置、およびさらに処理することによって、選択された特徴間の直線的および角度的関係を測定するために使用することができる。

ＧＭＭ法は、一般にインボリュートヘリコイド歯車の歯の表面の測定に限定され、それによって形（形状）、位置、さらに処理することによって、選択された歯面特徴間の直線的および角度的関係を検査することができる。ＧＭＭによる歯車の歯面形状の測定中、触覚プローブは、試験歯車の公称幾何学的形状によって決定される所定の直線状経路に従って空間を通って移動する。ほとんどの種類の測定について、試験片は試験歯車の公称幾何学的形状に従って所定の相対速度に従って同時に回転される。これらの相対運動は、対象試験片の定義された公称幾何学的形状を生成する。公称幾何学的形状を生成するために機器を使用すると、それによって試験片の表面を横切って動かされる際の触覚プローブのいかなる摂動も、その公称からの偏差として機器によって感知されることになる。歯面の表面を試験するためのこの方法は、インボリュートヘリコイド歯車の周知の特別な幾何学的特性の適用に基づいている。

触覚プローブはまた、形状、位置、および多くの種類の試験片の特徴（例えばジャーナル）の関係を試験するために様々な測定機器と共に広く使用されている。

円筒歯車（すなわち、平歯車およびはすば歯車）で測定される最も一般的な特性のいくつかは、次を含む（しかしこれらに限定されない）。
●インデックス（間隔）誤差
●リード（つる巻き線）誤差
●プロファイル（インボリュート）誤差
●歯の厚さ
●歯車シャフトのキー溝などの既知の特徴に対する、ある歯車の歯の別の歯車の歯に対する角度位置
●歯トポグラフィ
●うねり

ベベル歯車（ストレート、スパイラル、ハイポイドを含む）で測定された最も一般的な特性のいくつかは、次を含む（しかしこれらに限定されない）。
●インデックス（間隔）誤差
●歯車表面上の定義された点（例えば、定義済み位置の４５ポイント）での理論上の位置からの偏差
●トポグラフィ測定
●うねり

歯車測定の業界標準では、一般的に歯の表面上の測定位置を推奨している。図１は、点４、６および８がピッチ直径１２で歯のリード方向に（または長さ方向に）確立されている、平歯車の単一の歯２の１つの歯表面の例を図示している。点４は歯の頂部縁に位置し、点６は歯幅の半分に位置し、点８は歯の底部縁に位置している。点４、６、８はリード方向の線１６を画定する（はすば歯車の場合は曲線である）。それぞれ追加の点を有する線１６に平行な追加の線も測定に利用され得る。測定は、確立された点のいくつかまたは全てにおいて行われてもよく、そして接触プローブは、歯を測定するために１つ以上のリード線（すなわち歯すじ）に沿って移動されてもよい。

同様に、歯のプロファイル（またはインボリュート）方向に確立された１つ以上の線に沿って測定を行ってもよい。そのような線１８が、図１に示されており、測定開始歯車直径１０から半値幅点６を通って歯先２０の縁部の外径１４まで延びている。それぞれ追加の点を有する線１８に平行な追加の線も測定に利用され得る。測定は、確立された点のいくつかまたは全てにおいて行われてもよく、そして接触プローブは、歯を測定するために１つ以上のプロファイル線（すなわち、歯すじ）に沿って移動されてもよい。

測定は、通常歯の両側で行われるため、歯の両側を測定すると、上記（片側のみ）のリードおよびプロファイルの歯すじの数は実際には２倍になることが理解されるべきである。

インデックスおよび歯の厚さを測定するとき、測定は好ましくは歯幅の中央のピッチ直径で行われる。したがって、歯車表面を見つけ、歯車表面上の正確な検査位置を位置付けることは、歯車計測学の重要な要件の１つである。

上記で特定された特性を測定するために、歯車測定機（ＧＭＭ）またはＣＭＭの最初のステップは、それぞれの機械の軸に対して接触プローブを用いて歯車の歯および表面を正確に位置付けることを含む。歯と歯車の表面の位置に影響を与える可能性があるいくつかの要因は次のとおりである。
●歯車測定機では、歯車が固定された径方向位置に取り付けられていない場合がある。
●ユーザが測定機に歯車を取り付けると、歯の位置がセットアップごとに半径方向に大きく変わる場合がある。
●部品の取り付けに使用される特定の固定具に基づいて、歯車は異なる高さの位置（通常は垂直方向）に取り付けられることもある。

歯車などの部品を測定するときは、上記の部品の動きならびにユーザの影響などの他の外部要因を考慮する必要がある。

ＧＭＭまたはＣＭＭに取り付けられた歯車の最初の歯を正確に位置付けるために、触覚プローブは以下を含むステップを行う（しかしそれに限定されなくてもよい）。
●歯のギャップを見つける。これは、接触プローブを使用することによって複数の方法で達成される。そのような方法の１つは、以下のステップを含む。
１）ピッチ点に到達するまで接触プローブをＸ方向に移動させ、
２）ピッチ点に到達する前にプローブが歯車の歯に接触すると、歯車をわずかな増分だけ回転し、
３）プローブが歯から離れて所望の歯のギャップ内のピッチ点に到達するまでステップ１および２を繰り返す。
●必要な直径で１つの歯車の歯面を見つけ、
●歯車の歯の頂部および底部縁を見つけ（任意選択または一部の傘歯車には該当しない）、
●両方の歯面上の必要とされる直径および高さで歯車表面上の基準点を見つける。

上記のステップが完了すると、歯車の歯の他の所望の特徴が測定される。しかしながら、いくつかの歯すじが利用される事例では（これは一般的である）、歯の表面を測定するためにかなりの時間が必要とされる。歯の両側が測定され、通常歯車のいくつかの歯が測定されること考えると、触覚プローブで歯車を測定することは、かなり時間がかかる可能性があることが明らかになる。

非接触法によって特定の部分を測定することも知られている。歯車などの工作物の光学的（例えばレーザ）測定および／または検査は、例えば、ＰｒｙｏｒらのＵＳ４，５４７，６７４に開示されている。しかしながら、そのような光学的方法では、歯ならびに基準点（例えばピッチ点および歯の縁）を見つけることはかなり時間がかかり、接触プローブほど再現性がない。また、非接触プローブを使用した特定の特徴の精度は、触覚プローブと比較すると制限される。

本発明は、工作物の検査および／または測定のために触覚および非接触センサ（プローブ）の両方を利用することによって、精度を維持しながら大幅なサイクルタイムの節約をもたらす方法および機械に関する。

平歯車の単一歯の１つの歯表面の例を図示する。 歯車、工具、および他の種類の複雑な形状の工作物の分析測定検査機械を示す。 機械のプローブ支持ヘッド上に触覚プローブを配置した図２の機械を示す。 レーザプローブのような非接触プローブを含む図２の機械を図示する。 非接触プローブが角度のついた位置に向いている図４の機械を示す。 はすば歯車に隣接して位置決めされた非接触プローブを示す。 触覚のみのプロービング、非接触のみのプロービング、および触覚かつ非接触のプロービングの組み合わせのそれぞれについての歯車プロービングサイクルタイムの比較を図示する。 触覚のみのプロービングと比較した、非接触のみのプロービングおよび触覚かつ非接触のプロービングの組み合わせによる歯車プロービングのサイクルタイムの節約を示す。

本明細書で使用される「発明（ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ）」「本発明（ｔｈｅ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ）」および「本発明（ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ）」という用語は、本明細書の主題のすべて、および以下の任意の特許請求の範囲を広く指すことを意図するものである。これらの用語を含む記載は、本明細書に記載の主題を限定すること、または以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するように理解されるべきではない。さらに、本明細書は、本出願の特定部分、段落、記述または図面において、いかなる特許請求の範囲によってカバーされる主題を説明または制限しようとするものではない。本主題は、明細書全体、すべての図面および以下のあらゆる特許請求項を参照することによって理解されるべきである。本発明は、他の構成が可能であり、様々な方法で実施または実行されることが可能である。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことが理解される。

ここで、本発明の詳細を、単に例として、本発明を例証する添付図面を参照して論じる。図面において、類似の特徴または構成要素は、同様の参照番号によって参照される。本発明をよりよく理解し、見やすくするために、ドアおよび機械の内部または外部の防護物は図面から省略されている。

本明細書の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、ならびにその変形の使用は、それ以降に列挙された項目およびその等価物ならびに追加の項目を包含することを意味する。以下に、図面を説明する際に、上部、下部、上方、下方、後方、底部、頂部、前、後などの方向に言及することがあるが、これらの言及は、（通常見られるように）図面に対して都合良くなされている。これらの方向は、文字通りに解釈されることを意図するものではなく、いかなる形態においても本発明を限定するものでもない。

図２は、歯車、工具（例えばホブのような切削工具）および他の種類の複雑な形状の工作物、特に歯を備える工作物の分析測定および検査のための歯車測定機（ＧＭＭ）２２を示す。機械２２は、基部２４、工作物スピンドル支持基部２６および工作物スピンドル２８を備える。平歯車またははすば歯車のような工作物は、当業者には理解されるように、適切な工作物保持装置（図示せず）を介してスピンドル２８上に位置決めされる。工作物は、工作物軸Ｐを中心としていずれの方向Ｗにも回転可能である。所望であれば、テールストック支柱３０およびテールストック３２を、テールストック３２の高さを垂直方向Ｚにおける支柱３０の高さに沿って調節できるように含めてもよい。

機械２２は、基部２４上に位置付けされたプローブ支柱３４をさらに含む。プローブ支柱３４は、基部２４上でＹ方向に水平に移動可能である。支持ヘッド３６がプローブ支柱３４上に位置決めされ、支柱３４に沿ってＺ方向に移動可能である。

支持ブラケット３８は、支持ヘッド３６に取り付けられ、プローブハウジング４０は支持ブラケット３８に取り付けられる。プローブハウジング４０は、プローブ軸Ｂに沿ってＸ方向に水平に移動可能であり、そしてその上にプローブが位置決めされるインデックス可能なプローブ支持ヘッド４２を含む。プローブ支持ヘッド４２は、軸Ｂの周りならびに軸Ａの周り（図５）にインデックス可能であり、軸ＡはＹ方向に延び、軸Ｂに対して直角に配向されている。図２の参照において、方向Ｘ、ＹおよびＺは互いに直交していることが好ましく、工作物軸ＰはＺ方向に延び、プローブ軸ＢはＸ方向に延びる。

機械２２は、プローブ交換が必要なときなどにプローブ支持ヘッド４２に隣接して位置決めできるように、静止していてもよいが好ましくは基部２４上でＹ方向に移動可能であるプローブ保管および交換機構４４をさらに含み得る。

機械構成要素のそれぞれのＸ、Ｙおよび／またはＺ方向の直線移動、ならびにＡ、ＢおよびＰ軸の回りおよび／または周りの回転および／または角運動は、図示されていない別個のそれぞれの駆動手段（例えば、モータ）によって伝えられる。機械構成要素は、互いに関して独立して動くことができ、または互いに同時に動くことができる。駆動手段の各々は、Ｂ＆Ｒモデル番号Ｘ２０ＣＰ１５８６（図示せず）などのコンピュータコントローラ（すなわちＣＮＣ）に入力される命令に従って駆動手段の動作を管理するＣＮＣシステムの一部としてのリニアまたはロータリーエンコーダのようなフィードバックデバイス（図示せず）と関連付けられることが好ましい。

図３は、図２と同じ機械２２を示すが、触覚プローブ４６がプローブ支持ヘッド４２上に配置されている。触覚プローブ４６は通常、概してルビーからなる球形先端４８を含む。プローブ４６は、表面粗さ（すなわち表面仕上げ）を測定するために工作物の表面に沿って移動させる得るダイヤモンド先端プローブ５２（図６）と交換することができる。代替的に、バルクハウゼンプローブ５４（図６）として知られるプローブが、研磨から生じる工作物表面上の研磨焼けを検出するためにプローブ支持ヘッド４２上に位置付けされてもよい。使用されていないとき、触覚プローブ４６、ダイヤモンド先端プローブ５２、およびバルクハウゼンプローブ５４は、プローブ保管および交換機構４４上に位置するのが好ましい。

図２および図３に関するこれまでの議論は、歯車、工具および他の種類の複雑な形状の工作物用の分析測定および検査機械に関する技術の現状を説明している。上述のように、いくつかの歯すじが利用される事例では（これは一般的である）、触覚プローブのみを利用して歯の表面を測定するためにかなりの時間が必要とされる。

本発明者らは、工作物の測定および／または検査のために触覚および非接触センサ（プローブ）の両方を利用することによって、大幅なサイクルタイムの節約を実現できることを発見した。本明細書の文脈において、「プローブ」および「センサ」という用語は、特に別に明記しない限り互換性があることに留意されたい。

図４は、図２に示すような機械２２を示すが、光学プローブ、特にレーザプローブなどの非接触プローブ５０を含む。機械２２で利用される他の種類のプローブと同様に、プローブ５０は、使用されていないときにはプローブ保管および交換機構４４に収容されてもよい。好ましくは、プローブ５０は、３Ｄレーザスキャナを利用し、より好ましくは、部品の歯の表面上にレーザ線を投影するする。他の種類の適用可能な非接触プローブ（例えば光学プローブ）も考えられる。

図５は、１つ以上の軸の周りに、特に、好ましくは互いに直角に配向され、同じ平面、好ましくは水平面内にあるＡおよび／またはＢ軸の周りにプローブの角度配向を可能にするインデックス可能プローブ支持ヘッド４２を介してある角度位置に配向されたプローブ５０を示す。

図６は、歯５８の表面を走査するためにはすば歯車５６に隣接して位置決めされた非接触プローブ５０を示し、走査は、歯車がＰ軸の周りを回転しながら歯の長さに沿ってＺ方向にプローブ移動させて全歯の表面全体を走査することによって達成される。

好ましい実施形態では、触覚プローブを使用して歯車の歯を見つけ、同時にその上の所望の（すなわち所定の）基準点の位置を特定する方法が開発された。上述のように、最初の歯を見つけるための一連のステップは以下を含む。
●歯のギャップを見つけ、
●必要な直径で歯車の歯面を１つ見つけ、
●歯車の歯の頂部およびと底部縁を見つけ、
●両方の歯面上の必要とされる直径と高さで歯車表面上の基準点を見つける。
もちろん、当業者には理解されるように、工作物上の最初の歯を見つけるために他のステップまたは一連のステップが実行されてもよい。

基準点データが決定されると、レーザプローブなどの非接触プローブの位置および経路は、歯の表面を走査するために基準点データに従って調整される。次に、非接触プローブによって収集されたデータから所望の特徴が抽出される。

触覚プローブが最初の歯を見つけて位置付けるために使用されるので、これは以下を含むいくつかの利点を有する。
●触覚プローブで最初の歯を見つけるのがより速い。
●歯車の位置は、Ｚ方向に延びるＰ軸を基準にして放射状にランダムであることができる。
●与えられたピッチ点で触覚プローブによって報告された歯の厚さが使用され、それはより正確である。

工作物上で両方のプロービング技術を使用することで、特定の特性に触覚プローブを使用し、他の特性に非接触プローブデータを使用するように柔軟性が提供される。

本発明の方法の別の利点は、要求される精度を維持しながらサイクルタイムが短縮されることである。例えば、触覚プローブを用いたインデックス試験の使用、およびリードおよびプロファイルのための非接触プローブの使用は、すべての動作に対して非接触プローブを使用するよりもはるかに高速である。これは、多数の歯を有する歯車にとって非常に有利である。

図７Ａは、３．７の通常のモジュールを有する３６歯はすば歯車の触覚のみのプロービング、非接触のみのプロービング、および触覚かつ非接触のプロービングの組合せの各々についてのサイクルタイムの比較を図示する。比較試験は以下を含む。
●インデックス試験－ピッチ点での３６歯の各々の両歯面。
●リード試験－４歯の各々に３歯すじ（各歯の両歯面）。
●プロファイル試験－同じ４歯に３歯すじ（各歯の両歯面）。

触覚プローブのみを使用すると、記載された試験のサイクルタイムは約１１分３０秒である。非接触プローブのみについては、試験のサイクルタイムは約９分３０秒であった。しかしながら、触覚および非接触プローブの組み合わせを利用した試験は、約７分３０秒のサイクルタイムをもたらした。

図７Ｂは、非接触のみのプロービングが、触覚のみのプロービングと比較してサイクルタイムの１８％節約をもたらすことを示す。本発明の組み合わせプロービングは、触覚のみのプロービングと比較して３５％のサイクルタイムの節約をもたらした。当然ながら、より多数のリードおよびプロファイル歯すじを含むサイクルについては、および／またはリードおよびプロファイル試験を受けるより多数の歯については、触覚のみのプロービングと比較して本発明のサイクルタイムの節約はかなり大きくなることを理解することができる。

加えて、歯車表面ならびに基準表面上の特定の特徴は、部品の幾何学的形状のために非接触プロービングによっては利用できない場合がある。例えば、深い内スプラインは、触覚プローブでしか検査できない。別の例は、小さい直径を有する長い内部ボアのジャーナル測定である。非接触プローブからの光が内部ジャーナル表面に到達できない可能性があるため、これらの内部ボアを測定することは可能でないことがあり得る。本発明は、これらの表面を測定するために触覚プローブの使用を可能にする。これらの表面はまた、部品軸を確立するための基準としても使用し得るので、本発明は、最初の歯を見つけ、次に他の測定のために非接触プローブに切り替えることと共にジャーナル測定を含む初期設定中の触覚プローブの使用を可能にする。２つの歯車または内スプラインと外歯車とからなる歯車部品組立体は、かみ合うときに互いに関して両方の部品のタイミング（角度の）関係を測定するという要件を有することがある。本発明は、両方のプロービング技術を使用することによってこの種類の関係の測定を可能にし、そうでなければ、非接触のみのプローブではそれは不可能である。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は、その明細に限定されないことを理解されたい。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく、主題が関係する当業者に明らかであろう補正を含むことを意図している。

Claims (17)

1. 歯車、工具、および他の歯を有する物品を含む工作物の測定および／または検査のための測定検査機械であって、
   前記機械上に位置付けされた触覚プローブと、
   前記機械上に位置付けされプローブ保管および交換機構に収容される非接触プローブと、を備え、
   前記工作物が前記機械上に位置決めされ、前記機械上に位置付けされた前記触覚プローブで前記工作物をプロービングし、次いで前記触覚プローブを前記非接触プローブに交換し、前記機械上に位置付けされた前記非接触プローブで前記工作物をプロービングし、
   前記触覚プローブで前記工作物をユーザーがプロービングすることで、歯のギャップを見つけ、必要な直径で歯車の歯面を１つ見つけ、前記歯車の歯の頂部縁および底部縁を見つけ、両方の歯面上の必要とされる直径と高さで歯車表面上の基準点を見つけ、
   交換された前記非接触プローブで前記工作物をユーザーがプロービングすることで、前記歯車の所望の特徴を抽出する、機械。
2. 前記非接触プローブが、光学プローブを備える、請求項１に記載の機械。
3. 前記光学プローブが、レーザプローブを備える、請求項２に記載の機械。
4. 前記レーザプローブが、３Ｄレーザスキャナを備える、請求項３に記載の機械。
5. レーザプローブが、レーザ線を前記工作物上に投影する、請求項３に記載の機械。
6. 前記非接触プローブが、１つ以上の軸を中心に角度移動可能である、請求項１に記載の機械。
7. 前記１つ以上の軸が、互いに直角に配向されている２つの軸を含む、請求項６に記載の機械。
8. 前記直交軸が、水平面内にある、請求項７に記載の機械。
9. 前記非接触プローブが、前記機械上で垂直方向に移動可能である、請求項１に記載の機械。
10. 前記触覚プローブおよび前記非接触プローブが、使用されていないときには前記機械上のプローブ保管および交換機構内に収容されている、請求項１に記載の機械。
11. 測定検査機械上で歯を有する工作物を測定および／または検査する方法であって、
    工作物を前記機械上に位置決めすることと、
    前記機械上に位置付けされた触覚プローブで前記工作物をプロービングすることと、
    前記機械上に位置付けされプローブ保管および交換機構に収容される非接触プローブで前記工作物をプロービングすることと、
    を含み、
    前記触覚プローブで前記工作物をユーザーがプロービングすることが、
    歯のギャップを見つけることと、
    必要な直径で歯車の歯面を１つ見つけることと、
    前記歯車の歯の頂部縁および底部縁を見つけることと、
    両方の歯面上の必要とされる直径と高さで歯車表面上の基準点を見つけることと、
    を含み、
    前記触覚プローブを前記非接触プローブに交換して、前記非接触プローブで前記工作物をユーザーがプロービングすることが、
    前記歯車の所望の特徴を抽出することと、
    を含む、方法。
12. 非接触プローブで前記工作物をプロービングすることが、前記歯の表面を走査することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記非接触プローブが、前記触覚プローブによって確立された所望の基準点位置に基づく走査のために位置決めされる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記非接触プローブが、レーザプローブを備える、請求項１１に記載の方法。
15. 前記工作物が、歯車を備える、請求項１１に記載の方法。
16. 前記工作物が、２つの歯付き部品を有する歯車部品組立体を備える、請求項１１に記載の方法。
17. 前記工作物が、内スプラインまたは内ボアを含む、請求項１１に記載の方法。