JP3399419B2 - 数値制御シミュレーション装置 - Google Patents
数値制御シミュレーション装置Info
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Description
ムのシミュレーション装置に関し、特に数値制御プログ
ラムと駆動系特性から、現実に数値制御工作機械で加工
が実行された時のワークの加工形状を推定し、推定加工
形状を表示することができる数値制御プログラムのシミ
ュレーション装置に関するものである。
の加工形状に影響を与えるパラメータが正しいかどうか
は、実際に工作機械で加工を行う前にシミュレーション
で調べることが多い。従来の数値制御シミュレーション
装置は、例えば、岡村らによる「機械と工具、第41巻
第2号(1997−2)、pp.46−pp.50」の
「切削シミュレーションソフトの機能と使い方−NC−
Verifyを例に」に記載されている。この第一の従
来の数値制御シミュレーション装置を図11で説明す
る。
ラム読み込み部で、2は読み込んだ数値制御プログラム
に補正パラメータを用いて形状補正などの前処理を行う
前処理部で、5aは前処理部により補正された経路とワ
ークの素材形状を用いてワークの3Dソリッドモデルを
計算する3Dソリッドシミュレーション部で、6aは前
記3Dソリッドモデルを表示する形状表示部である。
長補正、微小線分をスプライン曲線に変換する処理など
である。補正パラメータとは、例えば、工具径補正量、
工具長補正量、トレランス(微小線分とスプライン曲線
との間の距離)などである。素材形状とは、切削する前
のワークの形状(直方体など)を定義したものである。
以上より、数値制御プログラムから3Dソリッドモデル
を計算し表示することで、実際の加工を行わずに数値制
御プログラムを実行した時に近いワークの加工形状を知
ることができる。また、このシミュレーション装置を発
展させ、14aの負荷計算部と15aの送り速度計算部
を追加し、数値制御プログラムをシミュレーションした
結果からワークを切削する際の負荷を算出し、負荷が最
適になるように送り速度を修正した数値制御プログラム
を作成するシミュレーション装置もある。
ョン装置は、例えば、特開平3−095605号公報に
記載されている。第二の従来の数値制御シミュレーショ
ン装置を図12で説明する。1と2は第一の従来例と同
じであるため説明を省略する。3は前処理部により補正
された経路と加減速パラメータを用いて補間・加減速を
行う補間・加減速部で、4は補間・加減速した結果に対
して駆動系特性を考慮しサーボパラメータを用いて工具
先端位置を推定する駆動系モデルで、21はシミュレー
ションでの工具先端軌跡と数値制御プログラムによる指
令経路を合わせて表示する表示部である。
などの要素からなり、補間・加減速した位置に対する工
具の先端位置の関係を示すものである。また、加減速パ
ラメータとは、加減速時定数、コーナ減速角度(減速が
必要な角度の閾値を設定するパラメータ)、精度係数な
どである。また、サーボパラメータとは、位置ループゲ
イン、フィードフォワードゲインなどである。以上よ
り、工作機械の駆動系特性まで含めた工具軌跡のシミュ
レーションを行うことができ、また、駆動系特性まで含
めた工具軌跡のシミュレーション結果と数値制御プログ
ラムにより指令された経路を比較することができる。
ョン装置は、例えば、特開平4−302306号公報や
特開平10−76444号公報に記載されている。第三
の従来の数値制御シミュレーション装置を図13で説明
する。1から3までは第一及び第二の従来の技術と同じ
であるので説明を省略する。4bは指令を受け取りモー
タを駆動させるサーボアンプで、22はサーボアンプの
状態量を測定するデータ測定部で、23はサンプリング
データを演算して所望のパラメータに変更・制御する自
動調整制御部である。以上により、フィードフォワード
ゲイン、加減速フィルタなどのパラメータを最適値にオ
ートチューニングすることができ、パラメータ最適値を
調整するためのコストを削減できる。
レーション装置は以上のように構成されており、第一の
従来の数値制御シミュレーション装置では、補間・加減
速、駆動系特性が考慮されておらず、数値制御プログラ
ムが描く軌跡に基づいた加工形状を表示するのみであ
り、数値制御プログラムが描く軌跡とワークを加工する
際に工具先端が実際に動く軌跡とは異なるため、現実に
数値制御工作機械で加工が実行された時のワークの加工
形状を表示しているわけではない。
なくても、実際にワークを切削してみると不良品を作る
恐れがあり、シミュレーションではワークの良・不良を
判断することはできない。その結果として、生産の能率
が悪化し、コストも高くなる。また、ワークを切削する
際の負荷が最適になるように送り速度を修正した数値制
御プログラムを作成するシミュレーション装置に関して
も、補間・加減速、駆動系特性が考慮されていないた
め、実際のワークを切削したときのワークの負荷とシミ
ュレーションした結果求まったワークの負荷とは異なる
こととなり、実際にワークを切削するための最適な送り
速度を求めているとはいえない。
ョン装置では、工作機械の駆動系特性まで含めたシミュ
レーションの結果は工具経路であり3Dソリッドモデル
ではないため、オペレータが数値制御プログラムを実行
したときのワークの加工形状を認識することは困難であ
る。したがって、ワークの良・不良を判断することはで
きない。その結果として、生産の能率が悪化し、コスト
も高くなる。また、シミュレーション結果からシミュレ
ーションに用いたパラメータを調整することはできな
い。
ョン装置では、数値制御装置から実際にサーボアンプに
指令を出してモータを動作させ、フィードバックデータ
をサンプリングすることで、パラメータのオートチュー
ニングを行っており、実際に工作機械を動作させないと
パラメータの調整を行うことはできない。実際に工作機
械を動作させるとなると時間がかかり、また機械の稼働
率が下がることになる。
めになされたもので、数値制御プログラムと駆動系特性
から、現実に数値制御工作機械で加工が実行された時の
ワークの加工形状を推定し、推定加工形状を表示するこ
とができる数値制御シミュレーション装置を提供しよう
とするものである。
から、ワークの加工形状に影響を与えるパラメータの最
適値を探索し、形状誤差を減少させることができる数値
制御シミュレーション装置を提供しようとするものであ
る。
から、数値制御プログラムに指令する経路と送り速度を
最適なものに修正することができる数値制御シミュレー
ション装置を提供しようとするものである。
ミュレーション装置は、ワーク加工経路を指令する数値
制御プログラムを読み込むプログラム読み込み部と、補
正パラメータを用いて前記読み込まれた指令経路を補正
し、補正された経路を求める前処理部と、前記補正され
た経路及び加減速パラメータに基づいて補間・加減速を
行う補間・加減速部と、補間・加減速した結果に対し
て、サーボパラメータを用いて工具先端位置を推定する
駆動系モデルと、前記工具先端位置を用いて3Dソリッ
ドシミュレーションを行い推定加工形状を計算する3D
ソリッドシミュレーション部と、前記計算された推定加
工形状を表示する形状表示部と、目標加工形状と推定加
工形状を比較し、形状誤差データを計算する形状誤差計
算部とを備え、前記形状誤差データに応じて形状表示部
に表示する際に推定加工形状の各部位の表示属性を変え
て表示するものである。
ータを形状誤差データに基づいて変更する案を策定する
パラメータ変更案策定部を備えたものである。
振動を考慮して行うものである。
置は、ワーク加工経路を指令する数値制御プログラムを
読み込むプログラム読み込み部と、補正パラメータを用
いて前記読み込まれた指令経路を補正し、補正された経
路を求める前処理部と、前記補正された経路及び加減速
パラメータに基づいて補間・加減速を行う補間・加減速
部と、補間・加減速した結果に対して、サーボパラメー
タを用いて工具先端位置を推定する駆動系モデルと、前
記工具先端位置を用いて3Dソリッドシミュレーション
を行い推定加工形状を計算する3Dソリッドシミュレー
ション部と、前記計算された推定加工形状を表示する形
状表示部と、目標加工形状と推定加工形状を比較し、形
状誤差データを計算する形状誤差計算部と、前記形状誤
差計算部にて計算された形状誤差が存在する部分の経路
の特徴を分析する経路特徴分析部と、前記分析された経
路の特徴を表示する経路特徴表示部とを備えたものであ
る。
て説明する。 実施の形態1.図1は本発明の実施の形態1による数値
制御シミュレーション装置を示すブロック図である。1
は数値制御プログラムを読み込むプログラム読み込み部
で、2は読み込んだプログラムに形状補正などの前処理
を行う前処理部で、3は前処理された結果に基づいて補
間・加減速を行う補間・加減速部である。また4は補間
・加減速した結果に対して、駆動系特性を考慮して工具
先端位置を推定する駆動系モデルであり、例えば、特開
平3−095605号公報に示されている。また5は前
記工具先端位置を用いて3Dソリッドシミュレーション
を行い推定加工形状を計算する3Dソリッドシミュレー
ション部で、6は前記推定加工形状を表示する形状表示
部である。
ション装置において、3Dソリッドシミュレーション部
5は、駆動系特性を考慮し推定した工具先端位置に基づ
き推定加工形状を計算するため、計算された推定加工形
状は、第一の従来の技術で示した3Dソリッドモデルよ
りも、工作機械で実際にワークを加工したときの加工形
状に近いものとなる。また、推定形状表示部6で推定加
工形状を表示することにより、工作機械で実際にワーク
を加工する前に、工作機械で実際にワークを加工したと
きに近い加工形状を表示することになる。したがって、
シミュレーション上でワークの良・不良を判断すること
ができ、その結果として、生産の能率が上がり、コスト
も低くすることができる。
2による数値制御シミュレーション装置を示すブロック
図である。1から6までは、実施の形態1に示すものと
同様のものであるので説明を省略する。7は、目標加工
形状と前記推定加工形状を比較する形状誤差計算部で、
8は、形状誤差の大小に応じて形状表示部にて表示する
際に推定加工形状の各部位の表示属性を変えて表示する
形状誤差表示部である。
と形状誤差データを重ね合わせて表示した例である。推
定加工形状と目標加工形状に誤差がある部位が一目でわ
かる。また表示属性として濃淡を用いることにより、形
状誤差の大きさの変化の様子が一目でわかる。表示属性
としては他にも色、塗りつぶしパターンなどを用いるこ
とができるのは言うまでもない。また、表示属性が変化
する境界を数値で定義できるようにしているため、どの
程度の大きさの形状誤差なのかが一目でわかる。この定
義は形状誤差表示パラメータで行うことができ、オペレ
ータが設定できる。ここで目標加工形状とは、CADな
どにより設計された時の形状である。以上により、推定
加工形状と目標加工形状の違いから、ワークの加工形状
に影響を与えるパラメータの最適値を探索し、形状誤差
を減少させることができる。
3による数値制御シミュレーション装置を示すブロック
図である。1から8までは、実施の形態2に示すものと
同様のものであるので、説明を省略する。9は、形状誤
差の大きい箇所に対応するブロック経路を特定しその経
路の特徴を分析する経路特徴分析部で、10は、経路特
徴を表示する経路特徴表示部である。
ず、形状誤差データ(誤差のマップ)と推定加工形状
(Z座標のマップ)を用いて、形状誤差が数値制御プロ
グラムのどのブロックで発生しているかを特定しなけれ
ばならない。そのためには、3Dソリッドシミュレーシ
ョン部5において推定加工形状を作成するときに、推定
加工形状上のこの位置での切削は、数値制御プログラム
のこのブロックの指令によって行われたという関係(ブ
ロック番号のマップ)を記憶しておけばよい。
際には、駆動系モデル4で得られた工具先端位置の経路
軌跡もあわせて表示すると、経路の誤差が一目でわかる
ためなお良い。
跡と工具先端位置の経路軌跡を重ねて表示した例であ
る。指令経路の軌跡には1ブロックの指令の直線長さ、
次ブロックの直線指令となす角の情報をあわせて表示す
ることにより、どのブロックでどういう要因で形状誤差
が発生しているのかを推測するのに役立つ。例えば、図
の例だと微小線分のなす角度がすべて、コーナ減速角度
より小さいことが一目でわかるため、オペレータはコー
ナ減速せずに形状誤差が発生していると推定できる。図
の例のような微小線分での指令ではない場合、例えば円
弧指令の場合には、半径の情報を表示することが有効で
ある。
4による数値制御シミュレーション装置を示すブロック
図である。1から8までは、実施の形態2あるいは実施
の形態3に示すものと同様のものであるので、説明を省
略する。11は、パラメータを変更する案を策定するパ
ラメータ変更案策定部である。
態2における形状誤差計算部7からの形状誤差データに
基づいてパラメータ変更案を策定する場合には、工具先
端位置の軌跡が振動的にならない範囲内で、形状誤差が
減少するようにサーボパラメータのゲインを上げる案を
提示する。提示した案をオペレータが確認した上で次の
加工に用いる。
ードゲインなどのパラメータの最適値を求めるフローチ
ャートである。 step1:オペレータが形状誤差の許容量を設定す
る。 step2:シミュレーションを行なう。 step3:駆動系モデル4からの情報により、振動的
になっているかどうか判断する。 step4:step3で振動的であると判定された場
合、振動的にならなくなるまでパラメータ量を下げる。 step5:形状誤差計算部7により、形状誤差存在部
位の形状誤差量をえる。 step6:形状誤差量が許容形状誤差量より小さいか
どうか判定する。小さければ終了し、大きければste
p7に進む。 step7:パラメータ量をパラメータ変化量分だけ増
やしてみる。 step8:シミュレーションを行なう。 step9:駆動系モデル4からの情報により、振動的
になっているかどうか判断する。振動的であればste
p12に進み、振動的でなければstep10に進む。
形状誤差存在部位の形状誤差量をえる。 step11:前回と今回の形状誤差量を比較し、形状
誤差量が減少していればstep13に進み、減少して
いなければstep12に進む。 step12:step9で振動的と判断されたか、あ
るいはstep11で形状誤差量が前回よりも増えてし
まった場合には、パラメータ量を一旦元に戻し、パラメ
ータ変更量を半分にしてstep7に戻る。 step13:形状誤差量が許容形状誤差量より小さい
かどうか判定する。小さければ終了し、大きければst
ep7に戻る。あるいは、前回と今回の形状誤差量を比
較し、ほぼ同じであればパラメータ量増加による形状誤
差の減少は不可能と判断し終了し、そうでなければst
ep7に戻る。
施の形態3における経路特徴分析部9からの経路特徴デ
ータに基づいてパラメータ変更案を策定する場合には、
図5のように微小線分指令の場合、コーナ減速角度を変
更する案を提示する。提示した案をオペレータが確認し
た上で次の加工に用いる。
ーチャートである。 step21:オペレータが形状誤差の許容量を設定す
る。 step22:形状誤差計算部7により、形状誤差存在
部位の形状誤差量をえる。 step23:形状誤差量が許容形状誤差量より小さい
かどうか判定する。小さければ終了し、大きければst
ep24に進む。 step24:経路特徴分析部9より形状誤差が存在す
る部位の経路の特徴を得る。 step25:形状誤差の発生原因が、直線指令のなす
角度がコーナ減速角度よりも小さく、減速すべきところ
で減速ができていないためであるかどうか判断し、そう
であればstep26に進み、そうでない場合はste
p29に進む。
果、コーナ減速角度を小さく設定しなおすことにより形
状誤差の減少を図る。 step27:新たなコーナ減速角度で、形状誤差を計
算する。 step28:コーナ減速角度を小さくすることによっ
て、許容形状誤差量より、形状誤差量が小さくなってい
くかどうか判断し、小さくなっていれば終了し、そうで
なければstep29に進む。 step29:コーナ減速角度を変えることでは形状誤
差量を減少させることはできないと判断されたので、精
度係数の調整を行う。
誤差の発生原因が直線指令のなす角度がコーナ減速角度
よりも大きく、減速の必要のないところで減速している
ため、という場合も考えれられる。その場合にはste
p26においてコーナ減速角度を大きくすることで対応
できる。
5による数値制御シミュレーション装置を示すブロック
図である。1から8までは、実施の形態2に示すものと
同様のものであるので、説明を省略する。13は、数値
制御プログラムで指令された経路から3Dソリッドシミ
ュレーションにより目標加工形状を作成する目標加工形
状作成部である。
では数値制御プログラムと別に用意しなければならなか
った目標加工形状を、数値制御プログラム自身から計算
することにより、目標加工形状は用意しなくてもよい。
態6による数値制御シミュレーション装置を示すブロッ
ク図である。1から6までは、実施の形態1に示すもの
と同様のものであるので、説明を省略する。14は推定
加工形状から負荷を計算する負荷計算部で、15は計算
された負荷が一定になるように、あるいは切削が実際に
は行われていないところでは早送りで送るように送り速
度を修正する送り速度計算部である。ここで負荷とは例
えば切削トルクである。
速度は数値制御プログラムに書きこまれる。送り速度が
修正された数値制御プログラムによる推定加工形状と、
修正される前の数値制御プログラムによる推定加工形状
は異なるので、修正された数値制御プログラムをさらに
プログラム読み込み部1に読み込ませて、駆動系特性に
基づいたシミュレーションを行う。作成された数値制御
プログラムに修正がなくなれば最適な送り速度で記述さ
れた数値制御プログラムが作成されたことになる。
加工経路を指令する数値制御プログラムを読み込むプロ
グラム読み込み部と、補正パラメータを用いて前記読み
込まれた指令経路を補正し、補正された経路を求める前
処理部と、前記補正された経路及び加減速パラメータに
基づいて補間・加減速を行う補間・加減速部と、補間・
加減速した結果に対して、サーボパラメータを用いて工
具先端位置を推定する駆動系モデルと、前記工具先端位
置を用いて3Dソリッドシミュレーションを行い推定加
工形状を計算する3Dソリッドシミュレーション部と、
前記計算された推定加工形状を表示する形状表示部と、
目標加工形状と推定加工形状を比較し、形状誤差データ
を計算する形状誤差計算部とを備え、前記形状誤差デー
タに応じて形状表示部に表示する際に推定加工形状の各
部位の表示属性を変えて表示することにより、オペレー
タは、誤差の存在する部位の誤差の割合を視覚的に確認
することができる。
ータを形状誤差データに基づいて変更する案を策定する
パラメータ変更案策定部を備えたことにより、特定され
た形状誤差の大きい箇所の情報から、ワークの加工形状
も影響を与えるパラメータの最適値を探索し、自動的に
パラメータを設定することができ、形状誤差を減少させ
ることができる。あるいは、オペレータにワークの加工
形状の精度が向上するパラメータの推奨値を提示するこ
とにより、オペレータがワークの加工形状に影響を与え
るパラメータを設定するのに役立てることができ、形状
誤差を減少させることができる。
振動を考慮して行うことにより、工具先端位置の軌跡が
振動的にならない範囲内で、サーボパラメータのゲイン
を上げ形状誤差が減少するようにできる。
する数値制御プログラムを読み込むプログラム読み込み
部と、補正パラメータを用いて前記読み込まれた指令経
路を補正し、補正された経路を求める前処理部と、前記
補正された経路及び加減速パラメータに基づいて補間・
加減速を行う補間・加減速部と、補間・加減速した結果
に対して、サーボパラメータを用いて工具先端位置を推
定する駆動系モデルと、前記工具先端位置を用いて3D
ソリッドシミュレーションを行い推定加工形状を計算す
る3Dソリッドシミュレーション部と、前記計算された
推定加工形状を表示する形状表示部と、目標加工形状と
推定加工形状を比較し、形状誤差データを計算する形状
誤差計算部と、前記形状誤差計算部にて計算された形状
誤差が存在する部分の経路の特徴を分析する経路特徴分
析部と、前記分析された経路の特徴を表示する経路特徴
表示部とを備えたことにより、オペレータは形状誤差が
大きい箇所がどのような原因で発生しているかを推定す
るのに役立てることができる。
レーション装置を示すブロック図である。
レーション装置を示すブロック図である。
誤差表示部7で、目標加工形状と形状誤差データを重ね
合わせて表示した説明図である。
レーション装置を示すブロック図である。
特徴表示部10で、指令経路の軌跡と工具先端位置の経
路軌跡を重ねて表示した説明図である。
レーション装置を示すブロック図である。
て位置ループゲイン、フィードフォワードゲインなどの
パラメータの最適値を求めるフローチャートである。
て最適なコーナ減速角度を求めるフローチャートであ
る。
レーション装置を示すブロック図である。
ュレーション装置を示すブロック図である。
置を示すブロック図である。
置を示すブロック図である。
置を示すブロック図である。
加減速部、4 駆動系モデル、4b サーボアンプ、
5、5a 3Dソリッドシミュレーション部、6 推定
形状表示部、6a 3Dソリッド表示部、7 形状誤差
計算部、8 形状誤差表示部、9 経路特徴分析部、1
0経路特徴表示部、11 パラメータ変更案策定部、1
3 目標加工形状作成部、14、14a 負荷計算部、
15、15a 送り速度計算部、21 表示部、22
データ測定部、23 自動調整制御部。
Claims (4)
- 【請求項1】ワーク加工経路を指令する数値制御プログ
ラムを読み込むプログラム読み込み部と、 補正パラメータを用いて前記読み込まれた指令経路を補
正し、補正された経路を求める前処理部と、 前記補正された経路及び加減速パラメータに基づいて補
間・加減速を行う補間・加減速部と、 補間・加減速した結果に対して、サーボパラメータを用
いて工具先端位置を推定する駆動系モデルと、 前記工具先端位置を用いて3Dソリッドシミュレーショ
ンを行い推定加工形状を計算する3Dソリッドシミュレ
ーション部と、 前記計算された推定加工形状を表示する形状表示部と、 目標加工形状と推定加工形状を比較し、形状誤差を計算
する形状誤差計算部とを備え、 前記形状誤差データに応じて形状表示部に表示する際に
推定加工形状の各部位の表示属性を変えて表示すること
を特徴とする数値制御シミュレーション装置。 - 【請求項2】 ワークの加工形状に影響するパラメータ
を形状誤差データに基づいて変更する案を策定するパラ
メータ変更案策定部を備えたことを特徴とする請求項1
記載の数値制御シミュレーション装置。 - 【請求項3】 パラメータ変更は、工具先端位置の振動
を考慮して行うことを特徴とする請求項2記載の数値制
御シミュレーション装置。 - 【請求項4】ワーク加工経路を指令する数値制御プログ
ラムを読み込むプログラム読み込み部と、 補正パラメータを用いて前記読み込まれた指令経路を補
正し、補正された経路を求める前処理部と、 前記補正された経路及び加減速パラメータに基づいて補
間・加減速を行う補間・加減速部と、 補間・加減速した結果に対して、サーボパラメータを用
いて工具先端位置を推定する駆動系モデルと、 前記工具先端位置を用いて3Dソリッドシミュレーショ
ンを行い推定加工形状を計算する3Dソリッドシミュレ
ーション部と、 前記計算された推定加工形状を表示する形状表示部と、 目標加工形状と推定加工形状を比較し、形状誤差を計算
する形状誤差計算部と、 前記形状誤差計算部にて計算された形状誤差が存在する
部分の経路の特徴を分析する経路特徴分析部と、 前記分析された経路の特徴を表示する経路特徴表示部
と、 を備えたことを特徴とする数値制御シミュレーション装
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