JP2011036985A - Ｃａｍシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 切削用の工具が移動する軌跡の曲率に応じて、適切な移動用の基準点、即ちＣＬの配列の設定を可能とするようなソフトウエアをＣＡＭシステムによって作成すること、及び当該配列に基づく工具の制御方法を提供すること。
【解決手段】 工具が移動する切削ライン上において、予め設定したＣＬ２における独立の近似値を算定し、当該曲率の近似値の大きさを複数個の段階に区分し、各段階に対応してＣＬ２の各グループを複数個の領域に区分し、各区分領域毎に新たに追加するＣＬ２の数につき、曲率が大きい領域程、単位長さ当りのＣＬ２の配列の数を大きくするようなソフトウエアを作成するＣＡＭシステム及び当該ソフトウエアに基づく切削用の工具の制御方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三次元造形対象物に対する切削用の工具の回転に伴う切削加工において、工具が移動するために配列された切削用基準点（Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｌｏｃａｔｉｏｎ：以下「ＣＬ」と略称する。）の配列につき、合理的な基準を設定するようなソフトウエアを作成するＣＡＭシステム、及び当該ソフトウエアに基づく工具の制御方法に関するものである。

回転工具の切削によって、三次元の造形を行う技術は周知であり、特に、三次元造形対象物が所定の方向と直交する方向の平面に沿って各層毎に区分されており、かつ工具が各層の表面を順次切削することを特徴とする切削加工方法が様々な分野における造形方法として採用されるに至っている。

しかして、三次元造形対象物の各層の表面を順次切削する場合には、必然的に各層毎に工具の回転中心が移動する切削用の軌跡がＣＡＤシステムによって予め設定されており、当該軌跡は、各層毎に外側から内側に掛けて複数個設定されている。

各軌跡は、必然的に所定の曲率に基づくカーブが形成されており、当該曲率は様々な数値に及んでいる。

そして、曲率が大きい程、工具の移動の基準となるＣＬの適切な配列状況は、軌跡の曲率によって相違しており、曲率が大きい程、当該曲率を反映するような明確な切削を実現するためには、曲率が大きい程、ＣＬを緊密に配列することが要求されるという傾向にある。

しかるに、従来技術においては、軌跡の曲率如何に拘らずＣＬは等距離を以って配列されており、曲率に応じて配列を調整するという配慮は行われていない。

しかもこのような状況は、軌跡の形成にＣＡＭシステムによって作成されたソフトウエアが関与している場合においても変わりはない。

因みに、特許文献１及び同２は、工具が移動する軌跡の作成にＣＡＭシステムによるソフトウエアが関与する構成を示しているが、ＣＬの配列につき、格別の構成を提供している訳ではない。

特開２００６−２３５７６４号公報 特開２００７−２００１２１号公報

本発明は、切削用の工具が移動する軌跡の曲率に応じて、適切な移動用の基準点、即ちＣＬの配列の設定を可能とするようなソフトウエアをＣＡＭシステムによって作成すること、及び当該配列に基づく工具の制御方法を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）三次元造形対象物に対する工具の回転に伴う切削加工方法において、ＣＡＤシステムと連携しているＣＡＭシステムであって、工具が移動する軌跡上の基準点（Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｌｏｃａｔｉｏｎ：以下「ＣＬ」と略称する。）につき、以下のような工程を実現するソフトウエアを作成し得るＣＡＭシステム。
ａ ＣＡＤシステムによって作成された軌跡上において、ＣＬ（（ｘ_１、ｙ_１）、・・・（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）、・・・（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ））を相互に等距離の配列状態となるように設定する。
ｂ 各ＣＬにつき、下記の算定を行う。
記

但し、

（但し、ｉ＝ｎの場合にｉ＋１の位置は隣接しているｉ＝１の位置であり、ｉ＝１の場合にｉ−１に該当するのは、隣接しているｉ＝ｎの位置である。）
ｃ 前記（ａ）式につき、最大値から最小値、又は最大値から中間値に至るまでの複数段階に区分し、各段階に対応するＣＬのグループが形成する各領域において、前記ａによって設定された既存のＣＬの中間位置に、新たなＣＬを各ＣＬ間の距離が等距離間隔となるように配列し、新たな配列に基づく前記軌跡上の単位長さ当りのＣＬの数の大小関係は、ＣＬの各グループが対応している各段階の数値範囲の大小関係と一致するように設定する、
（２）前記（１）のＣＡＭシステムによって作成されたソフトウエアに基づいて、工具が移動する軌跡上につき、単位長さ当りのＣＬの数が相違するように配列された軌跡上に沿って、工具を移動させることに基づく工具制御システム
からなる。

前記（１）のＣＡＭシステム及び前記（２）の工具制御システムに基づいて、本発明においては、切削ラインを構成する軌跡の曲率が大きい程、緻密なＣＬの数を設定することができるので、複雑なカーブを形成している軌跡においても正確な切削形状を実現することが可能となる。

前記基本構成（１）の工程ｃに基づいて作成された特定の軌跡における各区分領域毎のＣＬの配列状況を示す平面図である。

尚、（１）、（２）、（３）の順序に従って、単位長さ当りのＣＬの数が多くなっている状態を示す。
前記基本構成（１）の工程ａによって設定された軌跡上のＣＬの配列状況を示す平面図である。

尚、〔図１〕、〔図２〕は何れも説明のための模試的図面であって、実際のＣＬの配列状態を反映している訳ではない。

最初に、前記基本構成（１）の基本原理について説明する。

工程ａにおいては、図２に示すように、予めＣＡＤ／ＣＡＭシステムによって作成された軌跡１上において、ＣＬ２を相互に等距離となるような配列状態を設定している。

前記の等距離状態とは、各ＣＬ２間の軌跡１上の距離を基準とする場合、及び各ＣＬ２を結ぶ直線を基準とする場合の何れをも採用可能であり、この点は後述する工程ｃにおける等距離という趣旨においても、全く同様である。

工程ｂについて説明するに、一般にｙ＝ｆ（ｘ）という関数によって形成される軌跡１において、曲率半径をＲとした場合、
１／Ｒ＝ｆ″（ｘ）／|１＋ｆ′（ｘ）|^３／２ ・・・・・・・・・ （ｂ）
という曲率によって表すことができ、この点は技術常識に該当している（但し、ｆ′（ｘ）＝ｄｆ（ｘ）／ｄｘはｘによる１次微分を表現しており、ｆ″（ｘ）＝ｄ^２ｆ（ｘ）／ｄｘ^２はｘによる２次微分を表現している。）。

（ａ）式の分母におけるｙ_ｉ′は、（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）というｉ番目のＣＬ２の両側における勾配の平均値であって、１次微分の近似値であり、（ａ）式の分子におけるｙ_ｉ″は、（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）の両側における前記勾配の平均値ｙ_ｉ′の更なる勾配の平均値（前記勾配の平均値につき、更に両側のｘ軸方向のＣＬ２による区分幅によって除したことによる平均値）であって、前記２次微分の近似値に該当している。

このような（ａ）式からも明らかなように、前記基本構成（１）の工程ｂにおいては、ＣＡＤによって予め配列された各ＣＬ２につき、ＣＡＭシステムによって作成されたソフトウエアが、曲率の近似値を算定していることに帰する。

工程ｃにおいては、上記算定の後に（ａ）式を最大値から最小値、又は最大値から中間値に至るまで複数段階に区分し、軌道において、前記複数の各段階に対応するＣＬ２のグループに基づいて各領域の区分を設定したうえで、最大値から最小値に至る全領域又は最大値から中間値に至る一部の領域について、予め設定したＣＬ２の中間位置に更なるＣＬ２を相互の距離が等距離となるように設定しており、しかも設定する数につき、（ａ）式が大きな数値範囲である段階に対応する領域程、単位長さ当りＣＬ２の数も多くなること、即ち対応する（ａ）式の各段階の数値の大小関係と一致するように、各領域における単位長さ当りのＣＬ２の数の大小関係が左右されるように設定されている。

このような新たなＣＬ２の追加配列によって、（ａ）式の数値範囲によって区分された軌跡１は図１に示すように、曲率の大きな区分領域程、多数のＣＬ２が均等距離を以って追加配列されることになる。

工程ｃにおいては、既存のＣＬ２に追加して新たなＣＬ２を配列する場合、単位長さ当りのＣＬ２の数が既存のＣＬ２の数に比し、２倍、３倍という整数倍にて増加するような構成に限定されている訳ではない。

即ち、ＣＬ２の各グループにおいて、新たに配列するＣＬ２の数が、既存のＣＬ２の数よりも少ない状態であって、配列の前後において、既存のＣＬ２の各位置を移動させるか、又は既存のＣＬ２及び新たなＣＬ２の各位置の双方を移動させることによる新たなＣＬ２の追加設定も可能である。

具体的には、特定の区分領域において、既存のＣＬ２に対し１／２の数の新たなＣＬ２を追加し、既存のＣＬ２の位置を移動させるか、又は既存のＣＬ２及び新たなＣＬ２の各位置を移動させることによって単位長さ当りのＣＬ２の数を既存のＣＬ２のみの場合に比し、３／２倍としたうえで等距離に配列すること（各ＣＬ２間の距離を２／３倍としたうえで等距離に配列すること）も可能である。

基本構成（１）においては、軌跡１の全領域又は一部領域について、新たなＣＬ２を中間位置に配列することを想定しているが、このような新たなＣＬ２を設定するだけでなく、既存のＣＬ２につき、一部の各グループについて部分的に除去するような工程をも付加することも可能である。

具体的には、前記（ａ）式につき、最大値から最小値に至るまでの複数段階に区分し、最小値に対応するＣＬ２のグループが形成する領域又は最小値から中間値に至るまでの複数段階に対応するＣＬ２のグループが形成する各領域につき、既存のＣＬ２の一部を除去し、残るＣＬ２が等間隔となるように配列し、除去された後の前記軌跡１上の単位長さ当りのＣＬ２の数の大小関係は、ＣＬ２の各グループに対応する各段階の数値範囲の大小関係に一致するように設定する工程を付加し得るようなソフトウエアによっても作成することも可能である。

このように、最小値に対応する領域又は最小値から中間値に至る複数段階に対応する各領域について、一部のＣＬ２を除去した場合には、曲率に対応してＣＬ２の単位長さ当りの数の比率を色々な状態に変化させることが可能となる。

前記基本構成（１）において、（ａ）式の数値範囲に基づく各段階の設定の仕方、及び各段階に対応するＣＬ２のグループにおいて形成される各領域の相互間における単位長さ当りのＣＬ２の比率は、各領域における曲率の範囲及び長さ、切削工具の移動速度等を考慮し総合的に決定される。

但し、発明者らがこれまで体験した造形対象物の場合には、（ａ）式の最大値と最小値の比率が、５：０以内の場合が多く、前記最大値に対応するＣＬ２のグループが形成する領域と前記最小値に対応するＣＬ２のグループが形成する領域において、配列されたＣＬ２の軌跡１上の単位長さ当りのＣＬ２の数の比率が４：１に設定することによって十分対応可能である。

前記のような数値の比率を採用した場合、例えば、（ａ）式の大きさにつき、５〜３以上：３未満〜２以上：２未満〜０の３段階に区分けし、各段階に対応しているＣＬ２のグループが形成する各領域における単位長さ当りのＣＬ２の数の比率につき、４：２：１に設定することは、具体的な数値の設定方法として相当適切な結果を得ている。

前記（２）の基本構成は、前記（１）のＣＡＭシステムによって作成されたソフトウエアに基づいて、工具の切削に対する制御を行っているが、前記のように、曲率の程度が大きい領域程、ＣＬ２の単位長さ当りの配列密度を大きく設定することが可能となり、ひいては曲率の著しい加工面の場合であっても、正確な切削加工を行うことが可能となる。

尤も、正確な加工面は、造形対象物表面を形成する最も内側の加工面、更にはその近傍の加工面において必要ではあっても、外側の加工面においては必ずしも必要という訳ではない。

このような状況を考慮し、最も内側の切削ライン及び当該内側の切削ラインの近傍に位置している複数個の切削ラインのみにＣＡＭによって作成されたソフトウエアを採用することを特徴とする実施形態は、作業効率の観点から好適に採用することができる。

以下、実施例に従って説明する。

実施例１においては、ＣＬ２の各グループに対応して工具の回転速度を選択し、かつＣＬ２の単位長さ当りの配列の数が異なる２グループ間において、当該配列の数が大きいグループに対応する工具の回転速度は、小さいグループに比し小さいか又は等しい状態とするようなソフトウエアを作成することを特徴としている。

前記基本構成（１）において、曲率が大きい領域程、単位長さ当りに配列されたＣＬ２の数が多いことから、工具の移動速度は、曲率の小さい領域に比し移動速度は低下するという傾向にある。

このような場合、工具の自転速度を一定とした場合には、工具が単位長さを移動する際の切削量が、曲率の大きい領域程、大きくなるという危険性を免れることができない。

実施例１においてはこの点を考慮し、曲率が大きい段階に対応する領域が、曲率のより小さい段階に対応する領域よりも自転速度を小さくするか又は少なくとも同等とすることによって、前記のような危険性を防止又は減少させており、前記基本構成（２）においては、各領域において略均一な切削量を確保することが可能となる。

実施例２は、ＣＬ２の各グループに対応して工具の回転径を選択し、かつＣＬ２の単位長さ当りの配列の数が異なる２グループ間において、当該配列の数が大きいグループに対応する工具の回転径は、小さいグループに比し小さいか又は等しい状態とするようなソフトウエアを作成することを特徴としている。

通常、作業効率の考慮から工具の交換は行われていない。

にも拘らず、実施例２において敢えて一部の曲率に対応して工具の交換を行っているのは、曲率が大きい場合に、小さな回転径の工具によって正確な形状を確保することが可能であるという経験則に立脚している。

曲率の大きさに基づく各段階毎に工具の交換を行う必要はないが、少なくとも実施例２のように、曲率の大きい段階に対応する領域の方が曲率の小さい段階に対応する領域に比し、回転径を小さくするか又は同等とするような工具の交換を行った場合には、各曲率の段階に対応する各区分領域につき、それぞれ適切な回転径の工具による切削を実現し、ひいては曲率の大きな領域においても、更に緻密な切削加工面の加工を実現することが可能となる。

但し、１個の軌跡１において、異なる区分領域に対応して工具の交換を行う場合、又は異なる軌跡１に対応して工具の交換を行う場合の何れにおいても、工具の回転径が変化する以上、当該回転径の変化に対応して三次元造形対象物との相対距離につき、前記回転径の変化に対応して調整を行うことを必要としている。

本発明は、切削用の工具を使用した三次元造形物の製造方法の全方式に適用することが可能である。

１ 軌跡
２ 基準点、即ちＣＬ

Claims (9)

1. 三次元造形対象物に対する工具の回転に伴う切削加工方法において、ＣＡＤシステムと連携しているＣＡＭシステムであって、工具が移動する軌跡上の基準点（Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｌｏｃａｔｉｏｎ：以下「ＣＬ」と略称する。）につき、以下のような工程を実現するソフトウエアを作成し得るＣＡＭシステム。
   ａ ＣＡＤシステムによって作成された軌跡上において、ＣＬ（（ｘ_１、ｙ_１）、・・・（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）、・・・（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ））を相互に等距離の配列状態となるように設定する。
   ｂ 各ＣＬにつき、下記の算定を行う。
   記
   

   

   但し、
   

   

   （但し、ｉ＝ｎの場合にｉ＋１の位置は隣接しているｉ＝１の位置であり、ｉ＝１の場合にｉ−１に該当するのは、隣接しているｉ＝ｎの位置である。）
   ｃ 前記（ａ）式につき、最大値から最小値、又は最大値から中間値に至るまでの複数段階に区分し、各段階に対応するＣＬのグループが形成する各領域において、前記ａによって設定された既存のＣＬの中間位置に、新たなＣＬを各ＣＬ間の距離が等距離間隔となるように配列し、新たな配列に基づく前記軌跡上の単位長さ当りのＣＬの数の大小関係は、ＣＬの各グループが対応している各段階の数値範囲の大小関係と一致するように設定する。
2. ＣＬの各グループにおいて、新たに配列するＣＬの数が、既存のＣＬの数よりも少ない状態であって、配列の前後において、既存のＣＬの位置を移動させるか、又は既存のＣＬ及び新たなＣＬの各位置の双方を移動させることを特徴とする請求項１記載のＣＡＭシステム。
3. 前記（ａ）式につき、最大値から最小値に至るまでの複数段階に区分し、最小値に対応するＣＬのグループが形成する領域又は最小値から中間値に至るまでの複数段階に対応するＣＬのグループが形成する各領域につき、既存のＣＬの一部を除去し、残るＣＬが等間隔となるように配列し、除去された後の前記軌跡上の単位長さ当りのＣＬの数の大小関係は、ＣＬの各グループに対応する各段階の数値範囲の大小関係に一致するように設定する工程を付加し得るようなソフトウエアを作成し得る請求項１、２の何れか一項に記載のＣＡＭシステム。
4. （ａ）式の最大値と最小値の比率が、５：０であって、前記最大値に対応するＣＬのグループが形成する領域と前記最小値に対応するＣＬのグループが形成する領域において、配列されたＣＬの軌跡上の単位長さ当りのＣＬの数の比率が４：１に設定することを特徴とする請求項１、２、３の何れか一項に記載のＣＡＭシステム。
5. （ａ）式の大きさにつき、５〜３以上：３未満〜２以上：２未満〜０の３段階に区分けし、各段階に対応しているＣＬのグループが形成する各領域における単位長さ当りのＣＬの数の比率につき、４：２：１に設定することを特徴とする請求項４記載のＣＡＭシステム。
6. ＣＬの各グループに対応して工具の回転速度を選択し、かつＣＬの単位長さ当りの配列の数が異なる２グループ間において、当該配列の数が大きいグループに対応する工具の回転速度は、小さいグループに比し小さいか又は等しい状態とするようなソフトウエアを作成することを特徴とする請求項１、２、３、４、５の何れか一項に記載のＣＡＭシステム。
7. ＣＬの各グループに対応して工具の回転径を選択し、かつＣＬの単位長さ当りの配列の数が異なる２グループ間において、当該配列の数が大きいグループに対応する工具の回転径は、小さいグループに比し小さいか又は等しい状態とするようなソフトウエアを作成することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６の何れか一項に記載のＣＡＭシステム。
8. 請求項１、２、３、４、５、６、７の何れか一項のＣＡＭシステムによって作成されたソフトウエアに基づいて、工具が移動する軌跡上につき、単位長さ当りのＣＬの数が相違するように配列された軌跡上に沿って、工具を移動させることに基づく工具制御システム。
9. 複数個の切削ラインの内、最も内側の切削ライン及び当該内側の切削ラインの近傍に位置している複数個の切削ラインのみにＣＡＭによって作成されたソフトウエアを採用することを特徴とする請求項８記載の工具制御システム。

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