JPH04372339A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、画像形成装置に用い
られる金属製薄肉円筒部材を被切削部材とする切削加工
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば感光体ドラム・磁気ディスクサブ
ストレートなどの超精密切削加工の分野においては、通
常鏡面加工が行われている。これら製品の検査について
は、寸法精度・形状精度のみならず、表面が鏡面である
かどうかも重要であり、スクラッチと呼ばれる幅１０μ
ｍ程度の微細な傷も許されない場合が多い。

【０００３】この表面状態の検査については、現状では
加工後に作業者が目視で検査している。この方法では、
作業者に技能が要求されるとともに、加工の自動化を進
める上で問題となっていた。

【０００４】また、この表面状態の検査については、次
のような研究がなされている。

【０００５】１）レーザー光を被加工物の表面に当てて
得られる散乱光により、切削加工された面の粗さを測定
する技術（森田健二、川久保洋一：回折光を利用した鏡
面加工表面粗さのインプロセス計測、精密工学会誌、５
４、４（１９８８）、６４２〜６４６）。

【０００６】２）レーザー光を被加工物の表面に当てて
得られる散乱光により、加工された面の微細傷を定量的
の測定評価する技術（三好隆志、姜永準、斎藤勝政：散
乱理論を用いた微小傷の測定評価に関する研究（第１報
）、精密工学会誌、５４、６（１９８８）、１０９５〜
１１００）。

【０００７】３）レーザー光を利用し臨界角法で表面粗
さを非接触で計測する技術（河野嗣男：インプロセス計
測加工制御技術の概要、精密工学会産学協同研究協力分
科会合同発表会シンポジウムテキスト、１９９０、１〜
５）。

【０００８】また、加工中の振動、ＡＥ信号、熱の流れ
などに着目することにより、加工状態を監視することに
ついて、次のような研究がなされている。

【０００９】４）熱流束に着目することにより切り屑の
絡みなどの現象を加工中に認識する技術（新野秀憲、Ｍ
．Ｒａｈｍａｎ、稲葉千佳郎：熱流束計測に基づく加工
環境の認識−計測結果の妥当性評価−精密工学会秋季大
会学術講演論文集、１９９０、５８３〜５８４）。

【００１０】５）超音波信号を用いて工具の摩耗状態を
認識する技術（伊藤周三、白澤富士夫、稲場千佳郎、伊
東誼：超音波インプロセスセンサによる工具摩耗状態認
識、精密工学会秋季大会学術講演論文集、１９９０、５
８５−５８６）。

【００１１】また、形状精度の計測では、加工された被
加工物の形状測定から切込み量にフィードバックをかけ
て、高精度な加工を実現する試みがなされている（河野
嗣男：インプロセス計測加工制御技術の概要、精密工学
会産学協同研究協力分科会合同発表会シンポジウムテキ
スト、１９９０、１〜５）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術につ
いて、加工中の振動やＡＥ信号を監視するものは、主に
工具の摩耗や破損の検出を目的としている。また、加工
中の熱の流れを監視するものは、熱の情報は一般に時間
遅れを持つため、高速な現象の検出は難しいと考えられ
る。また、これらの技術は、μｍオーダーの一般的な精
密加工を対象としており、超精密切削加工に適用した事
例はない。

【００１３】さらに、レーザー光などの光学的な計測法
では、次のような欠点がある。

【００１４】レーザー光を利用して、光学的に表面の形
状や粗さを計測する場合、空間的な制約から、加工を行
っているバイトの刃先とセンサにより計測しているポイ
ントを同一にすることは難しい。従って、センサにより
検出される情報は、まさに加工しているポイントの情報
でなく、わずかであるが時間的な差を持つことになる。

【００１５】また、実際の加工では、切削液を使用する
場合が多く、光学的な計測法では、その影響も問題とな
ってくるため、インプロセス計測として実際の生産に適
用することは難しい。従って、光学的な方法では、加工
後に計測することになり、検査の時間がかかる。

【００１６】そこで、我々は加工中に計測するパラメー
タとして加工反力に着目した。加工反力は、加工点その
もので発生している物理量であり、加工中に表面の形状
や状態が変化する場合、加工反力も表面の形状や状態に
ともない変化していると考えられるからである。

【００１７】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
ので、超精密切削加工の分野において、加工中の切削状
態や形状精度をリアルタイムに検出・認識し、加工へフ
ィードバックできる切削加工装置を提供することを目的
としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
、請求項１の発明は、画像形成装置に用いられる金属製
薄肉円筒部材を被切削部材とする切削加工装置において
、前記切削加工に用いる工具から切削加工時の加工反力
を検出するための検出手段と、この検出手段による前記
金属製薄肉円筒部材の切削加工時の加工表面状態に応じ
て類別される複数のモードパターン信号を記憶する記憶
手段と、前記検出手段からの切削加工時における出力信
号と前記記憶手段に記憶された複数のモードパターン信
号とを比較する比較手段とからなり、前記切削加工時に
おける出力信号と前記記憶手段に記憶される前記複数モ
ードパターン信号とを前記比較手段による比較により、
前記金属製薄肉円筒部材の切削加工状態をリアルタイム
に検出することを特徴としている。

【００１９】また、請求項２記載の発明は、前記金属製
薄肉円筒部材の切削加工状態をリアルタイムに検出し、
この検出状態に基づき前記切削加工の制御を行なうこと
を特徴としている。

【００２０】また、請求項３記載の切削加工装置は、前
記金属製薄肉円筒部材の切削加工中の異常をリアルタイ
ムに検出することを特徴としている。

【００２１】さらに、請求項４記載の切削加工装置は、
前記金属製薄肉円筒部材の切削加工中の形状精度をリア
ルタイムに検出することを特徴としている。

【００２２】

【作用】この請求項１記載の発明では、金属製薄肉円筒
部材を切削加工する工具から切削加工時の加工反力を検
出し、この切削加工時における出力信号と、金属製薄肉
円筒部材の切削加工時の加工表面状態に応じて類別され
る複数のモードパターン信号とを比較手段で比較し、金
属製薄肉円筒部材の切削加工状態をリアルタイムに検出
し、これにより切削加工状態を自動的に判断することが
できる。

【００２３】また、請求項２記載の発明では、前記金属
製薄肉円筒部材の切削加工状態をリアルタイムに検出し
、この検出状態に基づき前記切削加工の制御を行なうこ
とで、例えば加工中に加工反力が過大になった場合に非
常停止をかけることができる。

【００２４】また、請求項３記載の発明では、前記金属
製薄肉円筒部材の切削加工中の異常をリアルタイムに検
出することで、例えば被加工物の品質の向上が可能とな
る。

【００２５】さらに、請求項４記載の発明では、前記金
属製薄肉円筒部材の切削加工中の形状精度をリアルタイ
ムに検出することで、被加工物の形状精度の向上が可能
となる。

【００２６】

【実施例】以下、この発明の切削加工装置の実施例を説
明する。図１は切削加工装置の概略構成図、図２は切削
中の加工反力の出力波形を示す図、図３は加工反力の変
動がある場合の出力波形を示す図である。

【００２７】この発明の切削加工装置は、画像形成装置
に用いられる金属製薄肉円筒部材を被切削部材とするも
のであり、複写機やレーザービームプリンターなどに用
いられる金属製薄肉円筒部材である感光体ドラム基体１
を加工する旋盤２には刃物台３が設けられている。刃物
台３には切削加工中の加工反力を検出する力センサ４が
取付けられており、この力センサ４が切削加工に用いる
工具Ａから切削加工時の加工反力を検出するための検出
手段を構成している。

【００２８】力センサ４から得られた出力信号を動歪計
５にて増幅し、ＡＤ変換器６によりデジタル信号に変化
してコンピュータ７に取込む。コンピュータ７には記憶
手段８としてメモリとディスク装置が接続されており、
そこに記憶されている切削加工時の加工表面状態に応じ
て類別される複数のモードパターン信号と、力センサ４
から得られた出力信号とを比較手段９で比較し、切削加
工中の状態を検出する。コンピュータ７では検出後加工
を制御するための信号を作成し、旋盤２を制御するＮＣ
装置またはシーケンサ１０に対してデジタルＩＯボード
・ＲＳ２３２Ｃインターフェースなどを介して制御信号
を送る。

【００２９】力センサ４から得られた出力信号はローパ
スフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタな
どのフィルタ処理を行ってからＡＤ変換器６に入力して
もよく、またこれらのフィルタ処理をＡＤ変換器６によ
るＡＤ変換後にソフトウェアにて行ってもよく、これに
よりノイズを除去することができる。

【００３０】切削中の加工反力の検出には、例えば１９
８９年精密工学会秋季大会学術講演論文集頁１１１−１
１２「磁気ディスク切削用モノブロック形３分力検出ホ
ルダの試み」（畑村洋太郎、足立光明）に記載されてい
る、工具一体型の加工反力検出ホルダを使用することが
できる。このセンサは、通常のバイトシャンクと同じ大
きさで、コンパクトであり、剛性が高いことが特徴であ
る。実際に、このセンサを用いて加工を行った場合、鏡
面が形成でき、形状精度も通常のシャンクと同程度であ
ることが確認されている。

【００３１】動歪計５としては例えば（株）共和電業製
ＤＰＭ６１３Ｂを、ＡＤ変換器としては例えばカノープ
ス電子（株）製ＡＤ変換ボードＡＤＸ−９８Ｅを、イン
ターフェースボードとしては例えばコンテック（株）Ｉ
ＯボードＰＩＯ−２４／２４（９８）を、コンピュータ
としては例えば日本電気（株）製ＰＣ−９８０１ＵＶを
使用することができる。

【００３２】次に、この切削加工装置を用いて、切削加
工中の加工状態の検出を行った例について述べる。被加
工物は、材質Ａ５８０５相当のアルミニウム製薄肉円筒
で直径が６０ｍｍ、厚みは１ｍｍの感光体ドラム基体１
を使用した。工具は天然単結晶ダイヤモンド平バイトを
使用した。加工条件は、主軸回転数６，０００ｒｐｍ、
送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切込み２０μｍにて加工した
。

【００３３】この感光体ドラム基体１の加工において、
加工中に起きる不良としては表面状態の不良が重要であ
る。具体的には、びびり振動・こすれ傷・切粉のからみ
による不良・削り残しなどがある。これらの不良は、従
来加工後の人間が目視により判断していた。加工反力の
出力信号のパターンを分類することにより、これらの現
象が出力信号から検出されることがわかった。

【００３４】加工反力の検出を行う際に、力センサ４が
正常に動作しているかをチェックしている。具体的には
使用した力センサ４は歪ゲージにより力を歪に変換して
検出しているので、使用前に動歪計５で回路のバランス
をとり、バランス調整後の出力信号が設定した範囲内に
なっている場合正常動作をしていると判断する。力セン
サ４の回路中に断線などの故障がある場合には、バラン
ス調整後の出力信号が設定した範囲外となり、正常動作
でないことがわかる。

【００３５】図２（ａ）は鏡面の得られる通常の切削状
態に対応する加工反力の出力信号の波形である。加工開
始とともに加工反力が検出され、この加工反力の出力信
号の立ち上がりに着目することにより、加工開始の自動
判断を行なっている。また、出力信号は加工終了ととも
にほぼ０レベルに戻っており、この出力信号の立ち下が
りに着目することにより、加工終了の自動判断を行なっ
ている。

【００３６】図２（ｂ）はびびり振動が起きた場合の出
力信号の波形である。びびり信号の発生により、表面に
びびり模様が付き不良となる。びびりはバイトの摩耗に
よる加工反力の増加や防振治具による防振が不十分な場
合に起こる。出力信号の波形を、図２（ａ）の場合と比
べると、加工反力の変動の振幅が徐々に増加しているこ
とがわかる。びびり振動が共振現象であることとよく対
応している。

【００３７】図２（ｃ）は数ｍｍ幅の帯状のこすれ傷が
発生した場合の出力信号の波形である。このようなこす
れ傷は、バイト摩耗により加工反力が増加し、バニッシ
ュ効果が適切でなくなった場合に起こる。加工反力がパ
ルス状のピークを持つことが、この場合の特徴である。 加工された感光体ドラム基体を観察すると、波形のピー
ク部分に対応するところにこすれ傷が発生し、出力信号
の波形と被加工物との対応がよくとれている。

【００３８】図２（ｄ）は切粉がからんだ場合の出力信
号の波形である。切粉のからみにより表面に傷が生じ、
不良となる。切粉のからみが発生したことろで、加工反
力が増加しているのがわかる。

【００３９】図２（ｅ）は削り残しが発生した場合の出
力信号の波形である。削り残しは加工前の素管が変形し
ている場合などに起こり、未加工部分が鏡面とならず不
良となる。未加工部分に対応するところで、加工反力の
出力信号が０レベルとなっているのがわかる。

【００４０】なお、この図２（ａ）〜（ｅ）において、
データのサンプリング周波数は５ＫＨｚであり、またグ
ラフは見やすくするために得られたデータをまびいて表
示している。

【００４１】このように、被加工物の表面状態と、加工
反力の出力信号とに相関があるので、これらのパターン
を予め記憶手段に記憶し、切削加工中に得られる出力信
号と比較することにより加工中の状態が検出できる。こ
の際、上に述べたような各場合の出力信号波形全体を記
憶するのではなく、各場合に対応する設定値を決めてこ
れを記憶しておき、出力信号の最大値・最小値や出力信
号を平均化処理・差分処理した値と、記憶している設定
値とを比較することにより、加工状態の検出を行っても
よい。

【００４２】次に、被加工物の形状精度の検出について
述べる。図３（ａ）の波形は、図２（ａ）の通常切削の
場合の波形と同じように見えるが、さらに高速でデータ
を取ると、図３（ｂ）ように特徴が現われている。図２
（ａ）の波形と比べると、加工反力変動の振幅が大きく
、振幅の周期が主軸の回転に同期していることがわかる
。

【００４３】切込み量と加工反力の主分力平均値との関
係について図４に示す。切込み量と主分力平均値とは比
例関係にあるので、主分力を監視することにより、切削
加工中の切込み量の変化が検出できることがわかる。

【００４４】図３で検出される加工反力の変動は、加工
中に切込み量が変動しているためと推察される。従って
、主軸回転に同期して何らかの理由で切込み量が変化し
、加工されたドラム素管の真円度が悪くなっていると考
えられる。実際に加工されたドラム素管は鏡面性は十分
維持されていたが、その真円度を測定したところ、通常
の場合と比較して約２倍程度に悪くなっていることが確
認できた。この結果から、加工反力に着目することによ
り、表面の傷・削り残しなどの表面欠陥の他に、真円度
・真直度といった形状精度についてもインプソセスで評
価することができることがわかる。

【００４５】例えばダイヤモンドバイトが寿命となると
、加工された表面に数ｍｍ幅の帯状のこすれ傷が発生す
ることが知られている。図５はバイトが寿命になった際
の加工反力の信号の波形である。図５からバイトが寿命
になると、主分力のＰ−Ｖ値が大きくなることがわかる
。加工反力に着目することにより、バイトの寿命を検出
することができる。

【００４６】このシステムを用いて実際に生産現場で実
機による加工テストを行い、検出能力のレベルを確認し
たところ、人間の目視判断と比較して約９８％の検出率
が得られた。

【００４７】このようにして検出された加工状態の認識
の結果に基づき、次にような制御を行う。

【００４８】加工中に異常が発生した場合には、旋盤２
の制御用ＮＣ装置またはシーケンサ１０へ加工を停止す
る信号を出し、加工を中止する。この際、制御用ＮＣ装
置またはシーケンサ１０から作業者へ異常の発生を知ら
せるために、パトライトを点灯するようになっている。 制御用ＮＣ装置またはシーケンサ１０から上位のコンピ
ュータ１１に異常を知らせる信号を送り、品質管理に利
用することも可能である。

【００４９】また、制御用ＮＣ装置またはシーケンサ１
０から被加工物の取出しロボットに信号を送り、不良品
と良品の自動選別を行うことも可能である。さらに、主
軸回転速度や送り速度など加工条件を自動的に変えるこ
とにより、加工を継続することも可能である。

【００５０】

【発明の効果】前記したように、請求項１記載の発明は
、金属製薄肉円筒部材を切削加工する工具から切削加工
時の加工反力を検出し、この切削加工時における出力信
号と、金属製薄肉円筒部材の切削加工時の加工表面状態
に応じて類別される複数のモードパターン信号とを比較
手段で比較し、金属製薄肉円筒部材の切削加工状態をリ
アルタイムに検出できることから、信頼性の高い加工を
無人で行なうことが可能となり、さらに作業者の技能、
ノウハウ、経験の技術化、共有化ができる。

【００５１】また、請求項２記載の発明は、加工中に加
工反力が過大になった場合に非常停止をかけることによ
り、工具の破損、機械の破損といった事故を防止するこ
とが可能である。例えば、プログラムミスや段取りミス
により、切込み量が過大になった場合や工具が被加工物
に突っ込む場合がこれにあたる。

【００５２】また、請求項３記載の発明は、被加工物の
表面状態の欠陥を検出できることから被加工物の品質の
向上が可能となる。例えば切粉のからみやバイトの寿命
によるこすれ傷などが発生した場合、そのまま生産を続
けると不良品を作り続けることになるので、この切削加
工装置を適用することにより、収率の向上が実現できる
。また、切削加工中に被加工物の良否が検出できるため
、従来加工後に行っていた目視検査が不要となり、大幅
の工数低減が可能となる。

【００５３】さらに、請求項４記載の発明は、被加工物
の形状精度を検出できることから形状精度が悪いと判断
された場合には、切削加工後に再度加工を行って精度よ
く仕上げることが可能となり、被加工物の形状精度の向
上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】切削加工装置の概略構成図である。

【図２】切削中の加工反力の出力波形を示す図である。

【図３】加工反力の変動がある場合の出力波形を示す図
である。

【図４】切込み量と主分力平均値との関係を示す図であ
る。

【図５】バイトが寿命になった際の加工反力の信号の波
形図である。

【符号の説明】

１　　感光体ドラム基体 ２　　旋盤 ３　　刃物台 ４　　力センサ ５　　動歪計 ６　　ＡＤ変換器 ７　　コンピュータ ８　　記憶手段 ９　　比較手段 １０　　ＮＣ装置またはシーケンサ １１　　上位コンピュータ Ａ　　工具

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　画像形成装置に用いられる金属製薄肉
   円筒部材を被切削部材とする切削加工装置において、前
   記切削加工に用いる工具から切削加工時の加工反力を検
   出するための検出手段と、この検出手段による前記金属
   製薄肉円筒部材の切削加工時の加工表面状態に応じて類
   別される複数のモードパターン信号を記憶する記憶手段
   と、前記検出手段からの切削加工時における出力信号と
   前記記憶手段に記憶された複数のモードパターン信号と
   を比較する比較手段とからなり、前記切削加工時におけ
   る出力信号と前記記憶手段に記憶される前記複数モード
   パターン信号とを前記比較手段による比較により、前記
   金属製薄肉円筒部材の切削加工状態をリアルタイムに検
   出することを特徴とする切削加工装置。
2. 【請求項２】　　前記金属製薄肉円筒部材の切削加工状
   態をリアルタイムに検出し、この検出状態に基づき前記
   切削加工の制御を行なうことを特徴とする請求項１記載
   の切削加工装置。
3. 【請求項３】　　前記金属製薄肉円筒部材の切削加工中
   の異常をリアルタイムに検出することを特徴とする請求
   項１または請求項２記載の切削加工装置。
4. 【請求項４】　　前記金属製薄肉円筒部材の切削加工中
   の形状精度をリアルタイムに検出することを特徴とする
   請求項１または請求項２記載の切削加工装置。