(57)【要約】【課題】複数台の専用コンピュータを別途導入することなく、ロボットが緊急停止する事象が発生した際のロボットの復旧動作を短時間でシミュレーションする。【解決手段】歪み量解析装置は、ワークのモデルとクランブ部のモデルの配置に基づいて、クランプ領域を抽出し（ステップＳ１０７）、抽出された前記クランプ領域内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定し（ステップＳ１０８、ステップＳ１０９）、有限要素法を実行して歪み量を求める（ステップＳ１１０、ステップＳ１１１）。【選択図】            図５
2006040066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランプ手段によりクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析する歪み量解析装置であって、
前記ワークと前記クランプ手段の各３次元形状モデルの配置に基づいて、クランプ時に前記クランプ手段が前記ワークに当接する領域に対応するクランプ領域を抽出する抽出手段と、
抽出された前記クランプ領域内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定する設定手段と、
設定されたメッシュを用いて有限要素法解析を実行し、ワークの歪み量を算出する算出手段と、を有することを特徴とする歪み量解析装置。
【請求項２】
前記設定手段は、
前記ワークの３次元形状モデルの全体に対してメッシュを設定する基準メッシュ設定手段と、
前記クランプ領域内に含まれる前記メッシュを予め定められた分割基準にしたがって分割するメッュ分割手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の歪み量解析装置。
【請求項３】
さらに、前記算出手段によって算出されたワークの歪み量と所定の基準値とを比較する歪み量評価手段を有することを特長とする請求項１に記載の歪み量解析装置。
【請求項４】
前記歪み量が前記所定の基準値以内に収まらない場合には、前記ワークと前記クランプ手段の各３次元形状モデルの配置を自動的に変更するモデル処理手段を有することを特徴とする請求項３に記載の歪み量解析装置。
【請求項５】
さらに、前記ワークの３次元形状モデルに対して前記クランプ手段の３次元形状モデルを仮想的に駆動して干渉の有無を判断する干渉シミュレーション手段を有し、
前記抽出手段は、干渉がないことが前記干渉シミュレーション手段によって確かめられた状態における前記ワークと前記クランプ手段の各３次元形状モデルの配置に基づいて、前記クランプ領域を抽出することを特徴とする請求項１に記載の歪み量解析装置。
【請求項６】
クランプ手段によりクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析する歪み量解析方法であって、
前記ワークと前記クランプ手段の各３次元形状モデルの配置に基づいて、クランプ時に前記クランプ手段がワークに当接する領域に対応するクランプ領域を抽出する段階と、
抽出された前記クランプ領域内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定する段階と、
設定されたメッシュを用いて有限要素法解析を実行し、ワークの歪み量を算出する段階と、を有することを特徴とする歪み量解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪み量解析装置およびその方法に関し、特に、クランプ手段によりクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析する歪み量解析装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有限要素法による解析のためには、解析対象物に対して複数の三角形要素または四角形要素などの有限要素からなるメッシュを設定する必要がある。従来からメッシュを自動的に発生するための種々の技術が知られており、その一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
有限要素法は様々な分野で有益に使用されている。たとえば、クランプ手段によってクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析する技術は、適切なクランプ手段を設計するために不可欠である。
【０００４】
しかしながら、クランプ手段によってクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析するために、ワーク全体に対して細かなメッシュを設定するのでは、高精度に歪み量を算出することができるものの、計算量が増加してコンピュータへの計算負荷が高まり、解析に要するために長時間が必要となる。一方、ワーク全体に対して粗いメッシュを設定するのでは、高精度に歪み量を算出することが難しくなる。
【特許文献１】特開平６−２８４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、解析に伴う計算負荷を抑制して解析に要する時間を短縮しつつ、歪み量を高精度に算出することができる歪み量解析装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための手段は、以下のように構成される。
【０００７】
（１）本発明の歪み量解析装置は、クランプ手段によりクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析する歪み量解析装置であって、前記ワークと前記クランプ手段の各３次元形状モデルの配置に基づいて、クランプ時に前記クランプ手段が前記ワークに当接する領域に対応するクランプ領域を抽出する抽出手段と、抽出された前記クランプ領域内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定する設定手段と、設定されたメッシュを用いて有限要素法解析を実行し、ワークの歪み量を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
（２）本発明の歪み量解析方法は、クランプ手段によりクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析する歪み量解析方法であって、前記ワークと前記クランプ手段の各３次元形状モデルの配置に基づいて、クランプ時に前記クランプ手段がワークに当接する領域に対応するクランプ領域を抽出する段階と、抽出された前記クランプ領域内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定する段階と、設定されたメッシュを用いて有限要素法解析を実行し、ワークの歪み量を算出する段階と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の歪み量解析装置およびその方法によれば、クランプ領域を抽出し、抽出されたクランプ領域内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定して有限要素法を実行するので、解析に伴う計算負荷を抑制して解析に要する時間を短縮しつつ、歪み量を高精度に算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施の形態）
本実施の形態の歪み量解析装置は、クランプ部（クランプ手段）によってクランプされたワークの歪み量を有限要素法により解析する歪み量解析装置である。
【００１１】
生産ラインにおいて加工時に使用されるクランプ部の設計に関しては、ワークがクランプ部のクランプ力によって変形しないこと（歪み量が規定値以下に収まること）と、クランプとワークとが干渉しない機構であることとが前提となる。
【００１２】
ここで、本実施の形態の歪み量解析装置は、有限要素法による歪み量の算出と、クランプ部とワークとの干渉解析とを一台の装置で連続的に実行する装置である。
【００１３】
図１は、本実施の形態の歪み量解析装置の概略構成を示すブロック図である。歪み量解析装置１は、パーソナルコンピュータおよびエンジニアリングワークステーションなどのコンピュータである。歪み量解析装置１は、プロセッサ１１、表示部１２、メモリ１３、操作部１４、およびハードディスク１５を備える。
【００１４】
表示部１２は、ＣＲＴや液晶ディスプレイなどのディスプレイである。表示部１２は、ワーク、クランプ部、治具、および油圧シリンダなど各部の３次元形状モデル（以下、単に「モデル」と称する）を表示し、また、有限要素法による解析結果を表示する際に用いられる。
【００１５】
メモリ１３は、各種のパラメータやデータを一時的に記憶するために用いられる。操作部１４は、キーボードやマウスなどのポインティングデバイスである。操作部１４は、利用者が指示を与えたり、各部のモデルを作成し、編集し、必要に応じて画面上で移動して位置を設定する際に用いられる。
【００１６】
ハードディスク１５は、コンピュータプログラムおよび各種のデータを格納するものである。たとえば、ハードディスク１５は、ワーク、クランプ部、治具、および油圧シリンダなど各部のモデルを格納したり、油圧シリンダの諸元データを格納する。さらに、後述するようにメッシュを分割する際の細かさ（メッシュの緻密度）を示すデータ（以下、「分割基準」と称する）についてもハードディスク１５に格納されている。なお、本実施の形態とは異なり、ハードディスク１５に代えて、他の記録媒体を採用してもよいことはもちろんである。また、モデルは、利用者によるＣＡＤ設計によって新たに作られてもよい。
【００１７】
最後に、プロセッサ１１は、種々の演算と制御を実行するものであり、具体的にはＣＰＵである。プロセッサ１１は、ハードディスク１５に格納されているプログラムを実行することによって、種々の役割を担当している。具体的には、プロセッサ１１は、たとえば、モデル処理部（モデル処理手段）、干渉シミュレーション部（干渉シミュレーション手段）、基準メッシュ設定部（基準メッシュ設定手段）、クランプ領域抽出部（抽出手段）、メッシュ分割部（メッシュ分割手段）、ＦＥＭ解析部（算出手段）、および歪み量評価部（歪み量評価手段）として機能する。各部の詳細は、後述するフローチャートによって示されるので、詳しい説明を省略する。
【００１８】
次に、本実施の形態における歪み量解析装置による解析対象となるワーク、クランプ部、クランプ治具、および油圧シリンダの関係について説明する。
【００１９】
図２は、歪み量解析装置による解析対象となるワーク、クランプ部、クランプ治具、および油圧シリンダの関係の一例について示す模式図である。
【００２０】
クランプ部２２は、クランプ治具２３に取り付けられており、油圧シリンダ２４によって駆動されるものである。クランプ部２２は、ワーク２１をクランプして、ワーク２１をクランプ治具２３に固定する。
【００２１】
図３は、クランプ部２２の駆動の様子を示した模式図である。クランプ部２２の基部には、油圧シリンダ２４の軸が摺動自在に連結されている。油圧シリンダ２４がクランブ部２２の基部を押し上げると、クランプ部２２は支点を中心に回動し、クランプ部２２の端部がワークに当接される。
【００２２】
たとえば、油圧シリンダ２４がＦの力を加えると、クランプ部２２の端部は、１点あたり荷重ｆをワーク２１に加える。ワーク２１に加えられる荷重ｆは、油圧シリンダ２４の諸元データと、油圧シリンダ２４による力を伝える伝達経路（すなわち、クランプ部２２およびクランプ治具の構成）によって定まる。
【００２３】
図４（Ａ）は、ワークに与えられる荷重の例を示している。一つのクランプ治具２３には、たとえば、４つのクランブ部２２が設けられており、各クランプ部２２によってワーク２１の角部に近い箇所がクランプされる。図４（Ｂ）は、ワーク２１への荷重条件および拘束条件の一例を示す。クランプ時にクランク部２２がワークに当接する領域（クランプ領域）とクランプ領域に加わる荷重の大きさによって荷重条件が定まり、クランプ治具２３とワーク２１との関係から拘束条件が定まる。
【００２４】
以上のようなワーク２１、クランプ部２２、クランプ治具２３、および油圧シリンダ２４は、３次元ＣＡＤデータとしてモデル化され、これらのモデルに基づいて本実施の形態の歪み量解析装置による処理が実行される。
【００２５】
以下、本実施の形態の歪み量解析装置による処理内容を説明する。図５は、本実施の形態の歪み量解析装置による処理内容の一例を示すフローチャートである。図５のフローチャートに示される処理手順は、コンピュータプログラムとしてハードディスク１５など記録媒体に格納されており、プロセッサ１１によって実行される。また、言い換えれば、図５は、本実施の形態の歪み量解析方法の各段階を示すものともいえる。
【００２６】
ステップＳ１０１では、モデルが取得される。標準的なワーク２１、クランプ部２２、およびクランプ治具２３は、３次元ＣＡＤデータとしてモデル化されており、たとえば、ハードディスク１５内に格納されている。したがって、利用者の指示を受け付けて、該当するモデルが読み出される。また、他のＣＡＤ装置（不図示）からネットワーク（不図示）を通じて、標準的なモデルが取得されてもよい。また、歪み量解析装置１は、いわゆるＣＡＤ機能を有しているので、歪み量解析装置１１の操作部１４を通じて、利用者が新たにモデルを作成したり、編集したりすることもできる。
【００２７】
次いで、ステップＳ１０２では、モデルの全体に対してメッシュが設定される。ステップＳ１０２の処理は、具体的には、ステップＳ１０１で取得されたモデルに対して所定の緻密度（以下、「第１緻密度」と称する）でメッシュを設定する処理に該当する。たとえば、メッシュを発生させるために、上述した先行特許文献に開示された種々の方法を採用することができる。第１緻密度に関するデータは、ユーザによって予め設定され、ハードディスクなどに格納しておくことができる。設定されるメッシュが比較的粗くなるように第１緻密度が設定されることが望ましい。
【００２８】
ステップＳ１０３では、設計指示に基づいてクランプ部２２のモデルおよびクランプ治具２３のモデルが編集される。具体的には、この状態では、各モデルの形状を修正することができ、ワーク２１のモデルの配置を修正することもできる。なお、通常は、操作部１４を通じて利用者から設計内容が指示がなされる。しかしながら、後述する干渉解析や有限要素法解析の結果に応じて、ワークのモデルに対するクランプ治具２３のモデルの位置を所定の方向へ一定量ずつ移動することを内容とする自動的な設計を実行することもできる。
【００２９】
次いで、ステップＳ１０４では、油圧シリンダ２４のモデルが配置される。たとえば、利用者は、採用する油圧シリンダのモデルを複数種類の油圧シリンダ２４のモデルのうちから操作部１４を通じて適宜に指定できる。この結果、画面上に指定された油圧シリンダ２４のモデルが配置される。なお、油圧シリンダ２４のモデルの種類別に油圧シリンダ２４の諸元データが関連づけられている。ここで、油圧シリンダ２４の諸元データには、油圧シリンダ２４によって与えられる荷重Ｆが含まれている。したがって、油圧シリンダ２４のモデルが配置されることによって、油圧シリンダ２４の種類が特定され、油圧シリンダ２４によって与えられる荷重Ｆが設定されることとなる。
【００３０】
ステップＳ１０５では、干渉解析が実行される。図６にワーク２１とクランプ部２２とが干渉状態となる例を示している。ステップＳ１０５では、ワーク２１のモデルに対してクランプ部２２のモデルを仮想的に駆動して干渉の有無が判断される。たとえば、クランプ部２２のモデルにおいて支点の位置が設定されているので、この支点を中心としてクランプ部２２のモデルが所定角度にわたって回転するように座標変換する。座標変換後の状態で、クランプ部２２のモデルの座標とクランプ部２２のモデルが重なるか否かを判別することによって、干渉の有無が判断される。なお、ステップＳ１０２で設定されたメッシュの節点の座標を利用して、クランプ部２２のモデルの座標とクランプ部２２のモデルが重なるか否かを判断することもできる。
【００３１】
続いて、干渉があると判断される場合には（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に戻る。具体的には、干渉がある旨を表示部１２に表示して利用者へ知らせ、利用者からの指示に基づいて、ステップＳ１０３における設計変更が実施されてもよいし、ワークのモデルに対するクランプ治具２３のモデルの位置を所定の方向へ一定量ずつ移動するといった自動的な設計変更がなされてもよい。
【００３２】
干渉が解消されている状態では（ステップＳ１０６：ＮＯ）、引き続いて、ステップＳ１０７以下の処理に進む。ステップＳ１０７では、図７に示されるとおり、ワーク２１のモデルとクランブ部２２のモデルの配置に基づいて、クランプ時にクランブ部２２がワーク２１に当接する領域に対応するクランプ領域Ｓが抽出される。そして、クランプ領域Ｓ内に含まれるメッシュの要素が選択される。具体的には、ステップＳ１０２で設定されたメッシュの節点の座標から、クランプ部２０１がかかる要素が選択される。すなわち、クランプ領域Ｓに少しでも重なる有限要素は、クランプ領域Ｓ内のメッシュとされる。
【００３３】
次いで、ステップＳ１０８では、所定の分割基準にしたがってクランプ領域Ｓ内に含まれるメッシュが分割される。なお、分割基準は、たとえば、利用者によって予め設定されてハードディスク１５に格納されている。この結果、クランプ領域Ｓ内では、上記の第１緻密度よりも細かい第２値密度でメッシュが設定されることとなる。
【００３４】
言い換えれば、ステップＳ１０２およびステップＳ１０８では、抽出されたクランプ領域Ｓ内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定する処理である。
【００３５】
図８は、クランプ領域Ｓ内のメッシュを分割する処理を示す図である。図８（Ａ）は、ステップＳ１０２でメッシュが設定されたままの状態を示している。次いで、図８（Ｂ）に示されるように、クランプ領域Ｓが抽出さる。そして、最終的に、図８（Ｃ）に示されるとおり、クランプ領域Ｓ内のメッシュが分割される。
【００３６】
次いで、ステップＳ１０９では、ステップＳ１０１からステップＳ１０４で得られるワーク２１、クランプ部２２、クランプ治具２３、および油圧シリンダ２４の各３次元モデルの形状および配置の情報と、ステップＳ１０４で得られる油圧シリンダの諸元データと、ステップＳ１０７で抽出されたクランプ領域Ｓの範囲とに基づいて、有限要素法解析の解析条件（荷重条件）が自動的に設定される。
【００３７】
そして、ステップＳ１１０では、設定されたメッシュを用いて有限要素法解析が実行され、ワークの歪み量が算出される。なお、有限要素法解析自体は、抽出されたクランプ領域Ｓ内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるようにメッシュが設定されている点と、干渉解析に用いられる３次元形状データを直接的に利用して同一の装置内で有限要素法解析の解析条件が自動設定される点を除いて、たとえば、有限要素法入門（三好敏郎著  培風館）や非線形有限要素法（日本塑性加工学会編  コロナ社）などに記載されている一般的な有限要素法解析と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００３８】
次いで、ステップＳ１１１では、ステップＳ１１０で算出されたワーク２１の歪み量と所定の基準値とが比較される。たとえば、所定の基準値は、予め利用者によって設定されてハードディスク１５に格納されている。算出された歪み量が所定の基準値を超えている場合には（ステップＳ１１１：ＮＯ）、ステップＳ１０３に戻る。具体的には、歪み量が基準値を超えた旨を表示部１２に表示して利用者へ知らせ、利用者からの指示に基づいて、ステップＳ１０３における設計変更が実施してもよいし、ワークのモデルに対するクランプ治具２３のモデルの位置を所定の方向へ一定量ずつ移動し、適切なクランプ位置を自動的に検討してもよい。一方、算出された歪み量が所定の基準値以下である場合には、適切なクランプが可能であるとして、ステップＳ１１２に進む。
【００３９】
ステップＳ１１２では、ステップＳ１１６で干渉が無いことが確認され、さらに、ステップＳ１１１で、クランプによる歪み量が所定の基準値以下であることが確認された状態の各データが設備仕様として出力されて、処理が完了する。
【００４０】
以上のように、ステップＳ１０１、ステップＳ１０３、およびステップＳ１０４は、プロセッサ１１のモデル処理部としての機能に対応し、ステップＳ１０２は、プロセッサ１１の基準メッシュ設定部としての機能に対応する。また、ステップＳ１０５およびステップＳ１０６は、プロセッサ１１の干渉シミュレーションとしての機能に対応し、ステップＳ１０７は、プロセッサ１１のクランプ領域抽出部としての機能に対応する。ステップＳ１０８は、ＣＰＵのメッシュ分割部としての機能に対応する。ステップＳ１０９およびステップＳ１１０は、プロセッサ１１のＦＥＭ解析部としての機能に対応する。また、ステップＳ１１１は、ＣＰＵの歪み量評価部としての機能に対応する。
【００４１】
以上のように、本実施の形態の歪み量解析装置１について説明したが、本実施の形態の歪み量解析装置によれば、以下のような効果が得られる。
【００４２】
クランプ領域Ｓを抽出し、抽出されたクランプ領域Ｓ内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように有限要素法による解析に必要なメッシュを設定して有限要素法を実行するので、解析に伴う計算負荷を抑制して解析に要する時間を短縮しつつ、歪み量を高精度に算出することができる。
【００４３】
同一の３次元形状データに基づいて、クランプ部２２とワーク２１との干渉解析と、有限要素法による歪み量の算出とを一台の装置において同時に実行できるので、処理のやり直しを防止して、作業時間の短縮化を図ることができる。すなわち、有限要素法によって歪み量が規定値以内となる適切なクランプ条件を得ている場合に、その後の別途の装置での干渉解析で不成立が判明したり、逆に、干渉が生じないクランプ部２２が設計された場合に、その後の別途の装置での有限要素法による解析によって歪み量が規定値以内に収まらないことが判明するといった状況の発生を防止することができる。
【００４４】
ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３で所得された３次元形状データ（ＣＡＤデータ）に基づいてクランプ領域Ｓが抽出できるため、クランプ領域Ｓ内でのメッシュの分割を自動的に実行することができる。したがって、メッシュ修正工数が削減でき、解析精度も向上する。
【００４５】
ステップＳ１０１からステップＳ１０４で得られるワーク２１、クランプ部２２、クランプ治具２３、および油圧シリンダ２４の各３次元モデルの形状および配置の情報と、ステップＳ１０４で得られる油圧シリンダの諸元データと、ステップＳ１０７で抽出されたクランプ領域Ｓの範囲とに基づいて、クランプ領域Ｓに関して油圧シリンダ２４からクランプ治具２３やクランプ部２２の機構を介してワーク２１にかかる荷重を自動計算することができるので、有限要素法解析の解析条件（荷重条件）が自動的に設定できる。
【００４６】
以上のように、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は、これらの場合に制限されるものではなく、当業者によって種々の変形、省略、追加が可能である。
【００４７】
たとえば、上述した例では、干渉解析（ステップＳ１０４）の前に、ステップＳ１０２において、モデルの全体にメッシュが設定される。しかしながら、干渉解析時（ステップＳ１０４）には、必ずしもメッシュを設定しておく必要がない。たとえば、ステップＳ１０２の処理を省略し、ステップＳ１０７において、抽出された前記クランプ領域Ｓ内に含まれるメッシュが当該領域外の部位のメッシュよりも細かくなるように、有限要素法による解析に必要なメッシュを設定してもよい。
【００４８】
また、上述した例では、プロセッサ１１がプログラムを実行することによって、モデル処理部、干渉シミュレーション部、基準メッシュ設定部、クランプ領域抽出部、メッシュ分割部、ＦＥＭ解析部、および歪み量評価部として機能する場合を例にとって説明したが、論理集積回路などハードウェアを用いてこれらの各部の一部分を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態における歪み量解析装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態における歪み量解析装置による解析対象となるワーク、クランプ部、クランプ治具、および油圧シリンダの関係の一例について示す模式図である。
【図３】図２のクランプ部の駆動の様子を示した模式図である。
【図４】図２のワークに与えられる荷重の例を示す模式図である。
【図５】図１に示される歪み量解析装置による処理内容の一例を示すフローチャートである
【図６】図２のワークとクランプ部とが干渉状態となる例を示す図である。
【図７】モデルの配置に基づいてクランプ領域Ｓが抽出する例を示す図である。
【図８】クランプ領域内のメッシュを分割する処理を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    歪み量解析装置、
１１    プロセッサ、
１２    表示部、
１３    メモリ、
１４    操作部、
１５    ハードディスク、
２１    ワーク、
２２    クランプ部、
２３    クランプ治具、
２４    油圧シリンダ。
【図１】
2006040066.tif 000003
【図２】
2006040066.tif 000004
【図３】
2006040066.tif 000005
【図４】
2006040066.tif 000006
【図５】
2006040066.tif 000007
【図６】
2006040066.tif 000008
【図７】
2006040066.tif 000009
【図８】
2006040066.tif 000010