JPWO2014045383A1 - 加工工程決定方法および加工工程設計装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、３次元形状加工において、各工程の面精度に基づき複数工程の工程順序を決定する方法を提供する。複数の工程からなり、素材の形状を設計形状へと加工するための加工工程を決定する方法において、加工工程設計のための入力項目として、各工程における加工後の面精度に加え、被切削面の加工前の面精度（加工前要求面精度）を定義し、工程毎に工具と被削材の幾何要素から加工後の面精度を求め、加工後の面精度が最終要求面精度を満たすかを判定し、上記を満たさない場合には、加工前要求面精度を満たす工程候補から次工程を選択することで、複数工程からなる加工工程の組み合わせと順序を決定することを特徴とする。

Description

本発明は、ＣＡＭ（コンピュータ支援加工）システムに好適な、複数の工程からなる加工工程を決定する方法および加工工程設計装置に関する。

ＮＣ加工機により構成される機械加工生産ラインでは、生産すべき製品のＣＡＤモデルに対して、実際の加工の準備として、ＣＡＭを用いて、加工機の選択、工具の回転数や送り速度といった加工条件、工具と加工条件を用いてＣＡＤモデルの加工範囲を指定する加工領域を設定し、工具の軌跡情報であるツールパスを作成した後に、ＮＣ加工機別にＮＣ加工機の動作を制御するＮＣデータを作成する必要がある。ＣＡＭにより作成したＮＣデータをＮＣ加工機に転送し、実際の加工を実施する。

ＣＡＭにおいて工程設計を実施する際には、粗加工で高い材料除去率が要求され、さらに仕上げ加工では高い表面の品質が要求される。一般には、粗加工、および仕上げ加工の複数工程によって機械加工工程が設計されるが、被加工形状によっては、粗加工による最大削り残し量が仕上げ加工用の工具の加工許容値を超えて、仕上げ加工用の工具の欠損、仕上げ面の劣化などの危険性が高まることが起こる。このような不具合を回避するために、粗加工と仕上げ加工の間に、中粗加工を余裕を見て挿入する工程設計が行なわれることが多いが、機械加工の生産性を高める上で、最適な加工工程を決定する方法が望まれている。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。この公報には、「等高線加工法による荒加工方法において、被加工物仕上がり面の傾斜角度ごとに被加工面を分類して、分類した面ごとに使用する工具による最大削り残し量を算出し、算出した最大削り残し量が許容値を超える場合に、その部分に再加工位置を設定する」と記載されている（要約参照）。

また、特許文献２がある。この公報には、「複数の工程候補の中から加工能力の高い順に工程候補を選定し、その工程候補によって加工することのできる最大加工領域を加工前の形状と加工後の形状から求め、最大加工領域と加工後の形状の差分を求め、その差分が許容値以下になるまで工程候補の選定を繰り返す。選定した工程候補を配列して、最後に選定した工程候補を最終の工程とする複数の工程順序候補を生成する。各工程順序候補について、各工程の加工能力、加工量と負荷時間から実効加工時間を求め、各工程の実効加工時間を総和して総実効加工時間を求め、総実効加工時間が最短になる工程順序候補を加工工程に決定する」と記載されている。

また、特許文献３がある。この公報には、「３次元ＣＡＤ装置Ｈ１から３次元素材形状データＭ３及び３次元製品形状データＭ１を読み込み、３次元素材形状データＭ３から複数の工程を経て３次元製品形状データＭ１を作成するための加工工程を決定するものであり、仕上げ代４６及び加工条件の判断に必要な閾値が格納された加工知識データベースＤ１と、各種工具情報が格納された工程候補データベースＤ２と、３次元製品形状データＭ１に仕上げ代４６を肉盛りして３次元形状データＭ２を作成し、これを加工目標として各種工具情報を用いて複数工程の中から加工精度及び加工能率を高くするための加工工程の順序を決定する工程設計モジュールＥ１とを備える」と記載されている。

特開２００３−１０８２０７号公報 特許第４７４８０４９号公報 特開２００９−２７４１６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の加工工程設計方法は、複数工程からなる加工工程が考慮されておらず、削り残しについてもスカラップ高さ（スカラップ高さは面精度の指標として使用される。例えば、図８(a)に示すように、加工工具の隣り合うツールパスの間に削り残し部分が出来るが、製品形状である最終仕上げ面に垂直方向に測った最大高さと定義される。最終形状８００が斜面で表される図８(b)の場合には、スカラップ高さは斜面に垂直方向に測られる。)のみを定義している。

また、特許文献２に記載のものは、最終面以外の面精度は考慮されておらず、工程間での面精度が考慮されていない。そのため、前工程の加工後形状が後工程に影響を与えてしまい、工具の異常摩耗など実加工での不具合懸念を排除できないという課題がある。

また、特許文献３に記載のものは、最終面精度は仕上げ代として一意に定義し、仕上げ工程前の面精度は考慮せず穴加工など特定フィーチャの前工程要否をデータベース化した加工知識から判断しており、３次元の自由曲面加工には対応していないという課題がある。

そこで本発明の目的は、３次元形状加工において、各工程の面精度に基づき複数工程の工程順序を決定する方法を提供することにある。

例えば、切削加工における加工工程は、一般に大径工具を用いることで加工能率が高くなるが、工具が大きい分、干渉や工具形状の制約により削り残しが生じる。すなわち、１つの工具および工程だけでは、要求される面精度を満たすことができない場合が多く、複数の工程を組み合わせ、面精度を満たす必要がある。この工程の組み合わせ、および順序の決定は、決定の煩雑さから実際の運用においては、加工対象の製品や部位ごとにテンプレート化して利用されることも多い。しかしながら、テンプレートの利用では詳細な設計形状ごとに加工工程を最適化することはできない。本発明では、精度と能率(生産性)のトレードオフに対して、精度を満たし能率の高い工程の組み合わせを決定し、その順序を決定する方法を提供することを目的とする。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

上記課題を解決するために本発明では、素材の形状を設計形状へと加工するための複数の工程からなる機械加工工程を決定する方法において、少なくとも加工機、工具、加工諸元、加工方法の各データ項目に加えて、被切削面の加工前の面精度（加工前要求面精度）のデータ項目を有する工程候補データテーブルを作成し、工程設計対象製品ＣＡＤモデル、素材ＣＡＤモデルより加工領域モデルを作成し、該加工領域モデルを加工能率が高く加工が可能な初期工程候補を前記工程候補データテーブルより選択し、前記加工領域モデルを前記選択した工程候補により加工を行うツールパスデータを作成し、該ツールパスデータ、および工具と被削材の幾何要素データを使用して、加工後の面精度を算出し、該加工後の面精度が最終要求面精度を満たすか否かを判定し、満たさない場合には、前記加工後の面精度を満たす加工前要求面精度を持つ工程候補を前記工程候補データテーブルから次工程として選択し、該次工程により前記加工領域モデルの削り残し領域を加工するシミュレーションにより、加工後の面精度が最終要求面精度を満たすか否かを判定する工程までを繰り返すようにした。

また、上記課題を解決するために本発明では、少なくとも工程名称、加工機、工具、加工諸元、加工方法、加工前要求面精度のデータ項目を有する工程候補記憶テーブルを記憶する記憶部と、演算部と、入力部と、出力部と、通信部とを備え、前記演算部は、素材形状と最終形状の差分から切削加工で除去すべき領域を抽出する加工領域算出部と、前記記憶部に記憶されている工程候補データから工程の組み合わせと順序を決定し、加工工程設計案を作成する加工工程設計部と、製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、加工領域モデルデータ、および工程候補データに従って３次元ＣＡＭが作成したツールパスデータを使用して、工程毎に工具と被削材の幾何要素から加工後の面精度を算出する加工後面精度算出部と、前記加工後面精度と、設計要求である最終要求面精度とを比較し、加工後の面精度が、最終要求面精度を満たすか否かを判定する、および前記加工後面精度算出部で算出した加工後面精度と、前記記憶部に記憶されている前記工程候補記憶テーブルの加工前要求面精度とを比較し、加工前要求面精度を満たす工程候補を選別する面精度比較処理部と、前記加工工程設計部で作成した工程設計案に対して、加工時間を算出する加工時間算出部とを有することを特徴とする加工工程設計装置を構成した。

本発明によれば、３次元形状加工において、各工程の面精度に基づき複数工程の工程順序を決定する方法を提供することができる。
例えば、被切削面の面精度に基づき総加工時間の短い工程組み合わせを決定することにより加工時間が削減される。また、工程組み合わせ探索による工程設計の自動化により、準備工数が低減される。また、工程間の面精度考慮による加工不具合の事前考慮により、安全性が向上する。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施の形態に係る加工工程設計方法を実施する加工工程設計装置の構成図である。 （a）〜（c）は、加工能率と面精度に着目した工程設計において考慮する加工前要求面精度、加工後面精度、および最終要求面精度の関係を説明するための図面である。 本発明の一実施の形態に係る工程候補記憶テーブル構成例である。 加工機データテーブルの構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る加工工程設計方法の概要を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態に係る加工後面精度に基づき加工領域を分割する方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態に係る加工工程設計方法による可能な組み合わせを探索する方法を示すフローチャートである。 スカラップ高さの定義を説明するための図である。 本発明の一実施の形態に係るＣＡＭ設定画面の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るＣＡＭ設定画面の加工工程一覧画面の工程順序のエラーを表示する例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るＣＡＭ設定画面の加工工程一覧画面の加工後面精度の設定方法を変更した例を示す図である。

（１）発明の概要
まず、本発明の概要について説明する。
発明が解決しようとする課題でも述べたように、実際の機械加工においては、加工能率が高い工程だけでは要求される面精度を満たせない場合が多く、加工能率の異なる複数の工程を組み合わせて加工が行われる。この工程の組み合わせ、および順序を決定することを工程設計と呼び（加工工程設計、加工戦略立案などと呼ぶこともある）、決定された組み合わせ、および順序を工程設計案と呼ぶ。

図２(a),(b),(c)に、横軸に加工能率、縦軸に面精度を取ったグラフを示す。以下、このグラフを用いて、工程設計で考慮すべき事項を述べる。

図２(a)において、加工能率の高い大粗工程（被加工面を複数工程にて加工する場合に、最も加工能率を重視して設定された最前加工工程）２０１では、加工後の面精度が設計で要求される最終面精度（最終要求面精度）よりも粗いため、追加の工程が必要である。最終要求面精度を満たすには、仕上げ工程（被加工面を複数工程にて加工する場合に、最終要求面精度を満たすように面精度を重視して設定された最終加工工程）２０３が必要となるが、仕上げ工程２０３の加工を行うためには、その前工程の加工後面精度が、仕上げ工程２０３の加工前要求面精度を満たす必要がある。

ここで加工前要求面精度とは、ある工程を実施するにあたり要求される被切削面の加工前の面精度であり、例えば、面が粗い状態で仕上げ工程を行うと仕上げ用の工具が欠損してしまうことなどを考慮して設定される条件である。

例えば、図２(a)では、大粗工程２０１による加工の結果である加工後面精度では、仕上げ工程２０３の加工前要求面精度を満たしていないことを表わしており、このために、図２(b)に示すように、大粗工程２０１と仕上げ工程２０３の間に、中粗工程（大粗工程による削り残しの面精度を、加工前要求面精度が満たし、仕上げ工程の加工前要求面精度よりも細かい面精度に加工することが可能な加工工程）２０２を追加することで工程設計案を完成させる。

図２(a)のように大粗工程２０１と仕上げ工程２０３の組み合わせだけでは、加工不具合が生じる可能性があることを明示すること、及び加工不具合が起きないよう図２(b)のように中粗工程２０２を追加すること、などが工程設計において必要な考慮事項である。

また、同一の工程でも加工領域によっては工具と被削材の幾何的な接触状況の違いにより、図２(c)に示すように、加工能率が高い工程でも最終要求面精度を満たすことがある。そのため、加工後面精度を加工前に算出することで、冗長な追加工程を廃することも工程設計において加工時間短縮の効果が大きい。
本発明は、その一実施の形態において、例えば、加工後面精度と加工前要求面精度に着目し、加工工程設計を行う方法を提供する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（２）加工工程設計方法を実施する加工工程設計装置の構成
図１に、本発明の一実施の形態に係る加工工程設計方法を実施する加工工程設計装置１００の構成図を示す。

図１において、加工工程設計装置１００は、演算部１０１、記憶部１０２、入力部１０３、出力部１０４、通信部１０５から構成されている。加工工程設計装置１００は、通信部１０５、ネットワーク１７０を介して、３次元ＣＡＭ１３０、ＮＣ工作機械１４０、３次元ＣＡＤ１５０、ＮＣシミュレータ１６０が接続される。
なお、加工工程設計装置１００が３次元ＣＡＭ１３０の一機能として同一の装置内に構成されてもよい。また、入力部１０３および出力部１０４は加工工程設計装置１００内に独立の構成として保有されず、例えばＮＣ工作機械１４０が保有する入出力装置を用いてもよい。

入力部１０３は例えばキーボードやマウスであり、出力部１０４は例えばディスプレイやプリンタであり、演算部１０１は、例えばＣＰＵなどのプロセッサであり、記憶部２２０は例えばＨＤＤや半導体メモリである。
入力部１０３は、ユーザの指示の入力を受け付け、出力部１０４は、本コンピュータシステムの処理結果を表示したり印刷したりする。

３次元ＣＡＤ１５０は、加工を行う製品の素材形状(素材ＣＡＤモデル)、および最終形状(製品ＣＡＤモデル)を３次元形状データとして作成する。３次元データとして、素材形状、最終形状の他に、加工の中間形状を作成することもある。

３次元ＣＡＭ１３０は、３次元ＣＡＤ１５０で作成された３次元形状データまたは外部から入力された３次元形状データに対して、加工領域の決定、加工条件の設定、工具の選定、加工パスの作成を行い、作成した加工パスからＮＣプログラムを作成する。前記加工パス作成までの処理は、３次元ＣＡＭ１３０と加工工程設計装置１００の演算部１０１、および記憶部１０２とのデータのやりとりによって処理することができる。また、前記処理にＮＣシミュレータ１６０とのデータのやりとりが加えられても構わない。

ＮＣシミュレータ１６０は、３次元ＣＡＭ１３０で作成されたＮＣプログラム、または加工工程設計装置１００の記憶部１０２に記憶されたＮＣプログラムをロードして、加工シミュレーションを実行して、結果を回答する。

演算部１０１は、その上で記憶部１０２などに記憶されたプログラムを実行することによって、加工領域算出部１１０、加工工程設計部１１１、加工後面精度算出部１１２、面精度比較処理部１１３、加工時間算出部１１４、加工工程面精度チェック部１１５として機能する。

加工領域算出部１１０は、素材形状と最終形状の差分から切削加工で除去すべき領域を抽出する。ここで、前記素材形状および最終形状は加工の中間形状と置き換えられても構わない。

加工工程設計部１１１は、記憶部１０２に保持されている工程候補データから工程の組み合わせと順序を決定し、工程設計案を作成する。前記処理は、加工後面精度算出部１１２、面精度比較処理部１１３、および加工時間算出部１１４での処理結果に基づき実施される。加工工程設計部の処理の詳細については、図５〜７のフローチャートを用いて後述する。

加工後面精度算出部１１２は、製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、加工領域モデルデータ、および工程候補データに従って３次元ＣＡＭが作成したツールパスデータを使用して、工程毎に工具と被削材の幾何要素から加工後の面精度を算出する。ここで幾何要素とは、少なくとも、工具刃先Ｒ、軸切込みＡｐ、工具と被削材の傾斜角θを含む。また、加工後面精度算出部１１２は、ＮＣシミュレータ１６０に加工シミュレーションの実行を依頼して、その結果に基づいて加工後の面精度を算出することもできる。
加工後面精度算出部１１２は、加工後の面精度の指標としては、少なくともスカラップ高さを算出する。スカラップ高さは、図８(a)に示すように、加工工具の隣り合うツールパスの間に削り残し部分が出来るが、製品形状である最終仕上げ面に垂直方向に測った最大高さと定義される。最終形状８００が斜面で表される図８(b)の場合には、スカラップ高さは斜面に垂直方向に測られる。スカラップ高さの他の指標としては、例えば、ＪＩＳに記載の表面粗さ（Ｒａ：中心線平均粗さ、Ｒｍａｘ：最大高さ、Ｒｚ：十点平均粗さ、など）などを算出してもよい。

面精度比較処理部１１３は、加工後面精度算出部１１２で算出した加工後面精度と、設計要求である最終要求面精度とを比較し、加工後の面精度が、最終要求面精度を満たすかどうかを判定する。また、加工後面精度算出部１１２で算出した加工後面精度と、記憶部１０２に記憶されている加工前要求面精度とを比較し、加工前要求面精度を満たす工程候補を選別する。

加工時間算出部１１４は、加工工程設計部１１１で作成した工程設計案に対して、加工時間を算出する。ここで加工時間は、例えば３次元ＣＡＭ１３０で作成した加工パスの長さと送り速度から算出できる。また、ＮＣシミュレータ１６０を用いて、工作機械の各軸の最大速度、加減速、工具交換時間、などを考慮した加工時間を算出することもできる。

以上示したように、本実施例における演算部１０１では、面精度として、各工程での加工前要求面精度、各工程での加工後面精度、および、設計要求である最終要求面精度、が定義されている。
（３）記憶部の構成
記憶部１０２は、工程候補データ記憶領域１２０、加工機データ記憶領域１２１、製品ＣＡＤモデル記憶領域１２２、素材ＣＡＤモデル記憶領域１２３、加工領域モデル記憶領域１２４、ＮＣプログラム記憶領域１２５、加工工程設計案記憶領域１２６とを有する。各記憶領域のデータは、３次元ＣＡＭ１３０の記憶部のデータと共通させてもよく、その場合には３次元ＣＡＭ１３０の記憶部にデータが格納されることも考えられる。

工程候補データ記憶領域１２０は、図３に示す工程候補記憶テーブル３０１を記憶する。工程候補記憶テーブル３０１は、テーブルの構成要素として、例えば、工程名称３１１、加工機３１２、工具３１３、加工諸元３１４、加工方法３１５、加工前要求面精度３１６などを持つ。この他に、例えば、加工後の要求面精度（スカラップ高さなど加工後面精度算出部１１２で算出するものと同等のものを含む）や、工具の進入、退出方法（エンゲージ、リトラクト）など、一般的なＣＡＭに含まれる設定項目を構成要素として持ってもよい。
工程名称３１１により特定される各データレコードは、１つの工程候補を表すデータであり、予めテーブルに想定される工程候補として登録しておく。

加工機３１２は、工程名称３１１で特定される工程候補が実施される加工機を特定する名称、識別ＩＤを保持する。
工具３１３は、例えば、工具材種（超硬、ハイス、セラミックなど）、工具形状種別（ブルノーズ、ボールエンド、総型など）、工具径、工具刃先Ｒ、刃数などの情報を保持する。
同一工具でも、加工諸元や加工方法の異なる工程案を候補として複数保持してもよい。

加工諸元３１４は、例えば、切削速度Ｖ（ｍ／分）、一刃送りｆｚ（ｍｍ／刃）などの情報を保持する。主軸回転数Ｓ（ｒｐｍ）や送り速度Ｆ（ｍｍ／分）など工作機械に指令する際に用いる条件値を保持してもよい。テーブル構成要素として対象被削材の材種を追加し、材種ごとに加工諸元を保持してもよい。

加工方法３１５は、例えば、工具の動作に基づく加工方法（等高線加工、パート従属加工、トロコイド加工など）や、工具と被削材の接触量（軸切込み量（ａｐ）、径切込み量（ａｅ）など）などの情報を保持する。工具と被削材の接触量を規定せず、例えば、スカラップ高さなど加工後面精度を条件として設定し、３次元ＣＡＭ１３０で設定条件を満たす工具の切込み量を設定させてもよい。

加工前要求面精度３１６は、ある工程を実施するにあたり要求される被切削面の加工前の面精度であり、例えば、スカラップ高さ、パートストック（スカラップ底面から加工面までの一定厚さ）、最大切込み高さ、最大単位除去体積などで定義する。また、例えば、ＪＩＳに記載の表面粗さ（Ｒａ：中心線平均粗さ、Ｒｍａｘ：最大高さ、Ｒｚ：十点平均粗さ、など）などで定義してもよい。
工程候補の工具（例えば、初期欠損に強い工具や、切込み高さが著しく高いラフィング工具など）や加工諸元（面精度が悪い箇所を加工することを前提とした低い諸元など）などによっては、加工前要求面精度を保持しない工程候補があっても構わない。

加工前要求面精度３１６を工程候補記憶テーブル３０１の構成要素として保持することで、複数の工程からなる加工工程設計において、工程の前提条件を満たす工程順序案を生成することができる。工程候補データ記憶領域の加工前要求面精度は本発明の特徴である。

加工機データ記憶領域１２１は、機械加工ショップに在る全ての加工機の装置情報を記憶する。例えば、本実施形態においては、図４に示すような加工機データテーブル４０１を記憶する。
図示するように加工機データテーブル４０１は、加工機を特定する識別情報である加工機番号欄４１１と、加工機の加工機名を特定する情報を格納する加工機欄４１２と、加工機の軸構成を特定する情報を格納する軸構成欄４１３と、加工機の各軸のストロークを特定する情報を格納するストローク欄４１４と、加工機を段取り換えする平均時間を格納する段取時間欄４１５とを有する。

製品ＣＡＤモデル記憶領域１２２は、３次元ＣＡＤ装置１５０で作成された製品毎の最終加工形状を表す製品ＣＡＤモデルデータを、ネットワーク１７０、通信部１０５を介して受け付けて、記憶する。
製品ＣＡＤモデルデータは、例えばＤＸＦファイル形式にて格納しており、フェイスモデルは要素定義部(ENTITIES)に図面を構成する各図形要素として定義されており、ソリッドモデルはブロック定義部(BLOCKS)にブロック図形要素として定義されている。本実施例では、ＣＡＤファイル形式は特に限定はしない。
また、本実施例では、製品の形状の面精度として、最終要求面精度データを製品ＣＡＤモデルに付加している。このデータは、３次元ＣＡＤ装置１５０で作成されたデータを採用する場合と、加工工程設計装置１００において、製品ＣＡＤモデルデータを登録する際に最終要求面精度データを付加する場合がある。

素材ＣＡＤモデル記憶領域１２３は、製品毎の素材形状を表わす３次元ＣＡＤデータを記憶する。フェイスモデル、ソリッドモデルのいずれか、または両形式のデータを記憶する。３次元ＣＡＤ装置１５０において作成された３次元ＣＡＤデータを通信部を介して受信して、格納する。素材ＣＡＤモデル記憶領域１２３のファイル形式についても、前記した製品ＣＡＤモデル記憶領域１２２と同じファイル形式にて格納する。

加工領域モデル記憶領域１２４は、加工領域算出部１１０が素材ＣＡＤモデルと製品ＣＡＤモデルの差分から切削加工で除去すべき加工領域を抽出して作成した加工領域モデルを記憶する。または、３次元ＣＡＭ１３０で作成した加工領域モデルデータを受信して記憶する。加工領域モデル記憶領域のファイル形式についても、前記した製品ＣＡＤモデル記憶領域１２２と同じファイル形式にて格納する。

ＮＣプログラム記憶領域１２５は、３次元ＣＡＭ１３０で作成されてＮＣ工作機械１４０の入力となるＮＣプログラムが工程設計案と関連付けられて保持される。

加工工程設計案記憶領域１２６は、加工工程設計部１１１で作成した工程設計案データを記憶する。工程設計案データは、図９の加工工程一覧画面９０３に表示されているように、工程順番号欄９１１、工程名称を特定する工程名欄９１２、使用する工具の情報を格納する工具欄９１３、使用する加工諸元の情報を格納する加工諸元欄９１４、加工前要求面精度を工程候補記憶テーブル３０１より読み出して記録する加工前要求面精度欄９１５、加工後面精度算出部１１２が算出した加工後面精度を記録する。
（４）加工工程設計方法の概要
次に、図５により、本発明の一実施の形態に係る加工工程設計方法の概要について説明する。図５は加工工程設計装置１００の加工工程設計部１１１で実行される加工工程設計方法の概要を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ５０１では、工程設計者が工程設計対象製品を入力部１０３より指定した入力を受け付けて、記憶部１０２に格納されている製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、および加工領域モデルデータを読み出す。該当データが記憶部１０２に登録されていない場合には、３次元ＣＡＭ１３０の記憶部に格納されているデータを読み出す。

ここで加工領域モデルデータは、例えば、入力部１０３または３次元ＣＡＭ１３０に加工領域モデルの作成を指示して、作成された加工領域モデルデータを受け付けて、加工領域モデル記憶領域１２４に記憶したものである。または、３次元ＣＡＤ１５０で作成した形状データに基づき、加工領域算出部１１０で算出された加工領域を加工領域モデル記憶領域１２４に記憶したものである。

ステップＳ５０２では、設計対象の製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、および加工領域モデルデータに対して、記憶部１０２の工程候補データ記憶領域１２０に記憶されている工程候補の中から、最も加工能率の高い工程を初期工程として選択する。

ステップＳ５０３では、対象加工領域を前ステップで選択された工程候補のデータレコードに登録されている加工機、工具、加工諸元、加工方法の各データに従って加工するツールパスの生成を３次元ＣＡＭ１３０に指示して、３次元ＣＡＭで生成されたツールパスデータをネットワーク１７０、通信部１０５を介して入力する。

ステップＳ５０４では、加工後面精度算出部１１２の処理により、ステップＳ５０２またはステップＳ５０７で選択した工程候補のデータ、および前ステップで入力したツールパスデータを用いて加工領域モデルを加工した後の面精度（加工後面精度）αを算出する。

ステップＳ５０５では、面精度比較処理部１１３の処理により、前ステップＳ５０４で算出した加工後面精度αが製品の最終要求面精度(製品ＣＡＤモデル)を満たすか判断する。最終要求面精度を満たしていれば、工程設計を終了する。最終要求面精度を満たさない場合には、ステップＳ５０６に進む。

ステップＳ５０６では、次工程が必要であるので、次工程の削り代余裕を残すように、ステップＳ５０３で作成した前工程のツールパスを修正する指示を３次元ＣＡＭ１３０へ送り、３次元ＣＡＭで修正されたツールパスデータを入力する。なお、ツールパスの修正が必要でないと判定された場合には、本ステップは省略される。

ステップＳ５０７では、記憶部１０２の工程候補データ記憶領域１２０に記憶されている工程候補の中から、加工前要求面精度がステップＳ５０４で算出した加工後面精度αより高いという制約を満たす工程候補を選別し、対象加工領域モデルから前工程のツールパスにより切削された残りの加工領域に対して、加工能率が高い工程を選択する。
ステップＳ５０７での工程の選択は、例えば、加工能率が最も高い工程を選択するだけでなく、加工能率が平均より高い工程の中からランダムに選択する方法などを用いても構わない。
また、ステップＳ５０７での工程の選択は、加工能率の高い工程ではなく、加工後面精度が高い工程などの評価指標を用いてもよい。

ステップＳ５０７で工程が選択された後、ステップＳ５０３に戻り、ステップＳ５０５の条件を満たすまで上記処理を繰り返し、工程順序を決定する。
図５に示すフローチャートにより、複数工程からなる加工工程において、工程前後の面精度に加工上の不具合が生じない工程順序案を決定することができる。
（５）加工後面精度に基づき加工領域を分割する加工工程設計方法
次に、図６により、本発明の一実施の形態に係る加工後面精度に基づき加工領域を分割する方法について説明する。図６は加工工程設計部１１１で実行される加工後面精度に基づき加工領域を分割する方法を示すフローチャートである。

図６のフローチャートは、図５のフローチャートに対して、ステップ間に新たな処理を追加したフローチャートである。図６中のステップＳ５０１〜Ｓ５０７は、前記図５に示された同一の符号を付された処理と同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。

ステップＳ６０１では、ステップＳ５０４で算出した加工後面精度αの値が、加工領域中でばらつきを持つ場合において、αの値に基づき、任意の閾値（例えば、記憶部１０２の工程候補データ記憶領域１２０に記憶されている工程候補に設定されている加工前要求面精度など）の範囲ごとに加工領域を分割する。分割後、閾値範囲内でのαの最大値（すなわち最も面精度が悪い箇所の値）を分割された加工領域のαとして、それぞれ分割された加工領域と共に加工領域モデル記憶領域１２４に記憶する。

ステップＳ６０２では、ステップＳ６０１で分割された加工領域を一つ選択し、ステップＳ５０５へ進む。

ステップＳ５０５では、面精度比較処理部１１３の処理により、ステップＳ５０４で算出した加工後面精度αが製品の最終要求面精度を満たすか判断する。最終要求面精度を満たさない場合には、前記図５の処理と同様、ステップＳ５０６に進む。最終要求面精度を満たしていれば、当該分割加工領域の工程設計は終了となり、ステップＳ６０３に進む。

ステップＳ６０３では、ステップＳ６０１で分割された加工領域のうち、全ての分割加工領域において工程設計の処理が終了したかを判断する。処理が終了していれば、工程設計を終了する。処理が終了していない分割加工領域があれば、ステップＳ６０４に進む。

ステップＳ６０４では、ステップＳ６０１で分割された加工領域のうち、工程設計が終了していない分割加工領域を一つ選択し、ステップＳ５０５へ進む。

図６に示すフローチャートにより、初期に設定された加工領域において、加工後面精度αのばらつきが大きい場合に、加工後面精度に基づき加工領域を分割することで、分割加工領域ごとに適切な工程候補を選択し、工程設計を行うことが可能となる。
（６）工程順序決定処理において可能な組み合わせを探索する方法
次に、図７により、本発明の一実施の形態に係る加工工程設計方法において、工程候補の中から可能な組み合わせを探索する方法について説明する。図７は本発明の一実施の形態に係る加工工程設計方法による可能な組み合わせを探索する方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ７０１では、設計者が設計対象製品を入力部１０３より指定した入力を受け付けて、記憶部１０２に格納されている製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、および加工領域モデルデータを読み出す。該当データが記憶部１０２に登録されていない場合には、３次元ＣＡＭ１３０の記憶部に格納されているデータを読み出す。
ここで加工領域モデルデータは、例えば、入力部１０３または３次元ＣＡＭ１３０に加工領域モデルの作成を指示して、作成された加工領域モデルデータを受け付けて、加工領域モデル記憶領域１２４に記憶したものである。または、３次元ＣＡＤ１５０で作成した形状データに基づき、加工領域算出部１１０で算出された加工領域を加工領域モデル記憶領域１２４に記憶したものである。

ステップＳ７０２では、設計対象の製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、および加工領域モデルデータに対して、記憶部１０２の工程候補データ記憶領域１２０に記憶されている工程候補の中から、初期工程として選択可能な工程を一つ選択する。ここで、初期工程として選択可能な工程とは、例えば、加工前要求面精度を持たない初期欠損に強い工具を用いた工程や、初期工程として使用できるよう、加工条件を通常よりも低めに設定した工程などである。

ステップＳ７０３では、ステップＳ７０２で選択した工程を初期工程として、工程設計を行う。工程設計は、前記図５のフローチャートのステップＳ５０２〜Ｓ５０７において、ステップＳ５０２を図７のステップＳ７１２に置き換えることで実行される。または、前記図６のフローチャートのステップＳ５０２〜Ｓ６０４において、ステップＳ５０２を図７のステップＳ７１２に置き換えることで実行されてもよい。

ステップＳ７０４では、加工時間算出部１１４の処理により、ステップＳ７０３により作成された工程設計案の加工時間を見積もる。

ステップＳ７０５では、記憶部１０２の工程候補データ記憶領域１２０に記憶されている工程候補の中に、初期工程として選択可能な工程があるかを判断する。工程候補が残っていればステップＳ７０２に戻り、残っている工程候補の中から一つを選択し、処理を継続する。工程候補が残っていなければ、ステップＳ７０６に進む。

ステップＳ７０６では、前ステップまでの処理で作成された工程設計案の中から、加工時間が最短となる工程設計案を選択する。

図７に示すフローチャートにより、複数工程からなる加工工程において、工程前後の面精度に加工上の不具合が生じない工程順序案、かつ、加工時間が最短となる工程候補の組み合わせを決定することができる。
（７）画面表示の例
次に、図９〜１１により、本発明の一実施の形態に係る画面表示例について説明する。図９は本発明の一実施の形態に係るＣＡＭ設定画面９０１の一例を示す図、図１０は本発明の一実施の形態に係るＣＡＭ設定画面の加工工程一覧画面の工程順序のエラーを表示する例を示す図、図１１は本発明の一実施の形態に係るＣＡＭ設定画面の加工工程一覧画面の加工後面精度の設定方法を変更した例を示す図である。

図９に示すように、ＣＡＭ設定画面９０１は、例えば、モデル表示画面９０２、加工工程一覧画面９０３などから構成される。ＣＡＭ設定画面９０１は、加工工程設計装置１００を使用して工程設計者が工程設計を実施する際のマン・マシンインタフェースを提供する画面であり、出力部１０４(加工工程設計装置１００と３次元ＣＡＭ１３０が同一装置上に実装される場合は、３次元ＣＡＭの出力部となる)に表示される。工程設計者が設計対象製品を入力部１０３より指定した入力に対応する製品ＣＡＤモデル、素材ＣＡＤモデル、および加工領域モデルを加工工程設計装置１００が画面に表示する、または３次元ＣＡＭ１３０に加工領域の決定、ツールパスの生成を指示して、その結果を受けて、画面に表示して工程設計者の確認を支援する機能を持つモデル表示画面９０２がある。また、加工工程設計装置１００が作成した加工工程設計案を工程設計者に表示して確認を支援する加工工程一覧画面９０３がある。

モデル表示画面９０２は、各工程での加工領域、加工パスなどを２次元または３次元のモデルで表示する。例えば、素材形状、設計形状、中間形状、工具の移動軌跡、工具軸の傾き、などを表示する。製品ＣＡＤモデル上に加工領域を定義するために、カーソル９０４などを使用して加工領域の選択を可能とする。また、加工工程一覧画面９０３と連動し、加工工程一覧画面９０３で選択した加工工程に該当する加工領域や加工パスを色変更や点滅表示により強調して明示的に示してもよい。

加工工程一覧画面９０３は、加工工程設計案を加工工程の一覧として表示する。加工工程一覧の構成要素として、例えば、工程順序９１１、工程名９１２、工具９１３、加工諸元９１４、加工前要求面精度９１５、加工後面精度９１６などを持つ。この他に、工程候補記憶テーブル３０１の構成要素などを、構成要素として持ってもよい。また、加工諸元データを記憶部１０２の工程候補記憶テーブル３０１によって工具と関連付けて記憶する場合などは、加工諸元９１４などを省略してもよい。

また、加工後面精度９１６は、工程設計において、例えば、加工工程設計装置１００の加工後面精度算出部１１２などによって算出された値（加工後の算出面精度）ではなく、３次元ＣＡＭ１３０の設定として受け付けた入力値（加工後の要求面精度）を表示してもよい。また、加工後の算出面精度と加工後の要求面精度の両方を表示してもよい。

工程設計者は、加工工程一覧画面９０３に表示された加工工程設計案で良いと判断した場合には、３次元ＣＡＭ１３０へＮＣプログラムの作成を指示して、加工工程設計装置１００は、作成されたＮＣプログラムを受け付けて、ＮＣプログラム記憶領域１２５に加工工程設計案と対応付けて記憶する。記憶されたＮＣプログラムは、ＮＣシミュレータ１６０に送られて、加工シミュレーションにより良否を確かめることができる。シミュレーション結果は、モデル表示画面９０２に表示される。良否が確かめられたＮＣプログラムは機械ショップのＮＣ工作機械１４０へダウンロードされて、製造が行われる。

ＣＡＭの設定画面において、各工程での加工後の要求面精度の設定を受け付けることは市販ＣＡＭソフトウェアなどからも公知であるが、加工前要求面精度９１５の設定を受け付けることは、本実施例によるＣＡＭ設定画面９０１に顕著な特徴である。

図１０に、加工工程一覧画面９０３の異なる形態の一例を示す。加工工程一覧の構成要素として、面精度チェック１００１の項目があり、例えばＯＫ、ＮＧなどのチェック結果を表示する。図１０の例では、工程１０１１の加工後面精度は１．８であり、次工程の工程１０１２の加工前要求面精度は１．６と設定されている。そのため工程１０１１の加工後面精度が工程１０１２の加工前要求精度を満たしておらず、工程１０１２で加工不具合が生じる可能性がある。このような工程順序に対して、加工工程面精度チェック部１１５が実施する本実施例の面精度チェック１００１では、工程１０１２にＮＧを表示し、工程１０１２またはその前後の工程の修正要求を明示的に示すことができる。

前記図５〜７に記載の加工工程設計方法を用いた場合には、図１０に示すような面精度を満たさない工程設計案は生成されないが、一般的なＣＡＭで行われるように工程設計を一工程ずつ作成した場合や、工程順序や工程候補を一部変更した場合などに、本実施例による面精度チェック１００１での評価およびその結果表示によって、加工不具合を未然に防止する効果が得られる。

図１１に、加工工程一覧画面９０３の異なる形態の一例を示す。加工工程一覧の構成要素である加工後面精度１１０１の項目において、加工後面精度の設定を、各工程ではなく複数の工程にまとめて設定できるようにした例である。例えば、工程１１１１で加工後面精度０．０５を満たす領域は後工程である工程１１１２および工程１１１３を省略することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１００ 加工工程設計装置
１０１ 演算部
１０２ 記憶部
１０３ 入力部
１０４ 出力部
１０５ 通信部
１１０ 加工領域算出部
１１１ 加工工程設計部
１１２ 加工後面精度算出部
１１３ 面精度比較処理部
１１４ 加工時間算出部
１１５ 加工工程面精度チェック部
１２０ 工程候補データ記憶領域
１２１ 加工機データ記憶領域
１２２ 製品ＣＡＤモデル記憶領域
１２３ 素材ＣＡＤモデル記憶領域
１２４ 加工領域モデル記憶領域
１２５ ＮＣプログラム記憶領域
１２６ 加工工程設計案記憶領域
１３０ ３次元ＣＡＭ
１４０ ＮＣ工作機械
１５０ ３次元ＣＡＤ
１６０ ＮＣシミュレータ
２０１ 大粗工程
２０２ 中粗工程
２０３ 仕上げ工程
３０１ 工程候補記憶テーブル
３１１ 工程名称
３１２ 加工機
３１３ 工具
３１４ 加工諸元
３１５ 加工方法
３１６ 加工前要求面精度
４０１ 加工機データテーブル
４１１ 加工機番号欄
４１２ 加工機名欄
４１３ 軸構成欄
４１４ ストローク欄
４１５ 段取時間欄
８００ 最終形状
９０１ ＣＡＭ設定画面
９０２ モデル表示画面
９０３ 加工工程一覧画面
９０４ 加工領域を定義するためのカーソル
１００１ 面精度チェック欄
１０１１，１０１２ 工程
１１０１ 加工後面精度欄
１１１１〜１１１３ 工程

上記課題を解決するために本発明では、素材の形状を設計形状へと加工するための複数の工程からなる機械加工工程を決定する方法において、少なくとも加工機、工具、加工諸元、加工方法の各データ項目に加えて、被切削面の加工前の面精度（加工前要求面精度）のデータ項目を有する工程候補データテーブルを作成し、工程設計対象製品ＣＡＤモデル、素材ＣＡＤモデルより加工領域モデルを作成し、該加工領域モデルを加工能率が高く加工が可能な初期工程候補を前記工程候補データテーブルより選択し、前記加工領域モデルを前記選択した工程候補により加工を行うツールパスデータを作成し、該ツールパスデータ、および工具と被削材の幾何要素データを使用して、加工後面精度を算出し、該加工後面精度が最終要求面精度を満たすか否かを判定し、満たさない場合には、前記加工後面精度を満たす加工前要求面精度を持つ工程候補を前記工程候補データテーブルから次工程として選択し、該次工程により前記加工領域モデルの削り残し領域を加工するシミュレーションにより、加工後面精度が最終要求面精度を満たすか否かを判定する工程までを繰り返すようにした。

また、上記課題を解決するために本発明では、少なくとも工程名称、加工機、工具、加工諸元、加工方法、加工前要求面精度のデータ項目を有する工程候補記憶テーブルを記憶する記憶部と、演算部と、入力部と、出力部と、通信部とを備え、前記演算部は、素材形状と最終形状の差分から切削加工で除去すべき領域を抽出する加工領域算出部と、前記記憶部に記憶されている工程候補データから工程の組み合わせと順序を決定し、加工工程設計案を作成する加工工程設計部と、製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、加工領域モデルデータ、および工程候補データに従って３次元ＣＡＭが作成したツールパスデータを使用して、工程毎に工具と被削材の幾何要素から加工後面精度を算出する加工後面精度算出部と、前記加工後面精度と、設計要求である最終要求面精度とを比較し、加工後面精度が、最終要求面精度を満たすか否かを判定する、および前記加工後面精度算出部で算出した加工後面精度と、前記記憶部に記憶されている前記工程候補記憶テーブルの加工前要求面精度とを比較し、加工前要求面精度を満たす工程候補を選別する面精度比較処理部と、前記加工工程設計部で作成した工程設計案に対して、加工時間を算出する加工時間算出部とを有することを特徴とする加工工程設計装置を構成した。

Claims (9)

1. 素材の形状を設計形状へと加工するための複数の工程からなる機械加工工程を決定する方法において、
   少なくとも加工機、工具、加工諸元、加工方法の各データ項目に加えて、被切削面の加工前の面精度（加工前要求面精度）のデータ項目を有する工程候補データテーブルを作成し、
   工程設計対象製品ＣＡＤモデル、素材ＣＡＤモデルより加工領域モデルを作成し、
   該加工領域モデルを加工能率が高く加工が可能な初期工程候補を前記工程候補データテーブルより選択し、
   前記加工領域モデルを前記選択した工程候補により加工を行うツールパスデータを作成し、
   該ツールパスデータ、および工具と被削材の幾何要素データを使用して、加工後の面精度を算出し、
   該加工後の面精度が最終要求面精度を満たすか否かを判定し、
   満たさない場合には、前記加工後の面精度を満たす加工前要求面精度を持つ工程候補を前記工程候補データテーブルから次工程として選択し、
   該次工程により前記加工領域モデルの削り残し領域を加工するシミュレーションにより、加工後の面精度が最終要求面精度を満たすか否かを判定する工程までを繰り返す、
   ことを特徴とする加工工程の決定方法。
2. 請求項１に記載の加工工程の決定方法において、
   前記加工後の面精度を満たす加工前要求面精度を持つ工程候補を前記工程候補データテーブルより複数候補を選択して、それらの工程候補から加工能率の高い工程を選択することで、総加工時間の短い加工工程を決定することを特徴とする加工工程の決定方法。
3. 請求項１に記載の加工工程の決定方法において、
   前記加工領域内で、加工後面精度がばらつきを持つ場合に、加工後面精度に基づき加工領域を分割し、分割した加工領域ごとに前記工程候補データテーブルより工程候補を選択することを特徴とする加工工程の決定方法。
4. 請求項１に記載の加工工程の決定方法において、
   前記加工領域モデルを加工可能な前記工程候補データテーブルより検索した初期工程候補の全てに対して、各工程候補を初期工程として、前記加工領域モデルを加工後の面精度が最終要求面精度を満たすまで加工工程を設計し、
   設計された加工工程による加工時間を算出し、
   前記全ての初期工程候補のそれぞれに対する加工工程の加工時間が最短となる加工工程設計案を選択する
   ことを特徴とする加工工程の決定方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかの請求項に記載の加工工程の決定方法において、
   加工前要求面精度の指標として採用する面精度としては、スカラップ高さ、パートストック、最大切込み高さ、最大単位除去体積、およびＪＩＳに記載の表面粗さ（Ｒａ：中心線平均粗さ、Ｒｍａｘ：最大高さ、Ｒｚ：十点平均粗さ）のいずれかを有することを特徴とする加工工程の決定方法。
6. 少なくとも工程名称、加工機、工具、加工諸元、加工方法、加工前要求面精度のデータ項目を有する工程候補記憶テーブルを記憶する記憶部と、
   演算部と、入力部と、出力部と、通信部とを備え、
   前記演算部は、
   素材形状と最終形状の差分から切削加工で除去すべき領域を抽出する加工領域算出部と、
   前記記憶部に記憶されている工程候補データから工程の組み合わせと順序を決定し、加工工程設計案を作成する加工工程設計部と、
   製品ＣＡＤモデルデータ、素材ＣＡＤモデルデータ、加工領域モデルデータ、および工程候補データに従って３次元ＣＡＭが作成したツールパスデータを使用して、工程毎に工具と被削材の幾何要素から加工後の面精度を算出する加工後面精度算出部と、
   前記加工後面精度と、設計要求である最終要求面精度とを比較し、加工後の面精度が、最終要求面精度を満たすか否かを判定する、および前記加工後面精度算出部で算出した加工後面精度と、前記記憶部に記憶されている前記工程候補記憶テーブルの加工前要求面精度とを比較し、加工前要求面精度を満たす工程候補を選別する面精度比較処理部と、
   前記加工工程設計部で作成した工程設計案に対して、加工時間を算出する加工時間算出部と、
   を有することを特徴とする加工工程設計装置。
7. 前記演算部は、ネットワークを介して３次元ＣＡＭ、３次元ＣＡＤ、ＮＣシミュレータ、ＮＣ工作機械と接続しており、
   または、前記演算部、前記記憶部、前記入力部、前記出力部、および前記通信部が前記３次元ＣＡＭと同一の装置内に実装されていることを特徴とする請求項６に記載の加工工程設計装置。
8. 前記出力部に、各工程での加工領域、加工パスなどを２次元または３次元のモデルで表示するモデル表示画面と、加工工程設計案を加工工程の一覧として表示する加工工程一覧画面とを表示することを特徴とする請求項６に記載の加工工程設計装置。
9. 前記演算部に、作成、または入力された加工工程設計案の連続する各工程の加工前要求面精度、および加工後面精度をチェックして、前工程の加工後面精度が後工程の加工前要求面精度に対して高いか否かを判定して、前工程の加工後面精度が後工程の加工前要求面精度より高い場合には加工不具合が生じる可能性有りと判定結果を出力する加工工程面精度チェック部を更に備え、
   前記出力部に、加工工程設計案を加工工程の一覧として表示する加工工程一覧画面において、加工不具合が生じる可能性有りと判定された工程の修正要求を明示的に示すことを特徴とする請求項６に記載の加工工程設計装置。

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