JP4233147B2 - 工作機械用に適応可能なフィードレートを決定する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的には、ＮＣ（数値制御）加工に関し、より具体的には、ＮＣ加工用に適応送り速度を決定する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
端部フライス盤（end milling）ＮＣ機械のようなＮＣ機械は、コンピュータ・プログラムの指揮の下で、カッター（切削）工具のような工作機械を正確な一続きの工具動作によって動かすコンピュータ制御機械である。米国特許第４，８３３，６１７号には、立体モデリングに基づいた（即ち、形状モデリングに基づいた）ＮＣ機械用に適応送り速度を決定する方法が開示されており、この方法は、もとの被加工品の形状のモデリングのために、手動で作成される入力を用いている。工具の先端の動作が機械座標系で表されているコンピュータ・プログラムと、工具の先端の動作が部分（即ち、カッターの位置）座標系で表されているコンピュータ・プログラムとの間での変換を行うために、必要に応じて座標変換を実施することは、当業者に知られている。同様に、送り速度を用いているコンピュータ・プログラムと、逆時間（inverse-time）送り速度を用いているコンピュータ・プログラムとの間での変換を行うために、必要に応じて変換を実施することは、当業者に知られている。
【０００３】
米国特許第４，８３３，６１７号を適応する際に、本出願人は、重大な非能率及び人の誤りが、ＮＣ機械にかけられるもとの被加工品を正確にモデリングする際の困難さによって引き起こされることを見出した。必要とされていることは、工作機械用に適応送り速度を決定する改善された方法である。
【０００４】
【発明の要約】
本発明の方法は、加工処理のオフライン・コンピュータ・シミュレーションにより、工作機械用に適応送り速度を決定するためのものであり、被加工品は、素材切削プログラム（ストック・カッティング・プログラム）を用いて素材から最初に切削される。この方法は、入力としての素材切削プログラムを用いて、形状モデル化プログラムから初期の被加工品の形状を発生することを含んでいる。この方法は又、工具の経路を従うと共に選択された基準送り速度及び指令に対する切削速度で被加工品を加工するために、一連の切削工具の動作を指定するコード化された指令を有しているＮＣ（数値制御）プログラムを提供することを含んでいる。もう１つの工程は、工具が除去した容積を現在の被加工品の形状から差し引くことにより、処理中の被加工品の形状を立体として連続的にモデル化するＮＣプログラムを入力として用いることを含んでおり、初期の被加工品の形状は、最初に述べた工程から得られる。更なる工程は、個々の工具の動作に対して、材料除去速度、平均切削力及び切削工具の変位を計算することを含んでいる。付加的な工程は、モデル化及び計算に基づいて、工具の動作当たりの調節された送り速度を選択して、切削力及び工具の変位を含んでいる使用者により設定された制約条件を犯すことなく生産性を最適化することを含んでいる。
【０００５】
いくつかの利点及び効果が本発明の方法から導出される。本方法は、形状モデル化プログラムに対する入力として、素材切削プログラムを用いて初期の被加工品の形状を自動的に発生する。このため、初期の被加工品の形状を発生するために形状モデル化プログラムに対する手動で発生された入力を用いる方法よりも、非常に良好な効率及び加工精度をもたらす。
【０００６】
【好ましい実施例の詳細な説明】
本発明の第１の好ましい方法は、いくつかの工程を含んでおり、図１のブロック１１０に「逆送り速度を有する機械座標の第１のＮＣプログラム」と描かれた工程（ａ）から始まる。工程（ａ）は、機械座標系でコード化された指令を有している第１のＮＣ（数値制御）プログラムを提供することを含んでおり、その指令は、逆時間送り速度を含んでいる述語で表されていると共に、工具の進路を追跡し、選択された基準線（基準）逆時間送り速度で被加工品を加工する一連の切削工具の動作を指定し、又、指令による切削速度を指定する。好ましくは、このような第１のＮＣプログラムは、商業的に入手可能な端部フライス削りＮＣプログラムである。「逆時間送り速度」は、軸に沿って知られた並進距離及び／又は軸の周りの知られた角距離の特定な工具の動作を完了させるように工具の先端に対して要求される時間の逆数（例えば、秒数で割られたもの）を意味している。このような第１のＮＣプログラムは、端部フライス盤機械に商業的に利用することができる。
【０００７】
「機械座標系」は、機械に依存する座標系を意味し、座標軸は、直線及び角動作の機械軸に沿って整列している。機械は、１つ若しくはそれ以上の機械軸に沿って直線的に又は１つ若しくはそれ以上の機械軸の周りに角度的に工具を動かしてもよく、又、機械は、もう１つ若しくは他の機械軸に沿って直線的に又はもう１つ若しくは他の機械軸の周りに角度的に被加工品を動かしてもよい。典型的な一般目的の多軸フライス盤機械は、「５軸」機械であり、その機械座標系は、直交する３つの並進（即ち、直線距離関数）軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と、セット（Ａ、Ｂ、Ｃ）から選択される直交する２つの回転（即ち、角度距離関数）軸とを有している。慣習により、軸「Ａ」が「Ｘ」に平行な軸の周りの角距離を示し、軸「Ｂ」が「Ｙ」に平行な軸の周りの角距離を示し、又、軸「Ｃ」が「Ｚ」に平行な軸の周りの角距離を示す。従来のＮＣフライス盤機械には、多くの異なる形態がある。例えば、１つの機械は軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ）を有しているのに対し、もう１つの機械は軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｂ、Ｃ）を有している。他のフライス盤機械は、１つの回転軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｃ）のみを有している等である。同じラベルの軸を有している機械の中にでさえ、変形が存在する。例えば、１つの機械では、「Ａ」軸の回転はカッターを動かし得る。もう１つの機械では、「Ａ」軸は「Ｂ」軸上に維持されており、被加工品を動かす。但し、機械はいかなる機械座標系を有するように設計されていてもよく、又、機械のコード化された指令は絶対又は増加機械レベル座標において与えられ得ることには注目されるべきである。
【０００８】
第１の好ましい方法は又、図１のブロック１１２及び１１４に「第１の座標及び逆送り速度変換」並びに「送り速度を有する部分座標の第２のＮＣプログラム」と描かれている工程（ｂ）を含んでいる。工程（ｂ）は、第１のＮＣプログラムについて、逆時間送り速度の反転及び第１の座標系の変換を実行して、送り速度を含んでいる述語で表された部分座標系のコード化された指令を有している第２のＮＣプログラムを得ることを含んでいる。「送り速度」は、軸に沿った直線距離だけ及び／又は軸の周りの角距離だけ工具の先端を動作させることを含んだ特定の工具の動作を実行させるように工具の先端に要求される速度（例えば、インチ／秒又は度（ラジアン）／秒）を意味する。「逆時間送り速度の反転」は、工具の動作の直線距離又は角距離に逆時間送り速度を掛けて、送り速度を産み出すことである。
【０００９】
「部分座標系」（又はカッター位置座標系）は、いかなるＮＣ機械からも独立した座標系を意味する。部分座標系で記述された工具の先端の動作は、どのようにして特定の機械がこのような動作を実際に達成しなければならないかを考慮せずに工具の先端を動かす。典型的な部分座標系は、６つの軸（ｘ、ｙ、ｚ、ｉ、ｊ、ｋ）で工具の先端の直線及び角動作を記述し、ここで、ｘ、ｙ及びｚは、直線動作に関する３つの直交する軸であり、ｉ、ｊ及びｋは、部分座標系における工具の回転軸の方向余弦であり、工具の先端から工具の軸に沿って上向きに向いている。ｉはｘ軸に沿った方向余弦であり、ｊはｙ軸に沿った方向余弦であり、又、ｋはｚ軸に沿った方向余弦であることに注目すべきである。第１の座標系の変換の例は、以下のように与えられる。ここで、機械座標において、工具は、並進軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）上に維持されており、回転軸（Ａ、Ｂ）上には維持されていない。工具は、Ｚ並進軸に沿って整列している。被加工品は、Ａ回転軸上に維持されているＢ回転軸上に維持されている。工具の先端の部分座標は、当業者によって導出され得るが、次のように与えられる。
ｘ＝ＸｃｏｓＢ−ＹｓｉｎＡｓｉｎＢ＋（Ｚ−ｔ）ｃｏｓＡｓｉｎＢ−ｓｓｉｎＡｓｉｎＢ＋ｖ（ｃｏｓＡ−１）＋ｄ（ｃｏｓＢ−１）＋ｖｓｉｎＢｙ＝ＹｃｏｓＡ＋（Ｚ−ｔ）ｓｉｎＡ＋ｓ（ｃｏｓＡ−１）＋ｖｓｉｎＡｚ＝（Ｚ−ｔ）ｃｏｓＡｃｏｓＢ−ＸｓｉｎＢ−ＹｓｉｎＡｃｏｓＢ−ｓｓｉｎＡｃｏｓＢ＋ｖ（ｃｏｓＡ−１）ｃｏｓＢ−ｄｓｉｎＢ＋ｖ（ｃｏｓＢ−１）
ｉ＝ｃｏｓＡｓｉｎＢｊ＝ｓｉｎＡｋ＝ｃｏｓＡｃｏｓＢここで、「ｔ」は、工具の先端の機械Ｚがゼロからの距離であり、「ｄ」は、Ｂ回転軸のＸオフセット距離であり、「ｖ」は、Ａ及びＢ回転軸のＺオフセット距離であり、「ｓ」は、Ａ回転軸のＹオフセット距離である。第１の好ましい方法は更に、図１のブロック１１６に「調節された送り速度を計算する」と描かれている工程（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）を含んでいる。工程（ｃ）は、入力としての第２のＮＣプログラムを用いて、工具が除去した容積を現在の被加工品の形状から差し引くことにより、処理中の被加工品の形状を立体として連続的にモデル化することを含んでいる。工程（ｄ）は、個々の工具の動作に対して、材料除去速度、平均切削力及び切削工具の変位を計算するすることを含んでいる。工程（ｅ）は、モデル化及び計算に基づいて、工具の動作当たりの調節された送り速度を選択して、切削力及び工具の変位に関する使用者により設定された制約条件を犯すことなく生産性を最適化することを含んでいる。当業者は、工程（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）を詳細に記載した米国特許第４，８３３，６１７号を参照すべきである。
【００１０】
ブロック１１６における調節された送り速度は、適応送り速度であり、適応送り速度は、加工時間を節約することに注目すべきである。このことは、商業用のＮＣプログラミング・システムがＮＣプログラマに送り速度を保守的に指定することを要求していることからも正しく、その結果、工具の動作の所与の収集のための送り速度は、その収集における最悪のケース（例えば、大量の切削）に対処するには遅い。適応送り速度の制御により、工具を各々の切削動作の間に可能な限り迅速に動かすことができる。
【００１１】
好ましくは、第１の好ましい方法は更に、図１のブロック１１８及び１２０に「第２の送り速度変換」及び「調節された逆送り速度を有する修正された第１のＮＣプログラム」と描かれている工程（ｆ）を含んでいる。工程（ｆ）は、第２の送り速度反転を実行して、工作機械に対する入力のための修正された第１のＮＣプログラムを得ることを含んでいる。第２の送り速度反転（即ち、調節された逆送り速度）は、第１のプログラムにおける逆時間送り速度に、第２のＮＣプログラムにおける送り速度に対する調節された送り速度の比を掛けることにより計算され、調節された逆送り速度は、第１のＮＣプログラムを修正する（即ち、更新する）ために用いられる。これらの工程は、３つのファイルの同時読み取りが必要であることに注目すべきである。即ち、工程（ｅ）からの調節された送り速度と、工程（ａ）からの第１のＮＣプログラムと、機械レベル・データにおける指令指令が所与の適応送り速度に一致しているかを同定する工程（ｂ）からの第２のＮＣプログラムとである。長い機械レベルのプログラムは重複したライン番号（自動車の走行距離計がある点でゼロに「重なる（wrap around）」のとほとんど同じほど）を有している場合があるので、正確な一致を成させるために、追加の論理が必要とされるが、このような追加の論理は、当業者のレベルの範囲内にある。
【００１２】
第１の好ましい方法は好ましくは、機械の動作に関する使用者により設定された制約条件を犯さないように特定の機械の動作に対して修正された第１のＮＣプログラムの調節された逆時間送り速度を減少させることを含んでいる。機械の動作に関する使用者により設定された制約条件の例には、工作機械の直線及び／又は角度軸の最大速度に関する使用者により設定された制限がある。
【００１３】
第１の好ましい方法は、次の機械の動作に対して調節された逆時間送り速度が現在の機械の動作に対して調節された逆時間送り速度の所定の部分よりも小さい場合に、現在の機械の動作に対して修正された第１のＮＣプログラムの調節された逆時間送り速度を減少させることを含んでいることが更に好ましい。このことは、２つの連続的な工具の動作の間に直線的及び／又は角度的な工作機械の動作を迅速に減速しなければならないことを回避し、こうして、機械を過剰に圧迫することをできる限り回避すると共に、加工精度の減少を招くプログラムされた工具の先端位置を行き過ぎることをできるだけ回避する。
【００１４】
好ましくは、被加工品は最初に、ワイヤＥＤＭ（電気放電加工）数値制御（ＮＣ）カッティング（切削）・プログラムのような素材切削プログラムを用いて、素材から切削される。例示的な実施例では、第１の好ましい方法は、図１のブロック１２２、１２４及び１２６に「素材切削プログラム」、「形状モデル化プログラム」及び「初期の被加工品の形状」と描かれている工程を含んでいる。この工程は、入力としての素材切削プログラムを用いて、形状モデル化プログラムから初期の被加工品の形状を発生することを含んでいる。好ましくは、形状モデル化プログラムは、商業的に入手可能な（又は他の）形状モデル化プログラムを前処理と共に用いて、当業者のレベルの範囲内にあるように、素材切削プログラムにおける工具の動作を形状モデル化プログラムに対する入力に変換する。このことは、初期の被加工品の形状の自動的で且つより正確な定義をもたらす。初期の被加工品の形状の自動的な定義は、重要な利点をもたらす。この自動的な定義がなければ、使用者は典型的には、初期の被加工品を完全に包絡する通常は長方形ブロックである被加工品形状の「保守的な」モデルを生成する。長方形ブロックは典型的には、初期の被加工品の形状の近似としてはよくない。この保守的な被加工品のモデルが適応送り速度を計算するために用いられると、計算された送り速度は、工具が素材に入り込み、放置するにつれて、必要以上にずっと遅くなる。これは、加工シミュレーションによって、工具が実際には、まだ「空気中」にあるときに金属を除去するのに適当な送り速度が計算されて、迅速な送り速度が用いられてしまうからである。正確な被加工品の形状の自動的モデル化により、工具は、被加工品に接触していないときにはいつでも、迅速な送り速度で動作することができる。加えて、被加工品の形状の自動的生成により、使用者は、手動での努力、及び初期の被加工品の形状の保守的なモデルを生成する際に包含される潜在的エラーから解放される。初期の被加工品の形状が図１のブロック１１６に対する入力であることは注目すべきである。
【００１５】
本発明の方法の第２の好ましい実施例が、図２に一般化されたブロック図形式で示されている。ブロックは、２００番台で番号付けされている。図２における各々の２００番台のブロック（及び関連する工程）は、次の点以外は、前に議論した図１における対応する１００番台のブロック（及び関連する工程）と同一である。異なる点は、図２のブロック２１０において、第１のＮＣプログラムは、図１のブロック１１０におけるような逆送り速度（即ち、逆時間送り速度）の代わりに、送り速度を含んだ述語で表された機械の指令（即ち、機械調整システムでコード化された指令）を有している。図２のブロック２１２では、図１のブロック１１２の逆送り速度変換（即ち、反転）が除かれている。又、図２のブロック２２０では、修正された第１のＮＣプログラムが、図１のブロック１２０の調節された逆時間送り速度の代わりに、調節された送り速度を有している。これらの改変に関して、第２の好ましい方法の工程（ａ）〜工程（ｅ）は、その他の点では、第１の好ましい方法の工程（ａ）〜工程（ｅ）と同一である。工程（ｆ）は、工程（ｅ）から得られた調節された送り速度で第１のＮＣプログラムを修正する。もとの機械の指令が、逆時間送り速度の代わりに、送り速度を含んだ述語で与えられるときに、第２の好ましい方法が好ましい方法になることが、当業者には理解され得るであろう。
【００１６】
本発明の方法の第３の好ましい実施例が、図３に一般化されたブロック図形式で示されている。第３の好ましい方法は、素材切削プログラムを用いて素材から最初に切削される被加工品を加工するのに用いられる工作機械用の適応送り速度を、加工処理のオフライン・コンピュータ・シミュレーションによって、決定するものである。ブロックは、３００番台で番号付けされている。図３における各々の３００番台のブロックは、次の点以外は、前に議論した図１における対応する１００番台のブロックと同一である。異なる点は、用語「ＮＣプログラム」が、図１のブロック１１４で用いられている用語「第２のＮＣプログラム」の代わりに、図３のブロック３１４で用いられている。用語「調節された逆送り速度を有する修正されたＮＣプログラム」が、図１のブロック１２０で用いられている用語「調節された逆送り速度を有する修正された第１のＮＣプログラム」の代わりに、図３のブロック３２０で用いられている。
【００１７】
第３の好ましい方法の基本的な工程は、工程（ａ）〜工程（ｅ）として表される。工程（ａ）は、入力としての素材切削プログラムを用いて、形状モデル化プログラムから初期の被加工品の形状を発生することを含んでいる。第３の好ましい方法の工程（ａ）は、図３のブロック３２２、３２４及び３２６によって図示されており、図１のブロック１２２、１２４及び１２６に関連した前の議論に対応している第１の好ましい方法における工程に関する議論と同じである。工程（ｂ）は、工具の経路を従うと共に選択された基準送り速度及び指令に対する切削速度で被加工品を加工するために、一連の切削工具の動作を指定するコード化された指令を有しているＮＣ（数値制御）プログラムを提供することを含んでいる。第３の好ましい方法の工程（ｂ）は、図３のブロック３１４によって図示されている。第３の好ましい方法の工程（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、図３のブロック３１６によって図示されており、図１のブロック１１６によって図示されている第１の好ましい方法における工程（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）と同一である。ブロック３１６における調節された送り速度が適応送り速度であることは注目されるべきである。第３の好ましい方法の追加的に好ましい工程（ｆ）は、図３のブロック３２０において図示されている。工程（ｆ）は、工程（ｅ）から得られた調節された送り速度で第１のＮＣプログラムを修正する。前に述べたように、好ましくは、被加工品は最初に、ワイヤＥＤＭ（電気放電加工）数値制御（ＮＣ）カッティング（切削）・プログラムである素材切削プログラムを用いて、素材から切削される。
【００１８】
本発明のいくつかの好ましい方法についての以上の記載は、説明の目的で開示された。開示した方法そのものに本発明を限定する意図はなく、上述の教示に照らして、明らかに多くの変形又は改変が可能になるであろう。本発明の要旨は、特許請求の範囲によって指定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 工作機械用に適用可能なフィードレートを決定する第１の好ましい方法であって、もとのＮＣプログラムが機械座標及び逆時間フィードレートにおけるものであるような方法の概略フロー図である。
【図２】 第２の好ましい方法であって、もとのＮＣプログラムが機械座標及びフィードレートにおけるものであるような方法の概略フロー図である。
【図３】 第３の好ましい方法であって、（図１及び図２におけるように）初期の加工品の幾何がストック・カッティング・プログラムを用いた幾何モデリング・プログラムから入力として自動的に求められると共に、もとのＮＣプログラムが部分座標及びフィードレートにおけるものであるような方法の概略フロー図である。

Claims (2)

1. 最初に素材から素材切削プログラム（１２２）を用いて切削される被加工品をさらに加工するのに用いられる、工作機械の適応送り速度を加工処理のオフライン・コンピュータ・シミュレーションにより決定する方法であって、
   （ａ）前記素材切削プログラム（１２２）を入力として用いて、形状モデル化プログラム（１２４）により被加工品の初期形状（１２６）を発生する工程と、
   （ｂ）工具経路に従いつつ選択された基準送り速度及び切削速度で指令ごとに前記被加工品を加工するために、一連の切削工具の動作を指定するコード化された指令を有しているＮＣ（数値制御）プログラム（１１０，１１２，１１４）を提供する工程と、
   （ｃ） 前記ＮＣプログラムを入力として用いつつ、被加工品の現在の形状から工具が除去した容積を差し引くことにより、処理中の被加工品の立体形状を連続的にモデル化する工程であって、被加工品の初期形状は工程（ａ）から得られる工程と、
   （ｄ） 個々の工具の動作に対して、材料除去速度、平均切削力、及び切削工具の変位を計算する工程と、
   （ｅ） 前記モデル化及び計算に基づいて、工具の動作当たりの調節された送り速度を選択して、切削力及び工具の変位を含む使用者により設定された制約条件を犯すことなく被加工品に接触していないときに工具の送り速度を高くして、生産性を最適化する工程と、
   を備えた工作機械の適応送り速度を決定する方法。
2. 前記素材切削プログラムは、ワイヤ放電加工数値制御切削プログラムである請求項１に記載の方法。

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