JP4237180B2 - 加工残し形状抽出装置、および抽出方法 - Google Patents

Description

本発明は製品や部品の加工方式に係わり、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムのように、製品の設計や生産を支援するシステムにおいて、製品加工時、例えば切削加工時に、製造すべき製品形状に対する加工残しの形状を抽出して、加工工程の設計を容易にする加工残し形状抽出装置、および抽出方法に関する。

材料を加工して部品や製品を製造する場合には、加工工具や加工条件などを変えながら、段階的に加工を行なうことが一般的である。従って加工後の加工残しの形状、例えば切削加工における削り残しの形状を正確に把握することは、加工の効率化、加工の安全性確保、および３次元加工形状設計効率化において重要である。

例えばＣＡＤ、ＣＡＭ、またはＣＡＥシステムを用いて加工を行なうための従来技術として、次のような文献がある。
特開平７−１４８６４４号「金型加工工具軌跡作成用ＣＡＭシステム」 特開平１０−２０９１８号「ＣＡＤ／ＣＡＭ装置」

特許文献１には、金型形状モデルから凹部を全て抽出し、各凹部の工具軌跡を工具毎にまとめて、各工具の加工部位を決定するＣＡＭシステムが開示されている。

特許文献２には、製品形状モデルと移動軌跡モデルとから３次元の干渉モデルが作成され、その干渉モデルを３次元で表示する技術が開示されている。
しかしながらこのような従来技術においては、一般的に人間が加工形状、すなわち製品の形状と、工具の形状や工具軌跡、すなわち加工軌跡などの加工条件とによって、どの部分にどの程度加工残し、例えば削り残しが存在するかを判断するか、加工工具に対応する加工軌跡を生成して、加工軌跡と３次元製品形状との形状の差から削り残しを抽出するために、加工軌跡を生成することなしに削り残し量を抽出することができないという問題点があった。

また、加工残し形状を正確に把握するためには、加工軌跡を変更するたびに加工残し量を抽出することが必要となるため、効率が悪く、またその加工残し形状が加工軌跡に依存するという問題点もあった。

本発明の目的は、前述の問題点に鑑み、加工軌跡を生成することなく、加工工具に対応して加工残し形状を抽出し、更に抽出した形状を３次元形状として可視化することによって、安全で効率的な加工工程の設計を可能とすることである。

本発明の加工残し形状抽出装置は工具配置手段、距離検出手段、および３次元形状作成手段を備える。
工具配置手段は、３次元の製品形状モデルの表面上の任意の位置に対して、その製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせることなく、加工工具の先端を仮想配置するものであり、距離検出手段は、その任意の位置に対応する点と加工工具の先端との距離の最小値を求めるものであり、３次元形状作成手段はその距離の最小値に対応して、３次元加工形状を作成するものである。

本発明においては、３次元製品形状モデルの表面上に、前述の任意の位置として多くの点を配置し、その多くの点のそれぞれに対して加工工具の先端との距離の最小値を求める処理が繰り返され、その距離の最小値に対応して加工残しの３次元形状が抽出されることになる。

本発明の加工残し形状抽出方法においては、３次元製品形状モデルの表面上の任意の位置に対して、該製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせることなく、加工工具の先端を仮想配置し、該任意の位置に対応する点と加工工具の先端との距離を求め、該任意の点を移動させながら該距離の最小値を求め、該最小値に対応して３次元加工残し形状を作成する方法が用いられる。

以上のように本発明によれば、加工軌跡を生成することなく、加工残し形状が抽出される。

図１は本発明の加工残し形状抽出装置の原理構成ブロック図である。同図において加工残し形状抽出装置１は工具配置部２、距離検出部３、および３次元形状作成部４を備える。

工具配置部２は、３次元の製品形状モデルの表面上の任意の位置に対応して、その製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせることなく、加工工具の先端を仮想配置するものであり、例えばモデルの表面に対して垂直に、表面上の任意の位置に対応して、加工工具の先端が向くように仮想配置を行なう。

距離検出部３は、その任意の位置に対応する点と加工工具の先端との距離を求めるものであり、３次元形状作成部４は、任意の位置を動かしながら得られる距離の最小値、すなわち表面上の各点と加工工具の先端との距離の最小値に対応して、加工残し部の３次元形状を作成するものである。

加工残し形状抽出装置１は、更に３次元形状作成部４によって作成された３次元加工残し形状を可視化する３次元形状可視化部を備えることもできる。
次に本発明の加工残し形状抽出方法においては、３次元製品形状モデルの表面上の任意の位置に対応して、その製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせることなく、加工工具の先端を仮想配置し、その任意の位置に対応する点と加工工具の先端との距離を求め、表面上の任意の位置を動かしながら求められる表面上の各点と加工工具の先端との距離の最小値に対応して、３次元加工形状を作成する方法が用いられ、更にその作成された３次元加工残し形状を可視化する方法を用いることもできる。

また本発明におけるプログラム、および計算機読出し可能可搬型記憶媒体において、この方法を実現するためのプログラム、および記憶媒体を用いることができる。
次に図２以降の図面を用いて、本発明の実施形態について更に詳細に説明する。図２は本実施形態を説明するための加工形状、すなわち３次元製品形状モデルと加工工具との例を説明する図である。同図において加工形状１０はＺ軸方向に段のついた形状となっており、加工工具１１を用いて切削加工を行なうことによって、この加工形状１０の製品を製造するものとする。なお本発明が対象とする加工の方法は切削加工に限定されるものではなく、加工残しの形状を抽出可能であれば、どのような加工方法を用いることもできることは当然である。

図３は、図２の加工形状１０に対する３面図と、切削加工における削り残し量判定を行なうべき任意の点の説明図である。同図において、加工形状の上側の面に格子状に削り残し量判定を行なうべき任意の点１２がとられることが示されている。

図４は加工形状に対する加工工具の配列例の説明図である。同図において、加工形状１０の表面上で、加工工具の先端の配置点１５の上に加工工具１１が配置された状態が示されている。ここでは加工工具１１が加工形状１０の表面に対して垂直に配置された状態を示しており、図３で説明した削り残し量判定を行なうべき任意の点の密度が大きければ、加工工具１１の上から見て複数の任意の点が加工工具１１に隠れる状態となり、加工工具の先端の配置点１５以外にも、その周辺に工具の表面上で複数の任意の点が投影される点１６が１つ以上存在することになる。この１つ以上の投影された点と、加工形状１０上の対応する任意の点との間の距離が、削り残し量１７として求められることになる。

図５は、図４と同様に加工工具１１が加工形状１０に対して配置された状態を示す。加工形状１０と加工工具１１との干渉２０のために、加工工具を配置した点１５においては実際には加工工具１１と加工形状１０との間の距離を０にすることはできないことを示している。

図６は、図５の状態から加工工具１１を、加工形状１０と干渉しない位置までＺ軸方向に移動した状態を示す。このように移動させることによって加工工具１１を配置した点を含め、その周辺の１つ以上の点で削り残し量１７を求めることができる。

図７は、図４または図６において削り残し量を判定すべき点の説明図である。同図においては、工具外形に相当する円２０の内部に、削り残し量を判定すべき９つの点が含まれることが示されている。中央の点２１は、図４または図６で加工工具の先端を配置した点１５と同じであり、その周囲の８個の点２２は加工工具１１の先端を配置した点２１の周囲で、削り残し量を判定すべき点を示している。

図８は本実施形態における削り残し形状生成処理のフローチャートである。同図において処理が開始されると、まずステップＳ１で３次元加工形状、例えばＣＡＤシステムにおける３次元製品形状モデルの表面上に、任意の間隔で削り残し量判定を行なうべき点が指定される。その間隔については特に制限がなく、その配置も格子状である必要はない。但し一般的には、図４などで示したように、加工工具の先端の部分に複数の点が含まれるように間隔が設定される。

次にステップＳ２で、削り残しを検証するための工具の径やその種類が選択される。ここでは削り残しの３次元形状の抽出方法の説明に重点をおくため、この工具の選択についてはあまり詳しく説明しないが、例えば使用予定の工具の中で最も径の大きい工具を選択したり、加工形状の寸法、例えば図２においてＸ軸方向の長さの５％に近い径の工具を選択するなどの方法を用いることによって、荒い加工を行なった場合の削り残し量を抽出することができ、削り残しとなった部分については、より小さい径の工具を使用した加工を検討する手始めとすることができる。

続いて図３で説明した削り残し量判定を行なうべき表面上の各点の全てに対して、ステップＳ３〜Ｓ１２の処理が繰り返される。まずステップＳ３で、図４で説明したように最初の点に加工工具が配置され、ステップＳ４でその点で図５で説明したような加工工具１１と加工形状１０との干渉が存在しないか否かが判定され、存在する場合には図６で説明したように、ステップＳ５で加工工具１１が加工形状１０と干渉しない位置までＺ軸方向に移動された後に、また存在しない場合には直ちにステップＳ６の処理に移行する。

ステップＳ６では、加工工具の内側にある３次元加工形状の上の全ての点、すなわち図７で説明した９つの点がＺ軸方向に加工工具の表面に投影され、ステップＳ７で投影された９つの点と３次元加工形状上の対応する点との距離が抽出される。

そしてステップＳ８において、ステップＳ７で距離が抽出された９つの点について、それぞれ以前に別の加工工具配置点に対応して抽出された距離があればその距離との比較が行なわれ、今回抽出された距離の方が短い点に対しては、ステップＳ９で今回抽出された距離がその点での距離情報とされ、前回までの距離情報が廃棄された後にステップＳ１１の処理に移行する。

これに対して、９つの点に対応する距離のうちで以前に抽出された時より距離が短くない点に対しては、ステップＳ１０で以前に抽出された距離、すなわち前回までの距離情報がその点での距離情報として保持され、今回抽出された距離が廃棄された後にステップＳ１１に移行する。

ステップＳ１１では、加工工具を配置すべき点が次の点に移動され、ステップＳ１２でその点を含め、全ての点に加工工具が配置されていたか否かが判定され、全ての点に対する配置が終わっていない場合にはステップＳ３以降の処理が繰り返される。

ステップＳ１２で全部の点に加工工具が配置されたと判定されると、ステップＳ１３で３次元加工形状の上の点と加工工具表面に投影された点とを用いて３次元形状が生成され、ステップＳ１４でその形状が可視化されて出力され、処理を終了する。ステップＳ１３、１４の処理については更に後述する。

図８のステップＳ１２までの処理によって、図３で説明した削り残し量を判定すべき全ての点について、選択された加工工具を用いた場合の削り残し量に対応する最小距離が抽出される。例えば図４において加工工具１１の先端を配置した点１５における削り残し量は０となるが、その右と左の点における削り残し量、すなわち距離は０とはならない。しかしながら加工工具１１を右側に移動することによって、加工工具１１の先端が右側の点の真上にきた時には、この右側の点における削り残し量、すなわち距離は０となり、ステップＳ８とステップＳ９、またはＳ１０で各点に対して最も小さい値が残されるために、図３で説明した削り残し量判定を行なうべき点１２のそれぞれに対する最小距離が削り残し量として抽出されることになる。

図９は、図８のステップＳ１３における３次元削り残し形状生成の具体例の説明図である。同図において下側のＰn 〜Ｐn+4の点は、例えば図６で加工形状１０の表面上にある点であり、Ｐ'n〜Ｐ'n+4はこの３次元加工形状１０の表面上の点を加工工具１１の表面に投影した点を示す。これらの点を頂点とする立体図形として３次元削り残し形状が表現される。

本実施形態ではこのような立体形状を三角柱の集合として表現するものとし、ここでは最も左側の三角柱、すなわち頂点としてＰn ，Ｐn+1 ，Ｐn+2 ，Ｐ'n，Ｐ'n+1およびＰ'n+2を持つ三角柱を含め、３つの三角柱によって３次元削り残し形状が表現されるものとする。

図１０はこの３次元削り残し形状作成処理の詳細フローチャートである。同図において処理が開始されると、まずステップＳ２１で図９で説明した最も左側の三角柱が作成され、ステップＳ２２で中央の三角柱が作成され、ステップＳ２３でそれ以外の三角柱、図９では最も右側の三角柱が作成され、ステップＳ２４で作成された全ての三角柱が結合されて３次元の削り残し形状が作成され、処理を終了する。

図１１は図８のステップＳ１４における３次元形状可視化処理の詳細フローチャートである。本実施形態では、図９で説明した立体図形の最も外側の表面上に形成される三角形の全てに対して着色を行うことによって、３次元削り残し形状の可視化を行なうものとする。

図１１において処理が開始されると、図９の立体図形の下側の面で最も左側の三角形がステップＳ２６で作成され、ステップＳ２７で下側の中央の三角形が作成され、ステップＳ２８でそれ以外の立体図形の表面上の三角形の全てが作成される。ステップＳ２９で作成された全ての三角形に対して任意の色の着色がなされ、処理を終了する。

以上において本発明の加工残し形状抽出装置、および抽出方法についてその詳細を説明したが、この装置は当然一般的なコンピュータシステムを中心として構成することが可能である。図１２はそのようなコンピュータシステム、すなわちハードウエア環境の構成ブロック図である。

図１２においてコンピュータシステムは中央処理装置（ＣＰＵ）３０、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）３１、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３２、通信インタフェース３３、記憶装置３４、入出力装置３５、可搬型記憶媒体の読み取り装置３６、およびこれらの全てが接続されたバス３７によって構成されている。

記憶装置３４としてはハードディスク、磁気ディスクなど様々な形式の記憶装置を使用することができ、このような記憶装置３４、またはＲＯＭ３１に図８，図１０、および図１１などのフローチャートに示されたプログラムや、本発明の特許請求の範囲の請求項５のプログラムなどが格納され、そのようなプログラムがＣＰＵ３０によって実行されることにより、本実施形態における加工残し形状抽出やその形状の可視化などが可能となる。

このようなプログラムは、プログラム提供者３８側からネットワーク３９、および通信インタフェース３３を介して、例えば記憶装置３４に格納されることも、また市販され、流通している可搬型記憶媒体４０に格納され、読み取り装置３６にセットされて、ＣＰＵ３０によって実行されることも可能である。可搬型記憶媒体４０としてはＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＤＶＤなど様々な形式の記憶媒体を使用することができ、このような記憶媒体に格納されたプログラムが読み取り装置３６によって読み取られることにより、本実施形態における加工残し形状抽出などが可能となる。

以上詳細に説明したように本発明によれば、加工軌跡を生成することなく、加工工具に対応して削り残し部を抽出し、３次元形状として可視化することによって、３次元形状設計者などもそれを確認して、加工しやすい形状を設計段階から把握することが容易となり、加工効率を考慮した形状設計を行なうことが可能となる。

また削り残し部を効果的に削るような部分的な加工軌跡を作成することも可能となり、最初から最終的な製品の３次元形状全てに対する加工軌跡を生成する場合に比べて、工程設計を効率的に行なうことが可能となる。また削り残し量が多い場所もあらかじめ把握できるために、例えば先端の細い工具を用いて負荷の大きな加工を行なうような加工軌跡の作成を防止することが可能となり、安全で効率的な加工工程の設計を行なうシステムを実現することができ、３次元加工システムの加工効率向上に寄与するところが大きい。

本発明は、例えば材料を加工して部品や製品を製造するすべての産業や、ＣＡＤ、ＣＡＭ装置に対するプログラムを提供する産業などにおいて利用可能である。

本発明の加工残し形状抽出装置の原理構成ブロック図である。 本発明の実施形態を説明するための加工形状と加工工具の例を示す図である。 加工形状の表面において削り残し量判定を行なう点を説明する図である。 加工工具が配置された点における削り残し量の説明図である。 加工形状と工具の干渉を示す図である。 干渉しない位置までの加工工具の移動を説明する図である。 工具を配置した点の周辺で削り残し量を判定すべき点の説明図である。 削り残し形状抽出処理の詳細フローチャートである。 ３次元形状生成のための三角柱を説明する図である。 削り残し形状作成処理の詳細フローチャートである。 ３次元形状可視化処理の詳細フローチャートである。 本発明におけるプログラムのコンピュータへのローディングを説明する図である。

Claims (6)

1. 製品加工時における製品形状に対する加工残しの形状を抽出する装置において、
   ３次元製品形状モデルの表面上に、任意の間隔で複数の基準点を生成する基準点生成手段と、
   前記基準点の一つを選択する選択手段と、
   選択した基準点から垂直方向上であってかつ該３次元製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせない位置に、前記加工工具を仮想配置する工具配置手段と、
   前記加工工具の上から見て、加工工具に隠れる複数の上記基準点を抽出する抽出手段と、
   抽出した複数の前記基準点と前記加工工具との前記垂直方向の距離を各々求める距離検出手段と、
   求めた複数の前記距離と記憶した各前記基準点の距離情報を比較し、各々の前記基準点において、前記距離が前記距離情報より短い場合には、前記距離を新たな前記基準点の前記距離情報に更新する更新手段と、
   新たな基準点を選択し、前記工具配置手段、抽出手段、距離検出手段および更新手段を実行する繰り返し手段とを備えることを特徴とする加工残し形状抽出装置。
2. 前記加工残し形状抽出装置において、
   前記作成された３次元加工残し形状を可視化する３次元形状可視化手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の加工残し形状抽出装置。
3. 製品加工時における製品形状に対する加工残しの形状を抽出する方法において、
   ３次元製品形状モデルの表面上に、任意の間隔で複数の基準点を生成する基準点生成ステップと、
   前記基準点の一つを選択する選択ステップと、
   選択した基準点から垂直方向上であってかつ該３次元製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせない位置に、前記加工工具を仮想配置する工具配置ステップと、
   前記加工工具の上から見て、加工工具に隠れる複数の上記基準点を抽出する抽出ステップと、
   抽出した複数の前記基準点と前記加工工具との前記垂直方向の距離を各々求める距離検出ステップと、
   求めた複数の前記距離と記憶した各前記基準点の距離情報を比較し、各々の前記基準点において、前記距離が前記距離情報より短い場合には、前記距離を新たな前記基準点の前記距離情報に更新する更新ステップと、
   新たな基準点を選択し、前記工具配置ステップ、抽出ステップ、距離検出ステップおよび更新ステップを実行する繰り返しステップとを有することを特徴とする加工残し形状抽出方法。
4. 前記加工残し形状抽出方法において、
   更に、前記作成された３次元加工残し形状を可視化することを特徴とする請求項３記載の加工残し形状抽出方法。
5. 製品加工時における製品形状に対する加工残しの形状を抽出する計算機によって使用されるプログラムにおいて、
   ３次元製品形状モデルの表面上に、任意の間隔で複数の基準点を生成する基準点生成手順と、
   前記基準点の一つを選択する選択手順と、
   選択した基準点から垂直方向上であってかつ該３次元製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせない位置に、前記加工工具を仮想配置する工具配置手順と、
   前記加工工具の上から見て、加工工具に隠れる複数の上記基準点を抽出する抽出手順と、
   抽出した複数の前記基準点と前記加工工具との前記垂直方向の距離を各々求める距離検 出手順と、
   求めた複数の前記距離と記憶した各前記基準点の距離情報を比較し、各々の前記基準点において、前記距離が前記距離情報より短い場合には、前記距離を新たな前記基準点の前記距離情報に更新する更新手順と、
   新たな基準点を選択し、前記工具配置ステップ、抽出ステップ、距離検出ステップおよび更新ステップを実行する繰り返し手順とを計算機に実行させるためのプログラム。
6. 製品加工時における製品形状に対する加工残しの形状を抽出する計算機によって使用される記憶媒体において、
   ３次元製品形状モデルの表面上に、任意の間隔で複数の基準点を生成する基準点生成ステップと、
   前記基準点の一つを選択する選択ステップと、
   選択した基準点から垂直方向上であってかつ該３次元製品形状モデルと加工工具との干渉をおこさせない位置に、前記加工工具を仮想配置する工具配置ステップと、
   前記加工工具の上から見て、加工工具に隠れる複数の上記基準点を抽出する抽出ステップと、
   抽出した複数の前記基準点と前記加工工具との前記垂直方向の距離を各々求める距離検出ステップと、
   求めた複数の前記距離と記憶した各前記基準点の距離情報を比較し、各々の前記基準点において、前記距離が前記距離情報より短い場合には、前記距離を新たな前記基準点の前記距離情報に更新する更新ステップと、
   新たな基準点を選択し、前記工具配置ステップ、抽出ステップ、距離検出ステップおよび更新ステップを実行する繰り返しステップとを計算機に実行させるプログラムを格納した計算機読出し可能可搬型記憶媒体。

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