專利名稱：工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法、生成裝置、加工方法及加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于加工三維曲面的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法、其生成裝置、加工方法及加工系統(tǒng)，特別是涉及根據(jù)所制作的三維曲面的形狀來設(shè)定適當?shù)墓ぞ咭苿勇窂降募夹g(shù)。
背景技術(shù)：
一般來說，采用進行切削加工及磨削加工的加工工具、例如球頭立銑刀等旋轉(zhuǎn)切削工具，廣泛進行金屬模等的三維曲面的加工，而其加工方法由例如日本特開平5-346814號公報所記載的下述步驟構(gòu)成，這些步驟是(a)根據(jù)三維曲面設(shè)定對用于加工三維曲面的加工工具進行約束的工具約束曲面的步驟；(b)與前述工具約束曲面相交地設(shè)定用于約束前述加工工具移動路徑的路徑約束平面的步驟；(c)以前述工具約束曲面與路徑約束平面的交線形成工具移動路徑的步驟；(d)根據(jù)該工具移動路徑使加工工具作相對移動的步驟。圖38是這一加工方法的一個例子的說明圖，圖中，借助于CAM裝置等NC數(shù)據(jù)生成裝置10，求出工具約束曲面12與路徑約束平面14的交線16，以此作為三維曲線式，以該曲線式構(gòu)成NC數(shù)據(jù)(工具移動路徑數(shù)據(jù))，并將其供給NC工作機18，由此，使旋轉(zhuǎn)加工工具20沿著該三維曲線移動，得到以此為目的的三維曲面22。工具約束曲面12是旋轉(zhuǎn)加工工具(球頭立銑刀)20的半徑尺寸(尖端曲率半徑)從要制作的三維曲面22向面法線方向偏移的曲面，工具移動路徑表示的是工具中心(尖端球中心)的移動路徑。
但是，在上述以往的方法中，不能對要制作的三維曲面設(shè)定出所必須的適當?shù)墓ぞ咭苿勇窂剑荒艿玫礁叩募庸ば?，?dǎo)致工具方向急劇變化、加工精度劣化等問題發(fā)生。例如，在加工圖9所示的三維曲面的場合，希望讓工具沿著圖(a)中虛線所示的三維曲面的彎曲度平滑地移動(按照形狀移動)，但是，在把工具移動路徑約束在平面內(nèi)的以往的方法中，工具移動路徑的設(shè)定受到了如圖(b)虛線所示的限制，有急劇的方向變化；另外，在加工

圖10所示的圓錐形狀的場合，希望工具按照圖(a)中虛線所示的螺旋狀的方式移動，從小徑側(cè)到大徑側(cè)連續(xù)地進行加工，但是，在以往的方法中，實施了圖(b)虛線所示的臺階狀的等高輪廓加工，結(jié)果導(dǎo)致加工效率及加工精度(平滑程度)劣化。
再者，在控制加工工具的姿勢的同時進行三維曲面加工的場合，由于是在工具約束曲面與路徑約束平面的交線上以預(yù)定間隔設(shè)定工具通過點(CL點)，同時求出工具每個通過點上的工具約束曲面的法線矢量，依據(jù)該法線矢量設(shè)定工具姿勢，結(jié)果導(dǎo)致了需要化更多的時間來計算該法線矢量、使工具通過點的設(shè)定自由度受到了制約的問題。
鑒于以上背景技術(shù)的事實，本發(fā)明的目的是提供一種可根據(jù)要制作的三維曲面形狀來設(shè)定適當?shù)墓ぞ咭苿勇窂降墓ぞ咭苿勇窂綌?shù)據(jù)的生成方法、生成裝置、加工方法及加工系統(tǒng)。它在采用法線矢量設(shè)定工具姿勢的場合，能夠在短時間內(nèi)生成包括工具姿勢的工具移動路徑數(shù)據(jù)，可自由地設(shè)定工具通過點。
發(fā)明概述為了完成上述目的，本發(fā)明提供工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，該生成方法用于生成使加工規(guī)定的三維曲面的加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動路徑數(shù)據(jù)，包括(a)第一約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，根據(jù)前述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的前述加工工具的第一約束面；(b)第二約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，以與前述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束前述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；(c)求出作為三維曲線式的前述第一約束面與第二約束面的交線的交線演算步驟；(d)生成包括在前述交線演算步驟中求出的三維曲線式在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)的移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，可以設(shè)定用于約束加工工具移動路徑的由任意曲面組成的第二約束面，沿著該第二約束面與第一約束面的交線使加工工具作相對移動，因而提高了工具移動路徑設(shè)定的自由度，能根據(jù)要制作的三維曲面形狀設(shè)定適當?shù)墓ぞ咭苿勇窂?。另外，由于求出了作為三維曲線式的第一約束面與第二約束面的交線，生成包括該三維曲線式在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)，與利用數(shù)個工具通過點組成的點陣數(shù)據(jù)生成工具移動路徑數(shù)據(jù)的場合相比較，可維持高的加工精度，減少數(shù)據(jù)量。
這里，根據(jù)包括該三維曲線式在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)使加工工具相對被加工對象作相對移動的NC工作機等的加工裝置，采用這樣的結(jié)構(gòu)，在表示三維曲線式的三維曲線上，借助曲線插入法順次設(shè)定目標位置，使加工工具作相對移動。
作為加工工具，最好采用其尖端加工部的形狀做成半球形的結(jié)構(gòu)。尖端加工部的形狀包括切削刀片旋轉(zhuǎn)軌跡的形狀，做成這種半球狀的加工工具可以是球頭立銑刀或放電加工用電極等。另外，還可以采用通過沿著要制作的三維曲面相對被加工對象作相對移動，而對三維曲面進行加工的其他各種加工工具。
在采用尖端加工部做成半球形狀的加工工具的場合，所謂第一約束面，希望將其設(shè)定成用于約束加工工具尖端加工部球中心的面，具體說，希望設(shè)定成以等于加工工具尖端加工部半球形狀半徑的尺寸離開要制作的三維曲面的面，這種場合的工具移動路徑表示為加工工具的尖端加工部球中心(工具中心)的移動路徑。另外，基本來說，也可以將第一約束面設(shè)定成這樣的面，該面是以相當于自讓加工工具移動時的控制基準點到實際上對被加工對象進行加工的加工點的距離、離開要制作的三維曲面的面。
第二約束面可以根據(jù)要制作的三維曲面的形狀或所使用的加工裝置的功能，以可以加工、易于加工或能以高精度進行加工的方式進行任意地設(shè)定，但是，在采用相互垂直的3軸NC工作機的場合，希望設(shè)定出在平行于作為加工工具軸心的Z軸的X-Y平面內(nèi)為規(guī)定曲線的曲面。
工具移動路徑是表示加工工具與被加工對象相對移動的路徑，不只是意味著加工工具相對于位置固定的被加工對象的移動路徑。
在采用可以控制加工工具相對于被加工對象的姿勢的NC工作機等加工裝置的場合，還利用了下述步驟，這些步驟包括(a)在前述第一約束面與第二約束面的交線上以規(guī)定的間隔求出該第一約束面法線矢量的法線矢量演算步驟；(b)根據(jù)前述第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式，求出作為三維曲線式的過該法線矢量端點的光滑的法線曲線的法線曲線演算步驟；(c)前述移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟用于生成工具移動路徑數(shù)據(jù)，該工具移動路徑數(shù)據(jù)包括第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式、前述法線曲線的三維曲線式以及加工工具姿勢。在這種場合，加工工具的軸心以相對于要制作的三維曲面略垂直或傾斜規(guī)定的角度等規(guī)定的姿勢(相對于被加工對象的相對姿勢)移動并進行加工，因而，在使用例如球頭立銑刀等旋轉(zhuǎn)切削工具進行切削加工的場合，可以消除隨著加工工具姿勢變化所引起的加工精度(表面粗糙度等)的標準離差，能夠得到在旋轉(zhuǎn)速度大的外周側(cè)部分始終進行加工的優(yōu)良的切削性能等，能以更高的精度加工出三維曲面，同時可以進行下凹等復(fù)雜形狀的加工。再者，由于求出了作為三維曲線式的過法線矢量端點的光滑的法線曲線，因而，能夠減少要計算的法線矢量數(shù)量，縮短計算時間，并在第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線上順次設(shè)定目標位置時，能夠根據(jù)法線曲線更好地求出該目標位置上的法線矢量，根據(jù)要求精度等自由地設(shè)定目標位置。而且，與以往的在數(shù)個工具通過點(CL點)的每一點上設(shè)定法線矢量來生成工具移動路徑數(shù)據(jù)的場合相比較，可大幅度地減少數(shù)據(jù)量。
在上述法線矢量演算步驟中，希望以對應(yīng)于例如第一約束面與第二約束面交線曲率的間隔，具體說，以曲率大的部分上的小間隔、曲率小的部分上的大間隔求出法線矢量，在這種場合，可維持法線曲線演算步驟中求出的法線曲線的高精度，減少了法線矢量的計算數(shù)量。另外，根據(jù)第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式求出法線曲線的三維曲線式，僅僅依據(jù)該法線曲線的三維曲線式，就可以在沒有意識到的面上的線的區(qū)域內(nèi)，算出相對用于表示交線三維曲線式的三維曲線上任意點的第一約束面的面法線方向，保持(記憶)這些三維曲線式的一對一的關(guān)系。
前述第一約束面與第二約束面的交線可以是不損第二約束面的形狀特點(切線連續(xù)性或曲率連續(xù)性)的、依據(jù)例如第一約束面的曲面式與第二約束面的曲面式求出的NURBS或B-Spline、Bezier等的三維曲線式，但在前述第一約束面的邊緣與第二約束面的交點為2個點的場合，期望用修補邊界法求出第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式，在交點為2個點以外的場合，期望用幾何交線跟蹤法求出第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式。
修補邊界法是通過在交線兩端的2個點上設(shè)定切向矢量的大小及方向求出三維曲線式的，在交線的誤差大于規(guī)定公差(允許誤差)的場合，在中間位置設(shè)置新的構(gòu)成點(圓缺端點)，逐漸增加圓缺(三維曲線式的最小單位)，求出有規(guī)定精度的三維曲線式，與幾何交線跟蹤法相比較，處理速度快，同時，能以少量的圓缺來實施。另外，在交點為2個點的場合，通常由于該2個點之間有交線，因此，可以以該2個點為交線的兩端點開始原來的處理。
幾何交線跟蹤法如日本特開平2-230406號公報所記載的那樣，以每個交點為基準點，向交線的切線方向邁出預(yù)定尺寸，順次求出三維曲線式，通過變更該邁出尺寸，可以確保所規(guī)定的精度。該方法與修補邊界法相比較，處理速度慢，圓缺數(shù)目多，但是，可以從一個交點開始處理，在交點為3個點以上的場合以及交線有復(fù)雜變換的場合等，可以進行處理。在交線為閉合線而沒有交點的場合，通過利用第一約束面的參數(shù)恒定線設(shè)定基準點而進行處理。
另外，本發(fā)明在最佳實施例中，(a)前述加工工具的尖端加工部的形狀做成半球形狀，前述第一約束面是用于約束該尖端加工部的半球形狀球中心的面；(b)前述第一約束面設(shè)定步驟，在判斷出正確地確認要制作的三維曲面的至少一部分的面法線方向有困難的場合下，在該三維曲面上按照規(guī)定間隔設(shè)置數(shù)個參照點，同時配置以該參照點為中心且半徑等于前述加工工具尖端加工部的半球形狀的半徑的球，根據(jù)最遠離該三維曲面的球面設(shè)定前述第一約束面。即，一般來說，第一約束面是通過求出要制作的三維曲面的面法線矢量、再讓該三維曲面朝面法線方向偏移相當于加工工具半徑尺寸(尖端曲率半徑)的距離的曲面，但是，在小角度的銳角三角形的退化面等上，由于該銳角尖端部分的面法線矢量精度比較低，利用偏移法不能得到足夠的精度，因此最好利用上述的配置多個球的球面配置法設(shè)定第一約束面。球面配置法可采用例如本申請人在先申請的日本特愿平8-210008號所記載的技術(shù)，即使在退化面等面法線矢量精度不高的場合，也能以高精度求出距作為目標對象的三維曲面有相當于加工工具半徑尺寸的距離的第一約束面。
在另一最佳實施例中，(a)前述加工工具的尖端加工部的形狀做成半球形狀，前述第一約束面是用于約束該尖端加工部的半球形狀球中心的面；利用下述(b)的第一演算方法、(c)的第二演算方法及(d)的第三演算方法的共計三個演算方法中的一個演算方法，求出三維曲線式，同時，在用該演算方法計算時產(chǎn)生規(guī)定誤差的場合，利用這三個演算方法中的剩余的演算方法求出三維曲線式，其中，前述(b)的第一演算方法是在判斷出能正確地確認要制作的三維曲面的面法線方向的場合，在前述第一約束面設(shè)定步驟中，求出該三維曲面的面法線矢量，在第一約束面上設(shè)定偏移曲面，該偏移曲面是以與前述加工工具尖端加工部的半球形狀半徑相等的尺寸、從該三維曲面向面法線方向偏移的曲面，同時，在該第一約束面的邊緣與前述第二約束面的交點為2個點的場合，在前述交線演算步驟中，根據(jù)修補邊界法求出第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線式；前述(c)的第二演算方法是在判斷出能正確地確認要制作的三維曲面的面法線方向的場合，在前述第一約束面設(shè)定步驟中，求出該三維曲面的面法線矢量，在第一約束面上設(shè)定偏移曲面，該偏移曲面是以與前述加工工具尖端加工部的半球形狀半徑相等的尺寸、從該三維曲面向面法線方向偏移的曲面，同時，在該第一約束面的邊緣與前述第二約束面的交點為2個點以外的場合，在前述交線演算步驟中，根據(jù)幾何交線跟蹤法求出第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線式；前述(d)的第三演算方法是在判斷出正確地確認要制作的三維曲面的至少一部分的面法線方向有困難的場合下，在前述第一約束面設(shè)定步驟中，在該三維曲面上按照規(guī)定間隔設(shè)置數(shù)個參照點，同時配置以該參照點為中心且半徑等于前述加工工具尖端加工部的半球形狀的半徑的球，根據(jù)最遠離該三維曲面的球面設(shè)定前述第一約束面，同時，在前述交線演算步驟中，根據(jù)預(yù)先規(guī)定的演算方法求出第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線式。即是說，根據(jù)要制作的三維曲面的面形狀(特性)或第一約束面邊緣與第二約束面交點的數(shù)目，分別使用該三種演算方法，由此，可以在短時間內(nèi)求出三維曲線式。另外，在因誤差不能算出演算結(jié)果而使該演算結(jié)果成為NC的場合，通過使用剩余的演算方法，能確保利用這三個演算方法中的任一種求出三維曲線式。再者，通過輸入要制作的三維曲面或所使用的加工工具、加工裝置等各種處理所必須信息，可以利用計算機自動地實施本發(fā)明的上述各步驟。第二約束面可根據(jù)例如第一約束面的形狀或所使用的加工裝置種類等自動地設(shè)定，也可以通過操作者的設(shè)定操作來設(shè)定。
適合于實施本發(fā)明方法的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成裝置，即用于生成使加工規(guī)定的三維曲面的加工工具相對被加工對象作相對移動的工具移動路徑數(shù)據(jù)的裝置，該裝置包括(a)第一約束面設(shè)定裝置，根據(jù)前述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的前述加工工具的第一約束面；(b)第二約束面設(shè)定裝置，以與前述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束前述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；(c)求出作為三維曲線式的前述第一約束面與第二約束面的交線的交線演算裝置；(d)生成包括由前述交線演算裝置求出的三維曲線式在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)的移動路徑數(shù)據(jù)生成裝置。
根據(jù)本發(fā)明的方法，適用于加工被加工對象的加工方法，即通過讓加工工具相對被加工對象作相對移動而加工規(guī)定的三維曲面的加工方法，該方法包括(a)第一約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，根據(jù)前述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的前述加工工具的第一約束面；(b)第二約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，以與前述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束前述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；(c)求出作為三維曲線式的前述第一約束面與第二約束面交線的交線演算步驟；(d)利用在前述交線演算步驟中求出的三維曲線式來設(shè)定工具移動路徑的移動路徑設(shè)定步驟；(e)在表示作為該移動路徑設(shè)定步驟中所設(shè)定的工具移動路徑的三維曲線式的三維曲線上順次設(shè)定目標位置，使前述加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動步驟。
根據(jù)本發(fā)明的方法，適用于加工被加工對象的加工系統(tǒng)，即使加工工具相對于被加工對象作相對移動而對規(guī)定的三維曲面進行加工的加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)第一約束面設(shè)定裝置，根據(jù)前述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的前述加工工具的第一約束面；(b)第二約束面設(shè)定裝置，以與前述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束前述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；(c)求出作為三維曲線式的前述第一約束面與第二約束面的交線的交線演算裝置；(d)利用由前述交線演算裝置求出的三維曲線式來設(shè)定工具移動路徑的移動路徑設(shè)定裝置；(e)在表示由該移動路徑設(shè)定裝置所設(shè)定的工具移動路徑的三維曲線式的三維曲線上順次設(shè)定目標位置，使前述加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動控制裝置。另外，該加工系統(tǒng)由例如前述工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成裝置、根據(jù)該生成裝置所生成的數(shù)據(jù)使加工工具相對于被加工對象作相對移動的NC工作機(工具移動控制裝置)構(gòu)成。
這樣的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成裝置、加工方法、加工系統(tǒng)，可以得到與前述工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法基本相同的作用和效果。
作為一種生成方法，即在利用法線矢量設(shè)定工具姿勢的場合，能在短時間內(nèi)生成包含該工具姿勢在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)，同時，可自由地設(shè)定工具通過點，該生成方法也是用于生成使加工規(guī)定的三維曲面的加工工具相對被加工對象作相對移動的工具移動路徑數(shù)據(jù)的方法，包括(a)第一約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，根據(jù)前述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的前述加工工具的第一約束面；(b)第二約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，以與前述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束前述加工工具移動路徑的平面或曲面組成；(c)求出前述第一約束面與第二約束面交線的交線演算步驟；(d)在前述第一約束面與第二約束面的交線上，按規(guī)定間隔求出該第一約束面的法線矢量的法線矢量演算步驟；(e)求出過該法線矢量端點的光滑的法線曲線的法線曲線演算步驟；(f)根據(jù)所述第一約束面與第二約束面的交線以及所述法線曲線，生成包括前述加工工具姿勢在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)的移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟。
在這種場合，加工工具的軸心以相對于要制作的三維曲面略垂直或傾斜規(guī)定的角度等規(guī)定的姿勢(相對于被加工對象的相對姿勢)移動并進行加工，因而，在使用例如球頭立銑刀等旋轉(zhuǎn)切削工具進行切削加工的場合，可以消除隨著加工工具姿勢變化所引起的加工精度(表面粗糙度等)的標準離差，能夠得到在旋轉(zhuǎn)速度大的外周側(cè)部分始終進行加工的優(yōu)良的切削性能等，能以更高的精度加工出三維曲面，同時可以進行下凹等復(fù)雜形狀的加工。再者，由于求出了過法線矢量端點的光滑的法線曲線，因而，能夠減少要計算的法線矢量數(shù)量，縮短了計算時間，并在例如第一約束面與第二約束面的交線上設(shè)定工具通過點時，能夠根據(jù)法線曲線更好地求出該工具通過點上的法線矢量，根據(jù)要求精度等自由地設(shè)定工具通過點。
而且，在這種場合，第二約束面沒有必要采用必須的曲面，也可以采用平面。再者，第一約束面與第二約束面的交線及法線曲線也沒有必要以必須的曲線式表示，用圖像數(shù)據(jù)等表示也是可行的。
圖面的簡單說明圖1是根據(jù)本發(fā)明的工具移動路徑數(shù)據(jù)生成方法生成工具移動路徑數(shù)據(jù)并進行加工的加工系統(tǒng)一個例子的概略說明圖。
圖2是用于說明圖1的加工系統(tǒng)功能的方框圖。
圖3是用于說明圖1的加工系統(tǒng)的NC工作機NC動作部的說明圖。
圖4是用于說明圖1的加工系統(tǒng)的NC數(shù)據(jù)生成裝置工作的程序方框圖。
圖5是圖4中的步驟S1內(nèi)容的說明圖。
圖6是圖4中的步驟S2內(nèi)容的說明圖。
圖7是圖4中的步驟S3內(nèi)容的說明圖。
圖8是圖4中的步驟S5內(nèi)容的說明圖。
圖9是適用于圖1加工系統(tǒng)的可以加工三維曲面的一個例子的說明圖。
圖10是適用于圖1加工系統(tǒng)的可以加工三維曲面的另一例子的說明圖。
圖11是表示加工圖10的三維曲面的情況的路徑約束曲面的示意圖。
圖12是表示用圖1中的NC工作機的旋轉(zhuǎn)加工工具的工具移動路徑的說明圖。
圖13是用于說明通過直線插入CL點使工具移動的情況下的工具移動路徑的說明圖。
圖14是用于說明圖4中的步驟S1一具體例子的程序方框圖。
圖15是表示退化面一個例子的示意圖。
圖16是用于說明根據(jù)球面配置法設(shè)定工具約束曲面時在三維曲面上所設(shè)置的參照點的說明圖。
圖17是表示三維曲面上以參照點為中心的多數(shù)球配置狀態(tài)的示意圖。
圖18是表示根據(jù)球面配置法設(shè)定的工具約束曲面斷面的一個例子的球面及三維曲面的示意圖。
圖19是圖16參照點間隔的說明圖。
圖20是用于說明圖4中S3一具體例子的程序方框圖。
圖21是表示工具約束曲面邊緣與路徑約束曲面交點為2個的情況下的一個例子的示意圖。
圖22是表示工具約束曲面邊緣與路徑約束曲面交點為3個以上的情況下的一個例子的示意圖。
圖23是表示工具約束曲面邊緣與路徑約束曲面之間無交點情況下的一個例子的示意圖。
圖24是用于說明以三維曲線式求得用球面配置法設(shè)定的工具約束曲面與路徑約束曲面交線的情況下一個例子的說明圖。
圖25是用于說明以修補邊界法求得工具約束曲面與路徑約束曲面交線的三維曲線式情況下一個例子的說明圖。
圖26是表示以幾何交線跟蹤法求得工具約束曲面與路徑約束曲面交線的三維曲線式情況下一個例子的說明圖。
圖27是用于說明以幾何交線跟蹤法求得交線時求出交點的方法的說明圖。
圖28是5軸NC工作機一個例子的說明圖。
圖29是利用圖28的NC工作機加工時NC數(shù)據(jù)生成裝置功能的方框圖。
圖30用于說明圖29的NC數(shù)據(jù)生成裝置工作的程序方框圖。
圖31是圖30中步驟R4內(nèi)容的說明圖。
圖32是圖30中步驟R5內(nèi)容的說明圖。
圖33是圖30中步驟R7及R8內(nèi)容的說明圖。
圖34是用于說明利用圖28的NC工作機加工時NC數(shù)據(jù)生成裝置另一個例子的功能方框圖。
圖35是圖34中設(shè)定傾角θ的裝置內(nèi)容的說明圖。
圖36是用于說明利用圖28的NC工作機加工時NC數(shù)據(jù)生成裝置再一個例子的功能方框圖。
圖37是用于說明圖36的NC數(shù)據(jù)生成裝置工作的程序方框圖。
圖38是以往的NC加工系統(tǒng)的一個例子的說明圖。
實施發(fā)明的最佳形式下文根據(jù)附圖詳細敘述本發(fā)明的實施例。
圖1是本實施例的NC加工系統(tǒng)28的概略說明圖，是與上述圖38對應(yīng)的示意圖，作為工具移動路徑數(shù)據(jù)生成裝置的NC數(shù)據(jù)生成裝置30，與圖38的NC數(shù)據(jù)生成裝置10相比較，代替路徑約束平面14，采用路徑約束曲面32生成NC數(shù)據(jù)。由于NC數(shù)據(jù)作為工具移動路徑數(shù)據(jù)，包括表示工具約束曲面12與路徑約束曲面32的交線34的三維曲線式，因此，NC工作機18的旋轉(zhuǎn)加工工具20不受平面約束，可沿表示三維曲線式的曲線移動。
圖2是圖1中NC加工系統(tǒng)28的功能方框圖，由NC數(shù)據(jù)生成裝置30生成的NC數(shù)據(jù)通過磁帶或磁盤等記憶媒體或通過ON-line(聯(lián)機)等供給NC工作機18。NC工作機18具有NC控制部36和NC動作部38。NC動作部38具有把如圖3所示的球頭立銑刀等的切削刀片的旋轉(zhuǎn)軌跡構(gòu)成半球形狀的旋轉(zhuǎn)加工工具20，圍繞平行于Z軸的軸心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動該旋轉(zhuǎn)加工工具20的主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40、及使旋轉(zhuǎn)加工工具20向相互垂直的X軸、Y軸、Z軸方向三維地平行移動的輸送驅(qū)動裝置42，通過圍繞軸心旋轉(zhuǎn)驅(qū)動該旋轉(zhuǎn)加工工具20并根據(jù)NC數(shù)據(jù)使該旋轉(zhuǎn)加工工具20相對于被加工對象44作相對移動，在被加工對象44進行三維曲面等的規(guī)定加工。
NC數(shù)據(jù)生成裝置30由帶有CPU、RAM、ROM等的CAM裝置構(gòu)成，在功能方面具有工具約束曲面設(shè)定裝置50、路徑約束曲面設(shè)定裝置52、交線演算裝置54、移動路徑設(shè)定裝置56和NC數(shù)據(jù)變換裝置58，并根據(jù)圖4的程序方框圖生成NC數(shù)據(jù)。在圖4的步驟S1中，由工具約束曲面設(shè)定裝置50實施，求出例如圖5所示的要制作的三維曲面22的面法線矢量，以從該三維曲面22向面法線方向偏移相當于旋轉(zhuǎn)加工工具(球頭立銑刀)20的半徑尺寸(尖端曲率半徑)r的偏移曲面為工具約束曲面12進行設(shè)定。工具約束曲面12是約束用于加工三維曲面22的旋轉(zhuǎn)加工工具20的基準點(即作為切削刀片旋轉(zhuǎn)軌跡的球中心的工具中心)的面。預(yù)先設(shè)定要制作的三維曲面22，同時由操作者等設(shè)定旋轉(zhuǎn)加工工具20的半徑尺寸r。該工具約束曲面12相當于第一約束面，步驟S1相當于第一約束面設(shè)定步驟，工具約束曲面設(shè)定裝置50相當于第一約束面設(shè)定裝置。
步驟S2由路徑約束曲面設(shè)定裝置52實施，通過操作者利用鍵盤或孔口進行的輸入操作，與工具約束曲面12相交地設(shè)定用于約束旋轉(zhuǎn)加工工具20移動路徑的任意約束曲面32。路徑約束曲面32雖然可以根據(jù)要制作的三維曲面22的形狀任意地設(shè)定，但在使用本實施例的相互垂直的3軸NC工作機18的場合，期望設(shè)定成在圖6所示的以旋轉(zhuǎn)加工工具20的軸心為Z軸的X-Y平面內(nèi)成為規(guī)定曲線的曲面。另外，雖然將路徑約束曲面32設(shè)定成平面以外的曲面，但也可以根據(jù)需要設(shè)定成平面。路徑約束曲面32相當于第二約束面，步驟S2相當于第二約束面設(shè)定步驟，路徑約束曲面設(shè)定裝置52相當于第二約束面設(shè)定裝置。
步驟S3由交線演算裝置54實施，算出上述工具約束曲面12與路徑約束曲面32的交線34。該交線34是不損害路徑約束曲面32形狀特點(切線連續(xù)性或曲率連續(xù)性)的、依據(jù)這些曲面12及32的曲面式求出的NURBS或B-Spline、Bezier等的三維曲線式。該步驟S3相當于交線演算步驟，交線演算裝置54相當于交線演算裝置。
在步驟S4中，判斷是否算出三維曲面22加工所必須的總的三維曲線式，反復(fù)進行步驟S2及S3，直到算出總的三維曲線式為止，使圖7所示的路徑約束曲面32朝垂直于Z軸的方向以進給尺寸順次移動，求出作為三維曲線式的工具約束曲面12與路徑約束曲面32的交線34。該步驟S4也是通過交線演算裝置54自動進行的。
算出總的三維曲線式后，進行下一個步驟S5。步驟S5是由移動路徑設(shè)定裝置56實施的，利用數(shù)個交線34的三維曲線式設(shè)定工具移動路徑，除此之外，設(shè)定圖8所示的工具移動方向及加工時所需要的進入動作60、退刀動作62及進給動作64等，這種場合的工具移動路徑表示的是工具中心(尖端球中心)的移動路徑。然后，利用NC數(shù)據(jù)變換裝置58實施步驟S6，生成向代碼變換的NC數(shù)據(jù)即工具移動路徑數(shù)據(jù)，所述代碼為NC工作機18的控制功能的I/F。NC數(shù)據(jù)包括關(guān)于旋轉(zhuǎn)加工工具20旋轉(zhuǎn)速度的信息。上述步驟S5及S6相當于權(quán)利要求1中的移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟，步驟S5相當于權(quán)利要求9的移動路徑設(shè)定步驟，移動路徑設(shè)定裝置56及NC數(shù)據(jù)變換裝置58相當于權(quán)利要求8的移動路徑數(shù)據(jù)生成裝置，移動路徑設(shè)定裝置56相當于權(quán)利要求10的移動路徑設(shè)定裝置。
另外，這種NC數(shù)據(jù)的生成沒有必要依據(jù)所需產(chǎn)品的加工面整體進行一次，可以根據(jù)面的特征等將加工面分割成數(shù)個部分，在每一部分中取出三維曲面22生成NC數(shù)據(jù)。
返回圖2，前述NC工作機18的NC控制部36由具有CPU、RAM、ROM等的微型計算機構(gòu)成，根據(jù)由NC數(shù)據(jù)生成裝置30生成的NC數(shù)據(jù)控制NC動作部38的動作，在其功能方面包括輸送速度控制裝置66及旋轉(zhuǎn)速度控制裝置68。輸送速度控制裝置66根據(jù)用于表示NC數(shù)據(jù)中所設(shè)定的工具移動路徑的曲線(即三維曲線式)使旋轉(zhuǎn)加工工具20移動，以曲線插入方式控制輸送驅(qū)動裝置42。具體地，以規(guī)定的控制循環(huán)時間，在表示上述三維曲線式的曲線上設(shè)定順次目標位置，以反饋方式控制輸送驅(qū)動裝置42，使旋轉(zhuǎn)加工工具20朝其目標位置直線地移動，利用輸送速度控制裝置66供給來自工具位置檢測裝置70的表示實際工具位置的信號。另外，旋轉(zhuǎn)速度控制裝置68控制前述主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40的動作，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)加工工具20，使旋轉(zhuǎn)加工工具20以NC數(shù)據(jù)中所設(shè)定的工具旋轉(zhuǎn)速度圍繞軸心旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)這樣的NC數(shù)據(jù)，使旋轉(zhuǎn)加工工具20圍繞軸心旋轉(zhuǎn)，同時，使該旋轉(zhuǎn)加工工具20沿著表示三維曲線式的曲線移動，由此，以被加工對象44為目標，進行三維曲面22的加工。該步驟相當于權(quán)利要求9的工具移動步驟，NC工作機18相當于權(quán)利要求10的工具移動控制裝置。
這里，在本實施例的NC加工系統(tǒng)28中，由于用于約束旋轉(zhuǎn)加工工具20的移動路徑的約束曲面32可以設(shè)定為包含平面的任意曲面，因此，工具移動路徑設(shè)定的自由度高，可根據(jù)要制作的三維曲面22的形狀設(shè)定適當?shù)墓ぞ咭苿勇窂健＠?，在加工圖9所示的三維曲面的場合，可以使工具沿著圖(a)中虛線所示的三維曲面的彎曲度平滑地移動(按照形狀移動)，與把工具移動路徑約束在平面內(nèi)的(b)的場合相比較，可避免工具方向的急劇變化。另外，在加工圖10所示的圓錐形狀的場合，工具可按照圖(a)中虛線所示的螺旋狀的方式移動，從小徑側(cè)到大徑側(cè)連續(xù)地進行加工，與圖(b)中虛線所示的臺階狀的等高輪廓加工的情況相比較，提高了加工效率及加工精度(平滑程度)?？梢园褕D10場合的路徑約束曲面32設(shè)定成圖11所示的渦卷狀。
另外，在本實施例中，以三維曲線式求出工具約束曲面12與路徑約束曲面32的交線34，生成NC數(shù)據(jù)，同時，NC工作機在表示該三維曲線式的三維曲線上設(shè)定順次的目標位置，使旋轉(zhuǎn)加工工具20移動，因此，能以少量的數(shù)據(jù)進行高精度的加工。即是說，如圖12所示，NC數(shù)據(jù)移動形狀與本來所希望的移動路徑形狀大體一致，在該路徑上確定目標位置，因此，使圖(b)所示的目標位置間隔變窄，以高精度進行加工。為了使目標位置間隔變窄，可以縮短NC工作機18的控制循環(huán)時間，也可以減慢工具移動速度。與之對應(yīng)，在工具通過點(CL點)的點陣中設(shè)定工具移動路徑，在直線中插入該CL點，設(shè)定目標位置，并使旋轉(zhuǎn)加工工具20移動，在這種場合下，如圖13(b)所示，即使讓NC工作機18的目標位置間隔變窄，也不能提高加工精度，為了象圖(c)所示那樣，增加NC數(shù)據(jù)的CL點的數(shù)目，必須擴大數(shù)據(jù)量。
另外，雖然已經(jīng)說明了在上述實施例的步驟S1中，根據(jù)面法線矢量以偏移法設(shè)定工具約束曲面12的情況，但是，希望依據(jù)是否有圖14程序方框圖所示的退化面并以不同的方法設(shè)定工具約束曲面12。即是說，在步驟SA1中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件判斷要制作的三維曲面22是否有一部分退化面，在沒有退化面的場合，進入步驟SA2，根據(jù)前述的面法線矢量，以偏移法設(shè)定工具約束曲面12，而在有退化面的場合，進入步驟SA3中，根據(jù)球面配置法，設(shè)定工具約束曲面12。退化面是構(gòu)成如圖15所示的小角度的銳角三角形面100，根據(jù)例如兩個邊之間的角度是否在預(yù)定的規(guī)定值以下等進行判斷。在該退化面100上，在其銳角尖端部分100a中，以面法線矢量即面法線方向為正進行計算是很困難的，因而，用偏移法不能得到充分的精度。有無退化面100的判斷標準是考慮了用于算出面法線矢量的演算精度等進行設(shè)定的。
球面配置法如圖16所示，在三維曲面22上以一定間隔設(shè)定數(shù)個參照點102，同時，如圖17所示，以這些參照點102為中心，以與旋轉(zhuǎn)加工工具20的半徑尺寸r相等的半徑配置球104，這樣，圖18粗線所示的朝空間側(cè)(上方)最遠離三維曲面22的球面成為工具約束曲面12。參照點102的間隔越小，越能設(shè)定出精度高的工具約束曲面12，但是，由于這樣會導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)量增多，因而在例如圖19所示的半徑與旋轉(zhuǎn)加工工具20的半徑尺寸r相等的球面106和三維曲面22相交的場合，希望將法線方向的最大重疊尺寸d設(shè)定在公差的二分之一以下。三維曲面22為平面時，只根據(jù)旋轉(zhuǎn)加工工具20的半徑尺寸r設(shè)定預(yù)定的一定間隔，但也可以根據(jù)要制作的三維曲面22的特性(最大曲率)等并按每種產(chǎn)品種類來設(shè)定間隔。圖18示出了在相對于三維曲面22略垂直的平坦斷面上，存在有重疊的多個球104的截面。
根據(jù)這種球面配置法，即使在不能以高精度求出退化面100的面法線矢量的場合，也能在高精度下求得以相當于旋轉(zhuǎn)加工工具20的半徑尺寸r的距離從要制作的三維曲面22向空間側(cè)離開的工具約束曲面12。另外，除了退化面100以外，在例如三維曲面22的面法線矢量非常不穩(wěn)定的場合等，也可以用球面配置法求出工具約束曲面12。
此外，在前述實施例的步驟S3中，希望根據(jù)例如圖20程序方框圖求出交線34的三維曲線式。在圖20的步驟SB1中，判斷是否以球面配置法設(shè)定了工具約束曲面12，在以球面配置法進行設(shè)定的場合，進入步驟SB3，用等節(jié)距法算出交線34的三維曲線式，而在不利用球面配置法的場合，即以法線矢量偏移法設(shè)定工具約束曲面12的場合，進入步驟SB2，判斷該工具約束曲面12的邊緣與路徑約束曲面32的相交點是否為2個點。然后，在如圖21所示的存在交點P1及P2共計2個點的場合，進入步驟SB4，以修補邊界法算出交線34的三維曲線式，在圖22、圖23所示的交點為2個點以外的場合，進入步驟SB5，以幾何交線跟蹤法算出交線34的三維曲線式。從工具約束曲面12的設(shè)定到步驟SB3的演算三維曲線式的一連串的處理，相當于權(quán)利要求6中的第三演算方法，從工具約束曲面12的設(shè)定到步驟SB4的演算三維曲線式的一連串的處理，相當于權(quán)利要求6中的第一演算方法，從工具約束曲面12的設(shè)定到步驟SB5的演算三維曲線式的一連串的處理，相當于權(quán)利要求6中的第二演算方法。另外，工具約束曲面12的邊緣是指面的外周緣，與要制作的三維曲面22的外周緣相對應(yīng)。
上述步驟SB3中的等節(jié)距法如圖24所示，在工具約束曲面12與路徑約束曲面32的交線34上，根據(jù)與Z軸平行的路徑約束曲面32的X-Y平面內(nèi)的形狀變化，按照規(guī)定的節(jié)距L設(shè)定數(shù)個基準點110，將這些基準點110光滑地連接在一起，進行規(guī)定的擬合處理，算出三維曲線式。所規(guī)定的節(jié)距L設(shè)定為例如(公差×工具直徑×20)的值，“20”可以根據(jù)經(jīng)驗值進行適當?shù)淖兏D24是依據(jù)路徑約束曲面32的X-Y平面內(nèi)形狀變化的交線34的展開示意圖。
另外，這種場合下的工具約束曲面12是數(shù)個球104的部分球面的集合，因而工具約束曲面12與路徑約束曲面32的交線34也成為圖24所示的凹凸，而求出光滑連接該凸部頂點附近的包絡(luò)線，將該包絡(luò)線看作交線34，也可以求出三維曲線式，在這種場合，最好采用修補邊界法及幾何交線跟蹤法等其他演算方法。作為工具約束曲面12可以設(shè)定成包含多數(shù)部分球面頂點附近的光滑包絡(luò)面。
關(guān)于步驟SB4中的修補邊界法，假設(shè)圖21中的2個交點P1與P2之間存在有交線34，這樣可以求出如圖25所示的與該交點P1和P2之間的交線34大體一致的三維曲線式。具體說，首先，如圖25中的(a)所示，在交點P1和P2之間構(gòu)成一個圓缺，將該交點P1、P2上的切線矢量的大小及方向作適當?shù)恼{(diào)整，生成過交線34中間點P050的或過盡可能接近中間點P050的點的三維曲線式。然后，如圖(b)所示，求出交點P1、P2與中間點P050之間的中間點P025、P075，判斷所生成的三維曲線式與所表示的三維曲線式之間的誤差是否在任意公差以下，如果是在公差以下，則確定該三維曲線式。如果有一個誤差大于公差，在這種場合，如圖(c)所示，以中間點P050為新的構(gòu)成點(圓缺點)，分為兩個圓缺，反復(fù)進行同樣的處理，直到中間點的誤差為公差以下為止。該修補邊界法與幾何交線跟蹤法相比較，處理速度快，同時，能以少量的圓缺來實施。另外，在交點為2個點的場合，通常由于該2點之間有交線34，因此，不需要進行判斷有無交線34的處理，以該2個交點P1、P2為交線34的兩端點，就可以開始原來的處理。
步驟SB5中的幾何交線跟蹤法是，在圖26(a)情形下的存在有交點P1～P4的場合，以這些交點P1～P4為基準點，向交線34的切線方向邁出預(yù)定尺寸，求出與交線34大體一致的三維曲線式。如圖27所示，在根據(jù)幾何交線跟蹤法求出面S1(參數(shù)(u,v))與面S2(參數(shù)(s,t))之間的交線的場合，首先求出基準點。最初的基準點最好使用上述交點P1～P4。接著，為了求出以后的交點，需要求出基準點上的切線矢量。即是說，需要確定跟蹤方向與邁出量。跟蹤方向通過基準點分別在面S1、S2上的法線矢量的外積求出。另外邁出量可根據(jù)形狀曲率進行調(diào)整。也就是說，曲率大時邁出量小，曲率小時邁出量大。另外，面S1及面S2的一方及另一方分別相當于工具約束曲面12與路徑約束曲面32。
然后，將這樣求得的切向矢量分別在面S1、S2上投影，換言之，分別將切向矢量用(u,v)、(s,t)表示，求出參數(shù)自基準點的增量值(du,dv)、(ds,dt)。僅以這樣求出的參數(shù)增量值，分別作為初期點，求出這些參數(shù)從基準點向前移動到面S1、S2上的面上點p,q。接著，求出過點p的面S1的切向平面Fp、過點q的面S2的切向平面Fq，以及垂直于Fp、Fq的垂直輔助平面Fn。這三個平面Fp、Fq、Fn的相交位置為點，而該點是面S1、S2之間的交點G。如果該交點G沒有太大的誤差，就進行以下的收斂計算。另外，點p的單位面法線矢量為np，點q的單位面法線矢量為nq，輔助平面Fn的單位法線矢量為nn。
首先，求出向交點G的參數(shù)增量值。具體說，利用切線矢量、法線矢量、G及p、q，以點p的u方向的切線矢量為du、v方向的切線矢量為dv，并根據(jù)下式(1)、(2)，分別求出例如點p的參數(shù)u、v的增量值Δu、Δv。加上這些參數(shù)增量值所得到的面S1上的點和面S2上的點分別為p′、q′，以點p′、q′為新的點p、q，反復(fù)進行上述處理，直到這兩個點間的距離|p′-q′|值十分小為止(例如為預(yù)定的容隙)。這樣，最終的|p′-q′|十分小時的交點G便是面S1、S2間的交點。利用如此求得的交點及各自的切線矢量，求出兩點間的連接曲線，該曲線就是交線。反復(fù)進行上述處理，求出面S1、S2間的交線群，該交線群即工具的軌跡。
Δu=(sv·dp)/(sv·du) …(1)Δv=(su·dp)/(su·dv) …(2)其中，dp=G-psu=du×npsv=dv×np另外，如上述圖23所示，當工具約束曲面12的邊緣與路徑約束曲面32沒有交點時，如圖26(b)所示，通過形成工具約束曲面12的參數(shù)恒定線120、設(shè)定基準點122，同樣地可以求出交線34的三維曲面式。
幾何交線跟蹤法與修補邊界法相比較，處理速度慢，圓缺數(shù)目多，但是，可以從一個交點開始處理，在交點為3個點以上的場合，不需要確認有無交線34，就可以開始處理。另外，即使交線34有復(fù)雜的變化，也能較準確地求出三維曲線式。
返回圖20，在步驟SB3、SB4或SB5中進行了三維曲線式的演算處理后，進入下一個步驟SB6，在該步驟中判斷是否算出三維曲線式，如果已經(jīng)算出，便可以結(jié)束這一系列交線演算處理過程，但是，如果產(chǎn)生規(guī)定誤差直到最后也沒有算出三維曲線式時，進行步驟SB7。誤差因演算方法不同而不同，在修補邊界法的場合，例如交線34的分割次數(shù)為規(guī)定值以上時等，便出現(xiàn)了誤差，這時，終止后面的處理。在幾何交線跟蹤法的場合，當例如收斂計算次數(shù)超過了規(guī)定次數(shù)時等，便出現(xiàn)了誤差，這時，終止后面的處理。
在步驟SB7中，判斷是否總體使用了上述等節(jié)距法、修補邊界法及幾何交線跟蹤法的三個演算方法，在使用了三個演算方法的場合，進入步驟SB8，判斷最后的誤差，利用表示裝置等表示出因誤差而不能算出三維曲線式的情況。另外，在還尚存有沒有嘗試過的演算方法時，進入步驟SB9，利用上述三個演算方法中的其他演算方法求出三維曲線式。在最初使用修補邊界法或幾何交線跟蹤法的情況下再實施等節(jié)距法的場合，利用球面配置法設(shè)定工具約束曲面12，另一方面，在最初使用等節(jié)距法的情況下再使用修補邊界法或幾何交線跟蹤法的場合，根據(jù)面法線矢量偏移法設(shè)定工具約束曲面12。另外，在實施修補邊界法的場合，當工具約束曲面12的邊緣與路徑約束曲面32的交點有3個點以上時，預(yù)先確定有無交線34，算出有交線34的2個點之間的三維曲線式。
在這種場合，根據(jù)要制作的三維曲面22的面形狀(特性)或工具約束曲面12的邊緣與路徑約束曲面32的交點數(shù)目，分別使用三種演算方法(包括工具約束曲面12的設(shè)定方法)，因而，能在盡可能短的時間內(nèi)求出三維曲線式。再者，在因誤差而沒有算出結(jié)果的場合，由于沒有對剩余的演算方法進行嘗試，因而，能夠始終保證利用三種演算方法中的任一種算出三維曲線式。
下文敘述圖28所示的使用5軸NC工作機74進行加工的情況下的實施例。該NC工作機74除了具有前述主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40及3軸輸送驅(qū)動裝置42之外，還具有使主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40圍繞與Z軸平行的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的第一姿勢控制裝置76和使該主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40圍繞垂直于其旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的第二姿勢控制裝置78，并且可自由地控制旋轉(zhuǎn)加工工具20相對于位置固定的被加工對象的姿勢。
圖29是說明用于生成使用上述5軸NC工作機74進行加工時的NC數(shù)據(jù)的最佳的NC數(shù)據(jù)生成裝置80的功能方框圖，該NC數(shù)據(jù)生成裝置80除了具有前述工具約束曲面設(shè)定裝置50、路徑約束曲面設(shè)定裝置52、交線演算裝置54及NC數(shù)據(jù)變換裝置58之外，還備有法線矢量演算裝置82、法線曲線演算裝置84、CL點設(shè)定裝置86、CL矢量設(shè)定裝置88，而且，能夠根據(jù)圖30所示的程序方框圖生成NC數(shù)據(jù)。
圖30的步驟R1、R2、R3分別與前述步驟S1、S2、S3相同，在借助法線矢量演算裝置82實施的步驟R4中，如圖31所示，在步驟R3中求出的交線34上，以對應(yīng)于曲線曲率的間隔(曲率大時間隔小)算出作為單位矢量的工具約束曲面12的法線(垂直)矢量90。交線34的曲率是通過把交線34上預(yù)定的規(guī)定間隔位置的數(shù)個點進行抽樣處理而求出的。
下一個步驟R5是由法線曲線演算裝置84實施的，如圖32所示，算出在步驟R4中求出的過法線矢量90端點的光滑曲線即法線曲線92，保持(記憶)作為工具移動路徑的交線34與法線曲線92的一對一的關(guān)系。該法線曲線92可以與交線34同樣地以三維曲線式求出。根據(jù)所保持的該交線34與法線曲線92的一對一的關(guān)系，可以在沒有意識到的面上的線的區(qū)域內(nèi)，算出并取出交線34上任意點上的面法線方向。步驟R6與前述步驟S4相同，步驟R7以下的步驟用來生成NC工作機74以直線插入方式使旋轉(zhuǎn)加工工具移動的情況下的NC數(shù)據(jù)。步驟R7由CL點設(shè)定裝置86實施，如圖33所示，在滿足例如允許誤差范圍、等間隔、高速加工用以及1個刀片=1個CL等各種條件中的操作者通過輸入操作所指定的期望條件下，在表示工具移動路徑的交線34的三維曲線上設(shè)定數(shù)個工具通過點(CL點)。步驟R8由CL矢量設(shè)定裝置88實施，如圖33所示，從對應(yīng)于交線34和參數(shù)所記憶的法線曲線92上求出與各CL點對應(yīng)的點，由此，算出上述各CL點上的面法線矢量即CL矢量。
對于每一個交線34進行了上述步驟R7及R8之后，進入步驟R9，在該步驟R9中，判斷是否求出總的交線34上的CL點及CL矢量，反復(fù)進行步驟R7及R8，直到求出總的交線34上的CL點及CL矢量為止。步驟R9也是由CL矢量設(shè)定裝置88自動實施的。在求出總的交線34上的CL點及CL矢量之后，進行步驟R10，在該步驟中，實施前述進入動作60、退刀動作62及進給動作64等加工所必要的動作。然后，在步驟R11中，將與上述CL點及CL矢量、進入動作60等的工具移動路徑、工具姿勢等有關(guān)的信息變換為NC工作機74控制功能的I/F的代碼，生成NC數(shù)據(jù)(即工具移動路徑數(shù)據(jù))。該步驟R11是由NC數(shù)據(jù)變換裝置58實施的。
圖28的NC工作機74中的輸送驅(qū)動裝置42是根據(jù)與CL點有關(guān)的NC數(shù)據(jù)進行控制的，使主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40與旋轉(zhuǎn)加工工具20一起按照前述圖13所示的直線插入方式移動。姿勢控制裝置76及78根據(jù)與CL矢量有關(guān)的NC數(shù)據(jù)進行控制，使主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40與旋轉(zhuǎn)加工工具20的姿勢(即軸心方向)和CL矢量保持一致，換言之，以垂直于三維曲面22的方式進行控制。另外，由輸送驅(qū)動裝置42對主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置40的移動控制，與工具姿勢變化無關(guān)，根據(jù)CL矢量進行補正，可以使旋轉(zhuǎn)加工工具20的工具中心對應(yīng)于CL點移向規(guī)定的目標位置。由NC數(shù)據(jù)生成裝置80生成NC數(shù)據(jù)時，可根據(jù)CL矢量對工具移動路徑進行補正。
在該實施例中，由于旋轉(zhuǎn)加工工具20以相對于要制作的三維曲面22略垂直的一定姿勢移動，因此，可以消除隨工具姿勢變化所引起的加工精度(表面粗糙度等)的標準離差，能以更高的精度加工出三維曲面22，同時可以進行下凹等復(fù)雜形狀的加工。
另外，由于求出了過法線矢量90端點的光滑的法線曲線92，因而減少了要計算的法線矢量90的數(shù)量，縮短了計算時間，又因為法線曲線92的三維曲線式與交線34的三維曲線式對應(yīng)，因此，在交線34的三維曲線上順次設(shè)定C點時，可以根據(jù)法線曲線92的三維曲線式求出該CL點上的相對于工具約束曲面12的面法線矢量(CL矢量)，能夠根據(jù)所要求的精度自由地設(shè)定CL點。
再者，在步驟R4中，以對應(yīng)于交線34曲率的間隔求出法線矢量90，因而可更高地維持在步驟R5中求出的法線曲線92的精度，同時減少法線矢量90的計算數(shù)量。
該實施例相當于權(quán)利要求7所記載的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法的一實施例，步驟R1相當于第一約束面設(shè)定步驟，步驟R2相當于第二約束面設(shè)定步驟，步驟R3相當于交線演算步驟，步驟R4相當于法線矢量演算步驟，步驟R5相當于法線曲線演算步驟，步驟R7、R8、R10及R11相當于移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟。
另外，在上述例子中，說明了旋轉(zhuǎn)加工工具20以相對于工具約束曲面12即要制作的三維曲面22略垂直的一定姿勢移動的情況，但是，如圖34所示，通過在前述CL矢量設(shè)定裝置88與NC數(shù)據(jù)變換裝置58之間設(shè)置用于設(shè)定以前述CL矢量為基準的工具軸心傾角θ的裝置94，可以象圖35所示那樣，使旋轉(zhuǎn)加工工具20的軸心以相對于CL矢量(垂直于三維曲面22的方向)有傾角θ的傾斜姿勢移動。在這種場合，由于能夠始終在旋轉(zhuǎn)速度大的外周側(cè)部分進行切削加工，因而可以得到無擠裂等優(yōu)良的切削性能，能夠適應(yīng)于使用作為旋轉(zhuǎn)加工工具20的球頭立銑刀等的旋轉(zhuǎn)切削工具的場合。
再者，上述例子以由數(shù)個CL點組成的點陣數(shù)據(jù)生成NC數(shù)據(jù)，但是，也可以利用第一實施例的三維曲線式生成NC數(shù)據(jù)。圖36是用于說明這種場合下的NC數(shù)據(jù)生成裝置120的功能方框圖，該NC數(shù)據(jù)生成裝置120，代替前述CL點設(shè)定裝置86及CL矢量設(shè)定裝置88，而備有移動路徑設(shè)定裝置122，并根據(jù)圖37的程序方框圖生成NC數(shù)據(jù)。
圖37的步驟RA1～RA6、RA8分別與前述步驟R1～R6、R11相同，借助移動路徑設(shè)定裝置122實施步驟RA7，利用交線34的三維曲線式及法線曲線92的三維曲線式設(shè)定工具移動路徑，除此之外，與前述步驟S5同樣，設(shè)定工具移動方向及加工時所需要的進入動作、退刀動作及進給動作等。另外，在NC工作機74側(cè)，在表示交線34的三維曲線式的三維曲線上，以曲線插入方式順次設(shè)定目標位置時，與前述步驟R8同樣，根據(jù)法線曲線92的三維曲線式求出該目標位置上的面法線矢量，依據(jù)傾角θ等設(shè)定工具姿勢。
這種場合與前述實施例那樣的通過在數(shù)個CL點的每一點上設(shè)定CL矢量而生成NC數(shù)據(jù)的場合相比較，能夠大幅度地減少數(shù)據(jù)量。
該實施例相當于權(quán)利要求2及權(quán)利要求7所記載的工具移動路徑數(shù)據(jù)生成方法的一實施例，步驟RA1相當于第一約束面設(shè)定步驟，步驟RA2相當于第二約束面設(shè)定步驟，步驟RA3相當于交線演算步驟，步驟RA4相當于法線矢量演算步驟，步驟RA5相當于法線曲線演算步驟，步驟RA7及RA8相當于移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟。另外，步驟RA7相當于權(quán)利要求9的移動路徑設(shè)定步驟。移動路徑設(shè)定裝置122相當于權(quán)利要求10的移動路徑設(shè)定裝置，移動路徑設(shè)定裝置122及NC數(shù)據(jù)變換裝置58相當于權(quán)利要求8的移動路徑數(shù)據(jù)生成裝置，NC數(shù)據(jù)生成裝置120相當于權(quán)利要求8所記載的工具移動路徑數(shù)據(jù)生成裝置。
以上，根據(jù)附圖詳細敘述了本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明還可以用其他形式實施。
例如在前述實施例中，旋轉(zhuǎn)加工工具20相對于任何位置固定的被加工對象44移動的姿勢是變化的，但是，也可以一邊使被加工對象44移動，一邊讓旋轉(zhuǎn)加工工具20圍繞規(guī)定軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)加工工具20及被加工對象44的移動形式(包括姿勢變化)可根據(jù)需要進行適當?shù)淖兏?br> 雖然沒有再示出其他實施例，但是，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員擁有的知識，可以對本發(fā)明用各種變更、改變的形式來實施。
工業(yè)上的應(yīng)用性如上文所述，本發(fā)明能夠生成讓用于加工三維曲面的加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動路徑數(shù)據(jù)，控制加工工具相對于被加工對象的姿勢，同時生成包括用于加工三維曲面的工具姿勢在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)，可適用于使加工工具相對于被加工對象移動來加工規(guī)定的三維曲面的場合。
權(quán)利要求
1.工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，用于生成使加工規(guī)定的三維曲面的加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動路徑數(shù)據(jù)，其特征是，包括第一約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，根據(jù)所述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的所述加工工具的第一約束面；第二約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，以與所述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束所述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；求出作為三維曲線式的所述第一約束面與第二約束面的交線的交線演算步驟；生成包括在所述交線演算步驟中求出的三維曲線式在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)的移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，其特征是，還包括在所述第一約束面與第二約束面的交線上以規(guī)定的間隔求出該第一約束面法線矢量的法線矢量演算步驟；根據(jù)所述第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式，求出作為三維曲線式的過該法線矢量端點的光滑的法線曲線的法線曲線演算步驟；所述移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟用于生成工具移動路徑數(shù)據(jù)，該工具移動路徑數(shù)據(jù)包括第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式、所述法線曲線的三維曲線式以及加工工具姿勢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，其特征是，所述交線演算步驟是，在所述第一約束面的邊緣與所述第二約束面的交點為2個點的場合，利用修補邊界法求出該第一約束面與第二約束面交線的三維曲線式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，其特征是，所述交線演算步驟是，在所述第一約束面的邊緣與所述第二約束面的交點為2個點以外的場合，根據(jù)幾何交線跟蹤法求出該第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，其特征是，所述加工工具的尖端加工部的形狀做成半球形狀，所述第一約束面是用于約束該尖端加工部的半球形狀球中心的面；所述第一約束面設(shè)定步驟，在判斷出正確地確認要制作的三維曲面的至少一部分的面法線方向有困難的場合下，在該三維曲面上按照規(guī)定間隔設(shè)置數(shù)個參照點，同時配置以該參照點為中心且半徑等于所述加工工具尖端加工部的半球形狀的半徑的球，根據(jù)最遠離該三維曲面的球面設(shè)定所述第一約束面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，其特征是，所述加工工具的尖端加工部的形狀做成半球形狀，所述第一約束面是用于約束該尖端加工部的半球形狀球中心的面；利用下述的第一演算方法、第二演算方法及第三演算方法的共計三個演算方法中的一個演算方法，求出三維曲線式，同時，在用該演算方法計算時產(chǎn)生規(guī)定誤差的場合，利用這三個演算方法中的剩余的演算方法求出三維曲線式，其中，所述第一演算方法是在判斷出能正確地確認要制作的三維曲面的面法線方向的場合，在所述第一約束面設(shè)定步驟中，求出該三維曲面的面法線矢量，在第一約束面上設(shè)定偏移曲面，該偏移曲面是以與所述加工工具尖端加工部的半球形狀半徑相等的尺寸、從該三維曲面向面法線方向偏移的曲面，同時，在該第一約束面的邊緣與所述第二約束面的交點為2個點的場合，在所述交線演算步驟中，根據(jù)修補邊界法求出第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線式，所述第二演算方法是在判斷出能正確地確認要制作的三維曲面的面法線方向的場合，在所述第一約束面設(shè)定步驟中，求出該三維曲面的面法線矢量，在第一約束面上設(shè)定偏移曲面，該偏移曲面是以與所述加工工具尖端加工部的半球形狀半徑相等的尺寸、從該三維曲面向面法線方向偏移的曲面，同時，在該第一約束面的邊緣與所述第二約束面的交點為2個點以外的場合，在所述交線演算步驟中，根據(jù)幾何交線跟蹤法求出第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線式，所述第三演算方法是在判斷出正確地確認要制作的三維曲面的至少一部分的面法線方向有困難的場合下，在所述第一約束面設(shè)定步驟中，在該三維曲面上按照規(guī)定間隔設(shè)置數(shù)個參照點，同時配置以該參照點為中心且半徑等于所述加工工具尖端加工部的半球形狀的半徑的球，根據(jù)最遠離該三維曲面的球面設(shè)定所述第一約束面，同時，在所述交線演算步驟中，根據(jù)預(yù)先規(guī)定的演算方法求出第一約束面與第二約束面的交線的三維曲線式。
7.工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成方法，用于生成使加工規(guī)定的三維曲面的加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動路徑數(shù)據(jù)，其特征是，包括第一約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，根據(jù)所述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的所述加工工具的第一約束面；第二約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，以與所述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束所述加工工具移動路徑的平面或曲面組成；求出所述第一約束面與第二約束面交線的交線演算步驟；在所述第一約束面與第二約束面的交線上，按規(guī)定間隔求出該第一約束面的法線矢量的法線矢量演算步驟；求出過該法線矢量端點的光滑的法線曲線的法線曲線演算步驟；根據(jù)所述第一約束面與第二約束面的交線以及所述法線曲線，生成包括所述加工工具姿勢在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)的移動路徑數(shù)據(jù)生成步驟。
8.工具移動路徑數(shù)據(jù)的生成裝置，用于生成使加工規(guī)定的三維曲面的加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動路徑數(shù)據(jù)，其特征是，包括第一約束面設(shè)定裝置，根據(jù)所述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的所述加工工具的第一約束面；第二約束面設(shè)定裝置，以與所述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束所述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；求出作為三維曲線式的所述第一約束面與第二約束面的交線的交線演算裝置；生成包括由所述交線演算裝置求出的三維曲線式在內(nèi)的工具移動路徑數(shù)據(jù)的移動路徑數(shù)據(jù)生成裝置。
9.一種通過讓加工工具相對于被加工對象作相對移動而對規(guī)定的三維曲面進行加工的加工方法，其特征是，包括第一約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，根據(jù)所述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的所述加工工具的第一約束面；第二約束面設(shè)定步驟，在該步驟中，以與所述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束所述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；求出作為三維曲線式的所述第一約束面與第二約束面的交線的交線演算步驟；利用在所述交線演算步驟中求出的三維曲線式來設(shè)定工具移動路徑的移動路徑設(shè)定步驟；在表示作為該移動路徑設(shè)定步驟中所設(shè)定的工具移動路徑的三維曲線式的三維曲線上順次設(shè)定目標位置，使所述加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動步驟。
10.一種通過讓加工工具相對于被加工對象作相對移動而對規(guī)定的三維曲面進行加工的加工系統(tǒng)，其特征是，包括第一約束面設(shè)定裝置，根據(jù)所述三維曲面來設(shè)定用于約束加工該三維曲面的所述加工工具的第一約束面；第二約束面設(shè)定裝置，以與所述第一約束面相交的方式設(shè)定第二約束面，該第二約束面由用于約束所述加工工具移動路徑的平面以外的曲面組成；求出作為三維曲線式的所述第一約束面與第二約束面的交線的交線演算裝置；利用由所述交線演算裝置求出的三維曲線式來設(shè)定工具移動路徑的移動路徑設(shè)定裝置；在表示由該移動路徑設(shè)定裝置所設(shè)定的工具移動路徑的三維曲線式的三維曲線上順次設(shè)定目標位置，使所述加工工具相對于被加工對象作相對移動的工具移動控制裝置。
全文摘要
通過設(shè)定以相當于旋轉(zhuǎn)加工工具(20)半徑尺寸的距離、沿面法線方向離開要制作的三維曲面(22)的工具約束曲面(12),同時根據(jù)該三維曲面(22)的形狀設(shè)定用于約束旋轉(zhuǎn)加工工具(20)移動路徑的路徑約束曲面(32),求出作為三維曲線式的兩個曲面(12、32)的交線(34),生成工具移動路徑數(shù)據(jù)。由此,可以把路徑約束曲面(32)設(shè)定成任意曲面,提高了工具移動路徑的設(shè)定自由度,可根據(jù)要制作的三維曲面(22)的形狀設(shè)定適當?shù)墓ぞ咭苿勇窂?同時利用三維曲線式生成工具移動路徑數(shù)據(jù),與利用數(shù)個工具通過點組成的點陣數(shù)據(jù)生成工具移動路徑數(shù)據(jù)的場合相比較,可維持高的加工精度,減少數(shù)據(jù)量。
文檔編號G05B19/4099GK1217075SQ97194105
公開日1999年5月19日 申請日期1997年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月26日
發(fā)明者日笠山晴久, 加藤勵, 牟田芳喜, 加治佐英輔, 玉岡幸治 申請人:豐田自動車株式會社, 日本尤尼西斯株式會社