(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本来の設置状態とは異なる状態で加工等の作業が行なわれる大型構造物の構造部材の計測データを解析するための計測データ解析装置であって、
作業状態に設置された構造部材の形状及び設置状態の計測データを入力する第１入力手段と、
この計測データを記憶する第１記憶手段と、
上記計測データを使用して、微分幾何学に基づく曲率線解析によって、作業状態に設置された構造部材の任意曲面を定め、２次元のはり問題を適用することにより、自重の影響を取り除いた構造部材の形状を算出する解析手段と、
上記構造部材の目標形状の設計データを入力する第２入力手段と、
この目標設計データを記憶する第２記憶手段と、
上記自重の影響を取り除いた構造部材の形状と目標形状とを比較し、その差を計算する計算手段と、を有することを特徴とする計測データ解析装置。
【請求項２】
本来の設置状態とは異なる状態で加工等の作業が行なわれる大型構造物の構造部材の計測データを解析するための計測データ解析方法であって、
作業状態に設置された構造部材の形状及び設置状態の計測データを入力する第１入力工程と、
この計測データを記憶する第１記憶工程と、
上記計測データを使用して、微分幾何学に基づく曲率線解析によって、作業状態に設置された構造部材の任意曲面を定め、２次元のはり問題を適用することにより、自重の影響を取り除いた構造部材の形状を算出する解析工程と、
上記構造部材の目標形状の設計データを入力する第２入力工程と、
この目標設計データを記憶する第２記憶工程と、
上記自重の影響を取り除いた構造部材の形状と目標形状とを比較し、その差を計算する計算工程と、を有することを特徴とする計測データ解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計測データの解析装置及び解析方法に係わり、特に、本来の設置状態とは異なる状態で加工等の作業が行なわれる大型船舶等の大型構造物の構造部材の計測データを解析し、現場作業者に作業を指示する、計測データの解析装置及び解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型船舶等の大型構造物に使用される板材等の構造部材は、図６に示すように、本来、構造物５０の一部に部材５２として組み込まれて設置された状態（以下「本来の設置状態」と呼ぶ）にある。
一方、これらの構造部材５２について溶接等の加工作業が行われるときは、十分な作業スペースの確保が難しいため、図７に示すように構造部材５２を支持体５４等で支持したりして、作業のしやすい状態にして作業が行われる。このため、構造部材５２の作業時の設置状態（以下「作業状態」と呼ぶ）は、上述した構造部材５２の本来の設置状態又はＣＡＤ設計上の設置状態と異なった状態となる。
また、これらの構造部材５２は、部材の長手方向の長さが数百メートルに対し、厚さが十数ミリという寸法のオーダーであるため、部材の加工等の作業の際に部材を作業状態に設置すると、部材はその設置状態に応じて自重等の影響を受けて大きなたわみを生じ、大きく変形してしまう（図７参照）。
したがって、大型船舶等の大型構造物における構造部材の加工作業や組立作業では、このような構造部材の作業状態に応じた部材形状の変形が、構造部材の加工精度や組立精度にも影響を及ぼし、作業能率の低下をまねく大きな要因ともなっている。
このようなことから、大型構造物における構造部材の加工精度や組立精度を高めつつ、作業能率を向上させるためにも、当業者らによって部材形状の変形に最も影響を及ぼす要因と考えられている部材の自重に着目し、この自重が部材形状に及ぼす影響を計測データ等により定量的に明らかにする必要がある。また、これらの計測データ等をうまく現場作業で活用してゆくことも必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大型船舶等の大型構造物における構造部材の加工作業や組立作業では、上述したような自重の影響を考慮した部材形状に関する理論的な解析データや実際の計測データを得るのに手間と時間がかかる等の理由から、これらのデータを有効に利用しようとせず、熟練工による経験と勘による作業に頼っているのが現状である。このため、作業の標準化についても十分な確立がなされず、作業能率を向上させることができないという問題がある。
また、現在、これらの熟練工の数も年々減少しており、一般の作業員たちが将来的に熟練技術を継承し続けていくことは難しいという深刻な問題がある。
このような問題から、当業者間では、熟練技術を熟練工以外の一般作業員にも再現できるように熟練技術のノウハウをシステム化したいという要請がある。
【０００４】
そこで、本発明は、従来技術からの要請に基づいてなされたものであり、本来の設置状態とは異なる状態で加工等の作業が行なわれる大型船舶等の大型構造物の構造部材の計測データを解析し、これらの解析データに基づいて、現場作業者に作業を指示する計測データの解析装置及び解析方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明は、本来の設置状態とは異なる状態で加工等の作業が行なわれる大型構造物の構造部材の計測データを解析するための計測データ解析装置であって、作業状態に設置された構造部材の形状及び設置状態の計測データを入力する第１入力手段と、この計測データを記憶する第１記憶手段と、上記計測データを使用して、微分幾何学に基づく曲率線解析によって、作業状態に設置された構造部材の任意曲面を定め、２次元のはり問題を適用することにより、自重の影響を取り除いた構造部材の形状を算出する解析手段と、上記構造部材の目標形状の設計データを入力する第２入力手段と、この目標設計データを記憶する第２記憶手段と、上記自重の影響を取り除いた構造部材の形状と目標形状とを比較し、その差を計算する計算手段と、を有すことを特徴としている。
【０００９】
本発明の第２の発明は、本来の設置状態とは異なる状態で加工等の作業が行なわれる大型構造物の構造部材の計測データを解析するための計測データ解析方法であって、作業状態に設置された構造部材の形状及び設置状態の計測データを入力する第１入力工程と、この計測データを記憶する第１記憶工程と、上記計測データを使用して、微分幾何学に基づく曲率線解析によって、作業状態に設置された構造部材の任意曲面を定め、２次元のはり問題を適用することにより、自重の影響を取り除いた構造部材の形状を算出する解析工程と、上記構造部材の目標形状の設計データを入力する第２入力工程と、この目標設計データを記憶する第２記憶工程と、上記自重の影響を取り除いた構造部材の形状と目標形状とを比較し、その差を計算する計算工程と、を有することを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本発明に係わる計測データ解析装置の一実施形態のシステムを示す基本構成図である。
図１に示すように、大型構造物における作業状態に設置された構造部材に関して計測したデータを解析する計測データ解析装置１は、大型構造物における作業状態に設置された構造部材について各計測装置で計測した計測データを入力する、キーボードやマウス等を含む入力手段２と、計測データ解析プログラム１４（詳細は後述する）の実行等を行うＣＰＵ４と、解析途中及び解析結果のデータを格納するＲＡＭ６と、解析結果や解析結果に基づいた作業指示を表示又は印刷するディスプレイ又はプリンタ等の出力手段８と、メモリファイル１０と、これらの入力手段２、ＣＰＵ４、ＲＡＭ６、出力手段８及びメモリファイル１０と接続するバス線１２と、から構成されている。
【００１３】
また、メモリファイル１０には、計測データの処理を実行させる計測データ解析プログラム１４と、実際の構造部材の加工や組立作業状態における構造物に関する計測データ１６と、ＣＡＤ設計によって定められた構造部材の目標形状等に関するＣＡＤデータ１８とが記憶されている。
【００１４】
さらに、この計測データ１６は、具体的には、実際の構造部材の加工や組立作業状態における構造部材の形状を計測した形状データ２０と、実際の構造部材の加工や組立作業状態の設置状態を計測した設置状態データ２２とを含む。
また、この設置状態データ２２は、構造部材の重心位置や支持位置を計測した位置データ２２ａと、構造部材に作用している拘束力等の構造部材の拘束状態を計測した拘束状態データ２２ｂと、構造部材の機械的特性や、熱応力及び残留応力等に関して測定した材料データ２２ｃ等を含む。
【００１５】
次に、図２は、本実施形態による計測データ解析装置において実行される処理のフローチャートである。
ここで、図２を参照して、計測データ解析装置１おいて実行される計測データ解析プログラム１４の処理を具体的に説明する。図２における「Ｓ」は、各ステップを示している。
まず、Ｓ１において、実際の加工や組立作業状態における計測すべき構造部材の姿勢や設置状態を定める。
つぎに、Ｓ２において、オブジェクト３点法により実際の構造部材の形状に座標系を導入し、構造部材の任意点の座標を決める。
また、Ｓ３において、上述した座標系で定められた任意点の座標から、部材の任意部分の曲率や長さ寸法等を計測し、この計測したデータを入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、計測データ１６の中の形状データ２０として保存する。
必要に応じて、これらの形状データ２０を解析して、部材の全体形状等の最終形状を決定し、これらのデータも形状データ２０として保存する。
【００１６】
さらに、Ｓ４において、上述した座標系によって部材の重心位置や支持位置を計測し、この計測したデータを入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、計測データ１６の中の設置状態データ２２である位置データ２２ａとして保存する。
また、Ｓ４において、実際の構造部材の計測した支持位置での拘束力等も測定し、この測定したデータを入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、計測データ１６の中の設置状態データ２２である拘束状態データ２２ｂとして保存する。
同様に、Ｓ４において、実際の構造部材の機械的特性や、熱応力及び残留応力等も測定し、この測定したデータを入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、計測データ１６の中の設置状態データ２２である材料データ２２ｃとして保存する。
【００１７】
つぎに、Ｓ５において、ＣＡＤを用いて、本来の設置状態における構造部材の目標形状を設計し、この設計したデータを入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、ＣＡＤデータ１８として保存する。
また、Ｓ６において、Ｓ４で得られた設置状態データ２２（位置データ２２ａ、拘束状態データ２２ｂ、材料データ２２ｃ）と、Ｓ５で得られたＣＡＤデータ１８とを使用して、構造部材の自重による変形を考慮した有限要素法による形状解析を行い、作業状態での構造部材の目標形状を定める。
さらに、Ｓ７において、Ｓ６で得られた有限要素法による部材形状（作業状態での目標部材形状）の解析結果のデータをＲＡＭ６又はＣＡＤデータ１８に保存する。また、必要に応じて、これらの解析結果を出力手段１０で出力する。
【００１８】
つぎに、Ｓ８において、Ｓ７でＲＡＭ６又はＣＡＤデータ１８に保存された有限要素法解析による部材形状のデータを呼び出し、この有限要素法の解析結果の部材形状と、Ｓ３で得られた形状データ２０による部材形状とを共通な座標系で比較し、形状差を解析する。
また、Ｓ９において、Ｓ８の形状差解析で得られた形状差が許容差の範囲内にないと判断した場合は、Ｓ１０に進み、形状差を許容差の範囲内におさめるために実際の構造部材をあとどの程度加工すべきか等の加工指示を出力手段８で出力する。
さらに、Ｓ１１において、Ｓ１０で出力された加工指示に従って構造部材の加工を行ったら、再びＳ１に進み、その加工後の構造部材について、Ｓ１からＳ１１までの一連のステップ処理を繰り返して行う。
【００１９】
また、Ｓ９において、Ｓ８の形状差解析で得られた形状差が許容差の範囲内にあると判断した場合は、Ｓ１２に進み、構造部材の加工作業を行う必要がないことを出力手段１０で出力し、処理を終了する。
【００２０】
上述のように、本実施形態の計測データ解析装置は、実際の構造部材の作業状態に応じた形状や設置状態の計測データと、構造部材の目標形状のＣＡＤデータとを合せて解析して、比較することができる。このため、部材の自重等が部材形状に及ぼす影響を定量的に明らかにすることができる。
また、本実施形態の計測データ解析装置は、これらの形状解析の結果に基づいて、構造部材の加工指示を行うこともできる。このため、従来、熟練工の経験と勘に頼っていた大型構造物の構造部材の現場の加工及び組立作業において、作業能率を向上させることができる。
【００２１】
つぎに、本発明の他の実施形態について図３乃至図５を参照して説明する。
本発明に係わる計測データ解析装置の他の実施形態のシステムについては、図１と同様である。
図３は、本発明の他の実施形態による計測データ解析装置１において実行される計測データ解析プログラム１４の処理のフローチャートである。
ここで、図３において、図２と同一の構成については同一の符号を付し、それらの説明を省略する。
【００２２】
まず、Ｓ１の後、Ｓ２０において、微分幾何学の曲面論による曲率線（穂坂衛，ＣＡＤ／ＣＡＭにおける曲線曲面のモデリング，東京電気大学出版局，（１９９６），ｐ９０−１３０）に基づいた直交座標を構造部材の任意曲面に導入する。
ここで、この曲率線に基づいた直交座標について、以下に詳細に説明する。
図４は、構造部材の任意曲面を示した概略的な斜視図である。
図４に示すように、構造部材の曲面上の任意の点Ｐにおける単位法線ベクトルｎと単位接線ベクトルｔを含む平面３０（以下「法平面」と呼ぶ）をこの単位法線ベクトルｎのまわりに角度θ°だけ回転させる。
この回転角度θが０°以上１８０°以下の角度において、法平面３０と曲面３２との交線３４（以下「法断面」と呼ぶ）上の点Ｐにおける曲率κ（以下「法曲率」と呼ぶ）が、最大又は最小となる箇所がそれぞれ１つずつ存在することが、微分幾何学の曲面論によって明らかとなっている。
【００２３】
微分幾何学の曲面論では、この法曲率κが最大となる法曲率κmaxと、最小となる法曲率κminを共に「主曲率」と定義している。
また、この主曲率である最大法曲率κmaxと最小法曲率κminのそれぞれは、互いに直交する性質を持つことが微分幾何学の曲面論によって明らかとなっている。
さらに、曲面３２上の曲線上の各点における接線がこの主曲率の方向と一致しているとき、この曲線を「曲率線」と定義している。
【００２４】
また、微分幾何学の曲面論によれば、すべての曲面は、主曲率κmax，κminの平均曲率κｍ（数式１）と、主曲率κmax，κminの積κｇ（数式２）（以下「ガウス曲率」と呼ぶ）を用いて表現することができる。
【００２５】
【数１】
κｍ＝（κmax＋κmin）／２
【数２】
κｇ＝κmax・κmin
【００２６】
図５は、平均曲率κｍとガウス曲率κｇの組み合わせによって表現される曲面形状の分類を示す。
Ｓ２０では、まず、上述した主曲率κmaxとκminの方向とそれぞれ一致する２つの曲率線を用いて、直交座標を構造部材の曲面に当てはめる。この構造部材の曲面上に当てはめた曲率線の直交座標の座標データから、平均曲率κｍ及びガウス曲率κｇを計算し、図５に分類されるような形状によって、構造部材の任意曲面の形状を定める。
また、この定められた構造部材の任意曲面の形状に関するデータをＳ３と同様に入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、計測データ１６の中の形状データ２０として保存する。
必要に応じて、これらの形状データ２０を解析して、部材の全体形状等の最終形状を決定し、これらのデータも形状データ２０として保存する。
次いで、この構造部材の曲面上に当てはめた曲率線の直交座標の座標データをＳ４と同様に入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、計測データ１６の中の設置状態データ２２である位置データ２２ａとして保存する。
さらに、実際の構造部材の支持位置での拘束力等も測定し、この測定したデータをＳ４と同様に入力手段でメモリーファイルに入力し、計測データ１６の中の設置状態データ２２である拘束状態データ２２ｂとして保存する。
【００２７】
つぎに、Ｓ２１において、Ｓ３及びＳ４で保存された計測データ１６に基づいて、実際の作業状態に設置された構造部材の曲面上の任意の要素を曲率線を含む面で適当に分割し、２次元のはり要素とする。このはり要素において、自重の影響を取り除いた状態のはりのたわみ問題を解くことによって、構造部材の形状解析を行い、この解析結果のデータをＲＡＭ６に格納する。
ここで、上述した自重の影響を取り除いた状態のはりのたわみ解析では、Ｓ４で拘束状態データ２２ｂとして保存したデータ等を用いて、はりに予め自重に相当する反力を与えることによって、自重の影響を取り除く。
【００２８】
また、Ｓ２２において、Ｓ５で得られた自重の影響を考慮していない構造部材の目標形状についても、Ｓ２０と同様に、主曲率κmaxとκminの方向とそれぞれ一致する２つの曲率線を用いて、直交座標を構造部材の曲面に当てはめる。
この構造部材の曲面上に当てはめた曲率線の直交座標の座標データを入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、ＣＡＤデータ１８として保存する。
さらに、この構造部材の曲面上に当てはめた曲率線の直交座標の座標データから、平均曲率κｍ及びガウス曲率κｇを計算し、図５に分類されるような形状によって、構造部材の任意曲面の形状を定める。
この形状に関するデータを入力手段２でメモリーファイル１０に入力し、ＣＡＤデータ１８として保存する。
【００３０】
つぎに、Ｓ８において、ＲＡＭ６に格納されたＳ２１における形状解析の結果のデータとＳ２２で保存したデータを比較し、形状差解析を行い、Ｓ９に進む。
また、Ｓ９以後のステップの処理については、最初に述べた実施形態と同様な処理となる。
【００３１】
上述のように、本発明の他の実施形態の計測データ解析装置は、曲率線を用いることによって、構造部材の曲面の特徴を表現して、この曲面を計測したデータから自重の影響を取り除いた構造部材の形状を解析することができる。
また、本発明の他の実施形態の計測データ解析装置は、部材の実際の形状と目標形状との形状差から加工すべき曲面を指示することもできる。このため、従来、熟練工の経験と勘に頼っていた大型構造物の構造部材の現場の加工及び組立作業おいても、作業能率を向上させることができる。
【００３２】
なお、上述した本発明の２つの実施形態においては、構造部材の実際の形状と目標形状における形状解析を行うのに、有限要素法解析や微分幾何学の曲面論に基づく曲率線解析を利用したが、これらの解析方法に限定されず、他の解析方法を利用してもよい。
また、上述した本発明の２つの実施形態では、計測データを利用した解析の対象として部材の形状を取り上げ、部材の形状解析を行っているが、本実施形態で行う解析については、部材の形状解析に限定されず、必要な計測データを適宜利用して部材の応力解析等の他の解析を行ってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の計測データの解析装置及び解析方法によれば、大型構造物における構造部材の作業状態に応じた計測データに基づいて、現場作業者に作業を有効に指示することができ、また、熟練技術を軽減して作業能率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による計測データ解析装置のシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による計測データ解析装置おいて実行される処理のフローチャートである。
【図３】本発明の他の実施形態による計測データ解析装置おいて実行される処理のフローチャートである。
【図４】構造部材の任意曲面を示した概略的な斜視図である。
【図５】平均曲率κｍとガウス曲率κｇの組み合わせによって表現される曲面形状の分類を示す。
【図６】本来の設置状態の構造部材の概略図を示す。
【図７】作業状態の構造部材の概略図を示す。
【符号の説明】
１  計測データ解析装置
２  入力手段
４  ＣＰＵ
６  ＲＡＭ
８  出力手段
１０  メモリファイル
１２  バス線
１４  計測データ解析プログラム
１６  計測データ
１８  ＣＡＤデータ
２０  形状データ
２２  設置状態データ
２２ａ  位置データ
２２ｂ  拘束状態データ
２２ｃ  材料データ
【図１】
0003930379.tif 000002
【図２】
0003930379.tif 000003
【図３】
0003930379.tif 000004
【図４】
0003930379.tif 000005
【図５】
0003930379.tif 000006
【図６】
0003930379.tif 000007
【図７】
0003930379.tif 000008