JP7440438B2 - 公差解析システム - Google Patents

Description

本発明は、製造時の加工ばらつきの影響を含めて評価が可能な公差解析システムに関するものである。

近年、３次元データを活用した設計段階での作り込みにより，コスト低減と開発効率の向上を狙ったフロントローディングの動きが活発化している。製造物の寸法は設計基準値から実際の製造における加工ばらつきの影響等を予測して寸法の公差を指定する必要がある。寸法公差を設計者が適切に評価することによって、製品の不良率低減や手戻りの防止を実現するフロントローディングが可能になる。特許文献1では、部品組立時の最適最小隙間値を算出し、設計者を支援する公差解析システムを示している。

特許文献１は、設計データ及び各構成部品の寸法公差を定義する寸法条件設定部と、定義された寸法公差を用いて一次解析を実行して、分散または偏差を求める一次解析実行部と、一次解析実行部で求めた分散または偏差を用いて設計仕様値に対しての要求品質を満足する隙間値を逆算し、最適な最小の隙間値である最適最小隙間値を算出する最小隙間演算部を備えている。

特開２００９－１４６１６２号公報

特許文献１では、公差解析を行う上で、コントロールすべき寸法値を属性情報により、決定することができる。寸法公差値は属性値情報と限界公差テーブルと合わせて決定できると記載されている。

しかしながら、限界公差テーブルを備えているものの、限界公差は例えば４Ｍ（Ｍａｎ、Ｍａｔｅｒｉａｌ、Ｍａｃｈｉｎｅ、Ｍｅｔｈｏｄ、つまり、人、材料、機械、方法、以下も同じ）の変動によって常に変化するため、根拠ある製造時のばらつきを定量的に評価するものではない。

さらに、寸法公差はたとえば、材料調達時のコストと密接に関連しており、材料入手時の調達コストが高い場合は相対的に材料の特性ばらつきが小さく、一方で調達コストが低い場合は相対的に材料の特性ばらつきが大きくなる傾向にある。そのため、要求される製造品質に応じて、ＱＣＤ（Ｑｕａｌｉｔｙ、Ｃｏｓｔ、Ｄｅｌｉｖｅｒｙ、つまり、品質、コスト、納期、以下も同じ）の情報を寸法公差と紐づけることによって、設計者が製造性を考慮したフロントローディング設計が実現できる。特許文献１では、上述したＱＣＤの情報は考慮されていないため、製造性の考慮が十分ではない。

本発明の目的は、４ＭおよびＱＣＤを考慮した公差を選定できるようにする公差解析システムを提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、加工対象のばらつき要因とＱＣＤ情報を記録する記録部と、
前記ばらつき要因から加工対象の加工後の寸法誤差を計算する寸法誤差計算部と、
前記寸法誤差計算部の計算結果からデータ補間をするデータ補間部と、
前記データ補間部の出力から公差情報を生成し、前記ＱＣＤ情報から前記公差情報に関する前記ＱＣＤ情報を付与する公差情報生成部とを有する公差解析システムである。

本発明によれば、４ＭおよびＱＣＤを考慮した公差を選定できるようにする公差解析システムを実現することができる。

実施例１の公差解析システムの全体を示す説明図である。 実施例１の公差情報生成部の一例を説明する図である。 データ補間部によって得られた結果の例を示す図である。 データ補間部によって得られた結果の他の例を示す図である。 実施例１の公差判定確認画面を示す図である。 実施例１のＱＣＤ情報確認画面を示す図である。 実施例１の公差解析システムのフローチャートを示す図である。

本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施例１の公差解析システムの全体を示す説明図である。公差解析結果表示部１１、ＱＣＤ情報表示部１２、加工誤差範囲計算部２、ばらつき要因記録部３、データベース記録部４を備える。

加工誤差範囲計算部２は、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）計算を実行する寸法誤差計算部２１、データ補間部２２、公差情報生成部２３を含んでいる。ここで、「加工」とは新しい製品を作るために必要な作業であり、切削加工や、プレス、押出成形、圧延成形、抜き成形、絞り成形を含む金属の塑性加工、樹脂の成形加工を含む。ここでのＣＡＥ計算は、製造時に生じる材料特性ばらつき、製造時の被加工対象物や加工に必要な治具の設置方法、被加工対象物の加工条件の影響を含んだプロセスＣＡＥ計算を実行することを意味する。

ばらつき要因記録部３は、材料特性記録部３１、加工条件記録部３２を含んでいる。さらにデータベース記録部４は、調達コストデータ４１、加工コストデータ４２、作業標準時間データ４３、マシンタイムデータ４４を含んでいる。

寸法誤差計算部２１、データ補間部２２、公差情報生成部２３に対応するプログラムをメモリなどに記録しておき、プロセッサもしくはコンピュータが、そのプログラムを読み出して、実行することで、加工誤差範囲計算部２における各処理部が実行される。プロセッサの一例としてはＣＰＵやＧＰＵが考えられるが、所定の処理を実行する主体であれば他の半導体デバイスでもよい。

ばらつき要因記録部３、データベース記録部４は、一般的なコンピュータの補助記憶装置である。補助記憶装置は、例えば、磁気記憶装置（ＨＤＤ：Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、フラッシュメモリ（ＳＳＤ：Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）などの大容量かつ不揮発性の記憶装置である。

公差解析結果表示部１１、ＱＣＤ情報表示部１２は、加工誤差範囲計算部２で計算した公差解析結果や、データベース記録部４から取得したＱＣＤ情報を表示する機能を有する。公差解析結果表示部１１、ＱＣＤ情報表示部１２は、プロセッサもしくはコンピュータ、メモリや補助記憶装置、モニタなどを有し、加工誤差範囲計算部２からの指示を受け、取得したデータを表示させる。

ここでは例として切削加工における具体的な公差解析の方法を述べる。切削加工では材料の物性値（例えば、ヤング率、降伏応力、加工硬化係数等）によって、切削抵抗が変化する。切削抵抗が変化する場合、例えば、有限要素解析ソフトを用いることで被削材の加工後の寸法を見積もることが可能である。つまり、事前に入手した被削材のヤング率、降伏応力、加工硬化係数等のばらつき量を把握することで、寸法誤差計算部２１は、ＣＡＥ解析により被削材の加工後の寸法誤差を計算することが可能である。材料特性の値は材料特性記録部３１に記録されている。

切削加工のＣＡＥ解析では他にも工具の振れ回り量や工具の突き出し量の影響を計算することができる。工具の振れ回り量や工具の突き出し量は加工する際に作業者が切削工具を切削機に取り付ける際に生じる。そのため、作業者に依存して生じるパラメータである。材料の物性値と同様に、事前に入手した作業中に生じうる振れ回り量や工具の突き出し量を加工条件記録部３２に記録する。そのようにすることで、４Ｍに関係する作業者に依存した加工後の寸法誤差を、寸法誤差計算部２１が、ＣＡＥ解析にて算出することが可能である。

データ補間部２２は、寸法誤差計算部２１にて得られた解析結果を、データ補間する。例えばモンテカルロ法等による乱数計算によって、加工誤差量の３σ値（統計量である標準偏差の３倍値）を得るために準備する。３σ値は製造時に生じる加工後寸法範囲が９９．７％の確率で含まれる値であるため、製造可能な加工後寸法範囲を見積もる値として望ましい。

図２は、実施例１の公差情報生成部の一例を説明する図である。図２の横軸は、寸法誤差（ｍｍ）を示し、縦軸は横軸に対応した頻度（回数）を示す。

図２に示すようにデータ補間部２２から出力される、補間されたデータから被削材の加工寸法平均値（図２中のＭ Ｖａｌｕｅ）が生成され、加工寸法平均値に対して、被削材寸法の範囲を示す－３σ値、＋３σ値を算出することが可能となる。公差情報生成部で算出された加工寸法平均値および－３σ値、＋３σ値が製造時に生じうるばらつきの影響を考慮した上での製造可能公差、つまり公差情報生成部２３の生成する公差となる。

図３は、データ補間部２２によって得られた結果の一例を示す図であり、工具振れ回り量の３σ値と被削材の加工誤差量の３σ値の関係を示すものである。図３の横軸は、工具振れ回り量の３σ値（ｍｍ）を示し、縦軸は横軸に対応した被削材の加工誤差量の３σ値（ｍｍ）を示す。

また、図４は、データ補間部２２によって得られた結果の他の例を示す図であり、工具の突き出し量の３σ値と被削材の加工誤差量の３σ値の関係を示すものである。図４の横軸は、工具の突き出し量の３σ値（ｍｍ）を示し、縦軸は横軸に対応した被削材の加工誤差量の３σ値（ｍｍ）を示す。

図２で示した他にも図３や図４のように個別のパラメータが影響を及ぼす加工誤差量も算出することが可能であり、データ補間部２２では適宜必要に応じた誤差量を確認することができる。

データベース記録部４は、加工誤差範囲計算部２に合わせて計算された製造可能公差の範囲内で、設計者が公差を指定した際に材料コスト、加工コスト、作業時間、マシンタイムの影響を設計者に提示するための部分である。データベース記録部４は設計者が把握するために用いられるＱＣＤ（Ｑｕａｌｉｔｙ、Ｃｏｓｔ、Ｄｅｌｉｖｅｒｙ、つまり、品質、コスト、納期）情報を記録する。

図５は、公差判定確認画面を示している。加工誤差範囲計算部２によって算出した許容寸法誤差が画面上に提示され、その範囲内で設計者が公差を入力する画面となっている。

選定した公差に対してＱＣＤ情報を得るための表示ボタンが準備される。表示ボタンを押すと、図６に示すように、ＱＣＤ情報確認画面が表示される。設計者が指定した公差ならびに対応する部品に基づいて、当該公差に対応した調達コスト、加工コスト、作業標準時間、マシンタイムのいずれか、もしくは、それらを組み合わせた全ての予想値を、データベース部のデータから選択して公差情報生成部２３が取得する。そして、その取得したデータをＱＣＤ情報表示部１２がＱＣＤ情報確認画面として表示する。

各項目は範囲も表示され、指定した公差に対するＱＣＤ予想値がどの範囲なのか把握することが可能となる。ここでは確認画面として、数値を表示させる説明をしたが、グラフ表示等、視覚的に設計者がわかりやすい情報を提示してもよい。公差判定確認画面とＱＣＤ情報確認画面で得られた情報から設計者は要求仕様に対して、製造可能な寸法公差と調達コスト、加工コスト、作業標準時間、マシンタイムを適切に判断することが可能になる。

図７は、公差解析システムのフローチャートを示す図である。まず、寸法誤差計算部２１が、３次元ＣＡＤ形状データを取り込む（ステップＳ１）。

次に、寸法誤差計算部２１が、取り込んだ３次元ＣＡＤ形状に対して製造プロセスを考慮したＣＡＥ解析を実行する（ステップＳ２）。

データ補間部２２が、寸法誤差計算部２１が実行した結果からデータ補間を実行する（ステップＳ３）。

データ補間部２２からのデータから公差情報生成部２３が、製造可能加工誤差（許容寸法誤差）を計算し、公差解析結果表示部１１に製造可能加工誤差（許容寸法誤差）を表示させる（ステップＳ４）。

製造可能加工誤差を参考に設計者から寸法公差の入力を受付ける（ステップＳ５）。

公差情報生成部２３が、寸法公差の入力に合わせてＱＣＤ情報を記録するデータベース記録部４から上述した加工コスト等のＱＣＤ情報を付与し、ＱＣＤ情報表示部１２にＱＣＤ情報を表示させる（ステップＳ６）。

その後、設計者からＳ５で選定した寸法公差でよいかどうかの公差判定の入力を受付ける（ステップＳ７）。

選定した寸法公差でよいという判定の場合（Ｓ７でＯＫ）には、公差解析は終了する（ステップＳ８）。

ＱＣＤの情報を考慮し、顧客要求値とコストバランスが釣り合わない場合など、選定した寸法公差でよくないと判定する場合（Ｓ７でＮＧ）には、ステップＳ５に戻る。そして、設計者からの寸法公差の入力を受け、寸法公差の入力に合わせてＱＣＤ情報を記録するデータベース記録部４から上述した加工コスト等のＱＣＤ情報を付与したＱＣＤ情報を表示させる。（ステップＳ６）そして、設計者による公差判定の再評価を受ける（ステップＳ７）。

本実施例によれば、製造時の加工誤差とＱＣＤの影響を定量的に設計者が知ることが可能であり、４ＭおよびＱＣＤを考慮した公差を選定できるように、設計者の判断を支援する公差解析システムを実現できる。

１１・・・・公差解析結果表示部
１２・・・・ＱＣＤ情報表示部
２・・・加工誤差範囲計算部
２１・・・寸法誤差計算部
２２・・・データ補間部
２３・・・公差情報生成部
３・・・ばらつき要因記録部
３１・・・材料特性記録部
３２・・・加工条件記録部
４・・・データベース記録部
４１・・・・調達コストデータ
４２・・・加工コストデータ
４３・・・・作業時間データ
４４・・・・マシンタイムデータ

Claims (8)

1. 加工対象のばらつき要因とＱＣＤ情報を記録する記録部と、
   前記ばらつき要因から加工対象の加工後の寸法誤差を計算する寸法誤差計算部と、
   前記寸法誤差計算部の計算結果からデータ補間をするデータ補間部と、
   前記データ補間部の出力から公差情報を生成し、前記ＱＣＤ情報から前記公差情報に関する前記ＱＣＤ情報を付与する公差情報生成部とを有し、
   作業者に依存した加工後の寸法誤差を、前記寸法誤差計算部が、ＣＡＥ解析にて算出する公差解析システム。
2. 請求項１に記載の公差解析システムにおいて、
   表示部を有し、
   前記表示部は、
   前記公差情報を表示し、選定された選定公差を入力する公差解析システム。
3. 請求項２に記載の公差解析システムにおいて、
   前記表示部は、
   前記選定公差に対応した前記ＱＣＤ情報を表示する公差解析システム。
4. 請求項１に記載の公差解析システムにおいて、
   前記寸法誤差計算部は、
   前記加工対象の材料の物性値のばらつき量から加工後の寸法誤差を計算する公差解析システム。
5. 請求項１に記載の公差解析システムにおいて、
   前記データ補間部は、
   乱数計算を実行する公差解析システム。
6. 請求項１に記載の公差解析システムにおいて、
   前記公差情報生成部は、
   統計量から製造可能誤差を算出する公差解析システム。
7. 請求項１に記載の公差解析システムにおいて、
   前記ばらつき要因は、
   前記加工対象のヤング率、降伏応力、もしくは加工硬化係数のいずれか、もしくは組み合わせのばらつき量である公差解析システム。
8. 請求項１に記載の公差解析システムにおいて、
   前記ＱＣＤ情報は、
   調達コスト、加工コスト、作業時間、もしくはマシンタイムのいずれか、もしくは組み合わせの情報である公差解析システム。

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