CN103189809B - 工具路径的生成方法以及生成装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供工具路径的生成方法以及生成装置，包括：弯折角度计算步骤，计算将预定的多个加工点（P1～P3）依次用直线连接而得到的弯折直线的各个弯折点处的弯折角度（θ）；近似曲线导出步骤，导出在弯折角度计算步骤中计算的弯折角度（θ）越大越接近其弯折点那样的近似曲线（L5）；以及工具路径生成步骤，沿着在近似曲线导出步骤中导出的近似曲线（L5）生成工具路径（PA7）。

Description

工具路径的生成方法以及生成装置

技术领域

本发明涉及生成对工件加工时的工具路径的工具路径的生成方法以及生成装置。

背景技术

作为该种工具路径的生成方法，一般，已知对将多个加工点连接而得到的弯折直线进行曲线近似而生成平滑的工具路径的、平滑处理。如果将这样的平滑处理在包括弯折角度大的形状部等的加工路径的全部中一律进行，则从期望的加工形状的形状误差增大，有时使加工形状反而恶化。考虑到这一点，例如在专利文献1中，记载有比较弯折直线的弯折角度和规定的阈值，根据其大小使平滑处理有效化（ON）或者无效化（OFF）的方法。

但是，加工点数据一般是利用CAD/CAM系统等而制作的。因此，即使加工面的曲率恒定，在各弯折直线的长度（模块长）中产生偏差，在弯折角度中也产生偏差。因此，在如上述专利文献1记载的方法那样，以特定的弯折角度为边界而切换平滑处理的ONOFF时，尽管加工面的曲率恒定，仍存在平滑处理成为ON的部位和成为OFF的部位，而难以得到平滑的加工面。

专利文献1：日本特开2009－199483号公报

发明内容

本发明提供一种工具路径的生成方法，生成工件的加工时的工具路径，其特征在于包括：弯折角度计算步骤，计算将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的弯折直线的各个弯折点处的弯折角度；以及平滑处理步骤，执行在所述弯折角度计算步骤中计算出的弯折角度越大越接近其弯折点那样的平滑处理，通过平滑处理后的新的弯折直线生成工具路径。

本发明提供一种工具路径的生成装置，生成工件的加工时的工具路径，其特征在于具备：弯折角度计算部，计算将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的弯折直线的各个弯折点处的弯折角度；近似曲线导出部，导出由所述弯折角度计算部计算出的弯折角度越大越接近其弯折点那样的近似曲线；以及工具路径生成部，沿着由所述近似曲线导出部导出的近似曲线，生成工具路径。

附图说明

图1是示出具有本发明的实施方式的工具路径生成装置的工作机械整体的概略结构的图。

图2A～图2C是示出工具路径生成的变迁的图。

图3A、图3B是说明如图2C那样进行了平滑处理的情况的问题的图。

图4是说明如图2C那样进行了平滑处理的情况的其他问题的图。

图5是示出图1的控制装置的结构的框图。

图6是说明图5的弯折角度运算部中的处理的图。

图7是说明使加工点成为二维数据的情况的、图5的路径插入部、近似曲线运算部以及数据抽出部中的处理的图。

图8是示出图5的特性存储部中存储的假想模块长的特性的图。

图9是说明近似曲线的运算式的图。

图10是说明使加工点成为三维数据的情况的、图5的路径插入部、近似曲线运算部以及数据抽出部中的处理的图。

图11是说明本发明的效果的图。

（符号说明）

10：控制装置；20：工具路径生成装置；21：程序读取部；22：弯折角度运算部；23：路径插入部；24：特性存储部；25：近似曲线运算部；26：数据抽出部；30：数值控制装置；L4、L5：近似曲线；PA1～PA7：工具路径。

具体实施方式

以下，参照图1～图11，说明本发明的工具路径生成装置的实施方式。图1是示出具有本发明的实施方式的工具路径生成装置的工作机械整体的概略结构的图，作为一个例子，示出立形的加工中心。

在底座1上，竖立设置了柱状物2，在柱状物2上，经由直线进给机构可在上下方向（Z轴方向）上移动地支承了主轴头3。在主轴头3上，经由主轴向下朝向安装了工具4。工具4是例如立铣刀，通过主轴头3内的主轴马达旋转驱动。在底座1上，经由直线进给机构可在水平方向（Y轴方向）上移动地支承了座板5，在座板5上，可在与Y轴方向正交的水平方向（X轴方向）上移动地支承了平台6。直线进给机构由例如滚珠螺杆和对滚珠螺杆进行旋转驱动的伺服马达构成。通过该结构，工具4和工件W在正交3轴方向（X、Y、Z方向）上相对移动，工件W被加工。

分别依照加工程序通过控制装置10控制主轴马达以及各伺服马达。在加工程序中，预先作为工具路径设定了工具4的移动轨迹，沿着该工具路径，相对工件W，工具4进行相对移动。

加工程序是利用周知的CAD/CAM系统而制作的。即，根据与工件W的加工形状对应的CAD数据，制作作为微小的直线指令的集合的CAM数据。该CAM数据由庞大的量的点群数据构成，所以以成为适合于加工程序的数据量的方式，从CAM数据依照规定的规则对数据进行间除，制作加工程序。

图2A是示出通过这样制作的加工程序得到的工具路径的一个例子的图，通过比较粗的弯折直线表示工具路径PA1。对加工程序，以模块形式提供弯折直线的端点（加工指令点、模块端点或者简称为加工点）的坐标数据，通过将该模块端点依次连接而得到图2A的工具路径PA1。另外，以下，在由连续的线段（图2A的L1、L2）构成的弯折直线中，将使线段的一方L1朝向另一方L2延长了时的L2和延长线所成的角度θ定义为弯折角度。

如果使工具4沿着图2A所示的、作为比较粗的弯折直线的工具路径PA1移动，则无法得到平滑的工件W的加工面。因此，执行使用规定的曲线近似式运算针对各加工点的近似曲线并根据近似曲线来修正工具路径的、所谓平滑处理。

图2B是示出平滑处理后的工具路径的一个例子的图。在平滑处理后，通过工具路径PA2沿着近似曲线的多点的坐标数据提供，成为平滑的曲线。因此，在得到平滑的加工面的反面，在弯折角度大的加工点P1处，工具路径PA2大幅背离作为目标的工件形状（虚线），而得不到期望的工件形状。为了避免该问题，不将平滑处理在所有加工点中一律地进行，而在弯折角度θ大的情况下，使平滑处理无效化。

图2C是示出在加工点处的弯折角度θ大于阈值θa的情况下，使平滑处理无效化而得到的工具路径PA3的例子的图。这样，如果根据弯折角度θ使平滑处理有效化（ON）以及无效化（OFF），则能够抑制弯折角度θ大的加工点P1处的工件W的形状误差。

但是，对于加工点数据，由于利用CAD/CAM系统来制作，所以即使在例如对圆筒面形状进行加工等加工面SF1的曲率恒定，也如图3A所示，在各弯折直线的长度（模块长ΔL）中产生偏差，在弯折角度θ中也产生偏差。因此，在进行了平滑处理的情况下，如图3B所示，存在平滑处理部分性地OFF的区域A，而难以得到平滑的加工面。

进而，加工点的偏差如图4所示，在相邻的工具路径间（虚线区域A）也发生，在弯折角度θ中也产生偏差。因此，在该区域A内的各加工点的弯折角度θ的附近设定了阈值θa的情况下，存在平滑处理成为ON的工具路径和成为OFF的工具路径，无法作为整体得到平滑的加工面。为了解决以上那样的问题，在本实施方式中，如以下那样生成工具路径。

图5是示出控制装置10的结构的框图。控制装置10具有：工具路径生成装置20，生成工件加工时的工具路径；以及数值控制装置30，以使工具4沿着该工具路径相对工件W进行相对移动的方式，根据对加工程序设定的NC数据控制工作机械的各马达。

工具路径生成装置20构成为包括具有CPU、ROM、RAM、其他外围电路等的运算处理装置，具有程序读取部21、弯折角度运算部22、路径插入部23、特性存储部24、近似曲线运算部25、以及数据抽出部26。

在程序读取部21中，依次读入由CAD/CAM系统制作的加工程序的模块端点数据、即加工点的三维坐标数据（加工点数据）。

在弯折角度运算部22中，根据由程序读取部21读入的加工点数据，依次计算各加工点处的弯折角度θ。例如如图6所示，如果读入了P0、P1、P2这3点的加工点数据，则计算P1处的弯折角度θ1，如果读入了P3的加工点数据，则计算P2处的弯折角度θ2，如果读入了P4的加工点数据，则计算P3处的弯折角度θ3。另外，也可以在读入了所有加工点数据之后，集中计算各加工点处的弯折角度θ。

在路径插入部23中，针对计算了弯折角度θ的加工点，插入沿着与X轴、Y轴、Z轴中的任意一个都正交的假想轴α的路径（假想模块R）。以下，在路径插入部23、近似曲线运算部25以及数据抽出部26中，利用假想模块R的概念来执行平滑处理，生成新的工具路径。此处，为了容易地进行假想模块R的说明，首先，设为通过二维的坐标数据提供加工点而进行说明。

图7是设为通过二维的坐标数据提供了加工点的情况的假想模块R的概念图。在图中，加工点P1、P2、P3分别是在XY平面上设定的（上侧的图）的，各点的X、Y分量分别是P1（x1、y1）、P2（x2、y2）、P3（x3、y3）。P1和P2以及P2和P3分别通过线段L1以及L2连接，形成了弯折直线。另外，图中的曲线PA5是通过对加工点P1、P2、P3在XY平面上进行曲线近似而得到的工具路径。

这样，在仅通过XY分量提供了加工点P1、P2、P3的情况下，与X轴和Y轴中的任意一个都正交的是Z轴，假想轴α等于Z轴。因此，如果对具有弯折角度θ2的加工点P2、即线段L1与L2之间，朝向Z轴方向插入了假想模块R，则线段L2在Z轴方向上偏移，得到将线段L1的端点P1、P2和偏移后的线段L2的端点P2‘、P3’依次连接的新的弯折直线。此时，所插入的假想模块R的长度（假想模块长ΔR）由预先在特性存储部24中存储的假想模块长ΔR的特性决定。

图8是示出特性存储部24中存储的假想模块长ΔR的特性f（θ）的图。在图中，伴随弯折角度θ的增加，假想模块长ΔR以S字状增加。即，在弯折角度θ小的区域A（0≤θ≤θα）中，ΔR是大致0，相对于此，在弯折角度θ大于规定值θα的区域B（θα<θ≤θβ）中，伴随弯折角度θ的增加，ΔR以比较大的比值增加，在弯折角度θ超过了规定值θβ的区域C（θβ<θ）中，ΔR成为大致恒定（=ΔRmax）。另外，与图7的加工点P2处的弯折角度θ2对应的假想模块长ΔR是最大ΔRmax。

如果用α2（=－ΔRmax）来表示加工点P2处的α坐标分量，则构成新的弯折直线的各点P1、P2、P2‘、P3’的X、Y、α分量分别成为P1（x1，y1，0）、P2（x2，y2，0）、P2‘（x2，y2，α2）、P3’（x3，y3，α2）。在图5的近似曲线运算部25中，运算该4点的近似曲线L4（图7）。

近似曲线L4是例如通过3次贝塞尔（Bezier）曲线运算的。贝塞尔曲线是指图9所示那样的4点Q0、Q1、Q2、Q3的近似曲线P（t），运算式如下式（I）所示。

P（t）=（1－t）³Q0+3t（1－t）²Q1+3t²（1－t）Q2+t³Q3···（I）

此处，t相当于以Q0为始点的曲线P（t）上的路程。通过对上式（I）的Q0～Q3分别代入X、Y、Z等各坐标分量并在0～P（t）的全长使t变化，针对每个坐标分量求出P（t）的坐标值。

具体而言，在求出图7的近似曲线L4的情况下，对Q0～Q4分别代入P1、P2、P2‘、P3’的X分量x1、x2、x2、x3，以规定间距使t变化，求出每规定间距的各点Pt的X分量。同样地，对Q0～Q4分别代入P1、P2、P2‘、P3’的Y分量y1、y2、y2、y3，以规定间距使t变化，求出每规定间距的各点Pt的Y分量。进而，对Q0～Q4分别代入P1、P2、P2‘、P3’的α分量0、0、α2、α2，以规定间距使t变化，求出每规定间距的各点Pt的α分量。如果将如以上那样求出的各点Pt连接，则在XYα空间中得到图7的近似曲线L4。

在数据抽出部26中，从近似曲线L4抽出去除了α分量的剩余的分量、即点Pt的XY分量。由此，如图7所示，能够得到将点Pt在XY平面上投影的多个点Pt‘，通过将这些Pt’依次连接，能够生成新的工具路径PA4。

对于这样生成的工具路径PA4，相比于对加工点P1～P3简单地进行曲线近似而得到的工具路径PA5（图7），工具路径的内环量（加工点P2至工具路径PA4的距离）更小，平滑的强度被抑制。此处，平滑的强度根据插入于加工点P2的假想模块长ΔR而确定，弯折角度θ越大，假想模块长ΔR越长（图8）。因此，弯折角度θ越大，能够越抑制平滑的强度。

另外，在图7的例子中，弯折角度θ大，且模块长ΔR长，所以近似曲线L4在假想模块R上通过，内环量成为0，但在弯折角度θ小的情况下，近似曲线L4不在假想模块R上通过，内环量不成为0。即，在弯折角度θ大于图8的θβ的区域C中，内环量成为0，如图2C的加工点P1所示，成为与平滑处理成为OFF同样的结果。另一方面，在弯折角度θ小于图8的θα的区域A中，内环量大，且如图2B的加工点P1所示，成为与平滑处理成为ON同样的结果。

接下来，说明如图10所示，通过XYZ坐标提供了加工点P1～P3的情况的平滑处理。在该情况下，在弯折角度运算部22中，在计算了加工点P2处的弯折角度θ2之后，在路径插入部23中，在线段L1与线段L2之间插入沿着与XYZ轴中的任意一个都正交的假想轴α的假想模块R。另外，假想轴α是实际上无法图示的概念上的轴，但在图10中为便于说明而图示。在图10中，还示出了仅对加工点P1～P3简单地进行了平滑处理的工具路径PA6。

通过图8的特性f（θ）求出假想模块长ΔR，在近似曲线运算部25中，通过上式（I）运算假想模块R的插入后的点P1、P2、P2‘、P3’的近似曲线L5。即，通过对式（I）的Q0～Q3分别代入P1、P2、P2‘、P3’的XYZα的各坐标分量并在0～P（t）的全长使t变化，针对每个坐标分量求出P（t）的坐标值。

在数据抽出部26中，从近似曲线L5抽出去除了α分量的剩余的分量、即点Pt的XYZ分量。由此，如图10所示，能够在XYZ的三维空间，得到与Pt对应的点Pt‘，通过将这些Pt’依次连接，能够生成新的工具路径PA7。

对于这样生成的工具路径PA7，相比于对加工点P1～P3简单地进行平滑处理而得到的工具路径PA6，工具路径的内环量更小，平滑的强度被抑制。

将由数据抽出部26得到的点群数据输出到未图示的程序改写部，沿着工具路径PA7改写加工程序的模块数据。根据该加工程序，数值控制装置30控制各马达的驱动。由此，沿着工具路径PA7，加工工件W。

如果总结本实施方式的工具路径生成方法的动作，则如下所述。

首先，通过程序读取部21，读入由CAD/CAM系统生成的加工程序，通过弯折角度运算部22，计算将加工程序的模块端点依次连接而得到的弯折直线的弯折角度θ（弯折角度计算步骤）。

接下来，导出所计算的弯折角度θ（例如θ2）越大越接近其弯折点P2那样的近似曲线L5（曲线导出步骤），沿着该近似曲线L5生成工具路径PA7（工具路径生成步骤）。

在该情况下，在路径插入部23中，将与X轴、Y轴、Z轴分别正交的假想轴α平行、并且具有与弯折角度θ2对应的假想模块长ΔR的假想模块R插入到弯折点P2。由此，加工点P2、P3分别沿着假想轴α平行移动假想模块长ΔR量，假想点P2‘、P3’被设定。接下来，通过近似曲线运算部25，运算4点P1、P2、P2‘、P3’的近似曲线L5，通过数据抽出部26，抽出近想曲线L5的XYZ分量，利用三维空间的点群数据生成新的工具路径PA7。

通过如以上那样生成工具路径PA7，能够根据弯折角度θ2变更平滑的强弱，能够使利用平滑处理的工具路径的内环量最佳化。即，假想模块长ΔR对应于平滑的强度，在弯折角度θ大的情况下，内环量变小（平滑弱），在弯折角度θ小的情况下，内环量变大（平滑变强）。因此，即使在同一工具路径或者相邻的工具路径间产生了加工点的位置偏差、在弯折角度θ中产生了偏差的情况下，也能够平滑地加工工件W，同时得到高精度的工件形状。

图11是示出根据弯折角度θ和阈值θa的大小对平滑处理进行ONOFF的情况的平滑强度的特性f1（虚线）以及通过本实施方式进行平滑处理的情况的平滑强度的特性f2（实线）的图。另外，平滑强度如上所述相当于弯折点的内环量。

根据特性f1，在例如相邻的加工点P1、P2的弯折角度分别是θ1和θ2时，在加工点P1处平滑处理成为ON（平滑强度最大），在加工点P2处平滑处理成为OFF（平滑强度0）。因此，尽管弯折角度θ不怎么变化，但平滑的强度急剧变化，而难以得到平滑的加工面。相对于此，根据特性f2，在弯折角度是θ1和θ2的情况下，平滑强度的变化小，能够得到平滑的加工面。

根据本实施方式，能够起到以下那样的作用效果。

（1）计算将多个加工点依次用直线连接而得到的弯折直线的各弯折点处的弯折角度θ，导出该弯折角度θ越大越接近其弯折点那样的近似曲线L5（图10），沿着近似曲线L5生成工具路径PA7。由此，能够抑制工件W的加工形状的误差，同时即使在弯折角度θ中产生了偏差的情况下，也能够得到平滑的加工面。

（2）插入与XYZ轴分别正交并且与弯折角度θ对应的长度的假想模块R，运算假想模块插入后的弯折直线的近似曲线L5，所以能够容易地导出弯折角度θ越大越接近弯折点那样的近似曲线L5。

（3）根据从近似曲线L5抽出XYZ分量而得到的点群数据来生成工具路径PA7，所以能够根据使用了假想模块R的近似曲线L5来容易地生成三维空间的工具路径PA7。在该情况下，假想轴α与XYZ轴中的任意一个都正交，所以即使去除了假想轴α的分量也不会对其他XYZ的坐标分量造成影响。

（4）将假想模块长ΔR的特性f（θ）分成大致3个区域A～C（图8），在弯折角度θ小的区域A以及大的区域C中，使假想模块长ΔR大致恒定，并且在弯折角度θ是θα以上并且θβ以下的中间区域B中，伴随弯折角度θ的增加，使假想模块长ΔR逐渐变长。由此，能够根据弯折角度θ的大小变更平滑强度的变化率，相比于使平滑强度以与弯折角度θ对应的恒定的变化率变化的情况，能够实现与加工点位置的偏差对应的良好的平滑。

本发明的特征在于，根据弯折角度θ变更平滑的强度，只要执行弯折角度θ越大越接近其弯折点那样的平滑处理，并通过平滑处理后的新的弯折直线生成工具路径PA5，则作为平滑处理步骤的近似曲线导出步骤和工具路径生成步骤的结构没有限制。即，也可以不插入假想模块R，而以弯折角度θ越大越接近其弯折点的方式生成工具路径。

在上述实施方式中，在将连续的3个加工点（第1加工点P1、第2加工点P2、第3加工点P3）依次用直线连接了的弯折直线中，以中间的加工点P2处的弯折角度θ越大，使沿着与XYZ轴分别正交的假想轴α的移动量越大的方式，使加工点P2、P3分别沿着假想轴α在同一方向上平行移动而设定假想点（第1假想点P2’、第2假想点P3’），并且运算这些各点P1、P2、P2’、P3’的近似曲线L5，但只要导出以弯折角度θ越大越接近其弯折点那样的近似曲线，则近似曲线导出步骤的结构没有限制。

另外，在上述实施方式中，通过程序读取部21读入由CAD/CAM系统制作的加工程序，通过弯折角度运算部22运算各个弯折点处的弯折角度θ，但也可以不经由CAD/CAM系统而制作初始的加工程序。弯折角度计算部的结构不限于此。通过路径插入部23对弯折点插入假想轴α，通过近似曲线运算部25利用贝塞尔曲线进行曲线近似而求出近似曲线L5，但也可以进行利用B样条曲线、NURBS曲线等其他曲线的曲线近似来求出近似曲线L5，近似曲线导出部的结构不限于上述。通过数据抽出部26抽出近似曲线L5的XYZ分量而生成工具路径PA7，但也可以在抽出了XYZ分量之后，进而对规定数的数据进行间除来生成工具路径，工具路径生成部的结构不限于上述。

在上述实施方式中，在工作机械中设置的控制装置10中，设置了工具路径生成装置20和数值控制装置30，但也可以在数值控制装置20内设置工具路径生成装置30。另外，也可以与控制装置10独立地，设置工具路径生成装置20。在上述实施方式中，将工具路径生成装置10应用于加工中心，但在需要生成工件的加工时的工具路径的其他工作机械中，也能够同样地应用本发明的工具路径生成装置。

根据本发明，执行弯折点处的弯折角度越大越接近其弯折点那样的平滑处理，通过平滑处理后的新的弯折直线生成工具路径，所以能够抑制工件的加工形状误差，同时即使在弯折角度中有偏差也能够得到平滑的加工面。

Claims (4)

1.一种工具路径的生成方法，生成工件加工时的工具路径，其特征在于包括：

弯折角度计算步骤，计算将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的弯折直线的各个弯折点处的弯折角度；以及

平滑处理步骤，执行以在所述弯折角度计算步骤中计算出的弯折角度越大使假想模块长越长的方式插入沿着与X轴、Y轴、Z轴中的任意一个都正交的假想轴的假想模块而接近其弯折点那样的平滑处理，在平滑处理后抽出X分量、Y分量以及Z分量而生成工具路径。

2.一种工具路径的生成方法，生成工件加工时的工具路径，其特征在于包括：

弯折角度计算步骤，计算将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的弯折直线的各个弯折点处的弯折角度；

近似曲线导出步骤，导出以在所述弯折角度计算步骤中计算出的弯折角度越大使假想模块长越长的方式插入沿着与X轴、Y轴、Z轴中的任意一个都正交的假想轴的假想模块而接近其弯折点那样的近似曲线；以及

工具路径生成步骤，抽出在所述近似曲线导出步骤中导出的近似曲线的X分量、Y分量以及Z分量，生成工具路径。

3.根据权利要求2所述的工具路径的生成方法，其特征在于：

在所述近似曲线导出步骤中，在将第1加工点、第2加工点以及第3加工点依次用直线连接而形成了弯折直线时，以在所述弯折角度计算步骤中计算的所述第2加工点处的弯折角度越大，使沿着与X轴、Y轴以及Z轴分别正交的假想轴的移动量越大的方式，使所述第2加工点以及所述第3加工点分别沿着所述假想轴在同一方向上平行移动来设定第1假想点以及第2假想点，并且运算所述第1加工点、所述第2加工点、所述第1假想点以及所述第2假想点的近似曲线，

在所述工具路径生成步骤中，根据抽出所述近似曲线的X分量、Y分量以及Z分量而得到的点群数据，生成所述工具路径。

4.一种工具路径的生成装置，生成工件加工时的工具路径，其特征在于具备：

弯折角度计算部，计算将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的弯折直线的各个弯折点处的弯折角度；

近似曲线导出部，导出以由所述弯折角度计算部计算出的弯折角度越大使假想模块长越长的方式插入沿着与X轴、Y轴、Z轴中的任意一个都正交的假想轴的假想模块而接近其弯折点那样的近似曲线；以及

工具路径生成部，抽出由所述近似曲线导出部导出的近似曲线的X分量、Y分量以及Z分量，生成工具路径。