（ｂ）ＣＡＤファイルと座標計測機械のデータからgouge-freeのＮＣコードを生成

　　　（ｄ）ＮＣコードの自動生成（i.e.生産力のあるＮＣ）

何百もある市販のコンピューター支援生産（ＣＡＭ）システムは、金型面加工機器として世界中で利用できる。ＣＡＭシステムには２つの主な種類に分けられる：専用ＣＡＭパッケージとＣＡＭモジュールである。専用ＣＡＭパッケージは多くの場合、ＮＣコードを生成できる専門化された表面模型製作である。 ＣＡＤ／ＣＡＭシステムのＣＡＭモジュールは、カッターパス生成の為の表面評価である。近年では、（市販のシステムにおいて示されているように）表面モデリング能力やグラフィックユーザーインターフェース，カッターパスプランニング，ポストプロセッシング，計算スピードなどにおいて格段の技術進歩がなされてきた。しかし、それらの進歩をもってしても、通常のＣＡＭシステムのカッターパスは過切削や過負荷によるエラーの影響を大部分が受けている。これらのエラーが金型面加工機器にとって致命的なとき、ＮＣコードの確認が必要となり、市販のＮＣコード検証システムの導入につながっている。

• ＮＣコードの検証と修正
• 他のサブシステムをともなった統合（e.g.現存のＣＡＭやＣＡＤシステム）
• 作業面からの上型面や下型面の生成
• 間違いのないＮＣコードの自動生成（彫らない、干渉しない）
• フィードバックとフィードフォワード（デザインチェンジ）データの体系的な操作
• 金型製作におけるコンカレントエンジニアリングの展望と調和
• コンピューター自動工程計画（ＣＡＰＰ）の立証

この論文の目的は統合ＣＡＭシステム構成の提案と、手段としてのＣＡＭシステムの問題について議論することである。統合（unified）という用語が使われているのは、提案されたＣＡＭシステムが統一された方法によって、全ての特殊なＣＡＭ機能を扱うことができるからである。

この論文で提案されている統合ＣＡＭシステム構成は、以前に１つの問題提起^１から発展させたもので、そして、それは竹内²およびその他の者たちによって提示されたＣＡＭモジュール、斉藤と高橋³により提案されたＧバッファーに基づくＮＣ加工機方式、そして、参考文献４による干渉除去法によって影響を与えられた。提案された（基本）構成を基にＣＡＭシステムは著者達によって発展されたものである（それは、最初の４つの項目に記載されただけにより多く立証する）。そして、理想的な必要条件をサポートするプロトタイプバージョンは著者達によって発展しつつある。以前に、統合ＣＡＭシステム構成は提案されているが、形式的なＣＡＭシステム固有の欠点のいくつかを再検証する。

　　　　　　　　　　(1)

• 　合成オフセット面には、面の中に‘ループ部’があるかもしれない（Figure 1参照）
• 　蓄えられた原型の情報は直接利用できない

合成オフセット面はFigure 1に示されているような全ての‘ギャップ部’,‘オーバーラップ部’,‘ループ部’を時間がかかり間違いの起こりやすい作業によって除去し、なめらかなＣＬ面を得るために調整されなければならない。参考文献５で議論されているように、ギャップ部とループ部の両方がオーバーカッティングの原因となるはずである。オーバーカッティングの検知や防止のいくつかの方法は参考文献５，６で提示されている。

このように通常のカッターパス生成方法の中心論点は、オーバーカッティングをいかに防ぐかということである。ＣＬ面からすべてのギャップ部，オーバーラップ部，ループ部を取り除くことは困難であるために、いくつかのＮＣコード検証機構は形を作るために必須になる。伝統的に（プラスチックあるいはその他の柔らかい材料で）テストカッティングはオーバーカッティングを確認するだけのものになった。しかし、近年になって市販のグラフィカルカッティングシュミレーションパッケージが役立つようになってきている。（e.g. VERICAT⁷，NCV⁸）

Figure 2は、３つのＮＣコード生成サイクルのケースを示している。（それぞれ、青写真から，ＣＡＤファイルから，そして粘土モデルから始まる）そして、そのことはＮＣコードの確認が極めて重要な機能であることを示している。Figure 2に示されている３つのＮＣコード生成サイクルのそれぞれにおいて、検証する段階（この時、細心の注意を払う）で気付くエラーのＮＣコードが‘オフライン’として訂正され、再び生成されたり検証されたりする。Figure 2cでは、粘土モデルもまた訂正されたＣＭＭファイル（i.e.データファイルは同じ計測機器から得られる）を得るために綿密な調査がなされる。この修正／検証の過程は、ＮＣコードの検証テストをパスするまで繰り返される。この‘オフライン’修正計画は反復であり、きわめて時間を浪費し、技術に依存するものである。

　Figure 3はＣＡＭシステムの構成をユーザーがどのように見ているかを示している。それは、Figure 2の３つのＮＣコード生成サイクルのすべてが統一された方法で行われることを示している。言い換えれば、提案されたＣＡＭシステムは下記のどれかにあたり、どのように使用されるかによる：

• ＣＡＤシステムユーザのためのＣＡＭモジュール（CAM-1）
• ＣＭＭユーザーのためのＣＡＭパッケージ（CAM-2）
• 通常のＣＡＭシステムユーザーのためのＮＣ検証（CAM-3）
• 製図をするユーザーのための専用ＣＡＭパッケージ（CAM-4）

提案されたＣＡＭシステムが、ユーザーにとってどの様に見て活用したとしても、それについては大した問題ではない。出力ＮＣコードの普通の特色は、gouge-freeであるということである。それどころか、市販のパッケージはもう既に利用されていて、上記のＣＡＭ機能によってサポートされている。CAM-1の機能は、Z-MASTER⁹，WORKNC¹⁰で、CAM-2の機能は、CLIKS¹¹，IDMS-DP¹²とZ-MASTERで、そしてCAM-3の機能は、Z-MASTER，VERICUT⁷，NCV⁸によって立証されている。

Figure 4は基本的な統合ＣＡＭシステムのシステム全体を示している。（ただし、Figure 3のCAM-4の機能はない）統合ＣＡＭシステム構成の中心にはマスターモデル思想がある。‘ソフト’マスターモデルは、car-body manufacturing¹³に用いられる‘ハード’マスターのソフトウェアバージョンである。伝統的な金型製作所のマスターモデルは、製造サイクルにおいて重要な役割を果たしている。下記に：

　Figure 4では、ＣＡＭシステムは８つの応用モジュールと４つの基本モジュールと、ソフトマスターモデルから構成される。応用モジュール（うすく色を付けた四角）は以下に：

• 表面識別モジュール
• ‘Booleaning’するための固体モジュール
• オフセッティングモジュール
• 曲線操作モジュール

寸法通りのモデル（ボールエンドミルによる荒切削後）は、Colour Plate 1に示されている。カッティングシュミレーションもまたＣＭＭデータファイルに応用することができる。ＣＭＭデータのためのカッティングシュミレーションの結果は、 Colour Plate 2に示されている（直径４ｍｍの調針を１ｍｍ間隔でスキャンをする）。（幾何学的に）カッティングシュミレーションのテーマは、かなりの広範囲で研究されている。立体モデルへのアプローチは、Fridshal¹⁴とHartquist¹⁵によっている。特殊な切削量のモデリング技術は、Wang and Wang¹⁶とBlackmore¹⁷による。不連続近似法（Z-MAP）は、Jerard and Drysdale¹⁸による。その他のカッティングシュミレーションの方法は、Jerard¹⁹で再検討された。

ＮＣコードの確認の第１段階は、Colour Plate 1 or 2に示されているように、（影にされたイメージの）加工された表面を視覚的に詳しく調べることである。Colour Plate 2の画面向かって左下のイメージは、加工された面にあるいくつかのオーバーカットスポットがあることを示している（この場合のオーバーカッティングは、ＣＭＭにおける測定中のプローブの振れによって出ているように見受ける）。時々、見事なワイヤーフレームの表示は、陰影のイメージが示すより以上にはっきりとした情報を示す。加工による表面の自然な表現に加えて、 ＣＭＭエミュレーターに有能な曲線生産セクションと輪郭線生産セクションを備えることである。もし検査モジュールには、いろいろな種類のゲージも供給できる。これらの検査活動は、マニュアル（あるいはビジュアル）検査方法と呼ぶことができる。

上記のマニュアル検査方法は、かなり自然に何でもよくできる。しかし、それらは非常に時間を浪費し、不確かになる傾向がある（エラーを見つけられないままになる）。したがって、間違い探しをより確実にするための、細かな形状（曲面変化やずれ）を強調する（例えば着色などによって）‘自動’検査法をそなえることが必要となる。Colour Plate 3は、加工面と理想的な面のモデルとの違いをカラーディスプレイで（青はアンダーカッティング、赤はオーバーカッティングを）示している。自動検査のいくつかの考えは、文献（e.g.エラーマップ表示法Jerard¹⁹およびその他の者たち、Oliver and Goodman²⁰と、等角投影方法²¹と、空間イメージ‘Booleaning’法²²）に提示されているが、多くの進歩はこれからもなされるだろう。

局所的修正モジュールでは、オーバーカットスポットは埋められ、アンダーカットスポットは削り取られる。（Colour Plate 2の画面向かって左下に示されている、オーバーカットスポットによって作られた）局所的修正の結果は、Colour Plate 2の画面向かって右下のイメージに示される。相互作用する‘カット’と‘ペースト’のメカニズムと自動整形機能を用意しなければならない。これは、それ以上に研究が必要な領域の一つである。

Figure 3の‘オンライン’修正法の実行のために、ＮＣコードの入力は、（(1)式で定義された）オフセットによって得られた検査面で行われる。オーバーカットフィルタリングオペレーションは下記のように実行される：

このチェック面の方法は、ツールホルダーやスピンドルヘッドの衝突回避のためにもあてはまる。Colour Plate 4オーバーカットフィルタリングの例を示している。

カッターのオーバーローディングは、加工エラー（切削，アンダーカッティング）の結果として、カッターの振れや工具の破損を引き起こす。カッティングシュミレーション段階で金属除去量は計算されファイルに蓄えられる。加工プロセスの力学モデルに基づいて、それぞれのＮＣブロックの送り速度は、金属切削の変化を補正するために調整される。もし、ＮＣコードがオーバーカットエラーを含むなら、それはオーバーロードフィルタリングが試される前にオーバーカットフィルタリングオペレーションによってそれらを取り去ることが必要である（Figure 4は、軽視することができる、オーバーカットフィルタリングの前にオーバーロードフィルタリングが作用していることを示している）。切削力の評価のさまざまな方法は文献にレポートされている。例えば、Wang²³のwork，Tsai²⁴およびその他の者たち，SuterlandとDevor²⁵，そしてBer²⁶およびその他の者たちによる、である。

統合ＣＡＭ構成のキーとなる特色は、ソフトマスターモデルの考えである。そしてそれは、car-body manufacturing¹³に使われるハードマスターモデルのソフトバージョンである。ソフトマスターモデルは、金型製作所のハードマスターモデルと同じように、多くの機能を持っている。マスターモデルマニピュレーションに関する主な問題のいくつかは次の様である。

マスターモデルのためのデータ機構は何でもできるべきである。なぜなら、マスターモデルは、さまざまなオペレーションに利用されるからである（e.g.カッティングシュミレーション，オフセッティング，整形，そして表現）。これらのオペレーションのもとでは、変化しない表示機構を作ることが望ましい。表面固定点データ機構¹⁹とZ-MAPデータ機構²のような個々の表現機構はこの目的のために提示される。この論文のソフトマスターモデル（Colour Plate 1-8）はZ-MAP表示機構をもとに提示してある。

Figure 4で示されているのは、ソフトマスターモデルがカッティングシュミレーション（ＮＣコードやＣＭＭデータ）か‘surface discretization’（ＣＡＤによる表面データか三次元ＣＭＭデータ）によって両方とも創造されている。surface discretization方法の詳細を知るために読者は、Jerard⁹およびその他の者たち，竹内²およびその他の者たち，Choi²⁷およびその他の者たちの業績を参照されたい。Colour Plate 2のマスターモデルは、カッティングシュミレーションによって組立られた。Z-MAPサイズは約1400mm×1200mmで、1mmの格子間隔である。それは、Sun-10ワークステーションで約12MバイトあるＣＭＭデータのカッティングシュミレーションを完成させるのに８分かかる。

Colour Plate 5はsurface discretization（Z-MAP-sampling）方法によって得られるZ-MAPモデル（画面向かって右上のイメージ）である。表面（画面向かって左上のイメージ）はCATIA²⁸ＣＡＤシステムで創作され326面を含んでいる。それは、430mm×290mmの大きさで、0.5mmの格子間隔のZ-MAPモデルである。同じSun-10ワークステーションでZ-MAPモデルを組み立てるのに約10分かかる。

主な修正操作は‘Booleaning’，オフセッティング，ブレンディング，アンブレンディング（それかシャープニング）である。マスターモデルは固体の構造上幾何学の足し算か引き算によって、要求通り簡単に修正される。ＣＳＧブールオペレーションの働きもまた、マスターモデルの組立にとても強力な道具となる（実際に、カッティングシュミレーションはブールオペレーションの特別な形である）。

提示されたＣＡＭシステムの中で最も基本的な働きはオフセッティングである。Z-MAPモデルのオフセッティングは、インバースオフセッティング法²と呼ばれるもので便利に実行できる。この方法は非常にしっかりしたもので、オフセット面の結果はギャップ部やループ部は存在しない。インバースオフセッティング法の実施の詳細は、参考文献１に示されている。一定半径の合成は一対のオフセットオペレーションを適用することでごく普通に実行できる。アンブレンディングはブレンディングの逆である（ブレンディングによって失われたシャープエッジはアンブレンディングによって回復される）。

一致する金型面の生成の例が、Colour Plate6,7に示されている。Colour Plate 6もまた、アンブレンディングオペレーションを示している（特色はビーズのような金型面である）。Colour Plate 7のイメージは、イニシャルマスターモデル（画面向かって左上），ラウンディング後のマスターモデル（画面向かって右上），丸められたモデルの一致する面（画面向かって左下），そして、‘一致の確認’（画面向かって右下）である。

提示されたＣＡＭシステムで、ＮＣコードはcopy-milling process^2,3よりもっと多く生成される。後続のマシニングモードの全ては、実用的な目的のために必要である：

自動車のボディー用の押し金型のための加工例がColour Plate 8に示されている。未加工のまま置かれているのは鋳造品である（画面向かって左上）。第一段階は鋭いみぞにそってペンシルカットされたものである。ペンシルカットの結果は、画面向かって右上に示されている。そして、ラフカッティング（画面向かって左下）とフィニッシュカッティング（画面向かって右下）がなされる。フィニッシュカッティングの後にはどの様なアンダーカットも、（示されてはいないが）取り除くことを必要としている。

Figure 4に示されている統合ＣＡＭシステムは、現在のＮＣ機器の問題を解決法となるように意図されている。私たちはここで、統合ＣＡＭシステムに対するＯＵＲＳ（objectives and user requirement specifications）を考慮し、完全にそろえられた構成を提案し説明する。

Figure 4の統合ＣＡＭシステムは、次世代の要求に適応させるために、簡単に拡張することが可能である。

Figure 5は、Figure 4のカッターパス生成モジュールがＣＡＰＰモジュールで置き換えられた、より進歩した構造の体系的な見方を示している。そして、workcellシュミレーションモジュールによって増大させられる。

製品製作環境のデザインチェンジは、例外というよりもむしろ引き続き起こりうる作業というべきである。ある金型や鋳型製造で製品デザインのどの様なチェンジは、その結果の金型面加工操作にできるだけ早くに示されるべきである。これはFigure 5に示されるように、フィードフォワードチャンネルを通じ、局所的修正モジュールによって有効に扱えるものにすることができる。フィードバックデータは局所的修正モジュールによって同様に扱われる。

デザインチェンジの例は、面取り半径の変更や、リブやボスのような特定部分の特色の追加（それか削除）はFigure 6に示されている。フィードバック情報の例は、縮んだり（スケールで）スプリングバックをする製品のための欠点と寸法変換の計画を含んでいる。ソフトマスターモデルを用いたメカニズムを修正したり部分変更することは、金型製造のリードタイムに非常にはっきりと示される。

コンカレントエンジニアリング（ＣＥ）の一般的な概念の議論は、この論文の理解範囲外に置く。しかしながら、金型製造におけるＣＥの主な目的は、さまざまな工程に属し、同時進行で行えるものを増やすことによってリードタイムを縮めることができるのを述べるのは差し支えがない。Figure 7aは、金型製造活動における通常の（連続物）配置を示している。提示されたＣＡＭシステムの助けによって、Figure 7bに示されるように配置することができる。

YooとChoi²⁹による、金型の穴あけ加工のための適当なＣＡＰＰの計画がFigure 8に示している。

workcellシュミレーション機能は、無人加工のサポートのために必要とされる。真の無人加工のために、あらゆる細部も理解するために正確に説明されなければならない。切りくず除去の問題は、他の障害となる金属穴に垂直のＮＣ機で加工される（機械的に）ときに無人加工をさまたげられるもう一つの障害となる。Z-MAP表示計画に基づくとき、穴加工機の自動切りくず除去システムは、elsewhere³⁰に伝えられる。

提示された構成は理想のひとつと考えられる。それは金型工場生産のためのＣＡＭの全ての理想のＯＵＲＳをサポートしている。そうではなく、それは実用的ものなのである。なぜなら統合ＣＡＭシステムの構成要素を実行する基礎テクノロジーは手に入るからである。Figure 5の統合ＣＡＭソフトウェア構成のそれぞれのモジュールは自己内包的とモジュラーである。そして提示されたシステムの全体的な構成はとてもシンプルである。ソフトマスターモデルの利用はとても直感的である。要約すると、提案された統合ＣＡＭシステムは通常のシステムと比べて使いやすく、改善しやすくするべきである。

しかしながら、提示されたシステムはまだ現実的な金型生産環境の中でその効果を確認し、さらに関連づけられた技術は、テストされ証明されなければならない。ソフトマスターモデルのためのさまざまな個々の表示計画は非常に万能である。しかし、近似エラーとして理解されていない。Figure 5のＣＡＭ構成に関連して研究されるべき多くの話題がある。

この論文で述べられている研究は‘An off-line task planner and automated chip removal system for unattended CNC machining’というプロジェクトに対する助成金を通じて一部、韓国政府（MOST）の支援を受けている。