DE60123379T2

DE60123379T2 - Numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen

Info

Publication number: DE60123379T2
Application number: DE2001623379
Authority: DE
Inventors: Junichi Hitachi-shi Hirai; Hiroshi Hitachiota-shi Arai; Tamotsu Fujisawa-shi Harihara; Osamu Hitachinaka-shi Chiba; Masaaki Hitachi-shi Takahashi; Nobuhisa Hitachi-shi Kanamaru
Original assignee: Hitachi Software Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Software Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: EP1235126B1; DE60123379D1; EP1235126A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
VERWENDUNGSGEBIET IN DER INDUSTRIE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen und insbesondere eine solche Einheit, die die Oberflächenrauhigkeit und -genauigkeit bei der Bearbeitung verbessert und eine schnelle Bearbeitung ermöglicht.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Weil bei der herkömmlichen numerisch gesteuerten (NC) Bearbeitung gekrümmter Flächen ein Werkstück durch lineare Approximation bearbeitet wird, wie in 2(a) dargestellt ist, ist die Rauhigkeit der Bearbeitungsfläche schlecht und sind zahlreiche Endbearbeitungsschritte von Hand erforderlich. Weil abgesehen davon, wie in 2(b) dargestellt ist, die durchschnittliche Vorschubgeschwindigkeit infolge der Beschleunigung oder Verzögerung bei der Positionierung abnimmt, ist eine lange Bearbeitungszeit erforderlich, und es ergibt sich, was noch schlimmer ist, ein Problem, dass eine große Menge von NC-Daten in kürzeren Schrittweiten erforderlich ist, um die Genauigkeit der Bearbeitungsfläche zu verbessern.
In der offen gelegten japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer HEI 9-114512 (1997) ist ein Verfahren zur Bearbeitung einer gekrümmten Fläche durch ein NC-Bearbeitungswerkzeug zur Verbesserung der Genauigkeit der Bearbeitungsfläche und zum Verringern des NC-Datenvolumens vorgeschlagen. Selbst bei diesem herkömmlichen Verfahren ergibt sich jedoch ein Problem einer schlechten Rauhigkeit der Bearbeitungsfläche infolge der linearen Approximation und einer niedrigeren durchschnittlichen Vorschubgeschwindigkeit infolge einer Beschleunigung oder Verzögerung bei der Positionierung.
Zum Lösen dieser Probleme wurde eine Interpolation durch eine NURBS-Kurve, wie in 3 dargestellt ist, vorgeschlagen. Die NURBS-Kurve, die für eine nicht gleichmäßige rationale B-Spline-Kurve ("Non-Uniform Rational B-Spline curve") steht, ist eine Art einer B-Spline-Kurve, die durch einen rationalen Ausdruck beschrieben wird, wobei die Schrittweiten der eine Kurve bildenden Knotenpunkte nicht gleichmäßig sind. Ein charakteristisches Merkmal besteht darin, dass die NURBS-Kurve einen rationalen Ausdruck beim Definieren einer Kurve verwendet, während andere Kurven ein Polynom verwenden.
Durch Steuern von diesen kann eine Kurve ohne Schwierigkeiten lokal transformiert werden. Abgesehen davon wird es möglich, einen Zylinder, einen Kegel, eine Kugel, eine Hyperbel, eine Ellipse und eine Parabel einheitlich zu behandeln, die durch andere Kurven nicht genau ausgedrückt werden können.
In 3 definiert die NURBS-Kurve eine Kurve durch den Kontrollpunkt Pi, die Gewichte wi und den Knotenvektor xi, wobei k ein Grad ist, Pi ein Kontrollpunkt ist, wi Gewichte sind, xi ein Knoten ist (x_i ≤ x_i+1), [x₀, x₁, ..., x_m] (m = n + k) ein Knotenvektor ist und t ein Spline-Parameter ist.
Wenn eine B-Spline-Basisfunktion N(t) durch einen rekursiven Boor-Cox-Ausdruck beschrieben wird, werden die Ausdrücke 1 und 2 erhalten. Die NURBS-Kurve P(t) für die Interpolation führt zu Ausdruck 3.
Ausdruck 1
Ausdruck 2
Ausdruck 3
Eine NURBS-Interpolationsanweisung wird im folgenden Format ausgegeben.
G05P10000; (kontinuierlicher Werkzeugweg-Steuermodus hoher Genauigkeit EIN)
G05P0; (kontinuierlicher Werkzeugweg-Steuermodus hoher Genauigkeit AUS) wobei:

G06.2:: NURBS-Interpolationsmodus EIN
P:: Grad der NURBS-Kurve
K_X_Y_Z_α_β:: Kontrollpunkt (α, β: Drehachsenanweisung)
R:: Gewichte
K:: Knoten
F:: Vorschubgeschwindigkeit

Bei der NURBS-Interpolationsbearbeitung sind weniger Endbearbeitungsschritte von Hand erforderlich, weil eine Kurve glatt bearbeitet werden kann, wie in 2(c) dargestellt ist. Weil zusätzlich die Beschleunigung und Verzögerung bei der Positionierung weich werden und die durchschnittliche Vorschubgeschwindigkeit ansteigt, wie in 2(d) dargestellt ist, kann die Bearbeitungszeit verkürzt werden und wird eine schnelle Bearbeitung möglich. Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, dass das erforderliche NC-Datenvolumen kleiner sein kann, weil die Kontrollpunkte für die NURBS-Interpolation wirksam festgelegt werden können.
Bei dem herkömmlichen NURBS-(nicht gleichmäßigen rationalen B-Spline – "non-uniform rational B-spline")-Interpolationsverfahren war eine gleichzeitige Bearbeitung durch drei lineare Achsen für das Bearbeiten einer Form möglich. Auf den Seiten 12-17 von "Machines and Tools" (Ausgabe vom Februar 1998) ist unter dem Titel "High-Speed High-Accuracy Machining by NURBS Interpolation and Smooth Interpolation" ein Bearbeitungsverfahren mit einer verbesserten Funktion für eine Fünfachsen-Simultanbearbeitung unter Einschluss von zwei Drehachsen für eine hochwirksame Bearbeitung einer Turbinenschaufel, eines Laufrads einer hydraulischen Turbine oder dergleichen beschrieben.
Auf den Seiten 8-9 von "hold Engineering" (Ausgabe vom Juli 1998) ist unter dem Titel "Generation of High-Quality Machining Surface by Additional Axis NURBS Interpolation Machining" ein Bearbeitungsverfahren für eine Turbinenschaufel durch Software unter Verwendung einer Fünfachsen-Simultan-NURBS-Interpolationsfunktion beschrieben. Weil die Sehnenlänge zwischen den Knotenvektoren bei diesem Bearbeitungsverfahren gleichmäßig ist, tritt das Problem auf, dass die Kontrolle einer Kurve unter Verwendung des Knotenvektors weniger stark berücksichtigt wird, wobei es sich um ein charakteristisches Merkmal einer NURBS-Kurve handelt.
Gemäß einer bekannten Technik werden die in einem Werkstückkoordinatensystem berechneten Kontrollpunkte auf einer NURBS-Kurve entsprechend dem Werkzeugachsenvektor in ein Maschinenkoordinatensystem transformiert, und das Ergebnis wird als Kontrollpunkte für die 5-Achsen-NURBS-Interpolation ohne jede Kompensation verwendet, und der gleiche Knotenvektor, der in einem Werkstückkoordinatensystem verwendet wird, wird auf die 5-Achsen-NURBS-Interpolation angewendet.
Allgemein ausgedrückt, gibt es jedoch keine Garantie für das Erreichen einer glatten Kurve, selbst wenn der gleiche Knotenvektor nach der Koordinatentransformation verwendet wird. Aus diesem Grund wird auf einer Bearbeitungsfläche leicht eine Verwindung oder eine Verziehung hervorgerufen.
Zusätzlich behandelt diese bekannte Technik eine Kugelend-Fräsbearbeitung, wobei der Versatz eines Kontaktpunkts zwischen dem Werkzeugkontrollpunkt und der gekrümmten Fläche klein ist, und er behandelt keine Radiusend-Fräsbearbeitung, wobei der Versatz eines Kontaktpunkts zwischen dem Werkzeugkontrollpunkt und der gekrümmten Fläche groß ist. Deswegen bleibt eine hohe Wahrscheinlichkeit bestehen, dass Verwindungen oder Verziehungen, abhängig vom Ausmaß des Versatzes, hervorgerufen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter diesen Umständen war es erwünscht, ein Verfahren zum Berechnen des Knotenvektors und eines Kontrollpunkts zu entwickeln, das auf eine glatte Bearbeitung einer gekrümmten Fläche durch Fünfachsen-NURBS-Interpolation unter Verwendung der NC-Daten, die, entsprechend der Neigung des Werkzeugachsenvektors von einer im Werkstückkoordinatensystem berechneten NURBS-Kurve in ein Maschinenkoordinatensystem konvertiert wurden, anwendbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen bereitzustellen, die durch glattes Bewegen eines Werkzeugs entlang einer NURBS-Kurve nicht nur das Verbessern der Rauhigkeit und der Genauigkeit der Bearbeitungsfläche, sondern auch das Erreichen einer schnellen Bearbeitung, um die Endbearbeitung von Hand überflüssig zu machen und die Bearbeitungsschritte drastisch verringern zu können, ermöglicht.
Zum Lösen der vorstehend erwähnten Probleme schlägt die vorliegende Erfindung vor: eine numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen, die mit drei linearen Achsen und mindestens einer Drehachse ausgerüstet ist und eine Mehrachs-Simultansteuerungs-NC-Maschine beinhaltet, die von einer numerischen Steuereinheit (NC-Steuerung) mit Numeriksteuerungs-NURBS-(non-uniform rational B-spline)-Interpolationsfunktion numerisch gesteuert wird, aufweisend: eine Einrichtung zum Lesen von Daten eines Werkzeugkontrollpunktvektors und Daten eines Werkzeugachsenvektors, die in einem Werkstückkoordinatensystem entlang dem Werkzeugweg mit festgelegter Kurvenform von einem Hostcomputer berechnet sind, als Daten eines Schneidorts (CL) und zum Umwandeln der CL-Daten in einen Positionsvektor der drei linearen Achsen und einen Drehwinkel im Maschinenkoordinatensystem, um die Mehrachs-Simultansteuerungs-NC-Maschine entsprechend ihrer Maschinenkonfiguration zu betreiben, eine Einrichtung zum Berechnen von Knotenvektoren einer NURBS-Kurve der am besten geeigneten Sehnenlänge aufgrund eines Positionsvektors der drei linearen Achsen und eines Drehwinkels, die im Maschinenkoordinatensystem berechnet sind, eine Einrichtung zum Berechnen einer jeweiligen NURBS-Kurve der drei linearen Achsen und eines Drehwinkels unter Verwendung der Knotenvektoren, eine Einrichtung zum Umwandeln der NURBS-Kurve in NURBS-Interpolations-NC-Daten, eine Einrichtung zum Umwandeln der Vorschubgeschwindigkeit im Werkstückkoordinatensystem in den Vorschub pro Minute oder den zeitinversen Vorschub im Maschinenkoordinatensystem und eine Einrichtung zum Übertragen der erhaltenen CL-Daten zur NC-Steuerung.
Die Bearbeitungseinheit kann mit einer Einrichtung zum Entfernen oder Einfügen von CL-Daten entlang dem Werkzeugweg entsprechend der Bearbeitungsgenauigkeit der gekrümmten Fläche nach dem Lesen von Daten als CL-Daten versehen sein.
Die Bearbeitungseinheit kann auch mit einer Einrichtung zum Lesen eines Kompensationswerts von der NC-Steuerung aufgrund individueller Unterschiede einzelner Werkzeuge nach dem Lesen von Daten als CL-Daten und zum Kompensieren der gelesenen CL-Daten entsprechend dem Werkzeugkompensationswert versehen sein.
Die Bearbeitungseinheit kann mit einer Einrichtung zum Unterteilen einer NURBS-Kurve auf der Grundlage der Krümmung oder der Schrittweite der in Werkzeugwegrichtung aufgetragenen CL-Daten versehen sein.
Die Bearbeitungseinheit kann auch mit einer Einrichtung zum Berechnen einer NURBS-Kurve, wobei als Knotenvektor die Sehnenlänge des in Werkzeugwegrichtung aufgetragenen Positionsvektors der drei linearen Achsen im Maschinenkoordinatensystem verwendet wird, versehen sein.
Es ist auch möglich, dass die Bearbeitungseinheit mit einer Einrichtung zum Berechnen einer NURBS-Kurve, wobei als Knotenvektor die Sehnenlänge verwendet wird, die durch Multiplizieren der jeweiligen Sehnenlänge des in Werkzeugwegrichtung aufgetragenen Positionsvektors der drei linearen Achsen im Maschinenkoordinatensystem und der Sehnenlänge des Werkzeugkontrollpunktvektors im Werkstückkoordinatensystem mit einem Koeffizienten und durch Addieren der Produkte erhalten wird, versehen ist.
Die Bearbeitungseinheit kann versehen sein mit: einer Einrichtung zum Transformieren einer Kurve in eine NURBS-Interpolation, falls der Positionsvektor der drei linearen Achsen und der Drehwinkel der Drehachse, die im Maschinenkoordinatensystem berechnet sind, durch eine Kurve bestimmt sind, die von einer B-Spline-Interpolation, einer Bezier-Interpolation, einer Coons-Interpolation, einem Polynom oder einer Kombination einer Linie und eines Bogens gebildet ist.
Es ist erwünscht, dass die Bearbeitungseinheit versehen ist mit: einer Einrichtung zum Erzeugen einer NURBS-Kurve oder mehrerer NURBS-Kurven mit zusammenhängender Krümmung durch Modifizieren oder Einfügen einer oder mehrerer NURBS-Kurven, so dass sich der Krümmungsverlauf am Übergangspunkt mehrerer NURBS-Kurven innerhalb eines Bereichs der Bearbeitungsgenauigkeit kontinuierlich ändert.
Die Bearbeitungseinheit kann versehen sein mit: einer Einrichtung zum Festlegen des Werkzeugachsenvektors der CL-Daten auf einen bestimmten Wert und zum Umwandeln der Daten in NURBS-Interpolations-NC-Daten für eine Dreiachsen-Simultansteuerungs-NC-Maschine, die lediglich mit drei linearen Achsen ausgerüstet ist.
Die Bearbeitungseinheit kann versehen sein mit: einer Einrichtung zum Gewinnen der CL-Daten zum Bearbeiten eines Werkstücks entlang eines Schraub- und Spiralwegs oder eines Einfachhubwegs.
Es ist auch möglich, dass die Bearbeitungseinheit versehen ist mit: einer Einrichtung zum Lesen von Linearinterpolations-NC-Daten für eine Mehrachs-Simultanmaschine und zum Umwandeln der Daten in CL-Daten.
Die Bearbeitungseinheit kann manchmal versehen sein mit: einer Einrichtung zum Bezeichnen der CL-Daten, die unbedingt von der Bearbeitung abgedeckt werden müssen.
Zum Lösen der vorstehend erwähnten Probleme schlägt die vorliegende Erfindung auch vor: eine numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen, die mit drei linearen Achsen und mindestens einer Drehachse ausgerüstet ist und eine Mehrachs-Simultansteuerungs-NC-Maschine beinhaltet, die von einer numerischen Steuereinheit (NC-Steuerung) mit Numeriksteuerungs-NURBS-(non-uniform rational B-spline)-Interpolationsfunktion numerisch gesteuert wird, aufweisend: eine Einrichtung zum Lesen einer NURBS-Kurve für drei lineare Achsen und eine Drehachse, die in einem Maschinenkoordinatensystem berechnet ist, eine Einrichtung zum Lesen von Daten eines Schneidorts (CL), die in einem Werkstückkoordinatensystem berechnet sind, eine Einrichtung zum Berechnen einer NURBS-Kurve aus dem Werkzeugkontrollpunkt-Mittelpositionsvektor der CL-Daten, eine Einrichtung zum Berechnen einer NURBS-Kurve aus dem Werkzeugachsenvektor der CL-Daten, eine Einrichtung zum Berechnen jeweiliger Punktabfolgedaten bis zu einer festgelegten Bearbeitungsgenauigkeit aus der NURBS-Kurve der drei linearen Achsen und der Drehachse im Maschinenkoordinatensystem, eine Einrichtung zum Umwandeln der Punktabfolgedaten im Maschinenkoordinatensystem in CL-Daten im Werkstückkoordinatensystem, und eine Einrichtung zum Berechnen des jeweiligen Fehlers zwischen den in das Werkstückkoordinatensystem umgewandelten CL-Daten und einer NURBS-Kurve des Werkzeugkontrollpunktvektors sowie einer NURBS-Kurve des Werkzeugachsenvektors, die im Werkstückkoordinatensystem berechnet sind.
Die Bearbeitungseinheit kann versehen sein mit: einer Einrichtung zum Modifizieren eines Kontrollpunkts oder Knotenvektors oder Gewichte der NURBS-Kurve im Maschinenkoordinatensystem aufgrund des Ergebnisses der Fehlerberechnung.
Es ist auch möglich, dass die Bearbeitungseinheit versehen ist mit: einer Einrichtung zum Lesen eines Werkzeugkompensationswerts aus der NC-Maschine und zum Umwandeln der im Werkstückkoordinatensystem berechneten CL-Daten entsprechend dem Kompensationswert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Blockdiagramm, in dem die Systemkonfiguration gemäß einer Ausführungsform einer numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
2 ist ein Diagramm, in dem der Vergleich einer herkömmlichen Linearinterpolationsbearbeitung und einer herkömmlichen NURBS-Interpolationsbearbeitung dargestellt ist,
3 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen einer NURBS-Kurve und Kontrollpunkten dargestellt ist,
4 ist ein Diagramm, in dem ein Beispiel eines Verfahrens zum Kompensieren von CL-Daten dargestellt ist,
5 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Entfernen oder Hinzufügen von CL-Daten gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
6 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Unterteilen einer NURBS-Kurve gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
7 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen Koordinatensystemen nach der Transformation von einem Maschinenkoordinatensystem in ein Werkstückkoordinatensystem gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
8 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Berechnen eines Knotenvektors und einer NURBS-Kurve in einem Maschinenkoordinatensystem gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
9 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Glätten einer NURBS-Kurve durch Festlegen eines Übergangsfaktors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
10 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Bilden einer einzigen kontinuierlichen Kurve durch Einfügen einer Ausrundungskurve mit R gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
11 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Erreichen der Kontinuität des Krümmungsradius durch Modifizieren einer Bearbeitungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
12 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum kontinuierlichen Bearbeiten durch Ändern einer Verbindung von Werkzeugwegen zu einer glatten Kurve gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
13 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Bilden einer einzigen kontinuierlichen Kurve durch Ändern eines Werkzeugwegs zu einer Schraub- und Spiralkurve gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
14 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Transformieren einer anderen Interpolation in eine NURBS-Interpolation gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
15 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen Koordinatensystemen nach der Transformation von einem Maschinenkoordinatensystem in ein Werkstückkoordinatensystem (Umkehrtransformation) gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
16 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Auswerten einer NURBS-Kurve in einem Maschinenkoordinatensystem gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
17 ist ein Diagramm, in dem ein Verfahren zum Modifizieren einer NURBS-Kurve gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
18 ist ein Blockdiagramm, in dem die Systemkonfiguration einer anderen Ausführungsform einer numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
19 ist ein Diagramm, in dem dargestellt ist, wie ein Knotenvektor bei der NURBS-Kurveninterpolation der Vorschubgeschwindigkeit zu definieren ist,
20 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der NURBS-Kurve in einem Maschinenkoordinatensystem und Kontrollpunkten davon dargestellt ist, und
21 ist ein Diagramm, in dem die Optimierung der Vorschubgeschwindigkeit in einem Maschinenkoordinatensystem unter Verwendung eines Übergangsfaktors dargestellt ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen einer numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Verwendung der 1 bis 17 beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, in dem die Gesamtkonfiguration einer Ausführungsform der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Ein Hostcomputer 10 speichert den Werkzeugkontrollpunktvektor und den Werkzeugachsenvektor, die entlang dem Werkzeugweg in einem Koordinatensystem mit einer festgelegten Kurvenform (Werkstückkoordinatensystem) berechnet sind, in einer externen Datei 11 als Schneidortdaten (CL-Daten).
In Schritt 21 liest ein Computer 20 der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen CL-Daten aus der externen Datei 11. In Schritt 33 liest der Computer für die NC-Datenkonvertierung erforderliche Einrichtungsdaten, einschließlich Maschinenformdaten, Schneidspezifikationsdaten und Einrichtungspositionsdaten, aus einer externen Datei 12.
Es gibt stets einen Fehler zwischen der angenommenen Werkzeuglänge oder dem angenommenen Werkzeugdurchmesser bei der Präparation von NC-Daten und der tatsächlichen Werkzeuglänge oder dem tatsächlichen Werkzeugdurchmesser.
In Schritt 22 spezifiziert der Computer 20 zum Kompensieren des vorstehend erwähnten Fehlers eine Werkzeugkompensationsnummer und fordert eine NC-Steuerung 40 auf, Kompensationsdaten auszugeben. Die NC-Steuerung 40 liest die der spezifizierten Kompensationsnummer entsprechenden Kompensationsdaten aus einem Kompensationsdatenspeicherbereich 41 aus und gibt die Daten an den Computer 20 aus. Der Computer 20 liest die von der NC-Steuerung 40 ausgegebenen Kompensationsdaten.
In Schritt 23 kompensiert der Computer 20 die CL-Daten entlang einer gewünschten Richtung durch ein in 4 dargestelltes Verfahren und durch Ausdruck 4. In dem Ausdruck ist C der Werkzeugkontrollpunktvektor, D der Werkzeugachsenvektor, P der Werkzeugkontrollpunktvektor auf C und N der Normalenvektor auf P. C1 ist ein durch d1 in Spindelrichtung kompensierter Werkzeugkontrollpunktvektor, C2 ist ein durch d2 in Normalenrichtung kompensierter Werkzeugkontrollpunktvektor, und C3 ist ein in Werkzeugdurchmesserrichtung um d3 kompensierter Werkzeugkontrollpunktvektor.
Ausdruck 4
Weil CL-Daten normalerweise den Werkzeugkontrollpunktvektor und den Werkzeugachsenvektor bezeichnen, ist nur die Kompensation von C1 möglich. Falls der Werkzeugkontrollpunktvektor und der Normalenvektor, die für die Berechnung der CL-Daten verwendet werden, bekannt sind, ist eine Kompensation der vorstehend erwähnten C2 und C3 oder eine Kompensation einer Kombination von C1, C2 und C3 möglich. Das Kompensieren der CL-Daten durch dieses Verfahren ermöglicht das Erzeugen kompensierter NC-Daten für die NURBS-(nonuniform rational B-spline)-Interpolation.
In der NURBS-Interpolationsfunktion nach "High-Speed High-Accuracy Machining by NURBS Interpolation and Smooth Interpolation" aus der vorstehend erwähnten Veröffentlichung "Machines and Tools" ist keine Kompensation zulässig.
In Schritt 24 werden CL-Daten durch ein in 5 dargestelltes Verfahren entfernt oder eingefügt, um die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern und auch das Datenvolumen zu reduzieren. Zuerst wird eine Verlaufskurve anhand des Werkzeugkontrollpunktvektors durch eine Kurvenapproximation nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet, um eine NURBS-Kurve 51 zu finden. Dann werden in Schritt 52 CL-Daten entfernt, indem Dateneinheiten entfernt werden, die nicht innerhalb eines spezifischen Toleranzbereichs liegen.
Eine NURBS-Kurve wird durch die Definition der in 3 dargestellten NURBS-Kurve und durch die Ausdrücke 1, 2 und 3 bestimmt. Ein Verfahren zum Erzeugen einer NURBS-Kurve anhand einer Folge von Punkten ist beispielsweise in "The NURBS Book" von Les Piegl und Wayne Tiller beschrieben.
Dann wird eine NURBS-Kurve 53 auf der Grundlage des Werkzeugachsenvektors der entfernten CL-Daten berechnet. In Schritt 54 wird der Werkzeugachsenvektor auf der NURBS-Kurve 53, entsprechend den Durchgangspunkten des Werkzeugkontrollpunktvektors, berechnet, und es wird die Variation des Winkels berechnet. Falls die Differenz gegenüber den ursprünglichen CL-Daten die Toleranz überschreitet, wird ein Durchgangspunkt eingefügt, um die Genauigkeit zu verbessern. Die Toleranz für das Entfernen oder Einfügen von CL-Daten wird auf 0,01 mm gesetzt.
In Schritt 25 wird die in Schritt 24 berechnete NURBS-Kurve 53 dividiert. 6 zeigt die Ortskurve des Werkzeugkontrollpunktvektors. Anhand der NURBS-Kurve des Werkzeugkontrollpunktvektors (d.h. des G06.2-Werkzeugwegs 64) und des linearen Werkzeugwegs (d.h. des G01-Werkzeugwegs 65) wird eine Wegteilungsposition 63 gefunden. Falls die Sehnenlänge zwischen den Durchgangspunkten plötzlich kürzer wird oder sich der von zwei Linien gebildete Winkel scharf ändert, werden auf der NURBS-Kurve Turbulenzen hervorgerufen. Dementsprechend wird eine Position, an der die Sehnenlänge zu kurz wird oder sich der durch zwei Linien gebildete Winkel scharf ändert, herausgefunden und als eine Wegteilungsposition 63 der Kurve angesehen, und die Kurve wird dann an der Wegteilungsposition 63 unterteilt, um die Genauigkeit der Kurve zu verbessern.
In Schritt 26 werden CL-Daten in ein Maschinenkoordinatensystem konvertiert. Auf einer Zweiachsentisch-Fünfachsenmaschine 50 in 1 ist ein Knoten, an dem das C-Achsen-Tischdrehzentrum und das B-Achsen-Tischdrehzentrum einander in einem rechten Winkel schneiden, der Ursprung Om im Maschinenkoordinatensystem. Ein Werkstück wird auf den C-Achsentisch gesetzt, und der Ursprung im Werkstückkoordinatensystem wird als bei Ow liegend angesehen. Unter der Annahme, dass bei Betrachtung vom Ursprung Om im Maschinenkoordinatensystem S der Positionsvektor des Ursprungs Ow im Werkstückkoordinatensystem ist, kann die Transformation des Werkzeugkontrollpunktvektors (X, Y, Z) und des Werkzeugachsenvektors (I, J, K) im Werkstückkoordinatensystem in das Maschinenkoordinatensystem (Mx, My, Mz, B, C) durch das Koordinatensystem in 7 und die Ausdrücke 5, 6, 7, 8 und 9 ausgedrückt werden.
Ausdruck 5

W = (X, Y, Z) D = (I, J, K) Wa = (Y, Z, X) Da = (J, K, I) = (Dai, Daj , Dak) S = (Xs, Ys, Zs) Ws = Wa + S = (Wax, Way, Waz)

Ausdruck 6

C = tan–1(Daj/Dai) B = tan(√Dai**2 + Daj**2/Dak)

Ausdruck 7
Ausdruck 8
Ausdruck 9

M = (Mx, My, Mz, B, C)

In den vorstehenden Ausdrücken stellt (Mx, My, Mz, B, C) die Koordinate jeder Maschinenachse X, Y, Z, B und C dar. Der Koordinatentransformationsausdruck ist für jede Maschine eindeutig. Diese Transformation ist auch auf eine Einachsen-Tischmaschine, eine Einachsen-Spindelmaschine und eine Zweiachsen-Spindelmaschine anwendbar.
Gemäß einer bekannten Technik werden die in einem Werkstückkoordinatensystem berechneten Kontrollpunkte auf einer NURBS-Kurve entsprechend dem Werkzeugachsenvektor in ein Maschinenkoordinatensystem transformiert, und das Ergebnis wird als Kontrollpunkte für die 5-Achsen-NURBS-Interpolation ohne jede Kompensation verwendet, und der gleiche Knotenvektor, der in einem Werkstückkoordinatensystem verwendet wird, wird auf die 5-Achsen-NURBS-Interpolation angewendet.
Allgemein ausgedrückt, gibt es jedoch keine Garantie für das Erreichen einer glatten Kurve, selbst wenn der gleiche Knotenvektor nach der Koordinatentransformation verwendet wird. Aus diesem Grund wird auf einer Bearbeitungsfläche leicht eine Verwindung oder eine Verziehung hervorgerufen.
Dagegen wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Sehnenlänge zwischen jeweiligen Maschinenkoordinaten als der Knotenvektor verwendet, wie in 8(b) dargestellt ist, und die Kontrollpunkte auf jeder NURBS-Kurve der drei linearen Achsen (Mx, My, Mz) und der zwei Drehachsen (B, C) werden wieder berechnet, so dass sich jede Kurve kontinuier lich und glatt ändert. Auf diese Weise wird die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert.
In Schritt 27 wird der Knotenvektor berechnet. In Schritt 81 aus 8 wird zuerst die Maschinenkoordinate (Mx, My, Mz, B, C) aller Durchgangspunkte unter Verwendung der vorstehenden Ausdrücke 5, 6, 7, 8 und 9 berechnet. Die Sehnenlänge (Li) zwischen jeweiligen Maschinenkoordinaten wird berechnet, um den Knotenvektor zu erhalten, wie in 8(b) dargestellt ist. Derselbe Knotenvektor wird für (Mx, My, Mz) und für (B, C) verwendet.
In Schritt 28 wird anhand der Punktabfolgedaten der drei linearen Achsen (Mx, My, Mz) und der zwei Drehachsen (B, C), die anhand der CL-Daten in einem Werkstückkoordinatensystem und des in Schritt 27 berechneten Knotenvektors in ein Maschinenkoordinatensystem transformiert wurden, eine durch die Ausdrücke 1, 2 und 3 dargestellte NURBS-Kurve nach einem NURBS-Kurven-Erzeugungsverfahren erzeugt, das beispielsweise in dem vorstehend erwähnten "The NURBS Book" beschrieben ist.
In Schritt 28 wird unter Verwendung des Knotenvektors in 8(b) und der Definition der in 3 dargestellten NURBS-Kurve und durch die Ausdrücke 1, 2 und 3 jede NURBS-Kurve der drei linearen Achsen (Mx, My, Mz) und der zwei Drehachsen (B, C) berechnet.
In Schritt 29 wird ein Übergangsfaktor berechnet. Falls ein Werkstück entsprechend der in Schritt 28 berechneten NURBS-Kurve bearbeitet wird, kann eine Ausbauchung an der Kurve hervorgerufen werden, wie in 9 dargestellt ist, und es können dementsprechend Unregelmäßigkeiten auf der bearbeiteten Fläche hervorgerufen werden. Um dies zu verhindern, wird zuerst die Sehnenlänge des Werkzeugkontrollpunktvektors in einem Werkstückkoordinatensystem mit höherer Genauigkeit berechnet, wie in 9(b) dargestellt ist, wobei dies die in Schritt 24 entfernten Punkte 92 einschließt, um den Knotenvektor in einem Werkstückkoordinatensystem zu erhalten. Dann wird ein Knotenvektor durch Multiplizieren jedes Knotenvektors in einem Maschinen koordinatensystem und jedes Knotenvektors in einem Werkstückkoordinatensystem mit dem Übergangsfaktor und Addieren der Produkte erhalten, und er wird als der Knotenvektor in einem Maschinenkoordinatensystem verwendet.
Unregelmäßigkeiten auf der bearbeiteten Fläche können als Ergebnis des vorstehend Erwähnten beseitigt werden. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine glatte Bearbeitung erreicht werden, indem der Übergangsfaktor auf 3 : 1 gesetzt wird. Dieser Faktor kann für verschiedene Werkstücke modifiziert werden.
In Schritt 30 wird die Vorschubgeschwindigkeit im Maschinenkoordinatensystem berechnet. Unter der Voraussetzung, dass der Anfangspunkt im Werkstückkoordinatensystem (Xws, Yws, Zws) ist, der Endpunkt (Xwe, Ywe, Zwe) ist, die Sehnenlänge Lw ist und die Vorschubgeschwindigkeit Fw ist und dass der Anfangspunkt im Maschinenkoordinatensystem (Xms, Yms, Zms, Bms, Cms) ist, der Endpunkt (Xme, Yme, Zme, Bme, Cme) ist, die Sehnenlänge Lm ist und die Vorschubgeschwindigkeit Fm ist, wird die Vorschubgeschwindigkeit Fm im Maschinenkoordinatensystem aus Ausdruck 10 erhalten.
Ausdruck 10

Lw = √(Xwe – Xws)**2 + (Ywe – Yws)**2 + (Zwe – Zws)**2 Lm = √(Xme – Xms)**2 + (Yme – Yms)**2 + (Zme – Zms)**2 + (Bme – Bms)**2 + (Cme – Cms)**2 Fm = Fw*Lm/Lw

Es gibt ein anderes Verfahren, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit durch die Inverszeit (Vorschub je Inverszeit) spezifiziert ist. Wenn dies gilt, wird die Vorschubgeschwindigkeit Fm im Maschinenkoordinatensystem aus Ausdruck 11 erhalten.
Ausdruck 11

Fm = Fw/Lm

In Schritt 31 werden durch ersetzendes Festlegen der Kontrollpunkte auf der NURBS-Kurve der drei linearen Achsen im Maschinenkoordinatensystem, wie in den Schritten 28, 29 und 30 berechnet wurde, für X, Y und Z der NURBS-Interpolationsanweisung in 3, der Kontrollpunkte auf der NURBS-Kurve der zwei Drehachsen für α und β, des Knotenvektors für K, der Gewichte für R und der Vorschubgeschwindigkeit Fm für F Daten entsprechend dem Format der NURBS-Interpolationsanweisung in 3 in CL-Daten konvertiert.
In Schritt 32 werden die letzten konvertierten NC-Daten als NC-Daten vom Computer 20 übertragen und gelesen und im NC-Datenspeicherbereich 42 der NC-Steuerung 40 gespeichert.
Ein NC-Steuermechanismus 43, der mit einer eingebauten NURBS-Interpolationsfunktion der NC-Steuerung 40 ausgerüstet ist, liest NC-Daten aus dem NC-Datenspeicherbereich 42 und steuert, während die Daten analysiert werden, eine Fünfachsen- oder Vierachsensteuerungs-NC-Maschine und führt eine NC-Bearbeitung aus. Falls eine Kommunikationsleitung für die Dateneingabe von den externen Dateien 11 und 12 in den Computer 20 und die Datenein-/ausgabe zwischen dem Computer 20 und der NC-Steuerung 40 verwendet wird, kann der Computer 20 als ein Computer verwirklicht werden, der sich in einer Beratungsfirma befindet.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen einer NURBS-Kurve anhand mehrerer NURBS-Kurven wird nachstehend erklärt. 10(a) zeigt zwei an einem Übergangspunkt 101 verbundene NURBS-Kurven. Durch Einfügen einer Ausrundungskurve mit einem kleinen R innerhalb eines Bereichs der Bearbeitungsgenauigkeit in die zwei NURBS-Kurven in der Nachbarschaft des Übergangspunkts 101 kann eine kontinuierliche NURBS-Kurve erzeugt werden.
11(a) ist eine vergrößerte Ansicht eines durch eine gepunktete Linie in 10(b) eingeschlossenen Abschnitts. Ein Pfeil stellt den Krümmungsradius dar. In 11(a) ist angegeben, dass der Krümmungsradius, insbesondere am Übergangspunkt der Ausrundungskurve, nicht kontinuierlich ist. In diesem Fall kann der Krümmungsradius kontinuierlich geändert werden, indem die Kurve so transformiert wird, dass die Krümmung innerhalb eines Bereichs der Bearbeitungsgenauigkeit kontinuierlich wird, wie in 11(b) dargestellt ist. Weil die Geschwindigkeit der NC-Steuerung 40 am Endpunkt der NURBS-Interpolation abnimmt, wird auf der Kurve eine Konkavität hervorgerufen. Die vorstehend erwähnte Transformation der NURBS-Kurve ist wirksam, um diese Konkavität zu verhindern.
Es kann einen Fall geben, in dem die Verbindung von NURBS-Kurven für die Bearbeitung zwischen einem Anfangspunkt 121 und einem Endpunkt 122 zu einer Linie wird, wie in 12(a) dargestellt ist. Weil in diesem Fall der Anfangspunkt 121 und die NURBS-Kurve nicht kontinuierlich sind, kann bei der Bearbeitung eine Konkavität hervorgerufen werden, falls der Werkzeugweg durch eine Kurve 123 läuft.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Werkzeugweg zum Verhindern dieser Konkavität einmal entlang der Tangentialrichtung der NURBS-Kurve am Anfangspunkt 121 zurückgezogen, durch einen zwischenstehenden Durchgangspunkt 125 geführt, der die Bearbeitungsfläche nicht stört, und dann zu einer NURBS-Kurve 124 geändert, die sich entlang der Tangentialrichtung am Endpunkt 122 nähert. Auf diese Weise kann eine NURBS-Kurve berechnet werden, die kontinuierlich bearbeitet werden kann.
Weil eine Änderung von einer Bearbeitung entlang mehreren geschlossenen Kurven, wie in 13(a) dargestellt ist, zu einer Bearbeitung entlang einer kontinuierlichen Schraub- und Spiralkurve, wie in 13(b) dargestellt ist, eine Bearbeitung entlang einer einzigen kontinuierlichen NURBS-Kurve ermöglicht, können sowohl die Arbeitswirksamkeit als auch die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden.
Wenn ein Positionsvektor von drei linearen Achsen und ein Rotationswinkel, die in einem Maschinenkoordinatensystem berechnet sind, entweder durch eine B-Spline-Interpolations kurve oder eine Bezier-Interpolationskurve definiert werden, zeigen 14(a) und Ausdruck 12 die Transformation zu der NURBS-Interpolation durch Bezier-Interpolation und die 14(b) und Ausdruck 13 die Transformation zu der NURBS-Interpolation durch B-Spline-Interpolation, wobei Qi ein Kontrollpunkt ist, T ein Knotenvektor ist und Ni,4(t) eine Basisfunktion ist. Wenn das vorstehend Erwähnte durch eine Coons-Interpolationskurve definiert wird, können 14(c) und Ausdruck 14 zu einer Bezier-Interpolation transformiert werden. Es ist daher möglich, unter Verwendung von 14(a) und des Ausdrucks in einen NURBS-Interpolationsausdruck zu transformieren, wobei Qb ein Kontrollpunkt für die Bezier-Interpolation ist und Qc ein Vektor zum Bilden der Coons-Interpolation ist. Wenn das vorstehend Erwähnte durch ein Polynom definiert wird, wird die NURBS-Interpolation verfügbar, indem Punktreihen erzeugt werden und sie zu einer NURBS-Kurve transformiert werden, oder indem das Polynom direkt zu einem NURBS-Interpolationsausdruck konvertiert wird. Wenn das vorstehend Erwähnte durch eine Kombination eines Bogens und einer Linie. definiert wird, ist die NURBS-Interpolation verfügbar, weil jeder NURBS-Transformationsausdruck für einen Bogen und eine Linie bekannt ist.
Ausdruck 12

T = ⌊t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7⌋ = [0 0 0 0 1 1 1 1] N0,4(t) = (1 – t)3 N1,4(t) = 3(1 – t)2t N2,4(t) = 3(1 – t)t2 N3,4(t) = t3 (0 ≤ t ≤ 1)

Ausdruck 13

T = ⌊t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7⌋ = [–3 –2 –1 0 1 2 3 4]Kurvenausdruck: P (t) = N_0,4(t)Q₀ + N_1,4(t)Q₁ + N_2,4(t)Q₂ + N_3,4(t)Q₃

Ausdruck 14

QC0 = QB0 QC1 = QB3 QC0 = –3QB0 + 3QB1 = 3(QB1 – QB0) QC1 = –3QB2 + 3QB3 = 3(QB3 – QB2)

Falls der Werkzeugachsenvektor der CL-Daten auf einen festen Wert gelegt wird, wird der Drehwinkel in einem Maschinenkoordinatensystem zu einem festen Wert. Dementsprechend ermöglicht die Verwendung einer numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung das Erzeugen von NURBS-Interpolations-NC-Daten für eine Dreiachsen-Simultansteuerungs-NC-Maschine, die nur mit drei linearen Achsen ausgerüstet ist.
Als nächstes werden das Prüfen und Modifizieren der Genauigkeit einer NURBS-Kurve in einem Maschinenkoordinatensystem beschrieben. Die Transformation von einem Maschinenkoordinatensystem in ein Werkstückkoordinatensystem ist eine Umkehrung von 7 und wird nach den Ausdrücken 15, 16, 17, 18 und 19 berechnet, wie in 15 dargestellt ist. Symbole, die in diesen Ausdrücken verwendet werden, gleichen jenen in 7.
Ausdruck 15

M = (Mx, My, Mz, B, C)

Ausdruck 16
Ausdruck 17
Ausdruck 18

Dak = sin(B) Daj = cos (B) sin (C) Dai = cos (B) cos (C)

Ausdruck 19

Da = (J, K, I) = (Dai, Daj, Dak) S = (Xs, Ys, Zs) Wa = (Wax, Way, Waz) – S = (Y, Z, X) W = (X, Y, Z ) D = (I, J, K)

Punktabfolgedaten werden anhand einer NURBS-Kurve der drei linearen Achsen und des Drehwinkels, die in einem Maschinenkoordinatensystem berechnet sind, berechnet. Die berechneten Punktabfolgedaten werden unter Verwendung des Koordinatensystems in 15 und der Ausdrücke 15, 16, 17, 18 und 19 in CL-Daten in einem Werkstückkoordinatensystem konvertiert. Die konvertierten CL-Daten werden dann in Gegenrichtung zu derjenigen in 4 kompensiert, um CL-Daten vor der Kompensation zu berechnen.
Unter Verwendung der in 1 eingegebenen CL-Daten 11 im Koordinatensystem werden eine durch die Ausdrücke 1, 2 und 3 ausgedrückte NURBS-Kurve 151 und ein Werkzeugachsenvektor 152 an jedem Punkt, wie in 16 dargestellt ist, durch ein Verfahren zum Erzeugen von NURBS-Kurven berechnet, wie beispielsweise in "The NURBS Book" beschrieben ist. Dann werden die kompensierten NURBS-Daten mit der NURBS-Kurve 151 und dem Werkzeugachsenvektor 152 verglichen, um die Genauigkeit zu prüfen.
Ein praktisches Verfahren für den Vergleich besteht darin, Fehler auf einem Computer zu berechnen und sie auf einer Anzeige oder einem Plotter darzustellen. Das heißt, dass die aus einem Maschinenkoordinatensystem konvertierte Abfolge von CL-Datenpunkten der Kurve überlagert wird, um die Genauigkeit zu prüfen.
17 zeigt, wie eine Kurve zu modifizieren ist, falls beispielsweise ein Punkt 153 aus einer erforderlichen Genauigkeit herausfällt. In der Figur stellt der Kontrollpunkt Wi der NURBS-Kurve Gewichte dar. Es stehen drei Wege zur Modifikation zur Verfügung, nämlich darin, den Kontrollpunkt N2 zu N2' zu modifizieren, Wi zu modifizieren oder die Sehnenlänge zwischen Knotenvektoren zu modifizieren.
Als nächstes werden das Lesen von Linearinterpolations-NC-Daten für eine Vierachsen- oder Fünfachsen-Simultansteuerungsmaschine und das Konvertieren der Daten in NURBS-Interpolations-NC-Daten beschrieben. Linearinterpolations-NC-Daten werden gelesen, und unnötige Codes werden aus den NC-Daten entfernt, und es werden dann drei lineare Achsen und eine oder zwei Drehachsen in einem Maschinenkoordinatensystem berechnet.
Unter Verwendung des Koordinatensystems aus 15 und der Ausdrücke 15, 16, 17, 18 und 19 werden die Daten in einem Maschinenkoordinatensystem in CL-Daten in einem Werkstückkoordinatensystem konvertiert und dann in der in 1 dargestellten CL-Datendatei 11 gespeichert. Unter Verwendung dieser Daten wird es möglich, NURBS-Interpolations-NC-Daten auf einer in 1 dargestellten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung zu berechnen.
Beim Verbessern der Bearbeitungsgenauigkeit einer Form kann eine Situation eintreten, in der der Werkzeugweg unbedingt durch einen bestimmten Punkt, einen bestimmten Bereich oder eine bestimmte Linie laufen muss. In dieser Situation wird eine Bearbeitung gekrümmter Flächen in einer verbesserten Form möglich, indem beispielsweise die Anzahl der Durchgangspunkte durch Spezifizieren zusätzlicher Durchgangspunkte zu den in 5 akzeptierten erhöht wird.
Bei einer numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Werkzeug glatt entlang einer NURBS-(non-uniform rational B-spline)-Kurve zu bewegen und ein Werkstück zu bearbeiten. Daher wird es möglich, die Rauhigkeit und Genauigkeit der Bearbeitungsfläche zu verbessern, eine Endbearbeitung von Hand überflüssig zu machen und die Bearbeitungsschritte drastisch zu verringern. Weil weiterhin das NC-Datenvolumen verringert werden kann, wird es möglich, die Verringerung der durchschnittlichen Vorschubgeschwindigkeit zu verhindern, die durch einen Servomechanismus hervorgerufen wird, und eine schnelle Bearbeitung zu erreichen. Abgesehen davon ist es gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, unter Berücksichtigung einer möglichen Verformung eine Feineinstellung vorzunehmen.
Als nächstes wird eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
18 ist ein Blockdiagramm, in dem die Konfiguration einer anderen Ausführungsform der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen gemäß der Erfindung dargestellt ist. Diese Ausführungsform der Erfindung ist eine numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen aus 1, zu der neue Funktionen hinzugefügt wurden. Das heißt, dass neue Funktionen gemäß der Erfindung in Form einer Einrichtung 231 und einer Einrichtung 232 zu der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen hinzugefügt wurden.
Die durch ein Host-CAM-System 10 erzeugten Daten der gekrümmten Fläche werden innerhalb einer spezifizierten Toleranz in eine Anzahl von Linien entlang einem in einem Werkstückkoordinatensystem ausgedrückten Werkzeugweg unterteilt. Werkzeugkontrollpunktvektorinformationen und Werkzeugachsenvektorinformationen an einem wie vorstehend erwähnt erzeugten individuellen Teilungspunkt und Vorschubgeschwindigkeitsinformationen in einem Werkstückkoordinatensystem werden in der Reihenfolge der Abfolge in dem Werkzeugweg beschrieben, um Schneidort-(CL)-Daten 11 zu erzeugen.
Die erzeugten CL-Daten 11 werden in den Computer 20 der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit 50 für gekrümmte Flächen eingegeben, um die Daten in NC-Daten zum Betreiben der NC-Maschine entsprechend der Maschinenkonfiguration der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen zu konvertieren.
Mit der Funktion in Schritt 21 liest die numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit 50 für gekrümmte Flächen die CL-Daten.
In den Schritten 33 und 22 bis 29 werden mit der externen Datei 2 entsprechend dem Modus der Ausführungsform der in 1 dargestellten numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen der Positionsvektor und die NURBS-(non-uniform rational B-spline)-Kurve der drei linearen Achsen und ein Drehwinkel, die Vorschubgeschwindigkeit in einem Maschinenkoordinatensystem und der Knotenvektor an den Kontrollpunkten im Maschinenkoordinatensystem auf der Grundlage der Maschinenkonfiguration der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit 50 für gekrümmte Flächen berechnet.
In Schritt 231 wird eine NURBS-Kurve in einem Maschinenkoordinatensystem berechnet. Die Vorschubgeschwindigkeit in einem Maschinenkoordinatensystem, die anhand des vorstehenden Ausdrucks 10 unter Verwendung des Positionsvektors in einem Werkstückkoordinatensystem, der Vorschubgeschwindigkeit in einem Werkstückkoordinatensystem und des Positionsvektors in einem Maschinenkoordinatensystem berechnet wird, erzeugt nach einem Verfahren zum Erzeugen einer NURBS-Kurve, welches beispielsweise in dem vorstehend erwähnten "The NURBS Book" dargestellt ist, unter Verwendung des Knotenvektors (i der Kontrollpunkte der drei linearen Achsen in einem Maschinenkoordinatensystem, wie in 19 dargestellt ist) eine durch die Ausdrücke 1, 2 und 3 ausgedrückte NURBS-Kurve.
Der Kontrollpunkt auf der wie vorstehend erwähnt erzeugten NURBS-Kurve der Vorschubgeschwindigkeit in einem Maschinenkoordinatensystem kann, abhängig von der Form der NURBS-Kurve, kleiner als null sein, wie in 20 dargestellt ist.
In Schritt 232 wird der Übergangsfaktor der NURBS-Kurve der Vorschubgeschwindigkeit berechnet. Während die in Schritt 31 berechnete NURBS-Kurve 257 der in einem Maschinenkoordinatensystem berechneten Vorschubgeschwindigkeit als die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit in einem Werkstückkoordinatensystem ausgedrückt wird, wie in 21 dargestellt ist, ergibt sich insgesamt, verglichen mit der in einem Werkstückkoordinatensystem spezifizierten Vorschubgeschwindigkeit 259, ein zu hoher Wert oder ein zu kleiner Wert 260 der Vorschubgeschwindigkeit. Zum Beseitigen von diesem und zum Optimieren der Kurve auf die spezifizierte Vorschubgeschwindigkeit 259 wird eine andere NURBS-Kurve 261 der Vorschubgeschwindigkeit in einem Maschinenkoordinatensystem durch Multiplizieren des in Schritt 27 berechneten Knotenvektors mit dem Übergangsfaktor berechnet.
In Schritt 31 werden durch ersetzendes Festlegen der Kontrollpunkte auf der NURBS-Kurve der drei linearen Achsen im Maschinenkoordinatensystem, wie in den Schritten 28 bis 30 berechnet wurde, für X, Y und Z der NURBS-Interpolationsanweisung, von Kontrollpunkten auf der NURBS-Kurve der zwei Drehachsen für B und C, des Knotenvektors für K, der Gewichte für R und des Kontrollpunkts auf der NURBS-Kurve der Vorschubgeschwindigkeit in einem Maschinenkoordinatensystem, wie in Schritt 232 berechnet wurde, für F Daten entsprechend dem Format der NURBS-Interpolationsanweisung in NC-Daten konvertiert.
In Schritt 32 werden die letzten konvertierten NC-Daten als NC-Daten vom Computer 20 übertragen und gelesen und im NC-Datenspeicherbereich 42 der NC-Steuerung 40 gespeichert.
Der NC-Steuermechanismus 43, der mit einer eingebauten NURBS-Interpolationsfunktion der NC-Steuerung 40 ausgerüstet ist, liest NC-Daten aus dem NC-Datenspeicherbereich 42 und steuert, während die Daten analysiert werden, eine Fünfachsen- oder Vierachsensteuerungs-NC-Maschine und führt eine NC-Bearbeitung aus.
Wenn gemäß der Ausführungsform ein Ausgabeformat der NC-Daten in Form einer allgemeinen freien Kurve gegeben ist, ist es möglich, Daten in NC-Daten zu konvertieren und eine NC-Bearbeitung durch Interpolieren des Werkzeugkontrollpunktvektors und der Bearbeitungsgeschwindigkeit in der gleichen Weise wie zuvor erwähnt zu erreichen, nämlich durch Berechnen der Kontrollpunkte X, Y und Z auf der freien Kurve der drei linearen Achsen in einem Maschinenkoordinatensystem, der Kontrollpunkte B und C auf der freien Kurve der zwei Drehachsen, des Knotenvektors K, des Gewichts R und des Kontrollpunkts F auf der freien Kurve der Vorschubgeschwindigkeit in einem Maschinenkoordinatensystem.
Gemäß einem Modus der Ausführungsform kann die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs verlängert werden, weil eine Einrichtung zum Bestimmen einer optimalen tatsächlichen Vorschubgeschwindigkeit und einer Schneidspezifikation auf einer sich entlang einer freien Kurve bewegenden Werkzeugortskurve bereitgestellt ist. Weil weiterhin die Verringerung der durchschnittlichen Vorschubgeschwindigkeit durch die Servomechanismussteuerung beseitigt werden kann, wird es möglich, die Belastung für die numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen zu verringern und eine Bearbeitung einer gekrümmten Fläche mit einer niedrigen Rauhigkeit und einer hohen Genauigkeit der bearbeiteten Fläche zu erreichen. Als Ergebnis der vorstehend erwähnten Verbesserung kann eine als Nachbearbeitungsprozess erforderliche Handbearbeitung überflüssig gemacht werden und können die Bearbeitungsschritte drastisch reduziert werden. Es wird auch möglich, angesichts der möglichen Variation der Vorschubgeschwindigkeit eine Feineinstellung vorzunehmen.

Claims

Numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen, die mit drei linearen Achsen und mindestens einer Drehachse ausgerüstet ist und eine Mehrachs-Simultansteuerungs-NC-Maschine (50) beinhaltet, die von einer numerischen Steuereinheit (40) (NC-Steuerung) mit Numeriksteuerungs-NURBS (non-uniform rational B-spline) -Interpolationsfunktion numerisch gesteuert wird, aufweisend: eine Einrichtung (20) zum Lesen von Daten eines Werkzeugkontrollpunktvektors (C) und Daten eines Werkzeugachsenvektors (D), die in einem Werkstückkoordinatensystem entlang des Werkzeugwegs mit festgelegter Kurvenform von einem Hostcomputer (10) berechnet sind, als Daten eines Schneidorts (CL) und zum Umwandeln der CL-Daten in einen Positionsvektor der drei linearen Achsen und einen Drehwinkel für die Drehachse im Maschinenkoordinatensystem, um die Mehrachs-Simultansteuerungs-NC-Maschine (50) entsprechend ihrer Maschinenkonfiguration zu betreiben, eine Einrichtung (20) zum Berechnen von Knotenvektoren einer NURBS-Kurve der am besten geeigneten Sehnenlänge aufgrund eines Positionsvektors der drei linearen Achsen und eines Drehwinkels für die Drehachse, die im Maschinenkoordinatensystem berechnet sind, eine Einrichtung (20) zum Berechnen einer jeweiligen NURBS-Kurve der drei linearen Achsen und eines Drehwinkels unter Verwendung der Knotenvektoren, eine Einrichtung (20) zum Umwandeln der NURBS-Kurve in NURBS-Interpolations-NC-Daten, eine Einrichtung zum Umwandeln der Vorschubgeschwindigkeit im Werkstückkoordinatensystem in Vorschub pro Minute oder zeitinversen Vorschub im Maschinenkoordinatensystem und eine Einrichtung (20) zum Übertragen der erhaltenen NC-Daten an die NC-Steuerung (40).
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Entfernen oder Einfügen von CL-Daten entlang des Werkzeugwegs entsprechend der Bearbeitungsgenauigkeit der gekrümmten Fläche nach dem Lesen von Daten als CL-Daten.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Lesen eines Kompensationswerts von der NC-Steuerung (40) aufgrund individueller Unterschiede einzelner Werkzeuge nach dem Lesen von Daten als CL-Daten und zum Kompensieren der gelesenen CL-Daten entsprechend dem Werkzeug-Kompensationswert.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Teilen einer NURBS-Kurve aufgrund der Krümmung oder der Schrittweite der in Werkzeugwegrichtung aufgetragenen CL-Daten.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Berechnen einer NURBS-Kurve, wobei als Knotenvektor die Sehnenlänge des in Werkzeugwegrichtung aufgetragenen Positionsvektors der drei linearen Achsen im Maschinenkoordinatensystem verwendet wird.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Berechnen einer NURBS-Kurve, wobei als Knotenvektor die Sehnenlänge verwendet wird, die durch Multiplizieren der jeweiligen Sehnenlänge des in Werkzeugwegrichtung aufgetragenen Positionsvektors der drei linearen Achsen im Maschinenkoordinatensystem und der Sehnenlänge des Werkzeugkontrollpunktvektors (C) im Werkstückkoordinatensystem mit einem Koeffizienten und durch Addieren der Produkte erhalten wird.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Transformieren einer Kurve in eine NURBS-Interpolation falls der Positionsvektor der drei linearen Achsen und der Drehwinkel der Drehachse, die im Maschinenkoordina tensystem berechnet sind, durch eine Kurve bestimmt sind, die von einer B-Spline-Interpolation, einer Bezier-Interpolation, einer Coons-Interpolation, einem Polynom oder einer Kombination einer Linie und eines Bogens gebildet ist.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Erzeugen einer NURBS-Kurve oder mehrerer NURBS-Kurven mit zusammenhängender Krümmung durch Modifizieren oder Einfügen einer oder mehrerer NURBS-Kurven, so daß sich der Krümmungsverlauf am Übergangspunkt mehrerer NURBS-Kurven innerhalb eines Bereichs der Bearbeitungsgenauigkeit kontinuierlich ändert.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Festlegen des Werkzeugachsenvektars (D) der CL-Daten auf einen bestimmten Wert und zum Umwandeln der Daten in NURBS-Interpolations-NC-Daten für eine Dreiachsen-Simultansteuerungs-NC-Maschine, die lediglich mit drei linearen Achsen ausgerüstet ist.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Gewinnen der CL-Daten zum Bearbeiten eines Werkstücks entlang eines Schraub- und Spiralwegs oder eines Einfachhubwegs.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung zum Lesen von Linearinterpolations-NC-Daten für eine Mehrachs-Simultanmaschine und zum Umwandeln der Daten in CL-Daten.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (20) zum Bezeichnen der CL-Daten, die unbedingt von der Bearbeitung abgedeckt werden müssen.
Numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen, die mit drei linearen Achsen und mindestens einer Drehachse ausgerüstet ist und eine Mehrachs-Simultansteue rungs-NC-Maschine (50) beinhaltet, die von einer numerischen Steuereinheit (43) (NC-Steuerung) mit Numeriksteuerungs-NURBS (non-uniform rational B-spline) -Interpolationsfunktion numerisch gesteuert wird, aufweisend: eine Einrichtung zum Lesen einer NURBS-Kurve für drei lineare Achsen und eine Drehachse, die in einem Maschinenkoordinatensystem berechnet ist, eine Einrichtung (20) zum Lesen von Daten eines Schneidorts (CL), die in einem Werkzeugkoordinatensystem berechnet sind, eine Einrichtung zum Berechnen einer NURBS-Kurve aus dem Werkzeugkontrollpunkt-Mittelpositionsvektor der CL-Daten, eine Einrichtung zum Berechnen einer NURBS-Kurve aus dem Werkzeugachsenvektor der CL-Daten, eine Einrichtung zum Berechnen jeweiliger Punktabfolgedaten bis zu einer festgelegten Bearbeitungsgenauigkeit aus der NURBS-Kurve der drei linearen Achsen und der Drehachse im Maschinenkoordinatensystem, eine Einrichtung zum Umwandeln der Punktabfolgedaten im Maschinenkoordinatensystem in CL-Daten im Werkstückkorodinatensystem, und eine Einrichtung zum Berechnen des jeweiligen Fehlers zwischen den in das Werkstückkoordinatensystem umgewandelten CL-Daten und einer NURBS-Kurve des Werkzeugkontrollpunktvektors sowie einer NURBS-Kurve des Werkzeugachsenvektors, die im Werkstückkoordinatensystem berechnet sind.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 13 mit einer Einrichtung zum Modifizieren eines Kontrollpunkts oder Knotenvektors oder Gewichts der NURBS-Kurve im Maschinenkoordinatensystem aufgrund des Ergebnisses der Fehlerberechnung.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 13 mit einer Einrichtung (20) zum Lesen eines Werkzeugkompensationswerts aus der NC-Maschine und zum Umwandeln der im Werkstückkoordinatensystem berechneten CL-Daten entsprechend dem Kompensationswert.
Numerisch gesteuerte Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen, die mit drei linearen Achsen und mindestens einer Drehachse ausgerüstet ist und eine Mehrachs-Simultansteuerungs-NC-Maschine (50) beinhaltet, die von einer numerischen Steuereinheit (40) (NC-Steuerung) mit Numeriksteuerungs-Freikurven-Interpolationsfunktion und einer Einrichtung zum Berechnen von NC-Daten zum Steuern der Spindelvorschubgeschwindigkeit numerisch gesteuert wird, aufweisend: eine Einrichtung zum Lesen von Daten eines Werkzeugkontrollpunktvektors (C) und Daten eines Werkzeugachsenvektors (D), die im Werkstückkoordinatensystem entlang des Werkzeugwegs mit festgelegter Kurvenform von einem Hostcomputer (10) berechnet sind, und der Vorschubgeschwindigkeit im Werkstückkoordinatensystem als Daten eines Schneidorts (CL) und zum Umwandeln der CL-Daten in einen Positionsvektor der drei linearen Achsen und einen Drehwinkel für die Drehachse im Maschinenkoordinatensystem, um die Mehrachs-Simultansteuerungs-NC-Maschine (50) entsprechend ihrer Maschinenkonfiguration zu betreiben, eine Vorschubgeschwindigkeits-Bestimmungseinrichtung (20), die bei der Erzeugung der NC-Daten, bei der der Positionsvektor und der Drehwinkel im Maschinenkoordinatensystem von einer NURBS-Kurve (non-uniform rational B-spline) interpoliert wird, die Vorschubgeschwindigkeit im Maschinenkoordinatensystem unter Verwendung des Knotenvektors der NURBS-Kurve mittels einer NURBS-Kurveninterpolation bestimmt, eine Einrichtung (20) zum Umwandeln der Vorschubgeschwindigkeit im Werkstückkoordinatensystem in den Vorschub pro Minute oder den zeitinversen Vorschub im Maschinenkoordinatensystem, und eine Einrichtung zum Übertragen der erhaltenen NC-Daten an die NC-Steuerung (40).
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 16, wobei dann, wenn die Form einer Kurve, entlang der der Werkzeugort interpoliert werden soll, von einer freien Kurve einschließlich einer NURBS-Kurve festgelegt ist, die Vorschubgeschwindigkeits-Bestimmungseinrichtung (20) die Vorschubgeschwindigkeit unter Verwendung einer freien Kurve, die von der gleichen Beschreibung wie der des Werkzeugorts ausgedrückt wird, und ihren Parametern interpoliert und berechnet.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Vorschubgeschwindigkeits-Bestimmungseinrichtung (20) die CL-Daten und die NC-Daten, in denen der Werkzeugort durch lineare Interpolation ausgedrückt ist, liest und die Vorschubgeschwindigkeit durch NURBS-Kurveninterpolation bestimmt.
Bearbeitungseinheit nach Anspruch 18 mit einer Einrichtung zum Ändern des Werts eines Kontrollpunkts, zum Einfügen von Kontrollpunkten oder zum Entfernen von Kontrollpunkten, falls die Vorschubgeschwindigkeit eines Werkzeugs, die aus den CL-Daten durch Koordinatentransformation entsprechend der Maschittenkonfiguration der numerisch gesteuerten Bearbeitungseinheit für gekrümmte Flächen berechnet ist, auf einer zu interpolierenden Kurve als Kontrollpunkte verwendet wird.