JPH07302356A - 自由曲面作成方法及び自由曲面作成装置 - Google Patents
自由曲面作成方法及び自由曲面作成装置Info
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- JPH07302356A JPH07302356A JP6114783A JP11478394A JPH07302356A JP H07302356 A JPH07302356 A JP H07302356A JP 6114783 A JP6114783 A JP 6114783A JP 11478394 A JP11478394 A JP 11478394A JP H07302356 A JPH07302356 A JP H07302356A
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Abstract
装置において、2つの自由曲線間に指定半径を有する自
由曲面を容易に生成することができるようにする。 【構成】3次元空間において、第1の自由曲線上に複数
の基準点を設定し、それぞれ基準点における第1の自由
曲線の接線を法線として基準点を含む複数の平面を生成
し、第2の自由曲線と複数の平面との複数の交点を求
め、それぞれ複数の平面上で基準点と交点とを端点とす
る所定半径の円弧を複数生成し、第1の自由曲線、第2
の自由曲線及び複数の円弧に基づいて自由曲面を生成す
るようにする。
Description
11) 作用(図4〜図6、図10及び図11) 実施例 (1)CAD/CAMシステムの全体構成(図1) (2)自由曲線の原理(図2) (3)2つの自由曲線間における自由曲面作成処理手順
(図3〜図11) (4)他の実施例(図12〜図13) 発明の効果
由曲面作成装置に関し、特にCAD/CAM(computer
aided design /computer aided manufacturing)の手
法を用いたデザイン装置に適用し得る。
をもつた物体の形状をデザインする場合(geometric mo
deling)、一般にデザイナは、曲面が通るべき3次元空
間における複数の点(これを接点と呼ぶ)を指定し、当
該指定された接点を結ぶ境界曲線網を所望のベクトル関
数によつて演算させることにより、いわゆるワイヤーフ
レームで表現された曲面を作成する。かくして境界曲線
によつて囲まれた多数の枠組み空間を形成することがで
きる(この処理を枠組み処理と呼ぶ)。
曲線網は、それ自体デザイナがデザインしようとする大
まかな形状を表しており、各枠組み空間を囲む境界曲線
を用いて所定のベクトル関数によつて表現できる曲面を
補間演算することができれば、全体としてデザイナがデ
ザインした自由曲面(2次関数で規定できないものをい
う)を生成することができる。ここで枠組み空間に張ら
れた曲面は全体の曲面を構成する基本要素を形成し、こ
れをパツチと呼ぶ。
り自然な外形形状をもたせるために、共有境界を挟んで
隣接する2つの枠組み空間に、共有境界において接平面
連続の条件を満足するようなパツチを張るように、共有
境界周りの制御辺ベクトルを設定し直すようにした自由
曲面作成方法が提案されている(特願昭 60-277448
号)。
うに、四辺形枠組空間に張られる四辺形パツチベクトル
S(u,v)1及びベクトルS(u,v)2を3次のベジエ式でなる
ベクトル関数ベクトルS(u,v) で表す。そしてこの2つ
のパツチベクトルS(u,v)1及びベクトルS(u,v)2を滑ら
かに接続するために、枠組み処理によつて与えられた節
点ベクトルP(00)、ベクトルP(30)1 、ベクトルP
(33)1 、ベクトルP(03)、ベクトルP(33)2 、ベクトル
P(30)2 に基づいて、隣接する四辺形パツチベクトルS
(u,v)1及びベクトルS(u,v)2の共有境界COMにおいて
接平面連続の条件が成り立つような制御辺ベクトル
a1 、ベクトルa2 及びベクトルc1 、ベクトルc2 を
設定する。さらにこれらの制御辺ベクトルによつて制御
点ベクトルP(11)1 、ベクトルP(12)1 、ベクトルP
(11)2 、ベクトルP(12)2 を設定し直すことを原理とし
ている。
適用すれば、結局パツチベクトルS (u,v)1及びベクトル
S(u,v)2は隣接するパツチと接平面連続の条件に従つて
滑らかに接続することができる。ここで、3次のベジエ
式でなるベクトル関数ベクトルS(u,v) は、次式
フト演算子E及びFを用いて表現され、制御点ベクトル
P(ij)に対して、次式
るu方向及びv方向の接線ベクトルによつて形成される
平面を意味し、例えば図14の共有境界COMについ
て、パツチベクトルS(u,v)1及びベクトルS(u,v)2の接
平面が同一のとき接平面連続の条件が成り立つ。
まに、全体として滑らかに曲面形状が変化するような、
従来の設計手法では実際上デザインすることが困難な物
体形状をも、容易にデザインし得る。
ザイン装置を用いて、3次元空間中において曲線間の距
離が一定でない2つの自由曲線間に、球を回転移動させ
ることで得られる軌跡に応じた自由曲面を生成すること
ができれば、デザイナの感性を生かすような高品質のデ
ザインができると考えられる。この場合、まず2つの自
由曲線のうち一方の自由曲線を基準線とし、他方の自由
曲線を相対線とする。この基準線上の各点での接線方向
を法線とする平面をそれぞれ定義し、この定義された各
平面と相対線との交点をそれぞれ求める。このように点
の数だけ平面を定義し、相対線との交点を求めなければ
ならいため使い勝手が良くないという問題がある。
線上の点と相対線上の交点を端点とする指定半径の円弧
をそれぞれ生成する。この円弧は、基準線上の点と相対
線上の交点との2点から求めるため、円弧を生成するた
めの中心点を求めなければならない。また2つ生成され
る円弧のうち一方を選択する処理も必要である。これら
の処理は点の数だけ行われるため膨大な時間がかかり、
使い勝手が良くないという問題がある。
に変換することで、2つの自由曲線の間に自由曲面を生
成していたが、円弧群から自由曲面パツチを生成するの
は困難であり、精度の悪いパツチを生成していたという
問題がある。ここで生成された曲面は曲率が一定でなか
つたり、形状変化の大きい曲線に対応し難い等の問題が
ある。
で、2つの自由曲線間に指定半径を有する自由曲面を容
易に生成し得る自由曲面作成方法及び自由曲面作成装置
を提案しようとするものである。
め本発明においては、3次元空間中の第1及び第2の自
由曲線間に球を回転移動させ、当該球の移動軌跡に応じ
た自由曲面を作成する自由曲面作成方法において、第1
の自由曲線(A)上に複数の基準点(Qi )を設定し、
それぞれ基準点(Qi )における第1の自由曲線(A)
の接線(Vi )を法線として基準点(Qi )を含む複数
の平面(PLi ) を生成し、第2の自由曲線(B)と複
数の平面(PLi ) との複数の交点(Pi )を求め、そ
れぞれ複数の平面(PLi ) 上で基準点(Qi )と交点
(Pi )とを端点とする所定半径の円弧(ARCi )を
複数生成し、第1の自由曲線(A)、第2の自由曲線
(B)及び複数の円弧(ARCi )に基づいて自由曲面
を生成するようにする。
準点(Qi )を設定し、それぞれ基準点(Qi )におけ
る第1の自由曲線(A)の接線(Vi )を法線として基
準点(Qi )を含む複数の平面(PLi ) を生成する平
面生成手段と、第2の自由曲線(B)と平面生成手段に
よつて生成された複数の平面(PLi ) との複数の交点
(Pi )を求める交点検出手段と、複数の平面(P
Li ) 上で基準点(Qi )と交点(Pi )とを端点とす
る所定半径の円弧(ARCi )を複数生成する円弧生成
手段と、第1の自由曲線(A)、第2の自由曲線(B)
及び複数の円弧(ARCi )に基づいて自由曲面を生成
する曲面生成手段とを設けるようにする。
の基準点(Qi )を設定し、それぞれ基準点(Qi )に
おける第1の自由曲線(A)の接線(Vi )を法線とし
て基準点(Qi )を含む複数の平面(PLi ) を生成
し、第2の自由曲線(B)と複数の平面(PLi ) との
複数の交点(Pi )を求め、それぞれ複数の平面(PL
i ) 上で基準点(Qi )と交点(Pi )とを端点とする
所定半径の円弧(ARCi )を複数生成し、第1の自由
曲線(A)、第2の自由曲線(B)及び複数の円弧(A
RCi )に基づいて自由曲面を生成することにより、2
つの自由曲線間に指定半径を有する自由曲面を容易に生
成することができる。
する。
ムを示し、自由曲面作成装置12で自由曲面を表す形状
データDTS を作成した後、工具経路作成装置13で切
削加工用の加工データDTCLを作成する。
理装置(CPU)を有し、表示装置16の表示に応答し
て入力装置17を操作することにより、デザイナが指定
入力したワイヤフレームモデルに3次のベジエ式を用い
てパツチを張つた後、当該パツチを接続し直すことによ
り、自由曲面を有する物体の形状データDTS を作成す
る。
状データDTS に基づいて、金型を荒加工及び仕上げす
る加工データDTCLを作成した後、当該荒加工用及び仕
上げ加工用の加工データDTCLを、例えばフロツピデイ
スク15を介して、NCミーリングマシン14に出力す
る。NCミーリングマシン14は、当該加工データDT
CLに基づいて例えばNCフライス盤を駆動し、これによ
り形状データDTS で表される製品の金型を作成する。
(bezier)式を用いて次式、
表現される。ここでt は、一方の接点ベクトルP0 から
曲線セグメントベクトルKSGに沿う方向に他方の接点ベ
クトルP3 に至るまでの間に、次式
である。
曲線セグメントベクトルKSGは、シフト演算子Eによつ
て接点ベクトルP0 及びベクトルP3 間に2つの制御点
ベクトルP1 及びベクトルP2 を指定することによつて
曲線セグメントベクトルKSG上の各点が次式
R(t) として表される。ここでシフト演算子Eは、曲線
セグメントベクトルKSG上の制御点ベクトルPiに対し
て次式
を代入すれば、次式
れる。
メントベクトルKSG1 、ベクトルKSG2 、ベクトルK
SG3 は、(8)式に基づいてそれぞれ2つの節点及び制
御点ベクトルP(0)1■3、ベクトルP(1)1■3、ベクトル
P(2)1■3及びベクトルP(3)1■3によつて表すことがで
きる。また節点ベクトルP(0)1■3及びベクトルP(3)1
間に制御点ベクトルP(1)1■3及びベクトルP(2)1■3を
設定することにより、節点ベクトルP(0)1■3及びベク
トルP(3)1を通つて制御点ベクトルP(0)1■3、ベクト
ルP(1)1■3、ベクトルP(2)1■3及びベクトルP
(3)1■3で決まる形状に設定することができる。
作成処理手順 自由曲面作成装置12は、オペレータが3次元空間に曲
線間の距離が一定でない2つの自由曲線を与えることに
より、2曲線間に球を移動させることで得られる軌跡か
ら自由曲面を生成する。すなわち自由曲面作成装置12
は、図3に示す2つの自由線間における自由曲面作成処
理手順のステツプSP0で処理を開始し、ステツプSP
1に移る。ここで図4に示すように、3次元空間に2つ
のベジエ曲線ベクトルA及びベクトルBをオペレータが
指定入力すると、当該曲線ベクトルA及びベクトルBの
データを取り込む。このとき一方のベジエ曲線ベクトル
Aを基準線とし、他方のベジエ曲線ベクトルBを相対線
とする。
クトルAは、節点ベクトルPA0 、ベクトルPA3 、内
部制御点ベクトルPA1 、ベクトルPA2 で規定され、
(11)式を変形してなる次式、
トルPB0 、ベクトルPB3 、内部制御点ベクトルPB
1 、ベクトルPB2 で規定され、(11)式を変形して
なる次式、
2において、基準線ベクトルA上に10個の点ベクトル
Qi ( i= 1〜10)をパラメータ分割により求める。こ
の点ベクトルQi ( i= 1〜10)は基準線ベクトルA上
を移動可能な任意の点であり、次式
3に移り、基準線ベクトルA上の点ベクトルQi の接線
を求める。このときの点ベクトルQi の接線は次式
れるため、図5に示すように、点ベクトルQi の接線ベ
クトルVi を法線として、点ベクトルQi と法線ベクト
ルVi から平面ベクトルPLi を求める。
平面ベクトルPLi を求めた後、ステツプSP4に移
る。ここでは図6に示すように、基準線ベクトルA上の
点ベクトルQi に対応する相対線ベクトルB上の点ベク
トルPi を求める。この点ベクトルPi は平面ベクトル
PLi と相対線ベクトルBとの交点により求めるられ
る。
P5において、図7に示すように2点ベクトルPi 、ベ
クトルQi を通る2つの円弧を求める。まず、円弧の始
点を基準線ベクトルA上の点ベクトルQi 、円弧の終点
を相対線ベクトルB上の点ベクトルPi とする。ここで
平面ベクトルPLi 上に円弧を生成するため、円弧の中
心点は平面ベクトルPLi 上に存在しなければならな
い。このため平面ベクトルPLi 上に基準線ベクトルA
上の点ベクトルQi を中心とし、任意の半径rからなる
円ベクトルC1iを作成する。
トルB上の点ベクトルPi を中心とし、任意の半径rで
円ベクトルC2iを作成する。このとき円ベクトルC1iと
円ベクトルC2iの交点をベクトルR1i、ベクトルR2iと
する。次に、図8に示すように円ベクトルC1iとベクト
ルC2iの交点ベクトルR1iを中心とし、始点ベクトルQ
i 、終点ベクトルPi 、半径rの円弧ベクトルARCi1
を生成する。同様に、円ベクトルC1i、ベクトルC2iの
交点ベクトルR2iを中心とし、始点ベクトルQi 、終点
ベクトルPi 、半径rの円弧ベクトルARCi2を生成す
る。
RCi2が生成された後、ステツプSP6に移る。まず、
基準線ベクトルA上の点ベクトルQi から相対線ベクト
ルB上の点ベクトルPi への方向ベクトルをベクトルW
i とする。このとき基準線ベクトルA上の点ベクトルQ
i における接線ベクトルVi と方向ベクトルWi との外
積をベクトルXi とすると、この外積は、次式
RC1i、ベクトルARC2iの点ベクトルQi における接
線ベクトルY1i、ベクトルY2iはそれぞれ次式
Y1iのなす角θ1iは次式
2iのなす角θ2iは次式
点ベクトルQi ( i= 1〜10)から生成される複数の円
弧をそれぞれの円弧の端点となる点ベクトルPi 、ベク
トルQi ( i= 1〜10)に対して一定側の円弧に揃える
ために、外積ベクトルXi に近い接線ベクトルY1i又は
ベクトルY2iを有する円弧ベクトルARC1i又はベクト
ルARC2iを選択する。すなわち、求められた2つの角
度θ1i、θ2iのうち小さいものを選択するため、角度θ
1iに比して角度θ2iが小さい場合は円弧ベクトルARC
i2を選択し、角度θ2iに比して角度θ1iが小さい場合は
円弧ベクトルARCi1を選択する。
点ベクトルQi ( i= 1〜10)全てから円弧ベクトルA
RCi ( i= 1〜10)が求められたか否かを判定する。
ここで否定結果を得たときステツプSP3に戻り、処理
を続ける。また肯定結果を得たとき(図10)ステツプ
SP8へ移り、各円弧ベクトルARCi ( i= 1〜10)
に対し、パラメータ j( j= 1〜10)で分割することに
より各円弧上の点群ベクトルARijを求める。
すように基準線ベクトルA、相対線ベクトルB、円弧ベ
クトルARC1 及び円弧ベクトルARC10の4つの境界
曲線を枠組みとし、その内部の点群ベクトルARij(
i、j = 1〜10)に基づき最小二乗近似して曲面パツチ
を生成し(特願平3-311952号)、ステツプSP10にて
処理を終了する。
て、曲線間の距離が一定でない2つの自由曲線間に球を
移動させることで得られる軌跡から自由曲面を生成する
とき、平面の生成し、相対線と平面との交点を求め、当
該交点から円弧を生成し、自由曲面を生成することによ
り、処理時間を短縮することができ、且つ一定曲率の自
由曲面を生成することができる。かくするにつき、デザ
イナの感性を生かすような高品質のデザインができる。
θ1i、θ2iのうち小さい方を選択し、この角度を生成し
ている接線ベクトルを有する円弧を選択するものについ
て述べたが、本発明はこれに限らず、角度θ1i、θ2iの
うち大きい方を選択し、この角度を生成している接線ベ
クトルを有する円弧を選択するようにしても同様の効果
を得ることができる。このとき生成された自由曲面の例
を図12に示す。
離が一定でない2つの自由曲線間に自由曲面を作成する
ものについて述べたが、本発明はこれに限らず、図13
に示すように曲線間の距離が一定でない2つの円や交差
する2つの自由曲線間に自由曲面を作成するものでも良
い。
定半径rによつて生成された複数の円弧ベクトルARC
i ( i= 1〜10)に基づいて自由曲面を作成するものに
ついて述べたが、本発明はこれに限らず、半径の異なる
複数の円弧を生成し、これらの円弧に基づいて自由曲面
を作成するようにしても良い。
由曲線上の基準点における接線を法線として平面を生成
し、第2の自由曲線と平面との交点を求め、基準点と交
点とを端点とする円弧を第1の自由曲線上の点群の各々
について生成し、自由曲面を生成することにより、2つ
の自由曲線間に指定半径を有する自由曲面を容易に生成
することができる。
成装置を適用したCAD/CAMシステムの一実施例の
全体構成を示すブロツク図である。
る略線図である。
順を示すフローチヤートである。
線図である。
線ベクトルを法線として定義した平面を示す略線図であ
る。
線図である。
いた2つの円の交点を示す略線図である。
ある。
図である。
れた円弧群を示す略線図である。
面を示す略線図である。
由曲面を示す略線図である。
を示す略線図である。
成装置、A……基準線、B……相対線、Q1■10……基
準点、P1■10……交点、PL1■10……平面、ARC
1■10……円弧。
Claims (6)
- 【請求項1】3次元空間中の第1及び第2の自由曲線間
に球を回転移動させ、当該球の移動軌跡に応じた自由曲
面を作成する自由曲面作成方法において、 上記第1の自由曲線上に複数の基準点を設定し、それぞ
れ上記基準点における上記第1の自由曲線の接線を法線
として上記基準点を含む複数の平面を生成し、 上記第2の自由曲線と上記複数の平面との複数の交点を
求め、 それぞれ上記複数の平面上で上記基準点と上記交点とを
端点とする所定半径の円弧を複数生成し、 上記第1の自由曲線、上記第2の自由曲線及び複数の上
記円弧に基づいて自由曲面を生成することを特徴とする
自由曲面作成方法。 - 【請求項2】上記円弧は、 上記第1の自由曲線上の上記基準点と上記第2の自由曲
線上の上記交点とを端点とし所定半径の第1及び第2の
円弧を求め、 上記基準点における上記第1の自由曲線の接線ベクトル
と上記基準点から上記第2の自由曲線への方向ベクトル
との外積を求め、 上記基準点における上記第1及び第2の円弧の第1及び
第2の接線を求め、 上記外積に近い上記第1又は第2の接線を有する上記第
1又は第2の円弧のみを生成することを特徴とする請求
項1に記載の自由曲面作成方法。 - 【請求項3】上記自由曲面は、上記第1の自由曲線、上
記第2の自由曲線、複数の上記円弧及び当該円弧上の点
群に基づき、最小二乗近似により近似生成することを特
徴とする請求項1に記載の自由曲面作成方法。 - 【請求項4】3次元空間中の第1及び第2の自由曲線間
に球を回転移動させ、当該球の移動軌跡に応じた自由曲
面を作成する自由曲面作成装置において、 上記第1の自由曲線上に複数の基準点を設定し、それぞ
れ上記基準点における上記第1の自由曲線の接線を法線
として上記基準点を含む複数の平面を生成する平面生成
手段と、 上記第2の自由曲線と上記平面生成手段によつて生成さ
れた上記複数の平面との複数の交点を求める交点検出手
段と、 上記複数の平面上で上記基準点と上記交点とを端点とす
る所定半径の円弧を複数生成する円弧生成手段と、 上記第1の自由曲線、上記第2の自由曲線及び上記円弧
生成手段によつて生成された複数の上記円弧に基づいて
自由曲面を生成する曲面生成手段とを具えることを特徴
とする自由曲面作成装置。 - 【請求項5】上記円弧生成手段は、 上記第1の自由曲線上の上記基準点と上記第2の自由曲
線上の上記交点とを端点とし所定半径の第1及び第2の
円弧を求め、 上記基準点における上記第1の自由曲線の接線ベクトル
と上記基準点から上記第2の自由曲線への方向ベクトル
との外積を求め、 上記基準点における上記第1及び第2の円弧の第1及び
第2の接線を求め、 上記外積に近い上記第1又は第2の接線を有する上記第
1又は第2の円弧のみを生成することを特徴とする請求
項4に記載の自由曲面作成装置。 - 【請求項6】上記曲面生成手段は、上記第1の自由曲
線、上記第2の自由曲線、複数の上記円弧及び当該円弧
上の点群に基づき、最小二乗近似により自由曲面を近似
生成することを特徴とする請求項4に記載の自由曲面作
成装置。
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