JP3099075B2 - 5軸制御加工機における工具長補正装置 - Google Patents

5軸制御加工機における工具長補正装置

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JP3099075B2
JP3099075B2 JP03230710A JP23071091A JP3099075B2 JP 3099075 B2 JP3099075 B2 JP 3099075B2 JP 03230710 A JP03230710 A JP 03230710A JP 23071091 A JP23071091 A JP 23071091A JP 3099075 B2 JP3099075 B2 JP 3099075B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ユニバーサルヘッドを
有する工作機械において、ワークの斜めの加工面を加工
し得る5軸制御加工機に関する。
【0002】
【従来の技術】ユニバーサルヘッドを有する工作機械に
おいて、ワークの斜めの加工面を加工する場合、該加工
面の傾きに応じてヘッドの回転角度とテーブルの回転角
度を求める必要がある。従来、オペレータが、これらの
角度を計算し、かつ、該算出した角度を加工プログラム
等に記述して、前記工作機械に加工の指令を行なってい
た。また、従来のヘッド固定式の工作機械では、テーブ
ルの脇に設けられた工具長計測ユニットによってZ軸方
向の工具長を測定し、それを補正することによって工具
が替わっても刃先位置を維持していた。さらに、ヘッド
の主軸がZ軸周り及びY軸周りに回動してワークの斜め
加工を行う、いわゆるユニバーサルヘッドを備えた工作
機械(特開平3−3751号公報)においても工具長を
補正することが記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、オペレータが
これらの角度を計算し、プログラムすることは難しく、
手間を要した。また、上記公報記載のものはヘッド自体
を5軸制御するものであって、ワークに対し1面の斜め
加工しか考慮していない。テーブル旋回式のものとする
ためにはテーブル旋回用にもう1軸を必要とし、旋回に
応じたヘッド主軸、工具長の位置合わせについては全く
考慮されていない。
【0004】そこで、本発明は、上記事情に鑑み、オペ
レータがヘッドの回転角度とテーブルの回転角度を計算
し、プログラムすることなくワークの斜面を加工できる
5軸制御加工機を提供することを目的とし、さらに、本
願発明は制御軸数を増やすことなく、ワークの斜面を加
工すると共にそのヘッド主軸に装着される工具を入れ替
えても従来通りのままで刃先位置の工具長補正ができる
ようにすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、フレー
ム(2)を有し、前記フレーム(2)に、ヘッド支持手
段(10)を設け、前記ヘッド支持手段(10)に、ヘ
ッド(19)を水平面に対して45度の角度を持つ第1
旋回軸(CT3)を中心として旋回自在に設けると共
に、ヘッド(19)を旋回駆動するためのヘッド旋回駆
動手段(40)を設け、前記ヘッド(19)に、工具が
着脱自在に設けられた工具主軸(22)を前記第1旋回
軸(CT3)と45度の角度を持って形成された工具回
転軸(CT5)を中心として回転駆動自在に設け、ま
た、前記フレーム(2)に、テーブル(35)を水平面
内で該水平面に対して垂直な第2旋回軸(CT1)を中
心として旋回自在に設けると共に、テーブル(35)を
旋回駆動するためのテーブル旋回駆動手段(69)を設
けて構成される5軸制御加工機において、ワークの加工
すべき加工面の前記水平面に対する傾斜角度(MA、W
A)と前記水平面に垂直な軸を中心とした回転角度(M
B、WB)を定義した加工面角度情報(BCT、PD
T)を格納したメモリ手段(55、58)を設け、前記
傾斜角度(MA、WA)から前記第1旋回軸(CT3)
を中心とした前記ヘッド(19)の第1旋回角度(TA
2)を演算するヘッド旋回角度演算手段(60)を設
け、前記傾斜角度(MA、WA)及び前記回転角度(M
B、WB)から前記第2旋回軸(CT1)を中心とした
前記テーブル(35)の第2旋回角度(TB、TA1)
を演算するテーブル旋回角度演算手段(60)を設け、
前記ヘッド旋回角度演算手段(60)で求められた第1
旋回角度(TA2)と前記テーブル旋回角度演算手段
(60)で求められた第2旋回角度(TB、TA1)か
ら、前記工具回転軸(CT5)が前記ワークの加工すべ
き加工面に対して垂直となるように前記ヘッド旋回駆動
手段(40)と前記テーブル旋回駆動手段(69)を制
御する駆動制御手段(55、57)を設けて構成し、さ
らに工具長計測手段を設け、該計測された工具長から前
記第1旋回角度および前記第2旋回角度に基づいて直交
座標毎に分配量を算出する工具長分配算出手段を設け、
該分配量を用いて工具刃先位置を補正する構成を有す
る。
【0006】なお、括弧内の番号等は、図面における対
応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述
は図面上の記載に限定拘束されるものではない。以下の
「作用」の欄についても同様である。
【0007】
【作用】上記した構成により、本発明は、ヘッド旋回角
度演算手段(60)が、傾斜角度(MA、WA)から第
1旋回角度(TA2)を求めることにより、駆動制御手
段(55、57)が該第1旋回角度(TA2)に基づき
ヘッド旋回駆動手段(40)を制御するように作用す
る。また、テーブル旋回角度演算手段(60)が、傾斜
角度(MA、WA)及び回転角度(MB、WB)から第
2旋回角度(TB、TA1)を求めることにより、駆動
制御手段(55、57)が該第2旋回角度(TB、TA
1)に基づきテーブル旋回駆動手段(69)を制御する
ように作用する。さらに、工具長計測手段によって計測
された工具長を、工具長分配手段によって第1旋回角度
および第2旋回角度に基づき直交座標毎に分配量を算出
し、算出した分配量を用いて刃先位置の補正するように
作用する。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図1は、本発明による5軸制御加工機の一実施例を
示す斜視図、図2は、図1に示す5軸制御加工機の主軸
台の要部の一例を示す断面図、図3は、図1に示す5軸
制御加工機に装着された加工制御装置の制御ブロックの
一例を示す図、図4は、座標の定義の一例を示す図、図
5は、図4に示したワークの座標データの一例を示す
図、図6は、図1に示す5軸制御加工機に対してワーク
の各加工面の座標を定義した一例を示す図、(a)は、
基準条件を示す図、(b)は、面定義条件を示す図、図
7及び図8は、ヘッドに装着されたスピンドルとX、
Y、Z軸との間の角度を示す図である。
【0009】本発明による5軸制御加工機1は、図1に
示すように、ベッド2を有しており、ベッド2の図中前
部には、ガイド手段である直動案内軸受等を構成するガ
イドレール3Aが複数個、図中左右方向である矢印A、
B方向(即ち、X軸方向)に平行に設けられている。こ
れ等ガイドレール3A上には、ワーク支持装置26が設
けられており、ワーク支持装置26は、ベース5等を有
している。ベース5は、複数個のナット3bを介して、
矢印A、B方向(X軸方向)に移動駆動自在な形で設け
られており、ベース5上には、略正方形状に形成された
テーブル35が回転中心CT1を中心として矢印P、Q
方向に旋回駆動自在な形で設けられている。テーブル3
5の図中上部には、ワークを搭載するワーク搭載面35
aが形成されている。また、ベッド2の図中後方には、
多種類の工具31を貯えた工具ストッカー41が設けら
れており、工具ストッカー41には、マガジン42が溝
状の溝に複数の工具31を選択脱着自在に設けられてい
る。マガジン42には、コンベア等から成る工具搬送チ
ェーン42aが前記溝に沿って移動駆動自在に設けられ
ており、工具搬送チェーン42aには、穴状の工具収納
部42bが工具31を脱着自在な形で設けられている。
更に、ベッド2の図中中央には、ガイド手段である複数
個の直動案内軸受等から成るガイドレール3Cが矢印
A、B方向とは直角な方向である矢印C、D方向(即
ち、Z軸方向)に平行に設けられており、ガイドレール
3C上には、コラム6が矢印C、D方向(Z軸方向)に
移動駆動自在な形で設けられている。コラム6の側面6
b(矢印C、D方向と平行な面)には、工具交換装置4
9が旋回中心SA2を中心として矢印R2、S2方向に
シフター旋回部49aを旋回駆動自在な形で設けられて
おり、工具交換装置49は、アーム46等から成る工具
把持装置45を有している。アーム46は、旋回中心S
A1を中心として矢印R1、S1方向に旋回駆動自在な
形で設けられている。
【0010】また、コラム6の前面6aには、ガイド手
段である複数個の直動案内軸受等から成るガイドレール
3Bが図中上下方向である矢印E、F方向(即ち、Y軸
方向)に平行に設けられており、ガイドレール3B上に
は、主軸台9が矢印E、F方向(Y軸方向)に移動駆動
自在な形で設けられている。主軸台9は、ヘッド支持部
10及びヘッド19等を有しており、ヘッド支持部10
には、旋回駆動機構17を介してヘッド19がZ軸及び
X軸で形成される水平面に対して所定角度45度だけ傾
いた形で設けられた回転中心CT3を中心として矢印
G、H方向に旋回駆動自在な形で設けられている。ま
た、ヘッド支持部10は、図2に示すように、本体1
1、駆動軸12及び旋回駆動機構17等より構成されて
おり、本体11は、図1に示すコラム6の前面6aに、
ガイド手段であるガイドレール3Bを介して図中上下方
向である矢印E、F方向(即ち、Y軸方向)に移動駆動
自在な形で設けられている。本体11には、図2に示す
ように、係合穴11aが、矢印C、D方向(Z軸方向)
に対して所定角度α(本実施例においてはα=45°)
だけ傾く形で穿設形成されており、係合穴11aには、
段付き棒状の駆動軸12が、クロスローラベアリング等
のベアリング13等を介して、その軸心(以下、旋回中
心CT3と称する。)を図2矢印C、D方向(Z軸方
向)に対して所定角度αだけ傾け、かつ旋回中心CT3
を中心として矢印G、H方向に旋回自在な形で設けられ
ている。駆動軸12には、図2に示すように、貫通穴1
2aが、該駆動軸12を旋回中心CT3に沿って貫通す
る形で穿設されており、また、駆動軸12の図中右方の
端部には、接合部12dが設けられている。更に、駆動
軸12には、旋回駆動機構17が接続している。旋回駆
動機構17は、モータ支持部材39及びα軸駆動モータ
40等を有している。即ち、ヘッド支持部10の本体1
1には、モータ支持部材39が、駆動軸12の周囲を被
覆する形で設けられており、モータ支持部材39には、
モータ収容空間41が形成されている。モータ収容空間
41には、α軸駆動モータ40が旋回駆動自在に設けら
れており、α軸駆動モータ40は、ロータ40a及びス
テータ40b等有している。即ち、駆動軸12の外周部
には、ロータ40aが、該駆動軸12を被覆する形で設
けられており、更にモータ収容空間41には、ステータ
40bが、ロータ40aを被覆する形で設けられてい
る。
【0011】ところで、ヘッド支持部10には、図2に
示すように、ヘッド19が、後述する装着部21等を介
して、旋回中心CT3を中心として矢印G、H方向に旋
回自在な形で装着されており、ヘッド19はケーシング
20を有している。ケーシング20には装着部21が形
成されており、装着部21の図中左端部には、接合部2
1aが設けられている。なお、接合部21aは、断熱部
材15を介して駆動軸12の接合部12dに接続してい
る。また、ヘッド19のケーシング20には、図2に示
すように、モータ収容空間20Aが筒状に形成されてお
り、モータ収容空間20Aには、スピンドル22が、複
数個のベアリング23を介して、回転中心CT5を中心
として矢印J、K方向に回転自在な形で設けられてい
る。スピンドル22には、主軸駆動モータ25を構成す
るロータ25aが、該主軸22の周囲を取り囲む形で装
着されており、またケーシング20には、主軸駆動モー
タ25を構成するステータ25bが、ロータ25aを被
覆する形で設けられている。更に、スピンドル22に
は、図2に示すように、貫通穴22bが矢印E、F方向
(Y軸方向)に貫通穿設されており、またスピンドル2
2の図中下端部には、エンドミル等の工具を保持するた
めの工具保持面22aが、貫通穴22bに接続する形で
テーパー状に形成されている。なお、貫通穴22bに
は、工具を保持するための公知のドローバー(図示せ
ず)等が設けられている。
【0012】ところで、5軸制御加工機1には、図1に
示すように、加工制御装置50が装着されており、加工
制御装置50は、図3に示すように、主制御部51を有
している。主制御部51にはバス線52を介してキーボ
ード等の入力部53、システムプログラムメモリ54、
加工プログラムメモリ55、加工制御部56、軸制御部
57、バッファメモリ58及び座標変換解析制御部60
等が接続している。座標変換解析制御部60は、ワーク
の加工すべき加工面を加工する際に、該斜面の傾き等に
応じてヘッド19及びテーブル35を旋回させる量を演
算し、該演算結果を加工制御部56に対して出力可能な
形で設けられている。また、軸制御部57には、X軸駆
動モータ65が前記ベース5をX軸方向(図1中矢印
A、B方向)に移動駆動する形で接続されており、X軸
駆動モータ65には、エンコーダ65aが該X軸駆動モ
ータ65の回転角度量を軸制御部57にフィードバック
する形で設けられている。また、軸制御部57には、Y
軸駆動モータ66が前記主軸台9をY軸方向(図1中矢
印E、F方向)に移動駆動する形で接続されており、Y
軸駆動モータ66には、エンコーダ66aが該Y軸駆動
モータ66の回転角度量を軸制御部57にフィードバッ
クする形で設けられている。更に、軸制御部57には、
Z軸駆動モータ67が前記コラム6をZ軸方向(図1中
矢印C、D方向)に移動駆動する形で接続されており、
Z軸駆動モータ67には、エンコーダ67aが該Z軸駆
動モータ67の回転角度量を軸制御部57にフィードバ
ックする形で設けられている。更に、軸制御部57に
は、α軸駆動モータ40が前記ヘッド19をα軸方向
(図1中矢印G、H方向)に移動駆動する形で接続され
ており、α軸駆動モータ40には、エンコーダ68aが
該α軸駆動モータ40の回転角度量を軸制御部57にフ
ィードバックする形で設けられている。更に、軸制御部
57には、B軸駆動モータ69が前記テーブル35をB
軸方向(図1中矢印P、Q方向)に移動駆動する形で接
続されており、B軸駆動モータ69には、エンコーダ6
9aが該B軸駆動モータ69の回転角度量を軸制御部5
7にフィードバックする形で設けられている。
【0013】本発明による5軸制御加工機1は、以上の
ような構成を有するので、まず、図1に示す該加工機1
を用いてワークを加工するには、該ワークを、テーブル
35のワーク搭載面35a上に装着する。次に、スピン
ドル22に、加工に使用するエンドミル等の工具を工具
保持面22a等を介して装着する。そして、該ワークの
加工面(ワーク座標)の前記加工機1(機械座標)に対
する位置関係を定義するために、図3に示す入力部53
を介して、加工すべきワークの基準条件BCTを入力し
バッファメモリ58に格納すると共に、面定義条件PD
Tを入力し加工プログラムメモリ55に格納する。基準
条件BCTは、加工すべきワーク全体の座標系と前記加
工機1の機械座標系間の位置関係の対応付けを行なう基
準座標BCOから成り、面定義条件PDTは、該基準座
標BCOにより定義される座標系において、ワークの加
工すべき各加工面のワーク座標を定義する面定義座標P
COから成る。まず、図4に示すように、機械座標系で
あるX、Y、Z座標(図1中、矢印A、B方向、矢印
E、F方向及び矢印C、D方向)において、前記加工機
1の絶対的なある点を機械原点MOとする。そして、基
準座標BCOの基準原点BPは、基準原点BPを図4の
ようにワーク30の一点に取り、X、Y、Z座標系の
X、Y、Z成分で基準原点BP及び該基準原点BPを基
準とする座標系を定義する。即ち、図4の例において、
基準原点BPは、X成分がX0、Y成分がY0、Z成分
がZ0である。そして、基準座標BCOを原点とする座
標系の各座標軸WX、WY、WZは、XZ平面に平行な
面内でX軸に対してY軸回りの角度MBを持つ軸をWX
軸、XZ平面に垂直でWX軸に直交し基準原点BPを通
る軸をWY軸、XZ平面に平行な面内でWX軸に直交し
基準原点BPを通る軸をWZ軸とする。また、角度MB
は、X−Y平面を基準とし時計回りを正とする角度と
し、WX−WY平面のY軸回りの回転角を示す。また、
角度MAは、Y軸を基準としたX軸回りの符号を考えな
い角度とし、WX−WY平面のX−Y平面に対する回転
角を示す。即ち、図4の例において、座標系のWX−W
Y平面は、角度MBの角度成分がB0であるからX−Y
平面に対して角度B0だけ正方向に回転しており、WX
−WY平面はX−Z平面に垂直でありX−Y平面に対し
て角度MAが0である。このように、基準座標BCOを
指定するために、これら基準原点BPの成分を基準座標
BCOとして図3に示す入力部53から入力する。即
ち、図6の(a)に示す基準条件BCTにおいて、基準
座標BCO中の「X」の桁にはX成分のデータBD1と
して「X0」を、「Y」の桁にはY成分のデータBD2
として「Y0」を、「Z」の桁にはZ成分のデータBD
3として「Z0」を、「MB」の桁にはY軸回りの角度
成分のデータBD4として「B0」を、「MA」の桁に
はX軸回りの角度成分のデータBD5として「0」を、
図3に示す入力部53を介して入力し、バッファメモリ
58に格納する。
【0014】次に、基準座標BCOを指定したら、該指
定した基準座標BCOに対するワークの各加工面のワー
ク座標を定義する。即ち、面定義座標PCOは、図5の
(a)に示すように、ワーク30の各加工面を面、
、、、、とした場合、これら各面の左下の点
(図中黒塗四角部分で示す。)を仮に該各加工面のワー
ク原点W1、W2、W3、W4、W5、W6とする。そ
して、これら各加工面のワーク原点は、図4に示す前記
基準座標BCOのWX、WY、WZ成分で定義する。ま
た、角度WBは、WX軸に対するWY軸を中心に時計回
りを正とする角度とし、各加工面の面〜のテーブル
35のワーク搭載面35aを形成するXZ平面に垂直な
WY軸回りのWX軸に対する角度を示す。また、角度W
Aは、WY軸に対するWX軸回りの符号を考えない角度
とし、各加工面の面〜がテーブル35のワーク搭載
面35aの形成するXZ平面と成す角度を示す。例え
ば、図4に示すワーク30の一例において、該ワーク3
0が図5の(b)に示すような寸法であるときに、ま
ず、加工面の面のワーク原点W1は、WX成分が−1
50、WY成分が0、WZ成分が0、WX軸を基準とし
たWY軸回りの角度成分WBが0、WY軸を基準とした
WX軸回りの角度成分WAが0である。同様にして、加
工面の面のワーク原点W2は、WX成分が0、WY成
分が0、WZ成分が−200、WY軸回りの角度成分W
Bが180、WX軸回りの角度成分WAが0である。更
に、加工面の面のワーク原点W3は、WX成分が0、
WY成分が0、WZ成分が0、WY軸回りの角度成分W
Bが−90、WX軸回りの角度成分WAが0である。更
に、加工面の面のワーク原点W4は、WX成分が−1
50、WY成分が0、WZ成分が−200、WY軸回り
の角度成分WBが90、WX軸回りの角度成分WAが0
である。更に、加工面の面のワーク原点W5は、WX
成分が0、WY成分が100、WZ成分が0、WY軸回
りの角度成分WBが−90(上面は、便宜上−90と
入力する)、WX軸回りの角度成分WAが90である。
更に、加工面の面のワーク原点W6は、WX成分が
0、WY成分が30、WZ成分が−200、WY軸回り
の角度成分WBが180、WX軸回りの角度成分WAが
45である。このように、これら加工面のワーク原点W
1、W2、W3、W4、W5、W6を指定するために、
これら加工面のワーク原点の成分を面定義ユニットPD
Uの面定義座標PCOとして入力部53から入力する。
即ち、図6の(b)に示す面定義条件PDTにおいて、
一例として、面の場合は、面定義座標PCO中の
「面」の桁には指定した加工面のデータPNOとして
「1」を、「WX」の桁にはWX成分のデータPD1と
して「150」を、「WY」の桁にはWY成分のデータ
PD2として「0」を、「WZ」の桁にはWZ成分のデ
ータPD3として「0」を、「WB」の桁にはWY軸回
りの角度成分のデータPD4として「0」を、「WA」
の桁にはWX軸回りの角度成分のデータPD5として
「0」を、面のデータ列PS1として図3に示す入力
部53を介して入力し、加工プログラムメモリ55に格
納する。以降、ワーク30の加工面の面〜について
も同様に入力し、最終的に、図6の(b)に示す面定義
条件PDTを完成させ、加工プログラムメモリ55に格
納する。
【0015】次に、図3に示す入力部53を介して、主
制御部51に対して加工開始を指令する。すると、主制
御部51は、加工制御部56に対して加工を行なうよう
に指令し、該指令を受けた加工制御部56は、加工プロ
グラムメモリ55から加工プログラムを読み出し、ワー
ク30の加工を行なう。該加工プログラムは、図3に示
す加工制御装置50の座標変換解析制御部60が、入力
部53より入力された面定義条件PDTがローディング
されており、また、加工すべきワーク30の各加工面の
面〜に対して面定義条件PDT中の面定義座標PC
Oに入力された面の数に応じて、ワーク30の各加工面
の加工指示する面〜に対応した加工ブロックが順次
形成されており、更に、各加工ブロックには、ワーク3
0の各加工面の面〜の加工データが各加工面のワー
ク原点を基準に記述されている。ここで、特に本発明に
おいて特徴的であるワーク30の斜面を加工する場合に
ついて説明する。この際、例えば、図4に示すように、
ワーク30の斜面である面は、X、Y、Z軸の3軸に
対してそれぞれ所定角度だけ傾いているので、工具31
を面の傾きに応じてX、Y、Z軸に対して所定角度だ
け傾けて加工する必要がある。そこで、まず最初に、図
2に示すヘッド19を工具31を装着したスピンドル2
2と共に旋回中心CT3を中心として矢印G、H方向に
任意角度θだけ旋回させた場合の、該角度θとスピンド
ル22(従って工具31)のX、Y、Z軸に対する角度
θx、θy、θzとの関係について説明する。
【0016】即ち、図7に示すように、対称点P1を
X、Y、Z座標軸の原点0とし、旋回中心CT3(α
軸)に対して直角でY軸及びZ軸に接する半径1の円
(以下、単位円UCと称する。)を考える。そして、単
位円UCがY軸及びZ軸に接する点をそれぞれA、Bと
する。ここで、スピンドル22(即ち、ヘッド19)
を、その回転中心CT5をZ軸上に位置決めした状態か
ら矢印G方向に角度θだけ旋回させて、図中一点鎖線で
示す位置に位置決めする。すると、スピンドル22の回
転中心CT5も、矢印G方向に角度θだけ旋回して、単
位円UCの円周に沿って点Bから点Dまで移動する。こ
の際、図8に示すように、点DからXZ平面及びYZ平
面に下ろした垂線の足をそれぞれG、E、また足G
よりZ軸に下ろした垂線の足をFとすれば、 θ=∠BCD、θx=∠DFG FG=DE、DG=EF=FB であるので、 tanθx=DG/FG=EF/DE
【数1】tanθx=EF/DE となる。ここで、図7に示す点Dより直線ABに垂線を
下ろし、その足をEとすると、CD=1であるので、
【数2】DE=CDsinθ=sinθ となる。また、図7に示す三角形BEFにおいて、 FB=EF=EBsin45° =(BC−CDcosθ)sin45゜
【数3】EF=(1−cosθ)/√2 となる。従って、数2、数3を数1に代入すると、 tanθx=EF/DE =(1−cosθ)/(√2・sinθ) となる。従って、
【数4】 θx=arctan[(1−cosθ)/(√2・sinθ)] を得る。 また、角度θyは、図8に示す三角形ODGより、 sinθy=DG/OD θy=arcsin(DG/OD) ここで、DG=EF、EF=(1−cosθ)/√2
であるから、 DG=(1−cosθ)/√2 となる。また、∠CDO=∠CBOであるので、∠CB
O=45°より、 ∠CDO=45° となる。また、三角形ODCにおいて、CD=1、∠C
DO=45°より、 OD=CDtan∠CDO =tan45°=√2 となる。従って、 θy=arcsin(DG/OD) =arcsin(((1−cosθ)/√2)/√2)
【数5】 θy=arcsin((1−cosθ)/2) を得る。更に、角度θzは、図8に示す三角形FOG
より、 tanθz=FG/OF=DE/OF ここで、図8に示す三角形EOFより、 OF=(1+cosθ)/√2 上式より、 tanθz=sinθ/[(1+cosθ)/√2] =√2sinθ/(1+cosθ) 従って、
【数6】 θz=arctan[√2・sinθ/(1+cosθ)] となる。
【0017】従って、上述した角度θと角度θx、θ
y、θzとの関係に基づき、図8に示す原点Oより図中
左方に所定距離だけ突出した工具31の刃先31aの、
ワーク30に対する位置を正確に求められる。ここで、
角度θyは、ヘッド19を工具31を装着したスピンド
ル22と共に旋回中心CT3を中心として矢印G、H方
向に任意角度θだけ旋回させた場合の工具31のテーブ
ル35のワーク搭載面35aが形成するXZ平面に対す
るX軸回りの傾きであると共に、ワーク30の当該工具
31により加工されるべき当該工具31に垂直に直交す
る加工すべき斜面の傾き角度WAでもある。そこで、ワ
ーク30の斜面の傾きを工具31の傾きと見做せば、数
5より、該ワーク30の斜面の傾き角度WAに相当する
角度θyについてヘッド19を旋回させるべきヘッド旋
回量TA2に相当する角度θを求めることができる。即
ち、数5より、 sinθy=(1−cosθ)/2 cosθ=1−2sinθy
【数7】θ=arccos(1−2sinθy) を得る。一方、角度θzは、ヘッド19を工具31を装
着したスピンドル22と共に旋回中心CT3を中心とし
て矢印G、H方向に任意角度θだけ旋回させた場合の工
具31のZ軸に対するテーブル35のワーク搭載面35
aが形成するXZ平面に垂直なY軸回りの傾きであると
共に、加工に際して、工具と加工面の垂直状態を維持す
るために、工具がθzだけ回転したことを補償するため
のテーブル35の基準原点BPからの回転量でもある。
そこで、先に求めた角度θより、該ワーク30の斜面の
傾きに対応してテーブル35を基準原点BPから旋回さ
せるべきテーブル旋回補正量TA1に相当する角度θz
を角度θyについて求めることができる。即ち、先に求
めたθを数6に代入して、
【数8】 θz=arctan[√2・sin(arccos(1−2sinθy)) /(1+cos(arccos(1−2sinθy)))] を得る。従って、ワーク30の斜面を加工する際は、角
度θyに相当するワーク30の斜面の傾き角度WAさえ
分かれば、該角度θyよりヘッド19を旋回させるべき
ヘッド旋回量TA2に相当する角度θ及びテーブル35
の基準原点BPから旋回させるべきテーブル旋回補正量
TA1に相当する角度θz算出して、該ワーク30の斜
面に対する工具31の位置決めを行なうことができる。
即ち、本発明においては、図3に示す加工制御装置50
の座標変換解析制御部60が、入力部53より入力され
た面定義座標PCOがローディングされた加工プログラ
ム中のワーク30の斜面の傾き角度WAのデータを基
に、数7及び数8よりヘッド19のヘッド旋回量TA2
に相当する角度θ及びテーブル35のテーブル旋回補正
量TA1に相当する角度θzを算出する。すると、図3
に示す加工制御部56が、該算出値を基に軸制御部57
に所定の角度を取るように指令する。
【0018】以上のように、ワーク30の斜面の傾き角
度WAに相当する角度θy、ヘッド19のヘッド旋回量
TA2に相当する角度θ及びテーブル35のテーブル旋
回補正量TA1に相当する角度θzは関係付けられるの
で、主制御部51の指令を受けた加工制御部56は、座
標変換指令を認識すると、該座標変換指令に基づき図3
に示す座標変換解析制御部60に対して、変換後の座標
に工具31が適応可能なようにテーブル35及びヘッド
19の旋回量を算出すると共に、ワーク座標系(WX、
WY、WZ座標)を機械座標系(X、Y、Z座標)に変
換するように指令する。指令を受けた図3に示す座標変
換解析制御部60は、前述したワーク座標と機械座標と
の関係から、該加工プログラム中にローディングされた
ワーク30の各加工面の面〜に対応した面定義座標
PCOのデータPD4、PD5及びバッファメモリ58
に格納された基準座標BCOのデータBD4に基づき、
ワーク30の各加工面の面〜に対応したテーブル3
5及びヘッド19の旋回量の算出を行なう。また、ワー
ク30の各加工面の面〜のWX、WY、WZ座標を
該加工プログラム中にローディングされたワーク30の
各加工面の面〜に対応した面定義座標PCOのデー
タPD1、PD2、PD3及びバッファメモリ58に格
納された基準座標BCOのデータBD1、BD2、BD
3からXYZ座標に変換する。
【0019】即ち、テーブル35の旋回量は、ワーク座
標と機械座標とのズレによるテーブル旋回基本量TBを
面定義座標PCOのデータPD4及び基準座標BCOの
データBD4から、TB=PD4+BD4とし、また、
ワーク30の加工面のテーブル35のワーク搭載面35
aに対する傾きによるテーブル旋回補正量TA1を面定
義座標PCOのデータPD5から、PD5=θyとして
数8より、TA1(=θz)が算出される。更に、ヘッ
ド19の旋回量は、ワーク30の加工面のテーブル35
のワーク搭載面35aに対する傾きによるヘッド旋回量
TA2を面定義座標PCOのデータPD5から、PD5
=θyとして数7より、TA2(=θ)を算出される。
このように、図3に示す座標変換解析制御部60がテー
ブル35及びヘッド19の旋回量TB、TA1、TA2
の算出等の解析を行なったら、座標変換解析制御部60
は、該解析結果を加工制御部56に出力し、該解析結果
を受けた加工制御部56は、軸制御部57に対して、各
駆動モータ69、40を所定量駆動するように指示す
る。すると、前記加工制御部56の指令を受けた軸制御
部57は、B軸駆動モータ69を駆動させて図1に示す
テーブル35をテーブル旋回基本量TB(=PD4+B
D4)及びテーブル旋回補正量TA1(=θz)だけP
方向に旋回させて工具と加工面を対向させると共に、α
軸駆動モータ40を駆動させて図1に示すヘッド19を
ヘッド旋回量TA2(=θ)だけG方向に旋回させスピ
ンドル22の回転中心CT5、従って工具を当該加工面
に対して垂直に位置決めする。
【0020】更に、面定義座標PCOのデータPD1、
PD2、PD3及びバッファメモリ58に格納された基
準座標BCOのデータBD1、BD2、BD3からワー
ク座標系(WX、WY、WZ座標)を機械座標系(X、
Y、Z座標)への変換を図3に示す座標変換解析制御部
60で実行し、演算結果を加工制御部56に出力するこ
とにより、該解析結果を受けた加工制御部56は、軸制
御部57に対して、各駆動モータ65、66、67を所
定量駆動するように指示する。すると、前記加工制御部
56の指令を受けた軸制御部57は、前記加工制御部5
6の指令に基づいて各駆動モータ65、66、67を所
定量駆動させる。即ち、X軸駆動モータ65を駆動させ
て図1に示すベ−ス5をD1だけX軸方向に移動させ、
Y軸駆動モータ66を駆動させて図1に示す主軸台9を
D2だけY軸方向に移動させ、Z軸駆動モータ67を駆
動させて図1に示すコラム6をD3だけZ軸方向に移動
させ工具の刃先を加工すべき加工面のワーク原点に一致
させる。
【0021】以上により、工具31の刃先31aがワー
ク30の加工面に垂直に対向する形で、工具31を加工
開始位置(ワーク原点)に位置決めできるので、以降、
加工指令等に基づき加工制御部56が、軸制御部57等
に対して指示することにより、スピンドル22を駆動
し、工具と共に矢印J又はK方向に回転させる。そし
て、主軸台9を、矢印E、F方向に適宜移動させたり、
ベース5、コラム6を移動駆動させることにより、工具
31によって、ワーク30が加工される。従って、作業
者は、ワークの斜面の加工面を加工する場合、該加工面
の傾きに応じてヘッドの回転角度とテーブルの回転角度
を求める必要が無く、ワークの斜面の加工面の傾き角度
を入力するだけで、該加工面の傾きに応じてヘッド及び
テーブルは回転し位置決めされる。さらに、ワークを斜
め加工するときの工具刃先位置をどのように補正するか
について説明する。工具長補正を行うときには、加工制
御装置50のバス52に工具長メモリ61,工具長分配
演算部62を付加する(図3)。これらは主制御部51
によって処理される。はじめに工具計測ユニット81で
工具長を測定しこれを工具長メモリ61に記憶してお
く。工具計測ユニット81は在来型のものであり、テー
ブル5とコラム6の間に格納されている。計測時には扉
が開いて計測台81aが突出する。ヘッド端面に装着さ
れた工具をZ軸方向に向いた状態のままにしておいて、
ヘッドストックをY軸方向に移動しさらにコラム6をZ
軸方向に移動して計測台81aの測定面に工具刃先を接
触させることによりそのZ軸の長さつまり工具長lが測
定される(図9)。計測された工具長lは主制御部51
によって工具長メモリ61に記憶される。主制御部51
はヘッド19が旋回する都度、加工プログラム中で指示
されたISO/EIAコードのG43に従って工具長l
から工具長分配演算部62を用いてX,Y,Zの直交座
標の分配量を演算するのであるが、このときの分配量演
算手順を以下に示す。工具長分配演算部62は、図10
に示す手順で座標変換解析制御部で得られた第1旋回角
度θy,第2旋回角度θzを用いてlx,ly,lzを
次式のように算出する。
【数9】lx=l・cosθy・sinθz ly=l・sinθy lz=l・cosθy・cosθz これにより刃先位置がヘッド19の旋回によって変化し
てもその変化量を自動演算することができる。つぎに、
実際の斜め加工例(図11)とその加工プログラムを図
12に示す。斜面に穴加工および真円加工したものであ
る。この加工プログラムにおいて、主制御部51はヘッ
ド19及びテーブル35の制御を連動する(N00
7)。コードG68を2度実行すると、ワーク座標系か
らY軸を中心に−74.457度回転しX軸を中心に6
0度回転してプログラム座標系を設定し、このときのヘ
ッド旋回角θからθy,θzが決定される。つぎにコー
ドG43を実行してθy,θzから前述した工具長の分
配量lx,ly,lzが演算される。工具長の分配量l
x,ly,lzはワーク座標系で刃先位置補正され、斜
面加工であることを意識することなく、プログラム座標
系で加工プログラム〜は処理される。このように、
斜面加工であっても、通常の平面加工の加工プログラム
部分をそのまま利用して加工することができ、さらに工
具交換してもコードG43の実行によって通常の工具長
計測と同じように刃先位置の変化を自動的に補正でき
る。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ベッド2等のフレームを有し、前記フレームに、ヘッド
支持部10等のヘッド支持手段を設け、前記ヘッド支持
手段に、ヘッド19を水平面に対して45度の角度を持
つ旋回中心CT3等の第1旋回軸を中心として旋回自在
に設けると共に、ヘッドを旋回駆動するためのα軸駆動
モータ40等のヘッド旋回駆動手段を設け、前記ヘッド
に、工具が着脱自在に設けられたスピンドル22等の工
具主軸を前記第1旋回軸と45度の角度を持って形成さ
れた回転中心CT5等の工具回転軸を中心として回転駆
動自在に設け、また、前記フレームに、テーブル35を
水平面内で該水平面に対して垂直な回転中心CT1等の
第2旋回軸を中心として旋回自在に設けると共に、テー
ブルを旋回駆動するためのB軸駆動モータ69等のテー
ブル旋回駆動手段を設けて構成される5軸制御加工機に
おいて、ワークの加工すべき加工面の前記水平面に対す
る角度MA、WA等の傾斜角度と前記水平面に垂直な軸
を中心とした角度MB、WB等の回転角度を定義した基
準条件BCT、面定義条件PDT等の加工面角度情報を
格納したバッファメモリ58、メモリ55等のメモリ手
段を設け、前記傾斜角度から前記第1旋回軸を中心とし
た前記ヘッドのヘッド旋回量TA2等の第1旋回角度を
演算する座標変換解析制御部60等のヘッド旋回角度演
算手段を設け、前記傾斜角度及び前記回転角度から前記
第2旋回軸を中心とした前記テーブルのテーブル旋回基
本量TB及びテーブル旋回補正量TA1等の第2旋回角
度を演算する座標変換解析制御部60等のテーブル旋回
角度演算手段を設け、前記ヘッド旋回角度演算手段で求
められた第1旋回角度と前記テーブル旋回角度演算手段
で求められた第2旋回角度から、前記工具回転軸が前記
ワークの加工すべき加工面に対して垂直となるように前
記ヘッド旋回駆動手段と前記テーブル旋回駆動手段を制
御する加工制御部56、軸制御部57等の駆動制御手段
を設けて構成される。
【0023】以上のように構成されるので、上記した構
成により、本発明は、ヘッド旋回角度演算手段が、傾斜
角度から第1旋回角度を求めることにより、駆動制御手
段が該第1旋回角度に基づきヘッド旋回駆動手段を制御
すると共に、テーブル旋回角度演算手段が、傾斜角度及
び回転角度から第2旋回角度を求めることにより、駆動
制御手段が該第2旋回角度に基づきテーブル旋回駆動手
段を制御して、工具が加工すべきワークの加工面に対し
て垂直になるように位置決めするので、作業者は、ワー
クの斜面の加工面を加工する場合、該加工面の傾きに応
じた傾斜角度及び回転角度を入力するだけで、該加工面
の傾きに応じて工具が該加工面に対して垂直となるよう
にヘッド及びテーブルは回転し位置決めされる。このよ
うに、斜面加工であっても、通常の平面加工の加工プロ
グラムをそのまま利用して加工することができ、さらに
工具交換を行っても通常の工具長計測と同じように刃先
位置の変化を自動的に補正できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による5軸制御加工機の一実施
例を示す斜視図である。
【図2】図2は、図1に示す5軸制御加工機の主軸台の
要部の一例を示す断面図である。
【図3】図3は、図1に示す5軸制御加工機に装着され
た加工制御装置の制御ブロックの一例を示す図である。
【図4】図4は、座標の定義の一例を示す図である。
【図5】図5は、図4に示したワークの座標データの一
例を示す図である。
【図6】図6は、図1に示す5軸制御加工機に対してワ
ークの各加工面の座標を定義した一例を示す図である。 (a)は、基準条件を示す図である。 (b)は、面定義条件を示す図である。
【図7】図7は、ヘッドに装着されたスピンドルとX、
Y、Z軸との間の角度を示す図である。
【図8】図8は、ヘッドに装着されたスピンドルとX、
Y、Z軸との間の角度を示す図である。
【図9】図9は工具長の測定を示す説明図である。
【図10】図10は工具長の分配量の算出を示す説明図
である。
【図11】図11は加工を模式的に示す説明図である。
【図12】図12は加工プログラムを示す説明図であ
る。
【符号の説明】
2……フレーム(ベッド) 10……ヘッド支持手段(ヘッド支持部) 19……ヘッド 22……工具主軸(スピンドル) 35……テーブル 40……ヘッド旋回駆動手段(α軸駆動モータ) 55……メモリ手段(加工プログラムメモリ) 56……駆動制御手段(加工制御部) 57……駆動制御手段(軸制御部) 60……ヘッド旋回角度演算手段(座標変換解析制御
部) 60……テーブル旋回角度演算手段(座標変換解析制御
部) 69……テーブル旋回駆動手段(B軸駆動モータ) MA……傾斜角度(角度) MB……回転角度(角度) WA……傾斜角度(角度) WB……回転角度(角度) BCT……加工面角度情報(基準条件) PDT……加工面角度情報(面定義条件) TA1……第2旋回角度(テーブル旋回補正量) TA2……第1旋回角度(ヘッド旋回量) TB……第2旋回角度(テーブル旋回基本量) CT1……第2旋回軸(回転中心) CT3……第1旋回軸(旋回中心) CT5……工具回転軸(回転中心)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−3751(JP,A) 特開 平2−116437(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23Q 15/00 G05B 19/404

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フレームを有し、前記フレームに、ヘッ
    ド支持手段を設け、前記ヘッド支持手段に、ヘッドを水
    平面に対して45度の角度を持つ第1旋回軸を中心とし
    て旋回自在に設けると共に、ヘッドを旋回駆動するため
    のヘッド旋回駆動手段を設け、前記ヘッドに、工具が着
    脱自在に設けられた工具主軸を前記第1旋回軸と45度
    の角度を持って形成された工具回転軸を中心として回転
    駆動自在に設け、また、前記フレームに、テーブルを水
    平面内で該水平面に対して垂直な第2旋回軸を中心とし
    て旋回自在に設けると共に、テーブルを旋回駆動するた
    めのテーブル旋回駆動手段を設け、ワークの加工すべき
    加工面の前記水平面に対する傾斜角度と前記水平面に垂
    直な軸を中心とした回転角度を定義した加工面角度情報
    を格納したメモリ手段を設け、前記傾斜角度から前記第
    1旋回軸を中心とした前記ヘッドの第1旋回角度を演算
    するヘッド旋回角度演算手段を設け、前記傾斜角度及び
    前記回転角度から前記第2旋回軸を中心とした前記テー
    ブルの第2旋回角度を演算するテーブル旋回角度演算手
    段を設け、前記ヘッド旋回角度演算手段で求められた第
    1旋回角度と前記テーブル旋回角度演算手段で求められ
    た第2旋回角度から、前記工具回転軸が前記ワークの加
    工すべき加工面に対して垂直となるように前記ヘッド旋
    回駆動手段と前記テーブル旋回駆動手段を制御する駆動
    制御手段を設けて構成した5軸制御加工機において、工
    具長計測手段を設け、該計測された工具長から前記第1
    旋回角度および前記第2旋回角度に基づいて直交座標毎
    に分配量を算出する工具長分配演算手段を設け、前記分
    配量を用いて工具刃先位置を補正することを特徴とする
    5軸制御加工機における工具長補正装置。
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