JP2009050933A - 高速移動刃物台 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部分が軽量で高速高加速度での追従性が高く、迅速かつ高精度で超精密加工を行うことができる高速移動刃物台を提供する。
【解決手段】スライダベースと、スライダベースに対して摺動可能に配設されたスライダと、スライダの先端側に設けられ、工具を保持する工具ホルダと、スライダをスライダベースに対して相対移動させるリニアモータ装置と、スライダベースに対するスライダの移動位置を検出する位置検出装置と、をそなえた高速移動刃物台において、工具ホルダは、該工具ホルダに取り付けられる工具における前記先端側軸受の先端部からの突出量が少なくなるように、先端側摺動軸部に設けられた中空穴部の内周内であって、先端側軸受の対向位置に固定され、位置検出装置は、スライダの基端側に設けられた中空部内に配設されていることである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＮＣ加工機により精密な切削加工を行うバイト等を取り付ける刃物台に関し、特に高速高加速度で精密に往復移動する刃物台に関する。

従来、遠近両用レンズなどの光学部品は、切削加工した後、研磨加工を行うことによって仕上げられている。これらの光学部品は非軸対称形状であるため、従来型の旋盤では加工できず、フライカットと呼ばれる単刃の工具を位置制御しながら削るか、工作物を取り付けた主軸の回転と刃物台を同期制御して削るという方式が採用されてきた。

しかし、フライカットは、断続切削となるため加工能率が悪く、優れた加工面を得るには、工作物の送り速度を極めて遅くせざるを得なかった。また、フェイスミルと呼ばれる多刃工具を用いれば、能率は格段に向上するが、多くの刃を回転振れが無いように位置調整するのは極めて困難であり、結果として優れた面が得られないという課題があった。また、主軸と刃物台を同期制御する方式では、連続切削となるため能率の面で優れるが、従来のボールねじと回転型モータ、エンコーダを用いた刃物台では限界があり、高速高精度の制御は不可能であった。そのため、結果として加工面には切削条痕が残り、光学部品としての機能を満足させるためには、研磨加工を行わざるを得ず、総加工時間を短くできないという課題があった。

そのため、特許文献１のＮＣ加工機では、主軸の長手方向に移動可能なＺ軸テーブルと、前記Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向に移動可能なＸ軸テーブルと、主軸に対向して前記Ｘ軸テーブルに固定され、ターナーベース及び各種バイトを取り付ける刃物台と、ターナーベース上に固定された前記Ｘ軸方向に直交するＺ軸方向に延びる軌道レールを備えたスライドブロックと、前記スライドブロックに対して前記軌道レールに沿って高速で往復移動し且つ前記工作物に切削加工するバイトを取り付けたスライダと、スライダを軌道レールに沿ってスライドブロック上で往復移動させる駆動装置とを備え、前記駆動装置は、前記軌道レールに沿って前記スライドブロックに固定されたリニアモータコイルと前記スライダに組み込まれた前記リニアモータ磁石板とから構成されるものとした。このようにバイトを取り付けたスライダをリニアモータで駆動させることにより、高速高加速度での往復移動に追従できるようにしている。
特開２００２−１２６９０７号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、往復運動するスライダの質量が大きくて大きな慣性力が生ずるため、高速高加速度に追従できず応答性が悪いという課題があった。また、スライダの先端に設けられるバイトを保持するホルダ部分が、スライダが摺動する軸受部分（スライダブロック）より先端側へ大きく飛び出ているため、工作物に接するバイトの先端に生じる切削力が、ホルダ部分の基端部に大きな曲げモーメントを生じて、曲がり或いは曲げ戻りによる振動を生じ、高い加工精度が得られないおそれがあった。また、スライダの移動位置を検出するため、リニアスケールが設けられているが、スライダの軸心より外れた所に設けられているため、測定精度が悪いという課題があった。

本発明は係る従来の課題に鑑みてなされたものであり、可動部分が軽量で高速高加速度での追従性が高く、迅速かつ高精度で超精密加工を行うことができる高速移動刃物台を提供するものである。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、スライダベースと、該スライダベースの先端側に設けられた先端側軸受及び同スライダベースの基端側に設けられた基端側軸受と、該先端側軸受により支持される先端側摺動軸部と前記基端側軸受により支持される基端側摺動軸部とを有し、前記スライダベースに対して軸線方向に相対移動可能に配設されたスライダと、該スライダの先端側に設けられ、工具を保持する工具ホルダと、前記スライダを前記スライダベースに対して高速で相対移動させる可動磁石型リニアモータ装置と、前記スライダベースに対する前記スライダの移動位置を検出する位置検出装置と、を備えた高速移動刃物台において、前記工具ホルダは、該工具ホルダに取り付けられる工具における前記先端側軸受の先端部からの突出量が少なくなるように、前記先端側摺動軸部に設けられた中空穴部の内周内であって、前記先端側軸受の対向位置に固定され、前記位置検出装置は、前記スライダの基端側に設けられた中空部内に配設されていることである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記スライダの先端側には、四角柱状摺動軸部が形成されるとともに、前記先端側軸受は、前記四角柱状摺動軸部を摺動可能に支持する四角穴状に形成され、前記スライダの基端側には、円柱状摺動軸部が形成されるとともに、前記基端側軸受は、前記円柱状摺動軸部を摺動可能に支持する円形穴状に形成されていることである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記工具ホルダは、前記スライダの中心軸線上に工具の先端を保持するものであることである。

請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記位置検出装置は、前記スライダの中心軸線上において計測するリニアスケールであることである。

請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記高速刃物台に対して対称的に作動する同一の構成の高速刃物台を対向させて並設したことである。

請求項１に係る発明によると、工具ホルダをスライダの先端側摺動軸の中空穴部の内周内に固定するとともに、位置検出装置を、配置されるスライダの基端側の中空部内に設けることによって、スライダを軸線方向に短く形成して可動部分の軽量化を図ることができるので、応答精度を向上させることができる。また、軽量化によって応答周波数を上げることができるので、工作物主軸の回転数を上げることにより加工能率を向上させることもできる。工具ホルダにより保持される工具は、先端側軸受の先端より突出する量が少ないので、工具刃先の支持剛性を向上させることができる。そして、この工具刃先の支持剛性の向上によって、加工の際の刃先の微少振動を抑制して工作物の加工面の精度を向上させることができる。

請求項２に係る発明によると、スライダを先端側軸受と基端側軸受とのいわゆる両持ちで支持し、加工の際の工具に生じる曲げモーメントを、加工位置に近い四角穴状に形成された先端側軸受で効率よく受けることができる。そして、スライダの基端側の摺動軸部を小径の円柱状に形成したことと相俟って、スライダを小型化して軽量化を図ることができる。

請求項３に係る発明によると、スライダの中心軸線上に工具の先端が保持されるので、加工の際に工具に発生するねじりモーメントを低く抑えることができる。そして、先端側軸受の先端からの突出量を少くして工具刃先の支持剛性が向上されていることによる曲げ変位の低減と相俟って、加工精度を飛躍的に向上させることができる。

請求項４に係る発明によると、位置検出装置を、測定線（工作物に接する工具）と目盛線（リニアスケール）とが同一直線状に配置されるべきというアッベの原理に基づく位置（中空部内のスライダの中心軸線上の位置）に、位置検出装置を配設したので、スライダのピッチング、ヨーイングの影響が取り除かれて計測精度が向上する。そして、位置検出装置をスライダの中空部内へ配設することで図られる、スライダの軽量化による加工精度の向上と相俟って、飛躍的に制御特性を向上させることができる。

請求項５に係る発明によると、一方の高速移動刃物台を使用する場合は、スライドの移動に伴う慣性力を相殺するので、加工精度を向上させることができる。

また、両方の高速移動刃物台を使用して２つの工作物を同時に加工する場合は、さらに加工の際の加工抵抗による振動を相殺するので、加工精度をさらに向上させることができる。

本発明に係る高速移動刃物台を備えたＮＣ加工機の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は工具移動装置の構造を断面で示した側面からの概念図であり、図２は同断面で示す正面からの概念図である。

このＮＣ加工機２は、図４に示すように、主軸４を回転させるスピンドルモータ６を組み込んだ主軸台８と、主軸４の長手方向であるＺ軸方向に移動可能なＺ軸テーブル１０と、Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向にＺ軸テーブル１０上を移動可能であって且つ主軸台８を載置したＸ軸テーブル１２と、主軸４の先端に設けられたチャックであるクランプ１４と、クランプ１４に保持される工作物Ｗと対向する位置に設置され、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に直角なＹ軸方向（垂直方向）を中心とするＢ軸回りに回動可能なターンテーブル１６と、ターンテーブル１６に設けられた高速移動刃物台１８とから構成されている。Ｘ軸テーブル１２は、図略のリニアモータによりＺ軸テーブル１０上に配設されたＸ軸ガイド１３に沿って移動し、Ｚ軸テーブル１０は、図略のリニアモータによりベース９上に設置されたＺ軸ガイド１１に沿って移動するようになっている。ターンテーブル１６は、図示されていないＹ軸テーブルに載置され、図略のリニアモータによって移動可能に構成されている。また、主軸台８のクランプ１４は、工作物Ｗを保持してＺ軸を中心とするＣ軸回りに回転するようになっている。また、図略のリニアエンコーダによりＸ軸テーブル１２、Ｙ軸テーブル及びＺ軸テーブル１０の位置が検出され、この位置の信号に基づき制御装置１７によって前記リニアモータの作動が制御される。

高速移動刃物台１８は、図１に示すように、ターンテーブル１６上に固定された基枠２０と、基枠２０に対してＺ軸と平行なＷ軸方向に摺動可能に配設されたスライダ２４と、スライダ２４の先端側（図１において左側）に組み付けられる工具ホルダ２７と、スライダ２４の基端側（図１において右側）に配設される位置検出装置としての光学式リニアスケール２６と、スライダ２４の中央外周に組み付けられたマグネット構成体５０及び前記基枠２０の内壁に固定されたリニアモータコイル２２からなる可動磁石型リニアモータ２８と、から構成される。

基枠２０には、先端側（図１において左側）に断面矩形状の矩形静圧油軸受３０と、基端側（図１において右側）に断面円形状の円形静圧油軸受３２とが組み付けられている。矩形静圧油軸受３０は、請求項１における先端側軸受、円形静圧油軸受３２は、同基端側軸受を夫々構成する。矩形静圧油軸受３０の先端には前面蓋体３４が、基枠２０の基端には後面蓋体３６が組付けられている。矩形静圧油軸受３０は後述する四角柱状摺動軸部３８を油の静圧力によってＷ軸方向（スライダ２４の中空軸線ＣＬ方向）に移動可能に支持する。円形静圧油軸受３２は後述する円柱状摺動軸部４２を同様に支持するようになっている。

スライダ２４は、先端部の外周が矩形状であり、中央部及び基端部が円柱状である中空棒材より形成されている。また、基端部と中央部との境にはリニアスケール固定壁２５が設けられ、後述する光学式リニアスケール２６を固定するとともに、スライダ２４の中空部分を区切っている。スライダ２４の先端部は、先端が開口して中空穴部４５を有する四角柱状摺動軸部３８が形成され、四角柱状摺動軸部３８は基枠２０の矩形静圧油軸受３０に摺動可能に嵌合している。四角柱状摺動軸部３８の先端側の中空穴部４５には工具としてのバイト２９を保持する工具ホルダ２７が図略のボルトにより組付けられ、工具ホルダ２７は前面蓋体３４に設けられた開口に遊嵌されている。工具ホルダ２７と前面蓋体３４との隙間には図略のエアシールが設けられ、切削加工時の切り屑及び切削液が静圧軸受部に入らないようになっている。

この工具ホルダ２７は、四角柱状摺動軸部３８の先端側の中空穴部４５の内周内であって、矩形静圧油軸受３０が軸方向に延在する範囲に、工具ホルダ２７の主な部分が覆われるように固定されている。これにより工具ホルダ２７に保持されるバイト２９が、矩形静圧油軸受３０の先端より大きく突出することが無いように構成される。また、バイト２９は工具ホルダ２７に保持されたとき、バイト２９の先端がスライダ２４の中空軸線ＣＬ上に位置するようになっている。

前記スライダ２４の中央部には、例えば鉄製で矩形状のヨーク５１が外嵌され、ヨーク５１の外周の４面には夫々永久磁石によるマグネット構成体５０が固定されて可動磁石型リニアモータ２８の可動部を構成している。そして、スライダ２４の上部に設けられたキー溝に嵌合されたキー部材４０によりヨーク５１は、スライダ２４に対して軸心方向の相対回転不能に固定されている。また、可動磁石型リニアモータ２８の固定部を構成するリニアモータコイル２２が、マグネット構成体５０を取り囲むように前記基枠２０の内壁に配設され、リニアモータコイル２２はマグネット構成体５０に磁気的空隙を介して夫々対向している。また、該リニアモータコイル２２は、図略の直流電源に連結される図略の電流制御回路に接続されている。

スライダ２４の基端部は、基端が開口した円形中空状に円柱状摺動軸部４２が形成され、円柱状摺動軸部４２の中空部４３には前記リニアスケール固定壁２５において光学式リニアスケール２６のインデックススケール部４４が基端側に向かって突出するように固定されている。このインデックススケール部４４はスライダ２４の中空軸線ＣＬに沿って配設され、該中空軸線ＣＬ上でスライダ２４の移動位置が検知できるように構成されている。一方、前記基枠２０の後面蓋体３６には栓部材４６が嵌合され、栓部材４６には図略のブラケット及び固定ビスにより光学式リニアスケール２６のセンサーヘッド４８が円柱状摺動軸部４２の中空部４３内に向かって突設されている。これらのセンサーヘッド４８及びインデックススケール部４４によりスライダ２４の移動量を検出する。そして、この光学式リニアスケール２６により検出された移動量の信号が制御装置１７に送られ、制御装置１７の指令によって前記電流制御回路に電流値を制御して可動磁石型リニアモータ２８が作動する。この電流制御回路として、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｅｒｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子から構成されるアンプが考えられる。また、スライダ２４は、例えば０〜１０ｍｍのストローク、２０Ｈｚのサイクルで作動するようになっている。

上記のように構成されたＮＣ加工機２の作動を以下に説明する。このＮＣ加工機２は、予め入力された加工プログラムに基づき、すべて制御装置１７によって工作物Ｗの切削加工が行われる。

まず、工作物Ｗは、クランプ１４に保持され、スピンドルモータ６によりＣ軸回りに回転しながらＺ軸テーブル１０をＺ軸方向移動することにより、工作物Ｗを高速移動刃物台１８に接近させる。そして、工作物Ｗがバイト２９の先端に接触して切削が開始する。切削は、例えば、工作物Ｗの外側より回転される中心に向かってバイト２９の先端が移動するよう、Ｘ軸テーブル１２をＸ軸方向に移動しながら行う。高速移動刃物台１８は、可動磁石型リニアモータ２８において、リニアモータコイル２２に通電すると、スライダ２４に先端部側或いは基端部側へ移動させる推力が働き、電流量に応じた距離だけ一方へ移動する。そして、前記ＩＧＢＴ等により正逆の通電をすると、スライダ２４は往復移動する。この移動位置は光学式リニアスケール２６により検出され、検出位置の信号が制御装置１７に送られて、前記ＩＧＢＴ等により通電方向及び通電量が定められてスライダ２４（バイト２９）の移動量が制御される。制御装置１７は予め決められた加工指令値に基づいてスライダ２４に設けたバイト２９によって切削加工を行わせ、その実際の位置情報をフィードバックさせ、実際の位置情報と加工指令値との差を零に近づける制御をおこなう。このような制御を行いながら、主軸４の回転位相に応じてバイト２９を高速往復移動させることにより、例えば工作物Ｗの加工を行う。また、バイト２９は切削点となる先端がＢ軸の回転中心とほぼ一致され、工作物Ｗの曲面に合わせてバイト２９が一定の角度での切削が可能となるので、曲面に対して均一な超精密切削仕上げを行うことができる。また、スライダ２４は、静圧油軸受３０,３２によって静圧支持されているので、バイト２９等を微細かつ高速でかつ安定的に移動制御できるようになり、工作物Ｗの加工精度を向上させることができる。

上記実施形態における高速移動刃物台１８によると、工具ホルダ２７を矩形静圧油軸受３０の内周壁内側に形成するとともに、光学式リニアスケール２６を円形静圧油軸受３２の内周壁内側に設けることによってスライダ２４を軸線方向に短く形成でき、可動部分の軽量化を図ることができるので、応答精度を向上させることができる。また、この可動部分の軽量化により応答周波数を上げることができるので、工作物主軸の回転数を上げることができ、加工能率を向上させることができる。そして、工具ホルダ２７により保持されるバイト２９は、スライダ２４の先端より突出する量が少ないので、バイト２９の刃先の支持剛性が高められる。そして、支持剛性が高められると、加工に際の刃先の微少振動が抑制されて工作物Ｗの加工面の精度を向上させることができる。このように加工面の精度が向上するので、例えば、眼鏡レンズの加工において、切削後に行われる仕上げのための研磨工程を省略することができ、大幅な工程集約を図ることができる。また、バイト２９の刃先の支持剛性が向上した分、加工の際の切り込み量を増やせるので、加工能率を上げることができる。

また、スライダ２４をいわゆる両持ちで支持し、加工の際のバイト２９により生じる曲げモーメントを、加工位置に近い矩形静圧油軸受３０で効率よく受けることができる。そして、スライダ２４の基端側の摺動軸部（円柱状摺動軸部４２）を小径の円柱状に形成したことと相俟って、スライダ２４を小型化して軽量化を図ることができる。

また、スライダ２４の中心軸線ＣＬ上に該バイト２９の先端が保持されるので、加工の際にバイト２９に発生するねじりモーメントを低く抑えることができる。そして、先端側軸受の先端からの突出量を少くして工具（バイト）２９刃先の支持剛性が向上されていることによる曲げ変位の低減と相俟って、加工精度を飛躍的に向上させることができる。

また、光学式リニアスケール２６（位置検出装置）を、測定線（工作物に接する工具）と目盛線（リニアスケール）とが同一直線状に配置されるべきというアッべの原理に基づく位置（中空部４３内のスライダ２４の中心軸線ＣＬ上の位置）に、光学式リニアスケール２６を配設したので、スライダ２４のピッチング、ヨーイングの影響が取り除かれて計測精度が向上する。そして、光学式リニアスケール２６をスライダ２４の中空部４３内へ配設することで図られる、スライダ２４の軽量化による加工精度の向上と相俟って、飛躍的に制御特性を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、高速移動刃物台をＢ軸回りに回転するターンテーブル上に配置するものとしたが、これに限定されず、例えば、図５に示すように、高速移動刃物台１８が、固定テーブル１９上に設置されているものでもよく、また、Ｘ軸方向に移動可能なテーブル上に設置されているものでもよい。

また、上記実施形態では、工具ホルダに取り付ける工具をバイトとしているが、これに限定されず、例えば、工具ホルダに小型のエアタービンを装着することにより、エンドミルやフェイスミル等のミーリング工具を取り付けるものでもよい。

また、本実施形態は、眼鏡レンズなど回転軸に直交する面を加工する、いわゆる正面旋盤加工をおこなうものとしたが、これに限定されず、例えば円筒面が楕円形であるピストンやカムなどの加工に使用することができる。

次に、本発明に係る高速移動刃物台の別の実施形態について、以下に説明する。この高速移動刃物台５８には、図６に示すように、高速移動刃物台５８とほぼ同じ機構で、対称的な動きをする対称高速移動刃物台６０が、高速移動刃物台５８と同じテーブル６２の上に設けられている。この対称高速移動刃物台６０のスライダ６４は、高速移動刃物台５８のスライダ２４と同一の質量で、同一の振幅、同一の周波数で逆方向に対称的に作動するものであり、その構成は、高速移動刃物台５８と対称的に形成されている点において相違し、その他の構成は同様なので説明を省略する。

上記のように対称高速移動刃物台６０を設けた高速移動刃物台５８においては、いわゆるカウンタバランス機構を構成するものであり、加工を一方の高速刃物移動台５８又は６０で行う場合には、スライダ２４の高速往復移動に伴う水平方向の慣性力が相殺され、該刃物台５８の工具２９における振動を抑えるので、工作物Ｗの加工表面精度を飛躍的に向上させることができる。

また、両方の高速移動刃物台５８及び６０を使用して２つの工作物を同時に加工する場合には、加工の際の加工抵抗による振動をも相殺するので、加工精度をさらに向上させることができる。

本発明に係る高速移動刃物台の側面からの断面図。 同II-II断面図。 同III-III断面図。 高速移動刃物台をＮＣ加工機に使用した実施形態を示す平面概要図。 高速刃物台を使用した別例を示す平面概要図。 別の実施形態を示す断面図。

符号の説明

１８…高速移動刃物台、２２…スライダベース、２４…スライダ、２６…光学式リニアスケール、２７…工具ホルダ、２８…可動磁石型リニアモータ、２９…工具（バイト）、３０…先端側軸受（矩形静圧油軸受）、３２…基端側軸受（円形静圧油軸受）、３８…先端側摺動軸部（四角柱状摺動軸部）、４２…基端側摺動軸部（円柱状摺動軸部）、４３…中空部、４５…中空穴部、５８…高速移動刃物台、６０…対称高速移動刃物台、スライダ…６４、ＣＬ…中心軸線、Ｗ…工作物。

Claims (5)

1. スライダベースと、該スライダベースの先端側に設けられた先端側軸受及び同スライダベースの基端側に設けられた基端側軸受と、該先端側軸受により支持される先端側摺動軸部と前記基端側軸受により支持される基端側摺動軸部とを有し、前記スライダベースに対して軸線方向に相対移動可能に配設されたスライダと、該スライダの先端側に設けられ、工具を保持する工具ホルダと、前記スライダを前記スライダベースに対して高速で相対移動させる可動磁石型リニアモータ装置と、前記スライダベースに対する前記スライダの移動位置を検出する位置検出装置と、を備えた高速移動刃物台において、
   前記工具ホルダは、該工具ホルダに取り付けられる工具における前記先端側軸受の先端部からの突出量が少なくなるように、前記先端側摺動軸部に設けられた中空穴部の内周内であって、前記先端側軸受の対向位置に固定され、
   前記位置検出装置は、前記スライダの基端側に設けられた中空部内に配設されていることを特徴とする高速移動刃物台。
2. 請求項１において、前記スライダの先端側には、四角柱状摺動軸部が形成されるとともに、前記先端側軸受は、前記四角柱状摺動軸部を摺動可能に支持する四角穴状に形成され、
   前記スライダの基端側には、円柱状摺動軸部が形成されるとともに、前記基端側軸受は、前記円柱状摺動軸部を摺動可能に支持する円形穴状に形成されていることを特徴とする高速移動刃物台。
3. 請求項１又は２において、前記工具ホルダは、前記スライダの中心軸線上に工具の先端を保持するものであることを特徴とする高速移動刃物台。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、前記位置検出装置は、前記スライダの中心軸線上において計測するリニアスケールであることを特徴とする高速移動刃物台。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、前記高速移動刃物台に対して対称的に作動する同一の構成の高速移動刃物台を対向させて並設したことを特徴とする高速移動刃物台。

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