JP2006031122A - 工程設計装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機の耐用年数を考慮して工程設計を行う工程設計装置を提供する。
【解決手段】工作機、工具、被加工物の３Ｄモデル、加工機諸元、ＮＣプログラムからシミュレーションモデル構築部１１がシミュレーションモデルを構築し動作シミュレーション実行部１２が動作をシミュレーションして、１工程のサイクルタイムをサイクルタイム算出部１３が算出し、工作機の可動部負荷を可動部負荷算出部１５が算出して、負荷の高い可動部の位置がある場合に加工パス変更部１６が加工経路を変更することで可動部にかかる負荷を分散させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工程設計装置に関する。

マシニングセンタに代表される自動工作機によりさまざま製品の加工が行われている。たとえば、自動車エンジンの部品であるシリンダヘッドやシリンダブロックは、鋳造により外形が形作られて、その後取り付け面やネジ穴、オイル穴、カムやクランクの装着部位などが、自動工作機により加工されている。

自動工作機による加工工程は、通常、ライン立上前の計画段階で、工程設計を行うことで決められる。具体的には、数ある加工部位をどのような順番で加工し（工程分割）、工程分割きれた各工程をどのようにマシニングセンタに配分するかを、対象部品から求められる精度を保障すると共に、所要月産台数をクリアしつつできるだけ少ないマシニングセンタで行うことができるように（投資最小化）、考慮して行われている（たとえば特許文献１参照）。このような工程設計の結果は、サイクルタイムとツーリングを成立させるものでなければならない。

また、近年では、コンピュータによる部品設計の三次元モデル設計が進み、三次元の自動工作機シミュレータも市場に提供きれるようになっている。このため前記ツーリングの成立性確認にこのシミュレータを用い、干渉確認を実施するようになってきた。自動工作機シミュレータは、ＮＣプログラムを読み込み、プログラムに指示された動きを忠実に三次元空間上に再現するものであり、実際の自動工作機の動作特性をそのシミュレータに組み込めば、かなり高精度にサイクルタイムも予測できるようになっている。

一方、実際のマシニングセンタなどの自動工作機は、ＮＣコントローラによってその動作が制御されるが、動作スピードはそのコントローラに設定されたパラメータによって決められる。一般にＮＣコントローラに設定されるパラメータは、自動工作機が発する振動や耐久性の許す範囲で、生産効率が最も高い条件で設定されており、それがマシニングセンタの能力として謳われている。したがって、上記工程設計においては、こうした自動工作機の最高動作条件で動作した場合を想定してサイクルタイムの算出や、ラインバランスの検討が行われている。

自動工作機の耐用年数の観点から見れば、パラメータ設定を変えて動作速度を落とした方が使用環境としては好条件である。特に、可動部や回転部の磨耗といった特に自動工作機の前後上下左右の移動は、サーボモータとボールネジによってなされるが、ボールネジは磨耗によって位置決め精度が少しずつ落ちてくる。特に高精度な加工を行うマシニングセンタでは、長期間位置決め精度を維持させる観点であまり高速に動作させない方が好ましい。

この点に着目した従来技術としては、たとえば、ワークの加工条件や生産数から、作業時間を求めて、作業時間に余裕がある場合に、速度パラメータを低速なものに切り替え、余裕がない場合には通常速度で運転するようにした生産管理方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開平１１−８５８５２号公報 特開２００２−２９７２１８号公報

上記のような従来技術からは、工程設計において、もし耐用年数を考慮するとすれば単に速度を落とすのみとなり、これでは自動工作機の最高動作条件で工程設計が行われた場合、速度の落としようがなく、また逆に耐用年数を考慮した工程設計をするためにははじめから速度を落とした条件で設計しなければならず、これでは生産性が著しく低下しかねないという問題があった。

そこで本発明の目的は、自動工作機の耐用年数を延ばすと共に、生産性の低下を極力抑えた工程設計が可能となる工程設計装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、自動工作機で実行される一工程の加工経路から前記自動工作機の駆動機構における可動部の負荷を算出する負荷算出手段と、前記負荷算出手段が求めた負荷が、あらかじめ決められた値以上となっている前記可動部の位置がある場合に、前記可動部の位置が同じ位置となっている前記加工経路について前記可動部の位置が異なる位置となるように前記加工経路を変更する加工経路変更手段と、を有することを特徴とする工程設計装置である。

本発明によれば、加工経路から駆動機構における可動部の負荷を算出して、負荷の多くなっている部分の可動部位置がある場合に、加工経路を変更することで、同じ位置での作業時間が少なくなるようにしたので、可動部にかかる負荷を分散することができ、しかも、加工経路の変更に伴う作業時間の変化は少ないため、生産性の低下を抑えて耐用年数を伸ばすことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明を適用した工程設計装置の機能を説明するためのブロック図である。

工程設計装置１は、工程設計のシミュレーションモデルを構築するシミュレーションモデル構築部１１と、各工程における自動工作機の動作をシミュレーションする動作シミュレーション実行部１２（シミュレーション手段）と、シミュレーション結果から、一工程のサイクルタイムを計算するサイクルタイム算出部１３（サイクルタイム算出手段）と、同じくシミュレーション結果から動作干渉部位を検出する動作干渉検出部１４と、自動工作機械の駆動機構における可動部にかかる負荷を算出する可動部負荷算出部１５（負荷算出手段）と、算出された可動部負荷に基づいて耐用年数を考慮して加工パスを変更する加工パス変更部１６（加工経路変更手段）と、同じく可動部負荷に基づいて耐用年数を考慮して自動工作機の動作パラメータを変更するパラメータ変更部１７（パラメータ変更手段）と、を有する。

そして、工程設計装置１には、シミュレーションを行うために必要なデータを蓄積したデータファイルが接続されている。このデータファイルとしては、工作機の三次元形状のモデルデータを記憶した３Ｄ工作機モデルファイル３１と、工作機によって使用される工具形状のモデルデータを記憶した３Ｄ工具モデルファイル３２と、被加工物の三次元形状のモデルデータを記憶した３Ｄ被加工物モデルファイル３３とである。また同様に、シミュレーションを行うために必要な、工作機諸元ＮＣプログラムファイル３４も接続されている。

さらに、工程設計装置１には、加工パス変更およびパラメータ変更に必要となる耐用年数経験則データベース４１と負荷指数データベース４２が接続されている。

また、工程設計装置１には、図示しない入出力インターフェースを介して、キーボード、ディスプレイ、プリンタなどの入出力装置が接続されている。

なお、この工程設計装置１は、実際には、たとえばワークステーションなどと称されているコンピュータにより、後述する処理手順に基づいて工程設計装置１としての機能を実施するためのプログラムが実行されることにより各部の機能が実施されるものであるが、以下では、上述した機能ごとの作用を明確にするため機能ごとにその動作を説明する。

図２および図３は、耐用年数を考慮した加工パスおよびパラメータの変更処理を含む工程設計の処理手順を示すフローチャートである。

工程設計に先立ち、製品の三次元形状、公差情報材質などから、工程分割（Ｓ１）、加工パス（加工経路）設定（Ｓ２）、ラインバランス設定（Ｓ３）が行われる。

これらの処理は、たとえば特開平１１−８５８５２号公報に開示されている技術と同様である。すなわち、被加工物の三次元形状のモデルとなるような加工に必要な工具を工作機諸元データから決定し、その工具を工具形状のモデルの中から選択すると共に、工作機モデルにその工具を取り付けた３Ｄモデルを構築して、この３Ｄモデルによって被加工物が加工される加工パスが最短となるように設定し、工程ごと加工時間が最もバランスよく配分されるようにラインバランスが設定される。

このとき、決定した加工パスによって干渉する部分がないか否かを動作干渉検出部１４によって検出させて干渉がない場合、最終的にＮＣプログラムとして出力することになる（Ｓ４）。なお、図示しないが、動作干渉検出部１４によって干渉があるとされた場合はＳ３へ戻り加工パスの再設定が行われる。出力されたＮＣプログラムは工作機諸元ＮＣプログラムファイル３４に記憶される。

ここまでの処理は、実質的にコンピュータである本工程設計装置１において前述した特開平１１−８５８５２号公報に開示されている技術を用いてＮＣプログラム出力までを実行させるようにしてもよし、または、別途このＮＣプログラム出力までを行う処理装置を用意してもよい。

ＮＣプログラムが出力されたら、工程設計装置１は、まず、シミュレーションモデル構築部１１において、３Ｄ工作機モデルファイル３１から工作機モデルデータ、３Ｄ工具モデルファイル３２から工具形状のモデルデータ、３Ｄ被加工物モデルファイル３３から被加工物の三次元形状のモデルデータ、および工作機諸元ＮＣプログラムファイル３４からＮＣプログラムと、そこで使用している工作機と工具の諸元（たとえばマシニングセンタの型式と工具情報、治具タイプ情報、稼動部の重心や重量、加工機の動作速度（運用時の最高速度）など）を取り込む（Ｓ１１）。

具体的には、工作機であるマシニングセンタの型式、工具情報、治具タイプ情報をまず読み込み、これらをキーにして、該当する工作機の三次元モデルデータを読み込む。このとき、マシニングセンタ稼動部の重心や重量も読み込む。なお、これらの情報は諸元として事前に入力しておいてもよいし、工作機の三次元モデルデータから体積と比重情報を用いてその都度計算させてもよい。

３Ｄモデルが準備できたら、続いて、動作シミュレーション実行部１２において、ＮＣプログラムに従って動作シミュレーションを実行し（Ｓ１２）。サイクルタイム算出部１３がシミュレーション結果からその工程が終了するまでにかかる時間、すなわちサイクルタイムを算出する（Ｓ１３）。

ここで、動作シミュレーションおよびサイクルタイムの計算には、マシニングセンタの加速減速特性や、ＮＣ応答遅れ等を忠実に再現できるものを用意しておくと共に、コントローラのパラメータ値変更に対する追従性も保証しておく。

なお、特に図示しないが、この動作シミュレーションの時点においても、同時に動作干渉検出部１４において工具やホルダとマシニングセンタや治具との干渉有無を確認する。そして、この時点で干渉ありとされた場合には、この時点では一応完成したＮＣプログラムであるので、なんらかのＮＣプログラムの異常（動作設計の不具合を含む）が考えられるため、その旨を使用者に通知して異常処理として処理を中止する。

続いて、動作シミュレーション実行部１２において、サイクルタイムの計算結果とサイクルタイム上限値を比較し（Ｓ１４）、余裕がない場合は（Ｓ１４：Ｎｏ）、耐用年数向上のためのさまざまな変更はできないものと判断し、使用者にそのような判断がなされたことを通知して（Ｓ３１）、処理を終了する。

一方、ここで余裕があると判断された場合は（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、次に加工パス変更を実施する（Ｓ１５）。加工パス変更は、可動部付加算出部によって算出された負荷が軽減されるように加工パス変更部１６によって行われる。

ここで、加工パス変更の具体例を説明する。

図４は、マシニングセンタによる穴あけ工程における加工パスの変更を説明するための説明図であり、図４（ａ）は変更前の加工パスを示す図面であり、図４（ｂ）は変更前加工パスにおけるＺ軸ボール位置に対する付加量を示す図面であり、図４（ｃ）は変更後の加工パスを示す図面であり、図４（ｄ）は変更後加工パスにおけるＺ軸ボール位置に対する付加量を示す図面である。なお、図４（ａ）および図４（ｃ）において、単線は早送り経路、二重線は切削送り経路である。

一般的に、マシニングセンタの上下左右前後の動作は、モータとボールネジを組み合わせることで実現されている。つまりモータによりネジシャフトが回転し、ネジ部とかみ合っている可動部がその回転に応じてネジシャフト上を移動する構造となっている。ここで、ある一定の場所に負荷が集中すると、その部分の磨耗が早まり、剥離と呼ばれる現象が発生する。よって、負荷集中を避けるためにはサイクルタイムの許す範囲で加工パスを変更して同じところに負荷が集中しないようにすればよい。

図４を参照して具体例を説明する。まず、変更前の加工パスは、早送りで進み（経路Ａ）、切削送りにて穴加工（経路Ｂ）、早送りで引き出し（経路Ｃ）、早送りで加工位置を変更（経路Ｄ）、切削送りにて穴加工（経路Ｅ）、早送りで引き出し（経路Ｆ）、早送りで加工位置を変更（経路Ｇ）となっている。このときのＺ軸ボールネジ負荷は、図４（ｂ）から、移動の開始時（起動時）および停止時に高くなっていることが分かる。しかも経路Ｃの停止、経路Ｅの起動、経路Ｆの停止が重なる部分ではこれらの起動停止のために他の位置よりも負荷が累積されて高くなっている。

このような負荷の高くなっている位置では、磨耗や剥離などの不具合が起こりやすく、耐用年数が短くなってしまう。このような負荷の加わる部分は、可動部負荷算出部１５が、加工パスに基づきボールネジ可動部における負荷指数を負荷指数データベース４２から取得して、ボールネジ可動部の位置ごとに算出する。

このような負荷を低減させるためには、同じ位置でばかり作業が行われないような加工パスとすればよい。そこで、図４（ｃ）に示すように、最も負荷の大きかった経路ＤとＧが重なっているＺ軸上の位置のうち経路Ｇの加工パスをＧ’に変更することで負荷を分散させる。これにより、図４（ｄ）に示すように、同じ位置にかかる負荷を低減することができる。

このような加工パスの具体的な変更方法は、次のとおりである。

動作シミュレーション実行部１２の中に、可動部、たとえば前後上下左右の各ボールネジの全長に相当するビット列を用意しておく。そしてこのビット列を横軸とする。加速ないし減速により与えられるボールネジに対する負荷を指数化してこれを縦軸におく。たとえば単純なＦ＝ｍａの式を使ってもよい。また、実際のボールネジ劣化との相関がとれれば、どのような計算式を用いても構わない。

前記計算式を利用する場合は、質量ｍの計算はＣＡＤデータから、加速度ａはコントローラパラメータから求めることができる。こうすることで、ＮＣプログラムを一回シミュレーションすれば、ボールネジのどの部分にどの程度の負荷がかかっているかが判明する。そこで負荷が集中している位置で、しかも工具経路の変更が可能な領域（切削動作に関係がなく、かつ干渉が発生しない位置）で、負荷が分散するように、たとえば、上記のように穴加工後の位置移動時における加工パスを変更する。

どの加工パスを変更するかの判断は、たとえば、あらかじめ負荷量にしきい値を設けておいて、そのしきい値を越えた位置があれば、その部分における複数の経路が同じ位置とならないように変更する。また、しきい値に代えて最も負荷の大きくなっている位置となる加工パスを変更するようにしてもよい。

また、加工パスを変更する量は、たとえば、前記のＺ軸における位置の変更の場合、図５に示すように、少なくともボールネジ５０のネジシャフト５１に噛合している可動部５２（ネジシャフトの回転により移動する部分）の幅Ｈ分だけ移動させればよい。これは、可動部５２の幅Ｈ分だけ異なる位置となるように加工パスを変更することで、同じ位置で負荷が累積するのを防ぐことができる。

このような負荷分散のために加工パスを変更する場合、ボールネジの大きさ（特に可動部の幅）にもよるが、加工パス変更によって変化する加工パス全体の距離はごくわずかであるため、この加工パス変更によるサイクルタイムの増加はわずかである。たとえば、マシニングセンタのＸ、Ｙ、Ｚ各軸の早送り時の移動速度が１０〜５０ｍ／分の場合、可動部の幅が５ｃｍ（０．０５ｍ）とすると、この幅５ｃｍ分加工パスが長くなると、それにかかる時間はわずか０．３〜０．０６秒である。したがって、１工程当たり数百点の穴開け加工を行う場合に加工経路を変更したとしても秒単位でまたは１秒以下程度サイクルタイムが増加するだけすむのである。

加工パス変更後は、再び動作シミュレーションを行い（Ｓ１６）、サイクルタイムの再計算を実行し（Ｓ１７）、サイクルタイムが上限を超えていないかどうか判断する（Ｓ１８）。これは、加工パスの変更によりサイクルタイムの増加がわずかであるといっても、その変更内容によってはサイクルタイムが長くなる可能性もあるので、変更結果に対してシミュレーションを実行してサイクルタイムのチェックを行っているものである。ここでもしサイクルタイムの上限を超えている場合には（Ｓ１８：Ｎｏ）、加工パスの変更によりその工程で決められたサイクルタイム内で作業を終了することができなくなってしまったということであるので、元の加工パスに戻して（Ｓ３２）、処理を終了する。なお、シミュレーション実行の際には、干渉チェクも行われ、干渉がある場合も元の加工パスに戻す。

一方、加工パスの変更後でもサイクルタイムが上限を超えていなければ、続いて、コントローラのパラメータを変更する（Ｓ１９）。コントローラのパラメータの変更は、パラメータ変更部１７によって行われる。

パラメータの変更は、主に、速度パラメータを変更するもので、これにより、ボールネジに与える衝撃を和らげる。これは、たとえば、Ｆ＝ｍａを用いるならば、ａの値を小きくする措置となる。

具体的には、たとえば、図６（ａ）に示すように、速度が上昇しその後一定速度で移動し、その後か即時と同様に減速するような速度パラメータが与えられている場合、最も速度の上昇率が高い区間ｉ２（速度ｖ１に達するまでの速度）を、図６（ｂ）に示すように、時間軸伸ばして区間ｊ２とすることでこの区間ｊ２の加速度を少なくする。これによりボールネジに与える衝撃を和らげることができる。

また、他の方法としては、図７（ａ）に示すように、ある最高到達速度Ｖ２の場合に、図７（ｂ）に示すように、この最高到達速度をＶ１となるように下げても良い。その場合同じ距離を移動するためには、図示するように多くの時間が必要となる。

なお、負荷をどこ迄軽減すれば（速度パラメータを減速する方向へ変更すること）、耐用年数への影響が無視できるかといった経験則に基づける場合は、耐用年数経験則データベース４１から経験則を取り出し、取り出した経験則に基づく加速度ａとなるような速度パラメータにすることで、耐用年数を向上させると共に、サイクルタイム内での作業を終えることができるように算出することができる。

コントローラパラメータの変更後は、また、動作シミュレーション（Ｓ２０）、サイクルタイムを算出し（Ｓ２１）、サイクルタイムが上限値を超えた場合は（Ｓ２２：Ｎｏ）、元のパラメータに戻し（Ｓ３３）、処理を終了する。

一方、サイクルタイム内であれば（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、ステップＳ３へ戻りこの処理結果を工程設計処理に返し、ラインバランスの調整を行う。これは、加工パスやパラメータの変更によって、他の工程間でのバランスがとれなくなる場合があるので、変更後にもう一度ラインバランスを取り直すために行われる。

以上説明したように、本実施形態では、可動部の負荷が多い位置を、加工パスを変更することで同一位置での起動、停止などを少なくして負荷を分散させるようにしたので、可動部における磨耗や剥離などを抑制し、耐用年数を伸ばすことができる。また、加工パスの変更によって負荷を分散させているため、従来のように単純に加工速度を落とすだけで耐用年数を伸ばすようにする場合と比較して、加工パスの変更による加工時間の超過はごくわずかであるいため、速度を低下させることができるほどサイクルタイムに余裕がない場合でも特定位置の負荷累積による耐用年数の低下を防ぐことができる。

また、本実施形態では、加工パスの変更後にもサイクルタイムの再計算を行うことで、加工パス変更による加工時間への影響は少ないものの、サイクルタイムが一つの工程の作業時間として設定されている時間よりも伸びてしまうのを防止している。

また、本実施形態では、加工パスの変更に加えてさらにサイクルタイムの上限内において速度パラメータを変更することで、動作時に加わる衝撃を少なくしている。このとき速度パラメータの調整には、経験則を利用して耐用年数が良くなるようにしている。このようにサイクルタイム内において余裕がある場合には、さらに速度を落とすことで、一層耐用年数を伸ばすことが可能となる。

本発明は、ＮＣプログラムによって動作する自動工作機（マシニングマシン）に好適である。

本発明を適用した工程設計装置の機能を説明するためのブロック図である。 耐用年数を考慮した加工パスおよびパラメータの変更処理を含む工程設計の処理手順を示すフローチャートである。 図２に続く工程設計の処理手順を示すフローチャートである。 マシニングセンタによる穴あけ工程における加工パスの変更を説明するための説明図である。 ボールネジにおける加工パス変更時の一意同僚を説明するための図面である。 速度パラメータの変更の一例を説明するための図面である。 速度パラメータの変更の他の例を説明するための図面である。

符号の説明

１…工程設計装置、
１１…シミュレーションモデル構築部、
１２…動作シミュレーション実行部、
１３…サイクルタイム算出部、
１４…動作干渉検出部、
１５…可動部負荷算出部、
１６…加工パス変更部、
１７…パラメータ変更部、
３１…３Ｄ工作機モデルファイル、
３２…３Ｄ工具モデルファイル、
３３…３Ｄ被加工物モデルファイル、
３４…工作機諸元ＮＣプログラムファイル、
４１…耐用年数経験則データベース、
４２…負荷指数データベース。

Claims (4)

1. 自動工作機で実行される一工程の加工経路から前記自動工作機の駆動機構における可動部の負荷を算出する負荷算出手段と、
   前記負荷算出手段が求めた負荷が、あらかじめ決められた値以上となっている前記可動部の位置がある場合に、前記可動部の位置が同じ位置となっている前記加工経路について前記可動部の位置が異なる位置となるように前記加工経路を変更する加工経路変更手段と、
   を有することを特徴とする工程設計装置。
2. 前記工程の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、
   前記シミュレーション手段の結果から前記工程のサイクルタイムを算出するサイクルタイム算出手段と、を有し、
   前記加工経路変更手段は、前記サイクルタイム算出手段が算出したサイクルタイムがあらかじめ決められた上限値の範囲内で、前記加工経路を変更することを特徴とする請求項１記載の工程設計装置。
3. 前記サイクルタイム算出手段が算出したサイクルタイムがあらかじめ決められた上限値の範囲内で、速度パラメータを変更するパラメータ変更手段を、さらに有することを特徴とする請求項２記載の工程設計装置。
4. 前記駆動機構は、ボールネジであり、
   前記加工経路変更手段は、前記加工経路の変更の際に、少なくとも前記ボールネジのネジシャフトに噛合している前記可動部の幅以上に前記可動部の位置が変わるように前記加工経路を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の工程設計装置。

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