JPH05324798A - 三次元被塗物に対する塗料の塗着状態を視覚的に予測するシミュレーションに関する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三次元被塗物の塗着状態の視覚的予測シミュ
レーションを行うとき、塗装ノズルと被塗物との関係を
光源と被照射体との関係に置き換えたのち光照射シミュ
レーションを行うことにより情報演算量を飛躍的に減少
させ、効率的な処理を実現する。 【構成】 被塗物の三次元形状、塗料ノズルの特性を数
学的に近似した光源モデル、塗装条件とともに観測画像
条件を三次元グラフィックス装置の入力形式に合致する
よう書式変換装置を用いて変更したのち三次元グラフィ
ックス装置に入力すれば、塗装処理をおこなった被塗物
の塗着状態が三次元画像として出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元物体のスプレー
塗装、エアースプレー塗装、粉体塗装、静電塗装などを
はじめとする塗装行程に於けるその塗装仕上がりの塗着
状態を予測シミュレーションし、その被塗物の塗着状態
を可視化するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、実際の塗装を行わずに塗着状態を
視覚的に予測シミュレーションしようとするときにはコ
ンピュータ等の演算装置を用いて塗料が塗料ノズルより
放出される関係を、塗料ノズルとの角度、距離、重力、
塗料粘度等の物理的要因との関係から定義した後、図
２、図３に示した手順のようにコンピューター上に数値
により表された被塗物の表面のそれぞれの点に対して塗
料がどの程度付着するかを計算し、この処理をすべての
点、面さらに移動する過程のそれぞれの塗料ノズル位置
より行うことで被塗物表面に塗着される塗料成分を計算
し、さらにその色、形状が塗装結果としてどのように見
えるかを、視点を設定することによりその視点に対する
投影図を計算することで可視化を行なう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法に於いては
被塗物に対する塗着状態およびそれらの可視化をおこな
う作業が必要となるわけだが、塗料の噴出飛散する状態
を計算し、さらにその結果を画像として鳥観図的に表示
する手続きをコンピューター・プログラムとして記述す
る場合、図２、図３に表すように極めて大きな作業量と
なり、なおかつこの情報処理量は三次元情報を扱うため
その処理を行う実行時間は膨大となるという問題点があ
る。このため塗装のシミュレーション・システムを構築
しようとするときには情報処理能力の高いコンピュータ
ーが必要になり、なおかつコンピューター・プログラム
の開発費用が膨大となり、製品価格は実用価格を大きく
越えるために製品化、商品化が困難であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の方法に於いては塗料ノズルと被塗物の関係を
光源と光照射面との関係に置き換えて考える。

【０００５】塗料ノズルから放出された塗料粒子は図４
に表すように直進運動に近い動きをとり、またその広が
りはスポット光源の放つ光の広がりに近い。そこで図５
に示すように塗料ノズルを置く位置に、塗料ノズルから
飛散する塗料の広がりと同一の光の広がり分布を持つ光
源を置くと考える。

【０００６】塗料ノズルを置き換えた光源の位置とその
光軸の方向、被塗物の面座標の情報をデータとしてコン
ピューターのメモリーに記憶する。

【０００７】光源と光照射面との関係は三次元グラフィ
ックスという考え方でコンピューター・システム技術と
してすでに確立されており、三次元グラフィックス・シ
ステムとしてソフトウェアまたはソフトウェアとハード
ウェアの組み合わせという形態で供給されている。

【０００８】ここで言う三次元グラフィックス・システ
ムとは三次元の数値データとして物体の形状を定義した
後、このデータをもとに物体の観測外観映像として可視
化するためのソフトウェア・プログラムであり、ソフト
ウェアの形態に従って、ユーザーのプログラムに組み込
んで利用する三次元グラフィックス・ライブラリーと、
単独で実行できるアニメーションを目的とした三次元グ
ラフィックス・システム、さらにＣＡＤシステム、ＣＡ
Ｅシステムなどに組み込まれるグラフィックスによる可
視化システムとに大別でき、いわゆるフォンのシェーデ
ィング・モデルなどに代表される光の反射モデルによっ
て近似演算がなされる。

【０００９】光源、被照射面のデータを図６に示す手順
に従って三次元グラフィックス・システムに入力するこ
とで、被照射面に光が照射された結果、またその結果を
ある方向からみたときの観測結果、すなわち観測者が光
をあてられた物体がどのように見えるか、その状態の映
像を得ることができる。

【００１０】コンピューターのメモリー上のデータとし
て塗料ノズルが置かれるべき位置に置かれた塗料ノズル
をおきかえた光源は、図７に示すように他のデータとと
もに三次元グラフィックス・システムに入力され、あた
かも塗料が吹き付けられるように三次元グラフックス・
システムによって対象物体に照射される。この光の照射
結果はエア・スプレー塗装、エアレス・スプレー塗装、
粉体塗装、静電塗装などの塗装を行った結果と極めて近
似している。

【００１１】さらにこの結果を作業者の任意の位置か
ら、被塗物を観測したコンピューター・グラフィックス
による三次元の鳥観図映像として得ることができる。ま
た塗布量、塗着効率は、置き換えられた光源の強さとし
て表すことができる。

【００１２】そしてコンピューター・グラフィクスでは
図８で表すように実空間の光源に近い光源モデルが準備
されており、ここでは近似するときの光源として、スポ
ット・ライトを近似する光源モデルを用いることによ
り、きわめて再現性の高いシミュレーションを行うこと
ができる。

【００１３】またこのとき塗料ノズルから噴出する霧化
塗料の飛散関数すなわち近似するスポット・ライトの光
源モデルの配光特性を、角度に対する光強度の関数とし
て定義することにより、実際使用する塗料ノズルの特性
に近づけることができる。

【００１４】また塗出圧を変化させるとき、塗料の種
類、希釈率（すなわち粘度）を変えたとき、また空気圧
を変えたときなど、塗料ノズルの角度噴出特性が変化す
ることが知られている。この噴出角度特性の変化に追随
するため、あらかじめ噴出角度特性の圧力、塗料種類、
空気圧などの変動成分に関する特性を求めておけば、実
際の塗装過程を忠実に再現することができる。

【００１５】この配光特性の、角度噴出特性への近似
は、あらかじめ設定した条件で塗料ノズルからの角度噴
出特性を計測し、スポット・ライトの光源モデルのパラ
メーターを、最も実際の塗料ノズル特性に近くなるよう
設定することにより実現することができる。

【００１６】このようにシミュレーションを行って得ら
れた結果は、塗料ノズルと被塗物との位置的、量的関係
を、光源と対象物の関係に置き換えたものである。ここ
で最も問題となるのは、塗料はノズルより吹き出されて
対象物に付着した後その状態を保つが、光の場合、光源
がなくなれば対象物に照射された光によって得られた色
も同時になくなることである。

【００１７】このため塗料ノズルが移動するときには、
単に光源を塗料ノズルと同じ動きで動かすのではなく、
図９に示すように元の位置の光源はそのまま保持したま
ま、塗料ノズルが移動した位置に新たに光源を置く。塗
料ノズルがさらに移動を続ければ新たな光源を次々に塗
料ノズルの移動軌跡に従って配置していく。

【００１８】この光源を置いていく間隔は、最終的な観
測映像として演算生成する画像の、塗装面のシミュレー
ション忠実度に依存する。図１０のように光源を置いて
いく間隔がせまければせまい程（図１０ｂ）、より現実
に近いリアルなシミュレーションとなり、スムーズな塗
装面となる。

【００１９】このとき、光源の強度は塗料ノズルの移動
速度、塗料の塗出量、塗料ノズルの移動に従って光源を
置いていく間隔によって調整されなければならない。す
なわち塗料ノズルが塗料を噴射しながら通り過ぎていっ
たのち、光源を置いていく間隔により決められた単位空
間あたりに噴出された塗料の総量に依存して光源の強度
を決定することができる。

【００２０】またここでは塗料の塗出を光の照射に置き
換えているため、塗料ノズルと被塗物との間隔が広い場
合、塗出された塗料が重力、風の影響等で直進しない場
合（図１１（ａ））、光の照射に置き換えた結果と異な
ってくる。

【００２１】このような場合ある程度の塗料ノズルと被
塗物間の距離があると考えられ、光源と物体とをマクロ
的にとらえて重力、風等に起因する変動成分を求めた
後、図１１（ｂ）のようにあらかじめ光源の位置に対し
て補正をあたえることにより、相対位置に起因する変動
要素が存在するときの正確なシミュレーションの結果を
得ることができる。

【００２２】また塗料ノズルと被塗物間の距離がある場
合、放射飛散による塗料密度の低下以外に、雰囲気中の
散乱粒子の影響による塗料密度の減衰が存在し、この特
性を予測シミュレーションに含ませるため、光源特性と
して物体と光源の距離に応じた減衰特性を与えることに
より正確な予測シミュレーションを行うことができる。

【００２３】ところが静電塗装などの塗装を行うとき
は、塗料粒子は光源と物体の相対関係のみに留まらず、
物体の形状が影響を及ぼす電場の分布に大きく影響され
る。つまり被塗物の三次元形状に従い、局所的に塗料粒
子の直進性に、すなわち進行方向に影響を受ける。この
ため塗料ノズルを光源に置き換えただけのシミュレーシ
ョンでは塗着状態の再現性が劣る。しかし電場分布は電
場の解析によりあらかじめ演算による予測が可能であ
り、この電場分布の解析結果を応用することにより静電
塗装における忠実な塗装シミュレーションが可能であ
る。

【００２４】通常の静電塗装に於いて塗料粒子は負に帯
電しているため、正に帯電している被塗物との間にクー
ロン力を受ける。塗装粒子の進行方向に対して電場分布
の勾配が角度を持つほど塗料粒子は曲がろうとする力を
受ける。この力により塗料粒子の直進性が失われ、光量
子の挙動と異なる原因となる。光の場合であっても、伝
送される物体の電子密度が変化した場合、屈折と呼ばれ
る現象が起きる。これをコンピューター・グラフィック
スで実現するとき図１２に示すようなレイ・トレーシン
グと呼ばれる屈折を表す方法を用いる。これは光の屈折
の法則に従い、ある面を光が透過するとき進行方向を変
化させる。そしてこの面の位置、形状、屈折率はコンピ
ューター・グラフィックスに於いては任意に設定可能で
ある。

【００２５】また実際の電場分布は物体形状から生成す
ることができ、図１３に表すように塗料粒子の曲がる位
置に光の屈折がおきる面を電場分布にそって配置するこ
とで、電場分布が影響する塗装粒子の挙動に、光量子の
挙動を近似させることができる。またこの屈折の起きる
面は数の制限もなく何重にも、またその屈折率も任意に
設定できるので、電場分布に影響される塗料粒子の挙動
に近い光の挙動を再現することができるため、特殊な塗
装でのシミュレーションが可能となる。

【００２６】

【作用】光は均一な伝送媒体においては直進運動を保
つ。塗料ノズルから塗出される塗料分子もある限定され
た範囲においてはほとんど直線運動に近い挙動をしめ
す。その誤差は、最終的な塗着状態を外観品質として評
価するときの人の視覚認識能力に比べると問題とはなら
ない。

【００２７】三次元グラフィクスは光が実空間で示す光
伝達の挙動を数値演算によって近似的に求めるものであ
り、塗料ノズルから噴出される塗料粒子の動きを、この
機能を用いて表すことができる。また塗料ノズルから吹
き出される塗料の噴射関数は諸条件によって大きく変化
するが、光源モデルのパラメーターを、光源強度、角度
に関する減衰関数、距離に関する減衰関数などのパラメ
ーターを調整することによりこれらの条件変化に追随す
ることができる。

【００２８】このような塗料ノズル特性に近似された光
は物体に照射されることで視覚的な情報となる。三次元
コンピューター・グラフィックスでは、物体と光の関係
を表面モデルとして数学的に近似して関係づけている。
ここでは光が物体に及ぼす影響を環境光、物体光、反射
光として表すのが一般的である。このそれぞれの成分の
演算はランバート・モデル（図１４）、フォンのシェー
ディング・モデル、ブリン・シェーディング・モデルな
どによって演算がなされる。

【００２９】環境光は物体自身が放つ光成分、物体光は
光源から入光した光が物体の中を散乱したのち、無方向
成分の光として外部に放出される光成分、反射光は物体
表面で入射角度と反対方向に反射する光成分であり、こ
のうち物体光はどの表面モデルにおいても角度に依存し
ない成分であるため、ある強度で入射した光はその強度
を保存しながら他の角度から観測できる。これは塗料が
物体に付着した状態を、視点位置に依存しないで観測で
きる性質と等しい。この物体光の定義パラメーターを調
整することで塗装における塗料の挙動と等しい光の挙動
を実現することができる。

【００３０】

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
１に表すようにまず被塗物の三次元形状をＣＡＤシステ
ムなど三次元形状入力装置を用いてあらかじめ数値デー
タとして入力したのち記憶装置に保存する。つぎに塗料
ノズルから噴出される塗料の特性を、塗出圧に代表され
る条件パラメータと塗料ノズルの塗出角度に対応する塗
出量との関係であらかじめ計測したデータを関数化し、
これらをスポットライト光源モデルに数学的に近似す
る。この近似されたモデルは塗料ノズルを表す光源デー
タとなり、これを数値データとして記憶装置に保存す
る。このデータは使用する塗料ノズルをひとたび設定す
れば再び設定する必要はない。そして塗料ノズルの位
置、動き、塗出圧の変化、雰囲気の流速、電界面の分布
など塗装条件データとともに観測視点、環境照明など最
終的に観測したい画像の条件データを数値データとして
記録装置に保存する。これらの記憶装置上のデータを、
三次元グラフィックス装置の入力に合致するよう書式変
換装置を用いて変更したのち三次元グラフィックス装置
に入力すれば、塗装処理をおこなった被塗物の塗着状態
が三次元画像として出力される。

【００３１】三次元グラフィックス装置に用いられる三
次元グラフィックス・システムはそのシステムをユーザ
が設計開発することは可能であるが、おびただしい作業
量となるので既存のグラフィックス・システムを用いれ
ば効率的である。これらのデータの入力形式、方法は独
自の方式があり、数値として得た物体の三次元形状デー
タをその形式にあわせなければならない。三次元グラフ
ィックス・ライブラリーについては一般的にコンピュー
ター・プログラムの関数、つまりサブ・プログラムとし
て供給されるため、自身では単独のプログラムとして実
行することができない。このためまずこれを実行するプ
ログラムを作成して三次元グラフックス装置として組み
込む。そして図１に表す入力されたデータを保持する記
憶装置からあらかじめ作成された形状データを読み込
み、グラフィックス装置にデータを渡すことができるよ
う、グラフィックス装置の形式にあわせたデータに変換
したのち、グラフィックス装置に引き渡す。

【００３２】グラフィックス・ライブラリーはコンピュ
ーター・プログラムのサブルーチンとして供給され、Ａ
ＮＳＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａ
ｎｄａｒｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）が発足させた技術委
員会Ｘ３Ｈ３が標準化した規格であり、コンピュータ業
界で標準とされているＧＫＳ、ＰＨＩＧＳ、ｇｒａＰＨ
ＩＧＳ、ＰＥＸなど、また実質的に業界標準として使用
されているシリコン・グラフィックス社のＧＬ、スター
デント社のＤＯＲＥ、ＰＩＸＥＲ社のＲｅｎｄｅｒＭａ
ｎなどがある。また三次元グラフィックス・システムは
ウェーブ・フロント社のＡｄｖａｎｃｅｄ・Ｖｉｓｕａ
ｌｉｚｅｒ、エイリアス社のＡｒｅａｓ、ＴＤＩ社のＥ
ｘｐｌｏｒｅ、ソフト・イメージ社のＳｏｆｔ・Ｉｍａ
ｇｅなど、さらには三次元ＣＡＤシステムが有する三次
元グラフィックス機能も含まれる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３４】塗料粒子の拡散状態を光の挙動に置き換え
てグラフィックスの演算とすることにより、図２、図３
と図６の作業手順の比較で明らかなように、塗料拡散の
演算、また塗着状態の予測シミュレーション演算を極め
て少ない情報処理とすることができる。

【００３５】そして、本発明による近似計算をおこなう
ことにより予測シミュレーションの演算速度を、近似を
行わない通常処理の演算速度に比べて飛躍的に高めるこ
とができる。

【００３６】さらに、グラフィックスの演算に置き換え
ることによりグラフィックス・ライブラリーを用いるこ
とができるため、塗装予測シミュレーションを行う場合
そのシステム構築を極めて簡素な、小型なものとするこ
とができる。

【００３７】また、本発明による近似計算をおこなうこ
とにより、グラフィクス演算処理に係る部分は光演算の
ハードウェア製品を用いることができ、非常に高速な、
実時間に匹敵する演算速度をを実現することができる。

【００３８】これらのことにより、本発明を用いること
により塗装予測シミュレーションを開発する場合のシス
テム開発の効率を高め、開発作業工数を極めて簡単に低
減することができ、従来現実的に不可能であった被塗物
の塗着シミュレーションを可能とならしめることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実現するための装置構成である

【図２】本発明の方法によらず、従来の方法に従い予測
シミュレーションを行うときの処理手順のうちの前半部
分を表す

【図３】本発明の方法によらず、従来の方法に従い予測
シミュレーションを行うときの処理手順のうちの後半部
分を表す

【図４】塗料ノズルから放出される塗料粒子と、光源か
ら放出される光量子の比較モデルである

【図５】被塗物に塗料を吹き付けた場合と、光源から光
を照射した場合の比較である

【図６】本発明の方法によって塗装シミュレーションを
おこなう場合の処理手順である

【図７】塗装のためのデータをグラフィックス装置に入
力することで構成する塗装シミュレーションのための装
置である

【図８】三次元コンピュータ・グラフィックスにおいて
用いられる、スポット光源を近似する光源モデルである

【図９】塗料ノズルの動きを光源モデルでシミュレーシ
ョンする場合の方法である

【図１０】塗料ノズルの動きを光源モデルでシミュレー
ションする場合の忠実度と品質を表す図である

【図１１】噴出した塗料が雰囲気の影響を受けて直進性
を失った場合に、この影響を光源モデルでシミュレーシ
ョンするための方法である

【図１２】光の屈折をモデル化するレイ・トレーシング
の方法を表す図である

【図１３】電界が塗料粒子に与える影響を、電界の近似
面で光の屈折を行わせることにより光源モデルでシミュ
レーションする方法である

【図１４】三次元グラフィックスにおける物体の光反射
モデルの例である

【符号の説明】

１ 記録装置 ２ 変換装置 ３ 塗装条件データ ４ 塗料ノズル ５ 光源 ６ 塗料粒子 ７ 光量子 ８ 三次元被塗物 ９ 物体形状データ １０ 光源データ １１ 塗料ノズル特性を表す光源データ １２ 三次元グラフィックス装置 １３ 三次元シミュレーション画像 １４ 被照射面 １５ 入射光Ｖ １６ 反射光Ｒ １７ 透過光Ｔ １８ 面法線ｎ １９ 入射面屈折率ｎ１ ２０ 反射面屈折率ｎ２ ２１ 光の進路 ２２ 電界近似面 ２３ 光線ベクトルＬ ２４ 入射角 ２５ 単位面積当たりの入射光量

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 塗着状態の視覚的予測をおこなう時、塗
   料ノズルと被塗装体との関係を、三次元グラフィックス
   ・ライブラリーを用いて光源と被写体との光照射シミュ
   レーションとの関係に置き換えることにより、数学的な
   塗料の放射拡散演算を行わずしてその演算を近似して、
   三次元被塗物の塗着状態を視覚的に得る方法。
2. 【請求項２】 塗着状態の視覚的予測をおこなう時、塗
   料ノズルと被塗物との関係を、三次元グラフィックス・
   ライブラリーを用いて光源と被写体との光照射シミュレ
   ーションとの関係に置き換えることにより、数学的な塗
   料の放射拡散演算を行わずしてその演算を近似する場
   合、塗料ノズルの動きに対応した予測を行うことを可能
   とならしめるため、光源を塗料ノズルの軌跡にそって配
   置することにより塗料ノズルが動く場合の三次元被塗物
   の視覚的な塗着状態を得る方法。
3. 【請求項３】 塗着状態の視覚的予測をおこなう時、塗
   料ノズルと被塗物との関係を、三次元グラフィックス・
   ライブラリーを用いて光源と被写体との光照射シミュレ
   ーションとの関係に置き換えることにより、数学的な塗
   料の放射拡散演算を行わずしてその演算を近似する場
   合、雰囲気、環境の影響を低減させるため 塗料ノズル
   の噴出圧力、噴出塗料の種類、空気の使用の有無、及び
   使用量、圧力、塗料ノズルと被塗物間の距離などに依存
   する塗料噴出関数の変化を近似する光源モデルとしてス
   ポット光源を用いて、またその定義パラメータを実際の
   条件変化に応じて変化させることにより塗装条件の変化
   がある場合の三次元被塗物の視覚的な塗着状態を得る方
   法。
4. 【請求項４】 塗着状態の視覚的予測をおこなう時、塗
   料ノズルと被塗物との関係を、三次元グラフィックス・
   ライブラリーを用いて光源と被写体との光照射シミュレ
   ーションとの関係に置き換えることにより、数学的な塗
   料の放射拡散演算を行わずしてその演算を近似する場
   合、雰囲気の流れの影響、霧化された塗料に及ぼす重力
   の影響を低減させるため、あらかじめ雰囲気の流れの移
   動成分によって光源の位置を補正することにより環境が
   影響を及ぼす場合の三次元被塗物の視覚的な塗着状態を
   得る方法。
5. 【請求項５】 塗着状態の視覚的予測をおこなう時、塗
   料ノズルと被塗物との関係を、三次元グラフィックス・
   ライブラリーを用いて光源と被写体との光照射シミュレ
   ーションとの関係に置き換えることにより、数学的な塗
   料の放射拡散演算を行わずしてその演算を近似する場
   合、静電界の及ぼす電磁力のような非線形成分の影響を
   低減させるため、光の屈折を実現するレイ・トレーシン
   グの手法を用いて、直進性が失われる位置に屈折面を定
   義することで環境の及ぼす非線形変動成分の影響を低減
   させることにより、環境が影響を及ぼす場合の三次元被
   塗物の視覚的な塗着状態を得る方法。