JPH0729258B2 - 高精度切削加工法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高精度切削加工法に関するものであり、特に
超精密な加工面を得るのに適した切削加工法に関するも
のである。

［従来の技術］ 非球面金属鏡等の光学部品の製造に用いられている超精
密ダイヤモンド旋削は、工具と工作物の相対位置関係が
きわめて正確に工作物被削面形状に転写される性質をも
ち、超精密な加工面を得るのに適している。この場合、
工具と工作物の相対位置関係を正確に制御することが、
高精度の加工面を得るための第１の条件である。

従来は、この条件を満たすために、旋盤の主要な構成要
素、即ち主軸と工具スライドの運動精度を高めることに
労力が注がれてきた。しかし、それらの要素の運動精度
の向上には多大の困難が伴うと同時に、旋盤を構成する
それ以外の要素、例えば、主軸から工具スライドに至る
間の機械構造あるいは工作物取付具等の熱変形や荷重に
よる変形を十分に小さくすることも、非常に困難であ
り、結果として、このような方法では、十分な精度で工
具と工作物の相対位置関係を制御することが、特に工作
物の寸法が大きい場合にきわめて難しい。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、工具と工作物の相対位置関係の制御精度即ち
加工形状精度を、機械各部の精度の積み上げによること
なく、工具と工作物の相対位置関係を直接検出しつつ加
工を進めることによって、簡単且つ容易に得ようとする
ものである。

また、本発明は、上述のように、工具と工作物の相対位
置関係を直接検出しつつ加工を進めるに当たり、工具と
工作物との間の方位変化の影響が大きい場合においても
適用できるようにした高精度切削加工法を得ようとする
ものである。

［問題点を解決するための手段、作用］ 上記課題を解決するため、本発明の高精度切削加工法
は、切削工具を用いた高精度加工面の切削において、工
具スライド上に、工具の切り込み量を微小に制御できる
工具台と、工具スライドと工作物既被削面との距離を計
測可能な二つの間隔を置いて配設された非接触変位計と
を設け、上記両変位計の出力信号に基いて工具スライド
と工作物回転軸との間の方位変化の影響を排除して工具
台を変位させ、予め設定した目的形状に沿う切削を行う
ように切り込み量を制御することを特徴とするものであ
る。

上記方法においては、工具による切削が、主軸回転中に
工具スライドを案内に沿って移動させることによって行
われ、この際、非接触変位計は既に切削の終った被削面
との間の距離を常に計測し、この変位計の出力信号に基
いて、予め設定した目的形状に沿う切削を行うように工
具台が位置制御される。

上記工具スライドは、運動中に工作物回転軸に対して傾
きを生じる可能性があるが、二つの非接触変位計により
既切削面と工具スライドとの距離を計測し、それらの変
位計の出力に基づいて距離の測定を行うので、簡単な手
段により工具スライドと工作物回転軸との間の方位変化
の影響が除去される。

このようにして切削加工を行うと、工具と工作物の相対
位置関係の制御精度、即ち加工形状精度を、機械各部の
精度の積み上げによることなく、工具と工作物との方位
変化を含む相対位置関係の直接的な検出により簡単且つ
容易に高めることができる。

［実施例］ 以下に、図面を参照して、本発明の高精度切削加工法を
実施するための切削加工装置の構成について説明する。

第１図は、本発明の前提になるところの、方位変化の影
響を考慮しない加工法旋盤による正面切削に適用した切
削加工装置の構成を示している。この切削加工装置にお
いては、旋盤の主軸１に工作物取付具２を介して工作物
３が取り付けられ、この工作物３は主軸１により工作物
回転軸3aのまわりに回転駆動される。一方、案内４に沿
って移動する工具スライド５には、切り込み量を微小に
制御できる微小変位工具台６、及び工具スライド５と工
作物被削面3bとの切込み方向の距離を測定できる非接触
変位計７が取付けられ、微小変位工具台６の先端には工
具８が取付けられている。

微小変位工具台６は、例えば第２図のような構造にする
ことができる。同図に示す微小変位工具台６は、剛性の
ある四つの辺部材11を四隅に位置する薄肉の弾性屈曲部
12において連結し、これらを弾性のある金属材で一体に
形成することにより弾性変形案内部材10を構成し、この
案内部材10上に工具８を固定すると共に、上下の辺部材
11,11からの凸部13,13間にそれらを平行移動させるため
の圧電素子14を設け、工具８の一端にその工具の変位を
検出するための非接触変位計15を対設している。従っ
て、上記圧電素子14への制御入力によって凸部13,13間
の間隔を変化させると、切込み方向に工具８の位置を制
御することができ、変位計15によってその位置を検出す
ることができる。

上記旋盤においては、工具８による切削が、主軸回転中
に工具スライド５を案内４に沿ってｘ方向に移動させる
ことによって行われる。この際、非接触変位計７は既に
切削の終った被削面3bに対向するように位置させ、切削
中に工作物既被削面との間の距離を常に計測させる。こ
の変位計７及び工具の変位量を検出する変位計15として
は、静電容量式、渦電流式、あるいは光学式等の変位計
を用いることができる。

上記微小変位工具台６及び非接触変位計７に接続されて
いる制御装置18は、非接触変位計７の出力信号に基づ
き、予め設定した目的形状に沿う切削を行うための切込
み量制御信号を発生させ、その制御信号により工具台６
を変位させて切り込み量の制御を行うもので、この制御
装置18においては次のような演算が行われる。

いま、時刻ｔにおける変位出力をｓ（ｔ）、工具台６へ
の制御入力、即ち工具台６の切込み量をｕ（ｔ）とし、
また、切削された工作物３の形状をｚ（ｘ）と表現す
る。ここに、ｘは中心から半径方向へ、ｚは厚み方向へ
とった座標である。

切削中、工具スライド５はｘの方向に一定速度ｖで運動
しており、時刻ｔに工具はｘ＝vtの位置にあるとする。
そして、工具スライド５は運動中に工作物回転軸3aに対
して傾き角の変化が生じないものと仮定すると、以下の
関係が成り立つ。

ｓ（ｔ）＝−ｚ（ｘ−ｖτ）＋ｚ（ｘ）＋ｕ（ｔ） …
（１） ここで、 （ｄは工具と変位計７のｘ方向の距離）である。

目標とする工作物３の形状をZ₀（ｘ）とし、制御量する
切り込み量ｕ（ｔ）を、 ｕ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｚ｛ｖ（ｔ−τ）｝−Z₀（ｘ）…
（２） とすれば、ｚ（ｘ）≡Z₀（ｘ）となり、主軸１や工具ス
ライド５の運動誤差、機械構造の変形等に起因する工具
８と工作物３間の相対位置関係の制御誤差とは無関係に
工作物形状を希望する値に一致させることができる。

但し、切削に際して、工作物３の形状ｚ（ｘ）は、予
め、−ｖτ≦ｘ≦０の区間で既知であることが必要であ
る。しかし、この短い区間においては、上述した制御を
行わない通常の方法によって切削を行っても、得られる
面形状に対する外乱の影響は十分に小さいと考えられる
ので、その切削面を形状の既知なる参照面とすることも
できる。この場合、上記参照面を第１次参照面とし、
（２）式の制御則に従って切削を行うことにより、０≦
ｘ≦ｖτの区間で得られる工作物３形状が確定できる。
このようにして得られた面を第２次参照面として、同様
の制御を行えば、次なる区間ｖτ≦ｘ≦2vτでも工作物
３形状が確定できる。

このようにして、形状の既知なる第１次参照面から出発
し、上記制御を行いながら切削加工を行うことにより、
主軸１の伸び縮み、機械構造の変形、工具スライド５の
蛇行等による、工具８と工作物３の望まざる相対位置関
係誤差の影響を受けることなく、広い面にわたって工作
物３形状ｚ（ｘ）を希望する値Z₀（ｘ）に一致させるこ
とができる。

次に、上述した装置等を用いて行った実験例について説
明する。

第４図は、アルミニウム合金の正面切削において、工具
スライフド５に工作物３から離間する方向の外力を作用
させて、機構構造に変形を与え、その結果生じた工具ス
ライドと工作物との間の距離変化が工作物３被削面形状
に及ぼす影響を示すものであり、従って上述した制御は
行っていない。なお、この実験では、図中に示すよう
に、被削面に0.2μm,0.5μｍ及び1.0μｍに相当する凸
部が形成される程度に機械構造に対し変形を与えてい
る。

一方、第５図は、上述の0.5μｍの場合について、上記
制御により被削面の変形が除去されている状態を示して
いる。

前述した第１図及び第２図の装置例における工具スライ
ド５は、運動中に工作物回転軸3aに対して傾きを生じる
可能性がある。また、主軸１には回転に伴って回転軸の
方位変化（アンギュラモーション）が存在し、これも工
具スライド５と工作物回転軸3aとの間の方位変化を招
く。そして、第１図の構成では、この方位変化と、工具
スライド５と工作物３の距離変化とを区別することがで
きない。

このような工具スライド５を工作物回転軸3aとの間の方
位変化の影響を排除するため、本発明の高精度切削加工
法を適用する加工装置においては、第３図に示すような
工具スライド25が用いられる。同図に示す工具スライド
25は、工作物23の既切削面と工具スライド25との距離を
測る二つの非接触変位計27a,27bを、工具28から二つの
異なる位置d₁，d₂に配置し、それらの変位計27a,27bの
出力に基づいて、工具スライド５と工作物回転軸3aとの
間の方位変化の影響を除去した距離の測定を行うように
しているが、その他の構成は第１図の装置例の場合と実
質的に同一である。

第３図の装置例における変位計27a,27bの出力をs
₁（ｔ），s₂（ｔ）、工具スライド25の傾き角をθとす
ると、 s₁（ｔ）＝ｕ（ｔ）＋ｚ（ｘ）−ｚ（ｘ−d₁）−d₁θ s₂（ｔ）＝ｕ（ｔ）＋ｚ（ｘ）−ｚ（ｘ−d₂）−d₂θ が成り立ち、これより、 を得る。

ここで、 とおけば、Ｚ（ｘ）≡Z₀（ｘ）となり、第１図の実施例
の場合と同様に、希望する形状の被削面が得られる。

以上に説明した高精度切削加工法は、旋盤による正面切
削を例にして説明したが、本発明はかかる正面研削に限
定されるものではなく、例えば円筒研削等においても同
様に適用することができる。

［発明の効果］ 以上に詳述したように、本発明の高精度切削加工法によ
れば、工具と工作物の相対位置関係の制御精度即ち加工
精度を、機械各部の精度の積み上げによることなく、工
具と工作物の相対位置関係を直接検出しつつ加工を進め
ることによって、簡単且つ容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提となる方位変化の影響を考慮しな
い高精度切削加工法を実施する装置の構成図、第２図は
上記装置における微小変位工具台の側面図、第３図は工
具スライドと工作物回転軸との間の方位変化に対応でき
るようにした本発明を実施する装置例の要部構成図、第
４図及び第５図は第１図及び第２図の装置による実験の
結果を示す線図である。 3,23……工作物、5,25……工具スライド、６……工具
台、7,27a,27b……変位計、8,28……工具、18……制御
装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】切削工具を用いた高精度加工面の切削にお
   いて、工具スライド上に、工具の切り込み量を微小に制
   御できる工具台と、工具スライドと工作物既被削面との
   距離を計測可能な二つの間隔を置いて配設された非接触
   変位計とを設け、上記両変位計の出力信号に基いて工具
   スライドと工作物回転軸との間の方位変化の影響を排除
   して工具台を変位させ、予め設定した目的形状に沿う切
   削を行うように切り込み量を制御することを特徴とする
   高精度切削加工法。