JP2005103667A

JP2005103667A - 自由曲面加工装置

Info

Publication number: JP2005103667A
Application number: JP2003336794A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Echigo; 敬介越後
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】半球に近い深さの自由曲面加工であっても、計測及び加工の精度が高く、計測器の取付も容易な構造が簡単で取り扱いやすい自由曲面加工装置を提供。
【解決手段】回転軸３と、Ｚ軸４、Ｘ軸５方向に相対移動可能にされた工具テーブル１３と、工具テーブルに載置された工具７と、接触式計測器８と、を備えた自由曲面加工装置１であって、加工時に接触式計測器を工具と離隔し、測定時にプローブ９の飛び出し方向線９ａが回転軸線３と交差させプローブの飛び出し量が一定となるようにＺ軸、Ｘ軸方向に走査し、被加工物２の加工面の２ａ形状をＺ、Ｘ軸データとして測定・保存する。回転軸を含む所定の測定範囲１１まで測定した後、被加工物を１８０°回転させ、再度測定し、Ｚ、Ｘ軸データとして保存し、加工面形状を算出する。接触式計測器の最大測定可能角度範囲±θとし、交差角γを１０°≦γ＜θとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばレンズ等を製作するための金型等の球面あるいは非球面、自由曲面を加工する加工装置に関し、特に、被加工物を治具に固定したまま加工面を接触式計測器により計測しつつ精度よく加工する自由曲面加工装置に関する。

レンズ等の光学素子用の金型等をサブミクロン、ナノメータで加工するために、被加工物をＺ軸と同方向の回転軸に固定して、この回転軸と相対的にＺ軸、Ｘ軸方向に、砥石等の工具を移動させ被加工物の端面に球面や非球面、さらには自由曲面等を加工する自由曲面加工装置が知られている。かかる加工装置においては、回転主軸や工具（刃物）テーブル送り等に流体軸受や、高精度転がり軸受を使用し、さらにサーボモータ等を使用したＮＣ制御により高精度の加工が行われる。また、加工面の精度を上げるためには、加工途中で何回か加工面の形状を測定して補正して高精度の加工面を得ている。加工精度を上げるためには、測定のために被加工物を取り外すことは精度の低下につながるので、普通、被加工物と工具は一度所定の位置に固定した後、加工完了まで外すことがないようにしている。一方測定器は加工中に切削液、研削液あるいはミスト等や研削屑等の汚れが付着しないように加工位置から離れた位置に設けられる。

例えば、図４に示すような、特許文献１の自由曲面加工装置３１においては、基台３６上にＺ軸４方向に移動可能なワークテーブル３２とＺ軸と直角方向（Ｘ軸５）に移動可能な工具テーブル３３を載置し、ワークテーブル３２上にＺ軸と同方向の回転軸４３が設けられている。また、回転軸の端部４３ａに被加工物４２が取り付けられるようにされ、被加工物は回転軸回りに回転可能にされている。また、工具テーブル３３の上にはテーブル面に垂直に旋回可能にされた旋回ステージ３４が設けられている。さらに、旋回ステージ３４上に上下方向（Ｙ軸３７）に移動可能にされた上下ステージ３５が設けられ、上下ステージの上部に斜め方向に配設された腕の両側端に支点３８を中心に回転可能にされた砥石３９と、レーザー式測長器４８が設けられたツール台４７が設けられている。ツール台４７は支点３８を中心にして１８０°入れ替え可能にされており、回転軸４３に取り付けられた被加工物４２の加工面４２ａの加工と測定を交互に行い、加工装置３１から被加工物を取り外すことなく被加工物の形状を測定かつ加工することが開示されている。

一方、レンズ開口数（ＮＡ）が大きい場合等は加工面が深くなり半球に近い加工面が要求される。かかる場合は、Ｘ、Ｚ軸方向だけではすべての加工面を加工、計測できない。そこで、旋回ステージ３４を旋回させて、加工面４２ａの法線方向と加工工具３９の研削部や計測器４８の先端が加工面の法線方向に一致するように制御している。しかし、法線方向を一致させるためには複雑な動きを必要とする。そこで、例えば、特許文献２のものにおいては、測定のみであるが、ワークを回転軸回りに回転させ計測器の計測範囲内で２以上に分割して、分割したデータを合成することにより形状データとして確保している。また、特許文献３のものにおいては、同様に測定のみであるが、計測器の測定方向を回転軸と交差するようにして傾斜角の大きな測定部の傾斜測定を行っている。

また、特許文献１のものは、段落［０１０６］以降において、センサー（測定器）の距離測定量が常にゼロとなるように走査させ形状測定している。また、距離測定量が常にゼロになるような走査方法では、制御系が複雑になる、センサーの線形性が不要となる、センサーが安価でよい点が開示がされている。
特開２００３−０３９２８２号公報特公平６−０２９７１５号公報特開平１１−１３２７５２号公報図６

しかしながら、特許文献２、３のものにおいては、加工面と測定器の測定方向とを傾斜させて形状を測定する計測方法、装置が記載されているものの特許文献１に示すような加工装置から被加工物を取り外すことなく被加工物の形状を測定することについては示唆も開示もされていない。また、特許文献１のものは前述したように、高精度加工、自由度の増大を目的としているため、軸構成が多くなっており、当然誤差の増大につながるという問題があった。特に、工具と計測器とをツール台の両端に設け回転するようにされており、工具位置、計測器位置の微妙なずれが生じるという懸念がある。従って、特許文献２、３のものを特許文献１のものに適用しても精度の低下が生じるという問題があった。一方、特許文献１の距離測定量が常にゼロになるような走査方法は法線方向での測定であり、特許文献１においては測定時に旋回テーブルの回転を伴うため測定精度が低下するという問題があった。また、これを傾斜測定に適用する点については示唆も開示もない。

そこで、加工工具側の取り付け誤差を少なくするために、特許文献１のように、加工工具と計測器を入れ替えるのではなく、加工工具は常時工具テーブルに固定し、加工時の切削・研削屑、粉等の計測器への悪影響を防止するために計測器と加工工具と離隔させるのがよい。しかし、単に加工工具と計測器との距離を離した場合には装置が大きくなりすぎるという問題があった。また、加工時は計測器を外し、測定時のみ工具テーブルに計測器を設置するようにすると、Ｘ，Ｚ軸方向に直角あるいは平行に設置するのは比較的容易であるが、特許文献２の場合では、回転軸への被加工物の正確な取付けが難しく、さらには回転軸の極座標変換を要し、また、特許文献３の場合でも回転軸に交差させるように計測器を設置するには取り付けも困難で誤差も大きいという問題があった。

本発明の課題は上記問題点に鑑みて、被加工物の形状が軸対称の半球に近い深さの自由曲面の測定にあたって、計測器の測定方向を回転軸と交差するように配置した場合においても、計測及び加工の精度が高く、計測器の取付けも容易な構造が簡単で取り扱いやすい自由曲面加工装置を提供することである。

特許文献１の場合のように、加工面の法線方向と計測器との測定方向とが一致している場合は、計測器の設置誤差の測定値に対する影響は少なく、むしろ旋回誤差等の方が大きい。これに対し、特許文献２，３のように、計測器の測定方向を回転軸と交差するように配置し、測定すべき加工面と計測器のプローブの測定方向とが傾く傾斜測定において、計測値の設置誤差による測定誤差が発生する。しかし、本発明者は研究の結果、傾斜測定の場合に、プローブの飛び出し量を常に一定（距離測定量が常にゼロ）とすることにより、プローブの飛び出し量による設置誤差によるプローブの当たり位置の誤差を相対的に吸収し、プローブと被測定面の接触角度の最大測定可能角度範囲で計測することにより、プローブへの負荷の変化によるたわみ誤差を小さく抑え、全体形状としての形状誤差を少なくできることを知得した。

この知得により、本発明においては、被加工物が先端に固定される回転軸と、少なくとも前記回転軸とは相対的に前記回転軸と同方向であるＺ軸方向及び直角方向であるＸ軸方向に移動可能にされた工具テーブルと、前記工具テーブルに載置固定された前記被加工物を加工するための工具と、前記被加工物の加工面からの距離を測定するようにされた接触式計測器と、を備え前記被加工物に前記回転軸対称の自由曲面を加工する加工装置であって、前記接触式計測器は加工時においては前記工具とは離隔して保管する保管部が設けられ、測定時に距離を測定するプローブの飛び出し方向線が前記Ｘ軸と平行面内で前記回転軸線と交差するように前記工具テーブルに載置固定可能にされ、前記接触式計測器のプローブの飛び出し量が一定となるように、かつ前記Ｚ軸及びＸ軸方向に走査可能にされ、該走査により前記被加工物の加工面の形状を前記Ｚ軸、Ｘ軸データとして測定・保存される自由曲面加工装置を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、被加工物の加工面が回転自由曲面加工であるので、形状測定にあたっては、可動部を回転軸、Ｚ軸、Ｘ軸による最小構成とし、軸構成の増加による精度低下を防ぐ。そして、測定時にプローブの飛び出し方向線がＸ軸と平行面内で回転軸線と交差するように工具テーブルに載置して、傾斜測定とし、半球に近い深さの測定を可能とした。さらに、接触式計測器のプローブの飛び出し量を一定としてＺ軸及びＸ軸方向に走査するので、計測器の測定方向を回転軸と交差するように配置した傾斜測定での計測器の取付誤差の影響や飛び出し量の違いによるたわみ等の誤差を小さくでき、被加工物の加工面の全体形状をＺ軸、Ｘ軸データとして正確に測定・保存するものとしたのである。

また、全体の形状測定に当たっては、要求精度により角度を細かく分割して測定すればよいが、軸対称の自由曲面の場合は、Ｘ軸方向に沿って測定すればよい。そこで、請求項２に記載の発明において、前記加工面の形状の測定は前記回転軸を含む前記測定方向側の所定の測定範囲までとされ、該所定の測定範囲を測定した後、前記回転軸回りに被加工物を１８０°回転させ、再度同じ前記回転軸を含む前記測定方向側の所定の測定範囲まで測定し、Ｚ軸、Ｘ軸データとして保存し、回転軸近傍のＸ、Ｚ軸データを比較して、前記被加工物の加工面形状を算出して被加工物の形状データとして保存される自由曲面加工装置とした。これにより、回転軸を中心に軸対称自由曲面形状を容易に測定できる。

さらに、請求項３に記載の発明においては、前記接触式計測器のプローブと被測定面とが垂直に接触した場合の角度を０°として、前記プローブと前記被測定面の接触角度の最大測定可能角度範囲を±θとして、前記回転軸線と前記接触式計測器のプローブの飛び出し方向線との交差角γが１０°≦γ＜θである自由曲面加工装置とした。これにより、半球に近い範囲を測定できるものとなった。接触式計測器のプローブと被測定面とが垂直に接触した場合の角度を０°として、前記プローブと前記被測定面の接触角度の最大測定可能角度範囲を±θとして、θは現状では一般に３０〜５０°程度であり、これを超えると測定誤差、特に測定値の再現性が劣り、この角度θが広い方が測定範囲が広いものがよい。この計測器を使用した場合に、交差角γが１０°未満では傾斜による測定の必要性がなく、また、設置角度誤差の影響も少ない。また、交差角γがθ以上では、回転軸を含むことができない場合が生じ、１８０°回転させ全体の形状を測定できない。レンズ加工では現在半球より角度が少ないものがほとんどであり、θが５０°とすると、回転軸を含み最大１００°となり、十分な測定範囲を確保できる。

本発明においては、形状測定にあたって、可動部を最小の軸構成とし、精度低下を防ぎ、プローブによる傾斜測定により半球に近い深さの測定を可能とし、接触式計測器のプローブの飛び出し量を一定としてＺ、Ｘ軸方向に走査し傾斜測定での計測器の取付誤差やプローブのたわみ等の誤差の影響を小さくして、被加工物の加工面の形状をＺ軸、Ｘ軸データとして測定・保存する自由曲面加工装置としたので、被加工物の形状が半球に近い深さの自由曲面の測定が可能で、計測及び加工の精度が高く、計測器の取付も容易で構造が簡単、取り扱いやすい自由曲面加工装置を提供するものとなった。また、工具を固定し、計測器側の誤差を少なくするようにしたので、加工中は計測器を工具から十分離隔した位置に退避できるので、加工屑や研削・切削液等の付着を容易に防止でき、計測器が汚れたり傷むことがなく、メンテナンスも容易なものとなる。また、回転軸、Ｚ軸、Ｘ軸からなる従来のＮＣ加工装置にも容易に適用することができる。

また、請求項２に記載の発明においては、所定の測定範囲を測定した後、回転軸回りに被加工物を１８０°回転させ、再度所定の測定範囲まで測定し、Ｚ軸、Ｘ軸データとして保存し、２つのデータにより被加工物の形状データとして保存される自由曲面加工装置とし、回転軸を中心に軸対称自由曲面形状を容易に測定でき、計測の間は計測器は外す必要がないので、設置誤差はなく正確に形状測定ができるものとなった。また、回転角度誤差は被加工物が軸対称であるので形状誤差に与える影響は少なく高精度の形状測定ができる。また、被加工物は回転軸に取り付けられたままで計測、加工が行われるので計測誤差、加工誤差が少ないことはもちろんである。

さらに、請求項３に記載の発明においては、接触式計測器のプローブと被測定面とが垂直に接触した場合の角度を０°として、プローブと被測定面の接触角度の最大測定可能角度範囲を±θとして、回転軸線と接触式計測器のプローブの飛び出し方向線との交差角γが１０°≦γ＜θでとし、一般の接触式計測器を用いて、高精度の形状測定を可能にし、さらには、半球に近い範囲を測定できるので、高価な光式の無接触式の計測器を使用することなく安価な接触式測定装置で高精度の形状測定、加工を行えるものとなった。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態を示す自由曲面加工装置の平面図、図２は図１の測面図、図３は計測時の加工面の部分拡大断面図である。図１乃至３において、本自由曲面加工装置１は、基台６上にＺ軸４方向に移動可能なワークテーブル１２とＺ軸と直角（Ｘ軸５）方向に移動可能な工具テーブル１３が載置され、ワークテーブル１２上にＺ軸と同方向の回転軸３が設けられている。回転軸３の端部３ａに被加工物２が取付けられるようにされ、被加工物は回転軸回りに回転可能にされ、回転軸に対して軸対称の形状に加工される。工具テーブル１３の上にはテーブル面１３ａに垂直に旋回可能にされた旋回ステージ１４、さらに、旋回ステージ上１４ａに工具取付部１５が設けられている。工具取付部１５には軸回転可能に円筒状、円柱状、外形が異なる円筒又は円柱状の砥石が軸方向に連接された段付状等の棒状の研削砥石７が取付けられている。研削砥石７の軸心７ａは基台面６ａに対して平行にされ、回転軸３に対して傾けて取り付けられ、また高さは回転軸３と同じにされている。なお、前述した特許文献１においては、加工自由度を上げるために上下方向のステージを設けており基台面に対して傾けているが、本実施の形態のように基台面に平行に配置することにより、装置の簡略化及び高さ方向のスペースを減じ、また剛性をあげている。

計測用治具上１６にプローブ９が基台面６ａに対して平行になるようにプローブ形接触式計測器８が取付けられている。待機時は計測用治具１６は基台６の端の保管部１０に固定され、少なくとも計測器８のプローブ９回りはカバー（図示せず）により覆われ、汚れや外力による損傷を防ぐようにされている。計測時には計測用治具１６を図１の点線で示す工具取付位置近傍に取付け、プローブ９が回転軸３と同高さでかつ回転軸線とプローブ軸線９ａとが交差角γで交差できるようにされている。プローブ形接触式計測器８は一般的なもので詳細を省略するが先端に微少球形のルビー９ｂが取付けられた円錐状の接続部９ｃを有する棒状のプローブ９が本体８に出入り可能に設けられている。本体８はプローブ９の出入りによりプローブの出入り量を電気出力として出力するようにされている。また、回転軸３やワークテーブル１２，工具テーブル１３、旋回ステージ１４の送りには流体軸受や、高精度転がり軸受が使用されており、さらにＸ軸５、Ｚ軸４、旋回軸１４ｂはサーボモータを使用したＮＣ制御により高精度に制御される。なお、回転軸３もＮＣ制御することが好ましい。また、上下方向にＮＣ制御できるようにしてもよいが、少なくともＸ、Ｚ軸が制御されることが必要である。

かかる自由曲面加工装置１において、加工中は前述したように計測用治具１６を基台６端の保管部１０に置き回転軸３を回転させ、棒状砥石７を回転させながらＺ軸４、Ｘ軸５方向に相対的に移動させ、さらには旋回ステージ１４により旋回させながら回転軸端部３ａに取付けられた被加工物２の端面２ａの加工を行う。ある程度加工した時点で、旋回ステージ１４を原点に戻し、棒状砥石７をＺ、Ｘ軸方向に移動させ被加工物２から離隔させ、計測用治具１６を被加工物近傍の工具が載置されている旋回ステージに設置する（点線で示す）。プローブ９が回転軸３と交差角γで交差するように配置し、Ｚ、Ｘ軸方向移動させ被加工物２の加工面２ａの回転軸３を含む所定範囲１１を測定し、被加工物を１８０°回転させ同様に回転軸３を含む所定範囲１１を測定する。この２つのデータから回転軸補正をして全体形状を得る。また、これにより半球に近い深い穴の計測が可能となる。得られたＺ、Ｘ軸データに基づき指令値と比較して、補正した指令値を次の棒状砥石７の加工命令に組み入れる。計測後は計測用治具１６を外し、基台６端の所定位置（保管部１０）に固定される。再度、棒状砥石７を回転させ被加工物２を加工する。これを繰り返し、回転軸３に取り付けられた被加工物２の加工と測定を交互に行い、回転軸３から被加工物２を取り外すことなく被加工物の形状を測定・加工を繰り返し、高精度の形状を得ることができる。

図３に示すように、加工面２ａの回転軸３付近の中央加工面２１は回転軸にほぼ直角であり、プローブ９の測定方向９ａとの下側の接触角２１ａは交差角γとほぼ等しい。また、加工面２ａのプローブ９の測定方向９ａとの接触角がほぼ法線方向となる法線加工面２２では、プローブ９の測定方向９ａとの接触角はゼロとなる。一方加工面２ａの端部付近の端部加工面２３は回転軸３とα傾いており、プローブ９の測定方向９ａとの上側の接触角２２ａはβである。β＝９０°−（α＋γ）であり、β≦θの範囲であれば計測可能である。そこで、半円の場合はα＝０°となるので、β＝９０°−γ≦θとなり、また、γ＜θとしたので、９０°＜２θであり、θ＞４５°となる。前述したように接触式計測器の最大測定可能角度範囲±θはθ＝３０〜５０°程度であり、かかる計測器は一般的であり、加工面に応じて計測可能に適宜選択する。また、γはプローブと被測定面の接触角度の最大測定可能角度範囲θより小さくされるので、所定範囲１１内において、加工面２ａとプローブ９の測定方向９ａとの接触角はθより大きくなることはなく正確で再現性よい測定が可能となる。

特に、プローブ９の飛び出し量Ｌを一定に制御するようにしたので、取付誤差により個別の測定点がずれや回転軸線と接触式計測器のプローブの飛び出し方向線との交差角γに誤差が生じた場合でも、全体形状としては、飛び出し量や交差角γの違いによる補正をする必要がない。前述したように、飛び出し量を一定にしない場合でも測定面に対し法線方向で測定する場合は取付誤差の影響は少ない。しかし、傾斜測定においては飛び出し量を一定にしない場合は取付誤差や交差角γの誤差の影響が大きくなる。これに対し、本発明の傾斜測定においては飛び出し量Ｌを一定に制御するようにしたので、個別の測定点の誤差を吸収でき、さらに、飛び出し量の違いによるプローブのたわみ、検出精度、外力による変形誤差等の影響も少なく、補正等をする必要がない。なお、飛び出し量Ｌを一定にするためには、Ｚ軸４またはＸ軸５方向のいずれかの移動にあわせＺ軸又はＸ軸方向へ移動させるようにすればよく、ＮＣプログラムで制御可能である。他の方法や制御の詳細については一般的なものでよいので説明を省略する。また、実施の形態においては、軸対称自由曲面加工の場合について説明したが、軸対称に限らず種々の曲面測定に適用できる。その場合は、１８０°に限らず、１°、５°、１０°おき等、目的に応じた角度に分割して測定すればよいことは言うまでもない。

本発明の実施の形態を示す自由曲面加工装置の平面図である。本発明の実施の形態を示す自由曲面加工装置の側面図である。計測時の加工面の部分拡大断面図である。従来の自由曲面加工装置の側面図である。

符号の説明

１自由曲面加工装置。
２被加工物
２ａ加工面
３回転軸（線）
３ａ先端
４Ｚ軸
５Ｘ軸
６工具テーブル
７工具（棒状工具）
８接触式計測器
９プローブ
９ａプローブの飛び出し方向線
１０保管部
１１所定の測定範囲
±θ 接触式計測器の最大測定可能角度範囲
γ 回転軸線とプローブの飛び出し方向線との交差角

Claims

被加工物が先端に固定される回転軸と、少なくとも前記回転軸とは相対的に前記回転軸と同方向であるＺ軸方向及び直角方向であるＸ軸方向に移動可能にされた工具テーブルと、前記工具テーブルに載置固定された前記被加工物を加工するための工具と、前記被加工物の加工面からの距離を測定するようにされた接触式計測器と、を備え前記被加工物に前記回転軸対称の自由曲面を加工する加工装置であって、前記接触式計測器は加工時においては前記工具とは離隔して保管する保管部が設けられ、測定時に距離を測定するプローブの飛び出し方向線が前記Ｘ軸と平行面内で前記回転軸線と交差するように前記工具テーブルに載置固定可能にされ、前記接触式計測器のプローブの飛び出し量が一定となるように、かつ前記Ｚ軸及びＸ軸方向に走査可能にされ、該走査により前記被加工物の加工面の形状を前記Ｚ軸、Ｘ軸データとして測定・保存されることを特徴とする自由曲面加工装置。
前記加工面の形状の測定は前記回転軸を含む前記測定方向側の所定の測定範囲までとされ、該所定の測定範囲を測定した後、前記回転軸回りに被加工物を１８０°回転させ、再度同じ前記回転軸を含む前記測定方向側の所定の測定範囲まで測定し、Ｚ軸、Ｘ軸データとして保存し、回転軸近傍のＸ、Ｚ軸データを比較して、前記被加工物の加工面形状を算出して被加工物の形状データとして保存されることを特徴とする請求項１記載の自由曲面加工装置。
前記接触式計測器のプローブと被測定面とが垂直に接触した場合の角度を０°として、前記プローブと前記被測定面の接触角度の最大測定可能角度範囲を±θとして、前記回転軸線と前記接触式計測器のプローブの飛び出し方向線との交差角γが１０°≦γ＜θであることを特徴とする請求項１又は２記載の自由曲面加工装置。