JP6913058B2 - 加工シミュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械における加工シミュレーション装置に関する。

特開２００９−１１６７４５号公報（特許文献１）には、負荷情報表示機能を備えた数値制御装置が開示されている。
この装置では、実加工中に加工プログラムのブロック番号に対応させて記録された負荷情報が、工具がワークを切削する様子を表示する加工シミュレーションと共に、ブロック番号に対応して表示される。

特開２００９−１１６７４５号公報

上述の数値制御装置では、加工プログラムのブロック番号毎に、ワークの切削の様子と負荷情報とが、確認可能である。
しかし、上述の数値制御装置では、負荷情報が加工プログラムのブロック番号に対応して記憶されるため、加工プログラムを使用せず手動で機械を操作して行われた加工については、ワークの切削の様子及び負荷情報は、確認することができない。
そこで、本発明の主な目的は、加工プログラムを使用した加工だけでなく、手動で機械を操作して行われた加工においても、実際の工作機械の稼働状況が再現される加工シミュレーション装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具モデルと素材モデルとの相対位置を制御し、工具モデルによる素材モデルの加工を行うことで、工作機械における加工シミュレーションが行われる加工シミュレーション装置であって、前記工作機械からログデータとして時刻に対応させて取得した位置指令及び位置検出値の少なくとも一方を入力として加工シミュレーションが行われ、その結果が表示され、前記加工シミュレーションに対応する手動操作履歴を併せて表示可能であることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、上記発明において、前記工作機械からログデータとして時刻に対応させて取得した、主軸負荷値、送り軸負荷値、主軸回転数、温度、工具番号、加工プログラムのシーケンス番号、及び加工プログラムの起動指令のうちの少なくとも何れかが、併せて表示されることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、上記発明にあって、前記ログデータが時系列で表示され、当該表示に対する入力に基づいて、前記加工シミュレーションに係る時間の範囲が指定されることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、上記発明にあって、前記加工シミュレーションに対応する加工プログラムのブロックを併せて表示可能であることを特徴とするものである。

本発明の主な効果は、加工プログラムを使用した加工だけでなく、手動で機械を操作して行われた加工においても、実際の工作機械の稼働状況が再現される加工シミュレーション装置が提供されることである。

本発明に係る工作機械の加工シミュレーション装置のブロック図である。 図１のログデータ表示部に係る機械状態情報表示ウィンドウの図である。 図１の加工シミュレーション表示部に係る結果表示ウィンドウの図である。

以下、本発明に係る実施の形態やその変更例が、適宜図面に基づいて説明される。尚、本発明は、下記の実施の形態や変更例に限定されない。

図１は、工作機械１を制御するＮＣ装置２、及び本発明に係る工作機械１の加工シミュレーション装置４のブロック図である。
工作機械１は、ここでは互いに直交する直線軸であるＸＹＺ３軸及び回転軸であるＢＣ２軸を有する５軸制御マシニングセンタであり、工具が装着される主軸１０と、工具とワーク（素材）の相対位置の変更（直線移動による位置変更及び回転移動による位置変更の少なくとも一方）を行う各軸毎の送り軸１２と、主軸１０等の任意の箇所に設置され当該設置箇所の温度を検知する温度センサ１４と、工具交換装置（図示略）と、を備えている。
主軸１０は、その回転数を検出する回転数検出器１６を有している。
送り軸１２は、位置検出器１８を有している。ＸＹＺ各軸の位置及びＢＣ各軸の回転位置は、サーボモータ（図示略）により移動されるところ、各サーボモータに位置検出器１８が組み込まれている。尚、位置検出器１８は、主軸１０やワーク（テーブル）の位置を直接検出するものであっても良い。

ＮＣ装置２は、複数のブロックからなる加工プログラムＰあるいは手動操作入力部Ｍからの入力に基づいて主軸１０や送り軸１２を制御する機械制御部２０と、指令ログデータを取得する指令ログデータ取得部２２と、を備えている。
加工プログラムＰは、送り軸１２の移動指令あるいは主軸１０の回転指令、工具交換指令といった指令を行うブロックを１以上含むものであり、個々のブロックには識別符号としてのシーケンス番号が順次に与えられている。
手動操作入力部Ｍは、工作機械１を手動操作するための入力部であり、送り軸１２を操作するための手動送りボタンあるいはパルスハンドルと、主軸１０を操作するための主軸正転ボタン，主軸逆転ボタン及び主軸停止ボタンと、工具交換を操作するための工具交換ボタン等を含んでいる。尚、手動操作入力部Ｍにおいて、これらの一部が省略されても良い。
機械制御部２０は、加工プログラムＰのブロックを順次解釈し、主軸１０や送り軸１２、工具交換装置等に具体的な指令を所定のタイミングで（ここでは所定の制御周期毎に）出力して、これらを制御する。例えば、機械制御部２０は、送り軸１２の移動指令に応じて、目標位置までの経路を制御周期毎に分割した位置指令を、制御周期毎に送り軸１２へ出力する。又、機械制御部２０は、回転指令に応じて、指令した回転を主軸１０が行うように制御する。主軸１０の回転指令には、主軸１０の正転，逆転，回転数を指定する指令等が含まれ得る。
又、機械制御部２０は、手動操作入力部Ｍからの入力に基づき、主軸１０や送り軸１２、工具交換装置等に具体的な指令を出力して、これらを制御する。例えば、手動操作入力部Ｍに含まれる送り軸１２操作用の手動送りボタンあるいはパルスハンドル等からの入力により、送り軸１２に対して対応する指令を出力し、手動操作入力部Ｍに含まれる主軸１０操作用の主軸正転ボタン，主軸逆転ボタン及び主軸停止ボタン等からの入力により、主軸１０に対して対応する指令を出力し、手動操作入力部Ｍに含まれる工具交換操作用の工具交換ボタン等からの入力により、工具交換装置に工具交換指令を出力する。手動操作の場合、工作機械１のオペレータは、手動操作入力部Ｍによって、機械制御部２０を介して工具交換し、主軸１０，送り軸１２を制御し、主軸１０を任意の回転数で回転させ、送り軸１２を移動させ、工具による素材の削り取りつまり加工を行う。
機械制御部２０は、手動操作入力部Ｍ（手動送りボタン等）への入力に基づいて送り軸１２へ指令する場合、手動操作入力部Ｍの入力を解釈して、制御周期毎に分割した指令位置を、制御周期毎に送り軸１２に出力する。又、機械制御部２０は、手動操作入力部Ｍ（主軸正転ボタン等）への入力に基づいて主軸１０へ指令する場合、同様に手動操作入力部Ｍの入力を解釈して、回転指令を主軸１０に出力する。
指令ログデータ取得部２２は、加工プログラムＰのブロックの解釈あるいは手動操作入力部Ｍからの入力の解釈により発生した指令を特定のタイミングで（ここでは新たな指令が出力される毎に）時刻に対応付けて順次取得するものであり、取得された指令が時刻と対応付けられた状態で並んだデータが指令ログデータとなる。例えば、位置指令や回転指令、工具交換指令、使用されている工具番号、加工プログラムＰの起動指令、実行中のブロックの加工プログラムＰにおける位置（例えば先頭からの行数）、手動操作入力部Ｍの手動操作情報等が、その指令等が実行された時刻と共に、指令ログデータとして順次取得される。手動操作入力部Ｍの手動操作情報は、例えば手動送りボタンの押下の有無，主軸正転ボタンの押下の有無等である。
ＮＣ装置２は、工作機械１の制御を行う機能に加え、工作機械１の指令情報としての指令ログデータを取得する機能を有している。尚、指令ログデータを取得する機能を有する情報取得装置が別体で設けられても良い。

加工シミュレーション装置４は、ここでは加工シミュレーションアプリケーションを実行するＰＣ（パーソナルコンピュータ）であり、ログデータ記憶部３０と、ログデータ表示部３２と、加工シミュレーション用データ記憶部３４と、シミュレーション範囲指定部３６と、加工シミュレーション実行部３８と、加工シミュレーション表示部４０と、を備えている。

ログデータ記憶部３０は、ＮＣ装置２の指令ログデータ取得部２２と通信可能に接続されており、指令ログデータを逐次受信し、記憶する。尚、ログデータ記憶部３０は、ＮＣ装置２に含まれる構成とし、指令ログデータを直接取得しても良い。
又、ログデータ記憶部３０は、工作機械１の回転数検出器１６，位置検出器１８，及び温度センサ１４と通信可能に接続されており、任意のタイミングで（ここでは特定の取得周期毎に）、時刻に対応付けた状態で、主軸１０の回転数，送り軸１２の位置検出値，温度センサ１４の温度を逐次受信し、記憶する。これらの検出値（工作機械１の状態を示す機械状態情報）が時刻に対応付けられた状態で並んだデータが状態ログデータとなる。
尚、上記の取得周期と制御周期とは、互いに一致していても異なっていても良い。回転数，位置検出値，温度の受信や記憶のタイミングは、互いに異なるものとされても良く、回転数，位置検出値，温度の受信や記憶の何れかが省略されても良い。又、工作機械１は、回転数，位置検出値，温度を取得する状態ログデータ取得部を備えていても良く、ログデータ記憶部３０は、当該状態ログデータ取得部から回転数，位置検出値，温度を受信しても良い。状態ログデータ取得部及び指令ログデータ取得部２２は、ＮＣ装置２又は工作機械１において共通化されたログデータ取得部とされても良い。あるいは、ＮＣ装置２は、指令ログデータ取得部２２を備えず、ログデータ記憶部３０は、機械制御部２０から指令ログデータを受信しても良い。
又、状態ログデータは、主軸１０の主軸負荷，送り軸１２の送り軸負荷（各軸のサーボモータへのトルク指令に対応）も含んでいる。尚、これらの少なくとも何れかが省略されても良い。

ログデータ表示部３２は、キーボードやポインティングデバイスといった入力手段（図示略）によるログデータ表示操作の入力に基づいて、指令ログデータ及び状態ログデータの少なくとも一方の一部又は全部を表示する。
ログデータ表示部３２には、図２に示されるような機械状態情報表示ウィンドウ４２が表示される。機械状態情報表示ウィンドウ４２は、ここでは、縦軸がＺ軸負荷値で横軸が時刻であるグラフを表示する。
尚、機械状態情報表示ウィンドウ４２における表示の内容は、Ｚ軸負荷値に代えて、あるいはＺ軸負荷値と共に、他の軸に係る負荷値のグラフや、温度、主軸１０の回転数、工具交換時刻、工具番号、加工プログラムＰの起動時刻、あるいはこれらの組合せが表示されても良い。

加工シミュレーション用データ記憶部３４は、加工シミュレーションに用いる、工具を模した工具モデルや、加工前あるいは加工中のワーク（素材）を模した素材モデル、工作機械１を模した機械モデルに関する情報を記憶している。工具モデルは、工具交換装置に配備された複数種類の工具のそれぞれに係る、工具の３次元形状データや、工具の種類を示す工具識別符号としての工具番号を含んでいる。３次元形状データは、代表的な頂点や辺の中間点に係る３次元座標や、外面を構成する平面や曲面の大きさや曲率を適宜含み、他のモデルにおいても同様である。素材モデルは、素材の３次元形状データを含んでいる。機械モデルは、主軸１０や送り軸１２等の主要構造物の３次元形状データや、互いの位置関係のデータ、送り軸１２による移動機構のデータを含んでいる。
各種のモデルは、予め種々の方式によって入力されている。例えば、機械モデルは、工作機械メーカーが予め入力し、工具モデルのうち工作機械メーカー提供のものは工作機械メーカーが予め入力し、工具モデルのうち外部提供のものや素材モデルは、ユーザーが３次元ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）アプリケーションや加工シミュレーションアプリケーションに組み込まれた３次元形状入力機能により予め入力する。

シミュレーション範囲指定部３６は、上述の入力手段により加工シミュレーションを行う範囲を指定するものである。
加工シミュレーション実行部３８は、シミュレーション範囲指定部３６での指定に応じ、加工シミュレーション用データ記憶部３４における各種のモデルや、ログデータ記憶部３０に記憶されたログデータを適宜参照して、次のような加工シミュレーションを実行するものである。即ち、加工シミュレーション実行部３８は、時刻に対応付けられた工具交換指令によって工具モデルを交換し、位置指令によって機械モデルの軸構造を移動し、工具モデルによる素材モデルの削り取りを行う。
又、加工プログラムＰによる加工の場合、加工シミュレーション実行部３８は、加工シミュレーション用データ記憶部３４に格納された加工プログラムＰと、ログデータ記憶部３０の時刻に対応付けられた実行中のブロックの加工プログラムＰにおける位置によって、加工シミュレーションと同期して加工プログラムＰの実行箇所を表示する。
加工シミュレーション表示部４０は、加工シミュレーション実行部３８で得られた結果を表示する。

ログデータ記憶部３０及び加工シミュレーション用データ記憶部３４は、ＰＣの記憶手段（例えばハードディスクやメモリ）により実現される。
加工シミュレーション実行部３８は、ＰＣのＣＰＵ（中央処理装置）により実現される。
ログデータ表示部３２及び加工シミュレーション表示部４０は、ＰＣのモニタにより実現される。

かような工作機械１の加工シミュレーション装置４は、例えば次のように動作する。
即ち、工作機械１において加工プログラムＰによりあるいは手動操作で加工がなされ、加工の開始から終了（中断を含む）までのログデータがログデータ記憶部３０に蓄積された後、加工シミュレーションを開始する。加工シミュレーション実行部３８は、ログデータの少なくとも一種類（例えば主軸１０の負荷値のログデータ）をログデータ表示部３２において表示し、シミュレーション範囲指定部３６における範囲指定を受け付ける。範囲指定は、ログデータ表示部３２に表示された機械状態情報表示ウィンドウ４２のグラフに対し、例えば、矢印Ｄが指す部分に対する入力に基づいて、入力に係る負荷値を呈する時刻を指定時刻として取得することによって行える。シミュレーション範囲は、開始時刻と終了時刻の双方を指定しても良いし、どちらか一方を指定して、加工の冒頭に相当する時刻から指定時刻まで、若しくは、指定時刻からログデータの末尾に相当する時刻までをシミュレーション範囲としても良い。尚、矢印Ｄは、表示されなくても良い。

次いで、加工シミュレーション実行部３８は、シミュレーション範囲指定部３６で指定された範囲においてログデータ記憶部３０におけるログデータを入力とし、更に加工シミュレーション用データ記憶部３４における各種モデルを参照して、工作機械１に係る加工シミュレーションを実行する。加工シミュレーションにおける時系列は、位置指令の出力時刻順に従う。尚、当該時系列は、位置指令の出力時刻順に代えて、位置指令の入力時刻順や、位置検出値の出力時刻順等とされても良い。
ログデータ表示部３２には、シミュレーション範囲指定部３６で指定された範囲（加工シミュレーションを実行する時刻の範囲）に合わせて、ログデータ記憶部３０におけるログデータ（手動操作時には手動操作情報を含む）が表示される。

続いて、加工シミュレーション実行部３８は、図３に示されるように、加工シミュレーションの結果を加工シミュレーション表示部４０において表示する。

即ち、加工シミュレーション表示部４０には、図３に示されるような結果表示ウィンドウ５０が表示される。結果表示ウィンドウ５０は、中央に配置されたモデル表示部５２と、左側に配置されたＮＣ情報表示部５４と、その右隣に配置された負荷率表示部５６と、右側に配置された指令表示部５８と、を有する。

モデル表示部５２には、所定の時刻に係るブロック（加工プログラムによる加工時）あるいは指令（加工プログラムによる加工時又は手動操作加工時）を実行している時の、各種のモデルやログデータに従った３次元を模した２次元の画像が表示される。例えば、加工シミュレーション実行部３８は、主軸１０のモデル（各頂点の３次元座標値等）を、仮想的な３次元空間中で、Ｘ軸の位置指令の値に応じた位置に直線移動させて２次元の画像に変換し、モデル表示部５２に表示させたり、同様に素材モデルが載るテーブルのモデルを、Ｂ軸の位置指令の値に応じた位置に回転移動させ画像として表示させたり、工具モデルが素材モデルに接触しあるいは重複した場合には、ログデータが示す主軸１０の回転数に応じ、仮想的な３次元空間内で素材モデルを仮想的に削り取り、その状態を含めて画像に変換して表示させたりする。即ち、加工シミュレーション実行部３８は、工具モデルと素材モデルとの相対位置を制御し、工具モデルによる素材モデルの加工（ここでは削り取り，切削）を、仮想的な３次元空間内で実行して、所定の視点や視線に従った２次元画像としてモデル表示部５２において表示させる。尚、主軸１０の回転数は、加工シミュレーションにおいて必須とは言えず、用いられなくても良い。
加工シミュレーション実行部３８は、モデル表示部５２に対する入力（例えばポインティングデバイスのドラッグ）に基づいて、当該画像における視点や視線を変更した新たな画像をモデル計算等の演算により生成して表示することができる。例えば、加工シミュレーション実行部３８は、計算された視点や視線に基づき、頂点等の３次元座標値を２次元の画像中の頂点等の位置に変換する。
尚、加工シミュレーション実行部３８は、結果表示ウィンドウ５０左上の再生ボタン６０に対する入力に基づいて、位置指令の時系列順の画像表示、即ち動画の表示を行い、一時停止ボタン６２，停止ボタン６４に対する入力に基づいて、動画表示を一時停止，停止する。又、当該画像中（各種モデル）における主軸１０や工具，刃先，素材（ワーク），台，ターンテーブル，テーブルといった部材毎あるいはその主要な部分毎に、互いに異なる色が付されていても良い。

ＮＣ情報表示部５４には、モデル表示部５２における表示中のシーケンス番号（加工プログラムによる加工時）あるいは指令時刻（加工プログラムによる加工時又は手動操作加工時）と、送り軸１２の各軸の指令値と、主軸１０の回転数（主軸回転数）等が表示される。
負荷率表示部５６には、表示対象指令時刻に係る各軸の負荷率が表示される。負荷率は、各軸の負荷値を、各々の軸の定格負荷で割って１００倍したもの（％）である。「Ｓ」は主軸１０の負荷値（主軸負荷値）を示し、他は送り軸１２の各軸の負荷値を示す。主軸負荷値や各軸の負荷値（加工プログラムによる加工時又は手動操作加工時）、シーケンス番号（加工プログラムによる加工時）は、機械状態情報に該当する。

指令表示部５８には、加工プログラムＰによる加工の場合、実行中のブロック及びその前後のブロックを含む加工プログラムＰの一部又は全部が表示され、実行中のブロックは、強調して表示される。
尚、加工シミュレーション実行部３８は、指令表示部５８への入力に基づいて、モデル表示部５２等における表示を変更しても良い。即ち、加工シミュレーション実行部３８は、指令表示部５８の任意の行に対する入力に基づき、そのブロックに対応する画像等の表示をさせても良い。又、結果表示ウィンドウ５０と機械状態情報表示ウィンドウ４２とは、同時に、並べてあるいは一部重畳した状態で表示させることが可能である。又、結果表示ウィンドウ５０において、機械状態情報が表示されても良く、逆に機械状態情報表示ウィンドウ４２内に、指令値が表示されても良い。
他方、手動操作による加工の場合、指令表示部５８には手動操作履歴が表示される。手動操作履歴は、手動操作情報の変化をメッセージ形式で表したものであり、例えば「主軸正転ボタンの押下」，「Ｘ軸手動送りボタンの押下」といったように表示される。当該表示は、加工シミュレーションにおいて参照されるログデータの時刻に合わせて、手動操作履歴の実行箇所が強調して表示される。
加工プログラムＰによる加工の途中に、手動による機械操作を介入させる手動割り込みを行う場合には、指令表示部５８において、現在参照している時刻における実行中のブロック及び手動操作履歴の少なくとも一方が表示される。

以上の加工シミュレーション装置４では、工具モデルと素材モデルとの相対位置を制御し、工具モデルによる素材モデルの加工を行うことで、工作機械１における加工シミュレーションが行われ、工作機械１からログデータとして時刻に対応させて取得した位置指令及び位置検出値の少なくとも一方を入力として加工シミュレーションが行われ、その結果が表示される。よって、加工シミュレーション装置４上で、工作機械１における過去の実際の稼働状況が再現されることとなり、例えば過去の実際の加工時に、オペレータが主軸１０や送り軸１２のオーバーライド変更等の手動操作を行った場合であっても、当該操作が反映された正確な加工シミュレーションが可能となる。又、ログデータとして取得した位置検出値が加工シミュレーションで検証可能であり、かような検証により、工作機械１における位置指令と位置検出値との差である追従誤差がもたらす加工形状への影響が、検証可能である。加えて、手動送りボタン等の手動操作入力部Ｍを使用してオペレータが手動操作で加工を行った場合においても、加工シミュレーションは実行可能である。
更に、工作機械１からログデータとして時刻に対応させて取得した、主軸１０の負荷値、送り軸１２の負荷値、主軸１０の回転数、及び加工プログラムＰのシーケンス番号が、併せて表示される。よって、オペレータは、主軸負荷値や、送り軸負荷値、主軸回転数、加工プログラムＰのシーケンス番号を加工シミュレーションの結果表示と同時に参照することができ、稼働状況の把握やトラブルシューティングが更に容易となる。
又更に、ログデータが時系列で表示され、当該表示に対する入力に基づいて、加工シミュレーションに係る時間の範囲が指定される。よって、オペレータは、加工シミュレーションの対象とする所望の範囲指定を容易に行うことができる。
加えて、加工シミュレーションに対応する加工プログラムＰのブロック及び手動操作履歴の少なくとも一方が併せて表示される。よって、例えば加工シミュレーションの結果表示において切削の状態に変化がないにもかかわらず主軸１０の負荷値が大きく変化するような場合には、その加工により工具折損等の異常が発生していたと把握できる等、稼働状況の把握やトラブルシューティングがより一層容易となる。

尚、本発明に係る工作機械の加工シミュレーション装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
例えば、工作機械１は、５軸制御マシニングセンタ以外のものとされても良く、工作機械１による加工は、切削以外のものとされても良い。
又、加工シミュレーション装置４は、ログデータ記憶部３０に複数の工作機械１及びＮＣ装置２のログデータを記憶し、工作機械１及びＮＣ装置２の各構成毎に切り替えて加工シミュレーションを行っても良い。この場合、加工シミュレーション用データ記憶部３４は、複数の工作機械１の加工シミュレーションを行うために必要な機械モデル，工具モデル，素材モデル，治具モデル等を記憶しており、加工シミュレーション実行部３８は、対象のログデータに合わせて、検証に必要な機械モデル等を選択して参照する。

１・・工作機械、４・・加工シミュレーション装置、１０・・主軸、１２・・送り軸、Ｐ・・加工プログラム。

Claims (4)

1. 工具モデルと素材モデルとの相対位置を制御し、工具モデルによる素材モデルの加工を行うことで、工作機械における加工シミュレーションが行われる加工シミュレーション装置であって、
   前記工作機械からログデータとして時刻に対応させて取得した位置指令及び位置検出値の少なくとも一方を入力として加工シミュレーションが行われ、その結果が表示され、前記加工シミュレーションに対応する手動操作履歴を併せて表示可能である
   ことを特徴とする加工シミュレーション装置。
2. 前記工作機械からログデータとして時刻に対応させて取得した、主軸負荷値、送り軸負荷値、主軸回転数、温度、工具番号、加工プログラムのシーケンス番号、及び加工プログラムの起動指令のうちの少なくとも何れかが、併せて表示される
   ことを特徴とする請求項１に記載の加工シミュレーション装置。
3. 前記ログデータが時系列で表示され、当該表示に対する入力に基づいて、前記加工シミュレーションに係る時間の範囲が指定される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加工シミュレーション装置。
4. 前記加工シミュレーションに対応する加工プログラムのブロックを併せて表示可能である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の加工シミュレーション装置。

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