JPWO2006137120A1 - 加工工程生成装置 - Google Patents

Abstract

加工形状データベースには、加工形状が登録されている。加工形状認識機能は、ＣＡＤからのＣＡＤデータと登録されている加工形状とを比較し、一致する登録加工形状を抽出する。加工方法データベースには、登録された加工形状に対応して、その加工形状の加工方法を特定するのに必要な情報が格納される。加工形状認識機能で抽出された加工形状に対応する加工方法の情報が加工工程決定機能によって加工方法データベースから抽出され、適切な順番に各加工方法を配列し、加工工程を生成する。

Description

本発明は、ＣＡＤデータを分析して加工形状を抽出し、適切な加工方法をデータベースから検索して組み合わせることによって、ＮＣプログラムによって制御されたマシニングセンタによる部品や金型の製造のための製造加工工程を生成する加工工程生成装置に関する。

従来、マシニングセンタを用いて部品や金型を製造する場合、加工方法はオペレータが決定している。オペレータは決定した加工方法に沿ってＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）で加工方法や工具の切削条件を設定し、マシニングセンタを制御するためのＮＣプログラムを計算させる。そして出力されたＮＣプログラムによって、マシニングセンタは制御され、指定された工具で材料を加工する。

加工方法の決定のために、オペレータは経験や知識といった加工に関するノウハウを駆使している。決定した加工方法が妥当であるかどうか検証するために、出力したＮＣプログラムのシミュレーションを行う。シミュレーション結果の分析のためにもオペレータの経験や知識といった加工に関するノウハウが必要となる。違う加工方法を比較するためには、ＣＡＭの設定を変更してＮＣプログラムを再計算する必要がある。このように、一連のトライ＆エラーを繰り返すためには、オペレータの労力と加工に関するノウハウが必要不可欠である。トライ＆エラーをコンピュータが代替して行う場合、工具や材料のデータベースを作成し、データベースに登録された情報を組み合わせて、トライ＆エラーを行い、加工時間が最も短くなる工具の組み合わせを決定する方法などがあるが、膨大な計算時間が必要となっている。

ＮＣプログラムを作成するための加工ノウハウは、加工方法の決定や使用する工具の決定、工具の切削条件などがある。加工方法は、「平削り」や「肩削り」、「穴あけ」、「座ぐり」などの加工形状、「ボールエンドミル」や「フラットエンドミル」などの工具、「等高線加工」や「走査線加工」などの工具動作の組み合わせによって構成される。加工ノウハウを利用してオペレータがＮＣプログラムを作成するために行うＣＡＭの設定をコンピュータが支援する最も一般的な方法の一つにデータベースによる工具の切削条件の自動指定が挙げられる。これは、オペレータが切削条件をコンピュータに入力する代わりに、工具や材料などの組み合わせから最適な切削条件を指定することをコンピュータが支援するものである。また、データベース内の切削条件の最適化をコンピュータが支援しているものもある。これらの切削条件の自動指定や最適化などは、元々数値情報であり、比較的コンピュータとの相性が良いので、多くのシステムが開発されている。

しかしながら加工方法や工具を決定するコンピュータ支援システムはあまり開発が行われていないのが現状である。一番の原因は、これらの加工ノウハウはあいまいで複雑な決定要因が多いために数値化しにくいことが挙げられる。例えば、「平削り」という加工形状は、「ボールエンドミル」や「フラットエンドミル」、「ラジアスエンドミル」など様々な工具で加工することが可能である。仮に、工具を「フラットエンドミル」と決定しても、工具のサイズを決定しなければならない。さらに、幅１０ｍｍの溝に対して、直径１０ｍｍの工具で切削すれば「溝削り」になるが、直径５ｍｍの工具で切削する場合は「肩削り」になる。このようなあいまいで複雑な加工方法の決定要因を数値化し、人間と同様な結果を出力するシステムを実現するのは容易でなかった。

従来技術としては、特許文献１〜４の技術がある。特許文献１には、ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づいた加工単位ごとの加工属性データに区分した被加工形状、標準加工形状に対する加工手順を格納し、加工手順あるいは加工工具を条件式として加工属性データを検索する技術が開示されている。特許文献２には、入力された切削条件から、指定工程に対応するプログラム生成アルゴリズムにしたがって加工プログラムを生成する技術が開示されている。特許文献３には、放電加工すべき箇所の形状から、判断基準データを基づいて、理想となる加工条件を導き出し、加工条件データの組み合わせから電極の形状寸法や加工プログラムを決定する技術が開示されている。特許文献４には、凹部その他の形状データ、素材データ、工具データ、加工条件データを記憶し、選択された工具の組み合わせについて、データを生成し、加工時間のもっとも短いデータについてＮＣプログラムを生成する技術が開示されている。
特開平５−１７７５０５号公報 特開２００２−１３２３１３号公報 特開平５−１６９３４８号公報 特開２００４−３０６２０２号公報

本発明の課題は、加工形状や加工方法の決定方法を自動化し、決定方法に従ったＮＣプログラムを出力することによって、高効率で高精度な加工を実現することが可能な加工工程生成装置を提供することである。

本発明の加工工程生成装置は、形状データとその形状に加工するときに使用する加工方法を対応付けて格納する格納手段と、加工すべき製品の形状データを受け取り、該受け取った形状データに対応する形状データが該格納手段に格納されているかを検出する形状データ検出手段と、該検出された形状データに対応する加工方法を該格納手段から取得する加工方法取得手段と、該加工方法取得手段によって取得された１以上の加工方法を組み合わせて、加工すべき製品の加工工程を指定するデータを生成する加工工程生成手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、従来、人間が行っていた加工工程の決定を自動化するので、加工工程の決定に要求されるオペレータの労力を削減でき、また、オペレータの熟練度に寄らず、高精度な加工を可能とすることができる。

加工工程の組み合わせの決定方法を説明する図である。 本発明の実施形態に従った加工工程生成装置を示し、ＣＡＤデータから加工工程を決定し、マシニングセンタへＮＣプログラムを出力する過程を示す図である。 加工形状認識機能１１の処理フローを示す図である。 加工形状データベース１５を説明する図（その１）である。 加工形状データベース１５を説明する図（その２）である。 加工形状データベース１５を説明する図（その３）である。 加工形状データベース１５を説明する図（その４）である。 加工形状データベース１５を説明する図（その５）である。 加工形状データベース１５を説明する図（その６）である。 加工工程決定機能１２の処理フローを示す図である。 加工方法データベース１６を説明する図（その１）である。 加工方法データベース１６を説明する図（その２）である。 加工工程決定機能１２から工具軌跡生成機能１３へ渡されるパラメータの例を示す図である。

部品や金型などの製品を材料から加工する場合、一般的に「荒加工工程」「中仕上加工工程」「仕上加工工程」などの複数の加工工程に分けられ、それらの加工工程は加工形状によって「平削り」や「肩削り」「穴あけ」「座ぐり」などの加工方法が適用される。そして、製品が最も効率良くかつ高精度で製品を仕上げることができる加工方法の組み合わせを決定し、マシニングセンタを制御するＮＣプログラムを出力する。

図１は、加工工程の組み合わせの決定方法を説明する図である。
加工工程が、３段階に分かれており、第１段階にＡとＡ’の加工方法があり、第２段階にＢとＢ’の加工方法があり、第３段階にＣ、Ｃ’、Ｃ’’の加工方法があるとする。これらの加工方法の選択方法は何通りもあり、したがって、可能な加工工程の組み合わせも多数ある。これらのなかから、１つの最適な加工工程を選択することが必要である。図１では、材料を加工方法Ａ’で加工し、次に、加工方法Ｂで加工し、最後に、加工方法Ｃ’’で加工することによって製品を製造する加工工程が選択されている。

図２は、本発明の実施形態に従った加工工程生成装置を示し、ＣＡＤデータから加工工程を決定し、マシニングセンタへＮＣプログラムを出力する過程を示す図である。
本発明の実施形態の加工工程生成装置の構成は、ＣＡＤ１０から出力されるＣＡＤデータを取り込んで加工形状を認識する加工形状認識機能１１、加工形状を保存しておく加工形状データベース１５、加工形状情報から加工方法を組み合わせて加工工程を決定する加工工程決定機能１２、加工方法を保存しておく加工方法データベース１６、加工工程情報からマシニングセンタを制御するＮＣプログラムを生成する工具軌跡生成機能１３から構成される。

まず、ＣＡＤ１０で、作成された３次元データを形状認識機能１１に取り込む。形状認識機能１１では、加工形状データベース１５と接続して、登録されている加工形状と取り込んだ３次元データと比較し、一致する加工形状を検索する。加工工程決定機能１２では、加工方法データベース１６と接続して、一致した加工形状情報から適用する加工方法を検索し、効率や精度を考慮して検索した加工方法の組み合わせを決定する。決定した加工工程情報によって、工具軌跡生成機能１３で生成されたＮＣプログラムによってマシニングセンタ１４は制御され、製品を製造する。

ここで、工具軌跡生成機能１３は、既存のＣＡＭの機能を利用可能であり、本発明の実施形態の加工工程生成装置に、ＣＡＭの当該機能のみを組み入れてもよいし、別個に設けられたＣＡＭに自動的にデータを入力し、工具軌跡生成処理を行わせるようにしてもよい。いずれにせよ、工具軌跡生成機能１３は、既存の装置で実現可能であるので、以下の説明では、特に詳しい説明は行わない。

なお、加工形状データベース１５と加工方法データベース１６は別々の装置として説明しているが、同じ装置内に構成されてもよい。
図３は、加工形状認識機能１１の処理フローを示す図である。

加工形状認識機能１１は、加工形状データベース１５で定義された形状と一致した形状を、取り込んだＣＡＤデータから抽出する機能である。
ＣＡＤデータを取得し、加工形状データベース１５から取得した加工形状と比較、一致する加工形状を抽出する。これら一連の作業が加工形状データベース１５のすべての形状に対して行われるまで繰り返す。抽出した加工形状は加工工程決定機能１２へ受け渡す。

図３によれば、ステップＳ１０において、加工形状認識機能１１は、ＣＡＤデータを取得する。そして、ステップＳ１１において、加工形状データベース１５から加工形状を取得し、ステップＳ１２において、加工形状データベース１５から取得された加工形状の中からＣＡＤデータの形状と一致する加工形状を抽出する。ステップＳ１３においては、加工形状データベース１５のすべての形状について、ＣＡＤデータの形状との一致を検出し終わったか否かを判断しており、終わってない場合には、処理を繰り返し、終わった場合には、処理を終了する。

図４〜図９は、加工形状データベース１５を説明する図である。
加工形状データベース１５には、加工形状が格納されている。格納されている加工形状には２種類あり、加工形状抽出アルゴリズムと、加工形状ビットマップに分けられる。

加工形状抽出アルゴリズムとは、例えば、図４のような「平削り」という加工形状をアルゴリズムで定義することである。「平削り」を適用するのは平面なので、平面フェースが対象となる。さらに「平削り」は対象となる平面フェースから工具がはみ出るように加工が行われるので、加工の際に加工対象フェースから５０ｍｍ以上工具がはみ出ることが可能である必要がある。したがって、加工範囲が５０ｍｍ以上外側に確保できる平面フェースを抽出するアルゴリズムを定義する。

「平削り」の加工形状抽出アルゴリズムは図５のようになる。「平削り」は平面を対象とするので、まず初めに、平面フェースを抽出する（ステップＳ１５）。それらの平面に対して、加工範囲を５０ｍｍ以上外側に確保可能であるかどうかを検査する（ステップＳ１６）。ここで、加工範囲が確保可能であれば「平削り」の対象フェースに追加し（ステップＳ１７）、確保不可であれば、次のフェースを検査する。これらの検査を抽出したすべての平面フェースに対して行うことによって（ステップＳ１８）、「平削り」の対象となるフェースの抽出を実施できる。

そして、同様の方法で「肩削り」や「穴あけ」「座ぐり」などの加工形状を定義することによって加工形状抽出アルゴリズムを作成し、データベース化する。
加工形状ビットマップとは、加工形状抽出アルゴリズムで定義されていない加工形状を定義する。オペレータが加工形状を新規登録する場合、アルゴリズムを構築して加工形状データベースに登録することは困難であるので、加工形状ビットマップを用いる。加工形状ビットマップでは、図６の加工形状を加工形状データベース１５に登録するために、ユーザは加工形状に関係するフェースを選択する。それらの選択されたフェースを等格子に区切り、高さ情報を抽出する。その高さ情報を加工形状ビットマップ情報としてデータベースに保存する。

図７に示されるように、ステップＳ２０において、加工形状に関係するフェースを取得し、ステップＳ２１において、等格子で形状を分割し、ステップＳ２２で、等格子内の最大の高さを取得し、ステップＳ２３において、必要な部分を加工形状データベース１５に登録する。

登録された加工形状を認識するために、ＣＡＤデータとして与えられた加工形状をビットマップに変換したものである加工形状ビットマップと加工形状データベース１５に登録されている加工形状ビットマップが一致する場所を検索する。一致した場所を加工形状認識機能１１に受け渡す。

図９に示されるように、ステップＳ２５において、加工形状を取得し、ステップＳ２６において、等格子で形状を分割し、ステップＳ２７において、加工形状データベース１５から加工形状ビットマップを取得し、ステップＳ２８において、加工形状データベース１５の加工形状ビットマップにＣＡＤデータから取得した加工形状と一致する場所が存在するか否かを判断する。ステップＳ２８において、一致すると判断された場合には、ステップＳ２９において、加工形状を抽出してステップＳ３０に進み、一致しない場合には、そのままステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、ＣＡＤデータとして取得した加工形状を、すべての加工形状データベース１５の加工形状ビットマップと比較し終えたかを判断する。ステップＳ３０で、終わってない場合には、ステップＳ２８から処理を繰り返し、終わっている場合には、処理を終了する。

図１０は、加工工程決定機能１２の処理フローを示す図である。
加工工程決定機能１２は、加工形状認識機能１１で認識された加工形状に対して、加工方法データベース１６の中から適切な加工方法を選択し、加工ルールに従って加工工程を組み立て、工具軌跡を生成するために必要な情報を出力する機能である。

加工形状認識機能１１で認識された加工形状を取得し、加工方法データベース１６から、その加工形状に適切な加工方法を取得する。状況によるが、一般的には加工形状と加工方法は対になっている。そうでない場合は、状況別に加工形状に対して加工方法を登録する。そして、加工形状認識機能１１から取得したすべての加工形状に対して加工方法を加工方法データベース１６から取得したら、それらの加工方法を組合せて、複数の加工工程を作成する。作成した複数の加工工程の中から最も適切な組み合わせを選択して加工工程を出力する。

図１０に示されるように、ステップＳ３５において、加工形状認識機能１１から加工形状情報を取得し、ステップＳ３６において、加工方法データベース１６から、取得した加工形状に対応する加工方法を取得する。ステップＳ３７において、すべての加工形状に対して加工方法を取得したか否かを判断する。ステップＳ３７の判断がＮｏの場合には、ステップＳ３６に戻し、ステップＳ３７の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ３８において、取得した加工方法を組み合わせて、複数の加工工程を作成する。そして、ステップＳ３９において、複数の加工工程からもっとも適切な組み合わせを選択する。

加工工程は、加工ルールにもとづいて加工方法を組み合わせて作成される。加工ルールとは、システムを運用している現場やオペレータ、製品の種類によって必要な設定項目のことである。この時使用する加工ルールは、例えば、使用できる工具の種類や優先度、加工情報の優先度や使用の不可等である。この加工ルールにもとづいて加工方法を組み合わせて複数の加工工程を作成する。複数の加工工程は、加工形状が重複している領域に対して行われる。

そして複数の加工工程の中から最も適切な加工方法の組み合わせを加工ルールにもとづいて選択する。この時使用する加工ルールは、例えば、時間を優先するか安全を優先するかという項目等である。この加工ルールは、オペレータがキーボード等を使って入力するものとする。また、時間を優先する加工ルールとは、単位時間当たりの工具の仕事量を大きくして、加工時間を短くするというものである。また、安全を優先するという加工ルールは、単位時間当たりの工具の仕事量を小さくすることによって、工具が破損しないようにするというものである。安全を優先する加工ルールは、夜間などに無人で加工装置を運転する場合などに有効であり、時間を優先する加工ルールは、人間の監視の下に加工を行う場合などに有効である。このような加工ルールの判断のための情報となる、工具の大きさなどは、加工方法データベース１６に加工方法に対応付けられて格納されているものとする。

図１１及び図１２は、加工方法データベース１６を説明する図である。
加工方法データベース１６には、加工方法が格納されている。格納されている加工方法は、加工形状と対になっており、工具軌跡生成機能１３でＮＣプログラムを生成するための情報や工具を決定するアルゴリズム等が保存されている。

例えば、「平削り」という加工形状に対する加工方法「平削り」は、対象となる加工形状、使用する工具の種類、使用する工具径の決定方法、使用する工具軌跡、加工ルールから構成される。対象となる加工形状は、加工形状「平削り」に対する加工方法「平削り」なので、この時は、「平削り」とする。使用する工具の種類はフラットエンドミル（図１１左上）か正面フライス（図１１右上）、使用する工具軌跡はジグザグ（図１１下）とする。加工ルールは対象となる平面に対して、進入動作、逃げ動作を水平面方向に行うとする。工具径を決定するアルゴリズムを図１２（ａ）に示す。図１２（ｂ）のような平面が与えられ時に、まず、Ｘ方向の長さhxとＹ方向の長さhyを算出する（ステップＳ４０、Ｓ４１）。hxとhyを比較して短いほうをaとする（ステップＳ４２）。この時、工具はaのα倍もしくは＋βmm以内で最大径の工具を選択する（ステップS４３）。

そして、同様の方法で「肩削り」や「穴あけ」「座ぐり」などの加工方法を定義することによって加工方法を作成し、データベース化する。
以上のようにして、工具軌跡生成機能１３がマシニングセンタ１４を駆動するために必要なＮＣプログラムを生成するための各種パラメータが準備される。

図１３は、加工工程決定機能１２から工具軌跡生成機能１３へ渡されるパラメータの例を示す図である。
１つのＣＡＤデータで示される形状を製造するための加工工程全体に共通のパラメータとしては、ＣＡＤデータのファイル名、加工を行う際の原点の位置、加工開始点、加工終了点、回避面が設定される。そして、各工程におけるパラメータとしては、対象フェースのＩＤ、加工方法、軌跡の種類、進入・逃げの方向、工具の種類、工具の直径、工具の主軸回転数、工具の送り速度、工具のピッチ、加工に使う切削油が設定される。

工具軌跡生成機能１３は、加工工程生成装置に入力されたＣＡＤデータと加工工程決定機能１２から出力された情報をもとに、材料から製品へ加工を行うマシニングセンタを制御するためのＮＣプログラムを生成する。この工具軌跡生成機能１３は従来から使用しているＣＡＭと同等の機能を保有している。したがって、この工具軌跡生成機能１３の代用として、汎用的なＣＡＭを用いてもよい。

マシニングセンタ１４は、工具の自動交換機能を備えた数値制御（ＮＣ）工作機械で、フライス削り、穴あけ、中ぐり、ねじ立てなどのいろいろな一連の作業を、一度の工作物取り付けで、完全に、あるいは、ほぼ完全に自動的に行うことのできるものである。工具軌跡生成機能１３がマシニングセンタ１４固有のＮＣプログラムを出力できれば、汎用的なマシニングセンタ１４を使用することができる。

Claims (10)

1. 形状データとその形状に加工するときに使用する加工方法を対応付けて格納する格納手段と、
   加工すべき製品の形状データを受け取り、該受け取った形状データに対応する形状データが該格納手段に格納されているかを検出する形状データ検出手段と、
   該検出された形状データに対応する加工方法を該格納手段から取得する加工方法取得手段と、
   該加工方法取得手段によって取得された１以上の加工方法を組み合わせて、加工すべき製品の加工工程を指定するデータを生成する加工工程生成手段と、
   を備えることを特徴とする加工工程生成装置。
2. 前記加工工程生成手段は、前記１以上の加工方法を組み合わせて、１以上の加工工程を指定するデータを生成し、その中から、所定の条件を満たす１つの加工工程を指定するデータを選択することを特徴とする請求項１に記載の加工工程生成装置。
3. 前記所定の条件は、ユーザが指定することを特徴とする請求項２に記載の加工工程生成装置。
4. 前記加工工程を指定するデータは、ＮＣプログラムに変換され、該ＮＣプログラムは、マシニングセンタによって実行されることを特徴とする請求項１に記載の加工工程生成装置。
5. 形状データとその形状に加工するときに使用する加工方法を対応付けて格納し、
   加工すべき製品の形状データを受け取り、該受け取った形状データに対応する形状データが該格納ステップで格納された形状データに格納されているかを検出し、
   該検出された形状データに対応する加工方法を該格納ステップで格納された加工方法から取得し、
   該加工方法取得ステップによって取得された１以上の加工方法を組み合わせて、加工すべき製品の加工工程を指定するデータを生成する、
   ことを特徴とする加工工程生成方法。
6. 形状データとその形状に加工するときに使用する加工方法を対応付けて格納する格納手段と、
   加工すべき製品の形状データを受け取り、該受け取った形状データに対応する形状データが該格納手段に格納されているかを検出する形状データ検出手段と、
   該検出された形状データに対応する加工方法を該格納手段から取得する加工方法取得手段と、
   該加工方法取得手段によって取得された１以上の加工方法を組み合わせて、加工すべき製品の加工工程を指定するデータを生成する加工工程生成手段と、
   をコンピュータに実現させる加工工程生成プログラム。
7. 加工対象の形状が所定の形状データに一致するか否かの処理に使用されるデータベースであって、
   該形状データで表される形状を加工するさいに要求される加工のための条件が加工対象の形状において成り立つか否かを判定することにより、該形状データで表される形状が該加工対象の形状に存在するか否かを判断するプログラムを格納する格納手段
   を備えることを特徴とするデータベース。
8. 前記格納手段は、ユーザが設定する形状のビットマップを等格子で分割し、各等格子内に形状の高さを設定したデータを格納することを特徴とする請求項７に記載のデータベース。
9. 前記ビットマップから生成されたデータは、加工対象の形状データを等格子に分割し、各等格子内に高さを設定したデータに変換した後に、加工対象の形状と一致するか否かが判断されることを特徴とする請求項８に記載のデータベース。
10. 前記データベースは、前記形状データに対応して、該形状データで表される形状を加工する際に用いられる加工方法に関する情報を格納することを特徴とする請求項７に記載のデータベース。