JPH01159156A - ５軸制御式ｎｃ工作機械のツール姿勢自動計算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、５軸制御式ＮＣ工作機械において、金型等
の複雑な形状の加工物を加工する際のＮＣプログラム作
成方法に関する。

（従来の技術） ・一般に、金型等は、３軸制御のＮＣ工作機械にボール
エンドミル等のツールを取付けて加工されることが多い
が、３軸制御機の場合、ツールの位置は数値制御装［（
以下ＮＣ装置という）によって移動制御されるが、ツー
ルの姿勢（向き）は制御されず、常に一定方向に向いて
いる。

ボールエンドミルは金型加工゛にはなくてはならないツ
ールであって、第９図に示すように、ツール１を軸心回
りに回転させながら、ツール１または加工物２を送り方
向Ｆ・（または−Ｆ）に移動して加工を行なうものであ
る。このボールエンドミル１による加工において、その
先端中心Ｃ点の切削速度はツール回転速度の大小に関係
なくゼロであり、ツール１を矢印Ｆに示す送り方向に送
ると、この中心点Ｃ付近では切削作用が行なわれないの
に送りのみがかかるので、異常な応力が発生し、発熱お
よびツール破損の原因となり易い。

このために、ツール形状、材質等の改良が行なわれたり
、あるいは送り方向を加工物の等高松の方向に限定する
謂ゆる等高線方式加工等の工夫が行なわれているが、い
ずれにせよ前記先端中心点Ｃに異常応力が発生するのを
避けることはできず、この事がボールエンドミ少材質の
超硬化および高送り（高能率）加工の障害になっている
というのが現状である。

このことを解決するための１つの方法は、ボールエンド
ミルの姿勢制御であり、一部の金型加工やインペラ翼面
加工等に実用されている。すなわち、第１０図に示す如
く、ツール１の軸心を送り方向Ｆに角度αだけ傾斜させ
る姿勢制御を行なうことにより、先端中心点Ｃを切削作
用から解放し、これによりツール破損のない、正常かつ
高能率の加工を可能にしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような加工を行なうためには、医械に５軸側′ａ機
能が要求されるが、この５軸側ａＮＣ工作機械のプログ
ラムには、加工物の形状データ（ツール位置データ）（
Ｘ、Ｖ、Ｚ）の他に、ツールの姿勢データ（θ、γ）が
必要であり、（０；仰角、γ：方位角）、これを細分化
された加工物の各ポイント毎にいちいち指定しなくては
いけないという煩雑さが大きな欠点となっている。

すなわち、５軸側ｍｔ機におけるＮＣプログラム作成手
順は第１１図に示すようになっている。

まず、加工物を走査し、適当な加工ポイントに細分化す
る。そして、これら細分化された加工ポイント毎に以下
のデータを順次作成する。

・ステップト・・加工物形状データ（ツール位置データ
）（ｘ、ｙ、ｚ＞を計算指定 する（人間による手作業） ・ステップ２・・・ツールの姿勢データ（θ、γ）を計
算指定する（人間による手作 業） ・ステップ３・・・計算したデータ（ｘ、ｙ、ｚ、ｏ。

γ）を用いて機械座標系（Ｘ、Ｙ。

Ｚ、Ａ、Ｂ）を求める（自動） ・ステップ４・・・計算したデータ（ｘ、ｙ、ｚ、）お
よびデータ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ。

Ｂ）から送り速度データ（Ｆ）を 計算指定する（人間による手作業） ・ステップ５・・・データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｆ）
で機械を運転し、加工を行なう。

以上が５軸制御機におけるプログラム作成手順であるが
、３軸制ｒａｔｔｙの場合は、姿勢データ（θ。

γ）を必要としないので、ステラ１２０手順が不要であ
り、またツール位置データ（ｘ、ｙ、ｚ）が機械座標系
データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に一致するので、ステップ３の手
順のみならずステップ４の手順も不要になる。なぜなら
ば、ＮＣ機械では、プログラムによって送り速度Ｆを一
度指定すると、その後に指定される機械の移動距離（例
えば送り軸移動量）の間は全てその指定速度で動くよう
になっているが、３軸機械の場合はプログラムでの軸移
動指定量と、ツールと加工物の相対移動距離（変位）と
が等しいので、送り速度を一度指定しておいて、各加工
ポイント毎に軸移動距離を次に指定するようにすれば、
所望形状がその送り速度によって加工されるからである
。

すなわち、３軸機械の場合には、ステップ１の手順から
直接ステップ５の手順に行くことができるわけであるが
、５軸機械の場合はステップ２゜３および４の手順が不
可欠であり、これが５軸■械の欠点となっている。

これらの手順のうち、ステップ３の手順はその計算論理
が比較的簡単であるので、すでに自動計算技術が確立さ
れているが、ステップ２およびステップ４の作業は計算
論理が複雑であることも手伝って各加工物毎に人間の手
計算で処理せざるを得ないのが現状であり、５軸制御機
の１つの欠点となっている。

この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、加
工物形状データ（ｘ、ｙ、ｚ）を用いた所定の計算論理
に従ってツール姿勢データ（θ。

γ）を自動的に計算することができる５軸制御式ＮＣ工
作機械のプログラム作成方法を提供しようとするもので
ある。

〔問題点を解決するための手段および作用］この発明で
は、加工物上のツール移動軌跡を複数の異なるポイント
によって複数の区間に細分化し、これら複数のポイント
の三次元座標（ｘ、ｙ。

２）を求めた後、各ポイントにおけるツールの方位角γ
および仰角Ｏを先に求めた当該ポイントおよび当該ポイ
ントの次のポイントの三次元座標データに基づく所定の
論理にしたがってそれぞれ自動的に計算するようにする
。

すなわち本発明では、例えば当該ポイントのツール方位
角をγ　、同仰角をθ。とすると、これら（θ　、γ。

）を当該ポイントの三次元座標デ−タ（ｘ　　、ｙｏ、
ｚ　　）および次のポイントのｎｎ 三次元座標データ（Ｘｎ＋１．ｙｏ＋１．ｚ　　）のｎ
＋１ みによって自動計算することにより、従来の手計算によ
る手間をなくすようにする。

例えば、（θ、γ）を決定する際には次のような決定論
理を用いるようにする。

・方位角γについては、各ポイントにおいてツールの軸
心のｘ−ｙ平面への射影がツール軌跡のＸ−ｙ平面への
射影に一致するように、別言すれば加工物を上から見る
とき、ツール軸心とツール軌跡が一致するように、ツー
ルの方位角γを決定するようにする。

・仰角θについては、各ポイントにおいてツールの軸心
がツール送り方向に垂直な方向に対してツール送り方向
側に適宜の角度、例えば１５°の傾きをもつように設定
することにより、ツールの先端中心を切削面から少し離
してやるようにする。

〔実施例〕

以下、この発明を添付図面に示す実施例にしたがって詳
細に説明する。

第２図は５軸側Ｗ機ＮＣ工作機械において、ツール１と
加工物２との相対的位置関係を示すものであり、ツール
１は軸心を中心に回転しながら送り方向Ｆに移動され、
これにより加工物２が所定の形状に加工される。加工物
２の形状データ、ツール位置データ（ｘ、ｙ、ｚ）とは
加工物２を走査して細分した各ポイントの三次元座標を
示すものである。

また、ツール１の姿勢データ（θ、γ）は、ツール１の
仰角θと方位角γで定義される。そして、この発明が問
題にしている事柄は、「各ポイントをツール１が通過す
るとき、ツール１は各ポイントにおいてどんな向き（θ
、γ）を向いているか」という事であり、本方法では、
プログラマが加工物形状データ（ｘ、ｙ、ｚ）を入力す
れば、所定の論理にしたがって自動的に（θ、γ）が計
算されるようにすることにより、従来の手作業による姿
勢データ（θ、γ）の指定を廃止する。

以下、本発明によるＮＣプログラム作成手順を第１図に
示す各工程毎に順を追って説明する。

（１）　　ステップト・・加工物形状データ（ツール位
置データ）（ｘ、ｙ、ｚ）の計算 第３図に示すように機械テーブル３上の加工物２を走査
し、ツール１の移動軌跡Ｇを複数のポイントＰ　　、Ｐ
　　、・・・・・・Ｐ　、Ｐｎ＋１・・・・・・２Ｍ１
２　　　　　ｎ （Ｐ　：出発点、ＰＮ：終点）に細分化する。この各ポ
イントＰ１〜ＰＮの位置データＰ１　（ｘｌ。

Ｖｌ　、　Ｚｌ　）、　Ｐ２　　（Ｘ２　、　Ｖ２　、
　Ｚ２　）−”・Ｐ　　（ｘ　　、ｙ、、ｚ　　）−−
−・−Ｐ　　（ｘＮ、ｙＮ。

ｎｎ　　　　　　　　　　ｎ　　　　　　　　Ｎ２Ｎ）
についての計算は従来どおり人間による手作業によって
行なう。

（２）　　ステップ２・・・（Ｘ、Ｖ、’；ｌ）を入力
計算した各ポイント毎のツール位置データ（ｘ　　、ｙ
　　、ｚ　　）、・・・・・・（ｘｏ、ｙ、。

ｚ　）、（ｘ　　＃ｙｏ＋１．２ｎ＋１）、・・・・・
・ｎ　　　　　　　　　　ｎ＋１ （ｘ　、ｙ　、ｚＮ）を計算機に入力する。このＮ 計算機としては５軸制御機に付属のＣＮＣ装置でもよい
が、計ロロの問題からは外の別置計算機としたほうがよ
い。

（３）　　ステップ３・・・姿勢データ（θ、γ）の自
動計算 このステップ３においては、上記入力されたツール位置
データ（Ｘ、Ｖ、Ｚ）に基づき姿勢データ（θ、γ）を
上記計算機によって自動的に計算する。このステップ３
での処理が本案の要部である。

（八）　方位角決定論理 まず方位角γについては、各ポイントにおいてツール１
の軸心のｘ−ｙ平面への射影がツール軌跡Ｇのｘ−ｙ平
面への射影に一致するように、別言すれば加工物を上か
ら見るとき、ツール軸心とツール軌跡が一致するように
、ツールの方位角γを決定するようにする。

（Ｂ）　　仰角決定論理 また仰角θについては、各ポイントにおいてツール１の
軸心がツール送り方向Ｆに垂直な方向に対してツール送
り方向Ｆ側に適宜の角度、例えば１５°の傾きをもつよ
うに設定することにより、ツールの先端中心を切削面か
ら少し離してやるようにする。

第４図は上記論理によって決定したツール１の姿勢をポ
イントＰ、Ｐ、Ｐ、ヤ１について示ｎ−Ｉ　　　　　ｎ すものであり、Ｇはツール１の予定軌跡を、Ｆはポイン
トＰ　−Ｐｎ＋１間でのツール送り方向を表わしでいる
。第４図の右上図は加工物を上から見た図であり、上記
決定論理（Ａ）にしたがいツール軸心とツール軌跡Ｇが
一致するようになっている。

この図において、 ΔＸ＝Ｘ　　　−Ｘ ｎｎ÷１０ Δｙｎ”ｙｎ＋１−ｙｎ であり、さらに三角形Ｐ。ＱａＰｏ＋１を考えると、線
分Ｐ。Ｐｎ＋１のｘ−ｙ平面への射影（ＰＰ）　　は、 ｎ　　　ｎ＋１　　　ＸＶ となる。

そして、この射影（ＰｎＰｏ＋１”）ｘｙとｙ軸とのな
す角をＥ　とすると、 Ｅ　＝ｓｉｎ−１（Δｘ１５＝了”＋（Ａｙ　了ｎ　　
　　　　ｎ　　　　ｎ　　　　　。　）・・・　（１）
ただし　ΔＸ　≧０のとぎ　　０≦Ｅｏ≦１８０゜Δｘ
　　＜Ｏのとき　−１８０’　＜Ｅ、＜Ｏとなる。

ｆｆ１４図の左下図は、縦軸に２軸をとり、横軸を上記
射影（ＰｏＰｎ＋１）ｘ、に平行な方向にとったもので
あり、上記決定論理（Ｂ）にしたがい、ツール軸心がツ
ール送り方向Ｆに垂直な方向から１５９ｆｊＡ斜するよ
うになっている。この図には、ポイントＰ　、Ｐｎ＋１
間のツールの実際の移動距離　Ｐ。Ｐｎ＋１ わされており、三角形Ｐｎ　Ｑｂ　Ｐｎ＋１を考えると
、−２軸に対するツール移動方向Ｆの角度り。は次のよ
、うになる。

ただし　Ａｙ　≦０のとき　　０≦Ｄｎ≦９０゜Ａｙ　
　＞Ｑのとき　　９０”　＜Ｄ。く１８０゜そして、ポ
イントＰ　についての方位角γ。、仰角θ　はこのよう
にして求めたＥ、Ｄ、を用ｎ い、下式のように決定する。

Ｏ≦Ｄ　≦１０５°のときには θ　＝（Ｄ　　＋７５°）−９０’″冨［）　　−１５
’″ｎ ・・・　（３） γ　。　−Ｅ　ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　・・・　　　　く　４　）
（γ　とＥ。　同一方向） １０５°≦Ｄｏ≦１８０°のときには θ　＝　（２７０°−Ｄｎ）−７５゜ ＝１９５°−り。　　　　　　・・・　（５）・・・　
　（６） γ　＝Ｅｎ＋１８０゜ （γ　とＥ。　逆方向） すなわち、計算機においては、各ポイントにおケルツー
　ル位置データＰ１　　（Ｘｌ　、　’＋’１−　Ｚｌ
　）−・・・・・・Ｐ　（ｘｏ、ｙｏ、ｚｏ）・・・・
・・ＰＭ（ＸＮ。

ｙＮ−Ｚ　Ｎ　）が入力されると、これら入力データを
用い前記（１）〜（６）式にしたがって各ポイントにお
ける姿勢データ（θ　、γ１）、（θ２゜γ　）・・・
・・・（θ　、ア　）・・・・・・（θ　、γ　）を２
　　　　　　ｎｎ　　　　　　ＮＮ 自動計算する。具体的には、当該ポイントＰ。の姿勢デ
ータθ　、γ　を求めるには、当該ポインｎ トの位置データ（ｘｏ、ｙｏ、ｚｏ）と次ポイントの位
置データ（ｘｏ＋１．ｙｏ＋１．ｚｏ＋１）を前記（１
）（２）式に代入することによりＤｎ、Ｅ、を求め、そ
の計算結果に応じて前記（３）〜（６）式にしたがって
θ　、γ　を決定する。

ｎ かかる自動計算方式によれば、常にツールが先に述べた
論理（＾）（Ｂ）にしたがって刻々にその姿勢を変えな
がら、所定のツール軌跡をたどって加工が進行するわけ
であるが、ツール先端中心は常に加工から解放されてお
り、異常な応力やツール破損が発生することはない。ま
た、ツール姿勢（θ。

γ）を決定する際には前記（１）〜（６）式に示される
ように、ステップ１で求めた加工物形状データ（ｘ、ｙ
、ｚ）のみを用いており、これ以外のデータを必要とは
しない。

（４）　　ステラ１４・−１１３械座ｍ　（Ｘ、Ｙ、Ｚ
、Ａ。

Ｂ）の自動計算 以上で、ツール１の位置および姿勢データ（Ｘ。

ｙ、ｚ、θ、γ）が求められたので、計算機は次にこれ
らデータ（ｘ、ｙ、ｚ、θ、γ）を用いてぼ械座標点（
Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、８）を自動計算する。この自動計算に
ついては従来より行なわれており、またその計算方法は
（θ、γ）の定義の仕方、使用する５軸制ＷＪｎ械の軸
配置構造、寸法により少しずつ異なる。

ここでは、−例として特開昭６１−７９５０８号公報に
基づく変換方法を第５図〜第８図にしたがって示す。

この場合はスイベル式の機械テーブル３を用いることに
する。

■　加工物座標値（ｘ、ｙ、ｚ、０．γ）から工具座標
系（１，Ｍ、Ｃ，θ、γ）への変換。

加工物座標値（ｘ、ｙ、ｚ）は直接には機械座標（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）へ変換しにくいので、第５図に示すように（ｘ
、ｙ）については方位角（γ）だけ回転した新しい座標
系の値（１，Ｍ）に変換し、Ｚ軸方向も原点をＯ′から
スイベル中心Ｏにしたけ移動して新しいＣの値を求める
。

１＝ｘｓｉｎγ−ｙｃｏｓｙ　　　　・・　　（７）Ｍ
＝ｘｃｏｓ　ｒ＋ｙｓｉｎ　ｒ　　　　−（８）−Ｃ＝
Ｌ−Ｚ　　　　　　　　　・・・　（９）すなわち、加
工物座標系データ（ｘ、ｙ、ｚ。

θ、γ）が与えられたら上記（７）　（８）（９）式に
基づく変換を行ない、以後の処理ではこの新しい工具座
標系（１，Ｍ、Ｃ，θ、γ）を用いるようにする。この
変換は機械座標系への変換を容易にするだけのものであ
り、必ずしも必要でない。

■　工具座標系（１，Ｍ、Ｃ，θ、γ）から機械座標（
Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ）への変換 前記特開昭６１−７９５０８Ｍ公報には、加工物の−ｙ
軸を■械の＋２軸方向に一致させて加工物を機械テーブ
ルに取付けた場合、方位角θの方向から仰角γにてツー
ルを加工物に接触させるための機械座標Ａ、Ｂの変位は
次のとおりであることが示されている。

Ａ＝ｃｏｓ　　　（１−２Ｓｉｎθ）　　　・　　（１
０）また、このときツールの位置を（ｈ、Ｊ　、Ｍ。

Ｎ）の位置に一致させるための、機械座標Ｘ、Ｙ。

Ｚの変位は次のとおりであることも同公報に示されてい
る（第６図参照）。

Ｘ＝Ｘ’　＋ＭＣ０Ｓβ−Ｎ　ｓｉｎβ−（１２）ｙ＝
ｙ′＋Ｍｓｉｎβ−Ｎ　ＣＯ８β　　・　　（１３）Ｚ
＝ｊ　　　　　　　　　　　　　　・・・　（１４）但
し Ｘ’＝ｈ　　　ｓ＋ｎ　　　　　−ｓ＋ｎ　　　　・（
１５）ｙ′＝−ｈ　（１−５ｉｎ　θ）　　　　　　・
（１６）これら（１２）〜（１７）式はＸ、Ｙ、Ｚをり
、Ｊ　、Ｍ。

Ｎを用いて表わしているので、次にこれらＸ、Ｙ。

２を工具Ｆｉ標値１．Ｍ、Ｃで表わすようにする。

すなわち、第７図、第８図から次式が成立する。

ｊ　＝　（１＋Ｃｔａｎ　Ｏ）　ｃｏｓθ　　　・（１
９）これら（１８）　（１９）式を（１２）〜（１４）
式に代入し整理すると、次のようになる。ただし、この
式変換においては、 次のようになることも用りる。

・・・　（２０） ・・・　（２１） ｚ＝１ｃｏｓθ＋Ｃｓ１ｎθ　　　　　　　　　　　　
　−（２２）以上のように、（２０）、　（２１）、　
（２２）式によれば機械塵−標系Ｘ、Ｙ、Ｚが工具座標
系１．Ｍ、Ｃで表わすことができた。

よって、工具座標系（１，Ｍ、Ｃ，θ、γ）が与えられ
たら、（１Ｇ）、　（１１）、　（２Ｇ）、　（２１）
、　（２２）式によって機械座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、
Ｂ）に自動変換することができる。

加工物座標系（ｘ、ｙ、ｚ、θ、γ）から機械座標系（
Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ）　へ（７）変換式（１０）。

（１１）、　（２０）、　（２１）、　（２２）を列記
すると以下のようになる。

Ａ＝ｃｏｓ−１（１−２ｓｉｎ（７）　　　　　　−（
１０）（５）　　ステップ５・・・送り速度Ｆの計算こ
の場合送り速度Ｆは従来通り人間による手計算で求めて
Ｎ（Ｊｌ誠に入力する。

（６）　　ステップ６・・・５軸制御加工入力されｔ＝
データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｆ）にしたがって機械を
動かし、加工物を加工する。

以上が、本実施例によるＮＣプログラム作成入力手順で
あるが、本発明は上記実施例に適宜の変更を加え得るも
のであり、例えば（Ｘ、Ｖ、Ｚ’）から（θ、γ）を求
める際、加工物形状が特異な場合には機械主軸またはツ
ールホルダーが加工物と干渉しないように（Ｘ、Ｖ、Ｚ
）からツール姿勢（θ、γ）を決定するようにしてもよ
い。

また、ツール姿勢を決定する際、ツール軸心が機械テー
ブルに常に垂直面内にあるようにとか、あるいはツール
軸心が加工面の法線を含むように傾斜させるようにして
もよい。さらに、ステップ３の手順では各区間毎に計算
を行なうようにしたが、加工内容に応じて必要な区間で
のみこの計算を行なうようにしてもよい。

（発明の効果〕 以上説明したようにこの発明によれば、成る論理にした
がって加工物形状データ（ｘ、ｙ、ｚ）のみからツール
姿勢データ（θ、γ）を自動計算できるようにしたので
、姿勢データ（θ、γ）を計算する手間がなくなり、Ｎ
Ｃプログラム作成手順が簡略され、ひいては多くの加工
物を効率良く加工することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す工程図、第２図は５
軸制御機械における加工物とツールの位置関係を示す図
、第３図および第４図は本発明によるツール姿勢決定原
理を説明するための図、第５図乃至第８図は加工物座標
から機械座標への変換の一例を説明するための図、第９
図および第１０図はボールエンドミルを用いた一般的な
加工を説明するための概略図、第１１図は従来のＮＣプ
ログラム作成入力手順を示す工程図である。 １・・・ツール、２・・・加工物、３・・・機械テーブ
ル、θ・・・仰角、γ・・・方位角。 第１図 第２図 第３図 ｎ 第４図 第７図 第８図 ［ｉ：コｌ　：＝トイ乍フ！（ ロ：自勧化 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加工物上のツール移動軌跡を複数の異なるポイントによ
   って複数の区間に細分化し、これら複数のポイントの三
   次元座標を求めた後、各ポイントにおけるツールの方位
   角および仰角を先に求めた当該ポイントおよび当該ポイ
   ントの次のポイントの三次元座標データに基づく所定の
   論理にしたがってそれぞれ自動的に計算するようにした
   ５軸制御式ＮＣ工作機械のプログラム作成方法。