JP2007010608A - ギヤ機構の回転角度誤差解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供試ギヤ機構Ｇの回転特性を容易に評価する。
【解決手段】供試ギヤ機構Ｇの入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 に連結するエンコーダＥ1 、Ｅ2 の出力信号Ｓ1 、Ｓ2 を読み取るデータ収集手段１１と、データ収集手段１１によって収集したデータを記憶するメモリ手段１２と、メモリ手段１２から読み出したデータを加工処理し、供試ギヤ機構Ｇの正転時、逆転時の角度伝達誤差に基づくバックラッシを算出し、角度伝達誤差を周波数分析するデータ処理手段１３とを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、バックラッシを含むギヤ機構の回転特性を容易に、しかも適確に評価することができるギヤ機構の回転角度誤差解析装置に関する。

ギヤのバックラッシを自動的に測定する測定装置が提案されている（特許文献１）。

このものは、入力軸、出力軸の間に供試ギヤを介装し、入力軸、出力軸に対してそれぞれ回転角度検出用のエンコーダを連結するとともに、エンコーダの出力データを処理する演算装置を設けて構成されている。演算装置は、各エンコーダの出力データに基づいて正転時、逆転時におけるギヤの角度伝達誤差を算出し、両者の差からギヤのバックラッシを算出することができる。なお、角度伝達誤差と、それに基づくバックラッシは、出力軸の１回転中の変化データとして連続的に算出することができる。
特開平１−１６５９２９号公報

かかる従来技術によるときは、演算装置は、供試ギヤのバックラッシを出力軸の回転角度に対応させて算出できるだけであって、それ以上の評価データを算出するものでないから、供試ギヤの回転特性を適確に評価することが難しいという問題があった。

そこで、この発明の構成は、かかる従来技術の問題に鑑み、バックラッシの算出に加えて、角度伝達誤差を周波数分析することによって、供試ギヤ機構の回転特性を一層容易に、しかも適確に評価することができるギヤ機構の回転角度誤差解析装置を提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、供試ギヤ機構の入力軸、出力軸に連結する回転角度検出用のエンコーダの出力信号を読み取るデータ収集手段と、データ収集手段によって収集したデータを記憶するメモリ手段と、メモリ手段から読み出したデータを加工処理するデータ処理手段とを備えてなり、データ処理手段は、供試ギヤ機構の正転時、逆転時の角度伝達誤差に基づくバックラッシを出力軸の回転角度に対応させて算出し、角度伝達誤差を周波数分析することをその要旨とする。

なお、出力軸には、重錐によるトルク負荷を加えるプーリを連結することができ、プーリは、減速機を介して出力軸に連結することができる。

かかる発明の構成によるときは、データ処理手段は、供試ギヤ機構のバックラッシを算出するに加えて、角度伝達誤差を周波数分析することにより、出力軸の回転数の微視的な変動を具体的に評価するための数値データを提示することができる。なお、角度伝達誤差は、供試ギヤ機構の歯数比ｉ＝ａ／ｂ（ただし、ａ、ｂは、それぞれ互いに噛合する出力軸、入力軸上のギヤの歯数相当の整数、ａ＞ｂ）とするとき、供試ギヤ機構を構成するギヤのすべての歯の組合せをチェックするために、ａ、ｂの最小公倍数ｃとして、少なくとも出力軸のｃ／ａ回転以上の回転量におけるデータに基づいて算出することが好ましい。

なお、データ処理手段は、角度伝達誤差を周波数分析して出力軸側、入力軸側の各基本波形をグラフ表示することにより、角度伝達誤差の原因を推測することができる。すなわち、出力軸の回転周期に一致する出力軸側の基本波成分が顕著であるときは、出力軸上のギヤの偏心量が過大であることが考えられ、入力軸の回転周期に一致する入力軸側の基本波成分が顕著であるときは、入力軸上のギヤの偏心量が過大である可能性がある。ただし、出力軸側、入力軸側の基本波とは、角度伝達誤差に含まれる波形成分のうち、その周期がそれぞれ出力軸、入力軸の回転周期に一致する正弦波成分をいう。そこで、供試ギヤ機構の減速比１／ｎ（ｎは、整数）とすると、入力軸側の基本波は、出力軸側のｎ次の高調波に合致する。

また、データ処理手段は、角度伝達誤差を周波数分析して出力軸側、入力軸側の各指定の高調波形をグラフ表示することにより、騒音、振動等の不具合の原因究明、供試ギヤ機構の改良評価などに役立てることができる。たとえば、特定の高調波形が顕著であれば、当該高調波形の周期相当に噛み合う特定の歯の形成不良が考えられる。さらに、供試ギヤ機構が組み込まれる対象機器の固有振動数に一致する周期の基本波成分、高調波成分の存否と大きさとを知ることにより、供試ギヤ機構を対象機器に組み込んだときの振動の発生状況を予測評価することができる。なお、データ処理手段は、出力軸側、入力軸側について、それぞれ基本波と指定の高調波の成分を算出し、グラフ表示することによっても、同様の有益な評価資料を提示することができる。

重錐によるトルク負荷を加えるプーリを供試ギヤ機構の出力軸側に連結すれば、重錐を巻き下げる方向、巻き上げる方向のいずれの方向に供試ギヤ機構を駆動する場合であっても、供試ギヤ機構内の各ギヤに対して一定方向のトルク負荷を加えることができ、実際の運転状態に近い評価データを採取することができる。なお、重錐によるトルク負荷は、供試ギヤ機構内のギヤの歯面が所定方向に安定に噛み合うに必要な大きさであればよく、一般に、供試ギヤ機構の定格出力トルクの数％ないし数１０％程度を出力軸に加えればよく、必ずしも定格出力トルクを加える必要はない。また、減速機を介してプーリを出力軸に連結すれば、減速機の減速比に応じて重錐の所要有効ストロークを短縮することができる。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

ギヤ機構の回転角度誤差解析装置１０は、データ収集手段１１、メモリ手段１２、データ処理手段１３を備えてなる（図１）。ただし、データ収集手段１１には、供試ギヤ機構Ｇの入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 にそれぞれ連結するエンコーダＥ1 、Ｅ2 の出力信号Ｓ1 、Ｓ2 が入力されている。

供試ギヤ機構Ｇは、入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 上にそれぞれギヤＧa 、Ｇb を有し、ギヤＧa 、Ｇb は、互いに噛合している。ただし、供試ギヤ機構Ｇは、入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 の間に多段のギヤを介装してもよく、ギヤＧa 、Ｇb は、ウォームギヤを含む任意の形式のギヤであってもよい。供試ギヤ機構Ｇは、駆動用のサーボモータＭ、エンコーダＥ1 、Ｅ2 を備える試験装置Ｔ上に積載され、入力軸Ｄ1 には、それぞれカップリングＣ1 を介してサーボモータＭ、エンコーダＥ1 が連結され、出力軸Ｄ2 には、カップリングＣ2 を介してエンコーダＥ2 が連結されている。

データ収集手段１１の出力は、メモリ手段１２を介してデータ処理手段１３に接続され、データ処理手段１３の出力は、ディスプレイ１５、プリンタ１６に接続されている。なお、データ収集手段１１、データ処理手段１３には、条件設定手段１４の出力が個別に接続されている。ただし、データ収集手段１１、メモリ手段１２、データ処理手段１３、条件設定手段１４は、たとえばパーソナルコンピュータに組み込むソフトウェアにより構成されており、ディスプレイ１５、プリンタ１６は、条件設定手段１４の一部を構成する図示しないキーボードやマウスなどとともに、パーソナルコンピュータの周辺機器を使用するものとする。

試験装置Ｔ上において、サーボモータＭを介して供試ギヤ機構Ｇの入力軸Ｄ1 を正逆に回転駆動すると、エンコーダＥ1 、Ｅ2 は、それぞれ入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 の回転角度β、αを検出し、出力信号Ｓ1 、Ｓ2 として連続的に出力することができる。そこで、データ収集手段１１は、出力信号Ｓ1 、Ｓ2 を繰り返し高速スキャンして読み取ることにより、回転角度β、αの組合せデータを取得し、メモリ手段１２に順次記憶させて蓄積することができる。なお、このとき、条件設定手段１４を介し、たとえば供試ギヤ機構Ｇの減速比１／ｉ＝ｂ／ａ、出力軸Ｄ2 の定格回転数Ｎo 、下限回転数Ｎ1 ＜Ｎo 、上限回転数Ｎ2 ＞Ｎo などを設定することができ、データ収集手段１１は、たとえば出力軸Ｄ2 の回転数ＮがＮ1 ≦Ｎ≦Ｎ2 にある間の回転角度β、αを有効なデータとして取得するものとする。ただし、エンコーダＥ1 、Ｅ2 が検出する回転角度β、αは、それぞれ入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 の絶対角度である。

データ処理手段１３は、条件設定手段１４からの指令により、メモリ手段１２に記憶されている回転角度β、αに基づき、出力軸Ｄ2 の回転角度αにおける角度伝達誤差γ＝α−β／ｉを順次算出して、ディスプレイ１５上にグラフ表示することができる（図２）。ただし、図２において、曲線（１）、（２）は、それぞれ出力軸Ｄ2 の１回転分の正転時、逆転時の角度伝達誤差γを出力軸Ｄ2 の回転角度αに対応させて表示している。また、データ処理手段１３は、図２の曲線（２）、（１）の差を算出してプロットすることにより、出力軸Ｄ2 の１回転分のバックラッシＢをグラフ表示することができる（図３）。

さらに、データ処理手段１３は、出力軸Ｄ2 の所定の回転量当りの正転時、逆転時の角度伝達誤差γについて、その平均値、上限値、下限値を算出し、出力軸Ｄ2 の回転角度αに対応させてグラフ表示することができる（図４）。なお、データ処理手段１３は、正転時、逆転時の角度伝達誤差γを周波数分析し、その出力軸Ｄ2 側、入力軸Ｄ1 側の基本波形を算出し、出力軸Ｄ2 の回転角度αに対応させてグラフ表示することも可能であり（図５）、さらに、出力軸Ｄ2 側、入力軸Ｄ1 側の各指定の高調波形を同様にしてグラフ表示することも可能である（図示せず）。ただし、図５において、入力軸Ｄ1 側の基本波形は、便宜的に出力軸Ｄ2 側の基本波形に重畳させて図示されている。

また、データ処理手段１３は、正転時、逆転時の角度伝達誤差γを周波数分析し、出力軸Ｄ2 側の基本波と、指定の次数Ｄまでの高調波との各成分Ｑをグラフ表示することもできる（図６）。ただし、図６において、横軸は、次数Ｄを示し、次数Ｄ＝１は、基本波であり、次数Ｄ≧２は、Ｄ次の高調波である。また、次数Ｄ＝０における成分Ｑは、角度伝達誤差γの平均（直流成分）を示し、次数Ｄ＝０における正転時、逆転時の成分Ｑの差は、入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 間の平均的なバックラッシを示す。

さらに、データ処理手段１３は、正転時、逆転時の角度伝達誤差γを周波数分析し、入力軸Ｄ1 側の基本波と、指定の次数Ｄまでの高調波との各成分Ｑをグラフ表示することもできる（図７）。なお、図７において、横軸の次数Ｄ、次数Ｄ＝０における成分Ｑは、それぞれ図６におけるそれと同一である。

ちなみに、図４〜図７は、入力軸Ｄ1 上の２条ねじのウォームと、出力軸Ｄ2 上の歯数３７のウォームホイールとを噛合させて構成する供試ギヤ機構Ｇに対する実測データの一例である。出力軸Ｄ2 側の次数Ｄ＝１の基本波に対する成分Ｑが顕著であり（図６）、入力軸Ｄ1 側の次数Ｄ＝２、４…の各高調波に対する成分Ｑが顕著であることから（図７）、出力軸Ｄ2 上のウォームホイールの偏心、入力軸Ｄ1 上のウォームの２条ねじの不整合などに起因して、角度伝達誤差γが過大となり、出力軸Ｄ2 の回転に従って大きく変動していることがわかり（図４、図５）、さらに改善の余地があることがわかる。

なお、条件設定手段１４は、図２、図３のグラフ表示をさせるとき、たとえば出力軸Ｄ2 のいずれの１回転分を表示対象にするかを指定することができる。また、条件設定手段１４は、図４、図５のグラフ表示をさせるとき、いずれの複数回転分を計算対象にするかを指定することができ、図６、図７のグラフ表示をさせるとき、いずれの次数Ｄまでの高調波を表示対象にし、または、いずれの次数Ｄの高調波を表示対象にし、あるいは、図４の角度伝達誤差γの上限値、平均値、下限値のいずれに対する周波数分析結果を表示対象にするかなどを指定することができる。なお、条件設定手段１４は、図２〜図７のグラフ表示をさせるとき、表示スケールの拡大縮小や、表示曲線の色指定、文字指定などの表示形態を任意に設定することができる。また、条件設定手段１４は、必要に応じてディスプレイ１５上のグラフ表示をプリンタ１６により任意にプリントアウトさせることもできる。ただし、図示の図２、図３の表示データ、図４〜図７の表示データは、互いに別の供試ギヤ機構Ｇの試験データである。

以上の説明において、データ収集手段１１は、入力軸Ｄ1 、出力軸Ｄ2 の回転角度β、αの組合せデータをメモリ手段１２に順次記憶させるに代えて、回転角度αと、角度伝達誤差γ＝（α−β／ｉ）の組合せデータをメモリ手段１２に順次記憶させてもよい。また、メモリ手段１２としてフロッピ、ＭＤ、ＣＤなどの外部記憶媒体を使用すれば、データ収集手段１１、データ処理手段１３を別のコンピュータ上に構築し、データ処理手段１３をオフラインで動作させることも可能である。

他の実施の形態

試験装置Ｔは、供試ギヤ機構Ｇの出力軸Ｄ2 側に対し、重錐Ｗを吊下するプーリＰを連結することができる（図８、図９）。ただし、図９において、入力軸Ｄ1 側の駆動用のサーボモータＭは、図示が省略されており、たとえば両軸形のエンコーダＥ1 の図示されていない側の軸に連結するものとする。

プーリＰには、ワイヤロープ、紐、テグスなどの可撓性の丈夫な索状体Ｗ1 の一端が固定されて巻き付けられており、索状体Ｗ1 の他端には、ガイドプーリＰ1 を介して重錐Ｗが吊下されている。なお、試験装置Ｔは、テーブルＴ1 上に設置され、重錐Ｗは、索状体Ｗ1 を介してテーブルＴ1 の外側に吊下されている。

重錐Ｗは、プーリＰに対する索状体Ｗ1 の巻付方向により、出力軸Ｄ2 に対して特定方向のトルク負荷ＴＱ＝ｗｄ／２を加え、供試ギヤ機構ＧのギヤＧa 、Ｇb の歯面を一方向に接触させることにより、運転状態に近い評価データを採取することができる。ただし、ｗ、ｄは、それぞれ重錐Ｗの重量、プーリＰの有効径である。なお、重錐Ｗを高く巻き上げた状態から索状体Ｗ1 をプーリＰから巻き解く方向に供試ギヤ機構Ｇを運転し、プーリＰ上の索状体Ｗ1 の全部を巻き解いた後、供試ギヤ機構Ｇをさらに同方向に運転すると、重錐Ｗは、下死点を経て上昇に転じ、このとき、供試ギヤ機構Ｇに加えるトルク負荷ＴＱの方向を逆方向に反転させることができる。すなわち、供試ギヤ機構Ｇを同方向に運転し、プーリＰに対する索状体Ｗ1 の巻付方向を反転させて重錐Ｗを有効ストローク内で往復駆動することにより、供試ギヤ機構Ｇに対して逆方向のトルク負荷ＴＱを加える２種類の運転状態の評価データを一挙に採取することができる。

重錐Ｗを吊下するプーリＰは、供試ギヤ機構Ｇの出力軸Ｄ2 に連結する減速機Ｒの出力軸に装着し、減速機Ｒを介して出力軸Ｄ2 に連結してもよい（図１０）。

減速機Ｒの入力軸は、タイミングベルトＲ1 を介して出力軸Ｄ2 に連結されており、タイミングベルトＲ1 は、出力軸Ｄ2 上のタイミングプーリＲ2 と、減速機Ｒの入力軸上のタイミングプーリＲ3 との間に巻き掛けられている。減速機Ｒの減速比ｒ＞１に応じてプーリＰの回転速度を小さくすることができるから、重錐Ｗの所要有効ストロークを短縮することができる。ただし、出力軸Ｄ2 に加えるトルク負荷は、ＴＱ＝ｗｄ／（２ｒ）に減少するから、重錐Ｗの重量をｒｗに大きく設定することが好ましい。

全体構成ブロック系統図 出力データ線図（１） 出力データ線図（２） 出力データ線図（３） 出力データ線図（４） 出力データ線図（５） 出力データ線図（６） 他の実施の形態を示す要部ブロック系統図 他の実施の形態を示す要部構成斜視図（１） 他の実施の形態を示す要部構成斜視図（２）

符号の説明

Ｇ…供試ギヤ機構
Ｄ1 …入力軸
Ｄ2 …出力軸
Ｅ1 、Ｅ2 …エンコーダ
Ｓ1 、Ｓ2 …出力信号
Ｗ…重錐
Ｐ…プーリ
Ｒ…減速機
γ…角度伝達誤差
Ｂ…バックラッシ
α…回転角度
ＴＱ…トルク負荷
１１…データ収集手段
１２…メモリ手段
１３…データ処理手段

特許出願人 株式会社 シンヱーテック
代理人 弁理士 松 田 忠 秋

Claims (3)

1. 供試ギヤ機構の入力軸、出力軸に連結する回転角度検出用のエンコーダの出力信号を読み取るデータ収集手段と、該データ収集手段によって収集したデータを記憶するメモリ手段と、該メモリ手段から読み出したデータを加工処理するデータ処理手段とを備えてなり、該データ処理手段は、供試ギヤ機構の正転時、逆転時の角度伝達誤差に基づくバックラッシを出力軸の回転角度に対応させて算出し、角度伝達誤差を周波数分析することを特徴とするギヤ機構の回転角度誤差解析装置。
2. 出力軸には、重錐によるトルク負荷を加えるプーリを連結することを特徴とする請求項１記載のギヤ機構の回転角度誤差解析装置。
3. 前記プーリは、減速機を介して出力軸に連結することを特徴とする請求項２記載のギヤ機構の回転角度誤差解析装置。
   

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