JP2007226720A - 公差解析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元ＣＡＤを利用した公差解析に際し、組み付ける各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を移動させて各部品同士の干渉の有無をチェックし、正確な公差解析を行う。
【解決手段】公差解析装置２０は、３次元ＣＡＤで作成した機構構造物を構成する内枠部品３１と外枠部品３２を組み付ける際の公差を解析するもので、内枠部品３１と外枠部品３２の寸法値を夫々の公差範囲内で発生させる寸法発生部２４と、この発生させた内枠部品３１と外枠部品３２の三次元ＣＡＤデータを再構築する形状構築部２５と、この再構築された内枠部品３１と外枠部品３２の三次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を任意に移動させて、内枠部品３１と外枠部品３２同士の干渉の有無をチェックする干渉チェック部２６とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、３次元ＣＡＤを用いて公差解析を行う公差解析方法及び装置に関する。

近年、３次元ＣＡＤを利用した設計業務が行われるようになり、３次元ＣＡＤを利用した公差解析も積極的に行われている。この３次元ＣＡＤを利用した公差解析では、各部品の寸法、寸法公差、幾何公差等を用いて公差解析を行っている。

３次元ＣＡＤを利用した公差解析の例として、例えば特許文献１では、モンテカルロ法を利用した公差解析装置を提案している。
この３次元ＣＡＤを利用したモンテカルロ法による公差解析ソフトによれば、各部品で設定された寸法値を公差範囲内でランダムに発生させて、その寸法値で部品を再構築し、その部品を予め定義された方法により組み付けて、所定の位置を測定する。

これを指定回数繰り返して、所定位置の測定結果のバラツキ分布を表示する。設計者は、このバラツキ分布と設計目標値を比較して、部品の構成や公差設定が適切であるかどうかを検討する。

一方、現在の公差解析ソフトでは、３次元ＣＡＤのジオメトリ（形状情報）を参照して、公差解析ソフト内部で新たに解析に必要な面形状を定義し、その面形状を利用して部品の組み付け方法を定義する方式を採用している（以下、「他の従来技術」という）。
特開２００３−６２４１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術や前述した他の従来技術では、３次元的な曲面での組み付けや、複数部分でガタを持つ組み付け、若しくはいわゆる過拘束のように、場合によって接触部分が変わるような組み付けなどを定義することはできなかった。なぜなら、例えばラセン形状等の曲がった溝のように複雑な３次元形状をソフト的に忠実に設定することは困難であるからである。

この場合は、円筒面、スロット（細長い溝や隙間）、平面等の単純な面を作成してこれを代用し、その代用したもの同士を組み付けたり、代表的な組み付けのみを定義したりすることが一般的であった。このため、正確な公差解析を実施することが困難であった。このため、適切な公差を効率良く設定できるように支援するシステムが要望されている。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、３次元ＣＡＤを利用した公差解析に際し、組み付ける各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を移動させて各部品同士の干渉の有無をチェックし、複雑な形状や構成の各部品であっても正確な公差解析を行うことが可能な公差解析方法及び装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
３次元ＣＡＤで作成した機構構造物を構成する複数の各部品を組み付ける際の公差を解析する公差解析方法において、
前記複数の各部品の寸法値を夫々の公差範囲内で発生させる工程と、
該発生させた各部品の３次元ＣＡＤデータを再構築する工程と、
該再構築された各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を任意に移動させて、各部品同士の干渉の有無をチェックする干渉チェック工程と、を備えていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の公差解析方法において、
前記干渉チェック工程では、各部品同士の干渉が存在した場合、各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を前回とは変化させて干渉が存在しない状態になるまで繰り返し移動させることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、
３次元ＣＡＤで作成した機構構造物を構成する複数の各部品を組み付ける際の公差を解析する公差解析装置において、
前記複数の各部品の寸法値を夫々の公差範囲内で発生させる寸法発生部と、
該発生させた各部品の３次元ＣＡＤデータを再構築する形状構築部と、
該再構築された各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を任意に移動させて、各部品同士の干渉の有無をチェックする干渉チェック部と、を備えていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の公差解析装置において、
前記干渉チェック部は、各部品同士の干渉が存在した場合、各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を前回とは変化させて干渉が存在しない状態になるまで繰り返し移動させる制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、３次元ＣＡＤを利用した公差解析に際し、組み付ける各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を移動させて各部品同士の干渉の有無をチェックすることで、複雑な形状や構成の各部品であっても正確な公差解析を行うことができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１において、まず解析対象物として各部品の２次元形状データに基づき公差を解析する方法について説明する。

この各部品の２次元データは、特殊形状の孔１１が形成された外側部品１０と、その孔１１の中に存在する矩形状の内側部品１２とする。次に、これら外側部品１０の孔１１と内側部品１２の夫々に寸法公差を設定する。ここでは、便宜上、孔１１の寸法公差は考慮せず、内側部品１２のＸ軸方向の寸法公差を１０±１ｍｍに設定する。よって、内側部品１２のＸ軸方向の寸法は、最小値から最大値まで９．０ｍｍ〜１１．０ｍｍまでが考えられる。

次に、これら外側部品１０と内側部品１２の移動範囲を指定する。ここでは、外側部品１０を固定とし、孔１１のＸ軸方向の寸法の最大値をＬとし、Ｙ軸方向の寸法の最大値をＨとする。そして、内側部品１２は、この孔１１のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法の最大値Ｌ、Ｈの範囲内で移動できると仮定する。

内側部品１２を、その寸法公差１０±１ｍｍの範囲内で複数個を発生させて、内側部品１２の形状を再構築する。ここでは、図２（ａ）〜図２（ｄ）に示すように、Ｘ軸方向の寸法を、９．０ｍｍから１１．０ｍｍまでの４つを発生させた。なお、内側部品１２のＹ軸方向の寸法も同様に発生させることができるが、ここでは説明の便宜上、考慮しないこととする。

次に、孔１１のＸ軸方向の最大値Ｌと、Ｙ軸方向の最大値Ｈの範囲内で、内側部品１２の位置と姿勢をランダムに移動させる。すなわち、ここでは２次元形状ゆえ、内側部品１２をＸ軸方向とＹ軸方向、並びに回転方向にランダムに移動させる。このとき、例えば、内側部品１２を図１のＸ軸方向の左方へ移動させた場合、孔１１のＸ軸方向の最大値Ｌの範囲内であっても、内側部品１２を図１の二点鎖線で示したように移動させると、孔１１の内側面と内側部品１２とが干渉する。

よって、このようなことはあり得ないとして、排除する。この内側部品１２を図１のＸ軸方向の右方へ移動させた場合や、Ｙ軸方向、及び回転方向に移動させた場合についても同様である。

このような動作を、同様にして、図２（ａ）〜図２（ｄ）に示した内側部品１２を用いて行う。
そして、上述したような干渉のない状態での、外側部品１０の孔１１の側壁の一点Ｐと内側部品１２の側面の一点Ｑとの寸法値ｘを測定する。更に、この測定結果ｘのバラツキ分布を電子媒体に書き出す。なお、図１の鎖線のように、内側部品１２が孔１１内で回転した場合には、側壁の一点Ｐと内側部品１２の側面の一点Ｑとの寸法値ｘ'を測定する。

更に、このバラツキを設計者が見て、前述した寸法公差通りに、外側部品１０の孔１１と内側部品１２を作れば、所望の製品が出来上がるということを検証することができる。
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の公差解析装置の制御ブロック図を示している。

同図において、この公差解析装置２０は、入力操作部２１と中央制御部２２、及び表示装置２３を有している。中央制御部２２は、入力操作部２１からの操作に基づき、解析対象物としての各部品の３次元ＣＡＤデータ（形状データ）を作成する３次元ＣＡＤデータ作成部２７を有している。設計者は、この３次元ＣＡＤデータを作成した後、次に、各部品の寸法公差を設定すると共に、各部品の移動範囲を指定する。

また、中央制御部２２は、公差範囲内で各部品の寸法値をランダムに発生させる寸法発生部２４と、この寸法発生部２４で発生された各部品の各寸法ごとに、３次元ＣＡＤデータ（形状データ）を再構築する形状構築部２５と、再構築された各部品を、指定された最大移動範囲内で移動させて部品同士の干渉の有無をチェックする干渉チェック部２６と、を有している。

入力操作部２１は、いわゆるマウスやキーボードであり、解析対象物としての各部品の３次元ＣＡＤデータ（形状データ）を設定したり、各部品の寸法公差や幾何公差を設定したり、或いは各部品の移動範囲の最大値を指定したりする。

表示装置２３は、入力操作部２１での操作に基づき、中央制御部２２を介して所望のデータを図形や数字、記号等により表示する。
次に、図４は、本実施の形態による３次元ＣＡＤデータによる公差解析方法の制御フローチャートである。以下、その作業内容を図５〜図１１を参照しながら説明する。

まず、Ｓ１において、解析対象物としての各部品３１，３２の３次元ＣＡＤデータを作成する。
本実施の形態では、内枠部品３１（図６参照）と外枠部品３２（図７参照）を、図５に示すような模式図として組み付けてユニット３０とした場合を示す。ここでは、これら内枠部品３１と外枠部品３２の３次元形状データ（外径、内径、長さ、溝形状等）を入力操作部２１から入力する。

図６に示すように、内枠部品３１は、略中空円筒状をなし、軸方向の一端の外周部がやや大径をなし、かつその外周部には、円周方向の所定位置に３個の突起３３が形成されている。

また、図７に示すように、外枠部品３２は、内枠部品３１を嵌入可能な中空円筒状をなし、その側壁には、内枠部品３１の突起３３をガイドする略同形状の３個のガイド溝３４が形成されている。

Ｓ２において、各部品の各寸法公差を設定する。具体的には、図６に示すように、内枠部品３１に外径の寸法公差（例えば直径公差＝０〜＋０．０３ｍｍ）３５及び幾何公差（例えば真円度公差＝０．０２mm）３６を設定する。同様にして、図７に示すように、外枠部品３２にも内径の寸法公差（例えば直径公差＝−０．０３ｍｍ〜−０．０１ｍｍ）３７及び幾何公差（例えば真円度公差＝０．０２mm）３８を設定する。

次に、Ｓ３において、各部品の移動範囲を指定する。本実施形態では、例えば、外枠部品３２を位置固定して、図８に示すように、この外枠部品３２に対する内枠部品３１の移動範囲を最大値で指定する。このときの移動範囲は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の距離、及びＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸周りの回転角度の夫々単独での最大値とする。

本実施形態では、Ｘ，Ｙ軸方向の移動範囲は、外枠部品３２と内枠部品３１のＸ，Ｙ軸方向の寸法公差（ガタ分）の範囲内であり、Ｚ軸方向の移動範囲はガイド溝３４と突起３３とのＺ軸方向の寸法公差（ガタ分）の範囲内である。また、例えばＺ軸周りの回転角度は、ガイド溝３４と突起３３とのＺ軸周りの寸法公差（ガタ分）の範囲内である。更に、Ｘ軸又はＹ軸周りの回転角度は、外枠部品３２の内径寸法と内枠部品３１の外形寸法との直径方向の寸法公差（ガタ分）の範囲内である。

以上説明したＳ１からＳ３までは、設計者が指定する。
次に、Ｓ４において、内枠部品３１と外枠部品３２の各寸法公差の範囲内で、各寸法を有する内枠部品３１と外枠部品３２をランダムに発生させる。この場合、内枠部品３１と外枠部品３２に設定されている全ての寸法公差及び全ての幾何公差部分の寸法を、内枠部品３１と外枠部品３２の各寸法公差の範囲内でランダムに発生させる。

Ｓ５において、内枠部品３１と外枠部品３２に設定されている全ての寸法公差及び全ての幾何公差部分の寸法で、内枠部品３１と外枠部品３２の夫々の３次元ＣＡＤデータ（形状データ）を再構築する。

この再構築とは、Ｓ１において作成された３次元ＣＡＤデータに代えて、全ての寸法公差及び全ての幾何公差部分の寸法で作成した新たな内枠部品３１と外枠部品３２との３次元ＣＡＤデータを用いるということである。

Ｓ６において、各部品に指定された移動範囲内で、外枠部品３２に対し内枠部品３１の位置と姿勢をランダムに移動させる。具体的には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向にガタ分だけ直線移動させると共に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りにガタ分だけ夫々の軸周りに回転させる。

例えば、図９において、外枠部品３２を固定したと仮定した場合に、内枠部品３１がＸ軸方向及びＺ軸方向に移動できる量は、ガイド溝３４に突起３３が当接するまでの値であり、Ｘ軸方向ではΔｘであり，Ｚ軸方向ではΔｚである。また、例えば内枠部品３１は、
該内枠部品３１と外枠部品３２の直径方向の寸法公差の範囲内で、図９のＹ軸周りにθだけ回転（姿勢の傾き）できることになる。

この場合の内枠部品３１と外枠部品３２は、正規分布や一様分布などのバラツキ分布の中から無作為に抽出した値によって、Ｓ５で再構築した外枠部品３２に対し、内枠部品３１の位置と姿勢を移動させる。このときの「姿勢」とは、軸回りに所定角度回転したときの状態を含む意味である。このときに、Ｓ７で、３次元ＣＡＤで内枠部品３１と外枠部品３２との間に干渉が生じているか否かの干渉チェックを実施する。

また、本実施形態では、例えば内枠部品３１と外枠部品３２との間に干渉が生じているか否かを判断するものであり、このように干渉するか否かで判断するので、過拘束（同一構成部分が複数ある個所での略同時干渉）の場合においても簡単に公差解析を行うことができる。

すなわち、図１０に示すように、内枠部品３１の突起３３と外枠部品３２のガイド溝３４との間に干渉部分Ｃが存在する場合には、実際にはこういう状態は存在しないので排除する。そして、Ｓ７において干渉が存在する場合には、Ｓ６に戻って、再度Ｓ３で指定した範囲内で、各寸法公差の範囲内で外枠部品３２と内枠部品３１を抽出し、この外枠部品３２に対し内枠部品３１の位置と姿勢をランダムに移動させる。

Ｓ８では、Ｓ７において干渉が存在しない場合には、図１１に示すように、所定位置Ａの基準点Ｂからの距離Ｌを測定する。この所定位置Ａとは、内枠部品３１の開口側端面を含む平面の略中心の位置であり、また、基準点Ｂとは、外枠部品３２の開口側端面を含む平面の略中心の位置である。

このＳ８では、所定位置Ａの基準点Ｂからの距離Ｌを指定回数測定したのち、すなわち、Ｓ４〜Ｓ８を指定回数繰り返したのち、Ｓ９において、所定位置の測定結果のバラツキ分布を電子媒体に書き出す。

設計者は、この書き出された表示を見て、適切な公差が効率良く設定できているか否かを判断することができる。すなわち、設計者は、各部品をその公差通りに作成すれば、所定公差のユニットが得られることを検証することができる。

本実施の形態によれば、３次元的な曲面の組み付けや、複数部分でガタを持つ組み付け、若しくは２箇所以上で干渉部分が発生するような過拘束状態となるような組み付けなどの構成でも、干渉の有無をチェックすることで各部品の位置と姿勢をランダムに移動させているため、正確な公差解析を行うことができる。これにより、設計者は適切な公差を効率良く設定することができる。

本実施の形態の内側部品と外側部品の組み付け状態を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ寸法公差の範囲内で多数発生させた内側部品の形状を示す図である。 本実施の形態の制御ブロック図である。 本実施の形態の制御フローチャートを示す図である。 本実施の形態のユニットの外観を模式的に示す図である。 内枠部品の外観を示す図である。 外枠部品の外観を示す図である。 内枠部品の移動方向と回転方向を示す図である。 内枠部品と外枠部品を組み付けた状態の正面図である。 内枠部品と外枠部品が干渉した状態の断面正面図である。 内枠部品と外枠部品の組み付け状態の測定位置を示す断面正面図である。

符号の説明

１０ 外側部品
１１ 孔
１２ 内側部品
２０ 公差解析装置
２１ 入力操作部
２２ 中央制御部
２３ 表示装置
２４ 寸法発生部
２５ 形状構築部
２６ 干渉チェック部
２７ ３次元ＣＡＤデータ作成部
３０ ユニット
３１ 内枠部品
３２ 外枠部品
３３ 突起
３４ ガイド溝
３５ 寸法公差
３６ 幾何公差
３７ 寸法公差
３８ 幾何公差

Claims (4)

1. ３次元ＣＡＤで作成した機構構造物を構成する複数の各部品を組み付ける際の公差を解析する公差解析方法において、
   前記複数の各部品の寸法値を夫々の公差範囲内で発生させる工程と、
   該発生させた各部品の３次元ＣＡＤデータを再構築する工程と、
   該再構築された各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を任意に移動させて、各部品同士の干渉の有無をチェックする干渉チェック工程と、を備えている、
   ことを特徴とする公差解析方法。
2. 前記干渉チェック工程では、各部品同士の干渉が存在した場合、各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を前回とは変化させて干渉が存在しない状態になるまで繰り返し移動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の公差解析方法。
3. ３次元ＣＡＤで作成した機構構造物を構成する複数の各部品を組み付ける際の公差を解析する公差解析装置において、
   前記複数の各部品の寸法値を夫々の公差範囲内で発生させる寸法発生部と、
   該発生させた各部品の３次元ＣＡＤデータを再構築する形状構築部と、
   該再構築された各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を任意に移動させて、各部品同士の干渉の有無をチェックする干渉チェック部と、を備えている、
   ことを特徴とする公差解析装置。
4. 前記干渉チェック部は、各部品同士の干渉が存在した場合、各部品の３次元ＣＡＤデータにおける位置と姿勢を前回とは変化させて干渉が存在しない状態になるまで繰り返し移動させる制御を行う、
   ことを特徴とする請求項３に記載の公差解析装置。

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