JP2019070916A - Cutting simulation method and device - Google Patents

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Abstract

To provide a cutting simulation method and a device capable of following the variation of a cutting state during the feed amount per one blade of a tool, predicting the removing amount of a work material by canceling approximate error of a tool locus, and accelerating the processing time for calculation at the same time.SOLUTION: In a cutting simulation method and a device expressing a work material in a voxel model arranged with minute voxels, the shape of a tool cutting edge of a machine tool is expressed by a three-dimensional point group of minute intervals, specific index is given to each voxel corresponding to the arranged position in the voxel model, the index of the voxel superposing on lines connecting a tool central axis to the point group of the tool cutting edge is calculated for every minute rotation angle of the tool cutting edge to thereby determine interference, and to predict a removing amount of the work material using the resolution of minute time and minute spaces.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、機械加工の分野における切削加工プロセスの切削シミュレーション方法および装置に関するものである。   The present invention relates to a cutting simulation method and apparatus for cutting process in the field of machining.

工作機械による切削加工の加工効率を向上させるためには、加工状況を把握し切削条件を適切に設定することが重要となる。加工状況を把握する一つの指標として切削力が挙げられる。切削力はその時の加工状態を表し、また加工面の精度に影響する工具や被削材の変形量を予測するための有用な情報である。従来から、切削力を推定する研究が行われ、これまでに多くの切削力モデルが提案されており、近年では非常に精度の高い切削力シミュレーションが行えるようになってきている。しかし、こうした切削力モデルは工具の切れ刃と被削材の幾何学的な関係に基づいて作成した数学モデルであり、加工形態が変化する場合にはそれに応じた数学モデルを作成しなければならず、様々な加工状況のシミュレーションを行うには、かなりの労力が必要であるといった問題がある。また、加工中の被削材の形状変化が複雑になって、工具の切れ刃と被削材の接触状況が一様でなくなると数学モデルで表現することが難しく、切削力の予測が難しいという問題点もある。   In order to improve the processing efficiency of cutting with a machine tool, it is important to grasp the processing situation and appropriately set the cutting conditions. Cutting power is mentioned as one index which grasps processing situation. The cutting force represents the machining state at that time, and is useful information for predicting the amount of deformation of the tool or the work material that affects the accuracy of the machined surface. Conventionally, researches for estimating cutting force have been conducted, and many cutting force models have been proposed so far, and in recent years, cutting force simulation with extremely high accuracy has become possible. However, such a cutting force model is a mathematical model created based on the geometrical relationship between the cutting edge of the tool and the work material, and if the processing form changes, a mathematical model corresponding to that must be created. In addition, there is a problem that considerable effort is required to simulate various processing situations. In addition, if the shape change of the workpiece during machining becomes complicated and the contact between the cutting edge of the tool and the workpiece becomes uneven, it is difficult to express with a mathematical model and it is difficult to predict the cutting force. There is also a problem.

また、例えばエンドミルのように複雑な切れ刃形状をした工具では、加工時の切削力を予測するには、切込み、送り、切削速度などの基本的な加工条件以外に、工具の変形、摩耗、被削材の特性など、切削現象に関するあらゆる影響因子を考慮した切削力モデルを作成しなければならないにもかかわらず、切削現象は、力学的に見れば高ひずみ速度下での連続的な破壊現象であり、きわめて複雑な物理現象であるため、あらゆる因子を考慮してモデル化することは困難であり、影響の大きい支配的な因子のみに注目して、切削現象を近似的に定式化することが行われているのが実状である。   Also, for example, in a tool having a complicated cutting edge shape such as an end mill, in order to predict the cutting force at the time of processing, deformation, wear of the tool, in addition to basic processing conditions such as infeed, feed and cutting speed. Although it is necessary to create a cutting force model that takes into consideration all the factors related to cutting phenomena, such as the properties of the work material, the cutting phenomenon is a mechanical failure that is a continuous failure phenomenon under high strain rates. Because it is a very complex physical phenomenon, it is difficult to model taking into consideration all factors, and to formulate the cutting phenomenon approximately by focusing only on the dominant factors that have a large influence. The reality is that

従来からエンドミル加工の切削力を予測する種々の切削力モデルが提案されており、平均切削力モデル (Average Rigid Force, Static Deflection Model)、瞬間切削力モデル (Instantaneous Rigid Force Model)、瞬間切削力モデル/静変形モデル (Instantaneous Rigid Force, Static Deflection Model)、工具変形を考慮した瞬間切削力モデル (Instantaneous Force with Static Deflection Feedback Model)、および、切り屑再生効果を考慮した瞬間切削力モデル/動変形モデル (Regenerative Force, Dynamic Deflection Model)といった5種類のモデルに主に分類されている。
上記5種類の切削力モデルのうち、瞬間切削力モデルでは、工具切れ刃と被削材の干渉量から比較的容易に現実的な切削力の計算を行うことができる。瞬間切削力モデルでは、エンドミルのねじれ刃による複雑な切削機構が考慮され、現実的な切削力の計算をすることが可能であり、また、エンドミルを工具回転軸方向に沿って微小薄板要素に分割して個々の要素ごとに微小切削力を計算し、微小切削力を力の方向を考慮しながら足し合わせることによって、工具全体の切削力を求めることができる。
工具切れ刃と被削材の干渉量を算出するために、3次元CADのソリッドカーネルを用いて被削材の形状変化を再現する方法、Z−Mapモデル(Z軸データに限定した2次元配列)を用いて工具軸方向からの被削材の表面形状を推定して工具との干渉量を推定する方法、被削材の3次元形状を小さな立方体(ボクセル)の集合で表現するボクセルモデルを用いて工具との干渉量を推定する方法、さらにボクセルモデルに工具との距離属性を追加して高精度な推定を行う方法などが提案されている。
A variety of cutting force models have been proposed to predict the cutting force of end milling, and average cutting force models (Average Rigid Force, Static Deflection Model), Instantaneous Cutting Force Model (Instantaneous Rigid Force Model), Instantaneous Cutting Force Model / Instantaneous Rigid Force, Static Deflection Model, Instantaneous Cutting Force Model with Tool Deformation (Instantaneous Force with Static Deflection Feedback Model), and Instantaneous Cutting Force Model / Dynamic Deformation Model Considering Chip Regeneration Effect It is mainly classified into five types of models such as (Regenerative Force, Dynamic Deflection Model).
Of the five types of cutting force models, in the instantaneous cutting force model, realistic cutting force can be calculated relatively easily from the amount of interference between the tool cutting edge and the work material. The instantaneous cutting force model takes into account the complex cutting mechanism by the end mill's twisting blade, and can calculate realistic cutting forces, and divides the end mill into micro thin plate elements along the tool rotation axis direction. Then, it is possible to calculate the cutting force of the whole tool by calculating the micro cutting force for each element and adding the micro cutting forces while considering the direction of the force.
Method to reproduce shape change of work material using solid kernel of 3D CAD, in order to calculate the amount of interference between tool cutting edge and work material, Z-Map model (2 dimensional array limited to Z axis data ) To estimate the amount of interference with the tool by estimating the surface shape of the workpiece from the tool axis direction), and a voxel model that expresses the three-dimensional shape of the workpiece as a set of small cubes (voxels) There have been proposed a method of estimating the amount of interference with a tool and a method of adding a distance attribute to the tool to a voxel model to perform high-accuracy estimation.

これらの中でも、ボクセルモデルを用いて離散的に切削現象をシミュレーションする方法(以下、“切削シミュレーション方法”という)では、工具と被削材間の干渉を検出し、複雑な加工形状を簡便に表現することが可能である(例えば、特許文献1、非特許文献1を参照)。
ボクセルモデルを用いた工具と被削材間の干渉判定は、図22に示すように工具1刃当たりの送り量ごとに工具中心を移動させ、工具が新しい位置に移動するごとに工具領域内部に存在するボクセルを探索して、工具と被削材との干渉量を算出する。このとき、工具中心軸に対する各ボクセルの距離Lおよび各ボクセルを包含する球の半径rと工具半径Rとの大小を比較することによって、工具領域内部のボクセルを判定する。
Among them, in the method of discretely simulating the cutting phenomenon using the voxel model (hereinafter referred to as “cutting simulation method”), the interference between the tool and the work material is detected to easily express the complicated machining shape. (See, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
The interference determination between the tool and the work material using the voxel model moves the tool center for each feed amount per tool edge as shown in FIG. 22, and the tool moves to a new position every time the tool moves to a new position. The existing voxels are searched to calculate the amount of interference between the tool and the work material. At this time, the voxel inside the tool area is determined by comparing the distance L of each voxel with respect to the tool central axis and the magnitude of the radius r of the sphere containing each voxel and the tool radius R.

従来の切削シミュレーション方法では、工具1刃当たりの送り量ごとに解析を行うことから、工具軌跡を円弧で近似している。そのため、例えばボールエンドミルを工具として用いた際に発生する削り残し(カスプ)がある被削材の表面形状を正しく表現することができず、また、工具1刃当たりの送り量の途中で変化する工具の摩耗や撓みによる静変形や、振動や外部応力による動変形を考慮することが困難であるといった問題がある。   In the conventional cutting simulation method, the tool trajectory is approximated by a circular arc because analysis is performed for each feed amount per tool edge. Therefore, for example, the surface shape of the work material with a chipping residue (cusp) generated when using a ball end mill as a tool can not be correctly represented, and changes in the middle of the feed amount per tool edge There is a problem that it is difficult to take into account static deformation due to wear or bending of a tool, or dynamic deformation due to vibration or external stress.

また、従来の切削シミュレーション方法では、シミュレーション精度を向上する際に必要となる計算機メモリの総量と、多数のボクセルと工具切れ刃との間での干渉判定の高速化が大きな課題である。ボクセルモデルのデータ量の節約のため、オクトツリ(octree)表現を導入して計算機メモリの消費を抑える方法が知られている。このオクトツリ表現では、工具と干渉したボクセルに対して、各辺2等分により8分割(オクトツリ:8分木)し、立方体の1辺の長さが分割前の1/2となるボクセルに分割する処理を繰り返すことにより、ボクセルの総数を抑制しながら微細な被削材表面形状を表現するものである。   Moreover, in the conventional cutting simulation method, the speedup of the interference determination between the total amount of computer memory required to improve the simulation accuracy and the large number of voxels and the tool cutting edge is a major issue. In order to save the volume of data in voxel models, it is known to introduce an octree representation to reduce the consumption of computer memory. In this Oktoturi representation, the voxels that interfere with the tool are divided into eight equal divisions (Octotree: 8-tree) with each side bisected, and divided into voxels whose length of one side of the cube is 1⁄2 before division By repeating the process described above, a fine workpiece surface shape is expressed while suppressing the total number of voxels.

オクトツリ表現によるボクセルと工具切れ刃との間での干渉判定は、図23(1)に示すように、被削材を大きいサイズのボクセルで表現しておき、全てのボクセルから工具切れ刃と干渉しているボクセルを探索し、干渉判定されたボクセルに対して、図23(2)に示すように1辺の長さが1/2となるように分割して、分割したボクセルに対して再度工具切れ刃と干渉しているボクセルを探索し、図23(3)に示すように更に1辺の長さを1/2に分割してボクセルを探索し、これらの処理を繰り返すことにより、微細な被削材表面形状の表現を可能とし、切削シミュレーションの精度(分解能)を向上している。
しかしながら、オクトツリ表現による切削シミュレーション方法では、段階的にボクセルサイズを小さくするため、より微細な被削材表面形状を表現する場合に干渉判定の繰り返し処理が多くなる点、工具切れ刃と干渉しているボクセルを各階層で探索する必要がある点が問題であり、シミュレーション処理時間の観点で大きな被削材を高精度に表現することが困難であった。
As shown in Fig. 23 (1), the interference judgment between voxels and the tool cutting edge by the Oktotsuri representation represents the work material as voxels of a large size, and the tool cutting edge and the interference from all voxels The voxels which have been determined are divided, and division is performed so that the length of one side is 1⁄2, as shown in FIG. The voxels interfering with the tool cutting edge are searched, and as shown in FIG. 23 (3), the length of one side is further divided into halves, the voxels are searched, and processing is repeated by repeating these processes. It is possible to express the surface shape of the work material and improve the accuracy (resolution) of cutting simulation.
However, in the cutting simulation method based on the Oktotli representation, in order to reduce the voxel size in stages, repeated processing of the interference determination is increased when expressing a finer workpiece surface shape, and interference with the tool cutting edge It is a problem that it is necessary to search for certain voxels in each layer, and it is difficult to accurately represent a large workpiece in terms of simulation processing time.

特開2016−162149号公報JP, 2016-162149, A

白瀬敬一 他、「自律加工実現のための加工除去領域のボクセル表現とボクセル情報を参照した工具モーション制御」、日本機械学会論文集79巻808号(2013−12)、47〜56頁Shirase, K. et al., “Vocal representation of machining removed area for tool realization and tool motion control with reference to voxel information”, Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 79, 808 (2013-12), pp. 47-56

上述の如く、従来の切削シミュレーション方法では、工具1刃当たりの送り量ごとに、工具切れ刃と被削材の干渉量を算出し実切込み厚さを計算して、切削力の推定を行っている。この場合、工具1刃当たりの送り量の間では切削状態は変化しないことが前提である。このため、実際、振動や工具の撓みや変形などが原因となり、送り量の間に切削状態が変化する場合には、工具軌跡の近似誤差が発生するといった問題があった。   As described above, in the conventional cutting simulation method, the amount of interference between the tool cutting edge and the work material is calculated for each feed amount per tool edge, the actual cutting thickness is calculated, and the cutting force is estimated. There is. In this case, it is premised that the cutting state does not change between the feed amounts per tool edge. For this reason, there has been a problem that, when the cutting state changes during the feed amount, an approximation error of the tool trajectory occurs in actuality due to vibration or bending or deformation of the tool.

また、使用工具が工具軸を回転軸とした回転体形状として被削材との干渉判定を行っており、工具が円柱形状で表現できるスクエアエンドミルや球形状で表現できるボールエンドミルなどの工具に限定される傾向があり、工具軌跡を円弧で近似していることから、カスプがある被削材の表面形状を正しく表現することが困難であった。   In addition, interference judgment with the work material is performed with the tool used as a rotary body shape with the tool axis as the rotation axis, and the tool is limited to tools such as a square end mill that can be represented by a cylindrical shape or a ball end mill Because the tool trajectory is approximated by a circular arc, it has been difficult to correctly express the surface shape of the workpiece with the cusps.

さらに、オクトツリ表現による切削シミュレーション方法では、段階的にボクセルサイズを小さくするため、より微細な被削材表面形状を表現する場合に繰り返し処理が多く、工具切れ刃と干渉しているボクセルを各階層で探索することから、シミュレーション処理時間の観点で大きな被削材を高精度に表現することが困難であった。   Furthermore, in the cutting simulation method based on the octoli representation, in order to reduce the voxel size in stages, there are many repetitive processes when expressing a finer workpiece surface shape, and voxels interfering with the tool cutting edge are made in each hierarchy It is difficult to express a large work material with high accuracy from the viewpoint of simulation processing time.

切削加工において、加工時の工具切れ刃にかかる負荷評価や、加工後の被削材の仕上げ面の評価は有効であり、それらを精度に良く評価するためには、加工中の被削材の除去量を精緻に計算する必要がある。また、計算に伴う処理時間の高速化が必要である。   In cutting, it is effective to evaluate the load applied to the tool cutting edge at the time of processing and the evaluation of the finished surface of the work material after processing. It is necessary to calculate the removal amount precisely. In addition, it is necessary to speed up the processing time involved in the calculation.

かかる状況に鑑みて、本発明は、工具1刃当たりの送り量の間における切削状態の変化に追従でき、工具軌跡の近似誤差を解消して、被削材の除去量を予測し、同時に計算に伴う処理時間の高速化を図ることができる切削シミュレーション方法および装置を提供することを目的とする。また、工具1刃当たりの送り量の間における切削状態の変化に追従でき、微小時間および微小空間の分解能で、工具の切削力または切削トルクを予測できる切削力適応制御方法および切削力適応制御システムを提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention can follow changes in cutting conditions between feed amounts per tool edge, eliminate approximation errors of the tool trajectory, predict the removal amount of the work material, and simultaneously calculate It is an object of the present invention to provide a cutting simulation method and apparatus capable of achieving speeding up of the processing time involved. In addition, a cutting force adaptive control method and cutting force adaptive control system capable of following a change in cutting state between feed amounts per tool edge and predicting the cutting force or cutting torque of the tool with minute time and resolution of minute space Intended to provide.

上記課題を解決すべく、本発明の切削シミュレーション方法は、被削材を微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現する切削シミュレーション方法において、工作機械の工具切れ刃の形状を微小間隔の3次元の点群で表現し、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスを付与し、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行い、微小時間および微小空間の分解能で被削材の除去量を予測する。   In order to solve the above problems, the cutting simulation method of the present invention is a cutting simulation method in which a material to be cut is represented by a voxel model in which minute voxels are arranged, and the shape of the tool cutting edge of the machine tool is three-dimensionally Expressed by the point group, gives a unique index to each voxel corresponding to the placement position in the voxel model, and connects the tool center axis and the point group of the tool edge for every minute rotation angle of the tool edge The index of voxels overlapping the group is calculated to perform interference determination, and the removal amount of the work material is predicted with the resolution of minute time and minute space.

本発明の方法では、被削材をボクセル形状表現する従来の切削シミュレーション方法を拡張して、工具切れ刃の形状を微小間隔の点群で離散的に表現し、工具1刃当たりの送り量ごとの解析ではなく、工具切れ刃の微小回転角ごとの解析を行って、微小時間および微小空間の分解能で切削現象のシミュレーションを行い、切削加工プロセス中の工具の静変形や動変形を考慮して被削材の除去量を予測する。
本発明の方法によれば、工具切れ刃の微小回転角毎に、ボクセルとの干渉判定を行い、微小時間および微小空間の分解能で被削材の除去量を予測することで、工具1刃当たりの送り量の間における切削状態の変化に追従でき、工具軌跡の近似誤差を解消できる。また、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスを付与し、工具中心軸と工具切れ刃の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行うことにより、除去量の予測計算に伴う処理時間の高速化を図ることができる。ボクセルのインデクスは、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに付与された固有の識別子である。
In the method of the present invention, the conventional cutting simulation method for representing the work material in voxel shape is expanded to discretely represent the shape of the tool cutting edge with minutely spaced point groups, and for each feed amount per tool edge Analysis of each cutting edge of the cutting edge instead of the analysis of the tool edge, simulation of cutting phenomenon with resolution of minute time and minute space, and considering static deformation and dynamic deformation of the tool during cutting process Predict the amount of material removed.
According to the method of the present invention, the interference with the voxel is determined for each minute rotation angle of the tool cutting edge, and the removal amount of the work material is predicted with the minute time and the resolution of the minute space, It is possible to follow the change of the cutting state between the feed amounts of and eliminate the approximation error of the tool trajectory. In addition, a unique index is assigned to each voxel in correspondence with the arrangement position in the voxel model, and an index of voxels overlapping with a straight line group connecting the tool center axis and the point group of the tool edge is calculated to perform interference determination. By this, it is possible to speed up the processing time involved in the prediction calculation of the removal amount. The voxel index is a unique identifier assigned to each voxel in correspondence with the arrangement position in the voxel model.

ここで、工具切れ刃の微小回転角は、工具中心軸と工具切れ刃の点群とを結ぶ直線群の1つの移動量がボクセルモデルのボクセルと外接する球の直径以下となる回転角である。ボクセルと外接する球の直径以下とするのは、微小回転角が1つの微小ボクセルをスキップするような大きな移動量にならない回転角にするためである。別の表現をすれば、工具切れ刃先端の移動量が最小ボクセルの1辺の距離以下になる回転角である。直線群の1つの移動量が、立方体のボクセルの1辺の長さ、立方体やそれを構成する面の対角線の長さ、ボクセルに内接する円の半径となるように、回転角が設定されてもよい。   Here, the minute rotation angle of the tool cutting edge is a rotation angle at which the amount of movement of one of the straight lines connecting the tool center axis and the point cloud of the tool cutting edge is equal to or less than the diameter of the sphere circumscribing voxels of the voxel model. . The reason for setting the diameter equal to or less than the diameter of the sphere circumscribing the voxel is to set the rotation angle so as not to be a large moving amount such that the minute rotation angle skips one minute voxel. In other words, it is a rotation angle at which the amount of movement of the tip of the tool cutting edge is equal to or less than the distance of one side of the minimum voxel. The rotation angle is set so that the amount of movement of one group of straight lines is the length of one side of a voxel of a cube, the length of a diagonal of a cube or its constituting face, the radius of a circle inscribed in the voxel It is also good.

また、干渉判定は、工具の回転軸と直交する平面で分割された微小薄板要素毎に、工具中心軸と工具切れ刃の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して判定する。ボクセルのインデクスは、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに付与された固有の識別子であり、工具の回転軸と直交する平面で分割された微小薄板要素毎に、工具中心軸と工具切れ刃の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して、3次元形状における被削材と工具の干渉を判定する。工具の回転軸と直交する平面で分割された微小薄板要素毎に、判定することにより、工具の切れ刃の軸方向の形状の違いに対応して、被削材と工具の干渉を判定できる。   In addition, the interference determination is performed by calculating an index of a voxel overlapping with a straight line group connecting the tool center axis and the point group of the tool cutting edge for each small thin plate element divided in the plane orthogonal to the rotation axis of the tool . The index of voxels is a unique identifier given to each voxel in correspondence with the arrangement position in the voxel model, and the tool center axis and the tool cutting are separated for each thin thin plate element divided by the plane orthogonal to the rotation axis of the tool. An index of voxels overlapping the straight line group connecting with the point group of the blade is calculated to determine the interference between the workpiece and the tool in the three-dimensional shape. By determining each of the thin thin plate elements divided in the plane orthogonal to the rotation axis of the tool, it is possible to determine the interference between the workpiece and the tool corresponding to the difference in the shape of the cutting edge of the tool in the axial direction.

そして、被削材の除去量は、各々の微小薄板要素における干渉判定により算出したインデクスのボクセルの個数を合算したボクセル数とボクセルサイズに基づき算出する。ボクセルのインデクスを算出することで、除去したボクセル数、すなわち被削材の除去量を算出できる。   Then, the removal amount of the work material is calculated based on the number of voxels and the voxel size obtained by adding up the number of voxels of the index calculated by the interference determination in each thin thin plate element. By calculating the voxel index, it is possible to calculate the number of removed voxels, that is, the removal amount of the work material.

ボクセルモデルは、最小ボクセルサイズのボクセルで表現されること、すなわち、はじめから最小サイズのボクセルでボクセルモデルを表現することにより、オクトツリ表現の場合のような干渉判定の繰り返し処理がなく、除去量算出処理の高速化を実現できる。   The voxel model is represented by voxels of the smallest voxel size, that is, by expressing the voxel model with the voxel of the smallest size from the beginning, there is no repetitive process of interference determination as in the case of the Oktouri representation, and the removal amount is calculated The processing can be speeded up.

また、ボクセルモデルは、第1の最小ボクセルサイズの第1のボクセルで表現され、干渉判定により算出されたインデクスの第1のボクセルは、更に第2の最小ボクセルサイズの第2のボクセルで表現され、配置位置に対応して各々の第2のボクセルに固有のインデクスを付与することでも構わない。
ボクセルサイズを2階層に分け、第1の最小ボクセルサイズのボクセルを更に分割した第2の最小ボクセルサイズのボクセルからなるボクセルモデルを用いて、切削シミュレーションを行ってもよい。例えば、計算機やプログラムの制約によって、はじめから最小ボクセルサイズで表現することが困難な場合がある。大きなサイズの被削材を微小なボクセルサイズで表現する場合で、例えば、1mの立方体形状の被削材を1μmのボクセルサイズで表現する場合、10×10×10=1018の数のインデクスの配列が必要となる。このような場合、計算機やプログラムの配列数の制約によって、実現できず、その場合には、ボクセルサイズを2階層や、必要に応じて3階層に分けざるを得ないのである。
Also, the voxel model is represented by the first voxel of the first minimum voxel size, and the first voxel of the index calculated by the interference determination is further represented by the second voxel of the second minimum voxel size. Alternatively, each second voxel may be assigned a unique index corresponding to the arrangement position.
The cutting simulation may be performed using a voxel model which is obtained by dividing the voxel size into two layers and further dividing the first minimum voxel size voxel into a second minimum voxel size voxel. For example, due to computer and program limitations, it may be difficult to express in the minimum voxel size from the beginning. When a large size work material is represented by a small voxel size, for example, when a 1 m cube-shaped work material is represented by a 1 μm voxel size, the number of 10 6 × 10 6 × 10 6 = 10 18 An array of indices is required. In such a case, it can not be realized due to the restriction of the arrangement number of computers and programs, and in this case, the voxel size has to be divided into two layers, or three layers if necessary.

また、工具形状が切削加工中に静的又は動的に変形する場合には、変形に応じて、工具切れ刃の形状を表現した3次元の点群を変更することが好ましい。振動や工具の撓みや変形などにより、工具送り量の間に切削状態が変化する場合においても、切削状態の変化に追従でき、工具軌跡の近似誤差を解消できる。   When the tool shape is deformed statically or dynamically during cutting, it is preferable to change the three-dimensional point group representing the shape of the tool cutting edge according to the deformation. Even when the cutting state changes during the tool feed amount due to vibration or bending or deformation of the tool, the change in the cutting state can be followed, and the approximation error of the tool path can be eliminated.

本発明の切削シミュレーション方法において、工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した被削材の除去量に基づき、工具の切削力または切削トルクを、更に予測することが好ましい。切削力センサを用いず、加工中の切削負荷(切削力あるいは切削トルク)を、予測した被削材の除去量に基づき予測する。これにより、予測した切削トルクに応じて切削条件を逐次変更することにより適応制御を行うことができる。   In the cutting simulation method of the present invention, it is preferable to further predict the cutting force or cutting torque of the tool based on the predicted removal amount of the work material for each minute rotation angle of the tool cutting edge. The cutting load (cutting force or cutting torque) during machining is predicted based on the predicted removal amount of the work material without using the cutting force sensor. Thereby, adaptive control can be performed by sequentially changing the cutting conditions according to the predicted cutting torque.

次に、本発明の切削力適応制御方法について説明する。
本発明の切削力適応制御方法は、上述した本発明の切削シミュレーション方法を用いて、工作機械の工具の切削力または切削トルクを予測し、予測した切削力または切削トルクに応じて、工作機械の切削加工指令を変更し、工具経路を再生成する。
本発明の切削力適応制御方法によれば、切削加工中にリアルタイムで工具の切削力を予測し、予測した切削力から算出した切削トルクに基づいて、工作機械に対する切削加工指令を修正し、修正された切削加工指令を工作機械に逐次出力して適応制御を行うことができる。また、修正された切削加工指令をフィードバックして、工作機械の工具経路を再生成することができる。ここで、切削加工指令は、工具移動指令、工具送り速度、工具送り停止指令、工具交換指令、主軸回転速度など対象とする工作機械を操作するための指令を意味する。
Next, the cutting force adaptive control method of the present invention will be described.
The cutting force adaptive control method of the present invention predicts the cutting force or cutting torque of the tool of the machine tool using the above-described cutting simulation method of the present invention, and according to the predicted cutting force or cutting torque, Change the machining command and regenerate the tool path.
According to the cutting force adaptive control method of the present invention, the cutting force of the tool is predicted in real time during cutting, and the cutting command for the machine tool is corrected based on the cutting torque calculated from the predicted cutting force. Adaptive control can be performed by sequentially outputting the obtained cutting command to the machine tool. Also, the corrected machining command can be fed back to regenerate the tool path of the machine tool. Here, the cutting command means a command for operating the target machine tool, such as a tool movement command, a tool feed speed, a tool feed stop command, a tool change command, and a spindle rotational speed.

また、本発明の切削力適応制御方法は、上述した本発明の切削シミュレーション方法を用いて、工作機械の工具の切削力または切削トルクを予測し、予測した切削力または切削トルクに応じて、工作機械の工具送り速度と工具回転速度の少なくとも何れかを増減することでもよい。   Further, according to the cutting force adaptive control method of the present invention, the cutting force or cutting torque of the tool of the machine tool is predicted using the above-described cutting simulation method of the present invention, and the machining force is controlled according to the predicted cutting force or cutting torque. It is also possible to increase or decrease at least one of the tool feed speed of the machine and the tool rotation speed.

次に、本発明の切削シミュレータ装置について説明する。
本発明の切削シミュレータ装置は、下記の1)〜4)から構成される。
1)被削材が微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現され、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスが付与された被削材データと、
2)工作機械の工具切れ刃の形状が3次元の点群で表現された工具切れ刃形状データと、
3)被削材データ、工具切れ刃形状データ、および、被削材と工具切れ刃の位置データを用いて、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の形状の3次元の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行う干渉判定部と、
4)干渉判定部で算出されたボクセル数とボクセルサイズに基づき、微小時間および微小空間の分解能で被削材の除去量を予測する除去量予測部。
Next, the cutting simulator device of the present invention will be described.
The cutting simulator device of the present invention comprises the following 1) to 4).
1) Work material data in which a material to be cut is represented by a voxel model in which minute voxels are arranged, and to which a specific index is assigned to each voxel corresponding to the arrangement position in the voxel model,
2) tool cutting edge shape data in which the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point group,
3) Using the material to be cut, tool edge shape data, and the position data of the material to be cut and the tool edge, the shape of the tool center axis and the tool edge for each minute rotation angle of the tool edge An interference determination unit that performs an interference determination by calculating an index of voxels that overlap with a straight line group connecting with a point group of dimensions;
4) A removal amount prediction unit that predicts the removal amount of the work material with the resolution of minute time and minute space based on the number of voxels and voxel size calculated by the interference determination unit.

また、本発明の切削シミュレータプログラムは、コンピュータで構成され、装置に搭載されるプログラムであって、上記3)の干渉判定部と上記4)の除去量予測部として、コンピュータを機能させるためのプログラムである。   The cutting simulator program according to the present invention is a program that is configured by a computer and installed in the apparatus, and is a program for causing the computer to function as the interference determination unit in 3) and the removal amount prediction unit in 4). It is.

ここで、微小回転角は、工具中心軸と工具切れ刃の形状の3次元の点群とを結ぶ直線群の1つの移動量がボクセルモデルのボクセルと外接する球の直径以下となる回転角である。干渉判定部では、工具の回転軸と直交する平面で分割された微小薄板要素毎に、工具中心軸と点群を結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して判定する。除去量予測部では、被削材の除去量は、各々の微小薄板要素において、干渉判定部で算出したインデクスのボクセルの個数を合算したボクセル数とボクセルサイズに基づき算出する。
ボクセルモデルは、はじめから最小ボクセルサイズのボクセルで表現されることが好ましい。また、ボクセルモデルは、第1の最小ボクセルサイズの第1のボクセルで表現され、干渉判定部で算出されたインデクスの第1のボクセルは、更に第2の最小ボクセルサイズの第2のボクセルで表現され、配置位置に対応して各々の第2のボクセルに固有のインデクスを付与することでもよい。
さらに、工具形状が切削加工中に静的又は動的に変形する場合には、変形に応じて、工具切れ刃の形状の3次元の点群を変更することが好ましい。そして、除去量予測部では、工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した被削材の除去量に基づき、工具の切削力または切削トルクを、更に予測することでもよい。
Here, the minute rotation angle is a rotation angle at which the amount of movement of one of the straight lines connecting the tool center axis and the three-dimensional point group of the shape of the tool cutting edge is equal to or less than the diameter of the sphere circumscribing voxels of the voxel model. is there. The interference determination unit calculates and determines an index of a voxel overlapping with a straight line group connecting the tool center axis and the point group for each small thin plate element divided in a plane orthogonal to the rotation axis of the tool. In the removal amount prediction unit, the removal amount of the work material is calculated based on the number of voxels obtained by adding up the number of voxels of the index calculated by the interference determination unit and the voxel size in each thin thin plate element.
The voxel model is preferably initially represented by voxels of the smallest voxel size. Also, the voxel model is represented by the first voxel of the first minimum voxel size, and the first voxel of the index calculated by the interference determination unit is further represented by the second voxel of the second minimum voxel size It is also possible to give each second voxel a unique index corresponding to the arrangement position.
Furthermore, when the tool shape is deformed statically or dynamically during cutting, it is preferable to change the three-dimensional point cloud of the shape of the tool cutting edge according to the deformation. Then, the removal amount prediction unit may further predict the cutting force or the cutting torque of the tool based on the predicted removal amount of the work material for each minute rotation angle of the tool cutting edge.

次に、本発明の切削力適応制御システムについて説明する。
本発明の切削力適応制御システムは、リアルタイムに工作機械の工具経路を生成する工具経路生成部を有し、切削加工パラメータで制御され、工作機械に対して切削加工中に切削加工指令を動的に変更して逐次出力する逐次指令部を備えた適応制御システムであって、下記(a)〜(f)を備え 切削加工パラメータに応じて、工具経路を再生成し、切削加工指令を動的に変更する。
Next, the cutting force adaptive control system of the present invention will be described.
The cutting force adaptive control system according to the present invention has a tool path generation unit that generates a tool path of a machine tool in real time, is controlled by cutting parameters, and dynamically transmits a cutting command to the machine tool during cutting. The adaptive control system includes a sequential command unit that changes to and outputs sequentially, and includes the following (a) to (f): Regenerates the tool path according to the cutting parameters, and the cutting command is dynamic Change to

(a)被削材が微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現され、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスが付与された被削材データと、
(b)工作機械の工具切れ刃の形状が3次元の点群で表現された工具切れ刃形状データと、
(c)被削材データ、工具切れ刃形状データ、および、被削材と工具切れ刃の位置データを用いて、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の形状の3次元の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行う干渉判定部と、
(d)干渉判定部で算出されたボクセル数とボクセルサイズに基づき、微小時間および微小空間の分解能で被削材の除去量を予測する除去量予測部と、
(e)工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した被削材の除去量に基づき、工具の切削力を予測する切削力予測部と、
(f)予測した切削力から算出した切削トルクに応じて、切削加工パラメータを動的に変更する切削加工パラメータ変更部。
(A) Work material data in which the work material is represented by a voxel model in which minute voxels are arranged, and in which a unique index is assigned to each voxel corresponding to the arrangement position in the voxel model;
(B) tool cutting edge shape data in which the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point group;
(C) The shape of the tool center axis and the tool cutting edge for each minute rotation angle of the tool cutting edge using the material to be cut, the tool cutting edge shape data, and the position data of the cutting material and the tool cutting edge An interference determination unit that performs interference determination by calculating an index of voxels that overlap with a straight line group connecting a three-dimensional point group;
(D) a removal amount prediction unit that predicts the removal amount of the work material with a minute time and a minute space resolution based on the number of voxels and the voxel size calculated by the interference determination unit;
(E) a cutting force prediction unit that predicts the cutting force of the tool based on the predicted removal amount of the work material for each minute rotation angle of the tool cutting edge;
(F) A cutting parameter changing unit that dynamically changes a cutting parameter according to the cutting torque calculated from the predicted cutting force.

上記(a)〜(d)については、上述の本発明の切削シミュレータ装置の説明と同様であり、割愛する。リアルタイム性のある微小時間とは、コンピュータに対して、ジョブの実行が命令された時に、命令されたジョブの処理を終わらせる時間であり、数ナノ秒〜数ミリ秒などである。切削加工パラメータは、工具回転速度や工具送り速度であり、切削加工中の切削負荷をフィードバッグして、工具回転速度や工具送り速度を増減することにより、シミュレーションで予測される切削負荷(切削力あるいは切削トルク)に応じて速度を増減するといった適用制御を行うことが可能になる。また、予測した切削力あるいは切削トルクに応じて、工作機械用CNC(Computerized Numerical Control)装置の切削加工パラメータを動的に変更することもできる。   About said (a)-(d), it is the same as that of description of the cutting simulator apparatus of the above-mentioned this invention, and it omits. The minute time with real-time capability is the time to end the processing of the instructed job when the computer is instructed to execute the job, and is several nanoseconds to several milliseconds. The cutting parameters are the tool rotational speed and the tool feed rate, and feedback the cutting load during cutting and increasing or decreasing the tool rotational speed or the tool feed rate, the cutting load predicted by simulation (cutting force) Alternatively, application control can be performed such as increasing or decreasing the speed according to the cutting torque). Further, it is possible to dynamically change the cutting parameters of the CNC (Computerized Numerical Control) device for a machine tool according to the predicted cutting force or cutting torque.

本発明の切削シミュレーション方法および装置によれば、工具1刃当たりの送り量の間における切削状態の変化に追従し、工具軌跡の近似誤差を解消して、被削材の除去量を予測でき、また、被削材をはじめから微小なボクセルで表現して離散的に除去量を算出することにより、除去量算出処理時間の高速化を図ることができるといった効果がある。
また、本発明の切削力適応制御方法および切削力適応制御システムによれば、工具1刃当たりの送り量の間における切削状態の変化に追従し、微小時間および微小空間の分解能で、工具の切削力または切削トルクを予測できるといった効果がある。
According to the cutting simulation method and apparatus of the present invention, it is possible to follow the change in the cutting state between the feed amount per tool edge, eliminate the approximation error of the tool trajectory, and predict the removal amount of the work material In addition, the removal amount is calculated discretely by expressing the material to be cut in small voxels from the beginning, so that it is possible to speed up the removal amount calculation processing time.
Further, according to the cutting force adaptive control method and the cutting force adaptive control system of the present invention, the cutting of the tool can be performed with the resolution of the minute time and the minute space, following the change of the cutting state between the feed amounts per tool edge. The effect is that the force or cutting torque can be predicted.

すなわち、本発明によれば、切削加工において除去量を短時間で精微に算出でき、切削加工における切削力の推定、切削加工における仕上げ面形状の推定、および、工具の撓み変形などを考慮したこれらの推定を高精度に行うことができる。
切削加工において、従来、実際に試し削りをして加工条件の良し悪しを判断していたが、本発明によって、事前にシミュレーションを行い、高精度で仕上げ面形状の推定を行い、加工条件の良し悪しを予測できることから、生産効率が増大するといった効果がある。
That is, according to the present invention, the removal amount can be finely calculated in a short time in cutting, and estimation of cutting force in cutting, estimation of finish surface shape in cutting, and deformation deformation of a tool are considered. Estimation can be performed with high accuracy.
In the cutting process, conventionally, trial cutting was actually performed to determine whether the processing conditions are good or bad. However, according to the present invention, simulation is performed in advance to estimate the finished surface shape with high accuracy, and the processing conditions are good. The ability to predict ill effects has the effect of increasing production efficiency.

工具切れ刃の微小回転角ごとのボクセル除去についての説明図Explanatory drawing about voxel removal for every minute rotation angle of a tool cutting edge 微小薄板要素ごとの工具切れ刃のボクセル除去についての説明図Explanatory drawing about the voxel removal of the tool cutting edge for every micro thin plate element 被削材ボクセルモデルのインデクスについての説明図Explanatory drawing about the index of the material voxel model 被削材ボクセルモデルの除去量の推測方法についての説明図Explanatory drawing about the estimation method of the removal amount of material voxel model 工具切れ刃と干渉しているボクセルの検出方法の説明図Explanatory drawing of the detection method of the voxel which has interfered with the tool edge 実施例1の切削シニュレーション方法のフロー図Flow chart of the cutting serialization method of the first embodiment 実施例3における加工形状を示す図The figure which shows the processing shape in Example 3 瞬間切削力モデルにおける微小薄板要素についての説明図Explanatory drawing about the minute thin plate element in the momentary cutting force model ボクセルモデルを用いた切削加工の途中プロセスの被削材のイメージImage of workpieces in process of cutting process using voxel model 切削加工の途中プロセスにおける切削力の推定結果を示すグラフGraph showing estimation result of cutting force in the middle process of cutting 切削力の測定結果と推定結果の比較グラフ(1)Comparison graph of measurement result and estimation result of cutting force (1) 切削力の測定結果と推定結果の比較グラフ(2)Comparison graph of measurement result and estimation result of cutting force (2) 切削シミュレーション装置の機能ブロック図Functional block diagram of cutting simulation device 切削力適応制御システムの機能ブロック図Functional block diagram of cutting force adaptive control system ボールエンドミルの瞬間切削力モデルの説明図Illustration of instantaneous cutting force model of ball end mill ラジアスエンドミルの瞬間切削力モデルの説明図Illustration of instantaneous cutting force model of radius end mill ラジアスエンドミルを斜めに姿勢を変化させた様子の説明図An explanatory view of the attitude of the radius end mill being changed obliquely 工具の撓みについての説明図Explanatory drawing about the bending of the tool 工具の撓み変形の計算モデルの説明図Illustration of calculation model of bending deformation of tool 変形量の算出処理フロー図Processing flow of calculation of deformation 実加工により測定した加工形状と予測した加工形状の比較図Comparison figure of the processing shape measured by actual processing and the processing shape predicted 従来のボクセルモデルを用いた工具と被削材間の干渉判定の説明図Explanation of interference judgment between tool and work material using conventional voxel model オクトツリ表現によるボクセルと工具切れ刃との間での干渉判定の説明図Explanation of interference judgment between voxel and tool cutting edge by Oktoturi expression

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many modifications and variations are possible.

本発明の切削シミュレーション方法は、工具1刃当たりの送り量ごとの解析ではなく、工具切れ刃の微小回転角ごとに解析を行うことで、微小時間および微小空間分解能で切削現象のシミュレーションを行う。
図1を参照して、本発明の切削シミュレーション方法における工具切れ刃の微小回転角ごとのボクセル除去について説明する。本発明の切削シミュレーション方法では、被削材の立体形状を、微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現した被削材モデルを、工具切れ刃の微小回転角ごとに除去されるボクセルを算出する。図1(1)〜(6)は、それぞれ2刃を有する切削工具を軸方向(Z方向)から見た模式図であり、工具切れ刃の微小回転によって除去されるボクセルを示している。ここで、図1における被削材モデルは、XY平面におけるボクセルを示す。図1(1)に示すように、工具切れ刃が微小回転し1つのボクセルと干渉して切削除去した後、図1(2)に示すように、工具切れ刃が更に微小回転し2つのボクセルと干渉して切削除去している。工具切れ刃が微小回転する間に、工具切れ刃の工具軸は、工具送り速度に応じてX方向に移動している。そのため、図1(1)における工具軸の位置から図1(2)における工具軸の位置に移動することによって、工具切れ刃と被削材モデルの距離が縮まり、干渉して切削除去するボクセルの量が増えている。また、図1(3)に示すように、工具切れ刃が更に微小回転すると、工具切れ刃と被削材モデルの距離が更に縮まるが、工具切れ刃のその時点の位置によって切れ刃先端が干渉して切削除去できるボクセルは異なり、1つのボクセルと干渉して切削除去している。そして、図1(4)に示すように、更に微小回転すると、180°反対側の工具切れ刃が被削材モデルに接近し、図1(5)に示すように、更に微小回転すると工具切れ刃が2つのボクセルと干渉して切削除去し、更に微小回転すると、図1(6)に示すように、工具切れ刃が3つのボクセルと干渉し切削除去する。このように、本発明の切削シミュレーション方法では、工具切れ刃の微小回転角毎に、被削材モデルのボクセルの干渉判定を行って除去量を予測することにより、微小時間および微小空間の分解能で工具切れ刃が干渉して切削除去する被削材のボクセルを算出して、被削材の除去量を予測する。
The cutting simulation method of the present invention simulates the cutting phenomenon in minute time and minute spatial resolution by performing analysis not at every feed amount per tool edge but at every minute rotation angle of the tool cutting edge.
With reference to FIG. 1, voxel removal at every minute rotation angle of the tool cutting edge in the cutting simulation method of the present invention will be described. In the cutting simulation method of the present invention, a material model in which a three-dimensional shape of a work material is expressed by a voxel model in which minute voxels are arranged is calculated voxels to be removed at every minute rotation angle of a tool cutting edge . FIGS. 1 (1) to 1 (6) are schematic views when a cutting tool having two blades is viewed from the axial direction (Z direction), and shows voxels removed by minute rotation of a tool cutting edge. Here, the workpiece model in FIG. 1 indicates voxels in the XY plane. As shown in FIG. 1 (1), after the tool cutting edge is slightly rotated and interferes with one voxel and is cut away, as shown in FIG. 1 (2), the tool cutting edge is further slightly rotated and two voxels It interferes with cutting and removing. While the tool cutting edge is slightly rotated, the tool axis of the tool cutting edge moves in the X direction according to the tool feed speed. Therefore, by moving from the position of the tool axis in FIG. 1 (1) to the position of the tool axis in FIG. 1 (2), the distance between the tool cutting edge and the work material model is reduced, causing interference The amount is increasing. In addition, as shown in FIG. 1 (3), when the tool cutting edge is further slightly rotated, the distance between the tool cutting edge and the material model is further reduced, but the cutting edge tip interferes depending on the position of the tool cutting edge at that time. Then, the voxels that can be removed by cutting are different, and they are removed by interference with one voxel. Then, as shown in FIG. 1 (4), the tool cutting edge on the opposite side of 180 ° approaches the workpiece material model as it rotates slightly further as shown in FIG. 1 (4), and as shown in FIG. When the blade interferes with the two voxels and is cut away and further minutely rotated, as shown in FIG. 1 (6), the tool edge interferes with the three voxels and is cut away. As described above, according to the cutting simulation method of the present invention, the resolution of the minute time and the minute space is determined by performing the interference determination of the voxels of the workpiece material model for each minute rotation angle of the tool cutting edge to predict the removal amount. The voxels of the work material to be cut and removed by the interference of the tool cutting edge are calculated to predict the removal amount of the work material.

また、本発明の切削シミュレーション方法では、図2に示すように、工具を工具軸方向に沿って、微小薄板要素に分割して、微小薄板要素ごとに工具中心と工具切れ刃を結ぶ線分上に存在するボクセルを判定して、工具と被削材との干渉量を算出する。
ここで、工具切れ刃の移動量がボクセルサイズより大きい場合は、除去されるべきボクセルがスキップされる問題が生じるため、1つの移動量がボクセルサイズより小さくする。工具切れ刃の微小回転角は、例えば、工具切れ刃の円周部の移動量が解析に使用するボクセルの1辺の長さと等しくなるように設定する。
Further, in the cutting simulation method of the present invention, as shown in FIG. 2, the tool is divided into minute thin plate elements along the tool axis direction, and on the line segment connecting the tool center and the tool cutting edge for each minute thin plate element. The voxels present in the tool are determined to calculate the amount of interference between the tool and the work material.
Here, when the movement amount of the tool cutting edge is larger than the voxel size, there arises a problem that the voxel to be removed is skipped, so one movement amount is made smaller than the voxel size. The minute rotation angle of the tool cutting edge is set, for example, such that the moving amount of the circumferential portion of the tool cutting edge is equal to the length of one side of the voxel used for analysis.

この場合、工具軸の回転速度をSmin−1、工具半径(工具回転中心から切れ刃先端までの長さ)をRmm、被削材モデルに使用する最小ボクセルサイズをVmmとすると、1解析ステップ当たりの処理時間tstepsecは、下記式1から求められる。
本発明の切削シミュレーション方法では、工具軸の回転速度と工具半径と最小ボクセルサイズに基づいて設定される処理時間に回転する工具切れ刃の回転角ごとに除去する最小ボクセルの除去量の予測によって、工具切れ刃の軌跡に忠実なシミュレーション解析が可能となるだけでなく、工具切れ刃の形状が特殊な場合や工具姿勢が非一様に変化する加工の解析が可能となる。本発明の切削シミュレーション方法では、工具軸の回転速度と工具半径と最小ボクセルサイズに基づいて設定される処理時間ごとの除去量の予測によって、切削状態の変化に追従でき、工具軌跡の近似誤差を解消して、被削材の除去量を予測できるのである。
In this case, the rotational speed of the tool axis is Smin −1 , the tool radius (the length from the tool rotation center to the cutting edge) is R mm, and the minimum voxel size used for the workpiece model is V mm. The processing time t step sec of is calculated from the following equation 1.
In the cutting simulation method of the present invention, the removal amount of the minimum voxel to be removed for each rotation angle of the tool cutting edge rotated at the processing time set based on the rotation speed of the tool axis and the tool radius and the minimum voxel size is estimated. Not only simulation analysis faithful to the path of the tool edge is possible, but also analysis of machining in which the shape of the tool edge is special or where the tool posture changes non-uniformly is possible. According to the cutting simulation method of the present invention, it is possible to follow the change in the cutting state by predicting the removal amount for each processing time set based on the rotation speed of the tool axis and the tool radius and the minimum voxel size. Therefore, the removal amount of the work material can be predicted.

例えば、工具軸の回転速度S=2000(min−1)、工具半径R=3mm、最小ボクセルサイズV=0.012mmとすると、1解析ステップ当たりの処理時間tstepsecおよびその時の回転角度θは次の通りになる。
処理時間tstep=V/(S×R×2π)/60
=0.012/(3×2000×2π)/60=
=0.00006/π=0.0000191(sec)
回転角度θ=360°×2000/60× 処理時間tstep
=360×2000/60×0.0000191=0.229°
For example, assuming that the rotational speed of the tool axis S = 2000 (min −1 ), the tool radius R = 3 mm, and the minimum voxel size V = 0.012 mm, the processing time t step sec per analysis step and the rotational angle θ at that time are It becomes as follows.
Processing time t step = V / (S × R × 2π) / 60
= 0.012 / (3 x 2000 x 2 pi) / 60 =
= 0.00006 / π = 0.0000191 (sec)
Rotation angle θ = 360 ° × 2000/60 × Processing time t step
= 360 × 2000/60 × 0.0000191 = 0.229 °

上述の如く、ボクセルモデルを用いた従来の切削シミュレーション方法では、シミュレーションの精度を向上する際に必要となる計算機メモリの総量と、多数のボクセルと工具切れ刃との間での干渉判定の高速化が大きな問題である。また、従来の切削シミュレーション方法では、ボクセルモデルにオクトツリ表現を導入してメモリの消費を抑えているが、オクトツリ表現では1個のボクセルを8等分に分割して小さなボクセルとし、これを多階層にすることで微細な形状を表現しているため、大きな被削材を高精度に表現し、実用的な加工形状のシミュレーションを行うには計算時間の短縮化が問題である。
図3に示すように、本発明の切削シミュレーション方法では、被削材モデルを初めから最小サイズの最小ボクセルでボクセルモデルを表現して、各最小ボクセルにインデクスを付与して規則的に整列する。これにより、位置座標からボクセルのインデクスを特定することが可能となる。例えば、最小サイズの最小ボクセルの1辺の長さがVμmで、x軸方向にn個のボクセルが整列している場合、xμm、yμmの位置に相当するボクセルのインデクスIは、下記式2から求めることができる。
As described above, in the conventional cutting simulation method using the voxel model, the total amount of computer memory required to improve the simulation accuracy and the speedup of the interference determination between a large number of voxels and the tool cutting edge Is a big problem. In addition, in the conventional cutting simulation method, the Octotry representation is introduced into the voxel model to reduce the memory consumption, but in the Octotlie representation, one voxel is divided into eight equal parts to form small voxels, which are divided into multiple layers. Since a fine shape is expressed by using the above, it is a problem to shorten the calculation time in order to express a large work material with high accuracy and to simulate a practical processing shape.
As shown in FIG. 3, in the cutting simulation method of the present invention, a voxel model is represented from the beginning with a minimum voxel of a minimum size from the beginning, and each minimum voxel is indexed and regularly aligned. This makes it possible to specify the voxel index from the position coordinates. For example, if the length of one side of the smallest voxel of the smallest size is V L μm and n voxels are aligned in the x-axis direction, the index I of the voxel corresponding to the position of x i μm, y i μm Can be obtained from the following equation 2.

工具切れ刃と干渉しているボクセルを検出する際には、図4(1)に示すように、工具切れ刃ベクトルを最小ボクセルの1辺の長さで分割し、分割した要素の工具回転中心に近い位置の座標から上記式2より、干渉しているボクセルのインデクスを算出する。図4(2)に示すように、分割した各要素で求まったインデクスに相当するボクセルが除去対象のボクセルとして検出できる。これにより、被削材モデルの最小ボクセル全てを走査して干渉しているボクセルを探索するための繰り返し処理が不要となり、処理時間が短縮できる。   When detecting a voxel interfering with the tool cutting edge, as shown in FIG. 4 (1), the tool cutting edge vector is divided by one side length of the minimum voxel, and the tool rotation center of the divided element The index of the interfering voxel is calculated from the coordinates of the position close to the above according to Equation 2 above. As shown in FIG. 4 (2), a voxel corresponding to an index obtained by each divided element can be detected as a voxel to be removed. This eliminates the need for repetitive processing for scanning all the minimum voxels of the workpiece material model to search for interfering voxels, thereby reducing the processing time.

しかしながら、被削材モデルを初めから最小ボクセルで表現する場合、ボクセルに対応する変数の配列の数が膨大になるといった問題がある。例えば、1辺が1mの立方体形状の被削材を1辺の長さが1μmのボクセルで表現する場合、1018個の配列が必要となる。しかし、計算機プログラムの制約で、1つの変数で確保できる配列数は10個に制限されている場合には、1018個の配列が必要となる被削材のボクセルモデルを表現することが不可能である。 However, when the material model is initially represented by the smallest voxels, there is a problem that the number of arrays of variables corresponding to the voxels becomes enormous. For example, in the case where a cube-shaped material having a side of 1 m is represented by voxels having a side length of 1 μm, 10 18 arrays are required. However, in the case where the number of sequences that can be secured by one variable is limited to 10 9 , it is impossible to represent a voxel model of a work material that requires 10 18 sequences due to the restrictions of the computer program. It is possible.

そこで、被削材モデルを2階層のボクセルサイズで表現することにより、上記の問題に対処する。例えば、1辺が1mの立方体形状の被削材を1辺の長さが1mmのボクセル(第1のボクセル)で表現することで、被削材のボクセルモデルを10個の配列で表現できる。そして、工具切れ刃と干渉している第1のボクセルを、1辺の長さが1μmのボクセル(第2のボクセル)で表現して解析を行うことも可能である。
工具切れ刃と干渉しているボクセルの検出では、図5に示すように、まず工具切れ刃ベクトルと干渉している第1のボクセルを検出し、次に、検出された第1のボクセルと工具切れ刃ベクトルとの交点を算出する。そして、算出した交点を結ぶ線分を第2のボクセルの1辺の長さで分割し、上記式2に示すやり方を行い、被削材モデルの最小ボクセルの干渉判定を行って、除去対象のボクセルを検出する。
その際、第1のボクセルの位置だけオフセットされているため、工具切れ刃ベクトルを分割した各要素の位置座標から第1のボクセルの原点の座標を引くことにより、上記式2と同様に除去対象のボクセルのインデクスを算出する。ここで、第1のボクセルと第2のボクセルの1辺の長さは任意に設定することが可能であり、被削材の大きさとシミュレーションの精度(分解能)に適した値を設定することができる。
Therefore, the above problem is addressed by expressing the material model with voxel sizes of two layers. For example, a voxel model of a work material can be expressed in an array of 10 9 by expressing a cube-shaped work material having a side of 1 m with voxels (first voxels) having a side length of 1 mm. . Then, it is also possible to perform analysis by expressing the first voxel interfering with the tool cutting edge with a voxel (second voxel) having a side length of 1 μm.
In the detection of the voxel interfering with the tool cutting edge, as shown in FIG. 5, first, the first voxel interfering with the tool cutting edge vector is detected, and then the detected first voxel and the tool are detected. The point of intersection with the cutting edge vector is calculated. Then, the line segment connecting the calculated intersection points is divided by the length of one side of the second voxel, and the method shown in the above equation 2 is performed, the interference determination of the minimum voxel of the material model is performed, and the removal target is Detect voxels.
At that time, since only the position of the first voxel is offset, the target of removal is the same as the equation 2 by subtracting the coordinates of the origin of the first voxel from the position coordinates of each element obtained by dividing the tool cutting edge vector. Calculate the voxel index of Here, the length of one side of the first voxel and the second voxel can be set arbitrarily, and a value suitable for the size of the work material and the accuracy (resolution) of the simulation can be set. it can.

図6は、切削シミュレーション方法の処理フローの一例を示している。切削シミュレーション方法では、まず、被削材モデルを最小ボクセルのボクセルモデルで表現し、ボクセルモデルにおける配置位置に対応し 各最小ボクセルにインデクスを付与する。また、工具切れ刃の形状を3次元の点群で表現する。工具切れ刃先端の移動量が最小ボクセルの1辺の距離になる回転角だけ工具切れ刃を回転させる。そして、図4(2)に示すように、工具中心軸と工具切れ刃先端とを結ぶ直線と重なる最小ボクセルのインデクスを算出し、被削材モデルの最小ボクセルの除去量を予測する。工具は回転しながら送り速度で移動することから、工具切れ刃の回転軸を送り速度に応じて移動させる。これを工具経路の終点に到達するまで繰り返し行う。   FIG. 6 shows an example of the processing flow of the cutting simulation method. In the cutting simulation method, first, the material model is represented by the voxel model of the minimum voxel, and an index is given to each minimum voxel in correspondence with the arrangement position in the voxel model. In addition, the shape of the tool cutting edge is represented by a three-dimensional point group. The tool cutting edge is rotated by the rotation angle at which the movement amount of the tool cutting tip becomes the distance of one side of the minimum voxel. And as shown in FIG. 4 (2), the index of the minimum voxel which overlaps with the straight line which connects a tool central axis and a tool cutting edge is computed, and the removal amount of the minimum voxel of a material model is predicted. Since the tool moves at the feed speed while rotating, the rotation axis of the tool cutting edge is moved according to the feed speed. This is repeated until the end point of the tool path is reached.

本発明の切削シミュレーション方法の有効性を確認するために、実加工用の工具経路を用いて、オクトツリ表現による干渉判定を行う切削シミュレーション方法との処理時間の比較を行った。本発明の切削シミュレーション方法では、被削材をはじめから最小ボクセルサイズに設定して解析するものであり(以下、インデクス法という)、一方、オクトツリ表現による干渉判定を行う切削シミュレーション方法では、初期ボクセルサイズを1mmに設定し、最小ボクセルサイズになるまで繰り返し解析するものであり(以下、Octree法という)、それぞれの切削シミュレーションの処理時間を比較した。   In order to confirm the effectiveness of the cutting simulation method of the present invention, the processing time was compared with that of the cutting simulation method in which interference determination is performed by using an Octoli expression using a tool path for actual processing. In the cutting simulation method of the present invention, the work material is set to the minimum voxel size from the beginning (hereinafter referred to as the index method), and on the other hand, in the cutting simulation method for performing interference determination by the Octoli representation, the initial voxel The size was set to 1 mm, and analysis was repeated until the voxel size reached the minimum (hereinafter referred to as the Octree method), and the processing times of the respective cutting simulations were compared.

インデクス法では、工作機械の工具切れ刃の形状を微小間隔の3次元の点群で表現し、被削材をはじめから最小ボクセルサイズに設定し、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスを付与し、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の形状の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行っている。
一方、Octree法では、工作機械の工具切れ刃の形状を微小間隔の3次元の点群で表現し、被削材をはじめは初期ボクセルサイズに設定し、各ボクセルに固有のインデクスを付与せず、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の形状の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルの干渉判定を行い、工具切れ刃と干渉したボクセルに対して、各辺2等分により8分割し、立方体の1辺の長さが分割前の1/2となるボクセルに分割する処理を、最小ボクセルサイズになるまで繰り返す。
In the index method, the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point cloud at minute intervals, the work material is set to the minimum voxel size from the beginning, and each voxel is assigned corresponding to the placement position in the voxel model. A unique index is given, and for each minute rotation angle of the tool cutting edge, an index of a voxel overlapping with a straight line group connecting the tool center axis and the point cloud of the shape of the tool cutting edge is calculated to perform interference determination.
On the other hand, in the Octree method, the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point group of minute intervals, the work material is initially set to the initial voxel size, and a unique index is not given to each voxel For each minute rotation angle of the cutting edge, the interference judgment of the voxel overlapping with the straight line group connecting the tool center axis and the point cloud of the shape of the cutting edge is performed, and each side of the voxel interfering with the cutting edge The process of dividing into 8 by 2 division and dividing into a voxel whose length of one side of the cube is 1/2 before division is repeated until the voxel size becomes the minimum voxel size.

比較に用いた切削シミュレーションの条件は次の通りである。切削シミュレーションは、3軸制御加工での切削加工であり、切削加工に用いた工具は、直径5mmのスクエアエンドミルで、10×10×10mmの立方体の被削材に対して角辺10mmの距離を直線で1パスだけ加工したものである。また、切削方向は、被削材に対して右側を工具が通り切削するアップカットで行った。詳細な切削条件を下記表1に示す。   The conditions of the cutting simulation used for comparison are as follows. The cutting simulation is cutting with 3-axis control processing, and the tool used for cutting is a square end mill with a diameter of 5 mm, and a distance of 10 mm per 10 mm to a 10 × 10 × 10 mm cube work material It is a straight line processed only one pass. Moreover, the cutting direction was performed by the up-cut which a tool passes along the right side with respect to a cut material. Detailed cutting conditions are shown in Table 1 below.

初期ボクセルサイズを1mmとし、最小ボクセルサイズを250μm、125μm、62.5μm、31.25μm、15.625μm、および、7.8125μmの2階層から7階層までの6通りの場合におけるOctree法とインデクス法のそれぞれの処理時間を算出した。算出結果を下記表2に示す。ここで、使用した計算機のCPUの仕様は、Intel Xeon (登録商標)3.5GHz(論理プロセッサ数:8コア)である。   Octree method and index method in the case of initial voxel size 1 mm, minimum voxel size 250 μm, 125 μm, 62.5 μm, 31.25 μm, 15.625 μm, and 7.8125 μm from 2 layers to 7 layers The processing time of each was calculated. The calculation results are shown in Table 2 below. Here, the specification of the CPU of the computer used is Intel Xeon (registered trademark) 3.5 GHz (the number of logical processors: 8 cores).

上記表2の結果によれば、Octree法の処理時間は、最小ボクセルサイズが初期ボクセルサイズの6階層の15.625μmまでは、インデクス法の解析計算よりも若干速かったが、7階層の7.8125μmになると、Octree法はインデクス法の約3倍の処理時間がかかっている結果となった。さらに階層数を大きくし、微小ボクセルサイズで切削シミュレーションを行うとすると、処理時間の差は大きくなると推察できる。つまり、初期ボクセルサイズが1mmで、最小ボクセルサイズが5μmの場合のように、1辺の分割数が200(>2=128)になれば、7階層(=1/2)での比較でインデクス法がOctree法よりも処理時間が速いので、それ以上になることから処理時間で相当な差異となり、インデクス法が有利である。 According to the results of Table 2 above, the processing time of the Octree method was slightly faster than the analysis calculation of the index method up to the minimum voxel size of 15.625 μm of the 6 levels of the initial voxel size. At 8125 μm, the Octree method takes about three times longer processing time than the index method. If the number of layers is further increased and cutting simulation is performed with a small voxel size, it can be inferred that the difference in processing time becomes large. That is, as in the case where the initial voxel size is 1 mm and the minimum voxel size is 5 μm, if the number of divisions on one side is 200 (> 2 7 = 128), comparison in 7 layers (= 1/2 7 ) Since the index method is faster in processing time than the Octree method, the index method is advantageous because the processing time is longer than that of the Octree method.

本発明の切削シミュレーション方法において、ボクセルサイズを2階層に分け、第1の最小ボクセルサイズのボクセルを更に分割した第2の最小ボクセルサイズのボクセルからなるボクセルモデルを用いて、切削シミュレーションを行う場合の精度(分解能)と計算時間の関係性について説明する。具体的には、実加工用の工具経路を用いて3軸制御加工でのシミュレーションを行った結果を示し、本発明の切削シミュレーション方法の精度(分解能)と計算時間の関係性について説明する。
3軸制御加工でのシミュレーションにおいて、切削加工に用いた工具は、直径4mmのスクエアエンドミル(荒加工)およびボールエンドミル(仕上げ加工)であり、また、加工前の被削材形状は、50×50×30mmの直方体であり、加工形状はドーム形(ドームの高さ:10mm)である。
In the cutting simulation method of the present invention, cutting simulation is performed using a voxel model consisting of voxels of a second minimum voxel size obtained by dividing voxel sizes into two layers and further dividing voxels of a first minimum voxel size. The relationship between accuracy (resolution) and calculation time will be described. Specifically, the result of performing simulation in 3-axis control processing using a tool path for actual processing is shown, and the relationship between accuracy (resolution) and calculation time of the cutting simulation method of the present invention will be described.
In the simulation in 3-axis control machining, the tools used for cutting are a square end mill (rough machining) and a ball end mill (finish machining) with a diameter of 4 mm, and the material shape before machining is 50 × 50. It is a rectangular solid of × 30 mm, and the processing shape is a dome shape (height of dome: 10 mm).

第1のボクセルの1辺の長さを5mmとし、第2のボクセルの1辺の長さを、200μm、100μm、50μmと変化させて、1台の計算機による直列計算と2台の計算機による並列計算との処理時間を比較した。使用した計算機のCPUの仕様は、Intel Xeon (登録商標)3.5GHz(論理プロセッサ数:8コア)である。図7に第2のボクセルの1辺の長さを100μmとしたときに得られた加工形状を示す。下記表3に第2のボクセルの1辺の長さ(最小ボクセルサイズ)を変化させた際の解析ステップの総数、処理時間および1解析ステップ当たりの処理時間を示す。   The length of one side of the first voxel is 5 mm, and the length of one side of the second voxel is changed to 200 μm, 100 μm, and 50 μm, and serial calculation by one computer and parallel processing by two computers The processing time with the calculation was compared. The specification of the CPU of the used computer is Intel Xeon (registered trademark) 3.5 GHz (the number of logical processors: 8 cores). FIG. 7 shows a processed shape obtained when the length of one side of the second voxel is 100 μm. Table 3 below shows the total number of analysis steps, the processing time, and the processing time per analysis step when the length of one side (minimum voxel size) of the second voxel is changed.

上記表3の結果によれば、処理時間は、第2のボクセルの1辺の長さによらず、計算機の直列計算より並列計算の方が短くなっていた。これは、本発明の切削シミュレーション方法では、工具切れ刃と干渉するボクセルを検出する際の繰り返し処理の1回当たりの処理時間が、計算機の並列計算のためのオーバーヘッドよりも長く、計算機の並列計算の場合に処理時間が短いということを示している。   According to the results in Table 3 above, the processing time was shorter in parallel calculation than in serial calculation by a computer regardless of the length of one side of the second voxel. This is because, in the cutting simulation method of the present invention, the processing time per iteration of detecting the voxels that interfere with the tool cutting edge is longer than the overhead for parallel computing of the computer, and parallel computing of the computer is performed. Indicates that the processing time is short.

また、上記表1の結果によれば、第2のボクセル(最小ボクセルサイズ)の1辺の長さが1/2になると、解析ステップの総数が2倍になっている。これは、工具切れ刃の微小回転角を工具外周部での切れ刃移動量が第2のボクセルの1辺の長さと等しくなるように決定しているからである。また、第2のボクセルの1辺の長さ(最小ボクセルサイズ)が1/2になると、1解析ステップ当たりの処理時間が2倍になっている。これは、工具切れ刃が被削材と干渉しているボクセルを検出する際に、工具の微小薄板要素における工具切れ刃ベクトルを第2のボクセルの1辺の長さで分割して解析を行うため、第2のボクセルの1辺の長さ(最小ボクセルサイズ)が1/2になると、工具切れ刃ベクトルの分割数が2倍になるためである。
つまり、第2のボクセルの1辺の長さ(最小ボクセルサイズ)が1/2になると、解析ステップ数が2倍になり、1解析ステップ当たりの処理時間が2倍となるため、合計の処理時間は4倍となっている。
Further, according to the results of Table 1, when the length of one side of the second voxel (minimum voxel size) is 1⁄2, the total number of analysis steps is doubled. This is because the minute rotation angle of the tool cutting edge is determined such that the amount of movement of the cutting edge at the tool outer peripheral portion becomes equal to the length of one side of the second voxel. When the length (minimum voxel size) of one side of the second voxel is 1⁄2, the processing time per analysis step is doubled. This analysis is performed by dividing the tool cutting edge vector in the micro thin plate element of the tool by the length of one side of the second voxel when detecting the voxel in which the tool cutting edge interferes with the work material Therefore, when the length (minimum voxel size) of one side of the second voxel is 1⁄2, the number of divisions of the tool cutting edge vector is doubled.
That is, when the length (minimum voxel size) of one side of the second voxel is 1⁄2, the number of analysis steps is doubled, and the processing time per one analysis step is doubled. The time is quadrupled.

本発明の切削力適応制御方法では、工具切れ刃と被削材の干渉量の解析に、上述の本発明の切削シミュレーション方法を用い、干渉量(実切込み厚さ)から切削力を予測する計算には、従来の瞬間切削力モデルを用いる。瞬間切削力モデルでは、図8に示すように、工具回転中心の工具軸zに沿って微小薄板要素に分割して、個々の薄板要素ごとに微小切削力を計算する。この微小切削力を力の方向を考慮しながら足し合わせて、工具に作用する切削力を求める。微小切削力は各薄板要素の切れ刃先端に作用すると仮定し、切れ刃に垂直な面内(xy平面内)での加工を2次元切削状態で近似する。それぞれの薄板要素に作用する切削力の接線方向成分dF、半径方向成分dF、軸方向成分dFは、下記式3〜式5により表される。 In the cutting force adaptive control method of the present invention, calculation of predicting the cutting force from the interference amount (actual cutting thickness) using the above-described cutting simulation method of the present invention for analysis of the interference amount of the tool cutting edge and the work material The conventional instantaneous cutting force model is used for. In the instantaneous cutting force model, as shown in FIG. 8, the micro cutting force is calculated for each thin plate element by dividing it into small thin plate elements along the tool axis z at the center of tool rotation. The micro-cutting forces are added while taking into consideration the direction of the force to determine the cutting force acting on the tool. It is assumed that the micro cutting force acts on the cutting edge of each thin plate element, and the processing in the plane (in the xy plane) perpendicular to the cutting edge is approximated in a two-dimensional cutting state. The tangential component dF t , the radial component dF r and the axial component dF a of the cutting force acting on the respective thin plate elements are expressed by the following equations 3 to 5.

ここで、Kte、Kre、Kae、Ktc、Krc、Kacは予備実験から得られる切削係数であり、h(θ,z)は工具半径方向の実切込み厚さ、dzは工具軸方向に分割した微小薄板要素の厚さである。つまり、工具半径方向の実切込み厚さh(θ,z)が求まれば、切削力を算出することができる。h(θ,z)のzは、工具先端から工具軸方向に沿った距離、すなわち、微小薄板要素における工具位置を表している。h(θ,z)のθは、工具切れ刃先端と工具軸とを結ぶ直線の回転角を示している。図8に示す工具は4刃を有するスクエアエンドミルであり、各切り刃に加わる切削力を算出し、工具全体にかかる切削トルクを求めることができる。
各微小薄板要素における工具切れ刃ベクトルでの除去対象ボクセルの個数は、本発明の切削シミュレーション方法によって算出されるが、各軸方向の干渉量(実切込み厚さの各軸成分)は、除去対象ボクセルの個数とボクセルの1辺の長さの積から計算する。実切込み厚さh(θ,z)は、x方向成分h、y方向成分h、z方向成分hを用いて、下記式6で表すことができる。なお、h、h、hは、それぞれ絶対座標系のx、y、z方向での値である。
Here, K te , K re , K ae , K tc , K rc and K ac are cutting coefficients obtained from preliminary experiments, h (θ, z) is the actual cutting thickness in the tool radial direction, and dz is the tool It is the thickness of an axially divided thin sheet metal element. That is, if the actual cutting thickness h (θ, z) in the tool radial direction is obtained, the cutting force can be calculated. z of h (θ, z) represents the distance from the tip of the tool along the tool axis direction, that is, the tool position in the micro thin plate element. The θ of h (θ, z) represents the rotation angle of a straight line connecting the tip of the tool cutting edge and the tool axis. The tool shown in FIG. 8 is a square end mill having four blades, which can calculate the cutting force applied to each cutting blade and obtain the cutting torque applied to the entire tool.
The number of removal target voxels in the tool cutting edge vector in each thin thin plate element is calculated by the cutting simulation method of the present invention, but the interference amount in each axial direction (each axial component of actual cutting thickness) is the removal target Calculated from the product of the number of voxels and the length of one side of the voxel. The actual incision thickness h (θ, z) can be expressed by the following equation 6 using the x-direction component h x , the y-direction component h y , and the z-direction component h z . Here, h x , h y and h z are values in the x, y and z directions of the absolute coordinate system, respectively.

本発明の切削力適応制御方法の有効性を検証するために、スクエアエンドミルを用いた切削加工実験を行い、切削力の測定結果とシミュレーション結果を比較した。切削条件および切削力シミュレーション条件を下記表4に示す。加工実験では立て形マシニングセンタを用いて切削加工を行い、加工中の切削力を、水晶圧電式多成分動力計(日本キスラー社製;KISLER 9257B)を用いて測定した。   In order to verify the effectiveness of the cutting force adaptive control method of the present invention, cutting experiments using a square end mill were performed, and measurement results of the cutting force were compared with simulation results. The cutting conditions and the cutting force simulation conditions are shown in Table 4 below. In the processing experiment, cutting was performed using a vertical machining center, and the cutting force during processing was measured using a quartz piezoelectric multi-component dynamometer (manufactured by Nippon Kistler; KISLER 9257B).

予備実験で決定した切削係数を下記表5に示す。図9に、本発明の切削力適応制御方法におけるボクセルモデルを用いた切削加工の途中プロセスA〜Dの被削材モデルのイメージ、図10にそれらの切削力の推測結果を示す。   The cutting coefficients determined in the preliminary experiment are shown in Table 5 below. FIG. 9 shows images of workpiece material models during processes A to D during cutting using the voxel model in the cutting force adaptive control method of the present invention, and FIG. 10 shows the estimation results of those cutting forces.

図9,10におけるA〜Dの各イメージと切削力の推測結果は、加工途中の被削材と工具切れ刃ベクトルの関係を示しており、工具1刃当りの送り量ごとの解析ではなく、工具切れ刃の微小回転角ごとに解析を行っていることを示している。加工中の工具切れ刃の静変形や動変形も考慮できる。   The images A to D in FIGS. 9 and 10 and the estimation results of the cutting force show the relationship between the work material in the process of machining and the tool cutting edge vector, and it is not an analysis for each feed amount per tool edge, It shows that analysis is performed at every minute rotation angle of the tool cutting edge. Static deformation and dynamic deformation of the tool cutting edge during processing can also be considered.

図11と図12は、それぞれ工具送り速度が400mm/分と200mm/分における切削力の測定結果と推定結果を示すグラフである。図11は、工具送り速度が400mm/分における切削力の測定結果と推測結果のグラフである。また、図12は、工具送り速度が200mm/分における切削力の測定結果と推測結果のグラフである。また、それぞれのグラフでは、切削力のx方向成分をdF、y方向成分をdF、z方向成分をdFに分けてプロットしている。各図において、点線でプロットしたF(Meas.)、F(Meas.)およびF(Meas.)は切削力の測定結果を、実線でプロットしたF(Esti.)、F(Esti.)およびF(Esti.)は切削力の推測結果を示している。
それぞれの結果において、測定結果と推測結果の波形はよく一致していた。この結果から、本発明の切削力適応制御方法を用いた切削力の予測が高精度に行われていることが確認できた。
FIGS. 11 and 12 are graphs showing measurement results and estimation results of cutting forces at tool feed speeds of 400 mm / min and 200 mm / min, respectively. FIG. 11 is a graph of measurement results and estimation results of cutting force at a tool feed speed of 400 mm / min. FIG. 12 is a graph of measurement results and estimation results of cutting force at a tool feed speed of 200 mm / min. In each graph, the x-direction component of the cutting force is divided into dF x , the y-direction component is divided into dF y , and the z-direction component is divided into dF z . In each figure, F x (Meas.), F y (Meas.) And F z (Meas.) Plotted with dotted lines are F x (Esti.) And F y (Measured results of cutting force plotted with solid lines) Esti.) And F z (Esti.) Show the estimation results of the cutting force.
In each result, the waveforms of the measurement result and the estimation result were in good agreement. From this result, it can be confirmed that the prediction of the cutting force using the cutting force adaptive control method of the present invention is performed with high accuracy.

本発明の切削シミュレーション装置について詳細に説明する。図13は、切削シミュレーション装置の機能ブロック図の一例を示している。
切削シミュレータ装置1は、被削材データ11と、工具切れ刃形状データ12と、被削材と工具切れ刃の位置データ13、これらのデータ11〜13を入力する干渉判定部14と、除去量予測部15から構成される。具体的には、本発明の切削シミュレータ装置は、コンピュータで構成され、データ11〜13はメモリに記憶され、干渉判定部14と除去量予測部15としてコンピュータを機能させるプログラムが搭載されている。
被削材データ11は、被削材が微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現され、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスが付与されたデータである。工具切れ刃形状データ12は、工作機械の工具切れ刃の形状が3次元の点群で表現されたデータである。干渉判定部14は、データ11〜13を用いて、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の形状の3次元の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行う。除去量予測部15は、干渉判定部14で算出されたボクセル数とボクセルサイズに基づき、微小時間および微小空間の分解能で被削材の除去量を予測する。これにより、除去量を精度良く予測することで、加工処理による形状面を精度よく再現できる。
また、本発明の切削シミュレーション装置では、さらに、図13中の点線で示すように、切削力予測部16を備えることが可能であり、除去量予測部15において予測したボクセルの除去量から工具の切削力を推定することもできる。これにより、切削加工プロセスにおける工具の切削力を精度よく予測し、工具に過度の負担がかからないように、工具の回転速度や送り速度を調整することができる。
The cutting simulation device of the present invention will be described in detail. FIG. 13 shows an example of a functional block diagram of the cutting simulation device.
The cutting simulator device 1 includes an interference determination unit 14 for inputting work material data 11, tool cutting edge shape data 12, position data 13 of work material and tool cutting edge, and these data 11 to 13, and removal amount The prediction unit 15 is configured. Specifically, the cutting simulator device of the present invention is configured by a computer, data 11 to 13 are stored in the memory, and programs for causing the computer to function as the interference determination unit 14 and the removal amount prediction unit 15 are loaded.
The material to be cut 11 is data represented by a voxel model in which small voxels of the material to be cut are arranged, and a unique index is given to each voxel in correspondence with the arrangement position in the voxel model. The tool cutting edge shape data 12 is data in which the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point group. The interference determination unit 14 uses the data 11 to 13 and, for each minute rotation angle of the tool edge, an index of voxels overlapping with a straight line group connecting the tool center axis and the three-dimensional point group of the shape of the tool edge Calculate and perform interference determination. The removal amount prediction unit 15 predicts the removal amount of the work material with the resolution of the minute time and the minute space based on the number of voxels and the voxel size calculated by the interference determination unit 14. Thus, by accurately predicting the removal amount, it is possible to accurately reproduce the shape surface by the processing process.
Further, in the cutting simulation device of the present invention, as indicated by a dotted line in FIG. 13, the cutting force prediction unit 16 can be further provided, and the removal amount of voxels predicted by the removal amount prediction unit 15 can be The cutting force can also be estimated. As a result, the cutting force of the tool in the cutting process can be accurately predicted, and the rotational speed and feed rate of the tool can be adjusted so that the tool is not overloaded.

本発明の切削力適応制御システムについて詳細に説明する。図14は、本発明の切削力適応制御システムの機能ブロック図を示している。
図14に示すように、切削力適応制御システムは、リアルタイムに工作機械の工具経路を生成する工具経路生成部を有し、切削加工パラメータで制御され、工作機械に対して切削加工中に切削加工指令を動的に変更して逐次出力する逐次指令部を備えたシステムであり、下記(a)〜(f)を備え 切削加工パラメータに応じて、工具経路を再生成し、切削加工指令を動的に変更する。
The cutting force adaptive control system of the present invention will be described in detail. FIG. 14 shows a functional block diagram of the cutting force adaptive control system of the present invention.
As shown in FIG. 14, the cutting force adaptive control system has a tool path generating unit that generates a tool path of a machine tool in real time, is controlled by a cutting process parameter, and performs cutting while cutting on the machine tool This system is provided with a sequential command unit that dynamically changes commands and outputs them one by one, and comprises the following (a) to (f): Regenerates the tool path according to cutting parameters and moves the cutting command To change

(a)被削材が微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現され、ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスが付与された被削材データ
(b)工作機械の工具切れ刃の形状が3次元の点群で表現された工具切れ刃形状データ
(c)被削材データ、工具切れ刃形状データ、および、被削材と工具切れ刃の位置データを用いて、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の形状の3次元の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行う干渉判定部
(d)干渉判定部で算出されたボクセル数とボクセルサイズに基づき、微小時間および微小空間の分解能で被削材の除去量を予測する除去量予測部
(e)工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した被削材の除去量に基づき、工具の切削力を予測する切削力予測部
(f)予測した切削力から算出した切削トルクに応じて、切削加工パラメータを動的に変更する切削加工パラメータ変更部
(A) Work material data in which the work material is represented by a voxel model in which minute voxels are arranged, and in which each voxel has a unique index corresponding to the arrangement position in the voxel model (b) tool of a machine tool Tool cutting edge shape data in which the shape of the cutting edge is represented by a three-dimensional point group (c) cutting material data, tool cutting edge shape data, and position data of the cutting material and the cutting edge Interference determination unit (d) Interference determination that performs interference determination by calculating, for each minute rotation angle of the cutting edge, an index of voxels that overlap the straight line group connecting the tool center axis and the three-dimensional point group of the shape of the tool cutting edge The removal amount prediction unit (e) predicts the removal amount of the work material with the resolution of minute time and minute space based on the number of voxels and the voxel size calculated in the unit (e) Based on the amount of material removed , Depending on the cutting torque calculated from the cutting force prediction unit for predicting the cutting force of the tool (f) the predicted cutting force, the cutting parameter changing section for dynamically changing the cutting parameters

切削力適応制御システムは、製品の形状データ(CADデータ)を入力すると、CADデータに基づき加工プロセスを策定し、工具経路生成部が工作機械の工具経路を生成する。工具経路生成部は、切削力予測部の切削力予測に基づいて工具経路を修正する。逐次指令部は、工具送り速度などの指令データをNCマシンに送る。
切削加工パラメータ変更部では、例えば、切削力あるいは切削トルクが、継続加工は危険と判断される閾値を超える場合に工具送り速度を0(ゼロ)とし工具を停止したり、切削力あるいは切削トルクが、略0(ゼロ)の場合に、工具送り速度を許容範囲の最大値に変更する。
また、切削加工パラメータ変更部では、切削力から算出した工具変形量に応じた適応制御を行うことができる。例えば、工具の撓みによって被削材の加工面に誤差が生じる場合に、工具の撓みの変形量を打ち消すように切込み量や工具の傾きのパラメータを変更し制御し、工具の撓みによる加工面の誤差を低減して、意図した加工面を得るようにできる。
When the cutting force adaptive control system inputs shape data (CAD data) of a product, a machining process is formulated based on the CAD data, and a tool path generation unit generates a tool path of the machine tool. The tool path generation unit corrects the tool path based on the cutting force prediction of the cutting force prediction unit. The sequential command unit sends command data such as the tool feed speed to the NC machine.
In the cutting parameter change unit, for example, when the cutting force or cutting torque exceeds a threshold at which continuous processing is determined to be dangerous, the tool feed rate is set to 0 (zero) to stop the tool, or the cutting force or cutting torque is If it is approximately 0 (zero), change the tool feed rate to the maximum value of the allowable range.
In addition, in the cutting process parameter changing unit, adaptive control can be performed according to the amount of tool deformation calculated from the cutting force. For example, when an error occurs in the machined surface of the work material due to the bending of the tool, the parameters of the amount of cutting and the tilt of the tool are changed and controlled so as to cancel the deformation amount of the tool bending, and the machined surface Errors can be reduced to obtain the intended processing surface.

切削力適応制御システムは、NCマシンの工具に作用する切削力を計測するのではなく、被削材を微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現して、切削シニュレーション装置内の干渉判定部で、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と工具切れ刃の形状の3次元の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行い、除去量予測部で、干渉判定部で算出されたボクセル数とボクセルサイズに基づき、微小時間および微小空間の分解能で被削材の除去量を予測する。そして、切削力予測部で、工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した被削材の除去量に基づき、工具の切削力を予測する。切削加工パラメータ変更部で、予測した切削力から算出した切削トルクに応じて、切削加工パラメータを動的に変更し、切削力の予測結果に基づく適応制御を行う。
切削力適応制御システムでは、事前に用意されたプログラムによる指令ではなく、工具経路を実時間で生成し、加工中に指令を動的に変更することができる逐次指令により切削加工を行う。
The cutting force adaptive control system does not measure the cutting force acting on the tool of the NC machine, but expresses the work material by a voxel model in which minute voxels are arranged, and determines the interference in the cutting sequence device In this part, for each minute rotation angle of the tool cutting edge, the index of voxels overlapping the straight line group connecting the tool center axis and the three-dimensional point group of the shape of the tool cutting edge is calculated to perform interference determination, and removal amount prediction In the unit, the removal amount of the work material is predicted by the resolution of minute time and minute space based on the number of voxels and the voxel size calculated by the interference determination unit. Then, the cutting force prediction unit predicts the cutting force of the tool based on the predicted removal amount of the work material for each minute rotation angle of the tool cutting edge. The cutting processing parameter changing unit dynamically changes the cutting processing parameter according to the cutting torque calculated from the predicted cutting force, and performs adaptive control based on the cutting force prediction result.
In the cutting force adaptive control system, cutting is performed not by a command prepared in advance but by generating a tool path in real time and sequentially changing a command dynamically during processing.

本実施例では、工具としてボールエンドミルを用いた場合における切削シミュレーション方法について説明する。図15は、ボールエンドミルの瞬間切削力モデルを示している。
ボールエンドミルは、図15(1)に示すように、スクエアエンドミルと異なり、工具軸方向の位置によって工具切れ刃先端までの距離が異なるが(要素A,Bを参照)、スクエアエンドミルと同様に、図15(2)に示すように、工具を工具軸に沿って微小薄板要素に分割して、個々の要素ごとに微小切削力を計算する。そして、この微小切削力を力の方向を考慮しながら足し合わせて、工具に作用する切削力を求める。微小切削力は各薄板要素の切れ刃先端に作用すると仮定し、切れ刃に垂直な面内での加工を2次元切削状態で近似する。
ボールエンドミルの場合、それぞれの薄板要素の切れ刃先端に作用する切削力の接線方向成分dF、半径方向成分dF、軸方向成分dFは、下記式7〜式9により表される。ここで、dSは微小薄板要素の球面に沿った切れ刃の長さを表し、dbは工具軸方向に分割した微小薄板要素の厚さを表す。h(θ,z)のθは、工具切れ刃先端と工具軸とを結ぶ直線の回転角を示している。
In this embodiment, a cutting simulation method in the case of using a ball end mill as a tool will be described. FIG. 15 shows an instantaneous cutting force model of a ball end mill.
The ball end mill, as shown in FIG. 15 (1), differs from the square end mill in that the distance to the tip of the tool cutting edge differs depending on the position in the tool axial direction (see elements A and B). As shown in FIG. 15 (2), the tool is divided into micro thin plate elements along the tool axis, and the micro cutting force is calculated for each individual element. Then, the micro-cutting forces are added while taking into consideration the direction of the force, and the cutting force acting on the tool is determined. It is assumed that the micro cutting force acts on the cutting edge of each thin plate element, and processing in a plane perpendicular to the cutting edge is approximated in a two-dimensional cutting state.
In the case of a ball end mill, the tangential component dF t , radial component dF r and axial component dF a of the cutting force acting on the cutting edge of each thin plate element are expressed by the following equations 7 to 9. Here, dS represents the length of the cutting edge along the spherical surface of the micro thin plate element, and db represents the thickness of the thin thin plate element divided in the tool axis direction. The θ of h (θ, z) represents the rotation angle of a straight line connecting the tip of the tool cutting edge and the tool axis.

ここで、Kte、Kre、Kae、Ktc、Krc、Kacは予備実験から得られる切削係数であり、h(θ,z)は工具半径方向の実切込み厚さ、dzは工具軸方向に分割した微小薄板要素の厚さである。工具半径方向の実切込み厚さh(θ,z)が求まれば、切削力を算出することができる。h(θ,z)のzは、工具先端から工具軸方向に沿った距離、すなわち、微小薄板要素における工具位置を表している。
各微小薄板要素における工具切れ刃ベクトルでの除去対象ボクセルの個数は、本発明の切削シミュレーション方法で検出される。各軸方向の干渉量(実切込み厚さの各軸成分)は、除去対象ボクセルの個数とボクセルの1辺の長さの積から計算する。実切込み厚さh(θ,z)は、x方向成分h、y方向成分h、z方向成分hを用いて、上述の式6で表すことができる。
Here, K te , K re , K ae , K tc , K rc and K ac are cutting coefficients obtained from preliminary experiments, h (θ, z) is the actual cutting thickness in the tool radial direction, and dz is the tool It is the thickness of an axially divided thin sheet metal element. Once the actual cutting thickness h (θ, z) in the tool radial direction is determined, the cutting force can be calculated. z of h (θ, z) represents the distance from the tip of the tool along the tool axis direction, that is, the tool position in the micro thin plate element.
The number of voxels to be removed in the tool cutting edge vector of each thin thin plate element is detected by the cutting simulation method of the present invention. The amount of interference in each axial direction (each axial component of the actual cut thickness) is calculated from the product of the number of voxels to be removed and the length of one side of the voxel. The actual incision thickness h (θ, z) can be expressed by the above-mentioned equation 6 using the x-direction component h x , the y-direction component h y and the z-direction component h z .

本実施例では、工具としてラジアスエンドミルを用いた場合における切削シミュレーション方法について説明する。ラジアスエンドミルの場合、 図16(1)に示すように、切れ刃のコーナー部をボールエンドミルの瞬間切削力モデルを適用し、それ以外の切れ刃をスクエアエンドミルの瞬間切削力モデルを適用することにより、切削力の予測を行うことができる。
また、ラジアスエンドミルの場合でも、ボールエンドミルやスクエアエンドミルと同様に、図16(2)に示す瞬間切削力モデルを用い、微小薄板要素毎に、各切れ刃(図の場合は4刃)の微小回転角ごとに、最小ボクセルのボクセルモデルで表現された被削材モデルとの干渉判定を行い、最小ボクセルの除去量を予測し、切削力を推測する。
図16(3)に示すように、ラジアスエンドミルの工具姿勢を斜めに傾けて切削する場合であっても、工具切れ刃の形状を工具座標系(xa、ya、za)の3次元の点群で表現し、一方で、被削材のボクセルモデルを絶対座標系(x、y、z)の最小ボクセルで表現し、工具姿勢の傾き角θを用いて、それぞれの座標系を対応させる。例えば、工具軸が絶対座標系(x、y、z)のz軸からx軸方向に角度θだけ傾く場合には、工具半径Rは、x軸方向にはR・cosθ、y軸方向にはR、z軸方向にはRsinθとして工具切れ刃先端とボクセルとの干渉判定を行う。
In this embodiment, a cutting simulation method in the case of using a radius end mill as a tool will be described. In the case of a radius end mill, as shown in FIG. 16 (1), by applying the instantaneous cutting force model of the ball end mill to the corner of the cutting edge and applying the instantaneous cutting force model of the square end mill to the other cutting edges , Can predict the cutting force.
Also, in the case of a radius end mill, like the ball end mill and the square end mill, using the instantaneous cutting force model shown in FIG. 16 (2), for each minute thin plate element, the minute of each cutting edge (four in the case of the figure) For each rotation angle, the interference determination with the material model represented by the voxel model of the minimum voxel is performed, the removal amount of the minimum voxel is predicted, and the cutting force is estimated.
As shown in FIG. 16 (3), even when cutting by tilting the tool posture of the radius end mill, the shape of the tool cutting edge is a three-dimensional point group of the tool coordinate system (xa, ya, za) On the other hand, the voxel model of the work material is represented by the minimum voxel of the absolute coordinate system (x, y, z), and the coordinate systems are made to correspond to each other by using the inclination angle θ of the tool posture. For example, when the tool axis is inclined by an angle θ in the x-axis direction from the z-axis in the absolute coordinate system (x, y, z), the tool radius R is R · cos θ in the x-axis direction, in the y-axis direction In the R and z axis directions, interference determination between the tool tip and the voxel is performed as R sin θ.

本実施例では、ラジアスエンドミルの工具を斜めにして用いた場合においても、切削シミュレーション方法が実施できることについて説明する。
図17に示すように、ラジアスエンドミルをZX平面においてθが15°,30°,45°および60°になるようにそれぞれ斜めにして用い、ラジアスエンドミルの姿勢を変化させた場合で、X方向に沿って被削材を切削加工する際に、工具切れ刃の微小回転角ごとの切削力の推定精度を確認した。推定結果は実測した切削力波形とよく一致しており、ラジアスエンドミルのような複雑な工具の形状であって、かつ、工具姿勢を斜めに傾けて切削を行った場合であっても、本発明の切削シミュレーション方法が有用であることが確認できた。
In the present embodiment, it will be described that the cutting simulation method can be implemented even when the tool of the radius end mill is used obliquely.
As shown in FIG. 17, in the case where the radius end mill is inclined such that θ becomes 15 °, 30 °, 45 ° and 60 ° in the ZX plane, and the attitude of the radius end mill is changed, in the X direction When cutting the work material, the estimation accuracy of the cutting force for each small rotation angle of the cutting edge was confirmed. The estimation result is in good agreement with the measured cutting force waveform, and the present invention is a complex tool shape such as a radius end mill and the cutting is performed with the tool posture inclined at an angle. It has been confirmed that the cutting simulation method is useful.

工具切れ刃の形状が切削加工中に静的又は動的に変形する場合について説明する。
本発明の切削シミュレーション方法では、工作機械の工具切れ刃の形状を微小間隔の3次元の点群で表現し、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と切れ刃の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行い、被削材の除去量を予測する。
そのため、工具切れ刃の形状が切削加工中に静的又は動的に変形する場合、その変形に応じて、上記の3次元の点群を変更することで、変形による誤差を解消して、被削材の除去量を精度よく予測することができる。
The case where the shape of the tool cutting edge deforms statically or dynamically during cutting will be described.
In the cutting simulation method of the present invention, the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point group of minute intervals, and the tool central axis and the point group of the cutting edge are The index of voxels overlapping with the connecting straight line group is calculated to perform interference determination, and the removal amount of the work material is predicted.
Therefore, when the shape of the tool cutting edge is deformed statically or dynamically during cutting, the error due to the deformation is eliminated by changing the above three-dimensional point group according to the deformation, and the object is removed The removal amount of the cutting material can be predicted accurately.

例えば、切削加工プロセス中に、工具切れ刃が摩擦熱により変形する場合には、温度による切れ刃の変形後の形状データを予めデータ化しておき、温度センサで切れ刃の温度を測定し、或は、被削材の切削量や切削時間などから切れ刃の温度を推測して、切れ刃形状に関して切削開始からの経時変化を、微小間隔の3次元の点群にフィードバックして、形状の経時変化を反映させて、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と切れ刃の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行い、被削材の除去量を予測する。   For example, when the cutting edge is deformed due to frictional heat during the cutting process, shape data after deformation of the cutting edge due to temperature is made into data beforehand, and the temperature of the cutting edge is measured by a temperature sensor, The temperature of the cutting edge is estimated from the cutting amount and cutting time of the work material, etc., and the change over time from the start of cutting is fed back to the three-dimensional point cloud of minute intervals regarding the cutting edge shape, and the shape is aged The change is reflected, the index of the voxel overlapping with the straight line group connecting the tool center axis and the point group of the cutting edge is calculated for every minute rotation angle of the tool cutting edge, the interference judgment is performed, and the removal amount of the work material Predict.

この他、カメラを用いる工具位置測定装置など、工具の高速回転中における工具長や工具径を測定できる装置を用いて、切削加工プロセス中の工具長や工具径、工具の揺れを測定し、工具長や工具径の経時変化や、工具の揺れの経時変化を反映させて、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と切れ刃の点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行い、被削材の除去量を予測する。
工具を工作機械に取り付ける毎、被削材の加工に入る前、被削材の切削加工の終了毎、或は、一定個数の被削材の加工毎、それぞれのタイミングで工具の長さ、工具径、工具中心位置などを測定する。その場合、想定していたよりも、工具の長さ、工具径、工具中心位置が異なっている場合には、被削材の加工に大きな影響を与えることになる。本発明の切削シミュレーション方法では、想定していた工具切れ刃の三次元の点群が異なるものになり、シミュレーション結果に大きな影響を与える。このような場合、測定により判明した想定値からのズレ量に応じて、工具切れ刃の3次元の点群の位置を変更することにより、より正確なシミュレーションを行うことができる。
In addition to this, using a device that can measure the tool length and tool diameter during high-speed rotation of the tool, such as a tool position measurement device using a camera, measure the tool length and tool diameter during the cutting process and tool sway. Index of voxels that overlap with the straight line group connecting the tool center axis and the point cloud of the cutting edge for each minute rotation angle of the tool edge, reflecting the time-dependent change of length and tool diameter and the time variation of shaking of the tool It calculates and performs interference determination, and predicts the removal amount of the work material.
Every time the tool is attached to the machine tool, before the work on the work material, every time the work on the work material is finished, or every time the work of a certain number of work materials is processed, the tool length, the tool at each timing Measure the diameter, tool center position, etc. In that case, if the tool length, the tool diameter, and the tool center position are different than expected, the machining of the work material will be greatly affected. In the cutting simulation method of the present invention, the assumed three-dimensional point cloud of the tool cutting edge is different, which greatly affects the simulation result. In such a case, more accurate simulation can be performed by changing the position of the three-dimensional point cloud of the tool cutting edge according to the amount of deviation from the estimated value determined by measurement.

また、工具切れ刃の変形は、切削加工中に生じる工具の撓みによっても生じる。工具の撓みとは、加工力によって工具が弾性変形することであり、切削加工では工具切れ刃に作用する切削力により形状が変形する。切削加工においては回転する工具の中心軸の変形も該当する。加工誤差は、工具の撓みによる変形と共に、工作機械や工作物の変位にも影響するが、工作物や工作機械の剛性よりも工具自体の剛性が小さい場合には、工具の撓みが加工誤差の主な原因となる。エンドミル加工では、断続切削により変動する切削3分力の影響を受け、工具中心軸の振れ回りが生じるため、加工面の理想形状に対して波形状の加工誤差が生じることになる。   Also, deformation of the tool cutting edge is also caused by bending of the tool that occurs during cutting. The bending of the tool means that the tool is elastically deformed by the machining force, and in the cutting process, the shape is deformed by the cutting force acting on the tool cutting edge. In cutting, the deformation of the central axis of the rotating tool is also applicable. The machining error affects not only the deformation due to the bending of the tool but also the displacement of the machine tool or the workpiece, but if the rigidity of the tool itself is smaller than the rigidity of the workpiece or the machine tool, the bending of the tool It is the main cause. In the end milling process, a fluctuation of the tool center axis occurs under the influence of the three cutting force components that fluctuate due to the intermittent cutting, so that a waveform processing error occurs with respect to the ideal shape of the processing surface.

エンドミル加工では、工具21の送り方向(切削方向22)に対して、被削材(図示せず)から切削方向22と反対向きの応力23を受けて工具が撓む。図18に示すように、この工具の撓みFは、工具径Dが0.5倍になると16倍になり、工具の長さL(工具の突き出し長さ)が2倍になると8倍になることが知られている。このため、一般的に、工具は太く短い形状となるものを選定するのであるが、複雑な形状加工においては、必ずしもそのような工具を選定できるわけではなく、そのため工具の撓みによる加工誤差は少なからず存在する。本発明の切削シミュレーションでは、工具切れ刃の微小回転角毎に、工具の変形に応じて、工具切れ刃の3次元の点群を変更することにより、変形による誤差を解消して、被削材の除去量を精度よく予測することができる。   In end milling, the tool is bent by receiving a stress 23 in the direction opposite to the cutting direction 22 from a work material (not shown) with respect to the feeding direction (cutting direction 22) of the tool 21. As shown in FIG. 18, the deflection F of the tool is 16 times when the tool diameter D is 0.5 times, and 8 times when the tool length L (the protrusion length of the tool) is twice It is known. For this reason, generally, a tool with a thick and short shape is selected, but in complex shape processing, such a tool can not always be selected, and therefore, a processing error due to bending of the tool is small It exists. In the cutting simulation of the present invention, the error due to deformation is eliminated by changing the three-dimensional point group of the tool cutting edge according to the deformation of the tool at every minute rotation angle of the tool cutting edge, and the work material The amount of removal of can be accurately predicted.

エンドミル加工における工具の撓み変形について、図19(1)に示すように、工具にかかる分布荷重が作用する片持ち梁の変形として算出する例を説明する。各微小薄板要素における変形量は図に示すように、工具にP〜Pの荷重が加わっている場合、vの変形量は下記式10で算出することができる。また、工具ホルダの静変形は、図19(2)に示すように、荷重変位試験で実験的に求めた剛性kと加工中に発生する切削力の水平方向成分(半径方向成分dFおよび接線方向成分dF)から算出している。下記式10において、a,a,aは、それぞれ荷重P,P,Pが作用する点の工具先端からの距離であり、b,b,bは、それぞれ荷重P,P,Pが作用する点の工具支点からの距離である。また、Eは、工具の素材のヤング率である。 About the bending deformation of the tool in end milling, as shown to FIG. 19 (1), the example calculated as a deformation of the cantilever which a distribution load concerning a tool acts on is demonstrated. Deformation amount in each micro sheet metal member, as shown in the figure, if load is applied to P 1 to P 3 to the tool deformation amount of v 1 can be calculated by the following equation 10. In addition, as shown in FIG. 19 (2), the static deformation of the tool holder can be determined from the rigidity k experimentally obtained in the load displacement test and the horizontal component (radial component dF r and tangent line of the cutting force generated during processing) It is calculated from the directional component dF t ). In the following equation 10, a 1 , a 2 and a 3 are the distances from the tool tip of the point at which the loads P 1 , P 2 and P 3 act respectively, and b 1 , b 2 and b 3 are the loads respectively It is the distance from the tool fulcrum of the point where P 1 , P 2 and P 3 act. E is the Young's modulus of the material of the tool.

工具の静変形を考慮する場合、工具および工具ホルダの変形量によって実切込み厚さが変化する。このため、これらの変形量を無視して算出した切削力から変形量を求め、この変形量に伴う実切込み厚さの変化をフィードバックして切削力を算出し直す。変形量を考慮した実切込み厚さによって算出される切削力と、算出された切削力から求められる変形量を考慮して切削力が等しくなるまで繰り返し計算することにより、工具および工具ホルダの変形量を決定することができる。繰り返し計算の処理フローを図20に示す。
先ず変形量を無視して切削力Fを算出し、その切削力Fによる変形量δを算出する。次に、変形量δを考慮した実切込み厚さによって算出される切削力F´を算出し、切削力F´から求められる変形量δ´を算出する。そして、変形量δが変形量δ´より小さい場合には、切削力Fが過大に計算されていることになるため、切削力Fを小さくして再計算する。反対に、変形量δが変形量δ´より大きい場合には、切削力Fが過小に計算されていることになるため、切削力Fを大きくして再計算する。変形量δと変形量δ´が略等しくなるまで、計算を繰り返して、工具および工具ホルダの変形量を決定する。
When considering the static deformation of the tool, the actual depth of cut changes depending on the amount of deformation of the tool and the tool holder. For this reason, the amount of deformation is obtained from the cutting force calculated ignoring these amounts of deformation, and the change in the actual cutting thickness accompanying this amount of deformation is fed back to recalculate the cutting force. The amount of deformation of the tool and the tool holder by repeatedly calculating until the cutting force becomes equal, taking into account the amount of deformation calculated from the actual cutting thickness in consideration of the amount of deformation and the amount of deformation obtained from the calculated cutting force. Can be determined. The processing flow of the iterative calculation is shown in FIG.
First, the amount of deformation is ignored to calculate the cutting force F, and the amount of deformation δ due to the cutting force F is calculated. Next, the cutting force F 'calculated by the actual cutting thickness in consideration of the deformation amount δ is calculated, and the deformation amount δ' obtained from the cutting force F 'is calculated. If the deformation amount δ is smaller than the deformation amount δ ′, the cutting force F is calculated excessively, so the cutting force F is reduced and recalculation is performed. On the contrary, when the deformation amount δ is larger than the deformation amount δ ′, the cutting force F is under-calculated, so the cutting force F is increased and re-calculated. The calculation is repeated until the deformation amount δ and the deformation amount δ ′ become substantially equal to determine the deformation amounts of the tool and the tool holder.

エンドミル加工における工具の撓み変形について、上述の片持ち梁の変形として算出し、本発明の切削シミュレーション方法によって、工具切れ刃の3次元の点群と重なるボクセルの除去量を予測して切削力を算出し、その切削力による変形量を算出し、図20のフローに示す繰り返し計算の処理によって、最終的に工具切れ刃の変形量を決定し、工具切れ刃の3次元の点群を変更して除去量を予測する。シミュレーションで予測した加工形状と、実加工により測定した加工形状を比較して、本発明の切削シミュレーション方法の有効性を確認した。切削条件および切削力シミュレーション条件を下記表6に示す。   The bending deformation of the tool in end milling is calculated as the deformation of the above-mentioned cantilever beam, and the cutting simulation method of the present invention predicts the removal amount of the voxel overlapping the three-dimensional point group of the tool cutting edge and cuts the cutting force. Calculate the amount of deformation due to the cutting force, and finally determine the amount of deformation of the cutting edge by the process of iterative calculation shown in the flow of FIG. 20, and change the three-dimensional point cloud of the cutting edge Estimate the amount of removal. The effectiveness of the cutting simulation method of the present invention was confirmed by comparing the processing shape predicted by simulation and the processing shape measured by actual processing. The cutting conditions and the cutting force simulation conditions are shown in Table 6 below.

図21に実加工により測定した加工形状と予測した加工形状の比較図を示す。図21(1)は測定した加工形状であり、図21(2)は本発明の切削シミュレーション方法で予測した加工形状である。エンドミル工具の半径方向6.0mmの切り込みに対し、実加工では、工具および工具ホルダが変形して加工誤差が生じて、測定した加工形状では5.951mmの切り込みとなっていた。切削シミュレーションでの予測した加工形状では5.950mmの切り込みと予測されており、工具撓みによる変形により生じた加工誤差の様子が、精度良く表現できていることが確認できた。   The comparison figure of the processing shape measured by FIG. 21 by actual processing and the processing shape estimated is shown. FIG. 21 (1) shows the measured processing shape, and FIG. 21 (2) shows the processing shape predicted by the cutting simulation method of the present invention. In the actual machining, the tool and the tool holder were deformed with respect to the cutting of 6.0 mm in the radial direction of the end mill tool, resulting in a processing error, and the measured shape of the cutting was a cut of 5.951 mm. The cutting shape predicted in the cutting simulation is predicted to be a 5.950 mm notch, and it was confirmed that the state of the processing error caused by the deformation due to the tool deflection can be expressed with high accuracy.

本発明は、切削加工プロセスに用いる工作機械、自律加工を行う工作機械に有用である。   The present invention is useful for a machine tool used in a cutting process and a machine tool that performs autonomous machining.

1 切削シミュレーション装置
2 被削材モデル
3 工具軸
4 工具切れ刃
5 除去されるボクセル
6 薄板要素
7 工具切れ刃先端
11 被削材データ
12 工具切れ刃形状データ
13 被削材と工具切れ刃の位置データ
14 干渉判定部
15 除去量予測部
16 切削力予測部
21 工具
22 切削方向
23 応力
1 cutting simulation device 2 material model 3 tool axis 4 tool cutting edge 5 removed voxel 6 thin plate element 7 tool cutting edge tip 11 cutting material data 12 tool cutting edge shape data 13 position of cutting material and tool cutting edge Data 14 Interference determination unit 15 Removal amount prediction unit 16 Cutting force prediction unit 21 Tool 22 Cutting direction 23 Stress

Claims (14)

被削材を微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現する切削シミュレーション方法において、
工作機械の工具切れ刃の形状を微小間隔の3次元の点群で表現し、
前記ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスを付与し、
前記工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と前記点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行い、微小時間および微小空間の分解能で前記被削材の除去量を予測することを特徴とする切削シミュレーション方法。
In a cutting simulation method for expressing a work material by a voxel model in which minute voxels are arranged,
Express the shape of the cutting edge of the machine tool with a three-dimensional point cloud with minute intervals,
Assigning a unique index to each voxel corresponding to the placement position in the voxel model,
For each minute rotation angle of the tool cutting edge, an index of voxels overlapping with a straight line group connecting a tool center axis and the point group is calculated to perform interference determination, and the resolution of the work material in minute time and resolution of minute space A cutting simulation method characterized by predicting a removal amount.
前記微小回転角は、前記直線群の1つの移動量が前記ボクセルモデルのボクセルと外接する球の直径以下となる回転角であることを特徴とする請求項1に記載の切削シミュレーション方法。   The cutting simulation method according to claim 1, wherein the minute rotation angle is a rotation angle at which an amount of movement of one of the straight line group is equal to or less than a diameter of a sphere circumscribing the voxel of the voxel model. 前記干渉判定は、工具の回転軸と直交する平面で分割された微小薄板要素毎に、工具中心軸と前記点群を結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の切削シミュレーション方法。   The interference determination is characterized by calculating and determining an index of voxels overlapping the straight line group connecting the tool center axis and the point group, for each thin thin plate element divided in the plane orthogonal to the rotation axis of the tool. The cutting simulation method according to claim 1 or 2. 前記被削材の除去量は、各々の前記微小薄板要素における前記干渉判定により算出した前記インデクスのボクセルの個数を合算したボクセル数とボクセルサイズに基づき算出することを特徴とする請求項3に記載の切削シミュレーション方法。   The removal amount of the work material is calculated on the basis of the number of voxels obtained by adding the number of voxels of the index calculated by the interference determination in each of the thin thin plate elements and the voxel size. Cutting simulation method. 前記ボクセルモデルは、最小ボクセルサイズのボクセルで表現されることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の切削シミュレーション方法。   The said voxel model is represented by the voxel of the minimum voxel size, The cutting simulation method in any one of the Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記ボクセルモデルは、第1の最小ボクセルサイズの第1のボクセルで表現され、前記干渉判定により算出されたインデクスの第1のボクセルは、更に第2の最小ボクセルサイズの第2のボクセルで表現され、配置位置に対応して各々の第2のボクセルに固有のインデクスを付与することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の切削シミュレーション方法。   The voxel model is represented by a first voxel of a first minimum voxel size, and the first voxel of the index calculated by the interference determination is further represented by a second voxel of a second minimum voxel size The cutting simulation method according to any one of claims 1 to 4, wherein each second voxel is assigned a unique index corresponding to the arrangement position. 前記工具切れ刃の形状が切削加工中に静的又は動的に変形する場合には、
前記変形に応じて、前記点群を変更することを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の切削シミュレーション方法。
When the shape of the tool cutting edge is deformed statically or dynamically during cutting,
The said point group is changed according to the said deformation | transformation, The cutting simulation method in any one of the Claims 1-6 characterized by the above-mentioned.
前記工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した前記被削材の除去量に基づき、前記工具の切削力または切削トルクを、更に予測することを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の切削シミュレーション方法。   The cutting force or the cutting torque of the tool is further predicted on the basis of the predicted removal amount of the work material for each minute rotation angle of the tool cutting edge. Cutting simulation method described. 請求項8の切削シミュレーション方法を用いて、工作機械の工具の切削力または切削トルクを予測し、
予測した切削力または切削トルクに応じて、前記工作機械の切削加工指令を変更し、工具経路を再生成することを特徴とする切削力適応制御方法。
A cutting simulation method according to claim 8 is used to predict the cutting force or cutting torque of a tool of a machine tool,
A cutting force adaptive control method comprising changing a machining command of the machine tool according to the predicted cutting force or cutting torque and regenerating a tool path.
請求項8の切削シミュレーション方法を用いて、工作機械の工具の切削力または切削トルクを予測し、
予測した切削力または切削トルクに応じて、前記工作機械の工具送り速度と工具回転速度の少なくとも何れかを増減することを特徴とする切削力適応制御方法。
A cutting simulation method according to claim 8 is used to predict the cutting force or cutting torque of a tool of a machine tool,
A cutting force adaptive control method comprising: increasing or decreasing at least one of a tool feed speed and a tool rotation speed of the machine tool according to a predicted cutting force or cutting torque.
被削材が微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現され、前記ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスが付与された被削材データと、
前記工作機械の工具切れ刃の形状が3次元の点群で表現された工具切れ刃形状データと、
前記被削材データ、前記工具切れ刃形状データ、および、前記被削材と前記工具切れ刃の位置データを用いて、前記工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と前記点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行う干渉判定部と、
干渉判定部で算出されたボクセル数とボクセルサイズに基づき、微小時間および微小空間の分解能で前記被削材の除去量を予測する除去量予測部、
を備えたことを特徴とする切削シミュレータ装置。
Material to be cut is represented by a voxel model in which minute voxels are arranged, and material data to which a unique index is given to each voxel corresponding to the arrangement position in the voxel model,
Tool cutting edge shape data in which the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point group;
A tool center axis and the point group at every minute rotation angle of the tool cutting edge, using the work material data, the tool cutting edge shape data, and the position data of the work material and the tool cutting edge An interference determination unit that calculates an index of voxels overlapping with a straight line group connecting
A removal amount prediction unit that predicts the removal amount of the work material with a minute time and a minute space resolution based on the number of voxels and the voxel size calculated by the interference determination unit;
Cutting simulator device characterized by having.
前記工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した前記被削材の除去量に基づき、前記工具の切削力を予測する切削力予測部を更に備えたことを特徴とする請求項11に記載の切削シミュレータ装置。   The apparatus according to claim 11, further comprising a cutting force prediction unit that predicts the cutting force of the tool based on the predicted removal amount of the work material for each minute rotation angle of the tool cutting edge. Cutting simulator device. 請求項11又は12の切削シミュレータ装置がコンピュータで構成され、前記装置に搭載されるプログラムであって、
前記干渉判定部と前記除去量予測部として、コンピュータを機能させるための切削シミュレータプログラム。
A cutting simulator device according to claim 11 or 12 is configured by a computer and is a program installed in the device,
A cutting simulator program for causing a computer to function as the interference determination unit and the removal amount prediction unit.
リアルタイムに工作機械の工具経路を生成する工具経路生成部を有し、切削加工パラメータで制御され、前記工作機械に対して切削加工中に切削加工指令を動的に変更して逐次出力する逐次指令部を備えた適応制御システムであって、
被削材が微小なボクセルが配置されたボクセルモデルで表現され、前記ボクセルモデルにおける配置位置に対応して各ボクセルに固有のインデクスが付与された被削材データと、
前記工作機械の工具切れ刃の形状が3次元の点群で表現された工具切れ刃形状データと、
前記被削材データ、前記工具切れ刃形状データ、および、前記被削材と前記工具切れ刃の位置データを用いて、前記工具切れ刃の微小回転角毎に、工具中心軸と前記点群とを結ぶ直線群と重なるボクセルのインデクスを算出して干渉判定を行う干渉判定部と、
干渉判定部で算出されたボクセル数とボクセルサイズに基づき、微小時間および微小空間の分解能で前記被削材の除去量を予測する除去量予測部、
前記工具切れ刃の微小回転角毎に、予測した前記被削材の除去量に基づき、前記工具の切削力を予測する切削力予測部と、
予測した切削力から算出した切削トルクに応じて、前記切削加工パラメータを動的に変更する切削加工パラメータ変更部、
を備え 前記切削加工パラメータに応じて、前記工具経路を再生成し、前記切削加工指令を動的に変更することを特徴とする切削力適応制御システム。

It has a tool path generation unit that generates the tool path of the machine tool in real time, is controlled by cutting parameters, and sequentially changes the cutting command dynamically to the machine tool during cutting and sequentially outputs An adaptive control system having a control unit,
Material to be cut is represented by a voxel model in which minute voxels are arranged, and material data to which a unique index is given to each voxel corresponding to the arrangement position in the voxel model,
Tool cutting edge shape data in which the shape of the tool cutting edge of the machine tool is represented by a three-dimensional point group;
A tool center axis and the point group at every minute rotation angle of the tool cutting edge, using the work material data, the tool cutting edge shape data, and the position data of the work material and the tool cutting edge An interference determination unit that calculates an index of voxels overlapping with a straight line group connecting
A removal amount prediction unit that predicts the removal amount of the work material with a minute time and a minute space resolution based on the number of voxels and the voxel size calculated by the interference determination unit;
A cutting force prediction unit that predicts the cutting force of the tool based on the predicted removal amount of the work material for each minute rotation angle of the tool cutting edge;
A cutting parameter changing unit that dynamically changes the cutting parameters according to the cutting torque calculated from the predicted cutting force,
A cutting force adaptive control system comprising: regenerating the tool path according to the cutting parameters; and dynamically changing the cutting command.

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