JP4875184B2 - 工具回転半径可変の工具ホルダおよび該工具を備えた工作機械ならびに前記工作機械を用いた加工方法 - Google Patents
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Description
しかし、最近では、1個が直径数mmのレンズを数十〜数千個並べた形状を持つレンズアレイ型金型(図19,図20参照)の需要が増大している。レンズアレイの金型を旋削で加工するためには、旋盤の主軸に対して、一つ一つのレンズ形状ごとに回転中心を合わせて加工する必要がある。
手動でレンズの加工位置を精密に合わせるのは困難であるので、例えば、主軸上に回転に直交する向きの2軸直動テーブルを備え付け、そこにワークを取り付ければ、ワーク上の回転中心を任意に変えることができる。
そこで、旋盤以外のレンズアレイの高速・高精度な加工方法が切望されている。
レンズアレイ形状の加工方法として、ミリングで加工する方法が一般的に用いられている。小径の回転工具を主軸に取り付け、工作機械の直交3軸を同時に駆動して、渦巻きの軌跡を描かせ、レンズ形状を加工する。
図26は、従来技術である一般的なミリング加工によるレンズアレイの加工を説明する図である。図26(a)は、主軸で切削工具を回転させながら、工作機械の直動軸で渦巻き状の軌跡を描いて加工する方法である。図26(b)は、工具を走査するように直動軸で動かしながら加工する方法である。どちらの方法も、高速で加工しようとすると、各軸の加減速が激しくなる加工方法であり、直動軸の加速性能で加工速度が決まる。また、工具が高速で回転しながら図26に示される軌跡を描くので、実際の工具の切削距離は、軌跡よりも遥かに長く、工具磨耗が激しいという欠点もある。
工具摩耗を抑える加工方法として、回転テーブルで工具の角度を変えながら、直交3軸で渦巻き運動を行う方法が考案されている。図27は、他の従来技術として、工具2の角度を変えつつ、渦巻きの軌跡を描いて加工するレンズアレイの加工方法を説明する図である。この加工方法は、工具2から見ると旋削加工に近い動きになるので、工具磨耗を抑える点では有効な方法である。しかし、高速加工を行うためには、渦巻きの動きを行う直動軸の加減速が激しくなる欠点は図26の加工方法と同じである。
図28は、他の従来技術(特許文献1参照)として、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する加工方法を説明する図である。この方法は、工具を圧電素子を用いて微小上下動しワークを加工する方法であり、凸形状には対応しない点と、凹形状であっても原理的に回転対称の形状を加工することはできないという欠点がある。
図29は、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する従来技術(特許文献2参照)を説明する図である。この従来技術は、回転対称の形状や凸形状に対応できる。しかし、工具の輪郭精度をミクロンオーダー以下に成形するのは、非常に難しいので、高精度なレンズ形状の加工には向かない。
いずれの文献に開示される技術も、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した特殊な工具が必要で、形状精度が工具精度に依存し、形状誤差を補正することも不可能で、高精度なレンズ金型の製造には適用できない。
そこで本発明の目的は、工具から見ても、工作機械の各軸から見ても、旋削加工に近い動きを行うことが可能な工具の回転半径可変の工具ホルダ、および、工具ホルダを備えた工作機械、ならびに、前記工作機械を用いた加工方法を提供することである。
請求項1に係る発明の工具ホルダとすることで、工具回転半径を主軸の回転速度で変化させることができる。さらに、オフセットを与えることにより、工具回転半径が小さいときにも、ある程度の加工速度を確保することができる。静止状態での工具刃先の位置が回転中心の場合、中心部の加工速度(工具に対するワークの相対速度)が極端に遅くなってしまい、実際には加工できない。そこで、所定の回転速度のときに工具刃先が回転中心に来るようにして、加工速度を確保できる。
請求項2に係る発明は、前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に同じ大きさだけ弾性変形する2つの梁を備え、該2つの梁に加わる遠心力を相殺し、前記工具ホルダの回転速度が変化しても回転のバランスを保つことを特徴とする請求項1に記載の工具ホルダである。
請求項2に係る発明の工具ホルダとすることで、工具の回転半径が変わっても常に回転のバランスを保つことで、アンバランスによる回転に同期した振動を防止できる。
請求項3に係る発明は、前記工具ホルダの2つの梁は、工具ホルダより回転半径の大きい位置にある2つの重りにそれぞれ連結され、回転時に重りに加わる遠心力により、前記工具ホルダの弾性変形を増大させることを特徴とする請求項2に記載の工具ホルダである。
請求項3に係る発明の工具ホルダとすることで、回転半径のより大きい位置にある重りを梁に連結する構造は、大きな遠心力を梁に加え、工具回転半径を大きくすることができる。
工具ホルダに工具を取り付けたことによる重量の変化に対して、バランス重りで調整することで、回転時のアンバランスを防ぐことができる。
請求項5に係る発明は、前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に弾性変形する2つの梁を備え、それぞれの梁は平行バネの形状をし、梁が前記遠心力により弾性変形したときに、梁の端面の角度が回転の軸に対して一定に保たれることを特徴とする請求項2〜4に記載の工具ホルダである。
平行バネにより、工具の回転半径が変化しても、工具の角度(姿勢)が変化するのを防ぐことができる。
主軸の回転方向に移動可能な直動軸で切り込み量を制御し、工具の回転半径を主軸の回転速度で制御することで、任意の径で切り込み量を変えられるようになる。主軸が重力方向であると、工具ホルダの梁の変位が回転の位相によって重力の影響を受けない。したがって、前記工作機械により、任意の回転対称形状を精密に切削加工することができる。 請求項7に係る発明は、請求項6に記載の工作機械において、前記主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位を予め計測しておき、加工する回転対称の形状について半径と高さの点群データまたは形状式において、半径を主軸の回転速度に変換し、高さを前記軸方向の変位で補正した前記直動軸の変位量に変換した上で、加工プログラムを作成することを特徴とした加工方法である。
この加工方法は、主軸の回転速度に対する工具回転半径と工具刃先の変位量を事前に計測し、加工形状を加工プログラムに変換する過程において、この計測値を反映させることで、正確な加工ができる。
請求項8に係る発明は、請求項7の加工方法により、前記工作機械の直動軸または回転軸で前記工具ホルダの位置と姿勢を制御することで、被加工物の平面または曲面上の任意の位置に前記回転対称の形状を多数加工することを特徴とするレンズアレイ形状の加工方法である。
工作機械が直動3軸を搭載していれば、回転対称の形状を平面に多数配列した形状を加工できる。さらに、工作機械が回転軸2軸搭載していれば、5軸加工により任意の自由曲面に回転対称の形状を多数配列した形状を加工できる。したがって、一般的な工作機械において、任意のレンズアレイ形状を高速・高精度に加工できる。
工具2には第1のバネ8の一端と第2のバネ10の一端が固定され、第1のバネ8の他端は回転テーブル12に固定され、第2のバネ10の他端は回転テーブル12に固定されている。そして、重り6が第1のバネ8に固定されている。
回転テーブル12を回転中心軸4周りに回転させると、図1(b)に示されるように、重り6に対して回転テーブル12の回転速度に応じた遠心力Fcが作用する。重り6は遠心力Fcにより第1のバネ8を縮め第2のバネ10を伸ばすので、重り6は回転中心軸4に垂直な外方向へ変位する。重り6の外方向変位によって、工具2は回転中心軸4から変位し、工具回転半径Rtで回転中心軸4の周りに回転する。
この実施形態では、工具2が回転テーブル12に対してある程度の剛性のある第1の梁14を介して取り付けられる。第1の梁14は、その軸を回転中心軸4と重なるように回転テーブル12にその一端が固定されている。第1の梁14の一端の回転テーブル12への固定方法は、例えば、溶接、あるいは、ボルト、あるいは、ねじ込みなどの方法がある。
図3に示される実施形態は、図2に示される重り付き梁を2つ用いる形態である。回転テーブル12を回転させたとき、回転バランスが崩れないようにするために、図3(a)に示されるように、回転テーブル12に、第1の重り6が固定された第1の梁14と第2の重り7が固定された第2の梁15とが回転中心軸4に対して対称な位置になるように取付ける。
また、この実施形態では回転テーブル12の回転中心軸4に2つの梁が設置されていないので、遠心力Fcで梁14,15が倒れる方向が決まっており、重り6,7は必ずしも必要としない。第1の重り6と第2の重り7に重量差や取り付け位置の差をつけ、第1の梁14に固定された工具2の重量を相殺するようにしてもよい。回転のアンバランスを完全になくすためには、回転中心軸に対して、2つの梁14,15の側で剛性、重量、および重心が厳密に等しくなるように調整する必要がある。
回転バランスを保つためには、2つの梁14,15と、それに連結された2つの重り6,7は、回転中心軸4に対して重心が対称であることが望ましい。また、重り6,7は、回転半径が大きい分、周速も大きくなるため、空気抵抗を受けやすい。そのため、重り6,7の形状は、空気抵抗を受けにくい形状が望ましい。
図4(b)では、回転テーブル12がある速度で高速回転している時の状態を示している。この実施形態では、腕16,17を用いることで、重り6,7を回転中心軸4からできるだけ離している。これによって、同じ回転速度、同じ重量の重りよりも、大きな遠心力Fcを得ることができる。
一般的な旋盤で、レンズ形状を加工する加工条件が理想であるとすると、旋盤の場合は中心付近を加工するときにも、一定の回転速度で加工する。この工具ホルダ20で、工具2側を回転させて加工する場合の加工条件を旋盤に近付けるためには、ある程度の回転速度を保って、工具回転半径Rtがゼロになる必要がる。
回転テーブル12を回転させると、第1の重り6,第2の重り7などに遠心力が作用し、工具の刃先位置が変位する。最大回転速度の時の刃先位置をT1とする。このとき、回転速度が変化する間の工具刃先の軌跡はT0とT1を結ぶ直線となる。
レンズ形状を加工する場合は、回転の中心軸方向が工具の切り込み方向となるので、この曲線は回転速度によって工具の切り込み量が変化することを意味している。したがって、後述する(図16参照)ように、精密な加工を行うためには、この切り込み量を考慮して補正する必要がある。
ワーク22に対する工具2の刃先の位置は、主軸30の回転速度とZ軸の位置で決まるので、主軸の回転速度とZ軸の位置を連続的に同時制御することで、レンズ形状などの任意の回転対象形状を切削加工する。切削工具としては、高精度に加工するためには、単結晶ダイヤモンド工具が望ましい。なお、切削工具の替わりに砥石を使用して研削加工することも原理的には可能である。しかし、小型の砥石しか取り付けることができないので、砥石の消耗が速いという問題がある。
CPU41はROM42に格納されたシステムプログラムを、バス48を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。
各軸の制御回路44はCPU41からの各軸の移動指令値と各軸のサーボモータ50にそれぞれ内蔵する位置・速度検出器からの位置、速度フィードバック信号を受けて、位置・速度のフィードバック制御を行い、各軸の指令をサーボアンプ45に出力する。サーボアンプ45はこの指令を受けて、工作機械の各軸(X軸,Y軸,Z軸)のそれぞれのサーボモータ50を駆動する。なお、図13(b)では、位置・速度のフィードバックについては省略している。なお、直動軸であるX軸,Y軸,Z軸に加えて、A軸,B軸を更に付加して5軸加工機として工作機械を構成してもよい。
また、スピンドル制御回路46はCPU41から主軸回転指令と、主軸30の回転速度を検出する図示しないポジションコーダからの速度フィードバックを受けて、速度のフィードバック制御を行い、スピンドルアンプ47にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ47は、スピンドル速度信号を受けてスピンドルモータ51を指令された回転速度で回転させる。
本発明の場合、ワーク22上の工具2の動きは、図27(b)に示す従来方法とほぼ同じになるが、この渦巻きの動きを主軸の回転速度だけで実現しており、工具の向きは原理的に加工方向を向くため、非常に簡便な方法であり、直動軸の高速駆動も全く必要がないという大きな利点がある。
図15に示されるように、半径2mm以下を加工する場合、0〜100rpm(T0〜回転中心)の回転速度領域R1と100〜140rpm(回転中心〜T2、T2はT0と同じ回転半径の刃先位置)の回転速度領域R2の2通り選択することが可能である。
また、加工条件の観点から、切削速度は工具回転半径Rt*回転速度であるので、回転速度を上げると工具回転半径Rtも増大する回転速度領域R2よりも、回転速度を上げると工具回転半径Rtが減少する回転速度領域R1の方が、半径の相違による切削速度の変化が少ない。したがって、T0〜回転中心の低い回転速度領域R1の方が、一定の加工条件で加工できることになる。
レンズ形状などは、一般的に断面の形状式が与えられて、ここから工具の座標を導き出して加工する。加工プログラムを作成する場合は、このプロットから近似式を算出し、元の形状式から導き出される工具の座標X(=工具回転半径Rt)を、回転速度Vに変換するとよい。
また、この加工方法は、主軸以外の軸を高速に駆動する必要がないので、前述の工具ホルダ20を主軸30に取り付けることができれば、一般的な工作機械をレンズアレイ形状の高速・高精度加工へ容易に対応させることができる。
本願発明の加工方法でレンズ形状を加工する場合、回転中心を通らない場合、工具回転半径Rtがゼロにならないので、レンズ形状の中央に削り残しができる。この問題は、一般的な旋盤を使用したレンズ形状の加工の際にも起き、正確に回転中心に工具刃先の位置を調整する作業が必要である点では、本願発明の加工方法も同じである。
一方、本願発明の工具ホルダ20を使用した加工では、図22に示されるように、工具2の向きが加工方向に必ず一致するため、工具2がどの位置(回転の位相)にあっても、逃げ面が当たることはない。この特徴を利用すると、削り残しを容易に除去することができる。
次に、削り残しを除去する工程が図23(b)になる。工具の回転中心軸とレンズ形状の中心の相対位置は、工作機械の軸(図19ではXY軸方向)を動かして変えることができる。したがって、工具回転半径Rtが最小になる主軸回転速度で、レンズ中央部で工具2を微小に揺動させると、図23(b)のように中央の削り残しを除去できる。図21に示したように、旋盤で同じことを行うと、必ず逃げ面で加工する瞬間があるので、加工面が荒れてしまい、このような加工はできない。
しかし、図20の曲面ワーク加工のように、工具姿勢を自由に変えられるのであれば、図23(c)に示されるように、工具姿勢をレンズ形状に沿わせて(曲面の法線方向が工具回転軸になる姿勢)動かせば、最終的に残る誤差を小さくできる。
図24で、なだらかな面を加工するときは、工具2の回転速度を大きくして、工具回転半径Rtを大きくして加工し、微小凹面を加工するときは、工具2の回転速度を小さくして、工具回転半径Rtを小さくして加工する。
2 工具
3 工具刃先
4 回転中心軸
5 回転中心
6 第1の重り
7 第2の重り
8 第1のバネ
10 第2のバネ
12 回転テーブル
14 14a,14b,15a,15b 第1の梁
15 第2の梁
16 第1の腕
17 第2の腕
18 取り付けボルト孔
19 バランス調整用のネジ穴
20 工具ホルダ
22 ワーク
24 治具
26 機械ベース
28 マウント
30 主軸
32 Z軸
40 数値制御装置
41 CPU
42 ROM
43 RAM
44 軸制御回路
45 サーボアンプ
46 スピンドル制御回路
47 スピンドルアンプ
48 バス
50 モータ
51 スピンドルモータ
Claims (8)
- 工具を固定し回転軸に取り付けられる工具ホルダにおいて、
前記工具ホルダは、前記工具の刃先を前記回転軸の回転中心軸の方向に向けて該工具を固定し、該回転軸の駆動により回転したときに生じる遠心力により、該工具ホルダの構造体が弾性変形し、該工具の刃先の該回転中心軸を中心とする回転半径をゼロから任意の径まで変化する構造を有し、
前記回転中心軸方向に工具ホルダを見た座標系において前記回転軸に取り付けられた前記工具ホルダに固定された前記工具の刃先を前記回転中心軸の方向に見たとき、該工具の刃先の位置が、該回転軸の静止時に前記回転中心軸から初期オフセットの分だけずれた第1の位置にあり、該回転軸の回転速度を最大にしたときに該工具の刃先は第2の位置にあり、該第1の位置と該第2の位置とを結んだ線分上に該回転中心軸が位置し、前記回転軸を静止状態から最大の回転速度に変化させたとき該工具の刃先の位置が該第1の位置から該回転中心軸を経由して該第2の位置に移動することを特徴とする工具ホルダ。 - 前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に同じ大きさだけ弾性変形する2つの梁を備え、該2つの梁に加わる遠心力を相殺し、前記工具ホルダの回転速度が変化しても回転のバランスを保つことを特徴とする請求項1に記載の工具ホルダ。
- 前記工具ホルダの2つの梁は、工具ホルダより回転半径の大きい位置にある2つの重りにそれぞれ連結され、回転時に重りに加わる遠心力により、前記工具ホルダの弾性変形を増大させることを特徴とする請求項2に記載の工具ホルダ。
- 前記工具ホルダの2つの梁は、一方の梁に工具を取り付けることができ、取り付けた工具の重量による変化分を含めて、工具ホルダ全体の回転バランスを調整するバランス重りを前記工具ホルダの構造体に付加できる構造であることを特徴とする請求項2または3のいずれか1つに記載の工具ホルダ。
- 前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に弾性変形する2つの梁を備え、それぞれの梁は平行バネの形状をし、梁が前記遠心力により弾性変形したときに、梁の端面の角度が回転の軸に対して一定に保たれることを特徴とする請求項2〜4に記載の工具ホルダ。
- 請求項1〜5に記載のいずれか1つの工具ホルダを主軸に搭載し、主軸の軸方向は重力方向に一致し、直動軸として少なくとも主軸の軸方向に移動可能な軸を備え、前記主軸の回転速度と前記直動軸の位置を制御することにより、任意の回転対称な形状を切削加工することを特徴とする工作機械。
- 請求項6に記載の工作機械において、前記主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位を予め計測しておき、加工する回転対称の形状について半径と高さの点群データまたは形状式において、半径を主軸の回転速度に変換し、高さを前記軸方向の変位で補正した前記直動軸の変位量に変換した上で、加工プログラムを作成することを特徴とした加工方法。
- 請求項7に記載の加工方法により、前記工作機械の直動軸または回転軸で前記工具ホルダの位置と姿勢を制御することで、被加工物の平面または曲面上の任意の位置に前記回転対称の形状を多数加工することを特徴とするレンズアレイ形状の加工方法。
Priority Applications (5)
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