(57)【要約】【課題】  金型の微修正に対応して金型CADモデルを変形する。【解決手段】  FEMメッシュモデル作成部14は、金型CADモデルの面に対応する、有限要素法の要素と節点を示すメッシュモデルを作成する。交点算出部19は、金型CADモデルに基づき作成され、微修正された金型の測定データ、および、メッシュモデルに基づき、測定データに測定点が存在する領域に対応する、メッシュモデルの第一の節点の変位ベクトルを算出する。力学的変形ソルバ部15は、変位ベクトル、および、金型CADモデルによって作成する金型がプレス成形する材料に関する情報に基づき、メッシュモデルを変形する。CADモデル変形部16は、メッシュモデルの節点と、メッシュモデルの変形前後の節点の変位に基づき、金型CADモデルを構成する基底面を変形して、変形後の金型CADモデルを生成する。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型CADモデルの面に対応する、有限要素法の要素と節点を示すメッシュモデルを作成する作成手段と、
前記金型CADモデルに基づき作成され、微修正された金型の測定データ、および、前記メッシュモデルに基づき、前記測定データに測定点が存在する領域に対応する、前記メッシュモデルの第一の節点の変位ベクトルを算出する算出手段と、
前記変位ベクトル、および、前記金型CADモデルによって作成する金型がプレス成形する材料に関する情報に基づき、前記メッシュモデルを変形する変形手段と、
前記メッシュモデルの節点と、前記メッシュモデルの変形前後の節点の変位に基づき、前記金型CADモデルを構成する基底面を変形して、変形後の金型CADモデルを生成する生成手段とを有することを特徴とする金型設計装置。
【請求項２】
前記作成手段は、前記金型CADモデルを多面体近似して前記メッシュモデルを作成することを特徴とする請求項1に記載された金型設計装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記第一の節点から延伸した法線と前記測定データによって表される立体面の交点を結ぶ変位ベクトルを計算することを特徴とする請求項1または請求項2に記載された金型設計装置。
【請求項４】
前記変形手段は、前記第一の節点を前記変位ベクトル分移動した結果から、前記測定データに測定点が存在しない領域に対応する、前記メッシュモデルの第二の節点の変位ベクトルを計算する手段を有し、
前記第一の節点の変位ベクトル、および、前記第二の節点の変位ベクトルによって前記メッシュモデルを変形することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載された金型設計装置。
【請求項５】
前記生成手段は、前記変形前後の節点の変位に従い前記基底面の有効領域を表す境界線を変形する境界線変形手段、前記変形前後の節点の変位に従い前記基底面を変形する基底面変形手段、および、前記変形した基底面を前記変形した境界線で切り取った部分面を有効領域とする切取手段を有し、前記部分面をつないで前記変形後の金型CADモデルにすることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載された金型設計装置。
【請求項６】
金型CADモデルの面に対応する、有限要素法の要素と節点を示すメッシュモデルを作成し、
前記金型CADモデルに基づき作成され、微修正された金型の測定データ、および、前記メッシュモデルに基づき、前記測定データに測定点が存在する領域に対応する、前記メッシュモデルの第一の節点の変位ベクトルを算出し、
前記変位ベクトル、および、前記金型CADモデルによって作成する金型がプレス成形する材料に関する情報に基づき、前記メッシュモデルを変形し、
前記メッシュモデルの節点と、前記メッシュモデルの変形前後の節点の変位に基づき、前記金型CADモデルを構成する基底面を変形して、変形後の金型CADモデルを生成することを特徴とする金型設計方法。
【請求項７】
コンピュータ装置を制御して、請求項1から請求項5の何れか一項に記載された金型設計装置の各手段として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項８】
請求項7に記載されたコンピュータプログラムが記録されたことを特徴とするコンピュータが読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力学的な解法により、複合曲面を変形して金型CADモデルを変形するデータ処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型作成において、NC加工（数値制御加工）した後の金型を人手により修正する（以下「微修正」と呼ぶ）ことがある。金型の破損を考慮して、あるいは、他の工場へ同じ金型を送る場合、微修正した金型を複製する必要がある。そこで、人手による金型の微修正をCAD（コンピュータ支援設計）データに反映して、NC加工用の情報を生成する方法がある。具体的には、微修正後の金型を測定器で計測し、測定データに合うように微修正前の金型CADデータを編集する。
【０００３】
しかし、実際の金型においては、絞り工程における絞り型には空気を排出するための通気穴が設けられていたり、トリム工程におけるトリム型は必要な金型部分以外は材料費削減などの理由から作成しない、などが多い。つまり、金型CADモデルと異なり、実際の金型は、部分的に省かれた形状を有する場合がある。
【０００４】
部分的に省かれた形状を有する金型を測定すれば、金型端部までの充分な測定データが得られない。言い換えれば、微修正後の金型CADデータを生成するための測定点群データが不足する。その結果、測定点群が存在しない金型表面の位置においては、金型CADモデルを変形した後の金型CADモデル面の位置が不定になるため、変形後の金型CADモデル面の品質に問題が生じる。
【０００５】
【特許文献１】特開2002-342390号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、金型の微修正に対応して金型CADモデルを変形することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【０００８】
本発明は、金型CADモデルの面に対応する、有限要素法の要素と節点を示すメッシュモデルを作成し、前記金型CADモデルに基づき作成され、微修正された金型の測定データ、および、前記メッシュモデルに基づき、前記測定データに測定点が存在する領域に対応する、前記メッシュモデルの第一の節点の変位ベクトルを算出し、前記変位ベクトル、および、前記金型CADモデルによって作成する金型がプレス成形する材料に関する情報に基づき、前記メッシュモデルを変形し、前記メッシュモデルの節点と、前記メッシュモデルの変形前後の節点の変位に基づき、前記金型CADモデルを構成する基底面を変形して、変形後の金型CADモデルを生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、金型の微修正に対応して金型CADモデルを変形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明にかかる実施例の金型設計装置であるCADシステムを図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
［装置の構成と処理］
図1は実施例の力学的変形処理部12の構成例を示すブロック図である。なお、力学的変形処理部12は、CADシステムの一部として構成される。
【００１２】
入力データメモリ11は、CADシステムで生成された金型CADモデル、微修正後の金型の測定データ、および、プレス成形する板の材料・板厚を示すデータを記憶する。これらの入力データは、力学的変形処理部12を含むCADシステムなどによって生成または入力されるデータである。
【００１３】
入力データメモリ11が記憶する金型CADモデルは、微修正前の金型の金型CADモデルである。測定データは、立体の表面を三角形群によって表現するSTL(stereolithography interface format)データ形式を有し、測定点群を頂点とする三角形群を表すデータである。また、材料に関するデータは、ヤング率、ポアソン比などの値を含む。
【００１４】
力学的変形処理部12の演算部13は、入力データメモリ11が記憶する金型CADモデルに、測定データ、材料・板厚に応じた変形を施す。
【００１５】
図2は演算部13による金型CADモデルの変形処理例を示すフローチャート、図8は金型FEMメッシュモデル、測定データ、変位ベクトル、変形メッシュモデルの関係を説明する模式図である。
【００１６】
有限要素法(FEM)メッシュモデル作成部14は、入力データメモリ11が記憶する金型CADモデルの面30（図8(a)参照）に相当するFEMの節点を示すメッシュモデル31を作成する（図8(b)参照）。なお、メッシュモデルには厚さはないが、作図の都合上、図8にはメッシュモデルが厚さを有するように表現する。そして、作成した金型FEMメッシュモデル31を中間データメモリ17に格納する(S101)。なお、金型FEMメッシュモデル31は、解析対象（この場合、金型CADモデルの面30）を細かな要素（メッシュ）に分割した解析用のモデルである。
【００１７】
図3は金型FEMメッシュモデル31を作成する方法を説明する図である。FEMメッシュモデル作成部14は、図3に示すように、CADモデルを多面体近似して、金型FEMメッシュモデル31を作成する。
【００１８】
次に、交点算出部19は、図8(c)に示すように、中間データメモリ17から金型FEMメッシュモデル31を読み出し、金型FEMメッシュモデル31の各節点から法線を延伸して、測定データが表す、後述する立体面35との交点を算出する。そして、節点から交点に至るベクトルを当該節点の変位ベクトル36として中間データメモリ17に格納する(S102)。なお、交点算出部19は、測定点群が存在する領域すべての節点について、交点を算出し、変位ベクトル36を中間データメモリ17に格納する。
【００１９】
図4は節点と交点の関係を示す図である。
【００２０】
金型FEMメッシュモデル31の節点Aから延伸した法線32は、測定データに対応する測定点33を結んだ三角形よって表される立体面35と交差する。図4(b)に拡大して示すように、法線32と立体面35の交点付近を拡大すると、何れか三つの測定点33を頂点とする立体面35と法線32が交差する。つまり、変位ベクトル36は、金型FEMメッシュモデル31の節点Aと立体面35上の交点Bを結ぶベクトルである。
【００２１】
次に、力学的変形ソルバ部15は、中間データメモリ17から金型FEMメッシュモデル31と変位ベクトル36を読み出し、金型FEMメッシュモデル31の節点を変位ベクトル36分、強制的に変位する。そして、図8(d)に示すように、有限要素法の静解析として知られる方法を用いて、節点の強制的な変位結果から、測定点群が存在しない領域の節点の変位ベクトル37を計算する。そして、図8(e)に示すように、計算した変位ベクトル37を測定点群が存在しない領域の各節点に適用した変形メッシュモデル38を作成する。そして、作成した変形メッシュモデル38を中間データメモリ17に格納する(S103)。なお、静解析については後述する。
【００２２】
次に、CADモデル変形部16は、中間データメモリ17から変形前後のメッシュモデル31、38を読み出し、両者を比較して、各節点の変位ベクトルを求める。そして、その変位ベクトルを入力データメモリ11が記憶するCADモデルに適用して、変形金型CADモデルを作成する。そして、作成した変形金型CADモデルを出力データメモリ18に格納する(S104)。
【００２３】
図5は変位ベクトルを適用して金型CADモデルを変形する様子を示す図である。
【００２４】
FEMメッシュモデル作成部14は、金型CADモデルを多面体近似して金型FEMメッシュモデル31を作成するので、金型FEMメッシュモデル31の各節点は金型CADモデル上に位置する。そのため、節点に対応する変位ベクトルは、金型CADモデルの面30上の点（以下、面上点）に対応する移動ベクトルと考えることができる。つまり、CADモデル変形部16は、金型CADモデル上の離散的な複数の面上点と、各面上点の移動ベクトルを使って、金型CADモデルを変形する。
【００２５】
なお、金型CADモデルを構成する各面（フェイス）は、図6(a)に示すように、四辺形の基底面を閉曲線（境界線）で切り取り、部分面として定義される。従って、金型CADモデルを変形するには、フェイスごとに、基底面を変形する必要がある。より詳しくは、基底面と境界線を変形し、変形後の基底面を変形後の境界線で切り取った変形後の部分面をつなぎ合わせる必要があるが、その詳細は後述する。
【００２６】
特許文献1として提示する文献は、CAE（コンピュータ支援エンジニアリング）解析における変形前後のメッシュモデルを利用して、CADモデルの面形状を変形する方法を開示する。特許文献1が開示する方法は、節点に対応しない部位の変形は、節点との位置関係に応じて、曲面の制御点を直接変位させる方法であり、有効領域である部分面外の基底面の変形を考慮しない。表示を目的とする特許文献1の方法は、変形後の面の精度や品質が問題にならない表示などの用途においては、高速処理の利点をもつ。しかし、金型作成用途には、曲面の変形に充分な精度や面品質が得られず、特許文献1が開示する方法を利用することはできない。
【００２７】
本実施例の方法は、フェイス単位にCADモデルのフェイスとメッシュモデルを対応付け、有効領域である部分面内の、メッシュモデルの節点の変位ベクトルに基づき、部分面外を含めて該当する基底面全体を変形する。従って、変形後の面の充分な精度と面品質を確保することができる。
【００２８】
［静解析］
静解析では、エネルギ最小の原理に基づき、下に示す一次連立方程式が成立する。つまり、式(1)に示す、連立方程式の各行が個々の節点に対応するn元一次方程式を解くことにより、変位指示点以外の各節点の未知の変位ベクトルを求める。
[K]{x} = {F}      …(1)
ここで、[K]はn×nの剛性マトリクス、
{x}はn要素の変位ベクトル、
{F}はn要素の外力を示すベクトル、
nは節点の数。
【００２９】
剛性マトリクスは、板厚、ヤング率、ポアソン比など、材料の特性、要素と節点の関係、節点座標値などから計算する。
【００３０】
式(1)の[K]は、メッシュの形と材料から計算される。{x}について、変位が指示された節点の行にはその値が入り、変位が指示されていない節点には未知数が入る。この未知数が変位が指示されていない節点の変位になる。
【００３１】
{F}について、変位が指示された節点の行には未知数が入り、変位が指示されていない節点にはゼロが入る。ゼロは外力が加わっていないことを意味し、この未知数が、変位が指示された節点に加わる力を意味する。
【００３２】
未知数は全部でn個であり、n元一次連立方程式を解くことにより、n個の未知数の値を決定する。なお、x、y、zの各座標値ごとに、連立方程式を解く。
【００３３】
［変形後の部分面の作成］
図6は境界線の変形を説明する図である。
【００３４】
まず、図6(a)に示す境界線を変形するために、図6(b)に示すように、変形前の境界線上に多数の点を生成する。そして、図6(c)に示すように、境界線上の点を内部に含む要素を特定し、その要素の節点の変位ベクトルから、境界線上の各点の移動ベクトルを補間演算する。
【００３５】
次に、図6(d)に示すように、各点に移動ベクトルを適用して各点を移動し、図6(e)に示すように、移動後の点列から変形後の境界線を作成する。
【００３６】
図7は基底面の変形を説明する図である。
【００３７】
まず、図7(a)に示すように、基底面のパラメタ一定線を格子状に生成する。そして、各パラメタ一定線を変形するために、境界線の場合と同様、パラメタ一定線上に多数の点を生成して、図7(b)に示すように、各点の移動ベクトルを求める。
【００３８】
次に、図7(c)に示すように、各点に移動ベクトルを適用して各点を移動し、移動後の点列から移動後のパラメタ一定線を作成する。ただし、有効領域外は、周辺に、該当フェイス上の節点が存在しないため、有効領域外の点に対する移動量の算出方法が問題になる。そこで、例えば、図7(d)に示すように、有効領域外の点に最も近い境界線上の点の移動ベクトルを有効領域外の点の移動ベクトルとする。
【００３９】
次に、図7(e)に示すように、格子状の移動後のパラメタ一定線から、変形後の基底面を作成する。そして、図7(f)に示すように、変形後の基底面を変形後の境界線で切り取り、変形後の部分面を作成する。
【００４０】
従来、曲面式を数学的に処理して曲面の変形を行ってきた。これに対して、本実施例は、CADシステム上で変形した曲面の形状が実世界の板の弾性変形に近い結果を示すように、CADシステムの曲面変形を物理現象として捉え、板の変形シミュレーションを使用して、曲面変形を行う。つまり、金型CADモデルからFEMのメッシュモデルを作成し、メッシュモデルの幾つかの節点を強制変位により拘束して、メッシュモデルを変形する。その後、変形前後のメッシュモデルの節点の変位ベクトルを金型CADモデルの曲面に反映し、変形後の金型CADモデルの曲面を作成する。
【００４１】
このように、微修正前の金型CADモデルのFEMメッシュモデルを作成し、測定点群が存在する領域に対応するFEMメッシュモデルの節点の変位ベクトルを計算する。これら変位ベクトルを強制変位として、FEMメッシュモデルの全体を変形する。これにより、微修正前後のFEMメッシュモデルを作成し、FEMメッシュモデルの変形を金型CADモデルに反映する。従って、微調整後の金型において測定できない部分が存在する場合、微調整後の金型の測定データと微調整前の金型CADモデルから、微調整後の金型CADモデルを算出することができる。その結果、少ない工数で高品質の変形曲面を生成して、微修正された金型を容易に複製することができる
【００４２】
［変形例］
図1に示す入力データメモリ11、中間データメモリ17、出力データメモリ18は個別に用意してもよいが、例えばCADシステムのハードディスクなど一つのメモリ内に対応する領域を割り当ててもよい。
【００４３】
また、演算部13は、CADシステムを構成するコンピュータに力学的変形処理部12が実行する処理を記述したプログラムを実行させることにより、実現される。
【００４４】
上記では、力学的変形ソルバ部15が、変形前のメッシュモデルの各節点に変位ベクトルを加えて変形後のメッシュモデルを作成する例を説明した。こうすれば、変形後のメッシュモデルを観察することが可能になる。しかし、変形後のメッシュモデルを作成せずに、全節点の変位ベクトルをデータファイルとして中間データメモリ17に格納してもよい。こうすれば、変形前後のメッシュモデルから、各節点の変位ベクトルを求めるCADモデル変形部16の処理が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例の力学的変形処理部の構成例を示すブロック図、
【図２】演算部による金型CADモデルの変形処理例を示すフローチャート、
【図３】メッシュモデルを作成する方法を説明する図、
【図４】図4は節点と交点の関係を示す図、
【図５】変位ベクトルを適用して金型CADモデルを変形する様子を示す図、
【図６】境界線の変形を説明する図、
【図７】基底面の変形を説明する図、
【図８】金型FEMメッシュモデル、測定データ、変位ベクトル、変形メッシュモデルの関係を説明する模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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