JP3904993B2 - 曲線補間方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数値制御装置等で曲面を加工する際の指令点列データより滑らかな曲線を得る曲線補間方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
CAD/CAM装置や倣い装置などを使って作成した指令点列データに基づいて数値制御工作機械等で金型等の曲面を加工する場合、指令点列データから曲線補間を行って曲面加工が行われている。例えば、特開平2−113305号公報には、指令点列データから近似的なスプライン曲線を生成し補間する方法が記載されている。
【0003】
また、特開平10−240328号公報には、隣り合う点間の線分ベクトルを求めこの線分ベクトルの差の差分ベクトルの2乗の和が最小となるように各指令点の補正量を求め、各指令点を修正し補間する方法や、指令点列から連続する複数の点列を評価範囲として、この評価範囲の点列に対して近似的な曲線を当てはめ、この近似曲線と評価範囲内の各指令点との差を修正量とし修正指令点列を求める方法等が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
CAD/CAMで作成されるデータは、CADで作成されるデータの目標曲線(以下、所期の曲線という)に対してあるトレランス内に入るように線分が作成され、その線分の両端の点が指令点列データとして数値制御装置に指令される。
図1に示すように、CAMでは所期の曲線Csに対して、あるトレランス幅2w内に入るように線分Lが作成され、その線分の両端の点P,P…・が指令点列データとしてCAMから数値制御装置に指令される。この指令点列の位置情報に基づいて曲線Ceが生成されるために、所期の曲線Csに対するトレランス幅2wを越えるような曲線Ceが生成されてしまうことがある。
【0005】
特開平10−240328号公報に記載された技術は、指令点を修正するものであるが、この場合も同様である。指令点を修正しても図1と同様な曲線Ceになる可能性があり、所期の曲線Csに対するトレランス幅2wを越えるような曲線Ceが生成されないという保証はない。
また、指令点列は所期の曲線Csに対してあるトレランス幅2wの帯の端に来ることが多い。そのため、指令点列のみから曲線Ceを生成すると、所期の曲線Csから離れてしまうことがある。たとえば、図2に示すように、所期の曲線Csが円弧であった場合、あるトレランス幅2w内に入る線分Lを生成すると、指令点P,P,Pは所期の曲線Csからトレランス量wだけ離れた位置にあり、図3に示すように、各線分Lを約0.15:0.7:0.15で内分した2点Q,Qが所期の曲線Cs上に存在する点である。
【0006】
このことは、指令点を修正する場合も同様である。たとえば、上述した図2のように、所期の曲線が円弧であった場合、指令点列は円弧上に並んでいるため、指令点列に対して近似的な曲線を当てはめても指令点列はほとんど修正されない。したがって、修正された指令点列はやはり所期の曲線Csからトレランス量wだけ離れた位置にある。
【0007】
又、指令点列から生成される曲線Ceは、指令点列の位置を必ず通過する。 そのため、指令点列にCAD/CAMでの計算誤差があったり、設定単位への丸め誤差があり、図4に示すような点列P,P,P…であると、その誤差が生成曲線Ceに反映し、加工面の面精度が良くないことや加工時の機械の振動の原因となることがある。このように、指令された点列の位置を必ず通過することが、面精度の劣化の原因となることがある。
【0008】
そこで、本発明の目的は、所期の曲線に対するトレランス以内に収まる曲線を得る曲線補間方法を提供することにある。又は、所期の曲線により近い曲線を得る曲線補間方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
指令点P,P,P…・は、図5に示すようにトレランス幅2w内に有り、各指令点列P,P,P…・を結ぶ線分もトレランス幅2w内にある。よって、指令点間線分を内挿すれば、この内挿点Q,Q,Q…もトレランス幅2w内に存在することになる。本発明は、この内挿点を利用して、所期の曲線Csにより近い滑らかな曲線Ceを生成しその曲線に沿って補間する方法であり、
ステップ(1);指令点列P,P,P…・の各点間に点列指令における設定単位以下の細かさで内挿点Q,Q,Q,…・を求め、それを形状指令点とする。この形状指令点(内挿点)Q,Q,Q,…・は指令点P,P,P…・よりもトレランス幅2w内の中心部に位置する。
ステップ(2);該形状指令点Q,Q,Q,…・の各点について順に着目し、着目した点とその前後の予め決められた点数の形状指令点を選択する。
ステップ(3);図6に示すように該選択した形状指令点Q,Q,Q,…・に対して近似曲線Cmを生成する。
ステップ(4);前記着目した形状指令点Qを前記近似曲線Cmに向かって点列指令における設定単位以下の細かさで移動し、修正指令点Q’とする。
ステップ(5);前記ステップ(2)からステップ(4)までを各形状指令点Q,Q,Q,…・について繰り返し実行し、修正指令点Q’,Q’,Q’…・を得る。
ステップ(6);前記修正指令点Q’の点列と該修正指令点が対応する近似曲線の点における近似曲線の1階微分の値より、前記修正指令点の点列を通る曲線を生成する。
ステップ(7);生成した曲線を点列指令における設定単位以下の細かさで補間する。
以上のステップで構成された曲線補間方法である。
【0010】
又、前記ステップ(1)において、内挿点Qだけではなく指令点Pをあわせて形状指令点としてもよい
【0011】
ステップ(3)の処理においては、各形状指令点Qと近似曲線Cmとの距離の2乗の和が最小となる近似曲線Cmを生成するようにする。
ステップ(4)において、修正のための移動量が第1の設定値を越えるとき、修正のための移動量はこの第1の設定値分だけとする。
又、ステップ(4)において、図7に示すように、修正指令点Q’間が第2の設定値よりも短い場合は、さらにその内挿点(例えば中点)Q”を修正指令点Q’とし、その内挿点を求めるために使用した修正指令点は削除する
【0012】
テップ(1)において、指令点間の距離がある設定値よりも短い場合は図8に示すように、さらにその内挿点(例えば中点)P’を指令点Pとみなし、その内挿点を求めるために使用した指令点は削除するようにする。
ステップ(6)において、生成する曲線Ceは、NURBS曲線又はスプライン曲線とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
図10は本発明の曲線補間方法を適用する数値制御装置100のブロック図である。数値制御装置100を全体的に制御するプロセッサ11には、ROM、RAM、バッテリでバックアップされたCMOSメモリ等のメモリ12、記憶媒体にデータを入出力するデータ入出力装置34が接続されたインターフェイス13,表示器/MDIユニット30が接続されたインターフェイス16,操作盤31が接続されたインターフェイス17、PMC(プログラマブル・マシン・コントローラ)14、表示器/MDIユニット30、各軸の軸制御回路18、スピンドル制御回路20がバス22で接続されている。
【0014】
各軸の軸制御回路18はプロセッサ11からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ19に出力する。サーボアンプ19はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ32を駆動する。各軸のサーボモータ32は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路18にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図10では、位置・速度のフィードバックについては省略している。
【0015】
また、スピンドル制御回路20は主軸回転指令を受け、指令主軸速度と主軸モータ33に設けられたポジションコーダからの速度フィードバック信号とにより、スピンドルアンプ21にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ21はスピンドル速度信号により主軸の速度制御を行う。
【0016】
データ入出力装置34からインターフェイス13を介して、CAD/CAM装置や倣い装置などを使って作成された指令点列データを含む加工プログラムが入力され、メモリの不揮発性部分に記憶されているものとする。滑らかな曲線を生成して補間することの開始を指令するGコードとこの指令を解除するGコードが用意されており、加工プログラムには、図11に示すように、滑らかな曲線を生成して補間すべき対象の指令点列の最初に、滑らか曲線補間指令のGコード「G06.3」がプログラムされ、この指令をキャンセルする位置に滑らか曲線補間キャンセル指令Gコード「G06.9」がプログラムされている。このGコード「G06.3」と「G06.9」間において本発明が採用する滑らか補間がなされる。
【0017】
又、この滑らか補間をなす区間を自動的に判断するようにしてもよい。この場合は、プロセッサ11は加工プログラムより点列を読み、各点列間を結ぶ線分野角度や長さから滑らか曲線を生成して補間するか否かを自動的に判断するようにする。図12に示すように、点P,P,Pの各点間の隣り合う線分間の屈折角度は小さい。及び点,P,P,Pの各点間の隣り合う線分間の屈折角度も小さい。よって、これらの区間は滑らか曲線を生成して補間する領域と判断し、又、点PとP間の線分と点PとP間の線分の屈折角度α、点PとP間の線分と点PとP間の線分の屈折角度βは大きい。このため、点PとP間は滑らかな曲線を生成して補間する処理は行わないようにする。すなわち、指令点列間のとなりあう線分の屈折角が基準値以下の場合には、滑らか曲線を生成して補間する処理を行うものと自動的に判断し、他の場合には行わないように自動的に判断するようにする。
【0018】
又、図13に示すように、指令点PからP及び指令点PからPの各点間の距離は短いが、指令点PとP間の距離は長い、このように指令点間の距離が基準値以下の指令点P〜P、P〜P場合には、滑らか曲線を生成して補間する処理を行い、基準値より長い指令点P〜Pの場合には、滑らか曲線を生成して補間する処理を行わないものと自動的に判断するようにする。
【0019】
そこで、Gコードにより又は自動的に滑らか曲線を生成して補間する処理と判断されたときの処理について、図14、図15に示すフローチャートと共に説明する。
【0020】
プロセッサ11は加工プログラムより指令点列P0,P1,P2,Pn-1,Pnを読込む(S1)。この読み込んだ指令点列が図16に示すような指令点列P0,P1,P2,Pn-1,Pnであったとする。
【0021】
次に、各点間(P0,P1) ,(P1,P2)…(Pn-1,Pn)に2点の内挿点(Q1,Q2),(Q3,Q4)…(Q2n-1,Q2n)を作成する(S2)。この実施形態においては、図17に示すように、内挿比を1:0.7:0.15としている。すなわち、 (Pi,Pi+1)間の内挿点(Q2i+1,Q2i+2)の内挿比は、線分(Pi,Pi+1)の距離:線分(Q2i+1,Q2i+2)の距離:線分(Pi,Q2i+1)の距離=1:0.7:0.15とする。
【0022】
そして、Q0=P0,Q2n+1=Pnとし(S3)、これによって内挿点の点列Q0,Q1,Q2,…Q2n,Q2n+1からなる形状指令点列を生成する。
指標iを「1」にセットし(S4)、該指標iの値を判断し(S5,S6)、指標iが「1」の場合には、形状指令点列Qi-1,Qi,Qi+1,Qi+2(=Q,Q,Q,Q)を取り出し(S17)、指標iが「2〜2n-1」の場合には、形状指令点列Qi-2,Qi-1,Qi,Qi+1,Qi+2を取出し(S7)、指標iが「2n」の場合には、形状指令点列Qi-2,Qi-1,Qi,Qi+1(=Q2n−2,Q2n−1,Q2n,Q2n+1)を取出す(S18)。なお、指標iが「2n+1」の場合には後述する。
こうして取出した点列に対して、最小2乗法にて近似曲線Cmを作成する。 つまり、取出した点列からの距離の2乗和が最も小さくなる曲線Cmを作成する(S8)。この近似曲線Cmが図18に示す一点鎖線の曲線であったとする。次に、この時点の指標iに対応する形状指令点Qを近似曲線Cmに向かって、点列指令の設定単位以下の細かさでかつトレランス量2w以内で移動し、修正指令点Qi’とする(S9)。そして、形状指令点Qiに対応する近似曲線Cm上の修正指令点Qi’における1階微分値Qi (1)’を求め記憶する(S10)。
【0023】
指標iを「1」インクリメントし(S11)、該指標iが形状指令点Qの数の「2n+1」を越えたか判断し(S12)、越えてなければ、処理S5に戻り上述した処理を実行する。
【0024】
指標iが「2n+1」に達したことが、処理S5で判断されたときには、修正指令点Q2n+1’=指令点Pnとし、修正指令点Q2n’から指令点Pnへの方向ベクトルを修正指令点Q2n+1’に対応する1階微分値Q2n+1 (1)’として記憶し(S19)、指標iを1インクリメントする(S11)。その結果、指標iが形状指令点Qの数「2n+1」を越えたことが判別されるので(S12)、処理S13に移行し、修正指令点Q0’=指令点P0とし、指令点P0から修正指令点Q1’の方向ベクトルを修正指令点Q0’(=P0)に対応する1階微分値Q0 (1)’とする。以上の処理によって、形状指令点列Q0,Q1,Q2,…Q2n,Q2n+1に対応する修正指令点列Q0’,Q1’,Q2’…Q2n’,Q2n+1’及び各修正指令点の1階微分値Q0 (1)’,Q (1)’,Q (1)’…Q2n (1)’,Q2n+1 (1)’を得る。
【0025】
さらに本実施形態においては、図19に示すように、修正指令点Q0’,Q1’…Q2n+1’の各2点間の距離について、設定されている基準値よりも短い2点Qj’,Qj+1’間の距離があれば、その2点間を内挿した内挿点を求める。この図19に示す例では2点の中点を新しい修正指令点Qj’とし、旧い修正指令点Qj’,Qj+1’を削除する。又、旧い修正指令点の1階微分値Qj (1)’とQj+1 (1)’の平均値を新しい修正指令点Qj’の1階微分値Qj (1)’として、旧い修正指令点の1階微分値Qj (1)’とQj+1 (1)’を削除する。ただし、修正指令点列の両端の修正指令点Q0’,Q2n+1’及びこの修正指令点の1階微分値Q0 (1)’,Q2n+1 (1)’は削除しない。
これによって、曲線生成の元データとして、修正指令点列Q0’,Q1’…Q2n+1’と、各点における1階微分値Q0 (1)’,Q1 (1)’…Q2n+1 (1)’が作成される(S14)。
【0026】
次に、修正指令点列Q0’,Q1’…Q2n+1’および各1階微分値Q0 (1)’,Q1 (1)’…Q2n+1 (1)’とから、修正指令点列Q0’,Q1’…Q2n+1’を通る曲線を生成する(S15)。
【0027】
たとえば、2点Qj’,Qj+1’において、それらの位置Qj’,Qj+1’とそれらの点における1階微分値Qj (1)’,Qj+1 (1)’が与えられているので、それらの点を結ぶスプライン曲線やNURBS曲線等の3次曲線を生成して補間することができる。より具体的には、たとえば、2点Qj’,Qj+1’間を次のようなスプライン曲線の3次曲線で結ぶ場合、2点の位置Qj’,Qj+1’と1階微分値Qj (1)’,Qj+1 (1)’の4個のデータが与えられるので、次式で示すスプライン曲線の係数A,B,C,Dは決定され、2点Qj’,Qj+1’間を結ぶ3次曲線Ceが生成される(S15)。
【0028】
f(t)=At3+Bt2+Ct+D (A,B,C,Dは係数、t=0〜1.0の曲線パラメータ)
ただし、f(t),A,B,C,Dは次のように各軸ごとに値を持つベクトルである。
f(t)x= Axt3+Bxt2+Cxt+Dx
f(t)y= Ayt3+Byt2+Cyt+Dy
f(t)z= Azt3+Bzt2+Czt+Dz
なお、図20にこうして生成された曲線Ceを示す。
次に、こうして生成された曲線Ceを点列指令の設定単位以下の細かさで補間する(S16)。
【0029】
上述の実施形態においては、ステップS1で全ての指令点列P0,P1,P2, …Pn-1,Pnの読込みを行ってから処理を開始したが、必要点列だけ読みとってその点列に対する処理を行うことも可能である。 そうすることによって、対象の指令点列をすべて読込み終わってから曲線生成の処理を開始するのでなく指令点列を読込みながら読込んだ指令点列に対して曲線を生成していくことが可能である。
【0030】
又、各指令点間に内挿点(=形状指令点)を得る場合、上記実施形態では2点の内挿点を作成しているが、2点に限らず他の数の内挿点を作成するようにしてもよい。さらに、近似曲線Cmを作成する場合、上記実施形態では、着目している形状指令点Qiの前後に最大2点の形状指令点を取出しているが、2点という点数を他の数にしてもよい。さらには、指令点列P0,P1,P2,…Pn-1,Pn と内挿点Q1,Q2,…Q2nを合わせて形状指令点としてもよい。
【0031】
さらに、指令点列P0,P1,P2,…Pn-1,Pn の任意の2点を結ぶ線分がある設定値よりも短い場合、図8に示すように、その内挿点または中点を指令点P’とみなしその内挿点または中点を生成するために使用した2点の指令点は削除するようにしてもよい。この場合、処理S2で、各指令点P間の距離が設定基準値以下か判断し,基準以下の場合には、上述した処理を行うようにして、指令点列を作成しなおし、内挿点を求めるようにすればよい。
【0032】
又、上記実施形態では、処理S2の処理で指令点Pi,Pi+1間の内挿点Q2i+1,Q2i+2おいて、線分(Pi,Pi+1)の距離:線分(Q2i+1,Q2i+2)の距離:線分(Pi,Q2i+1)の距離=1:0.7:0.15とした内挿比を用いたが、他の値にしてもよい。
【0033】
【発明の効果】
本発明は、より滑らかでかつ所期の曲線に近い曲線を補間することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】指令点列に基づいて曲線を生成する従来の方法の問題点の説明図である。
【図2】従来の方法により生成した曲線と所期の曲線の説明図である。
【図3】従来の方法による所期の曲線上の点の説明図である。
【図4】指令点列によっては、従来の方法では滑らかな生成曲線が得られない例の説明図である。
【図5】本発明が形状指令点として用いる内挿点の説明図である。
【図6】本発明における形状指令点を近似曲線へ移動させ修正指令点を求める説明図である。
【図7】本発明における修正指令点をさらに修正する場合の説明図である。
【図8】本発明において,さらに指令点を修正する場合の説明図である。
【図9】本発明における1階微分値の説明図である。
【図10】本発明を実施する数値制御装置の一実施形態の要部ブロック図である。
【図11】同実施形態における曲線を生成して補間するプログラムを指令したプログラム例の説明図である。
【図12】同実施形態において、曲線を生成して補間するか否かを自動的に判断する方法の説明図である。
【図13】同実施形態において、曲線を生成して補間するか否かを自動的に判断する別の方法の説明図である。
【図14】同実施形態における動作処理のフローチャートである。
【図15】同動作処理フローチャートの続きである。
【図16】同実施形態における点列指令の説明図である。
【図17】同実施形態における内挿点(形状指令点)の説明図である。
【図18】同実施形態における近似曲線を求め、修正指令点及び1階微分値を求める説明図である。
【図19】同実施形態における修正指令点をさらに修正し新しい修正指令点と1階微分値を求める説明図である。
【図20】同実施形態において生成される滑らかな曲線の説明図である。
【符号の説明】
100 数値制御装置
P,P0,P1,P2,…Pn-1,Pn 指令点
Q,Q0,Q1,Q2,…Q2n,Q2n+1 内挿点(形状指令点)
Q’,Q0’,Q1’,Q’…Q2n’,Q2n+1’ 修正指令点
(1)’,Q0 (1)’,Q1 (1)’…Q2n+1 (1)’ 1階微分値
Cs 所期の曲線
Cm 近似曲線
Ce 生成される曲線
w トレランス幅
L 線分

Claims (10)

  1. 数値制御装置における、指令点列から滑らかな曲線を生成しその曲線に沿って補間する方法において、
    (1)前記指令点列の各点間に点列指令における設定単位以下の細かさで内挿点を求め、それを形状指令点とするステップと、
    (2)該形状指令点の各点について順に着目し、着目した点とその前後の予め決められた点数の形状指令点を選択するステップと、
    (3)該選択した点に対して近似曲線を生成するステップと、
    (4)前記着目した点を前記近似曲線に向かって点列指令における設定単位以下の細かさで移動し、修正指令点とするステップと、
    (5)前記ステップ(2)からステップ(4)までを各形状指令点について繰り返し実行するステップと、
    (6)前記修正指令点の点列と該修正指令点が対応する近似曲線の点における近似曲線の1階微分の値より、前記修正指令点の点列を通る曲線を生成するステップと、
    (7)生成した曲線を点列指令における設定単位以下の細かさで補間するステップと、
    を備えた曲線補間方法。
  2. ステップ(1)において、内挿点と指令点をあわせて形状指令点とする、請求項1記載の曲線補間方法。
  3. ステップ(3)において、各点と近似曲線との距離の2乗の和が最小となる近似曲線を生成する、請求項1又は請求項2に記載の曲線補間方法。
  4. ステップ(4)において、修正のための移動量が第1の設定値を越えるとき、修正のための移動量は前記第1の設定値分だけとする、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の曲線補間方法。
  5. ステップ(4)において、修正指令点間が第2の設定値よりも短い場合は、さらにその内挿点を修正指令点とし、その内挿点を求めるために使用した修正指令点は削除する、請求項1乃至4の内いずれか1項に記載の曲線補間方法。
  6. 前記内挿点は中点である、請求項5記載の曲線補間方法。
  7. ステップ(1)において、指令点間がある設定値よりも短い場合は、さらにその内挿点を指令点とみなし、その内挿点を求めるために使用した指令点は削除する、請求項1乃至の内いずれか1項に記載の曲線補間方法。
  8. 前記内挿点とは中点である、請求項記載の曲線補間方法。
  9. ステップ(6)において、生成する曲線はNURBS曲線である、
    請求項1乃至の内いずれか1項に記載の曲線補間方法。
  10. ステップ(6)において、生成する曲線はスプライン曲線である、請求項1乃至の内いずれか1項に記載の曲線補間方法。
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