JP2006064120A - 転がり軸受の自動設計方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 転がり軸受の設計を迅速にかつ自動的に行うこと。
【解決手段】 要求仕様入力部１０から転がり軸受の要求仕様が入力されると、入力された要求仕様を基に転がり軸受に関する仮の設計変数が初期設計変数として初期設計変数設定部１２で設定され、設定された仮の設計変数に関する制約条件式が制約条件演算部１４で演算され、転がり軸受に関する性能条件が性能演算部１６で演算され、転がり軸受の生産が可能か否かの生産性可能条件が生産性演算部１８で演算され、仮の設計変数が各演算部の演算により得られた条件を全て満たすか否かを設計変数設定部２０で判定し、肯定の判定結果を得たときには、仮の設計変数を真の設計変数として設計変数出力部２２に出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、転がり軸受の自動設計方法及びその装置に関する。

従来、転がり軸受を自動設計する装置として、例えば、作図対象を表示した作図メニュー上の位置を指示することにより、作図対象物を選択し、選択した作図対象物の中から作図する対象物を指定するための指定データを指定データ入力手段で入力し、データ選択手段によって、指定データに基づき、指定データに対応したパラメトリック方式の作図を行うための数値データを1組のデータとする作図データをデータベースとして格納した記憶手段から作図対象物の作図データを抽出し、抽出した作図データに含まれる指定データと指定データ入力手段で入力した指定データとを比較して、両者が一致した作図データを選択し、作図情報作成手段によって、作図データに基づきパラメトリック方式で作図するための表示データを生成し、生成した表示データを作図出力手段に出力することにより、データベースから作図データを選び出すことができるようにしたものが知られている（特許文献1参照）。
特許第２９５７３０８号公報（第２頁〜第４頁）

しかし、従来技術では、作図対象物の設計変数（材料、寸法、公差など図面に記載される内容）を決定するに際して、手作業で行うことが余儀なくされていた。しかも、この作業は、干渉チェックなどの制約条件の計算、応力、寿命、トルクなどの性能計算、生産コストの計算等の多くの計算を、要求仕様、要求性能、生産条件が同時に満足されるまで、設計変数を試行錯誤で変更しながら繰り返す必要があった。

そのため、トライアンドエラーに多くの工数がかかることがある。さらに、設計変数の変更が試行錯誤的であるため、効率的な設計変数の変化方法を習得するには熟練が必要であり、初心者には難しいという課題がある。

本発明の課題は、転がり軸受の設計を迅速にかつ自動的に行うことにある。

前記課題を解決するために、本発明は、転がり軸受に関する要求仕様、要求性能、生産性条件を設定し、設計変数ベクトルを評価関数式を用いて、転がり軸受に関する要求仕様、要求性能、生産性条件を全て満足する設計を方法を採用したものである。具体的には、製品設計に関する各種条件をそれぞれ数値により評価するとともに、各数値を条件式により評価するに際して、設計変数をベクトルで表記し、それぞれの設計変数を評価条件とし、非線形計画問題として解法するようにしたものである。

また、本発明は、転がり軸受の要求仕様を入力する要求仕様入力手段と、前記要求仕様入力手段に入力された要求仕様を基に前記転がり軸受に関する仮の設計変数を設定する初期設計変数設定手段と、前記初期設計変数設定手段により設定された仮の設計変数に関する制約条件を演算する設計変数制約条件演算手段と、前記仮の設計変数と前記要求仕様を基に前記転がり軸受に関する性能条件を演算する性能演算手段と、前記仮の設計変数を基に前記転がり軸受に関する生産性可能条件を演算する生産性演算手段と、前記仮の設計変数が前記各演算手段の演算により得られた条件を全て満たすか否かを判定し、肯定の判定結果を得たときには、前記仮の設計変数を真の設計変数として設定する設計変数設定手段とを備えてなる転がり軸受の自動設計装置を構成したものである。

前記した手段によれば、設計者が転がり軸受の自動設計装置に要求仕様を入力すれば、自動的に制約条件と性能条件および生産性条件を同時に満足する設計変数を得ることができ、転がり軸受の設計を迅速かつ自動的に行うことができる。

前記転がり軸受の自動設計装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。

前記設計変数設定手段は、前記仮の設計変数が前記各演算手段の演算により得られた条件を全て満たさないと判定したときには、前記仮の設計変数を変更し、変更後の仮の設計変数に関する条件の演算を前記各演算手段に指令し、前記変更後の仮の設計変数が、前記指令に応答した前記各演算手段の演算により得られた条件を全て満たすか否かを判定してなる。

この場合、仮の設計変数が各演算手段の演算により得られた条件を全て満たさないと判定されたときでも、仮の設計変数を変更することを繰り返すことで、各演算手段の演算により得られた条件を全て満たす仮の設計変数を生成することができる。

本発明はさらに、コンピュータに既述の各手段を実行させるためのプログラム及びこのプログラムが記憶された記憶媒体に係るものである。記憶媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどのメモリ手段を例示することができる。

本発明によれば、転がり軸受の設計を迅速かつ自動的に行うことができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す転がり軸受の自動設計装置のブロック構成図である。図1において、転がり軸受の自動設計装置は、プログラムに従って各種演算を行うコンピュータ資源と、コンピュータ資源の演算結果などを記憶する記憶手段と、コンピュータ資源の演算結果等を出力する出力手段を備えて構成されている。具体的には、転がり軸受の自動設計装置は、設計対象の軸受、例えば、転がり軸受に要求される要求仕様を入力する要求仕様入力部１０と、初期設計変数設定部１２と、制約条件演算部１４と、性能演算部１６と、生産性演算部１８と、設計変数設定部２０と、設計変数出力部２２とを備えて構成されている。

要求仕様入力部１０は、図２に示すように、設計対象となる軸受、例えば、転がり軸受に要求される要求仕様を入力する要求仕様入力手段として構成されており、この要求仕様入力部１０には、転がり軸受に要求される要求仕様として、例えば、軸受が組み込まれる相手部品の寸法、使用条件（荷重、回転数、温度、潤滑条件、その他）、要求性能（寿命、軸受トルク、耐焼付性、その他）などがある。これらの要求仕様はオペレータの手動操作で入力されるが、これ以降の手順は全て自動的に処理される。

初期設計変数設定部１２は、要求仕様入力部１０に入力された要求仕様を基に転がり軸受に関する仮の設計変数（初期設計変数）を設定する初期設計変数設定手段として構成されており、初期変数として、軸受の製造図面に記載されている寸法、精度、材料の硬さなどの数値情報が入力される。例えば、設計対象の転がり軸受として、例えば、図３に示すように、深溝玉軸受２４の場合、外輪２６、内輪２８に関する寸法、公差などの値が設計変数に関する数値情報として自動的に設定される。この設計変数を仮の設計変数として設定するに際しては、初めからある固定した値を設定しておく方法、ある基準となる値、例えば、ころ径と他の値との比を予め設定しておき、基準の値との比を用いてその他の値を計算する方法、要求仕様入力部１０で入力された値、例えば、軸受の外形寸法から簡易な計算式によって仮の設計変数を設定する方法などがあり、本実施例では簡易な計算式による方法を用いることにしている。

制約条件演算部１４は、図４に示すように、初期設計変数設定部１２により設定された仮の設計変数に関する制約条件を演算する設計変数制約条件演算手段として構成されており、仮の設計変数に関する制約条件として、例えば、設計変数間の制約条件や仮の設計変数と要求仕様との間の制約条件を等式や不等式を用いて演算するようになっている。例えば、転がり軸受に用いられる保持器を案内面で案内させるための条件式、保持器がころを保持するための条件式、軸受が組み付け可能であるための条件式、などがある。

具体的には、設計変数として、外形ｘ１、内径ｘ２、幅ｘ３が与えられ、仕様として、それぞれの最大値、最小値が与えられている場合、以下に示すような仕様の条件式ｇ（ｘ）が演算によって求められる。

ｇ１＝外形ｘ１−最小外径≧０
ｇ２＝最大外径−外径ｘ１≧０
ｇ３＝内径ｘ２−最小内径≧０
ｇ４＝最大内径−内径ｘ２≧０
ｇ５＝幅ｘ３−最小幅≧０
ｇ６＝最大幅−幅ｘ３≧０
一方、性能演算部１６は、図５に示すように、初期設計変数設定部１２で設定された仮の設計変数と要求仕様入力部１０に入力された要求仕様を基に転がり軸受に関する性能条件を演算する演算手段として構成されており、軸受性能として、例えば、耐久性能（疲労寿命、各部材強度、耐焼付性能、他）、低発熱性能（発熱量、滑り）などが挙げられる。性能演算部１６は、仮の設計変数と要求仕様の使用条件とから各性能計算プログラムにしたがった処理を順次実行し、処理結果を抽出するという一連の手順を全て自動で行い、計算された性能が要求性能を上回っているという条件式を計算するようになっている。

具体的には、仮の設計変数として、玉径ｘ１、玉数ｘ２、ＰＣＤｘ３が与えられ、外輪溝Ｒｘ４、内輪溝Ｒｘ５、その他ｘ６、・・・、ｘｎが与えられ、性能として、最小寿命、最大軸受トルクが与えられている場合、性能の条件式ｇ（ｘ）として以下の条件式を演算するようになっている。

ｇ１＝寿命計算プログラム（ｘ１、・・・、ｘｎ，運転条件）−最小寿命≧０
ｇ２＝最大軸受トルク−トルク計算プログラム（ｘ１、・・・，ｘｎ，運転条件）≧０
寿命計算プログラムおよびトルク計算プログラムは、例えば、文献「転がり軸受運動摩擦解析プログラムパッケージＢＲＡＩＮ」ＮＳＫ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ，６６３（１９９７）１-７を用いることができる。

次に、生産性演算部１８は、図６に示すように、仮の設計変数を基に転がり軸受に関する生産性可能条件を演算する生産性演算手段として構成されており、予め設定された生産性可能条件式、生産コストの計算式を演算するためのプログラムを実行し、仮の設計変数から転がり軸受の生産が可能であるか否かを判断するための計算式と生産コストを算出するための計算式を演算するようになっている。

具体的には、仮の設計変数として、玉径ｘ１、玉数ｘ２、ＰＣＤｘ３が与えられ、外輪外径ｘ４、外輪内径ｘ５、幅ｘ６、その他ｘ７、・・・、ｘｎが与えられ、生産性として、最小組立性係数が与えられている場合、以下の式が生産の条件式ｇ（ｘ）として演算される。

ｇ１＝組立性係数計算式（ｘ１、・・・、ｘｎ）−最小組立性係数≧０
この組立性係数計算式は、組立時に外輪を変形させる荷重と、発生する応力とから組立性係数（組立易さ）を求めることができる式である。また最小組立性係数は、例えば、応力が材料の弾性限度内となるような値とする。

次に、設計変数設定部２０は、図７に示すように、仮の設計変数が各演算部１４、１６、１８の演算により得られた条件を全て満たすか否かを判定し、肯定の判定結果を得たときには、仮の設計変数を真の設計変数として設定し、設定した設計変数を設計変数出力部２２に出力する設計変数設定手段として構成されている。さらに設計変数設定部２０は、仮の設計変数が各演算部１４、１６、１８の演算により得られた条件を全て満たさないと判定したときには、仮の設計変数を変更し、変更後の仮の設計変数に関する条件の演算を各演算部１４、１６、１８指令し、変更後の仮の設計変数が、指令に応答した各演算部１４、１６、１８の演算により得られた条件を全て満たすか否かを判定する処理を繰り返すようになっている。ここで、仮の設計変数を変更する方法としては、ランダムとすることもできるが、非線形計画問題に対する各種解法、例えば、遺伝的アルゴリズムＧＡやシミュレーテッドアニーリングＳＡなどを用いると効率的に行うことができる。

具体的には、ｇ_j（ｘ）≧０を解く手法を用いることができる。この場合、ｇ₁からｇ_nまでについて、０とｇのうち小さい方の値を足していったものをＧとし、このＧは次の式で表される。

例えば、ｇ１＝−０．３、ｇ２＝−０．１、ｇ３＝０．６のときには、Ｇ＝−０．４となる。
すなわち、Ｇは負か０の値を取り得る。
ｇ_j（ｘ）が１つでも負ならばＧは負となる。
ｇ_j（ｘ）≧０が全て満たされたときにのみＧ＝０となる。
よって、Ｇが０になるように、ｘを変更していけばよいことになる。

また仮の設計変数を変更する場合、簡単な変更の仕方は以下の通りである。
（１）ｘ１を増減してＧが最も０に近づくところに調整する。
（２）ｘ２を増減してＧが最も０に近づくところに調整する。
（３）ｘ３、ｘ４、・・・、ｘｎについても同様に行う。
（４）（１）に戻る。

設計変数出力部２２は、図８に示すように、設計変数設定部２０から真の設計変数が出力されたときに、この設計変数をファイルなどとして出力する設計変数出力手段として構成されている。

次に、本実施例の作用を図９のフローチャートに従って説明する。転がり軸受の要求仕様が要求仕様入力部１０に入力されると（ステップＳ１）、要求仕様入力部１０に入力された要求仕様を基に転がり軸受に関する仮の設計変数が初期設計変数設定部１２で設定され（ステップS２）、設定された仮の設計変数に関する制約条件が設計変数制約条件演算部１４で演算される（ステップＳ３）。さらに、仮の設計変数と要求仕様を基に転がり軸受に関する性能条件が性能演算部１６で演算され（ステップＳ４）、仮の設計変数を基に転がり軸受に関する生産性可能条件が生産性演算部１８で演算される（ステップＳ５）。この後、仮の設計変数が各演算手段の演算により得られた条件を全て満たすか否かが設計変数設定部２０で判定され（ステップＳ６）、肯定の判定結果を得たときには、仮の設計変数が真の設計変数として設定され、設計変数出力部２２から設計変数のファイルが出力される（ステップＳ７）。

一方、設計変数設定部２０において、否定の判定結果を得たときには、仮の設計変数を変更し、変更後の仮の設計変数に関する条件の演算を前記各演算部に指令し（ステップＳ８）、ステップＳ３に戻って同様の処理を繰り返す。この場合、設計変数設定部２０は、変更後の仮の設計変数が、前記指令に応答した各演算部の演算により得られた条件を全て満たすか否かを判定することになる。

本実施例によれば、設計者が転がり軸受の自動設計装置に要求仕様を入力すれば、自動的に制約条件と性能条件および生産性条件を同時に満足する設計変数を得ることができ、転がり軸受の設計を迅速かつ自動的に行うことができる。

本実施例においては、仮の設計変数が各演算部１４、１６、１８の演算によって得られた条件を全て満たすか否かを判定するものについて述べたが、各演算１４、１６、１８の演算により得られた条件（条件式）を満たす設計変数ベクトルの中からコストが最小になる設計変数ベクトルを求めることもできる。また出力された設計変数を自動作画システムに入力することにより、図面を自動的に作成することもできる。

次に、本発明の第２実施例を図１０にしたがって説明する。本実施例は、既存部品データベース３０を設けたものであって、他の構成は図１のものと同様である。既存部品データベース３０には、設計変数出力部２２から出力される設計変数情報が、既に設計が完了した軸受の設計変数情報として登録されるようになっており、初期設計変数設定部１２では、既存部品データベース３０を検索し、既存部品データベース３０に登録されている任意の既存部品の設計変数情報を初期設計変数として利用できるようになっている。

本実施例によれば、既存部品データベース３０を検索することで、既存の軸受が要求仕様を満足するかどうかを簡単に判断できるので、無駄に新しい軸受を設計することがなくなり、コスト低減に寄与することができる。

本発明の一実施例を示す転がり軸受の自動設計装置のブロック構成図である。 要求仕様入力部のブロック構成図である。 深溝玉軸受とその外輪および内輪を設計変数としたときの構成を説明するための図である。 制約条件演算部のブロック構成図である。 性能演算部のブロック構成図である。 生産性演算部のブロック構成図である。 設計変数設定部のブロック構成図である。 設計変数出力部のブロック構成図である。 本実施例の作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施例を示す転がり軸受の自動設計装置のブロック構成図である。

符号の説明

１０ 要求仕様入力部
１２ 初期設計変数設定部
１４ 制約条件演算部
１６ 性能演算部
１８ 生産性演算部
２０ 設計変数設定部
２２ 設計変数出力部
３０ 既存部品データベース

Claims (5)

1. 処理装置資源と、メモリ資源と、入力装置と、インタフェースとを備えたコンピュータ資源を用いて転がり軸受を設計する自動設計方法において、前記処理装置資源は、前記メモリ資源の動作プログラムに基づいて、下記の各ステップを実行する転がり軸受の自動設計方法。
   （１）転がり軸受に関する要求仕様と要求性能及び生産性条件を設定するステップ
   （２）設計変数ベクトルを評価関数式を用いて前記ステップで設定された条件を満足する設計を実行するステップ
2. 転がり軸受の要求仕様を入力する要求仕様入力手段と、前記要求仕様入力手段に入力された要求仕様を基に前記転がり軸受に関する仮の設計変数を設定する初期設計変数設定手段と、前記初期設計変数設定手段により設定された仮の設計変数に関する制約条件を演算する設計変数制約条件演算手段と、前記仮の設計変数と前記要求仕様を基に前記転がり軸受に関する性能条件を演算する性能演算手段と、前記仮の設計変数を基に前記転がり軸受に関する生産性可能条件を演算する生産性演算手段と、前記仮の設計変数が前記各演算手段の演算により得られた条件を全て満たすか否かを判定し、肯定の判定結果を得たときには、前記仮の設計変数を真の設計変数として設定する設計変数設定手段とを備えてなる転がり軸受の自動設計装置。
3. 請求項２に記載の転がり軸受の自動設計装置において、前記設計変数設定手段は、前記仮の設計変数が前記各演算手段の演算により得られた条件を全て満たさないと判定したときには、前記仮の設計変数を変更し、変更後の仮の設計変数に関する条件の演算を前記各演算手段に指令し、前記変更後の仮の設計変数が、前記指令に応答した前記各演算手段の演算により得られた条件を全て満たすか否かを判定してなることを特徴とする転がり軸受の自動設計装置。
4. コンピュータに請求項２又は３に記載の各手段を実行させるためのプログラム。
5. 請求項３に記載のプログラムが記載された記憶媒体。
   
   

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