形状加工方法および形状加工システム
【課題】機械加工機の加工の精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減する。
【解決手段】形状修正対象物の母材の設計形状を設定する設計形状設定段階Ｓ１、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での第３点とを基準点として前記設計形状上で設定する基準点設定段階Ｓ２、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定段階Ｓ３、前記測定結果から、各断面での前記各基準点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出段階Ｓ４、前記各基準点から前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定段階Ｓ５、該変位に基づいて加工データを修正する修正段階Ｓ６、前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工段階Ｓ７、を含む。
【解決手段】形状修正対象物の母材の設計形状を設定する設計形状設定段階Ｓ１、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での第３点とを基準点として前記設計形状上で設定する基準点設定段階Ｓ２、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定段階Ｓ３、前記測定結果から、各断面での前記各基準点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出段階Ｓ４、前記各基準点から前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定段階Ｓ５、該変位に基づいて加工データを修正する修正段階Ｓ６、前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工段階Ｓ７、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状加工方法および形状加工システムに関し、より詳細には、形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、肉盛りされた溶接材部分を加工する形状加工方法および形状加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
形状修正対象物、たとえば、車両を構成する鋼板を形成するための金型は、金型が製作されたのち、その金型が何度も使用されることで形状に変形が生じ、その金型の形状の修正が必要となる。
【０００３】
金型の形状の修正には、金型を削る修正と、金型に溶接材を肉盛りする修正とがあり、後者の金型に溶接材を肉盛りする修正は、金型の修正箇所に溶接材で肉盛りしたのち、その肉盛した溶接材を所望の形状に加工することで行われる。ここで、溶接材を肉盛りした場合、肉盛りした領域が凸凹形状を有した表面形状になるため、表面を加工するための余裕代を本来盛るべき量にプラスして行なう必要がある。
【０００４】
このような金型などの形状修正対象物の肉盛りされた溶接材を加工する従来の形状加工方法としては、肉盛りされた領域が凸凹形状を有しているため、測定プローブなどの測定器によって測定することが困難である。したがって、実際の形状修正対象物の形状を母材上で肉盛りされていない領域で測定し、その測定した結果と形状修正対象物の設計形状とに基づいて、形状修正対象物を加工するための加工データを作成し、その作成された加工データに基づいて形状修正対象物を機械加工機で加工する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１２６８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の形状加工方法では、一般的に、母材上で肉盛りされていない領域で測定、すなわち、肉盛りされた溶接材部分の近傍を測定器で測定し、測定した形状と設計形状とのずれを一方向のみのずれとしてＮＣデータを作成していたため、実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との正確な三次元的なずれを知ることができないという問題点があった。したがって、従来の形状加工方法では、その肉盛りされた溶接材部分を、機械加工機によってある程度の形状まで加工し、その後、所望の形状になるまで、作業者の経験に頼って手作業による削り加工で仕上げ（以下、必要に応じて「仕上げ工程」と称する）ていた。
【０００６】
このように、手作業によって削り落とす作業が発生するため、仕上げ工程で多大な作業負荷が発生する。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決し、実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との正確な誤差を三次元的な変位で推定することによって、機械加工機による加工精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができる形状加工方法および形状加工システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００９】
本発明の形状加工方法は、形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工する方法であって、前記母材の設計形状を入力する入力段階と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とを前記設計形状上で設定する設定段階と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定段階と、前記測定結果から、それぞれの断面での前記第１点、第２点、および第３点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出段階と、前記第１点、第２点、および第３点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定段階と、前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正段階と、前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工段階と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の形状加工システムは、形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工するシステムであって、前記母材の設計形状を入力する入力手段と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とを前記設計形状上で設定する設定手段と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定手段と、前記測定結果から、それぞれの断面での前記第１点、第２点、および第３点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出手段と、前記第１点、第２点、および第３点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定手段と、前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正手段と、前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように構成された本発明に係る形状加工方法および形状加工システムによれば、溶接材が肉盛りされた領域の近傍を測定し、その測定した結果と設計形状とから実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との三次元的な変位を推定することで、機械加工機の加工の精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る形状加工方法および形状加工システムについて詳細に説明する。なお、本実施の形態では、形状修正対象物として、車両を構成する鋼板をプレス成形する金型を例にとって説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態の形状加工システムの概略構成を示す斜視図である。
【００１４】
形状加工システム１００は、図１に示すとおり、金型１を加工するための機械加工機２であって、金型１の母材上に肉盛りされた溶接材部分を加工するシステムである。
【００１５】
金型１は、材料の塑性または流動性の性質を利用して、材料を成形加工して製品を得るための、主として金属材料を用いて作成した金型であって、たとえば、自動車のボディーなどに用いられる鋼板（金属板）を成形加工するためのプレス金型である。
【００１６】
機械加工機２は、数値制御（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＮＣ）される工作機械であって、ドリルなどに代表される切削用工具の刃先の動作を座標値によって定義し、その座標値などの情報を基に工作機械に内蔵されたサーボモータが動くことによって工具や被加工物が動作し、加工が行われる工作機械である。
【００１７】
機械加工機２は、コンピュータを用いて制御され、そのコンピュータは、たとえば、図２に示すように、マイクロプロセッサからなるＣＰＵ（中央演算処理装置）２１、ＣＰＵ２１にバス結合されたＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、ハードディスク２４、表示部２５、入力部２６、およびインターフェイス２７などの構成要素を備えている。ＣＰＵ２１は、コンピュータの中で各装置の制御やデータの計算・加工を行なう中枢部分である。ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されたプログラムを実行する装置で、ＲＡＭ２３、ハードディスク２４、または入力部２６からデータを受け取り、演算・加工した上で、表示部２５またはハードディスク２４に出力する。ＲＯＭ２２は、一度書き込まれた情報を読み出すための記憶装置であり、たとえば、システムプログラムなどのプログラムが格納される。ＲＡＭ２３は、半導体素子を利用した記憶装置であり、たとえば、ＣＰＵ２１が実行する処理のためのデータの一時記憶などに使用される。ハードディスク２４は、外部記憶装置である。表示部２５は、たとえば、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどの表示装置である。入力部２６は、たとえば、キーボード、およびマウスなどのポインティングディバイスである。インターフェイス２７は、二つのものの間に立って、情報のやり取りを仲介するものである。
【００１８】
次に、図３を参照しつつ、機械加工機２の形状修正加工の処理を実行する各部について詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る機械加工機２の概略構成を示すブロック図である。機械加工機２は、形状修正加工の処理を実行する各部として、設計形状設定部２１１、基準点設定部２１２、形状測定部２１３、誤差算出部２１４、変位推定部２１５、ＮＣデータ設定部２１６、ＮＣデータ修正部２１７、および加工命令部２１８を含み、ＣＰＵ２１がこれら各部の役割を担う。
【００１９】
設計形状設定部２１１は、金型１の母材の設計形状を設定するものであり、設計形状設定手段として機能する。設計形状設定部２１１は、設計形状のデータ（以下、「設計形状データ」と称する）、たとえば、所望の金型１の形状の三次元データ、金型１の成形品質、プレス鋼板の板厚などの型データ、および金型１の母材上に溶接材を肉盛して加工すべき領域部分のデータが設定されるものであり、これらのデータは入力部２６または／およびインターフェイス２７を介して設定される。設定形状データは、図４に示すように、たとえば、複数の構成点Ｐを含み、隣り合う構成点Ｐが連結されてメッシュ状に表現されている。なお、図４では、構成点Ｐの一部を図示している。
【００２０】
基準点設定部２１２は、溶接材が肉盛された領域（以下、必要に応じて「加工領域」称する）の近傍で母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点と、をそれぞれ基準点として設計形状上で設定するものであり、基準点設定手段として機能する。
【００２１】
より具体的には、基準点設定部２１１は、実際の金型の形状と設計形状との変位を算出するために、その変位を算出するための基準点（第１点〜第３点）を、図５および図６に示すように、第１の断面および第２の断面において設計形状データ上の構成点Ｐから選択する。図５は、図４のＺ軸方向と平行にＡ−Ａ線に沿って切断した断面図であり、図６は、図４のＺ軸方向と平行にＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図であり、図５および図６の実線は、実際の機械加工機２に設置された金型１の形状（以下、「実形状」と称する）の一例を表し、図５および図６の破線は、設計形状設定部２１１で設定された金型１の母材の設計形状の一例を表している。なお、図５および図６に示すように、機械加工機２では斜線で表される設計形状がデータとして記憶されており、設計形状と実形状との差が存在することを表している。
【００２２】
また、基準点設定部２１２で設定される第１の断面は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度θ１と最小の角度θ２との角度差が最大となる断面であり、第１点は傾斜角度が最大の角度θ１を有する点、第２点は傾斜角度が最小の角度θ２を有する点であることが望ましい。さらに、第３点は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で第２の断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度θ３を有する点であることが望ましい。すなわち、各基準点（第１点〜第３点）は、図５において設計形状データから加工領域を除いた領域（以下、「非加工領域」と称する）で最大の角度θ１を有する点（第１点）、最小の角度θ２を有する点（第２点）、および図６において非加工領域で最大の角度θ３を有する点（第３点）として設定される。
【００２３】
さらに、基準点設定部２１２で設定される第１の断面と第２の断面とは直交することが望ましい。
【００２４】
ここで、基準点設定部２１２は、たとえば、設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と所定の区間に対応するオフセット形状の区間の距離との比率を算出し、比率が所定の範囲内にある位置で、各基準点（第１点〜第３点）を設定する。なお、基準点の詳細な設定方法は後述する。
【００２５】
形状測定部２１３は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で母材形状を測定するものであり、測定手段として機能する。形状測定部２１３は、図７に示すように、測定プローブなどの測定器３によって、実形状を測定する。測定して得られた測定結果は、たとえば、インターフェイス２７を介して機械加工機２に座標データとして設定される。測定器３は、機械加工機２に取付けられ、測定用ＮＣデータにより金型１の形状を測定する。測定用ＮＣデータは、たとえば、金型１の母材の表面の非加工領域を測定可能に作成されるもので、従来から一般的に用いられている形状を測定するためのデータであるので、詳細な説明は省略する。
【００２６】
誤差算出部２１４は、形状測定部２１３において測定された測定結果から、それぞれの断面での前記各基準点（第１点、第２点、および第３点）から一方向上に位置する各対応点を母材形状上で算出するものであり、算出段階として機能する。誤差算出部２１４は、たとえば、機械加工機２の座標系において、機械加工機２の基底面からの鉛直方向をＺ軸方向とすれば、設計形状データの基準点からＺ軸方向上に位置する点（座標データ）を実際の金型１の形状データ（以下、「実形状データ」と称する）の対応点として算出する。すなわち、各対応点は、前記各基準点（第１点、第２点、および第３点）のＸ座標およびＹ座標が同一であって、Ｚ座標が異なる点となる。したがって、誤差算出部２１４は、設計形状データと実形状データとのＺ座標の差分から各基準点からのそれぞれの対応点までの各変位ベクトルを算出することができる。
【００２７】
変位推定部２１５は、前記各基準点（第１点、第２点、および第３点）からそれぞれの対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定するものであり、推定手段として機能する。なお、変位推定部２１５により、三次元方向の変位を推定する詳細な方法は後述する。
【００２８】
ＮＣデータ設定部２１６は、金型を加工するための加工データ（ＮＣデータ）が設定されているものである。ここで、ＮＣデータは、入力部２６またはインターフェイス２７を介して設定され、機械加工機２で使用する工具の移動軌跡を数値情報として示したデータである。なお、ＮＣデータは、たとえば、以前に加工した際の金型１のＮＣデータを用いたりすることができる。
【００２９】
ＮＣデータ修正部２１７は、推定された母材の三次元方向の変位に基づいてＮＣデータを修正するものであり、修正手段として機能する。ＮＣデータ修正部２１７は、現在の数値情報として予め設定されているＮＣデータを、変位推定部２１５によって推定された三次元方向の変位に基づいて、新たなＮＣデータに修正する。
【００３０】
加工命令部２１８は、修正されたＮＣデータにしたがって溶接材部分を加工する加工手段を制御するものであり、制御手段として機能する。加工手段は、機械加工機２に備えられているサーボモータ４がその役割を担い、加工命令部２１８からの加工命令によってサーボモータ４が駆動されることで形状修正対象物を加工する手段である。サーボモータ４は、たとえば、ドリルなどに代表される切削用工具の刃先の動作を動かすことによって、金型に肉盛された溶接材を加工するものである。
【００３１】
ここで、図８を参照して、金型１の設計形状データと実形状データとの三次元方向の変位（移動量）を推定する方法を簡単に説明しておく。
【００３２】
金型１の設計形状データと実形状データとの三次元方向の変位（移動量）の推定する方法は、従来から知られている、物体の移動前と移動後との変位を幾何学的に計算する方法を適用することによって達成することができる。
【００３３】
図８は、三次元方向の変位を推定する方法を容易に理解できるように簡略化した物体の一例を示したものであり、物体を一の方向（たとえば、Ｚ軸方向）から見た平面図である。図９（ａ）は、図８のＺ軸方向と平行にＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図であり、図９（ｂ）は、図８のＺ軸方向と平行にＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図であり、図９の実線は物体の移動後、図９の斜線は物体の移動前を表している。
【００３４】
具体的に説明すると、図９（ａ）において、Ｃ−Ｃ断面での接線方向が互いに異なる任意の二つの点（Ｑ１，Ｑ２）からＺ軸方向上に位置する移動後の二つの対応点（Ｑ１’，Ｑ２’）までのＺ軸方向の移動量（ベクトル）に基づいて、点Ｑ１，Ｑ２における法線方向の移動量（Ｎ１，Ｎ２）を算出する。なお、法線方向の移動量の算出は、従来から知られているベクトル解析などの一般的な幾何学的手法によって算出することができるので、詳細な説明は省略する。
【００３５】
次いで、法線方向の移動量（Ｎ１，Ｎ２）を算出した後、各移動量から、図１０に示すように、一般的な幾何学的手法によって、物体の移動前と移動後の移動量Ａ１を求めることができる。その移動量Ａ１は、下記の数式（１）で表すことができる。
【００３６】
【数１】
【００３７】
その結果、図１１（ａ）に示すように、物体の移動前から移動後のＺ軸方向の移動量Ｚ１、およびＺ軸方向と垂直をなすＣ−Ｃ断面方向の移動量Ｓ１を求めることができる。
【００３８】
次いで、図９（ｂ）において、移動前の任意の一つの点（Ｑ３）からＺ軸方向上に位置する移動後の一つの対応点（Ｑ３’）までのＺ軸方向の移動量に基づいて、点Ｑ３における法線方向の移動量（ベクトル）Ｎ３を算出する。ここで、図９（ａ）および図９（ｂ）に示す断面図が、Ｚ軸方向と平行に切断していることから、物体の移動前と移動後とのＺ軸方向の移動量は、図９（ａ）と図９（ｂ）との断面で一致する。したがって、Ｚ軸方向と垂直をなす一方向との移動量Ｓ２は、図１１（ｂ）に示すように、上記で算出したＺ軸方向の移動量Ｚ１、および点Ｑ３の法線方向の移動量Ｎ３によって、一般的な幾何学的手法により求めることができる。その結果、図１２に示すように、上記で求めたＣ−Ｃ断面方向の移動量Ｓ１およびＤ−Ｄ断面方向の移動量Ｓ２を合成した移動量Ｓ３が、物体の移動前から移動後のＸＹ平面における移動量となり、Ｚ軸方向の移動量Ｚ１と合わせて、物体の移動前から移動後の三次元的な変位の推移を求めることができる。
【００３９】
したがって、物体の移動前と移動後との変位を幾何学的に算出する方法と同様に、本実施の形態においては、金型１の設計形状データと実形状データとの三次元方向の変位を推定するに際して、金型１の設計形状データ（物体の移動前）および実形状データ（移動後）を、上述した方法によって求めることができる。
【００４０】
したがって、従来の形状加工方法では、測定した形状と設計形状とのずれを一方向のみのずれ（たとえば、Ｚ軸方向）としてのみＮＣデータを作成し、測定のずれが、横軸方向のずれによって生じたもの（図１３（ａ）参照）なのか、または縦軸方向のずれによって生じたもの（図１３（ｂ）参照）なのかを把握することができず、三次元的なずれを正確に推定することができなかったが、本実施の形態では、上述した方法を用いることで、三次元的なずれを正確に推定することができる。この結果、機械加工機の加工の精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができるようになる。
【００４１】
以上のように構成された形状加工システムを用いて、本実施の形態に係る形状加工方法が実行される。
【００４２】
次に、図１４に示すフローチャートに基づいて、本実施の形態の形状加工方法を説明する。以下の処理は、ＣＰＵ２１が主として実行する。図１４は、本実施の形態の形状加工システムの処理内容を示すフローチャートである。
【００４３】
まず、ＣＰＵ２１は、金型１の設計形状を設定する（ステップＳ１）。この設計形状のデータは、上述のように、たとえば、所望の金型１の形状の三次元データ、および溶接材を母材上に肉盛りする範囲などのデータであって、入力部２６または／およびインターフェイス２７を介して外部から入力される。
【００４４】
次いで、ＣＰＵ２１は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で金型１の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とをそれぞれ基準点として設計形状上で設定する処理を実行する（ステップＳ２）。
【００４５】
ここで、本実施の形態における基準点（第１点〜第３点）は、各基準点に対応する対応点を測定するために、非加工領域で設定される必要があることはもちろんであるが、さらに、金型１の母材の表面において、変化が突飛な凸形状および凹形状と、後の処理で使用する測定器３の先端部分が入らない凹形状とを考慮し、基準点に対応する対応点を測定するのに適さない領域を除いた範囲で設定されることが望ましい。
【００４６】
すなわち、基準点を設定する領域として、図１５（ａ）に示すように、変化が突飛な凸形状を有する領域である場合、基準点からその基準点に対応する実形状の対応点へのベクトルの算出が正確にできないおそれがある。また、基準点を設定する領域として、図１５（ｂ）に示すように、測定器３の金型１の母材と接触して測定する先端部分が入らない凹形状を有する範囲においても、前記基準点に対応する対応点を測定することが不可能なおそれがあり、基準点の設定には望ましくない。したがって、基準点を設定する領域としては、図１５（ｃ）に示すように、たとえば、すべてが緩やかな凸形状の場合が望ましい。
【００４７】
したがって、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と所定の区間に対応するオフセット形状の区間の距離との比率を算出し、前記比率が大きい領域は、基準点を設定する領域として除き、図１６（ｃ）に示すように、前記比率が小さい領域は、基準点を設定する領域とする。
【００４８】
以下、基準点を設定する領域として望ましい領域を判定する手法を、図１７〜図２０を参照しつつ、詳細に説明する。
【００４９】
まず、図１７（ａ）に示すように、基準点を設定しない領域の対象とする凸形状（凸円弧）の凸部最小半径Ｒ１を定めて、母材の表面上においてその表面の法線方向に一定量オフセットさせ、設計形状データにおける所定の区間Ｌと、その所定の区間に対応するオフセット形状の区間Ｌａとによって、最大拡大率（Ｌａ／Ｌ）を設定する。また、図１７（ｂ）に示すように、基準点を設定しない領域の対象とする凹形状（凹円弧）の凹部最小半径Ｒ２を定めて、最大拡大率の設定と同様に最小縮小率（Ｌｂ／Ｌ）を設定する。なお、凹部最小半径Ｒ２は、測定器３の先端部分の半径を考慮して定める必要がある。
【００５０】
そして、図１８（ａ）に示すように、ある所定の区間Ｌに対応する法線方向にオフセットさせた区間Ｌ１において、最大拡大率よりその拡大率（Ｌ１／Ｌ）が大きければ、変化が突飛な凸形状（以下、「凸部円弧」と称する）であるとして、基準点を設定する領域外と判定され、図１８（ｂ）に示すように、最大拡大率よりその拡大率（Ｌ１／Ｌ）が小さければ、基準点を設定する対象形状であるとして、基準点を設定する対象の領域と判定される。
【００５１】
凸形状の場合と同様に、凹形状の場合も、図１８（ｃ）に示すように、ある所定の区間Ｌに対応する法線方向にオフセットさせた区間Ｌ２において、最小縮小率よりその縮小率（Ｌ２／Ｌ）が大きければ、基準点を設定する領域の対象外の凹形状（以下、「凹部円弧」と称する）であるとして、基準点を設定する領域外と判定され、図１８（ｄ）に示すように、最小縮小率よりその縮小率（Ｌ２／Ｌ）が小さければ、基準点を設定する対象形状であるとして、基準点を設定する対象の領域と判定される。
【００５２】
ここで、基準点を設定する領域として望ましい領域を判定する手法の一例として、図１９（ａ）に示す形状で説明する。図１９（ｂ）に示すように、設計形状から法線方向にオフセットさせた場合、たとえば、Ｌ１〜Ｌ５において、基準点を設定する領域かを判定すると、凸形状の判定として、Ｌ２／Ｌ２’は最大拡大率より小さく基準点を設定する対象の領域となり、Ｌ３／Ｌ３’およびＬ４／Ｌ４’は最大拡大率より大きく凸部円弧と判定される。また、凹形状の判定として、Ｌ１／Ｌ１’は最小縮小率より大きく基準点を設定する対象の領域となり、Ｌ５／Ｌ５’は最小縮小率より小さく凹部円弧と判定される。その結果、図２０に示すように、基準点を設定する対象領域が定まり、凸部円弧および凹部円弧を除いた領域の中から傾斜の最も緩やかな位置で基準点を設定することができる。
【００５３】
以上より、基準点の設定すべき領域（以下、「基準点設定対象領域」）は、凸部円弧および凹部円弧を除いた領域、かつ、金型１の母材に溶接材が肉盛りされていない非加工領域であることが望ましい。
【００５４】
基準点の設定は、図２１に示すフローチャートにしたがって実行する。基準点の設定は、まず、金型１の設計形状データから、加工領域に位置する一つの構成点Ｐが選択され、その選択された構成点Ｐを主構成点Ｐ１として設定する（ステップＳ２１）。主構成点Ｐ１を選択する方法としては、たとえば、加工領域周辺を含めた三次元的な移動量を求めるために、加工領域の中心付近で選択されることが望ましく、任意に設定することができる。また、主構成点Ｐ１は、以前の形状加工した経験に基づき、設定されることもできる。
【００５５】
次いで、主構成点Ｐ１を含むようにＺ軸方向と平行な一断面を選択する（ステップＳ２２）。
【００５６】
次いで、基準点設定対称領域で、選択された母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度θ１［１］および最小の角度θ２［１］を算出する（ステップＳ２３）。ここで、角度の算出は、各構成点は座標であらわすことができるため、その一つの構成点の座標とその構成点に隣接する構成点の座標とから計算して一般的に知られている方法で算出することができる。
【００５７】
次いで、最大の角度θ１［１］および最小の角度θ２［１］との角度差ａ［１］を算出する（ステップＳ２４）。
【００５８】
次いで、角度差ａ［１］をＲＡＭメモリに保存（記憶）する（ステップＳ２５）。
【００５９】
次いで、主構成点Ｐ１を中心にＺ軸方向と平行な一断面を回転させて、同様に角度差を算出する処理をＮ回繰り返す（ステップＳ２６：Ｎｏ）。角度差を算出する処理をＮ回繰り返した後（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、角度差ａ［１］〜ａ［Ｎ］の中で、最大の角度差を有した一断面を第１の断面として設定する（ステップＳ２７）。次いで、設定された第１の断面の最大の角度θ１および最小の角度θ２を有したそれぞれの構成点を、基準点（第１点、第２点）として設定する（ステップＳ２８）。
【００６０】
次いで、主構成点Ｐ１において第１の断面と交差する第２の断面を設定する（ステップＳ２９）。
【００６１】
次いで、設定された第２の断面の最大の角度θ３を有する構成点を、基準点（第３点）として設定する（ステップＳ３０）。
【００６２】
図１４に戻り、上述のように基準点（第１点〜第３点）が設定された後、ＣＰＵ２１は、機械加工機２に組み付けられた金型１の溶接材が肉盛りされた領域の近傍（基準点設定対称領域）で母材形状を測定する処理を実行する（ステップＳ３）。
【００６３】
次いで、ＣＰＵ２１は、ステップＳ３で得られた測定結果から、図５および図６に示すとおり、それぞれの断面での各基準点から一方向（たとえば、Ｚ軸方向）上に位置する各対応点を母材形状上で算出する処理を実行する（ステップＳ４）。
【００６４】
次いで、ＣＰＵ２１は、各基準点からそれぞれの対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する（ステップＳ５）。この変位の推定方法は、上述で説明した物体の移動前から移動後の変位（移動量）を三次元的に求める方法を用いることができる。すなわち、図５および図６に示すように、第１点、第２点、および第３点の各基準点から、Ｚ軸方向に位置するそれぞれの対応点までの各ベクトルから、各基準点における法線方向のベクトルを算出し、そのベクトルを合成することで、設計形状データから実形状データへの三次元的なずれを算出することができる。
【００６５】
次いで、ＣＰＵ２１は、金型１の溶接材を加工するために取得したＮＣデータから、推定された母材の三次元方向の変位に基づいてＮＣデータを修正する処理を実行する（ステップＳ６）。
【００６６】
次いで、ＣＰＵ２１は、サーボモータ４が修正されたＮＣデータに基づいて溶接材部分を加工するために、サーボモータ４に加工命令の処理を実行する（ステップＳ７）。
【００６７】
以上のように、本実施形態の形状加工システムによれば、第１の断面は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度と最小の角度との角度差が最大となる断面であることによって、比較する傾斜角度の差が最大となり、ベクトルの合成・分解の誤差を最小にすることができる。
【００６８】
さらに、第１の断面と第２の断面とが直交することによって、比較する傾斜角度の差が最大となり、ベクトルの合成・分解の誤差を最小にすることができる。
【００６９】
さらに、設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と前記所定の区間に対応する前記オフセット形状の区間の距離との比率を算出し、前記比率が所定の範囲内にある位置で、前記第１点、第２点、および第３点を基準点として設定することによって、測定不可能な領域を除くことができる。
【００７０】
この結果、本実施形態の形状加工システムによれば、実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との三次元的な変位を、溶接材が肉盛りされた領域の近傍を測定し、その測定結果から推定することで、機械加工機の加工の精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができる。
【００７１】
以上のように本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本実施形態の形状加工システムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の形状加工システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態に係る機械加工機２の形状修正加工の処理を実行する各部を示すブロック図である。
【図４】本実施形態の形状加工システムで仕様する設計形状データの概略図の一例である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。
【図７】金型の形状を測定器によって測定する様子を示す図である。
【図８】三次元方向の変位を推定する方法を容易に理解できるように簡略化した物体の一例の平面図である。
【図９】図８のＺ軸方向と平行にＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図である。
【図１０】図８のＺ軸方向と平行にＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。
【図１１】三次元方向の変位を推定するための図である。
【図１２】三次元方向の変位を推定するための図である。
【図１３】従来の形状修正加工方法の問題点を説明するための図である。
【図１４】本実施の形態の形状加工システムの処理内容を示すフローチャートである。
【図１５】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１６】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１７】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１８】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１９】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図２０】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図２１】基準点の設定手順を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００７３】
３ 測定器、
４ サーボモータ、
２１１ 設計形状設定部、
２１２ 基準点設定部、
２１３ 形状測定部、
２１４ 誤差算出部、
２１５ 変位推定部、
２１６ ＮＣデータ設定部、
２１７ ＮＣデータ修正部、
２１８ 加工命令部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状加工方法および形状加工システムに関し、より詳細には、形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、肉盛りされた溶接材部分を加工する形状加工方法および形状加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
形状修正対象物、たとえば、車両を構成する鋼板を形成するための金型は、金型が製作されたのち、その金型が何度も使用されることで形状に変形が生じ、その金型の形状の修正が必要となる。
【０００３】
金型の形状の修正には、金型を削る修正と、金型に溶接材を肉盛りする修正とがあり、後者の金型に溶接材を肉盛りする修正は、金型の修正箇所に溶接材で肉盛りしたのち、その肉盛した溶接材を所望の形状に加工することで行われる。ここで、溶接材を肉盛りした場合、肉盛りした領域が凸凹形状を有した表面形状になるため、表面を加工するための余裕代を本来盛るべき量にプラスして行なう必要がある。
【０００４】
このような金型などの形状修正対象物の肉盛りされた溶接材を加工する従来の形状加工方法としては、肉盛りされた領域が凸凹形状を有しているため、測定プローブなどの測定器によって測定することが困難である。したがって、実際の形状修正対象物の形状を母材上で肉盛りされていない領域で測定し、その測定した結果と形状修正対象物の設計形状とに基づいて、形状修正対象物を加工するための加工データを作成し、その作成された加工データに基づいて形状修正対象物を機械加工機で加工する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１２６８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の形状加工方法では、一般的に、母材上で肉盛りされていない領域で測定、すなわち、肉盛りされた溶接材部分の近傍を測定器で測定し、測定した形状と設計形状とのずれを一方向のみのずれとしてＮＣデータを作成していたため、実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との正確な三次元的なずれを知ることができないという問題点があった。したがって、従来の形状加工方法では、その肉盛りされた溶接材部分を、機械加工機によってある程度の形状まで加工し、その後、所望の形状になるまで、作業者の経験に頼って手作業による削り加工で仕上げ（以下、必要に応じて「仕上げ工程」と称する）ていた。
【０００６】
このように、手作業によって削り落とす作業が発生するため、仕上げ工程で多大な作業負荷が発生する。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決し、実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との正確な誤差を三次元的な変位で推定することによって、機械加工機による加工精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができる形状加工方法および形状加工システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００９】
本発明の形状加工方法は、形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工する方法であって、前記母材の設計形状を入力する入力段階と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とを前記設計形状上で設定する設定段階と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定段階と、前記測定結果から、それぞれの断面での前記第１点、第２点、および第３点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出段階と、前記第１点、第２点、および第３点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定段階と、前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正段階と、前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工段階と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の形状加工システムは、形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工するシステムであって、前記母材の設計形状を入力する入力手段と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とを前記設計形状上で設定する設定手段と、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定手段と、前記測定結果から、それぞれの断面での前記第１点、第２点、および第３点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出手段と、前記第１点、第２点、および第３点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定手段と、前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正手段と、前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように構成された本発明に係る形状加工方法および形状加工システムによれば、溶接材が肉盛りされた領域の近傍を測定し、その測定した結果と設計形状とから実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との三次元的な変位を推定することで、機械加工機の加工の精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る形状加工方法および形状加工システムについて詳細に説明する。なお、本実施の形態では、形状修正対象物として、車両を構成する鋼板をプレス成形する金型を例にとって説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態の形状加工システムの概略構成を示す斜視図である。
【００１４】
形状加工システム１００は、図１に示すとおり、金型１を加工するための機械加工機２であって、金型１の母材上に肉盛りされた溶接材部分を加工するシステムである。
【００１５】
金型１は、材料の塑性または流動性の性質を利用して、材料を成形加工して製品を得るための、主として金属材料を用いて作成した金型であって、たとえば、自動車のボディーなどに用いられる鋼板（金属板）を成形加工するためのプレス金型である。
【００１６】
機械加工機２は、数値制御（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＮＣ）される工作機械であって、ドリルなどに代表される切削用工具の刃先の動作を座標値によって定義し、その座標値などの情報を基に工作機械に内蔵されたサーボモータが動くことによって工具や被加工物が動作し、加工が行われる工作機械である。
【００１７】
機械加工機２は、コンピュータを用いて制御され、そのコンピュータは、たとえば、図２に示すように、マイクロプロセッサからなるＣＰＵ（中央演算処理装置）２１、ＣＰＵ２１にバス結合されたＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、ハードディスク２４、表示部２５、入力部２６、およびインターフェイス２７などの構成要素を備えている。ＣＰＵ２１は、コンピュータの中で各装置の制御やデータの計算・加工を行なう中枢部分である。ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されたプログラムを実行する装置で、ＲＡＭ２３、ハードディスク２４、または入力部２６からデータを受け取り、演算・加工した上で、表示部２５またはハードディスク２４に出力する。ＲＯＭ２２は、一度書き込まれた情報を読み出すための記憶装置であり、たとえば、システムプログラムなどのプログラムが格納される。ＲＡＭ２３は、半導体素子を利用した記憶装置であり、たとえば、ＣＰＵ２１が実行する処理のためのデータの一時記憶などに使用される。ハードディスク２４は、外部記憶装置である。表示部２５は、たとえば、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどの表示装置である。入力部２６は、たとえば、キーボード、およびマウスなどのポインティングディバイスである。インターフェイス２７は、二つのものの間に立って、情報のやり取りを仲介するものである。
【００１８】
次に、図３を参照しつつ、機械加工機２の形状修正加工の処理を実行する各部について詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る機械加工機２の概略構成を示すブロック図である。機械加工機２は、形状修正加工の処理を実行する各部として、設計形状設定部２１１、基準点設定部２１２、形状測定部２１３、誤差算出部２１４、変位推定部２１５、ＮＣデータ設定部２１６、ＮＣデータ修正部２１７、および加工命令部２１８を含み、ＣＰＵ２１がこれら各部の役割を担う。
【００１９】
設計形状設定部２１１は、金型１の母材の設計形状を設定するものであり、設計形状設定手段として機能する。設計形状設定部２１１は、設計形状のデータ（以下、「設計形状データ」と称する）、たとえば、所望の金型１の形状の三次元データ、金型１の成形品質、プレス鋼板の板厚などの型データ、および金型１の母材上に溶接材を肉盛して加工すべき領域部分のデータが設定されるものであり、これらのデータは入力部２６または／およびインターフェイス２７を介して設定される。設定形状データは、図４に示すように、たとえば、複数の構成点Ｐを含み、隣り合う構成点Ｐが連結されてメッシュ状に表現されている。なお、図４では、構成点Ｐの一部を図示している。
【００２０】
基準点設定部２１２は、溶接材が肉盛された領域（以下、必要に応じて「加工領域」称する）の近傍で母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点と、をそれぞれ基準点として設計形状上で設定するものであり、基準点設定手段として機能する。
【００２１】
より具体的には、基準点設定部２１１は、実際の金型の形状と設計形状との変位を算出するために、その変位を算出するための基準点（第１点〜第３点）を、図５および図６に示すように、第１の断面および第２の断面において設計形状データ上の構成点Ｐから選択する。図５は、図４のＺ軸方向と平行にＡ−Ａ線に沿って切断した断面図であり、図６は、図４のＺ軸方向と平行にＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図であり、図５および図６の実線は、実際の機械加工機２に設置された金型１の形状（以下、「実形状」と称する）の一例を表し、図５および図６の破線は、設計形状設定部２１１で設定された金型１の母材の設計形状の一例を表している。なお、図５および図６に示すように、機械加工機２では斜線で表される設計形状がデータとして記憶されており、設計形状と実形状との差が存在することを表している。
【００２２】
また、基準点設定部２１２で設定される第１の断面は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度θ１と最小の角度θ２との角度差が最大となる断面であり、第１点は傾斜角度が最大の角度θ１を有する点、第２点は傾斜角度が最小の角度θ２を有する点であることが望ましい。さらに、第３点は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で第２の断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度θ３を有する点であることが望ましい。すなわち、各基準点（第１点〜第３点）は、図５において設計形状データから加工領域を除いた領域（以下、「非加工領域」と称する）で最大の角度θ１を有する点（第１点）、最小の角度θ２を有する点（第２点）、および図６において非加工領域で最大の角度θ３を有する点（第３点）として設定される。
【００２３】
さらに、基準点設定部２１２で設定される第１の断面と第２の断面とは直交することが望ましい。
【００２４】
ここで、基準点設定部２１２は、たとえば、設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と所定の区間に対応するオフセット形状の区間の距離との比率を算出し、比率が所定の範囲内にある位置で、各基準点（第１点〜第３点）を設定する。なお、基準点の詳細な設定方法は後述する。
【００２５】
形状測定部２１３は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で母材形状を測定するものであり、測定手段として機能する。形状測定部２１３は、図７に示すように、測定プローブなどの測定器３によって、実形状を測定する。測定して得られた測定結果は、たとえば、インターフェイス２７を介して機械加工機２に座標データとして設定される。測定器３は、機械加工機２に取付けられ、測定用ＮＣデータにより金型１の形状を測定する。測定用ＮＣデータは、たとえば、金型１の母材の表面の非加工領域を測定可能に作成されるもので、従来から一般的に用いられている形状を測定するためのデータであるので、詳細な説明は省略する。
【００２６】
誤差算出部２１４は、形状測定部２１３において測定された測定結果から、それぞれの断面での前記各基準点（第１点、第２点、および第３点）から一方向上に位置する各対応点を母材形状上で算出するものであり、算出段階として機能する。誤差算出部２１４は、たとえば、機械加工機２の座標系において、機械加工機２の基底面からの鉛直方向をＺ軸方向とすれば、設計形状データの基準点からＺ軸方向上に位置する点（座標データ）を実際の金型１の形状データ（以下、「実形状データ」と称する）の対応点として算出する。すなわち、各対応点は、前記各基準点（第１点、第２点、および第３点）のＸ座標およびＹ座標が同一であって、Ｚ座標が異なる点となる。したがって、誤差算出部２１４は、設計形状データと実形状データとのＺ座標の差分から各基準点からのそれぞれの対応点までの各変位ベクトルを算出することができる。
【００２７】
変位推定部２１５は、前記各基準点（第１点、第２点、および第３点）からそれぞれの対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定するものであり、推定手段として機能する。なお、変位推定部２１５により、三次元方向の変位を推定する詳細な方法は後述する。
【００２８】
ＮＣデータ設定部２１６は、金型を加工するための加工データ（ＮＣデータ）が設定されているものである。ここで、ＮＣデータは、入力部２６またはインターフェイス２７を介して設定され、機械加工機２で使用する工具の移動軌跡を数値情報として示したデータである。なお、ＮＣデータは、たとえば、以前に加工した際の金型１のＮＣデータを用いたりすることができる。
【００２９】
ＮＣデータ修正部２１７は、推定された母材の三次元方向の変位に基づいてＮＣデータを修正するものであり、修正手段として機能する。ＮＣデータ修正部２１７は、現在の数値情報として予め設定されているＮＣデータを、変位推定部２１５によって推定された三次元方向の変位に基づいて、新たなＮＣデータに修正する。
【００３０】
加工命令部２１８は、修正されたＮＣデータにしたがって溶接材部分を加工する加工手段を制御するものであり、制御手段として機能する。加工手段は、機械加工機２に備えられているサーボモータ４がその役割を担い、加工命令部２１８からの加工命令によってサーボモータ４が駆動されることで形状修正対象物を加工する手段である。サーボモータ４は、たとえば、ドリルなどに代表される切削用工具の刃先の動作を動かすことによって、金型に肉盛された溶接材を加工するものである。
【００３１】
ここで、図８を参照して、金型１の設計形状データと実形状データとの三次元方向の変位（移動量）を推定する方法を簡単に説明しておく。
【００３２】
金型１の設計形状データと実形状データとの三次元方向の変位（移動量）の推定する方法は、従来から知られている、物体の移動前と移動後との変位を幾何学的に計算する方法を適用することによって達成することができる。
【００３３】
図８は、三次元方向の変位を推定する方法を容易に理解できるように簡略化した物体の一例を示したものであり、物体を一の方向（たとえば、Ｚ軸方向）から見た平面図である。図９（ａ）は、図８のＺ軸方向と平行にＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図であり、図９（ｂ）は、図８のＺ軸方向と平行にＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図であり、図９の実線は物体の移動後、図９の斜線は物体の移動前を表している。
【００３４】
具体的に説明すると、図９（ａ）において、Ｃ−Ｃ断面での接線方向が互いに異なる任意の二つの点（Ｑ１，Ｑ２）からＺ軸方向上に位置する移動後の二つの対応点（Ｑ１’，Ｑ２’）までのＺ軸方向の移動量（ベクトル）に基づいて、点Ｑ１，Ｑ２における法線方向の移動量（Ｎ１，Ｎ２）を算出する。なお、法線方向の移動量の算出は、従来から知られているベクトル解析などの一般的な幾何学的手法によって算出することができるので、詳細な説明は省略する。
【００３５】
次いで、法線方向の移動量（Ｎ１，Ｎ２）を算出した後、各移動量から、図１０に示すように、一般的な幾何学的手法によって、物体の移動前と移動後の移動量Ａ１を求めることができる。その移動量Ａ１は、下記の数式（１）で表すことができる。
【００３６】
【数１】
【００３７】
その結果、図１１（ａ）に示すように、物体の移動前から移動後のＺ軸方向の移動量Ｚ１、およびＺ軸方向と垂直をなすＣ−Ｃ断面方向の移動量Ｓ１を求めることができる。
【００３８】
次いで、図９（ｂ）において、移動前の任意の一つの点（Ｑ３）からＺ軸方向上に位置する移動後の一つの対応点（Ｑ３’）までのＺ軸方向の移動量に基づいて、点Ｑ３における法線方向の移動量（ベクトル）Ｎ３を算出する。ここで、図９（ａ）および図９（ｂ）に示す断面図が、Ｚ軸方向と平行に切断していることから、物体の移動前と移動後とのＺ軸方向の移動量は、図９（ａ）と図９（ｂ）との断面で一致する。したがって、Ｚ軸方向と垂直をなす一方向との移動量Ｓ２は、図１１（ｂ）に示すように、上記で算出したＺ軸方向の移動量Ｚ１、および点Ｑ３の法線方向の移動量Ｎ３によって、一般的な幾何学的手法により求めることができる。その結果、図１２に示すように、上記で求めたＣ−Ｃ断面方向の移動量Ｓ１およびＤ−Ｄ断面方向の移動量Ｓ２を合成した移動量Ｓ３が、物体の移動前から移動後のＸＹ平面における移動量となり、Ｚ軸方向の移動量Ｚ１と合わせて、物体の移動前から移動後の三次元的な変位の推移を求めることができる。
【００３９】
したがって、物体の移動前と移動後との変位を幾何学的に算出する方法と同様に、本実施の形態においては、金型１の設計形状データと実形状データとの三次元方向の変位を推定するに際して、金型１の設計形状データ（物体の移動前）および実形状データ（移動後）を、上述した方法によって求めることができる。
【００４０】
したがって、従来の形状加工方法では、測定した形状と設計形状とのずれを一方向のみのずれ（たとえば、Ｚ軸方向）としてのみＮＣデータを作成し、測定のずれが、横軸方向のずれによって生じたもの（図１３（ａ）参照）なのか、または縦軸方向のずれによって生じたもの（図１３（ｂ）参照）なのかを把握することができず、三次元的なずれを正確に推定することができなかったが、本実施の形態では、上述した方法を用いることで、三次元的なずれを正確に推定することができる。この結果、機械加工機の加工の精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができるようになる。
【００４１】
以上のように構成された形状加工システムを用いて、本実施の形態に係る形状加工方法が実行される。
【００４２】
次に、図１４に示すフローチャートに基づいて、本実施の形態の形状加工方法を説明する。以下の処理は、ＣＰＵ２１が主として実行する。図１４は、本実施の形態の形状加工システムの処理内容を示すフローチャートである。
【００４３】
まず、ＣＰＵ２１は、金型１の設計形状を設定する（ステップＳ１）。この設計形状のデータは、上述のように、たとえば、所望の金型１の形状の三次元データ、および溶接材を母材上に肉盛りする範囲などのデータであって、入力部２６または／およびインターフェイス２７を介して外部から入力される。
【００４４】
次いで、ＣＰＵ２１は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で金型１の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とをそれぞれ基準点として設計形状上で設定する処理を実行する（ステップＳ２）。
【００４５】
ここで、本実施の形態における基準点（第１点〜第３点）は、各基準点に対応する対応点を測定するために、非加工領域で設定される必要があることはもちろんであるが、さらに、金型１の母材の表面において、変化が突飛な凸形状および凹形状と、後の処理で使用する測定器３の先端部分が入らない凹形状とを考慮し、基準点に対応する対応点を測定するのに適さない領域を除いた範囲で設定されることが望ましい。
【００４６】
すなわち、基準点を設定する領域として、図１５（ａ）に示すように、変化が突飛な凸形状を有する領域である場合、基準点からその基準点に対応する実形状の対応点へのベクトルの算出が正確にできないおそれがある。また、基準点を設定する領域として、図１５（ｂ）に示すように、測定器３の金型１の母材と接触して測定する先端部分が入らない凹形状を有する範囲においても、前記基準点に対応する対応点を測定することが不可能なおそれがあり、基準点の設定には望ましくない。したがって、基準点を設定する領域としては、図１５（ｃ）に示すように、たとえば、すべてが緩やかな凸形状の場合が望ましい。
【００４７】
したがって、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と所定の区間に対応するオフセット形状の区間の距離との比率を算出し、前記比率が大きい領域は、基準点を設定する領域として除き、図１６（ｃ）に示すように、前記比率が小さい領域は、基準点を設定する領域とする。
【００４８】
以下、基準点を設定する領域として望ましい領域を判定する手法を、図１７〜図２０を参照しつつ、詳細に説明する。
【００４９】
まず、図１７（ａ）に示すように、基準点を設定しない領域の対象とする凸形状（凸円弧）の凸部最小半径Ｒ１を定めて、母材の表面上においてその表面の法線方向に一定量オフセットさせ、設計形状データにおける所定の区間Ｌと、その所定の区間に対応するオフセット形状の区間Ｌａとによって、最大拡大率（Ｌａ／Ｌ）を設定する。また、図１７（ｂ）に示すように、基準点を設定しない領域の対象とする凹形状（凹円弧）の凹部最小半径Ｒ２を定めて、最大拡大率の設定と同様に最小縮小率（Ｌｂ／Ｌ）を設定する。なお、凹部最小半径Ｒ２は、測定器３の先端部分の半径を考慮して定める必要がある。
【００５０】
そして、図１８（ａ）に示すように、ある所定の区間Ｌに対応する法線方向にオフセットさせた区間Ｌ１において、最大拡大率よりその拡大率（Ｌ１／Ｌ）が大きければ、変化が突飛な凸形状（以下、「凸部円弧」と称する）であるとして、基準点を設定する領域外と判定され、図１８（ｂ）に示すように、最大拡大率よりその拡大率（Ｌ１／Ｌ）が小さければ、基準点を設定する対象形状であるとして、基準点を設定する対象の領域と判定される。
【００５１】
凸形状の場合と同様に、凹形状の場合も、図１８（ｃ）に示すように、ある所定の区間Ｌに対応する法線方向にオフセットさせた区間Ｌ２において、最小縮小率よりその縮小率（Ｌ２／Ｌ）が大きければ、基準点を設定する領域の対象外の凹形状（以下、「凹部円弧」と称する）であるとして、基準点を設定する領域外と判定され、図１８（ｄ）に示すように、最小縮小率よりその縮小率（Ｌ２／Ｌ）が小さければ、基準点を設定する対象形状であるとして、基準点を設定する対象の領域と判定される。
【００５２】
ここで、基準点を設定する領域として望ましい領域を判定する手法の一例として、図１９（ａ）に示す形状で説明する。図１９（ｂ）に示すように、設計形状から法線方向にオフセットさせた場合、たとえば、Ｌ１〜Ｌ５において、基準点を設定する領域かを判定すると、凸形状の判定として、Ｌ２／Ｌ２’は最大拡大率より小さく基準点を設定する対象の領域となり、Ｌ３／Ｌ３’およびＬ４／Ｌ４’は最大拡大率より大きく凸部円弧と判定される。また、凹形状の判定として、Ｌ１／Ｌ１’は最小縮小率より大きく基準点を設定する対象の領域となり、Ｌ５／Ｌ５’は最小縮小率より小さく凹部円弧と判定される。その結果、図２０に示すように、基準点を設定する対象領域が定まり、凸部円弧および凹部円弧を除いた領域の中から傾斜の最も緩やかな位置で基準点を設定することができる。
【００５３】
以上より、基準点の設定すべき領域（以下、「基準点設定対象領域」）は、凸部円弧および凹部円弧を除いた領域、かつ、金型１の母材に溶接材が肉盛りされていない非加工領域であることが望ましい。
【００５４】
基準点の設定は、図２１に示すフローチャートにしたがって実行する。基準点の設定は、まず、金型１の設計形状データから、加工領域に位置する一つの構成点Ｐが選択され、その選択された構成点Ｐを主構成点Ｐ１として設定する（ステップＳ２１）。主構成点Ｐ１を選択する方法としては、たとえば、加工領域周辺を含めた三次元的な移動量を求めるために、加工領域の中心付近で選択されることが望ましく、任意に設定することができる。また、主構成点Ｐ１は、以前の形状加工した経験に基づき、設定されることもできる。
【００５５】
次いで、主構成点Ｐ１を含むようにＺ軸方向と平行な一断面を選択する（ステップＳ２２）。
【００５６】
次いで、基準点設定対称領域で、選択された母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度θ１［１］および最小の角度θ２［１］を算出する（ステップＳ２３）。ここで、角度の算出は、各構成点は座標であらわすことができるため、その一つの構成点の座標とその構成点に隣接する構成点の座標とから計算して一般的に知られている方法で算出することができる。
【００５７】
次いで、最大の角度θ１［１］および最小の角度θ２［１］との角度差ａ［１］を算出する（ステップＳ２４）。
【００５８】
次いで、角度差ａ［１］をＲＡＭメモリに保存（記憶）する（ステップＳ２５）。
【００５９】
次いで、主構成点Ｐ１を中心にＺ軸方向と平行な一断面を回転させて、同様に角度差を算出する処理をＮ回繰り返す（ステップＳ２６：Ｎｏ）。角度差を算出する処理をＮ回繰り返した後（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、角度差ａ［１］〜ａ［Ｎ］の中で、最大の角度差を有した一断面を第１の断面として設定する（ステップＳ２７）。次いで、設定された第１の断面の最大の角度θ１および最小の角度θ２を有したそれぞれの構成点を、基準点（第１点、第２点）として設定する（ステップＳ２８）。
【００６０】
次いで、主構成点Ｐ１において第１の断面と交差する第２の断面を設定する（ステップＳ２９）。
【００６１】
次いで、設定された第２の断面の最大の角度θ３を有する構成点を、基準点（第３点）として設定する（ステップＳ３０）。
【００６２】
図１４に戻り、上述のように基準点（第１点〜第３点）が設定された後、ＣＰＵ２１は、機械加工機２に組み付けられた金型１の溶接材が肉盛りされた領域の近傍（基準点設定対称領域）で母材形状を測定する処理を実行する（ステップＳ３）。
【００６３】
次いで、ＣＰＵ２１は、ステップＳ３で得られた測定結果から、図５および図６に示すとおり、それぞれの断面での各基準点から一方向（たとえば、Ｚ軸方向）上に位置する各対応点を母材形状上で算出する処理を実行する（ステップＳ４）。
【００６４】
次いで、ＣＰＵ２１は、各基準点からそれぞれの対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する（ステップＳ５）。この変位の推定方法は、上述で説明した物体の移動前から移動後の変位（移動量）を三次元的に求める方法を用いることができる。すなわち、図５および図６に示すように、第１点、第２点、および第３点の各基準点から、Ｚ軸方向に位置するそれぞれの対応点までの各ベクトルから、各基準点における法線方向のベクトルを算出し、そのベクトルを合成することで、設計形状データから実形状データへの三次元的なずれを算出することができる。
【００６５】
次いで、ＣＰＵ２１は、金型１の溶接材を加工するために取得したＮＣデータから、推定された母材の三次元方向の変位に基づいてＮＣデータを修正する処理を実行する（ステップＳ６）。
【００６６】
次いで、ＣＰＵ２１は、サーボモータ４が修正されたＮＣデータに基づいて溶接材部分を加工するために、サーボモータ４に加工命令の処理を実行する（ステップＳ７）。
【００６７】
以上のように、本実施形態の形状加工システムによれば、第１の断面は、溶接材が肉盛りされた領域の近傍で母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度と最小の角度との角度差が最大となる断面であることによって、比較する傾斜角度の差が最大となり、ベクトルの合成・分解の誤差を最小にすることができる。
【００６８】
さらに、第１の断面と第２の断面とが直交することによって、比較する傾斜角度の差が最大となり、ベクトルの合成・分解の誤差を最小にすることができる。
【００６９】
さらに、設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と前記所定の区間に対応する前記オフセット形状の区間の距離との比率を算出し、前記比率が所定の範囲内にある位置で、前記第１点、第２点、および第３点を基準点として設定することによって、測定不可能な領域を除くことができる。
【００７０】
この結果、本実施形態の形状加工システムによれば、実際の肉盛りされた形状修正対象物の形状と設計形状との三次元的な変位を、溶接材が肉盛りされた領域の近傍を測定し、その測定結果から推定することで、機械加工機の加工の精度をあげて、手作業による仕上げ工程を省略もしくは軽減することができる。
【００７１】
以上のように本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本実施形態の形状加工システムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の形状加工システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態に係る機械加工機２の形状修正加工の処理を実行する各部を示すブロック図である。
【図４】本実施形態の形状加工システムで仕様する設計形状データの概略図の一例である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。
【図７】金型の形状を測定器によって測定する様子を示す図である。
【図８】三次元方向の変位を推定する方法を容易に理解できるように簡略化した物体の一例の平面図である。
【図９】図８のＺ軸方向と平行にＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図である。
【図１０】図８のＺ軸方向と平行にＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。
【図１１】三次元方向の変位を推定するための図である。
【図１２】三次元方向の変位を推定するための図である。
【図１３】従来の形状修正加工方法の問題点を説明するための図である。
【図１４】本実施の形態の形状加工システムの処理内容を示すフローチャートである。
【図１５】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１６】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１７】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１８】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図１９】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図２０】基準点を設定する対象となる領域の判定を説明するための図である。
【図２１】基準点の設定手順を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００７３】
３ 測定器、
４ サーボモータ、
２１１ 設計形状設定部、
２１２ 基準点設定部、
２１３ 形状測定部、
２１４ 誤差算出部、
２１５ 変位推定部、
２１６ ＮＣデータ設定部、
２１７ ＮＣデータ修正部、
２１８ 加工命令部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工する方法であって、
前記母材の設計形状を設定する設計形状設定段階と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とをそれぞれ基準点として前記設計形状上で設定する基準点設定段階と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定段階と、
前記測定結果から、それぞれの断面での前記各基準点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出段階と、
前記各基準点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定段階と、
前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正段階と、
前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工段階と、
を有する形状加工方法。
【請求項２】
前記第１の断面は、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度と最小の角度との角度差が最大となる断面であり、
前記第１点は前記傾斜角度が最大の角度を有する点、および前記第２点は前記傾斜角度が最小の角度を有する点であることを特徴とする請求項１に記載の形状加工方法。
【請求項３】
前記第１の断面と前記第２の断面とは直交することを特徴とする請求項２に記載の形状加工方法。
【請求項４】
前記第３点は、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記第２の断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度を有する点であることを特徴とする請求項３に記載の形状加工方法。
【請求項５】
前記基準点設定段階は、前記設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と前記所定の区間に対応する前記オフセット形状の区間の距離との比率を算出し、前記比率が所定の範囲内にある位置で、前記第１点、第２点、および第３点を基準点として設定することを特徴とする請求項１に記載の形状加工方法。
【請求項６】
前記形状修正対象物は、プレス用金型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の形状加工方法。
【請求項７】
形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工するシステムであって、
前記母材の設計形状を入力する入力手段と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とを前記設計形状上で設定する設定手段と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定手段と、
前記測定結果から、それぞれの断面での前記第１点、第２点、および第３点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出手段と、
前記第１点、第２点、および第３点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定手段と、
前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正手段と、
前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工手段と、
を有する形状加工システム。
【請求項１】
形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工する方法であって、
前記母材の設計形状を設定する設計形状設定段階と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とをそれぞれ基準点として前記設計形状上で設定する基準点設定段階と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定段階と、
前記測定結果から、それぞれの断面での前記各基準点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出段階と、
前記各基準点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定段階と、
前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正段階と、
前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工段階と、
を有する形状加工方法。
【請求項２】
前記第１の断面は、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の一断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度と最小の角度との角度差が最大となる断面であり、
前記第１点は前記傾斜角度が最大の角度を有する点、および前記第２点は前記傾斜角度が最小の角度を有する点であることを特徴とする請求項１に記載の形状加工方法。
【請求項３】
前記第１の断面と前記第２の断面とは直交することを特徴とする請求項２に記載の形状加工方法。
【請求項４】
前記第３点は、前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記第２の断面での接線方向の傾斜角度が最大の角度を有する点であることを特徴とする請求項３に記載の形状加工方法。
【請求項５】
前記基準点設定段階は、前記設計形状から法線方向に一定量オフセットさせたオフセット形状を算出し、設計形状における所定の区間の距離と前記所定の区間に対応する前記オフセット形状の区間の距離との比率を算出し、前記比率が所定の範囲内にある位置で、前記第１点、第２点、および第３点を基準点として設定することを特徴とする請求項１に記載の形状加工方法。
【請求項６】
前記形状修正対象物は、プレス用金型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の形状加工方法。
【請求項７】
形状修正対象物の母材上に溶接材を肉盛りし、前記肉盛りされた溶接材部分を加工するシステムであって、
前記母材の設計形状を入力する入力手段と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材の第１の断面での接線方向が互いに異なる少なくとも二つの第１点および第２点と、前記第１の断面と交差する第２の断面での少なくとも一つの第３点とを前記設計形状上で設定する設定手段と、
前記溶接材が肉盛りされた領域の近傍で前記母材形状を測定する測定手段と、
前記測定結果から、それぞれの断面での前記第１点、第２点、および第３点から一方向上に位置する各対応点を前記母材形状上で算出する算出手段と、
前記第１点、第２点、および第３点からそれぞれの前記対応点までの各変位ベクトルから母材の三次元方向の変位を推定する推定手段と、
前記推定された母材の三次元方向の変位に基づいて加工データを修正する修正手段と、
前記修正された加工データにしたがって前記溶接材部分を加工する加工手段と、
を有する形状加工システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００８−１２６３３８（Ｐ２００８−１２６３３８Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１１９２３（Ｐ２００６−３１１９２３）
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
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