JPH02212036A - 工具微動補正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、工具微動補正装置に係り、詳しくは、切削加
工機の主軸のスラスト方向の振れ等に基づく機械誤差に
切削工具を追従させる工具微動補正装置に関する。

（従来の技術） 一般に、切削等の加工機には上述のような機械誤差が生
じ易く、高精度な加工品を得るためには、機械誤差を補
正するように工具を加工品に追従させながら加工を行う
必要がある。工具を加工品に追従させる装置としては工
具微動補正装置があり、工具は、例えば圧電素子からな
るアクチュエータにより駆動される。

従来のこの種の工具微動補正装置としては、例えばｒＡ
　Ｆａｓｔ　Ｒｅ５ｐｏｎｓｅ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ　Ａｃｔｕａｔｏｒｆｏｒ　５ｅｒｖｏ　Ｃｏｒ
ｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　Ｅｒｒ
ｏｒｓ　１ｎＰｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ
　Ｊ　　（Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＩＲＰＶｏ
ｌ、　３３／１／１９８４）に記載のものがある。

このものは、積層タイプの圧電素子からなるアクチュエ
ータを駆動源としており、該駆動源により工具ホルダと
ともに工具を微少変位させるものである。圧電素子は工
具微動補正装置の本体に設けられており、圧電素子の一
端側の変位は本体によって規制されて電圧印加により圧
電素子は他端側に伸長する。圧電素子の他端に当接する
工具ホルダは二箇所を一対のダイアフラムの内周部に支
持されており、一対のダイアフラムは所定の軸に沿って
同軸に組合わされ、本体に組付けられている。工具ホル
ダはダイアフラムに弾性案内支持、すなわちダイアフラ
ムの弾性により軸方向の付勢力を受けて圧電素子を押圧
するとともに、軸方向に案内されている。工具ホルダの
変位の位置決めを正確に行うため、一対のダイアフラみ
は高精度に作製され、さらに複雑な形状になっている。

圧電素子に電圧が印加されると、工具ホルダがダイアフ
ラムの付勢力に抗して駆動されて印加電圧に対応した変
位量だけ微少変位する。この圧電素子への印加電圧と工
具ホルダの変位量の相関から印加電圧を制御することに
よって、工具ホルダとともに工具を所望の位置に変位さ
せることができる。

すなわち、切削加工による、例えば端面切削において、
主軸回転時のスラスト方向の振れ誤差や送りテーブルの
真直度誤差といった機械誤差の大きさや誤差検出の周波
数に合わせて圧電素子への印加電圧を制御して工具を変
位させ、機械誤差を補正するようにしている。

ただし、加工の条件の変化、例えば加工機の主軸の最大
振れ量および上述の周波数の変化、あるいは要求される
印加電圧パルスに対する微少変位の分解能の変化がある
場合、ダイアフラムを弾性の異なるもの（厚さの異なる
もの）に交換して対処する。

なお、上述の工具微動補正装置の性能は、工具の最大変
位レンジ二６．５μｍ、分解能：ＩＯｎｍ、周波数応答
７５０Ｈｚ、剛性：３０ＯＮ／μｍであり、また工具の
変位量は差動トランスにより測定される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の工具微動補正装置にあ
っては、高精度で複雑な形状の一対のダイアフラムによ
って工具ホルダを弾性案内支持する構造となっていた。

このため、様々な要求、例えば加工機の主軸の振れ量お
よび周波数の変化あるいは要求分解能の変化に応じて、
ダイアフラムを交換する場合、これに対応するダイアフ
ラム自体の製作が困難であり、さらにダイアフラムの組
付は構造が複雑となって交換が容易にできないという不
具合があった。

（発明の目的） そこで本発明は、工具ホルダを弾性案内支持するダイア
フラムを単一にし、さらにダイアフラムを着脱自在に設
けることにより、ダイアフラム自体の構造およびダイア
フラムの本体への組付構造を簡単にして、ダイアフラム
の交換によって満たし得る様々な要求に、容易に対応で
きる工具微動補正装置を提供することを目的としている
。

（発明の構成） 本発明による工具微動補正装置は上記目的達成のため、
ワークを加工する工具と、本体に軸線に沿って摺動自在
に設けられ、軸線方向の一端に工具を把持する工具ホル
ダと、工具ホルダの他端に設けられるとともに電圧が印
加されて工具ホルダを介して工具を軸方向に駆動し、微
少変位させる圧電アクチュエータと、工具ホルダを支持
、案内するとともに弾性力によって工具ホルダを圧電ア
クチュエータに押圧するダイアフラムと、を備え、圧電
アクチュエータに印加する電圧を制御することによりワ
ークの軸線方向の微少な振れに追従して工具が微少変位
するようにした工具微動補正装置であって、前記ダイア
フラムが単一であり、かつ該ダイアフラムが着脱自在に
設けられたことを特徴とするものである。

以下、本発明の実施例に基づいて具体的に説明する。

第１図〜第１１図は本発明に係る工具微動補正装置の一
実施例を示す図である。

まず、構成を説明する。

第１図および第２図において、符号１は工具ホルダであ
り、工具ホルダ１はすべり軸受２を介して本実施例にお
ける工具微動補正装置３の本体４に軸線Ｘ−Ｘに沿って
摺動自在に設けられている。

また、符号５はワーク６を加工する工具であり、工具５
は工具ホルダｌの軸線Ｘ−Ｘ方向の一端に把持されてい
る。なお、本実施例においては、工具５は切削加工機の
主軸７に把持されて回転するワーク６の端面６ａを切削
加工するもので、例えばダイヤモンドツールからなり、
図示しない送りテーブルにより軸線Ｘ−Ｘ方向に送られ
るワーク６の送り速度は微少であり、このため工具５は
微少切込みによりワーク６の端面６ａを高精度で切削加
工するようになっている。工具ホルダｌの軸ＶＡｘ　−
ｘ方向の端面にはコネクタ８が固定され、さらにコネク
タ８には積層タイプの圧電アクチュエータ９の一端が接
着剤等により貼着され、圧電アクチュエータ９の他端は
一対のすべり板１０．１１のうち図中右側のすべり板１
０に同様に貼着されている。一方、符号１２はすべり軸
受の近傍でワーク６側に設けられたダイアフラムであり
、ダイアフラム１２は第３図（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、リング状で厚肉の外周部１２ａおよび外周部１２ａ
の内周に一体に形成された同様にリング状で薄肉の内周
部１２ｂからなり、内周部１２ｂは中心部に工具ホルダ
ｌが嵌挿される円形の透孔１２Ｃを有する。そして、ダ
イアフラムＩ２の外周部１２ａは第１図中本体４の右端
のフランジ部１３に形成された凹部１３ａに嵌挿され、
ボルト１４を介してフランジ部１３に固着される押え板
１５により本体４に固定される。同時に、内周部１２ｂ
の透孔１２ｃにはすべり軸受２からワーク６側に突出し
、工具５を把持する工具ホルダ１の把持部ｌａが嵌挿さ
れ、把持部１ａのすべり軸受２の近傍に形成された段差
部１ｂに内周部１２ｂが当接して工具ホルダ１が軸線Ｘ
−Ｘ方向に位置決めされ、さらに工具ホルダ１はすべり
軸受２とともにダイアフラム１２によって軸１１　ｘ　
−ｘに同軸に支持されている。なお、第３図（ａ）に示
すように、ダイアフラム１２の内周部１２ｂの肉厚をｔ
、内周部１２ｂの外径をＤＩ、また透孔１２Ｃの孔径を
Ｄ２とする。前述のように、圧電アクチュエータ９の他
端が貼着された一方のすべり板１０は他方のすべり板１
１とともに本体４の図中左端部に設けられた筒状部１６
に嵌挿され、さらにすべり板１１には筒状部１６の左端
に固着されたフランジ部１７を貫通して螺着される固定
ポル１−１８の先端が当接している。そして、固定ボル
ト１８を締め込むことにより、ダイアフラム１２によら
て位置決めさた工具ホルダｌのコネクタ８とすべり板ｌ
Ｏに挟持されて圧電アクチュエータ９が軸線Ｘ−Ｘ方向
に位置決めされる。なお、上述の固定ボルト１８、すべ
り仮ｔｏ、　１１圧電アクチユエータ９、コネクタ８、
工具ホルダｌおよびダイアフラム１２は軸線Ｘ−Ｘ上に
それぞれ同軸に配設されている。また、符号１９は圧電
アクチュエータ９を位置決めした固定ボルト１８の緩み
を防止するロンクナントであり、さらに一対のすべり仮
１０．１１は互いに軸ｖＡｘ　−ｘの回りに滑り合って
固定ボルト１８を締め込むときに固定ボルト１８の回転
が圧電アクチュエータ９に伝達されて脆性材料からなる
圧電アクチュエータ９が破損されないように配慮されて
いる。

上述の各要素によって構成された工具微動補正装置３の
圧電アクチュエータ９には電圧が印加されて軸線Ｘ−Ｘ
方向に微少変位を生じ、圧電アクチュエータ９の微少変
位によって工具ホルダ１がコネクタ８を介して駆動され
、工具ホルダ１に把持された工具５の刃先部５ａが軸線
Ｘ−Ｘに沿って圧電アクチュエータ９と同量の微少変位
を生じる。このとき、ダイアフラム１２は工具ホルダｌ
を支持してすべり軸受２とともに軸線Ｘ−Ｘ方向に幕内
し、さらに弾性力によって工具ホルダｌを常にコネクタ
８を介して圧電アクチュエータ９に押圧する。このため
、圧電アクチュエータ９の印加電圧が遮断されて圧電ア
クチュエータ９が原形に復帰すると工具５の刃先部５ａ
が当初の位置に後退し復帰することができる。すなわち
、圧電アクチュエータ９は従来例で示したように、工具
ホルダ１を弾性案内支持する機能を有し、また圧電アク
チュエータ９自体が引張り方向の強度が小さいため、ダ
イアフラム１２の弾性力によって圧電アクチュエータ９
が常に圧縮された状態に維持されている。そして、圧電
アクチュエータ９に印加する電圧を制御することにより
、例えば主軸７がワーり６を回転するときのスラスト方
向の微少な振れ、あるいはワーク６に送りを掛ける図示
しない送りテーブルの真直度誤差に基づくスラスト方向
の振れ等、切削加工機の機械誤差に起因するワーク６の
軸線Ｘ−Ｘ方向の微少な振れに追従して工具５を軸線Ｘ
−Ｘ方向に微少変位させることが可能である。また、符
号２０は工具５の軸ｇＸ−Ｘ上の微少変位を検出する差
動トランスであり、差動トランス２０は工具ホルダｌの
コネククｓ側に軸線Ｘ−Ｘに同軸に設けられたコイル２
１および先端部がコイル２１に同軸で嵌挿され、基端部
がサポートｍ材２２を介して本体４に固定されたコア２
３からなる。

なお、２４はサポート部材２２を本体４に固着するボル
トである。

第４図は、上述の切削加工機の機械誤差に起因して生じ
る第１図に示すワーク６の軸ＩＸ−Ｘ方向の漱少な振れ
に追従させて工具微動補正装置３に装着された工具５の
作動を制御する制御システムを示すブロック図である。

第４図において、符号３１はギャップセンサであり、ギ
ャップセンサ３１は検出端３２によって主軸７とともに
回転ずワーク６の端面６ａの軸線Ｘ−Ｘに沿った振れを
検出し、ＡＤ変換器３３にアナログ信号として出力する
。

方、符号３４はパルスカウンタであり、パルスカウンタ
３４は主軸７に設けられたエンコーダ３５の信号を受け
て、主軸７の所定回転角毎のパルス信号をＡＤ変換器３
３に出力する。ＡＤ変換器３３はギャップセンサ３１お
よびパルスカウンタ３４のアナログ信号をデジタル信号
に変換し、図示しないインターフェースを介してＣＰＵ
３６に出力する。ＣＰＵ３６は予め定められたプログラ
ムに基づいて主軸７の所定回転角毎の端面６ａの振れと
端面６ａの振れに対応した工具微動補正装置３の圧電ア
クチュエータ９への印加電圧値を演算し、該電圧を圧電
アクチュエータ９に出力する。この場合、印加電圧に対
する圧電アクチュエータ９の変位特性は、ダイアフラム
１２の形状寸法および物性の変更のない限り一定で、予
めＣＰＵ３６のメモリ中に記憶されており、これに基づ
いてＣＰＵ３６が端面６ａの振れに対応した圧電アクチ
ュエータ９の印加電圧値を的確に演算することが可能で
ある。さらに、上述の印加電圧に対する圧電アクチュエ
ータ９の変位特性にはヒステリシスがあり、このため、
第１図に示す差動トランス２０によって検出された実際
の工具ホルダｌ、すなわち工具５の刃先部５ａの変位量
が信号としてＡＤ変換器３３に出力され、該信号に基づ
きＣＰＵ３６内で圧電アクチュエータ９の印加電圧が補
正されるようになっている。なお、第４図中、符号３７
はＸ−Ｙプロッタであり、圧電アクチュエータ９に印加
された電圧値を時間軸に対比してプソロトし、制御シス
テム全体の作動が確認されるようになっている。また、
第４図に示す主軸７は、本発明の実施例として実際に使
用したエアスピンドルタイプのものである。

上述のように、印加電圧に対する圧電アクチュエータ９
の変位特性はダイアフラム１２の形状寸法および物性に
より一義的に決定されるが、本発明においては、単一の
ダイアフラム１２を用い、さらに物性を決定した後に、
チモシェンコの仮とシェルに関する材料力学上の理論に
基づいて第３図（ａ）におけるダイアフラム１２の形状
寸法、すなわち、ＤＩ　、Ｄ、およびｔを決定している
。これらの寸法のうち、特にダイアフラム１２の内周部
１２ｂの板厚ｔは工具ホルダｌの微少変位に対するばね
常数を決定する主要因子であり、主として板厚ｔを変更
することにより、工具微動補正装置３における工具ホル
ダｌ、すなわち工具５の刃先部５ａの最大ストローク、
第４図中ＣＰＵ３６によって圧！アクチュエータ９に印
加される電圧のパルス周波数に対応する変位系の剛性あ
るいは圧電アクチュエータ９の変位の分解能を変更する
ことが可能である。このため、ダイアフラム１２は押え
仮１５およびボルト１４よって本体４に着脱自在に設け
られており、板厚ｔの異なるダイアフラム１２と交換す
ることより、圧電アクチエエータ９の変位特性を容易に
変更し、各種の切削加工機の機械誤差に対応することが
可能である。

次に、作用を説明する。

第１図において、主軸７に把持されたワーク６が主軸７
とともに回転し、工具微動補正装置３に装着された工具
５によってワーク６の端面６ａが切削加工される。この
とき、第４図において、ワーク６の端面６ａの軸線Ｘ−
Ｘに沿った振れが検出端３２を介してギャップセンサ３
１により検出され、信号としてＡＤ変換器３３に出力さ
れ、同時にエンコーダ３５の信号を受けてパルスカウン
タ３４から主軸７の所定回転角毎のパルス信号がＡＤ変
換器３３に出力される。次いで、これらの信号がＡＤ変
換器３３によりデジタル信号に変換され、該信号がイン
ターフェースを介してＣＰＬＪ３６に出力される。

そして、ＣＰＵ３６で主軸７の所定回転角毎の圧電アク
チュエータ９への印加電圧値が演算されて第１図に示す
圧電アクチュエータ９に演算された電圧が印加される。

該印加電圧により圧電アクチュエータ９が軸線Ｘ−Ｘ方
向の変位を生じて工具５がコネクタ８、工具ホルダｌを
介して同量の変位を生し、これに伴い工具５の刃先部５
ａがワーク６の端面６ａの振れに追従して正確に端面６
ａを切削加工することができる。そして、主軸７を駆動
する切削加工機の変更により工具微動補正装置３には、
工具５の刃先部５ａの最大ストローク、圧電アクチュエ
ータ９に印加される電圧のパルス周波数に対応する変位
系の剛性あるいは圧電アクチュエータ９の変位の分解能
等が各種要求される。

この場合、これら要求を満足する各種形状のダイアフラ
ム１２を予め準備することにより対応が可能であり、し
かもダイアフラム１２が単一で、第３図に示すように簡
単な構造であり、さらにダイアフラム１２がポル）１４
、押え板１５の取付け、取外しによって本体４に着脱自
在であるため、極めて容易に交換が可能である。すなわ
ち、本実施例においては工具ホルダ１を弾性案内支持す
るダイアフラム１２を単一とし、さらに本体４に着脱自
在に設けているので２、ダイアフラム１２自体の構造お
よびダイアフラム１２の本体への組付構造を簡単にする
ことができる。したがって、切削加工機の変更に基づく
各種要求、例えば主軸７の振れ量、周波数の変化あるい
は要求分解能の変化に対応してダイアフラム１２を容易
に交換することができる。

ここで、本実施例における工具微動補正装置３に関し、
前述のような機械誤差に対する追従性を確認するために
実施された下記（ｉ）、（１１）に示す測定結果につき
説明する。

（ｉ）まず、加工機運動精度誤差に追従させるために、
本実施例の工具微動補正装置３を切削加工機でアルミ材
を切削する機械加工に適用して、第４図中ＣＰＵ３６か
ら工具微動補正装置３に指令値（圧電アクチュエータ９
への印加電圧に対応した予想される工具５の変位量）を
出力し、該指令値に対する実際の工具５の変位量および
アルミ材の切削面の面精度を測定した。使用したダイア
フラム１２の第３図（ａ）に示す外径ＤＩ　％孔径Ｄ２
および板厚ｔはそれぞれ４６ＩＩＩ１１．２４ｍｍおよ
び３ｎｕ＋である。

またダイアフラム１２のばね定数は１５Ｋｇｆ／μｍで
あり、工具５にはダイヤモンドツールを用いた。指令値
としてのダイアフラム１２への印加電圧の波形は基本波
形として三角波、正弦波および矩形波の三種類を用い、
三角波の測定結果を第５．６図に、正弦波の測定結果を
第７．８図に、矩形波の測定結果を第９．１０図それぞ
れに示す。第５．７．９図には指令値と実際の変位の測
定結果が示されているが、実際の変位が指令値によく追
従しているため、両者の線図はほぼ重り合っている。ま
た、第６．８．１０図には切削されたアルミ材断面の輪
郭を示している。いずれの場合も、工具の実際の変位は
指令値によく追従しており、アルミ材の切削面への転写
も良好であることが確認された。

（ｉｉ）次に、第４図に示す制御システムを含む工具微
動補正装置３の測定結果を示す。第１１図のグラフはこ
の測定結果を示しており、工具５が良く追従しているこ
とが確認された。なお、図中実線で示す指令値はギャッ
プセンサ３１による検出値を示す、また、この結果から
、０．１　μｍ以下の精度で追従が可能であることが分
かり、例えば０．７μｍ程度の振れ量のエアスピンドル
を用いて切削を行った場合でも０．１　μｍ以下の面精
度の切削加工面を得ることができる。

これらの測定結果から、本実施例における工具微動補正
装置３は、一対のダイアフラムを用いた従来の工具微動
補正装置と同様に良好な追従性を有していることが確認
された。

なお、本発明に係る工具微動補正装置は上述のような加
工機の機械誤差の補正に用いるだけでなく、切削加工等
における微小切込み装置の切込み量の調節装置として用
いても良く、また、単に微小変位の位置決め装置として
用いることも可能である。

（効果） 本発明によれば、工具ホルダを弾性案内支持するダイア
フラムを単一にするとともに本体に着脱自在に設けてい
るので、ダイアフラム自体の構造およびダイアフラムの
本体への組付構造を簡単にすることができる。

したがって、様々な要求、例えば加工機の主軸の振れ量
および周波数の変化や要求分解能の変化に対応してダイ
アフラムを簡単に交換することのできる工具微動補正装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１１図は本発明に係る工具微動補正装置の一
実施例を示す図であり、第１図はその正面断面図、第２
図は第１図のト」矢視図、第３図（ａ）はそのダイアフ
ラムの平面図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）におけるｂ
−ｂ矢視断面図、第４図はその制御システムのブロック
図、第５〜１０図はその追従性の測定結果を示すグラフ
、第１１図はその追従性の他の測定結果を示すグラフで
ある。 １・・・・・・工具ホルダ、 ３・・・・・・工具微動補正装置、 ４・・・・・・本体、 ５・・・・・・工具、 ６・・・・・・ワーク、 ９・・・・・・圧電アクチュエータ、 １２・・・・・・ダイアフラム、 Ｘ−Ｘ・・・・・・軸線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ワークを加工する工具と、本体に軸線に沿って摺動自在
   に設けられ、軸線方向の一端に工具を把持する工具ホル
   ダと、工具ホルダの他端に設けられるとともに電圧が印
   加されて工具ホルダを介して工具を軸方向に駆動し、微
   少変位させる圧電アクチュエータと、工具ホルダを支持
   、案内するとともに弾性力によって工具ホルダを圧電ア
   クチュエータに押圧するダイアフラムと、を備え、圧電
   アクチュエータに印加する電圧を制御することによりワ
   ークの軸線方向の微少な振れに追従して工具が微少変位
   するようにした工具微動補正装置であって、前記ダイア
   フラムが単一であり、かつ該ダイアフラムが着脱自在に
   設けられたことを特徴とする工具微動補正装置。