CN101190496A

CN101190496A - 机加工设备

Info

Publication number: CN101190496A
Application number: CNA2007101946152A
Authority: CN
Inventors: 河合知彦; 蛯原建三; 小田隆之
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2008-06-04
Also published as: JP2008132548A; US20080125015A1; EP1925384A1

Abstract

一种能够弱化周期性机加工不规则性的机加工设备。工件W安装在工件台的工件安装表面上，并且刀具T由连接到可移动单元上的弹性元件(板簧)支撑。压电元件设置在板簧的后部，并且，在机加工期间，通过白噪声发生器将具有不规则频率和振幅的驱动电压施加给压电元件。因此，在刀具T和工件W之间产生切削深度方向(垂直方向)上的相对振动位移。在车床设备例子中，在工件固定装置的旋转轴的方向(水平方向)施加相对振动位移。

Description

机加工设备

技术领域

本发明涉及一种使用刀具机加工工件表面的机加工设备，更具体涉及一种用于改进能够相对于工件相对地三维地移动刀具的机加工设备的技术，从而使得在机加工表面上的机加工表面精度的周期性改变(如果有)变得不明显。

背景技术

众所周知，通过使用能够相对于工件相对地三维地移动刀具的机加工设备可以进行精加工。作为一种该精加工的典型实施例，存在一种用于精密光学部件的模具的机加工，例如用在液晶显示器中的光导向板、DVD读取透镜(pickuplens)等。这种机加工要求表面精度均匀和纳米级的极高的表面精度。例如，在用于制造光导向板的模具(模型零件)的机加工中，机加工表面所需的机加工精度通常在约1至40nm内变动，如图1如示。然而，不需要机加工精度根据机加工表面的位置而变化。

但是，在实际的机加工中，常常表面精度的不可忽视的改变随着显示定位的周期而发展。例如，如果在图1所示的模型零件的机加工中的表面精度的目标是小于10nm，则可能周期性地产生表面精度降低到10nm至20nm的条型区域，如图2所示。具有降低了表面精度的条型区域的形状根据机加工的类型、形状等发生改变。在例如后面提到的车床加工的情况下，仅仅可以获得同心和径向的形状，并且他们通常共有“显示定位的周期”。

应当理解，由显示定位的周期造成的机加工精度的降低是不需要的。特别地，如果待加工的工件为光学部件或用于制造光学部件的模具(或模型零件)，那么常常光学性能中的局部不匀性肉眼能够识别。即使局部不匀性肉眼不能识别，此外，这种不匀性在很多情况下也可以通过显微镜清楚地观察。总之，降低了使用这种光学部件的设备性能。

根据前述例子(图2)，表面精度本身的减少仅仅超过10nm。然而，由于规则的展开，所以在许多情况下不可能实现光导向板所需要的光学性能。图1示出用模型零件制造的光导向板，其整个机加工表面的表面精度在10nm至20nm的范围内。图2示出用模型零件制造的光导向板，该光导向板包括小于10nm的表面精度和10nm至20nm的表面精度的交替展开区域。这些光导向板之间的不同表明后者比前者更可能在光学性能上产生问题。

在许多情况下，前面提到的周期性加工的不规则性可能认为是由用于安装机加工主轴或机加工设备的阻尼器或类似物的细微振动造成的。尽管通过用振动为纳米级的高性能主轴和阻尼器能够解决这些问题，然而这些元件非常昂贵。而且，在有些情况下，周期性振动的原因无法定位并且不容易复制。

因此，需要一种解决问题的技术，该技术无需昂贵的主轴或阻尼器，并且也适用于周期性振动的原因无法定位的情况。根据本发明的一个实施方式，如下文所述，通过压电元件装置在工件和刀具之间人工地产生精细不规则位移。另一方面，在JP2005-7519A中公开了一种技术，该技术通过使用压电元件切削工件。因此，这种已公开的技术通常与本发明的“利用压电元件在工件和刀具之间产生精细位移”相同。

然而，在JP2005-7519A中公开的技术目的不是解决前述周期性加工不规则性的问题。此外，该申请文件不包括将具有不规则频率和振幅的电压应用到压电元件上的说明，其中将说明与本发明的实施方式有关的压电元件。

发明内容

本发明提供一种技术，该技术解决了由周期性加工不规则性造成的问题，而不用准备任何昂贵的高性能主轴或阻尼器，并且适合于周期性振动原因不确定的情况。

本发明的机加工设备包括：刀具，用于在工件表面上进行机加工；相对运动施加机构，相对于工件在包含机加工深度方向的三维方向中对刀具施加相对运动，刀具在该机加工深度方向上移近以及远离工件表面；和振动位移施加机构，在刀具机加工工件的过程中，在机加工深度方向上对刀具和工件之一施加频率和振幅不规则变化的振动位移。

振动位移施加机构包括压电元件，该压电元件形成与具有不规则频率和振幅的脉动电压成比例的振动位移。该脉动电压可通过使用白噪声发生器而产生。

根据本发明，如果在机加工期间因扰动而产生的规则振动存在于刀具和工件之间，以产生反映振动的周期性机加工不规则性，则刀具在切削方向上的相对位移被施加作为在刀具和工件之间具有不规则可变频率和振幅的振动位移。因此，周期性机加工不规则性通过与振动位移相应的切削而弱化，从而使得机加工精度的不均匀得到改善。

特别地，如果待加工工件为光学部件或用于制造光学部件的模具(或模具零件)，其光学性能的不良影响能够得到抑制和弱化。又，本发明具有经济上的优势，因为它不需要准备任何昂贵的、高性能的主轴或阻尼器。本发明还有可应用到即使使用昂贵、高性能的主轴或阻尼器仍无法定位并去除周期性振动的原因的情况的优势。

附图说明

图1示出了机加工表面的机加工精度基本均匀的情况的视图；

图2示出了周期性产生的条形区域从而使得机加工表面的机加工精度降低的视图；

图3a和3b示出了根据本发明一个实施方式的机加工设备，其中图3a为示出了机加工设备的轮廓的截面图，并且图3b为示出了白噪声发生器用于向机加工设备中的压电元件施加振动电压的路线的视图；

图4为示出了施加到压电元件上的振动电压的波形的例子的图表；

图5示出了应用了本发明的车床设备的外视图；

图6a和6b示出了未将本发明应用于图5所示的车床设备而通过机加工获得的机加工表面的一个实施例，其中图6a为正视图，图6b为沿图6a的A-A线的截面图；

图7a和7b示出了未将本发明应用于图5所示的车床设备而通过机加工获得的机加工表面的另一个实施例，其中图7a为正视图，图7b为沿图7a的B-B线的截面图；

图8a和8b示出了将本明应用于图5所示的车床设备而通过机加工获得的机加工表面的又一个实施例，其中图8a为正视图，图8b为沿图8a的C-C线的截面图；和

图9为示出了用于将振动位移施加于工件上的一个例子的结构的视图。

具体实施方式

图3a和3b为示出了根据本发明一个实施方式的机加工设备的视图。首先参考图3a，其示出了其上安装有工件的机加工设备的轮廓，数字10表示工件台。工件W安装在工件安装表面11上。用于机加工工件W的刀具T通过连接到可移动单元21上的弹性构件22支撑在可移动单元21上，并且能够相对于工件W以三维自由度移动。

在本实施方式中，沿刀具T的切削深度方向的相对运动通过由提升机构(未示出)驱使工作台10的上升/下降运动而实现。在图3a中，上升/下降运动的方向(即，刀具T切削深度的方向)描述为“第一方向”。第一方向也可参考称作“刀具T移近/远离工件W的方向”。

赋予可移动单元21剩余的二个运动自由度给予。具体地，通过设置在固定单元20上的二维驱动机构(未示出)，可移动单元21构成为在与第一方向垂直(或在某些情况中倾斜一预定角度)的第二方向以及与相当于穿过图3a的绘图平面的方向(典型地，垂直于第一方向和第二方向)的第三方向(未示出)上移动。

如通常已知的，由刀具T机加工的工件W形成的形状通常由机加工程序确定，并且机加工在三个方向(第一至第三方向)的必要运动通过操作覆盖在各方向上运动的伺服轴而实现。

作为实施例，这里所述的机加工设备用于机加工，从而使得穿过图1水平方向(与第二方向相应)的大量精细凹槽在图1所示的模型零件的上表面上以精细间隙(与第三方向上的重复运动间距相应)被切削。图2示出了在机加工期间沿图2的水平方向(与第二方向相应)周期性产生的类似条的低精度区域的现象。

根据本发明，为了弱化该现象，压电元件30以图3a所示的方式设置。如图3b所示，压电元件30连接至控制器(CNC)40中的白噪声发生器41，从而其能够由具有由发生器41产生的不规则频率和振幅的驱动电压所驱动。用于白噪声发生器41、最大振幅等的输出的ON/OFF操作可以由来自CNC40中的CPU(未示出)的命令控制。

在本实施方式中，如图3a所示，U形剖面的板簧用作弹性构件22，并且在图示状态下被固定至可移动单元21。在可移动单元和板簧22的后表面(与其上安装刀具T的表面相对的表面)之间形成有间隙，并且压电元件30被定位以填充该间隙。压电元件30安装在可移动单元21上，而其操作表面(随施加的电压而在第一方向变形)通过例如胶接而机械连接到板簧22的后表面。

因此，如果在机加工开始时具有不规则频率和振幅的驱动电压从CNC40中的白噪声发生器41中输出，则压电元件30被致动以实现机加工，从而工件W的机加工表面的切削深度的变化取决于刀具T的振动，从而增加了精细高度(深度)的刻痕。这些刻痕的增加用于使机加工精度的周期性降低(不均匀)弱化。

如通常已知的，压电元件30是一种根据压电作用产生与所施加的驱动电压(施加的压电电压)基本成比例的变形的元件。如果由此产生的施加电压和变形(位移)分别为V(t)和d(t)，则d(t)为

d(t)＝k·V(t) ...(1)

此处t为时间。

在上面的方程式(1)中，k为比例常数，在各种其它可变值中其可由例如k＝10nm/volt[0volt＝V(t)＝10volts]给出。

从上面的比例关系可以看到，为了实现“在刀具T和工件W之间的第一方向上的相对位移是具有不规则可变频率和振幅的振动位移”，“具有不规则可变频率和振幅的振动波形”应当仅仅被用作施加电压V(t)。已知，白噪声发生器可被用作这种振动波形源，并且该发生器被用在本发明实施方式中(见图3b)。

图4示出了“具有不规则可变频率和振幅的振动波形”的实施例。如果具有图4所示的振动波形的驱动电压被施加至压电元件上，则可以获得具有相似波形的振动位移。该振动位移的振幅可以根据前述方程式(1)确定。如果压电元件30具有上述K值，并且如果需要具有约20nm最大振幅的不规则位移，则施加电压V(t)应当仅仅被选择具有图4所示的波形和大约2volt的最大振幅。

通常，将施加在刀具和工作之间的振动位移的振幅取决于不施加振动时产生的精度中的不均匀性的等级。如果施加的不施加振动时产生的精度中的不均匀性大，则振动位移的振幅也应该大。如果施加的不施加振动时产生的精度中的不均匀性小，则振动位移的振幅也应该小。应当理解到，根据本明的原理，通过使它们消失在通过振动位移获得的机加工表面中的精细刻痕中来防止机加工不规则性的发展。

基于同样原理，施加电压V(t)的频率优选应当充分高于(但周期较短)扰动的频率。扰动的主要原因包括机器和机器定位的振动、刀具振动等。对于施加电压V(t)的频率的“不规则性”的定量而言，这种频率优选应当在扰动频率的约2至100倍范围内变化。

仅仅作为例子，在图3a和3b所示的机加工设备的例子中，“刀具和工件之间的相对振动位移”所施加的方向(即切削深度方向的第一方向)为垂直方向(重力方向)。例如，在有些情况中，“刀具和工件之间的相对振动位移”所施加的方向可以是水平方向(垂直于重力方向)。用图5所示的车床进行机加工是一个这样的典型例子。图5示出了车床设备的外视图，其中工件W以传统方式安装在工件固定装置上，并且当由刀具T装置机加工时旋转工件W。

在这种类型的车床设备中，刀具T移近/远离工件W的切削深度方向为工件固定装置的旋转轴的方向。在切削深度方向上的运动通过工件固定装置相对于支撑刀具T的机加工头沿工件固定装置的旋转轴方向的相对运动而实现。机加工头将刀具T支撑在其上侧表面并且被安装在与工件固定装置的旋转轴方向垂直的水平方向上用于运动的轴上，从而刀具T和工件固定装置的旋转轴之间的距离通过运动而变化。调节螺钉#1和#2用于调整刀具T的姿势。在机加工操作期间，螺钉被拧紧以保持刀具T的安装姿势。

根据本发明，沿工件固定装置的旋转轴方向的相对振动位移被施加于刀具T和工件W之间。为获得此目的，仅需要将刀具T安装在以图3a所示的方式连接到压电元件上的弹性元件上(板簧，未示出)，并且设置在机加工头的上侧表面上的刀具支撑部分上。然而，在本发明用于图5所示的车床设备的情况中，水平方向(工件固定装置的旋转轴方向)与图3a所示的“第一方向”(刀具T的切削方向)相应，从而压电元件与设置在适当位置的弹性元件的各自的姿势与图3a情况相比差90度。

压电元件30的特性、驱动模式等之前已经描述了。参考图3b所述，压电元件连接到机加工设备(本例子中的车床设备)的控制器(CNC)中的白噪声发生器，从而压电元件由具有由白噪声发生器产生的不规则频率和振幅的驱动电压所驱动。用于白噪声发生器的输出、最大振幅等的ON/OFF操作可以由来自CNC中的CPU(未示出)的命令控制。

如果在机加工开始时施加具有不规则频率和振幅的振动波形的电压，则产生“在刀具T和工件W之间的第一方向(本例子中水平方向)上的相对振动位移”。根据上述施加电压V(t)和位移d(t)之间的比例关系，相对振动位移的频率基本等于包括其转换的施加电压波形的频率。又，压电元件在操作表面上沿第一方向的振动位移(通过由上述方程式(1)给出的关系而产生)被传送至弹性元件(板簧)，因此连接到该弹性元件上的刀具T振动。

如前所述，实现机加工，从而工件W的机加工表面上的切削深度根据刀具T的振动而精细地变换，由此增加了精细高度(深度)的刻痕。这些刻痕的增加用于弱化机加工精度的周期性减少(不均匀)。由于压电元件在操作表面上的振动位移的振幅通常根据弹性元件(板簧)的弹性、刀具T的质量等而降低，因此施加电压的振幅仅仅考虑该因素而被确定。

图6a和6b以及图7a和7b示出了在下列情况的机加工表面的例子，其中机加工由固定于机加工头的刀具T进行(或者没有将上述不规则振动施加于支撑结构)，而未将本明应用于图5所示车床设备。图6b为沿图6a的A-A线的截面图，以及图7b为沿图7a的B-B线的截面图。

在图6a和6b以及图7a和7b所示的例子中，机加工不规则部分a1至a3以及b1至b3形成为切削深度约有Ha或Hb的欠缺的凸起。Ha或Hb也可以称为凸起的高度。如上所述，在机加工表面的正面方向看去，机加工不规则部分a1至a3以及b1至b3的分配模式有周期性。在图6a和6b所示的例子中，该模式形成类似同心圆形状(基于沿径向的重复具有周期性)。在图7a和7b所示的例子中，该模式为放射状(基于沿圆周方向的重复具有周期性)。

与上述例子相比，机加工不规则性可能产生过切削部分。然而，机加工不规则性(在切削深度上的不足或过量)不管怎样都是缺陷并且在许多情况中为大约几纳米。如果将本发明应用于图5所示的车床设备中，从而如前所述将沿工件固定装置的旋转轴方向的相对振动位移提供给刀具T，因此，例如，如在图6a和6b以及图7a和7b所示的这些机加工不规则性可被弱化，以获得图8a和8b所示的机加工表面。

具体地，在机加工操作期间，刀具T的切削深度通过与压电元件的振动相应的界限(margin)被增加或降低，并且形成无数如图8b所示的精细刻痕。这些刻痕能够弱化周期性机加工不规则性。优选地，应当设置施加于压电元件的振动电压的振幅以便获得确保实现这种弱化效果的振动位移。

优选地，通常所获得的位移的最大振幅的范围应当在机加工不规则性的尺寸(如Ha或Hb)的2至10倍范围内。在给出具有前述特性的压电元件的Ha或Hb＝约10nm的情况下，如果V(t)的振幅设置为例如约2至5volt，那么具有Ha或Hb＝约10nm的机加工不规则性能够通过具有图8b所示的Hc(最大刻痕高度)＝约20到60nm的不规则刻痕而弱化。

尽管为了沿根据上述描述的刀具和工件之间的切削深度方向上施加相对振动位移而使刀具振动，但是工件也可以被振动。例如，如图9所示工作台52可以设置在具有如前述板簧22相同形状并连接到压电元件30以用于振动的板簧51上。如果这样，与前述相同的振动能够以相同的效果施加于工作W上(机加工不规则性弱化效果)。

Claims

1.一种机加工设备，包括：

刀具，在工件表面上进行机加工；

相对运动施加机构，相对于所述工件在三维方向上对所述刀具施加相对运动，该三维方向包含机加工深度方向，所述刀具在该机加工深度方向上靠近以及远离所述工件的所述表面；和

振动位移施加机构，在所述刀具机加工所述工件的过程中，在机加工深度方向上对所述刀具和所述工件之一施加频率和振幅不规则变化的振动位移。

2.根据权利要求1所述的机加工设备，其中所述振动位移施加机构包括压电元件，该压电元件形成与具有不规则频率和振幅的脉动电压成比例的振动位移。

3.根据权利要求2所述的机加工设备，其中所述脉动电压通过使用白噪声发生器而产生。