JPH077292B2

JPH077292B2 - ２次元工具軌跡生成方法

Info

Publication number: JPH077292B2
Application number: JP61063944A
Authority: JP
Inventors: のぞみ澤田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1986-03-24
Filing date: 1986-03-24
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPS62221003A

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］本発明は、数値制御工作機械で加工領域を加工するため
に工具を移動させるときの２次元軌跡を生成する２次元
工具軌跡生成方法に関する。

［従来技術］近年、FA（Factory Automation）やFMS（Flexible Manu
facturing Sytem）が広く提唱されており、このような
システムには切削加工、溶接作業、溶断作業および製図
作業等を自動的に行なうため、数値制御工作機械が用い
られている。

この数値制御工作機械は、あらかじめ与えられた移動位
置および速度等の数値データ（すなわち制御プログラ
ム）に基づいて、選択された工具を移動させ、被加工物
（ワーク）を目的とする工作物を加工するものである。

従来、このような数値制御工作機械に制御プログラムを
入力するには、所定の数値制御用プログラム言語によっ
て工作物の形状を定義するか、あるいは、加工形状が複
雑な場合には、工作形状の模型（マスタ）を形成してこ
のマスタの表面を工具でトレースさせてそのトレース位
置を直接数値制御工作機械に入力させている（倣い加
工）。

しかしながら、前者の方法では複雑な形状を入力するこ
とが困難であり、また、数値制御用プログラム言語を修
得する必要があるためにプログラム作成が困難であっ
た。また後者の方法ではマスタの作成のための手間、時
間およびコストがかかって好ましくない。

また、入力された加工形状を加工するための工具の軌跡
を生成するとき、この加工形状の輪郭線よりも工具半径
に相当する量内側にオフセットしてオフセット経路を形
成し、これを順次繰り返して工具の経路を形成している
が、かかる方法では加工形状によってはその中央部など
に削り残りが生じ、この削り残りの部分を処理するため
に煩雑な処理が必要であった。

さらに、加工形状に加工しないで残す部分（いわゆるア
イランド）がある場合には、さらに複雑な処理が必要で
あり、かかる加工形状を適切に加工するための工具軌跡
を自動的に生成することが非常に困難であった。

［目的］本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、
工具の軌跡を自動的に生成できる２次元工具軌跡生成方
法を提供することを目的としている。

［構成］本発明は、加工領域の画像を入力し、その画像データに
あらわれる加工領域の輪郭線を抽出し、その輪郭線から
加工領域の内側に向かい、径の異なる複数の工具で加工
させる工具別加工領域を、径が小さい工具に対応するも
のから順に形成し、おのおのの工具のオフセット量とオ
ーバラップ量に基づいてそれぞれの工具に対応した一筆
書き状の２次元工具軌跡を形成して、削り残りの出ない
工具軌跡を自動的に生成している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を詳細
に説明する。

第１図は、本発明の一実施例にかかる装置を示してい
る。

同図において、データ処理部１は後述する処理を実行し
て工具軌跡を生成するものであり、このデータ処理部１
に対してオペレータの操作情報を入力するためのキーボ
ード２、加工形状を入力するための画像読取部３および
読取画像や中間ファイル等を記憶するためのメモリ４が
接続されている。

また、画面表示部５は例えばビットマップディスプレイ
装置から構成され、データ処理部１からオペレータに対
する各種のメッセージおよび読取画像等を表示するため
のものであり、表示制御部６はこの画面表示部５の表示
内容を制御するためのものである。

したがって、オペレータは会話的に操作および作業を進
めることができ、視覚的に処理状況を確認できる。ま
た、キーボード２は画面表示部５の任意の位置を表示画
素単位に指示できるポインティングデバイスを備えてお
り、画像読取部３はファクシミリ装置の画像入力部等に
用いられているイメージスキャナ等を用いることができ
る。したがって、画像読取部３で読み取られた画像は、
主走査方向と副走査方向に所定の解像度で画素に分解さ
れ、おのおのの画素はそれぞれの濃度に対応した白黒の
二値情報をもっている。

さて、データ処理部１は、第２図（ａ），（ｂ）に示し
た２次元工具軌跡生成処理を実行して、径が小さく微細
な部分の加工に適した輪郭加工工具および径が大きく広
い部分の加工に適したサライ加工工具の２次元軌跡を生
成する。なお、この場合、加工領域は黒の画像であらわ
されている。

まず、読み取った画像データに黒画像であらわれている
加工領域を、サライ加工工具で加工するサライ加工領域
と輪郭加工工具で加工する輪郭加工領域に分割する（処
理110）。この処理110では、加工領域の輪郭線を抽出
し、その輪郭線から輪郭加工工具の径の２倍あるいはサ
ライ加工工具の半径に輪郭加工工具の径を加えた値のう
ち大きい方の寸法の距離だけ内側の範囲を輪郭加工領域
として識別し、それ以外の部分をサライ加工領域として
識別している。

すなわち第３図に示すように、まず加工領域の輪郭線を
抽出する（処理201）。この処理201では、画像を基準位
置から一定方向に走査して最初に白から黒へ変化してい
る画素を開始画素として判別し、その画素を始点とし
て、次に白から黒（あるいは黒から白）へと変化してい
る隣接画素（変化画素）を見つけ、その方向を第４図
（ａ）に示した８つの方向のベクトルのいずれか１つに
よってあらわし、次に、その見つけた変化画素を起点と
してその変化画素に入ってきたベクトルよりも２つ左の
ベクトルの方向から反時計回りに次の変化画素を見つ
け、８つの方向のベクトルのいずれか１つによってあら
わし、これを始点に戻ってくるまで順次繰り返す（８連
結ベルトル追跡；第４図（ｂ）参照）。

そして、輪郭線を形成している閉曲線を、始点の位置座
標と、それに順次連続する変化画素のベクトルの並びか
らなるデータによってあらわす。なお、この輪郭線デー
タの最後には終了をあらわすマークが付される。

ただし、２つのベクトルの差が180度以上になる角は輪
郭線を形成し得ないので、さらに反時計回り方向に変化
画素を探す（第４図（ｃ）参照）。なおこの２つのベク
トルのなす角度は、次式（Ｉ）に示したように２つのベ
クトルの内積を演算することによって算出できる。

θ＝cos^-1（V₁・V₂/（|V₁|・|V₂|））・・・（Ｉ）ここで、V₁は変化画素に入ってくるまでの複数個（例え
ば５個）のベクトルの平均ベクトルをあらわし、V₂は変
化画素からでていく方向の複数個のベクトルの平均ベク
トルをあらわしている。

このようにして輪郭線を抽出すると、１回目であるとき
には（判断202の結果がYES）、そのときに抽出した輪郭
線は加工領域の最外側の輪郭をあらわすためこの最外枠
のデータ（始点の位置座標とベクトルデータ）を記憶す
る（処理203）。

そして、処理201で輪郭線として抽出した画素に対し、
処理済みをあらわす処理済マークを付加する（処理20
4）。ただし、なるべく加工領域を分断しないために、
第４図（ｄ）に示したように、輪郭線が２ベット以上離
れていない部分には処理済マークを付加しない。この処
理済マークを付加する画素と付加しない画素の区別は、
その画素に入ってくるベクトルとその画素から次の変化
画素に出ていく画素へのベクトルとの関係によって判別
できる。なお同図においては、処理済マークをΔで示し
ている。

次に最外枠から所定数の画素数だけ輪郭線の曲出を行な
ったかどうかを調べ（判断205）、この判断205の結果が
NOのときには処理201に戻り、このときには処理済マー
クを付加している画素と加工領域との境界をなす輪郭線
を抽出して順次加工領域の内側の輪郭線を形成している
画素を抽出し、その抽出した画素に処理済マークを付加
する。

ここで、判断205で判断する画素数は、輪郭加工領域に
相当する画素数すなわち輪郭加工工具径の２倍あるいは
サライ加工工具の半径に輪郭加工工具の径を加えた値の
大きい方の寸法に相当する画素数である。したがって、
この判断205を終了した時点では、最外枠の輪郭線から
輪郭加工領域の範囲だけ内側の部分の画素に処理済マー
クが付加される。

ところで、処理204によれば、可能な限りに加工領域を
連続させるため、輪郭線の間隔が２ビット以上離れてい
ない部分には処理済マークが付加されず、また、画像の
主走査方向あるいは副走査方向に対して45度に傾斜して
いる部分では実際に輪郭加工工具によって加工される範
囲のの部分までにしか処理済マークが付加されない。

そこで、実際に輪郭加工工具で加工される領域を正確に
形成するために、処理203で記憶した最外枠の輪郭線を
あらわすベクトルデータを読み込み（処理206）、輪郭
加工領域の画素数の２倍の径で描いた加工円の中心をこ
の最外枠の輪郭線に沿って移動したときにその加工円の
内側に含まれる領域に属する画素で処理済マークが付加
されていないものに処理済マークを付加して、加工領域
を補正する（処理207）。

これによって、正確な輪郭加工領域に対応する部分の画
素に処理済マークが付加される。

このようにして、加工領域を輪郭加工領域とサライ加工
領域に分割すると、加工領域のうち処理済マークが付加
されていない画素にサライ加工領域を示すマークを付し
てサライ加工領域のデータを形成してこれを記憶する
（処理120）。

次に、サライ加工領域のマークを付加した部分を非加工
領域のデータすなわち白画素に変換して、処理110で処
理済マークを付加した画素を黒画素の状態に戻す（処理
130）。

したがって、例えば第５図に示したような画像を画像読
取部３から入力すると、この画像に黒で描かれた部分BL
が加工領域として判別され、第６図（ａ）に示したよう
に、輪郭加工工具で加工する輪郭加工領域RAと、サライ
加工工具で加工するサライ加工領域RBにそれぞれ分割さ
れる。

このようにして、輪郭加工領域とサライ加工領域を算出
すると、次に、輪郭加工領域を輪郭加工工具で加工する
ための輪郭加工軌跡およびサライ加工領域をサライ加工
工具で加工するためのサライ加工軌跡を、処理140,150
によってそれぞれ形成する。

輪郭加工軌跡演算処理140では、まず、処理103で輪郭加
工領域を形成した状態で第３図の処理を輪郭加工工具の
半径に相当する画素数について適用し、輪郭加工工具が
通過するオフセット量すなわち輪郭加工工具の半径だけ
輪郭加工領域の最外枠を削って加工領域を更新する（処
理141）。このときに削った部分の画素には処理済マー
クを付加する。

次に、更新した加工領域において、処理済マークを付加
した画素と黒画素との境界線（輪郭線）を第３図の処理
201と同様な方法で算出し、その算出結果（すなわち追
跡ベクトル）をスムージング処理して、円、工具径の10
倍以上の長い直線、頂点、短い直線、円弧および自由曲
線の組合せによってあらわした輪郭加工工具の最外枠工
具軌跡を算出する（処理142）。

すなわち、第７図に示したように、まず、輪郭線の円の
部分を判定する（処理301）。この処理301では、輪郭線
の各座標を次式（II）に代入して各座標におけるＣの値
を算出し、Ｃが一定の場合は仮の円と判定する。そし
て、仮の円と判定した場合、輪郭線の任意の３点を適宜
に複数組選んでおのおのの組の３点を通る円の中心を算
出し、これらの複数個の中心の平均位置を算出して当該
輪郭線を円とみなしたときの仮の中心を求める。

次に、このようにして得た仮の中心から次式（III）の
ような円の方程式を形成し、さらに、各画素データと式
（III）で算出した仮の円との距離Δliの絶対値の積算
値SAおよび積算値SBを次式（IV），（Ｖ）に基づいて算
出し、それらの結果に基づいて式（III）で算出した仮
の円が実際の円として識別できるかどうかを判定する。

Ｃ＝（x²＋y²）ｙ・・・（II）（ｘ−xc）^２＋（ｙ−yc）^２＝Γ^２・・・（III）ここで、円は１つの閉曲線をなすから、この円の判定に
よって１つの輪郭線を形成する全ての軌跡が終了したか
どうかを調べ（判断302）、この判断302の結果がNOのと
きには次の処理へと進む。

次には、輪郭加工工具の10倍以上の長さの直線を算出す
る（処理303）。この処理303では、単位ベクトル５個分
のベクトルの平均ベクトル形成し、その平均ベクトルの
ベクトル角から、次式（III）に基づいて仮の直線区間
を算出する。

次に、各画素データと式（VI）で算出した仮の直線との
距離Δliの絶対値の積算値SAおよび積算値SBをそれぞれ
式（IV），（Ｖ）に基づいて算出し、それらの結果に基
づいて式（VI）で算出した仮の直線が実際の直線として
識別できるかどうかを判定する。

ax＋by＋ｃ＝０・・・（VI）なお、さらにベクトルの方向のヒストグラムを形成し、
そのヒストグラムにピークがただ１つある場合にはその
区間を直線として、ヒストグラムのピークがそれ以上の
個数ある場合にはそれ以外のものとして判別している。

次に、処理301および処理303で円および長い直線と判別
されなかった部分について、輪郭線に現われる頂点を判
別する（処理304）。

この処理では、処理303で形成した平均ベクトルを式
（Ｉ）に代入して２つの平均ベクトルのなす角度を算出
し、その算出結果に基づいて頂点を判別する。このと
き、第８図に示したように、平均ベクトルの算出起点に
よっては、点P1が誤って頂点として判断されるおそれが
あるので、２つの平均ベクトルのなす角度がある程度鋭
くなっている部分では、平均ベクトルの算出起点を順次
変化させ、２つの平均ベクトルのなす角度が最も鋭く、
かつ、安定している状態を判別し、それによって適切な
頂点Ptを検出している。

次に、処理303で算出した直線の端点と処理304で算出し
た頂点の間の区間、あるいは、頂点と頂点との間の区間
で直線と判定できる部分を、処理303と同様な判断基準
で算出する（処理305）。

次に、処理301,303,304,305で処理されなかった区間に
対し、円弧の部分を算出する（処理306）。この処理306
では、処理301とほぼ同様にして仮の円弧区間を算出
し、この仮の円弧区間の仮の中心を仮の円弧区間の８点
の座標をもとに算出し、仮の中心から式（III）のよう
な円の方程式を形成する。

そして、この仮の円弧との実際の画素の座標との差を上
式（IV），（Ｖ）によって算出し、その算出結果に基づ
いてその仮の円弧区間を適切なものであるかどうかを判
断するとともに、半径を判定する。

最後に、処理301,303〜306で対象とならなかった区間に
対して、スプライン曲線からなる自由曲線をあてはめる
（処理307）。

このようにして、処理142により輪郭加工工具の最外枠
工具軌跡を算出する。

そして、次に第３図の処理を輪郭加工工具のオーバラッ
プ量に相当する画素数について適用し、最外枠工具軌跡
を輪郭加工工具が通過したときと１つ内側の工具軌跡を
輪郭加工工具が通過したときのオーバラップ量に相当す
る部分の画素に処理済マークを付加する（処理143）。
なお、この処理143においては、工具軌跡が一筆書き状
になるように連続性を失わないような処理を施す。

このような処理141,142,143を、全ての加工領域の最外
枠について適用するまで繰り返し実行し（判断144のル
ープ）、各加工領域の輪郭加工領域の最外枠工具軌跡を
算出する。

次に、第３図の処理を輪郭加工工具のオフセット量に相
当する画素数について適用して内側の加工領域を加工す
るためのオフセット線を抽出し（処理145）、このオフ
セット線に対応したスムージング処理しない工具軌跡を
算出し（処理146）、第３図の処理を輪郭加工工具のオ
ーバラップ量に相当する画素数について適用してオーバ
ラップする分の画素に処理済マークを付加し（処理14
7）、輪郭加工領域の全ての画素に処理済マークが付加
されるまで処理145,146,147を繰り返し実行して（判断1
48のループ）、最外枠以外の輪郭加工領域を加工するた
めの工具軌跡を算出する。

このようにして輪郭加工軌跡演算処理140により、全て
の輪郭加工領域における輪郭加工工具の工具軌跡が算出
される。

そして次に、サライ加工領域をサライ加工工具で加工す
るための工具軌跡をサライ加工軌跡演算処理150によっ
て算出する。

このサライ加工軌跡演算処理150では、まず、処理120で
記憶したサライ加工領域のデータを読み込んだ後（処理
151）、輪郭加工軌跡演算処理140において処理141を省
略したと同様の処理を、指定されたサライ工具の径やオ
ーバラップ量等について実行する（処理152,153、判断1
54、処理155,156,157、判断158）。

なお、ここでサライ加工領域の最外径を加工するための
オフセット線を形成する必要がないのは、処理110で輪
郭加工領域とサライ加工領域を分割したとき、輪郭加工
領域をサライ加工工具の半径よりも大きく設定したの
で、サライ加工領域の最外枠に沿ってサライ工具を移動
しても読取画像で設定された加工領域の外側まで加工す
るおそれがないからである。

これにより、全てのサライ加工領域におけるサライ加工
工具の工具軌跡が算出される。

以上のようにして、加工領域の画像を原稿に形成し、そ
の原稿を画像読取部３で読み取らせるだけで、例えば第
６図（ｂ）に示したような輪郭加工工具の工具軌跡およ
びサライ加工工具の工具軌跡が自動的に形成される。ま
た、読み取りのさいの画像の歪み等は、処理142によっ
てスムージングされる結果、除去される。

なお、第６図（ｂ）で破線は輪郭加工工具の工具軌跡を
示し、一点鎖線はサライ加工工具の工具軌跡を示してい
る。ただし、この場合には輪郭加工工具の最内側の工具
軌跡とサライ加工工具の最外側の工具軌跡が重複してい
る。

ところで、上述した実施例では、径の小さい輪郭加工工
具と、径の大きいサライ加工工具の２つの工具によって
読取画像に設定されている加工領域を切削加工する場合
について説明したが、径が異なる３つ以上の工具を用い
た場合でも、同様にして本発明を適用することができ
る。またこのように複数の径が異なる工具による工具軌
跡を生成しているので、とくに工具を自動的に交換でき
る機能（オート・ツール・チェンジャ）を備えた数値制
御工作機械に対して、本発明は非常に大きな効果を奏す
る。

また、上述した実施例では、読取画像の黒画素の部分を
加工領域として判断しているが、白画素の部分を加工領
域として判別させることもできる。その場合、読取画像
を白黒反転した画像の黒画素の部分を加工領域として判
断させてもよい。

なお、工具軌跡をスムージングする方法としては、上述
した実施例以外のものを用いることもできる。

また、上述した実施例では、予め加工領域の画像を形成
した原稿を画像読取部で読み取らせ、その読取画像から
加工領域を識別しているが、画面表示部とキーボードに
よって線画からなる加工領域を形成し、それに白黒の画
像を指定することによって加工領域を入力することもで
きる。

［効果］以上説明したように、本発明によれば、加工領域の画像
を入力し、その画像データにあらわれる加工領域の輪郭
線を抽出し、その輪郭線から加工領域の内側に向かい、
径の異なる複数の工具で加工させる工具別加工領域を、
径が小さい工具に対応するものから順に形成し、おのお
のの工具のオフセット量とオーバラップ量に基づいてそ
れぞれの工具に対応した一筆書き状の２次元工具軌跡を
形成して、削り残りの出ない工具軌跡を自動的に生成し
ているので、工具軌跡を形成するための労力および時間
を格段に短縮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかるデータ処理装置を示
したブロック図、第２図（ａ），（ｂ）は工具軌跡を生
成するための処理例を示したフローチャート、第３図は
加工領域を抽出するための処理例を示したフローチャー
ト、第４図（ａ）〜（ｄ）は輪郭線抽出を説明するため
の説明図、第５図は読取画像の一例を示した平面図、第
６図（ａ），（ｂ）は処理の中間状態を説明するための
説明図、第７図はスムージング処理の一例を示したフロ
ーチャート、第８図は頂点の識別を説明するための説明
図である。１……データ処理部、２……キーボード、３……画像読
取部、４……メモリ、５……画面表示部、６……表示制
御部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】数値制御工作機械に加工させる加工領域に
対応した画像を形成し、その画像のデータに基づいて上
記加工領域にあらわれる輪郭線を抽出し、この輪郭線か
ら加工領域の内側に向かって径の異なる複数の工具で加
工させる工具別加工領域を径が小さい工具に対応するも
のから順に形成し、おのおのの工具別加工領域に対応す
る工具のオフセット量およびオーバラップ量に基づいて
それぞれの工具に対応した一筆書き状の２次元工具軌跡
を形成することを特徴とする２次元工具軌跡生成方法。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載において、前記
輪郭線は、隣接する変化画素をベクトルで結んで形成さ
れることを特徴とする２次元工具軌跡生成方法。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載において、最外
側の前記工具別加工領域で輪郭線を形成するための２次
元工具軌跡は、その部分が円、直線、頂点、円弧および
自由曲線のいずれかに変換されて円滑化された状態でオ
フセット量だけ内側に形成され、それ以外の前記工具別
加工領域では、その輪郭線に沿って最外側の２次元工具
軌跡が形成されることを特徴とする２次元工具軌跡生成
方法。