JP4300275B2

JP4300275B2 - 工程設計方法、工程設計装置及びコンピュータプログラム

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Publication number: JP4300275B2
Application number: JP2004307397A
Authority: JP
Inventors: 義昭垣野; 厚松原; 伊和夫山路; 佳史藤田; 秀規新家; 寿大坪; 義典山岡; 智典佐藤
Original assignee: Yamazaki Mazak Corp; Mitsubishi Electric Corp; DMG Mori Co Ltd; Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: Yamazaki Mazak Corp; Mitsubishi Electric Corp; DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: CN1763671A; JP2006119935A; ITMI20051995A1; CN100476657C; US7487005B2; DE102005050380A1; DE102005050380B4; US20060089746A1

Description

本発明は、エンドミルを工具として用いる工作機械を用いて被加工物を所望の形状に加工する際に、使用する工具のサイズ、加工順序を含む工程を最適に設計することが可能な工程設計方法に関し、またこの方法を実施すべく構成された工程設計装置、更に、この方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムに関する。

加工テーブル上に固定された被加工物に対して予め数値指定された経路に沿って加工用の工具を相対移動させ、前記被加工物に所定の加工を施すＮＣ（Numerical Control）工作機械は、ドリル、タップを工具として用いる穴開け及びねじ切り加工の外に、エンドミルを工具として用い、被加工物の加工面を種々の形状に加工する用途にも広く採用されている。

この種のＮＣ工作機械による加工は、対象となる加工形状に応じて、使用する工具、加工手順、夫々の手順における作業内容を定める工程設計をまず行い、次いで、この工程設計の結果に従って工具の送り経路を、経路上の各部での送り速度を含めて設定するＮＣプログラムを作成して、このＮＣプログラムに応じたサーボ制御により加工工具及び加工テーブルを動作せしめて行われる。

本願出願人は、エンドミルを工具として用いるＮＣ工作機械を対象としたＮＣプログラムの作成方法を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。この方法は、工程設計の結果として定められた加工手順の夫々に対し、対象となる加工形状を複数用意された固定サイクルに置き換え、夫々の固定サイクル内にて仮定された送り経路上にてエンドミルに加わる切削抵抗を予測し、この予測値が適正値に収束する送り経路を夫々の送り速度を含めて決定する方法であり、エンドミルの損傷、摩耗を低減しながら、高い加工能率と高い加工精度とを併せて達成し得るＮＣプログラムを、オペレータの経験に頼ることなく、また煩雑な作業を要求されることなく作成することができる。
特開２００３−２６３２０８号公報

ところが一方、以上の如きＮＣプログラムの作成に必要な工程設計は、従来から、生産技術に精通した設計者が経験（過去の実績）に基づいて行っており、実際になされた工程設計の結果が設計者の能力に依存するという問題があり、更には、経験豊富な設計者によりなされた工程設計の結果が最適なものとなっているとは限らず、このような工程設計の結果に基づいて前述した方法により作成されたＮＣプログラムに従って行われる加工が、加工時間、エンドミルの寿命等を考慮した総合的な加工コストを下げるという最終的な観点から見て最適であるとの保証はなく、更なる加工コストの低下機会を逸している虞れがある。

また近年においては、複雑な加工形状を単純な形状の加工フィーチャに分割して、工程設計を自動化する試みがなされているが、これらは、過去の実績に基づいて加工フィーチャの除去順序を決定しているに過ぎず、経験の乏しい設計者の補助的なツールとして使用される程度の存在である。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、エンドミルを工具とするＮＣ工作機械により被加工物に所定の加工を行わせるための工程を、設計者の経験に頼ることなく、また煩雑な作業を必要とすることなく設計することができる工程設計方法を提供し、またこの方法の実施に用いる装置及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る工程設計方法は、複数種のエンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、使用するエンドミルの選定及び加工の順序を含む工程を定める工程設計方法において、加工前後の形状に応じて使用するエンドミルのパスパターンが一義に決定可能な加工サイクルとして予め定めた複数種の固定サイクルと、該固定サイクルの一又は複数の組み合わせにより実現可能な加工形状として予め定めた複数種の加工フィーチャとを予め定めておき、前記被加工物の加工前後の形状差に基づいて加工すべき領域を抽出し、抽出された領域を前記加工フィーチャの組み合わせに置き換え、置き換えられた加工フィーチャの夫々に前記固定サイクルを割付けて、各別に固定サイクルが割付けられた加工フィーチャの組み合わせの夫々に、加工時間及びエンドミルの寿命に関連する評価関数を適用し、該評価関数による評価値を最適化する固定サイクルの集合を最適工程として選択することを特徴とする。

また本発明に係る工程設計装置は、複数種のエンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、使用するエンドミルの選定及び加工の順序を含む工程を定める工程設計装置において、加工前後の形状に応じて使用するエンドミルのパスパターンが一義に決定可能な加工サイクルとして予め定めた複数種の固定サイクル、及び該固定サイクルの一又は複数の組み合わせにより実現可能な加工形状として予め定めた複数種の加工フィーチャとを格納するデータベースと、外部から与えられる前記被加工物の加工前後の形状データの差に基づいて加工すべき領域を抽出する手段と、該手段により抽出された領域を前記データベースに格納された加工フィーチャの組み合わせに置き換える手段と、該手段により置き換えられた加工フィーチャの夫々に前記データベースに格納された固定サイクルを割付ける手段と、該手段により各別に固定サイクルが割付けられた加工フィーチャの組み合わせの夫々に、加工時間及びエンドミルの寿命に関連する評価関数を適用し、該評価関数による評価値を求める手段とを備えることを特徴とする。

更に本発明に係るコンピュータプログラムは、複数種のエンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、使用するエンドミルの選定及び加工の順序を含む工程を定める手順をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムにおいて、加工前後の形状に応じて使用するエンドミルのパスパターンが一義に決定可能な加工サイクルとして予め定めた複数種の固定サイクル、及び該固定サイクルの一又は複数の組み合わせにより実現可能な加工形状として予め定めた複数種の加工フィーチャとをコンピュータに読み込ませる予備手順と、前記被加工物の加工前後の形状差に基づいて加工すべき領域をコンピュータにより抽出させる第１の手順と、抽出された領域をコンピュータにより前記加工フィーチャの組み合わせに置き換えさせる第２の手順と、置き換えられた加工フィーチャの夫々に前記固定サイクルをコンピュータにより割付けさせる第３の手順と、各別に固定サイクルが割付けられた加工フィーチャの組み合わせの夫々に、加工時間及びエンドミルの寿命に関連する加工コストに関連する評価関数を適用し、該評価関数による評価値を最適化する固定サイクルの集合を最適工程としてコンピュータにより選択させる第５の手順とを含むことを特徴とする。

本発明においては、エンドミルを用いて実行可能であり、使用するエンドミルのパスパターンが、加工前後の形状だけで一義に決定可能な加工サイクルとして定義される複数種の固定サイクル、及びこれらの固定サイクルの組み合わせにより加工し得る複数種の加工フィーチャを予め設定しておき、被加工物の加工前後の形状差から加工領域を抽出した後、この加工領域を、まず前記加工フィーチャの組み合わせに置き換え、次に夫々の加工フィーチャに固定サイクルを割付けて、前記加工領域の全体を、各別に固定サイクルが割付けられた加工フィーチャの組み合わせ、即ち、固定サイクルの集合に置き換え、夫々の組み合わせに、加工時間及びエンドミルの寿命に関連する評価関数を適用し、この評価関数により求められる総合的な加工コストに対応する評価値が最適化される固定サイクルの集合を最適工程として決定する。前記評価関数は、工作機械の機械チャージ、加工時間、工具代及び工具の消耗率から純粋な加工コストを求める関数であってもよく、この加工コストに加工製品の売値を適宜に加味して利潤を見込んだ加工コストを定める関数であってもよい。

本発明に係る工程設計方法及び工程設計装置においては、被加工物の加工前後の形状差から抽出された加工領域を予め定めた加工フィーチャに置き換え、各加工フィーチャに固定サイクルを割り付けて、前記加工領域の全体を、加工前後の形状に応じて使用するエンドミルのパスパターンが一義に決定可能な加工サイクルとして定義される固定サイクルの集合体として認識し、加工コストに関連する評価関数を最適化する固定サイクルの集合を最適工程とするから、被加工物に所定の加工を行わせるための最適な工程設計を、機械チャージ、工具代、加工製品の売値等を加味した総合的な加工コストを最小とする条件を満たしつつ、設計者の経験に頼らず、また煩雑な作業を必要とすることなく簡易に行わせることができる。

また本発明に係るコンピュータプログラムにおいては、汎用のコンピュータにロードさせることにより本発明方法を実施することができ、総合的な加工コストを最小とする条件を満たし得る工程設計を簡便に行わせることが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る工程設計方法（以下本発明方法という）の実施に用いる工程設計装置を備えるＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。図示の如く工程設計装置１は、演算処理部としてのＣＰＵ（Central Processing Unit ）10、本発明方法の実施手順を記憶させてあるＲＯＭ（Read Only Memory）11、本発明方法の実施に必要な各種の変数値（初期設定される値、演算途中の値を含む）を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）12、及び本発明方法の実施に際して参照されるデータベース13を備えるコンピュータとして構成されており、キーボード、マウス等の入力操作部14をオペレータによる操作可能に備え、また、本発明方法の実施の各段階における各種の表示を行わせるべく、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ等の表示部15を備えている。

ＮＣ工作機械２は、基台としてのベッド20上に水平面内にて互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）への移動自在に支持された加工テーブル21と、前記ベッド20の一側に立設されたコラム22に加工テーブル20の上方に面して鉛直方向（Ｚ方向）への移動自在に支持された加工ヘッド23を備えており、工具としてのエンドミルＥは、加工ヘッド23から垂下された主軸24の下端に、適宜の取付け手段を介して着脱自在に取り付けてある。

加工テーブル21は、テーブル送りモータＭ₁，Ｍ₂により駆動される送りねじ軸（図示せず）の回転に応じて、Ｘ，Ｙ両方向に送り移動せしめられ、また加工ヘッド23は、工具送りモータＭ₃により駆動される送りねじ軸（図示せず）の回転に応じて、Ｚ方向に送り移動せしめられる。更に主軸24は、加工ヘッド23の上部に取り付けた主軸モータＭ₄に連結されており、該主軸モータＭ₄の回転に応じて、下端に取付けられたエンドミルＥと共に軸回りに回転駆動されるようになしてある。なお図１においては、加工ヘッド23の外側に主軸モータＭ₄を取り付けた構成としてあるが、近年における高速加工用のＮＣ工作機械においては、主軸モータＭ₄を加工ヘッド23に内蔵してなるビルトイン形式が一般的である。

以上の如く構成されたＮＣ工作機械２は、加工対象となる被加工物５を加工テーブル21上の所定位置に位置決め固定し、加工ヘッド23の主軸24にエンドミルＥを取り付けた後、該エンドミルＥを主軸モータＭ₄により回転駆動すると共に、テーブル送りモータＭ₁，Ｍ₂の回転によるＸ，Ｙ方向の送りと、工具送りモータＭ₃の回転によるＺ方向の送りとにより、加工テーブル21上の被加工物５に対して前記エンドミルＥを予め数値指定された送り経路に沿って送り動作させ、前記被加工物５に所定の加工を施すべく使用される。

この加工に必要なエンドミルＥの送り経路を示すＮＣプログラムは、工程設計装置１において作成され、図示しない入出力インターフェイスを介して駆動制御部３に与えられている。駆動制御部３は、工程設計装置１から与えられる送り経路に沿ってエンドミルＥを送り動作させるべく、テーブル送りモータＭ₁，Ｍ₂、工具送りモータＭ₃及び主軸モータＭ₄を制御するサーボアンプである。

また図１に示す工程設計装置１は、ＣＡＤ（Computer-Aided Design ）システム４にオンライン接続されている。ＣＡＤシステム４においては、被加工物５の加工によって製造される加工製品の設計が行われており、この設計の結果としてＣＡＤシステム４から出力される加工製品及び被加工物５の形状データは、図示しない入出力インターフェイスを介して工程設計装置１に与えられている。

工程設計装置１においては、ＣＡＤシステム４から与えられる形状データを用い、後述する本発明方法に従って被加工物５の加工手順を定める工程設計が行われる。この工程設計は、夫々の手順において使用工具を選定し、作業内容を定め、ＣＬデータを作成するまでの過程を含んでいる。更に工程設計装置１においては、以上の如き工程設計の結果と、入力操作部14の操作により入力される加工条件とに基づいて前述したＮＣプログラムの作成が行われる。

なお、図１においては、工程設計装置１と駆動制御部３及びＣＡＤシステム４との間の情報の授受をオンラインにて行わせる構成としてあるが、これらをオフラインに構成し、相互間の情報の授受を、磁気ディスク、光ディスク等の適宜の記録媒体を介して行わせることも可能である。また、工程設計装置１をＣＡＤシステム４に含めて構成し、加工製品の形状設計から、工程設計を経てＮＣプログラムの作成までを一貫して行わせるようにしてもよい。

工程設計装置１においては、以下の手順により本発明方法が実施され、被加工物５の加工手順を定める工程設計が行われる。本発明方法による工程設計に際しては、加工中のエンドミルＥの動作を、予め設定された複数の固定サイクルの組み合わせに限定する。ここで固定サイクルとは、加工前後の形状に応じてパスパターンが一義に決定でき、加工条件に応じてピッチ及び送り速度を設定することによりＮＣプログラムの作成をなし得る加工サイクルである。図２は、エンドミル加工における固定サイクルの説明図であり、エンドミルＥを工具とする場合、例えば、図示の６種の固定サイクルが考えられる。

図２（ａ）に示す固定サイクルは、渦巻き穴加工サイクルである。これは、ドリル加工等により形成された下穴Ｈ₀の内周にエンドミルＥを当接させ、このエンドミルＥを、外側に向けて適宜のピッチにて拡がる渦巻き曲線形の送り経路PWに沿って送り移動させて、所望の直径を有する仕上げ穴Ｈに繰り広げるべく使用される。なお、前記送り経路PWは、厳密には、各パス内にて連続的に半径を増すように設定されるが、各パス毎に段階的に半径を増す円形の送り経路の集合として設定されてもよい。

図２（ｂ）に示す固定サイクルは、トロコイド溝加工サイクルである。この加工は、円形断面の下穴Ｇ₀を、これよりも小径のエンドミルＥを用いて径方向一側に延長し、下穴Ｇ₀の直径に対応する幅を有する長円形の長溝Ｇを形成すべく使用される。前記エンドミルＥは、適宜のピッチにて一側に進行するトロコイド曲線状をなして設定された送り経路PWに沿って送り移動せしめられ、夫々のパスにおいて移動方向の下流側を三日月形に切除する。

図２（ｃ）に示す固定サイクルは、ヘリカル穴加工サイクルである。この加工は、円形断面の下穴Ｈ₀の内周にエンドミルＥを当接させ、このエンドミルＥを、図中に矢符により示す如く、深さ方向（Ｚ方向）に適宜のピッチにて進行する螺旋形の送り経路PWに沿って送り移動させて、下穴Ｈ₀と同径の深底の仕上げ穴Ｈに拡張すべく行われる。

図２（ｄ）に示す固定サイクルは、隅加工サイクルである。この加工は、加工領域の隅部Ｃを所望の径を有するＲ形状に加工すべく、このＲ形状以下の半径を有するエンドミルＥを用い、図中に白抜矢符にて示す如く隅部Ｃに近付く向きに適宜のピッチの送りを加えつつ、図中に矢符にて示す如く隅部Ｃに沿って往復移動させて行われる。

図２（ｅ）に示す固定サイクルは、側面加工サイクルである。この加工は、被加工物の側面Ｓに沿ってエンドミルＥを送り移動させ、適宜のピッチ毎の切削を行わせるものであり、例えば、被加工物に設けられた凹所の内面を切削し、凹所を外側に拡張する用途において、前記渦巻き穴加工サイクル及びトロコイド溝加工サイクルに組み合わせて使用される。

図２（ｆ）に示す固定サイクルは、全幅溝加工サイクルである。この加工は、エンドミルＥを径方向の一側に向けて送り移動させ、被加工物を送り方向上流側の全幅にて切削して、前記エンドミルＥの直径Ｄに等しい幅Ｗを有する溝を形成する加工サイクルである。なお、側面加工サイクル及び全幅溝加工サイクルは、厳密な意味での固定サイクルではないが、固定サイクルに準じて取り扱う。

本発明方法においては、被加工物５の加工形状が与えられたとき、加工すべき領域を複数の加工フィーチャに分割し、夫々の加工フィーチャに割付ける固定サイクルの組み合わせを決定する。図３は、代表的な加工フィーチャの説明図であり、図３（ａ）は、被加工物５の上面の一側に段落ち部5aを形成する段加工フィーチャ、図３（ｂ）は、被加工物５の上面に所定幅の溝5bを形成する溝加工フィーチャ、図３（ｃ）は、被加工物５の上面に所定深さの凹所5cを形成するポケット加工フィーチャである。なお溝加工フィーチャには、図３（ｄ）に示す如く、長さ方向の一側のみが開放された溝5dを形成する加工フィーチャも存在する。

以上の如き加工フィーチャに割付ける固定サイクルの組み合わせは、通常複数通り存在し、１つの被加工物５に存在する全ての加工フィーチャを加工するための固定サイクルの組み合わせは非常に多く存在する。図４は、ポケット加工フィーチャに対する固定サイクルの組み合わせ例の説明図である。

図４（ａ）においては、図中に２点鎖線により示す加工領域50の内側の所定位置に適宜の直径を有する円形断面の下穴51を形成する。この下穴51は、ヘリカル穴加工サイクルにより形成することができ、また工具としてドリルの使用が可能な場合には、ドリル加工により代用することがきる。次に、このように形成された下穴51を、渦巻き穴加工サイクルにより、加工領域50の幅に対応する直径を有する円形断面の大径穴52に拡張し、次いで、この大径穴51をトロコイド溝加工サイクルにより一側に延長し、加工領域50の長さに対応する長径を有する長穴53を形成し、最後に、長穴53の４隅に残る三日月形の部分を隅加工サイクルにより除去し、加工領域50の全域に亘る加工を完了する。

図４（ｂ）においては、前記下穴51を形成した後、この下穴51を、小径のエンドミルを用いたトロコイド溝加工サイクルにより一側に所定長延長して狭幅の長穴54を形成し、次いで、この長穴54を内周面に対する側面加工サイクルにより拡張して、加工領域50の全長及び全幅に亘る長穴55を形成し、最後に、長穴55の４隅に残る三日月形の部分を隅加工サイクルにより除去し、加工領域50の全域に亘る加工を完了する。

図５は、工程設計装置１による本発明方法の実施手順、より詳しくは工程設計装置１のＣＰＵ10による本発明方法の実施手順を示すフローチャートである。工程設計装置１は、入力操作部14の所定の操作に応じて動作を開始し、まず、入力操作部14の操作により与えられる加工条件を取り込み（ステップ１）、またＣＡＤシステム４から与えられる被加工物５の形状データを取り込む（ステップ２）。

ＣＡＤシステム４から与えられる形状データは、該ＣＡＤシステム４において設計される加工完了後の被加工物５（以下、加工製品という）の形状データであり、加工前の被加工物５（以下、素形材という）の形状データを含んでいてもよい。入力操作部14から与えられる加工条件は、素形材の材質、選択可能な工具（エンドミル）のサイズ、材料等、工程設計及びＮＣプログラムの作成に必要となるパラメータである。なお前記素形材の形状データは、入力操作部14の操作により与えることも可能である。

以上の取り込みを終えた後、工程設計装置１は、素形材と加工製品との形状の差を認識して加工領域を抽出し（ステップ３）、抽出された加工領域を加工するための加工フィーチャを、その実行順を含めて選択する（ステップ４）。この選択は、前記図３に示す如く与えられる複数の加工フィーチャを対象としてなされ、これらは、前記データベース13に予め登録してある。また加工領域は、複数の領域として抽出されることがあり、更に、以下に示す如くなされる加工フィーチャの選択は、通常複数通り存在するから、以下の手順は、抽出された加工領域毎に、また加工フィーチャの選択毎に繰り返される。

図６〜図11は、加工フィーチャに置き換える手順の説明図である。図６に示す如く、矩形ブロック状をなす素形材70の上面に凹所を形成してなる加工製品７を対象とする場合、前記凹所の全体が単一の加工領域71として抽出され、この加工領域71に対しては、図７〜図11に示す５通りの加工フィーチャの置き換えパターンが有効なものとして存在する。

図７に示す第１パターンにおいては、まず（ａ）に示す如く、上面中央を横切る溝加工フィーチャが選択され、次に（ｂ）に示す如く、この溝の中央部分を両側に拡幅して同一深さのポケットを得るべく段加工フィーチャが選択され、次に（ｃ）に示す如く、ポケットの両側に残る溝の上半部を拡幅する段加工フィーチャがが選択され、次に（ｄ）に示す如く、前記溝の深さを増し、ポケットの内側に延長する一側開放の溝加工フィーチャが選択され、最後に（ｅ）に示す如く、前記ポケットの両側面の中央に、これよりも浅底の溝を形成する一側開放の溝加工フィーチャが選択されている。

図８に示す第２パターンにおいては、まず（ａ）に示す如く、上面中央に大面積のポケットを形成すべくポケット加工フィーチャが選択され、次に（ｂ）に示す如く、前記ポケットの両側に残る縁部の中央に同一深さの溝を形成する溝加工フィーチャが選択され、その後、（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示す如く、第１パターンと同様の加工フィーチャが選択されている。

図９に示す第３パターンにおいては、まず（ａ），（ｂ）に示す如く、上面中央にて交叉するポケット加工フィーチャ及び溝加工フィーチャがこの順に選択され、次に（ｃ）に示す如く、両者の交叉部を４方に拡大して同一深さのポケットを得るべく段加工フィーチャが選択され、次に（ｄ）に示す如く、拡大されたポケットの深さを増すべくポケット加工フィーチャが選択され、最後に（ｅ），（ｆ）に示す如く、ポケットの両側に残る開放溝の深さを増すべく溝加工フィーチャが選択され、更に深さを増してポケットの内側に延長すべく一側開放の溝加工フィーチャが選択されている。

図10に示す第４パターンにおいては、まず（ａ）に示す如く、上面中央を横切る広幅浅底の溝を形成すべく溝加工フィーチャが選択され、次に（ｂ）に示す如く、この溝の両端に狭幅深底の溝を所定長に亘って形成すべく、一側開放の溝加工フィーチャが選択され、次に（ｃ）に示す如く、浅底の溝の中央部分を両側に拡幅して同一深さのポケットを形成すべく段加工フィーチャが選択され、次に（ｄ）に示す如く、形成されたポケットの深さを増すべくポケット加工フィーチャが選択され、最後に（ｅ）に示す如く、前記ポケットの両側面の中央に、これよりも浅底の溝を形成する一側開放の溝加工フィーチャが選択されている。

図11に示す第５パターンにおいては、まず（ａ）に示す如く、上面中央に大面積のポケットを形成すべくポケット加工フィーチャが選択され、次に（ｂ）に示す如く、前記ポケットの両側面の中央に、これよりも浅底の溝を形成する一側開放の溝加工フィーチャが選択され，次に（ｃ）に示す如く、前記ポケットの両端部に残る縁の中央に浅底の開放溝を形成する溝加工フィーチャが選択され、最後に（ｄ），（ｅ）に示す如く、前記開放溝の深さを増すべく溝加工フィーチャが選択され、更に深さを増してポケットの内側に延長すべく一側開放の溝加工フィーチャが選択されている。

前記ステップ３においては、図６に示す如く加工領域71の抽出がなされ、前記ステップ４においては、抽出された加工領域71の加工フィーチャへの置き換えが、図７〜図11に示す如く行われる。なお、加工フィーチャの置き換えパターンは、実際には無数に存在するが、例えば、対応部位に最終的に残らない加工フィーチャの選択を排除する等の適宜の制限条件を設定することにより置き換えパターンの数を減らすことができる。

このようにして加工フィーチャの選択を終えた後、選択された加工フィーチャを整理する（ステップ５）。この整理は、例えば、フューチャ要素が重なっている場合、単一のブロックとしてまとめ、夫々のブロック単位で同一形状及び寸法を有するものをグループ化する処理である。例えば、図８に示す第２パターンにおいては、ポケットの両側の溝加工フィーチャは同一グループとして整理される。

次いで工程設計装置１は、決定された加工フィーチャの置き換えパターンに対して作業設計を行い、この作業設計の実施に必要となる加工コストを算出する（ステップ６）。ここで作業設計は、前述した如く、置き換えられた加工フィーチャの夫々に図２に示す固定サイクルを割付けて細分化する処理であり、加工コストＣ_mは、複数存在する固定サイクルの割り付けパターン毎にＮＣプログラムを作成し、夫々の固定サイクル毎に工具としてのエンドミルを選定し、また送り経路及び送り速度を決定し、加工のための所要時間及びエンドミルの損傷程度を求めて、これらと、工作機械の機械チャージ、オペレータの労賃、工具代等の固定費とを用いて下式に示す評価関数により算出される。

Ｃ_m＝ｃ_mＴ_m＋ｃ_LＬ_t／Ｌ_f …（１）
ここで、ｃ_m：１時間当たりの機械チャージ及び労賃（￥／ｈ）
Ｔ_m：加工時間（ｈ）
ｃ_L：工具代（￥）
Ｌ_t：工具の寿命消耗率（ΣＬ_t／Ｌ_f＝１のとき工具寿命とする）
Ｌ_f：工具の寿命

なお加工製品の売値Ｃ_kが決定している場合には、（１）式による加工コストＣ_mの算出に加えて下式により利益率Ｐを算出することができる。

Ｐ＝（Ｃ_k−Ｃ_m）／Ｔ_m …（２）

一方、売値Ｃ_kが変動する一般的な加工製品の場合、（２）式により算出される利益率Ｐに代えて下式で定義される利潤相当分を見込んだ補正加工コストＣ_sを算出することができる。なお式中のｃ_pは１時間当たりの利潤（￥／ｈ）であり、例えば、加工機会毎に入力として与えられる売値Ｃ_kに基づく変動値として工程設計装置１内にて求められる。

Ｃ_s＝Ｃ_m＋ｃ_pＴ_m＝ｃ_mＴ_m＋ｃ_LＬ_t／Ｌ_f＋ｃ_pＴ_m …（３）

以上の加工コストの算出に用いるＮＣプログラムの作成に際しては、本願出願人による前記特許文献１に開示された方法を用いればよい。これにより、固定サイクルに従って送り移動されるエンドミルに加わる切削抵抗の予測値を求め、この予測値を適正値に維持すべくエンドミルの送り経路を送り速度を含めて決定することにより、エンドミルの損傷、摩耗を低減しながら、高い加工能率と高い加工精度とを併せて達成し得るＮＣプログラムを作成することが可能となり、加工コストの算出に用いるエンドミルの寿命消耗率も高精度に推定することができる。

このように加工コストの算出を終えた後、工程設計装置１は、他の置き換えパターンが存在するか否かを調べ（ステップ７）、他の置き換えパターンが存在する場合には、ステップ５に戻って新たな置き換えパターンに対して同様の処理を繰り返す。また他の置き換えパターンが存在しない場合には、他の加工領域が存在するか否かを調べ（ステップ８）、他の加工領域が存在する場合、ステップ４に戻り、新たな加工領域に対して同様の処理を繰り返す。

ステップ８において、新たな加工領域が存在しないと判定された場合、ステップ９に進み、例えば、前記（１）式を評価関数として、算出される加工コストＣ_mの総計が最小となる加工フィーチャの置き変えパターンを最適な工程設計の結果として採用し、この置き換えパターンに割り付けられた固定サイクルの集合に基づくＮＣプログラムを出力して一連の工程設計動作を完了する。

なおステップ９においては、利益率Ｐを算出する（２）式又は補正加工コストＣ_sを算出する（３）式を評価関数として最適化を図ることもできる。ここで利益率Ｐを用いる場合には、これが最大となる加工フィーチャの置き換えパターンを最適な工程設計の結果として採用し、また補正加工コストＣ_sを用いる場合、これが最小となる加工フィーチャの置き換えパターンを最適な工程設計の結果として採用すればよい。またステップ９においては、評価関数による評価値（加工コストＣ_m、利益率Ｐ又は補正加工コストＣ_s）の算出までを実施し、この結果を一括して表示部15に表示させて、オペレータにより最適パターンの選択を行わせるようにしてもよい。

以下に図６に示す加工製品７に対して本発明方法を実施して得られた工程設計の結果について説明する。図12に、加工製品７の実寸法を示してある。素形材は、構造用炭素鋼Ｓ50Ｃ製の矩形ブロックである。

また加工条件は以下の通りである。
工作機械：縦型マシニングセンタ
工具：（Al，Ti）Ｎコーティッド超硬ソリッドエンドミル φ10〜20（４枚刃）切削条件：切削速度45mm〜 150mm
軸方向切り込みエンドミル直径まで

図13は、図７〜図11に示すパターン１〜５の夫々に対して作業設計を実施し（１）式により加工コストＣ_mを求めた結果を示す図表である。この図中には、加工時間及び切削距離も合わせて示してある。この図表から、図７に示す加工フィーチャの置き換えパターン（パターン１）において加工コストＣ_mが最小となることが明らかであり、この場合、ステップ９においてパターン１が最適な工程設計の結果として採用される。

図14は、最適なパターンに基づく工程設計の結果を示す図表である。なお本図中には、（１）式による加工コストＣ_mを最小とする工程設計の結果と共に、（３）式による利潤を見込んだ補正加工コストＣ_sを最小とする工程設計の結果も示してある。補正加工コストＣ_sは、ｃ_pを０．３と仮定して算出したものである。

図15は、生産技術者による工程設計の結果を示す図表である。この工程設計の結果は、図12に示す加工製品７を全く同一の加工条件下にて加工することを条件として、熟練した生産技術者が過去の経験に基づいて決定したものであり、図14との比較により、全く異なる工程設計がなされていることがわかる。

図14及び図15に示す工程設計の結果を用いた場合における加工時間及び加工コストを比較した結果を下表に示す。

この表に明らかな如く、（１）式を評価関数として用いた本発明方法によりなされた工程設計（利潤を見込まない工程設計）の結果において、加工コストが最小（22,000円）となっており、この加工コストは、生産技術者による工程設計の結果として得られる加工コスト（39,273円）の１／２に近い。一方、加工時間を比較すると、利潤を見込まない工程設計による場合、生産技術者による工程設計による場合の３倍近くの加工時間を要している。図14と図15の比較により明らかな如く、生産技術者による工程設計においては、加工時間の短縮を優先し、工具としてのエンドミルに過酷な送り速度及び切込量の設定がなされており、これによる工具コスト分の負担増が加工コストＣ_mの増加を招来しているのがわかる。

利潤を見込んだ工程設計においては、加工コスト及び加工時間の夫々が他の２つの結果の中間的な値となる。これは、単位時間当たりに適宜の利潤が見込める環境下では、加工時間の短縮が有利に働くためである。

なお以上の実施の形態においては、本発明方法の実施に専用のハードウェアを備える装置（工程設計装置１）を用いる場合について述べたが、本発明方法における前述した各手順を、コンピュータに実施させるべく記述されたコンピュータプログラムとして製品化し、このコンピュータプログラムを、汎用のコンピュータにロードさせて、該コンピュータに装備された演算処理部としてのＣＰＵ、記憶部としてのＲＡＭ等を利用して本発明方法を実施することもできる。

図16は、このような実施の形態の一例を示す模式図である。図中８は、光ディスク、磁気ディスク等の記録媒体であり、この記録媒体８には、前記図５に示す如き手順をプログラムコードとして記述してなるコンピュータプログラム80が記録されている。

このような記録媒体８を、キーボード、マウス等の入力手段90、及びＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ等の表示手段91を備える汎用コンピュータ９のディスクドライブ92に装着して読込みのための処理を行う。これにより記録媒体８に記録されたコンピュータプログラム80がコンピュータ９にロードされ、該コンピュータ９により本発明方法を実施することが可能となる。なお、前記コンピュータプログラム80のコンピュータ９へのロードは、前記記録媒体８を介して行わせる外に、インターネット等のネットワークを介して接続された他のコンピュータとの間において、オンラインにて行わせる等、適宜の他の手段により行わせてもよいことは言うまでもない。

本発明方法の実施に用いる工程設計装置を備えるＮＣ工作機械の構成を示すブロック図である。エンドミル加工における固定サイクルの説明図である。代表的な加工フィーチャの説明図である。ポケット加工フィーチャに対する固定サイクルの組み合わせ例の説明図である。本発明方法の実施手順を示すフローチャートである。加工フィーチャの置き換えの説明図である。加工フィーチャの置き換えの説明図である。加工フィーチャの置き換えの説明図である。加工フィーチャの置き換えの説明図である。加工フィーチャの置き換えの説明図である。加工フィーチャの置き換えの説明図である。本発明方法の実証実験に用いた加工製品の実寸法を示す図である。図７〜図11に示すパターン１〜５の夫々に対して作業設計を実施した結果を示す図表である。最適なパターンに基づく工程設計の結果を示す図表である。生産技術者による工程設計の結果を示す図表である。本発明の他の実施の形態の一例を示す模式図である。

符号の説明

１工程設計装置
２ＮＣ工作機械
３駆動制御部
４ＣＡＤシステム
５被加工物
80 コンピュータプログラム

Claims

複数種のエンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、使用するエンドミルの選定及び加工の順序を含む工程を定める工程設計方法において、
加工前後の形状に応じて使用するエンドミルのパスパターンが一義に決定可能な加工サイクルとして予め定めた複数種の固定サイクルと、該固定サイクルの一又は複数の組み合わせにより実現可能な加工形状として予め定めた複数種の加工フィーチャとを予め定めておき、
前記被加工物の加工前後の形状差に基づいて加工すべき領域を抽出し、
抽出された領域を前記加工フィーチャの組み合わせに置き換え、
置き換えられた加工フィーチャの夫々に前記固定サイクルを割付けて、
各別に固定サイクルが割付けられた加工フィーチャの組み合わせの夫々に、加工時間及びエンドミルの寿命に関連する評価関数を適用し、該評価関数による評価値を最適化する固定サイクルの集合を最適工程として選択することを特徴とする工程設計方法。
複数種のエンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、使用するエンドミルの選定及び加工の順序を含む工程を定める工程設計装置において、
加工前後の形状に応じて使用するエンドミルのパスパターンが一義に決定可能な加工サイクルとして予め定めた複数種の固定サイクル、及び該固定サイクルの一又は複数の組み合わせにより実現可能な加工形状として予め定めた複数種の加工フィーチャとを格納するデータベースと、
外部から与えられる前記被加工物の加工前後の形状データの差に基づいて加工すべき領域を抽出する手段と、
該手段により抽出された領域を前記データベースに格納された加工フィーチャの組み合わせに置き換える手段と、
該手段により置き換えられた加工フィーチャの夫々に前記データベースに格納された固定サイクルを割付ける手段と、
該手段により各別に固定サイクルが割付けられた加工フィーチャの組み合わせの夫々に、加工時間及びエンドミルの寿命に関連する評価関数を適用し、該評価関数による評価値を求める手段とを備えることを特徴とする工程設計装置。
複数種のエンドミルを用いて被加工物に所定の加工を行わせるべく、使用するエンドミルの選定及び加工の順序を含む工程を定める手順をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムにおいて、
加工前後の形状に応じて使用するエンドミルのパスパターンが一義に決定可能な加工サイクルとして予め定めた複数種の固定サイクル、及び該固定サイクルの一又は複数の組み合わせにより実現可能な加工形状として予め定めた複数種の加工フィーチャとをコンピュータに読み込ませる予備手順と、
前記被加工物の加工前後の形状差に基づいて加工すべき領域をコンピュータにより抽出させる第１の手順と、
抽出された領域をコンピュータにより前記加工フィーチャの組み合わせに置き換えさせる第２の手順と、
置き換えられた加工フィーチャの夫々に前記固定サイクルをコンピュータにより割付けさせる第３の手順と、
各別に固定サイクルが割付けられた加工フィーチャの組み合わせの夫々に、加工時間及びエンドミルの寿命に関連する加工コストに関連する評価関数を適用し、該評価関数による評価値を最適化する固定サイクルの集合を最適工程としてコンピュータにより選択させる第４の手順とを含むことを特徴とするコンピュータプログラム。