工件的加工面评价方法、控制装置以及工作机械

摘要

将通过人类(观察者)的眼睛(视觉)、手指(触觉)实际上如何感知作为评价基准，评价工件的加工面，根据该评价，变更加工工件的加工工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及通过工作机械所加工的工件的表面形状的评价方法、 使用了该评价方法的工作机械的控制装置、以及具备该控制装置的工 作机械。

背景技术

在用工作机械加工工件的情况下，工件加工面的评价基准通常是 所加工的工件表面的精度、特别是表面粗细。以往，加工面的表面粗 细越低，加工越良好。然而，最近，即使加工了的工件的表面粗细低 于用户要求的容许表面粗细，在观察者目视加工面时，看到在加工面 中形成了的尖端(cusp)所致的条纹，或者，在观察者用手指触摸时， 在表面有粗糙感，所以加工了的工件有时变得不合格。为此，还提出 了不仅测定表面粗细，还测定工件的加工面的光泽感、纹理的技术。 此处，尖端是指，在提供周期进给而用旋转工具对工件进行切削加工、 或者用拱形颈车刀进行拱形颈精加工时，在工件的加工面中产生的微 小的切削残留、在伺服控制中产生的工作机械的振动所致的微小的加 工面的凹凸。

例如，在专利文献1中，记载了将在显示器中显示出的检查图案 投影到被测定面，通过摄影装置对反射像进行摄影，针对该图像数据， 通过计算机，依次自动地测定镜面度、镜面度的偏差、光泽度、锐度、 起伏或者形状误差、反差以及白浊度这样的多个测定项目，将包括镜 面度的多个测定项目作为指标，评价表面性状的方法。另外，在专利 文献1中，作为以往技术，记载有测定使用了以正反射的受光量测量 光泽度的镜面光泽度计的表面性状的方法。

进而，在专利文献2中，记载有组合形状最大高度(Rz)、和 形状平均波长(RSm)表面纹理参数，来测定表面纹理的方法。

专利文献1：日本特表2012-215486号公报

专利文献2：日本特表2003-500677号公报

发明内容

在专利文献1、2记载的发明中，将检查图案投影到被测定面， 将多个测定项目作为指标，评价了表面性状，但通过人类(观察者) 的眼睛(视觉)、手指(触觉)实际上如何感知这样所评价的表面性 状依然不明，作为评价方法不充分。

本发明的目的在于解决这样的以往技术的问题，其目的在于提供 一种观察者实际上通过人类的感觉评价加工了的工件的加工面的质 量的加工面的评价方法、使用了该评价方法的控制装置以及工作机 械。

为了达成上述目的，根据本发明，提供一种加工面评价方法，评 价所加工的工件的加工面，其特征在于，使用基于人类的感觉的特性 的评价基准，评价所述工件的加工面。

进而，根据本发明的其他特征，提供一种工作机械的进给轴的控 制装置，其特征在于，具备：加工面形状仿真部，通过运算对在工件 上形成的加工面进行仿真；反差运算部，运算所述加工面中的反射光 的最大亮度和最小亮度，根据该最大亮度和最小亮度运算反差；空间 频率运算部，运算所述加工面的空间频率；判定部，根据所述反差和 所述空间频率，使用反差灵敏度函数，判定可否通过人类的视觉感知 所述加工面的反差；以及加工工艺变更部，在能够通过人类的视觉感 知所述加工面的反差的情况下，变更加工工艺以便无法通过人类的视 觉感知该加工面的反差。

进而，根据本发明的其他特征，提供一种工作机械的进给轴的控 制装置，其特征在于，具备：加工面形状仿真部，通过运算对在工件 上形成的加工面进行仿真；振动刺激频率运算部，在观察者用手指触 摸了由所述加工面形状仿真部所仿真出的加工面时，运算对观察者的 手指传递的振动刺激的频率；判定部，判定可否针对由所述振动刺激 频率运算部所运算出的振动刺激的频率，通过人类的触觉感知对观察 者的手指所传递的振动刺激的振幅，所述对观察者的手指所传递的振 动刺激的振幅是根据在由所述加工面形状仿真部所仿真出的加工面 中形成的尖端的顶点间的距离、和观察者的手指的速度求出的；以及 加工工艺变更部，在能够通过人类的触觉感知所述振动刺激的振幅的 情况下，变更加工工艺以便无法通过人类的触觉感知振动刺激的振 幅。

进而，根据本发明的其他特征，提供一种工作机械，具有针对工 件使工具相对地移动的X轴、Y轴、Z轴的正交的至少三轴的进给轴， 其特征在于包括：驱动机构，驱动所述三轴的进给轴；NC装置，控 制所述驱动机构；以及评价装置，对在工件上形成的加工面进行仿真 来评价该加工面，所述评价装置具备：加工面形状仿真部，通过运算 对在工件上形成的加工面进行仿真；反差运算部，运算所述加工面中 的反射光的最大亮度和最小亮度，根据该最大亮度和最小亮度运算反 差；空间频率运算部，运算所述加工面的空间频率；判定部，根据所 述反差和所述空间频率，使用反差灵敏度函数，判定可否通过人类的 视觉感知所述加工面的反差；以及加工工艺变更部，在能够通过人类 的视觉感知所述加工面的反差的情况下，变更加工工艺以便无法通过 人类的视觉感知该加工面的反差，根据该变更了的加工工艺，向所述 NC装置输出工具路径和加工条件。

进而，根据本发明的其他特征，提供一种工作机械，具有针对工 件使工具相对地移动的X轴、Y轴、Z轴的正交的至少三轴的进给轴， 其特征在于包括：驱动机构，驱动所述三轴的进给轴；NC装置，控 制所述驱动机构；以及评价装置，对在工件上形成的加工面进行仿真 来评价该加工面，所述评价装置具备：加工面形状仿真部，通过运算 对在工件上形成的加工面进行仿真；振动刺激频率运算部，在观察者 用手指触摸了由所述加工面形状仿真部所仿真出的加工面时，运算对 观察者的手指传递的振动刺激的频率；判定部，判定可否针对由所述 振动刺激频率运算部所运算出的振动刺激的频率，通过人类的触觉感 知根据在由所述加工面形状仿真部所仿真出的加工面中形成的尖端 的顶点间的距离而对观察者的手指传递的振动刺激的振幅；以及加工 工艺变更部，在能够通过人类的触觉感知所述振动刺激的振幅的情况 下，变更加工工艺以便无法通过人类的视觉感知振动刺激的振幅，根 据该变更了的加工工艺，向所述NC装置输出工具路径和加工条件。

根据本发明，将通过人类(观察者)的眼睛(视觉)、手指(触 觉)实际上如何感知作为评价基准，评价工件的加工面，所以在按照 人类的感觉评价的情况下，能够进行客观的评价。另外，能够制作按 照人类的感觉评价为良好的顾客满足度高的工件。另外，提供在实际 加工之前通过仿真预测加工面性状按照上述人类的感觉的评价基准 自动地评价其加工面性状，在预测为有能够以人类的感觉感知的加工 面的混乱的情况下以使其变得无法感知的方式变更加工工艺的控制 装置以及使用了该控制装置的工作机械，所以能够削减工件的加工不 良，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的优选的实施方式的工作机械的概略框图。

图2是本发明的第1实施方式的加工面评价装置的框图。

图3是用于说明反差的概略图。

图4是用于说明亮度比的概略图。

图5是用于说明反差灵敏度函数的图表。

图6是用于说明工艺的变更方法的概略图。

图7是示出工艺变更的一个例子的图表。

图8是示出工艺变更的另一例子的图表。

图9是本发明的第2实施方式的加工面评价装置的框图。

图10是用于说明人类的触觉的频率阈值特性的图表。

(符号说明)

10：加工面评价装置；12：输入部；14：工具举动仿真部；16： 进给轴举动仿真部；18：加工面形状仿真部；20：反差运算部；22： 空间频率运算部；24：判定部；26：工艺变更部；30：加工面评价装 置；32：振动刺激频率运算部；34：判定部；50：工作机械；56：工 具路径运算装置；62：底座；64：加工台；68：主轴头。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的优选的实施方式。

在图1中，工作机械50具备加工机60和加工面评价装置10(30)。 加工机60作为主要的构成要素具备：在工厂的地面上固定的作为基 台的底座62；在该底座62的上表面安装且在上表面固定工件W的加 工台64；以铅直的旋转轴线O为中心而可旋转地支撑将与在底座62 上所固定的工件W对面的工具T安装在前端部的主轴66的主轴头 68；将主轴头68相对底座62在X轴、Y轴、Z轴的正交三轴方向上 往返驱动的驱动机构52；控制驱动机构52的伺服马达的NC装置54； 运算并生成工具路径，将与所生成的工具路径关联的数据供给到NC 装置54的工具路径运算装置56；以及在工具路径路径运算装置56与 NC装置54之间配设且校正向NC装置54供给的工具路径信息的加 工面评价装置10(30)。

在驱动机构52中，作为一个例子，具备X轴、Y轴、Z轴滚珠 螺杆(未图示)、与该滚珠螺杆啮合的螺母(未图示)、以及与X轴、 Y轴、Z轴滚珠螺杆各自的一端部连结且由对X轴、Y轴、Z轴滚珠 螺杆进行旋转驱动的伺服马达构成的X轴、Y轴、Z轴驱动马达Mx、 My、Mz。另外，工作机械50除了X轴、Y轴、Z轴的正交三轴的直 线进给轴以外，也可以还包括作为以水平方向的X轴为中心的旋转进 给轴的A轴、作为以铅直方向的Z轴为中心的旋转进给轴的C轴那 样的一个或者多个旋转进给轴。在该情况下，驱动机构52除了X轴、 Y轴、Z轴驱动马达Mx、My、Mz以外，还包括A轴、C轴那样的 旋转进给轴用的伺服马达。

工具路径运算装置56能够由例如经由LAN那样的计算机网络 70与CAD装置58连接了的CAM装置构成，根据CAD装置58生成 的工件W的形状数据，运算工具路径，在加工面评价装置10(30) 中生成与该工具路径关联的数据。工具路径运算装置56也可以嵌入 为加工机60的机械控制装置(未图示)或者NC装置54内的控制程 序的一部分。

参照图2，第1实施方式的加工面评价装置10作为主要的构成 要素具备：输入部12、工具举动仿真部14、进给轴举动仿真部16、 加工面形状仿真部18、反差运算部20、空间频率运算部22、判定部 24、工艺变更部26。

在输入部12中，在该加工工艺中使用的用于工件的材料、主轴 66的旋转速度、进给速度、使用的工具T的工具径、工具长度以及 刃数、向工具T的工件W内的切入深度、周期进给量、或者进给轴 的进给速度的校正值等与加工条件有关的数据100被输入到工具举动 仿真部14以及进给轴举动仿真部16。输入部12能够由例如在NC装 置54或者加工机60的机械控制装置(未图示)上附随的键盘(未图 示)、触摸面板(未图示)、或者与工具路径运算装置56一起连接 到计算机网络的服务器中所储存的数据库(未图示)构成。

工具举动仿真部14根据从输入部12所输入的加工条件100，通 过运算，对包括工具T的倾倒、弯曲、切刃前端的旋转动作的工具T 的举动进行仿真。作为仿真结果的与工具T的举动关联的数据104被 送出到后述加工面形状仿真部18。

进给轴举动仿真部16根据来自工具路径运算装置56的工具路径 数据102、以及从输入部12所输入的加工条件100，对X轴、Y轴、 Z轴的正交三轴的直线进给轴、A轴、C轴那样的旋转进给轴的举动 进行仿真。作为仿真结果的与如X轴、Y轴、Z轴的正交三轴的直线 进给轴、A轴、C轴那样的旋转进给轴这样的被称之为进给轴的举动 关联的数据106被送出到加工面形状仿真部18。

在加工面形状仿真部18中，根据与工具T的举动关联的数据104 以及与进给轴的举动关联的数据106，通过该加工工艺，仿真从工件 W的表面去除切削，运算在工件W中形成的加工面的形状、特别是 在工件W的加工面中形成的尖端的高度、邻接的尖端的间隔、尖端 侧面的倾斜角等。作为运算结果的与工件W的加工面的形状关联的 数据108被送出到反差运算部20以及空间频率运算部22。

反差运算部20，从输入部12输入包括与工件W的材料有关的 数据、光源的照度、波长、坐标等与光源有关的数据、以及、设想的 观察者观察工件时的视线的角度等与观察者有关的数据的数据110。 另外，在例如射出成型机中使用工件W的模具那样的情况下，优选 代替与工件W的材料有关的数据，而输入与用该模具成型的塑料材 料有关的数据。反差运算部20根据来自加工面形状仿真部18的与工 件W的加工面的形状关联的数据108和从输入部12输入的数据110， 运算工件W的表面中的反射光的最大亮度Lmax以及最小亮度Lmin， 运算工件W的表面的反差。作为运算结果的反差m被送出到判定部 24。

此处，参照图3，根据以下的式，得到反差m。

m＝(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin)

此处

Lmax：最大亮度(cd/m²)

Lmin：最小亮度(cd/m²)

另外，根据以下的式，得到亮度L。

L＝β(θi、θr)·(ρ/π)·E

此处，

β：亮度比

θi：入射角(deg)

θr：反射角(deg)

ρ：反射率

E：来自光源S的入射光的照度(lx)。

此处，参照图4，亮度比β是如双点划线所示相对不依赖于反射 的方向而恒定的完全扩散面的亮度Lpd(线段OP)的、虚线所示的 实际的反射面中的扩散反射中的反射角θr方向的试样面的亮度L (θr)(线段OS)的比。在完全扩散反射面中，不依赖于反射的方 向而亮度成为恒定，但在实际的反射面中，依赖于反射角θr而亮度 变化。进而，在实际的反射面中，根据入射角θi、反射面的材料，亮 度也变化。因此，作为求出亮度比β的方法的一个例子，能够使用亮 度计那样的测定装置，针对各种材料，使入射角θi变化的同时，针对 多个反射角θr，预先测定反射光线的亮度，将入射角θi以及反射角θr 作为参数，将亮度比β与用于工件W的各种材料关联起来，在反差 运算部20中储存为表格(数据库)或者近似式。

反差运算部20根据从输入部12所输入的数据110、特别是用于 工件W的材料、工件W与观察者的眼睛之间的距离、观察者的视线 的角度、以及、来自加工面形状仿真部18的与加工面关联的数据108， 运算向加工面的入射角θi、加工面中的反射角θr，将用于工件W的 材料、入射角θi、以及反射角θr作为参数，参照表格(数据库)， 从而能够求出亮度比β(θi、θr)，根据该亮度比β(θi、θr)，求出 最大亮度Lmax、和最小亮度Lmin，求出反差m。

空间频率运算部22根据来自加工面形状仿真部18的与工件W 的加工面的形状关联的数据108，运算空间频率ω。此处，再次参照 图3，空间频率ω被定义为作为在观察者的眼睛Eo中投影的邻接的 尖端的顶点间的角度的视角α的倒数、或者、每视角α＝1°的尖端的数 量。作为运算结果的空间频率ω被送出到判定部24。另外，在最大 亮度Lmax、和最小亮度Lmin的探索方法中，固定视线和加工面， 使视角α变宽的同时，搜索亮度成为最大的地方，将此时的亮度设为 最大亮度Lmax，将此时的从视角α相反一侧的亮度设为最小亮度 Lmin。

判定部24根据来自反差运算部20的反差m、和来自空间频率运 算部22的空间频率ω，使用反差灵敏度函数，判定人的眼睛是否将 在该加工工艺中所加工的工件W的表面的尖端认识为条纹。此处， 参照图5，人的视觉一般当反差变小后无法识别亮度的差异。能够识 别该亮度的差异的最小的反差一般被称为反差阈值，并且反差阈值的 倒数被称为反差灵敏度。反差灵敏度根据空间频率而变化，将反差灵 敏度相对空间频率的变化一般地称为反差灵敏度曲线或者反差灵敏 度函数Fcs。一般已知反差灵敏度函数Fcs在空间频率约4cycle/degree 下具有顶点，空间频率不论比其更高还是更低，反差灵敏度都降低。

在本实施方式中，判定部24根据来自反差运算部20的反差m、 和来自空间频率运算部22的空间频率ω，判定通过该加工工艺形成 的工件W的加工面的尖端的条纹的反差成为反差灵敏度函数Fcs的 上侧(看不见条纹)或者成为下侧(看见条纹)。反差灵敏度函数Fcs 根据个人而不同，但能够预先通过实验将适合的反差灵敏度函数Fcs 储存到判定部24。或者，也可以预先将多个反差灵敏度函数Fcs储存 到判定部24，用户能够适宜选择。

在判定部24中，判定为来自反差运算部20的反差m以及来自 空间频率运算部22的空间频率ω在图5中是反差灵敏度函数Fcs的 上侧(看不见条纹)的(“是”)情况下，加工面评价装置10将从输 入部12所输入的加工条件以及工具路径运算装置64生成了的与工具 路径有关的数据118送出到NC装置62。

在判定部24中，判定为来自反差运算部20的反差m以及来自 空间频率运算部22的空间频率ω在图5中是反差灵敏度函数Fcs的 下侧(看见条纹)的(“否”)情况下，加工面评价装置10将如后所 述在工件W的加工面的表面粗细满足要求的范围内，以使尖端的条 纹的反差成为反差灵敏度函数Fcs的上侧(看不见条纹)的方式，变 更该加工工艺的指令送出到输入部12(指令120₁)、工具举动仿真部 14(指令120₂)、工具路径运算装置64(指令120₃)、进给轴举动仿 真部16(指令120₄)的至少一个。此处，在加工工艺的变更中，除了 主轴66的旋转速度、进给轴的进给速度、使用的工具T的工具径、 工具长度以及刃数、工具T向工件W内的切入深度、周期进给量、 或者、进给轴的进给速度的校正值等加工条件以外，还包括对主轴66 进行旋转支撑的轴承的轴承强度、工具路径运算装置56生成的工具 路径的变更。

参照图6，在来自空间频率运算部22的空间频率ω大于提供反 差灵敏度函数Fcs的顶点P的空间频率ωp的情况下(图6的点A)， 工艺变更部26在减小反差m的方向(a1)或者减小反差m并且空间 频率ω变高的方向(a2)上，变更加工工艺。相反，在来自空间频率 运算部22的空间频率ω小于提供反差灵敏度函数Fcs的顶点P的空 间频率ωp的情况下(图6的点B)，工艺变更部26在减小反差m 的方向(b1)或者减小反差m并且空间频率ω变低的方向(b2)上 变更加工工艺。

例如，能够通过将减小使用的工具T的工具径的指令120₁输出 到输入部12，进行向减小反差m的方向a1、b1的工艺变更。或者， 在主轴头68对主轴66进行旋转支撑的轴承是使用了磁力的磁轴承那 样的情况下，通过将使该磁轴承的磁力降低的指令120₂送出到工具举 动仿真而使轴承的刚性降低，不会增大加工面整体的尖端而使局部的 尖端变得显著，能够减小反差m。或者，如图7所示，能够将减小进 给轴的加速度的指令120₄送出到进给轴举动仿真部16，降低基于进 给轴的加减速时的位置错误的尖端高度，减小反差m。

也可以将在进给轴反转时送出到伺服马达的向速度指令的变更 校正滤波器的指令120₄送出到进给轴举动仿真部16。例如，如图8 所示，通过使校正滤波器成为小且平滑的形状，进给轴的象限切换时 的位置错误的绝对值变大，但在工件W中形成的加工面的形状变得 平滑，反差m变小，并且空间频率ω变化(方向a2、b2)。

这样，在本实施方式中，在加工面评价装置10中，直至无法通 过观察者的视觉在工件W的加工面中感知条纹、即直至利用判定部 24的判定成为“是”，反复加工工艺的修正。这样，在本实施方式中， 根据在工件W的加工面中形成的主要基于尖端的条纹的反差m和空 间频率ω，使用反差灵敏度函数Fcs，判断可否通过观察者的视觉感 知该条纹，直至无法通过观察者的视觉在加工面中感知条纹，修正加 工工艺。

接下来，参照图9，说明本发明的第2实施方式。在第1实施方 式中，作为基于人的感觉的加工面的评价基准，使用了视觉特别是反 差灵敏度，但在第2实施方式中，作为评价基准，使用触觉特别是触 觉的频率阈值特性。另外，在图9中，用相同的参照编号，指示了与 图2同样的构成要素。

参照图9，第2实施方式的加工面评价装置30代替第1实施方 式的加工面评价装置10的反差运算部20以及空间频率运算部22，而 具备振动刺激频率运算部32。在第2实施方式中，向振动刺激频率运 算部32，从输入部12，输入在工件W的加工面上滑动的观察者的手 指的速度(针对加工面的相对速度)130，从加工面形状仿真部18， 输入与加工面形状有关的数据108、特别是邻接的尖端的顶点间的距 离。

振动刺激频率运算部32根据观察者的手指的速度、和邻接的尖 端的顶点间的距离，运算对观察者的手指传递的振动刺激的频率，将 作为运算结果的与振动刺激的频率关联的数据送出到判定部34。另 外，对判定部34，从加工面形状仿真部18，送出与加工面的形状有 关的数据108、特别是邻接的尖端的顶点间的距离。

此处，参照图10，已知在人的触觉中，有当振动刺激的频率变 高后无法感知小的振动刺激振幅的特性(触觉的频率阈值特性)。在 本实施方式中，判定部34根据来自振动刺激频率运算部32的振动刺 激的频率、以及依照尖端的顶点间的距离和观察者的手指的速度求出 的对观察者的手指传递的振动刺激的振幅，判定观察者可否用手指触 摸而感知通过该加工工艺形成的工件W的加工面的尖端。

图10所示的表示触觉的频率阈值特性的曲线或者函数Fts根据 个人而不同，但能够预先通过实验将适合的频率阈值函数Fts储存到 判定部34。或者，也可以预先将多个频率阈值函数Fts储存到判定部 24，用户能够适宜选择。

这样，在本实施方式中，判定部34根据振动刺激的频率、和邻 接的尖端的顶点间的距离，判定通过该加工工艺形成的工件W的加 工面的尖端成为触觉的频率阈值特性Fts的下侧(未感觉到尖端)或 者成为上侧(感觉到尖端)，加工面评价装置30与第1实施方式同 样地，直至无法通过观察者的触觉感知在工件W的加工面中形成的 尖端、即直至利用判定部34的判定成为“是”，反复加工工艺的修正。