JPH04143805A - ３軸データを利用する５軸ｎｃデータ作成装置 - 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軸加工を行うため、３軸データから５軸
ＮＣデータを作成する装置に関する。

〔従来の技術〕

数値制御される工作機械には、工具をワークに対して直
交座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向にのみ、相対運動させ
る３軸工作機械の他に、２つの回転軸をも合わせ持ち、
工具の加工面に対する角度をも制御する３軸工作機械が
ある。

３軸加工は第５図（ａ）に示すように、ワークの加工面
に対する工具の角度を考慮に入れないため、加工形状に
よって加工面に対する工具の当たり角度は、大きく変化
し、ボールエンドミルの先端が加工面に当たる等して、
その工具に通した切網状態が保たれず、一つのワークに
対して加工を数段階に分ける段取替えを多く行う必要が
生じる。

これに対して５軸加工は第５図（ｂ）に示すように加工
面に対する工具の角度を最適化しつつ（この場合は工具
の先端が加工面に強く当らないように、工具を加工面の
法線方向に対して常に所定角度θ傾けている）、加工を
進めるので３軸加工に比べて、工具寿命の増大、切削効
率の向上、段取替えの減少等のメリットが享受できる。

〔発明が解決しようとするｍｌ［） 上述したように３軸工作機械は３軸工作機械に比べて、
工具寿命が長く加工効率が大きい等の長所があるが、そ
の５軸ＮＣデータの作成装置は非常に高価であって一般
ユーザには購入困難なため、３軸データで加工せざるを
得ない場合が多く、上記長所を享受できなかった。

ここで３軸データとは、ワークの加工面を、第６図に示
すようにＸ軸座標を所定量ずつ増加しながら平行にスキ
ャンし、所定間隔おきに加工データ終点（ｅ）を決め、
これら各点の三次元直交座標の集合によって表現される
もので、具体的には第２図に示すようにディジタイザに
よってモデルを倣うか、或いはＣＡＤ／ＣＡＭシステム
によって作成される。この３軸データのデータ形式とし
ては、数値制御工作機械がそのまま読み込める２、５軸
或いは３軸ＮＣデータ形式とバイナリ−表現される数値
データ形式等がある。３軸工作機械は、このデータを用
い折線近似によって工具をワークに対してＸ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸方向に相対運動させてワーク表面の切削加工を行う
。

また５軸ＮＣデータとは、上記加工面の各加工データ終
点の三次元直交座標に加え、各点の法線がｚ軸に対して
とる２つの角度を合せて表現されるもので、３軸工作機
械の仕様によって２つの回転軸が異なるので上記２つの
角度の決め方が異なっている。

この５軸ＮＣデータの作成装置は、従来一般にＣＡＤ／
ＣＡＭシステムのオブシッンとして提供され、サーフェ
イスモデルにより加工形状そのものをコンピュータ上に
作成し、高度な計算処理を行う構成をとっている。した
がって、このような装置を用いると上述したようにシス
テム全体が非常に高価になっていたのである。

そこでこの発明は非常に高価な５軸ＮＣデータの作成装
置を用いないで、３軸データから簡単、ローコストに５
軸ＮＣデータを作成できる装置を提供することを目的と
する。

ここで、この発明を説明する前提として３軸工作機械の
制御軸の仕様の種類と、ＮＣプログラムデータの関係に
ついて説明しておく。

ＮＣプログラムデータは、工作機械の可動部に対する運
動の指令値を与えるものであるが、その運動を規定する
ために、直交座標系のｘ、ｙ、ｚ座標軸により、それら
各座標軸に平行な直線運動を規定し、ｘ、ｙ、ｚ座標軸
まわりに回転するＡ、Ｂ、Ｃ軸により、それら、各座標
軸まわりの回転運動を規定することは、周知の通りであ
る。以下、ｘ、ｙ、ｚ軸を直線軸、Ａ、Ｂ、Ｃ軸を回転
軸と呼ぶ。

機械により、回転運動の方式として第７図（ｂ）に示す
ようにテーブルをＡ、Ｂ軸により回転させるマシニング
センタイブのものと、第７図（ａ）に示すように工具軸
を旋回させるプロファイラタイプのものとがあり、それ
により、回転軸の仕様が異なる。また、プロファイラタ
イプの中にも、工具軸の架装方式により、例えば、工具
軸（ｚ軸）まわりの旋回運動であるＣ軸の運動を含むタ
イプ（Ｂ、Ｃ軸により旋回）と含まないタイプ（Ａ、Ｂ
軸により旋回）があり、旋回運動により、工具軸の方向
が変わるタイプと変わらないタイプというように異なっ
たタイプがあり、それによっても回転軸の仕様が異なる
。

この様に回転軸仕様が、興なるとＮＣプログラムデータ
の仕様も異なってくる。

例えば、プロファイラタイプのものでは、第７図（ａ）
に示す様に工具軸を旋回させるビボフト中心点Ｒの座標
軸であるｘ、ｙ、ｚ軸の指令値（Ｘ、Ｙ、Ｚ”）と、工
具軸の旋回角であるＡ、Ｂ軸の指令値（Ａ、Ｂ）または
、Ｂ、Ｃ軸の指令値（Ｂ、Ｃ）とから、ＮＣプログラム
データが構成サレる。一方、マシニングセンタイブのも
のでは、第７図（ｂ）に示す様に、工具取付は基準点ｑ
の座標値であるｘ、ｙ、ｚ軸の指令値（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と
、テーブルの回転角であるＡ、Ｂ軸の指令値（Ａ、Ｂ）
とから、ＮＣプログラムデータが、構成される。この様
に、ＮＣプログラムデータの仕様は、機械の回転軸仕様
によって異なり、さらにその他諸々の機械仕様の相違に
よっても細部が、異なってくる。ＮＣプログラムデータ
は、使用する工作機械の機械座標系に基づいて作成され
るため、機械座標演算手段をも持つ必要がある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、ディジタイジングまたはＣＡＤ／ＣＡＭシ
ステム等により作成され、ワークの加工面を平行にスキ
ャンして得られる加工データ終点の三次元直交座標デー
タの集合からなる３軸データを入力するデータ入力手段
と、 この３軸データの求めたい点を含む１スキャンデータと
、その前後スキャンデータより、求めたい点の近傍の前
後、左右各２点の三次元直交座標データを抽出する移動
データ演算手段と、抽出された前後左右４点の三次元直
交座標データから求められる前後方向及び左右方向のベ
クトルの外積から、この点の法線ベクトルを求め、さら
に３軸工作機械の仕様で決まる２つの回転軸上で、この
法線ベクトルのＺ軸方向との２角度を求める工具軸ベク
トル演算手段と、 加工面の各加工データ終点の三次元直交座標データと、
各点に対応した上記２角度を、使用する３軸工作機械の
機械座標系のデータに座標変換して出力する機械座標変
換手段とを具備したことを特徴とする３軸データを利用
する５軸ＮＣデータ作成装置を提供する。

〔作用〕

上記作成装置は、ワーク加工面上に所定間隔をおいて散
在設定され、３軸データを構成する多数の加工データ終
点の夫々について、その周囲４点から法線ベクトルを求
める。

この法線ベクトルに基づいて工具を最適方向に傾けるこ
とができるが、３軸工作機械は回転軸の仕様が異なるの
で、用いる２つの回転軸について、この法線ベクトルが
Ｚ軸に対してとる２角度を求める。

これによって、５軸加工に用いる各ＮＧデータ終点のＸ
、Ｙ、Ｚ軸の３次元直交座標と、各点に対応する２つの
回転軸についての旋回角を得ることができる。

しかし工作機械は独自の機械座標系を用いているので、
ＮＣデータを、これに適合させる必要がある。

そのため、機械座標演算手段によって、上記３次元直交
座標と２つの旋回角を組合せたデータに、回転と平行移
動を与えて、Ｚ軸を機械の工具軸に合わせ、基準点同士
を一致させる。

この結果を、出力手段により５軸ＮＣデータとして出力
させれば、３軸工作機械は、これを、そのまま読み込ん
で５軸加工を行うことができる。

〔実施例〕

この発明は、第２図に示すようにＣＡＤ／ＣＡＭシステ
ム又はディジタイザを用いて作成した３軸データを、そ
のまま用いて３軸加工する従来の方式とは異なり、この
３軸データを５軸ＮＣデータに変換することにより、５
軸加工を行うことを可能にするものである。

この発明装置は、具体的にはコンピュータのソフトウェ
アとして作成され、コンピュータの内部に第１図に示す
構成の機能を与える。以下、各構成について順に説明す
る。

第１図において、（１）はデータ入力手段で、ＣＡＤ／
ＣＡＭシステム又はディジタイザにより作成された３軸
データを入力する。

このデータは、第６図に示すようにワーク加工面をＸ軸
座標を所定値ずつ変化させて平行にスキャンしたときの
各加工データ終点（１）のＸ、Ｙ、Ｚ軸の三次元直交座
標の集合からなるもので、１スキヤン毎に取り出せるも
のである。

（２）は移動データ演算手段で、第３図に示すように３
軸データから求めたい点Ｐ（加工データ終点）の近傍の
前後左右の４点の三次元直交座標を抽出する。

この抽出方法を説明する。抽出の目的は、この点の法線
ベクトルを求めることであるがら、ワーク加工面におい
て、この点に沿って直交する二つのベクトルが必要であ
る。そこで前後方向２点は求めたい点の存在する１スキ
ヤン（現スキャン）データ中で求めたい点（Ｐ）に隣接
する２点の加工データ終点（Ｐｓ　）　　（Ｐｇ　）と
する、また左右方同２点は求めたい点（加工データ終点
）（Ｐ）の存在する現スキャンの前後のスキャン加工デ
ータから取り出す、直交ベクトルを求めるため、左右方
向の２点は、１スキヤン中の位置を規定するパラメータ
ｔ　　（１スキヤンにおいて０から１まで変化する）を
用い、現スキャンにおいて求めたい点（Ｐ）の有するパ
ラメータｔ　（例えば０．４）と同一値のパラメータで
表現される２点（Ｐｓ）（Ｐ４）を前後のスキャンデー
タから算出する。

前後のスキャンデータにおいては、同一値のパラメータ
ｔ　（例えば０．４）で表わされる点は加工データ終点
ｅと通常は一致しないので、それに最も近い加工データ
終点を２点用い、それらの点を結ぶ直線において比例配
分を行うことにより左右の２点（Ｐｇ　）　　（Ｐ４　
）を求める。

（３）は工具軸ベクトル演算手段で、求めたい点の法線
ベクトルを算出するとともに、この法線ベクトルが、Ｚ
軸に対して、工作機械の仕様で用いる２つの回転軸にお
いてとる２つの角度を算出する。

これを次に詳しく説明する。

移動データ演算手段（２）で得た求めたい点（加工デー
タ終点）（Ｐ）の前後左右の点（Ｐｌ）（Ｐｚ　）　　
（Ｐｓ　）　　（Ｐ４　）より、前後方向のベクトルを
３＝ｐ、　　Ｐｌ　という形で、また左右方向のベクト
ルをｂ＝Ｐ４−ｐ８という形で算出する０次に、これら
のベクトルの外積Ｖ＝ａＸｂを求める。このベクトル■
は、求めたい点（Ｐ）における法線ベクトル、すなわち
５軸加工における工具軸ベクトル（１，Ｊ、Ｋ）と考え
ることができる。

次にこの工具軸ベクトルがＺ軸に対してとる角度を求め
る。

この角度は、すでに述べたように工作機械の回転軸仕様
によって異なって（る０例えば求めようとする角度か、
Ａ、Ｃ軸についてのものであれば、θａ　−−ＡＴＮ　
（ａｂｓ　　（ｒ　ｋ）　）及びθｃ　＝ＡＴＮ　２　
（ｉ、−ｊ）を用イテ求メルコトカできる。Ｂ軸につい
ても同様である。

（４）は機械座標変換手段で、工具軸ベクトル演算手段
（３）で得られた回転軸まわりの２つの角度及び求めた
い点（加工データ終点）の三次現直交座標を、平行移動
及び回転を含む座標変換によって、使用する工作機械の
機械座標に適合させる。これによって工具軸ベクトルを
Ｚ軸方向に合わせた場合の５軸加工データが得られるわ
けである。

この座標変換は、次に示すような変換マトリックスを用
いて行う。

現在値（ｘ、ｙ、ｚ）に対し、変換後の座標値を（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）として、Ｔを変換マトリックスとすると （Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｈ）＝　（Ｘ、ｙ、ｚ、Ｉ）Ｔ−・　（
ａ）の様に与えられる。

ただし、 Ｈは、 同時座標軸。

平行移動 ただし、 （丁ｘ１ 丁Ｙ５ ＴＺ） は、 各軸方向への移動 量。

Ｘ軸回りの回転 ただし、 θは、 回転角。

Ｙ軸回りの回転角 ただし、 θは、 回転角。

Ｚまわりの回転角 但し、 θは、 回転角。

上記変換マトリックスＴは、使用する工作機械の回転軸
仕様に合わせて、選択し、組み合せて使用する必要があ
る０例えば第７図（ｂ）に示すようにＡ、Ｂ軸が回転軸
であれば、上記式（ｄ）（ｃ）の順に使用する。

また、回転軸中心がプログラム原点より、ずれている場
合、上記式（ｂ）を用い、上記操作の前後に平行移動を
行う、これは上記式（ｂ）において初めに（−ＴＸ、−
ＴＹ、−ＴＺ）後に（ＴＸ、ＴＹ、ＴＺ）を用いて、上
記式（ｂ）（ｄ）（ｃ）　　（ｂ）の順で使用するもの
である。

（５）はＮＣデータ出力手段で、以上のようにして求め
られた５軸ＮＣデータを、ＮＣ工作機械が読込める紙テ
ープ等の形にして出力する。

上述した第１図に示す構成の装置は、データ入力手段（
１）に３軸データを入力すると、スキャンデータの第６
図に示すような全てのＮＣデータ終点（ｅ）について、
スキャンの実行順に次々と５軸ＮＣデータを作成する。

この様にして得られた５軸ＮＣデータは、元の、３軸デ
ータと同じ工具径のボールエンドミルにて加工すること
を前提とすれば、第４図に示す様に、同一工具径であれ
ば形状のオフセントは変わらないため、干渉を考慮しな
くてもよい、また、第４図中（ｍ）に示す様にθだけ傾
斜させて加工を行うデータに対しても上記変換マトリッ
クスを用いた同様の操作にて計算できる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、非常に高価な５軸ＮＣデータ作成装
置を用いることなく、３軸データを利用して簡単かつロ
ーコストに５軸ＮＣデータを作成することででき、５軸
加工を行って工具寿命の増大及び切削効率の向上、段取
り替えの減少、工具刃長を短くできる等の５軸加工の各
種メリットが得られる。また、本発明により、非常に安
価にシステムを構築できると共に、内部処理方式の異な
る種々のＣＡＤ／ＣＡＭシステムや、デジタイジングシ
ステムなどと、融合し、その能力を最大限に利用するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示すブロック図、第２図はこ
の発明を用いた場合のデータ作成から加工までの手順を
従来の手順と比較して示す図、第３図は移動データ演算
手段において、求めたい点の近傍の周囲４点を定める方
式の説明図、第４図はこの発明の５軸変換を行った場合
にも工具に対する形状のオフセットが同一となることを
説明する図である。 第５図（ａ）（ｂ）は、夫々３軸加工と５軸加工におけ
る、ワークに対して工具（ボールエンドミル）が切削を
行う状態を示す図、第６図は、３軸データの各加工デー
タ終点とワークの加工面との対応関係を示す斜視図、第
７図は、３軸工作機械の２つの回転軸に対して工具軸ベ
クトルがとる角度を、仕様が異なる回転軸について示す
図である。 （１）・−データ入力手段、 （２）　−ｍ−移動データ演算手段、 （３）−−一工具軸ベクトル演算手段、（４）・−機械
座標変換手段、 （５”）　−Ｎ　Ｃデータ出力手段。 特 許 出 願 人 大阪機工株式会社 代 理 人 江 原 省 吾 ラ！し゛タイシイシダ 第１図 第２図 第３図 ３−項二 第４ 図 （ｄ）３軸加工 （ｂ）５軸頓工

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　ディジタイジングまたはＣＡＤ／ＣＡＭシステム等に
   より作成され、ワークの加工面を平行にスキャンして得
   られる加工データ終点の三次元直交座標データの集合か
   らなる３軸データを入力するデータ入力手段と、 この３軸データの求めたい点を含む１スキャンデータと
   、その前後スキャンデータより、求めたい点の近傍の前
   後、左右各２点の三次元直交座標データを抽出する移動
   データ演算手段と、 抽出された前後左右４点の三次元直交座標データから求
   められる前後方向及び左右方向のベクトルの外積から、
   この点の法線ベクトルを求め、さらに３軸工作機械の仕
   様で決まる２つの回転軸上で、この法線ベクトルのＺ軸
   方向との２角度を求める工具軸ベクトル演算手段と、 加工面の各加工データ終点の三次元直交座標データと、
   各点に対応した上記２角度を、使用する５軸工作機械の
   機械座標系のデータに座標変換して出力する機械座標変
   換手段とを具備したことを特徴とする３軸データを利用
   する５軸ＮＣデータ作成装置。