電波望遠鏡 NANTEN2 の楕円鏡製作○

大西崇文

教育・研究技術支援室

装置開発技術系概要
南米チリ共和国アタカマ高地にて運用されている電波波望遠鏡 NANTEN2 では、全天の 70 %の分子雲分布を調査する NASCO（NANTEN2 Super CO Survey as Legacy）計画が推進されている。この NASCO 計画では、取得するデータ量が増加するため、観測効率の向上が必要であり、新たな受信機の開発が行われている。これに伴い、電波を反射する鏡のうち、主鏡から数えて 5 番目と 7 番目の楕円鏡（第 5 鏡、第 7 鏡）の製作を、5 軸マシニングセンターを使用して行った。
加工面の形状誤差は第 5 鏡、第 7 鏡ともに 0.01mm 以内であった。
この楕円鏡の製作過程および精度評価について報告する。

1

楕円鏡の形状および目標精度

図 1 および図 2 に今回製作した第 5 鏡および第 7 鏡の写真を示す。楕円鏡の大きさは、第 5 鏡が 336×415mm、厚さ 38mm であり、第 7 鏡は 55×75mm、厚さ 15mm を 1 枚、70×90mm、厚さ 17mm を 4 枚製作した。材質はいずれもアルミニウム合金であり、常温で使用する第 5 鏡は A5052、冷却して使用する第 7 鏡は熱伝導率の高い A6063 である。図 3 に鏡面形状を示す。鏡面は図 3 の z 軸を中心として楕円を回転させた回転楕円面となっている。楕円鏡の形状は、設置した際に目標とする場所に受信した電波を反射させるように設計されている。第 7 鏡の回転楕円面の形状は 4 種類あった。
鏡面の形状誤差および表面粗さは反射する電波の波長に依存しており、形状誤差は波長の 20 分の 1、表面粗さはそのさらに 3 分の 1 が目安とされている。
製作する楕円鏡で反射する電波の波長は 2.3mm であるため、求められる形状誤差および表面粗さはそれぞれ、約 0.12 mm および 0.04 mm である。ただし、これは最低限満たしている必要のある精度であり、今回はそれよりもさらに 1 桁良い精度を目指して製作を行った。

図 1. 製作した第 5 鏡

図 2. 製作した第 7 鏡

第5鏡

第7鏡
No. 1

第7鏡
No. 2, 4第7鏡
No. 3

第7鏡
No. 5

B[mm]

584.4012

229.8890 190.3784 191.7718 188.8916

C[mm]860.8463

535.4449 320.0816 320.0816 320.0816

Y[mm]460.5529

82.1691Z[mm]519.1872

499.6918 254.9906 255.4917 254.4550



15.63

39.47

29.19

29.97

28.36

t[mm]

38

151717

17

幅[mm]

338

5570

70

70

高さ[mm]

41575

909090

枚数11211112.6277 112.6713 112.5992

図 3. 楕円鏡の形状

2加工

2.1加工機

加工機は、図 4 に示す 5 軸マシニングセンター（ヤマザキマザック社製

VARIAXIS j-500 / 5X）を使用した。VARIAXIS j-500 / 5X は x、y、z 軸の 3 軸方向の平行移動に加え、x および z 軸の 2 軸に対して回転移動（A 軸および C 軸）が可能であり、傾斜面や複雑な曲面の加工を行うことができる。表 1 に VARIAXIS j-500/ 5X の主な仕様を示す。今回製作した第 5 鏡の幅は、加工機の限界に近い大きさであった。
表 1.

VARIAXIS j-500 / 5X の主な仕様

X 軸移動量350 mm

Y 軸移動量550 mm

Z 軸移動量510mm

A 軸移動量-120～30 °C 軸移動量360°

最大ワーク寸法Φ500×350 mm

主軸回転数35～12000 rpm

図 4. VARIAXIS j-500 / 5X

2.2

加工プログラムの作成

マシニングセンターによる曲面の加工プログラムの作成には CAM ソフトが一般的によく用いられる。
CAM ソフトは、3DCAD のデータから加工する面の形状を認識して工具の経路を計算し、設定した切削条件に沿った加工プログラムを出力するため、複雑形状の加工には便利である。今回の加工でも CAM ソフトによる加工プログラムの作成を試みた。しかし、工具経路の細かい設定が困難で、経路に無駄が生じて、加工時間が長くなることと、曲面を微小区間に分割して加工プログラムを作成するため、加工面に図 5 のような複数の筋が見えてしまうことから、CAM ソフトは粗加工にのみ使用することとした。今回の加工面は回転楕円面であるため、加工時に回転楕円面の軸と加工機の軸の向きを一致させるように工作物を固定すれば、楕円に接する位置でボールエンドミルの円弧補間送りを順次繰り返していくことで加工が可能である。したがって、仕上げ加工のプログラムは自作することとし、図 3 に示した回転楕円面の寸法から仕上げ加工のプログラムを作成した。
図 6 に自作した加工プログラムでの加工面を示す。図 5 のような筋は見られなくなったが、中央に 1 本の筋が見られた。これは象限突起と呼ばれており、円弧補間送りを行う際、送りの向きが逆転するときの摩擦力の変化やボールねじのバックラッシュが原因で発生すると言われている。これを避けるには、円弧補間送りの途中で象限が切り替わらない場所にワークを置いて加工を行う必要がある。第 5 鏡は大きさ的に加工時の象限の切り替えを防ぐのは困難であるが、第 7 鏡に関してはさほど困難ではない。図 7 は象限が切り替わらない場所で加工した加工面であり、中央の筋がなくなっていることがわかる。

図 5. CAM ソフトによる加工プログラムの加工面

図 6. 自作の加工プログラムの加工面（中央に筋がある）

図 7. 自作の加工プログラムの仕上げ面（中央に筋がない）

2.3

加工手順

ワークを固定する際の歪みを少なくするため、ワークにはあらかじめねじ穴を加工しておき、そこに適当な長さにそろえた寸切ボルトを取り付け、テーブルに固定した治具に設けた穴に寸切ボルトを通して下からナットでワークを固定した（図 8）。以下に加工手順を示す。
(1)

治具の表面をフェイスミルで削る。

(2)

鏡となる面を上にしてワークを治具に固定し、フェイスミルで削る。

(3)

ワークを取り外した後、裏返して治具に固定し、フェイスミルで削る。

(4)

鏡の裏側のねじ穴、段等の加工および側面の加工を行う。

(5)

ワークを取り外し、再び鏡となる面を上にして治具に固定する。第 7 鏡の加工では、フェイスミルとボールエンドミルの工具長の誤差による影響を無くすため、ワークを取り付ける前に、仕上げ用のボールエンドミルで治具の表面を加工した。

(6)

スクエアエンドミルで鏡面の粗加工を行う。

(7)

ボールエンドミルによる鏡面の粗加工および仕上げ加工を行う。

ワーク治具

図 8. 寸切ボルトとナットを使用したワークの固定
第 5 鏡および第 7 鏡の仕上げ加工の様子を図 9 および図 10 に示す。第 5 鏡は工具とテーブルの干渉を避けるため、回転楕円面の軸と加工機の軸を y 軸と一致させて、xz 平面上でボールエンドミルの円弧補間送りを行った。第 7 鏡では傾斜面をもつ治具にワークを固定して回転楕円面の軸と加工機の z 軸を一致させ、xy 平面上でボールエンドミルの円弧補間送りを行った。加工時には、テーブルを z 軸周りに 45°回転させて、円弧補間送りの最中に象限が切り替わらないようにした。

図 9. 第 5 鏡の仕上げ加工

図 10. 第 7 鏡の仕上げ加工

2.4

加工条件および加工面の表面粗さ

表 2 に仕上げ加工の加工条件、表面粗さおよび仕上げ加工時間を示す。第 5 鏡の加工の際の主軸回転数は通常の加工よりも高い値であるが、これはテーブルを傾ける角度が小さく、加工をボールエンドミルの中心近くの速度が小さい部分で行うためである。表面粗さの値は、同じ加工条件でテスト加工を行った際に測定したものである。表面粗さは最大粗さ Rz で数m 程度であり、要求精度の約 10 分の 1 であった。
表 2. 仕上げ加工の加工条件、表面粗さおよび加工時間
第5鏡
使用工具

超硬ボールエンドミル(R6 ± 0.003mm)

主軸回転数 [rpm]10,0005,000

送り速度 [mm / min]2,500700

切り込み [mm]0.050.05

工具経路の間隔 [mm]0.150.1

切削液

3第7鏡

水溶性切削液加工時間

7 時間 15 分

1 時間 5 分、2 時間 5 分

送り方向の表面粗さ [m]（n = 3）

Rz = 1.671± 0.465
Ra = 0.227 ± 0.106

Rz = 0.822 ± 0.465
Ra = 0.136 ± 0.003

送りと垂直方向の表面粗さ [m]（n = 3）

Rz = 2.450 ± 0.281
Ra = 0.326 ± 0.023

Rz = 1.380 ± 0.140
Ra = 0.192 ± 0.007

形状測定結果加工後の鏡面形状の測定には、非接触三次元測定装置（三鷹光器社製

NH-6図 11）を使用した。図 12は第 5 鏡の中心から縦と横方向に 1mm 間隔で高さを測定し、形状誤差を示したものである。第 5 鏡は周縁部の傾斜角度が大きく、今回使用した測定器では構造上、測定を行うことができないため、縦横 2 方向のみの測定とした。図 13 は端から 10mm を除く範囲で、1mm 間隔の格子状に第 7 鏡の高さを計測し、形状誤差を示したものである。形状誤差は第 5 鏡、第 7 鏡いずれも 0.01mm 以下であった。第 7 鏡で周縁部に形状誤差が大きい領域があるが、これはワークを固定する際に歪が生じていたことが原因だと考えられる。

4まとめ

5 軸マシニングセンターを使用して、電波望遠鏡 NANTEN2 における NASCO 計画用受信機の開発に関する楕円鏡の製作を行った。鏡面の表面粗さ Rz は数m、形状誤差は 0.01mm 以内であり、研究者から求められた精度を十分満たすものであった。さらに精度の向上を目指すためには、加工機の温度管理やワークの歪を減らす固定方法等の対策をとる必要があると考えている。

図 11. 非接触三次元測定装置（三鷹光器社製

縦方向NH-6）
図 12. 第 5 鏡の形状誤差

017.5

図 13. 第 7 鏡の形状誤差