JPS6354508B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は軸対称な二次曲面を鏡面状に仕上げ加
工する精密切削加工装置に係る。

近時、精密加工の分野ではレーザー技術、超
LSI技術等の影響から0.1ミクロン以上の加工精度
の加工機械が望まれている。しかしながら従来の
加工機械で0.1ミクロン以上の加工精度を有する
ものは主として研削加工によるものであつてその
加工対象は単なる平面か棒状部材の外周を研削し
て得られる円周面に限られている。このために放
物面、双曲面等を鏡面仕上げに加工することがで
き、しかも切削加工によつてそれを行なうという
技術的課題はこれまでの加工機械では解決できな
かつた。

この理由は二次曲面等を鏡面仕上げ加工を行な
う需要は限られていた事情を別としても、純枠に
技術的に考えた場合、加工機械の機械部材の温度
の加工精度への影響および工具に対する送り駆動
系の加工精度への影響、たとえば案内面の精度、
駆動モータ自体のリゾルーシヨン、送りネジ精
度、位置フイードバツク用検出器の精度、あるい
は駆動系の応答性等の誤差要因が考えられる。

特に後者の問題点は前述した平面、円周面等の
研削加工は基本的には一軸方向に関する砥石等の
工具と工作物との相対移動を行なう制御を対象と
しているのに対して、二次曲面を対象とする切削
加工では同時に二軸方向に関して制御を行なうこ
とを要求される。

従来、同時に二軸（Ｘ、Ｙ）制御を行なう送り
駆動制御はその加工精度を考慮外とすれば所謂
NC工作機械によつて実現されている。しかしな
がらNC工作機械ではテーブル等の移動量の検出
精度は高精度なものでも１ミクロンであり、特別
なものでも±0.5ミクロン程度である。さらにNC
工作機械自体についても、今最小分解指令値を
0.01（ミクロン／パルス）とし、最大切削送り速
度を600mm／分とすると 600×10³／60〔ミクロン／秒〕×１／0.01〔パルス／ミ
クロン〕＝ 1MHz となりパルスの分配速さは高速を要求されるため
にNC工作機械の補間演算等の遂行も困難にな
る。

さらにフイードバツク制御のための位置検出器
についてもある程度の移動量を計測することがで
き、かつ0.01ミクロン程度の精度を得られるもの
は現在レーザ測長器に限られる。しかしながらこ
のようなレーザ測長器を用いても得られた誤差信
号に対して駆動系が応答できないという問題があ
る。

本発明の上記の事情に鑑みてなされたもので
0.1ミクロン以上の加工精度で二次曲面の切削加
工を行なうことができる精密切削加工装置を提供
することを目的とするものである。

本発明はＸ軸駆動系およびＹ軸駆動系により
XY平面上の任意の位置へ駆動される刃物台にＹ
軸に沿つて高速かつ高精度に位置決めを行なう微
小変位駆動部を介して刃物を保持する工具保持部
を設け、この工具保持部の位置を光学的測長器を
用いて測長し、この測長値と理論値との差分を上
記微小変位駆動部で補償するとともに、この微小
変位駆動部における補償量が所定の設定値を越え
る毎に上記Ｙ軸駆動系を駆動して上記補償量を所
定値内にすることを特徴とするものである。

以下本発明の一実施例を第１図に示すブロツク
図を参照して詳細に説明する。図中１は切削工具
で回転軸２に保持されて回転駆動される工作物３
に当接して切削加工する。そして上記切削工具１
を工作物３に対して相対移動させるように駆動
し、その表面を所望の形状に切削加工するもので
ある。以下の説明では切削工具１の信号方向は上
記回転軸２に平行なＹ軸と、この回転軸２に直角
なＸ軸からなる直交座標系とする。そして切削工
具１を工具保持部４に保持し、この工具保持部４
を刃物台５に微小変位素子６を介して保持するよ
うにしている。

第２図乃至第４図は上記刃物台５を示す平面
図、側面図および第２図−線矢視断面図であ
る。すなわち工具保持部４は静圧軸受を介して刃
物台５に対して図示Ｙ軸方向へ進退自在に保持さ
れる。そしてこの工具保持部４の前端部に切削工
具１を取着し、後端部と刃物台５の端部に突設し
た端壁５Ａとの間に微小変位素子６を介在させそ
の両端を固着している。

また第５図は微小変位素子６の一例を示す側面
図で、たとえば３個の圧電素子６１を両端および
層間に銀箔等の電極６２，６３，６４，６５を介
在して層状に種み重ね、さらに両端の電極６２，
６３の外側に絶縁体６６，６６を介して結合部材
６７を設けたものである。そして電極６３，６４
を接地し、この接地電位と電極６２，６５との間
に数百ボルトの電圧を印加して圧電素子６１を積
層方向へ伸縮させるようにしている。

第６図はこのような微小変位素子６の印加電圧
Ｋと伸長量△ｌとの関係の一例を示す図で、たと
えば厚みｌ＝１mmの圧電素子に対してＫ＝500V
の電圧を印加して0.25μの伸びを与えることがで
きるとする。ここで印加電圧を500±300Vの範囲
で制御して圧電素子１個当り±0.15μの変位を生
じさせるとすれば３個の圧電素子を積層すること
により全体で0.3μ〜1.2μの範囲で厚みを制御する
ことができる。一方、このような微小変位素子の
印加電圧に対する厚みの変化は電圧を適当な範囲
で制御した場合、略直線的になり、しかも応答性
も極めて良好である。したがつて上記微小変位素
子６の印加電圧を制御することにより刃物台５に
対して工具保持部４を相対的にＹ軸方向へ駆動
し、切削工具１の位置を制御することができる。

そして第１図において、７は刃物台５をＸ軸方
向へ駆動するＸ軸駆動機構で、たとえば駆動モー
タと、このモータによつて回転駆動されるととも
に上記刃物台５に螺合する送りネジを設けてい
る。そしてこのＸ軸駆動機構７はＸ軸移動速度設
定器８の設定値に応じてＸ軸サーボアンプ９によ
りＸ軸方向へ一定速度で刃物台５を駆動する。ま
た１０は刃物台５をＹ軸方向へ駆動するＹ軸駆動
機構で、たとえば駆動モータと、このモータによ
つて回転駆動されるとともに上記刃物台５に螺合
する送りネジを設けている。そして上記駆動モー
タはＹ軸サーボアンプ１１により制御され刃物台
５をＹ軸方向へ駆動する。そして１２，１３は工
具保持部４の位置を非接触に検出するＸ軸測長器
およびＹ軸測長器で、たとえばレーザー光の干渉
を利用したレーザー測長器である。なお、ここで
工具保持部４に切削工具１を取着しているのでこ
の工具保持部４の位置から切削工具１の先端の切
刃の位置を知ることができる。そして工具保持部
４のＸ軸方向への移動に応じてＸ軸測長器１２か
ら一定距離毎に、たとえば0.01μ毎にパルスが出
力される。またＹ軸方向への移動に応じてＹ軸測
長器１３から同様にパルスが工作される。そして
Ｘ軸方向の位置検出を行なうＸ軸測長器１２の出
力パルスをＸ軸位置カウンタ１４でカウントして
切削工具１の先端のＸ軸方向の位置を検出する。
そしてこのＸ軸カウンタ１４のカウント値ｘをｆ
（ｘ）演算回路１５へ与える。このｆ（ｘ）演算回
路１５は切削工具１のＸ軸上の位置ｘに対応して
Ｙ軸上の理論位置ｆ（ｘ）を所望の切削曲面に応
じて演算するものである。そしてこのｆ（ｘ）演
算回路１５の演算値をデータレジスタ１６へ与え
てこのデータレジスタ１６の内容を第１、第２の
比較器１７，１８および加算レジスタ１９の一方
の入力へ与える。一方、Ｙ軸測長器１３の出力パ
ルスはＹ軸位置カウンタ２０でカウントし切削工
具１の切刃の位置に対応するカウント値、すなわ
ちＹ軸実測値ｙを第１の比較器１７およびホール
ド回路２１を介して第２の比較器１８へ与える。
そして第１の比較器１７の出力は微小変位素子駆
動回路２２により所定比で電圧に変換して微小変
位素子６へ印加する。また第２の比較器１８には
ホールド回路２１に保持されたＹ軸位置カウンタ
２０のカウント値すなわち実測値ｙとデータレジ
スタ１６の理論値Ｙとが与えられてその内容を比
較しこの差分が予め設定した所定値△Ｘを越える
毎に加算レジスタ１９の他方の入力に対して一定
距離を駆動すべき駆動信号△Ｙを与える。そして
加算レジスタ１９の加算出力を与えられるＹ軸サ
ーボアンプ１１はこの駆動信号に応動して刃物台
５を所定量△Ｙだけステツプ的に駆動する。なお
上記所定値△ｙを適値に設定することにより微小
変位素子６に対する制御電圧を適正な範囲に維持
し、直線性を損ないあるいは過大な電圧を印加す
ることのないようにしている。

このような構成であれば切削加工の開始に先だ
つて、図示しない制御系により切削工具１を加工
物３の加工原点X₀、X₀へ駆動し、全てのカウン
タおよびレジスタをリセツトする。そして切削加
工を開始するとＸ軸移動速度設定器８の設定値に
応じてＸ軸サーボアンプ９を介してＸ軸駆動機構
７により切削工具１を加工物３の外周から中心へ
向かつて一定速度で駆動する。そして上記切削工
具１を保持する刃物台４のＸ軸方向の位置に応じ
てＸ軸測長器１２から、たとえば0.01μ毎にパル
スが出力される。そしてこのパルスをＸ軸位置カ
ウンタ１４でカウントして加工原点X₀に対する
切削工具１の実測値ｘを得る。この実測値ｘはｆ
（ｘ）演算回路１５へ与えて演算しその値に対応
するＹ軸方向の理論値Ｙをデータレジスタ１６を
介して加算レジスタ１９へ与える。なおこの場
合、実測値ｘはＸ軸位置カウンタ１４からデジタ
ル値として与えられるので駆動系の精度、応答性
等に応じて一定の移動量△ｘ毎、たとえば5μ毎
にｆ（ｘ）演算回路１５へ与える実測値ｘの値を
更新して演算を行なうようにしている。

一方切削工具１のＹ軸方向の位置に応じてＹ軸
測長器１３から出力されるパルスはＹ軸位置カウ
ンタ２０でカウントされこの実測値ｙは第１の比
較器１７および上記Ｘ軸位置カウンタ１４の出力
データの更新に同期して上記実測値ｙをホールド
するホールド回路２１へ与えられる。

そして上記ホールド回路２１から出力される実
測値ｙとデータレジスタ１６から与えられる理論
値Ｙとを第２の比較器１８へ与えて比較しその差
分が所定値△ｙを越える毎に加算レジスタ１９の
他方の入力へ与えこの出力によりＹ軸サーボアン
プ１１を介してＹ軸駆動機構１０を駆動し切削工
具１のＹ軸方向の位置を△Ｙだけステツプ的に駆
動する。また同時に第１の比較器１７により実測
値ｙと理論値Ｙとの差分を得、この値に応じ微小
変位素子回路２１を介して電圧に変換し、微小変
位素子６に与える電圧を制御して工具保持部４の
位置を制御する。

ここで第１図において第２の比較器１８、加算
レジスタ１９およびホールド回路２１を設けずデ
ータレジスタ１６の出力を第１の比較器１７およ
びＹ軸サーボアンプ１１へ与えるものについて考
える。この場合にはたとえば第７図に示すように
切削工具１を加工原点（X₀、Y₀）からＸ軸方向
へ駆動すると所定値△ｘ毎にｆ（ｘ）演算回路１
５から理論値ｆ（x₀）、ｆ（x₁）、ｆ（x₂）…が与え
られる。なおこの理論値ｆ（ｘ）は所望の加工曲
面の目標である理想曲線Ｆ（Ｘ）から与えられる
ものである。そして上記理論値ｆ（ｘ）に応じて
Ｙ軸サーボアンプ１１を介してＹ軸駆動機構１０
を駆動しその実測値ｙは次第に理論値ｆ（ｘ）に
接近する。そしてこの過程において実測値ｙと理
論値ｆ（ｘ）との差分を第１の比較器１７で得て
この値Yσを微小変位素子駆動回路２２を介して
微小変位素子６へ与えて駆動するようにしてい
る。しかしながらこのようなものでは図示Ｘ軸の
位置x₃のように実測値ｙと理論値ｆ（ｘ）との差
分が著るしく大きくなると微小変位素子６を制御
する信号Yσも著るしく大きくなり、その適正な
制御範囲を逸脱して直線性が損なわれ、あるいは
制御不可能に陥ることもある。

これに対して上記実施例では第８図に示すよう
に実測値ｙと理論値ｆ（ｘ）との差分が所定値△
ｙを越えたことを第２の比較器１８で検出すると
所定距離を駆動すべき駆動信号△Ｙを加算回路１
９へ与えるようにしている。したがつてＹ軸サー
ボアンプ１１には理論値ｆ（ｘ）と上記駆動信号
△Ｙを加えた信号が与えられみかけ上の理論値ｆ
（ｘ）と実測値ｙとの差分が大きくなつたことに
なる。したがつてＹ軸サーボアンプ１１はこのみ
かけの差分を目標としてＹ軸駆動機構１０を駆動
するので実測値ｙは急速に理論値ｆ（ｘ）に接近
する。したがつて微小変位素子６に対する駆動信
号Yσは所定の適正な範囲±6maxに制御すること
ができ良好な直線性と正確な制御を行なうことが
できる。

したがつて切削工具の切込み方向の位置に関し
て機械的な駆動機構によつて生じる誤差を電気的
な圧電効果を利用した微小変位素子によつて補正
し、かつこの微小変位素子に与える電圧が適正範
囲を越えると、上記駆動機構により補正量を減少
させるように切削工具を駆動するようにしている
ので微小変位素子は常に適正範囲で動作すること
になる。

なお本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、たとえばＸ軸測長器１２の出力パルスから
得られた実測値ｘを各別のｆ（ｘ）演算回路で演
算して第１、第２の比較器１７，１８へそれぞれ
与えるようにしてもよい。またｆ（ｘ）演算回路
としては与えられた実測値ｘから所望の切削曲面
のＹ軸方向の理論値Ｙを高速演算するものに限定
されず、たとえば予め演算した理論値Ｙを記憶し
たメモリを設け、この記憶内容を順次に読み出す
ようにしてもよい。

さらに微小変位素子はその駆動信号に対する応
答性が極めて良好なために過敏な場合は第１図に
破線で示すように第１の比較器１７の出力と微小
変位素子駆動回路２３との間に積分回路２２を介
挿するようにしてもよい。第９図はこのような積
分回路２３の一例を示す図で、たとえば第１の比
較器１７から与えられる複数ビツトのデジタル信
号をデジタル−アナログ変換器DAでアナログ信
号に変換して抵抗R₁および第１のスイツチSW₁
を介して演算増幅器OP₁へ入力する。この演算増
幅器OP₁は入出力間に積分コンデンサＣおよび放
電抵抗R₂と第２のスイツチSW₂の直列回路を並
列に接続している。そして第１のスイツチSW₁は
抵抗R₁を選択し、第２のスイツチSW₂は開放し
て上記アナログ信号を積分し、積分終了後第１の
スイツチSW₁は接地電位側を選択し、第２のスイ
ツチSW₂を閉成して積分コンデンサＣの充電電荷
を放電する。

また第１０図は微小変位素子駆動回路２２の一
例を示す回路図で、微小変位素子６に対する数百
ボルトの印加電圧を制御するために３個のトラン
ジスタTr₁，Tr₂，Tr₃のコレクタ、エミツタを縦
続接続にしたものである。すなわち入力端子Ｔに
与えられた信号Yσをバツフア増幅器OP₂を介し
てトランジスタTr₁のベースへ与える。一方トラ
ンジスタTr₁，Tr₂，Tr₃のエミツタ、コレクタを
縦続接続し、かつトランジスタTr₃のコレクタ、
ベース間、トランジスタTr₃，Tr₂のベース間お
よびトランジスタTr₂のベースとトランジスタ
Tr₁のエミツタ間にそれぞれ抵抗R₁，R₂，R₃を
介挿している。そしてトランジスタTr₁のエミツ
タとトランジスタTr₃のコレクタとの間に数百ボ
ルトの電源Ｐと微小変位素子６の直列回路を接続
している。このようにすれば各トランジスタ
Tr₁，Tr₂，Tr₃のエミツタ、コレクタ間に印加さ
れる電圧は略電源電圧の1/3になりトランジスタ
Tr₁，Tr₂，Tr₃のコレクタ耐圧に対する要求を緩
和することができる。

さらに上記実施例ではｆ（ｘ）演算回路１５は
加工原点Y₀に対する理論値Ｙを出力するように
しているが、このようなものに限定されず前回の
Ｘ軸方向の位置X_o-1に対応する理論値Y_o-1て当
該時点のＸ軸方向の位置Xnに対応する理論値Yn
との差分Y_o−Y_o-1を出力するようにしてもよい。

以上詳述したように本発明によれば機械的な駆
動機構によつて生じる切削工具の切込み方向の位
置誤差を電気的に変位量を制御される微小変位素
子によつて補正し、かつこの微小変位素子へ与え
る電圧が適正範囲を越えると上記駆動機構によつ
て補正量を減少させるように切削工具を駆動する
ようにしたものである。

したがつて極めて高精度に二次曲面を切削加工
することができしかも微小変位素子を常に適正範
囲で動作させることができる精密切削加工装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図、第３図および第４図は上記実施例の刃物
台を示す平面図、側面図および第２図−線矢
視図、第５図は上記実施例の微小変位素子の一例
を示す側面図、第６図は上記微小変位素子の印加
電圧と伸長量との関係を示す図、第７図は従来の
装置の動作を説明する図、第８図は本発明の装置
の動作を説明する図、第９図は本発明の他の実施
例の積分回路を示す図、第１０は本発明の微小変
位素子駆動回路の一例を示す図である。 １……切削工具、２……回転軸、３……加工
物、４……工具保持部、５……刃物台、６……微
小変位素子、７……Ｘ軸駆動機構、１０……Ｙ軸
駆動機構、１２……Ｘ軸測長器、１３……Ｙ軸測
長器、１５……ｆ（ｘ）演算回路、１７……第１
の比較器、１８……第２の比較器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転軸に保持され回転駆動される工作物と、
   この工作物を切削加工する切削工具を保持する工
   具保持部と、この工具保持部を保持する刃物台
   と、この刃物台を上記切削工具の切込み方向へ駆
   動するＹ軸駆動機構と、上記刃物台を上記切削工
   具の切込み方向に対して直角な方向へ駆動するＸ
   軸駆動機構と、上記工具保持部と刃物台との間に
   介在し上記刃物台を上記工具保持部に対して切込
   み方向へ駆動する微小変位素子と、上記刃物台の
   Ｘ軸およびＹ軸方向の位置を非接触に検出するＸ
   軸およびＹ軸測長器と、Ｘ軸測長器から与えられ
   る実測値に応じて所望の切削曲面のＹ軸方向の論
   理値を出力するｆ（ｘ）演算回路と、このｆ（ｘ）
   演算回路から与えられる理論値とＹ軸測長器から
   与えられる実測値との差分に応じて上記微小変位
   素子を切込み方向へ変位させる微小変位素子駆動
   回路と、上記差分が所定値を越える毎にＹ軸駆動
   機構を駆動して上記微小変位素子における変位量
   を所定範囲に維持させる第２の比較器とを具備す
   る精密切削加工装置。