JPS63251158A - 自由曲面の機械加工方法および装置 - 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〉 本発明は、加工物の自由曲面に研削または切削等の機械
加工を施す方法、およびそのための装置に関するもので
ある。

〈従来の技術〉 今日、三次元の所望の形状を得るために、いわゆる自由
曲面加工が行われている。自由曲面の定義は確立してい
るわけではないが、「解析幾何学的に連続した関係を用
いて表すことがむずかしい曲面」とされるのが一般的で
ある。

特開昭６１−２７９４６０号公報には、曲面研削装置と
して、円筒砥石をその軸線まわりに回転させつつ、ｘ、
ｙ、ｚの３軸制御により研削を行うものが開示されてい
る。これは、接平面の傾斜方向が一方向にのみ変化する
二次曲面的な研削には適するが、砥石軸線の姿勢が不変
であるために、接平面の傾斜が２以上の方向に変化する
曲面（実質的な意味での自由曲面）の研削は困難である
。

実質的な自由曲面の研削は、例えば特開昭６１−２７９
４５９号公報に開示されているように、球面状砥石を用
いるのが普通である。球面状砥石を縦軸まわりに回転さ
せて３軸制御を行うか、またはその３軸に１以上の旋回
軸を加えて砥石軸線の姿勢を変化させつつ研削を行うの
である。縦軸回転と横軸回転を複合させた、いわゆる二
次元マイクロ研削も知られているが、これも球面状砥石
による研削の一種とみることができる。

一方、円盤砥石を縦軸まわりに回転させ、その盤面で自
由曲面を研削することも行われている。

この場合には、円盤砥石が自由曲面の凹凸に対応できる
ように５軸制御の装置を用いたり、多関節ロボットなど
を用いた姿勢制御（Ｘ、Ｙ、Ｚ＋ベクトル）により研削
が行われる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし、球面状砥石による場合には砥石と加工面とは点
接触になる。したがって曲面へのなじみが悪く、第１２
図に示すような研削マーク（研削残り）の発生を可及的
に小さくするためにはビ・ツクフィード量を小さくせざ
るを得す、そのため研削効率が悪い欠点がある。また周
速も不安定である。

一方、円盤砥石による場合には面接触となるが、第１５
図に示すように１、凹曲面の研削において砥石外周縁が
加工面に対して食込み（干渉）を生じ易く、凹曲面の最
深部への砥石の接近性が悪い欠点がある。また、円盤砥
石の内周側と外周側とで周速が異なるため、その半径方
向において研削能力が均一でない。しかも砥石軸の姿勢
制御が複雑な問題もある。

このように球面状砥石による場合には凹曲面への接近性
（換言すれば形状適応性）はよいが研削効率が低く、円
盤砥石による場合には研削効率はよいが凹曲面への接近
性が悪いのであり、従来では研削効率と接近性とを両立
させることは困難であった。

本発明群（以下、単に発明と総称する）は、このような
自由曲面研削における問題を解決することを直接の目的
としてなされたものである。ただし、その思想の適用対
象は研削に限られるものではなく切削にも適用され得る
。

く問題点を解決するための手段〉 □第一発明□ 第一発明は、加工物の自由曲面に研削または切削等の機
械加工を施す方法において、円筒状工具をその工具軸線
まわりに回転させて外周面で自由曲面の機械加工を行う
とともに、三次元座標軸たるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および少
なくとも一の旋回軸を含む４軸以上の多軸同時制御によ
り、円筒状工具を加工物に対して相対的に工具軸線と直
交する方向に送りつつ、円筒状工具の外周面に対する接
平面と加工物の自由曲面に対する接平面とが可及的に同
一の接平面となるように円筒状工具の姿勢を制御するこ
とを特徴とする。

一第二発明一 第二発明は、加工物の自由曲面に研削または切削等の機
械加工を施す装置に係るものであって、第一発明に係る
方法の実施に好適な実施装置の発明である。その特徴は
、（１）加工ヘッドに取り付けられて自身の工具軸線ま
わりに回転させられ、外周面において自由曲面の機械加
工を行う円筒状工具と、（２）その加工ヘッドが取り付
けられるとともに、その加工ヘッドに対して三次元座標
軸たるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および少なくとも一の旋回軸を
含む４以上の制御軸を有し、かつそれら制御軸について
それぞれ駆動手段を備えた装置本体と、（３）それらの
駆動手段を同時に制御することにより、円筒状工具を加
工物に対して相対的に工具軸線と直交する方向に送りつ
つ、円筒状工具の外周面に対する接平面と加工物の自由
曲面に対する接平面とが可及的に同一の接平面となるよ
うに上記加工ヘッドの位置および姿勢を制御する多軸同
時制御手段とを含む点にある。

□第三発明□ 第三発明は、第二発明と同様、加工物の自由曲面に研削
または切削等の機械加工を施す装置に係るものであるが
、特にマシニングセンタを利用する点に特徴がある。す
なわち、（ａ）三次元座標軸たるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸なら
びに第一旋回軸および第二旋回軸を制御軸とする５軸マ
シニングセンタであって、そのＸ、Ｙ、Ｚの基本３軸を
制御軸とする可動部本体と、上記第一および第二の旋回
軸を制御軸としてその可動部本体に連結された加工へラ
ド本体とを備えたマシニングセンタと、（ｂ）自身の工
具軸線まわりに回転させられ、加工物に対して相対的に
工具軸線と直交する方向の送りを与えられつつ外周面で
機械加工を行う円筒状工具、その円筒状工具を回転させ
る駆動手段、およびその円筒状工具を自由曲面に押し付
ける付勢手段を含んで上記加工ヘッド本体に取り付けら
れてその本体と共に加工ヘッドを構成し、かつ、円筒状
工具がその工具軸線を含む平面内で上記第一旋回軸のま
わりに旋回可能とされ、かつその旋回平面に平行で工具
軸線と直角な上記第二旋回軸のまわりにも旋回可能とさ
れた加工ツール装置と、（Ｃ）上記Ｙ軸、Ｙ軸、Ｚ軸お
よび第一旋回軸の４軸またはこれに上記第二旋回軸を加
えた５軸をＮＣプログラムに従って同時に制御すること
により、上記第一旋回軸を前記送り方向と平行に保ちつ
つ、円筒状工具の外周面に対する接平面と加工物の自由
曲面に対する接平面とが可及的に同一の接平面となるよ
うに円筒状工具の姿勢を制御する多軸同時制御手段とを
含むことを特徴とする。

く作用および効果〉 まず、これら方法および装置の発明に共通して言えるこ
とは、研削等の加工効率を向上させ、接近性をも向上さ
せてそれらを両立させ得る点である。

すなわち、円筒状工具に加工物に対して相対的に工具軸
線と直交する方向の送りを与えつつ、円筒状工具の外周
面に対する接平面と加工物の自由曲面に対する接平面と
が等しくなるように姿勢制御を行うことにより、工具送
り方向と直角な方向における加工幅を常に最大とするこ
とができる。

そして、従来の球状面加工では、その工具形状を点接触
状態で加工物の自由曲面に転写するため小ピック量の加
工を余儀無くされたが、本発明によれば工具半径と無関
係に、円筒状外周面の形状を線接触またはそれに近い状
態で転写するため、ビックフィード量を相当大きくとる
ことができる。

また、円筒状工具の周速が最大となる外周面で加工を行
うため研削等の加工能力が大きい。このようなことから
、加工能率の向上が達成されるのである。

また、従来の円盤砥石等の工具盤面による加工では、工
具の外周縁が凹曲面に干渉する問題があって、凹曲面へ
の適用が難しかったのであるが、本発明によれば、工具
送り方向について円筒状工具の半径に相当する曲率半径
の凹曲面まで加工が可能であり、また送り方向に直角な
工具幅方向についても、工具の姿勢制御のほか凹曲面に
近い工具形状を選択すること等により広汎に対応できる
。

そのようなことから凹曲面の加工部への工具接近性が向
上するのである。

なお、「円筒状工具」とは、外周面が完全な円筒面で構
成されるものに限らず、工具幅方向において所定の曲率
を有するものも含む概念である。

また、上記のような機械加工を行うに際し、多軸同時制
御の機能を有するマシニングセンタを利用し、かつ通常
の加工ヘッド本体とは異り、主軸および主軸駆動用の回
転伝達機構部を有しない専用の加工ヘッド本体とこれに
装着した加工ツール装置を使用することにより、旋回制
御によっても工具軸線を送り方向に常に直角に保つこと
ができるのであり、このような装置によれば多軸制御の
高価な専用装置に比べて装置コストを低減することがで
きる。

〈実　施　例〉 以下、本発明を自由曲面研削に適用した場合の実施例を
図面に基づいて詳細に説明するが、まず装置発明の詳細
な説明し、その作動とともに方法発明の詳細な説明する
。

第１図は、４軸同時制御の自由曲面研削システムの概要
を示すものであり、その中核をなすのが５軸マシニング
センタ１０である。

５軸マシニングセンタ１０は、三次元座標軸たるＹ軸、
Ｙ軸、Ｚ軸の直線３軸と、Ｙ軸に平行な第一旋回軸たる
Ａ軸（またはＹ軸に平行な旋回軸たるＢ軸、ただし以下
ではＡ軸で説明する）およびＺ軸に平行な第二旋回軸た
るＣ軸の旋回２軸との、都合５軸を制御軸とするもので
ある。この５軸マシニングセンタ１０は、ｘ、ｙ、ｚの
直線３軸を制御軸として加工物たるワーク（被削材）Ｗ
に対して相対移動させられる可動部本体１２を備え、可
動部本体１２には上記Ａ軸およびＣ軸の旋回２軸を制御
軸として研削ヘッド本体（以下、研削５軸ヘツドという
）１４が連結されている。この研削５軸ヘツド１４に円
筒状工具としての円筒砥石１６を備えた研削ツール装置
１８が取り付けられ、研削５軸ヘツド１４とともに研削
ヘッドを構成している。

第２図に示すように、研削ツール装置１８はマシニング
センタ１０の可動部本体１２に装着されるテーバシャン
ク２２を備え、このシャンク２２はツール本体２４と一
体化されている。ツール本体２４に対して可動ツールベ
ース２６が接近・離間可能に設けられ、そのベース２６
に固定された摺動ロッド２８がツール本体２４に固定の
ガイドブツシュ３０内に摺動可能に嵌合され、ストッパ
３２によって上下方向に例えばｌＱｎ＋程度の移動スト
ロークが確保されている。ツール本体２４には砥石付勢
手段としてエアシリンダ３４が固定され、それのピスト
ンロッド３６が長さ調整可能なジヨイント３８を介して
可動ツールベース２６に連結されている。

可動ツールベース２６には砥石駆動モータ４０（例えば
高周波モータ）が駆動手段として固定されている。この
モータ４０は、モータ出力軸がベベルギヤ等の方向変換
手段によりモータ軸綿に対して直角とされたアングル形
のものであり、その出力軸に前記円筒砥石１６が固定さ
れ、横軸回転可能とされている。円筒砥石１６は幅の狭
い偏平円筒形（円板状ともいえる）のものであって、自
身の中心線である砥石軸線のまわりに回転させられるこ
とにより、円筒外周面でワークＷの研削を行うものであ
る。そして、上記エアシリンダ３４によりワークＷの自
由曲面に所定の力で押し付けられるようになっている。

研削ツール装置１８のシャンク２２は第３図に簡略に示
すように、研削５軸ヘツド１４の工具装着部材４２に形
成された工具装着穴４４に固定される。工具装着部材４
２は５軸マシニングセンタ１０の研削５軸ヘツド１４に
Ａ軸まわりに旋回可能に支持されている。円筒砥石１６
の砥石軸線はこのＡ軸に直角とされており、円筒砥石１
６は自身の砥石軸線を含み、かつＡ軸に直角な平面内で
Ａ軸まわりに旋回可能とされる。工具装着部材４２はウ
オームホイール４６．ウオーム４８．ベベルギヤ５０．
５２およびそれに続くギヤ列５４等を介してＡ軸のサー
ボモータによって旋回させられる。さらに、研削ｓ軸ヘ
ッド１４は５軸マシニングセンタ１０の前記可動部本体
１２よってＣ軸まわりに旋回可能に支持されている。Ｃ
軸は前記Ｚ軸と平行かつＡ軸と直角であり、円筒砥石１
６はこのＣ軸のまわりにも旋回可能とされている。

なお、図中の軸受は符号５６のように簡略に示す。

このような研削５軸ヘツド１４は本実施例に特有の、つ
まり本実施例の自由曲面研削を行うための専用ヘッドで
ある。５軸マシニングセンタ１０の一般的なヘッドは、
第４図に示すような切削ヘッド本体（以下、切削５軸ヘ
ツドという）６０である。すなわち、工具装着部材４２
に工具装着穴４４を有する主軸６２が回転可能に支持さ
れ、この主軸６２をベベルギヤ６４．６６およびギヤ列
６８さらにギヤ７０．７２等を介して回転させるもので
あり、この点で本実施例の研削５袖ヘツド１４とは異な
っているのである。汎用のヘッドではなく専用の研削５
軸ヘツド１４を使用する理由については後に詳述する。

第１図に戻って、５軸マシニングセンタ１０の可動部本
体１２には、研削ツール装置１８のエアシリンダ３４に
圧縮空気を供給するエア供給装置７４が設けられいる。

このエア供給装置７４は、エアシリンダ３４への空気通
路を開閉する電（■開閉弁７６と、エアシリンダ３４へ
供給されるエア圧力を制御する電磁比例圧力制御弁７８
とを備え、それぞれエア供給コントローラ８０．エア圧
コントローラ８２に接続されて、各々の電気信号により
制御されるようになっている。これらのコントローラ８
０．８２がインバータ８４とともに研削条件コントロー
ラ８６を構成しており、インバータ８４は砥石駆動モー
タ４０に接続されて、そのモータ４０の回転数および起
動・停止を制御する役割を果たす。

第２図に示すように、研削ツール装置Ｉ８のツール本体
２４には、エアシリンダ３４へのエア供給用のエアカプ
ラ８８と、モータ４０への電力供給用のレセクタプル９
０が設けられている。９１はエア配管である。そして、
これらに対応して第３図に示す研削５軸ヘツド１４の工
具装着部材４２にも、エアカプラ９２およびレセクタプ
ル９４が設けられ、対応するもの同士が研削ツール装置
１８の取付けによって自動的に接続された状態となる。

その結果、外部の圧縮空気源から第１図のエアシリンダ
３４に至るエア通路が形成され、またインバータ８４か
らモータ４０に至る通電路が形成されることとなる。

研削条件コントローラ８６はシーケンサ９６に接続され
ており、シーケンサ９６は５軸マシニングセンタ１０１
機械操作盤９８およびＮＣコントローラ１００に接続さ
れている。ＮＣコントローラ１００は前記Ｘ軸、Ｙ軸な
どの各軸サーボユニット１０２を介して各軸サーボモー
タ１０４に接続されるとともに、ＮＣプログラム入力装
置１０６に接続されている。

次に、作動の説明に併せて研削方法の実施例を説明する
。

本実施例においては、円筒砥石１６のワークＷに対する
相対的な送り方向をＸ軸方向に予め設定し、かつ５軸マ
シニングセンタ１０の制御５軸のうち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸およびＡ軸の４軸について同時制御を行わせ、横軸ま
わりに回転する円筒砥石１６がワークＷの自由曲面にな
じみ、円筒砥石１６による研削の、送り方向と直交する
方向の幅が常に最大となるようにする。

そして、このような同時４軸制御を実行する前提条件と
して、第５図および第６図に示すように、Ａ軸が送り方
向（つまりＸ軸方向）と一致するようにＣ軸を旋回させ
、その旋回位置においてＣ軸を固定する。これにより円
筒砥石１６の砥石軸線０は送り方向に対して常に直角に
保たれることとなる。

また、砥石１６がワークＷの自由曲面になじむようにす
るために、研削部位において円筒砥石１６の外周面に対
する接平面と、ワークＷの自由曲面に対する接平面とが
同一の平面となるように砥石１６の位置・姿勢を制御す
る。言い換えれば、円筒砥石１６の砥石軸線を研削ポイ
ントにおける法線と直交させるのである。これを実現す
る制御の考え方につき、第５図、第７図および第８図に
基づいて、ワークＷの自由曲面の曲率・傾斜をＸＺ平面
およびＹＺ平面に投影して説明する。

ＸＺ平面については、ＸＺ平面に投影したワークＷの研
削ポイントにおける法線がその研削ポイントから円筒砥
石１６の半径に相当する距離だけ離れた位置で砥石軸線
と交わるように、Ｘ軸、Ｚ軸をオフセットさせる。一方
、ＹＺ平面については、ＹＺ平面に投影したワークＷの
研削ポイントにおける法線が砥石１６の半径に相当する
距離だけ離れた位置で砥石軸線と直交するように、Ａ軸
を所定角度旋回させ（厳密に言えば、Ａ軸まわりに工具
装着部材４２を所定角度旋回させ）、かつＹ軸、Ｚ軸を
オフセットさせる。以上のようなＸＺ平面の処理とＹＺ
平面の処理とを複合させて、外周面で研削作用をなす円
筒砥石１６がワークＷの曲面になじみ、砥石軸線方向に
おける研削幅が最大となるように同時４軸制御を実行す
るのである。

このような同時４軸制御のＮＣプログラムの作成プロセ
スを第９図および第１θ図に基づいて説明する。

ワークＷの曲面データには、Ｘ、Ｙ、Ｚの座標のほか、
そのポイントでの法線を示すベクトルｉ。

ｊ、ｋを含む。すなわち、Ｘ方向ベクトルｔ、　Ｙ方向
ベクトルｊ、Ｚ方向ベクトルにであり、ｉｔ　＋　ｊ！
　十ｋｚ　＝　１ の関係式が成り立つ。

第１０図は実際の砥石位置関係を示し、第９図はそれを
モデル化したものである。各図における符号の内容は次
のとおりである。

Ｐ：研削ポイント ０：砥石軸線（回転中心） ＭｚＡ軸旋回中心 ｒコ砥石半径 ｌ：Ａ軸旋回部の長さ ＡＨＡ軸旋回角度 そして、これらの各座標等は、次のように表される。

Ｐ（Ｘ、　　　Ｙ、　　　Ｚ） ０　（Ｘ＋ｉｒ、Ｙ＋ｊｒ、Ｚ＋ｋｒ）Ｚ　＋　ｋ　ｒ
　＋　−１） 、ヘゴ］１】 Ａ　＝　ｊａｎ　−’　−（Ｘ方向送り〕Ａ＝ｊａｎ−
’　−（Ｙ方向送り〕 なお、本実施例ではＸ軸方向の送りを前提とするが、上
記座標および旋回角度は、Ｙ軸方向を送り方向に設定す
る場合についても併せ示した。

このようなデータを用い、研削ポイントＰの座標を基準
にして砥石回転中心０．Ａ軸旋回中心Ｍの各座標、およ
びＡ軸旋回角度Ａを求め、マシニングセンタ１０を同時
４軸制御するためのＮＣプログラムを作成する。また、
このプロゲラ１、には同時４軸制御のための軌跡情報の
ほか、砥石１６の相対的な送り速度指令、砥石回転数お
よび押付は圧などの研削条件に関する情報、さらにはエ
ア供給装置７４の電磁開閉弁の開閉情報や工具情報など
が折り込まれる。ここで「工具情報」とは、研削ツール
装置１８を自動で交換する場合に必要な工具隘のことで
ある。

そして、このようなＮＣプログラム情報は、ＮＣテープ
等を介して第１図に示すＮＣプログラム入力装置１０６
からＮＣコントローラ１００へ供給される。ＮＣコント
ローラ１００は、同時４軸軌跡情報と送り速度指令に従
って各軸サーボモータ１０４が作動するように各軸サー
ボユニット１０２へ移動指令情報を供給し、その他の情
報はシーケンサ９６へ転送する。

シーケンサ９６は、ＮＣコントローラ１００や機械操作
盤９８から種々の情報を受は取り、各々に応じた指令を
５軸マシニングセンタ１０ならびに研削条件コントロー
ラ８６に送る。

研削条件コントローラ８６はシーケンサ９６から以下の
情報を受は取る。すなわち、エアシリンダ３４のエア圧
力を指示して研削時の砥石押付圧を制御するためのエア
圧力指令と、エア供給装置７４の電磁開閉弁７６の開閉
を指示してエアシリンダ３４へのエア供給を制御するた
めの弁開閉指令と、砥石駆動モータ４０の回転数および
起動・停止を制御するためのモータ指令との各情報を受
は取るのである。

これらの各指令情報に基づき、研削条件コントローラ８
６内のエア圧コントローラ８２は、エア供給装置７４の
電磁比例圧力制御弁７８にエア圧力に対応する電気信号
を送り、エア供給コントローラ８０は電磁開閉弁７６に
弁開閉信号を送る。

それに基づいてエア供給装置７４がエアシリンダ３４に
所定圧力のエアを供給する。またインバータ８４は、砥
石駆動モータ４０に目的とする回転数に応じた周波数の
交流電流を供給する。

このようにして与えられる研削条件の下で、研削５軸ヘ
ツド１４および研削ツール装置１８が装着された５軸マ
シニングセンタ１０は、上述の軌跡情報等に基づいて、
横軸まわりに回転する円筒砥石１６がワークＷの曲面に
なじむように、つまりｘｚ、ｙｚ平面へ投影した研削ポ
イントにおける法線が砥石軸線と直交して、円筒砥石１
６と研削曲面とが接平面を共通にして接するように、同
時４軸制御を行うのである。

このような円筒砥石１６を用いた同時４輔制御に基づく
自由曲面研削によって、研削効率が向上するとともに凹
曲面への接近性が良好となり、従来では両立が困難であ
った研削効率と接近性の要請を共に満足させ得た。

例えば、第１２図に示すように、従来の球面状砥石２０
０では研削残りを少なくするためにピソクツイード量は
小さくせざるを得ないが、実験データによれば、ワーク
自由曲面の平坦部を１鰭のビックで研削しても６μｍの
研削残りが出る。これに対して第１３図に示すように本
実施例では、円筒砥石１６として砥石幅が例えば１２ｍ
のものを使用し、ビックを１０龍と荒くしても研削残り
は実質的にゼロである。また、第１４図に示すように曲
率半径Ｒが例えば１５００　龍の曲面部においても、同
様の荒いビックで研削残りは８μ偽程度に抑えられるの
である。

また、第１５図に示すように、従来の円盤砥石２０２を
縦軸回転させてその盤面で凹曲面を研削しようとすると
、円盤砥石２０２の外周縁において干渉が生じるため、
凹曲面への適用が難しいのであるが、本実施例では第１
６図に示すように、砥石１６の送り方向において原理的
には砥石半径ｒに相当する曲率半径の凹曲面まで研削可
能である。また、砥石幅方向の凹曲面に対しては、砥石
幅が狭いこと及び砥石１６を含む研削ツール装置１８の
姿勢を制御することにより、かなり大きな曲率の凹曲面
にも適用できる。しかも円筒砥石１６の外周面の形状を
、完全な円筒面ではなく、砥石幅方向の両端に丸みを付
けた砥石や凹曲面に対応する曲率の外周面形状とした相
形砥石などの円筒状砥石を選択すれば、凹曲面への接近
性が一層向上する。

また、円盤砥石２０２の盤面で凸曲面の研削を行う場合
でも、制御軸としてＸ、Ｙ、Ｚの直線３軸のほか、送り
方向および送り方向に直角な方向の旋回２軸を含む５軸
同時制御が不可欠である。

これに対して本実施例では、４軸制御でよく制御軸数が
ｌ輪生ないため、それだけ制御が簡単になる特長もある
。

ところで、先に第３図および第４図を参照しつつ説明し
たように、５軸マシニングセンタ１０に装着された研削
５軸へラド１４には、第４図の一般的な切削５軸へラド
６０に見られる、刃具が取り付けられる主軸６２、これ
を回転させるためのギヤ６４．６６およびそれに続くギ
ヤ列６８等が存在しない。これは次の理由による。

いま仮に、切削５軸ヘツド６０の主軸６２の工具装着穴
４４に、研削ツール装置１８のシャンク２２を装着して
同時４軸制御を行わせるとすれば、主軸６２とそのギヤ
列を含むＡ軸旋回部（工具装着部材４２）がある角度旋
回するとき、ベベルギヤ６４は遊星歯車となってベベル
ギヤ６６とかみ合いつつそのまわりを回転するため、主
軸６２に連れ回りが生じる。Ａ軸旋回角度に対する主軸
６２の連れ回り角度は、ベベルギヤ６６が固定状態にあ
るとすればベベルギヤ６４．６６のギヤ比によって決ま
り、ギヤ比が１であればＡ軸旋回角度に等しい。ギヤ６
６がフリー状態の場合、Ａ軸旋回時においてギヤ６４．
６６へのトルク配分が同じであれば、両ギヤ６４．６６
はＡ軸旋回角度の半分だけ回転する。ギヤ６４．６６は
相対的にはＡ軸旋回角度分だけずれたことになるが、ギ
ヤ６４の見かけ上の連れ回りは、Ａ軸旋回角度／２とな
る。

第１１図の上段は、研削ツール装置を取り付けた切削５
軸ヘツド６０と研削５軸ヘツド１４とのＡ軸旋回に対す
る動きの違いを比較したものである。いずれのヘッド６
０．１４においても、Ａ軸旋回角度Ｏ”のときＡ軸と砥
石軸ｖＡＯとが直角となるように砥石１６の向きが設定
されており、同時４軸制御による本実施例の研削を行う
には、Ａ軸に対する砥石１６の向きをその状態に維持し
なければならない。

しかし、切削５軸ヘツド６０では、Ａ軸旋回に伴う上記
主軸６２の連れ回りの結果、砥石軸線をＡ軸ひいては送
り方向に対して常時直角に保つことができず、送り方向
に直角な方向の研削幅を最大に維持することが困難であ
る。そのために研削残りや食込み等の不都合を生じてし
まう。これに対して研削５軸ヘツド１４によれば、Ａ軸
旋回にかかわらず砥石１６とＡ軸との関係は変わること
なく維持され、目的とする４軸同時制御による研削が実
現するのである。

なお、本実施例では旋回軸たるＣ軸が固定されることを
前提にしたが、このＣ軸の旋回を含めた制御を行う場合
にも、第４図の切削５軸ヘッド６０の主軸６２に連れ回
りが生じる。つまり、切削５輔ヘツド６０がＣ軸まわり
に旋回させられると、ギヤ７０は遊星歯車となって、ギ
ヤ７２とのかみ合いにより自転しつつそのまわりを回転
するため、その回転がギヤ列６８等を経て主軸６２に伝
達されて連れ回りを生じさせるのである。そのため第１
１図の下段に例示するように、切削５軸ヘツド６０では
Ｃ軸旋回が生じると砥石軸線とＡ軸との直角な関係を保
ち得ないのであるが、研削５軸ヘンド１４によればその
ような不都合が生じない。

いずれにしても、５軸マシニングセンタ１０を用いる本
実施例の研削システムでは、専用の研削５軸へンド１４
を用い、それに研削ツール装置１８を装着して同時４軸
制御を行うことにより、前述のような目的とする自由曲
面研削が実現するのである。

以上説明した実施例では、砥石１６の送り方向をＸ軸（
Ａ軸）方向に設定したが、これをＹ軸方向など他の方向
に設定することも勿論可能である。

また、Ｃ軸を固定することなく旋回させるようにして、
送り方向を時々刻々と変化させる場合には、制御が拡張
されてＸ、Ｙ、Ｚの直線３軸とＡおよびＣの旋回２軸と
の５軸同時制御となる。

また、既存の５軸マシニングセンタの利用は、専用の研
削装置を用いるのに比べて装置コストが低く経済的な利
点があるが、必ずしもそれに限らず、専用の多軸同時制
御のＮＣ研削盤を使用することもできる。

さらに、本発明は研削に限らず、回転刃物を使用する自
由曲面の切削加工（例えばフライス加工等）に適用する
こともできる。

その他、当業者の知識に基づいて種々の変形を施した態
様で本発明を実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である自由曲面研削システム
の概略図、第２図は研削ツール装置の一部を断面で示す
正面図、第３図はその研削ツール装置が装着される研削
５軸ヘツドの模式図、第４図は一般的な切削５軸ヘツド
の模式図、第５図は研削中の砥石の姿勢等を基本座標平
面に投影した図、第６図は砥石軸線と送り方向との関係
を示す図、第７図は砥石の姿勢制御の前提となるＸＺ平
面の座標のオフセットを示す図、第８図は同じくＹＺ平
面の座標のオフセットを示す図、第９図は円筒砥石に関
する基本的要素を幾何学的にモデル化した図、第１０図
はそのモデルを実際の装置に当てはめた図、第１１図は
一般的な切削５軸ヘツドを利用した場合と専用の研削５
軸ヘツドを用いた場合とにおいて、Ａ軸旋回およびＣ軸
旋回と砥石姿勢との関係を比較して示す図、第１２図は
従来の球面状砥石による研削例を示す図、第１３図は本
発明による平坦部の研削例を、また第１４図は曲面部の
研削例をそれぞれ示す図、第１５図は従来の円盤砥石に
よる凹曲面の研削例を示す図、第１６図は本発明による
凹曲面の研削例を示す図である。 １０：５軸マシニングセンタ １２：可動部本体 １４：研削５軸ヘツド（研削ヘッド本体）１６：円筒砥
石　　　　１８：研削ツール装置３４：エアシリンダ（
付勢手段） ４０：砥石駆動モータ（駆動手段） ４２：工具装着部材　　６０：切削５軸ヘッド７４：エ
ア供給装置

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）加工物の自由曲面に研削または切削等の機械加工
   を施す方法において、 円筒状工具をその工具軸線まわりに回転させて外周面で
   前記自由曲面の機械加工を行うとともに、三次元座標軸
   たるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および少なくとも一の旋回軸を含
   む４軸以上の多軸同時制御により、円筒状工具を加工物
   に対して相対的に工具軸線と直交する方向に送りつつ、
   円筒状工具の外周面に対する接平面と前記加工物の自由
   曲面に対する接平面とが可及的に同一の接平面となるよ
   うに円筒状工具の姿勢を制御することを特徴とする自由
   曲面の機械加工方法。
2. （２）前記送り方向が前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれか
   一の方向に設定され、前記一の旋回軸がその送り方向に
   平行であり、その旋回軸のまわりに前記円筒状工具をそ
   の工具軸線を含む平面内で旋回させることを含む４軸同
   時制御により、その円筒状工具の姿勢制御を行う特許請
   求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）前記機械加工が円筒状砥石による研削で、ある特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の方法。
4. （４）加工物の自由曲面に研削または切削等の機械加工
   を施す装置であって、 加工ヘッドに取り付けられて自身の工具軸線まわりに回
   転させられ、外周面において前記自由曲面の機械加工を
   行う円筒状工具と、 前記加工ヘッドが取り付けられるとともに、その加工ヘ
   ッドに対して三次元座標軸たるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および
   少なくとも一の旋回軸を含む４以上の制御軸を有し、か
   つそれら制御軸についてそれぞれ駆動手段を備えた装置
   本体と、 それらの駆動手段を同時に制御することにより、前記円
   筒状工具を加工物に対して相対的に工具軸線と直交する
   方向に送りつつ、円筒状工具の外周面に対する接平面と
   前記加工物の自由曲面に対する接平面とが可及的に同一
   の接平面となるように前記加工ヘッドの位置および姿勢
   を制御する多軸同時制御手段と を含むことを特徴とする自由曲面の機械加工装置。
5. （５）前記送り方向が前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれか
   一の方向に設定され、また前記一の旋回軸がその送り方
   向と平行に設定されるとともに、その旋回軸のまわりに
   前記円筒状工具が自身の工具軸線を含む平面内で旋回可
   能とされており、前記多軸同時制御手段が４軸同時制御
   手段である特許請求の範囲第４項記載の機械加工装置。
6. （６）前記機械加工装置が円筒状砥石を備えた研削装置
   である特許請求の範囲第４項または第５項記載の装置。
7. （７）加工物の自由曲面に研削または切削等の機械加工
   を施す装置であって、 三次元座標軸たるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ならびに第一旋回軸
   および第二旋回軸を制御軸とする５軸マシニングセンタ
   であって、そのＸ、Ｙ、Ｚの基本３軸を制御軸とする可
   動部本体と、前記第一および第二の旋回軸を制御軸とし
   てその可動部本体に連結された加工ヘッド本体とを備え
   たマシニングセンタと、 自身の工具軸線まわりに回転させられ、加工物に対して
   相対的に工具軸線と直交する方向の送りを与えられつつ
   外周面で機械加工を行う円筒状工具、その円筒状工具を
   回転させる駆動手段およびその円筒状工具を前記自由曲
   面に押し付ける付勢手段を含んで前記加工ヘッド本体に
   取り付けられてその本体と共に加工ヘッドを構成し、か
   つ、前記円筒状工具がその工具軸線を含む平面内で前記
   第一旋回軸のまわりに旋回可能とされ、かつその旋回平
   面に平行で工具軸線と直角な前記第二旋回軸のまわりに
   も旋回可能とされた加工ツール装置と、 前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および第一旋回軸の４軸またはこ
   れに前記第二旋回軸を加えた５軸をＮＣプログラムに従
   って同時に制御することにより、前記第一旋回軸を前記
   送り方向と平行に保ちつつ、前記円筒状工具の外周面に
   対する接平面と前記加工物の自由曲面に対する接平面と
   が可及的に同一の接平面となるように円筒状工具の姿勢
   を制御する多軸同時制御手段と を含むことを特徴とする自由曲面の機械加工装置。
8. （８）前記送り方向が前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれか
   一の方向に設定され、前記第一旋回軸がその送り方向と
   平行になるように前記第二旋回軸が固定されるとともに
   、前記多軸同時制御手段が、ＮＣプログラムに従って前
   記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および前記第一旋回軸の４軸同時制
   御を行うものである特許請求の範囲第７項記載の機械加
   工装置。
9. （９）前記機械加工装置が円筒状砥石を備えた研削装置
   である特許請求の範囲第７項または第８項記載の装置。