JP2007075915A - 切削加工方法および切削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工可能な被削材の表面形状の自由度を大幅に向上させることができ、シャープなエッジ形状の形成も可能にする切削加工方法を提供する。
【解決手段】 互いに異なる３つの方向においてそれぞれ変位可能に支持された切削工具３を、被削材２に対する切削工具３の相対移動に応じて、３つの方向において独立に変位させるように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被削材を保持する基部主軸の回転と同期させると共に、当該被削材に対して切削工具をさらに高速で変位させながら切削を行う切削加工方法および切削加工装置に関する。

従来、被削材に対して相対移動する切削工具をその被削材に対してさらに変位させながら切削を行う切削加工装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１では、被削材が取り付けられた旋盤の主軸の回転に同期して切削工具による切り込み量を高速に制御し、所定の表面形状を作ることを目的とした切削加工装置が開示されている。この切削加工装置では、切削工具は圧電素子を用いた駆動手段によって駆動されて変位し、切削工具による切り込み量が制御されるようになっている。

岡崎 祐一、「ダイヤモンド切削による微細表面形状の創成」、真空、第４０巻、第６号、１９９７

しかしながら、特許文献１に記載された切削加工装置では、旋盤の主軸回転に同期して切削工具を変位させて切削を行うが、圧電素子を用いた駆動手段によって１軸方向にのみ切削工具を変位させることで切り込み量の制御が行われるようになっている。このため、加工可能な被削材の表面形状は、被削材の回転運動と切削工具の１軸方向の変位との組み合わせによって得られる形状に限定されてしまい、加工可能な形状の自由度が制約されてしまうという問題がある。とくに、被削材の回転運動と切削工具の１軸方向の変位との組み合わせの場合、被削材の表面にシャープなエッジ形状を形成することは本質的に困難であり、そのようなエッジ形状が所望される場合は、被削材と切削工具との相対速度を大幅に低下させることで近似した形状を形成しなくてはならないことになり、生産性の低下を招き易く、十分な寸法精度を確保することも困難になってしまう。

本発明は、上記実情に鑑みることにより、被削材に対して相対移動する切削工具をその被削材に対してさらに変位させながら切削を行う切削加工方法および切削加工装置に関し、加工可能な被削材の表面形状の自由度を大幅に向上させることができ、シャープなエッジ形状の形成も可能にすることを目的とする。

課題を解決するための手段及び効果

上記目的を達成するための本発明に係る切削加工方法は、被削材を保持する基部主軸の回転と同期させると共に、当該被削材に対して切削工具をさらに高速で変位させながら切削を行う切削加工方法に関する。
そして、本発明は、上記目的を達成するための以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明は、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。

上記目的を達成するための本発明に係る切削加工方法における第１の特徴は、互いに異なる３つの方向においてそれぞれ変位可能に支持された前記切削工具を、前記被削材に対する当該切削工具の相対移動に応じて、当該３つの方向において独立に変位させるように制御する３方向独立制御ステップを備えていることである。

この構成によると、被削材を保持する基部主軸の回転と同期させながら切削工具を被削材に対してさらに高速で３つの方向に独立に変位させて被削材の表面形状を切削加工することができる。このため、３次元空間内で被削材に対して切削工具を任意の方向に任意の距離移動させることができ、これにより、被削材の表面に対して任意の３次元形状を転写することが可能となる。また、３つの方向における切削工具の各変位を適宜組み合わせることで、旋盤の主軸の回転に同期させながらシャープなエッジ形状を形成することもできる。そして、そのようなシャープなエッジ形状を形成しても、生産性の低下を招くことを抑制でき、さらに十分な寸法精度も容易に確保することができる。したがって、本発明の切削加工方法によると、加工可能な被削材の表面形状の自由度を大幅に向上させることができ、シャープなエッジ形状の形成も可能にすることができる。

本発明に係る切削加工方法における第２の特徴は、前記３方向独立制御ステップでは、前記切削工具の前記３つの方向それぞれにおける変位量を計測してフィードバック制御を行うことである。

この構成によると、切削工具の３つの方向それぞれの変位量をフィードバック制御することで、切削工具の変位の目標への追従性を向上させてより高精度の切削加工を実現できるとともに、３つの方向それぞれにおける変位が相互に影響し合うことによって発生する目標変位に対する偏差を補正することができる。

本発明に係る切削加工方法における第３の特徴は、前記３つの方向は、互いに直交していることである。

この構成によると、切削工具の変位を直交する３つの方向において制御するため、３次元空間において切削工具の位置決めを直交座標系に基づいて容易に行うことができ、また、相互に影響し合う３つの方向における変位の関係が複雑化してしまうことを抑制できその補正を容易に行うことができる。

上記目的を達成するための本発明に係る切削加工装置は、被削材を保持する基部主軸の回転と同期させると共に、当該被削材に対して切削工具をさらに高速で変位させながら切削を行う切削加工装置に関する。
そして、本発明は、上記目的を達成するための以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明は、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。

上記目的を達成するための本発明に係る切削加工装置における第１の特徴は、前記切削工具を支持するベース部と、前記ベース部を互いに異なる第１の方向、第２の方向、および第３の方向にそれぞれ変位させるように駆動する駆動機構であって、前記第１の方向に変位させる第１駆動手段と、前記第２の方向に変位させる第２駆動手段と、前記第３の方向に変位させる第３駆動手段と、を有する駆動機構と、前記ベース部を前記第１の方向、前記第２の方向、および前記第３の方向にそれぞれ独立して変位させるように前記第１駆動手段、前記第２駆動手段、および前記第３駆動手段を制御する制御手段と、を備えていることである。

この構成によると、被削材を保持する基部主軸の回転と同期させながら切削工具を被削材に対してさらに高速で第１乃至第３の方向にそれぞれ独立に変位させて被削材の表面形状を切削加工することができる。このため、３次元空間内で被削材に対して切削工具を任意の方向に任意の距離移動させることができ、これにより、被削材の表面に対して任意の３次元形状を転写することが可能となる。また、３つの方向における切削工具の各変位を適宜組み合わせることで、旋盤の主軸の回転に同期させながらシャープなエッジ形状を形成することもできる。そして、そのようなシャープなエッジ形状を形成しても、生産性の低下を招くことを抑制でき、さらに十分な寸法精度も容易に確保することができる。したがって、本発明の切削加工装置によると、加工可能な被削材の表面形状の自由度を大幅に向上させることができ、シャープなエッジ形状の形成も可能にすることができる。

本発明に係る切削加工装置における第２の特徴は、前記ベース部の前記第１の方向、前記第２の方向、および前記第３の方向それぞれにおける変位量を検出する変位センサをさらに備え、前記制御手段は、前記変位センサで検出された結果に基づいて前記ベース部の変位のフィードバック制御を行うことである。

この構成によると、切削工具の第１乃至第３の方向それぞれの変位量をフィードバック制御することで、切削工具の変位の目標への追従性を向上させてより高精度の切削加工を実現できるとともに、第１乃至第３の方向それぞれにおける変位が相互に影響し合うことによって発生する目標変位に対する偏差を補正することができる。

本発明に係る切削加工装置における第３の特徴は、前記第１の方向、前記第２の方向、および前記第３の方向は、互いに直交していることである。

この構成によると、切削工具の変位を直交する第１乃至第３の方向において制御するため、３次元空間において切削工具の位置決めを直交座標系に基づいて容易に行うことができ、また、相互に影響し合う第１乃至第３の方向における変位の関係が複雑化してしまうことを抑制できその補正を容易に行うことができる。

本発明に係る切削加工装置における第４の特徴は、前記第１駆動手段、前記第２駆動手段、および前記第３駆動手段は、圧電素子を用いて形成されていることである。

この構成によると、第１乃至第３駆動手段を圧電素子を用いて形成することで、第１乃至第３の方向においてそれぞれ微小変位の制御を高速に行うことができる駆動機構を容易に実現することができる。

本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の実施形態に係る切削加工装置および切削加工方法は、ＦＴＳ（Fast Tool Servo）のように、被削材に対して相対移動する切削工具をその切削工具に対してさらに変位させながら切削を行う場合に広く適用することができるものである。

図１は、本発明の実施形態に係る切削加工装置１を示す模式図である。この図１に示す切削加工装置１は、超精密加工用の旋盤（図示せず）に対して設けられており、被削材２に対して相対移動する切削工具３を被削材２に対してさらに変位させながら切削を行うように構成されている。被削材２は、例えば、旋盤の主軸に取り付けられており、その主軸の回転とともに図中矢印Ｂで示す方向に回転するように配設されている。そして、切削加工装置１におけるハウジング１０は、その旋盤の主軸に対して図中矢印Ａで示す１軸方向に移動するように配設されている。

図２は、本実施形態の切削加工装置１の制御ブロック図を示したものである。図１および図２に示すように、本実施形態の切削加工装置１は、取付ブロック４、駆動機構５、変位センサ９、コントローラ９、ハウジング１０などを備えて構成されている。

図１に示すように、取付ブロック４は、切削工具３を支持するベース部であって、ハウジング１０に対して駆動機構５を介して取り付けられている。駆動機構５は、取付ブロック４を互いに異なる３つの方向である第１の方向、第２の方向、および第３の方向にそれぞれ変位させるように駆動するように構成されている。本実施形態では、この第１乃至第３の方向は、互いに直交しているＸ軸方向（第１の方向）、Ｙ軸方向（第２の方向）、およびＺ軸方向（第３の方向）として設定されている。

また、駆動機構５は、第１アクチュエータ６、第２アクチュエータ７、および第３アクチュエータ８を備えて構成されている。第１アクチュエータ６は、取付ブロック４をハウジング１０に対してＸ軸方向に変位させる第１駆動手段として構成されている。そして、第２アクチュエータ７は取付ブロック４をハウジング１０に対してＹ軸方向に変位させる第２駆動手段として、第３アクチュエータ８は取付ブロック４をハウジング１０に対してＺ軸方向に変位させる第３駆動手段として構成されている。これらの第１アクチュエータ６、第２アクチュエータ７、および第３アクチュエータ８は、いずれも圧電素子を用いて構成されている。

変位センサ９は、図１に示すように、取付ブロック４のＸ軸方向の変位量を検出するＸ軸変位センサ９ａと、取付ブロック４のＹ軸方向の変位量を検出するＹ軸変位センサ９ｂと、取付ブロック４のＺ軸方向の変位量を検出するＺ軸変位センサ９ｃとを備えて構成されている。これらの各軸方向の変位センサ９ａ・９ｂ・９ｃは、ハウジング１０に対して取り付けられた静電容量センサとして構成されている。そして、取付ブロック４にそれぞれ取り付けられている被測定片１７ａ・１７ｂ・１７ｃとの距離をそれぞれ測定することで、取付ブロック４のハウジング１０に対する各軸方向における変位量、すなわち切削工具３の各軸方向における変位量を計測するようになっている。

コントローラ１１は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory））、電流制御回路などを備えて構成されている。そして、このコントローラ１１は、取付ブロック４をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向にそれぞれ独立して変位させるように第１アクチュエータ９ａ、第２アクチュエータ９ｂ、および第３アクチュエータ９ｃを制御する制御手段として構成されている。

また、このコントローラ１１は、図２の制御ブロック図に示すように、変位センサ９（９ａ、９ｂ、９ｃ）で検出された結果に基づいて取付ブロック４の変位のフィードバック制御を行うように構成されている。まず、超精密加工用の旋盤のステージエンコーダ（図示せず）からの座標信号として、図１中の矢印Ａ方向における切削工具３の位置座標および主軸の回転位置座標であるＢ軸座標が、リアルタイムにコントローラ１１に読み込まれる。コントローラ１１にはリアルタイム目標値演算部１２が構築されており、読み込まれた上述の座標に応じて、所定の計算式に基づいて切削工具３（すなわち、取付ブロック４）の各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向における目標位置（目標変位）がそれぞれ計算される。そして、この各軸ごとの目標位置に取付ブロック４の変位が追従するように、第１アクチュエータ９ａ、第２アクチュエータ９ｂ、第３アクチュエータ９ｃの駆動が制御される。すなわち、ＰＩＤ制御器１３ａ、Ｄ／Ａ変換器１４ａ、アンプ１６ａ、Ａ／Ｄ変換器１５ａを備えて構成されるＸ軸フィードバック制御系によって、変位センサ９ａでの検出結果に基づいてＸ軸目標位置に対して取付ブロック４の変位を追従させるように、第１アクチュエータ９ａが駆動される。また、ＰＩＤ制御器１３ｂ、Ｄ／Ａ変換器１４ｂ、アンプ１６ｂ、Ａ／Ｄ変換器１５ｂを備えて構成されるＹ軸フィードバック制御系によって、変位センサ９ｂでの検出結果に基づいてＹ軸目標位置に対して取付ブロック４の変位を追従させるように、第２アクチュエータ９ｂが駆動される。また、ＰＩＤ制御器１３ｃ、Ｄ／Ａ変換器１４ｃ、アンプ１６ｃ、Ａ／Ｄ変換器１５ｃを備えて構成されるＺ軸フィードバック制御系によって、変位センサ９ｃでの検出結果に基づいてＺ軸目標位置に対して取付ブロック４の変位を追従させるように、第３アクチュエータ９ｃが駆動される。

なお、本実施形態の切削加工方法は、切削加工装置１が作動することによって実現されることになる。すなわち、本実施形態の切削加工方法は、互いに直交している３つの方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）においてそれぞれ変位可能に支持された切削工具３を、被削材２に対する切削工具３の相対移動に応じて、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸方向の３つの方向において独立に変位させるように制御する３方向独立制御ステップを備えるものとして構成されることになる。この３方向独立制御ステップでは、前述のように、切削工具３のＸ・Ｙ・Ｚ軸方向の３つのそれぞれにおける変位量が変位センサ９によって計測されてコントローラ１１によってフィードバック制御が行われることになる。

ここで、本実施形態の切削加工装置１における制御性能を確認するために応答特性を評価した結果について説明する。図３および図４は、Ｚ軸方向において０．２５μｍステップ送りの指令を与えて制御を行った場合におけるステップ応答動作評価の結果を示したものであり、図３はオープンループ制御を行った場合について、図４はフィードバック制御を行った場合についてそれぞれ示したものである。図３に示すオープンループ制御ではＺ軸方向の送りにともなってＸ軸およびＹ軸方向にも取付ブロック４が変位して干渉が発生しているのに対して、図４に示すフィードバック制御ではこのような干渉の発生を補正できることが確認できた。また、図５は、周波数応答特性を示したものである。この図５に示すように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向のいずれにおいてもほぼ同様の周波数特性が得られており、６００〜８００Ｈｚ程度までは十分な応答が得られることが確認できた。

以上説明したように、本実施形態の切削加工方法および切削加工装置１によると、被削材２を保持する基部主軸の回転と同期させながら切削工具３を被削材２に対してさらに高速で第１乃至第３の方向にそれぞれ独立に変位させて被削材２の表面形状を切削加工することができる。このため、３次元空間内で被削材２に対して切削工具３を任意の方向に任意の距離移動させることができ、これにより、被削材２の表面に対して任意の３次元形状を転写することが可能となる。また、３つの方向における切削工具３の各変位を適宜組み合わせることで、旋盤の主軸の回転に同期させながらシャープなエッジ形状を形成することもできる。そして、そのようなシャープなエッジ形状を形成しても、生産性の低下を招くことを抑制でき、さらに十分な寸法精度も容易に確保することができる。したがって、本実施形態の切削加工方法および切削加工装置１によると、加工可能な被削材の表面形状の自由度を大幅に向上させることができ、シャープなエッジ形状の形成も可能にすることができる。

また、本実施形態の切削加工方法および切削加工装置１によると、切削工具３の第１乃至第３の方向それぞれの変位量をフィードバック制御することで、切削工具３の変位の目標への追従性を向上させてより高精度の切削加工を実現できるとともに、第１乃至第３の方向それぞれにおける変位が相互に影響し合うことによって発生する目標変位に対する偏差を補正することができる。

また、本実施形態の切削加工方法および切削加工装置１によると、切削工具３の変位を直交する第１乃至第３の方向において制御するため、３次元空間において切削工具３の位置決めを直交座標系に基づいて容易に行うことができ、また、相互に影響し合う第１乃至台の方向における変位の関係が複雑化してしまうことを抑制できその補正を容易に行うことができる。

また、切削加工装置１によると、第１乃至第３アクチュエータ（６、７、８）を圧電素子を用いて形成することで、第１乃至第３の方向においてそれぞれ微小変位の制御を高速に行うことができる駆動機構を容易に実現することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、本実施形態においては、第１乃至第３の方向が互いに直交している場合を例にとって説明したが、必ずしもこの通りでなくてもよく任意の座標系を設定することができる。また、本実施形態においては第１乃至第３駆動手段として圧電素子を用いて形成されているものを例にとって説明したが、必ずしもこの通りでなくてもよく、ボイスコイルや油圧機器等を用いて形成されているものであってもよい。

本発明の一実施の形態に係る切削加工装置を示す模式図である。 図１に示す切削加工装置における制御ブロック図である。 図１の示す切削加工装置においてオープンループ制御を行った場合のステップ応答動作評価の結果を示したものである。 図１に示す切削加工装置においてフィードバック制御を行った場合のステップ応答動作評価の結果を示したものである。 図１に示す切削加工装置における周波数応答特性を示したものである。

符号の説明

１ 切削加工装置
２ 被削材
３ 切削工具
４ 取付ブロック（ベース部）
５ 駆動機構
６ 第１アクチュエータ（第１駆動手段）
７ 第２アクチュエータ（第２駆動手段）
８ 第３アクチュエータ（第３駆動手段）
９ 変位センサ
１１ コントローラ（制御手段）

Claims (7)

1. 被削材を保持する基部主軸の回転と同期させると共に、当該被削材に対して切削工具をさらに高速で変位させながら切削を行う切削加工方法であって、
   互いに異なる３つの方向においてそれぞれ変位可能に支持された前記切削工具を、前記被削材に対する当該切削工具の相対移動に応じて、当該３つの方向において独立に変位させるように制御する３方向独立制御ステップを備えていることを特徴とする切削加工方法。
2. 前記３方向独立制御ステップでは、前記切削工具の前記３つの方向それぞれにおける変位量を計測してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の切削加工方法。
3. 前記３つの方向は、互いに直交していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の切削加工方法。
4. 被削材を保持する基部主軸の回転と同期させると共に、当該被削材に対して切削工具をさらに高速で変位させながら切削を行う切削加工装置であって、
   前記切削工具を支持するベース部と、
   前記ベース部を互いに異なる第１の方向、第２の方向、および第３の方向にそれぞれ変位させるように駆動する駆動機構であって、前記第１の方向に変位させる第１駆動手段と、前記第２の方向に変位させる第２駆動手段と、前記第３の方向に変位させる第３駆動手段と、を有する駆動機構と、
   前記ベース部を前記第１の方向、前記第２の方向、および前記第３の方向にそれぞれ独立して変位させるように前記第１駆動手段、前記第２駆動手段、および前記第３駆動手段を制御する制御手段と、
   を備えていることを特徴とする切削加工装置。
5. 前記ベース部の前記第１の方向、前記第２の方向、および前記第３の方向それぞれにおける変位量を検出する変位センサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記変位センサで検出された結果に基づいて前記ベース部の変位のフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の切削加工装置。
6. 前記第１の方向、前記第２の方向、および前記第３の方向は、互いに直交していることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の切削加工装置。
7. 前記第１駆動手段、前記第２駆動手段、および前記第３駆動手段は、圧電素子を用いて形成されていることを特徴とする請求子４乃至請求項６のいずれか１項に記載の切削加工装置。

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