JPH07107645B2

JPH07107645B2 - ２次元工具軌跡生成方法

Info

Publication number: JPH07107645B2
Application number: JP6394586A
Authority: JP
Inventors: 留美子三上
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1986-03-24
Filing date: 1986-03-24
Publication date: 1995-11-15
Anticipated expiration: 2010-11-15
Also published as: JPS62221004A

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］本発明は、数値制御工作機械で加工領域を加工するため
に工具を移動させるときの２次元軌跡を生成する２次元
工具軌跡生成方法に関する。

［従来技術］近年、FA（Factory Automation）やFMS（Flexible Manu
facturing Sytem）が広く提唱されており、このような
システムには切削加工、溶接作業、溶断作業および製図
作業等を自動的に行なうため、数値制御工作機械が用い
られている。

この数値制御工作機械は、あらかじめ与えられた移動位
置および速度等の数値データ（すなわち制御プログラ
ム）に基づいて、選択された工具を移動させ、被加工物
（ワーク）を目的とする工作物に加工するものである。

従来、このような数値制御工作機械に制御プログラムを
入力するには、所定の数値制御用プログラム言語によっ
て工作物の形状を定義するか、あるいは、加工形状が複
雑な場合には、工作形状の模型（マスタ）を形成してこ
のマスタの表面を工具でトレースさせてそのトレース位
置を直接数値制御工作機械に入力させている（倣い加
工）。

しかしながら、このようにして入力した加工形状から実
際に加工するための加工領域を塗り潰して形成すると
き、加工形状によっては塗り潰しができない部分を生じ
る場合があり、適切な工具軌跡を自動的に形成すること
ができなかった。

［目的］本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、
線画で形成された加工形状から加工領域を適切に形成で
き、工具の軌跡を自動的に生成できる２次元工具軌跡生
成方法を提供することを目的としている。

［構成］本発明は、線画で形成された加工形状のオフセット線を
形成してこれを輪郭加工工具の軌跡として記憶し、オフ
セット線をなす画素に第１の識別符号を付加するととも
にオフセット線にあらわれる頂点および単独な線を検出
してそれらを形成する画素に第２の識別符号を付加す
る。そして、加工形状を一定方向に走査したときに走査
線と交叉する上記第１の識別符号が付加された画素のう
ち第２の識別符号が付加されていない画素を計数してそ
の計数値が奇数の領域は加工領域の内部の画素と判別す
るとともにその計数値が偶数の領域は加工領域の外部の
画素として判別して加工領域の内部として判別した部分
を塗り潰し、これによって加工領域を形成している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を詳細
に説明する。

第１図は、本発明の一実施例にかかる装置を示してい
る。

同図において、データ処理部１は後述する処理を実行し
て工具軌跡を生成するものであり、キーボード２はオペ
レータからデータ処理部１に対する操作情報を入力する
ためのフルキーおよび例えば水平方向に400点垂直方向
に400点の解像度をもつ画面表示部３の任意の位置を表
示画素単位に指示でき、加工形状の線画を形成するため
のポインティングデバイスを備えている。

記憶装置４は各種の中間ファイル等のデータを記憶する
ものであり、ビデオRAM（ランダム・アクセス・メモ
リ）５は画面表示部３に表示するデータを記憶するもの
であり、表示制御部６はビデオRAM5に記憶された表示デ
ータを画面表示部３に表示するものである。この画面表
示部３と表示制御部６によっていわゆるビットマップデ
ィスプレイ装置が構成されている。また、このビットマ
ップディスプレイ装置とキーボード２によってグラフィ
ックターミナルが構成される。

このような作業環境の中で、オペレータは会話的に操作
および作業を進めることができ、視覚的に処理状況を確
認できる。

以上の構成で、まず、オペレータはキーボード２から加
工形状を形成することをデータ処理部１に指令し、キー
ボード２および画面表示部３を介してデータ処理部１と
会話しながら、例えば第２図（ａ）に示したような線画
からなる加工形状を画面表示部３に描く。ここで入力し
た加工形状は、直線L1〜L14および円弧A1,A2によって形
成された輪郭曲線Ｉ、直線L21〜L23によって形成された
輪郭曲線II、および、円A31で形成された輪郭曲線IIIか
ら構成され、輪郭曲線Ｉと輪郭曲線IIで囲まれた領域Ａ
と、輪郭曲線IIIの内側の領域Ｂが加工領域として設定
されている。

このような加工形状を線画で形成する方法としては、例
えばポインティングデバイスで指定した画面表示部３の
２点を直線で結んだり、中心を指定して円あるいは円弧
を描く操作を行なって入力する方法や、特定のプログラ
ム言語によって加工形状を直線数値（数式）で定義する
ことにより入力する方法がある。

このようにして入力された加工形状は、ビデオRAM5内に
データとして記憶されているので、データ処理部１はこ
のビデオRAM5に最終的に記憶されているデータを、入力
された加工形状のデータとして記憶装置４に記憶する。

オペレータによる加工形状の定義入力を終了すると、デ
ータ処理部１は加工領域の輪郭曲線I,II,IIIを径が小さ
い輪郭加工工具で加工するための輪郭加工工具軌跡と、
加工領域A,Bを径が大きいサライ加工工具で加工するた
めのサライ加工工具軌跡を、第３図に示した処理ルーチ
ンによって生成し、その生成した輪郭加工工具軌跡とサ
ライ加工工具軌跡を記憶装置４に記憶する。

すなわち、まず、データ処理部１は記憶装置４に記憶し
ている加工形状すなわち輪郭曲線I,II,IIIをビデオRAM5
に転送して表示制御部６によって画面表示部３に表示さ
せ（処理110）、輪郭加工工具のオフセット量（半径）
をオペレータに入力させる。

次にデータ処理部１は、おのおのの輪郭曲線I,II,IIIを
その入力されたオフセット量だけ加工領域方向に縮小し
たオフセット輪郭曲線Ｉ′,II′,III′を周知の適宜な
方法により形成し、このオフセット輪郭曲線Ｉ′,I
I′、III′で画面表示部３の表示を書き換えるととも
に、このオフセット輪郭曲線Ｉ′,II′,III′を輪郭加
工工具軌跡として記憶装置４に記憶する。

そしてデータ処理部１は、オフセット輪郭曲線Ｉ′とオ
フセット輪郭曲線II′によって囲まれた加工領域Ａ′お
よびオフセット輪郭曲線III′で囲まれた加工領域Ｂ′
を塗り潰す（処理130）。

この塗り潰しの処理130では、塗り潰しできない領域が
出ないように、第４図に示したような処理を行なう。

まず、オフセット輪郭曲線Ｉ′,II′,III′上にある画
素に「１」を、それ以外の画素に「０」を割り当てる
（処理201）。このとき、例えば加工形状のオフセット
輪郭曲線が第５図（ａ）のようなものであるとすると、
そのオフセット輪郭曲線を構成している画素は同図
（ｂ）に示したようになる。なお同図（ｂ）において
は、黒丸であらわしたものがオフセット輪郭曲線を構成
している画素を、白丸であらわしたものがそれ以外の部
分の画素を示す。

次に基準位置（例えば画面表示部３の左上角の位置）か
ら画像の水平方向（画面表示部３の水平走査方向に相当
する）に画素を走査して、「０」から「１」に変化して
いる最初の画素すなわち輪郭形状（輪郭曲線）の開始画
素Ｓを見つけ、その開始画素Ｓの座標値を記憶する（処
理202）。

次にこの開始画素Ｓを始点とした８連結ベクトル追跡法
によりオフセット輪郭曲線を形成している輪郭線を全て
抽出し、それらの輪郭線を構成している画素のデータを
「２」に置換する（処理203）。

この８連結ベクトル追跡法とは、その開始画素Ｓを始点
として、次に値が「１」の隣接画素（変化画素）を見つ
け、その方向を第５図（ｃ）に示した８つの方向のベク
トルのいずれか１つによってあらわし、次に、その見つ
けた変化画素を起点としてその変化画素に入ってきたベ
クトルよりも２つ左のベクトルの方向から反時計回り
（あるいは２つ右のベクトルの方向から時計回り）に次
の変化画素を見つけ、その位置する方向を８つの方向の
ベクトルのいずれか１つによってあらわし、これを始点
に戻ってくるまで順次繰り返すことで、開始画素の座標
値と、それに順次連続する変化画素のベクトルの並びか
らなるデータによって輪郭線を形成している閉曲線をあ
らわす方法である。なお、この輪郭線データの最後には
終了をあらわすマークが付される。

このようにして、オフセット輪郭曲線を抽出すると、輪
郭線データ（すなわち開始画素Ｓの座標値と追跡ベクト
ルのデータ）に基づき、オフセット輪郭曲線にあらわれ
ている頂点と幅が１画素の線（重複線）を検出して、そ
れらの頂点および重複線として検出された画素の値をマ
ークＲに置換する（処理205,206）。ここで頂点とは、
画素に入る方向のベクトルと出る方向のベクトルとのな
す角度が鋭角に変化している部分および画素に入る方向
のベクトルと出る方向のベクトルの方向の変化が水平方
向に凸状になっている部分をいう。また重複線は、画素
に入る方向のベクトルと出る方向のベクトルが逆方向に
なっている部分である。

なお、画素に入る方向のベクトルと出る方向のベクトル
とのなす角度は、次式（Ｉ）に示したように２つのベク
トルの内積を演算することによって算出できる。

θ＝cos^-1（V₁・V₂／（｜V₁｜・｜V₂｜）） …（１）ここで、V₁は画素に入る方向のベクトルをあらわし、V₂
は画素から出る方向のベクトルをあらわしている。

次に、水平方向に画像を走査して、直前の画素の値が
「０」になっている画素で値が「２」のものを計数する
とともに、その計数値が奇数の区間に位置している画素
を加工領域の内部の画素として判別し、計数値が偶数の
期間に位置している画素を加工領域の外部の画素として
判別し、加工領域の内部の画素として判別した画素の値
を加工領域の内部をあらわすマークＩに置換する（処理
207,208）。

すなわち、水平方向に走査して加工領域の内部を識別す
るときに障害となる頂点と重複線には特別なマークＲを
付加し、処理207,208を実行したときにはそれらのマー
クＲが付加されている画素は計数しないので、加工領域
の塗り潰しを適確に行なうことができる。

このようにして、加工領域の内部に位置する画素にはマ
ークＩが与えられ、最後に値が「２」あるいはマークR,
Iになっている全ての画素の値を「１」に置換して、こ
れによって加工領域の塗り潰しが完了する。その状態を
第５図（ｄ）に示す。またこのようにして形成された加
工領域のデータは、サライ加工領域データとして記憶装
置４に記憶される。

次に、このようにして塗り潰されて形成されたオフセッ
ト加工領域Ａ′,B′に対して、おのおののオフセット加
工領域Ａ′,B′をサライ加工工具で加工するための工具
軌跡を算出するサライ加工工具軌跡生成処理140を実行
する。

このサライ加工工具軌跡生成処理140では、まずデータ
処理部１は、オフセット加工領域Ａ′,B′をオペレータ
から指定されたサライ加工工具のオフセット量だけ加工
領域の内側に縮小して、オフセット加工領域Ａ′,B′の
最外側をサライ加工工具で加工するために加工領域を更
新する（処理141）。

この処理141は、次のようにして行なわれる。

すなわち第６図に示すように、まず加工領域の輪郭線を
抽出する（処理301）。この処理301では、画像を基準位
置から一定方向に走査して最初に値が「１」になってい
る画素を開始画素として判別し、その画素を始点として
上述した８連結ベクトル追跡法により最外側の輪郭線デ
ータを形成する。ただし、この場合２つのベクトルの差
が180度以上になる角は輪郭線を形成し得ないので、さ
らに反時計回り方向に変化画素を探す。なおこの２つの
ベクトルのなす角度は、次式（Ｉ）′に示したように２
つのベクトルの内積を演算することによって算出でき
る。

θ＝cos^-1（₁・₂／（｜₁｜・｜₂｜）） …
（Ｉ）′ ここで、₁は変化画素に入ってくるまでの複数個（例
えば５個）のベクトルの平均ベクトルをあらわし、₂
は変化画素からでていく方向の複数個のベクトルの平均
ベクトルをあらわしている。

このようにして輪郭線を抽出すると、１回目であるとき
には（判断302の結果がYES）、そのときに抽出した輪郭
線は加工領域の最外側の輪郭をあらわすためこの最外枠
のデータ（始点の位置座標とベクトルデータ）を記憶す
る（処理303）。

そして、処理301で輪郭線として抽出した画素に対し、
処理済みをあらわす処理済マークを付加する（処理30
4）。ただし、なるべく加工領域を分断しないために、
輪郭線が２ビット以上離れていない部分には処理済マー
クを付加しない。この処理済マークを付加する画素と付
加しない画素の区別は、その画素に入ってくるベクトル
とその画素から次の変化画素に出ていく画素へのベクト
ルとの関係によって判別できる。

次に最外枠から所定数の画素数だけ輪郭線の抽出を行な
ったかどうかを調べ（判断305）、この判断305の結果が
NOのときには処理301に戻り、このときには処理済マー
クを付加している画素と値が「１」になっている画素す
なわち加工領域との境界をなす輪郭線を抽出して順次加
工領域の内側の輪郭線を形成している画素を抽出し、そ
の抽出した画素に処理済マークを付加する。

ここで、判断305で判断する画素数は、サライ加工工具
のオフセット量に相当する画素数である。したがって、
この判断305を終了した時点では、最外枠の輪郭線から
サライ加工工具のオフセット量だけ内側の部分の画素に
処理済マークが付加される。

ところで、処理304によれば、可能な限りに加工領域を
連続させるため、輪郭線の間隔が２ビット以上離れてい
ない部分には処理済マークが付加されず、また、画像の
主走査方向あるいは副走査方向に対して45度に傾斜して
いる部分では実際にサライ加工工具によって加工される
範囲の倍の部分までにしか処理済マークが付加されない。

そこで、実際にサライ加工工具で加工される領域を正確
に形成するために、処理303で記憶した最外枠の輪郭線
をあらわすベクトルデータを読み込み（処理306）、サ
ライ加工工具のオフセット量に相当する画素数の２倍の
径で描いた加工円の中心をこの最外枠の輪郭線に沿って
移動したときにその加工円の内側に含まれる領域に属す
る画素で処理済マークが付加されていないものに処理済
マークを付加して加工領域を補正する（処理307）。

これによって、正確なサライ加工工具のオフセット量に
対応する部分の画素に処理済マークが付加される。

次に、更新した加工領域において、処理済マークを付加
した画素と値が「１」になっている画素との境界線（輪
郭線）を第６図の処理301と同様な方法で算出し、その
抽出した輪郭線のデータを最外枠工具軌跡として記憶す
る（処理143）。

そして、次に第６図の処理をサライ加工工具のオーバラ
ップ量に相当する画素数について適用し、最外枠工具軌
跡をサライ加工工具が通過したときと１つ内側の工具軌
跡をサライ加工工具が通過したときのオーバラップ量に
相当する部分の画素に処理済マークを付加する（処理14
3）。なお、この処理143においては、工具軌跡が一筆書
き状になるように連続性を失わないような処理を施す。

このような処理141,142,143を、全ての加工領域の最外
枠について適用するまで繰り返し実行し（判断144のル
ープ）、各加工領域のサライ加工領域の最外枠工具軌跡
を算出する。

次に、第６図の処理をサライ加工工具のオフセット量に
相当する画素数について適用して内側の加工領域を加工
するためのオフセット線を抽出し（処理145）、第６図
の処理301と同様な方法によってこのオフセット線に対
応した工具軌跡を算出し（処理146）、第６図の処理を
サライ加工工具のオーバラップ量に相当する画素数につ
いて適用してオーバラップする分の画素に処理済マーク
を付加し（処理147）、サライ加工領域の全ての画素に
処理済マークが付加されるまで処理145,146,147を繰り
返し実行して（判断148のループ）、最外枠以外のサラ
イ加工領域を加工するための工具軌跡を算出する。

このようにして、サライ加工工具軌跡生成処理140によ
り、全ての加工領域におけるサライ加工工具の工具軌跡
が算出される。

その結果、加工領域Ａ′,B′をそれぞれ加工するための
工具軌跡が、第２図（ｃ）に示したように形成されて、
記憶装置４に記憶される。なお、同図において破線で示
したものが輪郭加工工具軌跡であり、実線で示したもの
がサライ加工工具軌跡である。

ところで、オフセット加工領域の最外枠を加工するため
のサライ加工工具軌跡にスムージング処理を施すことも
できる。

すなわち、このスムージング処理は、処理142で形成し
た追跡ベクトルを円、工具径の10倍以上の長い直線、頂
点、短い直線、円弧および自由曲線の組合せによってあ
らわす。

このようなスムージング処理では、第７図に示したよう
に、まず輪郭線の円の部分を判定する（処理401）。こ
の処理401では、輪郭線の各座標を次式（II）に代入し
て各座標におけるＣの値を算出し、Ｃが一定の場合は仮
の円と判定する。そして、仮の円と判定した場合、輪郭
線の任意の３点を適宜に複数組選んでおのおのの組の３
点を通る円の中心を算出し、これらの複数個の中心の平
均位置を算出して当該輪郭線を円とみなしたときの仮の
中心を求める。

次に、このようにして得た仮の中心から次式（III）の
ような円の方程式を形成し、さらに、各画素データと式
（III）で算出した仮の円との距離Δl_iの絶対値の積算
値SAおよび積算値SBを次式（IV），（Ｖ）に基づいて算
出し、それらの結果に基づいて式（III）で算出した仮
の円が実際の円として識別できるかどうかを判定する。

Ｃ＝（x²＋y²）/y …（II） (x-x_c)²＋(y-y_c)²＝r² …（III）ここで、円は１つの閉曲線をなすから、この円の判定に
よって１つの輪郭線を形成する全ての軌跡が終了したか
どうかを調べ（判断402）、この判断402の結果がNOのと
きには次の処理へと進む。

次には、サライ加工工具の10倍以上の長さの直線を算出
する（処理403）。この処理403では、単位ベクトル５個
分のベクトルの平均ベクトルを形成し、その平均ベクト
ルのベクトル角から、次式（III）に基づいて仮の直線
区間を算出する。

次に、各画素データと式（VI）で算出した仮の直線との
距離Δl_iの絶対値の積算値SAおよび積算値SBをそれぞれ
式（IV），（Ｖ）に基づいて算出し、それらの結果に基
づいて式（VI）で算出した仮の直線が実際の直線として
識別できるかどうかを判定する。

ax＋by＋ｃ＝０ …（VI）なお、さらにベクトルの方向のヒストグラムを形成し、
そのヒストグラムにピークがただ１つある場合には、そ
の区間を直線として、ヒストグラムのピークがそれ以上
の個数ある場合にはそれ以外のものとして判別してい
る。

次に、処理401および処理403で円および長い直線と判別
されなかった部分について、輪郭線に現われる頂点を判
別する（処理404）。

この処理では、処理403で形成した平均ベクトルを上述
した式（Ｉ）′に代入して２つの平均ベクトルのなす角
度を算出し、その算出結果に基づいて頂点を判別する。
このとき、平均ベクトルの算出起点によっては、頂点が
誤って判断されるおそれがあるので、２つの平均ベクト
ルのなす角度がある程度鋭くなっている部分では、平均
ベクトルの算出起点を順次変化させ、２つの平均ベクト
ルのなす角度が最も鋭くかつ安定している状態を判別
し、それによって適切な頂点を検出している。

次に、処理403で算出した直線の端点と処理404で算出し
た頂点の間の区間、あるいは、頂点と頂点との間の区間
で直線と判定できる部分を、処理403と同様な判断基準
で算出する（処理405）。

次に、処理401,403,404,405で処理されなかった区間に
対し、円弧の部分を算出する（処理406）。この処理406
では、処理401とほぼ同様にして仮の円弧区間を算出
し、この仮の円弧区間の仮の中心を仮の円弧区間の８点
の座標をもとに算出し、仮の中心から式（III）のよう
な円の方程式を形成する。

そして、この仮の円弧との実際の画素の座標との差を上
式（IV），（Ｖ）によって算出し、その算出結果に基づ
いてその仮の円弧区間を適切なものであるかどうかを判
断するとともに、半径を判定する。

最後に、処理401,403〜406で対象とならなかった区間に
対して、スプライン曲線からなる自由曲線をあてはめる
（処理407）。

このようにして、サライ加工工具の最外枠工具軌跡がス
ムージング処理される。なお、工具軌跡をスムージング
する方法としては、上述したものに限ることはない。

［効果］以上説明したように、本発明によれば、線画で形成され
た加工形状のオフセット線を形成してこれを輪郭加工工
具の軌跡として記憶し、オフセット線をなす画素に第１
の識別符号を付加するとともにオフセット線にあらわれ
る頂点および単独な線を検出してそれらを形成する画素
に第２の識別符号を付加する。そして、加工形状を一定
方向に走査したときに走査線と交差する上記第１の識別
符号が付加された画素のうち第２の識別符号が付加され
ていない画素を計数してその計数値が奇数の領域は加工
領域の内部の画素と判別するとともにその計数値が偶数
の領域は加工領域の外部の画素として判別して加工領域
の内部として判別した部分を塗り潰し、これによって加
工領域を形成しているので、線画で形成された加工形状
から加工領域を適切に形成できるという効果がある。ま
た加工形状の輪郭部分は径の小さい輪郭加工工具で、そ
れ以外の部分は径の大きい領域加工工具で加工するため
の工具軌跡を生成しているので、効率のよい切削加工を
するための工具軌跡を生成できるという効果も得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかるデータ処理装置を示
したブロック図、第２図（ａ）〜（ｃ）は線画から工具
軌跡が生成される様子を示した説明図、第３図は工具軌
跡を生成するための処理を示したフローチャート、第４
図は塗り潰しのための処理例を示したフローチャート、
第５図（ａ）〜（ｄ）は塗り潰しの様子を示した説明
図、第６図は工具で切削される部分を形成する処理例を
示したフローチャート、第７図はスムージング処理例を
示したフローチャートである。１……データ処理部、２……キーボード、３……画面表
示部、４……記憶装置、５……ビデオRAM（ランダム・
アクセス・メモリ）、６……画面制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】数値制御工作機械に加工させる加工形状を
線画で形成し、その加工形状の輪郭を加工するための輪
郭加工工具に対応したオフセット線を形成してこれをそ
の輪郭加工工具の軌跡として記憶し、上記オフセット線
をなす画素に第１の識別符号を付加し、上記オフセット
線にあらわれる頂点および単独な線を検出してそれらの
頂点および単独な線を形成する画素に第２の識別符号を
付加し、上記加工形状を一定方向に走査したときに当該
走査線と交差する上記第１の識別符号が付加された画素
のうち上記第２の識別符号が付加されていない画素を計
数してその計数値が奇数の領域は加工領域の内部の画素
と判別するとともにその計数値が偶数の領域は加工領域
の外部の画素として判別して加工領域の内部と判別した
画素には第３の識別符号を付加し、この第３の識別符号
が付加されている画素の領域を加工領域と判別して輪郭
線以外の加工領域を加工する領域加工工具のオフセット
量およびオーバラップ量に基づいて一筆書き状の２次元
工具領域を形成することを特徴とする２次元工具軌跡生
成方法。