JPH07295621A - 曲面加工用ｃａｍシステムの工具経路設定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３次元形状の加工をする曲面加工ＣＡＭシス
テムにおいて、高精度な工具経路を効率良く作成する。 【構成】 切削要求面デ−タを入力として工具経路デ−
タを出力する曲面加工用ＣＡＭシステムにおいて、その
工具経路計算処理の中で、一度、粗い格子をサンプル点
として工具経路デ−タの計算を行なった後に、変化の激
しい部分を探索してその部分だけに細かなサンプル点を
生成して２回目の細かな工具経路デ−タを計算する。以
上、２回に分けて計算した工具経路デ−タをひとつにま
とめて高精度な工具経路を生成する。これにより、高精
度な工具経路デ−タを生成するための処理時間を短縮す
ることが可能となる。また、工具経路デ−タが従来より
も低減され、工作機械による切削時間についても短縮で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元形状の曲面加工
用ＣＡＭシステムに係り、特に、工作精度および工作効
率を向上するのに適した曲面加工用ＣＡＭシステムの工
具経路設定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来の曲面加工システムにおけ
るデータの流れを示すものである。図２に示すように、
一般に、３次元形状中の複合面を一括して切削する曲面
加工用ＣＡＭシステムは、３次元ＣＡＤなどにより作成
した形状から切削要求面のデ−タを取り出し、その要求
面上を切削するために工具が動く軌跡を、工具中心位置
の点列デ−タつまり工具経路として求め、その求めた工
具経路に工具の送り速度などのＮＣ工作機械の制御情報
を加えたＮＣデ−タとして出力するものである。このと
き、工具経路を求めるにあたって工具干渉が問題とな
る。工具干渉とは、経路デ−タに従って動いた工具が要
求面形状を削りすぎてしまう現象である。干渉を起こさ
ないように工具経路デ−タを求める方法はいくつか提案
されているが以下にその方法について説明する。

【０００３】工具経路は、次に示す２つのステップを経
て求められる。

【０００４】（１）オフセット面生成処理：図３のよう
に、例えばボールエンドミルを例にとると、切削要求面
上に、工具形状分だけオフセットした“オフセット面”
（工具中心が通る面）を生成する。このオフセット面上
に工具中心（半球状部の中心）がくるように工具を置け
ば工具と要求面が接する。

【０００５】（２）工具経路計算処理：次に、図４のよ
うに、あらかじめサンプル点としてｘ，ｙ座標値が与え
られているものとして、そのサンプル点のｘ，ｙ値を満
足する空間上の直線（垂線）と（１）で求めたオフセッ
ト面との交点のｚ座標値を計算することにより工具経路
のｘ，ｙ，ｚ座標値をもとめ、求めた点列デ−タを直線
補間することにより工具経路を得る。

【０００６】このようにして工具経路を求めるがこのと
き工具干渉を回避するには上記（１）のステップの処理
中で（（１）の処理を少し変えて）対処する場合と上記
（２）のステップの処理中で（（２）の処理を少し変え
て）対処する場合の２つの方法がある。

【０００７】まず上記（１）の処理中で対処する場合
は、図５のように、要求面（ＵＶ面）を等間隔に格子状
に分割してその各格子点から工具形状分オフセットした
点を求める。求めたオフセット点のうち隣合った４点を
４端点として曲面を張りそれを第１オフセット面とす
る。次にＸＹ平面上に格子を張りその格子点（ＸＹ平面
上の格子点）から垂直に伸ばした直線と求めた第１オフ
セット面との交点を求める。このときに、垂線と複数の
第１オフセット面が交点を持った場合は、最大のｚ座標
値のものを採る。つまり図６のように、直線が面Ａと面
Ｂの両方に交点を持つ場合は交点Ａ，Ｂの内ｚ座標値の
高い方を採る。このようにして求めた点列で改めて面を
張りなおし、それをオフセット面とする。このようなオ
フセット面であれば、工具中心を面上のどの位置に持っ
ていっても要求面に対する削り込みは起こらない。従っ
てこのオフセット面で工具経路を計算すれば工具干渉を
起こさない工具経路が得られる。

【０００８】一方、上記（２）の処理中で対処する場合
は、上で求めた第１オフセット面で工具経路計算を行
い、このとき各サンプル点で交点計算した中でｚ座標値
の最大値をそのサンプル点での最終的なｚ座標値として
工具経路を得る方法である。

【０００９】（１）の処理中での対処法と、（２）の処
理中での対処法との違いは、前者はオフセット面生成過
程で１つの面だけとし、１サンプル点でのオフセット値
を常に１つにしぼってしまうのに対し、後者は重なった
ままのオフセット値を共にデータとして持っていて、１
サンプル点でのオフセット値を複数持つことがあり、最
終的な計算により一番高い値を採用するようにした点で
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のようなものが工
具経路を求める方法として提案されている。このような
方法の場合、高精度な工具経路を求めようとすると、
（１）の処理でオフセット面の精度を上げるか、もしく
は、（２）の処理でサンプル点を増やす必要がある。そ
こで、（２）の工具経路計算処理についてみてみると、
オフセット面と交点計算をするためには、あらかじめ求
めるべき工具経路上にサンプル点としてｘ，ｙ座標値を
与えなければならない。複合面を、ジグザグに加工する
場合には、図４のように、与えるサンプル点のｘ，ｙ座
標値が、工具軸に対して垂直に張ったＸＹ平面上に作っ
た格子の格子点座標値として与えられる。工具経路は、
このサンプル点上でオフセット面と交わった点の点列を
直線補間したものとなるため高精度な工具経路を得るに
は、サンプル点の間隔を狭くする必要がある。いま、サ
ンプル点は格子状で与えているため、間隔を狭くするた
めには、細かな格子を設定しなければならない。つま
り、変化の乏しい平坦な部分も、精度を出したい変化の
激しい部分も同じ密度でサンプル点を設定することにな
る。そこで、工作精度を向上させようと変化の激しい部
分にあわせてサンプル点を細かく設定すると、無駄な点
が多く発生し工具経路計算の処理時間を増大させるだけ
でなく、実際の工作機械の工作効率においても効率を下
げる要因となる。

【００１１】サンプル点のｘ，ｙ座標値を格子点の座標
値で与えると、高精度の曲面加工を行なう上で、ＣＡＭ
システムによる工具経路計算の処理時間の増大や工作機
械の切削時間が増加することにより、全体の効率を下
げ、ＣＡＭシステムを用いた加工において根本的な問題
となる。また、この格子を設定するにあたり、ジグザグ
加工の場合は、格子の縦横の間隔を設定しなければなら
ない。格子の横の間隔は、切削線と切削線との間隔であ
り、工具経路のピックフィ−ド幅として精度によって決
定できるオペレ−タにとって理解しやすい値である。し
かしながら、縦の間隔は、切削方向のピッチ幅という、
オペレ−タにとってなにを基準にして決定すればよいか
分かりにくい値である。そのため、ピッチ幅は、ピック
フィ−ド幅と同じように設定することが多く必要以上に
細かな格子を設定してしまうという問題があった。

【００１２】従って、本発明の目的は、上記従来技術の
問題点を解決して、第１に、高精度の工具経路を求める
ことと処理効率の向上とを両立させると共に、第２に、
オペレ−タが理解しやすいピッチ幅の規準もしくは設定
方法を確立できるようにした曲面加工用ＣＡＭシステム
の工具経路設定方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、つぎのように構成する。

【００１４】（１） 切削要求面及び工具形状に基づい
てオフセット面を生成し工具経路を生成する曲面加工用
ＣＡＭシステムにおいて、工具経路計算処理のためのサ
ンプル点が、ピックフィ−ド幅及び切削方向ピッチ幅に
より格子状に設けられ、サンプル点の切削方向のピッチ
幅は、曲面の変化の激しい程細かく設定する。

【００１５】（２） 曲面の変化率を格子点のｚ座標値
とその点における曲面の切削方向の接線ベクトルとから
算出し、サンプル点の間隔をその変化率に応じて決定す
る。

【００１６】（３） ピックフィ−ド幅のみを指定する
だけで曲面の変化率に基づく可変ピッチ幅をもつ格子を
生成する。

【００１７】（４） 前記サンプル点は、２回に分けて
作成され、１回目は切削方向のピッチ幅が一定のピッチ
幅で作成され、２回目は曲面の変化の激しい格子間にそ
の変化率が大きい程ピッチ幅が狹くなるようにサンプル
点を間挿するものである。

【００１８】

【作用】上記構成に基づく作用を図７〜図９により説明
する。

【００１９】サンプル点のｘ，ｙ座標設定において、オ
ペレ−タはピックフィ−ド幅だけを考えて入力し、切削
方向のピッチ幅は、システム内部で自動設定するかもし
くは、ある決まった値（工具半径など）を入力する。こ
のピックフィ−ド幅とピッチ幅を用いて格子を作成す
る。

【００２０】このようにして設定した格子をもとに、オ
フセット面との交点計算を行い第１回目の粗い工具経路
を計算する。このとき同時にオフセット面で求まった交
点での切削方向の接線ベクトルを、ＵＶ値の微分により
計算する（図７）。この工具経路と格子点ごとの接線ベ
クトルを記録しておく。

【００２１】次に、記録しておいた各格子点とその次の
格子点のｚ座標値と接線ベクトルによりその格子間を曲
線補間する（図８）。この曲線の最大の変化量を算出し
その変化量に応じて格子間を分割して新たなサンプル点
を設定する。つまり変化の激しい部分を探索してその部
分のみ格子間の間隔を狭めてサンプル点を増やし平坦な
部分の間隔はそのままとする。この場合、変化量が大き
くなればなる程、（一定のリミット値になる迄は）サン
プル点をより一層増やして格子間隔をより一層狹めるよ
うにする。さらに、上で設定した新たなサンプル点のみ
オフセット面との交点計算をして第２回目の細かな工具
経路を計算する（図９）。この工具経路は、第１回目の
工具経路の間に入るようなものである。

【００２２】最後に、第１回目の工具経路に第２回目の
工具経路を挿入して１つの工具経路とする。

【００２３】以上の手順で３次元形状の複合面を一括し
て切削するような工具経路を求める。

【００２４】このようにして、本発明により、高精度な
工具経路を求めるために徒に細かな格子を設定すること
なく、形状中の曲面の変化に合わせて工具経路計算のサ
ンプル点が作成できる。つまり、変化の激しい部分で
は、サンプル点の間隔が狭くなり同じ精度を格子状のサ
ンプル点で実現するよりは、大幅に少ない点数で実現で
きる。その結果工作精度を向上させるのに従来よりＣＡ
Ｍシステムでの計算時間や工具経路データの生成処理時
間などが短縮でき更に、工具経路データが従来よりも低
減されるので、工作機械による切削時間も短縮でき工作
効率が向上できる。また、オペレ−タが設定することが
難しかった切削方向のピッチ幅を自動的に、もしくはあ
る決まった値で入力することができるため、オペレ−タ
の負担の軽減が可能となる。

【００２５】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図面により詳細
に説明する。

【００２６】本実施例は、３次元形状の複合面を一括し
て処理しジグザグの工具経路デ−タを生成する曲面加工
用ＣＡＭシステムである。このＣＡＭシステムのシステ
ム構成を図１０に示す。このシステムは図に示すように
表示制御部１０５と、オフセット面生成部１０４と、工
具経路計算部１０６と、工具経路出力部１０７よりな
る。また、オフセット面生成部１０４及び表示制御部１
０５に接続された加工モデル形状データファイル１０１
と、オフセット面生成部１０４及び工具経路計算部１０
６に接続された加工条件データファイル１０２と、工具
経路出力部１０７に接続された工具経路データファイル
１０３と、表示制御部１０５に接続されたディスプレイ
装置１０８とを有している。

【００２７】本実施例の処理の流れを図１１に示す。こ
の処理を図１０の制御装置にそれぞれ当てはめると、オ
フセット面生成部１０４には１０９と１１０の処理が含
まれ、工具経路計算部１０６には１１１，１１２，１１
３，１１４，１１５，１１６の処理が含まれる。また、
工具経路出力部１０７には１１７，１１８の処理が含ま
れる。以上のような関係が制御装置とそれぞれの処理の
間に存在する。そこで次にこれらの処理について詳細に
説明する。

【００２８】まず最初に、オフセット面生成部１０４に
含まれる処理について説明する。設計者が３次元ＣＡＤ
により作成したモデルの形状デ−タより処理１０９で切
削要求面のデ−タを取り出す。取りだした要求面（ＵＶ
面）を（ユーザが指定する）許容誤差により格子状に分
割し、その格子点を工具形状分オフセットした点列を求
める（図１２）。これらの点で隣合う４点を取りだしそ
れらを４制御点とするような微小な双１次Ｂｅｚｉｅｒ
曲面を生成する。この操作をすべての点で行い（図１
３）、微小な曲面の集合を作りその集合をオフセット面
とする。この処理が１１０である。

【００２９】次に工具経路計算部１０６に含まれる処理
について説明する。オペレ−タが加工粗さ（スカラップ
ハイト）をいくらに設定するかによりピックフィ−ド方
向の幅を決め入力する。また例えば、切削方向のピッチ
幅を工具半径と同じ値に決めてやりそれを入力する。こ
れらの入力値よりピックフィ−ド幅を横幅にしピッチ幅
を縦幅にした格子を作成する処理が１１１である。この
１回目に作成した格子をまずサンプル点として、１１０
で生成したオフセット面と、サンプル点からＸＹ平面に
垂直にオフセット面まで伸ばした直線との交点計算をす
る。このとき、１つのサンプル点に対して複数の微小な
双１次Ｂｅｚｉｅｒ曲面との交点があれば、そのうちの
ｚ値の最も高いものを採る。こうしてすべてのサンプル
点上に第１回目の工具経路デ−タとして点列デ−タを得
る処理が１１２である（図１４）。この際同時に、求ま
った交点でのオフセット面の切削方向の接線ベクトルを
処理１１３で求める。処理１１２と１１３で求めたサン
プル点でのｚ値（つまり交点の座標値）と接線ベクトル
から図１５のようにして隣合う交点ＰｓとＰｅの間を３
次のＢｅｚｉｅｒ曲線で補間する。この曲線は、交点Ｐ
ｓとＰｅにおける接線ベクトルにより一義的に定まる。
ＰｓとＰｅを、結んだ直線を、Ｌ(t)とし曲線補間した
曲線をＲ(t)とする（０≦ｔ≦１）。このとき、次式
(Ａ)によって求められるεをＰｓ，Ｐｅ間の曲面の最大
変化量と考える。このようにして変化量を求める処理が
１１４である。

【００３０】 ε＝ｍａｘ(｜Ｒ(t)−Ｌ(t)｜）,(t=0.25,0.5,0.75) ……（Ａ） 次に、交点間を結んだ直線を弦とし交点間に円弧を張る
ものとする。このとき、１１４で求めた曲線の最大変化
量を弦と弧の最大距離となるように円弧を張る（図１
６）。このようにして交点間を円弧補間し、許容誤差を
用いて円弧を分割する。図１６は、分割数を決めるため
だけに使用するもので、図１６の円弧を分割し、分割し
た各円弧に弦を張ったときの、弦と各円弧との最大偏差
が、許容誤差未満となるように分割数を決める。この分
割数に従い最初に決めた１回目の格子間に新たなサンプ
ル点を生成する処理が１１５である。こうして生成した
新たなサンプル点とオフセット面との交点計算を行い第
２回目の細かい工具経路を計算する処理が１１６であ
る。以上のようにして第１回目の工具経路とその間に存
在する第２回目の工具経路を求める。

【００３１】最後に、工具経路出力部１０７に含まれる
処理について説明する。処理１１２と１１６で計算した
２つの工具経路を、図１に示すように、第１回目の粗い
工具経路の間に第２回目の工具経路を挿入するかたちで
２つの工具経路を高精度な１つの工具経路にする処理が
１１７である。そしてこの工具経路に各種の加工条件を
加えてＮＣデ−タとするのが１１８の処理である。

【００３２】本実施例では以上のような処理の流れで本
発明による高精度な工具経路の生成を実現している。

【００３３】また他の実施例として、オフセット面生成
処理において、工具干渉を起こさないオフセット面を生
成する場合に、第１オフセット面を生成してつぎのオフ
セット面を計算するためのサンプル点の生成方法として
本発明を応用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、工具経路計算におけるサンプル点の切削方向のピ
ッチ幅が曲面の変化の激しい程細かくなるようにその変
化率に応じて設定されているので、高精度な工具経路を
生成するのにこれらのサンプル点を必要以上に増やすこ
となく切削対象の形状に応じて設定でき、高精度な工具
経路を生成することができ、ＣＡＭシステムでの工具経
路計算時間の短縮および工作機械での切削時間の短縮が
実現できる。また、オペレータは切削方向のピッチ幅を
ある決まった値で入力するだけで、可変ピッチ幅のサン
プル点が設定できるので、オペレ−タの負担の軽減が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による工具経路の生成方法の概
要の説明図である。

【図２】一般的な曲面加工システムにおけるデ−タの流
れを示す図である。

【図３】一般的な切削要求面に対するオフセット面の生
成方法を示す図である。

【図４】一般的な格子状のサンプル点による工具経路計
算方法の説明図である。

【図５】第１オフセット面の構成を示す図である。

【図６】複数の第１オフセット面とサンプル点での交点
を示す図である。

【図７】本発明の実施例による交点でのオフセット面の
切削方向の接線ベクトルを示す図である。

【図８】本発明の実施例による第１回目の粗い工具経路
を作成する処理を示す図である。

【図９】本発明の実施例による第２回目の細かい工具経
路を作成する処理を示す図である。

【図１０】本発明の実施例のシステムの構成図である。

【図１１】本発明の実施例の処理のフロ−チャ−トであ
る。

【図１２】複合面（Ａ，Ｂ）におけるオフセット点列の
構成図である。

【図１３】複合面（Ａ，Ｂ）におけるオフセット面（双
１次Bezier曲面群）の構成図である。

【図１４】本発明の実施例の第１回目工具経路の作成処
理の説明図である。

【図１５】格子間の曲線補間の説明図である。

【図１６】格子間の円弧補間の説明図である。

【符号の説明】

１０１ 加工モデル形状デ−タファイル １０２ 加工条件デ−タファイル １０３ 工具経路デ−タファイル １０４ オフセット面生成部 １０５ 表示制御部 １０６ 工具経路計算部 １０７ 工具経路出力部 １０８ ディスプレイ装置 １０９ 形状デ−タからの要求面取りだし処理 １１０ 要求面のオフセット処理 １１１ 第１回目の格子（サンプル点）設定処理 １１２ 第１回目の工具経路計算処理 １１３ オフセット面上の接線ベクトル計算処理 １１４ 交点間の曲線補間処理及び曲線の変化量計算処
理 １１５ 曲線の変化量による第２回目のサンプル点設定
処理 １１６ 第２回目の工具経路計算処理 １１７ 工具経路の融合処理 １１８ ＮＣデ−タ出力処理

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切削要求面及び工具形状に基づいてオフ
   セット面を生成し工具経路を生成する曲面加工用ＣＡＭ
   システムにおいて、工具経路計算処理のためのサンプル
   点が、ピックフィ−ド幅及び切削方向ピッチ幅により格
   子状に設けられ、サンプル点の切削方向のピッチ幅は、
   曲面の変化の激しい程細かく設定することを特徴とする
   曲面加工用ＣＡＭシステムの工具経路設定方法。
2. 【請求項２】 曲面の変化率を格子点のｚ座標値とその
   点における曲面の切削方向の接線ベクトルとから算出
   し、サンプル点の間隔をその変化率に応じて決定するこ
   とを特徴とする請求項１記載の曲面加工用ＣＡＭシステ
   ムの工具経路設定方法。
3. 【請求項３】 ピックフィ−ド幅のみを指定するだけで
   曲面の変化率に基づく可変ピッチ幅をもつ格子を生成す
   ることを特徴とする請求項１または２記載の曲面加工用
   ＣＡＭシステムの工具経路設定方法。