JPS6364106A - 工具干渉を回避した自由曲面の加工情報生成システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は３次元自由曲面をＮＣマシニングセン〔発明の
概要〕 ３次元自由曲面のデータから数値制御工作機械用の工具
径路データを生成する際に、切削用面素から成る多面体
近似を行い、面素を１つずつ取出して、Ｚ軸に平行な平
面群でサンプリングを行って面素と平面との交線の（Ｘ
、Ｚ）座標でもって工具径路を表現し、一つのサンプリ
ング平面上の交線がＸ座標に関しオーバーラツプし且つ
互に交叉する場合には、各交線を分割し、オーバーラツ
プしないように上位の交線をとって工具干渉を除去する
ことを特徴とし、データの生成効率及びサンプリング精
度を改善し高速処理を可能にしたシステムである。

（従来の技術〕 計算機内部で３次元自由曲面のデータを扱い、これらの
データから最終的な製品又は金型をＮＣ工作機械等で自
動加工するためのＮＧデータ（工具径路データ）を生成
するＣＡＤ／ＣＡＭシステムが実用化されつつある。

工具径路生成の一手法として従来から知れているものに
Ａ　Ｐ　Ｔ　（Ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　Ｐｒｏｇ
ｒａｍｍｅｄ　Ｔｏｏｌｓ）がある、ＡＰＴの主体は英
語に類似した記述様式を持つ多軸輪郭制御用の汎用自動
プログラミング言語である。この言語は、工作物と工具
の幾何学的形状、工作物に対する工具の運動の外、工作
機械の機能、許容誤差、算術計算などに関する命令、定
義を含む。この言語で記述したプログラムを大型コンピ
ュータにかけると、ＮＣテープを出力することができる
。

一方、計算機内で製品外径等の曲面を扱う場合、形状の
制御性が良い（変形や修正が容易）とか計算が容易であ
ると云った設計に好ましい性質を持つＢ６ｚ　ｉ　ｅｒ
式とか９−５ｐｌｉｎｅ式を用いたパラメトリックな表
現形式が良く使われている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

工具径路生成に内在する最も根本的な問題は、加工精度
を考慮したデータ生成の効率の問題及び工具干渉判定の
問題である。

上述のＡＰＴは、ユーザが工具往路を指示（プログラム
）し、その結果自由曲面の切削データが生成されるもの
であって、計算機内で生成された幾何モデルから自動的
に工具径路を生成するものではない０本来ＣＡＤ／ＣＡ
Ｍシステムは、設計時の形状情報を加工へ伝達するから
全体として効率が良くなるのであって、ＡＰＴのように
設計は別に行われ、要求形状を意識しながら加工用の工
具径路をプログラムするのでは効率向上が望めない。

一方、パラメトリックに表現された曲面は、座標系に依
存しないため形状定義には都合が良い。

しかし曲面を切削する工作機械は座標系が決まっている
ため、計算機内で生成した曲面データから加工データ（
工具径路データ）に精度良く変換することができない、
このため加工精度が低下する。

またパラメトリック表現に基いて直接切削加工すると、
工具又は工具ホルダと仕上形状との干渉（衝突）をチェ
ックすることが技術的に困難で、必要部分を切削してし
まう不都合が生じる。

他に知られている多面体近似による曲面表現では、処理
能力を越えるような膨大なデータを扱わないと十分な加
工精度が得られない、従って実用に耐える程の実短時間
での加工データの生成は到底望めない。高速処理を行う
ために曲面表現のデータ数を少な（すると、加工精度が
粗くなり、設計された曲面の公差を満足することができ
な（なる。

本発明は上述の問題にかんがみ、工具の干渉、非干渉を
判定しながら必要な加工精度を満足する工具径路データ
を高速で生成させることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は３次元自由曲面を表現したデータを加工してＮ
Ｇミーリングマシンのような少なくとも３軸制御の数値
制御工作機械用の工具径路データを生成するシステムで
ある。

自由曲面を切削用面素に分割し且つ工具の形状に応じて
自由曲面からオフセットさせたオフセット多面体を生成
する手段を備える。

上記各面素ごとに、面素と、３軸の一つ（Ｚ軸）に平行
でＹ軸方向に所定間隔の平面群との交線上に工具径路を
設定するために、上記各平面上におてる各交線の始端及
び終端の直交座標値（Ｘ、Ｚ）を算出して記憶する手段
を備える。

上記平面群の一つに属する二つの交線がＸ座標に関しオ
ーバーラツプし且つ交叉する場合に、各交線の端点及び
交叉点のＸ座標に基いて複数の交線に分割し、Ｚ軸に関
し最上位でＸ軸に関し互いにオーバーラツプしない交線
群を選択する手段を備える。

上記平面群の一つに属する複数の交線がＸ座標に関しオ
ーバーラツプする場合に、そのうちのＺ座標が最大のも
のを選択する手段を備える。

更に、上記選択された交線に沿った工具径路データを生
成する手段とを具備する。

〔作用〕

直交座標系（ＸＹＺ軸）を持つ３軸制御の数値制御工作
機械に最も通した工具径路生成システムであり、直交座
標系において工具干渉除去処理を高速に実行する。

オフセット多面体を生成する処理と工具径路をオフセッ
ト多面体から求める処理とを分離させてあり、工具径路
は直交座標系で求められるが、オフセット多面体の生成
はＢ５ｚｉｅｒ曲面、Ｂ　−５ｐｌｉｎｓ曲面、Ｃｏｏ
ｎｓ曲面等の幾何曲面の表現形式に基（ことができる。

従って曲面表現のデータ構造に依存せずに、多種多様な
曲面の加工が可能となる。

また加工物が複数の曲面で構成されていても、単一の曲
面と同様に扱うことができる。

またオフセット多面体を構成する面素の１つごとに工具
干渉の除去処理を一回だけ行い、重複した演算処理が生
じないから、効率よく、高速に工具径路データが生成さ
れる。

工具径路は、オフセット多面体を多数の平行なサンプリ
ング平面で切断して得た線分群のデータで表現され、工
具干渉の除去処理は、線分群が交叉するときに、線分を
分割してそのうちのオーバーラツプのない上位の線分を
選択することがで達成される。よって処理アルゴリズム
が簡単で扱うデータ量が少ないにもかかわらず、高精度
の加工データが得られる。

〔実施例〕

〈Ｇ１　ニジステム全体の構成〉 第１図に実施例のＣＡＤ／ＣＡＭシステムの全体構成を
示す、第１図において自由曲面生成処理システム１は、
ＣＡＤに相当する部分で、目的物の３次元自由曲面を表
現する幾何モデルの形状データをオペレータの入力操作
に基いて生成し、ファイルに蓄積する。目的物は機械加
工部品やモールド金型である。

作成された形状データは、自由曲面切削用工具径路生成
システム２において加工データ、即ち切削工具の移動径
路を決定するデータに変換される。

加工データはフロッピーディスクに落とされ、ＮＣミー
リングマシン３　（ＮＣフライス盤又はマシニングセン
タ）にフロッピーディスクを装着することにより、自動
加工が行われる。

自由曲面生成処理システム１及び自由曲面切削用工具径
路システム２の実体はコンピュータであり、ユーザイン
ターフェイスのために、キーボードやディジタイザ等の
入力装置４及びＣＲＴ等のディスプレイ装置５が付属し
ている。

工具径路生成システム２は、 （１）、自由曲面の形状精度 （２）、自由曲面の表面粗度（表面あらさ）（３）、工
具干渉チェック を考慮し且つ高速に加工データを生成するように工夫さ
れたアルゴリズムで動作する。

〈Ｇ２　：工具径路生成システムの構成〉第２図に示す
ように、工具径路生成システムは順次又は平行して起動
される複数のプログラムモジュールを含む。各プログラ
ムモジュールは専用のデータプロセッサと考えることが
できるので、以下プロセッサと称する。

まず予備処理段階で起動されるのが、精度決定プリプロ
セッサ２１及び面粗度決定プリプロセッサ２２である。

精度決定プリプロセッサ２１は、目的加工物に対して指
定された公差に基いて、ＣＡＤ段階で生成された幾何モ
デルの曲面を多数の四辺形（又は三角形）に分割してす
るための分割細度を決定する。この多面体分割により、
公差内で近似された切削形状（切削モデル）を生成する
ことができる。公差を考慮した多面体近似により、必要
以上に高精度でなくしかも設計仕様を満足する切削加工
を実行するための最適工具径路を決定することができる
。

幾何曲面の曲率半径ρとその中心から近似多面体までの
距離との誤差をδとするとき、式によるδが指定交差内
となるように近似多面体の個々の一辺の大きさｌ、つり
幾何モデル曲面上のサンプリング巾を定めるのが仕上げ
精度プリプロセッサ２１である。

工具径路は生成された多面体上に設定される。

つまり工具は空間内の点から点へ微細に直線運動しなが
ら曲面を切削する。このような切削加工は通常の３軸制
′４１１ＮＣミーリングマシンで実現できる。

なお実際の工具径路は、加工面に対して工具の刃先から
工具中心（工具移動の指令位置）までオフセットした仮
想のオフセット多面体上に設定される。

次に面粗度決定プリプロセッサ２２は、目的加工物に対
して指定された表面あらさに基いて、工具の送り巾（送
りピッチ）を決定する。一般に工具送り巾が狭ければ、
表面はよりなめらかに切削される。しかし工具送り巾を
１／２にすれば、工具径路を規定するデータ量は２倍に
なる。従って最小の工具径路データで所要の仕上げ表面
あらさを得るために、工具送り巾は最適に設定されなけ
ればならない０面粗度決定プリプロセッサ２２では、与
えられた表面あらさを満足する工具送り巾を算出するた
めのアルゴリズムを含む。

ボールエンドミル（半径Ｒ）を切削工具として使用する
場合、面粗度決定プリプロセッサ２２は、加工面上の削
り残し量の高さＨが指定表面あらさを満足するように、
式 ％式％ を用いて工具送り巾Δを決定する。

これらの精度決定プリプロセッサ２１及び面粗度決定プ
リプロセッサ２２によって得られたオフセット多面体の
分割細度及び工具送りピッチのデータは、荒削り用プロ
セッサ２３及び仕上削り用プロセッサ２４から成る工具
径路生成プロセッサに渡され、これらに基いて幾何モデ
ルの曲面データが順次処理されて、工具径路データが最
終的に生成される。なお荒削りと仕上げ削りとは、工具
の大きさと送り巾及び仕上代の有無が夫々異なるのみで
、データ処理アルゴリズムは同一と考えてよい、また荒
削りプロセスにおいては、公差及び面粗度について考慮
しなくてよい。

これらの工具径路生成のプロセッサ２３．２４の最も重
要な機能は工具干渉を回避した工具径路を決定すること
である。工具干渉は工具外径が大きい荒削りプロセスで
最も生じ易い、更に、工具径路生成アルゴリズムを工夫
することにより、これらのプロセッサ２３．２４におい
て高速に工具径路を生成することができるようになって
いる。

生成された工具径路データは、荒削り及び仕上げ削りの
順にフロッピーディスク等を媒体として第１図のＮＣミ
ーリングマシン３に渡され、ブロック素材に対してミー
リング（フライス）切削加工が実行される。

なお第２図に示す工具径路生成システムには、パラメー
タ切削用プロセッサ２５が付属していて、パラメータ表
現の原曲面形状データに基いて直接に切削加工すること
も可能になっている。このプロセッサ２５では工具干渉
チェックを行わないが、干渉が生じないと予測できる曲
面については、曲面形状に応じてパラメータ切削を選択
することができる。

更に工具径路生成システムは、工具径路表示プロセッサ
２６及び干渉箇所表示プロセッサ２７を含む。これらの
プロセッサによる３次元画像表示により、工具径路や工
具干渉を視覚で認識することができる。

工具径路生成システムの各プロセッサ又はプリプロセッ
サは、ユーザインターフェイスモジュール２８を通じて
入出力機器とデータの出し入れを行うことができる。キ
ーボードやディスプレイ、ＸＹプロフタ等の入出力機器
を使用して、オペレータは各プロセッサを動作させ、処
理結果を得ることができる。

第３図に第２図の工具径路生成システムの処理フローチ
ャートを示す、まず曲面データを計算機ファイルから読
込む（入力ＰＩ）。次に曲面データを表示してデータを
確認する（表示Ｐ２）。次に荒削り用プロセスに進み、
荒削り用工具径路を生成させる。荒削りプロセスではま
ず仕上代と工具径を指定する（操作Ｐ３）。これらの指
定値と曲面データとに基いて、工具干渉を回避した工具
径路を荒削り用プロセッサ２３（ルーチンＰ４）で生成
する。これにより生成されたデータにより、荒削り用工
具径路、切削開始点、切削終了点を表示する（表示Ｐ５
）、このとき不可避の工具干渉箇所があったならばこれ
を表示する（表示Ｐ６）。

工具干渉が生じた場合（判断Ｐ７）、工具径を変更する
ために操作Ｐ３に戻り、再度工具径路の生成を実行する
。

判断Ｐ７で工具干渉が無いと判定されると、次の仕上げ
削りプロセスに進む。このプロセスでは、まず仕上げ工
具径を指定する（操作Ｐ８）、更に登録されている一般
公差テーブルの公差等級（許容公差）を指定する（操作
Ｐ９）。次に仕上げ精度決定のプリプロセッサ２１　（
ルーチンＰ１０）を起動し、指定された公差テーブルと
切削寸法との照合により、仕上げ精度（オフセット多面
体への分割細度）を決定する。更に設計図面に指定され
た面粗度値を入力する（操作ｐＨ）。この面粗度指定値
により、工具送り巾が仕上げ面粗度決定プリプロセッサ
２２（ルーチンＰ１２）によって決定される。

次に許容公差及び指定面粗度により決定された多面体の
分割細度及び工具送り巾のデータに基いて、仕上削り用
プロセッサ２４（ルーチンＰ１３）を起動させ、仕上削
り用工具径路を生成させる。

生成された工具径路データにより、仕上削り用工具径路
を表示させると共に、工具干渉箇所を表示させる（表示
Ｐ１４、ＰＩ３）。工具干渉が生じていたならば、判断
Ｐ１６から操作Ｐ８に戻り、部分的に仕上げ工具径路を
変更し、再度工具径路を生成させる。この工具変更によ
り干渉が除去されれば、生成した工具径路データをファ
イルに書込んで一連の処理が終了する。

くＧ、：工具径路生成プロセスの基本概念〉荒削り用プ
ロセッサ２３及び仕上削り用プロセッサ２４から成る工
具径路生成プロセスは、基本的には幾何モデルの曲面デ
ータからオフセット多面体を生成し、この多面体から工
具干渉の無い工具径路データを高速に生成する手順であ
る。

第４図のようにボールエンドミルｌＯで自由曲面Ｓの点
Ａを切削する場合、点Ａは自由曲面とボールエンドミル
の刃面との接点となる。この場合、ボールエンドミル１
０の球部の中心０と点Ａを結ぶベクトルＡＯは自由曲面
の点Ａにおける法線ベクトルになる。このベクトルをオ
フセットベクトルと称する。

一般には曲面上にある点におけるオフセットベクトルと
は、その点を始点とし、その点を切削するために工具を
接触させたとき、工具内に定めた基準点が終点となるベ
クトルでしる。ベクトルＦは一般に法線ベクトルｎの関
数Ｆ　（ｎ）である。

ボールエンドミルの場合、Ｆ　（ｎ）＝ｒｎ　（ｒは球
面部の半径）となる。

自由曲面上の総ての点においてオフセットベクトルを考
えると、その終点は一つの曲面を形成する。この曲面を
オフセット曲面と称すと、明らかに工具中心がオフセッ
ト曲面上にあるように工具を移動させれば、目的の自由
曲面を加工することができる。

オフセット曲面を基に工具径路を生成する最も単純な手
法は、自由曲面上で切削される点の列を考え、各点にお
けるオフセットベクトルの終端点を列を工具径路とする
手法である。この手法は主にパラメトリックな式で表現
された自由曲面に対して用いられている。

例えば、第５図のようなパラメトリック表現の自由曲面
を考える０曲面上の点の位Ｗ　Ｐ　（Ｘ　％　ｔ、２）
は、 ｘｘｆ、（ｕ、■） ｙ　＝　’ｚ　　（ｕ、　ｖ） ｚ　＝　ｆ　３　　（ｕ、　ｖ） によってパラメータｕ、ｖの期間として与えられる、こ
のような曲面では、ｕ、ｖを与えると、曲面上の点及び
法線方向が容易に求められるので、ｕ、ｖを変化させる
ことにより、第６図に示すように点列（Ａ）を作り、こ
れに対応する工具中心の点列（Ｏ）を工具径路として得
ることができる。

別の手法として、第７図に示すように、自由曲面からそ
れに対応するオフセット曲面を生成し、オフセット曲面
上の点をパラメトリックに指定することにより工具径路
を生成する手法もある。例えば、自由曲面が次の式で表
わされている場合、Ｘ”ｇｌ（ｕ、Ｖ）”Ｃｌ１ｕ’　
＋Ｃ１ｚｕ”　ｖ＋ｃ、、ｕｖ”　　　＋ｃ、　４　ｖ
’　　　＋ｃＢｕ”　　　＋ｃ、、ｕｖ＋ｃＩ、ｖ”　
＋Ｃ１，ｕ＋Ｃ，ｑＶ＋Ｃ，４）’”ｇｚ（ｕ、ｖ）＝
Ｃ２１ｕ３＋Ｃ２ｚｕ”　Ｖ＋Ｃｚ３ｕｖ！　＋ｃ、４
ｖ３＋Ｃ，％ｕ”　＋ｃ、、ｕｖ＋Ｃ２ｙＶ”　＋Ｃ２
１ｕ＋ＣｔｑＶ＋ｃｚａ””ｇｌ（ｕ、Ｖ）”Ｃ３１ｕ
’　＋Ｃ３ｚｕ”　Ｖ＋ｃ、３ｕｖ”　　＋Ｃ３，Ｖ３
　＋Ｃ３５ｕ”　　＋ｃ３４ｕｖ＋ＣＢＶ”　＋ｃ３．
Ｉｕ＋Ｃ３，Ｖ＋Ｃ，。

自由曲面点１０の点Ｐ、〜Ｐ１゜でのオフセットベクト
ルを考え、その終点Ｑ、−Ｑ、。を通る曲面としてオフ
セット曲面を求めることができる。このオフセット曲面
において、パラメータＵ′、Ｖ′を変化させることによ
り工具径路を生成することができる。

上述の工具径路の生成手法では工具干渉が考慮されてい
ない０例えば第８図ａＳｂに示すようにＡの部分を切削
しようとすると、その近傍の必要部分が削り取られてし
まう、これは工具形状に起因する工具干渉である。或い
は第９図に示すように、ボールエンドミルの角度を変え
ない限り、工具干渉を回避してＡ部を削ることができな
い場合も生じる。これは加工軸の設定条件に起因する工
具干渉である。

工具干渉を発見するには、ボールエンドミルと目的の自
由曲面との交点を求める計算を行えばよいが、ある程度
の精度を得るためには多大の計算時間を必要とするため
、実際には工具干渉が起きないように人間が確認しなが
ら工具径路を生成させている。

このような工具干渉問題を解決するために、第１０図の
ようなＺ軸方向の検定法を用いることができる。この方
法では、ボールエンドミルの軸をＺ軸方向にとり、Ｚ軸
と平行な直線ｌを考え、これとオフセット曲面の交点を
求める。工具干渉が生じている場合には、図のようにオ
フセット曲面上の工具径路がループを描くので、一本の
直線ｌに対し複数個の交点Ｈ，，Ｈ２、Ｈ３が求まる。

これらの交点のＺ軸方向の値（高さ）に関し最も大きい
値を持つ点Ｈ，が、工具干渉を回避したオフセット面上
の点となる。このようなオフセット曲面は直線ｉのｘ、
ｙ座標と交点の２座標とで表現される。

〈Ｇ４　：工具径路生成プロセスの具体例〉上述の原理
に基いた具体的な工具径路生成プロセスは、基本的に次
のステップより成る。

第１ステップ：自由曲面からオフセット多面体を生成す
る。

第２ステップ：ＸＹ千画面上点におけるオフセット曲面
の最高位置を求める。

第２ステツプのアルゴリズムとして、Ｘ軸に平行な走査
線に沿って引かれたオフセット面上の線分（セグメント
）に関しＺ軸の計算を行う「セグメント高さ法」を以下
に詳述する。

このアルゴリズムは、基本的にはオフセット曲面の外包
面を求める問題の解法を与えるものである。

すなわち第１１図に示すように、オーバーラツプするオ
フセット曲面１．２のうちＺ軸方向の上位の面に干渉の
無い工具径路が存在する。

第１２図にセグメント高さ法の特徴を示す、この手法で
は、オフセット面の標本化を例えばＹ軸に沿った一方向
だけとすることにより、高い精度で工具径路を生成し得
るようにしている。即ち、線でのサンプリングを行って
いる。っまりｙ座標が（ｙｊ）の等間隔の各位置にてサ
ンプリングを行うことにする。各位置で平面ｙ＝ｙ＝を
考え、この平面に沿ってオフセット多面体の断面をとっ
たときの交線に対応する線分群を求める。

線分群の夫々は、オフセット多面体を成す四角形の各辺
と平面？””）Ｉｊとの交点を順に結ぶことによって得
られる。

次に、このようにして得られた線分群に基いて、第１３
図に示すようにＺ軸方向の最大高さを持つ線分群を生成
することにより、工具干渉のない工具径路が得られる。

第１４図にセグメント高さ法の処理手順を示す。

ステップ１　（第１５図） 幾何モデル曲面上の格子点での法線ベクトルｎを求める
。各格子点（サンプル点）は、既述の精度決定プリプロ
セッサ２１の結果（サンプリング間隔１）を基に、要求
公差を満足するように曲面上に格子状に配置することに
よって得られる。格子間隔、即ち多面体への分割細度は
、その曲面ごとの曲率及び指定された公差等級で定まる
。

なお第１５図は幾何モデルを構成する面素の一枚（バッ
チ）を示し、これは１６個の制御点によりパラメトリッ
クに表現されている。このパッチを格子状に細分する際
に精度決定プリプロセッサ２１による結果を用いて、最
終仕上げ形状が公差内に入るような分割を行っている。

ステップ２（第Ｌｍ 各点での法線ベクトルｎからオフセットベクトルＦを求
める。関数Ｆ　（ｎ）は工具形状により決定する。

ステップ３（１７”） オフセットベクトルの終点で定まるオフセット曲面上の
各四辺形を二つに分割し、四角形を面素とするオフセッ
ト多面体を得る。なお四角形は平面を成さないので正確
にはオフセット多面体は生成されない。

ステップ４（１８−） Ｙ軸方向の各サンプリング位置ｙ、に対応するオフセッ
ト面上の線分群を格納するメモリ配列を準備する。一つ
の線分は始端の座標値（ＸｔいＺｉｉ）及び終端の座標
値（Ｘ５０、ｚｌ、）で表される。

なおサンプリング間隔は、既述の面粗度決定プリプロセ
ッサ２２によって図面指定の表面あらさを満足するよう
に計算された工具送り幅Δに等しいか、又はそれ以下と
する。

ステップ５（１９゛） オフセット面上の格子から一つの四辺形要素を取出し、
ｙ座標の最小値７　ｓｉｎ及び最大値ｙ、、□を求める
。

ステップ６（２Ｏ−） ）’　ｓｉｎ〜７　ｍ、ｔの区間に入るｙｔについて、
平面ｙ−ｙｔと四辺形との交点（２つ）を求め、ｙｌご
とにメモリ配列に交点の座標（ＸｚいＺｔ−）　　（ｘ
ｉｌ、ｚｉ、）を書込む、これを総ての四辺形について
繰返す。

ステップ７（２１”、第２２゛） ｙｉごとに線分群のデータを用いて、Ｚ軸方向の最上位
の線分データに変換する。即ち、ｙｉについて第２１図
のようにＺ軸方向に重なりが生じている複数の線分群が
得られている場合、第２２図のように最上位の線分群以
外を消去して新たな線分群データを生成する。得られた
線分群のデータは、工具干渉を回避した工具径路を表す
。

ステップ８（第２３′） このようにして得られた第１８図のメモリ配列内の線分
群の座標データでもって工具径路を定めることができる
。例えば第２３図に示すようにＸ軸方向に連続的に工具
を等速スキャンさせながら、Ｚ軸方向の工具高さが各線
分と一致するようにＺ軸制御を行う、Ｙ軸方向には工具
をピッチΔずつステップ移動さセる。加工時間を短縮す
るためにＸ軸の工具移動は往復で行うのがよい。

セグメント高さ法の　１演　アルゴリズム次に第１４図
のステップ７　（第２２図）で必要な演算処理を高速化
する手法について説明する。

このステップ７で行われる演算はＺ軸に関し最上位の線
分群を生成する過程であり、最も時間がかかる処理であ
る。演算処理は第２４図ａ、ｂの二タイプ及びその組合
せから成る線分の位置関係について行う。タイプａは二
つの線分のオーバーラップであり、タイプｂは二つの線
分のクロスである。何れの場合も点線部分を消去するた
めに線分の再定義を行う。

タイプａでは、線分Ｐ、Ｐ、とＱ＋　Ｑｔとが重なって
いる０点Ｐｌが線分ＱＩＱｔより上方にある場合、直線
ｘ−ＰＩＸと線分ＱＩ　Ｑ２との交点Ｐ、′を求め、Ｚ
軸に関してより上方にある線分Ｐ１　Ｐｚ、とＱ、Ｐ、
’をオーバーラツプの無い線分として得る。

タイプｂでは、線分Ｐ、Ｐ２とＱ、Ｑ！とが交わるので
、まず交点Ｒ１を求める。これにより生成された４つの
線分のうちＺ軸に関し上方にあるものを選択して、クロ
スの無い二つの線分Ｐ、　Ｒｚ、ＲｒＱｘを得る。

第２５図にステップ７の処理手順の詳細を示す。

ステップ６では、オフセット面を表わす線分群の端点が
ｙＪごとに求められた順序でメモリ配列に蓄えられてい
る。各線分をＰ　ｉｓＰ　ｔａ　（ｔ　＝　１．２・・
・・−・・・−・・・・・−・ｎ、ｓは始端、ｅは終端
を夫々表す）とすると、メモリ内の各端点の座標データ
は、Ｐ　、、＝　（ｘ、イ２　ｔａ） Ｐ　ｉ、＝　（ＸｉいＺｉＪ となっている。

ステップ７−１ ＸｉｓくＸｉｅとなるようにｘｉｓとＸｉｓとを交換す
る。つまり始端から終端への方向がＸ軸の負方向を向い
ている線分については、ｘｉ、＜ｘｉ、であるから、始
端と終端のＸ座標のみを交換して全線分がＸ軸の正方向
を向くようにオリエンテーションを行う、２座標は変化
しないので、各線分の高さ、つまり工具径路自体は変化
しない。オリエンテーションの目的は工具径路をＸ軸の
一方方向に限定するためである。

ステップ７−２ 各線分ｐ、、Ｐ、、をＸｉ、（始端座標）の小さい順に
ソーティング（並び変え）する。このソーティングによ
り、線分群がどのような順序でサンプリングされていて
も、Ｘ座標が増加する順序で線分群が再配列され、その
順序で工具径路が生成される。

ステップ７−３ １及びｔ＋１番目の隣接した線分ＰｉｓＰｉ。、Ｐい１
．ｓ　Ｐｉ＊Ｉ＋ａ　　取出す。

■　Ｘ　ｉｓ　−Ｘ　ｉ＋Ｉ＋　ｓの場合（第２６図）
隣接した二つの線分の終端と始端とのＸ座標が一致して
いる場合、工具干渉がないので、ｉを１つ増やし、新た
に二つの線分を取出す。

■　ｘ、、＜ｘｉ、１１の場合（第２７図）前の線分の
終端と後の線分の始端とのＸ座標が離れている場合には
、予め決められたｚｌ、７の高さを持つ線分Ｑ、Ｑ、を
ＰｉｌＰｉ＊の後に挿入する。挿入によりＱＩＱｚが新
たにＰ　ｉ、、＋　ｌ　Ｐ　ｉ＊１＋　＠となり、それ
以降の添字が１ずつシフトされる。

更にｉを＋１進め、次の処理を行う、なおメモリ内でデ
ータの挿入、移動を容易にするために、実際にはポイン
タ構造により線分の配列及びデータ管理を行っている。

■　Ｘ　、１１　〉Ｘ　ｉ　＋　Ｉｎ　％の場合（第２
８図）前の線分の終端が後の線分の始端よりもＸ軸に関
し後方にある場合には、線分どうしのオーバーラツプが
あり、工具干渉が生じている。この場合には、第２８図
のように２つの線分を最大４つの区間■〜■に分割する
。

（ａ）、ｘｉ、≠Ｐｉ０．＋１の場合、区間■が存在す
る。

（ｂ）、線分ＰｉｓＰ五＊とＰ　ｉ＋ｌ＋　ｓ　Ｐ　（
＋１＋　＠　とが交叉する場合には、交点Ｒ８が存在し
、区間■と■が出来る。交叉しない場合には、■、■は
１つの区間となる。

（Ｃ）　、”　ｉｌ　＃ｘｉ＊Ｌ＋　＠の場合、区間■
が存在する。

次に区間■、■において、Ｚ軸の上方にある線分を選択
する。更に元の線分Ｐｉ、Ｐ３．とＰｉ４１＋ｓＰ　ｉ
ｓ１＋６をデータから削除し、新しく得られた４つの線
分Ｓ　Ｉ”　Ｓ　ｖ＋をＸｌｓ≠Ｘ、、、、、の区間に
挿入する。

上記ステップ７−３はｉ−ｎとなるまで繰返される。た
だし処理中にｎ（総数）の値は変化する。

以上の処理により、工具干渉の発生部分を検知して干渉
を排除することができる。なお干渉のない部分では、単
に第２５図の■又は■の処理を通るループを回るので非
常に高速の処理が可能である。

以上のように対しセグメント高さ法では、第２９図にそ
の概要を示すように、オ、フセット多面体から１つの四
辺形を取出し、平面ｙｊでサンプリングして、ｙ、に対
応したメモリ領域に一旦総ての線分データを格納し、こ
のデータに基いて工具干渉を取除く演算を行う。線分デ
ータは適当な順序でメモリに格納されるので、既述のよ
うにＸ座標についてソーティングを行う必要がある。し
かしセグメント高さ法では線分の両端の座標データのみ
を扱うので、メモリ領域も小さくてよい、従ってセグメ
ント高さ法は、より工具径路生成の効率が良く、小容量
のデータプロセッサで高精度の工具径路生成が可能であ
る。

第３０図にセグメント高さ法による工具径路生成システ
ムをブロック図で示す、各ブロックは以下のプログラム
モジュールに対応する。

ＩＶＩＤＥ Ｂ６ｚｉｅｒ曲面からオフセット多面体を生成する（な
お面素は四辺形で平面ではない）。

並Ｕ 境界において、位置、接平面が不連続な部分を補うオフ
セット多面体を生成する。

ＬＩＣＥ オフセット多面体をＹ軸と直交した平面で切断し、線分
群を生成する。

ＰＶＥＣＴ 工具干渉を除去する演算を行う。

ＲＰＡＴＨ 計算誤差等により生じる誤った線分データを除去する。

また平行で継かった線分の統合等の無駄なデータの除去
を行う。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように、幾何曲面をオフセット多面体で
近似する処理と、オフセット多面体から工具径路を生成
する処理とを分離しているので、種々の表現形式の幾何
曲面から直接に直交３軸の工具径路データを生成できる
。

オフセット多面体を構成する面素の１つごとに工具干渉
の除去処理を一回だけ行い、重複した演算処理が生じ無
いから、工具径路生成の効率がよく、高速処理が可能で
ある。

工具径路は、サンプリング平面ごとにオフセット多面体
を切断した線分群データ（直線の両端座標）で表現され
るので、サンプリングに伴なう精度劣化が無く、またデ
ータを扱うプロセッサが小規模でよ（、極めて実用的な
自動加ニジステムが得られる。

工具干渉の除去処理は、線分群が交叉するときに、線分
を分割してオーバーラップのない上位の線分を選択する
ことで達成される。よって処理アルゴリズムが簡単で扱
うデータ量が少ないにもかかわらず、高精度の加工デー
タが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の工具径路生成システムの実施例を示す
ＣＡＤ／ＣＡＭシステムの全体構成のブロック図、第２
図は工具径路生成システムのブロック図、第３図は工具
径路生成システムのデータ処理手順のフローチャートで
ある。 第４図は自由曲面とオフセット曲面との関係を示す線図
、第５図はパラメトリック表現の自由曲面を示す線図、
第６図は自由曲面から工具径路を生成する一方法を示す
線図、第７図はオフセフ）曲面から工具径路を生成する
一方法を示す線図、第８図は工具形状に起因する工具干
渉を示す断面図、第９図は加工軸の設定条件に起因する
工具干渉を示す断面図、第１０図は工具干渉検定法を示
す断面図である。 第１１図は工具干渉を回避したオフセフ）曲面の外包面
を示す線図、第１２図はセグメント高さ法の原理を示す
線図、第１３図は工具干渉を除去した線分群の線図、第
１４図はセグメント高さ法の処理手順を示すフローチャ
ートである。 第１５図は第１４図のフローチャートのステップ１に対
応した幾何曲面の線図、第１６図はステップ２に対応し
たオフセットベクトルの線図、第１７図はステップ３に
対応したオフセット多面体の線図、第１８図はステップ
４に対応したサンプリング位置とデータメモリ配列を示
す線図、第１９図はステップ５に対応したオフセット多
面体の四辺形面素を示す線図、第２０図はステップ６に
対応したセグメントサンプリングの線図、第２１図はス
テップ７に対応した線分群の位置を示す線図、第２２図
はステップ７に対応した工具干渉除去処理を行った線分
群の線図、第２３図はステップ８に対応した工具径路の
線図である。 第２４図ａ、ｂはセグメント高さ法において線分のオー
バーラツプ及びクロスを示す線図、第２５図は第３３図
のステップ７の処理手順の詳細を示すフローチャート、
第２６図〜第２８図は二つの隣接する線分の位置関係の
種々のＢ様を示す線図である。 第２９図はセグメント高さ法の処理手順の概要を示す線
図、第３０図は工具径路生成システムのブロック図であ
る。 なお、図面に用いた符号において、 １−−−−−−−・・・・・−・・−自由曲面生成処理
システム２〜・・〜・−一−−−・・・・−・−・自由
曲面切削用工具径路生成システム ３−・−・−・・・・・・−・−・−・−ＮＣミーリン
グマシン４・・・−・−−−一−−・−・−人力装置５
・・・・〜・・・・・・−・−・ディスプレイ２１・−
・−・・−・・・・・−精度決定プリプロセッサ２２・
−・−・・・−・−・面粗度決定プリプロセッサ２３・
・−・〜・・−・・−荒削り用プロセッサ２４・・−・
・−・・−仕上げ削り用プロセッサである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ３次元自由曲面を表現したデータを加工して少なくとも
   ３軸制御の数値制御工作機械用の工具径路データを生成
   するシステムであって、 自由曲面を切削用面素に分割し且つ工具の形状に応じて
   自由曲面からオフセットさせたオフセット多面体を生成
   する手段と、 上記各面素ごとに、面素と、３軸の一つ（Ｚ軸）に平行
   でＹ軸方向に所定間隔の平面群との交線上に工具径路を
   設定するために、上記各平面上における各交線の始端及
   び終端の直交座標値（Ｘ、Ｚ）を算出して記憶する手段
   と、 上記平面群の一つに属する二つの交線がＸ座標に関しオ
   ーバーラップし且つ交叉する場合に、各交線の端点及び
   交叉点のＸ座標に基いて複数の交線に分割し、Ｚ軸に関
   し最上位でＸ軸に関し互いにオーバーラップしない交線
   群を選択する手段と、上記選択された交線に沿った工具
   径路データを生成する手段とを具備する工具干渉を回避
   した自由曲面の加工情報生成システム。