KR20120069745A - 공구 경로의 생성 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로를 생성하는 장치로서, 이웃하는 공구 경로 사이에 단차를 발생시키지 않아, 매끄러운 가공면을 얻을 수 있도록 가공 프로그램의 공구 경로를 판독하는 프로그램 판독 해석부와, 판독한 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하는 목표 좌표값 연산부와, 복수의 목표점에 근거하여 공구 경로를 생성하는 곡선 근사 연산부를 가진다.

Description

공구 경로의 생성 방법 및 장치{Tool Path Generation Method and Device}
본 발명은 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로의 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.
가공 프로그램에는 공작기계의 이송축에 대한 이동 지령이 포함되어 있다. 이동 지령에는 위치 정보가 포함되어 있어, 공구가 워크에 대하여 소정의 속도로 소정 위치까지 상대적으로 이동함으로써 워크가 소정의 형상으로 가공되도록 되어 있다. 공구의 이동 경로, 즉 공구 경로는, 워크 도면의 정보인 CAD 데이터가 CAM 장치에서 선의 정보로 변환됨으로써 작성되는 것이다. CAM 장치에서 작성되는 가공 프로그램에는 블록마다 이동할 곳의 좌표값이 포함된다. 본 명세서에서는 이러한 가공 프로그램의 이동 지령의 좌표값을 블록 끝점이라고 부른다.
최근에는 공작기계의 동작 성능의 향상에 의하여 가공 프로그램에 충실하게 따라서 동작하는 공작기계가 일반적인 것이 되어, 이러한 공작기계를 사용하여 가공하면, 꺾은선 형상으로 이동하는 공구의 이동 경로가 그대로 워크의 가공면에 전사되게 되어서, 원하는 매끄러운 가공면을 얻을 수 없는 경우가 있었다. 또한, 꺾은선으로 근사된 원호나 곡선을 포함하는 공구 경로를 고속으로 공구가 이동하면, 블록 끝점에서 이송축으로 급격한 가속도 변화가 발생하여, 가공의 고속화에 방해가 되는 경우도 있었다. 이들을 해결하는 방법으로서, CAM 장치나 수치제어 공작기계의 제어장치에서 가공 프로그램의 공구 경로를 수식 표현할 수 있는 NURBS 등의 근사 곡선으로 치환하여 가공하는 스무딩 기술이 알려져 있다.
도 5에는 스무딩 기술에 의하여 곡선 근사된 공구 경로의 일례가 나타나 있다. 곡선 근사에서는 공구 경로의 구부러짐의 정도나, 블록 끝점의 좌표값이나, 인접하는 블록 끝점 사이의 선분 거리의 작은 차이로 인하여 근사 곡선의 경로가 크게 변하는 특성이 있다. 이 때문에, 곡면을 가공한 경우, 이웃하는 전후 공구 경로가 고르지 않게 되어, 이웃하는 공구 경로 사이에서 단차를 발생시켜서 매끄러운 가공면을 얻을 수 없는 경우가 있다. 여기에서, 이웃하는 공구 경로란, 왕복 가공이나 등고선 가공으로 픽피드(pick feed) 만큼의 간격이 벌어져 있는 공구 경로이다.
이웃하는 공구 경로 사이에서 단차를 발생시키지 않아, 매끄러운 가공면을 얻을 수 있는 스무딩 기술에 관한 종래의 일례로서, 일본공개특허공보 2000-353006호가 개시되어 있다. 일본공개특허공보 2000-353006호는, 공구 경로 사이의 단차 발생을 억제하여, 픽피드 방향으로도 매끄러운 곡면을 가공할 수 있도록 한 수치제어장치에 관한 것이다. 이 문헌의 단락 0019에는 단락 0005에 개시되어 있는 과제해결수단의 구체적인 구성을 설명하는 기재, '즉, 본 실시형태에 있어서는 그 패스(Pi)의 이웃하는 점(Pi ,j), 점(Pi ,j+1)을 연결하는 선분에 가장 가까운 거리에 있는, 전후 패스(Pi -1, Pi +1)의 이웃하는 점을 연결하는 선분을 검출함으로써, 그 패스(Pi)의 이웃하는 점(Pi ,j), 점(Pi ,j+1)을 통과하는 곡선에 가까운 전후 패스의 곡선부를 검출하고, 이웃하는 점(Pi ,j), 점(Pi ,j+1)을 통과하는 매끄러운 곡선(f(t))의 중심점 위치(f)(1/2)와, 전후 패스에서의 검출된 가장 가까운 선분의 양단의 점을 통과하는 매끄러운 곡선(g(t), h(t))에서의 수선의 발의 위치에 대응하는 이 곡선 상의 위치(g(tq), h(tr))에 의하여, 각각의 위치에 대하여 가중하여서 점(Pi ,j)과 점(Pi ,j+1) 사이에 보조점(PjH)을 삽입하는 것이다. 그리고, 이렇게 삽입한 보조점을 지령점 열로 간주하여 패스(Pi)의 매끄러운 곡선을 구함으로써, 그 패스(Pi)의 전후 패스(Pi -1, Pi +1)의 곡선을 고려하여 패스 사이도 매끄럽게 연속하도록 한 것이다.'가 있다.
일본공개특허공보 2000-353006호에 개시되어 있는 방법에서는, 원래의 공구 경로가 같더라도 이웃 패스에 의하여 공구 경로가 바뀌어버리는 문제점이 있었다. 본 발명은 원래의 공구 경로가 같으면 생성한 공구 경로도 같아지도록 하면서, 이웃하는 공구 경로 사이에서 단차를 발생시키지 않아, 매끄러운 가공면을 얻을 수 있는 공구 경로의 생성 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로의 생성 방법에 있어서, 가공 프로그램으로부터 워크를 가공하는 공구 경로를 판독하고, 판독한 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하며, 복수의 목표점에 근거하여 근사 곡선을 연산하고, 근사 곡선을 따른 공구 경로를 생성하는 것을 특징으로 한 공구 경로의 생성 방법에 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로의 생성 방법에 있어서, 가공 프로그램으로부터 워크를 가공하는 공구 경로를 판독하고, 판독한 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하며, 이웃하는 목표점의 평균 좌표를 연산하고, 평균 좌표를 연결한 공구 경로를 생성하는 것을 특징으로 한 공구 경로의 생성 방법이 제공된다.
그리고, 본 발명에 따르면, 목표점은 이웃하는 목표점 사이의 직선 거리 또는 공구 경로 상의 거리가 같아지도록 설정되는 공구 경로의 생성 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로를 생성하는 장치에 있어서, 가공 프로그램으로 공구 경로를 판독하는 프로그램 판독 해석부와, 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하는 목표 좌표값 연산부와, 복수의 목표점에서 공구 경로를 생성하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공구 경로의 생성 장치가 제공된다.
그리고, 본 발명에 따르면, 연산부는 복수의 목표점에 대하여 근사 곡선을 연산하여 공구 경로를 생성하는 곡선 근사 연산부, 또는 이웃하는 복수의 목표점의 평균 좌표를 연산하고, 공구 경로를 생성하는 평균 좌표 연산부인 공구 경로의 생성 장치가 제공된다.
이상과 같이, 본 발명의 공구 경로의 생성 방법 및 장치에 따르면, 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하고, 복수의 목표점으로부터 근사 곡선 또는 평균 좌표를 연산하여 공구 경로를 생성함으로써, 원래의 공구 경로가 동일하면 같은 공구 경로가 생성되게 되어, 원래의 공구 경로가 유사한 공구 경로 사이에서는 단차가 발생하지 않아, 매끄러운 가공면을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 공구 경로의 생성 장치의 주요부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 공구 경로의 생성 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 공구 경로의 생성 방법의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 이웃하는 공구 경로에 있어서 단차가 발생하지 않는 상태를 나타내는 설명도이다.
도 5는 이웃하는 공구 경로에 있어서 단차가 발생하는 일례를 나타내는 설명도이다.
본 발명의 공구 경로의 생성 장치는, 본 명세서에서 나타나는 수치제어 공작기계(10)와 함께 사용되는 제어장치(15)의 형태로 한정되는 것이 아니며, 워크의 CAD 데이터에 근거하여 가공 프로그램을 작성하는 CAM 장치나, 제어장치를 내장하는 수치제어 공작기계나, 퍼스널 컴퓨터의 형태로도 사용할 수 있다. 제어장치(15)는 CAM 장치에서 작성된 가공 프로그램을 판독한 후, 스무딩 처리를 하여 공구 경로를 생성하고, 생성한 공구 경로에 근거하여 가공 프로그램(20)을 바꿔 쓸 수 있다. 바꿔 쓰인 가공 프로그램(25A, 25B)은 장치 안의 메모리에 저장되어, 다른 공작기계에서 사용하기 위하여 판독되거나, 가공 프로그램의 내용을 부분적으로 편집할 수 있다. 또한, 가공 프로그램의 바꿔 쓰기 기능이나, 가공 프로그램의 메모리 기능을 가지지 않는 형태로서 장치를 구성할 수도 있다. 본 제어장치는 수직의 주축을 가지는 세로형 머시닝 센터(machining center)나, 수평의 주축을 가지는 가로형 머시닝 센터 등의 다른 공작기계에 적용할 수 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 제어장치(15)는 가공 프로그램(20)의 이동 지령의 블록 끝점에 대하여 스무딩 처리를 실시하는 스무딩 실행부(30)를 구비하고 있다. 스무딩 실행부(30)는 가공 프로그램(20)으로부터 공구 경로를 판독하는 프로그램 판독 해석부(32)와, 판독한 공구 경로 상에 같은 간격으로 복수의 목표점을 설정하는 목표 좌표값 연산부(34)와, 복수의 목표점에 대하여 곡선 근사에 의하여 스무딩 처리를 실시하는 곡선 근사 연산부(36)와, 곡선 근사 연산부(36)와는 병렬로 설치되며, 이웃하는 복수의 목표점으로부터 평균 좌표를 구하여 스무딩 처리를 실시하는 평균 좌표 연산부(38)를 가지고 있다. 곡선 근사 연산부(36)와 평균 좌표 연산부(38)는 연산 방식 전환부(35, 37)에 의하여 한쪽 연산부(36, 38)를 선택할 수 있게 되어 있다.
스무딩 실행부(30)는 생성한 공구 경로에 근거하여 바꿔 쓰기를 한 가공 프로그램(25A) 또는 가공 프로그램(25B)을 수치제어 공작기계(10)에 대하여 출력할 수 있다. 프로그램 판독 해석부(32)는 CAM으로 작성된 가공 프로그램(20)으로부터 절삭 이송 지령과 절삭 이송 지령 이외의 가공 지령을 분리하는 기능을 가지고 있고, 절삭 이송 지령 이외의 가공 지령은 곡선 근사 연산부(36)의 하류측 또는 평균 좌표 연산부(38)의 하류측으로 송신된다. 가공 지령과 생성한 공구 경로의 정보에 근거하여 가공 프로그램(20)의 바꿔 쓰기가 이루어진다.
프로그램 판독 해석부(32)는 가공 프로그램(20)의 이송축의 이동 지령 중 절삭 이송의 이동 지령인 직선 보간 지령 또는 곡선 보간 지령을 목표 좌표값 연산부(34)에 출력하여서 스무딩 처리를 행한다. 즉, 프로그램 판독 해석부(32)는 절삭 이송과 고속 이송을 인식하는 기능을 가지고, 절삭 가공을 실시하는 절삭 이송의 이동 지령에 대하여만 스무딩 처리를 실시하도록 구성되어 있다. 본 실시형태에서는 고속 이송의 이송축의 이동 지령에 대하여는 스무딩 처리는 하지 않지만, 필요에 따라서 고속 이송의 지령에도 스무딩 처리를 할 수 있다.
도 2에는 본 실시형태의 제어장치(15)에 의하여 생성된 공구 경로(ATP1)의 일례가 나타나 있다. 도 2의 (c)에 나타내는 공구 경로(ATP1)의 생성 방법은, CAM 장치로 작성된 가공 프로그램(20)으로부터 이송축의 이동 지령을 판독하는 단계와, 이동 지령의 블록 끝점(bi)을 연결한 꺾은선(공구 경로)(TP) 상에 등간격으로 복수의 목표점(pi)을 설정하는 단계와, 복수의 목표점(pi)에 대한 근사 곡선을 연산하고, 이러한 근사 곡선을 따른 공구 경로(ATP1)를 생성하는 단계를 가지고 있다.
도 2의 (b)에는 목표 좌표값 연산부(34)에 의하여 공구 경로 상에 등간격으로 설정된 복수의 목표점(pi)이 나타나 있다. 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 꺾은선(TP)은 5개의 블록 끝점(bi)에 의하여 5개의 선분 영역을 가지고 있다. 이웃하는 블록 끝점(bi) 사이의 선분의 거리는 각각 다르다. 도 2의 (b)에서는 목표 좌표값 연산부(34)에 의하여 설정된 복수의 목표점(pi)에 의하여 이웃하는 목표점(pi) 사이의 공구 경로 상의 거리가 같아지도록 분할되어 있는데, 이웃하는 목표점(pi) 사이의 직선 거리가 같아지도록 분할할 수도 있다. 목표점(pi)의 수는 블록 끝점(bi)의 수보다 많게 하는 것이 바람직하며, 목표점(pi)의 수를 많게 할수록 원래 공구 경로에 가까운 공구 경로(ATP1)를 생성할 수 있다. 도 2의 (c)에는 곡선 근사 연산부(36)에 의하여 복수의 목표점(pi)에서 생성된 공구 경로(ATP1)가 나타나 있다. 곡선 근사에는 NURBS 곡선 근사나, 베지어(Bezier) 곡선 근사나, B-스플라인 곡선 근사 등을 적용할 수 있다. 본 발명의 곡선 근사에서는 이동 지령의 블록 끝점(bi)은 참조되지 않으며, 이웃하는 목표점(pi) 사이의 공구 경로 상의 거리 또는 이웃하는 목표점(pi) 사이의 직선 거리가 일정해지도록 설정된 목표점(pi)의 좌표값을 사용하여 스무딩 처리가 이루어진다. 곡선 근사된 공구 경로(ATP1)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 이웃하는 공구 경로(Ei -1, Ei, Ei +1) 사이에서 단차 없이 생성된다. 이 때문에, 워크의 가공면에는 단차를 가지지 않는 매끄러운 곡면이 생성된다.
도 3에는 본 실시형태의 제어장치(15)에 의하여 생성된 공구 경로의 다른 예가 나타나 있다. 도 3의 (c)에 나타내는 공구 경로(ATP2)의 생성 방법은 CAM 장치로 작성된 가공 프로그램(20)으로부터 이송축의 이동 지령을 판독하는 단계와, 이동 지령의 블록 끝점(bi)을 연결한 꺾은선(공구 본체)(TP) 상에 등간격으로 복수의 목표점(pi)을 설정하는 단계와, 이웃하는 복수의 목표점(pi)의 평균 좌표를 연산하고, 이러한 평균 좌표를 연결한 공구 경로(ATP2)를 생성하는 단계를 가지고 있다.
도 3의 (c)에는 평균 좌표 연산부(38)에 의하여 스무딩된 공구 경로(ATP2)가 나타나 있다. 도 3의 (a)는 도 2의 (a)와, 도 3의 (b)는 도 2의 (b)와 각각 동일하다. 평균 좌표 연산부(38)에서는 단순 평균 또는 가중 평균에 의하여 복수의 목표점(pi)의 좌표값으로부터 평균 좌표(qi)를 연산한다. 단순 평균에서는, 예를 들어 목표점(pi)과 그 전후 목표점의 3점(pi -1, pi, pi +1)의 좌표값(x, y, z)을 평균하여 1점의 평균 좌표(qi)의 좌표값(x, y, z)을 구한다. 모든 목표점(pi)의 좌표값(x, y, z)에 대하여 단순 평균을 반복하여 실시함으로써 모든 평균 좌표(qi)의 좌표값(x, y, z)을 구한다. 가중 평균은 [수 1]과 같이 평균화 대상이 되는 목표점(pi)의 좌표값(x, y, z)에 대하여 가중하여 계산하는 방법으로, 대상이 되는 목표점(pi)으로부터의 거리가 가까운 점일수록 큰 계수를 목표점의 좌표값에 곱하여 계산을 하는 방법이다.
Figure pct00001
또한, 평균화하는 목표점의 수를 조정함으로써 스무딩 정도를 조정할 수 있다. 목표점의 수를 많게 한 경우에는 매끄러운 정도가 늘어서 매끈한 공구 경로를 얻을 수 있고, 목표점의 수를 적게 한 경우에는 매끄러운 정도가 감소하여 목표점(pi)에 접근한 비교적 날렵한 공구 경로를 얻을 수 있다. 단순 평균을 실시할지,가중 평균을 실시할지는 공구 경로의 형상 오차의 정도나, 장치의 연산 속도 등을 고려하여 결정된다. 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이 스무딩된 공구 경로(ATP2)도 공구 경로(ATP1)와 마찬가지로 이웃하는 공구 경로 사이에서 단차를 가지지 않아 매끄럽게 생성된다. 이 때문에, 워크의 가공면에는 단차를 가지지 않는 매끄러운 곡면을 생성할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태의 제어장치(15)에 따르면, CAM 장치로 작성된 가공 프로그램의 공구 경로(TP) 상에 등간격으로 복수의 목표점(pi)을 설정하고, 복수의 목표점(pi)으로부터 근사 곡선 또는 평균 좌표를 연산하여 공구 경로(ATP1, ATP2)를 생성함으로써, 이웃하는 공구 경로 사이에서 단차를 발생시키지 않아, 매끄러운 가공면을 얻을 수 있다.
또한, 얻어진 공구 경로(ATP1, ATP2)는 곡률의 변화도 매끄러워져서, 급격한 가속도 변화를 제어할 수 있다. 이에 따라, 가공시의 충격이 완화되므로, 절삭 저항의 변동이 작아져서 가공면 품위를 높일 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 골자를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10: 수치제어 공작기계
15: 제어장치
30: 스무딩 실행부
32: 프로그램 판독 해석부
34: 목표 좌표값 연산부
36: 곡선 근사 연산부
38: 평균 좌표 연산부
TP: 공구 경로
ATP1, ATP2: 스무딩된 공구 경로

Claims (5)

  1. 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로의 생성 방법에 있어서,
    가공 프로그램으로부터 워크를 가공하는 공구 경로를 판독하고,
    상기 판독한 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하여,
    상기 복수의 목표점에 근거하여 근사 곡선을 연산하고,
    상기 근사 곡선을 따른 공구 경로를 생성하는 것을 특징으로 한 공구 경로의 생성 방법.
  2. 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로의 생성 방법에 있어서,
    가공 프로그램으로부터 워크를 가공하는 공구 경로를 판독하고,
    상기 판독한 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하여,
    이웃하는 목표점의 평균 좌표를 연산하고,
    상기 평균 좌표를 연결한 공구 경로를 생성하는 것을 특징으로 하는 공구 경로의 생성 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 목표점은 이웃하는 상기 목표점 사이의 직선 거리 또는 상기 공구 경로 상의 거리가 같아지도록 설정되는 공구 경로의 생성 방법.
  4. 공작기계로 워크를 가공하기 위한 공구 경로를 생성하는 장치에 있어서,
    상기 가공 프로그램으로부터 공구 경로를 판독하는 프로그램 판독 해석부와, 상기 공구 경로 상에 등간격으로 복수의 목표점을 설정하는 목표 좌표값 연산부와, 상기 복수의 목표점으로부터 공구 경로를 생성하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 한 공구 경로의 생성 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 복수의 목표점에 대하여 근사 곡선을 연산하여 공구 경로를 생성하는 곡선 근사 연산부, 또는 이웃하는 복수의 목표점의 평균 좌표를 연산하여, 공구 경로를 생성하는 평균 좌표 연산부인 공구 경로의 생성 장치.
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