(57)【要約】【課題】歯面の周期性を有する筋目を測定可能な歯面測定方法を提供する。【解決手段】歯面測定方法は、歯切り盤２の３次元モデルと、被加工物１の３次元モデルとを用いて、少なくとも１つの歯溝９を有する歯車１の３次元モデルを得る歯溝３次元モデル作成工程と、歯車１の３次元モデルから切削加工時の筋目１０の角度を設定する筋目角度設定工程と、歯車１の歯面形状の凹凸の差を３次元画像データとして測定する非接触３次元測定工程と、非接触３次元測定工程で得られた３次元画像データにフーリエ変換処理を施すフーリエ変換処理工程と、フーリエ変換処理工程で得られたデータから筋目角度設定工程で得られた筋目角度で周期性のない筋目や筋目角度設定工程で得られた角度と異なる角度の筋目を取り除く周期性筋目設定工程と、周期性筋目設定工程で選択された周期性筋目を逆フーリエ変換で３次元画像データに戻す逆フーリエ変換工程と、を含む。【選択図】図１
2019164055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車製造に用いる歯切り盤の３次元モデルと、前記歯切り盤で切削加工される被加工物の３次元モデルとを用いて、前記歯切り盤の３次元モデルを所定の単位時間の間隔で現実の歯切り盤と同様に動かすことによって前記被加工物の３次元モデルの重なり合う部分を削除することにより、少なくとも１つの歯溝を有する歯車の３次元モデルを得る歯溝３次元モデル作成工程と、
前記歯車３次元モデル作成工程によって得られた前記歯車の３次元モデルから切削加工時の筋目の角度を設定する筋目角度設定工程と、
前記歯車の歯面形状の凹凸の差を３次元画像データとして測定する非接触３次元測定工程と、
前記非接触３次元測定工程で得られた２次元平面画像にフーリエ変換処理を施すフーリエ変換処理工程と、
前記フーリエ変換処理工程で得られたデータから前記筋目角度設定工程で得られた筋目角度で周期性のない筋目や前記筋目角度設定工程で得られた角度と異なる角度の筋目を取り除く周期性筋目設定工程と、
前記周期性筋目設定工程で選択された周期性筋目を逆フーリエ変換で２次元平面画像に戻す逆フーリエ変換工程と、
を含むことを特徴とする歯面測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の歯面測定方法であって、
前記所定の単位時間は、前記歯切り盤のカッターの１回転する時間であることを特徴とする歯面測定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の歯面測定方法であって、
前記歯車は、ハイポイドギヤであることを特徴とする歯面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ハイポイドギヤなどの歯車の歯面性状の測定する歯面測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の前方に横置きされる内燃機関の駆動力を、ハイポイドギヤなどを介して横方向の回転軸方向を前後方向に変換して後輪側へ伝達させる動力伝達装置などに用いられるハイポイドギヤなどの歯車が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−７０９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歯車の切削加工時に１つの歯面に形成された周期性を有する複数の筋目が高周波音を発生させる原因となっていることが分かった。
【０００５】
しかしながら、実際の歯面には、周期性の筋目以外にも、切削機の刃の粗さなどの切削工具の転写による筋目や、切削時の切屑による筋目などの周期性の無い筋目も多数存在する。従って、２次元接触式形状測定器を用いて、噛合い接触軌跡線を直接トレースして測定したり、または、３次元非接触測定機を用いて歯面広範囲の形状データを取り込んでから、データ上で噛合い接触軌跡線上の断面を切り出したりしても、周期性のない筋目が混ざることによって、高周波音の発生源となる周期性の筋目だけの性状を測定することが困難であった。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、歯面の周期性を有する筋目を測定可能な歯面測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］上記目的を達成するため、本発明の歯面測定方法は、
歯車製造に用いる歯切り盤の３次元モデルと、前記歯切り盤で切削加工される被加工物の３次元モデルとを用いて、前記歯切り盤の３次元モデルを所定の単位時間の間隔で現実の歯切り盤と同様に動かすことによって前記被加工物の３次元モデルの重なり合う部分を削除することにより、少なくとも１つの歯溝を有する歯車の３次元モデルを得る歯溝３次元モデル作成工程と、
前記歯車３次元モデル作成工程によって得られた前記歯車の３次元モデルから切削加工時の筋目の角度を設定する筋目角度設定工程と、
前記歯車の歯面形状の凹凸の差を３次元画像データとして測定する非接触３次元測定工程と、
前記非接触３次元測定工程で得られた２次元平面画像にフーリエ変換処理を施すフーリエ変換処理工程と、
前記フーリエ変換処理工程で得られたデータから前記筋目角度設定工程で得られた筋目角度で周期性のない筋目や前記筋目角度設定工程で得られた角度と異なる角度の筋目を取り除く周期性筋目設定工程と、
前記周期性筋目設定工程で選択された周期性筋目を逆フーリエ変換で２次元平面画像に戻す逆フーリエ変換工程と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、歯車の周期性を有する筋目を測定することができる。
【０００９】
［２］また、本発明において、前記所定の単位時間は、前記歯切り盤のカッターの１回転する時間とすることができる。
【００１０】
［３］また、本発明は、インボリュート歯車や、傘歯車のみならず、ハイポイドギヤにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の歯切り盤及び被加工物の３次元モデルを模式的に示す説明図。
【図２】本実施形態の被加工物に形成された歯溝の一例を示す説明図。
【図３】本実施形態の歯溝を拡大して示す説明図。
【図４】図４Ａは本実施形態の３次元画像データを示す説明図。図４Ｂは、図４Ａの３次元画像データから歯面の傾斜を除去した３次元画像データを示す説明図。図４Ｃは、図４Ｂの３次元画像データから歯面の丸み（曲面）を除去した３次元画像データを示す説明図。図４Ｄは、図４Ｃの３次元画像データに２次元ＦＦＴ処理を施した３次元画像データを示す説明図。
【図５】２次元ＦＦＴ処理後の３次元画像データの見方を模式的に示す説明図。
【図６】図６Ａは、周期性筋目を選択した状態を示す説明図。図６Ｂは選択した周期性筋目以外を除去して逆ＦＦＴ処理した状態を示す説明図。
【図７】参考例として、歯切り盤及び被加工物の３次元モデルで求めた角度を使用することなく目視で角度を設定した場合の逆ＦＦＴ処理後の３次元画像データを示す説明図。
【図８】本実施形態の１つの歯面に対する周期性筋目と他の筋目及び噛合い軌跡線を模式的に示す説明図。
【図９】図９Ａは、図６Ｂで得られた３次元画像データを噛合い軌跡線で切断する切断箇所を示す説明図。図９Ｂは、図９Ａの切断断面における歯面の曲線を示す説明図。図９Ｃは、図９Ｂの曲線からＦＦＴ処理で波長振幅を求めた状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図を参照して、本発明の実施形態の歯車としてのハイポイドギヤの歯面測定方法を説明する。
【００１３】
［歯溝３次元モデル作成工程］
まず、歯溝３次元モデル作成工程ついて説明する。図１は、被加工物１を取り付けた歯切り盤２の３次元モデルを模式的に示したものである。歯切り盤２の３次元モデルを作成するには、まず、実際に用いられる歯切り盤のカッター諸元情報よりカッター３の刃が回転したときの切削面に相当する円錐モデルを作成する。
【００１４】
実際に用いられる歯切り盤２では、カッター３の中心軸と歯切り盤２の回転中心軸とを完全に一致させることは事実上不可能であり、カッター３は、偏心した状態で回転運動する。カッター３の偏心量はできるだけ小さくなるように設定されるが、カッター３の偏心量を完全に０にすることは困難である。そして、この偏心が周期性のある筋目１０の発生原因と考えられる。従って、歯切り盤２の３次元モデルでもこの偏心を考慮して作成する必要がある。
【００１５】
凸側歯面、凹側歯面に対応したブレード断面形状を諸元情報の半径に対し、許容できる最大偏心量だけ加算した位置で回転させて得られる円錐体を作成する。この円錐体がカッター３の３次元モデルとなる。カッター３の切削面モデルは、ブレードの先端頂点が描く回転平面と回転軸線の交点をカッター３の３次元モデルの位置決め基準点とする。
【００１６】
次に、被加工物１の３次元モデルを作成する。被加工物１の３次元モデルは歯切り加工前の素材に相当し、実際の歯切り加工基準点と同じ場所に位置決め基準点を設定する。
【００１７】
次に、歯切り盤２の可動軸と位置決めモデルを作成する。本実施形態では、歯切り盤のモデルは、Gleason社の106型加工機の諸元と機構を再現した。まず、カッター３の切削運動の基準となるＸ−Ｙ平面を原点上に設定する。カッター３は、Ｘ−Ｙ平面内の原点を中心として切削回転をする。実際の加工機姿勢に合わせて水平方向と鉛直方向のそれぞれＸ軸、Ｙ軸を設定する。また、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向にＺ軸を設定し、Ｚ＝０とカッター３の３次元モデルの位置決め基準点とを一致させる。実際の切削加工では、カッター３の３次元モデルの位置決め基準点で高速回転するカッター３の刃の動きを、切削面の回転軌跡に置き換えてモデル化を行う。
【００１８】
カッター３は自転と同時に切削回転軸（Ｚ軸）を中心に切削台４（Ｃｒａｄｌｅ）を回転させて必要な公転運動が与えられる。歯切り盤２では、切削回転半径を自在に調整できるようにカッター３を取り付ける回転軸は、偏心回転台（Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ）を介して切削台４に搭載される。切削半径は偏心台の回転角度により、調整後のカッター基準点位置の調整は切削台４の回転角度により調整できる。
【００１９】
カッター３の刃の先端が描く回転平面を切削回転平面から傾けた段取りが可能なようにカッター３の回転軸には、１組の斜盤台５，６（swivel/cutter rotation）を組み合わせた機構が組み込まれている。一方の斜盤台６の回転により０deg〜３０degの傾斜角を設定し、他方の斜盤台５の回転で傾斜の方向を調整する。
【００２０】
カッター３の傾斜角度を調整する際はカッター３の回転円錐モデルの先端平面の中心点が、切削回転半径から変化しない位置となるように、一組の斜盤台５，６の回転軸はカッター基準点で交差する構造となっている。
【００２１】
被加工物１の取付台７は、被加工物１の回転軸と歯切り盤２のカッター３の切削平面の成す角度を調整可能な回転機構８、切削回転中心から上下の垂直移動、被加工物の回転軸方向の平行移動が可能なスライド機構が設けられ、切削中心点に対する設置位置と姿勢を自在に調整することができる。また、取付台７が搭載されるテーブル（Sliding base）には、カッター３の切削回転平面に対し垂直方向に直線運動（Helical motion）が行えるように、切削回転に連動して送り移動を与える機構が設けられている。
【００２２】
カッター３の３次元モデルと被加工物１の３次元モデルを歯切り盤２の３次元モデル上の所定の段取り基準位置（Machine Center Position）に所定の姿勢で配置する。この配置位置と切削回転角度は、噛合いの基準位置として歯幅の中央に定義されたMean Pointにおいて仮想共役歯面を再現するカッター３の切削点と、被加工物１が噛合いピッチ点で一致する瞬間に相当する。そして、歯切り開始から終了までの間をカッター３の１回転の単位時間毎の送り運動を与えることにより理論上の歯面形状を３次元ＣＡＤソフトウェア上で作成する。
【００２３】
加工条件よりカッター回転速度をＮ（ｒｐｍ）、切削送り速度Ｓ（ｄｅｇ／ｓｅｃ）とすると、単位時間はＮ／６０（ｓｅｃ）、単位時間当たりのカッター創成回転角度はＳ×Ｎ／６０（ｄｅｇ）となる。カッター３と被加工物１の切削回転速度の比率をＲ（Ｒａｔｉｏ ｏｆ ｒｏｌｌ）とすると、被加工物１の単位時間当たりの回転角度は、Ｒ×Ｓ×Ｎ／６０（ｄｅｇ）となる。カッター切削回転に対する取付台７の回転軸線方向の送りをＨ（ｍｍ／ｄｅｇ）とすると、単位時間当たりの直線移動量は、Ｈ×Ｓ×Ｎ／６０（ｍｍ）となる。以上の関係にてカッター３の１回転の単位時間毎に３次元モデルを回転、移動させ、カッター３の３次元モデルと被加工物１の３次元モデルとが干渉する干渉部分を削除することにより得られた歯溝９（図２及び図３参照）の面を歯面性状の理論モデルとする。
【００２４】
［筋目角度設定工程］
次に、筋目角度設定工程について説明する。
【００２５】
図２は、被加工物１の３次元モデルに設けられた歯溝９を示している。図３に歯溝９を拡大して示すように、歯溝９には所定の単位時間当たりに干渉部分を複数回だけ削除していく過程において、カッター３の偏心運動のピーク部位の切削面が描く軌跡により加工歯面１２を生成する。１つの歯溝９が完成するまでの動作が完了した後に全ての加工歯面１２の包絡面が得られる。包絡面同士が交差する稜線は、カッター３の偏心のピークとなる切削面の交点を繋ぎ合わせた点であり、すなわち歯面凹凸形状のピークとなる等高線を表す。以上により、理論モデルに描かれる稜線は歯切り加工時に発生する周期性筋目１０の性状を表す。また、ハイポイドギヤの歯には、歯と歯が接触する接触点の軌跡で表すことができる噛合い軌跡線１１が存在する。この噛合い軌跡線１１上における筋目１０の角度を歯溝９から求める。
【００２６】
［非接触３次元測定工程］
次に非接触３次元測定工程について説明する。この工程では、まず、実際に評価したいハイポイドギヤの噛合い軌跡線１１を含む歯面を非接触３次元測定機を用いて測定する。本実施形態においては、非接触式３次元測定機として、アリコナ製ＩＮＦＩＮＩＴＥ  ＦＯＣＵＳを使用して測定した。
【００２７】
［フーリエ変換処理工程］
次にフーリエ変換処理工程について説明する。
【００２８】
図４Ａは非接触式３次元測定機で測定された３次元画像データを示している。図４Ａの横軸は歯先線に垂直な基準線であり、図４Ａでは色の違いで高低差（３つ目の次元）が表されている。また、図４Ａ〜図４Ｃにおいては、縦横の比率が実際歯面の比率とは異なった状態で示されている。図４Ａの３次元画像データにはハイポイドギヤの歯面の傾斜及び丸み（曲面）が含まれた状態であるため、まず、フィルタ処理を掛けて傾斜を取り除き、図４Ｂに示すように、傾斜が取り除かれた３次元画像データを得る。
【００２９】
次に、近似多項式を用いて丸み（曲面）を取り除き、図４Ｃに示すように丸み（曲面）が取り除かれた３次元画像データを得る。
【００３０】
次に、傾斜及び丸みが除去された３次元画像データに対して２次元高速フーリエ変換処理（２次元ＦＦＴ処理）を施す。２次元高速フーリエ変換処理は、図４Ｃの２次元画像データに対して、水平方向及び垂直方向の１次元高速フーリエ変換処理を夫々１回ずつ繰り返して成分分析を行う。本実施形態では、Ｔａｌｏｒ  Ｈｏｂｓｏｎ製のＴａｌｙｍａｐ  Ｐｌａｔｉｎｕｍ  ソフトウェアを使用してこの２次元高速フーリエ変換処理を行った。この結果、図４Ｄに示す３次元画像データが得られる。図５は、図４Ｄの３次元画像データとこの３次元画像データを模式化して表した模式図とを並べて示している。図４Ｄ及び図５の３次元画像データの中心は波長が０であることを示し、また、輝度が高いところにその波長成分が多く含まれている（換言すれば、依存度が高い）ことを示している。また、中心から高輝度位置までのベクトル成分が、筋目が延びる方向の垂直成分であることを示している。
【００３１】
［周期性筋目設定工程、及び逆フーリエ変換工程］
次に周期性筋目設定工程、及び逆フーリエ変換工程について説明する。
【００３２】
図４Ｄの３次元画像データから周期性筋目以外の他の筋目を取り除けば周期性筋目のみの３次元画像データを得ることができる。ここで、中心から外周まで延びる筋状の高輝度部分Ｗは、様々な周期の波長が満遍なく分布している状態を示している。従って、この中心から外周まで延びる筋状の高輝度部分Ｗを除き、周期性筋目の高輝度部分を抽出することにより、周期性筋目を取り出すことができる。
【００３３】
このとき、参考例として図７に示すように、目視で周期性筋目の高輝度部分を抽出することもできる。しかしながら、このソフトウェアでは、扇状の領域を指定して高輝度部分を抽出する。そして、扇状の領域の中心線が周期性筋目の延在方向となる。ここで、目視により注出する場合には、扇状の領域の中心線が精度よく設定できないため、抽出した高輝度部分を逆高速フーリエ変換で３次元データに戻して周期性筋目を抽出しようとしても周期性筋目の抽出精度が低下してしまうという問題がある。
【００３４】
そこで、本実施形態では、図６Ａに示すように、３次元モデルで求めた筋目の角度を用いて扇状の領域の中心線を設定する。これにより抽出した高輝度部分を逆高速フーリエ変換で３次元画像データに戻すことにより、図６Ｂの右側に示すように精度よく、周期性筋目を抽出することができるようになった。
【００３５】
図８は、筋目の模式図である。図８に示すように切削加工時にカッター３の偏心によって発生する周期性の筋目の他に、工具の表面形状や粗さの転写による筋目や切り屑の滑りなどによって生じる周期性のない筋目などが存在する。
【００３６】
［歯面性状評価工程］
図９Ａに示すように、図６Ｂの右側の逆高速フーリエ変換で得られた３次元画像データは、図９Ｂに示すように、噛合い軌跡線１１上の断面曲線を抽出し、図９Ｃに示すように、抽出された断面曲線を高速フーリエ変換処理を施すことにより、周期性筋目の波長・振幅の評価を行うことができる。これにより、ハイポイドギヤの高周波騒音の性状を正確に把握することが可能となる。
【００３７】
また、図６の逆高速フーリエ変換で得られた３次元画像データを１度作成しておけば、噛合い軌跡線を変更する場合であっても、図６の３次元画像データを用いて容易に再評価することができる。
【００３８】
［他の実施形態］
なお、本実施形態においては、ハイポイドギヤの歯面測定方法について説明した。しかしながら、本発明の歯面測定方法は、ハイポイドギヤに限らず、他の歯車、例えば、インボリュート歯車、傘歯車にも用いることができる。
【００３９】
また、本実施形態においては、所定の単位時間を歯切り盤２のカッター３の1回転する時間として説明したが、本発明の所定時間はこれに限らず、例えば、カッター３を複数回回転させた時間に設定してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  被加工物
２  歯切り盤
３  カッター
４  切削台
５，６  斜盤台
７  取付台
８  回転機構
９  歯溝
１０  筋目
１１  噛合い軌跡線
１２  加工歯面
１３  測定領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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