JP4936660B2 - 機械ベクトルループ抽出のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に機械部品の寸法公差に関し、より具体的には、ギャップ公称寸法及びギャップ公差を求めるために、相互作用する機械部品に対するギャップスタックアップ解析を行うための方法及び装置に関する。

機械の作動において、各部品寸法（寸法とは、或る部品のサイズ、形状、又は位置を定義する数値である）及び空間的に対向する部品間の距離（すなわちギャップ）は、効率的且つ信頼性の高い機械運転のために設計公差範囲内に維持されなくてはならない。例えば、航空機エンジンは、約１０，０００から４０，０００個の部品を含んでおり、その各々は、部品の幾何学的形状、公称部品寸法、部品公差、及び他の必要な部品特性（例えば、その部品が構成されている材質や引張強度又は硬度などの目に見えない性質）を示す１つ又はそれ以上の二次元図面によって記述される。公差値は、公称部品寸法からの偏差の許容範囲を定めるものである。

各部品は、部品公称寸法及び各寸法に関係する公差への適合性を含む、図面に記載された情報に従って製造される（すなわち各図面は、部品の二次元的表現である）。実寸法が指定公差範囲外である部品は、他の部品と適正に係合又は接続することができないため機械内での使用には好適ではない可能性がある。１つの部品は、複数の公差によって管理することができ、各公差は部品の異なる幾何学的特徴に関係付けられている。例えば、航空機エンジンのガスタービンブレードの図面は、４００もの数の寸法公差を含む場合がある。

個々の部品が組み立てられて機械を形成するときには、部品間のギャップ（一般に機械内の２つの平面間又は面間の直線距離として定義される）は、設計限界内に維持されなければならない。公称ギャップ距離は、所望のギャップ開口を表す。ギャップ公差は、公称ギャップ距離からの許容可能な変動範囲を表す。例えば、ガスタービンジェットエンジンにおいては、燃焼ガスは、静止ステータ内に囲まれた回転ロータによって支持される複数のブレードに衝突する。各ロータブレードの先端とステータとの間の指定ギャップ（公称ギャップ距離とこれに関係した公差範囲とによって定義される）を維持することは、エンジンの適正且つ効率的な作動のために必要である。通常、このギャップ公差は、１０００分の１０インチ単位で測定される。１０００分の１０インチだけ公差範囲外にあるギャップは、エンジンの燃料効率などの幾つかの重要な作動パラメータに重大な影響を及ぼす可能性がある。

寸法公差スタックアップ解析は、２つの係合又は隣接部品間の寸法及び組立寸法公差を予測するために、例えば機械ギャップの公称寸法及び公差を予測するために所与の機械部品の寸法及び公差を使用するプロセスである。ブレード先端とステータとの間のギャップは、スタックアップ解析されるギャップの１つの実施例である。臨界ギャップは、機械の適正作動を保証するために、機械設計段階の間にスタックアップ解析される。典型的な蒸気タービン内には、タービン性能に影響を及ぼし得る約１３０から１８０の臨界ギャップスタックアップが存在する。典型的な航空機エンジンには、２０００より多いこうしたスタックアップが存在する。

スタックアップ解析は、品質改善及び機械の製造コストを低減するために重要である。設計技師は、各機械寸法に対して厳しい公差を支持し、製造プロセス中における厳密な寸法管理を要求する。しかし寸法管理は、製造プロセスのコストを増大させる。従って、機械寸法及び各寸法に関係した公差の定量的な解析は、設計及び製造プロセスに重要な洞察を提供し、情報に基づいたこれらの競合する利害間のトレードオフを可能にする。

ギャップスタックアップ解析を行い、これによって所与の機械ギャップの公称ギャップ寸法及びギャップ公差を求めるためには、始めに相互に作用する部品又は係合する部品、並びにギャップすなわちギャップベクトルループを形成するこれらの部品の寸法を識別することが必要である。これらの部品寸法は、１つのループを形成し、該ループは、１つのギャップ面で始まり、対向するギャップ面に到達するまで一連の部品境界を通ってトラバースする。次いで、部品寸法とこのような各ループ部品に関係した部品寸法公差とが結合されて、ギャップ公称寸法及びギャップ公差を与える。

先行技術では、ギャップスタックアップ解析プロセスは手動的に行われる。関心のあるギャップが識別され、ギャップ寸法に影響を及ぼす各部品の図面が読み出される。ギャップに影響を及ぼす公称部品寸法とこのような各寸法に関係した公差とを求めるために、各部品の図面が調べられる。公称部品寸法と部品寸法公差とが記録される。各寸法には、該寸法値がギャップ寸法を増大させるか減少させるかに基づいて、更に乗算係数（典型的には＋１又は−１）が割り当てられる。

三次元的ギャップに対する寄与を確定するためには二次元図面に頼る必要があることにより、手動的なギャップスタックアッププロセスは複雑になる。従って、スタックアッププロセスを実行する技師は、正確なスタックアップ測定を行うために、機械とその構成部品の空間的関係にかなり精通していなくてはならない。手動的なスタックアッププロセスは、極めて時間がかかり、通常は１つの機械ギャップの解析のために約１０時間から３０時間を要する。このプロセスの数字集約的性質は、公差値の２つの隣接する数字の転置などのエラーを起こす傾向があるので、容易に間違いが生じる。また、ベクトルループの正確な抽出は、手動で行うには困難なプロセスである。複数のベクトルループが存在する場合、このプロセスは更に複雑になる。これらの状況においては、技師はこうした複数のベクトルループの存在に気付かない場合もあり、全てのベクトルループの抽出が行われず、不正確なスタックアップ結果が得られることになる。このプロセスが完了すると、ベクトルループ（すなわち、ベクトルループを形成する部品及びこれらの面）及びスタックアップ結果の有効性を確認することが望ましい。しかしながら、別の技師がスタックアップ解析を繰り返すことを除いては、有効性を確認する既知の方法は存在しない。

今日では機械及びこれらの構成部品のほとんどは、公称部品寸法を含むが典型的には公称寸法の公差値は含まない、各部品の三次元画像又はモデルを生成するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウエアを使用して設計される。設計が完了すると、ソフトウエアにより生成された設計データに基づく試作部品から試作機械が組み立てられる。その後、各部品についての二次元図面が作成され、寸法公差が確定されて初めて、技師がスタックアップ解析を行うことができる。しかしながら、二次元図面を作成しスタックアップ解析を行うための時間のかかるプロセスがあったとしても、この解析は、試作部品が試作機械に組み立てられてしまうまでは完了することができない。部品製造及び機械組立中に公差スタックアップ解析が行われないことにより、部品ギャップが公差範囲外にあることに起因して、期待したようには作動しない試作機械が得られる可能性がある。公差範囲外のギャップが発見されると、影響を受ける部品公差を変更しなくてはならず、部品は、補正された公差値に従って作り直されて機械に組み立てられる。設計及び製造サイクル中にこれらの問題を修正することは、製品に好ましくないコストが加わり、設計及び製造サイクルが終わりに近づくにつれて修正コストが増大する。
米国特許６，３５１，７２１号公報

本発明は、部品組立体内のギャップの一次元ギャップスタックアップを求める方法を含む。この方法は更に、スタックアップ解析のためのギャップを識別する段階を含み、ギャップを定める第１の面と第２の面とを識別する段階を含み、該部品組立体の第１の部品は第１の面を備え、部品組立体の第２の部品は第２の面を備える。この方法は更に、第１の面から部品組立体を通って第２の面までの複数の要素から構成されるベクトルループを求める段階を含み、該複数の要素はギャップスタックアップを含む。本発明は、部品組立体内のギャップに対して一次元ギャップスタックアップを行うためのコンピュータプログラム製品を更に備え、このコンピュータプログラム製品は、コンピュータプロセッサにより実行するためのプログラムコードを格納する、コンピュータプロセッサにより読取り可能な記憶媒体を備える。プログラムコードは、スタックアップ解析のためのギャップを求めるプログラムコードモジュールと、部品組立体の第１の部品が第１の面を含み、部品組立体の第２の部品が第２の面を含み、該ギャップを定める第１の面と第２の面とを識別するプログラムコードモジュールと、第１の面から部品組立体を通って第２の面までの、ギャップスタックアップを含む複数の要素から構成されるベクトルループを求めるプログラムコードモジュールとを含む。

本発明の上記及び他の特徴は、種々の図面を通して同じ参照符号が同じ部品を表す添付図面で示されるように、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。これらの図面は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明することに重点を置いたものである。

本発明による機械又は部品組立体のギャップスタックアップ解析を実行するための特定の方法及び装置を詳細に説明する前に、本発明は、主としてハードウエア要素と工程段階の新規且つ進歩性のある組合せが存在する点に留意されたい。従って、本明細書の記載による恩恵を受ける当業者には容易に明らかである構造的細部に関して開示内容を曖昧化しないように、これらの要素及び段階は、図面において本発明に関連する特定詳細部のみを示した従来の要素及び段階によって表現されている。

公称寸法（公称部品寸法又は公称ギャップ寸法）は、寸法の望ましい値を示している。幾らかの寸法上のばらつきが許容される場合には、プラス及び／又はマイナスの公差値が公称寸法に付随している。従って、測定値は、公称寸法とプラス／マイナス公差として表すことができる。公称寸法値は、測定値の平均値を表しており、その公差は、平均値の標準偏差に関係する。例えば、３．０００インチ±０．００２インチの部品寸法（左右相称的公差と呼ばれる）は、３．０００インチの平均値、＋０．００２インチの最大公差、及び−０．００２インチの最小公差を有する。４．０７５インチ＋０．００４インチ及び−０．００２インチの部品寸法（左右非相称的公差と呼ばれる）は、４．０７６インチの平均寸法（公称寸法＋正の公差値と公称寸法−負の公差値との平均を求めることによって計算される）、＋０．００３インチの最大公差、及び−０．００３インチの最小公差（寸法公差値を平均することによって求められる）を有する。

本発明のギャップスタックアップ解析は、例えば軸方向、半径方向、及び角度方向である円柱座標で以下に説明される。当業者には理解されるように、本発明の教示はまた、ｘ、ｙ、ｚ軸のデカルト座標系などの他の座標系を使用して行われるスタックアップ解析に適用することができる。

本発明の教示によれば、ギャップスタックアップ解析は、機械設計プロセス中に求められる公称部品寸法及び／又は公差情報を用いて行われる。解析プロセスは、第１の部品の第１のギャップ面と第２の部品の第２のギャップ面とによって定義されるような、関心のある機械ギャップを識別することによって始まり、この場合第１及び第２の面は互いに隔てられた関係にありギャップを形成する。

次に、ギャップベクトルループが求められ、又は抽出される。ベクトルループは、第１のギャップ面上で始まり、第１の部品を貫通して延び、ギャップ寸法／公差に影響を及ぼす全ての組み合わされた部品間でこれらを順次貫通して通り、第２のギャップ面上で終わる。従って、その結果は、ループ要素のリストを含み、各々がベクトルループ・セグメントを含む。ループは、いずれの方向にもトラバースすることができ、すなわち、第１のギャップ面で始まり、第２のギャップ面までループを進める、又は反対方向に進めることができる。

ベクトルループ抽出装置がループを求めた後、ループ内の各部品又は要素及び各部品の公称寸法が識別される。公称ギャップ寸法は、ループ要素間の寸法並びに各ループ要素内の寸法の両方を含む、各ループ要素の公称又は平均部品寸法を組み合わせることによって求められる。ギャップ平均は、重み付けされた公称部品寸法の和として求めることができる（この場合、以下に更に詳細に検討するように、重み値＋１又は−１は、ギャップ寸法に対する部品寸法の影響を考慮するものである）。

スタックアップ解析を完了するために、ループ内の各公称部品寸法に関係する公差が求められ、公差値が結合されてギャップ公差を生成する。本発明の一実施形態によれば、ギャップ変動又は公差は、２つの方法の一方又は両方を使用して計算することができる。最悪状況解析においては、最悪状況のギャップ公差を得るために、全ての部品寸法の公差が加算される。或いは、各部品寸法の標準偏差が計算される統計的解析が採用される（標準偏差又はシグマ値と部品公差との間の所与の関係を仮定する場合、典型的には３シグマ値が使用され、すなわち標準偏差＝公差／３である）。従って、ギャップの標準偏差は、ベクトルループ内の全ての部品公差の全ての標準偏差の二乗和平方根である。この方法は、二乗和根法と呼ばれる。

好ましい実施形態においては、スタックアップ解析は、コンピュータソフトウエアプログラムによって行われる。一実施形態において、このソフトウエアプログラムは、部品を設計するために使用されるＣＡＤ設計パッケージと共に作動する。この場合、本発明は、三次元ＣＡＤモデルから一次元ベクトルループを抽出してギャップスタックアップを生成する。

更に別の実施形態においては、ベクトルループ抽出結果は、ベクトルループの要素又は部品（例えば、部品番号による）、各ループ要素の公称寸法、及び公称ギャップ寸法を表す重み付けされた公称寸法の和を表示するために表計算ソフトにインポートされる。各ループ要素の寸法公差情報もまた、表計算ソフト内に表示される。

本発明の教示によれば、部品図面の作成及び発行を待つ必要がないので、スタックアップ情報が、先行技術の手作業による方法よりも迅速に求められ、機械設計プロセスでより早く利用可能である。上述のように、ベクトルループ抽出は、ＣＡＤ設計情報を使用して行うことができる。機械設計者が各公差値を割り当てる度に、これらの公差値は、ギャップ公差を求めるためにスタックアップ解析表計算ソフトに容易にインポートすることができる。有利には、公差スタックアップ結果がギャップ公差又はギャップ寸法に関する潜在的な問題を示す場合、部品寸法を設計段階で変更することができ、最終設計が完了する前に、境界面及び係合面に対するこのような変更の影響を求めることができる。最終図面は、組立体又は部品に対するスタックアップ解析が許容可能であることが確定するまでは発行することはできない。

本発明のベクトルループ抽出装置は、ベクトルループの三次元的表現である可視的表示を提供することができ、設計技師が抽出されたループの有効性を確認することが可能となる。一実施形態においては、ベクトルループは、ＣＡＤシステムの三次元モデル上に重畳される。手動方法による個別的な二次元図面を調べることによってスタックアップ解析が行われる場合には、このような可視化が不可能であることは明らかである。１０，０００から４０，０００個の部品を備えた航空機エンジンなどの特定の機械の多数の部品の場合には、多数のギャップがあり、部品境界及びこれらの空間的関係が複雑であるため、各々のギャップに対する手動ギャップ解析は、事実上不可能である。本発明のベクトルループ抽出装置は、ソフトウエアに実装された場合には、ベクトルループ情報を三次元ＣＡＤ図面から直接取り出すことからそれほど制限されたものではない。最後に、コンピュータソフトウエアによって行われるスタックアップ解析は、手動的スタックアップ解析を行う技師の経験レベルに基づくものである手動的に行うスタックアップよりもエラーが少ないであろう。

ギャップベクトルループ内の要素は、２つの機械部品間の要素及び１つの機械部品内の要素という２つのタイプの内の一方を含む。これらの両方のループ要素は、関係する公称部品寸法と寸法公差とを有する。一実施形態においては、２つのループ要素タイプは、別個に解析されて寸法／公差を求め、その後該寸法／公差値は結合される。別の実施形態においては、要素が遭遇する部品間及び部品内をループが順次トラバースして、ループトラバースプロセス完了時にギャップ公称寸法及び公差が得られる。

図１は、トレイ１４上に配置されたブロック１０及び１２を示す。ブロック１０の隠れた面１９とトレイ１４の面２０との間のギャップＡのベクトルループ及びギャップ公称寸法／公差を抽出することが要求される。部品間寸法／公差Ｂ（ブロック１０の面２２とブロック１２の隠れた面２４との間）及び部品間寸法／公差Ｃ（ブロック１２の面２６とトレイ１４の面２０との間）は、ベクトルループ内にある。ループ内の部品間寸法／公差は、隠れた面１９と面２２との間の距離／公差（距離Ｄとも呼ばれる）と、以下に定義する面３２とを含む。

面３２は、図２に示すように２つの溝４０を含む。（面３２は、ブロック１２の他の面に対して垂直である必要はなく、垂直の向きは単に例証に過ぎない。）この実施例においては、面４２と面４４との間の距離を直接定義する寸法／公差がないものとして仮定している。代わりに設計者は、溝幅（図２の寸法ＥとＦ）、溝４０間の距離Ｇ、面４２から第１の溝４０までの距離Ｈ、及び第２の溝４０から面４４までの距離Ｊを提供している。

寸法／公差Ａのギャップスタックアップを求めるために、寸法／公差Ｄ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊの各々に関係した公称寸法／公差が加算される。この実施例においては、寸法／公差の各々がギャップスタックアップに正の方向で寄与する点に留意されたい。すなわち、Ｄ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊのいずれかの寸法／公差が増大した場合には、これに応じてギャップスタックアップ結果が増大する。同様に、Ｄ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊのいずれかの寸法／公差が減少した場合には、これに応じてギャップスタックアップが減少する。

別の例示的なスタックアップ方法において、図３は、図示のように配向されて接続されているブロック５０、５２、及び５４の側面図を示しており、ロッド５６がブロック５０からプレート６０内の孔を貫通して延びている。ギャップスタックアップ解析法を使用してギャップＬの寸法／公差を求める。距離Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕの各々の公称寸法／公差は、ギャップＬの寸法／公差に影響を及ぼす。寸法Ｔは、ギャップ寸法に逆の（負の）影響を及ぼすことに注目されたい。すなわち、Ｔの寸法が減少するとギャップＬは増大し、Ｔの寸法が増大するとギャップＬは減少する。関心のあるギャップに対するこのような正と負の影響を考慮するために、正の影響を及ぼすギャップ寸法に係数＋１が乗算され、負の影響を及ぼすギャップ寸法には係数−１が乗算される。この乗算の結果得られる積（すなわち係数が考慮された寸法）を加算してギャップスタックアップ寸法を得る。

本発明の他の実施形態においては、＋１及び−１以外の数値を使用して部品間寸法／公差の変化を表すことができる。例えば、部品が加熱／冷却されると、膨張／収縮作用が部品寸法／公差を変化させる。同様に部品の可撓性及び／又は圧縮性も、＋１及び−１以外の係数を使用することによりギャップスタックアップ解析に繰り込むことができる。

図４は、タービンブレード７０Ａ、タービンベーン７０Ｂ、及びケース７２を含む航空機エンジンの内部構成部品を示す。軸方向ギャップ７４のギャップスタックアップは、ギャップ７４を定義するベクトルループ中の寸法／公差を使用して行われる。これらの寸法及び関係する公差は、アルファベット文字Ｍ、Ｎ、Ｐ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｗによって識別される。各寸法／公差に関係した矢印は、ループを通るトラバースの方向を示す。右を指す矢印は、ギャップスタックアップに正の影響を及ぼす寸法／公差を表す。左を指す矢印を有する寸法／公差は、ギャップスタックアップに負の影響を及ぼす。図４には関心のある寸法／公差が示されているが、実際には、図４に示す部品の各々は、その部品を表す複数の寸法／公差を備えた幾つかの詳細図で記述される。また、図４に示した寸法／公差の或るものは、構成部品間のギャップと部品内の寸法／公差との組合せを表すことができる。例えば、寸法／公差Ｗは、どの図面においても直接的には参照されず、代わりに、Ｗは、寸法Ｗによって識別された距離にわたる部品の寸法及び公差のスタックアップを表す。

上述のように、ギャップ距離の平均値は、ギャップベクトルループ内の各部品又は要素に関係した公称寸法に重み係数を乗算した後合計することによって得られる。更に、ギャップスタックアップ法は、以下に詳細に説明するように、ギャップ公差を生成する。公称部品寸法は測定値の平均値を表し、この平均値に関するばらつきは、指定された公差範囲内でランダムであるので、ギャップスタックアップ法は、統計的に解析することができる。更に、組立体に形成されるときに、個々の機械部品の寸法属性が統計的に累積し、構成部品のばらつきに従ってその組立体の寸法を変化させる。ギャップベクトルループは複数の部品を含むので、確率解析の中心極限定理によれば、ガウス確率分布関数は、ギャップスタックアップ結果を記述する。ガウス確率分布関数は、計算されたギャップ平均値及び標準偏差により定義され、これは以下に更に説明する。

図５のグラフは、１つのそのようなガウス確率分布関数８８を示しており、このグラフにおいては、平均値は参照符号９０によって識別される。ギャップ最大値９２は、ループ要素の上方公差値を合計することによって算出される。ギャップ最小値９４は、最小公差値を合計することによって求められる。

ギャップガウス確率分布関数８８の変動は、以下のように求めることができる。一実施形態によれば、各正及び負の公差値は、公称寸法値の３つの標準偏差内にあり、すなわち３σであると仮定される。従って、各公差値を３で除算すると、ギャップベクトルループ中の各寸法の標準偏差が得られる。標準偏差は、大きさのみを表すスカラー量であって、符号を含まない。従って標準偏差値は、この値がギャップ寸法を増大又は減少させるかに基づいて変化することはない。各標準偏差値の２乗が合計され、和の平方根が求まる。この結果は、図５に参照符号９８で示したギャップの標準偏差である。別の実施形態によれば、ギャップの標準偏差を算出するために、標準偏差と公差値との間の別の関係を仮定することができる。

ギャップ寸法の変動に対する部品公差の寄与は、関心のある部品公差の標準偏差値の２乗をギャップ内の全ての寸法の標準偏差の平方和で除算することによって算出することができる。結果として得られる割合が大きいほど、ギャップ寸法に対するその部品公差の寄与度がより大きい。ギャップ寸法が公差外であることをギャップスタックアップが示す場合には、公差外状態を補正するために、１つ又はそれ以上の部品寸法の平均を調節し、及び／又は最大割合の寄与度を有する公差を詳細に調べるべきである。

図６は、本発明の教示によるベクトルループ抽出装置１００を示す。抽出装置１００への入力は、ＣＡＤ設計プログラムからの３次元モデル１０１と、ベクトルループが抽出されることになる組立体内の構成部品の係合状態とを含む。任意選択的であるが、モデル化された組立体に関係する公差が提供される。この公差値は、ベクトルループ抽出プロセスでは必要とされないが、ギャップスタックアップ解析の完了を確定するプロセスにおいて後で考慮に入れることができる。この公差が提供されない場合には、ベクトルループ抽出装置１００は、ループ内の各部品のギャップベクトルループ及び公称寸法を求める。公称寸法は、（上述したように＋１又は−１を掛けた後に）合計されてギャップ公称寸法を求め、これはギャップ平均寸法と等価である。ベクトルループ抽出プロセス中に公差情報がない場合には、ギャップの標準偏差を算出することはできない。この計算は、後で公差情報が入手可能になった時に実行することができる。

ループ係数(＋１又は−１)は、図示のようにベクトル抽出装置１００に提供されるループを通るトラバース方向に基づいて各部品寸法に対して求められる。最後に、関心のあるギャップを定義する面１０２及び１０４も、入力として提供される。

ベクトルループ抽出装置１００からの出力は、面１０２から面１０４までのベクトルループを含む部品又は要素の表示を含む。これらの部品は、モデル部品１０６の表示画像上に重畳することができる。次に、技師は、ループの各矢印が先行矢印の終端部で始まり、最初と最後の矢印がその部品を定義する２つの面、すなわち、例えば面１０２及び１０４上で終端することを確実にするようループ内の寸法を検討することができる。技師はまた、ループの全ての部品寸法をチェックすることもできる。これらの種々の手動によるチェックプロセスは、ループスタックアッププロセスの有効性を確認するのに有用とすることができる。

出力テキストファイル１１０は、ベクトルループの部品リスト、該ループ内の各部品の公称寸法、該寸法に関係した公差（公差値が３次元モデル内に入力として提供されている場合）、及び各寸法に関係したループ係数を含む。スタックアップ表計算ソフト１１２は、出力テキストファイル１１０と上述の種々の統計パラメータとを含む。入手可能なデータ及びユーザの特定出力要求に基づいて他のレポート構成が可能である。

本発明の好ましい実施形態においては、ベクトルループは、部品幾何平面に対する法線がベクトルループの方向と同一直線上にある場合には該部品幾何平面間の寸法／公差のみを含み、又は、ピン／孔の軸線がベクトルループの方向に対して垂直である場合にはピン／孔が係合する部品間の寸法／公差のみを含む。例えば図７において、部品２０４の平面２０２と部品２０８の平面２０６とは、寸法２１０を定める。部品２０４及び２０８はトレイ２１１内に配置されている。平面２０２と２０６間の境界に対する法線がベクトルループ方向２１２と同一直線上にあるので、寸法２１０は、スタックアップ解析内に含まれる。

図８においては、部品２２２の平面２２０と部品２２６の平面２２４とは、寸法２３０を定める。部品２２０及び２２４に対する法線は、ベクトルループ方向２１２と同一直線上になく、従って、スタックアップ解析内に含まれない。本発明の別の実施形態においては、寸法２３０は、ベクトルループ上の角度２４０の変化の影響を解析することによってスタックアップに含まれる。

図９においては、ピン２３２を含む部品２３０は、部品２３４内に形成された孔２３６と係合する。ピン２３２／孔２３６の軸線２４０は、ベクトルループの方向に対して垂直であるので、ピン／孔の係合はベクトルループ内に含まれる。

図１０は、本発明のベクトルループ抽出に関係するプロセスの流れ図を示す。本発明の実施形態は、これらのプロセスを実施するためのコンピュータ実装プロセス及び装置の形態で具現化することができる。本発明の実施形態はまた、フロッピーディスク（フロッピーは登録商標）、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードドライブ、ＤＶＤ、又は他の任意のコンピュータ可読記憶媒体のような有形媒体内に具現化した命令を含む公知コンピュータ言語のいずれかで記述されたコンピュータプログラムコードの形態で実施することができ、この場合、コンピュータプログラムコードがロードされて汎用又は専用コンピュータによって実行された時に、コンピュータが本発明を実施するための装置となる。更に、本発明の一実施形態は、例えば、記憶媒体内に格納されるか、コンピュータにロードされ及び／又はコンピュータによって実行されるか、或いは電線又はケーブルを通して、もしくは光ファイバを介して、又は電磁放射によってなどの何らかの伝送媒体を介して送信されるかのいずれかのコンピュータプログラムコードの形態で実施することができ、この場合、コンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされて該コンピュータによって実行された時、コンピュータが本発明を実施するための装置となる。マイクロプロセッサ上に実装される時には、コンピュータプログラムコードセグメントは、ベクトルループ抽出プロセスを行う一定の機能をマイクロプロセッサに実行させる。

このプロセスは、開始段階３００で始まり、組立体４０１（図１１参照）の関心ギャップ４００を求めるための段階３０２に進む。段階３０４において、ギャップ４００を定める２つの対向する面４０２及び４０４が識別され、ユーザは、ギャップスタックアップが軸方向で行われるべきか、或いは半径方向で行われるべきかを示す（この選択は、機械の２部品間の一定のピン／孔係合構成に必要である）。段階３０６において、２つの対向するギャップ面４０２及び４０４をそれぞれ含む２つの部品４０８及び４１０が確定される。部品４０８及び４１０は、始点部品４０８及び終点部品４１０と呼ばれる。

段階３０８によれば、組立体４０１中の全ての部品が識別されてラベル付けされる（図１１のＡＡからＥＥまで）。２つの部品が接触する面であり、この接触面に対する法線がギャップ４００のベクトルループと同一直線上にある面が識別されて番号が付けられる。全ての他の面は無視される。図１２において、関心のある面に１から１０の番号が付けられている。

始点部品４０８から始めて、段階３１０においては始点部品４０８（図１１においてはＡＡとも表してある）と接触する全ての部品は、接触面に対する法線がギャップベクトルループ（つまりギャップ４００のためのループ）と同一直線上にある場合、２つの文字すなわちＡＡからＢＢで識別される。そのように識別された部品は、始点部品４０８すなわち部品ＡＡの子部品と呼ばれる。逆に、始点部品４０８は、識別された部品の親部品と呼ばれる。図１３を参照すると、ここでは部品ＡＡ（始点部品４０８）の子部品が、ＢＢ及びＣＣとして識別されている。子部品ＢＢと接している始点部品４０８の面は面２であり、子部品ＣＣと接している始点部品４０８の面は面３である。

判定段階３１２において、このプロセスが、始点部品が終点部品と等しいか否か、すなわち完全なベクトルループが始点部品４０８から終点部品４１０までトラバースしているか否かを判断する。判定段階３１２の結果が否である場合には、プロセスは段階３１４に分岐し、始点部品４０８の子部品の１つが、プログラムループを通る次の反復のための始点部品として選択される。例えば、段階３１４において部品ＢＢが選択された場合には、段階３１０においてどのような接触面も識別されない。次のプログラムループを通る反復は、始点部品４０８の他の子部品（この場合はＣＣ）を選択して、プロセスは段階３１０に進む。

プロセスは、判定段階３１２における判定が肯定になるまで、段階３１０、３１４、及び判定段階３１２を含むループを通って進む。この時点では、部品間の全ての接触面が識別されており、このプロセスは、図１３に示すグラフを生成している。始点部品４０８（ＡＡ）から終点部品４１０（ＥＥ）までの全ての部品及びこれらのそれぞれの面はすでに識別されている。

判定段階３１２からの肯定的判定に応答して実行される段階３１６において、１つの部品内のベクトルループを生成するためのサブル−チンが実行される。以下に詳細に説明するサブル−チンは、始めに終点部品４１０（ＥＥ）に対して実行される。段階３１８において、終点部品４１０に対する親部品が識別される。この実施例においては、部品ＣＣが終点部品４１０（ＥＥ）に対する親部品として識別される。判定段階３２０は、選択された親部品が始点部品４０８（ＡＡ）であるか否か、換言すればサブル−チンがベクトルループ内の全ての部品に対して実行されたか、すなわち終点部品４１０（ＥＥ）から戻って始点部品４０８（ＡＡ）まで実行されたか否かを判断する。否定的応答の場合には、分岐して段階３２１に戻り、そこでベクトルループ内の次の親部品が識別されて選択される。例証による第２回目の反復では、部品ＡＡが選択される。段階３１６において、段階３２１で選択された部品に対してサブル−チンが実行される。プロセスは、終点部品４１０（ＥＥ）から戻って始点部品４０８（ＡＡ）までサブル−チンが実行を完了するまで、段階３１６、３１８、３２１、及び判定段階３２０を通るル−ピングを継続する。

判定段階３２０に戻ると、肯定的判定は、図１３のグラフ図においてサブル−チンが始点部品４０８（ＡＡ）を除いた全ての部品に対して実行されたことを示す。判定段階３２０の肯定的判定分岐から、プロセスは段階３２２に進み、この段階においてサブル−チンが始点部品４０８（ＡＡ）に対して実行され、終点段階３２４においてプログラムが終了する。

図１０に示すプロセスの出力は、ベクトルループを記述するトリプレットのシーケンスを含む。各トリプレットは、１つの部品記述子（例えば、文字による）及び２つの部品面番号といった３つの要素を含み、第１の面番号が始点面を定義し、第２の面番号が終点面を定義し、すなわち部品は、始点面から終点面までトラバースされる。例えば、次のトリプレットが図１３のグラフを記述する。

ＥＥ １０、５
ＣＣ ５、３
ＡＡ ３、１
以下に説明する図１４に示すプロセスは、各トリプレット上で動作して、各部品内のベクトルループのセグメントを求める（始点面から終点面まで部品をトラバースする）。種々のループセグメントが順次連結されて、関心のあるギャップに対するベクトルループを形成する。図示した実施形態においては、図１４のプロセスは、全てのトリプレットが求められた後、すなわち段階３１２が肯定的な答を返した後に実行されるものとして示されているが、別の実施形態においては、図１４のプロセスは、各トリプレットが求められて次いで連結された後に、各トリプレットに対して実行することができる。

図１０のフローチャートにおいて言及したサブル−チンは、図１４に示されており、開始段階４５０で始まる。このサブル−チンが実行される例示的な部品５００が、図１５に示されており、終点面５０２及び始点面５０４、及び双頭矢印５０６Ａから５０６Ｊで示された複数の寸法／公差を備える。部品５００は、上述の部品トリプレットの１つであって、終点面５０２と始点面５０４も同様にトリプレット内に示されている。

段階４５４において、ギャップベクトルループと同一直線上にある法線を有する部品５００の面が識別され、図１６に示すように始点面５０４から始まり終点面５０２まで番号１から６が付けられている。部品５００の他の面は全て無視される。

始点面５０４（図１６においては、面１として示されている）から開始して、段階４５６において、面１から始まり段階４５４で番号が付けられた面の１つで終わる寸法／公差が識別される。これらの面は、始点面５０４の子又は面１の子と呼ばれる。判定段階４５８は、終点面５０２が始点面５０４の子として識別されたか否かを判断する。否定応答は、プロセスを段階４５６へ戻し、ここで部品５００の別の面が選択される。

判定段階４５８が終点面５０２に到達したことを表している場合には、判定段階４５８は肯定応答を返す。この時点で、部品５００の関心のある全ての面が識別されたことになる。図１６から分かるように、関心のある面には、面２、３、４、５、６、及びこれらの対応する寸法ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが含まれる。図１７のグラフは、識別された面及び識別された寸法／公差を示している。

判定段階４５８からの肯定応答は、プロセスを段階４６０に分岐し、ここで終点面５０２（すなわち終点面６）から始まり、対応する親面及び２つの面間の寸法／公差が識別される。図１７によれば、終点面５０２の親面は面４であって、両面間の寸法／公差はｅである。

プロセスは判定段階４６２に進み、プロセスが終点面６から逆方向に図１７のグラフを通ってトラバースするときに始点面５０４に到達したか否かを判断する。始点面５０４に到達していない場合には、判定段階４６２は否定的応答を返し、別の面及び対応する寸法／公差を選択するために段階４６０にループして戻る。

始点面５０４に到達した場合には、判定段階４６２からの判断は肯定である。サブル−チンは段階４６４で終了し、プロセスは、サブル−チンに入った図１０の段階、すなわち段階３１６又は段階３２２に戻る。

このように図１４のサブル−チンは、図１０のプロセスにおいて判断されたベクトルループ部品の各々に関係した寸法／公差を識別し、且つ上述のように＋１又は−１を乗算した後に、これらの寸法／公差を各部品面と関係付けてループスタックアップ解析を完了する。図１８の段階５３０は、このプロセスを全体的に示している。段階５３２によって示されるように、ギャップ公称寸法は上述のように確定される。単純な最悪状況公差合計は計算することができ、或いは上述のような統計解析を実行して、段階５３４で示すようなギャップ公差を算出することができる。結果として得られるデータは、図６と共に上述したように表計算ソフトに示すことができる。

幾つかのＣＡＤ設計パッケージにおいては、設計プロセス中に寸法が変更される場合に、公差が寸法変化を反映して変更されるように、公差値が寸法と関係付けられる。これらの公差は、「モデルベース公差」又は「スマート公差」して知られている。本発明のベクトルループ抽出装置は、このような公差値を受け入れることができる。

上述の各実施形態においては、ギャップ寸法に正又は負の影響を及ぼす寸法を考慮するために、各寸法値に対してループ係数＋１又は−１が適用された。他の実施形態においては、部品が受ける条件、例えば部品が或る既知の温度まで加熱される時の作動中の条件を表すために、他のループ係数が使用される。この作動条件を表すギャップ熱解析を行うために、ループ内の各部品は、予想される熱条件に応じたその膨張及び収縮特性を求めるように解析される。次いで適切なループ係数を選択することによって、これらの特性が考慮される。予想される加熱条件に応じて第１の部品の寸法がその公称室温値の１．００３倍まで膨張すると仮定すると、第２の部品の寸法は、その公称室温値の１．０５倍まで膨張する。ギャップ熱解析を行うために、第１の公称寸法に関係した公差には１．００３が乗算され、第２の寸法に関係した公差には１．０５が乗算される。各々のギャップループ公差とその熱膨張係数との積が求められ、これらの積が合計され、その結果がギャップ寸法に対するギャップ加熱の影響を示す。公称温度よりも低い部品温度に対して同様な解析を行い、部品の収縮に応じたギャップ特性を求めることができる。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができ、その各要素を均等な要素で置換え得ることは当業者には理解されるであろう。請求項に示された参照符号は、本発明の範囲を狭めるためのものではなく、本発明の理解を容易にするためのものである。

本発明の教示に従ってギャップスタックアップを求めるのに適した部品の斜視図。 図１の部品の１つの立面図。 本発明に従ってギャップスタックアップを求めるのに適した部品の立面図。 本発明の教示を適用することができる航空機エンジンの内部要素の簡略図。 本発明の教示に従って保証されたギャップスタックアップデータの統計解析結果を示すグラフ。 本発明の教示に従って構成されたベクトルループ抽出装置のための入力及び出力パラメータを示すブロック図。 本発明のベクトルループ抽出装置の幾つかの特徴を説明する機械部品の立面図。 本発明のベクトルループ抽出装置の幾つかの特徴を説明する機械部品の立面図。 本発明のベクトルループ抽出装置の幾つかの特徴を説明する機械部品の立面図。 本発明の教示によるギャップスタックアッププロセスの構成部分を実行するコンピュータプログラムの各段階を説明するためのフロー図。 図１０に示すプロセスに従ってギャップスタックアップを求めるための部品の立面図。 図１０に示すプロセスに従ってギャップスタックアップを求めるための部品の立面図。 図１１に示すプロセスと共に使用するための相互関連部品を示すグラフ図。 本発明の教示によるギャップスタックアッププロセスの構成部分を実行するコンピュータプログラムの各段階を説明するためのフロー図。 図１４に示すプロセスに従ってギャップスタックアップを求めるための部品の立面図。 図１４に示すプロセスに従ってギャップスタックアップを求めるための部品の立面図。 図１４に示すプロセスと共に使用するための部品の境界面を説明するグラフ図。 本発明の教示によるギャップスタックアッププロセスの構成部分を実行するコンピュータプログラムの各段階を説明するためのフロー図。

符号の説明

１０ ブロック
１２ ブロック
１４ トレイ
１９ ブロック１０の隠れた面
２０ トレイ１４の面
２２ ブロック１０の面
２４ ブロック１２の隠れた面
２６ ブロック１２の面
３０ ブロック１０の面
３２ ブロック１０の面

Claims (1)

1. 部品組立体内のギャップに対して一次元ギャップスタックアップを行うためのベクトルループ抽出装置であって、
   コンピュータプロセッサにより実行するためのプログラムを格納する、該コンピュータプロセッサにより読取り可能な記憶媒体を備え、
   前記プログラムが、
   スタックアップ解析のためのギャップを求める（３０２）プログラムコードモジュールと、
   前記部品組立体の第１の部品が第１の面を含み且つ前記部品組立体の第２の部品が第２の面を含み、前記ギャップを定める前記第１の面と前記第２の面とを識別する（３１０）プログラムコードモジュールと、
   前記第１の面から前記部品組立体を通って前記第２の面までの、前記ギャップスタックアップ（３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２１）を含む複数の要素から構成されるベクトルループを求め、部品の組み立てを完了する前に公差から外れたギャップと関連して公差値の補正を可能とするプログラムコードモジュールと、
   を含み、
   前記ベクトルループ抽出装置が、さらに、
   前記複数の要素のそれぞれの寸法及び公差の少なくとも１つを求めるプログラムコードモジュールと、
   前記複数の要素のそれぞれに対してギャップ寸法の平均値及び該ギャップ寸法の平均値の標準偏差の少なくとも１つを求めるプログラムコードモジュールと、
   を含み、
   前記ベクトルループは、前記部品組立体の部品の前記ベクトルループが通る平面に対する法線が該ベクトルループの方向と同一直線上にある場合には該部品の平面間の寸法及び公差のみを含み、前記ベクトルループが通る部品のピン及び孔の軸線が該ベクトルループの方向に対して垂直である場合にはピン及び孔が係合する部品間の寸法及び公差のみを含む
   ことを特徴とするベクトルループ抽出装置。
   

Images