JP2017134829A - ディジタルコンピュータを用いたコンピュータ数値制御（ｃｎｃ）機械加工作業の計画 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェブベースのシステム及び方法は、部品を機械加工するための１つ以上の質的に異なるプロセス計画を作成する。【解決手段】部品の表面はモデル化され、工具が原材料を切断する向きを含む複数のＣＮＣ機械加工工具のパラメータが取得される。各工具についての並進の最大集合がまた取得され、各並進は、工具の衝突のない向きと、その向きにおいて部品から除去可能な材料の最大機械加工可能量とを含む。探索エンジンは、初期状態から開始し且つコスト制約関数を満たす動作に基づいて連続状態へと遷移する階層構造探索空間をナビゲートする。各状態及び各動作は、工具、工具の向き及び最大機械加工可能量を含む。目的状態が満たされると、探索は終了する。動作は、プロセス計画を構成する。【選択図】図２

Description

本特許出願は、一般に、コンピュータ支援プロセス計画に関し、より具体的には、ディジタルコンピュータを用いてコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工作業を計画する方法に関する。

金属などの原材料又は材料からの部品の機械加工は、部品が意図された形状及び寸法に到達するまで原材料が部品から徐々に除去される減法的製造の形態である。機械加工は、一般に、指定された公差内で原材料を粗形態まで減少させ、最終的な完成形態に部品を平滑化、研磨、仕上げ又は他の方法で変換するために、さらなる製造プロセスが必要とされることがある。

機械加工は、主に、原材料を所望の部品に旋盤加工し、穿孔し、フライス加工することをともなう。この作業は、それぞれ、固定切削工具に対して部品を回転させ、原材料が固定保持されながら先端に刃先を有する回転ビットを使用して軸方向に穿孔し、回転ビットの側部及び先端に沿って刃先を有する回転ビットを使用して原材料を切除することによって原材料を除去する。穿孔及びフライス加工において、Ｚ次元における縦軸に沿ってビットを回転させる。フライス加工は、さらに、Ｘ及びＹ次元における平面に沿って回転ビットを移動させることをともなう。他の種類の機械加工作業及び工具が存在する。

機械加工は、製造プロセスの様々な段階へのコンピュータ化の向上した統合の恩恵を受けている。例えば、部品は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムから出力された電子的に記憶されたモデルを介して最初にディジタル表現されることができる。コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）ソフトウェアは、ＣＡＤプログラムによって生成されるものなどの部品のディジタルモデルと、一連の機械加工命令を作成するようにセットアップされた製造のモデルとを使用する。自動化されたポストプラニングプロセス検証に続くこれらの命令は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工命令を使用して原材料から部品を製造するためのディジタル自動フライス盤をプログラムするために使用されることができる。

ＣＡＤ、ＣＡＭ及び関連ソフトウェアツールによって可能とされた部品設計及び製造計画の進歩にかかわらず、これらの分野における従来の努力は、依然として、製品ライフサイクル管理と物理的な作業現場製造との間の効率的な統合のより良好な支援のための努力において、人間が作成した製造プロセス計画の検証の自動化に主に焦点をあてている。一般に、これらのソフトウェアツールは、単一の作業から製造プログラム全体にいたるまで、経路計画、衝突検出、サイクルタイム計算、レイアウトモデリング及び資源割当、並びに、ユーザ主導型入力の検証のためのアルゴリズムによってサポートされるように、モデリング、計画、シミュレーション及び事後の製造プロセスの分析を容易とする仮想環境を提供する。

原材料から部品を製造するために、ＣＮＣプログラムによって表現可能なものなどの一連の機械加工命令を定義する製造プロセス計画を検証するという作業において、いくつかの問題が残っている。まず、部品の複雑性に依存して、手作業で自動化せずに作業を試みることは、時間がかかり、高価であり、実用的ではないことがある。さらに、その努力は、プロセス計画段階の大きな部分を占めることができ、それらの実行がディジタル製造ツールによって検証される前に、提案されたプロセス計画を十分に洗練するために、人間の介入、創造性及び経験を常に必要とする。

ディジタル自動機械加工を介した原材料からの部品の製造のためのプロセス計画を定義するという逆の問題は、同様に不都合である。異なるツールを選択して任意の幾何学的に複雑な部品を製造するためのプロセス計画を作成する従来の解決策は、これらの問題を解決することができない。部品が製造可能でない場合、又は、部品が製造可能である場合に複数の実行可能なプロセス計画の解決策が存在する可能性がある場合には、プロセス計画の解決策が存在しないことがある。解決策の問題空間は、部品の幾何学的複雑性及び利用可能な機械加工工具の選択が増加するのにともない大きくなる。さらにまた、プロセス計画は、工具の姿勢又は向きを含む機械固有パラメータ、加工作業の前に残っている未切断の原材料のステージングモデルを含むレイアウト計画、冶具及び工具のセットアップ時間及びコストの影響を受ける制約、全体的な製造時間、設計公差などによって影響を受ける。潜在的な解決策空間は、加工工具の数及び原材料へのアクセスの必要な方向が増加するのにともない、急速に難しくなる可能性がある。例えば、８個の必要なアクセス方向及び５個の工具のみを有する探索空間におけるプロセス計画は、４０の分岐係数を有し、長さ１０の４０^１０＞１ｅ^１６個の異なるプロセス計画があることを意味する。

プロセス計画の従来の解決策は、製造情報によってパラメータ化され且つ注釈付けされたソリッドデザインモデルの部分集合である機械加工特徴の使用をあてにしている。プロセスプランナは、特徴を認識して抽出するためにソリッドモデルを使用し、抽出された特徴は、関連する一連の製造プロセスにマッピングされる。ほとんどの特徴認識技術は、アクセス可能性の分析が、部品が機械加工されることができる向きの候補集合を概説するポケットフライス加工、穿孔及び旋盤加工された特徴に制限される。認識された全ての特徴を個別に機械加工することによって部品が製造されることができる場合、これらの種類のプロセスプランナは非常に効果的であり得る。しかしながら、特徴ベースのプロセス計画は、特に設計が、相互作用する特徴、製造特徴として分類されない機械加工可能な領域又は複数の向きにおける機械加工作業の組み合わせを必要とする領域から構成される場合には、大きな分類の部品に拡大することはできない。これらの場合、機械加工されることになる量が特徴に分解されなければならない場合、サブボリュームは製造可能でないことがあり、又は、製造可能であると特定することが困難であり得る。さらに、代わりにソリッドモデルを特徴に分解すると、異なり且つ一貫性のない結果をもたらすことがあり、プロセス計画を複雑化及び混乱させる可能性がある。

したがって、部品設計の複雑さが増すのにともない効率的にスケーリングを行いながら、機械固有の且つステージングするモデル固有のパラメータ及び製造コストの制約に対応する製造機械加工作業についてのプロセス計画を作成して実行するためのアプローチに対する必要性が存在する。

ウェブベースのシステム及び方法は、部品を機械加工するための１つ以上の質的に異なるプロセス計画を作成する。部品の表面はモデル化され、工具が原材料を切断する向きを含む複数のＣＮＣ機械加工工具のパラメータが取得される。各工具についての並進の最大集合がまた取得され、各並進は、工具の衝突のない向きと、その向きにおいて部品から除去可能な材料の最大機械加工可能量とを含む。探索エンジンは、初期状態から開始し且つコスト制約関数を満たす動作に基づいて連続状態へと遷移する階層構造探索空間をナビゲートする。各状態及び各動作は、工具、工具の向き及び最大機械加工可能量を含む。目的状態が満たされると、探索は終了する。動作は、プロセス計画を構成する。

１つの実施形態は、ディジタルコンピュータを使用したＣＮＣ機械加工作業を計画するシステム及び方法を提供する。プロセッサ、メモリ及び記憶装置を含むコンピュータは、機械加工されることになる部品の幾何学モデルを備えている。幾何学モデルは、部品の表面を定義する。コンピュータはまた、複数のＣＮＣ機械加工工具のパラメータを備えている。各工具のパラメータは、工具が回転する刃先を長手方向に横切ることができる複数の向きを含む。コンピュータは、さらに、各工具についての最大並進集合を備えている。各並進は、回転する刃先と部品の表面との間の衝突を回避する工具の向きと、工具の並進方向において工具によって部品から除去可能な最大サブボリュームの材料とのうちの１つを含む。一連の状態は、コンピュータに表示される。各状態は、１つの工具、１つの工具の向きを特定し、その部品の負のボリュームを記述し、１つの状態は初期状態を表す。一連の動作はまた、コンピュータにも表示される。各動作は、１つの工具、１つの工具の向きを特定し、工具の向きにおいて工具によって１つの状態における部品の負のボリュームから除去可能な材料の最大サブボリュームを記述する。探索エンジンは、初期状態から開始し、総コスト及び選択された動作についての最大サブボリュームを差し引いた後に残る負のボリュームに基づく発見的問題解決法によって案内されるような１つの動作を選択することによって１つの状態から他の状態へと繰り返し遷移する。プロセス計画が形成され、残っている負のボリュームが最小であるときに選択された各動作を含む。工具は、コンピュータによってダウンロードされたプロセス計画によってプログラミングされ、プロセス計画に基づく工具による機械加工作業を含む。最後に、工具は、部品の表面にわたる回転する刃先の横断によって部品の最大サブボリュームを機械加工することにより、ダウンロードされたプロセス計画における機械加工作業毎に動作する。

本発明のさらに他の実施形態は、本発明を実施するために考えられる最良の形態を例示することによって本発明の実施形態が記載される以下の詳細な説明から当業者にとって容易に明らかになるであろう。理解されるように、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、全て本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な自明な点において変更可能である。したがって、図面及び詳細な説明は、本質的に例示的であり、限定されるものではないとみなされるべきである。

図１は、人間によって生成された製造プロセス計画を検証するための先行技術のシステムを一例として示す機能ブロック図である。 図２は、１つの実施形態にかかるディジタルコンピュータを使用したＣＮＣ機械加工作業を計画するためのシステムを示す機能ブロック図である。 図３は、工具の視点からの視認性を一例として示す図である。 図４は、高さマップを使用した掃引計算を一例として示す図である。 図５は、高さマップを使用した掃引計算を一例として示す図である。 図６は、高さマップを使用した掃引計算を一例として示す図である。 図７は、高さマップを使用した掃引計算を一例として示す図である。 図８は、高さマップを使用した掃引計算を一例として示す図である。 図９は、高さマップを使用した掃引計算を一例として示す図である。 図１０は、同一の初期状態から開始して目的状態において終了する異なる有効なプロセス計画をそれぞれ表す２つの探索を一例として示す図である。 図１１は、同一の初期状態から開始して目的状態において終了する異なる有効なプロセス計画をそれぞれ表す２つの探索を一例として示す図である。 図１２は、探索ツリーを一例として示す図である。

伝統的に、組織内の製品設計及び製造は、密接に関連しているが機能的に別個の活動領域として動作する。製品の設計は、設計部門からの個別出力として扱われる。それゆえに、製品の概念及び設計は、通常、最初に行われ、続いて製品の実現及び製造が行われる。製品設計が製造可能であるとみなされる場合、製品設計の終了と製品製造の開始との間において製造のためのプロセス計画が合成されて検証される。

製造プロセス計画を合成するための従来のアプローチは、設計と製造との区別を不用意に強調しながら、製品ライフサイクル管理及び物理的な作業現場製造をより良好に統合するように努めている。図１は、人間によって生成された製造プロセス計画を検証するための先行技術のシステム１０を一例として示す機能ブロック図である。製造可能性は、通常、製品ライフサイクルの後続段階中の初期設計後に評価されるが、製品設計は、それにもかかわらず、設計された部品が製造可能であると最終的に判定されるまで、設計部門１１と製造部門１２との間において繰り返される必要があり得る。部品設計と製造との間のこの前後のサイクルは、それらの各実行を担当するビジネス活動の自然な成果として発生する。

人間によって生成された製造プロセス計画の検証を行うために必要な部品設計及び製造の繰り返しは、特に時間がかかり且つ高価な場合がある。各繰り返しは、市場のリードや革新的な優位性を損なう可能性のある貴重な時間をつぶし、結果的に売上の減少と収益の低下をもたらす可能性がある。さらに、人間によって生成された製造プロセス計画の検証に時間とコストを投資したにもかかわらず、検証された計画は、特に無数の実現可能な製造プロセス計画を策定して検証するための資源又は時間が限られているか又は利用することができない組織において、必ずしも質的に最適ではない可能性がある。

部品が製造可能であるか否かにみられる製造可能性の分析及び製造プロセス計画は、部品レベルでの高度な幾何学的推論をあてにする複雑な問題である。製造プロセス計画は、それにもかかわらず、製造可能性の分析の逆問題であり、部品が製造可能であるとみなされた場合に、部品を機械加工するための複数の実現可能な解決策が存在する可能性がある。図２は、１つの実施形態にかかるディジタルコンピュータ２７を使用したＣＮＣ機械加工作業を計画するためのシステム２０を示す機能ブロック図である。ウェブベースサービス２３は、いくつかの質的に異なる製造計画を生成して可視化し、これを工具経路プランナに対して送信してＣＮＣ機械加工命令を生成することができる。そして、機械加工工具２９は、機械加工命令によってプログラミングされ、部品の表面を機械加工するように動作させることができる。

プログラム２１は、集中サーバ２２を介してユーザに提供される。アクセスは、有線接続又は無線接続を使用してウェブを介して提供される。集中サーバ２２は、インターネットなどの広域公共データ通信ネットワークを介して遠隔アクセスされることができ、又は、ローカルエリアネットワークを介してローカルにアクセスされることもできる。ユーザは、パーソナルコンピュータ２７又は同様の装置上で実行されるウェブブラウザ２８を介してサーバ２２と相互接続する。さらなる実施形態において、集中サーバ２２はまた、広域公共データ通信ネットワークを介して又は専用接続を介して１つ以上の機械加工工具２９に遠隔アクセスすることもできる。

サーバ２２は、特徴、スライス、ポリゴン、ボクセル又は他のボリュームユニットなどの従来の幾何学モデル表現を使用して表される部品のモデル２５と、機械加工工具のライブラリ２６とを記憶する記憶装置２４に対して動作可能に接続される。サーバ２２及びパーソナルコンピュータ２７は、双方とも、他の構成要素も可能であるが、中央処理装置、メモリ、入出力ポート、ネットワークインターフェース及び不揮発性記憶装置などの汎用プログラマブルコンピューティング装置において従来みられる構成要素を含む。さらに、他の計算構成要素も可能である。

プログラム２１は、さらに以下に記載されるように、複雑な幾何学的形状を製造するために安定した冶具を有する機械加工計画を生成する空間計画ツールを実行する探索エンジンを実装する。簡潔には、プログラム２１は、階層構造化された状態の集合３１を含む探索空間をナビゲートする。初期状態から開始して、プログラム２１は、動作の集合３２から適切な動作を選択することによって階層内の他の状態へと連続的に遷移する。探索エンジンは、製造時間及びコストを最小限に抑えるためのコスト制約などの発見的問題解決法によって動作の選択において案内される。探索は、目的状態が実現されるまで、さらなる状態へと繰り返し遷移し続ける。

プログラム２１は、各動作可能な工具２９の仕様を有する機械加工工具のライブラリ２６にアクセスし、プログラム２１は、各工具２９の利用可能な能力をアップロードされた各部品の幾何学モデル２５に接続し、個々の計画についての詳細なフィードバックとともにＪＳＯＮ（「ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標） Ｏｂｊｅｃｔ Ｎｏｔａｔｉｏｎ」）ファイルの形態で又は同様の構造化符号化形式若しくは人間が読める形式で表現される質的に異なるプロセス計画を提供する。

プログラム２１は、２０１２年１２月１０日に出願された、「コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工工具及びＣＮＣ機械加工工具を制御する方法（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ （ＣＮＣ） Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｔｏｏｌ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ ＣＮＣ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｔｏｏｌ）」と題された、共通に譲渡された米国特許出願第１３／７１０，３８１号に記載されているものなど、各工具の向きについての部品在庫からの最大機械加工可能量を使用して探索空間を構築するために、ライブラリ２６からの工具情報による幾何学的推論アルゴリズムを使用する。予備的に、機械加工工具２９の衝突のない剛体運動が定義され、剛体運動の構成空間ＳＥ（３）において計算される。ＳＥ（３）の部分集合は、フィルタと称される。２つの重要な動作が固体及びフィルタを関連付けるために使用される。

・フィルタＭによる固体Ｘの拡張又は掃引は、δ（Ｍ，Ｘ）＝Ｕ_ｍ∈ＭＸ_ｍとして定義される。ここで、Ｘ_ｍは、剛体並進ｍによって並進された固体Ｘを表している。
・固体Ｓ、Ｔの構成空間障害

は、静止固体Ｓとの衝突を引き起こす移動固体Ｔの全ての並進から構成されるフィルタである。全ての

は、実現可能であるといわれる。移動固体Ｔが固定された向きに並進されている場合、フィルタ

は、ロボット動作計画問題にみられるＳ及びＴの並進構成空間障害である。ここで、

は、ミンコフスキー和を表し、Ｔ^−１は、−１によるＴにおける全ての座標のスケーリングを表している。

動作の集合３２は、所定の向きの特定の工具２９についての原材料から機械加工可能な最大サブボリュームを含む。機械加工作業前における製造下の部品の残りの未切断金属である各ステージングモデルは、典型的には、切断工具２９が部品の表面全体を機械加工するのを可能とするためにいくつかの向きにおいて再固定される。標準のアクセス可能性の分析技術は、プログラム２１において使用されることになる向きを判定するために使用される。対（Ｓ、Ｐ）を考える。ここで、Ｓは、固定された原材料又はステージングモデルを表し、Ｐは、製造されることになる部品を表しており、Ｔは、ＳからＰを機械加工するために選択される工具２９を表しているものとする。

最大機械加工可能量は、Ｐと干渉することなくＴによって除去されることができるＳの最大部分集合を表す。説明を簡略化するために、並進工具２９を使用して固定在庫から最大機械加工可能量を判定するという問題を考える。この状況は、例えば、固定在庫から金属を切断するために３軸フライス盤が使用される場合に、実際に現れる。非制約工具２９の構成空間は、

である。

製造可能とされる部品Ｐについて、Ｓは、工具Ｔの基準点が所定の向きに到達することができる位置の集合内に配置される。Ｐへの切断を回避するために工具２９に適用可能な実現可能な並進の最大フィルタは、以下のように表現される構成空間障害の補数である：

式（１）は、選択された向きにおいて工具２９に適用可能な

の最大部分集合を概説する。しかしながら、実際には、機械加工は、利用可能なワークスペース又は工具２９によって達成可能な位置及び向きの集合によって制限される。固定された向きを含む状況において、全ての到達可能な位置又は工具２９の到達可能な作業空間の集合のみが問題となる。Ｒとして到達可能な作業空間を表記すると、工具２９に利用可能な並進の最大集合

は、以下のように修正される：
Ｋ＝Ｆ∩Ｒ （２）
ここで、Ｋは、部品Ｐと干渉することなく工具Ｔに利用可能な全ての並進を表す最大フィルタである。拡張δ（Ｋ、Ｔ）は、Ｐと干渉することなく作業空間内の最大フィルタによる工具２９の掃引を表す。原材料から機械加工な最大量（又はステージングモデル）Ｓは、以下によって与えられる：

工具ＴがＳＥ（３）の全次元部分∃である作業空間と称されるフィルタＷにおける並進にしたがって移動すると仮定する。到達可能な作業空間Ｒは、

へのＷの投影であり、工具Ｔのいくつかの向きによって達成されることができる位置の全てを表す。

その運動中に工具Ｔによって達成可能な位置及び向きは、工具Ｔに取り付けられた座標フレームの位置の観点から記載される。このフレームは、並進が記載されるグローバル基準フレームと最初に位置合わせされると仮定する。フィルタＷはまた、基準の絶対フレームに対する工具２９の位置及び向きを記載する。各フレームの原点は、Ｔの基準点であり、工具Ｔと製造可能性のために工具Ｔの許容可能な空間位置を概説するために使用される在庫との間の接触の特別点を示している。

回転及び並進Ｔによる原材料から機械加工可能である最大量は、ＳＥ（３）に対して式（１）及び（２）を拡張することによって公式化される。ＳＥ（３）における計算は、

の製品構造に起因して小さい３次元計算に分解されることができる。ここで、ＳＯ（３）は、空間回転の群を表している。実際には、Ｐへの切断を回避するためにＴに適用可能な最大フィルタは、以下のように表すことができる：

式（４）は、全て（６次元）非衝突工具動作を計算するために、工具２９が作業空間において向きｒに応じて回転されなければならないことを示唆しており、式（２）は、３次元最大機械加工可能量を累積するために繰り返し計算されなければならない。

高軸機械加工において、利用可能な機械加工工具の向きは、通常、軸毎に提供される。３つの並進動作を有することに加えて、５軸機械は、２軸回転まわりの回転自由度を有する。利用可能な軸まわりの回転が

及び

で示される場合、式（４）が計算される必要があるＳＯ（３）の部分集合は、空間的回転要素の非可換性に起因して、

によって与えられる。ここで、・は、例えば、行列又は四元数乗算することによって回転の要素を表している。

ミンコフスキー和、拡張及び構成空間障害計算動作は、空間計画におけるそれらの適用に起因して、ソリッドモデリングにおける研究の大部分を形成する。一般に、これらの形状の境界表現は、サンプリングされた点集合などの低レベルの表現よりも計算が困難である。サンプリングされた規則的なグリッド上の形状の暗黙の表現を使用すると、畳み込み、フーリエ変換及びこれらの演算を実行するための他の信号及び画像処理アルゴリズムの特性を使用する統一されたフレームワークを提供することができる。部品及び工具の幾何学的形状について仮定がなされない一般的な場合において、これらのアルゴリズムは、式（３）及び（４）を直接実行することによって最大機械加工可能量を計算するために効率的に適用することができる。

Ｔがその回転軸に沿ってみたときにアンダーカット特徴を有しない並進軸対称フライス工具２９である場合、式（１）を計算するためのアルゴリズムがここで記載される。エンドミル及びボールミルなどの多くの切断工具は、そのようなアンダーカット特徴なしで構築されるため、特殊なケースは、大きな実用的価値がある。さらにまた、記載されたアルゴリズムの実行は、全次元計算と比較した場合、実際にはより速い性能をもたらす次元縮小を利用する。

指向性アンダーカットフリー工具Ｔの実現可能な並進を考える。全ての点ｖ∈∂Ｔにおいて、ベクトルｖ−ｕが回転軸に平行であり且つセグメントλｖ＋（１−λ）ｕ，λ∈［０，１］が完全にＰ^Ｃにあるように、ｕ∈∂Ｐが存在する。図３は、工具４２の視点からの視認性４３を一例として示す図である。左の位置にあるとき、部品４１の表面上の全てのそのようなｕは、工具４２から視認可能であるといわれる。右の位置にあるとき、工具４２から視認可能でない部品４１の表面上のそれらの位置は、

と称される。

ｖとｕとの間の距離は、高さマップを使用して計算することができる。回転軸に対して通常平行な平面上の所定点ｑにおける高さマップの値は、ｑから、ｑから視認可能な点ｐ∈∂Ｐまでの距離である。１つの実施形態において、高さマップは、高さマップが無限遠に位置するカメラ平面上で計算される正投影による標準のｚ−バッファ隠面除去を使用して実装されることができる。

無限に薄い工具は、部品の高さマップがカメラ平面上の全ての点（ｘ，ｙ）について工具回転軸に沿って最大衝突なし並進を表す場合には線として表現することができる。図４〜図９は、高さマップを使用した掃引計算を一例として示す図である。厚さがある工具の場合、部品の高さマップは、可能性のある衝突なし並進の上限である。部品から離れて移動することにより、無限に長いアンダーカットフリー工具は、衝突から非衝突状態へと遷移することができる。したがって、ｚに沿った工具の最大衝突なし並進は、ｚ−バッファアルゴリズムによって判定される部品の視認可能な表面から開始し、図４〜図９を参照してそれぞれ示される最大貫通深さだけ部品から離れて並進することによって判定することができる。

式（２）を実行する全ての（ｘ，ｙ）についての工具２９の最大実現可能並進を計算した後、高さマップは、工具２９の掃引の高さマップ、すなわち、除去量の高さマップＲ_Ｈ（ｘ，ｙ）を取得するために工具２９の高さマップによって拡張される。軸対称性に起因して工具の回転軸まわりの回転を無視することにより、又は、工具２９が回転軸まわりのその回転掃引によって表現される場合、自由度が除去され、高さマップは、標準の画像処理アルゴリズムを使用して２次元で実装されることができる。最大機械加工可能量は、全ての点（ｘ，ｙ，ｚ）の集合である。ここで、ｚ≦Ｒ_Ｈ（ｘ，ｙ）である。したがって、画像計算を使用して式（３）による最大機械加工可能量の３次元表現が得られることができる。ｚ−バッファアルゴリズムは、プロセス計画後にラスタ化された工具経路を計算するために使用されてきたが、最大機械加工可能量の表現は、その後に工具経路計画アルゴリズムに供給されることができるプロセスの計画を迅速に評価する探索アルゴリズムへの入力として使用されることに留意されたい。

有効なプロセス計画を生成することは、重み付けされたＡ＊探索アルゴリズムの変形を使用して解決されることができる計画問題としてキャストされることができる。探索は、計画と称される利用可能な動作Ａからの一連の動作を見出す。探索は、既知の初期状態Ｉから開始し、目的状態Ｇ（ｓ）が満たされる状態に到達するまで、利用可能な動作のいずれかを選択することによって連続状態に繰り返し遷移する。各遷移において、動作の選択は、特定の状態ｓにおいて特定の動作ａを実行するコストを記述するコスト関数Ｇ（ａ，ｓ）によって制約される。図１０及び図１１は、同一の初期状態から開始して目的状態において終了する異なる有効なプロセス計画をそれぞれ表す２つの探索４０、５０を一例として示す図である。図１０を最初に参照すると、第１の探索４０において、原材料は、初期状態４１を表現する。ｙ−軸まわりに９０°向きが変えられる原材料をもたらす動作が選択され、ステージングモデルが選択された動作の最大機械加工可能量４３が除去された後の部品を表現する後続状態４２をもたらす。ｙ−軸まわりに９０°向きが変えられるステージングモデルを再度もたらすさらなる動作が選択され、ステージングモデルがさらに選択された動作の最大機械加工可能量４５が除去された後の部品を表現する後続状態４４をもたらす。最後に、ｘ−軸まわりに９０°向きが変えられるステージングモデルをもたらす最終動作が選択され、ステージングモデルが選択された動作の最大機械加工可能量４７が除去された後の完成品を表現する最終状態４６をもたらす。つぎに図１１を参照すると、第２の探索５０において、原材料は、初期状態５１を表現する。ｘ−軸まわりに１８０°向きが変えられる原材料をもたらす動作が選択され、ステージングモデルが選択された動作の最大機械加工可能量５３が除去された後の部品を表現する後続状態５２をもたらす。ｘ−軸まわりに１８０°向きが変えられるステージングモデルを再度もたらすさらなる動作が選択され、ステージングモデルがさらに選択された動作の最大機械加工可能量５５が除去された後の部品を表現する後続状態５４をもたらす。最後に、ｘ−軸まわりに９０°向きが変えられるステージングモデルをもたらす最終動作が選択され、ステージングモデルが選択された動作の最大機械加工可能量５７が除去された後の完成品を表現する最終状態５６をもたらす。この例において、質的に異なる２つの製造計画が見出され、これを評価して最終的にＣＮＣ機械加工命令を生成するために工具経路プランナに対して送信することができる。

状態Ｓは、タプル＜Ｖ，Ｔ，θ＞であり、Ｖは、除去されることになる残りの材料を記載する量であり、Ｔは、現在の工具（又は現在機械によって保持されている工具がないことを示すための⊥）であり、θは、量に関して工具に適用される現在の回転である。初期状態Ｉにおける量Ｖ_Ｉは、その境界ボックスＴ＝⊥、及びθ＝（０°，０°）に関して部品Ｓの負である。

動作は、タプル＜Ｖ，Ｔ，θ＞であり、Ｖは、式（３）に対応する量、すなわち、向きθにおいて工具Ｔを使用して除去されることができる初期除去量の最大サブボリュームである。動作の効果は、状態ｓ及び動作ａが後続状態ｓ’を返すと考えると、遷移関数τ（ｓ，ａ）によって記載される。遷移関数τ（ｓ，ａ）は、以下のように表すことができる：
τ（＜Ｖ_ｓ，Ｔ_ｓ，θ_ｓ＞，＜Ｖ_ａ，Ｔ_ａ，θ_ａ＞）＝＜Ｖ_ｓ＼Ｖ_ａ，Ｔ_ａ，θ_ａ＞ （５）

選択された動作は、選択された動作における工具Ｔ_ａがその与えられた向きθ_ａに到達することができる量Ｖ_ａの残りの量Ｖから除去する。後続状態ｓ’は、動作ａの工具Ｔ_ａ及び向きθ_ａを前提とすることに留意されたい。その結果、動作は、部品に対する工具ホルダの向きの変更又は同等に工具ホルダに対する部品の向きの変更を暗示することができる。この暗黙の変更は、追加のセットアップが必要となることから、部品の向きを変えることがｔ_θ（θ_ａ，θ_ｓ）で表される時間の支出を必要とすることを認識するコスト関数Ｇ（ａ，ｓ）によって考慮される。同様に、工具が自動工具交換装置を有しない場合、工具交換がまた必要となり、追加の時間コストｔ_Ｔ（Ｔ_ａ，Ｔ_ｓ）を負う。コスト関数は、以下のように表すことができる：
Ｃ（＜Ｖ_ｓ，Ｔ_ｓ，θ_ｓ＞，＜Ｖ_ａ，Ｔ_ａ，θ_ａ＞）＝ｔ_Ｖ（Ｖ_ｓ∩Ｖ_ａ，Ｔ_ａ）＋ｔ_Ｔ（Ｔ_ａ，Ｔ_ｓ）＋ｔ_θ（θ_ａ，θ_ｓ） （６）
ここで、ｔ_Ｖ（Ｖ，Ｔ）は、工具Ｔを使用して量Ｖを除去するために必要な時間を推定する関数である。目的状態Ｇ（ｓ）は、残りの量が最小である又は実質的にない場合、すなわち、Ｇ（＜Ｖ_ｓ，Ｔ_ｓ，θ_ｓ＞）≡Ｖ_ｓ＝φである場合に満たされる。

実際には、プロセス計画問題についての探索空間は、徹底的に探索するには大きすぎる。８個の必要なアクセス方向及び５個の工具のみが４０の分岐要因を暗示し、これは、長さ１０の４０^１０＞１ｅ^１６個の異なる計画があることを意味する。プロセス計画問題は、探索を効率的に案内する発見的問題解決関数を構築するために残りの量を使用して重み付けＡ＊探索の変形を使用して解決される。さらに、探索空間は、他の上限を使用することもできるが、開集合（又は探索フロンティア）のサイズに１０００までの上限を課すことによって取り除かれる。図１２は、探索ツリーを一例として示す図である。探索は、ツリーのルートノードを形成する初期状態６０において開始する。探索フロンティア６１における上限は、探索空間を削減する。まず、探索は、すぐに手を広げるが、その後に欲張りになり、最高の後続者、すなわち、目的状態６２が満たされるまで各状態から遷移するための最も費用対効果の高い動作を考えるのみである。実際には、発見的問題解決法は、原部品又はステージングモデルから残りの材料を除去する実際のコストを推定するのが得意であることから、このアプローチは、ほぼ最適な計画を生成する。さらなる実施形態において、純粋な欲張り探索は、最適な計画のコストの上限を確立するために重み付けＡ＊探索の変形を実行する前に実行されることができる。欲張り探索は、例えば、２００^３個のボクセルを有するグリッドにおける除去量の表現のために０．１秒のオーダーで非常に高速であり、その結果は、総コスト及び発見的問題解決値の和が既に境界を上回る候補計画を取り除くための分岐限定探索の境界として使用されることができる。これらの対策を組み合わせることにより、現実的な３軸機械加工部品について通常６０秒未満でプロセス計画が計算されるのを可能とする。特徴ベースアプローチと比較され、ブール演算が境界表現上で実行される必要があり、上記アプローチのブール演算は、迅速に計算されることができるバイナリセット上の演算に削減されることに留意されたい。

冶具計画は、移動工具による衝突回避、特定の位置へのアクセス可能性、公差などのプロセス制約に応じて正確なワークピースクランプを判定することに焦点をあてた主に経験主導型の活動である。冶具計画は、機械加工プロセス計画の重要な一部であり、自動化のための重要な範囲を提供する。移動工具による衝突回避に重点をおいて、モジュール式冶具及び万力を使用して保持する自動ワークピースがここで記載される。具体的には、最大機械加工可能量を計算するアルゴリズムは、万力冶具を計算するためにいくつかの変更を加えて適用されることができる。モジュール式冶具を自動的に生成することは、２０１３年３月１５日に出願された共通に譲渡された米国特許出願公開第２０１４／０２７８２７２号明細書に記載されている。

プロセス計画に関連する自動モジュール式冶具の構成の要点が簡潔に記載される。ステージングモデル及び最大機械加工可能量の多面体表現を仮定すると、力及び形態閉鎖の原理は、ステージングモデルが外力及びモーメントのもとに不動のままであるように、機械加工可能量外の部品の境界上の７点がステージングモデルを把持するのに必要であり且つ十分であることを主張するために適用されることができる。基本的に、部品境界の位置をサンプリングするために適用された単位力は、部品重心についての関連モーメントを有し、力及びモーメント成分の６タプルは、６次元レンチ空間における点又はレンチを定義する。形態閉鎖は、列がサンプリングされたレンチである６×７のレンチ行列が純粋に正の係数を有するヌル空間を有する状態と同等である。

クランプと部品表面との間の摩擦を考慮した場合、形態閉鎖を保証するために４点で十分である。クーロン摩擦による接線力は、正の係数を有するヌル空間を生成するために使用されることができる。レンチ行列の係数は、実際には常に囲まれているクランプ力に適用されるスケーリング係数と考えることができる。したがって、動作状態のもとに、形態閉鎖は、固定された部品が耐えることができる総力及びモーメントを囲む力閉鎖に制限されることができる。

そして、選択された形態／力閉鎖構成は、エッジクランプ、ストラップクランプ、サイドクランプなどのいくつかの種類のクランプと、工具衝突を回避するためにクランプの適切な配置を選択するための位置決めピンとを含むモジュール式冶具のカタログにマッピングされる。モジュール式冶具は、再構成可能性の重要な利点を提供するが、大抵の場合、万力を使用した解決策に比べて組み立てるための店舗について、より高価であり、労働的である。実際には、万力冶具は、セットアップの利便性のためにより人気があるが、実際の状況について通常は十分である力閉鎖を提供するのみである。１対の平行板が部品及び在庫の平坦面に対して嵌合され、切断工具が万力の任意の部分と衝突しないのを保証しながら、摩擦クランプ力を最大化するように位置決めされる。部品に対する万力の向きを考えると、万力ジョーは、ｚ−バッファアルゴリズムが、上記記載されたように、部品の表面と一致している万力の表面点の数を記録するためのカウンタを追加して使用されることができるように、アンダーカットフリー工具のように扱われる。

部品に対する万力の向きは、多くの基準に基づいて選択されることができる；１つの実施形態において、万力ベースは、工具アクセス方向に対して直交する平面上にあると仮定され、テストの向きは、ベース面に対して平行な部品の表面法線から選択される。表面積などの発見的問題解決法は、テストの向きを欲張りにソートするために使用されることができる。さらにまた、万力ジョーが平坦であり、一般に、部品に対して大きいという事実は、部品の全ての対応する表面点に対する万力の全ての表面点の検査による大幅な最適化を可能とする。切断工具による衝突回避を保証するために、ｚ−バッファ最大深さ、及び、双方の万力ジョーのそれぞれからの及び双方の部品上のオーバーラップカウント並びに除去量が判定される。（Ｘ、Ｙ）並進、及び、最大オーバーラップを有し且つ除去量を有するゼロオーバーラップを有する対応万力開口部が選択される。

Claims (10)

1. ディジタルコンピュータを使用してコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工作業を計画するシステムにおいて、
   機械加工されることになる部品の幾何学モデルであって、前記部品の表面を定義する幾何学モデルと、
   各工具についてのパラメータが、工具が回転する刃先を長手方向に横断することができる複数の向きを含む複数のＣＮＣ機械加工工具のパラメータと、
   各並進が、前記工具の向きが前記回転する刃先と前記部品の表面との間の衝突を回避する前記工具の向きと、前記工具の並進方向において前記工具によって前記部品から除去可能な最大サブボリュームの材料とのうちの１つを含む、各工具についての並進の最大集合と、
   を備える記憶装置と、
   プロセッサ及び前記プロセッサによる実行のためのコードが記憶されるメモリと
   を備え、さらに、前記プロセッサ及び前記メモリが、
   各状態が、１つの工具、１つの工具の向きを特定し、初期状態を表す１つの状態によって前記部品の負のボリュームを記述する、状態の集合と、
   各動作が、１つの工具、１つの工具の向きを特定し、前記工具の向きにおいて前記工具によって１つの状態における前記部品の負のボリュームから除去可能な材料の最大サブボリュームを記述する、動作の集合と、
   前記初期状態から開始し、総コスト及び選択された動作についての前記最大サブボリュームを差し引いた後に残る前記負のボリュームに基づく発見的問題解決法によって案内されるような１つの動作を選択することによって１つの状態から他の状態へと繰り返し遷移するように構成された遷移モジュールと、
   を備える探索エンジンと、
   残っている前記負のボリュームが最小になるときに選択された動作のそれぞれを含むプロセス計画を形成するように構成されたプロセスプランナと、
   ダウンロードされ且つ前記プロセス計画に基づく前記工具による機械加工作業を含む前記プロセス計画によって前記工具をプログラミングするように構成されたプログラミングモジュールとを備え、
   前記工具が、前記部品の表面にわたる前記回転する刃先の横断によって前記最大サブボリュームに前記部品を機械加工することにより、前記ダウンロードされたプロセス計画における前記機械加工作業毎に動作する、システム。
2. 前記初期状態が、前記工具、前記工具のいずれかの向きも含まず且つ前記工具のいずれかによっていずれかの機械加工前に前記部品の負のボリュームを記述するように定義される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コスト制約が、前記選択された動作について除去可能な材料の前記最大サブボリュームを前記部品から除去するために時間の関数として表現される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記コスト制約が、１つの状態についての前記工具から前記選択された動作についての前記工具へと変更するのにかかる時間の関数として調整される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記コスト制約が、１つの状態についての前記工具の向きを前記選択された動作についての前記工具の向きへと変更するのにかかる時間の関数として調整される、請求項４に記載のシステム。
6. ディジタルコンピュータを使用してコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工作業を計画する方法において、
   プロセッサ、メモリ、及び、機械加工されることになる部品の幾何学モデルであって、前記部品の表面を定義する幾何学モデルを有する記憶装置を備えるコンピュータを提供するステップと、
   各工具についてのパラメータが、前記工具が回転する刃先を長手方向に横断することができる複数の向きを含む、複数のＣＮＣ機械加工工具のパラメータを有する前記コンピュータを提供するステップと、
   各並進が、前記工具の向きが前記回転する刃先と前記部品の表面との間の衝突を回避する前記工具の向きと、前記工具の並進方向において前記工具によって前記部品から除去可能な最大サブボリュームの材料とのうちの１つを含む、各工具についての並進の最大集合を有する前記コンピュータを提供するステップと、
   各状態が、１つの工具、１つの工具の向きを特定し、初期状態を表す１つの状態によって前記部品の負のボリュームを記述する、状態の集合を前記コンピュータに表示するステップと、
   各動作が、１つの工具、１つの工具の向きを特定し、前記工具の向きにおいて前記工具によって１つの状態における前記部品の負のボリュームから除去可能な材料の最大サブボリュームを記述する、動作の集合を前記コンピュータに表示するステップと、
   前記初期状態から開始し、総コスト及び選択された動作についての前記最大サブボリュームを差し引いた後に残る前記負のボリュームに基づく発見的問題解決法によって案内されるような１つの動作を選択することによって１つの状態から他の状態へと繰り返し遷移するステップと、
   残っている前記負のボリュームが最小になるときに選択された動作のそれぞれを含むプロセス計画を形成するステップと、
   前記コンピュータによってダウンロードされ且つ前記プロセス計画に基づく前記工具による機械加工作業を含む前記プロセス計画によって前記工具をプログラミングするステップと、
   前記部品の表面にわたる前記回転する刃先の横断によって前記最大サブボリュームに前記部品を機械加工することにより、前記ダウンロードされたプロセス計画における前記機械加工作業毎に前記工具を動作させるステップとを備える、方法。
7. さらに、
   前記工具、前記工具のいずれかの向きも含まず且つ前記工具のいずれかによっていずれかの機械加工前に前記部品の負のボリュームを記述するように前記初期状態を前記コンピュータにおいて定義するステップを備える、請求項６に記載の方法。
8. さらに、
   前記選択された動作について除去可能な材料の前記最大サブボリュームを前記部品から除去するために時間の関数として前記コスト制約を前記コンピュータにおいて表現するステップを備える、請求項６に記載の方法。
9. さらに、
   １つの状態についての前記工具から前記選択された動作についての前記工具へと変更するのにかかる時間の関数として前記コスト制約を前記コンピュータにおいて調整するステップを備える、請求項８に記載の方法。
10. さらに、
    １つの状態についての前記工具の向きから前記選択された動作についての前記工具の向きへと変更するのにかかる時間の関数として前記コスト制約を前記コンピュータにおいて調整するステップを備える、請求項９に記載の方法。

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