(57)【要約】【課題】プロペラのブレードのピッチアングルの大きさに関わりなく、削り残しが少なくなるように正確な工具長補正を実行できるようにする。【解決手段】工具長さをオフセットするための補正量に対応する大きさをもつ補正ベクトルを前記工作物のブレードのピッチアングル線に対して垂直な方向にとり、補正ベクトルをＺ軸方向と制御軸としてもたないＸ軸のＸ軸方向とに分解し、前記Ｘ軸方向の補正量を擬似的にＣ軸の補正量とＹ軸の補正量とから算出し、Ｚ軸方向の補正量に基づいてＺ軸移動を補正するとともに、Ｃ軸の補正量、Ｙ軸の補正量の補正を同時に付加する。【選択図】  図４
2004276130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線軸（Ｙ軸、Ｚ軸）、主軸の旋回軸（Ａ軸、Ｂ軸）、およびピッチアングルを持ったブレードを有する工作物の回転中心上にある回転軸（Ｃ軸）から構成される５軸加工機の数値制御装置において、
工具長さをオフセットするための補正量に対応する大きさをもつ補正ベクトルを前記工作物のブレードのピッチアングル線に対して垂直な方向にとり、前記補正ベクトルをＺ軸方向と制御軸としてもたないＸ軸のＸ軸方向とに分解し、前記Ｘ軸方向の補正量を擬似的にＣ軸の補正量とＹ軸の補正量とから算出する補正量演算手段と、
前記Ｚ軸方向の補正量に基づいてＺ軸移動を補正するとともに、前記Ｃ軸の補正量、Ｙ軸の補正量の補正を同時に付加する補正手段と、
を備えたことを特徴とする５軸加工機の数値制御装置。
【請求項２】
前記工作物は、固定ピッチプロペラであり、当該固定ピッチプロペラのブレードのピッチアングルの基準面がＸＹ平面と同一平面となるようにして、補正ベクトルをピッチアングル線と垂直な方向にとることを特徴とする請求項１に記載の５軸加工機の数値制御装置。
【請求項３】
前記Ａ軸について工具が傾斜している場合には、前記補正ベクトルのＺ軸成分をＡ軸の傾斜角度で補正したＺ軸成分とＹ軸成分に分解することを特徴とする請求項１に記載の５軸加工機の数値制御装置。
【請求項４】
直線軸（Ｙ軸、Ｚ軸）、主軸の旋回軸（Ａ軸、Ｂ軸）、および工作物である固定ピッチプロペラの回転中心上にある回転軸（Ｃ軸）から構成される５軸加工機において、工具長をオフセットする補正量をＺ軸方向にかける工具補正機能を有する数値制御装置であって、
当該固定ピッチプロペラのブレードのピッチアングルの基準面がＸＹ平面と同一平面となるようにして、工具長さをオフセットするための補正量に対応する大きさをもつ補正ベクトルをブレードのピッチアングル線と垂直な方向にとり、前記補正ベクトルをＺ軸方向と、制御軸としてもたないＸ軸のＸ軸方向に分解し、前記Ｘ軸方向への補正量を、Ｃ軸の補正量とＹ軸の補正量とから擬似的に作り出す機能と、
前記Ｚ軸方向に補正をかけると同時に、Ｃ軸、Ｙ軸への補正を同時に行う補正機能と、
を有することを特徴とする５軸加工機の数値制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、５軸制御の工作機械によりプロペラのブレードを加工するときに必要な工具長補正機能を有する数値制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
船舶に用いられるプロペラは、５軸制御のＮＣ加工機により加工されている。プロペラのブレードは、複雑な三次元曲面をもっているため、設計データ通りに高精度の加工を行うには、プロペラのブレード形状の特殊性を考慮した加工が必要とされる。
【０００３】
一般に、数値制御装置は、工具長さを補正する工具長補正機能をもっている。この工具長補正機能は、加工プログラムで工具長さ分だけ工具の移動量を補正する機能である。
【０００４】
プロペラの加工に用いられる５軸加工機の数値制御装置にあっても、Ｚ軸方向に補正をかける工具長補正機能をもっている。
【０００５】
そこで、プロペラ加工における工具長補正の考え方を図７に示す。図７において、参照符号２はプロペラのブレードの断面形状を示す。ブレードのピッチアングルをθで示している。このプロペラ加工機の座標系は、鉛直方向がＺ軸で、水平方向がＸ軸で、紙面に垂直な方向がＹ軸である。従来の工具長補正では、工具長のオフセットに相当する量の補正ベクトルＶをＺ軸に平行にとり、補正量をΔＺとして、Ｚ軸移動量に補正量ΔＺを加算して補正している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプロペラ加工機では、固定ピッチプロペラをＺ軸方向に工具長の補正をかけた状態で加工した場合、ブレードが現実に削られる量とプログラムで指定した量との間に誤差が生じ、ブレードの位置によって削り残しが出て来るという問題がある。
【０００７】
ここで、図８は、このような削り残しが生じる原因を説明する図である。この図８において、プロペラのブレードの断面形状を示す線のうち、実線はプログラムで予定している加工後のブレードの仕上げ面を示し、破線は切削前のブレードの鋳造面を示している。
【０００８】
プロペラのブレードの表面は曲面になっているので、位置によって傾斜が異なっている。このプロペラのブレードの例では、上端に近い位置ａ点と、下端に近い位置ｂ点とを較べると、下にいくほど傾斜が大きくなる。このため、Ｚ軸方向に補正をかけた状態で実際に加工をしていくと、図８に２点鎖線で強調的に示されるように、下側に向かうほど削り残しが次第に大きくなり、厚み許容範囲内に入らなくなるという不都合が生じている。
【０００９】
このような削り残しは、ピッチアングルが小さい固定ピッチプロペラの加工では顕在化しないが、ブレードのピッチアングルθが急角度（４５度以上）になると顕著になることが知られている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、プロペラのブレードのピッチアングルの大きさに関わりなく、削り残しが少なくなるように正確な工具長補正を実行できるようにする５軸加工機の数値制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明による５軸加工機の数値制御装置は、直線軸（Ｙ軸、Ｚ軸）、主軸の旋回軸（Ａ軸、Ｂ軸）、およびピッチアングルを持ったブレードを有する工作物の回転中心上にある回転軸（Ｃ軸）から構成される５軸加工機の数値制御装置において、工具長さをオフセットするための補正量に対応する大きさをもつ補正ベクトルを前記工作物のブレードのピッチアングル線に対して垂直な方向にとり、前記補正ベクトルをＺ軸方向と制御軸としてもたないＸ軸のＸ軸方向とに分解し、前記Ｘ軸方向の補正量を擬似的にＣ軸の補正量とＹ軸の補正量とから算出する補正量演算手段と、前記Ｚ軸方向の補正量に基づいてＺ軸移動を補正するとともに、前記Ｃ軸の補正量、Ｙ軸の補正量の補正を同時に付加する補正手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明による５軸プロペラ加工機の数値制御装置は、直線軸（Ｙ軸、Ｚ軸）、主軸の旋回軸（Ａ軸、Ｂ軸）、および工作物である固定ピッチプロペラの回転中心上にある回転軸（Ｃ軸）から構成される５軸加工機において、工具長をオフセットする補正量をＺ軸方向にかける工具補正機能を有する数値制御装置であって、当該固定ピッチプロペラのブレードのピッチアングルの基準面がＸＹ平面と同一平面となるようにして、工具長さをオフセットするための補正量に対応する大きさをもつ補正ベクトルをブレードのピッチアングル線と垂直な方向にとり、前記補正ベクトルをＺ軸方向と、制御軸としてもたないＸ軸のＸ軸方向に分解し、前記Ｘ軸方向への補正量を、Ｃ軸の補正量とＹ軸の補正量とから擬似的に作り出す機能と、前記Ｚ軸方向に補正をかけると同時に、Ｃ軸、Ｙ軸への補正を同時に行う補正機能と、を有することことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による５軸加工機の数値制御装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明が適用される５軸プロペラ加工機の外形を示す正面図である。図１において、参照符号２はベッドを示し、４はコラムを示している。
【００１４】
コラム２の上には、クロスレール６が水平に架設されている。このクロスレール６には、サドル８が水平方向左右に移動可能に設置されている。主軸頭１０は、サドル８に鉛直な姿勢で取り付けられている。ベッド２の上には、テーブル１２が配置されている。図１において、Ｙ軸はサドル８を左右方向に送る制御軸で、Ｚ軸は主軸頭１２を鉛直方向に送る制御軸である。なお、Ｘ軸は、このプロペラ加工機では設けられていない。
【００１５】
この５軸プロペラ加工機では、Ｙ軸、Ｚ軸に加えて、主軸頭１０をＹ軸回りに旋回させるＢ軸と、主軸頭１０を仮Ｘ軸回りに旋回させるＡ軸が設けられている。そして、テーブル１２の旋回を制御する軸がＣ軸である。したがって、この５軸プロペラ加工機は、Ｙ軸、Ｚ軸及びＡ軸、Ｂ軸、Ｃ軸の５軸制御の工作機械である。
【００１６】
図１において、参照符号１００は、工作物である固定ピッチプロペラである（以下、プロペラという）。このプロペラ１００は、その中心がテーブル１２の旋回軸と同軸位置に固定されている。
【００１７】
図２は、５軸プロペラ加工機の数値制御装置のブロック構成図を示す。図２において、参照符号３０は数値制御装置の全体を示す。この数値制御装置３０は、入力される加工プログラム３１を解析して指令を演算する演算部３２と、プログラム格納部３３と、後述する補正データテーブル５０が格納されているメモリ部３４を有している。プログラム格納部３３には、ＯＳプログラム、数値制御プログラムとともに工具長のオフセットを補正する機能を実行する工具長補正プログラムが格納されている。数値制御装置３０は、数値制御プログラムの実行により加工プログラム３１を解析して演算した指令を入出力インターフェース３５を介して機械側のサーボドライブユニット３６に送り、このサーボドライブユニット３６は、その指令に基づいて、Ｙ軸モータ３８、Ｚ軸モータ３９、Ａ軸モータ４０、Ｂ軸モータ４１、Ｃ軸モータ４２を制御する。位置等をフィードバック制御する制御ループについては、工具長補正とは直接関係がないので図示が省略されている。
【００１８】
工具長補正プログラム並びに数値制御プログラムの実行により機能する工具長補正機能実現手段としては、補正ベクトルをＺ軸方向と制御軸としてもたないＸ軸のＸ軸方向に分解し、Ｘ軸方向の補正量を、Ｃ軸の補正量とＹ軸の補正量とから擬似的に算出する補正量演算手段４４と、Ｚ軸方向の補正量に基づいてＺ軸移動を補正するとともに、Ｃ軸の補正量、Ｙ軸の補正量を同時に付加する補正手段４５と、補正された移動指令を各軸の制御手段に与える指令手段４６がある。
【００１９】
以下、本実施形態に係る工具長補正の補正量演算手段４４および補正手段４５に相当する機能について詳細に説明する。
図３は、工具長補正で用いる補正ベクトルの説明図である。図３において、参照１０２は、プロペラのブレードのピッチアングル線であり、θはプロペラのピッチアングルである。Ｙ軸は紙面と垂直な方向になっている。プロペラのブレードのピッチアングルの基準面は、ＸＹ平面と同一平面となるようにして、補正ベクトルＶは、ピッチアングル線１０２に対して垂直な方向に取り、その大きさが補正量で、工具長のオフセットに相当している。プロペラの加工に用いられる各工具について、加工プログラムで使用するために、工具長のオフセット用に、実際に計測された工具長が求められ、工具番号とともに登録されている。図１において、このような工具データ４９は、数値制御装置３０内部のメモリ部３４に工具補正データテーブル５０として登録されている。この工具補正データテーブル５０には、プロペラのピッチアングルθの値も登録されている。
【００２０】
補正ベクトルＶは、Ｚ軸方向とＸ軸方向に分解される。
補正ベクトルのＺ軸成分Ｖｃ、Ｘ軸成分Ｘｃは
Ｖｃ＝Ｖｃｏｓθ
Ｘｃ＝Ｖｓｉｎθ
である。
【００２１】
５軸プロペラ加工機が実際にもっている直線軸は、Ｙ軸とＺ軸であり、Ｘ軸はないので、図４に示すように、Ｘ軸成分ＸｃをＣ軸移動量に変換する。
【００２２】
図４において、ＲはＣ軸中心からの加工点までの距離と、このときのＣ軸の移動量（回転角）をθｃとすると、
θｃ＝ｔａｎ−１（Ｘｃ／Ｒ）
である。
【００２３】
Ｘ軸成分ＸｃをＣ軸移動量に変換すると、Ｙｃだけオフセットが生じて、切削点がずれてしまうので、Ｙ軸方向にＹｃ分の補正量をとる必要がある。ここで、
Ｙｃ＝Ｒ（１−ｃｏｓθｃ）
である。
したがって、各軸についての補正量は、
Ｚ軸方向補正量Ｖｚ＝Ｖｃ
Ｙ軸方向補正量Ｖｙ＝Ｙｃ
Ｃ軸方向補正量＝θｃ
と求めることができ、Ｚ軸方向の補正にＹ軸方向、Ｃ軸方向の補正を付加したかたちで補正量が確定する。
【００２４】
このような工具長補正は、加工プログラムでＨおよびＧコードによる指令で記述される。そして数値制御装置３０で補正指令のあるブロックが読み取られると、工具長補正プログラムが実行される。すなわち、補正データテーブル５０から補正量Ｖ、プロペラのピッチアングルθの値が読み込まれ、上述したＺ軸方向補正量Ｖｚ、Ｙ軸方向補正量Ｖｙ、Ｃ軸方向補正量θｃが演算される。各軸の補正量は、補正指令のあるブロックを含めて、Ｚ軸指令があるブロックに対して、代数的に加算される。
【００２５】
これにより、Ｚ軸指令が実行される度に、補正量Ｖｚだけ補正した量でＺ軸方向に移動する指令と、Ｙ軸方向に補正量Ｖｙだけ移動する指令およびＣ軸をθｃだけ旋回させる指令が同時に生成され、これらの指令はサーボドライブユニット３６に送られることになる。
【００２６】
図５は、上述の工具長補正によるＹ軸方向、Ｃ軸方向の移動を説明するためにプロペラ１００を上から表した平面図である。紙面に垂直な方向がＺ軸方向である。プロペラ１００の中心は、Ｃ軸上で一致している。
【００２７】
サーボドライブユニット３６は、送られた指令に基づいてＺ軸モータ３９、Ｙ軸モータ３８、Ｃ軸モータ４２を制御し、Ｚ軸方向に工具を移動させる同時に、図５に示すように、プロペラ１００をθｃだけ回転させるとともに、工具をＹ軸方向にＶｙだけ移動させるので、切削点Ｋがずれることなくピッチアングル線１０２に垂直な方向の補正を実行することができる。
【００２８】
ここで、図６は、本実施形態による工具長補正をかけた状態で加工するプロペラ１００のブレードの断面を示す図である。破線は鋳造面を示し、実線は仕上げ面を示す。
本実施形態の工具長補正によれぱ、補正ベクトルＶをピッチアングル線１０２に垂直にとり、補正ベクトルＶをＺ軸方向とＸ軸方向に分解して、Ｘ軸方向の補正量をＣ軸の補正量とＹ軸の補正量とから擬似的に作り出しているので、工具長補正をピッチアングル線１０２に垂直にかけられるようになり、プロペラのピッチアングルの大きさによらず、加工点がブレード面上のどの位置にあっても補正量を均一にすることができる。この結果、ブレードの鋳造面から仕上げ面まで切削するために必要な削り代ｄが補正量のばらつきによって変動することがないので、より精度の高いブレードの加工が可能となる。
【００２９】
なお、以上の説明は、Ａ軸が傾斜していない場合であるが、図６において、Ａ軸がθＡだけ傾斜している場合には、次のようにして補正量を算出する。
【００３０】
図６において、上述の補正ベクトルをＺ軸方向に分解したＶｃは、Ａ軸の傾斜によりθＡだけ傾斜することになるから、ＶｃをＺ軸方向とＹ軸方向に分解する。そうすると、
Ｚ軸成分＝Ｖｃ／ｃｏｓθＡ
Ｙ軸成分＝Ｖｃ＊ｔａｎθＡ
であるから、
Ｚ軸方向補正量Ｖｚ＝Ｖｃ／ｃｏｓθＡ
Ｙ軸方向補正量Ｖｙ＝Ｙｃ＋Ｖｃ＊ｔａｎθＡ
Ｃ軸方向補正量＝θｃ
として補正量を算出すればよい。
【００３１】
以上、本発明について、船舶の推進機に用いるプロペラの加工について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、水力機械の羽根車ののようなブレードの加工に同じように適用することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、工具長補正をブレードのピッチアングル線に垂直にかけられるようになり、プロペラのピッチアングルの大きさによらず、加工点がブレード面上のどの位置にあっても補正量を均一にすることができるので、必要な削り代が補正量のばらつきによって変動することがないので、より精度の高いブレードの加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される５軸加工機を示す正面図。
【図２】本発明の一実施形態による５軸加工機の数値制御装置のブロック構成図。
【図３】工具長補正で用いる補正ベクトルの説明図。
【図４】補正ベクトルのＸ軸成分を擬似的に作り出す考え方の説明図。
【図５】工具補正の際のプロペラのブレードの動きを示す平面図。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ断面を示し、プロペラのブレードの鋳造面と仕上げ面を示す説明図。
【図７】従来の工具補正の考え方を示す説明図。
【図８】従来の工具補正で削りの残しの生じる原因を説明する図。
【符号の説明】
２  ベッド
４  コラム
６  クロスレール
８  サドル
１０  主軸頭
１２  テーブル
３０  数値制御装置
１００  プロペラ
１０２  ピッチアングル線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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