JPH01501297A - 不規則な回転面を仕上げるため及びサーボ制御機械加工を行うための超精密機械加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 不規則な回転面及びサーボ制御機械加工に使用される超精密機械加工方法並びに 装置本発明は、規則正しい或は不規則な回転面を機械加工する装置に関し、該装 置は、工具の位置を決めるために所定の方向に並進状に移動可能な又は所定の回 転軸線の周りに回転状に移動可能な工具案内装置と、軸線に沿ってワーク担持ス ピンドル組立体を案内するスピンドルスライドと、スピンドルスライド及び工具 案内装置の夫々の移動を測定する第１及び第２センサと、所定の加工周波数に相 当する所定の速度で工具案内装置を移動させる装置とを備える。

平行座標又は極座標を使用して複雑な表面を加工する超精密工作機械は、スライ ドに設けたワーク担持スピンドル組立体を使用し又通常直流電気モータと協働し たねじ・ナツト式の制御装置で制御される。該直流電気モータはスライド駆動ね じに直結されている。その上にワークを取付けるスピンドルを空気軸受を介して スピンドル組立体に設ける。空気軸受を使用することによってスピンドルは剛直 性が得られる。

空気軸受を使用するためには、スピンドルとステータ間に約５−の極めて小さな 間隙が必要である。しかし全体きしてスライドの欠点がなくならないのでスピン ドルの精度向上の副産物であるかく乱運動をなくすことができない。

ワークの回転を制御する高度の精確性と安定性とを得るために、制御可能な磁気 軸受に設けたワークを調整することが試みられている。しかしこのことは着脱可 能な磁気軸受は特殊な形のワークの加工にしか使えぬことを意味する。

フランス特許第７５３０２０９号に相当するアメリカ特許第４１８０９４６号に は整流装置用の工具担持スピンドル組立体が開示されている。スピンドルは制御 可能なラジアル軸受に設けられ、スピンドル組立体のステータに協働しかつ二つ の端部ラジアル軸受間に配置された電動モータを含む。このような工具担持組立 体は数種類の機械加工作業を行ない得る弾力性を有するが、超精密工作機械の構 成に使用するには適していない。

本発明は上記の欠点を除去し、極めて高い精度の高い各種の機械加工を可能なら しめ、使用範囲に弾力性がありかつ各種の高品質の作業に適した機械を使用して 、規則正しい又は不規則な表面或は回転面を形成することを目的とする。

上記の目的は、本明細書の冒頭に述べた型の超精密機械加工装置において、本発 明によれば、ワーク担持組立体がスピンドルスライドに取付けたステータと、５ 軸のサーボ制御軸を有する制御可能な磁気支持部によってステータに設けられる と共に少なくとも二つのラジアル軸受と一つのアキシアル軸受を含むスピンドル とを備え、ラジアル及びアキシアル磁気軸受が８０Ｈｚ以下の自然周波数でサー ボ制御され、ワーク担持組立体のスピンドルを自然周波数以下であって２０〜７ ５Ｈｚの所定の速度で回転させる装置と、ラジアル及びアキシアル磁気軸受のサ ーボ制御回路に種々の標準電圧を与える装置とを備え、上記の標準電圧は、ワー ク担持組立体のスピンドルを半径方向及び軸線方向の位置を正規位置の周りに選 択的に変化させるために機械加工制御信号を基にして変化するものであり、又上 記制御信号が所定値を超えた時にのみスピンドルスライドを移動させる装置を備 えた規則的及び不規則な超精密面を機械加工する装置によって達成される。

本発明はまた、ワーク担持スピンドル組立体内の５軸の制御可能な磁気支持部を 介して設けられたスピンドルによって所定位置に保持されたワークに超精密回転 面を機械加工する方法であって、上記ワーク担持スピンドル組立体はＹ’　Ｙ軸 に沿って案内されるスピンドルスライド上に設けられ、所定の方向の軸に沿った 並進移動可能又は所定の回転軸の周りの回転移動可能な機械的工具案内装置に搭 載された工具によって機械加工されるものにおいて、 ａ）自然周波数が８０Ｈｚ以下の磁気支持部の制御可能なラジアル及びアキシア ル磁気軸受をサーボ制御し、自然周波数以下即ち ｂ）２０Ｈｚから７５七までの、好ましくは２〇七から４０七の所定の速度でス ピンドルを回転させ、Ｃ）移動センサによってスピンドルスライドと工具案内装 置の移動を常時監視し、 ｆ）標準電圧をラジアル及びアキシアル磁気軸受に与えてスピンドル組立体内の 正規の位置の周りにスピンドルの軸線方向及び半径方向の位置を選択的に変調し 、上記の標準電圧は工具の位置に関係した制御信号を基にして変化するものであ り、 ｅ）上記の制御信号が所定値以下の場合にはスピンドルスライドの移動を禁止し 、 ｄ）所定の機械加工周波数に相当する所定速度で工具案内装置を移動させる回転 面の超精密機械加工方法を提供する。

本発明の方法特許の第１の見地において、工具の位置に関係する上記の加工制御 信号が工具案内装置に取付けられかつ工具の軸線を含む垂直平面に配設された移 動センサから出され、又機械加工すべきワーク上にコピーすべき標準表面を含む 標準ワーク即ちテンプレートが上記移動センサに対面した静止位置に配設される 。

より詳しく説明すると、移動センサから出された信号を処理して機械加工すべき ワークの表面に、コピーずべき標準表面の幾何学的変形即ち該標準表面を補完し た表面或は幾何学的に相似の表面或は歪像化した表面を形成するための制御信号 を作る。

本発明の方法特許の第２の見地において、工具の位置に基づいた上記制御信号が 、再現すべき標準ワークの手本となる子午線の各点の座標を記憶したメモリから 出される。

より詳しく述べるとこの場合工具の各位置について、メモリで最初に再現すべき 標準ワークの手本となる子午線に相当した点の座標軸を読み取り、次に工具案内 装置の移動速度及びスピンドルスライドの速度を読み取り、上記工具案内装置の 移動実速度を第］センサで検出し、又上記スピンドルスライドの移動実速度を第 ２センサで検出し、移動速度の測定値と工具の位置に相当するメモリから読取っ た速度とを比較し、測定値とメモリからの読取り値開に速度差がある場合にはワ ーク担持組立体のスピンドルの半径方向の移動または軸線方向の移動の速度制御 して上記の速度差をなくする。

本発明の方法特許の第３の見地において、上記スピンドル位置制御信号が所定の 振幅及び周波数を有する周期信号である。

この場合、周期的スピンドル位置制御信号が、上記加工周波数よりも小さい周波 数で出され、これによって中高又は中低の表面を形成する。

周期的スピンドル位置制御信号が、上記加工周波数よりも大きい周波数ではある が上記のスピンドル回転速度よりも小さい周波数で出され、これによって加工す べき表面（２４０）上に制御可能な振幅のら線状部を形成し、該ら線状部ででこ ぼこしまた標準表面を構成する。

周期的スピンドル位置制御信号が、スピンドル回転速度の倍数の周波数で出され 、これによって加工すべきワーク上に放射状の溝を形成する。

本発明に使用する制御信号は種々の異なった根源から起る。

１）制御信号は、簡単な形状又は機、械的テンプレート或はコンピュータテンプ レートを元にした突起、溝、ら線、丸味、隅肉等の変形が得られるように予め適 宜に決めることができる。

２）ザボ制御機械加工用の制御信号は、機械的テンプレート又はコンピュータテ ンプレートと例えばスピンドルスライド等の制御すべきスライドの実際位置との 間の誤差の測定値であって、上記スライドは通常のサーボ制御方法によって上記 テンプレートにならうように制御される。

３）制御信号は、所定の速度ベクトルを機械加工すべきワーク上に亘った工具の 相対的移動の速度ベクトル間の誤差から得られる。

４）制御信号は、機械的テンプレートを読み取るセンサから出た信号又はコンピ ュータから出てかつ加工すべきワークを±１５０７−の範囲で表した信号から得 られる。

制御信号はまた上述したカテゴリーから得られた各種信号の組合わせから得られ る。

本発明の方法及び装置は光学的分野に属する性能を得ることができる。従って一 例をあげると、サーボ制御磁気軸受に設けたワーク担持スピンドルを使用した本 発明によって、実物からミクロンの１７１０以下の相異を有する円柱状ワークを 得ることができる。詳細には、直径２２０ｍｍのＡＧ５アルミニウム合金の加工 小片の最大誤差は０．１−で、直径５５ｍｍのゲルマニウムの加工小片の最大誤 差は０．０８９μであった。

平坦状小片も又完全平坦からの差の少ない加工が得られる。

従って直径１０５ｍｍのゲルマニウム及びＡＧ５アルミニウム合金の完全平面と の誤差は夫々λ／８及びλ／２．３（λ＝０、６３２０ｊ−）であった。

本発明の他と特徴と利益は、添付図面を参照した実施例についての詳細な説明を 読めば明らかになるであろう。

第１図は、制御可能な磁気軸受を有して本発明に使用可能なワーク担持スピンド ル組立体の概略軸断面図、第２図及び第３図は直角座標軸系を使用しかつ本発明 が利用可能な工作機械の実例を示す平面図及び側面図、第４図及Ｑ第５図は極座 標軸系を使用しかつ本発明が利用可能な工作機械の実例を示す平面図及び側面図 、第６図及び第７図は、平行座標軸系のコピーによって回転面がどのように機械 加工されるかを示す概略図、第８図〜第４１図は、極座標軸系のコピーによって 回転面がどのように機械加工されるかを示す概略図、第１２図は、第６図に類似 の図であるがワーク担持組立体の位置制御用回路をより詳細に示し、第１３図は 、第１２図の実施例を類似の実施例であるが、加工すべき表面の特性はコンピュ ータメモリに合成されており、第１４図は、第１３図と類似であるが、加工速度 は監視されたものである。

第１図は制御可能な磁気軸受を備えかつ本発明の超精密工作機械のスライド上に 設けるのに適したワーク担持組立体１の全体構造を示す図である。

スピンドル組立体１は、第２．３図に符号２０２でまたは第４．５図に符号４０ １で示したようなスライドに取付けたステータ１０を備える。スピンドルステー タ組立体１０は、スピンドル組立体１のスピンドル５０に対して比較的大きな隙 間（約０．３ｍｍ）を区画形成する前部ラジアル磁気軸受１２及び後部ラジアル 磁気軸受１１のステータ要素を内蔵している。

ステータ組立体１０はまたアキシアル磁気軸受のステータ要素を含み、該ステー タ要素は、スピンドル５０の後部に取付けられかつ該スピンドル５０の軸線に直 角に延びてアキシアル当接体を構成した円板１４１と協働する。

スピンドル５０の前端にワーク担持チャック５が設けられている。このワーク担 持チャック５はスピンドル組立体と共軸でかつスピンドル５０の直径よりも大き い直径を備える。

チャック５が吸引円板である第１図の好ましい実施例において、ワーク担持チャ ック５はスピンドル５０の軸線方向に延びたダクト５１と連通した凹所５２を有 する。ワーク担持円板５の前面５３全体に亘って孔５４が分配されかつ凹所５２ 内に開通していて、吸引作用によってワーク担持円板５の前面に接触した機械加 工すべきワークを保持する。

スピンドル組立体のステータ１０の外部にある電気モータ２によってスピンドル ５０を駆動する。この電気モータは精密ボール軸受２１．２２又は円錐形軸受又 は磁気軸受に設けるのに適したロータ２０を有する。外部モータはその偏心度が 数ミクロンを超えないように構成されている。

スピンドル５０と外部モータ２のロータ２０とを継手３０によって互に接続して モータの駆動力を伝達しかつモータの偏心度に起因する機械的かく乱を少なくす る。

継手装置３はエラストーマ又は類似の弾性を有する材料で作られたパイプ３０で 構成することが好ましく、スピンドル５０の自由端及びモータ２のロータの自由 端に気密状に取付けられている。継手をこのように構成することによってガスケ ットを付加する必要がなく、上述した機械的機能を完全に満足できる状態で達成 することができる。

ダクト３１が継手の内部を軸線方向に延びて形成されるので、スピンドル５０内 のダクト５１とモータ２のロータ２０に沿って軸線方向に延びたダクト２３間の 連続性が得られる。

ダクト３１はダク）２３．３１及び５１間の連続した気密シールが得られるよう に形成されている。

モータ２の後部には分配室４０を区画形成する吸引ハウジング４がモータのステ ータに固着されている。分配室はバイブ４１を介して図示せぬ真空ポンプに連通 し、次にモータ２のロータ２０を沿って延びたダクト２３に連通ずる。このよう に構成すると、外部から室４０、ダクト２３．３１．５１及び室５２で構成され た吸引回路に至る最大の漏洩は、モータ２のロータ２０と該モータのステータと の間の隙間で発生する。

この隙間を小さな寸法（約０．　Ｉ　Ｍ）にすると、このような漏洩による水頭 損失はかなり低くなる。従って実施が困難でかつ軸線方向の振動を起し易いごま かしのそらせ板やその他の回転シール手段を設ける必要がない。

継手３があると、スピンドル５０を介して真空ポンプからワーク担持円板５の室 ５２にポンプ輸送する吸引回路と、エラストーマパイプ又は金属製ベローズから なる継手３と、モータ２のロータ２０と、吸引ハウジング４とによってポンプ輸 送による不可避の機械的かく乱、殊に軸線方向のかく乱等のすべてのかく乱はモ ータ２によって完全に吸収されてスピンドル５０に伝えられることがない。ラジ アル軸受に協働するモータが存在せず、又スピンドル５０の直ぐ後方においてポ ンプ輸送をしないので、短くかつ小形のスピンドル５０を使用することができ、 従ってスピンドルに高い剛性と安定性を付与することができる。

ステータ１０の内側におけるスピンドル５０の磁気的支持装置は、ステータ１０ の後部付近及び前部付近に夫々配設した第１及び第２の制御可能なラジアル磁気 軸受１１．１２を備える。夫々のラジアル磁気軸受１１及び１２は通常の巻線と 積層板とからなるステータと、スピンドル５ｏに取付けた磁気回路とを備える。

夫々のラジアル軸受１１及び１２を制御可能なと書いたのはサーボ制御ループ７ ｏ又は８ｏと協働し、又対応したラジアル軸受の付近に配設した少なくとも一つ の検出器と協働してスピンドルの半径方向の位置を検出するからである。上記の 検出器を符号１７．１８．６１で表す。制御可能な磁気軸受で公知のように、半 径方向の検出器１７．１８．６１は誘導型であってステータ磁気回路と、スピン ドル５ｏに形成された環状の標準軌道に対向状に配設された巻線とを含む。

検出器１７．１８．６１がフランス特許！　２２１４８９０号明細書の記載のよ うな同調拒絶型ラジアル検出器で形成されると都合がよい。

ワーク担持スピンドル組立体１を超精密工作機械に使用するには、スピンドル５ ０の幾何学的間隙（軸受の同中心性と検出器の同中心性）を改善するためにスピ ンドル５ｏを調整し、又検出軌道及び軸受の円形性を改善する必要がある。

ｉ１図はラジアル軸受１１．１２に関連したサーボ制御ループ７０．８０と、ラ ジアル軸受１４に関連したサーボ制御ループ９０を概略的に示した図である。図 においてサーボ制御ループ７０と８０を互に独立した回路で示したが、例えば米 国特許第３７８７１００号明細書のように相互作用するようにしてもよい。

各サーボ制御ループ７０．８０において、ラジアル検出器１７゜１８（場合によ っては６１）の少なくとも一つから送られた信号を、減算器７１又は８１によっ て回路７３又は８３から送られた標準電圧と比較される。減算器７１又は８１か らの誤差信号は処理・増幅回路７２又は８２に送られ、該処理・増幅回路から関 連したラジアル軸受１１又は１２０巻線を駆動する出力信号が出される。これと 同様に、アキシアル検出器６２から送られた信号は、回路９３から送られた標準 電圧と減算器９１で比較される。減算器９１からの誤差信号は処理・増幅回路９ ２に送られ、該処理・増幅器９２からの出力信号はアキシアル当接体１４の巻線 の駆動に直接に使用され、或はインバータ９４によって信号を逆にした後に使用 される。

後述するように回路？３．８３．９３はステータ１０に対するスピンドル５０の 正規位置を形成するために使用する標準電圧を作るものである。この正規位置は 隙間が全部に亘って等しい中心位置と、隙間が部分的に小さな値になってスピン ドルが精確に中心にある時の隙間の約半分となる故意に軸線をずらした位置とに 亘って変化する。回路？３．８３．９３によって生じた標準電圧はスピンドル外 部の機械部品の欠陥を修正するためだけのものではなく、ワーク担持円板５の特 殊な位置従って機械加工すべきワークの位置を精確に区画形成するのに役立つ。

本発明によれば、サーボ制御の自然振動数は８０七以下、好ましくは５０〜６〇 七に選択され、ワーク担持スピンドルの回転数は２　Ｏｒ／ｓ　（Ｉ（ｚ）　〜 ７５）Ｌｚ、好ましくは２５〜４０Ｈｚに選択される。サーボ制御ループは少な くとも最初の同調回転数及び最初の二つ又は三つの同調回転数に対して最大のゲ インを有する。これは上記の回転数は最大の振幅を有する機械加工範囲の振動数 を構成するためである。

ｉＥ１図のワーク担持スピンドル組立体１を有する超精密工作機械について説明 した。

第２図及び第３図に、ＸＸ’、ＹＹ’の平行座標構成の複雑な表面を機械加工す る機械の第１例を示す。

直交した移動軸ＸＸ’、ＹＹ’を有する二つのスライド２０１．２０２が花崗岩 等のブロックの支持部材上に設けられている。この支持部材は空気支持手段を介 して地面に接続される。

′スライド２０１は工具２０７を搭載したターンテーブル２０３を支持し、又ス ライド２０２は上述のワーク担持スピンドル組立体１を支持する。加工すべきワ ーク２０４がスピンドル組立体１の前部にあるワーク担持円板上に置かれる。

ターンテーブル２０３は機械加工に使用する切断刃物が常に同一部分であるよう に工具を配向し、該刃物が幾何学的に不均済にならぬようにする。

交流電気モータ２１０．２２０で夫々のねじ−ナット手段を駆動して夫々のスラ イド２０１．２０２を移動させる。スライド２０１、２０２は数値制御装置を介 して移動され、その移動量を通常のドツプラー干渉装置で測定する。

干渉装置はレーザ源２９０と、平面鏡ハウジング２９４と、工具スライド２０１ の移動を測定する干渉計ハウジング２９３と、二つの平面鏡ハウジング２９６． ３９９と、スピンドルスライド２０２の移動を測定する二つの干渉計ハウジング ２９５．３９８と、干渉計ハウジング２９５．３９８と平面鏡ハウジング２９６ ．３９９間を接続するベローズ３９７．３９６と、測定用レーザ光線を保護する チューブ３９１〜３９５とによって構成されている。

例えばハウジング２９６のような各平面鏡ハウジング２９４゜２９６、３９９は 平面鏡２９６ａと調節ストッパ２９６ｂとを備える。

各干渉計ハウジング２９３．２９５．３９８は測定用干渉計２９３ａ。

２９５ａと、受光器２９３　ｂ　、　２９５　ｂと２９５ｃ等の調節装置とを備 える。

加工された表面を精確にするためにスピンドルが偏心しないで回転し、スピンド ルが精確に移動することが必要であり、従って、スピンドルスライド２０２の運 動を検出し、スピンドル５０を半径方向に移動して修正をすることが必要である 。

この種の修正は略±１５０Ｋｍで、これで充分である。二つのスライド２０１， ２０２の移動によって生ずる欠陥が加工すべきワークに影響がないようにするに は工具側のスライド２０１のスピンドル５０の軸線方向の欠陥移動を検出するこ とが必要である。この修正は略１５０ｐｍである。

又ワーク担持スピンドル組立体１は工作機械の機械的要素の欠陥を補償する仕事 をする。ワーク担持スピンドル組立体１の磁気軸受のサーボ制御ループを制御す ることによって、ローリング、ピッチング、ヨウィングがあっても或はスライド ２０１，２０２のいずれかの移動に起因した首振り欠陥があってもスピンドルの 軸線を精確に保持することができる。

ラジアル磁気軸受１１．１２の夫々のサーボ制御ループに例えばステータ１０に 取付けた金具上に設けた容量型検出器２１６゜２１８又は２１５．２１７の如き 二つの検出器を設けてスピンドル担持スライド２１２の移動方向ＹＹ’に平行に 位置した平坦な標準面２１１．２１２からの距離の変化を検出することによって 、上記の補償は実時間に行なうことができる。サーボ制御装置の軸線に直角な標 準面２１１．２１２はスピンドル組立体ｌの支持面に対して約４５°の角度をな している。

平坦な標準面２１１は検出器２１５と２１６に対して共通であり、また平坦な標 準面２１２は検出器２１７と２１８に対して共通である。両標準面２１１．２１ ２は金属化した鏡で形成することが望ましい。

検出器２１５〜２１８から送られて来た信号を処理して対応した夫々のラジアル 軸受サーボ制御ループに送り、磁気軸受１１゜１２のステータに対するスピンド ル５０の軸線位置を決定する標準電圧を変える。

次にスライド２０１上に搭載した工具２０７について述べると、スライド２０１ が活性化された時に、スピンドル１の軸線に直角な平面上に工具２０７の先端を 維持するには、工具２０７の垂直軸面に検出器２８１を設ける必要がある。この 検出器２８１はスライド２０１に取付けられ、あらかじめスピンドル５０の軸線 に直角に配設された標準面２８２に対する接近変化を測定する。検出器２８１は 容積型であってかつ静止状支持部材２８０に設けた平面鏡２８２と協働すること が好ましい。

検出器２８１からの信号を処理してアキシアル磁気軸受１４のサーボ制御ループ に送り、スピンドル組立体のステータに対するスピンドル５０の実際位置を決め る標準電圧を変える。

第２図において、符号２３１と２３０は夫々ターンテーブル２０３を回転させる ためのタコメータ発電機と直流電気モータを示す。ターンテーブル２０３にはま た角度符号器が設けられる。

第４．５図は複雑な表面を加工する極座標型機械の一例を示す。この機械は垂直 軸ターンテーブル４０３上に延びたスライド４０１上に設けられた、前述のスピ ンドル組立体と同様の水平軸スピンドル組立体１を備え、垂直軸ターンテーブル ４０３はスライド上に工具２０３を搭載したスライド４０２を有する。花崗岩等 で作った支持ブロック４０６が空気支持を介して地面に設置されている。第２． ３図の実施例と同様にスピンドル１のワーク担持円板５にワーク２０４が取付け られる。スライド４０２は直流モータ４２０で駆動したねじナツト手段によって 制御される。

磁気軸受内でのスピンドル組立体１のスピンドル５ｏの移動がターンテーブル４ ０３の回転を基にしてプログラム化されていると、特殊な形状のワーク２０４の 表面形状を加工することができる。

工具２０７は前方又は側方の位置に、加工表面に対して直角に配置される。

極座標型機械の全体的構造は平行座標型機械に類似であるが第２．３図に示すよ うな干渉測定装置を用いる必要がない。

その理由は機械加工中にスピンドルの回転のみを確める必要があるが其の他のパ ラメータは最初の調節によって決まるためである。ターンテーブル４０３にはタ コメータ発電機及び角度符号器が設けられていて、加工に必要なすべての検知装 置が完備している。

平行座標軸又は極座標軸系に作動する工作機械に配設した磁気軸受を有するワー ク担持スピンドルを電気的に付勢して半径方向及び軸線方向に移動させると、例 えば球面鏡、光学レンズ、シール部材、磁気記憶ディスク等の超精密回転面を形 成するように運動する機械装置の欠陥を修正できると共に、例えばボール又はロ ーラ軸受の軌道等の回転表面を有する不規則な表面を直接得ることができ、或は 第６〜１４図について以下に述べるように機械テンプレート又はコンピュータテ ンプレートを使用することによって任意の超精密回転形を得ることができる。

第６図は、本発明によって、通常の手段であらかじめ加工した標準ワーク片３０ ８上の表面３８０の影像コピー又は実コピーを基にして、表面２４０を有するワ ーク２０４を機械加工する装置を示す。

標準ワーク片３０８は該ワーク片３０８の表面３８０が工具スライド２０１の移 動方向Ｘｘ′に沿って延びるように配設されている。工具２０７の軸線上におい てスライド２０１に移動センサ３０７を設けて上記表面３８０を検知すると共に スライド２０１からの距離を測定する。移動センサ３０７から出た信号をアキシ アル軸受１４のサーボ制御ループ９０の回路９３に送る。スピンドル５０の軸線 方向の位置、従って加工すべきワーク２０４の位置はセンサ３０７からの情報を 基にした工具２０７の軸線方向の位置に変えられ、従ってテンプレート３０８の 表面３８０の形状を極めて精確にコピーすることができる。

第７図は環状表面２４０をテンプレート３０８の標準表面３８０をコピーするこ とによって加工できることを示す。この実施例の場合テンプレート３０８は、ス ピンドル組立体１のＹＹ’軸に平行な工具スライドの移動方向に沿って配設され ている。

これらの装置は第６図の装置に類似である。但しこの場合移動センサ３０７から の信号は、アキシアル軸受１４のサーボ制御ループ９０の回転９３に送られる代 りに、スピンドル組立体１のラジアル軸受１１．１２のサーボ制御ループ内の回 転７３゜８３に送られ、従ってワーク２０４の軸の半径方向の位置はテンプレー ト３０８から読み取った形状を基にして変更される。

移動センサ３０７から送られた信号を回路９３又は回路７３゜８３で処理し加工 すべきワーク２０４上に表面２４０を形成する。

この表面２４０は標準表面３８０の正のコピー又は負のコピーを構成し、或は標 準表面を拡大又は縮少した形状を有する。従って標準小片を幾何学的にコピーし た近似小片又は変形小片が得られる。

極座標軸で機械加工される機械において、移動センサ３０７から送られた信号を 使用して標準形状３８０のコピー２４０を同様に作ることができる。この移動セ ンサ３０７は、工具２０７を含みかつ工具２０７を支持するターンテーブル４０ ３０回転軸線を通る垂直平面３０７に設けられる。センサ３０７がら出た信号は 第６図の実施例で示したと同様にサーボ制御ループ９０の処理回路９３に送られ る（第８図〜第１１図）。センサ３０７からの信号がどのように処理されるかに よって、標準形状３８０のコピーは完全球面と加工すべきワーク４との間に正又 は負の差を生ぜさせることによって形成される。スピンドル組立体スライドをタ ーンテーブルに対して移動させるだけで標準表面３８０に対して幾何学的に相似 した加工表面が得られる。

第６〜１１図についての説明において、コピーすべき表面の子午線の変移はスピ ンドルの動的移動範囲よりも少なく、ワーク２０４は磁気軸受１１．１２．１４ のサーボ制御ループ７０，３０゜９０上の作動のみによって加工できる。

しかし本発明は、子午線の変移がスピンドル５ｏの動的移動範囲よりの大きい場 合の表面のコピーにも適用することができる。主たる移動はスライドのサーボ制 御により行なわれ、スピンドルが修正移動される。

第１２図に示すように、センサ３０７からの信号Ｖはスライド２０２のストロー クを制御する電子回路１０１、従ってスピンドル５０の電子回路に送られる。こ の回路１０１はスライ！’　２０２の駆動モータ２２０を制御する電子回路１０ ２に続がっている。

信号Ｖが約±１５０−のしきい値１　（この値はアキシアル軸受１４上に作用す るスピンドル５０の動的移動の軸線方向の範囲の限界に相当する）を超過すると 、該信号Ｖは制御回路１０１で使用されてスライド２０２の駆動モータ２２０を 作動させる。

検出器から送られた信号Ｖは減算回路１０３の第１人力部に送られる。この減算 回路１０３の第２人力部は二人力加算回路１０４からの出力信号を受ける。加算 回路１０４への入力部の一つはステータに対するスピンドル５０の軸線方向移動 １．を測定するセンサ６２より送られた信号を受ける。加算回路１０４への他の 入力部はスライド２０２の軸線方向の移動を測定するセンサ３５からの信号Ｖ＋ ε　（εは正又は負の代数学的数字）を受ける。もし加算回路１０４からのＶ＋ ε＋１１の大きさとセンサ３０７からのＶの大きさとの差がＯり外であると、減 算器回路１０３は誤差信号ａを出す。この誤差信号はスピンドル５０を支持する アキシアル軸受１４を制御する回路１０５に通られて該誤差信号をキャンセルす る。従って複雑な形であってスピンドル移動の動的範囲を超したワークを加工す る時でも、工具２０７に対するワーク小片２０４の位置をち密にかつ精確に調節 することができる。

本発明の特殊な実施例において、第２センサ６０７が第１センサ３０７に対して 平行でかつ工具２０７の移動方向に若干ずらせて設けられている。第２センサ６ ０７から出た信号Ｖ２を第１センサ３０７から出た信号ＶＩと比較し、上記二つ の信号間の差の絶対値ＩＶ２−Ｖ１１が所定の値ｅを超すと、第１センサ３０７ から出た信号Ｖ、は最初にスピンドル担持スライド２０２又は４０１の移動を制 御する所定の時定数を送る。又二つの信号間の差の絶対値１ｖ２−ｖ、ｌが所定 の値ｅよりも小さくなると、第１センサ３０７から出た信号は上記の所定の時定 数を独占的に送ってラジアル軸受１１．１２及びアキシアル軸受１４の回路を制 御する。

テンプレート３８０を速やかに検知する移動センサ６０７を使用することによっ て加工回数に無関係に有効なストローク制御をすることができ、加工回数に適し た所定の時定数だけが必要となる。

第１２図の回路と類似の回路は、円柱形の加工をする第７図に示す実施例にも適 用できる。

第８〜１１図に示すような極座標加工をする場合に、スピンドル５０及びスライ ド２０２の移動を制御する一対のサーボ制御回路を第１２図に示すのと同様に設 けることができる。

本発明は関連小片３０８で形成する代りにコンピュータプログラムで合成したコ ピー表面にも適用することができる。

この場合、加工すべき表面に関する情報は標準表面を検知するセンサ３０７によ って与えられないで、センサ３８によって検知した工具担持スライド２０１の位 置を基にしてメモリに記憶したデータを出すコンピュータ手段によって与えられ る。

第１３図は第１２図の実施例と全く類似の実施例を示すが、加工すべき表面の子 午線は一組の点座標の形でコンピュータ内に合成され、それらの複数の点が所望 の精度の函数となっている。

センサ３８による工具担持スライド２０】の移動を基にしたスピンドル担持スラ イド２０２及びスピンドル５０の移動（この移動は動的範囲及びスライド２０２ とスピンドル５０の粘度に関係する）をコンピュータで制御Ｊ−る。Ｘ−ｘ＝座 標軸上の所定の点でコンピュータによってＹｙｉ座標軸をＸ座標軸がｘｉ−＋の 前述の点のＹ　ｙｉ−＋座標軸と比較する。もし差１　’Ｊ’　１−　’／　ｉ −Ｉ　Ｉの絶対値が磁気軸受の動的範囲に相当するしきい値ｅよりも大きい場合 には、スピンドルスライド２０２に命令を送って移動させ値ｙ８の位置に位置さ せる。

センサ３９は値’／ｓ＋εを測定してアキシアル軸受１４を制御する電子回路に 命令を送る。スピンドル５０はセンサ６２がｙ、±ε＋ｅ＋””ｙｉを測定する ように距離ｅ、に亘って移動する。

この方法は円柱形又は円錐形の外形を有する表面に、さらに点一点の極座標加工 にも適用することができる。

本発明は又加工すべきワークに対する工具２０７の速度を監視することができる 。このことは第１４図に示され、この実施例はコンピュータ内に合成した通りに 表面を加工するものである。

子午線は点座標（ｘ２ｙ）の形でコンピュータ内に合成され、これらの点は所望 の精度の函数となる。メモリは各点における速度■８．Ｖｙを記憶する。これら の速度は夫々工具スライド２０１及びスピンドルスライド２０２の速度に相当す る。

パルスを出す精確なセンサ３７が工具スライド２０１に設けられている。

所定の工具スライドの速度Ｖｙにおいて周波数ｆ、を得て、Ｖ、＝Ｖ、、、の場 合にコンピュータでｆ、＝ｆ、、、、のようにこの周波数を分割し、スピンドル スライドに設けたセンサ３６から得た周波数と比較する。そし７て両者間に差が あるとこの差がなくなるようにスピンドルの速度を制御する。円柱形ワークの加 工の場合にもこれと同一の装置を使用することができる。

標準小片２０４又は表面上の点座標の記録をメモリ状に限定するもの又は表面の 子午線がない場合には、磁気軸受のサーボ制御ループの回路７３．７８．９３に 与えられた標準電圧に作用させることによって特殊な形状を加工することができ る。

殊に回路９３からアキシアル軸受１４のサーボ制御ループ９０に働らく標準電圧 が周期的に変動する場合には組立体１のスピンドルはその軸線に沿って移動する 。工具スライド２０１の活性化中にワーク２０４の移動によって作られる表面は 、それに採用した因子によって決まる。

従って「加工周波数」をワークの半径に沿って移動する工具の往復時間とした場 合に標準電圧の周波数がこの加工周波数よりも少ないと中高又は中低の表面が得 られる。

もしも標準電圧の周波数がスピンドル回転の周波数よりも小さくしかしながら加 工周波数よりも大きい場合には、制御可能な振幅のら線状部が得られる。これは でこぼこした標準表面を構成するのに適している。

もしも標準電圧の周波数がスピンドル回転の周波数に等しいか又は大きい場合に は放射状の溝付けが得られる。

又、回路７３．８３を介してラディアル軸受のサーボ制御ループに対する振幅及 び周波数を調節又は変調させる可変標準電圧を使用することによって、高い精度 で極めて特殊な表面を加工することができる。

国際調査報告 国際調査報告−ＦＲＢ７００４４７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ワーク担持スピンドル組立体（１）内の５軸の制御可能な磁気支持部（１１ ，１２，１４）を介して設けられたスピンドル（５０）によって所定位置に保持 されたワーク（２０４）に超精密回転面（２４０）を機械加工する方法であって 、上記ワーク担持スピンドル組立体（１）は（Ｙ′Ｙ）軸に沿って案内されるス ピンドルスライド（２０２；４０１）上に設けられ、所定の方向の（Ｘ′Ｘ）軸 に沿った並進移動可能又は所定の回転軸（４３０）の周りの回転移動可能な機械 的工具案内装置に搭載された工員（２０７）によって機械加工されるものにおい て、ａ）自然周波数が８０Ｈｚ以下の磁気支持部の制御可能なラジアル及びアキ シアル磁気軸受（１１，１２；１４）をサーボ制御し、 ｂ）自然周波数以下即ち２０Ｈｚから７５Ｈｚまでの、好ましくは２ＣＨｚから ４０Ｈｚの所定の速度でスピンドル（５０）を回転させ、 ｃ）移動センサ（３９，３８）によってスピンドルスライド（２０２；４０１） と工具案内装置（２０１；４０３）の移動を常時監視し、ｄ）標準電圧をラジア ル及びアキシアル磁気軸受（１１，１２；１４）に与えてスピンドル組立体（１ ）内の正規の位置の周りにスピンドル（５０）の軸線方向及び半径方向の位置を 選択的に変調し、上記の標準電圧は工具（２０７）の位置に関係した制御信号を 基にして変化するものであり、ｅ）上記の制御信号が所定値以下の場合にはスピ ンドルスライド（２０２；４０１）の移動を禁止し、ｆ）所定の機械加工周波数 に相当する所定速度で工具案内装置（２０１；４０３）を移動させることを特徴 とする回転面の超精密機械加工方法。 ２．制御信号が上記の所定値よりも大きい時に、最初スピンドルスライド（２０ ２，４０１）の移動が工具の位置に関係した上記制御信号を基にして制御され、 次いで所望の制御に対するスピンドルスライド（２０２，４０１）の位置誤差又 は速度誤差を表す信号を制御信号として使用してｄ）段階を実施した請求項１に 記載の方法。 ３．工具（２０７）の位置に関係する上記の加工制御信号が工具案内装置（２０ １；４０３）に取付けられかつ工具（２０７）の軸線を含む垂直平面に配設され た移動センサ（３０７）から出され、又機械加工すべきワーク（２０４）上にコ ピーすべき標準表面（３８０）を含む標準ワーク即ちテンプレート（３０８）が 上記移動センサ（３０７）に対面した静止位置に配設された請求項１又は２に記 載の方法。 ４．第２移動センサ（６０７）が第１センサ（３０７）の位置に対して平行でか つ工具の移動方向に対して該第１センサから若干変移して配設され、第２センサ （６０７）から出た信号Ｖ２を第１センサ（３０７）から出た信号Ｖ１と比較し 、上記の両信号間の差の絶対値｜Ｖ２−ＶＩ｜が所定の値ｅを超すと、第１セン サ（３０７）から出た信号Ｖ１は最初にスピンドルスライド（２０２；４０１） の移動を制御するために所定の時定数を送り、又両信号間の差の絶対値｜Ｖ２− Ｖ１｜か所定の値ｅよりも小さくなると、第１センサ（３０７）から出た信号Ｖ １は上記の所定の時定数を独占的に送ってラジアル及びアキシアル磁気軸受（１ １，１２；１４）を制御する請求項２又は３に記載の方法。 ５．移動センサ（３０７）から出された信号を処理して機械加工すべきワーク（ ２０４）の表面に、コピーすべき標準表面（３８０）の幾何学的変形即ち該標準 表面（３８０）を補完した表面或は幾何学的に相似の表面或は歪像化した表面を 形成するための制御信号を作った請求項３に記載の方法。 ６．工具（２０７）の位置に基づいた上記制御信号が、再現すべき標準ワークの 手本となる子午線の各点の座標を記憶したメモリから出された請求項１又は２に 記載の方法。 ７．工具（２０７）の各位置について、メモリで最初に再現すべき標準ワークの 手本となる子午線に相当した点の（Ｘ，ｙ）座標軸を読み取り、次に工具案内装 置（２０１；４０３）の移動速度（Ｖｘ）及びスピンドルスライド（２０２；４ ０１）の速度（Ｖｙ）を読み取り、上記工具案内装置（２０１；４０３）の移動 実速度（Ｖ′γ）を第１センサ（３７）で検出し、又上記スピンドルスライド（ ２０２；４０１）の移動実速度（Ｖ′ｘ）を第２センサ（３６）で検出し、移動 速度の測定値（Ｖ′ｘ，ＩＶ′ｙ）と工具の位置に相当するメモリから読取った 速度（Ｖｘ，Ｖｙ）とを比較し、測定値（Ｖ′ｘ，Ｖ′ｙ）とメモリからの読取 り値（Ｖｘ，Ｖｙ）間に速度差がある場合にはワーク担持組立体（１）のスピン ドル（５０）の半径方向の移動または軸線方向の移動の速度制御して上記の速度 差をなくした請求項５に記載の方法。 ８．上記スピンドル位置制御信号が所定の振幅及び周波数を有する周期信号であ る請求項１に記載の方法。 ９．周期的スピンドル位置制御信号が、上記加工周波数よりも小さい周波数で出 され、これによって中高又は中低の表面を形成した請求項８に記載の方法。 １０．周期的スピンドル位置制御信号が、上記加工周波数よりも大きい周波数で はあるが上記のスピンドル回転速度よりも小さい周波数で出され、これによって 加工すべき表面（２４０）上に制御可能な援幅のら線状部を形成し、該ら線状部 ででこぼこした標準表面を構成した請求項８項に記載の方法。 １１．周期的スピンドル位置制御信号が、スピンドル回転速度の倍数の周波数で 出され、これによって加工すべきワーク上に放射状の溝を形成した請求項８に記 載の方法。 １２．規則的及び不規則な超精密回転面を機械加工する装置であって、工具（２ ０７）を位置決めするために、所定の方向（Ｘ′Ｘ）に並進状に移動可能な又は 所定の画帳紬線（４３０）の周りに回転状に移動可能な工具案内装置（２０１； ４０３）と、軸線（Ｙ′Ｙ）に沿ってワーク担持スピンドル組立体（１）を案内 するスピンドルスライド（２０２；４０１）と、スピンドルスライド（２０２； ４０１）及び工具案内装置（２０２；４０２）の夫々の移動を測定する第１及び 第２センサ（３９，３８）と、所定の加工周波数に相当する所定の速度で工具案 内装置（２０１，４０２）を移動させる装置とを備えたものにおいて、ワーク担 持組立体（１）がスピンドルスライド（２０２；４０１）に取付けたステータ（ １０）と、５軸のサーボ制御軸を有する制御可能な磁気支持部によってステータ （１０）に設けられると共に少なくとも二つのラジアル軸受（１１，１２）と一 つのアキシアル軸受（１４）を含むスピンドル（５０）とを備え、ラジアル及び アキシアル磁気軸受（１１，１２；１４）が８０Ｈｚ以下の自然周波数でサーボ 制御され、ワーク担持組立体（１）のスピンドル（５０）を自然周波数以下であ って２０〜７５Ｈｚの所定の速度で回転させる装置と、ラジアル及びアキシアル 磁気軸受（１１，１２；１４）のサーボ制御回路（７０，８０，９０）に種々の 標準電圧を与える装置（７３，８３，９３）とを備え、上記の標準電圧は、ワー ク担持組立体（１）のスピンドル（５０）を半径方向及び軸線方向の位置を正規 位置の周りに選択的に変化させるために機械加工制御信号を基にして変化するも のであり、又上記制御信号が所定値を超えた時にのみスピンドルスライド（２０ ２；４０１）を移動させる装置（１０１）を備えたことを特徴とする規則的及び 不規則な超精密面を機械加工する装置。 １３．ラジアル磁気軸受（１１，１２）のサーボ制御回路（７０，８０）に働き かけて少なくともスピンドル回転の第１調和において最大利得が得られるように する装置を備えた請求項１２に記載の装置。