(57)【要約】【課題】  金属材料の三次元加工方法において、複数の曲面から立体形状を高精度かつ高速に計算する。【解決手段】  入力された曲面＃Ａのトリム曲線Ａ１を他の曲面＃Ｂの対応するトリム曲線Ｂ１と対応させて１次対応線ａ（同様に１次対応線ｂ、ｃ）を定義し、１次対応線ａ，ｂ，ｃの近接する端点ａ１，ｂ１，ｃ１に同一点ｘを設定し、該同一点ｘを頂点と定義して該頂点に位相を定義すると共に、１次対応線の端点として該頂点を対応させ、この頂点に定義された位相によって同一とされた前記１次対応線ａ，ｂ，ｃから２次対応線ａ’，ｂ’，ｃ’を生成し、このように生成された２次対応線ａ’，ｂ’，ｃ’を通過するように入力された曲面を修正して曲面＃Ａ’，＃Ｂ’，＃Ｃ’からなる立体形状を生成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プログラムされたコンピュータによって、工作物に対して互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を含む三次元加工を行う加工方法において、
立体形状を表す複数の曲面を入力する工程と、
入力された各曲面のトリム曲線を他の曲面の対応するトリム曲線と対応させて１次対応線を定義する工程と、
前記１次対応線の近接する端点どうしに同一点を設定し、該同一点を頂点と定義して該頂点に位相を定義すると共に、１次対応線の端点として該頂点を対応させる工程と、
前記頂点に定義された位相によって同一とされた前記１次対応線から２次対応線を生成する工程と、
前記生成された２次対応線を通過するように入力された曲面を修正して立体形状を生成する工程と、
前記修正された曲面の一点Ｓ（ｕ，ｖ）での法線ベクトルＮに対して、先端半径Ｒを有する切削工具の中心走行点Ｐを下式で求める工程と、
Ｐ＝Ｓ（ｕ，ｖ）＋ε・Ｒ・Ｎ
但し、ε2＝１（＋１を表側、−１を裏側とする）
前記中心走行点Ｐに従って切削工具を走行させ、工作物を加工する加工工程と、
を備えたことを特徴とする三次元加工方法。
【請求項２】
前記中心走行点Ｐの計算は以下の工程を備えていることを特徴とする請求項１に記載の三次元加工方法、
前記修正された曲面に対して中心走行曲線であるオフセット輪郭線に位相情報を持たせて対応するオフセット輪郭線を１本に集約すると共に、頂点を１点に集約する工程、
前記中心走行点曲線と前記オフセット輪郭線との交点を求める工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライス等の工作機械で工作物に三次元加工を行うための加工方法、詳しくは、複数の曲面データから一の立体形状を生成する演算制御及び切削工具の中心走行曲線の演算制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータを利用して金属材料に三次元加工を行う試みが種々開発され、実用に供されている。この種の三次元加工においては、切削工具の走行によって切削される曲面（切削走行）を基準とする３軸切削と、切削工具の移動中心軌跡（中心走行）を基準とする２．５軸切削とに大別される。
【０００３】
いずれの切削方法においても、まず、入力された曲面データから一の立体形状を生成する必要がある。立体とは長さと幅と高さを有し、立体の端は曲面である。これは観念的な定義であり、立体とは曲面の集合と定義することができる。ここに立体としての位相が定義されなければならない。
【０００４】
例えば、図６に示すように、曲面＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃ（通常は少なくとも６面であるが、便宜上３面として説明する）が入力されるが、これらの曲面＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃはそれぞれの輪郭であるトリム曲線Ａ１，Ｂ１、Ｂ２，Ｃ１、Ａ２，Ｃ２がそれぞれ一致せずに隙間α，β，γを生じているか、あるいは、オーバーラップしている。
【０００５】
従来は、各曲面＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃを微小な三角形のｍｅｓｈ単位の集まりとして集合させるソリッド化処理を行い、隙間α，β，γに関しては三角形ごとの対応する辺どうしで補完していた。しかし、このソリッド化処理では生成される曲面の精度が悪く、精度を高めるためには三角形の面積を細かく設定する必要があるが、これでは計算スピードの低下を招いていた。
【０００６】
一方、切削すべき立体形状が得られたとして、この立体形状に対する切削工具の中心走行軌跡を求める際、立体形状（各曲面）が連続的につながっているとしても、オフセット形状が一致するとは限らない。図７に示すように、切削すべき立体形状として生成された曲面＃Ａ’，＃Ｂ’がつながっているとしても、頂点でのオフセットベクトルＮ1，Ｎ2の相違によってオフセット曲面＃Ａ”，＃Ｂ”は、オフセット輪郭線に離れやオーバーラップが生ずる。この場合、切削工具の中心走行軌跡が途切れたり、重なったりする。このような途切れや、重なりを補完あるいは除去することは計算速度に大きな不利となるばかりではなく、完全に行えるとは限らない。
【０００７】
本発明者は、これまで、金属材料に対する三次元加工方法において、特許文献１〜４などで、計算スピードの向上、加工精度の向上を図る提案を行ってきたが、入力された曲面のトリム曲線の隙間やオーバーラップ、あるいは、切削工具の中心走行軌跡のオフセット輪郭線の生成にどのように対処するかは未解決の課題として残されていた。
【特許文献１】特公平８−１５７０１号公報
【特許文献２】特許第２８００８６１号公報
【特許文献３】特許第２８２４４２４号公報
【特許文献４】特許第３２０１７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の目的は、複数の曲面から構成される立体形状を微小な三角形のｍｅｓｈ単位に分割することなく、複数の曲面からなる立体形状として取り扱うことができ、高精度かつ高速に立体形状を計算することのできる三次元加工方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、切削すべき立体形状に対する切削工具の中心走行点を高精度かつ高速に計算することのできる三次元加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上の目的を達成するため、本発明は、プログラムされたコンピュータによって、工作物に対して互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を含む三次元加工を行う加工方法において、
（ａ）立体形状を表す複数の曲面を入力する工程と、
（ｂ）入力された各曲面のトリム曲線を他の曲面の対応するトリム曲線と対応させて１次対応線を定義する工程と、
（ｃ）前記１次対応線の近接する端点どうしに同一点を設定し、該同一点を頂点と定義して該頂点に位相を定義すると共に、１次対応線の端点として該頂点を対応させる工程と、
（ｄ）前記頂点に定義された位相によって同一とされた前記１次対応線から２次対応線を生成する工程と、
（ｅ）前記生成された２次対応線を通過するように入力された曲面を修正して立体形状を生成する工程と、
（ｆ）前記修正された曲面の一点Ｓ（ｕ，ｖ）での法線ベクトルＮに対して、先端半径Ｒを有する切削工具の中心走行点Ｐを下式で求める工程と、
Ｐ＝Ｓ（ｕ，ｖ）＋ε・Ｒ・Ｎ
但し、ε2＝１（＋１を表側、−１を裏側とする）
（ｇ）前記中心走行点Ｐに従って切削工具を走行させ、工作物を加工する加工工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る三次元加工方法によると、図２を参照すると、入力された曲面＃Ａのトリム曲線Ａ１を他の曲面＃Ｂの対応するトリム曲線Ｂ１と対応させて１次対応線ａ（同様に１次対応線ｂ、ｃ）を定義し、１次対応線ａ，ｂ，ｃの近接する端点ａ１，ｂ１，ｃ１に同一点ｘを設定し、該同一点ｘを頂点と定義して該頂点に位相を定義すると共に、１次対応線の端点として該頂点を対応させ、この頂点に定義された位相によって同一とされた前記１次対応線ａ，ｂ，ｃから２次対応線ａ’，ｂ’，ｃ’を生成し、このように生成された２次対応線ａ’，ｂ’，ｃ’を通過するように入力された曲面を修正して曲面＃Ａ’，＃Ｂ’，＃Ｃ’からなる立体形状を生成する。
【００１２】
従って、複数の曲面から構成される立体形状を微小な三角形のｍｅｓｈ単位に分割することなく、複数の曲面からなる立体形状として取り扱うことができ、高精度かつ高速に立体形状を計算することができる。
【００１３】
また、本発明に係る三次元加工方法において、前記中心走行点Ｐの計算は以下の工程を備えていることが好ましい。
（ｈ）前記修正された曲面に対して中心走行曲線であるオフセット輪郭線に位相情報を持たせて対応するオフセット輪郭線を１本に集約すると共に、頂点を１点に集約する工程、
（ｉ）前記中心走行点曲線と前記オフセット輪郭線との交点を求める工程。
【００１４】
このような中心走行点Ｐの計算によると、切削工具の半径Ｒだけオフセットしたオフセット輪郭線が離れていても、簡単な計算で補完することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る三次元加工方法の実施例について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
（装置の説明、図１参照）
図１は本発明の加工方法を実施するための装置の概略構成を示し、工作機械本体１はベース２上にテーブル３を備え、コラム４上に切削工具６を有する加工ヘッド５を取り付けたものである。テーブル３はＸ軸ＤＣモータ１０及びＹ軸ＤＣモータ１１にてＸ軸方向及びＹ軸方向に移動される。加工ヘッド５はＺ軸ＤＣモータ１２にてＺ軸方向に駆動される。速度制御は各モータ１０，１１，１２へ各制御ユニット１５，１６，１７から制御信号が出力されることで行われる。
【００１７】
一方、図形の入力／制御系は、１６ビットないし３２ビットのコンピュータ２０、テープリーダ２１、制御盤２２にて構成されている。テープリーダ２１はＪＩＳ（日本工業規格）で定めたＮＣデータ、特に、プログラムフォーマットとしてのＧコードを読み出す。コンピュータ２０にはユーザによって３画面あるいは斜視図として切削すべき図形情報が入力される。コンピュータ２０は記録媒体としてのフロピーディスク２０ａに格納されている制御プログラムをＣＰＵ２４に転送し、以下に説明する演算を行う。
【００１８】
制御盤２２は機械操作パネル２３を備えると共に、ＣＰＵ２４を内蔵し、このＣＰＵ２４の入力ポートａにはコンピュータ２０及びテープリーダ２１からの図形情報等が転送される。ＣＰＵ２４は入力された図形情報から切削データを生成し、その出力ポートｂ，ｃ，ｄから制御信号として前記制御ユニット１５，１６，１７へ出力する。
【００１９】
（立体形状の生成、図２参照）
以下、ＣＰＵ２４による立体形状の生成及び切削データの生成について詳述する。
【００２０】
図２（Ａ）に示すように、加工形状として曲面＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃが入力されたとする。なお、通常は少なくとも６面が入力されるが、ここでは便宜上３面として説明する。これらの曲面＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃはそれぞれの輪郭であるトリム曲線Ａ１，Ｂ１、Ｂ２，Ｃ１、Ａ２，Ｃ２がそれぞれ一致せずに隙間α，β，γを生じている場合が多い。オーバーラップしている場合もある。
【００２１】
そこで、本実施例では、曲面＃Ａのトリム曲線Ａ１を曲面＃Ｂのトリム曲線Ｂ１と対応させて位相（１次対応線ａ）を定義する。同様に、互いに隣接するトリム曲線Ｂ２をトリム曲線Ｃ１に対応させて位相（１次対応線ｂ）を定義し、トリム曲線Ａ２をトリム曲線Ｃ２に対応させて位相（１次対応線ｃ）を定義する。
【００２２】
次に、図２（Ｂ）に示すように、１次対応線ａ，ｂ，ｃの各端点ａ１，ｂ１，ｃ１に同一点ｘを設定し、この同一点ｘを頂点と定義して該頂点に位相を定義すると共に、１次対応線ａ，ｂ，ｃの端点として該頂点を対応させる。さらに、該頂点を端点とする２次対応線ａ’，ｂ’，ｃ’を生成する。
【００２３】
次に、生成された２次対応線ａ’，ｂ’，ｃ’を通過するように前記曲面＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃを修正し、曲面＃Ａ’，＃Ｂ’，＃Ｃ’を有する立体形状を生成する（図２（Ｃ）参照）。
【００２４】
このような手法によって得られた立体形状は、各曲面＃Ａ’，＃Ｂ’，＃Ｃ’のトリム曲線間に隙間やオーバーラップのないものである。入力された曲面＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃは高精度に一つの立体形状として統合されたことになる。
【００２５】
従来は、ソリッド処理という微小な三角形の集まりとして集合させており、精度を上げるためにはかなりの計算を必要としていたが、本実施例では入力された曲面データをそのままで取り扱うことができ、計算スピードが格段に高速化する。
【００２６】
（切削データの生成、図３参照）
次に、図２（Ｃ）の如く生成された立体形状を切削工具によって三次元加工を行うために、工具の切削データの生成について説明する。
【００２７】
まず、図３に示すように切削すべき曲面＃ｓに対して、切削工具を走行させて曲面を切削する本実施例において、工具の先端は一定の半径Ｒを有する球である。従って、工具切削部の中心は曲面＃ｓに対して、法線方向に半径Ｒだけ離れた位置となる。即ち、工具の中心走行を求めるには、法線ベクトルを定めなければならない。
【００２８】
曲面＃ｓ上の一点Ｓ（ｕ，ｖ）において、
【００２９】
【数１】
2005284994.tif 000003
【００３０】
とするとき、Ｓ（ｕ，ｖ）を通ってＲｕ，Ｒｖを含む平面を接平面（図３中斜線を付した平面）といい、法線ベクトルＮは、
Ｎ＝Ｒｕ×Ｒｖ
として定められる。この法線ベクトルＮに対して、工具中心走行点Ｐは、以下の式（１）で定められる。
【００３１】
Ｐ＝Ｓ（ｕ，ｖ）＋ε・Ｒ・Ｎ      …（１）
但し、ε2＝１（＋１を表側、−１を裏側とする）
Ｒ：工具半径
【００３２】
ところで、前記曲面＃Ａ’，＃Ｂ’，＃Ｃ’が連続的につながっているとしても、工具半径Ｒだけオフセットした形状が必ずしも曲面＃Ａ’，＃Ｂ’，＃Ｃ’に一致するとは限らない。
【００３３】
即ち、図４に示すように、生成された曲面＃Ａ’，＃Ｂ’がつながっているとしても、頂点ｘでのオフセットベクトルＮ1，Ｎ2の相違によってオフセット曲面＃Ａ”，＃Ｂ”はオフセット輪郭線に離れやオーバーラップが生ずる。
【００３４】
しかし、本実施例にあっては、切削工具の中心走行点Ｐの計算において、修正された曲面＃Ａ’に対するオフセット曲面＃Ａ”のオフセット輪郭線Ａ１”を、修正されたに曲面＃Ｂ’に対するオフセット曲面＃Ｂ”のオフセット輪郭線Ｂ１”と対応させて位相（対応線）を定義する。次に、それぞれのオフセット輪郭線Ａ１”，Ｂ１”を１本の対応線に集合させ、頂点を１点にまとめる。これにて、図５に示すように、複数のオフセット輪郭線ａ〜ｆからなるオフセット曲面＃Ｙが生成される。
【００３５】
次に、切削工具の中心走行線ｙとオフセット輪郭線との交点イ，ロ，ハ，ニ，ホ，ヘを求める。これらの交点間は１曲面となるから、これらの交点で示される断面線は高速に算出でき、勿論、この断面線に離間は生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を実施するための切削装置の概略構成図である。
【図２】入力された曲面から切削すべき立体形状を生成するための説明図である。
【図３】曲面に対して切削工具を走行させる軌跡を求めるための説明図である。
【図４】切削工具の中心走行軌跡（オフセット曲面）を計算するための説明図である。
【図５】オフセット曲面と切削工具の中心走行線との関係を示す説明図である。
【図６】背景技術において入力された曲面の説明図である。
【図７】背景技術において曲面に対して切削工具を走行させる軌跡を求めるための説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…工作機械本体
３…テーブル
５…加工ヘッド
６…切削工具
１５，１６，１７…制御ユニット
２０…コンピュータ
２４…ＣＰＵ
＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃ…入力された曲面
＃Ａ’，＃Ｂ’，＃Ｃ’…修正された曲面
＃Ａ”，＃Ｂ”，＃Ｃ”…オフセット曲面
ａ，ｂ，ｃ…１次対応線
ａ’，ｂ’，ｃ’…２次対応線
ｘ…同一点（頂点）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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