(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）データ生成手段が、対象物（１）の境界データからなる外部データを八分木分割により境界平面が直交する直方体のセル（１３）に分割し、分割された各セルを対象物の内側に位置する内部セル（１３ａ）と境界面を含む境界セル（１３ｂ）とに区分するとともに各セル毎に物性値をもたせたＶ‐ＣＡＤデータを生成し、
（Ｂ）Ｖ‐ＣＡＤデータを用いてＮＣプログラムを生成し、該ＮＣプログラムにより対象物をＮＣ加工し、
前記対象物（１）は、薄板状の反射鏡をハニカム構造で支持した構造のミラーであり、
（Ｃ）Ｖ‐ＣＡＤデータを用いて、シミュレーションによりＮＣ加工後の加工面形状を予測し、
（Ｄ）ＮＣ加工後の加工面形状を機上で計測し、
（Ｅ）前記シミュレーションと機上計測による加工面形状の差から加工補正データを求めＮＣプログラムを補正し、
前記シミュレーションにおいて、対象物の取付け時の応力、加工時の負荷ならびに発熱・振動による変形量および粗さ、ならびに加工用ツール、加工システムの変形量をシミュレーションし、これにより、対象物の各部位における変形量および粗さの予測データを生成する、ことを特徴とする非均質材料の超精密加工方法。
【請求項２】
前記シミュレーションは、対象物のＶ‐ＣＡＤデータに基づくメッシュ生成により有限要素法を用いて行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の非均質材料の超精密加工方法。
【請求項３】
前記シミュレーションは、前記加工用ツールおよび加工システムのモデリングとメッシュ生成を経て有限要素法を用いて行われる、ことを特徴とする請求項１に記載の非均質材料の超精密加工方法。
【請求項４】
前記機上計測において、ＮＣ加工後の対象物の各部位における形状ならびに寸法誤差と粗さの計測データの生成を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の非均質材料の超精密加工方法。
【請求項５】
前記機上計測は、低接触圧の接触式プローブ、もしくはレーザー、原子間力による非接触式プローブによる表面計測を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の非均質材料の超精密加工方法。
【請求項６】
前記ＮＣ加工は、切削加工、研削加工、またはこれらの複合プロセスからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の非均質材料の超精密加工方法。
【請求項７】
前記研削加工は、メタルボンド砥石による電解ドレッシングを用いる、ことを特徴とする請求項６に記載の非均質材料の超精密加工方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
発明の技術分野
本発明は、ワークやツールの剛性が低く、かつその変形量が一定でない場合でも、超精密加工ができる非均質材料の超精密加工方法に関する。
関連技術の説明
図１Ａは、宇宙空間で使用する大型反射望遠鏡用の大口径軽量ミラーの加工工程を示す模式図である。この大口径軽量ミラー１は、軽量化のため、薄い（例えば３〜５ｍｍ厚）の反射板２をハニカム構造体３で支持するようになっている。この大口径軽量ミラーの直径は例えば３００〜７００ｍｍの大径であり、それにもかかわらずその重量は１５０ｋｇ未満に抑えられている。
上述した大口径軽量ミラー１の表面に高精度かつ鏡面のような高品質（以下単に超精密と呼ぶ）の反射面を加工する場合、従来の加工手段では、大口径軽量ミラー１をその軸心Ｚを中心に回転させながら、加工ツール４（例えば円筒形の研削用砥石）をＮＣ制御で所定の曲線（例えば放物線）に沿って移動させ、加工ツールで反射板２を加工していた。
しかし、図１Ａにおいて、反射板２はハニカム構造体３により部分的に支持されているにすぎず、ハニカム構造体３で支持されていない部分の反射板２の剛性は極めて低い。そのため、加工ツールによる研削中において、加工ツールと反射板２（ワーク）との接触弧長さは、加工位置により大きく変化し、加工抵抗も大きく変動するため、ワーク自体の変形も部分的に異なり、例えば図１Ｂに細線２’で模式的に示すような変形となる。
この結果、加工工具をＮＣ制御で精密に位置制御してワークを加工しているにもかかわらず、ワークやツールの剛性が低く、かつその変形量が一定でない場合には、超精密加工が困難であった。
【発明の要約】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ワークやツールの剛性が低く、かつその変形量が一定でない場合でも、超精密加工を可能にする非均質材料の超精密加工方法を提供することにある。
本発明の発明者等は、形状と物性を統合した実体データを小さい記憶容量で記憶することができる「実体データの記憶方法」を創案し出願した（特願２００１−０２５０２３、未公開）。
この実体データの記憶方法は、対象物の境界データからなる外部データを八分木分割により境界平面が直交する直方体の内部セルと境界セルに分割し、各セル毎に種々の物性値を記憶するものである。この方法により、物体の形状・構造・物性情報・履歴を一元的に管理し、設計から加工、組立、試験、評価など一連の工程に関わるデータを同じデータで管理することができ、ＣＡＤとシミュレーションを一元化することできる特徴を有している。なお、以下この方法による形状と物性を統合した実体データを「Ｖ‐ＣＡＤデータ」と呼ぶ。
本発明は、上述したＶ‐ＣＡＤデータを用い、シミュレーションと機上計測を併用して非均質材料の超精密加工を行うものである。すなわち、本発明によれば、（Ａ）データ生成手段が、対象物（１）の境界データからなる外部データを八分木分割により境界平面が直交する直方体のセル（１３）に分割し、分割された各セルを対象物の内側に位置する内部セル（１３ａ）と境界面を含む境界セル（１３ｂ）とに区分するとともに各セル毎に物性値をもたせたＶ‐ＣＡＤデータを生成し、（Ｂ）Ｖ‐ＣＡＤデータを用いてＮＣプログラムを生成し、該ＮＣプログラムにより対象物をＮＣ加工し、前記対象物（１）は、薄板状の反射鏡をハニカム構造で支持した構造のミラーであり、（Ｃ）Ｖ‐ＣＡＤデータを用いて、シミュレーションによりＮＣ加工後の加工面形状を予測し、（Ｄ）ＮＣ加工後の加工面形状を機上で計測し、（Ｅ）前記シミュレーションと機上計測による加工面形状の差から加工補正データを求めＮＣプログラムを補正し、前記シミュレーションにおいて、対象物の取付け時の応力、加工時の負荷ならびに発熱・振動による変形量および粗さ、ならびに加工用ツール、加工システムの変形量をシミュレーションし、これにより、対象物の各部位における変形量および粗さの予測データを生成する、ことを特徴とする非均質材料の超精密加工方法が提供される。
上述した本発明の方法によれば、対象物（１）の外部データを八分木分割により境界平面が直交する直方体のセル（１３）に分割し、分割された各セルを対象物の内側に位置する内部セル（１３ａ）と境界面を含む境界セル（１３ｂ）とに区分したＶ‐ＣＡＤデータを記憶するので、セルの階層として小さい記憶容量で外部データを記憶することができる。
また、このＶ‐ＣＡＤデータを用いて、シミュレーションによりＮＣ加工後の加工面形状を予測するので、対象物が非均質材料であり、その剛性が低く、かつその変形量が一定でない場合でも、各部分の物性を加味して正確なシミュレーションを行うことができる。
更に、対象物を所定のＮＣプログラムにより実際にＮＣ加工し、この加工後の加工面形状を機上で計測し、シミュレーションと機上計測による加工面形状の差から加工補正データを求めＮＣプログラムを補正するので、シミュレーションで予測できない加工特性も次のＮＣプログラムに加味することができる。
従って、ワーク以外のツール等の剛性が低い場合や、加工システム自体に誤差要因がある場合でも、これらの影響を回避して、超精密加工が可能となる。
また、前記シミュレーションは、対象物のＶ‐ＣＡＤデータに基づくメッシュ生成により有限要素法を用いて行われる。更に、前記シミュレーションは、前記加工用ツールおよび加工システムのモデリングとメッシュ生成を経て有限要素法を用いて行われる。
これらの方法により、シミュレーションによる予測精度を高めることができる。
また、前記機上計測において、ＮＣ加工後の対象物の各部位における形状ならびに寸法誤差と粗さの計測データの生成を行う。更に、前記機上計測は、低接触圧の接触式プローブ、もしくはレーザー、原子間力による非接触式プローブによる表面計測を行う。
これらの計測手段を用いることにより、機上計測の精度を高めることができる。
また、前記ＮＣ加工は、切削加工、研削加工、またはこれらの複合プロセスからなる。更に、前記研削加工は、メタルボンド砥石による電解ドレッシングを用いる。
かかる加工手段を用いることにより、高精度かつ高品質の超精密加工が可能となる。
本発明のその他の目的及び有利な特徴は、添付図面を参照した以下の説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】従来の超精密加工手段の模式図である。
【図１Ｂ】従来の超精密加工手段の模式図である。
【図２】本発明による超精密加工方法を実施するための超精密加工装置の全体構成図である。
【図３】本発明の超精密加工におけるデータ構造の説明図である。
【図４】本発明による分割方法を二次元で示す模式図である。
【図５】ワーク１（対象物）をＶ‐ＣＡＤデータで示した模式図である。
【好ましい実施例の説明】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図２は、本発明による超精密加工方法を実施するための超精密加工装置の全体構成図である。この図に示すように、この超精密加工装置は、Ｖ‐ＣＡＤデータ１４、シミュレーションプログラム２０、およびデータ補正プログラム２２を記憶する記憶装置２４と、ＮＣ加工装置２６と、機上計測装置２８とを備える。
ワーク（対象物１）は、図１に例示した大口径軽量ミラーでもよく、その他の剛性が低く、かつその変形量が一定でない非均質材料でもよい。また、本発明は、かかる材料に限定されず、剛性が高い均質材料にも同様に適用することができる。
ＮＣ加工装置２６は、この例では、被加工物すなわちワーク（対象物１）をその鉛直軸心Ｚのまわりに回転駆動する回転テーブル２６ａと、ワーク１を加工するための加工ツール２６ｂとからなり、ワーク１をその軸心Ｚを中心に回転させながら、円筒形の加工ツール２６ｂをＮＣ制御で所定の曲線（例えば放物線）に沿って移動させ、加工ツール２６ｂでワーク１の表面を加工するようになっている。加工ツール２６ｂは、例えば円筒形、球状、平面状である。
本発明において、ＮＣ加工は、砥石を用いた研削加工に限定されず、切削加工、研磨加工、またはこれらを組み合わせた複合プロセスであってもよい。更に、研削加工の場合に、メタルボンド砥石による電解ドレッシングを用いることにより、高精度かつ高品質の超精密加工を高能率に行うことができる。
機上計測装置２８は、例えばレーザー式の非接触プローブであり、ＮＣ加工後の加工面形状を機上で計測する。なお、本発明は、レーザー式に限定されず、低接触圧の接触式プローブ又は原子間力による非接触式プローブを用いてもよく、或いは光学的に透過率の計測を行ってもよい。また、加工面形状の機上計測に加えて、ＮＣ加工後の対象物の各部位における形状の寸法誤差や粗さ、光学素子の透過率の計測、等も行うのがよい。
Ｖ‐ＣＡＤデータ１４は、対象物１の境界データからなる外部データを八分木分割により境界平面が直交する直方体のセル１３に分割し、分割された各セルを対象物の内側に位置する内部セル１３ａと境界面を含む境界セル１３ｂとに区分するとともに各セル毎に物性値をもたせたものである。
また、シミュレーションプログラム２０は、Ｖ‐ＣＡＤデータ１４を用いてシミュレーションによりＮＣ加工後の加工面形状を予測するようになっている。
更に、データ補正プログラム２２は、シミュレーションと機上計測による加工面形状の差から加工補正データを求めＮＣプログラムを補正するようになっている。
図３は、本発明の超精密加工におけるデータ構造の説明図である。Ｖ‐ＣＡＤデータ１４では、修正された八分木（オクトリー、Ｏｃｔｒｅｅ）による空間分割を行う。オクトリー表現、すなわち八分木による空間分割とは、目的の立体（対象物）を含む、基準となる直方体１３を８分割し（Ａ）、それぞれの領域の中に立体が完全に含まれるか、含まれなくなるまで再帰的に８分割処理を（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）のように繰り返す。この八分木分割によりボクセル表現よりも大幅にデータ量を減らすことができる。
八分木による空間分割により分割された一つの空間領域をセル１３とよぶ。セルは境界平面が直交する直方体である。セルによる階層構造、分割数もしくは分解能によって空間中に占める領域を表現する。これにより空間全体の中で対象は大きさの異なるセルを積み重ねたものとして表現される。
すなわち、本発明の方法では、外部データから境界と内部の物性を以下の実体データ１４（Ｖ‐ＣＡＤデータ）に変換する。境界データは、厳密に（たとえば、平面であれば含まれる３点で厳密に再構成できる）、もしくは指定した許容差（位置、接線、法線、曲率およびそれらの隣接部分との接続性に対して指定された閾値）内に近似する。
補間曲面の特別な場合がＭａｒｃｈｉｎｇ  Ｃｕｂｅである。本発明では、必ず稜線上の切断点で表現できるまで、法線や主曲率および連続性を満たすまで再分割する。また、２次曲面までを厳密表現、自由曲面は平面もしくは２次曲面によるセル内曲面で近似、これにより幾何固有量のみを保存する。
図４は、本発明による分割方法を二次元で示す模式図である。本発明では、分割された各セル１３を対象物の内側に位置する内部セル１３ａと、境界面を含む境界セル１３ｂとに区分する。
すなわち本発明では境界セル１３ｂを表現するために修正された八分木を使い、完全に内部に含まれるものはその最大の大きさをもつ内部セル１３ａ（直方体）により構成され、外部データからの境界情報を含むセルは境界セル１３ｂとして構成している。各境界セル１３ｂは３次元では１２本、２次元では４本の稜線上の切断点１５（図中に白丸で示す）により厳密に、もしくは近似的に置き換えられる。
外部データに含まれる境界を構成する境界形状要素（平面、２次曲面などの解析曲面に対しては厳密に、その他の自由曲面や離散点群で表現される境界形状要素については近似的に）が再構成できる十分な切断点１５が得られるまで、境界セル１３ｂは八分木分割される。
例えば一つの線分ならばその上にある２点がセルの稜線上の切断点１５となるまで、平面であれば３点が切断点となるまで、２次曲線であれば３点が、２次曲面であれば４点、以下多項式曲面、有理式曲面のそれぞれに対し、外部データの表現式が既知の場合は必要十分の点とセルの稜線がその定義されている範囲の間で見つかるまで空間を階層的に八分割してゆく。
すなわち、再分割する箇所は、境界（表面）部分で指定分解能を満たすまで、或いは各セルが持つ解析結果の値（応力、ひずみ、圧力、流速など）の変化率が指定閾値を超えなくなるまで行う。
また、複数の境界形状要素を含む境界セル１３ｂの角点１６（図中に黒丸で示す）についてはその内部の境界を、隣接する境界セル（再構成に十分な切断点を有し、完全に境界要素が横断するまで分割されている）が保有する切断点１５で表現される境界の交線として間接的に表現できるので必要以上に分割しない。
従って、Ｖ‐ＣＡＤデータ１４は、セル内部に蓄えられる形状に関する情報として、セルの位置を表す指標、階層における詳細度を表す分割数または分解能、隣接セルを表すポインタ、切断点の数と座標値など、および用途に応じて、法線や曲率等となる。
また、Ｖ‐ＣＡＤとしては最下層ではＥｕｌｅｒ的に節点情報や結果の値を保持する。再分割の際の最小分解能がなるべく大きくなるように、境界の位置、法線、接線の連続性および曲率のそれぞれ連続性に関する閾値（許容差）の決め方を定義する。
図５は、ワーク１（対象物）をＶ‐ＣＡＤデータで示した模式図である。図２に示した装置を用い、本発明の方法では、まずワーク１のＶ‐ＣＡＤデータを準備する。すなわち、図５に示すように、ワーク１は、Ｖ‐ＣＡＤデータにおいて内部セル１３ａと境界セル１３ｂとに区分する。このＶ‐ＣＡＤデータ１４は、設計データ、デジタイザ等による計測データ、あるいはボクセルデータを変換して用い、更に、シミュレーションや機上計測の都度、新たなＶ‐ＣＡＤデータを再構築する。
本発明の方法では、次にＶ‐ＣＡＤデータ１４を用いて、シミュレーションによりＮＣ加工後の加工面形状を予測する。また、これと並行して、あるいはこれと交互に、対象物１を所定のＮＣプログラムによりＮＣ加工し、ＮＣ加工後の加工面形状を機上で計測する。
次にシミュレーションと機上計測による加工面形状の差から加工補正データを求めＮＣプログラムを補正する。
シミュレーションにおいて、対象物の取付け時の応力、加工時の負荷ならびに発熱・振動による変形量、粗さ、および透過率、ならびに加工用ツール、加工システムの変形量をシミュレーションし、これにより、対象物の各部位における変形量、粗さ、および透過率の予測データ等を生成するのがよい。
また、シミュレーションによる予測精度を高めるために、シミュレーションは、対象物のＶ‐ＣＡＤデータに基づくメッシュ生成により有限要素法を用いて行い、かつシミュレーションにおける加工用ツールおよび加工システムのモデリングとメッシュ生成も有限要素法を用いて行うのがよい。
また、機上計測の精度を高めるために、機上計測において、ＮＣ加工後の対象物の各部位における形状ならびに寸法誤差、粗さ、透過率の計測データの生成を行うのがよい。
上述した本発明の方法及び装置によれば、対象物１の外部データを八分木分割により境界平面が直交する直方体のセル１３に分割し、分割された各セルを対象物の内側に位置する内部セル１３ａと境界面を含む境界セル１３ｂとに区分したＶ‐ＣＡＤデータ１４を記憶するので、セルの階層として小さい記憶容量で外部データを記憶することができる。
また、このＶ‐ＣＡＤデータ１４を用いて、シミュレーションによりＮＣ加工後の加工面形状を予測するので、対象物が非均質材料であり、その剛性が低く、かつその変形量が一定でない場合でも、各部分の物性を加味して正確なシミュレーションを行うことができる。
更に、対象物を所定のＮＣプログラムにより実際にＮＣ加工し、この加工後の加工面形状を機上で計測し、シミュレーションと機上計測による加工面形状の差から加工補正データを求めＮＣプログラムを補正するので、シミュレーション自体の誤差やシミュレーションで予測できない加工特性も次のＮＣプログラムに修正して加味することができる。
従って、ワーク以外のツール等の剛性が低い場合や、加工システム自体に誤差要因がある場合でも、これらの影響を回避して、超精密加工が可能となる。
上述したように、本発明の非均質材料の超精密加工方法は、ワークやツールの剛性が低く、かつその変形量が一定でない場合でも、超精密加工を可能にできる、等の優れた効果を有する。
なお、本発明をいくつかの好ましい実施例により説明したが、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施例に限定されないことが理解されよう。反対に、本発明の権利範囲は、添付の請求の範囲に含まれるすべての改良、修正及び均等物を含むものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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