JP5549010B2 - 加工装置、及び当該装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
<加工装置の概略構成>
図1は、本発明に係る加工装置としての三次元構造構成装置100の概略構成を示す斜視図である。三次元構造構成装置100は、観察ワーク用台座(試料支持部)11と、バイト(加工工具)22取り付け用のスピンドル(工具支持軸部)21と、観察ワーク(加工対象物)12の被加工面を観察する観察部31とを備える。
図2は、図1に示す三次元構造構成装置100に適用される、スピンドル21及び観察部31の主要な動作制御機構を示す概略ブロック図である。
以下、図3に示すフローチャートを用いて、三次元構造構成装置100における、バイトの位置補正動作を説明する。なお、バイトの位置補正は、例えば、バイト22を新しいものに交換する、又はバイト22を取付け直す場合に行われる。以下、バイト22を新しいものに交換する場合を例にとり説明する。
図3に示すように三次元構造構成装置100を使用する際には、ステップS1〜S3に示すように、スピンドル21のバイト用台座21aにバイト22を取り付ける。さらに、観察ワーク用台座11に観察ワーク12を取り付け、位置決めワーク用台座15にバイト高さ検出用ワーク14を取り付ける。なお、ステップS1〜S3を行う順序は、適宜入れ替えてもよい。
次いで、ステップS4に進み、主制御部82及びZ方向位置制御部81からの指令により、バイト22とバイト高さ検出用ワーク14とを対向した状態で近接させて、バイト22を用いたバイト高さ検出用ワーク14の切削加工を行う。切削加工に際しては、バイト22とバイト高さ検出用ワーク14とを所定のピッチでX方向に相対移動させて、バイト高さ検出用ワーク14表面の切削を行う。次いで、バイト高さ検出用ワーク14の表面切削が一巡すれば、Z方向における、バイト22とバイト高さ検出用ワーク14との距離を微細に近づけて、バイト高さ検出用ワーク14表面の切削を継続する。以降、バイト22とバイト高さ検出用ワーク14とをX方向に相対移動させた表面切削、及びZ方向に沿ったバイト送りを、必要な回数反復して行う。なお、切削加工中のバイト22のZ方向の位置(正確にはスピンドル21及び観察部31の位置)は、Z方向位置制御部81に入力され、記憶されている。
次いで、ステップS5に進む。バイト高さ検出用ワーク14の切削加工が終了すると、主制御部82からの指令により、観察部31(正確には対物レンズ33a)とバイト高さ検出用ワーク14の被加工面(被切削面)とが対向するように、観察部31及びスピンドル21をX方向に一体的に移動する。次いで、観察部31及びスピンドル21をZ方向に一体的に移動させながら、観察部31が、上記被加工面の撮像を連続的に行う。観察部31に内蔵されたCCDカメラ32の撮像データは、常時、主制御部82に入力され、当該撮像データが合焦状態で得られたものか否かが主制御部82で判定される。合焦した撮像データが得られると、観察部31及びスピンドル21のZ方向への移動を停止する。
次いで、ステップS6に進む。主制御部82は、ステップS4(切削加工)の終了時におけるスピンドル21及び観察部31のZ方向での位置情報と、ステップS5の終了時におけるスピンドル21及び観察部31のZ方向での位置情報との差分を算出し、算出結果を、スピンドル21及び観察部31のZ方向への移動量(距離A(1):距離情報)として記憶する。
次いで、ステップS7に進み、主制御部82及びZ方向位置制御部81からの指令により、バイト22と観察ワーク12とを対向した状態で近接させて、バイト22を用いた観察ワーク12の切削加工を行う。また、観察ワーク12の被加工面(被切削面)の観察、撮像、並びに三次元構造構成部73による観察ワーク12の三次元構造の再構成が行われる。
次いで、ステップS8に進み、画像判定・処理部72は、切削加工が正常に行われているか否かを観察部31(CCDカメラ32)が取得した撮像データから判定する。後述するように、バイト22の磨耗又は欠けが発生した場合には特有のパターンが撮像データ内に出現するため、バイト22の磨耗等を画像判定可能である。
次いで、ステップS9に進み、画像判定・処理部72が、バイト22の磨耗又は欠けが原因となり切削加工が正常に行われていないと判定した場合には、主制御部82に警告信号を送信してスピンドル21の動作(すなわち切削動作)を停止する。そして、切削動作停止時のバイト22のZ方向の位置(正確にはスピンドル21及び観察部31の位置)は、Z方向位置制御部81に入力され、記憶される。
次いで、ステップS10に進み、スピンドル21のバイト用台座21aから磨耗等が生じたバイト22を取り外し、新品のバイト22に交換する。
次いで、ステップS11及びステップS12に進む。ステップS11は、上記ステップS4と同様に行うことができる。ステップS12は、上記ステップS5と同様に行うことができる。
次いで、ステップS13に進む。主制御部82は、ステップS5の合焦時におけるスピンドル21及び観察部31のZ方向での位置情報と、ステップS12の終了時におけるスピンドル21及び観察部31のZ方向での位置情報とが異なるか否かを判定する。これら位置情報が同じ場合(図3中でNO)には、交換後のバイト22がバイト高さ検出用ワーク14に到達しておらず、切削が行われていないため、ステップS11に戻り切削動作を継続する。一方、これら位置情報が異なる場合(図中でYES)は、バイト高さ検出用ワーク14が切削されているため、ステップS14に進む。
次いで、ステップS14に進む。主制御部82は、ステップS11(切削加工)の終了時におけるスピンドル21及び観察部31のZ方向での位置情報と、ステップS12の終了時におけるスピンドル21及び観察部31のZ方向での位置情報との差分を算出し、算出結果を、スピンドル21及び観察部31のZ方向への移動量(距離A(2):距離情報)として記憶する。
次いで、ステップS15に進み、主制御部82は、ステップS6で得た距離A(1)と、ステップS14で得た距離A(2)との差分を算出する。ステップS5及びステップS12で、観察部31が合焦する位置(すなわちZ方向における観察部31と、バイト高さ検出用ワーク14との距離:対物レンズ33bの作動距離)は等しいので、距離A(1)と距離A(2)との差分は、交換前後のバイト先端の位置ずれ量(バイトサイズの相違、及び/又は取付け誤差)を表す。この点は、後に図8を用いて詳述する。
次いで、ステップS16に進み、Z方向位置制御部81及び主制御部82は、ステップS9における切削動作停止時のバイト22(交換前のバイト)の位置を基準として、交換後のバイト22のZ方向への位置補正を行う。より具体的には、ステップS15で得た距離A(1)と距離A(2)との差分の絶対値を補正量とし、ステップS9におけるバイト22(交換前のバイト)の高さを補正して、切削再開時のバイト22(交換後のバイト)の高さを決定する。例えば、距離A(1)と距離A(2)との差分が負の値である場合は、バイト22の位置をZ方向に沿って補正量分上昇させる。距離A(1)と距離A(2)との差分が正の値である場合は、バイト22の位置をZ方向に沿って補正量分下降させる。
次いで、ステップS17に進み、ステップS7と同様にして、観察ワーク12の切削、及び被加工面の観察・撮像を再開する。そして、以降、バイト22の交換が生じる度に、ステップS4からステップS17の工程を繰り返し、バイト22の高さ方向の位置補正を行いながら観察ワーク12の切削等を行う。
なお、上記のステップS15における上記補正量は、距離A(1)と距離A(2)との差分の絶対値に対してマージンを持たせて設定してもよい。当該マージンは、例えば、5ミクロン以下とし、当該マージンの分だけさらにバイト22と観察ワーク12とが離間するように、バイト22の位置補正を行う。これにより、観察ワーク12の切削再開後に、バイト22が観察ワーク12に深く切り込んで破損する等の虞をより確実に防止することが可能となる。また、マージンを上記の範囲内とすれば、観察ワーク12とバイト22とが接触するまでのバイト22の無駄な切削動作を最小限に抑えることが可能となる。
以下、図3中のステップS15において算出される差分(補正量:距離情報)を決定する方法について、図8を用いてより詳細に説明する。
本発明の特徴点の一つは、バイト高さ検出用ワーク14を用いて、観察ワーク12とバイト22との距離を調整する点にある。この構成による利点の一つは、観察ワーク12に対するバイト22の接触を行わずして、両者の正確な位置決めができるため、観察ワーク12の表面が損傷することがない点にある。
図3に示すステップS8において、画像判定・処理部72が行う判定の一例を以下に説明する。この判定は、バイト22の磨耗又は欠けが発生した場合には特有のパターンが撮像データ内に出現することを利用して行う。
図5は、バイトとして平バイト(先端刃物形状が平らなバイト)を用いてプレーナ加工を行った場合に得られる、被加工面の撮像データである。平バイトを用いる場合には、必然的に加工段差(いわゆる鼻落ち)が生じるため、この加工段差と、平バイトの磨耗又は欠けによる傷とを識別する必要がある。
図6は、バイト22としてRバイト(先端刃物形状に所定のRを設けたバイト)を用いて回転切削加工を行った場合に得られる、被加工面の撮像データである。
三次元構造構成装置100は、バイト22の磨耗又は欠けが発生した後の撮像データを用いて、切削加工対象物(観察ワーク12等)の三次元構造を再構成することも可能に構成されている。
以上の説明では、加工工具としてバイトを用いるものを例示したが、加工工具は、砥石、又はナイフであってもよい。
12 観察ワーク(加工対象物)
14 バイト高さ検出用ワーク(位置決め試料)
15 位置決めワーク用台座(位置決め試料支持部)
16 ベースプレート
17 基台
21 スピンドル(工具支持軸部)
21a バイト用台座
22 バイト(加工工具)
31 観察部(位置補正部の一構成を兼ねる)
32 CCDカメラ(観察部の一構成:撮像ユニット)
33 顕微鏡部(観察部の一構成)
33a 鏡筒(観察部の一構成)
33b 対物レンズ(観察部の一構成)
41 Zステージ
42 観察部用手動ステージ
51 Xステージ
61 エアブローノズル
71 画像記憶部
72 画像判定・処理部(判定部)
73 三次元構造構成部
81 Z方向位置制御部(位置補正部の一構成)
82 主制御部(位置補正部の一構成)
100 三次元構造構成装置(加工装置)
A(1) 距離(距離情報)
A(2) 距離(距離情報)
Claims (12)
- 加工対象物を取付け可能に構成された試料支持部と、
上記加工対象物を接触加工する加工工具を取付け可能に構成された工具支持軸部と、
上記加工対象物の被加工面を観察する観察部と、を備えた加工装置において、
上記加工工具により接触加工されかつ上記加工対象物とは異なる位置決め試料を取付け可能に構成された位置決め試料支持部と、
上記位置決め試料の被加工面と上記加工工具との距離情報を取得し、当該距離情報に基づき上記加工対象物の被加工面と上記加工工具との距離を補正する位置補正部と、を備え、
上記位置補正部は、上記加工工具の交換において加工対象物の被加工面と加工工具との上記距離を補正するものであり、
上記加工工具の交換前に取得した上記距離情報と、上記加工工具の交換後に取得した上記距離情報との差分を、上記距離に対する補正量とすることを特徴とする加工装置。 - 加工対象物を取付け可能に構成された試料支持部と、
上記加工対象物を接触加工する加工工具を取付け可能に構成された工具支持軸部と、
上記加工対象物の被加工面を観察する観察部と、を備えた加工装置において、
上記加工工具により接触加工されかつ上記加工対象物とは異なる位置決め試料を取付け可能に構成された位置決め試料支持部と、
上記位置決め試料の被加工面と上記加工工具との距離情報を取得し、当該距離情報に基づき上記加工対象物の被加工面と上記加工工具との距離を補正する位置補正部と、を備え、
上記位置補正部は、上記加工工具の取付け直しにおいて加工対象物の被加工面と加工工具との上記距離を補正するものであり、
上記加工工具の取付け直し前に取得した上記距離情報と、上記加工工具の取付け直し後に取得した上記距離情報との差分を、上記距離に対する補正量とすることを特徴とする加工装置。 - 上記観察部は、上記加工対象物及び上記位置決め試料に対して、上記工具支持軸部の軸方向に沿った相対移動が可能に構成され、
上記位置補正部は上記観察部を含んで構成され、
上記位置決め試料を上記加工工具により接触加工した後に、上記位置補正部は、上記位置決め試料の被加工面と上記観察部との間隔を変更しながら、当該観察部により当該被加工面を観察し、合焦するまでの当該観察部の相対的な移動量を、上記距離情報とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の加工装置。 - 上記観察部と上記工具支持軸部とは、当該工具支持軸部の軸方向に沿った一体的な移動が可能に構成され、
上記位置補正部は上記観察部を含んで構成され、
上記位置決め試料を上記加工工具により接触加工した後に、上記位置補正部は、上記位置決め試料の被加工面と上記観察部との間隔を変更しながら、当該観察部により当該被加工面を観察し、合焦するまでの当該観察部の移動量を、上記距離情報とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の加工装置。 - 上記位置補正部は、得られた上記距離情報に基づき、上記工具支持軸部をその軸方向に沿って移動することで、加工対象物の被加工面と加工工具との上記距離を補正することを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の加工装置。
- 上記観察部は撮像ユニットを備え、
上記撮像ユニットが撮像した上記加工対象物の被加工面の連続画像から、当該加工対象物の三次元構造を構成する三次元構造構成部を備えることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の加工装置。 - 上記観察部は撮像ユニットを備え、
上記撮像ユニットが撮像した上記加工対象物の被加工面の画像から、上記加工工具の交換又は取付け直しの要否を判定する判定部を備えることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の加工装置。 - 上記加工工具は、バイト、砥石、又はナイフであることを特徴とする請求項1から7の何れか一項に記載の加工装置。
- 上記位置決め試料は、上記加工対象物より硬度の低い材料であることを特徴とする請求項1から8の何れか一項に記載の加工装置。
- 上記位置決め試料は樹脂製又は粘土製であり、上記加工対象物は金属製であることを特徴とする請求項9に記載の加工装置。
- 上記位置決め試料は、二種以上の色で着色された上記被加工面を有する、又は焦点合わせのための所定のパターンが形成された上記被加工面を有することを特徴とする請求項1から10の何れか一項に記載の加工装置。
- 工具支持軸部に加工工具を、位置決め試料支持部に位置決め試料を、試料支持部に加工対象物を取付けた状態で、請求項1〜11の何れか一項に記載の加工装置を駆動する方法であって、
上記位置決め試料を上記加工工具で接触加工した後に、上記位置決め試料の被加工面と上記加工工具との距離情報を、上記観察部を用いて取得する工程(1)と、上記加工対象物を上記加工工具で接触加工する工程(2)とを行い、次いで、
上記加工工具を交換又は取付け直し後に、上記位置決め試料を上記加工工具で接触加工して、当該位置決め試料の被加工面と加工工具との距離情報を、上記観察部を用いて取得する工程(3)を行い、次いで、
上記位置補正部により、上記工程(1)で取得した上記距離情報と上記工程(3)で取得した上記距離情報との差分に基づき、上記加工対象物の被加工面と上記加工工具との距離を補正する工程(4)を行うことを特徴とする方法。
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