(57)【要約】【課題】構造体について従来よりも適切な設計評価を実現する。【解決手段】複数の部材からなる構造体の評価方法であって、構造体を構成する各部材に設計許容値を所定の配分率で配分することにより各部材の数値解析モデルを生成するモデル生成工程と、設計許容値を満足するという条件の下で、当該設計許容値に対応する特性量に応じて各部材の数値解析モデルを相互調整する最終的な各部材の数値解析モデルを取得するモデル調整工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の部材からなる構造体の評価方法であって、
各部材に設計許容値を所定の配分率で配分することにより各部材の数値解析モデルを生成するモデル生成工程と、
設計許容値を満足するという条件の下で、当該設計許容値に対応する特性量に応じて各部材の数値解析モデルを相互調整することにより最終的な各部材の数値解析モデルを取得するモデル調整工程と
を備えることを特徴とする構造体の設計評価方法。
【請求項２】
設計許容値は、許容重量及び許容たわみ量であることを特徴とする請求項１記載の構造体の設計評価方法。
【請求項３】
モデル生成工程では、設計許容値を均等な配分率で各部材に配分するように各部材の数値解析モデルを生成することを特徴とする請求項１または２記載の構造体の設計評価方法。
【請求項４】
モデル調整工程では、たわみが小さい部材の数値解析モデルを軽量化し、その上で構造体の全体数値モデルの変位解析によって得られた全体たわみ量が許容たわみ量を満足しない場合は、重量が大きい部材の数値解析モデルを剛性を上げるように修正することを特徴とする請求項２または３記載の構造体の設計評価方法。
【請求項５】
構造体は、ベース部材とアーム部材とからなるアーム構造体であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の構造体の設計評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の部材からなる構造体の設計評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の部材からなる構造体の設計手法として、従来２つの手法がある。１つは、構造体を構成する全ての部材が設計許容値を満足するように各部材を設計する方法であり、もう１つは、構造体全体に対応する数値解析モデルを生成し、この数値解析モデルに基づいて構造体全体の特性を評価することにより全体として構造体を設計する手法である。
例えば下記特許文献１には、上記２つの設計手法に基づく組立装置の設計手法が開示されている。特許文献１に従来技術として記載されている組立装置は、上記２つの設計手法のうち前者に基づいて設計されたものであり、ロボット架台と当該ロボット架台上に設けられる直交ロボットとを個別に剛性を確保するように設計されている。一方、このような組立装置の問題点を解決するものとして特許文献１に記載された組立装置は、上記２つの設計手法のうち後者に基づいて設計されたものである。
【特許文献１】特許３４１４８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記２つの設計手法のうち、前者の設計手法は、構造体全体が設計許容値を満足すれば良いにもかかわらず、構造体を構成する全ての部材が設計許容値を満足するように設計されるので、特許文献１にも記載されているように、構造体に無駄な特性（剛性）を付与すると共に重量が過大になるという問題がある。
また、後者は、構造体全体の数値解析モデルを生成する必要があると共に当該数値解析モデルに基づく数値解析を実行する必要があるので、数値解析モデルの生成及びその解析に多大な時間を要し、よって設計作業の作業効率が悪いという問題がある。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、複数の部材からなる構造体について従来よりも適切かつ効率的な設計を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、複数の部材からなる構造体の評価方法であって、構造体を構成する各部材に設計許容値を所定の配分率で配分することにより各部材の数値解析モデルを生成するモデル生成工程と、設計許容値を満足するという条件の下で、当該設計許容値に対応する特性量に応じて各部材の数値解析モデルを相互調整する最終的な各部材の数値解析モデルを取得するモデル調整工程とを備える、という手段を採用する。
【０００６】
第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、設計許容値は、許容重量及び許容たわみ量である、という手段を採用する。
【０００７】
第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、モデル生成工程では、設計許容値を均等な配分率で各部材に配分するように各部材の数値解析モデルを生成する、という手段を採用する。
【０００８】
第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、モデル調整工程では、たわみが小さい部材の数値解析モデルを軽量化し、その上で構造体の全体数値モデルの変位解析によって得られた全体たわみ量が許容たわみ量を満足しない場合は、重量が大きい部材の数値解析モデルを剛性を上げるように修正する、という手段を採用する。
【０００９】
第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの解決手段において、構造体は、ベース部材とアーム部材とからなるアーム構造体である、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の部材からなる構造体の評価方法であって、構造体を構成する各部材に設計許容値を所定の配分率で配分することにより各部材の数値解析モデルを生成するモデル生成工程と、設計許容値を満足するという条件の下で、当該設計許容値に対応する特性量に応じて各部材の数値解析モデルを相互調整するモデル調整工程とを備えるので、構造体の無駄な特性を排除して従来よりも適切な設計を実現することができると共に、従来のように構造体全体を最初から数値解析する場合よりも短時間で設計を完了させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る構造体の設計評価方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す一連の処理は、操作部等の入力装置や表示部等の出力装置及び記憶部や通信部等の入出力装置を備えた演算装置（例えばエンジニアリングワークステーション）が所定の設計評価プログラムに基づいて実行する演算処理である。上記汎用コンピュータは、記憶部内に予め記憶された、あるいは通信部がネットワークを介して外部装置から取得した評価対象の設計データ（例えば形状情報及び材料情報等を含むＣＡＤデータ）を用いてフローチャートに示す演算処理を行う。
【００１２】
評価対象は、複数の部材を組み合わせて構成された構造体であり、全体的なたわみ量が所定の許容たわみ量Δ以下、かつ、全体重量が所定の許容重量Ｍ以下であることが設計目標として要求されるもである。このような構造体としては、例えばフロッグレッグアーム形式の搬送ロボットやスッカークレーン等の搬送装置に備えられた荷物移載用フォーク等が考えられる。
【００１３】
図２は、このような評価対象のうち、最も単純なアーム構造体Ａを示す斜視図である。このアーム構造体Ａは、ベース部材１の上にアーム部材２が固定されたものである。ベース部材１は、アーム部材２を支持するための長尺状の板材である。アーム部材２は、長尺状の板材であり、上記ベース部材１に直行する姿勢で当該ベース部材１の中央近傍に固定されている。
【００１４】
このようなアーム部材２は、図示しない荷物が先端近傍に載置されることにより、所定の荷重が下向き（重力方向）に作用する。すなわち、このアーム構造体Ａは、ベース部材１がアーム部材２を片持ち支持する構造を有し、アーム部材２に垂直方向の荷重が外力として作用することによって垂直方向にたわむ性質を有する構造体である。以下では、このような性質のアーム構造体Ａを評価対象とする設計評価方法を一例として説明する。
【００１５】
演算装置は、設計評価プログラムに基づいて演算処理を開始すると、最初に設計許容値の入力を促す画面を表示部に表示させ、この画面に対してユーザが上記許容重量Ｍ及び許容たわみ量Δを設計許容値として入力すると（ステップＳ1）、設計データに基づいてベース部材１のモデル１（数値解析モデル）を生成する（ステップＳ2）。このモデル１は、「ベース部材１の重量ｍ1が上記許容重量Ｍの半分（１/２）よりも小さい」という重量条件を満足するように板厚が調整されたものである。
【００１６】
そして、演算装置は、有限要素法等の構造解析手法を用いてモデル１に関する変位解析を行い（ステップＳ3）、この変位解析によって得られるベース部材１のたわみ量δ1が上記許容たわみ量Δの半分（１/２）よりも小さくなるという変位条件が「Ｙｅｓ」となるように（ステップＳ4）、モデル１の板幅を修正する（ステップＳ5）。すなわち、演算装置は、アーム部材２に最大荷重を作用させた場合におけるベース部材１のたわみ量δ1をモデル１に関する変位解析によって求め、このたわみ量δ1が許容たわみ量Δの半分（１/２）よりも小さくなるようにモデル１の板幅を修正する。
【００１７】
図３（ａ）は、垂直方向におけるベース部材１の上記たわみ量δ1を示す模式図である。以上のステップＳ2〜Ｓ5の処理によって、２つの評価条件、つまり（１）重量ｍ1が許容重量Ｍの半分（１/２）よりも小さい、（２）たわみ量δ1が上記許容たわみ量Δの半分（１/２）よりも小さい、というを満足するベース部材１のモデル１が得られる。
【００１８】
続いて、演算装置は、設計データに基づいてアーム部材２のモデル２（数値解析モデル）を生成する（ステップＳ6）。このモデル２は、「アーム部材２の重量ｍ2が上記許容量Ｍの半分（１/２）よりも小さい」という重量条件を満足するように板厚が調整されたものである。そして、演算装置は、有限要素法等の構造解析アルゴリズムを用いてモデル２に関する変位解析を行い（ステップＳ7）、この変位解析によって得られるアーム部材２のたわみ量δ2が上記許容たわみ量Δの半分（１/２）よりも小さくなるという変位条件が「Ｙｅｓ」となるように（ステップＳ8）、モデル２の板幅を修正する（ステップＳ9）。
【００１９】
すなわち、演算装置は、アーム部材２に最大荷重を作用させた場合におけるアーム部材２のたわみ量δ2をモデル２に関する変位解析によって求め、このたわみ量δ2が許容たわみ量Δの半分（１/２）よりも小さくなるようにモデル２の板幅を修正する。図３（ｂ）は、垂直方向におけるアーム部材２の上記たわみ量δ2を示す模式図である。
【００２０】
以上のステップＳ6〜Ｓ9の処理によって、２つの評価条件、つまり（１）重量ｍ2が許容重量Ｍの半分（１/２）よりも小さい、（２）たわみ量δ2が上記許容たわみ量Δの半分（１/２）よりも小さい、というを満足するベース部材１のモデル１が得られる。
【００２１】
このようにして得られベース部材１のモデル１及びアーム部材２のモデル２は２つの評価条件を個別に満足するものであり、相互に調整されたものではない。演算装置は、以下のステップＳ10〜Ｓ14の処理によって、モデル１とモデル２との相互調整を行う。すなわち、演算装置は、モデル１の重量ｍ1とモデル２の重量ｍ2との合計重量が許容重量Ｍよりも小さい場合（ステップＳ10）、モデル１とモデル２とを合体させた全体モデルの変位解析を行い（ステップＳ12）、一方、上記ステップＳ10の条件を満足しない場合には、ベース部材１のたわみ量δ1がアーム部材２のたわみ量δ2よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ11）。
【００２２】
そして、演算装置は、ベース部材１のたわみ量δ1がアーム部材２のたわみ量δ2よりも小さい場合は、たわみ量が小さい方のモデル１の板厚を薄くすることによりベース部材１を軽量化するように修正し（ステップＳ5）、一方、ベース部材１のたわみ量δ1がアーム部材２のたわみ量δ2よりも小さくない場合には、たわみ量が小さい方のモデル２の板厚を薄くすることによりアーム部材２を軽量化するように修正する（ステップＳ9）。このようなステップＳ10，Ｓ11に基づくモデル１あるいはモデル２の修正処理によって全体モデルの重量が上記ステップＳ10の条件を満足するようになり、この結果として演算装置は、全体モデルの変位解析を行う（ステップＳ12）。
【００２３】
そして、演算装置は、全体モデルの変位解析の結果得られた全体たわみ量Δａが上記許容たわみ量Δを下回るか否かを判定し（ステップＳ13）、この判定結果が「Ｙｅｓ」の場合は、上述した設計許容値を満足するので全処理を終了する。この一方、演算装置は、上記ステップＳ13の判定結果が「Ｎｏ」の場合には、モデル１の重量ｍ1がモデル２の重量ｍ2よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ14）。
【００２４】
そして、演算装置は、上記ステップＳ14の判定結果が「Ｎｏ」の場合は、全体たわみ量Δａをより小さくするために、重量が大きい方のモデル１の板厚を厚くすることによりベース部材１の剛性を上げるように修正し（ステップＳ5）、一方、ステップＳ14の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合には、全体たわみ量Δａをより小さくするために重量が大きい方のモデル２の板厚を厚くすることによりベース部材２の剛性を上げるように修正し（ステップＳ9）。
【００２５】
このような本実施形態によれば、アーム構造体Ａを構成するベース部材１とアーム部材２とに設計許容値を均等配分することによりベース部材１のモデル１とアーム部材２のモデル２とを生成し、設計許容値の下で当該設計許容値に対応する特性量（重量ｍ1，重量ｍ2及びたわみ量δ1，δ2）に応じてモデル１とモデル２とを相互調整するので、アーム構造体Ａに無用な強度を持たせることがないので、従来よりも適切な設計を実現することができると共に重量の軽減を実現することができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、設計許容値をベース部材１とアーム部材２とに分配することによりモデル１及びモデル２を生成した後に、両モデルの相互調整を行うので、アーム構造体Ａの全体モデルを最初から数値解析する従来よりも設計を短時間で完了させることができる。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、説明を単純化するために２つの部材（ベース部材１とアーム部材２）からなるアーム構造体Ａについて説明したが、本発明の評価対象はアーム構造体Ａに限定されるものではない。３つ以上の部材からなる構造体の場合には、部材数に応じて設計許容値を均等配分して各部材のモデルを生成し、その上で設計許容値の下で当該設計許容値に対応する特性量に応じてモデル間の相互調整を行えば良い。
【００２８】
（２）上記実施形態では、設計許容値を許容重量Ｍ及び許容たわみ量Δとしたが、設計許容値はこれに限定されない。設計許容値は、例えばひずみ等、構造物の設計パラメータでありコンピュータによる構造解析によって評価可能なものであれば何でも良い。上述したフロッグレッグアーム形式の搬送ロボットや搬送装置の荷物移載用フォークは、荷受や荷渡を行う相手側装置との関係上、アームやフォークの変形量を所定の設計目標値以内とすることが要求されるので、評価対象として典型的なものである。
【００２９】
（３）上記実施形態では、ベース部材１あるいはアーム部材２の形状を変更するようにモデル１あるはモデル２を修正するが、モデル１あるはモデル２の修正は形状に限定されない。例えばベース部材１あるいはアーム部材２の材質を変更することにより、ベース部材１あるいはアーム部材２の形状を変更することなく剛性を変更するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係わる構造体の設計評価方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態において評価対象となるアーム構造体Ａを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるアーム構造体Ａのたわみ状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ａ…アーム構造体、１…ベース部材、２…アーム部材
【図１】
2009282679.tif 000003
【図２】
2009282679.tif 000004
【図３】
2009282679.tif 000005