JP2011039991A - Ｃａｄ／ｃａｍシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数層の区分に基づく三次元の造形において、効率的な切削を可能とするような工具の移動軌跡を形成し得るＣＡＤ／ＣＡＭシステムを提供すること。
【解決手段】 造形物の断面図の周囲から、元の素材１の表面近傍から、順次工具の切削幅に基づいて順次予定ラインを外側に設定し、当該予定ラインが元の素材１に対し、工具の回転径だけ外側に位置している周囲外側ライン２よりも更に外側に位置するような状態に至った段階にて、周囲外側ライン２の内側に位置している予定ライン、及び周囲外側ライン２と交差している全ての予定ライン、又は当該交差している予定ラインのうち、周囲外側ライン２の内側領域及び周囲外側ライン２のうちの当該交差位置並びに当該交差する予定ラインの内側に位置している領域を工具の移動する軌跡として作成するＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
【選択図】 図２

Description

本発明は、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外側から内側にかけて順次切削することによる三次元造形物の切削加工方法において、工具の回転中心が移動する軌跡を作成するＣＡＤ／ＣＡＭシステムに関するものである。

回転する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、前記工具による切削を実現するためには、工具の回転中心が移動する軌跡の設定を不可欠としており、通常、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムによって各層毎に、造形物の断面の周囲における軌跡が当該断面に近い内側から外側にかけて作成されている。

前記軌跡のうち、少なくとも外側の軌跡は、必然的に三次元造形物の元の素材の形状によって左右されている。

しかして、各層における複数個の軌跡をＣＡＤ／ＣＡＭシステムによって設定する際、三次元造形物の断面形状を基準としたうえで、元の素材の形状との関係に基づいて、工具の回転中心が移動する軌跡をどのように設定するかにつき、基本的な方法に関する構成をこれまで開示又は示唆している公知技術は見当たらない。

因みに、特許文献１及び同２は、三次元造形物の断面を基準として、軌跡の特徴的な形状について論じているだけであって、内側から外側における複数の軌跡全体の設定方法につき、格別の技術内容を開示している訳ではない。

他方、非特許文献１は、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムによって、元の素材から三次元造形物の形成に至る切削が可能であり、かつＣＡＭによって当該切削に必要なプログラムを作成し得ることを一般的に記載しているが（１５９頁〜１６２頁の４・２・２）、前記方法に関し、具体的な構成を開示又は示唆している訳ではない。

特開２００６−２３５７６４号公報。

特開２００７−２００１２１号公報。

社団法人日本工学会編「三次元ＣＡＤ実践活用法」（株式会社コロナ社２００６年８月２８日初版第１刷発行）

本発明は、三次元造形物を複数層に区分したうえで、各層における造形物の断面形状を基準とし、かつ切削の対象となる素材の断面形状との関係を考慮しながら、造形物の断面形状に近い内側から前記素材の周囲が存在する外側領域にかけて、工具が移動し、かつ効率的な切削を可能とする複数の軌跡を形成し得るＣＡＤ／ＣＡＭシステム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）各層毎に、造形物の外側から内側にかけて設定された複数の軌跡に沿って、工具が切削加工を行う三次元造形方法において、以下のようなプロセスを実現しているソフトウエアによって、工具の回転中心が移動する軌跡を作成するＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
ａ 各層における切削の対象となる素材の断面図の周囲に対し、工具の回転径だけ外側に位置している周囲外側ラインを設定すると共に、前記断面図の内側に位置している各層における造形物の断面図を設定する、
ｂ 造形物の断面図の周囲に、（工具の回転径−工具の切削幅）の距離だけ外側に位置している切削を予定しているライン１（以下、前記切削を予定しているラインを「予定ライン」と略称する。）、及び当該予定ライン１に対し切削幅だけ外側に位置している予定ライン２，・・・，予定ライン（ｉ−１）に対し、切削幅だけ外側に位置している予定ラインｉ，・・・の順序にて、内側から外側にかけて順次予定ラインを作成し、各予定ラインにおいて基準点（Cutting Location）を設定する、
ｃ 順次作成した予定ラインｎが周囲外側ライン上に位置するか、又は当該周囲外側ラインよりも更に外側に位置することが判明した場合に、予定ライン１，・・・，ｉ，・・・，（ｎ−１）を以って工具が移動する軌跡として設定する、
（２）各層毎に、造形物の外側から内側にかけて設定された複数の軌跡に沿って、工具が切削加工を行う三次元造形方法において、以下のようなプロセスを実現しているソフトウエアによって、工具の回転中心が移動する軌跡を作成するＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
ａ 各層における切削の対象となる素材の断面図の周囲に対し、工具の回転径だけ外側に位置している周囲外側ラインを設定すると共に、前記断面図の内側に位置している各層における造形物の断面図を設定する、
ｂ 造形物の断面図の周囲に、（工具の回転径−工具の切削幅）の距離だけ外側に位置している切削を予定しているライン１（以下、前記切削を予定しているラインを「予定ライン」と略称する。）、及び当該予定ライン１に対し切削幅だけ外側に位置している予定ライン２，・・・，予定ライン（ｉ−１）に対し、切削幅だけ外側に位置している予定ラインｉ，・・・の順序にて、内側から外側にかけて順次予定ラインを作成し、各予定ラインにおいて基準点（Cutting Location）を設定する、
ｃ 順次作成した予定ラインｎが周囲外側ライン上に位置するか、又は当該周囲外側ラインよりも更に外側に位置することが判明した場合に、予定ライン１，・・・，ｉ，・・・，（ｎ−１）のうち、周囲外側ラインの内側に位置している領域、及び周囲外側ラインのうち、一部の予定ラインとの交差位置及び当該交差する予定ラインの内側に位置している領域を以って工具が移動する軌跡として設定する、
からなる。

前記基本構成（１）、（２）に基づき、本発明においては、工具が切削を行うために移動する軌跡を簡単に設定することができ、しかも当該軌跡に沿って、工具は効率的に元の素材の形状から目標となる三次元造形物の形状に至る切削加工を行うことが可能となる。

前記基本構成（１）の基本原理を説明する平面図である（太い実線によって工具が移動する軌跡を示す）。 前記基本構成（２）の基本原理を説明する平面図である（太い実線によって工具が移動する軌跡を示す）。 各予定ラインが周囲外側ラインよりも外側に位置しているか否かを判定し、最初の外側に位置している予定ライン（ｎ）を識別する工程を示すフローチャートである。

前記基本構成（１）においては、プロセスａのように、切削の対象となる素材１の周囲に対し更に工具の回転半径だけ外側に位置している周囲外側ライン２を設定し、かつ造形対象物１１の断面を設定したうえで、前記ｂのように、順次予定ラインを設定すると共に、各予定ラインにおいて基準点（Cutting Location）を設定し、更には、前記ｃのように、周囲外側ライン２よりも外側に位置しているような予定ラインｎに至った場合に、予定ライン１，・・・，ｉ，・・・，（ｎ−１）を以って切削に必要な軌跡が設定されており、当該設定状況は、図１に示すとおりである。

造形対象物１１に最も近い位置にある予定ライン１は、造形対象物１１の断面に対し、（工具の回転半径−切削幅）による距離だけ外側の位置を設定しているが、その根拠は、最終段階に移動する軌跡によって造形対象物１１の各層における表面を形成するためには、上記距離だけ外側の位置の軌跡を移動することが必要であるからに他ならない。

周囲外側ライン２は、素材１の表面よりも工具の回転よりも工具の回転径だけ外側に位置しているが、予定ラインｎは、当該周囲外側ライン２上に位置しているか、又は当該周囲外側ライン２よりも更に外側に位置している。

したがって、予定ラインｎに対し、工具の切削幅だけ内側に位置している予定ライン（ｎ−１）は、前記素材１の外側に位置している一方、一部領域は、周囲外側ライン２の内側に位置している以上、当該内側に位置している領域の前記素材１との距離は、工具の回転径よりも小さいという関係にある。

したがって、予定ライン（ｎ−１）のうち、前記素材１との距離が工具の回転径よりも小さな領域においては、回転に伴う切削が開始することになる。

前記基本構成（２）におけるプロセスａ、ｂは、前記基本構成（１）と変わりはない。

しかしながら、プロセスｃにおいて、軌跡として設定されるのは、予定ライン１，・・・，ｉ，・・・，（ｎ−１）自体ではなく、これらの予定ラインのうち、周囲外側ライン２の内側領域及び周囲外側ライン２のうちの前記各予定ラインとの交差位置及び当該交差する各予定ラインの内側に位置している領域であって、その状況は、図２に示すとおりである。

即ち、前記基本構成（２）において設定された軌跡は、
（i）全領域を周囲外側ライン２によって囲まれ、周囲外側ライン２内において一巡しているような予定ライン、
＋
（ii）予定ラインのうち、周囲外側ライン２によって囲まれる領域
＋
（iii）周囲外側ライン２のうち、前記（ii）の予定ラインと両端において交差している位置及び当該交差する各予定ラインの内側に位置している領域
によって構成されることになる。

前記基本構成（２）の場合には、上記（iii）のように、周囲外側ライン２を軌跡の一部と設定し得ることから、前記(１)の構成の場合に比し、切削を伴わずに工具が移動する軌跡の長さを短く設定することが可能であり、この点は、図１と図２との対比によっても明らかである。

各予定ラインが周囲外側ライン２よりも外側に位置しているか否か、具体的には、予定ラインｎに該当するか否かの判別は、図３のフローチャートに示すとおりである。

基本構成（１）、（２）の何れにおいても、工具が周囲外側ライン２よりも外側領域を移動する段階では、切削を伴っておらず、空転の発生を免れることができない。

このような状況を考慮し、造形物の断面図の中心位置を元の素材１の断面図の中心位置と一致させることを特徴とする実施形態の場合には、造形対象物１１の断面の表面と、前記素材１の周囲との距離における偏差（ズレ）を比較的少なく設定することが可能となることから、前記のように、工具の空転をより小さくすることができる。

以下、実施例に即して説明する。

実施例１は、基本構成（１）及び（２）において、外側から内側に至る複数の軌跡のうち、所定の中途段階より内側領域において切削幅を小さく設定するようなソフトウエアを付加していることを特徴としている。

即ち、実施例１においては、造形対象物１１の表面に近い中途段階以降において、比較的少ない切削幅によって緻密な表面形状を実現する一方、上記中途段階より外側領域（切削を伴っていない軌跡の領域も含む）においては、大きな切削幅を設定することによって、速やかな切削を実現することが可能となり、結局、作業効率と緻密な三次元造形物の表面の切削とを両立することが可能となる。

尚、切削幅の大小は、工具の回転径の大小関係、又は工具の回転速度の大小関係によって左右されるが、回転径を変化させる場合には、工具の変更を必要とするのに対し、回転速度を変化させる場合には、上記変更は不要であることから、後者の方式を採用する方が便利である。

実施例２は、前記基本構成（１）及び（２）において、外側から内側に至る複数の軌跡のうち、中途段階より内側領域において工具の移動速度を小さく設定するようなソフトウエアを付加していることを特徴としている。

即ち、実施例２においては、造形対象物１１の表面に近い中途段階以降において、比較的少ない移動速度によって緻密な表面形状を実現する一方、上記中途段階より外側領域（切削を伴っていない軌跡の領域も含む）においては、大きな移動速度の設定によって、速やかな切削を実現することが可能となり、結局、作業効率と緻密な三次元造形物の表面の切削とを両立することが可能となる。

尚、上記中途段階以降において小さな移動速度を設定した場合、工具の回転速度をも小さく設定した場合には、単位移動距離当りの工具の回転量を略均一とすることが可能となり、正確かつ均一な切削に資することができる。

本発明は、複数層に区分された領域毎に工具の切削加工を行う三次元造形物製造の全分野において利用することができる。

１ 造形物に対する元の素材
１０ 造形対象物の周囲を示すライン
１１ 造形対象物
２ 周囲外側ライン
３ 予定ライン
３１ 最内側の予定ライン
・
・
３ｉ ｉ番目の予定ライン
・
・
３ｎ 周囲外側ラインよりも外側に位置しているｎ番目の予定ライン

Claims (6)

1. 各層毎に、造形物の外側から内側にかけて設定された複数の軌跡に沿って、工具が切削加工を行う三次元造形方法において、以下のようなプロセスを実現しているソフトウエアによって、工具の回転中心が移動する軌跡を作成するＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
   ａ 各層における切削の対象となる素材の断面図の周囲に対し、工具の回転径だけ外側に位置している周囲外側ラインを設定すると共に、前記断面図の内側に位置している各層における造形物の断面図を設定する。
   ｂ 造形物の断面図の周囲に、（工具の回転径−工具の切削幅）の距離だけ外側に位置している切削を予定しているライン１（以下、前記切削を予定しているラインを「予定ライン」と略称する。）、及び当該予定ライン１に対し切削幅だけ外側に位置している予定ライン２，・・・，予定ライン（ｉ−１）に対し、切削幅だけ外側に位置している予定ラインｉ，・・・の順序にて、内側から外側にかけて順次予定ラインを作成し、各予定ラインにおいて基準点（Cutting Location）を設定する。
   ｃ 順次作成した予定ラインｎが周囲外側ライン上に位置するか、又は当該周囲外側ラインよりも更に外側に位置することが判明した場合に、予定ライン１，・・・，ｉ，・・・，（ｎ−１）を以って工具が移動する軌跡として設定する。
2. 各層毎に、造形物の外側から内側にかけて設定された複数の軌跡に沿って、工具が切削加工を行う三次元造形方法において、以下のようなプロセスを実現しているソフトウエアによって、工具の回転中心が移動する軌跡を作成するＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
   ａ 各層における切削の対象となる素材の断面図の周囲に対し、工具の回転径だけ外側に位置している周囲外側ラインを設定すると共に、前記断面図の内側に位置している各層における造形物の断面図を設定する。
   ｂ 造形物の断面図の周囲に、（工具の回転径−工具の切削幅）の距離だけ外側に位置している切削を予定しているライン１（以下、前記切削を予定しているラインを「予定ライン」と略称する。）、及び当該予定ライン１に対し切削幅だけ外側に位置している予定ライン２，・・・，予定ライン（ｉ−１）に対し、切削幅だけ外側に位置している予定ラインｉ，・・・の順序にて、内側から外側にかけて順次予定ラインを作成し、各予定ラインにおいて基準点（Cutting Location）を設定する。
   ｃ 順次作成した予定ラインｎが周囲外側ライン上に位置するか、又は当該周囲外側ラインよりも更に外側に位置することが判明した場合に、予定ライン１，・・・，ｉ，・・・，（ｎ−１）のうち、周囲外側ラインの内側に位置している領域、及び周囲外側ラインのうち、一部の予定ラインとの交差位置及び当該交差する予定ラインの内側に位置している領域を以って工具が移動する軌跡として設定する。
3. ｂの造形物の断面図の中心位置をａの素材の断面図の中心位置と一致させることを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載のＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
4. 外側から内側に至る複数の軌跡のうち、所定の中途段階より内側領域において切削幅を小さく設定するようなソフトウエアを付加してい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ＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
5. 外側から内側に至る複数の軌跡のうち、所定の中途段階より内側領域において工具の移動速度を小さく設定するようなソフトウエアを付加していることを特徴とする請求項１、２、３、４の何れか一項に記載のＣＡＤ／ＣＡＭシステム。
6. 外側から内側に至る複数の軌跡のうち、所定の中途段階より内側領域において工具の回転速度を小さく設定するようなソフトウエアを付加していることを特徴とする請求項５記載のＣＡＤ／ＣＡＭシステム。

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