JP2004326257A - シミュレーション装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】干渉の検出漏れを招くことなく、実際の加工よりも短時間で干渉チェックを実施することができるシミュレーション装置を得ることを目的とする。
【解決手段】干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段（速度比率決定部、速度決定部８）と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間部９とを設け、その補間部９により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施する。
【選択図】 図１
【解決手段】干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段（速度比率決定部、速度決定部８）と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間部９とを設け、その補間部９により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、作用部位の干渉チェックを実施するシミュレーション装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常のＮＣ工作機械を用いて加工を行うにはＮＣプログラムが必要である（以下、ＮＣプログラムに記述されている命令の単位をブロックと呼ぶ）。通常、ＮＣプログラムの中には、機械の移動速度を指令する命令と具体的な速度を表す数値が記述されている。
近年、工作機械の構造が複雑になるとともに、動作が複雑になってきており、機械の様々な部位同士が干渉したり、機械と機械の作業対象物（以下、ワークと呼ぶ）が干渉したりする場合があるため、干渉チェックを主目的とする機械の動作シミュレーションが必要となってきている。
【０００３】
ここで、ＮＣプログラムではなく、自動プログラミング装置によりプログラミングされたプログラムのように、自動プログラミング装置によって軌跡データが自動生成される場合もあるが、この場合も、生成される軌跡データは、ＮＣプログラムと同等の各駆動軸の移動命令を記述したものであるため、自動プログラミング装置付のＮＣ工作機械もシミュレーションの対象となっている。
【０００４】
従来のシミュレーション装置（以下の特許文献１）には、「ロボット等のシミュレーション表示では、位置指令に従って図形表示する場合に、始点及び終点位置を表示し、２点間の途中状態を表示することができなかった」と記述されているように、機器に対する移動命令としてブロックの端点を用いる場合がある。このように、ブロックの端点をシミュレータへの移動指令とするものをブロックレベル指令と呼ぶことにする。
【０００５】
また、以下の特許文献２に示されているシミュレーション装置には、「工作機械のサーボモータに対する指令パルスを遮断し、これによりプログラム座標上のみではなく、機械座標系でのチェックをも可能にした」と記述されているように、制御装置の下位に接続されるサーボ装置への指令データ（以下、実機レベル指令と呼ぶ）を用いるものもある。
このサーボ装置への指令データは、プログラム指令軌跡上に生成したプログラムでは指示されない点列である。このように指令軌跡上に指示されていない点列を求める処理は補間処理と呼ばれ、補間処理によって生成された点は補間点と呼ばれる。
ここで、補間点とは、装置固有の時間周期ｄｔの間に指令速度Ｆで作用部位が進んだときの位置を指令軌跡上に求めた点である。
現在位置から次の補間位置までの距離Ｌは次式で求められる。この長さは補間長さと呼ばれる。
Ｌ＝Ｆ×ｄｔ （１）
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６４−４１９０５号公報（第３頁から第４頁）
【特許文献２】
特開平１−３１１３０４号公報（第５頁から第９頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシミュレーション装置は以上のように構成されているので、ブロックレベル指令の場合、ブロックの端点を補間点とする。そのため、実機レベル指令より少ない補間点でシミュレーションが実行されるので、実際に機械を運転するよりも短い時間でシミュレーションを実施できる可能性があるが、干渉チェックの精度が悪くなり、干渉の検出に漏れが生じることがある課題があった。
一方、実機レベル指令の場合、実際に機械を運転するのと同数の補間点でシミュレーションが実行されるので、少なくとも実際に機械を運転する時間と同じだけシミュレーションに時間を要する課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、干渉の検出漏れを招くことなく、実際の加工よりも短時間で干渉チェックを実施することができるシミュレーション装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るシミュレーション装置は、干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析手段により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間点決定手段とを設け、その補間点決定手段により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるシミュレーション装置を示す構成図であり、図において、プログラム格納部１は作用部位（例えば、ロボットの手足や切削工具など）の送り速度や位置指令などが記述されているＮＣプログラム（図２を参照）や自動プログラミングシステム用のプログラムを格納し、干渉検出距離格納部２は干渉検出距離（例えば、作用部位Ａと作用部位Ｂ間の距離、作用部位Ａと静止部位Ｃ（例えば、機械の本体や土台など）間の距離）を格納している。また、段取りデータ格納部３はジグやワーク配置などの段取りデータを格納し、形状データ格納部４は仮想的な三次元シミュレーション空間内の機械形状データ，ジグ形状データ及び工具形状データなどを格納している。なお、プログラム格納部１、干渉検出距離格納部２、段取りデータ格納部３及び形状データ格納部４はメモリなどにより構成される。
【００１１】
実行モード切替部５は例えばキーボードやマウスなどの入力インターフェイスと、ディスプレイ装置などの出力インターフェイスから構成され、例えば、シミュレーションシステムの作業者の指示の下、実機運転モード（サーボ装置１１を実際に駆動するモード）とシミュレーションモード（作用部位の動作をシミュレーションして、作用部位の干渉チェックを行うモード）の切替を受け付ける。あるいは、他の装置から実機運転モードとシミュレーションモードの切替指令を受け付ける。
プログラム解析部６はプログラム格納部１に格納されているＮＣプログラムや自動プログラミングシステム用のプログラムから作用部位の送り速度や位置指令などを読み取るプログラム解析手段を構成している。
【００１２】
速度比率決定部７は実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合、ユーザにより手動で設定された速度比率を速度決定部８に出力し、実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、干渉検出距離格納部２に格納されている干渉検出距離を補間周期で除算してシミュレーション用速度を算出し、そのシミュレーション用速度をプログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度で除算して速度比率を算出し、その速度比率を速度決定部８に出力する。速度決定部８は速度比率決定部７から出力された速度比率を当該作用部位の送り速度に乗算して、その作用部位の最大送り速度を算出し、その作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える処理を実施する。なお、速度比率決定部７及び速度決定部８から置換手段が構成されている。
【００１３】
補間部９は速度決定部８により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間点決定手段を構成している。シミュレーション部１０は実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、補間部９により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するシミュレーション手段を構成している。
サーボ装置１１は実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合、速度決定部８から出力された作用部位の送り速度や位置指令等にしたがって作用部位を駆動する駆動手段を構成している。
なお、プログラム解析部６、速度比率決定部７、速度決定部８、補間部９及びシミュレーション部１０は専用のハードウエア（例えば、ＩＣ回路）を用いて構成してもよいが、これらの処理内容が記述されたプログラムを用意し、図示せぬコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【００１４】
次に動作について説明する。
プログラム解析部６は、プログラム格納部１に格納されている図２のＮＣプログラムや自動プログラミングシステム用のプログラムを解析して、それらのプログラムに記述されている作用部位の送り速度Ｆや位置指令などを読み取る処理を実施する。
【００１５】
速度比率決定部７は、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の位置指令から特定される作用部位の移動軌跡を補間するため、次のようにして速度比率Ｒを算出する。ここで、図３の実線は作用部位の移動軌跡を示し、○の位置は作用部位の位置指令から特定される。図４の◎の位置は作用部位の補間点を示している。
即ち、速度比率決定部７は、実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、下式に示すように、干渉検出距離格納部２に格納されている干渉検出距離Ｋを補間周期ｄｔで除算してシミュレーション用速度Ｆｓを算出する。そして、そのシミュレーション用速度Ｆｓをプログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度Ｆで除算して速度比率Ｒを算出し、その速度比率Ｒを速度決定部８に出力する。ただし、実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合には、ユーザにより手動で設定された速度比率Ｒをそのまま速度決定部８に出力する。
【００１６】
Ｆｓ＝（Ｃ×Ｋ）／ｄｔ （２）
Ｒ＝Ｆｓ／Ｆ （３）
ただし、式（２）におけるＣは所定の係数であるが、係数Ｃは何らかの規則に従って決められればよい。具体的な係数Ｃの与え方については後述する。
なお、式（２）において、干渉検出距離ＫをＣ倍している理由は、１回の補間周期の時間だけ作用部位が移動したときに、他の部位との距離が０以下になって衝突する前に、他の部位に近接していることを安全に検知するためである。したがって、係数Ｃは通常１以下の正の値に設定される。
【００１７】
速度決定部８は、速度比率決定部７から速度比率Ｒを受けると、下式に示すように、その速度比率Ｒをプログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度Ｆに乗算して、その作用部位の最大送り速度Ｆｅｘｅを算出し、その最大送り速度Ｆｅｘｅを作用部位の送り速度として補間部９に出力する。
Ｆｅｘｅ＝Ｒ×Ｆ （４）
【００１８】
補間部９は、速度決定部８から作用部位の送り速度である最大送り速度Ｆｅｘｅを受けると、下式に示すように、その最大送り速度Ｆｅｘｅに補間周期ｄｔを乗算して、１回の補間周期の時間だけ作用部位が移動する長さＬ（以下、補間長という）を求め、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の位置指令から特定される位置（図３の○の位置）と補間長Ｌから作用部位の移動軌跡の補間点を決定する（図４の◎の位置）。
Ｌ＝Ｆｅｘｅ×ｄｔ （５）
【００１９】
シミュレーション部１０は、実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、補間部９により決定された補間点においてシミュレーションを実施することにより、形状データ格納部４に格納されている作用部位の形状データの位置姿勢を更新し、その位置姿勢における複数の作用部位間、あるいは、ある作用部位と静止部位間の距離を算出し、部位間で干渉しているか否かをチェックする。
例えば、部位間で干渉している場合、干渉する部位を図示せぬ表示部に表示し、干渉が発生する旨のメッセージ等を表示部に表示する。
サーボ装置１１は、実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合、速度決定部８から出力された作用部位の送り速度や位置指令等にしたがって作用部位を実際に駆動する。
【００２０】
ここで、係数Ｃの決め方及び作用部位の最大送り速度Ｆｅｘｅの求め方を具体的に説明する。
シミュレーションの実施対象が、ワークに対して１つの作用部位（例えば、切削工具）を持つ１台の機械だけならば、その機械を構成する各部位に補間長Ｌを分配すればよいので、干渉検出距離Ｋを補間長Ｌとして採用すればよい。即ち、Ｃ＝１としてシミュレーション用速度Ｆｓを算出すればよい。
しかし、シミュレーションの実施対象が複数の作用部位を持ち、各々の作用部位に対して個別の速度が与えられている場合や、同一のシミュレーション空間内で複数の機械をシミュレーションの実施対象にしている場合は、最も危険な状況として、お互いの進行方向が同じ直線上で、かつ、近づく方向に移動する状況が考えられる。このような場合には、例えば、Ｃ＝０．５に設定する。
【００２１】
図５は２つの作用部位（オブジェクトＡ，オブジェクトＢ）の進行方向が同じ直線上で、かつ、近づく方向に移動する状況を示しており、Ｃ＝０．５に設定した場合（干渉検出距離Ｋの半分を補間長Ｌとする場合）を説明するものである。
現時点では、オブジェクトＡ，Ｂ間の距離が干渉検出距離Ｋより僅かに大きい値Ｋｂである状況を示している。
この時点から次の補間周期におけるシミュレーション用の補間点を求めるには、上述したように、式（２）を用いてシミュレーション用速度Ｆｓを求める。
【００２２】
次に、シミュレーションの実施対象が、ワークに対して１つの作用部位を持つ１台の機械だけならば、その作用部位の送り速度Ｆを式（３）に代入して速度比率Ｒを求める。
しかし、複数の作用部位が存在する状況においては、ｎ個の作用部位の送り速度Ｆ、即ち、ｎ個の作用部位に対する指令速度Ｆｉ（ｉ＝０，１，・・・，ｎ）の中から最大の速度Ｆを求める。
Ｆ＝ｍａｘ｛Ｆ０，Ｆ１，・・・，Ｆｎ｝ （６）
次に、最大の速度Ｆとシミュレーション用速度Ｆｓを式（３）に代入して速度比率Ｒを求める。
最後に、ｎ個の作用部位に対する指令速度Ｆｉに速度比率Ｒを乗算して、ｎ個の作用部位の最大送り速度ＮＦｉ（式（４）のＦｅｘｅに相当）を算出する。
ＮＦｉ＝Ｒ×Ｆｉ （７）
【００２３】
このように、複数の作用部位が存在する状況では、ｎ個の作用部位に対する指令速度Ｆｉの中で最大の速度Ｆを選択して、干渉しないことが保証できる距離である干渉検出距離Ｋから求めたシミュレーション用速度Ｆｓとの速度比率Ｒを求め、全作用部位に対して同一の速度比率Ｒを乗算して作用部位の最大送り速度ＮＦｉを求めるようにしたことにより、お互いの相対位置を実際に機械を運動させたときと同じにしつつ、干渉チェックの目的には細かすぎる補間点を省き、実行時間を早めることができる。
なお、１つの作用部位を持つ１台の機械であっても、係数Ｃを１以下の値に設定しても構わない。
【００２４】
最後に、シミュレーションモード時の処理が実機運転モード時の処理よりも早く終了することについて検証する。ただし、ここでは、数値制御装置によって制御される１つの作用部位を持ち、その作用部位に対する速度が与えられる工作機械を例にして、具体的な数値を用いて説明する。
例えば、補間周期ｄｔ＝１．０［ｍｓ］、ＮＣプログラム指令切削速度Ｆ＝５，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］、干渉検出距離Ｋ＝３［ｍｍ］、係数Ｃ＝１とすると、下記に示すように、シミュレーション用速度Ｆｓは式（２）より１８０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］となり、速度比率Ｒは式（３）より３６となる。
したがって、３６倍の移動速度で補間した点を用いてシミュレーションを行うことになる。
【００２５】
因みに、ｄｔ＝５．０［ｍｓ］であれば、Ｆｓ＝３６，０００［ｍｍ］となり、７．２倍の移動速度で補間した点でシミュレーションを行うことになる。
一般に位置決め指令時の速度は、切削速度よりも高速で、現在の工作機械の場合、例えば、２０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］から１００，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］程度であるので、シミュレーションは、常に位置決め指令時の速度程度で実行されることになる。
このように干渉検出距離Ｋを元にした補間点を使用することで、干渉検出の失敗を無くし、かつ、実際の運転時間より短時間でシミュレーションを行うことができる。
【００２６】
上記の具体的数値を使った効果検証では、指令速度が干渉検出距離Ｋから求められる速度に対して低い場合を述べたものであるが、指令速度が干渉検出距離Ｋから求められる速度に対して高速である場合には、干渉検出を失敗しない効果がある。その例を具体的数値を用いて説明する。
２つの作用部位を持ち、各々の作用部位に対する速度が与えられる工作機械を例にして、指令速度が速く、しかも干渉検出距離が非常に小さい場合にも干渉検出を失敗しないということを具体的な数値を用いて説明する。
【００２７】
例えば、２つの作用部位を持つ工作機械としては、多系統工作機械と呼ばれる工作機械が上げられる。多系統工作機械とは、例えば、特開平１−２０５３０１号公報に示されているように、刃物台が複数本同時に独立動作可能な工作機械のことをいい、各々の切削工具から機械の駆動関節までを系統と呼び、２つの切削工具が独立動作可能であれば２系統を有するという。
【００２８】
例えば、系統１，系統２に共通な補間周期ｄｔ＝１．０［ｍｓ］、系統１に対する指令切削速度Ｆ１＝１０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］、系統２に対する指令切削速度Ｆ２＝８，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］、干渉検出距離Ｋ＝０．１［ｍｍ］とし、上記複数の作用部位を持つ場合の方式にしたがって各作用部位の最大速度を求めると、Ｆ＝ｍａｘ｛Ｆ１，Ｆ２｝＝Ｆ１＝１０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］となる。
一方、シミュレーション用速度Ｆｓは、式（２）において、例えばＣ＝０．５とすると、Ｆｓ＝（０．５×Ｋ×６０×１，０００）／ｄｔ＝９，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］となる。
【００２９】
したがって、式（３）より、速度比率Ｒ＝Ｆｓ／Ｆ＝９，０００／１０，０００＝０．９となり、シミュレーション用速度Ｆｓは、指令切削速度Ｆ１と比べて０．９倍の移動速度で補間した点を用いてシミュレーションを行うことになる。
つまり、２つの系統間で０．１［ｍｍ］〜０［ｍｍ］までの間に接近したことを漏れなく検出することを目的とするならば、各々の速度は指令されているよりも０．９倍遅くしなければ、この補間周期では検出不可能であるということを示している。逆にいえば、シミュレーションで再現する位置間隔を０．９倍すれば、０．１〜０［ｍｍ］の範囲に、お互いが接近したことを漏れなく検出できるということである。
【００３０】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段（速度比率決定部、速度決定部８）と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間部９とを設け、その補間部９により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するように構成したので、干渉の検出漏れを招くことなく、実際の加工よりも短時間で干渉チェックを実施することができる効果を奏する。
【００３１】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、実行モード切替部５が実機運転モードとシミュレーションモードを切り替えるものについて示したが、図６に示すように、実行モード切替部５やサーボ装置１１を省略して、シミュレーションモード専用の装置にしてもよい。
【００３２】
このように、実機運転モードの機能を割愛することにより、シミュレーション装置を数値制御装置の外部に実現することができる。したがって、シミュレーションを実施するために実機の運転を停止することなく、実機による作業と機械シミュレーションによるチェックとを独立して、任意の時間に行うことができる。そのため、既にチェックが完了したＮＣプログラムを使って現在の加工を実機で行うと同時に、次の加工を行うためのＮＣプログラムのチェックをシミュレーションすることができる。したがって、プログラム検証から実機運転に関わる全体の作業効率を高めることができる。
なお、シミュレーション装置における各々の機能部は、数値制御装置に実現されている同等機能の機能部をそのまま移植したものであってもよく、また、機械シミュレーション用に作成されたものであってもよい。
【００３３】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、プログラム解析部６、速度比率決定部７、速度決定部８及び補間部９を１系統用意し、各部が実行切替モード５の指示の下、シミュレーションモード又は実機運転モードを実施するものについて示したが、図７に示すように、シミュレーションモード専用の処理経路Ａ（図中、斜線が施されている処理経路）と、実機運転モード専用の処理経路Ｂ（図中、点線で囲まれている処理経路）とを設けてもよい。
【００３４】
このように、シミュレーションの実行を専用に司る処理経路Ａと、通常の実機運転を実行する処理経路Ｂとを別々に用意することにより、実機が運転中であっても、実機に保持されている工具情報、ジグ情報、刃物台への工具の配置情報、マガジン内工具情報、ラダープログラム、接点情報などを使用して機械の動作シミュレーションを行うことができ、実機運転に近い高精度な動作シミュレーションを行うことができ、かつプログラム検証から実機運転に関わる全体の作業効率を高めることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析手段により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間点決定手段とを設け、その補間点決定手段により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するように構成したので、干渉の検出漏れを招くことなく、実際の加工よりも短時間で干渉チェックを実施することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるシミュレーション装置を示す構成図である。
【図２】ＮＣプログラムの記述例を示す説明図である。
【図３】作用部位の移動軌跡等を示す説明図である。
【図４】移動軌跡の補間点等を示す説明図である。
【図５】２つの作用部位の移動状況を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるシミュレーション装置を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるシミュレーション装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ プログラム格納部、２ 干渉検出距離格納部、３ 段取りデータ格納部、４ 形状データ格納部、５ 実行モード切替部、６ プログラム解析部（プログラム解析手段）、７ 速度比率決定部（置換手段）、８ 速度決定部（置換手段）、９ 補間部（補間点決定手段）、１０ シミュレーション部（シミュレーション手段）、１１ サーボ装置（駆動手段）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、作用部位の干渉チェックを実施するシミュレーション装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常のＮＣ工作機械を用いて加工を行うにはＮＣプログラムが必要である（以下、ＮＣプログラムに記述されている命令の単位をブロックと呼ぶ）。通常、ＮＣプログラムの中には、機械の移動速度を指令する命令と具体的な速度を表す数値が記述されている。
近年、工作機械の構造が複雑になるとともに、動作が複雑になってきており、機械の様々な部位同士が干渉したり、機械と機械の作業対象物（以下、ワークと呼ぶ）が干渉したりする場合があるため、干渉チェックを主目的とする機械の動作シミュレーションが必要となってきている。
【０００３】
ここで、ＮＣプログラムではなく、自動プログラミング装置によりプログラミングされたプログラムのように、自動プログラミング装置によって軌跡データが自動生成される場合もあるが、この場合も、生成される軌跡データは、ＮＣプログラムと同等の各駆動軸の移動命令を記述したものであるため、自動プログラミング装置付のＮＣ工作機械もシミュレーションの対象となっている。
【０００４】
従来のシミュレーション装置（以下の特許文献１）には、「ロボット等のシミュレーション表示では、位置指令に従って図形表示する場合に、始点及び終点位置を表示し、２点間の途中状態を表示することができなかった」と記述されているように、機器に対する移動命令としてブロックの端点を用いる場合がある。このように、ブロックの端点をシミュレータへの移動指令とするものをブロックレベル指令と呼ぶことにする。
【０００５】
また、以下の特許文献２に示されているシミュレーション装置には、「工作機械のサーボモータに対する指令パルスを遮断し、これによりプログラム座標上のみではなく、機械座標系でのチェックをも可能にした」と記述されているように、制御装置の下位に接続されるサーボ装置への指令データ（以下、実機レベル指令と呼ぶ）を用いるものもある。
このサーボ装置への指令データは、プログラム指令軌跡上に生成したプログラムでは指示されない点列である。このように指令軌跡上に指示されていない点列を求める処理は補間処理と呼ばれ、補間処理によって生成された点は補間点と呼ばれる。
ここで、補間点とは、装置固有の時間周期ｄｔの間に指令速度Ｆで作用部位が進んだときの位置を指令軌跡上に求めた点である。
現在位置から次の補間位置までの距離Ｌは次式で求められる。この長さは補間長さと呼ばれる。
Ｌ＝Ｆ×ｄｔ （１）
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６４−４１９０５号公報（第３頁から第４頁）
【特許文献２】
特開平１−３１１３０４号公報（第５頁から第９頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシミュレーション装置は以上のように構成されているので、ブロックレベル指令の場合、ブロックの端点を補間点とする。そのため、実機レベル指令より少ない補間点でシミュレーションが実行されるので、実際に機械を運転するよりも短い時間でシミュレーションを実施できる可能性があるが、干渉チェックの精度が悪くなり、干渉の検出に漏れが生じることがある課題があった。
一方、実機レベル指令の場合、実際に機械を運転するのと同数の補間点でシミュレーションが実行されるので、少なくとも実際に機械を運転する時間と同じだけシミュレーションに時間を要する課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、干渉の検出漏れを招くことなく、実際の加工よりも短時間で干渉チェックを実施することができるシミュレーション装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るシミュレーション装置は、干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析手段により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間点決定手段とを設け、その補間点決定手段により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるシミュレーション装置を示す構成図であり、図において、プログラム格納部１は作用部位（例えば、ロボットの手足や切削工具など）の送り速度や位置指令などが記述されているＮＣプログラム（図２を参照）や自動プログラミングシステム用のプログラムを格納し、干渉検出距離格納部２は干渉検出距離（例えば、作用部位Ａと作用部位Ｂ間の距離、作用部位Ａと静止部位Ｃ（例えば、機械の本体や土台など）間の距離）を格納している。また、段取りデータ格納部３はジグやワーク配置などの段取りデータを格納し、形状データ格納部４は仮想的な三次元シミュレーション空間内の機械形状データ，ジグ形状データ及び工具形状データなどを格納している。なお、プログラム格納部１、干渉検出距離格納部２、段取りデータ格納部３及び形状データ格納部４はメモリなどにより構成される。
【００１１】
実行モード切替部５は例えばキーボードやマウスなどの入力インターフェイスと、ディスプレイ装置などの出力インターフェイスから構成され、例えば、シミュレーションシステムの作業者の指示の下、実機運転モード（サーボ装置１１を実際に駆動するモード）とシミュレーションモード（作用部位の動作をシミュレーションして、作用部位の干渉チェックを行うモード）の切替を受け付ける。あるいは、他の装置から実機運転モードとシミュレーションモードの切替指令を受け付ける。
プログラム解析部６はプログラム格納部１に格納されているＮＣプログラムや自動プログラミングシステム用のプログラムから作用部位の送り速度や位置指令などを読み取るプログラム解析手段を構成している。
【００１２】
速度比率決定部７は実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合、ユーザにより手動で設定された速度比率を速度決定部８に出力し、実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、干渉検出距離格納部２に格納されている干渉検出距離を補間周期で除算してシミュレーション用速度を算出し、そのシミュレーション用速度をプログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度で除算して速度比率を算出し、その速度比率を速度決定部８に出力する。速度決定部８は速度比率決定部７から出力された速度比率を当該作用部位の送り速度に乗算して、その作用部位の最大送り速度を算出し、その作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える処理を実施する。なお、速度比率決定部７及び速度決定部８から置換手段が構成されている。
【００１３】
補間部９は速度決定部８により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間点決定手段を構成している。シミュレーション部１０は実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、補間部９により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するシミュレーション手段を構成している。
サーボ装置１１は実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合、速度決定部８から出力された作用部位の送り速度や位置指令等にしたがって作用部位を駆動する駆動手段を構成している。
なお、プログラム解析部６、速度比率決定部７、速度決定部８、補間部９及びシミュレーション部１０は専用のハードウエア（例えば、ＩＣ回路）を用いて構成してもよいが、これらの処理内容が記述されたプログラムを用意し、図示せぬコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【００１４】
次に動作について説明する。
プログラム解析部６は、プログラム格納部１に格納されている図２のＮＣプログラムや自動プログラミングシステム用のプログラムを解析して、それらのプログラムに記述されている作用部位の送り速度Ｆや位置指令などを読み取る処理を実施する。
【００１５】
速度比率決定部７は、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の位置指令から特定される作用部位の移動軌跡を補間するため、次のようにして速度比率Ｒを算出する。ここで、図３の実線は作用部位の移動軌跡を示し、○の位置は作用部位の位置指令から特定される。図４の◎の位置は作用部位の補間点を示している。
即ち、速度比率決定部７は、実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、下式に示すように、干渉検出距離格納部２に格納されている干渉検出距離Ｋを補間周期ｄｔで除算してシミュレーション用速度Ｆｓを算出する。そして、そのシミュレーション用速度Ｆｓをプログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度Ｆで除算して速度比率Ｒを算出し、その速度比率Ｒを速度決定部８に出力する。ただし、実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合には、ユーザにより手動で設定された速度比率Ｒをそのまま速度決定部８に出力する。
【００１６】
Ｆｓ＝（Ｃ×Ｋ）／ｄｔ （２）
Ｒ＝Ｆｓ／Ｆ （３）
ただし、式（２）におけるＣは所定の係数であるが、係数Ｃは何らかの規則に従って決められればよい。具体的な係数Ｃの与え方については後述する。
なお、式（２）において、干渉検出距離ＫをＣ倍している理由は、１回の補間周期の時間だけ作用部位が移動したときに、他の部位との距離が０以下になって衝突する前に、他の部位に近接していることを安全に検知するためである。したがって、係数Ｃは通常１以下の正の値に設定される。
【００１７】
速度決定部８は、速度比率決定部７から速度比率Ｒを受けると、下式に示すように、その速度比率Ｒをプログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度Ｆに乗算して、その作用部位の最大送り速度Ｆｅｘｅを算出し、その最大送り速度Ｆｅｘｅを作用部位の送り速度として補間部９に出力する。
Ｆｅｘｅ＝Ｒ×Ｆ （４）
【００１８】
補間部９は、速度決定部８から作用部位の送り速度である最大送り速度Ｆｅｘｅを受けると、下式に示すように、その最大送り速度Ｆｅｘｅに補間周期ｄｔを乗算して、１回の補間周期の時間だけ作用部位が移動する長さＬ（以下、補間長という）を求め、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の位置指令から特定される位置（図３の○の位置）と補間長Ｌから作用部位の移動軌跡の補間点を決定する（図４の◎の位置）。
Ｌ＝Ｆｅｘｅ×ｄｔ （５）
【００１９】
シミュレーション部１０は、実行モード切替部５によりシミュレーションモードが選択されている場合、補間部９により決定された補間点においてシミュレーションを実施することにより、形状データ格納部４に格納されている作用部位の形状データの位置姿勢を更新し、その位置姿勢における複数の作用部位間、あるいは、ある作用部位と静止部位間の距離を算出し、部位間で干渉しているか否かをチェックする。
例えば、部位間で干渉している場合、干渉する部位を図示せぬ表示部に表示し、干渉が発生する旨のメッセージ等を表示部に表示する。
サーボ装置１１は、実行モード切替部５により実機運転モードが選択されている場合、速度決定部８から出力された作用部位の送り速度や位置指令等にしたがって作用部位を実際に駆動する。
【００２０】
ここで、係数Ｃの決め方及び作用部位の最大送り速度Ｆｅｘｅの求め方を具体的に説明する。
シミュレーションの実施対象が、ワークに対して１つの作用部位（例えば、切削工具）を持つ１台の機械だけならば、その機械を構成する各部位に補間長Ｌを分配すればよいので、干渉検出距離Ｋを補間長Ｌとして採用すればよい。即ち、Ｃ＝１としてシミュレーション用速度Ｆｓを算出すればよい。
しかし、シミュレーションの実施対象が複数の作用部位を持ち、各々の作用部位に対して個別の速度が与えられている場合や、同一のシミュレーション空間内で複数の機械をシミュレーションの実施対象にしている場合は、最も危険な状況として、お互いの進行方向が同じ直線上で、かつ、近づく方向に移動する状況が考えられる。このような場合には、例えば、Ｃ＝０．５に設定する。
【００２１】
図５は２つの作用部位（オブジェクトＡ，オブジェクトＢ）の進行方向が同じ直線上で、かつ、近づく方向に移動する状況を示しており、Ｃ＝０．５に設定した場合（干渉検出距離Ｋの半分を補間長Ｌとする場合）を説明するものである。
現時点では、オブジェクトＡ，Ｂ間の距離が干渉検出距離Ｋより僅かに大きい値Ｋｂである状況を示している。
この時点から次の補間周期におけるシミュレーション用の補間点を求めるには、上述したように、式（２）を用いてシミュレーション用速度Ｆｓを求める。
【００２２】
次に、シミュレーションの実施対象が、ワークに対して１つの作用部位を持つ１台の機械だけならば、その作用部位の送り速度Ｆを式（３）に代入して速度比率Ｒを求める。
しかし、複数の作用部位が存在する状況においては、ｎ個の作用部位の送り速度Ｆ、即ち、ｎ個の作用部位に対する指令速度Ｆｉ（ｉ＝０，１，・・・，ｎ）の中から最大の速度Ｆを求める。
Ｆ＝ｍａｘ｛Ｆ０，Ｆ１，・・・，Ｆｎ｝ （６）
次に、最大の速度Ｆとシミュレーション用速度Ｆｓを式（３）に代入して速度比率Ｒを求める。
最後に、ｎ個の作用部位に対する指令速度Ｆｉに速度比率Ｒを乗算して、ｎ個の作用部位の最大送り速度ＮＦｉ（式（４）のＦｅｘｅに相当）を算出する。
ＮＦｉ＝Ｒ×Ｆｉ （７）
【００２３】
このように、複数の作用部位が存在する状況では、ｎ個の作用部位に対する指令速度Ｆｉの中で最大の速度Ｆを選択して、干渉しないことが保証できる距離である干渉検出距離Ｋから求めたシミュレーション用速度Ｆｓとの速度比率Ｒを求め、全作用部位に対して同一の速度比率Ｒを乗算して作用部位の最大送り速度ＮＦｉを求めるようにしたことにより、お互いの相対位置を実際に機械を運動させたときと同じにしつつ、干渉チェックの目的には細かすぎる補間点を省き、実行時間を早めることができる。
なお、１つの作用部位を持つ１台の機械であっても、係数Ｃを１以下の値に設定しても構わない。
【００２４】
最後に、シミュレーションモード時の処理が実機運転モード時の処理よりも早く終了することについて検証する。ただし、ここでは、数値制御装置によって制御される１つの作用部位を持ち、その作用部位に対する速度が与えられる工作機械を例にして、具体的な数値を用いて説明する。
例えば、補間周期ｄｔ＝１．０［ｍｓ］、ＮＣプログラム指令切削速度Ｆ＝５，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］、干渉検出距離Ｋ＝３［ｍｍ］、係数Ｃ＝１とすると、下記に示すように、シミュレーション用速度Ｆｓは式（２）より１８０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］となり、速度比率Ｒは式（３）より３６となる。
【００２５】
因みに、ｄｔ＝５．０［ｍｓ］であれば、Ｆｓ＝３６，０００［ｍｍ］となり、７．２倍の移動速度で補間した点でシミュレーションを行うことになる。
一般に位置決め指令時の速度は、切削速度よりも高速で、現在の工作機械の場合、例えば、２０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］から１００，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］程度であるので、シミュレーションは、常に位置決め指令時の速度程度で実行されることになる。
このように干渉検出距離Ｋを元にした補間点を使用することで、干渉検出の失敗を無くし、かつ、実際の運転時間より短時間でシミュレーションを行うことができる。
【００２６】
上記の具体的数値を使った効果検証では、指令速度が干渉検出距離Ｋから求められる速度に対して低い場合を述べたものであるが、指令速度が干渉検出距離Ｋから求められる速度に対して高速である場合には、干渉検出を失敗しない効果がある。その例を具体的数値を用いて説明する。
２つの作用部位を持ち、各々の作用部位に対する速度が与えられる工作機械を例にして、指令速度が速く、しかも干渉検出距離が非常に小さい場合にも干渉検出を失敗しないということを具体的な数値を用いて説明する。
【００２７】
例えば、２つの作用部位を持つ工作機械としては、多系統工作機械と呼ばれる工作機械が上げられる。多系統工作機械とは、例えば、特開平１−２０５３０１号公報に示されているように、刃物台が複数本同時に独立動作可能な工作機械のことをいい、各々の切削工具から機械の駆動関節までを系統と呼び、２つの切削工具が独立動作可能であれば２系統を有するという。
【００２８】
例えば、系統１，系統２に共通な補間周期ｄｔ＝１．０［ｍｓ］、系統１に対する指令切削速度Ｆ１＝１０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］、系統２に対する指令切削速度Ｆ２＝８，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］、干渉検出距離Ｋ＝０．１［ｍｍ］とし、上記複数の作用部位を持つ場合の方式にしたがって各作用部位の最大速度を求めると、Ｆ＝ｍａｘ｛Ｆ１，Ｆ２｝＝Ｆ１＝１０，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］となる。
一方、シミュレーション用速度Ｆｓは、式（２）において、例えばＣ＝０．５とすると、Ｆｓ＝（０．５×Ｋ×６０×１，０００）／ｄｔ＝９，０００［ｍｍ／ｍｉｎ］となる。
【００２９】
したがって、式（３）より、速度比率Ｒ＝Ｆｓ／Ｆ＝９，０００／１０，０００＝０．９となり、シミュレーション用速度Ｆｓは、指令切削速度Ｆ１と比べて０．９倍の移動速度で補間した点を用いてシミュレーションを行うことになる。
つまり、２つの系統間で０．１［ｍｍ］〜０［ｍｍ］までの間に接近したことを漏れなく検出することを目的とするならば、各々の速度は指令されているよりも０．９倍遅くしなければ、この補間周期では検出不可能であるということを示している。逆にいえば、シミュレーションで再現する位置間隔を０．９倍すれば、０．１〜０［ｍｍ］の範囲に、お互いが接近したことを漏れなく検出できるということである。
【００３０】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析部６により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段（速度比率決定部、速度決定部８）と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間部９とを設け、その補間部９により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するように構成したので、干渉の検出漏れを招くことなく、実際の加工よりも短時間で干渉チェックを実施することができる効果を奏する。
【００３１】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、実行モード切替部５が実機運転モードとシミュレーションモードを切り替えるものについて示したが、図６に示すように、実行モード切替部５やサーボ装置１１を省略して、シミュレーションモード専用の装置にしてもよい。
【００３２】
このように、実機運転モードの機能を割愛することにより、シミュレーション装置を数値制御装置の外部に実現することができる。したがって、シミュレーションを実施するために実機の運転を停止することなく、実機による作業と機械シミュレーションによるチェックとを独立して、任意の時間に行うことができる。そのため、既にチェックが完了したＮＣプログラムを使って現在の加工を実機で行うと同時に、次の加工を行うためのＮＣプログラムのチェックをシミュレーションすることができる。したがって、プログラム検証から実機運転に関わる全体の作業効率を高めることができる。
なお、シミュレーション装置における各々の機能部は、数値制御装置に実現されている同等機能の機能部をそのまま移植したものであってもよく、また、機械シミュレーション用に作成されたものであってもよい。
【００３３】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、プログラム解析部６、速度比率決定部７、速度決定部８及び補間部９を１系統用意し、各部が実行切替モード５の指示の下、シミュレーションモード又は実機運転モードを実施するものについて示したが、図７に示すように、シミュレーションモード専用の処理経路Ａ（図中、斜線が施されている処理経路）と、実機運転モード専用の処理経路Ｂ（図中、点線で囲まれている処理経路）とを設けてもよい。
【００３４】
このように、シミュレーションの実行を専用に司る処理経路Ａと、通常の実機運転を実行する処理経路Ｂとを別々に用意することにより、実機が運転中であっても、実機に保持されている工具情報、ジグ情報、刃物台への工具の配置情報、マガジン内工具情報、ラダープログラム、接点情報などを使用して機械の動作シミュレーションを行うことができ、実機運転に近い高精度な動作シミュレーションを行うことができ、かつプログラム検証から実機運転に関わる全体の作業効率を高めることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、プログラム解析手段により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段と、その置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間点決定手段とを設け、その補間点決定手段により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するように構成したので、干渉の検出漏れを招くことなく、実際の加工よりも短時間で干渉チェックを実施することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるシミュレーション装置を示す構成図である。
【図２】ＮＣプログラムの記述例を示す説明図である。
【図３】作用部位の移動軌跡等を示す説明図である。
【図４】移動軌跡の補間点等を示す説明図である。
【図５】２つの作用部位の移動状況を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるシミュレーション装置を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるシミュレーション装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ プログラム格納部、２ 干渉検出距離格納部、３ 段取りデータ格納部、４ 形状データ格納部、５ 実行モード切替部、６ プログラム解析部（プログラム解析手段）、７ 速度比率決定部（置換手段）、８ 速度決定部（置換手段）、９ 補間部（補間点決定手段）、１０ シミュレーション部（シミュレーション手段）、１１ サーボ装置（駆動手段）。
Claims (6)
- プログラムに記述されている作用部位の送り速度を読み取るプログラム解析手段と、干渉検出距離と補間周期から作用部位の最大送り速度を算出し、上記プログラム解析手段により読み取られた作用部位の送り速度を当該最大送り速度に置き換える置換手段と、上記置換手段により最大送り速度に置き換えられた作用部位の送り速度と上記補間周期から作用部位の移動軌跡の補間点を決定する補間点決定手段と、上記補間点決定手段により決定された補間点において作用部位の干渉チェックを実施するシミュレーション手段とを備えたシミュレーション装置。
- 置換手段は、干渉検出距離を補間周期で除算してシミュレーション用速度を算出するとともに、そのシミュレーション用速度をプログラム解析手段により読み取られた作用部位の送り速度で除算して速度比率を算出し、その速度比率を当該作用部位の送り速度に乗算して当該作用部位の最大送り速度を算出することを特徴とする請求項１記載のシミュレーション装置。
- 置換手段は、複数の作用部位が存在する場合、複数の作用部位の中の最大速度でシミュレーション用速度を除算して速度比率を算出することを特徴とする請求項２記載のシミュレーション装置。
- 置換手段は、シミュレーション空間内に干渉検出対象の機械が複数存在する場合、複数の機械の作用部位の中の最大速度でシミュレーション用速度を除算して速度比率を算出することを特徴とする請求項２記載のシミュレーション装置。
- シミュレーションモードから実機運転モードに切り替えられると、プログラム解析手段により読み取られた作用部位の送り速度にしたがって作用部位を駆動する駆動手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のシミュレーション装置。
- シミュレーションモード用のプログラム解析手段、置換手段及び補間点決定手段の他に、実機運転モード用のプログラム解析手段、置換手段及び補間点決定手段を別途設けたことを特徴とする請求項５記載のシミュレーション装置。
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