JP2016132077A - 曲面研磨加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面を高精度に研磨できる曲面研磨加工装置を提供すること。【解決手段】曲面よりなるワーク１００の被研磨面１０１を研磨ツール３６によって研磨する。流体圧力を利用して研磨ツール３６に対して研磨圧を付与するためのエアシリンダを設ける。ワーク１００の表面の被研磨面１０１の傾き及び研磨ツール３６の角度に応じて研磨圧を演算する演算手段が設けられている。その演算手段の演算結果に応じて前記エアシリンダを動作させて研磨圧を調節するための圧力調節手段が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、凹面や凸面等の曲面を研磨するための曲面研磨加工装置に関するものである。

ワークの曲面の研磨においては、研磨ツールは研磨加工点において法線上に位置される。従って、曲面の位置に応じて研磨ツールの角度が変化する。ところが、研磨ツールの角度が変化すると、曲面に対する研磨圧，すなわち曲面に対する研磨ツールの接触圧力も変化する。従って、研磨ツールの角度が異なるごとに研磨加工精度が変化し、曲面全体の研磨加工精度を均等にすることは困難である。

特許文献１には、研磨ツールを有する研磨ヘッドから離間した位置にバネが設けられ、そのバネにより研磨ツールの研磨加工点に対して法線方向から弾性力が付与されるようになっている。そして、法線方向から弾性力が付与されるため、研磨加工点における研磨圧が一定に保持されるとしている。

特開平２−１３１８５１号公報

特許文献１の技術においては、研磨加工点における研磨圧をバネの弾性に依存しているため、研磨圧を微細に調節することが困難であり、このため、研磨加工精度の調整が難しい。また、研磨ツールやワークに振動等が生じた場合、バネによってその振動を適切に吸収することはできない。加えて、特許文献１の技術においては、バネが研磨ヘッドから離れた位置に配置されているため、研磨ツールの位置に生じる振動吸収作用はさらに低下する。従って、特許文献１の技術においては高い研磨加工精度を得ることが難しい。しかも、研磨ヘッドの周囲にバネやバネ力を調整するための機械的構成が必要になるため、研磨ヘッドを含むその周囲の機構が大型化して大重量になる問題もある。

本発明の目的は、研磨加工において高精度を得ることができるとともに、構成を小型化かつ軽量化できる曲面研磨加工装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、曲面よりなるワークの被研磨面を研磨ツールによって研磨するための曲面研磨加工装置において、流体圧力を用いて研磨ツールに対して研磨圧を付与するための研磨圧付与手段と、前記研磨ツールの角度に応じて研磨圧の値を演算する演算手段と、前記演算手段の演算結果に応じて前記研磨圧付与手段を動作させて研磨圧を調節するための圧力調節手段とを設けたことを特徴とする。ここで、研磨は研削の意味を含むものとする。

以上の構成においては、流体圧力により研磨ツールに対して研磨圧が付与され、研磨ツールはその研磨圧が付与された状態でワークの被研磨面の研磨を実行する。この場合、研磨ツールの角度に応じて流体圧力による研磨圧が調節される。従って、研磨圧付与のためのバネは用いられず、バネ等の機械的構成が不要になる。

本発明によれば、研磨圧付与のためのバネが不要になるため、高精度加工が可能になるとともに、装置の小形化及び軽量化が可能になるという効果を発揮する。

曲面研磨加工装置の斜視図。 曲面研磨加工装置の一部正面図。 研磨ヘッドの斜視図。 曲面研磨加工装置の電気的構成を示すブロック図。 曲面研磨加工装置のエア回路図。 曲面研磨加工装置の動作を示すフローチャート。 研磨加工状態を示す簡略図。 変更例を示すエア回路図。

以下、本発明を具体化した実施形態の曲面研磨加工装置を図面に基づいて説明する。
図１，図２及び図４に示すように、装置の機台１１上には移動台１２が支持されており、この移動台１２は図４に示すＹ軸モータ１３により水平なＹ軸方向に往復移動される。移動台１２上にはテーブル１４が支持されており、このテーブル１４はＣ軸モータ１５により鉛直なＣ軸の周りにおいて回転される。

前記機台１１の上方にはコラム１６を介して水平方向に延びるクロスビーム１７が架設されている。クロスビーム１７には移動体１８が支持されており、この移動体１８はＸ軸モータ１９により前記Ｙ軸と直角をなす水平なＸ軸方向に往復移動される。移動体１８には昇降体２０が支持されており、この昇降体２０はＺ軸モータ２１により鉛直なＺ軸方向に昇降される。

図２〜図４に示すように、昇降体２０には研磨ヘッド２２が支持されており、この研磨ヘッド２２はＢ軸モータ２３により前記Ｙ軸と平行な、かつ水平な軸２４の周りにおいて回転される。この軸２４をＢ軸とする。

図２及び図３に示すように、前記研磨ヘッド２２のフレーム３０にはヘッド本体３２が支持されており、このヘッド本体３２はＡ軸モータ３３により前記Ｂ軸と直角な軸３１の周りにおいて回転される。この軸３１をＡ軸とする。

図２及び図３に示すように、ヘッド本体３２には前記Ａ軸の延長方向から見てＡ軸と直交する方向に往復移動可能な研磨圧付与手段としての軸ユニット２６が支持されている。この軸ユニット２６には同軸ユニット２６の移動方向と平行に延びるツール軸３４が支持されており、このツール軸３４は軸ユニット２６内の図４に示す研磨駆動モータ３５により自身の軸線を中心に高速回転される。従って、ツール軸３４は軸ユニット２６とともにＡ軸と直交する方向に往復移動可能である。ツール軸３４はＡ軸とＢ軸との交差部に位置する。

ツール軸３４の下端には研磨ツール３６が着脱可能に装着される。この研磨ツール３６は、回転砥石であっても、回転刃であってもよい。そして、図５に示すように、軸ユニット２６の荷重Ｗに基づく付勢力より研磨ツール３６がワーク１００の表面の被研磨面１０１に圧接される。

図３及び図５に示すように、ヘッド本体３２には研磨圧付与手段としての直線移動型のエアシリンダ３７が搭載され、そのピストンロッド３７３に前記軸ユニット２６が吊下されている。

従って、テーブル１４上のワーク１００は、Ｙ軸モータ１３によって水平なＹ軸方向に移動されるとともに、Ｃ軸モータ１５により鉛直なＺ軸線と平行な軸線の周りにおいて回転される。また、研磨ツール３６は、研磨駆動モータ３５によって高速回転された状態で、Ｘ軸モータ１９によって水平なＸ軸方向に移動されるとともに、Ｚ軸モータ２１により鉛直方向に昇降される。また、研磨ツール３６はＢ軸モータ２３によりＹ軸と平行なＢ軸の周りに回転され、Ａ軸モータ３３によりＢ軸と直角なＡ軸の周りに回転される。

従って、ワーク１００と研磨ツール３６とはＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向に相対移動可能である。また、ツール軸３４，すなわち研磨ツール３６は、図７に示すワーク１００の被研磨面１０１に対してＡ，Ｂの２軸方向に移動可能であって、被研磨面１０１の曲面形状に従って、被研磨面１０１の研磨加工点において法線Ｌ上の位置に移動可能である。

図５に示すように、前記エアシリンダ３７のヘッド側３７１には研磨圧付与手段及び圧力調節手段としての電空変換器（電気信号を空気圧力信号に変換して、所要の空気圧力を得る機器）３８の吐出側が接続されている。電空変換器３８の吸入側には切換バルブ３９を介して研磨圧付与手段としてのエアポンプ４０が接続されている。

そして、切換バルブ３９の切換えにより、エアポンプ４０からのエアが前記電空変換器３８を介してエアシリンダ３７のロッド側３７２に供給される。このため、ロッド側３７２に供給されるエアの圧力の高低に応じてエアシリンダ３７のピストンロッド３７３が上昇または下降される。従って、ピストンロッド３７３の上昇または下降にともなって前記ツール軸３４が上昇または下降される。

前記電空変換器３８は圧力調節手段としての圧力調節バルブ４１を備えている。この圧力調節バルブ４１は、図４に示すサーボモータよりなるバルブ駆動モータ４２により動作されて、エアシリンダ３７のロッド側３７２に供給されるエアの圧力，すなわち流体圧力が調節される。この圧力調節により、エアシリンダ３７のヘッド側３７１に供給されるカウンタ圧力としてのエアの圧力が調節されて、ワーク１００に対する研磨ツール３６の接触圧力，すなわち研磨圧が調節される。すなわち、前記圧力調節量に応じて前記軸ユニット２６の荷重量がキャンセルされて、所要の値の研磨圧が発現される。このように、電空変換器３８及びエアシリンダ３７は、結果的に流体圧を利用した研磨圧付与手段を構成する。

制御手段及び演算手段を構成する制御装置５１は、ＣＰＵ（中央処理装置）等よりなる制御部５２と、記憶部５３とを備えている。そして、制御装置５１は、前記Ｙ軸モータ１３，Ｃ軸モータ１５，Ｘ軸モータ１９，Ｚ軸モータ２１，Ｂ軸モータ２３，Ａ軸モータ３３，研磨駆動モータ３５，電空変換器３８，切換バルブ３９，エアポンプ４０及びバルブ駆動モータ４２の各動作を制御する。制御装置５１にはバルブ駆動モータ４２のエンコーダ４３が接続されている。

次に、以上のように構成された曲面研磨加工装置の作用を図６に基づいて説明する。図６のフローチャートは制御装置５１の記憶部５３内のプログラムが制御部５２の制御のもとに進行するものである。

研磨作業のためのプログラムはワーク１００の被研磨面１０１の種類ごとに設定されている。プログラムが実行されると、ステップＳ（以下、単にＳという）１において、ワーク１００に対する研磨が実行される。この研磨においては、ワーク１００と高速回転中の研磨ツール３６がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対移動されるとともに、ワーク１００がＣ軸の周りに低速回転されて、ワーク１００の被研磨面１０１の全面を研磨ツール３６が移動される。また、このとき、制御装置５１は被研磨面１０１の研磨加工点の曲面の傾きを認識して、その研磨加工点における法線Ｌ上にツール軸３４及び研磨ツール３６を位置させるようにＡ軸モータ３３及びＢ軸モータ２３の回転を制御する。

このとき、エアポンプ４０から電空変換器３８を介してエアシリンダ３７のロッド側３７２に後述の演算によって設定された圧力のエアが供給されて、ツール軸３４が軸ユニット２６の調節された荷重Ｗによる付勢力を得て、研磨ツール３６がこの調節された研磨圧によって被研磨面１０１に圧接される。

すなわち、バルブ駆動モータ４２によって圧力調節バルブ４１が回動されて、その圧力調節バルブ４１の位置によって前記研磨圧が決定される。そして、制御装置５１は、バルブ駆動モータ４２のエンコーダ４３からの入力によって現在調節位置，すなわち現在研磨圧を認識する。

この研磨動作時において、前記のように、ワーク１００の被研磨面１０１に対する研磨位置が変わるごとに、研磨ツール３６が法線上に位置するように、同研磨ツール３６のＡ軸周りの角度及びＢ軸周りの角度が調節される。つまり、被研磨面１０１の研磨加工点における曲面の傾きに応じて、研磨ツール３６がその研磨加工点の法線Ｌ上に位置するように、研磨ヘッド２２がＡ軸及びＢ軸の少なくとも一方の軸の周りに回転されて、ツール軸３４の傾き角度，すなわち研磨ツール３６の傾き角度が調節される。

このように、プログラムに従ってツール軸３４のＡ軸周りの角度が変化すると、Ｓ２においてその角度変化が判別される。そして、Ｓ３において以下の（１）式により調整量Ｆが演算される。この調整量Ｆは、前記バルブ駆動モータ４２の回転量，すなわち圧力調節バルブ４１の回転量を表す。

Ｆ＝（１−cosα・cosβ）×γ・・・・・・・・（１）
ここで、αはＡ軸周りにおけるツール軸３４の水平面に対する傾斜角度、βはＢ軸周りにおけるツール軸３４の水平面に対する傾斜角度を表す。γはバルブ駆動モータ４２の回転量に対する装置の係数を表すものであって、この係数はバルブ駆動モータ４２の回転量に対する研磨ツール３６の研磨圧の変化度合いを表す。

Ｓ４においてツール軸３４のＢ軸周りの角度の変化が検出されると、Ｓ５において前記（１）式を用いて調整量Ｆが前記と同様に演算される。
そして、前記Ｓ３及びＳ５の演算結果に従い、Ｓ６においてバルブ駆動モータ４２が演算された回転量となるように動作される。このため、ワーク１００に対する研磨ツール３６の研磨圧が一定状態を維持するようにエアシリンダ３７に対するエア圧力が調節される。このようにして、研磨ツール３６が被研磨面１０１上を移動して、ツール軸３４及び研磨ツール３６の角度が変化しても、被研磨面１０１に対する研磨圧は一定に維持されるため、研磨精度を一定に維持できる。

従って、本実施形態においては、以下の効果がある。
（１）特許文献１の技術とは異なり、研磨ツール３６の圧力を調整するためのバネ等の機械的構成を研磨ヘッド２２に設ける必要がないため、研磨ヘッド２２の構成を簡素化できるとともに、軽量化できる。このため、研磨精度に好影響を及ぼすことができる。

（２）研磨圧はバネの圧力を利用するのではなく、エアシリンダ３７の圧力を利用するため、研磨圧を微細に調節できる。また、エアシリンダ３７に対するエア圧力を調節することで研磨圧を調節できるため、この研磨圧の調節がきわめて容易である。従って、所要の研磨精度や高精度研磨を適切に得ることが可能になる。

（３）研磨圧をエアシリンダ３７によって調整するようになっているため、研磨ツール３６や被研磨面１０１に何らかの振動が作用した場合に、それを適切に吸収して、高精度研磨を維持できる。

（４）研磨ツール３６が常時法線Ｌ上に位置されるため、高精度加工に寄与できるとともに、同一の研磨条件を維持できる。従って、研磨圧の調節を容易かつ正確に行なうことができる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様でも具体化できる。
・前記実施形態では、軸ユニット２６の荷重Ｗに対してエアシリンダ３７によってカウンタ荷重を作用させることにより、調節された研磨圧を得るようにした。これに対し、図８に示すように、切換バルブ３９のひとつのポートに電空変換器３８を接続するとともに、その電空変換器３８の吐出側をエアシリンダ３７のヘッド側３７１に接続する。また、切換バルブ３９の他のポートをエアシリンダ３７のロッド側３７２に接続する。この場合、軸ユニット２６はヘッド本体３２に固定するとともに、ツール軸３４をその軸方向に移動可能とする。そして、エアシリンダ３７のピストンロッド３７３にツール軸３４を連結する。このようにすれば、切換バルブ３９の切換により電空変換器３８を介してエアシリンダ３７のヘッド側３７１に供給されるエアによって調節された研磨圧を得ることができる。

・研磨圧を作用させるためのエアシリンダ３７に代えて油圧シリンダを用いること。
・ツール軸３４及び研磨ツール３６が法線Ｌから外れた位置に配置された状態で研磨が行なわれるようにすること。例えば、ツール軸３４が鉛直軸上に位置した状態で、従って、ツール軸３４の傾き角度が固定された状態で研磨ツール３６が被研磨面１０１上を移動して被研磨面１０１上を研磨するように構成すること。このようにした場合でも、研磨圧を適切に調節することにより、高精度研磨が可能になる。

・所要の研磨圧を付与するための直線移動型エアシリンダに代えてロータリエアシリンダを用いること。
・前記実施形態の曲面研磨加工装置を凸状曲面の研磨において使用すること。この場合も、前記（１）式を用いて研磨圧の調節を実行できる。

２６…研磨圧付与手段としての軸ユニット、３６…研磨ツール、３７…研磨圧付与手段としてのエアシリンダ、３８…電空変換器、４０…研磨圧付与手段としてのエアポンプ、４１…圧力調節手段としての圧力調節バルブ、４２…圧力調節手段としてのバルブ駆動モータ、５１…演算手段、制御手段としての制御装置、１００…ワーク、１０１…被研磨面、Ｌ…法線。

Claims (5)

1. 曲面よりなるワークの被研磨面を研磨ツールによって研磨するための曲面研磨加工装置において、
   流体圧力を利用して研磨ツールに対して研磨圧を付与するための研磨圧付与手段と、
   前記研磨ツールの傾き角度に応じて研磨圧の値を演算する演算手段と、
   前記演算手段の演算結果に応じて前記研磨圧付与手段を動作させて研磨圧を調節するための圧力調節手段と
   を設けた曲面研磨加工装置。
2. 前記ワークの表面の曲面の傾きに応じて前記研磨ツールを法線上に位置させる制御手段を設けた請求項１に記載の曲面研磨加工装置。
3. 前記圧力調節手段は電空変換器である請求項２に記載の曲面研磨加工装置。
4. 前記電空変換器はサーボモータの回転量に応じて圧力調節を行なう請求項３に記載の曲面研磨加工装置。
5. 前記制御手段は、前記サーボモータの回転量をＦ、前記研磨ツールのひとつの水平な軸の周りの傾斜角度をα、前記研磨ツールの前記軸とは直角をなす別の水平な軸の周りの傾斜角度をβ、前記サーボモータの回転量に対する装置の係数をγとして、
   Ｆ＝（１−cosα・cosβ）×γ
   の式に従って圧力調節を実行する請求項４に記載の曲面研磨加工装置。