JP5361793B2 - サンプル点において掃引容積の距離場を再構成する方法 - Google Patents
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Description
[関連特許出願]
以下の特許出願は、すべて関連し、同時に出願され、互いに援用される。
2009年5月19日にFrisken他によって出願された「A Method for Reconstructing a Distance Field of a Swept Volume at a Sample Point」と題するMERL−2172、米国非仮特許出願第12/XXX,XXX号、および、
2009年5月19日にFrisken他によって出願された「A Method for Simulating Numerically Controlled Milling using Adaptively Sampled Distance Fields」と題するMERL−2173、米国非仮特許出願第12/XXX,XXX号。
数値制御(NC)フライス加工の工程をシミュレートすることは、コンピュータ支援設計(CAD)およびコンピュータ支援製造(CAM)において根本的に重要である。シミュレーション中に、工作物のコンピュータモデルが、NCフライス加工工具のコンピュータ表現および1組のNCフライス加工工具運動を用いて編集され、フライス加工工程がシミュレートされる。
フライス加工中に、本明細書において工具経路と呼ばれる所定の工具運動に従って、工具が工作物に対して動き、工具経路は、工作物に対する工具の相対的な位置、向きおよび他の形状データについての情報を含むことができる。
特許文献7、特許文献8、特許文献9および特許文献10において記述されるように、距離場が、形状をレンダリングし、編集するための有効な表現である。
システムおよび方法の概説
図1はNCフライス加工システム100、および数値制御(NC)フライス加工シミュレーションシステム150を示す。NCフライス加工システム100では、コンピュータ支援設計(CAD)モデル102がコンピュータ支援製造(CAM)システム104に入力され、CAMシステム104は、NCフライス盤を制御するためのGコード106を生成する。NCフライス加工中に、GコードはNCフライス加工コンソール108に入力され、コンソール108は各Gコードを処理して、対応する1組のNC機械命令110を生成する。NC機械命令はNCコントローラ112に入力され、NCコントローラ112は、工作物をフライス加工するために、工作物118に対して工具116を動かす1組のモータ制御信号114を生成する。
図2Aは、NCフライス加工において用いられる1組の典型的な工具形状202、204、206および208を示す。工具が工作物210に対して動かされるとき、その工具は工作物から材料を削り出す。ここで、工具202、204、206および208は工作物から、表面212、214、216および218に対応する材料を除去する。各工具によって除去される材料の形状は、工具形状、および工作物に対する工具の経路によって決定される。除去される材料の形状は、工具が経路に沿って動くときの、工作物と工具の掃引容積との交差部分である。
図2Bは、経路252に沿って動かされる形状250の掃引容積260を示す。経路252は、形状250の特定の点の位置を時間の関数として規定する。その経路は、その形状の向き256、257および258を時間の関数として規定することができる。また、その経路は、その形状のスケール、またはその形状の任意の変換を時間の関数として規定することもできる。図2Bでは、形状250の元の位置、向きおよび外形が、その形状が経路に沿って動くのに応じて、形状の254の最終的な位置、向きおよび外形に変換される。
工作物に対する工具の経路は数多くの形において規定することができる。
図4は、シミュレーションプロセッサ400を用いて或る工具形状による工作物のフライス加工をシミュレートし、フライス加工される工作物の表現をメモリ440に格納し、レンダリングプロセッサ460を用いて、フライス加工される工作物の表現を表示デバイス480にレンダリングするための方法を示す。
図5は、プロセッサ500を用いて、サンプル点において掃引容積の距離場を再構成するための方法を示す。形状距離場504およびパラメトリック経路関数506が、上記のように、工具および工具運動を規定する。サンプル点502を与えられると、掃引容積再構成法510は、そのサンプル点502において距離場を再構成するために、そのサンプル点における距離データを求める。その方法は、経路に沿った工具の最適な配置を「連続的に」求める(512)。
複合ADFをレンダリングすること、または物体間の衝突を検出するために複合ADFを使用することのような特定の処理では、複数のサンプル点においてADFの距離場が再構成される必要がある。
上記のように、複合ADFをレンダリングすること、または物体間の衝突を検出するために複合ADFを使用することなどの特定の用途では、複数のサンプル点において複合ADFが再構成される必要がある。再構成法の効率を改善するために、円筒対称の工具形状に合うように好ましい実施形態を変更することができる。
この発明は、数多くの汎用または専用コンピューティングシステム環境または構成で動作する。この発明と共に用いるのに適している既知のコンピューティングシステム、環境および/または構成の例は、限定はしないが、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ハンドヘルドデバイスまたはラップトップデバイス、マルチプロセッサまたはマルチコアシステム、グラフィックス処理ユニット(GPU)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、マイクロコントローラベースシステム、ネットワークPC、メインフレームコンピュータ、上記のシステムまたはデバイスのうちの任意のものを含む分散コンピューティング環境など、すなわち、一般的にはプロセッサを含む。モニタまたは他のタイプの表示デバイス160が、上記のシステムのうちの任意のものに接続され、この発明を可視化する(162)ことを可能にする。
Claims (26)
- サンプル点において物体の距離場を再構成する方法であって、前記方法のステップを実行するためのプロセッサを備え、前記物体は、経路に沿って或る形状を動かすことによって生成される掃引容積を含み、
前記方法は、
前記形状を形状距離場によって表すステップと、
前記経路をパラメトリック関数によって表すステップと、
前記サンプル点における距離データを求めるステップと、を含み、
前記距離データは、前記サンプル点における前記物体の前記距離場を特徴付け、
前記距離データを求めるステップは、
前記経路を表す前記パラメトリック関数の最適な1組のパラメータを連続的に求めるステップであって、前記最適な1組のパラメータは、前記経路に沿った前記形状の最適な配置を定義する、ステップと、
前記形状距離場を前記最適な配置に変換するステップであって、変換された形状距離場を生成するステップと、
前記サンプル点において前記変換された形状距離場から距離データを求めるステップであって、前記サンプル点において前記距離場を再構成するステップと、
をさらに含む、方法。 - 前記パラメトリック関数の前記最適な1組のパラメータを求めるステップは、
前記経路に沿った前記形状の特定の配置に対応する前記パラメトリック関数の特定の1組のパラメータを選択するステップと、
前記形状距離場を変換するステップであって、前記形状を前記特定の配置に置くステップと、
前記変換された形状距離場から前記サンプル点における距離データを求めるステップと、
前記最適な1組のパラメータが求められるまで、前記距離データを用いて前記特定の1組のパラメータを繰返し変更するステップと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 複数のサンプル点において前記物体の前記距離場を再構成するステップであって、前記物体を表示デバイスにレンダリングするステップ、をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記物体を前記表示デバイスにレンダリングするための1組の表面点を生成するステップを含み、前記1組の表面点は、前記複数のサンプル点の一部を含み、
各特定の前記表面点を生成するステップは、
前記複数のサンプル点の特定のサンプル点において前記特定の表面点を位置決めするステップと、
前記特定の表面点における前記再構成された距離データを用いて、前記特定の表面点を前記物体の前記表面に動かすステップと、
前記特定の表面点における前記再構成された距離データから、前記特定の表面点に関するレンダリング属性を求めるステップと、
前記レンダリング属性を用いて、前記特定の表面点を前記表示デバイスにレンダリングするステップと、
をさらに含む、請求項3に記載の方法。 - 前記物体を前記表示デバイスにレンダリングするための前記物体の画像を生成するステップと、
前記画像を前記表示デバイスにレンダリングするステップと、を含み、
前記画像は、1組のピクセルを含み、
前記1組のピクセル内の各ピクセルを生成するステップは、
前記ピクセルから1組の光線を前記物体に向けて投光するステップであって、各光線は、前記複数のサンプル点からの特定の1組のサンプル点に関連付けられる、ステップと、
前記特定の1組のサンプル点内の一部のサンプル点において再構成された前記距離データを用いて、前記1組の光線内の前記光線ごとに、前記光線と前記物体の表面との間の交点を求めるステップと、
前記1組の光線内の前記光線ごとに、前記交点における交差距離データを再構成するステップと、
前記1組の光線の前記交差距離データを組み合わせるステップであって、前記ピクセルの色を求めるステップと、
をさらに含む、請求項3に記載の方法。 - 複数のサンプル点において前記距離場を再構成するステップであって、前記物体と基準物体との間の近接性データを検出するステップ、を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記形状は工具形状であり、前記基準物体は工作物である、請求項6に記載の方法。
- 前記近接性データを用いるステップであって、前記物体と前記基準物体との間の衝突を検出するステップ、をさらに含む、請求項6に記載の方法。
- 前記近接性データを用いるステップであって、前記形状を変更するステップ、をさらに含む請求項6に記載の方法。
- 前記近接性データを用いるステップであって、前記基準物体を変更するステップ、をさらに含む請求項6に記載の方法。
- 前記近接性データを用いるステップであって、前記経路を変更するステップ、をさらに含む請求項6に記載の方法。
- 前記物体および前記基準物体から、交差の適応的にサンプリングされる距離場(ADF)を生成するステップであって、前記交差ADFは、前記物体と前記基準物体との交差を表す、ステップと、
前記交差ADFから、前記物体と前記基準物体との交差の物理特性を求めるステップであって、前記物理特性は、材料体積、表面積、面積、材料質量、慣性モーメント、およびそれらの組み合わせを含む群から選択される、ステップと、
をさらに含む、請求項6に記載の方法。 - 前記距離データから前記物体の特性を求めるステップであって、前記特性は、材料体積、表面積、面積、材料質量、または慣性モーメントを含む、ステップ、をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記形状は、3次元且つ円筒対称であり、前記形状距離場は、前記円筒対称形状の2次元断面を表す2次元距離場であり、
前記方法は、
前記形状の前記経路を前記形状の前記2次元断面の2次元座標系にマッピングするステップと、
前記2次元座標系内の前記形状の前記経路を表す前記パラメトリック関数を定義するステップと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記形状距離場は、距離マップ、適応的にサンプリングされる距離場(ADF)、解析関数、陰関数、距離場の合成、または手順から成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記パラメトリック関数は、点、線、折れ線、円弧、曲線、渦巻曲線、螺旋曲線、多項式曲線、2次ベジエ曲線、3次ベジエ曲線、区分的多項式曲線、および手続き的曲線(procedural curve)のうちの1つを含む前記経路を表す、請求項1に記載の方法。
- 前記パラメトリック関数は、前記形状の1組の属性を特定し、前記1組の属性は、前記形状の位置、前記形状の向き、前記形状のスケール、または前記形状の一般的な変形を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記距離データは、前記サンプルから前記物体への距離、前記サンプル点における前記距離場の勾配、または前記サンプル点における前記距離場の偏導関数を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記特定の1組のパラメータを選択するステップは、
パラメータの1組のサンプリングされた組を求めるステップであって、前記パラメータの1組のサンプリングされた組は、前記経路に沿った1組のサンプリングされた配置に対応する、ステップと、
前記パラメータの1組のサンプリングされた組から前記特定の1組のパラメータを選択するステップと、
をさらに含む、請求項2に記載の方法。 - 前記最適な1組のパラメータを求めるステップは、
前記形状の第2の配置に対応する第2の1組のパラメータを選択するステップであって、前記特定の配置および前記第2の配置は、前記経路に沿った前記形状の最適な配置を挟む、ステップと、
前記最適な1組のパラメータを求めるステップの間に、前記第2の1組のパラメータを繰り返し変更するステップであって、前記経路に沿った前記形状の最適な配置を挟み続けるようにする、ステップと、
をさらに含む、請求項2に記載の方法。 - 前記特定の1組のパラメータを変更するために用いられる前記距離データは、距離値、前記変換された形状距離場の勾配、または前記変換された形状距離場の偏導関数を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記特定の1組のパラメータを変更するステップは、
前記特定の1組のパラメータに対応する経路データを求めるステップと、
前記経路データを用いて前記特定の1組のパラメータを変更するステップと、
をさらに含む、請求項2に記載の方法。 - 前記経路データは、前記経路の接線ベクトル、または前記特定の1組のパラメータ内の特定のパラメータに関する前記経路の偏導関数を含む、請求項22に記載の方法。
- 前記経路を前処理するステップであって、前記最適な1組のパラメータを求めるステップの効率を改善するステップ、をさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 前記前処理することは、
前記経路を複数の経路区間に分割するステップであって、前記複数の経路区間の各々は、前記2次元距離場の領域にマッピングし、前記2次元距離場の1次導関数は前記領域内で連続である、ステップ、をさらに含む、請求項24に記載の方法。 - 前記前処理するステップは、
前記経路を複数の経路区間に分割するステップであって、各特定の経路区間は、前記2次元距離場の領域に対応し、前記距離場は、前記領域内で前記経路区間に沿って2次的に変化する、ステップ、
を含む、請求項24に記載の方法。
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