(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＡＤシステム上に歯車の三次元モデルを作成する方法であって、
歯車に加工する前の素材のソリッドデータを作成する過程と、
三次元モデルの作成対象である歯車の歯面形状を三次元測定し歯面データを取得する過程と、
取得した歯面データから歯面ソリッドデータを作成する過程と、
前記素材のソリッドデータと前記歯面ソリッドデータを合成して歯車全体のソリッドデータを完成させる過程と、を含み、
歯車の歯溝の１つを構成する両側の歯面形状を三次元測定して１組の歯面データを取得し、該歯面データから歯溝のソリッドデータを作成し、該歯溝のソリッドデータを歯車の歯数だけコピーすることによって前記歯面ソリッドデータを作成することを特徴とする、
歯車の三次元モデル作成方法。
【請求項２】
歯の大まかな形状を予め入力しておき、この形状に沿って三次元測定をするためのプローブを移動させる、請求項１に記載の歯車の三次元モデリング方法。
【請求項３】
前記歯車はハイポイドギヤである、請求項１または２に記載の歯車の三次元モデリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車の三次元モデルを作成する方法に関し、より詳細には歯面精度の高い歯車の三次元モデルを効率的に作成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの普及と発達により、機械設計は二次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）から三次元ＣＡＤに移行しつつある。三次元ＣＡＤにおいて問題となる点の１つに、形状を入力する方法が挙げられる。一般に、三次元モデルをＣＡＤシステム上に構築するには専門的な技能が必要となり、またこの作業には大変時間がかかる。このような入力の問題を解決するために、リバース・エンジニアリングの手法が注目され始めている。具体的には、三次元モデルを構築したい対象物の表面形状のデータをＣＡＤに入力することによって、ＣＡＤシステムにモデルを構築する。
【０００３】
物体の表面形状データを作成するものとして、従来より三次元形状測定装置が知られている。三次元形状測定装置は、例えば非接触レーザー方式で対象物の表面を走査し、三次元点群データを作成する。この点群データをＣＡＤシステムに取り込み、点群データにマッチする曲面を形成することで、ＣＡＤシステム上に三次元モデルを構築することができる。
【０００４】
このような三次元モデルに対しＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析を行うことで、実際の加工に入る前に部品などの性能を評価することができる。例えば、特開平１０−６２７号公報では、ＣＡＤによる三次元データを元にデザインモデルを製作し、このデザインモデルを評価して新たな三次元データを得る工程を含む、製品の生産方法が開示されている。この方法によれば、製品を製作するための簡易金型を製作するまでにデザイン評価及び機能評価を行うことが出来るために、デザイン開発から製作に至るまでの研究開発期間を短縮することが出来るとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動車の後車軸駆動用に使用されるハイポイドギヤは、動力伝達が円滑で低騒音化に優れている。従来では、性能の優れたハイポイドギヤがあったとしても、これと同一のものを作成するために実機の歯形から加工機のパラメータを特定するのは困難であった。しかし、三次元測定技術の進歩により、モデルとなるハイポイドギヤの歯を計測してその形状をデータ化し、データをＮＣ工作機械に渡すことによって、モデルと同等の性能を有するハイポイドギヤを作成することも十分可能となっている。
【０００６】
歯車の性能、特に騒音については、歯車の歯面のサブミクロンオーダーの形状の違いで大きく異なることが知られている。従って、このような歯車の三次元モデルを作成してＣＡＥによる特性解析を行ったり、あるいはＮＣデータ化するに当たっては、歯車をサブミクロン精度で三次元測定する必要がある。しかし、このような高い精度で測定を行うと、測定に多大な時間が必要となるばかりか、データサイズが巨大になってしまうという問題がある。
【０００７】
上記課題に鑑みて、本発明は、ハイポイドギヤのように特に高い精度が必要となる歯車の三次元ソリッドモデルを効率的に作成する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ソリッドモデリング等により作成した加工前の歯車の素材のソリッドデータと、三次元計測により作成した歯面のデータとを合成して、ＣＡＤシステム上に歯車全体の三次元モデルを完成させる方法である。
【０００９】
本発明の一実施形態は、歯車に加工する前の素材のソリッドデータを作成する過程と、三次元モデルの作成対象である歯車の歯面形状を三次元測定し歯面データを取得する過程と、取得した歯面データから歯面ソリッドデータを作成する過程と、前記素材のソリッドデータと前記歯面ソリッドデータを合成してして歯車全体のソリッドデータを完成させる過程を含む。
【００１０】
この形態によると、三次元モデル作成に当たって高い精度が必要となる歯車の歯面については三次元測定により取得したデータを用いてソリッドデータを作成する一方、精度が必要とされない部分についてはソリッドモデリング等によりソリッドデータを作成し、これらを合成することによって歯車全体のソリッドデータを完成させるので、ＣＡＥ解析等に必要な精度を持つ三次元モデルを比較的短時間で作成することができる。
【００１１】
なお、歯面フェースデータを歯溝ソリッドデータに変換することなく、歯数分コピーした歯面フェースデータを素材ソリッドデータと直接合成しても良い。
【００１２】
本発明の別の形態では、歯車の歯溝の１つを構成する両端の歯面形状を三次元測定して１組の歯面データを取得し、該歯面データから歯溝のソリッドデータを作成し、該歯溝のソリッドデータを歯車の歯数だけコピーすることによって前記歯面ソリッドデータを作成する。
【００１３】
この形態によると、まず歯車の歯溝の１つのみについてソリッドデータを作成し、これを歯数分だけコピーするので、三次元モデルの作成に要する時間が更に短くなり、またデータ量も小さくなる。
【００１４】
本発明のさらに別の実施形態では、歯の大まかな形状を予め入力しておき、この形状に沿って三次元測定をするためのプローブを移動させる。
【００１５】
この形態によると、プローブの移動が高速化されるので、三次元測定に要する時間が短縮される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態である歯車の三次元モデル作成方法の実施に適したシステムの全体構成を示す図である。
【００１７】
三次元歯形測定装置１８は、図３に示すように三次元モデル作成対象となる歯車の歯面にプローブを接触させ、歯面に沿ってプローブを移動させることによって、歯面の形状を測定し三次元点群データを出力する。このとき、歯の大まかな形状を予め入力しておき、三次元歯形測定装置１８はこれを参照しながらプローブを移動させるのが好ましい。これは、例えばハイポイドギヤのように歯が渦線状に曲がっているものでは、プローブの移動の基準とすべきデータが無いと測定時間が増大し、またプローブやプローブの把持部が隣接する歯面に接触するおそれがあるので、これを避けるためである。プローブの代わりにレーザを歯面に照射してその反射時間から歯面までの距離を算出して三次元点群データとしても良い。
【００１８】
点群データは、不要な点の削除等の処理を行う前処理部２０を経て、サーフェスデータ作成部２２へ送られる。サーフェスデータ作成部２２は、点群データからサーフェスデータを作成し、三次元ＣＡＤシステム３０へ送る。
【００１９】
三次元ＣＡＤシステム３０は、具体的には中央処理装置、大容量記憶装置、入力装置、ディスプレイ装置等から構成されるが、図１では、フェースデータ作成部２４、ボリューム作成部２６、及びソリッド作成部２８からなる機能ブロックとして表されている。サーフェスデータ作成部２２から送られたサーフェスデータは、これら各部によって順に処理を施されて、ソリッドデータへと変換される。ＣＡＤシステム３０は種々のものを使用することができるが、三次元データの表現形式として境界表現（boundary representations）を採用している必要がある。
【００２０】
図１においては、前処理部２０、サーフェスデータ作成部２２、及びＣＡＤシステム３０を別個独立した装置として表しているが、それぞれの機能を有するアプリケーションを一台のコンピュータ内に格納して本発明の三次元モデル作成システムを実現することもできる。また、それぞれのアプリケーションを備えたコンピュータをＬＡＮ等のネットワークで接続することによって三次元モデル作成システムを実現することもできる。
【００２１】
前処理部２０、サーフェスデータ作成部２２またはＣＡＤシステム３０の各機能を有するアプリケーションは、種々のものが実現されている。当業者には周知の通り、このようなアプリケーション間でのデータの移行にはフォーマット変換を伴うことがほとんどであるが、以下の説明では個別には言及しない。フォーマット変換を行うトランスレータは当業者であれば作成可能であるので、本発明は、アプリケーションやフォーマットの種類に関係なく適用可能であることは理解されるであろう。
【００２２】
次に、本発明の一実施形態による歯車の三次元モデル作成方法のプロセスについて、図２のフローチャートを参照して説明する。本実施形態では、まず歯溝（つまり、元となる素材から加工時に除去される部分）のソリッドデータを作成し、別途作成した素材のソリッドデータから歯溝のソリッドデータを減算することによって歯面全体の三次元形状を再現する。
【００２３】
まず、三次元歯形測定装置１８を用いて、三次元モデルの作成対象である歯車の歯面の測定を行う（Ｓ４０）。このとき、全ての歯について測定をする代わりに、歯溝の１つを選び、この歯溝を構成する両側の歯面（つまり、歯の側面部）の形状のみを測定する。測定した形状は、点群データとして前処理部２０に送られ、位置合わせや不要な点群データの削除といった前処理を施される（Ｓ４２）。
【００２４】
次に、サーフェスデータ作成部２２により、前処理済みの点群データからサーフェスデータが作成される（Ｓ４４）。点群データからサーフェスデータを作成するには種々の方法がある。本実施形態では、点群データに含まれているノイズを除去し、計算時間を短縮するために適宜データの間引きを行った後、ポリゴン化を実行する。そして、不良ポリゴンの削除、平滑化、穴埋め、エッジの修正等の修正を施し、ポリゴンの特徴線を抽出し、さらにサーフェスデータで表現できるように面の構成を整える。そして、それぞれの面に対しグリッドを作成し、グリッドを元にサーフェスデータを作成する。以上の一連の処理は、周知のサーフェス自動生成ソフトウェアを用いて行うことができる。サーフェスデータは、ベジエ曲面、ＮＵＲＢＳ曲面等の数学的表現で保持される。
【００２５】
ポリゴンからサーフェスデータを作成する方法は、点群データに対し高精度の曲面が作成可能であるため好ましいが、別の実施形態では、点群データからまず断面情報（ワイヤーフレーム）を生成し、その後各断面を連続して接続するようにサーフェスを作成することもできる。
【００２６】
サーフェスデータは物体表面の幾何情報にすぎないので、立体を完全に表現できるソリッドモデルを構築するには、まずサーフェスデータを接続して連続面を表現するフェースデータにしなければならない。ところが、サーフェスデータからフェースデータを作成すると、隣接するフェースデータ間に位相的な空間が生じることがある。これは、隣接するサーフェスデータが厳密な意味で接していなかったために、データ変換の際の許容値（トレランス）の違い等により生じる現象である。従来では、フェースデータ間の境界線を選択してマージを行い閉じた空間にする処理（以下、「クローズ処理」という）を行っていた。クローズ処理は自動で行える場合もあるが、手作業による修正も必要であった。そのため、三次元モデルの作成においては、このクローズ処理に要する時間の占める割合が非常に大きかった。
【００２７】
本実施形態では、全てのサーフェスデータが閉じるものと仮定することで、サーフェスデータから直接閉じたフェースデータを作成する（Ｓ４６）ので、モデル作成時間が短縮されている。
【００２８】
作成されたフェースデータはボリューム作成部２６によりボリュームにされ（４８）、さらにソリッドデータ作成部２８によりソリッドデータが作成される（Ｓ５０）。この過程は周知であるので、詳細には説明しない。
【００２９】
このようにして１つの歯溝のソリッドデータを作成したなら、次に、三次元モデル作成対象である歯車の歯数分だけ、歯溝のソリッドデータを歯車の中心軸の周りに等間隔にコピーする（Ｓ５２）。図４(ａ)は、モデル作成対象がハイポイドギヤであるときの歯溝ソリッドデータの一例である。
【００３０】
次に、歯車の素材のソリッドデータを作成する（Ｓ５４）。例えば、モデル作成対象である歯車の内外周を三次元歯形測定装置１８で測定し、このデータから上述のようにしてソリッドデータを作成しても良いが、本実施形態では、歯車の詳細な測定を行うことなくプリミティブのブール演算による周知のソリッドモデリングにより素材のソリッドデータを作成する。なぜなら、歯面の精度は歯車の性能に大きく影響を与えるのに対し、歯面以外の部分はそれほど精度が高くなくても性能に与える影響は少ないので、ソリッドデータの作成にあたって厳密に寸法を再現する必要はないからである。ソリッドモデリングにより素材のソリッドデータを作成した場合、素材形状は円柱や円錐等の簡単な形状の組合わせであるので、三次元測定データからソリッドデータを作成した場合に比べデータ量が非常に小さいことに注意されたい。
【００３１】
そして、上述のようにして作成した素材のソリッドデータと、ステップＳ５２で作成した歯溝のソリッドデータとを合成する（Ｓ５６）。具体的には、図４に示すように、歯の頂点を基準として、素材のソリッドデータ（図４(b)）から歯溝のソリッドデータ（図４(a)）を減算して歯車全体のソリッドデータ（図４(c)）を完成させる。この歯車全体のソリッドデータの歯面は、歯溝でなく歯面の形状をソリッドデータ化したものと同一である。
【００３２】
別の実施形態として、歯面フェースデータを歯溝ソリッドデータに変換することなく、歯数分コピーした歯面フェースデータを素材ソリッドデータと直接合成しても良い。
【００３３】
作成した歯車全体のソリッドデータは、ＣＡＥシステムにより強度解析や動的な運動解析に用いることができ、またはＮＣデータ化してＮＣ工作機械に送ることによって、モデル作成対象の歯車を複製するのに用いることもできる。このようにすれば、仕様が不明である歯車をリバースエンジニアリングして歯車の解析を行うことが可能となる。
【００３４】
上述のようにして作成した歯車全体のソリッドデータは、歯溝１つ分のソリッドデータを歯数分だけコピーし、さらにデータ量の小さい素材と合成したものであるから、歯車全体を高精度に三次元測定して作成したソリッドデータに比べて、データ量が極めて小さいうえ、測定にかかる時間も短縮される。このように、精度の異なるソリッドモデルを精度の重要度に応じて合成している点は、本発明の特徴の１つである。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこの形態に限られず、種々の変形、変更、改良を行うことができる。例えば、例としてハイポイドギヤを取り上げて説明したが、インボリュート歯車やウォームギヤ等の他の歯車についてもわずかの改良で適用可能である。また、ＣＡＥ解析の目的に応じてより詳細なデータが必要な場合は、全ての歯面の形状を測定してデータ化することも当然可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、歯面精度の高い歯車の三次元モデルを短時間かつ少ないデータ量で作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による歯車の三次元モデル作成方法に適合したシステムの全体構成図である。
【図２】本発明による歯車の三次元モデル作成方法を説明するフローチャートである。
【図３】三次元歯形測定装置による測定を示す図である。
【図４】素材ソリッドデータと歯溝ソリッドデータの合成を示す図である。
【符号の説明】
１８        三次元歯形測定装置
２０        前処理部
２２        サーフェスデータ作成部
２４        フェースデータ作成部
２８        ソリッドデータ作成部
３０        ＣＡＤシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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