JP2020027654A - 三次元cad用突起解析システム、三次元cad用突起解析方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
三次元cad用突起解析システム、三次元cad用突起解析方法及びコンピュータプログラム Download PDFInfo
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Abstract
Description
「自動車の車枠及び車体は、次の基準に適合するものでなければならない。
車枠及び車体は、堅ろうで運行に十分耐えるものとして、強度、取付方法等に関し告示で定める基準に適合するものであること。
(中略)
二 車体の外形その他自動車の形状は、鋭い突起がないこと、回転部分が突出していないこと等他の交通の安全を妨げるおそれがないものとして、告示で定める基準に適合するものであること。」
「車枠及び車体の強度、取付方法等に関し、保安基準第18条第1項第1号の告示で定める基準は、次の各号に掲げる基準とする。
(中略)
2 車体の外形その他自動車の形状に関し、保安基準第18条第1項第2号の告示で定める基準は、車体の外形その他自動車の形状が、鋭い突起を有し、又は回転部分が突出する等他の交通の安全を妨げるおそれのあるものでないこととする。この場合において、次に該当する車枠及び車体は、この基準に適合するものとする。
(中略)
三 専ら乗用の用に供する乗車定員10人以下の自動車及び貨物の運送の用に供する車
両総重量2.8t以下の自動車に備えるエア・スポイラ(中略)であって、次の要件に適合するもの
イ エア・スポイラは、自動車の前部及び後部のいずれの部分においても、自動車の最前端又は最後端とならないものであること。ただし、バンパの下端より下方にある部分であって、直径100mm の球体が静的に接触することのできる部分(中略)の角部が半径5 mm以上であるもの(中略)。
ロ エア・スポイラ(中略)は、直径100mm の球体が静的に接触することのできる部分に半径2.5mm未満の角部を有さないものであること。
(中略)
ニ 乗車定員が10人未満の専ら乗用の用に供する自動車(中略)であって、車体等その他基部から突出量 が5mm 以上であり、かつ先端の曲率半径が 2.5mm 未満である突起物を有するもの。」
(1)突起輪郭と、曲率半径決定のためのサンプリング点の生成をCADデータ上での幾何学的作図により実施しているため、サンプリング点生成の処理負荷が大きい。
(2)球面の曲率半径を断面輪郭の円近似で行っており、サンプリング点の数も高々円弧を特定可能な3点のみであるため、球面の曲率半径値の決定精度は低い。
(3)CAD上にて突起位置を探索する機能が備わっておらず、CAD上での突起の特定は、特許文献1と同様にオペレータ作業に委ねられている。その結果、突起の存在自体を見落としてしまう不具合までは解消できないし、多数の突起が存在する場合、その探索作業の負荷は依然大きい。
曲率情報が示す領域の曲率が予め定められた値よりも大きくなる場合に、対応するサブ点群を突起に由来する突起点群として特定する突起点群特定ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
(実施の形態1)
図1は、本発明の三次元CAD用突起解析システムの一構成例を示すブロック図である。三次元CAD用突起解析システム1はマイコン50を処理主体として備えている。該マイコン50は、CPU51、プログラム実行領域となるRAM52、ROM53、入出力部54及びそれらを相互に接続するバス56等からなる。バス56にはハードディスクドライブ55が接続されている。また、入出力部54には情報出力用のモニタ59及びプリンタ61と、入力部60(キーボード、マウス、タッチパネル等)とが接続されている。
n=(V2−V1)×(V3−V1)
として記述でき、必要に応じて外積ベクトルの大きさを用いて正規化したデータとして演算される。なお、三次元CADソフトウェア155に組み込まれているSTLファイルコンバータは、要求される解像度に応じて三角形への分割数をカスタマイズできるようになっている。
・点群生成プログラム158a:STLファイル157として与えられる三次元CADデータを、解析対象部品モデルの表面に沿って分散する点群のデータに変換する(点群変換部)。具体的には、STLファイルを構成する三角形STLの頂点座標に基づいて点群の座標値を生成する点群座標値生成部の機能が組み込まれている。
・点群選択プログラム158b:点群空間内にて、上記点群から各々4点以上を含む突起探索用のサブ点群を選択する(サブ点群選択部)。具体的には、解析対象部品モデルの表面に分散する点群中の1つの点を基準点として定めるとともに、当該基準点から一定の回収半径ρ内に存在する点群をサブ点群として定める。なお、点群選択プログラム158bは、回収半径ρが張る球体空間の全域を一様に走査して点群を特定するように構成してもよいが、本実施形態では処理負荷軽減のために、回収半径ρ内に存在する基準点を起点とした最近傍点列を順次探索する最近傍点探索部の機能が組み込まれている。
・曲率半径学習エンジン158d:図21に示す如く、解析対象部品モデルについて算出された曲率kの値、曲率の算出に用いたサブ点群の点の数(回収点の数)N(及び、本実施形態では、サブ点群の回収半径ρ)が入力されることにより、曲率kに対応する曲率半径値rcを演算・出力する学習済みAIエンジンモジュールとして構成される。詳細については、後述する。
・突起存在形態解析プログラム158e:図22及図23に示す如く、予め定められた直径の仮想球SBを突起点群に対して接触させるシミュレーション演算を行なうととともに、当該仮想球SBと突起点群との接触形態に基づいて、該突起点群により規定される突起の存在形態を解析する(突起存在形態解析部)。
A=(1/2){(V2−V1)2・ (V3−V1)2
−(V2−V1)・ (V3−V1)}1/2 ・・(10)
等を用いて演算する。
P≡κ1・V1+κ2・V2+κ3・V3 ・・・(11)
にて記述したとき、結合係数κ1、κ2、κ3の2つを、各々独立した2つの一様乱数ε1及びε2を用いて決定する。一様乱数は確率変数の実現値として定義されるので、0<ε1<1及び0<ε2<1である。なお、使用する独立した乱数の数が2であることは、二次元平面上に任意の点の位置座標を設定するための必要十分条件でもある。
κ1=ε1
κ2=ε2
κ3=1− κ1−κ2 ・・・(12)
として決定し、S107にて生成点Pの座標(位置ベクトル)を式(11)により計算する。なお、三角形内に生成点をより一様に分散させるために、κ1+κ2+κ3=1を充足させつつ、κ1、κ2、κ3の少なくともいずれかを適宜補正して算出するようにしてもよい。
Q1=(V2−V1)× (P−V2)
Q2=(V3−V2)× (P−V3)
Q3=(V1−V3)× (P−V1) ・・・(13)
を求め、これら3つの外積ベクトルの向きが一致しているかどうかを調べることにより実施できる(向きが一致している場合、生成点Pが三角形の内部にある、と判定される)。外積ベクトルQ1、Q2、Q3の向きは、例えば内積Q1・Q2、Q2・Q3及びQ3・Q1の符号比較等により判定が可能である。
κ1=(ε1)1/2
κ2=(1−ε2)・(ε1)1/2
κ3=ε2 ・(ε1)1/2 ・・・(14)
と選べばよい。しかし、一様乱数の平方根演算が介在する処理であり、多数の点群を発生させたい場合は演算量が肥大化する可能性があるため、式(12)ないしその補正形を用いることがより望ましいといえる。
・前述の保安基準等にて「鋭い突起」として認識されるべき曲率半径の上限値(例えば2.5mm〜7mm程度、特に基準値として明示されている2.5mmないし5mm)の突起が確実に検出されること。この場合、回収半径ρは、突起の表面全体を包含できるように設定する必要はなく、望ましくは、突起以外の表面領域がなるべく含まれないよう、突起表面の一部のみが切り取られるように設定するのがよい。回収半径を不要に大きく設定しすぎると、当該回収半径内に複数の突起が含まれてしまうこともあり得、曲率算出の精度低下につながる懸念を生じうる。
まず、図17において、基準点P0が葉セルL11〜L42のうちどれに所属しているかを調べる。例えば、P0が葉セルL21(第3階層分割面ζ2により紙面直交方向に分割される2つの葉セルL21, L22のうち、前面側に位置するものである)に属していた場合、P0を探索参照点として、L21内のP0の最短点Ptまでの距離r0と、ζ2までの距離rζ2とを比較する。ここでは、r0>ζ2となっており、ζ2に関する隣接葉セルL22内に真の最近傍点が存在する可能性がある。よって、葉セルL22内にP0の最短点(非図示)までの距離riとr0とを比較する。r0<riであれば、葉セルL22内にP0の真の最近傍点は存在しないので、葉セルL22を探索対象から除外する(図中破線で表示:他方、r0>riの場合は探索参照点をL22内の最短点と置き換える)。
k=λ0/(λ0+λ1+λ2)・・・(15)
と算出することができる。上記分散・共分散行列Sは、数学的には、
と表すことができる。piはn個の点群のi番目のものの座標を与える行ベクトル、pavはn個の点群の平均座標(重心座標)を与える行ベクトルである。(pi−pav)Tは(pi−pav)を転置して得られる列ベクトルであるから両者の積は行列となり、そのn個の点群についての平均を与える行列Sは点群座標の分散・共分散行列となることが理解されよう。
・「バンパの下端より下方にある部分であって、直径100mm の球体が静的に接触することのできる部分(中略)の角部(突起)が半径5 mm未満」となっていた場合:
→角部を削除するか、半径5 mm以上となるように設計変更を行なう。
・「エア・スポイラ(中略)において、直径100mm の球体が静的に接触することのできる部分に半径2.5mm未満の角部(突起)」が発見された場合:
→角部を削除するか、半径2.5mm以上となるように設計変更を行なう。
・「 乗車定員が10人未満の専ら乗用の用に供する自動車(中略)であって、車体等その他基部から突出量 が5mm 以上であり、かつ先端の曲率半径が 2.5mm 未満である突起物」が生じていた場合:
→突起を削除するか、半径2.5mm以上となるように設計変更を行なう。
上記実施の形態1における突起解析手法では、探索された突起の形状とは無関係に、生成した点群の座標値を用いて突起の曲率を演算し、さらに機械学習的な手法によりこれを曲率半径に変換していた。しかし、該手法は、最終的な曲率半径値が得られるまでに要する演算量がやや多く、対象部品表面の全点群を対象に適用した場合、全ての突起の曲率半径の特定に相当の時間を要する問題がある。
σ=|zs−z’|
として演算するように構成できる。これにより、距離の外れ値σをz軸上の座標差分により簡単に演算できる。
P≡κ1・V1+κ2・V2+κ3・V3
にて記述するとともに、結合係数κ1、κ2、κ3の2つを、各々独立した一様乱数ε1及びε2を用いて決定するように構成できる。三角形の3つの頂点の座標値(位置ベクトルの成分)の線形結合を用いた簡易な計算アルゴリズムに、点群をランダムに発生させるための乱数を簡便に組み込むことができ、点群発生の処理負荷の軽減に貢献する。
k=λ0/(λ0+λ1+λ2)・・・(1)
と算出するものとして構成できる。
50 マイコン
51 CPU
52 RAM
53 ROM
54 入出力部
55 ハードディスクドライブ
56 バス
59 モニタ
60 入力部
61 プリンタ
155 三次元CADソフトウェア
156 CADネイティブファイル
156a 図形ID
157 STLファイル
158 突起解析ソフトウェア
158a 点群生成プログラム
158b 点群探索プログラム
158c 曲率解析プログラム
158d 曲率半径学習エンジン
158e 突起存在形態解析プログラム
158f 曲面回帰プログラム
159 点群データ
160 突起解析データ
156a 図形ID
156b 図形種別
156c 記述データ
157a STLID
157b 頂点座標
n 法線ベクトル
159a 点ID
159b 点座標
159c 探索フラグ
159d 突起点群フラグ
160a 突起ID
160b 曲率半径
161外れ値情報記憶部
hp ハンドリング点
ob 曲面パッチオブジェクト
BMP 突起
STL 三角形
V1,V2,V3 頂点位置ベクトル
P 点
SPG サブ点群
PM 解析対象部品モデル
ρ 回収半径
k 曲率
r 曲率半径
SB 仮想球
Claims (23)
- 突起を有した解析対象部品モデルの表面形状を図形データとして記述する三次元CADデータを、前記解析対象部品モデルの表面に沿って分散する点群に変換する点群変換部と、
前記点群から各々4点以上を含む突起探索用のサブ点群を選択するサブ点群選択部と、
前記サブ点群に含まれる4以上の点の座標値に基づき、当該サブ点群に対応する領域の曲率情報を生成する曲率情報生成部と、
前記曲率情報が示す前記領域の曲率が予め定められた値よりも大きくなる場合に、対応する前記サブ点群を前記突起に由来する突起点群として特定する突起点群特定部と、
を備えたことを特徴とする三次元CAD用突起解析システム。 - 前記三次元CADデータは前記解析対象部品モデルの表面の立体曲面形状を複数の三角形の集合にて近似的に記述するSTLデータであり、前記点群変換部は、前記STLデータを構成する前記三角形の頂点座標に基づいて前記点群の座標値を生成する点群座標値生成部を有する請求項1記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記点群座標値生成部は、個々の前記三角形の前記頂点座標に基づき各前記三角形の内部に複数の点が分散生成するように、それら点の座標値を決定するものである請求項2記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記STLデータは、前記立体曲面形状において曲率の大きい領域ほどサイズの小さい三角形群で被覆されるように構成されており、
前記点群座標値生成部は、前記三角形のサイズが大きいほど、1つの三角形内に生成される点の数が多くなるように前記点群の座標値を決定するものである請求項3記載の三次元CAD用突起解析システム。 - 前記点群座標値生成部は、各前記三角形内に前記点群がランダムに分散生成されるよう、乱数を用いて前記点群の座標値を決定するものである請求項3又は請求項4に記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記点群座標値生成部は、結合係数κ1、κ2、κ3(ただし、κ1+κ2+κ3=1)を用いて前記三角形内の点の位置ベクトルPを、前記三角形の3つの頂点の位置ベクトルV1,V2,V3の線形結合により、
P≡κ1・V1+κ2・V2+κ3・V3
にて記述するとともに、前記結合係数κ1、κ2、κ3の2つを、各々独立した一様乱数ε1及びε2を用いて決定するものである請求項5記載の三次元CAD用突起解析システム。 - 前記サブ点群選択部は、前記解析対象部品モデルの表面に分散する前記点群中の1つの点を基準点として定めるとともに、当該基準点から一定の回収半径内に存在する点を前記サブ点群として定めるものである請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記サブ点群選択部は、前記回収半径内に存在する前記基準点を起点とした複数の点からなる最近傍点列を順次探索する最近傍点探索部を備える請求項7記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記最近傍点探索部は、前記点群の座標空間を三次元Kd木により分割するとともに、前記基準点が所属する葉セルを探索起点セルとして、隣接する葉セルを前記Kd木構造に沿って順次探索することにより前記最近傍点列を決定する請求項8記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記曲率情報生成部は、前記サブ点群をなす複数の前記点の座標値の分散・共分散行列の3つの固有値λ0、λ1、λ2(ただし、λ0は最小固有値)に基づいて、前記曲率kを、
k=λ0/(λ0+λ1+λ2)
として算出するものである請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の三次元CAD用突起解析システム。 - 前記曲率情報生成部は、前記曲率を曲率半径値に変換する曲率半径値変換部を備える請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記曲率半径値変換部は、表面の曲率半径が既知の学習用突起を含む参照部品モデルの前記学習用突起について前記曲率情報生成部により算出された前記曲率の値と、当該曲率の算出に用いた前記サブ点群の点の数とを含む入力情報と、前記学習用突起の前記曲率半径値を含む出力情報とからなる教師データを複数組用いて機械学習済みの曲率半径機械学習部を備え、前記解析対象部品モデルの前記突起について前記曲率情報生成部により算出された前記曲率の値と、当該曲率の算出に用いた前記サブ点群の点の数とが入力されることにより、前記曲率に対応する曲率半径値を算出・出力するものである請求項11記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 予め定められた直径の仮想球を前記突起点群に対して接触させるシミュレーション演算を行なうととともに、当該仮想球と前記突起点群との接触形態に基づいて、該突起点群により記述される前記突起の存在形態を解析する突起存在形態解析部を備える請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記突起存在形態解析部は、前記仮想球との直接接触が生ずる接触型突起点群と、周囲に存在する隣接突起点群との干渉により前記仮想球との直接接触が不能となる非接触型突起点群とを識別するものである請求項13記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記仮想球に対し1つの突起点群が単独でのみ接触可能となる場合の該突起点群を独立接触型突起点群とし、前記仮想球に対し複数組の突起点群が同時に接触する場合のそれら複数組の突起点群を重複接触型突起点群として、前記突起存在形態解析部は前記接触型突起点群が、前記独立接触型突起点群と前記重複接触型突起点群とのいずれであるかをさらに識別するものである請求項14記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記サブ点群に対する回帰分析を行なうことにより、前記サブ点群に適合する3次元回帰曲面の関数式を決定する回帰曲面決定部と、
前記回帰曲面に対する前記サブ点群の距離的な偏差を外れ値として演算する外れ値演算部とを備え、
前記曲率情報生成部は、前記外れ値が予め定められた閾値を超える場合に、該外れ値が前記閾値を超えるサブ点を含む4以上の点の座標値に基づき、当該サブ点群に対応する領域の曲率情報を生成する一方、前記外れ値が前記閾値未満の場合には前記三次元回帰曲面の関数式に対する微分解析により前記曲率情報を生成する請求項1ないし請求項15のいずれか1項に記載の三次元CAD用突起解析システム。 - 先鋭化した突起先端形状に由来して、該突起先端における数学的な接平面が定義不能となる特異点を前記サブ点群が含む場合に、前記曲率情報生成部は、該特異点にて前記外れ値が前記閾値を超えるに伴い、該特異点を含む前記サブ点群の座標値に基づき、当該サブ点群に対応する領域の曲率情報を生成するものである請求項16記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記サブ点群選択部は、前記解析対象部品モデルの表面に分散する前記点群中の1つの点を基準点として定めるとともに、当該基準点から一定の回収半径内に存在する少なくとも6つの点を前記サブ点群として定めるものであり、前記回帰曲面決定部は前記三次元回帰曲面を二次曲面として決定する請求項16又は請求項17に記載の三次元CAD用突起解析システム。
- 前記サブ点群選択部は、前記回収半径内に存在する7以上の点を前記サブ点群として定めるものであり、
前記回帰曲面決定部は前記サブ点群を用いた最小二乗回帰により前記二次曲面を決定する請求項18記載の三次元CAD用突起解析システム。 - 前記回帰曲面決定部は、前記回収半径内の前記サブ点群に対し、それらサブ点群をなす点の座標値の分散・共分散行列の3つの固有値のうち、最小の固有値をλ0として、該λ0に対応する固有ベクトルを突起極大点における法線方向を示すz軸と、該z軸と各々直交するx軸及びy軸とを定め、前記二次曲面をそれらx−y−z直交空間座標系にて記述するものであり、
前記外れ値演算部は、前記サブ点群のx座標値及びy座標値を前記二次曲面を示す関数式z(x,y)に代入することにより、前記二次曲面上の対応z軸座標値z’を演算し、前記サブ点群をなす各点のz座標をzsとして前記外れ値σを、
σ=|zs−z’|
にて演算するものである請求項18又は請求項19に記載の三次元CAD用突起解析システム。 - 前記曲率情報生成部は、前記外れ値が前記閾値を超える場合には、表面の曲率半径が既知の学習用突起を含む参照部品モデルの前記学習用突起について前記曲率情報生成部により算出された前記曲率の値と、当該曲率の算出に用いた前記サブ点群の点の数とを含む入力情報と、前記学習用突起の前記曲率半径値を含む出力情報とからなる教師データを複数組用いて機械学習済みの曲率半径機械学習部を備え、前記解析対象部品モデルの前記突起について前記曲率情報生成部により算出された前記曲率の値と、当該曲率の算出に用いた前記サブ点群の点の数とが入力されることにより、前記曲率に対応する曲率半径値を算出・出力する一方、前記外れ値が前記閾値未満の場合には、前記二次曲面を示す前記関数式を用いて前記基準点での値として演算されたガウス曲率と平均曲率との値に基づき、前記曲率半径値を算出・出力するものである請求項20記載の三次元CAD用突起解析システム。
- コンピュータが、
突起を有した解析対象部品モデルの表面形状を図形データとして記述する三次元CADデータを、前記解析対象部品モデルの表面に沿って分散する点群に変換し、
前記点群から各々4以上を含む突起探索用のサブ点群を選択し、
前記サブ点群に含まれる4以上の点の座標値に基づき、当該サブ点群に対応する領域の曲率情報を生成し、
前記曲率情報が示す前記領域の曲率が予め定められた値よりも大きくなる場合に、対応する前記サブ点群を前記突起に由来する突起点群として特定する、
ことを特徴とする三次元CAD用突起解析方法。 - 突起を有した解析対象部品モデルの表面形状を図形データとして記述する三次元CADデータを、前記解析対象部品モデルの表面に沿って分散する点群に変換する点群変換ステップと、
前記点群から各々4以上を含む突起探索用のサブ点群を選択するサブ点群選択ステップと、
前記サブ点群に含まれる4以上の点の座標値に基づき、当該サブ点群に対応する領域の曲率情報を生成する曲率情報生成ステップと、
前記曲率情報が示す前記領域の曲率が予め定められた値よりも大きくなる場合に、対応する前記サブ点群を前記突起に由来する突起点群として特定する突起点群特定ステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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