JP7284468B1 - 3次元cad/camシステム - Google Patents
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Abstract
Description
1.3次元CADシステム
2.微分多面体による曲面
3.プリミティブの集合演算
4.3次元モデルの表示
5.デクセルの生成
図1は、本実施の形態に係る3次元CADシステムの構成例を示すブロック図である。図1に示すように、3次元CADシステムは、プリミティブの形状処理を行う形状処理部1と、CSG(Constructive Solid Geometry)データを格納する格納部2と、CSG表現のソリッドモデルを表示する表示処理部3と、他の形式のデータをCSG表現のデータに変換し、CSG表現のデータを他の形式のデータに変換するデータ変換部4とを有する。また、形状処理部1は、プリミティブ生成部11と、集合演算処理部12と、作図線生成部13と、デクセル生成部14と、NCデータ生成部15とを有する。
<2.微分多面体による曲面>
微分多面体モデルは、基本要素である微分多面体の集合であり、微分多面体の細分割を繰り返すことによって生成される点の集合でもある。微分多面体の細分割は、三角形の2点を結ぶ境界線の中間点を用いることができる。境界線は、空間測地線であっても、曲線素であってもよく、いずれの場合も微分多面体と呼ぶ。ここで、微分多面体の頂点を点と定義し、辺をエッジ(edge)と定義する。
図6は、プリミティブのデータ構造及びCSG表現内でのプリミティブのデータ構造を説明するための図である。CSGツリーノードは、根ノードであり、CSGノード及びプリミティブノードは、CSGツリーノードの子ノードである。
微分多面体モデルは、例えば、STEP(Standard for the Exchange of Product model data)、IGES(Initial Graphics Exchange Specification、STL(Standard Triangulated Language))などのファイルから変換することができる。なお、STLは、「StereoLithography」と呼ばれることもある。
図7は、曲面及び曲面境界線の一例を示す図であり、図8は、曲面境界線がない曲面の一例を示す図である。図7及び図8に示すように、曲面は、微分多面体を頂点で繋ぎ合わせて構成され、曲面の端は、曲線素である。頂点には、法線ベクトルがあるため、細分割をしていくと、その中間点には法線ベクトルが与えられる。この処理を繰り返すと、微分多面体上にはいたるところで法線ベクトルが生成され、法線ベクトルの向きによって微分多面体の向きが決まる。そのため、曲面においても自然に曲面の向きが存在する。
図9は、閉曲面の一例として立方体を示す図であり、図10は、閉曲面の一例として円柱を示す図であり、図11は、閉曲面の一例として自由曲面を示す図である。閉曲面は、複数の曲面を境界線で接続して閉じた曲面を構成するものである。ただし、閉曲面は、自己交差していないものとする。閉曲面は、法線ベクトルを反転して曲面の向きを反転させることも可能であり、閉曲面の向きを与えることも可能である。
閉曲面は、3次元空間を2つの領域に分離する。閉曲面の裏面側にある点集合をプリミティブと呼ぶ。また、プリミティブは、ローカルな座標系を有する。
プリミティブの補集合は、3次元空間のプリミティブ以外の点の集合の閉包として扱う。このため、プリミティブの補集合は、閉曲面上の点を含むものである。プリミティブの補集合は、一般的な集合の補集合の閉包を意味していてA~という記号で表し、補集合(A)と表す場合もある。また、プリミティブの補集合を略称として補集合と呼ぶ。
プリミティブの和集合は、通常の意味での和集合である。プリミティブA、プリミティブBの和集合演算を行って和集合を求める場合、属性としてプリミティブの補集合演算と座標変換を付与することができる。
プリミティブの積集合も、通常の意味での積集合である。和集合と同様に、プリミティブA、プリミティブBの積集合演算を行って積集合を求める場合、プリミティブの補集合演算と座標変換を属性として付与することができる。また、和集合と同様に、座標変換したプリミティブをTAAで表すと、TAA∩TBBはそれぞれの座標変換で位置を変換したのちに、積集合をとることを示している。積集合の記号は∩を使用する。プリミティブの代わりに、和集合及び積集合同士の積集合、和集合及び積集合とプリミティブの積集合演算を行うことができる。
図14は、図12に示すツリー構造において、演算記号を省略した場合のツリー構造の一例を示す図である。プリミティブの集合演算のツリー構造において、階層の上下で同じ演算記号がある場合、演算記号を省略することができる。この処理を階層の圧縮と呼ぶこととする。例えば、図12に示すツリー構造は、図14に示すようなツリー構造に変更することができる。図14に示すツリー構造において、属性A’は、属性Aと属性ABを合成した属性であり、同様にして、属性B’は属性Bと属性ABを合成した属性である。階層の圧縮は、後述するリアルタイムレイトレーシングの処理で光線とCSG表現によるソリッドモデルとの積集合を求めるときに重要になる。
図15は、フィーチャのツリー構造の一例を示す図であり、図16は、パーツのツリー構造の一例を示す図である。図15に示すように、ノードに相当する和集合及び積集合の操作で生成される集合をフィーチャと呼ぶ。また、図16に示すように、最上位のノードで生成される集合をパーツと呼ぶ。CSG表現によるソリッドモデルは、コンピュータ内で、プリミティブの定義とツリー構造で表現することができる。
図17は、シェーディングを説明するための図であり、図17(A)は、フラットシェーディングを説明するための図であり、図17(B)は、フォンシェーディングを説明するための図である。フラットシェーディングは、微分多面体モデルの三角形の法線ベクトルの方向に反射する光を用いて3次元モデルを表示するものである。また、フォンシェーディングは、微分多面体モデルの三角形の頂点法線ベクトルで三角形内の法線ベクトルを補間し、その法線ベクトルに反射する光を用いて3次元モデルを表示するものである。
次に、前述したステップS13における光線とCSG表現のソリッドモデルとの最短の交点を求める方法について、具体例を挙げて説明する。
図28は、図15に示すフィーチャ1の表示例を示す図である。図29は、図16に示すパーツの表示例を示す図である。また、図30は、フィーチャ1と円筒の和集合演算したパーツの表示例である。
また、3次元CAD/CAMシステムは、CSGデータに基づく集合演算から、ソリッドモデルにおけるデクセルの線分群を計算することにより、デクセルを表示することができる。デクセルにより、工作物形状の加工シミュレーションや3Dプリンタ用の造形情報を生成することができる。
次に、デクセルを用いたNCデータの生成方法について説明する。NCデータは、形状を加工するための工具の動作を求めるものである。NCデータは、コンピュータで処理する情報であるため、デジタルの情報になっている。形状を加工するためには、形状に接触する工具の位置をNCデータとして与えることになる。換言すれば、NCデータとは、形状に所定距離以下の緻密な点で接触する工具位置を指定するものである。本実施の形態では、NCデータの生成に際し、補デクセルという概念を導入する。これは補集合の概念とほとんど同じである。
図39は、形状から逆向きの工具を工具半径分Z方向に移動させた状態を模式的に示す図であり、図40は、形状に逆向き工具の表面を配置させた状態を模式的に示す図である。逆オフセット法は、形状表面上の点に逆向き工具の先端の中心を配置したときに逆向き工具表面が生成する包絡面を想定すると、この包絡面は形状を工具半径分オフセットしたものとみなせるという原理に基づいている。
本実施の形態におけるデクセルは、CSG表現のソリッドモデルを近似するものであるため、例えば高精度を必要とする仕上げ加工を行う場合、工具位置を補正する補正処理を行うことが好ましい。
次に、前述したCSG表現のソリッドモデルを近似したデクセル、CSGを近似するデクセルに含まれない線分群である補デクセル、補デクセルの逆向き工具によるカット、及び、CSG表現のソリッドモデルに基づいて工具位置を補正する補正処理の4つの処理を使って、ボール工具による加工パスの計算例について説明する。
図49は、鏡面加工を説明するための図であり、図50は、鏡面加工を実施したワークの写真である。図49に示すように、ボール工具71を使用し、X軸方向に26mm、Y軸方向に26mm、Z軸方向に30mmのワーク72において、上面の曲面を倣い加工で鏡面加工を実施した。半径2mmのボール工具71を使用して、X軸方向に平行な0.005mm間隔のNCデータで加工した。
図53は、金型キャビティの一例を示す図であり、図54は、図53に示す金型キャビティの溝部やコーナー部をフィレットで保護した例を示す図である。図53に示す金型キャビティにおいて、φ5のボール工具で加工しようとした場合に、細い溝はコーナー部の加工において工具のビビリが発生することでキャビティを傷付けてしまうことがある。そのため、図54に示すように溝部やコーナー部を埋めるフィレットを付けて保護するなどの作業が必要である。この保護処理は、CADを使ってモデリングする作業が発生するため作業効率が悪い。そのため、補デクセルをカットする逆向き工具に、φ5のボール工具よりも大きいφ10のボール工具を使うことにより、溝部やコーナー部を保護する。
Claims (13)
- 三角形頂点の座標値と、三角形頂点の法線ベクトルと、三角形頂点からなる始点及び終点と始点及び終点の接線ベクトルで構成される曲線素とを含む微分多面体の集合である微分多面体モデルを用い、前記微分多面体の辺を接続して曲面を構成し、前記曲面間を曲面境界線で接続した閉曲面を構成し、前記閉曲面の内部に属する点集合である工作物のプリミティブを生成するプリミティブ生成部と、
前記プリミティブの集合演算のツリー構造により、ソリッドモデルをCSG表現したCSGデータを格納する格納部と、
前記CSGデータに基づく集合演算により、前記プリミティブの閉曲面と直線との交点から前記ソリッドモデルと直線との交点を求め、前記ソリッドモデルに含まれる線分群である前記工作物のデクセルを生成するデクセル生成部と、
前記工作物のデクセルに基づいて工具の位置を与えるNCデータを生成するNCデータ生成部と
を備える3次元CAD/CAMシステム。 - 前記デクセル生成部が、リアルタイムレイトレーシングを用いて、前記ソリッドモデルと直線との交点を求める請求項1記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記NCデータ生成部が、前記デクセルに含まれない線分群である補デクセルを逆向き工具でカットすることにより、前記工具の位置を与えるNCデータを生成する請求項1記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記逆向き工具の外径が、前記工具の外径以上である請求項3記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記NCデータ生成部が、前記CSGデータに基づいて、前記ソリッドモデルと前記工具との最小距離を算出し、当該最小距離に基づいて工具の位置を移動させる処理を、前記最小距離がゼロとなるように繰り返し、前記補デクセルに基づく工具の位置を補正する請求項3記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記NCデータ生成部が、前記工具の中心から外側に半直線群を発生させ、前記プリミティブの閉曲面と半直線との交点から前記ソリッドモデルと半直線との交点を求め、前記ソリッドモデルと前記工具との最小距離を算出する請求項5記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記NCデータ生成部が、リアルタイムレイトレーシングを用いて、前記ソリッドモデルと半直線との交点を求める請求項6記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記プリミティブ生成部が、三角形頂点の座標値と、三角形頂点の法線ベクトルとに基づいて、三角形頂点からなる始点及び終点と始点及び終点の接線ベクトルで構成される曲線素を追加し、前記微分多面体を生成する請求項1記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記プリミティブ生成部が、隣接する第1の微分多面体及び第2の微分多面体で共有する三角形頂点の座標値と三角形頂点の法線ベクトルとを用いて空間測地線を生成し、前記空間測地線を共有して接続関係を構築し、曲面を構成する請求項1記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 前記プリミティブ生成部が、曲面間で共有する曲線素を用いて前記曲面間の接続関係を構築し、前記曲面間を接続した閉曲面を構築する請求項1記載の3次元CAD/CAMシステム。
- 三角形頂点の座標値と、三角形頂点の法線ベクトルと、三角形頂点からなる始点及び終点と始点及び終点の接線ベクトルで構成される曲線素とを含む微分多面体の集合である微分多面体モデルを用い、前記微分多面体の辺を接続して曲面を構成し、前記曲面間を曲面境界線で接続した閉曲面を構成し、前記閉曲面の内部に属する点集合である工作物のプリミティブを生成するプリミティブ生成工程と、
前記プリミティブの集合演算のツリー構造により、ソリッドモデルをCSG表現したCSGデータを格納部に格納する格納工程と、
前記CSGデータに基づく集合演算により、前記プリミティブの閉曲面と直線との交点から前記ソリッドモデルと直線との交点を求め、前記ソリッドモデルに含まれる線分群である前記工作物のデクセルを生成するデクセル生成工程と、
前記工作物のデクセルに基づいて工具の位置を与えるNCデータを生成するNCデータ生成工程と
を有する3次元CAD/CAM方法。 - 三角形頂点の座標値と、三角形頂点の法線ベクトルと、三角形頂点からなる始点及び終点と始点及び終点の接線ベクトルで構成される曲線素とを含む微分多面体の集合である微分多面体モデルを用い、前記微分多面体の辺を接続して曲面を構成し、前記曲面間を曲面境界線で接続した閉曲面を構成し、前記閉曲面の内部に属する点集合である工作物のプリミティブを生成するプリミティブ生成工程と、
前記プリミティブの集合演算のツリー構造により、ソリッドモデルをCSG表現したCSGデータを格納部に格納する格納工程と、
前記CSGデータに基づく集合演算により、前記プリミティブの閉曲面と直線との交点から前記ソリッドモデルと直線との交点を求め、前記ソリッドモデルに含まれる線分群である前記工作物のデクセルを生成するデクセル生成工程と、
前記工作物のデクセルに基づいて工具の位置を与えるNCデータを生成するNCデータ生成工程と
をコンピュータに実行させる3次元CAD/CAMプログラム。
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FOLEY D. James et al. 著, 佐藤義雄 訳,コンピュータグラフィックス 理論と実践,第1版,日本,株式会社オーム社,2001年03月23日,ISBN 4-274-06405-0, pages 471-527,531-559,709-711 |
ROMEIRO Fabiano et al.,Hardware-assisted Rendering of CSG Models,2006 19th Brazilian Symposium on Computer Graphics and Image Processing [online],米国,IEEE,2006年10月08日,pages 139-146,<DOI: https://doi.org/10.1109/SIBGRAPI.2006.24> |
ROMEIRO FABIANO ET AL.: "Hardware-assisted Rendering of CSG Models", 2006 19TH BRAZILIAN SYMPOSIUM ON COMPUTER GRAPHICS AND IMAGE PROCESSING [ONLINE], JPN6022001188, 8 October 2006 (2006-10-08), US, pages 139 - 146, ISSN: 0005030460 * |
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