JPH04137107A - ３次元ヘリカル補間方式 - 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〕 本発明は数値制御工作機械での３次元ヘリカル補間方式
に関し、特に工具が傾斜してワークを加工する場合の３
次元ヘリカル補間方式に関する。

〔従来の技術〕

数値制御工作機械では、３次元加工を行うために、工具
がワークに対して傾斜しなければならない。これらの傾
斜は、工具を設けたロータリヘッドをワーク面に傾斜さ
せるものと、ワークテーブルを傾斜させるものがある。

一方、数値制御装置での円弧補間あるいはヘリカル補間
は通常の直角座標系内のＸＹ平面、ＹＺ平面、Ｚｘ平面
上でのみ可能である。

従って、３次元空間上に傾斜した面に対して、ヘリカル
補間等を行うためには、自動プログラミング方法による
必要がある。自動プログラミング方法によれば、加ニブ
ログラムを生成するときに、傾斜した面に対しての３次
元ヘリカル補間が可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、自動プログラミングを使用する方法では、常に
自動プログラム作成装置を必要とし、システムが高価な
ものとなる。また、加ニブログラムごとにパートプログ
ラムを作成する必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、数
値制御装置内で簡単に傾斜した平面上でのヘリカル補間
が可能な３次元ヘリカル補間方式を提供することを目的
とする。

Ｃ課題を解決するための手段〕 本発明では上記課題を解決するために、工具が３次元空
間上に傾斜したワークを加工する数値制御工作機械での
３次元ヘリカル補間方式において、前記工具の傾斜を制
御する制御軸の現在位置から、工具方向ベクトルを計算
するベクトル計算手段と、前記工具方向ベクトルから、
前記工具方向ベクトルに垂直な平面を演算する平面演算
手段と、 ＸＹＺからなる第１の直交座標系を前記工具方向ベクト
ル及び前記平面から構成される第２の直交座標系の座標
値に変化するマ）　ＩＪクス及び前記マトリクスの逆マ
トリクスを演算するマトリクス計算手段と、前記第１の
直交座標系で指令されたヘリカルの中心座標値、前記ヘ
リカルの始点座標値及び前記ヘリカルの終点座標値を、
前記マ）　ＩＪクスによって、前記第２の直交座標系に
変換する座標系変換手段と、前記第２の直交座標系でヘ
リカル補間を行う補間手段と、前記補間手段の補間パル
スを前記逆マトリクスによって、前記第１の直交座標系
に変換する逆座標変換手段と、を有することを特徴とす
る３次元工具径補正方式が、提供される。

〔作用］ ベクトル計算手段は、工具の傾斜を制御する軸の位置情
報から、工具の傾斜、すなわち工具方向ベクトルを計算
する。例えば、工具の傾斜がロータリヘッドによって制
御され、ロータリヘッドの傾斜がＢ軸とＣ軸によって制
御されるときは、Ｂ軸とＣ軸の現在位置から、工具方向
ベクトルが求められる。次に、平面演算手段は工具方向
ベクトルから、工具方向ベクトルに垂直な平面を演算す
る。

マトリクス計算手段は、ＸＹＺからなる第１の直交座標
系を平面及び工具方向ベクトルから構成される第２の直
交座標系の座標値に変化するマトリクス及びその逆マト
リクスを演算する。

座標系変換手段は第１の直交座標系で指令されたヘリカ
ルの中心座標値、ヘリカルの始点座標値及びヘリカルの
終点座標値を、マ）　ＩＪクスによって、前記第２の直
交座標系に変換する。

補間手段は、変換された第２の座標系でヘリカル補間を
行い、補間パルスを出力する。

逆座標変換手段は補間パルスを逆マトリクスによって、
第１の直交座標系（ＸＹＺ座標系）に変換する。従って
、第１の直交座標系での傾斜した３次元状のヘリカル補
間パルスが得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は工具を傾斜させるロータリヘッドの概観図であ
る。ロータリヘッド１はＹ軸に平行な軸３を中心として
回転できるようになっている。この回転軸をＢ軸とする
。また、Ｚ軸に平行な軸４を中心として回転できるよう
にもなっており、この回転軸をＣ軸とする。ロータリヘ
ッド１の先端には工具５が取りつけられている。

従って、Ｂ軸及びＣ軸の回転に伴って、工具５を任意の
角度に傾けることができ、任意の傾きを有するワーク平
面を加工することができる。一方、この工具５の傾きに
応じた平面を基準とする３次元ヘリカル補間を行う。

次に３次元ヘリカル補間方式について述べる。

第３図は本発明の３次元ヘリカル補間方式の概略を説明
するための図である。工具５の傾きの方向、すなわち工
具方向ベクトルをＶＴで表している。

この工具方向ベクトルＶＴに垂直な平面を円弧平面Ｓと
する。ここで、ヘリカル曲線をＨとし、その円弧平面Ｓ
上に中心Ｒを有し、ヘリカルＨの補間の始点をＰとし、
ヘリカルＨの補間の終点をＱ、終点０を円弧平面Ｓに垂
直に投影した点をＱａとする。

ここで、ヘリカルＨの中心Ｒ１補間の始点Ｐ及び補間の
終点０はｘｙｚｉ標系で与えられる。ここで、ＸＹＺ座
標系を０１とする。一方、円弧平面Ｓと工具方向ベクト
ルＶＴで構成される座標系を０２とする。本発明では、
座標系Ｃ１で指令された指令値を座標系Ｃ２に変換し、
座標系Ｃ２でヘリカル補間を実行し、補間パルスを座標
系Ｃ１に逆変換する。従って、座標系Ｃ２でのヘリカル
補間は従来行われている通常のヘリカル補間でよい。

まず、工具方向ベクトルＶＴは、工具を傾斜制御する第
２図に示すＢ軸、Ｃ軸の座標値から求めることができる
。ただし、工具方向ベクトルＶＴは正規化して、その絶
対値は、 ＶＴ　　＝１ とする。

座標系Ｃ１から座標系Ｃ２への変換マトリクスＭ及びそ
の逆マトリクスＭ−’は以下のように求める。

まず、座標系Ｃ２の単位ベクトルをそれぞれ、ｅｌ、ｅ
２、ｅ３とすると、以下の式から求めることができる。

ｅｌ＝ＶＴ ｅ２＝ｂ２／　　ｂ２ ｂ２＝ａ２−　（ａ２．ｅｌ）　　・ｅｌｅ３＝ｂ３／
　　ｂ３ ｂ３＝ａ３−（ａ３．ｅｌ）　　・ｅｌ−（ａ３．ｅ２
）　　・ｅま ただし、（ａ２．ｅｌ）はベクトルａ２とベクトルｅ１
の内積を表す。その他も同様である。

ここで、ａ２及びａ３はｅｌと一次独立なベクトルであ
り、誤差が少なくなるように、次のように定める。すな
わち、工具方向ベクトルＶＴの成分のうち絶対値が最大
のものが、 ＶＴｘのときは、 ａ２＝　（０，１，Ｏ）、ａ３＝　（０，０，１）ＶＴ
ｙのときは、 ａ２＝　（０，０，１）、ａ３＝　（１，０，０）ＶＴ
ｚのときは、 ａ２＝　（１，０，０）、ａ３＝　（０，１，０）とす
る。ただし、（）内の数値は座標系Ｃ１の単位ベクトル
を示す。例えば（１，０，０）は座標系Ｃ１のＸ軸方向
の単位ベクトルを示し、（０，１，０）はＹ軸方向の単
位ベクトル、（０゜０．１）はＺ軸方向の単位ベクトル
を示す。

従って、座標系Ｃ１から座標系Ｃ２への変換マトリクス
Ｍ及び逆変換マトリクスＭ−’は第４図に示すように、
（１）弐及び（２）式で求めることができる。ただし、
（２）式のｔｅｌ、ｔｅ２、ｔｅ３はそれぞれベクトル
ｅ１、ｅ２、ｅ３の転置マトリクスである。

従って、座標系Ｃ１でのヘリカルＨの中心Ｒ１補間の始
点Ｐ、補間の終点Ｑは、第４図に示す式（３）、（４）
、（５）式によって座標系Ｃ２に座標変換できる。ただ
し、（３）式のＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚは座標系Ｃ１での始点
Ｐの座標値、Ｐ、、Ｐ３、Ｐ３は座標系Ｃ２での始点Ｐ
の座標値である。

（４）式、（５）式も同様である。

これらの座標系Ｃ２で変換された座標値を使用して、ヘ
リカル補間を行う。この補間パルスを（Ｓ、、Ｓ、、Ｓ
、）とし、これを逆変換マトリクスＭ−１によって、第
４図の（６）式に示すように座標値Ｃ１へ逆変換するこ
とにより、座標値Ｃ１上での補間パルスが得られる。

ここで、終点Ｑが円弧平面上にあれば、すなわち終点Ｑ
と点Ｑａが一致すれば、ヘリカルＨは３次元上の円弧と
なり、３次元上の円弧補間を行うことができる。すなわ
ち、ヘリカルＨの補間は円弧補間を含む。

次に３次元ヘリカル補間を行うための具体的な数値制御
装置の処理について述べる。第１図は本発明の３次元ヘ
リカル補間方式のブロック図である。これらの各ブロッ
クの処理は数値制御装置のソフトウェアによって実行さ
れる。前処理演算手段１０２は加ニブログラム１０１を
読み取り、ヘリカル補間の中心Ｒ１始点Ｐ、に点Ｑ等の
３次元の座標値を座標変換手段１０８に送る。

一方、ベクトル計算手段は１０５は、ロータリへラド１
を制御するＢ軸の現在位置と、Ｃ軸の現在位置をレジス
タ１０３と、レジスタ１０４から読み、工具５の工具方
向ベクトルＶＴを求める。

次に、平面演算手段１０６は工具方向ベクトルＶＴから
、工具方向ベクトルＶＴに垂直な円弧平面Ｓを演算する
。

マトリクス演算手段１０７は先に説明したように、工具
方向ベクトルＶＴと円弧平面Ｓから、変換マトリクスＭ
と逆変換マトリクスＭ−’を求める。

座標変換手段１０８はヘリカルＨの中心Ｒ１補間の始点
Ｐ及び終点Ｑを変換マトリクスＭによって座標値Ｃ２に
変換する。

補間手段１０９は座標系Ｃ２上でヘリカル補間を行う。

このときのヘリカルＨは座標系Ｃ２では円弧平面Ｓに垂
直な円筒面上にあるので、通常のヘリカル補間を行えば
よい。補間手段１０９はヘリカル補間を行い、補間パル
スＳを出力する。

逆座標変換手段１１０はこの補間パルスを逆変換マトリ
クスＭ−１を使用して、座標系Ｃ１に逆変換する。

逆変換された補間パルスは加減速制御手段１１１で加減
速され、軸制御回路４１に送られる。軸制御回路４１は
分配パルスを速度制御信号に変換し、サーボアンプ５１
に送る。サーボアンプ５１は速度制御信号を増幅し、サ
ーボモータ６１を駆動する。サーボモータ６１には位置
検出用のパルスコーダが内蔵されており、軸制御回路４
１に位置帰還パルスを帰還する。

第１図では加減速制御手段１１１、軸制御回路４１、サ
ーボアンプ５１、サーボモータ６１は１軸分のみしか表
していないが、実際は５軸分必要である。しかし、他の
軸の要素も同じであるので省略しである。

第５図は本発明を実施するための数値制御装置（ＣＮＣ
）のハードウェアのブロック図である。

図において、１０は数値制御装置（ＣＮＣ）である。プ
ロセッサ１１は数値制御装置（ＣＮＣ）１０全体の制御
の中心となるプロセッサであり、バス２１を介して、Ｒ
ＯＭ１２に格納されたシステムプログラムを読み出し、
このシステムプログラムに従って、数値制御装置（ＣＮ
Ｃ）１０全体の制御を実行する。ＲＡＭ１３には一時的
な計算データ、表示データ等が格納される。ＲＡＭ１３
にはＳＲＡＭが使用される。ＣＭＯ５１４には工具径補
正量、ピッチ誤差補正量、加ニブログラム及びパラメー
タ等が格納される。

ＣＭＯ８１４は、図示されていないバッテリでバックア
ップされ、数値制御装置（ＣＮＣ）１０の電源がオフさ
れても不揮発性メモリとなっているので、それらのデー
タはそのまま保持される。

インタフェース１５は外部機器用のインタフェースであ
り、紙テープリーダ、紙テープパンチャ、紙テープリー
ダ・パンチャー等の外部機器３１が接続される。紙テー
プリーダからは加ニブログラムが読み込まれ、また、数
値制御装置（ＣＮＣ）１０内で編集された加ニブログラ
ムを紙テープパンチャーに出力することができる。

ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６
はＣＮＣｌ０に内蔵され、ラダー形式で作成されたシー
ケンスプログラムで機械を制御する。すなわち、加ニブ
ログラムで指令された、Ｍ機能、Ｓ機能及びＴ機能に従
って、これらをシーケンスプログラムで機械側で必要な
信号に変換し、Ｉ１０ユニット１７から機械側に出力す
る。この出力信号は機械側のマグネット等を駆動し、油
圧バルブ、空圧バルブ及び電気アクチュエイタ等を作動
させる。また、機械側のリミットスイッチ及び機械操作
盤のスイッチ等の信号を受けて、必要な処理をして、プ
ロセッサ１１に渡す。

各軸の現在位置、アラーム、パラメータ、画像データ等
の画像信号はＣＲＴ／ＭＤＩユニット２５の表示装置に
送られ、表示装置に表示される。

インタフェース１９はＣＲＴ／ＭＤＩユニット２５内の
キーボードからのデータを受けて、プロセッサ１１に渡
す。

インタフェース２０は手動パルス発生器３２に接続され
、手動パルス発生器３２からのパルスを受ける。手動パ
ルス発生器３２は機械操作盤に実装され、手動で機械可
動部を精密に位置決めするのに使用される。

軸制御回路４１〜４５はプロセッサ１１からの各軸の移
動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ５１〜５５
に出力する。サーボアンプ５１〜５５はこの移動指令を
受けて、各軸のサーボモータ６１〜６５を駆動する。サ
ーボモータ６１〜６５には位置検出用のパルスコーダが
内蔵されており、このパルスコーダから位置信号がパル
ス列としてフィードバックされる。場合によっては、位
置検出器として、リニアスケールが使用される。

また、このパルス列をＦ／Ｖ　（周波数／速度）変換す
ることにより、速度信号を生成することができる。図で
はこれらの位置信号のフィードバックライン及び速度フ
ィードバックは省略しである。

スピンドル制御回路７１はスピンドル回転指令及びスピ
ンドルのオリエンテーション等の指令を受けて、スピン
ドルアンプ７２にスピンドル速度信号を出力する。スピ
ンドルアンプ７２はこのスピンドル速度信号を受けて、
スピンドルモータ７３を指令された回転速度で回転させ
る。また、オリエンテーション指令によって、所定の位
置にスピンドルを位置決めする。

スピンドルモータ７３には歯車あるいはベルトでポジシ
ョンコーダ８２が結合されている。従って、ポジション
コーダ８２はスピンドル７３に同期して回転し、帰還パ
ルスを出力し、その帰還パルスはインタフェース８１を
経由して、プロセッーサ１１によって、読み取られる。

この帰還パルスは他の軸をスピンドルモータ７３に同期
して移動させ、精密なタッピング加工等を可能にする。

上記の説明では、ロータリヘッドを制御して工具の傾斜
を制御することで説明したが、これ以外にテーブルを傾
斜させ、相対的に工具をワーク面に傾斜させることもで
きる。この場合はテーブルを制御する軸の現在位置から
工具方向ベクトルを計算することになる。

また、工具の傾斜を制御する軸を２軸としたが、１軸に
よって工具の傾斜を制御する場合にも同じように適用で
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、傾斜した平面を基準と
するヘリカル補間を数値制御装置内で行うように構成し
たので、特別なパートプログラム等を指令することなく
、３次元ヘリカル補間を行うことができ、自動プログラ
ム作成装置等を必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３次元ヘリカル補間方式のブロック図
、 第２図は工具を傾斜させるロータリヘッドの概観図、 第３図は本発明の３次元ヘリカル補間方式の概略を説明
するための図、 第４図は変換マトリクス等の式を示す図、第５図は本発
明を実施するための数値制御装置（ＣＮＣ）のハードウ
ェアのブロック図である。 ４１〜４５ ５１〜５５ ６１〜６５ ０−タリヘツド 工具 プロセッサ ＯＭ ・−ＲＡＭ ＣＭＯ３ 軸制御回路 サーボアンプ サーボモータ ー加ニブログラム 前処理演算手段 レジスタ レジスタ ベクトル計算手段 平面演算手段 マトリクス計算手段 ・　−座標変換手段 補間手段 逆座標変換手段 加減速制御手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）工具が３次元空間上に傾斜したワークを加工する
   数値制御工作機械での３次元ヘリカル補間方式において
   、 前記工具の傾斜を制御する制御軸の現在位置から、工具
   方向ベクトルを計算するベクトル計算手段と、 前記工具方向ベクトルから、前記工具方向ベクトルに垂
   直な平面を演算する平面演算手段と、ＸＹＺからなる第
   １の直交座標系を前記工具方向ベクトル及び前記平面か
   ら構成される第２の直交座標系の座標値に変化するマト
   リクス及び前記マトリクスの逆マトリクスを演算するマ
   トリクス計算手段と、 前記第１の直交座標系で指令されたヘリカルの中心座標
   値、前記ヘリカルの始点座標値及び前記ヘリカルの終点
   座標値を、前記マトリクスによって、前記第２の直交座
   標系に変換する座標系変換手段と、 前記第２の直交座標系でヘリカル補間を行う補間手段と
   、 前記補間手段の補間パルスを前記逆マトリクスによって
   、前記第１の直交座標系に変換する逆座標変換手段と、 を有することを特徴とする３次元工具径補正方式。
2. （２）前記ヘリカルの中心、前記始点と前記終点は平面
   上にあることを特徴とする請求項１記載の３次元ヘリカ
   ル補間方式。
3. （３）前記工具の傾斜を制御するロータリヘッドはＢ軸
   及びＣ軸であり、前記ベクトル計算手段は前記工具方向
   ベクトルを、前記Ｂ軸及び前記Ｃ軸の現在位置より計算
   することを特徴とする請求項１記載の３次元ヘリカル補
   間方式。
4. （４）前記工具の傾斜を制御する機構はロータリテーブ
   ルであることを特徴とする請求項１記載の３次元ヘリカ
   ル補間方式。