JPH08190416A - 自動工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プログラムを作成することなく、モデル形状又
はワーク形状を自動的に読み取って同一形状及び変形修
正した形状にワークを自動的に切削加工できるようにす
ることを目的としている。 【構成】モデル表面又はワーク表面の各測定点（Pn) の
三次元座標を測定する測定手段（２）と、測定された各
測定点（Pn) の三次元座標を形状データとして記憶しそ
の形状データに基づきワークの加工に必要な加工用三次
元データを算出するデータ処理手段（３）と、算出され
た加工用三次元データに基づいて使用工具のカッティン
グパスを算出するカッティングパス算出手段（４）と、
そのカッティングパスに基づきワーク（Ｗ）を所望の工
具で自動加工する加工手段（５）とを備えると共に、デ
ータ処理手段（３）は、形状データの拡大・縮小処理手
段（10）と、形状データの凹凸反転処理手段（11）と、
各測定点の間の補間処理手段（12）と、不連続部分の形
状データを連続した形状データに置き換える数学的演算
処理手段（13）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、モデル又はワークの形
状を三次元座標で読み取り、このデータに基づいて内部
コンピュータで工具のカッティングパスを自動演算し、
このカッティングパスに基づいて自動加工を行う自動工
作機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＮＣ工作機械は、使用する工具に応じて
その工具のカッティングパスを予めプログラムしてお
き、このプログラムに従って工作機械を自動制御して稼
動させるものであるから、プログラムさえあれば、熟練
工に頼ることなく一定品質の製品を製造することができ
る。そして、この場合にプラグラムは、図面を正確に読
み取ることのできる高度な専門知識を有するプログラマ
ーが、三次元形状を二次元的に表現した設計図面に基づ
いて、工具の正確なカッティングパスを三次元的に定め
るようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＮＣ工
作機械のプログラムは個々の製品について作成しなけれ
ばならず、しかも、一つのプログラムが完成するまでに
多大な時間と労力が費やされるので、近年のように多品
種少量生産を行なおうとする場合には、プログラムを作
成するための高度な専門知識を有する多くの人手に頼ら
ざるを得ず、時間がかかりその結果としてコストが嵩む
という問題を生じていた。

【０００４】しかも、作図手法によって表現可能な形状
であればまだしも、複雑な曲面で形成されている場合等
には、作図手法によってその形状を正確に表現すること
が不可能であるので、このような三次元自由曲面形状等
を有する製品について、図面を読み取って工具のカッテ
ィングパスを求め、これをプログラミングすること自体
不可能であった。そこで、製品のマスターモデルがある
場合には、そのマスターモデルの形状をタッチプローブ
や光学センサ等を用いた三次元測定器で測定し、そのデ
ータに基づいてプログラムを自動作成するものが提案さ
れている。

【０００５】しかし、いずれの場合も、モデルと同一的
形状のものを加工することができるだけにすぎず、加工
しようとするものと同一的形状のモデルがない場合には
ワークを加工することはできない。例えば、製品のマス
ターモデルに基づいてこれを複製するための金型を加工
しようとすれば、金型は製品とは凹凸が反対であるの
で、まず、マスターモデルに基づいて放電加工用の金型
モデルを作り、その金型モデルを用いて反転加工しなけ
ればならないという面倒がある。

【０００６】また、タービンブレードの補修加工におい
ては、欠損部分に補修用のブレードを肉盛溶接した後、
ブレードの表面に盛り上がった溶接金属のビード部分を
滑らかな曲面に研削する表面加工を行なっているが、こ
の場合、補修加工しようとするタービンブレードと同一
形状のタービンブレードをマスターモデルとして使おう
としても、タービンブレードは、加工後の熱処理、使用
中の負荷及び熱等によって変形してしまうため、夫々の
形状が微妙に異なり、マスターモデルを用いて倣い加工
を行うことができない。したがって、このような補修作
業は、自動化することが困難であり、また、固定治具で
クランプしたときの繰返精度を保障することが困難であ
るため、現在のところ熟練工に頼らざるを得ない状態で
あった。

【０００７】そこで、本発明は、プログラマーがプログ
ラムを作成することなく、モデル形状又はワーク形状を
自動的に読み取り、そのデータに基づき同一形状を加工
できるのはもちろんのこと、さらに進んで、変形修正し
た形状を加工したり、モデルを量産複製するための金型
を作成したり、三次元自由曲面等で構成されるデザイン
の形状等を切削加工する場合にも熟練工に頼らずに自動
的に切削加工できるようにすることを技術的課題として
いる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は、モデル表面又はワーク表面の各測定点の
三次元座標を測定する測定手段と、測定された各測定点
の三次元座標を形状データとして記憶しその形状データ
に基づきワークの加工に必要な加工用三次元データを算
出するデータ処理手段と、算出された加工用三次元デー
タに基づいて使用工具のカッティングパスを算出するカ
ッティングパス算出手段と、そのカッティングパスに基
づきワークを所望の工具で自動加工する加工手段とを備
えると共に、前記データ処理手段として、前記測定手段
で測定された三次元座標の単位長さを予め設定された倍
率に応じて変更する拡大・縮小処理手段と、前記測定手
段で測定された形状データに基づきその凹凸を反転して
金型となる三次元形状のデータを算出する凹凸反転処理
手段と、各測定点の間の三次元データを前後の座標デー
タに基づいて算出する補間処理手段と、ワークやモデル
に不連続部分がある場合にその不連続部分の前後の形状
データから予想連続データを算出して当該不連続部分の
形状データと置き換える数学的演算処理手段とを有する
ことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、まず、測定手段によりモデル
表面又はワーク表面の各測定点の三次元座標が測定さ
れ、次いで、データ処理手段により各測定点の三次元座
標を形状データとして記憶しその形状データに基づきワ
ークの加工に必要な加工用三次元データが算出される。

【００１０】この場合に、例えば、モデルを所定の倍率
に拡大又は縮小して加工する場合には、拡大・縮小処理
手段により予め設定された倍率に応じて前記三次元座標
の単位長さが変更されて加工用三次元データが算出され
る。また、モデルの金型を加工する場合には凹凸反転処
理手段により、モデルの形状データに基づきその凹凸が
反転され、金型となる加工用三次元データが算出され
る。

【００１１】さらに、補間処理手段では、カッティング
パスを算出する際の誤差を少なくするために必要に応じ
てデータ補間処理がなされ、各測定点の間の点の三次元
座標が隣接する周囲の座標データに基づいて算出され、
算出された補間データと測定された形状データとで加工
用三次元データを構成する。さらにまた、ワークの不連
続部分を切削する場合等には数学的演算処理手段によ
り、当該不連続部分の形状データが、その前後の形状デ
ータから算出された予想連続データに置き換えられて、
加工用三次元データが算出される。なお、必要に応じて
上記各手段を組み合わせて加工用三次元データが算出さ
れる。

【００１２】そして、算出された加工用三次元データに
基づいて前記カッティングパス算出手段により使用工具
に応じたカッティングパスが算出され、そのカッティン
グパスに基づいて加工手段によりワークが指定の工具で
自動加工される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
具体的に説明する。図１は本発明に係る自動工作機械を
示すブロック図、図２はその要部を示す概略説明図であ
る。

【００１４】図中１は、モデルＭ又はワークＷの形状を
三次元的に測定し、このデータに基づいて自動加工を行
なう自動工作機械であって、モデル表面又はワーク表面
の各測定点の三次元座標を測定する測定手段２と、測定
された各測定点の三次元座標を形状データとして記憶し
その形状データに基づきワークＷの加工に必要な加工用
三次元データを算出するデータ処理手段３と、算出され
た加工用三次元データに基づいて使用工具のカッティン
グパスを算出するカッティングパス算出手段４と、その
カッティングパスに基づいてワークを所望の工具で自動
加工するマシニングセンタ（加工手段）５及び自動工具
交換スピンドルユニット６とを備えている。

【００１５】測定手段２としては、例えば、交換用工具
ホルダ７にタッチプローブや光学センサを用いた非接触
プローブＳを装填しておく。そして、これらは必要に応
じて前記スピンドルユニット６の主軸に択一的に装着す
るように成されている。そして、モデルＭ又はワークＷ
を固定した加工テーブル８やスピンドルユニット６を全
自動制御しながら、そのＸ−Ｙ−Ｚ座標に基づいてモデ
ルＭ又はワークＷの表面上の各測定点Ｐｎの三次元座標
を計測する。

【００１６】データ処理手段３では、前記測定手段２に
より測定された各測定点の三次元座標を形状データとし
て記憶すると共に、その形状データに基づきワークＷの
加工に必要な加工用三次元データを加工目的に応じて算
出するように成されている。特に、本例では、通常のＣ
ＡＤ機能の他、測定手段２で測定された寸法や三次元座
標の単位長さを予め設定された寸法や倍率に拡縮する拡
大・縮小処理手段１０と、測定手段２で測定されたモデ
ルＭの形状データに基づきその凹凸を反転して金型とな
る三次元形状のデータを算出する凹凸反転処理手段１１
と、各測定点Ｐｎの間の三次元データを前後の座標デー
タに基づいて算出する補間処理手段１２と、ワークＷに
不連続部分がある場合にその不連続部分の前後の形状デ
ータに基づいて予想連続データを算出し当該不連続部分
の形状データと置き換える数学的演算処理手段１３とを
備えており、これらの各処理手段１０〜１３により、ま
たは、これらを任意に組み合わせて三次元面情報データ
（加工用三次元データ）が算出される。

【００１７】カッティングパス算出手段４は、データ処
理手段３から出力される三次元面情報データと、加工条
件設定手段１４により設定される使用工具の種類や形
状，加工ピッチに基づいてカッティングパスを算出する
ＣＡＭ機能を有し、このカッティングパス算出手段４に
より算出されたカッティングパスがマシニングセンタ５
に転送される。そして、加工条件設定手段１４により設
定された使用工具の種類に応じてマシニングセンタ５の
主軸に所定の工具を装着すると共に、カッティングパス
算出手段４から転送されたカッティングパスに基づいて
主軸を移動させ、ワークＷの全自動加工を行なう。

【００１８】以上が本発明の一例構成であって、次に、
モデルＭに基づいてその金型を作成する場合を例にとっ
てその作用を説明する。まず、モデルＭを加工テーブル
８の所定の位置に固定すると共に、未加工のブロック状
のワーク（金型材）ＷをモデルＭから離した所定の位置
に取り付け、マシニングセンタ５のスピンドルユニット
６の主軸に非接触プローブＳを装着し、制御装置（図示
せず）でスピンドルユニット６及び加工テーブル８を移
動させながら、非接触プローブＳを例えばＸ方向に走査
し、所定ピッチでモデルＭの表面上の測定点Ｐｎの三次
元座標を測定する。このとき、非接触プローブＳのＸ−
Ｙ−Ｚ軸上の位置は制御装置によりモニタされており、
モデルＭの表面までの距離が非接触プローブＳに内蔵さ
れた光学センサで測定されるので、非接触プローブＳの
位置と測定点Ｐｎまでの距離に基づいて各測定点Ｐｎの
三次元座標が算出される。

【００１９】そして、これをモデルＭの全表面について
行ない、測定された各測定点Ｐｎの三次元座標を形状デ
ータとして記憶すると共に、その形状データに基づき金
型を加工するための加工用三次元データが、データ処理
手段３の凹凸反転処理手段１１により算出される。この
場合、図２に示すように、モデルの形状データの頂点よ
り高い位置Ｚ＝Ｈから、測定点Ｐｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚ
ｎ）までの距離をＺ座標とする加工用三次元データＱｎ
（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｈ−Ｚｎ）を算出することにより、モデ
ルＭの凹凸が反転されて、金型となる三次元形状のデー
タが算出される。したがって、放電加工用の金型モデル
を作るまでもなく、製品のマスターモデルＭがあれば、
その金型を直接加工することができる。

【００２０】なお、このとき、測定手段２により測定さ
れた寸法が製品仕様と異なる場合やモデルＭの所定倍率
の大きさの金型を作成する場合には拡大・縮小処理手段
１０によりデータの修正や、拡大・縮小処理を行うこと
ができる。例えば、モデルＭの所定倍率の金型を作成す
る場合は、測定手段２により測定された各測定点の座標
をＰｎ（ＡＸｎ，ＡＹｎ，ＡＺｎ）にしたり、三次元デ
ータの座標をＱｎ（ＡＸｎ，ＡＹｎ，Ｈ−ＡＺｎ）〔た
だしＨ＞ＡＺｎ〕とすればよい。また、測定点の三次元
座標のデータ数が少ないとカッティングパスを算出する
際の誤差が大きくなるので、補間処理手段１２により各
測定点間の点の三次元座標を、隣接する複数の座標デー
タに基づいて算出する。例えば、測定点のピッチが 0.1
〜１mmであるときに、切削加工のために予め設定したピ
ッチ（例えば0.02〜0.1mm)で算出することができる。

【００２１】このようにして、金型の形状が加工用三次
元データとして算出されると、今度は、カッティングパ
ス算出手段４により使用工具のカッティングパスが算出
される。このとき、使用工具は加工条件設定手段１４に
より予め設定されているので、その工具形状（長さ，直
径等）に応じてカッティングパスが算出される。カッテ
ィングパス算出手段４では、データ処理手段３から出力
される加工用三次元データと、加工条件設定手段１４に
より設定される使用工具の種類や形状，加工ピッチに応
じてカッティングパスが算出される。

【００２２】そして、カッティングパス算出手段４から
マシニングセンタ５にカッティングパスのデータが転送
されると共に、加工条件設定手段１４により使用工具，
加工工具，回転速度等の加工条件に関するデータが入力
され、スピンドルユニット６の主軸に所定の工具を装着
した後、前記カッティングパスに基づいて主軸を移動さ
せ、ワークＷのＮＣ加工が行われる。このように、モデ
ルＭとワークＷをセットするだけで、測定から切削まで
全自動で行われるので、工作機械を稼動させるためのプ
ログラムをプログラマーに作成させることなくその金型
を切削加工することができ、その結果、製品コストを極
めて安価に抑えることができる。

【００２３】次いで、タービンブレードの補修加工を行
なう場合を例にとって説明する。例えば、図３に示すよ
うに、タービンブレードＴの先端欠損部分を肉盛溶接で
継ぎ足し、その溶接金属が盛り上がったビード２０を滑
らかな曲面に切削する表面加工を行なうときは、ワーク
となるタービンブレードＴを固定して、その表面形状を
測定手段２により測定した後、数学的演算処理手段１３
によりスプライン補間，円弧補間等の数学的補間処理を
行って、例えばブレードＴの表面から盛り上がっている
部分のデータを修正する。

【００２４】この数学的演算処理手段１３では、まず、
データの修正範囲Ｃを指定し、その前後の形状データＤ
₁ ，Ｄ₂ に基づいて例えばスプライン補間の演算を行
い、修正範囲Ａの連続曲面を算出し、その算出された曲
面上の三次元点列データ（予想連続データ）Ｄ₄ を算出
して、修正範囲Ａの形状データＤ₃ を算出された三次元
点列データＤ₄ に置き換える。この置き換えられたデー
タＤ₄ は、ブレードＴの表面に盛り上がっているビード
２０を削った後の形状であるから、このデータに基づい
てカッティングパス算出手段４で工具のカッティングパ
スを算出し、自動工具交換スピンドルユニット６の主軸
に所定の工具を装着した後、前記カッティングパスに基
づいて主軸を移動させれば、モデルがなくてもブレード
Ｔを切削加工して補修することができ、補修用のプログ
ラムを特別に作成したり、熟練工に頼ることもない。

【００２５】なお、実施例の説明では、測定手段２とし
て、マシニングセンタ５の自動工具交換スピンドルユニ
ット６の主軸にタッチプローブや非接触プローブを装着
する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、
任意の手段を採用することができる。また、加工手段は
マシニングセンタ５に限らず、工具交換機能付の旋盤，
フラス盤等任意のＮＣ工作機を使用することができる。
さらに、モデルＭの金型及びタービンブレードＴの補修
加工を行なう場合に限らず、モデルＭと同一形状の製品
を作成したり、モデルＭを拡大・縮小した製品を作成す
ることができることは言うまでもない。

【００２６】以上述べたように、本発明によれば、プロ
グラマーが個々の製品についてＮＣ加工用のプログラム
を作成するまでもなく、モデル形状又はワーク形状を自
動的に読み取り、そのデータに基づき同一形状のものを
加工できるのはもちろんのこと、さらに進んで、そのモ
デルを複製するための金型を作成したり、曲面状のワー
ク表面に突起等の不連続部分がある場合にも熟練工に頼
らずに自動的に切削することができるという非常に優れ
た効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自動工作機械を示すブロック図。

【図２】その要部を示す概略説明図。

【図３】タービンブレードの補修加工の説明図。

【符号の説明】

１・・・自動工作機械 Ｍ・・・モデル Ｗ・・・ワーク ２・・・測定手段 ３・・・データ処理手段 ４・・・カッティングパス算出手段 ５・・・マシニングセンタ（加工手段） ６・・・自動工具交換スピンドルユニット １０・・・拡大・縮小処理手段 １１・・・凹凸反転処理手段 １２・・・補間処理手段 １３・・・数学的演算処理手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モデル表面又はワーク表面の各測定点
   （Pn) の三次元座標を測定する測定手段（２）と、測定
   された各測定点（Pn) の三次元座標を形状データとして
   記憶しその形状データに基づきワークの加工に必要な加
   工用三次元データを算出するデータ処理手段（３）と、
   算出された加工用三次元データに基づいて使用工具のカ
   ッティングパスを算出するカッティングパス算出手段
   （４）と、そのカッティングパスに基づきワーク（Ｗ）
   を所望の工具で自動加工する加工手段（５）とを備える
   と共に、 前記データ処理手段（３）として、前記測定手段（２）
   で測定された寸法や三次元座標の単位長さを予め設定さ
   れた寸法や倍率に拡縮する拡大・縮小処理手段（10）
   と、前記測定手段（２）で測定された形状データに基づ
   きその凹凸を反転して金型となる三次元形状のデータを
   算出する凹凸反転処理手段（11）と、各測定点の間の三
   次元データを前後の座標データに基づいて算出する補間
   処理手段（12）と、ワーク（Ｗ）やモデル（Ｍ）に不連
   続部分がある場合にその不連続部分の前後の形状データ
   から予想連続データを算出して当該不連続部分の形状デ
   ータと置き換える数学的演算処理手段（13）とを有する
   ことを特徴とする自動工作機械。