JP4784767B2 - ３軸ｎｃ木工旋盤システム・工具経路生成方法・工具経路生成プログラム及び記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、木工用旋削装置の切削工具として円盤型回転工具１を用いた場合の立体輪郭加工に必要な工具経路を生成する方法に関する。

先ず、従来の技術を列挙する。
円盤型回転工具１を用いたＮＣ旋盤としてバットや家具の脚、タマゴ形などを加工する２軸同時制御ＮＣ旋盤がある（例えば非特許文献１〜２）。
３次元形状を加工するＮＣ旋盤としては回転工具との組み合わせによるターニングセンタ（例えば特許文献１）、材料の回転軸であるＣ軸に対し直角な平面内に回転軸をもつ円筒状回転工具を用いた自由曲面加工装置（特許文献２）を挙げることができる。
他に３次元形状の加工機には直交３軸と回転２軸の工具姿勢制御軸を持つ５軸加工機がある。
エンドミルを用いた直交３軸ＮＣ加工機による３次元加工に必要な工具経路を得るための技術が様々に発表されている。（例えば、特許文献３）。
以下、上述したそれぞれの従来技術について本発明に関わる特徴を説明する。

円盤型回転工具１を用いた２軸同時制御ＮＣ旋盤の場合には、材料の回転数の高低に関係なく円盤型回転工具１の切刃における切削速度が極めて高速であることから重切削であっても切削抵抗が軽微で、バイトを用いた旋盤の場合のような少ない切り込みを多数回繰り返すことなしに一度の加工で目標形状に達することができ、生産性が高い。

次に、ターニングセンタでは直交３軸と回転２軸の合計５軸の構成であることから面加工や溝加工、および材料の回転に同期した加工によってコンプレッサーのスクリューなどの３次元形状を加工することができる。

次に、特許文献２の自由曲面加工機では回転軸に対して直角な断面の形状が常に凸面となる形状の加工が出来る。

次に５軸加工機は工具の向きをも制御できるので入り組んだ形状などの複雑な３次元形状の加工が可能である。

次に、エンドミルを用いた直交３軸ＮＣ加工機による３次元加工に必要な工具経路を得るための技術では、加工形状に対する法絡面を工具半径だけオフセットした距離に生成し、法絡面上を工具中心が加工方向に沿って移動するように経路を計算している
弥栄鉄工株式会社「ＣＮＬ−ＰＲＯカタログ」 林産試だより「３軸ＮＣ木工旋盤の開発」、北海道立林産試験場、２００６年３月号、Ｐ３〜４ 特開２００５−２１９１９７号公報、図１ 特開平７−５１９８９号公報、図１ 特開２０００−３５３００５、段落００３〜００４、図１

木材の３次元加工技術向上のためにはＮＣ加工機の導入が重要であり、そのため安価で使い易い加工機である必要がある。特にＮＣ加工機の導入経験のないユーザーにとって高価なＮＣ加工機を導入するには経済的リスクを抱える上に「コンピュータ」や「プログラム」という言葉に対する難しいというイメージを抱いてしまう問題がある（非特許文献３参照）。
「ＮＣ制御機器による木材加工技術の合理化に関する研究」遠西隆文、寺門秀人著、茨城県工業技術センター研究報告、第２２号、平成６年１２月、Ｐ８１、４．考察

従来の技術の中の円盤型回転工具１を用いた２軸同時制御ＮＣ旋盤の場合、回転中の材料に対して工具が２次元平面内の運動をするだけなので断面形状が円形に限られ３次元加工の技術向上に寄与することはできない。

次に、ターニングセンタの場合には、３軸に比べて高価なハードウエアとなり、また工具経路は直交座標系と回転座標系との合成によらなければ算出できず複雑で高価なソフトウエアである。更に、用いられる工具はエンドミルやドリルのような円筒形状であるから曲率半径の小さな凹面の加工の際には直径の細い工具を使う必要が生じ、その結果、切り込み量が小さくならざるを得ず加工能率が低下する。

次に、特許文献２の自由曲面加工機では、加工形状が材料の回転軸に対し直角な断面での形状が凸面に限られる。また、Ｚ軸に沿った方向の曲率半径の小さな凹面を加工する際には直径の細い工具を使うことになり、その結果、切り込み量が小さくならざるを得ず加工能率が低下する。

次に、５軸加工機は、材料をベッドに固定した状態で加工するので材料の全周に渡る加工の際には固定個所に工具が届かない問題が生じる。このため加工の途中で材料を反転させるなどの再固定工程を必要とし生産性が低い。また、３軸加工機に比べて高価なハードウエアとなり、また工具経路は直交座標系と回転座標系との合成によらなければ算出できず複雑で高価なソフトウエアとなる。更に、用いられる工具はエンドミルやドリルのような円筒形状であるから曲率半径の小さな凹面の加工の際には直径の細い工具を使う必要が生じ、その結果、切り込み量が小さくならざるを得ず加工能率が低下する。

次に、エンドミルを用いた直交３軸ＮＣ加工機による３次元加工に必要な工具経路を得るための技術では、工具の長さ（厚み）を考慮しておらず図１に示すようにくびれた部分の加工の際には干渉領域が生じる問題がある。

この発明は、上述したような問題点を考慮してなされたものであり、木材を３次元加工するときに安価な加工機でしかも複雑な知識を必要とせず３次元形状を加工するための３軸ＮＣ木工旋盤システムを提供することを目的とする。

そこで、上記目的を達成すべく、本発明に係る３軸ＮＣ木工旋盤システムは次の手段を採用する。

すなわち、請求項１記載の、円盤型回転工具１を用いた３軸ＮＣ木工旋盤システムであって、
表面が三角形で分割されコンピュータに入力されている製品の３次元形状モデルを３軸ＮＣ木工旋盤上の旋回角度の制御が可能な旋回軸であるＣ軸にチャッキングしたと仮定し、
切削工具としての円盤型回転工具１を外径と厚さが同一である回転軸をもつ薄肉円盤３と仮定し、
当該薄肉円盤３の外周が、旋回中の前記３次元形状モデルに対し干渉なしに接した状態を維持しながらＺ軸に沿って移動することを前提に当該薄肉円盤３の回転中心のＸ座標を求めること
で円盤型回転工具１のＸ座標を得ることを特徴とする工具経路生成方法を有する。

請求項２記載の工具経路生成方法は、円盤型回転工具１を用いた３次元加工に必要な工具経路生成方法であって、
表面が三角形で分割されコンピュータに入力されている前記３次元形状モデルを３軸ＮＣ木工旋盤上の旋回角度の制御が可能な旋回軸であるＣ軸にチャッキングしたと仮定し、
切削工具としての円盤型回転工具１を外径と厚さが同一である回転軸をもつ薄肉円盤３と仮定し、
当該薄肉円盤３の外周が、旋回中の前記３次元形状モデルに対し干渉なしに接した状態を維持しながらＺ軸に沿って移動することを前提に当該薄肉円盤３の回転中心のＸ座標を求めるために、
当該薄肉円盤３の片方の側面１を含む平面である第１の平面と三角形の辺との交点からなる第１の交点群のうち、交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を第１の平面上に描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第１の工具中心のＸ座標とし、
もう片方の側面２を含む平面である第２の平面と三角形の辺との交点からなる第２の交点群のうち、交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第２の工具中心のＸ座標とし、
三角形の頂点に関し第１の平面と第２の平面の間に存在する頂点群のうち、頂点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第３の工具中心のＸ座標としたとき、
第１の工具中心のＸ座標と第２の工具中心のＸ座標と第３の工具中心のＸ座標のうち最も旋回軸から遠いＸ座標を工具経路にすることを特徴とする。

請求項３記載のプログラムは工具経路生成プログラムであって、
コンピュータに
表面が三角形で分割されコンピュータに入力されている前記３次元形状モデルを３軸ＮＣ木工旋盤上の旋回角度の制御が可能な旋回軸であるＣ軸にチャッキングしたと仮定し、
切削工具としての円盤型回転工具１を外径と厚さが同一である回転軸をもつ薄肉円盤３と仮定し、
当該薄肉円盤３の外周が、旋回中の前記３次元形状モデルに対し干渉なしに接した状態を維持しながらＺ軸に沿って移動することを前提に当該薄肉円盤３の回転中心のＸ座標を求めるために
当該薄肉円盤３の片方の側面１を含む平面である第１の平面と三角形の辺との交点からなる第１の交点群のうち、交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を第１の平面上に描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第１の工具中心のＸ座標とし、
もう片方の側面２を含む平面である第２の平面と三角形の辺との交点からなる第２の交点群のうち、交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第２の工具中心のＸ座標とし、
三角形の頂点に関し第１の平面と第２の平面の間に存在する頂点群のうち、頂点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの、当該薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第３の工具中心のＸ座標としたとき、
第１の工具中心のＸ座標と第２の工具中心のＸ座標と第３の工具中心座標のうち最も旋回軸から遠いＸ座標を工具経路にすることで円盤型回転工具１の工具経路を得る手段として
機能させることを特徴とする。

また請求項４の発明においては、
請求項３に記載の工具経路計算プログラムを記録したことを特徴とする記録媒体であるようにする。

以上のことから、本発明によると、製品の３次元形状の表面が三角形に分割されたモデル（以後、ポリゴンサーフェイスモデル２と呼ぶ）さえあれば円盤型回転工具１を用いた３軸ＮＣ旋盤システムにより３次元加工が可能になり、以下の効果がある。

３軸構成の旋盤タイプで３次元加工が可能になるので５軸加工機よりも安価な加工機になる。

工具経路計算に必要な情報は円盤型回転工具１の直径と厚みのみであるから工具姿勢をも求める５軸加工機のような複雑な計算は不要であり、単純な計算のみで複雑な３次元加工のための工具経路を求めることができる。

円盤型回転工具１を用いることでＺ軸に直角な断面の形状は円盤型回転工具１の半径以上の曲率半径凹面を含む３次元形状を加工することができ、例えば図２に示すような厚みの薄い非円形の器の加工が短時間で可能になる。

図３に示すような、Ｚ軸に沿った凹面を加工する際の加工可能な曲率半径は円盤型回転工具１の厚みに依存するので円筒型の回転工具よりも小さな曲率半径の凹面を含んだ３次元形状を加工することができる。

以下、ポリゴンサーフェイスモデル２と円盤型回転工具１との位置関係、運動を説明し、その後工具経路生成法を説明する。

図４−ａはポリゴンサーフェイスモデル２が仮想的にチャッキングされている様子と、旋盤の刃物台上に存在する工具として薄肉円盤３に仮定された円盤型回転工具１を示している。図中のポリゴンサーフェイスモデル２は例として鳥の頭部のモデルを表しており、その根元が四角形のチャックによって把持されている状態を示している。また、図中の薄肉円盤３は、円盤型回転工具１の厚みと直径が同一な円盤に仮定されていることを示している。

工具経路を求めるには、先ず、図５に示すように薄肉円盤３のチャック側の側面がポリゴンサーフェイスモデル２先端のＺ座標上にあり、かつ薄肉円盤３の外周面が旋回軸心に接する位置にあるとする。この状態を開始として、薄肉円盤３をポリゴンサーフェイスモデル２と干渉することなく接しながら旋回させる、と同時に−Ｚ方向へ移動させる。すると、薄肉円盤３とポリゴンサーフェイスモデル２の接触点の軌跡は図６のようにスパイラル状に描かれる。その際、薄肉円盤３はポリゴンサーフェイスモデル２の凹凸によってＸ軸方向に運動を引き起こす。このときのＸ座標を旋回角度とＺ座標に応じて求めることが本発明の趣旨である工具経路を求めることであり、次にその方法を説明する。

図７は薄肉円盤３と、その両側面を含む２つの平面の間である薄肉円盤空間に存在するポリゴンサーフェイスモデル２上の三角形との幾何学的位置関係を示している。図８は図７を横から見た図である。本来は薄肉円盤３と接触するであろう候補として薄肉円盤空間に存在する三角形すべてを図示しなければならないが簡単のため任意の隣り合う三角形を２つ想定する。

ここで、一般にＸＹ平面内においてＸ軸上に中心を持つ半径Ｒｃの円のうち任意の点Ａを通る円の中心のＸ座標は、点Ａを中心とする半径Ｒｃの円とＸ軸との交点として求められる（図９）。この考え方で図４−ａを正面から見た図４−ｂに示すような接触点Ａに対する薄肉円盤３の中心のＸ座標を求めることができる。

以上の位置関係と運動および任意の点Ａに接する円の中心のＸ座標を求める手法により、旋回するポリゴンサーフェイスモデル２に対して干渉することなく接しているときの薄肉円盤３の中心Ｘ座標を以下のように求め工具経路を得る。

図７において
側面１を含む平面である第１の平面と三角形の辺との交点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を第１の平面上に描いたときに、その円がＸ軸と交わる交点のうち、最も旋回軸から遠い交点のＸ座標を第１の工具中心のＸ座標とする。

次に、側面２を含む平面である第２の平面と三角形の辺との交点Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を第２の平面上に描いたときに、その円がＸ軸と交わる交点のうち、最も旋回軸から遠い交点のＸ座標を第２の工具中心のＸ座標とする。

そして、三角形の頂点に関し当該薄肉円盤３と接する可能性のある頂点は、第１の平面と第２の平面の間に存在する頂点Ｐ２、Ｐ４である。そこで、Ｐ２，Ｐ４を頂点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を、第１および第２の平面に平行に描いたときに、その円がＸ軸と交わる交点のうち、最も旋回軸から遠い交点を第３の工具中心のＸ座標とする。

第１、第２、第３の工具中心のＸ座標のうち最も旋回軸から遠い座標が、求める薄肉円盤中心のＸ座標である。

図４−ｂはポリゴンサーフェイスモデル上の点Ａに接している薄肉円盤３を示している。言い換えれば、薄肉円盤３がポリゴンサーフェイスに外接するときの中心のＸ座標を求めることを意味する。

以上の計算をポリゴンサーフェイスモデル２の先端から加工終端までに渡り、旋回角ごとに、またＺ軸方向の送りごとに求めＧコードとともに保存することで工具経路を得る（図１０）。

エンドミルを用いた直交３軸ＮＣ加工機による３次元加工の際の問題点説明図 発明の効果の説明図 発明の効果の説明図 ポリゴンサーフェイスモデル２と薄肉円盤３に仮定された円盤型回転工具１を示す図 図４−ａを正面から見た図 工具経路を求めるための開始位置を示す図 ポリゴンサーフェイスモデル２と薄肉円盤３との接触点がスパイラル状になることを示す ポリゴンサーフェイスモデル２と薄肉円盤３との位置開係を示す図 図７を横から見た図 点Ａを通る円の中心Ｘ座標を求める方法を示す解説図 工具経路の計算手順を表すフローチャート

１ 円盤型回転工具
２ ポリゴンサーフェイスモデル
３ 薄肉円盤

Claims (4)

1. 工具として、Ｚ方向およびＸ方向に移動可能な円盤型回転工具１を用いた３軸ＮＣ木工旋盤システムであって、
   表面が三角形で分割されコンピュータに入力されている製品の３次元形状モデルを３軸ＮＣ木工旋盤上の旋回角度の制御が可能な旋回軸であるＣ軸にチャッキングしたと仮定し、
   切削工具としての円盤型回転工具１を外径と厚さが同一である回転軸をもつ薄肉円盤３と仮定し、
   当該薄肉円盤３の外周が、旋回中の前記３次元形状モデルに対し干渉なしに接した状態を維持しながらＺ軸に沿って移動することを前提に、
   Ｃ軸の任意の角度と当該薄肉円盤の任意のＺ座標に対して当該薄肉円盤３の回転中心のＸ座標を求める際、
   ▲１▼当該薄肉円盤の片側の側面の外周に並ぶ刃先を通る円から成る厚みゼロの円盤と前記３次元形状モ デルとが接するときの加工点と、▲２▼当該薄肉円盤の前述の側面とは反対側の側面に関して外周に並ぶ刃先を通る円から成る厚みゼロの円盤と前記３次元形状モデルとが接するときの加工点と、▲３▼両側面の間の円筒面と前記３次元モデルとが接するときの加工点の３通りの加工点の候補の中から実際に加工に寄与すべき加工点を１つだけ抽出することで円盤型回転工具１のＸ座標を得ることを特徴とする、
   工具経路生成方法を有する３軸ＮＣ木工旋盤システム。
2. 請求項１に記載の工具経路生成方法は、
   円盤型回転工具１を用いた３次元加工に必要な工具経路生成方法であって
   表面が三角形で分割されコンピュータに入力されている製品の３次元形状モデルを３軸ＮＣ木工旋盤上の旋回角度の制御が可能な旋回軸であるＣ軸にチャッキングしたと仮定し、
   切削工具としての前記円盤型回転工具１を外径と厚さが同一である回転軸をもつ薄肉円盤３と仮定し、
   当該薄肉円盤３の外周が、旋回中の前記３次元形状モデルに対し干渉なしに接した状態を維持しながらＺ軸に沿って移動することを前提に当該薄肉円盤３の回転中心のＸ座標を求めるために、
   前記３次元形状モデルの任意のＣ軸周りの回転角度と前記円盤型回転工具１の任意のＺ軸座標において、
   当該薄肉円盤３の片方の側面１を含む平面である第１の平面と前記三角形の辺との交点からなる第１の交点群のうち、各交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を第１の平面上に描いたときの、当該薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第１の工具中心のＸ座標とし、
   もう片方の側面２を含む平面である第２の平面と前記三角形の辺との交点からなる第２の交点群のうち、各交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第２の工具中心のＸ座標とし、
   前記三角形の頂点に関し第１の平面と第２の平面の間に存在する頂点群のうち、頂点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの、当該薄肉円盤３の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第３の工具中心のＸ座標としたとき、
   第１の工具中心のＸ座標と第２の工具中心のＸ座標と第３の工具中心のＸ座標のうち最も旋回軸から遠いＸ座標を工具経路にすることを特徴とする
   工具経路生成方法。
3. 円盤型回転工具１を用いた３次元加工に必要な工具経路生成プログラムであって
   コンピュータを
   表面が三角形で分割されコンピュータに入力されている製品の３次元形状モデルを３軸ＮＣ木工旋盤上の旋回角度の制御が可能な旋回軸であるＣ軸にチャッキングしたと仮定し、
   切削工具としての円盤型回転工具１を外径と厚さが同一である回転軸をもつ薄肉円盤３と仮定し、
   当該薄肉円盤３の外周が、旋回中の前記３次元形状モデルに対し干渉なしに接した状態を維持しながらＺ軸に沿って移動することを前提に当該薄肉円盤３の回転中心のＸ座標を求めるために、
   前記３次元形状モデルの任意のＣ軸周りの回転角度と円盤型回転工具１の任意のＺ軸座標において、
   当該薄肉円盤３の片方の側面１を含む平面である第１の平面と三角形の辺との交点からなる第１の交点群のうち、交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を第１の平面上に描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第１の工具中心のＸ座標とし、
   もう片方の面を含む平面である第２の平面と三角形の辺との交点からなる第２の交点群のうち、交点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第２の工具中心のＸ座標とし、
   三角形の頂点に関し第１の平面と第２の平面の間に存在する頂点群のうち、頂点を中心として当該薄肉円盤３の半径と同じ半径の円を描いたときの、薄肉円盤の回転中心を通るＸＺ平面との交点座標のうちＸ座標が最も旋回軸から遠い交点を第３の工具中心のＸ座標としたとき、
   第１の工具中心のＸ座標と第２の工具中心のＸ座標と第３の工具中心のＸ座標のうち最も旋回軸から遠いＸ座標を工具経路にすることで円盤型回転工具１の工具経路を得る手段として機能させることを特徴とする
   工具経路生成プログラム。
4. 請求項３記載の工具経路生成プログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。

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