JP2004098230A - 加工装置、加工方法および変位検出ユニット - Google Patents
加工装置、加工方法および変位検出ユニット Download PDFInfo
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Abstract
【課題】切削工具の刃先位置の熱変位による加工誤差を抑制あるいは低減し、加工精度と生産性を向上させることができる加工方法および加工装置を提供する。
【解決手段】切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出手段と、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を調整する位置調整手段と、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するように前記位置調整手段を制御する制御手段とを備える。
【選択図】 図３
【解決手段】切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出手段と、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を調整する位置調整手段と、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するように前記位置調整手段を制御する制御手段とを備える。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工装置および加工方法に関し、さらに詳しくは切削工具に超音波振動等によって楕円振動を付与する振動切削装置および振動切削方法およびこれに用いる変位検出ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子、磁歪素子などのアクチュエータによって切削工具に超音波振動等によって楕円振動を付与する振動切削装置および振動切削方法においては、難削材の加工を可能にし、また、刃物が断続的にワークを加工するため、切削工具であるバイトの寿命の向上を図ることができる。
【０００３】
ここで、従来用いられている振動切削装置および方法においては、ワークの切取り動作の際、補助として刃物に振動が付与される。さらに、振動は工具およびその支持体を共に振動させて、高周波の振動が付与される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、振動切削装置における駆動軸は、アクチュエータを数１００Ｈｚ以上の周波数で振動させるために、アクチュエータからの発熱および摺動部での発熱が大きくなる。こうした発熱は、切削工具の先端位置に熱変位を生じさせ、加工精度の劣化を招くという問題を生じさせる。
【０００５】
振動切削装置が用いられる光学素子部品の金型加工に代表されるようなサブミクロン単位での高精度加工においては、ごくわずかな熱変位が加工精度に悪影響を及ぼす。また、振動切削装置を駆動させてから温度が安定するまでの暖機時間は生産性の悪化を招いている。さらに、発熱が大きすぎると、振動切削装置の構造が許容する変位量を超え、装置構造を破損する恐れもある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、前述した従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、切削工具の刃先位置の熱変位による加工誤差を抑制あるいは低減し、加工精度と生産性を向上させることができる加工装置および加工方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の加工装置は、切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出手段と、前記切削工具と被加工物との相対位置を調整する位置調整手段と、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するように前記位置調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記振動手段と前記切削工具とを接続する工具支持体と、前記工具支持体に対して非接触状態で前記位置検出手段が取り付けられたセンサー支持体とをさらに備えてもよい。
【０００９】
さらに、前記振動手段は、第一の方向の直動振動を発生させる第一のアクチュエータと、前記第一の方向と異なる第二の方向の直動振動を発生させる第二のアクチュエータとを備え、前記切削工具の振動は、前記第一の方向の直動振動と前記第二の方向の直動振動とが合成されたものであってもよい。
【００１０】
さらにまた、前記工具支持体は、前記位置検出手段が位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出手段とがほぼ一直線上に配置されていてもよい。
【００１１】
さらにまた、前記振動手段の温度を検出する手段および前記振動手段を冷却する手段をさらに備えることができる。
【００１２】
さらにまた、前記位置調整手段は、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記振動手段による前記切削工具の振動振幅を変化させることができる。
【００１３】
ここで、前記振動手段は、磁歪素子や圧電素子等の機能性固体素子をアクチュエータとして用いることができる。
【００１４】
本発明の変位検出ユニットは、切削工具が取り付けられる第一の支持体と、前第一の支持体が取り付けられて前記切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出センサと、前記位置検出センサが前記第一の支持体に対して非接触であるように前記位置検出センサが取り付けられた第二の支持体とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第一の支持体は、前記位置検出センサが位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出センサとがほぼ一直線上に配置することができる。
【００１６】
本発明の加工方法は、被加工物を切削する切削工具に振動を加える振動付与ステップと、前記振動付与ステップ中に、前記切削工具の位置を検出する位置検出ステップと、前記位置検出ステップの検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するステップとを備えることを特徴とする。
【００１７】
また、前記位置検出ステップは、前記切削工具の所定の振動振幅のピークを基準値とし、その後の前記振動付与ステップにおける前記切削工具の振動振幅のピークと前記基準値との差を測定することにより、前記切削工具の位置変動を検出することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の加工装置の構成を示す概略図であり、自由曲面加工で、１５０ｎｍ以下の形状精度と、５０ｎｍＲｚ（最大高さ）以下の表面粗さを得ようとするものであって、振動切削ユニット１および被加工物１１は、ＮＣ制御で２０ｎｍの精密位置決めを行うことが出来る精密位置決め装置上に設置されている。１０は、位置調整手段としてのＸＹテーブルであり、ＸＹテーブル１０に配設されたＺ軸回りに回転するロータ８に被加工物１１を保持するワークテーブル１２が設置されている。ワーク１１は、ワークテーブル１２上に保持され、ＸＹ方向に移動およびＺ軸回りに回転可能である。また、ＸＹテーブル１０の上方には、門型コラム１３に沿ってＺ軸方向に移動可能な位置調整手段であるクロスビーム１４が配設され、このクロスビーム１４にはＹ軸回りに回転するロータ９が配設されており、ロータ９には下部に切削工具（バイト）４を備えた振動切削ユニット１が取り付けられている。振動切削ユニット１はＺ軸方向に上下動およびＹ軸まわりに回転し得るように構成されている。なお、ロータ８、９は割り出しおよび高速回転動作を行うことが出来る。振動切削ユニット１には、Ｚ軸方向に沿った直動振動を発生するＺ軸方向に延在する駆動軸２ａとＸ軸方向に沿った直動振動を発生するＸ軸方向に延在する駆動軸２ｂとが互いに直交して設けられている。
【００２０】
この構成により、被加工物１１の加工時には、ＸＹテーブル１０により被加工物１１をＸＹ方向に移動させ、クロスビーム１４により振動切削ユニット１をＺ軸方向に上下に移動させることによって、３軸制御により被加工物１１と切削工具４の相対位置の位置制御を行う。また、ロータ８、９の回転により５軸の位置制御を行うこともできる。
【００２１】
１５は、振動加工装置１の駆動軸２ａ、２ｂを駆動して切削工具４に任意の工具軌跡を描かせるための発振装置であり、発振装置１５から発せられる信号は、増幅器１６にて増幅されて任意波形をなす駆動電流として、入力ケーブル１７を介して駆動軸２ａ、２ｂにそれぞれ供給され、振動切削ユニット１を駆動させる。２０は、温度検出装置であり、振動加工装置１の内部に設置した複数の熱電対温度計等の温度センサ２１（図１においては各駆動軸２ａ、２ｂにそれぞれ３個ずつ設けられている）に接続され、温度センサ２１を介して振動切削ユニット１内部の温度を測定し検出する。２４は温度制御装置であり、温度検出装置２０により測定され検出される振動切削ユニット１の内部の温度データに基づいて冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）を制御する。冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）は、振動切削ユニット１の内部を冷却するための冷媒を冷却用配管５１（５１ａ、５１ｂ）を介して振動切削ユニット１に供給して各駆動軸２ａ、２ｂ内を循環させ、振動切削ユニット１および各駆動軸２ａ、２ｂを冷却する作用をし、冷媒の温度や流量は、温度制御装置２４によって、振動切削ユニット１の内部の温度データに基づいて制御調整される。冷却用配管５１（５１ａ、５１ｂ）は、加工装置の内部を通りクロスビーム１４から振動切削ユニット１の駆動軸２ａ、２ｂへそれぞれ接続され、各駆動軸２ａ、２ｂにおいて複数の系統に分岐して設けられている冷媒流路（図４においては、３系統であり、それぞれを５２ａ、５２ｂ、５２ｃとする）にそれぞれ連通されている。
【００２２】
次に、振動切削ユニット１の詳細について以下に説明する。
【００２３】
振動切削ユニット１には、Ｚ軸方向に沿った直動振動を発生するＺ軸方向に延在する駆動軸２ａおよびＸ軸方向に沿った直動振動を発生するＸ軸方向に延在する駆動軸２ｂとが互いに直交して設けられ、これらの駆動軸２ａ、２ｂは、図２に示すように、それぞれ弾性ヒンジ６ａ、６ｂを介して振動伝達機構３に連結され、振動伝達機構３の先端部に工具ホルダ５を介して切削工具４が取り付けられている。直交するＺ軸方向の駆動軸２ａとＸ軸方向の駆動軸２ｂは、発振装置１５からの信号によって、それぞれ、任意の周波数とストロークで駆動され、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の直動振動をそれぞれ発生し、これらの直動振動は、弾性ヒンジ６ａ、６ｂを介して振動伝達機構３に伝達合成され、振動伝達機構３の先端部に取り付けられている切削工具４をＸ−Ｚ平面内で楕円軌跡（円を含む）を描くように振動させ、この楕円振動を伴って切削加工を行うように構成されている。ここで、位置検出手段である変位センサ２３ａは、駆動軸２ａの中心軸と切削工具４の先端部と変位センサ２３ａの中心軸とが同一直線上に配置されるように、第二の支持体、すなわちセンサ支持体であるセンサホルダ２６を介して、第一の支持体、すなわち工具支持体である振動伝達機構３の空隙部分３ａに配置されている。同様に、変位センサ２３ｂは後述する振動切削ユニットの基準位置Ｏに対する切削工具４の位置変動を検出できるようにハウジング４０に取り付けられている。このように構成した振動切削ユニット１においては、駆動軸２ａの中心軸と切削工具４の先端部と変位センサ２３ａの中心軸とが同一直線上に配置されていることにより、切削工具４のＺ軸方向の位置変動を高精度に検出できる。
【００２４】
図３は図２のＡ矢視方向の断面図であり、以下に本発明の加工装置における切削工具の位置変動の検出について説明する。なお、以下に記す切削工具４の位置変動検出機構の説明は加工精度に影響の大きいＺ軸方向を対象としている。また、Ｘ軸方向についても同様の機構を有しているが、センサ２３ｂが工具軌跡の中心軸上にないため、てこの拡大率を考慮する必要がある。
【００２５】
本実施例における形態の振動切削ユニット１において、振動手段としてのアクチュエータ３０の駆動条件は、駆動周波数５００Ｈｚ、駆動ストローク±１０μｍである。アクチュエータ３０を必要条件で駆動させるためには数十Ｗの電力を要するが、アクチュエータ３０の熱容量は小さく発熱が顕著である。そのため、アクチュエータ３０および駆動ロッド３１は、アクチュエータ３０の駆動による発熱による影響を受けやすく、装置ハウジング部４０に比べ発熱による熱変位が大きい。このため、後述する駆動軸２ａの冷却によって取り除ききれない切削工具４の１μｍ程度のごくわずかな熱変位も形状精度１５０ｎｍの高精度加工を行うには大きな問題となる。また、冷却制御を開始してから温度が安定するまでの暖機時間は生産性の悪化を招き、暖機時間をなくすか、もしくは短くすることが求められている。
【００２６】
こうした問題を解決するためには、熱変位により変動する切削工具４の先端位置を測定、管理することが望ましいが、振動している鋭利な切削工具４の先端位置を直接測定することは非常に困難である。そこで、本実施例では振動切削ユニット１の基準位置Ｏに対する切削工具４の先端位置までの距離Ｌの位置変動ΔＬを検出するにあたり、測定ターゲット２７と切削工具４の先端位置の距離Ｌ２は熱変位の影響を受けない構造とし、変位センサ２３ａと工具ホルダ５とのギャップＣの変動≒ΔＬとして測定した。位置変動を測定する変位センサ２３ａには非接触で高分解能をもつ静電容量式センサを用いた。
【００２７】
上述したように、センサホルダ２６に取り付けられたセンサ２３ａは、駆動軸２ａの中心軸と切削工具４の先端部と変位センサ２３ａの中心軸とが同一直線上に配置されるよう、振動伝達機構３の空隙部分３ａに配置され、センサホルダ２６は振動切削ユニット１のハウジング４０に固定される。また、センサ２３ａおよびセンサホルダ２６は振動伝達機構３および工具ホルダ５には非接触であり、切削工具４の運動を妨げない構造になっている。なお、センサホルダ２６、装置ハウジング４０ともに低熱膨張材を使用している。
【００２８】
基準位置Ｏから位置検出手段であるセンサ２３ａの取り付け基準までの距離をＬ１とし、熱変位によるＬ１の位置変動をＬｅとするとき、ハウジング４０およびセンサホルダ２６は低熱膨張材から成り、後述の冷却制御により温度変化は±０．１℃に抑えられているため、Ｌｅは±２０ｎｍ程度に抑えられている。したがって、振動切削ユニットの基準位置Ｏに対するセンサホルダ２６の取り付け基準位置の位置変動は目標精度に対して十分無視し得る程度であり、ギャップＣの変動を測定することにより、基準位置Ｏに対する切削工具４の先端位置の位置変動ΔＴを知ることが出来る。
【００２９】
次に、振動切削ユニット１の駆動軸２（２ａ、２ｂ）について、図４を参照して説明する。なお、Ｚ軸方向の駆動軸２ａを例にとって説明するが、Ｘ軸方向の駆動軸２ｂも同様の構造を有している。
【００３０】
振動の駆動源としての磁歪素子からなるアクチュエータ３０は、駆動軸ハウジング３２に取り付けられている高い熱伝導性をもつ固定部材３３により保持され、アクチュエータ３０に接続された駆動ロッド３１は、Ｚ軸方向に移動しうるように固定部材３３や駆動軸ハウジング３２を貫通して下方に延び、摩擦による影響がないように弾性ヒンジからなる駆動ロッドガイド３４によりガイドされている。また、アクチュエータ３０と固定部材３３の間には熱伝導シート５３を挿入して、アクチュエータ３０と固定部材３３間に隙間がないようにする。駆動軸ハウジング３２には、アクチュエータ３０および固定部材３３を包囲するように３系統の冷媒流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃがそれぞれ独立して形成され、冷媒流路５２ａと５２ｂはそれぞれ駆動軸ハウジング３２のＺ軸方向の上部および固定部材の側部に配設され、冷媒流路５２ｂは固定部材３３の下側部を取り巻くように配設されている。これらの冷媒流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、それぞれ必要な冷却の程度に応じて別個に冷却用冷媒の流量を変化させて循環できるように構成され、冷媒流路毎に適宜の冷却を行うことができる。
【００３１】
また、熱電対温度計等の温度センサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱の程度がアクチュエータ３０の部位によって異なるために、駆動軸２ａにおいてアクチュエータ３０の上下の部位および側部の部位の３箇所の温度を測定しうるように、固定部材３２のそれぞれの部位に配置されている。これらの温度センサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃによってそれぞれの部位の温度を測定して温度検出装置２０により検出される温度情報は、制御装置２４へ送られる。
【００３２】
駆動軸ハウジング３２は、振動伝達機構３や工具ホルダ５などとともに主構造体を構成し、これらは低熱膨張材で形成して、アクチュエータ３０の発熱の影響を小さくしている。
【００３３】
本実施例で用いたアクチュエータ３０は、磁歪素子を利用したものであり、発振装置１５および増幅器１６から発生された任意波形をもつ電流により駆動される。なお、アクチュエータとしては、磁歪素子以外にも圧電素子等の他のいわゆる機能性固体素子を用いることもでき、さらに、電磁力を用いたもの等も用いることもできる。
【００３４】
次に、図５により、切削工具４の先端位置の変動および制御の手順について説明する。
【００３５】
まず、振動切削ユニット１を駆動させ、切削工具先端軌跡（リサージュ）のＸ、Ｚ軸方向のピーク位置がＰｘ、Ｐｚにある任意の時刻（例えば、制御開始時）の変位センサ２３ａ、２３ｂの読みとり値を基準値として設定する。なお、ピーク位置として各ピーク位置Ｐｘ、Ｐｚの反対方向のピーク位置Ｐｘｂ、Ｐｚｂを基準位置として用いることも出来るが、Ｐｘ、Ｐｚを用いた方がより高精度に切削工具先端位置の検出することが出来る。
【００３６】
これは、実際にアクチュエータの動きのなかで，その軌跡がワークに転写されるのはアクチュエータが一番伸びたＰｘ、Ｐｚの所であるので、そこをセンシングする方がより精度が高いためである。すなわち、振動発生源であるアクチュエータは、１０ｎｍ程度での先端位置再現性（一番伸びたところの位置）があるが、長時間では温度ドリフト等によりごくわずかに波形が変動しており、アクチュエータが一番伸びた位置の変動と一番縮んだ位置（Ｐｘｂ、Ｐｚｂ）での変動は完全に一致するものではないからである。
【００３７】
次に、被加工物１１に対する切り込み量をｔ、送り量をｍとし、以後ある時間が経過した後、熱変位によって工具先端軌跡の頂点位置に変動が生じ、装置基準位置に対するＸ、Ｚ方向の頂点位置がＰｘ２、Ｐｚ２に変位すると、実際の切り込み量はｔ＋Ｚｅ、送り量はｍ＋Ｘｅとなり加工精度に悪影響を与えることとなる。そこで、センサの基準値を設定した瞬間から随時頂点位置にＺｅの変動が生じた場合には振動切削ユニット１が設置してあるクロスビームを−Ｚｅだけ移動させ、Ｘｅの変動が生じた場合には被加工物が設置してあるＸＹテーブルを−Ｘｅだけ移動させる。このように、頂点位置の変動に対し常に振動切削ユニット１および被加工物１１を工具先端軌跡の頂点位置の変位と反対方向にＮＣ指令値をオフセットさせるフィードバック制御を行うことにより熱変動による加工精度の悪化を大幅に低減させることが出来る。
【００３８】
なお、被加工物と切削工具とのあたり点を出した時に工具先端軌跡の頂点位置の基準値設定を行えば切り込み量を正確に管理することが出来る。
【００３９】
以上のように構成される振動切削加工装置において、被加工物の加工に際して、被加工物１１はワークテーブル１２にセットされてＸＹテーブル１０によりＸＹ軸方向に移動され、振動切削ユニット１はクロスビーム１４によりＺ軸方向に上下動され、被加工物１１と切削工具４は３軸制御により位置制御が行われる。振動切削ユニット１の駆動軸２ａ、２ｂの内部にそれぞれ設けられているアクチュエータ３０は、発振装置１５および増幅器１６から発生された任意波形をもつ電流により駆動され、駆動軸２ａ、２ｂは、それぞれ、所定の周波数とストロークで駆動され、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の直動振動をそれぞれ発生する。これらの直動振動は、駆動ロッド３１および弾性ヒンジ６ａ、６ｂを介して振動伝達機構３に伝達され、振動伝達機構３の先端部に取り付けられている切削工具４をＸ−Ｚ平面内で楕円軌跡を描くように振動させ、この楕円振動により切削加工を行う。
【００４０】
このような切削加工に際して、アクチュエータ３０を備える駆動軸２ａ、２ｂが冷却されない場合には、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱により短時間で数十℃も温度上昇する。この温度上昇によって振動切削ユニット１の熱膨張により、切削工具４の刃先位置は熱変位により数十μｍも変位することとなり、高精度の切削加工を行うことができなくなってしまう。また、発熱が大きすぎると、振動切削加工装置の構造が許容する変位量を超え、装置構造を破損する恐れもある。
【００４１】
そこで、このようなアクチュエータ３０の駆動に伴う発熱による切削工具４の刃先位置の熱変位を抑制し低減するためにアクチュエータ３０の駆動による発熱を冷却することを必要とする。さらに、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱の程度はアクチュエータ３０の部位によって異なるために、駆動軸２ａ、２ｂにおいてそれぞれ温度センサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃが設置された３箇所の部位の温度を温度検出装置２０により測定検出し、その検出された温度情報を受けた制御装置２４は、その温度情報に基づいて、冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）を制御し、それぞれ独立した冷媒流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃを用いて必要な冷却の程度に見合った冷却用冷媒の流量に調整し、各冷媒流路毎に所要流量の冷媒を流して、各部位の冷却を行う。このように、温度センサー２１および温度検出装置２０により、振動切削ユニット１内の温度を測定し検出して、その温度情報を制御装置２４により冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）にフィードバックして冷却用冷媒の温度や流量を制御調整して振動切削ユニット１内を冷却する。このようにして、温度の上昇を抑制し、さらには温度分布をなくして、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱によって生じる切削工具４の刃先位置の熱変位を抑制あるいは低減させることができ、熱変位に伴う加工精度の劣化を低減できる。
【００４２】
また、上述した実施例では、温度検出装置２０および制御装置２４により、振動切削ユニット１内の温度を測定しその温度情報をフィードバックして冷却を行っているが、予め温度変化の履歴が明らかになっている駆動条件と同一の条件で振動切削ユニット１を駆動させる場合、適切な冷却条件を見つけておくことにより、温度測定およびフィードバックによる温度制御を行わずに、一定の条件で冷却することも可能である。また、温度センサの設置数も必要に応じて、任意の数に設定することができる。
【００４３】
その他の実施形態として、振動切削ユニットを乗せる装置の形態によっては、たとえばワークテーブルがＸ−ＹおよびＺ軸方向に移動できる形態の装置であれば、振動切削ユニットの位置は変化させず被加工物のみを移動させて同様の効果を得ることも出来る。また、振動切削ユニットも被加工物も移動させず、切削工具の刃先位置を一定に保持する方法を図６に示す。なお、簡単のため背分力方向一軸での場合を説明する。図６ａ、ｂは振動する切削工具の変位を縦軸に、経過時間を横軸にとったグラフである。ａ、ｂともに工具位置に熱変位が生じたときの波形を波線で示し、補正後の波形を実線で示している。ａは、位置調整方法として、切削工具の振動振幅を変化させる方法で、例では補正すべき変位量を切削工具の振幅を小さくすることにより切削工具の刃先位置を制御している。ｂは、工具振動の振動振幅は変えずに指令値にオフセットを持たせることにより刃先位置を制御している。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加工装置によれば、切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出手段と、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を調整する位置調整手段と、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するように前記位置調整手段を制御する制御手段とを備えることにより、切削工具の刃先位置の変動を検出および制御し、切削工具の熱変位による加工誤差を抑制あるいは低減することが可能となる。
【００４５】
また、前記振動手段と前記切削工具とを接続する工具支持体と、前記工具支持体に対して非接触状態で前記位置検出手段が取り付けられたセンサー支持体とをさらに備えることにより、熱変位による影響を受けることなく切削工具の刃先位置の変動を検出することができる。
【００４６】
さらに、前記振動手段は、第一の方向の直動振動を発生させる第一のアクチュエータと、前記第一の方向と異なる第二の方向の直動振動を発生させる第二のアクチュエータとを備えることにより、前記切削工具の振動は、２次元の任意の振動軌跡を合成することができる。
【００４７】
さらに、前記工具支持体は、前記位置検出手段が位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出手段とがほぼ一直線上に配置されていることにより、高精度に位置変動を検出することができる。
【００４８】
さらに、前記振動手段の温度を検出する手段および前記振動手段を冷却する手段をさらに備えることにより、切削工具の熱変位を低減することができる。
【００４９】
さらに、前記位置調整手段は、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記振動手段による前記切削工具の振動振幅を変化させることにより、振動切削ユニットや被加工物を移動させることなく、切削工具の刃先位置を所定の位置に保持することができる。
【００５０】
本発明の変位検出ユニットは、切削工具が取り付けられる第一の支持体と、位置検出センサが前記第一の支持体に対して非接触状態で取り付けられた第二の支持体とを備えることにより、熱変位による影響を受けることなく切削工具の刃先位置の変動を検出することができる。
【００５１】
また、前記第一の支持体は、前記位置検出センサが位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出センサとがほぼ一直線上に配置されているので、高精度に位置変動を検出することができる。
【００５２】
本発明の加工方法は、被加工物を切削する切削工具に振動を加える振動付与ステップと、前記振動付与ステップ中に、前記切削工具の位置を検出する位置検出ステップと、前記位置検出ステップの検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するステップとを備えることにより、切削工具の刃先位置の変動を検出および制御し、切削工具の熱変位による加工誤差を抑制あるいは低減することが可能となる。
【００５３】
また、前記位置検出ステップは、前記切削工具の所定の振動振幅のピークを基準値とし、その後の前記振動付与ステップにおける前記切削工具の振動振幅のピークと前記基準値との差を測定することにより、前記切削工具の位置変動を検出することにより、より簡易で高精度な位置変動の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工装置の構成を示す概略図である。
【図２】駆動軸部の詳細を示す図である。
【図３】図２のＡ矢視方向の断面図である。
【図４】駆動軸内の冷媒流路を示す図である。
【図５】切削工具の先端位置の変動および制御について説明する図である。
【図６】切削工具の変位と経過時間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 振動切削ユニット
２ａ Ｚ軸方向の駆動軸
２ｂ Ｘ軸方向の駆動軸
３ 振動伝達機構
３ａ 空隙部分
４ 切削工具
５ 工具ホルダ
６ａ、６ｂ 弾性ヒンジ
８ ロータ（Ｚ軸まわり）
９ ロータ（Ｘ軸まわり）
１０ ＸＹテーブル
１１ 被加工物
１２ ワークテーブル
１３ 門型コラム
１４ クロスビーム
１５ 発振装置
１６ 増幅器
１７ 入力ケーブル
２０ 温度検出装置
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 温度センサ
２２ 変位検出装置
２３ａ、２３ｂ 変位センサ
２４ 温度制御装置
２５ 変位制御装置
２６ センサホルダ
２７ 測定ターゲット
２８ ＮＣ制御装置
３０ アクチュエータ
３１ 駆動ロッド
３２ 駆動軸ハウジング
３３ 固定部材
３４ 駆動ロッドガイド
４０ ハウジング
５０ａ、５０ｂ 冷却装置
５１ａ、５１ｂ 冷却用配管
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 冷却流路
５３ 熱伝導シート
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工装置および加工方法に関し、さらに詳しくは切削工具に超音波振動等によって楕円振動を付与する振動切削装置および振動切削方法およびこれに用いる変位検出ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子、磁歪素子などのアクチュエータによって切削工具に超音波振動等によって楕円振動を付与する振動切削装置および振動切削方法においては、難削材の加工を可能にし、また、刃物が断続的にワークを加工するため、切削工具であるバイトの寿命の向上を図ることができる。
【０００３】
ここで、従来用いられている振動切削装置および方法においては、ワークの切取り動作の際、補助として刃物に振動が付与される。さらに、振動は工具およびその支持体を共に振動させて、高周波の振動が付与される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、振動切削装置における駆動軸は、アクチュエータを数１００Ｈｚ以上の周波数で振動させるために、アクチュエータからの発熱および摺動部での発熱が大きくなる。こうした発熱は、切削工具の先端位置に熱変位を生じさせ、加工精度の劣化を招くという問題を生じさせる。
【０００５】
振動切削装置が用いられる光学素子部品の金型加工に代表されるようなサブミクロン単位での高精度加工においては、ごくわずかな熱変位が加工精度に悪影響を及ぼす。また、振動切削装置を駆動させてから温度が安定するまでの暖機時間は生産性の悪化を招いている。さらに、発熱が大きすぎると、振動切削装置の構造が許容する変位量を超え、装置構造を破損する恐れもある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、前述した従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、切削工具の刃先位置の熱変位による加工誤差を抑制あるいは低減し、加工精度と生産性を向上させることができる加工装置および加工方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の加工装置は、切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出手段と、前記切削工具と被加工物との相対位置を調整する位置調整手段と、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するように前記位置調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記振動手段と前記切削工具とを接続する工具支持体と、前記工具支持体に対して非接触状態で前記位置検出手段が取り付けられたセンサー支持体とをさらに備えてもよい。
【０００９】
さらに、前記振動手段は、第一の方向の直動振動を発生させる第一のアクチュエータと、前記第一の方向と異なる第二の方向の直動振動を発生させる第二のアクチュエータとを備え、前記切削工具の振動は、前記第一の方向の直動振動と前記第二の方向の直動振動とが合成されたものであってもよい。
【００１０】
さらにまた、前記工具支持体は、前記位置検出手段が位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出手段とがほぼ一直線上に配置されていてもよい。
【００１１】
さらにまた、前記振動手段の温度を検出する手段および前記振動手段を冷却する手段をさらに備えることができる。
【００１２】
さらにまた、前記位置調整手段は、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記振動手段による前記切削工具の振動振幅を変化させることができる。
【００１３】
ここで、前記振動手段は、磁歪素子や圧電素子等の機能性固体素子をアクチュエータとして用いることができる。
【００１４】
本発明の変位検出ユニットは、切削工具が取り付けられる第一の支持体と、前第一の支持体が取り付けられて前記切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出センサと、前記位置検出センサが前記第一の支持体に対して非接触であるように前記位置検出センサが取り付けられた第二の支持体とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第一の支持体は、前記位置検出センサが位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出センサとがほぼ一直線上に配置することができる。
【００１６】
本発明の加工方法は、被加工物を切削する切削工具に振動を加える振動付与ステップと、前記振動付与ステップ中に、前記切削工具の位置を検出する位置検出ステップと、前記位置検出ステップの検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するステップとを備えることを特徴とする。
【００１７】
また、前記位置検出ステップは、前記切削工具の所定の振動振幅のピークを基準値とし、その後の前記振動付与ステップにおける前記切削工具の振動振幅のピークと前記基準値との差を測定することにより、前記切削工具の位置変動を検出することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の加工装置の構成を示す概略図であり、自由曲面加工で、１５０ｎｍ以下の形状精度と、５０ｎｍＲｚ（最大高さ）以下の表面粗さを得ようとするものであって、振動切削ユニット１および被加工物１１は、ＮＣ制御で２０ｎｍの精密位置決めを行うことが出来る精密位置決め装置上に設置されている。１０は、位置調整手段としてのＸＹテーブルであり、ＸＹテーブル１０に配設されたＺ軸回りに回転するロータ８に被加工物１１を保持するワークテーブル１２が設置されている。ワーク１１は、ワークテーブル１２上に保持され、ＸＹ方向に移動およびＺ軸回りに回転可能である。また、ＸＹテーブル１０の上方には、門型コラム１３に沿ってＺ軸方向に移動可能な位置調整手段であるクロスビーム１４が配設され、このクロスビーム１４にはＹ軸回りに回転するロータ９が配設されており、ロータ９には下部に切削工具（バイト）４を備えた振動切削ユニット１が取り付けられている。振動切削ユニット１はＺ軸方向に上下動およびＹ軸まわりに回転し得るように構成されている。なお、ロータ８、９は割り出しおよび高速回転動作を行うことが出来る。振動切削ユニット１には、Ｚ軸方向に沿った直動振動を発生するＺ軸方向に延在する駆動軸２ａとＸ軸方向に沿った直動振動を発生するＸ軸方向に延在する駆動軸２ｂとが互いに直交して設けられている。
【００２０】
この構成により、被加工物１１の加工時には、ＸＹテーブル１０により被加工物１１をＸＹ方向に移動させ、クロスビーム１４により振動切削ユニット１をＺ軸方向に上下に移動させることによって、３軸制御により被加工物１１と切削工具４の相対位置の位置制御を行う。また、ロータ８、９の回転により５軸の位置制御を行うこともできる。
【００２１】
１５は、振動加工装置１の駆動軸２ａ、２ｂを駆動して切削工具４に任意の工具軌跡を描かせるための発振装置であり、発振装置１５から発せられる信号は、増幅器１６にて増幅されて任意波形をなす駆動電流として、入力ケーブル１７を介して駆動軸２ａ、２ｂにそれぞれ供給され、振動切削ユニット１を駆動させる。２０は、温度検出装置であり、振動加工装置１の内部に設置した複数の熱電対温度計等の温度センサ２１（図１においては各駆動軸２ａ、２ｂにそれぞれ３個ずつ設けられている）に接続され、温度センサ２１を介して振動切削ユニット１内部の温度を測定し検出する。２４は温度制御装置であり、温度検出装置２０により測定され検出される振動切削ユニット１の内部の温度データに基づいて冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）を制御する。冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）は、振動切削ユニット１の内部を冷却するための冷媒を冷却用配管５１（５１ａ、５１ｂ）を介して振動切削ユニット１に供給して各駆動軸２ａ、２ｂ内を循環させ、振動切削ユニット１および各駆動軸２ａ、２ｂを冷却する作用をし、冷媒の温度や流量は、温度制御装置２４によって、振動切削ユニット１の内部の温度データに基づいて制御調整される。冷却用配管５１（５１ａ、５１ｂ）は、加工装置の内部を通りクロスビーム１４から振動切削ユニット１の駆動軸２ａ、２ｂへそれぞれ接続され、各駆動軸２ａ、２ｂにおいて複数の系統に分岐して設けられている冷媒流路（図４においては、３系統であり、それぞれを５２ａ、５２ｂ、５２ｃとする）にそれぞれ連通されている。
【００２２】
次に、振動切削ユニット１の詳細について以下に説明する。
【００２３】
振動切削ユニット１には、Ｚ軸方向に沿った直動振動を発生するＺ軸方向に延在する駆動軸２ａおよびＸ軸方向に沿った直動振動を発生するＸ軸方向に延在する駆動軸２ｂとが互いに直交して設けられ、これらの駆動軸２ａ、２ｂは、図２に示すように、それぞれ弾性ヒンジ６ａ、６ｂを介して振動伝達機構３に連結され、振動伝達機構３の先端部に工具ホルダ５を介して切削工具４が取り付けられている。直交するＺ軸方向の駆動軸２ａとＸ軸方向の駆動軸２ｂは、発振装置１５からの信号によって、それぞれ、任意の周波数とストロークで駆動され、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の直動振動をそれぞれ発生し、これらの直動振動は、弾性ヒンジ６ａ、６ｂを介して振動伝達機構３に伝達合成され、振動伝達機構３の先端部に取り付けられている切削工具４をＸ−Ｚ平面内で楕円軌跡（円を含む）を描くように振動させ、この楕円振動を伴って切削加工を行うように構成されている。ここで、位置検出手段である変位センサ２３ａは、駆動軸２ａの中心軸と切削工具４の先端部と変位センサ２３ａの中心軸とが同一直線上に配置されるように、第二の支持体、すなわちセンサ支持体であるセンサホルダ２６を介して、第一の支持体、すなわち工具支持体である振動伝達機構３の空隙部分３ａに配置されている。同様に、変位センサ２３ｂは後述する振動切削ユニットの基準位置Ｏに対する切削工具４の位置変動を検出できるようにハウジング４０に取り付けられている。このように構成した振動切削ユニット１においては、駆動軸２ａの中心軸と切削工具４の先端部と変位センサ２３ａの中心軸とが同一直線上に配置されていることにより、切削工具４のＺ軸方向の位置変動を高精度に検出できる。
【００２４】
図３は図２のＡ矢視方向の断面図であり、以下に本発明の加工装置における切削工具の位置変動の検出について説明する。なお、以下に記す切削工具４の位置変動検出機構の説明は加工精度に影響の大きいＺ軸方向を対象としている。また、Ｘ軸方向についても同様の機構を有しているが、センサ２３ｂが工具軌跡の中心軸上にないため、てこの拡大率を考慮する必要がある。
【００２５】
本実施例における形態の振動切削ユニット１において、振動手段としてのアクチュエータ３０の駆動条件は、駆動周波数５００Ｈｚ、駆動ストローク±１０μｍである。アクチュエータ３０を必要条件で駆動させるためには数十Ｗの電力を要するが、アクチュエータ３０の熱容量は小さく発熱が顕著である。そのため、アクチュエータ３０および駆動ロッド３１は、アクチュエータ３０の駆動による発熱による影響を受けやすく、装置ハウジング部４０に比べ発熱による熱変位が大きい。このため、後述する駆動軸２ａの冷却によって取り除ききれない切削工具４の１μｍ程度のごくわずかな熱変位も形状精度１５０ｎｍの高精度加工を行うには大きな問題となる。また、冷却制御を開始してから温度が安定するまでの暖機時間は生産性の悪化を招き、暖機時間をなくすか、もしくは短くすることが求められている。
【００２６】
こうした問題を解決するためには、熱変位により変動する切削工具４の先端位置を測定、管理することが望ましいが、振動している鋭利な切削工具４の先端位置を直接測定することは非常に困難である。そこで、本実施例では振動切削ユニット１の基準位置Ｏに対する切削工具４の先端位置までの距離Ｌの位置変動ΔＬを検出するにあたり、測定ターゲット２７と切削工具４の先端位置の距離Ｌ２は熱変位の影響を受けない構造とし、変位センサ２３ａと工具ホルダ５とのギャップＣの変動≒ΔＬとして測定した。位置変動を測定する変位センサ２３ａには非接触で高分解能をもつ静電容量式センサを用いた。
【００２７】
上述したように、センサホルダ２６に取り付けられたセンサ２３ａは、駆動軸２ａの中心軸と切削工具４の先端部と変位センサ２３ａの中心軸とが同一直線上に配置されるよう、振動伝達機構３の空隙部分３ａに配置され、センサホルダ２６は振動切削ユニット１のハウジング４０に固定される。また、センサ２３ａおよびセンサホルダ２６は振動伝達機構３および工具ホルダ５には非接触であり、切削工具４の運動を妨げない構造になっている。なお、センサホルダ２６、装置ハウジング４０ともに低熱膨張材を使用している。
【００２８】
基準位置Ｏから位置検出手段であるセンサ２３ａの取り付け基準までの距離をＬ１とし、熱変位によるＬ１の位置変動をＬｅとするとき、ハウジング４０およびセンサホルダ２６は低熱膨張材から成り、後述の冷却制御により温度変化は±０．１℃に抑えられているため、Ｌｅは±２０ｎｍ程度に抑えられている。したがって、振動切削ユニットの基準位置Ｏに対するセンサホルダ２６の取り付け基準位置の位置変動は目標精度に対して十分無視し得る程度であり、ギャップＣの変動を測定することにより、基準位置Ｏに対する切削工具４の先端位置の位置変動ΔＴを知ることが出来る。
【００２９】
次に、振動切削ユニット１の駆動軸２（２ａ、２ｂ）について、図４を参照して説明する。なお、Ｚ軸方向の駆動軸２ａを例にとって説明するが、Ｘ軸方向の駆動軸２ｂも同様の構造を有している。
【００３０】
振動の駆動源としての磁歪素子からなるアクチュエータ３０は、駆動軸ハウジング３２に取り付けられている高い熱伝導性をもつ固定部材３３により保持され、アクチュエータ３０に接続された駆動ロッド３１は、Ｚ軸方向に移動しうるように固定部材３３や駆動軸ハウジング３２を貫通して下方に延び、摩擦による影響がないように弾性ヒンジからなる駆動ロッドガイド３４によりガイドされている。また、アクチュエータ３０と固定部材３３の間には熱伝導シート５３を挿入して、アクチュエータ３０と固定部材３３間に隙間がないようにする。駆動軸ハウジング３２には、アクチュエータ３０および固定部材３３を包囲するように３系統の冷媒流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃがそれぞれ独立して形成され、冷媒流路５２ａと５２ｂはそれぞれ駆動軸ハウジング３２のＺ軸方向の上部および固定部材の側部に配設され、冷媒流路５２ｂは固定部材３３の下側部を取り巻くように配設されている。これらの冷媒流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、それぞれ必要な冷却の程度に応じて別個に冷却用冷媒の流量を変化させて循環できるように構成され、冷媒流路毎に適宜の冷却を行うことができる。
【００３１】
また、熱電対温度計等の温度センサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱の程度がアクチュエータ３０の部位によって異なるために、駆動軸２ａにおいてアクチュエータ３０の上下の部位および側部の部位の３箇所の温度を測定しうるように、固定部材３２のそれぞれの部位に配置されている。これらの温度センサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃによってそれぞれの部位の温度を測定して温度検出装置２０により検出される温度情報は、制御装置２４へ送られる。
【００３２】
駆動軸ハウジング３２は、振動伝達機構３や工具ホルダ５などとともに主構造体を構成し、これらは低熱膨張材で形成して、アクチュエータ３０の発熱の影響を小さくしている。
【００３３】
本実施例で用いたアクチュエータ３０は、磁歪素子を利用したものであり、発振装置１５および増幅器１６から発生された任意波形をもつ電流により駆動される。なお、アクチュエータとしては、磁歪素子以外にも圧電素子等の他のいわゆる機能性固体素子を用いることもでき、さらに、電磁力を用いたもの等も用いることもできる。
【００３４】
次に、図５により、切削工具４の先端位置の変動および制御の手順について説明する。
【００３５】
まず、振動切削ユニット１を駆動させ、切削工具先端軌跡（リサージュ）のＸ、Ｚ軸方向のピーク位置がＰｘ、Ｐｚにある任意の時刻（例えば、制御開始時）の変位センサ２３ａ、２３ｂの読みとり値を基準値として設定する。なお、ピーク位置として各ピーク位置Ｐｘ、Ｐｚの反対方向のピーク位置Ｐｘｂ、Ｐｚｂを基準位置として用いることも出来るが、Ｐｘ、Ｐｚを用いた方がより高精度に切削工具先端位置の検出することが出来る。
【００３６】
これは、実際にアクチュエータの動きのなかで，その軌跡がワークに転写されるのはアクチュエータが一番伸びたＰｘ、Ｐｚの所であるので、そこをセンシングする方がより精度が高いためである。すなわち、振動発生源であるアクチュエータは、１０ｎｍ程度での先端位置再現性（一番伸びたところの位置）があるが、長時間では温度ドリフト等によりごくわずかに波形が変動しており、アクチュエータが一番伸びた位置の変動と一番縮んだ位置（Ｐｘｂ、Ｐｚｂ）での変動は完全に一致するものではないからである。
【００３７】
次に、被加工物１１に対する切り込み量をｔ、送り量をｍとし、以後ある時間が経過した後、熱変位によって工具先端軌跡の頂点位置に変動が生じ、装置基準位置に対するＸ、Ｚ方向の頂点位置がＰｘ２、Ｐｚ２に変位すると、実際の切り込み量はｔ＋Ｚｅ、送り量はｍ＋Ｘｅとなり加工精度に悪影響を与えることとなる。そこで、センサの基準値を設定した瞬間から随時頂点位置にＺｅの変動が生じた場合には振動切削ユニット１が設置してあるクロスビームを−Ｚｅだけ移動させ、Ｘｅの変動が生じた場合には被加工物が設置してあるＸＹテーブルを−Ｘｅだけ移動させる。このように、頂点位置の変動に対し常に振動切削ユニット１および被加工物１１を工具先端軌跡の頂点位置の変位と反対方向にＮＣ指令値をオフセットさせるフィードバック制御を行うことにより熱変動による加工精度の悪化を大幅に低減させることが出来る。
【００３８】
なお、被加工物と切削工具とのあたり点を出した時に工具先端軌跡の頂点位置の基準値設定を行えば切り込み量を正確に管理することが出来る。
【００３９】
以上のように構成される振動切削加工装置において、被加工物の加工に際して、被加工物１１はワークテーブル１２にセットされてＸＹテーブル１０によりＸＹ軸方向に移動され、振動切削ユニット１はクロスビーム１４によりＺ軸方向に上下動され、被加工物１１と切削工具４は３軸制御により位置制御が行われる。振動切削ユニット１の駆動軸２ａ、２ｂの内部にそれぞれ設けられているアクチュエータ３０は、発振装置１５および増幅器１６から発生された任意波形をもつ電流により駆動され、駆動軸２ａ、２ｂは、それぞれ、所定の周波数とストロークで駆動され、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の直動振動をそれぞれ発生する。これらの直動振動は、駆動ロッド３１および弾性ヒンジ６ａ、６ｂを介して振動伝達機構３に伝達され、振動伝達機構３の先端部に取り付けられている切削工具４をＸ−Ｚ平面内で楕円軌跡を描くように振動させ、この楕円振動により切削加工を行う。
【００４０】
このような切削加工に際して、アクチュエータ３０を備える駆動軸２ａ、２ｂが冷却されない場合には、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱により短時間で数十℃も温度上昇する。この温度上昇によって振動切削ユニット１の熱膨張により、切削工具４の刃先位置は熱変位により数十μｍも変位することとなり、高精度の切削加工を行うことができなくなってしまう。また、発熱が大きすぎると、振動切削加工装置の構造が許容する変位量を超え、装置構造を破損する恐れもある。
【００４１】
そこで、このようなアクチュエータ３０の駆動に伴う発熱による切削工具４の刃先位置の熱変位を抑制し低減するためにアクチュエータ３０の駆動による発熱を冷却することを必要とする。さらに、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱の程度はアクチュエータ３０の部位によって異なるために、駆動軸２ａ、２ｂにおいてそれぞれ温度センサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃが設置された３箇所の部位の温度を温度検出装置２０により測定検出し、その検出された温度情報を受けた制御装置２４は、その温度情報に基づいて、冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）を制御し、それぞれ独立した冷媒流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃを用いて必要な冷却の程度に見合った冷却用冷媒の流量に調整し、各冷媒流路毎に所要流量の冷媒を流して、各部位の冷却を行う。このように、温度センサー２１および温度検出装置２０により、振動切削ユニット１内の温度を測定し検出して、その温度情報を制御装置２４により冷却装置５０（５０ａ、５０ｂ）にフィードバックして冷却用冷媒の温度や流量を制御調整して振動切削ユニット１内を冷却する。このようにして、温度の上昇を抑制し、さらには温度分布をなくして、アクチュエータ３０の駆動に伴う発熱によって生じる切削工具４の刃先位置の熱変位を抑制あるいは低減させることができ、熱変位に伴う加工精度の劣化を低減できる。
【００４２】
また、上述した実施例では、温度検出装置２０および制御装置２４により、振動切削ユニット１内の温度を測定しその温度情報をフィードバックして冷却を行っているが、予め温度変化の履歴が明らかになっている駆動条件と同一の条件で振動切削ユニット１を駆動させる場合、適切な冷却条件を見つけておくことにより、温度測定およびフィードバックによる温度制御を行わずに、一定の条件で冷却することも可能である。また、温度センサの設置数も必要に応じて、任意の数に設定することができる。
【００４３】
その他の実施形態として、振動切削ユニットを乗せる装置の形態によっては、たとえばワークテーブルがＸ−ＹおよびＺ軸方向に移動できる形態の装置であれば、振動切削ユニットの位置は変化させず被加工物のみを移動させて同様の効果を得ることも出来る。また、振動切削ユニットも被加工物も移動させず、切削工具の刃先位置を一定に保持する方法を図６に示す。なお、簡単のため背分力方向一軸での場合を説明する。図６ａ、ｂは振動する切削工具の変位を縦軸に、経過時間を横軸にとったグラフである。ａ、ｂともに工具位置に熱変位が生じたときの波形を波線で示し、補正後の波形を実線で示している。ａは、位置調整方法として、切削工具の振動振幅を変化させる方法で、例では補正すべき変位量を切削工具の振幅を小さくすることにより切削工具の刃先位置を制御している。ｂは、工具振動の振動振幅は変えずに指令値にオフセットを持たせることにより刃先位置を制御している。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加工装置によれば、切削工具を振動させる振動手段と、前記切削工具の位置を検出する位置検出手段と、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を調整する位置調整手段と、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するように前記位置調整手段を制御する制御手段とを備えることにより、切削工具の刃先位置の変動を検出および制御し、切削工具の熱変位による加工誤差を抑制あるいは低減することが可能となる。
【００４５】
また、前記振動手段と前記切削工具とを接続する工具支持体と、前記工具支持体に対して非接触状態で前記位置検出手段が取り付けられたセンサー支持体とをさらに備えることにより、熱変位による影響を受けることなく切削工具の刃先位置の変動を検出することができる。
【００４６】
さらに、前記振動手段は、第一の方向の直動振動を発生させる第一のアクチュエータと、前記第一の方向と異なる第二の方向の直動振動を発生させる第二のアクチュエータとを備えることにより、前記切削工具の振動は、２次元の任意の振動軌跡を合成することができる。
【００４７】
さらに、前記工具支持体は、前記位置検出手段が位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出手段とがほぼ一直線上に配置されていることにより、高精度に位置変動を検出することができる。
【００４８】
さらに、前記振動手段の温度を検出する手段および前記振動手段を冷却する手段をさらに備えることにより、切削工具の熱変位を低減することができる。
【００４９】
さらに、前記位置調整手段は、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記振動手段による前記切削工具の振動振幅を変化させることにより、振動切削ユニットや被加工物を移動させることなく、切削工具の刃先位置を所定の位置に保持することができる。
【００５０】
本発明の変位検出ユニットは、切削工具が取り付けられる第一の支持体と、位置検出センサが前記第一の支持体に対して非接触状態で取り付けられた第二の支持体とを備えることにより、熱変位による影響を受けることなく切削工具の刃先位置の変動を検出することができる。
【００５１】
また、前記第一の支持体は、前記位置検出センサが位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出センサとがほぼ一直線上に配置されているので、高精度に位置変動を検出することができる。
【００５２】
本発明の加工方法は、被加工物を切削する切削工具に振動を加える振動付与ステップと、前記振動付与ステップ中に、前記切削工具の位置を検出する位置検出ステップと、前記位置検出ステップの検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するステップとを備えることにより、切削工具の刃先位置の変動を検出および制御し、切削工具の熱変位による加工誤差を抑制あるいは低減することが可能となる。
【００５３】
また、前記位置検出ステップは、前記切削工具の所定の振動振幅のピークを基準値とし、その後の前記振動付与ステップにおける前記切削工具の振動振幅のピークと前記基準値との差を測定することにより、前記切削工具の位置変動を検出することにより、より簡易で高精度な位置変動の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工装置の構成を示す概略図である。
【図２】駆動軸部の詳細を示す図である。
【図３】図２のＡ矢視方向の断面図である。
【図４】駆動軸内の冷媒流路を示す図である。
【図５】切削工具の先端位置の変動および制御について説明する図である。
【図６】切削工具の変位と経過時間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 振動切削ユニット
２ａ Ｚ軸方向の駆動軸
２ｂ Ｘ軸方向の駆動軸
３ 振動伝達機構
３ａ 空隙部分
４ 切削工具
５ 工具ホルダ
６ａ、６ｂ 弾性ヒンジ
８ ロータ（Ｚ軸まわり）
９ ロータ（Ｘ軸まわり）
１０ ＸＹテーブル
１１ 被加工物
１２ ワークテーブル
１３ 門型コラム
１４ クロスビーム
１５ 発振装置
１６ 増幅器
１７ 入力ケーブル
２０ 温度検出装置
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 温度センサ
２２ 変位検出装置
２３ａ、２３ｂ 変位センサ
２４ 温度制御装置
２５ 変位制御装置
２６ センサホルダ
２７ 測定ターゲット
２８ ＮＣ制御装置
３０ アクチュエータ
３１ 駆動ロッド
３２ 駆動軸ハウジング
３３ 固定部材
３４ 駆動ロッドガイド
４０ ハウジング
５０ａ、５０ｂ 冷却装置
５１ａ、５１ｂ 冷却用配管
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 冷却流路
５３ 熱伝導シート
Claims (10)
- 切削工具を振動させる振動手段と、
前記切削工具の位置を検出する位置検出手段と、
前記切削工具と被加工物との相対位置を調整する位置調整手段と、
前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するように前記位置調整手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする加工装置。 - 前記振動手段と前記切削工具とを接続する工具支持体と、
前記工具支持体に対して非接触状態で前記位置検出手段が取り付けられたセンサー支持体と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。 - 前記振動手段は、第一の方向の直動振動を発生させる第一のアクチュエータと、前記第一の方向と異なる第二の方向の直動振動を発生させる第二のアクチュエータとを備え、前記切削工具の振動は、前記第一の方向の直動振動と前記第二の方向の直動振動とが合成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の加工装置。
- 前記工具支持体は、前記位置検出手段が位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出手段とがほぼ一直線上に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の加工装置。
- 前記振動手段の温度を検出する手段および前記振動手段を冷却する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の加工装置。
- 前記位置調整手段は、前記位置検出手段の検出結果に応じて、前記振動手段による前記切削工具の振動振幅を変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の加工装置。
- 切削工具が取り付けられる第一の支持体と、
前記第一の支持体に取り付けられて前記切削工具を振動させる振動手段と、
前記切削工具の位置を検出する位置検出センサと、
前記位置検出センサが前記第一の支持体に対して非接触状態で取り付けられた第二の支持体と
を備えることを特徴とする変位検出ユニット。 - 前記第一の支持体は、前記位置検出センサが位置する空隙部分を有し、前記振動手段と前記切削工具と前記位置検出センサとがほぼ一直線上に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の変位検出ユニット。
- 被加工物を切削する切削工具に振動を加える振動付与ステップと、
前記振動付与ステップ中に、前記切削工具の位置を検出する位置検出ステップと、
前記位置検出ステップの検出結果に応じて、前記切削工具と前記被加工物との相対位置を所定の位置に保持するステップと
を備えることを特徴とする加工方法。 - 前記位置検出ステップは、前記切削工具の所定の振動振幅のピークを基準値とし、その後の前記振動付与ステップにおける前記切削工具の振動振幅のピークと前記基準値との差を測定することにより、前記切削工具の位置変動を検出することを特徴とする請求項９に記載の加工方法。
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