JPS6327748B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は立体図形作成システムに係り、更に具
体的には３次元構造物を作成する対話型立体図形
処理システムに関する。

〔従来の技術およびその問題点〕

従来自由曲面を有する物体や複雑な形状を有す
る機械構造物を設計する場合、概略設計、詳細設
計、図面作成後に形状その他の１次評価を加え、
さらに木型や石膏でモデルを作成して２次評価
し、必要に応じて手直しを加え最終形状を決定し
ていた。このような方法による場合、図面やモデ
ルの作成や修正に多大な労力と日数を要するとい
う問題があつた。一方、図面作成を対話型図形処
理装置で行ない、結果をNC（数値制御）データ
に変換して紙テープに出力し、その紙テープを
NC装置に入力して３次元モデルを作成するとい
う方法もある。（例、昭和55年７月発行「日立評
論」第26巻第７号、第17〜20頁参照） この方法では、グラフイツクデイスプレイ上で
３次元形状を設計するので、作成した３次元形状
が設計者の意図通りに作られていることは限らな
い。特に曲面形状を、２次元座標入力装置と２次
元図形しか表示できない図形表示装置を用いて正
確に入力することは困難である。そのため試切削
を行なわないと、設計者が意図した通りの曲面た
入力できたかどうかを知るのは困難である。この
ように、作成した３次元モデルの一部に直接、人
手で手直しを加えたような場合、最初に作成した
設計データを修正する手段が非常に面例である
上、修正結果の確認のためにはもう一度３次元モ
デルを作り直す必要があり、これに多大な労力を
要するという問題が生じていた。

本発明の目的は上記した従来技術の欠点を解消
し、自由曲面形状を有する各種機器や複雑な形状
を有する機械構造物の部品の立体モデルを高速且
つ正確に作成することが可能な対話型立体図形処
理システムを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明はデイジタ
ル計算機と、該計算機に図形情報と図形処理指令
を入力する２次元座標入力装置と、前記計算機の
図形情報処理結果を表示する図形表示装置と、前
記計算機からの図形処理情報を受け、該図形処理
情報と実際の立体モデルの３次元座標情報との照
合結果に基づいて駆動信号を出力する立体モデル
作成装置と、該立体モデル作成装置からの駆動信
号を受けて、立体モデルを作成する加工手段及び
前記加工手段の工具主軸に装着される測定子を有
し、前記立体モデルの測定時に前記計算機からの
指令により該加工手段を介して測定子を操作して
立体モデルの形状を測定し３次元座標情報として
前記立体モデル作成装置に出力する座標計測手段
とからなり、前記測定結果から前記２次元座標入
力装置に修正情報を入力することにより前記計算
機で予め求められた図形処理情報を修正し、該修
正された図形処理情報に基づいて立体モデルの修
正加工を可能としたものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体的
に説明する。

第１図に本発明に係る対話型立体図形処理シス
テムの構成、特に対話型図形処理装置によつて自
由曲面を有する意匠設計や複雑な機構を有する機
械構造物設計結果を、直接３次元形状で表示でき
る対話型立体図形処理システムの概略構成を示
す。ここで設計、製造情報データ・ベースを有す
るデイジタル計算機１に、２次元座標入力装置２
から図形処理情報及び図形処理指令を入力するこ
とにより、前記デイジタル計算機内の記憶装置に
格納されている図形処理プログラムによつて３次
元数値モデルが作られ、それを一旦２次元図形情
報に変換し図形表示装置３に表示する。この表示
図形は任意の視点からの鳥瞰図、断面図、展開図
及び３面図などである。その表示図を観察しなが
ら設計者は不具合個所のチエツクや形状の検討を
行ない、変更が必要ならば再び２次元座標入力装
置２を介して修正情報を前記図形処理プログラム
に与え、先に作成した該３次元数値モデルを修正
する。この３次元数値モデルは、デイジタル計算
機内の記憶装置に格納されている変換プログラム
によつてNCデータに変換された後、立体モデル
作成装置４に送られ、立体モデル作成機５で樹脂
や石膏、ロウなどの素材を加工し立体モデルを作
成する。

なお、立体をモデル作成機は、立体モデルの素
材が軟らかい材質のものであるから、鉄などの硬
い材料を加工する通常のNC工作機に比べて機械
的強度が低い構造で良く、また切削速度も大きく
とることができるため、加工時間は鉄加工に比べ
大巾（1/30〜1/50）に短縮できる。

この立体モデル作成機５は、素材を切削、切断
及び穴開けする機能など通常のNC工作機が有す
る機能の他に、立体形状測定機能を有する。立体
形状測定機能は、作成された立体モデルがデイジ
タル計算機中の３次元数値モデルと許容誤差内で
一致するかどうかを検証するためのものである。
即ち、一旦加工した物体に対し、その表面点の座
標値を立体形状測定機能を用いて逆に計算機内に
とり込み、削り出したい形状の表面点の計算機内
の座標値と実際に削り出した形状の表面点座標値
との差異をチエツクする。

また、作成された立体モデルが設計者の意図し
た形状やイメージに反した場合、別装置で修正、
再加工することもあり、最終の形状データを前記
立体モデル作成機５から立体モデル作成装置４を
介してデイジタル計算機１に再入力し、先に作成
した３次元数値モデルを修正するためのものであ
る。さらに、本装置以外の手段で作られた立体の
形状を３次元データとして、前記デイジタル計算
機に入力するためにも利用される。

次に第２図に本発明に係る対話型立体図形処理
システムの一実施例の具体的構成を示す。同図に
おいてデイジタル計算機１で処理された３次元数
値モデル・データは、NCデータに変換され、立
体モデル作成装置４のオンライン・コントローラ
４１に送られる。オンライン・コントローラ４１
は送られた３次元数値モデル・データをNC命令
に変換し、制御部４２でパルスを発生させ、主軸
の移動距離ΔX，ΔY，ΔZ、移動加速度ΔF、回転
数変分ΔNに分配し、インタフエース４３を介し
立体モデル作成機５のカツタ部５１を制御する。

次に、作成した立体モデルを修正加工したい場
合や外部で作つた立体の外形を前記デイジタル計
算機１に入力するための立体形状測定機能につい
て説明する。形状測定の場合は、まず前記２次元
座標入力装置２及び図形表示装置３を利用して測
定範囲を平面的に指示し、デイジタル計算機１で
測定点を発生し、測定指令データと併せてオンラ
イン・コントローラ４１に送出する。オンライ
ン・コントローラ４１は、受取つたデータから立
体モデル作成機の主軸の移動のみを指令するNC
命令を制御部４２に送出すると共に、測定器制御
部４４に測定指令を与える。制御部４２以降の動
作は前述の通りであるが、主軸移動の動作が終了
したとき、制御部４２から測定器制御部４４に測
定開始信号が出力され、主軸に取付けられた垂直
距離測定器５２を動作させる。測定距離はパル
ス・カウンタ４５を経由して、オンライン・コン
トローラ４１に送られ、測定点（Xi，Yi）に対
する高さ（Zi）として対応付けられ、デイジタル
計算機１に戻される。デイジタル計算機では、与
えられた測定点、換言すれば３次元空間中に浮
ぶ、複数の離散点を通る曲面を決定する処理（平
滑処理）を行う。これによつて、上記離数点（す
なわち、形状測定器より入力した格子上の点）以
外の任意の点（補間点）の座標値が求められ、そ
の結果が図面表示装置３に表示される。

なお、立体モデルの形状に特異な突起個所や穴
などがある場合はその部分だけをさらに分割し、
再測定することにより、精度の高い数値モデルを
作成することも可能である。

次に、オンライン・コントローラ４１の処理内
容を第３図乃至第５図を参照しながら説明する。

第４図に示すようなメツシユ上の格子点を測定
する場合、デイジタル計算機１に２次元座標入力
装置２から以下の測定指令データを入力する。

(i) 計測開始点（X₀，Y₀，Z₀） (ii) 測定針先端の許容最下限Ｚ座標値Z₁ (iii) Ｘ方向及びＹ方向のメツシユ巾ΔX，ΔY (iv) Ｘ方向及びＹ方向の測定メツシユ数Ｍ，Ｎ 以上の測定指令データから計算機は、測定子９
０を動かすための（Ｍ×Ｎ）点のNCデータを作
成し、数点分のデータ・ブロツク毎にオンライ
ン・コントローラ４１に転送する。測定は第４図
に示すように、始点（X₀，Y₀）から開始し、以
下（X₀＋ΔX，Y₀）→（X₀＋2ΔX，Y₀）…（X₀
＋MΔX，Y₀）→（X₀，Y₀＋ΔY）…の順序で行
なう。測定子９０はＺ軸方向の座標を計測するも
のであり、第５図に示すように、まず測定針９０
Ａの先端を測定開始点Ｏ（X₀，Y₀，Z₀）に置く。
次に針の動作範囲ｌだけ降ろす。この時の測定針
９０Ａの値を第３図に示すフローチヤートに沿つ
て読み取り、Ｚ座標の絶対値を次式で計算する。

Ｚ＝Z₀＋ΔZ−ｌ …(1) ここで、ΔZは測定針９０Ａが被測定物９４に
衝突して、測定針の先が測定針本体に入り込んだ
場合における針先の没入距離である。

尚、第５図において座標Z_MAXは測定子９０の先
端の最上限の位置を示すものとする。

以下、第３図によりＺ座標の測定手順を説明す
る。

オンライン・コントローラ４１において、Ｚ座
標値の測定が開始（ステツプ６０）されると、ス
テツプ６２ではデイジタル計算機１より、主軸に
関するｎ組の初期測定開始位置座標値（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を受信しこれらのデータをオンライン・コン
トローラ内のバツフアメモリに記憶する。そし
て、初期設定（ｉ＝１）した後（ステツプ６３）
バツフアメモリから第ｉ番目の座標値（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を取り出す（ステツプ６６）。この座標値
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）ｉを立体モデル作成機５に送り、
主軸位置を設定する（ステツプ６８）。続いて、
ステツプ７０では現在のモードは切削か測定のい
ずれのモードかを判定する。このモードは、デイ
ジタル計算機１が設定する。仮に測定モードであ
れば、次に進みＺ値を測定する。切削モードであ
れば、主軸に加工器（カツター）が装着されてお
り、ステツプ６８で主体モデル作成機５に位置制
御指令を送つた段階で、切削が完了しているた
め、ステツプ８０にジヤンプする。

測定モードにある場合、主軸に平行に装着され
たＺ座標を測定する測定針のパルスカウンター４
５を読み取つて、ΔZに代入する（ステツプ７
２）。

ステツプ７４では、ΔZ＝０かどうかを判定す
る。ΔZ＝０ならば測定針は被測定物にまだ接触
していない状況であるので、ステツプ７８に移
る。ΔZ≠０であれば、測定針の先は被測定物の
接触して測定針本体に入り込んだと判断でき、こ
の時は測定が完了したという判断でステツプ７６
に移る。

即ち、ステツプ７４において、測定針が被測定
物に接触していないと判定（ΔZ＝０）されると、
主軸を距離ｌだけ下げることによつて被測定物体
に測定針をｌだけ近づけ、現在の主軸位置（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）ｉのＺ位置をＺ＝Ｚ−ｌとし新たな位置
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）ｉを立体モデル作成機に指定する
ためステツプ６８にジヤンプする。この時、現在
の測定針の先端のＺ値Z₀をZ₀＝Z₀−ｌに修正する
（ステツプ７８）。

一方、ステツプ７４において、測定針が被測定
物に当接していると判定（ΔZ≠０）されると、
測定針のパルスカウンターから変換して得られた
測定針の入り込んだ距離ΔZより前記(1)式で測定
針先端のＺ値を補正する（ステツプ７６）。ステ
ツプ７６でｉ番目のＺ座標が測定されると、ステ
ツプ８０において、バツフアメモリに末測定の点
座標値が残つているか否かを調べる。測定すべき
座標値が残つている場合には、ステツプ６６にジ
ヤンプし、前述と同様に次の測定点（ｉ＋１）の
測定が行なわれる。全ての座標値ｎ測定が完了
（ステツプ８０のYES）すると、次の測定点座標
群をデイジタル計算機に要求（ステツプ８２）
し、メモリバツフアに格納する（ステツプ６２）。

このようにして立体モデル作成機によつて作成
された立体モデルの形状が測定される。この立体
モデルの測定結果は、３次元座標情報として立体
モデル作成装置に取り込まれ、先の計算機に記憶
されている図形処理情報としての数値モデル・デ
ータと照合される。また既存の立体モデルや他の
装置で加工した立体モデルを基準として作成する
場合には、前記立体モデルを測定台９２に載置
し、Ｚ座標の測定を行い、その結果をデイジタル
計算機１へ返送することにより、これから加工し
ようとする立体モデルの基準となる数値モデル・
データとして記憶される。

上記Ｚ座標測定によれば、デイジタル計算機１
からの切削又は測定データは、通常のNCデータ
で送られるが、各データの先頭に区分コードを付
加することによつて切削モードが測定モードかの
弁別ができるようにしている。また、NCデータ
は、複数の座標点がまとめて送られ、オンライ
ン・コントローラ４１に内蔵されたバツフアメモ
リに記憶させるようにして、デイジタル計算機１
とのデータ送受時間を短縮させるようにしてい
る。

次に、数値モデルと実際の立体モデルの照合に
ついて説明する。

数値モデルは計算機内の仮想３次元空間XYZ
内に存在する。実際の立体モデルは、立体モデル
作成機の切削台の上で切削され出き上る。この２
つの仮想空間と実空間の対応は自明である。すな
わち、NCデータは、上記XYZの座標系に従つて
作成すれば、仮想空間のＸ軸方向は実空間の切削
台に平行なX′軸方向に、仮想空間のＹ軸方向は
切削台に平行でかつX′軸に垂直なY′軸方向に等
しく、仮想空間Ｚ軸は切削台に垂直なZ′軸方向に
等しくなります。換言すれば、NCデータを作成
する際に基準とした仮想空間内の直交３軸が規定
する仮想空間内に配置された数値モデルの、対仮
想空間３軸との相対位置は、そのNCデータに従
つて立体モデル作成機が切削台で素材を切削して
作成した場合、作成後の実際の立体モデルの切削
台上での据付位置を動さない限りにおいては、立
体モデル作成機が個有に定める実空間直交３軸
X′，Y′，Z′と実際の立体モデルとの相対位置は
等しくなる。

従つて、立体モデル作成機がデイジタル計算機
側から指定されたXYZ軸仮想空間上での測定XY
座標位置は、実空間上でのX′，Y′座標位置と全
く等しく一対一に対応する。仮に、数値モデルか
らNCデータに変換する際の誤差が０でかつNC
データに従つて立体モデル作成機が切削する場合
の加工誤差も０であるなら、仮想空間上のＺ軸に
平行な直線ｌ（Ｘ＝ａ，Ｙ＝ｂ）が数値モデルに
仮想空間内で交差する点のＺ座標値は、立体モデ
ル作成機が規定する実空間上の直線ｌに対応する
直線l′（X′＝ａ，Y′＝ｂ）が実際の立体モデルに
交差する点のZ′座標値に等しくなる。

以上の対応によつて、逆に、立体モデル作成機
によつて測定された実際の立体モデルの表面点の
Ｚ座標値（直線l′と実際の立体モデルとの交点の
Z′座標値）仮想空間上の数値モデルと直線ｌとの
交点のＺ座標値とを比較すれば切削誤差が判明す
る。

〔発明の効果〕

上述のとおり、本発明によれば、次のような効
果がある。

(1) 計算機で処理した３次元図形処理結果を、実
際の立体モデルとして出力できるので、設計か
ら製作確認までを１貫して行なうことができ、
立体モデルを高速且つ正確に作成することが可
能となる。

(2) 直接加工した立体モデルだけではなく、一般
の物の形状も測定可能で、かつ立体モデル作成
機能の大部分が形状測定に利用できるため装置
が安価になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る対話型立体図形処理シス
テムの概略構成を示すブロツク図、第２図は本発
明に係る対話型立体図形処理システムの一実施例
の具体的構成を示すブロツク図、第３図は第２図
の実施例におけるオンライン・コントローラの処
理内容を示すフローチヤート、第４図及び第５図
はオンライン・コントローラの測定処理を説明す
るための図である。 １……デイジタル計算機、２……２次元座標入
力装置、３……図形表示装置、４……立体モデル
作成装置、５……立体モデル作成機、４１……オ
ンライン・コントローラ、４２……制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ デイジタル計算機と、該計算機に図形情報と
   図形処理指令を入力する２次元座標入力装置と、
   前記計算機の図形情報処理結果を表示する図形表
   示装置と、前記計算機からの図形処理情報を受
   け、該図形処理情報と実際の立体モデルの３次元
   座標情報との照合結果に基づいて駆動信号を出力
   する立体モデル作成装置と、該立体モデル作成装
   置からの駆動信号を受けて、立体モデルを作成す
   る加工手段及び前記加工手段の工具主軸に装着さ
   れる測定子を有し、前記立体モデルの測定時に前
   記計算機からの指令により該加工手段を介して測
   定子を操作して立体モデルの形状を測定し３次元
   座標情報として前記立体モデル作成装置に出力す
   る座標計測手段とを備えた立体モデル作成機とか
   らなり、前記測定結果から前記２次元座標入力装
   置に修正情報を入力することにより前記計算機で
   予め求められた図形処理情報を修正し、該修正さ
   れた図形処理情報に基づいて立体モデルの修正加
   工を可能としたことを特徴とする対話型立体図形
   処理システム。