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技術 機械加工される部品の加工性の分析および工程計画の実行

出願人 サンドヴィクインテレクチュアルプロパティアクチエボラグ
発明者 サイゴパル・ネラトゥリグレゴリー・バートントルガ・カートグルクリスチャン・フリッツ
出願日 2013年11月21日 (7年1ヶ月経過) 出願番号 2013-240634
公開日 2014年6月26日 (6年6ヶ月経過) 公開番号 2014-115991
状態 特許登録済
技術分野 数値制御
主要キーワード ならし加工 コンピュータ構成部品 デジタル加工 回転グループ 機械加工動作 部品ストック 可視点 機械加工工具
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年6月26日)のものです。
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図面 (12)

課題

機械加工される部品加工性分析し、工程設計を行うためのコンピュータ実装ステムおよびその方法を提供する。

解決手段

ウェブ上のシステムおよび方法は、加工設定モデルと、任意の形状の設計された部品の情報とを用いて、2つの連続するステージからなる工程計画を作成する。第1のステージで、部品の形状を分析する。方向性を有する機械加工の工具から機械加工可能な最大容積を決定するクエリを、方向性を有する機械加工の工具の先端に配置された仮想カメラ視界から部品表面可視性を判定するクエリに変える。第2のステージで、全ての工具の方向性に対する機械加工可能な最大容積の合計を集計する。加工性および工程計画にフィードバックを提供するために、原材料と所望の部品との間の差を全てカバーする機械加工可能な最大容積の組合せを評価する。

概要

背景

原材料または材料(通常は金属)からの部品機械加工とは、部品が意図される形状および大きさになるまで、原材料を少しずつ削っていく切削加工の一形態である。機械加工中の動作では、原材料に、主として旋盤加工穴あけ加工、およびフライス加工を施して、所望の部品に加工する。旋盤加工では、静止している切削工具に対して原材料を回転させることによりその原材料を切削し、穴あけ加工では、原材料を静止状態で保持し、先端に刃先を有するドリルを回転させて軸方向に穴をあけ、フライス加工では、回転するドリルの側面および先端の全体に沿って刃先を有するドリルを回転させて原材料を切削することにより、原材料が削除されるよう要求する。穴あけ加工およびフライス加工では、両方とも、Z方向で縦方向に沿って回転ドリル平行移動させる。3次元の空間で加工を行うフライス加工でも、平面に沿ったXY方向に回転ドリルを平行移動させる。その他の種類の機械加工動作および工具も存在する。一般に機械加工では、特定な公差内で原材料を切削して粗加工を行い、さらに、ならし加工研磨加工仕上げ加工、またはその他の加工を行って、最終形状に部品を仕上げ加工処理が必要となる。

製品ライフサイクル管理のその他の局面と同様に、機械加工でもコンピュータとの統合が進むことによりその恩恵を受けている。例えば、デジタル的に自動化されたフライス盤プログラムして、コンピュータ数値制御CNC)による機械加工命令により、部品を原材料から加工することができる。一般に、これらの機械加工命令は、ユーザによる入力に基づいて、自動設計された後の処理確認と組み合わせて、コンピュータ支援加工(CAM)のソフトウェアにより作成される。コンピュータ支援設計CAD)のプログラムから出力される、電子的に格納されたモデルを通して、デジタル的に部品を表現し、CAMソフトウェアが、機械加工の工具を含む加工設定のモデルと組み合わせて、この部品のデジタルモデルを用いて、一連の機械加工命令を作成する。

CAD、CAMおよびそれに関連するデジタル加工ソフトウェアにより、設計および加工の一部が進歩できたにもかかわらず、従来の作業では、製品ライフサイクル管理と実際の現場での加工との間の効率的な統合をよりよく補助することを目指し、人間が作成した加工の工程計画の確認の補助にその焦点が主に当てられている。一般に、これらのソフトウェアにより仮想環境が提供され、この仮想環境では、加工処理のモデリング計画シミュレーションおよび分析を実行可能となり、これらの作業はアルゴリズムによりサポートされ、これらのアルゴリズムが経路計画衝突判定サイクル時間計算、レイアウトモデリングおよびリソース割り当てを実行し、かつ、単一動作から加工プログラム全体に渡る範囲のユーザによる入力を確認する。

しかし、例えば、CNCプログラムで表現可能な、機械加工命令のシーケンスを規定する加工の工程計画を同期させて原材料から部品を作成するという課題が残る。自動化しないで手作業でこの課題に取り組むことは、部品の形状の複雑さによっては、時間の浪費でありコストのかかる作業となる。さらに、工程計画ステージの大部分がこの作業に費やされる可能性があり、デジタル処理で加工する工具一式を用いて実行されることが確認される前に、十分な工程を決定するために常に人間が介入し、創造性および経験が必要とする。

逆に、一般的に複数の解決策があり、部品の幾何学的な複雑さが増すにつれ解空間広がり、機械加工の工具のより大きなセットが使用可能になり、このためデジタル的に自動化した機械加工により機械部品を加工するための工程計画を決定するときに設定不良が同様な問題となる。さらに、機械の特定なパラメータ、設定時間および加工時間とそのコスト、設計の公差、レイアウト設計などに工程計画は左右される。解空間が扱いにくくなり、加工性の分析および工程計画の選択を誘導可能な処理主導によるフィードバックが少なくなる。任意の幾何学的な複雑さを有する部品に関する加工のための工程計画を作成するだけの従来の解決策では、これらの課題は解決できない。

例えば、ASME 2012 International Design Engineering Technical Confs.&Comps and Information in Engineering Conference(2012年8月12日〜15日)でのW。Fu et al.による、「A Graph Grammar Based Approach to Automated Manufacturing Planning」には、部品の加工性について推論するためのグラフ文法表現が記載されており、この開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。部品を複数のサブ容積に分解し、これらの各サブ容積が1回の作業で機械加工可能であるか否かを確認する。サブ容積が機械加工可能であるという確認に基づいて、分解された部品をグラフに変換し、部品を加工するために必要な機械加工動作のシーケンスとして加工計画の候補を作成する。しかし、部品の分解に依存することで、加工可能とみなされる部品のクラスが制限され、このグラフ文法の方法は発見法に依存するため、この発見法のアプリケーションでは、探索しなければならない解空間が急激に広がり、これにより、加工性の評価の速度は著しく低下する。

概要

機械加工される部品の加工性を分析し、工程設計を行うためのコンピュータ実装ステムおよびその方法を提供する。ウェブ上のシステムおよび方法は、加工設定のモデルと、任意の形状の設計された部品の情報とを用いて、2つの連続するステージからなる工程計画を作成する。第1のステージで、部品の形状を分析する。方向性を有する機械加工の工具から機械加工可能な最大容積を決定するクエリを、方向性を有する機械加工の工具の先端に配置された仮想カメラ視界から部品表面可視性を判定するクエリに変える。第2のステージで、全ての工具の方向性に対する機械加工可能な最大容積の合計を集計する。加工性および工程計画にフィードバックを提供するために、原材料と所望の部品との間の差を全てカバーする機械加工可能な最大容積の組合せを評価する。

目的

加工性の分析と工程計画の自動化は、部品レベルでの高度な幾何学的推論に依存し、それらの推論の結果と、加工設定のモデル(具体的には、各部品を機械加工するために用いる工具)と組み合わせて、設計者および加工技術者の両方を支援する複雑な課題である

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

切削される容積を求めることにより機械加工される部品に関する工程計画を作成するためのコンピュータ実装方法であって、複数の工具の方向性を含み、回転する刃先縦方向に移動させるフライス加工の工具に関するパラメータ検索するステップと、前記部品の表面を規定する部品のモデルアクセスするステップと、前記回転する刃先と前記部品の表面との間の衝突を避ける、前記工具に関する平行移動最大設定を検索するステップであって、各平行移動には、前記工具の方向性、および前記平行移動により切削可能な容積が含まれる、ステップと、前記最大設定内の前記平行移動の交点を計算し、前記交差する平行移動に関する前記切削される容積の和集合を算出するステップと、前記和集合が前記部品の負の容積と実質的に等しいことを条件として、前記工具による機械加工の動作を含む工程計画を決定するステップと、を含む方法。

請求項2

前記工具により機械加工可能な、前記工具の表面の外側の前記平行移動の前記最大設定の最大空間を決定するステップと、前記工具に関する機械加工可能な最大容積として、前記工具の前記平行移動の前記最大設定の交点を算出するステップと、前記機械加工可能な最大容積の和集合が部品の負の容積と実質的に等しいかどうかに基づいて、前記部品の加工性を評価するステップと、をさらに含む請求項1に記載の方法。

請求項3

前記工具の起点からの前記部品の表面に対する工具の接近に垂直な前記部品の高さマップを計算するステップと、工具の起点を中心とし、部品の表面から離れていく方向に向かって見る、前記工具の高さマップを計算するステップと、前記工具を前記部品の表面上にスイーピングさせることにより作成される容積を含む、切削される各容積の高さマップを作成するステップと、前記工具の前記高さマップ内の各点に関する、前記部品の表面と前記工具の交点の間で衝突が特定されると、部品の表面から離れていく方向に前記工具の貫通深さ分だけ、前記工具の前記平行移動を行うステップと、前記工具の衝突しない平行移動の和集合が、前記部品の負の容積と実質的に等しいかどうかに基づいて、前記部品の加工性を評価するステップと、をさらに含む請求項1に記載の方法。

請求項4

前記部品、前記工具および前記切削される容積のそれぞれの前記高さマップをZバッファーとして形成するステップをさらに含む請求項3に記載の方法。

請求項5

前記工具Tの前記衝突しない平行移動を、機械加工可能な最大容積「Vmax」として式、に従って決定するステップであって、「δ()」はミンコフキー和であり、「Pacc」はアクセス可能な前記部品Pの境界であり、「S」は原材料に関するステージモデルであり、前記原材料から前記部品Pが前記工具Tにより機械加工される、ステップと、6次元空間内の前記工具Tの前記衝突しない平行移動を同次商として式、に従って決定するステップであって、「Pc」は、次元「i」で部品Pとの衝突「c」なしに工具Tに適用可能な前記平行移動の最大設定である、ステップと、のうちの少なくとも一方をさらに含む請求項3に記載の方法。

請求項6

畳み込み積分を通して機械加工される部品の加工性を分析するコンピュータ実装ステムであって、記憶装置であって複数の工具の方向性を含み、縦方向に回転する刃先を移動させるフライス加工の工具に関するパラメータと、前記部品の表面を規定する部品のモデルと、を含む記憶装置と、プロセッサにより実行されるコードを格納するプロセッサおよびメモリであって前記工具の方向性ごとに前記部品の機械加工可能な最大容積を決定するよう設定される工具評価モジュールであって、前記回転する刃先と前記部品の表面との間の衝突を避ける、前記工具の平行移動の最大設定を計算するよう設定される平行移動モジュールと、前記工具により機械加工可能な、前記部品の表面の外側の前記工具の前記平行移動の前記最大設定の最大空間を決定し、前記工具に関する機械加工可能な最大容積として、前記工具の前記平行移動の前記最大設定の交点を算出するよう設定される容積モジュールと、を含む工具評価モジュールと、前記機械加工可能な最大容積の和集合が、部品の負の容積と実質的に等しいかどうかに基づいて、前記部品の加工性を評価するよう設定される加工性モジュールと、前記部品が製造可能であることを条件として、前記工具による機械加工の動作を含む工程計画を決定するよう設定される工程計画モジュールと、をさらに含むプロセッサおよびメモリと、を含むシステム。

請求項7

前記工具Tの前記平行移動の前記最大設定が、同次商として式、に従って決定され、「Pc」が部品Pのコンプリメントを示す、請求項6に記載のシステム。

請求項8

前記工具の平行移動の前記最大設定が、前記工具により各方向に到達可能な位置でのみ制限され、前記工具Tの前記到達可能な作業空間R内の前記工具により各方向に到達可能な前記位置だけが式、に従って決定され、「Pc」が部品Pのコンプリメントを示す、請求項6に記載のシステム。

請求項9

前記工具Tに関する前記機械加工可能な最大容積「Vmax」が式、に従って決定され、最大設定および「S」が原材料であり、前記原材料から前記部品が前記工具Tにより機械加工される、請求項6に記載のシステム。

請求項10

前記工具に関する前記機械加工可能な最大容積のシーケンスに関して規定される工程計画の候補のリストを特定する特定モジュールと、前記工具ごとの仕様書を含む工具のライブラリ内の工具のリストに対応する加工設定を作成し、使用可能な工具の能力アップロードされた幾何モデルに接続させ、質的な工程計画を提供する計画モジュールと、のうちの少なくとも一方をさらに含む請求項6に記載のシステム。

技術分野

0001

本出願は、一般にコンピュータ支援による工程計画に関し、具体的には、機械加工される部品加工性分析し、工程設計を行うためのコンピュータ実装ステムおよびその方法に関する。

背景技術

0002

原材料または材料(通常は金属)からの部品の機械加工とは、部品が意図される形状および大きさになるまで、原材料を少しずつ削っていく切削加工の一形態である。機械加工中の動作では、原材料に、主として旋盤加工穴あけ加工、およびフライス加工を施して、所望の部品に加工する。旋盤加工では、静止している切削工具に対して原材料を回転させることによりその原材料を切削し、穴あけ加工では、原材料を静止状態で保持し、先端に刃先を有するドリルを回転させて軸方向に穴をあけ、フライス加工では、回転するドリルの側面および先端の全体に沿って刃先を有するドリルを回転させて原材料を切削することにより、原材料が削除されるよう要求する。穴あけ加工およびフライス加工では、両方とも、Z方向で縦方向に沿って回転ドリル平行移動させる。3次元の空間で加工を行うフライス加工でも、平面に沿ったXY方向に回転ドリルを平行移動させる。その他の種類の機械加工動作および工具も存在する。一般に機械加工では、特定な公差内で原材料を切削して粗加工を行い、さらに、ならし加工研磨加工仕上げ加工、またはその他の加工を行って、最終形状に部品を仕上げ加工処理が必要となる。

0003

製品ライフサイクル管理のその他の局面と同様に、機械加工でもコンピュータとの統合が進むことによりその恩恵を受けている。例えば、デジタル的に自動化されたフライス盤プログラムして、コンピュータ数値制御CNC)による機械加工命令により、部品を原材料から加工することができる。一般に、これらの機械加工命令は、ユーザによる入力に基づいて、自動設計された後の処理確認と組み合わせて、コンピュータ支援加工(CAM)のソフトウェアにより作成される。コンピュータ支援設計CAD)のプログラムから出力される、電子的に格納されたモデルを通して、デジタル的に部品を表現し、CAMソフトウェアが、機械加工の工具を含む加工設定のモデルと組み合わせて、この部品のデジタルモデルを用いて、一連の機械加工命令を作成する。

0004

CAD、CAMおよびそれに関連するデジタル加工ソフトウェアにより、設計および加工の一部が進歩できたにもかかわらず、従来の作業では、製品ライフサイクル管理と実際の現場での加工との間の効率的な統合をよりよく補助することを目指し、人間が作成した加工の工程計画の確認の補助にその焦点が主に当てられている。一般に、これらのソフトウェアにより仮想環境が提供され、この仮想環境では、加工処理のモデリング計画シミュレーションおよび分析を実行可能となり、これらの作業はアルゴリズムによりサポートされ、これらのアルゴリズムが経路計画衝突判定サイクル時間計算、レイアウトモデリングおよびリソース割り当てを実行し、かつ、単一動作から加工プログラム全体に渡る範囲のユーザによる入力を確認する。

0005

しかし、例えば、CNCプログラムで表現可能な、機械加工命令のシーケンスを規定する加工の工程計画を同期させて原材料から部品を作成するという課題が残る。自動化しないで手作業でこの課題に取り組むことは、部品の形状の複雑さによっては、時間の浪費でありコストのかかる作業となる。さらに、工程計画ステージの大部分がこの作業に費やされる可能性があり、デジタル処理で加工する工具一式を用いて実行されることが確認される前に、十分な工程を決定するために常に人間が介入し、創造性および経験が必要とする。

0006

逆に、一般的に複数の解決策があり、部品の幾何学的な複雑さが増すにつれ解空間広がり、機械加工の工具のより大きなセットが使用可能になり、このためデジタル的に自動化した機械加工により機械部品を加工するための工程計画を決定するときに設定不良が同様な問題となる。さらに、機械の特定なパラメータ、設定時間および加工時間とそのコスト、設計の公差、レイアウト設計などに工程計画は左右される。解空間が扱いにくくなり、加工性の分析および工程計画の選択を誘導可能な処理主導によるフィードバックが少なくなる。任意の幾何学的な複雑さを有する部品に関する加工のための工程計画を作成するだけの従来の解決策では、これらの課題は解決できない。

0007

例えば、ASME 2012 International Design Engineering Technical Confs.&Comps and Information in Engineering Conference(2012年8月12日〜15日)でのW。Fu et al.による、「A Graph Grammar Based Approach to Automated Manufacturing Planning」には、部品の加工性について推論するためのグラフ文法表現が記載されており、この開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。部品を複数のサブ容積に分解し、これらの各サブ容積が1回の作業で機械加工可能であるか否かを確認する。サブ容積が機械加工可能であるという確認に基づいて、分解された部品をグラフに変換し、部品を加工するために必要な機械加工動作のシーケンスとして加工計画の候補を作成する。しかし、部品の分解に依存することで、加工可能とみなされる部品のクラスが制限され、このグラフ文法の方法は発見法に依存するため、この発見法のアプリケーションでは、探索しなければならない解空間が急激に広がり、これにより、加工性の評価の速度は著しく低下する。

発明が解決しようとする課題

0008

したがって、設計された部品が基本的に製造可能かどうかを確認し、可能であれば、どのような加工の工程計画のシーケンスを用いるかを確認する方法が依然として必要である。

課題を解決するための手段

0009

ウェブベースのシステムおよび方法では、加工設定のモデル、および任意の形状で設計された部品の情報を用いて、連続する2ステージからなる工程計画を作成する。第1のステージで、部品形状を分析する。方向性を有する機械加工の工具から機械加工可能な最大容積を判定するクエリが、方向性を有する機械加工の工具の先端に取り付けられた仮想カメラ視界による部品の表面の可視性の判定に変換される。第2のステージで、全ての工具の方向の設定に対する機械加工可能な最大容積の集合集計する。加工性および工程計画に関するフィードバックを提供するために、機械加工可能な最大容積の組み合わせによりカバーされる、原材料と所望の部品との差全体を評価する。さらなる実施形態では、任意の幾何学的な複雑さを有する工具および機械に関する加工性を、高次配置空間分析を用いて分析する。

0010

一実施形態では、切削される容積を求めることにより、機械加工される部品に関するする工程計画を作成するコンピュータ実装システムおよび方法が提供される。この方法では、フライス加工の工具に関するパラメータを検索し、このパラメータは工具の複数の方向性を含み、その全長方向に回転する刃先を移動させる。部品の表面を規定する部品のモデルにアクセスする。回転する刃先と部品の表面の衝突を避ける工具に関する平行移動の最大設定を検索する。各平行移動には、工具の方向性およびその平行移動により切削可能な容積が含まれる。最大設定内の平行移動の交点を計算する。交差する平行移動に関する切削される容積の和集合を算出する。この和集合が部品の負の容積と実質的に等しいことを条件として、工具による機械加工の動作を含む工程計画を決定する。

0011

さらなる実施形態では、畳み込み積分を通して機械加工される部品の加工性を分析するコンピュータ実装システムおよびその方法が提供される。この方法では、フライス加工の工具のパラメータを検索し、このパラメータは工具の複数の方向性を含み、その全長方向に回転する刃先を平行移動させる。次いで、部品の表面を規定する部品のモデルにアクセスする。工具の方向性ごとに、部品の機械加工可能な最大容積を決定する。回転する刃先と部品の表面の衝突を避ける工具の平行移動の最大設定を計算する。工具により機械加工可能な部品の表面の外側の工具の平行移動の最大設定の最も大きな空間を決定する。工具の平行移動の最大設定の交点を、工具に関する機械加工可能な最大容積として算出する。機械加工可能な最大容積の和集合が、部品の負の容積と実質的に等しいかどうかに基づいて、部品の加工性を評価する。この和集合が部品の負の容積と実質的に等しいことを条件として、工具による機械加工の動作を含む工程計画を決定する。

0012

さらなる実施形態では、次元降下と可視性分析を通して、機械加工される部品の加工性を分析するコンピュータ実装システムおよびその方法が提供される。この方法では、フライス加工の工具のパラメータを検索し、このパラメータはこの工具の複数の方向性を含み、全長方向に回転する刃先を平行移動させる。部品の表面を規定する部品のモデルにアクセスし、この部品にはアンダーカット形状がない。衝突しない工具の平行移動を決定する。部品の表面へ接近する工具と、垂直な部品の高さマップを工具の起点から計算する。工具の起点を中心として部品の表面から離れていく方向に向かって見る工具の高さマップを計算する。工具を部品の表面の上にスイープさせることにより作成される容積を含む、切削される容積の高さマップを作成する。部品の表面と工具の衝突が特定されると、工具の高さマップの各点に関する工具と部品の表面の交点を算出し、部品の表面から離れる方向に工具が貫通する深さ分だけ、工具を平行移動させる。工具が衝突しない平行移動の和集合が、部品の負の容積と実質的に等しいかどうかに基づいて、部品の加工性を評価する。部品が製造可能であることを条件として、工具による機械加工の動作を含む工程計画を決定する。

0013

詳細に説明する同期の課題と、部品の加工性の分析に基づく複数の加工工程の計画は、デジタル加工の分野では一意であり、製品ライフサイクルの間の重要なギャップを埋めることができる。従来、設計と加工は、2つの異なる部門とみなされ、機械加工に関するデジタル加工の作業の大半は、技術者が機械と処理をシミュレーションして、彼らの設計および工程計画を手動で確認することにその焦点が当てられている。本明細書に記載される方法は、工程計画を同期させるだけでなく、設計者と工程技術者にフィードバックを提供し、かつウェブ上に配置することができる。

図面の簡単な説明

0014

図1は、人間により作られた加工工程計画を確認する従来技術のシステムを、例として示す機能ブロック図である。
図2は、一実施形態による、機械加工による部品の加工性を分析し工程計画を行うコンピュータ実装システムを示す機能ブロック図である。
図3は、図2のシステム用いて、フライス加工により加工される部品を、例として示すブロック図である。
図4は、図2のシステム用いて、1つの方向性を有する工具に対して計算された部品の1ステージのモデルを、例として示すブロック図である。
図5は、図2のシステム用いて、1つの方向性を有する工具に対して計算された部品の1ステージのモデルを、例として示すブロック図である。
図6は、一実施形態による、機械加工される部品の加工性を分析し工程計画を行う、コンピュータにより実行される方法を示す流れ図である。
図7は、図6の方法の中で行われる、加工性を評価するルーチンを示す流れ図である。
図8は、図7のルーチンの中で行われる、機械加工可能な最大容積を集計するルーチンを示す流れ図である。
図9は、ボールエンドミルの接触面の高さマップを、例として示す図である。
図10は、図7のルーチンの中で行われる、可視性分析を行うルーチンを示す流れ図である。
図11は、図10の可視性分析のルーチンの徐々に進行するステージを、例として示すブロック図である。

実施例

0015

従来、組織内で設計と加工は密接に連動して動いているが、未だに機能的な作業範囲は分離している。一般には、まず製品の設計が行われ、それに続いて、製品の実現化および製品の加工が行われる。設計部門からの個別の出力として部品の設計は扱われ、設計が終了しその後、製品の加工が始まる前に、部品加工に関する、人間により作成された工程計画の確認が行われる。

0016

加工工程計画に対する従来のアプローチは、製品ライフサイクル管理と実際の現場の生産をよりよく統合することを目的としてきたが、設計と加工の間の相違付随的に明確となっていた。図1は、人間により作成された加工工程計画を確認する従来技術システム10を、例として示す機能ブロック図である。設計に続くその後の製品ライフサイクルのステージの間に加工性が評価される。製品の設計は、設計部門11と加工部門12の間を、設計された部品が最終的に製造可能と判定されるまで、何度も往復しなければならない可能性がある。部品の設計と加工の間で行き来するサイクルは、これらの部門で別々に担当作業が実行されるために起こる。人間により作成された加工工程計画の確認を行うために必要なこのようなやり取りは、時間の浪費でありコスト高になる恐れがある。

0017

加工性の分析と工程計画の自動化は、部品レベルでの高度な幾何学的推論に依存し、それらの推論の結果と、加工設定のモデル(具体的には、各部品を機械加工するために用いる工具)と組み合わせて、設計者および加工技術者の両方を支援する複雑な課題である。現在のアプローチでは、例えば、部品のモデル内の特別な種類の特徴に対する解決策を提供するとき、加工時間およびコストを見積もるとき、または技術者のために工場をシミュレーションして加工性を可視化し確認するときなど、最小限の範囲でこのような機能が取り組まれている。

0018

加工設定の詳細なモデルをより早い段階で、(具体的には設計の工程中に)、製品ライフサイクルに導入することで、その構造により、かつ加工性および同様の問題に関するフィードバックを作成することにより、機械加工される部品の設計、およびそれにしたがって、部品加工に関する工程計画が正しいことを確認する。図2は、一実施形態による、機械加工による部品の加工性を分析し工程計画を行うコンピュータ実装システム20を示す機能ブロック図である。ウェブ上のサービス23は、加工設定の元来の機能をモデリングすることにより、具体的な部品の加工性に関する詳細なフィードバックを提供する。有線接続または無線接続を使用する、インターネットなどの、広域公衆データ通信ネットワーク上のウェブを通して、遠隔的にアクセス可能集中型サーバ22を介して、プログラム21が提供される。パーソナルコンピュータ27または同様の装置上で実行するウェブのブラウザ28を通して、ユーザはサーバ22にアクセスする。サーバ22は記憶装置24と操作可能に接続し、その記憶装置の中には、例えば、ボクセルまたは同様の容積測定単位を用いて表される、設計された部品25のモデル、および機械加工工具26のライブラリが格納される。サーバ22およびパーソナルコンピュータ27は両方共中央処理装置メモリ入力ポート出力ポートネットワークインターフェース、および不揮発性記憶装置などの、従来、汎用プログラム可能コンピュータ装置内で見ることができる構成部品を含むが、その他の構成部品も含むこともできる。さらに、その他のコンピュータ構成部品も含むことも可能性である。

0019

プログラム21は、ジオメトリックエンジン実装し、このジオメトリックエンジンが、工具の形状および自由度、または周り治具および固定具の存在を想定しないで、任意の幾何モデルを自動的に加工性分析するための、一連の空間計画アルゴリズムを実行する。加工設定モデルは、使用可能な工具ごとの仕様書を含む機械加工の工具26のライブラリに対応し、プログラム21は、アップロードされた各部品25の幾何モデルに対して、使用可能な各工具の機能に接続して質的に異なる工程計画を提供する。これらの工程計画は、JSON(「JavaScript(登録商標) Object Notation」)ファイルまたは同様の構造符号化の形態、あるいは人間が読める形式で表示され、個々の設計ごとに詳細なフィードバックを行う。幾何学的推論を行うアルゴリズムは、ライブラリ26からの工具情報を用いて、工具の方向性ごとに部品ストックをもとに機械加工可能な最大容積の探索空間構築し、続いて、探索アルゴリズムが、この空間を自由に平行移動し工程計画の一連の候補を特定する。これに関しては、図6を参照して下記にさらに詳しく説明する。プログラム21は、この探索空間に解決法が存在するかどうかを確認した後、平行移動を開始する。

0020

幾何学的推論を行うアルゴリズムは、剛的動作の配置空間の特性に依存する数学原理に基づき、パーソナルコンピュータ27またはその他の同様の装置を用いて、グラフィックハードウェア上の畳み込み積分に関して抽象的に実行可能である。さらに、工具形状がアンダーカット形状を処理しない特別なケースでは、次元降下と可視性の分析により実行されるアルゴリズムにより、畳み込み積分のアルゴリズムと比較して、著しいスピードアップ解像度が提供される。

0021

以下の定義を用いる。
膨張:「δ」により示され、そのマップは「δ(M,X)=∪m∈MXm」により規定される。但し、「Xm」は剛性移動「m」により平行移動される個体Xを表す。膨張とは、1つのパラメータスイープの通常動作、および、例えば、J. Serraによる、「Image Analysis and Mathematical Morphology、V.1(1982年)」に記載されたミンコフキー和を一般化したものであり、上記の開示は参照することにより、本明細書に組み込まれるものとする。
浸食:「ε」により示され、そのマップは「ε(M,X)=∩m∈MXm」によりを規定される。浸食とは、例えば、H.T. Ilies et alによる「Dual of Sweep」Comp. Aid. Design、31(3):185〜201ページ(1999年)に記載された(1つのパラメータの)非スイープの動作、およびミンコフシキー差を一般化したものであり、上記の開示は参照することにより、本明細書に組み込まれるものとする。
同次構成積、または単に同次積:静止個体との間で衝突を引き起こす、移動個体の剛性移動の最大集合を求める演算である。移動個体Tの動作が静止個体Sの存在下の平行移動に制限される場合、例えば、J.C. Latombeによる、「Robot Motion Planning(1990年)」に記載されるように、同次積は、SおよびTの平行移動配置空間の障害である。上記の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれるものとする。
・左同次構成商、または単に左商:静止個体S内に封じ込められる移動個体Tの全ての剛性移動を求める演算



である。平行移動の場合、例えば、上記のJ. Serraに記載されるように左商は浸食に関連する。

0022

機械および切削工具のライブラリを用いて、機械加工される部品の加工性を評価し、金属の原材料に関する機械加工の動作を決定し、製造可能部品を作成することは、自動化に関して著しく広い範囲を提供する課題である。図3図5は、フライス加工により加工される部品、および2つの異なる方向性を有する工具に関して、図2のシステム20を用いて計算された2ステージの部品のモデルを、それぞれ例として示すブロック図である。各ステージのモデル(機械加工の動作後も切削されずに残る材料)は、一般に、いくつかの方向で再固定され、これにより、部品の表面全体を切削工具が機械加工することができる。1つの組(S、P)を考慮すると、Sは固定される原材料またはステージのモデルを表し、Pは加工される部品を表し、SからPに機械加工するために選択される工具をTで表す。全ての個体をMの要素として表すと仮定する。加工性の分析では暗黙時に衝突判定を行って機械加工可能な最大容積を計算するため、以後の全てのステージでは、部品を含む全体の据え付け配置をPと置き換えることができる。最初に図3を参照すると、設計される部品のモデルが示される。材料の長方形ピースから原材料を切削することにより部品が加工される。次に、図4および図5を参照すると、2つの異なる方向性を有する工具(グリーン)が、原材料(パープル)を機械加工するために計算される2ステージのモデル(イエロー)が示される。長方形の原材料内の各ステージモデルの補数は機械加工可能な最大容積を表す。

0023

ステージモデルでは、複数の方向は直線的に伸びるため、誰かが単純に工具Tを所望の方向T*に向け、機械加工可能な最大容積を再計算しなければならないことを示す。必要であれば、部品を加工する動作のシーケンスを決定する間に、材料Sもあらゆるステージモデルで交換することができる。したがって、多軸フライス盤を用いて「多面」のフライス加工を行う場合、つまり、工具の複数の方向性を有する平行移動可能なフライス加工動作を行う場合にも、工具を平行移動させるための機械加工可能な最大容積を計算する分析が適用され得る。部品を全ての工具方向に対して再固定させる必要がないため、多面フライス加工では設定時間を短くさせ易いとともに機械加工の精度も向上させる。

0024

空間計画アルゴリズムは、切削工具の自由度または周りの治具および固定具の存在を想定することなしに、工具および材料形状の大きなクラスに関する原材料に対する機械加工の動作のシーケンスを決定する。図6は、一実施形態による、機械加工される部品の加工性を分析し工程計画を行う、コンピュータにより実行される方法40を示す流れ図である。例えば、サーバなどの汎用性のプログラムされたコンピュータにより実行される一連のプロセスまたは方法のステップとしてこの方法を実行する。

0025

まず、設計された部品を機械加工するために使用される工具のライブラリを含む加工設定のモデルと、設計された部品の情報とをそれぞれ検索する(ステップ41およびステップ42)。工具が動作可能な方向性および位置を含む、各種類のフライス加工の工具に関する情報が、このライブラリに格納される。次いで、空間設計は、2つの連続するステージにおおまかに区別される。以下に図7を参照してさらに詳しく説明する通り、最初にライブラリ内の各工具により、機械加工される容積に対して部品の加工性を評価する幾何学的推論が行われる(ステップ43)。これに続いて、部品が製造可能ならば(ステップ44)、探索アルゴリズムが、切削される容積のシーケンスに関して規定される計画を作成する(ステップ45)。切削される容積とは、設計された部品の表面上に工具をスイーピングさせることにより作成される容積である。以下に図8を参照してさらに詳しく説明する通り、機械加工可能な最大容積の和集合が部品の負の容積と等しければ、その部品は工具により製造可能である。以下に図10を参照してさらに詳しく説明する通り、さらなる実施形態では、工具の衝突しない平行移動の和集合による工具のスイープが、部品の負の容積と等しければ、その部品は工具により製造可能である。さらにさらなる実施形態では、機械加工可能な最大容積の和集合、または衝突しない平行移動は、必要に応じて、全ての機械加工可能な最大容積、または衝突しない平行移動の全部または一部の和集合であり得る。さらに、機械加工可能な最大容積または衝突しない平行移動の和集合は、絶対測定値よりは、むしろ特定の公差までの部品の負の容積と同等であり得る。さらにその他の加工性の基準も使用可能である。

0026

加工性を分析中、部品レベルの高度な幾何学的推論と加工設定のモデル(具体的には各部品を機械加工するために使用する工具)を組み合わせて、部品が製造可能かどうかを判定する。図7は、図6の方法40で使用する、加工性を評価するルーチン50を示す流れ図である。ライブラリ内の各工具を次の通りに評価する(ステップ51〜ステップ57)。まず、工具の形状を分析して(ステップ52)、設計された部品が、工具のアンダーカット形状を必要とするかどうかを判定する。以下に図8を参照してさらに詳しく説明する通り、アンダーカット形状を必要とする場合(ステップ53)、各方向に工具により機械加工可能な最大容積を集計する(ステップ54)。以下に図9を参照してさらに詳しく説明する通り、工具の形状がアンダーカット形状を有さない場合(ステップ53)、機械加工可能な最大容積を集計するときに、畳み込み積分のアルゴリズムを使う代わりに、次元降下と可視性分析を通して実行されるアルゴリズムを使うことができる(ステップ56)。最終的に、集計された機械加工可能な最大容積に基づいて、または場合により可視性分析に基づいて、加工性を判定する(ステップ55)。ライブラリ内の各工具の関しても同様の処理を行う(ステップ57)。

0027

工具Tに関する機械加工可能な最大容積を集計するには、工具Tが設計された部品Pと干渉することなしに取り除くことができる固定された原材料Sの最も大きな部分を判定しなければならない。図8は、図7のルーチン内で行われる、機械加工可能な最大容積を集計するルーチンを示す流れ図である。説明を簡単にするために、まず問題を平行移動する工具を用いて、静止材料から機械加工可能な最大容積を判定することと規定する。例えば、この状況は実際に、3つの軸のフライス盤を用いて固定された材料から金属を切削するときに見られる。平行移動する単一の工具に関する形式を伸ばして、工具と部品の間に複数の相対配向を形成すると簡単明瞭である。

0028

次の通りに、工具Tの各方向性を評価する(ステップ61〜ステップ66)。製造可能と判定される部品Pに関して、工具T上の基準点が、その時点の方向から達することができるいくつかの位置の間に原材料Sを固定して配置する。全ての機械加工可能な最大容積の和集合が、部品の負の容積、つまり、固定された原材料Sから容積が差し引かれた部品Pと同じ場合、およびその場合に限って、部品Pは工具Tにより製造可能である。

0029

最初に、部品Pとの衝突を避ける工具Tの平行移動の最大設定を計算する(ステップ62)。絶対座標系の起点が工具T上の基準点と一致していることを確認する。同次商を規定することにより、Pc内に残る工具T、つまり、Pと衝突しない工具Tに適用可能な平行移動の最大設定は下記の式で表せる。



この式により、その時点の方向の工具Tに適用可能な平行移動の空間全体の最も大きな部分の外形が表される(ステップ63)。

0030

しかし、実際には、機械加工は使用可能な作業空間、または工具が到達可能な複数の位置および方向により制限される。固定された方向性を含むその時点の状況は、工具の全ての到達可能な位置、すなわち到達可能な作業空間の設定だけに関係する。到達可能な作業空間をRで示し、工具Tに適用可能な平行移動の最大設定



を下記の式に修正する(ステップ64)。



したがって、スイープδ(K、T)は、部品Pの形状と干渉することなしに許される平行移動の最大設定による工具のスイープを示す。

0031

最終的に、原材料(またはステージモデル)Sから機械加工可能な最大容積は下記の式により算出される(ステップ65)。



到達可能な作業空間の計算された部分により、スイープされた工具Tの容積は、構造により、部品形状の外側に残ることが保証されているため、スイープδ(K、T)は部品の負の容積と交差する必要はない。工具Tの各方向に関しても同様の処理を行う(ステップ66)。

0032

さらなる実施形態では、任意の幾何学的な複雑さを有する工具および機械に関する加工性を、高次元配置空間分析を用いて分析する。式(3)により計算された機械加工可能な最大容積により部品の境界の一部がさらされる場合、接触可能な境界「δPacc」は、「κ(Vmax)∩∂(P)」で正確に表すことができる。但し、κ(X)および∂(X)は、集合Xの閉包および境界をそれぞれ表す。それと反対に、「δPacc」は、固定された方向の材料またはステージモデルから最大切削可能容積を工具が機械加工するときに、さらされる部品の境界の完全部分である。

0033

工具Tが無限大の長さおよび厚さゼロを有する極端な例を考察すると、そのとき、式(3)は、関心の方向に沿って「Pacc」内の任意の点に接近する工具は、固定された部品に干渉しないことを示唆する。この極端な例では、特定な方向に沿って見ることができる点の集合「Pvis⊂∂(P)」は全て機械加工可能である。より一般的には、アンダーカット形状のない無限大の長さを有する工具(または議論のために、無限に長いとみなすことができる工具)に関して、xとyに接続する線分が完全に自由な物理的空間Pc内になるように、任意の点「x∈Pacc」から発せられる光線は、いくらかの点「y∈T」で衝突しない構成の工具と必ずしも交差しない。したがって、「Pacc」内の全ての点はこのような工具から見ることができると言われる。

0034

式(1)で集合



全体を計算することを避けるために、この特別な例では、工具Tがアンダーカット形状をもたず、無限大の長さを有するとき、「Vmax」を可視性の分析を通して計算することができる。最初に、ゼロでない厚さ「Pacc≠Pvis」を有する工具に関する。δ(Pinacc,T)∩P≠φとなるように、集合「Pinacc⊂Pvis」は目に見える工具の位置の中の到達できない位置を表す。したがって、機械加工可能な最大容積「Pvis」を最初に計算し続いて、その和集合の全体に渡って分散する膨張を監視することにより「δ(Pinacc,T)」を抽出する。

0035

工具が無限大の長さを有するとき、この「Vmax」の形式は式(3)と等しい。「Vmax」を計算することを考えると、工具のクラスに関する可視性を用いる方法は効率的な代替案である。

0036

高さマップに関して可視性を暗黙的に符号化する。次に、切削される高さマップRHmapから切削される容積を計算する。3次元の計画空間(X,Y,Z)内の各点(x,y,z)を工具の(X’,Y’,Z’)の座標系投影し、その空間内の点(x’,y’,z’)がRHmap(x’,y’)より上か下かを判定する。より正確には、z’<RHmap(x’,y’)の場合、点(x’,y’,z’)は切削される容積内である。

0037

表面に接触する無限から発せられる遮られない光線に関して所与の方向から可視性を規定する。無限を、有限(しかし十分に長い距離)と置き換えた場合、標準のZバッファー法による隠面消去正投影を用いて、表面上の可視点サンプリングを計算することができる。コンピュータグラフィックスでは、このZバッファー法が、画像内の全ての画素に関して、最も近い面までの距離を計算する標準的な方法であり、これにより離れた面は近い面により正確に遮られる。Zバッファーのアルゴリズムは、単に高さマップを保持し、最初に全ての画素に関して無限と設定し、モザイク式のモデル内の全ての三角形内の全ての画素を描こうと試み、その画素から三角形までの距離が、その画素に関するZバッファーの中のどの値よりもその時点で小さい場合、所与の画素だけを描き、その場合、Zバッファーを更新する。

0038

3つの軸のフライス盤内の軸に関する正式名称は、工具が周りを回転する軸をZ軸と呼び、部品に向かう移動を+Z方向の移動と呼ぶ。工具は、X、Y、またはZに沿って、平行移動することができ、かつZの周りだけを回転することができる。Zの周り回転を無視し(回転対象の工具、または工具がそのスイープされた容積により表されると仮定する)、状態空間および工具が許される平行移動に関するZバッファーのアルゴリズムのマップを用いて、高さマップを計算する。全ての(X,Y)組に関して、対応する高さマップの値は、部品の内側に衝突することなしに、工具が+Z方向に平行移動することができる距離の上限である。無限大に薄い工具では、高さマップの値は正確であるが、有限の厚さを有する工具では、衝突は依然として問題であり、したがって「Pacc≠Pvis」かつ「Pinacc⊂Pvis」である。部品の観点からすると、アンダーカットのない工具の先端面は、−Z方向から見ると工具の可視部となる。図9は、ボールエンドミルの接触面の高さマップを、例として示す図であり、ボクセルまたは同様の容積測定単位の高さマップとして表されている。工具が部品に接近するとき、その工具は、+Z方向に移動すると言う、したがって接触面は最大のZ軸値を有する工具の表面である。

0039

重要なことは、−Z方向は部品から離れる方向であり、−Z方向に移動することにより、無限大の長さを有するアンダーカット形状のない工具は部品と衝突していない状態から衝突する状態に移行することはあり得ないということである。それどころか、衝突状態から衝突していない状態にのみ工具は移行可能であり、有限の部品に関しては、最終的に衝突している工具が、衝突していない状態に移行することが保証される。したがって、工具の表面の一部が部品の内側に衝突する場合、所与の(X,Y)に関して、非無限大に薄い工具が部品と衝突することなしに到達することができる、最も遠くの+Z方向の位置を見つけるために、Zバッファーの高さマップ内の上限を推測し、工具を繰り返し−Z方向へ移動させることにより可視性分析を開始することができる。図10は、図7のルーチンで使用される可視性分析を実行するルーチン80を示す流れ図である。最初に、部品Pを起点の中心に配置する(ステップ81)。工具の接近方向Zを考慮して−Zに沿って離れた地点から正投影的に部品をレンダリングすることにより、部品PのZバッファーの高さマップ「PHmap」を計算する(ステップ82)。この点が工具の起点である。

0040

次に、上記と同じ方法を用いるが、工具の起点の中心に仮想カメラを配置し、−Z方向に向かって見ながら、工具の高さマップTHmapを計算する(ステップ83)。工具Tが衝突することなしに部品上をスイープした後に残る容積である、切削される容積に関する高さマップ「RHmap」を作成し、全ての点を初期化してゼロにする(ステップ84)。次の通りに、部品の高さマップ「PHmap」内の各点(X,Y)を処理する(ステップ85〜ステップ91)。最初に、工具のZ方向の最大移動量Zmaxを、「Zmax(X,Y)=PHmap(X,Y)」として初期化する(ステップ86)。工具の高さマップ「THmap」内の各点(X’,Y’)を衝突に関して確認する(ステップ87〜ステップ90)。つまり、「minX(THmap)≦X’≦maxX(THmap)」かつ「minY(THmap)≦Y’≦maxY(THmap)」であるかどうかを、次の通りに確認する。その時点の「Zmax」に関する値を考慮した場合、「THmap」の所与の点(X’,Y’)が、部品Pの内側に衝突する可能性があり(ステップ88)、「Zmax」を−Z方向に貫通する深さ分だけ平行移動させる(ステップ89)。各(X’,Y’)に関してもこの処理を行い(ステップ90)、各(X,Y)に関してもこの処理を行う(ステップ91)。

0041

可視性分析のアルゴリズムの種々のステージを示すことができる。図11は、図10の可視性分析のルーチンの徐々に進行するステージを、例として示すブロック図である。上段左側のブロックでは、工具の座標系内でマッピングされた工具T(ブルー)と部品(レッド)が示される。上段右側のブロックでは、工具Tの所与の(X,Y)平行移動に対して、「Zmax(X,Y)」をPHmap(X,Y)に初期化する。中断左側のブロックでは、「Zmax(X,Y)」を工具Tの最大貫通深さ分だけ−Z方向に平行移動させる、そのため部品Pとは衝突していない。中断右側のブロックでは、全ての(X,Y)対してアルゴリズムを実行する。下段左側のブロックでは、「(x,y)∈(X,Y)」に関して「Zmax(X,Y)」である。最終的に、下段右側のブロックでは、「(x,y)∈(X,Y)」に関して「RHmap(x,y)」である。

0042

工具Tが、設定W内で行われる平行移動に従って移動することを確認する。この設定Wは作業空間と呼ばれ、空間の剛性平行移動の配置空間SE(3)の部分である。工具に取り付けられた座標フレームの位置に関して、工具Tがその動作中に到達可能な位置および方向が表される。そのような各フレームは、最初に、広域座標系で揃えられ、その絶対座標系に対して平行移動が表されていることをさらに確認する。暗黙的に、作業空間Wも絶対座標系に対して位置および工具の方向性を表す。各フレームの起点がTの基準点であり、工具Tと原材料Sが接触する特別な点を示し、この点を用いて、加工性に関する工具Tの正式な空間位置を分析する。

0043

各工具Tにより原材料Sから機械加工可能な最大容積は式(1)および(2)をSE(3)に拡張することにより表される。したがって、Tごとの機械加工可能な最大容積は下記の式で表される。

0044

元来の6次元の計算は、



の半直積構造により小さい3次元の計算に分解される。実際には、SE(3)の半直積構造は下記の式を示唆する。



式(9)は複数の3次元のミンコフシキー差の計算に分解することにより扱い易くした6次元の同次商の計算を表す。この計算では、機械工具の作業空間における回転「SO(3)」の3次元のグループ離散化が必要である。SO(3)の広域離散化は複数の方法で行うことができ、それらの全ては、回転グループのいくらかの局所離散化また広域離散化用いて、離散パラメータ値を選択することに依存し、この局所離散化また広域離散化は、S. Nelaturi et alによる「Solving Inverse Configuration Space Problems by Adaptive Sampling」Symp. Solid & Phys. Model. 2012 (2012年)に記載され、この内容を参照することより本明細書に組み込まれるものとする。

0045

多軸の機械加工を行うため、一般に使用可能な機械工具の方向は軸ごとに提供される。これらの方向を「SO(3)」の単一の探索可能部分に組み合わせることができ、これには、作業空間内で構成積を用いて到達可能な全ての方向性が含まれる。この内容はS. Nelaturi et alによる「Configuration Products and Quotients in Geometric Modeling」、Comp. Aid. Design (2012年)に記載され、この開示を参照することにより本明細書に組み込まれるものとする。「A,B⊂SE(3)」に関して、構成積は



マップであり、下記の式に演算子定される。



式(10)で、演算子「・」は、SE(3)内のグループ演算(そのサブグループのうちのどれか)を表す。SE(3)内の要素が4×4の同次平行移動マトリクスとして表される場合、演算子「・」は行列乗算と等しい。

0046

5つの軸を有するフライス盤は3方向の平行移動動作に加えて、2つの回転軸の周りの回転自由度を有する。有効軸の周りの回転をRΘおよびRΦで示す場合、式(9)内のミンコフシキー差を計算しなければならない「SO(3)」の部分は、空間回転組成の非交換性のために



により算出される。同次商は次の式で計算することができる。

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