JP5892846B2 - 加工シミュレーション装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＣ工作機械を用いた切削加工をコンピュータ上で模擬する加工シミュレーション装置及び方法に関する。

加工シミュレーションは、ＮＣ工作機械を用いた切削加工において、作成準備した加工プログラムで所望の仕上がり形状が得られるかどうかを検証する目的で使用される。加工シミュレーションによって加工上の問題が見出されたとき、作業者は、加工プログラムを修正し、再度加工シミュレーションを実行して結果を確認し、問題が解消されるまでこの作業を繰り返す。

通常、こうした加工シミュレーションは、加工プログラムが完成した段階又は実際の加工を行う直前の段階で加工プログラム全体に対して一括で実行することが多いが、加工プログラムを作成準備する段階、すなわち、加工プログラミング作業中に編集箇所の加工動作を個別にシミュレーションして繰り返し確認したい場合もある。

しかしながら、切削加工では、被加工物は素材の状態から始まり、工具の時系列な移動による個々の切削の積み重ねで現在の形状へとつながっていくため、これを模擬する加工シミュレーションでも途中の過程をスキップすることができず、編集箇所の加工動作を確認するには加工の先頭から確認対象の加工動作の直前まで加工シミュレーションを再実行する必要がある。

加工シミュレーションは、被加工物の形状モデルをコンピュータ内部に表現し、工具の移動に合わせて被加工物の形状モデルを逐次変形する処理を繰り返す。近年、被加工物の形状を三次元形状モデルで表現する方式の加工シミュレーションが広く行われているが、この場合には変形処理の演算時間が無視できない。そのため、シミュレーションを繰り返すたびに加工の先頭から再実行していたのでは、編集箇所の加工動作を確認できるようになるまでかなりの待ち時間を要し、プログラミング作業を効率よく進められないことが問題となっている。

こうした問題に関連して、加工の途中段階から短時間で加工シミュレーションを再実行することを目的とした発明が特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１には、複数の工程からなる加工において、各工程の最終状態のシミュレーション結果である画素データを保存しておき、シミュレーションを再開する工程の一つ前の工程の最終状態の画素データを読み出し、シミュレーションをその時点から実行する方法が開示されている。

また、特許文献２には、加工の先頭から再開位置に達するまでは干渉チェック処理や表示処理を中止し、再開位置前の被加工物の形状を得るための演算のみを行う方法が開示されている。

特許文献３には、加工シミュレーションで作成された被加工物の三次元形状モデルを加工プログラム中に指定された識別子とともにメモリに書き込み、再開時には、加工プログラム中に指定された識別子に一致する工具や被加工物の三次元形状モデルをそれぞれの記憶メモリから取り出して加工シミュレーションを実行する方法が開示されている。

これらの方法により、加工の途中段階から加工シミュレーションを再実行するための処理時間を短縮することができる。

特許第４３２９２４８号公報 特許第４３４３０７２号公報 特開２００９−５３８２３号公報

従来技術は概ね二つの方法に分類される。一方は、別途記憶しておいた加工シミュレーションの途中結果を呼び出してシミュレーションを再開する方法である。他方は、シミュレーションを加工の先頭から実行するものの、途中の表示や関連する処理を省略して再開位置に至るまでの待ち時間を短縮する方法である。

前者の場合、途中結果を保存するための記憶領域が保存の回数（例えば工程数）だけ必要となり、記憶領域の容量に応じて保存できる回数が制限される。

後者の場合、省略可能な処理は加工シミュレーションで実現している内部処理の一部に過ぎず、再開位置に至るまでの待ち時間を大幅に短縮できるものではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工プログラミング作業中に編集対象箇所の加工動作を短時間で繰り返し確認することが可能な加工シミュレーション装置及び方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工具移動指令に基づいて被加工物の三次元形状モデルを逐次変形し、変形後の被加工物の三次元形状モデルを表示することによって被加工物に対する切削加工を模擬する加工シミュレーション装置であって、被加工物の素材の三次元形状モデルを保持する素材形状モデル記憶部と、被加工物に対する部分的な加工を実施する領域の形状を示す加工除去領域形状を情報成分として含む加工ユニットの並びとして記述された加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部と、加工プログラム中の各加工ユニット間で一方の加工ユニットに先立ち実行しておく必要がある加工ユニットへの依存関係を示す依存関係データを記憶する加工ユニット間依存関係データ記憶部と、作業者によって選択された加工ユニットが依存する他の加工ユニットを依存関係データに基づいて抽出する依存ユニット抽出部と、依存ユニット抽出部が抽出した加工ユニットの各々について、加工除去領域形状の三次元形状モデルを生成する加工除去領域形状モデル生成部と、形状ブーリアンの差演算を実行して、素材の三次元形状モデルから各加工ユニットの加工除去領域形状の三次元形状モデルを差し引いた三次元形状モデルを生成する形状ブーリアン実行部と、形状ブーリアン実行部が生成した三次元形状モデルを被加工物の三次元形状モデルの初期データとし、作業者が選択した加工ユニットに応じた工具移動指令のシーケンスに基づいて被加工物の三次元形状モデルを逐次変形して、変形後の被加工物の三次元形状モデルを表示するシミュレーション表示部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、加工プログラミング作業中に、作業者が編集対象として選択した加工ユニットの加工動作を加工シミュレーションで確認する場合に、当該加工ユニットの加工動作の直前の被加工物の形状モデルは、当該加工ユニットが直接又は間接的に依存している他の加工ユニットの加工除去領域形状及び素材の形状を対象とした形状ブーリアンの差演算により生成されるため、途中結果を保存する必要がないことに加え、加工の先頭から当該加工ユニットの加工動作の直前まで加工シミュレーションを実行する場合に比べ、待ち時間がより短くなり、加工プログラミング作業が効率的に行えるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる加工シミュレーション装置の実施の形態１の構成を示す図である。 図２は、加工プログラムを構成している加工ユニット間の依存関係を模式的に表した図である。 図３は、実施の形態１にかかる加工シミュレーション装置の動作の流れを示すフローチャートである。 図４は、フライス加工ユニット、及び１段目のポケット加工ユニットに関して生成される加工除去領域形状の三次元形状モデルを示す図である。 図５は、形状ブーリアン演算により生成される三次元形状モデルを示す図である。 図６は、三次元形状モデルを初期データとして、選択加工ユニットである２段目のポケット加工ユニットに対する加工シミュレーションを実行した場合のシミュレーション表示の例を示す図である。 図７は、本発明にかかる加工シミュレーション装置の実施の形態２の構成を示す図である。 図８は、実施の形態２における加工シミュレーション装置の処理の流れを示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかる加工シミュレーション装置及び方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる加工シミュレーション装置の実施の形態１の構成を示す図である。加工シミュレーション装置１は、素材形状モデル記憶部２、加工プログラム記憶部３、加工ユニット間依存関係データ記憶部４、依存ユニット抽出部５、加工除去領域形状モデル生成部６、形状ブーリアン実行部７、加工シミュレーション基本処理部８を備える。

素材形状モデル記憶部２、加工プログラム記憶部３、加工ユニット間依存関係データ記憶部４の各記憶部には、それぞれ、加工に用いる素材形状の三次元形状モデル、加工プログラム、加工プログラム中の加工ユニット間依存関係のデータが予め格納されている。

加工シミュレーション基本処理部８は、被加工物形状モデル記憶部９、工具形状記憶部１０、工具移動指令生成部１１、切削変形処理部１２及びシミュレーション表示部１３を備えて構成されている。

なお、加工シミュレーション装置１全体としては、上記の他、加工シミュレーション表示の出力先であるディスプレイデバイス１４、作業者が加工シミュレーション装置１の実行操作を行ったり表示の視線変更を指示したりするための入力デバイス１５としてのキーボードやマウス等を備えている。

記憶装置５１は、情報を不揮発に記憶する装置であり、素材形状モデル記憶部２、加工プログラム記憶部３、加工ユニット間依存関係データ記憶部４、被加工物形状モデル９記憶部及び工具形状モデル記憶部１０は、記憶装置５１を用いて構成されている。記憶装置５１としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）や半導体記憶装置などを適用可能である。また、制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やワークエリアとしてのＲＡＭ（Random Access memory）などを備えた処理装置であり、加工シミュレーション装置１の各機能部（依存ユニット抽出部５、加工除去領域形状モデル生成部６、形状ブーリアン実行部７、工具移動指令生成部１１、切削変形処理部１２及びシミュレーション表示部１３）は、ソフトウェア処理によって制御部５０上に実現される。

また、加工シミュレーション装置１は、他の装置、例えば、加工プログラミング装置の一部として、又は、加工プログラミング装置に接続して動作する周辺装置として機能するような構成も可能である。その場合は、ディスプレイデバイス１４や入力デバイス１５はこれらの装置間で共有される。特に、加工シミュレーション装置１が加工プログラミング装置の一部又は周辺装置として機能する場合には、加工プログラム記憶部３や加工ユニット間依存関係データ記憶部４は、プログラミング装置内の対応するデータを参照又は共有するように構成しても良い。

ここで、実施の形態１の加工シミュレーション装置１で扱う加工プログラムについて説明する。実施の形態１では、加工プログラムは加工ユニットの並びとして記述され、加工プログラム記憶部３に格納される。加工ユニットは、ポケット加工や穴開け加工といった意味的な纏まりを持つ部分的な加工に対応し、加工プログラミングにおける編集の基本単位となる。各加工ユニットは、加工除去領域形状、加工方法、使用工具、加工条件などのデータ（情報成分）の組み合わせで表現されている。各加工ユニットで行われる加工動作は、指定の工具を用いて、指定の加工方法により、指定の加工条件の下で、指定の領域形状を被加工物から取り除くための工具移動指令のシーケンスとして導出され、一般にはＮＣ（Numerical Control）装置の制御処理部に（本実施の形態では加工シミュレーション基本処理部８内の切削変形処理部１２に）送られる。

加工ユニット間には、加工の順序に関して依存関係が存在する場合がある。例えば、ポケット形状の底に穴を開ける場合、穴開けを行う加工ユニットに先立ち、ポケット加工の加工ユニットを実行しておく必要がある。すなわち、穴開け加工ユニットは、ポケット加工ユニットに依存する。

実施の形態１では、加工ユニットの並びとして記述した加工プログラムの他に、加工プログラム内の加工ユニット間の依存関係を記述したデータが加工ユニット間依存関係データ記憶部４に格納される。

図２は、加工プログラムを構成している加工ユニット間の依存関係を模式的に表した図である。図中の矢印は、矢印の根元の加工ユニットから矢印の先端の加工ユニットへの依存関係を表す。すなわち、穴開け加工ユニット２０は、２段目のポケット加工ユニット１８に依存する。また、２段目のポケット加工ユニット１８は、１段目のポケット加工ユニット１７に依存する。また、１段目のポケット加工ユニット１７は、フライス加工ユニット１６に依存する。また、面取り加工ユニット１９は、フライス加工ユニット１６に依存する。こうした加工ユニット間の依存関係は、加工プログラム全体で見れば、有向グラフの構造をとる。

図３は、実施の形態１にかかる加工シミュレーション装置の動作の流れを示すフローチャートである。加工シミュレーション装置の各機能部の動作について、図１の構成図及び図３のフローチャートに基づいて詳細に説明する。なお、動作に先立ち、作業者は入力デバイス１５を用い、加工動作の確認対象の加工ユニットをすでに選択しているものとする。また、以下では、作業者が選択した加工ユニットを選択加工ユニットと称する。

依存ユニット抽出部５は、選択加工ユニットについて、加工ユニット間依存関係データ記憶部４に格納された加工ユニット間の依存関係グラフをたどり、選択加工ユニットが直接的又は間接的に依存している他の加工ユニットを抽出し、加工ユニットのリストとして出力する（ステップＳ１）。例えば、図２に示した加工ユニット間の依存関係のケースで作業者が２段目のポケット加工ユニット１８を加工動作認識の対象として選択した場合は、矢印で示した依存関係をたどって直接的な依存先である１段目のポケット加工ユニット１７、及び間接的な依存先であるフライス加工ユニット１６の二つの加工ユニットがリストとして出力される。

加工除去領域形状モデル生成部６は、依存ユニット抽出部５から受け取った加工ユニットのリストに従い、加工プログラム記憶部３に格納された加工プログラムでリストに該当する加工ユニットのデータを順に読み取り、各加工ユニットの加工除去領域形状のデータに基づき、対応する三次元形状モデルを作成して出力する（ステップＳ２）。

形状ブーリアン実行部７は、加工除去領域形状モデル生成部６から受け取った加工除去領域形状の三次元形状モデルと素材形状モデル記憶部２に格納されている素材の三次元形状モデルとを用いて形状ブーリアンの差演算を実行し、素材形状から加工除去領域形状を差し引いた形状を表す三次元形状モデルを生成し、出力する（ステップＳ３）。

加工シミュレーション基本処理部８は、形状ブーリアン実行部７から受け取った三次元形状モデルを被加工物形状モデル記憶部９に一旦格納する（ステップＳ４）。次に、選択加工ユニットのデータを加工プログラム記憶部３から読み出し、使用工具のデータに指定の工具種別と寸法を有する工具の三次元形状モデルを工具形状モデル記憶部１０にセットする（ステップＳ５）。その後、工具移動指令生成部１１を用いて選択加工ユニットの加工動作を行うための工具移動指令のシーケンスを生成する（ステップＳ６）。工具移動指令のシーケンスの終わりでなければ（ステップＳ７／Ｎｏ）、切削変形処理部１２を用いて被加工物形状モデル記憶部９の三次元形状モデルを逐次変形し（ステップＳ８）、シミュレーション表示部１３を用いてディスプレイデバイス１４にグラフィック表示し（ステップＳ９）、ステップＳ７に戻る。工具移動指令のシーケンスが終わりであれば（ステップＳ７／Ｙｅｓ）、処理を終了する。

図４は、フライス加工ユニット、及び１段目のポケット加工ユニットに関して生成される加工除去領域形状の三次元形状モデルを示す図である。それぞれの加工ユニットの加工除去領域形状は底面の輪郭形状と加工深さとで定義されており、これらのデータに基づいてフライス加工ユニットの加工除去領域形状の三次元形状モデル２１及び１段目のポケット加工ユニットの加工除去領域形状の三次元形状モデル２２が生成される。

図５は、形状ブーリアン演算により生成される三次元形状モデルを示す図である。素材の三次元形状モデル２３から、フライス加工ユニット１６及び１段目のポケット加工ユニット１７の加工除去領域形状の三次元形状モデル２１、２２を差し引くことにより、三次元形状モデル２４が生成される。生成された三次元形状モデル２４は、加工シミュレーション基本処理部８で実行される加工シミュレーションにおいて、被加工物の三次元形状モデルの初期データとなる。図６は、三次元形状モデルを初期データとして、選択加工ユニットである２段目のポケット加工ユニットに対する加工シミュレーションを実行した場合のシミュレーション表示の例を示す図である。形状ブーリアンの差演算で生成した三次元形状モデル２４を初期形状とし、工具の三次元形状モデル２８を移動させることにより、２段目のポケット加工ユニットの加工部位２７の形状が三次元形状モデル２４上に形成されていく画面がディスプレイデバイス１４に表示される。

通常、加工ユニットの多くは複数の工具移動指令からなるシーケンスを伴うため、加工の先頭から加工シミュレーションを実行していたのでは、確認したい箇所に実行が達するまでにかなりの待ち時間を要するが、実施の形態１によれば、確認対象の加工ユニットが依存する他の加工ユニットの個数に相当する少ない演算回数で動作確認に必要な初期データが整う。また、加工プログラム中の加工ユニットの時系列な並びではなく、依存関係に基づいて抽出された加工ユニットのみを演算対象とするため、確認対象の加工ユニットとは無関係の加工ユニットに対する演算は省略でき、待ち時間をさらに短縮することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、選択加工ユニットの加工動作を加工シミュレーションで確認する場合に、加工シミュレーションの初期データとなる被加工物の三次元形状モデルを、少ない演算回数かつ短時間で得ることができ、例えば加工シミュレーションを個別に繰り返しながら加工プログラミングを行う場合に効率的に作業を進めることができる。

また、加工の最初から加工シミュレーションを実行する場合と比べてより短時間でシミュレーション結果が得られるため、同じ時間内により多くの回数の加工シミュレーションを実行できる。これにより、実際に製品の加工を行う前の段階で加工上の問題の原因特定や対策立案を行いやすくなるため、実際に被加工物に対して加工を行う際に不良品が発生しにくくし、製品歩留まりを向上させることができる。

実施の形態２．
図７は、本発明にかかる加工シミュレーション装置の実施の形態２の構成を示す図である。実施の形態２においては、加工シミュレーション装置２５は、形状モデル変換部２６を新たに備えている。また、素材形状モデル記憶部２に記憶される素材の三次元形状モデル、加工除去領域形状モデル生成部６が生成する三次元形状モデル、及び、形状ブーリアン実行部７が入力及び出力する三次元形状モデルのそれぞれは、境界表現（B-Rep、Boundary Representation）と呼ぶ形式をとり、加工シミュレーション基本処理部８で扱う被加工物の三次元形状モデルはボクセル形式をとるように動作が変更されている。ただし、これらの各機能部の本質的な動作は実施の形態１と同様である。その他のデータ及び機能部の動作は実施の形態１と同様である。

形状モデル変換処理部２６は、形状ブーリアン実行処理部７が出力した境界表現形式の三次元形状モデルをボクセル形式の三次元形状モデルに変換する。図８は、実施の形態２における加工シミュレーション装置の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態２では、図３に示した実施の形態１のフローチャートに対して、ステップＳ３とステップＳ４との間に形状モデルの変換処理（ステップＳ１０）が新たに追加されている。

通常、ブーリアン実行処理部７における形状ブーリアン演算では、加工ユニットを単位とした大きな粒度での形状変形が実行されるが、実行回数は少ない。一方、加工シミュレーション基本処理部８における切削変形処理では、個々の工具移動を単位とした小さな粒度での形状変形が実行されるが、実行回数は前者よりも多くなる。演算に必要な処理時間の観点では、一般に、前者のような性質の形状変形には境界表現形式による三次元形状モデルが適しており、後者の場合はボクセル形式の三次元形状モデルが適している。このことから、実施の形態２によれば、確認対象の加工ユニットの加工シミュレーションを開始できるようになるまでの待ち時間に、当該加工ユニットの加工シミュレーションの実行時間を合わせたトータル時間が短縮される。

なお、三次元形状モデルを境界表現形式からボクセル形式に変換する処理は、被加工物全体ではなく、必要最小限の範囲に限定することも可能である。具体的には、確認対象である選択加工ユニットの加工除去領域形状に相当する範囲を変換対象とすればよい。これにより、さらにトータル時間を短縮できる。

以上のように、本発明にかかる加工シミュレーション装置及び方法は、加工プログラミング作業中に編集対象箇所の加工動作を短時間で繰り返し確認することが可能な点で有用である。

１、２５ 加工シミュレーション装置
２ 素材形状モデル記憶部
３ 加工プログラム記憶部
４ 加工ユニット間依存関係データ記憶部
５ 依存ユニット抽出部
６ 加工除去領域形状モデル生成部
７ 形状ブーリアン実行部
８ 加工シミュレーション基本処理部
９ 被加工物形状モデル記憶部
１０ 工具形状モデル記憶部
１１ 工具移動指令生成部
１２ 切削変形処理部
１３ シミュレーション表示部
１４ ディスプレイデバイス
１５ 入力デバイス
１６ フライス加工ユニット
１７ １段目のポケット加工ユニット
１８ ２段目のポケット加工ユニット
１９ 面取り加工ユニット
２０ 穴開け加工ユニット
２１ フライス加工ユニットの加工除去領域形状の三次元形状モデル
２２ １段目のポケット加工ユニットの加工除去領域形状の三次元形状モデル
２３ 素材の三次元形状モデル
２４ 三次元形状モデル
２６ 形状モデル変換部
２７ ２段目のポケット加工ユニットの加工部位
２８ 工具の三次元形状モデル
５０ 制御部
５１ 記憶装置

Claims (4)

1. 工具移動指令に基づいて被加工物の三次元形状モデルを逐次変形し、変形後の前記被加工物の三次元形状モデルを表示することによって前記被加工物に対する切削加工を模擬する加工シミュレーション装置であって、
   前記被加工物の素材の三次元形状モデルを保持する素材形状モデル記憶部と、
   前記被加工物に対する部分的な加工を実施する領域の形状を示す加工除去領域形状を情報成分として含む加工ユニットの並びとして記述された加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部と、
   前記加工プログラム中の各加工ユニット間で一方の加工ユニットに先立ち実行しておく必要がある加工ユニットへの依存関係を示す依存関係データを記憶する加工ユニット間依存関係データ記憶部と、
   作業者によって選択された前記加工ユニットが依存する他の加工ユニットを前記依存関係データに基づいて抽出する依存ユニット抽出部と、
   前記依存ユニット抽出部が抽出した前記加工ユニットの各々について、前記加工除去領域形状の三次元形状モデルを生成する加工除去領域形状モデル生成部と、
   形状ブーリアンの差演算を実行して、前記素材の三次元形状モデルから前記各加工ユニットの前記加工除去領域形状の三次元形状モデルを差し引いた三次元形状モデルを生成する形状ブーリアン実行部と、
   前記形状ブーリアン実行部が生成した三次元形状モデルを前記被加工物の三次元形状モデルの初期データとし、前記作業者が選択した加工ユニットに応じた前記工具移動指令のシーケンスに基づいて前記被加工物の三次元形状モデルを逐次変形して、変形後の前記被加工物の三次元形状モデルを表示するシミュレーション表示部とを備えることを特徴とする加工シミュレーション装置。
2. 境界表現形式の三次元形状モデルをボクセル形式の三次元形状モデルに変換する形状モデル変換部を備え、
   前記素材の三次元形状モデル、前記加工除去領域形状の三次元形状モデル、及び前記形状ブーリアンの差演算によって生成される三次元形状モデルは境界表現形式で表現され、
   前記被加工物の三次元形状モデルはボクセル形式で表現され、
   前記形状モデル変換部は、前記形状ブーリアンの差演算によって生成された境界表現形式の三次元形状モデルをボクセル形式に変換して、前記被加工物の三次元形状モデルと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装置。
3. 前記形状モデル変換部は、前記作業者によって選択された前記加工ユニットの前記加工除去領域形状に相当する範囲について、前記形状ブーリアンの差演算によって生成された境界表現形式の三次元形状モデルをボクセル形式に変換することを特徴とする請求項２に記載の加工シミュレーション装置。
4. 被加工物に対する部分的な加工を実施する領域の形状を示す加工除去領域形状を情報成分として含む加工ユニットの並びとして記述した加工プログラムと、該加工プログラム中の前記加工ユニット間で一方の加工ユニットに先立ち実行しておく必要がある加工ユニットへの依存関係とに基づいて、作業者が選択した前記加工ユニットが依存する他の前記加工ユニットを抽出する第１のステップと、
   前記第１のステップで抽出された前記加工ユニットの各々の前記加工除去領域形状の三次元形状モデルを生成する第２のステップと、
   形状ブーリアンの差演算を実行して、素材の三次元形状モデルから前記第２のステップで生成した前記加工除去領域形状の三次元形状モデルを差し引いた三次元形状モデルを生成する第３のステップと、
   前記第３のステップで生成した三次元形状モデルを被加工物の三次元形状モデルの初期データとし、前記作業者が選択した前記加工ユニットのデータから導出された工具移動指令に基づき、前記被加工物の三次元形状モデルを変形して、変形後の前記被加工物の三次元形状モデルを表示する第４のステップとを備え、
   前記作業者が選択した前記加工ユニットのデータから導出された工具移動指令のシーケンスが終わるまで、前記第４のステップを繰り返すことを特徴とする加工シミュレーション方法。

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