JP2011123777A - 数値制御データの作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送り速度を適宜変動させる制御機能を備えないＮＣ加工装置でも、設計形状に忠実な高精度な加工を実現することができる数値制御データの作成方法を提供する。
【解決手段】数値制御データの作成方法では、（１）被加工物１０１の設計形状と工具１０２の刃先半径とから、被加工物１０１の加工点候補に対応する工具１０２の刃先中心位置を特定し、（２）ＮＣ加工装置による工具１０２の最小移動単位で、刃先中心位置の端数を処理し、（３）端数処理前後の刃先中心位置の誤差が閾値以下になるまで、加工点候補を調整して、調整後の加工点候補に対して、上記（１）から再度実行し、（４）誤差が閾値以下になると、端数処理後の刃先中心位置を工具１０２の刃先中心位置の移動点として記憶し、（ｅ）被加工物１０１の加工範囲に亘って、上記（１）−（４）までを繰り返し実行して得られた複数の移動点を使用してＮＣデータを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、研削・切削等の加工を行う数値制御加工装置の指示データである数値制御データの作成方法に関し、特に、数値制御加工装置の最小分解能以上の高精度で、光学素子の金型または光学素子を加工するための数値制御データの作成方法に関するものである。

従来から、数値制御加工装置（以下、ＮＣ加工装置と呼称する。）の加工精度を向上させる技術が色々と提案されている。その一つとして、数値制御データ（以下、ＮＣデータと呼称する。）に定義された加工形状に含まれる誤差を除去して正確な加工形状を実現する数値制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

その数値制御方式では、移動量の小さいブロック（以下、微少ブロックと呼称する。）で近似したＮＣデータに存在する誤差が除去され、加工形状が正確に評価される。正確に評価された加工形状に基づいて、ＮＣ加工装置の駆動部の送り速度が最適化される。

例えば、ＮＣデータに定義された加工形状として、図５に示す移動軌跡ｂとする。ここで、移動軌跡ｂには、自動プログラミング装置などでＮＣデータを作成する際に生じる計算誤差や、ＮＣ加工装置による工具の最小移動単位でＮＣデータの数値の端数が処理される際に生じる丸め誤差が含まれるとする。これらの誤差によって、図５に示す移動軌跡ｂのように、ブロック間での角度変化が大きくなり、図６（Ａ）に示す角度変化大のグラフのように、移動軌跡ｂに振動現象が含まれるとする。

そして、その数値制御方式では、各微少ブロックの角度変動θが、所定の角度変動を超える場合には、図７に示すフローチャートに基づいて、移動軌跡ｂに含まれる誤差が平均化処理されて、図５に示す移動軌跡ａのように移動軌跡ｂが再評価される。再評価された移動軌跡ａに基づいて、送り速度が最適化される。

これによって、図６（Ｂ）に示す角度変化小のグラフのように、加工形状に含まれた誤差が除去され、移動軌跡ｂの振動現象が低減される。加工精度を向上させることができるとともに、加工面等の品位を向上させることが出来る。

特開平１−９８００１号公報

しかしながら、従来の数値制御方式では、ＮＣデータに内在する誤差を除去するだけであり、設計形状と加工形状との誤差が除去される訳ではない。このため、設計形状に忠実な高精度な加工を行うことができない。

特に、光学素子の金型または光学素子では、設計形状と加工形状との誤差が、ＰＶ値で０．１μｍ以下という、きわめて高精度な加工が求められる。さらに、加工面にうねりなどが存在しないことが重要である。このため、光学素子の金型または光学素子の加工に、従来の数値制御方式を適用しても、設計形状に忠実な高精度な加工が実現されるとは限らないという問題がある。

また、従来の数値制御方法では、振動現象を低減させるために、ＮＣデータに基づいて、送り速度を適宜変動させる制御機能をＮＣ加工装置に要求する。このため、適応できるＮＣ加工装置が限られ、旧来の設備を有効に活用できないという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、送り速度を適宜変動させる制御機能を備えないＮＣ加工装置でも、設計形状に忠実な高精度な加工を実現することができる数値制御データの作成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係わる数値制御データの作成方法は、下記に示す特徴を備える。
（ＣＬ１）本発明に係わる数値制御データの作成方法は、（ａ）被加工物と工具とを数値制御で駆動する数値制御加工装置の指示データである数値制御データの作成方法であって、（ｂ）前記被加工物の設計形状と前記工具の刃先半径とから、前記被加工物の加工点候補に対応する前記工具の刃先中心位置を特定する第１のステップと、（ｃ）前記数値制御加工装置による前記工具の最小移動単位で、前記工具の刃先中心位置の座標値の端数を処理する第２のステップと、（ｄ）端数処理前と端数処理後との前記工具の刃先中心位置の誤差が閾値以下になるまで、前記被加工物の加工点候補の座標値を調整して、調整後の加工点候補に対して、前記第１のステップから再度実行する第３のステップと、（ｅ）端数処理前と端数処理後との前記工具の刃先中心位置の誤差が閾値以下になると、前記工具の刃先中心位置の端数処理後の座標値を前記工具の刃先中心位置の移動点として記憶する第４のステップと、（ｆ）前記被加工物の加工範囲に亘って前記第１のステップから前記第４のステップまでの各ステップを繰り返し実行して得られた複数の移動点を使用して前記数値制御データを作成する第５のステップとを含む。

（ＣＬ２）上記（ＣＬ１）に記載の数値制御データの作成方法では、前記閾値が、前記数値制御装置による前記工具の最小移動単位の１／１０である。
（ＣＬ３）上記（ＣＬ１）に記載の数値制御データの作成方法では、（ａ）円弧補間前と円弧補間後との各移動点の誤差が所定の値以下になるように、複数の移動点を結ぶ軌跡を複数の円弧で補間し、（ｂ）各円弧の開始点と終了点と半径とを使用して前記数値制御データを作成する。

（ＣＬ４）上記（ＣＬ３）に記載の数値制御データの作成方法では、各円弧の終了点と中心点とを結ぶ直線上に次の円弧の中心点が配置されるように、複数の移動点を結ぶ軌跡を複数の円弧で補間する。

本発明によれば、端数処理前後の工具の刃先中心位置の誤差をＮＣ加工装置の最小分解能よりも十分小さくすることから、ＮＣ加工装置の最小分解能以上の精度での加工を実現することができる。さらに、工具の刃先中心位置の移動軌跡を円弧補間することから、ブロック間での角度変動が小さくなる。このことから、移動軌跡の角度変化に伴う誤差の発生を最小に抑えることができる。このため、誤差に起因した振動現象が発生せず、加工面にうねり成分を持たない高精度な加工を実現することができる。

実施の形態１における数値制御データの作成処理の概要を示す図である。 実施の形態１における数値制御データの作成処理を示すフローチャートである。 実施の形態２における数値制御データの作成処理の概要を示す図である。 実施の形態２における数値制御データの作成処理を示すフローチャートである。 従来の数値制御方式で再評価前と再評価後の移動軌跡の一部分を示す図である。 （Ａ）は、従来の数値制御方式で誤差除去前の角度変動による振動現象を示す図であり、（Ｂ）は、誤差除去後の角度変動による振動現象を示す図である。 従来の数値制御方式でＮＣデータに内在する誤差を除去するフローチャートである。

（実施の形態１）
以下、本発明に係わる実施の形態１について説明する。
本実施の形態では、ＮＣ加工装置に使用されるＮＣデータの作成方法について説明する。ここでは、一例として、図１に示すように、被加工物１０１と工具１０２とをＮＣ加工装置（不図示）で相対的に駆動させて軸対称非球面形状に被加工物１０１を加工する場合のＮＣデータを作成する。

ここで、被加工物１０１は、真鍮製の軸対称非球面形状を有する光学素子成形用金型である。工具１０２は、ダイヤモンドバイト工具である。ＮＣ加工装置（不図示）は、Ｘ軸、Ｚ軸及び、被加工物１０１を保持する回転主軸を有しており、各軸の座標を指示する際の最小移動単位が０．１μｍである装置である。

なお、図１については、ＮＣ加工装置（不図示）のＸ軸方向を横方向に、Ｚ軸方向を縦方向に合わされた状態で示されている。
＜ＮＣデータの作成方法＞
本実施の形態におけるＮＣデータの作成方法では、被加工物１０１の設計形状の定義式（以下、被加工物１０１の形状設計式と呼称する。）により、被加工物１０１の回転中心軸からＸ軸方向に離れた距離に応じたＺ軸方向の値、即ち、加工点候補のＺ座標値を求める。加工点候補（Ｘｐ，Ｚｐ）と、加工点候補（Ｘｐ，Ｚｐ）の法線角度と、工具１０２の刃先半径とにより、工具１０２の刃先中心位置である工具半径補正点（Ｘｏ，Ｚｏ）を求める。工具半径補正点（Ｘｏ，Ｚｏ）の各座標値の端数を処理した際に発生する誤差が、それぞれ０．１μｍの１／１０〜１／２０の範囲（０．０１μｍ〜０．００５μｍ）の誤差になるまで、加工点候補（Ｘｐ，Ｚｐ）のＸ座標値を増減しながら、加工点候補（Ｘｐ，Ｚｐ）を調整する。これらの処理を、被加工物１０１の回転中心軸から被加工物１０１のＸ軸方向の外周まで、繰り返し、工具１０２の刃先中心位置の軌跡である移動軌跡を得る。そして、移動軌跡をＮＣデータとして作成する。

なお、図１については、誤差許容範囲外の工具半径補正点（Ｘｏ，Ｚｏ）を白丸で示されている。誤差許容範囲内の工具半径補正点（Ｘｏ，Ｚｏ）が黒丸で示されている。誤差許容範囲外の工具半径補正点（Ｘｏ，Ｚｏ）に対応する微調整前の加工点候補（Ｘｐ，Ｚｐ）が白丸で示されている。誤差許容範囲内の工具半径補正点（Ｘｏ，Ｚｏ）に対応する微調整後の加工点候補（Ｘｐ，Ｚｐ）が黒丸で示されている。黒丸で示されている誤差許容範囲内の工具半径補正点（Ｘｏ，Ｚｏ）が移動点である。黒丸で示されている微調整後の加工点候補（Ｘｐ，Ｚｐ）が加工点である。

具体的には、図２に示すように、下記の処理（Ｓ１０１）−（Ｓ１１１）に従って、ＮＣデータをコンピュータなどの装置（以下、ＮＣデータ作成装置と呼称する。）で作成する。

なお、予め、工具１０２の刃先半径、被加工物１０１の加工開始点、被加工物１０１の加工範囲、シフト量、調整量などがＮＣデータ作成装置に記憶されている。さらに、被加工物１０１の形状設計式のプログラムがＮＣデータ作成装置に記憶されているとする。

ここで、被加工物１０１の形状設計式は、軸対称非球面形状を定義した式であり、Ｘ座標値に応じたＺ座標値が特定される式である。加工開始点のＸ座標値は、被加工物１０１の回転中心軸のＸ座標値である。加工開始点のＺ座標値は、加工開始点のＸ座標値を被加工物１０１形状設計式に代入して得られた値である。

（Ｓ１０１）まず、加工開始点と被加工物１０１の形状設計式とを使用して、最初の加工点候補を算出する。これに伴い、最初の加工点候補のＸ座標値が、加工開始点のＸ座標値にシフト量を加算した値になる。最初の加工点候補のＺ座標値が、最初の加工点候補のＸ座標値を被加工物１０１の形状設計式に代入して得られた値になる。

（Ｓ１０２）次に、加工点候補が加工範囲内に存在する間、下記処理（Ｓ１０３）−（Ｓ１０９）を繰り返し実行する。
（Ｓ１０３）工具１０２の刃先半径と加工点候補の法線角度とを使用して、加工点候補に対応する工具半径補正点を算出する。これに伴い、工具半径補正点のＸ座標値が、加工点候補のＸ座標値と工具１０２の刃先半径と加工点候補の法線角度とから得られた値になる。工具半径補正点のＺ座標値は、加工点候補のＺ座標値と工具１０２の刃先半径と加工点候補の法線角度とから得られた値になる。

ここで、加工点候補の法線角度は、加工点候補と近隣の加工点とを結ぶ線に直交する法線とＺ軸とがなす角度である。
（Ｓ１０４）次に、工具半径補正点の各座標値の端数を処理する。このとき、端数が０．０５μｍ未満である場合には、端数を切り捨て、端数が０．０５μｍ以上である場合には、端数を切り上げる。

（Ｓ１０５）次に、端数処理前後の工具半径補正点の誤差を算出する。このとき、端数処理前の工具半径補正点のＸ座標値と端数処理後の工具半径補正点のＸ座標値との差の絶対値を算出する。端数処理前の工具半径補正点のＺ座標値と端数処理後の工具半径補正点のＺ座標値との差の絶対値を算出する。

（Ｓ１０６）次に、各座標値の誤差がＮＣ加工装置による工具１０２の最小移動単位（０．１μｍ）の１／１０（０．０１μｍ）以下であるか否かを判定する。
（Ｓ１０７）判定した結果、否である場合には（Ｓ１０６：Ｎｏ）、加工点候補を微調整し、微調整後の加工点候補を使用して、処理（Ｓ１０３）から再度実行する。

ここでは、加工点候補を微調整するにあたり、シフト量よりもはるかに小さい調整量を使用して、加工点候補のＸ座標値を所定の範囲内で増減した。
（Ｓ１０８）一方、各座標値の誤差がＮＣ加工装置による工具１０２の最小移動単位（０．１μｍ）の１／１０（０．０１μｍ）以下である場合には（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、端数処理後の工具半径補正点を工具１０２の中心位置の移動点として記憶する。

（Ｓ１０９）次に、現在の加工点候補と被加工物１０１の形状設計式とを使用して、次の加工点候補を算出する。これに伴い、次の加工点候補のＸ座標値は、現在の加工点候補のＸ座標値にシフト量を加算した値になる。次の加工点候補のＺ座標値は、次の加工点候補のＸ座標値を被加工物１０１の形状設計式に代入して得られた値になる。

（Ｓ１１０）そして、被加工物１０１の回転中心軸から外周に向かって上記処理を実行して得られた複数の移動点を使用して、ＮＣデータを作成する。
＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、工具１０２の刃先中心位置の各座標値を端数処理した際に発生する誤差が、ＮＣ加工装置による工具１０２の最小移動単位（０．１μｍ）の１／１０以下になるまで、加工点候補を調整して、刃先中心位置を算出する。このため、丸め誤差の影響を小さくしたＮＣデータを作成することができる。これに伴い、設計値との誤差を飛躍的に改善することができ、設計に忠実な高精度な加工を実現することができる。

なお、慣例的にＮＣ加工装置の駆動部に与えられる最小分解能がＮＣ加工装置によって工具１０２の座標を指示する際の最小移動単位の１／１０〜１／２０程度である。このことから、工具１０２の刃先中心位置の端数処理に起因した誤差の許容判定の条件をＮＣ加工装置による工具１０２の最小移動単位の１／２０以下にすることは、判定条件の変更に見合った改善が見られず、無駄な計算時間を浪費することになり、望ましくない。

（実施の形態２）
以下、本発明に係わる実施の形態２について説明する。なお、実施の形態１と同一の構成要素・同一の処理については、同一の参照符号を付して、説明を省略する。

＜ＮＣデータの作成方法＞
本実施の形態におけるＮＣデータの作成方法は、実施の形態１におけるＮＣデータの作成方法と比べて、図３に示すように、工具１０２の刃先中心位置である移動軌跡を、被加工物１０１の回転中心軸から被加工物１０１のＸ軸方向の外周に向かって、順次、円弧補間する点が異なる。

具体的には、本実施の形態におけるＮＣデータの作成方法では、実施の形態１におけるＮＣデータの作成方法と比べて、図４に示すように、上記処理（Ｓ１０１）−（Ｓ１０９）を実行した後、処理（Ｓ１１０）の代わりに、下記処理（Ｓ２０１），（Ｓ２０２）を実行する点が異なる。

（Ｓ２０１）まず、工具１０２の刃先中心位置の各移動点を結ぶ移動軌跡を、被加工物１０１の回転中心軸から被加工物１０１のＸ軸方向の外周に向かって、順次、円弧補間する。このとき、円弧補間前と円弧補間後との移動軌跡の誤差が光学性能に影響しない程度（０．０２μｍ以下）になるように、円弧補間する移動軌跡の範囲を順次決定する。さらに、最初の円弧の中心点が回転中心軸上に配置される。次の円弧の中心点が前の円弧の終了点と中心点とを結ぶ直線２０８上に配置される。

（Ｓ２０２）各円弧の開始点と終了点と半径とを使用して、円弧補間指令を含むＮＣデータを作成する。
＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、光学性能に影響を与えない範囲で移動軌跡を円弧で補間したＮＣデータを作成することができる。このため、移動軌跡を直線で補間した場合と異なり、工具１０２の中心位置の各移動点をスムーズに接続することができる。これによって、各移動点の角度変化が小さくなり、実施の形態１と比較して、角度変化に起因した加工面のうねりを飛躍的に低減することができ、高精度な加工を実現することができる。

（その他）
なお、実施の形態１，２では、被加工物１０１の回転中心軸から外周に向かって加工した。しかしながら、外周から回転中心軸に向かって加工する場合についても、各実施の形態におけるＮＣデータの作成方法を適用するとしてもよい。すなわち、加工方向に影響されることなく、各実施の形態におけるＮＣデータの作成方法を適用することができる。

なお、実施の形態１，２では、軸対称非球面形状に被加工物１０１を加工した。しかしながら、自由曲面形状に被加工物１０１を加工する場合についても、各実施の形態におけるＮＣデータの作成方法を適用するとしてもよい。すなわち、被加工物１０１の形状に限定されることなく、各実施の形態におけるＮＣデータの作成方法を適用することができる。

なお、実施の形態１，２では、ダイヤモンドバイト工具による切削加工を行った。しかしながら、研削工具を使用して研削加工を行う場合についても、各実施の形態におけるＮＣデータの作成方法を適用するとしてもよい。

なお、実施の形態１，２では、２次元のＮＣデータを作成した。しかしながら、３次元のＮＣデータを作成する場合についても、各実施の形態におけるＮＣデータの作成方法を適用するとしてもよい。

なお、実施の形態２では、円弧補間の範囲を決定する条件として、光学性能に影響を与えないことから、０．０２μｍ以下とした。しかしながら、光学性能に影響を与えなければ、円弧補間の範囲を決定する条件として、０．０２μｍ以上であるとしてもよい。

本発明は、研削・切削等の加工を行う数値制御加工装置の指示データである数値制御データの作成方法などとして、特に、数値制御加工装置の最小分解能以上の高精度で、光学素子の金型または光学素子を加工するための数値制御データの作成方法などとして、利用することができる。

１０１ 被加工物
１０２ 工具

Claims (4)

1. 被加工物と工具とを数値制御で駆動する数値制御加工装置の指示データである数値制御データの作成方法であって、
   前記被加工物の設計形状と前記工具の刃先半径とから、前記被加工物の加工点候補に対応する前記工具の刃先中心位置を特定する第１のステップと、
   前記数値制御加工装置による前記工具の最小移動単位で、前記工具の刃先中心位置の座標値の端数を処理する第２のステップと、
   端数処理前と端数処理後との前記工具の刃先中心位置の誤差が閾値以下になるまで、前記被加工物の加工点候補の座標値を調整して、調整後の加工点候補に対して、前記第１のステップから再度実行する第３のステップと、
   端数処理前と端数処理後との前記工具の刃先中心位置の誤差が閾値以下になると、前記工具の刃先中心位置の端数処理後の座標値を前記工具の刃先中心位置の移動点として記憶する第４のステップと、
   前記被加工物の加工範囲に亘って前記第１のステップから前記第４のステップまでの各ステップを繰り返し実行して得られた複数の移動点を使用して前記数値制御データを作成する第５のステップとを含む
   ことを特徴とする数値制御データの作成方法。
2. 前記閾値が、前記数値制御装置による前記工具の最小移動単位の１／１０である
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御データの作成方法。
3. 円弧補間前と円弧補間後との各移動点の誤差が所定の値以下になるように、複数の移動点を結ぶ軌跡を複数の円弧で補間し、
   各円弧の開始点と終了点と半径とを使用して前記数値制御データを作成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御データの作成方法。
4. 各円弧の終了点と中心点とを結ぶ直線上に次の円弧の中心点が配置されるように、複数の移動点を結ぶ軌跡を複数の円弧で補間する
   ことを特徴とする請求項３に記載の数値制御データの作成方法。

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