JP2005046940A

JP2005046940A - 立旋盤

Info

Publication number: JP2005046940A
Application number: JP2003204664A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Yamazaki; 崎広美山
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】フレネルレンズ成形用金型にレンズ溝を徐変加工をする場合に、バイトの刃先位置をずらさずにバイトの角度を変えられるようにして、高精度の徐変溝加工を行えるようにした立旋盤を提供する。
【解決手段】コラム１２と、ワークｗを回転させる回転テーブル２２と、コラム１２に片持ち支持されるクロスレール１４と、クロスレール１４の案内面に沿って水平方向に移動可能に設置されたサドル１６と、サドル１６から垂設され、サドル１６の案内面に沿って上下方向に移動可能に設置されたラム１８と、ラム１８の下端部に取り付けられ、バイト１００が取り付けられる刃物台とバイト１００の刃先の位置を保持しながら刃物台を旋回させるリンク式の旋回機構とを有する旋回ヘッド２０と、を備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレネルレンズ成型用金型等の超精密加工に用いられる立旋盤に係り、特に、フレネルレンズのようにレンズ溝の角度が一本毎に少しずつ変化するような徐変溝の加工に適した立旋盤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密光学機械の集光レンズとして利用されれているフレネルレンズは、同心円状またはスパイラル状の横断面Ｖ形状のレンズ溝を有している。このレンズ溝では、一方の溝側面がフレネル面、他方の溝側面がライズ面と呼ばれている。フレネルレンズは、フレネル面の傾斜角がレンズ溝の一本毎に変化しているという特徴がある。
【０００３】
近年、フレネルレンズは、射出成形により製造されるようになっており、フレネルレンズ成形用の金型には、一本毎にフレネル面の傾斜角が徐々に変化していくレンズ溝を精密に加工しなければならない。
【０００４】
従来、この種の徐変溝加工を行う工作機械としては立旋盤が利用されている（特許文献１参照）。
このような徐変溝加工を行なう従来の立旋盤は、バイトの刃先の角度を変えるための刃物台旋回機構を備えている。
【０００５】
そこで、図７は、刃物台旋回機構の従来例を示す。刃物台１１０は、４本のバイト１００を装着することができるタイプの刃物台である。ラム１１１の下端部には、旋回軸１１４を空気軸受で支持するスイベルスヘッド１１２が取り付けられている。旋回軸１１４は、刃物台１１０の中心で結合されており、４本のバイト１００は、旋回軸１１４に関して対称に９０°ずつ向きを変えて刃物台１１０に配置されている。なお、図７において、参照符号１１５は、旋回軸１１４を駆動するサーボモータである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１４２４０５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示した従来の刃物台旋回機構を有する立旋盤で、フレネル成形用金型にレンズ溝を旋削加工する場合には、図８に示すように、バイト１００の切刃稜１０１をフレネル面ｆの傾斜に合わせた状態で、バイト１００を下降させテーブルを回転させながらＸ軸、Ｚ軸の合成送りによりライズ面ｒを切削しつつワークＷに切り込みを与え、所定の深さに達したところでバイト１００の切刃稜１０１をワークＷに転写してフレネル面ｆを創成する。この時には、Ｘ軸、Ｚ軸の合成送りのためライズ面ｒは鏡面に切削できない。
【０００８】
次いで、フレネル面ｆの加工に引き続きライズ面ｒを切刃稜１０２で仕上げ加工するためには次のような動作が必要になる。
すなわち、バイト１００をワークＷから逃がし、刃物台１１０を旋回させることによりバイト１００の切刃稜１０２をライズ面ｒの傾斜に合わせる。ところが、刃物台１１０の旋回により、バイト１００の刃先のＸ軸位置がレンズ溝の谷底頂点から大きくずれるので、Ｘ軸移動を行ってバイト１００の刃先をレンズ溝の谷底の頂点に合わせなければならない。そして、Ｚ軸移動によりバイト１００を下降させて、ワークに切り込みを与え、ライズ面ｒを加工する。
【０００９】
しかしながら、バイト１００の角度を変えるときには、必ずＸ軸移動とＺ軸移動が伴うため、位置決め精度誤差や、Ｘ軸真直度誤差による刃先位置の変位などの誤差が発生し、バイト１００の刃先の位置が、目標とするレンズ溝の谷底頂点からずれてしまい、その結果、レンズ溝の溝ピッチの不良や深さの不良ができてしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、フレネルレンズ成形用金型にレンズ溝を徐変加工をする場合に、バイトの刃先位置をずらさずにバイトの角度を変えられるようにして、高精度の徐変溝加工を行えるようにした立旋盤を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、コラムと、ワークを回転させる回転テーブルと、前記コラムに片持ち支持されるクロスレールと、前記クロスレールの案内面に沿って水平方向に移動可能に設置されたサドルと、前記サドルから垂設され、サドルの案内面に沿って上下方向に移動可能に設置されたラムと、前記ラムの下端部に取り付けられ、バイトが取り付けられる刃物台と前記バイトの刃先の位置を保持しながら前記刃物台を旋回させるリンク式の旋回機構とを有する旋回ヘッドと、を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の好適な実施形態によれば、前記旋回ヘッドのリンク式旋回機構は、前記刃物台とピン結合され当該刃物台を一端部で支持する第１のボールねじと、前記刃物台とピン結合され当該刃物台を他端部で支持する第２のボールねじと、前記第１のボールねじに螺合する第１のボールナットと、前記第１のボールナットを回転自在に支持する軸受と、前記第１のボールナットを回転駆動する第１のサーボモータとが一体的に構成された第１のナット駆動手段と、前記第２のボールねじに螺合する第２のボールナットと、前記第２のボールナットを回転自在に支持する軸受と、前記第２のボールナットを回転駆動する第２のサーボモータとが一体的に構成された第２のナット駆動手段と、前記第１のボールねじと第２のボールねじおよび刃物台が鉛直面内で揺動可能なように、それぞれ前記第１のナット駆動手段、第２のナット駆動手段を回転自在に枢支するピボット手段と、から構成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による立旋盤の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による立旋盤の全体構成を示す斜視図で、図２は同立旋盤の側面を示す図である。図１、図２において、参照番号１０はベッドを示し、ベッド１０の上面には、コラム１２が設置されている。片持ち支持のクロスレール１４は、この実施形態では、コラム１２と一体型の上部構造体を構成している。クロスレール１４の上部には、サドル１６がクロスレール１４上を水平方向に移動可能に設けられている。このサドル１６には、ラム１８が上下方向に移動可能に垂設されている。このラム１８の下端部には、旋回可能な刃物台を有する旋回ヘッド２０が取り付けられている。この旋回ヘッド２０についてはさらに後述する。
【００１４】
参照番号２２は、回転テーブルである。この回転テーブル２２は、旋削加工を施す工作物を固定する真空吸引チャック２３を備えている旋削加工テーブル２４と、この旋削加工テーブル２４を水平な姿勢で回転自在に支持するテーブル本体部２５とから構成されている。テーブル本体部２５は、テーブル駆動装置２６と接続されている。
【００１５】
本実施形態による立旋盤の場合、サドル１６を水平方向に移動させる軸がＸ軸で、このＸ軸のボールねじ送り機構を駆動するのがＸ軸サーボモータ２７である。また、ラム１８を上下に移動させる軸がＺ軸で、２８がＺ軸のボールねじ送り機構を駆動するＺ軸サーボモータである。
【００１６】
次に、図３は、サドル１６およびラム１８の構成を詳細に示す図である。
図３において、クロスレール１４の上面部には、サドル１６の移動を案内する互いに平行な２本のＸ軸案内面３０ａ、３０ｂが設けられている。またクロスレール１４の中央部には、ラム１８を収容する中空部３２が区画されている。サドル１６は、この中空部３２を跨ぐようにして両側をＸ軸案内面３０ａ、３０ｂにより支持されている。このＸ軸案内面３０ａ、３０ｂは、有限型ころがり案内により構成されている。なお、３３は、Ｘ軸のボールねじ送り機構を構成するＸ軸ボールねじを示している。
【００１７】
サドル１６の底部からは、四角筒状のラムガイド部材３４が垂下されている。このラムガイド部材３４の左右両内側側面には、上下方向に延びるころがり案内からなるＺ軸リニアガイド部３５ａ、３５ｂが固定されている。ラム１８の左右側面には、Ｚ軸ガイドレール３６ａ、３６ｂが上下に延びるように取り付けられ、これらのＺ軸ガイドレール３６ａ、３６ｂはＺ軸リニアガイド部３５ａ、３５ｂに係合するようになっている。
【００１８】
サドル１６の上面には、Ｚ軸サーボモータ２８が設置されている。サドル１６の底面では、軸受部材３７によって上下方向に延びるＺ軸ボールねじ３８が回転可能に支持されている。ラム１８の上端部には、ボールナット３９が固定され、このボールナット３９にＺ軸ボールねじ３８が螺合するようになっている。なお、サドル１６の上面には、一対のバランスシリンダ４０が取り付けられており、ラム１８の重量はバランスシリンダ４０によって担持されており、Ｚ軸サーボモータ２８の負荷を軽減している。
【００１９】
ラム１８の下端部には図７に示した従来のスイベルヘッド付きの刃物台の替わりに、刃物台を旋回させるリンク式の旋回機構を有する旋回ヘッド２０が取り付けられている。本実施形態の立旋盤では、この旋回ヘッド２０を用いることによってバイト１００の刃先の位置を保ちながら、バイト１００の切刃の角度を変えられるようになっている。
【００２０】
そこで、図４に旋回ヘッド２０を示す。この図４において、参照番号５０は、水平面（テーブル面）を示している。Ｚ軸方向はテーブル面５０に対して垂直である。参照番号４２は、刃物台を示している。バイト１００は、刃物台４２の中央部に１本だけ取り付けられている。本実施形態では、刃物台４２に旋回運動を与えるための旋回機構として、従来の旋回軸を中心に旋回させる機構を用いる代わりに、ボールねじを応用したリンク式旋回機構が採用されている。
【００２１】
図４において、参照番号４４ａは、第１のボールねじを示し、参照番号４４ｂは第２のボールねじを示している。これらの第１のボールねじ４４ａ、４４ｂは２本で対をなしている。第１のボールねじ４４ａ、第２のボールねじ４４ｂの下端部は、それぞれ刃物台４２の左右両端部にピン４５ａ、４５ｂを介して結合されている。第１のボールねじ４４ａ、４４ｂの上端部は自由端になっており、したがって、第１のボールねじ４４ａ、第２のボールねじ４４ｂは、ピン４５ａ、４５ｂを中心に左右に回動可能である。
【００２２】
刃物台４２に取り付けられているバイト１００では、刃先Ａの両側にそれぞれ切刃稜１０１、１０２が形成されている。また、刃先Ａとピン４５ａ、４５ｂは、二等辺三角形の各頂点をなす位置関係にある。
【００２３】
参照番号４６ａは、第１のボールねじ４４ａに螺合している第１のボールナットを示している。このボールナット４６ａは、軸受４７ａによって回転自在に支承されている。そして、軸受４７ａの側面にはサーボモータ４８ａが取り付けられ、このサーボモータ４８ａの回転はタイミングベルト４９ａによってボールナット４６ａに伝達されるようになっている。ボールナット４６ａ、軸受４７ａ、第１のサーボモータ４８ａ、タイミングベルト４９ａは、一体的にユニット化されており、第１のナット駆動手段を構成している。
【００２４】
同様に、第２のボールねじ４４ｂには、第２のボールナット４６ｂが螺合しており、この第２のボールナット４６ｂは、軸受４７ｂ、第２のサーボモータ４８ｂ、タイミングベルト４９ｂとともに一体的にユニット化された第２のナット駆動手段を構成している。これらの第１のナット駆動手段、第２のナット駆動手段は、それぞれピボット５０ａ、５０ｂにより回動自在に枢支された状態で、図示しないハウジングに対して取り付けられている。従って、第１のボールねじ４４ａと第２のボールねじ４４ｂおよび刃物台４２は、鉛直面内で揺動可能である。
【００２５】
第１のナット駆動手段の第１のサーボモータ４８ａと第２のナット駆動手段の第２のサーボモータ４８ｂは、図示しないロータリエンコーダから位置フィードバックをとり、ＮＣ装置（図示せず）により同期させて回転が制御される。
【００２６】
本実施形態による立旋盤は、以上のように構成されるものであり、次に、リンク式旋回機構の基本動作について説明する。
【００２７】
図４は、旋回ヘッド２０の刃物台４２の中立位置を示している。この中立位置では、刃物台４２に取り付けられているバイト１００の軸線は鉛直線に一致している。ここで、ピン４５ａとピボット５０ａ間の距離をＬ１、ピン４５ｂとピボット５０ｂ間の距離をＬ２とすると、刃物台４２が中立位置にあるときは、距離Ｌ１と距離Ｌ２は相等しくなっている。
【００２８】
そこで、第１のナット駆動手段の第１のサーボモータ４８ａを正回転させると、第１のボールナット４６ａが正方向に回転する。第１のボールナット４６ａは、ピボット５０ａによって回動が許容されているだけで第１のボールねじ４４ａの軸方向の移動の方は規制されているので、距離Ｌ１が短くなる方向に第１のボールねじ４４ａを引き込むことなる。
【００２９】
他方、第２のナット駆動手段の第２のサーボモータ４８ｂを逆回転させると、逆回転する第２のボールナット４６ｂは、同じくピボット５０ｂによって第２のボールねじ４４ｂの軸方向が規制されているので、距離Ｌ２が長くなる方向に第２のボールねじ４４ｂを送り出すことになる。したがって、第１のサーボモータ４８ａと第２のサーボモータ４８ｂを同期させて速度を制御しながら回転させれば、図５に示すように、刃物台４２をバイト１００の刃先Ａを旋回中心として時計方向に旋回させることが可能である。第１のサーボモータ４８ａと第２のサーボモータ４８ｂの回転の正逆を反対にすれば、刃物台４２を反時計方向に旋回させることが可能である。
【００３０】
そして、距離Ｌ１、Ｌ２と、バイト１００の切刃稜１０１、１０２の角度α１、α２の間の関係は幾何学的に一義的に定まっているので、第１のサーボモータ４８ａ、第２のサーボモータ４８ｂをＮＣ装置でサーボ制御すれば、刃先Ａを旋回中心に保持したままバイト１００を任意の角度に旋回することが可能である。
【００３１】
また、図４において、刃物台４２を中立位置におき、第１のサーボモータ４８ａ、第２のサーボモータ４８ｂを同期して正方向に同一速度で回転させれば、刃物台４２を上昇させることができ、同期して逆方向に同一速度で回転させれば、刃物台４２を下降させることができる。
【００３２】
本実施形態の立旋盤では、Ｚ軸サーボモータ２８でラム１８を昇降させこれをＺ軸とする構成を採用しているが、第１のサーボモータ４８ａ、第２のサーボモータ４８ｂを同一方向、同速度でサーボ制御すれば、Ｚ軸の代用とすることも可能である。
【００３３】
次に、以上のように構成される立旋盤による加工例として、フレネルレンズ成形用金型にレンズ溝を旋削する徐変溝加工を例に挙げて説明する。
【００３４】
図６において、同心円状に並ぶそれぞれのレンズ溝では、フレネル面ｆ１、ｆ２、…の傾斜角度は外周になるにしたがって徐々に大きな角度になっている。ライズ面ｒ１、ｒ２、…の傾斜角度は、徐々に変化しているものもあれば、一定のものもある。本実施形態では、このようなフレネル面ｆをもつレンズ溝を以下のように加工する。
【００３５】
図２において、Ｗがレンズ溝を旋削する対象のワークである。まず、旋削加工テーブル２４の回転中心に対してワークＷの中心を合わせ、真空吸着チャック２３により固定してから、旋回加工テーブル２４を回転させる。
【００３６】
また、サドル１６のＸ軸移動により、旋回ヘッド２０を加工位置に移動させる。まず、図６（ａ）に一点鎖線線で示すように、バイト１００のＸ軸位置をフレネル面ｆ１をもつレンズ溝の谷底頂点位置に合わせる。そして、図４に示す第１のサーボモータ４８ａ、第２のサーボモータ４８ｂが同期して駆動され、第１のボールナット４６ａ、第２のボールナット４８ｂが正逆の回転方向に回転されると、刃物台４２はバイト１００の刃先Ａを旋回中心として旋回し、バイト１００の切刃稜１０１の角度をフレネル面ｆ１の傾斜角度φ１と一致させることができる。
【００３７】
こうして、バイト１００の切刃稜１０１の角度をフレネル面ｆ１の傾斜角φ１に合わせてから、Ｚ軸移動によりバイト１００を下降させてワークＷに切り込みを与え、所定の深さに達したところでバイト１００の切刃稜１０１をワークＷに転写してフレネル面ｆ１を創成する。
【００３８】
フレネル面ｆ１を創成した時点で、バイト１００の刃先Ａは、レンズ溝の谷底頂点にある。そして、旋回ヘッド２０にあっては、バイト１００の刃先Ａが旋回中心であるため、バイト１００の刃先Ａの位置をレンズ溝の谷底頂点に保ったまま旋回させることが可能である。
【００３９】
したがって、フレネル面ｆ１に引き続いてライズ面ｒ１を加工するためには、Ｚ軸移動を行うことなく、第１のサーボモータ４８ａ、第２のサーボモータ４８ｂを同期して制御することにより、バイト１００を刃先Ａを旋回中心に旋回させバイト１００の切刃稜１０２をライズ面ｒ１の傾斜角度に合わせることができる（図６（ｂ））。このため、バイト１００の刃先Ａの位置を変えることなく、バイト１００の切刃稜１０２をワークＷに転写してライズ面ｒ１を創成することができる。
【００４０】
こうして一本のレンズ溝の加工が完了したら、Ｚ軸移動によりバイト１００をレンズ溝から逃がし、Ｘ軸移動によりバイト１００を隣のフレネル面ｆ２のレンズ溝の位置に移動させる。そして、バイト１００の刃先ＡのＸ軸上の位置をレンズ溝の谷底頂点に合わせてから、前回と同様にバイト１００の切刃稜１０１の角度をフレネル面ｆ２の傾斜角φ２に合わせ、以下、最初のレンズ溝の場合と同様の動作を繰り返すことにより、バイト１００の刃先Ａの位置を変えることなく、フレネル面ｆ２とライズ面ｒ２を連続して加工することができる。
【００４１】
以上のように、本実施形態の旋回ヘッド２０によれば、Ｘ軸、Ｚ軸の移動を伴わずに、リンク式旋回機構による旋回動作だけで、バイト１００の切刃の角度をフレネル面ｆとライズ面ｒに合わせることができる。これにより、従来のように、バイト１００の角度を変えるときにサドル１６がＸ軸移動することや、ラム１８がＺ軸移動することによって生じる位置決め精度誤差や、Ｘ軸真直度誤差による誤差効いてくるということがない。
【００４２】
また、バイト１００の切刃の角度をフレネル面ｆからライズ面ｒに合わせるときに、Ｘ軸、Ｚ軸移動することがないので、時間の短縮を図ることができる。そして、レンズ溝の本数は多いので大幅な切削時間の短縮となる。
【００４３】
以上の加工例は、フレネルレンズ成型金型の旋削加工であるが、本発明の立旋盤は、直線移動型のプレーナテーブルと組み合わせることにより、導光板形成用金型のプレーナ加工にも適用することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、フレネルレンズ成形用金型にレンズ溝を徐変加工をする場合に、バイトの刃先位置をずらさずにバイトの角度を変えられるようにして、高精度の徐変溝加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による立旋盤を示す斜視図。
【図２】同立旋盤の側面図。
【図３】同立旋盤のサドルとラムの構成を示す断面図。
【図４】同実施形態による立旋盤の備える旋回ヘッドのリンク式旋回機構の説明図。
【図５】図４の旋回ヘッドにおいて、刃物台が傾いた状態でのリンク式旋回機構の動作を示す説明図。
【図６】フレネルレンズ成形用金型のレンズ溝加工でのバイトの動きを説明する図。
【図７】従来の立旋盤に設けられる刃物台旋回機構を示す正面図。
【図８】従来のフレネルレンズ成形用金型のレンズ溝加工でのバイトの動きを示す図。
【符号の説明】
１０ベッド
１２コラム
１４クロスレール
１６サドル
１８ラム
２０旋回ヘッド
２２回転テーブル
２４旋削加工テーブル
２７Ｘ軸サーボモータ
２８Ｚ軸サーボモータ
４２刃物第
４４ａ第１のボールねじ
４４ｂ第２のボールねじ
４６ａ第１のボールナット
４６ｂ第２のボールナット
４７ａ、４７ｂ軸受
４８ａ第１のサーボモータ
４８ｂ第２のサーボモータ
５０ａ、５０ｂピボット
１００バイト

Claims

コラムと、
ワークを回転させる回転テーブルと、
前記コラムに片持ち支持されるクロスレールと、
前記クロスレールの案内面に沿って水平方向に移動可能に設置されたサドルと、
前記サドルから垂設され、サドルの案内面に沿って上下方向に移動可能に設置されたラムと、
前記ラムの下端部に取り付けられ、バイトが取り付けられる刃物台と前記バイトの刃先の位置を保持しながら前記刃物台を旋回させるリンク式の旋回機構とを有する旋回ヘッドと、を備えることを特徴とする立旋盤。
前記旋回ヘッドのリンク式の旋回機構は、
前記刃物台とピン結合され当該刃物台を一端部で支持する第１のボールねじと、
前記刃物台とピン結合され当該刃物台を他端部で支持する第２のボールねじと、
前記第１のボールねじに螺合する第１のボールナットと、前記第１のボールナットを回転自在に支持する軸受と、前記第１のボールナットを回転駆動する第１のサーボモータとが一体的に構成された第１のナット駆動手段と、
前記第２のボールねじに螺合する第２のボールナットと、前記第２のボールナットを回転自在に支持する軸受と、前記第２のボールナットを回転駆動する第２のサーボモータとが一体的に構成された第２のナット駆動手段と、
前記第１のボールねじと第２のボールねじおよび刃物台が鉛直面内で揺動可能なように、それぞれ前記第１のナット駆動手段、第２のナット駆動手段を回転自在に枢支するピボット手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の立旋盤。