光学材料の超精密研削におけるクラック抑制サーボ制御手法の開発

• 研究課題/領域番号: 18H01353
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18020:加工学および生産工学関連
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 柿沼 康弘 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70407146)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2019年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2018年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
• キーワード: プロセス監視 / プロセス制御 / 超精密加工 / 研削 / クラック抑制

研究成果の概要

本研究では，光学レンズの超精密研削加工におけるクラック抑制サーボ制御手法の開発に取り組んだ．始めに各駆動軸のサーボ情報とAEセンサを併用し，加工状態を３つに分類する加工状態監視手法を開発した．次に，加工状態監視による判別結果に基づき並進軸ならびにワーク軸のオーバライドを自動調整するシステムを構築し，クラック抑制制御を試みた．クラックが発生しない延性モード研削におけるサーボ電流の挙動を指令値として，その電流値に追従するようにオーバライドを変更することで，マイクロクラックが一切発生せずにガラスの超精密研削が可能であることを確認した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

超精密加工のようにセンシティブなプロセスでは，理論と実加工現象には乖離がある．それを補うために加工学と制御工学を融合した加工制御法を展開している点に本研究の学術的意義がある．また，サーボ情報を巧みに利用したプロセス監視技術はあらゆる加工機で利用でき，付加的なセンサも必要ないため導入も容易である．さらに，このプロセス監視技術を応用したクラック抑制技術により超精密加工による高機能光学部品の安定生産が可能になる点で社会的意義も大きい．

研究成果

• [雑誌論文] Self-acting optimal design of spindle speed variation for regenerative chatter suppression based on novel analysis of internal process energy behavior (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamato Shuntaro、Ito Takamichi、Matsuzaki Hirohiko、Fujita Jun、Kakinuma Yasuhiro
  • 雑誌名: International Journal of Machine Tools and Manufacture 巻: 159 ページ: 103639-103639
  • DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2020.103639
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental verification of design methodology for chatter suppression in tool swing?assisted parallel turning (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamato Shuntaro、Nakanishi Kenichi、Suzuki Norikazu、Kakinuma Yasuhiro
  • 雑誌名: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 巻: 110 号: 7-8 ページ: 1759-1771
  • DOI: 10.1007/s00170-020-05951-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precompensation of machine dynamics for cutting force estimation based on disturbance observer (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamato Shuntaro、Kakinuma Yasuhiro
  • 雑誌名: CIRP Annals 巻: 69 号: 1 ページ: 333-336
  • DOI: 10.1016/j.cirp.2020.04.068
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of cutting force observer by identification of position and force-amplitude dependent model parameters (2019)
  • 著者名/発表者名: S.Yamato, A. Sugiyama, N. Suzuki, N. Irino, Y. Imabeppu, Y. Kakinuma,
  • 雑誌名: International Journal of Advanced Manufacturing Technology 巻: 104 号: 9-12 ページ: 3589-3605
  • DOI: 10.1007/s00170-019-04080-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancement of sensor-less cutting force estimation by tuning of observer parameters from cutting test (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yamato, Y. Imabeppu, N. Irino, N. Suzuki, Y. Kakinuma
  • 雑誌名: Procedia Manufacturing 巻: 41 ページ: 272-279
  • DOI: 10.1016/j.promfg.2019.07.056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of servo characteristics on crack generation in ultra-precision grinding of optical glass lenses (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Suetomi, Y. Kakinuma, M. Fukuta , K. Tanaka
  • 雑誌名: Prodedia CIRP 巻: 77 ページ: 130-133
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Programmable optimal design of sinusoidal spindle speed variation for regenerative chatter suppression (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Yamato, T. Ito, H. Matsuzaki, Y. Kakinuma
  • 雑誌名: Procedia Manufacturing 巻: 18 ページ: 152-160
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] サーボ情報と AE信号を 用いた 光学ガラスの超精密研削における加工状態監視 (2021)
  • 著者名/発表者名: 栗山充，左高 志織，柿沼康弘
  • 学会等名: 2021年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] Novel modelling, interpretation and design of spindle speed variation machining for regenerative chatter suppression (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Yamato, Y. Kakinuma
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Applied Abstraction and Integrated Design (AAID2020
  • 国際学会
• [学会発表] Precise cutting force estimation by hybrid estimation of DC/AC components (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Sato, S. Yamato, Y. Imabeppu, N. Irino, Y. Kakinuma
  • 学会等名: International Symposium on Flexible Automation, (ISFA2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of correlation between process energy balance and phase shift variation of chatter vibration in spindle speed variation (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Yamato, T. Ito, H. Matsuzaki, Y. Kakinuma
  • 学会等名: JSME 2020 Conference on Leading Edge Manufacturing/Materials and Processing
  • 国際学会
• [学会発表] 主軸速度変動によるびびり振動抑制の自動最適化設計ー変調指数に基づくびびり振動エネルギ最小化によるパラメータ選択 ー (2019)
  • 著者名/発表者名: 大和駿太郎，伊東隆充，松崎敬彦，柿沼康弘
  • 学会等名: 日本機械学会第13回生産加工・工作機械部門講演会
• [学会発表] 工具主軸と並進軸のサーボ情報を応用した 光学ガラスレンズの超精密研削加工面の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 栗山充，福田将彦，田中克敏，柿沼康弘
  • 学会等名: 日本機械学会2019年度年次大会
• [学会発表] Influence of servo characteristics on crack generation in ultra-precision grinding of optical glass lenses (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Suetomi, Y. Kakinuma, M. Fukuta , K. Tanaka
  • 学会等名: 8th CIRP Conference on High Performance Cutting
  • 国際学会
• [学会発表] Programmable optimal design of sinusoidal spindle speed variation for regenerative chatter suppression (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Yamato, T. Ito, H. Matsuzaki, Y. Kakinuma
  • 学会等名: 18th Machining Innovations Conference for Aerospace Industry