JP2004337995A

JP2004337995A - 補正加工方法及び補正加工装置

Info

Publication number: JP2004337995A
Application number: JP2003134232A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Morii; 高広森井
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】ワークの補正加工を高精度に行う。
【解決手段】ワーク３を工具６によって加工するためワーク３と工具６とをＮＣプログラムに基づいて相対的に移動させる送り機構９ａ、９ｂと、工具６によって加工されたワーク３の表面形状を測定する測定手段８と、測定手段８によって測定されたワーク３表面形状とワーク３の目標形状との形状差を算出し、算出された形状差をキャンセルさせるための形状補正用ＮＣプログラムを作成する作成手段１００と、ワーク３と工具６とを工具６の切り込み方向に相対的に微小移動させる微小送り機構７と、１回目のワーク加工のときには、ＮＣプログラムによって送り機構９ａ、９ｂを制御し、２回目以降の加工のときには、形状補正用ＮＣプログラムによって送り機構９ａ、９ｂを１回目の加工と同じ軌跡を移動するように制御すると共に、微小送り機構７を制御してワーク３と工具６とを工具６の切り込み方向に相対的に微小送りさせる制御手段１００とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークを高精度の形状に加工する補正加工方法及び補正加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークを高精度に加工するため、ワークを加工した後に、ワークの形状を測定し、その結果を基にして補正加工を行うことがなされており、図７は、このような加工を行う従来の装置を示す（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７に示すように、ワーク１０３を把持した状態でスピンドルモータ１０７ｃによって回転するチャック１０２が機械本体１０１上に設けられている。また、機械本体１０１上には、Ｘ−Ｚテーブル１０４がチャック１０２と対向する位置に配置されている。Ｘ−Ｚテーブル１０４は駆動モータ１０７ａ，１０７ｂによってＸ−Ｚ方向への移動が可能となっている。Ｘ−Ｚテーブル１０４上には工具台１０５が設置されており、工具台１０５には工具１０６及び微小変位計１０８が載置されている。
【０００４】
以上のような装置によるワーク１０３の加工は、ある程度の形状精度に予め粗切削されたワーク１０３をチャック１０２に取り付けた後、スピンドルモータ１０７ｃを駆動してワーク１０３を回転させる。また、ＮＣプログラムに基づいてＸ−Ｚテーブル１０４を移動させることにより、ワーク１０３と工具１０６とを相対移動させて工具１０６による仕上げ切削を行う。この第１次仕上げ切削が終了した後、微小変位計１０８による測定を行う。
【０００５】
微小変位計１０８による測定は、第１次仕上げ切削工程の際に工具１０６が通過した軌跡の適切な点に位置させるようにＸ−Ｚテーブル１０４を移動させ、微小変位計１０８を所望の点に位置決めした直後、Ｘ−Ｚテーブル１０４の位置と微小変位計１０８の変位量とを測定することにより行う。この測定を適当な回数だけ繰り返した後、誤差解析を行う。その結果、生じた形状誤差が所望の公差を超えている場合には、その誤差分を排除するように第１次仕上げ切削時の工具軌跡を修正し、その後、第２次仕上げ切削を行う。一方、形状誤差が公差以下の場合には、仕上げ切削を終了する。
【０００６】
図８は、以上の加工をグラフで示すものであり、目標形状が（イ）であり、第１次仕上げ切削後の形状が（ロ）のとき、軌跡（イ）と軌跡（ロ）の差が誤差分となる。この誤差分を目標形状（イ）に加えた軌跡（ハ）を作成し、これを第２次仕上げ切削時の軌跡とする。これにより、実際のワーク形状が目標形状（イ）となる。
【０００７】
【特許文献１】
特公平３−１９０２３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
工作機械の送り機構は、同じ軌跡を繰り返し移動する際の繰り返し位置決め精度、すなわち繰り返しの再現性は高いが、異なる軌跡を移動した場合、双方の軌跡の間に、本来あるべき差分以外に軌跡を新たにしたことによる誤差が含まれるため、その位置精度が繰り返し位置決め精度に比べて低いものとなる。これにより、ワークの形状は所望の形状に対して形状誤差が発生する。
【０００９】
また、形状精度の高い部品を加工する場合、ある仕上げ加工時と次回の仕上げ加工時（補正加工時）の軌跡の差はごく僅かとなるため、微小量を正確に位置制御可能な高い分解能を有した高性能で高価な工作機械を用いる必要がある。このため、廉価な工作機械に加えて高価な工作機械を準備しなければならない問題がある。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、廉価な工作機械を用いた場合においても、ワークに対して高精度な加工を行うことが可能な補正加工方法及び補正加工装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の補正加工方法は、ＮＣプログラムによって制御された送り機構によりワークと工具とを相対的に移動させてワークを加工する第１加工工程と、第１加工工程で加工されたワークの表面形状を測定する測定工程と、測定されたワークの表面形状とワークの目標形状との形状差を算出し、算出した形状差をキャンセルさせるための形状補正用ＮＣプログラムを作成する工程と、形状補正用ＮＣプログラムによって送り機構を第１加工工程と同じ軌跡に沿って移動するように制御すると共に、微小送り機構を制御することによりワークと工具とを工具の切り込み方向に相対的に微小送りしてワークを加工する第２加工工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によれば、第２加工工程において、送り機構が同じ軌跡を移動して加工を行うため、送り機構の運動精度を高く維持することができると共に、形状補正分の移動においては微小送り機構の変位のみを制御するため、高精度な形状補正を行うことができ、従って、形状精度の高い加工を行うことができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の補正加工方法であって、前記微小送り機構として、圧電アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを用いることを特徴とする。
【００１４】
このように微小送り機構として、圧電アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを用いることにより、高精度な微小送りを行うことができるため、形状補正を高精度に行うことができる。
【００１５】
請求項３の発明の補正加工装置は、ワークを工具によって加工するためワークと工具とをＮＣプログラムに基づいて相対的に移動させる送り機構と、工具によって加工されたワークの表面形状を測定する測定手段と、測定手段によって測定されたワークの表面形状とワークの目標形状との形状差を算出し、算出された形状差をキャンセルさせるための形状補正用ＮＣプログラムを作成する作成手段と、ワークと工具とを工具の切り込み方向に相対的に微小移動させる微小送り機構と、１回目のワーク加工のときには、前記ＮＣプログラムによって送り機構を制御し、２回目以降の加工のときには、前記形状補正用ＮＣプログラムによって送り機構を１回目の加工と同じ軌跡を移動するように制御すると共に、微小送り機構を制御してワークと工具とを工具の切り込み方向に相対的に微小送りさせる制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明によれば、２回目以降の加工のときに、送り機構が同じ軌跡を移動するように制御するため、送り機構の運動精度を高く維持することができ、しかも形状補正分の移動においては微小送り機構の変位のみを制御するため、高精度な形状補正を行うことができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３記載の補正加工装置であって、前記微小送り機構は、圧電アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータであることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明では、圧電アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを微小送り機構として用いるため、高精度な微小送りを行うことができ、形状補正を高精度に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に分けて具体的に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に用いられる補正加工装置を示す。ワーク３を把持するチャック２と、Ｘ−Ｚテーブル４とが対向するように機械本体１上に配置されている。チャック２は、スピンドルモータ９ｃの駆動により回転可能となっている。
【００２１】
Ｘ−Ｚテーブル４は、送り機構としての駆動モータ９ａ、９ｂに連結されており、駆動モータ９ａの駆動によってワーク３の回転軸に対して垂直方向なＸ方向に移動可能となっていると共に、駆動モータ９ｂの駆動によってワーク３の回転軸方向であるＺ方向に移動可能となっている。Ｘ−Ｚテーブル４上には工具台５が設置されている。
【００２２】
工具台５上には微小送り機構７及び測定手段としての微小変位計８が載置されている。微小送り機構７の先端には、ワーク３を加工する工具６が取り付けられており、その駆動によって工具６をワーク３の方向に微小送りするように作用する。
【００２３】
この微小送り機構７及び送り機構の駆動モータ９ａ、９ｂは、制御手段としてのコントローラ１０を介してコンピュータ１００に連結されている。コンピュータ１００は、形状補正用ＮＣプログラムを作成する作成手段を有しており、このプログラムに基づいてコントローラ１０により駆動モータ９ａ、９ｂと微小送り機構７の制御が行われる。微小送り機構７としては、圧電アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータが使用される。
【００２４】
圧電アクチュエータは、水晶，チタン酸鉛，チタン酸バリウム等の圧電材料に対して、電圧を印加して誘電分極させると形状変化する性質を利用したアクチュエータであり、例えば図５に示す構造となっている。すなわち、圧電アクチュエータ７ａは、電極板１８ａ、１８ｂの間に圧電素子１７が挟み込まれた状態でハウジング２０内に挿入されると共に、圧電素子１７の形状変化を受ける可動子１９がハウジング２０の先端から突出した構造となっている。この圧電アクチュエータ７ａでは、電極板１８ａ、１８ｂに電圧を印加することによる圧電素子１７の変位に従って可動子１９が変位し、この変位によって微小送りを行うものである。なお、微小送り機構７としては、このような構造を複数積層したものが用いられる。
【００２５】
超磁歪アクチュエータは、特定の希土類元素と、ニッケル、コバルト、鉄等からなる鉄族元素との特定割合での合金の多結晶あるいは単結晶である超磁歪材料を用い、超磁歪材料に磁界を与えることにより形状変化する性質を利用したアクチュエータであり、例えば図６に示す構造となっている。すなわち、超磁歪アクチュエータ７ｂは、超磁歪素子２１の周囲にコイル２２を配置した状態でハウジング２３内に挿入されると共に、超磁歪素子２１の形状変化を受ける可動子２４がハウジング２３の先端から突出した構造となっている。この超磁歪アクチュエータ７ｂでは、コイル２２に電流を流すことによって磁界が発生し、発生した磁界によって超磁歪素子２１が形状変化し、超磁歪素子２１の変位に従って可動子２４が変位して微小送りを行うものである。
【００２６】
このような圧電アクチュエータ７ａまたは超磁歪アクチュエータ７ｂからなる微小送り機構７に対し、工具６は可動子１９または可動子２４先端に取り付けられるものである。
【００２７】
次に、以上の装置を用いてワークを加工及び補正加工する場合について説明する。
【００２８】
チャック２にワーク３を把持し、スピンドルモータ９ｃを駆動させることによりワーク３を回転させる。また、Ｘ−Ｚテーブル５を所望の軌跡に移動させるため、駆動モータ９ａ、９ｂを予めコンピュータ１００に記憶されているＮＣプログラムに基づいて制御（駆動）しながら工具６をワーク３に対して相対的に移動させることによりワーク３の加工を行う。このワーク３の加工においては、ワーク３及び工具６のいずれか一方の相手側に対する相対的な移動を、例えば３００ｍｍ程度とすることにより加工を確実に行うことができる。
【００２９】
ワーク３を概ねの所望形状に加工した後、上述と同様にして１回目の仕上げ加工を行う。１回目の仕上げ加工が終了した時点でワーク３の外周部に対して微小変位計８を位置決めした後、駆動モータ９ａを駆動させてＸ−Ｚテーブル４をＸ方向に移動させる。このとき測定点は、図２に示すようにワークの中心を通る軌跡１２に沿っている。
【００３０】
ワーク形状のＺ方向への変化量が、微小変位計８の測定可能範囲を超えている場合は、駆動モータ９ａと共に駆動モータ９ｂを駆動させ、ワーク形状に倣うようにＸ−Ｚテーブル４を移動させながら測定し、Ｘ−Ｚテーブル４の位置と微小変位計８の測定値から、ワーク形状を算出する。測定においては、ワーク３をチャック２から開放し、機外において測定を行っても良い。
【００３１】
測定の終了の後、予めコンピュータ１００に記憶されている目標形状と測定形状との差分をとることにより、形状差すなわち目標形状からの誤差を算出する。この誤差データは、Ｚ方向の変位データであり、Ｘ方向の位置データと１対１に対応した形式である。誤差データが算出した後、この誤差をキャンセルするための補正データを作成する。
【００３２】
図３は、補正データの作成方法を示しており、各Ｘ座標において、目標形状データ１３から誤差データ１４を減算することにより補正データ１５を求める。なお、場合により補正データ１５にある係数を乗じてもよい。
【００３３】
次に、形状補正用ＮＣプログラムの作成を行う。この場合、１回目の仕上げ加工時に使用したＮＣプログラムにおいて、加工位置を（Ｘ座標、Ｚ座標）という形態で示すことができるが、形状補正用ＮＣプログラムにおける加工位置は、微小送り機構７による移動軸をＷ軸とすると、（Ｘ座標、Ｚ座標、Ｗ座標）という形態で示す。すなわち、２回目の仕上げ加工時は、Ｘ、Ｚ軸は１回目と同じ軌跡を移動し、Ｗ軸、すなわち微小送り機構７は補正分の軌跡のみを移動することになる。
【００３４】
形状補正用ＮＣプログラムを作成した後は、２回目の仕上げ加工を行う。このとき、微小送り機構７以外の制御は１回目の仕上げ加工時と同様の方法によって行う。微小送り機構７の制御は、コンピュータ１００のＮＣ制御部から出力されたデータをコントローラ１０で所望の変位を発生させるべく電圧に変換して微小送り機構７に供給し、微小送り機構７を変位させることにより行う。この変位によって工具６がワーク３に対して相対的に移動するため、ワークの仕上げ加工を行うことができる。この場合、微小送り機構７としては、ワーク３及び工具６のいずれか一方の相手側に対する相対的な移動を、例えば数１０μｍ程度に成業する。
【００３５】
以上により、２回目の仕上げ加工（形状補正加工）が終了した後は、上述と同様にワーク３の形状を測定して形状差を算出し、形状差が所望の公差以下であれば加工を終了する。一方、形状差が所望の公差以上のときには、上述と同様の手順により、さらに補正加工を行う。
【００３６】
（実施の形態２）
この実施の形態においても、図１の装置を用いるが、チャック２を回転させるスピンドルモータ９ｃが回転角度を制御可能となっている点が異なっている。
【００３７】
この実施の形態において、１回目の仕上げ加工は実施の形態１と同様に行う。ワーク３の測定ではワーク３の面全体の形状を測定する。この測定は、実施の形態１の手順に加えて、スピンドルモータ９ｃを駆動させてワーク２を回転させることにより行うものである。すなわち、図４に示す軌跡１６を微小変位計８が通過するように行う。これにより、ワーク３の面全体の形状データを得ることができる。測定としては、これに限らず、レーザ光を用いた干渉計型形状測定機などの測定装置を用いてワーク３の面全体の測定を行っても良い。
【００３８】
測定の終了の後、目標形状と測定値との差分をとることにより、形状差すなわち目標形状からの誤差を算出する。この誤差データは、Ｚ方向の変位データであり、Ｘ方向の位置データ及びワーク３の回転角度データと１対１に対応した形式である。
【００３９】
誤差データの算出の後、算出した誤差データをキャンセルするための補正データを作成する。作成は、各Ｘ座標及びワーク３の回転角度において、目標形状データから誤差データを減算することにより補正データを求める。場合により、補正データにある係数を乗じても良い。
【００４０】
次に、形状補正用ＮＣプログラムを作成する。この場合、１回目の仕上げ加工時に使用したＮＣプログラムにおいて、加工位置は、（Ｘ座標、Ｚ座標、ワークの回転角度）という形態で示すことができるが、形状補正用ＮＣプログラムにおける加工位置は、微小送り機構７による移動軸をＷ軸とすると、（Ｘ座標、Ｚ座標、ワークの回転角度、Ｗ座標）という形態で示すことになる。その他の作用は実施の形態１と同様である。
【００４１】
このような実施の形態２によれば、ワーク３の面全体の形状補正を行うため、さらに形状精度の高い加工を行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の補正加工方法によれば、送り機構が同じ軌跡を移動して第２加工工程を行うため、送り機構の運動誤差を小さくすることができ、形状補正分の工具の移動は、微小変位領域において変位精度高く行うため、高い形状精度で加工を行うことができる。
【００４３】
本発明の補正加工装置によれば、２回目以降の加工のときに、送り機構が同じ軌跡を移動するように制御するため、送り機構の運動誤差を小さくすることができ、しかも形状補正分の移動は微小送り機構の変位のみを制御するため、高精度な形状補正を行うことができる。また、形状補正分の移動は微小送り機構のみが行うため、機械の送り機構としてそれほど高い運動精度が必要がなくなる。このため、廉価な加工機においても実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる補正加工装置の平面図である。
【図２】実施の形態１の測定軌跡を示す平面図である。
【図３】補正データの算出を説明する説明図である。
【図４】実施の形態２の測定軌跡を示す平面図である。
【図５】圧電アクチュエータの断面図である。
【図６】超磁歪アクチュエータの断面図である。
【図７】従来装置の平面図である。
【図８】従来方法による軌跡の説明図である。
【符号の説明】
２チャック
３ワーク
６工具
７微小送り機構
８微小変位計
１０コントローラ

Claims

ＮＣプログラムによって制御された送り機構によりワークと工具とを相対的に移動させてワークを加工する第１加工工程と、
第１加工工程で加工されたワークの表面形状を測定する測定工程と、
測定されたワークの表面形状とワークの目標形状との形状差を算出し、算出した形状差をキャンセルさせるための形状補正用ＮＣプログラムを作成する工程と、
形状補正用ＮＣプログラムによって送り機構を第１加工工程と同じ軌跡に沿って移動するように制御すると共に、微小送り機構を制御することによりワークと工具とを工具の切り込み方向に相対的に微小送りしてワークを加工する第２加工工程と、を備えていることを特徴とする補正加工方法。
前記微小送り機構として、圧電アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを用いることを特徴とする請求項１記載の補正加工方法。
ワークを工具によって加工するためワークと工具とをＮＣプログラムに基づいて相対的に移動させる送り機構と、
工具によって加工されたワークの表面形状を測定する測定手段と、
測定手段によって測定されたワークの表面形状とワークの目標形状との形状差を算出し、算出された形状差をキャンセルさせるための形状補正用ＮＣプログラムを作成する作成手段と、
ワークと工具とを工具の切り込み方向に相対的に微小移動させる微小送り機構と、
１回目のワーク加工のときには、前記ＮＣプログラムによって送り機構を制御し、２回目以降の加工のときには、前記形状補正用ＮＣプログラムによって送り機構を１回目の加工と同じ軌跡を移動するように制御すると共に、微小送り機構を制御してワークと工具とを工具の切り込み方向に相対的に微小送りさせる制御手段と、を備えていることを特徴とする補正加工装置。
前記微小送り機構は、圧電アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータであることを特徴とする請求項３記載の補正加工装置。