JP3610485B2 - 数値制御曲面加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数値制御曲面加工装置に係り、特に、加工面粗さおよび加工面精度を良くするとともに高速加工を可能にする数値制御曲面加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の数値制御（ＮＣ）曲面加工おいては、図２（ａ）に示すように、折れ線近似で加工されており、加工面粗さが悪く、多くの手仕上げ工数を要する。また、図２（ｂ）に示すように、位置決め時の加減速により、平均送り速度が低下し、加工時間が長く、しかも、加工面精度を上げるには、細かいピッチでの膨大なＮＣデータが必要であるという問題があった。
【０００３】
特開平９−１１４５１２号公報は、加工面精度の向上およびＮＣデータ量の削減を目的として、ＮＣ工作機械による曲面加工方法を提案している。しかし、この従来方法でも、折れ線近似による加工面粗さの低下と位置決め時の加減速による平均送り速度の低下という問題は、依然として残っていた。
【０００４】
これらの問題を解決するために、図３に示すＮＵＲＢＳ曲線による補間方法が提案された。ＮＵＲＢＳ曲線とは、Ｎｏｎ−Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒａｔｉｏｎａｌ Ｂ−ｓｐｌｉｎｅ曲線の略であって、不等間隔有理化Ｂスプライン曲線である。ＮＵＲＢＳ曲線は、Ｂスプライン曲線の一種であり、曲線を構成する節点の間隔が不均一な有理式を用いて表現される曲線のことである。他の曲線が、曲線の定義に多項式を用いているのに対して、ＮＵＲＢＳ曲線は、有理式を用いていることが特徴である。
【０００５】
これらを制御すると、曲線を局所的に容易に変形できる。また、他の曲線では正確に表現できなかった円柱，円錐，球，双曲線，楕円，放物線を統一的に取り扱うことが可能になる。
【０００６】
図３において、ＮＵＲＢＳ曲線は、曲線を制御点Ｐｉ，ウエイトｗｉ，ノットベクトルｘｉにより定義する。ここで、ｋは階数、Ｐｉは制御点、ｗｉはウエイト、ｘｉはノット（ｘｉ≦ｘｉ＋１）、［ｘ０，ｘ１，…，ｘｍ］（ｍ＝ｎ＋ｋ）はノットベクトル、ｔはスプラインパラメータとする。
【０００７】
スプライン基底関数Ｎ（ｔ）をｄｅ Ｂｏｏｒ−Ｃｏｘの再帰式で表現すると、数式（１），（２）のようになる。補間するＮＵＲＢＳ曲線Ｐ（ｔ）は、数式（３）のようになる。
【０００８】
【数１】
【０００９】
【数２】
【００１０】
【数３】
【００１１】
ＮＵＲＢＳ補間指令は、以下のようなフォーマット
という意味を持つ。
【００１２】
ＮＵＲＢＳ補間加工においては、図２（ｃ）に示すように、曲線を滑らかに加工できるため、手仕上げ工数が少ない。また、図２（ｄ）に示すように、位置決め時の加減速が滑らかになって、平均送り速度が上がるので、加工時間を短くでき、高速加工が可能である。さらに、ＮＵＲＢＳ補間の制御点を効率良く設定できるから、ＮＣデータが少なくなる利点があるとされている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＮＵＲＢＳ補間方法では、型加工を目的として直線３軸の同時加工が可能であった。『機械と工具』（１９９８年２月号）の１２〜１７頁には、タービンブレード，水車インペラなどの高能率加工を目的として、「ＮＵＲＢＳ補間と滑らか補間による高速高精度加工」という表題で、回転２軸を含めた同時５軸加工に機能が拡張された加工方法が示されている。
【００１４】
また、『型技術』（１９９８年７月号）の８，９頁には、「付加軸ＮＵＲＢＳ補間加工による高品位加工面の創成」という表題で、同時５軸ＮＵＲＢＳ補間機能を用いたソフトウエアによるタービンブレード加工方法が示されている。この加工方法では、ノットベクトルの間隔が等ピッチであり、ＮＵＲＢＳ曲線の特徴であるノットベクトルによる曲線の制御に関する配慮が足りないという問題があった。
【００１５】
＿ この従来技術では、ワーク座標系で計算したＮＵＲＢＳ曲線の制御点を主軸方向ベクトルに応じて機械座標系に座標変換した結果をそのまま５軸ＮＵＲＢＳ補間の制御点に適用し、ワーク座標系のノットベクトルと同じノットベクトルを５軸ＮＵＲＢＳ補間に適用している。
【００１６】
ところが、一般的には、座標変換後も同じノットベクトルを使用して滑らかな曲線が得られるという保証はない。そのため、加工面の一部にうねりや歪みができる可能性があった。
【００１７】
また、この従来技術は、工具先端位置と曲面との接触点のオフセット量が小さいボールエンドミル加工を対象としており、工具先端位置と曲面との接触点とのオフセット量が大きいラジアスエンドミル加工を対象としていない。このため、オフセット量の大きさに応じて、うねりや歪みができる可能性が高い。
【００１８】
このような状況から、ワーク座標系で計算したＮＵＲＢＳ曲線を主軸方向ベクトル傾斜角に応じて機械座標系に座標変換したＮＣデータを用いて、曲面を５軸ＮＵＲＢＳ補間で滑らかに加工するためのノットベクトルや制御点を計算する方法の開発が望まれていた。
【００１９】
本発明の目的は、ＮＵＲＢＳ曲線に沿い滑らかに工具を動かして加工し、加工面粗さおよび加工面精度を良くするとともに高速加工を可能にし、手仕上げ作業を省略して加工工数を大幅に削減できる数値制御曲面加工装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、直線移動３軸と少なくとも１つの回転移動軸とを有し数値制御ＮＵＲＢＳ補間機能を持つ数値制御装置(ＮＣ装置)により数値制御される同時多軸制御ＮＣ加工機を含む数値制御曲面加工装置において、上位計算機で曲面形状が定義されたワーク座標系で加工経路方向に計算された工具先端位置ベクトルデータと工具主軸方向ベクトルとをＣＬデータとして読み込み、ＣＬデータから同時多軸制御ＮＣ加工機の機械構成に基づきＮＣ加工機を動作させるために機械座標系で直線３軸の位置ベクトルと回転角度とに変換する手段と、機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルと回転角度とに基づきＮＵＲＢＳ曲線のノットベクトルを計算する手段と、ノットベクトルを用いて機械座標系の直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線を各々計算する手段と、ＮＵＲＢＳ曲線をＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータに変換する手段と、ワーク座標系の加工速度を機械座標系の毎分送りの加工速度またはインバースタイム送りの加工速度に変換する手段と、得られたＮＣデータを上記ＮＣ装置に伝送する手段とを備えた数値制御曲面加工装置を提案する。
【００２１】
前記ＣＬデータとして読み込んだ段階で、前記曲面の加工精度に応じて、前記加工経路方向に並んだＣＬデータを間引くまたは追加する手段を備えることができる。
【００２２】
前記ＣＬデータとして読み込んだ段階で、各工具の個体差に基づく補正値を前記ＮＣ装置から読み取り、読み込んだ前記ＣＬデータを前記工具の補正値に応じて補正する手段を備えることも可能である。
【００２３】
前記加工経路方向に並んだＣＬデータの曲率またはＣＬデータの間隔に基づきＮＵＲＢＳ曲線を分割する手段を備えてもよい。
【００２４】
前記加工経路方向に並んだ機械座標系の直線３軸の位置ベクトルの弦長をノットベクトルとしてＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段を備えることもできる。
【００２５】
前記加工経路方向に並んだ機械座標系の直線３軸の位置ベクトルの弦長およびワーク座標系の工具先端位置ベクトルの弦長のそれぞれに係数を乗じて足しあわせた弦長をノットベクトルとしてＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段を備えることも可能である。
【００２６】
機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルおよび回転軸の回転角度が、各々Ｂ−ｓｐｌｉｎｅ補間，Ｂｅｚｉｅｒ補間，Ｃｏｏｎｓ補間，多項式，直線と円弧との組合せのいずれかの曲線で定義される時、前記曲線をＮＵＲＢＳ補間に変換する手段を備えてもよい。
【００２７】
複数のＮＵＲＢＳ曲線の接続点で加工精度の範囲内で曲率が連続的に変化するようにＮＵＲＢＳ曲線を修正しまたは追加し１本のＮＵＲＢＳ曲線または曲率が連続する複数本のＮＵＲＢＳ曲線を作成する手段を備えることが望ましい。
【００２８】
ＣＬデータの主軸方向ベクトルを所定値とし直線３軸のみの同時３軸制御ＮＣ加工機用のＮＵＲＢＳ補間ＮＣデータに変換する手段を備えることができる。
【００２９】
工作物を螺旋状または一筆書きの経路で加工するためのＣＬデータを求める手段を備えてもよい。
【００３０】
同時多軸加工機用の直線補間ＮＣデータを読み込みＣＬデータに変換する手段を備えることも可能である。
【００３１】
必ず通過させたいＣＬデータを指定する手段を備える場合もある。
【００３２】
本発明は、また、上記目的を達成するために、直線移動３軸と少なくとも１つの回転移動軸とを有し数値制御ＮＵＲＢＳ補間機能を持つ数値制御装置（ＮＣ装置）により数値制御される同時多軸制御ＮＣ加工機を含む数値制御曲面加工装置において、機械座標系で計算された直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線を読み込む手段と、ワーク座標系で計算されたＣＬデータを読み込む手段と、ＣＬデータの工具先端中心位置ベクトルからＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段と、ＣＬデータの主軸方向ベクトルからＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段と、機械座標系の直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線から所定の加工精度で各々の点列データを計算する手段と、上記点列データを機械座標系からワーク座標系のＣＬデータに変換する手段と、前記ワーク座標系に変換されたＣＬデータとワーク座標系で計算された工具先端位置ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線および主軸方向ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線各々との誤差を計算する手段とを備えた数値制御曲面加工装置を提案する。
【００３３】
誤差の計算結果に基づき機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線の制御点またはノットベクトルまたはウエイトを修正する手段を備えることができる。
【００３４】
工具補正量をＮＣ装置から読み取ってワーク座標系で計算されたＣＬデータを補正値に応じて変換する手段を備えることも可能である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図１７を参照して、本発明による数値制御曲面加工装置の実施例を説明する。
【００３６】
図１は、本発明による数値制御曲面加工装置の実施例の全体構成を示すブロック図である。上位計算機１０は、曲面形状が定義された座標系（ワーク座標系）において加工経路方向に計算された工具先端位置ベクトルと主軸方向ベクトルとをＣＬデータとして外部ファイル１１に格納する。
【００３７】
ステップ２１で、本数値制御曲面加工装置の計算機２０は、外部ファイル１１からＣＬデータ読み込む。
【００３８】
ＮＣデータ作成時に想定した工具長，工具径と実物の工具長，工具径との間には、誤差が必ず存在する。
【００３９】
ステップ２２で、計算機２０は、前記誤差を補正するために、工具補正Ｎｏを指示し、ＮＣ装置４０に対して補正データの出力を要求する。ＮＣ装置４０は、指示された補正Ｎｏに対応する補正データを補正データ記憶エリア４１から読み出し、計算機２０に出力する。計算機２０は、ＮＣ装置４０から出力された補正データを読み込む。
【００４０】
ステップ２３で、計算機２０は、補正したい方向に応じて、図４および（４）数式に示す方式で、ＣＬデータを補正する。ここで、Ｃは工具先端位置ベクトル、Ｄは主軸方向ベクトル、ＰはＣにおける切削点位置ベクトル、ＮはＰでの法線ベクトルである。Ｃ１は主軸方向にｄ１だけ補正し、Ｃ２は法線方向にｄ２だけ補正し、Ｃ３は工具径方向にｄ３だけ補正した工具先端位置ベクトルである。
【００４１】
【数４】
【００４２】
通常のＣＬデータは、工具先端位置ベクトルと主軸方向ベクトルとを意味するので、Ｃ１のみの補正が可能である。加えて、ＣＬデータを計算する時使用した切削点位置ベクトルと法線ベクトルとが分かっていれば、上記Ｃ２，Ｃ３の補正やＣ１，Ｃ２，Ｃ３を組合せた補正が可能である。この方法で、ＣＬデータを補正すると、補正したＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータ作成が可能になる。
【００４３】
なお、上記『機械と工具』の「ＮＵＲＢＳ補間と滑らか補間による高速高精度加工」におけるＮＵＲＢＳ補間機能では、補正が許されていなかった。
【００４４】
ステップ２４で、図５に示す方式によって、加工精度を向上させる一方、データ量を削減するために、ＣＬデータの間引きまたは追加を実行する。まず、工具先端位置ベクトルから最小２乗近似法により通過曲線を計算し、ＮＵＲＢＳ曲線５１とし、ステップ５２で、一定のトレランスの範囲外にあるＣＬデータを間引く。
【００４５】
ＮＵＲＢＳ曲線は、図３および（１），（２），（３）数式のＮＵＲＢＳ曲線の定義で与えられる。点列からＮＵＲＢＳ曲線を作成する方法は、例えば、Ｌｅｓ Ｐｉｅｇｌ，Ｗａｙｎｅ Ｔｉｌｌｅｒ著『Ｔｈｅ ＮＵＲＢＳ Ｂｏｏｋ』などに記載されている。
【００４６】
次に、間引いたＣＬデータの主軸方向ベクトルを基に、ＮＵＲＢＳ曲線５３を計算する。ステップ５４で、工具先端位置ベクトルの通過点に対応するＮＵＲＢＳ曲線５３上の主軸方向ベクトルを計算し、角度の変化量を計算する。元のＣＬデータとの差が公差値よりも大きければ、通過点を追加し、精度を向上させる。間引きまたは追加のための公差値は、０．０１ｍｍに設定してある。
【００４７】
ステップ２５で、ステップ２４で計算されたＮＵＲＢＳ曲線５３を分割する。図６は、工具先端位置ベクトルの軌跡を示している。工具先端位置ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線（すなわちＧ０６．２工具経路６４）と折れ線工具経路（すなわちＧ０１工具経路６５）とから、パス分割位置６３を求める。通過点の距離間隔が急に短くなったり、折れ線の角度が急変すると、ＮＵＲＢＳ曲線に乱れが生じる。そこで、間隔が短くなる箇所および折れ線の角度が大きく変化する箇所を見つけ出し、その点を曲線のパス分割点６３として、パス分割点６３で曲線を分割し、曲線の精度を向上させる。
【００４８】
ステップ２６で、ＣＬデータを機械座標系に座標変換する。図１のテーブル２軸タイプの５軸加工機５０でＣ軸テーブル回転中心とＢ軸回転中心とが直交した交点を機械座標系原点Ｏｍとする。Ｃ軸テーブル上にワークがセットされ、ワーク座標系原点がＯｗであるとする。このときに、機械座標系原点Ｏｍから見たワーク座標系Ｏｗの位置ベクトルをＳとすると、ワーク座標系の工具先端位置ベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ），主軸方向ベクトル（Ｉ，Ｊ，Ｋ）から、機械座標（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｂ，Ｃ）への座標変換は、図７の座標系および数式（５），（６），（７），（８），（９）で表現できる。
【００４９】
【数５】
【００５０】
【数６】
【００５１】
【数７】
【００５２】
【数８】
【００５３】
【数９】
【００５４】
ここで、（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｂ，Ｃ）は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃ各機械軸の座標値を表す。この座標変換式は、各加工機に固有である。この変換方式は、テーブル１軸とテーブル１軸タイプ、主軸２軸タイプの加工機についても同様に設定できる。
【００５５】
従来技術では、ワーク座標系で計算したＮＵＲＢＳ曲線の制御点を主軸方向ベクトルに応じて機械座標系に座標変換した結果をそのまま５軸ＮＵＲＢＳ補間の制御点に適用し、ワーク座標系のノットベクトルと同じノットベクトルを５軸ＮＵＲＢＳ補間に適用している。
【００５６】
ところが、一般的には、座標変換後も同じノットベクトルを使用して滑らかな曲線が得られるという保証はない。そのため、加工面の一部にうねりや歪みができる可能性があった。
【００５７】
これに対して、本発明では、図８（ｂ）に示すように、各機械座標系間の弦長をノットベクトルとして使用し、（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の直線３軸と（Ｂ，Ｃ）の回転２軸との機械座標系でのＮＵＲＢＳ曲線の制御点を、それぞれが連続的に滑らかに変化するように再計算させることにより、加工精度を向上させている。
【００５８】
ステップ２７で、ノットベクトルを計算する。図８のステップ８１で、上記数式（５），（６），（７），（８），（９）を用いて、最初に全通過点の機械座標系（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｂ，Ｃ）を計算する。各機械座標間の弦長（Ｌｉ）を計算し、図８（ｂ）のノットベクトルとする。（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と（Ｂ，Ｃ）のノットベクトルとは、同じものを使用する。
【００５９】
ステップ２８で、ワーク座標系のＣＬデータから機械座標系に変換された（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の直線３軸と（Ｂ，Ｃ）の回転２軸の点列データとステップ２７で計算したノットベクトルとから、上記『Ｔｈｅ ＮＵＲＢＳ Ｂｏｏｋ』などに示されているＮＵＲＢＳ曲線の作成方法により、数式（１），（２），（３）で表されるＮＵＲＢＳ曲線を作成する。
【００６０】
ステップ２８で、図８（ｂ）のノットベクトルと図３および数式（１），（２），（３）のＮＵＲＢＳ曲線の定義を用いて、直線３軸（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）および回転角度２軸（Ｂ，Ｃ）のＮＵＲＢＳ曲線を計算する。
【００６１】
ステップ２９で、ブレンディング係数を計算する。図９（ａ）に示すように、ステップ２８で計算したＮＵＲＢＳ曲線を用いて加工した場合、曲線に膨らみが発生し、加工結果に凹凸９１が生じる可能性がある。これに対処するため、まず、図９（ｂ）に示すように、ステップ２４で間引いた点９２を含めてより精度を上げて、ワーク座標系の工具先端位置ベクトルの弦長を計算し、ワーク座標系のノットベクトルとする。次に、機械座標系のノットベクトルとワーク座標系のノットベクトルとに、ブレンディング係数をそれぞれかけて加算して得られたノットベクトルを機械座標系のノットベクトルとして採用する。
【００６２】
このようにすると、加工結果の凹凸９１に対処できる。本実施例では、ブレンディング係数を３：１に設定したところ、スムーズに加工ができた。なお、この係数は、加工物に対応して変更できる。
【００６３】
ステップ３０で、機械座標系での加工速度を計算する。ワーク座標系での始点を（Ｘｗｓ，Ｙｗｓ，Ｚｗｓ），終点を（Ｘｗｅ，Ｙｗｅ，Ｚｗｅ），弦長をＬｗ，加工速度をＦｗ，機械座標系での始点を（Ｘｍｓ，Ｙｍｓ，Ｚｍｓ，Ｂｍｓ，Ｃｍｓ），終点を（Ｘｍｅ，Ｙｍｅ，Ｚｍｅ，Ｂｍｅ，Ｃｍｅ），弦長をＬｍ，加工速度をＦｍすると、機械座標系の加工速度Ｆｍは、数式（１０）により与えられる。
【００６４】
【数１０】
【００６５】
なお、加工速度を時間の逆数で与える方式（インバースタイム送り）がある。その場合、機械座標系での加工速度Ｆｍは、数式（１１）で与えられる。
【００６６】
【数１１】
【００６７】
ステップ３１では、ステップ２８，２９，３０で計算した機械座標系の直線３軸のＮＵＲＢＳ曲線の制御点を図３のＮＵＲＢＳ補間指令のＸ，Ｙ，Ｚに代入し、回転角度２軸のＮＵＲＢＳ曲線の制御点をα，βに代入し、ノットベクトルをＫに代入し、ウエイトをＲに代入し、加工速度ＦｍをＦに代入し、図３のＮＵＲＢＳ補間指令のファーマットに従い、ＮＣデータに変換する。
【００６８】
ステップ３２で、最後に変換されたＮＣデータを計算機２０からのＮＣデータとして伝送し、ＮＣ制御装置４０のＮＣデータ記憶エリア４２に読み込み格納する。
【００６９】
ＮＣ制御装置４０のＮＵＲＢＳ補間機能を内蔵するＮＣ制御機構４３は、ＮＣデータ記憶エリア４２からＮＣデータを読み出し、解析しながら５軸または４軸制御ＮＣ加工機５０を制御し、ＮＣ加工を実行する。
【００７０】
次に、複数のＮＵＲＢＳ曲線を１本のＮＵＲＢＳ曲線にする方法の実施例を説明する。図１０（ａ）は接続点１０１でつながった２本のＮＵＲＢＳ曲線を示している。図１０（ｂ）に示すように、接続点１０１の近傍で２つのＮＵＲＢＳ曲線に対して加工精度範囲内の微小Ｒのフィレットを追加すると、連続するＮＵＲＢＳ曲線を作成できる。
【００７１】
図１１（ａ）は、図１０（ｂ）の点線で囲まれた部分を拡大した図である。ここで矢印は、曲率半径を表現している。図１１（ａ）においては、特にフィレットの接続点で、曲率半径が不連続である。この場合、図１１（ｂ）に示すように、加工精度範囲内で曲率が連続するように曲線を変形すると、その曲率半径を連続的に変化させることができる。ＮＣ制御装置４０は、ＮＵＲＢＳ補間の終点で速度が低下するために、曲面に凹みが生じる。これに対処するには、このＮＵＲＢＳ曲線の変形方法が有効である。
【００７２】
図１２（ａ）に示すように、加工するためのＮＵＲＢＳ曲線間のつなぎを始点１２１と終点１２２を結ぶ直線で実行している場合がある。この時始点１２１とＮＵＲＢＳ曲線とは不連続であり、曲線１２３を通過すれば、加工時に凹みが発生する可能性がある。
【００７３】
この凹みの発生に対処するため、本発明では、図１２（ｂ）に示すように、始点１２１におけるＮＵＲＢＳ曲線の接線方向に沿い一旦逃げて、加工面との干渉が発生しない経由点１２５を通り、終点１２２の接線方向に沿い接近するＮＵＲＢＳ曲線１２４に変更する。このようにすると、連続加工が可能なＮＵＲＢＳ曲線を計算できる。
【００７４】
ちなみに、図１３（ａ）に示す閉じた曲線の集合で加工する方法から、図１３（ｂ）に示す螺旋状に連続した１本の曲線で加工する方法に変更すると、連続した１本のＮＵＲＢＳ曲線に沿って加工できることになり、作業効率も加工精度も上がる。
【００７５】
機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルおよび回転角度が、Ｂ−ｓｐｌｉｎｅ補間またはＢｅｚｉｅｒ補間のいずれかの曲線で定義される時、図１４（ａ）および数式（１２）はＢｅｚｉｅｒでＮＵＲＢＳ補間への変換方法を示し、図１４（ｂ）および数式（１３）はＢ−ｓｐｌｉｎｅでＮＵＲＢＳ補間への変換方法を示す。ここで、Ｑｉは制御点、Ｔはノットベクトル、Ｎｉ，４（ｔ）は基底関数である。Ｃｏｏｎｓ補間で定義される時は、図１４（ｃ）および数式（１４）は、Ｂｅｚｉｅｒ補間に変換できるので、図１４（ａ）および数式を用いてＮＵＲＢＳ補間式に変換することが可能である。ここで、ＱｂはＢｅｚｉｅｒ補間の制御点、ＱｃはＣｏｏｎｓ補間を構成するためのベクトルである。多項式で定義される時は、点列を発生させてＮＵＲＢＳ曲線に変換するか、または、多項式を直接ＮＵＲＢＳの補間式に変換すると、ＮＵＲＢＳ補間が可能になる。円弧と直線との連続で定義される時は、直線，円弧それぞれのＮＵＲＢＳ変換式が与えられているので、それを用いてＮＵＲＢＳ補間に変換できる。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
【数１３】
【００７８】
【数１４】
【００７９】
ＣＬデータの主軸方向ベクトルを一定の値にすれば、機械座標系での回転角度は一定値になる。したがって、本発明による数値制御曲面加工装置を用いれば、直線３軸のみの同時３軸制御ＮＣ加工機用のＮＵＲＢＳ補間ＮＣデータを作成することが可能になる。
【００８０】
次に、機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線の精度確認方法と修正方法とを説明する。機械座標系からワーク座標系への変換方法は、図７の逆変換であり、図１５に示す（１５），（１６），（１７），（１８），（１９）数式で与えられる。これらの数式で用いる記号は、図７と同じである。
【００８１】
【数１５】
【００８２】
【数１６】
【００８３】
【数１７】
【００８４】
【数１８】
【００８５】
【数１９】
【００８６】
機械座標系で計算された直線３軸，回転角度のＮＵＲＢＳ曲線から任意のピッチで点列データを計算する。計算した点列データを、図１５の座標系および数式（１５），（１６），（１７），（１８），（１９）を用いて、ワーク座標系のＣＬデータに変換する。変換したＣＬデータを図４で補正した方向とは逆方向に補正して、補正前のＣＬデータを計算する。
【００８７】
図１６に示すように、図１で入力した座標系のＣＬデータ１１から『Ｔｈｅ ＮＵＲＢＳ Ｂｏｏｋ』などに示されているＮＵＲＢＳ曲線の作成方法により、数式（１），（２），（３）で表されるＮＵＲＢＳ曲線１５１と、各点での主軸方向ベクトル１５２とを計算する。補正後のＣＬデータとＮＵＲＢＳ曲線１５１および主軸方向ベクトル１５２とを比較し、精度を確認する。
【００８８】
比較方法としては、計算処理で誤差を計算し、ディスプレイまたはプロッタにビジュアル表示することが考えられる。すなわち、機械座標系から変換されたＣＬデータの点列を重ね描きし、精度を確認する。
【００８９】
１５３に示すような精度から外れる場合の修正方法を図１７に示す。ここでＮＵＲＢＳ曲線の制御点Ｗｉは、ウエイトを示している。修正方法としては、制御点Ｎ２をＮ２′に変更する，Ｗｉを変更する，ノットベクトルの間隔を変更するという３種類の変更方法を採用できる。
【００９０】
次に、同時４軸または同時５軸加工機用の直線補間ＮＣデータを読み込み、ＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータに変換する方法を示す。直線補間用ＮＣデータを読み込み、ＮＣの不要なコードなどを取り除き、機械座標系の直線３軸および回転１軸または２軸の回転角度を計算する。
【００９１】
図１５の座標系および数式（１５），（１６），（１７），（１８），（１９）を用いて、機械座標系からワーク座標系のＣＬデータに変換し、図１のＣＬデータファイル１１に格納する。このデータによれば、図１の本発明の曲面加工装置を用いて、ＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータを計算することが可能になる。
【００９２】
加工物の形状精度を上げるために、必ず通過させたい点，範囲，線があるという状況が生ずる。その場合は、例えば、図５で採用した通過点以外の通過させたい点を指示して通過点を増やすと、形状精度を上げた曲面加工が可能になる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明の数値制御曲面加工装置によれば、ＮＵＲＢＳ曲線に沿って滑らかに工具を動かして、機械加工することが可能である。したがって、加工面粗さおよび加工面精度が良い曲面加工が可能となり、手仕上げ作業を省略でき、加工工数を大幅に低減できる。また、ＮＣデータ量を削減できるので、サーボ機構による平均送り速度の低下を回避でき、高速加工が可能になる。さらに、本発明では、形状の変形を考慮した微小な調整もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による数値制御曲面加工装置の実施例の系統構成を示すブロック図である。
【図２】従来の直線補間加工方法と従来のＮＵＲＢＳ補間加工方法とを比較して示す図である。
【図３】ＮＵＲＢＳ曲線と制御点との関係を示す図である。
【図４】ＣＬデータの補正方法の一例を示す図である。
【図５】本発明によるＣＬデータの間引きまたは追加の方法を示す図である。
【図６】本発明によるＮＵＲＢＳ曲線の分割の方法を示す図である。
【図７】本発明によるワーク座標系から機械座標系への変換における座標系相互の関係を示す図である。
【図８】本発明によるノットベクトル計算および機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線計算の方式を示す図である。
【図９】本発明によるブレンディング係数設定によるＮＵＲＢＳ曲線のスムーズ化の方式を示す図である。
【図１０】本発明によるフィレットＲ挿入で曲線を１本化する方法を示す図である。
【図１１】本発明による形状修正で曲率半径を連続化する方法を示す図である。
【図１２】本発明によるつなぎ工具経路の曲線化で連続加工する方法を示す図である。
【図１３】本発明による工具経路の螺旋化で曲線を１本化する方法を示す図である。
【図１４】他の補間方式からＮＵＲＢＳ補間への本発明による変換方式を示す図である。
【図１５】本発明による機械座標系からワーク座標系への変換（逆変換）における座標系相互の関係を示す図である。
【図１６】本発明による機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線の評価方法を示す図である。
【図１７】本発明によるＮＵＲＢＳ曲線の変更の方法を示す図である。
【符号の説明】
１０ 上位計算機
１１ ＣＬデータ格納用外部ファイル
２０ 本方式を実行する計算機
４０ 数値制御装置
４１ 補正データ格納エリア
４２ ＮＣデータ格納エリア
４３ ＮＣ制御機構
１ ５軸または４軸制御ＮＣ加工機
【発明の属する技術分野】
本発明は、数値制御曲面加工装置に係り、特に、加工面粗さおよび加工面精度を良くするとともに高速加工を可能にする数値制御曲面加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の数値制御（ＮＣ）曲面加工おいては、図２（ａ）に示すように、折れ線近似で加工されており、加工面粗さが悪く、多くの手仕上げ工数を要する。また、図２（ｂ）に示すように、位置決め時の加減速により、平均送り速度が低下し、加工時間が長く、しかも、加工面精度を上げるには、細かいピッチでの膨大なＮＣデータが必要であるという問題があった。
【０００３】
特開平９−１１４５１２号公報は、加工面精度の向上およびＮＣデータ量の削減を目的として、ＮＣ工作機械による曲面加工方法を提案している。しかし、この従来方法でも、折れ線近似による加工面粗さの低下と位置決め時の加減速による平均送り速度の低下という問題は、依然として残っていた。
【０００４】
これらの問題を解決するために、図３に示すＮＵＲＢＳ曲線による補間方法が提案された。ＮＵＲＢＳ曲線とは、Ｎｏｎ−Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒａｔｉｏｎａｌ Ｂ−ｓｐｌｉｎｅ曲線の略であって、不等間隔有理化Ｂスプライン曲線である。ＮＵＲＢＳ曲線は、Ｂスプライン曲線の一種であり、曲線を構成する節点の間隔が不均一な有理式を用いて表現される曲線のことである。他の曲線が、曲線の定義に多項式を用いているのに対して、ＮＵＲＢＳ曲線は、有理式を用いていることが特徴である。
【０００５】
これらを制御すると、曲線を局所的に容易に変形できる。また、他の曲線では正確に表現できなかった円柱，円錐，球，双曲線，楕円，放物線を統一的に取り扱うことが可能になる。
【０００６】
図３において、ＮＵＲＢＳ曲線は、曲線を制御点Ｐｉ，ウエイトｗｉ，ノットベクトルｘｉにより定義する。ここで、ｋは階数、Ｐｉは制御点、ｗｉはウエイト、ｘｉはノット（ｘｉ≦ｘｉ＋１）、［ｘ０，ｘ１，…，ｘｍ］（ｍ＝ｎ＋ｋ）はノットベクトル、ｔはスプラインパラメータとする。
【０００７】
スプライン基底関数Ｎ（ｔ）をｄｅ Ｂｏｏｒ−Ｃｏｘの再帰式で表現すると、数式（１），（２）のようになる。補間するＮＵＲＢＳ曲線Ｐ（ｔ）は、数式（３）のようになる。
【０００８】
【数１】
【数２】
【数３】
ＮＵＲＢＳ補間指令は、以下のようなフォーマット
【００１２】
ＮＵＲＢＳ補間加工においては、図２（ｃ）に示すように、曲線を滑らかに加工できるため、手仕上げ工数が少ない。また、図２（ｄ）に示すように、位置決め時の加減速が滑らかになって、平均送り速度が上がるので、加工時間を短くでき、高速加工が可能である。さらに、ＮＵＲＢＳ補間の制御点を効率良く設定できるから、ＮＣデータが少なくなる利点があるとされている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＮＵＲＢＳ補間方法では、型加工を目的として直線３軸の同時加工が可能であった。『機械と工具』（１９９８年２月号）の１２〜１７頁には、タービンブレード，水車インペラなどの高能率加工を目的として、「ＮＵＲＢＳ補間と滑らか補間による高速高精度加工」という表題で、回転２軸を含めた同時５軸加工に機能が拡張された加工方法が示されている。
【００１４】
また、『型技術』（１９９８年７月号）の８，９頁には、「付加軸ＮＵＲＢＳ補間加工による高品位加工面の創成」という表題で、同時５軸ＮＵＲＢＳ補間機能を用いたソフトウエアによるタービンブレード加工方法が示されている。この加工方法では、ノットベクトルの間隔が等ピッチであり、ＮＵＲＢＳ曲線の特徴であるノットベクトルによる曲線の制御に関する配慮が足りないという問題があった。
【００１５】
＿ この従来技術では、ワーク座標系で計算したＮＵＲＢＳ曲線の制御点を主軸方向ベクトルに応じて機械座標系に座標変換した結果をそのまま５軸ＮＵＲＢＳ補間の制御点に適用し、ワーク座標系のノットベクトルと同じノットベクトルを５軸ＮＵＲＢＳ補間に適用している。
【００１６】
ところが、一般的には、座標変換後も同じノットベクトルを使用して滑らかな曲線が得られるという保証はない。そのため、加工面の一部にうねりや歪みができる可能性があった。
【００１７】
また、この従来技術は、工具先端位置と曲面との接触点のオフセット量が小さいボールエンドミル加工を対象としており、工具先端位置と曲面との接触点とのオフセット量が大きいラジアスエンドミル加工を対象としていない。このため、オフセット量の大きさに応じて、うねりや歪みができる可能性が高い。
【００１８】
このような状況から、ワーク座標系で計算したＮＵＲＢＳ曲線を主軸方向ベクトル傾斜角に応じて機械座標系に座標変換したＮＣデータを用いて、曲面を５軸ＮＵＲＢＳ補間で滑らかに加工するためのノットベクトルや制御点を計算する方法の開発が望まれていた。
【００１９】
本発明の目的は、ＮＵＲＢＳ曲線に沿い滑らかに工具を動かして加工し、加工面粗さおよび加工面精度を良くするとともに高速加工を可能にし、手仕上げ作業を省略して加工工数を大幅に削減できる数値制御曲面加工装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、直線移動３軸と少なくとも１つの回転移動軸とを有し数値制御ＮＵＲＢＳ補間機能を持つ数値制御装置(ＮＣ装置)により数値制御される同時多軸制御ＮＣ加工機を含む数値制御曲面加工装置において、上位計算機で曲面形状が定義されたワーク座標系で加工経路方向に計算された工具先端位置ベクトルデータと工具主軸方向ベクトルとをＣＬデータとして読み込み、ＣＬデータから同時多軸制御ＮＣ加工機の機械構成に基づきＮＣ加工機を動作させるために機械座標系で直線３軸の位置ベクトルと回転角度とに変換する手段と、機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルと回転角度とに基づきＮＵＲＢＳ曲線のノットベクトルを計算する手段と、ノットベクトルを用いて機械座標系の直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線を各々計算する手段と、ＮＵＲＢＳ曲線をＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータに変換する手段と、ワーク座標系の加工速度を機械座標系の毎分送りの加工速度またはインバースタイム送りの加工速度に変換する手段と、得られたＮＣデータを上記ＮＣ装置に伝送する手段とを備えた数値制御曲面加工装置を提案する。
【００２１】
前記ＣＬデータとして読み込んだ段階で、前記曲面の加工精度に応じて、前記加工経路方向に並んだＣＬデータを間引くまたは追加する手段を備えることができる。
【００２２】
前記ＣＬデータとして読み込んだ段階で、各工具の個体差に基づく補正値を前記ＮＣ装置から読み取り、読み込んだ前記ＣＬデータを前記工具の補正値に応じて補正する手段を備えることも可能である。
【００２３】
前記加工経路方向に並んだＣＬデータの曲率またはＣＬデータの間隔に基づきＮＵＲＢＳ曲線を分割する手段を備えてもよい。
【００２４】
前記加工経路方向に並んだ機械座標系の直線３軸の位置ベクトルの弦長をノットベクトルとしてＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段を備えることもできる。
【００２５】
前記加工経路方向に並んだ機械座標系の直線３軸の位置ベクトルの弦長およびワーク座標系の工具先端位置ベクトルの弦長のそれぞれに係数を乗じて足しあわせた弦長をノットベクトルとしてＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段を備えることも可能である。
【００２６】
機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルおよび回転軸の回転角度が、各々Ｂ−ｓｐｌｉｎｅ補間，Ｂｅｚｉｅｒ補間，Ｃｏｏｎｓ補間，多項式，直線と円弧との組合せのいずれかの曲線で定義される時、前記曲線をＮＵＲＢＳ補間に変換する手段を備えてもよい。
【００２７】
複数のＮＵＲＢＳ曲線の接続点で加工精度の範囲内で曲率が連続的に変化するようにＮＵＲＢＳ曲線を修正しまたは追加し１本のＮＵＲＢＳ曲線または曲率が連続する複数本のＮＵＲＢＳ曲線を作成する手段を備えることが望ましい。
【００２８】
ＣＬデータの主軸方向ベクトルを所定値とし直線３軸のみの同時３軸制御ＮＣ加工機用のＮＵＲＢＳ補間ＮＣデータに変換する手段を備えることができる。
【００２９】
工作物を螺旋状または一筆書きの経路で加工するためのＣＬデータを求める手段を備えてもよい。
【００３０】
同時多軸加工機用の直線補間ＮＣデータを読み込みＣＬデータに変換する手段を備えることも可能である。
【００３１】
必ず通過させたいＣＬデータを指定する手段を備える場合もある。
【００３２】
本発明は、また、上記目的を達成するために、直線移動３軸と少なくとも１つの回転移動軸とを有し数値制御ＮＵＲＢＳ補間機能を持つ数値制御装置（ＮＣ装置）により数値制御される同時多軸制御ＮＣ加工機を含む数値制御曲面加工装置において、機械座標系で計算された直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線を読み込む手段と、ワーク座標系で計算されたＣＬデータを読み込む手段と、ＣＬデータの工具先端中心位置ベクトルからＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段と、ＣＬデータの主軸方向ベクトルからＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段と、機械座標系の直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線から所定の加工精度で各々の点列データを計算する手段と、上記点列データを機械座標系からワーク座標系のＣＬデータに変換する手段と、前記ワーク座標系に変換されたＣＬデータとワーク座標系で計算された工具先端位置ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線および主軸方向ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線各々との誤差を計算する手段とを備えた数値制御曲面加工装置を提案する。
【００３３】
誤差の計算結果に基づき機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線の制御点またはノットベクトルまたはウエイトを修正する手段を備えることができる。
【００３４】
工具補正量をＮＣ装置から読み取ってワーク座標系で計算されたＣＬデータを補正値に応じて変換する手段を備えることも可能である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図１７を参照して、本発明による数値制御曲面加工装置の実施例を説明する。
【００３６】
図１は、本発明による数値制御曲面加工装置の実施例の全体構成を示すブロック図である。上位計算機１０は、曲面形状が定義された座標系（ワーク座標系）において加工経路方向に計算された工具先端位置ベクトルと主軸方向ベクトルとをＣＬデータとして外部ファイル１１に格納する。
【００３７】
ステップ２１で、本数値制御曲面加工装置の計算機２０は、外部ファイル１１からＣＬデータ読み込む。
【００３８】
ＮＣデータ作成時に想定した工具長，工具径と実物の工具長，工具径との間には、誤差が必ず存在する。
【００３９】
ステップ２２で、計算機２０は、前記誤差を補正するために、工具補正Ｎｏを指示し、ＮＣ装置４０に対して補正データの出力を要求する。ＮＣ装置４０は、指示された補正Ｎｏに対応する補正データを補正データ記憶エリア４１から読み出し、計算機２０に出力する。計算機２０は、ＮＣ装置４０から出力された補正データを読み込む。
【００４０】
ステップ２３で、計算機２０は、補正したい方向に応じて、図４および（４）数式に示す方式で、ＣＬデータを補正する。ここで、Ｃは工具先端位置ベクトル、Ｄは主軸方向ベクトル、ＰはＣにおける切削点位置ベクトル、ＮはＰでの法線ベクトルである。Ｃ１は主軸方向にｄ１だけ補正し、Ｃ２は法線方向にｄ２だけ補正し、Ｃ３は工具径方向にｄ３だけ補正した工具先端位置ベクトルである。
【００４１】
【数４】
通常のＣＬデータは、工具先端位置ベクトルと主軸方向ベクトルとを意味するので、Ｃ１のみの補正が可能である。加えて、ＣＬデータを計算する時使用した切削点位置ベクトルと法線ベクトルとが分かっていれば、上記Ｃ２，Ｃ３の補正やＣ１，Ｃ２，Ｃ３を組合せた補正が可能である。この方法で、ＣＬデータを補正すると、補正したＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータ作成が可能になる。
【００４３】
なお、上記『機械と工具』の「ＮＵＲＢＳ補間と滑らか補間による高速高精度加工」におけるＮＵＲＢＳ補間機能では、補正が許されていなかった。
【００４４】
ステップ２４で、図５に示す方式によって、加工精度を向上させる一方、データ量を削減するために、ＣＬデータの間引きまたは追加を実行する。まず、工具先端位置ベクトルから最小２乗近似法により通過曲線を計算し、ＮＵＲＢＳ曲線５１とし、ステップ５２で、一定のトレランスの範囲外にあるＣＬデータを間引く。
【００４５】
ＮＵＲＢＳ曲線は、図３および（１），（２），（３）数式のＮＵＲＢＳ曲線の定義で与えられる。点列からＮＵＲＢＳ曲線を作成する方法は、例えば、Ｌｅｓ Ｐｉｅｇｌ，Ｗａｙｎｅ Ｔｉｌｌｅｒ著『Ｔｈｅ ＮＵＲＢＳ Ｂｏｏｋ』などに記載されている。
【００４６】
次に、間引いたＣＬデータの主軸方向ベクトルを基に、ＮＵＲＢＳ曲線５３を計算する。ステップ５４で、工具先端位置ベクトルの通過点に対応するＮＵＲＢＳ曲線５３上の主軸方向ベクトルを計算し、角度の変化量を計算する。元のＣＬデータとの差が公差値よりも大きければ、通過点を追加し、精度を向上させる。間引きまたは追加のための公差値は、０．０１ｍｍに設定してある。
【００４７】
ステップ２５で、ステップ２４で計算されたＮＵＲＢＳ曲線５３を分割する。図６は、工具先端位置ベクトルの軌跡を示している。工具先端位置ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線（すなわちＧ０６．２工具経路６４）と折れ線工具経路（すなわちＧ０１工具経路６５）とから、パス分割位置６３を求める。通過点の距離間隔が急に短くなったり、折れ線の角度が急変すると、ＮＵＲＢＳ曲線に乱れが生じる。そこで、間隔が短くなる箇所および折れ線の角度が大きく変化する箇所を見つけ出し、その点を曲線のパス分割点６３として、パス分割点６３で曲線を分割し、曲線の精度を向上させる。
【００４８】
ステップ２６で、ＣＬデータを機械座標系に座標変換する。図１のテーブル２軸タイプの５軸加工機５０でＣ軸テーブル回転中心とＢ軸回転中心とが直交した交点を機械座標系原点Ｏｍとする。Ｃ軸テーブル上にワークがセットされ、ワーク座標系原点がＯｗであるとする。このときに、機械座標系原点Ｏｍから見たワーク座標系Ｏｗの位置ベクトルをＳとすると、ワーク座標系の工具先端位置ベクトル（Ｘ，Ｙ，Ｚ），主軸方向ベクトル（Ｉ，Ｊ，Ｋ）から、機械座標（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｂ，Ｃ）への座標変換は、図７の座標系および数式（５），（６），（７），（８），（９）で表現できる。
【００４９】
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
【数９】
ここで、（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｂ，Ｃ）は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃ各機械軸の座標値を表す。この座標変換式は、各加工機に固有である。この変換方式は、テーブル１軸とテーブル１軸タイプ、主軸２軸タイプの加工機についても同様に設定できる。
【００５５】
従来技術では、ワーク座標系で計算したＮＵＲＢＳ曲線の制御点を主軸方向ベクトルに応じて機械座標系に座標変換した結果をそのまま５軸ＮＵＲＢＳ補間の制御点に適用し、ワーク座標系のノットベクトルと同じノットベクトルを５軸ＮＵＲＢＳ補間に適用している。
【００５６】
ところが、一般的には、座標変換後も同じノットベクトルを使用して滑らかな曲線が得られるという保証はない。そのため、加工面の一部にうねりや歪みができる可能性があった。
【００５７】
これに対して、本発明では、図８（ｂ）に示すように、各機械座標系間の弦長をノットベクトルとして使用し、（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の直線３軸と（Ｂ，Ｃ）の回転２軸との機械座標系でのＮＵＲＢＳ曲線の制御点を、それぞれが連続的に滑らかに変化するように再計算させることにより、加工精度を向上させている。
【００５８】
ステップ２７で、ノットベクトルを計算する。図８のステップ８１で、上記数式（５），（６），（７），（８），（９）を用いて、最初に全通過点の機械座標系（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｂ，Ｃ）を計算する。各機械座標間の弦長（Ｌｉ）を計算し、図８（ｂ）のノットベクトルとする。（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と（Ｂ，Ｃ）のノットベクトルとは、同じものを使用する。
【００５９】
ステップ２８で、ワーク座標系のＣＬデータから機械座標系に変換された（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）の直線３軸と（Ｂ，Ｃ）の回転２軸の点列データとステップ２７で計算したノットベクトルとから、上記『Ｔｈｅ ＮＵＲＢＳ Ｂｏｏｋ』などに示されているＮＵＲＢＳ曲線の作成方法により、数式（１），（２），（３）で表されるＮＵＲＢＳ曲線を作成する。
【００６０】
ステップ２８で、図８（ｂ）のノットベクトルと図３および数式（１），（２），（３）のＮＵＲＢＳ曲線の定義を用いて、直線３軸（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）および回転角度２軸（Ｂ，Ｃ）のＮＵＲＢＳ曲線を計算する。
【００６１】
ステップ２９で、ブレンディング係数を計算する。図９（ａ）に示すように、ステップ２８で計算したＮＵＲＢＳ曲線を用いて加工した場合、曲線に膨らみが発生し、加工結果に凹凸９１が生じる可能性がある。これに対処するため、まず、図９（ｂ）に示すように、ステップ２４で間引いた点９２を含めてより精度を上げて、ワーク座標系の工具先端位置ベクトルの弦長を計算し、ワーク座標系のノットベクトルとする。次に、機械座標系のノットベクトルとワーク座標系のノットベクトルとに、ブレンディング係数をそれぞれかけて加算して得られたノットベクトルを機械座標系のノットベクトルとして採用する。
【００６２】
このようにすると、加工結果の凹凸９１に対処できる。本実施例では、ブレンディング係数を３：１に設定したところ、スムーズに加工ができた。なお、この係数は、加工物に対応して変更できる。
【００６３】
ステップ３０で、機械座標系での加工速度を計算する。ワーク座標系での始点を（Ｘｗｓ，Ｙｗｓ，Ｚｗｓ），終点を（Ｘｗｅ，Ｙｗｅ，Ｚｗｅ），弦長をＬｗ，加工速度をＦｗ，機械座標系での始点を（Ｘｍｓ，Ｙｍｓ，Ｚｍｓ，Ｂｍｓ，Ｃｍｓ），終点を（Ｘｍｅ，Ｙｍｅ，Ｚｍｅ，Ｂｍｅ，Ｃｍｅ），弦長をＬｍ，加工速度をＦｍすると、機械座標系の加工速度Ｆｍは、数式（１０）により与えられる。
【００６４】
【数１０】
なお、加工速度を時間の逆数で与える方式（インバースタイム送り）がある。その場合、機械座標系での加工速度Ｆｍは、数式（１１）で与えられる。
【００６６】
【数１１】
ステップ３１では、ステップ２８，２９，３０で計算した機械座標系の直線３軸のＮＵＲＢＳ曲線の制御点を図３のＮＵＲＢＳ補間指令のＸ，Ｙ，Ｚに代入し、回転角度２軸のＮＵＲＢＳ曲線の制御点をα，βに代入し、ノットベクトルをＫに代入し、ウエイトをＲに代入し、加工速度ＦｍをＦに代入し、図３のＮＵＲＢＳ補間指令のファーマットに従い、ＮＣデータに変換する。
【００６８】
ステップ３２で、最後に変換されたＮＣデータを計算機２０からのＮＣデータとして伝送し、ＮＣ制御装置４０のＮＣデータ記憶エリア４２に読み込み格納する。
【００６９】
ＮＣ制御装置４０のＮＵＲＢＳ補間機能を内蔵するＮＣ制御機構４３は、ＮＣデータ記憶エリア４２からＮＣデータを読み出し、解析しながら５軸または４軸制御ＮＣ加工機５０を制御し、ＮＣ加工を実行する。
【００７０】
次に、複数のＮＵＲＢＳ曲線を１本のＮＵＲＢＳ曲線にする方法の実施例を説明する。図１０（ａ）は接続点１０１でつながった２本のＮＵＲＢＳ曲線を示している。図１０（ｂ）に示すように、接続点１０１の近傍で２つのＮＵＲＢＳ曲線に対して加工精度範囲内の微小Ｒのフィレットを追加すると、連続するＮＵＲＢＳ曲線を作成できる。
【００７１】
図１１（ａ）は、図１０（ｂ）の点線で囲まれた部分を拡大した図である。ここで矢印は、曲率半径を表現している。図１１（ａ）においては、特にフィレットの接続点で、曲率半径が不連続である。この場合、図１１（ｂ）に示すように、加工精度範囲内で曲率が連続するように曲線を変形すると、その曲率半径を連続的に変化させることができる。ＮＣ制御装置４０は、ＮＵＲＢＳ補間の終点で速度が低下するために、曲面に凹みが生じる。これに対処するには、このＮＵＲＢＳ曲線の変形方法が有効である。
【００７２】
図１２（ａ）に示すように、加工するためのＮＵＲＢＳ曲線間のつなぎを始点１２１と終点１２２を結ぶ直線で実行している場合がある。この時始点１２１とＮＵＲＢＳ曲線とは不連続であり、曲線１２３を通過すれば、加工時に凹みが発生する可能性がある。
【００７３】
この凹みの発生に対処するため、本発明では、図１２（ｂ）に示すように、始点１２１におけるＮＵＲＢＳ曲線の接線方向に沿い一旦逃げて、加工面との干渉が発生しない経由点１２５を通り、終点１２２の接線方向に沿い接近するＮＵＲＢＳ曲線１２４に変更する。このようにすると、連続加工が可能なＮＵＲＢＳ曲線を計算できる。
【００７４】
ちなみに、図１３（ａ）に示す閉じた曲線の集合で加工する方法から、図１３（ｂ）に示す螺旋状に連続した１本の曲線で加工する方法に変更すると、連続した１本のＮＵＲＢＳ曲線に沿って加工できることになり、作業効率も加工精度も上がる。
【００７５】
機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルおよび回転角度が、Ｂ−ｓｐｌｉｎｅ補間またはＢｅｚｉｅｒ補間のいずれかの曲線で定義される時、図１４（ａ）および数式（１２）はＢｅｚｉｅｒでＮＵＲＢＳ補間への変換方法を示し、図１４（ｂ）および数式（１３）はＢ−ｓｐｌｉｎｅでＮＵＲＢＳ補間への変換方法を示す。ここで、Ｑｉは制御点、Ｔはノットベクトル、Ｎｉ，４（ｔ）は基底関数である。Ｃｏｏｎｓ補間で定義される時は、図１４（ｃ）および数式（１４）は、Ｂｅｚｉｅｒ補間に変換できるので、図１４（ａ）および数式を用いてＮＵＲＢＳ補間式に変換することが可能である。ここで、ＱｂはＢｅｚｉｅｒ補間の制御点、ＱｃはＣｏｏｎｓ補間を構成するためのベクトルである。多項式で定義される時は、点列を発生させてＮＵＲＢＳ曲線に変換するか、または、多項式を直接ＮＵＲＢＳの補間式に変換すると、ＮＵＲＢＳ補間が可能になる。円弧と直線との連続で定義される時は、直線，円弧それぞれのＮＵＲＢＳ変換式が与えられているので、それを用いてＮＵＲＢＳ補間に変換できる。
【００７６】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
ＣＬデータの主軸方向ベクトルを一定の値にすれば、機械座標系での回転角度は一定値になる。したがって、本発明による数値制御曲面加工装置を用いれば、直線３軸のみの同時３軸制御ＮＣ加工機用のＮＵＲＢＳ補間ＮＣデータを作成することが可能になる。
【００８０】
次に、機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線の精度確認方法と修正方法とを説明する。機械座標系からワーク座標系への変換方法は、図７の逆変換であり、図１５に示す（１５），（１６），（１７），（１８），（１９）数式で与えられる。これらの数式で用いる記号は、図７と同じである。
【００８１】
【数１５】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
機械座標系で計算された直線３軸，回転角度のＮＵＲＢＳ曲線から任意のピッチで点列データを計算する。計算した点列データを、図１５の座標系および数式（１５），（１６），（１７），（１８），（１９）を用いて、ワーク座標系のＣＬデータに変換する。変換したＣＬデータを図４で補正した方向とは逆方向に補正して、補正前のＣＬデータを計算する。
【００８７】
図１６に示すように、図１で入力した座標系のＣＬデータ１１から『Ｔｈｅ ＮＵＲＢＳ Ｂｏｏｋ』などに示されているＮＵＲＢＳ曲線の作成方法により、数式（１），（２），（３）で表されるＮＵＲＢＳ曲線１５１と、各点での主軸方向ベクトル１５２とを計算する。補正後のＣＬデータとＮＵＲＢＳ曲線１５１および主軸方向ベクトル１５２とを比較し、精度を確認する。
【００８８】
比較方法としては、計算処理で誤差を計算し、ディスプレイまたはプロッタにビジュアル表示することが考えられる。すなわち、機械座標系から変換されたＣＬデータの点列を重ね描きし、精度を確認する。
【００８９】
１５３に示すような精度から外れる場合の修正方法を図１７に示す。ここでＮＵＲＢＳ曲線の制御点Ｗｉは、ウエイトを示している。修正方法としては、制御点Ｎ２をＮ２′に変更する，Ｗｉを変更する，ノットベクトルの間隔を変更するという３種類の変更方法を採用できる。
【００９０】
次に、同時４軸または同時５軸加工機用の直線補間ＮＣデータを読み込み、ＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータに変換する方法を示す。直線補間用ＮＣデータを読み込み、ＮＣの不要なコードなどを取り除き、機械座標系の直線３軸および回転１軸または２軸の回転角度を計算する。
【００９１】
図１５の座標系および数式（１５），（１６），（１７），（１８），（１９）を用いて、機械座標系からワーク座標系のＣＬデータに変換し、図１のＣＬデータファイル１１に格納する。このデータによれば、図１の本発明の曲面加工装置を用いて、ＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータを計算することが可能になる。
【００９２】
加工物の形状精度を上げるために、必ず通過させたい点，範囲，線があるという状況が生ずる。その場合は、例えば、図５で採用した通過点以外の通過させたい点を指示して通過点を増やすと、形状精度を上げた曲面加工が可能になる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明の数値制御曲面加工装置によれば、ＮＵＲＢＳ曲線に沿って滑らかに工具を動かして、機械加工することが可能である。したがって、加工面粗さおよび加工面精度が良い曲面加工が可能となり、手仕上げ作業を省略でき、加工工数を大幅に低減できる。また、ＮＣデータ量を削減できるので、サーボ機構による平均送り速度の低下を回避でき、高速加工が可能になる。さらに、本発明では、形状の変形を考慮した微小な調整もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による数値制御曲面加工装置の実施例の系統構成を示すブロック図である。
【図２】従来の直線補間加工方法と従来のＮＵＲＢＳ補間加工方法とを比較して示す図である。
【図３】ＮＵＲＢＳ曲線と制御点との関係を示す図である。
【図４】ＣＬデータの補正方法の一例を示す図である。
【図５】本発明によるＣＬデータの間引きまたは追加の方法を示す図である。
【図６】本発明によるＮＵＲＢＳ曲線の分割の方法を示す図である。
【図７】本発明によるワーク座標系から機械座標系への変換における座標系相互の関係を示す図である。
【図８】本発明によるノットベクトル計算および機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線計算の方式を示す図である。
【図９】本発明によるブレンディング係数設定によるＮＵＲＢＳ曲線のスムーズ化の方式を示す図である。
【図１０】本発明によるフィレットＲ挿入で曲線を１本化する方法を示す図である。
【図１１】本発明による形状修正で曲率半径を連続化する方法を示す図である。
【図１２】本発明によるつなぎ工具経路の曲線化で連続加工する方法を示す図である。
【図１３】本発明による工具経路の螺旋化で曲線を１本化する方法を示す図である。
【図１４】他の補間方式からＮＵＲＢＳ補間への本発明による変換方式を示す図である。
【図１５】本発明による機械座標系からワーク座標系への変換（逆変換）における座標系相互の関係を示す図である。
【図１６】本発明による機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線の評価方法を示す図である。
【図１７】本発明によるＮＵＲＢＳ曲線の変更の方法を示す図である。
【符号の説明】
１０ 上位計算機
１１ ＣＬデータ格納用外部ファイル
２０ 本方式を実行する計算機
４０ 数値制御装置
４１ 補正データ格納エリア
４２ ＮＣデータ格納エリア
４３ ＮＣ制御機構
１ ５軸または４軸制御ＮＣ加工機
Claims (15)
- 直線移動３軸と少なくとも１つの回転移動軸とを有し数値制御ＮＵＲＢＳ補間機能を持つ数値制御装置(ＮＣ装置)により数値制御される同時多軸制御ＮＣ加工機を含む数値制御曲面加工装置において、
上位計算機で曲面形状が定義されたワーク座標系で加工経路方向に計算された工具先端位置ベクトルデータと工具主軸方向ベクトルとをＣＬデータとして読み込み、前記ＣＬデータから前記同時多軸制御ＮＣ加工機の機械構成に基づき前記ＮＣ加工機を動作させるために機械座標系で直線３軸の位置ベクトルと回転角度とに変換する手段と、
機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルと回転角度とに基づきＮＵＲＢＳ曲線のノットベクトルを計算する手段と、
前記ノットベクトルを用いて機械座標系の直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線を各々計算する手段と、
前記ＮＵＲＢＳ曲線をＮＵＲＢＳ補間用ＮＣデータに変換する手段と、
前記ワーク座標系の加工速度を前記機械座標系の毎分送りの加工速度またはインバースタイム送りの加工速度に変換する手段と、
得られたＮＣデータを上記ＮＣ装置に伝送する手段とを備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１に記載の数値制御曲面加工装置において、
前記ＣＬデータとして読み込んだ段階で、前記曲面の加工精度に応じて、前記加工経路方向に並んだＣＬデータを間引くまたは追加する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１または２に記載の数値制御曲面加工装置において、
前記ＣＬデータとして読み込んだ段階で、各工具の個体差に基づく補正値を前記ＮＣ装置から読み取り、読み込んだ前記ＣＬデータを前記工具の補正値に応じて補正する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
前記加工経路方向に並んだＣＬデータの曲率またはＣＬデータの間隔に基づきＮＵＲＢＳ曲線を分割する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
前記加工経路方向に並んだ機械座標系の直線３軸の位置ベクトルの弦長をノットベクトルとしてＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
前記加工経路方向に並んだ機械座標系の直線３軸の位置ベクトルの弦長およびワーク座標系の工具先端位置ベクトルの弦長のそれぞれに係数を乗じて足しあわせた弦長をノットベクトルとしてＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
機械座標系で計算された直線３軸の位置ベクトルおよび回転軸の回転角度が、各々Ｂ−ｓｐｌｉｎｅ補間，Ｂｅｚｉｅｒ補間，Ｃｏｏｎｓ補間，多項式，直線と円弧との組合せのいずれかの曲線で定義される時、前記曲線をＮＵＲＢＳ補間に変換する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１または５，６，７のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
複数のＮＵＲＢＳ曲線の接続点で加工精度の範囲内で曲率が連続的に変化するようにＮＵＲＢＳ曲線を修正しまたは追加し１本のＮＵＲＢＳ曲線または曲率が連続する複数本のＮＵＲＢＳ曲線を作成する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
ＣＬデータの主軸方向ベクトルを所定値とし直線３軸のみの同時３軸制御ＮＣ加工機用のＮＵＲＢＳ補間ＮＣデータに変換する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし９のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
工作物を螺旋状または一筆書きの経路で加工するためのＣＬデータを求める手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
同時多軸加工機用の直線補間ＮＣデータを読み込みＣＬデータに変換する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の数値制御曲面加工装置において、
必ず通過させたいＣＬデータを指定する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 直線移動３軸と少なくとも１つの回転移動軸とを有し数値制御ＮＵＲＢＳ補間機能を持つ数値制御装置（ＮＣ装置）により数値制御される同時多軸制御ＮＣ加工機を含む数値制御曲面加工装置において、
機械座標系で計算された直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線を読み込む手段と、
ワーク座標系で計算されたＣＬデータを読み込む手段と、
ＣＬデータの工具先端中心位置ベクトルからＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段と、
ＣＬデータの主軸方向ベクトルからＮＵＲＢＳ曲線を計算する手段と、
機械座標系の直線３軸および回転軸のＮＵＲＢＳ曲線から所定の加工精度で各々の点列データを計算する手段と、
上記点列データを機械座標系からワーク座標系のＣＬデータに変換する手段と、
前記ワーク座標系に変換されたＣＬデータとワーク座標系で計算された工具先端位置ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線および主軸方向ベクトルのＮＵＲＢＳ曲線各々との誤差を計算する手段とを備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１３に記載の数値制御曲面加工装置において、
誤差の計算結果に基づき機械座標系のＮＵＲＢＳ曲線の制御点またはノットベクトルまたはウエイトを修正する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。 - 請求項１３または１４に記載の数値制御曲面加工装置において、
工具補正量をＮＣ装置から読み取ってワーク座標系で計算されたＣＬデータを補正値に応じて変換する手段を備えた
ことを特徴とする数値制御曲面加工装置。
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