金型加工におけるNC機械加工シミュレーション

G-Navi NC機械加工シミュレーション

金型加工におけるNC機械加工シミュレーション - 5軸加工での利用

まえがき
近年、NC工作機械の発展は目覚しく、5軸マシニングセンターや複合加工機など高機能で複雑な機構をもつ NC工作機械が増えている。 これらの背景には大量生産から多品種少量生産へと時代の変化に対応するため、生き残りをかけ日本の各工作機械メーカーが高付加価値のNC工作機械の研究・開発に凌ぎを削ってきた結果といえる。 その中でもミリング機能を組み合わせた複合加工機に関しては、旋盤とマシニングセンターとの区別がなくなり、複合化・効率化がさらに進んでいる。一方、利用者側のメリットとしては、段取り換えを減らす「工程集約」や工具姿勢や工具長の制御自由度が増すことで「加工能率の向上」が期待できる。 金型加工でも5軸や複合加工機が使われ始めているが、これら NC工作機械の進化に対しソフト面では課題が残されている。本稿では、NCプログラムの難易度が高いと言われる5軸加工や複合加工における、工具干渉や機械衝突を未然に防ぐために開発されたNC機械加工シミュレーションG-Navi(ジーナビ)について解説する。 5軸による金型加工の参考にして頂ければ幸いである。

5軸・複合加工の課題

5軸加工プログラムは困難
5軸加工には様々な長所があるものの、制御軸が多いため、工具長さ、工具経路、工具姿勢など加工戦略上の選択肢が多く、NCデータ作成の難易度が高い。
機械衝突の危険性が高い
NCプログラマの想定を超える機械動作がしばしば発生し、製品や治具と工具やNC機との衝突が問題となる。 CAMソフトでシミュレーションできるが、これでは5軸加工機のチェックとしては不完全である。その要因を以下に示す。(図1)
・CLデータ(加工に必要な工具先端位置と工具軸ベクトル:x,y,z,i,j,k)をポストプロセスした Gコードなど(X,Y,Z,A,B)では実際の機械の動きと異なる.早送りは非直線動作となり、固定サイクルやユーザーマクロといった組込みマクロのシミュレーションできない。
・主軸ヘッドや回転テーブルのような機械構造との干渉チェックはできない。
・工具長補正や工具径補正、および工具先端点制御といった5軸制御を考慮したシミュレーションはできない。

図1:CAMソフト付属シミュレータの問題点

・CLデータによるチェックは実際の機械の動きとは異なる

①非直線動作となる早送り
②固定サイクルやユーザマクロといった組込みプログラム
③工具長補正、工具径補正及び3次元工具補正など

・主軸ヘッドや回転テーブルのような機械本体との干渉チェックをチェックできない

・NCデータを後で変更した場合の確認はできない

切削加工時間を計算して求めることで、加工時間の短縮につなげることができます。
5軸用NCオプションの多様化
2000年当初までは、5軸加工といえども早送り(G0)や直線補間(G1)と制御軸指令(X, Y, Z, A, B, C)に変換し、リニアライゼーションと5軸制御送りFを計算するポストプロセッサがあれば加工ができた。 しかし近年のNC装置には 3次元工具補正、工具先端点制御といった5軸制御用のオプションが多数開発されたことでポストプロセッサの開発も多様化している。
現在は普及過程であり、これらの機能に熟知したNC機メーカーやCAMベンダーの支援が望まれる。

G-Navi概要

開発コンセプト
従来のシミュレータは、素材からの製品削り出しを検証する切削形状シミュレータと、機械構造物間の衝突を検証する機械動作シミュレータの2種に大別される。 一般のシミュレータにはピクセルベースの描画手法が採用されており、シミュレーション中にビューの平行移動、回転、拡大縮小をできないものが多く、同時5軸加工用 NCデータの検証には不向きであった。
そこで、G-Naviにはソリッドベースの最新エンジンを採用し、
1)切削形状、機械動作の1画面同時検証
2)シミュレーション中のダイナミックなビュー変更 を可能とした。
以下にわれわれが本シミュレーション技術開発において特にこだわった点について切削形状シミュレーション面と機械動作シミュレーション面に分類し紹介する。
切削形状シミュレーション
精度と速度
高精度なソリッド演算を行いながらも、シミュレーションスピードの高速化に取り組み、必要精度25 mmを実現できた。
シミュレーション精度と速度は相反関係にある。 一般に同時5軸加工に求められるシミュレーション精度は 1/100 mmである。 しかし、荒工程では1/10 mm程度で十分である場合が多い。
そこで、工程、工具に応じてシミュレーション精度(表示トレランス及び切削トレランス)の設定を可能とし、シミュレーション精度と速度の両立を図った。
計測
点座標値、2点間距離、板厚などの計測はもちろんのこと、設計部品としてSTLソリッドの読み込みを可能にし、切削形状モデルとの3次元的な面形状誤差を検知、色分け表示する機能(形状比較,Compare機能)を開発した。
CLデータ
同時5軸加工では、CAMで作成されたCLデータをポストプロセスし、NCデータを作成する手法がとられる場合が多い。 そこで、NCデータだけでなくCLデータでシミュレーションを行う機能を付加した。
機械動作シミュレーション
Gコード
実際のNC機を制御するGコード形式のNCデータを使用し、NC機と同等の動きを再現させることを狙った。 そこで、 NCデータをシミュレーション用データへ変換するためのリバースポストプロセッサを開発し、これをG-Naviの内部に組み込みんだ。
衝突チェック
衝突の検知はもちろんのこと、シミュレーションに使用するスピンドルヘッドや治具などのソリッド要素ごとに近接マージンを設定できる仕様にした。
サイクルタイム予測
NC機ごとの各軸送り速度、加減速、工具交換時間などを加味し、正確なサイクルタイム予測を行う機能を付加した。
データベース
機械、工具のソリッド要素やNC機ごとの機械仕様(ストローク、送り速度など)を記述したマシンテーブルのライブラリ化、データベース構築、拡張をできる仕様にした。

適用事例

よく起こりやすい干渉事例
インペラー加工
同時5軸制御マシニングセンタによる加工では、各軸(X, Y, Z, A, BまたはC)が逐次変化することから、干渉する危険性は最も高くなる。(図2)

図2:同時5軸制御によるインペラー加工例

同時5軸制御によるインペラー加工時間の短縮
複合旋盤ミリング加工
複合旋盤の干渉チェックはより実機に忠実でなければならない。 主軸に取り付けられたチャック爪は、旋削加工中は主軸を中心とした回転体となるが、C軸によるミリング加工の場合は、チャック爪のオリエンテーション停止位置が実機と一致していなければ、正確な干渉チェックができない。(図3)

図3:複合旋盤B軸とC軸によるミリング加工例

複合旋盤B軸とC軸によるミリング加工で切削時間の短縮
干渉防止の機能
機械の衝突防止を未然に防ぐのが目的ではあるが、ただ単に干渉を検知できるだけでは不十分である。 シミュレーションソフトで干渉が検知されたとしても、それがどのNCブロックで、何と何が、どのように、どの程度干渉しているのかが判定できなければ、NCプログラムをどのように修正すれば良いかが判らない。
G-Naviには「干渉リプレイ機能」、「ニアミスチェック機能」および「デバッグ機能」がある。以下で、前2項の機能について説明する。
干渉リプレイ機能
干渉部分を瞬時に何度でも繰り返し再現することが可能となり、エラー箇所の特定および再現の手間を省くことができる。
これまでのソフトでは、シミュレーション時に干渉が発見できたとしても、干渉した様子を繰り返し再現するには、一度NCデータの最初まで戻る必要があった。 つまり、加工時間の長いものや、加工の最後でエラーが発見されたような場合は、大変効率が悪いという問題があった。 この「干渉リプレイ機能」では、一度シミュレーションを実行さえすれば、干渉箇所を記憶した一覧リストから選択することで干渉時点の状態を瞬時に再現できる。 またその時点からシミュレーションの逆再生も可能となり、繰り返し再現することで干渉の状況を詳しく分析することが可能である。(図4)

図4:G-Naviの干渉リプレイ操作画面

工作機械の干渉状況を確認することができます。
ニアミスチェック機能
実際の工具、ホルダー、アタッチメント、治具および機械は、加工誤差や段取り時の誤差を含んでおり、コンピュータ内で定義された3次元モデルとは厳密に一致はしない。 また、加工時間を短縮するため極限まで無駄なエアカットを無くしたパスが理想であるが、干渉はしないが危険な加工領域が存在することになる。
G-Naviでは素材、工具、シャンク、ホルダー、アタッチメント、治具および機械の各々に近接距離の指定が可能であり、この「ニアミスチェック機能」を使うことで、干渉はしないが干渉の危険領域を検知でき、実物とコンピュータモデルの誤差を考慮した、より安全なチェックができる。(図5)

図5:実機とコンピュータモデルとの誤差を考慮

工作機械のクラッシュと部品間のニアミスを回避することができます。
まとめ
近年、各社における設計は3次元化が進んでおり、3次元CADで設計されたCADデータの有効活用が課題の一つにもなっているが、NC機械加工シミュレーションに利用することで、その効果は倍増する。
金型加工では重切削加工から高速切削による軽切削が加工技術の主流となった。 現在、高速、高精度、大容量データに対応したシミュレーション技術の製品化を進めている。
われわれは、今後も進化を続けるNC加工技術に対応できるシミュレーション技術を提供し続け、日本のものづくりに貢献をして行きたい。

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