JP2007203457A - Ｎｃ加工方法およびｎｃ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば、ｎｍ単位の超精密切削加工を、ＮＣデータが３次元座標で表される自由曲面に対して行なえるＮＣ超精密加工機を提供すると共に、このようなＮＣデータを、扱えるデータ点数が限られているＣＡＤ・ＣＡＭシステムによって作り出す方法を提供する。
【解決手段】 ＮＣ加工機の機械精度及び制御精度を高めると同時に、Ｙ軸方向に保った回転軸５と直交する方向に円弧状の刃先６を突出させた回転刃物７を使用し、ＮＣデータに従い、上記回転刃物をＹ軸方向にピッチ送りする毎に、Ｚ軸方向高さを変化させながら、ワークの加工面に沿うＸ軸方向に相対送りして切削を行なう制御装置により構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂成形用レンズ金型等の微細加工を高精度に行なえるＮＣ超精密加工機に関する。

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る。

ＣＡＤシステムは、入力されたレンズ形状を表現する自由曲面式〔Ｚ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）〕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、予定した工具移動方向に沿ったオフセット面の近似曲線を計算し、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。

近年、レンズ性能は、より高精度のものが必要とされ、その樹脂成形用金型を製作するとき、ｎｍ単位の加工精度が要求されるものもある。

しかし、従来のＮＣ精密加工機は、１μｍ単位の加工精度しか得られず、この要求を満たすことはできなかった。

この理由を説明する。加工精度を高くするためには、ＮＣ精密加工機の各テーブルの位置決め精度を高めるため、テーブルの移動機構の精度を上げると同時にテーブルの位置を計測するスケールの精度を上げることが考えられる。しかし、これだけでは精度の向上に限界が生じる。

自由曲面をフライス等で加工する場合は、通常、図１０（ａ）のようなボールエンドミル１を使用する。このボールエンドミル１は、その回転軸２をワーク３の加工面４に対して垂直方向に保ち、刃先１ａをワークの加工面４に当て、ＸＹ方向の送りと同時に高さ方向Ｚの移動を与えて切削を行う。

この切削加工では、図１０（ｂ）に示すように、ボールエンドミル１の半球形状の回転軌跡を持つ刃先の中心がワーク３に速度０の状態で当たる。このため、この部分では切削がされず、ワーク３から素材を擦り取る状態で加工が行われるため、加工面が荒れ、加工精度の向上に限界が生じる。

さらに、ｎｍ単位の加工精度を得ようとすると、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムにおいて一面として扱えるデータ点数の制限のため、必要な精度を与えるＮＣデータが作成できなくなる問題も生じていた。これは、加工精度を高くするためにＣＡＭシステムに与える座標点の密度を高くする必要に加えて、加工面形状が自由曲面になり、ＮＣデータの作成に３次元処理を行う必要が生じることによる。

すなわち、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旋盤によって金型を回転させながら加工できるので、２次元のＮＣデータを与えればよかった。しかし、高精度化のため自由曲面形状のレンズを製作するには３次元のＮＣデータを作成しなければならず、２次元のＮＣデータを与える場合に比べると扱うべきデータ量が飛躍的に増大し、座標点の高密度化という条件と重なり、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムが一度に扱えるデータ点数を超えてしまうのである。

例えば、ＣＡＤ・ＣＡＭシステムの扱えるデータ数が６０００点と限定され、８５．２ｍｍ×６ｍｍの曲面を作成する場合を考えると、上記自由曲面式〔Ｚ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）〕から求められる座標点を、Ｘ方向及びＹ方向の夫々について、０．３ｍｍピッチでしかＣＡＤ・ＣＡＭシステムに与えられない。

このため、座標点群から作成されるスプラインによる近似曲面と、元の自由曲面式で表される曲面との間に誤差が発生し、必要な精度は得られない。この誤差は、スプライン近似の際に発生する誤差であるため、一定ピッチで与えられる座標点に対して曲面形状の変化が大きい所ほど大きく、座標点のピッチ間隔に一致する周期で増減する。

そこで、本発明は、ｎｍ単位の切削加工ができるＮＣ超精密加工機を提供すると同時に、この超精密加工機を動かすＮＣデータを、扱えるデータ点数が限られているＣＡＤ・ＣＡＭシステムによって作り出す方法を提供する。

（１）本発明が提供するＮＣ超精密加工機は、
回転軸と直交する方向に円弧状の刃先を突出させた回転刃物と、
上記回転刃物の回転軸を、ワークの加工面に沿うＹ軸に一致させた状態で、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の３軸制御により、上記回転刃物をワークに対して相対移動させる駆動機構と、
ＮＣデータに従って上記駆動機構を制御し、回転刃物をＹ軸方向（回転刃物の回転軸方向）にピッチ送りする毎に、Ｚ軸位置（回転刃物のワークに対する相対距離）を変化させながら、Ｘ軸方向（ワークの加工面に沿う方向）に相対送りして切削を行なう制御装置を持つことを特徴とする。

この構成は、回転刃物の刃先全体が、ワークに対して常に一定以上の速度で当たって切削を行える状態を確保したものである。

（２）一面として扱えるデータ点数が制限されているＣＡＤ・ＣＡＭシステムによって、上記超精密加工機の制御装置に入力されるＮＣデータを精度高く作成するため、次の（ａ）（ｂ）の手段を、単独で又は同時に採用することができる。

（ａ）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、面形状を代表する複数の座標点を自由曲面式から求めた後、これらの座標点を通る近似曲面を作成し、さらに、この近似曲面上の各点から法線方向に刃物の工具半径だけ離れた点を通る面を近似式によって表してオフセット面を作成し、
各分割面毎に、求め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、このＸ−Ｚ断面近似曲線を直線あるいは円弧で近似してＮＣデータを作成し、このＮＣデータ作成時に重なり部分で同一位置にあるＸ−Ｚ断面近似曲線の端をつないで行くことにより、加工面全体のＮＣデータを作成する。

（ｂ）面形状を代表する複数の座標点を自由曲面式から求めた後、これらの座標点を通る近似曲面を作成し、さらに、この近似曲面上の各点から法線方向に刃物の工具半径だけ離れた点を通る面を近似式によって表してオフセット面を作成し、
さらに、一旦作成したオフセット面上の複数点から、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、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Ｚ_Rと逆オフセットした点のＺ座標ｚ₁との差（ｚ₁−ｚ_R）を求め、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作成するオフセット面の修正を、全ての点について上記差が規定値以下になるまで繰り返して、最終的なオフセット面を決定し、
この最終オフセット面の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。

本発明によれば、使用する刃物と、この刃物のワークに対する相対送り方法の改良によって、ｎｍ単位の加工精度を持つＮＣ超精密加工機を提供できるようになる。また、このような超精密加工を行なうためのＮＣデータを、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、必要な精度にまで高めて作成できるので、上記超精密加工の実用化を達成できる。

まず、本発明のＮＣ超精密加工機について説明する。この加工機は、図１に示すように、回転軸５と直交する方向に円弧形状の刃先６を突出させた回転刃物７を用いる。この刃先６には、例えばダイアモンドチップ６ａが付けられ、このチップの先端形状は、刃物の回転半径を曲率半径とする円弧である。この回転刃物７を用い、図２に示すように、加工面４における刃先６の移動方向に対して、ワークの移動方向を逆向きにして加工を行なう。この加工方法は、刃先とワークの間で常に一定以上の相対速度が保たれるので、仕上り形状にむらが生じることはない。

上記加工条件を保って、ワーク３の加工面を自由曲面に仕上げるため、上記刃物はワーク３に対して、図３（ａ）（ｂ）に示すような移動経路８に沿って動かされる。

これは、回転軸をＹ軸方向に向けた回転刃物を、図３（ａ）に示すようにＹ軸位置を固定した状態で、Ｚ軸方向の高さ位置を変化させながら、Ｘ軸方向に相対移動させて、１ラインの切削加工を行い、この後、次の１ラインの切削加工を行うため、一旦、刃物をワークからＺ軸方向に離し、Ｙ軸方向にピッチ送りしながらＸ軸方向の加工始端に戻し、次のラインの切削加工を行なうものである。加工面全体に対する工具の移動経路は、この手順の繰返しによって形成され、図３（ｂ）に示すようになる。

ワーク３は、鋼材等の金型素材に目的とする形状をフライス等で荒加工し、その加工面にメッキ処理をしたものである。このメッキ層は、加工精度を上げるためのもので、加工精度の上げ易さと加工後の傷つき難さを考慮し、適当な硬度の素材、例えば無電解ニッケルメッキによって形成される。

金型素材（ワーク３）と回転刃物７をＸＹＺ軸方向に相対移動させて上記加工を行う駆動機構の具体例であるＮＣ加工機を図４に示す。

図４において、９はベッド、１０はＸ軸テーブルでワークを保持するチャック１１を固定してＸ軸方向に移動する。１２はＹ軸テーブルで回転刃物７を固定しＹ軸方向（上下方向）に移動する。１３はＺ軸テーブルでＹ軸テーブル１２を固定してＺ軸方向に移動する。ＸＹＺの各テーブルは、図示しない制御装置によりＮＣデータに基づいて、移動位置を制御される。

上記ＮＣ加工機は、特に精度が必要なＸ軸とＺ軸のテーブルに静圧油軸受を使用し、これらのテーブルの位置測定にレーザースケールを用い、フィードバック制御によって位置決めを行っている。フィードバック分解能は、Ｘ軸とＺ軸について１．２５ｎｍ、Ｙ軸について５ｎｍを得ている。このＮＣ超精密加工機に上記回転刃物７を取付け、後述するＮＣデータを用い図３で説明したような手順で移動させながら切削を行うことにより、ｎｍ単位の加工が可能になる。

上記ＮＣ加工機に入力されるＮＣデータは、次のように作成される。

加工面が３次元データによって表わされる非球面レンズは、例えば、次式のように、光軸方向Ｚの高さＺが変数Ｘ，Ｙによって定義されたもので、図５（ａ）（ｂ）に示すような形状を持つものである。

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。

この非球面レンズは、面の長手方向Ｘに沿う形状が自由曲線であり、これと直交するＹ方向に沿う円弧形状の曲率が、Ｘ方向位置によって変化する。したがって、このレンズ形状を樹脂成形する金型の加工は、ＸＹＺの３軸制御によって行う必要があり、図３（ａ）（ｂ）に示したような移動経路に従うＮＣデータを作成する必要がある。

このＮＣデータは、３次元形状が表される直線あるいは円弧の集合であり、従来の２次元のものに比べるとデータ量が飛躍的に増大している。さらに、ｎｍ単位という高い加工精度を得るため、ＮＣデータ作成の元データとして加工面の座標点を高密度で与える必要がある。

このような条件において、処理能力に制限がある従来のＣＡＤ・ＣＡＭシステムによって、所望のＮＣデータを作成する方法を、以下に説明する。

前記誤差を小さくする第１の手法は、自由曲面式によって表される加工面を複数に分割することにより、ＣＡＤ・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、十分な演算精度が得られるまで各分割面の座標点ピッチを小さくするものである。

この第１の手法について、図６〜図８について説明する。まず、加工面を隣接する面の端部同士が相互に重なるように分割する。この分割は、形状変化の大きい部分付近においても他の部分と同等の精度が得られるように、座標点を与えるピッチを他の部分よりも小さくする。

分割例として示す図６（ａ）（ｂ）は、前記自由曲面式（１）によって表されるレンズ金型の加工面を、斜線で示す重なり部分を設け、Ｘ方向に沿って１１分割している。

この分割に従って、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６（ｃ）に示すように、前記非球面式（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平面について図７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３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８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、直線あるいは円弧で近似して、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８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３（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６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、一面として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。

上記誤差を小さくする第２の手法は、作成されたオフセット面から刃物の工具半径Ｒだけ逆にオフセットした点の位置を、自由曲面式（１）で表される理論面と比較し、その差に基づきオフセット面をフィードバック補正する方法である。

この方法を、図９に従って説明する。初めに、先に説明した方法と同様の手順で、オフセット面を決定する。すなわち、レンズ設計式から加工面を表わす座標点群を求め、この座標点群を通る近似曲面を作成し、各座標点から近似曲面の法線方向に刃物の工具半径Ｒだけ離れた点の集合をオフセット面として決定する。

この後、一旦決定したオフセット面を仮オフセット面として、次のようなフィードバック補正を行う。

オフセット面上の点（ ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）に、仮オフセット面の法線に沿って、刃物の工具半径Ｒだけ逆に戻した点を逆オフセット点（ ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）として求め、そのＸＹ座標（ｘ₁，ｙ₁）を自由曲面式に代入して、この点に対応する理論面上のＺ座標値（ｚ_R）を求める。そして、理論面上のＺ座標値（ｚ_R）と逆オフセット点のＺ座標（ ｚ₁）との差（ｚ₁−ｚ_R）を求め、オフセット点のＺ座標ｚ₀を、この差で補正して、修正オフセット点（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀−ｚ₁＋ｚ_R）を求める。そして、各修正オフセット点を通る面をスプライン曲線等で近似して、新たな仮オフセット面を作成する。

これは、差（ｚ₁−ｚ_R）が所定値以下になるまで繰り返され、最後に作成された仮オフセット面を最終オフセット面として決定する。

この後、最終オフセット面上の図３に示すような刃物の移動経路を、直線あるいは円弧で近似してＮＣデータを作成する。

この第２の手法は単独で実施する他に、先に第１の手法として述べた加工面の分割と組み合わせ、各分割面のオフセット面を修正するために使用することもできる。

本発明で使用する回転刃物の具体例を示す断面図。 図１の回転刃物によるワークの切削加工を説明する断面図。 本発明の加工を行う場合の刃物の移動経路を表した図。 本発明のＮＣ超精密加工機の具体例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。 加工面が３次元データによって表わされる非球面レンズの形状例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。 自由曲面式によって表される加工面の分割例を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は１つの分割面における座標点の割り当て例を示す図。 複数の座標点から作成される近似曲面とオフセット面を示す図。 分割面の重なり合う部分におけるオフセット面のＸＺ断面曲線の変化状態を示す図。 入力された座標点から作成されたオフセット面を、フィードバック補正する手順を説明する図。 ボールエンドミルを使用して自由曲面を加工する従来例を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）はボールエンドミルがワークに当たる状態を示す斜視図。

符号の説明

３ ワーク
４ 加工面
５ 刃物の回転軸
６ 刃先
７ 回転刃物
８ 刃物の移動経路
１０ Ｘ軸テーブル
１１ ワークを保持するチャック
１２ Ｙ軸テーブル
１３ Ｚ軸テーブル

Claims (2)

1. 回転刃物によって、ワークのＮＣ加工を行う方法であって、
   ＸＹＺ直交座標系において、回転刃物の回転軸をＹ軸とする場合に、
   ワークを保持するチャックをＸ軸方向に移動させながら、
   回転刃物を固定したテーブルをＹ軸方向およびＺ軸方向に移動させてワークのＮＣ加工を行う方法。
2. 回転刃物をＹ軸方向に移動する第１のテーブルに固定し、第１のテーブルをＺ軸方向に移動する第２のテーブルに固定することによって、第１のテーブルをＹ軸方向およびＺ軸方向に移動させる請求項１に記載のワークのＮＣ加工を行う方法。

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