JP2021096525A - 工具経路生成方法、工具経路生成装置および工作機械の制御装置 - Google Patents

工具経路生成方法、工具経路生成装置および工作機械の制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】隣接する工具経路間の段差を最小化または除去すること。【解決手段】ワークの加工面に沿って生成された工具移動曲面Ｓｏ上を工具Ｔが移動し、ワークを加工する工具経路Ｔｐを生成する工具経路生成方法において、工具移動曲面Ｓｏ上を工具が移動する経路を定めるための規則である走査方針を設定し、工具移動曲面Ｓｏ上に分割線Ｃｄを配置し、走査方針に基づいて工具移動曲面上を工具が移動するときの軌跡と、分割線との交点の位置を算出し、交点の位置を通過する曲線で曲線補間する移動指令で表される工具経路を生成するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、隣接する工具経路間で生じうる段差を抑制し、これにより高品位な加工面に仕上げることのできる曲線指令を生成する工具経路生成方法、工具経路生成装置および該工具経路生成装置を組み込んだ工作機械の制御装置に関する。
工具経路を生成するため、ＣＡＭ(Computer Aided Manufacturing)は、ＣＡＤ(Computer-Aided Design)が生成したワークの最終的な形状であるモデル形状の表面からオフセットした曲面に沿って工具経路たる曲線を生成するようになっている。この曲線は高次な数式になるため、扱い易いように通常は直線、円弧、低次数式の曲線等で補間している。しかし、この補間でのデータ容量の増大を防ぐためには、許容誤差範囲内での近似が必要になる。例えば、特許文献１には、工作機械の数値制御装置において、指令点によって与えられる工具経路をＮＵＲＢＳ曲線で補間して平滑化することにより、滑らかな工具経路を生成する工具経路生成方法が記載されている。
特開平０８−３０５４３０号公報
然しながら、特許文献１に記載の工具経路生成方法では隣接する工具経路の情報を見ていないため、隣接した工具経路間に誤差分の段差が発生する場合があり、加工面の品位を低下させている問題がある。
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、隣接する工具経路間の段差を最小化または除去することを目的としている。
上述の目的を達成するために、本発明によれば、ワークの加工面に沿って生成された工具移動曲面上を工具が移動し、ワークを加工する工具経路を生成する工具経路生成方法において、前記工具移動曲面上を工具が移動する経路を定めるための規則である走査方針を設定し、前記工具移動曲面上に分割線を配置し、前記走査方針に基づいて前記工具移動曲面上を工具が移動するときの軌跡と、前記分割線との交点の位置を算出し、前記交点の位置を通過する曲線で曲線補間する移動指令で表される工具経路を生成する工具経路生成方法が提供される。
更に、本発明によれば、工具と、該工具に対面するワークとを相対移動させて、前記ワークを加工するためのワークに対する工具の移動経路である工具経路生成装置において、ワークの加工面に沿って工具移動曲面を生成する工具移動曲面生成部と、ワークを加工する加工パターンを選択する加工パターン選択部と、前記工具移動曲面に沿って分割線を生成する分割線生成部と、前記加工パターン選択部によって選択された加工パターンを前記加工面に投影して、前記工具移動曲面上を工具が移動するときの軌跡と、前記分割線との交点の位置を算出し、前記交点の位置を通過する曲線で曲線補間する移動指令で表される工具経路を生成する演算部とを具備する工具経路生成装置が提供される。
更に、本発明によれば、上記工具経路生成装置を備えた工作機械の制御装置が提供される。
本発明によれば、１つの加工領域を分割線で複数の曲面に分割し、曲面間の分割線上に曲線の接続点が位置するように平滑化するので、これにより工具経路に対して横断方向の包絡線もうねりが小さくなり、滑らかな加工面を得ることが可能となる。
本願発明の実施形態による工具経路生成装置のブロック図である。 スキャン（走査）加工パスを示す図である。 図２の加工パスを工具の中心軸線に垂直な平面に投影した図である。 等高輪郭加工パスを示す図である。 放射加工パスを示す図である。 工具がボールエンドミルの場合のオフセット曲面を示す図である。 工具がブルノーズエンドミルの場合のオフセット曲面を示す図である。 工具がスクエアエンドミルの場合のオフセット曲面を示す図である。 三角形状の分割線を示す図である。 平行線より成る分割線を示す図である。 格子状の分割線を示す図である。 加工パスを工具の中心軸線の方向にオフセット曲面へ向けて投影する走査方針を示す図である。 曲面の法線がピックフィード方向に向いているとき場合の交点を求める方法を説明する図である。 曲面の法線がピックフィード方向に向いているとき場合の交点を求める方法を説明する図である。 本発明の好ましい実施形態による工具経路生成装置により生成された工具経路を説明するための図である。 従来技術により生成された工具経路を説明するための図である。 本発明の工具経路生成装置を備えた工作機械の制御装置のブロック図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は、本願発明の実施形態による工具経路生成装置１０のブロック図である。工具経路生成装置１０は、加工領域設定部１２、工具移動曲面生成部１４、加工パターン選択部１６、分割線生成部１８、演算部２０および記憶部２２を主要な構成要素として具備している。工具経路生成装置１０は、ＣＰＵ（中央演算素子）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）やＲＯＭ（リードオンリーメモリ）のようなメモリ装置、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）やＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）のような記憶デバイス、出入力ポート、および、これらを相互接続する双方向バスを含むコンピュータおよび関連するソフトウェアから構成することができる。
記憶部２２には、工具経路を生成するために必要な各種データが格納されている。記憶部２２に格納されるデータには、例えば工具の管理番号、工具及び工具ホルダの寸法、形状、工具の材質等の工具に関するデータ（工具データ）、送り速度、工具の回転速度、ピックフィード量、クーラント使用の有無、加工パターン、加工面を複数の加工領域に区分するための領域区分データ、ある加工面を加工する最適な工具を選択するための基礎データ等の加工条件に関するデータ（加工条件データ）、材料の種類、硬さ、引張強さ、弾性係数等の材料に関するデータ（材料データ）が含まれる。なお、入力部３２から記憶部２２にアクセスして、オペレータにより記憶部２２に格納されているデータを修正したり、新たにデータを入力したりできるようにしてもよい。
加工領域設定部１２はモデル形状提供装置３０からモデル形状データを受け取る。モデル形状データは、加工すべきワークの形状、特に仕上げ加工を完了したワークの形状を表すデータである。モデル形状提供装置３０は、典型的にはＣＡＤ装置とすることができる。過去の製品を再び製造するような場合で、モデル形状データが、コンピュータやデータベースに保存されているようなときには、モデル形状提供装置３０は、モデル形状データを格納しているコンピュータやデータベースとすることができる。
加工領域設定部１２は、モデル形状提供装置３０から受け取ったモデル形状データと、記憶部２２に格納されているデータとに基づき、ワークの加工すべき表面（加工面）を複数の加工領域に分割する。より詳細には、加工領域設定部１２は、モデル形状データからワークの加工面の形状を認識し、記憶部２２に格納されている領域区分データと、認識した加工面の形状とに基づいて、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さ等を表面パラメータとして、加工面を複数の加工領域に区分する。
工具移動曲面生成部１４は、加工領域設定部１２が設定した加工領域の各々に関して、工具移動曲面を生成する。工具移動曲面に最適な例としては、オフセット曲面Ｓｏ（図２〜図４）がある。オフセット曲面Ｓｏは、加工に際して工具Ｔの中心点Ｏｔが配置される位置の集合を包含する曲面、または加工面Ｓｍを形成するために、加工領域内で工具Ｔの中心点Ｏｔが移動する曲面である。工具移動曲面は、オフセット曲面Ｓｏに限定されるものではない。例えば、工具の大きさを無視できる場合には加工面Ｓｍを工具移動曲面に指定することができる。
工具Ｔの中心点Ｏｔは、工具Ｔがフライス工具の場合、工具Ｔの中心軸線Ｏに沿って、先端面から工具Ｔのコーナ部、つまり工具Ｔの先端の円弧状外周部の半径Ｒだけシャンクに後退した位置である。例えば、図２に示すように、工具Ｔがボールエンドミルの場合、先端のボールの中心が工具Ｔの中心点Ｏｔである。工具Ｔが、図３に示すように、ブルノーズエンドミルの場合、工具Ｔのコーナ部の半径Ｒだけ中心軸線Ｏに沿って先端面からシャンク側に後退した位置であり、工具Ｔが、図４に示すように、スクエアエンドミルの場合、工具Ｔの先端面と中心軸線Ｏが交差する位置が工具Ｔの中心点Ｏｔとなる。工具Ｔの中心点Ｏｔの位置は、記憶部２２に工具データとして格納されている。
本実施形態では、工具移動曲面生成部１４は、加工領域設定部１２が設定した加工領域の各々に関して、モデル形状データと、工具Ｔの中心点Ｏｔの位置に関するデータに基づいて、工具移動曲面としてオフセット曲面Ｓｏを生成する。
加工パターン選択部１６は、加工領域の各々の表面パラメータに対応させて、当該加工領域を加工する最適な工具および加工パターンを選択すると共に、送り速度、工具の回転数、ピックフィード量等の加工条件を設定する。図５〜図８に加工パターンの例を示す。図５はスキャン（走査）加工パスを示しており、図６は、図５の加工パスを工具Ｔの中心軸線Ｏに垂直な平面に投影した図である。スキャン加工パスによれば、切削送り方向Ｄｍｆに沿って工具Ｔ、例えばボールエンドミルを一方向に直線送りしてワークを切削加工し、ピックフィード方向Ｄｐへ工具Ｔをピックフィードし、ついで、切削送り方向Ｄｍｆに沿って工具Ｔを反対方向に送りつつワークを切削加工し、これを繰り返してワークの加工面が加工される。
また、図７は等高輪郭加工パスを、そして図８は点Ｏを中心とする放射加工パスの例を示している。これらの加工パターンは、蓄積されたノウハウを反映させて、加工領域の曲率、傾斜角度、深さ等の表面パラメータと対応させて加工パターンが選択できるように記憶部２２に格納されている。また、図示する加工パターンは、一例であって本発明を限定する趣旨ではない。
分割線生成部１８は、工具移動曲面に沿って延びる複数の曲線よりなる分割線を生成する。本実施形態では、分割線生成部１８は、オフセット曲面Ｓｏ上に分割線Ｃｄを生成する。分割線Ｃｄは、例えば、図９に示すように、オフセット曲面Ｓｏに沿って多数の母点Ｐを配置し、非ユーグリッド幾何学的な形状、図９では三角形を形成するように、オフセット曲面Ｓｏに沿う曲線によって該母点Ｐを結ぶことによって生成することができる。つまり、曲面に描くため厳密な意味の三角形でなく、３つの頂点（母点Ｐ）を曲面（オフセット曲面Ｓｏ）に沿って最短の経路でつないだ擬似的な三角形、或いは、ある平面に描いた三角形をオフセット曲面Ｓｏに投影した擬似的な三角形となる。三角形状の分割線Ｃｄを生成するために、ドロネー三角形分割法を用いてもよい。
分割線Ｃｄは、図９に示す三角形状のみならず、平行線（図１０）や格子（図１１）を用いてもよい。平行線状の分割線Ｃｄは、オフセット曲面Ｓｏに沿った２つの母点Ｐを通る擬似的な平行線であり、格子上の分割線Ｃｄは、頂点（母点Ｐ）の数を４点に増やした擬似的な格子である。分割線Ｃｄは、オフセット曲面Ｓｏに対面する平面上に配置された複数の三角形や四角形、平行線をオフセット曲面Ｓｏに投影した曲線によって定義してもよい。
また、図１３に示すように、曲面の極点近傍では、走査方針に基づいてオフセット曲面Ｓｏ上を工具Ｔが移動するときの工具Ｔの中心点Ｏｔの軌跡である曲線Ｃが、分割線Ｃｄと交わらない場合がある。その場合は、図１４に示すように、該曲面の極点Ｐｅを求め、該曲面に沿って極点Ｐｅを通過する曲線Ｃ′を作成するようにする。例えば、曲面の極点を三角形の内部に含む場合は、極点Ｐｅを通過する曲線Ｃ′で２つの三角形に分割する処理をするようにできる。
演算部２０は、走査方針に基づいてオフセット曲面Ｓｏ上を工具Ｔが移動するときの工具Ｔの中心点Ｏｔの軌跡である曲線Ｃと、分割線Ｃｄとの交点Ｐｉの位置を算出する。走査方針は、例えば、オフセット曲面Ｓｏと交差する複数のＸ−Ｚ平面とすることができる。この例では、Ｘ−Ｚ平面とオフセット曲面Ｓｏ上の分割線Ｃｄとの交点Ｐｉの位置が演算により求められる。或いは、走査方針として、図１２に示すように、加工パターン選択部１６が選択した加工パスを工具Ｔの中心軸線Ｏの方向にオフセット曲面Ｓｏへ向けて投影し、投影され曲線Ｃと分割線Ｃｄとの交点Ｐｉを求めるようにしてもよい。或いは、Ｘ−Ｙ平面を走査方針にしてもよい。この場合は、図４の等高輪郭加工パスと分割線Ｃｄとの交点Ｐｉが求められる。走査方針は、ワークの加工領域間または加工面間の境界線に沿った３次元の曲線Ｃをオフセット曲面Ｓｏに投影することとしてもよい。
ついで、演算部２０は、こうして生成した曲線Ｃと、分割線Ｃｄとの交点Ｐｉを演算し、交点Ｐｉによって与えられる曲線Ｃに沿った点列をベジェ曲線、Ｂ‐スプライン曲線、ＮＵＲＢＳ曲線、単純平均、加重平均等の手法を用いて平滑化する。例えば、演算部２０は、交点Ｐｉにおける曲線Ｃの接線ベクトルＶｔを求め、該接線ベクトルＶｔを用いて交点Ｐｉを結ぶナーブス曲線で補間、平滑化することができる。演算部２０は、ついで、平滑化した曲線に基づいて、移動指令で表される工具経路Ｔｐ（図１５）を生成する。こうして生成された移動指令で表される工具経路Ｔｐは、工作機械の制御装置１００へ出力することができる。
例えば、ＮＵＲＢＳ等のスプライン曲線を用いて工具経路を生成している従来の工具経路生成方法では、図１６に示すように、個々の工具経路Ｔｐは接続点における経路誤差がなく、かつ曲率が連続的に変化していても、工具経路Ｔｐの横断方向に包絡線が滑らかにならず、つまり、隣接する工具経路Ｔｐ間で段差を生じ、滑らかな加工面を得ることができないことがある。これに対して、本実施形態によれば、１つの加工領域を分割線Ｃｄで複数の曲面に分割し、曲面間の分割線Ｃｄ上に曲線Ｃの接続点（交点Ｐｉ）が位置するように平滑化しているので、図１５に示すように、工具経路Ｔｐに対して横断方向の包絡線もうねりが小さくなり、滑らかな加工面を得ることが可能となる。
上記の工具経路生成装置１０は、工作機械の制御装置とは独立のＣＡＭ装置として構成することができるが、図１７に示すように、制御装置の一部として構成してもよい。図１７において、制御装置１００は、図１の工具経路生成装置１０と同様の構成を有した工具経路生成部１０２、読取解釈部１０４、補間演算部１０６、サーボ制御部１０８を主要な構成として備えている。
読取解釈部１０４は、工具経路生成部１０２から移動指令で表される工具経路（加工プログラム）を読み込む。読取解釈部１０４は、移動指令を補間演算部１０６に送出する。補間演算部１０６は、補間周期毎の位置指令値を演算する。例えば、補間演算部１０６は、移動指令に基づいて設定された時間間隔ごとの移動量を算出する。補間演算部１０６は、位置指令値をサーボ制御部１０８に送出する。サーボ制御部１０８は、位置指令値に基づいてＸ軸およびＹ軸などの各送り軸の移動量を算出し、工作機械１１０の各軸サーボモータを駆動する。
工作機械１１０は、主軸（図示せず）の先端部にボールエンドミルのような回転工具を装着し、該回転工具に対面するようにテーブル（図示せず）に固定されたワーク（図示せず）に対して主軸をＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に相対移動させて、該ワークを加工する立形または横形マシニングセンタとすることができる。
１０ 工具経路生成装置
１２ 加工領域設定部
１４ 工具移動曲面生成部
１６ 加工パターン選択部
１８ 分割線生成部
２０ 演算部
２２ 記憶部
３０ モデル形状提供装置
３２ 入力部
１００ 制御装置
１０２ 工具経路生成部
１０４ 読取解釈部
１０６ 補間演算部
１０８ サーボ制御部
１１０ 工作機械
上述の目的を達成するために、本発明によれば、ワークの加工面に沿って生成された工具移動曲面上を工具が移動し、ワークを加工する工具経路を生成する工具経路生成方法において、前記工具移動曲面上を工具が移動する経路を定めるための規則である走査方針を設定し、前記工具移動曲面に沿って延びる複数の曲線よりなる分割線（Ｃｄ）を前記工具移動曲面上に生成し、前記走査方針に基づいて前記工具移動曲面上を工具が移動するときの軌跡と、前記分割線（Ｃｄ）との交点（Ｐｉ）の位置を算出し、前記交点（Ｐｉ）の位置を通過する曲線（Ｃ）で曲線補間する移動指令で表される工具経路を生成する工具経路生成方法が提供される。
更に、本発明によれば、工具と、該工具に対面するワークとを相対移動させて、前記ワークを加工するためのワークに対する工具の移動経路である工具経路生成装置において、ワークの加工面に沿って工具移動曲面を生成する工具移動曲面生成部と、工具が移動する経路を定める走査方針を定義した加工パターンを選択する加工パターン選択部と、前記工具移動曲面に沿って延びる複数の曲線よりなる分割線（Ｃｄ）を前記工具移動曲面上に生成する分割線生成部と、前記加工パターン選択部によって選択された加工パターンを前記工具移動曲面に投影して、前記工具移動曲面上を工具が移動するときの軌跡と、前記分割線（Ｃｄ）との交点（Ｐｉ）の位置を算出し、前記交点（Ｐｉ）の位置を通過する曲線（Ｃ）で曲線補間する移動指令で表される工具経路を生成する演算部とを具備する工具経路生成装置が提供される。

Claims (7)

  1. ワークの加工面に沿って生成された工具移動曲面上を工具が移動し、ワークを加工する工具経路を生成する工具経路生成方法において、
    前記工具移動曲面上を工具が移動する経路を定めるための規則である走査方針を設定し、
    前記工具移動曲面上に分割線を配置し、
    前記走査方針に基づいて前記工具移動曲面上を工具が移動するときの軌跡と、前記分割線との交点の位置を算出し、
    前記交点の位置を通過する曲線で曲線補間する移動指令で表される工具経路を生成する工具経路生成方法。
  2. 前記分割線は、前記工具移動曲面上に多数の母点を配置し、前記工具移動曲面に沿う曲線によって前記母点を結んで三角形を形成するように生成される請求項１に記載の工具経路生成方法。
  3. 前記分割線は、前記工具移動曲面上に多数の母点を配置し、前記工具移動曲面に沿う曲線によって前記母点を結んで四角形を形成するように生成される請求項１に記載の工具経路生成方法。
  4. 前記分割線は、前記曲面に対面する平面上に延びる複数の平行線を前記曲面に投影した曲線によって定義される請求項１に記載の工具経路生成方法。
  5. 工具と、該工具に対面するワークとを相対移動させて、前記ワークを加工するためのワークに対する工具の移動経路である工具経路生成装置において、
    ワークの加工面に沿って工具移動曲面を生成する工具移動曲面生成部と、
    工具が移動する経路を定める走査方針を定義した加工パターンを選択する加工パターン選択部と、
    前記工具移動曲面に沿って分割線を生成する分割線生成部と、
    前記加工パターン選択部によって選択された加工パターンを前記工具移動曲面に投影して、前記工具移動曲面上を工具が移動するときの軌跡と、前記分割線との交点の位置を算出し、前記交点の位置を通過する曲線で曲線補間する移動指令で表される工具経路を生成する演算部と
    を具備することを特徴とした工具経路生成装置。
  6. 前記分割線生成部は、前記工具移動曲面上に多数の母点を配置し、前記工具移動曲面に沿う曲線によって前記母点を結んで三角形を形成するように分割線を生成する請求項５に記載の工具経路生成方法。
  7. 請求項５または６に記載の工具経路生成装置を備えた工作機械の制御装置。
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