JP5688280B2 - 平板状ワークの周縁加工装置 - Google Patents

Description

この発明は、直線辺や円弧辺を有する平板状ワークの周縁を加工する装置に関するもので、特に割れやすい脆性板や撓みやすい薄板の周縁を高精度に研削加工をするのに適した装置に関するものである。

割れやすい脆性板や撓みやすい薄板の外周加工においては、ワークに大きな切削力を付与すると、ワークが割れたり撓んだりするので、大きな切削力をかけることができない。そのため、このようなワークを専ら加工する装置は、一般の工作機械のような高い機械剛性を必要とせず、高剛性を要求されない分だけ、機械価格を低くすることが要求される。

加工機械の一般的な傾向として、機械剛性を低くすると、加工精度が低下する。これは当該加工機械の製造に際し、機械を構成する部材の加工や組立において、加工反力や組立時に作用する外力によって部材が変形しやすいことが一つの要因である。

平板状ワークの外周を加工するときには、ワークの外周を把持することができないので、ワークの表裏面を挟む構造のホルダか、ワークの片面を磁石や負圧で吸着して保持するホルダが用いられる。外周加工、特に外周の面取加工を行うときは、ワークの外周がホルダの外周から張り出していることが必要である。ワークが脆性板や薄板の場合には、この張出し量が大きいと、割れや撓みが発生するため、高精度の加工を能率よく行うためには、この張出し量をできるだけ小さく、かつワークの全周に亘って均一であることが要求される。

例えば矩形形状のワークを加工するときは、図５に示すように、ホルダ１２の周縁１５からのワーク４の周縁４１、４２の張出し量ｅがワークの全周に亘って一定になるように、ワーク寸法に応じた寸法の矩形のホルダが用いられる。

すなわち、ワークの平面形状及び寸法（以下、「形状寸法」と言う。」）が異なる毎に、それに応じた形状寸法のホルダを製作して機械に取り付けるので、加工機械の精度をいかに高くしても、ホルダの加工誤差や取付誤差のために、各ワーク毎に固有の加工誤差が発生する問題がある。

周縁に直線辺を有する平板状ワークの周縁加工において、工具をＸ軸及びＹ軸の２次元平面内で移動位置決め可能な装置を用いれば、加工しようとする直線辺をＸ軸又はＹ軸方向にしてワークを保持した状態で、工具をＸ軸又はＹ軸方向に移動させれば、高精度な直線辺の加工が可能である。しかし、工具をＸ軸及びＹ軸方向に移動位置決め可能な加工装置は、Ｘ軸（又はＹ軸）の一方向にのみ移動位置決め可能な加工装置に比べて高価になり、機械も大型になって広い設置面積が必要になる。

そこで、ワークをその面直角方向の中心軸回りに回転する主軸（ワーク軸）で保持し、主軸の回転と同期させて工具を主軸に向けて進退させることにより、任意の形状寸法の周縁加工を可能にした装置が提供されている。この種の周縁加工装置では、例えば図１に示すように、平板状ワーク４の回転中心（主軸の軸心）ＯからＡの距離にある直線辺４１を半径ｒの砥石３ａの外周で研削加工する場合、
ｘ＝（Ａ＋ｒ）／cosθ
の関係を保持して、主軸の回転角θと砥石台の移動量（ワークの回転中心Ｏからの距離）ｘとを制御することにより、直線辺４１の加工を行うことができる。

また、平面形状が角丸矩形のワーク４の角のアール部分（円弧辺）４２の加工を行うのであれば、図２に示すように、原点をワークの回転中心ＯとするＸ−Ｙ直交座標系上での円弧辺４２の中心Ｐの座標をＡ、Ｂ、円弧辺４２の半径をＲとして、
ｘ＝ＣcosΔθ＋（Ｒ＋ｒ）cosφ、
但し、
Ｃ²＝Ａ²＋Ｂ²、
tanθ0＝Ｂ／Ａ、
Δθ＝θ−θ0、
sinφ＝ＣsinΔθ／（Ｒ＋ｒ）、
の関係を満足するように、基準位相からの主軸の回転角θ＝θ0＋Δθと砥石３ａの位置ｘとを制御することにより、円弧辺４２の加工を行うことができる。

図１、２に示したような加工（以下、「コンタリング加工」と言う。）で矩形ワークを加工すると、前述した機械の誤差やホルダの誤差により、当該加工に特有の加工誤差が発生する。誤差を含んだ加工形状を極端に示すと、図６に示すように、ワークが斜めに潰れた扇形形状に加工される。

このような加工誤差は、機械やホルダの加工精度及び組立精度を高くすることによって小さくすることができるものであるが、脆性板や撓みやすい薄板の周縁加工を行う装置では、前述したように、工作機械のような高い精度を維持することが難しい。特にワークの形状寸法が変わる毎に異なるホルダが使用されるため、各形状寸法毎のワークに個別に発生する加工誤差を小さくすることが極めて困難になる。

この発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ワークの形状寸法が変わる毎に生ずる固有の加工誤差を含む総ての加工誤差を装置の価格を高価にすることなく低減する技術手段を提供することを課題としている。

この発明の平板状ワークの周縁加工装置は、回転主軸１と、この主軸の軸端に着脱される複数のワークホルダ１２と、主軸１の軸線と直交する直線に沿って移動する工具３（３ａ、３ｂ）と、主軸１の回転角θ及び工具３の移動位置ｘとを関連づけて同期制御するＮＣ装置５とを備えている。

ワークホルダ１２は、加工しようとするワーク４の形状寸法に応じた平面形状のものを準備して、加工するワークの形状寸法が変わるときには、そのワークに対応するホルダを主軸１の軸橋に装着する。

この発明の周縁加工装置のＮＣ装置５は、主軸１の基準位相からの回転角θと工具３の移動位置ｘとを設定された演算式に従って同期制御する辺加工手段５５（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、・・・）を備えている。辺加工手段５５は、直線辺加工手段５５ａ、円弧辺加工手段５５ｂなど、加工する辺の種類毎に設けられ、それぞれの辺加工手段は、加工プログラム５４に記述されるそれぞれの辺のの加工コマンドに対応して設けられる。

ＮＣ装置５は、主軸１に装着されるワークホルダ１２毎に個別に設定される偏倚量αと偏倚角θ0の設定手段及び記憶手段５６（５６ａ、５６ｂ・・・）と、設定なしい記憶した偏倚量αと偏倚角θ0とを用い、主軸１の基準位相からの回転角をθとして、Δｘ＝α×ｃｏｓ（θ−θ0）で演算される補正値Δｘを演算し、当該Δｘで辺加工手段の移動位置の指令値ｘを補正する補正手段５７を備えている。主軸駆動モータ１１及び工具送りモータ２７は、補正手段５７で補正された後のθとｘの指令値でその回転角及び移動位置を制御される。

この発明の周縁加工装置は、ガラス板などの脆性板の周縁の加工に特に適している。脆性板の周縁加工においては、通常、工具３として回転砥石が用いられる。辺加工手段としては、直線辺加工手段５５ａと円弧辺加工手段５５ｂとが一般的に必要であるが、更に、楕円辺加工手段、放物辺加工手段、複数の点で指定された曲線辺の加工手段などを設けることができる。

この発明の装置によれば、加工機械自体の誤差並びに加工するワーク毎に製作されて機械に取り付けられるホルダの加工誤差及び取付誤差に起因する加工誤差が、加工されるワーク毎に最小となるように、補正することができる。そして、この補正は、ＮＣ装置の補正演算によって行われるので、高い精度の加工を安価にかつ容易に実現できるという効果がある。

ワークの直線辺のコンタリング加工の説明図 ワークの円弧辺のコンタリング加工の説明図 この発明の周縁加工装置の一例を示す側面図 図３の装置のＮＣ装置の要部のブロック図 角丸矩形ワークとそのホルダの関係を示す平面図 矩形ワークを加工したときの加工誤差を誇張して示した平面図

図３は、この発明の周縁加工装置の機械構造の一例を示した図である。図の機械は、硬質脆性板４の外周加工と共に内周加工もできる構造であり、外周加工砥石３ａを装着した砥石軸２５ａと、内周加工砥石３ｂを装着した砥石軸２５ｂとの２本の砥石軸を備えている。

図において、１は鉛直方向（Ｚ軸方向）の主軸、１２は主軸１の上端に固定されたワークホルダ、１３は主軸１を軸支している昇降台である。２１はフレーム２に固定されたガイド、２２はガイド２１に沿って移動する砥石台である。砥石台２２には、２本の砥石軸２５ａ、２５ｂが互いに平行に軸支されている。砥石軸２５ａ、２５ｂは、主軸１と平行である。ガイド２１は、この２本の砥石軸２５ａ、２５ｂと直交するＸ軸方向に設けられている。

砥石軸２５ａ、２５ｂの下端（ワークホルダ１２側の軸端）には、工具ホルダ２９ａ、２９ｂが設けられ、その一方２９ａに外周加工砥石３ａが装着され、他方２９ｂに内周加工砥石３ｂが装着されている。各砥石軸２５ａ、２５ｂには、砥石軸駆動用のモータ２６ａ、２６ｂが連結されている。

昇降台１３には、ブラケット１４が固定されている。ブラケット１４は、昇降用サーボモータ１７で駆動される鉛直方向の送りねじ１８に螺合している。昇降台１３には、主軸１を回転駆動するサーボモータ１１が搭載されている。砥石台２２は、フレーム２に搭載した送り用サーボモータ２７で回転駆動される送りねじ２８に螺合している。５はこれらのサーボモータ１７、２７、１１を制御するＮＣ装置、５１、５２及び５３は、サーボアンプである。

ＮＣ装置５は、ワークの外周が加工プログラムで指定された形状寸法となるように、主軸駆動モータ１１の回転角と、Ｘ軸送りモータ２７の回転角とを制御している。この制御を行うために、ＮＣ装置５は、図１で説明した式
ｘ＝（Ａ＋ｒ）／cosθ
の関係を保持して主軸１の回転角θと砥石３ａの移動位置ｘを制御する直線辺加工手段５５ａや、図２で説明した式
ｘ＝ＣcosΔθ＋（Ｒ＋ｒ）cosφ
の関係を保持して主軸１の回転角θと砥石３ａの移動位置ｘを制御する円弧辺加工手段５５ｂなどの、各種の形状の辺の加工を行うための複数の辺加工手段５５を備えている。

更に、この発明に係る周縁加工装置のＮＣ装置５は、主軸の軸端に着脱される複数のワークホルダ毎に設定される偏倚量αと偏倚角θ0を対にして記憶する複数の記憶手段５６とそれらの対の選択手段５８とを備えている。偏倚量α及び偏倚角θ0の値は、ＮＣ装置で自動演算するか、ＮＣ装置に設けたテンキーを使用して入力する。選択手段５８は、ワークホルダ１２を交換したときに、当該交換したワークホルダに対応して設定された偏倚量αと偏倚角θ0の対を選択するもので、その選択操作は、ＮＣ装置５に設けたティスプレイに表示される選択画面を用いて、手動で行う。

更に、この発明の周縁加工装置のＮＣ装置５は、それぞれの辺加工手段５５から出力された砥石３ａの移動位置の指令値ｘをΔｘ＝α×cos（θ−θ0）で演算されるΔｘで補正する補正手段５７を備えている。

次にこの発明の装置を用いた矩形ワークの加工方法を説明する。加工しようとするワークの形状寸法に応じたホルダ１２を主軸１の上端に装着し、αに０を入力してテストワークの加工を行い、その加工誤差を計測する。テストワークの辺の複数箇所を計測することにより、テストワークがどのような形状に加工されているかが判るので、その形状からα及びθ0を求める。

テストワークは、図６に示すような斜めに潰れた扇形の形状となっており、この形状の曲率の大きな円弧となっている辺４１ａ、４１ａの曲率が主として偏倚量αの影響を受け、斜めにずれた辺４１ｂ、４１ｂの角度が主として偏倚角θ0の影響を受けている。単純な矩形形状のワークであれば、テストワークの計測データから演算でα及びθ0を求めることができるが、例えば図５に示したワークの辺４１が曲率の小さな円弧辺であったり、全体が若干台形状になっているようなワーク形状であると、テストワークの計測値から演算でαやθ0の値を求めることが困難である。

そのような場合には、コンピュータ上に加工しようとするワークと砥石の二次元モデルを登録し、ワーク中心から回転中心を偏芯量α＝１０μ、２０μ、３０μ・・・（μはミクロン）というように順次偏芯させてモデルワークを振れ回りさせ、かつそれぞれの偏芯量のものについて、その偏芯方向を基準方向から１５度ずつ変化させて、ワークの仮想加工をコンピュータ上で行い、そのときの偏芯量と偏芯角のずれに基づく辺の複数点におけるずれ量ｄ１、ｄ２、ｄ３・・・を求めてテーブルを作成しておく。そして、実際に機械で加工したテストワークの正規形状に対する辺のずれ量を複数点で計測して、その計測値を作成したテーブルと対比して、要すればテーブルの値に対して補間計算することにより、偏倚量αと偏倚角θ0を求めるのが実用的である。

そして、求めたα及びθ0をＮＣ装置に入力した後、目的とするワークの連続加工を開始する。

以上の説明は、矩形ワークの外周の直前辺や円弧辺の加工についてのものであるが、内周加工砥石３ｂを用いて平板状ワークに設けられた貫通孔の周縁を加工する場合にも、工具の位置を上記の演算式で演算された補正値Δｘで補正することにより、精度の高い加工を行うことができる。また、矩形ワークに限らず、各種形状の平板状ワークの周縁の加工において、前記補正手段で補正を行うことにより、高精度の加工を実現できる。

１ 主軸
３（３ａ、３ｂ） 工具
４ ワーク
５ ＮＣ装置
１１ 主軸駆動モータ
１２ ワークホルダ
２７ 工具送りモータ
５４ 加工プログラム
５５ 辺加工手段
５５ａ 直線辺加工手段
５５ｂ 円弧辺加工手段
５６ 記憶手段
５７ 補正手段
α 偏倚量
θ 主軸の基準位相からの回転角
θ0 偏倚角
ｘ 工具の移動位置
Δｘ 補正値

Claims (3)

1. 回転主軸と、この主軸の軸端に装着されたワークホルダと、前記主軸の軸線と直交する直線に沿って移動する工具と、前記主軸の回転角及び工具の移動位置を制御するＮＣ装置とを備え、
   当該ＮＣ装置は、前記主軸の基準位相からの回転角θと前記工具の移動位置ｘとを設定された演算式に従って同期制御する辺加工手段と、前記ワークホルダについて個別に設定された中心位置の偏倚量αと基準位相からの偏倚角θ0とを用い、前記主軸の基準位相からの回転角をθとして、Δｘ＝α×ｃｏｓ（θ−θ0）で演算される補正値Δｘで前記辺加工手段の移動位置の指令値を補正する補正手段とを備え、
   更に、前記偏倚量及び偏倚角を設定するための、複数の偏芯量で加工しようとするワークを振れ回りさせたときの複数の回転角におけるワークの辺の複数点のずれ量を求めたテーブルとを備えている、平板状ワークの周縁加工装置。
2. 前記主軸の軸端に着脱自在な複数の前記ワークホルダを備え、直線辺加工手段と円弧辺加工手段とを含む複数の前記辺加工手段と、前記複数のワークホルダのそれぞれについて設定される前記偏倚量と偏倚角との複数対を記憶する記憶手段と、主軸に装着したワークホルダに対応する偏倚量と偏倚角とを選択する選択手段とを備え、前記補正手段は、選択された偏倚量と偏倚角とを用いて補正値を演算することを特徴とする、請求項１記載の平板状ワークの周縁加工装置。
3. 前記工具が回転砥石であり、前記複数の辺加工手段が直線辺加工手段と円弧辺加工手段とを含んでいる、請求項１記載の平板状ワークの周縁加工装置。

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