JP2789166B2 - 研削方法 - Google Patents
研削方法Info
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- grinding
- grindstone
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- Automatic Control Of Machine Tools (AREA)
- Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
- Constituent Portions Of Griding Lathes, Driving, Sensing And Control (AREA)
- Grinding Of Cylindrical And Plane Surfaces (AREA)
Description
の工作機械の研削方法に関する。
年、半導体技術で代表されるように微細加工の高精度化
の要求が高まっている。NC(数値制御)が開発されて
以来、機械各部の高剛性化と位置制御により加工精度は
飛躍的に向上したが、より機械加工の高精密化を図るに
は、”加工の知能化”の考えを取り入れる必要がある。
物理現象を情報としてサンセでとりこみ、予め用意した
モデルに入力し、そこからの出力と設計から定まる目標
値と比較して、その差に応じてアクチュエータを動か
し、加工で生じる現象そのものをリアルタイムで変化さ
せて所期の目的の加工を行うものである。
示す。物を加工すると、加工の行われる部分100で加
工反力Nと熱Hの発生が生じる。この他にも動力源10
1からの発熱、熱と加工反力の伝達によるベース10
2,コラム103およびヘッド104等の構造体の変
形、周囲への熱Hや音Sの発散等の種々の現象が同時に
生じている。すなわち、すべての構成要素は力と熱で変
形しており、より加工の高精密化を図るためには、単な
る高剛性化による高精度化や、従来技術の組み合わせに
よるシステム化などでは不十分であった。この加工時の
物理現象としては、周囲の温度変化A、熱と力による各
構造部材の変形B、伝熱による温度分布C、内部ひずみ
D、外部ひずみE、加工による振動F等の種々の情報と
して把握することができる。
べく、目下具体的な工作機械の製作が種々試みられてい
る。
ことを目的とする。
に、本発明にあっては、テーブル面の平面形状を検出
し、ワークをテーブル面上に力を加えないで載置した状
態で加工前にワークの平面形状を検出して加工前のワー
クの形状を把握し、ワークに力を加えてテーブル面の形
状に倣って密着させてワークの平面形状を検出し、前記
テーブル面上の無変形状態のワークの平面形状情報と前
記テーブル面に密着状態のワークの平面形状情報からワ
ークの真の厚みと、ワークとテーブル面間のすきまを求
め、研削加工時には、ワークに力を加えてテーブル面に
密着させて固定し、ワークの被加工面を前記すきま分を
加味した分だけ研削砥石の切り込み量を制御し、変位発
生手段によって研削砥石を所定の姿勢に維持しつつワー
クの平面研削を行うことを特徴とする。
方向に変位を発生させてワークに対する相対送り動作を
行うことを特徴とする。
移動させて行うことを特徴とする。
化に応じて砥石の姿勢を変化させてワークに対する砥石
の当たり状態を一定に保つことを特徴とする。
石,ワークおよびテーブルの変形量情報を知識として準
備しておき、研削時にワークに加わる加工力を検出し、
該検出した加工力情報と前記変形量情報に基づいて、加
工力に対応する変形量を相殺するように砥石とテーブル
の少なくとも一方を変形させることにより、加工力に対
して砥石およびテーブルの変形を見かけ上ゼロとして剛
性無限大状態でワークを研削することを特徴とする。
する。
成を示し、図4はより具体的な構成例を示している。
持する工具支持部としてのモーター体型のスピンドルユ
ニット2と、このスピンドルユニットの姿勢を可変とす
るRCC機構3と、ワークをX−Y軸方向に移動させ、
かつZ軸方向及びMx,My方向に姿勢制御可能な送り
テーブル4と、送りテーブル4上に固定されワークWを
支持するワーク支持部としての加工テーブル5と、ワー
クに作用する力を検出する力検出部6等が高剛性の構造
体7に組み込まれている。
左右対称に構成され、可及的に左右の変位が対称的に生
じるようにしている。
・コンプライアンスの意で、所定の姿勢となるように自
分自身が姿勢制御を行う調整能を持つ機構の意味であ
る。
固定ベッド8と、スピンドルユニット2が支持されるヘ
ッド9と、上記固定ベッド8とヘッド9とを連結するコ
ラム10と、から構成されている。
向に配置された直線運動案内機構11を介してX−Y軸
方向に移動可能となっており、X,Y軸方向の送り動作
を送りネジ機構12によって行うようになっており、適
宜微動送りを可能とするようにナノ駆動リング40が設
けられる。
すように、軌道レール111と、軌道レール111に沿
って移動自在に設けられる移動ブロック112と、軌道
レール111と移動ブロック112の対向面間に形成さ
れる転動体転走溝113a,113b間に介装される転
動体114と、から構成される。
に、ヘッド9に対して直線運動案内機構14を介してZ
軸方向に案内されるZ軸テーブル13に、RCC機構3
を介して取り付けられている。
ールはねじで、微小な位置決めはナノ駆動リング40で
行うナノ駆動リング付きねじ送り機構12を介してZ軸
方向に駆動される。
構造体7自身の変形を監視するための自己変形モニタセ
ンサ100が設けられている。自己変形モニタセンサ1
00は、固定ベッド5,コラム7およびヘッド6に適宜
設けられ、各部の変形をモニタするようになっている。
ット2の具体的な構成例を示している。スピンドルユニ
ット2は、図1に示すように、スピンドル21と、この
スピンドル21と一体的に組み付けられたビルトインタ
イプのモータMsと、から構成され、モータMs外周に
は発熱を吸収する冷却管23が装着される。
圧空気軸受等の精密スピンドルが用いられる。
13の間に、上記RCC機構3を取り付けることによ
り、スピンドルユニット2を介して、工具Tを自由自在
に高精度で傾斜させたり、Z方向に変位させるようにな
っている。
ル13の端部に固定される環状の固定環31と、スピン
ドルユニット2の外周に固定される可動環32と、固定
環31と可動環を32連結する薄肉の環状平板構造の環
状ばね部33とから構成されている。環状ばね部33は
外径端が固定環31に、内径端が可動環32に一体的に
接続されている。この環状ばね部33は、スピンドルユ
ニット2が切り込み軸方向であるZ軸に対して傾く方向
およびZ軸方向に変位可能で、かつ水平方向には剛で変
位不能の構成となっている。環状ばね部32は完全な円
環でなく、穴状の切欠きがあってもよい。
周面が段付き円筒形状の外径リング部311と、この外
径リング部311の一端から内向きに全周的に延びる内
向きフランジ部312と、から構成される。また、可動
環32は断面略矩形状のリング部材で、その外周が外径
リング部311内周と所定間隔離れた位置に同心的に配
置され、かつ上端面が内向きフランジ部312と上下に
所定間隔離間して対向配置されている。そして、環状ば
ね部33の外径端は外径リング部311の内周段部31
3に、内径端は可動環21の上端に接続されている。
部312と固定環32の上下対向面間に、内向きフラン
ジ部312と固定環32の間隔を変化させる変位手段と
しての圧電素子34が介装されている。この圧電素子3
4は、環状ばね部33の円周方向に複数、この実施例で
は主送り方向と横送り方向に対応して4箇所に等配され
ている。
他に、磁歪素子や物体の熱膨張を利用して伸縮させる熱
アクチュエータや、流体圧によって伸縮するアクチュエ
ータ、さらにボイスコイルや磁歪素子等、要するに指令
値に基づいて指令値に比例して伸縮する各種アクチュエ
ータを利用することができる。
は可動環32との付け根部には歪ゲージ35が貼着され
ており、スピンドルユニット2の変位量およびスピンド
ルユニット14に作用する力および変位が検出可能とな
っている。
の抵抗式センサの他に、差動トランスやうず電流センサ
等の電磁誘導式センサ、静電容量式のセンサ等、微小変
位を検出可能な種々のセンサを用いることができる。
弾性変形する弾性部材と、この弾性部材の歪の検出値か
ら作用する力を検出してもよい。
を模式的に示している(収縮状態)。たとえば、互いに
対向する位置にある圧電素子34の一方を縮め、他方を
伸張させれば傾斜することになる。また、伸縮させる圧
電素子34を選択することによって、スピンドルユニッ
ト2をあらゆる方向に傾斜させることが可能である。
一に設定すれば工具Tは同じ姿勢のままZ軸方向に変位
することになる。
して工具が所定の姿勢となるように変位を発生させるも
のである。所定の姿勢は、切り込み条件等によって種々
設定可能であるが、通常、平面研削盤等の平面加工の工
具の場合には、工具の姿勢を送り方向前端側が持ち上が
るような姿勢を保つように制御する。
線及び図3(d)に示すように、工具の送り動作をする
とその摩擦反力によって送り方向前前端側の頭が下がっ
て加工面に食い込み高精度の平面度を出せない。そこ
で、図3(b)に示すように、平面加工工具としてのカ
ップ砥石Tの姿勢をカップ砥石Tの送り方向前端側の頭
が持ち上がるように角度変位を発生させ、加工面への食
い込みを防止する。この場合は圧電素子34等の能動的
な素子を有するので、能動的なRCC機構(アクテイブ
RCC機構)である。
3(c)に示すように、カップ砥石Tの反送り方向の運
動をカップ砥石Tの送り方向前端側がワークWから離れ
る方向の運動に変換するリンク機構等の運動変換機構3
aを設け、機械的に工具送り動作時に工具に作用する送
り反力によって工具の送り方向前端側を持ち上げ可能と
した受動的な構成としてもよい。
ヘッド6に設けられた装着穴601内周に、互いに平行
に配置される一対の直線運動案内機構14を介してZ軸
方向に案内される。
ボールねじ軸121と、このボールねじ軸121に対し
て多数のボール122を介して螺合されるナット123
と、ボールナット123と被送り部材124間に介在さ
れるナノ駆動リング40と、から構成されている。
リング状ばね41に、電気信号によって伸縮動作する変
位手段としての圧電素子42が組み込まれている。
(b)に示すように、圧電素子42が伸張して被送り部
材124が微動送りされる。また、リング状ばね41に
貼着された歪ゲージ43により微動送り量を検出でき、
フィードバック制御により精密に駆動される。このリン
グ状ばね41は、ナット123に固定される固定リング
411と、被送り部材124に固定される可動リング4
12と、固定リング411と可動リング412を連結す
る平板状の環状肉部413とから構成される。
送りテーブル4を支持する直線案内機構11の各移動ブ
ロック112に、Z軸方向に伸縮可能なアクチュエータ
50が組み込まれ、送りテーブル4の姿勢を制御可能と
している。
ノ駆動リング40と同一であり、Z軸方向に変位するリ
ング状ばね51に、電気信号によって伸縮動作する変位
手段としての圧電素子52が組み込まれている。
52が伸張して送りテーブル4がZ軸方向に変位する。
また、リング状ばね51に貼着された歪ゲージ53によ
りZ軸方向の変位を検出でき、フィードバック制御によ
り精密に駆動される。リング状ばね51は、移動ブロッ
クに固定される固定リング511と、テーブル4に固定
される可動リング512と、固定リング511と可動リ
ング512を連結する平板状の環状肉部513とから構
成される。また、固定リング511には、上方に突出す
るストッパ部514が設けられ、可動リング512の下
面に当接して下限位置を位置決めしている。
(e)〜(h)に示すように、テーブル4の姿勢を自由
自在に変化させることができ、テーブル4の走り平行
度、ピッチング、ローリングをダイレクトに補正するこ
とで、従来では得られなかったような精度を出すことが
可能になる。
ーブルを示している。この加工テーブル5の中央にワー
クWを把持する真空チャック等の把持部5aが設けら
れ、その周囲にワークWに作用する力を検出する力検出
部6が設けられている。
クWの平面形状を測定する測定装置として非接触のレー
ザ変位計70を備えており、送りテーブル4のX−Y方
向への送りと組み合わせて、ワークWの面形状を測定し
て把握できる。加工前、加工途中、加工後のワークWの
形状を調べられ有効である。
石の場合には、送りテーブル4の適宜位置に、カップ砥
石をドレッシングするため、テーブルに固定したドレッ
サを設けることが好ましい。
るために、研削油や、スピンドルユニット、テーブル駆
動用モータの冷却用媒体は、それぞれの別装置によって
温度調節できるように構成している。
な機能を有している。 (a)スピンドル2の姿勢制御機能 (b)ワークW(テーブル4)の姿勢制御機能 (c)ナノ駆動リング付きねじ送り機構12による超微
動送り機能 (d)ワークwの形状把握機能 (e)加工力把握機能 (f)自己変形モニタ機能 (g)剛性無限大機能 以下、各機能について説明する。
能 スピンドル2は静圧空気軸受にて回転自在に支持するエ
アースピンドル21が用いられ、Z軸テーブル13の間
に圧電素子312と歪ゲージを35組み込んだ円環状の
RCC機構3を取り付けることにより、スピンドル2を
介して工具Tを自由自在に高精度で傾斜させたり、Z方
向に変位させることができる。
機能 直線運動案内機構11の複数の移動ブロック12に設け
たアクチュエータ50によって、図6(e)〜(h)に
示すように、テーブル4の姿勢、ひいてはワークWの姿
勢を自由自在に変化させることができ、テーブル4の走
り平行度,ピッチング,ローリングをダイレクトに補正
することで、従来では得られなかったような精度を出す
ことが可能になる。
構12による超微動送り機能 ナノ駆動リング40をボールねじのナット123に取り
付けるだけで、モータ駆動では考えられなかったような
高分解能で駆動できる超微動送り機能である。
じ送り機構12およびZ軸方向のねじ送り機構12にす
べて備えており、送り量を超高精度でもって制御できる
ばかりか、超微小量切り込みが可能になる。
4と組み合わせてワークWのX−Y平面座標における高
さを測定することにより、ワークWの平面形状を把握で
きる。加工前、加工途中、加工後のワークの形状を調べ
られ有効である。
面度(これはワークをテーブルに拘束せずに静置した場
合と、拘束して固定した場合の2種類)の計3種類平面
度をそれぞれインラインで繰り返し測定できることが好
ましい。
具Tが切り込み方向上方に退避した後に、測定面上に移
動してきて変位測定できるように構成されている。
込み方向、主送り方向、横送り方向の軸方向の力と、そ
れらの方向の軸回りのモーメントを検知できるように構
成されている。
群によりモニタできる。加工時の発熱等によるコラム1
0の変形の情報を使いこなして工具とワークの姿勢の変
化を知り、工具あるいはワークの姿勢を制御することに
よって変形分を補正でき、超精密な加工を実現できる。
このコラム10の変形は、装置内の内部基準を有する方
法により最小分解能により検知できることが好ましい。
軸力センサ6からの加工力に応じて変位分を補正するこ
とで、あたかも剛性が無限大であるかのように加工でき
る。
姿勢、切り込み方向(Z軸方向)の変位と、主送り方向
(X軸方向)・主送り方向(Y軸方向)と直交する横送
り方向の傾きの計3軸を検出し、それが任意の大きさに
なるよう実時間制御できることが好ましい。
勢(送りテーブル4の姿勢と同じ)、切り込み方向の変
位と、主送り方向・主送り方向と直交する横送り方向の
傾きの計3軸を検出し、それが任意の大きさになるよう
実時間制御できることが好ましい。
コンピュータ/インターフェイスを有することが好まし
い。
成を示している。
ブル姿勢制御用のアクチュエータ50は、外部センサあ
るいは力センサや変位センサから得られるスピンドルユ
ニット2及び加工テーブル5の姿勢に関する情報からな
される。加工テーブル5の姿勢は直線運動案内機構11
の軌道レール111,移動ブロック112,構造体のベ
ース8,ボールねじ軸121,ボールナッ122等の各
システム構成要素の変形によって変化し、また工具Tの
姿勢も同様にZ軸テーブル13の直線運動案内機構14
のボールねじ軸121あるいは構造体自体のコラム10
やヘッド9等の構成要素の変形によって変化し、各構成
要素の変形は熱と力によって生じる。
には、まず加工テーブル5や工具Tの姿勢を直接見るた
めの変位計70やビデオカメラ等の視覚センサを用いる
ことができる。また、加工テーブル5や工具Tの姿勢を
直接検出するのではなく、各構成要素の変形量を検出す
るようにしてもよい。各構成要素の変形量を検出するに
は、構成要素の変形量を直接検出してもよいし、歪を検
出するようにしてもよい。また、各構成要素に加わる熱
と力を検出して変形量を演算するようにしてもよい。さ
らに、各構成要素の内力状態によって音を含む振動特性
が変化することも考えられるので、振動特性を姿勢情報
として検出するようにしてもよい。要するに、すべての
構成要素は歪・温度・音・形等として情報を発生してお
り、これら構成要素から発せられる情報のうち、利用可
能なあらゆる情報をもとにして、制御装置201によっ
て工具T及び加工テーブル5の姿勢を認識して各微小変
位量を演算し、駆動用のドライバD3,D50を通じて
RCC機構3,アクチュエータ50を駆動制御するよう
になっている。
と、従来の研削加工では難しかったフォトマスク、シリ
コンウエハー等に要求される超高精度平坦面研削が、各
種センサと、アクチュエータの組み込まれた知能化機械
要素の採用により可能となった。
いる。
ル5のワーク把持部5aの平面形状を把握する。この平
面形状の把握は、ワーク把持部5aのZ変位を、送りテ
ーブル4をX−Y方向に送って内部センサによってX−
Y座標面の全点測定して記憶する(図9(a)参照)。
[μm]となるような、アクチュエータ50の圧電素子
52の出力を多点計測して記憶し、0.1[μm]/2
00[mm]精度を確保する
て、ワークWの平面形状を把握する。このワークWのワ
ーク把持部5aにワークWを吸引せずに、ワークWのZ
変位を、X−Y方向全点測定して記憶する。
ク把持部5aとワークW下面間のスキマとワークWの厚
みを足し合わせた寸法である。(図9(b)参照)
W下面をワーク載置部5aとの間の隙間がないように密
着させる。この状態のワークWの平面形状を、ワークW
のZ変位として把握する。
(図9(c)参照)。
して記憶し、手順と同じようにZ変位が0となるよう
なアクチュエータ50の圧電素子52の出力を全点計算
して記憶する。
り、平坦面を出すためにはスキマ分を切り込み量に足し
て切り込み全面を研削する(図9(d)参照)。
3を用いて、上述したように送り方向前端側を持ち上げ
気味に制御する。
測定する。平坦面になっているはずであり、なっていな
ければ補正して手順から繰り返す(図9(e)参
照)。
チャック、多点へそ出しテーブルで無変形把持を行う。
れば剛性無限大モードで研削を繰り返す。
超高精度平坦面研削が可能となる。
置を示すもので、同図(a)は概略断面図、同図(b)
は底面図、同図(c)はRCC機構の要部断面図であ
る。
体の概念構成を示す斜視図である。
具体的な構成を示す図である。
の構成図である。
用アクチュエータを備えた直線運動案内機構を示す図、
同図(e)〜(h)は送りテーブルの姿勢制御状態の説
明図である。
である。
る。
理現象を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】テーブル面の平面形状を検出し、 ワークをテーブル面上に力を加えないで載置した状態で
加工前にワークの平面形状を検出して加工前のワークの
形状を把握し、 ワークに力を加えてテーブル面の形状に倣って密着させ
てワークの平面形状を検出し、 前記テーブル面上の無変形状態のワークの平面形状情報
と前記テーブル面に密着状態のワークの平面形状情報か
らワークの真の厚みと、ワークとテーブル面間のすきま
を求め、 研削加工時には、ワークに力を加えてテーブル面に密着
させて固定し、ワークの被加工面を前記すきま分を加味
した分だけ研削砥石の切り込み量を制御し、変位発生手
段によって研削砥石を所定の姿勢に維持しつつワークの
平面研削を行うことを特徴とする研削方法。 - 【請求項2】研削砥石は、送り方向前端側を持ち上げる
方向に変位を発生させてワークに対する相対送り動作を
行うことを特徴とする請求項1に記載の研削方法。 - 【請求項3】相対送り動作は、砥石に対してテーブルを
移動させて行うことを特徴とする請求項2に記載の研削
方法。 - 【請求項4】ワークの姿勢を検出し、ワークの姿勢の変
化に応じて砥石の姿勢を変化させてワークに対する砥石
の当たり状態を一定に保つことを特徴とする請求項1,
2または3に記載の研削方法。 - 【請求項5】予めワークに加工力が加わった場合の砥
石,ワークおよびテーブルの変形量情報を知識として準
備しておき、研削時にワークに加わる加工力を検出し、
該検出した加工力情報と前記変形量情報に基づいて、加
工力に対応する変形量を相殺するように砥石とテーブル
の少なくとも一方を変形させることにより、加工力に対
して砥石およびテーブルの変形を見かけ上ゼロとして剛
性無限大状態でワークを研削することを特徴とする請求
項1,2,3または4に記載の研削方法。
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JP6121960A JP2789166B2 (ja) | 1994-05-11 | 1994-05-11 | 研削方法 |
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