JP2014522529A - 工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法およびシミュレーションシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、仮想マシンを用いてなる、工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法およびシミュレーションシステムであって、仮想マシンは、機械データ、ワークピースデータ、および、NC制御データおよびPLC制御データの組み合わせとしてのツールデータを用いて、工作機械においてワークピースを工作する工作プロセスをシミュレーションするようセットアップされ、また、本発明によれば、工作プロセスのシミュレーションは、複数のプロセッサコアを含むプラットホーム上で実施され、さらに、工作プロセスは、異なるプロセッサコア上で並列に実行される部分シミュレーションによりシミュレーションされる。
【選択図】図1
Description
より具体的には、ワークピース自体に作用するすべての工作操作をできるだけ全体的に再現することを目的としているのみならず、可能な限り現実的で、全体的な描写に基づき、ツール交換機、ワークピース交換機、ワークスペース等の工作機械の周辺装置をも、シミュレーションし、再現することを目的としている。
すなわち、コントロール側の構成要素は、コントロールデスクおよびモニターから成るヒューマンマシンインターフェース(HMI)、数値制御コア、すなわち、NCプログラムにより事前に定義された制御命令群、および、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)、すなわち、特定の工作機械特有のコントローラであり、ツール交換機、冷却水の供給、ドライブコントローラなどの付随的な装置を、通常含んだ機械的に統制された回路を制御するコントローラ、から構成されている。
さらに、システム側の構成要素は、運動学的および動的挙動(復元力や熱による挙動)、関連した制御部、空気圧/流体システム、形状描写を含む工作および軸の動力学、工作治具やツール、ワークピースと材料除去工程、等を含むドライブシステムから構成されている。
このように実施することによって、例えば、新規工作機械を組み込む場合、または、工作機械の設定をする場合において、実際に起こると期待される、工作プロセスに関する様々な情報を取得することが可能となる。
しかしながら、その一方で、工作および動作命令は、先進的な工作機械の開発により、より一層複雑になってきており、このことは、仮想マシンに対する全体的なアプローチに制限を課している。
また、本発明によれば、工作プロセスのシミュレーションは、複数のプロセッサコアを含むプラットホーム上で実施され、さらに、異なるプロセッサコア上で並列に実行される部分シミュレーションにより、構成されている。
そしてさらに、相応に機能を削減した特別な仮想マシンが、異なるプロセッサコア上にインストールされ、それによって実行することが可能であることも含まれている。
ここで、NはNCプログラムのセクションの数、CはCPUコア又は仮想マシンの数、Tseqはシーケンシャルに実施した場合の実行時間、Tparは並列に実施した場合の実行時間、であり、N=Cを仮定している。
例として、8つの仮想マシンにて並列計算を実施した場合、実行時間としては、Tpar=2/8×Tseq=0.25×Tseqにオーバーヘッドによる時間を加えたものとなる。
この場合、シミュレーションは、本発明の解決方法の結果として、複雑性に関するいかなる制限も受けない。
このことは、本発明が、原理的に、計算能力を向上させるために異なる手法を提供しているからであり、すなわち、本発明によれば、工作プロセスまたは工作プロセスのシミュレーションは、異なるプロセッサコア上で実行可能な部分シミュレーションに分割されるからである。
このように構成することで、それぞれのセクションの計算に必要なデータが入手可能であれば、地理的に異なる地点において部分計算が実行でき、例えば、グリッドコンピューティングまたはクラウドコンピューティングなどの技術を使用することも可能である。
この場合、仮想マシンの複雑性により、達成可能な性能を事前に見積もることが困難になるだけでなく、マシンを構築するために支払われる労力や、特定の構成(例えば、使用されるグラフィックカード、およびOS)に対応するための労力が非常に大きくなるということがある。
本発明のアプローチでは、このような状況での、マシンの構築や構成への対応である適合性に対して、かかる労力や負荷を削減することにつき、重要な役割を果たすことができる。すなわち、コンピュータへの負荷は、ローカルまたはリモートネットワークに分散され、いくつかのコンピュータに分担されることになる。
また、この場合、ヒューマンマシンインターフェースをユーザーのコンピュータに提供することも可能である。
このように実施することにより、分担としてのインストールの主要部分および全体的なシミュレーションの実行は、ユーザーのコンピュータシステム上では実施されることなく、それにより、ローカルコンピュータへのシステム要素依存性を削減でき、アップデートに際しても、その適用を極めて容易に取り扱うことができるようになる。
このように実施することによって、種々の加工段階を経由した未加工品が完成品に至るまでのワークピースに対するシーケンシャルな工作セクションが、必然的に得られることとなる。
すなわち、ワークピースの状態は、CAMシステムにより、各セクションの開始の段階で、幾何学的な形状として生成され、3次元モデルファイル(VRL、IGES、STEP等)に保存される。
すなわち、NCプログラム中に直接書き込んだり、事前に選択された特定の工作セクションに書き込んだり、または、工作セクションそれぞれに書き込んでもよい。エントリーマークとしては、より効果的にするため、サイクルまたはテキストマークを使用してもよい。
すなわち、エントリーマークに従って工作セクションを異なるプロセッサコアに転送するステップ、NC制御命令から成るそれぞれの工作セクションに関連した現在のワークピースの形状を異なるプロセッサコアに転送するステップ、および、異なるプロセッサコアによる部分シミュレーションの実行命令、を含むものであって良い。
言い換えると、利用可能な仮想マシンは、それぞれの場合において、各工作セクションにおいてシミュレーションしながらタスクを実行し、それにより、各プロセッサコアによって、NCプログラムの各セクションの目的を達成することができ、そして、未完成部分(半製品)の関連する現行形状を形成することができる。
すなわち、一連のプロセスの各部分が、仮想マシンまたはCAD/CAMシステム内に事前に保持されていたとしても、本発明のシミュレーション方法によれば、ユーザーは工作セクションを特定でき、そして、異なるプロセッサコア上で仮想マシンを並列に実行することが可能であるという利点である。
よって、本発明によれば、例えば、ワークピースは異なる形状に分割することが可能であり、個々の仮想的な部分シミュレーションは、当該部分形状について実行される。
また、形状の共通部分は、これら部分形状の間に形成され、衝突検出は、2つの形状が結合された形状に対するシミュレーションの実行時に実施される。
よって、次のステップにおいて、さらに追加の形状が、形状の共通部分として追加され、再度、衝突検出が実施される。そしてこの操作は最終的な完成品になるまで実施される。
したがって、本発明は、これら目的をために、関連した機能を有するように改修されたCAMソフトウエアを含む。
このようにすることによって、異なるシステム構成要素に対する機能的なシーケンスについて部分シミュレーションを実行することが可能である。
したがって、この操作においては、未加工部分の形状およびNCコントロール命令群に関連したデータのみが、最初の実施に資する仮想マシンにより利用可能となる。
そして、時間t0からt1の間に、第1のプロセッサコアにより、既に実施された第1の工作セクションのさらに完全なシミュレーションが、第2のプロセッサコアにて開始され、すべてのシステム構成要素が特定の仮想マシンにおいて結合される。
すなわち、NCコントロール命令群は、異なるプロセッサコア上で利用可能な仮想マシンの数Nに従って、N−1個の工作セクションに分割され、1つのプロセッサコアは、特定の時間間隔において1つの部分シミュレーションを実行する。
さらに、本発明によれば、工作プロセスのシミュレーションは、複数のプロセッサコアを含むプラットホーム上で実施され、さらに、異なるプロセッサコア上で並列に実行される部分シミュレーションにより実施される。
この場合、当該装置は、工作セクションを異なる加工段階を経由した未加工品が完成品に至るまでのそれぞれの段階に分割する装置であって良い。
その一方、この装置は、ワークピースを異なる部分形状に分割するように設計されていても良い。
また、工作操作の一部としてワークピース工作するための、事前に選択されたNC命令群(すなわち、NCプログラム)における事前に選択された工作セクションを開始するためのエントリーマークを書き込む装置を含んでいても良い。
さらに、この実施形態においては、容易なメンテナンスが可能なシミュレーション環境であって、工作機械の製造者のためだけのアクセスエリアを設けるように、構成されていても良い。
参照番号4は、第1のプロセッサを意味しており、かかる第1のプロセッサ4には、コントロールデバイス41が組み込まれている。
また、コントロールデバイス41は、NCコントロールプログラム411と、機械専用のコマンドを実行するためのPLCコントローラ412と、を含んでおり、NCコントロールプログラム411は、最終的な形状が得られるまでに、切削/機械加工される未加工部分の加工パスがプログラムされている。
そして、第1のプロセッサ4において、さらに、第1の仮想マシン42が組み込まれており、かかる第1の仮想マシン42は、動力学モデル421、材料除去モデル422、およびエンクロージャモデル(enclosure model)423を含んでいる。
そして、コントロールデバイス51は、NCコントロールプログラム511およびPLCコントロールデバイス512を含んでいる。
そして、図1に示した実施形態では、コントロールデバイス41と51は、機能的に同一であり、図1において複製することで描写されており、それぞれ、プロセッサ4および5に組み込まれていることを示している。
そして、これら動力学モデル521および材料除去モデル522は、動力学モデル421および材料除去モデル422と同じものを使用することが好ましい。
この理由は、両者において、機械操作として、NCプログラム、未加工機械形状、および機械構成については同じものを使用するからである。
しかしながら、一方で、第2の仮想マシン52は、工作治具、テーブル、およびブース等のワークスペースをシミュレーションできるように、エンクロージャモデル(enclosure model)423の代わりに、ワークスペースモデル523を含んでいても良い。
かかる別の実施形態は、システム25および26を含み、これらシステム25および26は、ネットワーク27を介して相互に接続されている。かかる別の実施形態において、2つのシステム25および26の構成は、図1に示された構成と一部一致しており、図1と同じ参照番号が付された構成要素については図1に示されたものと同じである。
したがって、ユーザーは、リモートデスクトップ29を介して、一連のシミュレーションを構成し、停止し、開始することが可能である。また、その一方で、シミュレーション環境設定は、工作機械製造者の制御下に置かれており、このことによって、メンテナンスの一部としてハードウエアに接続したり、アップグレードを適用したりする作業を極めて簡易に実施できる。
そして、リモートデスクトップ29を介したシミュレーション環境へのアクセスは、当然のことながら、図2に示された実施形態に制限されるものではなく、図2は単なる一例に過ぎない。
なお、この種のリモートアクセスは、図1に示した実施形態およびその他の実施形態によっても達成することが可能である。
次いで、ステップS32において、ワークピースの状態が、3次元モデルファイル(例えば、VRML、IGES、STEP形式)に格納される。
本実施形態では、それぞれの工作セクションの開始に関連したテキストを挿入することで、ステップS33の工程としている。
次いで、ステップS35において、NCプログラムの個々の工作セクションに従って、ワークピースの現在の中間部分の形状が、それぞれのプロセッサコアに転送される。
次いで、ステップS36またはS37において、それぞれのプロセッサコアにインストールされた仮想マシンにより、それぞれのプロセッサコアにおいて部分シミュレーションが実行される。
このように実施することによって、連続した工作セクションが異なるプロセッサコアにてシミュレーションされると同時に、シミュレーション速度を増加させることが可能となる。
かかる別の実施形態では、工作機械の工作プロセスは異なるシステム構成要素についての機能的なシーケンスについて分割され、これら異なるシステム構成要素についての機能的なシーケンスについて、部分シミュレーションが実行される。
次に、ステップS42において、ツールパスをシミュレーションするシステム構成要素と材料除去モデルをシミュレーションするシステム構成要素以外の、全ての機能的シーケンスは動作を停止される。
すなわち、例えば図1に示したシステム構成要素423と523は、ステップS42において、仮想マシンにてその動作を停止されることになる。
次いで、ステップS44において、所定のNCプログラムおよびワークピースにおける未加工部分の所定の形状が入力されると、材料除去モデルのシミュレーションが開始される。
本実施形態において、NCプログラムの状態とは、ステップS43およびS44において開始された部分シミュレーションに関するNCプログラムの行番号である。
ここで、すべての計算複雑性とは、仮想マシンに関連付けられたあらゆるシステム構成要素のことである。
したがって、図1に示される実施形態では、機械キャビネットをシミュレーションする追加のシステム構成要素423、およびワークスペースをシミュレーションするシステム構成要素523、が含まれている。
当然ながら、本発明は、これらの追加的なシステム構成要素に制限されるものではなく、一般的な規則により、このような仮想マシンを構成し得るすべてのシステム構成要素を含有することが可能である。
すなわち、当該仮想マシンは、第2の工作セクションにおける完全な計算を、時間t1〜t2の間に実施することになる。
すなわち、当該仮想マシンは、第3の工作セクションにおける完全な計算を、時間t2〜t3の間に実施することになる。
したがって、本発明によれば、ユーザーは、特定の目的に対して、ユーザー自身でエントリーポイントを定義することが可能である。
例えば、1台の仮想マシンは事前の計算(pre-calculating reduced simulation)に必要であるので、利用可能なN個の仮想マシンについて、NCプログラムをN−1個のセクションに分割することによって、最初の実行は自動化される。
すなわち、図5の実施形態では、NCセクション601〜604それぞれによって、それぞれの部分立体形状611〜614が加工される。本実施形態では、衝突検出620は、仮想マシン61において、第1の実行時の最初にのみ実行される。
その後に、シミュレーションにより加工されたワークピース630は、CADテンプレートと比較することができる。
そして、この管理サーバは、対応する仮想マシン61〜64に、計算能力に応じて適切に負荷分散を行いながら、ワークピースおよびNCセクションを転送することが可能である。
したがって、シミュレーションの実行後、仮想マシン61〜64は、管理サーバへ、後のステップとして、あらゆる衝突および欠陥を含めて、加工されたワークピース630を、送信することができる。
本実施形態のもう一つの長所は、仮想マシンを使用するにあたって、専用に開発されたCAD/CAMソフトウエアが必要ない点である。すなわち、ユーザーは、本発明を実施するにあたって、CAD/CAMデータについて一切の変更を必要としないことを意味する。
そして、この加工セクションの中間結果は、衝突検出のために、4つの仮想マシン71〜74上で、NCセクションの701〜704を使用して、ステップ721〜724において処理され、加工されたワークピース630を出力する。
Claims (17)
- 仮想マシンを用いてなる、工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法であって、
仮想マシンは、機械データ、ワークピースデータ、および、NC制御データおよびPLC制御データの組み合わせとしてのツールデータを用いて、工作機械におけるワークピースの工作をシミュレーションするようセットアップされ、かつ、
工作プロセスのシミュレーションは、複数のプロセッサコアを含むプラットホーム上で実施され、
さらに、異なるプロセッサコア上で並列に実行される部分シミュレーションにより実施されることを特徴とする工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。 - 前記プラットホームは、単一チップ上に複数の完全なプロセッサコアが組み込まれたマルチコアプロセッサを含んでおり、および/または、前記プラットホームは、ネットワークを介して互いに接続された複数のプロセッサコアを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
- 前記工作機械の工作操作が、種々の加工段階を経由した未加工品が完成品に至るまでの、異なる工作セクションに分割され、当該工作セクションについての部分シミュレーションを実行するステップを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
- 前記工作機械の工作操作が、ワークピースの部分形状についての異なる工作セクションに分割されており、当該工作セクションの部分シミュレーションによって、当該部分形状をシミュレーションするステップを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
- 下記ステップをさらに含むことを特徴とする請求項3または4に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
(1)それぞれの工作セクションを開始するためのワークピースの形状を生成し、3次元モデルファイルに当該ワークピースの形状を保存するステップ
(2)工作操作の一部としてワークピースを工作するための、事前に選択されたNC制御命令群における事前に選択された工作セクションを開始するためのエントリーマークを書き込むステップ
(3)前記エントリーマークを用いて、複数の工作セクションを異なるプロセッサコアに転送するステップ
(4)NC制御命令群から成るそれぞれの工作セクションに対応した現在のワークピースの形状を異なるプロセッサコアに転送するステップ
(5)異なるプロセッサコアにより、転送された工作セクションの並列部分シミュレーションを実施するステップ - 実行済みの前記部分シミュレーションを結合し、当該結合された部分シミュレーションについて衝突検出を実施するステップを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
- 前記工作機械の工作プロセスが、異なるシステム構成要素についての機能的シーケンスに従って分割され、異なるシステム構成要素についての機能的シーケンスから成る部分シミュレーションを実施するステップを含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
- 下記ステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
(1)ツールパスをシミュレーションするシステム構成要素と材料除去モデルをシミュレーションするシステム構成要素以外の、全ての機能的シーケンスの動作を停止するステップ
(2)ツールパスをシミュレーションするシステム構成要素を開始することによって、第1のプロセッサコア上にて部分シミュレーションを実施するステップ
(3)所定のNC制御命令群、およびワークピースについての所定の未加工部分の形状を入力として構成された、材料除去モデルをシミュレーションするシステム構成要素を開始するステップ - 下記ステップをさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
(1)最初の工作セクションにおいて、時間t0〜t1の間、ツールパスおよび材料除去モデルの部分シミュレーションを継続して実行するステップ
(2)材料除去モデルおよび関連したNC制御命令群の状態について、時間t1に工作されたワークピースの形状を保存するステップ
(3)時間t0〜t1の間の最初の工作セクションについて、第2のプロセッサコア上にて、仮想マシンの全てシステム構成要素を結合した完全なシミュレーションを開始するステップ - 下記ステップをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
時間t1〜t2の間の2番目の工作セクションについて、第3のプロセッサコア上にて仮想マシンの全てシステム構成要素を結合した完全なシミュレーションを開始し、該当する場合は、時間t2〜t3、さらにtxに至るまで、3番目からX番目の工作セクションについて、追加のプロセッサコア上にて仮想マシンの全てシステム構成要素を結合した完全なシミュレーションを開始するステップ - 時間t1〜txは、ツール交換と関連付けられるように選択してあることを特徴とする請求項8〜10のいずれか一項に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。
- 前記工作セクションへの分割が自動で実施され、
制御命令群は、異なるプロセッサコアにインストールされた利用可能な仮想マシンの数Nに依存して、N−1個の工作セクションに分割され、
プロセッサコアの一つは、前記部分シミュレーションを実施することを特徴とする請求項8〜11のいずれか一項に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーション方法。 - 仮想マシンを用いてなる、工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーションシステムであって、
仮想マシンは、機械データ、ワークピースデータ、および、NC制御データおよびPLC制御データの組み合わせとしてのツールデータを用いて、工作機械におけるワークピースの工作をシミュレーションするようセットアップされ、
シミュレーションシステムは、複数のプロセッサコアを含んだプラットホームとして設計され、
かつ、当該プロセッサコアは工作プロセスをシミュレーションする部分シミュレーションを実施するようにセットアップされていることを特徴とする工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーションシステム。 - 前記プラットホームは、単一チップ上に複数の完全なプロセッサコアが組み込まれたマルチコアプロセッサを含んでおり、および/または、前記プラットホームは、ネットワークを介して互いに接続された複数のプロセッサコアを含んでいることを特徴とする請求項13に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーションシステム。
- 下記装置を含むことを特徴とする請求項13または14に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーションシステム。
(1)工作機械の工作プロセスにおける工作操作をワークピースの異なる工作セクションに分割する装置
(2)工作セクションを開始するためのワークピースの形状を生成し、当該ワークピースの形状を3次元モデルに格納する装置
(3)工作操作の一部としてワークピースを工作するための、事前に選択されたNC制御命令群における事前に選択された工作セクションを開始するためのエントリーマークを書き込む装置 - 前記工作機械の工作プロセスが、異なるシステム構成要素についての機能的シーケンスに従って分割され、異なるシステム構成要素についての機能的シーケンスから成る部分シミュレーションを実施する装置を含むことを特徴とする請求項13〜15のいずれか一項に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーションシステム。
- ツールパスをシミュレーションするシステム構成要素、および材料除去モデルをシミュレーションするシステム構成要素以外の、全ての機能的シーケンスの動作を停止する装置、を含むことを特徴とする請求項16に記載の工作機械の工作プロセスをシミュレーションするシミュレーションシステム。
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