JP5255905B2 - 微細形状切削加工方法および微細形状切削加工装置 - Google Patents
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Description
これは、被加工物を搭載し、往復運動をする第1のスライド機構と、この第1のスライド機構の運動方向と直角方向に間欠位置決め運動をする第2のスライド機構と、これら第1および第2のスライド機構の運動軸とそれぞれ直角な方向に切削工具の切込み量を高速かつ微細に制御する工具切込み機構と、第1のスライド機構の運動に従ってパルス信号を発生する位置検出器とを備えて構成されている。
そのため、切削工具の運動軌跡と目標軌跡とを一致させることができないため、切削加工誤差が大きくなるという問題がある。
特に、往復動ステージおよび相対移動機構の伝達関数が測定され、この伝達関数を用いて、入力ステップによって入力された目標軌跡に対する切削工具の運動軌跡がシミュレーションされるから、このシミュレーション結果に基づいて誤差の少ない加工条件を決定することができる。
この構成によれば、加工条件決定ステップでは、往復動ステージや相対移動機構を含む装置の固有振動数に対して、周波数解析ステップによって得られた目標軌跡の周波数成分が一致しない送り速度に選択されるため、共振現象が起きない条件下で加工を行うことができる。
この構成によれば、前述の微細形状切削加工方法と同様、加工条件の決定を効率的に行え、しかも、振幅減少や位相遅れなどが少なく微細形状を高精度に加工できるという効果が期待できる。
この構成によれば、往復動ステージに、複数の圧電素子を積層した圧電素子積層体を用いたので、切削工具の切込量を高速で制御することができる。従って、被加工物の表面に微細な形状を高精度にかつ高い仕上げ精度に加工できる。
<図1の説明>
図1は、本発明の微細形状切削加工装置の実施形態を示す正面図である。同微細形状切削加工装置は、ベース1と、このベース1の上面にY軸方向(図1の紙面に対して直交する方向)へ移動可能に設けられ上面に被加工物としてのワークWを載置したテーブル2と、ベース1の両側に立設されたコラム3と、このコラム3の上端間に掛け渡されたクロスレール4と、このクロスレール4に沿ってX軸方向(図1中左右方向)へ移動可能に設けられたスライダ5と、このスライダ5にZ軸方向(図1中上下方向)へ移動可能に設けられた切込軸6と、この切込軸6に往復動ステージ7を介して取り付けられた切削工具8とを備える。
図2は、微細形状切削加工装置の制御システムを示している。同システムには、X軸移動機構12、Y軸移動機構11、Z軸移動機構13などを制御する制御装置21と、到達時間演算手段22と、経過時間判定手段23と、往復動ステージ駆動手段24と、入力装置25と、表示装置26とを備える。
表示装置26には、入力装置25によって入力された各種データや条件などのほかに、周波数解析結果やシミュレーション結果などが表示される。
図3は、ワークWに微細加工を切削加工する際のフローチャートを示している。
まず、ST1(入力ステップ)において、ワークWの表面に加工する目標形状および送り速度を入力する。
ST2において、入力された目標形状および送り速度の確認が行われたのち、波形解析、加工条件決定の処理が行われる。具体的には、目標形状および送り速度の確認が行われたのち、(1)まず、これらによって決まる切削工具8の目標軌跡の周波数解析が行われる(周波数解析ステップ)。ここでは、フーリエ変換またはウェーブレット変換を用いた周波数解析が行われる。例えば、図4に示す画面(表示装置26の画面)において、FFT(高速フーリエ変換)解析を指定すると、図5に示すように、目標形状と送り速度とから決まる切削工具8の目標軌跡がFFT解析され、切削工具8の目標軌跡の周波数成分が表示される。
このとき、加工条件決定ステップでは、シミュレーションステップによって得られたシミュレーション結果に基づいて目標形状や加工条件(送り速度)を決定することができる。例えば、図6に示すように、深さ2μmまでの高周波成分が一致していないときなどは、B部を切込軸6のオフセット量として設定して、実際加工する部分をA部のみとするという判断をすることもできる。
ST4において、作成された加工プログラムに従って加工が実行される(加工実行ステップ)。
図7は、制御装置21によって制御される切削工具8とワークWとの相対移動軌跡を示している。
制御装置21によって駆動プログラムが開始されると、この駆動プログラムに従って、X軸移動機構12、Y軸移動機構11およびZ軸移動機構13の駆動が制御されるとともに、駆動プログラム開始時にタイマーカウント開始指令が出力される。
また、この駆動プログラム開始時に、つまり、フィード動作開始時において、NC装置21からはタイマーカウント開始指令が出力される。
図8および図9は、制御装置21によって駆動プログラムが開始されてから、切削工具8がワークWに対して切削加工を行う過程を示している。ここでは、ワークWの表面に半球状の溝加工を行う例を示している。
まず、制御装置21による駆動プログラムの開始前に、到達時間演算手段22において、X軸移動機構12の相対移動速度情報とワークWの加工開始位置情報などから、制御装置21からタイマーカウント開始指令が出力されてから切削工具8がワークWの加工開始位置に到達するまでの到達時間T1が演算される。つまり、図8に示すように、制御装置21からタイマーカウント開始指令が出力されたときの切削工具8の位置からワークWの加工開始位置までのX軸方向の距離、送り速度、加速度情報などを基に、制御装置21からタイマーカウント開始指令が出力されてから、切削工具8がワークWの加工開始位置に到達するまでの到達時間T1が演算される。
本実施形態では、予め、切削工具8の目標軌跡の周波数解析が行われ、この周波数解析結果によって最適な送り速度などの加工条件が決定されるため、ワークWの表面に微細形状を高精度に加工することができる。つまり、切削工具8の実際の運動軌跡の振幅減少、あるいは、位相遅れなどを少なくできるから、ワークWの表面に微細形状を高精度に加工することができる。
このとき、加工条件決定ステップでは、シミュレーションステップによって得られたシミュレーション結果に基づいて加工条件を決定することができる。
例えば、従来のように、位置情報を位置検出器で検出し、この位置検出器からのパルス信号をカウントし、カウント値が設定した値に一致したか否かを判定し、両者が一致したときのトリガー信号で、工具切込み機構により切削工具の切込み量を高速に変化させるものではないから、被加工物の表面に高精度な微細形状を加工することができる。従って、ワークの表面に微細な球面状凹部を一定ピッチ間隔で配列したマイクロレンズ成形用金型などを加工することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、テーブル2をY軸方向へ移動可能に構成するとともに、切削工具8をX軸方向へ移動可能に構成したが、これとは逆方向な構成でもよい。つまり、テーブル2をX軸方向へ移動可能に構成するとともに、切削工具8をY軸方向へ移動可能に構成してもよい。あるいは、テーブル2および切削工具8のいずれか一方を、X軸方向およびY軸方向へ移動可能に構成してもよい。
あるいは、X軸移動機構12およびY軸移動機構11によって、切削工具8をXおよびY軸方向へ同時に移動させながら、往復動ステージ7を駆動して切削工具8の切込量を制御するようにしてもよい。
7…往復動ステージ、
8…切削工具、
11…Y軸移動機構、
12…X軸移動機構、
13…Z軸移動機構、
21…制御装置、
W…ワーク(被加工物)。
Claims (5)
- 切削工具の切込量を高速で変化させる往復動ステージと、前記切削工具と被加工物とを前記切削工具の切込方向に対して略直交する方向へ相対移動させる相対移動機構とを有し、前記被加工物の表面に微細形状を切削加工する微細形状切削加工方法であって、
前記被加工物の表面に加工する目標形状および送り速度を入力する入力ステップと、
前記入力ステップによって入力された目標形状および送り速度によって決まる前記切削工具の目標軌跡の周波数解析を行う周波数解析ステップと、
前記往復動ステージおよび前記相対移動機構の伝達関数を測定する伝達関数測定ステップと、
前記伝達関数測定ステップによって測定された伝達関数を用いて、前記目標軌跡に対する前記切削工具の運動軌跡をシミュレーションするシミュレーションステップと、
前記周波数解析ステップによって得られた結果および前記シミュレーションステップによって得られたシミュレーション結果を基に加工条件を決定する加工条件決定ステップと、
前記加工条件決定ステップによって決定された加工条件に従って加工プログラムを作成するプログラム作成ステップと、
前記プログラム作成ステップで作成された加工プログラムに従って加工を実行する加工ステップとを備えたことを特徴とする微細形状切削加工方法。 - 請求項1に記載の微細形状切削加工方法において、
前記加工条件決定ステップでは、前記往復動ステージおよび前記相対移動機構を含む装置の固有振動数に対して、前記周波数解析ステップによって得られた目標軌跡の周波数成分が一致しない送り速度を選択して決定する、ことを特徴とする微細形状切削加工方法。 - 請求項1または請求項2に記載の微細形状切削加工方法において、
前記周波数解析ステップは、フーリエ変換またはウェーブレット変換を用いた周波数解析であることを特徴とする微細形状切削加工方法。 - 切削工具の切込量を高速で変化させるとともに、前記切削工具と被加工物とを前記切削工具の切込方向に対して略直交する方向へ相対移動させながら、前記被加工物の表面に微細形状を切削加工する微細形状切削加工装置であって、
前記切削工具の切込量を高速で変化させる往復動ステージと、
前記切削工具と前記被加工物とを前記切削工具の切込方向に対して略直交する方向へ相対移動させる相対移動機構と、
前記被加工物の表面に加工する目標形状および送り速度を入力する入力装置と、
前記往復動ステージおよび前記相対移動手段を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記入力装置によって入力された目標形状および送り速度によって決まる前記切削工具の目標軌跡の周波数解析を行う周波数解析手段と、前記往復動ステージおよび前記相対移動機構の伝達関数を測定する伝達関数測定手段と、前記伝達関数測定手段によって測定された伝達関数を用いて、前記目標軌跡に対する前記切削工具の運動軌跡をシミュレーションするシミュレーション手段と、前記周波数解析手段によって得られた結果および前記シミュレーション手段によって得られたシミュレーション結果を基に加工条件を決定する加工条件決定手段と、前記加工条件決定手段によって決定された加工条件に従って加工プログラムを作成するプログラム作成手段と、前記プログラム作成ステップで作成された加工プログラムに従って前記往復動ステージおよび前記相対移動機構を制御する加工制御手段とを備える、ことを特徴とする微細形状切削加工装置。 - 請求項4に記載の微細形状切削加工装置において、
前記往復動ステージは、複数の圧電素子を積層した圧電素子積層体によって構成されていることを特徴とする微細形状切削加工装置。
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