工具とワークの接触検知機構を有する工作機械
【課題】可動軸が流体軸受で支持された超精密加工を行う工作機械において、加工開始位置を正確に検出できるようにする。
【解決手段】ワークはＢ軸の回転テーブルに取り付けられ、回転テーブルは直動軸のＸ軸上に取り付けられている。工具はＹ軸に取り付けられている。又、Ｙ軸はＺ軸に取り付けられている。Ｚ軸を所定量移動させる毎にＸ軸を往復動させて、ワークの加工面を走査し、Ｘ、Ｙ、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上に達していないか判断する（S1,S3,S7,S8）。Ｙ軸を駆動し工具をワークに所定量近づけ（S9.S10）、上記走査を行う。Ｘ、Ｙ、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上に達すると、工具とワークが接触したとして、この接触点を加工開始位置として記憶し、Ｙ軸をスキップさせ、工具を所定量ワークから遠ざかる方向に移動させる。簡単に、ワークの加工面の最大に突出点を加工開始点として検出できる。
【解決手段】ワークはＢ軸の回転テーブルに取り付けられ、回転テーブルは直動軸のＸ軸上に取り付けられている。工具はＹ軸に取り付けられている。又、Ｙ軸はＺ軸に取り付けられている。Ｚ軸を所定量移動させる毎にＸ軸を往復動させて、ワークの加工面を走査し、Ｘ、Ｙ、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上に達していないか判断する（S1,S3,S7,S8）。Ｙ軸を駆動し工具をワークに所定量近づけ（S9.S10）、上記走査を行う。Ｘ、Ｙ、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上に達すると、工具とワークが接触したとして、この接触点を加工開始位置として記憶し、Ｙ軸をスキップさせ、工具を所定量ワークから遠ざかる方向に移動させる。簡単に、ワークの加工面の最大に突出点を加工開始点として検出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ単位の加工精度が要求される超精密加工を行う工作機械に関し、特に加工開始位置を正確に検出できる工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ単位の加工精度が要求される超精密加工を行う工作機械において、加工平面上に引き切り加工等を行う場合、その加工精度を向上させるためには、ワークに対する工具先端点を正確に決めて加工を開始する必要があり、ワークの加工開始点の座標位置をナノ単位の精度で決定する必要がある。
【０００３】
従来は、センサなどの専用の工具検知装置や、マイクロスコープを用いて、工具先端位置を検出していた。又、ワーク位置を測定する方法として、回転アクチュエータの出力トルクを制限して工具をワーク方向に前進させて、トルクオーバとなった状態で、かつ位置偏差が設定したスキップ偏差量を超えたとき、スキップして以後の移動指令を停止するようにした発明が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２８７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワークに対する工具位置を検出する方法として、従来から用いられていた工具検知装置では、工具の位置は検知できるが、正確なワークの位置がわからない。また、先端の鋭い工具では、本当の先端位置を検知できないという問題がある。
又、マイクロスコープで検出する場合は、刃先とワークの距離を測定し、工具をギリギリまで近づけるが、マイクロスコープの焦点距離の関係で、加工段取りによっては刃先が見えないことがあり、問題がある。
【０００６】
又、特許文献１に記載された発明のように、工具を駆動するモータ等のアクチュエータの出力トルクを制限し工具をワーク方向に移動させ、トルクオーバとなった状態で、位置偏差がスキップ偏差量を超えたときの位置を求めて、工具に対するワーク位置を測定する場合は、トルクオーバになった状態のトルクが、工具及びワークにかかることになる。
ナノ単位に加工精度で超精密に加工する工作機械においては、各可動軸の軸受が空気軸受等の流体軸受で構成され、摩擦のない軸受とされている。そのため、可動軸に僅かな力がかかっても、可動軸は移動することから、特許文献１に記載された発明のようにトルクオーバ状態で、位置偏差が所定値異常になった状態を検出したときには、すでにワーク又は工具は、そのワークと工具の接触位置から移動している可能性が大きくなり、ナノ単位の精度でその位置を検出することは難しい。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、流体軸受で支持し摩擦のない可動軸で構成される超精密加工を行う工作機械において、加工開始位置を正確に検出できるワークの接触検知機構を備えた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、各可動軸が流体軸受により支持され、該可動軸により工具とワークを相対移動させてワークに対して工具により加工を行う工作機械において、請求項１に係る発明は、各可動軸の位置を検出する位置検出器を備え、可動軸への指令位置と前記位置検出器で検出された位置との差の位置偏差を検出する位置偏差検出手段と、前記可動軸を駆動して工具をワーク加工面に相対移動させて走査し、位置偏差検出手段で検出された位置偏差に基づいてワークと工具の接触を検知し、該接触が検出されたときの各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶する接触点検出手段と、前記接触が検知されたとき工具の取り付けられた可動軸をワークから逃がす退避制御手段とを備えることを特徴とするものである。請求項２に係る発明は、この工作機械が有する可動軸は、直動軸と回転軸で構成され、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、検出分解能１０nm以下のリニアスケールによって構成されているものとしている。さらに、請求項３に係る発明は、前記回転軸の位置を検出する位置検出器は、１万分の１°以下のパルスコーダによって構成され、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されるものとしている。
【０００９】
請求項４に係る発明は、前記接触点検出手段により、工具とワークを相対的に一定速で可動軸を移動させ、該移動させた可動軸の位置偏差の値から工具とワークの接触を感知するものとした。
又、請求項５に係る発明は、前記可動軸として、直動軸であるＸ軸と該Ｘ軸上にＸ軸と直交する回転軸であるＢ軸と、さらに前記Ｘ軸と直交し前記Ｂ軸と平行な直動軸であるＹ軸と、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交する直動軸であるＺ軸とを備えたものとし、請求項６に係る発明は、工具の取り付けられた軸は、前記Ｙ軸としたものである。
請求項７に係る発明は、工具を前記Ｙ軸に取り付け、ワークを前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付け、前記接触点検出手段は、Ｘ軸を動かしてワークを直線移動させ、Ｘ軸、Ｂ軸又はＹ軸の位置偏差の変動により、工具とワークの接触を検知するようにした。
【００１０】
請求項８に係る発明においては、加工開始時には、前記接触点検出手段により自動的に設定された各可動軸の位置に自動的に移動し加工を開始するものとした。
又、請求項９に係る発明においては、前記接触点検出手段は、前記工具が取り付けられたＹ軸及びＢ軸を停止させ、Ｚ軸を所定量移動させる毎にＸ軸を往復移動させながら、ワークのＸ−Ｚ平面を走査し、該走査を、Ｙ軸を所定量ワークに近づける毎に行い、工具とワークの接触を検出し、該検出時の各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶するものとした。
【００１１】
さらに、請求項１０に係る発明は、Ｙ軸上にＸ軸と平行に移動する付加直動軸が装着し、ワークを前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付けるものとし、前記接触点検出手段は、前記付加直動軸を動かして工具をＸ軸に平行な方向に往復運動させ、工具とワークの接触を検知するものとした。
請求項１１に係る発明は、さらに、各可動軸を駆動制御するサーボ制御手段のサーボゲインを下げ、外乱の影響を受けやすい状態にすることによって、工具又はワークにかかるより微小な力で工具とワークの接触を検知するようにした。
【００１２】
又、請求項１２に係る発明は、位置偏差の異常増大を感知する手段を設け、該手段で位置偏差の異常増大を感知することにより、前記退避制御手段により工具をワークから逃がすようにした。又、請求項１３に係る発明は、位置偏差の異常増大を感知したとき、その位置偏差の異常増大の軸を判別する信号をも発生するようにした。
【発明の効果】
【００１３】
可動軸が流体軸受で構成されている超精密加工を行う工作機械では、各可動部に僅かな力が作用しても可動部がその力で移動する。これを利用して位置偏差の増大を検出することによって、簡単に、加工面の最大に突出する部位を工具とワークの接触で検出し、該接触点を加工開始点の位置として検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の超精密加工を行う工作機械の概略図である。この実施形態では、可動軸として３つの直動軸と１つの回動軸を備えている。回転テーブル１０は、水平方向のＸ軸方向に駆動される直動軸のＸ軸部材１１に取り付けられ、該回転テーブル１０はＸ軸と直交する軸のＢ軸回りに回転する。この回転テーブル１０に被加工物のワーク２が取り付けられる。工具１はＸ軸と直交し、回転軸のＢ軸と平行なＹ軸方向に移動する直動軸のＹ軸部材１２に取り付けられ、かつこのＹ軸部材１２は、Ｘ軸、Ｙ軸と直交するＺ軸方向に移動する直動軸のＺ軸部材１３に取り付けられている。これにより、ワーク２がＸ軸方向に直線移動すると共に、Ｂ軸回りに回転する。又、工具１は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に直線移動するものとなり、これらＸ、Ｙ、Ｚ、Ｂ軸の移動により工具１によりワーク２は加工されるものとなる。
なお、この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動するモータは、リニアモータで構成され、回動軸のＢ軸を駆動するモータは、回転サーボモータで構成され、回転テーブル１０と回転サーボモータはダイレクトに接続され、ダイレクトドライブを構成している。
又、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸の各軸の軸受は、流体軸受（空気軸受）で構成されている。
【００１５】
図２は、この工作機械を制御する制御装置である数値制御装置の要部ブロック図である。数値制御部２１では、加工プログラムを読み出し実行し、各軸への移動指令を各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂに出力する。Ｘ軸のモータ２４ｘを制御するＸ軸サーボ制御手段２２ｘに記載されているように、各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂは、位置制御部２２１、速度制御部２２２、電流制御部２２３等で構成されており、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸のサーボ制御手段２２ｙ、２２ｚ、２２ｂもこのＸ軸サーボ制御手段２２ｘの構成と同一である。
【００１６】
各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂの位置制御部２２１では、エラーレジスタ２２１ａとポジションゲインＫの項２２１ｂで構成され、数値制御部２１からそれぞれ指令された位置と、位置、速度を検出する位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる位置との差である位置偏差εをエラーレジスタ２２１ａで求め、該位置偏差εにポジションゲインＫを乗じて、指令速度を求め、速度制御部２２２では、該指令速度から位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる速度を減じて速度偏差を求め、比例・積分処理等の速度のフィードバック制御を行い電流指令（トルク指令）を求める。そして、電流制御部２２３では、この電流指令とアンプ２３ｘ〜２３ｂからフィードバックされる電流とに基づいて電流フィードバック制御を行いアンプ２３ｘ〜２３ｂを介して各軸モータ２５ｘ〜２５ｂを駆動する。
【００１７】
この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚはリニアモータで構成されている。また、回転軸のＢ軸を駆動するモータ２４ｂは、回転サーボモータで構成され、上述したように回転テーブル１０をダイレクトドライブするように構成されている。又、リニアモータで構成された直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚで駆動される各可動部材の位置は、リニアスケールで構成された位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚで検出している。本実施形態の工作機械は、超精密加工を実施するものであることから、このリニアスケールで構成される位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚは１０ナノメータ以下の検出分解能の高精度な検出器で構成されている。また、回転軸のＢ軸のサーボモータ２４ｂに取り付けられる、パルスコーダ等の位置・速度検出器２５ｂも、１万分の１度以下の分解能を有する高精度の分解能の位置・速度検出器２５ｂで構成されている。
【００１８】
上述した工作機械の構成、及び該工作機械を制御する制御部の構成は、従来の超精密加工用の工作機械及びその制御装置と同じである。本発明は、このような工作機械において、加工開始位置を高精度に検出できる工具とワークの接触検知機能を備えるようにした点にある。
【００１９】
図３は、本実施形態における加工開始点の座標位置の検出動作を説明する説明図である。ワーク２を超精密の平面加工をする場合、平面加工をしようとする加工平面の凹凸に合わせ、工具の切り込み方向において工具先端に一番近い部分から平面加工を実行する必要がある。この実施形態においては、垂直方向のＹ軸方向が工具１の切り込み方向であり、水平面のＸ−Ｚ平面が加工平面である。この場合、工具１をＹ軸方向に下降(ワーク２に近づく方向)させて所定の切り込みを与えて切削加工するとき、加工平面に突出する部分（Ｙ軸方向に突出する部分）があり、この部分で必要以上の切り込みとなって工具に過大な負荷を掛けることになる。これを防止するためには、最大に突出した高い部分（Ｙ軸方向で工具の方に突出している部分）を検出し、この部分から加工を開始する必要がある。
【００２０】
そこで、図３（ａ）に示すように、工具１を所定位置に位置決めしワーク２をＸ軸方向に往復動させて、工具１の先端１ａがワーク２と接触するか判別し、接触しなければ、Ｚ軸方向に所定量だけ工具１を移動させ、その後、ワーク２をＸ軸方向に往復動させる動作を繰り返し実行し、ワーク２の加工平面領域を走査する。そして図３（ｂ）のように、工具１の先端１ａがワークの突出部の１番高いところで接触すると、この座標位置を加工開始位置とする。
【００２１】
本実施形態は、この工具１とワーク２の接触を各軸の位置偏差の増大で検出するようにしている。
本実施形態の工作機械は前述したように、各直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及び及び回転軸のＢ軸は、流体軸受で構成されており、摩擦がほとんどない。そのため、工具１とワーク２が接触し、工具１又はワーク２に負荷がかかると、この負荷によりＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸は移動する。この移動により指令位置と検出位置との位置偏差εが増大するから、この位置偏差εの増大を検出することによって、工具１とワーク２の接触を検出できる。
【００２２】
図４（ａ）は、可動軸の軸受として流体軸受を用いず、従来のボールベアリング等の軸受を用いたときの可動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸）の移動時の位置偏差を測定したものである。可動軸の移動にともない発生する摩擦抵抗による位置偏差が発生している。一方、図４（ｂ）は、可動軸の軸受として流体軸受を用い、可動部を移動させたときの位置偏差を測定したものであり、摩擦がほとんどないことから、位置偏差の変動は図４（ａ）と比較し格段と小さいものとなっている。なお、図４（ｂ）において、符号Ｐで示す点は、工具１がワーク２に接触し、位置偏差が増大した点を示している。
【００２３】
この４図（ｂ）に示すように、流体軸受で支持された可動軸は位置偏差がほとんど現れず、これらの軸に僅かな負荷がかかったときでも位置偏差が発生し、負荷がかからないときと、かかったときでの位置偏差の差は大きなものとなっている。そのため、可動軸に負荷がかかったか否かを位置偏差で検出するための比較基準値の設定が容易にできる。
【００２４】
図４（ｂ）では、負荷がかからないときの位置偏差と負荷がかかったときの大きさとの中間程度の値を比較基準値として設定しておけば、この基準値より大きい位置偏差が生じたとき、可動軸に負荷がかかったものとして検出できる。しかし、この比較基準値を図４（ａ）に示すような流体軸受を使用していない通常の軸受で支持された可動軸の場合に適用すると、摩擦によって生じる位置偏差もこの比較基準値を超えることになり、摩擦により発生した位置偏差を工具とワークとの接触により発生した位置偏差として検出する恐れがあるが、本発明では、流体軸受を使用していることから、位置偏差が小さい状態で工具とワークの接触を検出できるものである。
【００２５】
図５は、数値制御部２１に設けられたプロセッサが実行する加工開始点検出処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
まず、ワーク２に対して平面加工を行うＸ−Ｚ平面のＸ軸方向のストローク量とＺ軸方向のストローク量を設定し、手動送りによって、ワーク２の加工平面である走査領域の一方の辺をＸ軸と平行になるように、回転軸Ｂを位置決めする。又、工具１を走査領域の走査開始点と一致する座標位置に位置決めする。さらに、Ｚ軸も走査領域の走査開始点の座標位置に位置決めする。そして、加工開始点検出指令を、図示していないキーボード等の手動入力手段より入力すると、数値制御装置のプロセッサは図５に示す処理を開する。
【００２６】
Ｘ軸のモータを所定の一定速度で駆動して設定ストローク量だけ往復動させ（ステップＳ１）、その往復動作中、Ｘ軸のエラーレジスタ２２１ａで求められるＸ軸における指令位置と位置・速度検出器からフィードバックされる実際の位置との差である位置偏差が、異常を検出するための所定値以上の過大な位置偏差か判断する（ステップＳ２）。これは、設定値や操作ミス等によって、ワーク２と工具１が衝突したときを検出するものであり、この過大位置偏差が検出されたときには、Ｘ軸の位置偏差過大の異常信号を出力し、数値制御装置の表示装置等に表示し（ステップＳ６）、ステップＳ５に移行して、工具１が取り付けられたＹ軸をスキップさせる。すなわち、Ｙ軸を予めスキップ量として指定されている量だけワーク２から遠ざかる方向に移動させ、工具１をワークから離す処理を行う。
【００２７】
一方、ステップＳ２で、Ｘ軸の位置偏差が過大ではないと判断されたときには、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｂ軸のエラーレジスタ２２１ａで求められているそれぞれの位置偏差εを読み取り、いずれかの位置偏差εが設定基準値以上か判断する。この基準値は、ワーク２と工具１の工具先端１ａが接触したことを検出するために設定されているものであり、図４（ｂ）に示したように、工具とワークが接触していないとき発生する位置偏差より少し大きな位置偏差量を基準値として設定している。
【００２８】
Ｘ軸は一定速度で駆動され、ワーク２を一定速度で移動させているから、工具１がワーク２と接触すると、そのワーク２の移動が阻止され、位置偏差が増加することになる。よって、Ｘ軸の位置偏差が設定基準値以上になったことによって、工具１とワーク２の接触が検出される（ステップ３）。
【００２９】
又、Ｙ軸やＢ軸は、所定位置に位置決めされているものであるが、Ｙ軸やＢ軸も流体軸受で支持されているものであるから、僅かな力がこれらの軸に加わっても、これらの軸は移動する。そのため、ワーク２と工具１が接触したとき、そのとき、工具１に対してＹ軸方向に力が加われば、Ｙ軸のリニアモータは移動し、指令位置からずれ、位置偏差が発生する。又、同様に、ワーク２と工具１が接触したとき、ワーク２を回転させるような力が加われば、Ｂ軸のサーボモータは移動し、指令位置からずれ、位置偏差が発生する。よって、このＹ軸、Ｂ軸の位置偏差か基準値以上になったことを検出することによって、工具１とワーク２の接触を検出する。すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｂ軸のいずれかの位置偏差が基準値以上になったか否かで、工具１とワーク２の接触を検出する（ステップＳ３）。
ステップＳ３でＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上に達しないと判断されたときは、Ｚ軸の位置が走査終了位置か判断し（ステップＳ７）、走査終了位置でなければ、Ｚ軸を所定量移動させて（ステップＳ８）、ステップＳ１に戻り前述した処理を行う。
【００３０】
以下、工具１とワーク２が接触せず、ステップＳ３でＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上となっていると判断されない限り、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ７、Ｓ８の処理を繰り返し実行する。
そして、Ｚ軸の位置が走査終了位置に達すると（ステップＳ７）、Ｚ軸を走査開始位置に位置決めし（ステップＳ９）、Ｙ軸を所定量降下（工具１をワーク２に近づける方向）させ、このとき、Ｙ軸のエラーレジスタ２２１ａで求められている位置偏差量が過大な量か判断し（ステップＳ１１）、過大であると判別されると、Ｙ軸の位置偏差過大の異常信号を出力し、数値制御装置の表示装置等に表示し（ステップＳ１２）、ステップＳ５に移行して、工具が取り付けられたＹ軸をスキップさせる。すなわち、Ｙ軸を予めスキップ量として指定されている量だけワーク２から遠ざかる方向に移動させ、工具１をワーク２から離す処理を行う。
【００３１】
一方、ステップＳ１１で、Ｙ軸の位置偏差量が過大でないと判断されると、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以下の処理を実行する。すなわち、工具１をワーク２方向に所定量近づけて、走査範囲を走査することになる。
以下、Ｙ軸を所定量だけ移動させて工具１をワーク２に所定量だけ順次近づけながら、走査範囲を走査する。そのうち、工具１の先端１ａがワーク２の突出部と接触し、ステップＳ３でＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸のいずれかの位置偏差が基準値以上になったと判別されると、工具１とワーク２が接触したとして、このときの各軸座標位置を加工開始点の座標位置として設定記憶すると共に、Ｘ軸の移動を停止させる（ステップＳ４）。そして、ステップＳ５に移行し、前述したスキップ処理を行い、Ｙ軸をスキップ量だけワーク２から遠ざかる方向に移動させ、工具１をワーク２から離しこの加工開始点検出処理を終了する。
【００３２】
こうして、加工開始点が検出され、この加工開始点の各可動軸位置、すなわち座標位置が、数値制御部２１の記憶部に記憶された後、加工を開始するために加工開始指令が数値制御装置に入力されたとき、数値制御装置のプロセッサは、この記憶された各軸位置を読み出しこの読み出した位置に各軸を位置決めして、ワーク２への加工を開始する。
【００３３】
上述した加工開始点検出処理において、ステップＳ２、ステップＳ１１は、操作ミス等による工具１とワーク２の衝突により工具等が破損することを防止することを目的とするものであり、加工開始点検出処理としては本質的なものではなく、削除してもよいものである。
この場合には、ステップＳ２、Ｓ６、Ｓ１１、Ｓ１２の処理は必要なく、ステップＳ１からステップＳ３に移行し、ステップＳ１１からステップＳ１に移行する処理となる。
【００３４】
上述したように、本発明は、位置偏差の増大によって工具１とワーク２の接触を検出するものであるので、図５に示す加工開始点検出処理を行うときには、各軸サーボ制御手段の位置制御部２２１のポジションゲインＫや速度制御部２２２の比例ゲイン、積分ゲイン等のサーボゲインを下げ、通常の加工時のときよりも小さいものとして実行させるとより効果的である。例えば、ポジションゲインＫが通常より下げられ小さく設定されると、位置偏差に比例して出力される速度指令は小さくなり、電流指令（トルク指令）も小さくなる。そのため、工具１とワーク２が接触した時、この工具１とワーク２にかかる力が小さい状態で、位置偏差は大きくなり、この工具１とワーク２の接触検知を小さい負荷で検出できることになる。
【００３５】
上述した実施形態では、ワーク２をＸ軸で駆動し移動させて加工する例を述べたが、Ｘ軸は設けず、もしくはＸ軸は駆動せず、Ｙ軸上にＸ軸と平行に移動する付加軸を設けて、例えば、微細な直線溝を多量に加工するような引き切り加工等を行わせるような場合にも、本発明は適用できるものである。
図６は、Ｙ軸部材１２にと付けられる引き切り加工用の付加直動軸の一例である。
【００３６】
２つの固定部材３１ａ、３１ｂ間には、直線移動部材３３をガイドするガイド部材３２が配置されている。直線移動部材３３は流体軸受（空気軸受）によって、ガイド部材３２に支持されていると共に、このガイド部材３２と直線移動部材３３には、一方にコイルを他方に磁石が配置されリニアモータを構成している。固定部材３１ａ、３１ｂをＹ軸部材１２に取り付ける。ガイド部材３２は固定部材３１ａ、３１ｂに固定されてもよいが、この図６に示す例では、特願２００５−３２５０５２で示されるように、ガイド部材３２を固定部材３１ａ、３１ｂで流体軸受（空気軸受）で支持するようにしている。工具１が直線移動部材３３にピエゾ素子３４を介して取り付けられており、このピエゾ素子３４を駆動してワーク２に対する切り込み量を工具１に与え、直線移動部材３３を往動させて、溝加工を行い、ピエゾ素子３４の駆動を停止し、切り込み量を戻し、直線移動部材３３を復動させる。これを繰り返すことによって、引き切り加工による溝加工を行う。
【００３７】
この付加直動軸を用いる場合でも、加工開始点を検出するときには、上述した実施形態と同様に、Ｙ軸を順次所定量ワーク２に近づく方向に移動させて、リニアモータを駆動して直線移動部材３３をＸ軸と平行に往復動させてワーク２の加工領域を走査し、この走査中に停止状態のＸ軸の位置偏差、又は上述した実施形態と同じように回転軸Ｂの位置偏差、さらには、Ｙ軸の位置偏差が基準値以上に達したかを検出して、工具１とワーク２の一番突出している箇所との接触を検出して、その接触時の座標位置を、加工開始点位置とすればよいものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態の超精密加工を行う工作機械の概略図である。
【図２】同実施形態に工作機械を制御する制御装置の要部ブロック図である。
【図３】同実施形態における加工開始点の座標位置の検出動作を説明する説明図である。
【図４】流体軸受されていない可動軸と流体軸受けされた可動軸とを移動したときの検出される位置偏差を示す図である。
【図５】同実施形態における加工開始点検出処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図６】引き切り加工用に用いる付加直動軸の一例の概要図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 工具
２ ワーク
１０ 回転テーブル
１１ Ｘ軸部材
１２ Ｙ軸部材
１３ Ｚ軸部材
２１ 数値制御部
２２ｘ Ｘ軸サーボ制御手段
２２ｙ Ｙ軸サーボ制御手段
２２ｚ Ｚ軸サーボ制御手段
２２ｂ Ｂ軸サーボ制御手段
２４ｘ Ｘ軸のモータ
２４ｙ Ｙ軸のモータ
２４ｚ Ｚ軸のモータ
２４ｂ Ｂ軸のモータ
２５ｘ Ｘ軸の位置・速度検出器
２５ｙ Ｙ軸の位置・速度検出器
２５ｚ Ｚ軸の位置・速度検出器
２５ｂ Ｂ軸の位置・速度検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ単位の加工精度が要求される超精密加工を行う工作機械に関し、特に加工開始位置を正確に検出できる工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ単位の加工精度が要求される超精密加工を行う工作機械において、加工平面上に引き切り加工等を行う場合、その加工精度を向上させるためには、ワークに対する工具先端点を正確に決めて加工を開始する必要があり、ワークの加工開始点の座標位置をナノ単位の精度で決定する必要がある。
【０００３】
従来は、センサなどの専用の工具検知装置や、マイクロスコープを用いて、工具先端位置を検出していた。又、ワーク位置を測定する方法として、回転アクチュエータの出力トルクを制限して工具をワーク方向に前進させて、トルクオーバとなった状態で、かつ位置偏差が設定したスキップ偏差量を超えたとき、スキップして以後の移動指令を停止するようにした発明が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２８７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワークに対する工具位置を検出する方法として、従来から用いられていた工具検知装置では、工具の位置は検知できるが、正確なワークの位置がわからない。また、先端の鋭い工具では、本当の先端位置を検知できないという問題がある。
又、マイクロスコープで検出する場合は、刃先とワークの距離を測定し、工具をギリギリまで近づけるが、マイクロスコープの焦点距離の関係で、加工段取りによっては刃先が見えないことがあり、問題がある。
【０００６】
又、特許文献１に記載された発明のように、工具を駆動するモータ等のアクチュエータの出力トルクを制限し工具をワーク方向に移動させ、トルクオーバとなった状態で、位置偏差がスキップ偏差量を超えたときの位置を求めて、工具に対するワーク位置を測定する場合は、トルクオーバになった状態のトルクが、工具及びワークにかかることになる。
ナノ単位に加工精度で超精密に加工する工作機械においては、各可動軸の軸受が空気軸受等の流体軸受で構成され、摩擦のない軸受とされている。そのため、可動軸に僅かな力がかかっても、可動軸は移動することから、特許文献１に記載された発明のようにトルクオーバ状態で、位置偏差が所定値異常になった状態を検出したときには、すでにワーク又は工具は、そのワークと工具の接触位置から移動している可能性が大きくなり、ナノ単位の精度でその位置を検出することは難しい。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、流体軸受で支持し摩擦のない可動軸で構成される超精密加工を行う工作機械において、加工開始位置を正確に検出できるワークの接触検知機構を備えた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、各可動軸が流体軸受により支持され、該可動軸により工具とワークを相対移動させてワークに対して工具により加工を行う工作機械において、請求項１に係る発明は、各可動軸の位置を検出する位置検出器を備え、可動軸への指令位置と前記位置検出器で検出された位置との差の位置偏差を検出する位置偏差検出手段と、前記可動軸を駆動して工具をワーク加工面に相対移動させて走査し、位置偏差検出手段で検出された位置偏差に基づいてワークと工具の接触を検知し、該接触が検出されたときの各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶する接触点検出手段と、前記接触が検知されたとき工具の取り付けられた可動軸をワークから逃がす退避制御手段とを備えることを特徴とするものである。請求項２に係る発明は、この工作機械が有する可動軸は、直動軸と回転軸で構成され、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、検出分解能１０nm以下のリニアスケールによって構成されているものとしている。さらに、請求項３に係る発明は、前記回転軸の位置を検出する位置検出器は、１万分の１°以下のパルスコーダによって構成され、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されるものとしている。
【０００９】
請求項４に係る発明は、前記接触点検出手段により、工具とワークを相対的に一定速で可動軸を移動させ、該移動させた可動軸の位置偏差の値から工具とワークの接触を感知するものとした。
又、請求項５に係る発明は、前記可動軸として、直動軸であるＸ軸と該Ｘ軸上にＸ軸と直交する回転軸であるＢ軸と、さらに前記Ｘ軸と直交し前記Ｂ軸と平行な直動軸であるＹ軸と、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交する直動軸であるＺ軸とを備えたものとし、請求項６に係る発明は、工具の取り付けられた軸は、前記Ｙ軸としたものである。
請求項７に係る発明は、工具を前記Ｙ軸に取り付け、ワークを前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付け、前記接触点検出手段は、Ｘ軸を動かしてワークを直線移動させ、Ｘ軸、Ｂ軸又はＹ軸の位置偏差の変動により、工具とワークの接触を検知するようにした。
【００１０】
請求項８に係る発明においては、加工開始時には、前記接触点検出手段により自動的に設定された各可動軸の位置に自動的に移動し加工を開始するものとした。
又、請求項９に係る発明においては、前記接触点検出手段は、前記工具が取り付けられたＹ軸及びＢ軸を停止させ、Ｚ軸を所定量移動させる毎にＸ軸を往復移動させながら、ワークのＸ−Ｚ平面を走査し、該走査を、Ｙ軸を所定量ワークに近づける毎に行い、工具とワークの接触を検出し、該検出時の各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶するものとした。
【００１１】
さらに、請求項１０に係る発明は、Ｙ軸上にＸ軸と平行に移動する付加直動軸が装着し、ワークを前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付けるものとし、前記接触点検出手段は、前記付加直動軸を動かして工具をＸ軸に平行な方向に往復運動させ、工具とワークの接触を検知するものとした。
請求項１１に係る発明は、さらに、各可動軸を駆動制御するサーボ制御手段のサーボゲインを下げ、外乱の影響を受けやすい状態にすることによって、工具又はワークにかかるより微小な力で工具とワークの接触を検知するようにした。
【００１２】
又、請求項１２に係る発明は、位置偏差の異常増大を感知する手段を設け、該手段で位置偏差の異常増大を感知することにより、前記退避制御手段により工具をワークから逃がすようにした。又、請求項１３に係る発明は、位置偏差の異常増大を感知したとき、その位置偏差の異常増大の軸を判別する信号をも発生するようにした。
【発明の効果】
【００１３】
可動軸が流体軸受で構成されている超精密加工を行う工作機械では、各可動部に僅かな力が作用しても可動部がその力で移動する。これを利用して位置偏差の増大を検出することによって、簡単に、加工面の最大に突出する部位を工具とワークの接触で検出し、該接触点を加工開始点の位置として検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の超精密加工を行う工作機械の概略図である。この実施形態では、可動軸として３つの直動軸と１つの回動軸を備えている。回転テーブル１０は、水平方向のＸ軸方向に駆動される直動軸のＸ軸部材１１に取り付けられ、該回転テーブル１０はＸ軸と直交する軸のＢ軸回りに回転する。この回転テーブル１０に被加工物のワーク２が取り付けられる。工具１はＸ軸と直交し、回転軸のＢ軸と平行なＹ軸方向に移動する直動軸のＹ軸部材１２に取り付けられ、かつこのＹ軸部材１２は、Ｘ軸、Ｙ軸と直交するＺ軸方向に移動する直動軸のＺ軸部材１３に取り付けられている。これにより、ワーク２がＸ軸方向に直線移動すると共に、Ｂ軸回りに回転する。又、工具１は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に直線移動するものとなり、これらＸ、Ｙ、Ｚ、Ｂ軸の移動により工具１によりワーク２は加工されるものとなる。
なお、この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動するモータは、リニアモータで構成され、回動軸のＢ軸を駆動するモータは、回転サーボモータで構成され、回転テーブル１０と回転サーボモータはダイレクトに接続され、ダイレクトドライブを構成している。
又、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸の各軸の軸受は、流体軸受（空気軸受）で構成されている。
【００１５】
図２は、この工作機械を制御する制御装置である数値制御装置の要部ブロック図である。数値制御部２１では、加工プログラムを読み出し実行し、各軸への移動指令を各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂに出力する。Ｘ軸のモータ２４ｘを制御するＸ軸サーボ制御手段２２ｘに記載されているように、各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂは、位置制御部２２１、速度制御部２２２、電流制御部２２３等で構成されており、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸のサーボ制御手段２２ｙ、２２ｚ、２２ｂもこのＸ軸サーボ制御手段２２ｘの構成と同一である。
【００１６】
各軸サーボ制御手段２２ｘ〜２２ｂの位置制御部２２１では、エラーレジスタ２２１ａとポジションゲインＫの項２２１ｂで構成され、数値制御部２１からそれぞれ指令された位置と、位置、速度を検出する位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる位置との差である位置偏差εをエラーレジスタ２２１ａで求め、該位置偏差εにポジションゲインＫを乗じて、指令速度を求め、速度制御部２２２では、該指令速度から位置・速度検出器２５ｘ〜２５ｂからフィードバックされる速度を減じて速度偏差を求め、比例・積分処理等の速度のフィードバック制御を行い電流指令（トルク指令）を求める。そして、電流制御部２２３では、この電流指令とアンプ２３ｘ〜２３ｂからフィードバックされる電流とに基づいて電流フィードバック制御を行いアンプ２３ｘ〜２３ｂを介して各軸モータ２５ｘ〜２５ｂを駆動する。
【００１７】
この実施形態では、直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚはリニアモータで構成されている。また、回転軸のＢ軸を駆動するモータ２４ｂは、回転サーボモータで構成され、上述したように回転テーブル１０をダイレクトドライブするように構成されている。又、リニアモータで構成された直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のモータ２４ｘ、２４ｙ、２４ｚで駆動される各可動部材の位置は、リニアスケールで構成された位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚで検出している。本実施形態の工作機械は、超精密加工を実施するものであることから、このリニアスケールで構成される位置・速度検出器２５ｘ、２５ｙ、２５ｚは１０ナノメータ以下の検出分解能の高精度な検出器で構成されている。また、回転軸のＢ軸のサーボモータ２４ｂに取り付けられる、パルスコーダ等の位置・速度検出器２５ｂも、１万分の１度以下の分解能を有する高精度の分解能の位置・速度検出器２５ｂで構成されている。
【００１８】
上述した工作機械の構成、及び該工作機械を制御する制御部の構成は、従来の超精密加工用の工作機械及びその制御装置と同じである。本発明は、このような工作機械において、加工開始位置を高精度に検出できる工具とワークの接触検知機能を備えるようにした点にある。
【００１９】
図３は、本実施形態における加工開始点の座標位置の検出動作を説明する説明図である。ワーク２を超精密の平面加工をする場合、平面加工をしようとする加工平面の凹凸に合わせ、工具の切り込み方向において工具先端に一番近い部分から平面加工を実行する必要がある。この実施形態においては、垂直方向のＹ軸方向が工具１の切り込み方向であり、水平面のＸ−Ｚ平面が加工平面である。この場合、工具１をＹ軸方向に下降(ワーク２に近づく方向)させて所定の切り込みを与えて切削加工するとき、加工平面に突出する部分（Ｙ軸方向に突出する部分）があり、この部分で必要以上の切り込みとなって工具に過大な負荷を掛けることになる。これを防止するためには、最大に突出した高い部分（Ｙ軸方向で工具の方に突出している部分）を検出し、この部分から加工を開始する必要がある。
【００２０】
そこで、図３（ａ）に示すように、工具１を所定位置に位置決めしワーク２をＸ軸方向に往復動させて、工具１の先端１ａがワーク２と接触するか判別し、接触しなければ、Ｚ軸方向に所定量だけ工具１を移動させ、その後、ワーク２をＸ軸方向に往復動させる動作を繰り返し実行し、ワーク２の加工平面領域を走査する。そして図３（ｂ）のように、工具１の先端１ａがワークの突出部の１番高いところで接触すると、この座標位置を加工開始位置とする。
【００２１】
本実施形態は、この工具１とワーク２の接触を各軸の位置偏差の増大で検出するようにしている。
本実施形態の工作機械は前述したように、各直動軸のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及び及び回転軸のＢ軸は、流体軸受で構成されており、摩擦がほとんどない。そのため、工具１とワーク２が接触し、工具１又はワーク２に負荷がかかると、この負荷によりＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸は移動する。この移動により指令位置と検出位置との位置偏差εが増大するから、この位置偏差εの増大を検出することによって、工具１とワーク２の接触を検出できる。
【００２２】
図４（ａ）は、可動軸の軸受として流体軸受を用いず、従来のボールベアリング等の軸受を用いたときの可動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸）の移動時の位置偏差を測定したものである。可動軸の移動にともない発生する摩擦抵抗による位置偏差が発生している。一方、図４（ｂ）は、可動軸の軸受として流体軸受を用い、可動部を移動させたときの位置偏差を測定したものであり、摩擦がほとんどないことから、位置偏差の変動は図４（ａ）と比較し格段と小さいものとなっている。なお、図４（ｂ）において、符号Ｐで示す点は、工具１がワーク２に接触し、位置偏差が増大した点を示している。
【００２３】
この４図（ｂ）に示すように、流体軸受で支持された可動軸は位置偏差がほとんど現れず、これらの軸に僅かな負荷がかかったときでも位置偏差が発生し、負荷がかからないときと、かかったときでの位置偏差の差は大きなものとなっている。そのため、可動軸に負荷がかかったか否かを位置偏差で検出するための比較基準値の設定が容易にできる。
【００２４】
図４（ｂ）では、負荷がかからないときの位置偏差と負荷がかかったときの大きさとの中間程度の値を比較基準値として設定しておけば、この基準値より大きい位置偏差が生じたとき、可動軸に負荷がかかったものとして検出できる。しかし、この比較基準値を図４（ａ）に示すような流体軸受を使用していない通常の軸受で支持された可動軸の場合に適用すると、摩擦によって生じる位置偏差もこの比較基準値を超えることになり、摩擦により発生した位置偏差を工具とワークとの接触により発生した位置偏差として検出する恐れがあるが、本発明では、流体軸受を使用していることから、位置偏差が小さい状態で工具とワークの接触を検出できるものである。
【００２５】
図５は、数値制御部２１に設けられたプロセッサが実行する加工開始点検出処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
まず、ワーク２に対して平面加工を行うＸ−Ｚ平面のＸ軸方向のストローク量とＺ軸方向のストローク量を設定し、手動送りによって、ワーク２の加工平面である走査領域の一方の辺をＸ軸と平行になるように、回転軸Ｂを位置決めする。又、工具１を走査領域の走査開始点と一致する座標位置に位置決めする。さらに、Ｚ軸も走査領域の走査開始点の座標位置に位置決めする。そして、加工開始点検出指令を、図示していないキーボード等の手動入力手段より入力すると、数値制御装置のプロセッサは図５に示す処理を開する。
【００２６】
Ｘ軸のモータを所定の一定速度で駆動して設定ストローク量だけ往復動させ（ステップＳ１）、その往復動作中、Ｘ軸のエラーレジスタ２２１ａで求められるＸ軸における指令位置と位置・速度検出器からフィードバックされる実際の位置との差である位置偏差が、異常を検出するための所定値以上の過大な位置偏差か判断する（ステップＳ２）。これは、設定値や操作ミス等によって、ワーク２と工具１が衝突したときを検出するものであり、この過大位置偏差が検出されたときには、Ｘ軸の位置偏差過大の異常信号を出力し、数値制御装置の表示装置等に表示し（ステップＳ６）、ステップＳ５に移行して、工具１が取り付けられたＹ軸をスキップさせる。すなわち、Ｙ軸を予めスキップ量として指定されている量だけワーク２から遠ざかる方向に移動させ、工具１をワークから離す処理を行う。
【００２７】
一方、ステップＳ２で、Ｘ軸の位置偏差が過大ではないと判断されたときには、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｂ軸のエラーレジスタ２２１ａで求められているそれぞれの位置偏差εを読み取り、いずれかの位置偏差εが設定基準値以上か判断する。この基準値は、ワーク２と工具１の工具先端１ａが接触したことを検出するために設定されているものであり、図４（ｂ）に示したように、工具とワークが接触していないとき発生する位置偏差より少し大きな位置偏差量を基準値として設定している。
【００２８】
Ｘ軸は一定速度で駆動され、ワーク２を一定速度で移動させているから、工具１がワーク２と接触すると、そのワーク２の移動が阻止され、位置偏差が増加することになる。よって、Ｘ軸の位置偏差が設定基準値以上になったことによって、工具１とワーク２の接触が検出される（ステップ３）。
【００２９】
又、Ｙ軸やＢ軸は、所定位置に位置決めされているものであるが、Ｙ軸やＢ軸も流体軸受で支持されているものであるから、僅かな力がこれらの軸に加わっても、これらの軸は移動する。そのため、ワーク２と工具１が接触したとき、そのとき、工具１に対してＹ軸方向に力が加われば、Ｙ軸のリニアモータは移動し、指令位置からずれ、位置偏差が発生する。又、同様に、ワーク２と工具１が接触したとき、ワーク２を回転させるような力が加われば、Ｂ軸のサーボモータは移動し、指令位置からずれ、位置偏差が発生する。よって、このＹ軸、Ｂ軸の位置偏差か基準値以上になったことを検出することによって、工具１とワーク２の接触を検出する。すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｂ軸のいずれかの位置偏差が基準値以上になったか否かで、工具１とワーク２の接触を検出する（ステップＳ３）。
ステップＳ３でＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上に達しないと判断されたときは、Ｚ軸の位置が走査終了位置か判断し（ステップＳ７）、走査終了位置でなければ、Ｚ軸を所定量移動させて（ステップＳ８）、ステップＳ１に戻り前述した処理を行う。
【００３０】
以下、工具１とワーク２が接触せず、ステップＳ３でＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸の位置偏差が基準値以上となっていると判断されない限り、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ７、Ｓ８の処理を繰り返し実行する。
そして、Ｚ軸の位置が走査終了位置に達すると（ステップＳ７）、Ｚ軸を走査開始位置に位置決めし（ステップＳ９）、Ｙ軸を所定量降下（工具１をワーク２に近づける方向）させ、このとき、Ｙ軸のエラーレジスタ２２１ａで求められている位置偏差量が過大な量か判断し（ステップＳ１１）、過大であると判別されると、Ｙ軸の位置偏差過大の異常信号を出力し、数値制御装置の表示装置等に表示し（ステップＳ１２）、ステップＳ５に移行して、工具が取り付けられたＹ軸をスキップさせる。すなわち、Ｙ軸を予めスキップ量として指定されている量だけワーク２から遠ざかる方向に移動させ、工具１をワーク２から離す処理を行う。
【００３１】
一方、ステップＳ１１で、Ｙ軸の位置偏差量が過大でないと判断されると、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以下の処理を実行する。すなわち、工具１をワーク２方向に所定量近づけて、走査範囲を走査することになる。
以下、Ｙ軸を所定量だけ移動させて工具１をワーク２に所定量だけ順次近づけながら、走査範囲を走査する。そのうち、工具１の先端１ａがワーク２の突出部と接触し、ステップＳ３でＸ軸、Ｙ軸、Ｂ軸のいずれかの位置偏差が基準値以上になったと判別されると、工具１とワーク２が接触したとして、このときの各軸座標位置を加工開始点の座標位置として設定記憶すると共に、Ｘ軸の移動を停止させる（ステップＳ４）。そして、ステップＳ５に移行し、前述したスキップ処理を行い、Ｙ軸をスキップ量だけワーク２から遠ざかる方向に移動させ、工具１をワーク２から離しこの加工開始点検出処理を終了する。
【００３２】
こうして、加工開始点が検出され、この加工開始点の各可動軸位置、すなわち座標位置が、数値制御部２１の記憶部に記憶された後、加工を開始するために加工開始指令が数値制御装置に入力されたとき、数値制御装置のプロセッサは、この記憶された各軸位置を読み出しこの読み出した位置に各軸を位置決めして、ワーク２への加工を開始する。
【００３３】
上述した加工開始点検出処理において、ステップＳ２、ステップＳ１１は、操作ミス等による工具１とワーク２の衝突により工具等が破損することを防止することを目的とするものであり、加工開始点検出処理としては本質的なものではなく、削除してもよいものである。
この場合には、ステップＳ２、Ｓ６、Ｓ１１、Ｓ１２の処理は必要なく、ステップＳ１からステップＳ３に移行し、ステップＳ１１からステップＳ１に移行する処理となる。
【００３４】
上述したように、本発明は、位置偏差の増大によって工具１とワーク２の接触を検出するものであるので、図５に示す加工開始点検出処理を行うときには、各軸サーボ制御手段の位置制御部２２１のポジションゲインＫや速度制御部２２２の比例ゲイン、積分ゲイン等のサーボゲインを下げ、通常の加工時のときよりも小さいものとして実行させるとより効果的である。例えば、ポジションゲインＫが通常より下げられ小さく設定されると、位置偏差に比例して出力される速度指令は小さくなり、電流指令（トルク指令）も小さくなる。そのため、工具１とワーク２が接触した時、この工具１とワーク２にかかる力が小さい状態で、位置偏差は大きくなり、この工具１とワーク２の接触検知を小さい負荷で検出できることになる。
【００３５】
上述した実施形態では、ワーク２をＸ軸で駆動し移動させて加工する例を述べたが、Ｘ軸は設けず、もしくはＸ軸は駆動せず、Ｙ軸上にＸ軸と平行に移動する付加軸を設けて、例えば、微細な直線溝を多量に加工するような引き切り加工等を行わせるような場合にも、本発明は適用できるものである。
図６は、Ｙ軸部材１２にと付けられる引き切り加工用の付加直動軸の一例である。
【００３６】
２つの固定部材３１ａ、３１ｂ間には、直線移動部材３３をガイドするガイド部材３２が配置されている。直線移動部材３３は流体軸受（空気軸受）によって、ガイド部材３２に支持されていると共に、このガイド部材３２と直線移動部材３３には、一方にコイルを他方に磁石が配置されリニアモータを構成している。固定部材３１ａ、３１ｂをＹ軸部材１２に取り付ける。ガイド部材３２は固定部材３１ａ、３１ｂに固定されてもよいが、この図６に示す例では、特願２００５−３２５０５２で示されるように、ガイド部材３２を固定部材３１ａ、３１ｂで流体軸受（空気軸受）で支持するようにしている。工具１が直線移動部材３３にピエゾ素子３４を介して取り付けられており、このピエゾ素子３４を駆動してワーク２に対する切り込み量を工具１に与え、直線移動部材３３を往動させて、溝加工を行い、ピエゾ素子３４の駆動を停止し、切り込み量を戻し、直線移動部材３３を復動させる。これを繰り返すことによって、引き切り加工による溝加工を行う。
【００３７】
この付加直動軸を用いる場合でも、加工開始点を検出するときには、上述した実施形態と同様に、Ｙ軸を順次所定量ワーク２に近づく方向に移動させて、リニアモータを駆動して直線移動部材３３をＸ軸と平行に往復動させてワーク２の加工領域を走査し、この走査中に停止状態のＸ軸の位置偏差、又は上述した実施形態と同じように回転軸Ｂの位置偏差、さらには、Ｙ軸の位置偏差が基準値以上に達したかを検出して、工具１とワーク２の一番突出している箇所との接触を検出して、その接触時の座標位置を、加工開始点位置とすればよいものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態の超精密加工を行う工作機械の概略図である。
【図２】同実施形態に工作機械を制御する制御装置の要部ブロック図である。
【図３】同実施形態における加工開始点の座標位置の検出動作を説明する説明図である。
【図４】流体軸受されていない可動軸と流体軸受けされた可動軸とを移動したときの検出される位置偏差を示す図である。
【図５】同実施形態における加工開始点検出処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図６】引き切り加工用に用いる付加直動軸の一例の概要図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 工具
２ ワーク
１０ 回転テーブル
１１ Ｘ軸部材
１２ Ｙ軸部材
１３ Ｚ軸部材
２１ 数値制御部
２２ｘ Ｘ軸サーボ制御手段
２２ｙ Ｙ軸サーボ制御手段
２２ｚ Ｚ軸サーボ制御手段
２２ｂ Ｂ軸サーボ制御手段
２４ｘ Ｘ軸のモータ
２４ｙ Ｙ軸のモータ
２４ｚ Ｚ軸のモータ
２４ｂ Ｂ軸のモータ
２５ｘ Ｘ軸の位置・速度検出器
２５ｙ Ｙ軸の位置・速度検出器
２５ｚ Ｚ軸の位置・速度検出器
２５ｂ Ｂ軸の位置・速度検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各可動軸が流体軸受により支持され、該可動軸により工具とワークを相対移動させてワークに対して工具により加工を行う工作機械において、各可動軸の位置を検出する位置検出器を備え、可動軸への指令位置と前記位置検出器で検出された位置との差の位置偏差を検出する位置偏差検出手段と、前記可動軸を駆動して工具をワーク加工面に相対移動させて走査し、位置偏差検出手段で検出された位置偏差に基づいてワークと工具の接触を検知し、該接触が検出されたときの各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶する接触点検出手段と、前記接触が検知されたとき工具の取り付けられた可動軸をワークから逃がす退避制御手段とを備えることを特徴とする工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項２】
工作機械が有する可動軸は、直動軸と回転軸で構成され、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、検出分解能１０nm以下のリニアスケールによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項３】
前記回転軸の位置を検出する位置検出器は、１万分の１度以下のパルスコーダによって構成され、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されることを特徴とする請求項２に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項４】
前記接触点検出手段は、工具とワークを相対的に一定速で可動軸を移動させ、該移動させた可動軸の位置偏差から工具とワークの接触を感知する請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項５】
前記可動軸として、直動軸であるＸ軸と該Ｘ軸上にＸ軸と直交する回転軸であるＢ軸と、さらに前記Ｘ軸と直交し前記Ｂ軸と平行な直動軸であるＹ軸と、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交する直動軸であるＺ軸とを備えた請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項６】
工具の取り付けられた軸は、前記Ｙ軸であることを特徴とする請求項５に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項７】
工具は前記Ｙ軸に取り付けられ、ワークは前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付けられ、前記接触点検出手段は、Ｘ軸を動かしてワークを直線移動させ、Ｘ軸、Ｂ軸又はＹ軸の位置偏差の変動により、工具とワークの接触を検知することを特徴とする請求項５に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項８】
加工開始時には、前記接触点検出手段により自動的に設定された各可動軸の位置に自動的に移動し加工を開始することを特徴とする請求項１乃至７の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項９】
前記接触点検出手段は、前記工具が取り付けられたＹ軸及びＢ軸を停止させ、Ｚ軸を所定量移動させる毎にＸ軸を往復移動させながら、ワークのＸ−Ｚ平面を走査し、該走査を、Ｙ軸を所定量ワークに近づける毎に行い、工具とワークの接触を検出し、該検出時の各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶する請求項７に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１０】
Ｙ軸上にＸ軸と平行に移動する付加直動軸が装着され、ワークは前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付けられ、前記接触点検出手段は、前記付加直動軸を動かして工具をＸ軸に平行な方向に往復運動させ、工具とワークの接触を検知することを特徴とする請求項５に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１１】
前記各可動軸を駆動制御するサーボ制御手段のサーボゲインを下げ、外乱の影響を受けやすい状態にすることによって、工具又はワークにかかるより微小な力で工具とワークの接触を検知することを特徴とする請求項１乃至１０の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１２】
位置偏差の異常増大を感知する手段を設け、該手段で位置偏差の異常増大を感知することにより、前記退避制御手段により工具をワークから逃がすことを特徴とする請求項１乃至１１の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１３】
位置偏差の異常増大を感知したとき、その位置偏差の異常増大の軸を判別する信号をも発生するようにした請求項１２に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１】
各可動軸が流体軸受により支持され、該可動軸により工具とワークを相対移動させてワークに対して工具により加工を行う工作機械において、各可動軸の位置を検出する位置検出器を備え、可動軸への指令位置と前記位置検出器で検出された位置との差の位置偏差を検出する位置偏差検出手段と、前記可動軸を駆動して工具をワーク加工面に相対移動させて走査し、位置偏差検出手段で検出された位置偏差に基づいてワークと工具の接触を検知し、該接触が検出されたときの各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶する接触点検出手段と、前記接触が検知されたとき工具の取り付けられた可動軸をワークから逃がす退避制御手段とを備えることを特徴とする工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項２】
工作機械が有する可動軸は、直動軸と回転軸で構成され、前記直動軸の位置を検出する位置検出器は、検出分解能１０nm以下のリニアスケールによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項３】
前記回転軸の位置を検出する位置検出器は、１万分の１度以下のパルスコーダによって構成され、該回転軸はモータに直接連結されダイレクトに駆動されることを特徴とする請求項２に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項４】
前記接触点検出手段は、工具とワークを相対的に一定速で可動軸を移動させ、該移動させた可動軸の位置偏差から工具とワークの接触を感知する請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項５】
前記可動軸として、直動軸であるＸ軸と該Ｘ軸上にＸ軸と直交する回転軸であるＢ軸と、さらに前記Ｘ軸と直交し前記Ｂ軸と平行な直動軸であるＹ軸と、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交する直動軸であるＺ軸とを備えた請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項６】
工具の取り付けられた軸は、前記Ｙ軸であることを特徴とする請求項５に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項７】
工具は前記Ｙ軸に取り付けられ、ワークは前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付けられ、前記接触点検出手段は、Ｘ軸を動かしてワークを直線移動させ、Ｘ軸、Ｂ軸又はＹ軸の位置偏差の変動により、工具とワークの接触を検知することを特徴とする請求項５に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項８】
加工開始時には、前記接触点検出手段により自動的に設定された各可動軸の位置に自動的に移動し加工を開始することを特徴とする請求項１乃至７の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項９】
前記接触点検出手段は、前記工具が取り付けられたＹ軸及びＢ軸を停止させ、Ｚ軸を所定量移動させる毎にＸ軸を往復移動させながら、ワークのＸ−Ｚ平面を走査し、該走査を、Ｙ軸を所定量ワークに近づける毎に行い、工具とワークの接触を検出し、該検出時の各可動軸の位置を加工の開始点として自動的に設定記憶する請求項７に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１０】
Ｙ軸上にＸ軸と平行に移動する付加直動軸が装着され、ワークは前記回転軸のＢ軸の回転テーブルに取り付けられ、前記接触点検出手段は、前記付加直動軸を動かして工具をＸ軸に平行な方向に往復運動させ、工具とワークの接触を検知することを特徴とする請求項５に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１１】
前記各可動軸を駆動制御するサーボ制御手段のサーボゲインを下げ、外乱の影響を受けやすい状態にすることによって、工具又はワークにかかるより微小な力で工具とワークの接触を検知することを特徴とする請求項１乃至１０の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１２】
位置偏差の異常増大を感知する手段を設け、該手段で位置偏差の異常増大を感知することにより、前記退避制御手段により工具をワークから逃がすことを特徴とする請求項１乃至１１の内いずれか１項に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【請求項１３】
位置偏差の異常増大を感知したとき、その位置偏差の異常増大の軸を判別する信号をも発生するようにした請求項１２に記載の工具とワークの接触検知機構を有する工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１１０４３５（Ｐ２００８−１１０４３５Ａ）
【公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９５２１６（Ｐ２００６−２９５２１６）
【出願日】平成１８年１０月３１日（２００６．１０．３１）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月３１日（２００６．１０．３１）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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