球形状等立体形状物の加工方法及び加工装置

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【発明の名称】	球形状等立体形状物の加工方法及び加工装置
【発明者】	【氏名】中山信一【氏名】堀内斉
【要約】	【課題】球・円筒或はその他の複雑な立体形状物全体を正確に測定して高精度に加工することができる球・円筒等の立体形状物の加工・測定方法であり、しかも、簡単な装置で構成される加工・測定装置を提供する。【解決手段】球状・円筒状、その他複雑な立体形状物の表面をセンサー及びコンピュータ手段で接触、或は非接触で計測し、コンピュータ手段で表面又は内面に接触又はレーザ３等により非接触で加工するようにした加工方法及び加工装置である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】球状・円筒状或はその他複雑な立体形状物の表面をセンサー及びコンピュータ手段で接触或は非接触で計測し、コンピュータ手段で表面又は内面に接触又はレーザ等により非接触で加工するようにしたことを特徴とする球形状等立体形状物の加工方法。
【請求項２】球状・円筒状、その他複雑な立体形状の接触又は非接触での形状測定し、その形状データをもとにＣＡＤ／ＣＡＭデータに反映させ、コンピュータ制御で被加工物に加工を行なう請求項１記載の球形状等立体形状物の加工方法。
【請求項３】球状・円筒状、その他複雑な立体形状の表面への接触又はレーザ加工による非接触加工を施すようにした請求項１又は２に記載の球形状等立体形状物の加工方法。
【請求項４】宝石・ガラス・樹脂等の透明・半透明材料である被加工物の表面又は内面にレーザ加工等を施し、立体的な加工をする請求項１乃至３の何れかに記載の球形状等立体形状物の加工方法。
【請求項５】球状・円筒状或はその他複雑な立体形状物の表面をセンサー及びコンピュータ手段で接触或は非接触で計測する計測手段と、コンピュータ手段で表面又は内面に接触又はレーザ等により非接触で加工する加工手段より成ることを特徴とする球形状等立体形状物の加工装置。
【請求項６】球状被加工物の外周囲をレーザ加工機を回転移動させると共に、被加工物を所定の回転軸方向に回転させて被加工物の表面又は内面に文字・模様等を彫刻加工を施すようにした請求項５に記載の球形状等立体形状物の加工装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、立体形状物の機械加工方法及び加工装置に関し、特に、立体形状物が球、円筒状である場合に好適な機械加工等の球形状等立体形状物の加工方法及び加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より球状・円筒状・その他の複雑な立体形状物の物品の機械加工等の加工は、例えば、ＮＣ制御による直交座標系の加工装置を用いて行う方法がある。このＮＣ制御を利用した加工方法は、一般的に使用されているＮＣ工作機械を用いて加工・測定などを行なうようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＮＣ制御を利用した加工装置では、特に球形、或は球形に類似した形状の終始端部（極部）の加工や測定などを行なう際には、加工位置や測定中心などがずれることがあるために、高い精度を保ちながら加工及び測定を行なうことが困難であった。
【０００４】一方で、スカラ型ロボットを用いた球状・円筒形状等の切削等の加工及び測定方法が知られている。この装置によると、使用する材料に対してアタッチメントを設けることで球状・円筒形状等の材料の極部の加工及び切削を行なうことが可能になるが、精度を維持するのが難しかったり、装置本体のコストがかかったりするなどの問題が生じていた。また、いずれの加工装置においても、装置が大型化して広い設置場所を必要とするなどの問題があった。
【０００５】本発明は上記の実情に鑑みて開発したものであり、その目的とするところは、球・円筒或はその他の複雑な立体形状物全体を正確に測定して高精度で加工することができる球・円筒等の立体形状物の加工・測定方法であり、しかも、簡単な装置で構成される加工・測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、球状・円筒状或はその他複雑な立体形状物の表面をセンサー及びコンピュータ手段で接触或は非接触で計測し、コンピュータ手段で表面又は内面に接触又はレーザ等により非接触で加工する球形状等立体形状物の加工方法である。
【０００７】請求項２に係る発明は、球状・円筒状、その他複雑な立体形状の接触又は非接触での形状測定し、その形状データをもとにＣＡＤ／ＣＡＭデータに反映させ、コンピュータ制御で被加工物に加工を行なう加工方法である。
【０００８】請求項３に係る発明は、球状・円筒状、その他複雑な立体形状の表面への接触又はレーザ加工による非接触加工をする加工方法である。
【０００９】請求項４に係る発明は、宝石・ガラス・樹脂等の透明・半透明材料の内面にレーザ加工等を施し、立体的な加工をするレーザ加工方法である。
【００１０】請求項５に係る発明は、球状・円筒状或はその他複雑な立体形状物の表面をセンサー及びコンピュータ手段で接触或は非接触で計測する計測手段と、コンピュータ手段で表面又は内面に接触又はレーザ等により非接触で加工する加工手段より成る加工装置である。
【００１１】請求項６に係る発明は、球状被加工物の外周囲をレーザ加工機を回転移動させると共に、被加工物を所定の回転軸方向に回転させて被加工物の表面又は内面に文字・模様等を彫刻加工を施すようにした加工装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明における球・円筒等立体形状物の加工方法及び加工装置を適用した一形態を図面に従って説明する。本発明の球・円筒等の立体形状物の機械加工方法は、球状、円筒状或は、その他の複雑な立体形状物の表面にレーザ加工や機械加工を施したり、宝石、ガラス、或は樹脂等の透明・半透明材料の表面や内面にレーザ加工を施して立体的な加工を行なうようにしたものであり、この加工方法を用いた球・円筒等の立体形状物の加工装置で加工した場合には、立体形状物の加工精度を著しく高めることができる。
【００１３】図１は、本発明の球・円筒等の立体形状物の機械加工装置を示す概略説明図である。本発明の加工方法に使用する加工装置１は、レーザヘッド２を有するレーザユニット３と、このレーザユニット３を略半円弧状に形成したレール等の移動路４に取付けてレーザユニット３を被加工物１０を中心に円周上に移動自在に設け、更に、球状等の被加工物１０を取付けるためのワーク取付部５から成り、これらを夫々定盤６上に配設したものである。
【００１４】本発明の加工装置１は、先ず、図示しないセンサによって加工しようとする立体形状物の表面を接触、或は非接触でコンピュータ制御によって計測したのちに、その形状のデータを基にしてＣＡＤ／ＣＡＭのデータとして反映させ、更に、コンピュータ制御によってレーザビームＬで被加工物１０表面又は内面に接触、或は非接触で、文字、模様その他の形状物を施すようにしたものである。
【００１５】本実施の形態においては、使用する被加工物１０の形状は球状であるが、被加工物１０の形状は、球状以外にも円筒や或は円柱、その他の複雑な立体形状物でも加工を行うことができ、また、被加工物１０は、宝石・ガラス・樹脂等の透明・半透明材料で成形した置物、飾り物或は装身具又はその他の製品に用いる事ができる。
【００１６】図６において、レーザユニット３は、定盤６側に設けた溝２ａを平面状から見て円弧状を呈するレール４に嵌めるようにしてレール４の片側から装入し、装入後には、レール４に切欠いて設けた凹状溝４ａに溝２ａから突設して設けた突部２ｂが係合し、レーザユニット３をレール４に沿って円周上に移動可能に設けている。
【００１７】更に、レーザユニット３には、レーザヘッド３から発射するレーザビームＬの発射方向と略直交する方向に回動軸７ａを有するＸ軸移動用のモータ７を取付け、この移動用モータ７の回動軸７ａの先端には、外周ギア８を設けている。外周ギア８は、レール４の外周側に沿って設けたギア状の噛合部９に噛合するように設けており、移動用モータ７を回転させると回動軸７ａを介してギア８に動力が伝わり、レーザユニット３は、レール４に沿って円周上に移動する。移動時には、ギア８の回動方向を変えることで任意の方向に移動させることができる。
【００１８】図３乃至図５に示すように、ワーク取付部５，５は、被加工物１０を狭持するために支持部１１，１１を被加工物１０の方向に立設して設けている。支持部１１，１１の先端側には、ワーク押部１１ａと、このワーク押部１１ａの被加工物１０を狭持する側にウレタン等からなる弾性部材１１ｂを設け、この弾性部材１１ｂ，１１ｂで被加工物１０を狭持している。
【００１９】また、ワーク取付部５，５の定盤６への取付位置には、定盤６にボルト等の図示しない固着部材で固定したレール状のガイド部材１２，１２を設けられ、ワーク取付部５，５は、このガイド部材１２，１２に係合部材１３を介して設置されている。
【００２０】更に、係合部材１３は、溝状に切欠いた凹状部１３ａを有し、この凹状部１３ａをガイド部材１２，１２に係合させるようにしているので、各ワーク取付部５，５はガイド部材１２，１２に沿って摺動自在になり、ワーク取付部５，５を摺動させて間隔を調整するようにすればワーク押部１１，１１の間に様々な形状、寸法等の被加工物１０を狭持させることができ、更に、ワーク取付部５には、図示しないワークアジャスターを設けているので、被加工物１０を弾性部材１１ｂ，１１ｂで狭持した状態で保持することができる。
【００２１】図３において、ラック１４，１４は、各ワーク取付部５，５の摺動方向に延設して設け、定盤６に回動自在に設けたピニオン１５を前後から挟み込むようにして設け、ラック１４，１４の歯は、ピニオン１５の歯と噛合している。
【００２２】更に、ピニオン１５は、略円弧状のレール４の略中心点上にその回転軸を設けるようにし、ワーク取付部５の支持部１１，１１は、この中心点から等しい距離になるようにして設ける。このようにすると、被加工物１０が球状である場合には、中心部をレール４の中心点に配置することができるので、レーザユニット３がレール４の円弧に沿って移動する際には、レーザユニット３のレーザ発射位置からワーク５の中心位置までの距離が常に等しくすることができる。
【００２３】図４において、１８は、任意の側のワーク押部１１ａに設けた支軸であり、ワーク押部１１ａと一体に設けて支持部１１に軸着し、ワーク押部１１ａが回動可能になるように設けている。支軸１８の他端には、ローラ１９を設け、このローラ１９は、ベルト１７を介して回転用モータ１６と連動可能に設けている。回転用モータ１６が回転すると、この力がローラ１９に伝達してローラ１９が回転するので、被加工物１０を支軸１８を中心にして回転させることができる。
【００２４】ここで、加工装置１の動作及び作用について説明する。Ｘ軸移動用モータ７、回転用モータ１６の各モータは、ともにステッピングモータを使用するのが望ましく、図示しないコンピュータの制御によってその回転方向、回転速度等を調節している。回転用モータ１６が回転すると、被加工物１０が支軸１８を中心にして回転し、また、移動用モータ７が回転すると、レーザユニット３が円弧状のレール４に沿って被加工物１０の回転軸の方向に移動するので、コンピュータによってこれらのモータの動作を同時に制御するようにすれば、被加工物１０の任意の位置にレーザビームＬを発射させることができ、あらゆる形状、寸法の立体形状物に加工することができる。
【００２５】更には、図９に示すように、ワーク押部１１ａに対して９０度回転させた位置に更なるワーク押部１１ａ′，１１ａ′を設けるようにすれば、被加工物１０を狭持しなおすことができるので、被加工物１０に対してワーク押部１１ａが狭持していた部位を被加工物１０を取り外すことなく加工でき、コンピュータによるモータの動作等を制御する制御プログラムを適宜変更することで被加工物１０の全面のレーザ加工、或はセンサによる測定を行うことができる。
【００２６】また、図１において、レーザユニット３は、円弧状のレール４を摺動しながらレーザビームＬを被加工物１０の中心に向けて発射するようにしているが、被加工物１０の中心はレール４の円弧の中心点であるから、レーザユニット３は、被加工物１０の中心位置に対して、常に一定の距離からレーザビームＬを発射することができる。
【００２７】次に、円周上に移動するその他の実施形態を図１０に示すギア８と噛合部９によるレーザユニット３の駆動方式を説明する。ギア８とラック状の噛合部９による駆動は、レーザユニット３の確実な移動を行なうことができる。ギア８と噛合部９による噛合にはバックラッシが発生することがあるが、ギアのモジュール選択と、転位歯車にすることによって位置精度を高めることができる。この場合、位置検知用の機構を追加するようにすればよい。
【００２８】図１１は、ローラによる駆動方式を示したものであり、図において、２０はローラ、２１は摩擦面である。本例によると、ローラ２０と摩擦面２１が常に線接触しているので、レーザユニット３の往復させた際の位置精度の誤差を抑えることができる。
【００２９】図１２は、タイミングベルトを使用した駆動方式を示したものである。本例においては、ベルト２３にレーザユニット３のヘッド２６を固定して取付け、ベルト２３の内側に設けたプーリ２４をモータによって回転させることによってヘッド部位を移動させるようにしている。また、図示しないが、ベルトを利用したその他の駆動方式としては、レール４の内周面側にベルトを貼り付け、ユニット３の移動用モータ７にプーリをとり付け、このプーリを移動用モータ７で回転させてユニット３を移動させるようにしてもよい。なお、本発明の球・円筒・立体形状物の加工装置におけるレーザユニット３の駆動方式は、上記のいずれの例を選択してもよく、また、上記駆動方式以外にも、実施の形態にあわせて適宜の構成によって実施すればよい。
【００３０】本発明におけるレーザ加工は、ＹＡＧによるレーザ加工が好ましく、このＹＡＧレーザ加工は、極めて小さいスポットで高パワー密度のレーザビームであるにもかかわらず、歪み、熱影響が少ないため、本発明に適用する微細加工に好適である。また、非接触加工であるため材料に機械的力が加わらず、変形や損傷等を防ぐことができ、加工時に材料の硬さに左右されることがない。また、被加工物１０へのＹＡＧレーザ発射時には、多様な発振動作が可能であり、パワー密度、パルス幅などの組合せを選択することができるので、熱工学的、並びに化学的な性質の異なる被加工物１０に対して多彩な加工を行なうことができる。
【００３１】一方、炭酸ガスレーザ加工を用いてもよく、この場合は、出力を大きくすることができ、一般材料によく吸収される遠赤外線である。なお、２５は、レーザユニット３を被加工物１０方向に移動させてレーザユニット３と被加工物１０とのＹ軸上の距離を調節可能にした移動用のモータであり、必要に応じて適宜設けるようにすればよい。
【００３２】このように、レーザユニット３をコンピュータに制御によってコントロールして移動可能に設けているので、高い精度を保ちつつ高精度な加工及び計測を行なうことができる。加工装置１の動作時には、レーザユニット３の移動と被加工物１０の回転を同時に制御するようにして、レーザユニット３は、被加工物１０の回転運動に対して円運動によって被加工物１０の周囲を移動することができるので、被加工物１０を所望の形状に加工することができ、更には、ワーク押部１１ａ′を設けることによって、被加工物１０の全面を加工できる。
【００３３】レーザユニット３から発射するレーザビームＬは、ＹＡＧレーザ加工及び炭酸ガスレーザ加工によって被加工物１０の表面乃至内面を接触又は被接触で加工することができるので、様々な装飾を施した立体形状物を形成することができる。
【００３４】加工装置１は、簡単な構成によって設けることができるので、コストを大幅に抑えることができ、しかも、省スペースで設置場所をとらない。
【００３５】
【発明の効果】以上のことから明らかなように、本発明の球・円筒・立体形状物の加工方法及び加工装置は、球・円筒或はその他の複雑な立体形状物全体を正確に測定して高精度で加工することができ、しかも、簡単な構成によって設けることができる。
【００３６】また、形状測定時には、立体形状の全面を正確に測定することができ、球・円筒・立体形状物の加工装置に最適である。
【００３７】また、加工時には、被加工物に対して、レーザ加工、又は、その他の機械加工によって、あらゆる加工を施すことが可能である。
【００３８】更に、透明・半透明の宝石等の材料に対してレーザビームによって内面側或は表面側に加工を施すことができ、従来にない精密な加工を施すことができるため、置物又は装身具或はその他の製品に適用すると、その実用的価値は極めて大きい。

【出願人】	【識別番号】３９１０１７８４９【氏名又は名称】山梨県【識別番号】５９９１３７１９４【氏名又は名称】堀内斉
【出願日】	平成１２年３月１５日（２０００．３．１５）
【代理人】	【識別番号】１０００８１２９３【弁理士】【氏名又は名称】小林哲男
【公開番号】	特開２００１－２６５４１４（Ｐ２００１－２６５４１４Ａ）
【公開日】	平成１３年９月２８日（２００１．９．２８）
【出願番号】	特願２０００－７１７７４（Ｐ２０００－７１７７４）