专利名称：具备工具夹的工作机械及基于该工作机械的加工方法
技术领域：
本发明涉及工具旋转半径可变的工具夹以及具备该工具夹的工作机械以及使用所述工作机械的加工方法。
背景技术：
为了批量生产在光学部件中使用的镜头，使用高精度加工的模具。一般的透镜是旋转对称的形状，所以在模具的制造中使用单晶金刚石工具进行超精密车削加工。在通常的车削加工中，使安装在主轴上的工件高速旋转，使工具按压工件，来切削加工任意的旋转对称的形状。因此，工件上的旋转中心仅为一个。但是，最近具有排列了数十至数千个直径为数毫米的透镜的形状的透镜阵列模具 (参照图19A-图20B)的需求正在增大。为了通过车削来加工阵列透镜的模具，需要针对车床的主轴，对每个透镜形状调整旋转中心来进行加工。因为难以通过手动精密地调整透镜的加工位置，所以例如在主轴上具备与旋转中心轴垂直方向的2轴直线工作台，如果将工件安装在该工作台上就能任意地变换工件上的旋转中心。但是，在高速旋转的主轴上无法连接驱动用缆绳，并且在技术上难以使工作台具有用于抵抗主轴旋转时的离心力的保持力。此外，作为其他的方法，还考虑了通过车床制造各个不同的透镜模具，通过将这些透镜模具多个组合来成为透镜阵列模具的方法。但是，透镜阵列的用途多，严密地设计了各透镜之间的距离，难以按照正确的透镜间距组装数千个模具。因此，希望有车床以外的透镜阵列的高速、高精度的加工方法。作为透镜阵列形状的加工方法，一般采用通过铣削进行加工的方法。在该加工中， 在主轴上安装小直径的旋转工具，同时驱动工作机械的垂直3轴来描绘螺旋的轨迹，加工透镜形状。如图25所示，在通过一般的铣削加工加工复杂的自由曲面时，如果在加工形状中在一个部位具有半径R的小的凹形状，则使用与其匹配的小直径的端铣刀工具。但是，因为小直径的工具在旋转一周的期间可切削的量少，所以在平坦的面上加工效率非常差。特别是在超精密加工中，有时连因更换工具使工具的位置偏移1 μ m的情况也不允许发生，在精加工中无法更换工具，很多时候通过一个工具加工整个加工面。图2队以及图26B说明作为现有技术的通过一般的铣削加工来加工透镜阵列。图 26A表示通过主轴使切削工具旋转，通过工作机械的直线轴描绘螺旋状的轨迹来进行加工的方法。图26B表示以扫描工具的方式一面通过直线轴动作一面加工的方法。无论哪个方法都是当要高速加工时，各轴的加减速剧烈的加工方法，通过直线轴的加速性能决定加工速度。此外，在工具高速旋转的同时，描绘图2队以及图26B所示的轨迹，所以实际的工具的切削距离远远长于轨迹，还存在工具磨损剧烈的缺点。如上所述，关于该加工方法的缺点，当要高速加工时，在仅仅数毫米的透镜直径中进行高速的螺旋运动，直线轴的方向反转变得剧烈。特别是在透镜中心附近的加工中，需要高速切换加减速，直线轴的加速性能与加工速度具有很大的关联。此外，所谓铣削的加工方法，工具自身高速旋转，由于运转而切削工具磨损剧烈，难以不更换工具地加工数千个透镜形状。作为抑制工具磨损的加工方法，考虑了通过旋转台改变工具的角度，在正交3轴上进行螺旋运动的方法。图27A以及图27B说明作为其他的现有技术，改变工具2的角度， 并且描绘螺旋的轨迹来进行加工的透镜阵列的加工方法。该加工方法从工具2看成为接近车削加工的动作，在抑制工具磨损方面有效。但是，为了进行高速加工，进行螺旋运动的直线轴的加减速剧烈的缺点与图26A以及图^B的加工方法相同。作为抑制工具磨损，还抑制直线轴的高速驱动的加工方法，具有在日本特开 2003-121612号公报、日本特开2000-52217号公报中公开的技术。图28A以及图^B说明作为其他的现有技术(参照日本特开2003-121612号公报)，与透镜的截面形状相匹配地使工具成型后加工工件的加工方法。该方法使用压电元件使工具2微小地上下移动来对工件进行加工，存在无法应对凸形状、以及即使是凹形状但原理上无法加工为旋转对称的形状的缺点。图四说明在与透镜的剖面形状相匹配地使工具成型后加工工件的现有技术(参照日本特开2000-52217号公报)。该现有技术能够应对旋转对称的形状和凸形状。但是， 因为难以将以旋转中心轴4为中心进行旋转的工具2的轮廓精度成型为微米级以下，所以不适合高精度的透镜形状的加工。在上述任一专利文献中公开的公知技术都需要使工具与透镜的截面形状相匹配成型的特殊的工具，形状精度依赖于工具精度，并且还无法修正形状误差，无法用于高精度的透镜模具的制造。
发明内容
当从加工速度、加工精度的观点出发，关于透镜形状的加工，可以说车削加工是理想的加工方法。因此，即使在加工透镜阵列时，希望成为无论从工具看还是从工作机械的各轴看，接近车削加工的动作。因此，本发明的目的在于提供一种能够进行无论从工具角度观察还是从工作机械的各轴观察，接近车削加工的动作的工具的旋转半径可变的工具夹以及具备工具夹的工作机械以及使用所述工作机械的加工方法。本发明的用于固定工具的工具夹具备由于在围绕旋转中心轴旋转时产生的离心力而弹性变形的结构体，将刀尖朝向所述旋转中心轴方向的所述工具的旋转半径从零到任意的值进行变化。在该工具夹中，可以根据主轴的旋转速度使工具旋转半径变化。所述工具夹的结构体包含两个由于所述离心力向分别相反的方向以相同的大小进行弹性变形的梁，对这两个梁施加的离心力相互抵消，即使所述工具夹的旋转速度变化也可以保持旋转的平衡。在该工具夹中，即使工具的旋转半径变化也可以始终保持旋转的平衡，所以可以防止不平衡引起的与旋转同步的振动。使所述工具夹的两个梁分别与位于比工具夹的旋转半径大的位置上的两个配重连接，在旋转时由于作用于这些配重的离心力使所述工具夹的弹性变形增大。该工具夹中的、把位于旋转半径较大的位置上的配重与梁连接的结构可以对梁施加大的离心力，增大工具旋转半径。可以设为关于所述工具夹的两个梁，能够在一个梁上安装工具，能够在所述工具夹的结构体上附加对包含安装的工具的重量导致的变化量、整个工具夹的旋转平衡进行调整的平衡配重的结构。针对在该工具夹上安装工具导致的重量的变化，可以通过平衡配重进行调整，由此可以防止旋转时的不平衡。所述工具夹的结构体可以具备由于所述离心力分别向相反方向弹性变形的两个梁，各个梁形成平行弹簧的形状，在梁由于离心力进行弹性变形时，相对于旋转的轴恒定地保持这些梁的端面的角度。通过该平行弹簧，即使工具的旋转半径变化，也可以防止工具的角度(姿势)发生变化。还可以为以下的结构在所述旋转中心轴的方向上观察工具夹的坐标系中，所述工具的刀尖的位置在静止时位于从旋转中心轴偏离初始偏置的第一位置上，在使所述旋转速度最大时工具刀尖位于第二位置，并且所述旋转的中心位于连结所述第一位置和第二位置的线段上。通过在该工具夹中赋予偏置，在工具旋转半径小时，可以确保某种程度的加工速度。在静止状态下工具刀尖的位置在旋转中心时，中心部的加工速度(工件相对于工具的相对速度)迟于极端，实际上无法加工。因此，在预定的旋转速度时使工具刀尖来到旋转中心，可以确保加工速度。并且，在本发明的工作机械中，在主轴上装配上述本发明的工具夹，主轴的轴向与重力方向一致，作为直线轴具备能够在至少主轴的轴向上移动的轴，通过控制所述主轴的旋转速度和所述直线轴的位置，切削加工任意的旋转对称的形状。在该工作机械中，通过能够在主轴的旋转方向上移动的直线轴控制切入量，通过主轴的旋转速度控制工具的旋转半径，由此可以通过任意的直径改变切入量。当主轴为重力方向时，工具夹的梁的位移由于旋转的相位不会受到重力的影响。因此，通过工作机械能够精密地切削加工任意的旋转对称形状。此外，在本发明的加工方法中，使用本发明的工作机械，并且预先测量工具旋转半径相对于所述主轴的旋转速度的关系和工具的旋转轴方向的位移相对于所述主轴的旋转速度的关系，对于通过该工作机械加工的旋转对称的形状，在其半径和高度的点群数据或形状公式中，把半径变换为主轴的旋转速度，把高度变换为通过所述轴向的位移修正后的所述直线轴的位移量，然后生成加工程序。在该加工方法中，事先测量相对于主轴的旋转速度的工具旋转半径和工具刀尖的位移量，在把加工形状变换为加工程序的过程中，反映该测量值，由此能够进行正确的加工。并且，在本发明的透镜阵列的加工方法中，通过上述本发明的加工方法，通过所述工作机械的直线轴或旋转轴控制所述工具夹的位置和姿势，由此在被加工物的平面或曲面上的任意的位置加工多个所述旋转对称的形状。在该透镜阵列的加工方法中，如果工作机械装配了 3个直线轴，则能加工在平面上排列了多个旋转对称的形状的形状。并且，如果工作机械装配2个旋转轴，则可以通过5轴加工对在任意的自由曲面上排列了多个旋转对称的形状的形状进行加工。因此，在一般的工作机械中，能够高速高精度地加工任意的透镜阵列。根据本发明，可以提供无论从工具看还是从工作机械的各轴看，能进行接近车削加工的动作的工具的旋转半径可变的工具夹以及具备工具夹的工作机械以及使用所述工作机械的加工方法。
通过参照附图对以下的实施例进行说明，本发明上述的以及其他的目的以及特征将会变得明确。在这些附图中图IA以及图IB说明本发明的具备弹簧的工具夹的一个实施方式。图2A以及图2B说明本发明的具备梁的工具夹的一个实施方式。图3A以及图:3B说明本发明的相对于旋转中心轴对称地具备两个梁的结构的工具夹的一个实施方式。图4A以及图4B说明本发明的具备两个梁以及两个臂的工具夹的一个实施方式。图5说明具有在加工方向上特别具有刚性在离心力方向上容易位移的两个梁的
工具夹的结构。图6说明本发明的使两个梁成为一体的U字型结构的工具夹的一个实施方式。图7A以及图7B说明调整旋转平衡的结构。图8A以及图8B说明分别连结平行的两个板状的梁成为两组板弹簧结构的工具夹的一个实施方式。图9A以及图9B说明如果工具的角度(姿势)为恒定，即使对于在同心圆状中加工槽的用途，能够容易地加工为一定截面形状的槽。图IOA 图IOD是从工具夹的上方观察具备两个梁和两个臂的工具夹的静止状态和旋转状态。图IlA 图IlC是从工具夹的侧面看具备两个梁和两个臂的工具夹的静止状态和旋转状态。图12说明改变了旋转台的旋转速度时的工具的轨迹。图13A以及图1 说明本发明的工作机械。图14说明在Z轴进行切入方向的控制。图15是描绘主轴旋转速度和工具旋转半径的关系的图的一例。图16是描绘主轴旋转速度和工具的轴方向的位移的关系的图的一例。图17说明工具旋转半径相对于主轴的旋转速度的关系和相对于主轴的旋转速度的工具的旋转轴方向的位移的测量方法。图18说明槽的低谷的位置和深度与各旋转速度下的工具旋转半径和工具的轴向的位移对应的情况。图19A以及图19B说明通过本发明的加工方法，在平面工件上加工多个透镜阵列形状的例子。图20A以及图20B说明通过本发明的加工方法，在曲面工件上加工多个透镜阵列形状的例子。图21A以及图21B说明在加工透镜形状时，描绘在改变旋转速度时工具刀尖必定通过旋转中心轴的轨迹是重要的。图22说明在本发明的加工方法中，无论工具位于哪个位置(旋转相位)工具的后刀面也不会接触工件。图23A 图23C说明除去透镜形状中央的切削残余的方法。图M说明改变工具旋转半径的自由曲面的加工。图25说明通过一般的端铣刀加工自由曲面。图沈说明通过一般的铣削加工加工透镜阵列。图27说明改变工具的角度并且描绘螺旋的轨迹来加工透镜阵列的加工方法。图2名k以及图28B说明与透镜的截面形状相匹配使工具成型后对工件进行加工的加工方法。图四说明与透镜的截面形状相匹配使工具成型后对工件进行加工的其他加工方法。
具体实施例方式图IA以及图IB是说明具备弹簧的工具夹的一个实施方式的图，图IA表示旋转台 12为静止状态或低速旋转中的状态，图IB表示旋转台12高速旋转中的状态。在工具2上固定第一弹簧8的一端和第二弹簧10的一端，第一弹簧8的另一端固定在旋转台12上，第二弹簧10的另一端固定在旋转台12上。配重6固定在第一弹簧8上、 配置在第一弹簧8和工具2之间。另外，在图IA中符号3表示工具刀尖。如图IA所示，旋转台12以经由第一弹簧8以及第二弹簧10在工具为静止状态下相对于该旋转台12与旋转中心轴4同轴的方式被安装。对于旋转中心轴对称地配置第一弹簧8和第二弹簧10。当使旋转台12绕旋转中心轴4旋转时，如图IB所示，与旋转台12的旋转速度对应的离心力Fc作用于配重6。因为该配重6因离心力Fc使第一弹簧8收缩使第二弹簧10 伸长，所以配重6向着与旋转中心轴4垂直的外方向位移。由于该配重6向外方向位移，工具2从旋转中心轴4移动，以工具旋转半径Rt围绕旋转中心轴4旋转。图2A以及图2B说明具备梁的工具夹的一个实施方式，图2A表示旋转台12为静止状态或低速旋转中的状态，图2B表示旋转台12为高速旋转中的状态。在该实施方式中，经由相对于旋转台12具有某种程度的刚性的第一梁14安装了工具2。该第一梁14的一端以使第一梁14的轴与旋转中心轴4重合的方式固定在旋转台 12上。关于第一梁14的一端向旋转台12的固定方法，例如有熔接或螺栓或拧入等方法。在第一梁14的另一端固定工具2。此外，第一配重6固定在第一梁14的另一端侧的侧部。在旋转台12为静止状态时，将第一配重6固定在第一梁14上的与旋转中心轴 4不重合的位置(即，偏离旋转中心轴4的位置)，由此如图2B那样当使旋转台12旋转时离心力Fc作用于第一配重6。通过作用在该第一配重6上的离心力Fe，固定工具2 —侧的第一梁14的另一端从工具旋转中心轴向外方向偏移。由此，工具2以工具旋转半径Rt围绕旋转中心轴4旋转。图3A以及图:3B说明相对于旋转中心轴对称地具备两个梁的结构的工具夹的一个实施方式，图3A表示旋转台12为静止状态或低速旋转中的状态，图;3B表示旋转台12为高速旋转中的状态。图3A以及图:3B所示的实施方式是使用两个图2A以及图2B所示的加重梁的方式。为了在使旋转台12旋转时旋转平衡不崩溃，如图3A所示，固定有第一配重6的第一梁14 和固定有第二配重7的第二梁15以在旋转台12上相对于旋转中心轴4成为对称位置的方式被固定。在该实施方式中，因为旋转台12旋转时的离心力Fc在分别相反的方向上作用于两个梁14、15，所以这些离心力Fc相互抵消。此外，关于第一梁14和第二梁15，如果使各个梁的刚性和各自的配重(第一配重6以及第二配重7)的重量分别相同，则两个梁14、15 由于离心力Fc而相同程度地变形，并且不会因为旋转台12的旋转导致重心的位置移动。因此，即使在旋转台12高速旋转时，也不会破坏旋转平衡。此外，在该实施方式中，因为两个梁14、15没有设置在旋转台12的旋转中心轴4 上，所以通过离心力Fc决定了梁14、15的倒向的方向，不一定需要配重6、7。还可以对第一配重6和第二配重7施加重量差或安装位置差，抵消在第一梁14上固定的工具2的重量。 为了完全消除旋转的不平衡，需要进行调整，以便针对旋转中心轴，在两个梁14、15 —侧刚性、重量以及重心严密地相等。图4A以及图4B说明具备两个梁和两个臂的工具夹的一个实施方式，图4A表示旋转台12为静止状态或低速旋转中的状态，图4B表示旋转台12为高速旋转中的状态。第一梁14和第二梁15的刚性越弱，越能够容易地增大工具旋转半径相对于旋转速度的变化。但是，第一梁14、第二梁15的刚性越弱，工具2越容易振动，无法进行精密的加工。为了兼顾第一梁14和第二梁15的刚性以及工具旋转半径Rt的大小，可以在提高第一梁14、第二梁15的刚性后，充分地增大使第一梁14、第二梁15弹性变形的离心力Fe。离心力Fc与旋转半径成比例。因此，通过使配重的安装位置位于尽可能远离旋转中心轴4的位置上，即使旋转台12的旋转速度和/或配重的重量相同，也能够得到较大的离心力Fe。为了保持工具夹的旋转平衡，期望两个梁14、15和与其连接的两个配重6、7它们的中心相对于旋转重心轴4是对称的。此外，由于配重6、7是旋转半径越大、周速越大，容易受到空气阻力。因此，希望配重6、7的形状是难以受到空气阻力的形状。在图4A中表示为了使配重6、7在尽可能远离旋转中心轴4的位置上旋转，而具备第1臂16和第2臂17的例子。第1梁14和第2梁15与图3A以及图;3B所示的实施方式同样，固定在旋转台12上。在本实施方式中，在一端固定在旋转台12的第1梁14以及第2梁15的各自的另一端分别安装第1臂16和第2臂17的一端。在这些第1臂16以及第2臂17的各自的另一端分别安装第1配重6以及第2配重7。在图4A的例子中虽然工具2被安装在第1梁 14上，但是也可以安装在第2梁15上。在图4B中表示旋转台12以某速度进行高速旋转时的状态。在该实施方式中，通过使用第1、第2臂16、17使第1、第2配重6、7从旋转重心轴4尽可能离开。由此，即使是相同的旋转速度、相同重量的配重，也能得到大的离心力Fe。图5是说明具有在加工方向上特别具有刚性，并且在离心力方向上容易位移的两个梁的工具夹的结构的图，表示图4A的A-A的截面图。为了使在加工方向特别具有刚性，并且在离心力方向容易位移，希望第一梁14以及第二梁15为离心力方向的厚度小的截面形状。但是，因为第一梁14、第二梁15的刚性越弱工具2越容易振动而无法进行精密加工，所以如上所述离心力方向的刚性也是重要的。另外，在图5中，在使旋转台12的旋转中心5 (与旋转中心轴4 一致)为中心的旋转方向为图示的方向时，离心力方向和加工方向成为图示的方向。在旋转台12的旋转方向与图示方向相反时，加工方向也和图示的方向相反。图6说明使两个梁为一体的U字型结构的工具夹的一个实施方式，使第一梁14和第二梁15为通过根部的固定部连接的一体的U字型结构，不对安装部施加多余的应力。第一梁14以及第二梁15由于大的离心力反复弹性变形，对其根部的固定部施加特别大的应力。在图6所示的工具夹20中，在根部的固定部设置安装螺栓孔18，通过在安装螺栓孔18 中贯通插入螺栓(未图示)来把工具夹20固定在旋转台12上。图7A以及图7B是说明调整旋转平衡的结构的图。图7A是从箭头B的方向观察图4A的工具夹的图，图7B是从箭头C的方向观察图4A的工具夹的图。在工具夹20的各部设置的螺孔中旋进通过螺丝的材质或长度调整了重量的固定螺丝(setscrew)，调整旋转平衡。为了测定旋转平衡的状态，可以使用市场上销售的动态平衡计测装置。在通常的旋转平衡调整中，平衡不会由于旋转速度发生大的变化，但是在为工具夹时，因为存在由于旋转速度而变形的部分，所以需要考虑该部分、在所使用的转速的全部区域中确认平衡状态。在由于旋转速度平衡变化时，通过在由于离心力产生位移的部分设置的螺丝孔进行平衡调整。关于工具夹20，如果进行了一次平衡调整，只要不将工具夹 20拆下可以再现相同的平衡。在更换为工具2的形状或重量很大不同的工具时，每次进行平衡的确认、调整。图8A以及图8B说明分别连结平行的两个板状的梁成为两组板弹簧结构的工具夹的一实施方式。在工具夹20由单纯的两个梁构成时，当工具旋转半径Rt变动时，工具2也按照梁角度变化的部分，相同程度地进行角度变化(参照图11)。有时根据加工，不允许这样的工具的角度变化(姿势变化)。因此，为了解决该问题，如图8A以及图8B那样，分别连结平行的两个板状的梁成为两组板弹簧结构。因为如此成为平行弹簧的结构，所以即使安装的工具由于离心力梁发生变形，也不会发生角度变化(姿势变化)。在刀尖位移的含义方面，平行弹簧的结构也成为图15以及图16的动作，仅抑制姿势的变化。图9A以及图9B说明如果工具的角度(姿势)恒定，则即使对于在同心圆状上加工槽的用途，也能够容易地加工成一定截面形状的沟槽。还能够通过工作机械侧的旋转轴修正工具的姿势，但是因为需要同时控制的轴数目越多工具刀尖的定位误差越是增加，所以如图8A以及图8B那样保持工具姿势的结构能够进行高精度的加工。图IOA至图IOC是从工具夹的上方观察具备两个梁和两个臂的工具夹的静止状态和旋转状态的图。在旋转台12以旋转中心5为中心的旋转停止时，如果如图4A以及图7A 所示那样工具2的刀尖与旋转中心轴4 一致，由于在透镜形状等旋转对称形状的中心附近的加工时旋转速度降低加工速度也降低，所以加工效率变差。在一般的车床中，如果加工透镜形状的加工条件理想，在为车床的情况下当在中心附近进行加工时，也以恒定的旋转速度进行加工。通过该工具夹20，为了使工具2 —侧旋转进行加工时的加工条件接近车床，需要保持某种程度的旋转速度，工具旋转半径Rt成为零。
图IOD是在从工具夹20 —侧观察的坐标系中表示对工具2赋予初始偏置量时的、 从静止状态到旋转速度最大的状态。在静止状态下，工具2的刀尖位于从旋转中心轴4偏移初始偏置量的位置Tc^当在该状态下使旋转台12旋转时，离心力作用于第一配重6以及第二配重7等，工具的刀尖位置变位。设最大旋转速度时的刀尖位置为1\。此时，旋转速度变化期间的工具刀尖的轨迹成为连结Ttl和Tl的直线。在改变了旋转速度时，为了存在工具旋转半径Rt成为零的瞬间，需要旋转中心5 位于连结Ttl和Tl的直线上。此外，为此，包含工具2 —侧的梁14和配重6等的重心位置G 的位置关系也重要，离心力从旋转中心5向该重心位置G的方向运动。实际上，刀尖向哪个方向运动还取决于是否为图5那样梁容易向哪个方向位移的结构，但基本上是向离心力的方向位移。因此，正确地安装工具2使Ttl (旋转台静止时的工具刀尖位置)位于从G点向旋转中心延伸的线的延长线上也是重要的。但是，因为实际上难以正确地调整工具刀尖的位置，所以还具有对偏移量进行修正加工的方法(参照后述的图21、图22、图23A、图23B)。如此，通过在工具刀尖的位置具有初始偏置量，在工具刀尖位于旋转中心5时能确保恒定的旋转速度，能够接近车床加工的加工条件。在图IOC中设为在最大旋转速度时成为最大工具旋转半径，如果增大初始偏置量，则当然在接近停止状态时(即在到达最大旋转速度之前)成为最大工具旋转半径。图IlA至图IlC是从横向观察图10所示的具备两个梁和两个臂的工具夹的图(相当于图4A、图4B)，图11表示处于静止状态的工具夹，图IlB以及图IlC表示处于旋转状态的工具夹。把两个梁14、15各自的一端固定在回转台12上，在另一端安装配重6、7以及工具2，关于这些梁14、15，基于旋转速度的刀尖位置的轨迹如图12所示那样成为曲线。在加工透镜形状时，旋转的中心轴方向成为工具的切入方向，所以该曲线意味着工具的切入量根据旋转速度而变化。因此，如后所述(参照图16)，为了进行精密的加工，需要考虑该切入量进行修正。图13A是本发明的工作机械的概要侧面图。在主轴30的中心上安装工具夹20，使工件22在Z轴上下移动来进行切入控制。使主轴30的旋转的轴向成为重力方向。这是因为工具夹20在结构上受到重力的影响。在工具夹20上附加了配重等重量物。只要配重在水平面内旋转，无论在哪个旋转相位重力对于配重始终为相同的朝向。对于梁的位移没有影响。但是，当在垂直面进行旋转时，对配重施加的重力的影响直接对梁的位移造成影响， 所以不希望在垂直面的旋转。主轴30与旋转台12相同。希望主轴为用于按照正确的转速进行控制的电动机驱动。此外，为了在高速旋转时也能顺滑地驱动，希望主轴的轴承为发热小的空气轴承。根据主轴的配置，具有刀尖向上的配置和刀尖向下的配置，但是从容易排出工件22上的切削粉的观点出发，希望如图13A 所示那样，工具2的刀尖向上。但是，存在切削粉容易在工具夹20—侧堆积的缺点，所以有时希望成为工具2的刀尖向下的配置。因为工具2的刀尖相对于工件22的位置由主轴30的旋转速度和Z轴的位置决定， 所以通过连续地同时控制主轴的旋转速度和Z轴的位置，对透镜形状等任意的旋转对象形状进行切削加工。作为切削工具，为了高精度地加工，希望是单结晶金刚石工具。另外，在原理上还可以代替切削加工使用磨石进行磨削加工。但是，因为只能安装小型的磨石，所以存在砂轮损耗速度快的问题。
图13B是控制工作机械的数值控制装置的概要框图。CPU41是整体控制数值控制装置40的处理器。CPU41经由总线48与R0M42、RAM43、驱动控制各轴的伺服电动机的各轴的轴控制电路44、驱动控制主轴(spindle)的主轴控制电路46等进行信号的收发。CPU41 经由总线48读出在R0M42中存储的系统程序，按照该读出的系统程序，控制整个数值控制装置。各轴的控制电路4接受来自CPU41的各轴的移动指令值和来自分别内置在各轴的伺服电动机50中的位置/速度检测器的位置/速度反馈信号，进行位置/速度的反馈控制，向伺服放大器45输出各轴的指令。伺服放大器45接收该指令，驱动工作机械的各轴(X 轴、Y轴、Z轴)的各自的伺服电动机50。另外，在图13B中，对于位置/速度的反馈省略了图示。除了作为直线轴的X轴、Y轴、Z轴之外，还附加A轴和B轴作为5轴加工机构成工作机械。此外，主轴控制电路46从CPU41取得主轴旋转指令和来自用于检测主轴30的旋转速度的位置检测器(未图示)的速度反馈信号，进行速度的反馈控制，向主轴放大器47 输出主轴速度信号。该主轴放大器47取得主轴速度信号，按照所指令的旋转速度使主轴电动机51旋转。图14表示使用图13A以及图1 所示的本发明的工作机械对凹面的透镜形状进行加工的例子。对于工件22在工作机械1的Z轴进行工具2的切入方向的控制。此外，通过主轴30的旋转速度控制工具2的工具旋转半径Rt。图14表示加工凹面的透镜形状的例子，通过控制工作机械1的Z轴32以及主轴30，还能加工凸面的透镜形状。在采用本发明时，工具2在工件22上的动作与图27B所示的现有技术中的工具2 的运动几乎相同，仅通过主轴的旋转速度实现了改螺旋状的运动，因为工具的朝向在原理上朝向加工方向，所以是非常简便的方法，存在完全没有必要进行直线轴的高速驱动这样的大的优点。图15是描绘了主轴旋转速度和工具旋转半径的关系的图的例子。如在图10的实施方式中说明的那样，工具2的工具旋转半径Rt具有初始偏置量 ；。其初始偏置量Ttl在图15的曲线图中约为2mm。如图15所示，在对半径2mm以下的区域进行加工时，能够选择O 100rpm(从T。 到旋转中心)的旋转速度区域Rl和100 140rpm(从旋转中心到T2，T2为与Ttl相同旋转半径的刀尖位置)的旋转速度区域R2这两种。但是，因为“能够指定旋转速度的分辨率”=“能够指定工具旋转半径Rt的分辨率”，所以根据图15可知，使用旋转速度区域Rl (从Ttl到旋转中心)的低旋转速度区域能够指定分辨率高的工具旋转半径Rt，能够进行更精密的刀尖位置控制。此外，从加工条件的观点出发，因为切削速度=工具旋转半径RtX旋转速度，所以与当提高旋转速度时工具旋转半径Rt也增大的旋转速度区域R2相比，到提高旋转速度时工具旋转半径Rt减小的旋转速度区域Rl由于半径的不同导致的切削速度的变化小，因此，从Ttl到旋转中心的低旋转速度区域Rl能够以恒定的加工条件进行加工。图16是描绘了主轴旋转速度和工具的轴向的位移的关系的图的例子。由于工具被固定在一端固定在在旋转台上的梁的另一端上，所以该工具的刀尖的运动不会成为直线 (参照图IlA 图12)。在图16的图的描绘例子中，表示了在工具旋转速度为150rpm附近，工具的轴向位移量(工具向切入工件的方向位移的量)成为最大。需要在加工程序上修正根据旋转速度切入量变化的量。透镜形状等，一般赋予截面的形状式，根据该形状公式导出工具的坐标来进行加工。在生成该加工程序时，根据图15和图16所示的描绘了主轴旋转速度与工具的位移的关系的图求出近似式，根据该求出的近似式，把根据原本的形状公式导出的工具的坐标X(= 工具旋转半径Rt)变换为旋转速度V，对工具的切入量Z施加修正&(=工具的轴向的位移)。如此可以生成通过(V，Z+Zc)表示原本的形状公式的坐标(X，Z)的加工程序。图17是说明工具旋转半径相对于主轴的旋转速度的关系和工具的旋转轴方向的位移相对于主轴的旋转速度的测量方法的图。通过对平面工件进行试加工测量该工件可以容易地生成图15以及图16的描绘图。当对于平面形状的工件使转速阶段性地变化并每次赋予相同的切入(工作机械的轴的运动)时，得到图17那样的同心圆状的加工痕迹。图18说明沟槽的低谷的位置和深度分别与各旋转速度下的工具旋转半径和工具的轴向的位移对应。当使用三维测量器等测量图17所示的工件的中心线D-D的形状时，可以测量以旋转中心轴4对称的沟槽。在图18中，沟槽23a和沟槽23i对应，沟槽2 和沟槽2 对应，沟槽23c和沟槽23g对应，沟槽23d和沟槽23f对应。作为该测量结果，各个沟槽的谷的位置和深度分别与各旋转速度下的工具旋转半径和工具的轴向的位移对应。图19A以及图19B是说明通过本发明的加工方法的一个方式，在平面形状的工件 22上加工多个透镜阵列形状的例子的图。进行该加工的工作机械1具备作为直动轴的X轴、Y轴以及Z轴，朝向Z轴方向安装主轴。在通过X轴和Y轴对工件22进行定位后，通过同时控制Z轴的切入和主轴旋转速度，加工一个一个的透镜形状。如果是该加工方法，则可以使加工一个透镜形状的时间与旋削加工相同，还能正确地对透镜间的距离进行定位。因此，能够进行透镜形状的高速、高精度加工。此外，该加工方法不需要高速驱动主轴以外的轴，所以如果能够把上述的工具夹 20安装在主轴30上，则可以使一般的工作机械能够容易地应对透镜阵列形状的高速、高精度的加工。图20A以及图20B说明通过本发明的加工方法的一个方式，在曲面形状的工件22 上加工多个透镜阵列的例子。进行该加工的工作机械是除了作为直线轴的X轴、Y轴、Z轴以外，还具备作为旋转轴的A轴以及B轴的5轴加工机，并且在Z轴方向上装配主轴。该工作机械通过装配两个旋转轴(A轴以及B轴)，能够任意地改变工具2或工件22的姿势。如图20A以及图20B 所示，能够进行使各透镜形状的旋转中心轴对于曲面的工件加工面始终朝向法线方向的加工。图21A以及图21B说明在加工透镜形状的情形下，在改变旋转速度时描绘工具刀尖必定通过旋转中心轴的轨迹是重要的。如使用图10说明的那样，在改变了旋转速度时工具刀尖必须通过旋转中心。在通过本发明的加工方法加工透镜形状的情况下，在工具刀尖没有通过旋转中心时，工具旋转半径Rt不会成为零，所以能够在透镜形状的中央形成切削残余。该问题还在使用一般的旋盘/车床加工透镜形状时产生，需要正确地将工具刃尖的位置调整到旋转中心的作业，在这一点上本发明的加工方法也相同。在本发明的方法中，为了微小地调整工具的安装，通过手动微调了安装位置。但是，在该手动的安装位置微调整中，不一定能通过一次调整就结束。因此，希望更简单的方法。在车床的加工中，如图21B所示，有时根据与旋转的工件22的位置关系，接触工具2的背面(后刀面)。另一方面，在使用本发明的工具夹20的加工中，如图22所示，因为刀具2的朝向必定与加工方向一致，所以无论工具2在哪个位置(旋转的相位)也不会接触后刀面。当使用该特征时，能够容易地去除切削残留。图23A至图23C说明去除透镜形状中心的切削残留。图23A表示能通过本发明的加工方法加工透镜形状，在中央部留有未削部分的状态。在加工透镜形状时，根据加工的原理，透镜形状的中心与工具的旋转中心轴一致。然后，如图2 所示那样执行除去切削残留的工序。可以移动机床的轴(在图19A、 图19B中X轴方向以及Y轴方向的轴)来改变相对于工具2的旋转中心轴的、透镜形状的中心位置。因此，当以工具旋转半径Rt成为最小的主轴旋转速度在透镜中央部使工具2微小地摇动时，如图2 那样可以去除中央的切削残留。如图21所示，因为当通过车床进行相同的加工时必定存在通过后刀面进行加工的瞬间，所以加工面粗糙，无法进行这样的加工。但是如果像图20A以及图20B所示的曲面工件加工那样能够自由地改变工具姿势，则如图23C所示，如果使工具姿势沿着透镜形状(控制工具姿势以使该工具旋转轴与曲线的法线方向一致)运动，最终能减小切削残留的误差。本发明的工具夹20以加工透镜形状那样的旋转对称的形状和排列多个这样的旋转对称的形状为目的，如果使主轴的速度恒定，则工具旋转半径Rt也恒定，与通常的铣削加工相同。因此，实际通过本发明的使用刀夹20的加工方法也可以加工通过铣削加工能够加工的形状。此外，如同使用图23A至图23C说明的那样，如果在工具旋转半径Rt小的状态下任意改变工具姿势，则还能够加工微小的曲面形状。图M说明改变了工具旋转半径的自由曲面的加工。在本发明的加工方法中，因为能够与加工形状相匹配地改变工具的旋转半径，所以通过划分为需要工具旋转半径小时和可以为大时进行使用，能够提高加工效率。能够在短时间内加工，还具有工具与工件接触的时间变短，抑制工具磨损的优点。如此，本发明的加工方法不仅在加工透镜阵列形状方面有效，即使在自由曲面的高精度、高效率加工中也有效。在图M中，在加工平坦面时，增大工具2的旋转速度，增大工具旋转半径Rt进行加工，在加工微小凹面时，降低工具2的旋转速度，减小工具旋转半径Rt进行加工。
权利要求
1.一种工具夹，其固定工具，其特征在于，所述工具夹具备由于在绕旋转中心轴旋转时产生的离心力而弹性变形的结构体，并构成为将刀尖朝向所述旋转中心轴方向的所述工具的旋转半径从零到任意的值进行变化。
2.根据权利要求1所述的工具夹，其特征在于，所述工具夹的结构体包含两个由于所述离心力向彼此相反方向以相同大小进行弹性变形的梁，施加在这两个梁上的离心力相互抵消，即使所述工具夹的旋转速度变化也保持旋转的平衡。
3.根据权利要求2所述的工具夹，其特征在于，所述工具夹的两个梁分别与位于比工具夹的旋转半径大的位置上的两个配重连接，在旋转时因施加在这些配重上的离心力使所述工具夹的弹性变形增大。
4.根据权利要求2所述的工具夹，其特征在于，所述工具夹的两个梁是能够在一个梁上安装工具并能够在所述工具夹的结构体上附加平衡配重的结构，该平衡配重用于调整整个工具夹的旋转平衡、包含安装的工具的重量导致的变化量。
5.根据权利要求2所述的工具夹，其特征在于，所述工具夹的结构体具备两个由于所述离心力向彼此相反方向弹性变形的梁，各个梁形成平行弹簧的形状，在梁由于所述离心力进行了弹性变形时，这些梁的端面的角度相对于旋转的轴保持为恒定。
6.根据权利要求1所述的工具夹，其特征在于，在所述旋转中心轴的方向上观察工具夹的坐标系中，所述工具的刀尖的位置在静止时位于从旋转中心轴偏离了初始偏置的第一位置上，在使所述旋转速度最大时工具刀尖位于第二位置，并且所述旋转的中心位于连结所述第一位置和第二位置的线段上。
7.一种工作机械，其特征在于，在主轴上装配权利要求1所述的工具夹，主轴的轴向与重力方向一致，作为直线轴具备能够在至少主轴的轴向上移动的轴，通过控制所述主轴的旋转速度和所述直线轴的位置，切削加工任意的旋转对称的形状。
8.—种加工方法，其特征在于，使用权利要求7所述的工作机械，并且预先测量工具旋转半径相对于所述主轴的旋转速度的关系和工具的旋转轴方向的位移相对于所述主轴的旋转速度的关系，对于通过该工作机械加工的旋转对称的形状，在其半径和高度的点群数据或形状公式中，把半径变换为主轴的旋转速度，把高度变换为通过所述轴向的位移修正后的所述直线轴的位移量，然后生成加工程序。
9.一种透镜阵列形状的加工方法，其特征在于，通过权利要求8的加工方法，通过所述工作机械的直线轴或旋转轴控制所述工具夹的位置和姿势，由此在被加工物的平面或曲面上的任意位置加工多个所述旋转对称的形状。
全文摘要
本发明提供一种工具旋转半径可变的工具夹以及具备该工具的工作机械以及使用工作机械的加工方法。工具夹由因为在围绕旋转中心轴旋转时产生的离心力而弹性变形的结构体构成，将刀尖朝向旋转中心轴方向的工具的旋转半径从零到任意的值进行变化。该工具夹的结构体包含两个由于离心力分别向相反的方向以相同的大小进行弹性变形的梁，对这两个梁施加的离心力相互抵消，即使工具夹的旋转速度变化也可保持旋转的平衡。
文档编号B23Q11/00GK102275082SQ20111011186
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年6月3日
发明者羽村雅之, 蛯原建三 申请人:发那科株式会社