JP4949953B2 - 曲面形状と基準面との距離算出方法 - Google Patents
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Description
この場合、図6に示すように、Z−map法では、基準面(Z−map基準面)上の格子点ごとに設定された垂線を視線と見立てた視界座標系の上で、被削物形状等の曲面形状と視線との交点と、基準面との間の距離(深度)を求める処理が行われる。
例えば、被削物の形状を推定して被削物の削り残しや削り過ぎを評価する切削シミュレーションでは、運動ステップごとに工具が通過した領域を工具掃引形状として設定し、それらのうち最も基準面に近い包絡面を求めることによって被削物に与えられる2.5次元形状の推定を実現している。
これらの処理では、工具掃引形状や工具反転形状を工具運動ステップごとに定義し、それらの中から最も格子点に近い位置を表面形状として求めている。しかし、これは工具運動ステップ数の増加や格子点間隔の縮小に応じて大規模な幾何計算を必要とするため、処理の高速化が強く求められてきた。
また、近年では特に、グラフィックスハードウェア内の描画機能をユーザーが自作のプログラムから自由に変更し、実行することが可能なプログラマブルシェーダが実用化されつつある。このような最新のグラフィックスハードウェアは描画に関する汎用的な幾何処理が可能であることから特にGPU(Graphics Processing Unit)あるいはVPU(Visual Processing Unit)と呼ばれている。
図8は、平面近似で発生する誤差の例を示している。ボールエンドミルの工具掃引形状は、工具経路の始点及び終点に対応する半球状の曲面と、始点・終点間の軌跡に対応する半円筒状の曲面を有する。これらは、いずれも数学的に容易に定義を行うことが可能であるが、多面体によって近似した場合には、内接する位置以外のいずれの箇所においても評価誤差が生じる。
また、工具の逆オフセット形状においては、円周上の工具刃部分が半球状の形状で、側面部の工具刃部分が部分円錐状の形状で表面が構成され、同様に多面体に近似したときに評価誤差が生じる。
これらの問題への対策としては、誤差がある閾値以下となるように、面を非常に微小な多面体の集合で近似する方法がある。しかしながら、高精度な評価を行うために必要となる多面体の総数は閾値に対して指数的に増大する。そのため、大規模なNCプログラムの検証にこの種の対策を取るのは現実的でない。
この方法では、曲面を平面で近似したことに伴う誤差をグラフィックスハードウェア内で補正することができる。
曲面形状が数式で定義できる場合は、視線方向におけるポリゴンと曲面形状との隔たりeを計算することができるので、深度値dの補正が可能である。
ボールエンドミル工具の掃引形状や逆オフセット形状は、円筒形状や球形状で表すことができるから、本発明の距離算出方法により、ボールエンドミル工具で加工する被削物形状の評価や工具経路の設定を正確に行うことができる。
ポリゴンを単位座標系上で正規化して定義することにより、深度値dに対する補正値の算出が簡単になる。
この座標変換により、曲面形状の任意の変形が可能になる。
曲面を多面体近似したことに伴う誤差を含まない包絡面形状を得ることができる。
正確なボールエンドミル工具の掃引形状が描画されるため、被削物形状の正しい評価が可能になる。
正確な逆オフセット形状が描画されるため、工具の正確な移動経路設定することが可能になる。
図1は提案する手法の概念を示す。従来の幾何計算手法では、曲面形状のトポロジを定義するモデル座標系上において平面近似された多面体を、視界座標系に投影し、視点と各平面との距離を深度dとして求め、これを用いて包絡面の推定を行ってきた。今回提案する手法では、この深度計算の過程を近年のGPUが有するプログラマブルシェーダの機能を用いて変更する。
以下ではその内容について述べる。
一般に、コンピュータグラフィックスの描画においては、ポリゴンを設定し描画対象物のトポロジを定義するためのモデル座標系と、視界を構成する各視線とポリゴン間の位置関係を正規化した視界座標系の二つの座標系が用いられる。
通常の描画処理では、CPUによって与えられたモデル座標系上の各ポリゴンの頂点を、4つの項からなる同次座標で表し、これに対して拡大・縮小、並行移動、回転、透視変換からなる座標変換を与えて視界座標系上での頂点座標を導出する。全てのポリゴンの頂点を変換し、視界座標系上にポリゴンを投影した状態での視線とポリゴンとの交点を元に、各視線に対応する画素の状態を推定し、出力画面の色が決定される。
並行移動行列M(a、b、c) を(数2)のように、Z軸及びY軸まわりの回転行列Rz(θ)、Ry(φ)を(数3)、(数4)のように定義する。
先に述べたように、本発明の手法では曲面と近似多面体との隔たりを、モデル座標系上で正規化された曲面の位置と各ポリゴンへの視線の交点座標を用いて導出する。
3軸制御加工では、絶対座標系のZ軸と工具の中心軸は常に一致する。このとき、絶対座標系上で(0、0、1)の向きに配置された各視線は、モデル座標系上では(f・sinφ/l、0、 f・cosφ/r)の向きに投影される。ここで、モデル座標系上での視線の向きとZmd軸がなす角をδとすると、δは次式(数10)のように求まる。
GPUから出力される画面上での各画素の座標(u,v)は、それぞれ視界座標系における交点のxy座標(xvw、yvw)に相当する。そこで、これらの座標値と視点・視界の設定値を用いることによって以下の(数12)(数13)(数14)からZ−map基板面の格子点に対応する各画素における被削物・逆オフセット面の絶対座標系上での座標Btrue(xtrue、ytrue、ztrue)を求めることが可能となる。
(数12) xtrue=xv+u・w
(数13) ytrue=yv+v・w
(数14) ztrue=zv+dtrue・f
球面を対象とした補正においても同様に、正規化されたモデル座標系でポリゴンを定義し、交点座標を推定したのち曲面とポリゴンとの隔たりの計算を行うことによって正確な深度値の計算が可能である。
以前の研究において、球面はボールエンドミルの進行方向が変化する際に現れ、その殆どは前後の工具掃引形状に属する円筒面の内側に存在することが指摘されている。そこでここでは、あらかじめその前後の工具経路から描画の必要のない部分を除いた球面の一部のみを対象としてポリゴンの設定を行う。
視線の方向はモデル座標系のZ軸方向と一致する。このとき、球面と交点との視界座標系上での距離evwは、PixelShaderに与えられたポリゴンと視線との交点座標Bmd (xmd、ymd、zmd、1)から次式(数16)
この手法の有効性を検証し、高速かつ高精度な形状評価が可能かどうかを確認するため、3軸加工を対象としたプロトタイプの切削シミュレーションシステムを開発した。
図4は、開発したシステムのアルゴリズムを表す。このアルゴリズムにおいては、まずNCプログラムからデータが読み込まれ(ステップ1)、NCプログラム内の各工具運動ステップに対応した円筒面と、その間に存在する部分球面とがポリゴンの集合としてそれぞれ設定され、各ポリゴンの頂点座標が算出される。このとき、各ポリゴンの頂点情報(属性値)には、頂点座標とともに、近似前の曲面の種類と、対応する工具掃引形状の半径r及び視界座標系での視線のZ軸に対する角度δとがパラメータとして与えられる(ステップ2)。
次に、Z−map形式で形状を出力する際の評価範囲と格子点間隔とが設定され、これに対応した視点座標が与えられる(ステップ3)。
本評価システムの実装にあたっては、現在、CAD/CAM/CAEソフトウェアにおいて広く用いられているOpenGLグラフィックライブラリと、そのプログラマブルシェーダーカスタマイズ用ライブラリであるGLSL(OpenGL Shading Language)を用いた。
検証に用いた工具経路は6種類の工具による工程からなり、総数19万2千Stepの工具運動によって構成されている。これに対して本計算機実験では、部分球面及び円筒面を各辺の長さが球面・円筒面上で10度以下となるように平面近似し、形状評価に用いている。
本発明を適用した場合を図5(a)に、ポリゴンと視線との交点座標の深度のみを用いて計算を行った場合を図5(b)に示している。これらを比較すると、特に(b)で除去部分の境界部分で誤差が発生していることが分かる。これは、曲面とポリゴンとの間の近似誤差が視線の位置ごとに変化し、その結果各ポリゴンに対する視線上での前後関係の評価が近似前の曲面の前後関係と異なる状態になったのが原因であると考えられる。
なお、ここでは、補正対象の曲面が球面及び円筒面の場合について説明したが、それ以外の曲面であっても、数式で定義可能な形状であれば、本発明を適用することができる。
43 CPU
44 GPU
Claims (8)
- 基準面上に設定された垂線を視線と見立てた視界座標系の上で、工作機械の工具により形成される被削物の曲面形状と前記視線との交点を求めて、前記基準面と前記曲面形状との間の距離を算出する曲面形状と基準面との距離算出方法であって、
曲面形状のトポロジを定義するモデル座標系上で、前記曲面形状を近似した多面体の各ポリゴンの頂点座標を求め、前記ポリゴンの各頂点の属性値として、前記頂点座標と、当該ポリゴンの各頂点に接する曲面形状を表すパラメータとを設定する第1のステップと、
前記視界座標系上に前記多面体を移して前記ポリゴンの各頂点の頂点座標を導出する第2のステップと、
前記視界座標系の各視線と前記ポリゴンとの交点座標を導出し、前記基準面から前記交点座標までの各視線の距離を示す深度値dを算出するとともに、前記交点座標を当該ポリゴンの各頂点の頂点座標で表すための内挿変数を導出する第3のステップと、
前記内挿変数を用いて前記モデル座標系上の前記ポリゴンにおける各視線の交点を導出する第4のステップと、
前記モデル座標系上で、前記パラメータを用いて、前記交点から前記視線の向きにある前記曲面形状までの距離eを算出する第5のステップと、
前記距離eに基づいて、前記視界座標系上で求めた各視線の前記深度値dを補正する第6のステップと、
を備え、前記第2のステップから第6のステップまでの処理を、グラフィックスハードウェアを用いて行うことを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。 - 請求項1に記載の距離算出方法であって、前記曲面形状が、数式で定義可能な形状であることを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。
- 請求項1に記載の距離算出方法であって、前記曲面形状が、円筒形状または球形状であることを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。
- 請求項1に記載の距離算出方法であって、前記多面体を前記モデル座標系の単位座標系上で定義し、前記単位座標系上で求めた前記距離eを基に前記視界座標系上の前記深度値dの誤差を算出して、前記深度値dを補正することを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。
- 請求項1に記載の距離算出方法であって、前記第2のステップで、拡大・縮小、並行移動、回転または透視変換による変換を与えた前記ポリゴンの各頂点の頂点座標を導出することを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。
- 請求項1に記載の距離算出方法であって、前記第1のステップから第6のステップまでの処理を、前記曲面形状を近似する前記多面体の全てのポリゴンと交差する全ての視線に対して行い、各視線の補正後の前記深度値dで表される面の包絡面形状を導出することを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。
- 請求項6に記載の距離算出方法であって、前記包絡面形状として、ボールエンドミル工具の掃引形状を導出することを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。
- 請求項6に記載の距離算出方法であって、前記包絡面形状として、製品形状の上で工具の向きを反転させた逆オフセット形状を導出することを特徴とする曲面形状と基準面との距離算出方法。
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