(57)【要約】【課題】三次元の形状モデル中で類似した部分形状を効率よく選択し、複雑で大規模な形状であっても効率良く形状の簡略化を行う。【解決手段】形状モデルに対して表面メッシュを生成し、登録するメッシュ入力部２と、表面メッシュをメッシュ間の角度に基づき幾何特徴となる部分表面メッシュに分類し、特徴量を算出する幾何特徴定義部３と、幾何特徴に基づく集合を特徴形状として入力する特徴形状入力部４と、特徴形状と幾何特徴の隣接関係が等しく、かつ特徴量の差の総和がしきい値以下である幾何特徴の集合を類似特徴形状として検索する類似特徴形状検索部５と、を備え、検索された類似特徴形状を削除し、新たにメッシュを作成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値解析の対象となる三次元の形状モデルを計算機に入力し、前記形状モデルに数値解析用のメッシュを簡略化して作成する形状簡略化装置において、
入力された前記形状モデルに対して複数の前記メッシュによる表面メッシュを生成し、初期メッシュとしてデータベースに登録するメッシュ入力部と、
前記表面メッシュをメッシュ間のなす角度に基づき幾何特徴となる部分表面メッシュに分類し、分類された前記部分表面メッシュの特徴量を算出する幾何特徴定義部と、
前記幾何特徴に基づく集合を特徴形状として順に入力可能とされた特徴形状入力部と、
前記特徴形状入力部で入力された前記特徴形状と幾何特徴の隣接関係が等しく、かつ特徴量の差の総和がしきい値以下である幾何特徴の集合を類似特徴形状として検索する類似特徴形状検索部と、
を備え、検索された前記類似特徴形状に該当する表面メッシュ群を前記初期メッシュから削除し、新たにメッシュを作成することを特徴とする形状簡略化装置。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記特徴量は、前記幾何特徴の部分表面メッシュ間の重心距離と法線ベクトルの成す角度とに対して両メッシュの面積を累積させたヒストグラムに基づいて算出されることを特徴とする形状簡略化装置。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、前記特徴形状を順に入力したことをデータベースに履歴情報として登録することを特徴とする形状簡略化装置。
【請求項４】
請求項１に記載のものにおいて、前記特徴形状を順に入力したことをデータベースに履歴情報として登録し、前記特徴形状入力部において前記履歴情報に基づく前記特徴形状を選択可能としたことを特徴とする形状簡略化装置。
【請求項５】
数値解析の対象となる三次元の形状モデルを計算機に入力し、前記形状モデルに数値解析用のメッシュを簡略化して作成する形状簡略化装置に用いられるプログラムであって、
入力された前記形状モデルに対して複数の前記メッシュによる表面メッシュを生成し、初期メッシュとしてデータベースに登録する機能と、
前記表面メッシュをメッシュ間のなす角度に基づき幾何特徴となる部分表面メッシュに分類し、分類された前記部分表面メッシュの特徴量を算出する機能と、
前記幾何特徴に基づく集合を特徴形状として順に入力可能とする機能と、
前記特徴形状入力部で入力された前記特徴形状と幾何特徴の隣接関係が等しく、かつ特徴量の差の総和がしきい値以下である幾何特徴の集合を類似特徴形状として検索する機能と、
検索された前記類似特徴形状に該当する表面メッシュ群を前記初期メッシュから削除し、新たにメッシュを作成する機能と、を実現することを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元ＣＡＤ(Computer Aided Design) や数値シミュレーションを用いて開発設計業務の合理化および高効率化を行うＣＡＥ（Computer Aided Engineering）や、製造業務の合理化および高効率化を行うＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）を支援する装置に関し、特に計算機に入力された形状モデルに数値解析用のメッシュを簡略化して作成するものに好適である。
【背景技術】
【０００２】
設計で作成した三次元のモデルデータをＣＡＥやＣＡＭで活用することにより、設計製造の効率向上を図る取組みが広くなされている。しかし、三次元データは、細かな穴や溝などの形状を含んでいるので、例えば、ＣＡＥで解析に用いるメッシュが細かくなり、解析計算の時間が増大することになる。
【０００３】
このため、解析計算の解に影響を与えないと考えられる形状をモデルから除去する簡略化が広く行われている。特に、ＣＡＭにおいては、最終的な製品形状から加工機の入力データとして加工前の中間形状を作成する必要があり、中間形状の作成は最終的な製品形状からねじ穴などの形状を除去することで行っている。また、ＣＡＭにおいては、各加工機で加工できる形状がおおよそ決まっていることから、指定した形状と類似の部分形状を一括して除去できることが好ましい。
【０００４】
形状簡略化，装置および類似形状の検索方法において、各特徴的形状のサイズを表すパラメータに基づき、形状を選択し簡略化することが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。また、多面体形状モデル（ポリゴンモデル）に対して、多面体の軸モーメント関数から多面体モデルを数値化し、類似するモデルを検索することが特許文献２に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３３１１９４号公報
【特許文献２】特開２００１−１１７９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術は、穴やフィレットなどの基本的な特徴形状に関しては、そのパラメータに基づき一括して簡略化を実施できるが、あらかじめ登録された特徴形状しか簡略化できず、複雑で大規模な形状に対しては効率，計算時間等で困難である。また、任意の多面体形状に対して類似の多面体形状を検索するものは、多面体形状の中に存在する部分特徴形状を検索対象とすることができず、充分な対応ができない。
【０００７】
本発明の目的は、三次元の形状モデルデータに対して、モデル中の任意の指定部位に類似した部分形状を効率よく選択することで、複雑で大規模な形状であっても効率良く形状の簡略化が可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、数値解析の対象となる三次元の形状モデルを計算機に入力し、前記形状モデルに数値解析用のメッシュを簡略化して作成する形状簡略化装置において、入力された前記形状モデルに対して複数の前記メッシュによる表面メッシュを生成し、初期メッシュとしてデータベースに登録するメッシュ入力部と、前記表面メッシュをメッシュ間のなす角度に基づき幾何特徴となる部分表面メッシュに分類し、分類された前記部分表面メッシュの特徴量を算出する幾何特徴定義部と、前記幾何特徴に基づく集合を特徴形状として順に入力可能とされた特徴形状入力部と、前記特徴形状入力部で入力された前記特徴形状と幾何特徴の隣接関係が等しく、かつ特徴量の差の総和がしきい値以下である幾何特徴の集合を類似特徴形状として検索する類似特徴形状検索部と、を備え、検索された前記類似特徴形状に該当する表面メッシュ群を前記初期メッシュから削除し、新たにメッシュを作成するものである。
【０００９】
また、本発明は、数値解析の対象となる三次元の形状モデルを計算機に入力し、前記形状モデルに数値解析用のメッシュを簡略化して作成する形状簡略化装置に用いられるプログラムであって、入力された前記形状モデルに対して複数の前記メッシュによる表面メッシュを生成し、初期メッシュとしてデータベースに登録する機能と、前記表面メッシュをメッシュ間のなす角度に基づき幾何特徴となる部分表面メッシュに分類し、分類された前記部分表面メッシュの特徴量を算出する機能と、前記幾何特徴に基づく集合を特徴形状として順に入力可能とする機能と、前記特徴形状入力部で入力された前記特徴形状と幾何特徴の隣接関係が等しく、かつ特徴量の差の総和がしきい値以下である幾何特徴の集合を類似特徴形状として検索する機能と、検索された前記類似特徴形状に該当する表面メッシュ群を前記初期メッシュから削除し、新たにメッシュを作成する機能と、を実現するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、分類された幾何特徴の特徴量に基づいて類似特徴形状を検索するので、形状モデル中から簡略化の指定部位に類似した部分形状を効率よく選択することができ、複雑で大規模な形状であってもメッシュ形状の簡略化を効率良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
形状簡略化装置の構成例を図１に示す。  
本装置は、システム使用者が、データを入力したり表示したりするためのキーボード，マウス，ディスプレイ等からなる入出力装置１と、解析対象の形状モデルを入力し、これに対して表面メッシュを自動生成する、もしくは、既存の表面メッシュを読み込み初期メッシュとしてデータベースに登録するメッシュ入力部２と、初期メッシュを読み込みメッシュ間の角度に基づき幾何特徴データを作成し、この形状特徴を表す特徴量を算出しデータベースに登録する幾何特徴定義部３と、を有する。また、システム使用者に特徴形状と呼ぶ幾何特徴の集合の選択を促し、これを特徴形状データとしてデータベースに登録する特徴形状入力部４と、システム使用者が選択した特徴形状と幾何特徴の隣接関係が等しく、かつ、特徴量の差の総和がしきい値以下である類似特徴形状と呼ぶ幾何特徴の集合を検索し、これを類似特徴データとしてデータベースに登録する類似特徴形状検索部５と、を備える。さらに、初期メッシュから類似特徴形状に該当する表面メッシュ群を削除し、削除によって作成された領域に対してメッシュを作成し簡略化メッシュとしてデータベースに登録するメッシュ簡略部６と、システム使用者が選択した特徴形状と手順を対応付けてデータベースに履歴情報としてデータベースに登録する履歴データ登録部７と、を備える。
【００１２】
図２（ａ）に示す三次元形状モデルの簡略化の詳細を説明する。図２（ａ）の形状モデルには、ザグリのついた穴２０１〜２０３，穴２０４と２０５，溝２０６と２０７が加工されている。
【００１３】
（１）メッシュ入力部  
四面体メッシュ入力部２は、入出力装置１を使用して入力された形状モデル(図２(ａ))に対して、図２（ｂ）に示すような表面メッシュを生成し、初期メッシュとしてデータベースに登録する。表面メッシュの生成方法としては、デローニ法やアドバンシングフロント法などがある。メッシュデータは、図３に示すように要素データと節点データで構成され、要素データには総要素数および要素を構成する節点番号、節点データには総節点数および節点の座標値を登録する。
【００１４】
（２）幾何特徴定義部  
幾何特徴定義部３は、表面メッシュをメッシュ間のなす角度に基づき幾何特徴と呼ぶ部分表面メッシュに分類し、この形状特徴を表す特徴量を算出する。  
幾何特徴への分類について説明する。  
各表面メッシュの法線ベクトルを求め、続いて互いに隣接するメッシュ間において法線ベクトルのなす角度を算出し、角度がしきい値（角度しきい値）以内である部分表面メッシュ群を幾何特徴として定義する。図４は、図２（ｂ）の表面メッシュに対して角度しきい値を４５度として、幾何特徴に分類した図であり、４０１〜４２８の合計２８の幾何特徴に分類される。角度しきい値は、システム使用者が変更できる。
【００１５】
各幾何特徴の特徴量を算出する。  
特徴量として、初めに、幾何特徴に帰属する全てのメッシュのペアに対して、メッシュ間の重心距離を第一軸、それぞれのメッシュ法線ベクトルの成す角度を第二軸として、両メッシュの面積を累積させたヒストグラムを作成する。第一軸は、重心距離の最大ｌmaxが１、最小ｌmin が０となるように、正規化を行っており、その範囲は０〜１である。これを有限の区間数Ｎにて離散化し、各区間をＬi（ｉ＝１，２，…，Ｎ） で表す。第二軸は法線ベクトルのなす角度であるから、その範囲は０〜１８０度である。これを有限の区関数Ｍにて離散化し、各区間をθj（ｊ＝１，２，…，Ｍ） で表す。すなわちメッシュのペアは、（Ｌi，θj）のいずれかの項に必ず属することになる。また、（Ｌi，θj）のヒストグラムの値をＺ（Ｌi，θj）と表す。次に、ヒストグラムの値の総和を求め、これで各累積面積を割って、ヒストグラムの総和が１となるように正規化する。すなわち、  
【００１６】
【数１】
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【００１７】
分布の形状は、幾何特徴の形状を表すものであるが、その位置や回転にはよらない値となる。ここでは、その一例として、図４の幾何特徴４０５，４０６，４０７,４１３,４１９に対するヒストグラムを、図５の５０５，５０６，５０７，５１３，５１９に示す。なお、ヒストグラムの奥行き方向の軸は重心間距離、横向きの軸はメッシュ法線ベクトルの成す角度である。
【００１８】
（３）特徴形状入力部  
特徴形状入力部４は、システム使用者に特徴形状と呼ぶ幾何特徴の集合の選択を促し、これを特徴形状データとしてデータベースに登録する。  
図６に特徴形状入力部の画面イメージを示す。マウスポインタ６０１を用いて、幾何特徴の集合を選択する。選択した幾何特徴の集合について、６０２のように同一画面上にわかりやすく表示する。図２において２０１で示すザグリ穴を構成する三つの幾何形状群
１０と１１と１２（図６の６０２：幾何特徴番号は文頭にＧをつけて表示）を選択する。それに伴い、特徴形状入力部４は、選択された幾何特徴の集合に対して、幾何特徴番号を特徴形状データとして、幾何特徴の集合に対応する表面メッシュ群をデータベースに登録する。
【００１９】
（４）類似特徴形状検索部  
類似特徴形状検索部５は、システム使用者が選択した特徴形状と幾何特徴の隣接関係が等しく、かつ、特徴量の差の総和がしきい値以下である類似特徴形状と呼ぶ幾何特徴の集合を検索し、データベースに登録する。  
選択した特徴形状と隣接関係が等しい、幾何形状の集合を検索する。たとえば、６０２の特徴形状においては、Ｇ１０とＧ１１，Ｇ１１とＧ１２は隣接し、Ｇ１０とＧ１２は隣接しない。これと同様の隣接関係を持つ三つの幾何特徴を全て検索する。幾何特徴の集合の検索は、幾何特徴間の隣接関係は自明であるから、容易に選択できる。
【００２０】
検索された全ての幾何特徴の集合に対して、それぞれ対応する特徴量の差を求め、その総和を求める。基準となる幾何特徴Ａの特徴量を現すヒストグラムをＺA（Ｌi，θj）、幾何特徴Ｂの特徴量を現すヒストグラムをＺB（Ｌi，θj）とすると、特徴量の差ＶABは  
【００２１】
【数２】
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【００２２】
である。ＶABは０から１の間の実数であり、０に近いほど幾何特徴ＡとＢが類似の形状であるといえる。  
このようにして、システム使用者が選択した特徴形状に類似した幾何特徴群を検索できる。図７は、一つ当たりの幾何形状の特徴量差を０.０５ として、６０２に対して検索をした、類似特徴形状（幾何特徴群）７０１と７０２を表す。
【００２３】
（５）メッシュ簡略部  
メッシュ簡略部６は、類似特徴形状に該当する表面メッシュ群を削除し、削除によって作成された領域に対して簡略化メッシュを作成する。  
表面メッシュ群の削除された領域の境界は、メッシュ辺に帰属する表面メッシュの数が１つであることから、削除領域境界を検索しその節点群を用いて、メッシュを再作成する。メッシュを作成する方法は、アドバンシングフロント法やデローニ法などの手法がある。図８の８０１は、メッシュ簡略部６が最終的に作成した簡略メッシュである。  
最後にメッシュ簡略部６は、簡略化メッシュをデータベースに登録する。以上によれば、ザグリ付穴などの複雑な任意形状に対して、効率よく類似の形状を検索し、簡略化を行うことができる。
【００２４】
（６）履歴データ登録部  
履歴データ登録部７は、システム使用者が選択した特徴形状と手順を対応付けてデータベースに履歴情報として登録する。  
例えば、８０１に示す表面メッシュから、図９の９０１に示す溝形状を特徴形状として選択し、類似形状を検索して簡略化を実施し、９０２に示す表面メッシュを作成したとする。この場合、履歴データ登録部７は、９０３に示すように簡略化手順にあわせて簡略化の際、検索に用いた特徴形状に帰属する幾何特徴の集合と、これを構成する表面メッシュ群を対応付けて登録する。  
この登録により、例えば他モデルの簡略化の際に、検索のキーとして利用することができる。なお、本簡略化手順は、最終的な製品形状から中間の加工状態のモデルを作成することであるので、加工手順の逆を行っていることにある。したがって、はじめにベース部に対して、穴２０４と２０５を加工し、続いて溝２０６，２０７を切削し、最後にザグリのついた穴形状２０１，２０２，２０３を加工したことになる。
【００２５】
履歴データの再利用について説明する。図１０の１００１に示す部品（ｊ表面メッシュデータは１００２）の簡略化を行う。本モデルの加工過程が図２の２０２と同じ場合、既に実施した簡略化の履歴データ９０３を再利用することで、さらに効率よく簡略化を行うことができる。  
履歴データ登録部７は、データベースに登録された履歴データからシステム使用者に再利用する簡略化履歴の選択を促し、選択された履歴データを、例えば図１１に示すように手順と、その手順で簡略化を実行した特徴形状を画面上にならべて表示する。
【００２６】
履歴データ登録部７は、システム使用者に簡略化プロセスの選択を促し、選択された以前の手順（プロセス）に対応付けて登録された全ての特徴形状に対して、簡略化を実行する。簡略化方法については、前述するとおりである。  
図１０の１００３は、システム使用者がプロセスとして１１０１を選択した際の簡略化モデルであり、１００２からザグリ穴のみが簡略化される。さらに１００４は、システム使用者がプロセスとして１１０２を選択した際の簡略化モデルであり、１００２からザグリ穴と溝が簡略化される。
【００２７】
以上の形状簡略化装置によれば、任意の部分形状を選択し、これに類似した部分形状を検索し、一括して簡略化を行えるので、作業の効率向上が図れる。さらに、簡略化の履歴を再利用することで、類似の加工手順を有する部品の加工中間形状を容易に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による一実施の形態である形状簡略化装置のブロック図。
【図２】一実施の形態による形状モデル及び表面メッシュを示す斜視図。
【図３】一実施の形態によるメッシュデータを示す図。
【図４】一実施の形態による幾何特徴を示す斜視図。
【図５】一実施の形態による幾何特徴のヒストグラム。
【図６】一実施の形態による特徴形状入力部の画面。
【図７】一実施の形態による類似特徴形状を示す斜視図。
【図８】一実施の形態による簡略メッシュを示す図。
【図９】一実施の形態による溝形状を削除した簡略メッシュを示す図。
【図１０】一実施の形態による簡略化を示す斜視図。
【図１１】一実施の形態による履歴データ登録部の画面。
【符号の説明】
【００２９】
１…入出力装置、２…メッシュ入力部、３…幾何特徴定義部、４…特徴形状入力部、５…類似特徴形状検索部、６…メッシュ簡略部、７…履歴データ登録部。
【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５】
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【図６】
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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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