JP2017194311A

JP2017194311A - 歯車の歯形計測装置及び歯形計測方法

Info

Publication number: JP2017194311A
Application number: JP2016083695A
Authority: JP
Inventors: 西原　隆; Takashi Nishihara; 隆西原
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-10-26

Abstract

【課題】回転中の歯車について、歯面の汚れの影響を抑制した上で、歯形を計測できる歯車の歯形計測装置及び歯形計測方法を提供する。
【解決手段】回転中の歯車１１の外周面１３に、照射方向を固定した照射部１６から照射したレーザ光が当たるまでの計測対象距離を、異なるタイミングで複数回測定するレーザ距離計１４と、歯車１１の回転角度を計測する回転角度計２２と、各計測対象距離に対し、歯車１１の回転中心を原点とした座標系上で照射部１６から照射方向に計測対象距離だけ離れた座標を求め、各座標を座標系上で歯車１１の前記回転角度を基に補正して、歯車１１の歯部１２の形状を導出する演算部１５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、歯車の歯形を計測する歯形計測装置及び歯形計測方法に関する。

様々な設備で利用される歯車には、劣化損傷の種類に歯部の折損及び歯面の荒れが存在する。重篤な劣化損傷である歯部の折損が発生した場合、歯車を交換することによって設備を復旧することができる。但し、歯車が大型で折損の頻度が低いものは交換のための予備品を準備しておくことはまれであり、歯車が折損した場合には歯車の再製作を要し、設備の休止期間が最短で数カ月にも及ぶリスクがある。
そのため、特に交換品を短期間で製作できない歯車に対しては、折損する前に交換品を準備できるように、歯部の状態を把握することが重要である。

歯部の状態を検出する方法には、従来、ノギスによる測定や、テンプレートを当てて隙間を測る方法や、樹脂等での歯形とりがあるが、これらは測定に時間がかかり、設備の長時間の休止が必要であった。
そこで、設備を長時間休止することなく歯車の状態を検査する方法が求められ、その具体例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の方法は、歯車にレーザ光を照射して、歯車の歯面で反射したレーザ光の量分布を基に歯面の状態を検出するものである。

特開２０１３−２２１８４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、レーザ光の反射の強度プロファイルに基づいて歯面の状態を検出するため、歯面の汚れ等の影響を受け易く、歯車の使用環境によっては正確な歯面の状態の検出ができないという課題があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、設備に取り付けた状態で回転している歯車について、歯面の汚れ等の影響を受けることなく短時間で歯形を計測できる歯車の歯形計測装置及び歯形計測方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る歯形計測装置は、設備に取り付けたままの回転中の歯車の外周面に、照射方向を固定した照射部から照射したレーザ光が当たるまでの計測対象距離を、異なるタイミングで複数回測定するレーザ距離計と、前記歯車の回転軸に取り付けられ該歯車の回転角度を計測する回転角度計と、前記各計測対象距離に対し、前記歯車の回転中心を原点とした座標系上で前記照射部から前記照射方向に該計測対象距離だけ離れた座標を求め、該各座標を前記座標系上で前記歯車の前記回転角度を基に補正して、前記歯車の歯部の形状を導出する演算部とを備える。

第１の発明に係る歯形計測装置において、前記座標系は、極座標系であるのが好ましい。

第１の発明に係る歯形計測装置において、前記レーザ距離計は、前記照射部として、前記歯部の歯車回転方向前側の面にレーザ光を当てる第１の照射部と、前記歯部の歯車回転方向後側の面にレーザ光を当てる第２の照射部とを有し、前記演算部は、前記第１の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向前側の面の形状を導出し、前記第２の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向後側の面の形状を導出するのが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る歯車の歯形計測方法は、設備に取り付けたままの回転中の歯車の外周面に、照射方向を固定した照射部から照射したレーザ光が、前記外周面に当たるまでの計測対象距離を、異なるタイミングで複数回測定する工程Ａと、前記歯車の回転角度を計測する工程Ｂと、前記各計測対象距離に対し、前記歯車の回転中心を原点とした座標系上で前記照射部から前記照射方向に該計測対象距離だけ離れた座標を求める工程Ｃと、前記各座標を前記座標系上で前記歯車の前記回転角度を基に補正して、前記歯車の歯部の形状を導出する工程Ｄとを有する。

第２の発明に係る歯車の歯形計測方法において、前記座標系は、極座標系であるのが好ましい。

第２の発明に係る歯車の歯形計測方法において、前記照射部は、前記歯部の歯車回転方向前側の面にレーザ光を当てる第１の照射部と、前記歯部の歯車回転方向後側の面にレーザ光を当てる第２の照射部とからなり、前記第１の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向前側の面の形状を導出し、前記第２の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向後側の面の形状を導出するのが好ましい。

第１の発明に係る歯車の歯形計測装置及び第２の発明に係る歯車の歯形計測方法によれば、設備に取り付けたままで回転中の歯車について、歯面の汚れの影響を受けることなく短時間で歯車の歯形を計測でき、計測に伴う設備休止時間を短くすることができる。

本発明の一実施の形態に係る歯車の歯形計測装置が備えるレーザ距離計の距離計測の様子を示す説明図である。同歯車の歯形計測装置の説明図である。変形例に係る歯車の歯形計測装置が備えるレーザ距離計の距離計測の様子を示す説明図である。同歯車の歯形計測装置の説明図である。測定対象座標の補正の方法を示す説明図である。歯車の外周面の形状を計測した実験結果を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係る歯車の歯形計測装置（以下、「歯形計測装置１０」とも言う）は、外周に複数の歯部１２が形成された回転中の歯車１１の外周面１３に、照射方向を固定した照射部１６から照射したレーザ光が当たるまでの計測対象距離を測定するレーザ距離計１４と、測定された計測対象距離を基にして、歯車１１の歯部１２の形状を導出する演算部１５を備えている。以下、詳細に説明する。

歯形計測装置１０は、図１に示すように、歯車１１から離れた位置に配されたレーザ距離計１４を備えている。レーザ距離計１４は、照射方向が固定された照射部１６を具備し、照射部１６は、図示しない設備（歯車１１が回転自在に取り付けられた設備）に取り付けたままの回転中の歯車１１の外周面１３に向かってレーザ光を照射する。レーザ距離計１４は、照射部１６から照射され、歯車１１の外周面１３で反射したレーザ光を受光して、照射部１６から歯車１１の外周面１３のレーザ光が当たっている部分までの計測対象距離を測定する。

歯車１１の外周面１３は、図２に示すように、歯部１２と歯部１２の間に設けられた底面２４、歯部１２に形成された歯車回転方向前側の面（以下、「歯車回転方向前側面１７」と言う）、歯部１２に形成された歯車回転方向後側の面（以下、「歯車回転方向後側面１８」と言う）及び歯車回転方向前側面１７と歯車回転方向後側面１８の間（半径方向外側）に形成された平坦な面である歯先面２５からなる。なお、歯先面２５が平坦な面に限らないのは言うまでも無い。

レーザ距離計１４は、図示しない支持部材に取り付けられ、照射部１６から照射されるレーザ光が、回転する歯車１１の底面２４、歯車回転方向前側面１７、歯先面２５及び歯車回転方向後側面１８に順次当たるように配置されている。レーザ距離計１４は、レーザ光の受光による計測対象距離の測定を、所定の時間間隔で複数回行う（即ち、異なるタイミングで複数回測定する）。そのため、レーザ距離計１４によって測定される計測対象距離は、計測のタイミングに応じて異なる値となる。

レーザ距離計１４が計測対象距離を計測する時間間隔は、各歯部１２の歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８に対しそれぞれ複数の計測対象距離を計測できるように調整されている。本実施の形態では、各歯部１２の歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８それぞれに対し、２０個以上の計測対象距離を計測する。

レーザ距離計１４は、図２に示すように、アンプ１９を介して、演算部１５に接続され、レーザ距離計１４で計測された計測対象距離は、演算部１５に送られる。なお、演算部１５は、ハードウェアデバイス及びソフトウェアを具備するコンピュータ（電子計算機）によって構成することができる。
演算部１５には、アンプ２０を介して、歯車１１の回転角度を計測する回転角度計２２が接続され、回転角度計２２は、歯車１１の回転角度の計測値を演算部１５に送信する。回転角度計２２は、歯車１１の回転軸２３（図１参照）に取り付けられている。

演算部１５には、歯車１１の回転軸２３の中心（歯車１１の回転中心）を原点Ｏ（図５参照）とした座標系（以下、「基礎座標系」とも言う）、歯車１１に対するレーザ距離計１４（本実施の形態では、照射部１６）の相対位置、及び、照射部１６のレーザ光の照射方向が予め登録されている。
演算部１５は、レーザ距離計１４から得た計測対象距離の値に対し、基礎座標系上で照射部１６から照射部１６のレーザ光の照射方向に計測対象距離だけ離れた座標（以下、「測定対象座標」とも言う）を求める。なお、本実施の形態では、基礎座標系が、動径と偏角によって定義される極座標系であるがこれに限定されず、例えば、直交座標系であってもよい。

そして、演算部１５は、異なるタイミングで測定された計測対象距離それぞれに対応する測定対象座標を、計測された歯車１１の回転角度を基に基礎座標系上で補正して、各歯部１２の形状を導出する。
ここで、歯部１２の摩耗は、歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８に生じる。よって、歯部１２において、歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８の輪郭（形状）を精度よく検出することが重要である。

また、本実施の形態では、１つのレーザ距離計１４を用いて、歯部１２の形状を導出しているが、各歯部１２の形状を精度よく検出するには、図３、図４に示すように、照射方向が異なる２つのレーザ光を利用するのが好ましい。
以下、図３、図４を参照して、歯形計測装置１０の変形例である歯形計測装置３０について説明する。なお、歯形計測装置１０と同様の構成については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

歯形計測装置３０が備えるレーザ距離計３１は、レーザ光の照射方向が異なる照射部３２、３３（第１、第２の照射部）を有している。照射部３２は歯車回転方向前側面１７全体及び歯先面２５全体にレーザ光を当てることができ、歯車回転方向後側面１８にはレーザ光が当たらないように配置され、照射部３３は歯車回転方向後側面１８全体及び歯先面２５全体にレーザ光を当てることができ、歯車回転方向前側面１７にはレーザ光を当てることができないように配置されている。

なお、照射部３２、３３はそれぞれアンプ３４、３５を介して演算部３６に接続されている。
演算部３６は、照射部３２から照射されたレーザ光を基に測定された計測対象距離から、各歯部１２の歯車回転方向前側面１７全体の形状を導出し、照射部３３から照射されたレーザ光を基に測定された計測対象距離から、各歯部１２の歯車回転方向後側面１８全体の形状を導出する。上述した照射部３２、３３の配置によって、照射部３２、３３は、歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８に対しレーザ光を垂直に近い角度でそれぞれ照射することができ、結果として、歯形計測装置３０は、歯形計測装置１０に比べ歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８の形状を高精度に導出可能である。

以下、歯形計測装置１０を用いた歯車の歯形計測方法について説明する。
当該歯車の歯形計測方法は、設備に取り付けたままの回転中の歯車１１の外周面１３に、照射方向を固定した照射部１６から照射したレーザ光が、外周面１３に当たるまでの計測対象距離を、異なるタイミングで複数回測定する工程Ａと、歯車１１の回転角度を計測する工程Ｂと、各計測対象距離に対し、基礎座標系上で照射部１６から照射部１６のレーザ光の照射方向に計測対象距離だけ離れた測定対象座標を求める工程Ｃと、各測定対象座標を基礎座標系上で歯車１１の回転角度を基に補正して、歯車１１の歯部１２の形状を導出する工程Ｄとを有する。

工程Ａでは、レーザ距離計１４がレーザ光を照射して回転中の歯車１１の外周面１３までの計測対象距離を異なるタイミングで複数回測定する。レーザ距離計１４がレーザ光を照射して距離を計測する時間間隔は、短いほうが歯部１２の形状、特に摩耗が顕著な歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８の形状を精度よく計測することができる。その意味においては、各歯部１２について、歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８それぞれに対し、少なくとも２０個以上の計測対象距離を計測することが好ましい。

工程Ｂでは、歯車１１の回転軸２３に取り付けられた回転角度計２２が、歯車１１の回転角度を計測する。回転角度計は歯車１１の回転角度を常に計測してもよいし、演算部１５からの指令信号によって、レーザ距離計１４が計測対象距離を計測するタイミングに合わせて、回転角度を計測してもよい。
工程Ｃでは、演算部１５が、工程Ａで計測された各計測対象距離に対し、基礎座標系上での測定対象座標を導出する。

工程Ｄでは、演算部１５が、基礎座標系上の各測定対象座標を、各測定対象座標を求めた基となる計測対象距離を計測したタイミングの歯車１１の回転角度を基に補正して、各歯部１２の形状を導出する。
具体的には、図５に示すように、ｘ軸の正の方向を始線とする極座標系で、例えばｎ番目に計測した計測対象距離から算出された座標をＰ１（ｒ１、θ１）とし、ｎ＋１番目に計測した計測対象距離から算出された座標をＰ２（ｒ２、θ２）とし、ｎ番目の計測対象距離が計測されてからｎ＋１番目の計測対象距離が計測されるまでに歯車１１が角度ｄθ回転したとし、中心が基礎座標系上の原点Ｏで半径が原点ＯとＰ２（ｒ２、θ２）間の距離ｒ２である円を仮想円Ｒとして、Ｐ１（ｒ１、θ１）を基準に歯部１２の形状を算出する場合、Ｐ２（ｒ２、θ２）は、仮想円Ｒの外周に沿って、歯車１１の回転方向とは逆方向にｄθ移動させたＰ２’（ｒ２、θ２＋ｄθ）に補正される。そして、ｎ＋ｋ番目に計測した計測対象距離から算出された測定対象座標は、その測定対象座標の動径を半径とする仮想円の外周に沿って歯車１１の回転方向とは逆方向にｋ×ｄθ移動した座標に補正される。各測定対象座標を補正した座標を繋ぐことで歯部１２の形状が導出される。なお、θ１とθ２は異なる角度を示すが、θ１＝θ２となる場合もあり、図５では、θ１＝θ２の場合を記載している。

そして、演算部１５は、導出した各歯部１２の形状を、未使用時の歯車１１について計測した各歯部１２の形状や、歯部１２の設計形状（歯形基準曲線など）と比較して、その差を歯部１２の摩耗量として得る。本実施の形態では、歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８の摩耗は、他の領域の摩耗に比べ、歯部１２の折損に大きな影響を与えることから、演算部１５は、歯車回転方向前側面１７及び歯車回転方向後側面１８の摩耗量に重きをおいて、歯部１２の破損が生じる可能性を評価する。

なお、歯形計測装置３０による歯車１１の歯形計測方法においては、照射部３２から照射されたレーザ光を基に測定された計測対象距離から、歯部１２の歯車回転方向前側面１７の形状を導出し、照射部３３から照射されたレーザ光を基に測定された計測対象距離から、歯部１２の歯車回転方向後側面１８の形状を導出することとなる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
実験においては、回転中の歯車の歯車回転方向前側面及び歯車回転方向後側面にレーザ光をそれぞれ照射可能な２つのレーザ距離計を用い、１つの歯車回転方向前側面及び１つの歯車回転方向後側面に対し、４１個の計測対象距離をそれぞれ計測するように計測の時間間隔を調整した。歯車は１６４個の歯部を具備していた。
検出された歯車の外周面の輪郭の一部を、図６に示す。図６においては、各計測対象距離から求めた測定対象座標を補正した座標を線で繋いで該当領域の形状を表している。図６において、歯間（９８−９７）は、９７番目の歯部から９８番目の歯部に掛けた領域の形状を示し、歯間（１０２−１０１）及び歯間（１２１−１２０）も、該当する番号に対応する領域の形状を示し、実線は摩耗のある歯車についての検出結果、仮想線は摩耗のない歯車についての検出結果である。このように、本発明により、歯部の摩耗状況を把握することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。

１０：歯形計測装置、１１：歯車、１２：歯部、１３：外周面、１４：レーザ距離計、１５：演算部、１６：照射部、１７：歯車回転方向前側面、１８：歯車回転方向後側面、１９、２０：アンプ、２２：回転角度計、２３：回転軸、２４：底面、２５：歯先面、３０：歯形計測装置、３１：レーザ距離計、３２、３３：照射部、３４、３５：アンプ、３６：演算部

Claims

設備に取り付けたままの回転中の歯車の外周面に、照射方向を固定した照射部から照射したレーザ光が当たるまでの計測対象距離を、異なるタイミングで複数回測定するレーザ距離計と、
前記歯車の回転軸に取り付けられ該歯車の回転角度を計測する回転角度計と、
前記各計測対象距離に対し、前記歯車の回転中心を原点とした座標系上で前記照射部から前記照射方向に該計測対象距離だけ離れた座標を求め、該各座標を前記座標系上で前記歯車の前記回転角度を基に補正して、前記歯車の歯部の形状を導出する演算部とを備えることを特徴とする歯車の歯形計測装置。
前記座標系は、極座標系であることを特徴とする請求項１記載の歯車の歯形計測装置。
前記レーザ距離計は、前記照射部として、前記歯部の歯車回転方向前側の面にレーザ光を当てる第１の照射部と、前記歯部の歯車回転方向後側の面にレーザ光を当てる第２の照射部とを有し、
前記演算部は、前記第１の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向前側の面の形状を導出し、前記第２の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向後側の面の形状を導出することを特徴とする請求項１又は２記載の歯車の歯形計測装置。
設備に取り付けたままの回転中の歯車の外周面に、照射方向を固定した照射部から照射したレーザ光が、前記外周面に当たるまでの計測対象距離を、異なるタイミングで複数回測定する工程Ａと、
前記歯車の回転角度を計測する工程Ｂと、
前記各計測対象距離に対し、前記歯車の回転中心を原点とした座標系上で前記照射部から前記照射方向に該計測対象距離だけ離れた座標を求める工程Ｃと、
前記各座標を前記座標系上で前記歯車の前記回転角度を基に補正して、前記歯車の歯部の形状を導出する工程Ｄとを有することを特徴とする歯車の歯形計測方法。
前記座標系は、極座標系であることを特徴とする請求項４記載の歯車の歯形計測方法。
前記照射部は、前記歯部の歯車回転方向前側の面にレーザ光を当てる第１の照射部と、前記歯部の歯車回転方向後側の面にレーザ光を当てる第２の照射部とからなり、
前記第１の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向前側の面の形状を導出し、前記第２の照射部から照射されたレーザ光を基に測定された前記計測対象距離から、前記歯部の歯車回転方向後側の面の形状を導出することを特徴とする請求項４又は５記載の歯車の歯形計測方法。