JP5404823B2 - ５軸制御加工機、５軸制御加工機の数値制御装置、数値制御方法、プログラム、ワークの製造方法、金型および成形品 - Google Patents

Description

本発明は、直線軸３軸と回転軸２軸を有する５軸制御加工機、５軸制御加工機の数値制御装置、数値制御方法、プログラム、ワークの製造方法、金型および成形品に関するものである。

５軸制御加工機は、直交する直線軸３軸に回転軸２軸を付加した加工機である。例えば、チルトテーブルの回転軸を、直線軸３軸のいずれかと平行となるように設置し、さらにそのチルトテーブル上に、前記の回転軸と直交するいずれかの直線軸に対し平行となるように回転テーブルの回転軸を設置したものがある。チルトテーブル及び回転テーブルを任意に回転させることで、回転テーブル上に設置したワークを任意方向に傾けることができ、段取り時間、加工効率を向上させることができる。

このような５軸制御加工機において、チルトテーブル及び回転テーブルの回転軸は直線軸と平行に設置されるべきであるが、実際にはチルトテーブル及び回転テーブルの加工誤差や組付誤差により、直線軸に対して傾いて設置されていることがある。また、回転軸は回転中に振れがないことが望ましいが、組付誤差等により振れが発生する。一方、ＮＣデータ作成装置においては、チルトテーブル及び回転テーブルの回転軸は、直線軸に対して平行としてＮＣデータを作成している。そのため、チルトテーブル及び回転テーブルの回転軸の傾き等の誤差により、ＮＣデータ作成装置が作成したＮＣデータにおけるワークの位置、姿勢が、実際に５軸制御加工機上に設置したワークの位置、姿勢と一致せず、加工精度を低下させるという問題があった。

そこで、回転軸の傾きや振れを補正することで加工精度への影響を低減する方法が提案されている。例えば、回転軸位置に依存した位置決め誤差及び傾き誤差に対する位置補正量を設定し、これらを指令直線軸位置に加算することが提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１には、工具先端位置を誤差のない位置に移動させ、高精度な加工を行うことができることが記載されている。

特許第４３２７８９４号公報

しかしながら、回転軸の傾きや振れ等の回転軸誤差は、加工位置のずれだけでなく、ワークの傾きも生じる。ワークの傾きは水平方向だけでなく、鉛直方向にも生じる。例えば特許文献１に開示された方法では、直線軸位置のみを補正するので、ワークの鉛直方向の傾きに対しては補正が不十分であるため、ワークに対して工具の姿勢が傾いている場合、階段状の加工痕が形成されてしまい、加工精度が低下してしまうことがあった。例えば、図１９に示すように、フラットエンドミル５４を用いて加工方向５５の方向に工具を送る平面加工をおこなうと、加工面に段差が生じ、加工精度が低下してしまっていた。

本発明は、５軸制御加工機の回転軸の傾きによって生じる工具に対する姿勢誤差を補正し、加工精度を向上させることのできる５軸制御加工機、５軸制御加工機の数値制御装置、数値制御方法、プログラム、ワークの製造方法、金型および成形品を提供することを目的とするものである。

本発明の５軸制御加工機は、ワークが載置されるテーブルと前記ワークを加工する工具を、ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御により、相対移動させる５軸制御加工機であって、前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データを記憶する回転軸データ記憶手段と、前記回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する補正回転角度算出手段と、前記ＮＣデータを前記補正回転角度に対応させて回転変換し、変換ＮＣデータを得るＮＣデータ回転変換手段と、前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させた後、前記変換ＮＣデータに基づいて前記直線軸３軸及び前記回転軸２軸の駆動を制御する制御手段と、を備えており、前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とする。
本発明の５軸制御加工機の数値制御装置は、ワークが載置されるテーブルと前記ワークを加工する工具を、ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御により、相対移動させる５軸制御加工機の数値制御装置であって、前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データを記憶する回転軸データ記憶手段と、前記回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する補正回転角度算出手段と、前記ＮＣデータを前記補正回転角度に対応させて回転変換し、変換ＮＣデータを得るＮＣデータ回転変換手段と、前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させた後、前記変換ＮＣデータに基づいて前記直線軸３軸及び前記回転軸２軸の駆動を制御する制御手段と、を備えており、前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とする。

本発明の数値制御方法は、ワークが載置されるテーブルと前記ワークを加工する工具を、ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御により、相対移動させる５軸制御加工機の数値制御装置による数値制御方法であって、
前記数値制御装置の演算部が、前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データを回転軸データ記憶手段に記憶させる回転軸データ記憶工程と、前記演算部が、前記回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する補正回転角度算出工程と、前記演算部が、前記ＮＣデータを前記補正回転角度に対応させて回転変換し、変換ＮＣデータを得るＮＣデータ回転変換工程と、前記演算部が、前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させた後、前記変換ＮＣデータに基づいて前記直線軸３軸及び前記回転軸２軸の駆動を制御する制御工程と、を備えており、前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とする。

本発明のプログラムは、コンピュータに上記の数値制御方法の各工程を実行させるためのものである。

本発明のワークの製造方法は、ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御による５軸制御加工機によって、ワークが載置されるテーブルと工具を相対移動させてワークを加工するワークの製造方法であって、前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する工程と、前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させて、前記ワークを加工する工程と、を備え、前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とする。
本発明の金型は、上記のワークの製造方法によって加工されることを特徴とする。

本発明の成形品は、上記の金型によって成形されることを特徴とする。

５軸制御加工機の回転軸の傾きによって生じるワークに対する工具の姿勢誤差を、ＮＣデータによる回転軸２軸それぞれの回転角度を補正することで低減し、加工精度を向上させることができる。

５軸制御加工機の軸構成を示す図である。 ５軸制御加工機の全体構成を示すブロック図である。 数値制御装置の機能ブロック図である。 チルトテーブルの傾きを示す平面図である。 チルトテーブル及び回転テーブルの傾きを示す正面図である。 回転テーブルの傾きを示す側面図である。 回転軸の傾きのない場合の工具とワークの相対姿勢を示す図である。 回転軸の傾きによる工具の姿勢誤差を示す図である。 補正回転角度算出手段の処理を示すフローチャートである。 回転軸の傾きによる工具の姿勢誤差の補正方法を説明する図である。 ＮＣデータ作成装置におけるＮＣデータとワークの相対姿勢を示す図である。 補正回転角度適用後のＮＣデータとワークの相対姿勢を示す図である。 ＮＣデータ補正回転角度算出手段の処理を示すフローチャートである。 変換ＮＣデータとワークの相対姿勢を示す図である。 補正ワーク原点算出手段の処理を示すフローチャートである。 Ｃ軸回転角度に対応したＸＹ平面の傾きを表す単位ベクトルを示すグラフである。 被測定治具を示す図である。 ３球から作られる平面の法線ベクトルを示す図である。 従来技術の平面加工の誤差を示す図である。

図１は、５軸制御加工機の軸構成を示す図であり、図２は、５軸制御加工機の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、５軸制御加工機１は、５軸制御加工機本体（本体）１Ａと、数値制御装置２０と、ＮＣデータ作成装置２１と、を備え、直線軸Ｘ、Ｙ、Ｚの直線軸３軸と、回転軸Ａ、Ｃの回転軸２軸の５軸制御を行うものである。５軸制御加工機１では、ワーク２と主軸３を、互いに直交する３軸方向に相対移動させる。主軸３に工具４を取付けて、主軸３が回転することでワーク２を切削加工する。Ｙ軸移動テーブル５にはチルトテーブル６が設置されており、チルトテーブル６の回転軸であるＡ軸は、直線軸であるＸ軸と平行をなしている。さらに、チルトテーブル６には回転テーブル７が設置され、回転テーブル７の回転軸であるＣ軸は、Ａ軸の回転角度が０°の状態においてＺ軸と平行をなしている。回転テーブル７にワーク２を載置し、チルトテーブル６及び回転テーブル７をＡ、Ｃ軸回りに任意の角度に回転させることで、ワーク２を任意の方向に傾けて加工することができる。

チルトテーブル６のＡ軸は、Ｘ軸と平行、回転テーブル７のＣ軸はＺ軸と平行に組付けられていることが望ましいが、実際には各テーブルの加工誤差、組付誤差により、それぞれ基準となる直線軸に対して傾いた状態で組付けられることがある。また、それぞれの回転軸には振れがあるため、回転軸の方向は回転角度に応じて変化し、このために加工誤差が生じる。

図２に示すように、数値制御装置２０は、演算部としてのＣＰＵ１３０、ＲＯＭ１３１、ＲＡＭ１３２、ＨＤＤ１３３、記録ディスクドライブ１３４及び各種のインタフェース１３５〜１３９を有したコンピュータを備えている。また、数値制御装置２０は、コンピュータに接続されたモニタ１４１、駆動部１４３等を備えている。

ＣＰＵ１３０には、ＲＯＭ１３１、ＲＡＭ１３２、ＨＤＤ１３３、記録ディスクドライブ１３４及び各種のインタフェース１３５〜１３９が、バス１４０を介して接続されている。

ＲＯＭ１３１には、ＣＰＵ１３０を動作させるためのプログラム１５０が格納されている。このプログラム１５０は、本体１Ａの駆動を数値制御装置２０のコンピュータに実行させるためのプログラムである。ＣＰＵ１３０は、ＲＯＭ１３１に格納されたプログラム１５０に基づいて各種処理を実行する。ＲＡＭ１３２は、ＣＰＵ１３０の処理結果を一時的に記憶するためのものである。ＨＤＤ１３３は、処理結果である各種データを記憶するための記憶部である。

ＮＣデータ作成装置２１はインタフェース１３５に接続されており、ＮＣデータ作成装置２１からのＮＣデータがバス１４０に出力される。

ＨＤＤ１３３には、ＣＰＵ１３０による演算結果を示すデータや、ＮＣデータ作成装置２１からのＮＣデータ等がＣＰＵ１３０の指令の下で記憶される。

また、モニタ１４１は、インタフェース１３６に接続されており、モニタ１４１には、各種画像が表示される。インタフェース１３７は、書き換え可能な不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等の外部記憶装置１４２が接続可能に構成されている。記録ディスクドライブ１３４は、記録ディスク１５１に記録された各種データやプログラム等を読み出すことができる。

駆動部１４３は、インタフェース１３８に接続されており、ＣＰＵ１３０の指令の下、本体１Ａに設けられた５軸の各モータを駆動するものである。なお、本体１Ａはインタフェース１３９に接続され、本体１Ａのセンサの検出結果のデータや各種データがバス１４０に出力される。

図３は、数値制御装置の機能ブロック図である。ＣＰＵ１３０は、ＲＯＭ１３１に格納されたプログラム１５０を実行することで、以下に説明する各処理を実行する各種の処理手段２４，２８，３０，３２，３４，３８として機能する。また、本実施形態では、ＨＤＤ１３３は、ＣＰＵ１３０の制御の下で各種のデータ等を記憶する記憶手段２３，２５，２６，２９，３１，３３，３６，３７として機能する。

ＮＣデータ作成装置２１は、本体１Ａの加工動作を制御するためのＮＣデータ２２を作成するものである。ＮＣデータ２２には、本体１Ａの主軸３を動作させるための指令値が含まれる。ＮＣデータ作成装置２１にて作成されたＮＣデータ２２は、ＮＣデータ記憶手段２３に記憶される。回転角度算出手段２４は、ＮＣデータ記憶手段２３に記憶されたＮＣデータ２２からＡ軸及びＣ軸の回転角度を算出する。算出した各軸の回転角度は回転角度記憶手段２５に記憶される。一方、回転軸データ記憶手段２６は、本体１Ａから、チルトテーブル６及び回転テーブル７のそれぞれの軸位置及び軸方向を含む回転軸データ２７を取得し、記憶する。ここで、回転軸データ２７について説明する。

チルトテーブル６の回転軸であるＡ軸は、Ｘ軸と平行であることを理想としているため、その方向をベクトル（１、０、０）と表すことができる。しかし、実際には傾きが生じているＡ軸は、例えば、図４に示すようにＸＹ平面上と、図５に示すようにＸＺ平面上で傾いているため、ベクトル（１、０、０）とはならない。このＡ軸の方向を表す単位ベクトルをｅ_ａとする。また、Ａ軸には振れがあるため、ベクトルｅ_ａはＡ軸の回転角度に応じて変化する。このベクトルｅ_ａがＡ軸の回転軸誤差である。また、Ａ軸上を通る任意の１点を点Ｐ_ａとする。これら２つのパラメータにより５軸制御加工機１上におけるＡ軸の位置（軸位置）と方向（軸方向）を定義することができる。

同様に、回転テーブル７の回転軸であるＣ軸は、Ａ軸の回転角度が０°のときにＺ軸と平行であることを理想としているため、その方向をベクトル（０、０、１）と表すことができる。しかし、例えば、図５に示すようにＸＺ平面上と、図６に示すようにＹＺ平面上に傾きが生じている場合、ベクトルは（０、０、１）とはならない。ここでＣ軸の方向を単位ベクトルｅ_ｃとする。また、Ｃ軸には振れがあるため、ベクトルｅ_ｃはＣ軸の回転角度に応じて変化する。このベクトルｅ_ｃがＣ軸の回転軸誤差である。さらに、Ｃ軸上を通る任意の１点を点Ｐ_ｃとすることで、５軸制御加工機１におけるＣ軸の位置（軸位置）と方向（軸方向）を定義することができる。

ここで回転軸データ２７の求め方の一例について説明する。図１７に示すような、被測定治具である３個の球５２を回転テーブル７に固定する。回転軸を３箇所以上の複数角度に割り出し、被測定治具である球５２を複数個所に位置決めし、加工機本体１Ａの主軸３に装着したタッチプローブ５１を用い、その中心位置を計測する。次に図１８に示すように、各角度における被測定治具の３個の球５２で作られる平面ベクトル５３を算出する。平面ベクトルを半径１の円弧に近似し、その円弧に垂直なベクトルを算出することで、回転軸の単位ベクトルｅ_ａおよびｅ_ｃを求めることが出来る。

次に、回転軸上の任意の１点の求め方について説明する。複数角度に位置決めした、被測定治具の１個の球５２の中心位置を円弧近似する。その近似円弧の中心位置を算出することで回転軸上の任意の１点Ｐ_ａおよびＰ_ｃを求めることが出来る。また、複数角度に位置決めした３個の球５２の平面ベクトルから求めた円弧式は回転軸の傾き誤差を含んでいるが、複数角度に位置決めした１個の球５２の中心位置から求めた円弧式は回転軸の傾き誤差と回転軸の変位を含んだ式になっている。このことにより、複数角度に位置決めした３個の球５２の平面ベクトルから求めた円弧式と、複数角度に位置決めした１個の球５２の中心位置から求めた円弧式の差分をとることで、回転軸の変位を求めることができる。

図３に示す補正回転角度算出手段２８は、回転軸データ記憶手段２６に記憶されたＡ軸及びＣ軸の回転軸データ２７から、回転角度記憶手段２５に記憶されたＡ軸及びＣ軸の回転角度に対応するＡ軸及びＣ軸の補正回転角度を算出する。ここで、補正回転角度について説明する。図７は、Ａ軸及びＣ軸を、回転角度算出手段２４により算出した回転角度で、Ａ軸はＸ軸、Ｃ軸はＺ軸であるそれぞれの基準軸心に対して傾きのない状態で回転させたときのワーク２に対する工具４の相対姿勢を示す。これに対して、Ａ、Ｃ軸が傾いていると、図８に示すように姿勢誤差が生じる。補正回転角度とは、５軸制御加工機１に取付けた工具４とワーク２の相対姿勢を、Ａ、Ｃ軸それぞれを基準軸心に対して傾きのない状態で回転させているときのワーク２と工具４の相対姿勢に一致させるために、Ａ軸及びＣ軸を補正回転させる角度である。

補正回転角度算出手段２８の処理について、図９に示すフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ１で回転角度記憶手段２５から、Ａ軸の回転角度θ_ａと、Ｃ軸の回転角度θ_ｃとを取得する。続いてステップＳ２で、回転軸データ記憶手段２６から、Ａ軸の方向を表す単位ベクトルｅ_ａと、Ｃ軸の方向を表す単位ベクトルｅ_ｃとを取得する。次にステップＳ３で、工具４の取付け方向を表す単位ベクトルｅ_ｚ（０、０、１）を、理想とするＡ軸方向を表す単位ベクトル（１、０、０）回りに−θ_ａだけ回転させる。続けて理想とするＣ軸方向を表す単位ベクトル（０、０、１）回りに−θ_ｃ回転させた単位ベクトルＶを算出する。このＶは、Ａ軸０度、Ｃ軸０度におけるワーク２の加工方向を示す単位ベクトルである。つまり工具の移動方向を示すベクトルである。ステップＳ４では、工具４の取付け方向を表す単位ベクトルｅ_ｚ（０、０、１）とＡ軸の方向を表すベクトルｅ_ａとがなす角度φを算出する。次にステップＳ５において、ステップＳ３で算出したベクトルＶを、Ｃ軸の方向を表すｅ_ｃ回りに回転させたときに、Ａ軸の方向を表すｅ_ａとなす角度がφとなるＣ軸の回転角度βを算出する。この角度βがＣ軸補正回転角度となる。続いて、ステップＳ６では、ステップＳ３で算出したベクトルＶを、Ｃ軸の方向を表すｅ_ｃ回りに角度βだけ回転させた単位ベクトルＶ_ｃを算出する。次にステップＳ７において、ステップＳ６で算出したベクトルＶ_ｃを、Ａ軸の方向を表すｅ_ａ回りに回転させたときに、工具４の取付け方向を表す単位ベクトルｅ_ｚ（０、０、１）となるＡ軸の回転角度αを算出する。この角度αがＡ軸補正回転角度となる。すなわち、制御手段３８は、傾きが生じているチルトテーブル６を角度αだけ回転させ、さらに、傾きが生じている回転テーブル７を角度βだけ回転させる指令を駆動部１４３に送信する。駆動部１４３は、この指令に従い、チルトテーブル６が角度αだけ回転し、回転テーブル７が角度βだけ回転するよう各軸モータを動作させる。このようにして、制御手段３８は、回転軸２軸それぞれを補正回転角度α，βだけ回転させる制御を行い、図１０に示すように、ワーク２に対する工具４の姿勢誤差を補正する。従って、回転軸２軸に傾きのない状態で加工するときのワーク２と工具４の相対姿勢を一致させることができる。補正回転角度算出手段２８により算出したＡ軸及びＣ軸の補正回転角度は、補正回転角度記憶手段２９に記憶される。

次に、図３に示すＮＣデータ補正回転角度算出手段３０について説明する。図１１は、ＮＣデータ作成装置２１において回転軸２軸それぞれに傾きのない状態で作成したＮＣデータ２２とワーク２の相対姿勢を示す。各回転軸に傾きが生じていると、図１２に示すように、ＮＣデータ作成装置２１と５軸制御加工機本体１ＡにおけるＮＣデータとワークの相対姿勢が一致しないことがある。つまり、補正回転角度算出手段２８によりワーク２に対する工具４の相対姿勢を補正しても、ＮＣデータ２２が補正されていなければ、工具４をＮＣデータ２２に従って走査させた際に、図１２のように、走査方向がずれていることがある。そのため、さらにそれら２つの相対姿勢も一致させることが望ましい。ＮＣデータとワークの相対姿勢を一致させるために必要となる補正は、工具４のｅ_ｚ（０、０、１）回りに、すなわちＸＹ平面上でＮＣデータ２２を回転させることである。そこで、ＮＣデータ補正回転角度算出手段３０では、ＮＣデータ２２をＸＹ平面上で回転させて、ＮＣデータ作成装置２１におけるＮＣデータ２２と加工中のワーク２の相対姿勢を一致させるためのＮＣデータ補正回転角度γを算出する。

ＮＣデータ補正回転角度算出手段３０の処理について、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ８において、回転角度算出手段２４より算出したＣ軸の回転角度θ_ｃを用いて、単位ベクトルＶ’＝（ｃｏｓθ_ｃ、−ｓｉｎθ_ｃ、０）を算出する。次に、ステップＳ９において、単位ベクトルＶ’をＣ軸の方向を表すｅ_ｃ回りに角度βだけ回転させた単位ベクトルＶ_ｃ’を算出する。続けて、ステップＳ１０において、単位ベクトルＶ_ｃ’をＡ軸の方向を表すｅ_ａ回りに角度αだけ回転させた単位ベクトルＶ_ａ’を算出する。最後に、ステップＳ１１において、ステップＳ１０で算出した単位ベクトルＶ_ａ’のＸ成分の逆余弦関数を算出する。このＶ_ａ’のＸ成分から逆余弦関数を算出した角度γがＮＣデータ補正回転角度となる。

図３に示すように、ＮＣデータ補正回転角度算出手段３０により算出されたＮＣデータ補正回転角度はＮＣデータ補正回転角度記憶手段３１に記憶される。次に、ＮＣデータ補正回転角度を用いて、ＮＣデータ記憶手段２３に記憶されたＮＣデータ２２を、工具４の取付け方向を表す単位ベクトルｅ_ｚ（０、０、１）回りに回転させた変換ＮＣデータへ回転変換する手段が、ＮＣデータ回転変換手段３２となる。このＮＣデータ２２の回転変換により、図１４に示すように、変換ＮＣデータとワーク２の相対姿勢は、図１１に示すＮＣデータ作成装置２１のＮＣデータ２２とワーク２の相対姿勢に一致させることができる。すなわち、ステップＳ１〜Ｓ１１の処理によって、５軸制御加工機１における工具４とワーク２と変換ＮＣデータの３つの相対姿勢と、ＮＣデータ作成装置２１における工具４とワーク２とＮＣデータ２２の３つの相対姿勢が一致する。ＮＣデータ回転変換手段３２により変換した変換ＮＣデータは、変換ＮＣデータ記憶手段３３に入力され記憶される。

これまでの処理により、５軸制御加工機１とＮＣデータ作成装置２１において、工具、ワーク、ＮＣデータの３つの相対姿勢は一致させることが可能である。しかし、それぞれ相対位置は一致していない。すなわち、加工精度を考慮すると相対姿勢だけでなく、相対位置も補正により一致させることが望ましい。ただし、３つの中で、工具４の位置はＮＣデータ２２によって決められるため、実質的にはワークとＮＣデータの相対位置を一致さればよい。このようにワークとＮＣデータの相対位置を一致させる手段が、補正ワーク原点算出手段３４である。

次に、図３に示す補正ワーク原点算出手段３４について説明する。まず、加工開始前に、本体１Ａに設置したＡ軸０°、Ｃ軸０°におけるワーク２の原点位置を予め求めておく。このときの回転角度を基準回転角度とおく。ここで、各テーブルの回転角度がＡ軸０°、Ｃ軸０°のときのワーク原点を基準ワーク原点３５とする。求めた基準ワーク原点３５は、数値制御装置２０の基準ワーク原点記憶手段３６に入力され記憶される。補正ワーク原点算出手段３４では、回転軸データ記憶手段２６、補正回転角度算出手段２８、基準ワーク原点記憶手段３６に記憶された基準ワーク原点３５を用いて、そのずれを補正した補正ワーク原点を算出する。補正ワーク原点算出手段３４の処理について、図１５に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１２において、回転軸データ記憶手段２６からＡ軸の方向を表す単位ベクトルｅ_ａと、Ｃ軸の方向を表す単位ベクトルｅ_ｃを取得する。続けて、ステップＳ１３において、回転軸データ記憶手段２６から、Ａ軸上を通る任意の１点Ｐ_ａと、Ｃ軸上を通る任意の１点Ｐ_ｃを取得する。ｅ_ａとＰ_ａを用いて、５軸制御加工機１の機械座標系におけるＡ軸の位置と方向を表すことができる。同様に、ｅ_ｃとＰ_ｃを用いて、５軸制御加工機１の機械座標系におけるＣ軸の位置と方向を表すことができる。さらに、ステップＳ１４において、補正回転角度算出手段２８により算出したＡ軸補正回転角度αと、Ｃ軸補正回転角度βを取得する。また、ステップＳ１５において、基準ワーク原点記憶手段３６から基準ワーク原点３５を取得する。ここで、基準ワーク原点を点Ｏとする。次に、ステップＳ１６において、ｅ_ｃとＰ_ｃを用いて表したＣ軸回りに、基準ワーク原点Ｏを角度βだけ回転させた点Ｏ_ｃを算出する。続けて、ステップＳ１７において、ｅ_ａとＰ_ａを用いて表したＡ軸回りに、点Ｏ_ｃを角度αだけ回転させた点Ｏ_ａを算出する。この点Ｏ_ａが、Ａ軸及びＣ軸を０°から補正回転角度だけ回転させたときのワーク原点となる。これを補正ワーク原点とする。補正ワーク原点は５軸制御加工機１における変換ＮＣデータの原点位置となる。

補正ワーク原点算出手段３４の処理により、５軸制御加工機１におけるワークとＮＣデータの位置を定義するワーク原点の相対位置を、ＮＣデータ作成装置におけるワークとＮＣデータの位置を定義するワーク原点の相対位置に一致させることができる。

補正ワーク原点算出手段３４により算出した補正ワーク原点は、補正ワーク原点記憶手段３７に記憶される。

５軸制御加工機１を用いた加工開始の際には、数値制御装置２０の補正ワーク原点記憶手段３７から、補正ワーク原点Ｏ_ａが、補正回転角度記憶手段２９から補正回転角度α、βが、制御手段３８に出力される。次に、変換ＮＣデータ記憶手段３３から、ＮＣデータをγ回転変換した変換ＮＣデータが、制御手段３８に出力される。続けて、制御手段３８から各軸を駆動する駆動部１４３へ指令が出力され、直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御による工具先端位置４０の相対移動によってワーク２の加工が行われる。本実施形態によれば、回転軸の傾きによる加工誤差を低減し、高精度な加工を行うことができる。

またワークとＮＣデータと工具の相対位置及び姿勢を、ＮＣデータ作成装置において回転軸２軸それぞれの基準軸心に対して傾き誤差を有さない回転軸で回転角度動作させたワークとＮＣデータと工具の相対位置及び姿勢に一致させて、加工を行うことが可能となる。このため、フラットエンドミルを用いた平面加工でも、加工面に段差が生じることなく、精度良く加工が出来る。

なお、以上述べた実施形態の各処理動作は具体的には数値制御装置２０により実行されるものである。従って上述した機能を実現するソフトウェアのプログラムを記録した記録媒体を数値制御装置２０に供給し、数値制御装置２０のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に格納されたプログラムを読み出し実行することによって達成されるようにしてもよい。この場合、記録媒体から読み出されたプログラム自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、プログラム自体及びそのプログラムを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。

また、上記実施形態では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体がＲＯＭ１３１であり、ＲＯＭ１３１にプログラムが格納される場合について説明したが、これに限定するものではない。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。例えば、プログラムを供給するための記録媒体としては、図２に示すＨＤＤ１３３、外部記憶装置１４２、記録ディスク１５１等を用いてもよい。具体例を挙げて説明すると、記録媒体として、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。また、上記実施形態では、各記憶手段が、ＨＤＤ１３３である場合について説明したが、これに限定するものではなく、例えば、ＲＡＭ１３２や外部記憶装置１４２、不図示の書き換え可能な不揮発性メモリ等、記憶可能であればいかなる記憶部であってもよい。また、各記憶手段は、それぞれ別個の記憶装置で構成されていてもよいし、１つの記憶装置で複数の記憶手段を兼ねるようにしてもよい。

また、上記実施形態におけるプログラムを、ネットワークを介してダウンロードしてコンピュータにより実行するようにしてもよい。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施形態の機能が実現されるだけに限定するものではない。そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。

さらに、記録媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれてもよい。そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上記実施形態の機能が実現される場合も含まれる。

また、本実施形態の５軸制御加工機によって、例えば金型を加工することができる。ワークと工具の姿勢を補正することができるため、加工による階段状の切削痕等による表面精度の劣化が抑えられる。また、本実施形態の５軸制御加工機によって、加工された金型に、溶融樹脂等を流し込み、冷却固化させて離型することによって、加工による階段状の切削痕等のない表面形状が転写された成形品を成形することができる。よって、更なる高品質化及び均質化を実現できる。

図３に示すように、ＮＣデータ作成装置２１で作成されたＮＣデータ２２を、数値制御装置２０のＮＣデータ記憶手段２３に入力して記憶する。記憶したＮＣデータ２２から、回転角度算出手段２４により、Ａ軸及びＣ軸の回転角度を算出する。算出した各回転角度は回転角度記憶手段２５に記憶される。

一方、回転軸データ記憶手段２６は、記憶した回転角度に対応する、５軸制御加工機１のチルトテーブル６及び回転テーブル７の回転軸データ２７を記憶する。ここで回転軸データ２７について説明する。図１６は、Ａ軸０°かつＣ軸０°のときの平面（０、０、１）を、Ｃ軸回りに回転させときの平面の単位ベクトルｅ_ｘｙ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の測定結果を示すもので、グラフ４１はＸ方向のベクトル、グラフ４２はＹ方向のベクトルを示している。図１６の結果を回帰分析することで、次の関係式が得られた。

これを回転軸データ２７として設定し、回転角度記憶手段２５に記憶されたＣ軸の回転角度θ_ｃにおける平面の傾きを算出した。次にＣ軸をθ_ｃ回転させたときに、ここで求めた平面の傾きを生じないＣ軸の方向を表す単位ベクトルｅ_ｃを算出した。Ａ軸の方向を表す単位ベクトルｅ_ａもＣ軸の場合と同様に算出した。

補正回転角度算出手段２８は、回転軸データ記憶手段２６により記憶されたＡ軸及びＣ軸の回転軸データ２７と、回転角度記憶手段２５に記憶されたＡ軸及びＣ軸の回転角度を基にした関係式により、Ａ軸及びＣ軸の補正回転角度を算出した。以下に補正回転角度の算出手順を説明する。まず、ベクトルＶは次の関係式から算出する。

（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ） ： ベクトルＶ
Ｍθ_ｃ ^−１ ： −θ_ｃ回転行列
Ｍθ_ａ ^−１ ： −θ_ａ回転行列
Ｚ ： Ｚベクトル

次に、単位ベクトルｅ_ｚ（０、０、１）とＡ軸の方向を表すベクトルｅ_ａがなす角度φは次の関係式から算出した。

ｅ_ａｚ ： ベクトルｅ_ａのＺ成分

次に、Ｃ軸補正回転角度βはベクトルの内積の公式から以下のように算出した。

次に、ベクトルＶｃは次の関係式から算出した。

Ｖｃ ： ベクトル Ｖｃ
Ｒｃ ： ベクトルｅ_ｃ回りにβ°回転させる回転行列
Ｖ ： ベクトルＶ

次に、Ａ軸補正回転角度αは次の関係式から算出した。

Ｒａ ： ベクトルｅ_ａ回りにα°回転させる回転行列
Ｒｃ ： ベクトルｅ_ｃ回りにβ°回転させる回転行列
Ｖ ： ベクトルＶ

以上により算出したＡ軸及びＣ軸の補正回転角度は、補正回転角度記憶手段２９に記憶される。

次に、ＮＣデータ補正回転角度算出手段３０の算出手順を説明する。単位ベクトルＶ’ａを次の関係式から算出した。

（Ｖ’ａｘ、Ｖ’ａｙ、Ｖ’ａｚ） ： ベクトルＶ’ａ
Ｒａ ： ベクトルｅ_ａ回りにα°回転させる回転行列
Ｒｃ ： ベクトルｅ_ｃ回りにβ°回転させる回転行列
Ｍθ_ｃ ： θ_ｃ回転行列

ＮＣデータ補正回転角度γは次の関係式から算出した。

以上により算出したＮＣデータ補正回転角度を用いた回転変換により、変換ＮＣデータが得られる。これまでの処理により、５軸制御加工機１とＮＣデータ作成装置２１において、工具、ワーク、ＮＣデータの３つの相対姿勢は一致させることができた。

次に、補正ワーク原点算出手段３４について説明する。補正ワーク原点算出手段３４では、回転軸データ記憶手段２６、補正回転角度算出手段２８、基準ワーク原点記憶手段３６に記憶された基準ワーク原点３５を用いて、補正ワーク原点を算出する。以下に補正ワーク原点算出手順を説明する。

基準ワーク原点ＯをＣ軸回りに角度βだけ補正回転させた点Ｏｃは次の関係式から算出した。

Ｒｃ’ ： 点Ｐｃを通るベクトルｅ_ｃ回りにβ°回転させる回転行列

次に、点ＯｃをＡ軸回りに角度αだけ補正回転させた点Ｏａは次の関係式から算出した。

Ｒａ’ ： 点Ｐａを通るベクトルｅ_ａ回りにα°回転させる回転行列

以上により求めた点Ｏａが、Ａ軸及びＣ軸を０°から補正回転角度だけ回転させたときの補正ワーク原点となる。

この処理により、５軸制御加工機１におけるワークとＮＣデータの相対位置を、回転軸２軸それぞれの基準軸心に対して傾きのない状態の相対位置に一致させることができる。

この結果、５軸制御加工機１におけるワーク２と工具４の相対位置及び姿勢を、回転軸２軸それぞれの基準軸心に対して傾きのない状態と一致させて、高精度な加工を行うことができた。

１ ５軸制御加工機
２ ワーク
３ 主軸
４ 工具
５ Ｙ軸移動テーブル
６ チルトテーブル
７ 回転テーブル
２０ 制御装置
２１ ＮＣデータ作成装置
２２ ＮＣデータ
２３ ＮＣデータ記憶手段
２４ 回転角度算出手段
２５ 回転角度記憶手段
２６ 回転軸データ記憶手段
２７ 回転軸データ
２８ 補正回転角度算出手段
２９ 補正回転角度記憶手段
３０ ＮＣデータ補正回転角度算出手段
３１ ＮＣデータ補正回転角度記憶手段
３２ ＮＣデータ回転変換手段
３３ 変換ＮＣデータ記憶手段
３４ 補正ワーク原点算出手段
３５ 基準ワーク原点
３６ 基準ワーク原点記憶手段
３７ 補正ワーク原点記憶手段
３８ 制御手段

Claims (12)

1. ワークが載置されるテーブルと前記ワークを加工する工具を、ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御により、相対移動させる５軸制御加工機であって、
   前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データを記憶する回転軸データ記憶手段と、
   前記回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する補正回転角度算出手段と、
   前記ＮＣデータを前記補正回転角度に対応させて回転変換し、変換ＮＣデータを得るＮＣデータ回転変換手段と、
   前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させた後、前記変換ＮＣデータに基づいて前記直線軸３軸及び前記回転軸２軸の駆動を制御する制御手段と、を備えており、
   前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、
   前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とする５軸制御加工機。
2. 前記ＮＣデータに基づく前記ワークの原点位置を記憶する基準ワーク原点記憶手段と、
   前記回転軸２軸の前記回転軸データに基づいて、前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させたときの前記ワークの原点位置のずれを補正した補正ワーク原点を算出する補正ワーク原点算出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記補正ワーク原点及び前記変換ＮＣデータに基づいて、前記直線軸３軸及び前記回転軸２軸を制御することを特徴とする請求項１に記載の５軸制御加工機。
3. 前記テーブルは、チルトテーブルと回転テーブルとを有し、前記チルトテーブルは、前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸を有し、前記回転テーブルは、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸を有することを特徴とする請求項１または２に記載の５軸制御加工機。
4. 前記回転軸データは、前記回転テーブルに固定された３個の球を計測することにより求められる、前記回転軸２軸それぞれの、軸方向および軸位置を含むことを特徴とする請求項３に記載の５軸制御加工機。
5. ワークが載置されるテーブルと前記ワークを加工する工具を、ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御により、相対移動させる５軸制御加工機の数値制御装置であって、
   前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データを記憶する回転軸データ記憶手段と、
   前記回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する補正回転角度算出手段と、
   前記ＮＣデータを前記補正回転角度に対応させて回転変換し、変換ＮＣデータを得るＮＣデータ回転変換手段と、
   前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させた後、前記変換ＮＣデータに基づいて前記直線軸３軸及び前記回転軸２軸の駆動を制御する制御手段と、を備えており、
   前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、
   前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とする５軸制御加工機の数値制御装置。
6. ワークが載置されるテーブルと前記ワークを加工する工具を、ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御により、相対移動させる５軸制御加工機の数値制御装置による数値制御方法であって、
   前記数値制御装置の演算部が、前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データを回転軸データ記憶手段に記憶させる回転軸データ記憶工程と、
   前記演算部が、前記回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する補正回転角度算出工程と、
   前記演算部が、前記ＮＣデータを前記補正回転角度に対応させて回転変換し、変換ＮＣデータを得るＮＣデータ回転変換工程と、
   前記演算部が、前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させた後、前記変換ＮＣデータに基づいて前記直線軸３軸及び前記回転軸２軸の駆動を制御する制御工程と、を備えており、
   前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、
   前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とする数値制御方法。
7. コンピュータに請求項６に記載の数値制御方法の各工程を実行させるためのプログラム。
8. ＮＣデータに基づく直線軸３軸及び回転軸２軸の５軸制御による５軸制御加工機によって、ワークが載置されるテーブルと工具を相対移動させてワークを加工するワークの製造方法であって、
   前記ＮＣデータから得た前記回転軸２軸の、回転角度における、前記回転軸２軸それぞれの回転軸データから、前記回転角度における前記回転軸２軸それぞれの補正回転角度を算出する工程と、
   前記回転軸２軸それぞれを前記補正回転角度だけ回転させて、前記ワークを加工する工程と、を備え、
   前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸の前記補正回転角度は、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の軸方向と前記工具の取り付け方向とのなす角度φと、前記一方の回転軸の軸方向と前記他方の回転軸の軸方向とのなす角度とが、等しくなる回転角度βであり、
   前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸の前記補正回転角度は、前記一方の回転軸を回転角度β回転させた時に、前記一方の回転軸と前記工具の取り付け方向のなす回転角度αであることを特徴とするワークの製造方法。
9. 前記テーブルは、チルトテーブルと回転テーブルとを有し、前記チルトテーブルは、前記回転軸２軸のうちの一方の回転軸を有し、前記回転テーブルは、前記回転軸２軸のうちの他方の回転軸を有することを特徴とする請求項８に記載のワークの製造方法。
10. 前記回転軸データは、前記回転テーブルに固定された３個の球を計測することにより求められる、前記回転軸２軸それぞれの、軸方向および軸位置を含むことを特徴とする請求項９に記載のワークの製造方法。
11. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載のワークの製造方法によって加工されることを特徴とする金型。
12. 請求項１１に記載の金型によって成形されることを特徴とする成形品。

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