JPH06206145A - 切削加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超精密切削加工の分野において、工具の段取り
を最適な状態にする切削加工装置を提供する。 【構成】切削加工装置の感光体ドラム基体１を加工する
旋盤２には刃物台３が設けられ、刃物台３には工具Ａで
あるバイトの段取りの際に調整する各方向に変位可能な
直進機構または回転機構を持ち、外部からの制御信号に
より制御可能な変位機構４が設けられ、この変位機構４
には切削加工中の加工反力を検出する力センサ５を取付
けている。この力センサ５から得られた検出信号を動歪
計６にて増幅し、ＡＤ変換器７によりデジタル信号に変
換してコンンピュータ８に取込む。コンピュータ８には
記憶手段９が接続されており、そこに記憶されている切
削加工時の加工表面状態に応じて類別される複数のモー
ドパターン信号と力センサ５から得られた出力信号とを
比較手段１０で比較し、切削加工中のバイトの取付状態
を検出する。このバイトの取付状態の検出後、バイトの
取付状態を調整するために、バイトの取付状態を自動制
御するための制御信号を作成し、制御信号を変位機構４
へ送り、バイトの取付状態を自動で調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、画像形成装置に用い
られる金属製薄肉円筒部材の切削加工に用いる切削加工
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば感光体ドラム基体や磁気ディスク
サブストレートなどの超精密切削加工の分野において
は、図１２及び図１３に示すように、鏡面を得るために
工具として天然単結晶ダイヤモンドバイト１００を使用
している。このバイトの段取りの際の調整項目につい
て、感光体ドラム基体１０１を単結晶ダイヤモンド平バ
イト１００で切削する場合を例にして説明する。

【０００３】段取りの手順は、まずローリング角度を設
定する。我々の経験では、薄肉円筒加工の場合、ローリ
ング角度を１０〜１５度の範囲で調整する。次に、心高
を合わせ、刃先設定角度が０．１度程度となるようにし
切削加工を行ない、得られた表面状態を目視で観察し、
刃先設定角度を調整する方向や角度を決めて再調整す
る。最後に、所定の外径を得るため、切込み量を調整す
る。

【０００４】これらの調整項目の中で、特に刃先設定角
度の調整は設定角度範囲が数十秒程度であり、わずかな
角度の違いにより加工された表面の粗さやうねりが大き
く変化することが知られており、高度な技術が要求され
ている。この刃先設定角度の調整は、加工された表面の
状態を技能者が目視で判断して行なっていた。

【０００５】また、加工された表面の状態の検査につい
ては、次のような研究がなされている。

【０００６】１）レーザー光を被加工物の表面に当てて
得られる散乱光により、施削加工された面の粗さを測定
する技術（森田健二、川久保洋一：回折光を利用した鏡
面加工表面粗さのインプロセス計測、精密工学会誌、５
４、４（１９８８）、６４２〜６４６）。

【０００７】２）レーザー光を被加工物の表面に当てて
得られる散乱光により、加工された面の微細傷を定量的
に測定評価する技術（三好隆志、姜永準、斎藤勝政：散
乱理論を用いた微小傷の測定評価に関する研究（第１
報）、精密工学会誌、５４、６（１９８８）、１０９５
〜１１００）。

【０００８】３）レーザー光を利用し臨界角法で表面粗
さを非接触で計測する技術（河野嗣男：インプロセス計
測加工制御技術の概要、精密工学会産学協同研究協力分
科会合同発表会シンポジウムテキスト、１９９０、１〜
５）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】現在のところ、超精密
切削加工の分野で、単結晶ダイヤモンドバイトの段取り
を自動化する研究開発はなされていない。従って、バイ
トの段取りは、作業者の技能により行なわれているのが
現状である。そのため、実際の作業では、バイトの取付
けをトライアンドエラーで調整することになり、段取り
時間がかかり、加工の生産性を向上するための障害とな
っている。

【００１０】また、従来技術の項で述べたように、レー
ザー光などの光学的な計測法で、加工された表面の状態
を計測する研究がなされているが、これをバイトの段取
りに応用した例は報告されていない。

【００１１】光学的な計測法の場合、試し加工後に計測
することになり、計測の時間がかかると考えられる。従
って、加工の生産性向上のためには、計測時間短縮の改
善が必要となる。また、実際の加工では切削液を使用す
る場合が多く、光学的な方法ではその影響も問題となっ
てくるため、計測の信頼性を向上させるためには、表面
に付着して残る切削液の除去などの工夫が必要となる。

【００１２】我々は、加工中に計測するパラメータとし
て加工反力に着目した。超精密切削加工では、心高や刃
先設定角度をわずかに変化させただけで、加工された表
面の状態が変化することが知られている。加工現象は力
学の法則に基づいて発生している物理現象であるので、
表面状態の変化にともなって加工反力も大きく変化して
いると考えられるからである。

【００１３】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
ので、超精密切削加工の分野において、工具の段取りを
最適な状態にする切削加工装置を提供することを目的と
している。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、画像形成装置に用いられる
金属製薄肉円筒部材を被切削部材とする切削加工装置に
おいて、前記切削加工に用いる工具から切削加工時の加
工反力を検出するための検出手段と、前記工具を固定し
前記工具の段取り時に調整する各方向に変位可能な機構
を持つ変位機構と、前記検出手段による前記金属製薄肉
円筒部材の切削加工時の加工表面状態に応じて類別され
る複数のモードパターン信号を記憶する記憶手段と、前
記検出手段からの切削加工時における出力信号と前記記
憶手段に記憶された複数のモードパターン信号とを比較
する比較手段とからなり、前記切削加工時における出力
信号と前記記憶手段に記憶される前記複数モードパター
ン信号とを前記比較手段による比較により、前記工具の
取付状態を検出することを特徴としている。

【００１５】また、請求項２記載の発明は、画像形成装
置に用いられる金属製薄肉円筒部材を被切削部材とする
切削加工装置において、前記切削加工に用いる工具から
切削加工時の加工反力を検出するための検出手段と、前
記工具を固定し前記工具の段取り時に調整する各方向に
変位可能な機構を持ち外部からの制御信号により制御可
能な変位機構と、前記検出手段による前記金属製薄肉円
筒部材の切削加工時の加工表面状態に応じて類別される
複数のモードパターン信号を記憶する記憶手段と、前記
検出手段からの切削加工時における出力信号と前記記憶
手段に記憶された複数のモードパターン信号とを比較す
る比較手段とからなり、前記切削加工時における出力信
号と前記記憶手段に記憶される前記複数モードパターン
信号とを前記比較手段による比較により前記工具の取付
状態を検出し、この検出状態に基づき制御信号を出力し
て前記変位機構を制御し、前記工具の取付状態を自動調
整することを特徴としている。

【００１６】

【作用】この請求項１記載の発明では、切削加工時にお
ける出力信号と記憶手段に記憶される複数モードパター
ン信号とを比較手段による比較により、工具の取付状態
を検出する。

【００１７】また、請求項２記載の発明では、切削加工
時における出力信号と記憶手段に記憶される複数モード
パターン信号とを比較手段による比較により、前記工具
の取付状態を検出し、この検出状態に基づき制御信号を
出力して変位機構を制御し、工具の取付状態を自動調整
する。

【００１８】

【実施例】以下、この発明の切削加工装置を説明する。
図１は切削加工装置の概略構成図である。この切削加工
装置は、画像形成装置に用いられる金属製薄肉円筒部材
を被切削部材とするものであり、複写機やレーザービー
ムプリンターなどに用いられる金属製薄肉円筒部材であ
る感光体ドラム基体１を加工する旋盤２には刃物台３が
設けられている。刃物台３には工具Ａであるバイトの段
取りの際に調整する各方向に変位可能な直進機構または
回転機構を持ち、外部からの制御信号により制御可能な
変位機構４が設けられ、この変位機構４には切削加工中
の加工反力を検出する力センサ５を取付け、この力セン
サ５が切削加工に用いる工具から切削加工時の加工反力
を検出するための検出手段を構成している。この力セン
サ５から得られた検出信号を動歪計６にて増幅し、ＡＤ
変換器７によりデジタル信号に変換してコンピュータ８
に取込む。コンピュータ８には記憶手段９としてメモリ
とディスク装置が接続されており、そこに記憶されてい
る切削加工時の加工表面状態に応じて類別される複数の
モードパターン信号と力センサ５から得られた出力信号
とを比較手段１０で比較し、切削加工中のバイトの取付
状態を検出する。このバイトの取付状態の検出後、バイ
トの取付状態を調整するために、バイトの取付状態を自
動制御するための制御信号を作成し、デジタル信号・Ｒ
Ｓ２３２Ｃインターフェースなどを介して制御信号を変
位機構４へ送り、バイトの取付状態を自動で調整する。

【００１９】図２は切削加工装置の要部概略構成図、図
３は切削加工装置の要部の平面図、図４は図３のIV−IV
断面図である。

【００２０】切削装置の変位機構４は、調整項目の中
で、心高、刃先設定角度、切込み量３方向に変位可能な
構造をしている。

【００２１】まず、ローリング角度は、被加工物の直径
に応じてある設定値に設定されるので、この実施例では
バイトシャンク１２の下側に角度の付いたスペーサ１３
を挟んでバイトシャンク１２を固定して調整する機構に
なっている。この部分については、一般的に知られてい
る回転支持機構とモータなどを組合わせることにより、
外部から制御可能とすることは容易である。

【００２２】心高方向Ｚについては、Ｚ軸ステージ１４
を使用し、その上に切込み方向Ｘに変位するＸ軸ステー
ジ１５を固定してある。このＺ軸ステージ１４として、
例えば（株）宮沢マシン製Ｚ軸ステージＭＳＤＺ−１２
０を使用し、またＸ軸ステージ１５として、例えば
（株）宮沢マシン製Ｘ軸ステージＭＳＤ−１−２５を使
用することができる。

【００２３】このＸ軸ステージ１５の上に端部にカウン
タウエイト１６ａを有するコの字型の板１６を配置し、
その横側に刃先設定角度調整機構１７を配置している。

【００２４】また、バイトシャンク固定部８０の下側と
ベース板８１とをベアリング８２で回転可能に支持し、
バイトシャンク固定部８０の一端からエアシリンダ６０
による予圧を与え、他端をリニアアクチュエータ４６に
て押すことにより変位させる。このリニアアクチュエー
タ４６として、例えば（株）ハーモニックドライブシス
テムズ製リニアアクチュエータＬＡ−３０−１０−Ｆを
用いることができる。

【００２５】以上述べた例の他に、一般的に知られてい
る直進機構・回転機構の組合わせにより、このような機
構は容易に実現できる。

【００２６】各変位方向については、取付状態の調整後
にエアクランプ機構４０，４１により固定して実際の切
削加工を行なう。これらのエアクランプ機構４０，４１
は、コンピュータ８からデジタルＩＯボード４８を介し
てデジタル信号により電磁弁４２，４３を開閉すること
により動作し、各変位部がクランプ・アンクランプされ
る。

【００２７】Ｚ軸ステージ１４、Ｘ軸ステージ１５は専
用のコントローラ４４、ドライバ４５で駆動され、この
コントローラ４４とドライバ４５とコンピュータ８は例
えばＲＳ２３２Ｃインターフェースにより結合されてい
る。

【００２８】刃先設定角度を調整するためのリニアアク
チュエータ４６も専用のドライバ４７にて駆動され、こ
のドライバ４７とコンピュータ８はデジタルＩＯボード
４８を介してデジタル信号にて結合される。

【００２９】調整項目の中で、刃先設定角度の調整が最
も精度を要求される。そこで、固定部の傾きを２つの変
位計５０，５１により計測し、刃先設定角度の検出を行
ってフィードバック制御をかけている。変位計５０，５
１からの信号は、増幅器５２により増幅されて、ＡＤ変
換器７でデジタル信号に変換されて、コンピュータ８に
取込む。

【００３０】この自動調整装置を複写機やレーザービー
ムプリンターなどに用いられる感光体ドラム基体１の加
工用施盤２の刃物台３に取付けて使用する。

【００３１】力センサ５から得られた検出信号はローパ
スフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタな
どのフィルタ処理を行なってから、ＡＤ変換器７に入力
してもよく、またこれらのフィルタ処理をＡＤ変換後に
ソフトウェアにて行なってもよく、これらでノイズを除
去している。

【００３２】切削中の加工反力の検出には、１９８９年
精密工学会秋季大会学術講演論文集Ｐ１１１〜Ｐ１１２
「磁気ディスク切削用モノブロック形３分力検出ホルダ
の試み」（畑村洋太郎、足立光明）に記載されている、
工具一体型の加工反力検出ホルダを使用した。このセン
サは、通常のバイトシャンクと同じ大きさでコンパクト
であり、剛性が高いことが特徴である。実際に、このセ
ンサを用いて加工を行なった場合、鏡面が形成でき、形
状精度も通常のシャンクと同程度であることが確認され
ている。

【００３３】動歪計６としては例えば日本電気三栄
（株）製動ひずみ測定器６Ｍ８４を、ＡＤ変換器７とし
てはコンテック（株）製ＡＤ変換ボードＡＤ１２−８１
２（９８）、デジタルインターフェースボードとしては
（株）コンテックＩＯボードＰＩＯ−３２／３２（９
８）Ｋを、コンピュータ８としては例えば日本電気
（株）製ＰＣ−９８１０ＲＸ２、変位計５０，５１とし
ては例えば（株）キーエンス製ＡＨ−４１６を使用する
ことができる。

【００３４】被加工物は、材質Ａ５８０５相当のアルミ
ニウム製薄肉円筒で、直径が８０ｍｍ、厚みは１．５ｍ
ｍのものを使用した。工具のバイトは天然単結晶ダイヤ
モンド平バイトを使用した。加工条件は、主軸回転数
６，０００ｒｐｍ、送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切込み２
０μｍにて加工した。ローリング角度については、１３
度に設定した。

【００３５】加工反力の検出を行なう際に、力センサ５
が正常に動作しているかをチェックしている。具体的に
は、使用した力センサ５は歪ゲージにより力を歪に変換
して検出しているので、使用前に動歪計６で回路のバラ
ンスをとり、バランス調整後の出力信号が設定した値範
囲内になっている場合正常動作をしていると判断する。
力センサ５の回路中に断線などの故障がある場合には、
バランス調整後の出力信号が設定した範囲外となり、正
常動作でないことがわかる。この切削加工装置を用いて
バイトの段取りを自動的に調整する原理について説明す
る。

【００３６】図５は鏡面の得られる通常の切削状態に対
応する加工反力（主分力）の出力信号の波形である。加
工開始とともに加工反力が検出され、加工終了とともに
ほぼ０レベルに戻っている。この加工反力（主分力）の
出力信号の波形データのサンプリング周波数は５ＫＨｚ
であり、しかもグラフは見やすくするため得られたデー
タを間引いて表示している。

【００３７】刃先設定角度と主分力のＰ−Ｖ値との関係
について図６に示す。刃先設定角度が鏡面の得られる範
囲から小さくなると、主分力のＰ−Ｖ値が大きく増加す
ることがわかる。主分力のＰ−Ｖ値の立ち上がり部分に
着目することにより、刃先設定角度が鏡面の得られる範
囲から小さくなる側で、０．００３度の精度でバイトの
刃先設定角度の取付状態の検出ができる。この場合、背
分力のＰ−Ｖ値に着目しても同様な結果が得られる。

【００３８】刃先設定角度と背分力の平均値との関係に
ついて図７に示す。刃先設定角度を０．２度から小さく
してゆくと、鏡面の得られる範囲に変わるところで背分
力が大きく増加していることがわかる。これは鏡面がダ
イヤモンドバイトによるバニッシュ効果により形成され
ているため、バニッシュ力が大きくなることにより起き
る。背分力の変化に着目することにより、刃先設定角度
が鏡面の得られる範囲から大きくなる側で、バイトの刃
先設定角度の取付状態の検出ができる。

【００３９】次に、心高と主分力のＰ−Ｖ値との関係を
図８に示す。刃先設定角度の場合と同様に、心高が０ｍ
ｍより低くなる範囲で主分力のＰ−Ｖ値が大きく増加す
ることがわかる。従って、主分力のＰ−Ｖ値に着目する
ことにより、心高が０ｍｍより低くなる側で、１０μｍ
の精度で心高の取付状態の検出ができる。この場合、背
分力のＰ−Ｖ値に着目しても同様の結果が得られる。

【００４０】心高と背分力の平均値との関係について図
９に示す。心高が０ｍｍより高い位置から徐々に０ｍｍ
に近づけてゆくと、心高が鏡面の得られる範囲になると
ころで変曲点があるのがわかる。背分力の変化に着目す
ることにより、心高が０ｍｍより高い側での心高の取付
状態の検出ができる。

【００４１】これらのことから加工反力を計測すること
により、刃先設定角度と心高についてバイトの取付状態
を検出することができ、この結果に基づき鏡面が得られ
るようにバイトの刃先設定角度と心高を調整できる。

【００４２】また、切込み量と主分力平均値との関係に
ついて図１０に示す。切込み量と主分力平均値とは比例
関係があるので、主分力を監視することによりバイト刃
先と被加工物との接触が検出できる。そこで、この変位
機構ではバイトを切込み方向に低速で変位させ、バイト
刃先と加工物との接触を検出した時点で、変位機構を停
止させ、バイト刃先を被加工物と干渉しない位置に退避
させてから、必要な切込み量の分だけ変位を与える。こ
のようにして、切込み量の調整が自動でできる。切込み
量の調整には背分力を使用してもよい。

【００４３】また、切削加工装置の変位機構４の切込み
方向のストロークが足りない場合には、施盤２側の刃物
台３を変位させて粗調整する。施盤２側の刃物台３がＮ
Ｃ制御される場合には、コンピュータ８からＲＳ２３２
Ｃなどのインターフェースを介して、刃物台３の移動量
と方向を指示することにより、この動作も自動で行なう
ことが可能である。

【００４４】このようにして、切削中の加工反力に着目
することにより、バイトの段取りが自動で行なえること
が確認できた。この切削加工装置に、例えばバイトの心
高の調整や切込み量の調整に変位計を併用し、フィード
バック制御をかけることも考えられる。また、被加工物
の表面状態を非接触センサにて計測し、そのデータを併
用して調整することも考えられる。

【００４５】ダイヤモンドバイトが寿命となると、加工
された表面に幅数ｍｍ幅の帯状のこすれ傷が発生するこ
とが知られている。図１１はバイトが寿命になった際の
加工反力の信号の波形である。図１１からバイトが寿命
になると主分力のＰ−Ｖ値が大きくなることがわかる。
バイト寿命の際には、従来作業者がバイトの刃先設定角
度を調整して、加工を継続していた。主分力のＰ−Ｖ値
を計測することにより、バイトの寿命を検出できるの
で、この際にバイトの刃先設定角度を自動で調整し、加
工を継続することができる。背分力に着目しても同様の
結果が得られる。

【００４６】

【発明の効果】前記したように、請求項１記載の発明で
は、切削加工時における出力信号と記憶手段に記憶され
る複数モードパターン信号とを比較手段による比較によ
り、工具の取付状態を検出し、また請求項２記載の発明
では、切削加工時における出力信号と記憶手段に記憶さ
れる複数モードパターン信号とを比較手段による比較に
より、前記工具の取付状態を検出し、この検出状態に基
づき制御信号を出力して変位機構を制御し、工具の取付
状態を自動調整するから、工具段取りの自動化が可能と
なり、その結果段取り時間の短縮が可能となり、さらに
熟練した技能者が不要となる。

【００４７】また、工具の寿命時に刃先設定角度を自動
で調整することにより、１度工具を取りつけると、工具
の寿命まで作業者が調整することなく使用でき、段取り
時間の短縮が可能となる。

【００４８】さらに、切削加工中の加工反力の信号をリ
アルタイムで計測して、工具の取付状態を検出するの
で、非接触変位計などで加工された表面の状態を計測す
る方法に比べ、検出のための時間が短くてすむ。

【００４９】また、加工反力の信号により、工具の取付
状態を検出するため、切削液を使用することが可能であ
り、実際の生産に容易に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】切削加工装置の概略構成図である。

【図２】切削加工装置の要部概略構成図である。

【図３】切削加工装置の要部の平面図である。

【図４】図３のIV−IV断面図である。

【図５】鏡面の得られる通常の切削状態に対応する加工
反力（主分力）の出力信号の波形である。

【図６】刃先設定角度と主分力のＰ−Ｖ値との関係を示
す図である。

【図７】刃先設定角度と背分力の平均値との関係を示す
図である。

【図８】心高と主分力のＰ−Ｖ値との関係を示す図であ
る。

【図９】心高と背分力の平均値との関係を示す図であ
る。

【図１０】切込み量と主分力平均値との関係を示す図で
ある。

【図１１】バイトが寿命になった際の加工反力（主分
力）の信号の波形である。

【図１２】工具段取りの際の調整項目を示す図である。

【図１３】上側より見た工具と被加工物の位置関係を示
す図である。

【符号の説明】

１ 感光体ドラム基体 ２ 旋盤 ３ 刃物台 ４ 変位機構 ５ 力センサ ６ 動歪計 ７ ＡＤ変換器 ８ コンピュータ ９ 記憶手段 １０ 比較手段 Ａ 工具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川田 直 東京都八王子市石川町2970 コニカ株式会 社内 (72)発明者 伊藤 豊次 東京都八王子市石川町2970 コニカ株式会 社内 (72)発明者 橋本 隆美 東京都八王子市石川町2970 コニカ株式会 社内 (72)発明者 畑村 洋太郎 東京都文京区小日向２−12−11

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像形成装置に用いられる金属製薄肉円
   筒部材を被切削部材とする切削加工装置において、前記
   切削加工に用いる工具から切削加工時の加工反力を検出
   するための検出手段と、前記工具を固定し前記工具の段
   取り時に調整する各方向に変位可能な機構を持つ変位機
   構と、前記検出手段による前記金属製薄肉円筒部材の切
   削加工時の加工表面状態に応じて類別される複数のモー
   ドパターン信号を記憶する記憶手段と、前記検出手段か
   らの切削加工時における出力信号と前記記憶手段に記憶
   された複数のモードパターン信号とを比較する比較手段
   とからなり、前記切削加工時における出力信号と前記記
   憶手段に記憶される前記複数モードパターン信号とを前
   記比較手段による比較により、前記工具の取付状態を検
   出することを特徴とする切削加工装置。
2. 【請求項２】 画像形成装置に用いられる金属製薄肉円
   筒部材を被切削部材とする切削加工装置において、前記
   切削加工に用いる工具から切削加工時の加工反力を検出
   するための検出手段と、前記工具を固定し前記工具の段
   取り時に調整する各方向に変位可能な機構を持ち外部か
   らの制御信号により制御可能な変位機構と、前記検出手
   段による前記金属製薄肉円筒部材の切削加工時の加工表
   面状態に応じて類別される複数のモードパターン信号を
   記憶する記憶手段と、前記検出手段からの切削加工時に
   おける出力信号と前記記憶手段に記憶された複数のモー
   ドパターン信号とを比較する比較手段とからなり、前記
   切削加工時における出力信号と前記記憶手段に記憶され
   る前記複数モードパターン信号とを前記比較手段による
   比較により、前記工具の取付状態を検出し、この検出状
   態に基づき制御信号を出力して前記変位機構を制御し、
   前記工具の取付状態を自動調整することを特徴とする切
   削加工装置。