JP4622683B2 - 加工機 - Google Patents

Description

本発明は、低接触力で被測定物に接触する測定子を備える形状測定器を搭載し、複数のサーボモータを有する加工機に関するものである。

従来より、光学レンズ等の表面形状を測定する形状測定器は、被測定物に傷を付けないように接触圧を極力小さくしている。係る接触圧を小さくした形状測定器として、例えば、重力方向に測定プローブを保持し、バネ等で重力を釣り合わせて接触圧を調整する形状測定器が特許文献１に示されている。また、測定プローブを傾斜させて保持することにより、被測定物への接触圧を小さくした形状測定器が特許文献２に示されている。
特開平７−２６０４７１号公報 特表２００５−５０２８７６号公報

しかしながら、低接触力で被測定物に測定プローブを接触させると、機上形状測定器では搭載される加工機からの機械振動により高精度で測定が行えないという問題が生じる。加工機で、機上形状測定器を動作させる際には、サーボモータを特定位置で停止させるサーボロック制御を行うが、サーボモータは、サーボロック状態においても微視的には指令位置の前後に回動を続けており、サーボモータ等からの振動が、測定器の信号に重畳して誤差分となり高精度測定の妨げとなった。この振動は、サーボモータのサーボロック位置により異なり、また、サーボモータの特性は経年変化するため、対応が難しかった。

ここで、既存の機上形状測定器では、上記誤差分に対応するため、形状測定誤差に移動平均を加えたり、ローパスフィルタなどで平滑化処理を行っていたが、やはり振動成分が残り、高精度な測定の妨げとなっていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、測定子を低接触力で接触させながら被測定物の表面形状を高精度に測定できる形状測定器を搭載する加工機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１は、被加工物の表面に低接触力で接触する測定子３２と、前記測定子の位置を測定する位置検出器４４とを備える形状測定器３０を搭載し、複数のサーボモータ２２、２４、２６を有する加工機１０において、
前記形状測定器が、
前記測定子を自重で後退するように水平面に対して傾斜角度を持たせて支持するエアベアリングと、
前記測定子を前記被加工物側へ付勢し、被加工物に倣って該測定子を接触させるエアシリンダとを有し、前記測定子を前記被加工物側へ付勢する力は該エアシリンダのエアー圧と、前記傾斜角度を持たされた測定子の自重による後退力との差分より成り、
形状測定前に、前記測定子を被加工物の表面に接触させて、前記サーボモータ２２、２４、２６のロック状態における振動成分を測定する周波数解析手段６２と、
形状測定前に前記周波数解析手段により測定された振動成分を除去するためのノッチフィルタ６６を設定するフィルタ設定手段６２と、
形状測定時に前記位置検出器の出力から、前記ノッチフィルタ６６により前記サーボモータのロック状態における振動成分を除去する振動成分除去手段６６とを備え、
前記形状測定器が加工軸と併設され、
前記形状測定器の測定子が、加工軸を移動させるサーボモータにより被加工物に倣って移動され、
前記測定子を移動させるサーボモータ以外のサーボモータはロック状態で被加工物の形状測定を行うことを技術的特徴とする。

請求項１の機上形状測定器３０は、サーボモータのロック状態等における機械振動成分を測定し、振動成分を除去するフィルタを設定する。そして、位置検出器の出力から、設定したフィルタによりサーボモータのロック状態等における機械振動成分を除去する。このため、測定子を低接触力で接触させることで、機械振動の影響を受け易い状態となっても、サーボモータのロック等による機械振動を除去し、影響を打ち消すことで、高精度な形状測定を実現できる。

請求項２の機上形状測定器３０は、振動成分の除去された位置検出器の出力と設計形状値とを比較して形状誤差を求め、求めた形状誤差から加工データを補正する。サーボモータのロック等による機械振動を除去し、高精度な形状測定を行っているため、測定結果に基づき補正した加工データを用いて所望形状への高精度な加工が実現できる。

請求項１の機上形状測定器３０は、支持手段４２で、測定プローブ３２を自重で後退するように傾斜θを持たせて支持する。一方、付勢手段４０で、測定プローブ３２を被測定物Ｗ側へ突出させるように付勢する。このため、被測定物Ｗへの測定プローブ３２の接触力は、傾斜を持たせて測定プローブ３２の自重による後退力と、付勢手段４０の付勢力との差分になるので、接触力を非常に小さくなるように調整することが可能である。同時に、測定子を低接触力で接触させることで、機械振動の影響を受け易い状態となっても、サーボモータのロック等による機械振動を除去し、影響を打ち消すことで、高精度な形状測定を実現できる。

請求項１の機上形状測定器は、特別な振動計（例えば加速度ピックアップ）を用いることなく、加工物と測定子とを含む機械系の振動が測定可能である。これにより、ユーザ側での測定を可能にし、機械振動の経年変化に対応することができる。

請求項１の加工機は、機械振動成分を除去できる機上形状測定器を備えるたため、サーボモータのロック等による機械振動を除去すことで、高精度な形状測定を実現し、高精度な加工が可能である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定器を搭載する超精密加工機の構成を示している。
超精密加工機１０は、ワークＷを固定するワーク固定台１２と、工具１６を保持する砥石軸１４と、砥石軸１４をＸ方向へ送るサーボモータ２２と、Ｙ軸方向へ送るサーボモータ２４と、Ｚ軸方向へ送るサーボモータ２６とを備える。ワークＷの形状を測定プローブ３２により測定する形状測定器３０が、砥石軸１４と併設されている。

形状測定器３０の構成について、図２の平面図を参照して説明する。
形状測定器３０は、エアシリンダ４０により付勢される主動シリンダ３４と、該主動シリンダ３４にブラケット３８により連結された従動シリンダ３６とを備える。従動シリンダ３６には、測定プローブ３２が取り付けられている。主動シリンダ３４及び従動シリンダ３６は、エアベアリング４２により傾斜状態で支持されている。即ち、エアベアリング４２で、主動シリンダ３４及び従動シリンダ３６の自重で後退する（図中左方向に向かう）よう肉眼では識別できない程に微少な傾斜を持たせて支持している。従動シリンダ３６には位置検出器としてリニアスケール４４が設けられている。形状測定器３０は、従動シリンダ３６のストロークが１０mmに設定され、後述するように測定圧を、数１０mgf〜数１００mgfの範囲で調整可能に構成されている。なお、この実施形態では、主動シリンダ３４と従動シリンダ３６とを設けることで、円柱状のシリンダの回り止めがなされる。

図３を参照して実施形態の形状測定器３０での測定プローブ３２の接触力（測定圧）Ｆについて説明する。
本実施形態の形状測定器３０では、エアベアリング４２で、測定プローブ３２を備える従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の自重で後退するように傾斜θを持たせて支持する。エアシリンダ４０の摩擦力は非常に小さい。ここで、従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の後退する力は、エアベアリングでの傾斜θによって生じ、自重ｍに比べて遙かに小さいｍｇsigθとなる。一方、エアシリンダ４０で、測定プローブ３２をワークＷ側へ突出させるように押出力Ｆcで付勢する。このため、ワークＷへの測定プローブ３２の接触力Ｆは、エアベアリング４２で傾斜θを持たせて支持された従動シリンダ３６及び主動シリンダ３４の自重ｍによる後退力（測定子自重傾斜成分）ｍｇsigθと、エアシリンダ４０の押出力Ｆcとの差分（Ｆ＝Ｆc−ｍｇsigθ）になるので、接触力Ｆを非常に小さくするように、数１０mgfまで調整することが可能である。このため、アルミニューム製品、樹脂製品等の甦生変形し易い被測定物の表面を変形させることなく測定できる。

本実施形態の形状測定器３０では、空気圧により測定プローブ３２を付勢するエアシリンダ４０を用いるため、容易に測定プローブ３２へ加える付勢力を調整することができる。即ち、本実施形態の形状測定器３０では、エアシリンダ４０の付勢力（押出力Ｆc）を変えることで、測定プローブ３２の測定圧を連続的に変えることができ、これにより複雑な形状のワークの表面形状を測定プローブ３２の測定圧を変えながら測定することで、高精度に測定を実現できる。また、測定圧を変えても測定プローブが被測定物Ｗに当たっている位置が変わることがない。

上述したように測定プローブ３２の接触力を下げると、機上形状測定器では、加工機に生じる機械振動の影響を受け易くなる。このため、本実施形態の機上形状測定器３０では、機械振動を除去する処理を行っている。この機上形状測定器３０の制御構成について図４を参照して説明する。

形状測定器３０には、空気圧を発生する空圧機器５０と、形状測定器３０のエアシリンダ４０への供給気圧を調整するシリンダ給気圧制御機器５２とが接続されている。空圧機器５０からの気圧は、エアベアリング４２へ直接供給されるように構成されている。リニアスケール４４からの出力は、アンプ部６０へ入力される。アンプ部６０には、測定開始前に加工機１０の機械振動の周波数解析を行う周波数解析手段６２と、解析された機械振動分の除去を行うノッチフィルタ６６と、被測定物の形状を測定する形状測定手段６４とを備え、形状測定手段６４で測定された形状データ（形状信号）は、該ノッチフィルタ６６を介して機械振動が除去されてから形状解析手段６８へ出力される。形状解析手段６８は、形状データ保持手段６７に保持された被測定物（ワーク）の設計形状と測定された形状との差分を求める。形状解析手段６８で求められた差分から、形状誤差算出手段７２が形状誤差を算出し、算出した形状誤差を補正するための補正値が補正値演算手段７４にて演算され、加工誤差分の修正加工を行うためのＮＣデータが、ＮＣ作成手段７６により作成される。

次に、機上形状測定器３０による形状測定について図５〜図８を参照して説明する。
図５は、形状測定器による形状測定処理を示すフローチャートである。
図１に示す工具１６により加工の完了したワークＷをワーク固定台１２上の固定したままの状態で、加工機１０を停止、即ち、各サーボモータ２２、２４、２６をサーボロック状態にする（Ｓ１２）。この状態で、形状測定器３０により測定プローブ３２をワークＷに押し付け、ワークＷ上に重畳する機械振動成分をリニアスケール４４から測定する（Ｓ１４）。測定したリニアスケール４４からの信号ＬＳ（振動成分を図６（Ａ）中に示す）を、例えば１２０Ｈｚで高速フーリエ解析し、振動（主としてサーボモータのサーボロックにより生じる振動）の周波数成分を解析する（Ｓ１６）。そして周波数成分解析の結果から、ピーク周波数を探し、機械振動周波数として記憶すると共に、該機械振動周波数を除去するノッチフィルタ６６を生成する（Ｓ１８）。ノッチフィルタ６６の特性は、図６（Ｂ）に示すように上記機械振動周波数成分を減衰させる。以上の処理により形状測定の前準備が完了する。なお、機械振動成分はサーボモータのサーボロック位置により異なるため、サーボロック位置によってノッチフィルタ６６の特性は変わってくる。

形状測定を開始する（Ｓ２０）ここでは、走査用の移動ステージ（加工機制御軸）を駆動して、図７（Ａ）に示すようにワークＷの測定面を測定プローブ３２でＹ軸方向へ走査する。測定プローブ３２は、ワークＷの形状に倣って移動するため、そのときの測定プローブ３２の軌跡が、ワークＷの形状となる。この測定した形状を図７（Ｂ）に示す。この測定した形状の波形には、サーボモータのサーボロック等による機械振動分が重畳したものとなっているため、図６（Ｂ）を参照して上述した解析した機械振動周波数成分を除去するノッチフィルタ６６を通過させることで、機械振動が除去された図７（Ｃ）に示す形状のデータを得る。次に、測定した形状を座標変換して、図８（Ａ）に示すように形状の頂点が座標の原点と合うようにする（Ｓ２２）。

ここで、図８（Ｂ）は、ワークの設計値（設計形状、例えば、レンズ設計用の非球面多項式）を示している。このワークの設計値と、図８（Ａ）に示す座標変換後の測定形状とを比較することで形状解析を行い（Ｓ２４）、設計値と測定形状との差分を求め形状誤差を計算する（Ｓ２６）。図８（Ｃ）は、算出した形状誤差を示している。

引き続き、形状誤差を補正するための値を計算し（Ｓ２８）、最後に形状誤差を補正（修正）するための加工用ＮＣデータを作成する（Ｓ３０）。例えば、光学用レンズを加工する際には、絶対寸法が重要ではなく、相対的な曲面形状を精密に作り出す必要がある。例えば、削り過ぎの部位があれば、その部位よりも突出する他の部位を削る加工データを作成することで、相対的な曲面形状を精密に作り出すためのＮＣデータを作成する。作成したＮＣデータを用いて加工機１０側でワークＷを再度加工することで、所望の形状への加工を実現する。

本実施形態の機上形状測定器３０は、測定開始前にサーボモータ２２，２４、２６のロック状態等における機械振動成分を測定し、振動成分を除去するノッチフィルタ６６を設定する。そして、リニアスケール４４の出力から、設定したノッチフィルタ６６によりサーボモータのロック状態等における機械振動成分を除去する。このため、測定プローブ３２を低接触力（例えば数１０mgf）で接触させることで、機械振動の影響を受け易い状態となっても、サーボモータのロック等による機械振動を除去し、影響を打ち消すことで、高精度な形状測定を実現できる。

更に、測定開始前に実施することで、そのときの機械状態に応じ、また、加工機の経年変化に対応させて、振動除去が可能になる。ワークの大小、ワーク材質等の様々な被測定物に対応することが可能になる。更に、特別な機械振動計（例えば、加速度ピックアップ）を必要としないので、機上形状測定器の使用者が随時、振動成分の測定を行い得る。

本実施形態の機上形状測定器３０は、振動成分の除去されたリニアスケール４４の出力と設計形状値とを比較して形状誤差を求め、求めた形状誤差から加工データを生成する。サーボモータのロック等による機械振動を除去し、高精度な形状測定を行っているため、測定結果に基づき生成した加工データを用いて、所望形状への高精度な加工が実現できる。

本実施形態の機上形状測定器３０は、エアベアリング４２で、測定プローブ３２を自重で後退するように傾斜θを持たせて支持する。一方、エアシリンダ４０で、測定プローブ３２をワークＷ側へ突出させるように付勢する。このため、ワークＷへの測定プローブ３２の接触力は、傾斜を持たせて測定プローブ３２の自重による後退力と、エアシリンダ４０の付勢力との差分になるので、接触力を非常に小さくなるように調整することが可能である。同時に、測定プローブ３２を低接触力で接触させることで、機械振動の影響を受け易い状態となっても、サーボモータのロック等による機械振動を除去し、影響を打ち消すことで、高精度な形状測定を実現できる。

上述した実施形態では、上記実施形態では、測定プローブを自重で後退する方向に傾斜を持たせて支持することで接触力を下げた機上形状測定器に適用する例を挙げたが、本発明の構成は、接触力を低減させた接触子を備える種々の機上形状測定器に適用可能であることは言うまでもない。また、上述した実施形態では、ノッチフィルタをソフトウエアーで構成したが、ノッチフィルタはハードウエアーで構成することも可能である。

上述した実施形態では、測定プローブをワークＷの形状の倣うように動作させたが、測定プローブ位置を一定に保ち、機械制御軸を加工プログラムに応じて倣わせるように動作させることも可能である。このときは、測定プローブ位置の変動が、加工誤差に相当することになる。

本発明の一実施形態に係る形状測定器を搭載する超精密加工機の構成を示す構成図である。 機上形状測定器の平面図である。 機上形状測定器で接触圧を実現する説明図である。 機上形状測定器の制御構成を示すブロック図である。 機上形状測定器による測定処理を示すフローチャートである。 （Ａ）は、機上形状測定器による解析された機械振動成分を示すグラフであり、（Ｂ）は、ノッチフィルタの周波数特性を示すグラフである。 （Ａ）は、ワークの測定プローブによる形状測定の説明図であり、（Ｂ）は、機械振動分が重畳した形状データを示す説明図であり、（Ｃ）は、機械振動分を除去した形状データを示す説明図である。 （Ａ）は、座標変換後の形状データを示す説明図であり、（Ｂ）は、ワークの設計形状を示す説明図であり、（Ｃ）は、形状誤差を示す説明図である。

符号の説明

１０ 超精密加工機
３０ 形状測定器
３２ 測定プローブ
３４ 主動シリンダ
３６ 従動シリンダ
４０ エアシリンダ
４２ エアベアリング
４４ リニアスケール
６０ 周波数解析手段
６６ ノッチフィルタ
７２ 形状誤差算出手段
７６ ＮＣ作成手段
Ｗ ワーク（被測定物）

Claims (2)

1. 被加工物の表面に低接触力で接触する測定子と、前記測定子の位置を測定する位置検出器とを備える形状測定器を搭載し、複数のサーボモータを有する加工機において、
   前記形状測定器が、
   前記測定子を自重で後退するように水平面に対して傾斜角度を持たせて支持するエアベアリングと、
   前記測定子を前記被加工物側へ付勢し、被加工物に倣って該測定子を接触させるエアシリンダとを有し、前記測定子を前記被加工物側へ付勢する力は該エアシリンダのエアー圧と、前記傾斜角度を持たされた測定子の自重による後退力との差分より成り、
   形状測定前に、前記測定子を被加工物の表面に接触させて、前記サーボモータのロック状態における振動成分を測定する周波数解析手段と、
   形状測定前に前記周波数解析手段により測定された振動成分を除去するためのノッチフィルタを設定するフィルタ設定手段と、
   形状測定時に前記位置検出器の出力から、前記ノッチフィルタにより前記サーボモータのロック状態における振動成分を除去する振動成分除去手段とを備え、
   前記形状測定器が加工軸と併設され、
   前記形状測定器の測定子が、加工軸を移動させるサーボモータにより被加工物に倣って移動され、
   前記測定子を移動させるサーボモータ以外のサーボモータはロック状態で被加工物の形状測定を行うことを特徴とする加工機。
2. 前記振動成分除去手段により振動成分の除去された位置検出器の出力と設計形状値とを比較して形状誤差を求める形状誤差解析手段と、
   求めた形状誤差から加工データを補正する加工データ補正手段とを有する請求項１の加工機。

Images