JPH04141703A - 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
は通常直角座標系内の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。

〔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、指令されたヘリカルの中心、前記ヘリカルの始
点及び前記ヘリカルの終点から、前記ヘリカル上の位置
を演算する位置ベクトル演算手段と、前記位置ベクトル
の差から補間ベクトルを演算する補間ベクトル演算手段
と、前記補間ベクトルを補間する補間手段と、を有する
ことを特徴とする３次元工具径補正力式が、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
ベクトルが求約られる。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。

位置ベクトル演算手段は指令されたヘリカルの中心、始
点、終点から、ヘリカル上の各位置ベクトルを一定周期
で求める。補間ベクトル演算手段は前回の位置ベクトル
と今回の位置ベクトルとの差の補間ベクトルを求める。

補間手段はこの補間ベクトルを補間することにより、ヘ
リカル上を工具が移動するように制御することができる
。

〔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Ｎで表している。この工具方向ベクト
ルＮに垂直な平面をＳとする。

ここで、ヘリカル曲線をＨとし、その平面Ｓ上に中心○
を有し、ヘリカルＨの補間の始点をＰｓとし、ヘリカル
Ｈの補間の終点をＰｅとする。

ここで、ヘリカルＨの中心Ｏ１補間の始点Ｐｓ及び補間
の終点Ｐｅは加ニブログラムによって指令される。従っ
て、補間中のヘリカルＨ上の位置ベクトルＶｐを求める
ことができれば、ヘリカルＨの補間を行うことができる
。すなわち、前回の位置ベクトル■ｐ、、と今回の位置
ベクトルＶｐｏ。

を求め、その差である補間ベクトルΔＶｐを、△Ｖｐ＝
■ｐｒｌ＋１−Ｖｐｒ１ で求め、△Ｖｐを補間していけば、ヘリカルＨの補間を
行うことができる。

以下に位置ベクトルＶｐの演算について述べる。

補間の始点Ｐｓの位置ベクトルＶｓを平面Ｓ上に投影し
たベクトルをベクトルＶｓｌとする。また、点Ｐｓを平
面Ｓ上に投影した点をＰｓｌとする。

従って、ベクトルＶｓｌは、以下の式によって求めるこ
とができる。

Ｖｓｌ＝Ｖｓ−Ｖｅ２ ＝Ｖｓ−（Ｎ、Ｖｓ）　　・Ｎ　　−−−（１）ただし
、（Ｎ、Ｖｓ）はベクトルＮとベクトル■Ｓの内積を表
す。また、ベクトルＶｓ２は点Ｐｓ１から点Ｐｓへ向か
うベクトルである。

次に、ベクトルＶｓｌを面Ｓ上で、θだけ回転して得ら
れるベクトルをＶｐｌとし、その先端の点をＰｌとする
と、ベクトルＶｐｌは以下の式で求約ることができる。

Ｖｐｌ＝Ｒ（θ）・ｖｓま ただし、ここで、Ｒ（θ）は変換マトリクスであり、そ
の詳細は第４図に示す（２）式で表すことができる。

第３図に戻り、点Ｐ１から点Ｐへ向かうベクトルＶｐ２
は、以下の式で計算することができる。

Ｖｐ２＝（θ／θ、、、　）　　（Ｖｅ　２−Ｖｓ　２
）＋Ｖｓま ただし、 Ｖｓ１×Ｖｅ１＝に−Ｎ ここで、Ｋは正の定数とする。すなわち、ベクトルＶｓ
ｌとベクトルＶｅｌの外積がＮ方向のときは、θつ。は
以下の式で求める。

θ□、＝　ｃｏｓ−’　［（Ｖｓ　１．　　Ｖｅ　１）
／１Ｖｓｌ　ｌ　１Ｖｅｌ　ｌ：］ 逆に、 Ｖｓ　１ｘＶｅ　１−−に−Ｎ すなわち、ベクトルＶｓｌとベクトルＶｅｌの外積がＮ
方向と逆のときは、θ□つは以下の式で求める。

θ１ＩａＸ：２π−ｃｏｓ−’　［（Ｖｓ　１．　　Ｖ
ｅ　１）／１Ｖｓｌ　　ｌ　　１Ｖｅｌ　ｌ’：従って
、位置ベクトルＶｐは以下の式から計算することができ
る。

Ｖｐ＝Ｖｐｌ＋Ｖｐ２ ＝Ｒ（θ）Ｖｓｌ ＋（θ／θ、、、　）　　（Ｖｅ　２−Ｖｓ　２）＋　
Ｖ　ｓ　２　　　　　　　−−−−−　　（３）ここで
、Ｖｓｌは（１）式より求めることができる。Ｖｅ２は
（１）式より、 Ｖｓ２＝　（Ｎ、Ｖｓ）　　・Ｎ で与えられる。また、Ｖｅ２は、 Ｖｅ２＝　（Ｎ、Ｖｅ）　　・Ｎ で与えられる。

従って、Ｖｓ及びＶｅは指令されるのでＶｐを（３）式
から求めることができる。

ここで、ベクトルＶｓ２とＶｅ２が一致するとき、すな
わちヘリカルＨが平面Ｓと平行な平面上にあるときは、
ヘリカルＨは円弧となり、ヘリカルＨの補間を行えば、
円弧補間も特別の場合として行うことができる。

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Ｈの中心、補間の始点、終点等の３
次元の座標値を位置ベクトル演算手段１０７に送る。

一方、ベクトル計算手段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に垂直な平面Ｓを演算する。

位置ベクトル演算手段１０７は先に説明したように、（
３）式に従ってヘリカルＨの中心、補間の始点及び終点
と、平面Ｓから位置ベクトルＶｐを演算する。

補間ベクトル演算手段１０８は前回の位置ベクトルＶｐ
ｏと今回の位置ベクトルｖｐ、、＋１を求め、その差で
ある補間ベクトル△Ｖｐを、 ΔＶｐ＝Ｖｐ・・＋Ｖｐ・ から求める。補間手段１１０は、この補間ベクトルΔＶ
ｐを補間することによりヘリカルＨの補間を行うことが
できる。

補間された分配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４１
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Ｂ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、ハス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圧し、
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。ＣＭＯ３１４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。

ＣＭＯ３１４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（７’ログラマブル・マシン・コントローラ）１
６はＣＮＣ１０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１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、手動で機械稼
働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には位置検出用のバルスコーダが
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約する。

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る。この結果、
自動プログラム作成装置等を必要としない。

また、３次元ヘリカル補間の特別な場合として３次元円
弧補間が可能となる。

【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クリヘッドの概観図、 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）　ＩＪクスを示す図、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。 １　　　　　ロータリヘッド ４１〜４５ ５１〜５５ ６１〜６５ 工具 プロセッサ ＯＭ ＡＭ ＭＯ３ 軸制御回路 サーボアンプ サーボモータ 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 位置ベクトル演算手段 補間ベクトル演算手段 補間手段 加減速制御手段 特許比願人 ファナック株式会社 Ｙ 第２図 第３図

Claims (5)

【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、指令されたヘリカ
   ルの中心、前記ヘリカルの始点及び前記ヘリカルの終点
   から、前記ヘリカル上の位置を演算する位置ベクトル演
   算手段と、前記位置ベクトルの差から補間ベクトルを演
   算する補間ベクトル演算手段と、 前記補間ベクトルを補間する補間手段と、 を有することを特徴とする３次元ヘリカル補間方式。
2. （２）前記平面はヘリカルの中心がある平面であること
   を特徴とする請求項１記載の３次元ヘリカル補間方式。
3. （３）前記始点と前記終点は前記平面に平行な平面上に
   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。
4. （４）前記ロータリヘッドを制御する軸は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。
5. （５）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。