JP4312508B2

JP4312508B2 - 立旋盤

Info

Publication number: JP4312508B2
Application number: JP2003161222A
Authority: JP
Inventors: 園正昭満; 崎広美山
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: US6918326B2; JP2004358624A; TW200427534A; US20040244546A1; KR100588478B1; TWI244413B; KR20040108580A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレネルレンズ成型用金型等の超精密加工に用いられる立旋盤に係り、特に、フレネルレンズのようにレンズ溝の角度が一本毎に少しずつ変化するような徐変溝の加工に適した立旋盤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、精密光学機械の集光レンズとして利用されれているフレネルレンズを示している。このフレネルレンズ２は、同心円状またはスパイラル状の横断面Ｖ形状のレンズ溝４を有している。レンズ溝４は、図１０に示されるように、一方の溝側面がフレネル面ｆで他方の溝側面がライズ面ｒと呼ばれている。フレネルレンズ２は、フレネル面ｆの傾斜角（フレネルレンズ角φ）がレンズ溝４の一本毎に変化しているという特徴がある。
【０００３】
近年、フレネルレンズは、射出成形により製造されるようになっており、フレネルレンズ成形用の金型には、一本毎にフレネル面ｆの傾斜角が徐々に変化していくレンズ溝を精密に加工しなればならない。
【０００４】
従来、この種の徐変溝加工を行う工作機械としては立旋盤が利用されている（特許文献１参照）。
このような徐変溝加工を行なう従来の立旋盤は、バイトの刃先の角度を変えるための刃物台旋回機構を備えている。図１２並びに図１３は、従来の立旋盤の刃物台旋回機構の従来例を示している。各刃物台旋回機構を採用する立旋盤では、サドルの水平移動の直線軸はＸ軸、ラムの上下移動の直線軸はＺ軸で、これらは共通する構成である。刃物台を旋回させるＢ軸については、それぞれ異なる構造をもっている。
【０００５】
まず、図１２の刃物台旋回機構について説明すると、刃物台１１０は、４本のバイト１００を装着することができるタイプの刃物台である。ラム１１１の下端部には、旋回軸１１４を空気軸受で支持するスイベルスヘッド１１２が取り付けられている。旋回軸１１４は、刃物台１１０の中心で結合されており、４本のバイト１００は、旋回軸１１４に関して対称に９０°ずつ向きを変えて刃物台１１０に配置されている。なお、図１２において、参照符号１１５は、旋回軸１１４を駆動するサーボモータである。
【０００６】
これに対して、図１３に示す刃物台旋回機構では、ラム１１７の下部には円弧状の案内面をもつＲガイド１１８が設けられており、このＲガイド１１８により、旋回台１１９の傾く動きを案内して、この旋回台１１９に固定した刃物台１２０に保持されているバイト１００の旋回動作を刃先を旋回中心として実現するようになっている。したがって、刃物台１２０には、バイト１００は１本だけが装着される。Ｂ軸の駆動機構には、ボールねじ機構等による直線運動を旋回台２０の傾動に転換する機構（図示せず）が用いられており、この点で、図１２の刃物台旋回機構がＢ軸旋回軸１４により単純に刃物台１０を旋回させているのとは異なっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１４２４０５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示した従来の刃物台旋回機構を有する立旋盤で、フレネル成形用金型にレンズ溝を旋削加工する場合には、図１１に示すように、バイト１００の切刃稜１０１をフレネルレンズ角φに合わせて傾斜させた状態で、バイト１００を下降させテーブルを回転させながらＸ軸、Ｚ軸の合成送りによりライズ面ｒを切削しつつワークＷに切り込みを与え、所定の深さに達したところでバイト１００の切刃稜１０１をワークＷに転写してフレネル面ｆを創成する。この時には、Ｘ軸、Ｚ軸の合成送りのためライズ面ｒは鏡面に切削できない。
【０００９】
次いで、フレネル面ｆの加工に引き続きライズ面ｒを切刃稜１０２で仕上げ加工するためには次のような動作が必要になる。
すなわち、バイト１００をワークＷから逃がし、刃物台１１０を旋回させることによりバイト１００の切刃稜１０２をライズ面ｒの傾斜に合わせる。ところが、刃物台１１０の旋回により、バイト１００の刃先のＸ軸位置がレンズ溝の谷底頂点から大きくずれるので、Ｘ軸移動を行ってバイト１００の刃先をレンズ溝の谷底の頂点に合わせなければならない。そして、Ｚ軸移動によりバイト１００を下降させて、ワークに切り込みを与え、ライズ面ｒを加工する。
【００１０】
しかしながら、バイト１００の角度を変えるときには、必ずＸ軸移動とＺ軸移動が伴うため、位置決め精度誤差や、Ｘ軸真直度誤差による刃先位置の変位などの誤差が発生し、バイト１００の刃先の位置が、目標とするレンズ溝の谷底頂点からずれてしまい、その結果、レンズ溝の溝ピッチの不良や深さの不良ができてしまうという問題があった。
【００１１】
一方、図１３に示した従来の刃物台旋回機構を有する立旋盤でレンズ溝を旋削加工する場合は、刃先がバイト１００の旋回中心になっていることから、フレネル面ｆを加工した後、バイト１００の刃先先端をレンズ溝の谷底頂点に置いたままＢ軸による旋回台１１９の旋回動作だけで理論上はバイト１００の切刃稜１０２をライズ面ｒの角度に合わせることできる。
【００１２】
しかしながら、実際の加工にあっては、バイト１００の刃先位置を旋回中心に位置決めすること、及びその位置を旋回する間保持することは非常に難しい。というのは、運動精度には、旋回台１１９を案内するＲガイド１１８の案内面の形状精度（真円度）が大きく関係してくるが、Ｒガイド１１８の案内面の真円度を出すのが非常に難しいため、Ｒガイド１１８の案内面に対する旋回台１１９の当たり具合によって、バイト１００の刃先位置がずれる可能性がある。
【００１３】
さらに、図１３に示す刃物台旋回機構では、バイト１００の旋回半径が大きいため、クロスレール前面側に重量のある旋回機構部を配置することになるため、クロスレールに捻りが発生し易く、刃先位置の変化として大きく効いてきて、バイト１００の刃先位置を合わせたつものでも実際にずれが生じるという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、フレネルレンズ成形用金型にレンズ溝を徐変加工をする場合に、バイトの刃先位置をずらさずにバイトの角度を変えられるようにして、高精度の徐変溝加工を行えるようにした立旋盤を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、コラムと、ワークを回転させる回転テーブルと、前記コラムに片持ち支持されるクロスレールと、前記クロスレールの案内面に沿って水平方向に移動可能に設置されたサドルと、前記サドルから垂設され、サドルの案内面に沿って上下方向に移動可能に設置されたラムと、前記ラムの下端部に取り付けられ、前記回転テーブルのテーブル面に対して傾斜する旋回軸であってバイトの刃先を旋回中心として当該バイトを旋回させる前記旋回軸を有する斜軸ヘッドと、を具備したことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記斜軸ヘッドは、軸受けにより回転可能に支持された前記旋回軸と、前記旋回軸の軸線から偏心して軸方向に伸びる偏心腕部と、前記偏心腕部の先端部に取り付けられ前記バイトを保持するバイトホルダと、前記旋回軸を回転させバイトの旋回角度を割り出す旋回割出部と、を備えている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による立旋盤の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による立旋盤の全体構成を示す斜視図で、図２は同立旋盤の側面を示す図である。図１、図２において、参照番号１０はベッドを示し、ベッド１０の上面には、コラム１２が設置されている。片持ち支持のクロスレール１４は、この実施形態では、コラム１２と一体型の上部構造体を構成している。クロスレール１４の上部には、サドル１６がクロスレール１４上を水平方向に移動可能に設けられている。このサドル１６には、ラム１８が上下方向に移動可能に垂設されている。このラム１８の下端部に取り付けられいるのが斜軸ヘッド２０である。斜軸ヘッド２０の先端部にはバイト１００が保持されている。
【００１８】
参照番号２２は、回転テーブルである。この回転テーブル２２は、旋削加工を施す工作物を固定する真空吸引チャック２３を備えている旋削加工テーブル２４と、この旋削加工テーブル２４を水平な姿勢で回転自在に支持するテーブル本体部２５とから構成されている。テーブル本体部２５は、テーブル駆動装置２６と接続されている。
【００１９】
本実施形態による立旋盤の場合、サドル１６を水平方向に移動させる軸がＸ軸で、このＸ軸のボールネジ送り機構を駆動するのがＸ軸サーボモータ２７である。また、ラム１８を上下に移動させる軸がＺ軸で、２８がＺ軸のボールねじ送り機構を駆動するＺ軸サーボモータである。
【００２０】
次に、図３は、サドル１６およびラム１８の構成を詳細に示す図である。
図３において、クロスレール１４の上面部には、サドル１６の移動を案内する互いに平行な２本のＸ軸案内面３０ａ、３０ｂが設けられている。またクロスレール１４の中央部には、ラム１８を収容する中空部３２が区画されている。サドル１６は、この中空部３２を跨ぐようにして両側をＸ軸案内面３０ａ、３０ｂにより支持されている。このＸ軸案内面３０ａ、３０ｂは、有限型ころがり案内により構成されている。なお、３３は、Ｘ軸のボールねじ送り機構を構成するＸ軸ボールねじを示している。
【００２１】
サドル１６の底部からは、四角筒状のラムガイド部材３４が垂下されている。このラムガイド部材３４の左右両内側側面には、上下方向に延びるころがり案内からなるＺ軸リニアガイド部３５ａ、３５ｂが固定されている。ラム１８の左右側面には、Ｚ軸ガイドレール３６ａ、３６ｂが上下に延びるように取り付けられ、これらのＺ軸ガイドレール３６ａ、３６ｂはＺ軸リニアガイド部３５ａ、３５ｂに係合するようになっている。
【００２２】
サドル１６の上面には、Ｚ軸サーボモータ２８が設置されている。サドル１６の底面では、軸受け部材３７によって上下方向に延びるＺ軸ボールねじ３８が回転可能に支持されている。ラム１８の上端部には、ボールナット３９が固定され、このボールナット３９にＺ軸ボールねじ３８が螺合するようになっている。なお、サドル１６の上面には、一対のバランスシリンダ４０が取り付けられており、ラム１８の重量はバランスシリンダ４０によって担持されており、Ｚ軸サーボモータ２８の負荷を軽減している。
【００２３】
ラム１８の下端部には図１２に示した従来のスイベルヘッド付きの刃物台の替わりに、以下のような傾斜する旋回軸４４を有する斜軸ヘッド２０が取り付けられ、この斜軸ヘッド２０を用いることによってバイト１００の刃先に旋回中心を設定し、刃先の位置を変えることなくバイト１００の切刃の角度を変えられるようになっている。
【００２４】
そこで、図４に斜軸ヘッド２０を示す。この図４において、参照番号５０は、旋回軸４４の軸線である。また、参照番号５２は、水平面（テーブル面）を示している。αが旋回軸４４の軸線５０とテーブル面５２がなす傾斜角度である。
【００２５】
斜軸ヘッド２０は、旋回軸４４の軸線５０がテーブル面５２に対して傾斜角度αをなすようにブラケット４２により保持されている。テーブル面５２と干渉する部分は、極力面取りをして傾斜角度αを小さくするようにしている。この実施形態では、傾斜角度αは、１５°に設定されている。この旋回軸４４の傾斜角度αは、好ましくは３０°以内である。
【００２６】
斜軸ヘッド２０は、ヘッド本体４５と、偏心腕部４６と、バイト１００を保持するバイトホルダ４７と、バイト１００の旋回角度を割り出す旋回割出部４８とから構成されている。
【００２７】
旋回軸４４の先端には、軸線５０と直角に延びる偏心腕部４６の基端部４６ａが固着され、この基端部４６ａからはさらに直角に軸線５０と平行に軸線５０とは所定の偏心半径だけ偏心している偏心腕部４６が延び、先端にバイトホルダ４７が取り付けられている。このバイトホルダ４７は、バイト１００を偏心腕部４６に対して直角に保持する。そして、このような偏心腕部４６を用いることで、図４に示されるように、バイト１００の刃先Ａは、旋回軸４４の軸線５０上にあり、従って、刃先Ａを旋回中心に設定することができる。
次に、旋回割出部４８は、サーボモータ５４により駆動される。そしてロータリエンコーダ５６により位置フィードバックをとり、サーボモータ５４の回転を制御することで、１０万分の１度の精度で旋回軸４４の旋回角度を割り出すことができるようになっている。このような旋回割出部４８の制御軸がＢ軸である。
【００２８】
なお、ヘッド本体４５の内部には、Ｂ軸の割出精度に対応させるために、旋回軸４４を回転自在に支持する軸受けとして空気軸受５８が組み込まれている。
【００２９】
本実施形態による立旋盤は、以上のように構成されるものであり、次に、以上のように構成される立旋盤による加工例として、フレネルレンズ成形用金型にレンズ溝を旋削する徐変溝加工を例に挙げて説明する。
【００３０】
図５は、フレネルレンズ成形金型のレンズ溝の形状を示す図である。同心円状に並ぶそれぞれのレンズ溝では、フレネル面ｆの傾斜角度は外周になるにしたがって徐々に大きな角度になっている。ライズ面ｒの傾斜角度は、徐々に変化しているものもあれば、一定のものもある。本実施形態では、このようなフレネル面ｆをもつレンズ溝を以下のように加工する。
【００３１】
加工前の準備として、斜軸ヘッド２０では、バイトホルダ４７に取り付けられているバイト１００について、図４に示されるように、刃先Ａが旋回軸４４の軸線５０上にあるように位置合わせを行っておく。
【００３２】
図１において、レンズ溝を旋削する対象のワークＷは、旋削加工テーブル２４の回転中心に対してワークＷの中心を合わせ真空チャック２３により固定し旋回加工テーブル２４を回転させる。
【００３３】
サドル１６のＸ軸移動により、斜軸ヘッド２０を加工位置に移動させる。ここで、図６は、ワークＷとバイト１００の刃先の位置関係を示す。まず、図６（ａ）に破線で示すように、バイト１００のＸ軸位置をフレネル面ｆ1をもつレンズ溝の谷底頂点位置に合わせる。そして、Ｂ軸サーボモータ５４により旋回割出部４８が駆動されて旋回軸４４が旋回し、バイト１００の切刃稜１０１の角度がフレネル面ｆ1の傾斜角度φ1と一致するようになる。
【００３４】
こうして、バイト１００の切刃稜１０１の角度をフレネル面ｆ1の傾斜角φ1に合わせてから、Ｚ軸移動によりバイト１００を下降させてワークＷに切り込みを与え、所定の深さに達したところでバイト１００の切刃稜１０１をワークＷに転写してフレネル面ｆ1を創成する。
【００３５】
フレネル面ｆ1を創成した時点で、バイト１００の刃先Ａは、レンズ溝の谷底頂点にある。そして、斜軸ヘッド２０にあっては、旋回軸４４の軸線５０上にバイト１００の刃先Ａが位置している。したがって、バイト１００はレンズ溝の谷底頂点を旋回中心として旋回することが可能である。
【００３６】
したがって、フレネル面ｆ1に引き続いてライズ面ｒ1を加工するためには、Ｚ軸移動を行うことなく、Ｂ軸旋回によりバイト１００を刃先Ａを旋回中心に旋回させバイト１００の切刃稜１０２をライズ面ｒ1の傾斜角度に合わせることができる（図６（ｂ））。このため、バイト１００の刃先Ａの位置を変えることなく、バイト１００の切刃稜１０２をワークＷに転写してライズ面ｒ1を創成することができる。
【００３７】
こうして一本のレンズ溝の加工が完了したら、Ｚ軸移動によりバイト１００をレンズ溝から逃がし、Ｘ軸移動によりバイト１００を隣のフレネル面ｆ2のレンズ溝の位置に移動させる。そして、バイト１００の刃先ＡのＸ軸上の位置をレンズ溝の谷底頂点に合わせてから、Ｂ軸旋回によりバイト１００の切刃稜１０１の角度をフレネル面ｆ2の傾斜角φ2に合わせ、以下、最初のレンズ溝の場合と同様の動作を繰り返すことにより、バイト１００の刃先Ａの位置を変えることなく、フレネル面ｆ2とライズ面ｒ2を連続して加工することができる。
【００３８】
以上のように、旋回軸４４の軸線上にバイト１００の刃先Ａが位置している構造をもつ斜軸ヘッド２０によれば、Ｘ軸、Ｚ軸の移動を伴わずに、Ｂ軸による旋回動作だけで、バイト１００の切刃の角度をフレネル面ｆとライズ面ｒに合わせることができる。これにより、サドル１６がＸ軸移動するときや、ラム１８がＺ軸移動したときに生じる変位が刃先の位置の誤差として大きく効いてくるということがない。
【００３９】
しかも、傾斜する旋回軸４４は空気軸受５８で支持されていること、およびサーボモータ５４で駆動する割出機構４８をＢ軸として数値制御によりバイト１００の旋回運動を実現するので、Ｒガイドの真円度に運動精度を依存する従来の旋回台方式とは、同じく旋回中心を刃先に設定することができるとはいえ、比較できないくらいの高精度の割出精度を得ることができる。また、バイト１００の切刃の角度をフレネル面ｆからライズ面ｒに合わせるときに、Ｘ軸、Ｚ軸移動することがないので、時間の短縮を図ることができる。そして、レンズ溝の本数は多いので大幅な切削時間の短縮となる。
【００４０】
以上の加工例は、フレネルレンズ成型金型の旋削加工であるが、本発明の立旋盤は、直線移動型のプレーナテーブルと組み合わせることにより、導光板形成用金型のプレーナ加工にも適用することができる。
【００４１】
図７は、プレーナ加工を行うために、旋削加工テーブル２４の上面にプレーナテーブル６０を設置できるようにした立旋盤を示す図である。
【００４２】
プレーナテーブル６０は、旋回加工テーブル２４の上面に固定されているテーブルベース６２と、このテーブルベース６２上を移動する移動テーブル６４とから基本的に構成されている。テーブルベース６２の上面には、直線案内を構成するＶ溝が形成されており、これを案内に移動テーブル６４は図示しないボールねじ送り機構により直線移動することができる。
【００４３】
この立旋盤では、移動テーブル６４の送りを制御する軸をＹ軸としている。この場合、ボールねじの軸方向は、旋回加工テーブル２４の回転とともに変わり得るが、プレーナ加工を行うときには、図７に示すように、ボールねじの軸方向がＸ軸、Ｚ軸に共に直交する方向（図７の紙面に直角な方向）になるように旋回加工テーブル２４の位置を割り出した後、図示しないクランプ手段で固定し、ボールねじの軸方向と機械上の位置制御軸であるＹ軸の方向を一致させるようにしている。
【００４４】
このように、回転テーブル２２にプレーナテーブル６０を取り付けることで、本実施形態の立旋盤では、プレーナ加工による徐変溝加工を次のようにして行うことができる。
【００４５】
図８は、導光板成形金型のレンズ溝の形状を示す図である。平行に延びるそれぞれのレンズ溝の角度は、左側のレンズ溝ほど徐々に大きな角度になっている。各レンズ溝では、両側の傾斜面の角度は等しい。
【００４６】
そこで、サドル１６のＸ軸移動により、斜軸ヘッド２０を加工位置に移動させ、バイト１００のＸ軸位置をレンズ溝Ｌ1の谷底頂点位置に合わせる。このとき、Ｂ軸サーボモータ５４により駆動されて旋回軸４４が旋回し、バイト１００の切刃稜１０１の角度を右側の傾斜面Ｋｒ1の傾斜角度と一致させる。
【００４７】
次に、Ｚ軸移動によりバイト１００を下降させてワークＷに切り込みを与え、Ｙ軸移動により移動テーブル６４を送りながらバイト１００の切刃稜１０１をワークＷに転写してフレネル面Ｋｒ1を創成する。
【００４８】
その後、バイト１００を刃先Ａを中心として、Ｂ軸旋回によりバイト１００の切刃稜１０２の角度を左側の傾斜面Ｋｌ1の傾斜角に合わせてから、Ｙ軸移動により移動テーブル６４を送りながらバイト１００の切刃稜１０２をワークＷに転写してフレネル面Ｋｌ1を創成する。このようにして、バイト１００の刃先Ａの位置を変えることなく、右側傾斜面Ｋｒ1と左側傾斜面Ｋｌ2を連続して加工することができる。他のレンズ溝についても、以下同様にして加工することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、フレネルレンズ成形用金型にレンズ溝を徐変加工をする場合に、バイトの刃先位置をずらさずにバイトの角度を変えられるようにして、高精度の徐変溝加工を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による立旋盤を示す斜視図。
【図２】同実施形態による立旋盤の側面図。
【図３】同実施形態による立旋盤のサドルとラムの構成を示す断面図。
【図４】同実施形態による立旋盤の備える斜軸ヘッドの側面図。
【図５】フレネルレンズ成型用金型のレンズ溝の説明図。
【図６】徐変溝の加工におけるバイトの刃先の動きを示す説明図。
【図７】立旋盤の回転テーブルにプレーナテーブルを搭載した立旋盤の側面図。
【図８】プレーナ加工におけるバイトの刃先の動きを示す説明図。
【図９】フレネルレンズを示す平面図。
【図１０】フレネルレンズ成形金型のレンズ溝の説明図。
【図１１】従来のフレネルレンズ成形金型のレンズ溝加工の説明図。
【図１２】従来の立旋盤に設けられる刃物台旋回機構の例の説明図。
【図１３】従来の立旋盤に設けられる刃物台旋回機構の他の例の説明図。
【符号の説明】
１０ベッド
１２コラム
１４クロスレール
１６サドル
１８ラム
２０斜軸ヘッド
２２回転テーブル
２４旋削加工テーブル
４４旋回軸
４６偏心腕部
４８旋回割出部
５０旋回軸の軸線
５４サーボモータ
５６ロータリエンコーダ
５８空気軸受け
６０プレーナテーブル
６４移動テーブル
１００バイト

Claims

コラムと、
ワークを回転させる回転テーブルと、
前記コラムに片持ち支持されるクロスレールと、
前記クロスレールの案内面に沿って水平方向に移動可能に設置されたサドルと、
前記サドルから垂設され、サドルの案内面に沿って上下方向に移動可能に設置されたラムと、
前記ラムの下端部に取り付けられ、前記回転テーブルのテーブル面に対して傾斜する旋回軸であってバイトの刃先を旋回中心として当該バイトを旋回させる前記旋回軸を有する斜軸ヘッドと、
を具備したことを特徴とする立旋盤。
前記斜軸ヘッドは、
軸受けにより回転可能に支持された前記旋回軸と、前記旋回軸の軸線から偏心して軸方向に伸びる偏心腕部と、前記偏心腕部の先端部に取り付けられ前記バイトを保持するバイトホルダと、前記旋回軸を回転させバイトの旋回角度を割り出す旋回割出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の立旋盤。
前記旋回軸の軸線は、水平面と３０°以内の角度をなしかつ前記バイトの刃先中心を通ることを特徴とする請求項２に記載の立旋盤。
軸受は、空気軸受けからなることを特徴とする請求項２に記載の立旋盤。
前記旋回割出部は、前記旋回軸を駆動するサーボモータと、旋回軸の旋回角度を検出するエンコーダを有することを特徴とする請求項２に記載の立旋盤。
前記回転テーブルに、さらに、直線軸を有するプレーナ加工用のテーブルを搭載したことを特徴とする請求項１に記載の立旋盤。