JP3903779B2

JP3903779B2 - 等高線加工における工具径と加工層の決定方法

Info

Publication number: JP3903779B2
Application number: JP2001364644A
Authority: JP
Inventors: 貴継石井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003165039A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、等高線加工における工具径と加工層の決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
素材の荒加工方法のひとつに等高線加工法がある。この方法は、フェイスミルなどを用いて、あらかじめ決められた残し量となるまで素材の表面を所定間隔で設定された等高線をたどるようにして、一つの等高線によって定義される平面を順次削り取って行く方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような等高線加工法による荒加工方法には、次のような問題がある。
【０００４】
等高線加工法による荒加工では、フェイスミルなどの切削工具の形状に応じて、ある等高線における加工と次の等高線における加工との間に削り残しが出るため、通常は、この最大削り残し量があらかじめ決められら量以下となるように、等高線のピッチや切削工具の大きさを決める必要がある。
【０００５】
この工具の大きさを決める際に工具先端を球体として考えると、被加工面が斜面の場合は、等高線のピッチが同じであれば、その直径ができるだけ大きい方が最大削り残し量が少なく、かつ同じ面積を加工する場合少ない加工軌跡により加工することができる。
【０００６】
しかし、工具先端が大きくなると、今度は、平面内における隅部、あるいは平面から立ち上がる側面と間の縦方向の隅部において、工具先端が、これら隅部の中に入らなくなるため、これらの部分で大きな削り残しが発生してしまう。このため、斜面を基準に工具の大きさを決めると、平面部分と隅部とを別の工具で加工する必要があり、工具の取り替えや段取り替えが多くなってしまうといった問題がある。
【０００７】
一方、隅部にあわせて工具の大きさを決めてしまうと、今度は必要以上に小さな工具により平面部分も加工することになり、等高線ピッチが非常に狭くなって、加工時間が長くなってしまうといった問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、平面部分と隅部を、できるだけ効率よく、かつ、連続して加工することができるように等高線加工における工具径と加工層の決定方法を提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、できるだけ工具の交換回数が少なくなるように、工具径とその工具径により加工する加工層を決定することのできる等高線加工における工具径と加工層の決定方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下の構成により達成される。
【００１１】
（１）（ａ）被加工形状を加工するための等高線ピッチを設定する段階と、（ｂ）異なる工具径ごとに前記被加工形状の斜面における前記等高線ピッチ間に残る第１の最大削り残し量を求め、当該第１の最大削り残し量があらかじめ定められた許容値以下となる工具径のうち最小の工具径を求める段階と、（ｃ）前記被加工形状を加工するために設定された等高線の一つが含まれる平面内の隅部を前記（ａ）の段階で求めた前記最小の工具径により切削した場合の前記隅部における第２の最大削り残し量を、すべての平面内隅部について求める段階と、（ｄ）前記被加工形状を加工するために設定された等高線の一つが含まれる平面と該平面から立ち上がる側面部とよりなる縦方向隅部を前記最小の工具径により切削した場合の第３の最大削り残し量を、すべての該縦方向隅部について求める段階と、（ｅ）前記第２の最大削り残し量と前記第３の最大削り残し量があらかじめ定められた許容値以下か否かを判断し、当該２つの最大削り残し量のうちいずれか一つでも許容値以下とならない場合には、前記（ａ）の段階で設定した前記等高線ピッチを狭くして等高線加工における加工層を追加する段階と、を有することを特徴とする等高線加工における工具径と加工層の決定方法。。
【００１２】
（２）前記（ｂ）の段階は、あらかじめ用意されている工具径の異なる工具を用いて、各工具のそれぞれの工具径による前記第１の最大削り残し量を算出し、算出した最大削り残し量が前記許容値以下となっている工具径のうち最小の工具径を選択することを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、請求項ごとに以下の効果を奏する。
【００１４】
本発明によれば、斜面における最大削り残し量が許容値以下となる最小工具径を求めて、この最小工具径により平面内の隅部と、縦方向隅部を切削したときに発生する最大削り残し量が許容値以下となるか否かを判断して、許容値以下とならない場合には、等高線加工における加工層を追加することとしたので、被加工形状の斜面においても、隅部においてもともに加工することのできる工具径とその工具径による工具で連続して加工することができる加工層を決定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
この実施の形態は、本発明を適用し、平面部と隅部を同じ工具により加工することができるように、加工する工具径と加工層を決定する方法である。
【００１８】
図１は、この工具径と加工層を決定する方法の手順を示すフローチャートである。
【００１９】
まず、等高線加工を行う任意の等高線ピッチを設定する（Ｓ１）。等高線ピッチは、被加工物を等高線加工する際に、被加工物をｘｙｚの３次元座標系に配置し、一つの等高線を含む平面をｘｙ平面とし、高さ方向をｚ方向とする場合に、このｚ方向に等間隔に設けられる等高線の間隔を言う。
【００２０】
続いて、斜面における最大削り残し量が許容値以下となる最小工具径を求める（Ｓ２）。これは、斜面を切削加工する場合、できるだけ大きな工具により切削する方が、加工ピッチが少なくてすむので、平面の加工だけであればできるだけ大きな工具を用いる方が加工時間が短くてすむ。しかし、隅部では、工具径が大きいと削り残しが大きくなる。そこで、まずこのステップＳ１において、斜面加工時において許容値以下となる最小の工具径を求めるのである。
【００２１】
なお、荒加工における許容値は、最小削りの残し許容値と最大削り残し許容値があり、最小削り残し許容値は、荒加工時の仕上がり面への食い込みを防止するための余裕代であり、これ以上削ってはいけない限界値である。一方、最大削り残し許容値は、仕上げ加工工程で許容される最大加工負荷以下となる最大削り残し量である。本発明において、許容値とは後者の最大削り残し許容値のことである。
【００２２】
最大削り残し量の算出は、まず、仕上がり面の傾斜角度に応じて、工具がどのような位置にあるかを調べる必要がある。これは、加工する部分の仕上がり面に工具先端の曲率半径による円を等高線の移動ピッチごとに配置したときに、各切削円が重なり、かつ、下層の等高線上にある切削円とその上層の等高線上にある切削円の交点が、上層の等高線より下の場合（この場合を急斜面の場合という）と、各等高線上に配置した切削円が重なり、かつ、下層の等高線上にある切削円とその上層の等高線上にある切削円の交点が上層の等高線より上の場合、および各等高線上に配置した切削円が重ならない場合（この場合を緩斜面の場合という）である。
【００２３】
この判定は、たとえば、図２に示すように、加工層下層の等高線上の切削円を円Ａ、その上の等高線上の切削円を円Ｂとし配置した場合に、円Ａの中心を原点（０、０）とするＸＹ平面座標系（これは、被加工物の３次元座標系とは別である）をとり、移動ピッチをＰ１、工具先端の曲率半径（すなわち円Ａ、Ｂの半径）をＲ、円Ａと円Ａを配置した等高線の上の等高線Ｌ１との交点（ただし、円Ｂに近い側の交点）をＸ１とすると、円Ａの方程式は、
円Ａ：Ｘ２＋Ｙ２＝Ｒ２
である。また、円Ｂの方程式は、円Ｂの中心を（Ｘ２、Ｐ１）とすると、
円Ｂ：（Ｘ−Ｘ１）２＋（Ｙ−Ｐ１）２＝Ｒ２
となる。
【００２４】
そこで、円Ａが配置されている等高線の上の等高線をＬ１とすると、
Ｘ１２＋Ｐ１２＝Ｒ２
であるから、
Ｘ１＝√（Ｒ２−Ｐ１２）
である。
【００２５】
これにより、仕上がり面の緩急を判定すると、
Ｘ２＞Ｘ１
の場合、急斜面であり、最大削り残し量は、円Ａ、Ｂの交点となる。
【００２６】
一方、Ｘ２＜Ｘ１
の場合、緩斜面であり、最大削り残し量は、円Ａとその上の等高線との交点となる。
【００２７】
最大削り残し量の算出は、急斜面の場合、図３に示すように、加工する部分の仕上がり面に工具先端の曲率半径Ｒによる円を等高線の移動ピッチごとに配置したときに、下記円Ａ、Ｂの方程式は、
円Ａ：Ｘ２＋Ｙ２＝Ｒ２
円Ｂ：（Ｘ−Ｘ２）２＋（Ｙ−Ｐ１）２＝Ｒ２
となるので、これを解くことにより、円Ａ、Ｂの交点（Ｘ、Ｙ）を求め、仕上がり面１０からこの交点まで垂線を降ろした距離がこの場合の最大削り残し量Ｔ２となる。
【００２８】
一方、緩斜面の場合、すなわち、工具先端の曲率半径による円同士が接触しない場合、または円同士の交点が上層の等高線より上になる場合には、図４に示すように（図４は切削円同士が接触しない場合を示す）、円Ａに対して、円Ｂの最下点から等高線に沿って延ばした線が円Ａの弧と交わる点へ、仕上がり面から垂線を降ろした距離がこの場合の最大削り残し量Ｔ２となる。この場合、円Ａの方程式と、等高線の式
円Ａ：Ｘ２＋Ｙ２＝Ｒ２
等高線：Ｙ＝Ｐ１−Ｒ
を解くことにより、実質的には、円Ａの円弧と、円Ａを配置した等高線の上の等高線との交点を求めて、この交点へ仕上がり面からの垂線を降ろした距離が最大削り残し量Ｔ２となる。
【００２９】
そして、以上のようにして求めた最大削り残し量と許容値とを比較して、最大削り残し量が許容値以下となるような最小の工具の半径を求める。これにより様々な角度の斜面に対しての最大削り残し量が許容値以下となる最も小さな工具径を求めることができる。
【００３０】
なお、このステップＳ２は、実際には使用できる手持ちの工具について、各工具の半径ごとに、上記した斜面ごとの最大削り残し量を算出し、そのうち許容値以下となっているもっと小さな工具径の工具を選択ようにしてもよい。
【００３１】
続いて処理は、上記ステップＳ２で得られた最小工具径により、被加工形状のうち、ｘｙ平面の隅部を切削加工した場合の最大削り残し量Ｔ３を求める（Ｓ３）。
【００３２】
ｘｙ平面における隅部とは、被加工形状に設定された等高線の一つが含まれる面であるｘｙ平面内における隅部のことである。
【００３３】
ｘｙ平面における隅部を切削する場合には、図５に示すように、隅部形状の曲率半径ｒと一致する半径を持つ工具を使うことで、確実に隅部１０を加工することができる。ところが、先に求めた最小工具径は、この隅部の曲率半径と一致するものではないので、このステップＳ３において、隅部において発生する最大削り残し量を求めるのである。
【００３４】
ｘｙ平面の隅部における最大削り残し量は、図６に示すように、半径Ｒ２の工具を隅部形状１０に沿って接触させた状態で、工具の外周と隅部の頂点１１の距離が最大削り残し量Ｔ３となる。したがって、ステップＳ２において求められた最小工具径の工具の半径をＲ２として、この最大削り残し量Ｔ３を求めることになる。なお、これをすべての等高線ごとのｘｙ平面の隅部について求める。
【００３５】
続いて処理は、上記ステップＳ２で得られた最小工具径により、被加工形状のうち、ｚ方向隅部での最大削り残し量Ｔ４を求める（Ｓ４）。
【００３６】
このｚ方向隅部とは、図７に示されているように、等高線加工におけるある平面２２と、この平面２２から立ち上がる側面２３との間の縦方向の隅部２０である。
【００３７】
このｚ方向隅部は、図７に示すように、隅部形状２０の曲率半径と一致する半径ｒを持つ工具を使うことで、確実に隅部２０を加工することができるが、先に求めた最小工具径は、この隅部の曲率半径と一致するものではないので、このステップＳ４において、隅部において発生する最大削り残し量を求めるのである。
【００３８】
ｚ方向隅部における最大削り残し量は、図８に示すように、半径Ｒ２の工具を隅部形状２０に沿って接触させた状態で、工具の外周と隅部の頂点２１の距離が最大削り残し量Ｔ４となる。したがって、ステップＳ２において求められた最小工具径の工具の半径をＲ２をとして、この最大削り残し量Ｔ４を求めることになる。なお、この最大削り残し量Ｔ４は、ｚ方向隅部のすべてについて求める。
【００３９】
続いて処理は、先のステップＳ３およびＳ４において算出した最大削り残し量Ｔ３およびＴ４がともに許容値以下か否かを判定する（Ｓ５）。
【００４０】
この判定の結果、Ｔ３およびＴ４がともに許容値以下であればそのまま処理を終了する。すなわち、ステップＳ２で求めた最小工具径の工具を用いることで、ｘｙ平面における隅部もｚ方向の隅部も、ともに最大削り残し量が許容値以下で連続して加工することが可能ということである。
【００４１】
一方、Ｔ３およびＴ４のうちいずれか一つでも許容値以下となっていなければ、加工層を追加して（Ｓ６）、ステップＳ２へ戻る。ここで加工層の追加とは、ステップＳ１で設定された等高線ピッチにより決定される加工層数に対して追加することであり、これにより被加工物のｚ方向における加工層の数が増えるので、等高線ピッチが必然的に狭くなる。
【００４２】
これによりステップＳ２の戻った後、もう一度最小工具径が計算されるので、加工層が追加されて等高線ピッチが狭くなったことで、斜面における最大削り残し量が許容値以下となる最小工具径が前回求められた最小工具径より小さくなる。
【００４３】
したがって、以降ステップＳ２以下の処理を繰り返すことで、最終的に、斜面とともに、ｘｙ平面およびｚ方向のそれぞれの隅部をも加工することのできる適切な大きさの工具径が決定されるとともに、加工ピッチも自動的に決定される。
【００４４】
この後の荒加工においては、決定された工具径の工具により、同じく決定された加工層を加工することで、斜面部においても、またｘｙ平面やｚ方向の隅部においても、ともに最大削り残し量が許容値以下となるように連続して加工することができる。
【００４５】
（参考例）
上述した実施の形態では、一つの最小工具径ですべての加工を行うことを前提にしたものであるが、被加工物の形状によっては、加工面ごとに工具を取り替えることも可能である。そこで、本参考例では、斜面部分から導き出される最小工具径と、隅部から導き出される最大工具径の関係から加工できる層を決定するものである。
【００４６】
図９は、本参考例の工具径と加工層を決定する方法の手順を示すフローチャートである。
【００４７】
まず、斜面ごとに最大削り残し量が許容値以下となる最小工具径を求める（Ｓ１１）。この処理は、前述した実施の形態のステップＳ２の処理と同じようにして、斜面ごとに最大削り残し量が許容値以下となる最小工具径を求めるものである。したがって、ここで求めた最小工具径は複数個になる。
【００４８】
続いて、すべてのｘｙ平面の隅部において、各隅部の最大削り残し量が許容値以下となる最大工具径をそれぞれ求める（Ｓ１２）。この処理は、図６に示したものと同様にして、工具を隅部形状１０に沿って接触させた状態で、工具の外周と隅部の頂点１１の距離を測ることで最大削り残し量Ｔ３が求まるので、この最大削り残し量Ｔ３が許容値以下となる最大の大きさの工具径を、隅部ごとに求めることになる。したがって、ここで求めた最大工具径は複数個になる。
【００４９】
続いて、すべてのｚ方向の隅部において、各隅部の最大削り残し量が許容値以下となる最大工具径をそれぞれ求める（Ｓ１３）。この処理は、図８に示したものと同様にして、工具を隅部形状２０に沿って接触させた状態で、工具の外周と隅部の頂点２１の距離を測ることで最大削り残し量Ｔ４が求まるので、この最大削り残し量Ｔ４が許容値以下となる最大の大きさの工具径を、隅部ごとに求めることになる。したがって、ここで求めた最大工具径は複数個になる。
【００５０】
以上の各処理により、切削加工する斜面で使用できる最小工具径と、加工層ごとの隅部において使用できる最大工具径が求まる。
【００５１】
続いて、求めた最小工具径から最大工具径の範囲ごとに、加工できる加工層を分類する（Ｓ１４）。これは、最小工具径が斜面ごとに求められており、最大工具径がステップＳ１２とステップＳ１３でそれぞれ複数求められているため、最小工具径から最大工具径の範囲が複数になり、それぞれの範囲内において加工することのできる加工層を分類するものである。
【００５２】
これにより、たとえば図１０に示すように、最小工具径から最大工具径の範囲で加工することのできる加工層ＳＵ１〜ＳＵ８がそれぞれ求まることになる。なお、図１０は、加工層としてＳＵ１〜ＳＵ８の８層を概念的に示した一例であり、等高線加工においては、当然に切削するために設定した等高線の数だけ加工層があり、８層以上のこともあれば８層以下のこともある。
【００５３】
続いて、複数の最小工具径から最大工具径までの範囲に跨り、一つの最大工具径で加工することのできる複数の加工層を１グループとして抽出する（Ｓ１５）。
【００５４】
これは、図１０に示したものでは、加工層ＳＵ１〜４までが、加工層ＳＵ１における最大工具径の工具により加工できる第１グループとして抽出するものである。同様に、加工層ＳＵ５〜８が加工層ＳＵ５における最大工具径の工具により加工できる第２グループとして抽出するものである。
【００５５】
以上により、グループ分けされた複数の加工層が、それぞれのグループごとに一つの工具によって加工することができるように決定される。
【００５６】
これにより、この後の荒加工においては、決定された工具径の工具により、同じく決定された加工層を加工することで、工具の交換回数をできるだけ少なくすることが可能となる。
【００５７】
なお、以上説明した各実施の形態における各処理は、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）システムなどによって、被加工物のデザインモデルデータにおける斜面部や隅部に工具経を当てはめて、最大削り残し量の算出、許容値との比較などを行うものである。
【００５８】
以上本発明を適用した本実施の形態と説明したが、これらの実施の形態は、本発明を適用した一例であり、本発明は、このような実施の形態に限定されるものではなく、当業者により様々な改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した実施の形態における工具と加工層の決定方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】傾斜角度の違いによる最大削り残し量算出位置の判定方法を説明するための図面である。
【図３】傾斜角度が急な場合の最大削り残し量の算出方法を説明するための図面である。
【図４】傾斜角度が緩い場合の最大削り残し量の算出方法を説明するための図面である。
【図５】ｘｙ平面における隅部の切削を説明するための図面である。
【図６】ｘｙ平面における隅部の切削によって生じる最大削り残し量を説明するための図面である。
【図７】ｚ方向における隅部の切削を説明するための図面である。
【図８】ｚ方向における隅部の切削によって生じる最大削り残し量を説明するための図面である。
【図９】参考例における工具と加工層の決定方法の手順を示すフローチャートである。
【図１０】最小工具径から最大工具径までの範囲に加工層を分類した状態を概念的に示す図面である。
【符号の説明】
１０ｘｙ平面の隅部
１１、２１隅部の頂点
２０ｚ方向の隅部
２２平面
２３側面

Claims

（ａ）被加工形状を加工するための等高線ピッチを設定する段階と、
（ｂ）異なる工具径ごとに前記被加工形状の斜面における前記等高線ピッチ間に残る第１の最大削り残し量を求め、当該第１の最大削り残し量があらかじめ定められた許容値以下となる工具径のうち最小の工具径を求める段階と、
（ｃ）前記被加工形状を加工するために設定された等高線の一つが含まれる平面内の隅部を前記（ａ）の段階で求めた前記最小の工具径により切削した場合の前記隅部における第２の最大削り残し量を、すべての平面内隅部について求める段階と、
（ｄ）前記被加工形状を加工するために設定された等高線の一つが含まれる平面と該平面から立ち上がる側面部とよりなる縦方向隅部を前記最小の工具径により切削した場合の第３の最大削り残し量を、すべての該縦方向隅部について求める段階と、
（ｅ）前記第２の最大削り残し量と前記第３の最大削り残し量があらかじめ定められた許容値以下か否かを判断し、当該２つの最大削り残し量のうちいずれか一つでも許容値以下とならない場合には、前記（ａ）の段階で設定した前記等高線ピッチを狭くして等高線加工における加工層を追加する段階と、
を有することを特徴とする等高線加工における工具径と加工層の決定方法。
前記（ｂ）の段階は、あらかじめ用意されている工具径の異なる工具を用いて、各工具のそれぞれの工具径による前記第１の最大削り残し量を算出し、算出した最大削り残し量が前記許容値以下となっている工具径のうち最小の工具径を選択することを特徴とする請求項１記載の等高線加工における工具径と加工層の決定方法。