CN103635864B - 加工仿真装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的加工仿真装置具备：局部区域设定部（26），对工件设定局部区域；偏移变形处理部（4），对工件整体的三维形状模型（12）中的设定了局部区域的部分的形状进行偏移变形来生成工件的局部性三维形状模型（13）；局部性工具移动数据输出部（6），从基于工具模型（15）和工具的移动轨迹数据的整体性工具移动数据（16）输出局部性工具移动数据（17）；局部性切削变形处理部（8），根据局部性工具移动数据（17）进行工件的局部性三维形状模型（13）的切削变形；以及显示重叠部（11），将切削变形后的工件的局部性三维形状模型（13）重叠于工件整体的三维形状模型（12）进行显示。

Description

加工仿真装置以及方法

技术领域

本发明涉及使用了NC（NumericalControl：数控）机床的切削加工，并且涉及一种加工仿真装置以及方法，将通过三维形状模型所表现的工件（被加工物）的形状根据工具模型和其移动轨迹来进行切削变形，并将其结果形状进行图形显示，由此在计算机上模拟工件的切削加工。

背景技术

在进行使用了NC机床的切削加工时，用制作准备的NC程序来验证是否能够正确地形成所期望的形状，因此加工仿真被广泛利用。然而，在执行加工仿真来找出加工上的问题点的情况下，可能常常引起如下问题：为了分析其原因或采取对策而必须反复执行加工仿真。

在切削加工中，工件从原材料状态开始，通过工具的各自的移动所完成的切削积累而达到最终加工结果的形状，因此模拟此的加工仿真也难以跳过中途的过程来推进仿真，一般每当反复时会从加工的开头起重新执行仿真。

在加工仿真中，由计算机内部所进行的工件向三维形状模型的切削变形处理需要不能忽略的运算时间。因此，例如在找出的问题部位发生在加工快要结束时的情形下，直到能够进行该部分的确认为止耗费相当长的等待时间，不能进行高效的验证作业成为了问题。

以解决该问题为目的的发明公开在专利文献1中。根据专利文献1所公开的发明，在由多个工序构成的加工中，保存好各工序的最终状态的仿真结果（像素数据），读出重新开始仿真的工序的前一个工序的仿真结果，并从该时刻起执行仿真，由此与从加工的开头起执行加工仿真的情况相比能够高效地进行验证作业。

专利文献1：日本特许第4329248号公报

发明内容

在工序结束时等加工的重要部分的定时（timing）保存加工仿真的中途结果并读出它来重新开始加工仿真的专利文献1所公开的技术中，用于保存加工仿真的中途结果的存储区域需要与保存的次数（例如工序数）相当的量。

近年来被广泛使用的加工仿真的主流方式是将工件的形状通过三维形状模型来表现的方式，因此分配到存储区域的存储器的大小也成为不能忽略的大小，需要高性能的计算机。相反地，如果减少加工仿真的中途结果的保存次数，则产生直到能够确认问题部位的加工为止会消耗等待时间这样的困境。

本发明是鉴于上述而作出的，其目的在于得到一种仿真装置以及方法，在反复进行的加工仿真中，与每次执行时从加工的开头起重新执行仿真相比能够在短时间内得到结果，从而高效地进行验证作业。

为了解决上述的课题并达成目的，本发明是一种加工仿真装置，通过根据工具模型和表示工具的移动轨迹的移动轨迹数据使被加工物的三维形状模型切削变形，并显示该切削变形后的被加工物的三维形状模型，由此模拟对被加工物的切削加工，该加工仿真装置的特征在于，具备：保持单元，保持切削加工后的被加工物的三维形状模型；对被加工物设定局部区域的单元；将切削加工后的被加工物的三维形状模型中的、设定了局部区域的部分的形状向外侧方向偏移变形规定厚度而生成被加工物的局部性三维形状模型的单元；工具移动数据生成部，根据工具模型和工具的移动轨迹数据生成整体性工具移动数据；局部性工具移动数据输出单元，从整体性工具移动数据输出工具通过局部区域时的工具移动数据即局部性工具移动数据；局部性切削变形处理单元，根据局部性工具移动数据进行被加工物的局部性三维形状模型的切削变形；以及显示重叠三维形状模型的单元，该重叠三维形状模型是将通过局部性切削变形处理单元进行切削变形所得的被加工物的局部性三维形状模型重叠到保持在保持单元中的切削加工后的被加工物的三维形状模型而得到的模型。

根据本发明，将加工上的问题部位的附近指定为局部区域，从以与工具的直径或者切入量相当的厚度对该局部区域内的形状进行偏移变形而得到的工件的局部性三维形状起开始，且只使用与该局部区域内的切削相关的工具模型和其工具轨迹来执行局部性的加工仿真，由此与从加工的开头起重新执行加工仿真相比能够在短时间内确认问题部位的加工结果形状，起到如下效果：能够高效地进行一边反复加工仿真一边分析加工上的问题点或采取对策的作业。

附图说明

图1是表示本发明的加工仿真装置的实施方式1的结构的图。

图2是使用了加工仿真装置1的加工仿真的流程图。

图3A是表示加工仿真中的主要处理内容的图。

图3B是表示加工仿真中的主要处理内容的图。

图3C是表示加工仿真中的主要处理内容的图。

图3D是表示加工仿真中的主要处理内容的图。

图4是表示本发明的加工仿真装置的实施方式2的结构的图。

附图标记说明

1、23：加工仿真装置；2：切削变形处理部；3：切削形状显示部；4：偏移变形处理部；5：工具移动数据生成部；6、24：局部性工具移动数据输出部；7：整体性切削变形处理部；8：局部性切削变形处理部；9：整体性切削形状显示部；10：局部性切削形状显示部；11：显示重叠部；12：工件整体的三维形状模型；13：工件的局部性三维形状模型；14：局部区域数据；15：工具模型；16：整体性工具移动数据；17：局部性工具移动数据；18：NC程序；19：仿真精度参数；20：切削条件参数；21：显示设备；22：输入设备；25：局部性工具移动保存数据；26：局部区域设定部；50：保存部；51：控制部。

具体实施方式

下面，根据附图详细地说明本发明的加工仿真装置以及方法的实施方式。此外，并非通过这些实施方式来限定本发明。

实施方式1．

图1是表示本发明的加工仿真装置的实施方式1的结构的图。加工仿真装置1具备：保存部50，分别保存工件（被加工物）整体的三维形状模型12、工件的局部性三维形状模型13、局部区域数据14以及工具模型15；以及控制部51，具有切削变形处理部2、切削形状显示部3、偏移变形处理部4、工具移动数据生成部5、局部性工具移动数据输出部6等功能部。加工仿真装置1根据工具模型15和表示工具的移动轨迹的移动轨迹数据来使工件的三维形状模型切削变形，并显示经切削变形后的工件的三维形状模型，由此模拟对工件的切削加工。控制部51是具备CPU、RAM等的处理装置，控制部51上的各功能部通过软件处理在CPU上实现。保存部50是非易失性地保持数据的存储装置。

另外，作为在仿真执行过程中临时地生成并保持的数据，有整体性工具移动数据16以及局部性工具移动数据17。

在本实施方式中，切削变形处理部2进而具有：整体性切削变形处理部7，对工件整体的三维形状模型12进行切削变形处理；以及局部性切削变形处理部8，对工件的局部性三维形状模型13进行切削变形处理。

此外，整体性切削变形处理部7以及局部性切削变形处理部8除了处理对象的三维形状模型和成为切削变形处理的输入的工具移动数据不同这点之外处理内容相同，因此还能够构成为使用同一个切削变形处理部根据模式来切换处理对象的三维形状模型以及输入的工具移动数据。

另外，在本实施方式中，切削形状显示部3具有：整体性切削形状显示部9，进行工件整体的三维形状模型12的显示；局部性切削形状显示部10，进行工件的局部性三维形状模型13的显示；以及显示重叠部11，使局部性切削形状显示结果重叠到整体性切削形状显示结果，并将该重叠结果显示为重叠三维形状模型。

整体性切削形状显示部9以及局部性切削形状显示部10除了成为显示对象的三维形状模型不同这点之外处理内容相同，因此还能够构成为使用同一个切削形状显示部根据模式来切换显示对象的三维形状模型。

另外，在加工仿真装置1中，在保存部50中具有仿真精度参数19、切削条件参数20，根据需要，从切削变形处理部2参照仿真精度参数19，从工具移动数据生成部5参照切削条件参数20。

作为加工仿真装置1整体，除了这些之外，还具备作为工件的形状的显示输出目的地的显示设备21、作为用户用于进行加工仿真装置1的执行操作或指示显示的视线方向的输入设备22的键盘、鼠标等。此外，显示设备21、输入设备22也可以设置在加工仿真装置1的外部。

进而，作为加工仿真装置1的外部数据而提供的数据有NC程序18，成为通过工具移动数据生成部5生成工具移动数据的处理的输入源。

局部区域数据14是特别地需要反复执行加工仿真来确认结果的关心区域，由操作员经由输入设备22保存到保存部50中。作为局部区域数据14的具体例子，能够使用以高度、宽度以及纵深和位置表现的矩形区域、以中心和半径表现的球状区域。局部区域设定部26以局部区域数据14为基础对工件设定作为关心区域的局部区域。

工件整体的三维形状模型12以及工件的局部性三维形状模型13是表示加工仿真执行中的每时每刻下的工件的形状的三维形状数据。工件整体的三维形状模型12表现工件整体的形状，工件的局部性三维形状模型13表现包含在局部区域数据14的范围内的工件的部分形状。作为三维形状模型的具体例子，能够使用以三角形、多角形的面的集合表现了对象形状的表面的边界表现模型或者片模型、或者将对象形状的体积以微小的立方体的集合表现的体素模型或者与其类似的其它离散模型。

通常，这些三维形状模型从仿真速度的观点来看大多情况是采取一定的表现精度下的近似表现的方式，通过仿真精度参数19来管理表现精度。

在工具模型15中，关于用于加工的工具，保存保持有描述了球头立铣刀等工具类别、以及工具直径、工具长度等与工具形状有关的信息的数据。

整体性工具移动数据16以及局部性工具移动数据17是将加工仿真执行中的工具的形状与各自的移动轨迹进行组合的数据。工具的形状通过向保存保持在工具模型15中的数据的参照来表现，各自的移动轨迹通过描述了工具移动的起点以及终点和其间的轨迹的曲线类别（直线状、圆弧状等）的信息的数据来表现。

工具移动数据生成部5分析NC程序18来得到各自的移动指令，根据切削条件参数20生成将成为其移动指令的对象的工具模型15与工具的移动轨迹进行组合的整体性工具移动数据16。作为切削条件参数20的一个例子，可举出进给速度、加减速系数等。

局部性工具移动数据输出部6以工具移动数据生成部5所生成的整体性工具移动数据16为输入，在工具模型15通过了局部区域数据14的范围的情况下，将该工具移动数据作为局部性工具移动数据17而输出。

切削变形处理部2以工具移动数据为输入，进行根据该内容对处理对象的三维形状模型进行切削变形的处理。具体地说，通过从工件的三维形状中去除根据工具模型以及其移动轨迹计算出的工具的摆动（sweep）形状与工件的三维形状模型的共同部分，由此将三维形状模型更新为切削后的工件的形状。

在本实施方式中，构成切削变形处理部2的整体性切削变形处理部7以整体性工具移动数据16为输入，以工件整体的三维形状模型12为处理对象，局部性切削变形处理部8以局部性工具移动数据17为输入，以工件的局部性三维形状模型13为处理对象来执行变形处理。

偏移变形处理部4生成将工件整体的三维形状模型12中的、包含在局部区域数据14的范围内的部分的形状以规定的厚度向形状的外侧方向进行偏移变形、即加厚的三维形状模型，并设为工件的局部性三维形状模型13。根据三维形状模型的表现形式，偏移变形处理除了基于从以往已知的方法进行之外，还有如下方法：由于特别成为加工上的问题的是关注部位的加工结果形状而不管作为仿真重新执行的初始状态的偏移形状的严密性，因此以具有离变形前的形状的表面处于一定范围的距离的概略性的曲面的形状作为偏移形状的代用。

切削形状显示部3以工件的三维形状模型为输入，根据指定的视线方向和显示尺度来生成其投影图像并输出到显示设备21。

在本实施方式中，构成切削形状显示部3的整体性切削形状显示部9以工件整体的三维形状模型12为输入，局部性切削形状显示部10以工件的局部性三维形状模型13为输入来生成各自的投影图像和深度信息，显示重叠部11生成关于局部区域数据14的范围使工件的局部性三维形状模型13的投影图像为优先的最终的合成图像（重叠三维形状模型），输出到显示设备21。

接着，使用图2、图3A～图3D来说明使用了加工仿真装置1的加工仿真的方法和各处理部的动作。

图2是使用了加工仿真装置1的加工仿真的流程图。图3A～图3D是表示加工仿真中的主要处理内容的图。

首先，最初，操作者对工件整体的三维形状模型12执行从加工的开头到结束或者中途的任意时刻为止的加工仿真。该首次的加工仿真是以往以来进行的加工仿真。

在加工仿真装置1的内部，工具移动数据生成部5、整体性切削变形处理部7、整体性切削形状显示部9的各处理部工作，执行对工件整体的三维形状模型12的切削变形处理和显示（步骤S1）。工具移动数据生成部5分析NC程序18来逐次生成输出整体性工具移动数据16。整体性切削变形处理部7以整体性工具移动数据16为输入，对工件整体的三维形状模型12进行切削变形。图3A是作为该首次的加工仿真的结果而得到的工件整体的三维形状模型12的例子。整体性切削形状显示部9将工件整体的三维形状模型12根据规定的视线方向和显示尺度来图形显示到显示设备21上。

接着，操作者一边观察上述首次的加工仿真结果的显示，一边经由输入设备22输入包含加工上的问题部位且特别是想要通过加工仿真的反复来详细地确认结果的部位（关心区域）的附近的局部区域数据14。在加工仿真装置1的内部，通过局部区域设定部26根据局部区域数据14来设定局部区域（步骤S2），偏移变形处理部4工作（步骤S3）。偏移变形处理部4将工件整体的三维形状模型12中的包含在局部区域数据14的范围内的部分形状向其外侧方向以与工具直径或者切入量相当的厚度进行偏移变形，并将其结果设为工件的局部性三维形状模型13。图3B是操作者设定的局部区域数据14的例子，图3C示出通过偏移变形处理部4对工件整体的三维形状模型12中包含在局部区域数据14的范围内的部分形状进行偏移变形而得到的工件的局部性三维形状模型13。

在第2次以后的加工仿真中，在加工仿真装置1的内部，工具移动数据生成部5、局部性工具移动数据输出部6、局部性切削变形处理部8、局部性切削形状显示部10、以及显示重叠部11的各部工作。由工具移动数据生成部5根据NC程序18所输出的整体性工具移动数据16通过局部性工具移动数据输出部6只留下包含在局部区域数据14所示的范围内的数据而作为局部性工具移动数据17输出到局部性切削变形处理部8，删除没有包含在局部区域数据14所示的范围内的部分（整体性工具移动数据16中的除了局部性工具移动数据17之外的数据）（步骤S4）。局部性切削变形处理部8根据局部性工具移动数据17，对工件的局部性三维形状模型13进行切削变形（步骤S5）。

切削变形后的工件的局部性三维形状模型13经过局部性切削形状显示部10和显示重叠部11作为重叠在工件整体的三维形状模型12的显示上的重叠三维形状模型而图形显示到显示设备21上（步骤S6）。图3D是表示通过局部性切削变形处理部8对工件的局部性三维形状模型13执行局部性的加工仿真并重叠到原来的工件整体的三维形状模型12而与工具模型15一起进行图形显示的情况的图。

在得到了工件的局部性三维形状模型13之后，如果能够通过目视确认重叠三维形状模型来确定加工上的问题的原因、对其制定对策，则操作者通过经由输入设备22的操作来结束加工仿真（步骤S7/“否”）。在这种情况下，操作者能够根据重叠三维形状模型的目视确认的验证结果来适当修正NC程序18。在不能确定加工上的问题的原因、不能对其制定对策的情况下，通过经由输入设备22的操作来反复执行第2次以后的加工仿真，直到能够确定加工上的问题的原因、对其制定对策为止（步骤S7/“是”）。

此外，在执行上述的第2次以后的加工仿真时，也可以适当变更仿真精度参数19而以更精致的结果形状进行确认、或变更切削条件参数20来确认其效果。另外，根据需要，还能够将关心区域设定变更为其它的部位（如图2中虚线所示，将处理从步骤S7/“是”推进到步骤S2。）。

如以上那样，根据本实施方式，关于特别需要详细地确认的部位，与从加工的最初起重新执行加工仿真的情况相比以更短时间内得到结果形状，因此高效地推进加工仿真的反复。由此，在实际进行产品的加工之前的阶段容易进行加工上的问题的原因确定、对策制定，因此在实际对工件进行加工时能够抑制不合格品的产生，提高成品率。

另外，与保存加工仿真的中途状态的数据并从该时刻起重新开始加工仿真的方式相比，不需要多余的存储区域，因此能够提供更廉价的加工仿真装置。

实施方式2．

图4是表示本发明的加工仿真装置的实施方式2的结构的图。在本实施方式中，在加工仿真装置23中，局部性工具移动数据输出部24进行与实施方式1中的局部性工具移动数据输出部6不同的动作，除此之外新具备存储局部性工具移动保存数据25的单元。关于其它的数据以及处理部的个别动作，与实施方式1相同。

局部性工具移动数据输出部24在首次执行的加工仿真时，根据预先设定的局部区域数据14，将整体性工具移动数据16中的、工具模型通过局部区域数据14的区域的情况下的其工具移动数据蓄积地存储到局部性工具移动保存数据25中。然后，在第2次以后的加工仿真中，依次输出存储在局部性工具移动保存数据25中的工具移动数据。

关于一系列加工仿真的反复过程中的各部的工作流程，一部分也与实施方式1不同。在执行首次加工仿真时，工具移动数据生成部5和局部性工具移动数据输出部24一起工作而进行向局部性工具移动保存数据25的存储。另外，在执行第2次以后的加工仿真时，工具移动数据生成部5不工作，存储在局部性工具移动保存数据25中的工具移动数据被单独地输出而执行加工仿真。

实施方式2的加工仿真装置在如下情况下变得有效：在根据过去的类似的加工事例等而预测出可能成为加工上问题的部位的情况下，预先设定局部区域数据14，并反复确认问题部位。即，在第2次以后的加工仿真中，立即得到与问题部位有关的工具移动数据，因此能够更早期地确认加工仿真的结果形状。

如以上那样，根据本实施方式，在根据过去的类似的加工事例来预测出可能成为加工上的问题的部位的情况下，更早期地得到关心部位的加工仿真结果形状，因此能够高效地推进加工仿真的反复。

Claims (4)

1.一种加工仿真装置，通过根据工具模型和表示工具的移动轨迹的移动轨迹数据使被加工物整体的三维形状模型切削变形，并显示该切削变形后的被加工物整体的三维形状模型，由此模拟对所述被加工物的切削加工，该加工仿真装置的特征在于，具备：

保持单元，保持所述切削加工后的所述被加工物整体的三维形状模型；

对所述被加工物设定局部区域的单元；

将所述切削加工后的被加工物整体的三维形状模型中的、设定了所述局部区域的部分的形状向外侧方向偏移变形规定厚度而生成所述被加工物的局部性三维形状模型的单元；

工具移动数据生成部，根据所述工具模型和所述工具的移动轨迹数据生成整体性工具移动数据；

局部性工具移动数据输出单元，从所述整体性工具移动数据输出局部性工具移动数据，该局部性工具移动数据是所述工具通过所述局部区域时的工具移动数据；

局部性切削变形处理单元，根据所述局部性工具移动数据，进行所述被加工物的局部性三维形状模型的切削变形；以及

显示重叠三维形状模型的单元，该重叠三维形状模型是将通过所述局部性切削变形处理单元进行切削变形所得的所述被加工物的局部性三维形状模型重叠到保持在所述保持单元中的所述切削加工后的被加工物整体的三维形状模型而得到的模型。

2.根据权利要求1所述的加工仿真装置，其特征在于，

所述局部性工具移动数据输出单元删除所述整体性工具移动数据中的除了所述局部性工具移动数据之外的数据。

3.根据权利要求1所述的加工仿真装置，其特征在于，

具备保持所述局部性工具移动数据的局部性工具移动数据保持单元，

所述局部性切削变形处理单元使用从所述局部性工具移动数据保持单元读出的所述局部性工具移动数据，使所述被加工物的局部性三维形状模型切削变形。

4.一种加工仿真方法，具备：

第1步骤，通过根据工具模型和表示工具的移动轨迹的移动轨迹数据使被加工物整体的三维形状模型切削变形，并显示该切削变形后的被加工物整体的三维形状模型，由此模拟对所述被加工物的切削加工，对所述被加工物执行加工仿真；

第2步骤，对所述被加工物设定局部区域；

第3步骤，将在所述第1步骤中得到的所述切削加工后的所述被加工物整体的三维形状模型中的设定了所述局部区域的部分的形状向外侧方向偏移变形规定厚度而生成所述被加工物的局部性三维形状模型；

第4步骤，根据所述工具通过所述局部区域时从根据所述工具模型和所述工具的移动轨迹数据生成的整体性工具移动数据所输出的局部性工具移动数据，进行所述被加工物的局部性三维形状模型的切削变形；

第5步骤，显示将在所述第4步骤中变形所得的所述被加工物的局部性三维形状模型重叠在所述第1步骤中切削变形所得的所述被加工物整体的三维形状模型的重叠三维形状模型；以及

第6步骤，变更所述加工仿真的精度以及所述切削加工的条件，反复多次所述第3步骤至第6步骤。