(57)【要約】【課題】工具干渉を防止し、簡易的且つ正確に加工を行うことを可能にする。【解決手段】操作部３からの加工指示出力が表示された被加工物と工具との相対的移動に対して不適切である場合、その旨を操作部３を介してユーザに通知する制御部２を設ける【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
手動操作に対応した加工指示を出力するための手動加工指示手段と、
被加工物と当該被加工物の加工に供せられる工具とを表示するための表示手段と、
前記手動加工指示手段からの加工指示出力に基づいて前記表示手段に表示された前記被加工物と前記工具とを相対的に移動させ、これにより前記表示手段上にて前記被加工物の加工シミュレーションを行わせるための演算処理手段と
を備える加工シミュレーション装置であって、
前記演算処理手段は、前記手動加工指示手段からの加工指示出力が前記表示手段に表示された前記被加工物と前記工具との相対的移動に対して不適切な加工指示であることを判別するための不適切加工指示検出手段を備え、
前記手動加工指示手段は、前記不適切加工指示検出手段からの出力に対応して作用反力を生成するための反力生成手段を備え、
前記不適切加工指示検出手段により不適切な加工指示が検出された場合、前記反力生成手段はその旨を前記手動加工指示手段に伝達する
ことを特徴とする加工シミュレーション装置。
【請求項２】
前記演算処理手段は、前記手動加工指示手段により指示される操作方向あるいは操作量の少なくとも一方を求めるための手動加工指示内容判別手段を備え、
前記不適切加工指示検出手段により不適切な加工指示が検出された場合、前記手動加工指示内容判別手段からの出力を前記反力生成手段に供給し、
前記反力生成手段は、前記操作方向あるいは操作量の少なくとも一方に対応した作用反力を生成する
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。
【請求項３】
前記反力生成手段は、２軸あるいは３軸の方向に作用反力を生成する機構を備え、前記手動加工指示内容判別手段からの出力に対応した軸方向に作用反力を生成することを特徴とする請求項２に記載の加工シミュレーション装置。
【請求項４】
前記手動加工指示内容判別手段は、前記手動加工指示手段により指示される操作方向及びその移動量を判別し、当該操作方向および当該移動量に対応した出力を前記反力生成手段に供給し、
前記反力生成手段は、前記操作方向及び前記移動量に対応した作用反力を生成する
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の加工シミュレーション装置。
【請求項５】
被加工物と当該被加工物の加工に供せられる工具とを画面に表示させ、手動加工指示手段による手動操作に対応した加工指示に基づいて前記画面に表示された前記被加工物と前記工具とを相対的に移動させ、これにより前記画面上にて前記被加工物の加工シミュレーションを行わせる加工シミュレーション方法であって、
手動加工指示手段による加工指示出力が前記画面に表示された前記被加工物と前記工具との相対的移動に対して不適切な加工指示であることが判明した場合、前記手動加工指示手段による手動操作に対応した作用反力を発生させる
ことを特徴とする加工シミュレーション方法。
【請求項６】
前記手動加工指示手段により指示される操作方向と操作量の少なくとも一方に対応した前記作用反力を発生させることを特徴とする請求項５に記載の加工シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を任意の形状に加工するにあたってシミュレーションを行うための加工シミュレーション装置及び加工シミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータにより制御されたサーボモータ等を用いることにより工具や加工対象物を移動させ、これを加工するＮＣ（Numerical Control）工作機械は、様々な製造分野で用いられている。
【０００３】
このＮＣ工作機械を使用して加工を行うにあたっては、工具の指向方向や移動経路等を示したＮＣデータを予め生成しておく必要がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２２８７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１３は、上記のようなＮＣ工作機械の動作工程の一例を示す図である。図示するように、一般的なＮＣ工作機械においては、まずＣＡＤ（Computer Aided Design）データを作成し（ステップＳ１００１）、工程設計を行う（ステップＳ１００２）。次に、加工形状や工程より治具の作成が必要な場合（ステップＳ１００３：ＹＥＳ）は、治具を設計し（ステップＳ１１０４）、これを作製し（ステップＳ１００５）、ＮＣ工作機械内にセットアップする。
【０００５】
一方、治具の作製が必要ではない場合（ステップＳ１００３：ＮＯ）、ＮＣデータが作成され（ステップＳ１００６）、治具がセットアップされる（ステップＳ１００７）。
【０００６】
治具のセットアップが完了すると、加工対象物がＮＣ工作機械内にセットアップされ（ステップＳ１００８）、加工が実行される（ステップＳ１００９）。
【０００７】
次に、加工が完了し、且つステップＳ１００３において定められた全ての工程が完了している場合（ステップＳ１０１０：ＹＥＳ）は、処理が完了する。
【０００８】
一方、全ての工程が完了していない場合（ステップＳ１０１０：ＮＯ）は、ステップＳ１００３からステップＳ１０１０までの動作が反復して実行される。
【０００９】
このように従来の処理手順においては、治具の作製や工程の反復実行が必要であり、簡易的に加工を行うことができない。この点は、製品の製造のみならず、その試作品を迅速に製作する（ラピッドプロトタイピング）にあたっての障害となる場合がある。
【００１０】
また、ＮＣデータを作成するにあたっては、ユーザの経験の蓄積が必要であり、簡易性に富むとはいえない。
【００１１】
さらに、対象物の加工形状、工具の向きや移動経路によっては工具と加工対象物とが干渉し、正確な加工を行うことができなくなる場合がある。したがって、この工具干渉も確実に防止する必要がある。
【００１２】
このような事情に鑑み本発明は、工具干渉を防止し、簡易的且つ正確に加工を行うことを可能にする加工シミュレーション装置及び加工シミュレーション方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の本発明は、手動操作に対応した加工指示を出力するための手動加工指示手段と、被加工物と被加工物の加工に供せられる工具とを表示するための表示手段と、手動加工指示手段からの加工指示出力に基づいて表示手段に表示された被加工物と工具とを相対的に移動させ、これにより表示手段上にて被加工物の加工シミュレーションを行わせるための演算処理手段とを備える加工シミュレーション装置であって、演算処理手段は、手動加工指示手段からの加工指示出力が表示手段に表示された被加工物と工具との相対的移動に対して不適切な加工指示であることを判別するための不適切加工指示検出手段を備え、手動加工指示手段は、不適切加工指示検出手段からの出力に対応して作用反力を生成するための反力生成手段を備え、不適切加工指示検出手段により不適切な加工指示が検出された場合、反力生成手段はその旨を手動加工指示手段に伝達することを要旨とする。
【００１４】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の発明において、演算処理手段は、手動加工指示手段により指示される操作方向あるいは操作量の少なくとも一方を求めるための手動加工指示内容判別手段を備え、不適切加工指示検出手段により不適切な加工指示が検出された場合、手動加工指示内容判別手段からの出力を反力生成手段に供給し、反力生成手段は、操作方向あるいは操作量の少なくとも一方に対応した作用反力を生成することを要旨とする。
【００１５】
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の発明において、反力生成手段は、２軸あるいは３軸の方向に作用反力を生成する機構を備え、手動加工指示内容判別手段からの出力に対応した軸方向に作用反力を生成することを要旨とする。
【００１６】
請求項４に記載の本発明は、請求項２又は３に記載の発明において、手動加工指示内容判別手段は、手動加工指示手段により指示される操作方向及びその移動量を判別し、操作方向および移動量に対応した出力を反力生成手段に供給し、反力生成手段は、操作方向及び移動量に対応した作用反力を生成することを要旨とする。
【００１７】
請求項５に記載の本発明は、被加工物と被加工物の加工に供せられる工具とを画面に表示させ、手動加工指示手段による手動操作に対応した加工指示に基づいて画面に表示された被加工物と工具とを相対的に移動させ、これにより画面上にて被加工物の加工シミュレーションを行わせる加工シミュレーション方法であって、手動加工指示手段による加工指示出力が画面に表示された被加工物と工具との相対的移動に対して不適切な加工指示であることが判明した場合、手動加工指示手段による手動操作に対応した作用反力を発生させることを要旨とする。
【００１８】
請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の発明において、手動加工指示手段により指示される操作方向と操作量の少なくとも一方に対応した作用反力を発生させることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、工具干渉を防止し、簡易的且つ正確に加工を行うことを可能にする加工シミュレーション装置及び加工シミュレーション方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例について説明するが、これらの実施例は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施例を採用することが可能であるが、これらの実施例も本発明の範囲に含まれる。
【実施例】
【００２１】
図１は、本発明の一実施例に係る加工装置１の構成図である。この加工装置１は、コンピュータにより設計から製造までを行うＣＡＤ／ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）装置であり、制御部２と、操作部３と、ＮＣ工作部４とからなる。
【００２２】
図２は、図１の制御部２の構成図である。この制御部２は、ＣＡＤデータ作成部２１と、ＮＣデータ作成部２２と、ユーザインタフェース部２３とからなる。
【００２３】
ユーザインタフェース部２３には、後述するパラメータの入力といった各種操作を行うためのキーボード及びマウスや、各種情報を表示するためのディスプレイ等が含まれる。
【００２４】
ＣＡＤデータ作成部２１は、加工対象物（被加工物）等のＣＡＤデータ、換言すれば仮想的な工具及び加工対象物に関するデータを作成する。このＣＡＤデータ作成部２１により作成されたデータはユーザインタフェース部２３のディスプレイに表示される。
【００２５】
ＮＣデータ作成部は、ＣＡＤデータと、後述する操作部３からの出力内容とに基づいて、実際に加工を行う際の工具の指向方向や移動経路等を定めたＮＣデータを作成する。なお、ＮＣデータの作成の詳細については後述する。
【００２６】
ＮＣ工作部４は、工具位置を定めるｘ，ｙ，ｚの直進駆動３軸に加え、工具（本実施例では突き加工用工具）の姿勢（指向方向）を決定する２つの回転駆動軸を付加した５軸制御加工機であり、対象物を様々な形状に加工することができる。
【００２７】
次に、操作部３の詳細について説明する。  
５軸制御加工機（ＮＣ工作部４）は複雑な形状を高精度で加工できる。しかしながら、工具の干渉を防止するための計算を行うことは非常に困難である。そこで、本発明ではバーチャルリアリティ技術を用いたフォースフィードバックデバイスである操作部３により、複雑な形状であっても人間の感覚により干渉回避を行い、従来の手法より高精度且つ短期間で加工を行うことを可能にしている。
【００２８】
この操作部３は、前記のとおり、ユーザが手動操作することにより上記のディスプレイに表示された仮想的な工具を操作し、これにより加工指示を行うためのものであり、図３に示すように、基部３１と、回転部３２と、アーム部３３、３４及び３５と、把持部３６とからなる。
【００２９】
回転部３２は、基部３１上を線Ａ−Ａ’の方向に回転可能に構成されている。
【００３０】
アーム部３３は、回転部３２に接続されおり、線Ｂ−Ｂ’の方向に回動可能に構成されている。
【００３１】
アーム部３４は、アーム部３３に接続されており、線Ｃ−Ｃ’の方向に回動可能に構成されている。
【００３２】
アーム部３５は、アーム部３４に接続されており、線線Ｄ−Ｄ’の方向に回転可能に構成されている。
【００３３】
把持部３６は、ユーザの手３７により把持可能な形状を有し、アーム部３５に接続され、線Ｅ−Ｅ’の方向に回動可能に構成されており、ユーザはこれを工具に見たて、ディスプレイに表示された画面を見ながら移動させると、回転部３２、アーム部３３から３５の作用により動作がトレースされ、把持部３６の移動経路、移動量（操作量）、移動速度、指向方向が信号化される。
【００３４】
この信号を受信したＣＡＤデータ作成部２１（図２）は、これに基いて画像を生成し、上記のディスプレイ上に表示された仮想的な工具が移動する。
【００３５】
なお、この把持部３６には、ユーザが指により操作可能なボタンが設けられており、これが押下されると、仮想的な工具により、仮想的な対象物が加工される。
【００３６】
また、操作部３には、ユーザが加工指示を行う際、操作方向に対応した軸方向に、移動量（操作量）に対応した大きさを有する作用反力を生成し、これにより生じる圧力や振動等により、ユーザの圧点を刺激するための反力生成部３８、３９、４０、４１、４２及び４３が設けられている。
【００３７】
なお、これらの反力生成部３８から４３のそれぞれは、ユーザの操作、つまり把持部３６等の移動により生じる軸力を検知するセンサと、反力を生じさせるアクチュエータとからなる。
【００３８】
制御部２のＮＣデータ作成部２２は、上記のセンサの検知結果に基づいて操作方向及び移動量（操作量）の判別等を行い、アクチュエータはＮＣデータ作成部２２の判別結果に基づいて作用反力を生成する。
【００３９】
操作部３は、上記の反力生成部３８から４３を備えるため、実際に加工を行う際に生じるであろう衝撃、反動、惰性、慣性、触感、重量、硬さといった物理的な力感をユーザに伝達することができ、ユーザは現実に近い環境で加工作業をシミュレートすることができる。
【００４０】
また、加工作業をシミュレートする際に後述する際に工具干渉が生じた場合には、その旨をユーザに通知することができる。
【００４１】
次に、図５を参照しつつ、以上の構成を有する加工装置１の動作手順を説明する。  
まず、ＣＡＤデータ作成部２１によりＣＡＤ情報が生成されると（ステップＳ１）、前記のＣＡＤデータにも基づいた仮想工具及び仮想対象物等が表示され、ユーザがこれを見ながら操作部３を操作し、これにより仮想工具の移動経路、移動量（操作量）、移動速度、指向方向が決定され、これらが反映されたＮＣデータが作成される（ステップＳ２）。
【００４２】
ＮＣデータの作成が完了すると、加工対象物がＮＣ工作部４内にセットアップされ（ステップＳ３）、実際に加工が行われる（ステップＳ４）。
【００４３】
次に、図６を参照しつつ、図５のＮＣデータ作成工程（ステップＳ２）の詳細について説明する。  
ステップＳ１において、ＣＡＤデータが作成されると、ＮＣデータ作成部２２によりＣＡＤデータが取り込まれると（ステップＳ２０１）、図７に示すようなパラメータ入力画面が表示され、ユーザにより「工具半径」、「工具突き出し長さ」、「ＣＬ（Cutter Location）データの出力間隔」が入力される（ステップＳ２０２）。
【００４４】
次に、光軸軸ベクトルが（０，０，１）とされ（ステップＳ２０３）、ＣＡＤデータが表示される（ステップＳ２０４）。
【００４５】
ユーザは表示されたデータを見て、仮想工具の稼動範囲内に加工部分が収まるように仮想対象物を移動し、また、加工部分に仮想工具が任意の角度からアプローチしやすいように視点の拡大・縮小・回転を行うと（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、ＣＡＤデータに対してアフィン変換が行われる（ステップＳ２０６）。
【００４６】
なお、アフィン変換とは、３次元空間の点Ｐの位置（ｘ，ｙ，ｚ）に（１）式に示すような線形変換を施し、これを新しい座標系（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に移すことである。
【００４７】
【数１】
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【００４８】
上記のアフィン変換が行われると、これが反映されたＣＡＤデータが新たに表示される（ステップＳ２０４）。
【００４９】
また、ユーザが表示された画像が適切であると判断し、上記の操作が行われなかった場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）は、割り出し加工を行うか否かの質問画面が表示され（ステップＳ２０７）、割り出し加工が行われない場合（ステップＳ２０７：ＮＯ）は、把持部３６と仮想工具の軸ベクトルが同期される。
【００５０】
一方、割り出し加工が行われる場合（ステップＳ２０７：ＹＥＳ）は、加工工具の軸ベクトルが固定される（ステップＳ２０９）。
【００５１】
ステップＳ２０８もしくはＳ２０９が完了すると、加工動作情報、つまり実際に加工をおこなうにあたっての工具の移動経路及び指向方向（割り出し加工を行わない場合のみ）を示す情報が生成される（ステップＳ２１０）。
【００５２】
この加工動作情報は、ユーザが画面をみながら上記の操作部３を操作し、仮想工具の移動経路及び指向方向を指定することにより生成される。
【００５３】
図８は、移動経路及び指向方向を指定する際の画面の一例を示す図である。なお、本図においては加工対象物に溝を設ける場合を示している。
【００５４】
この画面７１上にはユーザにより操作される仮想工具７２と、仮想加工対象物７３とが表示されている。
【００５５】
なお、パラメータ設定部は、図６のＳ２０５において、回転等を行うためのものである。
【００５６】
表示設定部７５は、スケールの表示のＯＮ／ＯＦＦといった表示設定を変更するためのものである。
【００５７】
光源設定部７６は、ユーザが仮想加工対象物７３の凹凸等をより明瞭に視認する必要がある場合などに、仮想的な光源の位置を変更するためのものである。
【００５８】
また、図９に示すように、仮想加工対象物７３に対してＸ−Ｙ平面に平行なガイド面７７を表示させ、このガイド面７７にＺ軸方向の適当な送り量を与えて移動させることにより、切込み深さを決定できる。なお。ここでいうガイド面とは、仮想工具７２が一定のＺ座標値以上切り込まないようにする面を指す。
【００５９】
また、上記の操作中、ユーザが指定した移動経路及び指向方向によっては、工具干渉が生じることがある。このような場合には操作部３が振動、停止するなどして、不適切な指示による工具干渉の発生と、これに伴う指定処理の中止とをユーザに通知する。したがって、実際に加工を行う際に工具干渉が生じることを防止できる。
【００６０】
なお、この工具干渉の検知は制御部２のＮＣデータ作成部により行われる。これにあたっては、工具と加工対象物の加工してはならない部分や加工対象物を固定する治具等とがオーバーラップするか否かが検証される。
【００６１】
また、これにとともに、オーバーラップした部分が工具の刃の部分であり、且つ、オーバーラップに至る際の移動方向が刃の切削方向と一致するか否かを検証し、一致していない場合は干渉が発生していると判定する。
【００６２】
なお、上記の方法に加えて。音声の送出や文字の表示などにより工具干渉の発生を通知する構成とすることもできる。
【００６３】
また、操作部３は、前記のとおり、工具の移動や加工の際に生じる衝撃、反動、惰性、慣性、触感、重量、硬さといった物理的な力感をユーザに伝達する。
【００６４】
ユーザが適切な、つまり工具干渉が生じない工具移動経路及び指向方向が指定されると、ユーザにより作業終了の指示が出され（ステップＳ２１１：ＹＥＳ）、加工動作情報が保存される。
【００６５】
次に、実際に加工作業を行うＮＣ工作部４のＣＬデータが出力される（ステップＳ２１２）。
【００６６】
上記のステップにおいてＣＬデータが出力されると、ポストプロセッサ処理が実行され（ステップＳ２１３）、これにより前記の加工動作情報が反映され、且つ前記のＣＬデータを有するＮＣ工作部４に最適なＮＣデータが生成される（ステップＳ２１３）。
【００６７】
なお、ステップＳ２１３においてポストプロセッサ処理を実行する際には、パラメータとして工具回転速度や送り速度が加えられる。
【００６８】
なお、ステップＳ２１１において、終了が選択されなかった場合（ステップＳ２１１：ＮＯ）は、ステップＳ２０４以降の動作が反復して実行される。
【００６９】
また、上記の構成を有する加工装置１を用いて、角隅形状加工（図１０）、溝形状加工（図１１）、傘歯車形状加工（図１２）をそれぞれ行ったところ、形状に関わらず正確に加工が行え、且つ工具干渉も生じないことが確認された。なお、加工対象物の材質、使用した工具の諸元等は以下の表に示すとおりである。
【００７０】
【表１】
2007048083.tif 000004
【００７１】
また、上記の制御部２としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ハードディスクドライブ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、キーボード、マウス、ディスプレイ、フレキシブルディスクドライブ等を有したコンピュータを用いることができる。
【００７２】
また、上記の加工装置等を用いた加工方法も本発明の範囲に含まれる。
【００７３】
以上のとおり本発明によれば、ＣＡＤデータと仮想工具が触れた際の力覚を利用することにより工具干渉を防止することができる。
【００７４】
また、複雑な形状の加工を新たに行う場合、ＮＣデータを作成するために専用の手法を検討する必要なしに、どのような形状であっても即座に対応することができる。
【００７５】
また、現在の粗加工法の加工経路計算アルゴリズムには、比較的簡単な３軸制御による等高線加工法が用いられており、その際に用いられる工具は、除去量が大きいスクエアエンドミルが多用されている。しかし、スクエアエンドミルによる等高線粗加工では、波加工中に工具を傾けることが不可能なため、３軸制御加工に限定されてしまう。これに対して、本発明では、突き加工用工具を５軸制御するため、上記の問題を解決できる。
【００７６】
また、現在、３次元ＣＡＤを用いて設計した加工品の試作には、積層造形法が用いられている。しかし、これらは目的形状のＣＡＤデータをＺ軸方向にある程度スライスし、これらの材料を順次積層するため、造形された形状に段差が生じるという欠点がある。
【００７７】
さらに、使用できる材料は樹脂が中心であるため、靭性や耐熱性の問題がある。このように造形された完成品は商品と異なる材料であるため、最終的な機能試験などには利用できない。
【００７８】
これまでの試作品は、実際に手に取って形状を確認するための形状確認モデル、または機構部品の動作やレイアウトなどを大まかに検証するための機能確認モデルにとして用いることが多かったため問題はなかったが、大量生産を行うためには金型が必要であり、そのためには金属で成型用の型を作製しなければならない。
【００７９】
これに対して、本発明は、新規の形状であってもパスを生成するプログラムを作成する必要がないため、試作品の作製に有用である。また、５軸制御加工機を用いるため、精度も保障されるうえに材料の制約もないため、従来のラピッドプロトタイピングの欠点を補うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施例に係る加工装置の構成図である。
【図２】図１の制御部の構成図である。
【図３】図１の操作部の拡大図である。
【図４】図３の操作部の内部を示す図である。
【図５】図１の加工装置の動作工程を説明するための図である。
【図６】図５のＮＣデータ作成工程の詳細を示す図である。
【図７】パラメータ入力画面を示す図である。
【図８】仮想オブジェクトの一例を示す図である。
【図９】仮想オブジェクトの別の例を示す図である。
【図１０】図１の加工装置により行われる角隅形状加工を説明するための図である。
【図１１】図１の加工装置により行われる溝形状加工を説明するための図である。
【図１２】図１の加工装置により行われる傘歯車形状加工を説明するための図である。
【図１３】従来の加工装置の動作工程を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１    加工装置
２    制御部
３    操作部
４    ＮＣ工作部
２１    ＣＡＤデータ作成部
２２    ＮＣデータ作成部
２３    ユーザインタフェース部
３１    基部
３２    回転部
３３、３４、３５    アーム部
３６    把持部
６１    パラメータ入力画面
７１    表示画面
７２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２    工具
７３    加工対象物
７４    パラメータ設定部
７５    表示設定部
７６    光源設定部
７７    ガイド面
３８、３９、４０、４１、４２、４３    反力生成部
【図１】
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【図２】
2007048083.tif 000006
【図３】
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【図４】
2007048083.tif 000008
【図５】
2007048083.tif 000009
【図６】
2007048083.tif 000010
【図７】
2007048083.tif 000011
【図８】
2007048083.tif 000012
【図９】
2007048083.tif 000013
【図１０】
2007048083.tif 000014
【図１１】
2007048083.tif 000015
【図１２】
2007048083.tif 000016
【図１３】
2007048083.tif 000017