JPH05290131A - 二次元ｃａｄシステムにおける運動機構のシミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】運動方程式等を立てることなく極めて簡単な操
作によって二次元図面での運動機構のシミュレーション
を可能にする。 【構成】運動機構を節に分け、運動の流れを上流から下
流の順に各節の幾何学的運動状態の定義を行い、更にそ
の定義と二次元図面との対応関係を指定してシミュレー
ションする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二次元ＣＡＤシステム
に関し、特に、二次元ＣＡＤシステムで作成された二次
元図面の任意の要素の動きを二次元幾何学的にシミュレ
ーションする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＡＤ，ＣＡＥシステムによって作成さ
れたオブジェクトの解析、特にオブジェクトの運動状態
をシミュレーションする従来のシステムとして、三次元
の物体，機構を扱う三次元ＣＡＥシステムが実用化され
ている。この三次元解析システムでは、そのシステムが
取り扱う対象を、機構を形成する物体と各物体間をつな
ぐ結合部という概念で定義し、各物体に対しての運動方
程式を立て、コンピュータによって方程式を解いて運動
のシミュレーションを行う。すなわち、対象となる実際
の物のモデリングを行ってコンピュータに認識させ、そ
のモデルを拘束条件と運動方程式を使って物理学的に表
現し複雑な非線形連立方程式を立て、さらに仮定や近似
を使って計算し解析することにによってシミュレーショ
ンを行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のシステムでは、
設計者であるユーザ自身がモデリングや解析の計算方法
等をよく理解して操作を行う必要があり、設計者誰でも
が簡単に操作しうるものではなかった。また、方程式を
解くに際して仮定や近似を使っているためにシミュレー
ションの結果は正確なものといいがたく、しかも、高速
且つ高価なコンピュータを使用しなければ実用にならな
いという不都合があった。

【０００４】一方、上記の三次元ＣＡＥシステムとは別
に、機械設計分野で二次元ＣＡＤシステムが広く使用さ
れている。従来のこのようなシステムは、おもに作図，
作画機能を備えるのみで、運動機構のシミュレーション
を表示画面上で実時間で行えるものではなかった。

【０００５】本発明の目的は、低速のパーソナルコンピ
ュータ等を使用した汎用の二次元ＣＡＤシステムにおい
て設計者誰でもが容易に且つ正確に運動機構のシミュレ
ーションを行うことのできる方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、運動機構を節
に分け、運動の流れの上流から下流の順に各節の幾何学
的運動状態の定義を行い、前記各節と別途準備されてい
る二次元図面との対応関係を指定し、二次元座標上で前
記図面上の機構部分の動作を前記定義に従ってシミュレ
ーションすることを特徴とするものである。

【０００７】また、前記節は、回転運動，平行運動等の
それ自身運動を行う運動節と、運動を次の節に伝える伝
達節のいずれかで構成されることを特徴とする。

【０００８】また、前記各節と二次元図面との対応関係
は各節と二次元図面の各要素の図形番号で設定されるこ
とを特徴とする。

【０００９】さらに、任意の要素の位置が指定された
時、その位置の軌跡を表示することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明では、従来の三次元ＣＡＥシステム等の
ように運動機構のモデリングを行うのではなく、全ての
運動機構の動作を基本的な動きの組み合わせとして捉え
る。すなわち、全ての運動機構の動きはある規則に従っ
て川の流れのように上流から下流へと伝達されているこ
とに着目して本願発明がなされている。ここで、基本的
な動きについて説明すると次のようになる。

【００１１】基本的な動きをする物体を、ここでは節と
呼ぶ。節は回転運動や平行運動等を行う運動節と、運動
を次の節に伝える伝達節とに分けられる。伝達節には、
たとえば連結（リンク結合）や歯車，ベルト等の回転伝
達，更にスライド結合やカム結合等がある。この概念を
利用すると、実際に複雑に絡み合った物体系の機構であ
っても、「節」と「動きの流れ」を利用して組み立てる
ことができる。

【００１２】本発明では、まず、対象となる運動機構を
節に分け、運動の流れの上流から下流の順に各節の幾何
学的運動状態の定義を行う。この定義を行った後に、各
節と別途準備されている二次元図面との対応関係を指定
する。そして、二次元座標上で前記図面上の機構部分の
動作を前記定義に従ってシミュレーションする。

【００１３】以上の方法において、各節と二次元図面と
の対応関係を各節と二次元図面の各要素の図形番号で設
定しておくことが可能である。このようにすると、二次
元図面の変更を行ってもその対象は番号で示されている
ために最初から定義しなおす等の複雑な操作を必要とし
ない。また、シミュレーションは幾何学的に行われるた
めに、任意の要素の位置を指定することによってその位
置の軌跡を簡単な計算で求めることができ、且つ表示す
ることも可能である。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例では、汎用の二次元ＣＡＤシ
ステムをそのまま使用する。この場合、同システムに使
用されているＣＡＤソフトウェア専用の言語を利用して
シミュレーションソフトウェアを構成するのが望まし
い。そのようにすると、ＣＡＤソフトウェアとシミュレ
ーションソフトウェアが同一階層のものとなり、両者を
個別に立ち上げる必要がなくなるとともに、ユーザはＣ
ＡＤソフトウェアを操作するのと同じ感覚でシミュレー
ションソフトウェアを操作することができる。

【００１５】最初に、節を構成する運動節または伝達節
について説明する。

【００１６】回転運動節 中心点を中心に要素（物体）が回転するものをいう。こ
の場合、中心点からの各移動要素までの相対距離は変化
しない。この回転運動節が原動節の時の入力情報は回転
角度である。なお、原動節は、ある一つの単位の運動機
構を考える時、その最も上流側にある運動節をいう。し
たがって、最初に原動節としてこの運動節を定義する。

【００１７】平行運動節 方向点が決める直線方向にのみ並進移動するものをい
う。移動の際姿勢は回転することはない。原動節時の入
力情報は移動距離である。

【００１８】伸縮運動節 中心点（固定位置）を中心に回転し伸縮するものをい
う。原動節時の入力情報は伸縮距離である。

【００１９】その他、この運動節には一点方向向き運動
節、特定点方向向き運動節その他を考えることができ
る。

【００２０】次に伝達節について述べる。

【００２１】二点結合節 上流の結合点と下流の結合点の距離が一定となるように
伝達するものをいう。

【００２２】結合点は回転自由の結合であり、要素を含
む。要素は二点結合に沿って回転，移動する。

【００２３】基点 上流の結合点，基点（固定点），下流の結合点の三点が
なす角度が一定となるように伝達するものをいう。要素
を含み、要素は基点を中心に結合点を通るように回転す
る。結合点は通過点として扱われる（回転自由のスライ
ダ結合）。

【００２４】一点結合節 上流に下流が直接結合（一点の結合点で）している場合
の伝達節である。結合点は回転自由の結合であり、要素
は含まない。

【００２５】その他、滑り結合節や伸縮結合節、カム接
合節、要素結合節、１数値比伝達節等を考えることがで
きる。

【００２６】ここで、図１に示す形状のベルクランク
（曲がりテコ）の運動機構を節に分けてみる。まず、１
を原動節とする。この１は並進移動する平行運動節であ
る。３は中心点（固定値）Ｏを中心に回転する回転運動
節であり、２は、平行運動節１と回転運動節３を結合す
る二点結合節である。また、５は垂直方向に移動する平
行運動節であり、４は回転運動節３と平行運動節５を結
合する二点結合節である。結局、図１に示すベルクラン
クは、３つの運動節と２つの伝達節で構成される。

【００２７】後述のように、上記図１に示すベルクラン
クの運動機構に対し、図２に示す機構定義、すなわち幾
何学的運動状態の定義を行い、続いて、図１に示す実際
のベルクランクの図面と上記定義との対応関係を設定し
てシミュレーション動作を指示すれば、図３に示すよう
な表示状態を得ることができる。この場合、図３におい
ては各要素の複数ステップの移動状態しか示していない
が、これに加えて、任意の点の軌跡や加速度，速度ベク
タ等も同時に表示することが可能である。また、禁止領
域等の設定も可能である。

【００２８】次に、上記システムを使用してユーザが実
際に行う操作について説明する。図４は、ユーザがキー
ボード及びマウス等を使用して入力するコマンド及びそ
の他のデータについて説明する図である。

【００２９】まず、最初に目標となる運動機構を節に分
け、運動の流れの上流から下流の順に各節の幾何学的運
動状態の定義を行う。運動機構を節に分けるのは、その
運動機構の運動伝達の流れを考えれば容易に分かる。す
なわち、「これが動いて、そして、これが引っ張られ
て、これが動いて、次に・・・」の普通の思考パターン
によって、容易に視覚的，直観的に機構の定義が行え
る。しかし、この場合であってもその思考パターンに誤
りがあるかもしれないので、この機構定義の段階では、
質問形式に答える形でユーザが入力するようにし、且つ
論理的に運動可能な状態しか選択できないようにユーザ
を導いていくようにする。また、実際には上流から下流
の単純な位置方向の運動の流れだけではなく、流れの枝
別れや合流も存在するために、このような選択と定義も
行えるようにする。いずれの場合も、矛盾のある定義は
自動的に排除される。すなわち、コンピュータによる運
動機構論理自動判定支援機能によって、ユーザは難しい
ことを考えることなく複雑な機構をこの段階で定義する
ことができる。定義が終了すると、その情報は定義ファ
イルとして格納される。

【００３０】続いて、二次元の図面の準備が行われる。
この図面は二次元ＣＡＤ機能を使って生成された、また
は他の方法で入力されたシミュレーション対象となる機
構部分を含んだものである。この場合、新規に図面を作
図してもよいし既存の図面を呼び出してもよい。また正
確な図面であってもよいし、模式図であってもよい。

【００３１】続いて、図面対応ステップに移る。ここで
は、定義ファイルを呼び出してそこに定義されている各
節に必要な情報を図面上で指示して定義する。これを対
応ファイルとして登録する。

【００３２】以上の操作を終えた後、動き実行のコマン
ドを入力する。まず、対応ファイルを読み込んで、動作
時の各オプションを指定して図面上の機構部分を実際に
画面上で動かす。この場合、図面の修正を行って再び動
き実行のコマンドを入力することも可能である。上記対
応ファイルには、各節と二次元図面の各要素の図形番号
との対応が記憶されているために、図面を修正した場合
であっても図形番号の変更はない。したがって、最初か
ら操作をやり直す必要がない。

【００３３】なお、この後、動き確認のためのコマンド
を入力して、アニメーション表示を行うことか可能であ
る。動き実行のコマンドを入力すると、予め設定された
移動ステップ数の各々のステップでの画像が各レイア
（画面上のレイア）に設定されるが、動き確認のコマン
ドを入力する際、この各レイアを連続的に選択すること
で、ユーザはアニメーション表示のように動作の確認を
行うことかできる。

【００３４】図５〜図７は、図４の更に詳細な操作の流
れを示している。

【００３５】図５は、機構定義のコマンドを入力した時
の流れを示す。まず、原動節の運動系を決め、下流節の
運動系を決め、更に伝達節の運動系を決める。このステ
ップ１〜３で１単位の運動機構の定義を完了する。図１
に対応して説明すれば、平行運動節１と回転運動節３と
二点結合節２とで１単位の運動機構を構成する。節がま
だある場合には、再びステップ１に戻り、上記の１〜３
のステップを繰り返す。図１に示すベルクランクでは、
上記１〜３のステップが２回繰り返されることになる。
全てを終了すると、定義ファイルとして登録してメイン
ルーチンにリターンする。

【００３６】図６は、図面対応のコマンドが入力された
時の操作の流れを示す。

【００３７】最初に、どのレイア（たとえば０〜９９レ
イアが開放されている場合は、この中から選ばれる）に
基準点や結合点等の書き込みを行うか設定する。更に、
この段階で書き込み色等も入力される。続いて、各節に
対応する図面上の位置や要素をマウス等で指定する。こ
のような動作は、ＣＡＤ本来の作図アプリケーションに
備わっている機能である。要素とは、直線，円，円弧等
ＣＡＤ図面の構成図形を意味する。続いて、各要素上の
軌跡点を指定する場合には、この段階で行う。

【００３８】また、禁止領域等がある場合にもこの段階
で設定する。以上の操作を終了すると対応ファイルの設
定をして登録する（ステップ１４）。

【００３９】図７は、動き実行のコマンド入力時の操作
の流れを示す。

【００４０】対応ファイルの読み込みを行い、運動解析
モードの設定を行う。運動解析モードには、１ステップ
動く毎にポーズ状態をとるポーズモードと、連続的に各
ステップ状態を表示する連続モードがある。そして、移
動ステップの回数と計算ステップの回数また最初の移動
距離等を入力する。移動ステップとは、表示画面上の図
形の移動ステップをいい、計算ステップとは、計算上の
移動ステップをいう。

【００４１】これらのステップは同じであってもよいし
違っていてもよい。計算ステップを細かくすると運動実
行不可能の判定や禁止領域進入の判定や軌跡点の軌跡，
速度，加速度計算の精度がよくなる。この後、各種機能
の設定を行う。各種機能には、禁止領域の設定，図形交
差判定機能，運動不可警告機能，加速度，速度ベクタ表
示機能，軌跡残像表示機能等がある。禁止領域の設定機
能は、解析実行前に指定した禁止領域（円形，矩形）に
実行時移動図形の指定位置が進入したらその時点で警告
を行う機能である。図形交差判定機能は、解析実行前に
指定した図形要素（直線，円，円弧）同志の交差の状態
が変化した時その時点で警告する機能をいう。運動不可
警告機能は、物理的に運動不可能な状態が発生した時実
行時にその状態を警告する機能である。加速度，速度ベ
クタ表示機能は、任意の図形上の任意の位置の動きに対
して軌跡，速度，加速度を表示する機能である。位置は
複数個指定することが可能である。軌跡残像機能は、解
析実行の際、指示により移動図形の軌跡を残す機能であ
る。軌跡の残像有無は節毎に指定できる。以上の機能設
定を終えた後、シミュレーションの実行が行われる。こ
の段階では、ポーズモードの時にはワンステップ毎表示
されていき、また図面修正することによって再び元に戻
らずにシミュレーションの実行が可能である。

【００４２】なお、動き確認のコマンド入力時の詳細な
操作流れを示していないが、先に述べたように各レイア
に設定されている移動残像軌跡をあたかも紙をパラパラ
とめくるように順次アニメーション的に表示する。

【００４３】図８〜図１６は、上記システムにおいて複
数の運動機構を解析した例を示す。

【００４４】図８は田植え機の苗植え機構の実行例を示
す。すなわち、苗をつかみ、植える爪の動きを示す。同
図より、原動節である回転運動節が一様に回転していて
も爪の部分は不等速に動くことが分かる。図では軌跡，
速度，加速度を表示している。なお、二点結合節の先端
が爪である。

【００４５】図９はパワーショベルの先端部の実行例を
示す。機構定義においては、原動節として伸縮運動節が
定義される。同図より、同じ長さで徐々に伸長しても爪
の回転速度が速くなっていくのが分かる。

【００４６】図１０はミシンの針と上糸天坪の実行例を
示す。図１１は、テーブルリフターの実行例を示す。こ
のテーブルリフターは多関節リンク機構である。機構定
義においては、「動き流れ」の合流機能を利用してい
る。伝達節に、ＤＯＵＢＬＥ連結節が使用される。この
連結節は途中の脚に利用され、テーブルには滑り結合節
が利用される。足の長さをわざと非対称にすると右下の
図のように動作する。

【００４７】図１２は、スライダ結合を利用した早戻り
機構の実行例を示す。すなわち、スライダ結合とラック
ピニオン機構を使った早戻り機構の動きを示している。
ここでは、要素結合節と１数値比伝達節を使用する。要
素結合節は、上流の要素に下流の要素が接するように伝
達するものをいい、１数値比伝達節は、上流の移動量を
指定数値の比で換算して下流の移動量に伝達するものを
いう。図１３は、エンジンのピストン部分の機構定義を
示し、図１４は、その実行例である。クランクを原動節
と考える。「動きの流れ」の分離機能を利用してカム接
合節へと動きを伝達していき、ピストン，クランクはコ
ンロッドを二点結合節として利用する単純な回転，往復
運動機構である。そして、クランクの回転が１数値比伝
達節でカムの回転へつながり、カム接合で小さなピスト
ンを動かし二点結合節を通じて回転運動に変え、様相接
合節で排気弁を押す。更に、コンロッドの尾の油掻きの
先端部分の動きの軌跡，速度，加速度（加速度は３倍の
長さに拡大している）を表示している。そして、その油
掻きがエンジンの壁と干渉するかの確認（図形交差状態
判定機能）を行っている。

【００４８】図１５は、カム機構の実行例を示す。回転
カムと、それに併せて上下に動くピストンの動きを示
す。更に、節結合仮想化機能を使って回転運動を横軸、
ピストン運動を縦軸として動かす（１数値比伝達節）。
そして、図形交差状態判定機能の交点軌跡表示を利用し
てカム変位グラフを同時に作図する。なお、カム接合節
は、上流のカム面に下流の図形要素が接するように伝達
するものをいう。図１６は、３個の滑り対遇（接触しな
がら拘束運動をする要素）からなる機構の実行例を示
す。

【００４９】

【発明の効果】運動機構を節に分けて上流から下流への
順に各節の幾何学的な運動状態の定義を行うことによ
り、シミュレーションを行う際の運動機構の幾何学的運
動状態を単純化することができ、複雑な運動方程式等を
使用しなくても、簡単に、且つ正確にシミュレーション
を行わせることができる。この場合、各節と二次元図形
との対応関係は各節と二次元図形の各要素の図形番号で
設定されるために、図形の修正等を行っても再度定義し
なおす等の煩雑な操作をする必要がない。また、任意の
要素の位置を指定することにより、その位置の軌跡を表
示するようにしているために、解析が容易になるととも
にその軌跡の演算も複雑な方程式を解かずに簡単な幾何
学的関数を演算することによって得られる。そのため、
低速なコンピュータを使用しても操作に対する遅れを気
にすることなく快適な解析を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】運動機構の一例であるベルクランクの構成を示
す図

【図２】上記ベルクランクの機構定義を示す図

【図３】上記機構定義に基づいてシミュレーション動作
を行った際の結果を示す図

【図４】全体の操作流れを示す図

【図５】〜

【図７】上記操作流れの更に詳細な操作流れを示す図

【図８】〜

【図１６】各種運動機構の上記システムにおける実行例
を示す図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】運動機構を節に分け、運動の流れの上流か
   ら下流の順に各節の幾何学的運動状態の定義を行い、 前記各節と別途準備されている二次元図面との対応関係
   を指定し、 二次元座標上で前記図面上の機構部分の動作を前記定義
   に従ってシミュレーションすることを特徴とする、二次
   元ＣＡＤシステムにおける運動機構のシミュレーション
   方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記節は、回転運動，
   平行運動等のそれ自身運動を行う運動節と、運動を次の
   節に伝える伝達節のいずれかで構成される、二次元ＣＡ
   Ｄシステムにおける運動機構のシミュレーション方法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記各節と二次元図面
   との対応関係は各節と二次元図面の各要素の図形番号で
   設定されることを特徴とする、二次元ＣＡＤシステムに
   おける運動機構のシミュレーション方法。
4. 【請求項４】請求項１において、任意の要素の位置が指
   定された時、その位置の軌跡を表示することを特徴とす
   る、二次元ＣＡＤシステムにおける運動機構のシミュレ
   ーション方法。