JPH04205210A - Ｎｃ工作機械における工具制御方法 - 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］ 本発明はＮＣ工作機械の制御方法に関し、特に自由曲面
などの３次元形状を切削加工する際の工具経路および工
具速度の決定方法に関する。

［従来の技術］ 従来、ＮＣ工作機械の工具経路を計算する場合、オフセ
ット曲面あるいはオフセット曲線を利用して、曲面ごと
に算出していた。例えば、工具として半径ｒのポールエ
ンドミルを使用する場合、要求形状の曲面から距離ｒの
点の集合であるオフセット曲面を求め、そのオフセット
曲面に沿って工具中心（先端部の球面の中心）を走査さ
せる。また、ｘ、ｙ、ｚ値のいずれかを一定にして走査
する場合は、走査すべき平面と目標曲面との交線を求め
、その交線から距離ｒのオフセット曲線を工具経路とす
る。ただし、曲面の曲率半径が工具に比して小さい箇所
、あるいは異なる曲面が隣接する箇所においては、工具
と曲面とが干渉しないように、工具経路を設定しなけれ
ばならない。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術を用いて工具経路を算出する場合、いくつ
かの困難が生ずる。

まず、オフセット曲面あるいは曲線の算出、ならびに隣
接曲面との干渉計算を正確かつ安定に行うためには、一
般に複雑な数値計算を行う必要がある。

また、そのためのアルゴリズムは、曲面の表現形式によ
って具なるため、種々の曲面に対応するためには、個々
にプログラムを作成する必要がある。

さらに、これらの干渉計算は、工具形状によって計算方
法が異なる。ＮＣ工作機械を用いた切削加工においては
、荒加工、仕上げ加工などの各段階ごとに、具なる形状
の工具を使用することがあるが、従来技術では、工具形
状ごとにプログラムを作成しなければならない。

求められた工具経路が適切であるかどうかは、実際に切
削を行ったときの削り残し量や削り込み量、あるいは単
位時間あたりの切削量などによって評価できる。しかし
ながら、従来技術では切削前にこれらの評価を行うこと
は難しい。また、工具の最適移動速度は、単位移動距離
あたりの切削量に依存するが、切削量を事前に計算し、
場所に応じて速度を変化させることも、従来技術では困
難である。

本発明の目的は、種々の３次元形状を切削加工する際の
、工具経路の算出、評価、および工具速度の制御を、曲
面の表現形状や工具形状によらずに実現するための統一
的手段を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の、要求された３次元形状である要求形状を作成
するための、工具経路を求める工具経路計算する方法は
、ｘｙｚ座標系の２軸を工具の回転軸にとった場合、要
求形状のｘｙ座標上の各格子点における形状表面の２座
標値を求め、該２座標値を要素とする２次元配列Ｓ　（
ｘ、ｙ）を作成する処理と、要求形状Ｑ２２次元配Ｓ　
（ｘ、ｙ）および工具の先端形状りから、ｘｙ座標上の
各格子点における、工具が通過しつる最下端の２座標値
を求め、工具通過限界を示す、該２座標値を要素とする
２次元配列Ｌ（ｘ、ｙ）を作成する処理と、２次元配列
Ｌ（ｘ、ｙ）から工具経路Ｐを作成する処理とを含む。

本発明の、要求された３次元形状である要求形状を作成
するための、工具経路の適否を評価する工具経路評価方
法は、ｘｙｚ座標系の２軸を工具の回転軸にとった場合
、要求形状の、ｘｙ座標上の各格子点における形状表面
の２座標値を求め、該２座標値を要素とする２次元配列
Ｓ　（ｘ、ｙ）を作成する処理と、切削加工前の被削材
表面である切削前形状の、ｘｙ座標上の各格子点の２座
標値を蓄えた２次元配列Ｒ（ｘ、ｙ）と、工具経路ｐと
、工具の先端形状りとから、ｘｙ座標上の各格子点にお
ける、切削加工後の被削材表面である切削後形状の２座
標値を求め、該２座標値を要素とする２次元配列Ｆ　（
ｘ、ｙ）を作成する処理と、要求形状の２次元配列Ｓ　
（ｘ、ｙ）と切削後形状の２次元配列Ｆ　（ｘ、ｙ）と
の差、すなわち削り残し量もしくは削り込み量の２次元
配列Ｄ（ｘ、ｙ）を求める処理とを含む。

本発明の、要求された３次元形状である要求形状を作成
するための、工具経路の適否を評価する工具最適経路評
価方法は、）ｃｙｚ座標系の２軸を工具の回転軸にとっ
た場合、切削加工前の被削材表面である切削前形状の、
ｘｙ座標上の各格子点のＺ座標値を蓄えた２次元配列Ｒ
（ｘ、ｙ）と、工具経路ｐと、工具先端形状りとから、
工具経路Ｐ上の各点において工具が単位距離動いたとき
の切削量Ｃを求める処理を含む。

本発明の、要求された３次元形状である要求形状を作成
するための、工具の移動速度を制御する工具速度制御方
法は、ｘｙｚ座標系の２軸を工具の回転軸にとった場合
、切削加工前の被削材表面である切削前形状の、ｘｙ座
標上の各格子点の２座標値を蓄えた２次元配列Ｒ（ｘ、
ｙ）と、工具経路ｐと、工具の先端形状りとから、工具
経路上の各点において工具が単位距離動いたときの切削
量Ｃを求める処理を用いて、単位移動距離あたりの切削
量Ｃに応じた最適移動速度を算出し、場所により工具の
移動速度を変化させるものである。

［作　用］ 本発明では、３次元形状を、ｘｙ座標上の各格子点にお
ける形状表面の２座標値を用いて、２次元配列として表
現し、 ・その３次元形状表面に工具が接するときの工具位置 ・切削加工時において、工具通過位置（工具の通過すべ
き位置）を指定したときの切削後の３次元形状 ・切削加工時において、工具位置を単位距離だけ移動さ
せたときの切削量 ・要求形状と切削後形状との差、すなわち削り残し量も
しくは削り込み量 を、ｘｙ座標上の各格子点における形状表面の２座標値
と工具中心（回転軸）までの平面距離、ならびに工具の
先端形状を用いて、２次元画像処理に基づいて算出して
いる。

上記の各処理は、任意の３次元形状について、その形状
表面の２座標の２次元配列さえ得られれば、曲面の表現
形式や隣接曲面との関係に拘らず、２次元画像処理によ
り統一的に実行できる。

また、工具形状を変更する場合（例えばボールエンドミ
ルからフラットエンドミルに変更する場合）も、画像処
理のフィルタを変更するだけで実現＋きるため、プログ
ラムの変更が不要となる利点がある。

なお、形状表面の２座標の２次元配列は、コンピュータ
グラフィックスで平行投影画像を生成する場合における
スキャンコンバージョン処理ならびに隠面消去処理を行
うことによって、副産物として得られる。この処理は、
以降の各処理とは全く独立に行うことができる。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。なお、以下の説明では、２軸を上下方向にとり、上向
きを正とする。また、特に断わりがない限り、工具の回
転軸を２軸方向として上方から切削するような、ｘ、ｙ
、ｚの３軸制御のＮＣ工作機械を例にとって説明する。

第１図は工具経路計算方法の全体の処理の流れを示す図
、第２図は切削後形状の算出法の説明図である。

まず、要求形状の２座標値（複数の面が重なっている場
合は、最上面の２座標値）を要素とする２次元配列Ｓ　
（ｘ、ｙ）を作成する。この配列Ｓ（ｘ、ｙ）はコンピ
ュータグラフィックス（以下、ＣＧと記す）で平行投影
画像を生成する場合の２バツフア（視点から対象物体表
面までの距離を蓄えた２次元配列）に他ならない。した
がって、ＣＧにおけるスキャンコンバージョン処理なら
びに隠面消去処理１１を行うことによって、配列Ｓ　（
ｘ、ｙ）は作成できる。特に、２バツフア法に基づく各
種ＣＧ処理を高速実行できるような既存のハードウェア
もしくはソアトウェアは、この処理１１にそのまま流用
することができる。

次に、工具通過限界面（２次元配列上の各格子点におい
て、それ以上工具を２軸負方向に押し下げたとき、本来
切削すべきではない部分を削除してしまう限界）の２次
元配列Ｌ　（ｘ、ｙ）（ｚ座標値を特徴とする請求める
工具通過面算出処理１２を行なう。この処理１２は、以
下の考え方によって実現される。いま、工具半径をｒと
し、回転軸上の工具の先端を基準点（高さ０）としたと
きに、回転軸から距１Ｉｌｄたけ離れた箇所での工具先
端面の高さをｈ　（ｄ）とおく、このとき、第２図から
容易にわかるように、配列Ｌ　（ｘ、ｙ）はＬ（ｘ、ｙ
） ＝ｍａｘ（Ｓ（ｘ＋ｉ、ｙ＋ｊ）−ｈ（Ｆｒ７Ｆ））１
、Ｊ タタし、ｉ、ｊは工具中心から見たときのそれぞれのｘ
、ｙ軸上５値（整数）で、 ｉ　２＋ｊ　２＜　ｒ２を満たす格、子上の点によフて
求められる。ｈを（ｉ、ｊ）ごとにあらかじめ計算して
２次元配列Ｈ（ｉ、ｊ）に入れておけば、処理１２は２
次元画像処理として実現できる。表１〜表３は、２次元
配列Ｈ（ｉ、ｊ）の例である。

表３ 表１は半径ｒのボールエンドミルの場合で、この場合工
具中心はその回転軸となる。このボールエンドミルに対
応するフィルタの大きさは１２　＋ｊ２くｒ２＝３２で
、とり得る格子点はｉ、ｊ＝ニー２．−１．０，１．２ となり、フィルタの大きさは表１に示すように５×５と
なる。ただし、表１の４隅の「＋■」はｉ２＋ｊ２＜ｒ
２を満たさないことを示しており画像処理の対象とはな
らない。

ある格子点（ｉ、ｊ）において、工具中心（表１＊印）
からの距離Ｘを求めると、 ｘ＝（丁ＴＴゴ７ 例えば、表１の◎印の格子点の座標は（２，−１）であ
るから、 ｘ＝　　２　　＋−ＩＴ＝Ｆｒ 工具中心における工具の高さを０としたとき、各格子点
（ｉ、ｊ）における工具の高さは工具中心から距離Ｘの
関数ｈ　（ｘ）で次式で与えられる。

ｈ（ｘ）＝３−（７ゴー＝１７− 例えば上記格子点（２，−１）での工具の高さはｈ（ｓ
）＝３−、／Ｔ’ヨ１ゴ２＝３−２＝１となる。この値
を上記５×５フイルタの該当位置に書込む。他の格子点
の値も同様に求められる。

表２は半径ｒ＝３のフラットエンドミルの場合である。

この場合、工具の高さは４隅の格子点を除いて５ｘ５フ
イルタの場合によらず一定で、かつ工具中心と同じ高さ
であるので、 ｈ（ｘ）＝０ となり、フィルタの４隅の格子点以外ではすべて値がＯ
となる。

量子化誤差や工具の移動誤差による削り込みを防ぐには
、その誤差分だけ工具の大きさを膨らました配列を用意
すればよい。表３は、表２に例えば誤差０．５を見込ん
だ場合の例である。誤差を０．５だけ膨らました場合、
フィルタの大きさは離散的にしかとれないので、元の５
Ｘ５より外側に１画素ずつ膨らんで７×７となる。この
場合、上述の議論においてｒ＝３．５とすればよく、表
３が得られる。

最後に、工具経路Ｐを算出するために、工具経路作成処
理１３を行なう。この処理１３として以下のような方法
を用いることができる。

（１）走査工具経路 工具をＸもしくはｙ座標一定で移動させる方法である。

配列Ｌ（ｘ、ｙ）の要素を縦もしくは横方向に順次読出
すことにより得られる。

（２）等高線工具経路 工具をある水平面上（２座標一定）で移動させる方法で
ある。配列Ｌ（ｘ、ｙ）上で、この２座標値をもつ点を
追跡していくことにより、経路は得られる。（３）曲面
座標工具経路 工具を曲面のパラメータ座標（ｕｖ座標系）に沿って移
動させる方法である。配列Ｓ　（ｘ、ｙ）を作成する処
理１１において、Ｇバッファ法（Ｔ、５ａｊｔｏ、　Ｔ
、Ｔａｋａｈａｓｈｉ：“Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｂｌ
ｅＲｅｎｄｅｒｉｎｇ　ｏｆ　３−Ｄ　５ｈａｐｅｓ″
Ｐｒｏｃ、　５ＩＧＧＲＡＰＨ’９０゜ｐｐ、１９７−
２０６）を用いて、各格子点での物体／パッチの識別番
号、Ｕ座標値、およびＶ座標値を同時に求めて２次元配
列にしておけば、これらの配列上で追跡処理を行うこと
により、工具経路は得られる。

（４）５軸制御の場合 ５軸制御のＮＣ工作機械では、真上だけでなく、斜め上
もしくは横からも切削することができる。この場合、真
上以外の方向から投影して配列Ｓを作成することによっ
て、上記（１）　、　（２）　、　（３）のそれぞれに
対応できる。

第３図は、削り残し量および削り込み量に基づく工具経
路評価方法の全体の処理の流れを示す図である。

まず、切削径形状の２次元配列Ｆ　（ｘ、ｙ）を求める
切削後形状算出処理２１を行なう。この処理２１は、以
下の考え方によって実現される。まず、工具経路ｐから
２次元配列ｐ　（ｘ、ｙ）を作成する。この配列ｐ　（
ｘ、ｙ）の各要素の値は、以下の方法で求める。

・工具が格子点（ｘ、ｙ）上を通る場合：・・・・・・
そのときのＺ座標値（複数回通る場合はその最小値） ・工具が格子点（ｘ、ｙ）上を通らない場合：・・・・
・・無限大（もしくは十分大きい値）配列Ｐ　（ｘ、ｙ
）に切削後の形状の高さ（Ｚ座標値）が格納されている
。ある格子点を１度も工具が通過しなか７だとすれば、
その格子点は切削されなかったことになるうそわを示す
ため「無限大」となる。

また、切削前形状の２次元配列（切削する前の被削材の
高さ（Ｚ座標値）か格納されている配列）をＲ（ｘ、ｙ
）とする。このとき、配列Ｆ（Ｘ、ｙ）は、 Ｆ　（ｘ、ｙ） ＝　ｍｉｎ　（Ｒ（ｘ　、ｙ）　。

ｉ、ノ １１１ｉｎ（Ｐ（ｘ＋ｉ、ｙ＋ｊ）＋ｈ（Ｊ−丁−７−
；７１”１“）　）（ｉ、　、ｉは整数、ｉ２＋　ｊ２
＜　ｒ２）によって求められる、この処理２１は、処理
１１と同様に、２次元画像処理として実現できる。また
、この処理２１は、後述の処理３１をインクリメンタル
に行ったときの最終結果として得ることもてきる。

次に、切削後形状の２次元配列Ｆ　（ｘ、ｙ）と要求形
状の２次元配列Ｓ　（ｘ、ｙ）との、各要素ごとの差を
求める（減算処理２２）。いま、差の配列Ｄ　（ｘ、ｙ
）を、 Ｄ　（ｘ、ｙ）＝Ｆ　（ｘ、ｙ）−Ｓ　（ｘ、ｙ）によ
り求めるものとすると、Ｄ　（ｘ、ｙ）は、値が正であ
る場合は、その場所の削り残し量（高さ）を示し、一方
、負である場合は、削り込み量（深さ）を示す。よって
、この配列Ｄ　（ｘ、ｙ）を用いて、目的に応じた工具
経路ｐの適否を評価することができる。一般に、荒加工
では、削り残し量は、少ないほど、また、ムラがないほ
ど、好ましく、一方、削り込みは許されない。仕上げ加
工では、与えられだ公差内に人フているかどうか等が評
価基準となる。

第４図は、単位移動距離もしくは単位時間あたり切削量
Ｃに基づく工具経路評価ならびに工具速度制御方法の全
体の処理の流れを示す図である。

まず、工具経路ｐ上の各点における単位移動距離あたり
の切削量Ｃを算出する切削量算出処理３１を行う。この
処理３１は、以下の考え方によって実現できる。まず、
切削加工中にある時点における形状の２次元配列をＦ８
−１とする。次の瞬間に、工具が（ｘｓ、ｙｓ、ｚｓ）
に移動したとする。このときの形状の２次元配列Ｆｓお
よび切削量ｃ　（ｓ）は、 Ｆｓ（ｘ、ｙ） ｃ（ｓ）＝Σ　（Ｆ、ｓ−＋　（ｘ、ｙ）−Ｆｓ（ｘ、
ｙ）によって求められる。なお、配列Ｆｓ（ｘ、ｙ）は
初期値Ｆｏ（切削前形状の配列Ｒ（ｘ、ｙ）に等しい）
からインクリメンタルに計算できる。また、切削終了後
、配列Ｆｓは配列Ｆに等しくなる。

工具の移動速度が一定である場合、単位距離あたりの切
削ｆｉｃを用いて、工具経路ｐ上の各点における単位時
間あたりの切削量Ｃは容易に求まる。これによって、単
位時間当りの工具および被削材にかかる負荷を予め求め
ることができるので、工具および被削材を損なうことな
く加工できるか否かの判断が可能である。

次に、工具の最適切削速度（最適移動速度）Ｖを決定す
る切削速度決定処理３２を行なう。工具の最適移動速度
Ｖは、一般に単位移動距離あたりの切削量Ｃに依存する
から、単位移動距離あたり切削ｉ１ｃを用いて、工具経
路ｐ上の各点における最適移動速度を計算できる。工具
の最適負荷をＣＩＩＩＩＩＸとすると、Ｃ（ｓ）　＞Ｃ
ｍａｘの時、工具は過負荷状態であるので、工具や被削
材が破損することがあり、好ましい状態ではない。この
場合、Ｃ（ｓ）　＝　Ｃｍａｘとなるまで移動量を減ら
す。

Ｃ（ｓ）＜　ＣｒｎａｘＯ時、工具にはもっと負荷をか
けることができる。つまり、効率はよくない。

もっと早い速度で移動できるので、Ｃ（ｓ）＝Ｃｍａｘ
となるまで移動量を増やす。

これによって、場所により工具移動速度を変化させなが
ら、常に最適条件で切削を行うことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、ＮＣ工作機械を用いて種
々の３次元形状を切削加工する際の、工具経路の算出、
評価、および工具速度の制御を曲面の表現形式や工具形
状によらず統一的に実現することにより、工具経路計算
のためのソフトウェア開発が容易になるとともに、経路
計算の高速化、加工品質ならびに加工速度の向上が図ら
れ、また、加工形状や加工品質を実際に切削することな
く確認し、評価できるため、切削の失敗による無駄を省
くことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は工具経路計算方法の全体の処理流れを示す図、
第２図は切削後形状の算出法の説明図、第３図は削り残
し量および削り込み量に基づく工具経路評価方法の全体
の処理の流れを示す図、第４図は単位移動距離もしくは
単位時間あたり切削量Ｃに基づく工具経路評価ならびに
工具速度制御方法の処理の全体の流れを示す図である。 １１・−スキャンコンバージョン処理、隠面消去処理、 １２−・・工具道通限界面算出処理、 １３・・・工具経路作成処理、 ２１・・・切削径形状算出処理、 ２２・・・減算処理、 ３１−・・切削量算出処理、 ３２−・・切削速度決定処理。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＮＣ工作機械を用いた切削加工において、要求され
   た３次元形状である要求形状を作成するための、工具経
   路を求める工具経路計算方法であって、 ｘｙｚ座標系のｚ軸を工具の回転軸にとった場合、要求
   形状の、ｘｙ座標上の各格子点における形状表面のｚ座
   標値を求め、該ｚ座標値を要素とする２次元配列Ｓ（ｘ
   ，ｙ）を作成する処理（１１）と、 要求形状の２次元配列Ｓ（ｘ，ｙ）および工具の先端形
   状ｈから、ｘｙ座標上の各格子点における、工具が通過
   しうる最下端のｚ座標値を求め、工具通過限界を示す、
   該ｚ座標値を要素とする２次元配列Ｌ（ｘ，ｙ）を作成
   する処理（１２）と、前記２次元配列Ｌ（ｘ，ｙ）から
   工具経路ｐを作成する処理（１３）とを含む工具経路計
   算方法。 ２、ＮＣ工作機械を用いた切削加工において、要求され
   た３次元形状である要求形状を作成するための、工具経
   路の適否を評価する工具経路評価方法であって、 請求項１に記載の処理（１１）と、 切削加工前の被削材表面である切削前形状の、ｘｙ座標
   上の各格子点のｚ座標値を蓄えた２次元配列Ｒ（ｘ，ｙ
   ）と、工具経路ｐと、工具の先端形状ｈとから、ｘｙ座
   標上の各格子点における、切削加工後の被削材表面であ
   る切削後形状のｚ座標値を求め、該ｚ座標値を要素とす
   る２次元配列Ｆ（ｘ，ｙ）を作成する処理（２１）と、 要求形状の２次元配列Ｓ（ｘ，ｙ）と切削後形状の２次
   元配列Ｆ（ｘ，ｙ）との差、すなわち削り残し量もしく
   は削り込み量の２次元配列Ｄ（ｘ，ｙ）を求める処理（
   ２２）とを含む工具経路評価方法。 ３、ＮＣ工作機械を用いた切削加工において、要求され
   た３次元形状である要求形状を作成するための、工具経
   路の適否を評価する工具経路評価方法であって、 ｘｙｚ座標系のｚ軸を工具の回転軸にとった場合、切削
   加工前の被削材表面である切削前形状の、ｘｙ座標上の
   各格子点のｚ座標値を蓄えた２次元配列Ｒ（ｘ，ｙ）と
   、工具経路ｐと、工具の先端形状ｈとから、工具経路ｐ
   上の各点において工具が単位距離動いたときの切削量ｃ
   を求める処理（３１）を含む工具経路評価方法。 ４、ＮＣ工作機械を用いた切削加工において、要求され
   た３次元形状である要求形状を作成するための、工具の
   移動速度を制御する工具速度制御方法であつて、 請求項３に記載の工具経路評価方法を用いて、単位移動
   距離あたりの切削量ｃに応じた最適移動速度を算出し、
   場所により工具の移動速度を変化させる工具速度制御方
   法。