(57)【要約】【課題】本発明の目的は、部品の形状を設計するに際し、その部品の形状を効率的に最適化することの可能な設計支援システム及び設計支援方法を提供することである。【解決手段】部品の形状モデルを形成するＣＡＤシステム９と、前記ＣＡＤシステム９より受け取った前記形状モデルに基づき前記部品の形状の最適化を行う最適化システム１５とからなる設計支援システムにおいて、解析に必要な条件を入力する条件入力手段３１と、前記部品の形状モデルを簡易化する簡易化手段３２と、前記条件入力手段３１により入力された条件と前記簡易化手段３２により簡易化された形状モデルに基づき、前記部品の最適な形状モデルを算出する最適化手段３３と、前記最適化手段３３により算出された結果を、前記最適化システム１５から前記ＣＡＤシステム９に受け渡す受渡手段３４と、を有することを特徴とする。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品の形状モデルを形成するＣＡＤシステムと、前記ＣＡＤシステムより受け取った前記形状モデルに基づき前記部品の形状の最適化を行う最適化システムとからなる設計支援システムにおいて、
解析に必要な条件を入力する条件入力手段と、
前記部品の形状モデルを簡易化する簡易化手段と、
前記条件入力手段により入力された条件と前記簡易化手段により簡易化された形状モデルに基づき、前記部品の最適な形状モデルを算出する最適化手段と、
前記最適化手段により算出された結果を、前記最適化システムから前記ＣＡＤシステムに受け渡す受渡手段と、
を有することを特徴とする設計支援システム。
【請求項２】
前記簡易化手段は、前記部品の３次元形状モデルを２次元形状モデルに簡易化することを特徴とする請求項１記載の設計支援システム。
【請求項３】
前記ＣＡＤシステムはカムの形状モデルを形成し、前記最適化システムは前記カムの形状を最適化することを特徴とする請求項１又は２記載の設計支援システム。
【請求項４】
前記カムの回転トルクを最小化するように、前記カムの形状を最適化することを特徴とする請求項３記載の設計支援システム。
【請求項５】
前記カムの回転変動率を最小化するように、前記カムの形状を最適化することを特徴とする請求項３又は４記載の設計支援システム。
【請求項６】
部品の形状モデルを形成するとともに、前記形状モデルに基づき前記部品の形状の最適化を行う設計支援方法において、
解析に必要な条件を入力する条件入力工程と、
前記部品の形状モデルを簡易化する簡易化工程と、
前記条件入力工程により入力された条件と前記簡易化工程により簡易化された形状モデルに基づき、前記部品の最適な形状モデルを算出する最適化工程と、
を有することを特徴とする設計支援方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＡＤシステムを用いた部品形状の設計時に、目的とする機能を効率的に最適化する設計支援システム及び設計支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機構や構造の構想設計時に、その機能を確認する方法は机上の計算によって設計者が確認する方法をとっていた。しかし、この方法では詳細な計算ができず、また実現象に合致した計算が困難であり、詳細設計、試作検討時期に進むに従って、問題点が生じる事があった。また、詳細設計・試作検討時期に生じた問題点を解決するために対策を講じたとしても、大きな設計変更ができずにいた。
【０００３】
このような問題点を解決する方法として、例えば、特開２００４−３４１９４５号公報（以下、特許文献１という）に開示されているような設計支援方法がある。特許文献１に開示された設計支援方法では、設計しようとする複数の部品を取り出してＣＡＥ（Computer Aided Engineering）を用いてその機能を確認するための機能検討行程を設け、その結果によって設計を再検討するフィードバック行程を備えている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４１９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された方法では、部品の形状の自動最適化を行う場合、そのＣＡＤモデルを寸法駆動させてその解析を行う。このため、上記機能検討行程においてＣＡＤとＣＡＥとの間でデータをやりとりして最適化を実行する必要があった。この場合、以下のような課題が生ずる。
【０００６】
例えば、ＣＡＤモデルを全てＣＡＥに入力して解析する場合、特に複雑な形状や部品点数が多い場合、解析に時間がかかり数多くの自動解析ができず効率が非常に悪い。自動解析を実行する場合、数千解析を実行して最適解を導きだすため、解析モデルが複雑であると解析が実行できなくなり、或いは結果がでるまでに数十日かかる事もある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、部品の形状を設計するに際し、その部品の形状を効率的に最適化することの可能な設計支援システム及び設計支援方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の代表的な構成は、部品の形状モデルを形成するＣＡＤシステムと、前記ＣＡＤシステムより受け取った前記形状モデルに基づき前記部品の形状の最適化を行う最適化システムとからなる設計支援システムにおいて、解析に必要な条件を入力する条件入力手段と、前記部品の形状モデルを簡易化する簡易化手段と、前記条件入力手段により入力された条件と前記簡易化手段により簡易化された形状モデルに基づき、前記部品の最適な形状モデルを算出する最適化手段と、前記最適化手段により算出された結果を、前記最適化システムから前記ＣＡＤシステムに受け渡す受渡手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、解析に必要な条件を入力し、その条件に基づいて部品の最適な形状モデルが算出されるため、構想時に部品の形状を考えた時、目的とする機能を満足しているか、またコストなどを満足しているかなどを効率的に確認することができ、詳細設計時の問題点および手直しなどを減らすことができる。
【００１０】
また、本発明によれば、ＣＡＤシステムと最適化システムとを連携させる事によって、設計者への負担を軽減させ、設計者の設計業務を効率良く進めさせる事が可能になる。
【００１１】
また、本発明によれば、従来のおおがかりな解析を行わないで、簡易モデルによる解析が可能である。このため、解析に要する時間を最小限に抑えることができ、部品の形状を効率的に最適化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【００１３】
〔第１実施形態〕
図１〜図１１を用いて第１実施形態に係る設計支援システム及び設計支援方法ついて説明する。
【００１４】
本実施形態に係る設計支援システムは、図５に示すように、部品の形状モデルを形成するＣＡＤシステム９と、前記ＣＡＤシステム９より受け取った前記形状モデルに基づき前記部品の形状の最適化を行う最適化システム１５とからなる。
【００１５】
まず本実施形態に係る設計支援システムを用いて解析を行う解析用モデルの概略構成を説明する。本実施形態では、上記設計支援システムにおいて最適化を行う解析用モデルとして、シートを搬送するシート搬送ユニットを例示している。なお、ここでは前記モデルとしてシート搬送ユニットを例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１６】
図１及び図２は第１実施形態に係る設計支援システムを適用したシート搬送ユニットの解析用モデルを示す斜視図である。なお、図１及び図２では、ＣＡＤシステム９で設計したモデルで必要な部分のみを取り出して作成した解析用モデルを示している。実際のモデルはもっと複雑であるが、ここでは不必要な部品を取り除いて簡略化したものを図示している。
【００１７】
図１は、前記解析用モデルであるシート搬送ユニットが、シートを搬送している状態を示している。図１に示すシート搬送ユニットは、シートを挟持搬送することが可能な１対の搬送ローラ２，７を有している。搬送ローラ７はその両端が、回転中心４を中心にして揺動可能な加圧アーム３の軸受部８によって支持されている。この加圧アーム３の下側にはバネ５が配置されている。このバネ５によって搬送ローラ７を搬送ローラ２の方向に加圧している。各加圧アーム３の自由端上側には、軸６によって結合されたカム１が各々当接している。このカム１の回転により、搬送ローラ２に対する搬送ローラ７の加圧（当接）、加圧解除（離間）が行われる。
【００１８】
図１に示すカム１は静止状態にあり、搬送ローラ７はバネ５によって搬送ローラ２の方向に加圧され、搬送ローラ２，７によってシートが矢印方向に挟持搬送される。
【００１９】
シートの搬送途中でジャムなどが発生した場合は、カム１を回転させる駆動モータ（不図示）が駆動して、搬送ローラ７を搬送ローラ２から離間する方向に移動させる為にカム１を１８０°回転させる。これにより搬送ローラ７が搬送ローラ２から離間して加圧が解除され、ジャム処理がしやすくなる。
【００２０】
図３は図１に示す解析用モデルを更に簡易化した図である。図４は前記解析用モデルの部分拡大図である。今回、解析を実行するモデルはカム１の機構に関する解析を実行するため、図１に示すカム１の３次元モデルを切断して２次元モデルにしている。このようにカム１の機構を２次元モデルにする事によってモデルの簡易化が行われる。これにより、解析ボリュームが軽減し、解析時間が短くなる事が期待できる。
【００２１】
次に図５を用いて上記解析モデルの作成フローについて説明する。図５は設計モデルの簡易最適化手法のフローチャートである。図６は最適化システムの詳細フローチャートである。
【００２２】
まず、設計者はＣＡＤシステム９内で構想設計時の設計モデル１０を作成する。なお、本実施形態では図１及び図２を用いて説明した解析用モデルが設計モデル１０である。設計者はまず複写機本体のスペースに収まるように設計モデル１０を作成する。
【００２３】
次に同じＣＡＤシステム９上で求めたい機能、例えば、カムの回転トルクを最小化するための機構解析を行うための簡易モデル１１を作成する（簡易化工程）。すなわちＣＡＤシステム９上の簡易化手段３２にて部品の形状モデル（設計モデル１０）を簡易化して簡易モデル１１を作成する。なお、本実施形態では図３を用いて説明した２次元モデルが簡易モデル１１である。
【００２４】
本最適化フローに置いて、簡易モデル１１の作成が重要である。簡易化の方法は、大きく分けて、（１）解析対象の形状モデルを簡易化する方法と、（２）解析手法を簡易化する方法の２種類に分けることができる。以下、（１）、（２）の各方法について説明する。
【００２５】
（１）解析対象の形状モデルを簡易化する方法に関して、以下の４点の方法が考えられる。
【００２６】
（１−１）機構解析に関連する駆動部のみを取り出してモデル化し、それ以外の部品は省略する。
【００２７】
（１−２）同様の駆動部が複数存在する場合や、駆動部が左右対称な機構である場合は、代表となる１つの駆動部のみ取り出し、残りの部品を省略する。
【００２８】
（１−３）駆動する部品のうち、リブの様な駆動に関係しない形状に関しては、形状を省略する。
【００２９】
（１−４）駆動する部品のうち、機構解析ツールの解析設定を用いて簡易化が可能な場合は、それを用いる。例として、ジョイント部での部品同士の接触を直接解析せずに、解析ツール内のジョイント設定を用いることで簡易化する。
【００３０】
（２）解析手法を簡易化する方法に関して、以下の２点の方法が考えられる。
【００３１】
（２−１）駆動部の動作現象が２次元的である場合は、３次元モデルから代表する２次元断面を取り出して解析することで計算コストを抑えることが可能である。例えば、カムは２次元的な動作現象であるため、カムとカムに接触する部品の断面を取り出して解析することで計算コストを抑えることが可能である。この背景には、構想設計における最適化システムでの最適化工程では、定量的な評価は必要ではなく、定性的な評価によって最適化された設計変数を見つける事が重要である。従って、２次元による解析を複数回行った結果同士を比較検討し、相対的に優良な設計変数を採用することで目的を達成する事ができると考える。
【００３２】
（２−２）１つの部品が、異なる複数の現象を起こし、かつ個々の現象が互いに相互作用を引き起こさない部品を最適化する場合は、現象に関係する部分を取り出して個別に最適化することで計算コストを抑えることが可能である。例えば、カムは接触する部品を押し上げる行程と、押し下げる行程の２つの行程を１つの部品で行っており、個々の現象は互いに相互作用を引き起こさない。そのため、押し上げる行程と押し下げる行程の２つに部品分けて最適化を行うことで、計算コストを抑えることが可能である。
【００３３】
以上の点を考慮して、機構解析ツールの解析設定を行う。
【００３４】
次に、ＣＡＤシステム９の条件入力手段３１にて、機構解析に必要な条件１３、例えば解析条件（材料など）、拘束条件（どこが回転中心か）、目的関数（トルクを最小化したい）などをＣＡＤシステム９のモデル上で入力する（条件入力工程）。図５では、設計モデル１０を簡易化した簡易モデル１１上に前記解析に必要な条件１３を入力している。
【００３５】
そして、前記解析に必要な条件１３を含んだ簡易モデル１１をＣＡＤモデル１９として最適化システム１５に流す。最適化システム１５では前記条件１３と簡易モデル１１を含んだＣＡＤモデル１９をもとに解析ツール１６（今回の場合は機構解析）と最適化ツール１７の間で計算を実行して最適化を行う（最適化工程）。すなわち、最適化システム１５における最適化手段３３では、ＣＡＤシステム９における条件入力手段３１により入力された条件１３と簡易化手段３２により簡易化された簡易モデル（形状モデル）１１に基づき、部品の最適な形状モデルを算出する。そして、前記最適化工程において得られた、前記目的関数などの条件１３に合った計算結果１８と最適条件１４のモデルを、受渡手段３４を通して最適化システム１５からＣＡＤシステム９に戻す（受渡工程）。その結果を受けて、設計者はＣＡＤシステム９上で最適条件１４がコスト、スペースなどにより採用できるかを判断して、設計モデル１０に反映させる。
【００３６】
次に図６を用いて前記最適化システム１５について更に詳しく説明する。最適化システム１５では、ＣＡＤシステム９のモデル寸法などの条件をパラメータ化して、実験計画法、遺伝的アルゴリズムなどの手法を用いてパラメータを動かして繰り返し自動計算を行い、目的とする条件を見つける。
【００３７】
詳細に説明すると、ＣＡＤモデル１９を機構解析ツール１６内に読み込み、部品寸法などの各パラメータの数値（範囲）などを実験計画法などにより割り付けて計算を実行する。それによって得られた計算結果１８を最適化ツール１７が読み込み、例えば目的関数（本実施形態の場合はトルクの最小化）に合致している条件か判断する。もし、合致していなければ、遺伝的アルゴリズムなどをつかって上記パラメータを再選択して、機構解析ツール１６をバッチ実行する。
【００３８】
そのあとは機構解析ツール１６、計算結果１８、最適化ツール１７を循環させて、目的とする条件にあった最適条件１４をＣＡＤシステム上に出力する。
【００３９】
次に機構解析ツール１６内で寸法パラメータを駆動する方法について図７を用いて説明する。図７はカム１の形状（以下、プロフィールという）を点群データ２４として表記したものである。
【００４０】
点群データ２４は機構解析ツール１６内の点群表記手段２５によって表現され、点群をなめらかにつなぐスプライン曲線によってカム１のプロフィールが決定する。機構解析ツール１６内の点群データ２４の座標を、別のファイルに記述しておき、解析実行時にそのファイルを読み込んでカム１のプロフィールを更新して解析を行うことができる。
【００４１】
結果、最適化ツール１７は点群データ２４の座標を定義したファイルを出力させ、解析実行時に機構解析ツール１６に読み込ませて計算実行することで、図８に示すようにカム１のプロフィールを自由に、かつ自動的に変形することが可能である。この仕組みを利用して、最適化ツール１７は自動的に最適化を行うことができる。もちろんカム１だけではなく、他の部品もプロフィールを点群化する事により自動最適化が可能になる。
【００４２】
図９はカム１のプロフィールを含む図１及び図２の搬送ユニットモデルのカム１が動作した時の回転トルクを最小化するために、機構解析ツール１６と最適化ツール１７を使って、最適化を実行した計算結果である。図９の横軸にデザインＩＤ、縦軸にカム１を駆動させた時の最大トルクを示している。この図９に示すグラフよりＩＤ１０４７というデザインが最大トルクを最小化できるデザイン、つまり目的関数の最適条件である事がわかる。
【００４３】
そのデザインはカム１のプロフィールを例にとると、図１０に示すように初期のカム１のプロフィールが１ａであるのに対して最適条件のプロフィールは１ｂとなり、凹んだ形状である事がわかる。
【００４４】
図１１は初期デザイン（図１０に示すプロフィール１ａ）と最適条件デザイン（図１０に示すプロフィール１ｂ）のカム１を動作させた時の、前記カム１にかかるトルクを示した機構解析ツール１６の計算結果である。
【００４５】
図１１の横軸が時間（ｓｅｃ）で縦軸がカム１の回転トルクである。この結果を見ると、初期デザイン１ａのトルクの最大が約８００Ｎ・ｍｍに対して最適条件デザイン１ｂでのトルクは約６９０Ｎ・ｍｍと約１４％のトルクダウンしているのがわかる。
【００４６】
上述したように、本実施形態によれば、解析に必要な条件を入力し、その条件に基づいて部品（本実施形態ではカム）の最適な形状モデルが算出される。このため、構想時に部品の形状を考えた時、目的とする機能を満足しているか、またコストなどを満足しているかなどを効率的に確認することができ、詳細設計時の問題点および手直しなどを減らすことができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、ＣＡＤシステム９と最適化システム１５とを連携させる事によって、設計者への負担を軽減させ、設計者の設計業務を効率良く進めさせる事が可能になる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、従来のおおがかりな解析を行わないで、簡易モデル１１による解析が可能である。このため、解析に要する時間を最小限に抑えることができ、部品の形状を効率的に最適化することが可能になる。
【００４９】
〔第２実施形態〕
次に、図１２〜図１４を用いて第２実施形態に係る設計支援システム及び設計支援方法ついて説明する。なお、前述した第１実施形態と同様の機能を持つ部品については同符号を記し、説明を省略する。
【００５０】
設計支援システムによる部品形状の最適化を行う流れは、第１実施形態で説明した図５に示す方法と同様である。また最適化する設計モデルも図１及び図２に示すモデルである。
【００５１】
第２実施形態において、前述した第１実施形態と異なる個所は、図１に示すモデルの目的関数、つまり最適化する目的が異なる。すなわち、第１実施形態ではカム１の回転トルクを最小化する事が目的であったが、第２実施形態ではカム１の回転トルクのみならず、カム１が回転する時のトルク変動にも着目し最適化を行っている。つまり、カム１のトルク変動も小さくなるような条件、トルク変動率が小さくなるような条件を探し出すように解析をしている。このようにカム１の回転トルクの最小化と回転変動率の最小化を両立するような条件を見つけ出すことを多目的最適化と呼ぶ。
【００５２】
図１２は図５における最適化システム１５で図１に示すカム１が１８０°回転した時に最大トルクと回転変動を示した結果である。回転変動は次の式で定義する。
【００５３】
【数１】
2006343937.tif 000003
【００５４】
図１２より最大トルクが小さくてトルク変動が小さいのは一番左側に位置しているＩＤ１３６８である事がわかる。したがって、このＩＤ１３６８を多目的最適化の最適解とした。
【００５５】
図１３はこの多目的最適化で求められた最適解のカム１のプロフィール１ｃと第１実施形態で求めたカム１の回転トルクの最小化によって導き出されたカム１のプロフィール１ｂを示している。この図１３を比較するとわかるようにカム１のプロフィールが異なり、第２実施形態でのプロフィール１ｃの方が第１実施形態でのプロフィール１ｂに比べて、より滑らかなプロフィールになっている事がわかる。
【００５６】
図１４は第２実施形態での最適化デザイン（図１３に示すプロフィール１ｃ）と第１実施形態での最適化デザイン（図１３に示すプロフィール１ｂ）の解析ツール１６の計算結果である。この結果を見ると最大トルクは同じであるが、第１実施形態でのデザイン１ｂに比べて、第２実施形態でのデザイン１ｃの方が、前記最大トルクに至るまでのトルクの上昇がより滑らかであり、トルク変動率が小さいのがわかる。
【００５７】
上述したように、本実施形態の多目的最適化を実施する事で、２つ以上の目的を満足する条件を見つける事ができる。カム１に限らず製品では１つの部品に多くの機能を求める事がコスト、スペースの点からも有利である。また、製品品質を高める上で多くの機能を解析で確認する事ができる。よって多目的最適化によって構想設計時に多くの機能を確認して最適な条件を見つける事ができる。
【００５８】
〔他の実施形態〕
前述した実施形態では部品形状を最適化する目的として、第１実施形態ではカム１の回転トルクを最小化すること、第２実施形態ではカム１の回転トルクのみならず、カム１が回転変動率を最小化することを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、カム１の回転変動率のみを最小化するように最適化を行っても良し、もちろんこれらに限定されず、必要に応じてその他の条件で単一目的の最適化、或いは多目的最適化を行うようにしても良い。
【００５９】
前述した実施形態では、最適化を行うモデルとしてシート搬送ユニットを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、スキャナ、プリンタ、複写機、ファクシミリ装置等の画像形成装置におけるその他の部位であっても本発明は有効である。また、画像形成装置に限定されるものでもなく、その他の動作可能な機構、構造などの最適化を行うことも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る設計モデルの簡易最適化手法を適用したシート搬送ユニットのモデルを示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態に係る設計モデルの簡易最適化手法を適用したシート搬送ユニットのモデルを示す斜視図
【図３】シート搬送ユニットのカム機構部の簡易モデルを示す詳細図
【図４】シート搬送ユニットのカム機構部の拡大図
【図５】設計モデルの簡易最適化手法のフローチャート
【図６】最適化システムの詳細フローチャート
【図７】カムのプロフィールを点群データとして表記した説明図
【図８】カムのプロフィールを点群データとして表記した説明図
【図９】第１実施形態に係るカムの最適化を実行した時の解析結果を示す表図
【図１０】カムの最適化を実行した時の最適条件ＣＡＤモデルを示す説明図
【図１１】初期デザインと最適条件デザインのカムを動作させた時のカムにかかるトルクを示した機構解析ツールの計算結果を示す表図
【図１２】第２実施形態に係るカムの最適化を実行した時の解析結果を示す表図
【図１３】第２実施形態の多目的最適化で求められた最適解のカムのプロフィールを示す説明図
【図１４】第２実施形態での最適化デザインと第１実施形態での最適化デザインの解析ツールの計算結果を表す表図
【符号の説明】
【００６１】
１    …カム
１ａ，１ｂ，１ｃ …カムのプロフィール
９    …ＣＡＤシステム
１０  …設計モデル
１１  …簡易モデル
１３  …解析に必要な条件
１４  …最適条件
１５  …最適化システム
１６  …解析ツール
１７  …最適化ツール
１８  …計算結果
１９  …モデル
２４  …点群データ
２５  …点群表記手段
３１  …条件入力手段
３２  …簡易化手段
３３  …最適化手段
３４  …受渡手段
【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2006343937.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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