JP3221086B2 - 異種機構部品複合機構設計システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対話形によるＣＡＤ図
作成システムと直結して、異種機構部品の複合体である
物体の機構解析、解析モデル作成、解析条件入力、及び
解析結果表示を行う異種機構部品複合機構設計システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の解析入出力システムにおいてはＣ
ＡＤ図（製作図面および計画図面）入出力システムと解
析システムとは直結していなかった。それは、製図シス
テムと個別の解析システムとを結合すると、システムが
大きくなり過ぎ、汎用性が失われるためである。そこ
で、一般には、ファイルを介して、解析入出力システム
にＣＡＤ図データを入力し、このデータを用いて解析モ
デルを作成する。このような従来技術の一例としては、
コンピュ−タ・エイデッド エンジニアリング ジャ−
ナル 1990年 11月号 （第141〜148頁)（Computer-
Aided EngineeringJournal October 1990 pp141-148）
に記載がある。すなわち、正面図、側面図、平面図から
なる三面図より３次元形状を作成し、この形状をもとに
ロボットの３次元解析モデルを作成する方法である。

【０００３】一方、カムと従動節との接触点の軌跡を表
すカム輪郭線の方程式と従動節の拘束条件とから、カム
機構の挙動を解析する方法が知られている。その一例と
して、日本機械学会第６８期全国大会講演会講演論文集
1990年 9月号 Vol.E（第42〜44頁）に記載がある。

【０００４】また、特開平3-129479号公報にはリンク機
構の動力学的挙動を解析する方法及び装置が示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の最初の
ものにおいては、３次元解析モデルを作成するために部
品間の立体的な拘束条件を入力する必要があり複雑な処
理を必要とする。そして、３次元の解析モデルをもとに
機構解析を行ない、その解析モデルと対応させて立体形
状のロボットの動きを算出していた。さらに、三面図で
の動作軌跡表示のために、機構解析を行った後で２次元
の図形に戻していた。しかし、三面図で軌跡を作成する
だけならば、３次元の立体形状を作成する必要はなく、
解析入出力処理をおこなう設計者にとって理解しにくい
プロセスになっていた。特に平面内を運動する機構に対
し、解析入出力処理の効率の点で配慮がなされておら
ず、解析処理を行ないながら、製作図面あるいは計画図
を作成、変更したい設計者にとってマンマシン・インタ
フェ−スに欠けるという不具合があった。また、各種機
構系部品の解析を行う場合、部品の種類に応じて計算式
を変更しなければならず汎用性に欠けるところがあっ
た。

【０００６】また、一般にカムは１〜２本の輪郭線から
なっている。しかし、上記従来技術の２番目のものにお
いては、複雑な形状をしたカムの場合、輪郭線に沿った
フォロアのローラ中心の軌跡を示す方程式を複雑なカム
輪郭線を構成するすべての線素の数だけ作成する必要が
ある。また、カム形状が変わるごとに輪郭曲線の方程式
を計算するプログラムが必要になり汎用性に欠けるとこ
ろがあった。特に自動的に解析モデルを生成する場合、
種々の形状に対し共通なモデル化手法以外の方法では生
成アルゴリズム導出が複雑となる。

【０００７】さらに、上記従来例の３番目のものにおい
ては、リンク機構を設計する場合、複雑な計算を繰り返
す必要があり、また、製作図面に直結した解析方法とは
なっていなかった。また、予め定められたカタログから
形状を選択する必要があり、一般的な形状には必ずしも
対応できないという不具合があった。

【０００８】本発明の目的は、ＣＡＤ図作成システムで
生成された部品形状データを用いて機構部品の各種解析
を行い、部品形状データからの解析モデルデータの生成
の容易化、および機構解析の汎用化によりＣＡＤ図面と
解析図面とを直結したマンマシン・インターフェース性
に富む複合機構設計システムを提供することにある。

【０００９】本発明は、ＣＡＤ図作成装置と該ＣＡＤ図
作成装置により異種機構部品の複合機構系の機構解析お
よび解析入出力を行う異種機構部品複合機構設計手段と
を備えた異種機構部品複合機構設計システムにおいて、
前記異種機構部品複合機構設計手段が、異種機構部品と
等価なリンク機構モデルを対応づける機構部品を構成す
る線素データと、この線素データを等価なリンク機構モ
デルに対応づけるデータとを有しており、入力されたＣ
ＡＤ図のデータと等価なリンク機構モデルを、上記リン
ク機構モデルに対応するデータの中から割り当てる演算
を行う異種機構部品複合機構設計システムである。

【００１０】また、機構設計システム端末装置の画面上
に表示された製作図面であるＣＡＤ図で表された機構部
品の形状デ−タに基づき機構解析モデルを自動生成する
演算部と、モデル形状をＣＡＤ図に変換するＣＡＤ図デ
ータと解析モデル関連デ−タとの補助記憶部と、解析結
果をＣＡＤ図のデ−タに変換する解析デ−タと解析モデ
ル関連デ−タとを格納する記憶部とを設けたものであ
る。

【００１１】

【作用】端末装置の画面上に表示された形状図（ＣＡＤ
図）上で、任意の機構部品の解析モデルが定義される
と、ＣＡＤ図の線素を表すデ−タをもとに解析モデル形
状デ−タをジョイント、ループ、リンクの組合せとして
算出する。これにより、機構の動的解析を行う形状が得
られる。この算出した解析モデル形状デ−タを解析入出
力部に入力し、解析専用データに変換して、機構モデル
の静的及び動的解析を行う。その結果により機構モデル
を修正する。この作業を繰返し、最適な機構解析モデル
を得る。解析モデルをＣＡＤ図に逆変換し、ＣＡＤ図入
出力部に入力する。そして、解析結果を２次元のデータ
に変換し、入力された機構部品のＣＡＤ図で表示できる
デ−タになる。これにより、任意の機構系部品のＣＡＤ
図の作成と作成されたＣＡＤ図に基づく機構系部品の解
析を並行して行えるようになり、解析結果を直ちにＣＡ
Ｄ図に反映でき、設計効率が向上する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図１６によ
り説明する。図１に本発明の一実施例の複合機構設計装
置の基本構成を示す。演算部ｅ３には、ＣＡＤ図を作成
するＣＡＤ図入出力部ｅ３２、このＣＡＤ図を用いて機
構解析モデルを生成する機構解析モデル自動生成部ｅ３
３、解析専用入力データの生成、または解析結果からの
ＣＡＤ図用２次元データの生成を行う機構解析入出力部
ｅ３４、及び解析を実行する機構解析部ｅ３５があり、
判断部ｅ３１の指令に基づいてこれら各部が作動する。
記憶部ｅ４には、ＣＡＤ図、機構解析モデル及び解析結
果などのデータ記憶エリアが設けられている。そして、
各々の演算に必要なデータのみを記憶部に格納し、残り
のデータは補助記憶装置部ｅ５へ送られる。表示部ｅ１
を参照しながら対話型でデータ入出力部ｅ２を介して演
算部へデータを入力し、解析結果もデータ入出力部ｅ２
を介して、表示部ｅ１に出力する。以上の基本構成によ
り図２に示すコマンドの実行が可能となる。

【００１３】図２に本発明の一実施例のコマンド体系を
示す。本設計システムは、コンピュータ援用設計（ＣＡ
Ｄ）図入出力システムと接続されており、解析用入出力
デ−タはＣＡＤシステムを用いて作成できる。したがっ
て、機構部品の図面作成と解析実行評価を並行して進め
ることができる。ところで、複雑な形状または多数の異
なる形状が組み合わされて構成される一般の機構を設計
し、製作するための本システムには以下の３つのサブシ
ステムがある。すなわち、サブシステムＳ１は製作図面
に関するもので、このサブシステムにより現実の部品の
製作が可能になる。図面登録コマンド１により作成した
図面データを格納し、図面検索コマンド２では既に格納
されているデータをメモリ上に呼び出す、層間移動コマ
ンド３では表示用データ格納場所（層）を変更し表示す
る図形を変更する、または部品図合成コマンド４で複数
の部品図形を一つの部品として定義する、等の各種コマ
ンド処理がサブシステムＳ１で実行される。次に、機構
部品定義サブシステムＳ２は、部品連結定義５、動作範
囲定義６、機構部品種定義７、外力定義８及び慣性モー
メント定義９、等のコマンド処理があり、機構を構成す
る各機構部品間の関係、及び荷重条件や機構部品の運動
範囲等の制限条件を定める。さらに、第３のサブシステ
ムとして、機構部品定義サブシステムＳ２で定義された
各部品の挙動を解析する挙動シミュレーションサブシス
テムＳ３がある。サブシステムＳ３では機構解析結果を
部品図形を用いてその動作軌跡を表すコマンド１０、各
ジョイントの位置、速度及び加速度の時間的変化を示す
時刻歴応答図コマンド１１、等の処理コマンドが実行さ
れる。これらのサブシステムは相互に連結されておりオ
ペレーションの順序に制限は無い（ｒ₁〜ｒ₃）、たとえ
ば、サブシステムＳ１で検索された図面を用いてサブシ
ステムＳ２で部品連結定義を行い、それにより生成され
た解析モデル図をサブシステムＳ１で図面登録するとい
うサブシステムＳ１・Ｓ２間の往復の処理ｒ₁が可能で
ある。同様にサブシステムＳ２・Ｓ３間の往復の処理ｒ
₂、及びサブシステムＳ３・Ｓ１間の往復の処理ｒ₃も自
在に行うことができる。以上より、これらサブシステム
はＣＡＤ図入出力システムと連動して複合機構の一連の
設計システムとして作用する。次に、このように構成し
た本実施例の機構部品定義サブシステムＳ２について、
はじめに、４節リンク機構を例として基本的操作を説明
する。なお、図３以降においては、ジョイント部をＪ
１、Ｊ２、Ｊ３…で、第１の部材を、リンクであろう
が、ローラであろうがａ１で、以下同様に、第２の部材
をａ２、第３の部材をａ３、等で表す。図３は４節リン
ク機構のＣＡＤ図から解析モデルを作成する手順の概要
を示したものである。同図（Ａ）にて示したＣＡＤ図に
おいて、リンク部材ａ１、ａ２は静止部と回転可能な状
態で結合している。また、リンク部材ａ２はリンク部材
ａ１、ａ３と回転自由に結合している。この図面から同
図（Ｃ）に示す解析モデルを得るためには４回のコマン
ド入力が必要であり、その後、本システムにより自動生
成される。リンク部材同士またはリンク部材と静止部の
結合点であるジョイントは、図２の部品連結定義コマン
ド５を用いて結合されるリンクデ−タを入力することに
より定義される。例えば、図３の（Ｂ）に示したジョイ
ントＪ１は、結合点を示すＣＡＤ図上の一点を指示し、
静止部を示すデ−タ（ｂ；ブランク）をキ−ボ−ドから
入力し、ＣＡＤ図上のリンク部材ａ１を示す図形の一部
を指示することにより、システムでは解析モデルのリン
クＬ２を構成する両端のジョイントデ−タの一つとして
ジョイントＪ１を定義し、計算機へ読み込む。それとと
もに、このジョイントの位置を示す座標値、ジョイント
の種類（回転）識別デ−タ及び固定点フラグが入力され
る。また、ジョイントＪ２に対応する点、及びリンク部
材ａ１、ａ２をＣＡＤ図から入力することで、解析モデ
ルのリンクＬ２、Ｌ３を結合するジョイントＪ２が定義
される。同様の操作を繰り返し、ジョイントＪ３とＪ４
を定義し、その結果入力されたデ−タをもとに、図３の
（Ｃ）に示した４節リンク機構の解析モデルのデ−タを
自動生成する。

【００１４】この解析モデルのデ−タ生成過程につい
て、図３、図４を用いて説明する。ＣＡＤ図作成装置を
介して入力された部品形状がリンク部品の場合はル−ト
ＲＴ２で示した処理を行う。まず、一回の部品連結定義
コマンドにより入力された、ジョイント番号とそれに接
続する２個のリンクの番号を読み込む。つぎに、接続し
ている各リンク番号に対して、そのリンクの片方の端点
として、リンク・ジョイント関連テ−ブルに、読み込ま
れたジョイント番号を入力する。図３の例では、４個の
結合点に部品連結定義コマンドを実行することにより、
図３の（Ａ）で示したＣＡＤ図のリンク部材ａ１、ａ２
及びａ３に対応する同図（Ｃ）の解析モデルのリンクＬ
２、Ｌ３及びＬ４の、各リンクの両端点のジョイント番
号が、各リンクに対応したリンク・ジョイント関連テ−
ブルに入力される。最後に固定ジョイントＪ１とＪ４か
らなるリンクＬ１に対応して、ジョイント番号及びリン
ク番号をリンク・ジョイント関連テ−ブルに追加する。
以上により、ル−プｐ１に対応するリンク・ジョイント
関連テ−ブルが満たされる。これと並行して、各ジョイ
ントの２次元座標値テーブル及びループ・リンク関連テ
ーブルがすべて満たされる。つぎに、ＣＡＤ図の部品図
形に対して入力された機構系の作動条件や拘束条件を、
上記で定義されたジョイント及びリンクに対応したデー
タに変換して、属性データテーブルに、その属性が与え
られるジョイントまたは、リンクに関連づけるデータ
（ジョイント番号または、リンク番号等）と属性データ
（作動条件や拘束条件）を代入する。以上のプロセスに
より機構解析モデルデータが自動生成される。

【００１５】また、図３（Ａ）に示したリンク部品のみ
で構成される４節リンク機構に対し、図５（Ａ）に示す
ころがり接触を伴うリンク機構も、図３（Ｂ）とほぼ同
様の操作で解析モデルが自動生成される。図５（Ｂ）に
おいてＪ１、Ｊ２およびＪ３は回転ジョイントから、図
３（Ｂ）と同様の操作で定義される。ころがり接触部の
場合は、図２の機構部品種定義コマンド７を用いて、ロ
ーラとリンクの組合せを選択する。つぎに、部材ａ２及
びａ３の間の接線ｇ１をジョイントの替わりに指示し、
部材ａ２及びａ３を示すＣＡＤ図の一部を指示すること
でころがり接触部が定義される。 以上の操作で解析モ
デルが自動生成される過程について、図３の処理と異な
る接触部の解析モデルの生成処理について、図４と図５
により説明する。ローラとリンクの組合せは異種部品の
ため図４でルートＲＴ１で示した処理を行う。まず、ロ
ーラとリンクの組合せを識別するデータを読み込み、解
析モデルデータベースから対応するデータテーブルを検
索する。ローラとリンクの組合せでは、まず、ローラ及
びリンク各々に対してリンク番号がリンクデータテーブ
ルに代入される。また、接触部をモデル化したときのジ
ョイント（図５のジョイントＪ３）については、入力さ
れた接線ｇ１のデータのみからはジョイントの位置はま
だ定まらない。そこで、ジョイント座標値テーブルに
は、接線ｇ１の傾きを一時的に代入する。それと同時
に、ジョイント座標値テーブルのデータが不完全である
ことを識別するデ−タテーブルにこのジョイント番号を
代入する。つぎに、接線ｇ１を含むリンクのもう一方の
ジョイント（図５におけるジョイントＪ４）及びローラ
の回転中心に対するジョイント（図５におけるジョイン
トＪ２）が入力された時点で、ジョイントＪ４を通る上
記接線への平行線と、これに垂直なジョイントＪ２を通
る直線との交点が、二つの部品を接続するすべりジョイ
ントとして定義され（図５におけるジョイントＪ３）、
その点の座標値及びジョイント種類（すべり）の識別デ
−タが各々対応するテーブルに入力される。それと同時
に、ジョイント座標値テーブルのデータが不完全である
ことを識別するデ−タテーブルから当該ジョイント番号
を削除する。以上により、接触部に関連する解析モデル
データが自動生成される。

【００１６】次に、すべりジョイントに関して、上記以
外の他のモデル化について図６を用いて説明する。例え
ば、ピストン・シリンダ間の相対運動は、図６の（Ａ）
の回転及びすべりを伴う運動とみなすことができる。そ
こで、すべり運動に関しては、図２の部品連結定義コマ
ンド５において、摺動部を示す直線ｇ１を指示し、ピス
トン（部材ａ３）を指示しシリンダに対応してブランク
（固定部のため）を入力することによりすべり方向を示
す傾きが入力される。つぎに、ピストンピンを示す点を
指示し、連結する部材ａ３（コンロッド）、部材ａ２
（ピストン）を指示すると、回転ジョイントＪ３が定義
される。このとき、同時にすべりジョイントＪ４の位置
がジョイントＪ３と同一の位置に定義される。したがっ
て、ジョイントＪ４とジョイントＪ３を有するリンクＬ
４は長さが０のリンクとなる。さらに、長さが０である
とすべる方向が算出できないので、すべり方向の一点Ｋ
４の座標値をすべり方向を示す傾きとジョイントＪ４
（ジョイントＪ３）の座標値から算出する。図６の
（Ｂ）はリンク部材自体（部材ａ３）がすべる場合であ
る。同図の（Ａ）と同様に図２の部品連結定義コマンド
５を用いて、すべりジョイントの定義を行う。まず、摺
動部を示す直線ｇ１を指示し、部材ａ２及び部材ａ３を
指示するとすべり方向を示す傾きが入力される。つぎ
に、部材ａ２と部材ａ３の各々の他のジョイントが定義
された時点で２個のジョイントＪ２及びＪ４の中点とし
てすべりジョイントＪ３の座標値が定まる。

【００１７】次に上記した解析モデル化を実際の製品に
応用した一例を図７以下に示す。図７は金融自動機の紙
幣搬送部の外観図（ａ）及びＣＡＤ図による断面図
（ｂ）である。金融自動機では、紙幣はベルト（外観図
では５１、断面図では５３に示す）により搬送される。
またベルトが巻きついているプーリはフレームに固定さ
れた軸５２に支えられる。断面図において点線で示した
ベルトが搬送ベルト５１、実線で示したベルトは駆動用
ベルト５４を表している。紙幣搬送部では入出金モード
別、紙幣の種類別、紙幣の表裏または良・不良の区別に
より処理が異なるため搬送路上には多くの分岐点５５が
存在する。各分岐点には、このための紙幣搬送ガイドの
位置切り換え用駆動機構が設置されている。金融自動機
では、この他にも、入出金用ふたの開閉機構など各種の
機構部品が使われている。本システムでは、これらの機
構部品のＣＡＤ図を作成しながら、その挙動解析を行い
性能や信頼性の評価を行うことができる。その一例とし
て、図８以下に銀行端末装置に用いられる紙幣ガイド切
り換え機構のＣＡＤ図とそのモデル化手法について示
す。図８においてカム軸２１が回転することにより、カ
ム２３を介して従動節２２が回転軸２４回りに揺動回転
する。これにより、ガイド２５も左右に回転して紙幣の
搬送路を切り換える。従動節２２のフォロアロ−ラ（以
下、ロ−ラと記す）２０の取り付け位置と反対側の一端
には、ばね２６が取り付けられており、ロ−ラ２０をカ
ム２３面に押し付けている。したがって、この機構はカ
ム・フォロアの組合せを構成するカム機構部とフォロア
ロ−ラ２０を取り付けている従動節２２と拘束ばね２７
から成るリンク機構部とから構成されていると考えるこ
とができる。そこで、このような考えに基づいて機構解
析モデル化を行う。

【００１８】ここで、カム機構のリンクモデル化の生成
オペレ−ション及び解析モデルデータ自動生成方法につ
いて、図９〜１１を用いて説明する。カムはリンクを含
んでいないので、機構部品種定義コマンド７を用いて、
カム・ロ−ラの組合せを定義する。ここで、機構部品種
データベースでのリンク以外の部品種の等価リンクモデ
ル形状の一例を図９に示す。リンク以外の部品として
は、ばね、ソレノイド、ローラ／リンク及びローラ／カ
ムなど各種考えられる。また、代表的な部品種のメニュ
−（例えば、端末上のコマンド名称群）だけを備え、必
要なコマンドが生じた場合に設計者が自由に付加するこ
ともできる。また、各部品種に対して解析モデルはジョ
イントとリンクの接続状態のみをデータベースに置き、
ジョイント座標値は図形が入力された時点で自動的に入
力される。さらに、メニューとしては、図９に示すば
ね、ソレノイドなどの項目名称を表示するか、または、
概略図形を表示する。

【００１９】次に、図１０にカム形状とロ−ラの各種組
合せ（同図で（ａ）で示した図）及び等価なリンク機構
モデル（同図で（ｂ）で示した図）を示す。図に示すよ
うに、カム輪郭線の各々の形状に対応して、各々等価な
リンクモデルが割り当てられ、本例ではＡからＩまで９
種類を示した。Ａ〜Ｃはカムと従動節が回転する場合、
Ｄ〜Ｆはカムが回転し、従動節が直線運動する場合、及
びＧ〜Ｉはカムと従動節が直線運動する場合のリンクモ
デル化を示す。また、Ａ、Ｄ、Ｇはカム輪郭線が円弧の
場合、Ｂ、Ｅ、Ｈはカム輪郭線が直線の場合、及びＣ、
Ｆ、Ｉはカム輪郭線が角部を有する形状の場合のリンク
モデル化を示す。一般にカムの輪郭線は、円弧、直線、
または角部などを含むことになる。したがって、カムと
ローラの組合せではカム一回転に対して、複数のモデル
を切り換える必要が生じる。しかし、本実施例において
はすべての部品を統一したデ−タ構造を持った解析プロ
グラムで解析できるので、種々の部品への拡張が容易に
なる。また、解析モデルの自動生成に対し汎用的な手法
を用いることも可能となる。

【００２０】つぎに、解析モデルの切り換え位置につい
て図１１を用いて説明する。ローラがカムの輪郭線上を
移動する場合の、ローラ中心、カム軸中心及び従動節回
転軸中心の間の相対位置の変化をカム軸中心を固定して
表したものが図１１である。〜はモデル番号、θ_M1
〜θ_M2はモデル切り換え点での、カム軸中心に対し従動
節回転軸中心が公転する角変位、ａ_M1〜ａ_M2はモデル切
り換え点でのカムに対するローラの相対位置、Ｊ４_M1〜
Ｊ４_M2はモデル切り換え点での、カム軸中心に対する従
動節回転軸中心の相対位置を、各々表す。実際はカムが
回転するため、各解析モデルでのローラ中心、及び等価
モデル化により生成されたジョイントの位置は、従動節
回転軸中心が図面で示された固定位置に一致するまで各
モデル図形を回転移動して、各モデルでのジョイントの
座標値を求める。

【００２１】つぎに、実際にＣＡＤ図から機構モデルを
生成し、解析を行う手順について説明する。図１２は、
図８のＣＡＤ図を用いて作成した機構解析モデルを示し
た図である。カム機構部を、リンクＬ１〜Ｌ４で構成さ
れるル−プｐ１でモデル化する。リンク機構部はリンク
Ｌ５〜Ｌ８で構成されたル−プｐ２でモデル化する。ま
ず、図９〜１１に述べた方法を用いたカム機構部のモデ
ル化について説明する。図９のＣＡＤ図面上に表示され
ているカム図形から、カム軸２１中心を指示し、ブラン
クを入力する。これにより、カム図形が指示され、カム
軸２１中心に対応するジョイントＪ１が固定点として定
義される。次に、ロ−ラが接しているカムの輪郭線とロ
−ラの図形を指示する。これにより、その姿勢でのリン
クモデルのうちリンクＬ１とリンクＬ２及びジョイント
Ｊ２が定義できる。そして、リンク部品の接続条件入力
コマンド５を用いてジョイントＪ４を指示する。また、
ブランクを入力し、従動節２２を指示して、リンクモデ
ルのＬ３及びジョイントＪ４（固定点）を定義する。次
に、リンク機構部では、まず機構部品種定義コマンド７
を入力し、ばね識別デ−タを入力する。さらに、部品連
結定義コマンド５を入力し、ジョイントＪ５を指示し、
従動節２２とばね２７を指示することでリンクＬ５、Ｌ
６、Ｌ７及びジョイントＪ６が定義される。次いで、ジ
ョイントＪ７を指示し、ブランクを入力し、ばね２７を
指示することで固定点となるジョイントＪ７が定義され
る。

【００２２】以上のデ−タが端末から入力されると、シ
ステムは解析モデルを図３の生成手順に従って自動生成
する。カムとばねとは、異種部品であるので図３の生成
手順においてル−トＲＴ１の処理を行う。カムについて
は、部品種の識別デ−タに基づいて、図９〜１１を用い
て既に説明したように、カム輪郭線に対応したモデル数
の解析モデルデ−タを自動生成する。また、ばねについ
ては、すべりジョイントで結合された互いに一直線をな
す二本のリンクＬ６、Ｌ７が自動生成される。さらに、
ジョイントＪ３及びＪ４からなるリンクＬ３と、ジョイ
ントＪ３及びＪ５からなるリンクＬ５とは、同一の従動
節２２をモデル化しているので、一体運動するフラグを
代入する。

【００２３】以上により、ル−プデ−タ生成処理が完了
し、リンクＬ４とリンクＬ８のデ−タが生成され、ル−
プｐ１及びｐ２が生成される。図１３に図１２のモデル
と互いに等価な解析モデルの形状を示す。すなわち、図
１２において、リンクＬ３、Ｌ５と、ジョイントＪ３と
Ｊ５を両端に持つリンクＬ７とにより三角形が形成さ
れ、これらは一体で運動するため、リンクＬ５の代わり
にリンクＬ７の運動を調べても機構解析上等価である。
そこで、リンクＬ３、Ｌ７、ジョイントＪ３、Ｊ５を含
む解析モデルとなる。これら互いに等価なモデルを用い
て動挙動解析を行った結果の比較を図１４に示す。図１
３に示す解析モデルでは固定点のずれは生じないが、図
１２に示すモデルでは固定点のずれが時間とともに増加
し計算誤差が生じていることが分かる。

【００２４】図１２及び図１３において、紙幣ガイド切
り換え機構の解析モデルは二つの４節リンク機構からな
っている。また、上述したようにリンクＬ３とＬ５、ま
たはＬ３とＬ７は一体で動作するので、片方の４節リン
ク機構の姿勢が決まればもう一方のリンク機構の姿勢も
決まる。このため、自由度１の機構となりいずれか一つ
のジョイントの角度あるいはすべり量が与えられると姿
勢を計算できる。このジョイント変数を独立変数と呼ぶ
ことにする。図１２と図１３に示すモデルでは独立変数
としてカム軸中心となるジョイントＪ１を選んでいる。
この理由は、カムは３６０゜のすべての姿勢をとれるの
で、独立変数を用いて動解析した後で、ジョイントが動
作範囲を満足しているかどうか調べることが不要とな
り、解析時間の短縮を図ることができるためである。こ
れは機構解析上の問題なので、システムで自動的に選択
する必要がある。本実施例の場合には部品種デ−タよ
り、自動的にカム軸中心となるジョイントＪ１を独立変
数とする。ここで、独立変数を与えるジョイントの選定
条件について、図１５により説明する。Ｅ１の動作範囲
の広い場合の例として、上記のカムが該当する。すなわ
ち、カム軸の回転範囲が３６０゜のためカム軸中心に対
応するジョイントＪ１が独立変数として選択される。Ｅ
２の駆動点を選ぶ例として簡単な４節リンクの場合を示
した。リンク機構の姿勢及びリンク機構を構成するジョ
イントの種類によっては概略図に示すように駆動不可の
ジョイントが生ずる。したがって、初めに変位を与える
独立変数としては選択できないことになる。一般的には
駆動可能なジョイントに荷重が加えられることになるた
め、システムにおいて、入力された荷重点に対するジョ
イントを自動的に独立変数として選ぶことが可能とな
る。Ｅ３のループの共有点を独立変数に選ぶ理由につい
ては、図１６以下に述べる理由と同様、高精度解析モデ
ルを得るためである。以上の法則から決められた独立変
数は、図１２ではル−プｐ１だけに含まれるのに対し、
図１３のモデルではル−プｐ１及びル−プｐ２の両方に
含まれることになる。ここで、J.J.Wickerらにより行わ
れている、最小２乗法を用いた姿勢計算法について、２
次元のベクトルを用いて概説する。図１６は、互いに連
動する２個の４節リンク機構を示したものである。解析
モデルＡについてジョイント及びリンクの構成について
説明する。ジョイントＪ４で連結している２本のリンク
Ｌ３及びＬ７は、互いに一体で回転するものとする。こ
れにより、２個の４節リンク機構が連動する。また、こ
の機構を構成するジョイントはすべて回転ジョイントと
する。そして、Ｌ１からＬ４までのリンクによるル−プ
ｐ１と、Ｌ５からＬ８までのリンクで閉じられたル−プ
ｐ２で構成されている。各リンクの傾きを、各ジョイン
トにおける入力リンクに対する出力リンクの角度θ_iで
表す。ここで、ル−プの方向を考慮した場合、ジョイン
トに向かうリンクを入力リンク、ジョイントから出る場
合を出力リンクと呼ぶことにする。これらの角度θ_iにつ
いては、図からも明らかのようにループが閉じているの
で、次の（式１）〜（式６）が成立する。

【００２５】

【数１】

【００２６】ここで、ジョイントＪ１を独立変数とする
と、θ₁が既知となり、変数θ₂〜θ₇を求めればよい。
汎用的に解を得るために、（式１）、（式２）、（式
４）及び（式５）をテ−ラ−展開してル−プごとに線形
化すると、（式７）〜（式１０）を得る。

【００２７】

【数２】

【００２８】ここで、θ_Siは近似値、ｄθ_iは補正値を
示す。以上の連立方程式の解ｄθ_iを近似値θ_Siに代入
し、これらの連立方程式の係数の精度を向上させる。こ
の操作を繰返し、最終的に連立方程式の解ｄθ_iがほぼ
０になった時のθ_Siが求める値となる。

【００２９】ここで、ル−プｐ１に対応する（式７）、
（式８）と、ル−プｐ２に対応する（式９）、（式１
０）の精度について検討する。ル−プｐ１では、入力デ
−タとして正確な値であるθ₁が与えられている。一
方、ル−プｐ２では、入力デ−タとしてはル−プｐ２で
求められた近似解θ_S4が使われる。このため、ル−プｐ
２の変数の精度はル−プｐ１の変数の精度より悪くな
る。以上の理由により、独立変数がル−プｐ１にのみ含
まれる図１２の場合より、独立変数がル−プｐ１、及び
ｐ２の両方に含まれている図１３の方が高精度となる。
本システムでは、ル−プ形状を探索しながら、すべての
ル−プに独立変数が含まれるかどうかを調べ、必要な場
合は等価なリンクを生成する機能を備える。一方、すべ
てのル−プに独立変数が含まれるようなループ構成とす
ると、１ループが有するリンク数が多くなり、それに伴
い計算時間も増す場合がある。また、静解析を行なう場
合または多モデルの解析を行なわない場合は、計算誤差
が小さいため、すべてのル−プに独立変数が含まれる必
要はない。そこで、図１７に示すようなルールを設けて
場合分けをし、最適ル−プの探索を行う。Ｃ１〜Ｃ５に
示したような計算条件に対して、Ｄ１、Ｄ２などのルー
プ条件が選択される。例えば、ループ数が少なくて（計
算誤差が小さい）、計算時間が制限されている場合は、
短時間で計算できるように、ループの有するリンク本数
の少ない方が選択される。

【００３０】図１８に、本システムの一例として、機構
解析モデル、属性、図面、部品種及びこれらデ−タ間の
関連性を備えたデ−タ構造を示す。基本的な機構解析モ
デルは等価リンク機構であり、ル−プ、リンク、及びジ
ョイントからなる。また、ジョイント以外にリンク部品
上の任意の点の挙動を調べたい場合、その点の番号及び
その座標値がリンクデータテーブルに補助点データとし
て備えられている。属性はリンク及びジョイントに与え
る。リンクには慣性モ−メントなど、またジョイントに
はジョイント種（回転、すべり等）、駆動力、ばね定数
及び動作範囲などを与える。図面管理データ１００は製
作図面から抽出した部品図１１０等を管理し、その機構
部品の図面番号あるいは図面名称を持つ。この図面と解
析モデルは図面・解析モデル関連デ−タテ−ブル１３０
により対応づけられている。解析モデル管理デ−タ１２
０は、解析モデル名称、解析モデル番号を持ち、その下
に解析モデルデ−タ１２１、図面関連デ−タ１２２、及
び解析関連デ−タ１２３などが、それぞれデータテーブ
ルとして格納されている。解析モデル形状デ−タ１２１
は形状データと属性データからなる。形状データは階層
構造をしたサブモデル２１１、ループ２１２、リンク２
１３およびジョイント２１４を有している。そして、サ
ブモデル２１１によりカムのような複数のモデルを必要
とする部品にも適用できる構造となる。また、カムの場
合、ロ−ラがカム輪郭線の直線部を移動するとき、その
方向の一点をこの直線部に対応するリンク上の定点とし
て与えることになる。そこで、リンク２１３の下にはジ
ョイント２１４の他に補助点２１５を必要とする。

【００３１】また、図面関連データ１２２は図面上の個
々の部品と解析モデルとを互いに関連づける。たとえ
ば、図１９に示すように各部品種を示す、カム／ローラ
２２１、ばね２２２、及びリンク２２３などのデータの
中に、部品番号とリンク番号の対応表を持つ。また、カ
ム／ローラでは複数のモデルを必要とするため、サブモ
デル形状と部品番号との関連表を持っている。さらに、
ばねの場合は図７に示したリンク以外の部品種の等価リ
ンクモデル形状により、図面の部品番号に対し２個のリ
ンク番号が対応するデータを持つことになる。

【００３２】また、属性管理２１６及び属性データ２１
７は各リンクに与える慣性モ−メントやジョイントに与
える駆動トルクやばね定数などの属性デ−タを格納す
る。

【００３３】また、解析関連デ−タ１２３は各種解析結
果と解析モデルとの関連を示すものである。このデ−タ
により解析モデル形状から求められた軌跡解析結果を、
そのまま、図面の部品の動作軌跡として表示する場合２
３１とグラフ表示する場合２３２とがある。軌跡表示を
行う場合、解析モデルと解析結果の対応表２３１と図面
関連データ１２２とにより、解析モデルに対応した部品
図形を、解析結果データテーブル３００から検索した、
各ステップごとのジョイントの位置のデータにより座標
変換し、その部品図形の軌跡として表示する。軌跡表示
での各部品と解析モデルのリンクとの対応づけは部品種
により異なる、例えば、カムの場合、複数の解析モデル
と１個のカム図形とが対応する。また、複数の部品が一
体で動く場合であれば、解析モデルの１個のリンクに複
数の部品図形が対応することになる。以上のデ−タテ−
ブルを備えることにより、リンク及びそれ以外の機構部
品からなる機構系について、ＣＡＤ図を用いた解析結果
の表示が可能となる。また、種々の形状の機構部品に対
し、すべてリンク機構解析モデル（ル−プ、リンク及び
ジョイント）を基本にしているので、解析モデルの自動
生成が汎用的に行える。以上により作成した解析モデル
は解析専用入力データへ変換し、機構解析を実行する。
さらに、解析結果は解析入出力部でＣＡＤ図データに変
換し、ＣＡＤ図入出力部で表示データに変換する。この
データは表示部に送られ図２０に代表的に示したグラフ
（各ジョイントの位置、速度、加速度及び反力の時刻歴
応答図など）あるいは図２１のリンク機構部品による軌
跡（図２１（ａ）に機構部品図、（ｂ）に機構部品の挙
動軌跡図を示す。）として表示される。設計者は得られ
た結果をもとに、ＣＡＤ図上で機構部品形状などを修正
して、また、解析を実行できる。これにより、設計図面
を作成しながら簡単に解析評価ができ、十分に性能や強
度を検討することができるので図面が出来上がった後で
の変更が少なくなり、設計効率が上がる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、リンク及び他の機構部
品からなる機構系の設計に対し、ＣＡＤ図入出力システ
ムと直結して解析入出力デ−タが自動生成されるので、
解析モデル作成に精通していない設計者でも機構解析な
どのシミュレ−ションを容易に行なうことが可能とな
る。また、解析シミュレ−ションを行うと同時に製作図
面を作成することができるので、解析検討した結果をす
ぐに図面の修正に使うことができ、設計効率を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の基本構成を示す図である。

【図２】本発明の一実施例のコマンド体系を示す図であ
る。

【図３】本発明の一実施例の解析システムのオペレ−シ
ョンの手順を示す図である。。

【図４】本発明の一実施例の解析モデルデ−タの自動生
成過程を示す図である。

【図５】本発明の一実施例の解析システムのオペレ−シ
ョンの手順を示す図である。

【図６】リンク機構解析における、すべりジョイントの
モデル化方法の一例を説明する図である。

【図７】銀行端末装置の紙幣搬送部の外観図及び断面図
（ＣＡＤ図）である。

【図８】銀行端末装置の紙幣ガイド切り換え機構の平面
図である。

【図９】異種機構部品種のモデル化方法を説明する図で
ある。

【図１０】カム・ロ−ラ機構の各種組合せとこれに対す
る等価リンク機構モデルの一例を示す図である。

【図１１】カム機構の各等価リンクモデルにおけるロ−
ラの移動範囲を説明する図である。

【図１２】図６の銀行端末装置の紙幣ガイド切り換え機
構について、点線で示したＣＡＤ図から実線で示した機
構解析モデルを作成するのを説明する図である。

【図１３】図７の解析モデルとル−プ形状が異なる解析
モデルを説明する図である。

【図１４】動解析における時間の経過にともなう固定点
のずれ量の変化について、図１２及び図１３の解析モデ
ルによる計算誤差を比較したグラフである。

【図１５】本発明の一実施例における、独立変数を与え
るジョイントの選定条件を説明する図である。

【図１６】互いに連動する２個の４節リンク機構を説明
する図である。

【図１７】本発明の一実施例における、最適ル−プ形状
の選定条件を説明する図である。

【図１８】本発明の一実施例のデ−タ構造を示す図であ
る。

【図１９】本発明の一実施例のデ−タ構造の中の図面関
連データの詳細なデータ構造の例を示す図である。

【図２０】本発明の一実施例の解析結果の中のグラフ表
示例について示した図である。

【図２１】本発明の一実施例の解析結果の中の機構部品
の動作軌跡表示例について示した図である。

【符号の説明】

１・・・図面登録、２・・・図面検索、３・・・層間移
動、４・・・部品図合成、５・・・部品連結定義、６・
・・動作範囲定義、７・・・異種部品入力、８・・・外
力入力、９・・・慣性モ−メント入力、１０・・・部品
動作軌跡、１１・・・時刻歴応答図などの入力コマン
ド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北野 穂波 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (56)参考文献 日本機械学会［Ｎｏ．910−39（ＩＩ Ｉ Ａ）］機械力学・計測制御講演論文 集（Ｖｏｌ．Ａ）401−405頁 小沢寛ほ か「カム・リンク複合機構系のモデル化 と解析手法の検討」 日本機械学会［Ｎｏ．920−55］機械 力学・計測制御講演論文集（Ｖｏｌ. Ａ）126−131頁 小沢寛ほか「機構解析 のためのループ構成自動探索システム」 日本機械学会論文集（Ｃ編）58巻 548号 1203−1208頁 塩幡宏規ほか 「二次元ＣＡＤシステムを用いたベル ト・歯車軸系の静的伝達トルクの解析方 法」 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 17/50 612 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＣＡＤ図作成装置と該ＣＡＤ図作成装置に
   より異種機構部品の複合機構系の機構解析および解析入
   出力を行う異種機構部品複合機構設計手段とを備えた異
   種機構部品複合機構設計システムにおいて、前記異種機
   構部品複合機構設計手段が、異種機構部品と等価なリン
   ク機構モデルを対応づける機構部品を構成する線素デー
   タと、この線素データを等価なリンク機構モデルに対応
   づけるデータとを有しており、入力されたＣＡＤ図のデ
   ータと等価なリンク機構モデルを、上記リンク機構モデ
   ルに対応するデータの中から割り当てる演算を行う異種
   機構部品複合機構設計システム。