JP2017538239A - 数値制御された工作機械上の切り屑除去工具によって工作物を機械加工する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】【解決手段】本発明は、数値制御された工作機械上で切り屑除去工具２によって工作物１を機械加工する方法に関し、数値制御された工作機械において、工具２は、一連の支点Ｎによって形成される工具経路３に沿って工作物１に対して移動され、工具２の回転の間に生成される境界ボリューム４は、工作物１を機械加工する際の、工作物１の望ましい表面５と点接触する接点６を本質的に含み、支点Ｎに関するデータに加えて、境界ボリューム４と工作物１の望ましい表面５との間のそれぞれの接点６に関するデータが予め決定され、工具経路３が、接点６に関するデータに基づいて最適化されることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに従って工作物を機械加工する方法に関する。

詳細には、本発明は、数値制御された工作機械上の切り屑除去工具によって工作物を機械加工する方法に関し、当該工作機械において、工具は、工具経路（例えば一連の支点によって形成される線）に沿って工作物に関連して移動されるものであり、工具の回転の間に生成される境界ボリュームは、工作物を機械加工する際の、工作物の表面と点接触する接点を基本的に含む。

球状工作工具を使用するフライス加工法は、例えば合成材料部品の生産の型で、自由な形態の表面を作るために頻繁に使用される。工作物の表面と、工具の回転によって生成される境界ボリュームとの間には、１つの点接触しか存在しない。特定の寸法と表面品質を有する工作物の表面を提供するためには、工具は通常、製作する工作物上で線状に移動され、当該線は、個々の線又は工具経路の間に小さい間隔があり、点接触が常に維持される。工具経路は、加工機械を支点から支点へと移動する一連の支点によってフライス加工プログラムにより記述される。工具経路がより近くプログラムされるとともに、工具経路を記述するために工具経路内により多くの支点が設けられるほど、機械加工がより正確になるとともに、それ故表面品質がより良くなる。

個々の支点の位置は、不運にも、現代のＣＡＭシステム（プログラミングシステム）によっても常に正確であるというわけではない。所定の公差内で、支点は、工作物から作られる望ましい表面に近過ぎるか遠過ぎる場合がある。これは、製作する工作物の表面品質の不正確さ及び低下につながる。さらに、個々の工具経路内の支点の分布は、好ましくないことが多い。特に、隣接する工具経路内の支点の数は、大きく異なり得る。

加工機械を制御するためのＣＮＣコントローラは、工具経路のコースを補間するための情報としてフライス加工プログラムの支点のみ有している。ある領域の支点の数が大きく異なる場合、又は当該支点が正確に計算されない場合、使用されるアルゴリズムに応じて、補間についての偏差が可能であり、当該偏差は今度は、表面品質及び計測精度に悪影響を及ぼす。

多くの特に正確な点を有する高精度なフライス加工プログラムを計算するためには、プログラミングシステムの計算のために相応に高額な費用が必要となる。数値制御されたプログラムの計算には長い時間がかかる。これは望ましくないので、プログラムが、より近似な公差で計算され、それに応じて工作物の品質が低くなることが、頻繁に受け入れられている。

本発明の目的は、序文で述べたタイプの方法を提供することであり、当該方法は、短い機械加工時間で、単純な構造及び単純で費用効果が高い有用性の場合に、高い表面品質を保証する。

本発明に従って、主たる請求項の特徴の組み合わせによって目的が達成され、従属項は、本発明のさらなる効果的な実施形態を示す。

本発明に従って、支点に関するデータは（当該データは工具経路に沿った工具の移動について提供される）、製作する工作物に関連する表面データと比較され、適切な場合には、支点の位置、よって工具経路に沿った工具の移動経路が補正されることが、結果的に定められる。その結果、工作物の構築された表面（表面データ）と機械加工プログラムの支点の間の比較が行われる。機械加工プログラムの個々の支点は精密に補正され、それによって工具と工作物の間の数学的に正確な接点を生成し、工具経路を計算するＣＡＭシステムの不正確さが排除される。

本発明に従って、その後、球状工具の場合に、製作する工作物の望ましい表面に平行に位置する工具の移動経路が、個々の支点によって画定される移動経路の距離が、製作する工作物の表面形状と正確に一致するか否かに関してチェックされる。回転する工具が、その切削手順によって境界ボリュームを形成し、当該境界ボリュームの接点が、製作する工作物の望ましい表面に対して設定されることが考慮される。本発明に従って、ＣＡＭシステムの機械加工プログラムによって（例えば、フライス加工プログラムによって）計算される移動経路が、製作する工作物の望ましい表面に関して、その全長に亘って正しい距離を含むか否かについてのチェックが、結果的に行われる。本発明によって、次に工作機械のＣＮＣコントローラによって移動経路の位置を補正することが可能である。

境界ボリュームのそれぞれの接点に関するデータが、支点に関するデータに加えて決定され、支点に関するデータが、接点の面法線に沿って又は平行に補正されることは、特に好ましい。移動経路の正確な距離、よって工具の正確な位置決めは、正確な接点が生じるように、面法線に沿って製作する工作物の望ましい表面に対して支点をずらす、又は当該支点の距離を補正することによって保証される。球状又は半球状工具の場合は、支点が工具の中心点経路（工具球体の中心点）を示す場合は、面法線に沿って補正が行われる。支点が工具先端の経路を示す場合、又は非球状工具の場合、言い換えると、例えば放物線状又は円環状工具の場合（この場合、支点が面法線に沿って補正されない）、接点の面法線が支点を通して同時に延びないので、前記補正は、一般に面法線に平行に行われる。

さらに、本発明に従って、少なくとも１つの追加の支点が線又は移動経路に沿って追加され、当該支点に関するデータが、最初に２つの支点の接続線上で予め決定され、続いて本発明に従ったアプローチで表面データを参照して補正されることは、好ましい場合がある。

同様に、本発明に従った方法を用いて、最初に工具経路（支点に隣接する）を参照して予め決定され、次に表面データを使用して補正される追加の工具経路を追加することが可能である。

前述のとおり、フライス加工プログラムのオリジナルの支点に関するデータがＣＡＭシステムによって設定され、その一方で、支点に関するデータが工作機械のＣＮＣコントローラによって補正される場合、本発明に従って特に有利である。その結果、プログラミングシステムの計算時間が最適化され、これによって、工作物を機械加工する迅速な作業準備がもたらされる。

本発明に従った工具は、異なる形態を備えることができる。例えば半球状の末端領域を有するフライス加工機械であることもできるし、放物線状、円環状、又は他の工具形状を備えることもできる。

本発明に従って、加工機械のＣＮＣコントローラは、従来技術とは対照的に、ＣＡＭシステムによって計算されるフライス加工プログラムを入力情報として受信するだけでなく、表面データ、つまりは、製作する工作物に関する幾何学的情報（工作物に関する３次元表面データ）（これを用いてプログラミングシステムがフライス加工プログラムを計算した）も受信することが、結果的に定められる。このタイプの表面データは、多数の標準化された形式、例えばＳＴＥＰ形式で送信することができる。製作する工作物に関する表面データからの追加情報を用いて、コントローラは、各支点の機械加工手順の間に、当該点の位置が十分に正確に計算されたか否かのチェックを行うことができる。この目的のために、フライス加工プログラムの各支点について、製作する工作物の望ましい表面に対して当該支点が正確に位置するか否か、言い換えると、実際に工具と、製作する工作物の望ましい表面との数学的に正確な接点が、フライス加工プログラムで提供される支点の位置で起こるか否か、又は縦方向にもしくは面法線に平行に、表面から離れて又は表面に向かって前記支点をわずかにずらして支点を補正することが必要であるか否かに関して、計算が行われる。

面法線に沿った又は平行の上記補正に加えて、本発明に従って、個々の支点に関連する接点を計算することに加えて、製作する工作物に関する表面データから生じるさらなる情報を決定することも特に有利であり得る。この情報は、例えば、接点での工作物の望ましい表面の接線方向、及びその結果としての工具経路の接線方向、並びに／又はそれぞれの接点の工作物の望ましい表面の曲率である。これらから個々の支点についての工具経路の接線方向及び曲率を決定することが可能である。球状工具の場合は、例えば工具経路の曲率半径は、凸面の場合の支点について、工具経路の方向及び工具の半径における工作物の望ましい表面の半径を追加することによって生成される。ＣＡＭシステムの機械加工プログラムは、折れ線を提供し、よって多角形の工具経路を提供する一連の支点を最初に計算する。本発明に従って、数学的に正確な方法で決定される接点に基づいて補正を行うことによって、工作物の望ましい表面の多角形の経路を調整することが可能である。これは、本発明に従って支点の位置を細かく補正することによって行われる。同時に、本発明に従って、それぞれの接点の工作物の望ましい表面に関する結果データを決定することが可能である。これは、特に経路の接線方向及び経路の曲率に関連する。工具経路の方向は、工作物の望ましい表面を正確に作るために、工作物の望ましい表面に対して接線方向に各接点又は各支点に延びなければならない。経路の方向に加えて、それぞれの支点における、又は支点に割り当てられる接点における工具経路の曲率を計算することも可能である。これらの追加の値は、工作物の望ましい表面が可能な限り正確に作られるように、工具経路の多角形（最初にＣＡＤ／ＣＡＭプログラムによって計算される）を補正する目的で使用される。本発明に従って補正される支点を通して延びる工具経路のコースは、球状工具の場合に各々の場合に、工具の等距離にある中心点経路を結果的に形成するため、ＣＡＭシステムによって出力される支点が、工具の中心点経路を示す限りにおいて、当該中心点が、接点によって特定される工作物の望ましい表面を作る。支点は、頻繁にＣＡＭシステムによる球状工具の工具経路について出力され、当該支点は、工具先端の、つまりは工具の最下点の工具経路を示す。しかし、この場合、支点は、中心点の経路に対して１つのオフセットしか有さず、オフセットは工具の半径に対応する。

他の工具の幾何学形状、例えば円環状工具の場合、工具中心点と接点の間の距離は、接点が工具のどこに位置しているかによって変化する。さらに、工具と工作物の間の円接触（接点の代わり）は、平面を機械加工する場合に特殊な例として発生することがある。しかし、この場合、方法は同様に使用することもできるが、個々の支点に対して計算されるのは接点ではなく、むしろ接触面（この場合は円）が計算される。

支点の概略位置がＣＡＭシステムによってフライス加工プログラムで正確に計算されたので、ＣＮＣコントローラによる支点の位置の必要な補正はわずかであり、適切なアルゴリズムを使用して、各支点について製作する工作物の望ましい表面上での工具の正確な接点を確実に決定することが可能である。この目的のため、工具が工作物と接触しない場合は、工具と工作物の望ましい表面との距離が決定される。工具と望ましい表面の間の最短距離を示す望ましい表面に対する法線距離は、距離の計算から求められる。その後に、工具の数学的に正確な接点が、必要とされる限り生じるように、工具の支点は法線距離に沿ってずらされる。工具が工作物の望ましい表面に近過ぎる位置にある場合は、工具と工作物の望ましい表面は、互いに貫通してしまう。工具と工作物の望ましい表面との交差点を示す環状交差線が生じる。支点がフライス加工プログラムではごくわずかに間違っているので、環状交差線の直径は特に小さい。工作物の望ましい表面上の環状切断線の中心に法線距離を見つけることができ、工具経路の支点は、 法線距離の方向にずらされ、又は工具が依然として工作物の望ましい表面と１つの接点で接触するように、これに対しておおよそ平行にずらされる。

この方法は、上述の通りフライス加工プログラムの支点の位置を細かく補正する目的で適切なだけではない。複数の領域又はフライス加工プログラム全体における支点の距離が比較的大きい場合は、フライス加工プログラムに既に存在する支点の間で、追加の支点を計算することもできる。この目的のために、１つ又は複数の補助点が、最初にフライス加工プログラムの２つの支点の間の直接の接続線上に決定される。次に、これらの補助点は、表面データを参照して、よってフライス加工プログラムの追加の高精度な支点を参照して、前述の方法に従って、当該補助点の位置で細かく補正される。

同じ原理に従って、工具経路全体をフライス加工プログラムに追加することができる。独国特許第１０３４３７８５号から、工具経路をフライス加工プログラムに追加することがすでに根本的に公知である。それとは対照的に、本発明に従った方法を用いて、フライス加工プログラムの既存の隣接する線を参照するだけでなく、製作する工作物の望ましい表面に対する距離を計算するために存在する表面データも参照して、追加された工具経路の支点を補間することが可能である。

ＣＮＣコントローラは機械加工手順の間の望ましい表面データに対する工具の位置を常に知っているので、当該ＣＮＣコントローラは、さらに特定の場所、例えば端などの特異点で、又は形態の幾何学形状が通常、互いに隣接する多くの個々の部分表面によって示されるため、１つの部分表面から次の部分表面への移行において、追加の支点を追加することができる。その結果、支点の追加が、フライス加工プログラムの工具経路のコースを改善する、つまりは、コースをより正確にする場合に、工作物の望ましい表面の局所的な幾何学形状に応じて、支点を追加することが可能である。追加の支点の位置のためだけでなく、１つの部分表面から次の部分表面への移行箇所における曲率の接線方向を決定するために、機械加工の結果を改善することが可能である。

その結果、方法は、ＣＡＭシステムのフライス加工プログラムが比較的近似の公差で計算し、次にそれにもかかわらず高精度な機械加工のために前記公差を使用することを可能にする。その結果、変更されたタスク配分が、ＣＡＭシステムとＣＮＣコントローラの間に生じる。ＣＡＭシステムは、所定の方策を参照して機械加工手順の工具経路を近似的に設定し、所定のプログラムに従って機械加工する際に、機械で衝突が確実に発生しないようにする。ＣＮＣコントローラは、元の表面データ（幾何学形状）を参照して、高精度な機械加工手順のために、製作される形態を提供する。

本発明は、球状フライス工作工具に限定されない。放物線状、円環状、又は他の工具の幾何学形状も使用することができる。

本発明は、以下で図に関連して実施形態例を参照して説明される。
図１は、機械加工される工作物の概略図を示し、工具がそれに沿って移動される工具経路を示す。 図２は、工具の移動経路が、工作物の望ましい表面に補正して割り当てられた概略図を示す。 図３は、図２と類似する、追加支点の追加を示すための図を示す。

図１は、球状工具を使用して機械加工される工作物の概略図を示す。この工具中心点Ｍの中心点経路が、機械加工プログラムの機械加工手順のために示され、当該工具中心点Ｍは、図１に示されるように、工具が工作物の表面上の線状の経路で動くことを確実にする。工作物（形態）に関する幾何学的データにおいては、工作物の望ましい表面が自由な形態の表面データとして含まれる。この幾何学的情報は、標準的な形式、例えばＳＴＥＰで、ファイルとしてコントローラに送信することができる。さらに、機械加工手順について、数値制御されたプログラムがコントローラに送信され、当該数値制御されたプログラムは、一連の支点によって形態に対して球状工具の線状の工具経路を示す。

図２は、製作する工作物の望ましい表面に対する工具経路のある部分の２次元表示として示され、中心点経路Ｎ−１、Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２の支点を示す。球状工具は、支点Ｎの境界ボリュームと呼ばれる。支点が、製作する工作物の望ましい表面に近過ぎるとして計算されており、支点Ｎに接近すると、工具が工作物に損傷を与えてしまう、つまりは、材料を切削し過ぎてしまうであろうことは明らかである。製作する工作物に関する幾何学的データを用いると、支点Ｎと工作物の望ましい表面との最短距離を計算することができる。工具経路の支点Ｎが最短距離を含む望ましい表面の点は、同時に、工作物の望ましい表面と支点Ｎの間の最短距離を示す面法線の基点である。面法線を計算した後で、表面点Ｎをこの面法線に沿ってずらすことができ、図示されている事例では、工作物の望ましい表面から離れるように、ずらされた新しい支点Ｎ_Ｋに接近している工具が、面法線の基点においてのみ工作物の望ましい表面と接触するまで、表面点Ｎをずらすことができる。ずらされた新しい支点Ｎ_Ｋに対する工具の位置は、破線で示されている。支点Ｎ＋１についてはこの逆である。支点は、製作する工作物の望ましい表面から離れ過ぎた位置にあり、新しい補正された支点Ｎ＋１ｋが、破線で示される工具のために生じるように、本発明に従った方法によって前記望ましい表面により近くに移動されなければならない。

図３は、同様に、支点Ｎ−１、Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２に対する工具経路の２次元表示を示す。支点Ｎ及びＮ＋１は、各々の場合にこれらの支点に接近している工具が、工作物の望ましい表面と一点だけで接触するように、すでに正確に計算されている。支点Ｎ及びＮ＋１が互いから比較的離れているので、補助点Ｈ１及びＨ２が、ＮとＮ＋１の間の工具経路の接続線上に追加される。工作物の凸の望ましい表面のおかげで、工具が補助点Ｈ１及びＨ２で工作物の望ましい表面に近過ぎてしまい、その結果、前記工作物に損傷を与えてしまうであろうことは明らかである。従って、本発明に従った方法を用いて、前記補助点が工具経路の正確な支点になるように、補助点Ｈ１及びＨ２の位置を補正することが可能である。この目的のために、描かれた法線ベクトルの方向に前記支点はわずかにずらされる。その結果、工作物の機械加工手順は、大幅により正確なものとなる。

１ 工作物
２ 工具
３ 工具経路
４ 境界ボリューム
５ 表面
６ 接点
７ 面法線
８ 接続線
Ｍ 中心点
Ｎ 支点

Claims (11)

1. 数値制御された工作機械上の切り屑除去工具（２）によって工作物（１）を機械加工する方法であって、前記工作機械において、前記工具（２）は、一連の支点（Ｎ）によって形成される工具経路（３）に沿って前記工作物（１）に対して移動されるものであり、前記工具（２）の回転の間に生成される境界ボリューム（４）は、前記工作物（１）を機械加工する際の、前記工作物（１）の望ましい表面（５）と点接触する接点を本質的に含み、前記支点（Ｎ）に関するデータに加えて、前記境界ボリューム（４）と前記工作物（１）の前記望ましい表面（５）との間のそれぞれの接点（６）に関するデータが決定され、前記工具経路（３）が、前記接点（６）に関するこのデータに基づいて最適化されることを特徴とする、方法。
2. 前記支点（Ｎ）に関する前記データが、前記接点（６）の面法線（７）に沿って又は平行して補正されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記工作物（１）の前記望ましい表面（５）に関するさらなるデータは、前記接点（６）で決定され、よって前記工具経路（３）のコースは、前記それぞれの支点（Ｎ）について計算されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記さらなるデータは、前記工作物（１）の前記望ましい表面（５）の曲率、及び／若しくは、前記工具経路（３）の曲率、並びに／又は、前記工作物（１）の前記望ましい表面（５）及び前記工具経路（３）の接線方向を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記支点を有する機械加工プログラムに加えて前記支点（Ｎ）の前記補正を計算するために、製作する前記工作物の幾何学形状に関する幾何学的データも、ＣＮＣコントローラによってＣＡＤシステムから読み込まれ、前記補正を計算するために使用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 少なくとも１つの追加の支点（Ｎ）は前記工具経路（３）に沿って追加され、当該支点に関するデータは、最初に２つの支点（Ｎ）の接続線（８）上で予め決定され、続いて表面データを参照して補正されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 最初に隣接する工具経路（３）の支点（Ｎ）を参照して予め決定され、次に表面データによって補正される追加の工具経路（３）が追加されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記支点（Ｎ）に関する前記データは、前記工具機械のＣＮＣコントローラによって補正されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 元の支点に関する前記データは、ＣＡＭシステムによって計算されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記機械加工手順は、球状、放物線状、又は円環状工具によって行われることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記工作物（１）に関する表面データは、自由な形態の表面データの形態で存在することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
    

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