(57)【要約】【課題】良好な表面粗さを得ながら加工時間の短縮を図る。【解決手段】切削工具５の先端を所定の軌跡で運動させるための少なくとも２つの直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂと、直動アクチュエータにより駆動される切削工具の先端の移動軌跡を検出する検出器６と、少なくとも２つの直動軸１２ａと少なくとも１つの回転軸１２ｃとを有し、切削工具と被切削加工物１３とを相対的に移動させる移動装置１２と、検出器により検出された切削工具の先端の移動軌跡と、被切削加工物の目標加工形状との偏差を算出し、この偏差をなくすように移動装置を動作させる制御部１０とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具の先端を所定の軌跡で運動させるための少なくとも２つの直動アクチュエータと、
該直動アクチュエータにより駆動される切削工具の先端の移動軌跡を検出する検出手段と、
少なくとも２つの直動軸と少なくとも１つの回転軸とを有し、前記切削工具と被切削加工物とを相対的に移動させる移動手段と、
前記検出手段により検出された前記切削工具の先端の移動軌跡と、前記被切削加工物の目標加工形状との偏差を算出し、該偏差をなくすように前記移動手段を動作させる制御手段とを具備することを特徴とする切削加工装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記切削工具の先端の移動軌跡の情報に基づいて、前記切削工具の先端の最下点を求め、該最下点の前後の加工範囲の１／２の範囲内の傾きを算出し、前記最下点前後の傾きを比較して緩やかな方の値を前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢として前記移動手段の補正移動量を算出することを特徴とする請求項１に記載の切削加工装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢を、要求精度を満たしかつ切削幅が最大となるように算出することを特徴とする請求項２に記載の切削加工装置。
【請求項４】
前記直動アクチュエータが磁歪アクチュエータ又は圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の切削加工装置。
【請求項５】
切削工具の先端を所定の軌跡で運動させるための少なくとも２つの直動アクチュエータと、該直動アクチュエータにより駆動される切削工具の先端の移動軌跡を検出する検出手段と、少なくとも２つの直動軸と少なくとも１つの回転軸とを有し、前記切削工具と被切削加工物とを相対的に移動させる移動手段とを備える切削加工装置を用いた切削加工方法であって、
前記検出手段により検出された前記切削工具の先端の移動軌跡と、前記被切削加工物の目標加工形状との偏差を算出し、該偏差をなくすように前記移動手段を動作させることを特徴とする切削加工方法。
【請求項６】
前記切削工具の先端の移動軌跡の情報に基づいて、前記切削工具の先端の最下点を求め、該最下点の前後の加工範囲の１／２の範囲内の傾きを算出し、前記最下点前後の傾きを比較して緩やかな方の値を前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢として前記移動手段の補正移動量を算出することを特徴とする請求項５に記載の切削加工方法。
【請求項７】
前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢を、要求精度を満たしかつ切削幅が最大となるように算出することを特徴とする請求項６に記載の切削加工方法。
【請求項８】
前記直動アクチュエータが磁歪アクチュエータ又は圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項５に記載の切削加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子あるいはその金型の加工において、特に曲率半径が小さくかつ一定でない自由曲面を持つ被加工物を切削工具により加工する場合に、良好な表面粗さを得ながら加工時間の短縮を図ることができる切削加工装置及び切削加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術を図面に沿って説明する。
【０００３】
図３は、従来の加工装置の構成を示す概略図である。
【０００４】
図３の加工装置は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θの４軸同期ステージを持つ切削装置と切削工具を運動させる切削ユニット３１とを備えている。また、切削ユニット３１は、バイト（切削工具）５と２つの直動アクチュエータユニット３２ａ，３２ｂとメインフレーム４８とを備えている。
【０００５】
切削ユニット３１は、４軸同期切削装置の回転位置決めステージ１２ｃに固定されており、回転位置決めステージ１２ｃは、Ｚ方向に移動するＺステージ１２ｂ上に位置している。１３はワーク（被加工物）、３４はワークを固定する治具、１２ａはＸＹ方向に移動するＸＹステージである。ワーク１３は、治具３４によりＺステージ１２ｂに固定されている。
【０００６】
次に、図３を用いて従来の加工装置における加工動作を説明する。バイト５が、直交した方向に配置された２つの直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂによりＸＺ方向に運動し、ワーク１３がＸＹステージ１２ａによりＹ方向に走査されて加工が進行する。Ｙ方向への１走査が終了するとＸ方向にステップ移動し、再度Ｙ方向の走査運動を行う。これを繰り返すことによりワーク全面の加工を行う。また、形成する自由曲面の形状に合わせＹ方向に走査するのと同期してＺステージ１２ｂによりバイト５のＺ方向位置を制御する。また、自由曲面の傾斜（曲率）に合わせ回転位置決めステージ１２ｃによりバイトの法線追跡を行っている。
【０００７】
図２は従来の加工方法でのバイト５の駆動方法及びステージ１２の駆動方法を示す図である。
【０００８】
図２を参照して従来の加工装置におけるバイト５のＺ方向位置の制御方法とバイト５の法線追跡方法を説明する。
【０００９】
まず、バイト５の駆動方法を説明する。切削工具制御器１はワーク１３の加工面の曲率に応じたバイト駆動目標指令ＰＢとバイト５の位置ＰＢ’に基づいて制御量目標値Ｉrefを算出しアンプに代表されるアクチュエータ駆動装置３に出力する。アクチュエータ駆動装置３はＩrefを目標値としてアクチュエータ４に制御量Ｉを出力しアクチュエータ４を駆動する。アクチュエータ４はＸ軸アクチュエータ３２ｂ、Ｚ軸アクチュエータ３２ａの２軸で構成されているので円弧、楕円、方形等バイトを自由に駆動できる。
【００１０】
次にステージの駆動方法を説明する。ステージ目標位置生成器８はバイト５がワーク加工面を法線追跡するためのＸＹステージ１２ａ、Ｚステージ１２ｂ、回転ステージ１２ｃの目標値ＰＰＳを計算し、ステージ目標位置補正器９はバイト位置センサー６からバイト軌跡の最下点ＰＢ’Lowを検出し、バイト軌跡の最下点とワーク加工面の高さが一致するよう、ステージ１２の目標値ＰＰＳを補正しＰＳとする。これは、バイトの最下点の外乱等による変動を吸収するために行われている。ステージ制御器１０はステージの目標値ＰＳとステージの位置ＰＳ’を比較し制御量目標値ＩＳrefを算出し、電流アンプに代表されるステージ駆動装置１１に出力する。ステージ駆動装置１１はIＳrefを目標値としてステージ１２に制御量ＩＳを出力する。ステージ１２は制御量ＩＳに基づいてアクチュエータを駆動し、これによりワークはバイト軌跡の最下点に一致するよう駆動される。
【特許文献１】特開平７−１３６８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら加工時間を短縮しようとした場合、従来のバイト及びステージの駆動方法を用いても高精度な加工が出来ない場合がある。
【００１２】
例えば、加工時間を短縮することを目的としてワーク加工面の曲率が低い場合にバイト軌跡の先端を平坦にする。このときのバイト軌跡を、図５を参照して説明する。
【００１３】
図５左図直線がバイトの駆動目標である。そして、この軌跡でバイトが駆動した場合の加工面の形状は、図５右下図に示される平滑な面になる。しかし、バイトは高速高精度に駆動しているので、熱等の外乱の影響によりバイト軌跡の先端が図５左図の破線や鎖線に変化してしまうことがある。
【００１４】
バイト軌跡の先端が図５左図破線のように駆動された場合、ワーク加工面は図５右上図に示される粗い面になる。これは、従来技術ではバイト軌跡の最下点にのみ着目してステージを補正駆動しているためである。このようにバイト軌跡先端の姿勢がバイト駆動目標の姿勢に対し偏差を持つ場合、姿勢の偏差が直接ワーク加工面に反映され、ワーク表面が粗くなる。
【００１５】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な表面粗さを得ながら加工時間の短縮を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる切削加工装置は、切削工具の先端を所定の軌跡で運動させるための少なくとも２つの直動アクチュエータと、該直動アクチュエータにより駆動される切削工具の先端の移動軌跡を検出する検出手段と、少なくとも２つの直動軸と少なくとも１つの回転軸とを有し、前記切削工具と被切削加工物とを相対的に移動させる移動手段と、前記検出手段により検出された前記切削工具の先端の移動軌跡と、前記被切削加工物の目標加工形状との偏差を算出し、該偏差をなくすように前記移動手段を動作させる制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
また、この発明に係わる切削加工装置において、前記制御手段は、前記切削工具の先端の移動軌跡の情報に基づいて、前記切削工具の先端の最下点を求め、該最下点の前後の加工範囲の１／２の範囲内の傾きを算出し、前記最下点前後の傾きを比較して緩やかな方の値を前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢として前記移動手段の補正移動量を算出することを特徴とする。
【００１８】
また、この発明に係わる切削加工装置において、前記制御手段は、前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢を、要求精度を満たしかつ切削幅が最大となるように算出することを特徴とする。
【００１９】
また、この発明に係わる切削加工装置において、前記直動アクチュエータが磁歪アクチュエータ又は圧電アクチュエータであることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係わる切削加工方法は、切削工具の先端を所定の軌跡で運動させるための少なくとも２つの直動アクチュエータと、該直動アクチュエータにより駆動される切削工具の先端の移動軌跡を検出する検出手段と、少なくとも２つの直動軸と少なくとも１つの回転軸とを有し、前記切削工具と被切削加工物とを相対的に移動させる移動手段とを備える切削加工装置を用いた切削加工方法であって、前記検出手段により検出された前記切削工具の先端の移動軌跡と、前記被切削加工物の目標加工形状との偏差を算出し、該偏差をなくすように前記移動手段を動作させることを特徴とする。
【００２１】
また、この発明に係わる切削加工方法において、前記切削工具の先端の移動軌跡の情報に基づいて、前記切削工具の先端の最下点を求め、該最下点の前後の加工範囲の１／２の範囲内の傾きを算出し、前記最下点前後の傾きを比較して緩やかな方の値を前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢として前記移動手段の補正移動量を算出することを特徴とする。
【００２２】
また、この発明に係わる切削加工方法において、前記切削工具の先端の移動軌跡の姿勢を、要求精度を満たしかつ切削幅が最大となるように算出することを特徴とする。
【００２３】
また、この発明に係わる切削加工方法において、前記直動アクチュエータが磁歪アクチュエータ又は圧電アクチュエータであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、良好な表面粗さを得ながら加工時間の短縮を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な一実施形態について説明する。
【００２６】
本実施形態は、２つ以上の直動アクチュエータにより、バイトを任意軌跡で運動させることができ、かつステージ等の移動装置によりワークを切削方向に直交する方向に移動させることができる切削加工装置に関するもので、バイト変位センサーで検出されるバイトの位置からバイト軌跡先端の姿勢を計算するバイト軌跡姿勢計算器が付加されている。
【００２７】
これにより、ステージ制御器はバイト軌跡の最下点のみならずバイト軌跡先端の姿勢情報も得ることができ、熱等の外乱によりバイト軌跡先端の姿勢がバイト駆動目標の姿勢に対し偏差を持っても、ステージを用いて姿勢を補正するように駆動することが可能になり、加工面を平滑にすることが出来る。
【００２８】
これにより、熱等の外乱がある状態においても常に平滑な加工面を創生することが出来る。
【００２９】
なお、本実施形態の切削加工装置では、その外見的な構成は図３に示す従来の加工装置と同様であり、また、ブロック構成も図２に示す従来の加工装置と共通する部分が多いので、同一機能部分には同一符号を付してその説明を部分的に省略する。
【００３０】
図１は、本実施形態の切削加工装置のブロック構成を示す図である。
【００３１】
図１において、１はワーク(被加工物)の形状に応じてバイト駆動目標位置ＰＢを生成するバイト目標位置生成器、２はバイトが駆動目標位置に近づくよう電流指令Ｉrefを計算するバイト位置制御器、３はＩrefに従いアクチュエータに電流Ｉを流す電流アンプに代表されるアクチュエータ駆動装置、４は電流Ｉで駆動するアクチュエータ、５はワークを接触加工するバイト、６はバイトの位置ＰＢ’を検出するバイト位置センサー、７はバイト軌跡の最下点とバイト軌跡先端の姿勢ＡＢ’を計算するバイト軌跡姿勢計算部、８はワーク形状に応じてステージ駆動目標位置を決定するステージ目標位置生成部、９はステージ駆動目標位置ＰＰＳ、バイト軌跡の最下点ＰＢ’Low、及びバイト軌跡先端の姿勢ＡＢ’からステージ駆動目標位置ＰＰＳに補正を加え補正後のステージ駆動目標位置ＰＳを求めるステージ目標位置補正器、１０はステージを駆動目標位置ＰＳに近づけるよう電流指令ＩＳrefを計算するステージ制御器、１１は電流指令ＩＳrefに従って電流ＩＳを出力する電流アンプに代表されるステージ駆動装置、１２は電流ＩＳで駆動するステージ、１３はステージにより移動するワーク(被加工物)、１４はステージの位置ＰＳ’を検出するステージ位置センサーである。
【００３２】
アクチュエータ４とバイト５とを備える切削ユニット３１について、図４を参照して説明する。
【００３３】
図４は切削ユニットの断面図である。駆動手段は磁歪アクチュエータ４１ａ，４１ｂと冷却部４２ａ，４２ｂとを備えており、磁歪アクチュエータ４１ａの可動部４４ａはＺ方向に伸縮し、磁歪アクチュエータ４１ｂの可動部４４ｂはＸ方向に伸縮する方向に配置されている。また、アクチュエータの発熱による熱変位の影響を極力減らし、短時間で熱的安定を図るために冷却部４２ａ、４２ｂにより磁歪アクチュエータを冷却している。切削工具であるバイト５は、シャンク５ａの先端にダイヤモンドチップ５ｂを固定した超精密ダイヤモンドバイトであり、バイト５はバイトホルダー４３に固定され、バイトホルダー４３は弾性ヒンジ４５ａ，４５ｂに固定されている。弾性ヒンジ４５ａ，４５ｂには、それぞれ磁歪アクチュエータ４１ａ，４１ｂの可動部４４ａ，４４ｂが接続されている。弾性ヒンジ４５ａはヒンジ部分が１段であり、４５ｂは２段のヒンジである。また、バイトホルダー４３は、板バネ４６ａ、４６ｂを介してメインフレーム４８に支持されている。板バネ４６ａは十字の形状をしておりＸ、Ｙ方向に剛で、且つＺ方向に柔らかい板バネであり、また、そのＺ方向の取り付け位置は弾性ヒンジ４５ａのほぼ中央に配置されている。板バネ４６ｂはＹ方向に剛で、Ｘ、Ｚ方向に柔らかい板バネである。この磁歪アクチュエータと板バネ、弾性ヒンジの構成により、バイトホルダー４３は、磁歪アクチュエータ４１ａの伸縮によりＺ方向に運動し、また、磁歪アクチュエータ４１ｂの伸縮により板バネ４６ａの十字形状の中央を回転中心とした円弧運動を行う。また、この板バネの形状及び配置により、バイト先端の移動方向以外の他成分剛性を剛にし、かつ、Ｘ方向のストロークを大きくすることが可能となる。
【００３４】
切削ユニット３１は加工時間を短縮することを目的として、ワーク加工面の曲率が低い場合にバイト軌跡の先端を平坦に駆動する。この時の駆動を、図５を参照して説明する。
【００３５】
被加工面の曲率が低い場合のバイト目標軌跡は図５左図の実線である。このように駆動するためにバイト位置制御器２が電流Ｉをコントロールする。しかし、磁歪アクチュエータ４１ａは長時間駆動していると発熱し、この発熱により電流に対する伸び率が変化してしまう。伸び率の変化によってバイト位置制御器２の制御精度が低下し、バイト軌跡の先端は図５左図破線又は鎖線のようになる。
【００３６】
通常このような軌跡(例えば図５左図破線)で加工を行うと加工結果は図５右上図のように加工面が粗くなる。これは、加工面に対しバイト軌跡先端の姿勢が偏差を持つためである。
【００３７】
本実施形態では、バイト位置制御器２の制御精度が低下しても加工目標とバイト軌跡先端の姿勢を一致させワーク加工面を平滑にするために、バイト軌跡姿勢計算器７とステージ目標位置補正器９を備える構成としている。
【００３８】
本実施形態の装置駆動方法について図６を参照して説明する。図６は加工フロー図である。
【００３９】
図６に示すように、この装置の駆動は大きく４つに分けられる。事前準備６１、バイト駆動６２、ステージ駆動６３、そして本実施形態の特徴的な部分であるバイト軌跡計算６４である。
【００４０】
駆動の流れは、最初に事前準備６１を行い、その後バイト駆動６２、ステージ駆動６３を同時に行う。そしてバイトが一回転する毎にバイト軌跡計算６４を行いステージ駆動６３に反映させるというものである。
【００４１】
まず、事前準備６１について説明する。事前準備６１では図１に示されるステージ目標位置生成器８がステージ目標位置ＰＰＳをワーク加工面の形状に合わせて算出する。また、バイト目標位置生成器１がワーク加工面の曲率に合わせてバイト目標軌跡ＰＢを算出する。加工中にワーク加工面の曲率が大きく変化する場合、バイト目標軌跡ＰＢは複数必要になるので、必要になる目標軌跡を予めすべて算出する。これらが終了した後にバイト駆動６２とステージ駆動６３を行う。
【００４２】
次にバイト駆動６２について説明する。基本的には従来例で行われているフィードバック制御と同様であるが、バイト軌跡姿勢計算器７においてバイト位置センサー６で検出されるバイト位置ＰＢ’を取り込むことができ、バイト位置ＰＢ’の情報をステージの駆動制御に用いる点が従来例と異なる。バイト位置ＰＢ’のデータはバイト軌跡姿勢計算６４で用いる。またバイト駆動６２のフィードバック制御は数十ｋHz〜数百ｋHzの周期で行われ、バイトは１００Hz〜１０００Hzで一回転する。
【００４３】
バイトが一回転すると、バイト軌跡姿勢計算６４が行われる。バイト軌跡姿勢計算６４を、図７を参照して説明する。
【００４４】
図７は、バイト軌跡姿勢計算６４に用いるバイト軌跡最下点ＰＢ’Low付近におけるバイト軌跡の拡大図である。
【００４５】
はじめにバイト軌跡最下点ＰＢ’Low７１をバイト位置一周期分のデータから比較計算することにより求める。次にバイト軌跡最下点ＰＢ’Low７１前後の傾き７２，７３を求める。このとき用いる位置データは、バイト軌跡最下点ＰＢ’Low７１からバイト一回転で理論上表面粗さが零になる加工ができる切削幅の１／２以内の領域のものとする。そしてバイト軌跡最下点前の傾き７２と最下点後の傾き７３を比較し緩い方(この場合では７３)を基本に、必要とする表面粗さを考慮して切削幅が最大となる様バイト軌跡姿勢ＡＢ’を求める。バイト軌跡姿勢ＡＢ’を用いてステージ駆動目標位置ＰＰＳを補正する。
【００４６】
最後にステージ駆動６３を説明する。基本的にはバイト駆動６２と同様にフィードバック制御を行っている。本実施形態では事前準備６１で求めたステージ駆動目標位置ＰＰＳをバイト軌跡姿勢計算６４で求めたバイト軌跡姿勢ＡＢ’とバイト軌跡最下点ＰＢ’Lowをもとに補正することでワーク加工面の表面粗さを向上させている。
【００４７】
ステージ目標位置補正方法を以下に示す。
【００４８】
まずバイト軌跡最下点ＰＢ’Lowとワーク加工面高さに合わせて、Ｚステージ１２ｂの駆動目標位置を調整する。次にバイト軌跡姿勢ＡＢ’とワーク加工面形状を合わせるよう、回転ステージ１２ｃを補正する。回転ステージ１２ｃを補正駆動することにより、Ｘステージ、Ｚステージ共に補正が必要になるので調整する。このようにすることで、図７右図に示されるようにワーク加工面とバイト軌跡先端の姿勢を一致させることができ、表面粗さを向上できる。
【００４９】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、バイト軌跡姿勢計算器及びステージ目標位置補正器を用いることで切削加工における被加工面の表面粗さを向上できる。この加工装置を高精度光学部品用金型の加工に用いる切削加工装置に適応した場合、光学金型の表面粗さを向上でき、この結果高品質な光学素子を得ることが出来る。
【００５０】
なお、上記の実施形態では、バイトホルダーを駆動するアクチュエータを磁歪アクチュエータとして説明したが、圧電アクチュエータ等の他の方式のアクチュエータを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態の切削加工装置のブロック構成を示す図である。
【図２】従来の加工装置のブロック構成を示す図である。
【図３】従来及び一実施形態の加工装置に共通する構成を示す図である。
【図４】一実施形態の切削工具駆動機構を示す図である。
【図５】バイトの移動軌跡を示す図である。
【図６】一実施形態における加工手順を示すフローチャートである。
【図７】一実施形態におけるバイト軌跡先端の姿勢を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  バイト目標位置生成器
２  バイト位置制御器
３  アクチュエータ駆動装置
４  アクチュエータ
３２ａ  Ｚ軸アクチュエータ
３２ｂ  Ｘ軸アクチュエータ
５  バイト
５ａ  シャンク
５ｂ  ダイヤモンドチップ
６  バイト位置センサー
７  バイト軌跡姿勢計算器
８  ステージ目標位置生成器
９  ステージ目標位置補正器
１０  ステージ制御器
１１  ステージ駆動装置
１２  ステージ
１２ａ  ＸＹステージ
１２ｂ  Ｚステージ
１２ｃ  回転ステージ
１３  ワーク(被加工物)
１４  ステージ位置センサー
３１  切削ユニット
３２ａ  Ｚ軸アクチュエータ
３２ｂ  Ｘ軸アクチュエータ
３４  ワーク固定治具
４１ａ，４１ｂ  磁歪アクチュエータ
４２ａ，４２ｂ  冷却ジャケット
４３  バイトホルダー
４４ａ，４４ｂ  可動部
４５ａ，４５ｂ  弾性ヒンジ
４６ａ，４６ｂ   板バネ
６１  事前準備
６２  バイト駆動
６３  ステージ駆動
６４  バイト軌跡姿勢計算
７１  バイト軌跡の最下点ＰＢ’Low
７２  最下点前の傾き
７３  最下点後の傾き
７４  バイト軌跡の姿勢
【図１】
2005118907.tif 000003
【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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