JP5287984B2 - 加工シミュレーション方法およびその装置並びにその方法をコンピュータに実行させるプログラム - Google Patents

Description

この発明は、素材形状モデルと工具の形状モデルおよび工具移動経路から定義される工具加工領域の形状モデルとから、加工された素材形状モデルの生成を行う加工シミュレーション方法およびその装置に係わり、特に早送り時の工具移動経路上の工具と素材との干渉が過度に検出されないようにした加工シミュレーション方法およびその装置に関するものである。

従来、素材と工具の形状モデルおよび工具移動経路情報に基づき加工された素材形状モデルを生成・表示する加工シミュレーション装置として、工具が工具移動経路上を移動した際の加工されうる領域である工具加工領域の形状モデルを工具移動経路に沿った工具形状モデルのスウィープ処理により生成し、生成した工具加工領域の形状モデルを素材形状モデルから集合演算により除去することで加工された素材形状モデルを生成して表示する装置が知られている。
また、工具移動経路が加工を目的としない早送り時のものである場合に、前記生成した工具加工領域の形状モデルと素材形状モデルとの干渉検出を実施する装置についても知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−２８４８１９号公報

上記のような加工シミュレーション装置では、工具が加工された素材の加工面に接する状態となる早送りの工具移動経路の場合に、工具加工領域と素材形状モデル間の干渉検出にて安定した干渉検出結果を得ることができず過度に干渉検出される問題があった。これは、工具移動経路や形状モデルの表現精度の影響により工具加工領域と素材形状モデル間で微小に交差する状態であった場合に干渉検出演算にて「接している」のか「交差している」のかを適切に認識することが困難な為である。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、工具移動経路や形状モデルの表現精度の影響を受けずに工具加工領域と素材形状モデル間の干渉検出を安定に正しく行えるようにした加工シミュレーション方法およびその装置を提供しようとするものである。

この発明の加工シミュレーション方法は、素材形状モデルと、工具形状モデルおよび工具移動経路から定義される工具加工領域形状モデルとから、加工された素材形状モデルを生成する加工シミュレーション方法において、厳密な工具形状を包含する素材加工用の工具形状モデル及び厳密な工具形状に包含される干渉検出用の工具形状モデルを生成する工程と、加工送り時の工具移動経路と前記素材加工用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルを前記素材形状モデルから除去することにより、前記加工された素材形状モデルを生成する工程と、早送り時の工具移動経路と前記干渉検出用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルと素材形状モデルとの干渉を検出する工程と、を有するものである。

また、この発明の加工シミュレーション方法は、前記工具形状モデルとして、厳密な工具形状を包含する素材加工用の工具形状モデルと、厳密な工具形状に包含される干渉検出用の工具形状モデルとを生成する際に、所定のシミュレーション精度の設定値に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルそれぞれに対する厳密な工具形状からの誤差範囲を設定し、前記設定した誤差範囲に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルを生成するものである。

また、この発明の加工シミュレーション装置は、素材形状モデルと、工具形状モデルおよび工具移動経路から定義される工具加工領域形状モデルとから、加工された素材形状モデルを生成する加工シミュレーション装置において、厳密な工具形状を包含する素材加工用の工具形状モデル及び厳密な工具形状に包含される干渉検出用の工具形状モデルを生成する工具形状モデル設定手段と、加工送り時の工具移動経路と前記素材加工用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルを前記素材形状モデルから除去することにより、加工された素材形状モデルを生成する加工素材モデル生成手段と、早送り時の工具移動経路と前記干渉検出用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルと素材形状モデルとの干渉を検出する工具干渉検出手段と、を有するものである。

また、この発明の加工シミュレーション装置は、前記工具形状モデル設定手段が、所定のシミュレーション精度の設定値に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルそれぞれに対する厳密な工具形状からの誤差範囲を設定する手段と、前記設定された誤差範囲に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルを生成する手段とを有するものである。

この発明によれば、素材形状モデルの加工面は厳密な工具形状からなる工具加工領域に対して所定量以上離れた位置に形成でき、また、干渉チェックの際には厳密な工具形状からなる工具加工領域から所定量以上内部に離れた工具加工領域と素材形状モデルとの干渉検出が行われるため、厳密な工具形状を用いた場合に工具加工領域と素材の加工面とが接する早送りの工具移動経路においては、工具加工領域と素材の加工面とに所定量以上のすき間が形成されるため干渉検出においてモデル同士が「接している」状態の判定を行わずに済み、安定して正しい干渉検出結果が得られるという効果がある。

この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の素材形状モデル設定部の動作を説明する図である。 この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の工具形状モデル設定部の動作を説明する図である。 この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の加工素材モデル生成部の動作を説明する図である。 この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の加工素材モデル生成部の動作を説明する図である。 この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の工具干渉検出部の動作を説明する図である。 この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の工具干渉検出部の動作を説明する図である。

１ 素材形状モデル設定部、２ シミュレーション実行部、３ 工具形状モデル設定部、４ 加工素材モデル生成部、５ 工具干渉検出部、６ 加工素材・干渉情報表示部、７ 素材形状定義情報格納部、８ 素材形状モデル格納部、９ ＮＣプログラム格納部、１０ 加工送り工具移動経路格納部、１１ 早送り工具移動経路格納部、１２ シミュレーション精度情報格納部、１３ 厳密工具形状情報格納部、１４ 素材加工用工具形状モデル格納部、１５ 干渉検出用工具形状モデル格納部、１６ 干渉情報格納部。

実施例１．
以下この発明の実施例１を、図１〜図８を用いて説明する。
図１は、ディスプレイ上にＮＣ加工プログラムによって移動する工具によりワークが加工される様子、工具とワークとの干渉状況などを表示する、この発明の実施例１に係る加工シミュレーション装置の構成を示すものである。なお、このシミュレーション装置は、数値制御装置に組み込まれる場合もあるし、パーソナルコンピュータ上に構築される場合もある。また、この加工シミュレーション装置を構成するソフトウエアは記憶媒体に記憶された状態で流通し、前記数値制御装置やパーソナルコンピュータにインストールされて使用される場合もある。

図１において、素材形状モデル設定部１は、素材形状定義情報格納部７に格納された素材形状の定義情報から加工前の素材形状モデルを生成し、生成した素材形状モデルを素材形状モデル格納部８へ格納する。
シミュレーション実行部２は、ＮＣプログラム格納部９に格納されたＮＣプログラムを解析し、ＮＣプログラムから得られた加工送り時の工具移動経路データを加工送り工具移動経路格納部１０に格納し、ＮＣプログラムから得られた早送り時の工具移動経路データを早送り工具移動経路格納部１１へ格納し、工具形状モデル設定部３、加工素材モデル生成部４、工具干渉検出部５および加工素材・干渉情報表示部６の各部に処理の実行を指令する。

工具形状モデル設定部３は、シミュレーション実行部２からの実行指令に応じて、シミュレーション精度情報格納部１２に格納された精度情報を基に、素材加工用工具形状モデルの厳密工具形状からの誤差範囲と、干渉検出用工具形状モデルの厳密工具形状からの誤差範囲を設定し、設定した誤差範囲と厳密工具形状情報格納部１３に格納された厳密な工具形状の情報より素材加工用工具形状モデルと干渉検出用工具形状モデルとを生成し、生成した素材加工用工具形状モデルおよび干渉検出用工具形状モデルを、それぞれ素材加工用工具形状モデル格納部１４および干渉検出用工具形状モデル格納部１５に格納する。
なお、前記厳密工具形状（または厳密な工具形状）とは、ＮＣ加工プログラムが、このＮＣ加工プログラムで指令されたそのものの加工経路（理想的な加工経路）が得られるよう、理想的な工具で加工されることを前提に作成されるため、その前提となる理想的な工具の形状（図４（a）参照）のことを指す。また、ここで厳密工具形状（または厳密な工具形状）と言う用語を使用し、厳密工具形状モデル（または厳密な工具形状モデル）と言う用語を使用していないのは、厳密工具形状（または厳密な工具形状）のモデルを生成しておらず厳密工具形状（または厳密な工具形状）のデータのみで処理しているためである。
また、また素材加工用工具形状モデルとは、図４（ｂ）に示すような、厳密な工具形状を包含するように生成する工具形状モデルを指し、また干渉検出用工具形状モデルとは、図４（ｃ）に示すような、厳密な工具形状に包含されるように生成する工具形状モデルを指す。

加工素材モデル生成部４は、シミュレーション実行部２からの実行指令に応じて、加工送り工具移動経路格納部１０に格納された加工送り時の工具移動経路データと素材加工用工具形状モデル格納部１４に格納された素材加工用工具形状モデルとから、工具加工領域形状モデルを生成し、生成した工具加工領域形状モデルを、素材形状モデル格納部８に格納された素材形状モデルから集合演算により除去することで加工後の素材形状モデルを生成し、生成した加工後の素材形状モデルを素材形状モデル格納部８に格納する。

工具干渉検出部５は、シミュレーション実行部２からの実行指令に応じて、早送り工具移動経路格納部１１に格納された早送り時の工具移動経路データと干渉検出用工具形状モデル格納部１５に格納された干渉検出用工具形状モデルとから、工具加工領域形状モデルを生成し、生成した工具加工領域形状モデルと素材形状モデル格納部８に格納された素材形状モデル間の干渉検出を行い、干渉が検出された場合に干渉情報格納部１６に干渉情報（干渉時の工具移動経路に対するＮＣプログラム内のブロック情報など）を格納する。

加工素材・干渉情報表示部６は、シミュレーション実行部２からの実行指令に応じて、素材形状モデル格納部８に格納された素材形状モデルの陰影イメージを生成し、生成した陰影イメージでディスプレイ上の陰影イメージを更新する。また、干渉情報格納部１６に干渉情報が存在する場合は、干渉情報の内容をディスプレイ上に表示する。
なお、素材形状モデル設定部１、シミュレーション実行部２、工具形状モデル設定部３、加工素材モデル生成部４、工具干渉検出部５および加工素材・干渉情報表示部６は、主にソフトウエアで構成されている。
また、このシミュレーション装置のハードウエア構成は、ＣＰＵ、メモリなどから構成される一般的な構成である。

このように構成された加工シミュレーション装置は、図２に示すフローチャートに従って動作する。
ステップＳ１において、素材形状モデル設定部１が、素材形状定義情報格納部７に格納された素材形状の定義情報から加工前の素材形状モデルを生成し、生成した素材形状モデルを素材形状モデル格納部８へ格納する。
図３は直方体形状の素材形状モデルを生成した場合の一例であり、ここでは素材形状の定義情報が、形状のパターン（直方体）、位置（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ）および寸法（Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚ）からなっている。
ステップＳ２では、シミュレーション実行部２が、ＮＣプログラムからＮＣプログラムを構成するブロック情報を読み出している。ブロック情報としては工具交換を指令（Ｔ指令）するもの、加工時の工具移動を指令（Ｇ０１、Ｇ０２、Ｇ０３指令）するもの、早送り時の工具移動を指令（Ｇ００指令）するものなどがある。

ステップＳ３では、シミュレーション実行部２が、ＮＣプログラムから読み出したブロック情報が存在したかをチェックしており、存在しない場合は動作を終了し、そうでない場合はステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、シミュレーション実行部２が、読み出したブロック情報が工具交換を指令するものであるかをチェックしており、ブロック情報が工具交換を指令するもの（Ｔ指令）である場合ステップＳ５に進み、そうでない場合はステップＳ７に進む。
ステップＳ５およびステップＳ６において、工具形状モデル設定部３が、工具交換のブロック情報で指定された工具番号を基に、この工具番号に対応する、厳密工具形状情報格納部１３に格納された工具情報を読出し、工具交換のブロック情報で指定された工具番号に対する工具形状モデルとして、素材加工用の工具形状モデル（厳密な工具形状を包含するように生成する工具形状モデル）と干渉検出用の工具形状モデル（厳密な工具形状を包含するように生成する工具形状モデル）とを生成する。

ステップＳ５では、工具形状モデル設定部３の誤差範囲設定部３Ａが、シミュレーション精度情報格納部１２に格納された精度情報を基に、素材加工用工具形状モデル（厳密な工具形状を包含するように生成する工具形状モデル）および干渉検出用工具形状モデル（厳密な工具形状に包含されるように生成する工具形状モデル）の厳密な工具形状に対するそれぞれの誤差範囲を設定する。

誤差範囲は例えば次のように決定される。
即ち、厳密な工具形状にて素材の加工面と工具加工領域形状とが接する場合で、例えば図８に示すように、厳密な工具形状による加工面と厳密な工具形状からの工具加工領域形状とが接する場合で、素材加工用工具形状モデルによる加工面と干渉検出用工具形状モデルによる工具加工領域形状との間で少なくとも確保する距離をＥｓ（＞０）、所定のシミュレーションの精度をＥ（＞Ｅｓ）、素材加工用工具形状モデルと厳密な工具形状との間の誤差量をＥｍ、干渉検出用工具形状モデルと厳密な工具形状との間の誤差量をＥｄとすると、これらの誤差の範囲を次のように設定する。
Ｅｓ／２ ≦ Ｅｍ ≦ Ｅ／２
Ｅｓ／２ ≦ Ｅｄ ≦ Ｅ／２
なお、前記Ｅｓはユーザが設定するか若しくはシミュレーション装置内に予め設定されており、また前記Ｅはユーザが設定する。

ステップＳ６では、工具形状モデル設定部３の工具形状モデル生成部３Ｂが、上記のようにして決定された誤差範囲に収まるように加工用工具形状モデルおよび干渉検出用工具形状モデルを生成し、加工用工具形状モデルを素材加工用工具形状モデル格納部１４に、また干渉検出用工具形状モデルを干渉検出用工具形状モデル格納部１５に格納する。
図４は設定される工具形状モデルとして多面体近似の工具形状モデルを設定する場合の一例を示したものであり、図４（ａ）は生成する工具形状モデルの基となる厳密な工具形状であり、図４（ｂ）は素材加工用の工具形状モデル（厳密な工具形状を包含するように生成する工具形状モデル）、図４（ｃ）は干渉検出用の工具形状モデル（厳密な工具形状に包含されるように生成する工具形状モデル）の例を示している。

ステップＳ６の後は、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ７では、シミュレーション実行部２が、読み出したブロック情報が加工送り時の工具移動指令であるかをチェックしており、そうである場合ステップＳ８に進み、そうでない場合ステップＳ９に進む。

ステップＳ８では、加工素材モデル生成部４が、加工送り工具移動経路格納部１０に格納された加工送り時（Ｇ０１、Ｇ０２、Ｇ０３指令時）の工具移動経路とステップＳ６で生成した素材加工用の工具形状モデルとから、工具加工領域形状モデルを生成し、生成した工具加工領域形状モデルを、素材形状モデル格納部８に格納されている素材形状モデルから集合演算により除去することで素材形状モデルを加工後のものに更新する。
図５に図２ステップＳ８での処理例を示す。図５（ａ）は、処理前の素材形状モデル、素材加工用工具形状モデルおよび加工送り時の工具移動経路との関係を示しており、図５（ｂ）は、工具形状モデルと工具移動経路とから工具加工領域形状モデルが生成された様子を示している。図５（ｃ）は生成された工具加工領域形状モデルが集合演算により除去されることにより更新された素材形状モデルを示している。

図６に図４に示す素材加工用工具形状モデルを用いて更新された素材形状モデルの加工面を示す。素材加工用工具形状モデルが厳密な工具形状を包含したものなので素材形状モデルに形成された加工面は、厳密な工具形状によるものに対して少なくともＥｓ／２以上外側に広がったものとなる。なお、図６（a）は正面図、図６（ｂ）は図６（a）のＡ−Ａ線断面図である。
ステップＳ８の後は、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ９では、シミュレーション実行部２が、読み出したブロック情報が早送り時の工具移動指令であるかをチェックしており、そうである場合ステップＳ１０に進み、そうでない場合ステップＳ２に進む。

ステップＳ１０では、工具干渉検出部５が、早送り工具移動経路格納部１１に格納された早送り時（Ｇ００指令時）の工具移動経路とステップＳ６で生成した干渉検出用の工具形状モデルとから、工具加工領域形状モデルを生成し、生成した工具加工領域形状モデルと素材形状モデル間で干渉検出演算を行い、干渉が検出された場合に干渉情報としてＮＣプログラムにおける干渉が発生したブロック情報の位置を記憶する。

図７に図２ステップＳ１０での処理例を示す。図７（ａ）は処理前の素材形状モデル、干渉検出用工具形状モデルおよび早送り時の工具移動経路との関係を示しており、工具移動経路としては、厳密な工具形状では素材の穴部に入り込んだ工具が穴部の加工面に接する位置までの移動となっている。図７（ｂ）は、干渉検出演算が実施される工具形状モデルと工具移動経路とから生成された工具加工領域形状モデルと素材形状モデルとの様子を示している。なお、図７の例は、素材に穴加工を行った後、この穴の側面を仕上げ加工する場合の例である。

図８に干渉検出演算時の工具加工領域形状モデルと素材形状モデルの加工面との関係について示す。なお、図８（a）は正面図、図８（ｂ）は図８（a）のＡ−Ａ線断面図である。図８において、干渉検出用工具形状モデルが厳密な工具形状に包含されるものであり工具加工領域形状は、厳密な工具形状によるものに対して少なくともＥｓ／２以上内側に離れたものとなる。素材形状の加工面は、厳密な工具形状によるものに対して少なくともＥｓ／２以上外側に広がったものとなっているので、工具加工領域形状と素材形状の加工面との間に少なくともＥｓ以上のすき間が確保されることになる。このため干渉検出演算にてモデル間の接する状態の認識が不要となり安定して干渉しないと判断されるようになり過度な干渉検出を防止することができる。

ステップＳ１１では、加工素材・干渉情報表示部６が、素材形状モデルの陰影イメージを生成し、生成した陰影イメージでディスプレイ上の陰影イメージを更新する。また、格納された干渉情報が存在する場合は、干渉情報の内容をディスプレイ上に表示する。
ステップＳ１１の後、ステップＳ２に戻りＮＣプログラムの次のブロック情報の読出しを行う。
以上が本発明の加工シミュレーション装置における動作の流れである。

この実施例１によれば、早送りで工具移動経路上を移動する工具が素材形状の加工面と接する状況のシミュレーションにて、工具加工領域形状と素材形状の加工面との間に一定量以上のすき間を確保することができ、工具加工領域形状と素材形状間の干渉検出にてモデル間が接する状態を認識する必要がなく安定して干渉しないと判断できるようになり、不要な干渉の検出を防止するといった効果がある。

この発明に係る加工シミュレーション装置は、数値制御装置に与えるＮＣプログラムの検証を行うための加工シミュレーション装置として、また、工作機械の運転中に加工された素材と工具との干渉を予測して干渉を防止するための加工シミュレーション装置として用いられるのに適している。

Claims (5)

1. 素材形状モデルと、工具形状モデルおよび工具移動経路から定義される工具加工領域形状モデルとから、加工された素材形状モデルを生成する加工シミュレーション方法において、厳密な工具形状を包含する素材加工用の工具形状モデルと、厳密な工具形状に包含される干渉検出用の工具形状モデルとを生成する工程と、加工送り時の工具移動経路と前記素材加工用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルを前記素材形状モデルから除去することにより、前記加工された素材形状モデルを生成する工程と、早送り時の工具移動経路と前記干渉検出用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルと素材形状モデルとの干渉を検出する工程と、を有することを特徴とする加工シミュレーション方法
2. 前記工具形状モデルとして、厳密な工具形状を包含する素材加工用の工具形状モデルと、厳密な工具形状に包含される干渉検出用の工具形状モデルとを生成する際に、所定のシミュレーション精度の設定値に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルそれぞれに対する厳密な工具形状からの誤差範囲を設定し、前記設定した誤差範囲に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルを生成することを特徴とする請求項１に記載の加工シミュレーション方法。
3. コンピュータ上で実行することにより、請求項１または２に記載の方法をコンピュータに実行させるプログラム。
4. 素材形状モデルと、工具形状モデルおよび工具移動経路から定義される工具加工領域形状モデルとから、加工された素材形状モデルを生成する加工シミュレーション装置において、厳密な工具形状を包含する素材加工用の工具形状モデルと、厳密な工具形状に包含される干渉検出用の工具形状モデルとを生成する工具形状モデル設定手段と、加工送り時の工具移動経路と前記素材加工用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルを前記素材形状モデルから除去することにより、加工された素材形状モデルを生成する加工素材モデル生成手段と、早送り時の工具移動経路と前記干渉検出用の工具形状モデルとに基づいて工具加工領域形状モデルを生成し、この工具加工領域形状モデルと素材形状モデルとの干渉を検出する工具干渉検出手段と、を有することを特徴とする加工シミュレーション装置。
5. 前記工具形状モデル設定手段が、所定のシミュレーション精度の設定値に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルそれぞれに対する厳密な工具形状からの誤差範囲を設定する手段と、前記設定された誤差範囲に基づいて、素材加工用および干渉検出用の工具形状モデルを生成する手段とを有することを特徴とする請求項４に記載の加工シミュレーション装置。

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