JP7058207B2 - 工作機械の製造方法、及び製造システム - Google Patents

Description

本発明は、工作機械を構成する構造物であって、その形状が最適化された構造物を効率的に製造することができる製造方法及び製造システムに関する。

工作機械を構成する構造物には、安定した加工精度を実現するために必要な機械剛性が求められ、また、製造コストの面から加工のし易さが求められる。このような背景から、当該構造物には一般的に鋳物が採用されている。

そして、この構造物の形状設計においては、旧来、設計者の経験的な知見に依存する部分が多かったが、近年では、鋳型を用いて製造する鋳物特有の制約があるものの、ＦＥＡ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）手法を用いた構造上の理論解析を行って、当該構造物の機械剛性を高める形状設計が行われている。

そして、更に、工作機械の分野ではないが、近年、下記特許文献１に開示されるように、車体の形状設計において、当該車体の軽量化を図り、且つその剛性を高めるために、トポロジー最適化手法を用いて、当該車体等の形状を最適化する方法が提案されている。

特開２０１８－１３９０２９号公報

ところで、工作機械の構造物においても、製造コストの更なる低減を目的として、必要な機械剛性を維持しつつ、或いは機械剛性を更に高めながら軽量化を図るべく、その形状設計に上述したトポロジー最適化手法を適用することが考えられる。

ところが、トポロジー最適化手法を用いて得られる構造物の形状は、設計空間の不要な部分が削られて、求められる剛性を備えるために必要な部分のみが残った形状となるため、その形状は一般的に三次元空間内に配置された骨組み状の形状を呈するものとなる。

しかしながら、このような三次元的な骨組み形状を有する構造物は、常識的に、鋳型を用いた鋳物として製造することができない。このため、工作機械の分野では、その構造物の軽量化を図ることについて、一定の限界があった。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであって、工作機械を構成する構造物であって、その形状が最適化された構造物を効率的に製造することができる製造方法及び製造システムの提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、工作機械を構成する構造物の三次元基礎モデルを設計する初期設計工程と、
前記初期設計工程で得られた三次元基礎モデルを、三次元要素を用いて要素化する要素化工程と、
前記要素化されたモデルを、トポロジー最適化によって最適化する最適化工程と、
最適化された構造物のモデルに基づいて、付加加工装置を用いた積層加工によって該構造物を製造する製造工程とを含む、工作機械の製造方法に係る。

そして、この方法発明は、工作機械を構成する構造物の三次元形状を設計する設計装置であって、前記工作機械を構成する構造物の三次元基礎モデルを設計する初期設計部、該初期設計部で設計された三次元基礎モデルを、三次元要素を用いて要素化する要素化処理部、及び該要素化処理部で要素化されたモデルをトポロジー最適化によって最適化する最適化処理部を備えた設計装置と、
前記設計装置によって最適化された構造物のモデルデータに基づいて、積層加工により該構造物を製造する付加加工装置とから構成された工作機械の製造システムによって、好適に実施される。

本発明によれば、まず、前記初期設計部（初期設計工程）において、工作機械を構成する構造物の三次元基礎モデルが設計される。尚、この初期設計部は、例えば、従来公知のＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）から構成することができる。

次に、前記要素化処理部（要素化工程）において、前記初期設計部（初期設計工程）で設計された三次元基礎モデルを、三次元要素を用いて要素化する。この要素化には、例えば、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）を用いることができる。

ついで、前記最適化処理部（最適化工程）において、前記要素化処理部（要素化工程）で要素化されたモデルが、トポロジー最適化によって最適化される。

そして、付加加工装置（製造工程）において、上記のようにして最適化された構造物のモデルの基づき、積層加工によって当該構造物が製造される。

上述したように、トポロジー最適化によって得られる構造物の形状は、設計空間の不要な部分が削られて、求められる剛性を備えるために必要な部分のみが残った形状となるため、その形状は一般的に三次元空間内に配置された骨組み状の形状を呈するが、本発明によれば、付加加工装置を用いた積層加工によって、当該構造物を製造するようにしているので、このような骨組み状の構造物であっても、容易に製造することができる。

斯くして、本発明によれば、必要な機械剛性を維持しつつ、或いは機械剛性を更に高め、且つその軽量化を図った最適な工作機械の構造物を製造することができ、当該工作機械の製造コストを従来に増してより低減することができる。

また、本方法発明では、前記最適化工程で最適化されたモデルを構成する各三次元要素間の接続形状を滑らかにするスムージング工程を、前記最適化工程と製造工程との間に含み、前記製造工程では、前記最適化工程で処理され、且つスムージング工程で処理されたモデルに基づいて、前記構造物を製造するように構成されていても良い。

また、このような方法を実施するために、前記製造システムは、その前記設計装置が、前記最適化処理部で最適化されたモデルを構成する各三次元要素間の接続形状を滑らかにするスムージング処理部を更に備え、
前記付加加工装置は、前記設計装置によって最適化され、且つスムージング処理が施された構造物のモデルデータに基づいて、前記構造物を製造するように構成されることができる。

この製造システム（製造方法）によれば、スムージング処理部（スムージング工程）において、最適化処理部（最適化工程）で最適化されたモデルを構成する各三次元要素間の接続形状が滑らかにされるので、前記付加加工装置（製造工程）で製造される構造物の表面形状を滑らかにすることができ、良好な形状の構造物を製造することができる。

以上のように、本発明によれば、必要な機械剛性を維持しつつ、或いは機械剛性を更に高め、且つその軽量化を図った最適な工作機械の構造物を製造することができ、当該工作機械の製造コストを従来に増してより低減することができる。

また、最適化されたモデルに対して、各三次元要素間の接続形状が滑らかにするスムージング処理を施せば、製造される構造物の表面形状を滑らかにすることができ、良好な形状の構造物を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る製造システムの概略構成を示したブロック図である。 本実施形態の要素化処理部における処理で要素化されたモデルを示す説明図（斜視図）である。 本実施形態の要素化処理部における処理で要素化されたモデルを示す説明図（正面図）である。 本実施形態の要素化処理部における処理で要素化されたモデルを示す説明図（側面図）である。 本実施形態のスムージング処理部における処理でスムージングされた最適化モデルを示す説明図（斜視図）である。 本実施形態のスムージング処理部における処理でスムージングされた最適化モデルを示す説明図（正面図）である。 本実施形態のスムージング処理部における処理でスムージングされた最適化モデルを示す説明図（側面図）である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本例の製造システム１は、形状設計装置２及びこの形状設計装置２に接続される付加加工装置９から構成される。尚、この製造システム１は、図２～図７に示した工作機械１０の構造物、即ち、ベッド１１、コラム１２、サドル１３、主軸頭１４及びテーブル１５などを製造対象とする。

前記形状設計装置２は、演算部３及び入出力装置８から構成され、演算部３は、ＣＡＤ処理部４、要素化処理部５、トポロジー最適化処理部６及びスムージング処理部７から構成される。尚、演算部３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを含むコンピュータから構成され、前記ＣＡＤ処理部４、要素化処理部５、トポロジー最適化処理部６及びスムージング処理部７は、それぞれコンピュータプログラムによってその機能が実現され、後述する処理を実行する。また、入出力装置８は、キーボードやマウスなどの入力機器、ＵＳＢを含む入出力ディバイス（入出力インターフェース）、及びディスプレイなどの出力機器などから構成される。

前記ＣＡＤ処理部４は、初期設計部と観念されるもので、入出力装置８を介した設計者の操作によって、当該設計者が意図する工作機械１０の構造物、即ち、上述したベッド１１、コラム１２、サドル１３、主軸頭１４及びテーブル１５などを含む構造物の形状設計（初期設計）を行って、工作機械１０全体の三次元基礎モデルを生成する処理を行う。尚、このＣＡＤ処理部４は、従来公知のＣＡＤシステムから構成することができる。

前記要素化処理部５は、前記ＣＡＤ処理部４によって生成された工作機械１０の三次元基礎モデルを、三次元要素を用いて要素化する処理行う。この要素化は、例えば、従来公知の有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）に従った処理によって実行することができる。このようにして、工作機械１０の三次元基礎モデルを要素化したモデルを図２～図４に示す。

前記トポロジー最適化処理部６は、前記要素化処理部５で要素化された工作機械１０の三次元モデルをトポロジー最適化によって最適化する処理を行う。このトポロジー最適化の処理にも、従来公知のあらゆる手法、例えば、均質化法、密度法やレベルセット法などを適用することができる。このトポロジー最適化は、簡単に言うと、構造物について設定した設計空間の不要な部分を削り取って、求める剛性を備えるために必要な部分のみを残した形状を生成する処理であり、生成される形状は一般的に三次元空間内に配置された骨組み状の形状を呈する。

また、前記スムージング処理部７は、前記トポロジー最適化処理部６によって最適化された三次元モデルに対して、その各三次元要素間の接続形状を滑らかにする処理を実行する。前記トポロジー最適化処理部６によって最適化された三次元モデルは、これを構成する各三次元要素の接続関係が考慮されていないため、当該接続部分に凹凸を生じている。このスムージング処理によれば、この凹凸が解消されて各三次元要素の接続部が滑らかにされる。このようにして、トポロジー最適化及びスムージング処理が施された三次元モデルを図５～図７に示す。

前記付加加工装置９は、従来公知の構成を採用することができ、例えば、レーザ加工装置から構成される。このレーザ加工装置の典型例としては、例えば、ベッドと、ベッド上に配設されたコラムと、コラムに上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に保持されたレーザ光照射ヘッドと、このレーザ光照射ヘッドの下方のベッド上に配設され、前記Ｚ軸方向に直交するとともに相互に直交する２つの移動軸であるＸ軸及びＹ軸方向に移動可能になったテーブルと、前記レーザ光照射ヘッドとテーブルとを前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に相対的に移動させる送り機構と、前記レーザ光照射ヘッド及び送り機構の作動を制御する制御装置と、レーザ光を生成するレーザ光生成部と、生成されたレーザ光を前記レーザ光照射ヘッドに導く伝送路と、前記レーザ光照射ヘッドに金属粉体を供給する粉体供給部とから構成される。

前記レーザ光照射ヘッドは、伝送されたレーザ光をテーブルに向け照射して、所定の位置にレーザ光を集光させる。そして、前記粉体供給部から、前記レーザ光の集光部（焦点領域）に向けて付加材料となる金属粉体がキャリアガスとともに供給され、レーザ光の集光部に供給された粉体は、レーザ光のエネルギーにより加熱、溶融されて堆積される。斯くして、前記送り機構により前記レーザ光照射ヘッド及びテーブルを、三次元空間内で相対的に移動させることにより、前記テーブル上に所定形状の堆積物が形成される。

前記制御装置は、前記スムージング処理部７によってスムージング処理が施された各構造物の三次元モデルに係るデータを、前記入出力装置８を介して受信し、受信した各構造物の三次元モデルデータのそれぞれについて、前記テーブル上に当該三次元モデルに対応した形状の堆積物を形成するためのＮＣプログラムであって、レーザ光照射ヘッドとテーブルとの相対的な移動経路を含むＮＣプログラムを生成する。そして、生成した各ＮＣプログラムを実行し、即ち、各ＮＣプログラムに従い前記送り機構を制御して、レーザ光照射ヘッドとテーブルとを相対的に移動させ、対応する構造物を製造する。

以上の構成を備えた製造システム１によれば、まず、設計者の操作の下、前記ＣＡＤ処理部４において、工作機械１０を構成する構造物、即ち、ベッド１１、コラム１２、サドル１３、主軸頭１４及びテーブル１５などの三次元基礎モデルが設計される（初期設計工程）。

次に、前記要素化処理部５において、前記ＣＡＤ処理部４で設計された三次元基礎モデルが、三次元要素を用いて要素化され（要素化工程）（図２～図４参照）、ついで、前記トポロジー最適化処理部６において、前記要素化処理部５で要素化された各構造物の三次元モデルがトポロジー最適化によって最適化される（最適化工程）。

次に、前記スムージング処理部７において、前記トポロジー最適化処理部６によって最適化された各構造物の三次元モデルに対して、その各三次元要素間の接続形状を滑らかにするスムージング処理が施される（スムージング工程）（図５～図７参照）。

そして、スムージング処理部７によってスムージング処理が施された各構造物の三次元モデルに係るデータが、入出力装置８を介して前記付加加工装置９に送信され、送信された各構造物の三次元モデルデータに基づいて、当該付加加工装置９によって、各構造物が製造される。トポロジー最適化処理部６によって得られる各構造物の形状は、設計空間の不要な部分が削られて、求められる剛性を備えるために必要な部分のみが残った形状となるため、図５～図７に示すように、三次元空間内に配置された骨組み状の形状を呈するが、本例では、付加加工装置９を用いた積層加工によって、当該構造物を製造するようにしているので、このような骨組み状の構造物であっても、容易に製造することができる。

以上のように、本例の製造システム１によれば、必要な機械剛性を維持しつつ、或いは機械剛性を更に高め、且つその軽量化を図った最適な工作機械１０の構造物（ベッド１１、コラム１２、サドル１３、主軸頭１４及びテーブル１５など）を製造することができ、当該工作機械１０の製造コストを従来に増してより低減することができる。

また、本例では、スムージング処理部７において、トポロジー最適化処理部６で最適化された三次元モデルを構成する各三次元要素間の接続形状が滑らかにする処理を施しているので、前記付加加工装置９で製造される各構造物の表面形状を滑らかにすることができ、良好な形状の構造物を製造することができる。

以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明が採り得る態様は何ら上例のものに限定されるものではない。

例えば、上例では、前記付加加工装置９の制御装置にＮＣプログラムを生成する機能を持たせたが、制御装置はこのような態様に限られるものではなく、ＮＣプログラムを生成する機能を有しないものであっても良い。この場合、各構造物を製造するためのＮＣプログラムは、別のＮＣプログラム生成装置を用いて、自動的に、或いはオペレータの操作の下で生成することができ、付加加工装置９は、このようにして生成されたＮＣプログラムに従って各構造物を製造する。

また、上例では、トポロジー最適化処理が施された各構造物の三次元モデルに対し、スムージング処理部７において、スムージング処理を施すようにしたが、トポロジー最適化処理によって得られた三次元モデルの各三次元要素の接続部が比較的滑らかである場合には、このスムージング処理部７を特に設ける必要は無い。

また、当然のことながら、前記工作機械１０の構成は、あくまでも一例であって、この構成に限定されるものでは無い。

繰り返しになるが、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

１ 製造システム
２ 形状設計装置
３ 演算部
４ ＣＡＤ処理部
５ 要素化処理部
６ トポロジー最適化処理部
７ スムージング処理部
８ 入出力装置
９ 付加加工装置
１０ 工作機械
１１ ベッド
１２ コラム
１３ サドル
１４ 主軸頭
１５ テーブル

Claims (4)

1. 工作機械を構成する、主軸を含んだ構造物全体の三次元基礎モデルを設計する初期設計工程と、
   前記初期設計工程で得られた三次元基礎モデルを、三次元要素を用いて要素化する要素化工程と、
   前記要素化されたモデルの内、少なくとも、前記主軸を除いた主軸頭を含むモデルについて、トポロジー最適化によって最適化する最適化工程と、
   最適化された構造物のモデルに基づいて、付加加工装置を用いた積層加工によって該構造物を製造する製造工程とを含むことを特徴とする工作機械の製造方法。
2. 前記最適化工程で最適化されたモデルを構成する各三次元要素間の接続形状を滑らかにするスムージング工程を、前記最適化工程と製造工程との間に含み、
   前記製造工程では、前記最適化工程で処理され、且つスムージング工程で処理されたモデルに基づいて、前記構造物を製造するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の工作機械の製造方法。
3. 工作機械を構成する構造物の三次元形状を設計する設計装置であって、前記工作機械を構成する、主軸を含んだ構造物全体の三次元基礎モデルを設計する初期設計部、該初期設計部で設計された三次元基礎モデルを、三次元要素を用いて要素化する要素化処理部、及び該要素化処理部で要素化されたモデルの内、少なくとも、主軸を除いた主軸頭を含むモデルについて、トポロジー最適化によって最適化する最適化処理部を備えた設計装置と、
   前記設計装置によって最適化された構造物のモデルデータに基づいて、積層加工により該構造物を製造する付加加工装置とから構成されることを特徴とする工作機械の製造システム。
4. 前記設計装置は、前記最適化処理部で最適化されたモデルを構成する各三次元要素間の接続形状を滑らかにするスムージング処理部を更に備え、
   前記付加加工装置は、前記設計装置によって最適化され、且つスムージング処理が施された構造物のモデルデータに基づいて、前記構造物を製造するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の工作機械の製造システム。
   

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