JP4602927B2 - 仮想倣い加工における干渉計算方法、工具経路生成方法、仮想スタイラス制御方法、及びフライス加工制御システム - Google Patents

Description

本発明は、仮想倣い加工における干渉計算方法、工具経路生成方法、仮想スタイラス制御方法、及びフライス加工制御システムに関する。

従来から、被加工材を回転させて軸対称の加工面を形成する旋削加工に対し、切削工具を回転させるフライス加工がある。フライス加工を行うフライス盤は、自由曲面を含む加工面を形成でき、少量多品種対応やリードタイム短縮などの生産性向上、加工精度の向上などを目指して、数値制御やコンピュータ制御による自動化が進められている。自動化されたフライス盤は、ＣＮＣ工作機械（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）などと呼ばれ、ＮＣプログラムに基づいて運転される。ＮＣプログラムは、フライス工具を被加工材に対して相対移動させるための工具経路情報や加工条件などから構成される。

図１５は、フライス加工の様子を示す。所望の加工形状８０が得られるように、ボールエンドミルなどの回転するフライス工具８１が、工具経路情報に基づいて、被加工材８２に対して相対移動する。工具経路情報の生成は、ＣＡＤ／ＣＡＭを用いて行われる。工作機械が実行すべき全ての加工動作がＮＣプログラムに記述され、ＣＮＣ工作機械は、これらの加工動作を忠実に再現する。良質なＮＣプログラムを加工前に用意することにより、良好な加工結果が得られる。このため、ＣＮＣ工作機械とＮＣプログラムを用いるフライス加工は、大量に同一形状を加工する場合に有効である。

しかし、上述のようなＮＣプログラムを用いるＣＮＣ工作機械においては、加工中の全動作が、加工開始前に生成されたＮＣプログラムにより決定され再生される。このような教示再生方式の制御は、設計変更や加工条件変更などに起因する工程変更、さらに、加工中の切削異常の発生などに柔軟に対応できない。また、通常、ＮＣプログラムの形式がＮＣ工作機械に依存しているので、ＮＣ工作機械を動的に使い分けて自律分散型の生産システムを実現することが容易でない。

ところで、ＣＡＭの普及以前から、工具経路情報を生成しつつフライス加工を行う、いわゆる倣い加工が行われている。この倣い加工では、同図１５に示すように、製品形状を模した模型であるマスタモデル９２の表面９０に接触子であるスタイラス９１を接触させる倣い動作をさせながら工作機械を制御する。これにより、マスタモデル９２とスタイラス９１の相対運動を、被加工材８２とフライス工具８１の相対運動として再現し、マスタモデル９２の形状をコピーした製品を製造できる。この倣い加工における工具経路は、スタイラスの倣い動作に並行してリアルタイムで生成される。

また、上述の倣い動作は、同図１５に示すように、コンピュータを用いて仮想倣い動作として実現される。仮想倣い動作では、模型とスタイラスをコンピュータによる仮想空間に構築した、仮想マスタモデル２と仮想スタイラス１を用いる。仮想マスタモデル２の表面２０の形状が、製品形状の３次元ＣＡＤモデルに基づいて用意される。仮想倣い動作を用いるフライス加工（仮想倣い加工）では、従来の倣い動作におけるマスタモデル９２が不要である。従って、ＣＡＤによる製品設計とＣＮＣ工作機械による製造が直結され、フライス加工の自動化をより前進させて柔軟に条件変更などに対応できる。

そこで、例えば、上述の仮想倣い動作を用いることにより、予め生成されるＮＣプログラムの介在を否定し、工具経路をインプロセスで生成すると共に、切削条件をインプロセスで修正可能とする仮想倣い加工システムの提案がなされている（例えば、非特許文献１参照）。

上述の仮想倣い加工システムについて、さらに、図面を参照して説明する。説明の便のため図中にｘｙｚ座標系を定め、ｚ軸方向を上下方向とする。仮想倣い動作を用いるフライス加工では、通常、図１６（ａ）に示す走査線加工、又は、図１６（ｂ）に示す等高線加工が行われる。工具経路面３は、仮想スタイラス１の先端が移動する面であり、通常、走査線加工の場合、仮想スタイラス１の回転軸ｚ１を含む平面であり、等高線加工の場合、回転軸ｚ１に垂直な平面である。仮想スタイラス１は、所定の基線に沿った移動（基線移動）と、仮想マスタモデル２の表面に沿った倣い動作の移動（倣い移動）とを行う。基線移動中に仮想マスタモデル２の表面を検出して倣い移動を行い、倣い動作中に基線を検出して基線移動を行う。仮想スタイラスによるこれらの移動に基づいて工具経路ＣＬの情報が生成される。

上述の倣い動作を行うために、図１７、図１８に示すように、仮想スタイラス１と仮想マスタモデル２の表面２０との干渉検出が行われる。干渉とは、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２の表面２０内部に入り込むことであり、干渉の度合いを表す干渉量は、例えば、仮想スタイラス１の断面１０に含まれる仮想マスタモデル２の断面Ａの形状寸法の大小に基づいて評価される。

ここで、図１９（ａ）（ｂ）を参照して、仮想スタイラス１と仮想マスタモデル２の干渉量及び干渉の増減方向を求めるための方法を説明する。図１９（ａ）において、点ｐ１に中心が位置する仮想スタイラスの円形の断面１０が、仮想マスタモデル２に食い込む干渉が発生している。その干渉量は、点ｐ１から伸びる半径中に含まれる仮想マスタモデル２の領域の長さの極大値として求められる。極大値が１つの場合は、その極大値の方向が干渉の方向、すなわち、その方向に仮想スタイラス１を移動させれば干渉を解消することができる。本図の例では、２つの極大値からなる干渉量ε１，ε２が、角度θ１，θ２に検出されている。このような場合、干渉を解消できる点ｐ２に仮想スタイラス１の中心を移動させるためのベクトル量を与える干渉量εの大きさと方向は、図１９（ｂ）に従って求められる。すなわち、干渉量ε１，ε２を、点ｐ１に向かうベクトルとしたとき、両ベクトルの始点を一致させて成る三角形の外接円の直径が、求める干渉量εであり、前記始点を通る直径の方向が、干渉を解消する方向である。

さらに、図２０（ａ）（ｂ）、図２１（ａ）（ｂ）を参照して、仮想倣い加工における仮想スタイラス１の移動制御について説明する。仮想倣い加工では、仮想スタイラス１の倣い動作に並行して生成される工具経路に基づいてフライス工具が移動し、加工が行われる。仮想スタイラス１は、例えば、仮想マスタモデル２の表面２０から所定の基準干渉量ε０だけ内部に入り込んだ状態を維持して倣い動作をするように制御される。表面２０に沿った仮想スタイラス１の接線速度成分Ｖｔは、一定速度Ｖｃを維持するように制御される。また、仮想マスタモデル２の表面形状の変化によって発生する干渉を解消して倣い動作をするため、干渉量εと基準干渉量ε０の差分εｄ、εｄ＝ε−ε０、に基づいて、法線速度成分Ｖｎが生成され、また、接線速度成分Ｖｔが調整される。例えば、所定の比例係数Ｇｎ，Ｇｔを用いて、Ｖｎ＝Ｇｎ×εｄ，Ｖｔ＝Ｖｃ−Ｇｔ×｜εｄ｜、とされる。

上述とは別の例を説明する。仮想倣い動作を用いると、例えば、操作者が、計算機によって表示された映像を見ながら、仮想マスタモデル上で仮想エンドミルの先端部の外形像（仮想スタイラスに対応）を、計算機に接続したジョイスティック状の操作棒を操作することにより移動させて、仮想マスタモデルと仮想エンドミルの相対運動に基づくＮＣプログラムを生成し、ＣＮＣ工作機械を駆動する、ということが可能となる。操作棒の操作によってエンドミルの先端が仮想マスタモデルに食い込む、いわゆる干渉が発生する場合には、計算機は、干渉を回避して仮想マスタモデルの表面に沿った方向にだけ移動するようにエンドミルの移動方向を制御する（例えば、特許文献１参照）。
白瀬敬一（代表）著 「ＮＣプログラムが不要な次世代スキルレス工作機械の試作」平成１３年度〜平成１５年度科学研究費補助金［基盤研究（Ｂ）（２）］研究成果報告書 平成１６年３月 特開平０８−０９０３８７号公報

しかしながら、上述した非特許文献１や特許文献１に示されるような技術は、これをフライス加工の自動化に適用する場合、次のような問題がある。実在のモデルを用いる倣い加工では、通常、切削工具が被加工材を過剰に切削することはない。一方、仮想スタイラスと仮想マスタモデルを用いる場合、両者の接触を幾何学的に検出する必要がある。そこで、例えば、仮想マスタモデルを用いる倣い加工において、もし、干渉計算が不適切なことによって許容量以上の干渉が発生すると、現実のＣＮＣ工作機械がその干渉状態を再現する結果、切削すべきでない部分を切削してしまうことになる。すなわち、干渉計算は、仮想倣い加工において必須の重要項目である。

このような干渉計算について、上述した非特許文献１においては、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、角度走査を行って干渉量の極大値を求めて、最終的な干渉量の大きさと方向を求めることが示されている。しかしながら、この方法は必要な計算量が多く、ますます高速化するフライス加工の加工速度に対応して工具経路の生成をインプロセスで行うことは、困難な状況にある。

また、上述した特許文献１においては、仮想マスタモデルを用いて干渉チェックを行い、その結果に基づいてＮＣプログラムやＮＣデータを生成する旨の記述がある。しかしながら、特許文献１には、干渉検出方法の具体的な開示がなされていない。また、この特許文献１に示されるような技術は、操作者が介在する必要があるので、仕上げ加工などのような一部の加工にしか対応できない。

本発明は、上記課題を解消するものであって、仮想倣い加工においてより高速に実施できる干渉計算方法、工具経路生成方法、仮想スタイラス制御方法、及び、インプロセスで工具経路を生成しつつ良好な加工を継続できるフライス加工制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、フライス工具をモデル化した仮想スタイラスと加工形状をモデル化した仮想マスタモデルとを用いて、当該仮想スタイラスと仮想マスタモデルとの干渉量を所定の基準干渉量に維持するように工具経路を生成しつつ仮想倣い加工を行うに際して、前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルに対して相対移動しながら辿る時系列点毎に、前記仮想スタイラスと前記仮想マスタモデルとの干渉量及び干渉の増減方向を求める干渉計算方法において、前記工具経路が平面内に生成されるものであり当該平面に平行な平面による前記仮想スタイラスの断面における当該仮想スタイラスの境界線と前記仮想マスタモデルの境界線との交点を求め、その交点の中から互いに最も離れた２点を抽出する２点抽出工程と、前記抽出した２点を結ぶ直線に垂直な方向を前記断面を形成する平面内において求め、その方向を干渉の増減方向とする方向決定工程と、前記仮想スタイラスの断面に含まれる仮想マスタモデルの断面の幅であって、前記工程により決定された干渉の増減方向における幅のうち最大の幅を干渉量現在値として求め、その干渉量現在値と前記基準干渉量との差分を求め、その差分の大きさ及び正負符号に基づいて干渉の増減量を決定する干渉量決定工程と、を備えるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の干渉計算方法において、前記仮想スタイラスの断面は、前記仮想倣い加工が走査線倣い加工の場合、前記仮想スタイラスの回転軸に平行な断面であり、前記仮想倣い加工が等高線倣い加工の場合、前記仮想スタイラスの回転軸に垂直な断面である。

請求項３の発明は、請求項１に記載の干渉計算方法において、前記断面を互いに平行に離間させて複数設定し、各断面において前記干渉量現在値を算出し、得られた干渉量現在値のうち最大のものを用いて前記干渉量決定工程の処理を行うものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の干渉計算方法において、前記仮想スタイラスが、前記フライス工具の外形寸法に荒加工用の削り残し代の寸法を追加した外形寸法によってモデル化されているものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の干渉計算方法を用いて工具経路を生成する工具経路生成方法であって、前記干渉量現在値が前記基準干渉量よりも大きい場合は前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルから離れるように前記干渉の増減方向に沿って前記差分の大きさだけ移動した位置に工具経路の時系列点を設定し、前記干渉量現在値が前記基準干渉量よりも小さい場合は前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルに近付くように前記干渉の増減方向に沿って前記差分の大きさだけ移動した位置に工具経路の時系列点を設定する工具経路生成方法である。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の干渉量計算方法を用いて前記仮想スタイラスの移動を制御する仮想スタイラス制御方法であって、前記仮想スタイラスは、前記２点抽出工程によって抽出された２点を結ぶ直線方向の速度である第１の速度と前記方向決定工程によって決定された干渉の増減方向の速度である第２の速度とを所定時間毎に設定され、これらの速度により移動制御され、前記第１の速度は、前記干渉量現在値から前記基準干渉量を差し引いた差分の絶対値が大きいほど小さくされ、前記第２の速度は、前記差分の増減に応じて増減され、当該第２の速度の正の方向は前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルから離れる方向とされるものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の干渉量計算方法、又は請求項５に記載の工具経路生成方法を用いて工具経路を生成する経路生成手段を備え、前記経路生成手段によって生成された工具経路に基づいてフライス盤による加工を制御するフライス加工制御システムである。

請求項８の発明は、請求項６に記載の仮想スタイラス制御方法を用いて移動制御される仮想スタイラスの移動経路に基づいて工具経路を生成する経路生成手段を備え、前記経路生成手段によって生成された工具経路に基づいてフライス盤による加工を制御するフライス加工制御システムである。

請求項１の発明によれば、仮想スタイラスの断面における仮想スタイラスの境界線と仮想マスタモデルの境界線との交点を求めることにより干渉の増減方向を求めるので、角度走査を行って干渉量の極大値を求めるような多数回の計算が不要であり、より高速に干渉の増減方向を求めることができる。また、仮想スタイラスの断面に含まれる仮想マスタモデル断面の幅のうち、既に決定された方向について、干渉量現在値を求めるので、計算が容易であり、また、干渉量の合成などの処理が不要である。従って、仮想倣い加工において、より高速な干渉計算を実現できる。このような干渉計算に基づくことにより、インプロセスで工具経路を生成しつつ、より高速に良好なフライス加工を実現できる。

請求項２の発明によれば、倣い動作によるフライス加工における標準的な走査線加工と等高線加工に対応した干渉計算が可能である。

請求項３の発明によれば、干渉計算の精度を向上できる。

請求項４の発明によれば、無垢素材の加工から仕上げ加工の各段階において、効率的なフライス加工を実現する干渉計算が可能である。

請求項５の発明によれば、工具経路をインプロセスで効率よく生成できる。

請求項６の発明によれば、効率的に計算される干渉量を用いるので、仮想スタイラスの移動を効率良く制御できる。また、工具経路は、仮想スタイラスの移動経路に基づいて形成されるので、工具経路をインプロセスで効率よく生成できる。

請求項７の発明によれば、インプロセスで工具経路を生成しつつ、より高速に良好な加工を継続できるフライス加工制御システムを実現できる。

請求項８の発明によれば、インプロセスで工具経路を生成しつつ、より高速に良好な加工を継続できるフライス加工制御システムを実現できる。

以下、本発明の一実施形態に係る仮想倣い加工における干渉計算方法、工具経路生成方法、仮想スタイラス制御方法、及びフライス加工制御システムについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の仮想倣い加工における干渉計算方法及び工具経路生成方法の処理のフローチャートを示し、図２は、互いに干渉状態にある仮想スタイラスの断面１０と仮想マスタモデル２の断面を示す。なお、背景技術の説明で示した、図１６（ａ）（ｂ）〜図２１（ａ）（ｂ）を適宜参照する。なお、本明細書において、仮想倣い加工とは、仮想倣い動作に基づいてフライス加工を行う加工のことである。

本発明の干渉計算方法は、フライス工具８１をモデル化した仮想スタイラス１と加工形状８０をモデル化した仮想マスタモデル２とを用いて仮想スタイラスと仮想マスタモデル２の干渉量εを所定の基準干渉量ε０に維持するように工具経路ＣＬを生成しつつ仮想倣い加工を行うに際して、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２に対して相対移動しながら辿る時系列点毎に、仮想スタイラス１と仮想マスタモデル２の干渉量ε及び干渉の増減方向αを求めるものである。

本発明において、工具経路ＣＬは、工具経路面３内に生成される（図１６（ａ）（ｂ）とその説明参照）。また、図２〜図７、図１２、図１３における断面１０は、図の上方をｚ軸方向とした場合、走査線加工におけるボールエンドミルの先端部分を球で表したときの断面を示し、図の上方をｙ軸とし、紙面に垂直な方向をｚ軸とした場合、等高線加工におけるボールエンドミル、又はスクエアエンドミルの回転軸に垂直な面における断面を示す。

本発明の干渉計算方法は、以下に詳述するように、２点抽出工程（Ｓ１）と、方向決定工程（Ｓ２）と、干渉量決定工程（Ｓ３）と、を備え、本発明の工具経路生成方法は、前記干渉計算の結果に基づいて工具経路ＣＬを生成する経路生成工程（Ｓ４）を備える。

まず、２点抽出工程（Ｓ１）では、上述の工具経路面３に平行な平面による仮想スタイラス１の断面１０における仮想スタイラス１の境界線１１と仮想マスタモデル２の境界線２１との交点ａ，ｂ等を求め、その交点ａ，ｂ等の中から互いに最も離れた２点を抽出する。図２の例の場合、仮想スタイラス１の断面１０の中心が点ｐ１にあって、交点が２つあり、この２点ａ，ｂが、互いに最も離れた２点として抽出される。なお、３次元ＣＡＤデータに基づいて仮想空間に形成される仮想マスタモデルは、ポリゴンデータのように平面による表面と直線による境界線を有するものの他、曲面による表面と曲線による境界線を有するものを用いることができる。例えば、ＩＧＥＳ等のＣＡＤデータによる仮想マスタモデルを用いることができる。

方向決定工程（Ｓ２）では、上述の抽出した２点ａ，ｂを結ぶ直線（以下、参照線４）に垂直な方向を断面１０を形成する平面内において求め、その方向を干渉の増減方向αとする。

干渉量決定工程（Ｓ３）では、仮想スタイラス１の断面１０に含まれる仮想マスタモデル２の断面Ａの幅であって、工程Ｓ２により決定された干渉の増減方向αにおける幅のうち最大の幅を干渉量現在値εとして求め、その干渉量現在値εと基準干渉量ε０（図２０（ａ）（ｂ）とその説明参照）との差分εｄ、εｄ＝ε−ε０、を求め、その差分εｄの大きさ及び正負符号に基づいて干渉の増減量を決定する。

最後の、仮想スタイラス移動制御工程（Ｓ４）では、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２に対して相対移動しながら辿る次の時系列点に移動する工程である。仮想スタイラス１は、ここで述べる方法によって、時系列を構成する次の点に移動した後、その移動先の点で、同様に、上述の工程Ｓ１〜Ｓ３、さらに工程Ｓ４が繰り返されることにより移動する。実用上は、仮想スタイラス１の移動に伴って、実際のフライス工具が、仮想スタイラス１の移動を再現するように、被加工材に対して相対移動することによりフライス加工が行われる。

仮想スタイラス１の移動は、２点抽出工程（Ｓ１）によって抽出された２点を結ぶ直線すなわち参照線４の方向の速度である第１の速度Ｖ１と、方向決定工程（Ｓ２）によって決定された干渉の増減方向αの方向の速度である第２の速度Ｖ２と、を設定して制御される。第１の速度Ｖ１は、干渉量現在値εから基準干渉量ε０を差し引いた差分εｄの絶対値｜εｄ｜が大きいほど小さくされる。第２の速度Ｖ２は、差分εｄの増減に応じて増減され、第２の速度Ｖ２の正の方向は、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２から離れる方向とされる。

このような速度設定による仮想スタイラス１の移動制御は、前述の、図２０（ａ）（ｂ）、図２１（ａ）（ｂ）を参照して説明した従来技術と通じるものである。すなわち、第１の速度Ｖ１が接線速度成分Ｖｔに対応し、第２の速度Ｖ２が法線速度成分Ｖｎに対応する。従って、例えば、前述の所定の一定速度Ｖｃ、所定の比例係数Ｇｎ，Ｇｔを用いて、Ｖ１＝Ｖｃ−Ｇｔ×｜εｄ｜,Ｖ２＝Ｇｎ×εｄ、と設定することができる。仮想スタイラス１は、このように設定された速度に基づいて、所定の制御時間間隔Δｔの間、仮想的に移動し、次の時系列点に至る。その後、上述のように各工程Ｓ１〜Ｓ４が繰り返される。時間間隔Δｔは、例えば、数ｍｓｅｃであり、この間に移動する距離は、例えば、１ｍｍ以下である。

図２の例において、基準干渉量ε０＝０とすると、εｄ＝ε−ε０＞０であり、仮想スタイラス１の中心ｐ１，ｐ２間の距離が干渉量εの大きさである。点ｐ２は、ここに中心を有する仮想スタイラス１（の断面１０）が、仮想マスタモデル２との干渉を解消又は低減できる位置である。また、点ｐ０は、図１９（ａ）（ｂ）に示した従来の干渉計算の方法で求めた干渉量とその方向に基づいて移動した断面１０の中心点を表す。このように、点ｐ０，ｐ１が互いに充分近いことから、本発明の干渉計算方法が、従来方法の代替方法として有効なことが分かる。さらに、本発明の方法は、より高速に処理できるという利点を有する。

次に、本発明の干渉計算方法を適用する他の例を、図３〜図７を参照して説明する。図３は、仮想マスタモデルの表面境界線２１に平行に、ｘ方向に向かって仮想倣い動作中の仮想スタイラス１が、前方で仮想マスタモデル２との干渉が増大する状況を示し、図４（ａ）〜（ｄ）は、図３に示した各仮想スタイラス１の断面１０を個別に示す。断面１０の中心位置が、点ｐ１から点ｐ４に移動するにつれて、交点ａ，ｂで定義される参照線４、及び参照線４によって定義される干渉の増減方向αが次第に傾斜していく。

図４（ａ）〜（ｄ）の各図における点ｃから点ｄに向かうベクトルの大きさが干渉量現在値εであり、その値が、上述のように、基準干渉量ε０と比較され、差分εｄ、速度成分Ｖｔ，Ｖｎが求められる。断面１０の中心が点ｐ２，ｐ３，ｐ４となる状態は、差分εｄが正、εｄ＞０、であり、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２から離れるように制御される。このような処理は、実際は、仮想スタイラス１の倣い動作中の各時点においてなされるので、断面１０の中心が点ｐ４の位置に至るような状況は、通常は発生しない。

また、図５は、仮想マスタモデルの表面境界線２１に平行に、ｘ方向に向かって仮想倣い動作中の仮想スタイラス１が、前方で仮想マスタモデル２との干渉が減少する状況を示し、図６（ａ）〜（ｄ）は、図５に示した各仮想スタイラス１の断面１０を個別に示す。断面１０の中心位置が、点ｐ１から点ｐ４に移動するにつれて、交点ａ，ｂで定義される参照線４、及び参照線４によって定義される干渉の増減方向αが次第に傾斜していく。

断面１０の中心が点ｐ２，ｐ３となる状態は、差分εｄが負、εｄ＜０、であり、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２により近づくように制御される。実際の処理では、仮想スタイラス１の倣い動作中の各時点において経路の補正がなされるので、断面１０の中心が点ｐ４の位置に至って、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２から離脱する状況は、通常は防止される。また、たとえ、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２から離脱したとしても、仮想倣い加工においては、仮想スタイラス１の位置座標が仮想倣い加工の制御システムによって把握できるので、このような異常状態による加工が行われる前に工具経路の補正が可能である。なお、仮想倣い加工と異なり、実在模型を用いる倣い加工では、スタイラスが模型から離れてしまったとき、このような補正は、通常、不可能である。

また、図７は、仮想マスタモデルの表面境界線２１に平行に、ｘ方向に向かって仮想倣い動作中の仮想スタイラス１と、前方で進行方向に垂直な表面境界線２１を有する仮想マスタモデル２に対して、干渉が発生する状況を示す。断面１０の中心が点ｐ２となる状態では、断面１０における仮想スタイラス１の境界線１１と仮想マスタモデル２の境界線２１との交点が４つ存在する。これらの交点の中から互いに最も離れた２点が抽出されて参照線４が定義されている。干渉量現在値εの値に基づく仮想スタイラス１の移動制御は、上述と同様であり、説明を省略する。

次に、図８（ａ）（ｂ）を参照して、スクエアエンドミルを用いた走査線加工に対応する仮想倣い加工における干渉計算を説明する。図の上下方向がｚ軸方向であり、同時に、スクエアエンドミルの回転軸方向である。スクエアエンドミルを用いる走査線加工においても、仮想スタイラス１の断面１０における仮想スタイラス１の境界線１１と仮想マスタモデル２の境界線２１との交点を求め、その交点の中から互いに最も離れた２点を抽出する。図８（ａ）（ｂ）の例の場合、各仮想スタイラス１の断面１０について、交点が２つあり、この２点ａ，ｂが、互いに最も離れた２点として抽出される。

また、図２と同様に、点ａ，ｂによって参照線４が定義され、参照線４に対して干渉の増減方向αが定義される。ここに示した例では、スクエアエンドミルの先端周縁部に対応する断面１０の角部の点ｃから増減方向αの点ｄに向かうベクトルの大きさによって干渉量εの大きさが定義される。このようにして得られる干渉量現在値εの値に基づく仮想スタイラス１の移動制御は、上述と同様であり、説明を省略する。

次に、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して、仮想スタイラス１の断面１０を複数設けることについて説明する。ここに示した各図は、それぞれ、ボールエンドミルによる等高線倣い加工、ボールエンドミルによる走査線倣い加工、及び、スクエアエンドミルによる走査線倣い加工における仮想スタイラス１、及び干渉量を計算するための複数の断面１０を示す。これらの断面１０は、各仮想スタイラス１に対して、互いに平行に離間させて複数設定される。各断面１０において干渉量現在値εを算出し、得られた干渉量現在値εのうち最大のものを用いて干渉量決定工程Ｓ３の処理が行われる。

上述の複数の断面１０は、例えば、ボールエンドミルの先端の半球部分を５０分割するように形成される。このように分割された複数の断面１０等を用いることにより、加工寸法精度の良いフライス加工を実現することができる。

次に、図１０（ａ）（ｂ）を参照して、現実のスライス工具であるエンドミルと、仮想スタイラス１の関係について説明する。ここで説明する仮想スタイラス１は、フライス工具８１の外形寸法に荒加工用の削り残し代δの寸法を追加した外形寸法によってモデル化されている。図１０（ａ）はボールエンドミルに対応する仮想スタイラス１であり、図１０（ｂ）はスクエアエンドミルに対応する仮想スタイラス１である。このような仮想スタイラス１を用いることにより、無垢素材の加工から仕上げ加工の各段階において、効率的なフライス加工を実現する干渉計算が可能となる。

次に、図１１、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して、本発明の一実施形態に係る工具経路形成方法を説明する。図１１は経路形成方法のフローチャートを示し、図１２（ａ）は干渉計算に基づいて工具経路の点列を設定する方法を概念的に示し、図１２（ｂ）は仮想倣い動作における生成された工具経路の点列（ここでいう工具経路は、フライス工具をモデル化した仮想スタイラス１の断面１０の中心点の点列）を示し、図１２（ｃ）は形成された工具経路に基づいてフライス加工を行う様子を概念的に示す。この経路形成方法において、まず、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２に対して相対移動しながら仮想倣い動作を行って辿る時系列点の初期位置が設定され、その初期位置で、干渉計算が行われる（Ｓ１１）。以下において、一般性を損なうことなく、初期位置での処理の後に行われる反復処理の途中からの説明を行う。

上記の初期位置、又は、反復処理途中におけるある時系列点ｑ（ｎ）における干渉計算に基づいて、仮想スタイラス１の断面１０を点ｑ（ｎ）の位置から、干渉に対する補正がなされた点ｐ（ｎ）に移動し、時系列点の位置を修正する（Ｓ１２）。点ｐ（ｎ）の設定は次の様にして行う。すなわち、干渉量現在値εが基準干渉量ε０よりも大きい場合は、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２から離れるように干渉の増減方向αに沿って、差分εｄ、εｄ＝ε−ε０、の大きさだけ移動した位置に時系列点ｐ（ｎ）を設定する。また、干渉量現在値εが基準干渉量ε０よりも小さい場合は、仮想スタイラス１が仮想マスタモデル２に近付くように干渉の増減方向αに沿って差分εｄの大きさだけ移動した位置に時系列点ｐ（ｎ）を設定する。

例えば、図１２（ａ）において、点ｑ（ｎ）にある断面１０は、仮想マスタモデル２の表面２０から基準干渉量ε０以上の干渉が発生している。そこで、断面１０が、方向αに沿って移動した点ｐ（ｎ）に移動されている。

上述のように、干渉に対する所定の補正がなされた点ｐ（ｎ）を設定した後に次の点ｑ（ｎ＋１）を設定して時系列点の位置が進められる（Ｓ１３）。点ｑ（ｎ＋１）の設定は、所定の設定方法によって定める位置、例えば、図１２（ａ）に示すように、点ｐ（ｎ）とその前の点ｐ（ｎ−１）とを結ぶ直線の延長線上の所定距離の位置に設定される。従って、点ｐ（ｎ）から点ｑ（ｎ＋１）に向かう矢印は、点ｐ（ｎ−１）から点ｐ（ｎ）に向かう矢印の延長線上に存在している。

そして、点ｑ（ｎ＋１）で干渉計算を行い（Ｓ１４）、その干渉計算に基づいて、点ｑ（ｎ＋１）から点ｐ（ｎ＋１）へと、位置の修正を行う（Ｓ１５）。次に、カウンタｎをインクリメントして（Ｓ１６）、処理の終了如何の判断を行い（Ｓ１７）、終了でなければ（Ｓ１７でＮｏ）、ステップＳ１２に戻って、上記のステップを繰り返す。

上述のような処理によって決定された点ｐ（ｎ）の列が、図１２（ｂ）に示すように、仮想倣い動作における工具経路を形成する。実際のフライス加工を行うフライス工具に対する工具経路の点Ｐ（ｎ）の列は、この仮想倣い動作における点ｐ（ｎ）に基づき、これに加工速度などの加工条件を加味して、図１２（ｃ）に示すように、決定される。そして、フライス工具８１が点Ｐ（ｎ）の列に沿って移動し、そのフライス工具８１により被加工材８２における所望の加工形状８０が形成される。なお、点ｑ（ｎ），ｐ（ｎ），Ｐ（ｎ）などは、倣い動作の処理の中で、すなわちインプロセスで、例えば、制御系の所定制御間隔毎に決定される。また、これらの点間の距離は、所定一定間隔としたり、一定速度と所定時間とで求まる距離としたり、加工条件に応じて変更したりすることができる。

次に、図１３（ａ）（ｂ）を参照して、上述のステップＳ１３における、次の点ｑ（ｎ＋１）を設定する方法の他の例を説明する。干渉に対する所定の補正がなされた点ｐ（ｎ）を設定した後、図１３（ａ）に示すように、点ｑ（ｎ）における参照線４に平行な方向に、次の点ｑ（ｎ＋１）を設定する。従って、点ｐ（ｎ）から点ｑ（ｎ＋１）に向かう直線は、参照線４と平行であり、また、干渉の増減方向αに対して直交している。また、従って、この方法では、時系列点における１つ前の点ｐ（ｎ−１）は用いない。他の点は、上述の図１２（ａ）について説明したものと同様である。このようにして設定された点ｐ（ｎ）の列が、図１３（ｂ）に示されている。

上述の図１２（ａ）に示した点ｐ（ｎ−１）と点ｐ（ｎ）を結ぶ直線を延長した直線、及び、図１３（ａ）に示した参照線４は、共に、仮想マスタモデル２の表面２０の形状を近似するものと見做すことができる。そして、これらの何れの方法を用いても、得られる点ｐ（ｎ）の列によって、仮想スタイラス１と仮想マスタモデル２との干渉量εを所定の基準干渉量ε０に維持するように点ｐ（ｎ）の列、すなわち、工具経路を生成しつつ仮想倣い動作加工を実現することができる。また、上述したように、これらの点ｐ（ｎ）に基づいてフライス工具に対する工具経路の点Ｐ（ｎ）の列が求められる。

次に、図１４を参照して、本発明の一実施形態に係るフライス加工制御システム５を説明する。フライス加工制御システム５は、中央制御部５０と、上述した本発明の干渉量計算方法や、工具経路生成方法及び／又は仮想スタイラス制御方法を用いて工具経路を生成する経路生成部５１と、を備えて、フライス盤６による加工を制御する。中央制御部５０は、外部からＣＡＤデータＤ１、及びフライス工具８１のデータや被加工材８２のデータを含む加工条件データＤ２を受け取り、これらのデータを経路生成部５１に出力する。経路生成部５１は、これらのデータに基づいて工具経路を生成し、中央制御部５０に出力する。中央制御部５０は、受け取った工具経路のデータを、フライス盤６の制御部であるＮＣコントローラ６１に出力する。フライス盤６は、ＮＣコントローラ６１からの制御信号に基づいて、フライス工具８１を動作させて被加工材８２を加工する。

このようなフライス加工制御システム５によって実現される仮想倣い加工は、経路生成部５１がインプロセスで生成する工具経路データに基づくリアルタイム制御によって行われる。従って、フライス加工の状況をモニタすることにより得られるＮＣコントローラからの情報や、別途設けた加工モニタ装置（不図示）からの情報、例えば、フライス工具８１の破損や切削加工におけるビビリの発生などの情報に基づいてフィードバック制御を行うことができ、工具経路を動的に変更及び修正して、効率の良い確実なフライス加工を実現できる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、本発明の干渉計算方法、工具経路生成方法、及び、仮想スタイラス制御方法は、フライス加工に限らず、旋削加工における倣い加工にも適用することができる。また、工具の種類もボールエンドミルやスクエアエンドミルに限らず、工具断面形状が定義できれば、テーパエンドミルやラジアスエンドミル（ブルノーズエンドミル）にも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る仮想倣い加工における干渉計算及び工具経路生成方法。 同上計算方法を説明する仮想スタイラスと仮想マスタモデルの断面図。 同上計算方法を説明する仮想倣い動作中の仮想スタイラスと仮想マスタモデルの断面図。 （ａ）〜（ｄ）は図３に示した各仮想スタイラスの断面図。 同上計算方法を他の例で説明する仮想倣い動作中の仮想スタイラスと仮想マスタモデルの断面図。 （ａ）〜（ｄ）は図５に示した各仮想スタイラスの断面図。 同上計算方法をさらに他の例で説明する仮想倣い動作中の仮想スタイラスと仮想マスタモデルの断面図。 （ａ）（ｂ）は同上計算方法を説明するスクエアエンドミルによる仮想倣い動作中の仮想スタイラスと仮想マスタモデルの断面図。 （ａ）は同上計算方法をボールエンドミルによる等高線倣い加工に適用する様子を示す仮想スタイラスの斜視図、（ｂ）は同上計算方法をボールエンドミルによる走査線倣い加工に適用する様子を示す仮想スタイラスの斜視図、（ｃ）は同上計算方法をスクエアエンドミルによる走査線倣い加工に適用する様子を示す仮想スタイラスの斜視図。 （ａ）（ｂ）は同上計算方法において用いる仮想スタイラスの変形例を示す断面図。 本発明の一実施形態に係る仮想倣い加工における工具経路生成方法を説明するフローチャート。 （ａ）は同上工具経路生成方法を概念的に説明する断面図、（ｂ）は同方法により生成された工具経路を概念的に説明する断面図、（ｃ）は同方法により形成された工具経路に基づいてフライス加工を行う様子を概念的に説明する断面図。 （ａ）は同上工具経路生成方法の他の例を概念的に説明する断面図、（ｂ）は同方法により形成された工具経路を概念的に説明する断面図。 本発明の一実施形態に係るフライス加工制御システムの概念説明図。 フライス加工と倣い加工と仮想倣い加工の相互関係を説明する概念図。 （ａ）従来及び本発明が適用される走査線方式の仮想倣い加工を説明する斜視図、（ｂ）は同等高線方式の仮想倣い加工を説明する斜視図。 従来及び本発明が適用される走査線方式の仮想倣い加工における仮想スタイラスと仮想マスタモデルの干渉を説明する斜視図。 従来及び本発明が適用される等高線方式の仮想倣い加工における仮想スタイラスと仮想マスタモデルの干渉を説明する斜視図。 （ａ）は従来の干渉計算法を説明するための仮想スタイラスと仮想マスタモデルの断面図、（ｂ）は同計算方法における干渉量の合成方法を説明するベクトル図。 （ａ）（ｂ）は従来及び本発明が適用される仮想倣い加工における仮想スタイラスの速度制御を説明する断面図。 （ａ）は従来及び本発明が適用される仮想倣い加工における仮想スタイラスの法線方向速度と干渉量差分との関数関係を説明するグラフ、（ｂ）は同接線方向速度と干渉量差分との関数関係を説明するグラフ。

符号の説明

１ 仮想スタイラス
２ 仮想マスタモデル
３ 工具経路面
４ 参照線
５ フライス加工システム
６ フライス盤
１０ 断面（仮想スタイラスの）
１１ 境界線（仮想スタイラスの）
２０ 表面（仮想マスタモデルの）
２１ 境界線（仮想マスタモデルの）
５１ 経路生成部
８１ フライス工具
ＣＬ 工具経路
Ｖ１ 第１の速度
Ｖ２ 第２の速度
ｚ１ 回転軸（仮想スタイラスの）
α 増減方向（干渉の）
ε０ 基準干渉量
ε，ε１，ε２ 干渉量

Claims (8)

1. フライス工具をモデル化した仮想スタイラスと加工形状をモデル化した仮想マスタモデルとを用いて、当該仮想スタイラスと仮想マスタモデルとの干渉量を所定の基準干渉量に維持するように工具経路を生成しつつ仮想倣い加工を行うに際して、前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルに対して相対移動しながら辿る時系列点毎に、前記仮想スタイラスと前記仮想マスタモデルとの干渉量及び干渉の増減方向を求める干渉計算方法において、
   前記工具経路が平面内に生成されるものであり当該平面に平行な平面による前記仮想スタイラスの断面における当該仮想スタイラスの境界線と前記仮想マスタモデルの境界線との交点を求め、その交点の中から互いに最も離れた２点を抽出する２点抽出工程と、
   前記抽出した２点を結ぶ直線に垂直な方向を前記断面を形成する平面内において求め、その方向を干渉の増減方向とする方向決定工程と、
   前記仮想スタイラスの断面に含まれる仮想マスタモデルの断面の幅であって、前記工程により決定された干渉の増減方向における幅のうち最大の幅を干渉量現在値として求め、その干渉量現在値と前記基準干渉量との差分を求め、その差分の大きさ及び正負符号に基づいて干渉の増減量を決定する干渉量決定工程と、を備えることを特徴とする干渉計算方法。
2. 前記仮想スタイラスの断面は、前記仮想倣い加工が走査線倣い加工の場合、前記仮想スタイラスの回転軸に平行な断面であり、前記仮想倣い加工が等高線倣い加工の場合、前記仮想スタイラスの回転軸に垂直な断面であることを特徴とする請求項１に記載の干渉計算方法。
3. 前記断面を互いに平行に離間させて複数設定し、各断面において前記干渉量現在値を算出し、得られた干渉量現在値のうち最大のものを用いて前記干渉量決定工程の処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の干渉計算方法。
4. 前記仮想スタイラスが、前記フライス工具の外形寸法に荒加工用の削り残し代の寸法を追加した外形寸法によってモデル化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の干渉計算方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の干渉計算方法を用いて工具経路を生成する工具経路生成方法であって、
   前記干渉量現在値が前記基準干渉量よりも大きい場合は前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルから離れるように前記干渉の増減方向に沿って前記差分の大きさだけ移動した位置に工具経路の時系列点を設定し、前記干渉量現在値が前記基準干渉量よりも小さい場合は前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルに近付くように前記干渉の増減方向に沿って前記差分の大きさだけ移動した位置に工具経路の時系列点を設定することを特徴とする工具経路生成方法。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の干渉計算方法を用いて前記仮想スタイラスの移動を制御する仮想スタイラス制御方法であって、
   前記仮想スタイラスは、前記２点抽出工程によって抽出された２点を結ぶ直線方向の速度である第１の速度と前記方向決定工程によって決定された干渉の増減方向の速度である第２の速度とを所定時間毎に設定され、これらの速度により移動制御され、
   前記第１の速度は、前記干渉量現在値から前記基準干渉量を差し引いた差分の絶対値が大きいほど小さくされ、前記第２の速度は、前記差分の増減に応じて増減され、当該第２の速度の正の方向は前記仮想スタイラスが前記仮想マスタモデルから離れる方向とされることを特徴とする仮想スタイラス制御方法。
7. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の干渉量計算方法、又は請求項５に記載の工具経路生成方法を用いて工具経路を生成する経路生成手段を備え、前記経路生成手段によって生成された工具経路に基づいてフライス盤による加工を制御することを特徴とするフライス加工制御システム。
8. 請求項６に記載の仮想スタイラス制御方法を用いて移動制御される仮想スタイラスの移動経路に基づいて工具経路を生成する経路生成手段を備え、前記経路生成手段によって生成された工具経路に基づいてフライス盤による加工を制御することを特徴とするフライス加工制御システム。

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