JP4356857B2

JP4356857B2 - 多軸ｎｃ研磨加工機

Info

Publication number: JP4356857B2
Application number: JP2001008952A
Authority: JP
Inventors: 明弘渕上
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: JP2002210654A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、自由曲面を有する光学素子などのプラスチック成形金型の研磨加工装置に関するもので、三次元的な曲面形状を持つ被加工物の高精度な研磨・研削加工に応用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に用いられている切削・研磨加工機について図１２及び図１３を用いて説明する。
図１２において、１は研磨加工機、２は研磨工具、３は駆動計算部、４は駆動制御部、８はＸ方向直動軸、９はＹ方向直動軸、１１はワーク、２０はＣＡＤ／ＣＡＭ、２１はＣＬデータである。
【０００３】
まず設計者はＣＡＤ／ＣＡＭ２０を用いて、ワーク１１の加工面１７上における加工パス１２をデザインし、しかるのち研磨工具オフセット１９を加味したカットアロケーションパス１８を図１３に示す如く作成する。加工機にカットアロケーションパスを表現したＣＬデータ２１を入力することにより、駆動計算部３において加工機各軸の駆動制御値を計算する。この駆動制御値を駆動制御部４に指示することによって、目的とするカットアロケーションパス上を研磨工具２が移動する。従来の手法では、駆動計算部３はワークに関する情報を必要としない。
【０００４】
切削加工機の場合は、理想面を削り出すために正確な位置制御を要求される。一方、研磨加工機の場合は、一般的に加工点に一定の圧力を加えるためにＺ軸方向を加工面に倣わせる倣い加工が主であり、Ｚ軸方向の位置決めは必要としない場合が多い。このような場合は、駆動計算部により生成された駆動制御値のうち、Ｚ軸方向に関する値を修正することで容易に対応できる。
【０００５】
研磨加工において、より高精度の加工を実現するために、ワークの位置姿勢を制御して加工点における法線ベクトルを制御し、加工条件の変動を少なくして高精度研摩加工を実現する手法が提案されている（特開平１０−２３０４４８号公報、特開平８−１９７４０４号公報）。
【０００６】
一方、５軸以上の加工機を制御するために、姿勢情報を含むカットアロケーションパスおよびＣＬデータをＣＡＤ／ＣＡＭによって生成し、ＣＬデータに含まれた姿勢情報に基づいて研磨工具の姿勢制御を行う駆動計算部が実用化されている。しかし、従来のＣＡＤ／ＣＡＭによるＣＬデータの入力による駆動方法では、以下のような問題がある。
１）５軸以上の姿勢制御を含む加工では、ＣＬデータ量が増加し、作業者が直感的に内容を把握することが困難であり、修正や加工条件の付加が困難である。
２）一般的に使用されている多軸ＮＣ加工機は研磨工具の姿勢制御を行ない、従来の３軸位置決めに工具姿勢によるオフセットを加えることにより、制御値を求めるものが主であり、ワークの姿勢を制御する加工には対応していない。
３）加工パスのデザインと、駆動軸の計算が分離して行われるため、加工機の構成や特性を考慮した加工パスの生成を行うことは難しい。
【０００７】
【解決しようとする課題】
そこでこの発明は、ワークの姿勢制御を行う多軸加工機のＮＣプログラムの作成と実作業において、性能を落とすことなくデータ点数を減らして作業者の負担を軽減するとともに、直感的にプログラム内容を把握し易くすることをその課題とする。
【０００８】
【課題を解決するために講じた手段】
【解決手段１】
（請求項１に対応）
上記課題を解決するために講じた手段は、加工するワークの姿勢を制御して加工点の法線方向を制御する研磨加工機において、研磨する面の形状を計算する面形状計算部と、駆動軸の制御情報を計算する駆動計算部を同一の計算機上に備えており、加工パス上に配した加工点における座標値と理想面からの誤差量を研磨加工条件として加工順に列挙した加工プログラムを入力し、各駆動軸の制御目標値を計算するために必要な面形状情報と、上記誤差量を補正する加工パスおよび加工条件を面形状計算部により自動的に計算し、加工点間を補間して駆動制御部により各駆動軸を制御するようにしたことである。
【０００９】
【作用】
解決手段１の構成によれば、加工する面の形状情報を算出する面形状計算手段を設け、加工パス上の加工点座標を加工パスに沿って順に入力することにより、加工点における法線ベクトルの算出ができ、ワークの姿勢制御に必要な情報を得ることができる。これにより、入力する情報量を減らし、かつ加工機の構成に適した加工パスを自動的に計算し、精密な加工を実現できる。また、単純な形式なので、直感的な理解や修正が容易である。さらに、従来の手法では表現や作成が困難であった渦状などの複雑な曲面軌道も容易に実現可能であるという柔軟性がある。
また、与えられた各加工点における誤差に対して、誤差量を除去する研磨条件を加えることにより、より精密な研磨加工結果を得ることができる。また、面のＸＹ平面において計測した面情報データを直接使用することができるため、作業者の手間が減り効率的にＮＣプログラムを作成することができる。
【００１０】
【実施態様１】
（請求項２に対応）
実施態様１は、解決手段１の研磨加工機において、曲面形状を多項式形式で記憶し、外部入力として多項式係数を加工点の座標値と共に入力することによって加工点における面形状を算出し、各駆動軸の制御目標値を計算して駆動軸を制御するようにしたことである。
【００１１】
【実施態様２】
（請求項３に対応）
実施態様２は、解決手段１の研磨加工機において、加工点間の軌道を面形状に沿って補間することである。
【００１２】
【実施態様３】
（請求項４に対応）
実施態様３は、解決手段１の研磨加工機において、制御対象である回転軸のうち１つの軸の回転動作を最小にする制約条件を課して加工点の補間を行うことである。
【００１３】
【実施態様４】
（請求項５に対応）
実施態様４は、解決手段１の研磨加工機において、入力としてワーク原点に対する加工点のＸＹ座標値のみを、加工する順序で入力することにより加工パスを自動的に生成することである。
【００１４】
【実施態様５】
実施態様５は、解決手段１の研磨加工機において、加工点における座標値と研磨工具の移動速度を研磨加工条件として加工順に列挙された加工プログラムを入力することにより、加工パス上で研磨工具の移動速度を制御するようにしたことである。
実施態様５の構成によれば、各加工点における研磨工具の移動速度を指示し、加工パス上で同期させて移動速度を変化させることにより、能動的に面を補正する研磨加工手法が容易に実現できる。
【００１５】
【実施態様６】
実施態様６は、解決手段１の研磨加工機において、加工点における座標値と加工点間を移動する時間を研磨加工条件として加工順に列挙された加工プログラムを入力することにより、加工パス上で移動時間を制御するようにしたことである。
実施態様６の構成によれば、各加工点間の移動に要する時間を指定することにより、研磨工具の移動時間を任意の位置で制御するＮＣプログラムを容易に作成することができる。また、研磨工具の移動速度を指定する手法よりも直感的に時間量を理解しやすく、作成や変更が容易である。
【００１６】
（削除）
【００１７】
【実施態様７】
（請求項６に対応）
実施態様７は、解決手段１の研磨加工機において、面形状計算部において基準点座標を定義し、研磨工具を該基準点に一致させることによりワークの位置情報をパラメータとして取り込む機能を有するようにしたことである。
【００１８】
【実施例】
本発明の実施例を図１乃至図３に基づき説明する。
図１は本実施例における研磨加工機で、外部からの入力情報は、図２の加工点１３の座標値を加工パス１２において加工順に記述したテーブル形式のプログラムファイル（図３）を用いることによって簡略化している。これによれば、姿勢制御において精度よい加工パスを生成するために必要なワークの位置決めを、研磨工具とワーク基準面を用いて対話的に、もしくは自動的に計算機内にとりこみ、駆動制御値計算に使用することができる。
【００１９】
図１において、１は研磨加工機、２は研磨工具、３は駆動計算部、４は駆動制御部、５は面形状計算部である。研摩加工機１は、Ｘ軸、Ｙ軸回りに回転軸６，７を持ち、ワーク１１を姿勢制御できる機構を持つ。これらＸＹ２軸の回転軸と、ＸＹ２軸の直動軸８，９を持つことにより、任意の加工点における法線ベクトルを、鉛直方向に一致させるよう姿勢制御し、かつ研磨工具２の鉛直下に加工点を位置させることができる。
【００２０】
図２に基づき研磨工具によるワークの位置出しを説明する。
加工に先立ちワーク１１をワーク突当て治具２９に当接させた状態でスイベルステージ１０に固定する。そして、研磨工具２が研磨工具中心２８の位置に来るように押し当て動作を手動操作で行い、この状態における研磨工具２（研磨機）ＸＹ軸の値を読取る。これに、既知の値である研磨工具２の研磨加工機１に対する位置と、同じく既知の値であるワーク中心へのオフセット３０，３１（それぞれ研磨工具基準位置Ｙ方向オフセット、研磨工具基準位置Ｘ方向オフセットと呼ぶ）を加えることにより、研磨加工機の回転中心座標系に対するワーク原点座標系の三次元位置ベクトルＴ_ＭＴが計算される。以上の計算は、研磨工具位置決め終了時点において面形状計算部５により計算され、結果は駆動計算部３に自動的に記憶される。
【００２１】
一般的にワークを姿勢制御する研磨加工機においては、図１１に示す如く回転軸に対するワークの位置により、制御量が変化してしまうが、本実施例のように研磨工具をワークに対して押し当てや頂点出しを行なって位置決めをすることにより、研磨工具とワークの相対位置情報を得ることができ、研磨工具と回転軸の相対位置関係を既知とすることで、ワークの回転軸に対する相対位置情報を自動的に計算することができ、作業者による測定や測定値入力の手間を軽減することができる。
【００２２】
次に、面形状計算部５は曲面形状を示す多項式係数を外部より読込み記憶する。そして、作業者は加工点１３のワーク座標系におけるＸＹ座標値のテーブル形式加工プログラムファイル２２（図３）を入力する。図３におけるＸ０，Ｙ０が図２における加工開始点１４に相当する。面形状計算部５は入力されたＸＹ座標値と記憶した多項式係数より、入力されたＸＹ座標値における加工点のＺ座標と法線ベクトルｎを計算する。駆動計算部３はこれらＸＹＺ座標および法線ベクトルｎより、加工点の法線を任意の方向に制御するために必要な駆動軸の制御値を計算する。本実施例における装置構成は５自由度であるため、任意の加工点を工具加工点の鉛直下に位置させ、かつ加工点の法線を鉛直方向に一致させる駆動制御値の解がただ一つ存在する。
以下に各駆動軸の制御値の計算方法を説明する。
【００２３】
図４に、本実施例における各点の座標系を示す。
ここで、回転中心座標系３３は、各駆動軸の制御値が原点のとき、原点座標３２に等しいものとする。ワーク原点座標系３４は回転中心座標系３３に固定されており、駆動制御値によらず一定である。同様に、加工点座標系３５はワーク原点座標系３４に固定されており、駆動制御値によらず一定である。各座標系の相対位置姿勢は４×４の同次行列表現を用いて以下の様に記述できる。
【数１】

【数２】

Ｒ_Ｍ：原点座標系に対する回転軸中心座標系の姿勢を表す３×３回転行列
Ｔ_Ｍ：原点座標系に対する回転軸中心座標系の平行移動ベクトル
Ｒ_ＭＴ：回転軸中心座標系に対するワーク原点座標系の姿勢を表す３×３回転行列
Ｔ_ＭＴ：回転軸中心座標系に対するワーク原点座標系の平行移動ベクトル
Ｒ_ＴＰ：ワーク原点座標系に対する加工点座標系の姿勢を表す３×３回転行列
Ｔ_ＴＰ：ワーク原点座標系に対する加工点座標系の平行移動ベクトル
Ｒ_Ｏ：原点座標系に対する工具加工点の姿勢を表す３×３回転行列
Ｔ_Ｏ：原点座標系に対する工具加工点の平行移動ベクトル
【００２４】
本実施例では、原点座標系３２に対する工具加工点座標系３６、および回転中心座標系３３に対するワーク原点座標系３４は平行であるため、Ｒ_０＝Ｒ_ＭＴ＝Ｉとする。ここでＩは３×３の単位行列を意味する。また、本実施例では工具加工点の三次元位置を表すＴ_Ｏは固定である。
【００２５】
式（１）をＲ_Ｍ，Ｔ_Ｍについて展開することにより以下の式が得られる。
【数３】

【数４】

Ｘ，Ｙ軸の駆動制御値をそれぞれＸ，Ｙとすると、Ｔ_Ｍ（Ｘ，Ｙ，Ｏ）と表せる。本実施例では倣い研磨加工を行うため、Ｚ軸方向への駆動は必要ないからここでは０としている。したがって（４）式によりＸ軸およびＹ軸の駆動制御値を計算することができる。
【００２６】
また、Ｘ軸を回転軸とする駆動軸の制御値をＡ，Ｙ軸を回転軸とする駆動軸の制御値をＢとする。本実施例における加工機構成では、回転駆動軸が直行しているので、Ｒ_Ｍは式（５）のように表せる。
【数５】

【数６】

【数７】

ここでａ，ｂは加工点における法線ベクトルｎに直行する任意の単位ベクトルである。（７）式より、回転駆動制御値Ａ，Ｂが求められる。
【００２７】
続いて、補間パスを計算する。本設備における構成では、Ｙ軸回りの回転方向の駆動は、スイングが重力の影響を受ける為、オーバーシュートが出やすく、他の回転軸に比較して移動中の追従遅れが大きく発生する。このため、面形状に沿い、かつＹ軸回りの回転動作を最少にするように補間パスを計算する制約条件を課することにより、発生する誤差の影響を最少にする。従来の手法では、加工機構成と加工パスの生成が分離されているため、このような加工パスを設計するのは非常に煩雑であったが、本手法のように加工機の計算部において曲面形状を同時に計算することにより、容易に実現ができる。
【００２８】
上記の手順により、経由する加工点と、加工点の補間パスを作成し、駆動制御部に指令して加工機の各駆動軸を制御することにより、加工を実現する。以上の手順を図５にフローチャートで示す。
【００２９】
図６、図７に基づいて他の実施例を説明する。
図６に示すように、研磨加工においてはプレストンの法則により、滞留時間と研磨除去量に比例関係があることを実験によって確認している。滞留時間は研磨工具の移動速度に反比例するため、各加工点において研磨工具の移動速度を制御することにより、各加工点における研磨除去量を制御することができる。研磨加工機に入力される加工プログラムファイル２２に、図７のごとく移動速度Ｆｎを付け加え、まず加工点に研磨工具を接触させるための駆動制御値を駆動計算部により計算し、その後、該加工点における研磨工具の移動速度を、加工プログラムのデータＦｎに基づき、ベクトル演算によって求め、駆動制御部に指令を出して制御する。
【００３０】
図８、図９に基づき別の実施例（請求項１に係る発明に対応）を説明する。
図８に示す２３は計測器によって鉛直方向から計測されたワークの加工面の高さ方向誤差情報である。軸にＸ座標、Ｙ座標を持つ誤差テーブルが作成される。この誤差テーブルをメッシュデータとして、平面近似することにより、任意のＸＹ座標での鉛直方向ワーク誤差量２４を計算することが出来る。本実施例では加工プログラムファイル２２に、各位置での誤差Ｅｎを付け加え、図９に示すテーブル形式ファイルを作成する変換アプリケーションを開発した。これにより、研磨加工機は入力されたＸＹ座標の加工点において、同じく入力された誤差量を打ち消すように研磨条件である研磨工具の滞留時間を係数倍し、逐次速度を制御して駆動することにより、より能動的に誤差を減ずる加工を実行する。
【００３１】
図１０に別の実施例を示す。図１０は、加工点の座標と、次の加工点に移動するまでに要する時間Ｔｎを加工順に記述した加工プログラムである。研磨加工機は、加工点情報を先読みし、面形状計算部により加工点間の補間パスを計算し、面に沿った距離を計算する。面上の加工点間の距離を、入力された時間Ｔｎで除算することにより、加工点間における研磨工具の移動速度制御値を自動的に計算することができる。このようにして計算した加工パスと研磨工具の移動速度を駆動制御部に出力し、研磨加工機を制御する。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の構成によれば、加工する面の形状情報を算出する面形状計算手段を設け、加工パス上の加工点座標を加工パスに沿って順に入力することにより、加工点における法線ベクトルの算出ができ、ワークの姿勢制御に必要な情報を得ることができる。これにより、入力する情報量を減らし、かつ加工機の構成に適した加工パスを自動的に計算し、精密な加工を実現できる。
さらに、与えられた各加工点における誤差に対して、誤差量を除去する研磨条件を加えることにより、より精密な研磨加工結果を得ることができる。また、面のＸＹ平面において計測した面情報データを直接使用することができるため、作業者の手間が減り効率的にＮＣプログラムを作成することができる。
【００３３】
請求項２の構成によれば、多項式と加工パラメータを用いる事により、任意の加工点における法線ベクトルの算出が容易にできる。また、面形状を入力する際に必要な情報が低減される。
【００３４】
請求項３の構成によれば、曲形状計算部を持っているために、指示された加工点の間の軌道を面の形状に合わせて最適になるように自動的に計算することができる。また、加工点間のピッチを大きくとり入力点数を減らしても、加工パスの精度を補償できる。
【００３５】
請求項４の構成によれば、加工機の駆動軸制御値の計算と面形状の計算を同一の計算機で行っている為に、加工機の駆動軸の構成および制約に対応した制御値を、自動的に生成することが容易である。
【００３６】
請求項５の構成によれば、曲面形状計算部により、与えられたＸＹ座標からＺ座標と加工点における法線ベクトルを求めることができる。加工点の空間座標と法線方向が求められることにより、ワークの位置情報を用いて、加工機の制御情報が求められる。また、曲面形状を計算することにより正確に補間をすることが可能であるため、入力する情報が最小ですむ。また、最小限度の情報量かつ簡易な形式で加工パスを記述できるため、直感的に理解が容易であり、さらに本形式を応用するアプリケーションを開発することが容易である。
【００３７】
（削除）
【００３８】
請求項６の構成によれば、研磨工具をワークに対して押し当てや頂点出しを行なって位置決めをすることにより、研磨工具とワークの相対位置情報を得ることができ、研磨工具と回転軸の相対位置関係を既知とすることで、ワークの回転軸に対する相対位置情報を自動的に計算することができ、作業者による測定や測定値入力の手間を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は研磨加工機の概略構成図である。
【図２】は研磨工具によるワークの位置出しを表す図である。
【図３】はＸＹ座標テーブル形式プログラムファイルである。
【図４】は各座標系の位置関係相関図である。
【図５】は加工制御の処理フローチャートである。
【図６】は研磨における研磨工具の移動速度と研磨除去量の関係図である。
【図７】は加工点のＸＹ座標と速度条件を記述した入力プログラムファイルである。
【図８】は研磨工具の移動速度制御とワークの高さ方向誤差との関係を模式的に示す図である。
【図９】は加工点のＸＹ座標と誤差量を記述した入力プログラムファイルである。
【図１０】は加工点のＸＹ座標と移動時間を記述した入力プログラムファイルである。
【図１１】はワークの駆動軸に対する相対位置による移動量の変動を表す図である。
【図１２】は従来の研磨加工機の概略構成図である。
【図１３】はカットアロケーションパスの生成図である。
図１〜図１３における符号の説明
１・・・・・・・・研磨加工機
２・・・・・・・・研磨工具
３・・・・・・・・駆動計算部
４・・・・・・・・駆動制御部
５・・・・・・・・面形状計算部
６・・・・・・・・Ｘ方向回転軸
７・・・・・・・・Ｙ方向回転軸
８・・・・・・・・Ｘ方向直動軸
９・・・・・・・・Ｙ方向直動軸
１０・・・・・・・スイベルステージ
１１・・・・・・・ワーク
１２・・・・・・・加工パス
１３・・・・・・・加工点
１４・・・・・・・加工開始点
１５・・・・・・・ワーク原点
１６・・・・・・・ワーク座標系
１７・・・・・・・加工面
１８・・・・・・・カットアロケーションパス
１９・・・・・・・研磨工具オフセット
２０・・・・・・・ＣＡＤ／ＣＡＭ
２１・・・・・・・ＣＬデータ
２２・・・・・・・ＸＹ座標テーブル形式ファイル
２３・・・・・・・ＸＹ平面におけるワークの誤差等高図
２４・・・・・・・ワーク誤差量
２５・・・・・・・研磨工具の移動速度
２６・・・・・・・加工点間の移動時間
２７・・・・・・・回転軸中心
２８・・・・・・・研磨工具中心座標
２９・・・・・・・ワーク突当て治具
３０・・・・・・・研磨工具基準位置Ｙ方向オフセット
３１・・・・・・・研磨工具基準位置Ｘ方向オフセット
３２・・・・・・・原点座標系
３３・・・・・・・回転軸中心座標系
３４・・・・・・・ワーク原点座標系
３５・・・・・・・加工点座標系
３６・・・・・・・工具加工点座標系

Claims

加工するワークの姿勢を制御して加工点の法線方向を制御する研磨加工機において、研磨する面の形状を計算する面形状計算部と、駆動軸の制御情報を計算する駆動計算部を同一の計算機上に備えており、加工パス上に配した加工点における座標値と理想面からの誤差量を研磨加工条件として加工順に列挙した加工プログラムを入力し、各駆動軸の制御目標値を計算するために必要な面形状情報と、上記誤差量を補正する加工パスおよび加工条件を面形状計算部により自動的に計算し、加工点間を補間して駆動制御部により各駆動軸を制御することを特徴とする研磨加工機。
請求項１の研磨加工機において、曲面形状を多項式形式で記憶し、外部入力として多項式係数を加工点の座標値と共に入力することによって加工点における面形状を算出し、各駆動軸の制御目標値を計算して駆動軸を制御することを特徴とする研磨加工機。
請求項１の研磨加工機において、加工点間の軌道を面形状に沿って補間することを特徴とする研磨加工機。
請求項１の研磨加工機において、制御対象である回転軸のうち１つの軸の回転動作を最小にする制約条件を課して加工点の補間を行うことを特徴とする研磨加工機。
請求項１の研磨加工機において、入力としてワーク原点に対する加工点のＸＹ座標値のみを、加工する順序で入力することにより加工パスを自動的に生成することを特徴とする研磨加工機。
請求項１の研磨加工機において、面形状計算部において基準点座標を定義し、研磨工具を該基準点に一致させることによりワークの位置情報をパラメータとして取り込む機能を有する研磨加工機。