仮想倣い加工システムによるダイレクト金型加工
神戸大学工学部機械工学科教授
白 瀬 敬 一（ 平 成 16 年 度 研 究 開 発 助 成 AF－ 2004012）
キーワード：仮想倣い加工，ダイレクト金型加工，自律型工作機械

2・1

１．はじめに

加工除去領域の抽出

工程設計を自動化する目的で，加工フィーチャの概NC 工 作 機 械 は 加 工 の 自 動 化 ，高 能 率 化 ，高 精 度念を利用した研究が幅広く行われており，これらの研化に貢献している．しかし登場して半世紀が過ぎ，究は Shah 4) や Vandenbrande ら 5) によって詳細にまとめ

機 械 本 体 や NC 制 御 装 置 が 進 歩 し た に も か か わ らられている．しかし，加工フィーチャや製品形状に対ず ，予 め 作 成 し た NC プ ロ グ ラ ム で 指 令 す る と い う

する制約が多い．また，多くの研究では製品形状から

点 で は 変 化 が な い ．こ の た め ，加 工 中 に 切 削 条 件 や加工フィーチャが認識されているが，これでは素材形

工 具 経 路 を 変 更 す る こ と が で き ず ，加 工 プ ロ セ ス に状によって変化する加工除去領域が把握できず，満足

応 じ た 適 応 制 御 な ど の 知 能 化 ･自 律 化 が 遅 れ て い る ．

な工程設計を行うことはできない．

ま た ，金 型 加 工 は 典 型 的 な 一 品 生 産 で あ る が ，加 工

そこで本研究では，素材形状と最終加工形状の3次

す る た め に は 予 め NC プ ロ グ ラ ム を 作 成 し な け れ

元 CAD モデルから加工除去領域（TRV : Total Removal

ば な ら な い ．こ の NC プ ロ グ ラ ム を 作 成 す る た め に ，Volume）を抽出して工程設計に利用している．図2に多大な時間と労力が必要となっている．

素材形状と製品形状から抽出された TRV の例を示す．

一 方 ，著 者 ら は NC プ ロ グ ラ ム を 予 め 作 成 す る こ

この場合，加工途中の形状を素材形状と見なすことで，と な く ，加 工 中 に 実 時 間 で 工 具 経 路 を 生 成 す る こ と加工トラブルなどの加工途中で再び工程設計を行うの で き る 仮 想 倣 い 加 工 シ ス テ ム 1) 2) を 開 発 し ， イ ン
3)

プ ロ セ ス 切 削 条 件 修 正 戦 略 を 提 案 し て ，自 律 的 な機械加工が実現できることを検証してきた．

ことが可能になる．なお，本研究では簡単のために，
TRV は直方体と円柱で構成されるものと仮定した．
2・2

加工プリミティブの生成

そ こ で 本 研 究 で は ，加 工 順 序 や 使 用 工 具 ，切 削 条

加工 プリミティブは機械加工の最小単位で，抽出さ件を自動的に決定することのできる工程設計／作れた TRV を分割して生成する．本研究で扱う加工プ

業 設 計 シ ス テ ム を 開 発 し て ，NC プ ロ グ ラ ム を 予 め

リミティブは，直方体と円柱と仮定しており，TRV を作成する必要がなく，製品形状および素材形状の以下に示す2つの単純なルールで分割して加工プリミ

CAD デ ー タ か ら ， そ の ま ま 金 型 加 工 を 始 め る こ とティブを生成している．

（ 題 目 の ダ イ レ ク ト 金 型 加 工 ）が 可 能 な 知 能 型・自律 型 の NC 工 作 機 械 を 実 現 し た ．
工 に 有 利 だ と し て 注 目 さ れ て い る 5軸 加 工 に 対 し て ，工 具・被 削 材 の 干 渉 を 簡 便 に チ ェ ッ ク す る ア ル ゴ リ

Extraction of
Total Removal Volume

Selection of
Cutting Tool

Number of
Division Plan

Decision of
Cutting Parameters

Generation of
Machining Primitive

Estimation of
Machining Time加工を実現した．

２．工程設計・作業設計システム
開発した工程設計･作業設計システムのフローチャートを図1に示す．システムは前半の工程設計と後半の作業設計の部分で構成されている．熟練作業者は使用する工作機械や工具を念頭において，望ましい加工

Process planningズ ム を 考 案 し て ， 仮 想 倣 い 加 工 シ ス テ ム に よ る 5軸

Number of
Machining Feature
Decision of
Machining Sequence
Recognition of
Machining Feature

工程を作成するが，計算機でこれを実現することは難Operation planning

Initial shape &Finished shapeof workpiece

さらに複雑な金型形状の加工や高品位の金型加Selection of
Suitable Plan

しい．そこで，加工領域を3種類の分割方法で分割し，
そ れ ぞ れ の 分 割 案 に 対 し て 工 程 設 計 およ び 作 業 設 計を行い，加工時間が最短となる加工工程案を選択して１つの加工工程を決定することにした．

Fig.1

Flowchart of flexible process and operation
planning system proposed

加工プリミティブから加工する．

1. xy，yz，zx 平面に平行な平面で分割する．
2. TRV が有する面を含む平面で分割する．

3.

体積も同じ場合は，オープンフェースの多い加工

4.

1,2,3のルールで加工順序が決定できない場合には，

5.

穴（円柱の加工プリミティブ）は最後に加工する．

プリミティブから加工する．

ここでは，z 軸方向の加工高さを重視して初めに xy
平面に平行な平面で分割した後に，xy 平面に垂直な平TRV の中央に近い加工プリミティブから加工する．

面で分割を行う．その際に，(a) yz 平面に平行な平面で分割する（分割案1）

図3に示した加工プリミティブから決定される加工順(b) zx 平面に平行な平面で分割する（分割案2）

序を，図中の番号で示す．

(c) 加工プリミティブができるだけ大きくなるように，

2・4

yz，zx 平面に平行な平面で分割する（分割案3）

加工フィーチャの認識

加工プリミティブの加工順序が決まると，オープンの3種類の分割案で加工プリミティブを生成する．生

フェースの数と稜線の関係から，加工フィーチャを認成される加工プリミティブの例を図3に示す．

識する．本研究で扱う加工フィーチャは図4に示した92・3種類で，図5に示したフローチャートに従って認識さ加工順序の決定

加工順序は加工プリミティブの空間関係に基づいれる．加工が進むと新たに現れるオープンフェースもて，以下のルールに従って決定する．ルール中のオー考慮しながら9種類の加工フィーチャが認識される．

プンフェースは，加工プリミティブを構成する面で大なお，9番目の Free Form（自由曲面）は，加工プリミ

気と接する面を指し，加工が進むと新たに現れるオーティブを構成する面が自由曲面となっており，オープ

プンフェースも考慮しなければならない．

ンフェースの数とは無関係に認識される．

1.

加 工プ リ ミ テ ィ ブ最 上 面 の z 座 標 値が 大きい順

2.

最上面の z 座標値が同じ場合には，体積の大きい

2・5（上にある加工プリミティブから順）に加工する．

Z択される．本研究では9種類の加工フィーチャごとに使用工具の種類が予め決めている．さらに，使用工具

Z
Y

X

Fig.2

⑧

⑪ ⑫

(b) Finished shape of workpiece

Divided by planes
parallel to ZX plane

①

⑤

⑦

Z③
⑬

⑥

⑧
⑨

⑧
⑥

④

②

Y

Y

X

(c) Total Removal Volume (TRV)

Initial and finished shapes of workpiece and Total Removal Volume (TRV) to be machined

Divided by planes
parallel to YZ plane

⑩

Z
Y

X

(a) Initial shape of workpiece

X

使用工具の選択と工具径の決定認識された加工フィーチャに応じて使用工具が選

⑤

④

②
⑨

Z③

⑭
X

Y

⑪

Divided by planes
parallel to
YZ & ZX planes

①

⑦

⑩

⑥

⑦ ⑧

①
⑤

④

②
⑨

Z③

⑫
X

Y

⑪

⑫

(a) Division plan 1(b) Division plan 2(c) Division plan 3
Fig.3 Machining primitives generated from TRV and machining sequence determinedfrom geometric relation among machining primitives⑩

6)の種類が決定されると，加工フィーチャの寸法と工作2・6

機械が保持する工具の関係から，その加工フィーチャ

本研究では，作業者が過去の経験を参照して切削条の加工にふさわしい工具径が決定される．ここでは，件を決定するように，過去に行った加工事例をデータ

工作機械が自律的に使用工具を選択し，工具径を決定

ベースに蓄えておき，それを参照しながら切削条件をするという観点から，保持している工具情報が予め用推論する事例ベース推論（Case Based Reasoning：CBR）

意されているものと仮定している．各加工フィーチャ

を用いて切削条件を決定している．切削条件推論シス

に対する工具径の決定方法を図6にまとめて示す．

テムでは，加工事例データベースから加工内容（被削切削条件の決定材や工具など）に類似した事例が抽出される．抽出さ
Number ofopen face

Machining feature
ClosedPocket1 faceOpen Pocket

3 faces

Closed Slot

2 faces

れた加工事例に含まれる切削条件は，加工内容の違いを考慮して修正され，それらの平均値を解として切削条件が決定される．
2・7

加工能率の評価

工程設計および作業設計は3種類の加工領域分割案
に対してそれぞれ行われるが，それぞれの加工工程案
について総加工時間を予測して加工能率の点で最善となる加工工程案が選択される．総加工時間 T は次式で評価している．

Open Slot

3 facesFace

5 faces

T = t1 + t 2 + t3 + ･･･ + tn-1 + t n +t c ×m(3)

ここで，t i は加工プリミティブ i の加工に要する時間，tc は工具交換時間，m は工具交換回数である．また，
時間 t i は次式で評価している．
Step

4 facesThoroughHole

2 faces

Blind Hole

1 faceFig.4

Vi / Qi(4)

Qi=

Ad i × Rd i × F i / 60

(5)Machiningfeature-----Free Formti =Closed Pocket

Selection of cutting toolx : Tool diameter, l <w.
End mill which satisfies
5x ≦ llw

Machining features considered in this study
Open Pocket

Flat end mill which has maximum diameter

Machining Primitives
Detection ofGeometric Propertiesof Machining Primitivel

Closed Slotw

Is there Circle
in Machining Primitives ?

No

Yes

2 facesThrough
Hole

No

w

Yes
Free
Form

How many Open Faces ?
1 faceClosedPocket2 faces
ClosedSlot

3 faces

4 facesStep

5 faces

Fig.5

No
Open
Slot

Flowchart of machining feature recognition

w : Width of slot.
End mill which satisfies
3x ≦ w

Face

Face mill which has maximum diameter

Step

Face mill which has maximum diameter

Thorough Hole

Drill which fit to hole

Blind Hole

Drill which fit to holeFree Form

Ball end mill which has maximum diameterFace

Is there
Common Vertex ?
Yes
Open
PocketlOpen SlotIs there Free Facein Machining Primitives?

How many Open Faces ?
1 faceBlind
Holew : Width of slot.
End mill which satisfies
3x ≦ w

Fig.6

Selection of cutting tool and its diameterfor each machining featureここで，V i は加工プリミティブ i の体積，Q i は加工プ
リミティブ i を加工する際の金属除去量である．Ad i ，
Rd i ，F i は加工プリミティブ i を加工する際の軸方向
切込み，半径方向切込み，送り速度である．

３．自律型工作機械の検証実験
前章で説明した工程設計・作業設計システムで決定された加工順序，使用工具，切削条件に従って，仮想
倣い加工システム

1) 2)(a) Initial shape(b) Finished shapeが実時間で工具経路を生成して工作機械を直接制御する．このため，NC プログラムを予め作成する必要がなく，製 品 形 状 お よ び 素 材 形
状 の CAD デ ー タ か ら ， そ の ま ま 機 械 加 工 を 開 始 す
ることが可能となる．
また，仮想倣い加工システムが加工中に工具経路を生成する利点を活かせば，加工状況の変化に柔軟に対応して，送り速度だけでなく切込みを加工中に更新することができる．著者らは自律的なインプロセス切削
条件修正戦略3)を提案して，切削負荷に応じて切削条(c) Total Removal Volume (TRV)
Machining shape for experimental verification

Fig.7

Table 1Requirements to select cutting parameters

Work material

件 や 工 具 経 路 を 変 更 し なが ら 自 律 的 な機 械 加 工 が 実
現できることも検証している．

Type
Material

CarbideCoating

CoatedFinish condition

Rough

Tool

検証実験では図7に示した素材形状と最終加工形状の3次元 CAD データから，工程設計および作業設計を行った．切削条件を決定する際の加工内容を表1に，

FC250
End mill / Ball end mill /Face mill / Drill

マ シ ニ ン グ セ ン タ に 準 備し た 使 用 可 能な 工 具 一 覧 をTable 2

表2に示す．

Cutting tools prepared for experiment

Tool ID

Tool type

Diameter (mm)

また，工程設計および作業設計の結果から予測され1

End mill

6

る総加工時間と工具交換回数を表3に示す．この事例

2

End mill

10では，分割案2で総加工時間，工具交換回数ともに小3End mill

16

さくなる．この加工工程案に対して決定された加工順

4Ball end mill

6

序や使用工具，切削条件を表4にまとめて示す．ここ5

Ball end mill10に示された使用工具の Tool ID，工具経路パターン，

6

Face mill

80

切削条件パラメータに従って，仮想倣い加工システム

7

Center drill

3が工作機械を制御する．

8

Drill

10

図8に実験装置の概要を示す．NC 工作機械は大阪機工の立形マシニングセンタ VM4-II，NC 制御装置はTable 3

Predicted productivity for each operation plan

FANUC の Series160i-MA である．仮想倣い加工システ

Division plan

ムが実時間で生成する工具経路情報は，HSSB（HighPlan 1

Cutting time (sec)
Number of tool change

1806
8Plan 2Cutting time (sec)
Number of tool change

1786
6Plan 3Cutting time (sec)
Number of tool change

1805
8

Speed Serial Bus）と呼ばれる高速データバスで NC 制
御装置に転送される．図9に加工実験の様子を示す．
これは第3工程のポケット加工の様子で，図中右下に示した加工時のモニタ映像でも分かるように，図中の左 上 の 仮 想 倣 い 加 工 シ ステ ム で 生 成 され る 工 具 経 路
情報に従って加工が行われている．

Productivity

Autonomous
Machine Tool Controller

最後に加工結果を図10に示す．総加工時間は約38分

FANUC
Series 160i-MA
HSSB

で予測された総加工時間29.8分よりも長かったが，予Pentium III
Xeon 550MHz
256MB RAM
Windows NT 4.0

め NC プログラムを作成することなく，実加工における 加 工 ト ラ ブ ル も 発 生 する こ と な く 加工 を 終 了 す る事ができた．ここで加工時間が予測よりも長かったのは，工具の空走時間，工具移動に伴う加減速時間が予測値には考慮されていないためである．

Vertical machining center

Fig.8

CL data

OKK VM4-II

Experimental setup for machining operation
unconstrained by NC program4． 仮 想 倣 い 加 工 に よ る 5 軸 加 工
同時3軸制御の機械加工については，倣い加工の原理に基づく仮想倣い加工システムで加工中に工具経路を生成しながら機械加工が実現できることは検証済みである．NC プログラムを予め作成する必要がな
く，加工途中で切削条件や工具経路が柔軟に修正できることが仮想倣い加工システムの特長であるが，こうした特長を5軸加工にも活かすことを考え，同時5軸制
御への機能拡張を試みた．
Fig.9

Experimental verification of autonomousmachining operation

Z

θB

Y

θC
X
Fig.10Workpiece finished by experimental machining
Table 4

Operation
sequence
Cutting tool,
Tool pathpattern
Cutting
parameters
MachiningfeatureFig.11Tool configuration defined by θ B and θC

Results of process and operation planning for experimental machining operation
1

2

3

4

5

Face mill Φ80,
Scanning-line
mode
S 1000rpm
F 230mm/min
RD 8.0mm
AD 5.0mm

End mill Φ10,
Contour-line
mode
S 2450rpm
F 346mm/min
RD 1.6mm
AD 3.8mm

End mill Φ16,
Scanning-line
mode
S 1680rpm
F 241mm/min
RD 4.5mm
AD 2.1mm

End mill Φ10,
Scanning-line
mode
S 2450rpm
F 346mm/min
RD 1.6mm
AD 3.8mm

End mill Φ10,
Scanning-line
mode
S 2450rpm
F 346mm/min
RD 1.6mm
AD 3.8mm

Face

Closed Pocket

Open Pocket

Closed Slot

Closed Slot

9

10

Center drill Φ3,
Drilling mode

Drill Φ10,
Drilling mode

S 1154rpm
F 232mm/min

S 848rpm
F 180mm/min

Blind HoleBlind Hole

Machiningprimitive

Operation
sequence
Cutting tool,
Tool pathpattern
Cutting
parameters
MachiningfeatureMachiningprimitive

6

7

8

End mill Φ6,
Scanning-line
mode
S 3539rpm
F 413mm/min
RD 1.2mm
AD 2.1mm

End mill Φ6,
Scanning-line
mode
S 3539rpm
F 413mm/min
RD 1.2mm
AD 2.1mm

Ball End mill Φ10,
Scanning-line
mode
S 2580rpm
F 335mm/min
RD 1.3mm
AD 3.2mm

Closed Slot

Open Slot

Free Form

4・1

工具姿勢と工作機械の定義

こうした関係を利用して式(6)を展開すると次式が同時5軸制御では，並進3軸の制御に工具姿勢の2軸を加えて制御を行うが，工具姿勢の2軸は，図11に示すように基準座標系に対するロール（Z 軸まわりの回
転θC ） とピッチ（Y 軸まわりの回転θ B ） で定義する．
工 具 姿 勢 は 工 具 と 工 作 物の 干 渉 に 配 慮し な が ら 決 定
すべきであるが，仮想倣い加工による工具姿勢制御を実現することが目的であり，ここでは工具軸を加工面の法線方向に向けることで工具姿勢を決定した．
工具位置と工具姿勢が決まれば，工作機械の構造に応じた座標変換を行って，並進3軸と回転2軸の制御パラメータを決定することができる．本研究では工作機
械の形状創成関数を座標変換に適用して，制御パラメータを決定した 7) ．実験で使用した5軸加工機は，図12に示すような B 軸，C 軸の回転軸を有するテーブルチ
ルト型で，形状創成関数は次式のようになる．

T = Rot ( Z ,θC ) Rot (Y ,θ B )Trans ( X , d3 )Trans (Y , d 4 )Trans ( Z , d5 )cosθ C − sin θC sin θC cosθ C
=
0
 0
0
 0
1
0
0

0

0
1
0
0

0 0   cosθ B
0 0  0
1 − a1  − sin θ B
0 1   0

0 d 3  1
0 0  0
1 − a3  0
0 1  0

0
1
0
0

0 0  1
0 d 4  0
1 − a4  0
0 1  0

得られる．

cosθ C cosθ B − sin θC cosθC sin θ B sin θC cosθ B cosθC sin θ C sin θ B
T=0cosθ B − sin θ B000d3 cosθ C cosθ B − d 4 sin θC + ( d5 + a5 ) cosθ C sin θ B 
d3 sin θ C cosθ B + d 4 cosθC + (d5 + a5 ) sin θC sin θ B − d3 sin θ B + (d5 + a5 ) cosθ B − a5

1


(7)

工具位置を示す位置ベクトル P は次式の px, p y, pz で表される．

 px  
P =  py  pz  (8)d3 cosθ C cosθ B − d 4 sin θC + ( d5 + a5 ) cosθC sin θ B =  d3 sin θ C cosθ B + d 4 cosθ C + (d5 + a5 ) sin θC sin θ B − d3 sin θ B + ( d5 + a5 ) cosθ B − a50 sin θ B
0 
1
0
0 
0 cosθ B − a2 
(6)
0
0
1 

次式で求められる．

01
00 d3 = ( p x cosθ C + p y sin θC ) cosθ B − ( p z + a5 ) sin θ B(9)d 4 = − p x sin θ C + p y cosθC d5 = ( p x cosθ C + p y sin θC ) sin θ B + ( p z + a5 ) cosθ B − a5


0
0 
0
0 
1 a5 + d5 0
1 

最終的に5軸加工機に指令する座標値 d3, d4, d5 は，

ここでは回転テーブル上面の中心を原点として工5軸加工機に指令する際には，リニアライゼーショ

具位置を定義しており，図12に示したパラメータの中ン処理が必要となるが，仮想倣い加工システムに工具で， a5 = a1 + a2 + a3 + a4 の関係を満足する．また，2姿勢の2軸制御とポストプロセス処理の機能を付加す

軸回転テーブルの構造から a2 = 0 となるとともに，工作機械各部の寸法から a5 の値が決まる。

ることで5軸制御が可能となった．
4・2

リニアライゼーション

5軸 加 工 で は 回 転2軸 の 影 響 で 工 具 先 端 位 置 を 線 形
補間することができないために，工具先端位置が希望Z

Trans Z
d5 X

X
Z

Y

X
Z

a5
X

X

止するために，リニアライゼーション処理を行う必要Yがある．NC プログラムを予め用意する従来のリニア
ライゼーション処理では，工具経路のトレランスが許

Z

Z

C

する工具経路から離れてしまうことがある．これを防B

ZX容範囲に納まるように，工具経路を細分化するが，仮
Y
Rot
Y θC
Rot
Y θΒ

想倣い加工システムの場合は，微小な時間間隔で工具
経路を連続して生成しているので，回転2軸の移動量a1が大きい場合に，工具の姿勢変化量を細分化して工具

a2

る必要がある．

Trans X
Y d3
a3
Z

X
Trans YY

a4

d4

Fig.12

Schematic illustration and coordinate system ofmachine tool employed in this study

経路のトレランスが許容範囲に納まるように制御す
図13の例では，現在の工具位置から次の工具位置へ移動する際の工具姿勢変化が大きくオーバーカットを生じる（加工形状が凹であればアンダーカットを生じる）ことから，工具姿勢変化に関与する B 軸回転あるいは C 軸回転のどちらか一方でも回転角度変化が1°以上になる場合には，B 軸回転と C 軸回転の回転角度を比較して，大きい方の回転角度が1°未満とな

るように分割した．工具経路の精度という観点では，

式(9)で示した並進移動の指令値と，B 軸回転および工 具 経 路 の ト レ ラ ン ス が許 容 範 囲 に 納ま る よ う な 回

C 軸回転の回転角度をマシニングセンタの制御パラメ

転角度変化を求める必要があるが，ここでは工具経路ータとして出力することで，仮想倣いによる5軸制御を短時間に生成するという制約から，簡単のために回が可能かどうかを検証するために，工具姿勢を加工面

転角度変化が1°未満となるように分割した．

の法線方向に制御した加工実験を行った．仮想倣いシ
ミュレーションの結果は図14に示すとおりで，工具姿

θ1 (t1 )θ 2 (t1 )勢は凹凸のある加工形状の放線方向を向いている。また，加工実験の結果は図15に示すとおりで，工具姿勢
を加工形状の放線方向に制御しながら加工を行うことができており，その有効性を確認した．

θ 1 (t 0 )θ 2 (t 0 )4・3

Overcut(a) Tool motion before linearization

θ1 (t0 )θ 2 (t0 )θ 1 (t1 )θ 2 (t1 )工具と被削材との干渉回避

5軸加工の利点は，タービンブレードのようなオーθ 1 (t 4 )θ 1 (t 3 )θθ1 (t 2 ) θ 2 (t 3 ) 2 (t 4 )θ 2 (t 2 )バハング部を加工できることにあるが，そのためには工具と被削材の干渉を回避しなければならない。NC
工作機械を直接制御する倣い加工システムでは，加工中に工具姿勢を短時間で決定する必要があり，常に工具と被削材の干渉をチェックしながら干渉を回避す
る方向に工具姿勢を変化させることにする．
干渉チェックあるいは干渉回避の方法はこれまでにも提案されているが，仮想倣い加工では加工中に工具姿勢を短時間で決定する必要があり，工具シャンク
部および工具ホルダ部と被削材の干渉だけを簡便にチェックすることにする。具体的には，工具シャンク(b) Tool motion after linearization
Fig.13 linearization in digital copy milling system

部および工具ホルダ部を覆う仮想円柱を用意し，仮想円柱と加工面（実際には加工面を表現する点群）との距離を計算することで干渉の有無を判定し，干渉が検出された場合にのみ工具姿勢を変化させて干渉を回避している．
紙面の都合で詳細な説明は省略するが，最初に仮想円柱と加工面との最大干渉量を検出し，その方向ベク
トルと Y 軸とが垂直になるように C 軸の回転角度を決定する．このことで，B 軸回転による工具干渉回避のための移動距離を最短にすることができる．次に工具傾斜のための B 軸回転角度を求める．干渉回避前の工Fig.14 Tool path generation in 5-axis digital copy milling

具姿勢において検出された仮想円柱と加工面との最大干渉量から，工具中心軸と加工面との最短距離を求める．この時，工具中心軸と干渉チェックの対象となっている加工面との距離から，干渉回避前の工具傾斜角度が求められる。一方，工具中心軸と加工面の距離が仮想円柱の半径となるときに，干渉回避後の工具傾
斜角度が求められる．従って干渉回避に必要な工具傾
斜角度すなわち B 軸回転角度は，干渉回避前後の工具
傾斜角度の差として求めることができる．もちろん，
工具シャンク部および工具ホルダ部が被削材と干渉しなければ，工具姿勢を変化させる必要はない．
最後に，加工実験を行って工具と被削材との干渉回避を行いながら5軸制御による加工が実時間で可能であることを検証した．図16に加工実験中の計算機画面

Fig.15 Experimental 5-axis digital copy millingを，図17に加工実験の様子をそれぞれ示す．加工実験
では，仮想倣い加工によって工具と被削材との干渉回避が可能であることは検証できたが，干渉回避の工具(4) 3軸制御の仮想倣い加工システムに，工具姿勢の2

姿勢変化に無駄が多く，5軸加工の特長を活かすため

軸制御，ポストプロセス処理，工具･被削材の干渉には，無駄のない工具姿勢の効率的な決定方法を開発

チェックの機能を付加して，5軸制御の仮想倣い加することが必要であることがわかった．

工が実現できることを実証したが，工具干渉回避の工具姿勢変化に無駄が多いことも明らかとなった．5軸加工の特長を活かすためには，工具と工作物の干渉に配慮しながら，無駄のない工具姿勢の
効率的な決定方法を開発することが今後の課題である．
ここに示した自律型工作機械は，予め NC プログラ
ムを用意しなければならない既存の NC 工作機械とは異なり，加工作業の変更にも柔軟に対応できることから，自律分散型生産システムの加工設備として必要不可欠であり，これを開発した意義は非常に大きい．

Fig.16 Collision avoidance in 5-axis digital copy milling

最後になりましたが，（財）天田金属加工機械技術振興財団の研究開発助成に対して謝意を表します．

Feed direction

参考文献

Feed direction

1) 白瀬敬一，近藤貴茂，岡本満，若松栄史，荒井栄司：NC プログラムを必要としない機械加工のための仮想倣い加工システムの開発（自律型 NC 工
作機械のための実時間工具経路生成），日本機械学会論文集(C)，66, 644, (2000), 1368.
2) 中本圭一，白瀬敬一，若松栄史，妻屋彰，荒井栄司：NC プログラムを必要としない機械加工のた
Fig.17 Experimental 5-axis digital copy millingunder collision avoidance control

５．おわりに本研究で得られた結論は以下のようにまとめられる．
(1) 作業者の助けを借りずに自律的に機械加工を行う
次世代の工作機械として，予め NC プログラムを作成する必要がない自律型工作機械を提案した．
(2) 提案した自律型工作機械を実現するために，加工めの仮想倣い加工システムの開発（第2報，干渉チ
ェックの強化と等高線加工の実現），日本機械学会論文集(C)，67, 663, (2001), 3656.
3) 中本圭一，白瀬敬一，若松栄史，妻屋彰，荒井栄司：NC プログラムを必要としない機械加工のための仮想倣い加工システムの開発（第3報，自律的インプロセス切削条件修正戦略），日本機械学会
論文集(C)，69, 677, (2003), 270.
4) J.J.Shah:

Assessmentoffeaturestechnology,

Computer-Aided Design, 23, 5, (1991), 331.
5) J.H.Vandenbrande,

A.A.G.Requicha:

Spatial

順序や使用工具，切削条件を自動的に決定するた

Reasoning for Automatic Recognition of Machinable

めの工程設計／作業設計システムを開発した．開Features in Solid Models, IEEE Transactions on

発した工程設計／作業設計システムでは，素材形
状と最終加工形状の3次元 CAD データから加工領域を抽出し，認識された加工フィーチャから加工
順序や使用工具，切削条件を決定することが可能になった．
(3) 実証実験では素材と加工部品の3次元 CAD データに基づいて加工順序，使用工具，切削条件が決定され，10の加工工程で7種類の工具を使い分けて加工が行われ，提案した自律型工作機械の有効性を実証した．

Pattern Analysis and Machine Intelligence, 15, 12,(1993), 1269.
6) 長野竜也，白瀬敬一，若松栄史，荒井栄司：事例ベース推論に基づく切削条件推論システム，精密工学会誌，67, 9, (2001), 1485.
7) 長 坂学，竹内芳美；形状創成関数に基づく5軸制御加工用一般化ポストプロセッサの研究，
精 密 工 学 会 誌 ， 62, 11, (1996), 1607