FR2649924A1

FR2649924A1 - Method for machining a profile or a skew surface defined by a pattern, using numerical control

Info

Publication number: FR2649924A1
Application number: FR8909965A
Authority: FR
Inventors: Domingos Monteiro; Nicolas Clavel; Pascal Chemin
Original assignee: ALSACE, University of
Current assignee: ALSACE, University of
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1991-01-25

Abstract

The invention relates to a method for following a profile and/or machining a skew surface, this profile or this surface being defined by a hardware pattern, a graphics model, or discrete numerical data. The object of the invention is to allow industrial applications using a high-performance mathematical model, but numerical control (NC) machines of a current type, which are therefore of modest cost. The modelling takes place on the basis of the coordinates of a restricted number of points, termed obligatory points, which coordinates are picked up from the hardware, graphical, or numerical model. The so-called "Bézier" model is used, creating a mathematical model in the form of polygons. Calculation of this model may be carried out on a powerful model 16 in a calculation centre, then the model may be used directly by a microcomputer 15 coupled to a device 11 for numerically controlling a machine tool 1 - 3. Applications to any machining of surfaces or to following of skew profiles in components or moulds.

Description

PROCEDE POUR USINER PAR COMMANDE NUMERIQUE UN PROFIL
OU UNE SURFACE GAUCHE DEFINIE PAR UN MODELE
La présente invention a pour objet un procédé pour effectuer un suivi de profil et/ou usiner une surface gauche, par commande numérique, ledit profil etlou ladite surface étant définis par un modèle matériel ou graphique, ou un ensemble de données numériques.METHOD FOR MACHINING A PROFILE BY NUMERICAL CONTROL
OR A LEFT SURFACE DEFINED BY A MODEL
The subject of the present invention is a method for carrying out a profile monitoring and / or machining a left surface, by numerical control, said profile and / or said surface being defined by a hardware or graphic model, or a set of digital data.

Un problème spécifique au traitement numérique d'une surface ainsi définie, appelée parfois surface expérimentale, est qu'elle se compose en partie ou en totalité de zones qui n'ont pas des formes géométriques simples, faciles à caractériser par un modèle mathématique analytique pouvant ensuite être exploité par ordinateur pour fournir des données utilisables par une machine-outil à commande numérique. C'est pourquoi les surfaces de ce genre ainsi que les profils définis de manière analogue et destinés à être suivis par un outil d'usinage nécessitent une modèlisation mathématique à partir de relevés de coordonnées, effectués de manière manuelle ou plus ou moins automatique sur le modèle matériel ou graphique, c'est-à-dire sur une forme gauche représentant la surface à une certaine échelle, ou sur des plans définissant cette surface par une méthode géométrique usuelle.Cette modélisation par coordonnées permettra alors un traitement numérique aboutissant à des données exploitables par la machine-outil.A specific problem with the numerical treatment of a surface thus defined, sometimes called experimental surface, is that it is made up in part or in whole of zones which do not have simple geometrical forms, easy to characterize by an analytical mathematical model being able then be used by computer to provide data usable by a numerically controlled machine tool. This is why surfaces of this kind as well as profiles defined in a similar manner and intended to be followed by a machining tool require mathematical modeling from coordinate readings, carried out manually or more or less automatically on the material or graphic model, that is to say on a left shape representing the surface on a certain scale, or on planes defining this surface by a usual geometric method. This modeling by coordinates will then allow a digital processing leading to data usable by the machine tool.

Une méthode connue pour obtenir une modélisation appropriée consiste à relever les coordonnées de séries de points le long de courbes isoparamétriques, par exemple des courbes de niveau ou d'autres lignes d'intersection de la surface du modèle avec des surfaces géométriques simples. Dans les moyens de commande numérique d'une machine-outil, par exemple dans un micro-ordinateur, ces données peuvent être exploitées par interpolation linéaire ou autre entre les points successifs d'une courbe, ainsi qu'entre des points de courbes voisines. Bien entendu, le nombre de points relevés est déterminant pour la précision de reproduction et le degré de complexité possible de la surface.C'est pourquoi un relevé direct des points de courbes isoparamétriques sur un modèle matériel ou graphique représente une opération longue et coûteuse qui mobilise, pendant des durées importantes, du personnel qualifié et des appareils spéciaux. Pour faciliter cette opération, il est souvent avantageux de la faire avec les moyens de commande numérique de la machine, par une méthode dite d'apprentissage, mais ces moyens sont alors indisponibles pour d'autres tâches.A known method for obtaining an appropriate modeling consists in taking the coordinates of series of points along isoparametric curves, for example contour lines or other lines of intersection of the surface of the model with simple geometric surfaces. In the digital control means of a machine tool, for example in a microcomputer, these data can be exploited by linear or other interpolation between the successive points of a curve, as well as between points of neighboring curves. Of course, the number of points taken is decisive for the accuracy of reproduction and the possible degree of complexity of the surface. This is why a direct reading of the points of isoparametric curves on a material or graphic model represents a long and expensive operation which mobilizes, for significant periods, qualified personnel and special equipment. To facilitate this operation, it is often advantageous to do it with the digital control means of the machine, by a so-called learning method, but these means are then unavailable for other tasks.

La présente invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et à fournir un procédé du type indiqué plus haut, permettant de modéliser numériquement et usiner en commande numérique un profil ou une surface gauche à un coût modéré, notamment en utilisant des machines-outils, des équipements informatiques et des logiciels qui sont couramment disponibles ou qui peuvent être créés à peu de frais.The present invention aims to overcome the drawbacks mentioned above and to provide a method of the type indicated above, making it possible to digitally model and machine digitally a profile or a left surface at a moderate cost, in particular by using machine tools , computer equipment and software that are commonly available or that can be created inexpensively.

Une idée de base de la présente invention consiste à appliquer à un processus d'usinage à commande numérique une modélisation du profil ou de la surface par la méthode de Bézier, permettant de limiter fortement le nombre de points à relever pour obtenir la précision voulue du modèle mathématique. Cette méthode connue est décrite dans la publication "Mathématiques et CAO" - Courbes et Surfaces - Tome 4 par Pierre
Bézier - Collection HERMES. Elle décrit mathématiquement le profil ou la surface sous la forme de polygones calculés à partir d'un nombre restreint de points relevés sur le modèle initial ou modèle mathématique. Le principal avantage de cette méthode est dû au fait que le nombre de points à relever pour décrire une surface avec une bonne précision est peu important.Par exemple, dans une application consistant à modéliser la forme extérieure de la coque d'un voilier de compétition, il a suffi de relever environ deux cents points obligés pour obtenir un modèle suffisamment précis par cette méthode.A basic idea of the present invention consists in applying to a numerically controlled machining process a modeling of the profile or the surface by the Bézier method, making it possible to greatly limit the number of points to be raised in order to obtain the desired precision of the mathematical model. This known method is described in the publication "Mathematics and CAD" - Curves and Surfaces - Tome 4 by Pierre
Bézier - HERMES Collection. It mathematically describes the profile or the surface in the form of polygons calculated from a limited number of points noted on the initial model or mathematical model. The main advantage of this method is due to the fact that the number of points to be taken to describe a surface with good accuracy is not very important. For example, in an application consisting of modeling the external shape of the hull of a racing sailboat , it was enough to note approximately two hundred compulsory points to obtain a sufficiently precise model by this method.

Dans sa forme la plus générale, le procédé selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : a - relevé et enregistrement des coordonnées de points dits obligés sur
le modèle,
b - traitement des coordonnées des points obligés par la méthode de
Bézier de manière à obtenir des données numériques représentant
ledit profil ou ladite surface,
c - à partir desdites données numériques, calcul des mouvements d'au
moins une machine-outil ayant des moyens de commande numérique
pour l'usinage dudit profil ou de ladite surface,
d - usinage du profil ou de la surface au moyen desdits mouvements
commandés numériquement dans la machine-outil.In its most general form, the method according to the present invention is characterized in that it comprises the following successive steps: a - reading and recording of the coordinates of so-called compulsory points on
the model,
b - processing of the coordinates of the points required by the method of
Bézier so as to obtain numerical data representing
said profile or said surface,
c - from said digital data, calculation of the movements of
less a machine tool having numerical control means
for machining said profile or said surface,
d - profile or surface machining by means of said movements
digitally controlled in the machine tool.

Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les étapes (b) et
(c) sont effectuées sur des unités informatiques respectives différentes,
l'étape (c) pouvant être effectuée sur un micro-ordinateur couplé à la
machine-outil et délivrant à celleci des informations au cours de l'étape
(d).In a preferred embodiment of the invention, steps (b) and
(c) are performed on different respective computer units,
step (c) can be carried out on a microcomputer coupled to the
machine tool and delivering information to it during the step
(d).

* L'utilisation de la méthode de Bézier, pour modéliser une surface ayant
une certaine complexité, nécessite des moyens informatiques assez
puissants, dépassant la capacité des micro-ordinateurs qui sont
généralement à disposition des utilisateurs de machines-outils à
commande numérique. Ainsi, la forme préférée de l'invention permet à
l'exploitant de la machine-outil de sous-traiter à un centre de calcul
spécialisé au moins la partie concernant la construction des polygones,
ce qui lui permet d'éviter de gros investissements en matériel
informatique et en logiciel. En revanche, il peut utiliser au mieux son
matériel standard de commande numérique.* The use of the Bézier method, to model a surface having
a certain complexity, requires enough IT resources
powerful, exceeding the capacity of microcomputers which are
generally available to users of machine tools
numerical control. Thus, the preferred form of the invention allows
the machine tool operator to subcontract to a data center
specialized at least the part concerning the construction of polygons,
which allows it to avoid large investments in equipment
IT and software. However, he can make the best use of his
standard digital control equipment.

Dans une forme avantageuse du procédé selon l'invention, l'étape de
relèvement et d'enregistrement des coordonnées et des points obligés sur
le matériel est effectuée par relèvement sur le modèle matériel au
moyen d'un dispositif couplé aux moyens de commande numérique de la
machine-outil.In an advantageous form of the method according to the invention, the step of
recording and recording of the coordinates and points required on
the material is carried out by bearing on the material model at
means of a device coupled to the digital control means of the
Machine tool.

Un aspect remarquable du procédé selon l'invention est que ledit profil
ou ladite surface peut comporter un ou plusieurs angles vifs. Avec la
méthode de Bézier, le traitement mathématique d'une telle singularité
géométrique peut se faire sans aucune difficulté. A remarkable aspect of the method according to the invention is that said profile
or said surface may have one or more sharp angles. With the
Bézier method, the mathematical treatment of such a singularity
geometric can be done without any difficulty.

Pour mieux faire comprendre le procédé selon l'invention, on décrira ci-dessous, d'une manière schématique et non limitative, un exemple de réalisation en se référant au dessin annexé, dont la figure unique représente schématiquement les principaux éléments d'un dispositif industriel mettant en oeuvre ce procédé.To better understand the method according to the invention, an embodiment will be described below, in a schematic and non-limiting manner, with reference to the appended drawing, the single figure of which schematically represents the main elements of a device industrial using this process.

En référence au dessin, une tête d'usinage 1 pourvue d'un outil 2 d'un type quelconque, par exemple une fraise, une meule, un chalumeau à découper, etc, est portée par un robot manipulateur 3 à six axes de rotation 4 à 9. Ce robot est raccordé d'une part à une armoire d'alimentation 10 et d'autre part à une armoire de commande numérique
Il dtun type connu, agencée pour commander et contrôler de manière automatique, à travers des câbles de liaisons 12, les mouvements du robot 3 et le fonctionnement de la tête d'usinage I. L'armoire 11 peut être équipée d'organes d'entrée/sortie classiques 13, et dans le cas présent elle est raccordée par un câble 14 à un micro-ordinateur 15 lui fournissant les paramètres de commande pour chaque application.Il peut s'agir d'un micro-ordinateur d'un modèle courant dans les ateliers travaillant en commande numérique, par exemple du type connu sous la désignation commerciale IBM - PC - AT ou similaire. Outre les performances propres de ce type d'appareil, un avantage particulier est sa grande diffusion et la facilité qutil a d'échanger des données avec d'autres d'ordinateurs par télé-transmission ou au moyen de supports magnétiques standards. Dans le dessin, on a représenté par des flèches A et B de telles transmissions de données dans un sens et dans l'autre entre le PC 15 et un ordinateur 16 plus puissant, par exemple un ordinateur spécialisé ou un gros ordinateur polyvalent d'un centre de calculs.With reference to the drawing, a machining head 1 provided with a tool 2 of any type, for example a milling cutter, a grinding wheel, a cutting torch, etc., is carried by a robot manipulator 3 with six axes of rotation 4 to 9. This robot is connected on the one hand to a power cabinet 10 and on the other hand to a digital control cabinet
It is of a known type, arranged to control and automatically control, through connecting cables 12, the movements of the robot 3 and the operation of the machining head I. The cabinet 11 can be equipped with conventional input / output 13, and in this case it is connected by a cable 14 to a microcomputer 15 providing it with the control parameters for each application. It can be a microcomputer of a current model in workshops working in numerical control, for example of the type known under the trade designation IBM - PC - AT or similar. In addition to the specific performance of this type of device, a particular advantage is its wide distribution and the ease with which it can exchange data with other computers by teletransmission or by means of standard magnetic media. In the drawing, there are shown by arrows A and B such data transmission in one direction and in the other between the PC 15 and a more powerful computer 16, for example a specialized computer or a large general-purpose computer of a data center.

Avec ce matériel, un exemple d'application du procédé selon l'invention, peut se dérouler comme suit, pour usiner au moyen de l'outil 2 une surface non représentée ici, par exemple la surface d'un moule pour la fabrication d'une pièce en matière synthétique armée de fibres. With this equipment, an example of application of the method according to the invention can take place as follows, to machine by means of tool 2 a surface not shown here, for example the surface of a mold for the manufacture of a piece of synthetic material reinforced with fibers.

Si la forme du moule est définie par un modèle matériel en vraie grandeur ou à une échelle réduite, on peut relever les coordonnées de points obligés directement sur la surface du modèle, par une méthode dite d'apprentissage, en appliquant successivement sur ces points un organe de pointage porté par le robot 3 et piloté manuellement à partir de l'armoire de commande 11. Les coordonnées de l'ensemble des points obligés sont enregistrés dans le PC 15 en temps réel ou après coup. Une telle méthode nécessite évidemment une armoire de commande Il conçue pour cela, par exemple du type commercialisé sous la dénomination "ROBONUM A 800" ou similaire.If the shape of the mold is defined by a full-scale material model or on a reduced scale, the coordinates of forced points can be noted directly on the surface of the model, by a so-called learning method, by successively applying a pointing device carried by the robot 3 and controlled manually from the control cabinet 11. The coordinates of all the compulsory points are recorded in the PC 15 in real time or afterwards. Such a method obviously requires a control cabinet II designed for this, for example of the type marketed under the name "ROBONUM A 800" or the like.

Une autre méthode pour relever les points obligés, consiste à partir de plans définissant la forme de la surface gauche à usiner, par exemple sous la forme de lignes de niveau, de plans cotés, etc. Les coordonnées des points obligés qu'on a choisis peuvent être relevées manuellement et être introduites dans le PC 15 par son clavier 17 ou bien être relevés d'une manière semi-automatique et entrées en ligne dans le PC 15.Another method for picking up the required points consists in starting from planes defining the shape of the left surface to be machined, for example in the form of level lines, dimensioned planes, etc. The coordinates of the obligatory points that have been chosen can be recorded manually and entered into the PC 15 by its keyboard 17 or else be recorded in a semi-automatic manner and entered online in the PC 15.

Les coordonnées de quelques dizaines ou de quelques centaines de points obligés représentent un volume minime de données numériques. En revanche, la modélisation mathématique de la surface ou du profil gauche que représente ces points, au moyen des polygones de Bézier, constitue une étape nécessitant des calculs matriciels relativement volumineux et dépassant les capacités d'un ordinateur de type PC. C'est pourquoi elle est effectuée de préférence dans le gros ordinateur 16, auquel les coordonnées ont été transmises suivant la flèche A sur une disquette ou par le réseau téléphonique. Ainsi, cette étape du calcul est pour ainsi dire sous-traitée à un centre de calculs disposant du matériel et du logiciel appropriés, par exemple un logiciel du type "STRIM
CENT".Le résultat de ce calcul est un ensemble vecteurs qui correspondent à des polygones dits "polygones de Bézier", formant un modèle mathématique représentatif de la surface à usiner par l'outil 2.The coordinates of a few tens or a few hundred obligatory points represent a minimal volume of digital data. On the other hand, the mathematical modeling of the surface or of the left profile that these points represent, by means of the Bézier polygons, constitutes a step requiring relatively large matrix calculations and exceeding the capacities of a PC type computer. This is why it is preferably performed in the mainframe 16, to which the coordinates have been transmitted according to arrow A on a floppy disk or by the telephone network. Thus, this step of the calculation is, so to speak, outsourced to a data center having the appropriate hardware and software, for example software of the "STRIM" type.
CENT ". The result of this calculation is a set of vectors which correspond to so-called" Bézier polygons ", forming a mathematical model representative of the surface to be machined by tool 2.

Ces données numériques sont retransmises au PC 15 suivant la flèche B par des voies analogues à celles de la transmission A.These digital data are retransmitted to PC 15 according to arrow B by channels similar to those of transmission A.

L'étape suivante s'effectue sur le PC 15 et consiste à calculer les déplacements de l'outil 2 sur la surface à usiner, sur la base de critères géométriques fournis par l'utilisateur au moyen du clavier 17, d'une souris ou- d'une disquette pré-enregistrée. On peut définir notamment le pourtour d'une surface partielle à usiner, des plans parallèles dans lesquels l'outil va se déplacer successivement, etc. Sur cette base, un logiciel approprié effectue les interpellations correspondantes sur le modèle mathématique et fournit par le câble 14 des données numériques exploitables par l'armoire 11 pour commander les déplacements voulus de l'outil 2 au moyen du robot 3. On remarquera que les données numériques fournies par le PC 15 sont exploitables sans difficulté par un autre type de robot associé à une autre armoire de commande.The next step is carried out on the PC 15 and consists in calculating the displacements of the tool 2 on the surface to be machined, on the basis of geometric criteria supplied by the user by means of the keyboard 17, a mouse or - a pre-recorded floppy disk. We can define in particular the periphery of a partial surface to be machined, parallel planes in which the tool will move successively, etc. On this basis, appropriate software performs the corresponding arrests on the mathematical model and provides by the cable 14 digital data usable by the cabinet 11 to control the desired displacements of the tool 2 by means of the robot 3. It will be noted that the digital data supplied by the PC 15 can be easily exploited by another type of robot associated with another control cabinet.

Un tel procédé permet à une entreprise qui ne possède ni les moyens informatiques, ni le personnel qualifié nécessaire au traitement mathématique par la méthode de Bézier, d'appliquer industriellement et à un coût modéré un procédé basé sur cette méthode, en utilisant des machines et appareils qui sont déjà disponibles dans ses ateliers, donc pratiquement sans investissements supplémentaires en matériel. De plus, une fois que la modélisation par la méthode de Bézier a été faite, elle peut être exploitée directement à partir du PC 15 pour différentes opérations d'usinage, notamment sur différentes portions de la surface et à l'aide de différents outils.Le procédé décrit ici n'entre pas en concurrence avec ceux qu'appliquent des stations de travail utilisant des logiciels à haute performance. lI s'agit d'un procédé d'un niveau intermédiaire permettant d'usiner des surfaces de complexité moyenne grâce à la commande numérique et utilisant des mémoires dont la taille reste modérée, par exemple de 2 à 4 méga-octets. Le domaine des applications s'étend à l'usinage de toutes surfaces et tous profils gauches à l'aide d'une machine à commande numérique, avec ou sans robot manipulateur, pour la fabrication de pièces en série ou de pièces uniques, telles que les grosses pièces de fonderie ou leurs moules.Such a process allows a company that has neither the IT resources nor the qualified personnel necessary for mathematical processing by the Bézier method, to apply industrially and at a moderate cost a process based on this method, using machines and devices that are already available in its workshops, therefore practically without additional investment in equipment. In addition, once the modeling by the Bézier method has been made, it can be used directly from PC 15 for different machining operations, in particular on different portions of the surface and using different tools. The process described here does not compete with those used by workstations using high performance software. It is a process of an intermediate level making it possible to machine surfaces of average complexity thanks to the numerical control and using memories whose size remains moderate, for example from 2 to 4 megabytes. The field of applications extends to the machining of all surfaces and all left profiles using a machine with numerical control, with or without robot manipulator, for the production of parts in series or single parts, such as large castings or their molds.

Pour l'exécution d'un suivi de profil, le procédé se déroule de la même manière que dans l'exemple d'usinage de surface décrit plus haut. For the execution of a profile follow-up, the process proceeds in the same way as in the example of surface machining described above.

Dans les deux cas, un avantage particulier de la méthode de Bézier est que la modélisation au moyen de polygones jointifs permet de représenter et ensuite d'usiner des profils ou des surfaces pouvant comporter de fortes variations de courbures et même des angles vifs, rentrants ou saillants. Le long d'un profil, le sommet de l'angle correspond alors au point commun de deux polygones mis bout à bout.In both cases, a particular advantage of the Bézier method is that modeling by means of contiguous polygons makes it possible to represent and then to machine profiles or surfaces which may include strong variations in curvatures and even sharp, reentrant or highlights. Along a profile, the vertex of the angle then corresponds to the common point of two polygons placed end to end.

La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, mais s'étend à toutes modifications ou variantes évidentes pour un homme du métier. The present invention is not limited to the embodiments described above, but extends to any modifications or variants obvious to a person skilled in the art.

Claims

1. Method for carrying out a profile tracking and / or machining a left surface, by numerical control, said profile and / or said surface being defined by a material or graphic model, or by a model formed by a set of digital data, characterized in that it comprises the following successive stages a) recording and recording of the coordinates of so-called compulsory points

on the model, b) processing of the coordinates of the points required by the method of

Bézier so as to obtain numerical data representing

said profile or said surface, c) from said digital data, calculation of the movements of

less a machine tool having numerical control means

for the machining of said profile or said surface, d) machining of the profile or of the surface by means of said movements

digitally controlled in the machine tool.

2. Method according to claim 1, characterized in that steps (b) and (c) are carried out on different respective computer units.

3. Method according to claim 2, characterized in that step (c) can be carried out on a microcomputer coupled to the machine tool and delivering thereto information during step (d).

4. Method according to claim I or 2, characterized in that step (a) is carried out by raising on the material model by means of a device coupled to the digital control means of the machine tool.

5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that said profile or said surface comprises at least one sharp angle.