特開 2018-128993 物体表面の評価方法、評価装置および該評価方法を用いたワークの加工方法および工作機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-128993(P2018-128993A)

(43)【公開日】2018年8月16日

(54)【発明の名称】物体表面の評価方法、評価装置および該評価方法を用いたワークの加工方法および工作機械

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/18 20060101AFI20180720BHJP

   G01N 21/47 20060101ALI20180720BHJP

   G01B 21/30 20060101ALI20180720BHJP

   G05B 19/4069 20060101ALI20180720BHJP

【ＦＩ】

   G05B19/18 W

   G01N21/47 B

   G01B21/30 102

   G05B19/4069

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-23518(P2017-23518)

(22)【出願日】2017年2月10日

(71)【出願人】

【識別番号】504150450

【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学

(71)【出願人】

【識別番号】000154990

【氏名又は名称】株式会社牧野フライス製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100102819

【弁理士】

【氏名又は名称】島田 哲郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100153084

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 康史

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 隆太

(72)【発明者】

【氏名】中西 巧

(72)【発明者】

【氏名】尾田 光成

(72)【発明者】

【氏名】中山 野生

【テーマコード（参考）】

2F069

2G059

3C269

【Ｆターム（参考）】

2F069AA60

2F069BB02

2F069DD24

2F069NN25

2F069QQ05

2G059AA05

2G059BB08

2G059EE02

2G059MM01

2G059MM05

2G059MM12

3C269AB26

3C269BB07

3C269QA05

3C269QD02

3C269QE17

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ヒトの視覚特性に基づく物体表面の評価方法を提供する。
【解決手段】物体表面の表面性状を表すパラメータを横軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を縦軸として、人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて視認可能領域マップを作成し、ワークの加工面の表面性状を表すパラメータと、ワークの加工面の形状の法線方向変化率の最大値との関係を前記視認可能領域マップ上に表示して物体表面を評価する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体表面を評価する評価方法において、
物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第２の軸として、人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて視認可能領域マップを作成し、
物体表面の表面性状を表すパラメータと、物体表面の法線方向変化率の最大値との関係を前記視認可能領域マップ上に表示することを特徴とする物体表面の評価方法。

【請求項2】

物体表面の表面性状を表すパラメータは，二乗平均平方根傾斜である請求項１に記載の方法。

【請求項3】

物体表面の形状の法線方向変化率は，物体表面の形状の幾何学的な法線方向変化率から、人が視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記物体表面は、ワークに形成される加工面である請求項１に記載の方法。

【請求項5】

物体表面を評価する評価装置において、
人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて格納する視認可能領域マップ格納部と、
評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、
評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って表面粗さを表すパラメータを演算する表面粗さパラメータ演算部と、
前記視認可能領域マップ格納部が格納する人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第１の軸として視認可能領域マップを生成すると共に、前記法線方向変化率演算部と前記表面粗さパラメータ演算部における演算結果から、法線方向変化率の最大値と、該最大値を与える物体表面の部位の表面粗さを表すパラメータとを、視認可能領域マップ上にプロットして表示部に表示するプロット部とを具備することを特徴とする物体表面の評価装置。

【請求項6】

前記表面粗さパラメータは、二乗平均平方根傾斜である請求項５に記載の装置。

【請求項7】

物体表面の形状の法線方向変化率は，物体表面の形状の幾何学的な法線方向変化率から、人が視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項５に記載の装置。

【請求項8】

前記物体表面は、ワークに形成される加工面である請求項５に記載の装置。

【請求項9】

ワークの加工方法において、
物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第２の軸として、人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて視認可能領域マップを作成し、
ワークの加工面の表面性状を表すパラメータと、ワークの加工面の形状の法線方向変化率の最大値との関係を前記視認可能領域マップ上に表示し、
ワークの加工面の表面性状を表すパラメータと、物体表面の形状の法線方向変化率の一方または双方を変更するように工具条件、加工条件または制御パラメータを変更することを特徴とするワークの加工方法。

【請求項10】

物体表面の表面性状を表すパラメータは，二乗平均平方根傾斜である請求項９に記載の方法。

【請求項11】

物体表面の形状の法線方向変化率は，物体表面の形状の幾何学的な法線方向変化率から、人が視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項９に記載の方法。

【請求項12】

少なくとも直交３軸の送り装置を有し、主軸に装着した工具とワークとを相対移動させて該ワークを加工する工作機械において、
人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて格納する視認可能領域マップ格納部と、
評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、
評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って表面粗さを表すパラメータを演算する表面粗さパラメータ演算部と、
前記視認可能領域マップ格納部が格納する人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第１の軸として視認可能領域マップを生成すると共に、前記法線方向変化率演算部と前記表面粗さパラメータ演算部における演算結果から、法線方向変化率の最大値と、該最大値を与えるワークの加工面の部位の表面粗さを表すパラメータとを、視認可能領域マップ上にプロットして表示部に表示するプロット部と、
ワークの加工面の表面性状を表すパラメータと、物体表面の形状の法線方向変化率の一方または双方を変更するように工具条件、加工条件または制御パラメータを変更するパラメータ変更部とを具備することを特徴とする工作機械。

【請求項13】

物体表面の表面性状を表すパラメータは，二乗平均平方根傾斜である請求項１２に記載の工作機械。

【請求項14】

物体表面の形状の法線方向変化率は，物体表面の形状の幾何学的な法線方向変化率から、人が視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項１２に記載の工作機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物体表面の特性を見た目に基づいて評価する物体表面の評価方法、評価装置、該評価方法を用いたワークの加工方法および工作機械に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械でワークを加工する場合、ワーク加工面の評価基準は、通常、加工されたワーク表面の精度、特に表面粗さである。従来、加工面の表面粗さが低ければ低いほど、良好な加工であるとされている。然しながら、近時、加工精度と共に観察者が加工面を目視したときの見た目が重視されるようになっている。例えば、加工されたワークの表面粗さがユーザーが求める許容表面粗さより低くとも、望ましくない部分に線や模様が見える場合がある。そのため、加工精度や表面粗さのみならずヒトの視覚特性に基づく表面の評価方法が開発されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、人の視覚特性に基づいて加工面を評価し、制御装置のパラメータや加工条件を変更することが示されている。特許文献２には、人の視覚特性を定量的に評価し，その結果に基づいて加工面を評価する方法が示されている。また、非特許文献１には、加工面の表面性状に基づいてその反射特性を計算し、コンピュータディスプレイ上に表示する方法が示されている。非特許文献２には、表面粗さが加工面の見た目に及ぼす影響について示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１４／１５５７２７号

【特許文献2】特開２０１６−１４２７２０号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】R.L. Cook and K.E. Torrance, A Reflectance Model for Computer Graphics, ACM Transactions on Graphics, Vol.1, No.1, (1982), pp.7-24.

【非特許文献2】中西巧，佐藤隆太，白瀬敬一，尾田光成，中山野生，人の視覚特性に基づく仕上げ加工面評価方法 -法線方向変化率視認限界に及ぼす表面粗さの影響-，2016年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，(2016)，pp.745-746．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ヒトの視覚特性に基づく物体表面、特にワークの加工面の評価方法は開発されつつあるが、更に一層ヒトの視覚特性を反映した物体表面またはワークの加工面の評価方法が望まれる。更に、ヒトの視覚特性に基づく物体表面またはワークの加工面の評価を実際のワーク加工に適用することが必要となっている。

【0007】

本発明は、ヒトの視覚特性に基づく物体表面の評価方法、評価装置および該評価方法を用いたワークの加工方法および工作機械を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述の目的を達成するために、本発明によれば、物体表面を評価する評価方法において、物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第２の軸として、人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて視認可能領域マップを作成し、物体表面の表面性状を表すパラメータと、物体表面の法線方向変化率の最大値との関係を前記視認可能領域マップ上に表示する物体表面の評価方法が提供される。

【0009】

また、本発明によれば、物体表面を評価する評価装置において、人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて格納する視認可能領域マップ格納部と、評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って表面粗さを表すパラメータを演算する表面粗さパラメータ演算部と、前記視認可能領域マップ格納部が格納する人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第１の軸として視認可能領域マップを生成すると共に、前記法線方向変化率演算部と前記表面粗さパラメータ演算部における演算結果から、法線方向変化率の最大値と、該最大値を与える物体表面上の部位の表面粗さを表すパラメータとを、視認可能領域マップ上にプロットして表示部に表示するプロット部とを具備する物体表面の評価装置が提供される。

【0010】

更に、本発明によれば、ワークの加工方法において、物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第２の軸として、人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて視認可能領域マップを作成し、ワークの加工面の表面性状を表すパラメータと、ワークの加工面の形状の法線方向変化率の最大値との関係を前記視認可能領域マップ上に表示し、ワークの加工面の表面性状を表すパラメータと、物体表面の形状の法線方向変化率の一方または双方を変更するように工具条件、加工条件または制御パラメータを変更するワークの加工方法が提供される。

【0011】

更に、本発明によれば、少なくとも直交３軸の送り装置を有し、主軸に装着した工具とワークとを相対移動させて該ワークを加工する工作機械において、人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータに関連させて格納する視認可能領域マップ格納部と、評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、評価対象表面の形状に関連したデータに基づいて、評価対象表面の全体に亘って表面粗さを表すパラメータを演算する表面粗さパラメータ演算部と、前記視認可能領域マップ格納部が格納する人が視認可能な最小の法線方向変化率を物体表面の表面性状を表すパラメータを第１の軸とし、物体表面の形状の法線方向変化率を第１の軸として視認可能領域マップを生成すると共に、前記法線方向変化率演算部と前記表面粗さパラメータ演算部における演算結果から、法線方向変化率の最大値と、該最大値を与えるワークの加工面の部位の表面粗さを表すパラメータとを、視認可能領域マップ上にプロットして表示部に表示するプロット部と、ワークの加工面の表面性状を表すパラメータと、物体表面の形状の法線方向変化率の一方または双方を変更するように工具条件、加工条件または制御パラメータを変更するパラメータ変更部とを具備する工作機械が提供される。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ヒトの視覚特性に基づく物体表面の評価方法、評価装置および該評価方法を用いたワークの加工方法および工作機械を提供することができる。また、本発明によれば、工作機械により加工を行った物体表面のヒトにより視認できる部分を容易に視認できないようにすることができるだけでなく、シミュレータを用いれば、工作機械による加工を行う前に、望ましい物体表面を得るための工具条件、加工条件または制御パラメータを見出すことができ、その効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の好ましい実施形態による物体表面の評価装置のブロック図である。

【図2】法線方向変化率を求める方法の説明図である。

【図3】座標情報から法線方向の角度を求める方法の説明図である。

【図4】物体表面に光が入射したときの状態を表す模式図である。

【図5】表面の粗さによる乱反射を表す模式図である。

【図6】表面の粗さと反射光角度分布との関係を示す図である。

【図7】本発明の視認可能領域マップの一例を示す図である。

【図8】ベックマン分布による反射光の確立密度分布の計算結果の一例を示す図である。

【図9】表面粗さと視認可能な法線方向変化率との関係を表す視認可能領域マップの他の例を示す図である。

【図10】本発明により視認できる形状変化を視認できなくするための方法の説明図である。

【図11】本発明により視認できない形状変化を視認できるようにするための方法の説明図である。

【図12】本発明の加工面評価装置の応用例を示すブロック図である。

【図13】本発明の加工面評価装置の他の応用例を示すブロック図である。

【図14】本発明の方法により法線方向変化率を変えることで形状変化を見えにくくした例を示す図である。

【図15】本発明の方法により表面粗さを変えることで形状変化を見えにくくした例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１を参照すると、本発明の物体表面の評価装置としての加工面評価装置１０は、加工面データ生成部１２と、表面粗さパラメータ演算部１４、法線方向変化率演算部１６、視認可能領域マップ格納部１８およびプロット部２０を含むマップ生成部２８と、表示部２２とを主要な構成要素として具備している。マップ生成部２８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ＳＳＤ、これらを接続する双方向バス、および、関連したプログラムによって形成することができる。表示部２２は、液晶パネルやタッチパネルにより形成することができる。

【0015】

加工面評価装置１０は、更に、パラメータ変更部２４および入力装置２６を具備することができる。入力装置２６は、例えばキーボードやマウス或いは表示部２２を形成するタッチパネルとすることができる。パラメータ変更部２４は、オペレーターが入力装置２６を通じて入力した指令に従い、加工面データ生成部１２或いは工作機械のＮＣ装置３０に対してパラメータの変更を指令する。加工面データ生成部１２に対して変更指令するパラメータには、工具の種類、工具径、および最適の切削速度等の工具条件、ピックフィード量、送り速度、および主軸の回転速度等の加工条件が含まれ、ＮＣ装置３０に対して変更指令するパラメータには、加減速の時定数、バックラッシ補正、および送り軸のフィードバック制御におけるゲイン等の制御パラメータが含まれる。

【0016】

加工面データ生成部１２は、加工後のワークの加工面の形状に関連したデータおよび加工面の性状に関連したデータを生成する。加工形状に関連したデータおよび加工面の性状に関連したデータは、ＣＡＭからの加工プログラムに基づいてシミュレータのような計算機にて算出することができる。或いは、加工プログラムに従って工作機械によってワークを実際に加工し、加工面を測定して得られたデータをおよび加工面の加工形状および性状に関連したデータとして用いてもよい。

【0017】

表面粗さパラメータ演算部１４は、加工面データ生成部１２からの加工面（物体表面）の性状に関連したデータに基づいて、加工面（物体表面）の性状パラメータ、特に加工面（物体表面）の表面粗さパラメータを演算する。表面粗さパラメータとしては、例えばJIS B0601に規定された二乗平均平方根傾斜Ｒ_dqを用いることができる。

【0018】

法線方向変化率演算部１６は、加工面データ生成部１２からの加工面（物体表面）データに基づいて加工面（物体表面）の法線方向変化率を演算する。図２、３を参照して法線方向変化率を説明する。加工面データ生成部１２からの加工面（物体表面）データには、２次元の座標値が含まれている。図２に示す例では、Ｘ軸およびＺ軸に平行な平面にて評価対象物たるワークＷが切断されている。ワークＷの表面において予め定められた間隔ごとに法線ベクトルを設定することができる。Ｘ軸およびＺ軸に平行な平面にて、ワークＷを所定の間隔にて切断する。それぞれの切断面において所定の間隔ごとに法線ベクトルを設定することにより、ワークＷの表面全体の評価を行うことができる。

【0019】

ワークＷの加工面（物体表面）には、予め定められた間隔ごとに設定点４０を設定する。次いで、設定点４０において、表面の傾きに垂直な法線ベクトルｎ_iを設定する。法線ベクトルｎ_iはｉ番目の設定点４０の法線ベクトルである。法線ベクトルｎ_iについて法線方向の角度θ_iを設定することができる。ここでは、Ｚ軸に対する角度を法線方向の角度θ_iに設定している。

【0020】

図３において、ｉ番目の設定点４２と、（ｉ＋１）番目の設定点４４との座標値は既知である。これらの２つの設定点４２、４４の座標値に基づいて、ベクトルａ_iを設定することができる。ベクトルａ_iは、設定点４２から設定点４４に向かうベクトルである。そして、ベクトルａ_iに垂直なベクトルを法線ベクトルｎ_iに設定することができる。この時の法線方向の角度θ_iは、次の式（１）にて算出することができる。こうして、加工面（物体表面）のｉ番目の設定点について、法線方向の角度θ_iを算出することができる。

【数1】

【0021】

法線方向変化率演算部１６は、設定点４０における法線方向変化率を算出する。法線方向変化率は、互いに隣り合う設定点の法線方向の角度の変化率である。例えば、法線方向の角度θ_iと法線方向の角度θ_i+1における変化率である。法線方向変化率は、次の式（２）にて算出することができる。次の式（２）は、設計形状のｉ番目の設定点４０における法線方向変化率を示している。評価対象形状の法線方向変化率も同様の方法により算出することができる。なお、法線方向の変化率は加工面の接線方向の変化率として求めても同じ結果になることは幾何学的に明らかである。

【数2】

【0022】

視認可能領域マップ格納部１８は、表面粗さパラメータとの関係において、加工面（物体表面）の形状変化が視覚的に認識可能な法線方向変化率の範囲を二次元マップ（視認可能領域マップ）の形態で格納している。視認可能領域マップについて説明する。

【0023】

人は物体表面から反射された光の強弱（輝度）を感じることで物体の形状や質感として認識している。物体表面に光が当たった場合の状態を図４に模式的に示す。物体に当たった光は、物体を構成する材料分子の特性に起因してその一部は吸収される。更に、光の波長よりも短い物体表面の微細な形状変化および材料分子の特性により、反射散乱光が生じ、これは物体表面のマクロな方向に依らず全方向に均等に伝わる。光の波長よりも長い物体表面の形状変化による正反射光は、入射光と物体表面の向きとの関係でその方向が決定される。

【0024】

散乱光、正反射光および吸収された光の総和は、入射光の総量よりも大きくなることはない。すなわち、全ての光が散乱光として反射された場合、その反射光は物体表面の向きや形状によらず全方向に伝わるので、物体表面の向きや形状を視覚的に認識することはできなくなる。逆に、散乱光として反射される成分が小さく、正反射光成分が大きくなれば、物体表面の向きや形状を視覚的に認識し易くなる。

【0025】

例えば、切削加工など機械的に仕上げられた表面では、多くの場合、その表面粗さ曲線の振幅および／または波長が光の波長よりも大きくなる。そのような場合、物体表面に照射された光は表面の凹凸により乱反射する。その状態を図５に模式的に示す。一定の方向から光が入射した場合でも、物体表面の方向が変化すると反射光の方向は様々に変化し、完全な平面光が入射した場合の反射光の方向に対して角度分布をもって反射することになる。このような場合にも、散乱光の割合が大きい場合と同様に物体表面の形状変化はぼやけてみえることになる。

【0026】

反射光の角度分布は、物体表面の粗さ曲線から幾何学的に計算できる。切削加工により仕上げられた金属表面の粗さ曲線を測定し、そこから反射光の角度分布を計算した例を図６に示す。表面粗さが大きい場合には、反射光の角度分布が広がり、加工面（物体表面）の形状変化は視認しにくくなる。表面粗さが小さい場合には、反射光の角度分布は狭まり、加工面（物体表面）の形状変化が視認しやすくなる。

【0027】

人の裸眼による観察を前提とした場合、形状変化の波長のオーダとその視覚的な認識との関係はおおよそ以下のように分類できる。
波長数百ｎｍ以下 → 散乱光
波長数百ｎｍから数百μｍ → 乱反射光
波長数百μｍ以上 → 形状変化

【0028】

本発明においては、形状変化とは意図的に設けたものまたは局所的に発生した段差や形状誤差をさし、表面粗さとは物体表面上の全体またはある一定の範囲に広がる波長数百μｍ以下の周期的な凹凸を意味するものとする。

【0029】

本発明による物体表面の状態を表す視認可能領域マップを図７に模式的に示す。
本発明による視認可能領域マップは、第１の軸または横軸が表面粗さを表すパラメータ、第２の軸または縦軸を形状の法線方向変化率としている。第１と第２の軸は入れ換えてもよく、表面粗さを表すパラメータを縦軸に、そして法線方向変化率を横軸としてもよい。特許文献２にあるように、人は形状の法線方向の変化を輝度の変化として視覚的に認識している。表面粗さが大きいと、図８に示すように、反射光の乱反射成分が大きくなり、同じ法線方向変化があった場合でも輝度の変化が小さくなり、形状を認識しにくくなる。すなわち、同じ形状変化があった場合でも、表面性状のちがいによって形状変化を視覚的に認識できる場合とできない場合とがある。

【0030】

図７において、条件Ｉは、形状の法線方向変化率が大きく、表面粗さが小さい場合を表しており、この場合にはその形状変化を視覚的に認識できる。条件IIは、条件Ｉの場合と同じ表面粗さで法線方向変化率は小さい場合を表しており、この場合には、その形状変化を視覚的に認識することはできない。条件IIIは、条件Ｉの場合と同じ法線方向変化率で表面粗さが大きい場合を表しており、この場合にも、その形状変化を視覚的に認識することはできない。視覚的に形状変化を認識できか否かは個人差もあるが、概ね認識できる領域と、認識できない領域はとの間には、境界線ＢＬ_cvを設定することができる。

【0031】

以下に境界線ＢＬ_cvの決定方法の一例を説明する。
加工面（物体表面）の表面粗さと反射光の反射角度分布との関係は、例えば、非特許文献１にも記載されているように、「ベックマン分布（式（３））」により表すことができる。

【数3】

【0032】

ここで、Ｄは角度ごとの反射光強度、αは加工面（物体表面）の向きを表し、ｍは加工面（物体表面）の表面粗さを表すパラメータであり、例えば、JIS B0601に規定された二乗平均平方根傾斜Ｒ_dqを用いることができる。

【0033】

式（３）に基づいて、光が加工面（物体表面）の向きαに対して直角に入射する場合、反射角度ごとの反射光の強度を計算した例を図８に示す。図８に示すように、表面粗さを表すパラメータである二乗平均平方根傾斜Ｒ_dqが大きくなると、反射光の角度分布の幅が広がり、加工面（物体表面）の形状変化を視覚的に認識しにくくなる。

【0034】

式（３）における加工面（物体表面）の向きαの位置による変化率は、加工面（物体表面）の法線方向変化率と同義であり、それによる反射強度Ｄの変化率は、人が認識する加工面（物体表面）の輝度の変化率と同義である。式（３）から、形状の法線方向変化率と反射光の輝度Ｌの変化率との関係を導くと以下のようになる。

【数4】

【0035】

この式（４）を、反射光の輝度の変化率を一定とし、表面粗さを表すパラメータｍと加工面（物体表面）の形状の法線方向変化率との関係として整理すると、式（５）のようになる。横軸を表面粗さを表すパラメータｍとした場合に、式（５）は一定の輝度変化率を生じさせるために必要な法線方向の変化率を表す。

【数5】

【0036】

式（５）において、ＡとＢは評価対象たる物体（ワーク）の材質や入射光の状態によってきまる定数であり、例えば、特許文献２や非特許文献２に示されている評価用ワークを作成し、その撮影結果から法線方向変化率と輝度変化率との関係を求めることで決定できる。そのときの法線方向変化率と輝度変化率とを人が視認可能な法線方向変化率および輝度変化率として式（５）の定数ＡおよびＢを決定した場合、式（５）が表す曲線は、人が視認可能な最小の法線方向変化率であり、人が形状変化を視認できるか否かの境界を表すことになる。ここでの法線方向変化率は、式（２）により規定される加工面（物体表面）の形状の幾何学的な法線方向変化率から、人が視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものとしている。なお、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分の範囲は、眼科診療におけるコントラスト感度曲線に基づいて決定してもよいし、別途用意された評価用形状を用いて決定してもよい。

【0037】

上記の方法により作成した、加工面（物体表面）を評価するための視認可能領域マップの例を図９に示す。図９では、境界線ＢＬ_cvは式（５）による曲線であり、この境界線ＢＬ_cvよりも上側が形状変化を視認可能な領域となる。図９に示すように、表面粗さを表すパラメータとしての加工面（物体表面）の二乗平均平方根傾斜Ｒ_dqが大きくなると、形状変化を視認可能な領域が指数関数的に狭くなっていく。

【0038】

このように、視認可能領域マップは、図９に示したように、解析的に求めることができるが、特許文献２および非特許文献２に示されているような評価用ワークを用いて実験的に作成してもよい。視認可能領域マップ格納部１８は、図７や図９に示したような視認可能領域マップを表示部２２に表示可能とするデータを格納している。

【0039】

プロット部２０は、表面粗さパラメータ演算部１４および法線方向変化率演算部１６における演算結果および視認可能領域マップ格納部１８から受け取った視認可能領域マップに関するデータに基づいて、法線方向変化率の最大値と、該最大値を与えるワークの加工面（物体表面）の部位の表面粗さを表すパラメータとを、視認可能領域マップ上にプロットし表示部２２に表示する。これにより、その形状変化が視覚的に認識可能かを明示的に示すことができる。

【0040】

ＣＡＭのオペレーターや、ＣＡＭで作成された加工プログラムを用いてワークを加工する工作機械のオペレーターは、表示部２２に表示された視認可能領域マップを参照することによって、ワークの加工面（物体表面）に形状変化が視覚的に認識されるか否かを判定することができる。例えば、加工面（物体表面）の形状変化を視覚的に認識させたくない場合、或いは、その反対に認識させたい場合には、入力装置２６およびパラメータ変更部２４を通じて、工具条件、加工条件または制御パラメータを変更して、加工面（物体表面）の表面粗さを表すパラメータと法線方向変化率との関係を、本発明による図７、９の視認可能領域マップ上において、形状変化を視認できない領域、または視認できる領域にシフトするようにできる。

【0041】

形状変化を視覚的に認識させたくない場合に、プロット部２０によって視認可能領域マップ上にプロットされた点が視認可能領域中にあった場合、つまり境界線ＢＬ_cvよりも上側にあった場合には、図１０に示すように、法線方向変化率と表面粗さを表すパラメータの一方または双方を変更し、加工面（物体表面）の状態を表す点を視認可能領域の外にシフトすることで、形状変化を視覚的に認識できないようにすることができる。

【0042】

反対に、形状変化を視覚的に認識させたい場合にプロットした点が視認可能領域外にあった場合には、図１１に示すように、法線方向変化率と表面粗さを表すパラメータの一方または双方を変更し、加工面（物体表面）の状態を表す点を視認可能領域の外にシフトすることで、形状変化を視覚的に認識でるようにすることができる。法線方向変化率と表面粗さを表すパラメータの一方または双方の何れを変更するかは、その加工面（物体表面）に要求されている形状精度や表面粗さに応じて選択することができる。

【0043】

次に、図１２を参照して、本発明の加工面（物体表面）評価装置１０の応用例を説明する。図１２に示す例では、加工面データ生成部１２がシミュレータ７０によって形成されている。
図１２の工作機械５０において、加工面（物体表面）評価装置１０は加工機６０と組み合わされている。加工機６０は、工場の床面上に固定される基台としてのベッド６２、該ベッド６２の上面に取り付けられ上面にワークＷが固定されるテーブル６４、ベッド６２に固定されたワークＷに対面させた工具Ｔを先端部に装着する主軸６６を鉛直な回転軸線Ｏを中心として回転可能に支持する主軸頭６８、主軸頭６８を、ベッド６２に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交三軸方向に往復駆動する駆動機構５２、駆動機構５２のサーボモーターを制御するＮＣ装置５４を主要な構成要素として具備している。

【0044】

駆動機構５２は、一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじ（図示せず）、該ボールねじに係合するナット（図示せず）およびＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじの各々の一端部に連結されＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじを回転駆動するサーボモーターより成るＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸駆動モーターＭｘ、Ｍy、Ｍzを具備している。また、工作機械５０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交三軸の直線送り軸に加えて、水平方向のＸ軸を中心とした回転送り軸であるＡ軸や、鉛直方向のＺ軸を中心とした回転送り軸であるＣ軸のような１または複数の回転送り軸を含んでいてもよい。その場合は、駆動機構５２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸駆動モーターＭｘ、Ｍy、Ｍzに加えて、Ａ軸、Ｃ軸のような回転送り軸用のサーボモーターを含んでいる。

【0045】

シミュレータ７０へは、例えば、ＬＡＮのようなコンピュータネットワークを介してＣＡＤ装置５８に接続されたＣＡＭ装置５６によって生成された加工プログラムが供給される。加工プログラムには、ＣＡＤ装置５８が生成したワークＷの形状データに基づいて演算された工具経路や、工具の種類、工具径、および最適の切削速度等の工具条件、ピックフィード量、送り速度、および主軸の回転速度等の加工条件が含まれる。

【0046】

次に、図１３を参照して、本発明の加工面（物体表面）評価装置１０の他の応用例を説明する。図１３に示す例では、加工面データ生成部１２が測定装置８０によって形成されている。図１３の例でも、加工面（物体表面）評価装置１０は加工機６０と組み合わされている。測定装置８０は、例えば主軸６６の先端に装着した測定プローブとすることができる。この場合、測定プローブがワークＷの加工面に接触したときに測定プローブからＮＣ装置５４に送出されるスッキプ信号に基づいて、そのときの各送り軸の座標値から加工面の形状や表面粗さを測定することができる。

【0047】

図１２、１３の構成では、加工面評価装置１０は、加工機６０の機械制御装置（図示せず）またはＮＣ装置５４内の制御プログラムの一部として組み込むことができる。この場合、表示部２２および入力装置２６は、加工機６０の制御盤（図示せず）に設けられているタッチパネル（図示せず）により形成することができる。或いは、加工面評価装置１０は、ＣＡＭ装置５６の一部として組み込んでもよい。この場合は、表示部２２はＣＡＭ装置５６のモニター（図示せず）によって、そして入力装置２６はＣＡＭ装置５６のキーボード（図示せず）およびマウス（図示せず）によって形成することができる。

【0048】

次に、実際に工作機械５０のような数値制御工作機械によって切削加工を行うことで創成されたワークの加工面について、本発明による方法を適用した事例を図１４に示す。図１４では、一定条件化で加工面を撮影した結果も併せて示されている。

【0049】

法線方向変化率の最大値が0.08の場合、本発明による評価方法によればその状態は形状変化を視認可能な状態であり、実際にワークの加工面には形状変化による筋状の模様が観察された。本発明によれば、法線方向変化率が0.02以下になればその形状変化は視認できなくなることになり、数値制御工作機械の制御パラメータを調整して実際に法線方向変化率を0.02にしたところ、加工面の筋は視覚的に認識できなくなった。

【0050】

実際に数値制御工作機械によって切削加工を行うことで創成されたワークの加工面について、本発明による方法を適用した他の事例を図１５に示す。図１５では、一定条件化で加工面を撮影した結果も併せて示されている。

【0051】

加工面の二乗平均平方根傾斜が0.019の場合、本発明による評価方法によればその状態は形状変化を視認可能な状態であり、実際に加工面には形状変化による筋状の模様が観察された。本発明によれば、加工面の二乗平均平方根傾斜が約0.05以上になればその形状変化は視認できなくなることになり、加工に用いた工具径を変えて実際に二乗平均平方根傾斜が約0.05以上にしたところ、加工面の筋はわずかに認識できる程度になった。

【0052】

また、実施形態では、物体表面の形状の法線方向変化率を用いて説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、物体表面の接線方向の変化率や物体表面形状の微分値など、法線方向変化率と等価のものを含んでいる。

【符号の説明】

【0053】

１０ 加工面（物体表面）評価装置
１２ 加工面データ生成部
１４ パラメータ演算部
１６ 法線方向変化率演算部
１８ 視認可能領域マップ格納部
２０ プロット部
２２ 表示部
２４ パラメータ変更部
２６ 入力装置
２８ マップ生成部
３０ ＮＣ装置
４０ 設定点
４２ 設定点
４４ 設定点
５０ 工作機械
５２ 駆動機構
５４ ＮＣ装置
５６ ＣＡＭ装置
５８ ＣＡＤ装置
６０ 加工機
６２ ベッド
６４ テーブル
６６ 主軸
６８ 主軸頭
７０ シミュレータ
８０ 測定装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】