JP3749262B2 - 工具移動経路データの作成方法、その作成装置、加工方法、および加工システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は３次元曲面を加工するための工具移動経路データの作成方法、その作成装置、加工方法、加工システムに係り、特に、製作すべき３次元曲面の形状に応じて適切な工具移動経路を設定できるようにする技術に関するものである。
背景技術
切削加工や研削加工を行う加工工具、例えばボールエンドミルなどの回転切削工具を用いて、金型などの３次元曲面を加工することが広く行われているが、このような加工方法として、例えば特開平５−３４６８１４号公報に記載されているように、（a）３次元曲面を加工するために加工工具を拘束する工具拘束曲面をその３次元曲面に対応させて設定する工程と、（b）前記加工工具の移動経路を拘束する経路拘束平面を前記工具拘束曲面と交差するように設定する工程と、（c）前記工具拘束曲面と前記経路拘束平面との交線を工具移動経路とする工程と、（d）その工具移動経路に従って加工工具を相対移動させる工程とから成るものがある。図３８は、このような加工方法の一例を説明する図で、ＣＡＭ装置などのＮＣデータ作成装置１０により工具拘束曲面１２と経路拘束平面１４との交線１６を３次元曲線式として求め、その曲線式をＮＣデータ（工具移動経路データ）としてＮＣ工作機械１８に供給することにより、その３次元曲線に沿って回転加工工具２０が移動させられ、目的とする３次元曲面２２が得られる場合である。工具拘束曲面１２は、製作すべき３次元曲面２２から回転加工工具（ボールエンドミル）２０の半径寸法（先端曲率半径）分だけ面法線方向へオフセットしたオフセット曲面で、工具移動経路は工具中心（先端の球中心）の移動経路を表している。
しかしながら、このような従来の方法では、製作すべき３次元曲面に対して必ずしも適切な工具移動経路を設定することができず、高い加工能率が得られなかったり工具の急な方向変化が存在したり加工精度が悪くなったりするなどの不都合を生じることがあった。例えば、図９に示す３次元曲面を加工する場合、（a）に点線で示すように３次元曲面のねじれに沿って滑らかに工具を移動させる（形状沿い）ことが望ましいが、工具移動経路が平面内に拘束される従来方法では、（b）に点線で示すように工具移動経路の設定が制限され、急な方向変化などが要求される。また、図１０のように円錐形状を加工する場合には、（a）に点線で示すように螺旋状に工具を移動させて小径側から大径側まで連続して加工することが望ましいが、従来の方法では（b）に点線で示すように階段状に等高輪郭加工を行うことになり、加工能率や加工精度（滑らかさ）が悪くなる。
また、加工工具の姿勢を制御しながら３次元曲面を加工する場合は、工具拘束曲面と経路拘束平面との交線上に所定の間隔で工具通過点（ＣＬ点）を設定するとともに、その工具通過点毎に工具拘束曲面のノルマルベクトルを求め、そのノルマルベクトルに基づいて工具姿勢を設定するようになっていたため、ノルマルベクトルの計算に多大な時間がかかるとともに、工具通過点の設定の自由度が制約されるという問題があった。
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、製作すべき３次元曲面の形状に応じて適切な工具移動経路を設定できるようにすることにある。また、ノルマルベクトルを用いて工具姿勢を設定する場合でも、その工具姿勢を含む工具移動経路データを短時間で作成できるとともに、工具通過点を自由に設定できるようにすることにある。
発明の開示
かかる目的を達成するために、本発明は、所定の３次元曲面を加工するために加工工具を被加工物に対して相対移動させるための工具移動経路データを作成する方法であって、（a）前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面をその３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定工程と、（b）前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定工程と、（c）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算工程と、（d）その交線演算工程で求められた前記３次元曲線式を含んで工具移動経路データを作成する移動経路データ作成工程とを有し、且つ、（e）前記交線演算工程は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法によりそれ等の第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるものであることを特徴とする。
このようにすれば、加工工具の移動経路を拘束するために任意の曲面から成る第２拘束面を設定でき、その第２拘束面と第１拘束面との交線に沿って加工工具が相対移動させられるため、工具移動経路の設定の自由度が高くなり、製作すべき３次元曲面形状に応じて適切な工具移動経路を設定できるようになる。また、第１拘束面と第２拘束面との交線を３次元曲線式として求め、その３次元曲線式を含んで工具移動経路データを作成するため、多数の工具通過点から成る点列データで工具移動経路データを作成する場合に比較して、高い加工精度を維持しながらデータ量を削減できる。
また、交線演算工程では、第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合に幾何学的交線追跡法により第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるが、この幾何学的交線追跡法は、例えば特開平２−２３０４０６号公報等に記載されているように、交点の１つを基準点として交線の接線方向へ所定寸法だけ踏み出しながら、順次３次元曲線式を求めるもので、その踏み出し寸法を変更して所定の精度を確保するようになっている。この方法は、パッチ境界法に比べて処理速度が遅いとともにセグメント数も多くなるが、交点の１点から処理を開始するため、交点が３点以上ある場合や交線が複雑に変化している場合などでも処理を行うことができる。交線が閉じていて交点が存在しない場合には、第１拘束面のパラメータ一定線を用いて基準点を設定することにより処理を行うことができる。
ここで、このような３次元曲線式を含む工具移動経路データに従って加工工具を被加工物に対して相対移動させるＮＣ工作機械等の加工装置は、３次元曲線式が表す３次元曲線上に曲線補間によって順次目標位置を設定して加工工具を相対移動させるように構成される。
加工工具としては、その先端加工部の形状が半球形状を成すものが好適に用いられる。先端加工部の形状は、切れ刃の回転軌跡形状を含むもので、そのような半球形状を成す加工工具としては、ボールエンドミルや放電加工用電極などがある。なお、製作すべき３次元曲面に沿って被加工物に対して相対移動させることにより、その３次元曲面を加工できる他の種々の加工工具を用いることも可能である。
先端加工部が半球形状を成す加工工具を用いる場合、第１拘束面としては、加工工具の先端加工部の球中心を拘束する面、具体的には製作すべき３次元曲面から加工工具の先端加工部の半球形状の半径と等しい寸法だけ離間した面を設定することが望ましく、その場合の工具移動経路は加工工具の先端加工部の球中心（工具中心）の移動経路を表すことになる。なお、基本的には、加工工具を移動させる際の制御の基準点から実際に被加工物に加工を行う加工点までの距離だけ、製作すべき３次元曲面から離間した面を第１拘束面として設定すれば良い。
第２拘束面は、製作すべき３次元曲面形状や使用する加工装置の機能などに基づいて、加工可能なようにしたり、加工し易いようにしたり、或いは高い精度で加工できるようにしたりするなど任意に設定できるが、互いに直交する３軸のＮＣ工作機械を用いる場合、加工工具の軸心であるＺ軸と平行でＸ−Ｙ平面内で所定の曲線となる曲面を設定することが望ましい。
工具移動経路は、加工工具と被加工物との相対的な移動経路を表すもので、位置固定の被加工物に対する加工工具の移動経路のみを意味するものではない。
被加工物に対する加工工具の姿勢を制御可能なＮＣ工作機械等の加工装置を用いる場合には、（a）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線上において所定の間隔でその第１拘束面のノルマルベクトルを求めるノルマルベクトル演算工程と、（b）そのノルマルベクトルの端点を通る滑らかなノルマル曲線を、前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線の３次元曲線式と対応させて３次元曲線式として求めるノルマル曲線演算工程とを有し、（c）前記移動経路データ作成工程は、前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線の３次元曲線式および前記ノルマル曲線の３次元曲線式を含んで、前記加工工具の姿勢を含んだ工具移動経路データを作成するように構成することが望ましい。その場合には、製作すべき３次元曲面に対して加工工具の軸心を略垂直、或いは所定角度だけ傾斜させるなど所定の姿勢（被加工物に対する相対姿勢）で移動させつつ加工を行うことができるため、例えばボールエンドミルなどの回転切削工具を用いて切削加工する場合には、加工工具の姿勢変化に伴う加工精度（面粗さなど）のばらつきを解消できるし、回転速度が大きい外周側部分で常に加工を行うようにすれば優れた切削性能が得られるなど、一層高い精度で３次元曲面を加工できるようになるとともに、アンダカットなど複雑な形状の加工も可能になる。しかも、ノルマルベクトルの端点を通る滑らかなノルマル曲線を３次元曲線式として求めるようになっているため、算出するノルマルベクトルの数を少なくして計算時間を短縮できるとともに、第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線上に順次目標位置を設定する際に、その目標位置におけるノルマルベクトルをノルマル曲線から求めれば良いため、要求精度などに応じて自由に目標位置を設定できる。また、従来のように多数の工具通過点（ＣＬ点）毎にノルマルベクトルを設定して工具移動経路データを作成する場合に比較してデータ量が大幅に低減される。
上記ノルマルベクトル演算工程では、例えば第１拘束面と第２拘束面との交線の曲率に応じた間隔、具体的には曲率が大きい部分では細かい間隔、曲率が小さい部分では大きな間隔でノルマルベクトルを求めるようにすることが望ましく、その場合は、ノルマル曲線演算工程で求められるノルマル曲線の精度を高く維持しつつ、ノルマルベクトルの算出数を少なくできる。また、第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式と対応させてノルマル曲線の３次元曲線式を求めることは、交線の３次元曲線式が表す３次元曲線上の任意の点の第１拘束面に対する面ノルマル方向を、ノルマル曲線の３次元曲線式のみにより、面を意識することなく線の世界だけで算出できることを意味し、それ等の３次元曲線式は１対１の関係で保持（記憶）される。
前記第１拘束面および第２拘束面の交線は、第２拘束面の形状特徴（接線連続性や曲率連続性）を損なうことのないように、例えば第１拘束面の曲面式および第２拘束面の曲面式に基づいてＮＵＲＢＳやＢ−Ｓｐｌｉｎｅ、Ｂｅｚｉｅｒなどの３次元曲線式で求めることができるが、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点である場合にはパッチ境界法によりその第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めることが望ましい。
パッチ境界法は、交線の両端の２点における接ベクトルの大きさおよび向きを設定して３次元曲線式を求めるもので、交線との誤差が所定のトレランス（許容誤差）より大きい場合は中間位置に新たな構成点（セグメント端点）を設けて、徐々にセグメント（３次元曲線式の最小単位）を増やして所定の精度の３次元曲線式を求めるもので、幾何学的交線追跡法に比べて一般に処理速度が速いとともにセグメント数が少なくて済む。交点が２点の場合は、通常はその２点間に交線が存在するため、その２点を交線の両端の点としてそのまま処理を開始することができる。
また、本発明の好適な別の態様は、（a）前記加工工具は、その先端加工部の形状が半球形状を成すもので、前記第１拘束面は、その先端加工部の半球形状の球中心を拘束する面であり、（b）前記第１拘束面設定工程は、製作すべき３次元曲面の少なくとも一部が面法線方向を正しく認識することが困難であると判断した場合には、その３次元曲面上に所定の間隔で多数の参照点を設定するとともに、その参照点を中心として前記加工工具の先端加工部の半球形状と等しい半径の球を配置し、その３次元曲面から最も離れている球面に基づいて前記第１拘束面を設定するように構成される。すなわち、第１拘束面は、一般に製作すべき３次元曲面の面法線ベクトルを求めて加工工具の半径寸法（先端曲率半径）分だけその３次元曲面を面法線方向へオフセットしたオフセット曲面であるが、小さな角度の鋭角三角形状を成す縮退面などでは、その鋭角の先端部分における面法線ベクトルの精度が低くなるため、オフセット法では充分な精度が得られず、上記のように多数の球を配置する球面配置法を用いて第１拘束面を設定することが望ましいのである。球面配置法は、例えば本願出願人が先に出願した特願平８−２１０００８号に記載されている技術で、縮退面など面法線ベクトルを高い精度で求めることができない場合であっても、目的とする３次元曲面から加工工具の半径寸法だけ離間した第１拘束面が高い精度で求められる。
また、更に別の好適な態様は、（a）前記加工工具は、その先端加工部の形状が半球形状を成すもので、前記第１拘束面は、その先端加工部の半球形状の球中心を拘束する面であり、（b）製作すべき３次元曲面の面法線方向を正しく認識できると判断した場合に、前記第１拘束面設定工程において、その３次元曲面の面法線ベクトルを求めてその３次元曲面から前記加工工具の先端加工部の半球形状の半径と等しい寸法だけ面法線方向へオフセットしたオフセット曲面を第１拘束面に設定するとともに、その第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点である場合には、前記交線演算工程においてパッチ境界法によりその第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求める第１の算出方法と、（c）製作すべき３次元曲面の面法線方向を正しく認識できると判断した場合に、前記第１拘束面設定工程において、その３次元曲面の面法線ベクトルを求めてその３次元曲面から前記加工工具の先端加工部の半球形状の半径と等しい寸法だけ面法線方向へオフセットしたオフセット曲面を第１拘束面に設定するとともに、その第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には、前記交線演算工程において幾何学的交線追跡法によりその第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求める第２の算出方法と、（d）製作すべき３次元曲面の少なくとも一部が面法線方向を正しく認識することが困難であると判断した場合に、前記第１拘束面設定工程において、その３次元曲面上に所定の間隔で多数の参照点を設定するとともに、その参照点を中心として前記加工工具の先端加工部の半球形状と等しい半径の球を配置し、その３次元曲面から最も離れている球面に基づいて前記第１拘束面を設定するとともに、前記交線演算工程において、予め定められた所定の演算手法によりその第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求める第３の算出方法と、の計３つの算出方法のうちの１つで３次元曲線式を求めるとともに、その算出方法で算出する際に所定のエラーが発生した場合は、その３つの算出方法のうちの残りの算出方法で３次元曲線式を求めるように構成される。すなわち、製作すべき３次元曲面の面形状（特性）や第１拘束面のエッジと第２拘束面との交点の数に応じて３つの算出方法を使い分けることにより、できるだけ短時間で３次元曲線式を求めることができるようになるのであり、また、エラーにより算出できなかったり算出結果がＮＧとなった場合には残りの算出方法を用いることにより、３つの算出方法の何れかで算出できる３次元曲線式を確実に求めることができるようになるのである。
なお、このような本発明の上記各工程は、製作すべき３次元曲面や使用する加工工具、加工装置など各処理に必要な情報が入力されることにより、コンピュータを用いて自動的に行われるようにすることが望ましい。第２拘束面は、例えば第１拘束面の形状や使用する加工装置の種類などに応じて自動的に設定されるようにすることもできるが、作業者の設定操作に従って設定されるようにしても良い。
本発明方法を好適に実施できる工具移動経路データの作成装置、すなわち所定の３次元曲面を加工するために加工工具を被加工物に対して相対移動させるための工具移動経路データを作成する装置は、（a）前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面をその３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定手段と、（b）前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定手段と、（c）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算手段と、（d）その交線演算手段によって求められた前記３次元曲線式を含んで工具移動経路データを作成する移動経路データ作成手段とを有し、且つ、（e）前記交線演算手段は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法によりそれ等の第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるように構成される。
本発明方法に従って被加工物に加工を行う好適な加工方法、すなわち被加工物に対して加工工具を相対移動させて所定の３次元曲面を加工する加工方法は、（a）前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面をその３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定工程と、（b）前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定工程と、（c）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算工程と、（d）その交線演算工程で求められた前記３次元曲線式を用いて工具移動経路を設定する移動経路設定工程と、（e）その移動経路設定工程で設定された工具移動経路である前記３次元曲線式が表す３次元曲線上に順次目標位置を設定して前記加工工程を被加工物に対して相対移動させる工具移動工程とを有して行われ、且つ、（f）前記交線演算工程は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法によりそれ等の第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるように構成される。
本発明方法に従って被加工物に加工を行う好適な加工システム、すなわち被加工物に対して加工工具を相対移動させて所定の３次元曲面を加工する加工システムは、（a）前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面をその３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定手段と、（b）前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定手段と、（c）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算手段と、（d）その交線演算手段によって求められた前記３次元曲線式を用いて工具移動経路を設定する移動経路設定手段と、（e）その移動経路設定手段により設定された工具移動経路である前記３次元曲線式が表す３次元曲線上に順次目標位置を設定して前記加工工具を被加工物に対して相対移動させる工具移動制御手段とを有し、且つ、（f）前記交線演算手段は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法によりそれ等の第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるように構成される。なお、この加工システムは、例えば前記工具移動経路データの作成装置と、その作成装置によって作成された工具移動経路データに従って加工工具を被加工物に対して相対移動させるＮＣ工作機械（工具移動制御手段）とによって構成される。
このような工具移動経路データの作成装置、加工方法、加工システムにおいても、前述した工具移動経路データの作成方法と実質的に同様な作用効果が得られる。
ノルマルベクトルを用いて工具姿勢を設定する場合でも、その工具姿勢を含む工具移動経路データを短時間で作成できるとともに、工具通過点を自由に設定できる作成方法としては、所定の３次元曲面を加工するために加工工具を被加工物に対して相対移動させるための工具移動経路データを作成する方法であって、（a）前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面をその３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定工程と、（b）前記加工工具の移動経路を拘束する平面または曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定工程と、（c）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を求める交線演算工程と、（d）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線上において所定の間隔でその第１拘束面のノルマルベクトルを求めるノルマルベクトル演算工程と、（e）そのノルマルベクトルの端点を通る滑らかなノルマル曲線を求めるノルマル曲線演算工程と、（f）前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線および前記ノルマル曲線に基づいて前記加工工具の姿勢を含んだ工具移動経路データを作成する移動経路データ作成工程とを有して行われ、且つ、（g）前記交線演算工程は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法によりそれ等の第１拘束面と第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるように構成される。
この場合には、製作すべき３次元曲面に対して加工工具の軸心を略垂直、或いは所定角度だけ傾斜させるなど所定の姿勢（被加工物に対する相対姿勢）で移動させつつ加工を行うことができるため、例えばボールエンドミルなどの回転切削工具を用いて切削加工する場合には、加工工具の姿勢変化に伴う加工精度（面粗さなど）のばらつきを解消できるし、回転速度が大きい外周側部分で常に加工を行うようにすれば優れた切削性能が得られるなど、高い精度で３次元曲面を加工できるようになるとともに、アンダカットなど複雑な形状の加工も可能である。しかも、ノルマルベクトルの端点を通る滑らかなノルマル曲線を求めるようになっているため、算出するノルマルベクトルの数を少なくして計算時間を短縮できるとともに、例えば第１拘束面と第２拘束面との交線上に工具通過点を設定する際に、その工具通過点におけるノルマルベクトルをノルマル曲線から求めれば良いため、要求精度などに応じて自由に工具通過点を設定できる。
なお、この場合は、第２拘束面は必ずしも曲面である必要はなく、平面であっても差し支えない。また、第１拘束面と第２拘束面との交線やノルマル曲線は必ずしも曲線式で表す必要はなく、図形データなどであっても良い。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の工具移動経路データの作成方法に従って工具移動経路データを作成して加工を行う加工システムの一例を説明する概略図である。
図２は、図１の加工システムの機能を説明するブロック線図である。
図３は、図１の加工システムにおけるＮＣ工作機械のＮＣ動作部を説明する図である。
図４は、図１の加工システムにおけるＮＣデータ作成装置の作動を説明するフローチャートである。
図５は、図４のステップＳ１の内容を説明する図である。
図６は、図４のステップＳ２の内容を説明する図である。
図７は、図４のステップＳ３の内容を説明する図である。
図８は、図４のステップＳ５の内容を説明する図である。
図９は、図１の加工システムで好適に加工できる３次元曲面の一例を説明する図である。
図１０は、図１の加工システムで好適に加工できる３次元曲面の別の例を説明する図である。
図１１は、図１０の３次元曲面を加工する場合の経路拘束曲面を示す図である。
図１２は、図１のＮＣ工作機械による回転加工工具の工具移動経路を説明する図である。
図１３は、ＣＬ点を直線補間して工具を移動させる場合の工具移動経路を説明する図である。
図１４は、図４におけるステップＳ１の一具体例を説明するフローチャートである。
図１５は、縮退面の一例を示す図である。
図１６は、球面配置法によって工具拘束曲面を設定する際に３次元曲面上に設けられる参照点を説明する図である。
図１７は、３次元曲面上に参照点を中心とする多数の球が配置された状態である。
図１８は、球面配置法によって設定された工具拘束曲面の断面の一例を球や３次元曲面と併せて示す図である。
図１９は、図１６における参照点の間隔について説明する図である。
図２０は、図４におけるステップＳ３の一具体例を説明するフローチャートである。
図２１は、工具拘束曲面のエッジと経路拘束曲面との交点が２個の場合の一例を示す図である。
図２２は、工具拘束曲面のエッジと経路拘束曲面との交点が３個以上の場合の一例を示す図である。
図２３は、工具拘束曲面のエッジと経路拘束曲面との交点が存在しない場合の一例を示す図である。
図２４は、球面配置法で設定された工具拘束曲面と経路拘束曲面との交線を３次元曲線式で求める場合の一例を説明する図である。
図２５は、工具拘束曲面と経路拘束曲面との交線の３次元曲線式をパッチ境界法で求める場合の一例を説明する図である。
図２６は、工具拘束曲面と経路拘束曲面との交線の３次元曲線式を幾何学的交線追跡法で求める場合の一例を説明する図である。
図２７は、幾何学的交線追跡法で交線を求める際の交点の求め方を説明する図である。
図２８は、５軸のＮＣ工作機械の一例を説明する図である。
図２９は、図２８のＮＣ工作機械を用いて加工する場合のＮＣデータ作成装置の機能ブロック線図である。
図３０は、図２９のＮＣデータ作成装置の作動を説明するフローチャートである。
図３１は、図３０のステップＲ４の内容を説明する図である。
図３２は、図３０のステップＲ５の内容を説明する図である。
図３３は、図３０のステップＲ７およびＲ８の内容を説明する図である。
図３４は、図２８のＮＣ工作機械を用いて加工する場合のＮＣデータ作成装置の別の例を説明する機能ブロック線図である。
図３５は、図３４において傾き角θを設定する手段の内容を説明する図である。
図３６は、図２８のＮＣ工作機械を用いて加工する場合のＮＣデータ作成装置の更に別の例を説明する機能ブロック線図である。
図３７は、図３６のＮＣデータ作成装置の作動を説明するフローチャートである。
図３８は、従来のＮＣ加工システムの一例を説明する図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施例のＮＣ加工システム２８の概略を説明する図で、前記図３８に対応する図であり、工具移動経路データ作成装置としてのＮＣデータ作成装置３０は、図３８のＮＣデータ作成装置１０に比較して経路拘束平面１４の代わりに経路拘束曲面３２を用いてＮＣデータを作成するようになっている。ＮＣデータは、工具拘束曲面１２と経路拘束曲面３２との交線３４を表す３次元曲線式を工具移動経路データとして含むもので、ＮＣ工作機械１８の回転加工工具２０は平面拘束されることなくその３次元曲線式が表す曲線に沿って移動させられる。
図２は、図１のＮＣ加工システム２８の機能ブロック線図で、ＮＣデータ作成装置３０によって作成されたＮＣデータは、磁気テープや磁気ディスクなどの記憶媒体を介して、或いはＯＮラインなどでＮＣ工作機械１８へ供給される。ＮＣ工作機械１８はＮＣ制御部３６およびＮＣ動作部３８を備えており、ＮＣ動作部３８は、例えば図３に示すようにボールエンドミルなどの切れ刃の回転軌跡が半球形状を成す回転加工工具２０、その回転加工工具２０をＺ軸と平行な軸心まわりに回転駆動する主軸回転駆動手段４０、および回転加工工具２０を互いに直角なＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向へ３次元的に平行移動させる送り駆動手段４２を有し、回転加工工具２０を軸心まわりに回転駆動しつつ前記ＮＣデータに従って被加工物４４に対して相対移動させることにより、その被加工物４４に３次元曲面等の所定の加工を行う。
ＮＣデータ作成装置３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えているＣＡＭ装置を含んで構成されており、機能的に工具拘束曲面設定手段５０、経路拘束曲面設定手段５２、交線算出手段５４、移動経路設定手段５６、ＮＣデータ変換手段５８を有し、図４に示すフローチャートに従ってＮＣデータを作成する。図４のステップＳ１は工具拘束曲面設定手段５０によって実行されるもので、例えば図５のように製作すべき３次元曲面２２の面法線ベクトルを求めて、その３次元曲面２２から回転加工工具（ボールエンドミル）２０の半径寸法（先端曲率半径）ｒだけ面法線方向へオフセットしたオフセット曲面を工具拘束曲面１２として設定する。工具拘束曲面１２は、３次元曲面２２を加工するために回転加工工具２０の基準点、すなわち切れ刃の回転軌跡の球中心である工具中心、を拘束する面である。製作すべき３次元曲面２２は予め設定されているとともに、回転加工工具２０の半径寸法ｒは作業者等によって設定される。この工具拘束曲面１２は第１拘束面に相当し、ステップＳ１は第１拘束面設定工程に相当し、工具拘束曲面設定手段５０は第１拘束面設定手段に相当する。
ステップＳ２は経路拘束曲面設定手段５２によって実行されるもので、キーボードやマウスなどの入力操作手段を用いた作業者の入力操作により、回転加工工具２０の移動経路を拘束する任意の経路拘束曲面３２を工具拘束曲面１２と交わるように設定する。経路拘束曲面３２は、製作すべき３次元曲面２２の形状に基づいて任意に設定できるが、本実施例のように互いに直交する３軸のＮＣ工作機械１８を用いる場合には、図６に示すように回転加工工具２０の軸心であるＺ軸と平行で、Ｘ−Ｙ平面内で所定の曲線となる曲面を設定することが望ましい。また、経路拘束曲面３２として平面以外の曲面を設定できることは勿論であるが、必要に応じて平面を設定することも可能である。経路拘束曲面３２は第２拘束面に相当し、ステップＳ２は第２拘束面設定工程に相当し、経路拘束曲面設定手段５２は第２拘束面設定手段に相当する。
ステップＳ３は交線算出手段５４によって実行されるもので、上記工具拘束曲面１２と経路拘束曲面３２との交線３４を算出する。この交線３４は、経路拘束曲面３２の形状特徴（接線連続性や曲率連続性）を損なうことのないように、それ等の曲面１２および３２の曲面式に基づいてＮＵＲＢＳやＢ−Ｓｐｌｉｎｅ、Ｂｅｚｉｅｒなどの３次元曲線式で求められる。このステップＳ３は交線演算工程に相当し、交線算出手段５４は交線演算手段に相当する。
ステップＳ４では、３次元曲面２２の加工に必要な総ての３次元曲線式を算出したか否かが判断され、総ての３次元曲線式を算出するまでステップＳ２およびＳ３を繰り返し、図７に示すように経路拘束曲面３２をＺ軸と直角な方向へ所定のピック寸法だけ順次移動させながら、工具拘束曲面１２と経路拘束曲面３２との交線３４を３次元曲線式で求める。このステップＳ４も交線算出手段５４によって自動的に行われる。
総ての３次元曲線式を算出したら、次にステップＳ５を実行する。ステップＳ５は移動経路設定手段５６によって実行されるもので、複数の交線３４の３次元曲線式を用いて工具移動経路を設定する他、図８に示すように工具移動方向や加工時に必要なアプローチ動作６０、リトラクト動作６２、ピック動作６４などを設定する。この場合の工具移動経路は工具中心（先端の球中心）の移動経路を表している。そして、ＮＣデータ変換手段５８によって実行されるステップＳ６で、ＮＣ工作機械１８の制御機能とのＩ／Ｆとなるコードへ変換してＮＣデータ、すなわち工具移動経路データを作成する。ＮＣデータには、回転加工工具２０の回転速度に関する情報も含まれる。上記ステップＳ５およびＳ６は請求の範囲第１項の移動経路データ作成工程に相当し、ステップＳ５は請求の範囲第８項の移動経路設定工程に相当し、移動経路設定手段５６およびＮＣデータ変換手段５８は請求の範囲第７項の移動経路データ作成手段に相当し、移動経路設定手段５６は請求の範囲第９項の移動経路設定手段に相当する。
なお、このようなＮＣデータの作成は、必ずしも製品の加工面全体について１回で行う必要はなく、面の特徴などに応じて加工面を複数の部分に分割し、その部分毎に３次元曲面２２を取り出してＮＣデータを作成するようにしても良い。
図２に戻って、前記ＮＣ工作機械１８のＮＣ制御部３６は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えたマイクロコンピュータを含んで構成されており、ＮＣデータ作成装置３０によって作成されたＮＣデータに従ってＮＣ動作部３８の作動を制御するもので、機能的に送り速度制御手段６６および回転速度制御手段６８を備えている。送り速度制御手段６６は、ＮＣデータに設定された工具移動経路を表す曲線、すなわち３次元曲線式に従って回転加工工具２０を移動させるように、曲線補間方式で送り駆動手段４２を制御する。具体的には、所定の制御サイクルタイムで上記３次元曲線式が表す曲線上に順次目標位置を設定し、回転加工工具２０をその目標位置へ直線移動させるように送り駆動手段４２をフィードバック制御するのであり、送り速度制御手段６６には工具位置検出手段７０から実際の工具位置を表す信号が供給されるようになっている。また、回転速度制御手段６８は、ＮＣデータに設定された工具回転速度で回転加工工具２０が軸心まわりに回転駆動されるように、前記主軸回転駆動手段４０の作動を制御する。
このようにＮＣデータに従って回転加工工具２０を軸心まわりに回転させながら３次元曲線式が表す曲線に沿って移動させることにより、被加工物４４に目的とする３次元曲面２２が切削加工される。この工程が請求の範囲第８項の工具移動工程で、ＮＣ工作機械１８は請求の範囲第９項の工具移動制御手段に相当する。
ここで、本実施例のＮＣ加工システム２８においては、回転加工工具２０の移動経路を拘束する経路拘束曲面３２が平面も含めて任意に設定できるため、工具移動経路の設定の自由度が高くなり、製作すべき３次元曲面２２の形状に応じて適切な工具移動経路を設定できるようになる。例えば、図９に示す３次元曲面を加工する場合、（a）に点線で示すように３次元曲面のねじれに沿って滑らかに工具を移動させる（形状沿い）ことが可能となり、工具移動経路が平面内に拘束される（b）の場合に比較して、工具の急な方向変化などを回避できる。また、図１０のように円錐形状を加工する場合には、（a）に点線で示すように螺旋状に工具を移動させて小径側から大径側まで連続して加工することが可能となり、（b）に点線で示すように階段状に等高輪郭加工を行う場合に比較して、加工能率や加工精度（滑らかさ）が向上する。図１０の場合、経路拘束曲面３２を図１１のように渦巻き状に設定すれば良い。
また、本実施例では工具拘束曲面１２と経路拘束曲面３２との交線３４を３次元曲線式で求めてＮＣデータを作成するとともに、ＮＣ工作機械１８は、その３次元曲線式が表す３次元曲線上に順次目標位置を設定して回転加工工具２０を移動させるようになっているため、少ないデータ量で高い精度の加工を行うことができる。すなわち、図１２に示すように、ＮＣデータの移動経路形状は本来移動させたい経路形状と略一致し、その経路上に目標位置が定められるため、（b）のように目標位置の間隔を狭くするだけで高精度の加工を行うことができるのである。目標位置の間隔を狭くするには、ＮＣ工作機械１８の制御サイクルタイムを短くするか、工具移動速度を遅くすれば良い。これに対し、工具移動経路を工具通過点（ＣＬ点）の点列で設定し、そのＣＬ点を直線補間して目標位置を設定しながら回転加工工具２０を移動させる場合には、図１３の（b）に示すようにＮＣ工作機械１８の目標位置の間隔を狭くしても加工精度は向上せず、（c）のようにＮＣデータのＣＬ点そのものの数を増加しなければならないため、データ量が膨大な量になる。
なお、上記実施例のステップＳ１では、面法線ベクトルに基づくオフセット法で工具拘束曲面１２を設定する場合について説明したが、図１４のフローチャートに示すように縮退面か否かによって異なる方法で工具拘束曲面１２を設定することが望ましい。すなわち、ステップＳＡ１では、製作すべき３次元曲面２２が一部に縮退面を有するか否かを予め設定された条件に従って判断し、縮退面を有しない場合はステップＳＡ２において、前述した面法線ベクトルに基づくオフセット法で工具拘束曲面１２を設定するが、縮退面を有する場合には、ステップＳＡ３において球面配置法により工具拘束曲面１２を設定するのである。縮退面とは、図１５に示すように小さな角度の鋭角三角形状を成す面１００で、例えば２辺の間の角度が予め定められた所定値以下か否かなどによって判断できる。このような縮退面１００においては、その鋭角の先端部分１００ａでは面法線ベクトルすなわち面法線方向を正しく算出することが困難であるため、オフセット法では充分な精度が得られなくなるのである。縮退面１００か否かの判断基準は、面法線ベクトルを算出する算出精度などを考慮して設定される。
球面配置法は、例えば図１６に示すように３次元曲面２２上に所定の間隔で多数の参照点１０２を設定するとともに、図１７に示すようにその参照点１０２を中心として回転加工工具２０の半径寸法ｒと等しい半径の球１０４を配置し、図１８に太線で示すように３次元曲面２２から空間側（上方）へ最も離れている球面を工具拘束曲面１２とする。参照点１０２の間隔が小さい程高い精度で工具拘束曲面１２を設定できるが、処理データ量が多くなるため、例えば図１９に示すように回転加工工具２０の半径寸法ｒと等しい半径の球面１０６と３次元曲面２２とを交差させた場合に、法線方向における最大重なり寸法ｄがトレランスの１／２程度以下となるように設定することが望ましい。３次元曲面２２を平面として回転加工工具２０の半径寸法ｒのみに基づいて、予め一定間隔を設定するようにしても良いが、製作すべき３次元曲面２２の特性（最大曲率）などに応じて製品の種類毎等に間隔が設定されるようにしても良い。なお、図１８は、３次元曲面２２に対して略垂直な平坦な断面上に重なって存在する多数の球１０４の切片を示したものである。
このような球面配置法によれば、縮退面１００のように面法線ベクトルを高い精度で求めることができない場合であっても、製作すべき３次元曲面２２から回転加工工具２０の半径寸法ｒだけ空問側へ離間した工具拘束曲面１２を高い精度で求めることができる。なお、縮退面１００以外でも、例えば３次元曲面２２の面法線ベクトルが大きくふらついたりする場合などに、球面配置法で工具拘束曲面１２を求めるようにしても良い。
また、前記実施例のステップＳ３では、例えば図２０のフローチャートに従って交線３４の３次元曲線式を求めるようにすることが望ましい。図２０のステップＳＢ１では、工具拘束曲面１２が球面配置法で設定されたか否かを判断し、球面配置法で設定されている場合はステップＳＢ３において一定ピッチ法で交線３４の３次元曲線式を算出するが、球面配置法でない場合、すなわち面法線ベクトルによるオフセット法で工具拘束曲面１２が設定されている場合は、ステップＳＢ２において、その工具拘束曲面１２のエッジと経路拘束曲面３２との交点が２点であるか否かを判断する。そして、図２１に示すように交点がＰ１およびＰ２の計２点である場合は、ステップＳＢ４においてパッチ境界法で交線３４の３次元曲線式を算出し、図２２、図２３に示すように交点が２点以外の場合はステップＳＢ５において幾何学的交線追跡法で交線３４の３次元曲線式を算出する。工具拘束曲面１２の設定からステップＳＢ３で３次元曲線式を算出するまでの一連の処理は請求の範囲第５項における第３の算出方法に相当し、ステップＳＢ４で３次元曲線式を算出するまでの一連の処理は請求の範囲第５項における第１の算出方法に相当し、ステップＳＢ５で３次元曲線式を算出するまでの一連の処理は請求の範囲第５項における第２の算出方法に相当する。なお、工具拘束曲面１２のエッジは、面の外周縁を意味するもので、製作すべき３次元曲面２２の外周縁に対応する。
上記ステップＳＢ３の一定ピッチ法は、図２４に示すように工具拘束曲面１２と経路拘束曲面３２との交線３４上に、Ｚ軸と平行な経路拘束曲面３２のＸ−Ｙ平面内における形状変化に沿って所定のピッチＬで多数の基準点１１０を設定し、それ等の基準点１１０を滑らかに繋ぐように所定のフィッティング処理を行って３次元曲線式を算出する。所定のピッチＬは、例えば（トレランス×工具径×２０）程度の値が設定され、「２０」は経験値で適宜変更できる。図２４は、経路拘束曲面３２のＸ−Ｙ平面内における形状変化に沿って交線３４を展開して示した図である。
なお、この場合の工具拘束曲面１２は多数の球１０４の部分球面の集合であるため、経路拘束曲面３２との交線３４も図２４のように凹凸になるが、その凸部の頂点付近を滑らかに結ぶ包絡線を求め、その包絡線を交線３４と見做して３次元曲線式を求めるようにしても良く、その場合はパッチ境界法や幾何学的交線追跡法等の他の算出手法を好適に適用できる。工具拘束曲面１２として、多数の部分球面の頂点付近を含む滑らかな包絡面を設定するようにしても良い。
ステップＳＢ４のパッチ境界法は、図２１における２つの交点Ｐ１とＰ２との間に交線３４が存在するものとして、図２５に示すように、その交点Ｐ１とＰ２との間で交線３４と略一致する３次元曲線式を求める。具体的には、先ず図２５の（a）に示すように、交点Ｐ１とＰ２との間を１つのセグメントとして、その交点Ｐ１，Ｐ２における接ベクトルの大きさおよび向きを適宜調整することにより、交線３４の中点Ｐ０５０上または出来るだけ近くを通る３次元曲線式を作成する。次に、同図の（b）に示すように、交点Ｐ１，Ｐ２と中点Ｐ０５０との間の中点Ｐ０２５，Ｐ０７５を求めて、作成した３次元曲線式が表す３次元曲線との誤差が何れもトレランス以下か否かを判断し、トレランス以下であればその３次元曲線式に決定する。１つでも誤差がトレランスより大きい場合は、（c）に示すように中点Ｐ０５０を新たな構成点（セグメント点）として２つのセグメントに分け、中点における誤差がトレランス以下となるまで同様の処理を繰り返す。このようなパッチ境界法は、幾何学的交線追跡法に比べて処理速度が速いとともにセグメント数が少なくて済む。また、交点が２点の場合は、通常はその２点間に交線３４が存在するため、交線３４の有無を判断する処理を行うことなく２つの交点Ｐ１，Ｐ２を交線３４の両端の点としてそのまま処理を開始することができる。
ステップＳＢ５の幾何学的交線追跡法は、図２６の（a）の場合のように交点Ｐ１〜Ｐ４が存在する場合には、それ等の交点Ｐ１〜Ｐ４を基準点として交線３４の接線方向へ所定寸法だけ踏み出しながら、交線３４と略一致する３次元曲線式を求める。図２７に示すように、面Ｓ１（パラメータ（ｕ，ｖ）とする）、面Ｓ２（パラメータ（ｓ，ｔ）とする）間の交線を幾何学的交線追跡法に従って求める場合、先ず基準点を求める。最初の基準点は、上記交点Ｐ１〜Ｐ４を使えば良い。次に、次交点を求めるために、基準点上の接ベクトルを求める。つまり、追跡方向と踏み出し量を決める。追跡方向は基準点におけるそれぞれ面Ｓ１、Ｓ２上の法線ベクトルの外積によって求めることができる。また、踏み出し量は、形状の曲率に応じて調整することが望ましい。つまり、曲率が大きい時は踏み出し量は小さく、曲率が小さい時は踏み出し量は大きくとるようにする。なお、面Ｓ１および面Ｓ２の一方および他方は、それぞれ工具拘束曲面１２および経路拘束曲面３２に相当する。
次に、こうして求められた接ベクトルをそれぞれ面Ｓ１、Ｓ２に投影し、言い換えれば接ベクトルをそれぞれ（ｕ，ｖ）、（ｓ，ｔ）で表し、基準点からのパラメータ増分値（ｄｕ，ｄｖ）、（ｄｓ，ｄｔ）を求める。この求められたパラメータ増分値分だけ、基準点からそれぞれパラメータを進めた面Ｓ１、Ｓ２上の面上点ｐ，ｑを、それぞれの初期点として求める。次に、点ｐでの面Ｓ１に対する接平面Ｆｐ、および点ｑでの面Ｓ２に対する接平面Ｆｑ、更にＦｐ、Ｆｑに垂直な補助平面Ｆｎを求める。これらの３つの平面Ｆｐ、Ｆｑ、Ｆｎが交わる箇所は点になるが、この点を面Ｓ１、Ｓ２間の交点Ｇとする。この交点Ｇが十分誤差のないように、以下のように収束計算していく。なお、点ｐでの単位面法線ベクトルをｎｐ、点ｑでの面法線ベクトルをｎｑ、補助平面Ｆｎの単位法線ベクトルをｎｎとする。
先ず、交点Ｇへ向かうパラメータ増分値を求める。具体的には、接ベクトルと法線ベクトル、Ｇおよびｐ，ｑを用いて、例えば点ｐにおけるパラメータｕ，ｖの増分値Δｕ、Δｖは、点ｐにおけるｕ方向接ベクトルをｄｕ、ｖ方向ベクトルをｄｖとすると、それぞれ次式（1）、（2）で求めることができる。このパラメータ増分値を加えて得られる面Ｓ１上の点、および面Ｓ２上の点をそれぞれｐ’、ｑ’とすると、これ等の２点間の距離｜ｐ’−ｑ’｜が十分に小さくなるまで（例えば予め設定されたトレランス以内となるまで）、点ｐ’、ｑ’を新たに点ｐ，ｑとして上記処理を繰り返す。こうして最終的に｜ｐ’−ｑ’｜が十分に小さくなった時の交点Ｇを面Ｓ１、Ｓ２間の交点とする。こうして求められた交点と、それぞれの接ベクトルを使って、２点間を結ぶ曲線を求め、これを交線とする。これ等の処理を繰り返し、面Ｓ１、Ｓ２間の交線群を求め、これを工具軌跡とする。
Δｕ＝（ｓｖ・ｄｐ）／（ｓｖ・ｄｕ） ・・・（1）
Δｖ＝（ｓｕ・ｄｐ）／（ｓｕ・ｄｖ） ・・・（2）
但し、ｄｐ＝Ｇ−ｐ
ｓｕ＝ｄｕ×ｎｐ
ｓｖ＝ｄｖ×ｎｐ
また、前記図２３のように工具拘束曲面１２のエッジと経路拘束曲面３２との交点が存在しない場合は、図２６の（b）に示すように、工具拘束曲面１２のパラメータ一定線１２０を形成して基準点１２２を設定することにより、同様にして交線３４の３次元曲線式を求めることができる。
このような幾何学的交線追跡法は、パッチ境界法に比べて処理速度が遅いとともにセグメント数も多くなるが、交点の１つから処理を開始するため、交点が３点以上ある場合でも交線３４の有無を確認することなく処理を開始できる。また、交線３４が複雑に変化している場合などでも、良好に３次元曲線式を求めることができる。
図２０に戻って、ステップＳＢ３、ＳＢ４、またはＳＢ５で３次元曲線式の算出処理が行われると、次のステップＳＢ６で３次元曲線式を算出できたか否かを判断し、算出できれば一連の交線算出処理を終了するが、所定のエラーが発生して最後まで算出できなかった場合はステップＳＢ７を実行する。エラーは算出法によってそれぞれ異なり、パッチ境界法の場合は例えば交線３４の分割回数が所定値以上になった時などにエラーとして以後の処理を中止し、幾何学的交線追跡法の場合は、例えば収束計算回数が所定回数を越えた時などにエラーとして以後の処理を中止するように構成される。
ステップＳＢ７では、上記一定ピッチ法、パッチ境界法、および幾何学的交線追跡法の３つの算出法を総て使ったか否かを判断し、３つの算出法を使った場合にはステップＳＢ８で最終的にエラー判定を行い、表示装置などにエラーにより３次元曲線式を算出できなかった旨を表示する。まだ試していない算出法が残っている場合は、ステップＳＢ９において上記３つのうちの他の算出法で３次元曲線式を算出する。最初にパッチ境界法または幾何学的交線追跡法を使った場合に一定ピッチ法を実施する場合は、球面配置法によって工具拘束曲面１２を設定する一方、最初に一定ピッチ法を使った場合にパッチ境界法や幾何学的交線追跡法を実施する場合は、面法線ベクトルによるオフセット法で工具拘束曲面１２を設定する。また、パッチ境界法を実施する場合に、工具拘束曲面１２のエッジと経路拘束曲面３２との交点が３点以上存在する場合は、予め交線３４の有無を確かめて、交線３４が存在する２点間で３次元曲線式を算出する。
この場合には、製作すべき３次元曲面２２の面形状（特性）や工具拘束曲面１２のエッジと経路拘束曲面３２との交点の数に応じて３つの算出方法（工具拘束曲面１２の設定方法を含む）を使い分けるため、できるだけ短時間で３次元曲線式を求めることができるようになる。また、エラーにより算出できなかった場合には残りの算出方法を試すようになっているため、３つの算出方法の何れかで算出できる３次元曲線式については常に確実に求められるようになる。
次に、図２８に示すように５軸のＮＣ工作機械７４を使って加工を行う場合の実施例を説明する。このＮＣ工作機械７４は、前記主軸回転駆動手段４０および３軸の送り駆動手段４２の他に、Ｚ軸と平行な回転軸まわりに主軸回転駆動手段４０を回転させる第１姿勢制御手段７６、およびその回転軸と直角な回転軸まわりに回転させる第２姿勢制御手段７８を備えており、位置固定の被加工物４４に対する回転加工工具２０の姿勢を自由に制御できるようになっている。
図２９は、上記５軸のＮＣ工作機械７４を使って加工を行う場合のＮＣデータを作成するのに好適なＮＣデータ作成装置８０を説明する機能ブロック線図で、前記工具拘束曲面設定手段５０、経路拘束曲面設定手段５２、交線算出手段５４、およびＮＣデータ変換手段５８の他に、ノルマルベクトル演算手段８２、ノルマル曲線演算手段８４、ＣＬ点設定手段８６、ＣＬベクトル設定手段８８を備えており、図３０のフローチャートに従ってＮＣデータを作成する。
図３０のステップＲ１、Ｒ２、Ｒ３はそれぞれ前記ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３と同じであり、ノルマルベクトル演算手段８２によって実行されるステップＲ４では、図３１に示すように、ステップＲ３で求めた交線３４上に、曲線の曲率に応じた間隔（曲率が大きい程小さい間隔）で工具拘束曲面１２のノルマル（垂直）ベクトル９０を単位ベクトルとして算出する。交線３４の曲率は、交線３４上に予め定められた所定間隔で位置する数点をサンプリングすることによって求められる。
次のステップＲ５はノルマル曲線演算手段８４によって実行されるもので、図３２に示すように、ステップＲ４で求めたノルマルベクトル９０の端点を通る滑らかな曲線、すなわちノルマル曲線９２を算出し、工具の移動経路である交線３４とノルマル曲線９２とを１対１の関係で保持（記憶）する。このノルマル曲線９２についても、交線３４と同様に３次元曲線式で求められる。このように交線３４とノルマル曲線９２とを１対１の関係で保持しておけば、交線３４上の任意の点上での面ノルマル方向を、面を意識せずに線の世界だけで算出、取り出すことが可能となる。
ステップＲ６は前記ステップＳ４と同じであり、ステップＲ７以下のステップでは、ＮＣ工作機械７４が直線補間方式で回転加工工具２０を移動させる場合のＮＣデータを作成する。ステップＲ７はＣＬ点設定手段８６によって実行されるもので、図３３に示すように、例えば許容誤差範囲、等間隔、高速加工用、１刃＝１ＣＬなどの様々な要件のうち作業者が入力操作で指定する所望の要件を満たすように、工具移動経路である交線３４を表す３次元曲線上に多数の工具通過点（ＣＬ点）を設定する。ステップＲ８はＣＬベクトル設定手段８８によって実行されるもので、同じく図３３に示すように上記各ＣＬ点での面ノルマルベクトルすなわちＣＬベクトルを、交線３４とパラメータ的に対応して記憶されているノルマル曲線９２から各ＣＬ点に対応する点を求めることにより算出する。
上記ステップＲ７およびＲ８は１本の交線３４毎に行われ、次のステップＲ９では総ての交線３４についてＣＬ点およびＣＬベクトルが求められたか否かが判断され、総ての交線３４についてＣＬ点およびＣＬベクトルが求められるまでステップＲ７およびＲ８を繰り返す。ステップＲ９もＣＬベクトル設定手段８８によって自動的に行われる。総ての交線３４についてＣＬ点およびＣＬベクトルが求められるとステップＲ１０が実行され、前記アプローチ動作６０やリトラクト動作６２、ピック動作６４など加工に必要な動作を付与し、ステップＲ１１で上記ＣＬ点やＣＬベクトル、アプローチ動作６０などの工具移動経路、工具姿勢などに関する情報を、ＮＣ工作機械７４の制御機能とのＩ／Ｆとなるコードへ変換し、ＮＣデータすなわち工具移動経路データを作成する。このステップＲ１１はＮＣデータ変換手段５８によって実行される。
そして、図２８のＮＣ工作機械７４のうち送り駆動手段４２はＣＬ点に関するＮＣデータに従って制御され、前記図１３のように直線補間方式で主軸回転駆動手段４０と共に回転加工工具２０を移動させる。姿勢制御手段７６および７８は、ＣＬベクトルに関するＮＣデータに従って制御され、主軸回転駆動手段４０および回転加工工具２０の姿勢すなわち軸心の向きをＣＬベクトルと一致、言い換えれば３次元曲面２２と垂直となるように制御する。なお、送り駆動手段４２による主軸回転駆動手段４０の移動制御は、工具の姿勢変化に拘らず回転加工工具２０の工具中心からＣＬ点に応じて定められる目標位置へ移動するように、ＣＬベクトルに応じて補正される。ＮＣデータ作成装置８０によりＮＣデータを作成する際に、ＣＬベクトルに応じて工具移動経路を補正するようにしても良い。
この実施例では、回転加工工具２０が製作すべき３次元曲面２２に対して略垂直となる一定の姿勢で移動させられるため、工具の姿勢変化に伴う加工精度（面粗さなど）のばらつきが解消し、一層高い精度で３次元曲面２２を加工できるようになるとともに、アンダカットなど複雑な形状の加工も可能になる。
また、ノルマルベクトル９０の端点を通る滑らかなノルマル曲線９２を求めるようになっているため、算出するノルマルベクトル９０の数を少なくして計算時間を短縮できるとともに、ノルマル曲線９２の３次元曲線式は交線３４の３次元曲線式と対応しているため、交線３４の３次元曲線上に順次ＣＬ点を設定する際に、そのＣＬ点における工具拘束曲面１２に対する面ノルマルベクトル（ＣＬベクトル）をノルマル曲線９２の３次元曲線式から求めることができ、要求精度などに応じて自由にＣＬ点を設定できる。
また、ステップＲ４では交線３４の曲率に応じた間隔でノルマルベクトル９０を求めるため、ステップＲ５で求められるノルマル曲線９２の精度を高く維持しつつ、ノルマルベクトル９０の算出数を少なくできる。
この実施例は請求の範囲第６項に記載の工具移動経路データの作成方法の一実施例に相当し、ステップＲ１は第１拘束面設定工程で、ステップＲ２は第２拘束面設定工程で、ステップＲ３は交線演算工程で、ステップＲ４はノルマルベクトル演算工程で、ステップＲ５はノルマル曲線演算工程で、ステップＲ７、Ｒ８、Ｒ１０、およびＲ１１は移動経路データ作成工程に相当する。
なお、上例では回転加工工具２０を工具拘束曲面１２、すなわち製作すべき３次元曲面２２に対して略垂直となる一定の姿勢で移動させる場合について説明したが、図３４に示すように、前記ＣＬベクトルを基準として工具軸心の傾き角θを設定する手段９４を、前記ＣＬベクトル設定手段８８とＮＣデータ変換手段５８との間に設け、図３５に示すように回転加工工具２０の軸心をＣＬベクトル（３次元曲面２２に対して垂直な方向）から傾き角θだけ傾斜させた姿勢で移動させるようにすることもできる。この場合には、回転速度が大きい外周側部分で常に切削加工が行われるようにすることができるため、むしれなどが無い優れた切削性能が得られるようになり、回転加工工具２０としてボールエンドミルなどの回転切削工具を使用する場合に好適に適用される。
また、上例では多数のＣＬ点から成る点列データでＮＣデータが作成されていたが、第１実施例のように３次元曲線式を用いてＮＣデータを作成するようにしても良い。図３６は、その場合のＮＣデータ作成装置１２０を説明する機能ブロック線図で、前記ＣＬ点設定手段８６およびＣＬベクトル設定手段８８に代えて移動経路設定手段１２２が備えられ、図３７のフローチャートに従ってＮＣデータを作成する。
図３７のステップＲＡ１〜ＲＡ６、ＲＡ８はそれぞれ前記ステップＲ１〜Ｒ６、Ｒ１１と同じであり、移動経路設定手段１２２によって実行されるステップＲＡ７では、交線３４の３次元曲線式およびノルマル曲線９２の３次元曲線式を用いて工具移動経路を設定する他、前記ステップＳ５と同様に工具移動方向や加工時に必要なアプローチ動作、リトラクト動作、ピック動作などを設定する。なお、ＮＣ工作機械７４側で交線３４の３次元曲線式が表す３次元曲線上に曲線補間方式で順次目標位置を設定する際に、その目標位置における面ノルマルベクトルを前記ステップＲ８と同様にノルマル曲線９２の３次元曲線式から求め、傾き角θなどに応じて工具姿勢が設定される。
この場合は、前記実施例のように多数のＣＬ点毎にＣＬベクトルを設定してＮＣデータを作成する場合に比較してデータ量が大幅に低減される。
この実施例は請求の範囲第２項および第６項に記載の工具移動経路データの作成方法の一実施例に相当し、ステップＲＡ１は第１拘束面設定工程で、ステップＲＡ２は第２拘束面設定工程で、ステップＲＡ３は交線演算工程で、ステップＲＡ４はノルマルベクトル演算工程で、ステップＲＡ５はノルマル曲線演算工程で、ステップＲＡ７およびＲＡ８は移動経路データ作成工程に相当する。また、ステップＲＡ７は請求の範囲第８項の移動経路設定工程に相当し、移動経路設定手段１２２は請求の範囲第９項の移動経路設定手段に相当し、移動経路設定手段１２２およびＮＣデータ変換手段５８は請求の範囲第７項の移動経路データ作成手段に相当し、ＮＣデータ作成装置１２０は請求の範囲第７項の工具移動経路データの作成装置に相当する。
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することもできる。
例えば、前記実施例では何れも位置固定の被加工物４４に対して回転加工工具２０を移動させたり姿勢変化させたりするようになっていたが、被加工物４４を移動させたり所定の軸まわりに回転させたりすることも可能である。それ等の回転加工工具２０、被加工物４４の移動形態（姿勢変化を含む）も必要に応じて適宜変更できる。
その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明は、３次元曲面を加工するために加工工具を被加工物に対して相対移動させるための工具移動経路データを作成したり、被加工物に対する加工工具の姿勢を制御しながら３次元曲面を加工するための工具姿勢を含む工具移動経路データを作成したり、被加工物に対して加工工具を相対移動させて所定の３次元曲面を加工したりする場合に好適に利用され得る。

Claims (9)

1. 所定の３次元曲面を加工するために加工工具を被加工物に対して相対移動させるための工具移動経路データを作成する方法であって、
   前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面を該３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定工程と、
   前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定工程と、
   前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算工程と、
   該交線演算工程で求められた前記３次元曲線式を含んで工具移動経路データを作成する移動経路データ作成工程と
   を有し、且つ、前記交線演算工程は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるものである
   ことを特徴とする工具移動経路データの作成方法。
2. 前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線上において所定の間隔で該第１拘束面のノルマルベクトルを求めるノルマルベクトル演算工程と、
   該ノルマルベクトルの端点を通る滑らかなノルマル曲線を、前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線の３次元曲線式と対応させて３次元曲線式として求めるノルマル曲線演算工程と
   を有し、前記移動経路データ作成工程は、前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線の３次元曲線式および前記ノルマル曲線の３次元曲線式を含んで、前記加工工具の姿勢を含んだ工具移動経路データを作成するものである
   ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の工具移動経路データの作成方法。
3. 前記交線演算工程は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点である場合にはパッチ境界法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるものである
   ことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の工具移動経路データの作成方法。
4. 前記加工工具は、その先端加工部の形状が半球形状を成すもので、前記第１拘束面は、該先端加工部の半球形状の球中心を拘束する面であり、
   前記第１拘束面設定工程は、製作すべき３次元曲面の少なくとも一部が面法線方向を正しく認識することが困難であると判断した場合には、該３次元曲面上に所定の間隔で多数の参照点を設定するとともに、該参照点を中心として前記加工工具の先端加工部の半球形状と等しい半径の球を配置し、該３次元曲面から最も離れている球面に基づいて前記第１拘束面を設定するものである
   ことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項の何れかに記載の工具移動経路データの作成方法。
5. 前記加工工具は、その先端加工部の形状が半球形状を成すもので、前記第１拘束面は、該先端加工部の半球形状の球中心を拘束する面であり、
   製作すべき３次元曲面の面法線方向を正しく認識できると判断した場合に、前記第１拘束面設定工程において、該３次元曲面の面法線ベクトルを求めて該３次元曲面から前記加工工具の先端加工部の半球形状の半径と等しい寸法だけ面法線方向へオフセットしたオフセット曲面を第１拘束面に設定するとともに、該第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点である場合には、前記交線演算工程においてパッチ境界法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求める第１の算出方法と、
   製作すべき３次元曲面の面法線方向を正しく認識できると判断した場合に、前記第１拘束面設定工程において、該３次元曲面の面法線ベクトルを求めて該３次元曲面から前記加工工具の先端加工部の半球形状の半径と等しい寸法だけ面法線方向へオフセットしたオフセット曲面を第１拘束面に設定するとともに、該第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には、前記交線演算工程において幾何学的交線追跡法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求める第２の算出方法と、
   製作すべき３次元曲面の少なくとも一部が面法線方向を正しく認識することが困難であると判断した場合に、前記第１拘束面設定工程において、該３次元曲面上に所定の間隔で多数の参照点を設定するとともに、該参照点を中心として前記加工工具の先端加工部の半球形状と等しい半径の球を配置し、該３次元曲面から最も離れている球面に基づいて前記第１拘束面を設定するとともに、前記交線演算工程において、予め定められた所定の演算手法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求める第３の算出方法と
   の計３つの算出方法のうちの１つで３次元曲線式を求めるとともに、その算出方法で算出する際に所定のエラーが発生した場合は、該３つの算出方法のうちの残りの算出方法で３次元曲線式を求める
   ことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の工具移動経路データの作成方法。
6. 所定の３次元曲面を加工するために加工工具を被加工物に対して相対移動させるための工具移動経路データを作成する方法であって、
   前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面を該３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定工程と、
   前記加工工具の移動経路を拘束する平面または曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定工程と、
   前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を求める交線演算工程と、
   前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線上において所定の間隔で該第１拘束面のノルマルベクトルを求めるノルマルベクトル演算工程と、
   該ノルマルベクトルの端点を通る滑らかなノルマル曲線を求めるノルマル曲線演算工程と、
   前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線および前記ノルマル曲線に基づいて前記加工工具の姿勢を含んだ工具移動経路データを作成する移動経路データ作成工程と
   を有し、且つ、前記交線演算工程は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるものである
   ことを特徴とする工具移動経路データの作成方法。
7. 所定の３次元曲面を加工するために加工工具を被加工物に対して相対移動させるための工具移動経路データを作成する装置であって、
   前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面を該３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定手段と、
   前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定手段と、
   前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算手段と、
   該交線演算手段によって求められた前記３次元曲線式を含んで工具移動経路データを作成する移動経路データ作成手段と
   を有し、且つ、前記交線演算手段は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるものである
   ことを特徴とする工具移動経路データの作成装置。
8. 被加工物に対して加工工具を相対移動させて所定の３次元曲面を加工する加工方法であって、
   前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面を該３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定工程と、
   前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定工程と、
   前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算工程と、
   該交線演算工程で求められた前記３次元曲線式を用いて工具移動経路を設定する移動経路設定工程と、
   該移動経路設定工程で設定された工具移動経路である前記３次元曲線式が表す３次元曲線上に順次目標位置を設定して前記加工工具を被加工物に対して相対移動させる工具移動工程と
   を有し、且つ、前記交線演算工程は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるものである
   ことを特徴とする加工方法。
9. 被加工物に対して加工工具を相対移動させて所定の３次元曲面を加工する加工システムであって、
   前記３次元曲面を加工するために前記加工工具を拘束する第１拘束面を該３次元曲面に対応させて設定する第１拘束面設定手段と、
   前記加工工具の移動経路を拘束する平面以外の曲面から成る第２拘束面を前記第１拘束面と交わるように設定する第２拘束面設定手段と、
   前記第１拘束面と前記第２拘束面との交線を３次元曲線式として求める交線演算手段と、
   該交線演算手段によって求められた前記３次元曲線式を用いて工具移動経路を設定する移動経路設定手段と、
   該移動経路設定手段により設定された工具移動経路である前記３次元曲線式が表す３次元曲線上に順次目標位置を設定して前記加工工具を被加工物に対して相対移動させる工具移動制御手段と
   を有し、且つ、前記交線演算手段は、前記第１拘束面のエッジと前記第２拘束面との交点が２点以外の場合には幾何学的交線追跡法により該第１拘束面と該第２拘束面との交線の３次元曲線式を求めるものである
   ことを特徴とする加工システム。

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