TWI578128B - The Method of Cutting Path Generation for Dialogue Controller of CNC Machine Tool - Google Patents

The Method of Cutting Path Generation for Dialogue Controller of CNC Machine Tool Download PDF

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Description

CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法
本發明有關於一種應用對話式控制器生成CNC工具機切削路徑的方法，特別是指一種無須編撰CAD/CAM程式而是採用2維圖紙形成2.5維或是簡易3維模具的切削路徑生成方法。
電腦數值控制(Computer Numeric Control；CNC)工具機包含CNC車床、CNC銑床、CNC線切割...等等，惟工業用型的CNC工具機裡都必需配備專屬的控制器才能精密作動，因此，CNC工具機的控制器即為CNC加工機具的大腦，它的型號通常標示於機台螢幕的上方。
當CNC工具機開始執行加工時，CNC程式的指令就被送到CNC控制器做解讀，而CNC控制器於指令解讀完成後，將透過CNC工具機裡的機電系統及驅動系統(例如：伺服馬達、滾珠螺桿及軸承、光學尺及其回授系統)做出符合CNC程式指令所要求的作動。
早期CNC控制器只接受CNC碼、Macro或APT來作動，但是隨著PC的發展，後來便以PC為基礎來發展控制器，並有對話式(Conversational)或是參數式(Parametric)的控制器誕生，它可以不用依靠CNC程式，單憑接受使用者輸入工件圖形上的參數數值即可進行加工。
PC-Based CNC控制器的核心軟體組件包括：作業系統(OS)、人機介面(MMI)、可程式邏輯控制(PLC)、解譯器(Interpreter)、運動控制、傳輸控制等；而核心硬體組接包括：工業級電腦、I/O板、運動控制軸卡、資料傳輸板、 類比訊號控制板等。另外，伺服組件包括：AC/DC伺服驅動器、馬達、步進馬達及主軸馬達等。
由於PC-Based控制器的發展，日後CNC控制器將能與CAD/CAM、網路、製程監控軟體結合，未來可預期將會有智能式的CNC加工機誕生於世，而有關於加工機的智能化將有多個面向發展，如：加工智慧化以及生產智慧化。
其中，加工智慧化講求控制器可負擔工件圖形的辨識、能針對不同的加工區塊安排不同的切削刀具、不同的多刀工法組合、自動的殘料切除、特屬不同材料的切削參數、工序的先後排程，具完整的加工對策與智能；溝通人性化講求具有語音、文字和視訊影像等通訊功能，能與生產計劃調度系統聯網，下載工作指令和加工程式，工件試切時可在螢幕上觀察加工過程，並可以通過手機查詢。
生產智慧化講求將工作數據統計分析和刀具壽命管理，以及故障報警顯示。未來的機台能連線上網並排除故障，會配備各種微型感測器以監控切削力、振動、熱變形等所產生的誤差，並自動加以補償或調整機床工作狀態，以提高機床的工作精度和穩定性。
而在CNC控制器進入高階的Windows-based之後，CNC已進入模組化時代，就像手機一樣各種功能會不斷的加入，例如原本只做切削模擬的廠商，現在已經和某些工具機所生產的機台做同步連結，除了可做基本的刀具路徑模擬之外，也可做刀具與機台或夾治具之間的防撞模擬。
CNC工具機的規格表，通常都會說明採用哪一種CNC控制器，但也有些工具機廠會列出幾種控制器，好讓使用者自己指定要哪種控制器。其中 對話式控制器較著名的如Hurco對話式控制器或Fanuc對話式控制器，僅針對2.5D形狀加工。
而近十年隨著來PC的高度發展，PC-Based控制器的發展已遍及全球，從西門子(Siemens)的Window-based 840D到海德漢(HEIDENHAIN)iTNC-530控制器，以及近年來最保守的發那科(Fanuc)也發展了OpenCNC 160i系列控制器，這些PC-Based控制器的OS已從早期的DOS發展到現在的Windows作業系統(WindowsXP或Windows2000)，在Windows的開放式環境之下，智慧型的CAD/CAM將相競植入，因此，對話式(或稱參數式)的功能也會漸趨落後。
另外，對話式控制器的競爭對手為CAD/CAM編程與Windows的開放式環境，而一般大型機械加工廠皆須聘用專門的CAD/CAM程式員(programmer)，並搭配加工人員(operator)對CAD/CAM設定的加工程序與條件，進行機械加工。
但對於小型機械加工廠而言，一般加工人員僅熟稔CNC機械的加工條件(如刀表、刀庫、對刀、刀參數)，並了解整個作業程序(Sequence)，因此，加工人員只需對於已知加工程序與條件，讀懂機械設計圖紙(mechanical drawing)，無需額外進行CAD編程，僅須透過對話式控制器的協助來補足CAM程序，以進行機械加工，省除CAD/CAM程式員之聘用，可大幅節省製作成本，故對話式控制器的優勢在於著重於快速且少量的多樣性製造，適合製作一些2.5D或簡易3D的模具使用。
本發明的主要目的在於提供一種採用對話式控制器生成2.5維或是簡易3維模具切削路徑的方法，藉此讓對話式控制器協助加工人員來補足CAM 程序進行機械加工，省除CAD/CAM程式員之聘用，適用於快速且少量的多樣性製造，可大幅節省製作成本。
為達前述目的，本發明CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法，包含：選擇一二維圖紙檔案；將上述二維圖紙檔案的資料轉換為複數個線段；將上述複數線段組合形成至少兩個封閉曲線；選擇一第一封閉曲線以及一第二封閉曲線，其中上述第一封閉曲線與第二封閉曲線之間可為互相接觸狀態，亦可為互相不接觸狀態；設定上述第一封閉曲線共平面的第一深度以及上述第二封閉曲線共平面的第二深度，其中，上述第一深度不同於上述第二深度；在上述第一深度至第二深度之間產生至少一擬合介中封閉曲線，上述至少一擬合介中封閉曲線的共平面深度不同於上述第一深度與第二深度；將上述第一封閉曲線、第二封閉曲線以及至少一擬合介中封閉曲線結合產生一帶狀曲面；演算上述帶狀曲面產生一切削路徑。
其中，上述二維圖紙檔案為DXF格式，上述帶狀曲面為3D曲面，而上述帶狀曲面呈現一斜面凹穴或一斜面凸島樣態。
於一較佳實施例中，上述擬合介中封閉曲線是以等分層偏移方式生成；而上述複數線段包含直線、圓弧以及聚合線的其中至少一種。
本發明特點在於透過導入的二維圖紙檔，經過操作界面讓使用者手動指定兩個封閉曲線，再由兩封閉曲線深度差距之間設定參數形成多數擬合介中封閉曲線，藉以形成一2.5維或簡易三維的帶狀曲面，再由對話式控制器產生一切削路徑，如此既可省除CAD/CAM程式員之聘用和加工程式編輯時間，大幅節省製作成本。
1‧‧‧對話式控制器
2‧‧‧顯示區
20‧‧‧加工圖案
21‧‧‧第一封閉曲線
22‧‧‧第二封閉曲線
23‧‧‧參數列表
231‧‧‧第一深度欄位
232‧‧‧第二深度欄位
233‧‧‧進給量欄位
24‧‧‧物件圖案
25‧‧‧擬合介中封閉曲線
26‧‧‧帶狀曲面
27‧‧‧加工預覽圖案
3‧‧‧選擇功能區
30‧‧‧插入事件欄位
31‧‧‧位置欄位
32‧‧‧孔洞欄位
33‧‧‧線弧欄位
34‧‧‧輪廓欄位
35‧‧‧凹穴/凸島欄位
36‧‧‧輸入路徑欄位
37‧‧‧預覽欄位
圖1為對話式控制器原始畫面的示意圖；圖2為對話式控制器插入選擇切削事件的示意圖；圖3對話式控制器圖形導入界面形成兩封閉曲線的示意圖；圖4為對話式控制器設定第一深度與第二深度的示意圖；圖5為對話式控制器設定擬合介中封閉曲線的示意圖；圖6為對話式控制器形成帶狀曲面的示意圖；圖7為切削路徑生成方法的流程圖。
茲為便於更進一步對本發明之構造、使用及其特徵有更深一層明確、詳實的認識與瞭解，爰舉出較佳實施例，配合圖式詳細說明如下：請參閱圖1所示，本發明應用於一CNC工具機的對話式控制器1中，上述對話式控制器1的主要畫面包含有一顯示區2以及複數個位於上述顯示區2周圍的選擇功能區3，首先，使用者將游標移動到插入事件欄位30點選，藉以新增一切削事件。
請參閱圖2所示，當點選加入切削事件後，上述選擇功能區3將顯示出多種不同的切削類型欄位，上述切削類型欄位包含：(position)位置欄位31、(holes)孔洞欄位32、(line arc)線弧欄位33、(contour)輪廓欄位34以及(pocket)凹穴/凸島欄位35，使用者須點選上述凹穴/凸島欄位35，隨後上述顯示區2將顯示出複數個不同的切削樣態提供使用者選擇，上述切削樣態包含：圓形凹穴、方形凹穴、不規則凹穴以及斜錐面凹穴凸島。隨後，使用者將游標移動至上述顯示區2的斜錐面凹穴凸島位置點選，藉以加入一切削斜錐面凹穴凸島事件完成。
請參閱圖3所示，當事件選擇完成後，使用者將游標移動至(import path)輸入路徑欄位36點選，隨後使用者選取需加工的二維圖紙檔案，上述對話式控制器1將解析上述二維圖紙檔案中的複數個線段樣態，並將上述複數線段組合形成至少兩個封閉曲線，再由上述顯示區2顯示出上述二維圖紙檔案的加工圖案20；後續使用者必須任意選擇上述加工圖案20中的兩個封閉曲線，如圖所示，上述加工圖案20的粗實線設為一第一封閉曲線21，而上述加工圖案20的粗虛線設為第二封閉曲線22。
其中，上述二維圖紙檔案為DXF格式，而上述複數線段包含有直線、圓弧以及聚合線的其中至少一種，又上述第一封閉曲線21的線段種類以及數量可不相同於上述第二封閉曲線22。
請參閱圖4所示，於選擇上述第一封閉曲線21以及第二封閉曲線22後，上述顯示區2將形成一參數列表23以及一物件圖案24，使用者再將游標依序移動至上述參數列表23的(D1)第一深度欄位231以及(D2)第二深度欄位232，分別指定上述第一封閉曲線21共平面的第一深度數值以及上述第二封閉曲線22共平面的第二深度數值，其中，上述第一深度須不同於上述第二深度。
請參閱圖5所示，於輸入上述第一深度與第二深度的數值完成後，使用者再將游標移動至上述參數列表23的(Rough peck increment)進給量欄位233，輸入進給量數值後，上述第一封閉曲線21以及第二封閉曲線22將以等距偏移方式生成至少一擬合介中封閉曲線25，其中，上述擬合介中封閉曲線25的共平面深度必須不同於上述第一深度與第二深度。
最後，上述對話式控制器1將把上述第一封閉曲線21、第二封閉曲線22以及至少一擬合介中封閉曲線25結合產生一帶狀曲面26；並將上述帶狀曲 面26演算產生一切削路徑(圖未示)。其中，上述帶狀曲面26會參考所設定的第一深度(D1)及第二深度(D2)，經由計算後呈現一斜面凹穴或一斜面凸島的3D曲面樣態。
請參閱圖6所示，於輸入上述進給量數值後，使用者再把游標移動至上述選擇功能區3的(PREVIEW)預覽欄位37點選，上述顯示區2將轉換上述帶狀曲面26與切削路經的資料形成一加工預覽圖案27，使用者在確認上述加工預覽圖案27後，可以依據不同需求，重新設定上述第一封閉曲線21的第一深度、第二封閉曲線22的第二深度或是上述擬合介中封閉曲線25的共平面深度的進給量(RK)，直至符合產品加工需求。
請參閱圖7所示，由前述對話式控制器1的操作實際可知，本發明切削路徑的生成方法，主要包含：選擇一二維圖紙檔案；將上述二維圖紙檔案的資料轉換為複數個線段；將上述複數線段組合形成至少兩個封閉曲線；選擇一第一封閉曲線21以及一第二封閉曲線22，其中上述第一封閉曲線21與第二封閉曲線22之間不會互相接觸；設定上述第一封閉曲線21共平面的第一深度以及上述第二封閉曲線22共平面的第二深度，其中，上述第一深度不同於上述第二深度；在上述第一深度至第二深度之間產生至少一擬合介中封閉曲線25，上述至少一擬合介中封閉曲線25的共平面深度不同於上述第一深度與第二深度；將上述第一封閉曲線21、第二封閉曲線22以及至少一擬合介中封閉曲線25結合產生一帶狀曲面26；演算上述帶狀曲面26產生一切削路徑。
上述所舉實施例，僅用為方便說明本發明並非加以限制，在不離本發明精神範疇，熟悉此一行業技藝人士依本發明申請專利範圍及創作說明所作之各種簡易變形與修飾，均仍應含括於以下申請專利範圍中。

Claims (6)

  1. 一種CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法，包含： 選擇一二維圖紙檔案； 將上述二維圖紙檔案的資料轉換為複數個線段； 將上述複數線段組合形成至少兩個封閉曲線； 選擇一第一封閉曲線以及一第二封閉曲線； 設定上述第一封閉曲線共平面的第一深度以及上述第二封閉曲線共平面的第二深度，其中，上述第一深度不同於上述第二深度； 在上述第一深度至第二深度之間產生至少一擬合介中封閉曲線，上述至少一擬合介中封閉曲線的共平面深度不同於上述第一深度與第二深度； 將上述第一封閉曲線、第二封閉曲線以及至少一擬合介中封閉曲線結合產生一帶狀曲面； 演算上述帶狀曲面產生一切削路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法，其中，上述二維圖紙檔案為DXF格式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法，其中，上述帶狀曲面為3D曲面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法，其中，上述擬合介中封閉曲線是以等分層偏移方式生成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法，其中，上述複數線段包含直線、圓弧以及聚合線的其中至少一種。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之CNC工具機對話式控制器的切削路徑生成方法，其中，上述帶狀曲面呈現一斜面凹穴或一斜面凸島樣態。
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