(57)【要約】【課題】本発明は精度の良い加工形状を保ちつつ、加工時間を短縮を目的とした切削方法を提供することを課題とする。【解決手段】この発明の加工データ作成方法は、被加工物を保持する保持部と切削工具を備えた工具回転用スピンドルとを有し、前記保持部に保持された被加工物と前記切削工具が相対的に３次元に移動可能な加工機を用いて被加工物を切削する切削工具の経路の加工データ作成方法において、曲面の形状により予想される前記加工機の動作誤差を補正する補正工程を有することを特徴とする。【選択図】      図９
2006318268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を保持する保持部と
切削工具を備えた工具回転用スピンドルとを有し、
前記保持部に保持された被加工物と前記切削工具が相対的に３次元に移動可能な加工機を
用いて被加工物を切削する切削工具の経路の加工データ作成方法において、
前記被加工物の加工面の曲面形状により予想される前記加工機の動作誤差を補正する補正
工程を有することを特徴とする加工データ作成方法。
【請求項２】
前記補正工程は、前記被加工物の加工面の形状と、加工機運動速度に応じて生じる動作誤
差を蓄積したデータをもとに補正することを特徴とする請求項１記載の加工データ作成方
法。
【請求項３】
被加工物を保持する保持部と
切削工具を備えた工具回転用スピンドルとを有し、
前記保持部に保持された被加工物と前記切削工具が相対的に３次元に移動可能な加工機を
用いて被加工物を切削する切削工具の加工軌跡となる加工データ作成方法において、
前記被加工物の光学有効領域を２軸同時加工動作のみで加工可能かどうかを判定する判定
工程と、
前記光学有効領域を２軸同時加工動作のみで加工可能であると判定された場合、前記２軸
同時加工動作で切削する前記切削工具の加工軌跡となる加工データ作成工程と
からなる加工データ作成方法。
【請求項４】
前記判定工程において２軸同時加工動作のみで被加工物を加工できないと判定された場合
、加工点ごとに３軸を同時に動かす３軸同時加工動作で切削する前記切削工具の加工軌跡
となる３軸加工データを作成することを特徴とする請求項３記載の加工データ作成方法。
【請求項５】
前記補正工程は前記被加工物と前記切削工具との相対的な送り速度を調整する工程を備え
ることを特徴とする請求項１乃至３記載の加工データ作成方法。
【請求項６】
請求項３記載の判定工程を有することを特徴とする請求項１及び請求項２記載の加工デー
タ作成方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のうち少なくともいずれか１つの加工データ作成方法を利用するこ
とを特徴とする切削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はNCデータ作成方法及びNCデータをもとにした切削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元自由曲面のような非軸対称・非球面形状の加工を行うためには，一般にＣＡＤ・Ｃ
ＡＭシステムによりサンプリングされた点に基づいた近似曲面よりNCデータが作成される
が，光学特性が厳密に要求される加工対象である場合，NCデータはこの手法によるもので
は精度が不十分である．従来，厳密な光学特性が求められる３次元自由曲面を加工する場
合には，図1に示すようなX,Y,Zの３軸のテーブルと工具回転用エアスピンドル
１１を有する超精密自由曲面加工装置が用いられる．詳細には図２に示すように，工具回
転用エアスピンドル１１に取り付けられた工具１３を回転させながら，自由曲面加工部と
相対運動させることによって切削加工を行う．工具１３には通常図３に示すような円弧輪
郭形状の優れた単結晶ダイヤモンド工具が使用される．自由曲面を表現する数式は一般に
，長手位置x，短軸位置yの関数として，
【数１】
2006318268.tif 000003
【０００３】
2006318268.tif 000004
【０００４】
のように表現される(（B）は定数)．切削加工を行うためのNCデータについては，式(Ａ)
に基づいて加工面を要求される精度に見合う大きさに格子分割した後に，その各点の法線
方向(式(Ａ)の微係数を用いて求められる)に工具半径補正を行い，補正後の点群を接続す
ることによって加工機動作軌跡を求める手法を採っていた．３次元自由曲面は各点におけ
る曲率成分が異なった値を有するため，一般に接続した点群1ラインによる加
工機動作は3軸同時動作となる．しかし，点群の生成方法を工夫すれば１ラインを２次元
の相対運動でおこなう２軸同時動作に絞ることができ，動作軸を１つ減らすことにより運
動誤差の影響を低減でき，良好な鏡面を加工することが可能である(2軸同時動作の計算
例としては，特許文献１参照)．
【特許文献１】特開２００１−２８２３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし２軸同時動作を適用した場合でも，図７に示すような加工機動作反転点(図の場合Z
軸の反転)での動作誤差を回避することは難しい。よって所望の形状精度を得ることが困
難な場合があった．ここでいう動作誤差とは、工具１３が被加工物自由曲面に接触しなが
ら加工を行う際、被加工物の曲率変化の大きな箇所では加工機移動軸の方向反転に伴う動
作誤差が生じた結果、データ通りに工具が被加工物に接触移動できず誤差が生じることを
指す。 
そこで、このような動作誤差が，曲面の加工軌跡(曲率)および加工送り速度に依存して再
現性よく現れる点に着目し，この特性を加工装置の動作誤差特性としてデータベース化し
た上で，曲面軌跡を補正したNCデータを作成し，良好な形状精度を得ることができるよう
にする．
また，図５に示すように，２軸同時動作では曲率変化の大きい部分では１パスの線が大
きく歪むために、加工点の軌跡は通常の直線状のものとはならない．２軸同時動作では加
工時の１パスにおいて工具用スピンドル１１がＸ軸方向に固定されるため、１軸を固定状
態で曲率変化の大きい部分を加工すると被加工物に生じる加工点の軌跡が歪む。
【０００６】
そうすると全面を加工するには加工パスを曲面外まで延長する必要がある為、工具用スピ
ンドル１１の移動距離が長くなる。
【０００７】
工具用スピンドル１１の移動距離が長くなると加工時間が増加してしまう。
【０００８】
よって本発明は精度の良い表面粗さを保ちつつ、加工時間を短縮を目的とした切削方法を
提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、この発明の加工データ作成方法は、被加工物を保持する保持部
と切削工具を備えた工具回転用スピンドルとを有し、前記保持部に保持された被加工物と
前記切削工具が相対的に３次元に移動可能な加工機を用いて被加工物を切削する切削工具
の経路の加工データ作成方法において、曲面の形状により予想される前記加工機の動作誤
差を補正する補正工程を有することを特徴とする。
【００１０】
上記発明によると、前記補正工程は前記被加工物の形状と、加工機運動速度に応じて生じ
る動作誤差を蓄積されたデータをもとに補正することができる。
【００１１】
この発明の加工データ作成方法は、被加工物を保持する保持部と切削工具を備えた工具回
転用スピンドルとを有し、前記保持部に保持された被加工物と前記切削工具が相対的に３
次元に移動可能な加工機を用いて被加工物を切削する切削工具の経路の加工データ作成方
法において、２軸同時加工動作のみで被加工物を加工できることを判定する判定工程と、
座標値のうち一軸の値を固定する２軸同時加工動作に基づいた座標を作成する２軸データ
作成工程とからなることを特徴とする。
【００１２】
上記発明によると、前記判定工程において２軸同時加工動作のみで被加工物を加工できな
いと判定された場合、加工点ごとに工具座標値の３軸を同時に動かす３軸同時加工動作に
基づいた座標を作成する３軸加工データ作成工程を有することを特徴とする。
【００１３】
上記発明によると、前記２軸データ作成は光学有効領域においてなされることを特徴とす
る。
【００１４】
上記発明によると、前記２軸同時加工動作に基づいたデータと前記３軸同時加工動作に基
づいたデータとは加工ラインが隣接することを特徴とする。
【００１５】
上記発明によると、前記補正工程は前記２軸同時加工動作を補正する工程と前記３軸同時
加工動作とを補正する工程とからなることを特徴とする。
【００１６】
上記発明によると、前記補正工程は前記被加工物と前記切削工具との相対的な送り速度を
調整する工程を備えることを特徴とする。
【００１７】
上記発明によると、前記切削工具の加工経路の方向は、被加工面の形状が長手のものであ
る場合、その長手方向と略垂直な方向、すなわち短軸方向と平行であることを特徴とする
。
【００１８】
上記発明によると、被加工物を保持する保持部と切削工具を備えた工具回転用スピンドル
とを有し、前記保持部に保持された被加工物と前記切削工具が相対的に３次元に移動可能
な加工機を用いて被加工物を切削する切削工具の経路の加工データ作成方法において、曲
面の形状により予想される前記加工機の動作誤差を補正する補正工程を有する加工データ
作成方法に前記判定工程を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の切削方法は、前記加工データ作成方法を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
自由曲面全域に良好な面性状の加工面を得ることができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明の加工データ作成方法により得られたデータに基づいて被加工物の加工を行
うために使用する３軸超精密加工機の斜視図である。
【００２２】
この加工機は、被加工物を保持する被加工物保持機構１５と工具を備えている工具回転用
スピンドル１１とからなる。本実施例の被加工物は自由曲面を有するレンズ金型を例にと
っている。このレンズ金型によって製造されたレンズは主に複写機に使用される。
【００２３】
被加工物保持機構１５と工具回転用スピンドル１１は図中X、Y、Zの３軸方向、すなわち
３次元に相対的に移動可能である。
【００２４】
被加工物保持機構１５はＺ軸方向に移動するＺ軸テーブル１７に設置されており、工具用
スピンドル１１はＹ軸方向に移動可能なＹ軸テーブル１９に設置されており、このＹ軸テ
ーブル１９はＸ軸方向に移動可能なＸ軸テーブル２１上に設置されている。
【００２５】
図２は被加工物保持機構１５に保持された被加工物２３と工具回転用スピンドル１１に取
り付けられた工具１３の部分を示している。被加工物２３と工具回転用スピンドル１１と
の相対的な位置関係はＮＣ制御装置より転送される加工データに基づいて動作する。
【００２６】
図３は工具１３の先端部分を拡大したものである。工具１３は工具回転用スピンドル１１
によって回転しながら被加工物２３の加工面と接触することで切削加工される。
【００２７】
この工具１３の先端部分２５は表面精度が高い円弧形状を有する単結晶ダイヤモンド工具
を使用しており，切削工具保持手段２７を介してスピンドルに取り付けられている。そし
て高速回転しながら被加工面と相対運動させることで高精度な自由曲面形状を加工する．
図中には表面に凸面を有する被加工物２３を示しているが，凹面であってもよい．
また、ここでは単結晶ダイヤモンド工具の半径ｒの形状精度は0.05μm以下としている。
【００２８】
なお、切削方向には２つのパターンがある。図４に示す被加工物２３の長手方向（図中X
軸方向）パスによるものと、被加工物の短軸方向（図中Y軸方向）によるものである。
【００２９】
各方法とも，図示する工具送り方向へ相対運動が行われて1ラインを加工した後，その直
交方向にある間隔だけ移動し，次のラインの加工に移行する．以下ではこの加工点の間隔
をピックフィードと呼ぶことにする。通常，加工機は、往復加工ではなく、１方向送りの
みで加工を行い，次のラインへの移動は工具を加工面から退避させた状態で行う．ピック
フィードを小さく設定すれば，曲面に転写される表面粗さは向上できるが，同時に加工時
間の増大を招くため，表面粗さ仕様を満足するレベルで適切な値を選定する．また長手方
向に加工する場合は  加工する１ラインが長くなるため、加工面全体を加工する際にライ
ンの変更回数が少なくて済み、加工時間が短いという利点があるが、その反面，長手方向
に比較的長距離の移動を伴うため，加工機自身の重量による加工機の姿勢変化、及び温度
変化等による影響が懸念される．一方，短軸方向に加工する場合は加工する１ラインが短
くなるため、加工面全体を加工する際にラインの変更回数が多くなり、加工時間は比較的
長時間を要するものの，加工機の姿勢変化、及び温度変化等の影響が小さい点などの利点
を有する。本発明の方法は設計形状に応じてどちらかの加工方向を適宜選択すればよい．
ここでは短軸方向パスでの加工を例にとり説明をする。
【００３０】
ここで上述のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向と、レンズ金型である被加工物２３及び工具
１３とを次のように対応させる。
【００３１】
工具用スピンドル１１の回転軸方向をY軸とし、被加工物保持機構１５の移動方向をZ軸、
被加工物２３の長手方向をX軸とする。
【００３２】
次に加工の手順を示す。まず、工具回転用スピンドル１１を回転させる。付随している工
具１３も同時に回転する。次に工具回転用スピンドル１１と被加工物保持機構１５とを相
対的に位置決めをすることで、鏡面切削加工を開始する。
【００３３】
上述の加工動作をするためには、事前に動作の元となる加工データを作成することが必要
である。この加工データが加工機に転送され、加工動作が行われる。図９には本発明に関
する加工データ作成におけるフローチャートを示す。
【００３４】
まずNCデータ作成前に設計者がレンズの設計を行う。レンズ設計とは、式(Ａ)のパラメー
タである、（B）を決定することである。パラメータを決定し、自由曲面が決定した後、
この曲面をもとにNCデータの作成が行われる。
【００３５】
まず、（１）この決定されたパラメータをNCデータの作成装置に読み込み、（１）に基づ
いて自由曲面形状が定義される。（２）読み込んだデータをもとに切削表面の粗さを適正
化する演算が行われる。表面の粗さを細かく設定すれば，曲面に転写される表面粗さは向
上できるが，同時に加工時間の増大を招くため，粗さ仕様を満たした上で標準的な加工時
間で収まる適切な条件を設定することが一般的である．この粗さが決定されると，切削工
具の旋回半径，およびピックフィードが決定される． 
（３）では光学有効領域内で２軸同時動作が可能かどうか、また２軸同時加工動作だけで
はなく３軸同時加工動作を組み合わせて加工するかどうかを判断する。
【００３６】
ここでいう光学有効領域内とは、製品になったときに実際にレーザが通るレンズ部分のこ
とである。光学有効領域外とは、光学有効領域と連続した加工面でレンズ機能を持たない
外周部分のことを指す。
【００３７】
具体的な判断方法の一例を述べる。
【００３８】
図５に示すように2軸同時動作では曲率変化の大きい部分では１パスの線が大きく歪むた
めに歪まない時と比較して矩形領域全面を加工するためのパス回数を増加させる必要があ
り、加工時間が増加してしまう。一定以上の歪みが生じると
判断された場合は２軸同時動作と３軸同時動作を組み合わせることとする。図６で示され
るように３軸同時動作によってパスの延長を極力抑えることができる。また２軸同時動作
と３軸同時動作とがスムーズに接続できるため、1回の加工で良好な形状精度を得ること
ができるようにする．２軸同時動作と３軸同時動作とがスムーズに接続できる理由につい
ては後述する。
【００３９】
（４）２軸同時動作のみ、または２軸同時動作と３軸同時動作を組み合わせて加工すると
いう判断の場合は、曲面加工軌跡データが確定される。（５）曲面を加工するための工具
の加工軌跡を決める。（６）動作誤差データベース（補正手段）によって曲面加工送り速
度を適正化し、運動誤差の補正データを計算する。（７）補正データを計算し、最終的な
加工データを作成する。
【００４０】
その後、加工機によって加工が始まる。
【００４１】
ここで、補正手段として使われる前述の動作誤差データベースについて説明する。加工
を行う際、例えば図７に示すような加工機動作反転点(図の場合Z軸の反転)での動作誤差
が生じる。
【００４２】
ここで動作誤差について説明する。工具１３が被加工物自由曲面に接触しながら加工を行
う際、被加工物の曲率変化の大きな箇所では加工機移動軸（テーブル）の方向反転に伴う
微小な機械動作誤差が生じた結果、NCデータ通りに工具が被加工物に接触移動できないこ
とがある。その結果工具１３が大きな曲率変化についていけず、ぶれてしまう。ぶれによ
って生じる誤差を動作誤差という。よって理論上の値で加工動作させると様々な要因から
所望の形状精度を得ることが困難な場合があった．本発明ではこのような動作誤差を補正
するため、曲面の加工軌跡(曲率)および加工送り速度に依存して再現性よく現れる点に着
目し，これを予測した。加工装置の動作誤差特性として様々な加工形状に対する動作誤差
をデータベース化する。このデータベースを利用し補正した加工データを作成することで
良好な形状精度を得ることができる．次に動作誤差データべースの補正方法の具体例を示
す。
【００４３】
図７は曲面の中心部でＺ軸テーブル１７の位置指令を誤差方向と逆方向へ変え、所定の
位置だけ移動させることで誤差を補正している。動作誤差データべースにはこのような加
工曲面の曲率に対して生じる加工誤差の情報が蓄積されており、これをもとに実際加工す
る被加工物の加工曲面の曲率と照らし合わせることにより補正している。
【００４４】
図７では加工面が凹の場合を例に挙げているが、凸の加工面でも同様に考えることができ
る。
【００４５】
次に２軸同時加工動作と３軸同時加工動作の併用について説明する。
【００４６】
図８は被加工物をZ軸方向からみた正面図である。両側の曲線は２軸同時加工動作をし
たときの自由曲面の加工領域である。この曲面においては曲率の高い長手方向の端側のゆ
がみが大きいために２軸同時動作だけでは曲面全域の加工に膨大な時間を要する。よって
本発明では２軸同時加工動作と３軸同時加工動作とを併用することにした。併用する場合
は、光学有効領域内においては２軸同時加工動作を、それ以外の領域では３軸同時加工動
作を用いることとした。
【００４７】
光学有効領域内で２軸同時加工動作を用いる理由としては、３軸同時加工動作よりも２軸
同時加工動作の方が加工面形状誤差が少ないためである。
【００４８】
また、図９のフローチャートでも示したように、２軸同時加工動作及び３軸同時加工動作
において動作誤差特性データベースによる補正データ作成が可能であるため、これら２つ
の動作加工領域の接続は１ピックフィード、すなわち1つの加工間隔で接続ができ、連続
動作で加工ができる。
【００４９】
これらの方法により、本願は２軸同時動作と３軸同時動作を組み合わせること、動作誤差
特性データベースを用いることで従来方法ではできなかった表面粗さなどの加工条件を優
先的に考慮することで精度の良い表面粗さを保ちつつ、かつ加工時間を短縮することがで
きる。
【００５０】
本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を
逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されてい
る複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に
示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に
亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】超精密自由曲面の加工装置の斜視図。
【図２】超精密自由曲面の加工装置の要部を示した拡大図。
【図３】単結晶ダイヤモンド工具の先端部を示した平面図。
【図４】超精密自由曲面の加工装置の要部と切削方向を示した拡大図。
【図５】２軸同時動作の加工軌跡を示した図。
【図６】３軸同時動作の加工軌跡を示した図。
【図７】加工装置の工具による動作反転を示した図。
【図８】被加工物の光学有効領域と２軸同時動作の加工軌跡を示した平面図。
【図９】NCデータ作成装置の処理の流れを示した図。
【符号の説明】
【００５２】
１１…工具回転用スピンドル、１３…工具、１５…被加工物保持機構、Ｚ軸テーブル
１７、Ｙ軸テーブル１９、Ｘ軸テーブル２１、被加工物２３。
【図１】
2006318268.tif 000005
【図２】
2006318268.tif 000006
【図３】
2006318268.tif 000007
【図４】
2006318268.tif 000008
【図５】
2006318268.tif 000009
【図６】
2006318268.tif 000010
【図７】
2006318268.tif 000011
【図８】
2006318268.tif 000012
【図９】
2006318268.tif 000013