JP2008186046A - 切削経路作成方法及びプログラム並びに装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削不具合を低減すること。
【解決手段】切削加工の完成品の形状に関する点列データまたは切削経路に関する点列データを用いて、切削面のエッジ部を検出するエッジ部検出過程と、検出したエッジ部に切削経路の通過点となる制御点を追加する制御点追加過程と、追加した前記制御点を通り、微分連続である曲線関数で表される空送り経路を生成する経路追加過程とを有し、点列データおよび空送り経路を用いて工具の切削経路を作成する切削経路作成方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エッジ部を加工するのに好適な切削経路を生成する切削経路作成方法及びプログラム並びに装置に関するものである。

従来、マシニングセンタなどの工作機械を用いてワーク（被削材）を切削加工する場合、ＣＡＭ等により作成された点列データをＮＣ装置に入力し、ＮＣ装置において工具の切削経路データを自動的に生成することが行われている。
例えば、特許文献１には、マシニングセンタを用いたＮＣ装置によりワークの輪郭加工を行う場合、工具がワークに干渉することなく工具をワークの切削開始点に切り込ませ、また、ワークの切削終了点から工具を逃がすために、アプローチ経路およびリトラクト経路等の削り代を設け、これらを含む経路を工具の切削経路として作成することが開示されている。
特開平６−１１９０２９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示されている発明では、切削開始時および切削終了時における工具とワークとの干渉は解消できるものの、切削途中における工具とワークとの干渉については開示がなく、以下に示すような切削途中における切削不具合を解消することができないという問題があった。
例えば、切削途中における工具の切削経路は、通常、ＣＡＭデータ等を用いて設定された制御点（点列データ）を直線で結ぶ経路とされるが、切削する形状が曲面の場合には、制御点をつなぐ直線が滑らかにならない。このため、例えば、不連続面の接合部分であるエッジ部を切削する場合には、図１５に示すように、工具の移動軌跡が切削経路上から外れてしまい切削不具合が発生してしまうという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、切削不具合を低減することのできる切削経路作成方法及びプログラム並びに装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、切削加工の完成品の形状に関する点列データまたは切削経路に関する点列データを用いて、切削面のエッジ部を検出するエッジ部検出過程と、検出したエッジ部に切削経路の通過点となる制御点を追加する制御点追加過程と、追加した前記制御点を通り、微分連続である曲線関数で表される空送り経路を生成する経路追加過程とを有し、前記点列データおよび前記空送り経路を用いて工具の切削経路を作成する切削経路作成方法を提供する。

発明者らは、上述したようなエッジ部における切削不具合が生ずる原因として、エッジ部に制御点が設定されていないということを発見した。これは、従来、切削加工の完成品の形状を把握せずに、予め設定されているＮＣ点列データ等を単に繋ぎ合わせることで工具の切削経路を生成していることに起因する。

本発明では、切削加工の完成品の形状に関する点列データまたは切削経路に関する点列データを解析することにより切削加工の完成品の形状を把握し、これによって、切削面のエッジ部を検出し、このエッジ部に制御点を追加し、更に、この制御点を通る空送り経路を生成するので、形状に応じた適切な切削経路を作成することが可能となる。
この場合において、エッジ部に作成される空送り経路は、微分連続である曲線関数で示されているので、空送り経路を滑らかにつながる経路とすることが可能となる。これにより、この空送り経路においては、工具を滑らかに移動させることができる。この結果、工具が切削経路から外れることによる切削不具合を解消することができ、切削品質を向上させることができる。

前記空送り経路は、例えば、フィレット関数および円の一部を用いて示されていてもよい。
このように、フィレット関数または円の一部を用いた空送り経路とすることで、エッジ部において工具を滑らかに移動させることができる。更に、円およびフィレット関数は、速度ベクトルが一定となるので、空送り経路を移動する際の工具の移動速度を一定に保つことができ、安定した工具送りを実現することができる。

前記空送り経路が、対数渦巻き線またはレムニスケート曲線の一部を用いて示されていてもよい。
このように、対数渦巻き線またはレムニスケート曲線の一部を用いた空送り経路とすることで、円やフィレット関数の一部を用いる場合に比べて空送り経路の距離を短くすることができる。これにより、切削に要する時間を短縮することが可能となる。

本発明は、上記切削経路作成方法によって作成された切削経路に沿って工具を移動させることにより、被切削材の切削加工を行う切削加工方法を提供する。
本発明は、上記切削加工方法により切削加工された加工品を提供する。
本発明は、切削加工の完成品の形状に関する点列データまたは切削経路に関する点列データを用いて、切削面のエッジ部を検出するエッジ部検出処理と、検出したエッジ部に切削経路の通過点となる制御点を追加する制御点追加処理と、追加した前記制御点を通り、微分連続である曲線関数で表される空送り経路を生成する経路追加処理とをコンピュータに実行させる切削経路作成プログラムであって、前記点列データおよび前記空送り経路を用いて工具の切削経路を作成する切削経路作成プログラムを提供する。
本発明は、上記切削経路作成プログラムを実行することにより、工具の切削経路を作成する切削経路作成装置を提供する。

本発明によれば、切削不具合を低減することができるという効果が得られる。

以下に、本発明に係る切削経路作成方法及び切削経路作成プログラム並びに切削経路作成装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る切削経路作成装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る切削経路作成装置１は、例えば、ＣＡＭ（Computer Aided
Manufacturing）であり、コンピュータ１０と、コンピュータ１０に接続される入力装置１１、出力装置１２、および外部記憶装置１３を備えている。
コンピュータ１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１４、ＲＡＭ（Random Access Memory）１５、ＲＯＭ（Read
Only Memory）１６等を備えている。
入力装置１１は、例えば、キーボードやマウス等の入力手段であり、出力装置１２は、例えば、ディスプレイ、プリンタ等の出力手段である。外部記憶装置１３は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等である。コンピュータ１０は、これらの外部記憶装置１３に対してデータの読み出しと書き込みとが可能な構成とされている。また、切削経路作成装置１は、ＬＡＮ等の通信回線を介してデータを取得する通信装置を備えていてもよい。

更に、切削経路作成装置１は、ＮＣ加工装置２と接続されている。ＮＣ加工装置２は、コンピュータを主体とする制御装置（図示略）と、工具等を備える加工機（図示略）とを備えている。ＮＣ加工装置２において、制御装置は、切削経路作成装置１から供給される切削経路データをＮＣデータに変換し、このＮＣデータに基づいて加工機を制御する。これにより、ワーク（被切削材）に切削加工が施され、最終的な加工品が形成される。

次に、上述のような構成を備える切削経路作成装置１により実現される切削経路作成方法について、図２を参照して説明する。なお、以下に示す切削経路作成方法は、切削経路作成装置１が備えるＣＰＵ１４がＲＯＭ１６に格納されている切削経路作成プログラムをＲＡＭ１５に読み出し実行すること等により実現されるものである。

まず、図２のステップＳＡ１では、ＣＰＵ１４が外部記憶装置１３等に記録された点列データを読み込む処理を行う。ここで、読み込まれる点列データは、例えば、ＣＡＤ（Computer
Aided Design）等により作成された切削加工の完成品の曲面形状を表す点列データである。なお、通信回線等を介して、上記点列データを取得することとしてもよい。

続いて、ステップＳＡ２では、点列データを用いて切削面のエッジ部を検出するエッジ部検出処理を実行する（エッジ部検出過程）。
例えば、点列データに基づいて切削加工の完成品の形状曲面を再現し、この曲面を解析することによりエッジ部を検出する。エッジ部は、例えば、曲面解析によって変極点を検出することで行われる。例えば、ガウス曲率がマイナスの値からプラスの値へ、或いは、プラスの値からマイナスの値へ変化するその箇所をエッジ部として検出する。なお、ガウス曲率等を始めとする曲面解析の詳細については、例えば、特開２００６−１４２５８５号公報に開示されている。

また、上記曲面解析によるエッジ部の検出方法の他、例えば、各点列の座標に基づいて各点における微分値を計算し、この微分値が不連続な箇所を検出することでエッジ部を検出することとしてもよい。また、微分値の正負が反転する部位を検出することでエッジ部の検出を行うこととしてもよいし、或いは、微分計算の順番を逆転させ、計算結果に「−(マイナス)」を乗算したときに、符号が反転する部位をエッジ部として検出することとしてもよい。
また、上述したエッジ部検出方法を収束計算することにより、エッジ部をより正確に求めることとしてもよい。このように、エッジ部の検出については、種々の方法を採用することが可能である。

続いて、ステップＳＡ３では、ステップＳＡ２において検出されたエッジ部に切削経路を作成するための制御点を追加する制御点追加処理が実行される（制御点追加過程）。ここで、制御点は、点列データを繋ぐ線上に設定される。これにより、例えば、図３に示すような形状に依存しない点列データに対して、図４に示すように、エッジ部に制御点が追加される。

続いて、ステップＳＡ４では、図５に示すように、追加した制御点を起点及び終点とする空送り経路Ａを生成する経路生成処理を実行する（経路生成過程）。
この空送り経路Ａは、工具２０が滑らかに移動することのできる経路曲線とされる。より好ましくは、空送り経路Ａは、工作機械の制御遅れ、工具２０を含む駆動系の慣性力を考慮した経路とされる。具体的には、空送り経路は、微分連続な曲線関数で表される。

ここで、空送り経路Ａの作成に用いられる具体的な曲線関数としては、例えば、対数渦巻き線、レムニスケート曲線等が挙げられる。
対数渦巻き線は、例えば、以下の（１）式で表される。
ｒ＝ａθ（ａ＞０定数、θ＞０） （１）
上記（１）式で表される対数渦巻き曲線を用いて作成された空送り経路の一例を図６に示す。

また、レムニスケート曲線は、例えば、以下の（２）式で表される。

上記（２）式で表されるレムニスケート曲線を用いて作成された空送り経路の一例を図７に示す。
図６、図７において、点Ｐは追加されたエッジ部における制御点、実線Ａはエッジ部における制御点を起点とするとともに終点とする空送り経路である。このように、空送り経路を表す微分連続な曲線関数として、対数渦巻き線或いはレムニスケート曲線を採用することにより、エッジ部において工具を滑らかに移動させることができる。この結果、エッジ部における切削不具合の発生率を低減させることができる。
なお、上記対数渦巻き曲線およびレムニスケート曲線は、いずれも平面曲線関数のため、これらの関数を用いて表される空送り経路は平面内に制約される。

このようにして、エッジ部に追加された各制御点において空送り経路が作成されると、ステップＳＡ５（図２参照）に進み、ステップＳＡ１において読み込んだ点列データおよびステップＳＡ３で追加した制御点並びにステップＳＡ４において作成した空送り経路に基づいて、工具の切削経路データを作成する切削経路作成処理が行われる。
そして、ステップＳＡ６において、作成された切削経路データがＮＣ加工装置２へ出力される。

ＮＣ加工装置２では、切削経路作成装置１から入力された切削経路データがＮＣデータに変換され、このＮＣデータに基づいて工具の移動や回転が制御される。これにより、工具が切削経路に沿って移動することで、ワークの切削加工が行われ、完成加工品が形成される。

以上説明してきたように、本実施形態に係る切削経路作成方法及びプログラム並びに装置によれば、エッジ部に制御点を追加し、この制御点を起点および終点とする空送り経路を作成するので、この空送り経路に沿って工具を移動させることにより、エッジ部における工具の送りを滑らかにすることができる。この結果、エッジ部における切削不具合を解消することができ、切削加工精度を向上させることができる。
また、空送り経路として、対数渦巻き線或いはレムニスケート曲線の一部を採用することにより、後述するフィレット関数等を採用する場合に比べて、空送り経路の距離を短くすることができる。これにより、切削加工に要する時間を短縮することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る切削経路作成方法及びプログラム並びに装置について説明する。本実施形態に係る切削経路作成方法が上記第１の実施形態に係る切削経路作成方法と異なる点は、空送り経路を作成する際に用いる微分連続な曲線関数として、フィレット関数および円を用いる点である。

以下、フィレット関数および円を用いて空送り経路を作成する方法について説明する。
まず、フィレット関数は、以下の（３）式で表される。

ｋ１，ｋ２は任意の定数

ここで、上記フィレット関数とは、例えば、２つの曲面に共通する稜線の曲率を滑らかに、且つ、連続的に変化させる関数である。上記（３）式に示したフィレット関数において、係数ｋ１を適宜変化させることにより、フィレット面の膨らみ具合を変化させることができる。具体的には、ｋ１の値が大きくなるほど、膨らみが小さくなる。
また、係数ｋ２を適宜変化させることにより、直交する２つの線分だけではなく、所定の角度をもって交わっている２つの線分についても滑らかなフィレット面を作成することが可能となる。なお、フィレット関数については、特開２００６−１４６４３７号公報に詳述されている。

このようなフィレット関数を用いて空送り経路を作成する際には、まず、上述したように、２つの面の接続部位であるエッジ部に制御点を追加し、更に、図８に示すように、エッジ部を構成する２本の直線Ｌ１，Ｌ２の延長線Ｌ１´，Ｌ２´を緩やかに結ぶフィレット曲線Ｂを生成する。続いて、図９に示すように、フィレット曲線Ｂの頂点と制御点とを通る線分Ｃ１によりフィレット曲線を二分し、更に、図１０に示すように、分割したそれぞれのフィレット曲線を座標変換することにより、フィレット曲線が含まれる面内で各フィレット曲線を回転させる。続いて、図１１に示すように、回転後のフィレット関数を接線とする円Ｃを生成し、図１２に示すように、円と分割されたフィレット曲線とからなる曲線Ｄで空送り経路を表す。

このように、空送り経路を作成する際に、フィレット曲線および円を採用することによっても、エッジ部において工具を滑らかに移動させることができる。更に、フィレット曲線および円を採用することで、図１３に示すように、速度ベクトルを一定に保つことができるので、空送り経路における工具の移動速度を一定に保つことができる。この結果、エッジ部における切削不具合を解消することができ、切削加工精度を向上させることができる。

なお、上述した実施形態では、ＮＣ加工装置の前段階において、空送り経路等を含む切削経路を作成していたが、これに代えて、従来のＮＣ加工装置によって作成されたＮＣデータを修正することで、エッジ部における空送り経路等を含む切削経路を追加し、この修正後のＮＣデータに基づいてＮＣ加工装置がワークを切削加工することとしてもよい。
この場合、例えば、上述したＣＡＤからの点列データに代えて、従来のＮＣ加工装置によって作成されたＮＣデータを取り込み、この点列データを解析することにより、エッジを検出する。
エッジの検出については、例えば、点列データを繋ぎあわせることにより切削経路の曲線を求め、この曲線の変極点を検出することにより、エッジ部を検出する。なお、エッジの検出方法については、上記例に限られることなく、他の方法を採用してもよい。

このようにして、エッジ部を検出した後は、上述と同様に、制御点を追加し、空送り経路を作成することにより、元のＮＣデータを修正し、修正後のＮＣデータをＮＣ加工装置に再度供給すればよい。
なお、一般的なＮＣ加工装置に、上述した切削経路作成方法を実現するための機能を持たせ、ＮＣ加工装置内でＮＣデータを修正し、修正したＮＣデータに基づいて工具を移動させることとしてもよい。このように、ＮＣ加工装置内にＮＣデータを修正する機能を持たせることにより、別途装置を設ける必要がなくなる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では制御点を起点および終点とする空送り経路を作成したが、これに代えて、図１４に示すように、空送り経路の起点と終点とを異なる制御点としてもよい。例えば、終点については、空送り経路の起点として設定された制御点に隣接する制御点としてもよい。また、このような場合には、空送り経路を表す曲線関数として、裏表の区別のない関数、例えば、メビウスの環等の曲線関数を用いる必要がある。

本発明の第１の実施形態に係る切削経路作成装置の概略構成を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る切削経路作成方法の手順を示したフローチャートである。 エッジ部における制御点が追加される前の点列データの一例を示した図である。 エッジ部における制御点が追加された後の点列データの一例を示した図である。 空送り経路の一例を示した図である。 微分連続な曲線関数として対数渦巻き曲線を採用した場合の空送り経路の一例を示した図である。 微分連続な曲線関数としてレムニスケート曲線を採用した場合の空送り経路の一例を示した図である。 微分連続な曲線関数としてフィレット関数および円を採用する場合の空送り経路の作成過程を説明するための図である。 微分連続な曲線関数としてフィレット関数および円を採用する場合の空送り経路の作成過程を説明するための図である。 微分連続な曲線関数としてフィレット関数および円を採用する場合の空送り経路の作成過程を説明するための図である。 微分連続な曲線関数としてフィレット関数および円を採用する場合の空送り経路の作成過程を説明するための図である。 微分連続な曲線関数としてフィレット関数および円を採用する場合の空送り経路の作成過程を説明するための図である。 微分連続な曲線関数としてフィレット関数および円を採用した場合の空送り経路の速度ベクトルを示した図である。 切削経路の他の例を示した図である。 切削不具合の一例を示した図である。

符号の説明

１ 切削経路作成装置
２ ＮＣ加工装置
１０ コンピュータ
１１ 入力装置
１２ 出力装置
１３ 外部記憶装置
１４ ＣＰＵ
１５ ＲＡＭ
１６ ＲＯＭ

Claims (7)

1. 切削加工の完成品の形状に関する点列データまたは切削経路に関する点列データを用いて、切削面のエッジ部を検出するエッジ部検出過程と、
   検出したエッジ部に切削経路の通過点となる制御点を追加する制御点追加過程と、
   追加した前記制御点を通り、微分連続である曲線関数で表される空送り経路を生成する経路追加過程と
   を有し、
   前記点列データおよび前記空送り経路を用いて工具の切削経路を作成する切削経路作成方法。
2. 前記空送り経路が、フィレット関数および円の一部を用いて示されている請求項１に記載の切削経路作成方法。
3. 前記空送り経路が、対数渦巻き線またはレムニスケート曲線の一部を用いて示されている請求項１に記載の切削経路作成方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の切削経路作成方法によって作成された切削経路に沿って工具を移動させることにより、被切削材の切削加工を行う切削加工方法。
5. 請求項４の切削加工方法により切削加工された加工品。
6. 切削加工の完成品の形状に関する点列データまたは切削経路に関する点列データを用いて、切削面のエッジ部を検出するエッジ部検出処理と、
   検出したエッジ部に切削経路の通過点となる制御点を追加する制御点追加処理と、
   追加した前記制御点を通り、微分連続である曲線関数で表される空送り経路を生成する経路追加処理と
   をコンピュータに実行させる切削経路作成プログラムであって、
   前記点列データおよび前記空送り経路を用いて工具の切削経路を作成する切削経路作成プログラム。
7. 請求項６に記載の切削経路作成プログラムを実行することにより、工具の切削経路を作成する切削経路作成装置。

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