JPH10109259A

JPH10109259A - 曲面加工装置

Info

Publication number: JPH10109259A
Application number: JP8280089A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Sakae; 英利寒河江
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】自由曲面の鏡面仕上げ加工において、ポリシ
ャ材質として簡単に入手可能な汎用の発泡ウレタン等を
用いた場合でも、うねりの除去を容易に可能とする加工
装置を提供する。【解決手段】工具軌跡２′をＮＣ制御にて発生させつ
つ、所定の加工圧力で工具１を被加工面２に押しつけ
る。工具１の押しつけ力はセンサ３によって検出され、
目標圧力を追従するようにフィードバック制御がなされ
る。加工面２上をＮＣプログラムに沿って工具がトラバ
ースされると、加工面上に残っているうねりの振幅によ
って、切り込み量が変動し、結果として加工圧を変動さ
せる外乱として作用する。加工圧は、センサ３によって
検出されフィードバック制御によって所定の加工圧を追
従する。この工具の追従性をコントロールして、加工面
上のうねりの凸部を選択的に強く除去加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曲面形状を光学部
品として使用可能な鏡面に仕上げる加工技術、特に、工
具の移動制御をする装置にかかわり、加工対象物として
は、例えば、レンズ，ミラーおよびその金型があげられ
るが、光学部品以外でも磨き仕上げを必要とする金型の
加工において、表面の微小なうねりをとることができ高
品質な仕上げ面を得ることができるものである。

【０００２】

【従来の技術】曲面金型の鏡面仕上げには、弾性変形が
しやすく、被研磨面になじみやすい低弾性係数の工具を
ポリシャとして用いる工法が実用化されている。これら
のポリシャは、通常、ダイヤモンドパウダーやシリカな
どの遊離砥粒との組み合わせで研磨加工に用いられる。
このような弾性工具を用いた研磨で高い形状精度を確保
するためには、特開昭６１−２６５２５７号公報に開示
されているように、工具の押しつけ力を一定に保つよう
な、定圧研磨様式が多くの場合用いられている。この
「定圧」を維持するための機構として、上記特開昭６１
−２６５２５７号公報の他、特開平２−１３１８５１号
公報，特開平６−１２６６０７号公報等が挙げられる。

【０００３】しかしながら、弾性ポリシャを用いた仕上
げでは、ポリシャが柔らかいゆえに、前加工で形成され
た微小なうねりがとりにくく問題となっている。これを
解決するために、ポリシャ材質として粘弾性特性を厳密
に調整したピッチを用いたり、特開平４−２５６５６２
号公報に開示されるように工具形状を工夫してうねりの
周期に対して、ポリシャの接触長が十分とれるような工
夫がされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとき発明をも
ってしても、自由曲面金型を磨く上では、以下の問題点
が生じてくる。工具の材質調整には、粘弾性特性が温度
に非常に敏感であることにより、熟練作業者による管理
技術が必要であり、加工熱の除去にも厳密な配慮が必要
となってくる。また、工具形状を工夫して接触長さを稼
ぐ方法では、凹面と凸面が混在するような自由曲面で
は、接触点での工具の弾性変形分以上の接触長さを稼ぐ
のは困難となってくる。

【０００５】本発明は、上記のごとき問題に鑑みて、自
由曲面の鏡面仕上げ加工において、ポリシャ材質として
簡単に入手可能な汎用の発泡ウレタン等を用いた場合で
も、うねりの除去を容易に可能とする加工装置を提供す
るものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、曲面
を仕上げ加工する加工機において、工具が前加工面に沿
って移動するならい動作と、これとは別途にＮＣ制御に
よって仕上げ形状に沿った工具軌跡を発生できる機能を
兼ね備え、前記ならい動作はその応答速度を調整可能で
あることを特徴とするものである。

【０００７】請求項２の発明は、曲面を仕上げ加工する
加工機において、工具が前加工面に沿って移動するなら
い動作と、これとは別途に揺動アームまたはカム機構に
よって仕上げ形状に沿った工具軌跡を発生できる機能を
兼ね備え、前記ならい動作はその応答速度を調整可能で
あることを特徴とするものである。

【０００８】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記ならい動作をする機構は、弾性変形可能
なバネ性部材と工具の切り込み方向の移動速度に比例し
た制動力を発生する粘性素子を１つ以上含み、これらの
弾性係数と粘性制動係数が可変であることを特徴とする
ものである。

【０００９】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記ならい動作をする機構は、加工中におい
て工具押しつけ力をインプロセスでセンシングし、ここ
で検出された工具押しつけ力にもとずき、加工形状に対
するならい動作を行うことを特徴とするものである。

【００１０】請求項５の発明は、請求項１又は２の発明
において、加工機により発生された工具軌跡によって加
工面に沿って工具を移動させた際に、切り込み方向の工
具変位をインプロセスで検出し、この工具変位にもとず
き、前記ならい動作を行うことを特徴とするものであ
る。

【００１１】請求項６の発明は、請求項４又は５の発明
において、前記ならい動作は、その応答性を調節可能で
あり、ならいの追従遅れに起因した切り込み増大動作
と、特定の場所で積極的に切り込み量を変化させる機能
を持つことを特徴とするものである。

【００１２】請求項７の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記ならい動作をする機構は、伸縮可能のア
クチュエータを介して工具を切り込み方向に移動する機
構であって、前記アクチュエータとしてピエゾ素子を用
いたことを特徴とするものである。

【００１３】請求項８の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記ならい動作をする機構は、伸縮可能のア
クチュエータを介して工具を切り込み方向に移動する機
構であって、前記アクチュエータとして油圧または空圧
で駆動されるシリンダを用いることを特徴とするもので
ある。

【００１４】請求項９の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記工具を、発泡ウレタン等の弾性部材にダ
イヤモンド等の砥粒を供給して研磨加工を行う研磨工具
と、加工形状に沿って移動させて研磨加工を行うことを
特徴とするものである。

【００１５】請求項１０の発明は、請求項１又は２の発
明において、前記工具を、ダイヤモンド，ＧＣ砥粒等の
砥石工具とし、この砥石を回転または非回転の状態に
て、加工形状に沿って砥石を移動させて研削加工を行う
ことを特徴とするものである。

【００１６】請求項１１の発明は、請求項１又は２の発
明において、前記工具を、ダイヤモンド等の硬質材料か
らなるバイトとし、加工形状に沿って該バイトを移動さ
せ切削加工を行うことを特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明は、ならい動作を基本とす
る加工装置で、従来技術と同様に基本的には定圧制御に
よってポリッシュ加工を行うものであるが、ＮＣ制御に
よって工具軌跡を発生させている点が大きな違いがあ
る。図１は、工具の移動制御の概念図で、説明の簡略化
のためにポリシャは、図中では、三角形のバイト形状で
示している。

【００１８】図１において、１は工具、２は被加工面
（加工前形状）、２′は追従遅れを持たせた工具軌跡、
３は圧力センサ、４は伸縮アクチュエータ（ピエゾ素
子）で、工具軌跡２′をＮＣ制御にて発生させつつ、所
定の加工圧力で工具１を被加工面２に押しつける。この
際、工具１の押しつけ力はセンサ３によって検出され、
目標圧力に追従するようにフィードバック制御がなされ
ている。加工面上をＮＣプログラムに沿って工具がトラ
バースされると、加工面上に残っているうねりの振幅に
よって、切り込み量が変動し、結果として加工圧を変動
させる外乱として作用する。加工圧は、センサ３によっ
て検出されフィードバック制御によって所定の加工圧を
追従する。

【００１９】本発明では、この工具の追従性をコントロ
ールして、加工面上のうねりの凸部を選択的に強く除去
加工することを特徴としている。言い換えると狙いの加
工形状の形状ラインに対しては追従し、除去したいうね
りの周期に対しては追従遅れをするような制御動作で加
工を進行する。また、さらに積極的にうねり除去をはか
る場合は、制御動作を調整することで追従遅れによる工
具圧の増大に加えて、それを積極的に増幅させて付与す
ることも可能である。

【００２０】図２は、本加工装置を用いてうねりを除去
した加工例で、図２（Ａ）の２ａは加工前、図２（Ｂ）
の２ｂは加工後、２₀は理想の加工形状を示し、図示の
ように加工後の形状２ｂは、理想形状２₀からのズレを
生じているものの、形状ラインに対して十分高い周期の
うねりが除去されていることが見て取れる。

【００２１】図３は、制御系の構成図で、以下、制御信
号の流れを追って説明する。設定加工圧の値がピエゾ駆
動アンプ５に送られる。定圧加工であればこれは一定の
値でよいが、工具の接触面積や接触角が変動して問題と
なる際には、工具の位置座標に応じて変化した値をとる
ことも可能である。設定加工圧値にもとずきピエゾ駆動
アンプ５は、ピエゾ素子４を駆動するための電圧を供給
する。これによってピエゾ素子４は、伸縮動作を行い目
標の加工圧を発生する。発生した加工圧は、加工面のう
ねりによる外乱６も含めて圧力センサ３によって検知さ
れ、この圧力値が追従性調整器７を介してフィードバッ
クされる。この調整器７により、除去したいうねりの周
期や選択的に除去したい部分での圧力増加の度合いが設
定可能となる。

【００２２】図４は、本発明の制御を行うための研磨ヘ
ッドの概念図で、工具１の支持部は質量要素８，粘性制
動要素９およびバネ要素１０から構成される。これは、
以下に説明する実施例においては、質量要素８が工具１
および工具保持部材の重量に相当し、粘性制動要素９並
びにバネ要素１０は、圧力センサ３とピエゾ素子４を連
結した状態での合成の剛性，粘性係数に相当する。よっ
て、質量要素８は工具と保持部材の設計において調整が
可能であり、粘性要素９およびバネ要素１０は、ピエゾ
素子４の駆動制御方式を調整することで、見かけの大き
さを変化させることが可能である。本発明では、これら
の三要素を調整することで、基本的には定圧維持の加工
において、加工面上のうねりの凸部を選択的に強く除去
加工するものである。

【００２３】〔実施例１〕図５は、本発明の研磨ヘッド
部の実施例１を示す図で、この実施例は、切り込み駆動
用のピエゾ素子４と圧力センサ３を直列に配したもので
ある。工具圧を直接検知した制御が可能となる。

【００２４】〔実施例２〕図６は、本発明の研磨ヘッド
部の実施例２を示す図で、この実施例は、実施例１の圧
力センサの代わりに変位センサ１１を用いたものであ
る。この構成にした場合、変位センサ１１のプローブ圧
は十分低いため、制御系の中に圧力センサのバネ常数と
粘性係数を考えなくてすむ。そのため、制御系の調整が
容易になり、また、ピエゾ素子に対してセンサを並列に
組み込めるため、コンパクト化が容易になる利点があ
る。

【００２５】〔実施例３〕図７は、本発明の研磨ヘッド
部の実施例３を示す図で、この実施例は、実施例２の変
位センサ１１の配置を変えたものである。実施例２の場
合、加工圧の変動が小さくかつピエゾ素子のバネ常数が
大きすぎる場合、変位センサにとどくうねりの外乱は微
弱となり検知が難しくなる。これを改善するために、工
具の支持剛性，粘性係数の調整をピエゾ素子４とは別途
独立して調整できる構成としたものである。

【００２６】〔実施例４〕図８は、本発明の研磨ヘッド
部の実施例４を示す図である。実施例２と３では、工具
を介して加工面のうねりを変位として取り込もうとする
ものである。しかしながら、工具に弾性工具を用いてそ
の弾性係数が十分に低い場合には、加工うねりによる工
具変位が接触部位の工具変形として吸収されてしまうた
め、うねりの検知が難しくなってくる。これを改善する
ために、工具１の支持系とは独立して、加工面２のうね
りを非接触センサ１２で取り込む方式としたものであ
る。

【００２７】すなわち、工具１の方向において、工具１
より前方に非接触変位センサ１２を配置して、あらかじ
めうねり形状を取り込んでおき、この波形に対して工具
１を加圧制御するものである。この変位センサ１２は非
接触タイプに限定されるものではなく、接触式変位セン
サも適用可能である。

【００２８】〔実施例５〕図９は、本発明による研磨ヘ
ッド部の実施例５を示す図で、この実施例は、自由曲面
のような凹面と凸面の混在した面２を加工できるように
球状工具１３を用いたものである。工具１３を支持する
研磨ヘッド部は先に示した実施例１〜４のいずれをも使
用可能であるが、図９に示すように、工具接触角や接触
面積が加工面の場所によって変動する場合には、それを
考慮して加工圧の目標値を場所に応じて変動させる必要
が生ずる場合もある。

【００２９】〔実施例６〕図１０は、本発明による研磨
ヘッド部の実施例６を示す図（図１０（Ａ）は正面図、
図１０（Ｂ）は側面図）、図１１は加工の実施例を示す
図で、同文例はタイヤ工具１４を用いてトロイダル形状
１５を研磨しているものである。工具１４の軌跡Ｒが一
つの円弧で表せる場合には、基本となるツールパスは図
１１に示すように点ｐを中心とした揺動で発生できるた
め、ＮＣによるツールパス制御は不要となる。よって、
加工装置は簡略化でき、ＮＣ制御に起因する誤差などが
入らないため加工精度の向上にもつながる。

【００３０】

【発明の効果】

請求項１の発明：曲面を仕上げ加工する加工機におい
て、工具が前加工面に沿って移動するならい動作と、こ
れとは別途にＮＣ制御によって仕上げ形状に沿った工具
軌跡を発生できる機能を兼ね備え、前記ならい動作はそ
の応答速度を調整可能であることを特徴としたもので、
ならい動作と別途に工具軌跡を発生できる機能をもつこ
とにより、理想形状に対する加工面のうねりを検出する
ことが可能となる。また、工具移動はＮＣ制御で行われ
るため、任意形状の軌跡を発生可能であり自由曲面の加
工への対応が容易である。

【００３１】請求項２の発明：曲面を仕上げ加工する加
工機において、工具が前加工面に沿って移動するならい
動作と、これとは別途に揺動アームまたはカム機構によ
って仕上げ形状に沿った工具軌跡を発生できる機能を兼
ね備え、前記ならい動作はその応答速度を調整可能であ
ることを特徴としたもので、請求項１の発明と同様に、
理想形状に対する加工面のうねりを検出することが可能
となる。また、工具軌跡はカムや軸受けなどの機械要素
により生成されるため、ＮＣ制御装置は不要となる。よ
って、加工装置は簡略化でき、ＮＣ制御に起因する誤差
などが入らないため加工精度向上にもつながる。

【００３２】請求項３の発明：請求項１又は２の発明に
おいて、前記ならい動作をする機構は、弾性変形可能な
バネ性部材と工具の切り込み方向の移動速度に比例した
制動力を発生する粘性素子を１つ以上含み、これらの弾
性係数と粘性制動係数を可変であることを特徴としたも
ので、バネ性部材のバネ常数と制動要素の粘性係数を調
整することが可能であるため、加工面状のうねりに対す
る追従性を調節可能となり、特定の周波数のうねり除去
が可能となる。

【００３３】請求項４の発明：請求項１又は２の発明に
おいて、前記ならい動作をする機構は、加工中において
工具押しつけ力をインプロセスでセンシングし、ここで
検出された工具押しつけ力にもとずき、加工形状に対す
るならい動作を行うことを特徴としたもので、インプロ
セスで加工力を検出し、うねり除去を行うため実加工に
おけるならい動作の追従性の良否が容易に把握でき、そ
の調整も厳密に行うことができる。インプロセスで検出
しないと、追従性が制御系の設定通りに動作しているか
は、加工面のうねりの減少量で判断するしかない。

【００３４】請求項５の発明：請求項１又は２の発明に
おいて、加工機により発生された工具軌跡によって加工
面に沿って工具を移動させた際に、切り込み方向の工具
変位をインプロセスで検出し、この工具変位にもとず
き、前記ならい動作を行うことを特徴としたもので、工
具がバイトのような切削工具の場合、工具軌跡がほぼそ
のまま加工面に転写されるため、加工面のうねりの変化
量として取り込んだ方が、うねり除去の切り込み動作の
工具制御に直接対応するため、感度も高く高精度加工が
可能となる。インプロセスで変位を取り込む意義は、請
求項４の発明と同様である。

【００３５】請求項６の発明：請求項４又は５の発明に
おいて、前記ならい動作は、その応答性を調節可能であ
り、ならいの追従遅れに起因した切り込み増大動作と、
特定の場所で積極的に切り込み量を変化させる機能を持
つことを特徴としたもので、図９に示した実施例５のよ
うに、工具接触角や接触面積が加工面の場所によって変
動する場合には、場所に応じて工具押しつけ力を変位さ
せる必要があり、工具の位置情報にもとずいて積極的に
切り込み動作を行える機能が必要である。

【００３６】請求項７の発明：請求項１又は２の発明に
おいて、前記ならい動作をする機構は、伸縮可能のアク
チュエータを介して工具を切り込み方向に移動する機構
であって、前記アクチュエータとしてピエゾ素子を用い
たことを特徴としたもので、ピエゾ素子を用いる切り込
み動作の周波数帯域が広くとれ、より自由度の高いなら
い動作制御が可能となる。また、素子自体がコンパクト
であり、研磨ヘッドのコンパクト化，設定自由度の増大
になる。

【００３７】請求項８の発明：請求項１又は２の発明に
おいて、前記ならい動作をする機構は、伸縮可能のアク
チュエータを介して工具を切り込み方向に移動する機構
であって、前記アクチュエータとして油圧または空圧で
駆動されるシリンダを用いることを特徴としたもので、
油圧または空圧シリンダを用いることで、ならい動作の
ストロークが圧電素子などに比べて大きくとれる。ワー
クチャック時の位置決め誤差が大きい場合やＮＣ加工機
の制御精度が悪いときなど、ならい動作に大きなストロ
ークを要する場合などに有効である。また、送りねじ機
構に比べ、バックラッシュなどがなく、なめらかななら
い動作が実現可能である。

【００３８】請求項９の発明：請求項１又は２の発明に
おいて、前記工具を、発泡ウレタン等の弾性部材にダイ
ヤモンド等の砥粒を供給して研磨加工を行う研磨工具
と、加工形状に沿って移動させて研磨加工を行うことを
特徴としたもので、加工機に弾性体研磨工具を用いるこ
とにより、曲面の鏡面仕上げ加工が可能となり、従来問
題とさされてきたうねり除去も短時間で容易に可能とな
る。

【００３９】請求項１０の発明：請求項１又は２の発明
において、前記工具を、ダイヤモンド，ＧＣ砥粒等の砥
石工具とし、この砥石を回転または非回転の状態にて、
加工形状に沿って砥石を移動させて研削加工を行うこと
を特徴としたもので、加工機に砥石工具を用いることに
より、曲面の鏡面研削加工が可能となり、従来問題とさ
されてきたうねり除去も短時間で容易に可能となる。

【００４０】請求項１１の発明：請求項１又は２の発明
において、前記工具を、ダイヤモンド等の硬質材料から
なるバイトとし、加工形状に沿って該バイトを移動させ
研削加工を行うことを特徴としたもので、加工機に精密
なバイト工具を用いることにより、曲面の鏡面切削加工
が可能となり、従来問題とさされてきたうねり除去も短
時間で容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】工具の移動制御の概念図（応答性を調整した
ならい加工によるうねり除去の概念図）である。

【図２】本発明による加工装置を用いてうねりを除去
した加工例を示す図である。

【図３】制御系の構成図である。

【図４】本発明の制御を行うための研磨ヘッドの概念
図である。

【図５】本発明の研磨ヘッド部の実施例１を示す図で
ある。

【図６】本発明の研磨ヘッド部の実施例２を示す図で
ある。

【図７】本発明の研磨ヘッド部の実施例３を示す図で
ある。

【図８】本発明の研磨ヘッド部の実施例４を示す図で
ある。

【図９】本発明による研磨ヘッド部の実施例５を示す
図である。

【図１０】本発明による研磨ヘッド部の実施例６を示
す図である。

【図１１】図１０に示した研磨ヘッド部を用いての加
工の実施例である。

【符号の説明】

１…工具、２…被加工面、３…圧力センサ、４…ピエゾ
素子、５…ピエゾ駆動アンプ、６…うねり（外乱）、７
…追従性調整器、８…質量要素、９…粘性制動要素、１
０…バネ要素、１１…変位センサ、１２…非接触変位セ
ンサ、１３…球状研磨工具、１４…タイヤ状研磨工具。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】曲面を仕上げ加工する加工機において、
工具が前加工面に沿って移動するならい動作と、これと
は別途にＮＣ制御によって仕上げ形状に沿った工具軌跡
を発生できる機能を兼ね備え、前記ならい動作はその応
答速度を調整可能であることを特徴とする曲面加工装
置。
【請求項２】曲面を仕上げ加工する加工機において、
工具が前加工面に沿って移動するならい動作と、これと
は別途に揺動アームまたはカム機構によって仕上げ形状
に沿った工具軌跡を発生できる機能を兼ね備え、前記な
らい動作はその応答速度を調整可能であることを特徴と
する曲面加工装置。
【請求項３】前記ならい動作をする機構は、弾性変形
可能なバネ性部材と工具の切り込み方向の移動速度に比
例した制動力を発生する粘性素子を１つ以上含み、これ
らの弾性係数と粘性制動係数が可変であることを特徴と
する請求項１又は２に記載の曲面加工装置。
【請求項４】前記ならい動作をする機構は、加工中に
おいて工具押しつけ力をインプロセスでセンシングし、
ここで検出された工具押しつけ力にもとずき、加工形状
に対するならい動作を行うことを特徴とする請求項１又
は２に記載の曲面加工装置。
【請求項５】加工機により発生された工具軌跡によっ
て加工面に沿って工具を移動させた際に、切り込み方向
の工具変位をインプロセスで検出し、この工具変位にも
とずき、前記ならい動作を行うことを特徴とする請求項
１又は２に記載の曲面加工装置。
【請求項６】前記ならい動作は、その応答性を調節可
能であり、ならいの追従遅れに起因した切り込み増大動
作と、特定の場所で積極的に切り込み量を変化させる機
能を持つことを特徴とする請求項４又は５に記載の曲面
加工装置。
【請求項７】前記ならい動作をする機構は、伸縮可能
のアクチュエータを介して工具を切り込み方向に移動す
る機構であって、前記アクチュエータとしてピエゾ素子
を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の曲面
加工装置。
【請求項８】前記ならい動作をする機構は、伸縮可能
のアクチュエータを介して工具を切り込み方向に移動す
る機構であって、前記アクチュエータとして油圧または
空圧で駆動されるシリンダを用いることを特徴とする請
求項１又は２に記載の曲面加工装置。
【請求項９】前記工具を、発泡ウレタン等の弾性部材
にダイヤモンド等の砥粒を供給して研磨加工を行う研磨
工具と、加工形状に沿って移動させて研磨加工を行うこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の曲面加工装置。
【請求項１０】前記工具を、ダイヤモンド，ＧＣ砥粒
等の砥石工具とし、この砥石を回転または非回転の状態
にて、加工形状に沿って砥石を移動させて研削加工を行
うことを特徴とする請求項１又は２に記載の曲面加工装
置。
【請求項１１】前記工具を、ダイヤモンド等の硬質材
料からなるバイトとし、加工形状に沿って該バイトを移
動させ切削加工を行うことを特徴とする請求項１又は２
に記載の曲面加工装置。