特許 7712377 シミュレーション装置、及びコンピュータが読み取り可能な記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-07-14

(45)【発行日】2025-07-23

(54)【発明の名称】シミュレーション装置、及びコンピュータが読み取り可能な記録媒体

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/4069 20060101AFI20250715BHJP

   G05B 19/4097 20060101ALI20250715BHJP

【ＦＩ】

G05B19/4069

G05B19/4097 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023553828

(86)(22)【出願日】2021-10-13

(86)【国際出願番号】 JP2021037944

(87)【国際公開番号】W WO2023062756

(87)【国際公開日】2023-04-20

【審査請求日】2024-05-15

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001151

【氏名又は名称】あいわ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】羽田 裕明

【審査官】山本 忠博

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０１８８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１３４４５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １９／１８－１９／４１５５；

Ｂ２３Ｑ １／００－４１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械の加工をシミュレートするシミュレーション装置であって、
工具形状データ及び加工精度の少なくともいずれか一つ、並びにワーク形状データを基にボクセルサイズの指定可能範囲を算出するボクセルサイズ算出部と、
前記ボクセルサイズの指定可能範囲をユーザに提示し、ボクセルサイズの指定を受け付けるボクセルサイズ指定受付部と、
前記ボクセルサイズ指定受付部が受け付けたボクセルサイズに基づいて、前記工作機械の加工のシミュレーション画像を作成するシミュレーション画像作成部と、
を備えるシミュレーション装置。

【請求項2】

前記工具形状データは、工具の大きさ、又は、工具の種類の少なくとも一方を含む、請求項１に記載のシミュレーション装置。

【請求項3】

ユーザの優先条件を受け付ける精度条件設定部を更に備え、
前記優先条件は、前記シミュレーション画像を作成する精度優先の条件及び速度優先の条件の少なくともいずれかであり、
前記ボクセルサイズの指定可能範囲は、前記優先条件と対応づけて提示される、請求項１に記載のシミュレーション装置。

【請求項4】

１つ又は複数のプロセッサが実行することにより、
工具形状データ及び加工精度の少なくともいずれか一つ、並びにワーク形状データを基にボクセルサイズの指定可能範囲を算出し、
前記ボクセルサイズの指定可能範囲をユーザに提示し、ボクセルサイズの指定を受け付け、
前記指定を受け付けたボクセルサイズに基づいて、工作機械の加工のシミュレーション画像を作成する、
前記プロセッサが読み取り可能な命令を記憶する記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シミュレーション装置、及びコンピュータが読み取り可能な記録媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、数値制御装置から工作機械への移動指令、及び、サーボモータから数値制御装置へのフィードバックデータを用いて、シミュレーション画像を作成する技術が存在する。シミュレーション画像では、実際の加工面の状態を表示する。高精細なシミュレーションでは、数マイクロメータ単位の凹凸を表現する。

【0003】

３次元コンピュータグラフィックスでは、例えばワークや工具はボクセルという３次元の立方体の集合で表現する。ボクセルのサイズは、表示精度に関連し、ボクセル数は表示時間に関連する。図９を参照して、表示精度と表示時間の関係を説明する。図９は説明のため３次元画像を２次元で表現している。

【0004】

図９において、左図のボクセルのサイズは、右図のボクセルのサイズより小さい。図の工具軌跡は工具により切削される範囲であり、図の工具軌跡に隣接する部分は表示上の誤差である。ボクセルのサイズが小さいと、誤差の面積は小さく精度が高いが、ボクセルの個数が多いため、演算時間及び描画時間が長くなる。
ボクセルのサイズが大きいと、誤差の面積が大きく精度が低いが、ボクセルの個数が少ないため、演算時間及び描画時間が短くなる。

【0005】

従来、表示精度を上げつつ表示時間を短縮するために「工具が接触するボクセルを検出し、このボクセルを分割することにより、分割するボクセルの数を必要最小限度にとどめることができ、これにより演算処理量を低減」する技術が知られている。例えば、特許文献１参照。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００８－２８７４５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

工作機械のシミュレーションの分野では、表示に要する時間を短縮しつつ表示精度を向上させる技術が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様であるシミュレーション装置は、工作機械の加工をシミュレートするシミュレーション装置であって、工具形状データ及び加工精度の少なくともいずれか一つ、並びにワーク形状データを基にボクセルサイズの指定可能範囲を算出するボクセルサイズ算出部と、ボクセルサイズの指定可能範囲をユーザに提示し、ボクセルサイズの指定を受け付けるボクセルサイズ指定受付部と、ボクセルサイズ指定受付部が受け付けたボクセルサイズに基づいて、工作機械の加工のシミュレーション画像を作成するシミュレーション画像作成部と、を備える。
本開示の一態様である記録媒体は、１つ又は複数のプロセッサが実行することにより、工具形状データ及び加工精度の少なくともいずれか一つ、並びにワーク形状データを基にボクセルサイズの指定可能範囲を算出し、ボクセルサイズの指定可能範囲をユーザに提示し、ボクセルサイズの指定を受け付け、指定を受け付けたボクセルサイズに基づいて、工作機械の加工のシミュレーション画像を作成する命令を記録する。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様により、シミュレーションにおいて表示に要する時間を短縮しつつ表示精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】シミュレーション装置のブロック図である。

【図2】精度条件設定画面の一例である。

【図3】精度条件設定画面の一例である。

【図4】ボクセルサイズの算出結果の一例である。

【図5A】ボクセルサイズ設定画面の一例である。

【図5B】ボクセルサイズ設定画面の一例である。

【図6】ボクセルサイズの異なるシミュレーション画像の一例である。

【図7】シミュレーション装置の動作を説明するフローチャートである。

【図8】シミュレーション装置のハードウェア構成図である。

【図9】ボクセルサイズと表示精度の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示のシミュレーション装置１００について説明する。
本開示のシミュレーション装置１００は、工作機械の工具の移動指令及びサーボのフィードバックデータを取得し、工作機械の加工状況を３次元画像で表示する情報処理装置に実装される。情報処理装置としては、数値制御装置、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などがあるが、これに限定されない。

【0012】

図１は、シミュレーション装置１００のブロック図である。シミュレーション装置１００は、ワーク形状データ記憶部１１、工具形状データ記憶部１２、工具経路データ記憶部１３、加工プログラム記憶部１４、シミュレーション画像生成部１５、ボクセルサイズ算出部１６、精度条件設定部１７、ボクセルサイズ指定受付部１８を備える。

【0013】

ワーク形状データ記憶部１１は、工作機械が加工するワークの形状を記憶する。ワーク形状データには、ワークの大きさ、又はワークの大きさを算出する値が記憶される。工具形状データ記憶部１２は、工具の形状を記憶する。工具形状データを基に工具の大きさ及び工具の種類が分かる。

【0014】

加工プログラム記憶部１４は、工作機械の加工プログラムを記憶する。加工プログラムに記述されたＧコード、プログラムのコメントから加工の精度が分かる。例えば、荒加工は加工の精度が低く、精密加工は加工の精度が高い。加工精度は、ボクセルサイズに影響する。

【0015】

工具経路データ記憶部１３は、数値制御装置が工作機械に出力した移動指令、又は、サーボからのフィードバックデータを基に算出した工具経路を記憶する。

【0016】

シミュレーション画像生成部１５は、ワーク形状データ、工具形状データを基にワーク及び工具の３次元画像を描画する。シミュレーション画像生成部１５は、工具経路データ記憶部１３から時間ごとの工具の移動量を取得する。このときワークに対する工具姿勢を取得してもよい。
シミュレーション画像生成部１５は、工具経路及び工具姿勢を基に、工具とワークの干渉を算出する。ボクセルで表現されたワークに工具が干渉したとき、工具の内部に一部又は全てが存在するボクセルを除去し、加工におけるワークの形状変化をシミュレートする。

【0017】

精度条件設定部１７は、ボクセルサイズの算出条件である精度条件の設定をユーザから受け付ける。図２は精度条件設定画面の一例である。精度条件設定画面では、ワーク形状、工具形状、加工種類の少なくとも１つが選択できるようになっている。ワーク形状を選択するとワークの大きさを基にボクセルサイズの範囲が算出される。工具形状を算出すると、工具形状、工具の種類を基にボクセルサイズの範囲が算出される。加工精度を選択すると、加工の精度を基にボクセルサイズの範囲が算出される。
精度条件設定画面では、ワーク形状と工具形状、工具形状と加工精度、加工精度とワーク形状など２つの条件を設定することができる。また、ワーク形状、工具形状、加工精度の３つの条件を設定することもできる。

【0018】

精度条件設定部１７では、ユーザの優先条件として精度優先か速度優先かを設定するようにしてもよい。図３は、精度条件設定画面の他の例である。図３の精度条件設定画面では、精度優先か速度優先の何れか１つを設定することができる。

【0019】

ボクセルサイズ算出部１６は、精度条件を基にボクセルサイズの指定可能範囲を算出する。ボクセルサイズの指定可能範囲とは、ユーザが指定可能なボクセルサイズの範囲である。
精度条件としてワーク形状が設定された場合、ボクセルサイズ算出部１６は、ワーク形状データ記憶部１１から例えばワークの大きさを読み出す。ワークの大きさはワーク形状を基に算出してもよい。ボクセルサイズ算出部１６は、ワークの大きさ、シミュレーションに用いるメモリ量、計算負荷を基に、ユーザが指定可能なボクセルサイズの範囲を算出する。
具体的に説明すると、ボクセルサイズは、ワークの大きさに関連する。ワークが大きいほど、ボクセルサイズを大きくできる。ボクセルの個数は、シミュレーションに用いるメモリ量などハードウェア資源により制限がある。ボクセルサイズ算出部１６は、ボクセルの個数が制限を超えず、かつ、精度条件及び優先条件に適合するボクセルサイズの範囲を算出する。

【0020】

精度条件として工具形状が設定された場合、工具の大きさ及び工具の種類に適合するボクセルサイズを算出する。工具が大きい場合、加工精度は高くないので、ボクセルサイズを大きくてもよい。また、工具が小さい場合や加工精度の高い工具を使用する場合、加工精度が高いので、ボクセルサイズは小さい方がよい。具体的には、工具の種類が荒加工用であれば大きなボクセルでもよく、工具の種類が仕上げ加工用であれば小さなボクセルの方が適している。
精度条件として、加工精度が設定された場合、加工精度を判断し、加工精度に応じたボクセルサイズを算出する。加工精度の判断は、例えば、加工プログラムから判断する。加工プログラムのＧコードやプログラムコメントから加工精度が判断できる。荒加工のように加工精度が低い時の加工条件が設定されている場合やプログラムコメントに加工目的が荒加工であることが記載されている場合、ボクセルは大きくてもよい。仕上げ加工又は精密加工のように加工精度が高い時の加工条件が設定されている場合やプログラムコメントに加工目的が仕上げ加工又は精密加工であることが記載されている場合、小さなボクセルの方が適している。
ユーザの優先条件によってもボクセルサイズは変わる。ユーザが精度優先を設定した場合、ボクセルサイズは小さくなり、ユーザが速度優先を設定した場合、ボクセルサイズは大きくなる。

【0021】

図４は、ボクセルサイズの算出結果の一例である。精度条件としてワーク形状を設定し、優先条件として精度優先を設定した場合の例である。ワークの大きさが１００ｍｍの場合、精度優先であればボクセルサイズは、０．０１ｍｍとなり、速度優先であれば１ｍｍとなる。ワークの大きさが１０００ｍｍの場合、精度優先であればボクセルサイズは０．１ｍｍとなり、速度優先であれば１０ｍｍとなる。
ワークの大きさが大きいほどボクセルサイズは大きくなり、精度優先であればボクセルサイズは小さくなり、速度優先であればボクセルサイズは大きくなる。
精度条件として、工具形状、加工精度を設定すると、設定した条件に適したボクセルサイズが算出される。

【0022】

ボクセルサイズ指定受付部１８は、ボクセルサイズの範囲を表示し、ボクセルサイズの指定を受け付ける。図５Ａ及び図５Ｂは、ボクセルサイズ指定画面の一例である。精度条件としてワーク形状を選択した場合のボクセルサイズ受付画面である。図５Ａは、ワークサイズ１００ｍｍのときのボクセルサイズ指定画面であり、精度優先（０．０１ｍｍ）から速度優先（１ｍｍ）の範囲のボクセルサイズを受け付ける。図５Ｂは、ワークサイズ１０００ｍｍのときのボクセルサイズ指定画面であり、精度優先（０．１ｍｍ）から速度優先（１０ｍｍ）の範囲のボクセルサイズを受け付ける。

【0023】

シミュレーション画像生成部１５は、ボクセルサイズ算出部１６が算出したボクセルサイズ、またはボクセルサイズ指定受付部１８が受け付けたボクセルサイズを基にシミュレーション画像を作成する。図６の左図は表示精度の高いシミュレーション画像、右図は表示精度の低いシミュレーション画像を示す。小さいボクセルサイズの利点は、表示精度は高いことである。難点は、ボクセルを削り取る演算時間が長く、ボクセルの個数が多いためにボクセルの描画時間が長いことである。大きいボクセルサイズの利点は、ボクセルを削り取る演算時間が短く、ボクセルの描画時間が短いことである。難点は、表示精度が低いことである。

【0024】

図７を参照して、本開示のシミュレーション装置１００の動作を説明する。
シミュレーション装置１００は、精度条件を受け付ける（ステップＳ１）。精度条件としては、例えば、ワーク形状、工具形状、加工種類の少なくとも１種類を受け付ける。なお、精度条件は、ユーザが設定するのではなく、シミュレーション装置１００で設定してもよい。

【0025】

シミュレーション装置１００は、優先条件を受け付ける（ステップＳ２）。優先条件として、例えば、精度優先と速度優先がある。

【0026】

シミュレーション装置１００は、精度条件及び優先条件を基にボクセルサイズの範囲を算出する（ステップＳ３）。シミュレーション装置１００は、ユーザにボクセルサイズの範囲を提示し、ボクセルサイズの指定を受け付ける（ステップＳ４）。

【0027】

ボクセルサイズが指定されると、シミュレーション装置１００は、数値制御装置から工作機械の工具の移動指令、又は、サーボのフィードバックデータなど、工具経路を示す情報を取得する（ステップＳ５）。工具の移動指令、又は、サーボのフィードバックは、リアルタイムに取得するのではなく、工具経路データ記憶部１３から読み出してもよい。
シミュレーション装置１００は、工具の移動指令、又は、サーボのフィードバックデータを基に、工具とワークの干渉を算出する。シミュレーション装置１００は、ボクセルで表現されたワークに工具が干渉したとき、工具の内部に存在するボクセルを除去し、加工におけるワークの形状変化をシミュレートし、シミュレーション画像を作成する（ステップＳ６）。ワーク形状、工具形状、加工の種類、ユーザの優先条件に応じてボクセルサイズを適切な大きさに設定しているため、ユーザが所望する精度又は速度でシミュレーション画像を作成することができる。

【0028】

以上説明したように、本開示のシミュレーション装置１００は、ワーク形状、工具形状、加工精度などに基づいて、ユーザによるボクセルサイズの指定可能範囲を自動的に算出する。ユーザは、優先条件などを設定することで、この算出された指定可能範囲の中で適切なボクセルサイズを指定することができる。これにより、ユーザの目的ににあった精度、及び、速度でシミュレーション画像を作成することができる。

【0029】

精度条件は、ワーク形状、工具形状、加工精度のうちのいずれかでもよいし、これらの組み合わせでもよい。ユーザが精度を重視するか速度を重視するかによってボクセルサイズを調整することもできる。

【0030】

なお、本開示は、他の表示精度向上手段、描画装置向上手段と組み合わせてもよい。例えば、本開示では、ワーク表面のボクセルサイズを細かくし、表示精度及び描画速度を向上させたりしてもよい。

【0031】

［ハードウェア構成］
図８を参照して、シミュレーション装置１００のハードウェア構成を説明する。シミュレーション装置１００が備えるＣＰＵ１１１は、シミュレーション装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１１は、バスを介してＲＯＭ１１２に加工されたシステム・プログラムを読み出し、該システム・プログラムに従ってシミュレーション装置１００の全体を制御する。ＲＡＭ１１３には、一時的な計算データや表示データ、入力部７１を介してユーザが入力した各種データ等が一時的に格納される。

【0032】

表示部７０は、シミュレーション装置１００に付属のモニタなどである。表示部７０は、シミュレーション装置１００の操作画面や設定画面などを表示する。

【0033】

入力部７１は、表示部７０と一体、又は、表示部７０とは別のキーボード、タッチパネルなどである。ユーザは入力部７１を操作して、表示部７０に表示された画面への入力などを行う。なお、表示部７０及び入力部７１は、携帯端末でもよい。

【0034】

不揮発性メモリ１１４は、例えば、図示しないバッテリでバックアップされるなどして、シミュレーション装置１００の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリである。不揮発性メモリ１１４は、ワーク形状データ、工具形状データ、工具経路データ、加工プログラムを記憶する。不揮発性メモリ１１４には、図示しないインタフェースを介して外部機器から読み込まれたプログラムや入力部７１を介して入力されたプログラム、シミュレーション装置１００の各部や工作機械等から取得された各種データ（例えば、工作機械から取得した設定パラメータ等）が記憶される。不揮発性メモリ１１４に記憶されたプログラムや各種データは、実行時／利用時にはＲＡＭ１１３に展開されてもよい。また、ＲＯＭ１１２には、各種のシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。

【符号の説明】

【0035】

１００ シミュレーション装置
１１ ワーク形状データ記憶部
１２ 工具形状データ記憶部
１３ 工具経路データ記憶部
１４ 加工プログラム記憶部
１５ シミュレーション画像生成部
１６ ボクセルサイズ算出部
１７ 精度条件設定部
１８ ボクセルサイズ指定受付部
７０ 表示部
７１ 入力部
１１１ ＣＰＵ
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ 不揮発性メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】