JP2003181745A - Three dimensional machining method - Google Patents

Three dimensional machining method

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Publication number
JP2003181745A
JP2003181745A JP2001385156A JP2001385156A JP2003181745A JP 2003181745 A JP2003181745 A JP 2003181745A JP 2001385156 A JP2001385156 A JP 2001385156A JP 2001385156 A JP2001385156 A JP 2001385156A JP 2003181745 A JP2003181745 A JP 2003181745A
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JP
Japan
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curved surface
cutting
curved
cutting tool
expression
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001385156A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Honda
研一 本多
Kazunari Teramoto
一成 寺本
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FA LAB KK
Lab Kk Fa
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
FA LAB KK
Lab Kk Fa
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FA LAB KK, Lab Kk Fa, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical FA LAB KK
Priority to JP2001385156A priority Critical patent/JP2003181745A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a smooth curved surface by integrating a different type of graphic information produced in another system into a formula of a curved surface, in three dimensional machining to be carried out by a programmed computer using a milling machine, etc. <P>SOLUTION: A method for carrying out three dimensional machining for a workpiece by a programmed computer using a cutting tool of which the cutting surface has a quadratic surface of revolution, such as an ellipse, a sphere. A plurality of curved surfaces based on a plurality of different types of graphic information (including an expression defining a curved surface) representing a curved surface and a curve are defined by a unified expression of variables (u), (v). A central travelling point of the cutting tool having tip radii r<SB>p</SB>, r<SB>n</SB>is obtained with respect to a normal vector N at a point S(u, v) calculated by the unified expression. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、フライス等の工作
機械で工作物に三次元加工を行うための加工方法、詳し
くは、切削曲面が回転二次曲面を有する切削工具による
切削曲面及び切削工具の切削移動中心軌跡の演算制御を
含む三次元加工方法に関する。 【0002】 【従来の技術】近年、コンピュータを利用して金属材料
に三次元加工を行う試みが種々開発され、実用に供され
ている。この種の三次元加工においては、切削工具の走
行によって切削される曲面(切削走行)を基準とする3
軸切削と、切削工具の移動中心軌跡(中心走行)を基準
とする2.5軸切削とに大別される。 【0003】いずれの切削方法においても、従来、切削
曲面は個別に張られ、乗り移り切削することによって異
なる曲面を連続的に削り出していた。例えば、図8に示
すように、三つの曲面#i,#j,#kを個別に定義し
(曲面#iに関するu,v、曲面#jに関するu,v、
曲面#kに関するu,v)、曲面#i、曲面#k、曲面
#jへと順次乗り移りつつ切削していた。このとき、曲
面の特性(座標系)に関係しない切削方向γによって一
連の軌跡の算出がなされた。この場合、曲面の特性によ
らない切削がなされ、曲面の起伏によっては切削が粗く
なったり、あるいは必要以上に細かくなって無駄な切削
を生じていた。さらには、曲面の乗り移り時における工
具の干渉を回避するためのチェック計算が多くなされ、
計算時間が多くなるという問題点を有していた。 【0004】この点に鑑みて、本発明者は特公平8−1
5701号公報に記載されているように、特性の異なる
複数の曲面を4次以下の多項式で定義して切削曲面を算
出する三次元加工方法を提案した。この方法によれば、
四則計算で簡単に根を求めることができ、変数u,vか
ら曲面上の点の決定、逆に曲面上の直交座標値(x,
y,z)からu,vの決定を高速で処理することができ
る。しかし、他のシステムで作られた曲面式を前記方法
を実行するコンピュータに取り込んで演算制御する場
合、曲面は通常、Spline、B−spline、N
urbus、Bezier等によって定義されており、
必ずしも多項式で表わされているとは限らず、何らかの
変換が必要である。 【0005】本発明者は、さらに、特許第282442
4号公報に記載されているように、種々の複数の曲面定
義式を一つの有理式で定義し、切削に必要な曲面上の交
点S(u,v)を算出する三次元加工方法を提案した。
この方法は有理式の根を得ることに帰し、種々の型の曲
面定義式を変数u,vに関する一つの曲面式に統合で
き、切削走行の計算に関する時間の短縮、加工精度の向
上を図ることができた。しかしながら、現在では、さら
に種々の型の曲面定義式が採用されており、算式では表
わすことができない解析関数で表わされるものもあり、
一つの有理式で統合できない事態が生じている。 【0006】本発明者は、さらに、特許第320175
1号公報に記載されているように、曲面、曲線を表わす
複数の型の異なる定義式が代数的方法で解が求まるか、
又は解析的方法で解が求まるかを判別し、この判別結果
に基づいて代数的方法又は解析的方法で複数の定義式を
基礎とする複数の曲面を変数u,vに関する統一式で定
義する3次元加工方法を提案した。この方法によれば、
様々な形式で表わされている曲面、曲線を直接的に相互
に扱うことが可能になり、型の異なる複数の定義式から
得られた曲面、曲線は高精度となる。 【0007】一方、特公平4−43726号公報には、
切削曲面が楕円球等の回転二次曲面を有する切削工具を
用いた曲面加工方法が開示されている。この加工方法に
よれば、加工面の曲率変化に応じて曲率の異なった切刃
部分を適正に使い分けることにより、加工面の表面精度
及び加工効率が格段に向上する。 【0008】そこで、本発明の目的は、前記した切削曲
面が回転二次曲面を有する切削工具を用いて、曲面、曲
線を表す複数の型の異なる図形情報(定義式を含む)を
基礎として、迅速な演算で好ましい形状の曲面加工を実
行できる三次元加工方法を提供することにある。 【0009】 【発明の構成、作用及び効果】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る三次元加工方法は、切削曲面が回転二
次曲面を有する切削工具を用いて、プログラムされたコ
ンピュータによって工作物に対して互いに直交するx
軸、y軸、z軸を含む三次元加工を行う加工方法におい
て、曲面、曲線を表す複数の型の異なる図形情報を基礎
とする複数の曲面を変数u,vに関する統一式で定義す
る工程と、この統一式を用いて求めた一点S(u,v)
での法線ベクトルNに対して、先端径rp,rnを有する
切削工具の中心走行点Pを下式(1)で求める工程と、
該中心走行点Pに従って切削工具を走行させ、工作物を
加工する工程とを備えたことを特徴とする。 【0010】 【数2】 【0011】r=rn/rp d=√(1+(r2−1)n2) とすると、 P(u,v)=(Px,Py,Pz) Px=Sx+rpnx/d Py=Sy+rpny/d Pz=Sz+rn 2nz/rpd 【0012】本発明において、曲面、曲線を表す複数の
型の異なる図形情報(定義式を含む)を基礎として複数
の曲面を変数u,vに関する統一式で定義するとは、以
下の方法を含む。 【0013】例えば、特公平8−15701号公報に記
載されているように、図形情報として与えられた特性の
異なる複数の曲面を、変数u,vに関する以下の多項式
で定義し、一体面として切削曲面を算出する。そして、
該多項式で定義された切削曲面から前式(1)を用いて
切削工具の中心走行点Pを求める。 【0014】 【数3】 【0015】あるいは、特許第2824424号公報に
記載されているように、曲面、曲線を表す複数の型の異
なる定義式に基づいて複数の曲面を変数u,vに関する
一つの有理式で定義し、該有理式で定義された切削曲面
から前式(1)を用いて切削工具の中心走行点Pを求め
る。 【0016】あるいは、特許第3201751号公報に
記載されているように、曲面、曲線を表わす複数の型の
異なる定義式が代数的方法で解が求まるか、又は解析的
方法で解が求まるかを判別し、この判別結果に基づいて
代数的方法又は解析的方法で複数の定義式を基礎とする
複数の曲面を変数u,vに関する統一式で定義し、該統
一式で定義された切削曲面から前式(1)を用いて切削
工具の中心走行点Pを求める。 【0017】本発明によれば、切削曲面が楕円球等の回
転二次曲面を有する切削工具を用いるため、加工面の曲
率変化に応じて曲率の異なった切刃部分を適正に使い分
けることにより、加工面の表面精度及び加工効率が格段
に向上する。しかも、前式(1)を用いて切削工具の中
心走行点Pを求めるため、迅速な演算で好ましい形状の
曲面加工を実行できる。 【0018】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る三次元加工方
法の実施形態について添付図面を参照して説明する。 【0019】(装置の説明)図1は本発明の加工方法を
実施するための装置の概略構成を示し、工作機械本体1
はベース2上にテーブル3を備え、コラム4上に切削工
具6を有する加工ヘッド5を取り付けたものである。テ
ーブル3はX軸DCモータ10及びY軸DCモータ11
にてX軸方向及びY軸方向に移動される。加工ヘッド5
はZ軸DCモータ12にてZ軸方向に駆動される。速度
制御は各モータ10,11,12へ各制御ユニット1
5,16,17から制御信号が出力されることで行われ
る。 【0020】一方、図形の入力/制御系は、16ビット
ないし32ビットのコンピュータ20、テープリーダ2
1、制御盤22にて構成されている。テープリーダ21
はJIS(日本工業規格)で定めたNCデータ、特に、
プログラムフォーマットとしてのGコードを読み出す。
コンピュータ20にはユーザによって3画面あるいは斜
視図として切削すべき図形情報が入力される。コンピュ
ータ20は記録媒体としてのフロピーディスク20aに
格納されている制御プログラムをCPU24に転送し、
以下に説明する演算を行う。 【0021】制御盤22は機械操作パネル23を備える
と共に、CPU24を内蔵し、このCPU24の入力ポ
ートaにはコンピュータ20及びテープリーダ21から
の図形情報等が転送される。CPU24は入力された図
形情報から切削データを生成し、その出力ポートb,
c,dから制御信号として前記制御ユニット15,1
6,17へ出力する。 【0022】以下、CPU24による切削データの生成
について詳述する。 (曲面)図2に示すように、曲面は直交座標系に関して
独立した二つの変数u,vに対して定義される。つま
り、0≦u≦1、0≦v≦1なるu,vに対して、空間
の一点を確定すべき基準(関数)Sが定められる。 【0023】この基準Sが微分可能(滑らか)であると
き、Sは曲面である。即ち、u,vに関する微分可能な
関数x,y,zによって、 x=x(u,v) y=y(u,v) z=z(u,v) とするとき、 S(u,v)=(x,y,z) とすることによって定義されるSが曲面であり、微分可
能であることにより、法線ベクトルに関して、 ηS/ηu ηS/ηv が存在する。さらに、本発明においては、トウィストベ
クトル η2S/ηuηv が存在するものとする。 【0024】図3に示す切削工具6、即ち、切削曲面が
楕円球である切削工具6を走行させて曲面Sを切削する
本実施形態において、工具6の先端は一定の径rp、rn
を有する。工具6の先端径を簡略化して半径Rとする
と、工具切削部の中心は曲面Sに対して、法線方向に半
径Rだけ離れた位置となる。即ち、工具6の中心走行を
求めるには、法線ベクトルNを定めなければならない。 【0025】曲面#s上の一点S(u,v)において、 【0026】 【数4】 【0027】とするとき、S(u,v)を通ってRu,
Rvを含む平面を接平面(図2中斜線を付した平面)と
いい、法線ベクトルNは、 N=Ru×Rv として定められる。この法線ベクトルNに対して、先端
径がrp、rnである工具6の中心走行点Pは、以下の式
(1)で定められる。 【0028】 【数5】 【0029】r=rn/rp d=√(1+(r2−1)N2) とすると、 P(u,v)=(Px,Py,Pz) Px=Sx+rpNx/d Py=Sy+rpNy/d Pz=Sz+rn 2Nz/rpd 【0030】ところで、曲面#sはu,vに関する微分
可能な関数であるため、ここで必要なところまで微分可
能と考えられるならば、この関数はu,vに関する有理
式として、あるいは解析的対応関係として統一的に表現
することができる。これにより、u,vに対して曲面#
s上の点を求めるのに代数的方法又は解析的方法で根を
得ることができる。 【0031】例えば、ある曲面#aが三次spline
曲面として下式(2)で定義され、 【0032】 【数6】 【0033】いまひとつの曲面#bが下式(3)で定義
されているとすると、 【0034】 【数7】 【0035】前式(2)、(3)は以下の一つの有理式
(4)で統合される。 【0036】 【数8】【0037】前記有理式(4)を図形で例示すると、図
4に示すように表わされ、[a,b]内に根を求めるこ
とになる。この場合、解析的に収束される方法を採用す
る。即ち、有理式の極値や変曲点を求め、これらの間の
一点に初期値を設定することによって根を求める。 【0038】以上のプロセスによって、どのような型の
曲面定義式も変数u,vに関する一つの曲面式に統合で
き、計算速度が高速化され、切削精度が向上することに
なる。 【0039】曲面が有理式として表されるが、これは一
つの曲面に関してなされる。従って、複数の曲面につい
ては、それぞれ固有のu,vに対して定義される有理式
となる。つまり、たとえ同型の有理式であるとしても、
それらの基準となるu,vが異なるため、全く異なった
ものとなる。しかし、本発明においては、これらの連続
する複数曲面に関して、同一のu,vに対する有理式と
して定義することによって複数の曲面を一つの曲面とし
て簡約することができる。例えば、図5に示すように、
同型の有理式で定義されている曲面#a,#bがあれ
ば、一つの有理式で曲面#cに簡約する。これにて、曲
面数が減少し、切削走行の算出に関する計算時間が減少
する。 【0040】ところで、交差曲線は、曲面と曲面との交
わりを求めることである。つまり、曲面と曲面とによる
連立方程式の解を得ることになる。そこで、 曲面a fa(u,v) 曲面b fb(u,v) とするとき、方程式 fa(u,v)=fb(u,v)
の解が交差曲線になる。 【0041】fa(u,v)、fb(u,v)が共に有
理式のときは、前記方法による。少なくとも一方が有理
式でないときは、解析関数として、u,vに対して面上
点が与えられるという規準から解を解析的に得るのであ
る。一つの値から順次解に収束させていく方法により、
欲する所まで解に近づき得る。 【0042】(曲面定義)曲面は、設計者によって与え
られる3面図あるいは斜視図での図面記載事項が基本と
なり、これらを厳守しつつ定義される。図面には曲面の
輪郭となる曲線、断面曲線等が記されている。これらを
基本にして曲面の基本となる曲面定義ネットを作成す
る。曲面定義ネットとは設計者が意図する曲面であり、
曲面を創成する多数の格子点(パッチ)で構成され、こ
の曲面定義ネットによって曲面が必要な領域(パッチ)
に分割される。まず、それぞれのパッチに関する有理式
又は対応関係を決定し、曲面全体に関する統一式(有理
式又は解析関数)を決定する。 【0043】連続曲面に関しては、それぞれの曲面を表
現する統一式によって一つの曲面定義ネットを作成す
る。この曲面定義ネットによって連続曲面を一体面とし
て同一の特性に対して統一式で表現する。 【0044】具体的には、図6に示すように、ステップ
S1で他のCADデータ、CAMデータによる曲面、曲
線を入力し、ステップS2で曲面、曲線を表わす関係を
判別する。即ち、入力された全ての曲面、曲線が有理式
で表されており、代数的方法で解が求まるか、又は少な
くとも一つの曲面、曲線が有理式で表されておらず、解
析的方法で解が求まるかを判別する。全てが有理式で表
されていればステップS3で代数的方法を用いて解を求
める。有理式でない曲面、曲線が含まれていればステッ
プS4で解析的方法を用いて解を求める。ステップS3
又はS4で求めた解は変数u,vに関する統一式で定義
されており、次に、ステップS5で交点、交線を計算
し、ステップS6で工具の中心走行点を求め、NCデー
タを生成する。 【0045】(1.曲面定義ネット)曲面は図面記載事
項である曲線から設計者の意図するように定義される。
その曲面の形状を確定するために、曲面定義ネットを多
数の格子点(パッチ)によって定義する。曲面の特性に
従って、u方向及びv方向の曲線(u−曲線、v−曲
線)で曲面を分割し、この分割点の数をそれぞれm,n
とする。このとき、列 u0=0<u1<……<um=1 v0=0<v1<……<vn=1 に関して、u,vの組(uj,vi)に対して、 S(uj,vi) Su(uj,vi) Sv(uj,vi) Suv(uj,vi) を定義する。ここで、 Su(u,v)=ηS/ηu Sv(u,v)=ηS/ηv Suv(u,v)=η2S/ηuηv 【0046】このような曲面定義ネットを定めるには、
u,vから空間の一点Pへの微分可能な対応基準(関
数)を定義することになる。図7に示すように、曲面は
u−曲線に沿ってv−曲線が移動変化するという把え方
をする。与えられた図面に断面曲線が記されているとき
には、その曲線がv−曲線となる。このとき、v−曲線
がu−曲線に沿って微分可能な変化をしつつ移動するな
らば、u,vに対して定められる曲面上の一点Pへの対
応S(u,v)は、u,vに関して微分可能で、Su,
Sv,Suvは存在する。v−曲線の変化は形状とu−
曲線に対する位置が変化することになる。つまり、形状
と位置を決定する行列(方向)とが微分可能な変化をす
ることになる。 【0047】この対応は、0≦u≦1、0≦v≦1であ
れば、u,vに対して定義されるから、uj,viに対し
て、曲面定義ネットS(uj,vi)が作成される。 【0048】(2.曲面統一式)曲面定義ネットによっ
て切削すべき領域が定められる。ここで、領域 uj-1≦u≦uji-1≦v≦vi において、u,vに関する統一式Sjiを定義し、これら
jiの結合によって曲面を定義する。ここで定められる
統一式は次の条件(A)、(B)に従わなければならな
い。 【0049】(A)図面記載事項を厳守する。即ち、統
一式が図面において制約されている曲線、数値(寸法、
角度等)を表現するものでなければならない。 (B)曲面定義ネットを作成するときの設計者の意図を
十分に反映したものでなければならない。設計者は自ら
意図する起伏を考えて曲面を設計する。統一式はこの設
計に合致するものでなければならない。 【0050】さて、領域における統一式の結合として曲
面を定義するとき、領域ごとに別々に定義された統一式
の結合がそれらの領域の境界において微分可能とならな
ければならない。本発明においては、(uj,vi)にお
ける S(uj,vi) Su(uj,vi) Sv(uj,vi) Suv(uj,vi) によって統一式を定義する。これらの値は意匠面(切削
面)の方程式(対応基準)から直ちに得られる。これら
を制約条件として統一式を定義すれば、設計者の意図す
る形状を保持する曲面が定義できる。本発明において
は、これらの格子点(パッチ)におけるS,Su,S
v,Suvを制約することによって全体を微分可能なら
しめることができる。 【0051】図面によっては通過点のみが記されている
場合がある。このような場合は、設計者の意図する形状
からSu,Sv,Suvが得られない。この場合は、各
領域に対して隣接する領域を関係しないで統一式を定め
ることができない。つまり、全ての領域の相互関係によ
って統一式を定義する。 【0052】(3.曲面連結)曲面はその特性(座標
系)を生かして定義される。従来において、特性の異な
る曲面は別の曲面として定義されていた。このため、切
削面が複雑な形状になればなる程、定義する曲面の数が
多くなり、計算が複雑となる。本発明においては、特性
の異なる曲面を連結し、改めて一つの曲面として同一の
特性に対する解析関数によって表現する。 【0053】曲面S,S’がそれぞれ特性に従ってある
関数によって表現されているとする。曲面Sに関するu
−曲線と曲面S’との交点Pを0≦uとする。このと
き、曲面Sに関して、u’,v’が存在して、P=S’
(u’,v’)となる。ここで、 {Su(u,v),S’u(u’,v’)} ≧{Su(u,v),S’v(u’,v’)} としても一般性を失わない。このとき、u=0からu=
uまでは曲面Sのu−曲線をとり、u=u’からu=1
までは曲線S’のu’−曲線をとることにより、改めて
曲線が定義される。このような曲線をn本定義し、それ
ぞれの曲線をm分割することによって、曲面S,S’に
わたる曲面定義ネットが張られる。この曲面定義ネット
によって一つの曲面を定義すれば、曲面S,S’を結合
した一体的な曲面になる。しかも、この結合された曲面
はそれぞれの曲面S,S’の特性を維持している。 【0054】(工具走行)曲面が定義されると、その上
を工具が走行して切削を行う。本実施形態において、工
具6の先端は径rp,rnの回転二次曲面であり、工具中
心の位置は前式(1)で表される点Pとなる。 【0055】曲面S上の曲線に沿って工具が走行すると
き、その曲線上の点に対して点Pを求めることによって
工具中心走行位置が決定する。曲面が数式で表現されて
いないときは、近傍の点を少なくとも2点求めなければ
ならず、そのために計算が煩雑となり時間を要する。 【0056】これに対して、本発明においては、曲面定
義ネットを定める(uj,vi)に対して前式(1)を用
いて点Pを決定し、これらの点に基づいて中心走行曲面
としての曲面定義ネットを生成する。この曲面定義ネッ
トが定められると、このネットによって曲面を統一式に
よって定義することができる。このようにして定義され
た曲面を※Sとすると、0≦u≦1、0≦v≦1なる全
てのu,vに対して、 【0057】 【数9】【0058】となるように、曲面統一式を定める。本発
明における統一式は十分小なる誤差以内でこの関係を成
立させる。この結果、工具の中心は曲面Sから求める必
要がなくなり、曲面※Sにおいてu,vに対する※S
(u,v)を求めることになる。これは統一式のu,v
に対する値を求める計算になり、従来の方法に比べて極
めて簡単で、計算速度は比較にならない程高速となる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a processing method for performing three-dimensional processing on a workpiece with a machine tool such as a milling machine, and more particularly, to a method in which a cutting surface is a rotating secondary surface. The present invention relates to a three-dimensional processing method including arithmetic control of a curved surface to be cut by a cutting tool having a cutting tool and a locus of a cutting movement center of the cutting tool. 2. Description of the Related Art In recent years, various attempts to perform three-dimensional processing on metal materials using a computer have been developed and put to practical use. In this kind of three-dimensional machining, a 3D machining based on a curved surface (cutting traveling) cut by traveling of a cutting tool is used.
Shaft cutting and 2.5-axis cutting based on the movement center locus (center running) of the cutting tool are roughly classified. [0003] In any of the cutting methods, conventionally, the curved surfaces are individually stretched, and different curved surfaces are continuously cut out by changing over. For example, as shown in FIG. 8, three surfaces #i, #j, and #k are individually defined (u and v for the surface #i, u and v for the surface #j,
Cutting was performed while sequentially moving to u, v) for curved surface #k, curved surface #i, curved surface #k, and curved surface #j. At this time, a series of trajectories were calculated based on the cutting direction γ that is not related to the characteristics (coordinate system) of the curved surface. In this case, cutting is performed irrespective of the characteristics of the curved surface, and depending on the undulation of the curved surface, the cutting becomes coarse or becomes finer than necessary, resulting in unnecessary cutting. Furthermore, a lot of check calculations are made to avoid tool interference when moving over curved surfaces,
There is a problem that the calculation time increases. [0004] In view of this point, the present inventor has disclosed in Japanese Patent Publication No. Hei 8-1.
As described in Japanese Patent No. 5701, a three-dimensional machining method has been proposed in which a plurality of curved surfaces having different characteristics are defined by a fourth-order or lower polynomial to calculate a cut curved surface. According to this method,
The root can be easily obtained by the four arithmetic calculations, and a point on the surface is determined from the variables u and v. Conversely, the orthogonal coordinate values (x,
The determination of u and v from (y, z) can be processed at high speed. However, when a surface equation created by another system is loaded into a computer that executes the above method and is subjected to arithmetic control, the surface is usually Spline, B-spline, N
urbus, Bezier, etc.,
It is not always represented by a polynomial, and some conversion is required. The present inventor has further disclosed in Japanese Patent No. 282442.
As described in Japanese Patent Application Publication No. 4 (1994), a three-dimensional machining method is proposed in which various curved surface definition expressions are defined by one rational expression, and an intersection S (u, v) on the curved surface required for cutting is calculated. did.
This method is attributed to obtaining the roots of rational expressions, and can integrate various types of surface definition expressions into one surface expression relating to variables u and v, thereby reducing the time required for calculating the cutting travel and improving machining accuracy. Was completed. However, at present, various types of surface definition formulas have been adopted, and some of them are represented by analytical functions that cannot be represented by formulas.
One rational expression cannot be integrated. [0006] The present inventor further disclosed in Japanese Patent No. 320175.
As described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 1 (1994), whether a plurality of different types of defining expressions representing curved surfaces and curves can be solved by an algebraic method,
Alternatively, it is determined whether a solution can be obtained by an analytical method, and based on the determination result, a plurality of surfaces based on a plurality of defining expressions are defined by a unified expression relating to variables u and v by an algebraic method or an analytical method. A dimension processing method was proposed. According to this method,
Surfaces and curves represented in various forms can be directly handled with each other, and surfaces and curves obtained from a plurality of different types of definition formulas have high accuracy. On the other hand, Japanese Patent Publication No. 4-43726 discloses that
A curved surface processing method using a cutting tool whose cutting curved surface has a rotating quadric surface such as an elliptical sphere is disclosed. According to this processing method, the cutting edge portions having different curvatures are properly used in accordance with the change in the curvature of the processing surface, so that the surface accuracy and the processing efficiency of the processing surface are remarkably improved. Therefore, an object of the present invention is to use a cutting tool in which the above-mentioned cutting surface has a rotating quadratic surface, and based on a plurality of types of different graphic information (including definition expressions) representing curved surfaces and curves, It is an object of the present invention to provide a three-dimensional processing method capable of executing a curved surface processing of a preferable shape by a quick calculation. In order to achieve the above object, a three-dimensional machining method according to the present invention uses a cutting tool whose cutting surface has a rotating quadratic surface by a programmed computer. X orthogonal to each other with respect to the workpiece
In a machining method for performing three-dimensional machining including an axis, a y-axis, and a z-axis, a step of defining a plurality of curved surfaces based on a plurality of types of different graphic information representing curved surfaces and curves by a unified formula regarding variables u and v; , One point S (u, v) obtained using this unified equation
A step of determining by the following formula (1) with respect to the normal vector N, the tip diameter r p, the central travel point P of the cutting tool having r n in,
Running the cutting tool according to the center running point P to process the workpiece. [0010] [0011] When r = r n / r p d = √ (1+ (r 2 -1) n 2), P (u, v) = (Px, Py, Pz) Px = Sx + r p nx / d Py = sy + r p ny / d Pz = Sz + r n 2 nz / r p d [0012] in the present invention, a curved surface, a plurality of types of different graphic information representing a curve variables a plurality of curved surfaces on the basis of the (defined formula containing) u, The definition by the unified formula regarding v includes the following method. For example, as described in Japanese Patent Publication No. Hei 8-15701, a plurality of curved surfaces having different characteristics given as graphic information are defined by the following polynomials regarding variables u and v, and are cut as an integrated surface. Calculate the curved surface. And
From the cutting surface defined by the polynomial, the center traveling point P of the cutting tool is obtained using the above equation (1). [0014] Alternatively, as described in Japanese Patent No. 2824424, a plurality of curved surfaces are defined by one rational expression relating to variables u and v based on a plurality of different types of defining expressions representing curved surfaces and curves. From the cutting surface defined by the rational expression, the center traveling point P of the cutting tool is obtained using the above expression (1). Alternatively, as described in Japanese Patent No. 3201751, it is determined whether a solution is obtained by algebraic method or a solution by a plurality of different types of defining expressions representing curved surfaces and curves. Discriminate, and based on the discrimination result, define a plurality of surfaces based on a plurality of definition formulas by an algebraic method or an analytical method by a unified formula relating to variables u and v, and from the cutting surface defined by the unified formula, The center traveling point P of the cutting tool is obtained using the above equation (1). According to the present invention, since a cutting tool having a rotating quadratic surface such as an elliptical sphere is used as a cutting surface, a cutting edge portion having a different curvature is appropriately used in accordance with a change in the curvature of a processing surface. The surface accuracy and processing efficiency of the processing surface are significantly improved. In addition, since the center traveling point P of the cutting tool is obtained by using the above equation (1), it is possible to execute a curved surface processing of a preferable shape by a quick calculation. Embodiments of a three-dimensional processing method according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. (Explanation of Apparatus) FIG. 1 shows a schematic configuration of an apparatus for carrying out the processing method of the present invention.
Has a table 3 on a base 2 and a processing head 5 having a cutting tool 6 on a column 4. Table 3 has an X-axis DC motor 10 and a Y-axis DC motor 11
Are moved in the X-axis direction and the Y-axis direction. Processing head 5
Are driven in the Z-axis direction by a Z-axis DC motor 12. Speed control is performed by each control unit 1 to each of the motors 10, 11, and 12.
This is performed by outputting control signals from 5, 16, and 17. On the other hand, the graphic input / control system includes a 16-bit to 32-bit computer 20 and a tape reader 2.
1. It is composed of a control panel 22. Tape reader 21
Is the NC data defined by JIS (Japanese Industrial Standards), especially
Read the G code as the program format.
Graphic information to be cut as three screens or perspective views is input to the computer 20 by the user. The computer 20 transfers a control program stored in a floppy disk 20a as a recording medium to the CPU 24,
The calculation described below is performed. The control panel 22 has a machine operation panel 23 and has a built-in CPU 24, and graphic information and the like from the computer 20 and the tape reader 21 are transferred to an input port a of the CPU 24. The CPU 24 generates cutting data from the input graphic information, and outputs the cutting data b,
The control units 15 and 1 are used as control signals from c and d.
Output to 6,17. Hereinafter, generation of cutting data by the CPU 24 will be described in detail. (Curved Surface) As shown in FIG. 2, a curved surface is defined for two independent variables u and v with respect to a rectangular coordinate system. That is, for u and v satisfying 0 ≦ u ≦ 1 and 0 ≦ v ≦ 1, a reference (function) S for determining one point in space is determined. When the reference S is differentiable (smooth), S is a curved surface. That is, when x = x (u, v) y = y (u, v) z = z (u, v) by the differentiable functions x, y, z concerning u, v, S (u, v) ) = (X, y, z) S is a curved surface and is differentiable, so that ηS / ηu ηS / ηv exists for the normal vector. Further, in the present invention, it is assumed that a Twist vector η 2 S / ηuηv exists. In this embodiment, in which the cutting tool 6 shown in FIG. 3, that is, the cutting tool 6 whose cutting curved surface is an elliptical sphere travels to cut the curved surface S, the tip of the tool 6 has constant diameters r p and r n.
Having. Assuming that the tip diameter of the tool 6 is simplified to a radius R, the center of the tool cutting portion is located at a position away from the curved surface S by a radius R in the normal direction. That is, in order to determine the center running of the tool 6, the normal vector N must be determined. At one point S (u, v) on the curved surface #s, Then, through S (u, v), Ru,
A plane including Rv is called a tangent plane (a plane hatched in FIG. 2), and a normal vector N is defined as N = Ru × Rv. For this normal vector N, the central travel point P of the tool 6 tip diameter is r p, r n is defined by the following equation (1). (Equation 5) [0029] When r = r n / r p d = √ (1+ (r 2 -1) N 2), P (u, v) = (Px, Py, Pz) Px = Sx + r p Nx / d Py = Sy + r p Ny / d Pz = Sz + r n 2 Nz / r p d [0030] by the way, the curved surface #s is u, because v is a differentiable function on, if considered to be differentiable far here necessary, This function can be unifiedly expressed as a rational expression for u and v or as an analytical correspondence. Thereby, the curved surface # for u and v
The roots can be obtained by algebraic or analytical methods to find points on s. For example, a certain curved surface #a is a cubic spline
The surface is defined by the following equation (2). Assuming that another surface #b is defined by the following equation (3): The above equations (2) and (3) are integrated by the following rational equation (4). [Equation 8] When the rational expression (4) is illustrated by a graphic, it is represented as shown in FIG. 4, and a root is found in [a, b]. In this case, a method of analytically converging is adopted. That is, the extremum and inflection point of a rational expression are obtained, and the root is obtained by setting an initial value at one point between them. By the above process, any type of curved surface definition formula can be integrated into one curved surface formula relating to variables u and v, the calculation speed is increased, and the cutting accuracy is improved. Although the surface is represented as a rational expression, this is done for one surface. Therefore, a plurality of curved surfaces are rational expressions defined for unique u and v, respectively. That is, even if it is a rational expression of the same type,
Since the references u and v are different, they are completely different. However, in the present invention, a plurality of these curved surfaces can be simplified as one by defining them as rational expressions for the same u and v. For example, as shown in FIG.
If there are curved surfaces #a and #b defined by the same rational expression, the rational expression is reduced to the curved surface #c by one rational expression. As a result, the number of curved surfaces decreases, and the calculation time for calculating the cutting travel decreases. By the way, the intersection curve is to find the intersection between curved surfaces. That is, a solution of a simultaneous equation using curved surfaces is obtained. Therefore, when a surface a fa (u, v) and a surface b fb (u, v) are obtained, the equation fa (u, v) = fb (u, v)
Becomes the intersection curve. When both fa (u, v) and fb (u, v) are rational, the above method is used. If at least one is not a rational expression, a solution is analytically obtained from the criterion that points on the surface are given to u and v as analytical functions. By converging to a solution sequentially from one value,
You can approach the solution to where you want. (Definition of Curved Surface) A curved surface is basically defined by three drawings or perspective views given by a designer, and is defined while strictly observing these items. In the drawing, a curve, a cross-sectional curve, and the like which are contours of a curved surface are described. Based on these, a curved surface definition net which is the basis of the curved surface is created. A surface definition net is a surface intended by the designer.
An area (patch) that consists of a number of grid points (patches) that create a surface and that requires a surface by this surface definition net
Is divided into First, a rational expression or a correspondence relation for each patch is determined, and a unified expression (rational expression or analysis function) for the entire surface is determined. As for the continuous surface, one surface definition net is created by a unified expression expressing each surface. With this curved surface definition net, a continuous curved surface is expressed as a unified expression for the same characteristic as an integrated surface. More specifically, as shown in FIG. 6, a curved surface and a curve based on other CAD data and CAM data are inputted in a step S1, and a relationship representing the curved surface and the curve is determined in a step S2. That is, all input surfaces and curves are represented by rational formulas, and a solution is obtained by an algebraic method, or at least one surface or curve is not represented by a rational formula, and is solved by an analytical method. Is determined. If everything is represented by a rational expression, a solution is obtained in step S3 using an algebraic method. If a curved surface or curve that is not a rational expression is included, a solution is obtained in step S4 using an analytical method. Step S3
Alternatively, the solution obtained in S4 is defined by a unified formula regarding variables u and v. Next, in step S5, the intersection and the intersection line are calculated, and in step S6, the center traveling point of the tool is obtained, and NC data is generated. . (1. Curved Surface Definition Net) A curved surface is defined from a curve described in the drawing as the designer intends.
In order to determine the shape of the surface, a surface definition net is defined by a number of grid points (patches). According to the characteristics of the curved surface, the curved surface is divided by the curves (u-curve and v-curve) in the u and v directions, and the number of division points is m and n, respectively.
And At this time, with respect to sequence u 0 = 0 <u 1 < ...... <u m = 1 v 0 = 0 <v 1 <...... <v n = 1, u, v pairs (u j, v i) to Te defines S (u j, v i) Su (u j, v i) Sv (u j, v i) Suv (u j, v i). Here, Su (u, v) = ηS / ηu Sv (u, v) = ηS / ηv Suv (u, v) = η 2 S / ηuηv To define such a surface definition net,
A differentiable correspondence criterion (function) from u and v to one point P in space will be defined. As shown in FIG. 7, the curved surface grasps that the v-curve moves and changes along the u-curve. When a cross-sectional curve is described in a given drawing, that curve is a v-curve. At this time, if the v-curve moves while making a differentiable change along the u-curve, the correspondence S (u, v) to one point P on the curved surface defined for u, v is u , V, Su,
Sv and Suv exist. The change in the v-curve depends on the shape and u-
The position relative to the curve will change. That is, the matrix (direction) for determining the shape and the position changes differentiably. [0047] This correspondence, 0 ≦ if u ≦ 1,0 ≦ v ≦ 1, u, because defined for v, u j, relative to v i, curved definition net S (u j, v i ) is created. (2. Unified Surface) The area to be cut is determined by the surface definition net. Here, in the region u j-1 ≦ u ≦ u j v i-1 ≦ v ≦ v i, to define a unified type S ji u, relates v, it defines the curved surface by the binding of these S ji. The unified formula defined here must comply with the following conditions (A) and (B). (A) Strictly observe the items described in the drawings. That is, the curves, numerical values (dimensions,
Angle, etc.). (B) It must sufficiently reflect the designer's intention when creating the surface definition net. The designer designs the curved surface in consideration of the intended undulation. The unified formula must be consistent with this design. Now, when defining a surface as a unified expression combination in a region, the unified expression combination defined separately for each region must be differentiable at the boundaries of those regions. In the present invention, define a unified expression by (u j, v i) in the S (u j, v i) Su (u j, v i) Sv (u j, v i) Suv (u j, v i) I do. These values are immediately obtained from the design surface (cut surface) equation (corresponding standard). By defining a unified expression using these as constraints, a curved surface holding the shape intended by the designer can be defined. In the present invention, S, Su, S at these grid points (patches)
By restricting v and Suv, the whole can be made differentiable. In some drawings, only a passing point is shown. In such a case, Su, Sv, Suv cannot be obtained from the shape intended by the designer. In this case, it is not possible to define a unified expression for each area without regard to the adjacent area. In other words, a unified expression is defined by the interrelationship of all areas. (3. Surface Concatenation) A surface is defined taking advantage of its characteristics (coordinate system). Conventionally, curved surfaces having different characteristics have been defined as different curved surfaces. For this reason, as the cutting surface becomes more complicated, the number of curved surfaces to be defined increases, and the calculation becomes more complicated. In the present invention, curved surfaces having different characteristics are connected to each other, and are expressed again as one curved surface by an analytic function for the same characteristic. It is assumed that the curved surfaces S and S ′ are each represented by a function according to the characteristics. U for surface S
-Let the intersection point P of the curve and the curved surface S 'be 0≤u. At this time, regarding the curved surface S, u ′ and v ′ exist, and P = S ′
(U ', v'). Here, generality is not lost even if {Su (u, v), S′u (u ′, v ′)} ≧ {Su (u, v), S′v (u ′, v ′)}. At this time, u = 0 to u =
Until u, the u-curve of the curved surface S is taken, and from u = u ′ to u = 1
By taking the u′-curve of the curve S ′, the curve is defined again. By defining n such curves and dividing each curve into m, a curved surface definition net extending over the curved surfaces S and S ′ is established. If one curved surface is defined by this curved surface definition net, it becomes an integrated curved surface combining the curved surfaces S and S ′. In addition, the combined curved surfaces maintain the characteristics of the respective curved surfaces S and S ′. (Tool running) When a curved surface is defined, a tool runs on it to perform cutting. In this embodiment, the tip of the tool 6 is rotated quadratic surface diameter r p, r n, the position of the tool center is the point P represented by Equation (1). When the tool travels along the curve on the curved surface S, the point P is determined for a point on the curve to determine the tool center travel position. When a curved surface is not represented by a mathematical expression, at least two neighboring points must be obtained, which makes the calculation complicated and time-consuming. [0056] In contrast, in the present invention, determines the curved surface definition net with (u j, v i) with respect to Equation (1) determining the point P, the center traveling based on these points Generate a surface definition net as a surface. When the surface definition net is determined, the surface can be defined by a unified expression using the net. Assuming that the surface defined in this way is * S, for all u and v satisfying 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, The unified curved surface formula is determined as follows. The unified formula in the present invention establishes this relationship within a sufficiently small error. As a result, the center of the tool does not need to be obtained from the curved surface S.
(U, v). This is the unified u, v
, Which is extremely simple compared to the conventional method, and the calculation speed is so high that it cannot be compared.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明を実施するための切削装置の概略構成
図。 【図2】曲面定義の説明図。 【図3】切削工具の先端形状と加工面を示す説明図。 【図4】有理式の根を求める解析手法を説明するグラ
フ。 【図5】複数曲面の簡約化の説明図。 【図6】制御手順の概略を示すフローチャート図。 【図7】曲面の把え方の説明図。 【図8】従来の三次元加工方法における複数曲面の切削
の説明図。 【符号の説明】 1…工作機械本体 3…テーブル 5…加工ヘッド 6…切削工具 15,16,17…制御ユニット 20…コンピュータ 22…制御盤 24…CPU
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cutting device for carrying out the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of a curved surface definition. FIG. 3 is an explanatory view showing a tip shape and a machining surface of a cutting tool. FIG. 4 is a graph illustrating an analysis method for finding a root of a rational expression. FIG. 5 is an explanatory diagram of simplifying a plurality of curved surfaces. FIG. 6 is a flowchart showing an outline of a control procedure. FIG. 7 is an explanatory diagram of how to hold a curved surface. FIG. 8 is an explanatory view of cutting a plurality of curved surfaces in a conventional three-dimensional processing method. [Description of Signs] 1 ... machine tool main body 3 ... table 5 ... machining head 6 ... cutting tools 15, 16, 17 ... control unit 20 ... computer 22 ... control panel 24 ... CPU

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 研一 大阪府大阪市城東区鴫野西2−1−3− 606号 (72)発明者 寺本 一成 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 5H269 AB05 AB19 BB05 CC02 DD01 QA05 QC01    ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Kenichi Honda             2-1-3-Shigino Nishi, Joto-ku, Osaka City, Osaka Prefecture             No. 606 (72) Inventor Kazunari Teramoto             Aichi-gun Aichi-gun Nagakute-machi             地 の 1 Toyota Central Research Laboratory Co., Ltd. F-term (reference) 5H269 AB05 AB19 BB05 CC02 DD01                       QA05 QC01

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 切削曲面が回転二次曲面を有する切削工
具を用いて、プログラムされたコンピュータによって工
作物に対して互いに直交するx軸、y軸、z軸を含む三
次元加工を行う加工方法において、 曲面、曲線を表す複数の型の異なる図形情報を基礎とす
る複数の曲面を変数u,vに関する統一式で定義する工
程と、 前記統一式を用いて求めた一点S(u,v)での法線ベ
クトルNに対して、先端径rp,rnを有する切削工具の
中心走行点Pを下式で求める工程と、 【数1】 r=rn/rp d=√(1+(r2−1)n2) とすると、 P(u,v)=(Px,Py,Pz) Px=Sx+rpnx/d Py=Sy+rpny/d Pz=Sz+rn 2nz/rpd 前記中心走行点Pに従って切削工具を走行させ、工作物
を加工する工程と、 を備えたことを特徴とする三次元加工方法。
Claims: 1. A cubic tool including an x-axis, a y-axis, and a z-axis orthogonal to a workpiece by a programmed computer using a cutting tool whose cutting surface has a rotating quadric surface. In a machining method for performing original machining, a step of defining a plurality of curved surfaces based on a plurality of different types of graphic information representing curved surfaces and curves using a unified formula for variables u and v, and a point determined using the unified formula S (u, v) with respect to the normal vector n at the step of finding the tip diameter r p, the central travel point P of the cutting tool having r n by the formula, ## EQU1 ## r = the r n / r p d = √ (1+ (r 2 -1) n 2) to, P (u, v) = (Px, Py, Pz) Px = Sx + r p nx / d Py = Sy + r p ny / d Pz = Sz + r n 2 nz / accordance r p d the central travel point P is traveling cutting tool, a three-dimensional machining method characterized by comprising a, a step of processing the workpiece.
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