JPH0751989A - 自由曲面加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は自由曲面体の形状データから回転す
る工作物を円筒工具により所望の自由曲面に加工するた
めに必要な工具経路データを作成し、工具経路データに
より工作物を所望の自由曲面に加工する。 【構成】 本発明は記憶手段１に蓄えられた形状データ
と円筒工具１０の寸法とからコンピュータ２により工具
経路データを生成し記憶手段４に蓄え、工具経路データ
を記憶手段４からインターフェイス３を経てサーボコン
トローラ５に送り、サーボコントローラ５はサーボモー
タ６、７、８を制御し円筒工具１０を工具経路データに
より指示された通りに動かすことにより、工作物１１を
円筒工具１０により自由曲面体に切削または研削加工す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体内に想定した１本の
軸に垂直な断面がすべて凸形の単純閉曲線となる自由曲
面体を、円筒形工具を用いて切削または研削する、自由
曲面加工装置に関するものであって、自由曲面を有する
製品またはプラスチック成形などに用いる型の加工に利
用できる。

【０００２】

【従来の技術】回転する工作物の断面の周囲が凸形の単
純曲線である場合に、工具を回転に同期させて変位する
ことにより、所望の工作物形状を得る方法としては、と
いしを用いるカムシャフトの研削、旋盤による非円形切
削を季げることができる。

【０００３】カム研削の場合には、工作物は主軸に把持
されて回転し、といしに接するので、本発明の装置と類
似の工具配置となるものがある、この場合には、カム軸
の方向には断面変化が無いので、工具中心経路は、カム
に外接する円筒中心の軌跡から２次元的に計算すればよ
いため、３次元的な軸方向変位にともなう断面変化によ
り生じる工具経路の変化を考慮することが行われなかっ
た。

【０００４】次に旋盤による非円形切削の場合は、工具
が回転と同期して移動することは、本発明とも、カム研
削とも共通しているが、工具先端が点とみなされるか、
もしくはバイト先端と工作物を含む平面内の図形（バイ
ト先端部の円弧）とみなされるため、工具経路がやはり
２次元の計算により決定された。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】工作物を回転させて研
削するカム研削の数値制御では、図２（ａ）のような配
置とするものがある、この場合、Ｚ軸方向の工作物断面
形状は一定のものであるため、工具と工作物の接触点Ｐ
のＺ軸方向座標は、工具中心のＺ軸方向座標と同じ値Ｚ
である。したがって工具はＸ軸方向に移動するが、その
位置決定は平面問題である。工作物の断面形状が軸方向
にもさまざまに変化する図２（ｂ）のような場合には、
工具軸中心座標Ｚと、工作物と工具の接触点ＰのＺ軸方
向座標とは異なるため、従来の技術は適用できず、工作
物外形と異なる工具中心の包絡面を想定して、工具の位
置を決定する計算システムを有し、工作物回転角及びＺ
軸座標により定まる位置に工具を位置制御する装置を開
発する必要がある。

【０００６】工具としてバイトを使用する非円形断面切
削加工においては、バイトのすくい角と逃げ角の形状に
より切削可能な断面形状は限定されてしまう。図３は非
円形断面形状とすくい角及び逃げ角の関係を表したもの
である。図３に示したように動径変化率の大きな断面形
状の工作物を回転させて切削する場合には、バイトのす
くい角は回転に従って変化するので、すくい角を最適に
保つことが出来ない。また逃げ角を大きく取らないとバ
イトの刃先と工作物が接触しなくなる。従って断面曲線
の動径変化率が大きな工作物の加工はできない。さて工
作物の回転速度はバイトを往復させるアクチュエータの
応答速度により上限回転速度が制限される。しかるにバ
イトによる切削加工では切削速度は工作物の回転速度で
決定され、この回転速度が前記アクチュエータにより定
められる上限回転速度よりも、はるかに高い場合が多
く、その結果劣等な切削条件で切削が行われる。これに
対して、円筒工具においては工作物の断面がすべて凸形
の単純曲線となる自由曲面体である必要があるが、断面
曲線の動径変化率が大きくても切削加工が可能である。
また切削速度は円筒工具の回転数で設定できるので、ア
クチュエータの応答性能に関係なく円筒工具の回転数を
上げることにより切削速度を高くすることが出来る。

【０００７】しかしながら、バイトを使用する場合の工
具経路は自由曲面体の物体形状データと等しいと考えら
れるが、円筒工具による切削加工では自由曲面体と円筒
工具との接触点が変化するために、工具経路は自由曲面
体の形状データと一致しない。したがって工作物を回転
させて自由曲面体に加工するには、形状データから円筒
工具と自由曲面体の接触位置を演算して工具経路データ
を作成することが必要となる。

【０００８】これらの異なる研削ないし切削形態におい
て共通するところは、工作物を回転させて加工しようと
する点である。たとえばピストン旋削における非円形断
面切削のように断面変化がわずかな工作物ではなく、ゴ
ルフクラブのように断面の軸方向変化が著しい工作物
を、旋盤のように回転させる様式にて把持して、切削な
らびに研削が可能な工作機械を提供することが、本発明
の技術的課題である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した問題点の解決を
計る手段として、まず、エンドミルないし、円筒形とい
しなどの円筒工具を使用するものとし、その際に発生す
る当初課題との矛盾点を解決する方法を開発することに
した。

【００１０】一般に工作物の形状は、工具と工作物の接
触点がどの位置になるかによって決定する。円筒工具を
用いると、旋盤加工における、刃物形状による問題は解
決するが、工作物のひとつの断面形状だけでは、工具の
位置は全く定まらない。円筒工具とすれば、接触点の高
さが旋盤のように一定ではなくなり、Ｚ軸方向に工作物
断面形が変わるために、接触点はＺ軸方向にもずれる。
このためまず工作物形状を、回転方向ならびに軸方向の
十分細かい刻み点において、その動径値をデータ化し、
そのすべてを用いて、所定の円筒工具を用いたときの包
絡面上の点がこれらのデータと一致するような、円筒工
具中心軸のＸ座標を計算し、この計算値が座標点となる
新たな曲面（以下において工具移動曲面と称する）上の
点における、回転角とＺに対応するＸを計算し、この計
算値を工具の位置制御指令値として、工作物の回転及び
工具台の軸方向移動に同期して、円筒工具を動かすこと
にした。

【００１１】装置は図１に示すように、工作物断面形状
を記憶する第一の記憶手段１、工具経路データを記憶す
る第二の記憶手段４、工具経路計算プログラムを備え、
形状データ、工具寸法、切削条件などを入力し、サーボ
装置への出力となる指令信号を発生するコンピュータ
２、コンピュータ２からの指令をサーボコントローラ５
に適する様式に変換するインターフェイス３、主軸サー
ボ装置（Ｃ軸）の制御器、往復台移動のためのサーボ装
置（Ｚ軸）の制御器、工具移動台のためのサーボ装置
（Ｘ軸）のための制御器を内蔵しているサーボコントロ
ーラ５、Ｃ軸サーボモータ６、Ｚ軸サーボモータ７、Ｘ
軸サーボモータ８、工具駆動電動機９、円筒工具１０、
往復台１２、工具台１３、主軸ヘッド１６を主要な要素
として、結合構成してある。図においては１１は説明の
ため描いた工作物、１４は説明のために記入した本装置
の主軸であって工作物加工における中心軸と一致し、工
作物はこの軸のまわりに回転する。また１５は説明のた
めに記入した工具中心の移動軸（Ｘ軸）、１６は主軸ヘ
ッドである。

【００１２】上記の構成において、記憶手段１と記憶手
段４はその役割において区別しなければならないので、
別に記載してあるが、ハードウェアとしては、使用する
コンピュータのハードディスクなどのように、同−の物
品の異なる記憶場所であってさしつかえないし、フロッ
ピーディスクなどの媒体が用いられていて、適宜コンピ
ュータに読み込むものでも良い、また工具経路データの
計算プログラムも実行時にはコンピュータに内蔵されて
いなければならないが、それ以外のときは、外部記憶媒
体に保管してよい。Ｚ軸及びＸ軸のサーボモータは、直
流サーボモータ、交流サーボモータのほか、電気油圧サ
ーボモータであってもよい。サーボコントローラは電圧
値を入力とし、駆動軸からの位置検出信号のフィードバ
ックを受け、入力とフィードバツクとの偏差値を、電気
サーボモータの駆動電流に変換する。これは市販の物品
が多種類ある。電気油圧サーボモータの場合はコントロ
ーラはサーボ弁への電流を与えるものとなり、これも市
販のものが多種類ある。

【００１３】

【作用】上記の構成装置により、まず自由曲面体の形状
データを記憶手段１に保管させ、入力装置４から円筒工
具１０の半径とＺ軸の送り量と回転方向（角度）のデー
タのきざみなどを入力する。次に記憶手段１から形状デ
ータを読み出して、形状データと入力装置からのデータ
とからコンピュータ２で工具経路データを作成し、工具
経路データを記憶手段４に保管しておく。自由曲面体を
加工する場合にコンピュータ２は、記憶手段４より工具
経路データを読み出し、インターフェイス３を経て、サ
ーボコントローラ５により工具経路データを基にして各
軸を駆動するサーボモータ６、７及び８を制御し、また
円筒工具１０を回転させる工具駆動電動機９を駆動する
ことにより、自由曲面体形状の切削加工及び研削加工が
可能となる。

【００１４】

【実施例】本発明を実施例によって以下に説明する。図
１は本発明による自由曲面加工装置の構成図である。記
憶手段１は、加工すべき形状の軸にそった断面形状デー
タを格納するものであって、データがコンピュータによ
って入力され、必要に応じて読み出される、磁気ディス
クや半導体メモリである。コンピュータ２は本装置にお
いては２種類の機能を備える。その一つは、第一の記憶
手段１から形状データを読み出し、後述するアルゴリズ
ムに従って工具経路データを生成し、これを第二の記憶
手段４に転送することである。その二つは、機械のＣ
軸、Ｚ軸を駆動するサーボ装置への指令信号を生成し、
これらの信号と同期すべきＸ軸の位置指令信号すなわ
ち、第二の記憶手段４に保管してある工具経路データを
読み出し、これらの信号をサーボコントローラ５との間
のインターフェイス３に送ることである。第二の記憶手
段４は第一の記憶手段１と同じ形態のものでよい。実施
例ではいずれもコンピュータに接続したハードディスク
を用いている。インターフェイス３は計算機の出力ポー
トからの信号を受けて、サーボコントローラ５に内蔵し
ている複数のサーボ装置に別々に信号を送る。実施例で
はＣ、Ｚ、Ｘの各軸のそれぞれへの信号をこのインター
フェイスにおいてＤ／Ａ変換している。Ｃ軸はサーボコ
ントローラ５の出力電流を受けるサーボモータ６により
駆動される。Ｃ軸角度は図示しないロータリエンコーダ
で検出し、図示しないカウンタにて計数し、カウンタの
パルス計数値をコンピュータにフィードバックするのと
同時に、Ｆ／Ｖ変換して、Ｃ軸サーボ制御装置に電圧を
フェードバックしている。Ｚ軸変位は往復台１２の変位
として実現する。Ｚ軸変位はサーボコントローラ５から
受ける電流で駆動されるサーボモータ７に直結したボー
ルねじにより決定する。サーボモータ７にも図示しない
ロータリエンコーダが連結してあり、回転角を検出し、
Ｃ軸と同様なフィードバックを行っている。Ｘ軸は油圧
シリンダをサーボ弁により駆動する油圧サーボモータ８
を用いて駆動している。もちろんこの駆動軸をＺ軸と同
様な直流サーボモータとボールねじを用いる方式とする
ことは本発明の本質から離れるものではない。工具台１
３の上に円筒工具１０と、工具をベルト駆動する電動機
９が搭載してあり、工具台１３はＸ軸サーボ装置によ
り、Ｘ軸方向に位置制御される。この場合の位置の指令
信号は、コンピュータ２よりサーボコントローラ５に転
送される工具経路データである。工具台１３は往復台１
２上に搭載してあり、往復台１２には差動トランスが固
定してあって、Ｘ軸の変位を検出し、サーボコントロー
ラ５にフィードバックしている。

【００１５】次に、記憶手段１に記憶された形状データ
とコンピュータ２に入力された円筒工具１０の半径から
工具経路データを作成するための手順を図４により説明
する。

【００１６】手順１００は、記憶手段１に記憶された形
状データをコンピュータ２に読み込む操作である。自由
曲面体はその内部に１本の軸を定めＺ軸とし、Ｚ軸に垂
直な方向にＸ軸をとり、Ｘ軸とＺ軸に垂直な方向にＹ軸
をとり、Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ断面の形状が単純な凸曲線
であらわされるものとする。このような場合Ｚ軸は中心
軸１４と一致する。またＸ軸を工具移動軸１５方向にと
るものとする。このようにすると円筒工具１０の中心線
はＹ軸に平行となる。自由曲面体の形状は関数ｒ０
（Ｚ、θ）で表される。ここでＺはＺ軸の座標を表し、
θはＸ−Ｙ平面内でＸ軸を起点とする角度を表し、ｒ０
（Ｚ、θ）はＺ軸の座標ＺにおけるＸ−Ｙ平面内の角度
θにおけるＺ軸から自由曲面体表面までの距離を表す。
よってｒ０（Ｚ、θ）は自由曲面体の曲面を表す関数と
なり、自由曲面体の形状データは関数ｒ０（Ｚ、θ）で
表される。ただし、実際に自由曲面体の形状データｒ０
（Ｚ、θ）をＺとθに対して連続的に定義することは少
なく、自由曲面体モデルを作成し、これを３次元測定器
等により離散的なＺとθにおけるｒ０（Ｚ、θ）を与え
ることになる。ここでは、Ｚ軸方向の刻みをｄＺ０、θ
方向の刻みをｄθ０とした形状データｒ０（Ｚ、θ）を
用いる。さらに、ｄＺ０は自由曲面体のＺ軸方向の長さ
を整数で割ったものとし、ｄθ０は３６０度を整数で割
ったものとする。このようにＺ軸方向にｄＺ０、θ方向
にｄθ０刻みで与えられた形状データｒ０（Ｚ、θ）を
ワイヤーフレームで表すと図５のようになる。

【００１７】手順１０１は、形状データｒ０（Ｚ、θ）
のθ方向におけるデータの刻みｄθ０をｄθ１に変更す
る操作である。ｄθ１もｄθ０と同様に３６０度を整数
で割ったものとする。この操作は刻みｄｅ０が大きい場
合に、より加工精度を上げるために刻み値を小さくする
ためのものである。よってｄθ０とｄθ１は、

【数１】 の関係にある。刻み値をｄθ０からｄθ１に変更した場
合、ｒ０（Ｚ、θ）で定義されないデータが生じるが、
これはｒ０（Ｚ、θ）をθ方向にスプライン曲線で補間
することにより得られる。刻みｄｅ０をｄθ１に変更し
た後の形状データをｒ１（Ｚ、θ）とすると、形状デー
タｒ１（Ｚ、θ）をワイヤーフレームで表したものは図
６のようになる。

【００１８】手順１０２は、形状データｒ１（Ｚ、θ）
から投影曲面データｇ０（Ｚ、θ）を作成する操作であ
る。この操作の必要性を図７により説明する。形状デー
タｒ１（Ｚ、θ）のＺ軸に垂直な断面を角度θ回転させ
る。ここではＸ軸とＹ軸を−θ回転させた軸をＸ０軸及
びＹ０軸とした。このとき形状データｒ１（Ｚ、θ）の
Ｚ軸に垂直なＸ−Ｙ断面の曲線に接触点をもつようなＹ
軸に平行な直線を考える。つまり、これはＹ軸に平行な
直線は円筒工具１０の表面を表し、接触点は円筒工具１
０が加工物１１を加工する点となる。このように円筒工
具１０を用いた場合には形状データｒ１（Ｚ、θ）の角
度θの場所を加工するには、投影曲面データｇ０（Ｚ、
θ）が必要となる。ｄθ１間隔における角度θにおける
ｇ０（Ｚ、θ）は、Ｘ０軸を起点とする角度φを、

【数２】 の範囲で、

【数３】 が最大となる角度φを用いることにより、

【数４】 で与えられる。この操作を行う場合、形状データｒ１
（Ｚ、θ）は連続関数である必要が生じるが、これはｄ
θ１間隔の形状データｒ１（Ｚ、θ）をスプライン曲線
で表すことにより可能となる。図８はこのようにして作
成した投影曲面データｇ０（Ｚ、θ）と形状データｒ１
（Ｚ、θ）のＸ−Ｙ断面を表したものである。この図
で、白丸はｄθ１間隔で定義された形状データｒ１
（Ｚ、θ）で、黒丸は同じくｄθ１間隔で作成された投
影曲面データｇ０（Ｚ、θ）である。図９は投影曲面デ
ータｇ０（Ｚ、θ）をワイヤーフレームで表したもので
ある。

【００１９】手順１０３は、投影曲面データｇ０（Ｚ、
θ）のＺ軸方向におけるデータの刻みｄＺ０をｄＺ１に
変更する操作である。ｄＺ１もｄＺ０と同様に自由曲面
体のＺ軸方向の長さを整数で割ったものとする。この操
作は刻みｄＺ０が大きい場合に、より加工精度を上げる
ために刻み値を小さくするためである。よってｄＺ０と
ｄＺ１は、

【数５】 の関係にある。刻み値をｄＺ０からｄＺ１に変更した場
合、ｇ０（Ｚ、θ）で定義されないデータが生じるが、
これはｒ０（Ｚ、θ）をＺ軸方向にスプライン曲線で補
間することにより可能となる。刻みｄＺ０をｄＺ１に変
更した後の投影曲面データをｇ１（Ｚ、θ）とすると、
投影曲面データｇ１（Ｚ、θ）をワイヤーフレームで表
したものは図１０のようになる。

【００２０】手順１０４は、Ｘ−Ｙ平面内で角度θの方
向にＲ軸をとり、投影曲面データｇ１（Ｚ、θ）の角度
θにおけるＲ軸上の投影曲面データｇ１（Ｚ、θ）の凹
曲線となる最小曲率半径ｒｍｉｎを求める操作である。
Ｒ軸上の投影曲面データｇ１（Ｚ、θ）の曲率半径はＺ
軸上に間隔ｄＺ１で与えられた投影曲面データｇ１
（Ｚ、θ）のｄＺ１間隔で連続する３つのｇ１（Ｚ、
θ）から、これらの３点を通る円を求め、この円の半径
で与えられる。曲率が正の区間における、これらの円の
半径の最小値を最小曲率半径ｒｍｉｎとする。

【００２１】手順１０５は、操作者がコンピュータ２に
円筒工具１０の半径ｒｔを入力する操作である。

【００２２】手順１０６は、最小曲率半径ｒｍｉｎと円
筒工具１０の半径ｒｔを比較し、

【数６】 である場合には、手順１０７に進み、

【数７】 である場合には、手順１０５に戻る操作である。この操
作は最小曲率半径ｒｍｉｎが円筒工具１０の半径ｒｔよ
り小さいときには、加工物１１を自由曲面体に加工でき
ないことによる。

【００２３】手順１０７は、投影曲線データｇ１（Ｚ、
θ）と工具半径ｒｔにより工具移動曲面ｔ０（Ｚ、θ）
を作成する操作である。この操作は下記のようにして行
う。図１１は、Ｘ−Ｙ平面内で角度θ方向にＲ軸をと
り、Ｒ−Ｚ平面内の投影曲面データｇ１（Ｚ、θ）を表
したものである。投影曲面データｇ１（Ｚ、θ）上の点
に接するように半径ｒｔの円筒工具を表す円を描くと、
半径ｒｔの円の中心が描く曲線が工具移動曲面ｔ０
（Ｚ、θ）のＲ−Ｚ平面における断面である。円筒工具
を表す円の中心座標（Ｚｔ、Ｒｔ）は、円と投影曲面デ
ータｇ１（Ｚ、θ）の座標を（Ｚ、Ｒ）とし、座標
（Ｚ、Ｒ）における曲面データｇ１（Ｚ、θ）のＲ−Ｚ
平面内の接線の傾きをΨとすると、

【数８】

【数９】 で表される。ただし、Ｒは投影曲面データｇ１（Ｚ、
θ）の定義により、

【数１０】 と表される。このような座標（Ｚ、Ｒ）から円筒工具中
心座標（Ｚｔ、Ｒｔ）への変換を、Ｚ軸方向にｄＺ１間
隔で、θ方向にｄθ１間隔で行った、円筒工具中心座標
（Ｚｔ、Ｒｔ）で表される曲面を工具移動曲面ｔ０
（Ｚ、θ）とする。図１２は図中にＺ軸座標のｄＺ１間
隔における投影曲線ｇ１（Ｚ、θ）の角度θにおけるＲ
−Ｚ平面と、工具移動曲面と、円筒工具を表す半径ｒｔ
の円とを表したものである。白丸はｄＺ１間隔における
投影曲線ｇ１（Ｚ、θ）、黒丸は円筒工具を表す半径ｒ
ｔの円の中心である。図１３は工具移動曲面ｔ０（Ｚ、
θ）をワイヤーフレームで表したものである。

【００２４】手順１０８は、工具移動曲面ｔ０（Ｚ、
θ）がθ方向にはｄθ１間隔で定義されているが、図１
２の白丸のＺ軸方向の間隔を見ればわかるようにＺ軸方
向には等間隔で定義されていないのを、工具移動曲面ｔ
０（Ｚ、θ）をＺ軸方向にｄＺ２間隔で計算したデータ
により再構築した工具移動曲面ｔ１（Ｚ、θ）を作成す
る手順である。間隔ｄＺ２は工具移動曲面ｔ０（Ｚ、
θ）のＺ軸方向の最大長さを整数で割った値とする。前
記の曲面の再構築には移動曲面ｔ０（Ｚ、θ）をＲ−Ｚ
平面内でスプライン曲線で表し、スプライン曲線からＺ
軸方向にｄＺ２間隔で移動曲面ｔ１（Ｚ、θ）のデータ
を算出する。図１４は工具移動曲面ｔ１（Ｚ、θ）をワ
イヤーフレームで表したものである。

【００２５】手順１０９は、工具移動曲面ｔ１（Ｚ、
θ）から工具経路データを作成する操作である。この操
作を図１５により説明する。工具移動曲面ｔ１（Ｚ、
θ）のＺ軸方向の分割数をＮ、θ方向の分割数をＭとす
ると、図１５に示したように工具移動曲面ｔ１（Ｚ、
θ）はＺ軸方向には１番からＮ＋１番まで、θ方向には
１番からＭ番までと番号を付けた直線の交点にデータが
ある。工具経路データはＺ軸方向の移動量Ｚとθ方向の
角度θ及びｔ１（Ｚ、θ）で構成されるもので、１番か
ら番号が付けられる。ｉ番目の工具経路データＺｉ、θ
ｉ、ｔ１ｉは、

【数１１】

【数１２】

【数１３】 で表される。ここで、

【数１４】 はｉをＭで割った余りを表す。よって、図１５のように
Ｍ＋１番目のθＭ＋１は

【数１５】 となる。また、工具経路データの最大番号はＮ＋１番で
ある。

【００２６】手順１１０は、手順１０９で作成したＮ＋
１個の工具経路データを記憶手段４に記憶する操作であ
る。

【００２７】以上のようなアルゴリズムは計算プログラ
ムとしてコンピュータ２に移植しておき、加工に先だっ
て第一の記憶手段１からデータを読み出して、計算を実
行して、工具経路データを求め、その結果は第二の記憶
手段４に蓄えておく、実際の切削、研削時には、第一の
記憶手段１は使用しない。以下において、実施例におけ
る切削（研削）の手順を説明する。

【００２８】実施例における切削（研削）の手順を図１
６により説明する。以下の説明で使用する記号、ｄＺ２
及びｄθ１は前記した工具経路データの生成の説明で使
用したものと同じである。

【００２９】手順２００は、コンピュータ２にＣ軸速度
を入力する操作である。

【００３０】手順２０１は、仕上削りでは全ての工具経
路データを番号順に読み出し、粗削りでは、Ｚ軸方向及
び、θ方向に一定の番号間隔で、データを抜いて読み出
す方法を指定する操作である。

【００３１】手順２０２は、コンピュータ２が工具経路
データを記憶手段４から読み出す操作である。

【００３２】手順２０３は、Ｃ軸、Ｚ軸、Ｘ軸を初期化
する操作である。この操作はこれらの各軸方向に回転及
び位置制御を行うための原点位置を決定する操作であ
る。Ｃ軸の回転角の基準線はＸ軸方向とする。また、Ｚ
軸及びＸ軸の原点位置は図１７（ａ）のＴＰ０に示すよ
うに、手順２０４で取り付ける工作物１１に円筒工具１
０が接触しない位置とする。

【００３３】手順２０４は、工作物１１を加工装置に取
り付ける操作である。なお、図１７（ａ）に示すように
工作物１１の両端にジグを取り付けることにより、円筒
工具１０がチャック部分に干渉しないようにすることが
できる。このようにジグを取り付けた場合には、開始位
置のＺ軸座標はＴＰＺ０となる。

【００３４】手順２０５は、加工を開始する操作であ
る。この操作は、コンピュータ２に開始する指令を与え
ることに相当する。

【００３５】手順２０６は、電動機９を動かし円筒工具
１０を、適切な切削または研削速度に回転させる操作で
ある。

【００３６】手順２０７は、工具経路データの番号をｎ
で表したときにｎを１とし、工具経路データのデータ数
をｎｍａｘと定めるコンピュータ２の内部操作である。

【００３７】手順２０８は、円筒工具１０の位置を工具
経路データのｎ番目に指示される位置に移動させる操作
である。ここで説明のために工具経路データのｎ番目の
Ｃ軸、Ｚ軸、Ｘ軸の座標をＴＰＣｎ、ＴＰＺｎ、ＴＰＸ
ｎとする。このように定義すると工具経路データのｎ番
目の各軸における座標値は、

【数１６】

【数１７】

【数１８】 で表される。ここで、ｄθ２は読み出したデータ間隔に
対応するθ方向の回転角、ｄＺ３は読み出したデータ間
隔に対応するＺ軸方向変位量である。工具経路データの
１番目に移動する場合を図１７（ａ）により説明する。
この場合には、円筒工具１０は手順２０３で初期化した
位置にあり、この位置から工具経路データの１番目で指
定された位置に移動する。このときＣ軸の座標値に変化
がなくＣ軸は停止したままである。円筒工具１０が工具
経路データの１番目に移動したときには、図１７（ａ）
のＡ−Ａ断面を描いた図１７（ｂ）の斜線で表された部
分が円筒工具１０により工作物１１から削り取られる。
次に、ｎが１より大きい場合の、工具経路データのｎ番
目に移動する場合を図１８と図１９により説明する。図
１８のＰＴｎ−１は工具経路データのｎ−１番目の、Ｐ
Ｔｎはｎ番目の円筒工具位置を、工具経路データがｎ−
１番目の時の工作物位置で表している。図１８で表され
るようにＰＴｎ−１では円筒工具１０が自由曲面体に接
触していることがわかる。ｎ−１番目からｎ番目では、
円筒工具はＺ軸方向にｄＺ３移動している。しかし、Ｐ
Ｔｎでは円筒工具１０は自由曲面体に接触していないよ
うに描かれているがこれは次のような理由による。図１
９（ａ）は図１８のＢ−Ｂ断面を描いたものであり、円
筒工具１０は自由曲面体と接触している。図１８のＣ−
Ｃ断面を描いた図１９（ｂ）のようにｎ−１番目からｎ
番目に移る間に、自由曲面体がＺ軸を中心にしてｄθ２
だけ回転し、Ｘ軸方向の座標がＴＰＸｎ−１からＴＰＸ
ｎに変化しているためである。

【００３８】手順２０９は、ｎがｎｍａｘに等しいとき
手順２１１に進み、等しくないとき手順２１０に進む操
作である。この操作は加工工程の終了を検出する働きを
する。

【００３９】手順２１０は、ｎを１つ増やし、手順２０
８に進む操作である。この操作は工具経路データの番号
を１つ増やす働きをする。以上のように手順２０８から
手順２１０の繰り返しにより加工を行う。

【００４０】手順２１１は、円筒工具１０の退避位置へ
の移動、円筒工具１０の回転停止、工作物１１の取り外
し等の操作である。この操作は、加工終了に伴う一連の
操作である。

【００４１】以上の手順２００から手順２１１の操作に
より工作物１１は所望する自由曲面体に加工できる。な
お、ここでは１つの工作物を加工するものとして説明し
たが、２個目以上の工作物を加工する時は手順２０３か
ら手順２１１を繰り返すことになる。また、１つの加工
物について粗削りから仕上削りに移る場合には手順２０
１において、データの読み出し間隔を最も密に変更する
指定を与え、２０２以下の手順に従えばよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明においては、自由曲面体の形状デ
ータから円筒工具の工具経路データを生成することによ
り、円筒工具による自由曲面体の切削加工及び研削加工
を可能ならしめている。この加工法により、バイトを用
いた非円形切削において生じる、切削速度とサーボ装置
応答速度の不適合問題の解決がはかられ、バイトの逃げ
角及びすくい角が物体形状と干渉したり、力学的不適合
を生じる問題が解決された。さらに本発明の装置を利用
して、軸にそう断面変化が一様でない物体、とくに工芸
家や工業デザイナなどの製品を模範とする型を加工す
る、手作業の多い分野にひろく機械切削、研削が適用で
きるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による自由曲面加工装置の構成
図。

【図２】軸に沿って一様でない断面の物体を加工する場
合の問題点説明図。

【図３】非円形断面物体を旋削する場合の問題点説明
図。

【図４】工具経路データを作成するための手順である。

【図５】形状データｒ０（Ｚ、θ）をワイヤーフレーム
で表したものである。

【図６】形状データｒ１（Ｚ、θ）をワイヤーフレーム
で表したものである。

【図７】形状データｒ１（Ｚ、θ）から投影曲面データ
ｇ０（Ｚ、θ）を作成する必要性を説明したものであ
る。

【図８】投影曲面データｇ０（Ｚ、θ）と形状データｒ
１（Ｚ、θ）のＸ−Ｙ断面を比較して表したものであ
る。

【図９】投影曲面データｇ０（Ｚ、θ）をワイヤーフレ
ームで表したものである。

【図１０】投影曲面データｇ１（Ｚ、θ）をワイヤーフ
レームで表したものである。

【図１１】Ｒ−Ｚ平面内の投影曲面データｇ１（Ｚ、
θ）を表したものである。

【図１２】Ｚ軸座標のｄＺ１間隔における投影曲線ｇ１
（Ｚ、θ）の角度θにおけるＲ−Ｚ平面上に、該平面と
工具移動曲面の交線と、円筒工具を表す半径ｒｔの円と
を表したものである。

【図１３】工具移動曲面ｔ０（Ｚ、θ）をワイヤーフレ
ームで表したものである。

【図１４】工具移動曲面ｔ１（Ｚ、θ）をワイヤーフレ
ームで表したものである。

【図１５】工具移動曲面ｔ１（Ｚ、θ）から工具経路デ
ータを作成する方法の説明図である。

【図１６】切削（研削）の手順である。

【図１７】円筒工具を工具経路データの１番目に移動す
る手順の説明図である。

【図１８】円筒工具をＺ軸方向に工具経路データのｎ番
目に移動する手順の説明図である。

【図１９】円筒工具をＸ軸方向に工具経路データのｎ番
目に移動する手順の説明図である。

【符号の説明】

１ 第一の記憶手段 ２ コンピュータ ３ インターフェイス ４ 第二の記憶手段 ５ サーボコントローラ ６ Ｃ軸サーボモータ ７ Ｚ軸サーボモータ ８ Ｘ軸サーボモータ ９ 工具駆動電動機 １０ 円筒工具 １１ 工作物 １２ 往復台 １３ 工具台 １４ 主軸 １５ 工具中心の移動軸 １６ 主軸ヘッド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作物を回転させて、該回転の角度に同
   期させて、工作物回転軸に直交する断面を含む平面内で
   移動する円筒形の工具（以下において円筒工具と称す
   る）により、工作物を非円形に研削または切削する工作
   機械において、工作物の軸方向の所定間隔ごとの、軸と
   直行する断面の形状データを記憶する第一の記憶手段
   と、円筒工具の外形により形成される包絡面が工作物の
   外形となるように、記憶してある前記の直交断面の形状
   データを用いて、工具の軸方向位置及び工作物回転角に
   対応する円筒工具中心位置（以下において工具経路デー
   タと称する）を計算する計算プログラムと（このプログ
   ラムは後記コンピュータに内蔵して良い）、計算結果で
   ある工具経路データを記憶する第二の記憶手段と、第一
   の記憶手段への入力を行い、工具の寸法入力、工作物回
   転角指令、工具台及び工具台の工作物軸と平行方向への
   変位指令及び直交方向への変位指令の発生、入力値及び
   前記２種類のデータの読み出しを管制するコンピュータ
   と、工作物を支持する主軸ヘッドと、この主軸を回転駆
   動するサーボ装置と、工作物に直交する断面内に回転軸
   を有する工具を備えて工作物回転軸に直交する方向に移
   動できる工具台と、該工具台を駆動するサーボ装置と、
   該工具台を搭載して工作物軸と平行方向に移動できる往
   復台と、該往復台の位置制御を行うサーボ装置とを備
   え、加工に先立って前記第一の記憶手段のデータを前記
   計算プログラムにより、前記工具経路データを計算して
   前記第二の記憶手段に蓄えておき、加工時には前記コン
   ピュータにより、回転角指令信号、工作物軸方向位置指
   令信号を発生して、これらの指令信号に同期するよう
   に、前記第二記憶手段から工具経路データを読み出し
   て、前記工具台を駆動するサーボ装置により円筒工具位
   置を決定して、前記主軸のサーボ装置により回転する工
   作物を自由曲面に加工することを特徴とする自由曲面加
   工装置。