(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動発生部により加工具に振動を与えつつ材料を加工する振動加工機に用いられる可視化装置であって、
前記振動発生部に向けて信号を発信する発振ユニットと、
前記加工具の振動を検出する振動検出素子と、
複数の発光ダイオードと、
前記複数の発光ダイオードからの光をそれぞれ前記加工具による材料の加工部分に導く複数の光ファイバーと、
前記発光ダイオードに発光信号を発する発光ユニットと、
前記振動検出素子により検出した振動における前記材料と前記加工具とが最も接近した位置又は最も離間した位置となる発光タイミングと発光時間とを設定する調整ユニットと、
前記加工部分を撮影する撮影手段と、を備え、
前記調整ユニットに基づき設定される前記発光ユニットの発光信号により、前記撮影手段のシャッタの開放時間内に前記発光ダイオードを複数回発光して、前記材料と前記加工具とが最も接近した位置又は最も離間した位置となる発光タイミングでかつ前記振動の周期より大幅に短かい発光時間での前記発光ダイオードの繰返される発光により前記加工部分の振動を静止状態にして撮影する、
ことを特徴とする可視化装置。
【請求項２】
前記調整ユニットは、前記振動の周期が１ｍｓｅｃより短く、前記発光時間が、前記振動の周期の１／１００から１／１０の範囲内に設定してなる、
請求項１記載の可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動加工機の加工部分を静視状態にて可視化する可視化装置に係り、詳しくは極短時間発光する光源からの光を光ファイバーで集めて加工部分を映像化する可視化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、チタン、セラミックス、超硬合金などの高硬度、難削材料の製品需要が高まり、これら材料の切削、研削加工が急務となっている。上記材料では、加工具である切削刃或いは研削刃の硬度に近い材料硬度を有していることから、従来の加工技術では加工具の劣化が著しく、切削或いは研削加工が困難とされている。
【０００３】
この解決策として、加工具もしくは被削材を高周波・微振幅で振動させることにより加工時に生じる発熱を抑え、難削材料に対して切削或いは研削が可能となる高周波振動加工技術が案出されている。（特許文献１）
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８５８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記高周波振動加工技術では、従来の切削条件に加え、振動加工機の加工具もしくは被削材料を振動させる条件、すなわち加工時における加工部分の周波数、振幅等を各被削材料に合った加工条件によって振動加工機を運転する必要がある。
【０００６】
しかし、振動加工機の振動周波数は、数kHz〜数十kHzの高周波が用いられていることに加え、加工部分の振幅は数マイクロメートルの微小振幅であることから、加工部分の状況を正確に把握するには特別な装置が必要となる。
【０００７】
このような加工部分の観察には、例えば高速度カメラを用いる方法やレーザ光の干渉像により静止画として観察する方法が用いられているが、いずれの装置も高価であり振動加工機に用いるには実用性に欠けるものであった。また、キセノン光源によるストロボ撮影で静止画像として加工状態を観察することも考えられるが、キセノン光源の発光周波数特性では、加工部分の早い動きに追従することができず、得られた像がぼやけてしまい、実用に供することはできない。
【０００８】
そこで、本発明は、早い発光特性を有する複数の光源からの光を、振動発生装置に基づく振動に同期して加工部分に導くことにより、振動中の加工部分を静止画像として観察することができる可視化装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、振動発生部（７）により加工具（８）に振動を与えつつ材料（Ｗ）を加工する振動加工機（１）に用いられる可視化装置であって、
前記振動発生部（７）に向けて信号を発信する発振ユニット（１０ａ）と、
前記加工具（８）の振動を検出する振動検出素子（９）と、
複数の発光ダイオード（２１）と、
前記複数の発光ダイオード（２１）からの光をそれぞれ前記加工具（８）による材料（Ｗ）の加工部分（Ａ）に導く複数の光ファイバー（３０）と、
前記発光ダイオード（２１）に発光信号を発する発光ユニット（１０ｃ）と、
前記振動検出素子（９）により検出した振動における前記材料（Ｗ）と前記加工具（８）とが最も接近した位置（Ｆ）又は最も離間した位置（Ｇ）となる発光タイミングと発光時間（Ｃ）とを設定する調整ユニット（１０ｅ）と、
前記加工部分（Ａ）を撮影する撮影手段（３６）と、を備え、
前記調整ユニット（１０ｅ）に基づき設定される前記発光ユニット（１０ｃ）の発光信号により、前記撮影手段（３６）のシャッタの開放時間（Ｊ）内に前記発光ダイオード（２１）を複数回発光して、前記材料（Ｗ）と前記加工具（８）とが最も接近した位置又は最も離間した位置となる発光タイミングでかつ前記振動の周期より大幅に短かい発光時間（Ｃ）での前記発光ダイオード（２１）の繰返される発光により前記加工部分（Ａ）の振動を静止状態にして撮影する、
ことを特徴とする可視化装置にある。
【００１３】
前記調整ユニット（１０ｅ）は、前記振動の周期が１ｍｓｅｃより短く、前記発光時間が、前記振動の周期の１／１００から１／１０の範囲内に設定してなる。
【００１４】
なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより特許請求の範囲の記載に何等影響を及ぼすものではない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、振動発生装置の振動周期に同期して発光する光源からの光を、光ファイバーを用いて加工部分に導くこととしたので、加工部分の振動を静止状態として観察することができる。
【００１６】
前記光源を複数個の光源とし、また前記光ファイバーを複数本の光ファイバーとしたので、個々には光量の少ない光源であっても観察に充分な光量を得ることができる。
【００１７】
光源を発光ダイオードとしたので、立上り特性が鋭く、かつ短い周期により光源を発光させることができるので、動きの早い加工部分に対しても静止状態の可視像を得ることができる。
【００１８】
撮影手段であるカメラ等のシャッタ開放時間中に、撮影対象である加工部分に対して複数回に亘り光が照射されるので、短時間の光源で、１回当たりの光量が少なくとも、それを同じタイミングで重畳することにより、撮影に充分な光量を得ることができ、鮮明な撮影画像を得ることができる。
【００１９】
振動周期に対して充分に短い時間の光を照射するので、高い周波数による動きの早い加工部分であっても、静止画像として観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。図１は、切削機を例とする振動加工機１と、該振動加工機に用いられる可視化装置２の概略を示す図である。
【００２１】
振動加工機１は、床等に設置された架台３と、架台３の側部に固定されて上方に向かって立設する支柱４と、架台３上で図示しない駆動モータ等により移動自在に載置されたテーブル５と、支柱４の鉛直側面に設けられた昇降レール４ａに昇降自在に取付けられた加工具台（刃物台）６と、振動加工機１と可視化装置２の動きを制御するコントローラ１０とにより構成される。
【００２２】
加工具台６には、その上部は圧電素子等により構成される振動発生部７が取付けられていると共に、下部に切削刃等の加工具８が取付けられており、該振動発生部７はコントローラ１０の発振ユニット１０ａ（図３参照）からの信号を受けて振動することで、加工具８を振動させることができる。
【００２３】
前記テーブル５にはワーク（材料）Ｗが固着されており、該テーブル５からの送りに伴い、前記加工具台６の加工具８が振動しつつワークＷに切削等の加工を施す。この際、ワークＷと加工具８が接触する加工部分Ａでは、図示しない切削油等が滴下されており、加工具８が振動することにより生じるワークＷとの間隙へ侵入して、加工時に生じる切削抵抗を低減している。
【００２４】
また、該加工具８の近傍には振動検出素子９が取付けられており、振動検出素子９は加工具８が振動することによる変位、もしくは歪みを検知してコントローラ１０の検出ユニット１０ｂ（図３参照）へ振動信号として出力している。なお、上記振動発生部７及び振動検出素子９を含む加工具台６が振動発生装置を構成する。
【００２５】
可視化装置２は、光源２０となる発光ダイオード２１と、各光源２０からの光を加工部分Ａへ導く光ファイバー３０とにより構成されており、必要に応じて加工部分Ａの状態を記録する撮影手段３５が用いられる。
【００２６】
図２に示すように、光源２０は複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）２１が基盤２２に配列して取付けられた状態を示しており、各発光ダイオード２１は、コントローラ１０内の発光ユニット１０ｃ（図３参照）からの信号に調整ユニット１０ｅを介して繋がれており、同時に発光することができる。本発光ダイオード２１は、目的に応じた波長の光が得られるダイオードが使用されており、例えば肉眼観察の場合は白色発光ダイオードが用いられる他、使用するカメラ感度に応じた波長の発光ダイオードが選択される。
【００２７】
各発光ダイオード２１の発光部には、それぞれ光ファイバー３０の一方の端部３０ａが取付けられており、発光ダイオード２１で発光した光は端部３０ａより光ファイバー３０内へ入射されている。各光ファイバー３０の他方の端部３０ｂは結束部材３１によって一つに束ねられていると共に、光ファイバー３０は所定の長さを有して加工部分Ａの近傍まで導かれて加工部分Ａに向けて配置されている。この場合の光ファイバー３０は、光伝送用のファイバーとして汎用されているものが用いられる。
【００２８】
また、本実施例では撮影手段３５として、加工部分Ａの像を記録、或いは拡大表示するために、加工部分Ａに焦点を合わせたカメラ装置３６が設けられている。このカメラ装置３６に画像表示装置３７を取付けることで画像の表示、及び記録等をすることができる。ただし、加工部分Ａを顕微鏡等を用いて目視で観察する場合には、本実施例による撮影手段３５は不要となる。
【００２９】
上述したコントローラ１０は、振動加工機１及び可視化装置２を制御する装置であり、コントローラ１０中の図示しない記憶ユニット、処理ユニットによって所定の処理が行われる。本実施例によるコントローラ１０内部では、図３に示すように、発振ユニット１０ａからの出力信号が発光ユニット１０ｃ及びカメラユニット１０ｄへ分岐して連通されており、また検出ユニット１０ｂの出力が発光ユニット１０ｃに連通されている。
【００３０】
さらに発光ユニット１０ｃからの出力は調整ユニット１０ｅを介して各発光ダイオード２１へ並列接続されている。
【００３１】
次に、以上構造からなる本可視化装置２の作用について説明する。
【００３２】
振動加工機１の始動に先立ち、コントローラ１０内では、従来方法による切削加工条件が設定されている必要がある。すなわち、加工具８の周波数、振幅及び接触圧力等の条件を設定するが、これらは後の加工部分Ａの切削状況から修正を加えることができる。
【００３３】
テーブル５上に固定された切削材料（ワーク）Ｗは、コントローラ１０の位置決めユニット１０ｆからの制御に基づき、切削開始点となる初期位置まで移動されて加工具８と接触される。
【００３４】
次に、振動発生装置６の振動の周期は、１ｍｓｅｃ以下、好ましくは１０μｓｅｃから５０μｓｅｃの範囲内の周期が選択されて、コントローラ１０の発振ユニット１０ａから出力される略正弦波状の電圧或いは電流によって振動を始める（図４参照）。振動発生装置６の振動は加工具８まで伝わり、振動検出素子９により検出された振動信号が、検出ユニット１０ｂへ入力される。
【００３５】
発光ユニット１０ｃには、発振ユニット１０ａからの出力信号と検出ユニット１０ｂからの出力信号とが入力されているが、両信号に相違が生じる場合があるので、いずれかの信号が選択されて発光ユニット１０ｃが起動される。すなわち、振動検出素子９からの信号は実際の加工具８の動きを現しているが、起電力が微弱でありノイズが混入する場合があるので、発振ユニット１０ａからの信号と比較しながら、いずれか最適な信号が選択されて、或いは両信号が合成されて発光ユニット１０ｃの入力信号とされている。
【００３６】
加工が始まり振動発生装置６が振動しながらテーブル５と相対的に移動すると、加工具８との接触によりワークＷが切削される。本振動加工機１では、振動発生装置６が高い周波数で振動しているので、滴下された切削油等が加工部分８内に容易に侵入して、加工が困難とされる高硬度材料でも切削加工が可能とされている。
【００３７】
発光ユニット１０ｃでは、発振ユニット１０ａまたは振動検出素子９からの周期信号に基づき、発光ダイオード２１を発光する時間幅（Ｃ）が決定される。すなわち、上記振動発生装置６の振動の周期の１／１００から１／１０の範囲内で、後に説明する撮影手段３５にて得られる画像に応じた時間幅（Ｃ）が選択される。例えば、加工具８が動きの遅い位置（Ｄ）では、比較的に発光時間幅（Ｃ）を長く設けても加工具８は静止状態として観察できるが、加工具８の動きが早い過渡位置（Ｅ）では加工具８の画像のブレを防ぐために発光時間幅（Ｃ）を短く設定する必要がある（図４参照）。この発光時間幅（Ｃ）は、画像を得るために必要となる総光量とも関係しており、発光時間幅（Ｃ）を短く設定した場合には発光回数を増やして光量を確保する必要がある。
【００３８】
図４は、振動発生装置６の振動と光源２０の発光タイミングを示す図であり、横軸に経過時間、縦軸に加工具８の変位となる発振ユニット１０ａ、または振動検出素子９からの信号を示している。グラフ中の上方はワークＷと加工具８が最も接近した位置（Ｆ）であり、グラフ中の下方はワークＷと加工具８が最も離れた位置（Ｇ）である。また、図中の白抜き枠（Ｈ）と斜線枠（Ｉ）は、光源２０の発光開始タイミングと発光時間幅（Ｃ）を示している。
【００３９】
図４によれば、光源２０はワークＷと加工具８が最も接近した位置（Ｆ）、（または最も離間した位置（Ｇ））に合わせて発光されており、該発光開始タイミングは加工具８の動きと同期しており、同一位置にて複数回に亘る発光が繰返されている。
【００４０】
また、上記光源２０の発光は、発光ユニット１０ｃの信号を調整ユニット１０ｅを介すことで発光タイミングを調整することができ、振動発生装置６の振動の任意位置に合わせて発光させることができる。すなわち、振動発生装置６の振動と位相をずらせて光源２０を発光させることができるので、加工具８の任意の位置で静止画像を得ることができる。
【００４１】
本状態により撮影手段３５を用いる場合では、カメラ装置３６のシャッタは開放した状態が維持されている（図４中のＪ枠）。これは通常使用される機械式シャッタの開閉動作は、振動発生装置６の発振周波数に比べて遥かに遅いことからシャッタを開放状態とし、この開放期間中に光源２０の発光・消灯を繰返すことで静止画像としての画像を得ている。なお、シャッタは、上記光源２０の発光回数が画像として観察可能な光量となった時点で閉じられる。
【００４２】
以上の光源２０の発光を繰返すことで、少ない光量による短時間の光であっても、同一位置を複数回に亘り多重露光することとなるので、総光量が増加して鮮明な映像を得られる。
【００４３】
図５に、本可視化装置２を用いて加工具８の加工状態を記録した画像の一例を示す。図５（Ａ）は、上記ワークＷの切削位置と加工具８が最も接近した位置（Ｆ）での静止画像であり、図５（Ｂ）は、ワークＷと加工具８が最も離間した位置（Ｇ）での静止画像である。本画像は振動発生装置６を１５μｓｅｃの周期で振動させた状態で光源２０を１０００回発光させて撮影手段３５により画像化したものである。両画像から、切削加工中の加工部分Ａが静止画像として比較することができ、本画像を解析することにより加工具８の良好な加工条件を決定して振動加工機１の運転条件を変更することができる。
【００４４】
上記に示した実施の形態は、切削機を例とする振動加工機に用いられる可視化装置の最良の形態を記載したものであるが、本発明は研削機或いは研磨機等の振動加工機へも応用可能である。また、加工具が振動する振動加工装置に適用したが、ワークが振動する加工装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】切削機を例とする振動加工機と、振動加工機に用いられる可視化装置の概略を示す図である。
【図２】可視化装置の概略を拡大して示す図である。
【図３】コントローラの構成を示すである。
【図４】振動信号と発光信号のタイミングを示す図である。
【図５】加工部分を示す画像図である。
【符号の説明】
【００４６】
１      振動加工機
２      可視化装置
６      振動発生装置
７      振動発生部
８      加工具
９      振動検出素子
１０    コントローラ
１０ｃ  発光ユニット
２０    光源
２１    発光ダイオード（ＬＥＤ）
２５    結束部材
３０    光ファイバー
３１    環状部材
３５    撮影手段
Ａ      加工部分
Ｗ      ワーク
【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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