TWI449590B - 刀具旋轉半徑為可變之刀具架及設有該刀具架之加工機具與利用該加工機具之加工方法 - Google Patents

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Description

刀具旋轉半徑為可變之刀具架及設有該刀具架之加工機具與利用該加工機具之加工方法
本發明係關於刀具旋轉半徑為可變之刀具架以及設有該刀具架的加工機具與使用該加工機具的加工方法。
為了量產在光學零件中使用的鏡頭，使用經過高精度加工的模具。一般的透鏡是旋轉對稱形狀，所以在模具的製造中使用單晶鑽石刀具進行超精密車削加工。在普通車削加工中，使安裝在主軸上的工件高速旋轉，以刀具推壓工件，而切削加工成任意的旋轉對稱形狀。因此，工件上的旋轉中心僅為一個。
但是，最近對於具有數十至數千個直徑為數毫米的透鏡所排成形狀的透鏡陣列模具(參照圖19A-圖20B)的需求正在增加。為了利用車削來加工陣列透鏡的模具，必須針對每個透鏡形狀使旋轉中心對準車床的主軸來進行加工。
因為難以手動地精密調整透鏡的加工位置，所以例如可以在主軸上設有方向垂直於旋轉中心軸的2軸直線工作臺，只要將工件安裝在該工作臺上即能任意改變工件上的旋轉中心。
但是，在高速旋轉的主軸上無法連接驅動用纜線，並且在技術上難以使工作臺具有用於抵抗主軸旋轉時的離心力的保持力。此外，就其他方法而言，考慮有利用車床製造個別的透鏡模具，並將這些透鏡模具多個組合來成為透鏡陣列模具的方法。但是，在透鏡陣列的大多數用途之中，各透鏡之間的距離受到嚴密地設計，難以將數千個模具按照正確的透鏡間距來組裝。
因此，殷切期望具有車床以外的高速、高精度的透鏡陣列加工方法。
就透鏡陣列形狀的加工方法而言，一般採用以銑削進行加工的方法。在該加工中，在主軸上安裝小直徑的旋轉刀具，同時驅動加工機具的垂直3軸來描繪螺旋軌跡，來加工透鏡形狀。
如圖25所示，以一般銑削加工來加工複雜的自由曲面時，只要在加工形狀中有一個部位具有半徑R的小形凹入形狀，即變成使用與其匹配的小直徑的端銑刀刀具。但是，因為小直徑的刀具一次旋轉當中所能切削的量少，所以在平緩面上加工效率非常差。特別是在超精密加工中，有些情況連因更換刀具使刀具的位置偏移1μm也無法容許，在精加工中無法更換刀具，很多時候以一把刀具加工整個加工面。
圖26A以及圖26B說明現有技術，即以一般的銑削加工來加工透鏡陣列。圖26A表示以主軸使切削刀具旋轉，並以加工機具的直線軸描繪螺旋狀的軌跡來進行加工的方法。圖26B表示令刀具以掃描的方式進行直線軸動作同時進行加工的方法。無論哪個方法，都是在欲進行高速加工時各軸的加減速變得劇烈的加工方法，直線軸的加速性能決定了加工速度。此外，因為是在刀具高速旋轉的同時描繪出圖26A以及圖26B所示的軌跡，所以實際的刀具的切削距離遠長於軌跡，而亦存在有刀具磨損劇烈的缺點。
如上所述，該加工方法的缺點，係在欲進行高速加工時，變成於僅有數毫米的透鏡直徑中進行高速的螺旋運動，直線軸的方向反轉變得劇烈。特別是在透鏡中心附近的加工中，需要高速切換加減速，直線軸的加速性能與加工速度具有很大的關聯。此外，銑削這種加工方法，刀具自身高速旋轉，刀具磨損比車削劇烈，難以在不更換刀具之情況下加工數千個透鏡形狀。
就抑制刀具磨損的加工方法而言，考慮有利用旋轉台改變刀具的角度，在正交3軸上進行螺旋運動的方法。圖27A以及圖27B說明就其他習知技術而言，改變刀具2的角度，並且描繪螺旋的軌跡來進行加工的透鏡陣列加工方法。該加工方法從刀具2觀察，接近車削加工的動作，在抑制刀具磨損方面而言為有效的方法。但是，為了進行高速加工，進行螺旋運動的直線軸的加減速劇烈的缺點與圖26A以及圖26B的加工方法相同。
就抑制刀具磨損且亦抑制直線軸的高速驅動的加工方法而言，已有日本特開2003-121612號公報、日本特開2000-52217號公報中揭示的技術。
圖28A以及圖28B說明作為其他習知技術(參照日本特開2003-121612號公報)而言，在使刀具成形為與透鏡的截面形狀相匹配之基礎上加工工件的加工方法。該方法使用壓電元件令刀具2微小地上下移動來對工件進行加工，存在有無法對應凸出形狀、以及即使是凹入形狀但原理上無法加工為旋轉對稱形狀的缺點。
圖29說明在使刀具成形為與透鏡的剖面形狀相匹配之基礎上來加工工件的習知技術(參照日本特開2000-52217號公報)。該習知技術能夠應對旋轉對稱形狀和凸形狀。但是，因為難以將以旋轉中心軸4為中心進行旋轉的刀具2的輪廓精度成型到微米級以下，所以不適合高精度的透鏡形狀的加工。
在上述任一專利文獻中公開的公知技術均需要有使刀具與透鏡的截面形狀相匹配成型的特殊的刀具，形狀精度依賴於刀具精度，並且亦無法修正形狀誤差，無法用於高精度的透鏡模具的製造。
從加工速度、加工精度之觀點而言，關於透鏡形狀的加工，可以說車削加工是理想的加工方法。因此，即使在加工透鏡陣列時，希望成為無論從刀具還是從加工機具的各軸觀察而言均接近於車削加工的動作。
因此，本發明的目的在於提供一種能夠進行無論從刀具角度觀察還是從加工機具的各軸觀察均接近於車削加工的動作的刀具旋轉半徑為可變之刀具架以及設有刀具架之加工機具以及使用該加工機具之加工方法。
本發明的用於固定刀具的刀具架具備受到繞旋轉中心軸旋轉時產生的離心力之作用而彈性變形的結構體，且其構成方式使得刀尖朝向該旋轉中心軸方向且旋轉半徑在零到任意值間改變。在該刀具架中，可以依據主軸的旋轉速度使刀具旋轉半徑變化。
該刀具架的結構體亦可包含因為該離心力而分別朝相反方向彈性變形相同量的兩根樑，施加於這兩根樑的離心力相互抵銷，即使該刀具架的旋轉速度變化亦保持旋轉的平衡。在該刀具架中，即使刀具的旋轉半徑變化也可以經常保持旋轉的平衡，所以能防止不平衡引起的與旋轉同步的振動。
使該刀具架的兩根樑分別連接有位於旋轉半徑比刀具架而言更大的位置上的兩個配重，在旋轉時因為作用於這些配重的離心力使該刀具架的彈性變形增加。該刀具架之中令位於旋轉半徑較大位置之配重與樑連接的結構可以對樑施加較大的離心力，增加刀具旋轉半徑。
亦可將該刀具架的兩根樑設為，能將刀具安裝在一邊的樑上並能在該刀具架的結構體上附加平衡配重的結構，該平衡配重用於調整整個刀具架的旋轉平衡，且包含安裝刀具之重量所致變化量。將刀具安裝在該刀具架上所致的重量變化，可以藉由平衡配重進行調整，進而能防止旋轉時的不平衡。
該刀具架的結構體亦可為，具備因為該離心力而分別朝相反方向彈性變形的兩根樑，各根樑形成平行彈簧的形狀，在樑因為離心力而彈性變形時，這些樑的端面的角度相對於旋轉的軸保持為固定。藉由該平行彈簧，即使刀具的旋轉半徑變化，也可以防止刀具的角度(姿勢)發生變化。
亦可為以下結構：在該旋轉中心軸的方向上觀察刀具架的坐標系中，該刀具的刀尖的位置在靜止時位於從旋轉中心軸偏離了初始偏置量的第一位置上，在令該旋轉速度為最大時刀具刀尖位於第二位置，並且該旋轉的中心位於該第一位置和第二位置所連結的線段上。藉由在該刀具架中賦予偏置，即使在刀具旋轉半徑較小時，亦能確保某種程度的加工速度。以靜止狀態下的刀具刀尖位置作為旋轉中心時，中心部的加工速度(工件相對於刀具的相對速度)極度緩慢，實際上無法進行加工。因此，在預定的旋轉速度時使刀具刀尖來到旋轉中心，可以確保加工速度。
並且，在本發明的加工機具中，在主軸上配備上述本發明的刀具架，主軸的軸向係與重力方向一致，至少具備有能夠在主軸的軸向上作為直線軸而進行移動的軸，藉由控制該主軸的旋轉速度和該直線軸的位置，切削加工任意的旋轉對稱形狀。在該加工機具中，藉由能夠在主軸的旋轉方向上移動的直線軸控制進刀量，藉由主軸的旋轉速度控制刀具的旋轉半徑，藉此可在任意直徑改變進刀量。當主軸為重力方向時，刀具架的樑的位移來自旋轉的相位而不受重力影響。因此，藉由加工機具能夠精密地切削加工任意的旋轉對稱形狀。
此外，在本發明的加工方法中，使用本發明的加工機具，並且預先測量好刀具旋轉半徑相對於該主軸的旋轉速度的關係和刀具的旋轉軸方向的位移相對於該主軸的旋轉速度的關係，對於利用該加工機具來加工的旋轉對稱形狀，在其半徑和高度的點群資料或形狀公式中，將半徑轉換成主軸的旋轉速度，將高度轉換成以該軸向的位移修正後的該直線軸的位移量，而在此基礎上產生加工程式。在該加工方法中，事先測量好相對於主軸的旋轉速度的刀具旋轉半徑和刀具刀尖的位移量，在將加工形狀轉換成加工程式的過程中，反映該測量值，而能夠進行正確的加工。
並且，在本發明的透鏡陣列加工方法中，依據上述本發明的加工方法，利用該加工機具的直線軸或旋轉軸控制該刀具架的位置和姿勢，藉以在被加工物的平面或曲面上的任意位置加工多個該旋轉對稱形狀。在該透鏡陣列加工方法中，只要加工機具配備有3個直線軸，即能加工出將多個旋轉對稱形狀排列在平面上而成的形狀。並且，只要加工機具配備有2個旋轉軸，即能藉由5軸加工來加工出將多個旋轉對稱形狀排列在任意的自由曲面上而成的形狀。因此，在一般的加工機具中，能夠高速高精度地加工任意的透鏡陣列。
依據本發明，可以提供無論從刀具觀察還是從加工機具的各軸觀察而言，均能進行接近於車削加工的動作的刀具旋轉半徑為可變之刀具架以及設有刀具架之加工機具以及使用該加工機具之加工方法。
圖1A以及圖1B說明具備彈簧的刀具架的一實施形態，圖1A表示旋轉台12在靜止狀態或低速旋轉中的狀態，圖1B表示旋轉台12在高速旋轉中的狀態。
刀具2上固定有第一彈簧8的一端和第二彈簧10的一端，第一彈簧8的另一端固定在旋轉台12上，第二彈簧10的另一端固定在旋轉台12上。配重6係固定在第一彈簧8上，並配置在第一彈簧8和刀具2之間。另外，在圖1A中符號3表示刀具刀尖。
如圖1A所示，旋轉台12藉由第一彈簧8以及第二彈簧10而安裝成刀具在靜止狀態下相對於該旋轉台12與旋轉中心軸4同軸。第一彈簧8和第二彈簧10配置為相對於旋轉中心軸成對稱。
當使旋轉台12繞旋轉中心軸4旋轉時，如圖1B所示，與旋轉台12的旋轉速度相對應的離心力Fc作用於配重6。因為該配重6因離心力Fc使第一彈簧8收縮並使第二彈簧10伸長，所以配重6朝著與旋轉中心軸4垂直的外方向位移。由於該配重6朝外方向位移，刀具2從旋轉中心軸4移動，以刀具旋轉半徑Rt繞旋轉中心軸4旋轉。
圖2A以及圖2B說明具備樑之刀具架的一實施形態，圖2A表示旋轉台12在靜止狀態或低速旋轉中的狀態，圖2B表示旋轉台12在高速旋轉中的狀態。
在該實施方式中，刀具2藉由具有某種程度的剛性的第一樑14而安裝於旋轉台12。該第一樑14的一端固定在旋轉台12上，且使第一樑14的軸與旋轉中心軸4重合。關於將第一樑14的一端固定至旋轉台12的方法，例如有熔接、螺栓或鎖入等方法。
在第一樑14的另一端固定有刀具2。此外，第一配重6固定在第一樑14的另一端側的側部。在旋轉台12為靜止狀態時，將第一配重6固定在第一樑14上的與旋轉中心軸4不重合的位置(即，偏離旋轉中心軸4的位置)，藉以如圖2B在使旋轉台12旋轉時令離心力Fc作用於第一配重6。藉由作用在該第一配重6上的離心力Fc，固定在刀具2一側的第一樑14之另一端，從刀具旋轉中心軸朝外方向偏移。藉此，刀具2以刀具旋轉半徑Rt繞旋轉中心軸4旋轉。
圖3A以及圖3B說明相對於旋轉中心軸對稱地具備兩根樑的結構之刀具架的一實施形態，圖3A表示旋轉台12在靜止狀態或低速旋轉中的狀態，圖3B表示旋轉台12在高速旋轉中的狀態。
圖3A以及圖3B所示的實施方式使用了兩根圖2A以及圖2B所示的配重樑。為了在使旋轉台12旋轉時不讓旋轉平衡崩潰，如圖3A所示，固定有第一配重6的第一樑14和固定有第二配重7的第二樑15以在旋轉台12上固定成相對於旋轉中心軸4成對稱位置。
在該實施方式中，因為旋轉台12旋轉時的離心力Fc在分別相反的方向上作用於兩根樑14、15，所以這些離心力Fc相互抵銷。此外，關於第一樑14和第二樑15，如果使各根樑的剛性和各自的配重(第一配重6以及第二配重7)的重量分別相同，則兩根樑14、15由於離心力Fc變形相同程度，並且不會因為旋轉台12的旋轉導致重心的位置移動。因此，即使在旋轉台12高速旋轉時，也不會破壞旋轉平衡。
此外，在該實施方式中，因為兩根樑14、15並未設置在旋轉台12的旋轉中心軸4上，所以離心力Fc決定了樑14、15所倒向的方向，配重6、7並非必要。亦能對於第一配重6和第二配重7賦予重量差異或安裝位置差異，抵銷在第一樑14上固定的刀具2的重量。為了完全消除旋轉的不平衡，必須調整成兩根樑14、15一側的剛性、重量以及重心相對於旋轉中心軸嚴密地相等。
圖4A以及圖4B說明具備兩根樑和兩條臂之刀具架的一實施形態，圖4A表示旋轉台12在靜止狀態或低速旋轉中的狀態，圖4B表示旋轉台12在高速旋轉中的狀態。
第一樑14和第二樑15的剛性越弱，越能夠容易地增加刀具旋轉半徑相對於旋轉速度的變化。但是，第一樑14、第二樑15的剛性越弱，刀具2越容易振動，則無法進行精密的加工。為了兼顧第一樑14和第二樑15的剛性以及刀具旋轉半徑Rt的大小，可以在提高第一樑14、第二樑15的剛性後，充分地增加使第一樑14、第二樑15彈性變形的離心力Fc。離心力Fc與旋轉半徑成比例。因此，藉由使配重的安裝位置位於盡可能遠離旋轉中心軸4的位置上，即使旋轉台12的旋轉速度和/或配重的重量相同，也能夠得到較大的離心力Fc。
為了保持刀具架的旋轉平衡，期望兩根樑14、15和與其連接的兩個配重6、7它們的中心相對於旋轉重心軸4是對稱的。此外，由於配重6、7是旋轉半徑越大、周速越大，容易受到空氣阻力。因此，希望配重6、7的形狀是不易受到空氣阻力的形狀。
在圖4A中顯示為了使配重6、7在盡可能遠離旋轉中心軸4的位置上旋轉，而具備第1臂16和第2臂17的例子。第1樑14和第2樑15與圖3A以及圖3B所示的實施方式同樣，固定在旋轉台12上。
在本實施方式中，在一端固定於旋轉台12的第1樑14以及第2樑15的各自的另一端分別安裝有第1臂16和第2臂17的一端。在這些第1臂16以及第2臂17的各自的另一端分別安裝有第1配重6以及第2配重7。在圖4A的例子中雖然刀具2係安裝在第1樑14上，但亦可安裝在第2樑15上。
在圖4B中表示旋轉台12以某個速度進行高速旋轉時的狀態。在該實施方式中，藉由使用第1、第2臂16、17使第1、第2配重6、7盡可能遠離旋轉重心軸4。由此，即使是相同的旋轉速度、相同重量的配重，也能得到較大的離心力Fc。
圖5是說明具備在加工方向上特別具有剛性且在離心力方向上容易位移的兩根樑之刀具架的結構的圖，表示圖4A的A-A的截面圖。
為了令其在加工方向特別具有剛性且在離心力方向容易位移，希望第一樑14以及第二樑15為離心力方向的厚度較小的截面形狀。但是，因為第一樑14、第二樑15的剛性越弱則刀具2越容易振動而無法進行精密加工，所以上述離心力方向的剛性亦係重要。另外，在圖5中，在以旋轉台12之旋轉中心5(與旋轉中心軸4一致)為中心進行的旋轉之方向為圖示方向時，離心力方向和加工方向為圖示的方向。在旋轉台12的旋轉方向與圖示方向相反時，加工方向也和圖示方向相反。
圖6說明使兩根樑為一體的U字型結構之刀具架的一實施形態，使第一樑14和第二樑15為藉由根部的固定部連接的一體的U字型結構，而不對安裝部施加多餘的應力。第一樑14以及第二樑15因為大的離心力而反復彈性變形，在其根部的固定部尤其施加有大應力。在圖6所示的刀具架20中，在根部的固定部設置有安裝螺栓孔18，藉由在安裝螺栓孔18中貫穿插入螺栓(未圖示)來將刀具架20固定在旋轉台12上。
圖7A以及圖7B是說明調整旋轉平衡的結構。圖7A是從箭頭B的方向觀察圖4A的刀具架，圖7B是從箭頭C的方向觀察圖4A的刀具架。
在刀具架20的各部設置的螺孔中旋入有藉由螺絲的材質或長度來調整重量的固定螺絲(setscrew)，以調整旋轉平衡。為了測定旋轉平衡的狀態，可以使用市場上銷售的動態平衡計測裝置。在通常的旋轉平衡調整中，平衡不會因為旋轉速度而產生大幅變化，但是使用刀具架時，則存在有因為旋轉速度而變形的部分，所以必須其變化量，在所使用的全部轉速區域中確認平衡狀態。在平衡因為旋轉速度而改變，利用因為離心力而產生位移的部分所設置的螺絲孔來進行平衡調整。關於刀具架20，如果進行過一次平衡調整，只要不將刀具架20拆下即能再現相同的平衡。在更換形狀或重量大幅不同的刀具2時，每次均進行平衡的確認、調整。
圖8A以及圖8B說明分別連結平行的兩根板狀樑成為兩組板彈簧結構之刀具架的一實施方式。
在刀具架20由單純的兩根樑構成時，當刀具旋轉半徑Rt變動時，刀具2也按照樑角度變化的部分，角度變化相同幅度(參照圖11)。依據加工的不同，有些情況不允許此種刀具之角度變化(姿勢變化)。
因此，為了解決該問題，如圖8A以及圖8B，分別連結平行的兩根板狀樑成為兩組板彈簧結構。因為如此成為平行彈簧的結構，即使安裝的刀具因為離心力樑而發生變形，也不會產生角度變化(姿勢變化)。平行彈簧構造在刀尖位移的意義上而言亦成為圖15以及圖16的動作，所以僅有姿勢變化受到抑制。
圖9A以及圖9B說明只要刀具的角度(姿勢)固定，即使在將槽加工成同心圓狀的用途上，也能夠容易地加工成固定截面形狀的溝槽。還能藉由加工機具側的旋轉軸修正刀具的姿勢，但是因為需要同時控制的軸數目越多則刀具刀尖的定位誤差越為增加，所以如圖8A以及圖8B的保持刀具姿勢之結構，較能進行高精度的加工。
圖10A至圖10C是從刀具架的上方觀察具備兩根樑和兩條臂之刀具架的靜止狀態和旋轉狀態。在旋轉台12以旋轉中心5為中心的旋轉停止時，如果如圖4A以及圖7A所示，刀具2的刀尖與旋轉中心軸4一致，則因為在透鏡形狀等旋轉對稱形狀之中心附近的加工時旋轉速度降低加工速度即降低，所以加工效率變差。
在一般的車床中，如果令加工透鏡形狀的加工條件理想，則在車床的情況下當在中心附近進行加工時也以固定旋轉速度來進行加工。為了利用此刀具架20，使刀具2一側旋轉進行加工時的加工條件接近車床，則必須保持某種程度的旋轉速度並使刀具旋轉半徑Rt成為零。
圖10D是在從刀具架20一側觀察的坐標系(從圖4的箭頭B方向觀察)中表示對刀具2賦予初始偏置量時，從靜止狀態到旋轉速度最大的狀態。在靜止狀態下，刀具2的刀尖位於從旋轉中心軸4偏移了初始偏置量的位置T0 。當在該狀態下使旋轉台12旋轉時，離心力作用於第一配重6以及第二配重7等，而刀具的刀尖位置產生位移。令最大旋轉速度時的刀尖位置為T1 。此時，旋轉速度變化期間的刀具刀尖的軌跡成為連結T0 和T1 的直線。
在改變了旋轉速度時，為了存在刀具旋轉半徑Rt成為零的瞬間，需要旋轉中心5位於連結T0 和T1 的直線上。此外，為此，包含刀具2一側的樑14和配重6等的重心位置G的位置關係也重要，離心力從旋轉中心5朝該重心位置G的方向作用。實際上，刀尖朝向哪個方向運動還取決於是否為圖5那樣樑容易朝向哪個方向位移的結構，但基本上是朝向離心力的方向位移。因此，正確地安裝刀具2使T0 (旋轉台靜止時的刀具刀尖位置)位於從G點向旋轉中心延伸的線段之延長線上也是重要的。但是，實際上因為難以正確地調整刀具刀尖的位置，所以亦有種方法是對於偏移量進行修正加工(參照後述的圖21、圖22、圖23A、圖23B)。
如此，藉由使刀具刀尖的位置具有初始偏置量，在刀具刀尖位於旋轉中心5時能確保某個固定的旋轉速度，能夠接近於車床加工的加工條件。在圖10C中設為在最大旋轉速度時成為最大刀具旋轉半徑，但如果增加初始偏置量，則當然在接近停止狀態時(即在到達最大旋轉速度之前)成為最大刀具旋轉半徑。
圖11A至圖11C是從側方觀察圖10所示的具備兩根樑和兩條臂之刀具架(相當於圖4A、圖4B)，圖11A表示處於靜止狀態的刀具架，圖11B以及圖11C表示處於旋轉狀態的刀具架。將兩根樑14、15各自的一端固定在旋轉台12上，在另一端安裝配重6、7以及刀具2，所以這些樑14、15由旋轉速度所致的刀尖位置軌跡如圖12所示成為曲線。
在加工透鏡形狀時，旋轉的中心軸方向成為刀具的進刀方向，所以該曲線意指刀具的進刀量依據旋轉速度而變化。因此，如後所述(參照圖16)，為了進行精密的加工，必須考慮該進刀量來進行修正。
圖13A是本發明的加工機具的概要側面圖。在主軸30的中心上安裝有刀具架20，使工件22在Z軸上下移動來進行進刀控制。使主軸30的旋轉的軸向成為重力方向。這是因為刀具架20在結構上受到重力的影響。在刀具架20上附加了配重等重量物。只要配重在水平面內旋轉，無論在哪個旋轉相位重力對於配重始終為相同的朝向。對於樑的位移沒有影響。但是，當在垂直面進行旋轉時，對配重施加的重力的影響直接對樑的位移造成影響，所以不希望在垂直面的旋轉。主軸30與旋轉台12相同。
希望主軸是以正確轉速用來控制的電動機驅動。此外，希望主軸的軸承是在高速旋轉時也能順滑地驅動且發熱小的空氣軸承。依據主軸的配置不同，而有刀尖向上的配置和刀尖向下的配置，但是從容易排出工件22上的切削粉的觀點而言，希望如圖13A所示為刀具2的刀尖向上。但是，存在切削粉容易堆積在刀具架20一側的缺點，所以亦有些情況宜為刀具2的刀尖向下的配置。
因為刀具2的刀尖相對於工件22的位置由主軸30的旋轉速度和Z軸的位置決定，所以藉由連續同時控制主軸的旋轉速度和Z軸的位置，對於透鏡形狀等任意的旋轉物件形狀進行切削加工。就切削刀具而言，為了高精度地進行加工，希望是單結晶鑽石刀具。另外，在原理上還可以使用砂輪取代切削加工進行磨削加工。但是，因為只能安裝小型的砂輪，所以存在有砂輪損耗速度快的問題。
圖13B是控制加工機具的數值控制裝置的概要框圖。CPU41是整體控制數值控制裝置40的處理器。CPU41經由匯流排48而與ROM42、RAM43、對於各軸的伺服電動機進行驅動控制之各軸控制電路44、對於主軸(spindle)進行驅動控制之主軸控制電路46等進行信號的收發。CPU41經由匯流排48讀出在ROM42中儲存的系統程式，按照該讀出的系統程式，控制整個數值控制裝置。
各軸控制電路44接受來自CPU41的各軸的移動指令值和來自分別內置在各軸的伺服電動機50中的位置/速度檢測器的位置/速度回饋信號，進行位置/速度的回饋控制，向伺服放大器45輸出各軸的指令。伺服放大器45接收該指令，驅動加工機具的各軸(X軸、Y軸、Z軸)的各自的伺服電動機50。另外，在圖13B中，對於位置/速度的回饋省略了圖示。除了作為直線軸的X軸、Y軸、Z軸之外，還附加A軸和B軸作為5軸加工機構成加工機具。
此外，主軸控制電路46從CPU41取得主軸旋轉指令和來自用於檢測主軸30的旋轉速度的位置檢測器(未圖示)的速度回饋信號，對於速度進行回饋控制，向主軸放大器47輸出主軸速度信號。該主軸放大器47取得主軸速度信號，按照所指令的旋轉速度使主軸電動機51旋轉。
圖14表示使用圖13A以及圖13B所示的本發明的加工機具對凹面的透鏡形狀進行加工的例子。對於工件22在加工機具1的Z軸進行刀具2的進刀方向的控制。此外，藉由主軸30的旋轉速度控制刀具2的刀具旋轉半徑Rt。圖14表示加工凹面的透鏡形狀的例子，藉由控制加工機具1的Z軸32以及主軸30，還能加工凸面的透鏡形狀。
在採用本發明時，刀具2在工件22上的動作與圖27B所示的現有技術中的刀具2的運動幾乎相同，僅藉由主軸的旋轉速度實現了該螺旋狀的運動，因為刀具之朝向在原理上朝向加工方向，所以是非常簡便的方法，具有完全無須進行直線軸高速驅動之大優點。
圖15是描繪了主軸旋轉速度和刀具旋轉半徑的關係的圖例。如在圖10的實施方式中所說明，刀具2的刀具旋轉半徑Rt具有初始偏置量T0 。其初始偏置量T0 在圖15的曲線圖中約為2mm。
如圖15所示，在對半徑2mm以下的區域進行加工時，能夠選擇0~100rpm(從T0 到旋轉中心)的旋轉速度區域R1和100~140rpm(從旋轉中心到T2 ，T2 為與T0 相同旋轉半徑的刀尖位置)的旋轉速度區域R2這兩種。
但是，因為“能夠指定旋轉速度的解析度”=“能夠指定刀具旋轉半徑Rt的解析度”，所以依據圖15可知，使用旋轉速度區域R1(從T0 到旋轉中心)的低旋轉速度區域能夠指定解析度高的刀具旋轉半徑Rt，能夠進行更精密的刀尖位置控制。
此外，從加工條件的觀點而言，因為切削速度=刀具旋轉半徑Rt×旋轉速度，所以在提高旋轉速度時刀具旋轉半徑Rt減小的旋轉速度區域R1，其因為半徑的不同所導致的切削速度的變化，小於在提高旋轉速度時刀具旋轉半徑Rt也增加的旋轉速度區域R2。因此，從T0 到旋轉中心的低旋轉速度區域R1能夠以固定的加工條件進行加工。
圖16是描繪了主軸旋轉速度和刀具的軸向的位移的關係的圖例。由於刀具係固定在樑的一端，而樑的另一端固定於旋轉臺上，所以該刀具的刀尖的運動不會成為直線(參照圖11A~圖12)。在圖16的圖的描繪例中，表示在刀具旋轉速度為150rpm附近，刀具的軸向位移量(刀具朝工件進刀方向位移的量)成為最大。需要在加工程式上修正依據旋轉速度進刀量變化的量。
透鏡形狀等，一般係給定截面的形狀式，並依據該形狀公式導出刀具的座標來進行加工。在產生該加工程式時，依據圖15和圖16所示的描繪了主軸旋轉速度與刀具的位移的關係的圖求出近似式，依據該求出的近似式，將依據原本的形狀公式導出的刀具的座標X(=刀具旋轉半徑Rt)轉換成旋轉速度V，對刀具的進刀量Z施加修正Zc(=刀具的軸向的位移)。如此可以生成藉由(V，Z+Zc)表示原本的形狀公式的座標(X，Z)的加工程式。
圖17是說明刀具旋轉半徑相對於主軸的旋轉速度的關係和刀具的旋轉軸方向的位移相對於主軸的旋轉速度的測量方法的圖。藉由對平面工件進行試加工測量該工件可以容易地生成圖15以及圖16的描繪圖。當對於平面形狀的工件使轉速階段性地變化並每次賦予相同的進刀(加工機具的軸的運動)時，得到如圖17的同心圓狀加工痕跡。
圖18說明溝槽的低谷的位置和深度分別與各旋轉速度下的刀具旋轉半徑和刀具的軸向的位移對應。當使用三維測量器等測量圖17所示的工件的中心線D-D的形狀時，可以測量以旋轉中心軸4對稱的溝槽。在圖18中，溝槽23a和溝槽23i對應，溝槽23b和溝槽23h對應，溝槽23c和溝槽23g對應，溝槽23d和溝槽23f對應。作為該測量結果，各個溝槽的低谷的位置和深度分別與各旋轉速度下的刀具旋轉半徑和刀具的軸向的位移對應。
圖19A以及圖19B是說明藉由本發明的加工方法的一個方式，在平面形狀的工件22上加工多個透鏡陣列形狀的例圖。
進行該加工的加工機具1具備作為直動軸的X軸、Y軸以及Z軸，朝向Z軸方向安裝主軸。在藉由X軸和Y軸對工件22進行定位後，藉由同時控制Z軸的進刀和主軸旋轉速度，加工一個一個的透鏡形狀。如果是該加工方法，則可以使加工一個透鏡形狀的時間與旋削加工相同，還能正確地對透鏡間的距離進行定位。因此，能夠進行透鏡形狀的高速、高精度加工。
此外，該加工方法不需要高速驅動主軸以外的軸，所以如果能夠把上述的刀具架20安裝在主軸30上，則可以使一般的加工機具能夠容易地應對透鏡陣列形狀的高速、高精度的加工。
圖20A以及圖20B說明藉由本發明的加工方法的一個方式，在曲面形狀的工件22上加工多個透鏡陣列的例子。
進行該加工的加工機具是除了作為直線軸的X軸、Y軸、Z軸以外，還具備作為旋轉軸的A軸以及B軸的5軸加工機，並且在Z軸方向上配備主軸。該加工機具藉由配備兩個旋轉軸(A軸以及B軸)，能夠任意地改變刀具2或工件22的姿勢。如圖20A以及圖20B所示，能夠進行使各透鏡形狀的旋轉中心軸對於曲面的工件加工面而言始終朝向法線方向的加工。
圖21A以及圖21B說明在加工透鏡形狀的情形下，在改變旋轉速度時刀具刀尖必須描繪出通過旋轉中心軸的軌跡係為重要。如使用圖10所說明，在改變了旋轉速度時刀具刀尖必須通過旋轉中心。
在利用本發明的加工方法加工透鏡形狀的情況下，刀具刀尖未通過旋轉中心時，刀具旋轉半徑Rt不會成為零，所以在透鏡形狀的中央產生切削殘餘。該問題也在使用普通車床加工透鏡形狀時產生，需要正確地將刀具刃尖的位置調整到旋轉中心的作業，在這一點上本發明的加工方法亦為相同。
在本發明的方法中，為了細微地調整刀具的安裝，藉由手動來微調安裝位置。但是，在該手動的安裝位置微調整中，不一定能一次就讓調整結束。因此，期望有更加簡單的方法。在車床的加工中，如圖21B所示，依據與旋轉的工件22之間的位置關係不同，有些情況將會受到刀具2的背面(後刀面)所抵接。
另一方面，在使用本發明的刀具架20的加工中，如圖22所示，因為刀具2的朝向必定與加工方向一致，所以無論刀具2在哪個位置(旋轉的相位)也不會接觸後刀面。只要利用該特徵時，即能容易地去除切削殘留。
圖23A至圖23C說明去除透鏡形狀中心的切削殘留。圖23A表示藉由本發明的加工方法加工透鏡形狀，在中央部產生未切削部分的狀態。在加工透鏡形狀時，依據加工的原理，透鏡形狀的中心與刀具的旋轉中心軸一致。
然後，如圖23B所示執行去除切削殘留的步驟。可以移動機床的軸(在圖19A、圖19B中X軸方向以及Y軸方向的軸)來改變相對於刀具2的旋轉中心軸的、透鏡形狀的中心位置。因此，當以刀具旋轉半徑Rt成為最小的主軸旋轉速度在透鏡中央部使刀具2輕微地搖動時，能如圖23B去除中央的切削殘留。如圖21所示，因為以車床來進行相同的加工時，必定存在有以後刀面進行加工的瞬間，所以加工面將會紊亂，無法進行此種加工。
但是若能如圖20A以及圖20B所示的曲面工件加工來自由地改變刀具姿勢，就只要如圖23C所示，使刀具姿勢沿著透鏡形狀(控制刀具姿勢以使該刀具旋轉軸與曲線的法線方向一致)運動，即能縮小最終殘留的誤差。
本發明的刀具架20係以加工如透鏡形狀的旋轉對稱形狀和由多個此種旋轉對稱形狀排列而成的形狀為目的，使主軸的速度固定時，則刀具旋轉半徑Rt也固定，與普通銑削加工相同。因此，能以銑削加工來加工的形狀，就能夠藉由使用本發明之刀具架20的加工方法來進行加工。此外，如同使用圖23A至圖23C所說明，只要在刀具旋轉半徑Rt小的狀態下任意改變刀具姿勢，亦能加工出微小的曲面形狀。
圖24說明改變了刀具旋轉半徑的自由曲面的加工。在本發明的加工方法中，因為能夠改變刀具的旋轉半徑使其匹配於加工形狀，所以區分成刀具旋轉半徑必須為小直徑之情況和可以為大直徑之情況來使用，能進而提高加工效率。能夠在短時間內加工，即亦具有刀具與工件接觸的時間變短，抑制刀具磨損的優點。如此，本發明的加工方法不僅在加工透鏡陣列形狀方面有效，亦在高精度、高效率的自由曲面加工中有效。
在圖24中，在加工平緩面時，增加刀具2的旋轉速度，增加刀具旋轉半徑Rt而進行加工，在加工微小凹面時，降低刀具2的旋轉速度，減少刀具旋轉半徑Rt而進行加工。
1．．．加工機具
2．．．刀具
3．．．刀尖
4．．．旋轉中心軸
5．．．旋轉中心
6．．．配重(第一配重)
7．．．配重(第二配重)
8．．．第一彈簧
10．．．第二彈簧
12．．．旋轉台
14．．．第一樑
15．．．第二樑
16．．．第一臂
17．．．第二臂
18．．．螺栓孔
20．．．刀具架
22．．．工件
23a~23i．．．溝槽
30．．．主軸
32．．．Z軸
41．．．CPU
42．．．ROM
43．．．RAM
44．．．各軸控制電路
45．．．伺服放大器
46．．．主軸控制電路
47．．．主軸放大器
48．．．匯流排
50．．．伺服電動機
51．．．主軸電動機
Fc．．．離心力
G．．．重心位置
Rt．．．刀具旋轉半徑
R1、R2．．．旋轉速度區域
T0 、T1 ．．．位置
藉由參照附圖對實施例進行說明，本發明上述的以及其他的目的以及特徵將會變得明確。在這些附圖中：
圖1A以及圖1B說明本發明之具備彈簧的刀具架的一實施形態。
圖2A以及圖2B說明本發明之具備樑的刀具架的一實施形態。
圖3A以及圖3B說明本發明相對於旋轉中心軸對稱地具備兩根樑的結構之刀具架的一實施形態。
圖4A以及圖4B說明本發明具備兩根樑以及兩條臂之刀具架的一實施形態。
圖5說明具備在加工方向上特別具有剛性且在離心力方向上容易位移的兩根樑的刀具架的結構。
圖6說明本發明的使兩根樑成為一體的U字型結構的刀具架的一實施形態。
圖7A以及圖7B說明調整旋轉平衡的結構。
圖8A以及圖8B說明分別連結平行的兩根板狀樑成為兩組板彈簧結構之刀具架的一實施形態。
圖9A以及圖9B說明只要刀具的角度(姿勢)固定，即使對於將槽加工成同心圓狀的用途而言，亦能容易地加工出固定截面形狀的槽。
圖10A~圖10D是從刀具架的上方觀察具備兩根樑和兩條臂的刀具架的靜止狀態和旋轉狀態。
圖11A~圖11C是從刀具架的側面觀察具備兩根樑和兩條臂的刀具架的靜止狀態和旋轉狀態。
圖12說明改變了旋轉台的旋轉速度時的刀具的軌跡。
圖13A以及圖13B說明本發明的加工機具。
圖14說明在Z軸進行進刀方向的控制。
圖15是描繪主軸旋轉速度和刀具旋轉半徑的關係的圖的一例。
圖16是描繪主軸旋轉速度和刀具的軸方向的位移的關係的圖的一例。
圖17說明刀具旋轉半徑相對於主軸的旋轉速度的關係和相對於主軸的旋轉速度的刀具的旋轉軸方向的位移的測量方法。
圖18說明槽的低谷的位置和深度與各旋轉速度下的刀具旋轉半徑和刀具的軸向的位移對應的情況。
圖19A以及圖19B說明藉由本發明的加工方法，在平面工件上加工多個透鏡陣列形狀的例子。
圖20A以及圖20B說明利用本發明的加工方法，在曲面工件上加工多個透鏡陣列形狀的例子。
圖21A以及圖21B說明在加工透鏡形狀時改變旋轉速度時刀具刀尖必須描繪出通過旋轉中心軸的軌跡係為重要。
圖22說明在本發明的加工方法中，無論刀具位於哪個位置(旋轉相位)刀具的後刀面均不會接觸工件。
圖23A~圖23C說明去除透鏡形狀中央的切削殘餘的方法。
圖24說明改變刀具旋轉半徑的自由曲面的加工。
圖25說明藉由一般的端銑刀加工自由曲面。
圖26A~圖26B說明藉由一般的銑削加工加工透鏡陣列。
圖27A~圖27B說明改變刀具的角度並且描繪螺旋的軌跡來加工透鏡陣列之加工方法。
圖28A以及圖28B說明使刀具成形為匹配於透鏡的截面形狀之後對工件進行加工的加工方法。
圖29說明使刀具成形為匹配於透鏡的截面形狀之後對工件進行加工的其他加工方法。
2．．．刀具
3．．．刀尖
4．．．旋轉中心軸
6．．．配重(第一配重)
12．．．旋轉台
14．．．第一樑
Fc．．．離心力
Rt．．．刀具旋轉半徑

Claims (7)

  1. 一種刀具架，係固定刀具，其特徵在於，該刀具架具備受到繞旋轉中心軸旋轉時產生的離心力之作用會彈性變形之結構體，且其構成方式使得刀尖朝向該旋轉中心軸方向之該刀具的旋轉半徑在零到任意值之間變化；該刀具架的結構體包含受到該離心力之作用而分別朝相反方向彈性變形相同量的兩根樑，施加於這兩根樑上的離心力相互抵銷，即使該刀具架的旋轉速度改變亦保持旋轉的平衡；該刀具架的兩根樑係能將刀具安裝在一邊的樑上，並能在該刀具架的結構體上附加平衡配重的結構，該平衡配重用於調整包含安裝刀具之重量所致變化量在內的整個刀具架之旋轉平衡。
  2. 如申請專利範圍第1項之刀具架，其中，該刀具架的兩根樑分別連接著位於旋轉半徑較刀具架更大之位置的兩個配重，在旋轉時因為施加於這些配重上的離心力而使該刀具架的彈性變形增大。
  3. 如申請專利範圍第1項之刀具架，其中，該刀具架的結構體具備受到該離心力之作用而分別朝相反方向彈性變形的兩根樑，各根樑形成平行彈簧的形狀，在樑因為該離心力之作用而彈性變形時，這些樑之端面的角度相對於旋轉之軸保持固定。
  4. 如申請專利範圍第1項之刀具架，其中，在沿該旋轉中心軸的方向觀察刀具架的坐標系中，該刀具的刀尖的位置在靜止時位於從旋轉中心軸偏離了初始偏置量的第一位置上，在使該旋轉速度達於最大時刀具刀尖位於第二位置，並且該旋轉的中心位於該第一位置和第二位置所連結的線段上。
  5. 一種加工機具，其特徵在於，在主軸上配備如申請專利範圍第1項之刀具架，主軸的軸向係與重力方向一致，至少具備有能夠在主軸的軸向上移動的軸以作為直線軸，藉由控制該主軸的旋轉速度和該直線軸的位置，而切削加工任意的旋轉對稱形狀。
  6. 一種加工方法，其特徵在於，使用如申請專利範圍第5項之加工機具，並且預先測量好刀具旋轉半徑相對於該主軸的旋轉速度的關係和刀具的旋轉軸方向的位移相對於該主軸的旋轉速度的關係，對於利用該加工機具來加工的旋轉對稱形狀，在其半徑和高度的點群資料或形狀公式中，將半徑轉換成主軸的旋轉速度，將高度轉換成以該軸向位移修正後的該直線軸的位移量，而在此基礎之上產生加工程式。
  7. 一種透鏡陣列形狀的加工方法，其特徵在於，使用如申請專利範圍第6項的加工方法，利用該加工機具的直線軸或旋轉軸控制該刀具架的位置和姿勢，藉以在被加工物的平面或曲面上的任意位置加工多個該旋轉對稱形狀。
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