(57)【要約】【課題】クーラントを用いて研削加工した被加工物の表面形状の測定を安定して行うと共に、迅速な測定を可能とする。【解決手段】被加工物５を保持する保持手段６と、クーラント８を用いて被加工物５を研削加工する加工手段７と、被加工物５の表面形状を測定する形状測定手段１０と、保持手段６と加工手段７と形状測定手段１０とを相対的に移動させる駆動手段と、クーラント８の温度を測定するクーラント温度測定手段１５と、被加工物５の温度を測定する被加工物温度測定手段１６と、保持手段６の温度を測定する保持手段温度測定手段１７とを有する。【選択図】図１
2006021275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を保持する保持手段と、クーラントを用いて被加工物を研削加工する加工手段と、被加工物の表面形状を測定する形状測定手段と、前記保持手段と加工手段と形状測定手段とを相対的に移動させる駆動手段と、前記クーラントの温度を測定するクーラント温度測定手段と、前記被加工物の温度を測定する被加工物温度測定手段と、前記保持手段の温度を測定する保持手段温度測定手段とからなることを特徴とする機械加工装置。
【請求項２】
保持手段により保持された被加工物をクーラントを用いて研削加工する加工工程と、被加工物の表面形状を測定する形状測定工程とからなる加工方法において、
前記クーラントの温度をパラメータとして被加工物の温度の時間的変化を測定し、少なくとも加工工程終了時から形状測定終了時までの間における被加工物の温度が略一定となるクーラントの温度を求め、これに略等しい温度のクーラントを用いて被加工物を加工することを特徴とする機械加工方法。
【請求項３】
保持手段により保持された被加工物をクーラントを用いて研削加工する加工工程と、被加工物の表面形状を測定する形状測定工程とからなる測定方法において、
前記被加工物の表面形状測定に同期して被加工物及び保持手段の温度を測定し、測定した温度データと被加工物の所定の物性値及び保持手段の所定の物性値とから前記被加工物の表面形状データを補正することを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
前記所定の物性値は、少なくとも被加工物の熱膨張係数及び保持手段の熱膨張係数を含むことを特徴とする請求項４記載の形状測定方法。
【請求項５】
前記被加工物が所定の一定温度を示す時点で被加工物の表面形状を測定し、この表面形状データと被加工物の温度データ及び保持手段の温度データとを用いて演算することによって得た値を前記所定の物性値とすることを特徴とする請求項４記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子や光学素子を成形する金型の成形面等からなる被加工物を加工する機械加工装置及び機械加工方法並びに加工された被加工物の形状を測定する形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子や光学素子を成形する金型の成形面を被加工物として機械加工する際には、数値制御装置が取り付けられた超精密加工機を用いて加工を行っている。上述のような被加工物は、高い面精度が要求されるところから、この要求を満たすため、加工後に機外の形状測定機により形状測定を行い、面精度要求が満たされていない場合には、形状測定機の測定結果を加工プログラムヘフィードバックして形状補正加工を行っている。
【０００３】
図５は、このような形状測定及び形状補正加工のサイクルを高精度且つ長時間を要することなく行うため、特許文献１に記載された加工装置を示す。
【０００４】
図５に示す加工装置は、被加工物１００を保持するチャック等の保持具１１０を備えた主軸スピンドル１２０と、被加工物１００を研削加工する砥石等の工具１３０を有した工具スピンドル１４０とが対向するように基台１５０上に配置されている。また、工具１３０によって研削加工された被加工物１００の形状を測定する機上測定機１６０が基台１５０上に設けられている。機上測定機１６０は被加工物１００の表面に接触するプローブ１７０を有しており、割出装置１８０の駆動によって主軸スピンドル１２０と共に旋回した被加工物１００にプローブ１７０が接触することにより、研削加工後の被加工物１００の形状を測定するようになっている。
【０００５】
このような加工装置では、加工後の被加工物１００を機上で形状測定するため、被加工物１００を主軸スピンドル１２０から取り外す必要がない。このため、形状測定及び形状補正加工を短時間で高精度に行うことが可能となっている。
【特許文献１】特開昭６３−３０６８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
被加工物の加工に際しては、クーラントを被加工物に吹きかけながら切削加工を行うことがある。上述した加工装置をクーラントを用いた研削加工に用いる場合、クーラントの水滴が被加工物１００、被加工物１００の保持具１１０や主軸スピンドル１２０に付着する。そして、付着した水滴が蒸発する際には、蒸発の際の気化熱が被加工物１００、保持具１１０や主軸スピンドル１２０から熱エネルギを奪い取るため、これらの温度が環境気温より下がることがある。
【０００７】
このような温度低下があると、温度低下部分が熱収縮する。このため、加工直後に機上測定機１６０によって測定を開始すると、熱収縮の影響で被加工物１００と機上測定機１６０との相対位置が変動して安定した測定を行うことができない問題が発生する。また、安定した測定を行うためには、加工後に、被加工物１００や保持具１１０の温度が安定するまでの一定時間待ってから測定しなければならず、リードタイムが長くなる問題が新たに発生する。
【０００８】
本発明はこのような問題点を考慮してなされたものであり、加工後の被加工物の形状測定を一定時間待つことなく行うことができると共に、安定した形状測定を行うことが可能な機械加工装置及び機械加工方法並びに形状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】
【０００９】
請求項１記載の発明の機械加工装置は、被加工物を保持する保持手段と、クーラントを用いて被加工物を研削加工する加工手段と、被加工物の表面形状を測定する形状測定手段と、前記保持手段と加工手段と形状測定手段とを相対的に移動させる駆動手段と、前記クーラントの温度を測定するクーラント温度測定手段と、前記被加工物の温度を測定する被加工物温度測定手段と、前記保持手段の温度を測定する保持手段温度測定手段とからなることを特徴とする。
【００１０】
機械加工においては、研削加工される被加工物及び被加工物を保持する保持手段に対してクーラントが吹き付けられるため、クーラントの温度が被加工物及び保持手段に影響し、温度変化による変位が被加工物及び保持手段に発生する。請求項１記載の発明では、研削加工に用いるクーラントの温度、被加工物の温度及び保持手段の温度をそれぞれの温度測定手段が測定するため、クーラントの温度の影響をキャンセルすることができる。これにより、被加工物の加工直後に形状測定手段が表面形状を測定しても、安定した測定を行うことができると共に、安定するまで一定時間待つ必要がなく、リードタイムを短縮することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明の機械加工方法は、保持手段により保持された被加工物をクーラントを用いて研削加工する加工工程と、被加工物の表面形状を測定する形状測定工程とからなる加工方法において、前記クーラントの温度をパラメータとして被加工物の温度の時間的変化を測定し、少なくとも加工工程終了時から形状測定終了時までの間における被加工物の温度が略一定となるクーラントの温度を求め、これに略等しい温度のクーラントを用いて被加工物を加工することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明では、加工終了時から形状測定終了時までの間における被加工物の温度が略一定となるクーラントの温度を実験等によって求め、この温度と略等しい温度のクーラントを用いて被加工物を加工するものである。これにより、被加工物の温度変化を抑制することができるため、被加工物の形状測定開始時点から測定終了時点までにおける被加工物の温度差を極めて小さくすることができ、温度変化に基づく被加工物の収縮や膨張が極めて少なくなり、測定値の変動を抑制することができる。このため、被加工物の表面に対して安定した形状測定を行うことができる。
【００１３】
請求項３記載の発明の形状測定方法は、保持手段により保持された被加工物をクーラントを用いて研削加工する加工工程と、被加工物の表面形状を測定する形状測定工程とからなる測定方法において、前記被加工物の表面形状測定に同期して被加工物及び保持手段の温度を測定し、測定した温度データと被加工物の所定の物性値及び保持手段の所定の物性値とから前記被加工物の表面形状データを補正することを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明では、被加工物及び保持手段の温度を測定すると共に、この温度データと被加工物及び保持手段の所定の物性値とから被加工物の表面形状データを補正するため、クーラントによる被加工物及び保持手段の物性値への影響をキャンセルすることができる。従って、加工直後に被加工物の表面形状を測定しても、安定した測定を行うことができると共に、安定するまで一定時間待つ必要がなく、リードタイムを短縮することができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項４記載の形状測定方法であって、前記所定の物性値は、少なくとも被加工物の熱膨張係数及び保持手段の熱膨張係数を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明では、被加工物及び保持手段の物性値を熱膨張係数としていることにより、クーラントの温度による被加工物及び保持手段の変位を確実にキャンセルすることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の形状測定方法であって、前記被加工物が所定の一定温度を示す時点で被加工物の表面形状を測定し、この表面形状データと被加工物の温度データ及び保持手段の温度データとを用いて演算することによって得た値を前記所定の物性値とすることを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明では、被加工物の表面形状データと被加工物及び保持手段の温度データとによって得られた値を物性値とするため、クーラントの温度による被加工物及び保持手段の変位を確実にキャンセルすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の機械加工装置によれば、クーラントの温度、被加工物の温度及び保持手段の温度を測定するため、被加工物に対するクーラントの温度の影響をキャンセルすることができ、被加工物の加工直後に形状測定手段が表面形状を測定しても、安定した測定を行うことができると共に、安定するまで一定時間待つ必要がなく、リードタイムを短縮することができる。
【００２０】
本発明の機械加工方法によれば、被加工物の温度が略一定となる温度のクーラントを用いて被加工物を加工するため、被加工物の形状測定開始時点から測定終了時点までにおける被加工物の温度差を極めて小さくすることができ、温度変化に基づく測定値の変動を抑制することができる。このため、被加工物の表面の形状測定を安定して行うことができる。
【００２１】
本発明の形状測定方法によれば、被加工物及び保持手段の温度データと被加工物及び保持手段の所定の物性値とから被加工物の表面形状データを補正するため、加工直後に被加工物の表面形状を測定しても、安定した測定を行うことができると共に、安定するまで一定時間待つ必要がなく、リードタイムを短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図示する実施の形態により、具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。
【００２３】
（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の実施の形態１を示し、図１は機械加工装置の平面図、図２は形状測定を行うフローチャート、図３は表面形状測定の際の温度と時間との関係を示すグラフである。
【００２４】
図１に示す機械加工装置は、光学素子や光学素子を成形するための金型を加工する工作機としての超精密加工用旋盤１である。この超精密加工用旋盤１は、主軸回転軸Ａを有する主軸スピンドル３と、工具回転軸Ｂを有する工具スピンドル４と、加工された被加工物５の表面形状を測定する形状測定手段としての機上測定機１０とが基台１ａ上に配置されている。
【００２５】
これらの主軸スピンドル３、工具スピンドル４及び機上測定機１０は、駆動手段によって相対的に移動するように制御される。すなわち、駆動手段は主軸スピンドル３と工具スピンドル４とを相対移動させる動作軸として、主軸回転軸Ａと平行な平行軸Ｚと主軸回転軸Ａと直交する垂直軸Ｘの２軸とを備えている。また、機上測定機１０に対し、駆動手段は平行軸Ｚと平行方向に移動するスライド（図示省略）を備えている。
【００２６】
主軸スピンドル３の先端には、被加工物５を把持する保持手段としての被加工物の把持具６が取り付けられている。この場合、把持具６に使用される材質を１種類とすることにより、把持具６の熱膨張率を既知とするものである。工具スピンドル４の先端には、被加工物５を研削加工する加工手段としての工具７が取り付けられている。
【００２７】
符号２１は、クーラントノズルである。クーラントノズル２１は、研削加工時における被加工物５及び工具７の温度安定と滑り性を向上させるための水溶性のクーラント８を吐出するものであり、これにより、クーラント８を工具７及び加工時の被加工物５に吹き付けるようになっている。クーラント８は後述するように温度制御された状態で工具７及び被加工物５に吐出されるものである。
【００２８】
機上測定機１０は、平行軸Ｚと平行方向に移動するスライドの先端に被加工物５に接触するプローブ２２を備えている。プローブ２２は、被加工物５の表面に接触することにより、被加工物５の表面形状を測定する。スライドにはスライドの移動量を測定するスケールが取り付けられている。このスケールから得られるプローブ２２の移動量とその時の垂直軸Ｘ及び平行軸Ｚの座標を機上測定データとして取り込むパソコン１３がケーブル１４を介して機上測定機１０と接続されている。パソコン１３は、上記データから形状解析し、理想形状との誤差を点列のデータとして表すことができる図２に示すフローチャートを実行するプログラムを格納したソフトウエアを備えている。
【００２９】
クーラント８の液温を測定するためのクーラント温度測定手段としてのクーラント熱電対１５がクーラントノズル２１における吐出部に配置されている。また、研削加工後における把持具６の温度を測定する保持手段温度測定手段としての把持具熱電対１７が把持具６に取り付けられ、研削加工後における被加工物５の温度を測定する被加工物温度測定手段としての被加工物熱電対１６が被加工物５に取り付けられている。これに加えて、基台１ａの外方におけるクーラントがかからない位置には基準ブロック１８が配置されており、この基準ブロック１８に同ブロック１８の温度を測定する基準ブロック熱電対１９が取り付けられている。これらのクーラント熱電対１５、把持具熱電対１７、被加工物熱電対１６及び基準ブロック熱電対１９の温度を収集するため、これらがケーブル１４を介してパソコン１３に接続されている。
【００３０】
図２は、パソコン１３に組み込まれたソフトウエアに格納されたプログラムが実行するフローチャートを示す。このソフトウエアにおいては、被加工物５及び把持具６の物性データ２０が予め入力されている。この物性データ２０は、被加工物５及び把持具６の各々の形状の大きさと熱膨張係数とから成り立っている。そして、温度収集された温度データから被加工物５及び把持具６の熱膨張量Ｄをプログラムにより物性データ２０を用いて下記換算式Cにより算出することができる。さらにソフトウエアには、被加工物５の熱膨張量を機上測定機１０の測定データ９から減算する機能が備えられている。
【００３１】
（換算式Ｃ）
熱膨張量Ｄ＝形状係数α×形状大きさｈ×熱膨張係数γ×［被加工物温度（または把持具温度）Ｔ−基準ブロック温度Ｔ０］
【００３２】
次に、この実施の形態による形状測定を図２を参照して説明する。
【００３３】
把持具６に被加工物５を把持した状態で、主軸スピンドル３及び工具スピンドル４を回転させる。また、被加工物５にクーラント８をかけた状態で、被加工物５が目的形状になるように被加工物５及び工具７を相対移動させて研削加工を進行させる。研削加工後は、機上測定機１０によって被加工物５の加工面の表面形状を測定する（ステップＳ１）。
【００３４】
この表面形状の測定と同時期に被加工物熱電対１６、把持具熱電対１７による温度測定及び基準ブロック熱電対１９による基準ブロック１８の温度測定を開始する（ステップＳ４）。この場合の温度測定は、形状測定の垂直軸Ｘの位置座標と繋がりがあるように関係させて行う。そして、形状測定終了と同時に温度測定も終了させ（ステップＳ２及びステップＳ５）、これらのデータを収集する（ステップＳ３及びステップＳ６）。
【００３５】
その後、被加工物５に対しては、垂直軸Ｘの各点毎に測定した被加工物熱電対１６の温度データを物性データ２０を用いて被加工物５の変位量（熱膨張量）に変換する（ステップＳ７）。温度測定の垂直軸Ｘと機上測定機１０で測定した垂直軸Ｘとを一致させ、その点における被加工物５の変位量を機上測定機１０で測定した測定データから減算して補正を行う（ステップＳ８）。
【００３６】
同様に、把持具６に対しても、把持具熱電対１７の温度データを物性データ２０を用いて把持具６の変位量に変換する（ステップＳ７）。温度測定の垂直軸Ｘと機上測定機１０で測定した垂直軸Ｘとを一致させ、その点における把持具６の変位量を機上測定機１０で測定した測定データから減算して補正を行う（ステップＳ８）。
【００３７】
以上によって補正を行った測定データに対して形状解析を行い（ステップＳ９）、形状誤差をパソコン１３のディスプレイにグラフで可視表示する。この形状誤差が規格を満たしていない場合は、この形状誤差を加工プログラムヘフィードバックさせて補正加工を行う。一方、形状誤差が規格を満たした場合には、加工を終了する。
【００３８】
このような実施の形態によれば、機上測定機１０による被加工物５の表面形状測定時に、加工後の被加工物５や把持具６の温度による変位量を補正するため、機上測定機１０による測定を安定して行うことができる。また、加工後に被加工物５や把持具６の変位量が安定するまで一定時間を待つことなく、加工直後に測定を開始できるため、リードタイムを短縮することが可能となる。
【００３９】
（実施の形態２）
この実施の形態では、実施の形態１と同様に、図１に示す超精密加工用旋盤１等を機械加工装置として被加工物５を加工するものであるが、加工の際に用いるクーラント８の温度を設定する点で異なっている。
【００４０】
図３は、被加工物５への加工終了後から測定する被加工物５及び把持具６の測定点における温度変化を示す。クーラント８の液温と環境温度が異なる場合には、加工終了後に被加工物５及び把持具６が環境温度に推移する。図３における実線は、例えば、揮発性のクーラント８を用いた場合であり、この場合には、クーラント８が蒸発する際の気化熱によって被加工物５及び把持具６の温度が時間経過と共に下降して最終的に環境温度となる。図３における一点鎖線は、例えば、低温度のクーラント８を用いた場合であり、被加工物５及び把持具６の温度が時間経過と共に上昇して最終的に環境温度となる。従って、いずれの場合においても、図３に示すように、被加工物５の表面形状の測定開始時点から測定終了時点までの間に温度勾配が発生し、この温度変化に基づいて被加工物が収縮・膨張するものである。
【００４１】
この実施の形態では、被加工物５の加工を行う前に、実験等によりクーラント８の温度を予め求め、求めた温度のクーラント８を用いて被加工物５を加工するものである。すなわち、実験では、クーラント８を被加工物５及び把持具６にかけてクーラント８の温度に被加工物５及び把持具６を馴染ませ、その後、クーラント８をかけることを止める。その時点からある一定時間の間まで被加工物５と把持具６の温度勾配が発生しないクーラント８の温度を求める。
【００４２】
そして、この実験で求めた温度のクーラント８を用いて被加工物５を加工し、加工後に被加工物５の表面形状を機上測定機１０により測定する。これにより、測定開始時点から測定終了時点までの間における被加工物５の温度差を極めて小さくすることができるため、温度変化に基づく被加工物５の収縮や膨張等の形状変化が極めて少なくなり、測定値の変動を抑制することができる。従って、被加工物の表面に対して安定した形状測定を行うことができる。
【００４３】
なお、この実施の形態では、被加工物５の把持具６に対してもクーラント８の温度の影響を考慮しているが、被加工物５の温度が一定となる場合、一般的に、把持具６の温度も一定となることから把持具６の影響を考慮する必要がないものである。
【００４４】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３を示す。この実施の形態では、被加工物５を研削加工する前に予め被加工物５の温度を被加工物熱電対１６を用いて測定すると共に、そのときの変位量を平行軸Ｚと平行に設置したマイクロセンス２３を用いて測定する。そして、被加工物５における温度と変位量の関係を物性データ２０としてパソコン１３に格納する。
【００４５】
同様に、把持具６の温度を把持具熱電対１７を用いて測定するが、このときにおいても、平行軸Ｚと平行方向の変位量をマイクロセンス２３を用いて測定する。測定した把持具６における温度と変位量の関係を物性データ２０としてパソコン１３に格納する。以上が、実施の形態１と異なる点である。
【００４６】
この実施の形態では、垂直軸Ｘの各点毎に測定した被加工物熱電対１６の温度データと一致する温度を物性データ２０より探し求め、そのときの被加工物５の変位量を導き出す。同様に、把持具６に対しても、把持具熱電対１７の温度データと一致する温度を物性データ２０より探し求め、その時の把持具６の変位量を導き出す。この点が文献等に記載された熱膨張係数の値を物性データ２０として用いる実施の形態１との相違点である。これにより、この実施の形態では、実施の形態１に比べ、さらに実際に即した補正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１における機械加工装置の全体平面図である。
【図２】被加工物の形状測定を行うためのフローチャートである。
【図３】実施の形態２における表面形状測定の際の温度と時間との関係を示すグラフである。
【図４】実施の形態３における機械加工装置の平面図である。
【図５】従来の加工装置の正面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  超精密加工用旋盤
３  主軸スピンドル
４  工具スピンドル
５  被加工物
６  把持具
７  工具
８  クーラント
１０  機上測定機
１３  パソコン
１５  クーラント熱電対
１６  被加工物熱電対
１７  把持具熱電対
１８  基準ブロック
１９  基準ブロック熱電対
【図１】
2006021275.tif 000003
【図２】
2006021275.tif 000004
【図３】
2006021275.tif 000005
【図４】
2006021275.tif 000006
【図５】
2006021275.tif 000007