JP6719790B1

JP6719790B1 - Ｃａｄデータによるマシニングセンタの自動運転装置

Info

Publication number: JP6719790B1
Application number: JP2019161961A
Authority: JP
Inventors: 彰浩北村; 耕作北村; 貴司浅野; 清治天池
Original assignee: Kitamura Machinery Co Ltd
Current assignee: Kitamura Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: US20220317656A1; EP3816745B1; WO2021044641A1; EP3816745A4; JP2021039657A; EP3816745A1; US11947332B2

Abstract

【課題】短時間で簡便にＣＡＤデータから加工製品を製造できるマシニングセンタの自動運転装置の提供。【解決手段】記憶部に学習済みモデルを備え、制御部に備えられた加工指令自動作成部が、加工製品の３次元ＣＡＤ設計データから特徴部を抽出する特徴部抽出機能と、各特徴部について学習済みモデルに適用して必要な加工条件を自動的に決定すると共に工具軌跡を含む加工工程を自動的に設定する加工工程自動設定機能と、全特徴部の加工工程の手順を決定する全加工工程設定機能と、全加工工程を工作機械に実行させる加工指令を学習済みモデルに基づいて作成する加工指令作成機能と、を備え、加工工程自動設定機能が、３次元ＣＡＤ設計データに基づいて形成した加工製品の３Ｄモデルを加工部への可能な１つ以上の異なる取付方向で選択決定可能にディスプレイ表示させる機能を更に備え、決定された取付方向に基づいて加工工程を自動的に設定するものとした。【選択図】図１

Description

本発明は、熟練者によるＮＣ言語用コードでの加工プログラム作成の手間を省き、加工製品の３次元ＣＡＤ設計データさえ取得されれば、それに基づいて自動的に加工プログラムを作成する工作機械用ＣＮＣ装置を備えたマシニングセンタの自動運転装置に関するものである。

現在、工作機械、特にマシニングセンタにおいては、数値制御装置、所謂ＮＣ（Numerical Control）装置によって、予め定められたＮＣ加工プログラムに沿って、自動で素材を切削加工して目的の製品を形成している。

ＮＣ加工プログラムは、使用工具および、その工具による加工時のＸ、Ｙ、Ｚ等の座標位置に基づく移動量とその速度等の数値データ（ＮＣデータ）を含む加工条件および加工工程の数値制御情報に基づいて作成される。また、現在では、数値制御情報の一部、例えば工具径の補正、補間演算、速度制御等を内臓コンピュータによって自動計算することで、さらに自動化を進めたコンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ装置）が用いられるようになってきている。

従って、工作機械、特にマシニングセンタの自動運転によって、加工素材を切削加工して目的の形状の加工製品を得るためのＮＣ加工プログラムを作成するには、予めその加工条件および加工工程を設定しなければならない。

各加工工程は、加工製品に形成すべき各特徴部を切削するための加工方法で決定されるが、この特徴部とは、加工製品の凹凸の段差や湾曲の面形状、また穴、ポケット、スロットなどである。通常、これらの特徴部を形成するのに適した工具が、例えば、面削りに適した各種フライス、穴開けに適した各種ドリル、溝削りや肩削りに適した各種エンドミル等から適宜選択され、切削条件を含む加工条件が設定され、これに基づいて工具軌跡が決定される。そしてこの工具選択から工具交換、工具軌跡の実行を含む加工工程が設定され、この加工工程に相当するＮＣ加工プログラムが作成される。

しかし、ＮＣ加工プログラム自体は、加工製品のＣＡＤ（computer aided design ）設計図面に基づいて、技術者によってＧコードあるいはＭコード等のＮＣ言語によって作成されている。しかも、近年では、最大同時５軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃ）制御など、高度な工作機械での加工が行われるようになり、そのため、これら複数軸が互いに干渉することのない複雑な制御が求められる。従って、ＮＣ加工プログラムも、３次元ＣＡＤ図面に基づき、ＣＡＭ（computer aided manufacturing）システムを用いて作成されている。

ＣＡＭ操作により、コードの直接手入力の必要はなくなったが、複雑な加工プログラムは、熟練者によって加工法の検討や工具選定、加工条件の決定を行いながら作成される必要があり、時間を要するものであった。

そこで、自動で加工プログラムを作成できる装置が検討されている。例えば、特許文献１には、データ入力部からの形状・属性データに応じて切削条件を決定し、その切削条件に従って工具経路を決定し、この工具経路に基づいてＮＣ加工プログラムを生成する自動プログラム作成装置が開示されている。

特公平６−９７４１３号公報特開平１１−１２９１４１号公報特開２００２−１８９５１０号公報

しかし、上記特許文献１では、データ入力部においてキーボードによって形状データおよび属性データが入力されるものであり、この技術者による入力作業という手間のかかる煩雑な工程が必要となっている。しかも、作成されるのは、中間的な工具経路データから標準的なＮＣ加工プログラムであり、その後、一加工工程単位で取り出して編集操作することが前提となっている。即ち、複雑で特殊な加工工程が必要である場合には、やはり技術者による編集という手間の掛かる作業が必要である。

一方、ＣＡＤ設計データから加工部位を抽出して加工形状を決定し、工具データベースから適合する工具が選択され、加工条件データベースからその推奨加工速度や推奨送り速度を読み込んで切削速度、送り速度等が自動計算されて工具軌跡が作成され、加工プログラムが作成される加工情報自動作成装置（特許文献２を参照。）も開発されている。

また、ＣＡＤデータから加工製品の特徴データを抽出して加工工程及び各加工工程毎に加工領域を設定し、素材データ及び各加工工程毎の加工モデルを生成し、工具データベースおよび加工条件データベースに基づいてツールパスデータを作成してＮＣ加工プログラムを作成するＣＡＭシステムも考えられている（例えば、特許文献３を参照。）。

しかしながら、多種多様な複数の特徴部を持つ加工製品の製造のための、同時５軸制御等の高度な工作機械での複雑な制御を必要とするような加工工程に相当する複雑なＮＣ加工プログラムを作成するには、従来の加工プログラムを自動作成するＣＡＭシステムでも一晩はかかっている。現在、このような複雑な加工プログラムを例えば１０分程度の短時間で効率的に自動作成できるシステムはなく、もちろんそのようなシステムを工作機械用ＣＮＣ装置に備えて、作成された加工プログラムによる精密加工をその場で直ちに工作機械に実行させられるものもない。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データを取得しさえすれば、自動的にその場で直ちに加工工程を実行して、簡便に目的の加工製品を製造できるマシニングセンタの自動運転装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、工作機械に接続されて数値制御を行うＣＮＣ装置を備えたマシニングセンタの自動運転装置であって、
前記ＣＮＣ装置は、
予め前記工作機械に関連する各種作業操作モードを備え、選択された作業操作モードを実行させる制御部と、
前記作業操作モードに対応する項目を選択可能に表示するメニュー画面表示機能と、選択された項目毎に実行されている作業操作モードの作業操作情報を経時的に表示する機能とを備えた表示手段と、
前記工作機械の加工部の回転主軸に対して自動工具交換装置を介して交換装着可能に収納されている複数の工具の識別情報および該識別情報に対応する各工具の材質、形状とを含む工具情報を備えた記憶部と、を備え、
前記制御部が、予め定められた加工プログラムに沿って、前記工作機械の加工部に対する駆動制御を行い、各加工工程に対応して工具を回転主軸に交換装着させながら加工素材への切削加工を実行させるマシニングセンタの自動運転装置において、
前記制御部は、目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データに基づいて、加工素材に対して切削すべき全加工工程を工作機械に実行させる加工指令を自動的に作成する加工指令自動作成部を備えており、
前記記憶部は、予め各種切削加工の特徴部毎に、当該切削加工が実行された際の使用工具と切削条件とを含む加工条件および工具軌跡とその実行プログラムを含む加工データを対応させて学習させられて生成された学習済みモデルを備え、
前記加工指令自動作成部は、
加工素材の形状を基準として前記加工製品の３次元ＣＡＤ設計データから切削加工の特徴部を抽出する特徴部抽出機能と、前記学習済みモデルに対して抽出された各特徴部を適用することによって各特徴部についての切削加工に必要な加工条件を自動的に決定すると共に該加工条件に基づいて工具軌跡を含む加工工程を自動的に設定する加工工程自動設定機能と、全特徴部の加工工程を実行する手順を決定して前記加工製品を完成するのに必要な一連の全加工工程を設定する全加工工程設定機能と、設定された前記全加工工程を工作機械に実行させる加工指令を前記学習済みモデルに基づいて作成する加工指令作成機能と、を備えるものであり、
前記加工工程自動設定機能は、前記３次元ＣＡＤ設計データに基づいて、加工製品の３Ｄモデルを作成して前記表示手段に前記３Ｄモデルをディスプレイ表示させると共に、前記加工製品の加工部への可能な１つ以上の異なる取付方向を選出し、選出された各取付方向の状態で前記３Ｄモデルを選択可能にディスプレイ表示させる機能をさらに備えており、選択され決定された取付方向に基づいて、各特徴部の切削加工のための加工工程を自動的に設定するものである。

本発明における加工条件とは、一般的な工作機械で設定される加工条件と同様であり、加工工程を決定するのに必要な条件であり、主に、工具の種類、形状、工具径、材質、また主軸回転速度、切削送り、切削幅、刃物の切り込み深さ（Ｚ方向）などの切削条件、また加工素材の材質、また加工部治具へのクランプ方法やクランプ位置、取付方向などである。これらの加工条件に基づいて、それぞれ目的の加工特徴部を得るための工具軌跡、所謂ツールパスが決定される。

ＣＮＣ装置には、例えばＵＳＢに記憶された目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データをＵＳＢポートから取得させることができ、あるいは、コンピュータネットワークを介して他のコンピュータからのネット通信によって前記目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データを取得させることができる。

上記のような本発明の構成においては、制御部の加工指令自動作成部において、前述のように取得された目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データに基づいて、切削加工により形成すべき特徴部を加工素材の形状を基準として抽出し、予め記憶部に備えられた学習済みモデルに適用して、各特徴部についての加工条件が自動的に決定され、この加工条件に基づいて使用工具と工具軌跡が決定され、工具の指定から交換、該工具軌跡の実行を含む加工工程が自動的に設定される。さらに全特徴部の加工工程を実行する手順が決定されて一連の全加工工程が設定され、この設定された全加工工程を工作機械に実行させるための加工指令が学習済みモデルに基づいて効率的に自動的に作成される。したがって、作業者は、予めＮＣプログラムを作成しておく必要はなくなり、ＣＮＣ装置に３次元ＣＡＤ設計データを入力しさえすれば、その場で直ちに、自動的に加工製品が作製される。

前記学習済みモデルは、本発明者らによって蓄積された多大な過去の切削加工のデータについて、各種特徴部毎に、使用された工具と切削条件を含む加工条件および工具軌跡とその実行プログラムを含む加工データ、即ち各特徴部の切削加工に必要な全データが対応して学習させられたものであるため、新たな加工製品を製造するための特徴部を切削加工するのに必要な加工条件とこれに基づく工具軌跡を含む加工工程が該学習済みモデルに基づいて短時間で自動的に決定および設定され、さらにその加工工程を工作機械に実行させるための加工指令も直ちに自動的に作成される。

なお、設定された加工工程を工作機械に実行させるための加工指令は、もちろん、従来と同様にＮＣプログラムとしても良いが、本発明では、このようなＧコード等のＮＣ言語を用いたプログラムに限られるものではなく、設定された加工工程を実行可能なものであれば、他の加工プログラムや直接的に工作機械を駆動制御できる指令信号を利用できる。

工作機械における加工工程の実施は、実質的には指定された工具による工具軌跡の実行によってほぼ達成されるが、この工具軌跡の実行は、各軸についてのモータ駆動による工具側とワーク側テーブル等との相対的な直線移動や回転移動よって行われる。即ち、各軸のモータに対する駆動制御によって工具軌跡は実行されている。より具体的には、通常のＮＣプログラムでは、読み取られたＮＣデータが情報処理回路で変換されたパルス列信号によって各モータが駆動される。パルス列信号は、そのパルス数に応じたモータの回転角、即ち位置制御によって実際の工具移動量を指令すると共に、パルス周波数に応じたモータの回転速度制御によって実際の工具移動速度を指令する。したがって、ＮＣプログラムを介さなくても、相当するパルス列信号を用いて各モータに直接指令することによって、工具軌跡の実行は達成できる。

そこで、本発明における設定された加工工程を実行させるための加工指令としては、このような各モータを直接駆動制御する指令信号を含むものとしても良い。例えば、工具軌跡に相当する各軸のモータ駆動を制御するパルス列信号に、工具指定や工具交換の指令信号を組み合わせて構成したものによって、一連の加工工程の実行が指令できる。パルス列信号自体は、予め学習済みモデル作成時に学習された加工データに含まれている各種工具軌跡に対応して使用されたパルス列信号から簡便に作成可能である。

自動的に設定された加工工程を実行させるための加工指令として、ＮＣプログラムを介さないで直接的な指令信号を作成して用いる場合は、従来のＧコードやＭコードで作成されたＮＣプログラムでは非常に多数の補間機能が使用されるのに対して、この補間機能が省略されるので、加工時間の短縮と加工精度の向上が実現可能となる。また、フィードバック制御でなく、自動的に設定された実数値で位置決めを行うことで、熱変位が無くなり、且つ指令に対するサーボ制御の遅れを無くしたリアルタイム制御となるため、負荷変動に瞬時に対応可能であり、これによる加工時間の大幅な短縮と高精度も実現可能である。

なお、加工工程を設定するための加工条件および工具軌跡は、各特徴部の切削加工方向に基づいて決定され、これら切削加工方向は、最終的な加工完了時の加工製品の向きによって決定される。したがって、加工指令自動作成部の加工工程自動設定機能による加工条件および工具軌跡の決定を行う前に、この加工製品の向き、即ち、加工部への取付方向を決定しておく。

そこで、本発明では、加工工程自動設定機能に、前記３次元ＣＡＤ設計データに基づいて、まず加工製品の３Ｄモデルを作成してＣＮＣ装置の表示手段に該３Ｄモデルをディスプレイ表示させると共に、加工製品の加工部への１つ以上の異なる取付方向を選出し、選出された各取付方向の状態で前記３Ｄモデルを選択可能にディスプレイ表示する機能をさらに備えている。このように、自動的に提案されディスプレイ表示された異なる取付方向のうち、最も実際的で効率的な加工工程が得られるものを選択して決定することにより、その取付方向に基づいて、効率的な加工指令が自動作成される。

自動的に提案される１つ以上の異なる取付方向は、前記３次元ＣＡＤ設計データに基づいて、まずその加工製品の取付方向として可能なものを選出すればよい。例えば、加工製品の外形状からその中心軸線を設定すれば、その中心軸線の向きを変えた取付方向が選出できる。具体的には、まず該中心軸線が垂直方向となる取付方向と水平方向となる取付方向とが選出できる。また、その他、加工製品の外形状によっては中心軸線が傾斜した状態となる取付方向も選出可能である。そして中心軸線の各方向について取付面となり得る比較的大きな面を選定すれば、それぞれ可能な載置方向も決定できる。従って、このように前記３次元ＣＡＤ設計データに基づいて加工製品の可能な取付方向を選出するだけあれば、複数の取付方向を非常に短時間で３Ｄモデルとしてディスプレイ表示することができる。以上のように自動的に表示されたこれらの取付方向から最適なものを選択すればよい。

一方、加工製品は、通常加工特徴部が形成されない面を少なくとも１つは有することが多いため、そのような特徴部を有さない、即ち加工不要の面を取付面とすることが実際的である。従って、作業者は、提案された１つ以上の取付方向での３Ｄモデルをディスプレイ上で確認して、加工製品の加工が必要無い面が取付面となる取付方向を最適な取付方向として瞬時に選択することができる。また、取付面となり得る特徴部が形成されない面が１つ以上ある場合には、固定治具と加工製品および加工素材の形状に基づいて、コンピュータによる複雑な計算をするまでもなく、取付時の安定性などから作業者が簡単に短時間で判断できる。

以上のように、本発明によれば、加工製品の３次元ＣＡＤ設計データをＣＮＣ装置に取得させれば、まずその可能な取付方向が自動的に１つ以上選出されてディスプレイ表示され、その中から最適な取付方向を選択して決定するだけで、その取付方向に基づいて、加工素材から加工製品を得るまでの全ての加工工程を実行できる加工指令が学習済みモデルに基づいて短時間で自動的に作成される。よって、作業者は、その後直ちにサイクルスタートさせるだけで、工作機械の加工部に前記取付方向に相当する状態で固定された加工素材に対して、自動作成された加工指令に沿った精密加工を実行させることができる。

従って、作業者は、予めＮＣプログラムを用意しておく必要がないため、ＧコードやＭコード等のＮＣ言語の知識や各種特徴部に関する加工条件に関する熟練を有する必要なく、３次元ＣＡＤ設計データさえあれば、これをＣＮＣ装置に入力するだけで簡便に且つ効率的に加工製品を自動的に製造することが可能となる。

なお、加工指令自動作成部には、設定された加工工程の工具軌跡が干渉なくスムーズな加工を実行できるものであるかを自動的に検証するためのシミュレーション機能と、干渉検知機能とをさらに備えることが望ましい。

このシミュレーション機能は、設定された加工工程における指定工具での工具軌跡を前記表示手段に３Ｄコンピュータグラフィックスの動画、例えばアニメーション動画として表示させるものとする。干渉検知機能は、動画表示中に工具と加工素材の非加工領域または加工部の周辺部材との干渉が発生した時点で前記動画を停止させて干渉警告を表示させるものとする。作業者は、動画を確認しながら特定の工具による工具軌跡について干渉の有無を確認でき、干渉警告が表示された際には、その工具軌跡に基づいて作成された加工指令を変更する必要があることを簡便に知ることができる。

そこで、加工指令自動作成部に、干渉警告時にその干渉を発生した工具を別の工具に変更して再度加工指令を自動作成させる加工指令改良機能をさらに設ければ、自動作成される加工指令を完全に安全なものとすることができる。この加工指令改良機能は、変更された工具に対応して改めて加工条件と該加工条件に基づく工具軌跡が決定されて改良された加工工程が自動的に設定され、さらにこの改良された加工工程に相当する改良された加工指令が自動的に作成されるものであり、また干渉が無くなるまでシミュレーション工程を繰り返させるものである。これによって、干渉のない工具軌跡が実行される加工工程および加工指令が、熟練者による時間の掛かる検証等を必要とすることなく、自動的に作成されるため、作業者は、短時間で簡便に安心して完全な製品加工が実行できる。

なお、本発明における表示手段は、従来からＣＮＣ装置に備えられる液晶ディスプレイ等で良いが、特にタッチパネル式とすることで、ディスプレイ上での作業操作モードの選択、実行がより短時間で簡便に済むため好ましい。この場合、メニュー画面に、各種作業操作モードの項目をアイコンとして選択実行可能に表示させるものとすれば、作業性が更に向上する。

この場合、上述した３次元ＣＡＤ設計データの入力から加工指令の自動作成と実行までの「ＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転」モードの項目をアイコンとしてメニュー画面に表示するものとする。これによって、作業者は、当該アイコンをタッチするだけで「ＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転」モードを開始させることができ、３次元ＣＡＤ設計データ読み込み直後の取付方向の選択決定時と、またその直後に自動作成された完全な加工指令のスタート時とのタッチ操作のみという、まるでスマートフォン操作のような感覚で、簡単に短時間で目的の加工製品の製造を実行できる。

本発明のＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転装置においては、以上に説明した通り、目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データを取得させれば、直ちに可能な取付方向が３Ｄモデルの表示で選択可能に提案され、最適な取付方向を選択して決定することができ、その決定された取付方向に基づいて、抽出された特徴部が学習済みモデルに適用されて短時間で前記加工製品を得るのに必要な全加工工程を工作機械に実行させる加工指令が自動的に作成される。このため、作業者は、加工製品の３次元ＣＡＤ設計データさえあれば、熟練の知識を必要とすることなく、直ちにその場で自動作成された加工指令によりマシニングセンタを自動運転させて目的の加工製品を簡便に短時間で製造させることができるという効果がある。

本発明の一実施形態としての、ＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転装置の主要部構成を概略で示すブロック図である。図１の加工指令自動作成部による加工指令作成工程を示すフローチャート図である。図２で示した加工指令作成工程において加工製品の３Ｄモデルがディスプレイ表示される画面の例を示す模式図であり、（ａ）は対象の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データが選択され、読み込まれた直後の３Ｄモデル表示画面、（ｂ）は提案された異なる取付方向で表示された３Ｄモデルのうち１つを選択した際の表示画面である。工具軌跡シミュレーション時のアニメーション動画がディアスプレイ表示されている画面の例を示す模式図であり、（ａ）はシミュレーション途中の表示画面、（ｂ）はシミュレーション終了時の表示画面である。ＣＮＣ装置の操作盤の基本構成を示す概略正面図である。

本発明の一実施形態によるマシニングセンタの自動運転装置として、主要部の概略構成を示すブロック図を図１に示す。なお、本実施形態におけるＣＮＣ装置は、従来のものと共通する基本構成を有するものである。即ち、ＣＮＣ装置１は、例えば工作機械本体を囲むガードの外壁面に設置され、図５に示すように、その本体前面が操作盤となっている。操作盤には、表示手段としてのタッチパネル式液晶ディスプレイ１１が設けられている。このタッチパネル式液晶ディスプレイ１１には、ＣＮＣ装置１に予め備えられている工作機械に対する各種作業操作モードの項目をそれぞれアイコン１０として表示するメニュー画面が表示される。

ディスプレイ周辺には、各種データの入出力ができるようにＵＳＢポート１２、またディスプレイ下方には、マウスパッド１３とマウスボタン１４を含むキーボード１５が配置されている。さらにキーボード１５の下方領域には、工作機械の各種運転に関連するスイッチやボタンを備えた操作パネル１６が設けられている。

本実施形態によるＣＮＣ装置１においては、作業操作モードの１つとして「ＣＡＤデータによる自動運転」モードを備え、その項目のアイコン１０Ａもメニュー画面に表示される設定とした。よってそのアイコン１０Ａのタッチ操作によって、ＣＡＤデータによる自動運転モードを選択し実行することができる。

ＣＮＣ装置１は、制御部３によって、所定の加工指令に沿って工作機械２０の加工部に対する駆動制御を行い、各加工工程に対応して工具を順次、回転主軸に交換装着させながら加工素材に対する切削加工を実行させるものである。ここでは、工作機械２０の詳細の図示は省略する。

ＣＮＣ装置１の制御部３は、図１に示すように、記憶部４が備えられており、工作機械２０のマガジン等に収納されている多数の工具に対応する識別情報とこれに紐付けられた各工具の種類や形状、材質等の工具情報５が記憶されている。各工具は、識別情報によって管理される。一方、工作機械２０には、自動工具交換装置（不図示）が備えられており、加工プログラムによる自動運転中に、使用されるべき工具が適宜指定され、加工部の回転主軸とマガジンとの間で所定のタイミングで交換・装着される。

また、記憶部４には、予め過去の膨大な切削加工データから、各種切削加工の面の凹凸や歪曲、穴、ポケット、スロット等の特徴部毎に、使用された工具と切削条件を含む加工条件および工具軌跡を含む加工工程および該加工工程を実行させた加工プログラムを含む加工データとを対応させて学習させられて生成された学習済みモデル６が備えられている。

そして、本実施形態においては、制御部３に、新たに製造する加工製品の特徴部を学習済みモデル６に適用して、該特徴部を形成するための加工工程を自動的に設定する加工工程自動設定機能と該加工工程を工作機械に実行させるための加工指令を自動的に作成する加工指令作成機能とを備えた加工指令自動作成部７を備えたものである。またこの加工指令自動作成部７は、取得された加工製品の３次元ＣＡＤ設計データに基づいて加工製品の各特徴部を抽出する特徴部抽出機能を備えている。即ち、加工工程設定および加工指令作成にあたって学習済みモデル６に適用される加工製品の特徴部は、この特徴部抽出機能によって加工製品の３次元ＣＡＤ設計データから得られる。

一方、この加工指令自動作成部７の加工工程自動設定機能には、前記特徴部抽出機能によって加工製品の３次元ＣＡＤ設計データに基づいて加工製品の各特徴部を抽出した後に、加工製品の３Ｄモデルを形成して液晶ディスプレイ１１に表示させると共に、可能な加工製品の１つ以上の異なる取付方向を選出し、選出された各取付方向の状態での３Ｄモデルをディスプレイ１１上に選択可能に表示させる機能をさらに備えており、作業者に、提案、表示された中から最適な取付方向を選択して決定させることができる。よって、加工工程の自動設定は、この決定された取付方向に基づいて進められる。

また、本実施形態では、加工指令自動作成部７には、自動的に作成された加工工程の工具軌跡を３Ｄコンピュータグラフィックス、例えばアニメーション動画としてディスプレイ１１に表示させるシミュレーション機能と、この動画表示中に工具と加工素材の非加工領域または加工部の周辺部材との干渉が発生した時点で動画を停止させて干渉警告を表示させる干渉検知機能とをさらに備えている。また、干渉警告時にその干渉を発生した工具を別の工具に変更して加工指令を作成し直す加工指令改良機能も備えている。

よって、以上のシミュレーション工程と加工指令の改良を全工具軌跡に関して干渉が無くなるまで自動的に繰り返すことによって、熟練者による時間の掛かる検証をすることなく、簡便に短時間で完全な工具軌跡による加工指令が得られる。

以上の構成を備えたＣＮＣ装置１において、目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データに基づいて加工指令を自動作成してマシニングセンタの自動運転を実行するまでの工程を以下に示す。図２は加工指令作成工程を示すフローチャート図であり、図３、図４は、加工工程自動設定工程における各過程でディスプレイ１１に表示される画面の例を示す模式図である。

まず、操作盤のタッチパネル式液晶ディスプレイ１１に表示されているメニュー画面から、「ＣＡＤデータによる自動運転」モードに相当するアイコン１０Ａをタッチ選択することで、当該モードが開始（１００）される。そして、まずＵＳＢポート１２等のデータ取得部２を介してＵＳＢに収納されている対象の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データの読み込み（１０１）が行われることで、実質的に加工指令自動作成の工程が開始される。なお、ＣＡＤデータの読み込みは、コンピュータネットワークを介して他のコンピュータから無線或いは有線、例えばイーサネット（登録商標）を用いた通信によって読み込んでもよい。

加工指令自動作成部７は、図３（ａ）に示すように、前記３次元ＣＡＤ設計データに基づいて加工製品の３Ｄモデルを形成してディスプレイ１１上に該３Ｄモデルの表示（１０２）をさせると共に、全ての特徴部の抽出（１０３）を行う。さらに、加工製品の可能な取付方向を１つ以上選出し、選出された各取付方向の状態で３Ｄモデルをディスプレイ１１上で選択決定可能に表示する。ここでは、加工製品として外形状が五角錐柱（五角柱の上面に五角錐が組み合わされた形状）である場合を例に見ると、五角錐柱の中心軸線が垂直方向に沿った取付方向と該中心軸線が水平方向に沿った取付方向とが選出されている。但し、水平方向に沿った取付方向の場合、五角柱部分の側面のいずれかが取付面となり得る。

作業者が、図３（ｂ）に示すように、表示された異なる取付方向の３Ｄモデルのうち、最適と判断された取付方向をディスプレイ１１上でタッチ選択することで、取付方向の決定（１０４）がなされる。上記五角錐柱の場合、五角柱部分の底面が特徴部を有さない加工不要面であることから、この底面が取付面となる方向、即ち、前記中心軸線が垂直方向に沿った取付方向が実際的で最適と直ぐに判断できる。

作業者によって、この最適な加工製品の取付方向が選択され決定された後、ディスプレイ１１上で加工指令自動作成開始ボタンＰをタッチ選択すれば、加工指令自動作成部７において、選択決定された取付方向に基づいて、実質的な加工工程設定（１０５）が開始される。即ち、先に抽出された各特徴部を学習済みモデル６に適用して、記憶部４の工具情報５に登録されている工具からそれぞれの特徴部の加工に適した工具が選択され、各種切削条件、加工条件の決定がなされ、その加工条件に基づいて工具軌跡も決定される。そして各特徴部の切削加工に必要な工具の指定および交換から工具軌跡を含む加工工程が設定される。そして、特徴部が複数種類ある場合には、全特徴部に対応する加工工程の効率的な手順が決定されて目的の加工製品を製造するのに必要な一連の全加工工程が設定される。その後直ちに、設定された全加工工程を工作機械に実行させるための加工指令の作成（１０６）が行われる。

以上のように加工工程の設定および加工指令の作成が完了すると、直ちに設定された加工工程の工具軌跡のシミュレーション（１０７）が開始され、図４（ａ）に示すような３Ｄアニメーション動画がディプレイ１１に表示される。この動画表示において、工具軌跡に沿って、工具と加工素材の非加工領域または工作機械の加工部の周辺部材との干渉の有無の検知（１０８）がなされる。干渉発生がなく、図４（ｂ）に示すように工具軌跡のシミュレーション動画が途中で停止されることなく最後まで終了した場合、その工具軌跡に基づいて設定、作成された加工工程および加工指令は、工作機械２０に対して干渉無く実行可能な完全なものであると安心して判断される。この場合、加工素材が３Ｄモデル表示の際に選択決定された加工製品の取付方向に相当する向きで加工部に固定されていれば、作業者は、ディスプレイ１１上でサイクルスタートのボタンＳをタッチ操作するだけで、直ちにその場で作成された加工指令でサイクルスタート（１１１）して加工製品の製造を進めることができる。

一方、シミュレーションにおいて干渉が発生した場合には、動画が停止され、干渉警告が表示される（１０９）。干渉警告が表示された後、加工指令自動作成部７は、干渉発生の原因となった工具を特定し、学習済みモデル６に基づいて次善の工具を選択し直して工具変更（１１０）を行い、その変更された工具での加工条件および加工軌跡を改めて決定し、加工工程の設定（１０５）をやり直す。そして改良された加工工程に対応して再度加工指令の作成（１０６）が行われる。この工具変更から加工指令変更のルーチンが、シミュレーションでの干渉発生が解消されるまで繰り返されるため、完全な工具および工具軌跡による改良された加工指令が簡便に短時間で作成される。

加工工程および加工指令が改良され、改良された工具軌跡でのシミュレーション動画が、干渉発生によって停止されることなく最後まで終了し、その工具軌跡に基づく加工工程および加工指令が問題ない完全なものとなったと判断されれば、作業者は、ディスプレイ１１上でボタンＳをタッチ操作するだけで、完全なものに改良された加工指令に従った加工工程がサイクルスタート（１１１）され、工作機械で加工製品の製造が実行される。本実施形態のＣＮＣ装置１においては、加工製品の３次元ＣＡＤ設計データの読み込みから、シミュレーションを経て完全な加工指令が作成されるまで、従来のＣＡＭシステムによるプログラム自動作成で一晩かかっていたものが、１０分程度で済んだ。

以上のように、本実施形態のマシニングセンタの自動運転装置によれば、作業者は、予め手間をかけてＮＣプログラムを用意しておく必要はなく、加工製品の３次元ＣＡＤ設計データをＣＮＣ装置１に入力しさえすれば、後はスマートフォン感覚でタッチパネル式液晶ディスプレイ１１上で所定のアイコンやボタンのタッチ操作を行うだけで、自動的に加工指令が作成されると共にその加工指令に従ったマシニングセンタの自動運転が実行されるので、非常に簡単に目的の加工製品を製造することができる。

１：ＣＮＣ装置
２：データ取得部
３：制御部
４：記憶部
５：工具情報
６：学習済みモデル
７：加工指令自動作成部
１０，１０Ａ：アイコン
１１：タッチパネル式液晶ディスプレイ
１２：ＵＳＢポート
１３：マウスパッド
１４：マウスボタン
１５：キーボード
１６：操作パネル
２０：工作機械
Ｐ：加工指令自動作成開始ボタン
Ｓ：サイクルスタートボタン

Claims

工作機械に接続されて数値制御を行うＣＮＣ装置を備えたマシニングセンタの自動運転装置であって、
前記ＣＮＣ装置は、
予め前記工作機械に関連する各種作業操作モードを備え、選択された作業操作モードを実行させる制御部と、
前記作業操作モードに対応する項目を選択可能に表示するメニュー画面表示機能と、選択された項目毎に実行されている作業操作モードの作業操作情報を経時的に表示する機能とを備えた表示手段と、
前記工作機械の加工部の回転主軸に対して自動工具交換装置を介して交換装着可能に収納されている複数の工具の識別情報および該識別情報に対応する各工具の材質、形状とを含む工具情報を備えた記憶部と、を備え、
前記制御部が、予め定められた加工プログラムに沿って、前記工作機械の加工部に対する駆動制御を行い、各加工工程に対応して工具を回転主軸に交換装着させながら加工素材への切削加工を実行させるマシニングセンタの自動運転装置において、
前記制御部は、目的の加工製品の３次元ＣＡＤ設計データに基づいて、加工素材に対して切削すべき全加工工程を工作機械に実行させる加工指令を自動的に作成する加工指令自動作成部を備えており、
前記記憶部は、予め各種切削加工の特徴部毎に、当該切削加工が実行された際の使用工具と切削条件とを含む加工条件および工具軌跡とその実行プログラムを含む加工データを対応させて学習させられて生成された学習済みモデルを備え、
前記加工指令自動作成部は、
加工素材の形状を基準として前記加工製品の３次元ＣＡＤ設計データから切削加工の特徴部を抽出する特徴部抽出機能と、前記学習済みモデルに対して抽出された各特徴部を適用することによって各特徴部についての切削加工に必要な加工条件を自動的に決定すると共に該加工条件に基づいて工具軌跡を含む加工工程を自動的に設定する加工工程自動設定機能と、全特徴部の加工工程を実行する手順を決定して前記加工製品を完成するのに必要な一連の全加工工程を設定する全加工工程設定機能と、設定された前記全加工工程を工作機械に実行させる加工指令を前記学習済みモデルに基づいて作成する加工指令作成機能と、を備えるものであり、
前記加工工程自動設定機能は、前記３次元ＣＡＤ設計データに基づいて、加工製品の３Ｄモデルを作成して前記表示手段に前記３Ｄモデルをディスプレイ表示させると共に、前記加工製品の加工部への可能な１つ以上の異なる取付方向を選出し、選出された各取付方向の状態で前記３Ｄモデルを選択可能にディスプレイ表示させる機能をさらに備えており、選択され決定された取付方向に基づいて、各特徴部の切削加工のための加工工程を自動的に設定するものであることを特徴とするＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転装置。
前記加工指令自動作成部は、
設定された加工工程の工具軌跡を前記表示手段に３Ｄコンピュータグラフィックスの動画として表示させるシミュレーション機能と、
前記動画の表示中に工具と加工素材の非加工領域または加工部の周辺部材との干渉が発生した時点で前記動画を停止させて干渉警告を表示させる干渉検知機能と、
干渉警告時にその干渉を発生した工具を別の工具に変更し、変更した工具に対応する加工条件に基づいた工具軌跡を決定して加工工程を設定し直して改良された加工指令を作成する加工指令改良機能と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転装置。
前記表示手段は、
ＣＮＣ装置の前面に設置されたタッチパネル式ディスプレイであって、前記メニュー画面に、各種作業操作モードの項目をそれぞれアイコンとして選択実行可能に表示させる機能を有し、
前記３次元ＣＡＤ設計データに基づいて前記加工指令自動作成部が前記学習済みモデルへの適用によって前記加工指令を作成して工作機械に自動運転を実行させるための、ＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転モード、に相当する項目を、前記アイコンの一つとして備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＡＤデータによるマシニングセンタの自動運転装置。