JP6159549B2 - ワークの外周加工装置 - Google Patents

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Description

この発明は、ディスプレイ装置の基板やカバーガラス等の板ガラスの外周研削仕上げに好適な板状のワークの外周加工装置に関するものである。
ディスプレイ装置に使用する板ガラスは、ウォータジェットやサンドブラスト加工によって素材形状(製品形状に所定の仕上げ代を加えた形状)に切り出された後、外周加工装置によって製品形状に仕上げられる。ウォータジェットやサンドブラスト加工で切断された板ガラスの周縁は、図5に示すように、切断面tが斜めになっている。この斜めの切断面の外縁eと内縁fの間隔dは、0.1〜0.2mmである。また、このようにして切断された板ガラス(素材)の外周には、欠け(チッピング)やうねりが生じていることがあり、この欠けやうねりが外周加工装置による仕上げ代より大きいと製品形状に仕上げることができず、不良品となる。
外周加工装置は、ワークを固定するテーブルと、当該テーブルに固定されたワークの外周を加工する工具(一般的には回転砥石)とを備えており、加工中にテーブルと工具の相対位置関係を連続的に制御することによって加工を行っている。素材がテーブル上に正規の位置からずれた位置で固定されると、実際の加工時における仕上げ代(削り代)に過不足が生じ、これが原因で不良品が発生する。そこで外周加工装置には、テーブルに固定された素材のずれを検出してこれを補正する手段を設けている。例えば、素材に付された位置決めマークや外周の角部を検出するカメラを設けてその画像からテーブル上に固定された素材のずれを検出し、素材を正しい位置に移動させたり、加工中におけるテーブルと工具の相対位置関係を検出されたずれ分だけ補正することにより、ワークがテーブル上のずれた位置に置かれても正しい製品形状に加工できるようにしている(特許文献1)。
テーブル上のワークの位置ずれを検出するカメラとして、従来は一般的なCCTVレンズを用いたカメラを使用しており、素材wの図5に示した内縁fを明瞭に識別することができなかった。そのため、外縁eを基準としてテーブル12上のワークwの位置ずれを検出していた。この外縁eのみの検出であること、及びテーブル12上のワークwの位置決めマークや数カ所の外周の角部のみの検出であることのため、素材の外周に部分的に生じたうねりや欠けを検出することはできず、また、切断面tの傾きの変化による内縁fと外縁eとの差dの大きさも検出することができなかった。
そのため、ウォータジェットやサンドブラスト加工による素材の切断時に生じた欠けやうねりや切断面tの部分的な傾きの増大などによる仕上げ代の不足で不良品が発生しないように、仕上げ加工に必要な仕上げ代より大きい仕上げ代を有する形状に素材を切断していた。
研削により外周加工を行う外周加工装置は、従来、工具を直交する2方向(x−y方向)に送る送り台を設けて、加工される周縁形状に応じて工具を2次元平面上で移動させるという、マシニングセンタによるワークの加工と同様な方法で加工を行っていた。これに対して本願出願人は、ワークを固定したテーブルの鉛直軸回りの回転角と、テーブル中心に向けて接近及び離隔する方向の工具の一次元方向の移動とを関連付けて制御することにより、自由形状の周縁加工を行う(以下、「コンタリング方式」と言う。)装置を提案している。コンタリング方式の外周加工装置は、従来のマシニングセンタ方式の外周加工装置に比べて装置の設置面積を大幅に低減できるという特徴がある。
特開2013−35089号公報 特開2011−116118号公報
外周加工装置でのワークの加工時間は、仕上げ代が大きくなれば当然増加する。また、仕上げ代(削り代)が大きいと、工具(一般的には砥石)によるワークの削り量が増大するため、工具の摩耗も大きくなる。従って、仕上げ代が小さければ小さいほど加工時間及び加工コストを低減することができる。
また、ワークの検品は、出荷される製品、すなわち外周加工が終了したワークに対して行われるので、仕上げ加工では除去しきれない欠けやうねりがある素材が搬入されても、仕上げ加工前の段階でこれを検出することができず、不良素材に対して仕上げ加工を行った後で不良品として排除されることになり、当該ワークに対しては無駄な仕上げ加工が行われたことになる。
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、外周に欠けやうねりがある素材ワークに対しても最適な外周加工を可能にすると共に、除去できない欠けやうねりがあるときは、仕上げ加工前に当該素材を排除することができ、更に外周加工におけるワークの削り代を小さくして加工時間の短縮や砥石摩耗の低減を図ることができ、更には素材の品質の検査も可能な、ワークの外周加工装置を提供することを課題としている。
この発明のワークの外周加工装置は、テーブル12上に固定されたワークwの外周を撮像するカメラ5を備えたワークの外周加工装置において、当該カメラ5にワークwの全周ないし定められた複数の周領域(例えば、矩形ワークについて角部と四辺の中央部、楕円ワークについて長径両端と短径両端の周領域)を連続的に撮影させる画像取得手段43と、取得した画像から特定の周領域(例えば、矩形ワークについて角部と四辺の中央部、楕円ワークについて長径両端と短径両端の周領域)における素材の外周の偏差(ずれ)Δrを検出する偏差検出手段44と、偏差検出手段44が検出した全周ないし複数の周領域の偏差から各素材wについて当該素材から製品Wを加工するための最適な加工動作を行わせるための補正値を演算する補正値演算手段45と、この補正値演算手段の演算結果に基づいて工具3の送り指令を補正する補正指令手段46とを備えている。
この発明の外周加工装置は、装置のテーブル12上に搬入された素材wの外周をカメラ5とテーブル12の一方又は双方を移動させながら連続的に撮像し、撮像した画像51から素材外周の検出線m、nと画像原点oとの偏差Δrを検出する。ここで言う画像原点oは、テーブル12上の正規の位置に置かれた正確な形状の製品Wの当該画像上における製品外周の位置である。素材全周の偏差Δrを検出するのが好ましいが、素材ごとのばらつきに規則性が認められる場合には、代表的な複数の周領域の撮像のみの検出でも可能である。
近時のカメラの解像度の向上とレンズ性能の向上により、カメラの画像から素材外周の図5で説明した外縁eと内縁fの検出線mとnとを別個に認識できるようになってきた。内縁fと外縁eの間隔dは0.1〜0.2mmであるが、テレセントリックレンズを備えた解像度の高いカメラを使うことで、内縁fと外縁eとを別の検出線として検出することが可能である。すなわち、カメラ5が取得した画像51に図4に示すような複数の検出線m、nがあるときは内側の検出線nを素材の外周線として認識し、素材の欠け、バリ、うねり、切断面の傾斜などによる外周の部分的な形状誤差を含む形状を検出する。
カメラの画像からワーク外周の内縁fと外縁eとを区別して検出し、その間隔dの大きさやワーク全周におけるばらつきから、素材の品質、すなわち素材を切断する前加工の加工精度ないし加工品質を検出する品質検査手段を設けることもできる。
補正値演算手段45は、偏差検出手段44が検出した素材外周の偏差から、外周加工装置における削り代がワーク全周に亘って均一となるように補正値を演算する。均一とした削り代が工具の1パスでの削り代(1通過で削ることが可能な削り代)より大きいときは、一部の周領域における削り代が1パスで加工可能な削り代となるように補正値を求めるようにすることもできる。この場合には、1パスで加工できない周領域を予め加工してから、最後に全周を1パスで加工する。素材外周に欠けやうねりなどの欠陥を検出したときは、当該欠陥を削り落として製品を加工できるように補正値を演算する。補正しても欠けやうねりを削り落とすことかできないときは、加工せずに次の素材の加工に移る。
この発明により、仕上げ代が不均一に分布している素材に対しても、削り代が外周全体に亘って均一になるようにした加工が可能となり、最適な補正およびパスで加工できると共に、素材をより小さな仕上げ代で切断することが可能になるから、外周加工装置における加工時間を短縮することができ、工具寿命を長くすることができる。
また、素材の内縁を検出することにより、素材の切断面の傾斜による仕上げ代の誤差や外周に欠けやうねり、バリ等があっても、それらを削り落として製品を得るための補正が可能となるので、従来装置では不良品となる素材に対しても製品の加工が可能になる。
更に、検出された素材の内縁と外縁の間隔や欠けなどから素材の品質検査(前工程における加工品質の検査)も可能であり、検出した内縁と外縁の間隔がしきい値を超えているとか、欠けなどを削り落とす補正値を演算できない等のために製品が取れないときは加工前にそのような不良素材を排除することができ、不良品を加工する無駄を避けることができる。
実施例装置の模式的な側面図 コンタリング方式の加工を示す説明図 図1の装置の主要な機器の位置関係を示す平面図 カメラが取得した画像とテーブル中心及びワーク中心の位置関係を示す図 素材の切断面の傾きを誇張して示す断面図 カメラが検出したワーク外周の偏差ΔRの分布例を示すグラフ 削り代を均一にする補正後の削り代gの分布例を示すグラフ 外周に欠陥があるワークの図6と同様な図
以下、図面を参照してこの発明の外周加工装置の実施形態を説明する。図1はコンタリング方式で加工を行う外周加工装置の模式的な側面図である。
図において、主軸1は、鉛直方向の中空軸で、フレームに軸受11で回転自在に軸支されている。主軸1の上端には、テーブル12が固定されており、ワークはこのテーブルの水平な上面13に固定された状態で計測及び加工される。テーブル12には、主軸1の中空孔を通して負圧が供給されており、テーブルの上面13に搬入されたワークwは、下面を真空吸着されてテーブル12に固定される。主軸1の下端には、主軸モータ(サーボモータ)15が連結されている。主軸モータ15は、サーボアンプ41を介して制御器4に接続され、制御器4の指令によって主軸1の回転角が制御されている。
主軸1の上方には、横送り台21が設けられている。横送り台21は、図示しないフレームに設けた水平方向の横ガイドに移動自在に案内され、横送りモータ(サーボモータ)23で回転駆動される横送りねじ24に螺合している。横送りモータ23は、サーボアンプ42を介して制御器4に接続されており、横送り台21の移動位置が制御器4によって制御されている。
横送り台21には、縦送り台25が設けられている。縦送り台25は、横送り台21に固定した鉛直方向、すなわち主軸1と平行な方向の縦ガイド(図示されていない)に移動自在に装着され、縦送りモータ26で回転駆動される縦送りねじ27に螺合している。また、横送り台21には、テーブル12上に搬入された加工前のワーク(素材)wの周縁部の画像を取得するカメラ5が装着されている。
縦送り台25には、鉛直方向の軸受け32で砥石軸31が主軸1と平行に軸支されている。この砥石軸の下端に砥石3が装着されている。砥石軸31の上端は、歯付ベルト33を介して砥石駆動モータ34に連結されている。
主軸1の軸心P及び砥石3の軸心Q並びにカメラ5の光軸aは、横送り台21の移動方向と平行で主軸の軸心Pを含む同一平面S上に位置している。図2は、コンタリング方式によるワークwの外周加工を模式的に示した図で、制御器4で横送り台21の移動量xと主軸1の回転角θとを関連付けて制御することにより、所望の平面形状の周縁加工を行う。なお図には示してないが、ワークに貫通孔や内径加工を行う装置では、縦送り台25に、砥石3に対して相対昇降可能な小径の砥石を設けて、貫通孔や内径加工を行う。
カメラ5は、取得する画像に要求される解像度を備えたカメラで、好ましくはテレセントリックレンズを備えたカメラを用いる。カメラ5の光軸aは主軸1の軸心Pと平行である。従ってカメラ5は、加工されるワーク(素材)の面直角方向から見た周縁部の画像を取得する。
カメラ5で取得した画像の情報は、制御器4に送られる。制御器4は、画像取得手段43、偏差検出手段44、補正値演算手段45及び補正指令手段46を備えている。画像取得手段43は、カメラ5の画像原点oをテーブル12上に正しい姿勢(位置及び方向)で置かれた正しい形状の製品(以下、「正規製品」と言う)の外周縁に添ってカメラ5を移動させながら連続的に撮影した画像を偏差検出手段44に送る。素材周縁の欠けやうねりを検出するときは、画像を取得する間隔は、検出する欠けの大きさやうねりの周期より短い間隔でなければならない。
偏差検出手段44は、連続的に送られてくる各画像51について、ワークの外周の内縁fに対応する内側の検出線nを検出し、画像原点oからのx軸上での偏差Δrを検出する。補正値演算手段45は、ワークの全周ないし複数の周領域に亘って取得した偏差Δr及びこれを均した(スムージングした)値ΔRから、テーブル12上に置かれた素材wの搬入誤差と素材の形状誤差(削り代分布や欠けなどによる素材形状の誤差)を補正するための補正値を演算する。補正指令手段46は、補正値演算手段45で求めた角度の補正値Δθでテーブル回転の原点位相を補正し、位置の偏差に基づいて横送りモータ23に与える指令値を補正する。
補正値演算手段45は、素材の外周における削り代が均一になるように、更には削り代の分布が加工時間を短くするのに適した分布になるように、補正値を演算する。また、補正値演算手段45は、ワークの外周(内縁)に欠けやうねりなどの欠陥が認められたとき、それらの欠陥を除去して製品の加工を可能にするための補正値を演算する。
制御器4は、素材品質検査手段を備えることができる。素材品質検査手段は、加工される素材のロットごとに素材に設けられている仕上げ代の大きさや分布、ロット全体におけるそれらのばらつきを統計的に演算して素材のロットごとの品質を判定する。この判定を行うときは、偏差検出手段44は、画像の内側と外側の検出線n、mの間隔を検出する。
外周加工装置で加工されるワークの製品形状(正規製品の形状)は制御器に登録されており、正規製品の主軸の原点位相からの角度θとその角度におけるワーク中心Uから外周までの半径Ro及び外周縁の基準方向からの角度φとの関係は制御器4で計算できる。一方、素材(加工前のワーク)は、例えばワークが携帯端末のディスプレイに使用されるガラス基板である場合などには、通常、ウオータージェットやサンドブラスト加工などの前加工により、製品形状に所定の仕上げ代gを加えた形状に切断されている。しかし、素材wの形状には前加工で許容されている切断寸法のばらつきによる形状誤差がある。更に、前加工時に生じた欠け(チッピング)やうねり(蛇行)が存在している。これらは、外周加工装置における削り代gのばらつきないし誤差となる。また、素材の切断面tは、図5に示すように傾斜しており、ガラス表面との稜線である内縁fは、外縁eより内側にあり、製品の外周はこの内縁fの内側になければならない。
次に上記のように構成された外周加工装置におけるワークの加工動作を説明する。素材は、図示しない搬入装置によってテーブル12上に搬入されて負圧により固定される。素材wは、位相(主軸軸線回りの角度)を原点位相としたテーブル12上に素材の原点位相を一致させた状態で、かつ素材の中心Uを主軸軸線と一致させた状態で搬入されるが、テーブル12上に搬入して固定された素材には、搬入時に生じた位置決め誤差が存在している。
制御器4は、正規製品の外周cと、x軸(テーブル中心Pを通る横送り台21の送り方向の軸)との交点の位置にカメラ5の画像51の原点oが位置するように、横送り台21の位置を定める。この状態から主軸1を1回転させ、制御器は、この1回転中にカメラの画像原点oが正規製品の外周cをたどるように横送り台21を移動させる。画像取得手段43は、この回転中に、カメラの画像51を連続的に取得して制御器4の偏差検出手段44に送る。なお、画像原点oは、カメラの光軸中心aに設定してもよいが、素材には仕上げ代が設けられている関係上、撮影されるワークの検出線nはほとんどの場合、光軸より外側(反ワーク側、以下「プラス側」とする。)となるので、原点oを光軸よりマイナス側に設定するのが合理的である。
制御器の偏差検出手段44は、送られてきた各画像について、ワークの外周を示す略平行な2本の検出線m、nのうちの内側の検出線nを検出し、この検出線nとx軸の交点の画像原点oからの距離Δrを検出し、画像が撮影されたときの主軸の回転角θと共に記憶する。テーブル12上での素材の角度や位置のずれが大きいと、Δrは部分的にマイナスになる。
検出されるΔrの値には、素材周辺の欠けやうねりなどによる細かいばらつきがあるので、これらを均したθとΔrの関係を得るために、各角度θを中心とする予め定めた周長ないし角度範囲におけるΔrの平均値をΔRとしてθとの関係を求める。
加工される製品の形状は、矩形とは限らないが、角丸矩形、樽形、楕円、卵形など、通常は左右対称形である。補正値演算手段45は、各角度θにおけるΔRから、テーブル上の素材の搬入誤差(角度誤差と位置誤差)を演算する。例えば、角度θにおけるΔRに当該角度における正規製品の半径Ro(当該角度におけるテーブル中心Pから画像原点oまでの距離)を加えてθとR(R=Ro+ΔR)の関係を演算する。製品形状が矩形などの直線部を有する形状であれば、θ−Rのグラフにおける当該直線部に対応する線の傾き(矩形であれば4本の線の傾きの平均)から、素材のテーブル原点位相からの傾き(角度の補正値)Δθを求めることができる。卵形などの場合には、θ−Rのグラフにおける特異点(例えばRが極大値や極小値を示す点)の角度と正規製品のその特異点に対応する点の角度との角度差からΔθを求めることができる。
Δθが求まるとそのΔθで補正した後の主軸角度θ=0度と180度におけるΔRの差、及びθ=90度と270度におけるΔRの差から、テーブル中心Pからの素材中心Uのθを補正した後のX方向及びY方向の偏差ΔX、ΔYを演算できる。なお、大文字X、Yの方向は、ワーク上での方向であり、ワークが原点位相にあるとき機械のx、y方向と一致する。
各角度θにおける計測値Δrを補正値ΔX、ΔYで補正し,その補正値に cosφを乗ずることにより、θと削り代gの関係を求めることがてき、例えば図7のように、gはθの全域に亘ってほぼ均一な値に分布することになる。
このgについて、図8のように、ある角度ψにおいて、gが負となる部分があれば、それは局部的な欠けやうねりによるものと判断される。そこで当該角度ψの値を用いて、削り代gを正の値にするのに必要なX及びY方向の移動量を演算し、素材中心Uの補正値ΔX、ΔYを再計算する(例えば、矩形ワークであればψが属する辺と直交する方向にマイナス分を移動。楕円ワークであれば角度ψにおけるφ方向にマイナス分を移動。)。そして、新たな補正値で補正した後の削り代gがワークの全周に亘ってプラス側に出れば、この補正後のワーク中心を基準として加工を行ってやれば欠陥のない製品を加工できることになる。一方、再補正の後でもgが負となる部分があれば、その素材からは製品を加工できないこととなるので、加工することなくその素材を除去し、次の素材を搬入する。
このようにして主軸角度の補正値Δθと位置の補正値ΔX、ΔYが求まるので、これらの補正値を補正指令手段46に設定してワークの加工を開始する。補正指令手段46は、まず、主軸角度の補正値Δθによって主軸の原点を補正し、補正後の主軸の回転角に対応して変化する砥石送り量の補正値を演算して横送り台21の送り指令を補正することにより、テーブル12の回転に伴って微少な円軌跡を描くワーク中心を基準としてワークの外周を研削する。
上記で理解されるように、この発明の外周加工装置における加工動作の補正値は、ワークの加工形状から予想される特異点や極値を示す角度でのワーク外周の検出値を用いて演算できる。従って、欠けなどの欠陥が無い素材や欠陥が特定の箇所のみに現れることが分かっているワークであれば、カメラで素材の全周の画像を取得する必要は必ずしも無く、必要となる複数の周領域でのみ画像を連続的に取得して加工動作の補正を行うことができる。
素材の外周の一部に欠けやうねりなどの欠陥がある場合で、その欠陥を避けて製品を加工可能な場合、その欠陥のある部分を中心にしてワークの削り代が増大する。この増大した削り代を1回のパス(砥石の通過)で削り取れないときは、複数回のパスが必要となるが、ワークの反対側では削り代が小さくなっているから、複数回のパスは必要ない。そこで複数回のパスを行わなければならない領域だけ予め削り落として最後の仕上げ加工を全周1回のパスで行うことにより、加工時間を短縮することが可能である。
欠けなどの欠陥が無い場合であっても、ワーク全周に亘る削り代が大きいときに、適宜ワーク中心をずらす補正を行って意図的に削り代を不均一にし、削り代を増大させた部分を複数パスで加工し、最後に全周を1パスで加工することにより、全体としての加工時間を低減することもできる。また、欠陥がない場合には、ワーク外周の研削代をほぼ均一にした加工が可能となるので、適切な仕上げ代で素材の切断を行うことにより、1回のパスでワークの全周加工を行うことが可能になる。
補正値演算手段45による演算結果は、素材における仕上げ代の大きさとそのばらつきを示している。また、一部にgがマイナスになる部分があれば、それは仕上げ加工に支障が生じる欠けやうねりが存在するということである。従って、個別の素材の品質が分かり、そのデータを集計することによって、ロットごとの素材の品質を検査することができるので、前加工における問題点の発見ないし加工品質の改善を図ることができる。
3 工具
5 カメラ
12 テーブル
43 画像取得手段
44 偏差検出手段
45 補正値演算手段
46 補正指令手段
51 画像
d 間隔
e 外縁
f 内縁
m 検出線
n 検出線
o 画像原点
W 製品
w 素材(加工前のワーク)
Δr 素材の外周の偏差(ずれ)

Claims (7)

  1. 板状のワークを水平に保持して鉛直軸回りに回転するテーブルと、前記ワークの周縁を加工する工具と、制御器の指令値に基づいて前記工具の位置を制御する送り装置と、ワークの周縁部の画像を撮影するカメラと、画像取得手段と、偏差検出手段と、補正値演算手段と、補正指令手段とを備え、
    画像取得手段は、前記テーブルにワークが搬入されたときに、前記カメラを当該テーブル上に正規の位置及び位相で置かれた正しい形状の製品の外周に沿って移動させながら当該カメラで前記ワークの外周の全周ないし定められた複数の周領域を連続的に撮影させ、
    偏差検出手段は、カメラが取得した各画像についてワーク外周の位置と予め制御器に設定されている前記製品の外周の位置との偏差Δr及び当該画像を取得したときの前記テーブルの回転角θを検出して、当該回転角を中心とする予め定めた周長ないし前記テーブルの回転角度範囲における前記偏差の平均値ΔRを求め
    補正値演算手段は、前記偏差検出手段が検出した回転角θと前記偏差の平均値ΔRから搬入されたワークから製品を加工するのに必要な前記テーブルの回転角の補正値と工具送り量の補正値とを演算し、
    補正指令手段は、演算された偏差に基づいて前記送り装置に与える指令値を補正する、
    ワークの周縁加工装置。
  2. 偏差検出手段は、カメラが取得した画像の略平行な2本の検出線のワーク内側に位置する検出線をワークの外周として前記偏差を検出する、請求項1記載のワークの外周加工装置。
  3. 補正値演算手段が、偏差検出手段が検出した素材外周の偏差から、外周加工装置における削り代がワーク全周に亘って均一となるように補正値を演算する、請求項1又は2記載のワークの外周加工装置。
  4. 補正値演算手段が、ワークの一部の周領域における削り代が前記工具の1パスで加工可能な削り代となるように補正値を演算し、当該一部の周領域以外の周領域を予め加工した後で全周を1パスで加工する、請求項1又は2記載のワークの外周加工装置。
  5. 補正値演算手段が、前加工における素材外周の欠陥を検出したときに、当該欠陥を削り落として製品を加工できるように補正値を演算する、請求項1又は2記載のワークの外周加工装置。
  6. 品質検査手段を備え、偏差検出手段が、前記カメラが取得した画像の略平行な2本の検出線の間隔を検出し、品質検査手段が、この間隔の大きさとそのワーク全周におけるばらつきを制御器に予め設定したしきい値と比較して素材の品質を判定する、請求項2記載のワーク加工装置。
  7. 品質検査手段を備え、前記補正値演算手段が、偏差検出手段が検出した素材外周の偏差から、削り代がワーク全周に亘って均一となるように補正値を演算し、前記品質検査手段が、その補正後のワーク全周に亘る削り代の大きさ及びばらつきを制御器に予め設定したしきい値と比較して素材の品質を判定する、請求項3記載のワーク加工装置。
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