JP3398458B2 - スタイラス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、倣い加工やディジタイ
ジングにおいてモデルの輪郭倣いを行う倣い装置のスタ
イラスの構造に関するものであり、特に、金型加工等に
おける凸形球面や深穴中に張り出した円環状の棚面領域
等の倣い加工において、対応の凸形モデルや深穴モデル
の輪郭倣い時に球面頂点領域やモデル棚面をも安定的に
倣うことによって所要の倣いデータを取得し、回転切削
工具による所望の切削加工を可能にするスタイラスの構
造に関する。 【０００２】 【従来の技術】倣い工作機械およびワークの立体形状モ
デルの倣いデータに基づいて数値加工データを取り込む
ことのできるディジタイジング機械等においては、倣い
ヘッドに装着したスタイラスにより例えば、金型加工に
おける金型モデルの立体形状や寸法の倣いが行われ、そ
の倣いデータに従って、倣い工作機械の切削加工が進捗
され、或いは数値加工データの取得が行われる。この種
の倣いヘッドには、特公昭５３−３９３５号公報に開示
されたスタイラスの三次元座標系の変位をＸ，Ｙ，Ｚ軸
方向の変位成分に分けて測定する変位測定手段を組み込
んだものが周知であるが、同公報に開示された倣いヘッ
ドは、スタイラスとして球形のものを用い、立体形状モ
デルとの接触によって同モデル表面に対して法線方向に
生じた変位をＸ，Ｙ，Ｚ軸の三軸方向の各変位成分に分
割して測定するものである。故に、この結果として得ら
れた変位データに従って、例えば、倣い工作機械の回転
切削工具に対して倣い加工動作を遂行せしめてモデルと
相似形のワーク加工形状を得るには、切削工具として球
形の切刃部を有した周知のボールエンドミルを用いなけ
ればならない。 【０００３】他方、近時は、例えば、成形金型等におい
ては、製品形状の複雑化に伴って金型形状も複雑な立体
形状や寸法を有するものが増加しており、この種の金型
の加工では、加工形状や寸法の複雑性に鑑みて倣い加工
法またはディジタイジングにより数値加工データを得
て、それによりＮＣ加工する方法が多用される。然しな
がら、このような複雑な立体形状を有した倣い加工で
は、全ての加工工程を通してボールエンドミルで加工す
ることは加工能率の点で不利となる場合が多々あり、特
に、荒加工段階では、ボールエンドミルよりも工具側面
の切刃部分と共に先端の平端面内に切刃部分を有したフ
ラットエンドミルやフェイスミルを用いて高速度でワー
クを予め所定寸法まで荒取り切削加工を遂行することが
好ましい。このような場合には、従来からフラットエン
ドミルやフェイスミル等の切削工具と組み合わせて円板
形状のスタイラスを倣いヘッドに装着してモデルの倣い
を行う方法がとられていた。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】このような円板形状の
スタイラスを用いてモデルの倣いを遂行する場合には、
問題となる点がある。すなわち、凸型の球面形状や深穴
内の一部に突出した形状領域を有するモデルの輪郭倣い
を遂行する場合に、球面形状の頂部の略平坦面の領域や
深穴中に突出、形成された平坦な棚形面領域を円板スタ
イラスで輪郭全周に渡ってＸ，Ｙ軸平面と平行に倣い動
作するとき、スタイラスの平坦な接触検出面ではＺ軸方
向の変位成分しか検出できず、モデル表面を忠実に倣い
動作することができないために、その倣い動作が不安定
化し、浮遊動作をしてモデル表面から離反してしまう結
果となる。このようなモデル表面に対するスタイラスの
離反が発生すると、倣いを継続することが不可能となる
ため、倣い装置はアラーム状態となり、自動的に倣い動
作が中断されてしまうと言う問題がある。つまり、上述
のような凸形球面の頂部や深穴中の棚形面では倣い動作
が不安定化し、倣いデータの取得が困難になる不感帯域
が発生すると言う問題点を回避することができない。ま
た、倣い動作が行われないと、削り残しが発生する。 【０００５】このような倣いの不感帯域の発生を回避す
べく、つまり、モデルにおける倣い動作の不安定領域を
排除するために、従来は、倣い装置の倣いモードを輪郭
倣いから、例えばＸ軸方向に所定の送り量を繰り返しな
がらＹ軸方向に往復動作する等の所謂、表面往復倣いモ
ードに切換えて不感帯域の発生を回避する方法が採られ
ていた。 【０００６】然しながら、この表面往復倣いモードはモ
デルの表面形状をＸ−Ｚ平面やＹ−Ｚ平面に沿って倣う
倣いモードであり、切削工具の底面切刃を駆使して加工
を行う工具に適した倣い動作モードであって、底面切刃
での加工を想定していないフラットエンドミルやフェイ
スミルでは、切刃の破損等の原因になると言う欠点があ
る。 【０００７】また、荒加工の段階から円板形のスタイラ
スを排して球形スタイラスを使用するボールエンドミル
による加工では、荒加工をフラットエンドミルやフェイ
スミルで遂行することによって得られる高加工能率を犠
牲にすることになると言う問題点がある。依って、本発
明の目的は、モデルの輪郭倣いにおいて、基本的にはフ
ラットエンドミルやフェイスミルと協動させて用いる円
板形スタイラスによる倣い動作原理を踏襲しつつ、凸形
球面の頂部の略平坦面の領域や深穴中の棚面領域等の輪
郭倣いを安定して行わせることができ、削り残しの少
い、かつ構造簡単なスタイラスを提供するものである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的に
鑑みて、モデルの略平坦面の領域と円板形スタイラスの
平らな倣い面との接触による輪郭倣い過程において、円
板形スタイラスではモデル表面の略平坦面の領域内を忠
実に倣い動作することができず、ひいては、倣いの不感
帯域の発生の原因になることを突き止め、円板形スタイ
ラスの底面領域に適度の突出形状を付与することを想起
し、かつ、そのような突出形状としては比較的大きなテ
ーパ角度を有した円錐面またはそれに近似した突出面が
適正であることを実験的に見出し、所定のテーパ角度を
有した錐面を底面に備えたスタイラスを構成して上記の
問題点の解決を図ったものである。 【０００９】すなわち、フェイスミル等の平面加工用の
回転切削工具と協動してモデルの輪郭倣いを遂行する倣
い装置のスタイラスにおいて、前記スタイラスは、前記
回転切削工具に対応する円筒面を備え、その先端面を前
記スタイラスの軸心の先端に頂点を有し、１５０〜１７
６度のテーパ角度の略錐状に形成したスタイラス提供す
るものである。 【００１０】 【作用】上述のように所定テーパ角度の円錐面を有した
スタイラスによれば、例えば、凸形球面の頂部の略平坦
面部分においても、スタイラスの円錐面にてモデルと接
触することで安定した倣い動作することが可能となり、
頂部の極めて狭小な領域だけが、倣い動作の不感帯域と
して残存するにすぎない。従って、フラットエンドミル
やフェイスミルの工具側面と平端面内の切刃がスタイラ
ス側の倣い動作に追従して荒加工等を高加工能率の下で
かつ削り残しを極力少くして達成することが可能となる
のである。 【００１１】 【実施例】以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づ
いて、更に詳細に説明する。なお、図面において、図１
は本発明の実施例に係るスタイラスによって凸形球面の
モデルにおける頂部の略平坦面領域を倣う一状態を示す
部分正面図、図２は倣い工作機械によって本発明の図１
に示したスタイラスと協動してフラットエンドミルによ
りモデルと相似形のワークを荒加工する場合の状態を示
した正面図、図３は、同じく本発明の実施例に係るスタ
イラスが凸形モデル上の一点に接触している状態と、そ
れに対応して倣い工作機械のフラットエンドミルによる
切削過程でワークを切削加工している一状態を示した部
分断面図、図４は、図３のスタイラスおよびフラットエ
ンドミルの他の状態を示した部分断面図、図５は、深穴
中に突出した棚面部分を本発明に係るスタイラスで倣い
動作する場合と従来の円板スタイラスで倣い動作する場
合との差異を簡略に説明した断面図、図６は、本発明に
係るスタイラスの変形例を説明する部分断面図、図７
は、従来の円板スタイラスで凸形球面モデルの倣い動作
を行う場合の状態を示した正面図、図８は、図７の円板
スタイラスと協動してフラットエンドミルによってワー
クの凸形球面を形成した場合の加工状態を示す断面図で
ある。 【００１２】ここで、図７および図８に示す従来の円板
形スタイラスと、このスタイラスと協動してフラットエ
ンドミルによりワークに対応の凸形球面を荒加工する場
合の状態を示し、図７においては、球形モデルの頂部付
近を円板スタイラス１（直径がＤ）によって輪郭倣いす
るとき、同スタイラス１が、モデルＭの表面形状をＸ，
Ｙ軸座標系における両軸方向の移動によって輪郭倣い動
作する場合の限界位置に達した状態を示したものであ
る。 【００１３】このとき、円板形スタイラス１の底面側の
エッジ１ａでモデルＭの表面に接触して同モデルＭ上の
点Ｐから上方側の略平面状態に近いモデル表面領域で
は、スタイラス１は、Ｚ軸方向の変位成分しか検出でき
ず、輪郭倣い動作の制限情報となるＸ，Ｙ軸方向の変位
成分がないため、倣い動作が不安定となりモデル表面の
各点をＸ，Ｙ，Ｚ軸三次元座標系内の固有の点として識
別、測定することが不可能になる。つまり、点Ｐより上
方の略平面領域は円板形スタイラス１が実線および点線
で示すように、輪郭倣い動作する過程では倣い動作によ
り追従し得ない不感帯領域となっている。従って、この
ような略平面領域（モデルＭの中心点Ｏから見て角度α
に含まれる頂部領域φＡに相当する）ではスタイラス１
はモデル面を倣い動作することができずに接触したり離
れたりする不安定なふらふら状態で動作することにな
る。この結果、円板形スタイラス１が装着された倣い工
作機械の倣い動作機構部では、このような不安定なスタ
イラス動作をアラーム状態として検知し、倣い動作を自
動的に中止する。そして、このような状態を円板スタイ
ラス１の中心線１ｂに就いて考察すると、図７の図示か
ら明らかなように、距離Ｓ（φＡ＋φＤ）を直径とした
円形領域内では倣い動作が不安定化することになる。 【００１４】この結果、倣い工作機械の主軸（図示な
し）に装着されたフラットエンドミル２では、スタイラ
ス１の倣いデータに従って切刃２ａにより切削加工を遂
行すべくワークＷを加工代Ｔだけ切削加工する過程で
は、中心軸２ｂが矢印で示すような移動軌跡に沿った加
工動作で接近し得る位置は、円板スタイラス１の中心軸
１ｂに関する距離Ｓに対応した距離Ｓ１内の領域外にな
る。この結果、図８に図示のように、大きな削り残しＷ
１が残存する結果となる。このような大きな削り残しＷ
１が残存することは、荒加工工程でも許容することがで
きないのである。 【００１５】さて、図１を参照すると、本発明に係るス
タイラス１０によって凸形球面を有したモデルＭを倣い
動作する場合を示している。このスタイラス１０は、フ
ラットエンドミルやフェイスミル等の先端の平端面内に
切刃を有する平面加工用の回転切削工具と協動してワー
クＷの倣い加工を遂行する場合やフラットエンドミルや
フェイスミル等の回転切削工具を用いるＮＣ工作機械に
対して予めＮＣ加工データを作成するためにディジタイ
ジング装置によってモデルＭを倣い動作する場合に使用
されるものである。 【００１６】倣い工作機械とディジタイジング装置の両
者はスタイラス１０の倣い動作に関しては同じ動作機構
を有していることから、ここでは、倣い工作機械でワー
クＷをモデルＭに基づいて倣い加工する場合に就いて説
明する。さて、本発明に係るスタイラス１０はフラット
エンドミルやフェイスミルと協動して倣い加工を遂行す
るため、実質的には、これらの切削工具と相似した外形
々状を有する必要があり、故に、基本的には、円板形ス
タイラスの形状を踏襲した構造を有するが、従来の円板
形スタイラスに対比したとき、大きな構造上の差異とし
て下底面側に、例えば、所定のテーパ角度βで下方に向
けて突出した円錐状の倣い動作面１２を備えたスタイラ
ス構造を有している。このような円錐状の倣い面１２を
有することによって、凸型の略球形々状を有したモデル
Ｍを輪郭倣い動作する場合でも、同円錐状倣い面１２が
モデルＭの表面に接触でき、球面の頂部に向けて倣い動
作領域を漸次に移動するとき、モデルＭの頂部の近傍で
は円錐状倣い面１２の先端点１２ａが略平坦面領域（半
径ＲのモデルＭの中心に対して既述の図７の場合と同様
に中心角α度の範囲に包含される半径Ｒｓｉｎα／２の
球面頂部の円形の略平坦領域）における境界位置Ｐ１に
接触し、このとき、同スタイラス１０の中心線１０ａも
境界位置Ｐ１に到達しているから、スタイラス１０の中
心線１０ａが、図７の従来の場合と比較して容易に理解
できるように、凸形球面を有したモデルＭの頂点位置に
接近している。 【００１７】つまり、スタイラス１０が倣い動作の過程
でモデルＭの表面に対して不安定動作し、同表面の各位
置を識別することができない不感帯領域は、単に、境界
位置Ｐ１を境界線としたモデル頂部の領域Ｓ２だけであ
る。従って、図２に示すように、このようなスタイラス
１０と協動してモデルＭの倣いデータに従ってフラット
エンドミルまたはフェイスミル２０がワークＷに対して
荒加工した場合には、エンドミル２０の中心線２０ｂが
モデルＭの頂点に接近したスタイラス１０の中心線１０
ａに対応して球面加工されるワークＷの頂点近傍まで接
近することが可能となり、この結果、エンドミル２０の
外周囲と平らな底面に設けられた切刃２０ａによりワー
クＷは、加工代Ｔに渡って荒加工される。しかも、この
とき、エンドミル２０の工具中心線（回転中心）がスタ
イラス１０の中心線１０ａと同様にワークＷの頂部近傍
位置に達するまで、倣い切削加工を遂行できるから、エ
ンドミル２０が切削加工を遂行できない範囲Ｓ３に応じ
て発生する切削残りＷ２は極めて微小量となり、フラッ
トエンドミルやフェイスミル２０を用いて荒加工により
ワークの不用部分を予め迅速に切除すると言う加工々程
における所期目的を十分に達成することができるのであ
る。 【００１８】なお、スタイラス１０の円錐状倣い面１２
の形状は、倣いデータに従って切削加工作用を遂行する
フラットエンドミルまたはフェイスミル２０の先端の平
端切刃面と可及的に等しい形状であることが好ましく、
このため、円錐状倣い面１２のテーパ角度βは可及的に
平坦面に近いように大きな角度であることが必要とされ
る。つまり、テーパ角度βが小さいときには、フラット
エンドミルまたはフェイスミル２０の先端の切刃面も対
応したテーパ面であることが必要となるからである。 【００１９】このテーパ角度βは、フラットエンドミル
またはフェイスミル２０による削り残しを少くするため
には、工具と同じ平坦面に近い極力大きい角度が望まし
いが、スタイラスの円錐状倣い面１２における倣いの安
定性を確保するためには、ある一定範囲のテーパ角度が
必要となる。このため、実験的には、スタイラス１０の
円錐状倣い面１２のテーパ角度βは、１５０度から１７
６度の範囲にあることが必要であり、削り残しは１７６
度に近づく程少くなることが確認された。 【００２０】図３の（イ）に示した図は円錐状の倣い面
１２を有したスタイラス１０の外周端１２ｃが凸形球状
モデルＭの頂点に接近した略平坦部領域の境界位置Ｐ１
に到達しており、このときフラットエンドミルまたはフ
ェイスミル２０の切刃２０ａは同図３の（ロ）に示す位
置まで切削加工を進捗させていることを示している。ま
た、図４の（イ）はスタイラス１０が更にモデルＭの頂
部領域に輪郭倣い動作で接近した状態を示し、このと
き、円錐状倣い面１２の頂点位置１２ａがモデルＭの頂
部の略平坦領域における境界位置Ｐ１に到達している。
そして、このようなスタイラス１０の倣い動作に対応し
てフラットエンドミルまたはフェイスミル２０は、その
中心軸心２０ｂが凸形に加工されるワークＷの頂部に接
近して微小な削り残しＷ２を発生している状態を示して
いる。このような微小な削り残しＷ２が荒加工段階で残
存しても、その後の仕上げ加工々程で通常のボールエン
ドミルを用いて球状先端を有したスタイラスの往復倣い
動作に応じて加工を行うことにより、このような微小な
削り残しＷ２を完全に除去することが可能であることは
言うまでもない。 【００２１】なお、上述の実施例は凸形球状のモデルＭ
を円錐形倣い面を有したスタイラス１０が倣い動作し、
その倣いデータに従ってフラットエンドミルまたはフェ
イスミル２０がワークＷを切削加工する場合であるが、
金型加工等では、深穴形状の加工を輪郭倣い加工により
切削加工する場合もある。図５は、このような深穴形状
部をワークＷに輪郭倣い加工する場合に就いて、本発明
に係るスタイラス１０を用いることにより、従来の単純
な円板形スタイラス１を用いて輪郭倣い動作する場合よ
りも、倣い動作の安定性が高くなり、中断することなし
に倣い動作することができる点を説明しているものであ
る。 【００２２】すなわち、図５の左半分では深穴形状を有
したモデルＭの穴表面Ｍ１における内方に棚状に張り出
しすと共に環状に延設される表面領域Ｍ２を、本発明に
係る円錐状倣い面１２を有したスタイラス１０により倣
い動作している状態を示し、図５の右半分では、従来の
円板形スタイラス１が倣い動作している状態を示してい
る。 【００２３】同図５の左右を対比すれば明らかなよう
に、円錐形倣い面１２を有した本発明に係るスタイラス
１０によれば、同倣い面１２の頂点１２ａが倣い動作が
安定となる斜面形状を持つ表面領域Ｍ２の内端部でも接
触し得るから、このようなスタイラス１０を用いて穴表
面Ｍ１を穴上方域から穴内方に向けて徐々にＺ軸送り動
作させながら、Ｘ，Ｙ軸座標系で輪郭倣い動作させる
と、棚状の表面領域Ｍ２の略全領域に関して倣いデータ
の検出が可能となるのである。 【００２４】これに対比して従来の円板形スタイラス１
では、棚上の表面領域Ｍ２に関しては円板形スタイラス
１のエッジ１ａが倣い動作が不安定となる円環状の平坦
な棚形面領域に接触する位置から内方の表面領域Ｍ２に
関してはＺ軸方向の成分しか検出できず、輪郭倣い動作
の制御情報となるＸ，Ｙ軸成分がないため、不感帯域と
なる。依って、このような円板形スタイラス１と協動さ
せてフラットエンドミルやフェイスミルによりワーク
（図示なし）に倣い加工を遂行してもモデルＭの棚状に
張り出した環状の表面領域Ｍ２に忠実な倣い加工を実行
することは不可能で、ひいては倣い加工が中断してしま
う。 【００２５】なお、上述した実施例では、本発明に係る
スタイラス１０はテーパ角度βを有した円錐形の倣い面
１２として形成するものとして説明したが、図６の
（イ）や（ロ）に示すように、下向きに山形状に突出し
た倣い面１４又は部分球面形を有した倣い面１６として
も従来の円板形スタイラス１と対比して十分にスタイラ
スの倣い動作の不安定領域を減少させることができる。 【００２６】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、フラットエンドミルやフェイスミル等の工具
先端の平端面内や円筒外周面に切刃を有した平面加工用
の回転切削工具を用いてワークの荒加工々程を倣い加工
によって遂行する場合に協動して使用されるスタイラス
又は、ディジタイジング装置によりワークの荒加工段階
における倣いデータをモデルから測定、取得する場合に
使用されるスタイラスの構造を改善して円板形スタイラ
スの底面側に所定のテーパ角度を有した略錐状の倣い面
を具備させたことにより、凸形状の球面や深穴中に張り
出した棚状の環状表面の倣い動作時に、倣い動作の不安
定領域を十分に縮小化させることが可能となり、この結
果、上述したフラットエンドミルやフェイスミルを駆使
した荒加工を安定して遂行でき、かつ削り残しを微小に
することが可能となった。 【００２７】そして、このような微小な削り残しは、通
常のボールエンドミル工具と先端に球状部を有したスタ
イラスとの協動により、次工程の仕上げ加工等を行う段
階で簡単に除去することが可能となる。従って、本発明
に係る錐状の底部を有したスタイラスを利用することに
より、ワークの切削加工、特に、複雑な形状を有した金
型の切削加工等において、高能率の荒加工が遂行可能と
なった。 【００２８】更に、本発明に係るスタイラスの改良構造
は、スタイラス自体の製造を複雑にするような複雑な形
状を有するものではないので、安価なスタイラスであり
ながら、金属材料等の切削加工における加工能率を著し
く向上させ得る点で倣い工作機械およびディジタイジン
グ装置の機能向上に大きく寄与できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例に係るスタイラスによって凸形
球面のモデルにおける頂部略平坦面領域を倣う一状態を
示す部分正面図である。 【図２】倣い工作機械によって本発明の図１に示したス
タイラスと協動してフラットエンドミルによりモデルと
相似形のワークを荒加工する場合の状態を示した正面図
である。 【図３】同じく本発明の実施例に係るスタイラスが凸形
モデル上の一点に接触している状態と、それに対応して
倣い工作機械のフラットエンドミルによる切削過程でワ
ークを切削加工している一状態を示した部分断面図であ
る。 【図４】図３のスタイラスおよびフラットエンドミルの
他の状態を示した部分断面図である。 【図５】深穴中に突出した棚表面部分を本発明に係るス
タイラスで倣い動作する場合と従来の円板スタイラスで
倣い動作する場合との差異を簡略に説明した断面図であ
る。 【図６】本発明に係るスタイラスの変形例を説明する部
分断面図である。 【図７】従来の円板スタイラスで凸形球面モデルの倣い
動作を行う場合の状態を示した正面図である。 【図８】図７の円板スタイラスと協動してフラットエン
ドミルによってワークの凸形球面を形成した場合の加工
状態を示す断面図である。 【符号の説明】 １０…スタイラス １０ｂ…中心軸線 １２…円錐状の倣い面 ２０…フラットエンドミルまたはフェイスミル ２０ｂ…中心軸線 Ｍ…モデル Ｗ…ワーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 35/26 - 35/36 G01B 5/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 フェイスミル等の平面加工用の回転切削
   工具と協動してモデルの輪郭倣いを遂行する倣い装置の
   スタイラスにおいて、 前記スタイラスは、前記回転切削工具に対応する円筒面
   を備え、その先端面を前記スタイラスの軸心の先端に頂
   点を有し、１５０〜１７６度のテーパ角度の略錐状に形
   成したことを特徴とするスタイラス。