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TOOL PATH PLANE CALCULATING METHOD, TOOL PATH PLANE CALCULATING PROGRAM AND RECORDING MEDIUM RECORDING TOOL PATH PLANE CALCULATING PROGRAM achieved

Patent code P03P000367
File No. Y01-P499
Posted date Oct 21, 2003
Application number P2002-056858
Publication number P2003-256012A
Patent number P3792584
Date of filing Mar 4, 2002
Date of publication of application Sep 10, 2003
Date of registration Apr 14, 2006
Inventor
  • (In Japanese)乾 正知
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title TOOL PATH PLANE CALCULATING METHOD, TOOL PATH PLANE CALCULATING PROGRAM AND RECORDING MEDIUM RECORDING TOOL PATH PLANE CALCULATING PROGRAM achieved
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To rapidly and accurately calculate a tool path plane by using a three- dimensional graphics display device.
SOLUTION: In a processing part, polyhedral model information of a workpiece and tool shape information are inputted (S300), and each shape element composing a sweep shape of a reverse tool with respect to each element of a polyhedral model is arranged (S305 and S306). The processing part stores an ID number, color information and geometric information with respect to each arranged shape element in a storing part (S307 and S308), and it determines subdivided point sequence data of a cross sectional line of an uppermost plane while shifting positions of arranged shape elements in x-axis and y-axis directions by predetermined distances by using a hidden- surface removal process of graphics hardware on the basis of the shape elements composing the sweep shape of the reverse tool (S310 and onward). The processing part detects a bending point of the cross sectional line on the basis of the pieces of determined adjacent point sequence data, and it inserts the bending point into the point sequence data of the cross sectional line. The processing part divides a space into accumulation of cubes, and it determines the uppermost plane of the sweep shape by a marching cube method.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


プラスチックやダイキャスト製品の製造に用いられる金型は、エンドミル工具を用いたNC(Numerical Control)切削加工により製作される。金型加工では深く彫り込むことが多いため、剛性に優れた3軸制御の工作機械の利用が一般的である。NC切削加工では、切削工具は膨大な回数の微小な直線移動を繰り返しおこない、素形材から少しずつ不要部を除去していく。複雑な工具経路の計算には、高速な計算機を用いても数十分の処理時間を要するため、その高速化が待望されている。工具経路を計算する際には、工具が金型の内部へ削り込む、ガウジ(Gouge)とよばれる問題に注意する必要がある。



図29は、金型加工における削り込みの一例を示す説明図であり、金型表面の曲率半径が切削工具(例えば、ボールエンドミル)の半径よりも小さくなる部分で発生する、削り込みの一例を示している。すなわち、製品表面との接触を保ちつつ、図中の左から右へ移動するボールエンドミルは、金型表面の曲率半径が工具半径よりも小さくなる部分(図中、斜線で示したガウジング領域)において、このガウジング領域との接触を見逃すと、そのまま金型製品の内側へ削り込んでしまう。市販の工具経路の計算プログラムは、その処理時間のほとんどを、ガウジ防止のために費やしている。
金型の表面を切削工具の逆形状分膨らませた工具経路面(工具参照面)を生成し、工具が常にその上側を移動するように経路を生成すれば、ガウジの問題を完全に解決できる。本発明は、この工具経路面(工具参照面)を精密かつ高速に計算するコンピュータプログラムに関するものである。この技術を用いると、複雑な金型を加工するための工具経路を、ごく短時間で計算することが可能になる。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、工具経路計算方法、工具経路計算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び工具経路計算装置に係り、特に、数値制御工作機械に取り付けられた工具を経路に沿って移動させて工作物を加工する際に、工具の逆形状分膨らませた工具経路面(工具参照面)を生成する工具経路計算方法、工具経路面計算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
数値制御工作機械に取り付けられた工具を、互いに直交するx軸、y軸、z軸で定められるxyz座標系において、xy平面の経路に沿って移動させてz軸方向に工作物を加工する際に、工具の逆形状分膨らませた工具経路面を生成するための工具経路面計算方法であって、
処理部は、加工対象物の多面体モデル情報と工具形状情報とを入力し、記憶部に記憶するステップと、
処理部は、多面体モデルの各要素に対して、逆工具の掃引形状を構成する各形状要素を配置するステップと、
処理部は、配置された各形状要素に対して、ユニークなID番号、ユニークな色情報、形状要素の幾何情報を記憶部に記憶するステップと、
処理部は、入力された逆工具の掃引形状を構成する形状要素に基づき、xy平面上の直交格子を通過するz軸に平行な直線と、該掃引形状の最上面との交点のz座標値である格子状の点群の座標データを出力するグラフィックスハードウェアの隠面消去処理を用いて、配置された形状要素の位置をx軸方向にxy平面上の直交格子の分割より細かく分割した所定距離だけずらし、そこからz軸に平行にのびる半直線と掃引形状の最上面の交点を計算する処理を繰り返し、最上面の断面線をx軸方向に細かく分割した座標データを含む点列データを求め、それを記憶部に記憶するステップと、
処理部は、グラフィックスハードウェアの隠面消去処理を用いて、配置された形状要素の位置をy軸方向にxy平面上の直交格子の分割より細かく分割した所定距離だけずらし、そこからz軸に平行にのびる半直線と掃引形状の最上面の交点を計算する処理を繰り返し、最上面の断面線をy軸方向に細かく分割した座標データを含む点列データを求め、それを記憶部に記憶するステップと
処理部は、xy平面、yz平面、zx平面上の3つの直交格子に基づいて空間を立方体の集積へ分割するステップと、
処理部は、記憶部に記憶された点列データを参照し、xy平面上の格子線のうち、それぞれ、切断面のxy平面への投影に対応するx軸及びy軸に平行な直線上に直交格子より稠密な点を等間隔に配置し、配置された点からz軸に平行にのびる半直線群と、逆工具の掃引形状の最上面の交点を計算し、得られた交点を順に接続していくことにより、逆工具の掃引形状の最上面のzx平面に平行な面におけるx軸方向の断面線及びyz平面に平行な面におけるy軸方向の断面線をそれぞれ計算し、分割された各立方体のx軸に平行な辺とx軸方向の断面線との交点及びy軸に平行な辺とy軸方向の断面線とを求めることで、各立方体の各辺と掃引形状の最上面の交点を算出するステップと、
処理部は、算出された交点の情報に基づいて、各立方体の頂点が工具経路面の上下のどちらに存在するかを求めることで、マーチングキューブ法により、立方体の8個の頂点を、工具経路面の上側に存在する頂点と、下側に存在する頂点とに分類することで得られたパターンにしたがって、立方体内部に工具経路面を表す三角形を配置するステップと、
処理部は、各立方体内部に配置された三角形群を、掃引形状の最上面として出力部に出力又は記憶部に記憶するステップと、
を含む工具経路面計算方法。

【請求項2】
 
前記各形状要素を配置するステップは、
処理部は、工具形状情報がボールエンドミルの場合には、多角形モデルの要素としての、頂点、辺、多角形のそれぞれに対応して、形状要素として球面、円筒形、厚板形状を配置することを特徴とする請求項1に記載の工具経路面計算方法。

【請求項3】
 
前記各形状要素を配置するステップは、
処理部は、工具形状情報がフラットエンドミルの場合には、多角形モデルの要素としての、辺、多角形のそれぞれに対応して、形状要素として斜円筒形と厚板形状を配置することを特徴とする請求項1に記載の工具経路面計算方法。

【請求項4】
 
前記グラフィックスハードウェアの隠面消去処理は、
処理部は、逆工具の掃引形状を構成する形状要素から、形状要素の下向きの部分や他の形状要素の内部に包含されている部分等の掃引形状の最上面に関与しない部分を予め除去するステップと、
処理部は、除去されずに残った形状を多面体化するステップと、
処理部は、配置された各形状要素に対する、ユニークなID番号、ユニークな色情報、形状要素の幾何情報を記憶部から読み取り、各形状要素を構成する多角形に対する色情報をグラフィックスハードウェアへ渡すステップと、
グラフィックスハードウェアは、処理部から受けた色情報に基づき、デプスバッファによる隠面消去処理を用いて、各点における掃引形状の最上面の高さを表すデプス値と、各点における色情報を得て、得られたデプス値と色情報を処理部へ渡すステップと、
処理部は、グラフィックハードウェアから受けた各点の座標データとデプス値に基づいて、掃引形状の最上面を示す工具経路面の点列データを生成するステップと、
処理部は、色情報の基づき、記憶部を参照して、最上面の各点に対応する形状要素のID及び幾何情報を得て、各点の座標データと幾何情報に従い、各点における法線方向を求めるステップと、
処理部は、工具経路面の点群の座標データとその法線又は接線情報を出力するステップとを含む請求項1に記載の工具経路面計算方法。

【請求項5】
 
処理部は、得られた工具経路面に基づき、工具経路を求めるステップをさらに備えた請求項1又は4に記載の工具経路面計算方法。

【請求項6】
 
処理部は、工具経路面及び/又は工具経路を表示するステップをさらに備えた請求項1又は4に記載の工具経路面計算方法。

【請求項7】
 
数値制御工作機械に取り付けられた工具を、互いに直交するx軸、y軸、z軸で求められるxyz座標系において、xy平面の経路に沿って移動させてz軸方向に工作物を加工する際に、工具の逆形状分膨らませた工具経路面を生成するための工具経路面計算プログラムであって、
処理部は、加工対象物の多面体モデル情報と工具形状情報とを入力し、記憶部に記憶するステップと、
処理部は、多面体モデルの各要素に対して、逆工具の掃引形状を構成する各形状要素を配置するステップと、
処理部は、配置された各形状要素に対して、ユニークなID番号、ユニークな色情報、形状要素の幾何情報を記憶部に記憶するステップと、
処理部は、入力された逆工具の掃引形状を構成する形状要素に基づき、xy平面上の直交格子を通過するz軸に平行な直線と、該掃引形状の最上面との交点のz座標値である格子状の点群の座標データを出力するグラフィックスハードウェアの隠面消去処理を用いて、配置された形状要素の位置をx軸方向にxy平面上の直交格子の分割より細かく分割した所定距離だけずらし、そこからz軸に平行にのびる半直線と掃引形状の最上面の交点を計算する処理を繰り返し、最上面の断面線をx軸方向に細かく分割した座標データを含む点列データを求め、それを記憶部に記憶するステップと、
処理部は、グラフィックスハードウェアの隠面消去処理を用いて、配置された形状要素の位置をy軸方向にxy平面上の直交格子の分割より細かく分割した所定距離だけずらし、そこからz軸に平行にのびる半直線と掃引形状の最上面の交点を計算する処理を繰り返し、最上面の断面線をy軸方向に細かく分割した座標データを含む点列データを求め、それを記憶部に記憶するステップと
処理部は、xy平面、yz平面、zx平面上の3つの直交格子に基づいて空間を立方体の集積へ分割するステップと、
処理部は、記憶部に記憶された点列データを参照し、xy平面上の格子線のうち、それぞれ、切断面のxy平面への投影に対応するx軸及びy軸に平行な直線上に直交格子より稠密な点を等間隔に配置し、配置された点からz軸に平行にのびる半直線群と、逆工具の掃引形状の最上面の交点を計算し、得られた交点を順に接続していくことにより、逆工具の掃引形状の最上面のzx平面に平行な面におけるx軸方向の断面線及びyz平面に平行な面におけるy軸方向の断面線をそれぞれ計算し、分割された各立方体のx軸に平行な辺とx軸方向の断面線との交点及びy軸に平行な辺とy軸方向の断面線とを求めることで、各立方体の各辺と掃引形状の最上面の交点を算出するステップと、
処理部は、算出された交点の情報に基づいて、各立方体の頂点が工具経路面の上下のどちらに存在するかを求めることで、マーチングキューブ法により、立方体の8個の頂点を、工具経路面の上側に存在する頂点と、下側に存在する頂点とに分類することで得られたパターンにしたがって、立方体内部に工具経路面を表す三角形を配置するステップと、
処理部は、各立方体内部に配置された三角形群を、掃引形状の最上面として出力部に出力又は記憶部に記憶するステップと、
をコンピュータに実行させるための工具経路面計算プログラム。

【請求項8】
 
前記グラフィックスハードウェアの隠面消去処理は、
処理部は、逆工具の掃引形状を構成する形状要素から、形状要素の下向きの部分や他の形状要素の内部に包含されている部分等の掃引形状の最上面に関与しない部分を予め除去するステップと、
処理部は、除去されずに残った形状を多面体化するステップと、
処理部は、配置された各形状要素に対する、ユニークなID番号、ユニークな色情報、形状要素の幾何情報を記憶部から読み取り、各形状要素を構成する多角形に対する色情報をグラフィックスハードウェアへ渡すステップと、
グラフィックスハードウェアは、処理部から受けた色情報に基づき、デプスバッファによる隠面消去処理を用いて、各点における掃引形状の最上面の高さを表すデプス値と、各点における色情報を得て、得られたデプス値と色情報を処理部へ渡すステップと、
処理部は、グラフィックハードウェアから受けた各点の座標データとデプス値に基づいて、掃引形状の最上面を示す工具経路面の点列データを生成するステップと、
処理部は、色情報の基づき、記憶部を参照して、最上面の各点に対応する形状要素のID及び幾何情報を得て、各点の座標データと幾何情報に従い、各点における法線方向を求めるステップと、
処理部は、工具経路面の点群の座標データとその法線又は接線情報を出力するステップ
をコンピュータに実行させるための請求項7に記載の工具経路面計算プログラム。

【請求項9】
 
数値制御工作機械に取り付けられた工具を、互いに直交するx軸、y軸、z軸で求められるxyz座標系において、xy平面の経路に沿って移動させてz軸方向に工作物を加工する際に、工具の逆形状分膨らませた工具経路面を生成するための工具経路面計算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
処理部は、加工対象物の多面体モデル情報と工具形状情報とを入力し、記憶部に記憶するステップと、
処理部は、多面体モデルの各要素に対して、逆工具の掃引形状を構成する各形状要素を配置するステップと、
処理部は、配置された各形状要素に対して、ユニークなID番号、ユニークな色情報、形状要素の幾何情報を記憶部に記憶するステップと、
処理部は、入力された逆工具の掃引形状を構成する形状要素に基づき、xy平面上の直交格子を通過するz軸に平行な直線と、該掃引形状の最上面との交点のz座標値である格子状の点群の座標データを出力するグラフィックスハードウェアの隠面消去処理を用いて、配置された形状要素の位置をx軸方向にxy平面上の直交格子の分割より細かく分割した所定距離だけずらし、そこからz軸に平行にのびる半直線と掃引形状の最上面の交点を計算する処理を繰り返し、最上面の断面線をx軸方向に細かく分割した座標データを含む点列データを求め、それを記憶部に記憶するステップと、
処理部は、グラフィックスハードウェアの隠面消去処理を用いて、配置された形状要素の位置をy軸方向にxy平面上の直交格子の分割より細かく分割した所定距離だけずらし、そこからz軸に平行にのびる半直線と掃引形状の最上面の交点を計算する処理を繰り返し、最上面の断面線をy軸方向に細かく分割した座標データを含む点列データを求め、それを記憶部に記憶するステップと
処理部は、xy平面、yz平面、zx平面上の3つの直交格子に基づいて空間を立方体の集積へ分割するステップと、
処理部は、記憶部に記憶された点列データを参照し、xy平面上の格子線のうち、それぞれ、切断面のxy平面への投影に対応するx軸及びy軸に平行な直線上に直交格子より稠密な点を等間隔に配置し、配置された点からz軸に平行にのびる半直線群と、逆工具の掃引形状の最上面の交点を計算し、得られた交点を順に接続していくことにより、逆工具の掃引形状の最上面のzx平面に平行な面におけるx軸方向の断面線及びyz平面に平行な面におけるy軸方向の断面線をそれぞれ計算し、分割された各立方体のx軸に平行な辺とx軸方向の断面線との交点及びy軸に平行な辺とy軸方向の断面線とを求めることで、各立方体の各辺と掃引形状の最上面の交点を算出するステップと、
処理部は、算出された交点の情報に基づいて、各立方体の頂点が工具経路面の上下のどちらに存在するかを求めることで、マーチングキューブ法により、立方体の8個の頂点を、工具経路面の上側に存在する頂点と、下側に存在する頂点とに分類することで得られたパターンにしたがって、立方体内部に工具経路面を表す三角形を配置するステップと、
処理部は、各立方体内部に配置された三角形群を、掃引形状の最上面として出力部に出力又は記憶部に記憶するステップと、
をコンピュータに実行させる工具経路面計算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【請求項10】
 
前記グラフィックスハードウェアの隠面消去処理は、
処理部は、逆工具の掃引形状を構成する形状要素から、形状要素の下向きの部分や他の形状要素の内部に包含されている部分等の掃引形状の最上面に関与しない部分を予め除去するステップと、
処理部は、除去されずに残った形状を多面体化するステップと、
処理部は、配置された各形状要素に対する、ユニークなID番号、ユニークな色情報、形状要素の幾何情報を記憶部から読み取り、各形状要素を構成する多角形に対する色情報をグラフィックスハードウェアへ渡すステップと、
グラフィックスハードウェアは、処理部から受けた色情報に基づき、デプスバッファによる隠面消去処理を用いて、各点における掃引形状の最上面の高さを表すデプス値と、各点における色情報を得て、得られたデプス値と色情報を処理部へ渡すステップと、
処理部は、グラフィックハードウェアから受けた各点の座標データとデプス値に基づいて、掃引形状の最上面を示す工具経路面の点列データを生成するステップと、
処理部は、色情報の基づき、記憶部を参照して、最上面の各点に対応する形状要素のID及び幾何情報を得て、各点の座標データと幾何情報に従い、各点における法線方向を求めるステップと、
処理部は、工具経路面の点群の座標データとその法線又は接線情報を出力するステップ
をコンピュータに実行させるための、請求項9に記載の工具経路面計算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2002056858thum.jpg
State of application right Registered
License status (In Japanese)通常実施権[L04-17]
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