JP4857861B2

JP4857861B2 - 切削加工装置とその方法および切削刃の回転半径の算出方法，切削加工物の製造方法

Info

Publication number: JP4857861B2
Application number: JP2006096967A
Authority: JP
Inventors: 信高木
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007268653A

Description

本発明は，工具を回転させて自由曲面の切削加工を行う切削加工装置とその方法および切削刃の回転半径の算出方法，切削加工物の製造方法に関する。さらに詳細には，機上計測装置を備えた切削加工装置とその方法および切削刃の回転半径の算出方法，切削加工物の製造方法に関するものである。

従来より，例えばミラーやレンズ等の自由曲面を有する光学部品成型用の型を作成する方法として，フライカット方式の切削加工装置が使用されている（例えば，特許文献１参照。）。フライカット方式の切削加工装置では例えば，切削対象ワークがＸ軸方向スライドテーブルとＺ軸方向スライドテーブルとによってＸ−Ｚ面内に位置決めされる。そして，Ｙ軸に平行に配置されたスピンドルに切削刃が取り付けられて，回転軸回りに回転される。これにより，切削刃の刃先が円を描く。この切削刃の描く円周の１箇所に接触するように，ワークがＸ−Ｚ面内で１ライン移動制御されることにより，１ライン分の切削が行われる。次に，切削刃をＹ軸方向に所定の距離だけ送り，次の１ラインの切削を行う。

このような切削装置では，精密な加工のために，切削刃の先端の回転中心からの距離である工具回転半径を正確に把握する必要がある。切削刃は摩耗により徐々に劣化する。摩耗は，わずかながら工具回転半径を小さくする。あるいは，摩耗の程度がある程度以上大きくなったり，刃先が破損した場合では切削刃が交換される。切削刃の交換の前後で，工具回転半径は厳密には一致しない。従って，加工の前に切削刃の工具回転半径を求めている。一般には，測定用のワークをスライドテーブルの所定の位置に配置し，工具を１回転させる。その後，ワークを取り外してその切削痕の深さを測定し，これにより工具回転半径を算出する。

一方，このようにして加工されたワーク等の形状を，スライドテーブルに載置したままで高精度に測定するための機上計測技術が開示されている（例えば，特許文献２参照。）。この文献に記載されている測定方法によれば，プローブヘッドを気体中に浮遊させることによって，小さい測定圧で精密な測定が可能になるとされている。
特開２００１−１６２４２６号公報再公表ＷＯ００／５２４１９号公報

しかしながら，前記した従来の切削装置では，測定用ワークの取り付け，取り外し時に多少の誤差が生じることは避けられない。工具回転半径は，工具の回転中心から切削刃先端までの距離であるため，工具の回転中心に対する測定用ワークの取り付け位置に誤差が含まれていると，切削痕の深さと工具回転半径との間の関係に誤差が含まれることになる。そのため，工具回転半径の測定結果にもある程度の誤差が含まれるという問題点があった。また，機上計測技術は，対象物に接触させて相対的な距離を測るものであり，工具の回転中心のように直接接触できない位置の測定には不向きであった。

本発明は，前記した従来の切削加工装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，容易に工具回転半径を求めることができ，精密な加工を可能とする切削加工装置とその方法および切削刃の回転半径の算出方法，切削加工物の製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の切削加工装置は，加工対象物を支持する対象物支持部と，切削刃をその刃先が軸回りに円を描くように回転させる切削刃回転部と，対象物支持部と切削刃回転部とを相互に，切削刃回転部における回転軸方向に移動させる第１移動部と，対象物支持部と切削刃回転部とを相互に，第１移動部の移動方向と交差し加工対象物の加工面と切削刃とを接近させ離隔させる方向に移動させる第２移動部と，対象物支持部と切削刃回転部とを相互に，第１移動部の移動方向および第２移動部の移動方向と交差する方向に移動させる第３移動部とを有し，第３移動部による移動を行いつつ，切削刃回転部により切削刃を回転させてその刃先で加工対象物の加工面の一部を削り取ることにより加工対象物を切削加工する切削加工装置であって，第１ないし第３移動部による移動に関して切削刃回転部と同じ側に設けられており，先端を対象物支持部に支持された加工対象物の対象面に接触させることにより，その接触箇所の第２移動部の移動方向における位置を測定する機上計測器と，機上計測器の退避状態での先端位置の，切削刃回転部の回転軸の位置に対する，第２移動部の移動方向における相対位置を記憶する相対位置記憶部と，対象物支持部に支持された加工対象物の対象面を切削刃で１回切削したときの切削痕の底部を機上計測器で計測してその指示値を取得する切削痕測定部と，切削痕測定部が取得した指示値から，機上計測器の退避状態での指示値と，相対位置記憶部に記憶されている相対位置とを差し引くことにより，切削刃回転部による切削刃の刃先の回転半径を算出する回転半径算出部と，回転半径算出部が算出した回転半径に基づいて，実際の加工時の第２移動部の移動量を決定する実加工制御部とを有するものである。

本発明の切削加工装置によれば，加工対象物を支持する対象物支持部と，切削刃を回転させる切削刃回転部とは，相互に，第１移動部，第２移動部，第３移動部によって移動される。また，これらの移動部の移動に関して切削刃回転部と同じ側に，機上計測器が設けられている。そして，機上計測器によって，加工対象物に切削刃回転部で付けられた切削痕の底部が計測される。このときの指示値と機上計測器の退避状態での指示値との差から，機上計測器の退避状態での位置を基準とした切削刃の刃先位置までの距離が得られる。さらに，本発明では，相対位置記憶部によって，機上計測器の退避状態での先端位置の，切削刃回転部の回転軸の位置に対する，第２移動部の移動方向における相対位置が記憶されている。従って，切削刃回転部の回転軸の位置に対する切削刃の刃先位置，すなわち，切削刃回転部による切削刃の刃先の回転半径が算出される。これにより，容易に工具回転半径を求めることができる。

さらに本発明は，本発明の切削加工装置を用いて，同様の方法で切削刃の刃先の回転半径を求める切削刃の回転半径の算出方法にも及ぶ。さらに，求められた切削刃の刃先の回転半径を用いて切削を行う切削加工方法にも及ぶ。さらに，その切削加工方法によって製造される切削加工物の製造方法にも及ぶ。なお，この製造方法で製造された金型により成形された成形品も，この製造方法による製造物に含まれるものとする。

本発明の切削加工装置とその方法および切削刃の回転半径の算出方法，切削加工物の製造方法によれば，容易に工具回転半径を求めることができ，精密な加工が可能となっている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，切削によって自由曲面を加工するフライカット加工機に本発明を適用したものである。

本形態のフライカット加工機１は，図１に示すように，定盤１１には，Ｘ軸方向スライドテーブル１２とＺ軸方向スライドテーブル１３とが重ねて備え付けられている。さらに，定盤１１には，これらと並んでＹ軸方向スライドテーブル１４が備え付けられている。また，Ｙ軸方向スライドテーブル１４には工具スピンドル１５が取り付けられている。工具スピンドル１５の先端部にはその外周面に切削刃１６が取り付けられている。

各軸方向スライドテーブル１２，１３，１４は，それぞれの軸方向へ移動制御され，工具スピンドル１５は切削刃１６をその主軸回りに回転させるように回転制御される。これらのスライドテーブル１２，１３，１４としては，その位置制御の精度が０．０１μｍ以下のものが使用されている。また，工具スピンドル１５の回転の主軸は常にＹ軸に平行に設けられている。ここで，Ｙ軸方向スライドテーブル１４が第１移動部に，Ｚ軸方向スライドテーブル１３が第２移動部に，Ｘ軸方向スライドテーブル１２が第３移動部にそれぞれ相当する。また，これらのうちワークＷを支持しているＸ軸方向スライドテーブル１２とＺ軸方向スライドテーブル１３とが対象物支持部に相当する。また，工具スピンドル１５が切削刃回転部に相当する。

このフライカット加工機１によれば，図１に示すように，Ｚ軸方向スライドテーブル１３の上に載置されるワークＷは，Ｘ軸方向スライドテーブル１２とＺ軸方向スライドテーブル１３とによってＸ−Ｚ平面内における所定の位置に配置される。そして，ワークＷが所定の速度でＸ−Ｚ平面内を移動するように制御することもできる。また，切削刃１６は，Ｙ軸方向スライドテーブル１４によってＹ軸方向へ位置制御される。さらに，工具スピンドル１５によって，切削刃１６は所定の回転速度で主軸周りに回転される。これにより切削刃１６の先端部が円を描く。

本形態では，切削刃１６とワークＷとを相対的に近づけ，切削刃１６を工具スピンドル１５によって回転させることによって，ワークＷを切削する。すなわち，切削刃１６の刃先の描く円周の１箇所で切削刃１６に接するようにワークＷを配置させることにより，その接する箇所で刃先がワークＷを削り取る。この削り取った箇所が切削箇所であり，ワークＷのうち，切削箇所が形成される面が切削面である。例えば図１では，ワークＷの左奥側の面が切削面である。そして，切削刃１６に接することによりワークＷの切削面がＺ軸方向右手前向きに切削される。この切削深さ方向のＺ軸方向右手前向きを切り込み方向ともいう。

さらに，本形態のフライカット加工機１は，機上計測装置２１を有している。機上計測装置２１は，図１に示すように，Ｙ軸方向スライドテーブル１４に取り付けられ，工具スピンドル１５とともにＹ軸方向へ移動される。工具スピンドル１５と機上計測装置２１との相対的な位置関係は固定である。また，機上計測装置２１の先端部であるプローブ２２は，図１中右手前向きに付勢されており，測定対象に接してＺ軸方向に進退される。すなわち，機上計測装置２１の測定方向はＺ軸方向であり，これはフライカット加工機１の切り込み方向と平行である。

本形態の機上計測装置２１のプローブ２２では，測定時以外ではその先端部がワークＷ等に接触しないように退避されている。ワークＷに対する加工は，この退避状態で行われる。この退避状態での機上計測装置２１の指示値をＡとする。機上計測装置２１の指示値は所定の不明の原点からの距離を示しており，一般には，２点の測定結果の指示値の差から，対象物の測定方向の大きさを得る。なお，機上計測装置２１は，そのプローブ２２の付勢力や摺動抵抗，慣性等は小さく，ワークＷの切削面に対する追随性がよい。よって，原点からの変位量が精密に測定できるものである。

さらに本形態では，退避状態のプローブ２２の先端と工具スピンドル１５の回転中心とのＸ軸方向およびＺ軸方向の距離は，予め精密に測定されている。ここでは，Ｘ軸方向の距離を距離Ｓ，Ｚ軸方向の距離を距離Ｐとする。この測定により，距離Ｓ，Ｐは以下では既知の値となる。また，機上計測装置２１のＹ軸方向の配置は，後述するように，プローブ２２の原点が切削刃１６の刃先より図１中やや上方となるようにする。

さらに本形態では，図２に示すように，制御部２５を有している。制御部２５は，Ｘ軸方向スライドテーブル１２，Ｚ軸方向スライドテーブル１３，Ｙ軸方向スライドテーブル１４および工具スピンドル１５を制御する。さらに，機上計測装置２１の測定結果を受けて，工具回転半径Ｒを求める。なお，ワークＷに対する切削位置のＸ座標や切削深さ（Ｚ座標）等は，工具スピンドル１５の工具回転中心（図４のＯ）を基準に設定される。

本形態のフライカット加工機１では，ワークＷに対する切削加工に先立ち，測定用ワークを使用して切削刃１６の現在の工具回転半径Ｒを精密に求める。切削刃１６は，摩耗等によって劣化することがあり，劣化がひどくなれば交換されるので，それにより工具回転半径も変化するからである。そこで，まず，測定用ワークＷ１をＺ軸方向スライドテーブル１３上の所定の位置に固定する。そして，所定の切削深さを指定して，フライカット加工機１に１回だけ測定用ワークＷ１の切削を行うように指示する。

すなわち，各軸方向スライドテーブル１２，１３，１４を制御して，測定用ワークＷ１と工具スピンドル１５の切削刃１６とを所定の距離関係まで近づけ，工具スピンドル１５を１回転させる。これにより，ワークＷに切削刃１６による切削痕が１箇所作成される。この切削深さの指示値は，１回の切削で無理がない程度のごく小さいものでなければならない。

次に，Ｘ軸方向スライドテーブル１２を駆動して，作成された切削痕が機上計測装置２１に対面するように測定用ワークＷ１を移動させる。すなわち，工具スピンドル１５の回転中心と機上計測装置２１のプローブ２２の先端とのＸ軸方向距離（距離Ｓ）だけ，Ｘ軸方向スライドテーブル１２を図１中左手前向きに移動させる。このとき，Ｚ軸方向スライドテーブル１３とＹ軸方向スライドテーブル１４とは動かさない。また，プローブ２２は退避状態とされているので，測定用ワークＷ１と接触することはない。

次に，機上計測装置２１のプローブ２２をワークＷ１に接触するまで突出させ，測定状態とする。この結果，プローブ２２の先端は，Ｘ軸方向には切削痕の最も深い位置と同じ位置に配置され，Ｙ軸方向には切削痕の最も深い位置よりやや上方に配置されたことになる。そして，プローブ２２は測定用ワークＷ１の切削痕に向けて付勢された状態となる。次に，図３に示すように，Ｙ軸方向スライドテーブル１４を上から下に駆動しつつ，機上計測装置２１の指示値の変位を取得する。そして，Ｙ軸方向スライドテーブル１４の移動による機上計測装置２１の指示値の極値として，切削痕の最も深い箇所の指示値が得られる。この切削痕の底部での指示値をＢとする。

なお，万一切削痕がなかった場合，つまり切削刃１６がワークＷに対して空振りだった場合には，再びＸ軸方向スライドテーブル１２を駆動して先の切削位置に戻し，切削深さの指示量をわずかに大きくしてやり直す。また，プローブ２２を測定状態としたときに，図３に示すように，プローブ２２の先端が切削痕の内部で切削痕の最も深い位置よりは上方に配置されるようにしてもよい。このようにすれば，指示値Ｂを求めるためのＹ軸方向スライドテーブル１４の移動距離はごく小さなものとなるので，短時間での測定ができる。

次に，機上計測装置２１の各指示値Ａ，Ｂと工具スピンドル１５とのＺ軸方向の位置関係を比較し，図４に示す。この図に示すように，工具回転半径Ｒは，実際に切削された切削痕の最も深い位置の工具回転中心Ｏからの距離と等しい。そして，退避状態の機上計測装置２１の指示値Ａと上記のように切削痕を走査して得られた指示値Ｂとから，図中にＣで示した距離が得られる。これは，図４に示すように，工具回転半径Ｒとあらかじめ得られているＰ（退避状態のプローブ２２の先端と工具スピンドル１５の回転中心とのＺ軸方向の距離）との和である。従って，工具回転半径Ｒは，以下の式で求められる。
Ｒ＝Ｃ−Ｐ＝｜Ａ−Ｂ｜−Ｐ
なお，図４では，プローブ２２の原点の位置と，工具回転中心Ｏおよび工具回転半径Ｒとの関係をＺ軸方向のみに着目して単純に比較して図示している。

測定が終了したら，測定用ワークＷ１を取り外し，実際に加工するワークＷを所定の位置に固定する。そして，求められた工具回転半径Ｒを利用してＺ軸方向スライドテーブル１３を制御し，ワークＷに切削加工を行う。すなわち，ワークＷをＸ−Ｚ面内で移動させつつ，工具スピンドル１５を回転させる。例えば，Ｘ軸方向スライドテーブル１２をおよそ図１中右奥から左手前方向へ移動させつつ１ラインの切削を行う。このとき同時に，切削面形状に合わせて，Ｚ軸方向スライドテーブル１３も制御する。そして，１ラインの切削が終了したら，一旦切削刃１６とワークＷを離し，切削刃１６をＹ軸方向へ所定量移動させるとともに，ワークＷを右奥位置に戻す。そして，再び切削刃１６とワークＷとを接触させて次の１ラインの切削を行う。この繰り返しにより所望の形状の加工面を得る。

以上詳細に説明したように，本形態のフライカット加工機１によれば，測定用ワークＷ１を固定したままでその切削深さを測定し，工具回転半径Ｒを求めるので，測定用ワークＷ１の取り付け位置の誤差が含まれない測定ができる。従って，容易に工具回転半径を求めることができ，精密な加工が可能となっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，機上計測装置２１の配置は切削刃１６より上方としたが，下方として下から上向きに走査しても同様の測定は可能である。また，測定用ワークと実際のワークとを区別せず，測定を行ったワークをそのまま加工して切削加工物を得ることもできる。この場合には，実際に切削される箇所に，実際の加工で必要な切削深さ量よりも小さい切削痕を作って上記と同様に測定すればよい。このようにすれば，この切削痕がその後の加工に影響を与えることはない。

本形態に係るフライカット加工機の概略構成を示す斜視図である。フライカット加工機の制御関係を示すブロック図である。機上計測装置による計測方法を示す説明図である。Ｚ軸方向の各値の比較状況を示す説明図である。

符号の説明

１フライカット加工機
１２Ｘ軸方向スライドテーブル
１３Ｚ軸方向スライドテーブル
１４Ｙ軸方向スライドテーブル
１５工具スピンドル
１６切削刃
２１機上計測装置
２５制御部

Claims

加工対象物を支持する対象物支持部と，
切削刃をその刃先が軸回りに円を描くように回転させる切削刃回転部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記切削刃回転部における回転軸方向に移動させる第１移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向と交差し加工対象物の加工面と切削刃とを接近させ離隔させる方向に移動させる第２移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向および前記第２移動部の移動方向と交差する方向に移動させる第３移動部とを有し，
前記第３移動部による移動を行いつつ，前記切削刃回転部により切削刃を回転させてその刃先で加工対象物の加工面の一部を削り取ることにより加工対象物を切削加工する切削加工装置において，
前記第１ないし第３移動部による移動に関して前記切削刃回転部と同じ側に設けられており，先端を前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面に接触させることにより，その接触箇所の前記第２移動部の移動方向における位置を測定する機上計測器と，
前記機上計測器の退避状態での先端位置の，前記切削刃回転部の回転軸の位置に対する，前記第２移動部の移動方向における相対位置を記憶する相対位置記憶部と，
前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面を切削刃で１回切削したときの切削痕の底部を前記機上計測器で計測してその指示値を取得する切削痕測定部と，
前記切削痕測定部が取得した指示値から，前記機上計測器の退避状態での指示値と，前記相対位置記憶部に記憶されている相対位置とを差し引くことにより，前記切削刃回転部による切削刃の刃先の回転半径を算出する回転半径算出部と，
前記回転半径算出部が算出した回転半径に基づいて，実際の加工時の前記第２移動部の移動量を決定する実加工制御部とを有することを特徴とする切削加工装置。
加工対象物を支持する対象物支持部と，
切削刃をその刃先が軸回りに円を描くように回転させる切削刃回転部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記切削刃回転部における回転軸方向に移動させる第１移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向と交差し加工対象物の加工面と切削刃とを接近させ離隔させる方向に移動させる第２移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向および前記第２移動部の移動方向と交差する方向に移動させる第３移動部とを有し，
前記第３移動部による移動を行いつつ，前記切削刃回転部により切削刃を回転させてその刃先で加工対象物の加工面の一部を削り取ることにより加工対象物を切削加工する切削加工装置における切削刃の回転半径の算出方法において，
前記第１ないし第３移動部による移動に関して前記切削刃回転部と同じ側に設けられており，先端を前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面に接触させることにより，その接触箇所の前記第２移動部の移動方向における位置を測定する機上計測器を用い，
前記機上計測器の退避状態での先端位置の，前記切削刃回転部の回転軸の位置に対する，前記第２移動部の移動方向における相対位置をあらかじめ測定しておき，
前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面を切削刃で１回切削したときの切削痕の底部を前記機上計測器で計測してその指示値を取得し，
取得した指示値から，前記機上計測器の退避状態での指示値と，あらかじめ測定した相対位置とを差し引くことにより，前記切削刃回転部による切削刃の刃先の回転半径を算出することを特徴とする切削刃の回転半径の算出方法。
加工対象物を支持する対象物支持部と，
切削刃をその刃先が軸回りに円を描くように回転させる切削刃回転部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記切削刃回転部における回転軸方向に移動させる第１移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向と交差し加工対象物の加工面と切削刃とを接近させ離隔させる方向に移動させる第２移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向および前記第２移動部の移動方向と交差する方向に移動させる第３移動部とを有し，
前記第３移動部による移動を行いつつ，前記切削刃回転部により切削刃を回転させてその刃先で加工対象物の加工面の一部を削り取ることにより加工対象物を切削加工する切削加工方法において，
前記第１ないし第３移動部による移動に関して前記切削刃回転部と同じ側に設けられており，先端を前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面に接触させることにより，その接触箇所の前記第２移動部の移動方向における位置を測定する機上計測器を用い，
前記機上計測器の退避状態での先端位置の，前記切削刃回転部の回転軸の位置に対する，前記第２移動部の移動方向における相対位置をあらかじめ測定しておき，
前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面を切削刃で１回切削したときの切削痕の底部を前記機上計測器で計測してその指示値を取得し，
取得した指示値から，前記機上計測器の退避状態での指示値と，あらかじめ測定した相対位置とを差し引くことにより，前記切削刃回転部による切削刃の刃先の回転半径を算出し，
算出した回転半径に基づいて，実際の加工時の前記第２移動部の移動量を決定することを特徴とする切削加工方法。
加工対象物を支持する対象物支持部と，
切削刃をその刃先が軸回りに円を描くように回転させる切削刃回転部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記切削刃回転部における回転軸方向に移動させる第１移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向と交差し加工対象物の加工面と切削刃とを接近させ離隔させる方向に移動させる第２移動部と，
前記対象物支持部と前記切削刃回転部とを相互に，前記第１移動部の移動方向および前記第２移動部の移動方向と交差する方向に移動させる第３移動部とを有し，
前記第３移動部による移動を行いつつ，前記切削刃回転部により切削刃を回転させてその刃先で加工対象物の加工面の一部を削り取ることにより加工対象物を切削加工する切削加工物の製造方法において，
前記第１ないし第３移動部による移動に関して前記切削刃回転部と同じ側に設けられており，先端を前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面に接触させることにより，その接触箇所の前記第２移動部の移動方向における位置を測定する機上計測器を用い，
前記機上計測器の退避状態での先端位置の，前記切削刃回転部の回転軸の位置に対する，前記第２移動部の移動方向における相対位置をあらかじめ測定しておき，
前記対象物支持部に支持された加工対象物の対象面を切削刃で１回切削したときの切削痕の底部を前記機上計測器で計測してその指示値を取得し，
取得した指示値から，前記機上計測器の退避状態での指示値と，あらかじめ測定した相対位置とを差し引くことにより，前記切削刃回転部による切削刃の刃先の回転半径を算出し，
算出した回転半径に基づいて，実際の加工時の前記第２移動部の移動量を決定することを特徴とする切削加工物の製造方法。