JPH0722876B2 - 研削用ワークテーブル装置 - Google Patents

研削用ワークテーブル装置

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JPH0722876B2
JPH0722876B2 JP62155340A JP15534087A JPH0722876B2 JP H0722876 B2 JPH0722876 B2 JP H0722876B2 JP 62155340 A JP62155340 A JP 62155340A JP 15534087 A JP15534087 A JP 15534087A JP H0722876 B2 JPH0722876 B2 JP H0722876B2
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work
vibration
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威雄 中川
清 鈴木
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は研削用ワークテーブル装置に関するものであ
る。
〔従来の技術とその問題点〕
ファインセラミックスなどの硬脆材料の加工法として、
超音波で代表される振動研削法が知られている。この方
法は通常の研削法のように工具を被削物に一定荷重で押
し付けるだけでなく、特開昭61−76261号公報のように
工具(磁石)を振動子のホーン先端に取付けるなどして
工具そのものに超音波振動を付加し、砥粒を被削物に衝
撃的に叩き込みながら脆性破壊を集積するものである。
しかしながら、この方法は、工具それ自体を加振するた
め、砥石の形状、寸法に制約が生じると共に、研削加工
法の自由度も少ない点、ある決められた周波数で砥石を
共振させなければならないため機構が複雑となり、振動
形態も限られ、設備も高価となるなどの問題があった。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は前記のような問題点を解消するために研究して
創案されたもので、その目的は、ファインセラミックス
などのワークを砥石の制限や加工法の制限なく、簡単に
しかも高能率、高精度で研削加工することができる研削
用ワークテーブル装置を提供することにある。
この目的を達成するため本発明は、工具側を加振して研
削を行うのではなく、ワーク側を加振して研削を行うよ
うにし、しかもそのワーク側の加振を多自由度で行える
ようにしたもので、その特徴とするところは、底壁とそ
の周りから立ち上がる囲壁を備え研削機械テーブルに据
付けられる枠体と、枠体内に配された被削物取付け用テ
ーブルと、一端が囲壁に固定され他端が被削物取付け用
テーブルのX方向の面に接触する複数組のX方向用の圧
電素子〜と、一端が囲壁に固定され他端が被削物取
付け用テーブルのY方向の面に接触するY方向用の複数
組の圧電素子〜と、一端が底壁に固定され他端が被
削物取付け用テーブルのZ方向の面に接触する複数組の
Z方向用の圧電素子〜と、外部に配され前記圧電素
子〜の作動を制御する装置を備え、圧電素子の作動
を制御する装置が、少なくともパワーアンプと、このパ
ワーアンプからの電圧を所望の圧電素子に割り当てると
共に圧電素子への電圧レベルを制御するコンピュータと
を有していることにある。
〔実 施 例〕
第1図ないし第5図は本発明による研削用ワークテーブ
ル装置の実施例を示している。第1図と第2図は装置本
体を例示しており、1は平面矩形状の枠体であり、NCテ
ーブルなどで代表される所望の研削機械テーブル2に据
付けられる。この枠体1は剛体で作られ、底壁10とその
まわりから立ち上る囲壁11を備えている。
3は前記枠体1の中央に配された被削物取付け用テーブ
ル(振動用テーブル)であり、固定手段30たとえばバイ
ス、マグネットチャック、真空チャックなどにより被削
物Wを着脱可能に固定するようになっている。
4は研削砥石であり、たとえば鋳鉄粉や鋳鉄ファイバな
どをボンドとするものからなっている。
〜は前記被削物取付け用テーブル3のX方向、Y方
向およびZ方向の各面にそれぞれ一端が接触するように
枠体1に配された複数組の圧電素子である。
前記圧電素子〜は、加振力が強く、かつ非共振点で
振動が可能なものが好適である。厚み方向に分担された
ウエハ状の圧電体セラミックスをその分担方向が互いに
対向するように積層した積層型のものは、小さい電圧よ
り大きな変位が得られ、早い応答性、反復再現性、温度
安定性などの面から有利である。
実施例においては、圧電素子〜は12個用いられ、X
方向用の圧電素子〜はそれぞれ2個ずつ互いに一定
の間隔をおいて囲壁11と振動用テーブル3間に配され、
Y方向用の圧電素子〜も同様な関係で配され、Z方
向の圧電素子〜は底壁10と被削物取付け用テーブル
3の下面間に互いに等間隔で配されている。
前記各圧電素子〜は片側が囲壁11または底壁10に接
着剤などにより強固に固定され、各圧電素子〜とで
それぞれペアをなす水平および垂直の各スプリング5,
5′により枠体1と被削物取付け用テーブル3が連結さ
れ、テーブルの安定した動きを得るようになっている。
また、各圧電素子〜の他側と被削物取付け用テーブ
ル3は、常に接触し合い、一定予圧で圧電素子が固定さ
れるよう、枠体1と被削物取付け用テーブル3の寸法を
規定するか、各スプリング5,5′の引張力が調整されて
いる。
なお、第1図と第2図は圧電素子単体を利用した場合で
あり、圧電素子〜がたとえばランジュバン型ピアゾ
スタックタイプ、すなわちウエハ状にスライスした圧電
素子をある枚数重ね、中心に設けた穴にボルトを通して
上下端を一定予圧で固定したタイプを利用するような場
合には、必ずしもスプリング類を用いる必要はない。す
なわち、この場合には、スタック状の圧電素子の両端を
枠体1と被削物取付け用テーブル3の双方に固定するこ
とができ、被削物取付け用テーブル3の変位は、圧電素
子の伸びと中心を通るボルトの弾性変形の釣合いにより
生ずることになるのである。
16は研削液の浸入、付着を防止するための防水手段であ
り、最も簡便には被削物取付け用テーブル3の周縁と枠
体1間に防水シート類を張設することで実現される。
第3図ないし第5図は、本発明における被削用ワークテ
ーブルの駆動・制御システムを例示している。第3図は
フィードバックなしの基本的な構成を示しており、加工
目的に応じて所望の圧電素子〜にそれぞれ同じかま
たは異なる電圧レベルで、かつ時間的に同時かまたは時
間差をおいて印加する機能を有している。
具体的には、パワーアンプ(バイポーラ電源)6と、こ
れらの供給電圧を圧力電素子〜に印加するための電
気回路を備えた制御ボックス7と、該制御ボックス7内
の電気回路のベース側にD/Aコンバータ回路を介して接
続され、所望のプログラム信号により供給電圧を所望の
圧電素子に割り当て、また電圧レベルを調整するマイク
ロコンピュータ(またはパーソナルコンピュータ)8を
備えており、さらに好ましくはパワーアンプ6の入力側
にファンクションジュネレータ9が接続されている。
ファンクションジュネレータ9を併用した場合、これに
よる周波数制御とマイクロコンピュータ8による電圧レ
ベルおよび大まかな周波数制御の組合せが可能になるた
め、被削物取付け用テーブルに対する制御信号のフレキ
シビリティを増大することができる。
第4図はフィードバック制御系を組込んだ構成を示すも
ので、枠体1の下部と研削機械テーブル2の間に、ロー
ドセルやキスラーなどの抵抗検出器12を介在させ、この
抵抗検出器10からの研削抵抗信号出力部をアンプ13を介
してマイクロコンピュータ8の入力ポートに接続したも
のである。
第5図は本発明を複合研削方式、たとえば放電研削や電
解研削に適用した実施例を示しており、研削砥石4とワ
ーク(W)に対する給電ブラシ14,14′のリード線をパ
ワーアンプ6に接続し、リード線間に研削砥石とワーク
間に印加する電圧の極性切換えスイッチ15を設けてい
る。図面中、17はクーラントノズルである。
〔実施例の作用〕
本発明は前記のような構成からなるので、電圧を印加し
ない状態では、被削取付け用テーブル3は各圧電素子
〜あるいはスプリング5,5′を介して枠体1内で3軸
方向を支持され、通常のワークテーブルとして機能す
る。従って、被削物取付け用テーブル3にワーク物Wを
取付け、研削砥石4を駆動し、これをワークWに所要の
荷重で押し付けつつ、研削機械テーブル2により枠体1
ごと移動させることにより通常の研削加工が行われる。
そして、パワーアンプ6の電圧をマイクロコンピュータ
8からの信号により圧電素子〜に選択的に印加すれ
ば、圧電素子〜はひずみ、このひずみが被削物取付
け用テーブル3に機械的に伝播されるため被削物取付け
用テーブル3が振動し、この結果ワークWも振動する。
この振動方向は、圧電素子〜どれに電圧を印加する
かにより自由に設定できる。すなわち、Z軸方向用の圧
電素子〜に印加すれば背分力方向の振動が得られ、
Y軸方向用の電圧素子〜に印加すれば主分力方向の
振動が得られ、X軸方向用の圧電素子〜に印加すれ
ば左右方向の振動が得られる。また、異種方向の圧電素
子に同時に印加すれば、2方向以上が複合した複雑な振
動が得られる。
さらに、本発明では各軸方向用の圧電素子がそれぞれ複
数個で1組となっているため、各組を構成する圧電素子
を同時に印加すれば並進振動が得られ、また、各組を構
成する圧電素子を時間差をおいて順次印加すれば、回転
振動を含む振動パターンを自在に形成できる。
また、上記の振動方向、振動パターンにおいて、圧電素
子の周波数を選定することで振動モードをたとえば厚み
縦振動から面接振動まで可変にすることができ、振動振
幅も印加電圧を調整することで自由に制御できる。
詳述すると、第1図と第2図で示す座標系において、各
圧電素子〜に印加する電圧極性と変位方向、回転方
向の関係は下記のようになる。
+X方向並進:+,+,−,− +Y方向並進:+,+,−,− +Z方向並進:+,+,+,+ X軸周り正回転:+,−,+,− Y軸周り正回転:+,+,−,− Z軸周り正回転:−,+,+,−,−,
+,+,− したがって、被削物取付け用テーブル3を(x,y,z)な
る座標に移動するには、各圧電子素子に対し、 x,x,−x,−x,y,y,−y,−y,z,z,
z,z に比例した電圧を印加すればよい。
また、被削物取付け用テーブル3を(θx,θy,θz)な
る回転をさせるには、 −θz,θz,θz,−θz,−θz,θz,θz,
−θz,θx+θy,−θx+θy,x−θy,−x−
θy に比例した電圧を印加すればよい。
そして、これらの並進と回転運動を複合させるには、 x−θz,x+θz,−x+θz,−x−θz,y−
θz, y+θz,−y+θz,−y−θz,z+θx+θy, z−θx+θy,z+θx−θy,z−θx−θy に比例した電圧を印加すればよい。
ただ、各圧電素子に印加する電圧は+〜−で振られるよ
りも+側にシフトさせて、シフト電圧を中心に振らせる
方が制御しやすく、また、圧電素子に予圧を与え易い点
からも好ましいといえる。その場合、シフト電圧Vsとす
れば、印加電圧は下記のようになる。
Vs+x−θz,Vs+x+θz,Vs−x+θz,Vs−x
−θz,Vs+y−θz,Vs+y+θz, Vs−y+θz,Vs−y−θz, Vs+z+θx+θy,Vs+z−θx+θy, Vs+z+θx−θy,Vs+z−θx−θy そこで、たとえば被削物取付け用テーブルをXY平面内の
楕円(長径A,短径B)軌道に沿って並進運動させる場合
には、時間の関数として、 x=Acoswt,y=Bsinwt(w=2π/T,Tは一周する周期)
なる電圧を印加すればよいことがわかる。従って、その
他(x,y,z,θx,θy,θz)を様々な時間の関数として与
えることにより圧電素子の変位の限界内であらゆる振動
パターンを創生することが可能となる。上記時間数たる
制御信号はマイクロコンピュータ8にソフトウエアとし
て構築することにより容易に創成することが可能であ
る。
さらに、ファンクションジュネレータ9を併用した場
合、これをの出力信号をDC一定レベルに固定し、マイク
ロコンピュータ8の信号を第6図のようにすれば、被削
物の取付け用テーブル3は前述したXY平面内の楕円軌道
を描くが、ここでさらにファクションジュネレータ9の
信号周波数や波形を変化させることにより、第7図
(a)(b)(c)に示すような複雑な波形を容易に得
ることが可能である。そのため、これらの複雑な波形に
より第8図のように被削取付け用テーブルを楕円軌道に
描かせつつ、その近傍で微少振動を行わせることが可能
である。
さらに、第4図のように抵抗検出器12を介在させれば、
フィードバック加工システムを容易に実現でき、研削中
の抵抗に応じて前記したフレキシブルな振動による対応
が可能となる。
すなわち、たとえば研削抵抗が大きくなると振動振幅が
増加するようにマイクロコンピュータ8にプログラミン
グすれば、抵抗による砥石やワークの逃げから生ずる削
り残し量を減少させることができる。また、切込み開始
時、あるいは終了時の抵抗変化を検出することにより、
積極的にワークのエッジの面取り加工を行うことも可能
であり、通常では起し易い硬脆材料のチッピングも防ぐ
ことができる。加工中の研削抵抗の変化はストレート型
砥石よりもカップ型砥石のような研削面積の変化する場
合に著しいため、本発明は特にカップ型砥石による面仕
上研削加工において効果的である。
また、第5図のように放電・電解研削加工と複合させた
場合には、被削物取付け用テーブル3の駆動用電源とし
てのパワーアンプ6を砥石〜ワーク間に印加する放電・
電解用の電源として兼用することが可能となる。そのた
め、何ら特別な電源ユニットを付加する必要がなく、設
備コスト、加工コストが節減される。そのうえ、被削物
取付け用テーブル3の変位を砥石〜ワーク間の放電・電
解発生の効果を周期させることも可能となり、通常では
実現できない相乗効果を期待することができる。
なお、この加工において砥石〜ワーク間に印加する電圧
の極性も図示のような極性切換えスイッチ15により容易
に切換えでき、マイクロコンピュータ8からの指令によ
る自動切換えも可能である。このため、ワーク側
(+)、砥石側(−)により、ワークの高能率除去を、
またワーク側(−)、砥石側(+)により砥石の高能率
ドレッシングを行える。また、被削物取付け用テーブル
3の複雑な制御にも拘らず、研削抵抗の低減が見られな
い場合に砥石〜ワーク間の印加電圧極性を自動切換えす
るよう予めプログラミングすることで、加工を中断せず
にインプロセスで自動ドレッシングを行うシーケンスを
構成できる。
なお、本発明は工具側の加振を不可とするものではな
く、この方法との併用も可能であることはいうまでもな
い。また、研削加工用の他、切削加工等のためのワーク
テーブルとしても用いることが可能である。
〔発明の効果〕 以上説明した本発明によるときには、底壁10とその周り
から立ち上がる囲壁11を備え研削機械テーブル2に据付
けられる枠体2と、枠体2内に配された被削物取付け用
テーブル3と、一端が囲壁11に固定され他端が被削物取
付け用テーブル3のX方向の面に接触する複数組のX方
向用の圧電素子〜と、一端が囲壁11に固定され他端
が被削物取付け用テーブル3のY方向面に接触するY方
向用の複数組の圧電素子〜と、一端が底壁10に固定
され他端が被削物取付け用テーブル3のZ方向の面に接
触する複数組のZ方向用の圧電素子〜と、外部に配
され前記圧電素子〜の作動を制御する装置を備え、
圧電素子の作動を制御する装置が、少なくともパワーア
ンプ6と、このパワーアンプ6からの電圧を所望の圧電
素子に割り当てると共に圧電素子への電圧レベルを制御
するコンピュータ8とを有しているため、次のようなす
ぐれた効果が得られる。
I.被削物取付け用テーブル3がバライティーに富んだ振
動を行えるため、工具を振動させるよりも被削物の微少
破砕が促進され、研削抵抗が減少するため、除去量が増
加し、研削を高能率化することができる。
II.振動により砥石のドレッシングが常時行われるた
め、砥石の目詰りを解除あるいは緩和することができ
る。
III.被削物の振動方向やパターンの自由度が高く、コン
トロールが容易であることと、砥石の形状や寸法に制約
がないことにより、高精度で複雑な形状の加工を行え
る。
IV.振動の自由度が高いため、砥石の切込み量を被削物
の材質に特有な塑性被壊領域に設定することが容易とな
り、研磨面に近い良好の研削面粗さを得ることができ
る。
V.砥石側の制約がないため、遊離砥粒を付加した研削加
工に適用すれば、被削物の振動により遊離砥粒の微少振
動が得られ、研削面の良好な研磨効果と砥石の適度なド
レッシング効果を期待することができ、放電加工を複合
した研削加工に適用すれば、被削物と砥石間の放電を効
果的に促進できると共に、放電が均一化するため、研削
面の放電による除去効果と砥石の適度なドレッシング効
果が期待できる。また、電解を複合させた研削加工に適
用すれば、振動により電解液の浸透および流動を促進す
るため、研削面の研磨効果ならびに砥石の適度なドレッ
シング効果が期待できる。
VI.構造が簡単で使用振動周波数も低周波でよいため、
小型で取扱いの容易なしかも安価な装置とすることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による研削用ワークテーブル装置の一実
施例を示す平面図、第2図は同じくその断面図、第3図
は本発明におけるテーブル駆動・制御系の一例を示す説
明図、第4図は他の駆動・制御系を示す説明図、第5図
は本発明を放電・電解研削と複合した実施例を示す説明
図、第6図は本発明におけるテーブル制御信号の一例を
示す線図、第7図(a)(b)(c)はファンクション
ジュネレータを用いた場合の信号波形を示す線図、第8
図は第7図(a)により得られたテーブル軌道を示す線
図である。 1……枠体、2……研削機械テーブル、3……駆動用テ
ーブル、〜……圧電素子、6……パワーアンプ、8
……マイクロコンピュータ、9……ファンクショジェネ
レータ、12……抵抗検出器

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】底壁10とその周りから立ち上がる囲壁11を
    備え研削機械テーブル2に据付けられる枠体1と、枠体
    1内に配された被削物取付け用テーブル3と、一端が囲
    壁11に固定され他端が被削物取付け用テーブル3のX方
    向の面に接触する複数組のX方向用の圧電素子〜
    と、一端が囲壁11に固定され他端が被削物取付け用テー
    ブル3のY方向の面に接触するY方向用の複数組の圧電
    素子〜と、一端が底壁10に固定され他端が被削物取
    付け用テーブル3のZ方向の面に接触する複数組のZ方
    向用の圧電力素子〜と、外部に配され前記圧電素子
    〜の作動を制御する装置を備え、圧電素子の作動を
    制御する装置が、少なくともパワーアンプ6と、このパ
    ワーアンプ6からの電圧を所望の圧電素子に割り当てる
    と共に圧電素子への電圧レベルを制御するコンピュータ
    8とを有していることを特徴とする研削用ワークテーブ
    ル装置。
  2. 【請求項2】パワーアンプ6がファンクションジェネレ
    ータ9で周波数制御するようになっているものを含む特
    許請求の範囲第1項記載の研削用ワークテーブル装置。
  3. 【請求項3】枠体1と研削機械テーブル2間に抵抗検出
    装置が介在され、フィードバック制御が行われるように
    なっているものを含む特許請求の範囲第1項記載の研削
    用ワークテーブル装置。
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