JPH02230406A - 工具径路生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，例えば数値制御工作機械（Ｎｏ工作機械）
によって自由曲面を含む任意形状の製品を加工する場合
の工具径路の生成を処理する工具径路生成方法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

多軸数値制御工作機械において，被加工物を形状加工す
るだめのＮｏ情報は工具中心点の移勤指令である。

この工具中心点は，加工中，その形状加工する加工面（
Ｓと称する）と工具形状から定するオフセット面（Ｆと
称する）を移動している。

このオフセット面（′Ｆ）上の工具中心点の移動指令を
カッターバスまたは工具径路（ＯＬと称する）と呼んで
いるが，従来この工具径路（　ｃＬ）を得るのに第１４
．１５図あるいは第１６図に示すような方法が用いられ
ている。第１４．１５図は，例えば特開昭６３−６４１
０３号公報に示されるように，オフセット多面体を生成
する方法で，オフセット面に微少な多数の多面体を想定
し，各多面体を連絖してスギャンして工具をステップ送
シしてこれを連ねることによ９工具径路を得ている。第
１４図の従来の一例を示す構成図において，（１）は自
由曲面生成処理手段，（２）は自由曲面切削用工具径路
生成処理手段，（３）はＮＯ工作機械，（４）は入力手
段である。図において，自由曲面生成処理手段（１）は
例えばＣＡＤであシ，機械加工部品や金型等の製品の３
次元自由曲面を表現する幾伺モデルの形状データがオペ
レータの入力手段（４）の操作に基いて生成され，生成
された形状データは計算機よシ構成される自由曲面切削
用工具径路生成処理手段（２）において加工データすな
わち工具径路データに変換される。この加工データは例
えはフロッピーディスクに記録され，これがＮｏ工作機
械（３）に装着されて自動加工が行なわれる。

第１５図は工具径路を生成するだめの一つの方法である
オフセット多面体法を示すフローチャートであシ，ステ
ップ１（Ｆ３Ｔ１と称する）は自由曲面生成処理手段（
１）にて生成された形状データ，すなわち加工曲面（８
１であシ，ステップ２でこの加工曲面（８】に対し工具
形状を考慮した多数のオフセット多面体（Ｆｌが形成さ
れる。ステップ３で各多面体の断面計算が行なわれ，こ
の各多面体を連続してスキャンすることにより工具径路
（ＯＬ）が生成される（ステップ４）。

工具径路を得る他の方法として，第１６図のフローチャ
ートに示す逆オフセット法がある。これは得られた加工
曲面（８１に対し（ＳＴ５），加工工具の中心を製品面
上に拘束した逆オフセット形状を格子空間に格納し包絡
面を生成することによシオフセット面を得る（８Ｔ６）
。

これはＺ　−　Ｑ，ｕｅｕθ格子空間としてあらわされ
る（８Ｔ７）。

次に格子空間のデータを２次元的に走査することによっ
て（ＥＩＴ８），工具径路（　ＯＬ）を得ることができ
る（ＳＴ９）。

以上の方法によｐ工具径路を生成することによ（り シ，複雑な形状を持つ曲面であっても工具干渉を起こさ
ずに自動的に加工することが可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の工具径路生成方法は以上のようなフローであ９　
３次元空間上の曲面から加工精度に応じた数だけの多面
体．あるいは格子空間を計算してつくるためにその計算
量は膨大なものとなシ，丈だ計算機に必要とされるメモ
リ容量も莫大なものとならざるを得ない。

例えばある種の鍜造形モデルに対する大影計算機による
工具径路計算（工具位置データ作成）では，カツタ径５
欄，ピックフイード（次の工具径路とのスパン）０．３
ｒｒｒｍとして，一般に知られている工具径路生成方法
，すなわちオフセット多面体法，逆オフセット法の双方
共メモリ容量は２ＭＢ程度，ＣＰＵ時間２時間程度を要
する。

従って，自由曲面を含む複雑な製品を加工面と工具との
干渉を排除したＮｏ加工をする場合，工具径路生成に時
間がかかシ，あるいは装着が犬がかシとなシ経費が膨大
なものとなるばかシでなく，きめ細かな工具の交換がし
にくいために加工が制限されるなどの問題点があった。

又，従来の方法で経費を配慮して計算を簡略化しようと
すると必要な精度が得られないという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので，自由曲面を含む任意形状の製品の生成された
加工曲面に基づいて，工具径路を生成する際に，必要な
精度のものを高速で自動的に生成でき，かつ工具と加工
曲面との干渉を回避できる工具径路生成方法を得ること
を目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

らして緑返すことによって生成する。

さらにこの計算で得た工具中心点の軌跡を平面上で確認
し，径路を補正して加工曲面と工具との干渉を回避する
。

〔作用〕

この発明における工具径路生成方法は工具中心点位置の
軌跡を幾何学的収束計算で必要な精度内に求める。

さらにこの発明における工具径路生成方法は得られた工
具中心点位置の軌跡を平面曲線として交差をチェックし
加工曲面との干渉を回避する。

〔実施例〕

以下，この発明の一実施例を第１図〜第７図にて説明す
る。

第１図は工具径路生成方法を示すフローチャーステップ
，ＳＴｌ３は工具が制御されて指定の位初期点ＰＯ等を
設定するステップ，ＳＴ１５は拘束面上の交点Ｑｎを演
算するステップ，ＳＴ１Ｂは演算結果を判断するステッ
プ，ＳＴ１７は加工曲面上の近似点Ｐｎを演算するステ
ップ，　　ＳＴ１８上の交点Ｒｍとするステップ，８Ｔ
２０は次の交点Ｒｍ＋１を求める初期点を設定するステ
ップ，８Ｔ２１は所定の範囲内での工具中心点軌跡を得
るステップである。

第２図は製品曲面（８），オフセット面（Ｆ）．工具の
中心点（８＋）の各位置関係を示す説明図，第３図は工
具形状図，第４，５図は工具拘束平面説明図，第６図は
交点追跡の方法を示す説明図，第７図は次の初期点の設
定を示す説明図である。

加工されるべき製品曲面（Ｓ）は例えばＣＡＤにて定め
られた原点（固定点）（０）を基準に生成される。

第２図に示すように一般に製品曲面は２つのパラメータ
Ｕ，Ｖの関数としてベクトル”　（　ｕｒ　　ｖ）で表
現される。ＣＡＤの段階で設計された曲面はこのような
原点（０）に対するベクトル関数で表わされている（＋
ｑｒ？４７）。

マシニングセンタなどで用いられる回転切削工具，すな
わち第３図に示すように（ａ）ボールエンドミル，　（
ｂ）フラットエンドミル，　（Ｃ）ラジアルエンドミル
などそれぞれは，少数のパラメータで表わされる単純な
形状が多い。そこでこの工具のパラメータを用いて加工
曲面に対応した３次元空間曲面，例えば工具中心点の軌
跡（すなわち工具径路）のエンドミルでは（１）式とな
る。

ト Ｆ　（　ｕ，　　ｖ　）＝８　＋ｆ　−　ｎ　−−−−
−−　　（１）但し，ｆ−は工具半径であ５，ｎは製品
面８上の単位法線ベクトルで（Ｄ）式から求められる。

又，７ラットエンドミルでは（Ｉｔｉ）式となる。

ｐ（ｕ，ｖ）＝ｓ＋ｒ（ｎｘ１＋ｎｙｊ）／（１　　ｎ
ｚ２）１／２（ｆｉｔ） 但し１，ｊはｘ，ｙ軸方向の単位ベクトルである。

又，ラジアルエンドミルでは（ｌｖｌ式となる。

Ｆ　（　ｕ　，　Ｖ　）　＝８　＋　ｒ　１　ｎ　＋　
ｒ　２　（　ｎｘ　ｉ　＋　ｎｙ　ｊ　）／　（　１ｎ
ｚ２）１／／２　　・−−−−−−−　　（Ｍなお第２
図中に示すＢ＋は工具中心点を示す。

次に工具拘束面を生成する（ｓｒ１ｓ）。工具はあらか
じめＮｏ加工装置に与えられた制御の指示にしたがって
動く。このため工具中心点はあらかじめ与えられた平面
（断面又は工具拘束面とも言う）（（至）上に拘束され
る。この工具拘束平面（匂と肺況止の 製品面（８）”；＋ヲ１ット面（カとの関係を第４，５
図に示す。工具拘束面（Ｆｉｌとオフセット面（力の交
わる線を交線（断面線）（Ｇ）と言う。但し，平板等の
簡単な形状の加工曲面でない自由曲面ではこの交線（Ｇ
）は複雑なものとなる。第４図はＺ軸に平行に拘束平面
（匂をとった場合，すなわちボールエンドミルを垂直に
あてて加工する場合を示す。第５図はＺ軸に垂直に拘束
平面（蜀をとった場合，すなわちボールエンドミルを水
平にあてて加工する場合を示す。この工具拘束平面（蜀
をわづかづつ並行にずらしてそれぞれの拘束平面とオフ
セット面との交線が求まれば，これを工具軌跡として得
ることができる。このわずかづつずらしてできる各拘束
面間の距離がビックフィードである。

から次に曲面（Ｆ′）上の近似点Ｐ１　　を第６図（ａ
）の如く求める。

つ となる。

このため交点Ｑ１は（　’＋ＰｏＱ　＋　）となシ，か
っｄは原点と工具拘束面（蜀との距離＋ｎＣ　は工具拘
束面の単位法線ベクトルとすると． ？６図に示すようにこの点Ｐｏ　を通シオフセット面（
Ｆ５に接する任意の線を引き，工具拘束面（殉との交点
Ｑ１　　を得る（ＳＴ１５）。図ではＶ＝Ｖ■　一定の
接線としたが他の条件（例えば玖一定）でもよく，さら
にベクトル翫炙１が大きすぎる場合には，初期点ＰＱ　
の設定をやシ直したわあるいはオフセット面（Ｆ）に対
し点ＰＱ　で接する平面を求め最短線を選択してＱ１　
　を求めてもよい。Ｑ１　　が拘束平面（蜀上に得られ
ることを確認（ＳＴ１６）ＬてＦ３ と工具拘束面（蜀との交点Ｒ（一　の近傍にあるから であるオフセット面（Ｆ）上のＰ１　点を得ることがで
きる。

すなわち， （　ｕ＋，　ｖｏ　）に接線を引いて工具拘束平面（（
至）との交点Ｑ２　　を得，これに対応するオフセット
面（Ｆ′）上の点Ｐ２　　を得る。

点列Ｐｏ，Ｐ１，Ｐ２，・・・は限シなく交点Ｒに近づ
く。

したがって所定の誤差内で交点追跡を打ち切れば高速で
かつ必要な精度内に交点Ｒ，すなわちオフセット面上の
工具中心位置を定めることができる（ＳＴ１８）。これ
をＲ１　　とする。

オフセット面（Ｆ）と工具拘束面（Ｅ）の交線（Ｇ）と
考えられる線上に交点Ｒ１　　を求めることができたの
で次に工具をすらした位置の交点Ｒ２　を求めるためＲ
／ に次の初期点甘を設定する（ＳＴ２０）。

これは第７図（ａ）　，　（切に示すようにオフセット
面（Ｆ５上に０幻式を満足するｄ′を求める。

δσ ｄ′＝　ｎｃＦ１隨一ｎｃＦｖδＶ　　−−−−−−−
ＩＸ）雄　δＶ この得られたｈ／句の比を保ってｕ，　　ｖをわずかに
変化させれば，この新たなｕｖｏ値に対応するオフセッ
ト面（ＦＪ上の点Ｒ′は工具拘束面（Ｆｌ上を工具中心
が移動する方向の次の初期点Ｐｏ　　とすることができ
，これをもとに再度ＳＴｌ５〜ｓＴ１８を繰返して次の
追跡した交点Ｒ２　　（図示せず）Ｒ２　　を求める方
法である。

上述の手順を繰返して工具中心点の軌跡Ｒ１　，Ｒ２′
Ｒ３　・・・がオフセット面上に得られ（ＳＴ２１），
すなわち交線上に得られ，工具径路を演算手段によシ自
動的にかつ高速に生成することができる。

しかも，中心点軌跡のきざみ巾を所定の値以下にとるこ
とによシ必要な精度を得ることができる。

ステップ２１で生成された工具径路は，第１図の収束計
算で求められた工具中心点の点列の軌跡であシ，これは
誤差内で見ると工具拘束面（刺と考えてもよい１つの平
面上の曲線となる。すなわち交線（Ｇ）への収束を図っ
たものであク３次元的なねじＱのない曲線である。

しかしながら，この曲線は複雑な加工面に対応し，凸や
凹に交差したものであシ加工中における製品面と工具と
の干渉の問題が残る。

すなわち第１図〜第Ｔ図の説明では製品曲面を単一の関
数”’　（　ｕ＋　ｖ）で，しかも簡単な形状の例とし
たが，通常の製品面は異なる関数で表わされる要素曲面
の接続によって表現されたシ，あるいは単一の関数でも
複雑な凹凸を描く曲面だったシする。

第８図はこの発明の一例である加工面に対する工具干渉
の補正方法を説明するフローチャート，第９，１０図は
工具径路説明図，第１１．１２図は工具径路と切削線の
関係を示す説明図である。

第８図において，ＳＴ３１は工具径路生成のステップ，
ＳＴ３２は凸凹の交差を検出するステップ，ＳＴ３３は
凹の交差をチェックするステップ，ＳＴ３５は凸の交差
を検出するステップ，ＳＴ３４Ｓ　Ｔ３６は工具径路を
補正するステップ，　　ＢＴ３７は全径路の交差を確認
するステップ，ＳＴ３８は工具干渉を補正した工具径路
を生成するス品曲面の各要素にょシ，曲面１，　　Ｉｔ
，　Ｉの組合であらわされ，これと交わる工具拘束面（
Ｅ）との交差上に収束して得られた工具径路Ａ，　　Ｂ
，　　Ｏ，　Ｄ（第９図（ｂ））が生成される。この工
具径路はＢ点で要素１と■が，Ｃ点で要素■と■が接続
しているが，第９図（１））の如く一つの平面（工具拘
束面が曲面であれば曲平面となる）上の曲線でＡ，　　
Ｂ，Ｃ，Ｄがあらわされる（ＳＴ３１）。

第１０図（ａ）の如く製品加工面（Ｓ）の凸凹が極端で
あれば，工具軌跡がＯ　Ｌ（１１，　　Ｏ　Ｌｆ２）間
の様に凹部分で交差すると，相互に重なったク，あるい
はＣＬ　（２），　　ＣＬ（３１の様に凸に交差すると
，中心点の点列間が径路生成に必要な設定値以上離れ，
交点を持たない様な場合が生ずる。

このような交差部分に関する処理は，先ず，平面上の曲
線の交差状況を検出し（ＳＴ３２），径路が凹に交差し
ている（ＳＴ３３）場合は，その径路の交点を求め，製
品加工面との反対側すなわち第１０図（ａ）において製
品面に対して上方側の曲線を工具径路として継ぐことＫ
よシ，径路補正（ＳＴ３４）を行なう。

すなわち曲線が凹に交差している場合は常に外側の径路
を採用すれば他の面と干渉しない工具径路を得ることが
できる。しかも加工曲面に対しわずかなピッチで多くの
平面（瑚が覆うため３次元的Ｋも全ての干渉を排除でき
る工具径路が得られる。

径路が凸に交差している場合には（ＳＴ３５），凸稜線
の部分で隙間ができるので，その隙間を両径路線（　Ｃ
　Ｌ（２Ｌ　　Ｃ　’Ｌ（３）　）の先端において第１
０した径路補正をすれはよい（ＳＴ３６）。

全径路の交差を検出し補正を上記の繰返しで行なうこと
によｌｓＴ３７），工具干渉を起こすことのない工具径
路を生成することができる（ＳＴ３８）。

以上のように生成された工具径路の例を第１１，１２図
に示す。第１１図は３次Ｂθｚｉθｒ曲面を製品面とし
た場合の切削線（Ｈ）（工具と製品曲面との接触点軌跡
）と工具径路線（ＯＬ）を示し，（ａ）はボールエンド
ミルの場合であ！！），（１））はフラットエ第１２図
は要素曲面３枚よシなる與品曲面（Ｓ）に対し，干渉を
生じないように生成した工具径路（　ｃｒ，）である。

以上述べてきたように，必要な精度を配慮した交線（Ｇ
）への幾何学的収束計算を行なうことにょシ，又干渉チ
ェックと径路補正を平面上の曲線に対して行なうので計
算時間は極めて短かくなシ，かつ逐次計算を行なう方法
であシ計算機メモリ内の作業エリアが格段に小さくて済
む。

この結果，かなシ複雑な形状に対し，精緻な加工を行な
う場合でも，工具径路生成が手軽に実行できるため，生
産現場における日常的な工具交換等へ対応が極めて容易
となる。

なお，上記説明中交差検出に関して要素曲面間の接続点
を求める案を述べたが， 又，工具径路生成方法として，第１図及び第８図のフロ
ーチャートで述べたが，これに限定されないことは当然
である。

第１３図はこの発明によるＮｏ機械加工装置の構成の一
例を示す。（１）はＣＬＡＤ等の自由曲面生成処理手段
，（２）はＣＰＵ等の自由曲面切削用工具径路生成処理
手段，（３）はＮｏ工作機械，竿ヰｉミたト（６）は工
具拘束平面生成手段， （７）は交線への近似点追跡手段，（８）は径路補正を
含めた工具径路生成手段である。

製品の３次元自由曲面を表現する形状データがＡＤの様
な自由曲面生成処理手段（＋１によって生成され，この
データと別途与えられた工具形状データによシ演算装置
である工具径路生成処理手段（２）ＮＣ工作機械（３）
の加 工工具がその制御指令によって動きうる平面，すなわち
工具の中心点が拘束される工具拘束平面が生成手段（６
）によシ生成される。この得られたｅ」＝＝忙酢妻工具
拘束平面を使用し演算装置（７）によシ第１図のフロー
チャートで示される交線（Ｇ）への近似点を収束計算す
る。

得られた近似点である工具中心点の軌跡によシ工具径路
生成手段にて工具径路を生成する。この際，第８図のフ
ローチャートで示される径路の補正を行なう。

このようにして生成された工具径路をＮｏ工作機械に入
力することによシ複雑な自由曲面を有する製品に対して
も，自動的に高速に加工することができる。

しかも，多数の要素曲面を有する加工面を工具の種類を
変える必要があっだシ，あるいはＮＯ加工装置で自動的
に加工するには時間がかがシすぎたシあるいは複雑な干
渉部分の前処理が必要な場合は入力手段（４）で入力し
工具を変えて加工する時は，再びこの発明のフローチャ
ートによる交線追跡によって簡単に径路生成を行ない加
工することができるので，７レキシプルな加工処理が行
なえる。

工面に対する工具中心点の軌跡のなす包絡面であるオフ
セット面と，ある径路に沿って工具を動かす時の制御面
である工具拘束面との交線を計算して求め，この計算を
制御面位置を少しづつずらしながら繰返し行なって全体
としての工具径路を生成するようにしたので，必要な精
度のものを高速で自動的に生成する工具径路生成法が得
られるという効果がある。

さらにこの発明は，交線を追跡して得られた工具中心点
の軌跡を平面上の曲線としてその交差を確認し，径路を
補正することによ力，加工曲面と工具との干渉を回避で
きる工具径路生成法が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すフローチャート，第
２図はこの発明の位置関係を示す説明図，第３図は工具
形状図，第４図〜第７図はこの発明の動作を示す説明図
，第８図はこの発明の一実施例を示すフローチャート，
第９図〜第１２図はこの発明の説明図，第１３図はこの
発明の一例を示す構成図，第１４図は従来の構成図，第
１５図および第１６図は従来の工具径路生成法を示すフ
６・一チャートである。 （８）は製品加工面，（Ｅ）は工具拘束面，（Ｆ）はオ
フセット面，（Ｇ）は交線，（ニ）は自由曲面切削用工
具径路生成処理手段である。 なお図中，同一符号は同一，又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）３次元自由曲面データによりあらわされた被加工
   物の加工曲面と加工する工具の形状に応じて３次元空間
   曲線を設定する第１のステップと、前記工具が制御され
   て所定の径路に沿つて動く際に、この工具の中心点が前
   記径路に沿つて移動するよう拘束制御するための工具拘
   束面を生成する第２のステップと、 前記空間曲線と前記工具拘束面の交点を求め、さらに前
   記空間曲線を微少量移動させてこの交点を求める手順を
   繰返し、さらに工具拘束面を次の所定の径路にあわせて
   微少量移動させて前記交点を求める処理を順次行なつて
   、前記工具の径路を前記３次元曲面全体に対して生成す
   る第３のステップと、 を備えた工具径路生成方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記第３のステ
   ップで求められた工具径路である平面上の曲線の凹及び
   （又は）凸の交差を確認し、前記交差部分の径路の補正
   を行なう第４のステップをさらに備えた工具径路生成方
   法。