JPS5890441A - 精密切削加工装置 - 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】 本発明は軸対称な二次曲面を蜆面状に仕上げ〃ロエする
精密切削加ニジステムに係る。

近時、ＮｖＭ加工の分野ではレーザー技術、超Ｌ　８１
　Ｖｔ＠寺の影響から０．１ミクロン以上の加工ｎ１に
の加工機械が鼠まれている。しかしながら従来の加工機
械で０．１ミクｉン以上の加工種度を有するものは王と
して研削加工によるものであってその加工対象は単なる
平面か棒状部材の外周を研削して優られる円周向に限ら
れていた。このために放物面、双曲面等をｇ面仕上げに
加工することができ、しかも切削加工によってそれを行
なうという技術的課罐はこれまでの加工機械では解決で
きなかった。

この理由は二次曲面等を誂向仕上げ加工を行なう需要は
限られていた！＃情を別としても、純粋に技術的に考え
た場合、加工機械の機械部材の温匿の加工精度への形番
および工具に対する送り駆動系の加工精度への形番、た
とえば案内面の槽に％態動モータ自体のリゾルージョン
、送シネジ梢政、位置フィードバック用検出器の精度、
あるいは駆動系の応答性等の誤差要因が考えられる。

轡に後者の間鴫魚は前述した平向、円周面等対象として
いるのに対して、二次＠面を対象とする切削加工では同
時に二軸方向に関して制御を行なうことを要求される。

従来、同時に二軸（Ｘ、Ｙ）制御を行なう送シ駆動制御
はその加工精度を考慮外とすれば所１１Ｎｃ’工作機械
によって実曳されている。しかしながらＮＣ工作機械で
鉱テーブル等の移動量の検出精度紘＾精度なものでも１
ミクロンであシ、特別なものでも±０．５ミクロン程度
である。

さらにＩＣ工作機械自体についても、今敲小分解指令値
を０．０１（ミクロン／パルス）トシ、最大切削送シ速
度を６００１１１／分とするととな多パルスの分＆！速
さは高速を４１！求される丸めにＮＣ’工作機械の補間
演算等の遂行も１鑵になる。

さらにフィードバック制御のだめの位置検出器について
もある精度の移動量を＃（ｉｌｌすることができ、かつ
０．０１ンクロン程度の精度を漫られるものは現在レー
ザ測長器に限られる。しかしながらこのようなレーザ測
長器を用いても侮られた誤°差信号に対して駆動系が応
答できないという問題がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので０．１ミク
ロン以上の加工精度で二次曲面の切削加工を行なうこと
ができる稽慴切削加ニジステムを提供することを目的と
するもの−である。

本発明はＸ軸駆動系およびＹ＠駆動系によプＸＹ平面上
の任意の位置へ駆動される刃物台にＹ軸に沿って高速か
つ高精度に位置決めを行なう微小変位駆動部を介して刃
物を保持する工具保持部を設け、この工具保持部の位置
を光学的（ｌＩＪ艮器を用いて測長し、この副長値と理
論値との差分を上記微小変位駆動部で補償するとともに
、この微小変位駆動部における補償量が所定の設定値を
越える毎に上記Ｙ４４１駆鯛系を駆動して上記補償量を
所定値内にすることを特徴とするものである。

以下本発明の一実！Ｍ例を第１図に示すブロック図を参
照して詳細に説明す・る。図中１は切削工具で回転軸２
に保持されて回転駆動される工作物３に当接して切削加
工する。そして上記切削工＾１を工作物３に対して相対
移動させるように駆動し、その表面を所望の形状に切削
加工するものである。以下の説明では切削工具１の駆動
方向は上記回転軸２に平行なＹ軸と、この回転軸２に直
角なＸ軸からなる直５！座標系とする。そして切削工具
１を工具保持部４に保持し、この工具保持部４を刃物台
５に値小変位累子６を介して保持するようにしている。

第２図乃至第４図は上記刃物台５を示す千血図、［面図
および第２図ｆｆ−ｆｆ線矢祝断面図である。すなわち
工具保持ｇ４は静圧軸受を介して刃物台５に対して図示
Ｙ＠方向へ進退自在に保持される。そしてこの工具保持
部４の前端部に切削工Ｊ４１を取着し、後端部と刃物台
５の端部に突設した端壁５Ａとの間に微小ｆ位素子６を
介在させその両端を固層している。

また第５図蝶微小変位素子６の一例を示す闘面図で、た
とえば３個の圧電素子６Ｉｔ−両端および１間に銀箔等
の電極６２，６３，６４゜６５を介在して層状に櫨み重
ね、さらに両端の電極６２．６３の外側に４１！！＃体
６６．６６を介して結合部材６７を設けたものである。

そして電＊ｅｓ＊ｔｔ４を接地し、この接地酸位と゛這
甑６２．６５との間に数百ボルトの電圧を印加して圧電
素子６１を積層方向へ伸縮させるようにしている。

第６図はこのような微小ｆ位素子６の印加電圧にと伸長
量Δｌとの関係の一例を示す図で、たとえば厚みｌｘｌ
ｍの圧１１Ｅ素子に対してに＝５００ｖの電圧を印加し
て０．２５μの伸びを与えることができるとする。ここ
で印加電圧を５００±３００ｖの範囲で制御して圧電素
子１１１Ｉ！ｌｌ当勺±０．１５μの変位を生じさせる
とすれば３個の圧電素子を積層することによシ全体で０
．３μ〜１，２μの範囲で厚みを制御することができる
。一方、このような微小変位素子の印加電圧に対する厚
みの変化は電圧を過当な範囲で制−した場合、略直線的
になり、しかも応答性も極めて良好である。したがって
上記微小ｆ位累子６の印加電圧を制御することによシ刃
物台５に対して工具保持部４を相対的にＹ軸方向へ駆動
し、切削工具１の位置を制御することができる。

そして第１図において、７は刃物台５をＸ軸方向へ駆動
するＸ軸駆動機構で、たとえば駆動モータと、このモー
タによって回転駆動されるけている。そしてこのＸ＠駆
動扱構１はＸ軸移動速度設定器８の設定値に応じてＸ軸
サーボアンプ９によシＸ軸方向へ一定速匿で刃物台５を
駆動する。また１０は刃物台５をＹ＠丈方向駆動するＹ
ｓ駆動＠栴で、たとえば駆動モータと。

このモータによって回転駆動されるとともに上記刃物台
５に螺合する送シネジを設けている。

そして上記駆動モータはＹ軸サーボアンプＩＩによ多制
御され刃物台５をＹ軸方向へ駆動する。

そして１２．１３は工具保持部４の位ｆｉｌを非接触に
検出するＸ軸副長器およびＹ軸副長器で、たとえばレー
ザー元の干渉を利用したレーザー測長器である。なお、
ここで工具保持部４に切削工具ｌを取着しているのでこ
の工具保持部４の位置から切目す工具１の先端の切刃の
位置を知ることができる。セして工具保持部４のＸ軸方
向への移動に応じてＸ軸副長器１２から一定距＠毎に、
たとえば０．０１μ毎にパルスが出力される。またＹ４
１］方向への移動に応じてｙ　ａ測長９１Ｂから同様に
パルスが出力される。そしてＸ軸方向の位置検出を行な
うＸＳ測長器１２の出力パルスをＸ軸位置カウンタ１４
でカウントして切削工具ｌの先端のＸ軸方向の位置を検
出する。そしてこのＸ軸カウンタ１４のカウント１［ｘ
をｆｃｘ）廣真回路１５へ与える。このｆ（り演算回路
１５は切削上Ｊ４１１のＸ軸上の位置Ｘに対応してＹ軸
上の理論位置ｆ　（Ｘ、）を所望の切削曲向に応じて演
算するものである。そしてこのｆ　（ｒＪ′＆Ｘ真回路
１５の演算値をデータレジスタ１６へ４、ｔこのデータ
レジスタ１６の内容を第１％第２の比較器１７　＊　１
　ｇおよび加算レジスタ１９の一方の入力へ与える。一
方、ｙ＠測長＠ＩＢの出力パルスはＹ軸位置カウンタ２
０でカウントし切削上１４１の切刃の位置に対応するカ
ウント値、すなわちＹ軸実測値ｙｋ第１の比較器１７お
よびホールド回路２１を介して第２の比較器１８へ与え
る。そして第１の比較５２７の出力は微小変位素子駆動
回路２２によシ所定比で電圧に変換して微小変位素子６
へ印加する。

また第２の比較器１８にはホールド回路２１に保持され
たＹ＠位置カウンタ２０のカウント値すなわち実測値ｙ
とデータレジスタ１６の理−値Ｙとが与えられてその内
容を比較しこの差分が予め設定した所定値Δγを越える
毎に加算レジスタ１９の他方の入力に対して一定距ｌｌ
ｌを駆動すべき駆動信号へＹを与える。そして加算レジ
スタ１９の加算出力を与えられるＹ軸サーボアンプ１１
はこの駆動信号に応動して刃物台５を所定蓋ΔＹたけス
テップ的に駆動する。なお上記所定値Δｙを適値に設定
することにより微小変位素子６に対する制御電圧を適正
な範囲に維持し、直１１５１性を慣ないあるいは過大な
電圧を印加することのないようにしている。

このような構成であれば切削加工の開始に先だって、図
示しないＩＩＩＩＪ＃糸によシ切削“工具１を加工物Ｓ
の加工原点Ｘ０ｅＹ（１へ駆動し、全てのカウンタおよ
びレジスタをリセットする。そして切削加工を開始する
とＸ＠移動速度設定器８の設定値に応じてＸ軸サーボア
ンプ９を弁してＸａ駆動機構１によシ切削工具１を加工
物Ｓの外周から中心へ向かって一定速度で駆動する。

そして上記切削工具１を保持する刃物台４のＸ軸方向の
位置に応じてＸ＠副長器１２から、たとえば０．０１μ
毎にパルスが出力される。そしてこのパルスをｘ＠ｃａ
カウンタ１４でカウントして加工原点Ｘｏ　Ｋ対する切
削工具１の実測値Ｘを得る。この実測値Ｘはｆ（ト）演
算回路１６へ与えて演算しその値に対応するＹ軸方向゛
の理理値Ｙをデータレジスタ１６を介して加算レジスタ
１９へ与える。なおこの場合、実測値ＩはＸ＠位置カウ
ンタ１４からデジタル値として与えられるので駆動系の
精度、応答性等に応じて一定の移動量ΔＩ毎、たとえば
５μ毎にで（幻演算回路１５へ与える実測値Ｘの値を更
新して演算を行なうようＫしている。

一方切削工具１のＹ軸方向の位置に応じてＹ軸−Ｊｆｋ
６１３から出力されるパルスはＹ軸位置カウンタ２０で
カウントされこの実測値ｙは第１の比較器１７および上
Ｈｅ　Ｘ　＠　Ｉｆｆ　ｌｉ１カウンタ１４の出力デー
タの更新に同期して上記実測値ｙｔホールドするホール
ド回路２１へ与えられる。

そして上記ホールド回路２１から出力される実測値ｙと
データレジスタ１６から与えられる理論値Ｙとを第２の
比較器１８へ与えて比績しその差分が所定値Δｙｋ越え
る毎に加算レジスタＩ９の他方の入力へ与えこの出力に
よｆｉＹ軸サーボアンプ１１を介してＹ４１］駆ｗＪ機
構１０を駆動し切削工具１のＹ軸方向の位置をΔＹだけ
ステップ的に駆動する。また同時に第１の比較器１７に
より実測値ｙと理論側Ｙとのか分盆漫、この値に応じて
微小変位素子駆動回路２１を介して電圧に変換し、微小
変位素子６に与える電圧を制御して工Ｊ４深持部４の位
置を制御する。

ここで第１図において第２の比較器１８、加算レジスタ
１９２よびホールド回路２１を設けずデータレジスタ１
６の出力を第１の比較器１７およびＹ軸サーボアンプ１
１へ与えるものについて考える。この場合にはたとえば
＠７図に示すように切削工具ｌを加工原点（Ｘ・、Ｙｏ
）からＸ軸方向へ駆動すると所定値ΔＩ毎にｆに）演算
回路１５から理論値ｆ　（Ｘ６）　＊　ｆ　（１１）　
ｅ　ｆ（ｉｔ　）・・・が与えられる。なおこの理論値
ｆ（（転）は所望の加工曲面の目標でおる理想曲４［１
１ＦＣＸ：から与えられるものである。そして上記理論
値ｆ（至）に応じてＹ軸サーボアンプ１１を介してＹ軸
部＃磯構１０を駆動しその実測値ｙは次第に理論値ｆ（
ト）に接近する。そしてこの過ｍにおいて実測値ｙと理
論値ｆ（２）との差分を第１の比較器１７で得てこの値
Ｙｌを微小変位素子駆動回路２２ｔ−介して微小変位素
子６へ与えて駆動するようにしている。しかしながらこ
のようなものでは図示Ｘ軸の位置ｘｓのように実測値ｙ
と理論（ｉｆ（ｄとの差分が着るしく大きくなると微小
変位素子６を制御する信号Ｙσも着るしく大きくなり、
その適正な制御範囲一を逸脱して直線性が慣なわれ、め
るいは制御不可能に陥ることもある。

これに対して上記実ＷＡｆＰＩｌでは第８図に示すよう
に実測値ｙと理論値ｆ　（Ｘ）との差分が所定値Δｙを
越えたことを第２の比較器１８で検出すると所定距離を
駆動すべき駆動信号ΔＹを加算回路１９へ与えるように
している。したがってＹ軸サーボアンプ１１には理論値
ｆ（りと上記駆動信号ΔＹを加えた信号が与えられみか
け上の理論値ｆ（（転）と実測値ｙとの差分が大きくな
ったことになる。し友がってＹ軸サーボアンプ１１はこ
のみかけの差分を目標としてＹ軸駆動機構ＩＯを駆動す
るので実測値ｙは急速に理論値ｆ　（ｄに接近する。し
たがって微小変位素子６に対する駆動信号Ｙσは所定の
適正な範囲±Ｃｍａｗに制御することができ良好な直線
性と正確な制御を行なうことができる。

したがって切削工具の切込み方向の位置に関して機械的
な駆動機構によって生じる誤差を磁気的な圧′鑞効果を
利用した微小ｆ位素子によって補正し、かつこの微小変
位素子に与える電圧が適正範囲を越えると、上記駆動機
構により補正量を減少させるように切削工具を駆動する
ようにしているので微小変位素子は常に適正範囲で動作
することになる。

なお本発明は上記実施列に限定されるものではなく、た
とえばＸ＠側長器１２の出力パルスから帰られた実測値
Ｘを各別のｆ　（ＸＪ廣算回路で演算して第１、第２の
比較器１７．１１１へそれぞれ与えるようにしてもよい
。またｆ（→演算回路としては与えられた実測値Ｘから
所望の切削Ｓ面のＹ軸方向の理論値Ｙを高速演算するも
のに限定されず、たとえば予め演算した理−値Ｙを記憶
したメモリを設け、この記憶内容を順次ＶＣ読み出すよ
うにしてもよい。

さらに微小ｆ位素子はその駆動信号に対する応答性が惚
めて良好なために過敏な場合は第１図に破線で示すよう
に第１０比ｅ器１７の出力と微小変位素子駆動回路２３
との間に積分回路２２を介挿するようにしてもよい。第
９図はこのような積分回路２３の一列を示す図で、たと
えば第１の比較器１７から与えられる複数ビットのデジ
タル信号をデジタル−アナログ変換器ＤＡでアナログ信
号に変侠して抵抗Ｒ，および第１のスイッチＳＷ、　を
介して演誹増：＠器ｏｐ。

へ入力する。この演算項Ｉ陽６ｏｐ、は入出力間に積分
コンデンサＣおよび放電抵抗Ｒ１と第２のスイッチＳＷ
、の直タリ回路を並列に接続している。そして第１のス
イッチＳＷ！は抵抗Ｒ１を選択し、第２のスイッチ８Ｗ
！は開放して上記アナログ信号を積分し、積分終了後第
１のスイッチｓｗ、＃′ｉ接地電位側を選択し、第２の
スイッチＳＷ、を閉成して積分コンデンサＣの光電電荷
を放電する。

また第１０図は微小変位素子駆動回路２２の一し１」を
示す回路図で、微小変位素子６に対する数百ボルトの印
加電圧を制御するために３１（ロ）のトランジスタＴｒ
ｌ　、Ｔｒｙ　、Ｔｒｙ　　のコレクタ、エミッタを縦
続接続にしたものである。すなわち入力端子ＴＫ与えら
れた信号Ｙσをバッファ増幅器ＯＰｌを介してトランジ
スタＴｒｌのベースへ与える。一方トランジスタＴｒｌ
＊Ｔｒ２　＊Ｔｒｙの工はツタ、コレクタを縦続接続し
、かつトランジスタＴｒ３のコレクタ、ベース間、トラ
ンジスタＴｒｙ　、Ｔｒ！のベース間およびトランジス
タＴｒｙのベーストトランジスタＴｒ１のエミッタ間に
それぞれ抵抗Ｒ，，Ｒ，，Ｒ，を介挿している。そして
トランジスタＴｒ１のエミッタとトランジスタＴｒｙの
コレクタとの間に数百ボルトの電源Ｐと微小変位素子６
の直列回路を接続している。このようにすれば各トラン
ジスタＴ　ｒ　１　１　Ｔ　ｒ　！　ｌ　Ｔ　ｒ　Ｈの
エミッタ、コ１７クタ間に１：１］／Ｊｌｌされる電圧
は略＃Ｌ諒醒圧の１／３になりトランジスタＴｒｌ　、
Ｔｒ！ｅＴｒｌのコレクタ耐圧に対する要求を緩和する
ことができる。

さらに上記実ＩＭ例ではｆ（幻演算回路１５は加工原点
Ｙ０に対する理論値Ｙを出力するようＫしているが、こ
のようなものに限定されず前回のＸ軸方向の位置Ｘｎ−
５に対応する理−値ｙｎ−ｔと当該時点のＸ軸方向の位
置Ｘｎに対応する理舖値Ｙｎとの差分ＹＨ−Ｙｎ−１を
出力するようにしてもよい。

以上詳述したように本発明にすれば＆械的な駆動機構に
よって生じる切削工具の切込み方向の位置岨差を電気的
に変位量を制御される微小変位素子によって補正し、か
つこの微小変位素子へ与える電圧が適正範囲を越えると
上記駆動機構によって補正量を減少させるように切削工
具を駆動するようにしたものである。

したがって極めて高精度に二次曲面を切削加工すること
ができしかも微小変位素子を常に適正範囲で動作させる
ことができる稽缶切削加ニジステムを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実ａｈを示すブロック図、第２図、
第３図および第４図は上記実ａｉ的の刃物台を示す平面
図、ｊ１１面図および第２図ＩＹ−ｍＶ線矢視図、第５
図は上記実ｍ例の微小変位素子の一例を示す四面図、第
６図は上記微小変位素子の印加゛電圧と伸長量との関係
を示す図、ｖｆＪ７図は従来の装置の動作を説明する図
、第８図は本発明の装置の動作を説明する図、第９図ｔ
ま本発明の他の実！Ｍ列の積分回路を示す図、第１０は
本発明の微小変位素子駆動回路の一岡を示す図である。 ｌ・・・切削工具、２・・・回転軸、３・・・〃ロエ物
、４・・・工具保持部、５・・・刃物台、６・・・微小
変位素子、７・・・Ｘ＠駆動機構、１０・・・ｙｓ駆動
機構、１２・・・Ｘ軸測長器、１３・・・Ｙ＠副長器、
１５・・・ｆ（幻演遵回路、１７・・・第１の比較器、
１８・・・第２の比ＩＩ！！２器。 第１図 第２図 ？ｆ！３！’１ 第９ｖＡ 第１０区・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 回転軸に保持され回転駆動される工作物と、この工作物
   を切削加工する切削工具を保持する工具保持部と、この
   工具保持部を保持する刃物台と、この刃物台を上記切削
   工＾の切込み方向へ駆動するＹｓ躯励動機構、上記刃物
   台を上記切削工具の切込み方向に対して直角な方向へ駆
   動するＸ軸駆動機構と、上記工具保持部と刃物台との間
   に介在し上記刃物台を上記工具保持部に対して切込み方
   向へ駆動する微小変位素子と、上記刃物台のＸ軸および
   Ｙ軸方向の位置を非接や 触←く検出するＸ軸およびＹ＠側長器と、Ｘ軸醐長器か
   ら与えられる実測値に応じて所望の切削曲面のＹ軸方向
   の論理値を出力するｆ（ト）演算回路と、このｆに）演
   算回路から与えられる理論値とＹ＠側長器から与えられ
   る実幽値との差分に応じて上記微小変位素子を切込み方
   向へ変位させる微小及位素子駆動回路と、上に、差分が
   所定値を越える毎にＹ軸駆動機構を駆動して上記微小変
   位菓子におけるｆ位置を所定範囲にｍ持させる第２の比
   較器とを具儂する梢密切削加ニジステム。