立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

匠の知見を継承する機械加工の自動工程設計システムの実現
Automated process planning system for end- milling operation considering experienced knowledge
2191024

研究代表者

神戸大学大学院

工学研究科

助教

西田勇

タル情報として保存することが必要となる。加[研 究 の 目 的]工除去領域の特徴は人が見て判断する場合は容本研究は，機械加工における熟練者の判断基易に特定できるが，目を持たないコンピュータ

準 (匠の知見) を学習データとして蓄積し，蓄がそれらの特徴を認識して，熟練者が選択した積した学習データに従う自動工程設計システム

加工順序の判断基準を得るためには技術的課題を実現する。わが国の製造業は少子高齢化によがある。また，加工条件の決定においても，加る熟練者の減少という問題に直面している。日工除去領域の特徴 (例えば，工具進入面形状，本の優れた匠の技を継承することは，日本の金壁面形状) を認識して，熟練者が決定した加工属工業の世界的競争力を維持する上で喫緊の課条件から熟練者の判断基準を得るためには技術題である。しかしながら，人的資源の不足から，的課題がある。本研究ではまず，加工除去領域熟練者は現場の作業に集中し，属人的な匠の知の幾何学的な特徴を認識し，対話形式によって見は継承されずに熟練者の退職とともに喪失し熟練者が意図する加工順序および加工条件を入てしまっているのが現状である。本研究では，力して NC プログラムの自動生成を行う支援

熟練者の現場の作業を自動化すると同時に，匠ツールを開発し，その際対話形式によって入力の知見を学習することで，人の知恵を最大限にされた情報を匠の知見として学習して蓄積する活用したものづくりを実現する。

システムを開発する。

機械加工に必要な加工用プログラム (NC プ[研究の内容，成果]

ログラム) の生成を自動化する自動工程設計シ
ステムの実現には，「加工除去領域に対する加工順序の自動決定」および「加工除去領域に対機械加工に必要な NC プログラムの作成を支する加工条件の自動決定」が必要である。加工援するソフトウェアは従来から存在するが，現順序は加工効率に影響を及ぼし，加工条件は加状では加工領域の選択や加工条件の決定など膨工精度に影響を及ぼすため，現状では熟練者の大な作業が使用者に求められている。機械加工判断に従わざるを得ない。本研究では，これらの自動化のためには，これらの段取り作業を自2 つの課題に対して取り組む。加工順序の決定動化する必要がある。しかしながら，特に加工においては，熟練者が無意識的に判断に利用し優先度や加工条件は加工する対象物の材質や形ている加工除去領域の特徴 (例えば，大きさ，状に応じて変更しなければならないことや，加位置，形状) を特定して，その判断基準をデジ工トラブルが発生せずに加工効率を向上する必― 1 ―立石科学技術振興財団

要があることから，熟練した加工ノウハウが必要となり自動化が困難である。本研究では，以降に示す手順により，熟練者の加工ノウハウに基づいて決定される加工優先度および加工条件

図2の傾向を抽出してデジタル情報として蓄積し，単純な形状を抽出するための加工除去領域の分割

蓄積した情報を用いることで熟練者の意図を反的には Z 軸正方向に位置する領域から順に加映した個性的な NC プログラムを自動で生成す工を行うためである。また，XY 平面で分割するシステムを構築する。

ることによって，図 2 のように分割前では複雑な形状であっても，分割後は比較的単純な形状1．加工除去領域の抽出およびその幾何学的特で扱うことができる。分割した加工除去領域に徴の抽出

対する加工条件は，その領域の幾何学的な特徴加工する領域の幾何学的な特徴とその領域のと密接に関連しているため，分割した加工除去加工に使用する加工条件は密接に関連している。

領域の幾何学的な特徴を抽出する。ここで幾何例えば，大きな領域を加工する際は，工具径の学的特徴とは下記のように定義した。

大きなものを使用するはずであり，比較的直径・領域の境界ボックス (Bounding box) の各の小さい円柱形状の領域を加工する際は，エン辺の長さドミル加工ではなくドリル加工を選択するはずである。そこで，所望の製品形状に対して，加・工具アプローチ面の形状工除去領域を決定することは非常に重要である。

・領域の体積

ここでは，まず加工除去領域を自動で抽出する・領域を構成する面の数ことを実現している。
加工除去領域は図 1 に示すように製品形状と2．加工優先度の教示および加工順序の自動決定

被削材形状から抽出できる。これは製品形状とここでは，熟練者の加工ノウハウを学習する

被削材形状の 3 次元 CAD モデルの差分を取るために，使用者がシステムと対話形式で操作をことで容易に抽出することができる。しかし，行う際に教示する情報から加工優先度を決定す所望の製品形状が複雑な形状である場合，差分る特徴を収集，解析および蓄積する方法についを取ることで抽出される加工除去領域のままでて述べる。前節の図 2 に示した分割領域に対しは形状が複雑であるため，そのまま解析するこて，加工優先度を決定することで，加工順序をとは難しい。そこで，抽出した加工除去領域を導出することできる。機械加工においては，工XY 平面で分割して単純な形状として扱う。こ具がアプローチ可能な領域から順に加工する必こで，XY 平面で分割する理由としては，切削要があるため，被削材の天面に近い領域が優先加工の場合，工具進入方向を Z 軸正方向とす的に加工される。つまり，図 2 では，図 2 左にると，工具進入の幾何学的な制約下では，一般示した領域が先に加工される。しかし，図 2 中と図 2 右に示す領域は被削材の天面からの距離はどちらも同じため，他の判断基準によって加工優先度が決められる。本研究では，その判断基準を加工領域の幾何学的な特徴に基づく表 1に示す 5 項目を定義した。
定 義 し た 5 つ の 項 目 は 体 積 (Volume)，

図1

加工除去領域の抽出

CAD 座 標 系 で の 位 置 (Position)，加 工 深 さ― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

表1

加工優先度に影響する幾何学的特徴

Category

Geometrical property

VolumeX-coordinateLargeHigh

Small
Low

Y-coordinate

HighLow

Z-coordinate

HighLow

Depth
Distance

Deep
Far

Shallow
Near

Inside and outside

InsideOutside

Position

図4

加工事例データベースの蓄積と加工条件の自動決定

導出して NC プログラムを生成することができるが，加工条件は仕上げ面精度や加工効率に大きく影響するため，使用する材料や対象の形状を十分に考慮して慎重に決定する必要があるた
め，現状では熟練者の判断を要する。本システ
図3

ムでは，初めは使用者に対話形式により加工除熟練者の意図を反映した加工順序の自動決定

去領域に対して加工条件を入力してもらうが，(Depth)，前 工 程 と の 距 離 (Distance)，加 工

その際に加工除去領域の幾何学的特徴と加工条対 象 の 中 心 か ら の 相 対 位 置 (Inside and out-件を紐づけて加工事例として蓄積する。図 4 にside) である。それぞれの項目には相対情報を示すように加工除去領域の材料および領域の境示す属性を設けている。ここでは，CAD モデ界ボックスの各辺の長さ，工具アプローチ面のルから加工除去領域の導出時に幾何情報を取得

形状，加工深さ，体積といった幾何学的特徴と，するため，CAD 座標系での情報を用いている。

その領域の加工に使用した加工条件を紐づけて使用者が加工順序を対話形式でシステムに入力

加工事例データベースに蓄積する。十分にデーするたびに，加工可能な除去領域の幾何情報をタが蓄積された際に，別の全く異なる製品形状計算して相対的な比較を行い，加工順位が高いを加工する場合でも，前節の方法で加工除去領除去領域に該当する幾何情報の属性のスコアに域を抽出することで，加工除去領域は単純な形加算する。本システムを使用していく中で使用状として扱えるため，抽出される領域の幾何学者からの教示が十分行われると，図 3 に示すよ的特徴が最も類似する加工事例をデータベース

うに加工領域の幾何情報として定義したそれぞから探索する。探索された加工事例に紐づいてれの項目において，どちらの加工を優先する傾いる加工条件を再利用することで熟練者が過去向があるかを取得することができ，熟練者の意に適切に決定した加工条件を自動で決定するこ図を反映した加工順序を自動で決定することがとができる。データベースに存在している幾何できる。

学的特徴が最も類似する形状を探索する際には，加工除去領域の幾何学的な特徴として定義した

3．加工条件の教示および加工条件の自動決定

項目を条件として順に加工事例データを排他し前節の方法にて抽出できる各加工除去領域にていくことにより，最も類似度の高いものを抽対して，使用する工具および切込み量などの加出する。図 5 に最も類似度の高いデータを抽出工条件が決定できれば，幾何学的に工具経路をする処理の流れを示す。

― 3 ―立石科学技術振興財団

れらの加工条件から算出した工具経路を図 7 に示す。生成した工具経路で実際に加工した結果を図 8 に示す。図 8 に示した加工結果から，CAD モデルから自動で生成された工具経路は，加工トラブルなく，加工精度も著しく低下することなく加工を実施できることが確認できた。

表 3 抽出された加工領域と決定された工具

図5

類似する幾何学的特徴を探索する処理

RegionTool No.

Concave ①
Concave ②32

Hole ①
Hole ②44Concave ③3Concave ①1Concave ④2Concave ②1Concave ⑤24．ケーススタディ

Region

表 4 各工具の加工条件

12D[mm]24

Rd[mm]
0.5
1.0Ad[mm]0.250.5Spindle
Feed[min-1] [mm/min]
10000
300
10000
300

3456462.0−−0.5−−10000
50005000

本研究で提案した 3 次元 CAD モデルから加No.

工領域を自動で抽出して工具経路を算出する方法の妥当性を検証するため，図 6 に示すような3 次元形状に対して，工具経路を生成し，実加工による検証を行った。表 2 に加工条件の決定に必要な工具のリストを示す。表 3 に本研究でた，被削材をアルミニウム合金 A2017 と仮定したときの各工程の加工条件を表 4 に示し，そ図 7 自動で生成された工具経路

図6ケーススタディに用いた CAD モデル

表2ケーススタディに用いた工具リスト
Diameter2 mm
4 mm
6 mm
4 mm
6 mm

300100100(D : 工具径，Rd : 半径方向切込量，Ad : 軸方向切込量，Spindle : 主軸回転数，Feed : 送り速度)

提案した方法により決定された工具を示す。まNo.
12345Tool No.

Tool Type
Square end mill
Square end mill
Square end mill
DrillDrill

図8― 4 ―

実加工結果

Tateisi Science and Technology Foundationる仕事を考慮して最適な生産スケジューリング

[今後の研究の方向，課題]を行うには，多くの組み合わせ問題を解く必要
現状の加工現場では NC プログラムの作成にがあり，計算量が膨大となる。また，現実のも熟練者の判断を要しているため，予め使用するのづくりでは複数の企業が連携して一つの製品機械を一意に決めてから段取り作業を行っていの加工を行っていることが多く，実用化には企るため，柔軟性に富んだ生産システムが実現さ業の垣根を越えた生産スケジューリングが必要れているとは言い難い。本研究において NC プとなる。これらの課題を克服して，柔軟性に富ログラムの作成を自動化することにより，加工んだ次世代の生産システムを実現する予定であしたい製品は予め決められた機械で加工する必る。

要がなくなり，図 9 に示すように加工可能なす
べての機械の候補の中から機械の稼働状況などを考慮して最適な機械に割り当てることができ[成果の発表，論文等][1]Isamu Nishida, Shogo Adachi, Keiichi Shirase,る。このような柔軟性に富んだ生産スケジュー

Automated process planning system for end-milling

リングを実現することで，ユーザの求める製品

operation considering geometric dimensioning andの加工をその多様なニーズに合った企業もしくは機械で加工することが可能となると考える。
しかしながら，選択できる機械の候補が多く存在している状況で，各機械に割り当てられていtolerancing (GD&T), International Journal of Automation Technology, Vol. 13, No. 6, pp. 825-833(2019)[2]

Isamu Nishida, Keiichi Shirase, Machine tool

assignment realized by automated NC program generation and machining time prediction, International Journal of Automation Technology, Vol. 13, No. 5,
pp. 700-707 (2019)[3]

Isamu Nishida, Keiichi Shirase, Machining time

reduction by tool path modification to eliminate air
cutting motion for end milling operation, International Journal of Automation Technology, Vol. 14,
No. 3, pp. 459-466 (2020)[4]

Isamu Nishida, Hidenori Nakatsuji, Keiichi

Shirase, Automated tool path generation for roughing with a flat drill, International Journal of Auto図9mation Technology, Vol. 14, No. 6 (2020)

加工可能なすべての機械における加工時間の予測
結果に基づく加工の割り当て― 5 ―