JP5971001B2 - Material heat propagation simulation device for thermal cutting machine - Google Patents

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この発明は、レーザ切断や、プラズマ切断等を行う熱切断加工機において、加工時における入熱による板金等の素材の熱伝播の状況をシミュレーションする熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置に関する。   The present invention relates to a material heat propagation simulation apparatus for a heat cutting machine that simulates the state of heat propagation of a material such as a sheet metal by heat input during processing in a heat cutting machine that performs laser cutting, plasma cutting, or the like.

従来、板金素材のレーザ加工において、レーザ照射による熱の蓄積が素材に熱歪みを引き起こし、製品精度に影響を及ぼすことが経験的に知られている。   Conventionally, in laser processing of a sheet metal material, it has been empirically known that heat accumulation due to laser irradiation causes thermal distortion of the material and affects product accuracy.

特許第4385724号公報Japanese Patent No. 4385724

簡素な形状の切断加工では熱の影響は比較的少ないが、例えば、図7に示すような外周がギヤ形状部waとなった歯車状の製品wを素材Wから切り取る加工の場合、歯形状の切断加工のために、小さな範囲で長い長さの切断を行うため、素材Wの面積当たりの入熱量が多くなる。そのため、素材温度が上がり、熱歪みが大きくなる。熱歪みが大きい状態で加工が続けられると、素材に熱による応力が発生した状態になるため、加工精度が低下し、また歪みがある程度大きくなると、塑性変形を生じることもある。また、同図に示すような複雑な形状の製品wの加工の場合、素材Wが前記熱による応力を持った状態で加工が続けられるため、製品wの外周の最後の部分を素材Wから切り離したときに、その応力が解放されるように、製品wに大きな反り上がり等が発生することがある。このような大きな反り上がりが生じると、レーザヘッドの干渉エラー監視機能を有するレーザ加工機では、加工停止を招くことがある。   In the cutting process with a simple shape, the influence of heat is relatively small. For example, in the case of cutting a gear-shaped product w whose outer periphery is a gear-shaped portion wa as shown in FIG. For cutting, a long length is cut in a small range, so the amount of heat input per area of the material W increases. As a result, the material temperature rises and thermal distortion increases. If the processing is continued in a state where the thermal strain is large, a stress due to heat is generated in the material, so that the processing accuracy is lowered, and if the strain is increased to some extent, plastic deformation may occur. Further, in the case of processing a product w having a complicated shape as shown in the figure, since the processing is continued in a state where the material W has the stress caused by the heat, the last part of the outer periphery of the product w is separated from the material W. When the product w is released, the product w may be greatly warped or the like so that the stress is released. When such a large warpage occurs, the laser processing machine having a laser head interference error monitoring function may cause processing to stop.

上記のような熱歪みによる精度低下や加工上の支障は、従来から経験的には知られているが、どのような条件のときに、どのように生じるか、に関してまでは知られていない。そこで、加工時の入熱で素材の各部にどのような温度変化が生じるかが実際の加工よりも前に分かれば、ある程度は具体的に熱歪みの状況が予測でき、また熱歪みによる素材の変形の予測にも繋がると考えた。   Although the above-described accuracy degradation and processing troubles due to thermal strain have been known empirically, it has not been known yet how and under what conditions. Therefore, if the temperature change in each part of the material caused by heat input during processing is known before actual processing, the state of thermal strain can be predicted to some extent, and the material due to thermal strain can be predicted. I thought it would lead to the prediction of deformation.

この発明の目的は、熱切断加工機による切断の進行に従って素材にどのような温度変化が生じるかがシミュレーションできる熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置を提供することである。
この発明の他の目的は、前記温度変化のシミュレーションをより一層精度良く行えるようにすることである。
この発明のさらに他の目的は、前記温度変化のシミュレーションをより一層精度良く行える具体的な計算式を持つ装置を提案することである。
この発明のさらに他の目的は、切断の経過によって溶断された部分までを考慮したより一層精度の良い温度変化のシミュレーションを行えるようにすることである。
この発明のさらに他の目的は、温度変化の状況が目視できるようにすることである。
この発明のさらに他の目的は、温度変化による素材の変形状態までシミュレーションできるようにすることである。
An object of the present invention is to provide a material heat propagation simulation device for a thermal cutting machine capable of simulating what kind of temperature change occurs in the material as the cutting by the thermal cutting machine progresses.
Another object of the present invention is to perform the simulation of the temperature change with higher accuracy.
Still another object of the present invention is to propose an apparatus having a specific calculation formula that can simulate the temperature change with higher accuracy.
Still another object of the present invention is to make it possible to perform a more accurate simulation of temperature change in consideration of up to a portion melted by the progress of cutting.
Still another object of the present invention is to make the state of temperature change visible.
Still another object of the present invention is to enable simulation of the deformation state of a material due to a temperature change.

この発明の熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置は、熱切断加工機により板状の素材の切断すべき部分を入熱により溶かして切断する過程における前記素材(W)に生じる熱伝播状況をシミュレーションする装置であって、
前記素材(W)の一部または全体をボクセル近似して各ボクセル(S)に温度を持たせ、かつ隣接するボクセル(S)間およびボクセル(S)と空間との間にそれぞれ熱の伝わり易さの程度を示す拡散係数を持たせたボクセルモデル(M)を作成するモデル生成手段(4)と、
前記素材(W)の切断経路(R)上における単位時間毎に切断される領域(Ra)を計算する切断領域計算手段(5)と、
この切断領域計算手段(5)で計算された領域(Ra)から、前記ボクセルモデル(M)の入熱すべきボクセル(S)を定められ規則に従って計算する入熱ボクセル計算手段(6)と、
この入熱ボクセル計算手段(6)で計算された入熱すべき各ボクセル(S)に、前記熱切断加工機による切断時の入熱で前記各ボクセル(S)と対応する素材(W)の部位に生じる入熱温度を設定する入熱温度設定手段(7)と、
前記ボクセルモデル(M)の各ボクセル(S)につき、前記入熱温度と前記拡散係数(D)とを用いて前記単位時間毎の温度変化を計算するボクセル温度計算手段(8)、
とを備える。
前記熱切断加工機は、熱切断、すなわち素材(W)の切断すべき部分を入熱により溶かして切断する装置であり、例えば、レーザ加工機、プラズマ切断加工機、電子ビーム加工機、ガス切断加工機等がある。
The material heat propagation simulation device of the thermal cutting machine according to the present invention is configured to detect a heat propagation state generated in the material (W) in a process of melting and cutting a portion to be cut of a plate-like material by heat input by the thermal cutting machine. A simulation device,
A part or the whole of the material (W) is approximated by voxels so that each voxel (S) has a temperature, and heat is easily transferred between adjacent voxels (S) and between the voxels (S) and the space. Model generation means (4) for creating a voxel model (M) having a diffusion coefficient indicating the degree of the degree;
Cutting area calculation means (5) for calculating an area (Ra) cut per unit time on the cutting path (R) of the material (W);
Heat input voxel calculation means (6) for calculating the voxel (S) to be heat input of the voxel model (M) from the area (Ra) calculated by the cutting area calculation means (5) according to a predetermined rule.
For each voxel (S) to which heat input calculated by the heat input voxel calculating means (6) is applied, the material (W) corresponding to each voxel (S) by heat input at the time of cutting by the thermal cutting machine. A heat input temperature setting means (7) for setting the heat input temperature generated in the site;
Voxel temperature calculation means (8) for calculating the temperature change per unit time using the heat input temperature and the diffusion coefficient (D) for each voxel (S) of the voxel model (M),
With.
The thermal cutting machine is a device that cuts a portion of the material (W) to be cut by heat input, for example, a laser processing machine, a plasma cutting machine, an electron beam processing machine, a gas cutting machine. There are processing machines.

この構成によると、前記モデル生成手段(4)により、各ボクセル(S)に温度を持たせ、かつ隣接ボクセル(S)間およびボクセル(S)と空間との間にそれぞれ熱の伝わり易さの程度を示す拡散係数(D)を持たせたボクセルモデル(M)を作成する。
前記切断領域計算手段(5)は、前記素材(W)の切断経路(R)上における単位時間(Δt)毎に切断される領域(Ra)を計算する。この切断領域計算手段(5)は、例えばNCプログラム(13)の解析により加工図形のデータを得て、この加工図形のデータから前記領域(Ra)を計算するものであっても、またNCプログラム(13)によらずに直接に加工図形のデータから前記領域(Ra)を計算するものであっても良い。
前記入熱ボクセル計算手段(6)は、前記切断領域計算手段(5)で計算された領域(Ra)から、前記ボクセルモデル(M)の入熱すべきボクセルを、定められた規則に従って設定する。この定められた規則は、前記切断の領域(Ra)となる線が、縦横のマトリスク状に並ぶボクセル(S)のどのボクセル(S)を選択して繋げば、より前記により近い形状の線となるかを定める選択の規則であり、例えば、ブレゼンハムアルゴリズムを用いる。
前記入熱温度設定手段(7)は、前記入熱ボクセル計算手段(6)で設定された入熱すべき各ボクセル(S)に、前記熱切断加工機による切断時の入熱で前記各ボクセル(S)と対応する素材(W)の部位に生じる入熱温度を設定する。
前記ボクセル温度計算手段(8)は、ボクセルモデル(M)の各ボクセル(S)につき、前記入熱温度と前記拡散係数(D)とを用いて前記単位時間(Δt)毎の温度変化を計算する。
このような各計算を前記各手段が行うことにより、前記ボクセル温度計算手段(8)の計算結果として、熱切断加工機による切断の進行に従って素材(W)にどのような温度変化が生じるかがシミュレーションできる。
この場合に、素材(W)の空間に隣接する面と素材内部とでは、熱の伝播が全く異なる。そのため、上記のように2種類の拡散係数(D)を定め、空間に接する面とボクセル相互の隣接面とで拡散係数(D)を使い分けており、これにより前記温度変化のシミュレーションを精度良く行うことができる。
シミュレーションの結果は、後述のように画像として可視化しても良く、また素材(W)の変形の計算に用いても良い。
According to this configuration, each model voxel (S) is given a temperature by the model generation means (4), and heat is easily transmitted between the adjacent voxels (S) and between the voxels (S) and the space. A voxel model (M) having a diffusion coefficient (D) indicating the degree is created.
The cutting area calculation means (5) calculates an area (Ra) to be cut every unit time (Δt) on the cutting path (R) of the material (W). The cutting area calculation means (5) obtains machining figure data by analyzing the NC program (13), for example, and calculates the area (Ra) from the machining figure data. Instead of (13), the region (Ra) may be calculated directly from the processed figure data.
The heat input voxel calculating means (6) sets the voxel to be heat input of the voxel model (M) from the area (Ra) calculated by the cutting area calculating means (5) according to a predetermined rule. . This defined rule is that if the line to be the cutting area (Ra) is selected and connected to any voxel (S) arranged in a vertical and horizontal matrix, the line has a shape closer to the above. For example, a Bresenham algorithm is used.
The heat input temperature setting means (7) is configured such that each voxel (S) set by the heat input voxel calculation means (6) is subjected to heat input at the time of cutting by the heat cutting machine. The heat input temperature generated at the portion of the material (W) corresponding to (S) is set.
The voxel temperature calculating means (8) calculates a temperature change per unit time (Δt) for each voxel (S) of the voxel model (M) using the heat input temperature and the diffusion coefficient (D). To do.
By performing each calculation as described above, what temperature change occurs in the material (W) as the cutting result by the thermal cutting machine is obtained as the calculation result of the voxel temperature calculation means (8). Can be simulated.
In this case, heat propagation is completely different between the surface adjacent to the space of the material (W) and the inside of the material. Therefore, two types of diffusion coefficients (D) are determined as described above, and the diffusion coefficient (D) is properly used for the surface in contact with the space and the adjacent surfaces of the voxels, so that the temperature change can be accurately simulated. be able to.
The simulation result may be visualized as an image as described later, or may be used for calculation of deformation of the material (W).

上記のように、複数の拡散係数(D)を用いる場合に、前記ボクセル温度計算手段(8)は、次式(1)で示される離散化された拡散方程式(すなわち、熱伝導方程式)を用いて前記温度の計算を行う。

Figure 0005971001

ここで、Δt:単位時間(任意に設定する)
Δx:ボクセルのX軸方向の長さ
ΔY:ボクセルのY軸方向の長さ
ΔZ:ボクセルのZ軸方向の長さ
この数式(1)は、拡散が生じている物質あるいは物理量の密度のゆらぎを記述する微分方程式であり、熱の伝播もこの方程式に従う。この発明は、この拡散方程式を用い、この方程式内の拡散係数として、素材(W)内と境界とで異なるものを用いる工夫を図ることで、板状の素材(W)における熱切断における熱伝播状況のシミュレーションを実現したものである。
この数式(1)を用いることで、精度の良い前記温度変化のシミュレーションを具現化できる。 As described above, when a plurality of diffusion coefficients (D) are used, the voxel temperature calculation means (8) uses a discretized diffusion equation (that is, a heat conduction equation) represented by the following equation (1). line the calculation of the temperature Te intends.
Figure 0005971001

Here, Δt: unit time (set arbitrarily)
Δx: Length of voxel in the X-axis direction
ΔY: Voxel length in the Y-axis direction
ΔZ: Length of voxel in the Z-axis direction This equation (1) is a differential equation describing the density fluctuation of the substance or physical quantity in which diffusion occurs, and the propagation of heat follows this equation. The present invention uses this diffusion equation, and devise to use a different diffusion coefficient in the equation between the material (W) and the boundary, thereby allowing heat propagation in thermal cutting in the plate-shaped material (W). This is a simulation of the situation.
By using this mathematical formula (1), it is possible to realize a highly accurate simulation of the temperature change.

上記の数式(1)を用いる場合に、また上記の数式(1)を用いるか否かに係わらず、上記のように素材(W)内と境界とで異なる拡散係数(D)を用いる場合に、前記ボクセル温度計算手段(8)は、切断済みの領域(Ra)の各ボクセル(S)を空間として前記単位時間(Δt)毎の温度の計算を行うことが好ましい。
熱加工において、素材(W)の切断済みの部分は溶け落ちて無くなっているため、切断済みの領域(Ra)となる各ボクセル(S)は空間として熱伝播の計算を行うことにより、温度変化のシミュレーションをより一層精度良く行うことができる。
When using the above equation (1) and regardless of whether the above equation (1) is used or not, when using different diffusion coefficients (D) between the material (W) and the boundary as described above The voxel temperature calculation means (8) preferably calculates the temperature per unit time (Δt) using each voxel (S) in the cut region (Ra) as a space.
In the thermal processing, since the cut portion of the material (W) is melted away, each voxel (S) that becomes the cut region (Ra) changes its temperature by calculating heat propagation as a space. This simulation can be performed with higher accuracy.

この発明において、前記ボクセル温度計算手段(8)で計算された前記各ボクセル(S)の温度を、画像表示装置(3)の画面に、切断時間の経過に従って変化する画像として表示する温度変化可視化手段(9)を備えても良い。温度変化の可視化は、例えば、ボクセルモデル(M)上の温度の高い部分を赤色、温度の低い部分を青色にするなど、濃淡や色相を変えて示すことにより行う。
前記各ボクセル(S)の温度を、画像表示装置(3)の画面に、切断時間の経過に従って変化する画像として表示すれば、切断の経過に従って素材(W)の温度がどのように変化するかが、オペレータの目視によって認識できる。この変化の認識により、熱切断加工が適切に行えるか否かの判断を、オペレータによって適切に行うことができる。
In this invention, the temperature change visualization for displaying the temperature of each voxel (S) calculated by the voxel temperature calculation means (8) on the screen of the image display device (3) as an image that changes as the cutting time elapses. Means (9) may be provided . Visualization of the temperature change is performed by, for example, changing the shade or hue so that the high temperature portion on the voxel model (M) is red and the low temperature portion is blue.
If the temperature of each voxel (S) is displayed on the screen of the image display device (3) as an image that changes as the cutting time elapses, how the temperature of the material (W) changes as the cutting progresses However, it can be recognized by the visual observation of the operator. By recognizing this change, the operator can appropriately determine whether or not the thermal cutting process can be performed appropriately.

この発明において、前記ボクセル温度計算手段(8)で計算された温度の値を用いて定まった規則により前記素材(W)の変形状態を計算する素材形状変化計算手段(10)を備えても良い。前記定まった規則は、例えば、前記ボクセルモデル(M)において、前記切断済みの領域(Ra)の各ボクセル(S)を空間としたモデルを素材(W)の形状とし、素材(W)の線膨張係数や弾性係数等の材質と前記温度の値を用いて前記素材(W)の変形状態を計算する。この変形状態は、変形が拘束されて歪みを発生している状態として計算しても良い。
素材(W)の各部の温度変化、素材(W)の形状、素材(W)の線膨張係数、弾性係数等を用いれば、素材(W)の変形状態、つまり変形後の形状や、歪みの発生状態を計算することができる。素材(W)の変形状態が分かれば、これを画面上に可視化して示すことで、適切な加工が行えるか否かが、温度変化だけを認識する場合よりも一層適切に、オペレータによって判断することができる。また、変形状態の数値データ、例えば変形した部分が変形前の素材(W)の上面からどれだけの突出するかの数値データを用い、設定許容範囲との比較を行うことで、適切な加工が行えるか否かの自動判定が行える。
In the present invention, there may be provided material shape change calculating means (10) for calculating the deformation state of the material (W) according to a rule determined by using the temperature value calculated by the voxel temperature calculating means (8). . For example, in the voxel model (M), the determined rule is that a model in which each voxel (S) of the cut region (Ra) is a space is a shape of the material (W), and a line of the material (W) A deformation state of the material (W) is calculated using a material such as an expansion coefficient and an elastic coefficient and the value of the temperature. This deformation state may be calculated as a state in which deformation is constrained and distortion is generated.
If the temperature change of each part of the material (W), the shape of the material (W), the linear expansion coefficient of the material (W), the elastic coefficient, etc. are used, the deformation state of the material (W), that is, the shape after deformation, The state of occurrence can be calculated. If the deformation state of the material (W) is known, this is visualized and displayed on the screen, so that the operator can determine whether or not appropriate processing can be performed more appropriately than when only the temperature change is recognized. be able to. Further, by using numerical data of the deformation state, for example, numerical data of how much the deformed portion protrudes from the upper surface of the material (W) before the deformation, and comparing with the set allowable range, appropriate processing can be performed. Automatic determination of whether or not it can be performed.

この発明の熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置は、熱切断加工機により板状の素材の切断すべき部分を入熱により溶かして切断する過程における前記素材に生じる熱伝播状況をシミュレーションする装置であって、前記素材の一部または全体をボクセル近似して各ボクセルに温度を持たせ、かつ隣接するボクセル間およびボクセルと空間との間にそれぞれ熱の伝わり易さの程度を示す拡散係数を持たせたボクセルモデルを作成するモデル生成手段と、前記素材の切断経路上における単位時間毎に切断される領域を計算する切断領域計算手段と、この切断領域計算手段で計算された領域から、前記ボクセルモデルの入熱すべきボクセルを定められ規則に従って計算する入熱ボクセル計算手段と、この入熱ボクセル計算手段で設定された入熱すべき各ボクセルに、前記熱切断加工機による切断時の入熱で前記各ボクセルと対応する素材の部位に生じる入熱温度を設定する入熱温度設定手段と、前記ボクセルモデルの各ボクセルにつき、前記入熱温度と前記拡散係数とを用いて前記単位時間毎の温度変化を計算するボクセル温度計算手段とを備えるため、熱切断加工機による切断の進行に従って素材にどのような温度変化が生じるかがシミュレーションできる。   The material heat propagation simulation device for a thermal cutting machine according to the present invention is a device for simulating a heat propagation state generated in the material in the process of melting and cutting a portion to be cut of a plate-like material by heat input by the heat cutting machine And a diffusion coefficient indicating the degree of heat transfer between adjacent voxels and between voxels and space by approximating a part or the whole of the material to voxels and giving each voxel a temperature. From the model generation means for creating the given voxel model, the cutting area calculation means for calculating the area to be cut per unit time on the cutting path of the material, and the area calculated by the cutting area calculation means, The heat input voxel calculation means for calculating the voxel to be heat input of the voxel model according to a predetermined rule and the heat input voxel calculation means A heat input temperature setting means for setting a heat input temperature generated in a part of a material corresponding to each voxel by heat input at the time of cutting by the thermal cutting machine, and each of the voxel models Since the voxel includes a voxel temperature calculating means for calculating a temperature change per unit time using the heat input temperature and the diffusion coefficient, any temperature change in the material according to the progress of cutting by a thermal cutting machine Can be simulated.

前記ボクセル温度計算手段が、上記の拡散方程式(1)を用いて前記温度の計算を行うようにしたため、前記温度変化のシミュレーションをより一層精度良く行えるものとして具現化できる。
前記ボクセル温度計算手段が、切断済みの領域の各ボクセルを空間として前記単位時間毎の温度の計算を行う場合は、切断の経過によって溶断された部分までを考慮したより一層精度の良い温度変化のシミュレーションが行える。
前記ボクセル温度計算手段で計算された前記各ボクセルの温度を、画像表示装置の画面に、切断時間の経過に従って変化する画像として表示する温度変化可視化手段を備えた場合は、温度変化の状況を目視で認識することができる。
前記ボクセル温度計算手段で計算された温度の値を用いて定まった規則により前記素材の変形状態を示す素材形状変化計算手段を備えた場合は、温度変化による素材の変形状態までシミュレーションすることができる。
Since the voxel temperature calculation means calculates the temperature using the diffusion equation (1) , the temperature change simulation can be realized with higher accuracy.
When the voxel temperature calculation means calculates the temperature per unit time using each voxel in the cut area as a space, the temperature change with higher accuracy considering the part melted by the progress of cutting. Simulation is possible.
The calculated the temperature of each voxel in the voxel temperature calculating means, the screen of the image display apparatus, if equipped with a temperature change visualizing means for displaying an image which changes with the passage of the cutting time, visually the status of the temperature change Can be recognized.
When the material shape change calculation means showing the deformation state of the material according to the rule determined using the temperature value calculated by the voxel temperature calculation means is provided , the deformation state of the material due to the temperature change can be simulated. .

この発明の一実施形態に係る熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置の概念構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the conceptual structure of the raw material heat | fever propagation simulation apparatus of the heat cutting processing machine which concerns on one Embodiment of this invention. そのシミュレーション対象となる素材の一部および製品の形状例を示す平面図である。It is a top view which shows a part of the raw material used as the simulation object, and the example of a product shape. 同シミュレーション装置によるボクセル化と熱拡散の説明図である。It is explanatory drawing of voxelization and thermal diffusion by the simulation apparatus. 同シミュレーション装置における各過程の処理の説明図である。It is explanatory drawing of the process of each process in the simulation apparatus. 同シミュレーション装置の入力画面例の概略図である。It is the schematic of the example of an input screen of the simulation apparatus. 同シミュレーション装置の出力画面例の概略図である。It is the schematic of the example of an output screen of the simulation apparatus. 熱切断加工の例とその例における変形の問題を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the problem of the deformation | transformation in the example of a thermal cutting process, and the example.

この発明の一実施形態を図1ないし図7と共に説明する。この素材熱伝播シミュレーション装置は、熱切断加工機により板状の素材Wの切断すべき部分を入熱により溶かして切断する過程における前記素材Wに生じる熱伝播状況をシミュレーションする装置である。この素材熱伝播シミュレーション装置は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置1(オペレーションプログラムを含む)と、これに実行されるプログラム(図示せず)とで、次の各機能達成手段を構成したものである。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This material heat propagation simulation device is a device for simulating a heat propagation state generated in the material W in a process of melting and cutting a portion to be cut of the plate-like material W by heat input by a heat cutting machine. This material heat propagation simulation apparatus comprises the following function achievement means by an information processing apparatus 1 (including an operation program) such as a personal computer and a program (not shown) executed thereon. .

情報処理装置1には、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力装置2と、液晶表示装置等の画像を表示する画像表示装置3とが備えられ、または接続されている。前記熱切断加工機は、熱切断、すなわち素材の切断すべき部分を入熱により溶かして切断する装置であり、例えば、レーザ加工機、プラズマ切断加工機、電子ビーム加工機、ガス切断加工機等がある。この実施形態はレーザ加工機の場合の例である。素材Wは鉄板である。   The information processing apparatus 1 includes or is connected to an input device 2 such as a keyboard, a mouse, and a touch panel and an image display device 3 that displays an image such as a liquid crystal display device. The thermal cutting machine is a device for cutting by heat cutting, that is, a part to be cut of a material by heat input, for example, laser processing machine, plasma cutting machine, electron beam processing machine, gas cutting machine, etc. There is. This embodiment is an example of a laser processing machine. The material W is an iron plate.

このシミュレーション装置は、上記各機能達成手段として、モデル生成手段4、切断領域計算手段5、入熱ボクセル計算手段6、入熱温度設定手段7、ボクセル温度計算手段8、温度変化可視化手段9、および素材形状変化計算手段10を備える。   The simulation apparatus includes, as the above-described function achievement means, model generation means 4, cutting area calculation means 5, heat input voxel calculation means 6, heat input temperature setting means 7, voxel temperature calculation means 8, temperature change visualization means 9, and A material shape change calculating means 10 is provided.

前記モデル生成手段4は、素材Wの一部または全体をボクセル近似したボクセルモデルMを作成する。ボクセルモデルMは、素材Wのモデル化対象範囲を、前後,左右,および上下の3次元方向に並ぶ立法体のボクセルSに分割したモデルである。一つのボクセルSは、均一な性質、物理量を持つものとする。この例では、ボクセルSは、その性質,物理量として、温度を持つものとしている。また、前記モデル生成手段4は、ボクセルS間およびボクセルSと空間との間にそれぞれの拡散係数を持たせる。拡散係数は、隣接するボクセルSへの熱の伝わり易さの程度を示す係数である。より具体的には、前記拡散係数は、単位時間当りに、単位面積を通過する温度を示す。   The model generation means 4 creates a voxel model M in which a part or the whole of the material W is approximated by voxels. The voxel model M is a model in which the modeling target range of the material W is divided into cubic voxels S arranged in the three-dimensional directions of front and rear, left and right, and top and bottom. One voxel S is assumed to have uniform properties and physical quantities. In this example, the voxel S is assumed to have temperature as its properties and physical quantities. Further, the model generating means 4 gives respective diffusion coefficients between the voxels S and between the voxels S and the space. The diffusion coefficient is a coefficient indicating the degree of ease of heat transfer to the adjacent voxel S. More specifically, the diffusion coefficient indicates a temperature that passes through a unit area per unit time.

一つのボクセルSの一辺の寸法は、小さくするに従い、精度の良いシミュレーションが行えるが、小さくすると計算量が増え、計算時間が長くなるため、情報処理装置1の処理能力等に応じて適宜の大きさに設定する。また、ボクセルSの寸法は、設定範囲内で、入力設定により任意に変更可能としてある。図7に示すような外周にギヤ形状部waを有する製品wの切断加工の場合、少なくとも、そのギヤ形状部waの形状をボクセルSの並びで表せる大きさのボクセルSとする。   As the size of one side of one voxel S can be reduced, a more accurate simulation can be performed. However, if the size is reduced, the amount of calculation increases and the calculation time becomes longer. Set to Further, the dimensions of the voxel S can be arbitrarily changed within the setting range by the input setting. In the case of cutting the product w having the gear-shaped portion wa on the outer periphery as shown in FIG. 7, at least the shape of the gear-shaped portion wa is a voxel S having a size that can be represented by the arrangement of the voxels S.

素材WのボクセルモデルMとする範囲Eは、任意に設定すれば良いが、この実施形態は素材Wから複数の同一形状の製品wを切り取る切断加工に適用した例であり、図2(A)に示すように、一つの製品wとその周辺を含む定められた矩形の範囲である。図2(B)
と共に後述するように、隣接する複数の製品wとその周辺を含む範囲としても良い。なお、ボクセルモデルMとする範囲Eは、製品wの切り取りに適用する場合、製品wの外周に少なくとも1個分のボクセルSが存在する範囲とする。これは、後述のように溶断したボクセルSを空間として計算するためである。
ボクセルモデルMとする範囲Eの自動設定については、後にシミュレーションの流れの説明の箇所で、図2(B)と共に説明する。
The range E of the material W as the voxel model M may be set arbitrarily. However, this embodiment is an example applied to a cutting process in which a plurality of products w having the same shape are cut from the material W, and FIG. As shown in FIG. 3, the range is a predetermined rectangle including one product w and its periphery. FIG. 2 (B)
In addition, as described later, it may be a range including a plurality of adjacent products w and their surroundings. Note that the range E as the voxel model M is a range in which at least one voxel S exists on the outer periphery of the product w when applied to the cutting of the product w. This is to calculate the melted voxel S as a space as will be described later.
The automatic setting of the range E as the voxel model M will be described later with reference to FIG.

前記切断領域計算手段5は、前記素材Wの切断経路上における単位時間毎に切断される領域を計算する手段である。図4(B)は、細線で示した切断経路R上における、時刻tからt+Δtまでの単位時間Δtの間に切断する領域Raを太線で示し、時刻tおよび時刻t+Δtのときの位置を黒丸の点で示している。前記単位時間Δtは、任意に設定すれば良く、また入力操作によって自由に変更可能としておくことが好ましい。   The cutting area calculation means 5 is a means for calculating an area to be cut per unit time on the cutting path of the material W. FIG. 4B shows a region Ra to be cut during the unit time Δt from time t to t + Δt on the cutting path R indicated by a thin line, and the position at time t and time t + Δt is indicated by a black circle. Shown with dots. The unit time Δt may be set arbitrarily and is preferably freely changeable by an input operation.

前記切断領域計算手段5において、切断経路Rは、前記製品wの熱切断加工を行うNCプログラム13(図1,図4(A))を解析して得るようにしている。NCプログラム13は、レーザヘッド(図示せず)を素材Wに対して相対的に移動させる座標位置または移動距離の指令を有しており、これらの指令から前記切断経路Rが解析できる。なお、前記切断領域計算手段5は、前記切断経路Rについては、CADデータ等の図形データから認識するものとしても良く、またNCプログラム13と図形データとのいずれからでも認識できるものとしても良い。   In the cutting area calculation means 5, the cutting path R is obtained by analyzing the NC program 13 (FIG. 1, FIG. 4 (A)) for performing the thermal cutting processing of the product w. The NC program 13 has a command of a coordinate position or a movement distance for moving a laser head (not shown) relative to the material W, and the cutting path R can be analyzed from these commands. The cutting area calculation means 5 may recognize the cutting path R from graphic data such as CAD data, or may recognize from the NC program 13 and graphic data.

前記入熱ボクセル計算手段6は、切断領域計算手段5で計算された領域Rから、前記ボクセルモデルMの入熱すべきボクセルを定められた規則に従って計算する手段である。前記の定められた規則は、例えばブレゼンハムアルゴリズムによって計算する規則とされる。具体的には、離散化された各ボクセルSのうち、選択されたボクセルSを繋げば前記領域Rを示す直線または曲線を示すように、ボクセルSの選択を行う。換言すれば、平面上でマトリクス状に並ぶどのボクセルSを塗りつぶせば、前記領域Raを示す曲線に見えるかの計算を行う。したがって、図4(C)の例からわかるように、領域Rに掛かっていても選択されないボクセルSが存在することがある。   The heat input voxel calculating means 6 is a means for calculating the voxel to be heat input of the voxel model M from the region R calculated by the cutting region calculating means 5 according to a predetermined rule. The predetermined rule is a rule calculated by the Bresenham algorithm, for example. Specifically, among the discretized voxels S, the voxel S is selected so as to show a straight line or a curve indicating the region R when the selected voxels S are connected. In other words, the calculation is performed as to which voxel S arranged in a matrix on the plane looks like a curve indicating the region Ra. Therefore, as can be seen from the example of FIG. 4C, there may be a voxel S that is not selected even if it is in the region R.

前記入熱温度設定手段7は、入熱ボクセル計算手段6で設定された入熱すべき各ボクセルSに、前記熱切断加工機による切断時の入熱で前記各ボクセルSと対応する素材の部位に生じる入熱温度を設定する手段である。この入熱温度は、例えば、入力装置2から任意の温度に設定できるようにする。また、ボクセルSへの入熱は、素材Wの表面と裏面とで入力差があるように定める。この入熱温度設定手段7は、例えば、図4(D)に示すように、入熱温度記入欄Aと、温度降下の入力記入欄Bとを画像表示装置3の画面に表示し、入熱温度記入欄Aに記入された温度を、入熱するボクセルSのうちの最も表面側のボクセルSの温度とし、以下、裏面側に近づくボクセルSほど、前記温度降下の入力記入欄Bに記入された温度だけ順次温度が線型的に下がるように、素材厚全体のボクセルSに温度の設定を行う。
具体的には、温度降下の記入欄Bには素材表面からの単位深さΔZ当たりの降下温度を記入する。前記入熱温度設定手段7は、この単位深さΔZ当たりの降下温度から、Z軸方向の各ボクセルSの温度を計算し、その計算した温度をボクセルSに設定する。
The heat input temperature setting means 7 is configured such that each voxel S to be heat input set by the heat input voxel calculation means 6 has a material portion corresponding to each voxel S by heat input at the time of cutting by the thermal cutting machine. It is a means for setting the heat input temperature generated in. This heat input temperature can be set to an arbitrary temperature from the input device 2, for example. Further, the heat input to the voxel S is determined so that there is an input difference between the front surface and the back surface of the material W. For example, as shown in FIG. 4 (D), the heat input temperature setting means 7 displays a heat input temperature entry field A and a temperature drop entry field B on the screen of the image display device 3, The temperature entered in the temperature entry column A is the temperature of the voxel S on the most front side of the input voxels S. Hereinafter, the voxel S closer to the back side is entered in the entry column B for the temperature drop. The temperature is set in the voxel S of the entire material thickness so that the temperature decreases linearly in sequence.
Specifically, the temperature drop entry column B is filled with the temperature drop per unit depth ΔZ from the material surface. The heat input temperature setting means 7 calculates the temperature of each voxel S in the Z-axis direction from the temperature drop per unit depth ΔZ, and sets the calculated temperature in the voxel S.

前記ボクセル温度計算手段8は、ボクセルモデルMの各ボクセルSにつき、前記入熱温度と前記拡散係数とを用いて前記単位時間Δt毎の温度変化を計算する手段である。 この場合、図3(B)に概念を示すように、隣接するボクセルSとの間で熱交換するように熱の伝播を計算する。隣接するボクセルSは、前後,左右,および上下の6つのボクセルSとする。これは、「セル・オートマトン離散化計算モデル」による計算手法である。   The voxel temperature calculating means 8 is a means for calculating a temperature change per unit time Δt for each voxel S of the voxel model M using the heat input temperature and the diffusion coefficient. In this case, the propagation of heat is calculated so as to exchange heat with the adjacent voxels S as shown in FIG. 3B. Adjacent voxels S are six voxels S of front and rear, left and right, and upper and lower. This is a calculation method based on the “cell automaton discrete calculation model”.

ボクセル温度計算手段8による温度変化の計算は、具体的には次の3次元の離散化された拡散方程式に従って行う。

Figure 0005971001
ここで、Δt:単位時間(任意に設定する)
Δx:ボクセルのX軸方向の長さ
Δy:ボクセルのY軸方向の長さ
Δz:ボクセルのZ軸方向の長さ
である。
添字i,j,kは、ボクセルモデルMの原点となる角O(図3(A))から、直交する3軸(X,Y,Z軸)方向に並ぶボクセルSの並び順を示す。a,b,cおよびd,e,fは、i,j,kの任意の値である。
nは単位時間Δt当たりの個数、換言すれば各単位時間Δtに付した順番であり、
次の関係を表す。
Figure 0005971001
The calculation of the temperature change by the voxel temperature calculation means 8 is specifically performed according to the following three-dimensional discretized diffusion equation.
Figure 0005971001
Here, Δt: unit time (set arbitrarily)
Δx: Length of voxel in the X-axis direction
Δy: length of voxel in Y-axis direction
Δz: the length of the voxel in the Z-axis direction.
The subscripts i, j, and k indicate the arrangement order of the voxels S arranged in the direction of three orthogonal axes (X, Y, and Z axes) from the angle O (FIG. 3A) that is the origin of the voxel model M. a, b, c and d, e, f are arbitrary values of i, j, k.
n is the number per unit time Δt, in other words, the order given to each unit time Δt,
Represents the following relationship:
Figure 0005971001

拡散方程式内の拡散係数Dは、素材W内と境界(素材Wと空間との境界)では異なる値として離散化を行う。この拡散係数Dとして、素材W内の値を持つものと、境界の値を持つものとの2種類を定めておき、上記符号i,j,kで特性されるセルSの各面毎に、素材内か境界かに応じて定められた拡散係数Dを用いる。   The diffusion coefficient D in the diffusion equation is discretized as a different value in the material W and the boundary (boundary between the material W and the space). As the diffusion coefficient D, two types, a value having a value in the material W and a value having a boundary value, are determined, and for each surface of the cell S characterized by the symbols i, j, and k, A diffusion coefficient D determined according to whether it is within the material or the boundary is used.

上記3次元の拡散方程式(1)の成立につき説明すると、1次元の拡散方程式は、次式(2)のように離散化することができる。

Figure 0005971001
この式を3次元に展開すると、上記の(1)式となる。 The establishment of the three-dimensional diffusion equation (1) will be described. The one-dimensional diffusion equation can be discretized as the following equation (2).
Figure 0005971001
When this expression is expanded three-dimensionally, the above expression (1) is obtained.

この式(2)は、拡散が生じている物質あるいは物理量の密度のゆらぎを記述する偏微分方向式であり、熱の伝播もこの方程式に従うことが知られている。そこで、この実施形態では、上記の式の「f」を、密度から温度に置き換えて3次元への展開を図り、前述の式(1)とした。   This equation (2) is a partial differential directional equation describing the density fluctuation of a substance or physical quantity in which diffusion occurs, and it is known that the propagation of heat follows this equation. Therefore, in this embodiment, “f” in the above equation is replaced by density to temperature, and development in three dimensions is performed, and the above equation (1) is obtained.

また、前記ボクセル温度計算手段8は、図3(A)に矢印で示す経路の部分が単位時間Δtの間に切断加工が行われた領域Raであるとすると、この領域Raに入熱して切断加工したときの熱拡散の計算では入熱するボクセルSとして扱うが、その後の領域を切断加工するときの熱拡散の計算では、溶融して無くなった部分、つまり空間(外気層)とみなして計算する。空間と見なす幅は、例えば、ボクセルSの一列である。   Further, the voxel temperature calculation means 8 assumes that the path portion indicated by the arrow in FIG. 3A is a region Ra that has been cut during the unit time Δt, and heats the region Ra to cut it. In the calculation of thermal diffusion when processed, it is treated as a voxel S that receives heat, but in the calculation of thermal diffusion when cutting the subsequent area, it is calculated as a part that has melted away, that is, a space (outside air layer). To do. The width regarded as a space is, for example, one row of voxels S.

前記ボクセル温度計算手段8は、このようにして、前記切断経路R上の、全ての領域に順次入熱の処理が行われたとして、熱拡散による温度変化を計算する。   In this way, the voxel temperature calculation means 8 calculates the temperature change due to thermal diffusion, assuming that the heat input processing is sequentially performed on all the regions on the cutting path R.

前記温度変化可視化手段9は、前記ボクセル温度計算手段8で計算された前記各ボクセルSの温度を、画像表示装置3の画面に、切断時間の経過に従って変化する画像として、例えば図6のように表示する。同図は、温度変化可視化手段9によって表示されるボクセルモデルMのある時点における各部の温度を示す画像の例である。同図では、ボクセルモデルMを入熱面となる上面から見た温度分布を示す画像Gaと、X軸断面およびY軸断面における温度分布を示す画像Gb,Gcとの3種類の画像を表示している。上面から見た温度分布を示す画像Gaでは、例えば、温度の高い部分を赤色、温度の低い部分を青色とするなどして、濃淡や色相を温度に従って変えて示すことにより行う。X軸断面およびY軸断面における温度分布を示す画像Gb,Gcでは、断面上の軸方向位置と温度とを2軸に取り、温度をグラフとして示している。各断面の位置は、上面から見た画像Ga上に示す十字の線のカーソルで示された位置である。カーソルを移動させることで、その移動先となる任意の断面の温度が表示させるようにする。   The temperature change visualization means 9 is an image that changes the temperature of each voxel S calculated by the voxel temperature calculation means 8 on the screen of the image display device 3 as the cutting time elapses, for example, as shown in FIG. indicate. This figure is an example of an image showing the temperature of each part at a certain point of time in the voxel model M displayed by the temperature change visualization means 9. In the figure, three types of images are displayed: an image Ga showing the temperature distribution when the voxel model M is viewed from the upper surface serving as the heat input surface, and images Gb and Gc showing the temperature distribution in the X-axis cross section and the Y-axis cross section. ing. In the image Ga showing the temperature distribution viewed from the upper surface, for example, the high temperature portion is red and the low temperature portion is blue, and the density and hue are changed according to the temperature. In the images Gb and Gc showing the temperature distribution in the X-axis cross section and the Y-axis cross section, the axial position on the cross section and the temperature are taken as two axes, and the temperature is shown as a graph. The position of each cross-section is the position indicated by the cross-line cursor shown on the image Ga viewed from above. By moving the cursor, the temperature of an arbitrary cross-section to be moved is displayed.

また、温度変化可視化手段9は、上記各画像Ga,Gb,Gcを、加工時間の経過に従って任意の倍速で変化するように表示でき、かつ任意時の静止画像を表示できるようにしている。上面から見た温度分布を示す画像Gaは、最上層だけでなく、板厚方向(Z軸方向)の任意のボクセルSの層の温度を指定して表示可能としている。   Further, the temperature change visualization means 9 can display the images Ga, Gb, Gc so as to change at an arbitrary double speed as the processing time elapses, and can display a still image at an arbitrary time. The image Ga showing the temperature distribution seen from the upper surface can be displayed by designating not only the uppermost layer but also the temperature of an arbitrary layer of voxels S in the plate thickness direction (Z-axis direction).

前記素材形状変化計算手段10は、前記ボクセル温度計算手段9で計算された温度の値を用いて定まった規則により前記素材Wの変形状態を計算する手段である。前記定まった規則は、例えば、前記ボクセルモデルMにおいて、前記切断済みの領域の各ボクセルSを空間としたボクセルモデルMを素材の形状とし、素材の線膨張係数や弾性係数等の材質と前記温度の値を用いて前記素材の変形状態を計算する。素材の線膨張係数および弾性係数は、材質に応じた係数を、この素材形状変化計算手段10または他の適宜の手段に登録しておき、NCプログラム13に記述されている材質を前記の登録しておいた材質と照合して得られた線膨張係数,弾性係数を用いる。登録されていないとき、およびNCプログラム13に材質が記述されていないときは、任意の入力画面等で入力する。
この素材形状変化計算手段10は、素材変化可視化部(図示せず)を有していて、前記変形の計算結果で特定される変形したボクセルモデルMの形状を、前記画像表示装置3の画面に表示可能させるようにしている。
The material shape change calculating means 10 is a means for calculating the deformation state of the material W according to a rule determined using the temperature value calculated by the voxel temperature calculating means 9. For example, in the voxel model M, the determined rule is that the voxel model M in which each voxel S in the cut region is a space is a material shape, and the material such as a linear expansion coefficient and an elastic coefficient of the material and the temperature Is used to calculate the deformation state of the material. As for the linear expansion coefficient and elastic coefficient of the material, the coefficient corresponding to the material is registered in the material shape change calculating means 10 or other appropriate means, and the material described in the NC program 13 is registered as described above. Use the coefficient of linear expansion and elastic modulus obtained by comparing with the material. When it is not registered or when the material is not described in the NC program 13, it is input on an arbitrary input screen or the like.
The material shape change calculation means 10 has a material change visualization unit (not shown), and displays the shape of the deformed voxel model M specified by the deformation calculation result on the screen of the image display device 3. It can be displayed.

図1において、出力処理手段12は、この素材熱伝播シミュレーション装置を構成する各手段4〜11の出力や要求に応じて、画像表示装置12に画像として表示するための処理を行う手段である。
入力処理手段11は、出力処理手段12を介して画像表示装置3に入力画面を表示させ、入力装置2から入力されたデータを記憶すると共に、その記憶したデータを、この素材熱伝播シミュレーション装置を構成する各手段4〜10へ要求に応じて与える手段である。
In FIG. 1, an output processing means 12 is a means for performing processing for displaying as an image on the image display device 12 in accordance with the output and request of each means 4-11 constituting the material heat propagation simulation apparatus.
The input processing means 11 displays an input screen on the image display device 3 via the output processing means 12, stores the data input from the input device 2, and stores the stored data in the material heat propagation simulation device. It is a means given to each means 4-10 to comprise according to a request | requirement.

図5は、入力画面の一例を示す。この画面は、シミュレーションをするために必要なデータの入力と、シミュレーション後の結果を表示するときの、希望の画面を表示させる操作画面を兼ねている。
この入力画面例では、図示内容からわかるように、素材Wの材質および板厚と、ボクセルモデルのサイズ(ボクセルモデルの各軸方向のボクセル数)が表示され、その表示内容を入力装置2からの操作で変更可能とされている。材質,板厚は、NCプログラム13(図1)に一般的に記述されているため、NCプログラム13から読み込んでその値を表示する。同図で「セル」とある文字は、ボクセルを示す。セルサイズ(ボクセルモデルの各軸方向のボクセル数)は、デフォルト値が表示され、定められた範囲で任意に各軸方向のボクセル数を変更可能とされている。
また、この入力画面において、素材内部での拡散係数と境界での拡散係数が設定可能とされ、かつ一つのボクセルSの各軸方向の寸法Δx,Δy,Δzと、前記単位時間Δtが表示される。これら2種類の拡散係数、およびΔx,Δy,Δz,Δtの値についても、デフォルト値が表示され、定められた範囲で任意に変更可能とされる。
FIG. 5 shows an example of the input screen. This screen also serves as an operation screen for displaying a desired screen when inputting data necessary for the simulation and displaying the result after the simulation.
In this example of the input screen, as can be seen from the illustrated content, the material and thickness of the material W and the size of the voxel model (the number of voxels in each axial direction of the voxel model) are displayed, and the displayed content is displayed from the input device 2. It can be changed by operation. Since the material and the plate thickness are generally described in the NC program 13 (FIG. 1), the values are read from the NC program 13 and displayed. In the same figure, the letter “cell” indicates a voxel. The cell size (number of voxels in each axial direction of the voxel model) is displayed as a default value, and the number of voxels in each axial direction can be arbitrarily changed within a predetermined range.
In addition, on this input screen, the diffusion coefficient inside the material and the diffusion coefficient at the boundary can be set, and the dimensions Δx, Δy, Δz of each voxel S in each axial direction and the unit time Δt are displayed. The Default values are also displayed for these two types of diffusion coefficients and the values of Δx, Δy, Δz, and Δt, and can be arbitrarily changed within a predetermined range.

この他に、上記入力画面には、初期素材温度、外気温、入熱温度(表面)、および前記単位時間Δt当たりの降下温度が表示され、入力可能とされている。この入力画面には、NCプログラム13で加工する製品wの形状を示す画像Gwも、画面のいずれかに表示されている。   In addition, the input screen displays the initial material temperature, the outside air temperature, the heat input temperature (surface), and the temperature drop per unit time Δt, and can be input. On this input screen, an image Gw indicating the shape of the product w processed by the NC program 13 is also displayed on any of the screens.

シミュレーション後の操作のための表示としては、「再描画」「巻き戻し」「コマ送り」「再生」「加工状況」「温度分布」「ひずみ分布」とそれぞれ文字で付されたソフトウェアキーが表示され、希望のソフトウェアキーを選択することで、そのキーに対応した処理を、この素材熱伝播シミュレーション装置が行う。   As the display for the operation after the simulation, "Redraw", "Rewind", "Frame advance", "Play", "Processing status", "Temperature distribution", "Strain distribution" are displayed as software keys. By selecting a desired software key, the material heat propagation simulation apparatus performs processing corresponding to the key.

次に、この素材熱伝播シミュレーション装置の処理および入力操作につき、処理順に説明する。
まず、入力処理手段11によって、NCプログラム13を読み込み、図5と共に説明した入力画面から必要なデータを入力する。特に変更の入力が行われなかった場合は、デフォルト値が用いられる。
Next, processing and input operations of this material heat propagation simulation apparatus will be described in the order of processing.
First, the NC program 13 is read by the input processing means 11, and necessary data is input from the input screen described with reference to FIG. In particular, when no change is input, a default value is used.

シミュレーションの過程では、モデル生成手段4によって、ボクセルモデルMが生成される。
前記モデル生成手段4によりボクセルモデルMとする範囲Eの設定については、定められた規則に従って自動で行うようにしても、入力装置2からのオペレータ等による入力によって行うようにしても良い。自動で行うようにする場合、例えば、図2(B)に示すように、NCプログラム13から解析された切断経路Rの図形データ、またはCADデータ等の図形データから、製品wとなる加工図形wgを認識し、この加工図形wgの外周に、加工図形wgが納まる最小矩形REを求める。この最小矩形REの外周に、定められた余裕範囲(余白)を取った範囲を、ボクセルモデルMとする範囲Eとして定める。なお、図2(B)は、2つの加工図形wgを含む最小矩形REを定めている。個々の加工図形wgにつき最小矩形REを求めた場合に、前記余裕範囲が一部でも重なる程度に複数の加工図形wgが互いに近接している場合は、その重なり部分が生じる一群の加工図形wgの周囲に、同図のように前記最小矩形REを求め、その外周に前記余裕範囲を取った範囲を、ボクセルモデルMとする範囲Eとする。NCプログラム13から切断経路Rを解析する手段は、前記切断経路計算手段5Rと共有しても良い。
In the simulation process, the voxel model M is generated by the model generation means 4.
The setting of the range E as the voxel model M by the model generation means 4 may be performed automatically according to a predetermined rule, or may be performed by an input from the input device 2 by an operator or the like. In the case of performing automatically, for example, as shown in FIG. 2B, from the graphic data of the cutting path R analyzed from the NC program 13 or the graphic data such as CAD data, the processed figure wg that becomes the product w And a minimum rectangle RE in which the processed figure wg is accommodated on the outer periphery of the processed figure wg is obtained. A range obtained by taking a predetermined margin range (margin) on the outer periphery of the minimum rectangle RE is defined as a range E as a voxel model M. Note that FIG. 2B defines a minimum rectangle RE including two processed figures wg. When the minimum rectangle RE is obtained for each processed figure wg, if a plurality of processed figures wg are close to each other such that the margin range partially overlaps, a group of processed figures wg in which the overlapped portion is generated. The minimum rectangle RE is obtained around the periphery as shown in the figure, and a range in which the margin range is provided on the outer periphery thereof is set as a range E as a voxel model M. The means for analyzing the cutting path R from the NC program 13 may be shared with the cutting path calculation means 5R.

次に、切断領域計算手段5によって、NCプログラムの読み込みデータから、図4(B)のように切断経路Rが計算され、かつこの切断経路Rにおける単位時間Δt毎の切断の領域Raが計算される。
ついで、入熱ボクセル計算手段6により、図4(A)のように、切断経路Rに対応するボクセルSである入熱ボクセルSを計算する。入熱ボクセルSが定まると、入熱温度設定手段7によって、各入熱ボクセルSに入熱温度を設定する。入熱温度は、前述のように、最上層のボクセルSが最も高く、下層(下側)に行くに従い、低い温度とする。
Next, the cutting area R is calculated by the cutting area calculation means 5 from the read data of the NC program as shown in FIG. 4B, and the cutting area Ra for each unit time Δt in the cutting path R is calculated. The
Next, the heat input voxel S that is the voxel S corresponding to the cutting path R is calculated by the heat input voxel calculating means 6 as shown in FIG. When the heat input voxel S is determined, the heat input temperature is set to each heat input voxel S by the heat input temperature setting means 7. As described above, the heat input temperature is the highest in the uppermost layer of the voxel S and is set to a lower temperature as going to the lower layer (lower side).

ボクセル温度計算手段8は、設定された入熱温度を用い、前述の拡散方程式(1)を用いて各ボクセルSの温度を計算する。この切断経路Rにおける単位時間Δt毎の切断の領域Raの計算、入熱温度の設定、および拡散方程式(1)を用いたボクセル温度を計算の各過程を、一つの製品wについての切断経路Rの全体に渡り、加工順に従って順次繰り返して行う。前記単位時間Δtは、例えば1秒である。この場合に、初回は、最初の領域Raである入熱したボクセルSのみが高い温度となり、他のボクセルSは初期素材温度として前記単位時間Δtの間の熱の伝播の計算を行う。2回目以降は、前回以前に入熱したボクセルSは、空間(外気層)に置き換え、各ボクセルSは、前回の熱の伝播の計算で計算された温度とし、新たな切断領域Raに入熱温度を与えて計算する。このようにして、切断経路Rの全体の切断領域Raにつき、計算を順次行う。   The voxel temperature calculation means 8 calculates the temperature of each voxel S using the above-described diffusion equation (1) using the set heat input temperature. The cutting path R for one product w is calculated by calculating the cutting area Ra every unit time Δt in the cutting path R, setting the heat input temperature, and calculating the voxel temperature using the diffusion equation (1). It repeats sequentially according to the processing order over the whole. The unit time Δt is, for example, 1 second. In this case, only the heat input voxel S, which is the first region Ra, has a high temperature at the first time, and the other voxels S calculate the propagation of heat during the unit time Δt as the initial material temperature. In the second and subsequent times, the voxel S that has entered heat before the previous time is replaced with a space (outside air layer), and each voxel S has the temperature calculated in the previous calculation of heat propagation, and enters the new cutting region Ra. Calculate by giving temperature. In this way, calculation is sequentially performed for the entire cutting region Ra of the cutting path R.

このように計算された各ボクセルSの温度を、温度変化可視化手段9によって、画像表示装置3の画面に、切断時間の経過に従って変化する画像として、図6に例示するように表示する。また、上記のように計算された各ボクセルSの温度から、素材形状変化計算手段10によって素材Wの変形状態を計算する。変形された素材の形状は、画像表示装置3の画面に表示する。   The temperature of each voxel S calculated in this way is displayed on the screen of the image display device 3 by the temperature change visualization means 9 as an image that changes as the cutting time elapses as illustrated in FIG. Further, the deformation state of the material W is calculated by the material shape change calculating means 10 from the temperature of each voxel S calculated as described above. The shape of the deformed material is displayed on the screen of the image display device 3.

この構成の熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置によると、上記のようにボクセル近似して各手段4〜10が計算,処理を行うことにより、熱切断加工機による切断の進行に従って素材Wにどのような温度変化が生じるかがシミュレーションできる。
この場合に、上記の拡散方程式(1)を用いるため、精度の良いシミュレーションが行える。上記の拡散方程式(1)を用いるにつき、熱の拡散係数Dは、素材内用と空間との境界面用との2種類を用いるようにしたため、実際の素材内の伝播と境界面の伝播とに応じた適切な拡散を反映させることができて、温度変化のシミュレーションをより一層精度良く行うことができる。
特に、前記ボクセル温度計算手段は、切断済みの領域の各ボクセルSを空間として拡散の計算を行うようにしたため、温度変化のシミュレーションをより一層精度良く行うことができる。
According to the material heat propagation simulation apparatus of the thermal cutting machine having this configuration, each means 4 to 10 performs calculation and processing by approximating the voxel as described above, so that the material W can be processed according to the progress of cutting by the thermal cutting machine. It is possible to simulate what kind of temperature change occurs.
In this case, since the above diffusion equation (1) is used, an accurate simulation can be performed. When the above diffusion equation (1) is used, two types of heat diffusion coefficient D are used for the in-material and for the interface between the space and the propagation in the actual material and the propagation in the interface. Therefore, it is possible to reflect an appropriate diffusion according to the temperature, and it is possible to perform a temperature change simulation more accurately.
In particular, since the voxel temperature calculation means calculates the diffusion using each voxel S in the cut area as a space, the temperature change simulation can be performed with higher accuracy.

温度変化の計算結果は、温度変化可視化手段9により、切断時間の経過に従って変化する画像として表示するため、切断の経過に従って素材の温度がどのように変化するかが、オペレータの目視によって認識できる。この変化の認識により、熱切断加工が適切に行えるか否かの判断を、オペレータによって適切に行うことができる。   The calculation result of the temperature change is displayed by the temperature change visualization means 9 as an image that changes as the cutting time elapses, so that the operator can recognize how the temperature of the material changes as the cutting progresses. By recognizing this change, the operator can appropriately determine whether or not the thermal cutting process can be performed appropriately.

また、ボクセル温度計算手段8で計算された温度の値を用いて、素材形状変化計算手段10により、素材Wの変形状態を計算して画像として表示するようにしたため、適切な加工が行えるか否かが、温度変化だけを認識する場合よりも一層適切に、オペレータによって判断することができる。また、変形状態の数値データ、例えば素材の上側に変形した部分が変形前の素材の上面からどれだけの突出するかの数値データを用い、設定許容範囲との比較を行うことで、適切な加工が行えるか否かの自動判定が行える。   Also, since the material shape change calculation means 10 calculates the deformation state of the material W using the temperature value calculated by the voxel temperature calculation means 8 and displays it as an image, whether or not appropriate processing can be performed. However, it can be judged by the operator more appropriately than when only the temperature change is recognized. In addition, by using numerical data of the deformation state, for example, numerical data of how much the part deformed above the material protrudes from the upper surface of the material before deformation, and comparing with the set allowable range, appropriate processing Automatic determination of whether or not can be performed.

3…画像表示装置
4…モデル生成手段
5…切断領域計算手段
6…入熱ボクセル計算手段
7…入熱温度設定手段
8…ボクセル温度計算手段
9…温度変化可視化手段
10…素材形状変化計算手段
13…NCプログラム
E…範囲
Ga,Gb,Gc…画像
M…ボクセルモデル
S…ボクセル
W…素材
w…製品
3 ... Image display device 4 ... Model generation means 5 ... Cutting area calculation means 6 ... Heat input voxel calculation means 7 ... Heat input temperature setting means 8 ... Voxel temperature calculation means 9 ... Temperature change visualization means 10 ... Material shape change calculation means 13 ... NC program E ... Range Ga, Gb, Gc ... Image M ... Voxel model S ... Voxel W ... Material w ... Product

Claims (4)

熱切断加工機により板状の素材の切断すべき部分を入熱により溶かして切断する過程における前記素材に生じる熱伝播状況をシミュレーションする装置であって、
前記素材の一部または全体をボクセル近似して各ボクセルに温度を持たせ、かつ隣接するボクセル間およびボクセルと空間との間にそれぞれ熱の伝わり易さの程度を示す拡散係数を持たせたボクセルモデルを作成するモデル生成手段と、
前記素材の切断経路上における単位時間毎に切断される領域を計算する切断領域計算手段と、
この切断領域計算手段で計算された領域から、前記ボクセルモデルの入熱すべきボクセルを定められ規則に従って計算する入熱ボクセル計算手段と、
この入熱ボクセル計算手段で計算された入熱すべき各ボクセルに、前記熱切断加工機による切断時の入熱で前記各ボクセルと対応する素材の部位に生じる入熱温度を設定する入熱温度設定手段と、
前記ボクセルモデルの各ボクセルにつき、前記入熱温度と前記拡散係数とを用いて前記単位時間毎の温度変化を計算するボクセル温度計算手段、
とを備え、
前記ボクセル温度計算手段は、次式(1)を用いて前記温度の計算を行う、
Figure 0005971001

ここで、Δt:単位時間(任意に設定する)
Δx:ボクセルのX軸方向の長さ
ΔY:ボクセルのY軸方向の長さ
ΔZ:ボクセルのZ軸方向の長さ
切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置。
An apparatus for simulating the heat propagation state generated in the material in the process of melting and cutting the portion to be cut of the plate-like material by heat input by a thermal cutting machine,
Voxel that approximates a part or the whole of the material to give a temperature to each voxel, and has a diffusion coefficient indicating the degree of heat transfer between adjacent voxels and between voxels and space. A model generation means for creating a model;
Cutting area calculation means for calculating an area to be cut every unit time on the cutting path of the material,
From the area calculated by the cutting area calculation means, heat input voxel calculation means for calculating voxels to be heat input of the voxel model according to a predetermined rule;
The heat input temperature for setting the heat input temperature generated at the part of the material corresponding to each voxel by the heat input at the time of cutting by the thermal cutting machine, to each voxel to be heat calculated by the heat input voxel calculating means Setting means;
Voxel temperature calculating means for calculating a temperature change per unit time using the heat input temperature and the diffusion coefficient for each voxel of the voxel model,
For example Bei the door,
The voxel temperature calculating means calculates the temperature using the following equation (1):
Figure 0005971001

Here, Δt: unit time (set arbitrarily)
Δx: Length of voxel in the X-axis direction
ΔY: Voxel length in the Y-axis direction
ΔZ: Voxel length in the Z-axis direction
Material heat propagation simulation equipment for thermal cutting machines.
前記ボクセル温度計算手段は、切断済みの領域の各ボクセルを空間として前記単位時間毎の温度の計算を行う請求項記載の熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置。 The voxel temperature calculating means, the pre-cut area thermal cutting machine the material heat propagation simulation apparatus according to claim 1, wherein the calculation of the temperature of each of the unit time of each voxel as a space. 前記ボクセル温度計算手段で計算された前記各ボクセルの温度を、画像表示装置の画面に、切断時間の経過に従って変化する画像として表示する温度変化可視化手段を備えた請求項1または請求項2記載の熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置。 Wherein the calculated the temperature of each voxel in the voxel temperature calculating unit, on the screen of the image display apparatus, according to claim 1 or claim 2, wherein with a temperature change visualizing means for displaying an image which changes with the passage of the cutting time Material heat propagation simulation equipment for thermal cutting machines. 前記ボクセル温度計算手段で計算された温度の値を用いて、定められた規則により前記素材の変形状態を計算する素材形状変化計算手段を備えた請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の熱切断加工機の素材熱伝播シミュレーション装置。 Using the value of the calculated voxel temperature calculating means temperature, the stipulated rules to any one of the material shape changes calculated claims 1 to 3 comprising means for calculating a state of deformation of the material The material heat propagation simulation device for the described thermal cutting machine.
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