JP2000194733A - 機構設計方法及び装置並びに機構設計プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構想設計から詳細設計にいたるまで一貫した
解析モデルによるシミュレーションおよび設計の手戻り
回数の低減を可能とする効率的な機構設計方法及び機構
設計装置並びに機構設計プログラムを記録した記録媒体
を提供することである。 【解決手段】 機構シミュレーションに用いる機構部品
の形状を入力する形状入力工程Ｓ１、機構の条件を定義
する機構モデル定義工程Ｓ２、前記定義された機構モデ
ルからキネマティックモデルもしくはダイナミックモデ
ルを生成する派生モデル生成工程Ｓ３、前記キネマティ
ックモデルもしくはダイナミックモデルに対して機構の
挙動を計算する機構解析計算工程Ｓ４、前記機構部品間
の干渉を計算する部品干渉計算工程Ｓ５、計算結果を表
示する解析結果表示工程Ｓ６を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機構を構成する部
品の挙動をコンピュータを用いてシミュレート設計にお
ける機構設計方法及び装置並びに機構設計プログラムを
記録した記録媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、機構設計では、２次元図面を元に
部品配置を行い、機構部品の挙動を２次元図面上でトレ
ースする手法が用いられていたが、機構部品が３次元的
に動作する場合や、ガタや摩擦といったより現実的な挙
動の分析の必要性からコンピュータを用いた３次元形状
による機構シミュレーションが利用されてきている。

【０００３】しかしながら、機構シミュレーションを行
うための解析モデル作成には専門的知識や独特のノウハ
ウを必要とするために、解析モデル作成のための様々な
簡単化の手法が検討されている。

【０００４】機構シミュレーションにおける解析モデル
の定義の簡易化に関する従来技術としては、例えば、特
開平６−１０３３４５号公報、特開平８−２９７６８４
号公報に開示されている。

【０００５】また、機構シミュレーションにおけるダイ
ナミックモデルの定義に関する従来技術としては、例え
ば、特開平８−１６６９７２号公報に開示されている。

【０００６】特開平６−１０３３４５号公報に開示され
た方法では、定義した機構部品形状から等価なリンク機
構解析モデルを自動生成することによって機構解析モデ
ル定義の簡素化を計っている。

【０００７】特開平８−２９７６８４号公報に開示され
た方法では、専任者が定義した解析モデルパターンを属
性として利用することによって次回からの解析モデル定
義の簡素化を計っている。

【０００８】また、特開平８−１６６９７２号公報に開
示された方法は、評価するガタを等価なリンクに置き換
えてキネマティック解析を行うものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たものは、以下のような問題があった。

【００１０】特開平６−１０３３４５号公報および特開
平８−２９７６８４号公報に開示された手法は、いずれ
も、あくまでキネマティック解析を行うための解析モデ
ルの作成を自動化することを目的とするものであり、ガ
タや摩擦といった複雑な動作をシミュレートするダイナ
ミック解析への適用が考慮されていない。

【００１１】一方、特開平８−１６６９７２号公報に開
示された手法は、本来ダイナミックモデルとして扱うべ
きガタをキネマティックモデルに置き換えるものであ
り、ガタ特性を十分にシミュレートしていない、といっ
た問題があった。

【００１２】また、キネマティック解析は、自由度０の
システムのシミュレーションであり、計算は代数拘束方
程式を解くことから解析時間は短いが、一方、ダイナミ
ック解析では、正の自由度を持つシステムのシミュレー
ションとなるため、計算は非線形微分代数方程式を解く
こととなり計算負荷は大きくなる。

【００１３】本発明は、上記の問題点に鑑みなされたも
のであって、その目的は、機構設計において、試行錯誤
を要する構想設計の段階では解析計算時間の負荷の小さ
いキネマティック解析モデルを作成し、詳細設計の段階
ではキネマティック解析で用いた同一モデルに対し、ガ
タ、摩擦を含んだより現実的なシミュレーションが可能
なダイナミック解析モデルを作成することによって、構
想設計から詳細設計にいたるまで一貫した解析モデルに
よるシミュレーションを可能とし、更に、干渉チェック
機能と組み合わせて設計の初期段階から不良個所を検出
することによって設計の手戻り回数の低減を可能とす
る、効率的な機構設計方法及び機構設計装置並びに機構
設計プログラムを記録した記録媒体を提供することであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の機構設
計方法は、機構シミュレーションに用いる機構部品の形
状を入力する形状入力工程と、機構の条件を定義する機
構モデル定義工程と、前記定義された機構モデルからキ
ネマティックモデルもしくはダイナミックモデルを生成
する派生モデル生成工程と、前記キネマティックモデル
もしくはダイナミックモデルに対して機構の挙動を計算
する機構解析計算工程と、前記機構部品間の干渉を計算
する部品干渉計算工程と、計算結果を表示する解析結果
表示工程と、を備えたことを特徴とする。

【００１５】請求項２に記載の機構設計方法は、請求項
１に記載の機構設計方法において、前記派生モデル生成
工程において、キネマティックモデル及びダイナミック
モデル双方の機構モデル定義のベースとなる機構部品指
定を行うベースモデル定義工程と、ベースモデルからキ
ネマティックモデルもしくはダイナミックモデルを作成
するモデル変換工程と、を備えたことを特徴とする。

【００１６】請求項３に記載の機構設計装置は、機構シ
ミュレーションに用いる機構部品の形状を入力する形状
入力手段と、前記入力された形状データを保存する形状
データ格納手段と、機構の条件を定義する機構モデル定
義手段と、前記定義された機構モデルを保存する機構モ
デルデータ格納手段と、前記機構モデルからキネマティ
ックモデルもしくはダイナミックモデルを生成する派生
モデル生成手段と、前記キネマティックモデルもしくは
ダイナミックモデルに対して機構の挙動を計算する機構
解析計算手段と、前記機構部品間の干渉を計算する部品
干渉計算手段と、計算結果を表示する解析結果表示手段
と、計算結果を保存する解析結果データ格納手段と、を
備えたことを特徴とする。

【００１７】請求項４に記載の機構設計プログラムを記
録した記録媒体は、機構設計プログラムを記録した記録
媒体であって、機構シミュレーションに用いる機構部品
の形状と機構条件の定義された機構モデルからキネマテ
ィックモデルもしくはダイナミックモデルキネマティッ
クモデルを生成させ、前記キネマティックモデルもしく
はダイナミックモデルに対して機構の挙動を計算させ、
前記機構部品間の干渉を計算させる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例として、
ＶＴＲのテープローディングの機構設計について図１〜
図１５を用いて説明する。

【００１９】なお、これらの図において同じ構成要素、
機能には同一の符号を付す。

【００２０】先ず、テープローディング機構は、図２に
示すように、アームに接続されたポールベースがアーム
の駆動によりガイドレールの溝上を動作するものであ
り、機構部品の総容積を縮小することが設計目標の一つ
とされる。

【００２１】したがって、コンピュータシミュレーショ
ンにより、各機構部品の動作確認及び部品間の干渉確認
を行う。

【００２２】図３は、機構設計装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【００２３】機構設計装置は、制御部１、形状入力部
２、機構モデル定義部３、派生モデル生成部４、機構解
析計算部５、部品干渉計算部６、解析結果表示部７、形
状データ格納部８、機構モデルデータ格納部９、解析結
果データ格納部１０によって構成されている。

【００２４】図１のフローチャートを参照して、上記各
構成部分の動作を説明する。

【００２５】はじめに、形状入力部２で機構シミュレー
ションに用いる部品を入力し、形状データ格納部８に保
存する（ステップＳ１）。

【００２６】入力には３次元ＣＡＤ装置を用い、図４に
示すような３次元形状を入力する。

【００２７】次に、入力した機構部品に対し、機構モデ
ル定義部３において重力加速度や、グラウンド部品の指
定、各部品の比重といった物理条件等を設定した機構モ
デルを定義し、機構モデルデータ格納部９に保存する
（ステップＳ２）。

【００２８】機構モデル定義部３では、後述の派生モデ
ル生成部４で定義するベースモデル以外の接続条件等の
設定も行う。

【００２９】次に、入力した機構部品に対し、派生モデ
ル生成部４において１つのベースモデルからキネマティ
ックモデル、または、ダイナミックモデルを生成し、機
構モデルデータ格納部９に保存する（ステップＳ３）。

【００３０】次に、入力された機構部品、機構モデル定
義部３、及び派生モデル生成部４において定義された機
構モデルに対し、機構解析計算部５において機構計算を
行い、計算結果を解析結果データ格納部１０に保存する
（ステップＳ４）。

【００３１】機構解析計算部には、自由度０のシステム
の運動を解析するキネマティック解析機能と、自由度の
あるシステムの運動を解析するダイナミック解析機能を
持ち合わせたソルバーを用いる。

【００３２】機構計算の結果は、機構動作の時間ステッ
プ毎にその部品の位置を算出する。

【００３３】これ以後、各ステップ毎の部品配置をフレ
ームと呼ぶ。

【００３４】次に、入力された機構部品、算出した機構
の動作結果に対し、部品干渉計算部６において部品間の
干渉およびクリアランス計算を行い、解析結果データ格
納部１０に保存する（ステップＳ５）。

【００３５】干渉およびクリアランス計算は、各フレー
ムにおいて部品間の干渉、クリアランス計算を行い、算
出する。

【００３６】次に入力した機構部品、機構計算結果、干
渉、クリアランス結果に対し、解析結果表示部７におい
て表示する（ステップＳ６）。

【００３７】表示は動画表示の他、干渉位置の表示を行
う。

【００３８】シミュレーション結果により部品の挙動及
び干渉を計測し、形状修正、機構モデルの変更により再
度機構シミュレーションを行う場合はステップ１に戻
る。

【００３９】シミュレーションを行わない場合は終了す
る。

【００４０】次に派生モデル生成部４について説明す
る。

【００４１】図５は、派生モデル生成部４の構成を示す
ブロック図である。

【００４２】派生モデルとは、キネマティックモデルも
しくはダイナミックモデルのことであり、図５におい
て、派生モデル生成部は、キネマティックモデル、ダイ
ナミックモデル双方のモデル定義のベースとなるベース
モデル定義を行うポールベース指定部１１、ガイドレー
ル指定部１２、アーム指定部１３、接続点指定部１４、
及び、定義したベースモデルを保存するベースモデルデ
ータ格納部１７、また、ベースモデルを元にキネマティ
ックモデルを生成するキネマティックモデル変換部１
５、ベースモデルを元にダイナミックモデルを生成する
ダイナミックモデル変換部１６によって構成されてい
る。

【００４３】派生モデル生成部４の動作について、図６
のフローチャートに従い説明する。

【００４４】はじめに、ベースモデルが未定義の場合、
または修正を行う場合、ポールベース、ガイドレール、
アームの定義、および接続点の定義を行い、これをベー
スモデルとして保存する。

【００４５】なお、ベースモデルとは、接続条件等の解
析条件が付加されたモデル（機構モデル）ではなく、派
生モデルの基本となる部品形状と接続点が指定されたモ
デルである。

【００４６】ベースモデル定義後、ベースモデルを基
に、キネマティック解析もしくはダイナミック解析に応
じて、それぞれ自動的に解析条件が設定された機構モデ
ルである派生モデル（キネマティックモデルもしくはダ
イナミックモデル）が生成される。

【００４７】具体的には、ポールベース指定部１１でポ
ールベースを定義し、ベースモデルデータ格納部１７に
保存する（ステップＴ１）。

【００４８】図７に示すように、ポールベースの定義
は、ポールベース形状Ｍ１０１の他、２本の足の中心点
Ｐ１、Ｐ２を指定し、さらにＰ１、Ｐ２それぞれのロー
カル座標系Ｌ１、Ｌ２を指定する。

【００４９】次に、ガイドレール指定部１２でガイドレ
ールを定義し、ベースモデルデータ格納部１７に保存す
る（ステップＴ２）。

【００５０】図８に示すように、ガイドレールの定義
は、ガイドレール形状Ｍ１０２の他、溝を構成する曲線
Ｇ１〜Ｇ４を指定する。

【００５１】次に、アーム指定部１３でアームを定義
し、ベースモデルデータ格納部１７に保存する（ステッ
プＴ３）。

【００５２】図９に示すように、アームの定義は、アー
ム形状Ｍ１０３の他、アームの穴部のローカル座標系Ｌ
３も指定する。

【００５３】次に、接続点指定部１４においてポールベ
ース、ガイドレール間の接続点を指定する（ステップＴ
４）。

【００５４】接続点は、具体的には図１０に示すよう
に、ガイドレールＭ１０２の溝を構成する曲線Ｇ１、Ｇ
２上にポールベースの足の中心位置Ｐ１、Ｐ２から垂直
に降ろした点Ｃ１〜Ｃ４、及び、図１１に示すようにポ
ールベースＭ１０１とガイドレールＭ１０２が接触する
４点Ｄ１〜Ｄ４とする。

【００５５】この後、機構シミュレーションの目的に応
じて、キネマティックモデルもしくはダイナミックモデ
ルの生成を行う。

【００５６】キネマティックモデルを生成する場合、指
定したベースモデルを元にキネマティックモデルを生成
し、機構モデルデータ格納部９に保存する（ステップＴ
５）。

【００５７】具体的な手順を図１２を用いて説明する。

【００５８】はじめに、ポールベースＭ１０１の足の中
心位置Ｐ２において、ポールベースＭ１０１とアームＭ
１０３間に接合条件（シリンダー結合）を設定する。

【００５９】このシリンダー結合は、さらにローカル座
標系Ｌ３の紙面に垂直なＺ方向にスライドする。

【００６０】次に、ポールベースＭ１０１、ガイドレー
ルＭ１０２間にガイドレールＭ１０２の溝を構成する曲
線Ｇ１、Ｇ２上でポールベースＭ１０１の足の中心位置
Ｐ１、Ｐ２から垂直に降ろした点Ｃ１〜Ｃ３の３点にお
いて曲線Ｇ１、Ｇ２と接合条件（カム結合）を設定す
る。

【００６１】設定した上記接合条件は、すべて機構モデ
ルデータ格納部９に保存する。

【００６２】一方、ダイナミックモデルを生成する場
合、指定したベースモデルを元にダイナミックモデルを
生成し、機構モデルデータ格納部９に保存する（ステッ
プＴ６）。

【００６３】具体的な手順を図１３〜図１５を用いて説
明する。

【００６４】はじめに、ポールベースＭ１０１の足の中
心位置Ｐ２においてポールベースＭ１０１とアームＭ１
０３間に接合条件（接触フォース）を設定する。

【００６５】図１３に示すように、この接触フォース
は、ローカル座標系Ｌ３のＸ、Ｙの各方向に設定し、結
果としてアームＭ１０３、ポールベースＭ１０１間にガ
タＥ１１、ガタＥ１２が発生する。

【００６６】次に、ポールベースＭ１０１とガイドレー
ルＭ１０２間におけるポールベースＭ１０１の進行方向
及びガイドレールＭ１０２の溝幅方向の接合条件を設定
する。

【００６７】図１４に示すように、ガイドレールＭ１０
２の溝を構成する曲線Ｇ１、Ｇ２上でポールベースＭ１
０１の足の中心位置Ｐ１、Ｐ２から垂直に降ろした点Ｃ
１〜Ｃ４の各点において、各々質量０のダミー部品Ｍ２
０１〜Ｍ２０４を生成し、各ダミー部品に対し曲線Ｇ
１、Ｇ２と接合条件（カム結合）を設定する。

【００６８】ダミー部品は、アームの駆動によりポール
ベースが動作する際に、後述するガイドレールの溝の幅
方向のガタを実現するための相対位置として用いる。

【００６９】ダミー部品Ｍ２０１とＭ２０３間、及び、
Ｍ２０２とＭ２０４間には接合条件（バネフォース）を
設定する。

【００７０】また、ポールベースＭ１０１の足の中心位
置Ｐ１においてダミー部品Ｍ２０１とポールベースＭ１
０１間に接合条件（ローカル座標系Ｌ１のＹ方向の接触
フォース）を設定する。

【００７１】同様に、ポールベースＭ１０１の足の中心
位置Ｐ２においてダミー部品Ｍ２０２とポールベースＭ
１０１間に接合条件（ローカル座標系Ｌ２のＹ方向の接
触フォース）を設定する。

【００７２】これにより、結果としてポールベースＭ１
０１とダミー部品Ｍ２０１間にガタＥ１３が、ポールベ
ースＭ１０１とダミー部品Ｍ２０２間にガタＥ１４が発
生する。

【００７３】さらに、ポールベースＭ１０１の足の中心
位置Ｐ１においてポールベースＭ１０１とガイドレール
Ｍ１０２間に接合条件（ローカル座標系Ｌ１のＸ方向の
接触フォース）を設定し、ポールベースＭ１０１の足の
中心位置Ｐ２においてポールベースＭ１０１とガイドレ
ールＭ１０２間に接合条件（ローカル座標系Ｌ２のＸ方
向の接触フォース）を設定する。

【００７４】これにより、結果としてポールベースＭ１
０１とガイドレールＭ１０２間にガイドレールの溝の幅
方向のガタであるガタＥ１５、ガタＥ１６が発生する。

【００７５】最後に、ポールベースＭ１０１とガイドレ
ールＭ１０２間における高さ方向の接合条件を設定す
る。

【００７６】図１５に示すように、ポールベースＭ１０
１とガイドレールＭ１０２の接触点Ｄ１〜Ｄ４の各点に
おいてポールベースＭ１０１とガイドレールＭ１０２間
に接合条件（Ｄ１及びＤ３はローカル座標系Ｌ１のＺ方
向の接触フォース、Ｄ２及びＤ４はローカル座標系Ｌ２
のＺ方向の接触フォース）を設定する。

【００７７】これにより、結果としてポールベースＭ１
０１がガイドレールＭ１０２上を接触し、かつ摩擦を受
けながら動作するダイナミックモデルが生成される。

【００７８】設定した上記接合条件は、すべて機構モデ
ルデータ格納部９に保存する。

【００７９】以上のようにして、テープローディング機
構設計における機構シミュレーションにおいて、機構部
品であるポールベース、ガイドレール、アームをベース
モデルとして指定し、各部品間に基本接続点を設定する
ことにより、構想時にキネマティックモデルで使用した
機構モデルをそのままダイナミックモデルとして扱うこ
とが可能になり、詳細設計の段階におけるダイナミック
モデル定義のためのモデル定義を自動化することができ
る。

【００８０】

【発明の効果】請求項１、請求項３、請求項４の発明に
よれば、試行錯誤の多い構想設計の段階では、ベースモ
デルからキネマティックモデルを生成して、計算時間の
負荷の小さいキネマティックシミュレーションを行うこ
とにより、設計の初期段階におけるシステムの挙動確
認、及び、干渉チェックにより不良個所の早期検出が可
能になる。

【００８１】また、詳細設計の段階では、ベースモデル
からダイナミックモデルを生成して、ガタや摩擦を含ん
だより現実的なダイナミックシミュレーションが可能と
なる。

【００８２】さらに、請求項２によれば、構想時にキネ
マティックモデルで使用した機構モデルをそのままダイ
ナミックモデルとして扱うことが可能になり、詳細設計
の段階におけるダイナミックモデル定義のためのモデル
定義を自動化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の機構設計方法を段階的に示すフローチ
ャートである。

【図２】テープローディング機構の説明図である。

【図３】図１の機構設計に用いられる機構設計装置を示
すブロック図である。

【図４】形状入力の説明図である。

【図５】派生モデル生成部の構成を示すブロック図であ
る。

【図６】派生モデル生成部の動作を説明するためのフロ
ーチャートである。

【図７】ポールベース指定の説明図である。

【図８】ガイドレール指定の説明図である。

【図９】アーム指定の説明図である。

【図１０】カム結合用接触点の説明図である。

【図１１】上下方向接触点の説明図である。

【図１２】キネマティックモデル生成の説明図である。

【図１３】ポールベース、アーム間の接合条件設定の説
明図である。

【図１４】ポールベース、ガイドレール間の接合条件設
定の説明図である。

【図１５】ポールベース、ガイドレール間の接合条件設
定の説明図である。

【符号の説明】

Ｍ１０１ ポールベース Ｍ１０２ ガイドレール Ｍ１０３ アーム Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ ローカル座標系

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機構シミュレーションに用いる機構部品
   の形状を入力する形状入力工程と、機構の条件を定義す
   る機構モデル定義工程と、前記定義された機構モデルか
   らキネマティックモデルもしくはダイナミックモデルを
   生成する派生モデル生成工程と、前記キネマティックモ
   デルもしくはダイナミックモデルに対して機構の挙動を
   計算する機構解析計算工程と、前記機構部品間の干渉を
   計算する部品干渉計算工程と、計算結果を表示する解析
   結果表示工程と、を備えたことを特徴とする機構設計方
   法。
2. 【請求項２】 前記派生モデル生成工程において、キネ
   マティックモデル及びダイナミックモデル双方の機構モ
   デル定義のベースとなる機構部品指定を行うベースモデ
   ル定義工程と、ベースモデルからキネマティックモデル
   もしくはダイナミックモデルを作成するモデル変換工程
   と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の機構設
   計方法。
3. 【請求項３】 機構シミュレーションに用いる機構部品
   の形状を入力する形状入力手段と、前記入力された形状
   データを保存する形状データ格納手段と、機構の条件を
   定義する機構モデル定義手段と、前記定義された機構モ
   デルを保存する機構モデルデータ格納手段と、前記機構
   モデルからキネマティックモデルもしくはダイナミック
   モデルを生成する派生モデル生成手段と、前記キネマテ
   ィックモデルもしくはダイナミックモデルに対して機構
   の挙動を計算する機構解析計算手段と、前記機構部品間
   の干渉を計算する部品干渉計算手段と、計算結果を表示
   する解析結果表示手段と、計算結果を保存する解析結果
   データ格納手段と、を備えたことを特徴とする機構設計
   装置。
4. 【請求項４】 機構設計プログラムを記録した記録媒体
   であって、機構シミュレーションに用いる機構部品の形
   状と機構条件の定義された機構モデルからキネマティッ
   クモデルもしくはダイナミックモデルキネマティックモ
   デルを生成させ、前記キネマティックモデルもしくはダ
   イナミックモデルに対して機構の挙動を計算させ、前記
   機構部品間の干渉を計算させることを特徴とする機構設
   計プログラムを記録した記録媒体。