JP7175433B1 - 加工面品位シミュレーション装置および加工面品位表示方法 - Google Patents

Abstract

加工面品位シミュレーション装置（１ａ）は、加工プログラムに従って軸を駆動する工作機械について、工作機械によって加工される工作物における加工面の外観の特徴を模擬する加工面品位シミュレーション装置である。加工面品位シミュレーション装置（１ａ）は、軸の動作についてのデータである軸データに基づいて、外観を特徴付ける加工誤差であってあらかじめ設定された加工誤差が発生するか否かを判定する加工誤差発生判定部（１１ａ）と、加工誤差によって生じる加工誤差形状を、工作機械が工作物を加工する際における加工条件と軸の位置とに基づいて計算する加工面形状計算部（１２ａ）と、計算された加工誤差形状を描画する描画部（１３ａ）と、を備える。

Description

本開示は、工作物における加工面の外観の特徴を模擬する加工面品位シミュレーション装置および加工面品位表示方法に関する。

工作機械は、加工プログラムに従って軸を駆動し、所望の形状の加工品を加工する機械装置である。高精度な加工を実現するための技術として、シミュレーションを用いて加工前に加工誤差の発生を予測する技術、または、加工中に工作機械が出力するデータを監視して加工誤差の発生を検知する技術が知られている。

特許文献１には、各計算ステップにおいて工具によって工作物から除去される部分の体積を、工具が通過する軌跡から計算し、加工後の形状を予測する３次元形状のシミュレーションについて開示されている。特許文献１の技術を用いることで、工具が通過する軌跡が既知である場合には、正確な加工形状を予測することができる。

特開２０１０－２３７８４３号公報

しかしながら、上記特許文献１にかかる従来の技術によると、３次元形状の高精度なシミュレーションを実現するためには多くの計算リソースが必要となり、加工後の形状の予測に時間がかかるという課題がある。また、上記特許文献１の技術では、加工後の形状を正確に予測できる一方、外観の見え方を模擬しているわけではないため、例えば数マイクロメートルの傷が生じた場合などにおいて表面の見え方の変化を確認することができない。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な計算によって、加工面の外観の特徴を予測することができる加工面品位シミュレーション装置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、本開示にかかる加工面品位シミュレーション装置は、加工プログラムに従って軸を駆動する工作機械について、工作機械によって加工される工作物における加工面の外観の特徴を模擬する加工面品位シミュレーション装置である。本開示にかかる加工面品位シミュレーション装置は、軸の動作についてのデータである軸データに基づいて、軸の動作に起因する加工誤差が発生するか否かを判定する加工誤差発生判定部と、加工誤差が発生すると判定された場合に、加工誤差によって生じる加工誤差形状を、工作機械が工作物を加工する際における加工条件と軸の位置とに基づいて計算する加工面形状計算部と、計算された加工誤差形状を描画する描画部と、を備える。

本開示にかかる加工面品位シミュレーション装置は、簡易な計算によって、加工面の外観の特徴を予測することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる数値制御工作機械の構成例を示す図 実施の形態１にかかる数値制御工作機械を構成するＸ軸駆動部の構成を説明するための模式図 実施の形態１における加工誤差のメカニズムの一例について説明するための図 実施の形態１における加工誤差の態様の一例について説明するための図 実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置の構成を示すブロック図 実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置による加工面品位シミュレーションの手順を示すフローチャート 実施の形態１における加工経路の第１の例を示す図 実施の形態１での加工時における加速度の波形の例を示す図 実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置により生成される画像の第１の例を示す図 実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置により描画される誤差軌跡の例を示す図 実施の形態１における工具と加工誤差形状との例を示す図 実施の形態１において工具を浮き上がらせる機械構造の変形について説明するための図 実施の形態１において精密加工を行う場合における加速度の波形の例を示す図 実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置により生成される画像の第２の例を示す図 実施の形態１における加工経路の第２の例を示す図 実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置により生成される画像の第３の例を示す図 実施の形態１にかかる制御回路の構成例を示す図 実施の形態１にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す図 実施の形態２にかかる加工面品位シミュレーション装置の構成を示すブロック図 実施の形態２にかかる加工面品位シミュレーション装置による加工面品位シミュレーションの手順を示すフローチャート 実施の形態２にかかる加工面品位シミュレーション装置により生成される画像の例を示す図 実施の形態３にかかる加工面品位シミュレーション装置の構成を示すブロック図 実施の形態３にかかる加工面品位シミュレーション装置による加工面品位シミュレーションの手順を示すフローチャート 実施の形態３にかかる加工面品位シミュレーション装置により生成される画像の例を示す図 実施の形態４において予測される工具の振動について説明するための図 実施の形態４にかかる加工面品位シミュレーション装置により生成される画像の例を示す図 実施の形態５にかかる加工面品位シミュレーション装置の構成を示すブロック図 実施の形態５にかかる加工面品位シミュレーション装置により生成される画像の例を示す図 実施の形態６にかかる加工面品位シミュレーション装置の構成を示すブロック図 実施の形態６にかかる加工面品位シミュレーション装置が有する機械学習装置の構成例を示すブロック図

以下に、実施の形態にかかる加工面品位シミュレーション装置および加工面品位表示方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる数値制御工作機械９９の構成例を示す図である。数値制御工作機械９９は、加工プログラムに従って軸を駆動する工作機械である。実施の形態１において、数値制御工作機械９９は、直交３軸立形の切削加工機である。

数値制御工作機械９９は、Ｘ軸を駆動するＸ軸駆動部９３Ｘと、Ｖ軸を駆動するＶ軸駆動部９３Ｖと、Ｙ軸を駆動するＹ軸駆動部９３Ｙと、Ｚ軸を駆動するＺ軸駆動部９３Ｚと、主軸８３とを有する。数値制御工作機械９９は、タンデム駆動の工作機械であって、ガントリー構造と呼ばれる構造を備える。Ｘ軸駆動部９３ＸおよびＶ軸駆動部９３Ｖは、Ｘ方向にＹ軸駆動部９３Ｙを駆動する。Ｙ軸駆動部９３Ｙは、Ｙ方向にＺ軸駆動部９３Ｚを駆動する。Ｚ軸駆動部９３Ｚは、Ｚ方向に主軸８３を駆動する。主軸８３は、工具７６を回転させる。加工対象である工作物７８は、ワークテーブル７７に設置される。数値制御工作機械９９は、Ｘ軸駆動部９３Ｘ、Ｖ軸駆動部９３Ｖ、Ｙ軸駆動部９３ＹおよびＺ軸駆動部９３Ｚによって主軸８３を移動させながら工具７６を回転させることで、工作物７８を加工する。

数値制御工作機械９９が行う作業は、加工プログラムに従って各軸を駆動し、切削加工によって工作物７８の加工形状を実現することである。工作物７８の加工形状が定められた基準を達成するかどうか、具体的には、予め設計されたとおりの形状精度および面精度を達成するかどうかで、数値制御工作機械９９の作業の正否が判定される。

数値制御工作機械９９において、各軸では、アクチュエータであるモータ７１の回転運動が送りねじ７３によって各軸の駆動方向への直進運動に変換される。この時、回転運動は案内機構７２によって支持されるため、軸は送りねじ７３の送り方向にのみ自由度を持つ。その結果、数値制御工作機械９９では、各軸の直進運動が組み合わせられることによって、ＸＹＺの３次元空間内における工具７６の運動、すなわち３自由度の工具７６の運動が実現される。数値制御工作機械９９は、主軸８３を用いて工具７６を回転させ、工作物７８において工具７６と干渉した部分の材料を除去することで、工作物７８の３次元の加工形状を創成する。

つづいて、数値制御工作機械９９を構成するＸ軸駆動部９３Ｘ、Ｖ軸駆動部９３Ｖ、Ｙ軸駆動部９３ＹおよびＺ軸駆動部９３Ｚについて説明する。ここでは、Ｘ軸駆動部９３Ｘを例として説明するが、Ｘ軸駆動部９３Ｘについて説明した内容は、Ｖ軸駆動部９３Ｖ、Ｙ軸駆動部９３ＹおよびＺ軸駆動部９３Ｚの各々においても同様であるものとする。

図２は、実施の形態１にかかる数値制御工作機械９９を構成するＸ軸駆動部９３Ｘの構成を説明するための模式図である。図２に示すように、数値制御工作機械９９は、指令値演算部９、サーボ制御部６ａおよび機械装置部９６を有する。機械装置部９６は、駆動機構９７および機械構造９８を有する。指令値演算部９、サーボ制御部６ａおよび駆動機構９７は、Ｘ軸駆動部９３Ｘを構成する。

駆動機構９７は、Ｘ軸のモータ７１の回転運動を直進運動に変換する役割と、かかる変換のための構成を支持する役割とを担う。Ｘ軸駆動部９３Ｘにおいて、モータ７１の回転運動は、カップリング７４を介して送りねじ７３に伝達され、ナット８０および減速機７９を介して直進運動に変換される。送りねじ７３の直進運動は、支持軸受７５ａ，７５ｂにより拘束される。ナット８０の直進運動によって、Ｘ軸を支持する支持体９０とともに工具７６がＸ方向に駆動する。支持体９０は、工具７６とナット８０との間に介在するＺ軸と支持のための構成とを総称したものとする。また、機械構造９８の範囲は軸によって異なる。例えば、Ｚ軸の駆動機構９７は、Ｘ軸から見るとＸ軸のモータ７１の運動を変換する役割がないため、Ｘ軸の機械構造９８に含まれる。

Ｘ軸の位置指令Ｘｃは、指令値演算部９から出力され、サーボ制御部６ａに入力される。位置指令Ｘｃは、加工プログラムに従って指令値演算部９で演算された位置を示すものであって、所望の制御状態における被駆動体の位置を示すものである。サーボ制御部６ａは、検出位置Ｘｄと位置指令Ｘｃとの誤差が小さくなるようにフィードバック制御を行い、モータ７１へモータ電流Ｉｘを出力して駆動機構９７を駆動する。検出位置Ｘｄは、モータ７１に取り付けられた回転角検出器２により検出されたモータ７１の回転角度に送りねじ７３のねじピッチを乗じることによって得られる。駆動機構９７には、制御対象である工具７６を含む機械構造９８が接続されている。

サーボ制御部６ａは、フィードバック制御によって、位置指令Ｘｃで示される位置に検出位置Ｘｄを一致させる制御を行う。ただし、フィードバック制御が行われても、加工中に工具７６の先端位置と工作物７８の加工点との間に誤差が生じ、工作物７８において材料の削り残しまたは削りすぎなどが生じることによって、加工誤差が発生する場合がある。

図３は、実施の形態１における加工誤差のメカニズムの一例について説明するための図である。図３では、Ｘ軸駆動部９３Ｘの運動による支持体９０の変形に起因する加工誤差であって、フィードバック制御では対応できない加工誤差について示す。

Ｘ軸駆動部９３Ｘが加減速を行う場合、モータ７１の駆動力が送りねじ７３を介して支持体９０に伝達される。支持体９０の剛性が十分でない場合は、モータ７１の駆動力が支持体９０に伝達されることによって、支持体９０が変形する。この変形によって、工具７６はＺ方向に変位する。Ｘ軸駆動部９３Ｘの回転角検出器２は、Ｘ方向に生じるＸ軸駆動部９３Ｘの誤差を検出することができる一方、Ｚ方向に生じる誤差を検出できない。また、この変形はＺ軸駆動部９３Ｚの外側で生じるため、Ｘ軸駆動部９３Ｘの回転角検出器２でも検出できない。

結果として、かかる支持体９０の変形はいずれの軸の回転角検出器２でも検出されないため、かかる変形に対してフィードバック制御は機能しない。支持体９０の変形によって工具７６が工作物７８に食い込み、加工誤差が発生する。工具７６は回転運動をしているため、工作物７８と干渉したときに工作物７８の表面から円形に材料を削り取る。かかる加工誤差によって、円形の加工痕である加工誤差形状が生じる。

図４は、実施の形態１における加工誤差の態様の一例について説明するための図である。図４では、ストレートエンドミルと呼ばれる円筒形の工具７６を用いて、Ｘ方向に軸が移動しながら一定速で加工を行っている際に上述の変形が生じた場合の例を示す。工具７６の運動方向２１は、Ｘ方向である。図４では、Ｘ方向における中央付近でＸ軸が減速したときに生じる加工誤差形状をＺ方向から見た様子を模式的に示す。また、図４では、参考として、Ｘ方向に軸を移動させている際における機械構造９８の姿勢の変化を模式的に示す。

図４に示す例では、運動方向２１へ工具７６が移動する距離の中央付近で工具７６が減速する。かかる中央付近では、機械構造９８の姿勢変化によって工具７６が工作物７８に沈み込むことによって、工作物７８の表面から必要以上に材料が除去される。このため、工作物７８の表面には、工具７６の外形と同じ直径の円形の加工痕が残される。このように、工作物７８のうち加工が行われている加工面には、加工面の外観を特徴付ける加工誤差形状が生じる。加工誤差形状とは、加工誤差によって加工面に生じる形状とする。実施の形態１において例示する加工誤差形状２０は、軸の加速または減速の際に工具７６が工作物７８に沈み込むことによって生じるスタンプマーク形状である。工具７６は回転しながらＸ方向に進むため加工誤差形状２０は完全な円ではないが、ここでは加工誤差形状２０が円であるものとする。

なお、図３および図４では、誤差発生のメカニズムを分かり易く説明するため機械構造９８の姿勢変化を強調して示した。実際の加工で生じる姿勢変化の大きさは、例えば、金属を加工する数値制御工作機械９９では百マイクロメートル程度以下、高精度な数値制御工作機械９９であれば数マイクロメートル程度以下であって、誤差発生の瞬間における機械構造９８の姿勢変化を目視で確認することは難しい。しかしながら、金属の加工面の場合は、加工誤差が数マイクロメートル程度であっても光の反射や干渉の様子が変化するため、加工誤差は、人の目には目立つ加工面の特徴として感受される。そのため、たとえ寸法の精度が設計された公差内であっても人の目で見た加工面の品位が不十分と判断され加工不良とみなされることがある。加工面品位の不良が発生した場合、加工のやり直し、および、不良となった工作物７８の廃棄などが発生するため、好ましくない。このような加工面の外観を特徴づける加工誤差の例としては、機械構造９８の振動によって生じる縞模様、または、摩擦によって生じる象限突起に起因する筋状模様などが挙げられる。

図５は、実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａの構成を示すブロック図である。加工面品位シミュレーション装置１ａは、工作機械によって加工される工作物７８における加工面の外観の特徴を模擬する加工面品位シミュレーションを行う。加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工誤差によって加工面に生じる外観の特徴である加工誤差形状を模擬する。加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工面品位シミュレーションを行うことによって、加工面品位を予測する。

加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工誤差が発生するか否かを判定する加工誤差発生判定部１１ａと、加工誤差形状を計算する加工面形状計算部１２ａと、計算された加工誤差形状を描画する描画部１３ａとを有する。

加工誤差発生判定部１１ａには、数値制御工作機械９９の各軸についての軸データが入力される。軸データは、軸の動作についてのデータであって、位置フィードバック、速度フィードバック、加速度フィードバック、位置指令、速度指令および加速度指令のうちの１つ以上の組み合わせ、または、それらすべてである。加工誤差発生判定部１１ａは、軸の動作に起因する誤差としてあらかじめ設定された誤差が発生するか否かを、軸データに基づいて判定する。加工誤差発生判定部１１ａは、加工面の外観を特徴付ける加工誤差ごとに、発生の有無を判定する。加工誤差発生判定部１１ａは、位置フィードバックと判定結果とを加工面形状計算部１２ａへ出力する。

加工面形状計算部１２ａは、加工誤差が発生すると判定された場合、各軸の位置フィードバックと加工条件情報とから、加工誤差によって生じる加工誤差形状と加工誤差形状が生じる位置とを計算する。加工条件情報は、数値制御工作機械９９が工作物７８を加工する際における加工条件の情報である。

描画部１３ａは、加工面形状計算部１２ａによって計算された加工誤差形状が、加工面形状計算部１２ａによって計算された位置に形成された状態を示す画像を生成する。描画部１３ａは、指定された視線方向から工作物７８を見たときの加工面品位を模擬した画像を生成する。描画部１３ａは、生成された画像を出力する。

次に、加工面品位シミュレーション装置１ａによる加工面品位シミュレーションについて説明する。図６は、実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａによる加工面品位シミュレーションの手順を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、加工面品位シミュレーション装置１ａは、時刻データを初期化する。ここでは、加工面品位シミュレーション装置１ａは、計算に使用する時刻ｔを初期化する。ステップＳ２において、加工面品位シミュレーション装置１ａは、計算ステップを更新する。ここでは、加工面品位シミュレーション装置１ａは、計算ステップに相当するｄｔだけ時刻を進め、ｔ＝ｔ＋ｄｔとする。実施の形態１において、計算ステップは、計算が行われる時間間隔である。

ステップＳ３において、加工面品位シミュレーション装置１ａは、軸データを取得する。加工面品位シミュレーション装置１ａは、数値制御工作機械９９の場合は、Ｘ軸、Ｖ軸、Ｙ軸、Ｚ軸および主軸８３の各々について、位置フィードバック、速度フィードバック、加速度フィードバック、位置指令、速度指令および加速度指令である６個の状態量を取得する。

ステップＳ４において、加工面品位シミュレーション装置１ａは、あらかじめ設定された加工誤差が発生したか否かを判定する。ここでは、加工誤差発生判定部１１ａは、工作物７８の表面の外観を特徴づけるあらかじめ設定された加工誤差ごとに誤差の発生の判定を行う。例えば、外観を特徴付ける誤差として、Ｘ方向における機械構造９８の変形に起因して工具７６が工作物７８の表面に対し沈み込むことによって生じる加工誤差であるＸ方向誤差と、Ｙ方向における機械構造９８の変形に起因して工具７６が工作物７８の表面に対し沈み込むことによって生じる加工誤差であるＹ方向誤差とが設定されているとする。この場合、加工誤差発生判定部１１ａは、Ｘ方向誤差とＹ方向誤差との各々について、発生の有無を判定する。誤差発生の有無を判定する方法については後述する。

あらかじめ設定されたいずれの加工誤差も発生しないと判定された場合（ステップＳ４，Ｎｏ）、加工面品位シミュレーション装置１ａは、ステップＳ２へ手順を戻す。一方、あらかじめ設定された加工誤差の少なくとも１つが発生すると判定された場合（ステップＳ４，Ｙｅｓ）、加工面品位シミュレーション装置１ａは、ステップＳ５へ手順を進める。

ステップＳ５において、加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工面形状計算部１２ａにおいて加工誤差形状を計算する。加工面形状計算部１２ａは、ステップＳ２において設定された時刻における軸についての位置フィードバックを基に、加工誤差形状を計算する。この時、加工面形状計算部１２ａは、加工条件情報を用いて、加工誤差形状を計算する。すなわち、加工面形状計算部１２ａは、加工誤差によって生じる加工誤差形状を、加工条件情報と軸の位置を示す情報である位置フィードバックとに基づいて計算する。加工誤差形状の計算方法については後述する。加工面形状計算部１２ａは、加工誤差形状の計算結果を描画部１３ａへ出力する。また、加工面形状計算部１２ａは、加工誤差形状の位置を計算し、計算結果である位置情報を描画部１３ａへ出力する。

ステップＳ６において、加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工誤差形状の外観を示す画像データを計算する。描画部１３ａは、画像データの計算により、ステップＳ５において計算された加工誤差形状を描画する。加工面品位シミュレーション装置１ａの操作者が希望する角度から加工面を見たときの外観を示す画像データを計算する。視認方向を示す角度は、操作者によるパラメータ等の入力によってあらかじめ設定される。または、操作者が画面を見ながらマウス等により画面を操作することによって、視認方向を示す角度が指定される。

ステップＳ７において、加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工が終了したか否かを判定する。加工が終了していない場合（ステップＳ７，Ｎｏ）、加工面品位シミュレーション装置１ａは、ステップＳ２へ手順を戻す。一方、加工が終了した場合（ステップＳ７，Ｙｅｓ）、加工面品位シミュレーション装置１ａは、図６に示す手順による動作を終了する。

次に、加工誤差発生判定部１１ａにより誤差発生の有無を判定する方法について説明する。図７は、実施の形態１における加工経路の第１の例を示す図である。図７では、加工経路を破線矢印により示す。図７には、工具７６が工作物７８の１つの表面を加工する場合における加工経路の例を示す。この加工では、Ｚ方向には工具７６は移動せず、ＸＹ平面内において工具７６を移動させるものとする。工具７６にはストレートエンドミルを用いるものとする。工具７６は、工作物７８の外部の加工開始位置Ｐ１から移動を開始し、工作物７８の外周部から工作物７８の中心に向かう渦巻状の加工経路に沿って反時計回りに工作物７８のＸＹ平面内を移動しながら工作物７８の表面を加工する。工具７６は、工作物７８のＸＹ平面における中心付近の加工終了位置Ｐ２に到達するまで、工作物７８の表面を加工する。

図８は、実施の形態１での加工時における加速度の波形の例を示す図である。図８には、Ｘ軸およびＹ軸の各々の加速度の波形であって、図７に示す加工経路において工具７６を移動させる場合における加速度の波形を示す。ただし、Ｘ方向の運動は、タンデム軸であるＸ軸およびＶ軸の同期運動によって生じる。一般に、タンデム軸ではマスター軸とスレーブ軸とはほぼ同じ動きをすることから、誤差発生の有無はＸ軸の加速度を基に判定するものとする。ただし、Ｘ軸と独立してＶ軸で誤差の発生を判定しても良いし、Ｖ軸を基準に加工誤差の発生を判定しても良い。

図８では、Ｘ方向への機械構造９８の変形による誤差の判定基準である閾値Ｔｈ１と、Ｙ方向への機械構造９８の変形による誤差の判定基準である閾値Ｔｈ２とを点線により示す。各閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２は、事前に実施する加工試験によって決定される。閾値Ｔｈ１には、Ｘ軸加速度とＺ方向の変位量との関係を事前に測定しておき、加工試験によって加工不良と判断される加速度の値を用いることができる。閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２には、工作機械ごとに共通の値が使用されても良く、工具７６または工作物７８の組み合わせごとにあらかじめ異なる値が設定されても良い。閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２には、１刃あたりの送り量または送り速度といった加工条件情報ごとに異なる値が設定されても良い。

図８では、Ｘ軸が正方向に加速する場合において、加速度が閾値Ｔｈ１を超えることによって誤差が発生すると判定される箇所が５つある。これに対し、Ｙ軸については、誤差が発生すると判定される箇所は存在していない。図１に示す数値制御工作機械９９の場合、Ｘ方向において主軸８３がせり出た位置に配置された構造であることによってＸ方向については容易に変形する一方、Ｙ方向についてはガントリー構造によってＸ軸およびＶ軸の２つの構造物で支えられていることによって変形しにくい、という特性を持つためである。

なお、上記説明において誤差発生の判定に用いられるアルゴリズムは一例であって、適宜変更しても良い。例えば、誤差の判定基準である閾値は、速度指令と速度フィードバックとの差異である速度偏差について設定されても良い。位置を示す値が、位置について設定された閾値を超え、かつ、加速度が、加速度について設定された閾値を超えた場合に、誤差が発生したと判定しても良い。または、加速度の値にフィルタ処理を施した結果に対して閾値が設定されても良い。誤差発生の判定式は、機械構造９８における誤差発生の態様に応じて適宜設定することができる。

図９は、実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａにより生成される画像の第１の例を示す図である。図９には、ＸＹ平面のうち誤差発生と判定された位置に、工具７６の直径と同じ直径の円である加工誤差形状２２を配置することによって、加工面における加工誤差形状２２を描画した例を示す。この例において発生した加工誤差は、円形の加工誤差形状２２によって特徴付けられる加工誤差である。加工誤差形状２２は、上記の加工誤差形状２０と同様に、軸の加速または減速の際に工具７６が工作物７８に沈み込むことによって生じるスタンプマーク形状である。

加工面形状計算部１２ａは、加工誤差が発生すると判定された工作物７８上の範囲において、加工誤差発生位置での加工誤差を模擬するように工具７６の直径と等しい直径の加工誤差形状２２を計算する。加工誤差形状２２は、３次元空間内における加工誤差を模擬した形状を記述したものである。描画部１３ａは、加工誤差形状２２を任意の角度から見たときの画像データを計算することによって、加工誤差形状２２を任意の角度から見た状態の画像を描画する。描画部１３ａは、描画した画像を出力する。図９に示す例では、描画部１３ａが描画する画像は、ＸＹ平面の画像、すなわち２次元画像である。図９に示す２次元画像は、Ｚ方向のうちの正方向から工作物７８を見たときの画像である。なお、描画部１３ａは、Ｚ方向に対して斜めの方向、例えばＺ方向に対して４５度の方向から工作物７８を見た状態の画像を生成する場合には、３次元座標変換などを行って２次元画像を生成する。

図９に示す例では、加工誤差形状２２の計算時間を短縮させるために加工誤差形状２２を単純な円形状とした。加工面形状計算部１２ａは、加工に使用される工具の軌跡であって加工誤差が発生するときにおける誤差軌跡を、加工誤差形状として計算しても良い。この場合、描画部１３ａは、加工誤差によって実際に形成される形状に沿った誤差軌跡を描画する。

図１０は、実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａにより描画される誤差軌跡の例を示す図である。図１０に示す軌跡２４は、１枚刃のエンドミルの刃先が描く誤差軌跡の一例であって、工作物７８を加工しながら主軸８３が回転方向２３へ３回転する間にエンドミルが運動方向２１であるＸ方向へ移動した場合における刃先の軌跡である。この場合において刃先が描く軌跡２４は、次に示す式（１）のように定式化される。

ただし、ｖ_xはＸ方向への移動速度、Ｒは工具７６の半径、ωは主軸８３の角速度、δは主軸８３の回転角に対する刃先位置の位相差とする。なお、２枚刃のエンドミルの場合は、位相が１８０度異なる２つの軌跡を重ね書きすることによって、誤差軌跡を描画できる。描画部１３ａは、このように、より現実の挙動に近い刃先の運動軌跡を計算して、誤差軌跡を描画しても良い。これにより、加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工誤差形状のより正確な外観をシミュレーションすることができる。

加工面の品位を重視する仕上げ加工の場合、荒加工の場合と比べてｖ_xを小さくすることが一般的である。このため、仕上げ加工の場合は、誤差が発生する瞬間における刃先の形状は、円で近似しても差し支えない。加工面品位シミュレーション装置１ａは、現実の運動軌跡を円運動で近似することにより、短時間で加工面形状を計算することが可能となる。

また、工作物７８の表面の外観を特徴付ける加工誤差形状２２は工具７６によって異なるため、工具７６ごとに適切な外観を特徴付ける加工誤差形状２２を計算する必要がある。図１１は、実施の形態１における工具７６と加工誤差形状２２との例を示す図である。ラジアスエンドミル２５およびボールエンドミル２６は、工具７６の例である。図１１には、ラジアスエンドミル２５を側面から見た状態と、ラジアスエンドミル２５による加工誤差形状２２と、ボールエンドミル２６を側面から見た状態と、ボールエンドミル２６による加工誤差形状２２とを示す。図１１では、ラジアスエンドミル２５による加工誤差形状２２と併せて、ラジアスエンドミル２５のうち刃先よりも根本側の部分を破線により示す。また、ボールエンドミル２６による加工誤差形状２２と併せて、ボールエンドミル２６のうち刃先よりも根本側の部分を破線により示す。図１１に示す２つの加工誤差形状２２の各々は、機械構造９８の変形によって生じる加工誤差形状２２の例である。

ラジアスエンドミル２５は、先端部に丸みがついている。ラジアスエンドミル２５による加工誤差形状２２は、ラジアスエンドミル２５の外形よりも小さい円である。ボールエンドミル２６は、ボールエンドミル２６のうち先端の１点が工作物７８と接触するため、加工誤差形状２２は１つの点である。なお、加工誤差形状２２は、工具７６の刃先位置までの距離を基に求めても良い。加工誤差形状２２は、加工実験等において実際に転写される形状の径を測定することによって求めても良い。

次に、上述とは異なる加工の場合における加工面品位を予測した例について述べる。ここでは、精密加工を行う場合の例を説明する。精密な加工を行う場合は、前述した工具７６の工作物７８に対する沈み込みだけではなく、工作物７８に対する工具７６の浮き上がりによって生じる削り残しによっても、加工面品位に影響する加工誤差を生じる場合がある。

図１２は、実施の形態１において工具７６を浮き上がらせる機械構造９８の変形について説明するための図である。図１２では、Ｘ軸駆動部９３Ｘの運動により支持体９０が変形して工具７６が工作物７８の表面よりも浮き上がっている様子を模式的に表している。このような状態においては、工作物７８から工具７６が浮き上がることによって工作物７８には削り残しが生じる。このような場合、軸の加速度の絶対値に対して加工誤差発生の判定の閾値を設定する。

図１３は、実施の形態１において精密加工を行う場合における加速度の波形の例を示す図である。図１３では、図７に示す加工経路と同じ加工経路において精密加工を行う場合におけるＸ軸およびＹ軸の各々の加速度の波形の例を示す。図１３には、軸の加速度フィードバックの絶対値を示す波形を示す。図１３に示す破線は、誤差発生の閾値を表す。ただし、閾値は絶対値で指定されても良い。閾値としては、各軸で正方向に加速度が発生する場合における閾値と、負方向に加速度が発生する場合における閾値とが個別に設定されても良い。加工誤差発生の判定は、計算ステップごとに実施されても良く、加速度が発生した軸でのみ実施されても良い。加工誤差発生の判定は、加速度が発生した瞬間からあらかじめ設定された時間内において実施されても良い。

図１３に示す例では、Ｘ軸およびＹ軸の各々について、加減速が行われる全ての瞬間において加速度フィードバックの絶対値が閾値を超えている。すなわち、Ｘ軸およびＹ軸の各々について、加減速が行われる全てのタイミングにおいて加工誤差が生じる。図１４は、実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａにより生成される画像の第２の例を示す図である。図１４には、図１３に示すようにＸ軸およびＹ軸の各々について加工誤差が生じた場合に描画される画像の例を示す。

Ｘ軸の加減速の瞬間とＹ軸の加減速の瞬間との各々で加工誤差形状２２が計算されることによって、図１４に示すように、２重の円弧状の加工誤差形状２２が計算される。図１４において破線で示す円形状２７は、加工開始直後において加速度フィードバックの絶対値が閾値を超えたことを表す。ただし、当該円形状２７により表される加工誤差は工作物７８の外部のものであることから、加工面形状計算部１２ａでは、当該円形状２７は加工誤差形状２２としては計算されない。加工面形状計算部１２ａは、加工条件情報に含まれる工作物７８の設置位置の情報を基に、円形状２７は工作物７８の外部にあることを判断する。

次に、上述とは別の加工経路により工作物７８を加工する場合における加工面品位を予測した例について述べる。図１５は、実施の形態１における加工経路の第２の例を示す図である。図１５では、破線矢印により加工経路を示す。図１５に示す加工経路による、ＸＹ平面上における工具７６の運動は、図７に示す加工経路の場合と同じである。図１５に示す加工経路では、工作物７８からＺ方向において離れた位置に加工終了位置Ｐ２が設定されている点が、図７に示す加工経路とは異なる。加工終了位置Ｐ２は、例えば、機械の原点とする。図１５に示す加工経路の場合、数値制御工作機械９９は、工作物７８のうちＸＹ平面の中心付近からＺ方向へ工具７６を引き上げる動作によって、工具７６を原点に復帰させる。

図１６は、実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａにより生成される画像の第３の例を示す図である。図１６には、図１５に示す加工経路で工作物７８が加工される場合に描画される画像の例を示す。図１６において破線で示す円形状２７は、工作物７８からＺ方向に工具７６が引き上げられた後に、加速度フィードバックの絶対値が閾値を超えたことを表す。ただし、当該円形状２７により表される加工誤差は工具７６が工作物７８の表面から離れた後のものであることから、加工面形状計算部１２ａでは、当該円形状２７は加工誤差形状２２としては計算されない。

実施の形態１によると、加工面品位シミュレーション装置１ａは、外観を特徴付ける加工誤差であってあらかじめ設定された加工誤差が発生するか否かを軸データに基づいて判定し、加工誤差によって生じる加工誤差形状２２を、加工条件情報と軸の位置とに基づいて計算する。加工面品位シミュレーション装置１ａは、加工面を目視した場合に認識され得る加工誤差形状２２を描画する。加工面品位シミュレーション装置１ａは、３次元形状の高精度なシミュレーションが必要である場合と比べて簡易な計算によって、加工面品位の予測結果である画像を生成することができる。以上により、加工面品位シミュレーション装置１ａは、簡易な計算によって、加工面の外観の特徴を予測することができるという効果を奏する。

次に、実施の形態１にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａを実現するハードウェアについて説明する。加工誤差発生判定部１１ａ、加工面形状計算部１２ａおよび描画部１３ａは、処理回路により実現される。処理回路は、プロセッサがソフトウェアを実行する回路であっても良いし、専用の回路であっても良い。

処理回路がソフトウェアにより実現される場合、処理回路は、例えば、図１７に示す制御回路である。図１７は、実施の形態１にかかる制御回路２００の構成例を示す図である。制御回路２００は、入力部２０１、プロセッサ２０２、メモリ２０３および出力部２０４を備える。入力部２０１は、制御回路２００の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ２０２に与えるインターフェース回路である。出力部２０４は、プロセッサ２０２またはメモリ２０３からのデータを制御回路２００の外部に送るインターフェース回路である。なお、入力部２０１には、操作者が加工面品位シミュレーション装置１ａへ情報を入力するための入力デバイスが含まれても良い。出力部２０４には、描画部１３ａによって描画された画像を表示するための表示デバイスが含まれても良い。

処理回路が図１７に示す制御回路２００である場合、加工誤差発生判定部１１ａ、加工面形状計算部１２ａおよび描画部１３ａは、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ２０３に格納される。処理回路では、メモリ２０３に記憶されたプログラムをプロセッサ２０２が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、処理回路は、加工面品位シミュレーション装置１ａの処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ２０３を備える。また、これらのプログラムは、加工面品位シミュレーション装置１ａの手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

プロセッサ２０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）である。メモリ２０３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等が該当する。

図１７は、汎用のプロセッサ２０２およびメモリ２０３により各構成要素を実現する場合のハードウェアの例であるが、各構成要素は、専用のハードウェア回路により実現されても良い。図１８は、実施の形態１にかかる専用のハードウェア回路２０５の構成例を示す図である。

専用のハードウェア回路２０５は、入力部２０１、出力部２０４および処理回路２０６を備える。処理回路２０６は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた回路である。加工面品位シミュレーション装置１ａの各機能を機能別に処理回路２０６で実現しても良いし、各機能をまとめて処理回路２０６で実現しても良い。なお、各構成要素は、制御回路２００とハードウェア回路２０５とが組み合わされて実現されても良い。

加工面品位シミュレーション装置１ａは、ネットワークケーブルを介して数値制御工作機械９９に接続されても良いし、無線ネットワークによって数値制御工作機械９９に接続されても良い。または、加工面品位シミュレーション装置１ａは、ネットワークに接続された数値制御工作機械９９から物理的に遠隔地にあるサーバーまたはクラウド上に実装しても良い。

実施の形態２．
図１９は、実施の形態２にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｂの構成を示すブロック図である。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。加工面品位シミュレーション装置１ｂは、実施の形態１の加工面形状計算部１２ａとは異なる加工面形状計算部１２ｂを有する。

加工誤差発生判定部１１ａは、加工誤差の発生についての判定結果と軸位置情報とを加工面形状計算部１２ｂへ出力する。加工面形状計算部１２ｂは、加工誤差が発生しないと判定された領域について、軸位置情報に基づいて包絡線を計算する。包絡線は、加工に使用されている工具７６の外形が通過する軌跡を表す。描画部１３ａは、計算された加工誤差形状と計算された包絡線とを描画する。

図２０は、実施の形態２にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｂによる加工面品位シミュレーションの手順を示すフローチャートである。図２０に示すステップＳ１からステップＳ４までの手順は、図６に示す実施の形態１の場合と同様である。

加工誤差が発生すると判定された場合（ステップＳ４，Ｙｅｓ）、加工面品位シミュレーション装置１ｂは、実施の形態１の場合と同様に、ステップＳ５において加工誤差形状を計算する。一方、加工誤差が発生しないと判定された場合（ステップＳ４，Ｎｏ）、加工面品位シミュレーション装置１ｂは、ステップＳ８へ手順を進める。

ステップＳ８において、加工面品位シミュレーション装置１ｂは、加工面形状計算部１２ｂにおいて包絡線を計算する。包絡線は、加工を行う際に工具７６の刃先が通過することによって生じる線形状であって、加工面品位に影響する加工誤差を模擬する加工誤差形状である。包絡線である加工誤差形状は、互いに隣接する加工経路同士の間におけるわずかな段差によって生じる。包絡線である加工誤差形状は、かかる段差において光が反射および干渉することで、目視において加工誤差として認識され得る。このため、実施の形態２では、加工面品位シミュレーション装置１ｂは、実施の形態１と同様に、機械構造９８の変形によって生じる加工誤差形状の計算に加えて、機械構造９８の変形による加工誤差が生じない領域では包絡線を計算する。加工面品位シミュレーション装置１ｂは、ステップＳ８の手順を終えると、ステップＳ６へ手順を進める。

ステップＳ５からステップＳ７の手順は、図６に示す実施の形態１の場合と同様である。描画部１３ａは、機械構造９８の変形によって生じる加工誤差形状と包絡線とを含む画像を生成する。

図２１は、実施の形態２にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｂにより生成される画像の例を示す図である。図２１には、円形の加工誤差形状２２とともに包絡線３０を描画した例を示す。包絡線３０は、図７に示す場合と同様に工具７６を移動させた場合における包絡線の例である。

実施の形態２によると、加工面品位シミュレーション装置１ｂは、包絡線を計算することによって、機械構造９８の変形によって生じる加工誤差形状と包絡線とを含む画像を生成する。加工面品位シミュレーション装置１ｂは、互いに隣接する加工経路同士の間におけるわずかな段差による加工誤差を、加工面品位の要素の１つとして模擬することができる。

実施の形態３．
図２２は、実施の形態３にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｃの構成を示すブロック図である。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。加工面品位シミュレーション装置１ｃは、実施の形態１または２の加工面形状計算部１２ａ，１２ｂとは異なる加工面形状計算部１２ｃを有する。

加工誤差発生判定部１１ａは、加工誤差の発生についての判定結果と軸位置情報とを加工面形状計算部１２ｃへ出力する。加工面形状計算部１２ｃは、加工誤差が発生しないと判定された領域について、軸位置情報に基づいて包絡線を計算する。描画部１３ａは、計算された加工誤差形状と計算された包絡線とを描画する。

実施の形態２では、加工面品位シミュレーション装置１ｂは、工具７６の刃先が通過するすべての軌跡の包絡線を描画した。ただし、加工条件によっては、加工経路のうち互いに隣接する部分の間隔が工具７６の刃先同士の間の距離よりも短い場合がある。この場合、互いに隣接する部分のうち先に加工が行われる一方の包絡線が、他方の部分が加工されることによって消える場合がある。これとは逆に、先に加工が行われる一方の部分が深く切削されることで、他方の部分を工具７６が通過したときに工具７６が工作物７８と接触しない場合がある。この場合、当該他方の部分では包絡線が生じないこともある。そこで、実施の形態３では、加工面形状計算部１２ｃは、互いに隣接する包絡線である隣接包絡線が計算された領域について、隣接包絡線の１つを削除する。

図２３は、実施の形態３にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｃによる加工面品位シミュレーションの手順を示すフローチャートである。図２３に示す手順では、図２０と同様のステップＳ１からステップＳ８の手順に、ステップＳ９が追加されている。ステップＳ９において、加工面形状計算部１２ｃは、隣接包絡線が計算された領域について、隣接包絡線の１つを削除する。

加工面形状計算部１２ｃは、加工経路上の位置ごとにおける工具７６が通過する順序を、加工経路の情報から取得する。加工面形状計算部１２ｃは、加工経路のうち互いに隣り合う部分について、工具７６が先に通過する部分と工具７６が後に通過する部分とを認識する。隣接包絡線のうちどちらを削除するかは、加工条件情報から事前に設定される。包絡線の残り方は、取り付けられた工具７６の傾きによって決まる場合があることから、工具７６が交換される際に、隣接包絡線の削除についての設定が変更されても良い。加工面品位シミュレーション装置１ｃは、ステップＳ９の手順を終えると、ステップＳ６へ手順を進める。

ステップＳ５からステップＳ７の手順は、図６に示す実施の形態１の場合と同様である。描画部１３ａは、機械構造９８の変形によって生じる加工誤差形状と包絡線とを含む画像を生成する。

なお、加工面形状計算部１２ｃは、計算された加工誤差形状を削除する処理を、包絡線のみならず、包絡線以外の加工誤差形状に適用しても良い。例えば、加工面形状計算部１２ｃは、機械構造９８の変形によって生じる加工誤差形状同士が重なり合う領域について、一方の加工誤差形状を削除しても良い。または、加工面形状計算部１２ｃは、機械構造９８の変形によって生じる加工誤差形状と包絡線とが重なり合う領域について、加工誤差形状と包絡線との一方を削除しても良い。

図２４は、実施の形態３にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｃにより生成される画像の例を示す図である。図２４には、円形の加工誤差形状２２とともに包絡線３０を描画した例を示す。包絡線３０は、図７に示す場合と同様に工具７６を移動させた場合における包絡線の例である。

図２４に示す画像は、互いに重なり合う包絡線の一方が削除されており、かつ、互いに重なり合う包絡線と加工誤差形状２２との一方が削除されている点が、図２１に示す場合とは異なる。すなわち、図２４に示す画像では、互いに重なり合う包絡線のうち、工具７６が先に通過する一方の包絡線が削除されている。また、図２４に示す画像では、互いに重なり合う包絡線と加工誤差形状２２とのうち、工具７６が先に通過する一方の包絡線または加工誤差形状２２が削除されている。

実施の形態３によると、加工面品位シミュレーション装置１ｃは、隣接包絡線が計算された領域について隣接包絡線の１つを削除することで、加工によって消える包絡線、または、形成されない包絡線を描画しないようにできる。これにより、加工面品位シミュレーション装置１ｃは、より正確に加工面品位をシミュレーションすることが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態４では、機械構造９８の変形による加工誤差以外の加工誤差について、加工面品位シミュレーションを行う場合について説明する。実施の形態４にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｃは、実施の形態３の場合と同様の構成を備える。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。実施の形態４において、加工面品位シミュレーション装置１ｃは、機械構造９８の振動によって加工面に生じる縞模様を模擬する。

工具７６の加速度Ａ_tcp（ｓ）は、軸の加速度Ａ_mot（ｓ）を入力とする伝達関数Ｇ（ｓ）で定式化される。伝達関数Ｇ（ｓ）は、次の式（２）により表される。ただし、ζは振動の減衰、ωは振動周波数、Ｋは振幅比、ｓはラプラス演算子を表す。

図２５は、実施の形態４において予測される工具７６の振動について説明するための図である。図２５に示す波形は、機械構造９８がＹ方向に振動することに起因する工具７６の振動であって、Ｙ方向における工具７６の振動を表す。図２５に示すグラフの縦軸はＹ軸の加速度より推測された工具振動、横軸は時刻である。閾値Ｔｈ３は、誤差の判定基準である閾値であって、工具７６の加速度の閾値とする。図２５では、加速度が閾値Ｔｈ３であるときにおける工具振動を点線により示す。閾値Ｔｈ３は、事前に実施する加工試験によって決定される。

加工誤差発生判定部１１ａは、軸の加速度を入力とし、上記の伝達関数Ｇ（ｓ）から工具７６の加速度を判定する。工具７６の加速度が閾値Ｔｈ３を超えた計算ステップでは、工具７６の振動による縞模様が発生する。

図２６は、実施の形態４にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｃにより生成される画像の例を示す図である。図２６には、工具７６の振動によって形成される円形の加工誤差形状２２を描画した例を示す。図２６に示すように、複数の加工誤差形状２２がＹ方向において互いに重なり合って形成される。

なお、振動の発生を判定するための式と閾値Ｔｈ３とは一例であって、適宜変更しても良い。振動の発生を判定するための式には、上記の伝達関数Ｇ（ｓ）に代えて、軸の加速度Ａ_mot（ｓ）を入力として工具７６の変位Ｙ_tcp（ｓ）を定式化した伝達関数Ｇ（ｓ）が使用されても良い。軸の加速度Ａ_mot（ｓ）を入力として工具７６の変位Ｙ_tcp（ｓ）を定式化した伝達関数Ｇ（ｓ）は、次の式（３）により表される。誤差の判定基準である閾値は、工具振動の振幅により指定されても良い。変位Ｙ_tcp（ｓ）は、Ｙ方向の振動による変位とする。

実施の形態４では、機械構造９８がＹ方向に振動することとしたが、機械構造９８がＸ方向に振動する場合、または、機械構造９８がＸ方向およびＹ方向に振動する場合も、機械構造９８がＹ方向に振動する場合と同様である。機械構造９８がＸ方向に振動する場合は、Ｘ方向について加工誤差の発生が判定される。機械構造９８がＸ方向およびＹ方向に振動する場合は、Ｘ方向およびＹ方向の各々について加工誤差の発生が判定される。

実施の形態４によると、加工面品位シミュレーション装置１ｃは、簡易な定式化によって、加工面品位を予測することができる。

加工誤差形状は、軸の加速または減速の際に工具７６が工作物７８に沈み込むことによって生じるスタンプマーク形状、または、軸の加速または減速の際に工具７６または工作物７８が振動することによって生じる縞模様形状に限られない。加工誤差形状は、工具７６が工作物７８に接触しないことによって生じるかすれ模様、または、軸の速度が不連続であることによって生じる波目模様などであっても良い。加工面品位シミュレーション装置１ｃは、加工誤差の態様に応じて、加工面品位に影響を及ぼす加工誤差形状の外観上の特徴を予測することができる。

実施の形態５．
図２７は、実施の形態５にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｄの構成を示すブロック図である。実施の形態５では、上記の実施の形態１から４と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から４とは異なる構成について主に説明する。加工面品位シミュレーション装置１ｄは、実施の形態１から４の描画部１３ａとは異なる描画部１３ｂを有する。描画部１３ｂは、加工後の工作物７８の形状を表す３次元形状モデルの表面に加工誤差形状を重ね書きする描画処理を行う。

実施の形態５では、数値制御工作機械９９の代わりにシミュレータ１００からの軸データが加工誤差発生判定部１１ａへ入力される。シミュレータ１００は、数値制御工作機械９９の挙動を模擬するソフトウェアである。シミュレータ１００は、加工プログラムを用いて、数値制御工作機械９９が加工を行う際の数値制御工作機械９９の挙動を模擬する。具体的には、シミュレータ１００は、加工プログラムから、位置指令、速度指令および加速度指令を計算する。シミュレータ１００は、加工プログラムから、位置フィードバック、速度フィードバックおよび加速度フィードバックを予測する。

シミュレータ１００は、数値制御工作機械９９に備えられる数値制御装置の機能を模擬したソフトウェアである。シミュレータ１００は、数値制御工作機械９９が有する各軸の特性を模擬する伝達関数または数式であっても良い。シミュレータ１００は、位置指令、速度指令および加速度指令を入力とし、位置フィードバック、速度フィードバックおよび加速度フィードバックを学習する人工知能であっても良い。

描画部１３ｂには、３次元形状データである３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）情報と、加工面形状計算部１２ｂにより計算された加工誤差形状とが入力される。３次元ＣＡＤ情報は、加工後の工作物７８の形状を表す。描画部１３ｂは、３次元ＣＡＤ情報を基に、加工後の工作物７８の形状を表す３次元形状モデルを描画する。描画部１３ｂは、あらかじめ設定された視点からの工作物７８の見え方を模擬した３次元形状モデルを描画するとともに、加工面品位に影響を及ぼす加工誤差についての加工誤差形状を３次元形状モデルの表面に重ね合わせる。このようにして、描画部１３ｂは、加工後の工作物７８の形状を表す３次元形状モデルの表面に加工誤差形状を重ね書きする描画処理を行う。

図２８は、実施の形態５にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｄにより生成される画像の例を示す図である。図２８には、加工後の工作物７８を表すピラミッド型の３次元形状モデルに加工誤差形状２２が重ね書きされた画像の例を示す。加工面品質に影響を及ぼす加工誤差が発生すると判定された位置に、加工誤差形状２２の外観上の特徴を模擬した線図が重ね書きされる。

実施の形態５によると、加工面品位シミュレーション装置１ｄは、数値制御工作機械９９の代わりにシミュレータ１００に接続される場合において、数値制御工作機械９９の挙動を模擬した結果を用いて加工面品位を予測することができる。また、加工面品位シミュレーション装置１ｄは、３次元形状モデルに加工誤差形状２２を重ね書きすることによって、加工後の工作物７８における加工誤差形状２２の外観上の特徴をより分かり易く予測することができる。

実施の形態６．
図２９は、実施の形態６にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｅの構成を示すブロック図である。実施の形態６では、上記の実施の形態１から５と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から５とは異なる構成について主に説明する。加工面品位シミュレーション装置１ｅは、機械学習装置１１０を有する点が、実施の形態１から５にかかる加工面品位シミュレーション装置１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄとは異なる。また、加工面品位シミュレーション装置１ｅは、実施の形態１から５の加工誤差発生判定部１１ａとは異なる加工誤差発生判定部１１ｂを有する。

機械学習装置１１０には、軸データと加工条件情報とを含む訓練データセットが入力される。機械学習装置１１０には、加工誤差発生位置の情報が入力される。加工条件情報には、工作物７８の形状、工作物７８の材質、工具径、工具材質、工具形状、刃数、１刃当たりの送り量、工具７６の回転速度、機械構造情報、工具摩擦情報、および工具使用時間といった情報が含まれる。機械構造情報は、機械構造９８の構成を特徴づける情報である。軸の位置ごとにおける、軸の位置、速度および加速度の各値に対して加減速時定数と指令速度と加工条件情報とが対応付けられた訓練データセットが構築される。

図３０は、実施の形態６にかかる加工面品位シミュレーション装置１ｅが有する機械学習装置１１０の構成例を示すブロック図である。機械学習装置１１０は、状態観測部１０１と学習部１０２とを備える。状態観測部１０１は、軸データおよび加工条件情報を含む訓練データセットと、加工誤差発生位置の情報とを、状態変数として観測する。加工誤差発生位置の情報は、実際の加工誤差発生の判定結果を含む。すなわち、状態観測部１０１は、軸データと、加工条件情報と、実際の加工誤差発生の判定結果とを状態変数として観測する。学習部１０２は、訓練データセットに従って、加工誤差の発生の有無を判定するための判定値と加工条件との関係を学習する。

学習部１０２が用いる学習アルゴリズムはどのようなものを用いても良い。一例として、学習部１０２が用いる学習アルゴリズムに強化学習（Reinforcement Learning）を適用する場合について説明する。強化学習は、ある環境内におけるエージェントである行動主体が、現在の状態を観測し、取るべき行動を決定する、というものである。エージェントは行動を選択することで環境から報酬を得て、一連の行動を通じて報酬が最も多く得られるような方策を学習する。強化学習の代表的な手法として、Ｑ学習（Q-Learning）およびＴＤ学習（TD-Learning）などが知られている。例えば、Ｑ学習の場合、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）の一般的な更新式である行動価値テーブルは、次の式（４）で表される。行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）は、環境「ｓ」のもとで行動「ａ」を選択する行動の価値である行動価値Ｑを表す。

上記の式（４）において、「ｓ_ｔ＋１」は、時刻「ｔ」における環境を表す。「ａ_ｔ」は、時刻「ｔ」における行動を表す。行動「ａ_ｔ」によって、環境は「ｓ_ｔ＋１」に変わる。「ｒ_ｔ＋１」は、その環境の変化によってもらえる報酬を表す。「γ」は、割引率を表す。「α」は、学習係数を表す。Ｑ学習を適用した場合、加工誤差の判定値が行動「ａ_ｔ」となる。

上記の式（４）により表される更新式は、時刻「ｔ＋１」における最良の行動「ａ」の行動価値が、時刻「ｔ」において実行された行動「ａ」の行動価値Ｑよりも大きければ、行動価値Ｑを大きくし、逆の場合は、行動価値Ｑを小さくする。換言すれば、時刻「ｔ」における行動「ａ」の行動価値Ｑを、時刻「ｔ＋１」における最良の行動価値に近づけるように、行動価値関数Ｑ（ｓ，ａ）を更新する。それにより、ある環境における最良の行動価値が、それ以前の環境における行動価値に順次伝播する。

学習部１０２は、報酬計算部１０３および関数更新部１０４を有する。報酬計算部１０３は、状態変数に基づいて報酬を計算する。関数更新部１０４は、報酬計算部１０３によって算出される報酬に従って、加工誤差の判定値を決定するための関数を更新する。

具体的には、報酬計算部１０３は、加工誤差発生判定部１１ｂから出力される加工誤差の判定値と実際に観測された加工誤差の有無に基づいて、報酬「ｒ」を計算する。例えば、加工条件を変更した結果、加工誤差の判定値が実際の加工誤差発生の判定結果と一致する場合において、報酬計算部１０３は、報酬「ｒ」を増大させる。報酬計算部１０３は、報酬の値である「１」を与えることによって報酬「ｒ」を増大させる。なお、報酬の値は「１」に限られない。また、加工条件を変更した結果、加工誤差の判定値が実際の加工誤差発生の判定結果と一致しない場合において、報酬計算部１０３は、報酬「ｒ」を低減させる。報酬計算部１０３は、報酬の値である「－１」を与えることによって報酬「ｒ」を低減させる。なお、報酬の値は「－１」に限られない。

学習部１０２は、加工誤差発生位置の情報から、実際の加工誤差発生の判定結果を取得する。なお、実際の加工誤差発生の判定結果は、加工誤差発生の判定を行う作業者が目視により加工誤差の発生の有無を判定した結果であっても良い。実際の加工誤差発生の判定結果には、加工面の凹凸情報から抽出された加工誤差の大きさの情報が使用されても良い。加工面の凹凸情報は、３次元測定器（Coordinate Measuring Machine：ＣＭＭ）またはマイクロスコープといった機器の使用によって取得される。

関数更新部１０４は、報酬計算部１０３によって計算される報酬に従って、加工誤差の判定値を決定するための判定モデルである関数を更新する。関数の更新は、訓練データセットに従って、例えば行動価値テーブルを更新することによって行うことができる。行動価値テーブルは、任意の行動と、その行動価値とを関連付けてテーブルの形式で記憶したデータセットである。例えばＱ学習の場合、上記の式（４）により表される行動価値関数Ｑ（ｓ_ｔ，ａ_ｔ）を、加工誤差の判定値を決定するための関数として用いる。

ここまで、学習部１０２が用いる学習アルゴリズムに強化学習を適用する場合について説明したが、学習アルゴリズムには、強化学習以外の学習が適用されても良い。学習部１０２は、強化学習以外の公知の学習アルゴリズム、例えば、深層学習（Deep Learning）、ニューラルネットワーク、遺伝的プログラミング、帰納論理プログラミングまたはサポートベクターマシンといった学習アルゴリズムを用いて機械学習を実行しても良い。

学習部１０２は、数値制御工作機械９９のすべての軸の情報を含めた訓練データセットを構築して、加工誤差の判定値を決定するための判定モデルを学習しても良く、数値制御工作機械９９の軸ごとに訓練データセットを構築して、加工誤差の判定値を決定するための軸ごとの判定モデルを学習しても良い。

学習部１０２は、加工面品位シミュレーション装置１ｅに内蔵されるものに限られない。学習部１０２は、加工面品位シミュレーション装置１ｅの外部の装置により実現されても良い。この場合、学習部１０２として機能する装置は、ネットワークを介して加工面品位シミュレーション装置１ｅに接続可能な装置であっても良い。学習部１０２として機能する装置は、クラウドサーバ上に存在する装置であっても良い。機械学習装置１１０は、図１７と同様のプロセッサ２０２およびメモリ２０３、または、図１８と同様の処理回路２０６により実現される。

機械学習装置１１０は、学習部１０２での学習結果である判定モデルを加工誤差発生判定部１１ｂへ出力する。加工誤差発生判定部１１ｂは、判定モデルに基づいて判定値を計算する。加工誤差発生判定部１１ｂは、計算された判定値に基づいて、加工面品位に影響する加工誤差が発生するか否かを判定する。

実施の形態６によると、加工面品位シミュレーション装置１ｅは、加工誤差の判定値と加工条件との関係を学習することによって、加工面品位に影響する加工誤差の発生条件が加工条件によって複雑に変化する場合において、加工面品位に影響する加工誤差の発生を高精度に予測することが可能となる。

以上の各実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ 加工面品位シミュレーション装置、２ 回転角検出器、６ａ サーボ制御部、９ 指令値演算部、１１ａ，１１ｂ 加工誤差発生判定部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 加工面形状計算部、１３ａ，１３ｂ 描画部、２０，２２ 加工誤差形状、２１ 運動方向、２３ 回転方向、２４ 軌跡、２５ ラジアスエンドミル、２６ ボールエンドミル、２７ 円形状、３０ 包絡線、７１ モータ、７２ 案内機構、７３ 送りねじ、７４ カップリング、７５ａ，７５ｂ 支持軸受、７６ 工具、７７ ワークテーブル、７８ 工作物、７９ 減速機、８０ ナット、８３ 主軸、９０ 支持体、９３Ｖ Ｖ軸駆動部、９３Ｘ Ｘ軸駆動部、９３Ｙ Ｙ軸駆動部、９３Ｚ Ｚ軸駆動部、９６ 機械装置部、９７ 駆動機構、９８ 機械構造、９９ 数値制御工作機械、１００ シミュレータ、１０１ 状態観測部、１０２ 学習部、１０３ 報酬計算部、１０４ 関数更新部、１１０ 機械学習装置、２００ 制御回路、２０１ 入力部、２０２ プロセッサ、２０３ メモリ、２０４ 出力部、２０５ ハードウェア回路、２０６ 処理回路。

Claims (10)

1. 加工プログラムに従って軸を駆動する工作機械について、前記工作機械によって加工される工作物における加工面の外観の特徴を模擬する加工面品位シミュレーション装置であって、
   前記軸の動作についてのデータである軸データに基づいて、前記軸の動作に起因する加工誤差が発生するか否かを判定する加工誤差発生判定部と、
   前記加工誤差が発生すると判定された場合に、前記加工誤差によって生じる加工誤差形状を、前記工作機械が前記工作物を加工する際における加工条件と前記軸の位置とに基づいて計算する加工面形状計算部と、
   計算された前記加工誤差形状を描画する描画部と、
   を備えることを特徴とする加工面品位シミュレーション装置。
2. 前記描画部が描画する画像は、２次元画像であることを特徴とする請求項１に記載の加工面品位シミュレーション装置。
3. 前記描画部は、加工後の前記工作物の形状を表す３次元形状モデルの表面に前記加工誤差形状を重ね書きする描画処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の加工面品位シミュレーション装置。
4. 前記加工誤差発生判定部は、前記軸の加速度または前記軸の速度偏差が、前記軸および前記加工誤差に対応付けられて設定された閾値を超えた場合に、前記加工誤差が発生すると判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の加工面品位シミュレーション装置。
5. 前記軸データと前記加工条件の情報と実際の加工誤差発生の判定結果とを状態変数として観測する状態観測部と、
   前記状態変数に基づいて作成されるデータセットに従って、前記加工誤差が発生するか否かを判定するための判定値と前記加工条件との関係を学習する学習部と、
   を備え、
   前記加工誤差発生判定部は、前記学習部での学習結果に基づいて計算された前記判定値に基づいて前記加工誤差が発生するか否かを判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の加工面品位シミュレーション装置。
6. 前記加工面形状計算部は、加工に使用される工具の軌跡であって前記加工誤差が発生するときにおける誤差軌跡を、前記加工誤差形状として計算することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の加工面品位シミュレーション装置。
7. 前記加工誤差形状は、加工に使用される工具が前記軸の加速または減速の際に前記工作物に沈み込むことによって生じるスタンプマーク形状、前記軸の加速または減速の際に前記工具または前記工作物が振動することによって生じる縞模様形状、前記工具が前記工作物に接触しないことによって生じるかすれ模様、または、前記軸の速度が不連続であることによって生じる波目模様であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の加工面品位シミュレーション装置。
8. 前記加工面形状計算部は、前記加工誤差が発生しないと判定された領域について、加工に使用される工具の外形が通過する軌跡を表す包絡線を計算し、
   前記描画部は、計算された前記加工誤差形状と計算された前記包絡線とを描画することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の加工面品位シミュレーション装置。
9. 前記加工面形状計算部は、互いに隣接する前記包絡線である隣接包絡線が計算された領域について、前記隣接包絡線の１つを削除することを特徴とする請求項８に記載の加工面品位シミュレーション装置。
10. 加工プログラムに従って軸を駆動する工作機械について、前記工作機械によって加工される工作物における加工面の外観の特徴を模擬した画像を表示する加工面品位表示方法であって、
    前記軸の動作についてのデータである軸データに基づいて、前記軸の動作に起因する加工誤差が発生するか否かを判定するステップと、
    前記加工誤差が発生すると判定された場合に、前記加工誤差によって生じる加工誤差形状を、前記工作機械が前記工作物を加工する際における加工条件と前記軸の位置とに基づいて計算するステップと、
    計算された前記加工誤差形状を描画するステップと、
    を含むことを特徴とする加工面品位表示方法。

Images