JP4171363B2

JP4171363B2 - 工作物を任意の曲面に切削加工する高速曲面加工方法

Info

Publication number: JP4171363B2
Application number: JP2003195569A
Authority: JP
Inventors: 忍平山; 敏郎森川; 昌宏蓑原; 幸樹新貝
Original assignee: Seibu Electric and Machinery Co Ltd
Current assignee: Seibu Electric and Machinery Co Ltd
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: CN100411813C; EP1495839B1; US20050005744A1; DE602004000175T2; EP1495839A1; DE602004000175D1; CN1575892A; JP2005028497A; US7168351B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，ＮＣ加工機を用いて樹脂製レンズ等の工作物をトーリック形状（円環面形状）等の予め決められた任意の曲面に切削加工する工作物の高速曲面加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学デバイスや情報機器デバイス等には，種々の種類の光学レンズが組み込まれている。光学レンズは一般に軸対称非球面をしており，ガラスの表面を成形又は加工し，仕上げとして研磨装置で研磨して製作される。軸対称非球面を製作するための研磨装置としては，従来から種々のものが開発されている。このような研磨装置は，面粗度を向上するための装置であり，仕上げ加工に向くという利点があるものの，工作物の回転速度が遅く，研磨速度が遅くなり，加工物の形状を創成することは不可能である。
【０００３】
従来，ＮＣ加工機を用いて，工作物に対してバイトによって短時間に且つ高精度に非軸対称非球面を加工する加工方法が知られている。該加工方法は，加工の際には主軸台を載置したＺ軸テーブルは移動しないように固定され，主軸のチャックには工作物が取り付けられ，工作物がスピンドルモータによって主軸回りに回転する。一方，バイトを保持したスライドはＮＣ制御装置によってＺ軸方向に往復運動し，また，スライドを載置したＸ軸テーブルはＸ軸方向に往復運動する。スライド及びＸ軸テーブルの往復運動は，工作物の回転に同期して行われると共に，スライド及びＸ軸テーブルは互いに同期して往復運動する（例えば，特許文献１参照）。
【０００４】
また，ＮＣ加工機において，Ｙ軸方向に往復動するスライダをリニアモータで駆動するものが知られている。該ＮＣ加工機は，ターナベースに設けたスライダをリニアモータでＺ軸方向に往復移動させ，高速高加速度に対応する切削加工を可能にするものであり，ターナベースに固定された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，スライドブロックに対して軌道レールに沿って高速高加速度で往復移動するバイトを取り付けたスライダ，及びスライダをリニアガイドの軌道レールに沿って往復移動させる駆動装置を有する。駆動装置は，スライドブロックに固定されたリニアモータコイルとスライダに組み込まれたリニアモータ磁石板から構成され，スライダの移動量を検出するリニアスケールとリニアスケール検出器が設けられている（例えば，特許文献２参照）。
【０００５】
また，ＮＣ加工機を制御するため，学習制御装置における予見学習制御装置が知られている。該予見学習制御装置は，ｍ個の入力とｐ個の出力を持ち，状態空間表現で表される制御対象の出力ベクトルを，周期Ｌで同じパターンを繰り返す目標指令ベクトルに追従させるように，現在時刻において目標指令ベクトルと制御対象の出力ベクトル及び状態ベクトルを入力し，制御入力ベクトルを制御対象へ出力する学習制御装置において，目標指令ベクトルと出力ベクトルより偏差ベクトルを求める手段と，学習制御用定数行列を記憶する手段と，所定の評価関数が最小となるように現在時刻の制御入力ベクトルを決定する手段とを有するものである（例えば，特許文献３参照）。
【０００６】
また，工作物に対する軸非対称非球面加工法が知られている。該軸非対称非球面加工法は，回転可能な主軸上に取り付けられた加工物を回転させながら加工物に対して工具を相対的に移動させ，加工面を形成するものであり，加工位置に同期させて，加工物を回転軸と垂直な平面上で，主軸の半径方向に移動させ，工具位置も加工位置に応じて変えることにより，加工物を軸非対称非球面加工を行うものである（例えば，特許文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３０９６０２号公報（第１，２頁，図１）
【特許文献２】
特開２００２−１２６９０７号公報（第１，２頁，図４）
【特許文献３】
特開平７−１４１００４号公報（第１，２頁，図１）
【特許文献４】
特開２００３−９４２０１号公報（第１，２頁，図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，工作物の加工方法について，研磨による方法では加工に長時間を要するという問題があることから，工作物を非球面の曲面に短時間で加工することが求められていた。そこで，上記のように，ＮＣ加工機を用いて工作物の端面を非軸対称非球面に短時間で切削加工することが開発されたが，該加工方法は，主軸を往復移動させるＺ軸方向の移動を停止させて工作物の加工を行うものであり，また，工作物の加工時間を大幅に短縮することができなかった。
【０００９】
また，上記のような各種の従来の曲面加工方法は，Ｙ軸方向の往復移動させる駆動装置によるバイト往復移動の最高加速度を基準にして主軸の回転速度を決定して主軸の回転速度を一定に設定しており，工作物を保持している主軸の回転が一定であることが基本的な技術的思想である。即ち，従来の曲面加工方法は，バイトを取り付けているＹ軸方向に往復移動するスライダの加速度を考慮して主軸の回転が工作物の切削加工を通して所定の回転数に決定されており，そのため，工作物に対する切削加工のサイクルタイムが長くなる要因になっていた。工作物の中心部と外周部に対するＹ軸方向へのスライダの運動量は中心部が少ないが，主軸の回転数は外周部を基準にして設定されており，主軸の回転数を変更する制御に構成されていないので，スライダをＹ軸方向への最大加速度で移動させるのは工作物の外周部のみとなり，Ｙ軸方向のスライダの高加速度性能を十分に利用していなかった。
【００１０】
一般的に，曲面加工方法について，工作物が眼鏡レンズ等である場合に，工作物の最外周部を加工する時に，スライダのＹ軸移動量が一番大きくなり，最外周部から中心部に加工が進むに従ってＹ軸移動量は小さくなる。レンズ等の工作物に対する加工順序は，工作物の外周部の大径側から中心部の小径側へ加工して行き，工作物に対する加工部位の移行はスライダのＸ軸方向への移動によって行なわれている。また，従来の曲面加工方法は，工作物の最外周部でのスライダのＹ軸方向の加速度が，機械構造上や性能上によって決められる最大加速度の値以下になるように，主軸の回転数が決定され，主軸の予め決められた所定の回転数で主軸を回転させ，工作物は切削加工され，加工中は主軸の回転数は一定になっている。その理由は，従来の曲面加工方法は，学習制御によってコントロールされており，学習制御の周期として時間を採用しているため，常に主軸が１回転（３６０°）する時間が同一である必要がある。従来の曲面加工方法は，上記のことが基本になっているため，工作物の加工中の主軸の回転数が一定，即ち主軸１周の時間が常に一定であり，例えば，外周部から内周部へ加工を進行させる眼鏡用レンズ等の工作物の場合に，工作物の中心部側の方がＹ軸（バイトを取り付けたスライダ）の移動量が少なくなるので，Ｙ軸の加速度は外周部から中心部に進むにつれて小さくなって行く。
【００１１】
一方，Ｘ軸テーブルにスライダを備えたリードターナを搭載した曲面加工装置について，スライダのＹ軸方向への移動は，工作物の加工中に高速高加速度の運動を行なうことができるように構成されている。従って，従来の曲面加工方法について，工作物を外周部から中心部へと加工して行くに従ってスライダ（Ｙ軸）の加速度が低下するということは，スライダ（Ｙ軸）の移動について十二分に性能を発揮していないことになる。そこで，工作物の曲面加工方法について，工作物の加工のサイクルタイムを短縮するため，スライダ（Ｙ軸）の加速度の性能を如何に有効に利用するかの課題がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の主たる目的は，上記課題を解決することであり，バイトを取り付けたスライダを往復移動させる駆動装置を，従来の主軸の回転速度を一定にして時間クロックによるパルス指令に代えて，スライダの往復移動の加速度を予め決められた所定の加速度，例えば，最高加速度又はそれ以下の可及的に高い加速度に決定し，該所定の加速度を出来るだけ一定に保つように主軸の回転数を変化させて回転させ，主軸の回転角の角度周期によりパルス指令を出力し，工作物の中心側の切削加工におけるスライダの加速度，好ましくは最高加速度を出来るだけ一定に保つように主軸の回転数を可変に回転駆動し，工作物の外周側の加工位置の主軸の回転速度を低速度にし，中心側の加工位置になるに従って主軸の回転速度を上昇させる可変回転速度で主軸を駆動し，工作物を予め決められた所定の曲面に切削加工する加工時間を短縮してサイクルタイムを短縮し，工作物に対する切削加工効率を向上させる高速曲面加工方法を提供することである。
【００１３】
この発明の更なる目的は，樹脂製レンズ等の工作物を保持した主軸の回転に，主軸のＺ軸方向への動き，ターナを取り付けたＸ軸テーブルのＸ軸方向への動き及びバイトを取り付けたスライダのＹ軸方向への動きを同期させて，工作物を凸レンズ面，凹レンズ面，トーリックレンズ面，累進多焦点レンズ面等の各種形状の曲面に切削加工し，それによって主軸をＺ軸方向に移動させた分だけスライダのＹ軸方向の移動量のストロークを短くし，スライダのストロークを短くした分だけスライダを小型に形成し，スライダの慣性力を小さくして高速高加速度の往復運動を可能し，リニアモータによる応答性をフルに活かして，工作物を予め決められた所定の曲面に短時間で高精度に切削加工する工作物の高速曲面加工方法を提供することである。
【００１４】
この発明は，主軸台に回転可能に支持された工作物を保持する主軸，前記主軸をＺ軸方向に往復移動可能なＺ軸テーブル，前記主軸と対向する位置に配設され且つ前記Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向に往復移動可能なＸ軸テーブル，前記Ｘ軸テーブルに取り付けられたターナベース，前記ターナベース上で前記Ｚ軸方向に平行なＹ軸方向に往復移動可能でバイトを取り付けるスライダ，及び前記スライダを前記Ｙ軸方向に往復移動させるリニアモータから成る駆動装置を有するＮＣ加工機を用いて前記工作物を切削加工する加工方法において，
前記スライダの往復移動の加速度を予め決められた所定の加速度に設定し，前記スライダが前記所定の加速度を一定に保って往復移動するように前記主軸の回転速度を変化させ，前記主軸の可変回転速度の回転量に，前記スライダの前記Ｙ軸方向への動き量及び前記Ｘ軸テーブルの前記Ｘ軸方向への動き量を同期させ，前記バイトのＹ軸移動方向に直交する前記工作物の対向面を前記バイトによって予め決められた所定の曲面に切削加工することを特徴とする工作物の高速曲面加工方法に関する。
【００１５】
前記スライダの往復移動の前記所定の加速度は，前記スライダの往復移動の最高加速度以内に設定されている。更に，前記スライダの前記所定の加速度を出来るだけ一定に保つように主軸の回転数を変化させる前記主軸の回転速度は，直線，二次曲線，三次曲線，四次曲線，対数曲線等の適正化した任意の曲線の変化率で上昇させることができる。
【００１６】
この高速曲面加工方法は，前記バイトによる前記工作物の切削加工時に，前記主軸を取り付けた前記Ｚ軸テーブルを前記Ｚ軸方向に移動させ，前記Ｚ軸テーブルの前記Ｚ軸方向への動き量を，前記主軸の前記可変回転速度の回転量，前記スライダの前記Ｙ軸方向への動き量及び前記Ｘ軸テーブルの前記Ｘ軸方向への動き量に同期させるものである。
【００１７】
この高速曲面加工方法は，前記工作物を前記所定の曲面に切削加工する場合には，前記バイトを取り付けた前記スライダの前記Ｙ軸方向の往復移動のストロークは，前記工作物を保持した前記主軸の前記Ｚ軸方向の移動のストローク分だけ差し引いた値に設定される。なお，Ｚ軸テーブルを固定又は静止させた場合には，主軸の移動量は零になる。
【００１８】
また，この高速曲面加工方法は，前記工作物に切削加工される前記所定の曲面がベースのＲ形状半径値と前記ベースに直交するクロスのＲ形状半径値から成るトーリック形状の場合には，前記工作物を保持した前記主軸の前記Ｚ軸方向の移動が前記ベースのＲ形状半径値に対応する移動量に設定され，前記バイトを取り付けた前記スライダの前記Ｙ軸方向の移動は前記クロスのＲ形状半径値に対応する移動量と前記ベースのＲ形状半径値に対応する前記移動量との差分に設定される。或いは，トーリック形状に近似する形状の場合には，前記工作物を保持して前記主軸の前記Ｚ軸方向の移動が前記ベースのＲ形状半径値に対応する移動量に設定され，前記バイトを固定した前記スライダの前記Ｙ軸方向の移動は前記クロスのＲ形状半径値に対応する移動量と前記ベースのＲ形状半径値に対応する移動量との差分と独自分に設定される。また，Ｚ軸テーブルを固定した場合には，主軸のＺ軸方向への移動量は，零になり，一種の特異点を表すことになる。
【００１９】
前記バイトによって前記所定の曲面に切削加工された前記工作物は，眼鏡用レンズである。また，前記主軸の１回転に対して前記スライダは複数回往復移動するように設定されている。例えば，工作物に切削加工される所定の曲面が，トーリックレンズの場合には２往復され，累進多焦点レンズの場合には往復回数を特定できず，累進多形状に応じて複数回即ちＮ回往復移動するように設定される。
【００２０】
前記主軸の１回転に対して前記スライダはＮ回往復移動するように設定されている。また，前記スライダを往復運動させる前記リニアモータは，前記スライダ及び前記ターナベースのいずれか一方に組み込まれた界磁マグネットと他方に組み込まれた電機子コイルとから構成されている。また，前記リニアモータを組み込んだ前記ターナベースには，前記ターナベースの位置検出のためリニアスケールが装着されている。
【００２１】
この高速曲面加工方法は，上記のように構成されているので，スライダの往復移動の加速度を最高加速度以内に設定し，そのスライダの加速度を出来るだけ一定に保つように主軸の回転数を変化させることができるので，主軸の回転速度を一定に設定した従来の曲面加工方法に比較して，スライダを駆動するリニアモータの駆動装置の機能を最大限に機能させることができ，工作物加工のサイクルタイムを大幅に短くすることができ，樹脂製レンズのレンズ面等の工作物の加工効率を向上させることができる。
【００２２】
また，この高速曲面加工方法について，工作物の対向面をスライダに取り付けたバイトによってトーリック形状に切削加工する場合には，レンズ面に直交する方向（Ｚ軸方向とＹ軸方向）のＹ軸ストロークは工作物に切削加工される曲面形状分必要になるが，スライダをＹ軸方向に移動させると共に主軸をＺ軸方向に同期させて移動させれば，切削加工する工作物の形状がトーリック形状の曲面であって，ベースのＲ形状半径値ＲＬがそれに直交するクロスのＲ形状半径値ＲＳより大きいとすると，Ｙ軸のスライダは，ベースのＲ形状半径値ＲＬに対応する移動量ＲＢとクロスのＲ形状半径値ＲＳに対応する移動量ＲＣとの差分（ＲＢ−ＲＣ）だけ移動すればよいことになり，スライダのストロークが主軸を固定した場合より短く設計できる。この時，スライダをＹ軸方向に移動させる駆動装置をリニアモータで構成した場合には，スライダのストロークが短くなる分だけリニアモータ自体を小型に設計でき，可動側のスライダを小型化でき，スライダの質量も小さく設計できるので，リニアモータは，可動物の質量と出力によって可動物の加速度が決定されるため，可動物即ちスライダをできるだけ軽量にすることによってスライダの加速度を上げることができ，スライダの最高加速度をアップさせることができ，サイクルタイムを益々短縮することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による工作物の高速曲面加工方法の実施例を説明する。まず，図２〜図５を参照して，この発明による高速曲面加工方法を実施する際に用いられるＮＣ加工機について説明する。
【００２４】
この発明による工作物の高速曲面加工方法を達成するためのＮＣ加工機１は，加工機ベース２に設けられたＺ軸ベース４６上で主軸１４の長手方向であるＺ軸方向に往復移動可能なＺ軸テーブル３と，加工機ベース２に設けられたＸ軸ベース４７上でＺ軸方向に直交するＸ軸方向に往復移動可能なＸ軸テーブル４とを備えている。Ｚ軸テーブル３には，主軸台５が載置されている。Ｚ軸テーブル３は，Ｚ軸ベース４６に取り付けられたサーボモータ６によって駆動されてＺ軸方向に往復移動する。また，主軸台５には，主軸１４を回転させるスピンドルモータ７が組み込まれている。主軸１４の先端にはチャック８が設けられており，チャック８には工作物９が保持されている。また，Ｚ軸テーブル３のＺ軸方向に直交するＸ軸方向に往復移動可能なＸ軸テーブル４は，主軸１４のチャック８に取り付けられた工作物９と対向する位置に配置されている。Ｘ軸テーブル４には，直接或いは刃物台テーブルを介在してターナ１１が固定されると共に，主軸１４に対向して各種のバイト４４を取り付けるための刃物台４３が設置されている。
【００２５】
この高速曲面加工方法は，概して，工作物９を保持した主軸１４を回転支持する主軸台５，主軸１４をＺ軸方向に往復移動させるＺ軸テーブル３，主軸１４に保持された工作物９と対向する位置に配設され且つ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４，Ｘ軸テーブル４に設置されたターナ１１を構成するターナベース１６，ターナベース１６上でＺ軸方向に平行なＹ軸方向に往復移動し且つ一端にバイト１５が取り付けられるスライダ１２，及びスライダ１２をＹ軸方向に往復運動させるリニアモータ１８や回転式サーボモータの駆動装置を有するＮＣ加工機１を用いることによって達成される。
【００２６】
この高速曲面加工方法は，特に，バイトを取り付けたスライダ１２を移動させる駆動装置をリニアモータ１８で構成し，スライダ１２の往復移動の加速度を予め決められた所定（一定）の加速度に設定し，スライダ１２の所定の加速度を一定に保って運動させるように主軸１４の回転速度を変化させ，主軸１４の可変回転速度の回転量に，スライダ１２のＹ軸方向への動き量及びＸ軸テーブル４のＸ軸方向への動き量を同期させ，バイト１５のＹ軸方向への移動方向に直交する工作物９の対向面３１，実施例ではレンズのレンズ面をバイト１５によって予め決められた所定の曲面に切削加工することを特徴としている。スライダ１２の往復移動の所定の加速度は，スライダ１２の往復移動の最高加速度以内に設定し，それに応じて主軸１４の回転速度を変化させると，工作物９を予め決められた所定の曲面に高速に切削加工することができ，工作物加工のサイクルタイムを短縮することができる。スライダ１２の加速度は，最高加速度に設定すると，サイクルタイムを最も短縮することができる。この高速曲面加工方法では，例えば，主軸１４の回転上昇曲線とＸ軸の毎回転送り量（スライダ１２のＸ軸方向の送り量）からＸ軸（ターナベース１６）の位置を割り出し，更に，Ｙ軸（スライダ１２）の移動量を算出して各軸の相対的な移動量を決めてプログラムを作って行くことができる。
【００２７】
更に，この高速曲面加工方法は，バイト１５による工作物９の切削加工時に，主軸１４を取り付けたＺ軸テーブル３をＺ軸方向に移動させ，Ｚ軸テーブル３のＺ軸方向への動き量を，主軸１４の可変回転速度の回転量，スライダ１２のＹ軸方向への動き量及びＸ軸テーブル４のＸ軸方向への動き量に同期させることができ，スライダ１２の往復移動のストロークが短くなり，更にサイクルタイムを短縮することができる。或いは，この高速曲面加工方法は，Ｚ軸テーブル３をＺ軸方向に移動させることなく固定して，主軸１４の可変回転速度の回転量，スライダ１２のＹ軸方向への動き量及びＸ軸テーブル４のＸ軸方向への動き量に互いに同期させて，工作物９を切削加工することができることは勿論である。主軸１４を設置したＺ軸テーブル３を固定した場合は，主軸１４のＺ軸方向への移動量が零になるという一種の特異点に相当している。
【００２８】
図１を参照して，この発明による工作物の高速曲面加工方法による工作物の切削加工のサイクルタイムと従来のサイクルタイムとの比較を説明する。図６に示すように，工作物９がレンズの場合であり，工作物９に切削加工される所定の曲面が，ベースのＲ形状半径値ＲＬとベースに直交するクロスのＲ形状半径値ＲＳであってＲＬ＞ＲＳであるトーリック形状であるとする。図１において，横軸を工作物９に対する曲面加工のサイクルタイム，及び縦軸をバイトの加速度とする。図１の（Ａ）には，この高速曲面加工方法であって，スライダ１２を所定の加速度に一定に保って運動させるように主軸１４の回転速度を変化させ，主軸１４の回転速度の変化率を最適化した任意の曲線（例えば，二〜四次曲線）で上昇させた場合であってサイクルタイムが短縮された状態が示されている。図１の（Ｂ）は，この高速曲面加工方法であって，スライダ１２の加速度が所定の加速度を超えないように，主軸１４の回転速度を直線的に上昇させた（即ち，変化率一定の）場合であってサイクルタイムが短縮された状態が示されている。図１の（Ｃ）は，従来の工作物の曲面加工方法であって，主軸１４を所定の回転数で加工中一定速度で回転させ，主軸１４の回転速度が一定で加工位置が工作物９の内径に移動するに従ってスライダ１２の移動量が少なくなるため，スライダ１２の加速度が低下した場合であって，サイクルタイムが短縮されていない状態即ち１の状態が示されている。
【００２９】
図１に示すように，この高速曲面加工方法は，スライダの加速度が制御の基準になっており，従来の主軸１４の回転数が一定で制御して工作物９を切削加工するものに比較して，サイクルタイムを大幅に短縮することができる。例えば，スライダ１２の最高加速度以下の加速度を予め決められたスライダ１２の所定の加速度にし，スライダ１２の所定の加速度を出来るだけ一定に保つように主軸１４の回転速度を直線状の変化率で上昇させた場合には，図１の（Ｂ）のようになり，例えば，工作物９の切削加工のサイクルタイムは３０〜４０％程度短縮させることができる。また，スライダ１２の最高加速度を予め決められたスライダ１２の所定の加速度に設定し，該所定の加速度を出来るだけ一定に保つように主軸１４の回転速度を変化させて主軸１４を回転させ，その場合，主軸１４の回転変化率を適正化して任意の曲線の変化率で上昇させた場合には，図１の（Ａ）のようになり，工作物９の切削加工のサイクルタイムは，５０％程度短縮させることができる。例えば，主軸１４の回転速度を適正化した曲線の変化率で上昇させると，工作物の切削加工の最初から終了近くまでＲＢ，ＲＣが平行に延びる状態を確保できることになる。しかしながら，工作物９の中心部の回転数が非常に高くなるため，主軸１４の回転数の上限を考慮して，バイト１５による工作物９の中心部の切削加工になるに従ってバイト１５の加速度を変化させる必要がある。また，この高速曲面加工方法は，工作物９に対する曲面の切削加工は，主軸９に対する一定周期の角度即ち角度周期により繰り返される類似指令を考慮する予見学習制御によって達成することができ，工作物９の曲面加工を高精度に達成することができる。
【００３０】
次に，図７を参照して，主軸１４のＺ軸方向への移動を停止させた場合と主軸１４のＺ軸方向への移動をその回転とスライダ１２のＹ軸方向へ移動に同期させた場合とのスライダ１２の移動量の相違を説明する。ここでは，説明を簡単にするため，主軸１４の回転速度を一定にして，主軸１４の回転速度に予め所定の回転数に設定してスライダ１２の加速度を変化させた条件で説明をするが，スライダ１２の予め決められた所定の加速度に設定して主軸１４の回転速度を可変にし，スライダ１２（Ｙ軸）の加速度を一定に保つように主軸１４の回転速度を変化させる場合にも，主軸１４のＺ軸方向へ移動させる制御が同様に適用できるものである。
【００３１】
この高速曲面加工方法は，主軸１４の回転量とＺ軸テーブル３，スライダ１２及びＸ軸テーブル４の動き量とを互いに同期させ，主軸１４の回転量とＺ軸方向への移動量とに同期して，スライダ１２をＹ軸方向に往復運動させると共にＸ軸テーブル４をＸ軸方向に移動させ，バイト１５の移動方向に直交する工作物９の対向面３１をバイト１５によって予め決められた所定の曲面に切削加工することを特徴としている。工作物９がレンズの場合には，対向面３１はレンズ面である。この高速曲面加工方法は，工作物９の対向面３１をトーリック形状（円環面形状）等の曲面に切削加工する場合には，バイト１５を固定したスライダ１２のＹ軸方向の往復移動のストロークは，工作物９を保持して主軸１４のＺ軸方向の移動のストローク分だけ差し引いた値に設定される。
【００３２】
図７は，この高速曲面加工方法おけるＺ軸方向とＹ軸方向の移動関係を示すグラフである。図７の（Ａ）において，縦軸をレンズ厚さとし，横軸をレンズの半径とすると，符号Ｘは光学軸であって主軸１４の回転軸心に対応している。図７の（Ａ）はＺ軸方向のＺ軸テーブル３を固定した場合であり，図７の（Ｂ）はＺ軸方向のＺ軸テーブル３をＲＢ軌跡で移動させた場合であり，図７の（Ｃ）は（Ａ）の曲線中心線ＲＯを直線で示した関係を示している。各グラフにおける陰影部分は，（Ｂ）と（Ｃ）ではＹ軸方向であるスライダ１２の移動量を示し，（Ｃ）ではＺ軸テーブル３をＲＯ軌跡で移動させた場合のスライダ１２のＹ軸方向の移動量を示している。
【００３３】
この高速曲面加工方法は，例えば，工作物９が樹脂製レンズであり，図６に示すように，工作物９に切削加工される曲面がベースのＲ形状半径値ＲＬとベースに直交するクロスのＲ形状半径値ＲＳから成るトーリック形状の場合には，ＲＢが大きい半径ＲＬで且つＲＣが小さい半径ＲＳ（ＲＬ＞ＲＳ）であるとすると，図７の（Ａ）に示す半径ＲＢの球の軌跡を加工する動きをＺ軸テーブル３で移動させると，図７の（Ｂ）に示すように，バイト１５を固定したスライダ１２のＹ軸方向の移動はクロスのＲ形状半径値ＲＳに対応する移動量ＲＣとベースのＲ形状半径値に対応する移動量ＲＢとの差分（ＲＣ−ＲＢ）に設定される。従って，縦軸にはバイト１５を取り付けたスライダ１２の移動量（例えば，ＲＣ）と工作物９を取り付けた主軸１４の移動量（例えば，ＲＢ）とすると，スライダ１２に取り付けたバイト１５の移動量は，差分（ＲＣ−ＲＢ）となり，工作物９のレンズ面の切削加工のためのバイト１５の移動距離はＺ軸テーブル３の固定の場合に比較して短くなる。
【００３４】
工作物９の対向面３１に対する予め決められた所定の曲面の切削加工は，例えば，眼鏡用レンズであり，バイト１５によって凹レンズ面，凸レンズ面，トーリックレンズ面，累進多焦点レンズ面，凹レンズ面又は凸レンズ面とトーリックレンズ面及び／又は累進多焦点レンズ面との複合レンズ面等のレンズ面を切削加工するものであり，繰り返される指令を考慮する予見学習制御及び学習制御によって達成されている。
【００３５】
また，ＮＣ加工機１では，Ｘ軸テーブル４は，工作物９と対向する位置にＺ軸テーブル３に直交して設置され，サーボモータ１０によって駆動されてＸ軸方向に往復移動する。また，Ｘ軸テーブル４にはターナ１１が設置されている。ターナ１１は，Ｘ軸テーブル４に支持ピン３５を介して設定して固定されたスライドベース１３に取り付けられたターナベース１６，ターナベース１６上でＹ軸方向（Ｚ軸方向に平行な方向）に往復運動するスライダ１２，スライダ１２をＹ軸方向に往復移動させる駆動装置であるリニアモータ１８や回転式サーボモータの駆動装置から構成されている。スライダ１２は，先端部にバイトホルダ２８を有しており，バイトホルダ２８にはバイト１５が取り付けられる。また，図３〜図５では，駆動装置としてリニアモータ１８が利用されており，リニアモータ１８は，Ｘ軸テーブル４に取り付けられたスライドベース１３上に設置されたターナ１１に組み込まれている。スライダ１２は，その下面に設けられたスライドガイド３３を介してＺ軸方向に移動可能に支持する軸受を構成する軌道レール１７上を往復移動する。
【００３６】
工作物９の対向面３１をバイト１５で切削加工する時には，工作物９は，主軸台５の主軸（Ｃ軸）の先端に設けられたチャック８によって保持され，スピンドルモータ７によってＣ軸回りに，例えば，３００ｒｐｍ以上の回転速度で回転する。工作物９としては，樹脂材（プラスチック）や非金属が好適である。工作物９を保持した主軸１４は，その回転に同期してサーボモータ６の駆動によってＺ軸方向に往復移動しつつ，スライダ１２の先端に取り付けられたバイト１５は，スライダ１２の往復運動に伴ってＺ軸方向に往復運動すると共にＸ軸テーブル４と一緒にＸ軸方向にも往復運動する。ＮＣ加工機１は，スライダ１２の重量やターナ１１を載置したＸ軸テーブル４の質量がそれぞれかなり小さいので，慣性力も小さくなり，高加速度で往復運動が可能となる。
【００３７】
ＮＣ加工機１による工作物９に対する切削加工は，数値データに基づいて主軸回転駆動用のスピンドルモータ７及びＸ軸テーブル４を駆動するサーボモータ１０を制御することにより行われるが，刻々変化する主軸１４の回転角は高分解能のロータリエンコーダによって連続的に検出される。スライダ１２を駆動するリニアモータ１８について，スライダ１２の往復運動によるバイト１５の刻々変わる実際の移動量は，リニアモータ１８に設けられたリニアスケール２１により連続的に検出され，該検出値はＮＣ制御装置の記憶情報と比較され，比較情報に基づいてサーボモータ６，１０，リニアモータ１８及びスピンドルモータ７は制御される。また，Ｘ軸テーブル４の位置もパルスコーダによって検出され，Ｘ軸テーブル駆動用のサーボモータ１０がＮＣ制御される。
【００３８】
ＮＣ加工機１は，樹脂材から成るレンズ面加工等の切削加工を行うバイト１５を取り付けた高速高加速度に対応できるターナ１１を備えている。スライダ１２は，コントローラによって主軸１４の回転運動に同期すると共に，Ｚ軸テーブル３及びＸ軸テーブル４の往復移動に同期して往復移動し，外部データ入力等に追従して制御されて高速高加速度で往復移動可能であり，バイト１５で工作物９のレンズ面等の対向面３１を高速に且つ高加速度に切削加工するのに適用されている。
【００３９】
ターナ１１は，長手方向に延びる凹部４０Ａ，４０Ｂをそれぞれ備えた一対のターナベース部材１６Ａ，１６Ｂから成るターナベース１６，及びターナベース１６上で往復移動するスライダ１２から構成されている。ターナベース１６は，スライドベース１３上にターナベース部材１６Ａ，１６Ｂの凹部４０Ａ，４０Ｂを互いに対向状態に配置し，一方のターナベース部材１６Ａをスライドベース１３に形成された係止段部２７に当接させ，ターナベース部材１６Ａの対向面４１Ａに他方のターナベース部材１６Ｂの対向面４１Ｂを当接させてスライドベース１３に設けた幅決めブロック２６で固定することによって組み立てられ，スライドベース１３に固定されている。
【００４０】
ターナベース部材１６Ａ，１６Ｂの長手方向の凹部４０Ａ，４０Ｂを対向させてスライドベース１３に固定することによって，ターナベース部材１６Ａとターナベース部材１６Ｂと間に凹部４０Ａ，４０Ｂによってスライダ１２の収容室４２が形成される。ターナベース部材１６Ａ，１６Ｂの上端部には上蓋２４が取り付けられ，収容室４２の上部が閉鎖されている。ターナベース１６の収容室４２には，スライダ１２がＺ軸方向に往復移動可能に配設されている。収容室４２の側方に形成された開口部からスライダ１２が突出し，その先端部にバイト取付部材４５が固定されている。スライダ１２の先端部に取り付けられたバイト取付部材４５には，バイトホルダ２８が取り付けられている。バイト１５は，バイトホルダ２８に交換可能にセットされるように構成されている。バイト１５は，スライダ１２に直接取り付けたバイトホルダ２８にセットするように構成することができる。
【００４１】
ＮＣ加工機１は，スライダ１２をターナベース１６に対してＹ軸方向（Ｚ軸方向と同一方向）に往復移動させる駆動装置がリニアモータ１８で構成されている。この実施例では，スライダ１２を往復移動させるリニアモータ１８は，ターナベース１６に固定された電機子コイルでなるリニアモータコイル１９と，スライダ１２に設けられた界磁マグネットでなるリニアモータ磁石板２０とから構成されたマグネット移動型リニアモータに構成されている。勿論，電機子コイルが移動するコイル移動型リニアモータに構成することもできる。ターナベース１６には，スライドベース１３上に固定されたＸ軸方向に直交するＹ軸方向（Ｚ軸方向と同一方向）に延びるリニアガイドを構成する軌道レール１７が複数箇所に固定されている。スライダ１２には，スライドガイド３３が固定されており，スライダ１２は，ターナベース１６に設けた軌道レール１７に沿ってスライドガイド３３を往復移動させることによって高速高加速度で往復移動することができる。
【００４２】
スライダ１２の往復移動範囲即ちストロークについて，リニアモータコイル１９に沿って延びるリニアスケール２１とリニアスケール検出器２２が設けられている。従って，スライダ１２のターナベース１６に対する移動量は，リニアスケール検出器２２によって直ちに検出され，その移動量の情報はコントローラにフィードバックされ，次のスライダ１２の移動制御に反映される学習制御機能と予見学習制御機能によって制御されるように構成されている。更に，ターナベース１６とリニアスケール２１との間には，リニアスケール２１の位置決めのためスケール部ライナ３９が設けられている。コントローラは，予め決められた加工指令値に基づいてスライダ１２に設けたバイト１５によって工作物９の対向面３１，工作物９がレンズであればレンズ面を切削加工するように制御し，その際に，切削加工情報をフィードバックさせ，切削加工情報と加工指令値との差を零に近づける制御をし，工作物９に対する次の切削加工に活かす学習制御機能や予見学習制御機能を備えている。
【００４３】
ターナベース１６には，リニアモータコイル１９を冷却するための冷却プレート２３が設けられている。リニアモータコイル１９には，リニアモータ磁石板２０がスライダ１２の往復移動に伴って磁力を切るが，その時に熱が発生し，高温になる。冷却プレート２３は，リニアモータコイル１９に発生した熱を冷却するため設けられている。また，スライドベース１３のターナ軸とＺ軸テーブル３のＺ軸との平行度を調整するため基準ブロック３２がＸ軸テーブル４に取り付けられている。スライドベース１３には，調節ブロック３６が設けられているので，調節ブロック３６に設けた調整ねじ３７によって，スライドベース１３を基準ブロック３２に対して調整し，ターナ軸とＺ軸との平行度が調整される。また，ターナベース１６と軌道レール１７との間には，スライダ１２のターナベース１６に対する移動範囲の位置決めをするためＬＭ部ライナ３８が設けられている。ターナベース１６には，スライダ１２のストロークを規制するためのストッパ２９，３０が設けられている。スライダ１２には，ストッパ２９，３０に当接してスライダ１２の移動範囲を規制するストッパ当接部材３４が設けられている。ターナ１１に設けられた駆動装置に接続される動力線，信号線等の配線，及び前記ターナのための冷却，潤滑等の配管は，スライダ１２の移動に伴って屈曲可能なガイドカバー２５，被覆部材等に収容されている。
【００４４】
【発明の効果】
この発明による工作物の高速曲面加工方法は，上記のように，主軸の回転をＹ軸方向にリニアモータや回転式サーボモータの駆動装置で往復移動するスライダの加速度を一定に保つように変化させるものであり，工作物を加工中のスライダの加速度を適正化した任意の加速度，例えば，最高加速度に設定でき，スライダの最高加速度を出来るだけ一定に保つように主軸の回転速度，言い換えれば，回転量を追従変化させ，主軸の回転速度は中心部になるに従って高速に運転されて工作物の中心部でのＹ軸方向へのスライダ即ちバイトの加速度が低下することなく，工作物の切削加工のサイクルタイムを大幅に小さく，例えば，３０％〜５０％程度にまで短くすることができ，工作物の加工効率を向上させることができる。また，この高速曲面加工方法は，工作物に対する形状精度及び面粗さが必要になる加工領域では，加工指令（プログラム）で，Ｘ軸テーブルの送り量を調整して加工することによって，所定の精度を確保することができる。
【００４５】
また，この高速曲面加工方法は，工作物を保持した主軸をＺ軸方向に移動させる分だけバイトを取り付けたスライダの移動量のストロークを短くでき，リニアモータ等の駆動装置で往復動するスライダを小型に構成できるので，スライダの質量を小さく構成でき，慣性力を低減し，スライダを高速高加速度に往復移動させることができ，スライダの往復移動に主軸の回転速度を追従させることができ，レスポンスを向上させて工作物に対するトーリック形状等の曲面を高精度に加工することができる。また，可動物であるスライダが同一加速度で移動する場合に，スライダの質量によって反力が決まり，その反力の大きさによって，反力を受ける固定物（ターナベースとそれを取り付けたＸ軸テーブル）の剛性，減衰性，質量等が決定されるので，可動物によって発生する反力が小さい方が装置自体もシンプルに小型化でき，装置自体の質量を大きくする必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による工作物の高速曲面加工方法による工作物の切削加工のサイクルタイムと従来のサイクルタイムとの比較を説明するためのグラフである。
【図２】この発明による工作物の高速曲面加工方法を達成するためのＮＣ加工機を説明する概略平面図である。
【図３】図２のＮＣ加工機におけるターナを示す正面図である。
【図４】図２のＮＣ加工機におけるターナを示す平面図である。
【図５】図２のＮＣ加工機におけるバイトを取り除いたターナを示す側面図である。
【図６】この高速曲面加工方法によって切削加工する工作物の一例であるトーリックレンズを示す斜視図である。
【図７】この高速曲面加工方法おけるＺ軸方向とＹ軸方向の移動関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ＮＣ加工機
２加工機ベース
３Ｚ軸テーブル
４Ｘ軸テーブル
５主軸台
６サーボモータ
７スピンドルモータ
９工作物
１０サーボモータ
１１ターナ
１２スライダ
１３スライドベース
１４主軸
１５，４４バイト
１６ターナベース
１６Ａ，１６Ｂターナベース部材
１７軌道レール
１８リニアモータ
１９リニアモータコイル（電機子コイル）
２０リニアモータ磁石板（界磁マグネット）
２１リニアスケール
２２リニアスケール検出器
２８バイトホルダ
３１対向面（レンズ面）
４３刃物台

Claims

主軸台に回転可能に支持された工作物を保持する主軸，前記主軸をＺ軸方向に往復移動可能なＺ軸テーブル，前記主軸と対向する位置に配設され且つ前記Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向に往復移動可能なＸ軸テーブル，前記Ｘ軸テーブルに取り付けられたターナベース，前記ターナベース上で前記Ｚ軸方向に平行なＹ軸方向に往復移動可能でバイトを取り付けるスライダ，及び前記スライダを前記Ｙ軸方向に往復移動させるリニアモータから成る駆動装置を有するＮＣ加工機を用いて前記工作物を切削加工する加工方法において，
前記スライダの往復移動の加速度を予め決められた所定の加速度に設定し，前記スライダが前記所定の加速度を一定に保って往復移動するように前記主軸の回転速度を変化させ，前記主軸の可変回転速度の回転量に，前記スライダの前記Ｙ軸方向への動き量及び前記Ｘ軸テーブルの前記Ｘ軸方向への動き量を同期させ，前記バイトのＹ軸移動方向に直交する前記工作物の対向面を前記バイトによって予め決められた所定の曲面に切削加工することを特徴とする工作物の高速曲面加工方法。
前記スライダの往復移動の前記所定の加速度は，前記スライダの往復移動の最高加速度以内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記スライダの前記所定の加速度が一定になるように変化する前記主軸の回転速度は，任意の直線や曲線の変化率で上昇させることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記バイトによる前記工作物の切削加工時に，前記主軸を取り付けた前記Ｚ軸テーブルを前記Ｚ軸方向に移動させ，前記Ｚ軸テーブルの前記Ｚ軸方向への動き量を，前記主軸の前記可変回転速度の回転量，前記スライダの前記Ｙ軸方向への動き量及び前記Ｘ軸テーブルの前記Ｘ軸方向への動き量に同期させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記工作物を前記所定の曲面に切削加工する場合には，前記バイトを取り付けた前記スライダの前記Ｙ軸方向の往復移動のストロークは，前記工作物を保持した前記主軸の前記Ｚ軸方向の往復移動のストローク分だけ差し引いた値に設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記工作物に切削加工される前記所定の曲面がベースのＲ形状半径値と前記ベースに直交するクロスのＲ形状半径値から成るトーリック形状の場合には，前記工作物を保持した前記主軸の前記Ｚ軸方向の往復移動が前記ベースのＲ形状半径値に対応する移動量に設定され，前記バイトを取り付けた前記スライダの前記Ｙ軸方向の往復移動は前記クロスのＲ形状半径値に対応する移動量と前記ベースのＲ形状半径値に対応する前記移動量との差分に設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記バイトによって前記所定の曲面に切削加工される前記工作物は，眼鏡用レンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記主軸の１回転に対して前記スライダはＮ回往復移動するように設定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記スライダを往復運動させる前記リニアモータは，前記スライダ及び前記ターナベースのいずれか一方に組み込まれた界磁マグネットと他方に組み込まれた電機子コイルとから構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の工作物の高速曲面加工方法。
前記リニアモータを組み込んだ前記ターナベースには，前記ターナベースの位置検出のためリニアスケールが装着されていることを特徴とする請求項９に記載の工作物の高速曲面加工方法。