JP4431957B2

JP4431957B2 - 解析モデル作成装置および解析モデル作成方法

Info

Publication number: JP4431957B2
Application number: JP2003435053A
Authority: JP
Inventors: 誠吉永; 浩司内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005196245A

Description

本発明は、成形部材の解析モデル作成装置とその方法に関する。特に、金型面を三次元測定して得られた点群データから成形品の板厚を求め解析モデルを作成する解析モデル作成装置およびその方法に関する。

通常、新たに金型を作製する場合には、金型を発注する前に成形部材の完成品図面に基づいて解析モデルを作成して、流動解析を繰り返すことにより詳細な金型仕様を決定している。しかし、実際に加工される金型は、加工誤差があるために成形部材全体に亘って必ずしも設計通りの形状を得ることは困難であり、特に成形部材の板厚が部分的に所定板厚と異なるために成形不良が発生することが少なくない。

このため、金型完成後に、新たに製作した金型で成形部材を成形して、この成形部材の板厚を部位毎に実測して解析モデルに再現して、不良対策のためのシミュレーションを実施している。

成形部材の板厚を測定して解析モデルに再現する方法では、金型の不具合に対して成形部材を形成してからしか対応できないので、全体のリードタイムが長くなる。また、成形部材の各部位の板厚を手作業で実測するために多くの労力と時間とを要し、さらに、手作業による実測では測定誤差が発生しやすいために精度の高い板厚を得ることができず、結果的に精度のよい解析モデルを作成することができない、などという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、精度の高い解析モデルを、成形部材を成形する前に作成することのできる解析モデル作成装置とその方法とを提供することを課題とする。

本発明の解析モデル作成装置は、固定型と可動型とによって形成されるキャビティに溶融樹脂を満たして成形する成形部材の解析モデルを作成する解析モデル作成装置において、前記固定型の前記成形部材の表面に対応する面（以下、キャビティ面という。）と前記可動型の前記成形部材の裏面に対応する面（以下、コア面という。）とを三次元測定して前記各測定面の点群データを取得する三次元測定手段と、前記点群データに基づいて前記成形部材の各部位の板厚データを作成する板厚データ作成手段と、前記板厚データに基づいて前記成形部材の解析モデルを作成する解析モデル作成手段と、少なくとも前記点群データ、前記解析モデルあるいは解析用データを記憶する記憶手段と、を備え、前記板厚データ作成手段は、前記点群データを用いて前記キャビティ面および前記コア面のサーフェスメッシュモデルである三次元形状モデルを形成する実測モデル形成部と、前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルと前記コア面のサーフェスメッシュモデルとを同一の座標軸で型閉め状態に位置合わせする実測モデル位置合わせ部と、前記点群データから前記サーフェスメッシュモデルの各要素の節点における板厚を、前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルの節点と前記コア面の点群のうち該節点に最も近接して対向する点との離間距離として求め、得られた各要素を形成する節点における板厚を算術平均して、各要素毎の平均板厚とする板厚算出部と、を含むことを特徴とする。

本発明の解析モデル作成装置は、三次元測定手段を有するので、新たに作製された金型から測定面の点群データを得ることができ、板厚データ作成手段で、金型の測定面のサーフェスメッシュモデルの各要素毎に点群データを用いて板厚を設定することができる。そして、解析モデル作成手段で解析モデルを作成することができるので、従来のモデル作成方法に比べて、解析モデル作成のリードタイムが短縮されると同時に、部位毎の板厚の手作業による測定誤差を排除することができ、精度の高い解析モデルを作成することができる。

また、本発明の解析モデル作成方法は、固定型と可動型とによって形成されるキャビティに溶融樹脂を満たして成形する成形部材解析モデルを作成する解析モデル作成方法において、前記固定型の前記成形部材の表面に対応する面（以下、キャビティ面という。）と前記可動型の前記成形部材の裏面に対応する面（以下、コア面という。）とを三次元測定手段で三次元測定して前記各測定面の点群データを取得する三次元測定工程と、前記点群データを用いて前記キャビティ面および前記コア面のサーフェスメッシュモデルである形状実測モデルを板厚データ作成手段の実測モデル形成部で形成する形状実測モデル形成工程と、前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルと前記コア面のサーフェスメッシュモデルとを板厚データ作成手段の実測モデル位置合わせ部で同一の座標軸で型閉め状態に位置合わせする実測モデル位置合わせ工程と、前記点群データから前記サーフェスメッシュモデルの各要素の節点における板厚を、演算処理により、前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルの節点と前記コア面の点群のうち該節点に最も近接して対向する点との離間距離として求め、得られた各要素を形成する節点における板厚を算術平均して、各要素毎の平均板厚を板厚データ作成手段の板厚算出部で板厚データとして設定する板厚データ作成工程と、前記板厚データに基づき前記成形部材の解析モデルを解析モデル作成手段を用いて作成する解析モデル作成工程と、を有することを特徴とする。

本発明の解析モデル作成方法は、この様に、新たに作製された金型から三次元測定装置によって直接成形部材の各部位の板厚を求めて、解析モデルを作成することができるので、従来のモデル作成方法に比べて、解析モデル作成のリードタイムが短縮されると同時に、部位毎の板厚の手作業による測定誤差を排除することができ、精度の高い解析モデルを作成することができる。

本発明の解析モデル作成装置の実施の形態について、図１を参照しながら説明する。

図１は、実施形態にかかわる解析モデル作成装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、この解析モデル作成装置１０は、三次元測定手段２０と演算処理装置３０と表示装置５０と入力装置６０とを含む。

三次元測定手段は、前記固定型の成形品の表面に対応する面（以下、キャビティ面という。）と、可動型の成形品の裏面に対応する面（以下、コア面という。）とを、レーザや写真などによって非接触三次元測定することにより各測定面の点群データを取得するための手段であり、市販（例えば、ＯＰＴＩＧＯシリーズなど）の三次元測定装置を使用することができる。

演算処理装置３０は、三次元測定データに基づき新たに作製された金型で形成される成形部材の解析モデルを作成する装置であって、板厚データ作成手段３１と、解析モデル作成手段３２と記憶手段３３とを備えている。

演算処理装置３０は、例えば、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの汎用コンピュータシステムであって、以下に説明する板厚データ作成手段３１と解析モデル作成手段３２などの処理内容を記述したプログラムを実行させることにより演算処理を実現することができる。

板厚データ作成手段３１は、三次元測定データに基づいて所定の方法で成形部材の各部位の板厚データを作成する手段であって、実測モデル形成部３４、実測モデル位置合わせ部３５、板厚算出部３６とからなる。

実測モデル形成部３４は、三次元測定装置２０から入力される点群データを用いて各金型のキャビティ面およびコア面の三次元形状モデルを形成する。ここでは、三次元形状モデルとして、板要素で表した形状実測モデル（以下、サーフェスメッシュモデルという。）を作成する。

実測モデル位置合わせ部３５は、実測モデル形成部３４で得られた、キャビティ面のサーフェスメッシュモデルとコア面のサーフェスメッシュモデルとを同一の座標軸で型閉め状態に位置合わせする。

板厚算出部３６は、点群データからサーフェスメッシュモデルの各要素の節点における板厚を求め、要素毎の平均板厚を算出する。ここで、板厚は、前記の実測モデル位置合わせ部３５で得られたキャビティ面のサーフェスメッシュモデルの節点と、この節点に対向する三次元測定により得られたコア面の点群のうちのキャビティ面の節点に最も近接した点との離間距離として求めることができる。さらに、得られた各要素を形成する節点の板厚を算術平均して、各要素毎の平均板厚として各要素毎の板厚データを作成する。

解析モデル作成手段３２は、解析モデル作成部３２と、記憶手段３３に格納されている解析用データ４０とからなり、板厚算出部３６によって得られた各要素毎に板厚を設定した板厚データと解析用データ４０とから成形部材の解析モデルを作成する。

演算処理装置３０に設けられたハードディスクドライブなどの記憶手段３３には、三次元測定手段２０で取り込んだ点群データ３７や、実測モデル形成部３４で形成した各金型面の形状実測モデル３８（サーフェスメッシュモデル）、解析モデル作成用データ４０および作成された解析モデル３９などが記憶される。

表示装置４０は、演算処理装置３０の生成する表示画面を表示する装置であり、例えば、実測モデル形成部３４で形成された、各金型面の三次元モデル画像の表示などを行う。

入力装置５０は、例えば、キーボードやポインティングデバイスなど、演算処理装置３０に対するデータや指示の入力を受け付ける装置である。

次に、図２を参照して、この装置１０による解析モデル作成方法の手順を説明する。

まず、新たに作製された金型のキャビティ面およびコア面を三次元測定できるように所定の方法で設置し、三次元測定手段２０で所定の測定面を測定する。この結果得られたキャビティ面およびコア面の点群データ３７は、演算処理装置３０の記憶手段３３へ入力される（三次元測定工程Ｓ１）。この時、点群データの各点間の距離は、０．０４〜０．９４ｍｍであることが望ましい。点間距離が０．９４ｍｍを越えると板厚算出精度が低下するので好ましくない。

板厚データ作成手段３１の実測モデル形成部３４は、得られた点群データ３７から、公知のアルゴリズムを用いて、各金型のキャビティ面およびコア面のサーフェスメッシュモデルを形成する（形状実測モデル形成工程Ｓ２）。

次に、実測モデル位置合わせ部３５が、キャビティ面とコア面のサーフェスメッシュモデルを同一座標軸上で型閉じ状態に対応するように位置合わせする（実測モデル位置合わせ工程Ｓ３）。ここで、キャビティ面のサーフェスメッシュモデルの各要素の節点と、コア面上の点群とを対応させることができるようになる。なお、設計時のＣＡＤデータなどサーフェスメッシュデータが既に作成されている場合には、それらのサーフェスメッシュデータを利用することで、形状実測モデル形成工程Ｓ２と実測モデル位置合わせ工程Ｓ３の各工程を省略してもよい。

次に、板厚算出部３６が、実測モデル位置合わせ工程Ｓ３で得られたキャビティ面のサーフェスメッシュモデルの節点と、コア面の点群のうちキャビティ面の節点に最も近接した点との離間距離を板厚として算出する。

ここで、板厚の算出方法を図３を参照しながら説明する。図３は、実測モデル位置合わせ工程Ｓ３で同一座標軸上に位置合わせされたキャビティ面とコア面のサーフェスメッシュモデルの部分断面を示す概念図である。

キャビティ面のサーフェスメッシュモデルＭ１とコア面のサーフェスメッシュモデルＭ２上には節点Ｐ（図中○で示す。）と三次元測定工程Ｓ１で得られた点群Ｑ（図中●で示す。）とが各々所定の間隔で並んでいる。なお、説明を簡単にするために、図３ではキャビティ面の点群Ｑと、コア面の節点Ｐとを省略して示してある。この様に配置されたサーフェスメッシュモデルＭ１，Ｍ２において、例えば、キャビティ面Ｍ１の節点ｐ２における板厚は、以下のようにして算出することができる。すなわち、まず、コア面Ｍ２上の点群Ｑのうち節点ｐ２に対向している点（例えば、ｑ１，ｑ２，ｑ３）の、節点ｐ２との離間距離ｄ１，ｄ２，ｄ３を各点の座標から算出する。次に、得られた各離間距離ｄ１，ｄ２，ｄ３を比較してして離間距離の最短値を選択し、この最短値（ここでは、ｄ２）を節点ｐ２における板厚とする。コア面Ｍ２上の点群Ｑはキャビティ面上の節点Ｐに比べて極めて多数存在するので、この様にして得られる最短値を成形部材の板厚とすることができる。

サーフェスメッシュモデルの全ての節点の板厚を算出した後、各要素を形成する節点の板厚を算術平均して（例えば、要素形状が矩形の場合は、４点の平均値）各要素毎の平均板厚を求め、この平均板厚を各要素の板厚として板厚データを作成する（板厚データ作成工程Ｓ４）。

板厚データ作成工程Ｓ４得られた板厚データと記憶手段３３に格納されている解析用データ４０とから、解析モデル作成部３２は、成形部材の解析モデルを作成する（解析モデル作成工程Ｓ５）。作成された解析モデルは、記憶手段３３の解析モデル３９へ格納され、成形部材の流動解析など、各種の解析に供することができる。

なお、実測モデル位置合わせ工程Ｓ３で得られたキャビティ面とコア面のサーフェスメッシュモデルの境界線（外周）に閉曲面を形成することにより、サーフェスメッシュモデルで囲まれた閉空間をソリッドに変換して、解析用のソリッドモデルを作成することもできる。このソリッドモデルを用いて成形部材の剛性解析や流動解析などを行うことが可能となる。

また、成形部材に形成されるリブなど、三次元測定工程Ｓ１で同時には測定しにくい部分の板厚は、設計時のＣＡＤデータなどの当初の板厚をそのまま使用するようにすればよい。

以上のように、本発明によれば、新規の金型を作製した時点で精度の高い成形部材の解析モデルを作成することができるので、この解析モデルを用いて流動解析、剛性解析などを実施することにより、金型の不具合箇所を早期に発見して適切な対策を講じることができる。

なお、本実施の形態では実測モデルの測定面を金型表面としたが、新規に作製した金型を用いて成形した成形部材の表面を三次元測定の測定面としてもよい。この場合には、成形後であるために、金型面を測定して解析モデルを作成する場合に比べて対応が遅くなると云う問題はあるが、三次元測定による点群データを利用することができるので、高精度の解析モデルを簡便に作成することができる。

本実施の形態では三次元測定する金型を新規に作製した金型としたが、本発明は新規に作製した金型に限定することなく使用中の金型についても適用できることは云うまでもない。

本発明の解析モデル作成装置とその方法は、自動車のバンパ、インストルメントパネル、あるいは内装樹脂部品などの溶融樹脂を射出して成形する成形部材の解析モデル作成に好適に用いることができる。

本発明の実施の形態である解析モデル作成装置の一例を示す図である。本発明の解析モデル作成方法の手順を示すフローチャートである。形状実測モデルから板厚を算出する方法を説明する概念図である。

符号の説明

１０：解析モデル作成装置２０：三次元測定手段３０：演算処理装置３１：板厚データ作成手段３２：解析モデル作成手段３３：記憶手段３４：実測モデル形成部３５：実測モデル位置合わせ部３６：板厚算出部
３７：解析モデル作成部５０：表示装置６０：入力装置
Ｐ：節点Ｑ：点群

Claims

固定型と可動型とによって形成されるキャビティに溶融樹脂を満たして成形する成形部材の解析モデルを作成する解析モデル作成装置において、
前記固定型の前記成形部材の表面に対応する面（以下、キャビティ面という。）と前記可動型の前記成形部材の裏面に対応する面（以下、コア面という。）とを三次元測定して前記各測定面の点群データを取得する三次元測定手段と、
前記点群データに基づいて前記成形部材の各部位の板厚データを作成する板厚データ作成手段と、
前記板厚データに基づいて前記成形部材の解析モデルを作成する解析モデル作成手段と、
少なくとも前記点群データ、前記解析モデルあるいは解析用データを記憶する記憶手段と、を備え、
前記板厚データ作成手段は、前記点群データを用いて前記キャビティ面および前記コア面のサーフェスメッシュモデルである三次元形状モデルを形成する実測モデル形成部と、
前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルと前記コア面のサーフェスメッシュモデルとを同一の座標軸で型閉め状態に位置合わせする実測モデル位置合わせ部と、
前記点群データから前記サーフェスメッシュモデルの各要素の節点における板厚を、前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルの節点と前記コア面の点群のうち該節点に最も近接して対向する点との離間距離として求め、得られた各要素を形成する節点における板厚を算術平均して、各要素毎の平均板厚とする板厚算出部と、を含むことを特徴とする解析モデル作成装置。
固定型と可動型とによって形成されるキャビティに溶融樹脂を満たして成形する成形部材解析モデルを作成する解析モデル作成方法において、
前記固定型の前記成形部材の表面に対応する面（以下、キャビティ面という。）と前記可動型の前記成形部材の裏面に対応する面（以下、コア面という。）とを三次元測定手段で三次元測定して前記各測定面の点群データを取得する三次元測定工程と、
前記点群データを用いて前記キャビティ面および前記コア面のサーフェスメッシュモデルである形状実測モデルを板厚データ作成手段の実測モデル形成部で形成する形状実測モデル形成工程と、
前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルと前記コア面のサーフェスメッシュモデルとを板厚データ作成手段の実測モデル位置合わせ部で同一の座標軸で型閉め状態に位置合わせする実測モデル位置合わせ工程と、
前記点群データから前記サーフェスメッシュモデルの各要素の節点における板厚を、演算処理により、前記キャビティ面のサーフェスメッシュモデルの節点と前記コア面の点群のうち該節点に最も近接して対向する点との離間距離として求め、得られた各要素を形成する節点における板厚を算術平均して、各要素毎の平均板厚を板厚データ作成手段の板厚算出部で板厚データとして設定する板厚データ作成工程と、
前記板厚データに基づき前記成形部材の解析モデルを解析モデル作成手段を用いて作成する解析モデル作成工程と、を有することを特徴とする解析モデル作成方法。