JPH0679582A

JPH0679582A - 高精度切削加工法および切削加工装置

Info

Publication number: JPH0679582A
Application number: JP4235961A
Authority: JP
Inventors: Tsuguo Kono; 嗣男河野; Masahiko Morita; 晶彦森田; Yutaka Uda; 豊宇田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1994-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】被加工物に対して高精度で切削加工を行う。【構成】切削加工に際し、切削工具５と被加工物３と
を相対的に移動させる工具移動手段８と切削工具により
切削された被切削面３ａとの距離を測定手段４で測定す
る。補正手段１１は、測定手段４から出力された前記距
離に応じた信号と１未満の正の係数との積を補正信号と
して作成する。そして、修正手段６によりこの補正信号
に基づいて切削工具５と被加工物３との相対位置を修正
することで所望の形状に切削加工を行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被加工物を高精度で切
削するための切削加工法および切削加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被加工物を高精度で切削加工する場合、
工具（切削工具）と被加工物との相対位置を正確に検出
して切削工具の切り込み量を制御する必要がある。その
ためには、切削工具および被加工物を支持する旋盤等の
加工装置の主要構成部（例えば、主軸や工具移動手段な
ど）の運動精度を向上させることが要求される。しか
し、通常の加工装置は前記主軸と工具移動手段とは互い
に独立して支持される構造になっているため、両者の間
にある他の構成物に生じる熱や荷重による影響を受けて
切削工具と被加工物との相対位置を正確に検出すること
は困難であった。そこで、切削工具と被加工物との相対
位置（距離）を測定手段を設けて直接検出しながら加工
する方法が提案された（特開昭63-216652 ）。この方法
は、切削工具を移動させる工具移動手段上に切削工具の
切り込み量を微小に制御できる微動手段と、前記切削工
具により切削された切削面と工具移動手段との距離を測
定する測定手段を設け、この測定手段によって測定され
た距離に応じて微動手段により工具の切り込み量を制御
するものである。そして、このような制御により被加工
物を所望の形状に高精度で切削加工していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の加工法において
は、既に切削された切削面と工具移動手段との距離を測
定手段によって測定し、この距離に基づいて工具の切り
込み量を調整するようにフィードバック制御していた。
そのため、測定手段は切削工具の移動方向の後寄りにオ
フセットされて配置される。従って、加工が開始される
と測定手段が被加工物の切削面と相対する位置に来るま
での間、切削工具は前記フィードバック制御が行われい
ない状態で切削加工を行うことになる。その結果、前記
測定手段が距離を測定できるまで切削加工が進んでも、
その後行われるフィードバック制御は前記フィードバッ
ク制御をせずに切削加工した切削面に基づいて行われ
る。しかし、基準とする切削面は前述のように切削工具
と被加工物との相対位置が正確に検出されておらず加工
精度が良くない。よって、以後、切り込み量を制御して
切削加工を行っても、得られる切削面は前記フィードバ
ック制御をせずに行った切削面の精度の影響を受けてお
り、しかもこの影響は最後まで修正できずに誤差として
残ってしまう。

【０００４】本発明は、このような問題を解決し、より
高精度で切削加工を行うことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、切削用工具を用いて被加工物を切削する際に、
前記工具を被加工物に対して移動させる工具移動手段と
前記被加工物における既に切削された切削面との距離を
測定し、測定された距離に応じた信号に基づいて前記工
具移動手段を移動させて切削用工具よる切り込み量を制
御することで所望の形状に切削を行う高精度切削加工法
において、前記工具移動手段と被切削面との距離に応じ
た信号と１未満の正の係数との積を補正信号とし、該補
正信号に基いて前記工具移動手段を移動させるようにし
た。

【０００６】また、そのために、被加工物に対して切削
加工を行うための切削工具と該被加工物とを相対的に移
動させる工具移動手段と、該工具移動手段と前記切削工
具により切削された被切削面との距離を測定する測定手
段と、該測定手段から出力された前記距離に応じた信号
と１未満の正の係数との積を補正信号として作成する補
正手段と、前記補正信号に基づいて前記切削工具と前記
被加工物との相対位置を修正する修正手段と、で切削加
工装置を構成した。

【０００７】

【作用】本発明では、測定手段により測定された変位量
と１未満の正の係数との積を微小切り込み量としてフィ
ードバック制御に用いる。そのため、フィードバック制
御が行われなかった切削面（以下、未制御部という）を
基準としてフィードバック制御をしても、加工の進行に
よって前記制御が進んで未制御部に含まれる誤差に前記
係数が掛けられる回数が増えていくにつれ、この誤差を
含む項が０に近づく（収束する）。従って、切削加工が
進むにつれて前記未制御部分の誤差を含んだ切削面の影
響は小さくなり、最終的には加工開始時の形状誤差の影
響を無視できることができる。なお、外乱等は瞬間的な
現象とみなすことができるので、外乱発生時点に前記補
正信号が作成されることにより、この外乱による影響は
低減できる。

【０００８】被加工物の軸方向をＸ軸とし、加工点（工
具と被加工物との接触点）の位置をｘ、工具移動手段の
被加工物の半径方向に対する挙動をＴ₀（ｘ）とする
と、フィードバック制御を行わない加工の場合、工具先
端の挙動、測定手段の挙動、およびこれらの挙動が転写
された被加工物の半径方向の形状はＴ₀（ｘ）と表すこ
とができる。添字はフィードバック制御のループを何回
繰り返したかを示すもので、制御を行っていない時は
０、制御開始時を１とし、以下一般数としてｎで示す。
この時、測定手段の測定量Ｓ_nは次式のように表せる。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで、Ｃは測定手段の半径方向のオフセ
ット量を示し、フィードバック制御の開始位置ｘ₁での
測定量Ｓ₁（ｘ₁）を０となるように設定しておく。そ
して、測定量Ｓ_n（ｘ_n）と補正のための係数ｍ（以
下、補正制御係数という）との積（以下、補正信号とい
う）に基づいて修正手段の修正（制御）量を決定する。
この修正手段により工具の先端部の挙動と被加工物との
形状とは等しくなり、Ｔ₀（ｘ）＋ｍＳ_n（ｘ）とな
る。ｘの分割を限りなく小さくし、Ｔ₀（ｘ_n）＝Ｔ₀
（ｘ_n+1）と近似すると、次のような漸化式が得られ
る。

【００１１】

【数２】

【００１２】ｍが、０≦ｍ＜１の場合、ｎを無限大
（∞）にすると式２は次の式３のように表せる。

【００１３】

【数３】

【００１４】ここで、「フィードバック制御を行わない
時の挙動（振幅で表せる）」に対する「制御を行ない収
束した振幅」の比をＭ（残留うねり率と呼ぶ）とする
と、Ｍは次式のように収束する。

【００１５】

【数４】

【００１６】図５ないし図７は、工具移動手段の移動機
構（送りネジなど）の精度の影響によって、工具の先端
部に６mm周期のうねりの挙動（正弦波で示す）を生じた
場合を想定したものである。切削工具と測定手段のオフ
セット量（前記加工点と測定手段の測定点とのＸ軸方向
の距離）をｘ₀としている。本発明では、前記補正制御
係数ｍ、オフセット量ｘ₀およびフィードバック制御の
開始位置を適宜設定することで前記うねりの挙動を制御
することができる。図５は、補正制御係数ｍに応じてう
ねりの挙動が変化する様子を示している。オフセット量
ｘ₀は0.2 mmとし、正弦波の中央部からフィードバック
制御を開始した。従来と同様、ｍを１とした時（図５
ａ）のうねりの挙動は、フィードバック制御をしない場
合に比べて振幅（誤差の幅に対応する）や周期（表面粗
さに影響する）は小さくなるがその状態のまま加工が進
行し、最後までうねりが収束しない。一方、ｍを１より
も小さく（図５ｂ、ｃ、ｄ）するとうねりは徐々に収束
していき、いわゆる自己補正が行われることが判る。こ
の時、ｍの値が１に近づく程（図５ｄではｍ＝0.97）、
うねりの振幅が小さくなり誤差の幅も小さくなる。ただ
し、うねりが収束するのに要する時間は長くなる。一
方、ｍの値が小さい（０に近い）とうねりの収束に要す
る時間は短くなるが、誤差の幅は１に近い場合よりも大
きくなる。このように、フィードバック制御に用いる補
正制御係数ｍを１よりも小さい正の値とすることで、加
工開始時における前記未制御部の形状誤差を含んだ切削
面の影響を小さくしていくことができる。そして、最終
的にはこの未制御部の誤差の影響を無視できるようにな
る。その結果、高精度で被加工物を切削加工することが
できる。また、所望の精度（うねりの振幅）の範囲内で
あれば、うねりの収束までの時間を短くするためにｍの
値を小さく設定することも可能である。このように、加
工の目的に合わせて適当なｍの値を設定することができ
る。

【００１７】オフセット量ｘ₀は、できるだけ小さい方
が好ましい。図６は、オフセット量ｘ₀を 1.0mmにした
他は図５ｄと同じ条件でフィードバック制御を行った場
合のうねりの挙動を示している。この場合、オフセット
量ｘ₀が大きくなったことで制御後のうねりの振幅（誤
差の範囲に対応する）および周期（表面粗さに影響す
る）共にｘ₀が0.2 mmの時よりも大きくなる。従って、
切削面の粗さを小さくしたい場合は、できるだけオフセ
ット量ｘ₀が小さくなるように加工装置の構成を設定す
ればよい。また、フィードバック制御を開始する際は、
挙動の変化量が大きい正弦波の中央部よりも、変化量の
小さい正弦波の端部（上端部または下端部）から制御を
開始した方が、より早く安定した挙動となる。図７は、
正弦波の端部から制御を開始した他は図５ｄと同じ条件
でフィードバック制御を行った場合のうねりの挙動を示
しており、安定した挙動となるまでの時が図５ｄよりも
短くなっていることが判る。

【００１８】なお、上述の説明では、工具移動手段の切
り込み方向の誤差運動を正弦波として扱った。これは、
どのような誤差運動もフーリエ展開することで種々の正
弦波の重ね合わせで表すことができるという原理に基づ
いたものである。そして、このことから本発明が一般性
を有するものであることが証明できる。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である旋盤を利用
した円筒切削を行う切削加工装置を示す概略構成図であ
り、図２は図１の側面を示す図である。略円筒の形状を
有する被加工物３は、その一端がチャック２を介して回
転可能な主軸１に取り付けられており、他端は心押し台
９によって支持されている。そして、被加工物３は、主
軸１の回転に伴って回転軸１ａのまわりを回転する。工
具移動手段８は、「切削工具（例えばバイトなど）５に
よって既に切削された切削面３ａと工具移動手段８との
距離」を測定してこの距離に応じた信号を出力する変位
計４ａを有する測定手段４、変位計４ａを支持するため
の支持具１０、切削工具５を有しこの切削工具５の被加
工物３に対する切り込み量を微小に変えるための微動機
構６および切削工具５の切り込み方向を案内するための
微動機構用ガイド７とを備え、図示していないガイドに
よって図中Ｘ方向に移動可能になっている。

【００２０】測定手段４は、変位計４ａとローパスフィ
ルタ４ｂとＡ／Ｄ変換器４ｃとで構成される。変位計４
ａから出力された信号は、ローパスフィルタ４ｂを経て
Ａ／Ｄ変換器４ｃに入力してここでデジタル信号化され
た後、制御装置１１に入力する。変位計４ａは、被加工
物３を挟んで微動機構６と対向するように配置される。
その際、図１中Ｘ軸方向に対して工具５との間に所定の
間隔ｘ₀が設定されるようにしている。変位計４ａの設
置に際しては、被加工物３の切り屑や冷却用の加工液の
影響を受けないようにその配置位置を考慮しておくとよ
い。また、変位計４ａが切削面３ａに対して距離を測定
する箇所と切削工具５が被加工物３に切り込みを与える
箇所とが、被加工物の略中心を通る同一直線上に位置す
るように設定してある（図２参照）。変位計としては、
非接触で精度よく測定できるものが好ましく、本実施例
では非接触型の光学式変位計を用いた。この他の測定手
段としては、非接触型の静電容量式変位計を使用するこ
ともできる。

【００２１】微動機構６は、ピエゾ（圧電）素子６ａと
Ｄ／Ａ変換器６ｂとピエゾ駆動アンプ６ｃとで構成され
る。制御装置１１から出力されたデジタル信号は、Ｄ／
Ａ変換器６ｂによりアナログ化されピエゾ駆動アンプ６
ｃに入力する。ピエゾ駆動アンプ６ｃは、入力した信号
（電圧）を増幅してピエゾ素子６ａに出力する。そし
て、前記信号を入力したピエゾ素子６ａは、この信号に
応じて伸縮することで切削工具５の被加工物３に対する
切り込み量を微小に変化させる。さらに、微動機構６
は、切削工具５が変位した値を検出してその変位量に応
じた信号を出力する工具変位計６ｄとＡ／Ｄ変換器６ｅ
とを備えることで、実際に切削工具５が変位した量を検
出して制御装置１１に入力するようにしてある。工具変
位計６ｄとしては、例えば、歪ゲージ（ストレインゲー
ジ）等を用いることが可能である。

【００２２】微動機構用ガイド７は、切削工具５が微動
機構６により精度よく移動させるためのもので、平行板
バネや切り欠き平行バネ等を用いることができる。ここ
で、被加工物３に対して切削加工を行う過程を説明す
る。まず、主軸１を回転させることで、この主軸１に設
置されたチャック２に取り付けられた被加工物３を回転
させる。そして、図示していない粗動機構（例えば、旋
盤における各移動テーブル）等によって切削工具５を適
当な位置まで移動させて、切削工具５により被加工物３
に対して所望の切り込みを与える。その後、工具移動手
段８をＸ方向へ移動させることで、被加工物３をチャッ
ク２の方向に順次切削していく。被加工物３の心押し台
９側の端面から切削を始める場合、切削工具５がこの端
面からｘ₀の距離を進むと、変位計４ａは切削工具５に
よって切削された被加工物３の切削面３ａと工具移動手
段８との距離を測定し始める。そして、切削中は常に測
定を行ない、測定した距離に対応する信号をローパスフ
ィルタ４ｂ、Ａ／Ｄ変換器４ｃを通して制御装置１１に
出力する。

【００２３】制御装置１１は、入力した変位計４ａから
の信号に基づき、所望の形状に被加工物３の切削が行わ
れるように微動機構６を制御する。その際、制御機構６
は、工具移動手段８と被切削面３ａとの距離に応じた信
号に１未満の正の係数ｍを掛けて補正信号を作成し、こ
の補正信号をピエゾ駆動アンプ６ｃ、Ｄ／Ａ変換器６ｂ
を介してピエゾ素子６ａに出力する。ピエゾ素子６ａ
は、入力した信号に応じて伸縮し、先端に設けられた切
削工具５の切り込み量を変化させる。また、工具変位計
６ｄは、切削工具５が変位した値を検出してその変位量
に応じた信号をＡ／Ｄ変換器６ｅを介して制御装置１１
に出力する。この工具変位計からの信号を基に、制御装
置１１は切り込み量が所望の値となるようにピエゾ素子
６ａに与える出力を調整する。

【００２４】以後、同様にして切削面３ａを基準とし
て、順次切削工具５の切り込み量を調整しながら加工を
行なうことで、被加工物３を所望の形状に切削すること
ができる。なお、工具移動手段８が移動中に回転軸１ａ
に対して傾いたり回転軸１ａがブレたりすると、切削面
３ａと工具移動手段８との距離を正確に測定できなくな
る恐れがある。このような場合は、変位計４ａを複数設
けて切削面３ａの異なる箇所に対して距離を測定し、前
記傾きやブレの影響を除くように処理を行うようにする
とよい。

【００２５】図３は、本実施例の変形例を示す図で、変
位計４ａと切削工具５とを切削方向と同じ方向に配置し
た他は、図１に示す加工装置と同様の構成となってい
る。また、図４は、本発明を平面切削用の加工装置に適
用した例を示す図である。なお、図３、４において、図
１と同じ機能を有する構成要件については、同一符号を
付してある。

【００２６】

【発明の効果】本発明においては、切削用工具よる切り
込み量を制御する際に前記工具移動手段と被切削面との
距離に応じた信号と１未満の正の係数との積を補正信号
とし、この補正信号に基いて前記工具移動手段を移動さ
せている。そのため、前記制御が行われなかった被切削
面による影響を防ぐことができ、高精度で所望の形状に
（切削）加工を行うことができる。

【００２７】また、前記係数の値を１未満の正の範囲内
で変えることで被加工物の切削状態を設定することが可
能となり、被切削面に対する誤差の幅や表面粗さ等を任
意に設定することができる。さらに、本発明は、旋盤等
の一般の加工装置を利用することで実現できるので、従
来の高精度で切削を行う装置（例えば、超精密旋盤）に
比べて簡単な構成で済み、装置の製造コストを低く抑え
ることができる。そのため、低コストで製造できるとい
う利点も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の一実施例を示す概略構成図であ
る。

【図２】は、図１の概略側面図である。

【図３】は、図１に示す実施例の変形例である。

【図４】は、本発明を平面研削用の加工装置に適用した
場合を示す概略構成図である。

【図５】は、「フィードバック制御を行わない時の挙動
（振幅）」に対する、「制御を行ない収束した振幅」の
比を残留うねり率Ｍとし、制御を行うことによる該うね
りの変化を示す図である。

【図６】は、図５に示すものよりオフセット量を大きく
した時のうねりの変化を示す図である。

【図７】は、制御開始位置を図５に示すものと変えた時
のうねりの変化を示す図である。

【主要部分の符号の説明】

１主軸２チャック３被加工物３ａ切削面４測定手段４ａ変位計５切削工具６微動機構６ａピエゾ（圧電）素子７微動機構用ガイド８工具移動手段１１制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】切削用工具を用いて被加工物を切削する
際に、前記工具を被加工物に対して移動させる工具移動
手段と前記被加工物における既に切削された被切削面と
の距離を測定し、測定された距離に応じた信号に基づい
て前記工具移動手段を移動させて切削用工具による切り
込み量を制御することで所望の形状に切削を行う高精度
切削加工法において、前記工具移動手段と被切削面との距離に応じた信号と１
未満の正の係数との積を補正信号とし、該補正信号に基
いて前記工具移動手段を移動させることを特徴とする高
精度切削加工法。
【請求項２】被加工物に対して切削加工を行うための
切削工具と該被加工物とを相対的に移動させる工具移動
手段と、該工具移動手段と前記切削工具により切削された被切削
面との距離を測定する測定手段と、該測定手段から出力された前記距離に応じた信号と１未
満の正の係数との積を補正信号として作成する補正手段
と、前記補正信号に基づいて前記切削工具と前記被加工物と
の相対位置を修正する修正手段と、を備えたことを特徴
とする切削加工装置。