JP4847428B2 - 加工シミュレーション装置およびそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、加工機でワーク（被加工物）を加工するときの加工の状態をシミュレーションする加工シミュレーション装置およびそのプログラムに関するものである。

従来、工作機械などの加工機の制御を行う数値制御装置は、予め作成されたＮＣプログラムのＮＣコードを解析して工具の位置データや工具の移動速度データを求め、これらのデータを指令データとしてモータ制御装置に出力して、ワークを加工するように構成されている。このようなＮＣプログラムは、数値制御装置の操作パネルからオペレータに直接入力したり、ＣＡＭに加工する形状を入力して、ＣＡＭでＮＣプログラムを自動生成して数値制御装置に読み込ませていた。

複雑な曲面形状や曲線を加工する場合には、ＣＡＭで工具軌跡を微小な直線に分割したＮＣプログラムを生成して、そのＮＣプログラムに従って数値制御装置で加工を行っている。

ところで、実際に加工を行う前に生成されたＮＣプログラムを実行したときに、どのような加工が行われるかを確認するために、実際に加工機で加工を行う前にＮＣプログラムをシミュレーションして工具軌跡を表示するものがある。さらに、ＮＣプログラムで指令されている工具の移動速度に応じて工具軌跡の色を変えて表示を行い、工具位置と工具の移動速度とを対応付けて確認することができるようにしたものがある（例えば、特許文献１など）。
特開平７−１６０３１７号公報

しかしながら、ＮＣプログラムに従って工具軌跡や工具の移動速度の表示を行っても、実際に加工が行われるときの工具軌跡や工具の移動速度とは一致しない場合が多い。例えば、図２０に示すように、直線ｌ_１からｌ_２に向かって工具の移動方向が急に変化するところでは、ＮＣプログラムから指定された軌跡に沿って加工できるように制御装置が自動的に加減速をおこなうものであるが、このように制御されることによって図２１に示すように、ＮＣプログラムで指定された工具軌跡（実線）と実際に加工された軌跡（破線）とにズレが生じる。

そこで、本発明では、加工前に正確に工具軌跡や工具移動速度をシミュレーションすることができる加工シミュレーション装置およびそのプログラムを提供することを目的とするものである。

本発明の加工シミュレーション装置は、工具がワークを加工する加工位置を複数の軸方向に移動させる加工機を用いて前記ワークを所定の形状に加工する際の指定工具軌跡を記憶する工具軌跡記憶手段と、
前記工具が前記ワークを加工する際の予め指定された指定工具移動速度を記憶する工具移動速度記憶手段と、
前記指定工具軌跡を、該指定工具軌跡の曲率が小さい部分は大きい間隔で分割し、該指定工具軌跡の曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割した分割軌跡を求める分割軌跡算出手段と、
工具移動速度を変えながら前記工具位置を前記分割軌跡上で移動させる前記加工機の駆動部に出力するための、前記工具位置を前記指定工具移動速度に従った速度で各分割軌跡上を移動させて前記ワークを加工するときの該分割軌跡上の各軸位置と各軸方向の工具移動速度の時間変化とを軸制御データとして求める軸制御データ算出手段と、
前記軸制御データに基づいて求められた前記工具がワークを加工する際の工具軌跡、該工具軌跡上の各工具位置における工具移動速度、該工具位置における工具移動加速度、および、各工具位置における工具移動加加速度のうちの少なくとも１以上を表示するシミュレーション表示手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明のプログラムは、コンピュータを、
工具がワークを加工する工具位置を複数の軸方向に移動させる加工機を用いて前記ワークを所定の形状に加工する際の予め指定された指定工具軌跡を、該指定工具軌跡の曲率が小さい部分は大きい間隔で分割し、該指定工具軌跡の曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割して複数の分割軌跡を求める分割軌跡算出手段と、
工具移動速度を変えながら前記工具位置を前記分割軌跡上で移動させる前記加工機の駆動部に出力するための、前記工具位置を前記工具が前記ワークを加工する際の予め指定された指定工具移動速度に従った速度で各分割軌跡上を移動させて前記ワークを加工するときの該分割軌跡上の任意の工具位置と各分割軌跡上における各軸方向の工具移動速度の時間変化とを軸制御データとして求める軸制御データ算出手段と、
前記軸制御データに基づいて求められた前記工具が前記ワークを加工する際の工具軌跡、該工具軌跡上の各工具位置における工具移動速度、各工具位置における工具移動加速度、および、各工具位置における工具移動加加速度のうちの少なくとも１以上の情報を求めるシミュレーション手段と、
該シミュレーション手段により求めた情報を表示手段に表示させる表示制御手段として機能させることを特徴とするものである。

「工具位置」とは、工具がワークを加工するときの工具のワークに対する相対的な位置をいい、ワークが移動せず工具のみが移動して加工が行なわれる場合は工具自体の位置を、ワークも移動して加工が行なわれる場合にはワークの工具に対する相対的移動を加味した工具の位置をいう。

「工具軌跡」は、ワーク上を工具位置が移動した軌跡をいう。「工具軌跡」は、工具を移動させてワーク上の工具位置を移動させた軌跡であっても、ワークを移動させてワーク上の工具位置を移動させた軌跡であっても、ワークと工具の双方を移動させながらワーク上の工具位置を移動させた軌跡であってもよい。

また、「工具移動速度」とは、工具位置がワーク上を移動する速度をいう。また、指定工具移動速度は１のみ指定される場合に限られず、工具軌跡の場所に応じて複数の指定工具移動速度が指定される場合がある。

「指定工具軌跡の曲率が小さい部分は大きい間隔で分割し、該指定工具軌跡の曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割」とは、工具軌跡の曲率が大きくなるに従って、曲率の小さい部分を分割する大きい間隔よりも小さい間隔で分割することをいう。

「軸制御データ」とは、分割軌跡に従って工具位置を移動させるときに加工機の各軸を制御するためのデータをいう。

「指定工具移動速度に従った速度」とは、指定工具移動速度に近くなるように工具位置を移動させる速度をいい、指定工具移動速度と同じ速度でない場合を含む。

また、前記加工シミュレーション装置が、前記加工機の加速の許容限度を示すパラメータを記憶するパラメータ記憶手段をさらに備え、
前記分割軌跡算出手段は、前記パラメータに応じて該パラメータが示す加速の許容限度が大きいほど前記指定工具軌跡を分割する間隔を広くするものが望ましい。

「加工機の加速の許容限度を示すパラメータ」とは、例えば、各加工機における工具移動速度の加速度の許容限度や加加速度の許容限度などを示すパラメータがある。許容限度とは、例えば、加工機で工具を用いてワークを加工する際の、その加工機や工具、ワークによって定まる、ワークを適正に加工し得る工具移動速度の加速の許容限度をいう。

前記軸制御データ算出手段は、前記パラメータに基づき、前記工具位置における前記分割軌跡の曲率が大きく、前記指定工具移動速度で加工を行ったときに該分割軌跡に沿って加工できないと予測される部分では、前記軸制御データにより定められる工具移動速度が前記指定工具移動速度より小さくなるように前記各軸方向の工具移動速度の時間変化を求めるものが望ましい。

本発明によれば、指定工具軌跡の曲率が小さい部分は大きい間隔で分割し、指定工具軌跡の曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割した分割軌跡を求め、分割軌跡上で工具位置を移動させるように各軸方向の工具移動速度を変化させて加工機を制御する軸制御データを生成して加工を行うことで、実際に加工する際の工具軌跡と軸制御データに基づいて求められた工具軌跡とのズレが少なくなるため、この軸制御データに従ってシミュレーションすることで、加工前に工具軌跡、工具移動速度、工具移動加速度、工具移動加加速度などを正確に把握することができる。このように、ワークが加工された状態や実際に加工するときの速度、加速度、加加速度を正確に把握することで、加工前に好ましくない加工が行われるところを予測することができる。

加工機の加速の許容限度を示すパラメータを記憶して、該パラメータに応じて指定工具軌跡を分割する間隔を変えることにより、加速の許容限度が異なる加工機であっても加工精度が一定となるような加工を行うことができる軸制御データを生成することができるので、シミュレーションを行う際にも常に一定の精度で正確にシミュレーションすることができる。

さらに、上記パラメータに基づき、分割軌跡の曲率が大きく指定工具移動速度で加工を行ったときに分割軌跡に沿って加工できないと予測される部分では、指定工具移動速度より小さくなるように各軸方向の工具移動速度を求めることによって、実際に加工される軌跡と軸制御データで指定されている軌跡とに大きくなズレが生じることがなく、正確なシミュレーションを行うことができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の加工制御装置を含む加工システムの概略構成図である。

本発明の加工システム１は、加工形状を作成するＣＡＤ装置２と、加工機を制御する加工制御装置３と、ワーク（被加工物）をテーブルに載置して工具でワークを加工する加工機４とからなる。また、ＣＡＤ装置２と加工制御装置３とはネットワーク５で接続されている。

加工機４は、工具が取り付けられる主軸４１と、ワークが載置されるテーブル４２と、テーブル４２を移動させる送り軸（不図示）と、各軸（主軸、送り軸）を駆動させる駆動部４５とを備えている。通常、主軸は切削動力を伝える軸でありＺ軸として表わし、テーブル４２を移動させる互いに直交する２つの送り軸をＸ軸とＹ軸として表す。Ｘ軸およびＹ軸はＺ軸と直交している。

図２に示すように、駆動部４５は、加工制御装置３から各軸を制御する軸制御データＡを受取る軸制御データ受信部４６と、軸制御データＡに従って主軸４１であるＺ軸の移動信号とテーブル４２の送り軸４３，４４であるＸ軸とＹ軸の移動信号を生成する信号生成部４７と、主軸を駆動するモータ４８ａに生成した信号を伝達する主軸アンプ４８と、送り軸を駆動するモータ４９ａ,４９ｂに生成した信号を伝達するサーボアンプ４９とを備える。なお、図２では回転型のモータが示されているが、リニアモータの場合も同様である。また、サーボアンプ４９は、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれにあるが、便宜上、図２のブロック図では１つにして示している。

加工制御装置３は、高性能のマイクロコンピュータとメモリが内蔵されており、メモリに記憶されているプログラムをマイクロコンピュータが実行して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸を駆動する軸制御データＡを生成する。プログラムは加工機４から発生するノイズなどの影響を受けて書き換えられることがないようにＲＯＭなどの書き換え不可能なメモリ上に記憶するのが望ましいが、加工機４が発生するノイズの影響を受けないような構成になっていれば、書き換え可能なメモリにプログラムをロードして実行するようにしてもよい。また、加工制御装置３は、加工シミュレーション装置としても機能するものであり、軸制御データＡを用いて工具位置が移動した工具移動軌跡や各工具位置での工具移動速度・工具移動速度の加速度である工具移動加速度・工具移動速度の加加速度である工具移動加加速度などをシミュレーションして表示させる機能を備えている。

ＣＡＤ装置２は、汎用コンピュータ（例えばワークステーション等）の補助記憶装置に読み込まれたＣＡＤプログラムが実行されることにより実現される。本実施の形態のＣＡＤ装置２は、オペレータが入力したワークの加工形状を、三次元のソリッドモデルＭのデータとして出力するものである。

図３に示すように、加工制御装置３は、各種パラメータ、指定された工具移動速度である指定工具移動速度（以下、指定加工速度という）Ｆ、加工形状をオフセットするオフセット値ｄ、ワークを加工する工具を移動させる間隔であるピックフィードPickなどの入力を行う操作パネル３１と、各種データの確認などを行うための表示装置３１５と、設定されたパラメータを記憶するパラメータ記憶手段３１１と、指定加工速度Ｆを記憶する工具移動速度記憶手段（以下、加工速度記憶手段という）３１２と、オフセット値ｄを記憶するオフセット値記憶手段３１３と、ピックフィードPickを記憶するピックフィード記憶手段３１４と、ＣＡＤ装置２で生成されたソリッドモデルＭのデータを入力する入力手段３２と、ソリッドモデルＭのデータを記憶するモデルデータ記憶手段３２１と、ソリッドモデルＭをオフセット値ｄ分ほどオフセットした形状（曲面や曲線などで定義される）を生成するオフセット形状生成手段３３と、オフセット形状からワークを加工するときに工具位置を移動させる軌跡を指定工具軌跡として求める工具軌跡生成手段３４と、指定工具軌跡を記憶する工具軌跡記憶手段３４１と、指定工具軌跡の曲率に応じて指定工具軌跡を分割した分割軌跡を求める分割軌跡算出手段３５と、工具を指定加工速度Ｆに従う速度で分割軌跡上を移動させるときの各軸の軸制御データＡを求める軸制御データ算出手段３６と、軸制御データＡを記憶する軸制御データ記憶手段３６１と、軸制御データＡを駆動部４５に出力する出力手段３７と、軸制御データＡを用いてワークを加工するときの工具軌跡・工具移動速度・工具移動加速度・工具移動加加速度などのシミュレーションを行なって表示装置３１５上にシミュレーション結果を表示するシミュレーション表示手段３８とを備える。

パラメータには、各加工機に依存する物理特性に関するパラメータ、特に最大加速度、最大加加速度など加速の許容限度を示すパラメータがあり、パラメータに応じて各軸の制御が行われる。また、取り付けられている工具によって最大加速度や最大加加速度などは異なるため、工具に応じてそれぞれパラメータを設定するようにしたものが好ましい。

オフセット形状生成手段３３は、オフセット値記憶手段３１３に記憶されたオフセット値ｄ分ほどソリッドモデルＭの形状をオフセットした形状を生成する。通常、ＣＡＤ装置２には仕上げ形状が加工形状として入力され、ＣＡＤ装置２からは仕上げ形状のソリッドモデルＭのデータが出力される。しかし、加工機４に取り付けられた工具で加工を行う際、工具の中心が工具位置となるように各軸を移動させるため、仕上げ形状の表面形状を工具の中心を移動させて加工を行うと、ワークは仕上げ形状より工具半径分余分に切削されることになる。そこで、工具半径分をオフセット値ｄを用いてソリッドモデルＭの表面形状をオフセットした形状を求める。例えば、図４に示すようなソリッドモデルＭの表面形状S0を、ボールエンドミルを用いて加工する場合には、表面形状S0を法線方向ｔにオフセット値ｄ分ほどオフセットした形状S1（以下、オフセット形状という）を求める。

工具軌跡生成手段３４は、オフセット形状S1の上を工具を移動させる指定工具軌跡を生成する。ここでは、等高線加工でワークを加工する場合について説明する。ワークを加工する際には、図５に示すように、オフセット形状S1をＸＹ平面に平行な等高平面Q上で切った交線Lに沿って工具を移動させながらワークを切削し、さらに、一定のピックフィードPickでＺ軸方向（上→下）に等高平面Qを移動させながら彫り進めて行く。

ピックフィードPickは、工具径やワークの材質に応じて加工に適した値が操作パネル３１から入力されてピックフィード記憶手段３１４に記憶され、ＸＹ平面と平行な等高平面Qを指定されたピックフィードPick分動かしながらオフセット形状S1との交線Ｌを算出して指定工具軌跡を求める。等高平面Qとオフセット形状S1との交線ＬはＢスプラインなどのパラメトリック曲線で表し、パラメトリック曲線を指定工具軌跡Ｌとしてメモリ（工具軌跡記憶手段３４１）に記憶する。

あるいは、ＺＸ平面、ＹＺ平面に平行な平面とオフセット形状S1との交線を求めて、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に一定のピックフィードで平面を移動させて彫り進めて行くようにしてもよい。その他、走査加工やスパイラル加工などの加工方法に応じて指定工具軌跡Ｌを生成するようにしてもよい。

分割軌跡算出手段３５は、指定工具軌跡Ｌの曲率に応じて指定工具軌跡Ｌを分割した分割軌跡を求める。加工機４は、指定された２点間を各軸の速度を制御しながら工具位置を移動させてワークを加工するが、指定工具軌跡Ｌの曲率が大きい部分では、加工機４の慣性モーメントや剛性などに影響されて、指定工具軌跡Ｌに沿って工具位置を移動させるのが難しい場合がある。また、加工機４に指定した２点間を結ぶ指定工具軌跡Ｌが、直線から大きく外れることがない方が好ましい。そこで、指定工具軌跡Ｌの曲率を求め、図６に示すように、指定工具軌跡Ｌを曲率が小さいところは大きい間隔で分割し、曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割し、指定工具軌跡Ｌ上の点Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，・・・，Ｐi，Ｐｉ+1、・・・で分割した複数の分割軌跡ｌ1，ｌ2，ｌ3，・・・，ｌi,・・・に分ける。

つまり、指定工具軌跡Ｌの曲率が小さく（曲率が０に近い）略直線になるところでは長い分割軌跡ｌを加工するようなデータを加工機に指示し、曲率が大きいところは短い分割軌跡ｌを加工するようなデータを加工機に指示できるように分割する。

軸制御データ算出手段３６は、分割した各分割軌跡ｌ1，ｌ2，ｌ3，・・・，ｌi,・・・に沿って工具を指定された指定加工速度Ｆで移動させるときの分割軌跡ｌ上の各軸位置と所定の時間間隔で求めた各軸方向の工具移動速度（以下、軸速度という）の時間変化とを軸制御データＡとして求める。軸制御データＡには、分割軌跡上の各軸位置として、分割軌跡上の少なくとも１点の各軸の位置を含むものであればよい。例えば、軸制御データＡに分割軌跡ｌ上の始点の位置と分割軌跡に沿って移動させるときの各軸の速度変化とが記録されている場合には、始点の位置から各軸を速度変化に従うように各軸を制御することによって、分割軌跡ｌに沿って工具位置を移動させることができる。

例えば、図７に示すような分割軌跡ｌに沿って、指定された指定加工速度Ｆでワークを加工するには、工具位置を分割軌跡ｌの接線方向に指定加工速度Ｆで移動させることになる。つまり、指定加工速度Fを分割軌跡ｌの接線ベクトルのＸ,Ｙ,Ｚの各成分に分け、Ｘ軸をＸ方向の速度成分で移動させ、Ｙ軸をＹ方向の速度成分で移動させ、Ｚ軸をＺ方向の速度成分で移動させる。図７では、分割軌跡ｌ上の始点の位置P1での各軸の速度成分（軸速度）は（V1x、V1y、V1z）となり、終点の位置P2での各軸の速度成分は（V2x、V2y、V2z）となるので、各軸を位置P1からP2に移動する間に各軸の軸速度をV1x→V2x、V1y→V2y、V1z→V2zに変化させる。また、分割軌跡ｌに沿うように工具を移動させるには、工具の進行方向が分割軌跡の接線方向に向くように短い時間間隔で各軸の軸速度を変える必要がある。

そこで、図８に示すように、各分割軌跡ｌ上を指定加工速度Ｆで工具を移動させるときの各軸を移動させる軸速度Vx,Vy,Vzの時間変化を表す速度曲線を求める。図８は、Ｚ方向の移動がなくＸＹ平面でのみの移動がある場合を示している。各軸の軸速度をこの速度曲線に従うように制御することにより、工具位置を分割軌跡ｌに沿って移動させることができる。そこで、軸制御データＡに、例えば、各軸の速度曲線を短い一定の時間間隔Δｔ（以下、セグメントタイムという）で分割した点における各軸の軸速度（つまり、一定の時間間隔で求めた各軸方向の軸速度の時間変化）と、分割軌跡ｌの開始点を記録する。このような軸制御データＡでは、時間T0から時間Tnまでの速度曲線の積分値が時間T0から時間Tnまでに移動した距離となるので、時間Tnにおける各軸の位置は、分割軌跡ｌの開始点P1に速度曲線のT0〜Tn間の積分値を加えた位置になる。

分割軌跡算出手段３５では分割軌跡が直線から大きく外れることがないように指定工具軌跡Ｌの分割を行うが、加工機４には加速度や加加速度に限界があるため指定された指定加工速度Ｆを維持したまま、分割軌跡ｌに沿って工具位置を移動させることができないところがある。そこで、最大加速度や最大加加速度など加速の許容限度を示すパラメータに基づいて、工具位置における分割軌跡ｌの曲率が大きく、指定加工速度Ｆで加工を行ったときに分割軌跡ｌに沿って加工できないと予測される部分では、指定された指定加工速度Ｆより小さくなるように各軸方向の軸速度を求める。具体的には、指定された指定加工速度Ｆで各軸を移動させたときの加速度と加加速度を求めて、パラメータより加工機４の最大加速度や最大加加速度を超えていると判断される部分では、工具位置の移動速度を加工速度記憶手段３１２に記憶された指定加工速度Ｆよりも小さい速度にして最大加速度や最大加加速度を超えないように各軸方向の軸速度を求めて軸制御データＡを生成する。

軸制御データ記憶手段３６１は、ハードディスクなどの大容量記憶装置であり、軸制御データ算出手段３６で生成した軸制御データＡを記憶する。また、加工物は、複数の加工工程（荒加工、中仕上加工、仕上加工など）を経て仕上げられるが、軸制御データ記憶手段３６１には軸制御データＡが各加工工程に分けて記憶される。

加工機４の信号生成部４７は、軸制御データＡの速度変化に従って各軸の移動信号を生成して主軸アンプ４８，サーボアンプ４９に出力する。例えば、図８に示すように、軸制御データＡにΔｔの間隔で速度を変化させるためのデータが記録され、時間TiのときＸ軸方向の軸速度がVxiで、時間Ti+1のときＸ軸方向の軸速度がVx(i+1)であるときには、移動信号は時間Ti〜時間Ti+1の間で、Ｘ軸方向の軸速度がVxiからVx(i+1)に変化するような移動信号をサーボアンプ４９に出力する。同様に、時間TiのときＹ軸方向の軸速度がVyiで、時間Ti+1のときＹ軸方向の軸速度がVy(i+1)であるときには、移動信号は時間Ti〜時間Ti+1の間で、Ｙ軸方向の軸速度がVyiからVy(i+1)に変化するような移動信号をサーボアンプ４９に出力する。図８の例では、Ｚ軸方向の軸速度はないので、主軸アンプ４８に対する移動信号の出力はない。このように各軸の速度を変えることで、分割軌跡ｌに沿って工具位置を始点の位置P1から終点の位置P2まで移動させることができる。

シミュレーション表示手段３８は、図９に示すように、各加工工程で実際に工具が移動する工具軌跡をシミュレーションする工具軌跡シミュレーション手段３８１と、各工具軌跡上の各工具位置における工具移動速度（以下、加工速度という）、工具移動加速度（以下、加速度という）、および、工具移動加加速度（以下、加加速度という）などを算出する速度算出手段３８２と、工具軌跡に従って加工を行なったとき工具によりワークが切削された切削量を算出する切削量算出手段３８３とを備える。

工具軌跡シミュレーション手段３８１は、軸制御データＡに従って前記工具が加工物を加工する各加工工程における工具軌跡を表示装置３１５の画面上にシミュレーション表示する。

軸制御データＡには、図８に示すように、Δｔの間隔で速度を変化させるデータが記録されているが、各軸の移動量はこの速度曲線を積分した値と一致する。例えば、時間TiのときＸ軸方向の軸速度がVxiで、時間Ti+1のときＸ軸方向の軸速度がVx(i+1)であるときには、時間Ti〜Ti+1の間の略台形（斜線部）の面積が時間Ti〜Ti+1の間のＸ軸方向の工具位置の移動量になる（図８参照）。各軸の工具位置は、各軸制御データＡの開始点P1に移動量を加えたところに移動するので、各加工工程の先頭の軸制御データＡから順番に速度曲線を積分しながら各軸が移動する工具位置を求め、この工具位置をつないだ軌跡を工具軌跡として表示装置３１５上に表示する。このようにして求めた工具軌跡は工具の中心位置が移動する軌跡と一致し、図１０に示すような、ワイヤーフレームで表示を行なう。

また、軸制御データＡから求めた工具軌跡は、実際の加工と同じ速さで進むように表示するのが好ましいが、加工状況を確認し易くするために、加工速度と等速の表示の他に、実際の加工速度より速く表示を行ったり、遅く表示を行うようにして、詳しく観察する必要がないところでは、実際の加工速度より速く（例えば、加工速度の3倍程度）表示を行い、どのように加工が行われるのかを詳しく観察を行う必要があるところでは、実際の加工速度より遅く（例えば、加工速度の1/3倍程度）表示を行うことができるようにする。

あるいは、工具軌跡と加工に用いられる工具の工具径とに応じてワークが削られた加工状態をシミュレーションして図１１に示すように表示するようにしてもよい。具体的にはワークを多数の要素（例えば、微小な立方体（図１２）に分割し、工具が移動した工具軌跡上の工具位置とその工具の工具径から工具と重なる要素を求める。重なった要素は切削された部分であるので、この要素を除いたワークの要素を残して表示を行なう。図１１は、円柱状の工具が鉛直方向に起立した状態で加工した様子を表示した例を示している。

また、図１１に示すようにワークが削られた加工状態をシミュレーションする際には、各分割軌跡ｌに従って工具が移動したことによって切削が行なわれた部分の要素を各分割軌跡ｌの軸制御データＡを対応させてファイルに記憶する。このように切削された要素を軸制御データＡと対応付けて記憶することにより、そのファイルを辿って、現在表示されている状態を複数ブロック分戻したり進めたり（Ｕｎｄｏ／Ｒｅｄｏ）しながら切削状態を確認することができる。このように、始めから再シミュレーションを行うことなく、少し前の切削状態に戻って表示できるようにすることにより、切削状態の確認作業を綿密に行うことができる。

さらに、各加工工程の工具軌跡全体の経路長を算出して、現在表示を行なっている工具位置が工具軌跡全体の経路長のどこまで進んだかわかるように、図１０、図１１に示すように、表示画面の右側にバー表示を行い、全体に経路長Ｂ１に対して表示されている経路長Ｂ２の割合がわかるように表示する。これにより、現在表示されている状態で全体の何割程度の加工が行なわれた状態であるかを確認することができる。

速度算出手段３８２は、工具軌跡上の各工具位置における加工速度、加速度、および、加加速度などを算出して表示する。各工具位置における加工速度は軸制御データＡに記録されている各軸の軸速度の速度変化から求める（図８参照）。また、図８に示すように、時間TiのときＸ軸方向の軸速度がVxiで、時間Ti+1のときＸ軸方向の軸速度がVx(i+1)の時には、Ｘ軸方向の加速度は(Vx(i+1)-Vxi）/Δｔとなる。同様にして、Ｙ,Ｚ軸の加速度を求めて各工具位置における加速度を求める。

さらに、加工速度から加加速度を求めることができ、例えば、時間Ti-1のときＸ軸方向の軸速度がVx(i-1)で、時間TiのときＸ軸方向の軸速度がVxiで、時間Ti+1のときＸ軸方向の軸速度がVx(i+1)の時には、Ｘ軸方向の加加速度は{(Vx(i+1)-Vxi)/Δｔ−(Vxi-Vx (i-1))/Δｔ}/Δｔとなる。同様にして、Ｙ,Ｚ軸の加加速度を求めて各工具位置における加加速度を求める。

このようにして求めた加工速度、加速度、加加速度を求めて、工具軌跡上の各工具位置と対応がつくように表示するのが好ましい。例えば、表示された工具軌跡上の工具位置がマウスなどのデバイスを用いて指示されると、その工具位置の加工速度、加速度、加加速度などを表示するようにする。

あるいは、工具軌跡上の各工具位置の加工速度、加速度、加加速度を色分けして表示してもよい。具体的には、例えば、速度（加工速度、加速度、加加速度）をいくつかの範囲に区切って範囲ごとに色を変えて表示を行なう。図１３に示すような角柱の輪郭を加工する場合、直線部分ｌ_１，ｌ_３では指定された指定加工速度Ｆで加工が行なわれるが、角の部分（円弧部分）ｌ_２のように進行方向が急に変化するため指定加工速度Ｆで加工を行なうと最大加速度や最大加加速度が超える場合には軸制御データ算出手段３６で生成した軸制御データＡでは指定加工速度Ｆよりも小さい速度で移動するようなデータになっている場合がある。そこで、ワイヤーフレームで工具軌跡を表示する際に各工具軌跡上の位置における加工速度（あるいは、加速度、加加速度）を随時求めて、その速度に応じて各工具軌跡の色を変えて表示することによって、各部分がどのような速度分布になっているかを即座に認識できる。また、周囲に比べて速度が小さくなっているところでは食い込みが発生する可能性があるが、表示された色から周囲に比べて速度が小さくなっているところを見つけて食い込みが発生しそうな部分を予測することができる。このように色分け表示することによって好ましくない加工が行なわれる部分を予測することができる。また、色分け表示をする際、図１１に示すようなワークを削った加工状態を表示するときに削られた部分の色を変えて表示しても良い。

切削量算出手段３８３は、単位時間当たりに工具がワークを切削して取り除いた除去量を算出する。除去量は、ワークを削った加工状態をシミュレーション表示する際と同様に、ワークを多数の要素に分割し、工具軌跡上の工具位置とその工具の工具径から工具と重なる要素を求め、工具位置が移動したときに工具と重なるワークの単位時間当たり要素の数から除去量を求める。この除去量に応じて、図１１に示すようなワークを削った部分の色を変えて表示して行なうことで、各位置での除去量を認識することができる。実際に加工を行なう際には、この除去量が一定である方が工具にかかる切削負荷が一定となり望ましいが、除去量が大きくなっているところでは、工具に大きな切削負荷がかかり工具が振動して加工精度が低下する。そこで、除去量に応じて色を変えて表示することで加工精度が低下する部分を予想することができる。

ここで、本発明の加工システム１でワークを加工する流れについて、図１４〜１６のフローチャートを用いて説明する。

加工を行う際、加工機４や用いる工具によって、最大加速度、最大加加速度などに違いがあるため、加工を行う際に一定の加工精度を維持するには、加工機４や用いられる工具に応じて制御方法を調整しなければならない。そこで、まず、加工制御装置３の操作パネル３１から、オペレータが最大加速度、最大加加速度などに関する種々のパラメータを設定して、パラメータ記憶手段３１１に記憶する（S100）。

また、オペレータはＣＡＤ装置２を用いて仕上げ形状を加工形状として入力し（S200）、入力された形状に基づいてＣＡＤ装置２からソリッドモデルＭのデータを出力する（S201）。ソリッドモデルＭのデータはネットワーク５を介して加工制御装置３に送信され、加工制御装置３の入力手段３２でＣＡＤ装置２から送信されたソリッドモデルＭを入力してモデルデータ記憶手段３２１に記憶する（S101）。

ワークは荒加工、中仕上げ加工、仕上げ加工などの複数の加工工程を経て加工されるが、これらの加工工程の順番や回数は、加工制御装置３の操作パネル３１から入力され、荒加工、中仕上げ加工、仕上げ加工などの各加工工程に用いられる工具や主軸の回転速度に応じた指定加工速度Ｆ、オフセット値ｄ、ピックフィードPickが加工速度記憶手段３１２、パラメータ記憶手段３１１、ピックフィード記憶手段３１４、オフセット値記憶手段３１３に複数記憶される。あるいは、ＣＡＤ装置２からその加工工程の順番や回数と、各加工工程で使われる指定加工速度Ｆ、オフセット値ｄ、ピックフィードPickを受け取るようにしてもよい（S102）。

加工制御装置３は、オフセット形状生成手段３３でソリッドモデルＭをオフセット値ｄ分ほどオフセットしたオフセット形状S1を、各加工工程に応じて生成し（S103）、工具軌跡生成手段３４でオフセット形状S1の上をピックフィードPick分ずつＺ軸方向にＸＹ平面に平行な加工面を移動させながらワークを加工するときの指定工具軌跡Ｌを生成して工具軌跡記憶手段３４１に記憶させる（S104）。実際に加工を行う際には、複数の加工工程（荒加工、中仕上加工、仕上加工など）を経て加工が行なわれるため、上述のオフセット形状生成手段３３は、各加工工程で用いられる工具に応じたオフセット値を用いてオフセット形状を生成し、工具軌跡生成手段３４では、各加工工程で用いられる工具に応じたピックフィードを用いて指定工具軌跡Ｌを生成する。

次に、分割軌跡算出手段３５で、指定工具軌跡Ｌの曲率に応じて指定工具軌跡Ｌを分割した分割軌跡ｌを求める（S105）。さらに、軸制御データ算出手段３６で、分割軌跡ｌに沿って工具位置を指定された指定加工速度Ｆに従った速度で移動させるための軸制御データＡを、各加工工程ごとに生成して軸制御データ記憶手段３６１に記憶する（S106）。

次に、生成された軸制御データＡを用いて工具軌跡のシミュレーションを行なう。まず、オペレータが加工制御装置３の操作パネル３１からシミュレーションする加工工程の指示を入力する。加工制御装置３はシミュレーションの指示を受け取ると（S107）、指定された加工工程の軸制御データＡを軸制御データ記憶手段３６１から読み出し、工具軌跡シミュレーション手段３８１で先頭の軸制御データＡから順に各軸の移動量を算出して（S108）、工具軌跡をシミュレーション表示する（S110）。特に、オペレータから指示がない場合には工具軌跡を軸制御データＡで求めた加工速度と同じ速さで表示する。必要に応じてオペレータが操作パネル３１から表示速度を速くしたり遅くしたりするような指示を入力すると、指示に応じて工具軌跡を表示する速度を変えることができる。

このとき、現在表示している工具軌跡がどの工程の工具軌跡を表示しているかがわかるように、図１０に示すような加工工程の一覧を表示画面の左側に表示して、工具軌跡を表示している加工工程を反転して表示する（図１０の斜線部）。また、図１０に示すように、工具軌跡上の所定の位置にマウスを合わせると対応する軸制御データＡのデータがポップアップ表示され、軸制御データＡの内容を確認することができる。

さらに、速度算出手段３８２で各工具位置の加工速度、加速度、加加速度を算出し（S109）、工具軌跡上の各工具位置の加工速度、加速度、加加速度の値に応じて色を変えて表示する（S110）。あるいは、マウスを合わせた工具位置における加工速度、加速度、加加速度を数値で表示するようにしてもよい。

また、工具軌跡として図１１に示すようなワークを削った加工状態を表示するものでもよい。このように表示を行なっている最中にオペレータが操作パネル３１からＵｎｄｏ／Ｒｅｄｏ（図１１参照）の指示を行なうと、加工状態を戻したり進めたりしながら加工の状態を確認することができる。

また、切削量算出手段３８３を用いて各工具位置の単位時間当たりの切削量を求め、マウスを合わせた工具位置の切削量を数値で表示したり、工具軌跡上の各工具位置の切削量を値に応じて色を変えて表示することもできる。

このようにして、工具軌跡、加工速度、加速度、加加速度、時間単位あたりの切削量を確認して、加工に適さないと思われる部分があった場合には、その部分のソリッドモデルＭの形状を変えて再度軸制御データＡを生成するようにしてもよい。あるいは、特定の場所の指定加工速度Ｆを変えてもよい。

さらに、オペレータが操作パネル３１から拡大表示の指示があると、図１７に示すように部分的に拡大表示を行なってもよい。このとき、拡大部分の分解能を上げて表示するようにすることで、拡大した画像がボケることなく工具が切削したワークの様子を詳細に確認することができる。具体的には、例えば、全体表示のデータ量と拡大表示のときのデータ量とが同じになるように解像度を上げて表示を行なう。

このようにして、各加工工程の工具軌跡、加工速度、加速度、加加速、切削量などの確認を行った後に加工機で加工を行なう。加工制御装置３は、各加工工程ごとに軸制御データ記憶手段３６１に記憶されている軸制御データＡを読み出し（S111）、出力手段３７で工具軌跡に沿った順番で分割軌跡ｌ1，ｌ2，ｌ3，・・・，ｌi,・・・の各軸制御データＡを加工機４の駆動部４５に出力する（S112）。駆動部４５の軸制御データ受信部４６で軸制御データＡを受取り（S301）、信号生成部４７で受け取った順に従って軸制御データＡから各軸を駆動する信号を生成して主軸アンプ４８、サーボアンプ４９に出力する（S302）。この軸制御データＡには分割軌跡の始点と一定の時間間隔Δｔで各軸の速度変化が記録されており、各軸を各分割軌跡ｌの始点から一定の時間間隔Δｔで各軸の軸速度を変えることで分割軌跡ｌに沿って工具位置を移動させる。このようにして全ての加工工程を指定された順番に実行して加工を行う。駆動部４５で各軸の軸速度を変化させるとともに、加工機４に各軸の位置を検出するエンコーダを設けて、工具位置が分割軌跡ｌからずれないように各軸の軸速度を調整するフィードバック機構を設けたものが望ましい。

上述の実施の形態では、ボールエンドミルを用いて加工を行うときのオフセット方法について説明したが、フラットエンドミルやラジアスエンドミルなど他のタイプの工具を用いて加工を行うときには、それに応じたオフセット形状S1を求めるようにすればよい。

上述の実施の形態では、一定の時間間隔で速度変化を記録した軸制御データを用いて制御する場合について説明したが、決められた時間間隔であれば、一定の時間間隔でなくてもよい。

また、軸制御データにはある時間間隔で各軸の軸速度を記録する場合について説明したが、速度の変化分を記録するようにしてもよい。

上述の実施の形態では、一定の時間間隔で速度変化を記録した軸制御データを駆動部に出力する場合について説明したが、各軸方向の速度の時間変化を表す数式のデータを軸制御データとして駆動部に出力し、駆動部で受け取った数式に従って各軸の軸速度を変化させるようにしてもよい。

従来のＣＡＭ装置などを用いた工具軌跡のシミュレーションは、NCプログラムに従ってシミュレーションを行っていたが、実際に加工機が追従できる加減速には限界があり、最大加速度や最大加加速度を越えるようなところでは、NCプログラムで指定された工具軌跡通りに工具を移動させることができなかったり、制御装置側によっては工具の進行方向を変えるところでは自動的に加減速を行っていたために、NCプログラムで指定された工具軌跡とシミュレーションした軌跡にはズレが生じて正確なシミュレーションを行うことができなかった。しかし、上述で説明したように、本発明の軸制御データは分割軌跡に沿って工具の工具位置を移動させることができないところがあると、最大加速度や最大加加速度に関するパラメータに基づいて、指定された指定加工速度より小さくなるように各軸方向の速度を求めて加工機の性能を越えることがないように軸制御データを生成しているため、軸制御データを用いてシミュレーションを行なえば、実際に加工するときの軌跡と一致した工具軌跡をシミュレーションで確認することができる。さらに、加工速度、加速度、加加速度なども実際の加工するときの速度とズレることがない。

また、軸制御データに基づいて加工速度、加速度、加加速度と、工具軌跡とを対応させて表示することで、好ましくない加工が行われる箇所を確認することができ、加工前に加工する形状を変えて、好ましい加工が行われるような形状に変形させることができる。

本実施の形態では、ワークの分割要素は、立方体形状としているが、このような形状に限らず、例えば、Z軸方向に延びる四角柱（図１８）や三角錐（図１９）等の形状を採用してもよく、この場合においては、工具のＺ軸の位置に基づいてZ軸方向における工具と各要素との重なる部分を求め、該重なる部分を除いて表示を行うことによりワークが削られた加工状態をシミュレーションすることができる。

また、本実施の形態では、加工制御装置にソリッドモデルを入力して、軸制御データを生成する場合について説明したが、ＣＡＤ装置から出力したソリッドモデルをＣＡＭ装置に出力して、ＣＡＭ装置に軸制御データ生成手段を設けて軸制御データを生成して加工制御装置に出力するようにしてもよい。また、ＣＡＭ装置で軸制御データを生成する場合には、ＣＡＭ装置側にさらにシミュレーション手段を設けて、軸制御データを用いたシミュレーションをＣＡＭ装置で行うようにしてもよい。

ＣＡＭ装置は、汎用コンピュータ（例えばワークステーション等）の補助記憶装置に軸制御データを生成する機能を備えたプログラムが読み込まれて実行されることにより実現される。上記機能を備えたプログラムは記録媒体やネットワークを介して配布されてコンピュータにインストールされる。

加工システムの概略構成図 加工機の駆動部の構成図 加工制御装置（加工シミュレーション装置）の構成図 加工形状のオフセットした形状の求め方を説明するための図 指定工具軌跡の求め方を説明するための図 指定工具軌跡を分割した分割軌跡の求め方を説明するための図 分割軌跡と加工速度の関係を表す図 各軸の速度変化を表した図 シミュレーション表示手段の構成図 工具軌跡の表示の一例（その１） ワークの切削状態の表示の一例（その２） ワークを分割した要素の一例（その１） 指定加工速度より加工速度が小さくなる部分を説明するための図 加工システムの動作を説明するためのフローチャート（その１） 加工システムの動作を説明するためのフローチャート（その２） 加工システムの動作を説明するためのフローチャート（その３） ワークの切削状態の拡大図の一例 ワークを分割した要素の一例（その２） ワークを分割した要素の一例（その３） 工具の移動を説明するための図 工具の移動と実際の加工軌跡の違いを説明するための図

符号の説明

１ 加工システム
２ ＣＡＤ装置
３ 加工制御装置
４ 加工機
５ ネットワーク
３１ 操作パネル
３２ 入力手段
３３ オフセット形状生成手段
３４ 工具軌跡生成手段
３５ 分割軌跡算出手段
３６ 軸制御データ算出手段
３８ シミュレーション表示手段
４１ 主軸
４２ テーブル
４３，４４ 送り軸
４５ 駆動部
４６ 軸制御データ受信部
４７ 信号生成部
４８ 主軸アンプ
４８ａ モータ
４９ サーボアンプ
４９ａ,４９ｂ モータ
３１１ パラメータ記憶手段
３１２ 加工速度記憶手段（工具移動速度記憶手段）
３１３ オフセット値記憶手段
３１４ ピックフィード記憶手段
３１５ 表示装置
３２１ モデルデータ記憶手段
３４１ 工具軌跡記憶手段
３６１ 軸制御データ記憶手段
３８１ 工具軌跡シミュレーション手段
３８２ 速度算出手段
３８３ 切削量算出手段
Ｍ ソリッドモデル
ｄ オフセット値
Ａ 軸制御データ

Claims (3)

1. 加工形状のモデルから形成される曲線であって、工具がワークを加工する工具位置を複数の軸方向に移動させる加工機を用いて前記ワークを所定の形状に加工する際の予め指定された指定工具軌跡を記憶する工具軌跡記憶手段と、
   前記工具が前記ワークを加工する際の予め指定された指定工具移動速度を記憶する工具移動速度記憶手段と、
   最大加速度を前記加工機の加速の許容限度を示すパラメータとして記憶するパラメータ記憶手段と、
   前記指定工具軌跡を、該指定工具軌跡の曲率が小さい部分は大きい間隔で分割し、該指定工具軌跡の曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割して複数の分割軌跡を求める分割軌跡算出手段と、
   工具移動速度を変えながら前記工具位置を前記分割軌跡上で移動させる前記加工機の駆動部に出力するための軸制御データとして、前記工具位置を前記指定工具移動速度に従った速度で各分割軌跡上を移動させて前記ワークを加工するときの、前記分割軌跡上における始点の各軸位置と、前記分割軌跡を所定の時間間隔Δｔで分割した各点における前記分割軌跡の曲率に応じて前記各点毎に該各点における前記工具の加速度が前記最大加速度を超えないように求めた各軸方向の工具移動速度と、を求める軸制御データ算出手段と、
   前記軸制御データに基づいて求められた前記工具が前記ワークを加工する際の工具軌跡、該工具軌跡上の各工具位置における工具移動速度、各工具位置における工具移動加速度、および、各工具位置における工具移動加加速度のうちの少なくとも前記工具軌跡を含む１以上を表示するシミュレーション表示手段とを備え、
   前記所定の時間間隔Δｔで求めた各軸方向の工具移動速度が、前記分割軌跡上の接線方向に前記工具が移動するよう決められたものであり、
   前記駆動部が、前記軸制御データの前記所定の時間間隔Δｔで求めた時間Ｔiにおける前記各軸方向の工具移動速度Ｖiが次の時間Ｔi+1（＝Ｔi＋Δｔ）までに次の時間Ｔi+1（=Ｔi+Δｔ）における前記各軸方向の工具移動速度Ｖi+1になるように前記各軸方向の工具移動速度を変えるものであり、かつ、
   該駆動部は、前記軸制御データに従って、前記各分割軌跡上における始点の位置から各軸方向の工具移動速度を変えながら前記工具位置を前記分割軌跡に沿って該分割軌跡の終点である次の前記分割軌跡の始点の位置まで移動させるとともに、前記分割軌跡の終点における各軸方向の工具移動速度が次の前記分割軌跡の始点の位置の各軸方向の工具移動速度に一致するように各軸の工具移動速度を変化させるものであり、
   前記シミュレーション表示手段が、前記軸制御データに記録された時間間隔Δｔの各軸方向の工具移動速度を積分して工具軌跡を求めるものであることを特徴とする加工シミュレーション装置。
2. 前記シミュレーション表示手段が、前記工具軌跡を表示するとともに、該工具軌跡上の各工具位置における工具移動速度、各工具位置における工具移動加速度、および、各工具位置における工具移動加加速度のいずれか１つの速度において、該速度を複数の速度の範囲に分け、それぞれの範囲の速度にそれぞれ異なる色を割り当て、前記工具軌跡上の各工具位置の速度に対応する色で前記工具軌跡を色分けして表示することを特徴とする請求項１記載の加工シミュレーション装置。
3. コンピュータを、
   加工形状のモデルから形成される曲線であって、工具がワークを加工する工具位置を複数の軸方向に移動させる加工機を用いて前記ワークを所定の形状に加工する際の予め指定された指定工具軌跡を、該指定工具軌跡の曲率が小さい部分は大きい間隔で分割し、該指定工具軌跡の曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割して複数の分割軌跡を求める分割軌跡算出手段と、
   工具移動速度を変えながら前記工具位置を前記分割軌跡上で移動させる前記加工機の駆動部に出力するための軸制御データとして、前記工具位置を前記工具が前記ワークを加工する際の予め指定された指定工具移動速度に従った速度で各分割軌跡上を移動させて前記ワークを加工するときの、前記分割軌跡上における始点の各軸位置と、前記分割軌跡を所定の時間間隔Δｔで分割した各点における前記分割軌跡の曲率に応じて前記各点毎に該各点における前記工具の加速度が最大加速度を超えないように求めた各軸方向の工具移動速度と、を求める軸制御データ算出手段と、
   前記軸制御データに基づいて求められた前記工具が前記ワークを加工する際の工具軌跡、該工具軌跡上の各工具位置における工具移動速度、各工具位置における工具移動加速度、および、各工具位置における工具移動加加速度のうちの少なくとも前記工具軌跡を含む１以上の情報を求めるシミュレーション手段と、
   該シミュレーション手段により求めた情報を表示手段に表示させる表示制御手段として機能させるプログラムであって、
   前記所定の時間間隔Δｔで求めた各軸方向の工具移動速度が、前記分割軌跡上の接線方向に前記工具が移動するよう決められたものであり、
   前記駆動部が、前記軸制御データの前記所定の時間間隔Δｔで求めた時間Ｔiにおける前記各軸方向の工具移動速度Ｖiが次の時間Ｔi+1（＝Ｔi＋Δｔ）までに次の時間Ｔi+1（=Ｔi+Δｔ）における前記各軸方向の工具移動速度Ｖi+1になるように前記各軸方向の工具移動速度を変えるものであり、かつ、
   該駆動部は、前記軸制御データに従って、前記各分割軌跡上における始点の位置から各軸方向の工具移動速度を変えながら前記工具位置を前記分割軌跡に沿って該分割軌跡の終点である次の前記分割軌跡の始点の位置まで移動させるとともに、前記分割軌跡の終点における各軸方向の工具移動速度が次の前記分割軌跡の始点の位置の各軸方向の工具移動速度に一致するように各軸の工具移動速度を変化させるものであり、
   前記シミュレーション表示手段が、前記軸制御データに記録された時間間隔Δｔの各軸方向の工具移動速度を積分して工具軌跡を求めるものであることを特徴とする加工シミュレーションプログラム。