JP4662018B2 - Curved surface processing apparatus and parallel link mechanism calibration method - Google Patents

Curved surface processing apparatus and parallel link mechanism calibration method Download PDF

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Description

本発明は、レーザビームプリンタ及びデジタル複写機のfθレンズとして適用される自由曲面レンズなどの光学素子又はその金型を形成するための曲面加工装置に関する。   The present invention relates to an optical element such as a free-form surface lens applied as an fθ lens of a laser beam printer and a digital copying machine or a curved surface processing apparatus for forming a mold thereof.

レーザプリンタの書き込み系に用いるfθレンズには、非球面や自由曲面形状が採用されている。fθレンズを低コストで大量生産するために、射出成型法を用いたレンズ製造方法が開発されている。射出成形によるレンズ成形工程では、光学面を成形する入れ駒の形状精度が、樹脂レンズの性能に直接影響を与えるため、入れ駒にはサブミクロンオーダーの極めて高い形状精度が要求される。   An aspherical surface or a free-form surface is adopted for the fθ lens used in the writing system of the laser printer. In order to mass-produce fθ lenses at low cost, a lens manufacturing method using an injection molding method has been developed. In the lens molding process by injection molding, since the shape accuracy of the insert piece for forming the optical surface directly affects the performance of the resin lens, the insert piece is required to have a very high shape accuracy on the order of submicrons.

通常、光学素子の入れ駒は、フライカッティング形態のダイヤモンド切削で製作されているが、入れ駒の形状精度をさらに高めるため、小径の研磨工具をごく小さい部分にのみ作用させ、滞留時間制御で形状誤差を修正して精度を高める工法が多数考案されている。   Usually, the insert of the optical element is manufactured by diamond cutting in the form of fly cutting, but in order to further improve the shape accuracy of the insert, a small diameter polishing tool is applied only to a very small part, and the shape error is controlled by residence time control. Many methods have been devised to improve the accuracy by correcting the above.

研磨工具としては、回転工具に砥粒を供給するものや砥粒を内包する固定砥粒工具が従来から用いられているが、最近では、磁性流体を用いて砥粒を作用させるアブレイシブジェットなどの方法も考案されている。   As polishing tools, those that supply abrasive grains to rotary tools and fixed abrasive tools that contain abrasive grains have been used conventionally, but recently, an abrasive jet that uses magnetic fluid to act on the abrasive grains. Such a method has also been devised.

いずれの工法においても、滞留時間制御で形状修正を実施しており、単位時間当たりの除去体積(以下、除去能率と表記する)が一定であることを前提としている。   In any method, it is assumed that the shape correction is performed by the residence time control, and the removal volume per unit time (hereinafter referred to as removal efficiency) is constant.

除去能率が加工位置で変化すると、加工誤差の増加につながるため、極力その変化を抑制する必要がある。   If the removal efficiency changes at the machining position, it leads to an increase in machining error. Therefore, it is necessary to suppress the change as much as possible.

例えば、荷重転写で除去を行う研磨加工の場合、被加工面の傾斜による影響を低減するために、研磨荷重方向と加工点での法線とを常に一致させるように傾斜角の制御が行われる。fθレンズの光学面において光軸との直交面を0度とすると、最大で50度程度のものまで実用されており、傾斜角の姿勢制御は精度確保の上で必須となっている。   For example, in the case of polishing processing that removes by load transfer, the tilt angle is controlled so that the polishing load direction always matches the normal line at the processing point in order to reduce the influence of the tilt of the surface to be processed. . Assuming that the plane perpendicular to the optical axis of the optical surface of the fθ lens is 0 degree, a maximum of about 50 degrees has been put into practical use, and attitude control of the tilt angle is essential for ensuring accuracy.

磁性流体研磨やアブレイシブジェット加工においてもノズルの噴射方向と加工点での法線とがなす角度を常に一定とすることで、除去体積が安定し、加工精度が向上する。   Even in ferrofluid polishing and abrasive jet machining, the removal volume is stabilized and machining accuracy is improved by keeping the angle formed by the nozzle injection direction and the normal at the machining point constant.

工具の走査と傾斜角の姿勢制御とを行うために、従来は5軸制御(直動の直交3軸と回転2軸)の位置決め機構を用いていた。また、研磨荷重方向の位置決め軸を不要とした場合は、4軸制御(直動の直交2軸とそれぞれの軸周りである回転2軸)の位置決め機構を用いていた。   In order to perform tool scanning and tilt angle attitude control, a 5-axis control (linear orthogonal 3 axes and rotation 2 axes) positioning mechanism has been conventionally used. In addition, when the positioning axis in the polishing load direction is not required, a positioning mechanism of four-axis control (linearly orthogonal two axes and rotating two axes around each axis) was used.

特許文献1には、汎用のマシニングセンタに多用されている傾斜機構が示されている。この他には、fθレンズ光学面の傾斜が主走査方向に大で副走査方向に小であることを考慮して、回転ステージとゴニオステージとを組み合わせることで装置の省スペース化を図った特許文献2のような構成も開示されている。   Patent Document 1 discloses an inclination mechanism that is frequently used in a general-purpose machining center. In addition to this, in consideration of the fact that the inclination of the optical surface of the fθ lens is large in the main scanning direction and small in the sub-scanning direction, a patent for reducing the space of the apparatus by combining a rotary stage and a gonio stage. A configuration as in Document 2 is also disclosed.

副走査方向の角度範囲を限定しゴニオステージを利用した構成を図8に示す。この装置は、固定ベース101、片持ち支持部材102、コロ軸受付きダイレクトドライブモータ103、スインガ104、サブスインガ(ゴニオステージ)106、マグネットヘッド107及び揺動角規制センサ108を有する。
片持ち支持部材102は、固定ベース101に固定して設置されている。コロ軸受付きダイレクトドライブモータ103は、片持ち支持部材102に回転軸(出力軸)が水平方向となるように取り付けられて揺動部材を揺動させる。スインガ104は、コロ軸受付きダイレクトドライブモータ103の回転軸の端部に揺動可能に固定された揺動部材である。揺動角規制センサ108は、スインガ104の揺動角を規制するためのセンサである。スインガ104は、スインガベース105とスインガベース105上に固定されたサブスインガ106と研磨対象部材を磁気吸着するためのマグネットヘッド107とを有する。サブスインガ106は、スインガ104の揺動中心軸Jと直交方向でスイングベース105と平行な面内に揺動中心軸を持ち、スインガ4と直交方向に揺動可能に配置されている。
FIG. 8 shows a configuration that uses a gonio stage by limiting the angle range in the sub-scanning direction. The apparatus includes a fixed base 101, a cantilever support member 102, a direct drive motor 103 with roller bearings, a swinger 104, a sub swinger (gonio stage) 106, a magnet head 107, and a swing angle restriction sensor 108.
The cantilever support member 102 is fixedly installed on the fixed base 101. The direct drive motor 103 with a roller bearing is attached to the cantilever support member 102 such that the rotation shaft (output shaft) is in the horizontal direction, and swings the swing member. The swinger 104 is a swinging member that is swingably fixed to the end of the rotary shaft of the direct drive motor 103 with a roller bearing. The swing angle restriction sensor 108 is a sensor for restricting the swing angle of the swinger 104. The swinger 104 includes a swinger base 105, a sub swinger 106 fixed on the swinger base 105, and a magnet head 107 for magnetically attracting a member to be polished. The sub swinger 106 has a swing center axis in a plane perpendicular to the swing center axis J of the swinger 104 and parallel to the swing base 105, and is arranged so as to swing in the direction orthogonal to the swinger 4.

この構成においても、その装置寸法は加工物の寸法に対して十分に小さいとは言えない。特に、揺動装置のみでも20〜30kgをゆうに超える重さがあるため、これを高速駆動するには直交3軸の直動機構の大型化は避けられない。また、滞留時間制御で形状創成研磨を行うためには、急峻な加減速を4軸又は5軸同時に行う必要があり、各軸に大出力のモータ、そしてこれらを高速高精度に制御する制御機構が必要となる。   Even in this configuration, the apparatus dimensions are not sufficiently small relative to the dimensions of the workpiece. In particular, since the weight of the oscillating device alone exceeds 20 to 30 kg, an increase in the size of the orthogonal three-axis linear motion mechanism is unavoidable for high-speed driving. In addition, in order to perform shape creation polishing with dwell time control, it is necessary to perform rapid acceleration / deceleration at the same time on 4 or 5 axes, a motor with high output on each axis, and a control mechanism that controls these with high speed and high accuracy. Is required.

研磨という加工プロセス自体は、切削加工と比較して小さい転写圧力で行われるため、本来ならば切削装置よりも装置剛性を必要としない訳であるが、実際の研磨加工装置は、上記の原因により大型加工物を重切削加工する装置と同じくらい大きくかつ高価な装置となっている。   The polishing process itself is performed at a lower transfer pressure than cutting, and therefore it does not necessarily require device rigidity compared to the cutting device, but the actual polishing processing device is due to the above causes. It is a device that is as large and expensive as a device that performs heavy cutting of large workpieces.

パラレルリンク機構を用いることによっても工作機械の小型化が図られている。   The machine tool is also downsized by using a parallel link mechanism.

パラレルリンク機構を持つ工作機械は、特許文献3や特許文献4に開示されている。   A machine tool having a parallel link mechanism is disclosed in Patent Literature 3 and Patent Literature 4.

特許文献3や特許文献4に開示される発明は、工具スピンドルの移動を制御する構成となってはいるが、これらの工作機械は運動精度が不十分であり、高精度加工用途には使用できないのが現状である。   Although the invention disclosed in Patent Document 3 and Patent Document 4 is configured to control the movement of the tool spindle, these machine tools have insufficient motion accuracy and cannot be used for high-precision machining applications. is the current situation.

パラレルリンク機構の場合、XYZ座標系での工具位置をストラッド伸縮モータの回転角から間接的に推定している。そのため、高精度な位置決めを行うためには、ストラッドの長さやジョイントの位置などの機構的なパラメータを正確に同定する必要がある。しかし、任意の空間内で工具の位置又は主軸先端の位置を正確に特定することは困難であり、当然上記パラメータの同定精度もこの測定精度に準ずることとなる。このため、パラレルリンク機構を用いた加工機械では、位置決め精度は数十〜数百μmが位置決め精度の限界とされてきた。   In the case of the parallel link mechanism, the tool position in the XYZ coordinate system is indirectly estimated from the rotation angle of the straddle telescopic motor. Therefore, in order to perform highly accurate positioning, it is necessary to accurately identify mechanical parameters such as the length of the straddle and the position of the joint. However, it is difficult to accurately specify the position of the tool or the position of the tip of the spindle in an arbitrary space, and the identification accuracy of the parameters naturally follows this measurement accuracy. For this reason, in a processing machine using a parallel link mechanism, positioning accuracy has been limited to several tens to several hundreds of μm.

パラレルリンク機構の位置決め精度を向上させる方法としては、非特許文献1に開示される手法がある。この手法は、二つの球体を伸縮可能なバーで連結し、その伸縮量を取り込むセンサ、いわゆるダブルボールバー(DBB)方を用いる手法である。
特開平10−175150号公報 特開2002−079449号公報 特開平9−001491号公報 特開平9−019842号公報 精密工学会誌,No.2,2003「パラレルメカニズムを用いた三次元座標測定機の構成に関する研究」
As a method for improving the positioning accuracy of the parallel link mechanism, there is a method disclosed in Non-Patent Document 1. This method is a method using a so-called double ball bar (DBB) method in which two spheres are connected by an extendable bar and the amount of expansion / contraction is taken.
JP 10-175150 A JP 2002-0779449 A JP-A-9-001491 Japanese Patent Laid-Open No. 9-019842 Journal of Precision Engineering, No. 2,2003 "Study on configuration of 3D coordinate measuring machine using parallel mechanism"

しかし、この手法を用いても、実際の運動部先端(タッチプローブ)は並進運動に加えて、XYZ各軸周りに3自由度の回転運動を伴うため、機構的なパラメータの同定精度には限界があり、光学素子やその金型を加工するのに適用できる程度の精度を得ることはできない。   However, even if this method is used, the actual moving part tip (touch probe) is accompanied by a rotational motion of 3 degrees of freedom around each axis of XYZ in addition to the translational motion. Therefore, it is impossible to obtain an accuracy that can be applied to processing an optical element and its mold.

このように、従来の研磨装置は、形状創成研磨に必要な装置剛性を確保すると、装置が大型化してしまうという問題があった。   As described above, the conventional polishing apparatus has a problem that the apparatus becomes large when the apparatus rigidity required for the shape creation polishing is ensured.

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、形状創成加工に必要な剛性を備え従来よりも小型軽量な構成の曲面加工装置及びそのキャリブレーション方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a curved surface processing apparatus having a rigidity necessary for shape creation processing and having a smaller and lighter configuration than the conventional one and a calibration method thereof.

上記目的を達成するため、本発明は、第1の態様として、被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によってワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つようにワークテーブル側のみの運動によって該被加工物の走査及び傾斜姿勢を制御する手段と、球状又は樽状で弾性を備え加工時には弾性変形を生じて微小面積で被加工物と圧接する加工工具と該被加工物との接触圧を一定に保つ手段と、加工工具の走査速度を制御することにより被加工物に対する加工量を調整する手段と、を有し、加工工具は、樹脂材料を主成分とする多孔質構造であり、研磨材としての砥粒は、加工時に外部から供給しながら走査することを特徴とする曲面加工装置を提供するものである。このようにすることで、軽量かつ省スペースで安価な曲面加工装置を実現できる。可動部分の質量が小さいため、低慣性であり、角度姿勢制御を行いながらも従来よりも高速で加工できる。 In order to achieve the above object, as a first aspect of the present invention, a work table on which a workpiece is placed and a base plate are connected by a plurality of extendable rod-like members, and the rod-like member is expanded and contracted and swung. A curved surface processing apparatus equipped with a parallel link mechanism for controlling the position and inclination of a work table, wherein the workpiece is maintained so that the normal formed at the contact point of the workpiece with the processing tool and the angle made by the processing tool are kept constant. Means for controlling the scanning and tilting posture of the workpiece by movement only on the table side, a processing tool that is elastic in a spherical or barrel shape and that is elastically deformed during processing and presses against the workpiece in a small area, and the workpiece Means for maintaining a constant contact pressure with the work piece, and means for adjusting the amount of work on the work piece by controlling the scanning speed of the work tool. The work tool is mainly composed of a resin material. A porous structure, the abrasive grains of the abrasive is to provide a curved surface machining apparatus characterized by scanning with externally supplied during processing. By doing so, it is possible to realize a lightweight, space-saving and inexpensive curved surface processing apparatus. Since the mass of the movable part is small, it has low inertia and can be processed at a higher speed than before while performing angular attitude control.

また、上記目的を達成するため、本発明は、第2の態様として、被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によってワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、ワークテーブルの上面に被加工物を回転させる回転テーブルをさらに備え、被加工物を回転させながら加工工具を走査させ、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つようにワークテーブル側のみの運動によって該被加工物の傾斜姿勢を制御する手段と、球状又は樽状で弾性を備え加工時には弾性変形を生じて微小面積で被加工物と圧接する加工工具と該被加工物との接触圧を一定に保つ手段と、加工工具の走査速度を制御することにより被加工物に対する加工量を調整する手段と、を有し、加工工具は、樹脂材料を主成分とする多孔質構造であり、研磨材としての砥粒は、加工時に外部から供給しながら走査することを特徴とする曲面加工装置を提供するものである。このようにすることで、軽量かつ省スペースで安価な曲面加工装置を実現できる。可動部分の質量が小さいため、低慣性であり、角度姿勢制御を行いながらも従来よりも高速で加工できる。さらに、軸対称な曲面を高速・高精度に容易に加工できる。 In order to achieve the above object, as a second aspect of the present invention, a work table on which a workpiece is placed and a base plate are connected by a plurality of extendable rod-like members, and the rod-like members are expanded and contracted. A curved surface processing device equipped with a parallel link mechanism that controls the position and tilt of the work table by turning, further comprising a rotary table for rotating the workpiece on the upper surface of the work table, and processing while rotating the workpiece. Means for scanning the tool and controlling the inclination posture of the workpiece by movement only on the work table side so as to keep a constant angle between the normal line at the contact point of the workpiece with the machining tool and the machining tool; A processing tool that is elastic in the shape of a sphere or barrel and that is elastically deformed during processing and presses against the workpiece in a minute area, and means for maintaining a constant contact pressure between the workpiece and the processing tool Means for adjusting the processing amount for the workpiece by controlling the scanning speed, and the processing tool has a porous structure mainly composed of a resin material, and abrasive grains as an abrasive during processing The present invention provides a curved surface processing apparatus characterized by scanning while being supplied from the outside. By doing so, it is possible to realize a lightweight, space-saving and inexpensive curved surface processing apparatus. Since the mass of the movable part is small, it has low inertia and can be processed at a higher speed than before while performing angular attitude control. Furthermore, an axisymmetric curved surface can be easily processed at high speed and high accuracy.

上記本発明の第1の態様又は第2の態様においては、球状又は樽状で弾性を備え加工時には弾性変形を生じて微小面積で被加工物と圧接する加工工具と被加工物との接触圧を一定に保つとともに、加工工具の走査速度を制御することにより被加工物に対する加工量を調整することが好ましい。小径工具を点接触状態で作用させることにより、数mm波長のうねりやリップル成分を滞留時間制御で動的に除去できる。これにより、従来機のように工具を大面積で作用させ、その粘性及び弾性を利用して平均化する必要が無くなるため、加工効率や精度を向上させられる。
これに加えて、加工工具は、樹脂材料を主成分とする多孔質構造であり、研磨材としての砥粒は、加工時に外部から供給されることがより好ましい。これにより、横軸姿勢での研磨において「工具の浮き上がり」を抑制し、安定した加工精度を長時間維持できる。
In the first aspect or the second aspect of the present invention described above, the contact pressure between the work tool and the work piece that is spherical or barrel-shaped and has elasticity and is elastically deformed at the time of machining and press-contacts the work piece with a small area. It is preferable to adjust the machining amount for the workpiece by keeping the constant and controlling the scanning speed of the machining tool. By causing the small-diameter tool to act in a point contact state, undulations and ripple components having a wavelength of several millimeters can be dynamically removed by residence time control. Thereby, since it is not necessary to make the tool act on a large area as in the conventional machine and use the viscosity and elasticity for averaging, the machining efficiency and accuracy can be improved.
In addition to this, it is more preferable that the processing tool has a porous structure mainly composed of a resin material, and the abrasive grains as the abrasive are supplied from the outside during processing. As a result, it is possible to suppress “lifting of the tool” in the polishing in the horizontal axis posture and maintain stable machining accuracy for a long time.

または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、ウレタン、クロロプレンゴム、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ABS樹脂及びメラニン樹脂のいずれかを主成分とする結合材中に研磨材としての砥粒を含有するレジン砥石であり、被加工物へ付勢されることによって該被加工物への切り込み量が与えられることが好ましい。このようにすれば、「点接触+遊離砥粒」の研磨では能率が低いガラスやセラミックといった硬脆性材料に対しても、面品位を確保しつつ、砥粒径増加・工具周速増加が可能となり、加工能率が向上する。   Alternatively, in the first aspect or the second aspect of the present invention, the processing tool is polished in a binder mainly composed of any of urethane, chloroprene rubber, phenol resin, epoxy resin, ABS resin, and melanin resin. It is a resin grindstone containing abrasive grains as a material, and it is preferable that the amount of cut into the workpiece is given by being urged to the workpiece. In this way, it is possible to increase the abrasive grain size and tool peripheral speed while ensuring surface quality even for hard brittle materials such as glass and ceramic, which have low efficiency in polishing of “point contact + loose abrasive”. Thus, the machining efficiency is improved.

または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、研磨材としての砥粒を含む流体を噴射するノズルであり、被加工物の表面に砥粒を衝突させて該被加工物の加工面表層を除去することが好ましい。このようにすれば、工具の摩耗や経時変化が問題とならなくなるため、長時間の加工が必要となる大面積ワークに対しても高精度な加工が可能となる。
これに加えて、加工工具の走査速度を変えることにより、被加工物の加工面の除去深さを変化させることがより好ましい。
Alternatively, in the first aspect or the second aspect of the present invention, the processing tool is a nozzle that ejects a fluid containing abrasive grains as an abrasive, and the abrasive grains collide with the surface of the workpiece and It is preferable to remove the processed surface layer of the workpiece. In this way, since tool wear and changes over time do not become a problem, high-precision machining is possible even for large-area workpieces that require long-time machining.
In addition to this, it is more preferable to change the removal depth of the processed surface of the workpiece by changing the scanning speed of the processing tool.

または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、単結晶のダイヤモンドバイトであり、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具の切り込み方向とを一致させることが好ましい。このようにすれば、曲面上に回折パターンを容易に形成できる装置を、軽量・省スペースで安価に実現できる。また、従来機と比較して駆動部の質量が小さく低慣性であるため、ワークテーブルを高速に移動でき、加工効率を向上させることができる。   Alternatively, in the first aspect or the second aspect of the present invention, the processing tool is a single crystal diamond tool, and a normal line at a contact point of the workpiece with the processing tool and a cutting direction of the processing tool are determined. It is preferable to match. In this way, an apparatus capable of easily forming a diffraction pattern on a curved surface can be realized at low cost with light weight and space saving. In addition, since the mass of the drive unit is small and low inertia compared to the conventional machine, the work table can be moved at high speed, and the processing efficiency can be improved.

または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、単結晶のダイヤモンドバイトであり、切り込み方向の軸周りに回動可能な回転位置決め機構を有し、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具の切り込み方向とを一致させるとともに、該加工工具の走査方向と該加工工具のすくい面とのなす角度を回転位置決め機構によって制御することが好ましい。このようにすれば、曲面上に回折パターンを容易に形成できる装置を、軽量・省スペースで安価に実現できる。また、従来機と比較して駆動部の質量が小さく低慣性であるため、ワークテーブルを高速に移動でき、加工効率を向上させることができる。さらに、切り込み方向とワーク加工点での法線とを一致させる姿勢制御と、すくい面の為す角度θを制御するすくい面角度制御をワークテーブル側と工具ヘッド側とで別個に行えるため、それぞれの制御指令を別々に導出できることに加え、それぞれの制御もシンプルな手順で行える。   Alternatively, in the first aspect or the second aspect of the present invention, the processing tool is a single crystal diamond tool, and has a rotational positioning mechanism that can rotate around an axis in a cutting direction, and It is preferable that the normal line at the contact point with the machining tool coincides with the cutting direction of the machining tool, and the angle formed by the scanning direction of the machining tool and the rake face of the machining tool is controlled by a rotary positioning mechanism. In this way, an apparatus capable of easily forming a diffraction pattern on a curved surface can be realized at low cost with light weight and space saving. In addition, since the mass of the drive unit is small and low inertia compared to the conventional machine, the work table can be moved at high speed, and the processing efficiency can be improved. In addition, the posture control that matches the cutting direction with the normal at the workpiece machining point and the rake face angle control that controls the angle θ made by the rake face can be performed separately on the work table side and the tool head side. In addition to being able to derive control commands separately, each control can be performed with a simple procedure.

また、上記目的を達成するため、本発明は、第3の態様として、上記本発明の第1の態様又は第2の態様のいずれかの構成にかかる曲面加工装置におけるパラレルリンク機構のキャリブレーション方法であって、ワークテーブル上に球面原器をクランプし、ベースプレートに対するワークテーブルの変位を検出する変位センサと、球面原器表面の傾きを検出するコリメータとを配置し、コリメータの光軸が球面原器表面と直交する姿勢を維持しつつ該球面原器表面に対して走査するようにワークテーブルを動作させて、該ワークテーブルの実変位及び該実変位に同期した球面原器表面の光軸に対する傾きデータを取得し、実変位と傾きデータとの値に基づいてパラレルリンク機構の位置制御パラメータを同定することを特徴とするパラレルリンク機構のキャリブレーション方法を提供するものである。このようにすれば、パラレルリンク駆動源から出力端であるワークテーブルまでを連結する構成部材の実寸法と位置とを正確に同定できる。よって、従来機と比較して位置決め精度を飛躍的に高めることができる。 Moreover, in order to achieve the said objective, this invention is a 3rd aspect. The calibration method of the parallel link mechanism in the curved surface processing apparatus concerning the structure in any one of the said 1st aspect or the said 2nd aspect of the said invention A spherical sensor is clamped on the work table, a displacement sensor for detecting the displacement of the work table with respect to the base plate , and a collimator for detecting the inclination of the surface of the spherical master are arranged, and the optical axis of the collimator is spherical. while maintaining the posture perpendicular to the standard surface by operating the work table so as to scan relative to the spherical standard surface, the optical axis of the spherical standard surface that is synchronized with the actual displacement and said actual displacement of the work table parallel to respect acquires inclination data, and identifying the position control parameters of the parallel link mechanism on the basis of the value of the actual displacement and the inclination data There is provided a calibration method of link mechanisms. In this way, it is possible to accurately identify the actual dimensions and positions of the components that connect the parallel link drive source to the work table that is the output end. Therefore, the positioning accuracy can be dramatically increased as compared with the conventional machine.

本発明によれば、形状創成加工に必要な剛性を備え従来よりも小型軽量な構成の曲面加工装置及びそのキャリブレーション方法並びにこの装置で製造した光学素子及び光学素子金型を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a curved surface processing apparatus having a rigidity necessary for shape creation processing and having a smaller and lighter configuration than the conventional one, a calibration method thereof, an optical element and an optical element mold manufactured by the apparatus.

〔発明の特徴〕
光学面を形成するための入れ子駒は、成形用金型としては小さく、軽量であることから、本発明においてはパラレルリンク機構をワークテーブルの移動機構として用い、ワークテーブル側のみの運動によって走査及び傾斜姿勢制御する構成とした。また、ワークを運動させる構造としては、ベースプレートとワークを固定するワークテーブルとを複数本の伸縮可能なストラッドで連結したパラレルリンク機構を採用し、これと荷重制御機構を持つ研磨ヘッドとを連結する構成とした。
[Features of the invention]
Since the nesting piece for forming the optical surface is small and lightweight as a molding die, the parallel link mechanism is used as a work table moving mechanism in the present invention. The configuration is such that the tilt posture is controlled. As a structure for moving the workpiece, a parallel link mechanism in which a base plate and a work table for fixing the workpiece are connected by a plurality of extendable straddles is used, and this is connected to a polishing head having a load control mechanism. The configuration.

また、パラレルリンクの機構的なパラメータを正確に同定するため、ワークステージの移動量を平行移動成分と回転移動成分とに正確に分離して取得する手段を設けることにより位置決め精度を向上させている。   In addition, in order to accurately identify the mechanical parameters of the parallel link, positioning accuracy is improved by providing means for accurately obtaining the movement amount of the work stage by separating it into a parallel movement component and a rotation movement component. .

このような構成とすることにより、従来では実施困難であった、パラレルリンク機構を用いた光学素子加工装置を実現した。   By adopting such a configuration, an optical element processing apparatus using a parallel link mechanism, which was difficult to implement in the past, was realized.

なお、ワーク自体の運動を、直交3軸と回転2軸との組合せによって行うことで、従来機に比べて、2倍以上の加速度でワークを運動させることが可能となる。例えば、研磨機としての使用時の送り速度の上限は、従来機では300mm/minであったが、本発明では1000mm/minまで高速化することが可能となる。   In addition, by performing the movement of the workpiece itself by a combination of three orthogonal axes and two rotation axes, it is possible to move the workpiece with an acceleration twice or more that of the conventional machine. For example, the upper limit of the feed rate when used as a polishing machine is 300 mm / min in the conventional machine, but can be increased to 1000 mm / min in the present invention.

さらに、従来機においては、装置振動が発生しない範囲での工具の最大走査速度を求め、これを前提にして滞留時間制御用のNCデータを生成していたが、本発明においては、最大工具走査速度を2倍に設定可能となったため、滞留時間制御での走査速度を全体的に高めて研磨加工時間を従来機よりも大幅に短縮できる。   Furthermore, in the conventional machine, the maximum scanning speed of the tool within a range in which the apparatus vibration does not occur is obtained, and NC data for dwell time control is generated on the assumption of this, but in the present invention, the maximum tool scanning is performed. Since the speed can be set to double, the scanning speed in the residence time control can be increased as a whole, and the polishing time can be greatly shortened compared with the conventional machine.

またさらに、本発明では余分な並進運動を伴わずに、加工点法線に合わせて工具を任意の傾きで接触させることができる。   Furthermore, in the present invention, the tool can be brought into contact with an arbitrary inclination in accordance with the processing point normal line without an extra translational motion.

従来機ではスライドストロークに十分な余裕を持たせるために装置が大型化していたが、本発明ではそのような無駄を省くことができ、リンク機構の効果も相まって従来加工装置に比べて大幅な小型化が可能であり、低コスト及び省スペース化が可能である。   In conventional machines, the size of the device has been increased in order to provide a sufficient margin for the slide stroke, but in the present invention, such waste can be eliminated, and the effect of the link mechanism is combined with a significant reduction in size compared to conventional processing devices. It is possible to reduce the cost and space.

このような特徴を有する本発明の好適な実施の形態について以下に説明する。   A preferred embodiment of the present invention having such characteristics will be described below.

〔第1の実施形態〕
本発明を好適に実施した第1の実施形態について説明する。図1に、fθレンズの金型を研磨加工している状態を示す。研磨工具1は、タイヤ形状を有し、不図示の加圧機構がZ軸方向に発生させている研磨荷重(0.98N)によってfθレンズ金型2に押しつけられている。研磨工具1は、不図示のモータによって回転駆動され、Y方向である紙面垂直方向に走査され、fθレンズ金型2の外縁近傍でX方向に微小量移動し、再びY方向へ走査するという動作を繰り返すことで加工面全域を走査していく。研磨工具1は、木粉を樹脂で固めたものであり、加工点において弾性変形を生じることによりφ0.8程度の接触領域を備える。研磨工具1自体は研磨剤となる砥粒を含まないため、fθレンズ金型2の被加工面には1/4μm粒径のダイヤモンドペーストが均等な厚さで塗布されており、研磨工具1の回転と走査とによって砥粒が徐々に巻き込まれながら供給されるようになっている。
[First Embodiment]
A first embodiment in which the present invention is suitably implemented will be described. FIG. 1 shows a state where the mold of the fθ lens is being polished. The polishing tool 1 has a tire shape and is pressed against the fθ lens mold 2 by a polishing load (0.98 N) generated in the Z-axis direction by a pressure mechanism (not shown). The polishing tool 1 is rotationally driven by a motor (not shown), scanned in the Y direction perpendicular to the paper surface, moved by a small amount in the X direction in the vicinity of the outer edge of the fθ lens mold 2, and scanned in the Y direction again. By repeating the above, the entire processing surface is scanned. The polishing tool 1 is made of wood powder hardened with a resin, and has a contact area of about φ0.8 by causing elastic deformation at a processing point. Since the polishing tool 1 itself does not include abrasive grains that serve as an abrasive, a 1/4 μm diameter diamond paste is applied to the surface to be processed of the fθ lens mold 2 with a uniform thickness. Abrasive grains are supplied while being gradually engulfed by rotation and scanning.

図3に、研磨工具及びその加圧機構の構成を示す。研磨工具1を駆動するスピンドルモータ15は、可動ブロック11に固定されている。可動ブロック11は、空気静圧スライド12に沿ってZ軸方向に移動可能となっており、Z軸方向の移動量は、リニアスケール14によって視認可能となっている。   FIG. 3 shows the configuration of the polishing tool and its pressing mechanism. A spindle motor 15 that drives the polishing tool 1 is fixed to the movable block 11. The movable block 11 is movable in the Z-axis direction along the static air pressure slide 12, and the amount of movement in the Z-axis direction is visible by the linear scale 14.

加工点における法線と研磨荷重方向であるZ軸とを常に一致させるために、ストラッド31の伸縮動作によってワークテーブル34の傾斜姿勢が制御され、これによりfθレンズ金型2の傾斜姿勢も制御される。なお、ここではストラッドが6本の構成を例にするが、この本数は任意である。各ストラッド31は、ベース側ユニバーサルジョイント32とワークテーブル側ユニバーサルジョイント33とによって加工機ベッド37及びワークテーブル34にそれぞれ固定されている。 In order to always make the normal at the processing point coincide with the Z-axis which is the polishing load direction, the tilting posture of the work table 34 is controlled by the expansion / contraction operation of the straddle 31, thereby controlling the tilting posture of the fθ lens mold 2. The Here, a configuration with six straddles is taken as an example, but this number is arbitrary. Each straddle 31 is fixed to the processing machine bed 37 and the work table 34 by a base side universal joint 32 and a work table side universal joint 33 , respectively.

ストラッド31の伸縮動作は、上記の工具走査軌跡を発生させるように、ワークの平行移動的な運動を合わせて発生している。   The expansion / contraction operation of the straddle 31 is generated by combining the parallel movement of the workpiece so as to generate the above-described tool scanning trajectory.

形状創成のために工具走査速度を加減速するとともに、滞留時間を制御する。   The tool scanning speed is accelerated and decelerated for shape creation, and the dwell time is controlled.

従来機では、工具走査速度上限200mm/minを常用域としていたが、本実施形態においては、傾斜制御を伴う工具走査速度の上限を400mm/minまで高めた。これにより、滞留時間制御NCデータで0.3〜1.2sec/mm(F200〜50)の加工条件を0.15〜1.05sec/mm(F400〜57)の条件にシフトすることが可能となり、工具走査1mm当たり、0.15secの加工時間短縮が為されるため、走査距離2000mm程度のfθレンズ金型の加工においては、加工時間を約50分短縮できる。   In the conventional machine, the upper limit of the tool scanning speed of 200 mm / min is used as the normal range, but in the present embodiment, the upper limit of the tool scanning speed with tilt control is increased to 400 mm / min. This makes it possible to shift the processing condition of 0.3 to 1.2 sec / mm (F200 to 50) to the condition of 0.15 to 1.05 sec / mm (F400 to 57) in the dwell time control NC data. Since the machining time is shortened by 0.15 sec per 1 mm of tool scanning, the machining time can be shortened by about 50 minutes when machining an fθ lens mold with a scanning distance of about 2000 mm.

このように、本実施形態にかかる曲面加工装置は、省スペース化、低コスト化する利点に加え、加工時間の短縮という効果も得られる。   As described above, the curved surface processing apparatus according to the present embodiment has an effect of shortening the processing time in addition to the advantages of space saving and cost reduction.

〔第2の実施形態〕
本発明を好適に実施した第2の実施形態について説明する。図2に、本実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す。本実施形態にかかる曲面加工装置は、軸対称である共軸非球面の研磨をも行えるように構成している。
[Second Embodiment]
A second embodiment in which the present invention is suitably implemented will be described. FIG. 2 shows a configuration of the curved surface processing apparatus according to the present embodiment. The curved surface processing apparatus according to the present embodiment is configured so as to be able to polish a coaxial aspherical surface that is axially symmetric.

ここでは、第1の実施形態と同様に、ストラッド31を6本備える構成を例とする。基本的な構成は第1の実施形態にかかる曲面加工装置と同様であるが、本実施形態においては、ワークテーブル34の上にターンテーブル35をさらに備えている。なお、図1においては不図示であったロードセル16は、研磨工具に研磨荷重を付与するための装置である。   Here, as in the first embodiment, a configuration including six straddles 31 is taken as an example. The basic configuration is the same as that of the curved surface processing apparatus according to the first embodiment, but in this embodiment, a turntable 35 is further provided on the work table 34. The load cell 16 (not shown in FIG. 1) is an apparatus for applying a polishing load to the polishing tool.

共軸非球面の形状誤差は、曲率誤差といった誤差量自体が軸対象成分を持つものと、そうではないアス成分とに区別できる。   The shape error of the coaxial aspheric surface can be classified into an error amount such as a curvature error itself having an axis target component and an asphalt component that is not.

ターンテーブル35を用いて回転対称成分を修正することにより、滞留時間制御のNCデータは、fθレンズの場合のラスタ走査タイプに比べて極めて簡素化でき、工具走査のための機械的な運動が少なくて済むため、加工精度も高められる。   By correcting the rotationally symmetric component using the turntable 35, the dwell time control NC data can be greatly simplified compared to the raster scan type in the case of the fθ lens, and the mechanical movement for the tool scan is less. Therefore, processing accuracy can be improved.

〔第3の実施形態〕
本発明を好適に実施した第3の実施形態について説明する。図4に示す本実施形態にかかる曲面加工装置は、第2の実施形態における研磨工具1の部分を、砥粒を高速で噴射する高速噴射ノズル41で置き換えたものである。
[Third Embodiment]
A third embodiment in which the present invention is preferably implemented will be described. The curved surface processing apparatus according to this embodiment shown in FIG. 4 is obtained by replacing the portion of the polishing tool 1 in the second embodiment with a high-speed injection nozzle 41 that injects abrasive grains at high speed.

砥粒としては、粒径が数μmからサブミクロン程度のアルミナ又はSiCを用いる。砥粒は、搬送空気流によって砥粒供給路43から供給され、噴射用の高圧空気は高圧空気供給路44から供給される。砥粒と高圧空気とは、混合流体42として高速噴射ノズル41から被加工物である共軸非球面レンズ金型22の加工面上へ噴射される。   As the abrasive grains, alumina or SiC having a particle diameter of about several μm to submicron is used. The abrasive grains are supplied from the abrasive grain supply path 43 by the carrier air flow, and the high-pressure air for injection is supplied from the high-pressure air supply path 44. The abrasive grains and the high-pressure air are jetted as a mixed fluid 42 from the high-speed jet nozzle 41 onto the processing surface of the coaxial aspherical lens mold 22 that is a workpiece.

このとき、砥粒の衝突エネルギーによって被加工物の加工面の表層が除去されていく。加工深さは、研磨の場合と同様で、工具の滞留時間に比例する特性を持つ。このため、上記実施形態と同様に、滞留時間の制御によって高精度な形状創成が可能である。   At this time, the surface layer of the processed surface of the workpiece is removed by the collision energy of the abrasive grains. The processing depth is the same as in the case of polishing, and has a characteristic proportional to the residence time of the tool. For this reason, as in the above embodiment, highly accurate shape creation is possible by controlling the residence time.

なお、加工方式上砥粒が飛散しやすいため、加工装置の摺動部には、砥粒の侵入を防ぐ防塵カバー36が設けられている。   In addition, since the abrasive grains easily scatter due to the processing method, a dust-proof cover 36 that prevents the abrasive grains from entering is provided at the sliding portion of the processing apparatus.

共軸非球面レンズ金型22を自転させつつ高速噴射ノズル41の向きを加工点法線と一致させ、外周から中心に向かって走査してゆくことで、共軸非球面レンズ金型22の加工面全域を加工できる。   By rotating the coaxial aspherical lens mold 22 while making the direction of the high-speed injection nozzle 41 coincide with the processing point normal line and scanning from the outer periphery toward the center, the processing of the coaxial aspherical lens mold 22 is performed. The entire surface can be processed.

〔第4の実施形態〕
本発明を好適に実施した第4の実施形態について説明する。図5に、本実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す。
本実施形態にかかる曲面加工装置は、第2の実施形態における研磨工具1の部分を、単結晶ダイヤモンドバイト51で置き換えた構成である。ダイヤモンドバイト51は、回転制御機構52によって、回転駆動されるとともに位置決めがなされる。
[Fourth Embodiment]
A fourth embodiment in which the present invention is preferably implemented will be described. FIG. 5 shows a configuration of the curved surface processing apparatus according to the present embodiment.
The curved surface processing apparatus according to the present embodiment has a configuration in which the portion of the polishing tool 1 in the second embodiment is replaced with a single crystal diamond tool 51. The diamond tool 51 is rotationally driven and positioned by the rotation control mechanism 52.

共軸非球面レンズ金型22を自転させつつ、その表面に単結晶ダイヤモンドバイト51で切り込むことで同心円状の溝を形成する。単結晶ダイヤモンドバイト51は、剣先状でその先端の丸まりはR=1μm以下、先端角は91°である。また、切り込み方向は、図5中のZ軸方向であり、上記各実施形態と同様に、共軸非球面レンズ金型22の外周から中心へ向かって単結晶ダイヤモンドバイト51を走査していくことで加工面全域を加工する。   While rotating the coaxial aspherical lens mold 22, concentric grooves are formed on the surface by cutting with a single crystal diamond tool 51. The single crystal diamond tool 51 has a sword tip shape, the roundness of the tip is R = 1 μm or less, and the tip angle is 91 °. Further, the cutting direction is the Z-axis direction in FIG. 5, and the single crystal diamond tool 51 is scanned from the outer periphery to the center of the coaxial aspheric lens mold 22 as in the above embodiments. To process the entire processing surface.

工具を接触させたまま走査すると渦巻き状の溝が形成されるため、定位置で切り込んだ後、一旦工具をワークから離し、共軸非球面レンズ金型22の回転半径方向に微少量移動し、底を定位置として切り込み動作を繰り返すことによって、曲面上に同心円状の溝を形成する。   When scanning with the tool kept in contact, a spiral groove is formed, so after cutting at a fixed position, the tool is once separated from the work, and moved slightly in the rotational radius direction of the coaxial aspherical lens mold 22, By repeating the cutting operation with the bottom as a fixed position, concentric grooves are formed on the curved surface.

工具の接触点における法線と切り込み方向であるZ軸との為す角は、任意に設定でき、一定角に保つことも、回転半径に応じて変化させることも可能である。   The angle formed between the normal line at the contact point of the tool and the Z axis that is the cutting direction can be arbitrarily set, and can be maintained at a constant angle or can be changed in accordance with the turning radius.

図6に、共軸非球面レンズ金型22の表面に同心円状のV字溝22aを形成した状態を示す。   FIG. 6 shows a state in which a concentric V-shaped groove 22 a is formed on the surface of the coaxial aspheric lens mold 22.

図7に、V溝の開き角度を高精度に仕上げる手段を示す。単結晶ダイヤモンドバイト51はワークの自転によってワーク表面に対して工具軌跡55を形成する。このような円弧又は曲線の軌跡において、任意の位置における工具の進行方向は、その工具の軌跡の接線に等しい。図7ので、工具軌跡の接線53とすくい面とが為す角をθとするとき、θ=90°の時はダイヤモンドバイト51の先端角α0が、そのままの大きさで正確にワークへ作用することとなる。   FIG. 7 shows means for finishing the V-groove opening angle with high accuracy. The single crystal diamond bit 51 forms a tool path 55 with respect to the workpiece surface by the rotation of the workpiece. In such a circular or curved trajectory, the traveling direction of the tool at an arbitrary position is equal to the tangent to the trajectory of the tool. In FIG. 7, when the angle formed between the tangent line 53 of the tool trajectory and the rake face is θ, when θ = 90 °, the tip angle α0 of the diamond bit 51 acts on the workpiece with the same size as it is. It becomes.

図9に、パラレルリンク機構制御パラメータ同定のためのキャリブレーション動作を示す。制御パラメータとは、ストラッド31の実際の長さや実際のジョイント位置(ベース側ユニバーサルジョイント32及びワークテーブル側ユニバーサルジョイント33)が相当し、パラレルリンク駆動源から出力端であるワークテーブル34までを連結する構成部材の実寸法と位置とを指している。これが現物通り正確に同定できれば、従来10ミクロン程度が限界とされてきた位置決め精度を飛躍的に高めることが可能となる。   FIG. 9 shows a calibration operation for identifying a parallel link mechanism control parameter. The control parameter corresponds to the actual length of the straddle 31 or the actual joint position (base-side universal joint 32 and worktable-side universal joint 33), and connects the parallel link drive source to the worktable 34 that is the output end. It refers to the actual dimensions and position of the components. If this can be accurately identified as it is, it is possible to dramatically increase the positioning accuracy, which has conventionally been limited to about 10 microns.

ここでは、第3の実施形態や第4の実施形態にかかる曲面加工装置のフレームに適用する場合について説明したが、オートコリメータ61を配置することで第2の実施形態にかかるの曲面加工装置のフレームにも適用可能である。   Here, the case of applying to the frame of the curved surface processing apparatus according to the third embodiment or the fourth embodiment has been described, but by arranging the autocollimator 61, the curved surface processing apparatus according to the second embodiment is arranged. It can also be applied to frames.

オートコリメータ61は。光軸がZ軸と平行になる姿勢でコラム87に取り付けられている。オートコリメータの対物レンズ62の光軸は、第3の実施形態及び第4の実施形態における高速噴射ノズル41やダイヤモンドバイト51の中心線とほぼ一致する位置関係にある。   The autocollimator 61. The optical axis is attached to the column 87 so as to be parallel to the Z axis. The optical axis of the objective lens 62 of the autocollimator is in a positional relationship that substantially coincides with the center lines of the high-speed injection nozzle 41 and the diamond bit 51 in the third and fourth embodiments.

光軸の延長線と被加工面との交点をPとし、P点における法線ベクトルnを図示する。ワークテーブル34にクランプされている球面原器64は、ガラス製であり曲率半径が100mm、直径はφ80mmである。球面原器64は、実際の加工物の近似曲率半径に極力近いものが用いられる。   An intersection point of the extension line of the optical axis and the surface to be processed is P, and a normal vector n at the point P is illustrated. The spherical base 64 clamped on the work table 34 is made of glass, has a radius of curvature of 100 mm, and a diameter of φ80 mm. As the spherical original device 64, the one that is as close as possible to the approximate radius of curvature of the actual workpiece is used.

ダブルボールバー67は、ワークテーブル34の加工機ベッド38に対する相対変位を検出するためのセンサである。このセンサでは、ワークテーブル34の傾きを含まない平行移動成分を検出している。ダブルボールバー67の移動球の曲率中心(図9中の点Q)と球面原器64との位置関係は、三次元測定機によって事前に正確に取得されている。この位置情報から、点Pにおける法線ベクトルn63と光軸とが一致した際のダブルボールバー67の位相角ω及び伸縮長さLのそれぞれの理論値であるωthとLthトを求めることができる。ここでの位相角ωとは、加工機ベッド37側の移動球の中心(図9中の点O)とワークテーブル34側の移動球の中心(点Q)とを結んだ線分OQをXY平面に投影した線がX軸と為す角度である。 The double ball bar 67 is a sensor for detecting a relative displacement of the work table 34 with respect to the processing machine bed 38. This sensor detects a parallel movement component that does not include the tilt of the work table 34. The positional relationship between the center of curvature of the moving sphere of the double ball bar 67 (point Q in FIG. 9) and the spherical base 64 is accurately acquired in advance by a three-dimensional measuring machine. From this position information, ω th and L th are respectively theoretical values of the phase angle ω and the expansion / contraction length L of the double ball bar 67 when the normal vector n63 at the point P coincides with the optical axis. Can do. Here, the phase angle ω is a line segment OQ connecting the center of the moving sphere on the processing machine bed 37 side (point O in FIG. 9) and the center of the moving sphere on the work table 34 side (point Q) XY. This is the angle formed by the line projected on the plane and the X axis.

現状のパラレルリンク機構のパラメータにおいて、加工領域全域をカバーするようにオートコリメータスポットを走査し、各位置でのωとLとをダブルボールバー67から取得する。オートコリメータ61は、その光軸がXY平面と直交するようにセットされているため、角度姿勢誤差β、γを取得できる。γは、オートコリメータ61の光軸と、光軸上の点Pにおける法線がなす角度であり、γはその位相角を示している。位相角γとは、先のωと同様に、法線ベクトルn63をXY平面に投影した線がX軸と為す角度である。   With the parameters of the current parallel link mechanism, the autocollimator spot is scanned so as to cover the entire processing region, and ω and L at each position are acquired from the double ball bar 67. Since the autocollimator 61 is set so that its optical axis is orthogonal to the XY plane, it can acquire the angular orientation errors β and γ. γ is an angle formed by the optical axis of the autocollimator 61 and a normal line at a point P on the optical axis, and γ indicates the phase angle. The phase angle γ is an angle formed by a line obtained by projecting the normal vector n63 on the XY plane and the X axis, as in the previous ω.

図10に、位相角の位置関係を示す。オートコリメータ61の光軸とZ軸とは平行であるため、Z軸を光軸と見なすことができる。   FIG. 10 shows the positional relationship between the phase angles. Since the optical axis of the autocollimator 61 and the Z axis are parallel, the Z axis can be regarded as the optical axis.

位相角ω及び伸縮長さLの実測値と理論値とからズレ量Δω、ΔLを求め、β、γ、Δω、ΔLの四つの誤差成分が評価域全域においてなるべく小さくなるようにパラレルリンク機構パラメータを同定する。この作業においては、リンク構造から解析式を導出しておけば、電子計算機を用いた収束演算によって、人手をかけることなく自動で最適パラメータを求められる。   Deviation amounts Δω and ΔL are obtained from the actual measurement value and theoretical value of the phase angle ω and the expansion / contraction length L, and the parallel link mechanism parameters are set so that the four error components β, γ, Δω, and ΔL are as small as possible in the entire evaluation range. Is identified. In this work, if an analytical expression is derived from the link structure, the optimum parameter can be automatically obtained without manpower by a convergence calculation using an electronic computer.

解析式自体も平行移動成分を示すΔω及びΔLと回転姿勢成分を示すβ及びγに分離されているため、より簡単な構成とすることができ、収束演算における計算量も比較的少量に抑えられる。   Since the analytical expression itself is separated into Δω and ΔL indicating the parallel movement component and β and γ indicating the rotation posture component, it can be configured more simply, and the amount of calculation in the convergence calculation can be suppressed to a relatively small amount. .

凹面となる曲面上に図6に示すような同心円状のブレーズパターンを形成する場合加工方法を図11に示す。剣先形状のダイヤモンドバイトで切り込むとともに、被加工面を自転させて加工することが一般的である。ここではV溝用のバイトを用いているが、実際にダイヤモンド工具を制作する上で誤差なくねらいの先端角に作り込むことは困難である。このため、工具先端角誤差を補正する必要がある。図11において、すくい面のなす角をθ=90°としたとき、形成されるV溝の開き角をα0とする。θの角度を減少又は増加させて90°から離していくと、工具先端角はα0→α1のように小さく作用することとなる。
予め工具先端角を大きめにして工具を製作しておき、加工時にθを調整することで、より正確な開き角を持つV溝を形成できる。
FIG. 11 shows a processing method for forming a concentric blazed pattern as shown in FIG. 6 on a concave curved surface. It is common to cut with a sword-shaped diamond tool and rotate the work surface to rotate. Although a V-groove cutting tool is used here, it is difficult to make it into the target tip angle without error in actually producing a diamond tool. For this reason, it is necessary to correct the tool tip angle error. In FIG. 11, when the angle formed by the rake face is θ = 90 °, the opening angle of the formed V groove is α0. When the angle of θ is decreased or increased and moved away from 90 °, the tool tip angle acts as small as α0 → α1.
A V-groove having a more accurate opening angle can be formed by manufacturing a tool with a large tool tip angle in advance and adjusting θ during processing.

本実施形態においては、回転位置決め機構52によって工具軌跡に合わせてθを正確に制御可能である。このため、工具走査とθとを同時制御することで、同心円のみならずそれ以外の任意の曲線溝加工において、V溝の開き角を数秒の誤差で正確に形成可能である。   In the present embodiment, the rotational positioning mechanism 52 can accurately control θ according to the tool trajectory. For this reason, by simultaneously controlling the tool scanning and θ, the opening angle of the V-groove can be accurately formed with an error of several seconds in not only concentric circles but also any other curved groove machining.

なお、上記各実施形態は、本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることはない。
例えば、上記各実施形態においては、加工工具の一例として、回転工具やダイヤモンドバイトをあげたが、本発明はこれら以外の加工工具を用いる装置にも適用可能である。
このように、本発明は様々な変形が可能である。
Each of the above embodiments is an example of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these.
For example, in each of the above embodiments, a rotary tool or a diamond tool is used as an example of a processing tool. However, the present invention can also be applied to apparatuses using other processing tools.
As described above, the present invention can be variously modified.

本発明は、加工面に対して小径の研磨工具をトラバースし、被加工面の形状誤差を修正する研磨加工法全般に適用可能である。平面及び曲面の光学素子並びにその金型の形状修正加工、又は切削工具に適用することで、曲面を持つ回折パターンの加工や、フレネルレンズの加工等を容易に行える。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to all polishing methods that traverse a polishing tool having a small diameter with respect to a processing surface and correct a shape error of the processing surface. By applying it to a flat and curved optical element and its shape correction processing or cutting tool, processing of a diffraction pattern having a curved surface, processing of a Fresnel lens, and the like can be easily performed.

本発明を好適に実施した第1の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the curved surface processing apparatus concerning 1st Embodiment which implemented this invention suitably. 本発明を好適に実施した第2の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the curved surface processing apparatus concerning 2nd Embodiment which implemented this invention suitably. 加圧機構の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a pressurization mechanism. 本発明を好適に実施した第3の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the curved surface processing apparatus concerning 3rd Embodiment which implemented this invention suitably. 本発明を好適に実施した第4の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the curved surface processing apparatus concerning 4th Embodiment which implemented this invention suitably. 共軸非球面レンズ金型の外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of a coaxial aspherical lens metal mold | die. 工具の動きと加工面との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a motion of a tool, and a processing surface. ゴニオステージを用いた曲面加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the curved surface processing apparatus using a gonio stage. パラレルリンク機構制御パラメータ同定のためのキャリブレーション動作を示す図である。It is a figure which shows the calibration operation | movement for parallel link mechanism control parameter identification. 加工面の法線ベクトルと位相角との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the normal vector of a process surface, and a phase angle. 曲面上にブレイズパターンを形成する場合の工具の動きを示す図である。It is a figure which shows the motion of the tool in the case of forming a blaze pattern on a curved surface.

符号の説明Explanation of symbols

1 研磨工具
2 fθレンズ金型(入れ子)
11 可動ブロック
12 空気静圧スライド
13 研磨荷重制御用エアシリンダ
14 リニアスケール
15 スピンドルモータ
16 ロードセル
22 共軸非球面レンズ金型(入れ子)
31 ストラッド
32 ベース側ユニバーサルジョイント
33 ワークベース側ユニバーサルジョイント
34 ワークテーブル
35 ターンテーブル
36 防塵カバー
37 加工機ベッド
41 高速噴射ノズル
42 砥粒
43 砥粒供給路
44 高圧空気供給路
51 ダイヤモンドバイト
51a バイトのすくい面
52 回転位置決め機構
53 工具軌跡の接線
55 工具軌跡
61 オートコリメータ
62 オートコリメータの対物レンズ
63 P点における法線ベクトル
64 球面原器
65 移動球の球面座
66 移動球
67 伸縮バー
68 固定球
69 固定球の球面座
101 固定ベース
102 片持ち支持部材
103 コロ軸受付きダイレクトドライブモータ
104 スインガ
106 サブスインガ(ゴニオステージ)
107 マグネットベッド
108 揺動角規制センサ
110 研磨対象部材
1 Polishing tool 2 fθ lens mold (nesting)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Movable block 12 Air static pressure slide 13 Air cylinder for polishing load control 14 Linear scale 15 Spindle motor 16 Load cell 22 Coaxial aspherical lens mold (nesting)
31 Strud 32 Base side universal joint 33 Work base side universal joint 34 Work table 35 Turntable 36 Dust cover 37 Processing machine bed 41 High speed spray nozzle 42 Abrasive grain 43 Abrasive grain supply path 44 High pressure air supply path 51 Diamond bit 51a Byte scoop Surface 52 Rotational positioning mechanism 53 Tool path tangent line 55 Tool path 61 Autocollimator 62 Autocollimator objective lens 63 Normal vector at point P 64 Spherical base 65 Spherical seat of moving sphere 66 Moving sphere 67 Telescopic bar 68 Fixed sphere 69 Fixed Spherical surface seat of ball 101 Fixed base 102 Cantilever support member 103 Direct drive motor with roller bearing 104 Swinger 106 Sub swinger (gonio stage)
107 Magnet bed 108 Oscillating angle regulating sensor 110

Claims (3)

被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によって前記ワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、
前記被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つように前記ワークテーブル側のみの運動によって該被加工物の走査及び傾斜姿勢を制御する手段と、
球状又は樽状で弾性を備え加工時には弾性変形を生じて微小面積で前記被加工物と圧接する加工工具と該被加工物との接触圧を一定に保つ手段と、
前記加工工具の走査速度を制御することにより前記被加工物に対する加工量を調整する手段と、
を有し、
前記加工工具は、樹脂材料を主成分とする多孔質構造であり、研磨材としての砥粒は、加工時に外部から供給しながら走査することを特徴とする曲面加工装置。
A work table on which a workpiece is placed and a base plate are connected by a plurality of extendable rod-like members, and a parallel link mechanism is provided that controls the position and inclination of the work table by extending and retracting and turning the rod-like members. A curved surface processing apparatus,
Means for controlling the scanning and tilting posture of the workpiece by movement only on the worktable side so as to keep a constant angle between the normal line at the contact point of the workpiece with the machining tool and the machining tool;
Means for maintaining a constant contact pressure between the work tool and the work tool that presses against the work piece in a small area by causing elastic deformation at the time of machining with elasticity in a spherical or barrel shape;
Means for adjusting a machining amount for the workpiece by controlling a scanning speed of the machining tool;
Have
The processing tool has a porous structure having a resin material as a main component, and abrasive grains as an abrasive are scanned while being supplied from the outside during processing.
被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によって前記ワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、
前記ワークテーブルの上面に前記被加工物を回転させる回転テーブルをさらに備え、
前記被加工物を回転させながら加工工具を走査させ、前記被加工物の前記加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つように前記ワークテーブル側のみの運動によって該被加工物の傾斜姿勢を制御する手段と、
球状又は樽状で弾性を備え加工時には弾性変形を生じて微小面積で前記被加工物と圧接する加工工具と該被加工物との接触圧を一定に保つ手段と、
前記加工工具の走査速度を制御することにより前記被加工物に対する加工量を調整する手段と、
を有し、
前記加工工具は、樹脂材料を主成分とする多孔質構造であり、研磨材としての砥粒は、加工時に外部から供給しながら走査することを特徴とする曲面加工装置。
A work table on which a workpiece is placed and a base plate are connected by a plurality of extendable rod-like members, and a parallel link mechanism is provided that controls the position and inclination of the work table by the extension and rotation of the rod-like members. A curved surface processing apparatus,
A rotating table for rotating the workpiece on the upper surface of the work table;
By rotating the workpiece, the machining tool is scanned, and by the movement only on the work table side so as to keep a constant angle between the normal line at the contact point of the workpiece with the machining tool and the machining tool . Means for controlling the tilt posture of the workpiece ;
Means for maintaining a constant contact pressure between the work tool and the work tool that presses against the work piece in a small area by causing elastic deformation at the time of machining with elasticity in a spherical or barrel shape;
Means for adjusting a machining amount for the workpiece by controlling a scanning speed of the machining tool;
Have
The processing tool has a porous structure having a resin material as a main component, and abrasive grains as an abrasive are scanned while being supplied from the outside during processing.
曲面加工装置におけるパラレルリンク機構のキャリブレーション方法であって、
前記ワークテーブル上に球面原器をクランプし、前記ベースプレートに対する前記ワークテーブルの変位を検出する変位センサと、前記球面原器表面の傾きを検出するコリメータと、を配置し、
前記コリメータの光軸が前記球面原器表面と直交する姿勢を維持しつつ該球面原器表面に対して走査するように前記ワークテーブルを動作させて、該ワークテーブルの実変位及び該実変位に同期した前記球面原器表面の光軸に対する傾きデータを取得し、
前記実変位と前記傾きデータとの値に基づいて前記パラレルリンク機構の位置制御パラメータを同定することを特徴とする請求項1または2記載の曲面加工装置におけるパラレルリンク機構のキャリブレーション方法。
A parallel link mechanism calibration method in a curved surface processing apparatus,
A spherical sensor is clamped on the work table, a displacement sensor that detects the displacement of the work table with respect to the base plate, and a collimator that detects the inclination of the surface of the spherical master,
The work table is operated so as to scan the surface of the spherical original material while maintaining the posture in which the optical axis of the collimator is orthogonal to the surface of the spherical original material. Acquire tilt data with respect to the optical axis of the synchronized surface of the spherical prototype,
The calibration method of the parallel link mechanism in the curved surface machining apparatus according to claim 1, wherein a position control parameter of the parallel link mechanism is identified based on values of the actual displacement and the inclination data.
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