JP2022045533A5 - - Google Patents

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発明は、曲面を当該曲面上の任意の曲線群を展開基準線として平面に展開する曲面展開プログラム、及び曲面展開プログラムを用いて得られた平面展開図に対して刺しゅう機のツールパスを計算するツールパス計算プログラムに関する。 The present invention is a curved surface development program that develops a curved surface into a plane using an arbitrary group of curves on the curved surface as a development reference line, and a tool path of the embroidery machine is calculated for the plane development drawing obtained using the curved surface development program. related to a toolpath calculation program .

炭素繊維強化樹脂(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)は、鋼と比較して比強度や比弾性率が優れており、特に自動車産業および航空宇宙産業においてその利用が増加している。例えば、ボーイング787やエアバスA350XWBなどの航空機構造には、重量ベースで約50%もの複合材が利用されている。また近年、ドイツのドレスデンにあるライプニッツ研究所(IPF Dresden)によって発明されたテーラードファイバープレースメント(Tailored Fiber Placement,TFP)技術が注目されている。TFP技術を用いると、ガラスクロス材などの基材に対して所定の軌道に沿って炭素繊維トウを刺しゅうしてCFRP成形用のプリフォームを作製することができる。ここでトウ(tow)とは、ヨリのかかっていない炭素繊維の連続フィラメントの束を指す。またプリフォームとは、炭素繊維トウが刺しゅうされたCFRP成形用の基材シートを指す。
シート状のプリフォームを設計形状のメス型に沿って積み重ね、真空含浸工法(Vacuum assisted resin transfer molding,VaRTM)などを用いてCFRP製品を成形する。TFP技術により、設計者が意図する方向に炭素繊維トウが配置されたプリフォームを作製することで、成形品内部の繊維の流れを制御することが出来る。これにより、炭素繊維が直交方向に織り込まれた繊維シートであるクロス材や、炭素繊維が一方向にのみ織りこまれた繊維シートである一方向材の織物材を利用した従来の成形法と比べて設計自由度が高くなるため、軽量化及び高強度化などの製品の高機能化の面で大きな利点がある。
Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) have superior specific strength and specific modulus compared to steel, and their use is increasing, especially in the automotive and aerospace industries. For example, aircraft structures such as the Boeing 787 and Airbus A350XWB utilize as much as 50% composite materials on a weight basis. In recent years, much attention has been paid to Tailored Fiber Placement (TFP) technology invented by the Leibniz Institute (IPF Dresden) in Dresden, Germany. Using the TFP technique, it is possible to fabricate a preform for CFRP molding by embroidering carbon fiber tows along a predetermined trajectory on a base material such as a glass cloth material. A tow as used herein refers to a bundle of continuous untwisted carbon fiber filaments. A preform refers to a base sheet for CFRP molding embroidered with carbon fiber tows.
Sheet-shaped preforms are stacked along the designed female mold, and CFRP products are molded using vacuum assisted resin transfer molding (VaRTM). By using TFP technology to create a preform with carbon fiber tows arranged in the direction intended by the designer, it is possible to control the flow of fibers inside the molded product. As a result, compared with the conventional molding method using a cloth material, which is a fiber sheet in which carbon fibers are woven in the orthogonal direction, or a unidirectional fabric material, which is a fiber sheet in which carbon fibers are woven in only one direction, Since the degree of freedom in design is increased, there is a great advantage in terms of product functionality enhancement such as weight reduction and strength enhancement.

ここで、特許文献1には、形成目的面における複数の最大主曲率線及び複数の最小主曲率線を求める目的面曲率線取得部と、形成目的面が最大主曲率線及び最小主曲率線で区切られた各領域について、対応する平面上の領域の形状を示すデータを求める平面上領域取得部とを備える形状取得装置が開示されている。
また、特許文献2には、形成目的の面における、最大主曲率方向および最小主曲率方向のいずれか一方の2本の曲率線である第1曲率線および第2曲率線を求め、最大主曲率方向および最小主曲率方向のうち、第1曲率線および第2曲率線とは異なる方向の、第1曲率線から第2曲率線までの曲率線である第3曲率線を複数求める目的面曲率線取得部と、第1曲率線を平面に展開し、第3曲率線の各々を、第1曲率線に含まれる点を始点として平面に等長展開し、第2曲率線を、平面に展開された第3曲率線のいずれかの終点を通るように平面に展開する展開部と、平面に展開された第2曲率線と1つ以上の第3曲率線の終点とのずれに基づいて、平面のうち除去すべき部分を求める除去部分設定部とを備える除去部分設定装置が開示されている。
また、特許文献3には、所定形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、高強度繊維からなる糸によって基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、基材に対して運針により刺し綴った高強度繊維からなる糸は、基材の少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成し、表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成したFRP素材が開示されている。
また、特許文献4には、少なくとも2組の2軸ステッチ基材が積層されて係合材料にて一体化された多層基材であって、2軸ステッチ基材は、多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシート複数枚を強化繊維糸条が2方向に配向するように積層してステッチ糸にて縫合してなり、係合材料の融点Tmcが80~200℃の範囲内にあり、かつ、ステッチ糸の融点が(Tmc+10)~(Tmc+120)℃の範囲内にある多層基材が開示されている。
また、特許文献5には、層A、層B、層Cの順で積層されている部分を少なくとも含む積層シートであって、層Aは、一定の方向に平行に引き揃えられて、平面状に並んでいるフィラメントA群で構成され、層Bは、熱溶融性フィルムで構成され、層Cは、フィラメントA群が引き揃えられている方向とは異なる方向に平行に引き揃えられて、平面状に並んでいるフィラメントC群で構成され、層A、層B及び層Cは、長手方向に走る複数本の縫い糸によって縫製されて一体化しており、各縫い糸は、経編組織で編成されている、熱溶融性フィルムを母体とするFRPを製造するための積層シートが開示されている。
また、非特許文献1には、曲面と外板展開を論理的に扱うことで、幾何学的変形(曲げと絞り)を定量化し、ぎょう鉄加工の作業指示線を与えることができる外板現図展開手法が開示されている。
また、非特許文献2には、正確な長さを維持して境界線が曲率線である各パッチの4つの曲線を平面にマッピングして、それらを互いにほぼ直交する曲線として接続することにより自由曲面を展開する方法が開示されている。
Here, in Patent Document 1, a target surface curvature line acquisition unit that obtains a plurality of maximum principal curvature lines and a plurality of minimum principal curvature lines on a formation target surface, and a formation target surface with a maximum principal curvature line and a minimum principal curvature line A shape acquisition device is disclosed that includes a planar area acquisition unit that obtains data indicating the shape of the corresponding planar area for each of the divided areas.
Further, in Patent Document 2, a first curvature line and a second curvature line, which are two curvature lines in either one of the maximum principal curvature direction and the minimum principal curvature direction, on a surface to be formed are obtained, and the maximum principal curvature A target surface curvature line for obtaining a plurality of third curvature lines that are curvature lines from the first curvature line to the second curvature line in a direction different from the first curvature line and the second curvature line among the direction and the minimum principal curvature direction an acquisition unit for developing the first curvature lines on a plane, isometriically developing each of the third curvature lines on the plane with a point included in the first curvature lines as a starting point, and developing the second curvature lines on the plane; Based on the deviation between the developed portion developed on the plane so as to pass through one of the end points of the third curvature line developed on the plane and the end points of the second curvature line developed on the plane and one or more third curvature lines, the plane A removal portion setting device is disclosed that includes a removal portion setting unit that obtains a portion to be removed from among.
In addition, in Patent Document 3, a thread made of high-strength fibers is sewn on a base material of a predetermined shape, and at least one surface of the base material is covered with a thread made of high-strength fibers. Threads made of high-strength fibers pierced with a needle on the base material are sewn in a mountain fold on at least one surface of the base material to form a continuous loop shape arranged in many rows, and a continuous loop shape is formed on the surface side. An FRP material is disclosed in which the mountain-folded tip of the loop-shaped thread is configured to be a free end.
Further, Patent Document 4 discloses a multilayer base material in which at least two sets of biaxially stitched base materials are laminated and integrated with an engaging material, wherein the biaxially stitched base material is composed of a large number of reinforcing fiber yarns. A plurality of sheets in which the threads are arranged in parallel are laminated so that the reinforcing fiber threads are oriented in two directions and sewn with a stitch thread, and the melting point Tmc of the engaging material is within the range of 80 to 200 ° C. and the melting point of the stitch yarn is in the range of (Tmc+10) to (Tmc+120)°C.
Further, Patent Document 5 discloses a laminated sheet including at least a portion in which layer A, layer B, and layer C are laminated in this order, wherein layer A is aligned in parallel in a certain direction and formed into a planar shape. The layer B is composed of a heat-fusible film, and the layer C is aligned in parallel in a direction different from the direction in which the filament A group is aligned to form a plane It is composed of a group of filaments C arranged in a shape, and the layers A, B and C are sewn and integrated with a plurality of sewing threads running in the longitudinal direction, and each sewing thread is knitted with a warp knitting structure. Laminated sheets for manufacturing FRP having a heat-fusible film as a matrix are disclosed.
In addition, in Non-Patent Document 1, by logically treating curved surfaces and skin development, geometric deformation (bending and drawing) can be quantified, and the work instruction line for steel processing can be given. A current map development technique is disclosed.
Also, in Non-Patent Document 2, four curves of each patch whose boundary lines are curvature lines while maintaining the correct length are mapped onto a plane, and they are connected as curves that are almost orthogonal to each other. A method for unfolding a curved surface is disclosed.

国際特開2017/090749号WO 2017/090749 特開2016-91477号公報JP 2016-91477 A 特開2010-280212号公報JP 2010-280212 A 特開2007-160587号公報JP 2007-160587 A 特開2004-346175号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346175

松尾宏平,外1名,“船舶の曲り外板製造を支援する新しい外板展開システムの開発”,日本機械学会論文集(C編),2010年11月,76巻,771号,p.51-56Kohei Matsuo, et al., “Development of a new skin plate unfolding system that supports manufacturing of curved skin plates for ships”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C edition), November 2010, Vol. 76, No. 771, p. 51-56 M.Takezawa,外3名,“Fabrication of freeform objects by principal strips”,2016,ACM Transactions on Graphics (TOG),35(6):225:1-225:12M.Takezawa, 3 others, “Fabrication of freeform objects by principal strips”, 2016, ACM Transactions on Graphics (TOG), 35(6):225:1-225:12

TFPは2次元平面において炭素繊維トウを基材に刺しゅうする技術であり、複雑な3次元設計形状を対象とする場合は、当該形状の平面展開図(プリフォームの裁断形状)が必要となる。さらにその平面展開図は、設計形状のメス型への積層の際にシワが発生することを抑えるため、復元精度が高い展開形状である必要がある。
また、非可展面形状は伸縮無しに平面に展開することはできない形状であるため展開図には切込み線が必要となるが、この切込み線は配向したい繊維方向に沿っていることが望ましい。これは、TFP技術を用いて平面展開図上に炭素繊維トウを刺しゅう(配置)する際に、配置したい流れに沿って切込み線が入っていなければ、配置する繊維の流れが内部で分断されてしまうためである(切込み線をまたいで刺しゅうすると、裁断の際に炭素繊維トウがそこで分断されてしまう)。
さらには、平面展開図上で、設計目的に適する流れに沿ったツールパスの算出が必要となる。ここでツールパスとは、刺しゅう機が炭素繊維トウを刺しゅうする経路を指す。このツールパスの要件としては、配置する繊維トウの粗密のばらつきが小さく、かつ最終製品において、設計者が望む流れに沿って繊維が配置されるような経路である必要がある。
以上により、内部の繊維方向を制御した非可展面形状のCFRP製品を成形するためには、繊維を配向したい流れに沿って切込みが入った復元精度の良い平面展開図の算出と、算出した平面展開図上で上記の要件を満たしたツールパスの算出が必要になる。
TFP is a technique of embroidering carbon fiber tows on a base material in a two-dimensional plane, and when a complex three-dimensional design shape is targeted, a plan development view of the shape (cut shape of the preform) is required. In addition, the plane developed view needs to be a developed shape with high restoration accuracy in order to suppress the occurrence of wrinkles when laminating the designed shape to the female die.
In addition, since the shape of the non-developable surface cannot be developed on a flat surface without expansion and contraction, a cut line is required in the developed view, but it is desirable that the cut line is along the direction of the fiber to be oriented. This is because when embroidering (arranging) carbon fiber tows on a plan view using TFP technology, if there is no cut line along the flow to be arranged, the flow of the fibers to be arranged will be divided inside. (If you embroider across the score line, the carbon fiber tow will be cut there when you cut it.)
Furthermore, it is necessary to calculate a tool path along the flow suitable for the design purpose on the flat development view. As used herein, toolpath refers to the path along which the embroidery machine will embroider the carbon fiber tow. The requirements for this tool path are that the fiber tows to be laid out must have little variation in density, and the path must be such that the fibers are laid out along the flow desired by the designer in the final product.
From the above, in order to mold a CFRP product with a non-developable surface shape in which the internal fiber direction is controlled, it is necessary to calculate a plan development view with good restoration accuracy in which cuts are made along the direction in which the fibers are to be oriented. It is necessary to calculate a tool path that satisfies the above requirements on the flat development view.

ここで、特許文献1-2、及び非特許文献1-2は、曲率線を用いて平面展開図を生成するものではあるが、曲率線以外の、等パラメータ線、主ストレッチ線、又は主応力線といった任意の曲線を基準として平面展開図を生成するものではない。また、平面展開図を生成する際に、後の工程を考慮したものではない。
また、特許文献3-5は、曲面を平面展開した平面展開図を基にツールパスを配置するものではない。
そこで本発明は、任意の曲線を基準とした平面展開図を生成する曲面展開プログラムと、その平面展開図を基にツールパスを配置するツールパス計算プログラムを提供することを目的とする。
Here, Patent Literature 1-2 and Non-Patent Literature 1-2 generate a plane development view using curvature lines, but isoparameter lines other than curvature lines, principal stretch lines, or principal stress lines It is not intended to generate a plan development view based on an arbitrary curve such as a line. Further, when generating the flat development view, the subsequent steps are not taken into consideration.
Moreover, Patent Documents 3 to 5 do not arrange tool paths based on a plan development view obtained by planar development of a curved surface.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a curved surface development program for generating a plane development drawing based on an arbitrary curve, and a tool path calculation program for arranging a tool path based on the plane development drawing.

請求項1記載に対応した曲面展開プログラムにおいては、曲面を曲面上の任意の曲線群を展開基準線として平面に展開する曲面展開プログラムであって、コンピュータに、入力された曲面データを取得する曲面データ取得ステップと、曲面データに対し展開基準線となるネット状に交わる任意の曲線群を計算する曲線群計算ステップと、任意の曲線群で囲まれた領域の曲面パッチを取得する曲面パッチ取得ステップと、任意の曲線群の測地線曲率を計算する測地線曲率計算ステップと、測地線曲率を利用して曲面パッチを平面に展開する計算を行い平面パッチを取得する平面パッチ取得ステップと、取得した平面パッチを並べて、平面展開図を生成する平面展開図生成ステップと、平面展開図を出力する平面展開図出力ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項1に記載の本発明によれば、曲面上の任意の曲線群を基準として得られた曲面パッチを展開した平面パッチを並べて、平面展開図を得ることができる。
A curved surface unfolding program corresponding to claim 1 is a curved surface unfolding program for unfolding a curved surface into a plane using an arbitrary group of curves on the curved surface as the unfolding reference line, the curved surface acquiring input curved surface data into a computer. A data acquisition step, a curve group calculation step of calculating an arbitrary group of curves intersecting the surface data in a net-like manner as a development reference line, and a surface patch acquisition step of acquiring a surface patch of an area surrounded by the arbitrary curve group. a geodesic curvature calculation step for calculating the geodesic curvature of an arbitrary curve group; a plane patch acquisition step for acquiring a plane patch by performing a calculation to expand the surface patch onto a plane using the geodesic curvature; A development plan generation step of arranging plane patches to generate a development plan and a development plan output step of outputting the development plan are executed.
According to the first aspect of the present invention, it is possible to obtain a plane developed view by arranging plane patches obtained by developing surface patches obtained with an arbitrary curve group on a curved surface as a reference.

請求項2記載の本発明は、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開図を生成することを特徴とする。
請求項2に記載の本発明によれば、復元精度の高い複数枚の平面展開図を得ることができる。
According to a second aspect of the present invention, in the plane developed view generation step, a plurality of plane developed views are generated by changing the arrangement of the plane patches.
According to the second aspect of the present invention , it is possible to obtain a plurality of plan developed views with high restoration accuracy.

請求項3記載の本発明は、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成することを特徴とする。
請求項3に記載の本発明によれば、平面パッチの並べ方を変えることによりパターンの異なる平面展開図を生成でき、複合材料製品の強度を高める成形基材への展開が可能となる。
According to a third aspect of the present invention, in the plane development drawing generation step, a plurality of patterns of plane development drawings are generated by changing the arrangement of the plane patches.
According to the third aspect of the present invention, by changing the arrangement of the plane patches, plane developed views with different patterns can be generated, making it possible to develop a molded base material that increases the strength of the composite material product.

請求項4記載の本発明は、任意の曲線群の曲線は、パラメトリック曲面上の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線のいずれかであることを特徴とする。
請求項4に記載の本発明によれば、曲率線以外の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線に基づいて精度の高い平面展開図を生成することができる。
The present invention according to claim 4 is characterized in that the curves of the arbitrary curve group are any of isoparametric curves, principal stretch lines, or principal stress lines on the parametric curved surface.
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to generate a highly accurate plan developed view based on isoparameter curves other than curvature lines, principal stretch lines, or principal stress lines.

請求項5記載の本発明は、曲面データはNURBS曲面データであることを特徴とする。
請求項5に記載の本発明によれば、曲面データとして同じ幾何学的表現を共有するCAD、CAE、及びCAM技術を連係して利用しやすくなる。
According to a fifth aspect of the present invention, the curved surface data is NURBS curved surface data.
According to the fifth aspect of the present invention, CAD, CAE, and CAM technologies, which share the same geometric representation as curved surface data, can be used in conjunction with each other.

請求項6記載に対応したツールパス計算プログラムにおいては、平面展開図に対して刺しゅう機のツールパスを計算するプログラムであって、コンピュータに、曲面展開プログラムを用いて得られた平面展開図を取得させる平面展開図取得ステップと、ツールパスを平面展開図の内側に限定して配置するツールパス配置ステップと、平面展開図の内側におけるツールパスを計算するツールパス計算ステップと、計算したツールパスを出力するツールパス出力ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項6に記載の本発明によれば、曲面展開プログラムにより得られた平面展開図に計算された刺しゅう機のツールパスを配置することができ、平面展開図に対して、例えば、目的の方向に沿わせつつ、繊維の粗密のばらつきが少なるくなるよう配置する繊維トウのツールパスを計算することが可能となる。
A tool path calculation program corresponding to claim 6 is a program for calculating a tool path of an embroidery machine with respect to a plane development, wherein the computer obtains the plane development using a curved plane development program. a step to obtain a plan development view, a toolpath placement step to place the toolpath only inside the plan development view, a toolpath calculation step to calculate the toolpath inside the plan development view, and the calculated toolpath It is characterized by executing a tool path output step to output.
According to the sixth aspect of the present invention, the calculated tool path of the embroidery machine can be arranged on the plan view obtained by the curved surface development program. It is possible to calculate the tool path of the fiber tow that is arranged so that the unevenness of the fiber density is reduced while following the .

請求項7記載の本発明は、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開基準線と、平面展開図の境界線に分類することを特徴とする。
請求項7に記載の本発明によれば、展開基準線と境界線を考慮してツールパスを配置することができる。
According to a seventh aspect of the present invention, in the tool path arrangement step, the types of boundary curves of the plan development are arranged and classified into development reference lines and boundary lines of the plan development.
According to the seventh aspect of the present invention, the tool path can be arranged in consideration of the development reference line and the boundary line.

請求項8記載の本発明は、ツールパス配置ステップにおいて、ツールパスのずれを軽減する補助線を、展開基準線を考慮して平面展開図の内側に描くことを特徴とする。
請求項8に記載の本発明によれば、配置の際に補助線を利用してツールパスのずれを軽減し、ツールパスの精度を高めることができる。
According to the eighth aspect of the present invention, in the tool path placement step, the auxiliary line for reducing the deviation of the tool path is drawn inside the plan development drawing in consideration of the development reference line.
According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to reduce the deviation of the tool path by using the auxiliary line at the time of arrangement, and to improve the accuracy of the tool path.

請求項9記載の本発明は、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界線を延長し、境界線の影響を避けて展開基準線に沿ったツールパスの配置を容易にすることを特徴とする。
請求項9に記載の本発明によれば、後のオフセット作業において、境界線の影響を避けて展開基準線の流れに沿ったオフセット経路の計画を容易にすることができる。
According to a ninth aspect of the present invention, in the tool path arrangement step, the boundary line of the flat development view is extended to avoid the influence of the boundary line to facilitate the arrangement of the tool path along the development reference line. do.
According to the ninth aspect of the present invention, in the later offset work, it is possible to avoid the influence of the boundary line and facilitate the planning of the offset path along the flow of the development reference line.

請求項10記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画することを特徴とする。
請求項10に記載の本発明によれば、配置する繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。
According to the tenth aspect of the present invention, in the toolpath calculation step, the toolpath is offset to the inner side of the plan development in consideration of the width of the object to be embroidered, and the offset paths are sequentially planned.
According to the tenth aspect of the present invention, it is possible to plan a tool path in consideration of the width of an embroidery object such as a fiber tow to be placed.

請求項11記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、補助線を考慮してオフセット経路を順に計画することを特徴とする。
請求項11に記載の本発明によれば、補助線をオフセット経路の境界線のガイドラインとして活用し、オフセット経路を精度良く計画できる。
The present invention according to claim 11 is characterized in that, in the toolpath calculation step, the offset paths are sequentially planned in consideration of the auxiliary lines.
According to the eleventh aspect of the present invention, the auxiliary line can be utilized as a guideline for the boundary line of the offset route, and the offset route can be accurately planned.

請求項12記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを計画した後、平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線を描き、不要な曲線をトリムすることを特徴とする。
請求項12に記載の本発明によれば、刺しゅう対象物の幅を考慮した上で、不要な経路を含むツールパスが生成されることを防止できる。
According to the present invention, in the tool path calculation step, after the tool path is planned, an outside offset curve is drawn outside the plan development view considering the width of the object to be embroidered, and unnecessary curves are trimmed. characterized by
According to the twelfth aspect of the present invention, it is possible to prevent a tool path from being generated that includes an unnecessary path in consideration of the width of the object to be embroidered.

請求項13記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、平面展開図のオフセット経路の孤立したアイランド部に対し、アイランド部を横断する経路を追加経路として追加し、オフセット経路と追加経路を用いてツールパスを計画することを特徴とする。
請求項13に記載の本発明によれば、アイランド部を横断する追加経路により、全体の一筆書化が可能となる。
According to the thirteenth aspect of the present invention, in the tool path calculation step, a path crossing the island part is added as an additional path to the isolated island part of the offset path in the plan development view, and the offset path and the additional path are used to It is characterized by planning toolpaths.
According to the thirteenth aspect of the present invention, the additional path that traverses the island portion enables the whole to be written in one stroke.

請求項14記載の本発明は、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを一筆書化できるように計算することを特徴とする。
請求項14に記載の本発明によれば、刺しゅう対象物の繊維トウがストリップ内部で分断されることを防止でき、強度を向上することができる。
The present invention according to claim 14 is characterized in that, in the toolpath calculation step, the toolpath is calculated so as to be unicursal.
According to the fourteenth aspect of the present invention, it is possible to prevent the fiber tow of the object to be embroidered from being split inside the strip, thereby improving the strength.

請求項15記載の本発明は、一筆書化は、開始点となるツールパスの端点を指定する端点指定ステップと、反対側の端点に移動させる移動ステップと、未接続の端点が残っているかを判断する未接続判断ステップと、未接続の端点が残っている場合に現在の端点から一番近い端点に接続する接続ステップとを実行することを特徴とする。
請求項15に記載の本発明によれば、ツールパスの一筆書化を正確かつ迅速に行うことができる。
According to the fifteenth aspect of the present invention, unicursal writing includes an end point designation step of designating an end point of a tool path as a starting point, a moving step of moving to the opposite end point, and a step of determining whether an unconnected end point remains. and a connection step of connecting to the nearest endpoint from the current endpoint if unconnected endpoints remain.
According to the fifteenth aspect of the present invention, it is possible to accurately and quickly convert a tool path into a single stroke.

請求項16記載の本発明は、ツールパスの計算は、NURBS曲線に基づいて行うことを特徴とする。
請求項16に記載の本発明によれば、CADソフトで標準的なNURBS曲線を利用してツールパスの計算を行うことができ、後の製造(CAM)も連係し易くなる
The present invention according to claim 16 is characterized in that the calculation of the tool path is performed based on the NURBS curve.
According to the sixteenth aspect of the present invention, CAD software can use standard NURBS curves to calculate the tool path, which facilitates linkage with subsequent manufacturing (CAM) .

発明の曲面展開プログラムによれば、曲面上の任意の曲線群を基準として得られた曲面パッチを展開した平面パッチを並べて、平面展開図を得ることができる。 According to the surface development program of the present invention, a plane development view can be obtained by arranging plane patches obtained by developing surface patches obtained based on an arbitrary curve group on a curved surface.

また、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開図を生成する場合には、復元精度の高い複数枚の平面展開図を得ることができる。 Further, in the plane development drawing generation step, when a plurality of plane development drawings are generated by changing the arrangement of plane patches , it is possible to obtain a plurality of plane development drawings with high restoration accuracy.

また、平面展開図生成ステップにおいて、平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成する場合には、平面パッチの並べ方を変えることによりパターンの異なる平面展開図を生成でき、複合材料製品の強度を高める成形基材への展開が可能となる。 In addition, in the plan development drawing generation step, when a plurality of patterns of plan development drawings are generated by changing the arrangement of the plane patches, the plan development drawings with different patterns can be generated by changing the arrangement of the plane patches, and the composite material product It is possible to develop into a molding base material that increases the strength of

また、任意の曲線群の曲線は、パラメトリック曲面上の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線のいずれかである場合には、曲率線以外の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線に基づいて精度の高い平面展開図を生成することができる。 In addition, if the curve of an arbitrary curve group is either an isoparametric curve, a principal stretch line, or a principal stress line on a parametric surface, an isoparametric curve other than the curvature line, the principal stretch line, or the principal stress line A highly accurate plan development view can be generated based on the lines.

また、曲面データはNURBS曲面データである場合には、曲面データとして同じ幾何学的表現を共有するCAD、CAE、及びCAM技術を連係して利用しやすくなる。 Further, when the curved surface data is NURBS curved surface data, it becomes easier to use CAD, CAE, and CAM technologies in cooperation with each other, which share the same geometric expression as the curved surface data.

本発明のツールパス計算プログラムによれば、曲面展開プログラムにより得られた平面展開図に計算された刺しゅう機のツールパスを配置することができ、平面展開図に対して、例えば、目的の方向に沿わせつつ、繊維の粗密のばらつきが少なるくなるよう配置する繊維トウのツールパスを計算することが可能となる。 According to the tool path calculation program of the present invention, the calculated tool path of the embroidery machine can be arranged on the plane development obtained by the curved surface development program, and the plane development can be, for example, in a desired direction. It is possible to calculate the tool path of the fiber tows arranged so as to reduce the unevenness of the density of the fibers while keeping them along.

また、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開基準線と、平面展開図の境界線に分類する場合には、展開基準線と境界線を考慮してツールパスを配置することができる。 In addition, in the tool path placement step, when sorting out the types of boundary curves of the plan development view and classifying them into the development reference line and the boundary line of the plan development view, the tool path is arranged considering the development reference line and the boundary line. can be placed.

また、ツールパス配置ステップにおいて、ツールパスのずれを軽減する補助線を、展開基準線を考慮して平面展開図の内側に描く場合には、配置の際に補助線を利用してツールパスのずれを軽減し、ツールパスの精度を高めることができる。 Also, in the toolpath placement step, when drawing auxiliary lines to reduce toolpath misalignment inside the flat development drawing in consideration of the development base line, use the auxiliary lines when arranging the toolpath. Misalignment can be reduced and toolpath accuracy can be improved.

また、ツールパス配置ステップにおいて、平面展開図の境界線を延長し、境界線の影響を避けて展開基準線に沿ったツールパスの配置を容易にする場合には、後のオフセット作業において、境界線の影響を避けて展開基準線の流れに沿ったオフセット経路の計画を容易にすることができる。 In addition, in the toolpath placement step, if you want to extend the boundary line of the flat development drawing to avoid the influence of the boundary line and make it easier to place the toolpath along the development reference line, in the later offset operation, the boundary Line effects can be avoided to facilitate planning of offset paths along the flow of the deployment reference line.

また、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画する場合には、配置する繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。 Also, in the toolpath calculation step, if the width of the object to be embroidered is taken into consideration when planning an offset path in which the toolpath is offset to the inside of the flattened view, Width-aware toolpaths can be planned.

また、ツールパス計算ステップにおいて、補助線を考慮してオフセット経路を順に計画する場合には、補助線をオフセット経路の境界線のガイドラインとして活用し、オフセット経路を精度良く計画できる。 Also, in the tool path calculation step, when the offset paths are sequentially planned in consideration of the auxiliary lines, the auxiliary lines can be utilized as guidelines for the boundary lines of the offset paths, and the offset paths can be accurately planned.

また、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを計画した後、平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線を描き、不要な曲線をトリムする場合には、刺しゅう対象物の幅を考慮した上で、不要な経路を含むツールパスが生成されることを防止できる。 Also, in the toolpath calculation step, after planning the toolpath, draw an outside offset curve that is offset to the outside of the plan view considering the width of the embroidery object, and trim unnecessary curves. Considering the width of the object, it is possible to prevent the generation of toolpaths containing unnecessary paths.

また、ツールパス計算ステップにおいて、平面展開図のオフセット経路の孤立したアイランド部に対し、アイランド部を横断する経路を追加経路として追加し、オフセット経路と追加経路を用いてツールパスを計画する場合には、アイランド部を横断する追加経路により、全体の一筆書化が可能となる。 In addition, in the tool path calculation step, when planning the tool path using the offset path and the additional path, adding a path that crosses the island part as an additional path to the isolated island part of the offset path in the plan development view allows the whole to be unicursal with additional paths across the islands.

また、ツールパス計算ステップにおいて、ツールパスを一筆書化できるように計算する場合には、刺しゅう対象物の繊維トウがストリップ内部で分断されることを防止でき、強度を向上することができる。 In addition, in the toolpath calculation step, when the toolpath is calculated so as to be drawn in a single stroke, the fiber tow of the embroidery object can be prevented from being split inside the strip, and the strength can be improved.

また、一筆書化は、開始点となるツールパスの端点を指定する端点指定ステップと、反対側の端点に移動させる移動ステップと、未接続の端点が残っているかを判断する未接続判断ステップと、未接続の端点が残っている場合に現在の端点から一番近い端点に接続する接続ステップとを実行する場合には、ツールパスの一筆書化を正確かつ迅速に行うことができる。 In addition, unicursal writing includes an end point designation step that designates the end point of the tool path that will be the starting point, a movement step that moves to the opposite end point, and an unconnected determination step that determines whether unconnected end points remain. , and connecting to the nearest endpoint from the current endpoint if there are remaining unconnected endpoints, unicursal scribing of the toolpath can be performed accurately and quickly.

また、ツールパスの計算は、NURBS曲線に基づいて行う場合には、CADソフトで標準的なNURBS曲線を利用してツールパスの計算を行うことができ、後の製造(CAM)も連係し易くなる In addition, when the toolpath calculation is based on the NURBS curve, the toolpath can be calculated using the standard NURBS curve in CAD software, and it is easy to link with subsequent manufacturing (CAM). Become .

発明の実施形態による複合材料を用いた曲面の製造システムの構成を示す図1 is a diagram showing the configuration of a curved surface manufacturing system using a composite material according to an embodiment of the present invention; FIG. 同曲面展開プログラムの処理フローProcessing flow of the surface expansion program 同座標系を示す図Diagram showing the same coordinate system 同曲面パッチの展開を示す図Diagram showing expansion of isosurface patch 同りんごモデルの展開と再構築を示す図Diagram showing deployment and reconstruction of the same apple model 同等パラメータ曲線を使用した編み込みモデルを示す図Diagram showing a knitted model using equivalent parameter curves 同自動車のボンネット表面の曲線の直交網を示す図Diagram showing an orthogonal network of curves on the bonnet surface of the same car 同曲線の計算の終了を示す図Diagram showing the end of the calculation of the same curve 同ツールパス計算プログラムの処理フローProcessing flow of the same tool path calculation program 同平面展開図の境界曲線の分類例を示す図A diagram showing an example of classification of boundary curves in the same plane development view 同平面展開図の領域拡大の例を示す図A diagram showing an example of expanding the area of the development view of the same plane 同オフセットの例を示す図Diagram showing an example of the same offset 同トリムの例を示す図Diagram showing an example of the same trim 同アイランド部の分類とツールパス追加の例を示す図A diagram showing an example of classifying the same island and adding a toolpath 同アイランド部を形成する内側オフセット曲線におけるツールパスの一筆書化の例を示す図A diagram showing an example of unicursal toolpath conversion on the inner offset curve that forms the same island. 同ツールパス全体の一筆書化の例を示す図Diagram showing an example of unicursal writing of the entire toolpath 同作成したツールパスに沿って刺しゅう対象物を刺しゅうしたイメージ図Image of embroidering the object along the tool path created in the same way 同オフセット曲線が実際の曲線から逸脱している場合の処理手順を示す図A diagram showing the processing procedure when the same offset curve deviates from the actual curve 同自動車のボンネットにツールパス計算プログラムを適用したときの測定結果を示す図Diagram showing measurement results when applying a tool path calculation program to the hood of the same car 同複合材料を用いた曲面の製造方法の工程を示す図A diagram showing the process of manufacturing a curved surface using the same composite material 同平面展開図の生成から製品製造までの流れを示す概念図Conceptual diagram showing the flow from generation of same-plane development to product manufacturing 同CFRP製造方法の概略図Schematic diagram of the same CFRP manufacturing method 同製造中のVaRTM装置及びL-RTM装置を示す図Diagram showing the VaRTM and L-RTM devices under production 同自動車のボンネットモデルの成形基材を製造するために適用されたTFP刺しゅう機の一筆書化したツールパスを示す図A diagram showing the unicursal toolpath of a TFP embroidery machine applied to produce a molding substrate for the bonnet model of the same car. 同TFP刺しゅう機によって製造された成形基材を示す図Diagram showing a molded substrate manufactured by the same TFP embroidery machine 同VaRTM装置によって製造されたCFRP自動車ボンネットを示す図A diagram showing a CFRP automobile hood manufactured by the same VaRTM equipment 同曲線に沿った船舶用プロペラブレード曲面の展開プロセスを示す図A diagram showing the development process of the marine propeller blade curved surface along the curve 同船舶用プロペラブレードモデルの成形基材のツールパスを示す図A diagram showing the tool path of the molding substrate for the propeller blade model for the same ship. 同TFP刺しゅう機で製造された成形基材を示す図Diagram showing a molded substrate manufactured with the same TFP embroidery machine 同L-RTM装置によって製造されたCFRP船舶用プロペラブレードを示す図Diagram showing a CFRP ship propeller blade manufactured by the same L-RTM equipment

本発明の実施形態による曲面展開プログラム、ツールパス計算プログラム、複合材料を用いた曲面の製造方法、及び複合材料を用いた曲面の製造システムについて説明する。 A curved surface development program, a tool path calculation program, a curved surface manufacturing method using a composite material, and a curved surface manufacturing system using a composite material according to embodiments of the present invention will be described.

図1は複合材料を用いた曲面の製造システムの構成を示す図である。
複合材料を用いた曲面の製造システムは、曲面展開プログラム及びツールパス計算プログラムを実行するコンピュータ10と、平面展開図に基づいて基材を裁断する裁断機20と、基材に刺しゅう対象物を刺しゅうする刺しゅう機30と、少なくとも裁断機20と刺しゅう機30とを制御する製造用コンピュータ40と、成形型50に樹脂を注入し複合材料曲面を得る樹脂成型手段60と、曲面データを設計するCADシステム70を備える。この曲面の製造システムを用いることにより、精度の高い成形基材を基にした曲面を有する複合材料製品を製造することができる。
なお、コンピュータ10は、製造システムとは別に設けることもできるが、製造システムに組み込むことで、曲面展開プログラムによる平面展開図の生成と、ツールパス計算プログラムによるツールパスの計算を、製造システムにおいてコンピュータ10を用いて行うことができる。
また、CADシステム70は、通信ネットワーク80を介してコンピュータ10と連係させている。これにより、コンピュータ10で、CADシステム70で作成された曲面データを取得し、曲面の設計から複合材料を用いた曲面の製造までをより連係しやすくなる。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a curved surface manufacturing system using a composite material.
A curved surface manufacturing system using composite materials includes a computer 10 that executes a curved surface development program and a tool path calculation program, a cutter 20 that cuts a base material based on a plan development view, and an embroidery object that is embroidered on the base material. an embroidery machine 30, a manufacturing computer 40 that controls at least the cutting machine 20 and the embroidery machine 30, a resin molding means 60 that injects resin into a molding die 50 to obtain a composite material curved surface, and a CAD system that designs the curved surface data. 70. By using this curved surface manufacturing system, it is possible to manufacture composite material products having curved surfaces based on highly accurate molded substrates.
The computer 10 can be provided separately from the manufacturing system, but by incorporating it into the manufacturing system, the computer 10 can generate a plane developed view by the curved surface development program and calculate the tool path by the tool path calculation program in the manufacturing system. 10 can be used.
CAD system 70 is also linked to computer 10 via communication network 80 . This makes it easier for the computer 10 to acquire the curved surface data created by the CAD system 70 and to coordinate the designing of the curved surface and the manufacturing of the curved surface using the composite material.

コンピュータ10と製造用コンピュータ40とは互いに遠く離れた遠隔地に配置し連係させている。これにより、コンピュータ10による平面展開図の生成及びツールパスの計算と、製造用コンピュータ40による複合材料を用いた曲面の製造とを連係して、別々の場所で行うことができる。なお、連係させた上で、平面展開図の生成とツールパスの計算を別々のコンピュータ10で行うこともできる。
図1では、事業所A、事業所B、事業所Cが製造用コンピュータ40として、製造用コンピュータ(A)、製造用コンピュータ(B)、製造用コンピュータ(C)をそれぞれ設置している。
例えば、事業所Aは裁断と刺しゅう、及び樹脂成型を一貫して行う事業所であり、CADシステム70は別の場所に設置されたものと連係している。事業所Aの製造用コンピュータ(A)40は、裁断機20と刺しゅう機30を制御する。事業所Bは、同じ場所で曲面の設計から裁断と刺しゅうまでを行う事業所であり、樹脂成型は別の事業所に任せる事業形態である。事業所Cは、刺しゅうのみを行う事業所であり、CADシステム70による曲面の設計や平面展開図の生成、また裁断や樹脂成型は別の事業所で行う形態である。
このように、設計から刺しゅうした成形基材の製造、また樹脂成形品の製造の事業の形態は、任意に組み合わせて実現することができる。また、製造用コンピュータ40も、裁断機20用と刺しゅう機30用を、別々の製造用コンピュータ40で制御することもできる。
このとき、製造用コンピュータ40の形態に関わらず、コンピュータ10と、製造用コンピュータ40とは、通信ネットワーク80を介して連係させることが好ましい。この場合、通信ネットワーク80によりコンピュータ10と製造用コンピュータ40との連係性を高めて、製造の迅速化と容易化を図ることができる。
また、CADシステム70とコンピュータ10も通信ネットワーク80を介して連係させることが好ましい。
但し、これらの連携は必須ではなく、情報記憶媒体を一部使用して設計情報や計算結果等をやり取りすることも可能である。
成形型50は、CADシステム70の設計した曲面データに基づいて製造され、同じ曲面データに基づいて、曲面の平面展開やツールパス計算がコンピュータ10で行われ、製造用コンピュータ40の制御のもと製造された成形基材が成形型50に載置されることになる。
Computer 10 and manufacturing computer 40 are remotely located and linked to each other. As a result, the computer 10 can generate the plan development view and calculate the tool path, and the manufacturing computer 40 can link and perform curved surface manufacturing using composite materials at separate locations. It should be noted that it is also possible to perform the generation of the flat development view and the calculation of the tool path in separate computers 10 after linking them.
In FIG. 1, business establishments A, B, and C have a manufacturing computer (A), a manufacturing computer (B), and a manufacturing computer (C) as manufacturing computers 40, respectively.
For example, office A is an office that consistently performs cutting, embroidery, and resin molding, and the CAD system 70 is linked to one installed at another location. A manufacturing computer (A) 40 at the office A controls the cutting machine 20 and the embroidery machine 30 . Business office B is a business office that performs curved surface design, cutting, and embroidery at the same location, and resin molding is entrusted to another business office. The business office C is a business office that only performs embroidery, and the design of curved surfaces and the generation of flat development drawings by the CAD system 70, as well as the cutting and resin molding, are performed at another business office.
In this way, the business forms from design to manufacture of embroidered molding substrates and manufacture of resin molded products can be realized in arbitrary combinations. The manufacturing computer 40 can also be controlled by separate manufacturing computers 40 for the cutting machine 20 and for the embroidery machine 30 .
At this time, it is preferable that the computer 10 and the manufacturing computer 40 are linked via the communication network 80 regardless of the form of the manufacturing computer 40 . In this case, the communication network 80 enhances the connectivity between the computer 10 and the manufacturing computer 40, thereby speeding up and facilitating manufacturing.
CAD system 70 and computer 10 are also preferably linked via communications network 80 .
However, these linkages are not essential, and it is also possible to exchange design information, calculation results, etc. using part of the information storage medium.
The molding die 50 is manufactured based on the curved surface data designed by the CAD system 70, and based on the same curved surface data, the computer 10 performs the planar development of the curved surface and the calculation of the tool path, under the control of the manufacturing computer 40. The manufactured molding substrate is placed on the molding die 50 .

図2は曲面展開プログラムの処理フローである。
曲面展開プログラムは、曲面を曲面上の任意の曲線群を展開基準線として平面に展開するプログラムであり、コンピュータ10にインストールされている。
処理を開始した曲面展開プログラムは、曲面データの入力を受け付け、入力された曲面データを取得する(曲面データ取得ステップS1)。曲面データの入力は、設計者等のユーザーが、キーボードやタッチパネル等のインターフェースを用いて行う。また、曲面データは、外部のCAD(computer-aided design)システム等から受信して取得してもよい。
曲面データ取得ステップS1で取得する曲面データは、ベジェ(Bezier)曲面データ(Bezierの一つ目の「e」は´付)、B-スプライン(B-spline)曲面データ、又はT-スプライン(T-spline)曲面データとすることもできるが、NURBS曲面データであることが好ましい。NURBS曲面データを用いることにより、曲面データとして同じ幾何学的表現を共有するCAD(computer-aided design)、CAE(computer aided engineering)、及びCAM(computer aided manufacturing)技術を連係して利用しやすくなる。
FIG. 2 is a processing flow of the curved surface development program.
The curved surface development program is a program that develops a curved surface into a plane using an arbitrary group of curves on the curved surface as a development reference line, and is installed in the computer 10 .
The curved surface development program that started processing receives input of curved surface data and acquires the input curved surface data (curved surface data acquisition step S1). A user such as a designer inputs curved surface data using an interface such as a keyboard or a touch panel. Further, the curved surface data may be received and acquired from an external CAD (computer-aided design) system or the like.
The curved surface data acquired in the curved surface data acquisition step S1 is Bezier curved surface data (the first "e" in Bezier is a double), B-spline curved surface data, or T-spline (T -spline) surface data, but preferably NURBS surface data. By using NURBS surface data, it becomes easier to coordinate and utilize CAD (computer-aided design), CAE (computer aided engineering), and CAM (computer aided manufacturing) technologies that share the same geometric representation as surface data. .

曲面データ取得ステップS1の後、曲面データに対し展開基準線となるネット状(網状)に交わる任意の曲線群を計算する(曲線群計算ステップS2)。
曲線群計算ステップS2においては、設計曲面に対して、ユーザーが繊維を配置したい流れに沿った曲線群を計算する。曲線群は、3D空間の曲面上か、又は曲面の2次元パラメータ空間上のどちらかに計算する。
計算する任意の曲線群の曲線は、曲率線とすることもできるが、パラメトリック曲面上の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線のいずれかであることが好ましい。なお、ユーザーが曲面上に任意に描画した曲線群に対しても展開可能である。曲面上の任意の曲線群は、目的に応じて曲面上に直接描いても、曲面のパラメータ空間で描かれる曲線群を曲面上の曲線群として写像しても良い。
曲率線の他にテンソル量の主方向に基づく任意の曲線の利用が考えられる。例えば、主方向で作られる軸に対して任意のそれぞれ任意の角度をつけた方向にそった曲線や、物理量である応力テンソル・ストレッチテンソルに基づいた主ストレッチ線や主応力線が例として挙げられる。目的に応じた曲線は曲面上に定義されたテンソル量を基に算出することが基本となる。曲面上におけるテンソルの固有値解析から固有ベクトルを計算し、それに基づいてトレースすることによりテンソル量の持つ曲線群を描くことが可能である。
また、ストレッチや応力のように3次元空間上に定義されるテンソル量においても薄肉などの仮定の下、主方向の一つが表面の法線方向と一致するようにモデル化することで曲面上に直交する曲線群を定義することが可能となる。一方、本発明では直交する事は必要条件でないことから必ずしも1つの主方向が法線と一致しなければならないわけではない。
また主方向に沿った曲線に限らず、強化を施したい目的の方向に対して配向の角度をつけた平面展開図の生成も可能である。
さらに、曲面のパラメータ空間で描かれる曲線群を曲面上の曲線群として写像した場合、それらは一般的には直交しないが、等パラメータ線のように特異点を含まない曲線群を生成できるため、すべてが矩形のGeneralized principal patchを生成することが容易である。
これにより、曲率線以外の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力に基づいて精度の高い平面展開図を生成することができる。また、前述のように任意の曲線群は、ユーザーが曲面上に任意に描画した曲線群であってもよい。
After the curved surface data acquisition step S1, an arbitrary curve group that intersects the curved surface data in a net-like manner (net-like) as a development reference line is calculated (curve group calculation step S2).
In the curve group calculation step S2, a curve group along the flow on which the user wants to arrange the fibers is calculated with respect to the design curved surface. The family of curves is computed either over the surface in 3D space or over the surface's two-dimensional parameter space.
The curves of any family of curves to be calculated can be curvature lines, but are preferably either isoparametric curves, principal stretch lines, or principal stress lines on parametric surfaces. It should be noted that it is also possible to develop a curve group arbitrarily drawn on a curved surface by the user. An arbitrary curve group on a curved surface may be directly drawn on the curved surface according to the purpose, or a curve group drawn in the parameter space of the curved surface may be mapped as a curve group on the curved surface.
Besides curvature lines, the use of arbitrary curves based on the principal directions of the tensor quantities is conceivable. For example, curves along any direction with any angle to the axis made by the principal direction, and principal stretch lines and principal stress lines based on the stress tensor/stretch tensor, which are physical quantities. . A curve for a purpose is basically calculated based on the tensor quantity defined on the curved surface. By calculating the eigenvector from the eigenvalue analysis of the tensor on the curved surface and tracing based on it, it is possible to draw a group of curves possessed by the tensor quantity.
In addition, even for tensor quantities defined in three-dimensional space such as stretch and stress, under the assumption that the wall is thin, one of the main directions is modeled so that it matches the normal direction of the surface, so that It becomes possible to define orthogonal families of curves. On the other hand, in the present invention, one principal direction does not necessarily have to coincide with the normal line, since orthogonality is not a necessary condition.
In addition, it is possible to generate a flattened view with an orientation angle with respect to the target direction to which reinforcement is desired, instead of the curve along the main direction.
Furthermore, when a group of curves drawn in the parameter space of a curved surface is mapped as a group of curves on the curved surface, they are generally not orthogonal, but a curve group that does not contain singular points like isoparameter lines can be generated. It is easy to generate a generalized principal patch that is all rectangular.
Accordingly, it is possible to generate a highly accurate planar developed view based on isoparameter curves other than curvature lines, principal stretch lines, or principal stresses. Also, as described above, the arbitrary curve group may be a curve group arbitrarily drawn on the curved surface by the user.

曲線群計算ステップS2の後、任意の曲線群で囲まれた領域である曲面パッチを取得する(曲面パッチ取得ステップS3)。
曲率線で囲まれた領域(一般的には矩形)は「Principal patch」と呼ばれる。本発明の曲面展開プログラムは、展開基準線となる曲線群を、曲率線には限らず一般化して、パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線など、任意の曲線群で平面展開図を生成する。そのため、任意の曲線群で囲まれた領域である曲面パッチは「Generalized principal patch」と表現できる。
曲面パッチは、任意の曲線群を曲面上に引いた段階で取得できる。
After the curve group calculation step S2, surface patches, which are areas surrounded by arbitrary curve groups, are acquired (surface patch acquisition step S3).
A region (generally a rectangle) surrounded by curvature lines is called a “principal patch”. The curved surface development program of the present invention generalizes the curve group that serves as the development reference line, not limited to the curvature line, and generates a plane development diagram with an arbitrary curve group such as a parameter curve, a principal stretch line, or a principal stress line. do. Therefore, a surface patch, which is an area surrounded by arbitrary curve groups, can be expressed as a "Generalized principal patch".
A surface patch can be obtained by drawing an arbitrary group of curves on the surface.

曲面パッチ取得ステップS3の後、任意の曲線群の測地線曲率を計算する(測地線曲率計算ステップS4)。曲線の測地線曲率(geodesic curvature)は、微分幾何学的に求めることができる。以下に測地線曲率の計算方法について説明する。 After the surface patch acquisition step S3, the geodesic curvature of an arbitrary curve group is calculated (geodesic curvature calculation step S4). The geodesic curvature of a curve can be determined using differential geometry. A method for calculating the geodesic curvature will be described below.

図3は座標系を示す図であり、図3(a)はフレネセレ・フレームとダルブーフレームを示し、図3(b)は接触ダルブーベクトルを示す。
曲面上の曲線の測地線曲率を使用することで、展開可能な曲面(可展面)上の曲線を平面上に展開できることが知られている。例えば、非特許文献3(Shyuichi Izumiya and Saki Otani,Flat approximations of surfaces along curves,Demonstratio Mathematica,48(2):217-241,2015.)には、曲面上の任意の曲線に沿って生成される、いわゆる接触可展面(osculating developable surface)を導入することが記載されている。曲面の基準線の各点でダルブーフレーム(Darboux frame)内の接触ダルブーベクトル(osculating Darboux vector)と呼ばれる方向が、展開可能な曲面のジェネレータとなる。
曲面を曲面上の曲線の測地線曲率を使用して曲面上の任意の曲線を平面に展開する際は、まず、3Dデカルト参照座標系o-xyzを定義する。パラメトリック曲面R(u,v)のパラメータ空間の平面曲線r(t)=(u(t),v(t))を考慮する。また、c(t)=R(u(t),v(t))はパラメトリック曲線である。図3(a)に示すように、単位接線t、法線n、及び従法線bのベクトルは、フレネセレ・フレーム(Frenet-Serret frame)と呼ばれる経路c(t)に沿って移動する直交フレームを定義する。ここで、単位接線t、法線n、及び従法線bは、下式(1)のように計算される。
「・」(上ドット)は、パラメータtに関する微分を表す。フレネ・セレの公式は下式(2)で与えられる。
Λ=|c|(上ドット付)、κ(t)及びτ(t)は、それぞれ、曲線c(t)のパラメータ速度、曲率、及び捩率である。
FIG. 3 shows the coordinate system, FIG. 3(a) showing the Freneselle frame and the Darboux frame, and FIG. 3(b) showing the contact Darboux vector.
It is known that a curve on a developable surface (developable surface) can be developed on a plane by using the geodesic curvature of the curve on the surface. For example, in Non-Patent Document 3 (Shyuichi Izumiya and Saki Otani, Flat approximations of surfaces along curves, Demonstratio Mathematica, 48(2):217-241, 2015.), , introducing a so-called osculating developable surface. The direction, called the osculating Darboux vector, in the Darboux frame at each point of the surface reference line is the generator of the developable surface.
When developing an arbitrary curve on a surface into a plane using the geodesic curvature of the curve on the surface, first define a 3D Cartesian reference coordinate system o-xyz. Consider a planar curve r(t)=(u(t),v(t)) in the parameter space of a parametric surface R(u,v). Also, c(t)=R(u(t), v(t)) is a parametric curve. As shown in FIG. 3(a), the vectors of the unit tangent t, normal n, and binormal b are orthogonal frames moving along a path c(t) called the Frenet-Serret frame. Define Here, the unit tangent line t, the normal line n, and the binormal line b are calculated as in the following formula (1).
“·” (upper dot) represents differentiation with respect to parameter t. The Frenet-Serre formula is given by the following equation (2).
Λ=|c| (dotted above), κ(t) and τ(t) are the parameters velocity, curvature and torsion of curve c(t), respectively.

図3(a)に示すように、ダルブーフレーム(t、N、B)は同様の直交フレームであり、曲面幾何を含み、下式(3)で評価される。
添え字に使用されるu、vは、示された変数に関する偏微分を表す。ダルブーフレームの動きは下式(4)で与えられる。
κg(t)、κn(t)、及びτg(t)は、それぞれ測地線曲率、法曲率、及び測地線捩率である。
As shown in FIG. 3(a), the Darboux frame (t, N, B) is a similar orthogonal frame, containing curved geometry and evaluated by equation (3) below.
The subscripts u, v used represent partial derivatives with respect to the indicated variables. The movement of the Darboux frame is given by equation (4) below.
κg(t), κn(t), and τg(t) are the geodesic curvature, normal curvature, and geodesic torsion, respectively.

ここで、単位接触ダルブーベクトルを下式(5)で定義する。
これを図3(b)に示す。式(4)とB・N=0及びt・N=0より、τg及びκnは下式(6)から導出できる。
ここで、Λ≠0と仮定する。式(5)の分子に式(6)を代入すると、下式(7)が得られる。
「’」は、弧長パラメータsに関する微分を表す。結果は、接触ダルブーベクトルが、c(t)に沿った接平面包絡面として定義された可展面の直線ベクトル方向と一致することを示している。
Here, the unit contact Darboux vector is defined by the following equation (5).
This is shown in FIG. 3(b). From equation (4) and B·N=0 and t·N=0, τg and κn can be derived from equation (6) below.
Now assume that Λ≠0. Substituting equation (6) into the numerator of equation (5) yields the following equation (7).
"'" represents the derivative with respect to the arc length parameter s. The results show that the contact Darboux vector coincides with the linear vector direction of the developable surface defined as the tangential plane envelope along c(t).

c(t)を基準線とし、do(t)を下式(8)のように線織面(ruled surface)D(t,μ)のジェネレータにする。
t、d0、d0(上ドット付)はすべてt-B平面上にあることを示すのは簡単であり、下式(9)となる。
その結果、D(t,μ)は展開可能な曲面であり、これは接触可展面(osculating developable surface)と呼ばれる。接触可展面の曲面法線は、下式(10)で表される。
式(10)のδ(t)は下式(11)で表される。
D(t,0)=c(t)に沿って、Noを削減すると下式(12)となる。
Let c(t) be the reference line and let do(t) be the generator of the ruled surface D(t, μ) as in equation (8) below.
It is easy to show that t, d0, and d0 (with upper dots) are all on the tB plane, and the following equation (9) is obtained.
As a result, D(t, μ) is a developable curved surface, which is called an osculating developable surface. The curved surface normal of the contact developable surface is represented by the following formula (10).
δ(t) in equation (10) is expressed by the following equation (11).
Reducing No along D(t, 0)=c(t) results in the following equation (12).

ここでは、κn(t)=0は孤立点(isolated points)でのみ発生し、そのような点ではc(t)は局所的に平面であり、No=n×tとして定義できると仮定する。したがって、c(t)に沿った曲面R(u,v)の単位法線ベクトルN(u,v)とD(t,0)の単位法線ベクトルとが一致するため、両方の曲面上のc(t)に沿った測地線曲率κgは同一である。それゆえ、等尺曲面上の曲線(D(t,μ))に基づいて、測地線曲率を平面曲線の曲率としてc(t)を平面に展開できる。
測地線曲率κgは、下式(13)のように計算できる。
式(13)のE、F、及びGは、第一基本形式計量であり、クリストッフェル記号Γijk(i,j,k=1,2)は、下式(14)のように定義される。
曲面パラメータの第1導関数u(上ドット付)、v(上ドット付)、第2導関数u(¨付)、v(¨付)は、予め設計された曲線や、等パラメータ曲線、曲率線、主ストレッチ線、主応力線などの曲面上の曲線のプリイメージを表す曲線(u(t),v(t))を微分することで得られる。
Here we assume that κn(t)=0 occurs only at isolated points, where c(t) is locally planar and can be defined as No=n×t. Therefore, since the unit normal vector N(u,v) of the curved surface R(u,v) along c(t) coincides with the unit normal vector of D(t,0), The geodesic curvatures κg along c(t) are identical. Therefore, based on the curve (D(t, μ)) on the isometric surface, c(t) can be developed on the plane with the geodesic curvature as the curvature of the plane curve.
The geodesic curvature κg can be calculated as in the following equation (13).
E, F, and G in Equation (13) are the first elementary form metrics, and Christoffel symbols Γijk (i, j, k=1, 2) are defined as in Equation (14) below.
The first derivatives u (with upper dot), v (with upper dot), and the second derivatives u (with ¨) and v (with ¨) of the surface parameters can be obtained from predesigned curves, isoparametric curves, curvature It is obtained by differentiating a curve (u(t), v(t)) representing a preimage of a curve on a curved surface such as a line, principal stretch line, principal stress line.

図2に戻り、測地線曲率計算ステップS4の後、測地線曲率を利用して曲面パッチを平面に展開する計算を行い、平面パッチを取得する(平面パッチ取得ステップS5)。曲面パッチは1枚ごとに平面に展開する。 Returning to FIG. 2, after the geodesic curvature calculation step S4, a calculation is performed to expand the surface patch onto a plane using the geodesic curvature, and a plane patch is acquired (plane patch acquisition step S5). Each curved surface patch is developed on a plane.

平面パッチ取得ステップS5の後、取得した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した形状の平面展開図を生成する(平面展開図生成ステップS6)。
ここで、「後の工程を考慮した」とは、例えば、平面展開図生成ステップS6よりも後に行われる工程の一つである刺しゅう工程を考慮して、刺しゅう機30の作業に支障を来さない大きさの複数のストリップに分け複数の平面展開図を生成する(寄せ集めると曲面全体に対応したものとなる)ことを指す。
平面展開図生成ステップS6においては、平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開図を生成することが好ましい。この場合は、例えば、平面パッチを最大主曲率線方向に並び変えることにより複数枚のストリップを生成する。平面パッチの並べ方を変えて複数枚の平面展開図を生成することにより、後の工程のための復元精度の高い複数枚の平面展開図を得ることができる。
また、平面展開図生成ステップS6においては、平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成することが好ましい。この場合は、例えば、最大主曲率線方向と最小主曲率線方向に並び変えてそれぞれのストリップを作成するなど、平面上で展開パッチを並び変えることによって、2パターンの平面展開図を生成することができる。平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの平面展開図を生成することにより、パターンの異なる平面展開図を生成でき、複合材料製品の強度を高める成形基材への展開が可能となる。
After the plane patch acquisition step S5, the acquired plane patches are arranged to generate a plane developed view of a shape in consideration of subsequent processes (plane developed view generation step S6).
Here, "considering the subsequent processes" means, for example, considering the embroidery process, which is one of the processes performed after the plan development drawing generation step S6, to prevent the work of the embroidery machine 30 from being hindered. It refers to generating multiple plane developed views by dividing into multiple strips of uniform size (collecting them together corresponds to the entire curved surface).
In the plane developed view generation step S6, it is preferable to generate a plurality of plane developed views by changing the arrangement of the plane patches. In this case, for example, a plurality of strips are generated by rearranging the planar patches in the direction of the maximum principal curvature line. By generating a plurality of plane developed views by changing the arrangement of plane patches, it is possible to obtain a plurality of plane developed views with high restoration accuracy for later processes.
In addition, in the plane developed view generation step S6, it is preferable to generate a plurality of patterns of plane developed views by changing the arrangement of the plane patches. In this case, for example, by rearranging the developed patches on the plane by rearranging them in the direction of the line of maximum principal curvature and the direction of the line of minimum principal curvature to create respective strips, two patterns of plane developed views are generated. can be done. By changing the arrangement of the plane patches and generating a plurality of patterns of plan development, it is possible to generate plan development with different patterns, and to develop a molding substrate that increases the strength of the composite material product.

ここで、曲面データ取得ステップS1で取得する曲面データをNURBS曲面データとしたときの曲面パッチ(generalized principal patch)の展開について詳述する。
次数(p,q)のNURBS曲面は下式(15)のように定義される。
Here, the development of surface patches (generalized principal patches) when the surface data acquired in the surface data acquisition step S1 is NURBS surface data will be described in detail.
A NURBS surface of order (p, q) is defined as in the following equation (15).

上述の通りprincipal patchは、構成する曲線が曲率線であるパッチである。本発明者らは、非特許文献2において、正確な長さを維持して各principal patchの4つの曲線を平面にマッピングして、それらを互いにほぼ直交する曲線として接続することにより、自由曲面を展開する方法を導入した。結果として得られる四辺形の平面パッチは、principal quadと呼ばれる。非特許文献2で開発されたアルゴリズムは、N本の曲率線で囲まれたパッチを処理して、主曲線の直交網の特異点、つまり臍点を考慮することもできる。
本発明は、曲率線を曲面上の任意の曲線群に一般化した曲面パッチ(generalized principal patch)とできるものであるから、構成する曲線を「generalized principal curves」と表現でき、対面の2組は「曲線A(generalized principal curves A)」及び「曲線B(generalized principal curves B)」と表現できる。
As described above, a principal patch is a patch whose constituent curves are curvature lines. In Non-Patent Document 2, the present inventors mapped the four curves of each principal patch onto a plane while maintaining the correct length, and connected them as curves that are nearly orthogonal to each other, thereby creating a free-form surface. Introduced an expansion method. The resulting quadrilateral planar patch is called the principal quad. The algorithm developed in [2] can also process patches bounded by N curvature lines to consider the singular points of the orthogonal network of principal curves, ie navel points.
According to the present invention, curvature lines can be generalized principal patches to arbitrary curve groups on a curved surface. It can be expressed as "curve A (generalized principal curves A)" and "curve B (generalized principal curves B)".

図4は曲面パッチの展開を示す図であり、図4(a)は曲面パッチの4つの曲線を示し、図4(b)は4本の曲線の展開を示し、図4(c)は結果として得られる四辺形の平面パッチを示している。
曲面c(t)上の曲線は、式(2)に示したフレネ・セレの公式の最初の方程式の下式(16)を積分することにより平面に展開される。
ここで、曲線c(t)に沿った測地線曲率が展開された曲線の曲率と同じであるという事実に基づき、κはc(t)の測地線曲率κgに置き換えられる。
図4に示すように、正確な長さを維持し、隣接するそれぞれの2つの辺の間の角度が曲面パッチにおける接続角度に最も近づくように、4つの辺を接続することにより、各曲面パッチを平面にマッピングする。
4A and 4B show the expansion of the surface patch, FIG. 4A shows the four curves of the surface patch, FIG. 4B shows the expansion of the four curves, and FIG. , which shows a quadrilateral planar patch obtained as .
A curve on the curved surface c(t) is developed into a plane by integrating equation (16) under the first equation of the Fresnet-Serre formula shown in equation (2).
Here κ is replaced by the geodesic curvature κg of c(t) based on the fact that the geodesic curvature along the curve c(t) is the same as the curvature of the unfolded curve.
As shown in FIG. 4, each surface patch is obtained by connecting four sides such that the correct length is maintained and the angle between each two adjacent sides is closest to the connection angle in the surface patch. to the plane.

図5はりんごモデルの展開と再構築を示す図であり、図5(a)は上図にNURBSサーフェス(曲面)で表現されたりんごモデル、下図にuvパラメータ空間で事前に設計された曲線を示し、図5(b)は展開平面パッチを示し、図5(c)は上図に主ストリップA(generalized A principal strip)、下図に主ストリップB(generalized B principal strip)を示し、図5(d)は再構築されたモデルを示している。
図5(a)に示すように、メッシュが三角形になるパラメータ空間の4つの境界を除いて、曲面のパラメータ空間に構造化された四辺形メッシュを形成する10本の45°ラインと10本の-45°ラインがuvパラメータ空間に描画される。
図5(b)の平らな四角形はそれぞれ平面パッチ(generalized principal quad)である。この方法の際立った特徴は、展開プロセスが、各パッチに対して単一変数のニュートン法を用いて解く問題に簡略化できることである。3本の曲線から構成されるパッチは、曲面境界曲線の近くで発生することが多く、平坦化された3本の曲線は、一意の三角形を構成するため、最適化計算の必要がないことに注意する。
Figure 5 shows the deployment and reconstruction of the apple model. Figure 5(a) shows the apple model represented by a NURBS surface (curved surface) in the upper figure, and the curve predesigned in the uv parameter space in the lower figure. 5(b) shows the development plane patch, FIG. 5(c) shows the main strip A (generalized A principal strip) in the upper figure, the main strip B (generalized B principal strip) in the lower figure, and FIG. d) shows the reconstructed model.
As shown in Fig. 5(a), ten 45° lines and ten A −45° line is drawn in the uv parameter space.
Each flat quadrangle in FIG. 5(b) is a planar patch (generalized principal quad). A distinguishing feature of this method is that the unfolding process can be reduced to a problem solved using a single-variable Newton's method for each patch. Patches consisting of three curves often occur near surface boundary curves, and the flattened three curves form a unique triangle, thus eliminating the need for optimization calculations. warn.

すべての平面パッチ(generalized principal patch)が平面上に展開されると、並進と回転を使用して等長である隣接エッジを整列させることにより、平面パッチのそれぞれを1つずつ接続する。接続がBサイドの曲線に沿って行われる場合、結果として得られるストリップは主ストリップAであり、その逆も同様である。図5(c)は、図5(a)に示す事前設計されたラインから計算された主ストリップAと、主ストリップBを示している。これらのストリップ(帯)は、2つの組立方法で元の3D形状を形成できる。一対の層は、1層は主ストリップAで構成され、もう1層は主ストリップBで構成されるような、2層構造を形成する。対応する各一般化された平面パッチは同じ場所で重なり合うように配置され、1つは主ストリップA、もう1つは主ストリップBの3D形状を再構築する。 Once all the generalized principal patches are laid out on the plane, we connect each of the planar patches one by one by aligning adjacent edges that are of equal length using translation and rotation. If the connection is made along the B-side curve, the resulting strip is the main strip A and vice versa. FIG. 5(c) shows the main strip A and main strip B calculated from the pre-designed line shown in FIG. 5(a). These strips can be assembled into their original 3D shape in two ways. The pair of layers form a two-layer structure, one layer comprising the main strip A and the other layer comprising the main strip B. FIG. Each corresponding generalized planar patch is placed overlapping at the same location to reconstruct the 3D shape, one for main strip A and one for main strip B.

図6は等パラメータ曲線を使用した編み込みモデルを示す図であり、図6(a)は等パラメータ曲線を含む曲面モデルを示し、図6(b)は展開された平面パッチを示し、図6(c)は展開された平面パッチを整列した主ストリップA(上図)と主ストリップB(下図)を示し、図6(d)は編み込まれた主ストリップを示している。
図6に示す編み込みモデルは、図6(a)~(c)に示すように、等パラメータ曲線に沿って展開される。図6(d)に示すペーパークラフトモデルは、主ストリップAと主ストリップBが編み込まれて3D曲面モデルを形成する場合を示している。編み込みモデルはTFPには使用できないが、ペーパークラフト、板金工芸、建築デザインなど、さまざまなアプリケーションに使用できる。
FIG. 6 shows a knitted model using isoparametric curves, FIG. 6(a) shows a curved surface model including isoparametric curves, FIG. 6(b) shows an unfolded planar patch, and FIG. c) shows main strip A (top) and main strip B (bottom) aligned unfolded planar patches, and FIG. 6(d) shows the knitted main strip.
The knitting model shown in FIG. 6 is developed along isoparametric curves as shown in FIGS. 6(a) to (c). The paper craft model shown in FIG. 6(d) shows a case where the main strip A and the main strip B are woven together to form a 3D curved surface model. Braided models cannot be used for TFP, but can be used for a variety of applications such as paper craft, sheet metal craft, and architectural design.

自由曲面上の曲線のよく知られている直交網には、曲率線、主ストレッチ線、及び主応力線の3種類がある。各点の接線がその点での曲率の主方向と一致するサーフェス上の曲線は、曲率線と呼ばれる。曲率線は、曲面全体の最大または最小の法曲率方向の流れを示す。臍点でない点においては、直交する2つの主方向が存在するため、曲率線は直交網を形成する。非線形の連立常微分方程式の初期値問題を積分することによって曲率線を描画する手法の詳細は、非特許文献4(T. Maekawa, F. E. Wolter, and N. M. Patrikalakis. Umbilics and lines of curvature for shape interrogation. Computer Aided Geometric Design, 13(2):133-161, 1996.)に記載されている。臍点は、すべての方向において法曲率が等しい曲面上の点であり、したがって主方向は不定である。よって、臍点では曲率線の直交網が特異となり、それゆえ、曲率線で囲まれた領域である曲面パッチは、4本でなくN本の曲率線で囲まれたパッチになる。非特許文献2の展開アルゴリズムは、このようなN本のパッチに対応できる。3D自由形状シェル構造上の主ストレッチ線と主応力線の計算は、曲率線と同様の方法で計算できる。 There are three well-known orthogonal networks of curves on free-form surfaces: curvature lines, principal stretch lines, and principal stress lines. A curve on a surface whose tangent to each point coincides with the principal direction of curvature at that point is called a line of curvature. Curvature lines indicate the maximum or minimum normal curvature direction flow across the curved surface. At non-umbilical points, there are two principal directions that are orthogonal, so the lines of curvature form an orthogonal network. The details of the method of drawing curvature lines by integrating the initial value problem of nonlinear simultaneous ordinary differential equations are described in Non-Patent Document 4 (T. Maekawa, F. E. Wolter, and N. M. Patrikalakis. Umbilics and lines of curvature for shape interrogation. Computer Aided Geometric Design, 13(2):133-161, 1996.). An umbilical point is a point on a curved surface with equal normal curvature in all directions, so the principal directions are indeterminate. Therefore, the orthogonal network of curvature lines is singular at the navel point, and therefore the surface patch, which is the area bounded by the curvature lines, is a patch bounded by N curvature lines instead of four. The expansion algorithm of Non-Patent Document 2 can handle such N patches. Calculation of the principal stretch lines and principal stress lines on the 3D freeform shell structure can be done in a similar way to the curvature lines.

固体力学では、薄いシェルはその幾何学的な寸法のため、大きな変位と回転を受けることが予想されるが、曲げに支配される変形に対しては小さなひずみしか持たない。したがって、線形ひずみ-応力関係を想定するが非線形運動学を説明するサンブナン・キルヒホッフ(Saint Venant-Kirchhoff)構成モデルは、シェル形状によく使用される。古典的なキルヒホッフ・ラブ(Kirchhoff-Love)シェル理論を採用している。これは、3次元のシェルの連続体が中間面とその法線ベクトル場で表現できると仮定している。したがって理論では、シェル表現でC1連続性が必要である。シェルの運動学は、中間面の第1及び第2基本形式係数によって記述できる。臍点と同様に、2つの主応力が等しい点をisotropic pointと呼ぶ。そのような点での応力の状態は、全方向に均一な半径方向の圧縮または張力の状態である。 In solid mechanics, a thin shell is expected to undergo large displacements and rotations because of its geometric dimensions, but has only small strains for bending-dominated deformations. Therefore, the Saint Venant-Kirchhoff constitutive model, which assumes a linear strain-stress relationship but accounts for nonlinear kinematics, is often used for shell geometry. It employs the classic Kirchhoff-Love shell theory. This assumes that the continuum of three-dimensional shells can be represented by the midplane and its normal vector field. So in theory, we need C1 continuity in the shell representation. The kinematics of the shell can be described by the first and second basic form factors of the midplane. Similar to the navel point, the point where the two principal stresses are equal is called the isotropic point. The state of stress at such a point is that of uniform radial compression or tension in all directions.

自由曲面の幾何学的表現はNURBSであるため、薄いシェル構造の変形を計算するために、NURBSサーフェスが近似なしでNURBS要素に正確に変換されるIGA(Isogeometric analysis)を採用する。さらに、C1連続等幾何離散化を使用すると、キルヒホッフ・ラブシェルモデルに適合する。NURBS曲面のノットスパンは、ドメインを要素に細分割し、問題のフィールド(例えば、変位、速度、温度など)は、NURBS曲面と同じ基底関数で表現される。
ここで、図7は自動車のボンネット表面の曲線の直交網を示す図であり、図7(a)はIGAの荷重と境界条件を示し、図7(b)は主ストレッチ線を示し、図7(c)は主応力線を示している。
Since the geometric representation of the free-form surface is NURBS, we employ IGA (Isogeometric analysis) in which the NURBS surface is exactly transformed into NURBS elements without approximation to calculate the deformation of the thin shell structure. Furthermore, using the C1 continuous isogeometric discretization fits the Kirchhoff-Rabschell model. The knotspan of a NURBS surface subdivides the domain into elements, and the fields of interest (eg, displacement, velocity, temperature, etc.) are represented by the same basis functions as the NURBS surface.
Here, FIG. 7 is a diagram showing an orthogonal network of curves of the bonnet surface of an automobile, FIG. 7(a) showing the loads and boundary conditions of the IGA, FIG. (c) shows the principal stress lines.

図8は曲線の計算の終了を示す図であり、図8(a)は狭い領域の発生を示し、図8(b)は曲線間の距離が短いため曲線の計算を終了した状態を示している。
曲率線、主ストレッチ線、及び主応力線の密な曲線群は、高曲率、高変形、及び高応力領域で発生する傾向があるが、疎な曲線群は低曲率、低変形、及び低応力領域で表示される。非特許文献2では、ユーザーが「追加」および「削除」できる機能を適用することにより、曲線の直交網の密度を調整できるようにするグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)を導入している。ユーザーが曲線の1つを選択すると、曲線が疎である曲面上のシードポイントをクリックして、両方向に向かって積分することで新しい曲線を追加する。「削除」機能は、ユーザーが削除したい曲線上の任意点をクリックすることにより、既存の曲線を削除する。
8A and 8B are diagrams showing the end of the curve calculation, FIG. 8A showing the occurrence of narrow regions, and FIG. 8B showing the state where the curve calculation is finished because the distance between the curves is short. there is
A dense family of curvature lines, principal stretch lines, and principal stress lines tends to occur in high curvature, high deformation, and high stress regions, while a sparse family of curves is low curvature, low deformation, and low stress. displayed in the area. [2] introduces a graphical user interface (GUI) that allows the user to adjust the density of the orthogonal network of curves by applying functions that allow the user to 'add' and 'remove'. When the user selects one of the curves, a new curve is added by clicking on seed points on the surface where the curve is sparse and integrating in both directions. The "delete" function deletes an existing curve by clicking any point on the curve that the user wants to delete.

ただし、図8(a)に示すように、ストリップが狭すぎて(細すぎて)製造できない場合がある。
このような場合、図8(b)に示すように、曲線が他の既存の曲線から所定の距離内にあるときに、曲線の積分計算を終了する。
次に、図8(c)に示すように、GUIを使用して曲線の密度をインタラクティブに調整する。それにもかかわらず、図8(c)に示すように、終了により曲線がパッチの内側にある可能性がある。このような曲線は、図8(d)に示すように、パッチの境界で削除(トリミング)する。図5、図6及び図8(a)に示すように、曲線は入力曲面の境界から始まり境界で終了するとの仮定の下では、並進と回転を使用して等長の隣接エッジを整列させることにより、平面パッチを1つずつ接続するのは簡単である。ただし、上記のケースでは、この仮定はもはや成り立たない。したがって、図8(e)に示すように、境界から境界まで曲面を通る主要な曲線に従って、平面パッチをグループに分割する。図8(e)において、上図は曲面が最小主曲率線に従って3つの領域に分割されていることを示し、下図は曲面が最大主曲率線に従って7つの領域に分割されていることを示している。
However, as shown in FIG. 8(a), the strip may be too narrow (too thin) to be manufactured.
In such a case, as shown in FIG. 8(b), when the curve is within a predetermined distance from other existing curves, the integral calculation for the curve is terminated.
The GUI is then used to interactively adjust the density of the curves, as shown in FIG. 8(c). Nevertheless, it is possible that the curve is inside the patch due to termination, as shown in FIG. 8(c). Such curves are deleted (trimmed) at patch boundaries, as shown in FIG. 8(d). Aligning adjacent edges of equal length using translation and rotation under the assumption that the curve starts and ends at the boundary of the input surface, as shown in FIGS. , it is straightforward to connect the planar patches one by one. However, in the case above, this assumption no longer holds. Therefore, as shown in FIG. 8(e), we divide the planar patches into groups according to the main curve passing through the surface from boundary to boundary. In FIG. 8(e), the upper diagram shows that the curved surface is divided into three regions according to the lines of minimum principal curvature, and the lower diagram shows that the curved surface is divided into seven regions according to the lines of maximum principal curvature. there is

図2に戻り、平面展開図生成ステップS6の後、平面展開図を出力する(平面展開図出力ステップS7)。
ここでの出力には、画像データやファイルデータとしての出力の他、製造用コンピュータ40など、コンピュータ10と連携している他機器へのデータ送信が含まれる。
Returning to FIG. 2, after the plan development drawing generation step S6, the plan development drawing is output (plan development drawing output step S7).
The output here includes output as image data and file data, as well as data transmission to other devices such as the manufacturing computer 40 that are linked with the computer 10 .

このように、曲面展開プログラムは、コンピュータ10に、入力された曲面データを取得する曲面データ取得ステップS1と、曲面データに対し展開基準線となるネット状に交わる任意の曲線群を計算する曲線群計算ステップS2と、任意の曲線群で囲まれた領域の曲面パッチを取得する曲面パッチ取得ステップS3と、任意の曲線群の測地線曲率を計算する測地線曲率計算ステップS4と、測地線曲率を利用して曲面パッチを平面に展開する計算を行い平面パッチを取得する平面パッチ取得ステップS5と、取得した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した形状の平面展開図を生成する平面展開図生成ステップS6と、平面展開図を出力する平面展開図出力ステップS7とを実行させる。これにより、曲面上の任意の曲線群を基準として得られた曲面パッチを展開した平面パッチを並べて、後の工程を考慮した平面展開図を得ることができる。また、繊維を配向したい流れに沿って切込みが入った復元精度の良い平面展開図を算出することができるため、従来は制御が困難とされていた繊維方向を設計パラメータとして考慮することが可能となり、製品設計の自由度が向上する。また、繊維方向を制御することで、CFRP等の複合材料製品の高強度化、軽量化、機能性の付加等に繋げることができる。なお、繊維としては成形品の用途に応じて、炭素繊維以外にも芳香族ポリアミド系樹脂繊維や超高分子量ポリエチレン繊維等の繊維の利用が可能である。 As described above, the surface development program provides the computer 10 with a surface data acquisition step S1 for acquiring input surface data, and a curve group for calculating an arbitrary curve group that intersects the surface data in a net-like manner as a development reference line. a calculation step S2; a surface patch acquisition step S3 for acquiring a surface patch of an area surrounded by an arbitrary curve group; a geodesic curvature calculation step S4 for calculating the geodesic curvature of an arbitrary curve group; Plane patch acquisition step S5 for acquiring a plane patch by performing calculations to develop the curved surface patch onto a plane using the surface patch, and plane development diagram generation for generating a plane development diagram of a shape in consideration of subsequent processes by arranging the acquired plane patches. A step S6 and a plane developed view output step S7 for outputting a plane developed view are executed. As a result, it is possible to arrange the plane patches obtained by developing the surface patches obtained based on an arbitrary curve group on the curved surface, and to obtain a plane development drawing in consideration of subsequent processes. In addition, since it is possible to calculate a plan development with good restoration accuracy in which cuts are made along the desired direction of the fiber orientation, it is possible to consider the fiber direction as a design parameter, which was conventionally considered difficult to control. , the degree of freedom in product design is improved. In addition, by controlling the fiber direction, it is possible to increase the strength, reduce the weight, add functionality, etc. of composite material products such as CFRP. In addition to carbon fiber, fibers such as aromatic polyamide resin fiber and ultra-high molecular weight polyethylene fiber can be used as the fiber depending on the use of the molded product.

図9はツールパス計算プログラムの処理フローである。
ツールパス計算プログラムは、平面展開図に対して刺しゅう機30のツールパスを計算するプログラムであり、コンピュータ10にインストールされている。ツールパス計算プログラムは、境界曲線が2本の展開基準線と2本の曲面の境界曲線とで構成されるような、一般的な主ストリップを例に説明する。
処理を開始したツールパス計算プログラムは、曲面展開プログラムを用いて得られた平面展開図を取得する(平面展開図取得ステップS11)。
FIG. 9 is a processing flow of the tool path calculation program.
The tool path calculation program is installed in the computer 10 to calculate the tool path of the embroidery machine 30 with respect to the plan view. The toolpath calculation program will be described with the example of a typical main strip, where the boundary curve consists of two development reference lines and two curved surface boundary curves.
The tool path calculation program that has started the process acquires a plan development view obtained using the curved surface development program (plan development view acquisition step S11).

平面展開図取得ステップS11の後、ツールパスを平面展開図の内側に限定して配置する(ツールパス配置ステップS12)。
ここで、図10は平面展開図の境界曲線の分類例を示す図である。
図10に示すように、ツールパスを引く平面展開図のパーツについて、各境界曲線を、展開基準線1(等パラメータ曲線、主ストレッチ線、主応力線、又は曲率線等)か、曲面の境界線2かの二種類に分類する。このように、ツールパス配置ステップS12において、平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開基準線1と、平面展開図の境界線2に分類することで、展開基準線1と境界線2を考慮してツールパスを配置することができる。
After the plan development drawing acquisition step S11, the tool paths are arranged only inside the plan development plan (tool path arrangement step S12).
Here, FIG. 10 is a diagram showing an example of classification of boundary curves in a plan development view.
As shown in FIG. 10, each boundary curve for a part of a plan development drawing on which a tool path is drawn is defined as a development reference line 1 (e.g., isoparameter curve, principal stretch line, principal stress line, or curvature line) or a boundary of a curved surface. It is classified into two types, Line 2. In this way, in the tool path placement step S12, the types of boundary curves in the plan development are arranged and classified into development reference line 1 and boundary line 2 in the plan development, so that the development reference line 1 and the boundary line 2 The tool path can be placed in consideration of

ここで、図11は平面展開図の領域拡大の例を示す図である。
平面展開図において、境界曲線のうち展開基準線1を延長して、平面展開図の領域を十分に広げる。これにより、後述のオフセット作業において、曲面の境界線2の影響を避け、展開基準線1の流れに沿ったツールパスが作られる。図11では、展開基準線1の端部から接線方向に直線で延長している。
このように、ツールパス配置ステップS12において、平面展開図の境界線2を延長し、境界線2の影響を避けて展開基準線1に沿ったツールパスの配置を容易にすることで、後のオフセット作業において、境界線2の影響を避けて展開基準線1の流れに沿ったオフセット経路の計画を容易にすることができる。
Here, FIG. 11 is a diagram showing an example of area enlargement of the plan development view.
In the plan development view, the development reference line 1 of the boundary curve is extended to sufficiently widen the area of the plan development view. As a result, in the later-described offset operation, the influence of the boundary line 2 of the curved surface is avoided, and a tool path along the flow of the development reference line 1 is created. In FIG. 11, it extends straight from the end of the deployment reference line 1 in the tangential direction.
In this way, in the tool path arrangement step S12, the boundary line 2 of the plan development view is extended to avoid the influence of the boundary line 2 and facilitate the arrangement of the tool path along the development reference line 1. In the offset work, it is possible to avoid the influence of the boundary line 2 and to facilitate the planning of the offset path along the flow of the development reference line 1 .

図9に戻り、ツールパス配置ステップS12の後、平面展開図の内側におけるツールパスを計算する(ツールパス計算ステップS13)。
ここで、図12はオフセットの例を示す図である。
ツールパス計算ステップS13においては、ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画することが好ましい。これにより、配置する繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。なお、刺しゅう対象物は、例えば炭素繊維束(トウ)である。
図12は展開基準線を延長し領域を拡大した境界曲線に対して内側へオフセットして複数の内側オフセット曲線4を描いた状態を示している。境界線2と最初の内側オフセット曲線4までのオフセット幅のみ刺しゅう対象物の幅に対して0.5倍とし、その後の内側オフセット曲線4は刺しゅう対象物の幅と同幅でオフセットしている。
また、ツールパスの計算は、NURBS曲線に基づいて行う。これにより、CADソフトで標準的なNURBS曲線を利用してツールパスの計算を行うことができ、後の製造(CAM)も連係し易くなる。
Returning to FIG. 9, after the toolpath placement step S12, the toolpath inside the plan development view is calculated (toolpath calculation step S13).
Here, FIG. 12 is a diagram showing an example of offset.
In the toolpath calculation step S13, it is preferable to sequentially plan an offset path in which the toolpath is offset to the inside of the flattened view in consideration of the width of the object to be embroidered. This makes it possible to plan a toolpath that takes into account the width of an embroidery object such as a textile tow to be placed. The embroidery object is, for example, a carbon fiber bundle (tow).
FIG. 12 shows a state in which a plurality of inner offset curves 4 are drawn by offsetting inwards with respect to the boundary curve obtained by extending the development reference line and enlarging the area. Only the offset width between the boundary line 2 and the first inner offset curve 4 is 0.5 times the width of the object to be embroidered, and the subsequent inner offset curves 4 are offset by the same width as the width of the object to be embroidered.
Also, the toolpath calculations are based on NURBS curves. This allows CAD software to use standard NURBS curves to perform toolpath calculations, making it easier to work with later manufacturing (CAM).

図13はトリムの例を示す図である。
ツールパス計算ステップS13においては、ツールパスを計画した後、平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線5を描き、不要な曲線をトリムする。これにより、刺しゅう対象物の幅を考慮した上で、不要な経路を含むツールパスが生成されることを防止できる。
図13には、展開基準線1の外側に外側オフセット曲線5を描き、外側オフセット曲線5よりも外側にある拡張領域の境界曲線及び内側オフセット曲線4を不要な曲線として切り取った状態を示している。
FIG. 13 is a diagram showing an example of trimming.
In the toolpath calculation step S13, after the toolpath is planned, an outside offset curve 5 offset in consideration of the width of the object to be embroidered is drawn on the outside of the plan view, and unnecessary curves are trimmed. This prevents the generation of toolpaths that include unnecessary paths, taking into consideration the width of the object to be embroidered.
FIG. 13 shows a state in which an outer offset curve 5 is drawn outside the development reference line 1, and the boundary curve of the expansion area and the inner offset curve 4 outside the outer offset curve 5 are cut off as unnecessary curves. .

図14はアイランド部の分類とツールパス追加の例を示す図である。
不要な曲線をトリムすると、図14に示すように、一方の端点(端)と他方の端点(端)を有する内側オフセット曲線4と、端点(端)を有さない環状の内側オフセット曲線4が形成される。端点が無い環状の内側オフセット曲線4は、連続する閉じた輪郭であり他の曲線と繋げることができない。この環状の内側オフセット曲線4により形成された領域は、端点を有する内側オフセット曲線4から孤立した島のような領域であるアイランド部6として分類する。
ツールパス計算ステップS13においては、平面展開図のオフセット経路の孤立したアイランド部6に対し、アイランド部6を横断する経路を追加経路7として追加し、オフセット経路と追加経路7を用いてツールパスを計画する。アイランド部6を形成する全ての内側オフセット曲線4を貫く1本の滑らかな曲線である追加経路7を設けることにより、アイランド部6を横断する追加経路7により、全体の一筆書化が可能となる。図14に示すように、追加経路7の長さは、端点を有する内側オフセット曲線4の長さと揃える。このように、追加経路7は、アイランド部6を一筆化するために追加するパスであり、追加した線は、そのまま一筆化時のパスとして利用される。
FIG. 14 is a diagram showing an example of island part classification and tool path addition.
After trimming the unnecessary curves, as shown in FIG. It is formed. The annular inner offset curve 4 without endpoints is a continuous closed contour and cannot be connected with other curves. The region formed by this annular inner offset curve 4 is classified as an island portion 6 which is an island-like region isolated from the inner offset curve 4 having an end point.
In the tool path calculation step S13, a path crossing the island part 6 is added as an additional path 7 to the isolated island part 6 of the offset path of the plan development view, and the tool path is calculated using the offset path and the additional path 7. To plan. By providing an additional path 7 which is a single smooth curve through all the inner offset curves 4 forming the island 6, the additional path 7 across the island 6 allows the whole to be unicursal. . As shown in FIG. 14, the length of the additional path 7 is aligned with the length of the inner offset curve 4 with endpoints. In this way, the additional path 7 is a path added to make the island portion 6 into a single stroke, and the added line is used as it is as a path when making a single stroke.

図15はアイランド部を形成する内側オフセット曲線におけるツールパスの一筆書化の例を示す図、図16はツールパス全体の一筆書化の例を示す図である。
ツールパス計算ステップS13においては、ツールパスを一筆書化できるように計算することが好ましい。なお、一筆書化とは、独立している各曲線を、一筆(ワンストローク)で描けるように繋げ、一つのツールパスを生成する単一の曲線にすることをいう。各ストリップにおけるツールパスを一筆書化することにより、刺しゅう対象物の繊維トウがストリップ内部で分断されることを防止でき、強度を向上することができる。
一筆書化においては、まず、図15に示すように、アイランド部6を構成している環状の内側オフセット曲線4と追加経路7の曲線とを合体(マージ)することによって、アイランド部6のオフセット経路を一筆書化する。これにより、アイランド部6の輪郭を一筆で書き込むことができるようになる。
次に、図16に示すように、ツールパスを構成する全ての曲線を半円で連続的に繋ぐことで一筆書化する。ここでは、図9に示すように、端点指定ステップS13-1、移動ステップS13-2、未接続判断ステップS13-3、及び接続ステップS13-4を実行する。
FIG. 15 is a diagram showing an example of unicursal conversion of the toolpath on the inner offset curve forming the island portion, and FIG. 16 is a diagram showing an example of unicursal conversion of the entire toolpath.
In the tool path calculation step S13, it is preferable to calculate so that the tool path can be drawn in one stroke. It should be noted that unicursal writing refers to connecting each independent curve so that it can be drawn with a single stroke (one stroke) to form a single curve that generates one tool path. By making the tool path in each strip unicursal, the fiber tow of the object to be embroidered can be prevented from breaking inside the strip, and strength can be improved.
In unicursal writing, first, as shown in FIG. 15, by merging the circular inner offset curve 4 forming the island portion 6 and the curve of the additional path 7, the offset of the island portion 6 is Write down the route. As a result, the outline of the island portion 6 can be drawn with a single stroke.
Next, as shown in FIG. 16, all the curves forming the toolpath are drawn in a single stroke by continuously connecting them with semicircles. Here, as shown in FIG. 9, end point specification step S13-1, movement step S13-2, disconnection determination step S13-3, and connection step S13-4 are executed.

端点指定ステップS13-1では、開始点となるツールパスの端点を指定する。
移動ステップS13-2では、端点指定ステップS13-1で指定した開始点である端点から、その反対側の端点に移動させる。
未接続判断ステップS13-3では、移動ステップS13-2の結果を基に、ストリップ内部に未接続の端点が残っているかを判断する。
未接続判断ステップS13-3において、ストリップ内部に未接続の端点が残っていると判断された場合は、接続ステップS13-4となる。接続ステップS13-4では、まだ接続されていない、現在の端点から一番近い端点に接続する。接続ステップS13-4の後は、移動ステップS13-2に戻る。
一方、未接続判断ステップS13-3において、ストリップ内部に未接続の端点が残っていると判断された場合は、一筆書化の処理を終了する。
これにより、ツールパスの一筆書化を正確かつ迅速に行うことができる。なお、図17は作成したツールパスに沿って刺しゅう対象物を刺しゅうしたイメージ図である。
In the end point designation step S13-1, the end point of the tool path to be the starting point is designated.
In the moving step S13-2, the end point, which is the starting point specified in the end point specifying step S13-1, is moved to the opposite end point.
In the unconnected determination step S13-3, it is determined whether an unconnected end point remains inside the strip based on the result of the movement step S13-2.
If it is determined in the unconnected determination step S13-3 that an unconnected end point remains inside the strip, the process proceeds to the connection step S13-4. In the connection step S13-4, a connection is made to an endpoint closest to the current endpoint, which has not yet been connected. After the connecting step S13-4, the process returns to the moving step S13-2.
On the other hand, if it is determined in the unconnected determination step S13-3 that unconnected end points remain inside the strip, the unicursal writing processing ends.
This allows accurate and rapid unicursal conversion of toolpaths. FIG. 17 is an image diagram of an embroidery object embroidered along the created tool path.

一筆書化の処理を終了した後、一筆書化したツールパスに沿ってトウ等の刺しゅう対象物を配置して、隙間領域を確認する。
図18はオフセット曲線が実際の曲線から逸脱している場合の処理手順を示す図であり、図18(a)は補助線を追加した状態を示し、図18(b)は展開基準線を延長し領域を拡大した状態を示し、図18(c)はツールパスを構成する全ての曲線を半円で連続的に繋ぐことで一筆書化した状態を示し、図18(d)は一筆書化したツールパスに沿ってトウ等の刺しゅう対象物を配置して隙間領域を確認する状態を示している。
2つの曲線の距離が大きい場合、オフセット曲線は実際の曲線から逸脱する可能性がある。そのような場合は、図18に示すように、補助線3をストリップの中心にマッピングし、ストリップを2つのストリップに分割し、上記のツールパス配置ステップS12及びツールパス計算ステップS13を各ストリップに適用する。ツールパス配置ステップS12において、ツールパスのずれを軽減する補助線3を、展開基準線1を考慮して平面展開図の内側に描くことで、配置の際に補助線3を利用してツールパスのずれを軽減し、ツールパスの精度を高めることができる。
また、ツールパス計算ステップS13において、ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画することで、配置する繊維トウ等の刺しゅう対象物の幅を考慮したツールパスを計画することができる。
なお、補助線3は、オフセットを精度良くするためのいわば、オフセット曲線の境界線(オフセットを開始する基準線)のガイドラインであり、その線自体はパスにはならない。
After completing the unicursal processing, an embroidery object such as a toe is placed along the unicursal tool path, and the gap area is checked.
18A and 18B are diagrams showing the processing procedure when the offset curve deviates from the actual curve, FIG. 18A shows the state where the auxiliary line is added, and FIG. Fig. 18(c) shows a state in which all the curves that make up the toolpath are continuously connected with semicircles to form a single stroke, and Fig. 18(d) shows a state in which all the curves forming the tool path are drawn in a single stroke. This shows a state in which an embroidery object such as a tow is placed along the drawn tool path and the gap area is checked.
If the distance between the two curves is large, the offset curve can deviate from the actual curve. In such a case, as shown in FIG. 18, an auxiliary line 3 is mapped to the center of the strip, the strip is divided into two strips, and the above toolpath placement step S12 and toolpath calculation step S13 are applied to each strip. Apply. In the toolpath placement step S12, the auxiliary line 3 that reduces the deviation of the toolpath is drawn inside the plan development drawing in consideration of the development reference line 1, so that the toolpath can be arranged using the auxiliary line 3 at the time of placement. It can reduce the deviation of the tool path and improve the accuracy of the tool path.
In the toolpath calculation step S13, the width of the object to be embroidered is taken into consideration, and the offset paths are sequentially planned by offsetting the toolpath to the inside of the flattened view. Width-aware toolpaths can be planned.
The auxiliary line 3 is, so to speak, a guideline of the boundary line of the offset curve (reference line for starting the offset) for improving the accuracy of the offset, and the line itself does not serve as a path.

図9に戻り、ツールパス計算ステップS13の後、計算したツールパスを出力する(ツールパス出力ステップS14)。本実施例では、計算したツールパスは、通信ネットワーク80を介してコンピュータ10から製造用コンピュータ40へ送信される。
このように、ツールパス計算プログラムは、曲面展開プログラムにより得られた平面展開図に計算された刺しゅう機30のツールパスを配置することができ、平面展開図に対して、例えば、目的の方向に沿わせつつ、繊維の粗密のばらつきが少なるくなるよう配置する繊維トウのツールパスを計算することが可能となる。
Returning to FIG. 9, after the tool path calculation step S13, the calculated tool path is output (tool path output step S14). In this embodiment, the calculated toolpath is transmitted from computer 10 to manufacturing computer 40 via communications network 80 .
In this way, the toolpath calculation program can place the calculated toolpath of the embroidery machine 30 on the plan view obtained by the curved surface development program, and for example, in a desired direction with respect to the plan view. It is possible to calculate the tool path of the fiber tows arranged so as to reduce the unevenness of the density of the fibers while keeping them along.

ここで、ツールパス計算プログラムのアルゴリズムを、繊維(刺しゅう対象物)の配向角度、繊維同士のオーバーラップ、繊維同士の隙間、の三つの観点から評価する測定方法について説明する。
図19は自動車のボンネットに対して曲率線を基準として展開した展開図上にツールパス計算プログラムを適用したときの測定結果を示す図であり、図19(a)はツールパスの配置角度について、展開された曲線A及び曲線Bからのオフセットに沿った繊維配向の角度を交点で計算し直角との差を評価したもの、図19(b)は刺しゅう対象物がオーバーラップした領域について、グレースケールの画像上で暗いピクセル(オーバーラップ有り)と明るいピクセル(オーバーラップ無し)の比率で評価したもの、ならびに繊維のギャップ領域について、色付きのピクセル(繊維有り)と展開図内部の白のピクセル(繊維無し)の比率で評価したものである。
ツールパス計算プログラムのアルゴリズムによる結果を評価する方法の一つ目は、図19(a)に示すように、展開された曲線Aと展開された曲線Bとの交点でのオフセットに沿った繊維配向間の角度について設計角度からの偏差を評価するものである。
二つ目の評価方法は、刺しゅう対象物(トウ)間のオーバーラップの量を評価するものである。図19(b)に示すように、半透明のシェーディングモードを使用して、パスに沿ってトウの幅と等しい幅の2Dサーフェスを配置する。重なり合った領域(オーバーラップした領域)は、重なり合っていない領域に比べて暗く見えて検出できるため、明るいピクセルに対する暗いピクセルの比率で評価する。
三つ目の評価方法は、刺しゅう対象物(トウ)間のギャップの量を評価するものである。図19(b)に示すように、色を有するピクセルに対する内部の白のピクセルの比率で評価する。
Here, a measurement method for evaluating the algorithm of the tool path calculation program from the three viewpoints of orientation angle of fibers (embroidery object), overlap between fibers, and gaps between fibers will be described.
FIG. 19 is a diagram showing the measurement results when the tool path calculation program is applied to the developed view of the bonnet of the automobile, which is developed based on the curvature line. The angle of fiber orientation along the offset from the unfolded curves A and B was calculated at the point of intersection and evaluated for the difference from the perpendicular, FIG. and the ratio of dark pixels (with overlap) and light pixels (without overlap) on the image, and for the fiber gap area, colored pixels (with fibers) and white pixels (with fibers) inside the development view. none).
The first way to evaluate the results of the algorithm of the toolpath calculation program is the fiber orientation along the offset at the intersection of developed curve A and developed curve B, as shown in FIG. 19(a). It evaluates the deviation from the design angle for the angle between.
A second evaluation method evaluates the amount of overlap between embroidery objects (toes). A semi-transparent shading mode is used to place a 2D surface along the path with a width equal to the width of the toe, as shown in FIG. 19(b). Overlapping regions (overlapping regions) appear darker than non-overlapping regions and can be detected, so the ratio of dark pixels to bright pixels is evaluated.
A third evaluation method evaluates the amount of gap between embroidery objects (toes). As shown in FIG. 19(b), the ratio of interior white pixels to colored pixels is evaluated.

図20は複合材料を用いた曲面の製造方法の工程を示す図である。
複合材料を用いた曲面の製造方法は、まず、曲面展開プログラムを用いて得られた平面展開図に基づいて原基材を裁断機20で裁断した基材と、基材に刺しゅうする刺しゅう対象物を準備する(材料準備工程S21)。基材は、ガラスクロス材などである。また、裁断した基材には、切込みが入ったものも含む。刺しゅう対象物ではなく基材のみに切込みを入れることで、部品の強度低下を防ぐことができる。
後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合は、基材に識別符号を付与する(第一の識別符号付与工程S21-1)。これにより、基材の取り違えを防止し、刺しゅう時の順番等の識別を容易にすることができる。
FIG. 20 is a diagram showing steps of a curved surface manufacturing method using a composite material.
In the method of manufacturing a curved surface using a composite material, first, a substrate obtained by cutting an original substrate with a cutting machine 20 based on a plane development obtained by using a curved surface development program, and an embroidery object to be embroidered on the substrate. is prepared (material preparation step S21). The base material is a glass cloth material or the like. Moreover, the cut base material includes a cut base material. By cutting only the base material, not the object to be embroidered, it is possible to prevent deterioration of the strength of the part.
If there are a plurality of planar developed views of a shape in consideration of subsequent steps, an identification code is given to the substrate (first identification code giving step S21-1). As a result, it is possible to prevent the base material from being mixed up, and to facilitate identification of the order in embroidering.

材料準備工程S21の後、ツールパス計算プログラムを用いて得られたツールパスに基づいて基材に炭素繊維トウ等の刺しゅう対象物を配置する(材料配置工程S22)。このとき、基材の上にツールパスに基づいた曲線を描くと、刺しゅう対象物を配置しやすくなる。
刺しゅう対象物は炭素繊維トウであることが好ましい。これにより、鋼と比較して比強度及び比弾性率に優れたCFRP製品を製造することができる。
After the material preparation step S21, an embroidery object such as a carbon fiber tow is placed on the base material based on the tool path obtained using the tool path calculation program (material placement step S22). At this time, drawing a curve based on the tool path on the base material makes it easier to place the embroidery object.
Preferably, the embroidery object is a carbon fiber tow. This makes it possible to produce CFRP products that are superior in specific strength and specific modulus compared to steel.

材料配置工程S22の後、刺しゅう機30によりツールパスに従って刺しゅう対象物を基材に刺しゅうし、成形基材を得る(刺しゅう工程S23)。成形基材(プリフォーム)は復元精度の良い平面展開図に基づいて基材を裁断し、計算されたツールパスに基づいて、繊維トウ等の刺しゅう対象物を基材に配置して刺しゅうができるため、精度の高い成形基材を少ない労力で製造することができる。 After the material arrangement step S22, the embroidery object is embroidered on the base material according to the tool path by the embroidery machine 30 to obtain a molded base material (embroidery step S23). Molded base material (preform) can be cut based on a flat development drawing with good restoration accuracy, and embroidery objects such as fiber tow can be placed on the base material and embroidered based on the calculated tool path. Therefore, a highly accurate molded base material can be manufactured with less labor.

刺しゅう工程S23の後、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合に、成形基材に識別符号を付与する(第二の識別符号付与工程S24)。これにより、成形基材の取り違えを防止し、成形型50への載置時の順番等の識別を容易にすることができる。 After the embroidering step S23, if there are a plurality of plane developed views of the shape in consideration of the subsequent steps, an identification code is given to the forming base material (second identification code giving step S24). As a result, it is possible to prevent the molding substrate from being mixed up, and to facilitate identification of the order in which the substrates are placed on the molding die 50 .

第二の識別符号付与工程S24の後、後の工程を考慮した形状の平面展開図が複数枚の場合に、複数枚の成形基材を連結する(連結工程S25)。複数枚の成形基材を連結して1枚物などにすることで、成形基材を成形型50へ載置する際の手間を軽減することができる。 After the second identification code assigning step S24, when there are a plurality of plan developed views of a shape in consideration of subsequent steps, the plurality of forming substrates are connected (connecting step S25). By connecting a plurality of molding substrates to form a single piece, it is possible to reduce the labor involved in placing the molding substrate on the mold 50 .

また、曲面の成形型50を準備する成形型準備工程S26と、刺しゅう工程S23で得られた成形基材を成形型50に載置する成形基材載置工程S27と、成形基材を載置した成形型50に樹脂を注入し成形する樹脂成形工程S28と、樹脂を硬化させて成形基材と一体化された複合材料から成る曲面を得る曲面完成工程S29を有する。これにより、繊維トウ等の配置が計算した曲線群に沿った曲面を有するCFRP製品等の複合材料を用いた樹脂成形曲面を製造することができる。なお、樹脂としては成形品の用途に応じて、エポキシやフェノール等の熱硬化性樹脂、またポリオレフィン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂の何れも使用が可能である。
また、CFRPの成形には、真空含浸工法(VaRTM)などの一般的な成形方法を適用することができる。
また、曲面データ取得ステップS1で取得する曲面データをNURBS曲面データとし、NURBS曲線に基づいてツールパスの計算をしている場合、曲面の成形型50はNURBS曲面に基づいたものであり、裁断機20による基材の裁断、及び刺しゅう機30によるツールパスに従った刺しゅうは、NURBS曲線に基づいたものである。これにより、同じ幾何学的表現を共有するCAD、CAE、及びCAM技術を連係し、NURBS曲面やNURBS曲線を利用して複合材料から成る曲面を製造することができる。なお、曲面データ取得ステップS1で取得する曲面データをベジェ曲面データ、B-スプライン曲面データ、又はT-スプライン曲面データとし、各曲線に基づいてツールパスの計算をしている場合、曲面の成形型50は各曲面に基づいたものであり、裁断機20による基材の裁断、及び刺しゅう機30によるツールパスに従った刺しゅうは、各曲線に基づいたものである。
Further, a molding die preparation step S26 for preparing a curved molding die 50, a molding substrate placement step S27 for placing the molding substrate obtained in the embroidery step S23 on the molding die 50, and a molding substrate placement step S27. It has a resin molding step S28 of injecting resin into the molded mold 50 for molding, and a curved surface completion step S29 of curing the resin to obtain a curved surface composed of the composite material integrated with the molding substrate. As a result, it is possible to manufacture a resin-molded curved surface using a composite material such as a CFRP product having a curved surface along a group of curves in which the arrangement of fiber tows or the like is calculated. As the resin, thermosetting resin such as epoxy and phenol, and thermoplastic resin such as polyolefin and polyamide can be used depending on the application of the molded product.
In addition, general molding methods such as the vacuum impregnation method (VaRTM) can be applied to the molding of CFRP.
Further, when the curved surface data acquired in the curved surface data acquisition step S1 is NURBS curved surface data and the tool path is calculated based on the NURBS curved surface, the curved molding die 50 is based on the NURBS curved surface, and the cutting machine The cutting of the substrate by 20 and the embroidery according to the toolpath by the embroidery machine 30 are based on NURBS curves. This allows CAD, CAE, and CAM techniques, which share the same geometric representation, to work together to manufacture surfaces made of composite materials using NURBS surfaces and NURBS curves. If the curved surface data acquired in the curved surface data acquisition step S1 is Bezier curved surface data, B-spline curved surface data, or T-spline curved surface data, and the tool path is calculated based on each curve, the curved surface molding die 50 is based on each curved surface, and the cutting of the substrate by the cutter 20 and the embroidery according to the tool path by the embroidery machine 30 are based on each curve.

成形基材載置工程S27においては、複数枚の成形基材を重ねて載置することが好ましい。これにより、複合材料を用いた製品の強度を高めることができる。
また、複数枚の成形基材は、複数パターンの成形基材を組み合わせたものであることが好ましい。これにより、複合材料を用いた製品の強度をより高めることができる。
また、複数パターンの成形基材は、炭素繊維トウの炭素繊維が直交するパターンを組み合わせたものであることが好ましい。これにより、より強度を高めたCFRP製品を得ることができる。なお、局所的に炭素繊維の配向を変えることで、部分的な強度調整も可能である。
In the forming base material placing step S27, it is preferable to stack and place a plurality of forming base materials. Thereby, the strength of the product using the composite material can be increased.
Moreover, it is preferable that the plurality of molding substrates are a combination of a plurality of patterns of molding substrates. Thereby, the strength of the product using the composite material can be further increased.
Moreover, it is preferable that the plurality of patterns of the molding substrate be a combination of patterns in which the carbon fibers of the carbon fiber tow are orthogonal. This makes it possible to obtain a CFRP product with increased strength. It is also possible to partially adjust the strength by locally changing the orientation of the carbon fibers.

図21は平面展開図の生成から製品製造までの流れを示す概念図である。
上記で説明した通り、まず図21(a)に示すように、入力曲面の2次元パラメータ空間、又は3次元空間において、入力曲面の構造化された四辺形の曲面パッチのテッセレーションを行う。
次に図21(b)に示すように、これらの曲面パッチを展開して平面パッチを取得する。
次に、図21(c)に示すように、平坦化された平面パッチを並び替えてを2つの方法で整列させ平面展開図を生成する。
次に、図21(d)に示すように、ツールパスを生成する。
次に、図21(e)に示すように、刺しゅう機30を使用して展開パッチに刺しゅう対象物を配置し、成形基材(プリフォーム)を製作する。
最後に、図21(f)に示すように、複合材料から成る曲面を有するCFRP製品等の製品を形成する。
FIG. 21 is a conceptual diagram showing the flow from generation of a flat development view to product manufacturing.
As described above, first, as shown in FIG. 21(a), the structured quadrilateral surface patches of the input surface are tessellated in the two-dimensional parameter space or the three-dimensional space of the input surface.
Next, as shown in FIG. 21(b), these surface patches are expanded to obtain plane patches.
Next, as shown in FIG. 21(c), the flattened planar patches are rearranged and aligned in two ways to generate a flattened view.
Next, as shown in FIG. 21(d), a tool path is generated.
Next, as shown in FIG. 21(e), an embroidery machine 30 is used to place an embroidery object on the developed patch to produce a molded base material (preform).
Finally, as shown in FIG. 21(f), a product such as a CFRP product having a curved surface made of composite material is formed.

次に、本発明を適用した製造例として、自動車のボンネットモデルと、船舶用プロペラブレードモデルを説明する。
図22はCFRP製造方法の概略図であり、図22(a)はVaRTMを示し、図22(b)はL-RTMを示している。また図23は製造中のVaRTM装置及びL-RTM装置を示す図であり、図23(a)、(b)はVaRTM装置による自動車のボンネットの成形プロセスを示し、図23(c)、(d)はL-RTM装置による船舶用プロペラの成形プロセスを示している。
刺しゅう機30としてタジマTCWM-101(タジマ工業株式会社製)を用い、基材に炭素繊維トウを配置し、成形基材(プリフォーム)を製造した。炭素繊維トウにはToho Tenax HTS40 F22 12K 800TEXS(帝人株式会社製)、基材であるガラスクロスには厚さ0.18mmのMARINETEX 0.2A(ニチアス株式会社製)を用いた。
CRFPシェル構造の製造には、VaRTM装置及びL-RTM装置を使用した。VaRTM処理は、低コストの複合製造技術である。図22(a)に示すように、乾燥した成形基材を開いた型の上に重ね、真空フィルムで覆って真空圧下で樹脂を成形基材に注入し、オーブンで硬化させる。一方、L-RTMは、クローズドモールドを用いた複合材料の製造プロセスである。L-RTM装置で製造された部品の両面には鏡面仕上げが施されるが、VaRTM装置で製造された部品では、金型側のみに鏡面仕上げが施される。
Next, as manufacturing examples to which the present invention is applied, an automobile hood model and a marine propeller blade model will be described.
FIG. 22 is a schematic diagram of the CFRP manufacturing method, FIG. 22(a) showing VaRTM and FIG. 22(b) showing L-RTM. FIG. 23 is a diagram showing VaRTM equipment and L-RTM equipment during manufacturing, FIGS. ) shows the molding process of a marine propeller by the L-RTM equipment.
Using Tajima TCWM-101 (manufactured by Tajima Kogyo Co., Ltd.) as the embroidery machine 30, a carbon fiber tow was placed on the base material to produce a molded base material (preform). Toho Tenax HTS40 F22 12K 800TEXS (manufactured by Teijin Limited) was used as the carbon fiber tow, and MARINETEX 0.2A (manufactured by NICHIAS Corporation) with a thickness of 0.18 mm was used as the glass cloth substrate.
VaRTM and L-RTM equipment were used to fabricate CRFP shell structures. VaRTM processing is a low-cost composite manufacturing technology. As shown in FIG. 22(a), the dried molded substrate is placed over the open mold and covered with a vacuum film to inject the resin into the molded substrate under vacuum pressure and cured in an oven. On the other hand, L-RTM is a manufacturing process of composite materials using a closed mold. Both sides of the parts produced by the L-RTM machine are mirror-finished, whereas the parts produced by the VaRTM machine are mirror-finished only on the mold side.

図24は自動車のボンネットモデルの成形基材を製造するために適用されたTFP刺しゅう機の一筆書化したツールパスを示す図であり、図中の記号Sは始点の位置を示し、記号Eは一筆書化したツールパスの終点の位置を示す。図24(a)は最大主曲率線に沿った経路であり、図24(b)は最小主曲率線に沿った経路である。また、図24(c)、(d)は、それぞれ図24(a)、(b)中に正方形で囲んだ領域の拡大図である。
一筆書化したツールパス(ストロークパス)を適用して、図24に示す自動車ボンネットモデルの成形基材を製造する。最大主曲率線及び最小主曲率線に沿った経路は、それぞれ図24(a)、(b)に示されている。なお、切込みは基材のみとしており、図24(a)、(b)における繊維方向は、3次元形状にした際、層ごとに直交する。
FIG. 24 shows the unicursal toolpath of a TFP embroidery machine applied to produce a molded substrate for an automobile bonnet model, where symbol S indicates the starting point position and symbol E indicates the position of the starting point. Indicates the position of the end point of the unicursal toolpath. 24(a) is the path along the line of maximum principal curvature, and FIG. 24(b) is the path along the line of minimum principal curvature. 24(c) and (d) are enlarged views of the areas surrounded by squares in FIGS. 24(a) and (b), respectively.
A unicursal tool path (stroke path) is applied to produce the molded substrate of the car bonnet model shown in FIG. The paths along the lines of maximum and minimum principal curvature are shown in FIGS. 24(a) and (b), respectively. In addition, only the base material is cut, and the fiber directions in FIGS.

図25はTFP刺しゅう機によって製造された成形基材を示す図であり、図25(a)、(b)はそれぞれ図24に示す対応するパスに基づいてTFP刺しゅう機によって製造された成形基材を示し、図25(c)、(d)はそれぞれ図25(a)、(b)に対応する炭素繊維トウの拡大図である。また、図26はVaRTM装置によって製造されたCFRP自動車ボンネットを示す図であり、図26(a)は鏡面仕上げの金型側、図26(b)は鏡面仕上げのないフィルム面側を示す図である。
図25に示す成形基材を金型に積み重ね、VaRTM装置を使用して、CFRP自動車ボンネットモデルを製造している。
FIG. 25 is a diagram showing a shaped substrate produced by a TFP embroidery machine, and FIGS. 25(a) and (b) are respectively shaped substrates produced by a TFP embroidery machine based on the corresponding paths shown in FIG. 25(c) and (d) are enlarged views of carbon fiber tows corresponding to FIGS. 25(a) and (b), respectively. In addition, FIG. 26 is a diagram showing a CFRP automobile bonnet manufactured by the VaRTM equipment, FIG. 26(a) is a diagram showing the mirror-finished mold side, and FIG. be.
The molded substrates shown in FIG. 25 are stacked in a mold and a VaRTM machine is used to manufacture a CFRP automobile bonnet model.

図27は曲線に沿った船舶用プロペラブレード曲面の展開プロセスを示す図であり、図27(a)は船舶用プロペラブレードを示し、図27(b)はブレードの吸引側の曲率線を示し、図27(c)はブレードの圧力側の曲率線を示し、図27(d)は曲率線のプリイメージを示し、図27(e)は展開されたストリップを示している。
また、図28は船舶用プロペラブレードモデルの成形基材のツールパスを示す図であり、図28(a)は最大主曲率線に沿った経路を示し、図28(b)は最小主曲率線に沿った経路を示している。プロペラブレードは複数枚のストリップから構成されており、図28(a)中の数字(1-1~1-15)、及び図28(b)中の数字(2-1~2-8)は識別符号である。また、図28(c)、(d)は、それぞれ図28(a)、(b)中に正方形で囲んだ領域の拡大図である。
一筆書化したツールパスを適用して、図28に示すように船舶用プロペラブレードモデルの成形基材を製造する。なお、切込みは基材のみとしており、図28(a)、(b)における繊維方向は、3次元形状にした際、層ごとに直交する。
FIG. 27 is a diagram showing the development process of the marine propeller blade curved surface along the curve, FIG. 27(a) shows the marine propeller blade, FIG. 27(b) shows the curvature line on the suction side of the blade, Figure 27(c) shows the curvature lines on the pressure side of the blade, Figure 27(d) shows a pre-image of the curvature lines, and Figure 27(e) shows the developed strips.
In addition, FIG. 28 is a diagram showing the tool path of the forming substrate of the marine propeller blade model, FIG. 28(a) shows the path along the line of maximum principal curvature, and FIG. shows the route along the Propeller blades are composed of multiple strips, and numbers (1-1 to 1-15) in FIG. 28(a) and numbers (2-1 to 2-8) in FIG. 28(b) are It is an identification code. 28(c) and (d) are enlarged views of the areas surrounded by squares in FIGS. 28(a) and (b), respectively.
The unicursal toolpath is applied to produce a molded substrate of a marine propeller blade model as shown in FIG. In addition, only the base material is cut, and the fiber directions in FIGS.

図29はTFP刺しゅう機で製造された成形基材を示す図である。また、図30はL-RTM装置によって製造されたCFRP船舶用プロペラブレードを示す図であり、図30(a)は鏡面仕上げの吸引側、図30(b)は鏡面仕上げの圧力側を示す図である。
図29に示すように、成形基材は、図28と同じ識別符号のパスに対応してTFP刺しゅう機で製造される。
Figure 29 shows a shaped substrate produced with a TFP embroidery machine. FIG. 30 shows a CFRP marine propeller blade manufactured by the L-RTM equipment, where FIG. 30(a) shows the mirror-finished suction side and FIG. 30(b) shows the mirror-finished pressure side. is.
As shown in FIG. 29, molded substrates are produced on a TFP embroidery machine corresponding to paths with the same identification numbers as in FIG.

最後に、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。Finally, the following remarks are further disclosed with respect to the above description.

[付記1][Appendix 1]
複合材料を用いた曲面の製造方法であって、A method for manufacturing a curved surface using a composite material, comprising:
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の曲面展開プログラムを用いて得られた平面展開図に基づいて裁断機で裁断した基材と、前記基材に刺しゅうする刺しゅう対象物とを準備する材料準備工程と、A base material cut by a cutting machine based on a plane developed view obtained by using the curved surface development program according to any one of claims 1 to 5, and an embroidery object to be embroidered on the base material. A material preparation step to be prepared;
請求項6から請求項16のいずれか1項に記載のツールパス計算プログラムを用いて得られたツールパスに基づいて前記基材に前記刺しゅう対象物を配置する材料配置工程と、a material placement step of placing the embroidery object on the base material based on the tool path obtained using the tool path calculation program according to any one of claims 6 to 16;
刺しゅう機により前記ツールパスに従って前記刺しゅう対象物を前記基材に刺しゅうし、成形基材を得る刺しゅう工程とan embroidering step of embroidering the object to be embroidered on the base material according to the tool path by means of an embroidery machine to obtain a shaped base material;
を有すること特徴とする複合材料を用いた曲面の製造方法。A method for manufacturing a curved surface using a composite material, characterized by comprising:
本構成によれば、成形基材は復元精度の良い平面展開図に基づいて基材を裁断し、計算されたツールパスに基づいて、繊維トウ等の刺しゅう対象物を基材に配置して刺しゅうができるため、精度の高い成形基材を少ない労力で製造することができる。According to this configuration, the molding base material is cut based on a plan development view with good restoration accuracy, and an embroidery object such as a fiber tow is arranged and embroidered on the base material based on the calculated tool path. Therefore, a highly accurate molded base material can be manufactured with less labor.

[付記2][Appendix 2]
後の工程を考慮した形状の前記平面展開図が複数枚の場合に、前記基材及び/又は前記成形基材のそれぞれに識別符号を付与する識別符号付与工程をさらに有することを特徴とする付記1に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。A supplementary note characterized by further comprising an identification code assigning step of assigning an identification code to each of the base material and/or the molding base material when there are a plurality of the plane development views of the shape in consideration of the subsequent process. 2. A method for manufacturing a curved surface using the composite material according to 1.
本構成によれば、基材や成形基材の取り違えを防止し、刺しゅう時や成形型への載置時の順番等の識別を容易にすることができる。According to this configuration, it is possible to prevent the base material and the forming base material from being mixed up, and to facilitate identification of the order of embroidering or placing on the mold.

[付記3][Appendix 3]
後の工程を考慮した形状の前記平面展開図が複数枚の場合に、複数枚の前記成形基材を連結する連結工程をさらに有することを特徴とする付記1又は付記2に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。The composite material according to Supplementary Note 1 or Supplementary Note 2, further comprising a connecting step of connecting a plurality of the molding substrates when there are a plurality of the plane development views of the shape in consideration of the subsequent steps. method of manufacturing the curved surface used.
本構成によれば、複数枚の成形基材を連結して1枚物などにすることで、成形基材を成形型へ載置する際の手間を軽減することができる。According to this configuration, by connecting a plurality of molding substrates to form a single piece, it is possible to reduce the labor involved in placing the molding substrate on the mold.

[付記4][Appendix 4]
前記曲面の成形型を準備する成形型準備工程と、前記刺しゅう工程で得られた前記成形基材を前記成形型に載置する成形基材載置工程と、前記成形基材を載置した前記成形型に樹脂を注入し成形する樹脂成形工程と、前記樹脂を硬化させて前記成形基材と一体化された前記複合材料から成る前記曲面を得る曲面完成工程とをさらに有することを特徴とする付記1から付記3のいずれか1つに記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。A forming mold preparing step of preparing the forming mold having the curved surface; a forming base placing step of placing the forming base obtained in the embroidery step on the forming mold; The method further comprises a resin molding step of injecting a resin into a mold for molding, and a curved surface completing step of curing the resin to obtain the curved surface made of the composite material integrated with the molding substrate. A method for manufacturing a curved surface using the composite material according to any one of appendices 1 to 3.
本構成によれば、繊維トウ等の配置が計算した曲線群に沿った曲面を有するCFRP製品等の複合材料を用いた樹脂成形曲面を製造することができる。 According to this configuration, it is possible to manufacture a resin-molded curved surface using a composite material such as a CFRP product, which has a curved surface along a curve group in which the arrangement of fiber tows or the like is calculated.

[付記5][Appendix 5]
前記成形基材載置工程において、複数枚の前記成形基材を重ねて載置することを特徴とする付記4に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。5. The method for manufacturing a curved surface using a composite material according to appendix 4, wherein in the forming base material placing step, a plurality of the forming base materials are stacked and placed.
本構成によれば、複合材料を用いた製品の強度を高めることができる。According to this configuration, the strength of the product using the composite material can be increased.

[付記6][Appendix 6]
複数枚の前記成形基材は、複数パターンの前記成形基材を組み合わせたものであることを特徴とする付記5に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。6. The method for manufacturing a curved surface using a composite material according to appendix 5, wherein the plurality of molding substrates are a combination of a plurality of patterns of the molding substrates.
本構成によれば、複合材料を用いた製品の強度をより高めることができる。According to this configuration, it is possible to further increase the strength of the product using the composite material.

[付記7][Appendix 7]
前記刺しゅう対象物は炭素繊維トウであることを特徴とする付記1から付記6のいずれか1つに記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。7. The method of manufacturing a curved surface using a composite material according to any one of appendices 1 to 6, wherein the embroidery object is a carbon fiber tow.
本構成によれば、鋼と比較して比強度及び比弾性率に優れたCFRP製品を製造することができる。According to this configuration, it is possible to manufacture a CFRP product that is superior in specific strength and specific modulus to steel.

[付記8][Appendix 8]
複数パターンの前記成形基材は、前記炭素繊維トウの炭素繊維が直交するパターンを組み合わせたものであることを特徴とする付記6を引用する付記7に記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。The method for manufacturing a curved surface using a composite material according to Appendix 7, which is a reference to Appendix 6, wherein the plurality of patterns of the molding substrate is a combination of patterns in which the carbon fibers of the carbon fiber tow are orthogonal. .
本構成によれば、より強度を高めたCFRP製品を得ることができる。According to this configuration, a CFRP product with increased strength can be obtained.

[付記9][Appendix 9]
前記曲面の前記成形型はNURBS曲面に基づいたものであり、裁断機による基材の裁断及び前記刺しゅう機による前記ツールパスに従った刺しゅうはNURBS曲線に基づいたものであることを特徴とする付記1から付記8のいずれか1つに記載の複合材料を用いた曲面の製造方法。The mold for the curved surface is based on the NURBS curved surface, and the cutting of the base material by the cutter and the embroidery according to the tool path by the embroidery machine are based on the NURBS curve. A method for manufacturing a curved surface using the composite material according to any one of appendices 1 to 8.
本構成によれば、同じ幾何学的表現を共有するCAD、CAE、及びCAM技術を連係し、NURBS曲面やNURBS曲線を利用して複合材料から成る曲面を製造することができる。According to this configuration, CAD, CAE, and CAM techniques, which share the same geometric representation, can be linked to manufacture curved surfaces made of composite materials using NURBS curved surfaces and NURBS curves.

[付記10][Appendix 10]
複合材料を用いた曲面の製造システムであって、A curved surface manufacturing system using a composite material,
平面展開図に基づいて基材を裁断する裁断機と、a cutting machine that cuts the base material based on the plan view;
前記基材に刺しゅう対象物を刺しゅうする刺しゅう機と、an embroidery machine for embroidering an object to be embroidered on the base material;
少なくとも前記裁断機と前記刺しゅう機とを制御する製造用コンピュータと、a manufacturing computer that controls at least the cutting machine and the embroidery machine;
成形型に樹脂を注入する樹脂成型手段とを備え、and a resin molding means for injecting resin into the molding die,
付記1から付記9のいずれか1つに記載の複合材料を用いた曲面の製造方法を実施することを特徴とする複合材料を用いた曲面の製造システム。A system for manufacturing a curved surface using a composite material, characterized by carrying out the method for manufacturing a curved surface using a composite material according to any one of appendices 1 to 9.
本構成によれば、精度の高い成形基材を基にした曲面を有する複合材料製品を製造することができる。According to this configuration, it is possible to manufacture a composite material product having a curved surface based on a highly accurate molding substrate.

[付記11][Appendix 11]
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の曲面展開プログラムと、請求項6から請求項16のいずれか1項に記載のツールパス計算プログラムとを実行するコンピュータをさらに備えたことを特徴とする付記10に記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。Further comprising a computer that executes the curved surface development program according to any one of claims 1 to 5 and the tool path calculation program according to any one of claims 6 to 16. A curved surface manufacturing system using the composite material according to appendix 10.
本構成によれば、曲面展開プログラムによる平面展開図の生成と、ツールパス計算プログラムによるツールパスの計算を、製造システムにおいてコンピュータを用いて行うことができる。According to this configuration, it is possible to use a computer in a manufacturing system to generate a plane developed view by a curved surface development program and to calculate a tool path by a tool path calculation program.

[付記12][Appendix 12]
前記コンピュータと、前記製造用コンピュータとを遠隔地に配置し連係させることを特徴とする付記11に記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。12. The system for manufacturing a curved surface using a composite material according to claim 11, wherein the computer and the manufacturing computer are remotely located and linked.
本構成によれば、コンピュータによる平面展開図の生成及びツールパスの計算と、製造用コンピュータによる複合材料を用いた曲面の製造とを連係して、別々の場所で行うことができる。According to this configuration, the generation of the flat development view and the calculation of the tool path by the computer, and the manufacturing of the curved surface using the composite material by the manufacturing computer can be linked and performed at separate locations.

[付記13][Appendix 13]
前記コンピュータと、前記製造用コンピュータとを通信ネットワークを介して連係させることを特徴とする付記12に記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。13. A curved surface manufacturing system using a composite material according to appendix 12, wherein the computer and the manufacturing computer are linked via a communication network.
本構成によれば、通信ネットワークによりコンピュータと製造用コンピュータとの連係性を高めて、製造の迅速化と容易化を図ることができる。According to this configuration, it is possible to improve the linkage between the computer and the manufacturing computer by means of the communication network, thereby speeding up and facilitating manufacturing.

[付記14][Appendix 14]
前記コンピュータと、曲面データを設計するCADシステムとをさらに連係させることを特徴とする付記11から付記13のいずれか1つに記載の複合材料を用いた曲面の製造システム。14. A curved surface manufacturing system using a composite material according to any one of appendices 11 to 13, characterized in that the computer and a CAD system for designing the curved surface data are further linked.
本構成によれば、CADシステムで作成された曲面データを取得し、曲面の設計から複合材料を用いた曲面の製造までをより連係しやすくなる。According to this configuration, curved surface data created by a CAD system is acquired, and it becomes easier to coordinate from the design of the curved surface to the manufacturing of the curved surface using the composite material.

本発明は、上記した自動車のボンネットや船舶用プロペラの他、一般的なCFRP製品等の複合材料製品に適用することができる。 The present invention can be applied to general composite material products such as CFRP products in addition to the above-described automobile hoods and ship propellers.

1 展開基準線
2 境界線
3 補助線
4 内側オフセット曲線
5 外側オフセット曲線
6 アイランド部
7 追加経路
10 コンピュータ
20 裁断機
30 刺しゅう機
40 製造用コンピュータ
50 成形型
60 樹脂成型手段
70 CADシステム
80 通信ネットワーク
S1 曲面データ取得ステップ
S2 曲線群計算ステップ
S3 曲面パッチ取得ステップ
S4 測地線曲率計算ステップ
S5 平面パッチ取得ステップ
S6 平面展開図生成ステップ
S7 平面展開図出力ステップ
S11 平面展開図取得ステップ
S12 ツールパス配置ステップ
S13 ツールパス計算ステップ
S13-1 端点指定ステップ
S13-2 移動ステップ
S13-3 未接続判断ステップ
S13-4 接続ステップ
S14 ツールパス出力ステップ
S21 材料準備工程
S21、S24 識別符号付与工程
S22 材料配置工程
S23 刺しゅう工程
S25 連結工程
S26 成形型準備工程
S27 成形基材載置工程
S28 樹脂成形工程
S29 曲面完成工程
1 development reference line 2 boundary line 3 auxiliary line 4 inner offset curve 5 outer offset curve 6 island portion 7 additional path 10 computer 20 cutting machine 30 embroidery machine 40 manufacturing computer 50 molding die 60 resin molding means 70 CAD system 80 communication network S1 Curved surface data acquisition step S2 Curve group calculation step S3 Curved surface patch acquisition step S4 Geodesic curvature calculation step S5 Plane patch acquisition step S6 Plane development view generation step S7 Plane development view output step S11 Plane development view acquisition step S12 Tool path arrangement step S13 Tools Path calculation step S13-1 End point designation step S13-2 Movement step S13-3 Disconnection determination step S13-4 Connection step S14 Tool path output step S21 Material preparation steps S21, S24 Identification code addition step S22 Material placement step S23 Embroidery step S25 Connection step S26 Forming mold preparation step S27 Forming substrate placement step S28 Resin molding step S29 Curved surface completion step

Claims (16)

曲面を前記曲面上の任意の曲線群を展開基準線として平面に展開する曲面展開プログラムであって、
コンピュータに、
入力された曲面データを取得する曲面データ取得ステップと、
前記曲面データに対し前記展開基準線となるネット状に交わる任意の曲線群を計算する曲線群計算ステップと、
前記任意の曲線群で囲まれた領域の曲面パッチを取得する曲面パッチ取得ステップと、
前記任意の曲線群の測地線曲率を計算する測地線曲率計算ステップと、
前記測地線曲率を利用して前記曲面パッチを平面に展開する計算を行い平面パッチを取得する平面パッチ取得ステップと、
取得した前記平面パッチを並べて、平面展開図を生成する平面展開図生成ステップと、
前記平面展開図を出力する平面展開図出力ステップと
を実行させることを特徴とする曲面展開プログラム。
A curved surface unfolding program for unfolding a curved surface onto a plane using an arbitrary curve group on the curved surface as an unfolding reference line,
to the computer,
a curved surface data acquisition step for acquiring input curved surface data;
a curve group calculation step of calculating an arbitrary curve group that intersects the surface data in a net-like manner as the development reference line;
a surface patch acquiring step of acquiring a surface patch of an area surrounded by the arbitrary curve group;
a geodesic curvature calculation step of calculating the geodesic curvature of the arbitrary curve group;
a plane patch obtaining step of obtaining a plane patch by performing a calculation to develop the surface patch into a plane using the geodesic curvature;
a plan development drawing generation step of arranging the acquired plane patches to generate a plan development plan;
and a plan development view output step of outputting the plan development view.
前記平面展開図生成ステップにおいて、前記平面パッチの並べ方を変えて複数枚の前記平面展開図を生成することを特徴とする請求項1に記載の曲面展開プログラム。 2. The curved surface development program according to claim 1, wherein, in said plane development drawing generation step, a plurality of said plane development drawings are generated by changing the arrangement of said plane patches. 前記平面展開図生成ステップにおいて、前記平面パッチの並べ方を変えて複数パターンの前記平面展開図を生成することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の曲面展開プログラム。 3. The curved surface development program according to claim 1, wherein, in said plane development drawing generation step, a plurality of patterns of said plane development drawings are generated by changing the arrangement of said plane patches. 前記任意の曲線群の曲線は、パラメトリック曲面上の等パラメータ曲線、主ストレッチ線、又は主応力線のいずれかであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の曲面展開プログラム。 4. The curve according to any one of claims 1 to 3, wherein the curves of the arbitrary curve group are either isoparametric curves, principal stretch lines, or principal stress lines on a parametric surface. surface unfolding program. 前記曲面データはNURBS曲面データであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の曲面展開プログラム。 5. The surface unfolding program according to claim 1, wherein said surface data is NURBS surface data. 平面展開図に対して刺しゅう機のツールパスを計算するプログラムであって、
コンピュータに、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の曲面展開プログラムを用いて得られた前記平面展開図を取得させる平面展開図取得ステップと、
前記ツールパスを前記平面展開図の内側に限定して配置するツールパス配置ステップと、
前記平面展開図の内側における前記ツールパスを計算するツールパス計算ステップと、
計算した前記ツールパスを出力するツールパス出力ステップと
を実行させることを特徴とするツールパス計算プログラム。
1. A program for calculating an embroidery machine toolpath for a plan view, comprising:
to the computer,
A plane development view acquisition step of acquiring the plane development view obtained by using the curved surface development program according to any one of claims 1 to 5;
a toolpath placement step of placing the toolpath only inside the plan development view;
a tool path calculation step of calculating the tool path inside the plan development;
and a toolpath output step of outputting the calculated toolpath.
前記ツールパス配置ステップにおいて、前記平面展開図の境界曲線の種類を整理し、展開基準線と、前記平面展開図の境界線に分類することを特徴とする請求項6に記載のツールパス計算プログラム。 7. The toolpath calculation program according to claim 6, wherein, in said toolpath arrangement step, the types of boundary curves of said plan development are organized and classified into development reference lines and boundary lines of said plan development. . 前記ツールパス配置ステップにおいて、前記ツールパスのずれを軽減する補助線を、前記展開基準線を考慮して前記平面展開図の内側に描くことを特徴とする請求項7に記載のツールパス計算プログラム。 8. The tool path calculation program according to claim 7, wherein in said tool path placement step, an auxiliary line for reducing deviation of said tool path is drawn inside said plane development drawing in consideration of said development reference line. . 前記ツールパス配置ステップにおいて、前記平面展開図の前記境界線を延長し、前記境界線の影響を避けて前記展開基準線に沿った前記ツールパスの配置を容易にすることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載のツールパス計算プログラム。 3. The tool path placement step includes extending the boundary line of the plan development view to avoid the influence of the boundary line to facilitate placement of the tool path along the development reference line. The tool path calculation program according to claim 7 or claim 8. 前記ツールパス計算ステップにおいて、前記ツールパスを刺しゅう対象物の幅を考慮して、前記平面展開図の内側にオフセットさせたオフセット経路を順に計画することを特徴とする請求項6から請求項9のいずれか1項に記載のツールパス計算プログラム。 10. The method according to any one of claims 6 to 9, wherein in the tool path calculation step, offset paths are sequentially planned by offsetting the tool paths to the inner side of the plan development in consideration of the width of the object to be embroidered. The tool path calculation program according to any one of items 1 and 2. 前記ツールパス計算ステップにおいて、前記補助線を考慮して前記オフセット経路を順に計画することを特徴とする請求項8を引用する請求項10、又は請求項8及び請求項9を引用する請求項10に記載のツールパス計算プログラム。 Claim 10 quoting claim 8, or claim 10 quoting claim 8 and claim 9, characterized in that, in the tool path calculation step, the offset path is planned in order in consideration of the auxiliary line. The toolpath calculator program described in . 前記ツールパス計算ステップにおいて、前記ツールパスを計画した後、前記平面展開図の外側に刺しゅう対象物の幅を考慮してオフセットした外側オフセット曲線を描き、不要な曲線をトリムすることを特徴とする請求項9、又は請求項9を引用する請求項10若しくは請求項11に記載のツールパス計算プログラム。 In the toolpath calculation step, after planning the toolpath, an outer offset curve is drawn on the outside of the flat unfolded view considering the width of the object to be embroidered, and unnecessary curves are trimmed. 12. The tool path calculation program according to claim 9, or claim 10 or claim 11 quoting claim 9. 前記ツールパス計算ステップにおいて、前記平面展開図の前記オフセット経路の孤立したアイランド部に対し、前記アイランド部を横断する経路を追加経路として追加し、前記オフセット経路と前記追加経路を用いて前記ツールパスを計画することを特徴とする請求項10、又は請求項10を引用する請求項11若しくは請求項12に記載のツールパス計算プログラム。 In the tool path calculation step, a path crossing the island portion is added as an additional path to an isolated island portion of the offset path in the plan development view, and the tool path is calculated using the offset path and the additional path. 10. The tool path calculation program according to claim 10, or claim 11 or claim 12 quoting claim 10, wherein the program is designed to plan 前記ツールパス計算ステップにおいて、前記ツールパスを一筆書化できるように計算することを特徴とする請求項6から請求項13のいずれか1項に記載のツールパス計算プログラム。 14. The toolpath calculation program according to any one of claims 6 to 13, wherein in the toolpath calculation step, the toolpath is calculated so as to be unicursal. 前記一筆書化は、開始点となる前記ツールパスの端点を指定する端点指定ステップと、反対側の前記端点に移動させる移動ステップと、未接続の前記端点が残っているかを判断する未接続判断ステップと、未接続の前記端点が残っている場合に現在の端点から一番近い前記端点に接続する接続ステップとを実行することを特徴とする請求項14に記載のツールパス計算プログラム。 The unicursal writing includes an end point designation step of designating an end point of the tool path as a starting point, a moving step of moving to the end point on the opposite side, and a non-connection judgment of judging whether the unconnected end point remains. 15. The tool path calculation program according to claim 14, wherein the step of connecting to the closest end point from the current end point when the unconnected end point remains. 前記ツールパスの計算は、NURBS曲線に基づいて行うことを特徴とする請求項6から請求項15のいずれか1項に記載のツールパス計算プログラム。 16. The toolpath calculation program according to any one of claims 6 to 15, wherein the toolpath calculation is performed based on a NURBS curve.
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