DE602005004493T2 - Präzisionsbearbeitungsapparat und Verfahren zur Präzisionsbearbeitung - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren, die zum Bearbeiten eines Objekts angewendet werden, das bearbeitet werden muss, so dass eine hohe Form-/Abmessungsgenauigkeit und Ebenheit einer endbearbeiteten Oberfläche vorliegt, z. B. Siliziumwafer oder ein Magnetplattensubstrat. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Präzisionsbearbeitungsmaschine und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren, die in der Lage sind, einen Schleifvorgang mit Genauigkeit auszuführen, indem eine Schaltsteuerung an einer Vorrichtung zum Drehen einer Schleifscheibe gemäß Schleifstufen durch den Betrag aus Bewegung und einem schrittweise geänderten konstanten Druck durchgeführt wird.
  • Technischer Hintergrund
  • Die Forderung, Energieverluste bei der nächsten Generation von Leistungsgeräten bei gleichzeitiger Reduktion der Abmessungen der Vorrichtungen zu verringern, ist in letzter Zeit immer deutlicher geworden. Ein Beispiel für eine solche Forderung beinhaltet die Forderung, die Anzahl von Lagen in einer Halbleiter-Mehrlagenstruktur für Elektronikzwecke zu erhöhen und die Packungsdichte von Halbleitervorrichtungen zu vergrößern. Beispiele für Verfahren, die als Maßnahmen geeignet sein könnten, eine solche Forderung zu erfüllen, beinhalten ein Verfahren zum Reduzieren der Dicke von durch einen Si-Wafer verkörperten Halbleiter-Wafern auf einen extrem geringen Wert, ein Bearbeitungsverfahren, das eine Verschiebung und Belastung des Kristallgitters in einer bearbeiteten Oberfläche und in einem unter einer bearbeiteten Oberfläche liegenden Bereich verhindert, und ein Bearbeitungsverfahren, das die Oberflächenrauheit (Ra) auf einen Wert in einem Bereich von der Subnanometer-(nm)-Ebene zur Nanometer-(nm)-Ebene reduziert und die Ebenheit einer bearbeiteten Oberfläche auf einen Wert in einem Bereich von der Submikrometer-(μm)-Ebene zur Mikrometer-(μm)-Ebene oder einem niedrigeren Bereich reduziert.
  • In der Kraftfahrzeugindustrie stellt ein Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT), bei dem es sich um ein in Kraftfahrzeugen eingesetztes Leistungsgerät handelt, ein wesentliches System in Invertersystemen dar. Mit weiteren Verbesserungen bezüglich der Absatzfähigkeit von Hybridfahrzeugen, die durch Verbessern des Leistungsverhaltens eines Inverters unter Verwendung des IGBT und durch Reduzieren der Abmessungen des Inverters erreicht werden, ist zu rechnen. Verbessert wird der Inverter durch eine Reduktion der Dicke des Si-Wafers, durch den der IGBT ausgebildet wird (z. B. auf 50 bis zu einem extrem geringen Wert von etwa 150 μm, vorzugsweise 80 bis 140 μm, wobei ein Wert von 90 bis 120 μm noch mehr zu bevorzugen ist), um einen Schaltverlust, stationären Verlust und Wärmeverlust zu reduzieren. Auch kann eine Verbesserung des Ertrags in einem Verfahrensschritt zum Ausbilden von Elektroden auf dem Halbleiter und eine Erhöhung der Anzahl der Lagen in der Halbleitermehrlagenstruktur durch Ausbilden einer vollkommenen Oberfläche ohne Verschiebung und Belastung des Kristallgitters in einer bearbeiteten Oberfläche eines kreisförmigen Si-Wafers mit einem Durchmesser von 200 bis 400 mm oder in einem internen Bereich in der Nähe der bearbeiteten Oberfläche und durch Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit (Ra) auf eine Wert in einem Bereich von der Subnanometerebene zur Nanometerebene und der Ebenheit auf einen Wert in einem Wert von der Submikrometerebene zur Mikrometerebene erreicht werden.
  • Die Druckschrift US-A-3748789 offenbart eine Schleifmaschine, bei der ein Werkstück auf einem ersten Schlitten zur Bewegung in Richtung einer Schleifscheibe gelagert wird, die auf einem zweiten Schlitten gelagert ist, der parallel zu der zu schleifenden Oberfläche beweglich ist. Eine Vorschubspindel bewegt die Schleifscheibe über die zu schleifende Oberfläche bei einer Zustellgeschwindigkeit. Die Zustellgeschwindigkeit wird durch ein Steuerungssystem so gesteuert, dass sie bei einer Geschwindigkeit liegt, „die für den momentanen Schleifwiderstand auf der Schleifscheibe am geeignetsten ist". Durch einen Kolben wird die Schleifscheibe an ihrer Zustellposition rasch über der Oberfläche des Werkstücks hin- und herbewegt.
  • Im Normalfall ist unter den gegebenen Umständen ein aus mehreren Schritten bestehendes Verfahren, das einen Vorschleifvorgang unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe, einen Lapp-, Ätz- und einen chemomechanischen Nasspoliervorgang (Nass-CMP) unter Verwendung einer lose handhabbaren Schleifmittels beinhaltet, für das vorstehend beschriebene Halbleiterbearbeitungsverfahren erforderlich. Es gestaltet sich äußerst schwierig, mit Hilfe des herkömmlichen Bearbeitungsverfahren und unter Verwendung derartiger Verfahrensschritte eine Oberfläche vollkommener Qualität zu erhalten, da es dabei zu einer Oxidschicht, einer Verschiebung und Belastung des Kristallgitters in der bearbeiteten Oberfläche kommt. Außerdem ist die Ebenheit eines Wafers, der durch das herkömmliche Verfahren bearbeitet wird, gering und es kann während der Bearbeitung oder nach Bildung der Elektrode es zu einem Bruch im Wafer kommen, was eine verringerte Produktionsausbeute zur Folge hat. Ferner nimmt bei dem herkömmlichen Bearbeitungsverfahren der Schwierigkeitsgrad in Bezug auf das Reduzieren der Waferdicke auf einen extrem geringen Wert bei einem sich auf 200 mm, 300 mm und 400 mm vergrößernden Waferdurchmesser zu. Es werden derzeit Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel, die Dicke eines Wafers mit einem Durchmesser von 200 mm auf die 100 μm-Ebene zu reduzieren.
  • Angesichts des vorstehend beschriebenen Problems des herkömmlichen Stands der Technik, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Erfindung offenbart, die sich auf eine Präzisionsoberflächen-Bearbeitungsmaschine bezieht, die in der Lage ist, ein Verfahren, das von einer Vorbearbeitung zur einer Superpräzisionsoberflächenbearbeitung einschließlich einer hochwirksamen abschließenden Duktilitätsmodusbearbeitung unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe reicht, in konsistenter Weise auszuführen ( japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 2000-141207 A ).
  • Bei diesem Schleifvorgang unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe sind drei wesentliche Vorgänge von Bedeutung: Drehen der Schleifscheibe, Zustellung durch eine Hauptspindel, die die Schleifscheibe lagert, und Positionieren eines Objekts, das bearbeitet werden soll. Diese Vorgänge werden mit Genauigkeit gesteuert, um eine Präzisionsbearbeitung zu ermöglichen. Ein Verfahren von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsbearbeitung, das durch Verwendung einer Vorrichtung durch den gesamten Prozess hindurch in konsistenter Weise ausgeführt wird, erfordert insbesondere eine exakte Steuerung der Zustellung durch die Hauptspindel über einen weiten Bereich in den vorstehend beschriebenen wesentlichen Vorgängen. Normalerweise wird beim herkömmlichen Schleifen, z. B. ein System unter Verwendung eines Servomotors zur Steuerung der Hauptspindel verwendet. Von diesem System kann jedoch nicht behauptet werden, dass es für eine exakte Steuerung durch Nieder- und Hochdruckbereiche geeignet ist. Zudem ist dieses System für eine Bearbeitung in einem Niederdruckbereich, in dem insbesondere eine Superpräzisionsbearbeitung ausgeführt wird, nicht geeignet.
  • Von den Erfindern der vorliegenden Erfindung wurde dann eine Präzisionsbearbeitungsmaschine offenbart, in der eine Drucksteuerung mittels einer Kombination aus einem Servomotor und einem supermagnetostriktiven Stellglied ausgeführt wird. Die Steuerung wird dabei mittels des Servomotors und eines piezoelektrischen Stellglieds in einem Druckbereich von 10 gf/cm2 oder darüber ausgeführt und mittels des supermagnetostriktiven Stellglieds in einem Druckbereich von 0,01 bis 10 gf/cm2 ausgeführt. Auf diese Weise kann ein Verfahren von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsbearbeitung durch Verwendung einer Vorrichtung durch den gesamten Prozess hindurch in konsistenter Weise ausgeführt werden. Bei dieser Präzisionsbearbeitungsmaschine ist eine becherförmige Schleifscheibe mit einer Schleifkorngröße vorgesehen, die einen Feinheitsgrad vorsieht, der höher als der von Nr. 3000 ist.
  • In der Präzisionsbearbeitungsmaschine, die in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) 2000-141207 A offenbart ist, kann ein Verfahren von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsbearbeitung in konsistenter Weise ausgeführt werden, indem durch den gesamten Prozess hindurch eine Vorrichtung verwendet wird und dabei eine extrem hohe Genauigkeit, mit der eine zur Endbearbeitung bestimmte Oberfläche bearbeitet wird, erreicht werden kann.
  • Die JP-A-2000-141207 , wie in den Patent Abstracts of Japan offenbart ist, weist eine Schleifscheibe auf, die auf einem ersten Ständer und einem zweiten Ständer gelagert wird, der eine Werkstückhalterung lagert, die ein Werkstück hält, bei dem es sich um einen Siliziumwafer handeln kann, der geschliffen werden soll. Der Schleifdruck wird durch einen Servomotor und ein supermagnetostriktives Stellglied in der Werkstückhalterung gesteuert. Der Servomotor ermöglicht eine Grobsteuerung des Schleifvorgangs, und das supermagnetostriktive Stellglied ermöglicht eine Feinsteuerung des Spanabhebungsbetrags und des Bearbeitungsdrucks.
  • Es haben sich jedoch dahingehend Probleme ergeben, dass, wenn eine Superpräzisionsbearbeitung ausschließlich mittels des supermagnetostriktiven Stellglieds ausgeführt wird, die infolge des magnetostriktiven Stellglieds erzeugte Wärme sich auf andere Komponenten der Präzisionsbearbeitungsmaschine und andere Komponenten auswirkt und diese durch diese Wärmeentwicklung beschädigt werden können.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird versucht, eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren zu schaffen, wobei eine Steuerung basierend auf dem Betrag der Bewegung einer Schleifscheibe oder eines zu schleifenden Objekts und eine Steuerung basierend auf einem Druck (konstanten Druck) kombiniert werden, um einen effizienten und hochgenauen Schleifvorgang zu realisieren.
  • In einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform wird versucht, eine Präzisionsbearbeitungsmaschine und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren zu schaffen, wobei eine Mehrstufen-Drucksteuerung in Bezug auf die Bearbeitungsstufen ohne Verwendung eines supermagnetostriktiven Stellglieds zur Drucksteuerung ausgeführt wird und die daher in der Lage sind, die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern, während es nicht mehr notwendig ist, auf das Wärmeerzeugungsproblem an den jeweiligen Bearbeitungsstufen Rücksicht zu nehmen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung geschaffen, die folgende Merkmale aufweist: eine Drehvorrichtung zum Drehen eines zu schleifenden Objekts; einen ersten Ständer, der die Drehvorrichtung zum Drehen des zu schleifenden Objekts lagert; eine Drehvorrichtung zum Drehen einer Schleifscheibe; einen zweiten Ständer, der die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert; und Bewegungseinstellungseinrichtungen, die an dem ersten Ständer und/oder dem zweiten Ständer angeordnet sind, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen einen ersten Bewegungseinstellungsbereich, einen zweiten Bewegungseinstellungsbereich und eine Steuerung beinhalten, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen angeordnet sind, um einen der Ständer in die Richtung des anderen zu bewegen, so dass ein Schleifvorgang ausgeführt werden kann und gleichzeitig der Ständer und die durch ihn gelagert Drehvorrichtung bewegt werden, wobei der erste Bewegungseinstellungsbereich auswählbar ist, um die Bewegung des Ständers basierend auf dem Bewegungsbetrag desselben zu steuern, und der zweite Bewegungseinstellungsbereich auswählbar ist, um einen konstanten Druck, der stufenweise variiert wird, auf den Ständer auszuüben, um zu bewirken, dass der Ständer in der Bewegungsrichtung gleitet.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung, die in der Lage ist, ein Verfahren von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsschleifung an einem zu schleifenden Objekt konsistent auszuführen, in dem durch das gesamte Verfahren hindurch eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung verwendet wird. Die Drehvorrichtung zum Drehen des Objekts, das geschliffen werden soll, während es gehalten wird, und die Drehvorrichtung zum Drehen einer Schleifscheibe sind auf den Ständern befestigt, wobei die Bearbeitungsoberfläche des Objekts, das geschliffen werden soll, und die Schleifscheibe einander gegenüberliegen. Das zu schleifende Objekt und die Schleifscheibe sind so positioniert, dass deren Achsen zueinander ausgerichtet sind. Der erste Ständer, der die Drehvorrichtung zum Drehen des zu schleifenden Objekts lagert, wird fixiert, und ein Schleifvorgang wird ausgeführt, während der Bewegungsbetrag des zweiten Ständers, der die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert, gemäß den Bearbeitungsstufen mittels des ersten Bewegungseinstellungsbereichs und des zweiten Bewegungseinstellungsbereichs gesteuert wird.
  • Der erste Bewegungseinstellungsbereich ist ein Mechanismus für eine Steuerung auf Basis des Bewegungsbetrags, um den der Ständers tatsächlich bewegt wird. Der zweite Bewegungseinstellungsbereich ist ein Konstantdruck-Steuerungsmechanismus, der einen konstanten Druck auf den Ständer ausübt, um den Ständer zu bewegen. Um einen Superpräzisionsschleifvorgang wirksam auszuführen, wird eine Steuerung des Ständers basierend auf dem Bewegungsbetrag vorzugsweise vorn Standpunkt des Schleifbetrags, der Schleifeffizienz und anderer Faktoren in einer initialen Vorschleifstufe aus vorgenommen, und ein Endbearbeitungsvorgang durch eine Konstantdrucksteuerung, die den Druck stufenweise ändert, wird vorzugsweise in einer finalen Endbearbeitungsstufe (Superpräzisions-Schleifstufe) ausgeführt. Die vorliegende Ausführungsform sieht somit die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung mit dem ersten Bewegungseinstellungsbereich und dem zweiten Bewegungseinstellungsbereich vor, um einen konsistenten Schleifvorgang durch Verwendung einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung auszuführen.
  • In einem anderen Implementationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet der erste Bewegungseinstellungsbereich einen Vorschubspindelmechanismus, in dem eine Schraubenmutter mit einer Schraubengewindeverbindung zu einer Vorschubspindel durch die Drehung der Vorschubspindel bewegt wird, und der zweite Bewegungseinstellungsbereich ein pneumatisches Stellglied oder ein hydraulisches Stellglied beinhaltet.
  • In einem Implementationsmodus, indem z. B. der zweite Ständer, der die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert, in Richtung des zu schleifenden Objekts bewegt wird, sind eine Vorschubspindel und eine Mutter, die einen sogenannten Vorschubspindelmechanismus (einen ersten Bewegungseinstellungsbereiche) bilden, an dem zweiten Ständer befestigt, und ein geeignetes pneumatisches Stellglied oder ein hydraulisches Stellglied (zweiter Bewegungseinstellungsbereich) ist an dem zweiten Ständer befestigt ist. Die Mutter dieses Vorschubspindelmechanismus ist durch ein Schraubengewinde beweglich mit einer Vorschubspindel verbunden, die an einer Ausgangswelle eines Servomotors angebracht ist, und ist an dem zweiten Ständer befestigt, um zu ermöglichen, dass der zweite Ständer steuerbar bewegt werden kann. Dieser Vorschubspindelmechanismus und das Stellglied können nach Bedarf den Schleifstufen entsprechend ausgewählt werden. Der Vorschubspindelmechanismus wird beispielsweise an der initialen Vorschleifstufe ausgewählt, bevor ein bestimmter Grad einer Oberflächenrauhigkeit in der Oberfläche des zu schleifenden Objekts erhalten wird. Ein Vorschleifvorgang auf der Oberfläche des zu schleifenden Objekts wird ausgeführt, indem die Drehvorrichtung (Schleifscheibe) auf dem zweiten Ständer zu dem zu schleifenden Objekt dem geeigneten Bewegungsbetrag der Mutter entsprechend bewegt wird. Wenn der Vorschleifvorgang auf der Oberfläche des zu schleifenden Objekts abgeschlossen ist, wechselt der Steuerungsmodus von einer Steuerung basierend auf dem Bewegungsbetrag zu einer Konstantdrucksteuerung in der Superpräzisionsschleifstufe. Zum Zeitpunkt dieser Steuerungsmodiänderung wird die zu verwendende Schleifscheibe durch eine Schleifscheibe zum Superpräzisionsschleifen ausgetauscht. In der Superpräzisions-Schleifstufe wird die Oberfläche des zu schleifenden Objekts bei einem extrem geringen Schleifbetrag endbearbeitet. Bei diesem Schleifvorgang besteht die Notwendigkeit, die Schleifscheibe bei konstantem Druck gegen die Oberfläche des zu schleifenden Objekts zu drücken. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird ein pneumatisches Stellglied oder ein hydraulisches Stellglied verwendet, um diese Konstantdrucksteuerung zu erreichen.
  • Bei der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform kann wahlweise der Vorschubspindelmechanismus und das pneumatische oder hydraulische Stellglied verwendet werden und daher das Verfahren vom Vorschleifen bis zum Superpräzisionsschleifen durch Verwendung einer Präzisionsbearbeitungsvorrichtung den gesamten Prozess hindurch in konsistenter Weise ausgeführt werden. Da in der Superpräzisionsschleifstufe, in der eine Konstantdrucksteuerung erforderlich ist, ein hinreichend bekanntes pneumatisches oder hydraulisches Stellglied verwendet wird, kommt es zum Betriebszeitpunkt des Stellglieds nicht zu dem Problem der Wärmeentwicklung und dergleichen, und die Vorrichtung kann bei verringertem Kostenaufwand hergestellt werden.
  • In noch einem weiteren Implentationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung beinhaltet der zweite Bewegungseinstellungsbereich eine Mehrzahl von pneumatischen oder hydraulischen Stellgliedern, die sich in ihrer Druckleistungsverhalten voneinander unterscheiden, und die Bewegung des Ständers und der Drehvorrichtung durch den zweiten Bewegungseinstellungsbereich kann durch einen selektiv geänderten Druck gesteuert werden.
  • In der Superpräzisionsschleifstufe besteht die Notwendigkeit, einen Mehrstufen-Konstantdruck-Schleifvorgang auszuführen, indem eine Einstellung vorgenommen wird, um zum ermöglichen, dass eine Bearbeitung an dem zu schleifenden Objekt in einen Duktilitätsmodus übergehen kann, und indem der Druck allmählich reduziert wird.
  • In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der vorstehend beschriebene Mehrstufen-Konstantdruck-Schleifvorgang mittels Stellgliedern mit einem Druckleistungsverhalten gemäß den Konstantdruckschleifstufen ausgeführt. In einem Fall, in dem die Drucksteuerung bei 10 mgf/cm2 bis 5000 gf/cm2 erforderlich wird, wird das Schleifverfahren in einen in zwei Stufen aufgeteilten Schleifvorgang aufgeteilt: einen Schleifvorgang in einem Niederdruckbereich von 10 mgf/cm2 bis 300 gf/cm2, und einen Schleifvorgang in einem Hochdruckbereich von 300 gf/cm2 bis 5000 gf/cm2, und es sind zwei Stellglieder vorgesehen, die jeweils in diesen Druckbereichen auswählbar verwendet werden sollen.
  • In einem weiteren Implentationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine Haltungssteuerungsvorrichtung zum Steuern der Lage der Drehvorrichtung zwischen der Drehvorrichtung und dem ersten Ständer oder zwischen der Drehvorrichtung und dem zweiten Ständer angeordnet; die Haltungssteuerungsvorrichtung beinhaltet ein ersten Flachplattenelement, das sich in einer Ebene erstreckt, das durch eine X-Achse und eine Y-Achse definiert ist, und ein zweites Flachplattenelement, das parallel zu dem ersten Flachplattenelement angeordnet ist, während es gleichzeitig zu demselben beabstandet ist; in den Oberflächen der beiden Flachplattenelemente, die einander gegenüberliegen, sind Ausnehmungen ausgebildet; ein kugelförmiges Element ist zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement angeordnet, in dem Bereiche des kugelförmigen Elements in die Ausnehmungen eingepasst werden; ein erstes Stellglied, das in einer Z-Achsenrichtung senkrecht zur Ebene, die durch die X-Achse und die Y-Achse definiert ist, erweiterbar ist, ist zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement angeordnet; ein zweites Stellglied, das in einer geeigneten Richtung in der durch die X-Achse und die Y-Achse definierten Richtung erweiterbar ist, ist mit dem zweiten Flachplattenelement verbunden; das zweite Flachplattenelement ist relativ zum ersten Flachplattenelement beweglich, während es sich in einer Lage zu einem darauf montierten Objekt befindet; das kugelförmige Element ist mit dem ersten Flachplattenelement und/oder dem zweiten Flachplattenelement durch einen elastisch verformbaren Klebstoff verbunden; und ein piezoelektrisches Element und ein supermagnetostriktives Element sind in einem jeweiligen ersten und zweiten Stellglied bereitgestellt.
  • Das erste Flachplattenelement und das zweite Flachplattenelement sind jeweils aus einem Material mit einer Festigkeit gebildet, die ausreichend hoch ist, um das Gewicht eines Objekts zu lagern, das auf dem zweiten Flachplattenelement befestigt ist.
  • Diese Material ist vorzugsweise nichtmagnetisch. Auch ist dieses Material nicht auf ein spezielles Material beschränkt. Es kann jedoch ein austenitischer rostfreier Stahl (SUS) verwendet werden. Das kugelförmige Element, das zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement angeordnet ist, ist zudem aus einem Material gebildet, das eine Festigkeit aufweist, die ausreichend hoch ist, um zumindest das Gewicht des Objekts, das auf dem zweiten Flachplattenelement angeordnet ist, zu stützen. Daher kann das Material, das das kugelförmige Element gemäß dem angesetzten Gewicht des befestigten Objekts ausbildet, ebenfalls aus unterschiedlichen Materialien ausgewählt werden. Ein Beispiel für das Material des kugelförmigen Elements ist ein Metall. Die Ausnehmungen sind als Bereiche des ersten Flachplattenelements und des zweiten Flachplattenelements ausgebildet, die mit dem kugelförmigen Element in Kontakt gebracht werden sollen. Das kugelförmige Element ist zwischen den Flachplattenelementen angeordnet, wobei Bereiche des kugelförmigen Elements in die Ausnehmungen eingepasst sind. Die Abmessungen der Ausnehmungen (Tiefe, Öffnungsdurchmesser und dergleichen) werden z. B. entsprechend den Abmessungen der Flachplattenelemente und des kugelförmigen Elements und der erforderlichen Haltungssteuerungsgenauigkeit passend eingestellt. Es ist jedoch erforderlich, dass zumindest zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement in der Stufe, wo die Bereiche des kugelförmigen Elements in die Ausnehmungen der beiden Flachplattenelemente eingepasst sind, eine vorbestimmte Beabstandung beibehalten wird. Diese Beabstandung ist auf einen solchen Wert eingestellt, dass das zweite Flachplattenelement das erste Flachplattenelement nicht kontaktiert, selbst wenn es durch den Betrieb des zweiten Stellglieds geneigt wird.
  • Die Oberflächen der mit Ausnehmungen versehenen Bereiche der beiden einander gegenüberliegenden Flachplattenelemente und des kugelförmigen Elements können durch einen Klebstoff aneinander befestigt verbunden werden. Als dieser Klebstoff kann ein geeigneter Klebstoff mit einer Eigenschaft verwendet werden, mit der er bei normalen Temperaturen elastisch. Es kann beispielsweise ein elastischer Epoxidklebstoff oder ein beliebiger anderer elastischer Klebstoff verwendet werden. Es kann beispielsweise ein Klebstoff mit einer Scherzugkraft von 10 bis 15 Mpa, einem Dämpfungskoeffizienten von 2 bis 7 Mpa × sec, vorzugsweise 4,5 Mpa × sec und einer Federkonstante von 80 bis 130 GN/m, vorzugsweise 100 GN/m verwendet werden. Die Dicke der Klebstoffschicht kann bei etwa 0,2 mm angesetzt werden. Ein Implementationsmodus, bei dem eine Ausnehmung in entweder nur dem ersten Flachplattenelement oder nur dem zweiten Flachplattenelement ausgebildet ist, ein Bereich des kugelförmigen Elements in die Ausnehmung eingepasst ist und die mit Ausnehmungen versehene Oberfläche und das kugelförmige Element durch einen Klebstoff aneinander befestigt werden, ist ebenso denkbar wie der, bei dem die Ausnehmungen in den beiden Flachplattenelementen ausgebildet sind.
  • Es ist ein Implementationsmodus der Haltungssteuerungsvorrichtung vorstellbar, in dem das kugelförmige Element und die beiden Stellglieder zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement an Positionen angeordnet sind, die den Scheitelpunkten eines Dreiecks entsprechen, die in einer Ebene frei wählbar sind, wie der Draufsicht zu entnehmen ist. Es ist ein Implementationsmodus denkbar, in dem das zweite Stellglied an dem zweiten Flachplattenelement zumindest an einer von vier Kanten des zweiten Flachplattenelements angebracht ist. Wenn zumindest diese drei Stellglieder verwendet werden, kann das zweite Flachplattenelement relativ zu dem ersten Flachplattenelement dreidimensional verschoben werden, während es sich in einer Lage befindet, in der das Objekt direkt daran befestig ist. Wenn das zweite Flachplattenelement verschoben wird, wird der Klebstoff auf der Oberfläche des kugelförmigen Elements, das das zweite Flachplattenelement von unten her stützt, elastisch verformt, um eine freie Verschiebung des zweiten Flachplattenelements zu erreichen, die im Wesentlichen keinen Einschränkungen unterliegt.
  • Das erste und das zweite Stellglied weisen vorzugsweise zumindest ein supermagnetostriktives Element auf. Bei dem supermagnetostriktiven Element handelt es sich um eine Legierung aus einem Seltenerdmetall wie Dysprosium oder Terbium und Eisen oder Nickel. Das supermagnetostriktive Element in der Form eines Stabs kann sich unter Einfluss eines Magnetfelds um etwa 1 bis 2 μm ausdehnen, das entsteht, indem ein Strom an eine Spule um das supermagnetostriktive Element angelegt wird.
  • Das supermagnetostriktive Element ist mit einer solchen Charakteristik versehen, dass es in einem Frequenzbereich von 2 KHz oder weniger verwendbar ist und eine Antwortgeschwindigkeit von einer Pikosekunde (1012 sec) und ein Leistungsabgabeverhalten von z. B. etwa 15 bis 25 KJ/cm3, etwa 20 bis 50 mal höher als das nachstehend beschriebene piezoelektrische Element aufweist. Das piezoelektrische Element ist hingegen aus einem Bleizirkonattitanat (Pb(Zr, Ti)O3), Bariumtitanat (BaTiO3), Bleititanat (PbTiO3) oder dergleichen gebildet. Das piezoelektrische Element ist mit einer solchen Charakteristik ausgestattet, dass es in einem Frequenzbereich von 10 kHz oder höher verwendbar ist und eine Antwortgeschwindigkeit von einer Nanosekunde (10–9) aufweist. Die Abgabeleistung des piezoelektrischen Elements ist geringer als die des supermagnetostriktiven Elements und ist für eine Hochpräzisions-Positionierungssteuerung (Lagesteuerung) in einem verhältnismäßig leichten Lastbereich geeignet. Das piezoelektrische Element, auf das hierin Bezug genommen wird, weist auch ein elektrostriktives Element auf.
  • Ferner ist ein Implementationsmodus vorstellbar, in dem durch den vorstehend beschriebenen Klebstoff auf der Oberfläche des kugelförmigen Elements eine Schicht ausgebildet wird, und das kugelförmige Element und die Schicht des Klebstoffs voneinander getrennt sind, so dass sie zueinander relativ beweglich sind. Der Klebstoff ist aus dem vorstehend beschriebenen elastisch verformbaren Material gefertigt. Eine aus diesem Klebstoff gebildete Schicht kann auf der Oberfläche eines metallischen kugelförmigen Elements ausgebildet sein. Um den Grad der Einschränkung in Bezug auf das zweite Flachplattenelement zu reduzieren, werden in der vorliegenden Erfindung das kugelförmige Element und der Klebstoff auf der äußeren Umfangsoberfläche des kugelförmigen Elements voneinander getrennt. Es wird z. B. eine Graphitschicht auf der Oberfläche des kugelförmigen Elements ausgebildet und eine durch den Klebstoff gebildete Schicht auf der äußeren Umfangsoberfläche der Graphitschicht ausgebildet. Der Klebstoff und der Graphitschicht bleiben nicht aneinander haften. Die Klebstoff- und Graphitschicht werden im Wesentlichen getrennt voneinander erzeugt. Wenn daher das zweite Flachplattenelement verschoben wird, kann sich das kugelförmige Element in einem einschränkungslosen Zustand in der feststehenden Position drehen, während sich der Klebstoff in der Oberflächenlage als Reaktion auf die Verformung des zweiten Flachplattenelements elastisch verformt, ohne durch das kugelförmige Element eine Einschränkung zu erfahren. In der vorliegenden Ausführungsform werden ein geeignetes Flachplattenelement, ein Klebstoff und ein kugelförmiges Element (Schicht auf der Oberfläche des kugelförmigen Elements) zur Verwirklichung des ersten Flachplattenelements, der Klebstoff, der mit dem ersten Flachplattenelement verbunden ist, und das kugelförmige Element (oder die Schicht auf der Oberfläche des kugelförmigen Elements), das nicht mit dem Klebstoff in Verbindung steht, bereitgestellt. Der Einschränkungsgrad in Bezug auf die Bewegung des zweiten Flachplattenelements wird verringert, um eine extrem feine Echtzeitbewegung zu realisieren, die von der Haltungssteuerungsvorrichtung gefordert wird. Da der Einschränkungsgrad auf das zweite Flachplattenelement dem einschränkungslosen Zustand nahe ist, kann die von dem zweiten Stellglied zum Zeitpunkt der Verschiebung des zweiten Flachplattenelements angeforderte Energie im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden.
  • Das supermagnetostriktive Element und das piezoelektrische Element in einem jeweiligen Stellglied können wahlweise nach Bedarf abhängig von dem Gewicht einer Last oder eines Schleifschritts verwendet werden. Daher kann ein Schleifvorgang ausgeführt werden, während der Einfluss der Wärme, die im Fall der Verwendung von nur dem supermagnetostriktiven Element erzeugt wird, effektiv reduziert wird und die Lage der Drehvorrichtung mit hoher Genauigkeit gesteuert wird. Es wird ein Schleifvorgang ausgeführt, während eine Fehlausrichtung zwischen den Achsen der Drehvorrichtung, die einander gegenüberliegen, durch die Haltungssteuerungsvorrichtung passend korrigiert wird. Da das jeweilige supermagnetostriktive und piezoelektrische Element eine hohe Antwortgeschwindigkeit aufweist, werden das supermagnetostriktive Element und das piezoelektrische Element in der vorliegenden Erfindung wahlweise derart verwendet, dass, obgleich grundsätzlich das piezoelektrische Element verwendet wird, das supermagnetostriktive Element im Bedarfsfall verwendet wird. Ferner wird eine geringe Fehlausrichtung zwischen den Achsen jederzeit erfasst. Die erfasste geringe Fehlausrichtung wird durch eine numerische Verarbeitung in einem Computer verarbeitet, die als notwendiger Expansionsbetrag in ein jeweiliges supermagnetostriktives Element (supermagnetostriktives Stellglied) oder piezoelektrisches Element (piezoelektrisches Stellglied) eingegeben werden sollen.
  • In einem weiteren Implementationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist die Schleifscheibe zumindest eine CMG-Schleifscheibe auf.
  • Bei der CMG-Schleifscheibe (Schleifkörper) handelt es sich um eine Schleifscheibe, die verwendet wird, wenn ein finaler Schleifvorgang als chemomechanischer Schleifvorgang (CMG) ausgeführt wird. Dieses Verfahren wird zum Ausführen von nur einem Schleifverfahren unter Verwendung einer CMG-Schleifscheibe anstelle des mehrstufigen Verfahrens angewendet, das im Stand der Technik ein Ätzen, Lappen und Polieren beinhaltet. An der Entwicklung des CMG-Verfahrens wird derzeit gearbeitet. Beim Schleifen wird die Diamantschleifscheibe in der Vorschleifstufe verwendet, während die CMG-Schleifscheibe in der Superpräzisionsschleifstufe verwendet wird, wodurch die Schleifscheiben selektiv verwendet werden.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird auch ein Präzisionsbearbeitungsverfahren unter Verwendung einer Präzisionsbearbeitungsvorrichtung geschaffen, die eine Drehvorrichtung zum Drehen eines zu schleifenden Objekts, einen ersten Ständer, auf dem die Drehvorrichtung gelagert wird, eine Drehvorrichtung zum Drehen einer Schleifscheibe, einen zweiten Ständer, der die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert, und Bewegungseinstellungseinrichtungen beinhaltet, die an dem ersten Ständer und/oder dem zweiten Ständer angeordnet sind, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen in der Lage sind, einen der Ständer zum jeweils anderen hin zu bewegen, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen einen ersten Bewegungseinstellungsbereich beinhalten, der betreibbar ist, um die Bewegung des Ständers basierend auf dessen Bewegungsbetrag zu steuern, und einen zweiten Bewegungseinstellungsbereich, der betreibbar ist, um einen Konstantdruck, der schrittweise variiert wird, auf den Ständer auszuüben, um zu bewirken, dass der Ständer in der Bewegungsrichtung gleitet, und wobei ein Schleifvorgang ausgeführt werden kann und gleichzeitig der Ständer und die Drehvorrichtung bewegt werden, während der erste Bewegungseinstellungsbereich und der zweiten Bewegungseinstellungsbereich selektiv verwendet werden, wobei das Präzisionsbearbeitungsverfahren folgende Schritte beinhaltet: einen ersten Schritt zum Ausbilden eines unmittelbar geschliffenen Objekts durch Ausführen eines Vorschleifvorgangs an dem zu schleifenden Objekt; und einen zweiten Schritt zum Ausbilden eines endgültig geschliffenen Objekts durch Schleifen des unmittelbar geschliffenen Objekts unter Verwendung einer CMG-Schleifscheibe, wobei die Bewegung der Drehvorrichtung und des Ständers durch den ersten Bewegungseinstellungsbereich in dem ersten Schritt eingestellt wird, und die Bewegung der Drehvorrichtung und des Ständers durch den zweiten Bewegungseinstellungsbereich in dem zweiten Schritt eingestellt wird.
  • In dem ersten Schritt wird beispielsweise ein Vorschleifvorgang unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe ausgeführt, und in dem zweiten Schritt wird ein Superpräzisionsschleifvorgang unter Verwendung der CMG-Schleifscheibe ausgeführt.
  • Bei dem ersten Bewegungseinstellungsbereich zum Ausführen des ersten Schritts handelt es sich beispielsweise um einen Steuerungsmechanismus zum tatsächlichen Bewegen des zweiten Ständers um einen bestimmten Betrag in Richtung des ersten Ständers durch Verwendung eines Vorschubspindelmechanismus und dergleichen, wie vorstehend beschrieben wurde.
  • Der zweite Bewegungseinstellungsbereich zum Ausführen des zweiten Schritts ist ein Mechanismus zum Ausführen einer stufenweisen Konstantdrucksteuerung, wie vorstehend beschrieben wurde. Dieser Mechanismus kann so implementiert werden, dass in Bezug auf eine jeweilige Druckstufe ein geeignetes pneumatisches oder hydraulisches Stellglied ausgewählt wird.
  • Wie aus Vorstehendem zu entnehmen ist, ermöglichen die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung und das Präzisionsbearbeitungsverfahren der vorliegenden Erfindung eine konsistente Ausführung eines Verfahrens von einem Vorschleifvorgang bis zu einem Superpräzisionsschleifvorgang durch selektives Ausführen einer Steuerung unter Verwendung des ersten Bewegungseinstellungsbereichs, z. B. eines Vorschubspindelmechanismus, und basierend auf dem Bewegungsbetrag und einer Mehrstufen-Konstantdrucksteuerung unter Verwendung des zweiten Bewegungseinstellungsbereichs, z. B. eines pneumatischen Stellglieds oder eines hydraulischen Stellglieds, wodurch ein effizienter und exakter Schleifvorgang erreicht wird. In der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung korrigiert die Haltungssteuerungsvorrichtung, die so aufgebaut ist, dass ein kugelförmiges Element zwischen zwei Flachplattenelementen angeordnet wird, nach Bedarf die Haltung der Drehvorrichtung während des Schleifvorgangs, wodurch die Schleifgenauigkeit verbessert wird. Da die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung so ausgelegt ist, dass ein supermagnetostriktives Stellglied nicht zur Drucksteuerung in der Superpräzisionsschleifstufe verwendet wird, besteht keine Notwendigkeit, das Problem der Wärmeentwicklung in einer jeweiligen Schleifstufe zu berücksichtigen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht der Bewegungseinstellungseinrichtungen;
  • 3 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie III-III in 2 erstellt wurde;
  • 4 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie IV-IV in 2 erstellt wurde;
  • 5 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Haltungssteuerungsvorrichtung;
  • 6 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie VI-VI in 5 erstellt wurde; und
  • 7 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie VII-VII in 5 erstellt wurde.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den veranschaulichten Ausführungsformen kommt ein pneumatisches Stellglied zur Anwendung. Es kann jedoch auch ein hydraulisches Stellglied verwendet werden. Zudem kann eine Anordnung unter Verwendung von drei oder mehreren Stellgliedern einer Drucksteuerung entsprechend vorgesehen werden.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1. Die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1 besteht hauptsächlich aus einer Drehvorrichtung 6a zum Drehen eines zu schleifenden Objekts, während das Objekt in einer Haltung gehalten wird, indem es durch ein Vakuum angezogen wird, einem ersten Ständer 2, der die Drehvorrichtung 6a lagert, einem zweiten Ständer 3, der eine Drehvorrichtung 6b zum Drehen einer Schleifscheibe b lagert, Bewegungseinstellungseinrichtungen zum Bewegen des zweiten Ständers 3 in einer horizontalen Richtung, und einer Basis 9, die den ersten und den zweiten Ständer 2 und 3 von unter her stützt. Eine Diamantschleifscheibe wird vorzugsweise als die Schleifscheibe b in einer Vorschleifstufe verwendet, und eine CMG-Schleifscheibe wird als die Schleifscheibe b in einer Superpräzisionsschleifscheibe verwendet.
  • Eine Haltungssteuerungsvorrichtung 7 ist zwischen dem ersten Ständer 2 und der Drehvorrichtung 6a angeordnet. Die Bewegungseinstellungseinrichtungen bestehen aus einem Vorschubspindelmechanismus 4 zum Steuern des zweiten Ständers 3 auf Basis des Bewegungsbetrags und aus pneumatischen Stellgliedern 5 zur Drucksteuerung des zweiten Ständers 3. Der Vorschubspindelmechanismus 4 und das pneumatische Stellglied 5 sind mit einer Steuerung 8 verbunden und können nach Bedarf in Bezug auf die Schleifstufen geschaltet werden. Die Positionen des zu schleifenden Objekts und der Schleifscheibe b werden durchweg mit Positionserfassungsdetektoren (nicht gezeigt) erfasst. Piezoelektrische Elemente und supermagnetostriktive Elemente, die die nachstehend beschriebene Haltungssteuerungsvorrichtung 7 bilden, werden gemäß Informationen über die erfassten Positionen erweitert, um die Fehlausrichtung zwischen den Achsen der Drehvorrichtung 6a und 6b zu passend korrigieren.
  • In dem Vorschubspindelmechanismus 4 ist eine Mutter 42 durch ein Schraubengewinde mit einer Vorschubspindel 41 drehbar verbunden, die an einer Abtriebswelle eines Servomotors 43 angebracht ist. Die Mutter 42 ist an dem zweiten Ständer 3 angebracht. Ferner ist der zweite Ständer 3 lösbar mit der Mutter 42 verbunden.
  • In 2 sind Details über die Bewegungseinstellungseinrichtungen dargestellt. Der zweite Ständer 3 ist so ausgebildet, dass der in einer Seitenansicht L-förmig ist. Eine Seite der L-Form entspricht einer Seitenoberfläche, an der die Drehvorrichtung 6a montiert ist, und die andere Seite der L-Form entspricht einer Seitenoberfläche, die mittels eines Stiftelements 45 mit einem Plattenelement 44 zusammengefügt ist. Die Mutter 42 ist direkt an dem Plattenelement angebracht.
  • Eine Durchgangsöffnung, in die die Vorschubspindel 41 lose eingepasst ist, ist in einem Bereich 32 des zweiten Ständers 3 ausgebildet, der der anderen Seite der L-Form entspricht. Auf der linken und rechten Seite der lose eingepassten Vorschubspindel 41 sind pneumatische Stellglieder 5a und 5b an dem zweiten Ständer 3 befestigt. Die pneumatischen Stellglieder 5a und 5b unterscheiden sich in ihrer Druckleistung voneinander. Das pneumatische Stellglied 5a übernimmt seine Funktion in einem Bereich, in dem ein verhältnismäßig niedriger Druck vorherrscht, während das pneumatische Stellglied 5b seine Funktion in einem Bereich übernimmt, in dem ein verhältnismäßig hoher Druck vorherrscht. In dem pneumatischen Stellglied 5a ist beispielsweise eine Kolbenstange 5a2 gleitbar in einen Zylinder 5a1 eingefügt.
  • In einer Vorschleifstufe als eine initiale Stufe des Schleifvorgangs werden das Plattenelement 44, das mit der Mutter 42 verbunden ist, und der erste Ständer 3 durch das Stiftelement 45 verbunden. Die Mutter 42 wird daher entsprechend dem Antrieb des Servomotors 43 um einen gewissen Betrag bewegt. Der zweite Ständer 3 (die Drehvorrichtung 6b, die an dem zweiten Ständer 3 befestigt ist) wird um einen entsprechenden Betrag mit der Bewegung der Mutter 42 bewegt.
  • In einer Superpräzisionsschleifstufe nach dem Vorschleifvorgang werden die Stiftelemente 45 entfernt, um das Plattenelement 44 und den zweiten Ständer 3 voneinander zu lösen. In diesem Zustand wird das pneumatische Stellglied 5b, das seine Funktion im Hochdruckbereich übernimmt, angesteuert. Der zweite Ständer 3 wird dadurch in Richtung des ersten Ständers 2 gedrückt, wobei durch ein Ende der Kolbenstange 5b2, die das pneumatische Stellglied 5b bildet, Druck auf das Plattenelement 44 ausgeübt wird, d. h., dass das Plattenelement 44 dem pneumatischen Stellglied 5b mit einer Reaktionskraft entgegenwirkt. Das Plattenelement 44 ist an der Mutter 42 befestigt, die durch ein Schraubengewinde mit der Vorschubspindel 41 verbunden ist. Daher ist das Plattenelement 44 in der Lage, eine Reaktionskraft aufzubringen, die ausreichend groß ist, um den zweiten Ständer 3 herauszudrücken. Im Superpräzisionsschleifvorgang wird das pneumatische Stellglied 5a als das nächste Stellglied ausgewählt, das nach dem stufenweise durchgeführten Konstantdruckschleifvorgang im Hochdruckbereich verwendet werden soll, um einen stufenweise durchzuführenden Konstantdruckschleifvorgang in der gleichen Weise durchzuführen wie beim Schleifvorgang im Niederdruckbereich.
  • Aus 3, die eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2 darstellt, ist zu ersehen, dass der zweite Ständer 3 in Vorwärtsrichtung gedrückt werden kann, während eine der Kolbenstangen 5a2 und 5b2 der pneumatischen Stellglieder 5a und 5b eine Reaktionskraft von dem Plattenelement 44 aufnimmt.
  • Aus 4, die eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 2 darstellt, ist zu ersehen, dass der zweite Ständer 3 (der Bereich 32) und das Plattenelement 44, an dem die Mutter 42 befestigt ist, durch die Stiftelemente 45, 45 lösbar miteinander verbunden sind.
  • 5 zeigt eine Ausführungsform der Haltungssteuerungsvorrichtung 7, und 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 5. Die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 weist einen Rahmen auf, der an seiner Oberseite offen ist und durch ein erstes Flachplattenelement 71 und Seitenwände 711 gebildet wird. Dieser Rahmen kann beispielsweise aus einem SUS-Material gefertigt sein. Ein zweites Flachplattenelement 72 ist zwischen Paaren der Seitenwände 711, 711 eingestellt, die einander zugewandt sind, wobei die zweiten Stellglieder 75, 75 zwischen dem zweiten Flachplattenelement 72 und der Seitenwand 711 angeordnet sind. Eine geeignete Beabstandung L ist zwischen dem ersten Flachplattenelement 71 und dem zweiten Flachplattenelement 72 angeordnet. Die Beabstandung L ist groß genug, um zu verhindern, dass das erste Flachplattenelement 71 und das zweite Flachplattenelement 72 einander stören, selbst wenn das zweite Flachplattenelement 72 geneigt ist. In der dargestellten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Federn 77, 77, ... zwischen der Seitenwand 711 und dem zweiten Flachplattenelement 72 sowie dem zweiten Stellglied 75 angeordnet, um das zweiten Flachplattenelement 72 in der X-Y-Ebene zu behalten.
  • Jedes zweite Stellglied 75 wird durch ein axiales Element 75c mit passender Steifigkeit, ein supermagnetostriktives Element 75a und ein piezoelektrisches Element 75b gebildet. Das supermagnetostriktive Element 75a wird durch Passen einer Spule (nicht gezeigt) um ein Element herum konstruiert und ist durch ein Magnetfeld, das entsteht, indem bewirkt wird, dass ein Strom durch die Spule hindurchfließt, erweiterbar. Das piezoelektrische Element 75b ist ebenfalls durch Anlegen einer Spannung an dasselbe erweiterbar. Ferner kann an das supermagnetostriktive Element 75a oder das piezoelektrische Element 75b ein geeigneter Strom oder eine geeignete Spannung gemäß den Informationen über die Position eines montierten Objekts (z. B. der Drehvorrichtung etc.), die mit einem Erfassungssensor (nicht gezeigt) erfasst wird, angelegt werden. Das supermagnetostriktive Element 75a und das piezoelektrische Element 75b kann in Bezug auf die Bearbeitungsstufen selektiv davon abhängig betrieben werden, ob die Notwendigkeit besteht oder nicht, das zweite Flachplattenelement 72 um einen verhältnismäßig deutlichen Betrag zu bewegen. Das supermagnetostriktive Element 75a kann auf einer Legierung aus einem Seltenerdmetall wie Dysprosium oder Terbium und Eisen oder Nickel gebildet sein, wie es bei dem im Stand der Technik der Fall ist. Das piezoelektrische Element 75b kann aus Bleizirkonat-Titanat (Pb(Zr, Ti)O3), Bariumtitanat (BaTiO3), Bleititanat (PbTiO3) oder dergleichen gebildet sein.
  • In einem Fall, in dem die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 beispielsweise auf dem ersten Ständer 2 montiert ist, werden die zweiten Stellglieder 75, 75 betätigt, wenn das zweite Flachplattenelement 72 entlang der X-Y-Ebene (horizontalen Richtung) verschoben werden soll, und die ersten Stellglieder 76, 76 werden betätigt, wenn das zweiten Flachplattenelement 72 in der Z-Richtung (vertikalen Richtung) verschoben werden soll. Das erste Stellglied 76 wird jeweils durch ein axiales Element 76c, das eine geeignete Steifigkeit aufweist, ein supermagnetostriktives Element 76a und ein piezoelektrisches Element 76b gebildet, wie es bei dem zweiten Stellglied 75 der Fall ist.
  • Ein kugelförmiges Element 73 ist zwischen dem Flachplattenelement 71 und dem zweiten Flachplattenelement 72 sowie den ersten Stellgliedern 76, 76 angeordnet. 7 zeigt eine Detailansicht eines kugelförmigen Elements 73.
  • Das kugelförmige Element 73 wird durch einen kugelförmigen Kern 73a gebildet, der z. B. aus einem Metall gefertigt ist, und einer Schicht 73b, die auf dem Umfang des Kerns 73a vorgesehen und z. B. aus Graphit gefertigt ist. Ferner ist eine aus einem Klebstoff 74 gebildete Schicht 74, die bei normalen Temperaturen zu einer elastischen Verformung fähig ist, auf der äußeren Umfangsoberfläche der Schicht 73b ausgebildet. Als der Klebstoff 74 kann ein Klebstoff mit einer Scherzugfestigkeit von 10 bis 15 Mpa, einem Dämpfungskoeffizienten von 2 bis 7 Mpa × sec, vorzugsweise 4.5 Mpa × sec und einer Federkonstante von 80 bis 130 GN/m, vorzugsweise 100 GN/m (elastischer Klebstoff auf Epoxidbasis) verwendet werden. Die Dicke der Klebstoffschicht kann bei etwa 0,2 mm angesetzt werden.
  • Als Bereiche des ersten Flachplattenelements 71 und des zweiten Flachplattenelements 72, die mit dem kugelförmigen Element 73 in Kontakt gebracht werden wollen, sind Ausnehmungen 71a und 72a ausgebildet. Bereiche des kugelförmigen Elements 73 sind in die Ausnehmungen 71a und 72a eingepasst, um das kugelförmige Element 73 zu positionieren. Der Klebstoff 74, der als Schicht auf der äußeren Umfangsoberfläche des kugelförmigen Elements 73 ausgebildet ist, haftet an den Oberflächen in den Ausnehmungen 21a und 22a, ist jedoch von dem kugelförmigen Element 73 (der Schicht 73b, die das kugelförmige Element 73 ausbildet) getrennt, so dass das kugelförmige Element 73 in der Schicht des Klebstoffs 74 frei gedreht werden kann.
  • Wenn die Haltung der Drehvorrichtung 6a durch Betätigen der ersten Stellglieder 76 und der zweiten Stellglieder 75 in einem Zustand gesteuert wird, in dem die Drehvorrichtung 6a auf dem zweiten Flachplattenelement 72 befestigt ist, wird die aus dem Klebstoff 74 gebildete Schicht elastisch verformt, um eine dreidimensionale freie Verschiebung des zweiten Flachplattenelements 72 zu ermöglichen. Zu diesem Zeitpunkt stützt der Kern 73a, der das kugelförmige Element 73 ausbildet, das Gewicht der Drehvorrichtung 6a, dreht sich jedoch nur an der feststehenden Position, ohne sich die Schicht aus Klebstoff 74 auf deren äußerer Umfangsoberfläche einschränkend auszuwirken. Das kugelförmige Element 73 unterstützt lediglich das Gewicht der Drehvorrichtung 6a in dessen wesentlicher Funktion, und das kugelförmige Element 73 und der Klebstoff 74 haften nicht aneinander. Somit kann sich der Klebstoff 74 entsprechend der Verschiebung des zweiten Flachplattenelements 72 frei elastisch verformen, ohne durch das kugelförmige Element 73 eine Einschränkung zu erfahren. Somit nimmt das zweite Flachplattenelement 72 nur einen extrem geringen Betrag an Einschränkung auf, der einer Reaktionskraft bei einer elastischen Verformung des Klebstoffs 74 entspricht.
  • Das Verfahren zur Präzisionsbearbeitung an einem zu schleifenden Objekt unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1 wird nur in groben Umrissen dargestellt.
  • Bei dem Verfahren zum Schleifen eines zu schleifenden Objekts (Präzisionsbearbeitungsverfahren) gemäß der vorliegenden Erfindung wird en Vorgang vom Vorschleifen bis zum abschließenden Superpräzisionsschleifen unter Verwendung von ausschließlich der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1 in konsistenter Weise durch den gesamten Prozess hindurch ausgeführt. Der Vorschleifvorgang wird zuerst an dem zu schleifenden Objekt unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe als die Schleifscheibe b ausgeführt, während der zweite Ständer 3 (Drehvorrichtung 6b) um einen vorbestimmten Betrag mittels des Vorschubspindelmechanismus 4 bewegt wird, wodurch ein mittelgradig zu schleifendes Objekt (erster Schritt) gebildet wird. In dieser Vorschleifstufe werden die Positionen der Schleifscheibe b und des zu schleifenden Objekts a erfasst. Wenn eine Fehlausrichtung zwischen der Achse der Schleifscheibe b und der Achse des zu schleifenden Objekts a vorliegt, werden die Positionen durch die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 korrigiert.
  • Danach wird die Schleifscheibe b von der Diamantschleifscheibe durch eine CMG-Schleifscheibe ausgewechselt. Das pneumatische Stellglied 5b wird dann betätigt, um die CMG-Schleifscheibe in Richtung des zu schleifenden Objekts zu betätigen, während der konstante Druck in dem verhältnismäßig hohen Druckbereich schrittweise geändert werden. In einer abschließenden Stufe des Schleifvorgangs wird das pneumatische Stellglied 5a ausgewählt und ein abschließender Schleifvorgang an dem zu schleifenden Objekt ausgeführt, während der konstante Druck ebenfalls im Niederdruckbereich schrittweise geändert wird. In der Superpräzisionsschleifstufe werden die Positionen der Schleifscheibe b und des zu schleifenden Objekts durchweg erfasst. Wenn eine Fehlausrichtung zwischen der Achse der Schleifscheibe b und der Achse des zu schleifenden Objekts a vorliegt, werden die Positionen durch die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 korrigiert. Durch das vorstehend beschriebene CMG-Bearbeitungsverfahren wurde die Werkzeugspitze, die einen Ebenheitsgrad von 10 bis 20 nm/inch [inch = 2,54 cm] aufweist, erhalten.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben worden. Der konkrete Aufbau der Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims (6)

  1. Präzisionsbearbeitungsvorrichtung (1), die folgende Merkmale aufweist: eine Drehvorrichtung (6a) zum Drehen eines zu schleifenden Objekts; einen ersten Ständer (2), der die Drehvorrichtung zum Drehen des zu schleifenden Objekts lagert; eine Drehvorrichtung (6b) zum Drehen einer Schleifscheibe (b); einen zweiten Ständer (3), der die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert; und Bewegungseinstellungseinrichtungen, die an dem ersten Ständer und/oder dem zweiten Ständer angeordnet sind, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen einen ersten Bewegungseinstellungsbereich (4), einen zweiten Bewegungseinstellungsbereich (5) und eine Steuerung (8) beinhalten, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen so angeordnet sind, dass sie einen der Ständer zu dem anderen hinbewegen, so dass ein Schleifvorgang ausgeführt und gleichzeitig der Ständer und die durch ihn gelagerte Drehvorrichtung bewegt werden, wobei der erste Bewegungseinstellungsbereich (4) wählbar ist, um die Bewegung des Ständers basierend auf dem Betrag von dessen Bewegung zu steuern; gekennzeichnet dadurch, dass der zweite Bewegungseinstellungsbereich (5) konfiguriert und wählbar ist, um einen konstanten Druck, der stufenweise variiert wird, auf den Ständer auszuüben, um zu bewirken, dass der Ständer in der Richtung der Bewegung gleitet.
  2. Präzisionsbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Bewegungseinstellungsbereich einen Vorschubspindelmechanismus (4) beinhaltet, in dem eine Mutter (42), die durch ein Schraubengewinde mit der Vorschubspindel (41) verbunden ist, durch die Drehung der Vorschubspindel bewegt wird, und der zweite Bewegungseinstellungsbereich ein pneumatisches Stellglied (5) oder ein hydraulisches Stellglied beinhaltet.
  3. Präzisionsbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Bewegungseinstellungsbereich eine Mehrzahl von pneumatischen Stellgliedern (5) oder hydraulischen Stellgliedern beinhaltet, die sich in ihrer Druckleistung voneinander unterscheiden, und die Bewegung des Ständers und der Drehvorrichtung durch den zweiten Bewegungseinstellungsbereich durch einen selektiv geänderten Druck gesteuert werden kann.
  4. Präzisionsbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Haltungssteuerungsvorrichtung (7) aufweist, die zwischen der Drehvorrichtung und dem ersten Ständer oder zwischen der Drehvorrichtung und dem zweiten Ständer angeordnet ist, wobei die Haltungssteuerungsvorrichtung die Haltung der Drehvorrichtung steuert, wobei die Haltungssteuerungsvorrichtung ein erstes Flachplattenelement (71) beinhaltet, das sich in einer Ebene erstreckt, die durch eine X-Achse und eine Y-Achse definiert ist, und ein zweites Flachplattenelement (72), das parallel zum ersten Flachplattenelement angeordnet ist, während es von demselben beabstandet ist; wobei Ausnehmungen in den Oberflächen der beiden Flachplattenelementen ausgebildet sind, die einander gegenüberliegen; ein sphärisches Element (73) zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement durch Einpassen von Bereichen des sphärischen Elements in die Ausnehmungen angeordnet ist; wobei ein erstes Stellglied (76), das in einer Z-Achsenrichtung senkrecht zur Ebene erweiterbar ist, die durch die X-Achse und die Y-Achse definiert ist, zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement angeordnet ist; das zweite Stellglied (75), das in einer geeigneten Richtung in der Ebene erweiterbar ist, die durch die X-Achse und die Y-Achse definiert ist, mit dem zweiten Flachplattenelement verbunden ist; wobei das zweite Flachplattenelement relativ zu dem ersten Flachplattenelement beweglich ist, während es sich in einer gemeinsamen Haltung mit einem darauf montierten Objekt befindet; wobei das sphärische Element mit dem ersten Flachplattenelement und/oder dem zweiten Flachplattenelement durch einen elastisch verformbaren Klebstoff verbunden ist; und ein piezoelektrisches Element (75b) und ein supermagnetostriktives Element in jeweils dem ersten und dem zweiten Stellglied bereitgestellt sind.
  5. Präzisionsbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das zumindest eine chemomechanisches (CMG-) Schleifscheibe aufweist.
  6. Präzisionsbearbeitungsverfahren unter Verwendung einer Präzisionsbearbeitungsvorrichtung (1), die eine Drehvorrichtung (6a) zum Drehen eines zu schleifenden Objekts; einen ersten Ständer (2), der die Drehvorrichtung zum Drehen des zu schleifenden Objekts lagert; eine Drehvorrichtung (6b) zum Drehen einer Schleifscheibe (6); einen zweiten Ständer (3), der die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe (6) lagert; und eine Bewegungseinstellungseinrichtung, die an dem ersten Ständer und/oder dem zweiten Ständer bereitgestellt ist, beinhaltet, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtung einen der Ständer zu dem anderen hinbewegen kann, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtung einen ersten Bewegungseinstellungsbereich beinhaltet, der betreibbar ist, um die Bewegung des Ständers basierend auf dem Betrag seiner Bewegung zu steuern, und einen zweiten Bewegungseinstellungsbereich (5), der konfiguriert ist, um einen konstanten Druck, der stufenweise variiert wird, auf den Ständer auszuüben, um zu bewirken, dass der Ständer in der Richtung der Bewegung gleitet, und wobei der Vorgang des Schleifens zeitgleich damit ausgeführt werden kann, wenn der Ständer und die Drehvorrichtung bewegt werden, während der erste Bewegungseinstellungsbereich und der zweite Bewegungseinstellungsbereich wählbar verwendet werden, wobei das Präzisionsbearbeitungsverfahren folgende Schritte aufweist: einen ersten Schritt zum Ausbilden eines mittelgradig geschliffenen Objekts, indem eine Grobschleifung an dem zu schleifenden Objekt vorgenommen wird; und ein zweiter Schritt zum Ausbilden eines endgültig geschliffenen Objekts, indem das mittelgradig geschliffene Objekt unter Verwendung einer chemomechanischen (CMG-) Schleifscheibe geschliffen wird, wobei die Bewegung der Drehvorrichtung und des Ständers durch den ersten Bewegungseinstellungsbereich in dem ersten Schritt eingestellt wird, und die Bewegung der Drehvorrichtung und des Ständers durch den zweiten Bewegungseinstellungsbereich im zweiten Schritt eingestellt wird.
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