JP2007188524A

JP2007188524A - Ｎｃ加工データ作成方法

Info

Publication number: JP2007188524A
Application number: JP2007068681A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Suzuki; 隆敏鈴木; Shigeki Konishi; 茂喜小西
Original assignee: NIPPON HIKYUMEN LENS KK
Current assignee: NIPPON HIKYUMEN LENS KK
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】３次元の自由曲面を高精度に加工するＮＣデータを作成する際に、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムにおいて一面として取り扱える構成点数に制限があり、必要な精度のＮＣデータが作成できず、設計通りに加工ができなくなる問題を、別システムを用意することなく解決する。
【解決手段】自由曲面式から求めた加工面を表わす複数の座標点から、近似曲面を作成し、この面に工具半径分のオフセットを与えて、ＮＣデータを作成するシステムにおいて、加工面を、隣接面の端部同士が相互に重なる状態で複数面に分割し、各分割面毎に求められたオフセット面から、上記重なり幅の半分程度の長さだけ端部を排除した状態で、複数のＸ−Ｚ断面近似曲線を作成し、重なり部分で同一位置にある近似曲線の端をつなぎながら各分割面毎に、円弧・直線への近似によってＮＣデータを作成し、加工面全体の合成ＮＣデータを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ用金型等の自由曲面を加工する場合において、高い加工精度が要求されると同時に、加工面を３次元データで表わす必要があるため、扱うデータ数が膨大となり、ＮＣデータを作成するＣＡＤ・ＣＡＭシステムの一面として取り扱えるデータ数を超え、必要な設計精度が得られなくなる問題を解決できるＮＣデータの作成方法に関する。

従来、樹脂成形用のレンズ金型の製作は、必要な光学性能が得られるレンズ形状を設計した後、これに対応する金型を加工するため、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムを用い、ＮＣ加工機に与えるＮＣデータを作成していた。

ＣＡＤシステムは、入力されたレンズ形状を表現する式と、その定数から、加工面を表わす複数点の座標を求め、これをスプライン等によって近似して近似曲面を作成する。さらに、この近似曲面の各座標点に対して、法線方向に加工刃物の工具半径分だけ移動させた点の集合をオフセット面として決定する。

このオフセット面は、ＣＡＭシステムに与えられ、オフセット面のＸ−Ｚ断面となる近似曲線を計算し、これを直線あるいは円弧によって近似して、ＮＣデータを作成する。このＮＣデータの保証精度は、従来のシステムにおいては、１μｍ程度であった。

近年、レンズ性能は、より高精度、多機能のものが必要とされ、その金型を加工する場合、微小単位の精度が保証されたＮＣデータを必要とするようになってきている。また、従来の非球面レンズやトロイダルレンズは回転対称物であり、ＮＣ旋盤によって金型（被切削物）を回転させながら加工する為、２次元のＮＣデータを与えればよかった。しかし、高精度で自由度が高く、回転対称体でない形状加工を行う為、高精度３次元データを扱う必要が生じている。

加工面が３次元データによって表わされる自由曲面レンズは、例えば、次式のように、光軸方向の高さＺがＸとＹの関数によって定義されたもので、図７（ａ）（ｂ）に示すような形状を持つ。

但し、Ｒ_x、Ｒ_y、Ｋ、Ａ_n、Ｂ_mは任意係数を表し、ｕ，ｖは、夫々１０以上の整数を表わす。

このレンズは、長手方向Ｘに沿う形状が自由曲線であり、これと直交する方向Ｙに沿う円弧形状の曲率半径が、この自由曲線に沿って変化する。したがって、この加工は、図８（ａ）（ｂ）に示すようにワークに対して、刃物をＸＹＺ方向に任意に移動させて行う必要があり、ＮＣデータは、このような刃物の移動軌跡を連続した直線あるいは円弧で近似したものとして与える必要がある。

このように、データ形式が２次元から３次元に変わると、前述したように高い（レンズ）加工精度が要求されているという条件との相乗作用により、扱うべきデータ（点）数は膨大なものになる。

これに対して、従来の３次元ＣＡＤ・ＣＡＭシステムは、入力できるデータ数が、例えば１面につき６０００点と制限されている。

上記図７のレンズは、長径９６ｍｍ、短径６ｍｍのものであるが、１つの面（入射面又は出射面）を、上記点数制限の下にＮＣデータを作成すると、加工すべき形状に対するＺ方向誤差は、保証精度が１μｍ程度となる。

これは、上記自由曲面レンズの樹脂成形用金型を加工する場合に必要な保証誤差である数ｎｍと比較すると、大きくかけ離れた値である。

このため、設計上は優れた光学性能が得られるレンズであっても、高精度の加工データを作成できないため、設計通りの性能を持つものとして、実際に製作することはできなかった。

（１）本発明が提供するＮＣデータ作成方法は、加工面形状を表わす自由曲面式から、加工面を表わす複数点の座標を求め、この座標に基づき近似曲面を作成し、この面の各点に対して、法線方向に加工刃物の工具半径分だけ移動させた点の集合をオフセット面として決定し、このオフセット面のＸ−Ｚ断面近似曲線を直線あるいは円弧で近似して、ＮＣデータを作成する方法において、
自由曲面式によって表される加工面を、隣接面の端部同士が相互に重なる状態で複数面に分割し、各分割面毎に求められたオフセット面から、上記重なり幅の半分程度の長さだけ端部を排除した状態で、複数のＸ−Ｚ断面近似曲線を作成し、重なり部分で同一位置にある近似曲線の端をつなぎながら各分割面ごとにＮＣデータを作成して、加工面全体の合成されたＮＣデータを得ることを特徴とする。

（２）上記ＮＣデータ作成方法は、加工面の分割数を、各分割面を表わす複数点をＣＡＤシステムの一面として取り扱えるデータ数の最大値に近い値にした上で、各分割面毎に必要な精度が得られる数にして行なうことができる。

（３）また、形状の変化が大きく、より高精度のＮＣデータが必要とされる部分の分割面に於いて、他の部分よりも加工面を表わす点のピッチ間隔を細かくし、必要最小限の工程時間で、必要な精度を全面に確保することができる。

本発明は、一面として取り扱えるデータ点数が限られているＣＡＤ・ＣＡＭシステムにおいて、加工面を、必要な分解能が得られるまで分割して処理するため、ＮＣデータの精度の向上が図れる。

図１（ａ）（ｂ）は自由曲面式によって表される加工面の分割例を示したものである。

この加工面は、前記自由曲面式（１）により、Ｚ方向高さがＸとＹの関数によって定義された自由曲面である。

この例では、Ｘ方向に１１分割している。各分割面は端部同士で、斜線で示すように相互に重ねられ、形状変化の大きい部分の付近は、一定の精度を確保するため他の部分よりも座標点を与えるピッチを細かく設定している。

この重なり部分は、座標点から近似曲面を作成したとき、端縁で座標点の連続性がないためスプライン近似の誤差が大きくなる端縁付近の近似曲面を排除するために設けられている。したがって、この重なり部分の幅は、近似曲面において、端縁からこの幅の１／２程度離れたとき、上記誤差が許容誤差より小さくなる大きさに定められる。この誤差は、近似曲面を作る座標点のピッチと関係し、ピッチを小さくする程、重なり幅を小さくできる。

上記分割に従って、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムでは、次のような手順でＮＣデータを作成する。

初めに、各分割面毎に、図１（ｃ）に示すように、前記自由曲面式（１）に従い分割面を代表する複数点のＸＹＺ座標を求める。この点数は、ＣＡＭシステムの１面として扱えるデータ点数の制限の下で、最大数に近い数に設定され、各点は均等の分布とするが、Ｘ方向とＹ方向を見て、変化が大きい方向があれば、その方向の点のピッチ間隔を小さくすることもできる。また、１つの分割面に於いて、形状変化の大きい部分の付近は、一定の精度を確保するため他の部分より座標点を与えるピッチを細かくすることもできる。

次に、分割面の座標点を通る近似曲面をスプライン等によって作成する。これを、ＸＺ断面について図２に示す。

さらに、近似曲面上の複数点から法線方向に刃物の工具半径Ｒだけ離れた各点を通る面を近似式によって表し、オフセット面とする。上記複数点は、例えば、前記座標点をそのまま用いる。次に、このオフセット面のＸＺ断面近似曲線を上記近似式から計算によって求める。この近似曲線は、図８に示す加工時のＹ軸方向送りピッチに対応したピッチ間隔で複数本作成される。

上記ＸＺ断面近似曲線は、座標点→近似曲面→オフセット面→ＸＺ断面近似曲線という近似計算の過程を経て求められている。したがって、座標点の連続性が切れているエッジ部では、図３に示すように、誤差Δが大きくなり、この部分は使用できない。

このため、オフセット面からＸＺ断面近似曲線を作ったとき、誤差Δが大きくなるＸＺ断面近似曲線のエッジ部を排除する。この位置は、例えば、Ｙ座標が共通で重なり合うＸ−Ｚ断面近似曲線の２端点の中間位置付近とする（重なり合う部分の中点）。

上記複数の座標点の算出からＸＺ断面近似曲線作成までの作業は、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムが同時に扱えるデータ点数に限度があるため、各分割面を１つずつ順に処理して行われる。これは、例えば加工面の一方の端から他方の端に向かうという方法である。

このように各分割面毎に作成された複数のＸＺ断面近似曲線を、直線あるい円弧で近似して、各分割面ごとにＮＣデータを作成する。このとき、後から処理を行う隣接した分割面のＸ座標が近似曲線の端は、先に処理を行った分割面の同一位置にある近似曲線の端につながれる（例えば、先に作成した近似曲線の座標を、後に作成される近似曲線の端点の座標として用いる。）。

このようにつながれる近似曲線の端は、ＸＹ座標が同一で、図３で説明したようにＺ座標に微小な差δを持つもので、いずれの近似曲線の端を採用しても必要な精度が得られるものである。

この分割面毎の処理を繰り返すことにより、図８（ａ）（ｂ）に示すような刃物の移動経路を表わす加工面全体のＮＣデータを作成することができる。

このように加工面を分割する手法によって、加工面に割り当てる座標点の密度を必要に応じて高くすることができ、精度の高いＮＣデータの作成を容易に行なえる。

なお、図１の実施例では、加工面の分割を長手方向に沿って、一方の端から他方の端に向かって順に分割しているが、この分割方法は任意である。例えば、特に精度を有する部分について、全体の分割方向と直交する方向に分割することもできる。

また、上記実施例では、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムが扱えるデータ数が６０００点であって、必要な加工精度がｎｍ単位という事例について説明したが、本発明の上記ＮＣデータ作成方法は、一度に扱えるデータ数に制限があって、必要な精度のＮＣデータが作成できない全ての場合に適用できるものである。

上述した自由曲面式の近似曲面からオフセット面を作成する過程において、以下に述べるようなフィードバック補正を行なうことによっても、ＮＣデータの精度を高くすることができる。

近似曲面からオフセット面を作成する過程を見ると、図４に示すように、近似曲面が複数の座標点を近似したものであるため、自由曲面式によって得られる理論面との間でずれが生じている。

このため近似曲面の各座標点から、法線方向に加工刃物の工具半径分だけ移動させた点を求め、その集合をオフセット面として決定すると、オフセット面に誤差が発生する。

この誤差は、次の手法によって小さくすることができる。まず、図５に示すように、一旦作成したオフセット面上の複数点の各々について、法線方向に加工刃物の工具半径分だけ逆オフセットした点を求める。次に、この逆オフセットした点のＸＹ座標を自由曲面式に代入して得られる値ｚ₀と逆オフセットした点のＺ座標ｚ₁ との差（ｚ₁−ｚ₀）を求める。そして、この差分だけオフセット面上の点をＺ方向に移動させ、移動修正した点の集合によってオフセット面を再決定する。

このオフセット面の修正は、全ての点について上記差（ｚ₁−ｚ₀）が規定値（許容誤差）以下になるまで繰り返して行われる。

この手法は、加工面の分割を行なわないで、単独で実施できるものであるが、上記加工面の分割と併用することも可能である。

上記図７の自由曲面レンズの金型を作成するＮＣデータの作成に、上記加工面の分割及びオフセット面の補正を行なった場合と、これらの処理をせずに行なった場合のＮＣデータのＸ軸位置に対するＺ方向誤差を、図６に比較して示す。

図６（ａ）は、本発明の処理をしない従来方法による場合、図６（ｂ）は、加工面の分割のみを行なった場合、図６（ｃ）は、加工面の分割に加え、フィードバック補正を併せて行なった場合を示す。（ｂ）（ｃ）に示す本発明の誤差は数ｎｍ以内に収まり、（ａ）に示す従来例に比べると格段に精度が向上している。図６（ｃ）の例は、図６（ｂ）の例に比べ精度が僅かに向上している。フィードバック補正の効果は、座標点の密度を充分に高くできない場合や分割方法で十分でないときに発揮されるものである。

自由曲面式によって表される加工面の分割例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は１つの分割面への座標点の割り付け例を示す平面図である。自由曲面式から求めた複数の座標点からオフセット面を決定するまでの手順を示す図である。分割面の重なり合う部分においてオフセット面のＸＺ断面近似曲線の変化状態を示す図である。オフセット面を作成する過程において、近似曲面が複数の座標点を近似したものであるため、理論面との間でずれが生じることを説明する図である。フィードバック補正の説明図である。ＮＣデータの作成時に生じる誤差を、（ａ）加工面の分割及びオフセット面の補正のいずれもしない場合、（ｂ）加工面の分割のみを行なった場合、（ｃ）加工面の分割とオフセット面の補正の両者を行なった場合の夫々について示す図である。加工面が３次元データによって表わされる自由曲面レンズの形状例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。３次元形状の加工を行う場合の刃物の移動軌跡を表し、（ａ）は移動軌跡の基本パターンを表した斜視図、（ｂ）は加工面全体に対する移動軌跡を表した斜視図である。

Claims

ＮＣ加工機のＮＣ加工データを定める方法であって、ＸＹＺ直交座標系において、加工面が、ＸおよびＹを変数とするＺの関数として表される場合に、加工面から刃物の工具半径分だけオフセットしたオフセット面のＸＺ断面である曲線を近似するように、
前記曲線をＸ軸方向の複数の区間であって、隣り合う区間が部分的に重なる複数の区間に分割するステップと、
それぞれの区間において、前記曲線上の複数の点を定めるステップと、
それぞれの区間において、前記複数の点を通過するスプライン近似曲線を定めるステップと、
隣り合う区間が部分的に重なる領域において、隣り合う区間を第１の区間および第２の区間とし、第１の区間のスプライン近似曲線を第１のスプライン近似曲線、第２の区間のスプライン近似曲線を第２のスプライン近似曲線とした場合に、第１の区間端縁で第１のスプライン近似曲線の近似誤差が許容誤差より大きくなる領域および第２の区間端縁で第２のスプラインの近似誤差が許容誤差より大きくなる領域を排除するように、第１のスプライン近似曲線を使用する領域および第２のスプライン近似曲線を使用する領域の境界点を定めるステップと、を含み、
前記重なる領域の大きさは、第１の区間端縁で第１のスプライン近似曲線の近似誤差が許容誤差より大きくなる領域および第２の区間端縁で第２のスプライン近似曲線の近似誤差が許容誤差より大きくなる領域を排除するように、第１のスプライン近似曲線を使用する領域および第２のスプライン近似曲線を使用する領域の境界点を定めることができるように定める、ＮＣ加工機のＮＣ加工データを定める方法。