JPH10166201A

JPH10166201A - 工作機械

Info

Publication number: JPH10166201A
Application number: JP35199296A
Authority: JP
Inventors: Takao Yokomatsu; 孝夫横松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】多様な加工方式が自在であって、しかも加工
点の剛性が高い工作機械を実現する。【解決手段】Ｙスライダ３１に保持された水平回転装
置４０の図示上向きのＣ軸４１と、Ｚスライダ５１に保
持された垂直回転装置６０の図示横向きのＢ軸６１の双
方に、それぞれワークと工具を取り付け自在に構成す
る。ベースガイド１０のＸＹ案内面１０ａ上のＹスライ
ダ３１は、その両端のＹリニアモータ３２によってＹ軸
方向に駆動され、一対のＸリニアモータ２２によって駆
動されるＹガイド３０に追従してＸ軸方向に駆動され
る。Ｂ軸６１は、Ｚスライダ５１を駆動する４個のＺリ
ニアモータ５２を結んで形成される方形の内側にバイト
Ｔ₁ が位置するように配設される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極めて高い加工精
度が要求される精密部品、例えば、ナノメータオーダの
表面粗さが必要なトーリックレンズ等の光学部品の金型
の切削あるいは研削等に用いられる工作機械に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】トーリックレンズ等の光学部品の金型等
においては、一般的に、ナノメータオーダの表面粗さに
加工することが要求されるが、従来のＮＣ工作機械を用
いて３次元形状の切削加工を行なうと、切削される表面
に垂直な方向（以下、「背分力方向」という。）の剛性
が不充分なために、必要な面精度を得ることができず、
後工程としての研磨が必要となる。

【０００３】図４は、一従来例によるＮＣ工作機械を示
すもので、これは、床面等に固定されたＸガイド１１０
に沿ってＸ軸方向に往復移動自在であるＸスライダ１１
１と、該Ｘスライダ１１１に固定されたＺガイド１３０
に沿ってＺ軸方向に往復移動（上下動）自在であるＺス
ライダ１３１と、該Ｚスライダ１３１に固定された加工
台１４０と、Ｘガイド１１０とともに前述の床面等に固
定されたＹガイド１２０と、これに沿ってＹ軸方向に往
復移動自在であるＹスライダ１２１と、該Ｙスライダ１
２１に支持された回転装置１２２によってＹ軸のまわり
に回転する主軸１５０を有し、該主軸１５０に取り付け
られたバイトＴ₀ によって、加工台１４０上のワークＷ
₀ の上面を切削加工する。

【０００４】Ｘスライダ１１１とＹスライダ１２１とＺ
スライダ１３１をそれぞれ個別に駆動するアクチュエー
タをＮＣ制御することで、フライカット方式による任意
の３次元形状の切削加工等を自動化できる。

【０００５】トーリックレンズ等の金型を加工するとき
には、このように、主軸１５０にバイトＴ₀ を取り付け
て、加工台１４０上のワークＷ₀ を切削するフライカッ
ト方式を採用するが、球面レンズ等の軸対称形状を加工
するときは、主軸１５０にワークを取り付けてこれを回
転させ、加工台１４０に固定されたバイトによって切削
する旋削加工を行なう。

【０００６】なお、Ｘスライダ１１１、Ｙスライダ１２
１、Ｚスライダ１３１と、Ｘガイド１１０、Ｙガイド１
２０、Ｚガイド１３０の間は、それぞれ静圧軸受装置Ｅ
₀ によって非接触に保たれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術によれば、Ｘスライダ上にＺスライダが支持され
た２段構成のステージに加工台が載置されており、全体
としては、３個のスライダと１個の主軸の組み合わせに
よってワークとバイトを相対移動させるように構成され
ている。すなわち、バイトがワークに接する加工点を挟
んで合計４個の直動・回転ユニット（以下、「ユニッ
ト」という。）が直列に配設された直列構造であるた
め、前記加工点における総合剛性は、４個のユニットの
剛性が直列に合成されたものとなり、各ユニットの剛性
に比べて大幅に低下する。

【０００８】特に、バイトの切り込み方向すなわち背分
力方向（Ｚ軸方向）の剛性が不足し、加工中に加工点が
前記方向に著しく変動するため、ナノメータオーダの表
面粗さに加工することは極めて困難である。

【０００９】加えて、Ｙスライダに保持されたバイトは
Ｙスライダの静圧軸受装置等の支持部から大きくずれた
ところに支持され、また、ワークを保持する加工台もＸ
スライダやＺスライダの中心位置からずれたところに配
設されているため、加工点に作用する切削力の背分力成
分を各ユニットがモーメントとして受ける結果となり、
このために、加工点の安定性がより一層低下する。

【００１０】例えば、図４に示す従来例によれば、加工
点における背分力方向はＺ軸方向であり、この方向の剛
性は、Ｘスライダの中央では８００Ｎ／μｍと大きい場
合でも、加工点では１００Ｎ／μｍ、Ｙスライダも同様
に１００Ｎ／μｍ、Ｚスライダが５０Ｎ／μｍ、主軸が
１００Ｎ／μｍ程度となり、加工点における総合剛性は
約２０Ｎ／μｍとなる。切削抵抗の変動が±０．２Ｎ程
度であれば、ワークの加工面の表面粗さはＲｍａｘ２０
ｎｍになる。この程度の表面粗さでは、後工程として研
磨が必要であり、研磨による金型の形状精度の劣化や、
加工コストの増大を招く。

【００１１】また、図４の工作機械を用いて球面レンズ
等の軸対称形状を加工するときは、主軸端面にワークを
取り付け、Ｙスライダ上にバイトをセットして旋削加工
を行なう。この場合は、背分力方向はＹ軸方向になる
が、この方向の剛性もＺ軸方向と同程度に低いために、
満足すべき表面粗さを得ることはできない。

【００１２】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、加工点の剛性が高
く、任意の形状を極めて高い面精度に加工することがで
きるうえに、全体構造が簡単かつ堅牢である安価な工作
機械を提供することを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の工作機械は、案内面上を非接触で任意の方
向に移動自在である水平移動台と、これに支持された第
１の回転装置と、前記水平移動台を前記案内面に沿って
第１の方向に移動させる第１の駆動手段と、該第１の駆
動手段を前記水平移動台とともに前記案内面に沿って第
２の方向へ移動させる第２の駆動手段と、前記案内面に
垂直な第３の方向に移動自在である垂直移動台と、これ
に支持された第２の回転装置と、前記垂直移動台を前記
第３の方向に移動させる第３の駆動手段を有することを
特徴とする。

【００１４】第１および第２の回転装置のそれぞれが、
工具と被加工物を交互に取り付け自在な回転軸部を有す
るとよい。

【００１５】第３の駆動手段が、案内面に沿って分布す
る少なくとも３つの駆動部を有し、これらによって形成
される多角形の内側に第２の回転装置の回転軸部が配設
されているとよい。

【００１６】

【作用】トーリックレンズ等の３次元形状をフライカッ
ト方式によって加工するときは、水平移動台上の第１の
回転装置の回転軸部に加工台を取り付け、これに保持さ
れた被加工物（ワーク）を、第２の回転装置の回転軸部
に取り付けた工具（バイト）によって切削する。第１な
いし第３の駆動手段をＮＣ制御することによって任意の
３次元形状を高精度で加工できる。

【００１７】加工点に作用する切削力の背分力方向は、
案内面に垂直な第３の方向であり、水平移動台は案内面
に直接支持されているため、２段構成のステージを用い
た場合に比べて、加工点の総合剛性を大幅に改善でき
る。

【００１８】このように加工点の剛性を改善し、背分力
方向の位置を安定させることで、加工面の面精度（表面
粗さ）を大幅に向上させることができる。

【００１９】加工面の面精度を高めるための研磨等の後
処理を必要としないため、トーリックレンズ等の金型等
の加工コストを大幅に低減できる。

【００２０】また、水平移動台と垂直移動台の双方に回
転装置が設けられており、垂直移動台の回転装置にバイ
ト等を取り付けて固定すれば、旋削方式による切削加工
を行なうことができる。このときも、切削力の背分力方
向は、前述と同様に案内面に垂直な第３の方向となり、
従って、加工点の総合剛性は充分である。

【００２１】このように異なる加工方式であっても背分
力方向は同じ第３の方向であるから、例えば、案内面と
水平移動台の間を非接触に保つための静圧軸受装置の軸
受剛性を強化するだけでよい。多段構成のステージを用
いる場合のように工作機械の全体構造が複雑化すること
なく、簡単かつ堅牢であるから、長寿命であってしかも
安価な工作機械を実現できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００２３】図１は一実施例による工作機械を示すもの
で、これは、床面等に固定されたベースガイド１０と、
同様に床面等に立設された一対のＸガイド２０と、両Ｘ
ガイド２０に沿ってそれぞれ第２の方向であるＸ軸方向
に往復移動自在である一対のＸスライダ２１と、両Ｘス
ライダ２１をそれぞれＸ軸方向に往復移動させる第２の
駆動手段である一対のＸリニアモータ２２と、両Ｘスラ
イダ２１に両端をそれぞれ支持されたＹガイド３０と、
Ｙガイド３０に沿ってＹ軸方向に往復移動自在に構成さ
れた水平移動台であるＹスライダ３１と、Ｙスライダ３
１を第１の方向であるＹ軸方向に往復移動させる第１の
駆動手段である一対のＹリニアモータ３２と、Ｙスライ
ダ３１に保持された第１の回転装置である水平回転装置
４０を有し、水平回転装置４０から図示上向きに突出す
る回転軸部である回転軸（以下、「Ｃ軸」という。）４
１には、被加工物であるワークＷ₁ を保持する加工台ま
たは図示しない工具であるバイトを取り付け自在であ
る。

【００２４】図２に示すように、ベースガイド１０の両
側には、一対のＺガイド５０が配設され、各Ｚガイド５
０を支持するガイド支持体５０ａは、Ｘガイド２０と同
様に床面等に立設されている。両Ｚガイド５０は、静圧
軸受パッドＥ₅ を介して垂直移動台であるＺスライダ５
１を非接触で第３の方向であるＺ軸方向に案内するもの
で、Ｚスライダ５１は、各Ｚガイド５０のＺ案内面に対
向するようにそれぞれ静圧軸受パッドＥ₅ を保持する一
対の断面Ｕ字形の支持部材５１ａと、これらによって両
端を支持された本体５１ｂからなる移動体であり、該移
動体は、Ｙガイド３０をまたぐように配設されている。
本体５１ｂの中央に第２の回転装置である垂直回転装置
６０が支持され、垂直回転装置６０から図示Ｙ軸方向に
突出する回転軸部である回転軸（以下、「Ｂ軸」とい
う。）６１には、工具であるダイヤモンドバイト等のバ
イトＴ₁ または図示しない加工台を取り付け自在であ
る。

【００２５】Ｘスライダ２１とＹスライダ３１の底面
は、それぞれ、静圧軸受パッドＥ₁ ，Ｅ₂ を介してベー
スガイド１０の案内面であるＸＹ案内面１０ａ上に非接
触で支持される。

【００２６】Ｙスライダ３１の底面には、静圧軸受パッ
ドＥ₂ に予圧を与えてその軸受剛性を強化するための磁
気ユニット（マグネット）Ｆ₂ が設けられており、水平
回転装置４０やＹスライダ３１の総重量を安定して非接
触で支持する。静圧軸受パッドＥ₂ や磁気ユニットＦ₂
の寸法および数を適切に設定することで、軸受隙間すな
わちＹスライダ３１の浮上量を一定に保つことができ
る。例えば、ベースガイド１０とＹスライダ３１の間の
軸受隙間を５μｍに設定する場合に、Ｙスライダ３１の
底面の寸法が３００×３００ｍｍ程度であれば、一枚当
り１００Ｎ／μｍ程度の軸受剛性を有する静圧軸受パッ
ドをそれぞれ予圧用のマグネットと組み合わせて１０セ
ット配設すればよい。

【００２７】各Ｘガイド２０とＸスライダ２１の間は静
圧軸受パッドＥ₃ によって非接触に保たれており、ま
た、両Ｘスライダ２１と一体であるＹガイド３０は、Ｙ
スライダ３１に設けられた貫通孔３１ａを貫通してい
る。Ｙスライダ３１は、貫通孔３１ａに配設された静圧
軸受パッドＥ₄ によって、Ｙガイド３０に非接触で案内
される。

【００２８】前述のように、Ｙガイド３０はその両端を
一対のＸリニアモータ２２によって駆動される。各Ｘリ
ニアモータ２２は、Ｘガイド２０と一体である固定子２
２ａとこれに沿って往復移動自在に配設された可動子２
２ｂを有し、可動子２２ｂは、各Ｘスライダ２１と一体
的に結合されている。また、各Ｘリニアモータ２２の駆
動量は、可動子２２ｂと一体であるミラー２２ｃにレー
ザ光を照射してその反射光と基準光との干渉から変位量
を計測するレーザ干渉測長器２２ｄによって高精度でモ
ニタされ、フィードバック制御される。

【００２９】一対のＹリニアモータ３２は、それぞれ、
Ｙスライダ３１のＸ軸方向の両端に配設され、各Ｙリニ
アモータ３２の固定子３２ａは、その両端を両Ｘスライ
ダ２１に固定され、各Ｙリニアモータ３２の可動子３２
ｂは、Ｙスライダ３１の両側面から突出している。各Ｙ
リニアモータ３２の駆動量は、可動子３２ｂと一体であ
るミラー３２ｃにレーザ光を照射して変位量を測定する
レーザ干渉測長器３２ｄによって高精度でモニタされ、
フィードバック制御される。

【００３０】両Ｙリニアモータ３２の可動子３２ｂおよ
びミラー３２ｃは、送り方向すなわちＹ軸方向にＹスラ
イダ３１の重心位置で左右対称になるように配設され、
両Ｙリニアモータ３２によって、Ｙスライダ３１の両側
部にＹ軸方向の駆動力が発生する。このように、Ｙスラ
イダ３１の重心を挟んで左右対称に駆動力を作用させ、
その部位における変位をミラー３２ｃによって検出する
構成であるため、レーザ干渉測長器３２ｄの出力に基づ
くフィードバック制御の応答性が高く、Ｙスライダ３１
の重心に作用する合成駆動力の制御も容易である。さら
に、送り方向（Ｙ軸方向）のヨーイング剛性も充分であ
る。

【００３１】Ｙスライダ３１をＹガイド３０を介してＸ
軸方向へ移動させる両Ｘリニアモータ２２についても、
その駆動力をＹガイド３０のＸ軸方向の重心位置で左右
対称に作用させ、その部位における変位をレーザ干渉測
長器２２ｄによって検出してＸリニアモータ２２にフィ
ードバックするように構成し、フィードバック制御の応
答性やヨーイング剛性等を強化する。

【００３２】その結果、Ｙスライダ３１をＸＹ平面内で
任意の方向に極めて迅速かつ高精度で、しかもヨーイン
グ等のおそれのない安定した状態で移動させることがで
きる。

【００３３】水平回転装置４０は、このようなＹスライ
ダ３１の重心位置（中央）に保持され、Ｃ軸４１の回転
数をゼロに近い低速領域から３，０００ｒｐｍの広範囲
にわたって制御自在に構成される。すなわち、Ｃ軸４１
は、数百ｒｐｍから３，０００ｒｐｍの高速回転と、数
十ｒｐｍ以下の低速割り出しの自在な回転割り出し機能
を有する。

【００３４】Ｃ軸４１に加工台を取り付けてワークＷ₁
を保持させ、トーリックレンズの金型等をフライカット
方式で加工するときは、Ｃ軸４１をボルト等によってＹ
スライダ３１に固定する。前述のように、Ｃ軸４１がＹ
スライダ３１の重心位置に保持され、しかも、Ｙスライ
ダ３１の底面が直接ベースガイド１０のＸＹ案内面１０
ａに静圧軸受パッドＥ₂ を介して支持されているため、
従来例のような２重構造でしかもステージの重心位置か
らずれたところにワークが支持されている場合に比べ
て、Ｃ軸４１の背分力方向の剛性が極めて高くなる。

【００３５】また、垂直回転装置６０を保持するＺスラ
イダ５１をＺ軸方向に移動させる第３の駆動手段である
Ｚリニアモータ（駆動部）５２は、両支持部材５１ａの
それぞれのＹ軸方向の両端に一対ずつ、合計４個配設さ
れる。すなわち、移動体であるＺスライダ５１の四隅に
４個のＺリニアモータ５２の可動子５２ｂが固着配設さ
れ、各可動子５２ｂは、Ｚガイド５０に固定された固定
子５２ａに沿ってＺ軸方向に往復移動自在である。Ｚス
ライダ５１のＺ軸方向の移動は、各可動子５２ｂと一体
であるミラー５２ｃの反射光を用いるレーザ干渉測長器
５２ｄによって検出され、各Ｚリニアモータ５２にフィ
ードバックされる。

【００３６】垂直回転装置６０は、このようにＺスライ
ダ５１の四隅に配設された合計４個のＺリニアモータ５
２を結んで形成される多角形である方形の内側にＢ軸６
１の先端のバイトＴ₁ を位置させるように配設されてい
る。従って、従来例のようにステージの片側からＣ軸を
突出させた場合に比べて、バイトの切削抵抗をモーメン
トで受けるおそれがないため、加工点の剛性をより一層
大幅に向上させることができる。

【００３７】一例として、図４に示す工作機械において
は、ＹスライダにＹ軸方向に配列された静圧軸受パッド
の間隔を４００ｍｍ、バイトに近い側の静圧軸受パッド
とバイトの距離を２００ｍｍ、静圧軸受パッドの剛性を
２５０Ｎ／μｍとすると、バイトの加工点における背分
力方向すなわちＺ軸方向の剛性は約１００Ｎ／μｍとな
る。これに対して、本実施例の工作機械においては、上
記と同様にＹスライダにＹ軸方向に配列された静圧軸受
パッドの間隔を４００ｍｍ、バイトの位置を４個のＺリ
ニアモータを結ぶ方形の内側へ１００ｍｍに設定し、Ｚ
リニアモータの送り剛性を静圧軸受パッドの剛性と同等
であると仮定すると、バイトの加工点における背分力方
向すなわちＺ軸方向の剛性は４００Ｎ／μｍと従来例の
４倍に増大させることができる。

【００３８】なお、Ｂ軸６１は、Ｃ軸４１と同様に、ゼ
ロに近い低速領域から３，０００ｒｐｍの広範囲に回転
速度を制御自在である。すなわちＢ軸６１も、数百ｒｐ
ｍから３，０００ｒｐｍの高速回転と、数十ｒｐｍ以下
の低速割り出しの自在な回転割り出し機能を有する。

【００３９】フライカット方式でＢ軸６１によってバイ
トＴ₁ を回転させ、Ｙスライダ３１に保持されたワーク
Ｗ₁ を加工するときは、Ｚスライダ５１の背分力方向
（Ｚ軸方向）の剛性が前述のように４００Ｎ／μｍ、Ｙ
スライダ３１の前記剛性が１，０００Ｎ／μｍ、Ｂ軸４
１の剛性が１００Ｎ／μｍであれば、ワークＷ₁ に対す
るバイトＴ₁ の加工点の総合剛性は７４Ｎ／μｍであ
る。切削抵抗の変動が±０．２Ｎであれば、加工後のワ
ークＷ₁ の加工面の表面粗さは約Ｒｍａｘ５ｎｍとな
り、従来例に比べて大幅に改善される。この程度の表面
粗さであれば、後工程としての研磨は不必要であり、ト
ーリックレンズの金型等の製造コストを大きく低減でき
る。

【００４０】以上はフライカット方式による加工の説明
であるが、軸対称形状を旋削加工する場合はバイトを固
定し、ワークを回転させる。すなわち図３の（ａ）に示
すように、Ｂ軸６１にバイトＴ₂ を取り付けてボルト等
によってＢ軸６１をＺスライダ５１に強固に固定する。
ワークＷ₂ はＣ軸４１に取り付けて高速回転させ、Ｘス
ライダ２１とＺスライダ５１の動きによって形状を作
る。この場合は、背分力方向はフライカット時と同様に
Ｚ軸方向であり、加工点の剛性を高めることができる。
従来例の構成では、主軸にワークを取り付けて回転さ
せ、バイトはＺスライダ上にＹ軸方向に向けてセットす
る。このために、背分力方向はＹ軸方向となりこの方向
の剛性が重要となるが、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダとも切削抵
抗をモーメントで受けざるを得ないため剛性を高めるこ
とができない。

【００４１】本実施例によれば、Ｂ軸とＣ軸の二つの主
軸を搭載しているため、加工方式が変わっても加工点の
背分力方向を一定にすることができる。

【００４２】図３の（ｂ）は、超硬材料等の固い材質で
トーリック形状を加工する場合の加工法を示す。ワーク
Ｗ₃ は固定されたＣ軸４１にセットし、Ｂ軸６１には砥
石Ｔ ₃ を取り付けて高速回転させ、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ
をそれぞれ所定のプログラムに従って移動させて形状を
作る。

【００４３】図３の（ｃ）は軸対称形状のガラスレンズ
等を研削加工する際の加工法である。ワークＷ₄ をＣ軸
４１に取り付けて数百ｒｐｍで回転させ、Ｂ軸６１には
砥石Ｔ₄ をセットして高速回転させ、Ｘ、Ｚスライダの
動きで形状を作る。

【００４４】どちらの研削の場合も、切り込み方向つま
り表面粗さに最も影響する背分力方向がＺ軸方向に統一
されており、高い剛性が確保できるため、良好な表面粗
さを得ることができる。

【００４５】さらに、Ｂ軸６１、Ｃ軸４１の双方を固定
し、Ｂ軸６１にバイト、Ｃ軸４１にワークをセットすれ
ば、シェーパ加工も可能である。このときも背分力方向
はＺ軸方向で高剛性を期待できる。

【００４６】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。

【００４７】フライカット方式の３次元形状の加工や旋
削加工等の様々な方式の加工を行なうことができるうえ
に、加工点の剛性が高く、加工面に高い面精度を期待で
きる。また、装置の全体構成が簡単かつ堅牢であるか
ら、装置の低価格化と長寿命化に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例による工作機械をその一方の側部を破
断した状態で示す一部断面模式立面図である。

【図２】図１の装置をその頂部を破断した状態で示す一
部断面模式平面図である。

【図３】図１の装置を用いて様々な形状を加工する場合
を説明する説明図である。

【図４】一従来例を示す模式立面図である。

【符号の説明】

１０ベースガイド２０Ｘガイド２１Ｘスライダ２２Ｘリニアモータ３０Ｙガイド３１Ｙスライダ３２Ｙリニアモータ４０水平回転装置４１Ｃ軸５０Ｚガイド５１Ｚスライダ５２Ｚリニアモータ６０垂直回転装置６１Ｂ軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】案内面上を非接触で任意の方向に移動自
在である水平移動台と、これに支持された第１の回転装
置と、前記水平移動台を前記案内面に沿って第１の方向
に移動させる第１の駆動手段と、該第１の駆動手段を前
記水平移動台とともに前記案内面に沿って第２の方向へ
移動させる第２の駆動手段と、前記案内面に垂直な第３
の方向に移動自在である垂直移動台と、これに支持され
た第２の回転装置と、前記垂直移動台を前記第３の方向
に移動させる第３の駆動手段を有する工作機械。
【請求項２】第１および第２の回転装置のそれぞれ
が、工具と被加工物を交互に取り付け自在な回転軸部を
有することを特徴とする請求項１記載の工作機械。
【請求項３】第３の駆動手段が、案内面に沿って分布
する少なくとも３つの駆動部を有し、これらによって形
成される多角形の内側に第２の回転装置の回転軸部が配
設されていることを特徴とする請求項１または２記載の
工作機械。