JPH1190774A - 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

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

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JPH1190774A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】ストック・カッティング・プログラムを用いて
ストックから最初に切削される加工品を加工するのに用
いられる工作機械用に適応可能なフィードレートを決定
する方法の提供。 【解決手段】工具の経路を追跡すると共に選択されたベ
ースライン・フィードレート及び指示に対する切削速度
で加工品を加工するために、一連の切削工具の移動を画
定するコード化されたるNCプログラム110含んでお
り、工具の広がった容積を現在の加工品の幾何から差し
引くことにより、処理中の加工品の幾何を立体として連
続的にモデル化するNCプログラムを入力として用い
る。また、あらゆる工具の移動に対して、材料除去割
合、平均切削力及び切削工具の撓みを計算する。更に付
加的な工程は、モデル化及び計算に基づいて、工具の移
動当たりの調節されたフィードレートを選択して、切削
力及び工具の撓みを含んでいるユーザ・セットの束縛を
犯すことなく生産性を最適化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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加工用に適応可
能なフィードレート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、幾何モデリングに基づ
いた)NC機械用に適応可能なフィードレートを決定す
る方法が開示されており、この方法は、もとの加工品の
幾何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。工具の先端の移動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、工具の先端の移動が部
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、フィードレートを用いているコンピュ
ータ・プログラムと、逆時間(inverse-time)フィード
レート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、N
C機械にかけられるもとの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、工作機械用に適用可能なフィ
ードレート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
に適応可能なフィードレートを決定するためのものであ
り、加工品は、ストック・カッティング・プログラムを
用いてストックから最初に切削される。この方法は、入
力としてのストック・カッティング・プログラムを用い
て、幾何モデル化プログラムから初期の加工品の幾何を
発生することを含んでいる。この方法は又、工具の経路
を追跡すると共に選択されたベースライン・フィードレ
ート及び指示に対する切削速度で加工品を加工するため
に、一連の切削工具の移動を画定するコード化された指
示を有している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、工具の広がった
容積を現在の加工品の幾何から差し引くことにより、処
理中の加工品の幾何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、
初期の加工品の幾何は、最初に述べた工程から得られ
る。更なる工程は、あらゆる工具の移動に対して、材料
除去割合、平均切削力及び切削工具の撓みを計算するこ
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、工具の移動当たりの調節されたフィードレー
トを選択して、切削力及び工具の撓みを含んでいるユー
ザ・セットの束縛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、幾何モデル化プログラムに対
する入力として、ストック・カッティング・プログラム
を用いて初期の加工品の幾何を自動的に発生する。この
ため、初期の加工品の幾何を発生するために幾何モデル
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「逆フィードレート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示を有し
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、その指示は、逆時間フィードレートを
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(ベースライン)逆時間フィー
ドレートで加工品を加工する一連の切削工具の移動を画
定し、又、指示による切削速度を画定する。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
間フィードレート」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移動
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、直線及び角移動の機械軸に沿って
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、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
示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の座標及び逆フィードレート
変換」並びに「フィードレート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、
逆時間フィードレートの反転及び第1の座標系の変換を
実行して、フィードレート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示を有している第2のN
Cプログラムを得ることを含んでいる。「フィードレー
ト」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移動させることを含んだ特定の
工具の移動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。「逆時間フィードレートの反転」は、工具の
移動の直線距離又は角距離に逆時間フィードレートを掛
けて、フィードレート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移動は、ど
のようにして特定の機械がこのような移動を実際に達成
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移動を記述し、
ここで、x、y及びzは、直線移動に関する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。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)co
sAsinB−ssinAsinB+v(cosA−
1)+d(cosB−1)+vsinB y=YcosA+(Z−t)sinA+s(cosA−
1)+vsinA z=(Z−t)cosAcosB−XsinB−Ysi
nAcosB−ssinAcosB+v(cosA−
1)cosB−dsinB+v(cosB−1) i=cosAsinB j=sinA k=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
節されたフィードレートを計算する」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
の広がった容積を現在の加工品の幾何から差し引くこと
により、処理中の加工品の幾何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、あらゆる
工具の移動に対して、材料除去割合、平均切削力及び切
削工具の撓み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、工具の移動当
たりの調節されたフィードレートを選択して、切削力及
び工具の撓みに関するユーザ・セットの束縛を犯すこと
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フィー
ドレートは、適応可能なフィードレートであり、適応可
能なフィードレートは、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プログラマにフィードレートを保守
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、工具の移動の所与の収集のためのフィードレー
トは、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。適応可能なフィードレート
の制御により、工具を各々の切削移動の間に可能な限り
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のフィードレ
ート変換」及び「調節された逆フィードレートを有する
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のフィードレ
ート反転を実行して、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のフィードレート反転(即ち、調節された逆フ
ィードレート)は、第1のプログラムにおける逆時間フ
ィードレートに、第2のNCプログラムにおけるフィー
ドレートに対する調節されたフィードレートの比を掛け
ることにより計算され、調節された逆フィードレート
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)からの調節されたフィードレート
と、工程(a)からの第1のNCプログラムと、機械レ
ベル・データにおける指示が所与の適応可能なフィード
レート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
移動に関するユーザ・セットの束縛を犯さないように特
定の機械の移動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フィードレートを減少させること
を含んでいる。機械の移動に関するユーザ・セットの束
縛の例には、工作機械の直線及び/又は角度軸の最大速
度に関するユーザ・セットの制限がある。
【0013】第1の好ましい方法は、次の機械の移動に
対して調節された逆時間フィードレートが現在の機械の
移動に対して調節された逆時間フィードレートの所定の
部分よりも小さい場合に、現在の機械の移動に対して修
正された第1のNCプログラムの調節された逆時間フィ
ードレート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移動の間に
直線的及び/又は角度的な工作機械の移動を迅速に減速
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、加工品は最初に、ワイヤED
M(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ストック・カッティング・プ
ログラムを用いて、ストック(支持構造物)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「ストック・
カッティング・プログラム」、「幾何モデル化プログラ
ム」及び「初期の加工品の幾何」と描かれている工程を
含んでいる。この工程は、入力としてのストック・カッ
ティング・プログラムを用いて、幾何モデル化プログラ
ムから初期の加工品の幾何を発生することを含んでい
る。好ましくは、幾何モデル化プログラムは、商業的に
入手可能な(又は他の)幾何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、ストック・カッティング・プログラムにおける工具
の移動を幾何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、初期の加工品の幾何の自動的で且つよ
り正確な定義をもたらす。初期の加工品の幾何の自動的
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、ユーザは典型的には、初期の加工品を完全に
包絡する通常は長方形ブロックである加工品幾何の「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、初期の加工品の幾何の近似としてはよくない。この
保守的な加工品のモデルが適応可能なフィードレートを
計算するために用いられると、計算されたフィードレー
トは、工具がストックに入り込み、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フィードレートが計算
されて、迅速なフィードレートが用いられてしまうから
である。正確な加工品の幾何の自動的モデル化により、
工具は、加工品に接触していないときにはいつでも、迅
速なフィードレートで移動することができる。加えて、
加工品の幾何の自動的生成により、ユーザは、手動での
努力、及び初期の加工品の幾何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
の加工品の幾何が図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
うな逆フィードレート(即ち、逆時間フィードレート)
の代わりに、フィードレートを含んだ述語で表された機
械の指示(即ち、機械調整システムでコード化された指
示)を有している。図2のブロック212では、図1の
ブロック112の逆フィードレート変換(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フィードレートの代わりに、調節さ
れたフィードレートを有している。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フィードレートで第1のNCプログ
ラムを修正する。もとの機械の指示が、逆時間フィード
レートの代わりに、フィードレート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、ストック・カッティング・プログ
ラムを用いてストックから最初に切削される加工品を加
工するのに用いられる工作機械用の適応可能なフィード
レートを、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「調節された逆フィードレートを有する
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「調節された逆フィードレートを
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、
入力としてのストック・カッティング・プログラムを用
いて、幾何モデル化プログラムから初期の加工品の幾何
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、12
4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、工具の経路を追跡すると共に選択された
ベースライン・フィードレート及び指示に対する切削速
度で加工品を加工するために、一連の切削工具の移動を
画定するコード化された指示を有している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31
6における調節されたフィードレートが適応可能なフィ
ードレート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フィードレート
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、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
ログラムであるストック・カッティング・プログラムを
用いて、ストックから切削される。
【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画
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。
フロントページの続き (72)発明者 ウェイピング・ワング アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、ダウニング・ストリート、739 番 (72)発明者 ガース・エム・ネルソン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン・レイク、ハンティングトン・パー クウェイ、2番

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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、ストック・カッティング・プ
    ログラムを用いてストックから最初に切削される加工品
    を加工するのに用いられる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であって、 (a) 入力としての前記ストック・カッティング・プ
    ログラムを用いて、幾何モデル化プログラムから初期の
    加工品の幾何を発生する工程と、 (b) 工具の経路を追跡すると共に選択されたベース
    ライン・フィードレート及び指示に対する切削速度で前
    記加工品を加工するために、一連の切削工具の移動を画
    定するコード化された指示を有しているNC(数値制
    御)プログラムを提供する工程と、 (c) 工具の広がった容積を現在の加工品の幾何から
    差し引くことにより、処理中の加工品の幾何を立体とし
    て連続的にモデル化する前記NCプログラムを入力とし
    て用いる工程であって、初期の加工品の幾何は、工程
    (a)から得られる、前記NCプログラムを入力として
    用いる工程と、 (d) あらゆる工具の移動に対して、材料除去割合、
    平均切削力及び切削工具の撓みを計算する工程と、 (e) 前記モデル化及び計算に基づいて、工具の移動
    当たりの調節されたフィードレートを選択して、切削力
    及び工具の撓みを含んでいるユーザ・セットの束縛を犯
    すことなく生産性を最適化する工程とを備えた工作機械
    用に適応可能なフィードレートを決定する方法。
  2. 【請求項2】 前記ストック・カッティング・プログラ
    ムは、ワイヤEDM(電気放電加工)数値制御カッティ
    ング・プログラムである請求項1に記載の方法。
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