JP6309945B2 - 複雑な溝形キャビティをミリングするための自動化方法及びデバイス - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年５月１１日出願の非仮特許出願第１３／４７０，２０７号の優先権及び利益を主張し、その非仮特許出願の内容は、あらゆる目的のために参照によって本明細書に援用される。

本発明は、その幾つかの実施形態において、一般に、コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）用の工具経路軌道プランニング、及び特に多軸工作機械を用いた、複雑な溝形キャビティのコンピュータ支援ミリングに関する。

ＣＡＭソフトウェアシステムは、金型、ダイス、工具、プロトタイプ、及び航空宇宙産業コンポーネントなどの個別部品の製造のために機械工場で使用されるコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械をプログラムするために用いられる。機械加工できる形状の多様性は、ほとんど無限である。形状は、通常、便利な数学的構造によって分類され、数学の下位分野、例えば位相幾何学の利用を含むことが多い。

「溝」形は、単純で原始的な幾何学的概念であり、非技術者にもまた良く知られている。溝の単純で直観的な説明は、底線が底面によって結合される左側壁及び右側壁を特定することによって行われ得る。かかる形状は、ＣＡＭ製造環境において扱われる部品のほとんどで発生する。特に、ギヤ、インペラ、プロペラ、ポンピング及び移動装置、並びにブリスク（ブレード及びディスクの接合によって得られるコンプレッサタイプ）における製造の特定のエリアには種々様々の溝形が存在する。様々な溝は、壁の高さ、壁面及び底面の曲率、壁の相対的位置、溝の均一又は不均一な幅、壁面の厚さ、並びに他の幾何学的パラメータに関して互いに異なっても良い。かかる溝のミリングは、幾つかの機械的及び幾何学的制約を考慮する必要があり得る精密なプロセスである可能性がある。数値制御（ＮＣ）マシンによる意匠面の製造は、２つのステージ、即ち荒削り及び仕上げ機械加工を含んでも良い。

荒削り中に、過度な切削もガウジングも、即ち、そうではなく最終目標形状に属するように要求される材料部分を切削工具が切除し、それによって全体的なミリングプロセスに修復不能な誤り又は欠陥を導入する過度な切削もガウジングもないことを保証しながら、原材料を可能な限り速やかに切除しなければならない。更に、切削工具と切除される粗材料との間の接触率は、規定された閾値、即ち、通常は平坦、球状又はトリカル（最初の２つの間の中間形状）であるカッター端部の形状、及び切除される粗材料のタイプに依存する規定された閾値を超えることができない。

仕上げ機械加工中に、工具は、残りの過剰分を切除し、且つ十分に仕上げられた正確な表面を生成するために、表面との最大の接触を有するように配置されても良い。両方のステージ、即ち荒削りステージ及び仕上げ機械加工ステージにおいて、ＣＡＭ辞書ではチャターとも名付けられる切削工具の振動及び動作不安定性の起こり得る発生は、溝壁（非常に薄い可能性がある壁）に対する機械的圧力を低減するために制御下に保たれなければならない。これは、特に深いキャビティを有する溝に対する特に重要な配慮である。

実施形態は、５軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マシンによって溝形キャビティをミリングする方法であって、方法が、機械加工されるワークピースを選択することであって、ワークピースが、溝の底面、溝の左壁、溝の右壁、及び切削工具の入口点を有することと、切削工具の主要なフランクミリング位置セットを決定することと、切削工具用のトロコイド経路を決定することと、を含み得る方法を含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態は、切削工具の補助移動を決定することを更に含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態は、１つ又は複数のマシン命令として１つ又は複数の切削工具移動を出力することであって、１つ又は複数の切削工具移動が、選択されたワークピース、決定された主要なフランクミリング位置セット、決定されたトロコイド経路、及び決定された補助移動の少なくとも１つに基づいても良いことを更に含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態は、切削工具の主要なフランクミリング位置セットを決定することと、切削工具用のトロコイド経路を決定することと、切削工具の補助移動を決定することと、の少なくとも１つを、漸進的により下方の深さレベルの各深さレベル用に再現することを更に含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態において、切削工具の主要なフランクミリング位置セットを決定することは、ワークピース溝の底面を解析することと、ワークピース溝の解析された底面に基づいて、可能な幾何学的対称性を決定することと、決定された可能な幾何学的対称性を含む曲線をワークピース溝の左壁及びワークピース溝の右壁上に伝達することと、ワークピース溝の左壁の相対的なシフト位置を解析することと、ワークピース溝の右壁の相対的なシフト位置を解析することと、ワークピース溝の底面に対して、ワークピース溝の解析された左壁の決定された可能な幾何学的対称性を含む、且つワークピース溝の解析された右壁の決定された可能な幾何学的対称性を含む伝達された曲線を含む最新の幾何学的なデータベースを生成することと、を更に含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態において、工具の補助移動を決定することは、ワークピースの一部に接近することと、ワークピースの一部から工具を引き離すことと、高速リンクとして工具経路のサブエリア間の移動を接続することと、研磨仕上げ通過を追加することであって、研磨仕上げ通過が、切削工具用の決定されたトロコイド経路に基づいても良いことと、最終工具経路を決定することと、を更に含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態において、切削工具用のトロコイド経路を決定することは、幾何学的な切削工具位置を決定することと、機械加工されるワークピース及び決定された幾何学的な切削工具位置の相対的な相互作用を決定することと、機械加工されるワークピース及び決定された幾何学的な切削工具位置の決定された相対的な相互作用が定義された技術的な制約セットを満たすかどうかを判定することであって、定義された技術的な制約セットが、少なくとも１つの技術的な制約を含むことと、定義された技術的な制約セットが満たされない場合に、新しい幾何学的な切削工具位置を決定することであって、決定された新しい幾何学的な切削工具位置が、機械加工されるワークピース及び決定された幾何学的な切削工具位置の決定された相対的な相互作用、並びに少なくとも１つの技術的な制約の判定された達成に基づいても良いことと、機械加工されるワークピース及び決定された幾何学的な切削工具位置の相対的な相互作用を決定する際に使用される、決定された新しい幾何学的な切削工具位置を出力することと、定義された技術的な制約セットが満たされた場合に、幾何学的な切削工具位置を受け入れることと、を更に含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態において、幾何学的な切削工具位置を決定することは、ワークピース溝の選択された右壁用の幾何学的な切削工具位置セットを決定することと、ワークピース溝の底面に対して、衝突しない切削工具位置用に、ワークピース溝の選択された右壁用の決定された幾何学的な切削工具位置セットを検証することと、ワークピース溝の底面上の任意の対称性を再現することと、ワークピース溝の底面との衝突が発生すること及び定義された技術的な制約セットの少なくとも１つの技術的な制約が違反され得ることにおける少なくとも１つが発生する場合に、ワークピース溝の選択された右壁用の決定された幾何学的な切削工具位置セットを修正することと、ワークピース溝の選択された左壁用の幾何学的な切削工具位置セットを決定することと、ワークピース溝の底面に対して、衝突しない切削工具位置用に、ワークピース溝の選択された左壁用の決定された幾何学的な切削工具位置セットを検証することと、ワークピース溝の底面上の任意の対称性を再現することと、ワークピース溝の底面との衝突が発生すること及び定義された技術的な制約セットの少なくとも１つの技術的な制約が違反され得ることにおける少なくとも１つが発生する場合に、ワークピース溝の選択された左壁用の決定された幾何学的な切削工具位置セットを修正することと、を更に含んでも良い。方法の幾つかの例示的な実施形態において、機械加工されるワークピース及び決定された幾何学的な切削工具位置の相対的な相互作用を決定することは、切削工具用のトロコイド経路が、溝の底面、溝の左壁、及び溝の右壁の少なくとも１つと衝突しないことを検証することと、切削工具用のトロコイド経路が、切削工具係合限界より大きな切削工具係合を生成しないことを検証することと、切削工具用のトロコイド経路が、設定された好ましい速度を超える速度で切削工具を移動できるようにするローカル曲率を有することを検証することと、を更に含んでも良い。

実施形態はまた、５軸工作機械用の命令を生成するためのデバイスであって、デバイスが、アドレス指定可能メモリを有する処理モジュールであって、少なくとも１つの機械加工制限パラメータが満足されない間は、溝形キャビティ用の以下のステップ、即ち、溝形キャビティに沿った切削工具のフローを決定するステップと、溝形キャビティの天面から溝形キャビティの底面への切削工具の深さ貫入を決定するステップと、溝形キャビティに沿った決定された切削工具のフロー及び決定された切削工具の深さ貫入に基づいて、切削工具用のトロコイド経路を決定するステップと、を反復するように構成された処理モジュールを含むデバイスを含んでも良い。デバイスの幾つかの例示的な実施形態において、処理モジュールは、機械加工される溝形キャビティであって、底面、左壁、右壁、及び切削工具の入口点を有する溝形キャビティを選択するように更に構成されても良い。デバイスの幾つかの例示的な実施形態において、処理モジュールは、右壁に対する主要なフランクミリング工具位置セットを決定するように、且つ左壁に対する主要なフランクミリング工具位置セットを決定するように更に構成されても良く、溝形キャビティに沿った決定された切削工具のフローは、右壁に対する決定された主要なフランクミリング工具位置セット、及び左壁に対する決定された主要なフランクミリング工具位置セットに基づいても良い。デバイスの幾つかの例示的な実施形態において、処理モジュールは、補助移動を決定するように更に構成されても良く、補助移動は、溝形キャビティに接近することと、溝形キャビティから離れることと、サブエリア間の切削工具の移動を接続することと、研磨仕上げ通過を追加することであって、研磨仕上げ通過が、切削工具用の決定されたトロコイド経路に基づいても良いことと、最終工具経路を決定することと、の少なくとも１つであっても良い。デバイスの幾つかの例示的な実施形態において、少なくとも１つの機械加工制限パラメータは、溝の幾何学的形状が追加の通過を妨げること、及び機械加工公差が、追加の通過用に必要とされるよりも小さいことの少なくとも１つであっても良い。デバイスの幾つかの例示的な実施形態において、切削工具用のトロコイド経路を決定するステップは、軸方向切削工具係合、半径方向切削工具係合、少なくとも１つの切削工具速度パラメータ、並びにトロコイド経路及び溝形キャビティの底面の相互作用の少なくとも１つに更に基づいても良い。

実施形態は、添付の図面における図に例として示され、限定ではない。

図１は、例示的なコンピュータ支援製造システムを機能ブロック図に示す。 図２は、５軸機械加工の例示的な方法をトップレベルの流れ図に示す。 図３は、ワークピースを選択する例示的な方法をトップレベルの流れ図に示す。 図４は、例示的な対称伝達及び同期化ステップをトップレベルの流れ図に示す。 図５は、例示的なフランク通過ステップをトップレベルの流れ図に示す。 図６は、例示的なトロコイド生成ステップを機能ブロック図に示す。 図７は、例示的で反復的なフィードバックで駆動される位置決めプロセスを機能ブロック図に示す。 図８は、例示的なトロコイド工具経路を含む例示的な溝形キャビティを示す。 図９は、例示的な溝形キャビティの一部における例示的な工具経路軌道を示す。 図１０は、例示的な補助移動ステップをトップレベルの流れ図に示す。 図１１Ａは、例示的な研磨仕上げ通過動作を示す。 図１１Ｂは、例示的な研磨仕上げ通過動作を示す。 図１１Ｃは、例示的な研磨仕上げ通過動作を示す。 図１１Ｄは、例示的な研磨仕上げ通過動作を示す。

本実施形態は、５軸フランク機械加工と、幾何学的データ及び技術的制約の適応解析によって可能にされる高速機械加工と、溝専用の荒削りサイクルと、の構造化された組み合わせを利用しても良い。５軸数値制御（５軸ＮＣ）マシンは、３つの平行移動軸及び２つの回転軸によって特徴付けられ得る。２つの回転位置は、文字Ａ、Ｂ又はＣで示されても良いが、特定の工作機械の機械的な構成に依存して、軸Ｘ、Ｙ又はＺを中心とする位置をそれぞれ定義する。２つの回転軸は、切削工具が実行できる空間移動の範囲に２自由度を追加する。特に、それらは、３軸ＮＣマシンと比較した場合に技術的な向上を示すが、３軸ＮＣマシンでは、２つの回転軸が欠けて、切削工具の平行移動だけが可能である。切削工具位置におけるこの柔軟性の向上は、ａ）より短い機械加工時間、及びｂ）所望の目標形状をより一貫して再生するような方法で粗材料が切除されることに帰着し得る。

これらの改善のためのコストは、切削工具の計算された軌道が、３軸の場合よりも多くの制約を満たさなければならないということである。即ち、切削工具装置と粗材料との間の起こり得る望ましくない衝突の点で制御すべきより多くのものが存在する。更に、切削負荷量、即ち、切削工具によって即座に切除される粗材料の量を表すいわゆる「工具係合」は、３軸の場合よりも容易に、切削工具装置によって持続的な機械的制限を超えて増加する可能性がある。更に、工具の切削部は、典型的には、その先端及びシャンク部を含む。先端は、平坦、球状又はトリカルであっても良く、トリカルは、平坦状切削先端と球状切削先端との間の中間形状である。シャンク部は、円筒又は円錐側面の一部であっても良い。従って、工具は、その先端又はそのシャンクのいずれかで粗材料を切削しても良い。フランクミリングは、より生産的であり得る。何故なら、それが、粗材料のより高い切除率を可能にし、且つそれが、切削工具の切削サブエリアをより効率的に利用するからである。工具係合は、先端点ミリングに対応する半径方向成分、及びフランクミリングに対応する軸方向成分に分割されても良い。

例示的な実施形態は、５軸トロコイド溝荒削り（５軸ＴＣＲ）と呼ばれる、溝形に適した切削工具軌道計算を含んでも良い。トロコイドは、ラインに沿って回転する円上に固定された点によってトレースされる経路である。この定義は、機械加工される溝の形状、特にその左壁、右壁及び底面に連続的に適合される一般的な三次元曲線に沿って回転する円に一般化される。

トロコイド運動は、幾つかの利点を有する。１つの利点は、切削工具が、そのフランクで材料を常に切除し、それが、より高い機械加工速度を可能にするということである。別の利点は、切削工具の小さなエリアだけが、常に係合されるということである。トロコイド運動は、５軸ＮＣに適用された場合に多くの厄介な問題を提示する。

切削工具の効率的な５軸の頻繁又は連続的なトロコイド荒削り運動を計算するために、５軸ＴＣＲは、５つのステップを実行しても良い。この第１のステップは、対称伝達及び自動同期化と呼ばれ、それは、機械加工される溝の特定の特徴の完全な幾何解析を含む。特に、ａ）底面の対称性の可能な要素に関する情報は、溝壁に伝達されても良い。ｂ）溝の左壁及び右壁の相対的位置が評価されても良く、溝の右側のサブ部分と溝の左側の相当する部分との結果としての対応関係が確立されても良い。

第２のステップは、フランク通過生成である。このステップにおいて、ａ）右壁に対する主要なフランクミリング工具位置セットが計算され、ｂ）左壁に対する主要なフランクミリング工具位置セットが計算される。

第３のステップは、トロコイド生成ステップである。このステップにおいて、第１のステップ及び第２のステップの対応する要素は、擬似円形パターン、即ち、特有のトロコイド経路を典型的に生成するパターンを介して結合されても良い。このステップ中に、工具係合は、点状に評価され、トロコイド通過は、例えば限界係合閾値を超過する場合に、適応して変更されても良い。

第４のステップは、増分ステップである。このステップにおいて、前の３つのステップシーケンス、即ち、同期化−フランク通過−トロコイドは、繰り返し反復される。即ち、振幅又は切削負荷のより低いレベルで繰り返され、且つ溝の内部でそのように行われる。このプロセスは、低い切削負荷率を維持することによって、粗材料の段階的な切除を可能にする。多くのこれらの反復が存在しても良く、それらの数は、５軸ＴＣＲ機械加工が提供するように求められている溝の幾何学的形状、使用される切削工具の機械的特徴、及び精度、即ちいわゆる機械加工公差に依存する。これらのパラメータはまた、２つの隣接するレベルの相対的深さ距離に影響し得る。

第５のステップは、補助移動ステップである。このステップは、工具軌道への補助移動の追加を含む。その場合に、工具の望ましい補助移動が、例えば切削負荷及び目標寸法に関連し、上記の規定に従って計算される。第５のステップは、任意選択である仕上通過の実行を含んでも良い。

対称伝達及び自動同期化ステップが、溝に沿った工具のフローを考慮するのに対して、フランク通過生成ステップは、代わりに横方向を考慮する。即ち、それは、溝の上端から溝の底面への工具の深さ貫入をもたらす。トロコイド生成ステップは、工具係合、即ち軸方向係合及び半径方向係合と、工具高速運動と、切削工具軌道と溝の底面の相互作用と、を含む様々な技術的態様を処理しても良い。増分ステップは、溝の深さに依存して、荒削り作業を完成するために先行するステップを反復する。何故なら、単一の同期化−フランク通過−トロコイドシーケンスを通して全ての粗材料を溝から切除することが実行不可能であり得るからである。補助移動ステップは、必要なリンクを生成しても良く、且つトロコイド通過を生成するために使用される同じ幾何学的情報及び特にフランク通過生成ステップを利用することによって、最終結果を研磨する可能性を提供する。

図１における機能ブロック図に示されているように、実施形態は、例示的なＣＡＭシステム１００を含む。システムは、機械加工装置１３０と、プランニングモデュール１１０及び数値コード発生器１２０を含むデバイス１０２と、を含む。プランニングモデュール１１０は、処理モジュールを有し、数値コード発生器１２０は、別個の処理モジュールであっても良く、又はプランニングモデュールの処理モジュールによって実行されるコンピュータ実行命令として具体化されても良い。数値制御マシンは、それらの処理ユニットによって受信されたコマンドによって自動的に操作される。機械加工装置１３０は、工作機械又は切削工具を提供しても良く、且つ数値コード発生器１２０によって供給される命令に従って、ワークピースに対して切削工具の向きを変えても良い。切削工具の位置は、３つの絶対位置、即ちＸＹＺと、２つの回転位置、即ちＡ（Ｘを中心とする回転位置）及びＢ（Ｙを中心とする回転位置）と、で表現されても良い。数値コード発生器は、プランニングモデュール１１０の出力に応答しても良い。プランニングモデュールは、次のコンピュータベースモデルを含む１つ又は複数のデータベース１４０へのアクセス権を有しても良い。即ち、（ａ）機械加工される溝ワークピースを定義する特徴１４１（典型的には左壁及び右壁＋底面）と、（ｂ）機械加工される溝面の解析に関する幾何学的な選択肢１４２、及び切削工具の端点によって示される曲線が有する形状に情報が影響し得る方法（かかる曲線は、工具経路として周知である）と、（ｃ）ｉ）機械加工装置の切削工具１３０とワークピースとの間の相対的位置、及びｉｉ）荒削り戦略の全体的展開を示す技術的な選択肢１４３と、（ｄ）（１）ワークピースに接近するための命令、（２）ワークピースから離れるための命令、及び（３）機械加工サブエリアをリンクする移動用の命令を含む補助移動１４４と、のコンピュータベースモデルである。

ユーザインターフェース１５０を介して、システム１００のユーザは、例えばＧコードであっても良い数値コード１２１を生成するために、プランニングモデュール１１０による適用のためのデータベース１４０からファイル又はオブジェクトを選択しても良い。次に、機械加工装置１３０は、工作機械を駆動するために、Ｇコードを受信し、コード化された命令を実行しても良い。例えば、デバイスは、第１のメニュー１５１からユーザ選択を受信するように適合されたユーザインターフェース１５０を有しても良く、第１のメニューは、タッチスクリーン又はディスプレイ及び指示装置を介して表示されても良く、第１のメニュー１５１は、溝形の必須の要素、例えば左壁、右壁及び底面の定義を含み、デバイスは、第２のメニュー１５２から入力を受信するように構成されたユーザインターフェース１５０を有しても良く、第２のメニューは、タッチスクリーン、ディスプレイ及び指示装置、第１のメニュー１５１を介して、別個のタッチスクリーンを介して、又は別個のディスプレイ及び指示装置を介して提示されても良い。第２のメニュー１５２は、溝形ワークピースに対する工具基準点の相対的位置及び軸方位を特定する複数の技術的な選択肢を含んでも良い。

図２のトップレベルの流れ図に示されているように、実施形態は、５軸機械加工２００の例示的な方法を含んでも良い。プランニング又はプログラミングプロセスを含む５軸ＴＣＲ機械加工サイクルは、７つのステップを含んでも良く、次に、これらのステップにはＣＮＣコードの生成が続いても良い。５軸ＴＣＲ機械加工の例示的な７つのプランニングステップは、以下で詳述される次の（ａ）−（ｇ）シーケンスを含む。例示的な７つのプランニングステップのうち、ステップ（ａ）だけが、単純で制限された入力情報の定義と共に、マシンＣＡＭオペレータの直接介入を要求しても良い。全ての後のステップ、即ちステップ（ｂ）−（ｇ）は、システムによって自動的に処理されても良い。プロセスは、次のステップからなっても良い。即ち、（ａ）機械加工される溝形ワークピースのエリアを定義又は選択するステップ（ステップ２１０）と、（ｂ）底面の対称性を伝達し、且つ選択された溝形ワークピースの左壁及び選択された溝形ワークピースの右壁を同期化するステップ、つまり対称伝達及び自動同期化ステップ（ステップ２２０）と、（ｃ）右壁及び左壁に対するフランクミリング工具位置を生成するステップ、つまりフランク通過生成ステップ（ステップ２３０）と、（ｄ）擬似円形パターンを通してフランク通過を結合するステップ、つまりトロコイド生成ステップ（ステップ２４０）と、（ｅ）溝内部の下方レベルにおいて前のステップを繰り返し再現（反復）するステップ、つまり増分ステップ（ステップ２５０）と、（ｆ）補助移動を定義するステップ、つまり（１）ワークピースに接近すること、（２）ワークピースから離れること、（３）機械加工サブエリアをリンクする移動、及び（４）仕上げ通過を含み得る補助移動ステップ（ステップ２６０）と、（ｇ）ＣＮＣコードを生成するステップ（ステップ２７０）と、からなっても良い。

この５軸ＴＣＲ機械加工方法を用いれば、種々様々な溝形ワークピースが、５軸ＣＮＣマシンによって効率的に切削され得る。事前の幾何学的な定義ステップ及び解析ステップ、即ちステップ２１０及びステップ２２０は、フロー成分、即ち溝の左壁及び溝の右壁を表すフロー成分と、深さ成分、即ちその全てが、壁の形状によって影響され、且つ溝の底面を表す深さ成分と、に溝形を分解できるようにする。幾何学的な解析段階及び上記の分解は、工具の対応する軌道を生成するために、より単純なエンティティとして溝形表面を処理できるようにする。工具係合及び曲率解析によるトロコイド通過の適応的な修正は、５軸ＴＣＲの極端な柔軟性を特徴付ける更なる要素であり、この機械加工方法は、種々様々な溝形ワークピースに対処することができ得る。

ワークピースを選択する例示的な方法３００が、図３のトップレベルの流れ図に示されている。部分ジオメトリ選択は、ＣＡＭオペレータの明示的な介入を要求する、プロセスにおける唯一のタスクであり得る。何故なら、他のステップ及びステージの全てが、システムによって自動的に処理され得るからである。例示的なステップは、（ａ）機械加工される溝形ワークピースのエリアを選択するステップ（ステップ３１０）と、（ｂ）定義された表面セットを介して溝の右壁及び溝の左壁を選択するステップ（ステップ３２０）と、（ｃ）定義された表面セットを介して溝の底面を選択するステップ（ステップ３３０）と、（ｄ）溝の入口点を定義するステップであって、入口点が、溝内部のトロコイド通過のフロー方向を特定するために用いられ得るステップ（ステップ３４０）と、を含む。

対称伝達及び同期化の例示的な方法４００が、図４のトップレベルの流れ図に示されている。このステップは、完全に自動化することが可能で、ＣＡＭオペレータの直接行動を要求しなくても良い。例示的なステップは、（ａ）底面の解析及び可能な幾何学的な対称性の検出ステップ（ステップ４１０）と、（ｂ）左壁及び右壁への、底面に関するかかる情報の伝達ステップ（ステップ４２０）と、（ｃ）左壁及び右壁の相対的なシフト位置の検出、並びに溝のフロー方向を示す、且つ溝壁から等距離の三次元曲線（即ち背骨曲線と呼ばれる）の定義であり、その曲線が、壁間の相対的なシフトに関する全ての情報を担持するステップ（ステップ４３０）と、（ｄ）ステップ４２０及びステップ４３０で収集された情報に基づいて、左壁面及び右壁表面の対称化及び同期化されたバージョンを含む最新の幾何学的なデータベースの生成ステップ（ステップ４４０）と、を含む。ステップ４１０における可能な対称性は、例えば円筒状、球状、一般的な回転面、又はその他のものを含んでも良い。

フランク通過生成の例示的な方法５００が、図５のトップレベルの流れ図に示されている。これは、ＣＡＭオペレータの直接行動を伴わない完全に自動化されたステップであり得る。例示的なステップは、（ａ）右壁をフランクミリングする工具位置セットの生成ステップ（ステップ５１０）と、（ｂ）底面に対して以前に生成された位置の検証、及び底面上の任意の恐らく存在する対称性の首尾一貫した再現ステップ（ステップ５２０）と、（ｃ）底面との衝突及び他の技術的な制約の違反の場合における、最小距離基準に従った、以前に生成された位置の適応的修正ステップ（ステップ５３０）と、（ｄ）溝の左壁に対する同じ手順、即ちステップ５１０、ステップ５２０及びステップ５３０の適用ステップ（ステップ５４０）と、を含む。ステップ５１０における工具位置セットは、以前に計算された壁面の幾何学的特性に従って生成されても良い（図４を参照）。

図６は、トロコイド生成ステップ６００における内容の例示的な機能ブロック図を示す。これは、ＣＡＭオペレータの直接行動を伴わない完全に自動化されたステップであっても良い。例示的なステップは、（ａ）フランク通過生成ステップ（図５を参照）において生成及び結合された左壁及び右壁位置が、擬似円形パターンの出発点及び終点を形成するステップ（ステップ６１０）と、（ｂ）擬似円形パターンが、溝の左壁及び右壁と衝突しない位置を生成するように検証されるステップ（ステップ６２０）と、（ｃ）擬似円形パターンが、切削工具による持続的な工具係合よりも大きな工具係合を生成しない位置を生成するように検証されるステップ（ステップ６３０）と、（ｄ）切削工具が、切削しながら高速、例えば高速機械加工（ＨＳＭ）で移動できるようにするローカル曲率を有するように、擬似円形パターンが検証され得るステップ（ステップ６４０）と、（ｅ）擬似円形パターンが、溝の底面と衝突しない位置を生成するように検証されるステップ（ステップ６５０）と、を含む。ユーザ又はプログラムは、ローカル曲率が、設定された好ましい速度以上の速度で切削工具を移動できるようにすることを検証するための好ましい速度を設定しても良い。ステップ６１０におけるパターンの形状は、第２のメニュー１５２（図１を参照）において特定された技術的な制約、並びに／又はステップ４２０及びステップ４４０（図４を参照）において決定された対称的特徴に従って構築されても良い。ステップ６２０における衝突の場合に、パターンは、近いか又は最も近い可能な、衝突がない工具位置構成を生成するために、頻繁又は連続的に、且つ適応的に修正されても良い。即ち、反復的なフィードバックによって駆動される位置決めアルゴリズムである（図７を参照）。ステップ６３０における過剰係合の場合に、パターンは、最も近い可能な制御された係合の工具位置構成を生成するために、連続的且つ適応的に修正されても良い。ステップ６４０における過度の曲率の場合に、パターンは、最も近い可能な制御された曲率の工具位置構成を生成するために、頻繁又は連続的に、且つ適応的に修正されても良い。ステップ６５０における底面との衝突の場合に、各位置は、衝突しない最も近い位置を生成するために、各位置の軸に沿ってシフトされても良い。

図７は、例示的で反復的なフィードバック駆動される位置決めプロセス７００を機能ブロック図で示す。例示的なステップは、（ａ）切削工具位置（ＣＴＰ）を幾何学的に計算するステップ（ステップ７６０）と、（ｂ）外部ルーチンが、目標ワークピース（ＷＰ）及び切削工具位置の相対的な相互作用、又はステップ７９０から来た場合には、改善された切削工具位置（ＩＣＴＰ）を計算するステップ（ステップ７７０）と、（ｃ）ＷＰ対ＣＴＰ又はＩＣＴＰの相対的位置が、技術的な制約を満たすかどうかを判定するステップ（ステップ７８０）と、（ｄ）技術的な制約が、ステップ７８０において満たされない場合に、改善された位置ＩＣＴＰが、ステップ７７０及びステップ７８０で取得された情報に従って、例えば目標ＷＰ及びＣＴＰ（又はＩＣＴＰ）の相対的な相互作用に関したテストを介して生成され得るステップ（ステップ７８５）と、（ｅ）ステップ７８０において技術的な制約が満たされるまで、改善されたＩＣＴＰが、新しい入力として逆にステップ７７０に伝えられ、ステップ７８５からステップ７９０及びステップ７７０へ、且つステップ７８０に戻るサイクルが継続するステップ（ステップ７９０）と、（ｆ）技術的な制約が満たされた場合に、切削工具位置が受け入れられるステップ（ステップ７９５）と、を含む。

図８は、例示的なトロコイド工具経路を含む例示的な溝形キャビティ８００を示す。例示的な溝は、左（内）壁８１１、右（内）壁８１２、及び底面８１３を含み、それらは、ＣＡＭオペレータによって入力されても良い。トロコイド経路８１５の入口点８１８もまた、ＣＡＭオペレータによって入力されても良い。

図９は、例示的な溝形キャビティ９００の一部における例示的な工具経路軌道を示す。例示的な溝形キャビティは、左（内）壁９１１、右（内）壁９１２、及び入口点９１８を含む。トロコイド生成ステップ中に生成される出発点及び終点は、擬似円形トロコイドパターン９１５の左工具経路軸境界９１６、右工具経路軸境界９１７、及び底部経路軸境界９１４を形成する。例示的なフランクミリング工具９２１，９２２，９２３が、そのトロコイド経路９１５に沿った３つの位置で示されている。第１のミリング工具位置９２１において、ミリング工具は、軸９３１上の計算された工具経路に従って配置される。次に、ミリング工具は、軸９３２上の第２のミリング工具位置９２２へ移動する。次に、ミリング工具は、軸９３３上の第３のミリング工具位置９２３へ移動する。ミリング工具位置は、以前に決定されたフランクミリング工具位置セットに基づいて構成されるトロコイド経路に沿って移動する。

ステップ２５０（図２を参照）に説明されている増分ステップは、図４、図５及び図６の少なくとも１つに説明されているステップの、溝内のより下方の深さレベルにおける反復である。反復数は、溝の幾何学的形状、使用される切削工具の機械的特徴、及び精度、即ち５軸ＴＣＲ機械加工が提供するように求められているいわゆる機械加工公差に依存する。これらのパラメータはまた、２つの隣接するレベルの相対的な深さ距離に影響し得る。

図１０は、補助移動ステップにおいて計算される、工具位置軌道への追加をトップレベルの流れ図１０００に示す。接近及びデタッチが、半径を中心とする動作として選択されるか又は丸みをつけられる（ステップ１０１０）。工具経路の大きな部分、即ちサブエリア間の接続は、高速リンクとして選択されても良い（ステップ１０２０）。研磨仕上げ通過動作が、各増分レベルに追加されても良い（ステップ１０３０）。プランニングが完了すると、工具経路は、決定されても良い（ステップ１０４０）。補助移動ステップは、衝突検出用にチェックされても良い。

図１１Ａ−１１Ｄは、例示的な研磨仕上げ通過動作を溝の上面図に示す。例示的な研磨仕上げ通過動作は、切削工具１１１０が、トロコイド工具経路（図１１Ａ）のトロコイド通過１１２０を実行した直後に実行されても良い。仕上げ通過は、左壁１１０１及び右壁１１０２における切削工具のトロコイド通過によって残された粗材料１１３１、１１３２、１１３３、１１３４及び１１３５、例えば「ひだ」を切除しても良い。トロコイド工具経路を生成するために用いられる工具位置決めは、仕上げ通過用の工具経路を生成するためであっても良い（図１１Ｃ）。切削工具１１１０は、右壁１１０２、壁１１０１、及び／又は底面から、粗材料１１３３、１１３４及び１１３５を切除、例えば「ピーリング」しても良い（図１１Ｄ）。この仕上通過は、最少の機械加工労力で、所望の最終形状を生成し得る。

上記の実施形態の特定の特徴及び態様の様々な組み合わせ及び／又はサブ組み合わせが行われても良く、やはり本発明の範囲内に入り得ると考えられる。従って、開示される実施形態の様々な特徴及び態様が、開示される発明の様々なモードを形成するために、互いに組み合わされるか又は代用されても良いことが理解されるべきである。更に、例を介して本明細書において開示される本発明の範囲が、開示された特定の実施形態によって限定されるべきでないことが意図されている。

Claims (14)

1. ５軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マシンによって溝形キャビティをミリングする方法において、
   機械加工されるワークピースを選択することにおいて、前記ワークピースが、溝の底面、前記溝の左壁、前記溝の右壁、及び切削工具の入口点を有することと、
   前記右壁をフランクミリングする前記切削工具の一連の位置と、前記左壁をフランクミリングする前記切削工具の一連の位置を決定することであって、これらの一連の位置は前記溝の左壁および前記溝の右壁に基づいて決定されることと、
   上方の疑似円形パターンのセットと、下方の疑似円形パターンのセットとを含む前記切削工具用のトロコイド経路を決定することであって、当該トロコイド経路が、決定されたフランクミリングする前記切削工具の一連の位置に基づいて決定されることと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の溝形キャビティをミリングする方法において、前記切削工具の補助移動を決定することを更に含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の溝形キャビティをミリングする方法において、
   １つ又は複数のマシン命令として前記切削工具を移動させる命令を出力することにおいて、前記命令が、前記選択されたワークピース、前記決定されたフランクミリングする前記切削工具の一連の位置、前記決定されたトロコイド経路、及び前記決定された補助移動の少なくとも１つに基づくことを更に含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の溝形キャビティをミリングする方法が、
   以前のレベルよりも段階的に下方の深さにセットされた各レベルの深さにおいて、
   工具の位置を生成するステップおよびトロコイド経路を生成するステップと、
   フランクミリングする前記切削工具の一連の位置を決定すること、前記切削工具用のトロコイド経路を決定すること、および前記切削工具の補助移動を決定することのうちの少なくとも１つのステップと、
   を反復することを含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の溝形キャビティをミリングする方法において、フランクミリングする前記切削工具の一連の位置を決定することが、
   前記ワークピースの溝の前記底面を解析することをさらに含むことを特徴とする方法。
6. 請求項２に記載の溝形キャビティをミリングする方法において、前記工具の補助移動を決定することが、前記ワークピースの一部に接近することと、前記ワークピースの一部から前記工具を引き離すことと、高速リンクとして前記工具の経路のサブエリア間の移動を接続することと、研磨仕上げ通過を追加することにおいて、前記研磨仕上げ通過が、前記切削工具用の前記決定されたトロコイド経路に基づくことと、最終的な工具の経路を決定することと、の少なくとも１つを更に含むことを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の溝形キャビティをミリングする方法において、前記切削工具用の前記トロコイド経路を決定することが、
   幾何学的な切削工具位置を決定することと、
   機械加工される前記ワークピース及び前記決定された幾何学的な切削工具位置の相対的な相互作用を決定することと、
   前記機械加工される前記ワークピース及び前記決定された幾何学的な切削工具位置の前記相対的な相互作用が、規定された複数の技術的な制約の一式を満たすかどうかを判定することにおいて、前記規定された複数の技術的な制約の一式が、少なくとも１つの技術的な制約を含み、
   前記規定された複数の技術的な制約の一式が満たされない場合に、新しい幾何学的な切削工具位置を決定し、前記決定された新しい幾何学的な切削工具位置が、機械加工される前記ワークピース及び前記決定された幾何学的な切削工具位置の前記相対的な相互作用、並びに前記少なくとも１つの技術的な制約を満たすかどうかの前記判定に基づき、
   機械加工される前記ワークピース及び前記決定された幾何学的な切削工具位置の前記相対的な相互作用を決定する際に使用される前記決定された新しい幾何学的な切削工具位置を出力し、
   前記規定された複数の技術的な制約の一式が満たされた場合に、前記幾何学的な切削工具位置を受け入れることと、
   を更に含むことを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の溝形キャビティをミリングする方法において、前記幾何学的な切削工具位置を決定することが、
   前記ワークピースの溝の前記選択された右壁用の幾何学的な切削工具位置セットを決定することと、
   前記ワークピースの溝の前記底面に対して、衝突しない切削工具位置用に、前記ワークピースの溝の前記選択された右壁用の前記決定された幾何学的な切削工具位置セットを検証することと、
   前記ワークピースの溝の前記底面との衝突が発生すること、及び前記規定された複数の技術的な制約の一式のうちの少なくとも１つの技術的な制約が違反されることの少なくとも一方が発生する場合に、前記ワークピースの溝の前記選択された右壁用の前記決定された幾何学的な切削工具位置セットを修正することと、
   前記ワークピースの溝の前記選択された左壁用の幾何学的な切削工具一連の位置を決定することと、
   前記ワークピースの溝の前記底面に対して、衝突しない切削工具位置用に、前記ワークピースの溝の前記選択された左壁用の前記決定された幾何学的な切削工具一連の位置を検証することと、
   前記ワークピースの溝の前記底面との衝突が発生すること、及び前記規定された複数の技術的な制約の一式のうちの少なくとも１つの技術的な制約が違反されることの少なくとも一方が発生する場合に、前記ワークピースの溝の前記選択された左壁用の前記決定された幾何学的な切削工具一連の位置を修正することと、
   を更に含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の溝形キャビティをミリングする方法において、機械加工される前記ワークピース及び前記決定された幾何学的な切削工具位置の前記相対的な相互作用を決定することが、
   前記切削工具用の前記トロコイド経路が、前記溝の前記底面、前記溝の前記左壁、及び前記溝の前記右壁の少なくとも１つと衝突しないことを検証することと、
   前記切削工具用の前記トロコイド経路が、切削工具係合限界より大きな切削工具係合を生成しないことを検証することと、
   前記切削工具用の前記トロコイド経路が、設定された好ましい速度を超える速度で前記切削工具を移動できるようにするローカル曲率を有することを検証することと、
   を更に含むことを特徴とする方法。
10. ５軸工作機械用の命令を生成するためのデバイスにおいて、前記デバイスが、
    アドレス指定可能メモリを有する処理モジュールであって、
    少なくとも１つの機械加工制限パラメータが満たされない間は、溝形キャビティ用の以下のステップ、即ち、
    前記溝形キャビティに沿った切削工具のフローを決定するステップであって、前記溝形キャビティが、底面と、左壁と、右壁と、切削工具の入口点を有するものであるステップと、
    前記右壁に対するフランクミリングにおける前記切削工具の一連の位置を決定するステップと、
    前記左壁に対するフランクミリングにおける前記切削工具の一連の位置を決定するステップであって、決定された前記溝形キャビティに沿った前記切削工具のフローが、決定された前記右壁に対するフランクミリングにおける前記切削工具の一連の位置と、決定された前記左壁に対するフランクミリングにおける前記切削工具の一連の位置とに基づくものであるステップと、
    前記溝形キャビティの天面から前記溝形キャビティの底面への切削工具の深さ貫入を決定するステップと、
    上方の疑似円形パターンのセットと下方の疑似円形パターンのセットとを含む前記切削工具用のトロコイド経路を決定するステップであって、当該決定するステップが、決定された前記フランクミリングにおける前記切削工具の一連の位置と、決定された前記溝形キャビティに沿った前記切削工具のフローと、決定された前記切削工具の深さ貫入とに基づくものであるステップと、
    を反復するように構成された処理モジュールを含むことを特徴とするデバイス。
11. 請求項１０に記載の５軸工作機械用の命令を生成するためのデバイスにおいて、前記処理モジュールが、
    機械加工される前記溝形キャビティを選択するように更に構成されていることを特徴とするデバイス。
12. 請求項１０に記載の５軸工作機械用の命令を生成するためのデバイスにおいて、前記処理モジュールが、
    補助移動を決定するように更に構成され、補助移動が、前記溝形キャビティに接近することと、前記溝形キャビティから離れることと、サブエリア間の前記切削工具の移動を接続することと、研磨仕上げ通過を追加することにおいて、前記研磨仕上げ通過が、前記切削工具用の前記決定されたトロコイド経路に基づくことと、最終的な工具の経路を決定することと、の少なくとも１つであることを特徴とするデバイス。
13. 請求項１０に記載の５軸工作機械用の命令を生成するためのデバイスにおいて、
    前記少なくとも１つの機械加工制限パラメータが、溝の幾何学的形状が追加の通過を妨げること、及び機械加工公差が、追加の通過に必要とされるよりも小さいことの少なくとも１つであることを特徴とするデバイス。
14. 請求項１０に記載の５軸工作機械用の命令を生成するためのデバイスにおいて、
    前記切削工具用の前記トロコイド経路を決定する前記ステップが、軸方向切削工具係合、半径方向切削工具係合、少なくとも１つの切削工具速度パラメータ、並びに前記トロコイド経路及び前記溝形キャビティの前記底面の相互作用の少なくとも１つに更に基づくことを特徴とするデバイス。

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