JPH0724076B2 - Intersection line extraction method in CAD / CAM system - Google Patents
Intersection line extraction method in CAD / CAM systemInfo
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- JPH0724076B2 JPH0724076B2 JP60051046A JP5104685A JPH0724076B2 JP H0724076 B2 JPH0724076 B2 JP H0724076B2 JP 60051046 A JP60051046 A JP 60051046A JP 5104685 A JP5104685 A JP 5104685A JP H0724076 B2 JPH0724076 B2 JP H0724076B2
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Description
【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) この発明は、CAD(computer Aided Design)やCAM(Com
puter Aided Manufacturing)における自動車、流体機
器、家電機器、OA機器等の自由曲面形状と数式化形状を
合わせ持つ形状モデルの面交線抽出方式に関するもので
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field of the Invention) The present invention relates to CAD (computer Aided Design) and CAM (Com
puter Aided Manufacturing) is related to the method of extracting the intersection line of the shape model having the free-form surface shape and the mathematical expression shape of the automobile, fluid equipment, home appliances, OA equipment, etc.
(発明の技術的背景とその問題点) 金型等の形状加工を、NC(Numerical Control)加工を
主体とするCAD/CAMの概念を用いて実現しようとする場
合、加工オペレータが加工現場における迅速な工具経路
の変更等のオペレータのノウハウを十分反映できるよう
な機能を持たせることが重要になる。この点を考慮して
形状加工システムを考えた場合、以下に示すような要求
〜を満たす必要がある。(Technical background of the invention and its problems) When the shape machining of dies and the like is to be realized by using the concept of CAD / CAM mainly for NC (Numerical Control) machining, the machining operator can quickly It is important to have a function that can sufficiently reflect the operator's know-how such as changing the tool path. Considering this point, when considering the shape processing system, it is necessary to satisfy the following requirements (1) to (3).
形状定義機能と工具経路生成機能とが完全に分離さ
れていること リアルタイムで工具経路の自動生成が可能であるこ
と 数式形状と自由曲面形状を同一プロセッサで処理可
能なこと それらの組合せのセットオペレーションが可能なこ
と CADシステムとの結合が容易なこと システムソフトウエアがコンパクトであること ところで、形状モデリングは3次元物体の数学モデルを
コンピュータ内部に構築し、それを要求された問題に適
する形に加工し、外部表現することである。したがっ
て、先ず数学モデルが作成されていなければならず、数
学モデルの作成としては上述のCSG又はB−Repsの2つ
の手法が主に存在している。The shape definition function and the tool path generation function are completely separated. The tool path can be automatically generated in real time. The mathematical expression and the free-form surface shape can be processed by the same processor. What is possible Easy to connect with CAD system Compact system software By the way, shape modeling constructs a mathematical model of a three-dimensional object inside a computer and processes it into a form suitable for the required problem. , Is to be expressed externally. Therefore, a mathematical model must first be created, and the two methods of CSG or B-Reps described above mainly exist as the creation of the mathematical model.
先ず、CSGに基づくモデルは曲面によって2つに分割さ
れた3次元空間の片側、すなわち半空間領域の集まりに
よって、3次元空間内に閉じた点集合領域を3次元物体
形状モデルとして作り出すものである。ここで、3次元
物体形状は3次元ユークリッド空間の部分集合としてモ
デル化できる。モデルは物理的な物体を表わすから、内
部を閉じた3次元空間の部分集合である。今、与えられ
た物体に対応する3次元空間の閉じた領域をS(X)と
し、この点集合をSとすると、 S={X:X∈S(X)} ……(1) と表現することができる。S(X)は閉じた領域なので
半空間領域の集まりと考えることができ、Sを更にいく
つかの部分集合による集合演算で表現することができ
る。SをSi(i=1,2,…,n)の部分集合に分解し、逐次
的にSをこれらの部分集合を使って集合演算φiで構成
する。ここで利用する集合演算φiは、和,積及び差集
合演算であるとする。こうすると としてSを表現できる。φiは和集合演算ならばPi=φ
(Pi−1,Si)=SiUPi−1、積集合演算ならばPi=φi
(Pi−1,Si)=Si∩Pi−1、差集合演算ならば (〜を補集合演算とする)とする。Siをいくつかの部分
集合の積で表わし、Siの内部を閉じるとする。すなわ
ち、 Si=Si1∩Si2∩…∩Sim ……(3) と置く。(3)式のSijを半空間領域に対応させると、 Sij={X:fij(X)≧0} ……(4) と書け、こうして3次元物体形状を半空間領域による数
学モデルとして表現できた。形状モデリングでは、Siの
部分集合であるSij(j=1,2,…,m)の1つあるいはい
くつかは、解析的に特徴のある半空間領域を表わし、残
りはこの半空間領域を閉じるため使用されることが多
い。このSiの特徴をSiの名前に使用し、あらかじめ準備
されたSiの種類をそれぞれプリミティブと呼ぶ。First, the CSG-based model is one side of a three-dimensional space divided into two by a curved surface, that is, a set of half-space regions creates a closed point set region in the three-dimensional space as a three-dimensional object shape model. . Here, the three-dimensional object shape can be modeled as a subset of the three-dimensional Euclidean space. Since the model represents a physical object, it is a subset of a three-dimensional space with the inside closed. Now, let S (X) be the closed area of the three-dimensional space corresponding to the given object, and let S be this point set, then S = {X: XεS (X)} ... (1) can do. Since S (X) is a closed region, it can be considered as a set of half-space regions, and S can be further expressed by a set operation with some subsets. S is decomposed into a subset of Si (i = 1, 2, ..., N), and S is sequentially constructed by a set operation φi using these subsets. It is assumed that the set operation φi used here is a sum, product and difference set operation. This way Can be expressed as S. If φi is a union operation, Pi = φ
(Pi−1, Si) = SiUPi−1, Pi = φi for intersection operation
(Pi−1, Si) = Si∩Pi−1, if the difference set operation (~ Is the complement operation). Suppose that Si is represented by the product of several subsets, and the inside of Si is closed. That is, Si = Si1∩Si2∩ ... ∩Sim …… (3) is set. When Sij in equation (3) is associated with the half-space region, we can write Sij = {X: fij (X) ≧ 0} (4), and thus the three-dimensional object shape can be expressed as a mathematical model in the half-space region. It was In shape modeling, one or some of Sij (j = 1,2, ..., m), which is a subset of Si, represents an analytically characteristic half-space region, and the rest closes this half-space region. Often used for. The characteristics of Si are used in the name of Si, and the types of Si prepared in advance are called primitives.
一方、B−Repsは物体の点,辺,曲面等のトポロジー関
係とトポロジー関係の要素である頂点,辺,曲面の幾何
形状情報を与え、3次元空間内に閉じた2次元マニフォ
ールドを創成して3次元物体の形状モデルとするもので
ある。On the other hand, B-Reps gives topological relations such as points, edges, and curved surfaces of an object and geometric shape information of vertices, edges, and curved surfaces which are elements of the topological relation, and creates a closed two-dimensional manifold in three-dimensional space. This is a shape model of a three-dimensional object.
従来のCADやCAMシステムにおいて形状定義する場合、CS
Gのように数式により表現できる単純形状を組合せて表
現する方法が通例であり、その組合せの方法としては前
述のように論理演算(セットオペレーション)の原理を
用いている。When defining shapes in conventional CAD and CAM systems, CS
A method of expressing a combination of simple shapes that can be expressed by a mathematical formula such as G is customary, and the principle of logical operation (set operation) is used as the method of combination.
しかし、金型形状の場合、全てを数式で表現できる形状
の組合せで定義することができない場合がある。実際に
は所望形状の一部に数式表現可能な形状を用い、その他
に点群により定義される自由曲面を用いて両者の組合せ
により表現する形状が多い。However, in the case of a die shape, it may not be possible to define all with a combination of shapes that can be expressed by mathematical expressions. Actually, in many cases, a shape that can be expressed by a mathematical expression is used as a part of the desired shape, and in addition, a free-form surface defined by a point group is used and expressed by a combination of the two.
ここに、自由曲面とは曲面形状を数式化できない曲面、
たとえばF(x,y,z)=0のような式で表現できない曲
面である。このため曲面は第2図に示すように、点群2
をデータ構造に持ち、点群2の点と点の間はたとえばCo
ons式やBezier式で補間することで曲面1を詳細に表現
できる。さらに、自由曲面は複雑な形状を有するので、
補間曲面式は全てパラメータ表示された式となる。具体
的には、便宜上第17図で示すような2次元の点列(ノー
ド;node)を考えると、ノード2A〜2Cを必らず通り、か
つ滑らかに結ぶ曲線は無数に存在するが、これら曲線群
の中から必らず1つの曲線を定義する曲線式が必要であ
る。ノードの数をnとすると、(n−1)次多項式で上
述の条件を満たす曲線式を求めることができる。しか
し、多項式の次数が高くなればなるほどランジェ効果に
より曲線は振動し、この効果はノードを一部ずつ結ぶ低
次の多項式を用いることにより軽減される。これが局所
補間又はスプライン補間である。スプライン補間は、ノ
ードとノードの間を低次多項式で表現するもので、ノー
ドの数をnとすると(n−1)の式を得ることになる。
全式の接続性は、隣接する式の端条件をノード上で一致
させることで容易に保つことができる。Here, a free-form surface is a curved surface whose surface shape cannot be mathematically expressed,
For example, it is a curved surface that cannot be expressed by an expression such as F (x, y, z) = 0. Therefore, the curved surface is the point group 2 as shown in FIG.
Has a data structure, and between points of point group 2 is, for example, Co
The surface 1 can be expressed in detail by interpolating with the ons expression or Bezier expression. Furthermore, since the free-form surface has a complicated shape,
All the interpolated surface expressions are expressions with parameters displayed. Specifically, considering a two-dimensional point sequence (node; node) as shown in FIG. 17, for convenience, there are innumerable curves that pass through the nodes 2A to 2C without fail and smoothly connect them. A curve formula that defines one curve is indispensable from the curve group. Assuming that the number of nodes is n, it is possible to obtain a curve formula that satisfies the above-mentioned condition with a polynomial of degree (n-1). However, as the degree of the polynomial becomes higher, the curve oscillates due to the Langer effect, and this effect is mitigated by using a low-order polynomial that connects the nodes part by part. This is local interpolation or spline interpolation. The spline interpolation expresses a space between nodes with a low-order polynomial, and when the number of nodes is n, the formula (n-1) is obtained.
The connectivity of all equations can be easily maintained by matching the end conditions of adjacent equations on the node.
曲面の場合は、4つのノードで囲まれた曲面を1単位
(パッチと呼ぶ)として曲面式を設定し、上述の2次元
の場合と同様に(ただし、3次元の考察が必要)それら
の連続性をパッチの境界上で持たせればよい。曲面式
は、一般にCoonsの式、Bezeirの式、B−Splineパッチ
のいずれかを用いている。Coons補間式は第18図に示す
ような曲面P(u,v)に対して ただし、 F0(t)=2t3−3t2+1,G0(t)=t3−2t2+t F1(t)=−2t3+3t2,G1(t)=t3−t2 で与えられ、このCoons補間式は実空間座標系に存在し
ないベクトル式である。また、上記Coons補間式はパラ
メトリックな表現法を用いている。このパラメトリック
空間と実空間との間の関係は、第3図に示すように曲面
1のパラメータ空間(uv座標系)で補間したパラメータ
を用い、XYZ座標系の実空間への補間を行なう。このこ
とは曲面1がパラメータ空間により表現されることを意
味し、実空間内だけでは曲面の存在を認識することは不
可能である。このような曲面をCADやCAMの一要素として
加えた場合、球形状や平面のような数式面等の他の要素
との関係を調べなければならないが、これは明らかに実
空間での解析であり、上記問題点のために非常に困難
で、自由曲面取扱い上の欠点となっていた。つまり、CS
Gにおいては、球形状や平面のような数式面の認識は実
空間の任意の点がそれらの面に対してどのような位置に
あるかが特定できれば可能であるといえるが、自由曲面
は上述のようにパラメータ表現をしているので曲面上の
点は特定できても、実空間上の任意の点が自由曲面とど
のような位置関係にあるかは解析不可能であった。In the case of a curved surface, a curved surface expression is set with a curved surface surrounded by four nodes as one unit (called a patch), and the continuation of them is the same as in the above-described two-dimensional case (though three-dimensional consideration is required). It is sufficient to have sex on the boundary of the patch. As the curved surface formula, one of the Coons formula, the Bezeir formula, and the B-Spline patch is generally used. The Coons interpolation formula is for the curved surface P (u, v) as shown in FIG. However, F0 (t) = 2t3−3t2 + 1, G0 (t) = t3−2t2 + t F1 (t) = − 2t3 + 3t2, G1 (t) = t3−t2, and this Coons interpolation formula is a vector that does not exist in the real space coordinate system. It is an expression. The Coons interpolation formula uses a parametric expression method. As for the relationship between the parametric space and the real space, parameters interpolated in the parameter space (uv coordinate system) of the curved surface 1 as shown in FIG. 3 are used to interpolate the XYZ coordinate system into the real space. This means that the curved surface 1 is represented by the parameter space, and it is impossible to recognize the existence of the curved surface only in the real space. When such a curved surface is added as one element of CAD or CAM, it is necessary to investigate the relationship with other elements such as a mathematical surface such as a spherical shape or a plane, but this is clearly an analysis in real space. However, it is very difficult due to the above-mentioned problems, which is a drawback in handling free-form surfaces. That is, CS
In G, it can be said that the recognition of mathematical surfaces such as spheres and planes is possible if it is possible to identify the position of any point in the real space with respect to those surfaces. Since the parameter expression is used, the point on the curved surface can be specified, but it is impossible to analyze the positional relationship between the arbitrary point on the real space and the free curved surface.
したがって、CSGにおける従来のセットオペレーション
は数式表現の形状間のみで行なわなければならず、数式
表現による形状と自由曲面による形状が混在する形状を
処理して加工データを生成する場合、それぞれの形状に
対して別個のアルゴリズムを用いて処理しなければなら
ないのが現状である。Therefore, the conventional set operation in CSG must be performed only between the shapes in the mathematical expression, and when processing the shape that mixes the shape in the mathematical expression and the shape in the free-form surface to generate the machining data, On the other hand, it is the current situation that a separate algorithm must be used for processing.
一方、第3図において、曲面1の各境界線(辺)はパラ
メータ空間上の曲面領域を示す矩形領域3の各境界線に
対応している。このことが、以下に示す現象を起すこと
である。すなわち、第4図に示すようにパラメータ空間
上で直線的な補間をしても曲面上で歪んでしまう。この
補間を工具軌跡とすると、実空間においてAとBに示す
工具のピッチ(ピックフィード)が一定とならず、ある
所では広く、またある所では狭くなり、この現象が加工
効率に大きく影響してしまう。次に加工の工程を考える
と、第5図に示すように特定の領域A′を指定してその
部分だけの部分加工が当然考えられる。しかし、その領
域指定の際も実空間(A′)とパラメータ空間(A″)
との対応が困難である。加工領域A′は実空間で指定す
るが、それに対してパラメータ空間での対応付け
(A″)が不可能(解析的)である。さらに、第6図に
示すように曲面が極端に曲っている場合、従来のパラメ
ータ補間を行なうと左図に示すような工具軌跡TTを発生
する。しかし、加工の際は右図に示すような工具軌跡生
成TT′の要求もあり、このような工具軌跡は従来のパラ
メータ補間では不可能である。On the other hand, in FIG. 3, each boundary line (side) of the curved surface 1 corresponds to each boundary line of the rectangular area 3 indicating the curved surface area in the parameter space. This is to cause the following phenomenon. That is, as shown in FIG. 4, even if linear interpolation is performed on the parameter space, the distortion occurs on the curved surface. If this interpolation is used as the tool locus, the pitches (pick feeds) of the tools shown in A and B in the real space will not be constant, but will be wide at some places and narrow at some places, and this phenomenon will greatly affect machining efficiency. Will end up. Next, considering the machining process, it is naturally conceivable to designate a specific area A'as shown in FIG. However, even when specifying the area, the real space (A ′) and the parameter space (A ″)
It is difficult to deal with. Although the processing area A'is specified in the real space, it is impossible (analytically) to associate it with the parameter space (A "). Further, as shown in FIG. If a conventional parameter interpolation is performed, the tool locus TT as shown in the left figure is generated, but during machining, there is a demand for the tool locus generation TT 'as shown in the right figure. Is not possible with conventional parameter interpolation.
以上のような経緯より、形状モデリング主体に開発され
てきたCADの機能を拡張することを目的として、自由曲
面式をモデリングに取入れる研究が現在進められてお
り、一般的には自由曲面のデータ構造を判断して、自由
曲面をB−Reps(Boundary Representation)として認
識することにより処理の統一を計っている。From the above background, studies are currently underway to incorporate free-form surface equations into modeling for the purpose of expanding the functions of CAD that have been developed mainly for shape modeling. The structure is judged and the free-form surface is recognized as B-Reps (Boundary Representation) to unify the processing.
ここで、B−Repsによる従来のシステム例を第7図に示
して説明する。Here, a conventional system example using B-Reps will be described with reference to FIG.
たとえば第8図に示すような立体形状200を想定した場
合、形状データ入力装置10で入力された形状データは所
定の演算処理で第9図に示すような立体を構成する境界
要素201〜209に分解されると共に、各要素の連結関係を
示す物体構造データ21と、各要素の頂点座標,辺の方程
式,面の方程式を示す数式化形状データ22とに分離され
て整理される。立体形状200が自由曲面を有する場合
は、前述したような点群と補間曲面で表わせる自由曲面
データ23を有するが、B−Repsの自由曲面データ23は必
らず交線データを含んでいるものでなければならない。
このようにして求められた形状データ20は、工具半径,
工具送り方向,切削速度,加工領域等の加工情報31と共
に、数式化形状処理部30に入力されてデータポインタの
追跡処理が行なわれる。つまり、B−Repsでは形状要素
の境界情報を有しているので、この境界をドット情報で
追跡して行けば、CRT等の表示装置で画面表示処理(10
1)したり、NC加工のための工具軌跡を生成(102)した
り、材料,大きさ等に関する物体特性を求めるマスプロ
パティ演算処理(103)を行なったりすることができ
る。For example, assuming a three-dimensional shape 200 as shown in FIG. 8, the shape data input by the shape data input device 10 is subjected to predetermined arithmetic processing in boundary elements 201 to 209 forming a solid as shown in FIG. While being decomposed, the object structure data 21 showing the connection relation of each element and the mathematicized shape data 22 showing the vertex coordinates of each element, the side equation, and the surface equation are separated and arranged. When the three-dimensional shape 200 has a free-form surface, it has the free-form surface data 23 that can be represented by the point group and the interpolated surface as described above, but the free-form surface data 23 of B-Reps necessarily includes intersection line data. Must be one.
The shape data 20 thus obtained is the tool radius,
Along with the processing information 31 such as the tool feed direction, cutting speed, and processing area, it is input to the formulating shape processing unit 30 and the tracking processing of the data pointer is performed. In other words, since the B-Reps has boundary information of shape elements, if this boundary is tracked with dot information, the screen display processing (10
It is possible to perform (1), generate a tool path for NC machining (102), and perform mass property calculation processing (103) for obtaining object characteristics related to material, size, and the like.
次に、具体的にB−Reps表現におけるセットオペレーシ
ョンがどのような処理過程を経るかを説明する。今、第
13図(A)に示すように2つの立体B1,B2があり、立体B
1,B2は各々6つの面,12の辺,8の頂点を持つ。つまり、 B1について: F1=6,E1=12,V1=8,H1=0,R1=0,B1=1 B2について: F2=6,E2=12,V2=8,H2=0,R2=0,B2=1 ただし、F=面,E=辺,V=頂点,H=穴,R=穴輪郭(Rin
g),B=立体である。Next, the specific processing steps of the set operation in the B-Reps representation will be described. Now
As shown in Fig. 13 (A), there are two solids B1 and B2.
1 and B2 each have 6 faces, 12 sides and 8 vertices. That is, for B1: F1 = 6, E1 = 12, V1 = 8, H1 = 0, R1 = 0, B1 = 1 For B2: F2 = 6, E2 = 12, V2 = 8, H2 = 0, R2 = 0 , B2 = 1 However, F = face, E = side, V = vertex, H = hole, R = hole contour (Rin
g), B = solid.
となる。これは、多面体の必要条件であるオイラーポア
ンカレの式 V−E+F−R+2H−2B=0 ……(5) を満たしている。この2つの立体B1及びB2に対し、第13
図(B)に示すように重ね合わせ、その和をとると同図
(C)に示す形状B3ができ、この形状B3について F3=11,E3=24,V3=16,H3=0,R3=1,B3=1 となり、これもオイラーポアンカレの式を満たしてい
る。つまり、“B1"=(8,12,6,0,1),“B2"=(8,12,
6,0,0,1)で“B3"=“B1"+“B2"のとき“B3"=(16,2
4,11,0,1,1)となるために必要な “τ”=(0,0,−1,1,0,−1) ただし、各成分は(v,e,f,r,h,b) の処理を実施する必要がある。“τ”の処理は立体,面
を1つ消去して穴輪郭を1つ作る処理である。このよう
にしてR1=0,R2=0からはR3=1になることにより、R
は穴輪郭としているがこれはまぎれもなく立体と立体の
交差線を示すものである。これは、トポロジーモデル
(連結関係モデル)においてセットオペレーションを行
なわせるためには、対称となる立体同志の交差線が求め
られればよいことを意味している。また、第14図〜第16
図はプリミティブのセットオペレーションの例を示して
おり、第14図はプリミティブP1とP2の和によって形状モ
デルP3が作成される様子を示している。第15図はプリミ
ティブP4とP5との差によって形状モデルP6が作成される
様子を、第16図はプリミティブP7とP8の積によって形状
モデルP9が作成される様子をそれぞれ示している。Becomes This satisfies the Euler-Poincare formula V-E + F-R + 2H-2B = 0 (5) which is a necessary condition for the polyhedron. For these two solids B1 and B2,
As shown in Figure (B), the shape B3 shown in Figure (C) is created by taking the sum of them, and for this shape B3, F3 = 11, E3 = 24, V3 = 16, H3 = 0, R3 = 1, B3 = 1, which also satisfies Euler Poincaré's formula. That is, "B1" = (8,12,6,0,1), "B2" = (8,12,
When "B3" = "B1" + "B2" in 6,0,0,1) "B3" = (16,2
4,11,0,1,1) required to be “τ” = (0,0, −1,1,0, −1) where each component is (v, e, f, r, h , b) need to be implemented. The process of "τ" is a process of deleting one solid and one surface to create one hole contour. In this way, from R1 = 0, R2 = 0 to R3 = 1, R
Shows the outline of a hole, but this shows the line of intersection between solids without a doubt. This means that in order to perform the set operation in the topology model (connection relation model), it is only necessary to find a symmetrical intersection line between the solids. Also, FIGS. 14 to 16
The figure shows an example of a primitive set operation, and FIG. 14 shows how the shape model P3 is created by the sum of the primitives P1 and P2. FIG. 15 shows how the shape model P6 is created by the difference between the primitives P4 and P5, and FIG. 16 shows how the shape model P9 is created by the product of the primitives P7 and P8.
以上で説明したB−Repsでは立体形状等を境界の関数に
分解しているので、形状データの数が多くなってしまう
と共に、幾何学的に存在し得ないような形状を定義して
しまったり、形状要素の入力ミスによって立体ではあり
得ない形状を入力してしまうといった欠点がある。In the B-Reps described above, the solid shape and the like are decomposed into boundary functions, so the number of shape data increases and a shape that cannot exist geometrically is defined. However, there is a drawback in that a shape that cannot be three-dimensional is input due to a mistake in inputting a shape element.
また、B−Repsの場合、CSG(Constructive Solid Geom
etry)に比べデータ構造が複雑であり、また処理が繁雑
となるため、CAMの機能としてセットオペレーションを
実現しようとすると、前述の要求仕様を満たすのは困
難となる。In the case of B-Reps, CSG (Constructive Solid Geom
Since the data structure is more complicated than that of etry) and the processing is complicated, it is difficult to satisfy the above-mentioned required specifications when trying to realize the set operation as a function of CAM.
ところで、実際の形状加工を考慮し、Z軸方向に1価以
上の形状(オーバーハングした形状等)は処理しないと
仮定し、形状の存在する領域を境界曲面からZ軸一方向
に固定すれば、第1図に示すように、基本形状A,B毎の
Z軸を比較することでセットオペレーションは実現でき
る。すなわち、論理和の場合はZ値の最大値を選択し、
論理積の場合は最小値を選択することで所望の形状を得
ることができる。しかしながら、上述の仮定に反するよ
うな形状の処理は困難であり、厳密な意味でセットオペ
レーションを実現しているとは言えない。By the way, in consideration of the actual shape processing, assuming that a shape having a valence of 1 or more (such as an overhanging shape) is not processed in the Z-axis direction, and fixing the region where the shape exists from the boundary curved surface in one direction of the Z-axis, As shown in FIG. 1, the set operation can be realized by comparing the Z axes of the basic shapes A and B with each other. That is, in the case of logical sum, select the maximum Z value,
In the case of logical product, a desired shape can be obtained by selecting the minimum value. However, it is difficult to process a shape that violates the above assumption, and it cannot be said that the set operation is realized in a strict sense.
最後に、CSGによる従来のシステム例は第10図に示すよ
うな構成となっており、形状データ入力装置10から入力
された形状データは物体構造データ21及び数式化形状デ
ータ22に分離され、これらデータは境界を示す面の情報
を含んでいる。したがって、第8図の立体形状は第11図
の形状要素(プリミティブ)210〜212に分解され、プリ
ミティブ211及212を加算した形状からプリミティブ210
を減算すれば立体形状200となる。このように、CSGシス
テムでは境界を示す関数情報が必要であることから、従
来のCSGでは自由曲面データを取扱うことができず、形
状データ20にも含まれていない。形状データ20は形状抽
出処理部40に送られ、表示や工具軌跡生成等のアプリケ
ーション対応の処理(43)に応じた空間情報SPを入力し
て立体の全体形状情報TSを生成する。すなわち、数式化
形状データ22と空間情報SPは数式化形状処理41で合成さ
れ、合成された数式化形状SSPが物体構造データ21と共
にセットオペレーション42されることによって全体形状
情報TSが生成される。この全体形状情報TSが画面表示処
理(101)されたり、NC工具の軌跡を生成(102)した
り、マスプロパティ演算処理(103)されたり、面交線
演算処理(104)されたりすると共に、これらアプリケ
ーション対応の処理を示すアプリケーション情報S1〜S4
が出力され、アプリケーション対応の処理43で空間情報
SPに変換される。Finally, the conventional system example by CSG has a configuration as shown in FIG. 10, the shape data input from the shape data input device 10 is separated into object structure data 21 and formulated shape data 22, and these The data includes information on the surface indicating the boundary. Therefore, the solid shape in FIG. 8 is decomposed into the shape elements (primitives) 210 to 212 in FIG. 11, and the primitive 210 is added to the shape added with the primitives 211 and 212.
Subtracting will give a three-dimensional shape 200. As described above, since the CSG system needs the function information indicating the boundary, the conventional CSG cannot handle the free-form surface data and is not included in the shape data 20 either. The shape data 20 is sent to the shape extraction processing unit 40, and the spatial information SP corresponding to the application-corresponding processing (43) such as display and tool locus generation is input to generate three-dimensional overall shape information TS. That is, the formulated shape data 22 and the spatial information SP are combined by the formulated shape processing 41, and the combined formulated shape SSP is subjected to the set operation 42 together with the object structure data 21 to generate the overall shape information TS. This whole shape information TS is subjected to screen display processing (101), generation of NC tool locus (102), mass property calculation processing (103), face intersection line calculation processing (104), and Application information S1 to S4 indicating processing corresponding to these applications
Is output, and spatial information is processed in application-compatible processing 43.
Converted to SP.
前述のように、CSGにおいては、球形状や平面のような
数式面の認識は実空間の任意の点がそれらの面に対して
どのような位置にあるかが特定できれば可能であるとい
えるが、自由曲面はパラメータ表現をしているので曲面
上の点は特定できても、実空間上の任意の点が自由曲面
とどのような位置関係にあるかは解析不可能であった。As described above, in CSG, it is possible to recognize mathematical surfaces such as spherical shapes and planes if it is possible to identify the position of any point in real space with respect to those surfaces. Since the free-form surface is parameterized, the point on the surface can be specified, but it is impossible to analyze the positional relationship between any point in the real space and the free-form surface.
以上のように、従来のCSGでは形状データ20として自由
曲面を取扱っていないので、自由曲面を含んだ形状に対
してアプリケーションを行ない得ない欠点があった。As described above, the conventional CSG does not handle the free-form surface as the shape data 20, so there is a drawback that the application cannot be applied to the shape including the free-form surface.
これに対してCSGの場合、データ構造が簡潔であり、処
理方法から判断して高速処理が可能と考えられる。On the other hand, in the case of CSG, the data structure is simple, and it is considered that high-speed processing is possible depending on the processing method.
ゆえに、以上の点からCSGの方法において自由曲面も含
めてセットオペレーションが行なえる処理方法の開発が
望まれている。Therefore, from the above points, it is desired to develop a processing method that can perform set operations including free-form surfaces in the CSG method.
一方、以上の説明とは別に、曲面の一部の所定形状のみ
を加工するとか、2つの曲面の交差部に丸味Rを付けて
加工するとか、面取り等を行なう場合、2つの曲面の交
差線を知る必要がある。交差線は平面と平面の場合は直
線となるが、一般には複雑な曲線となる。また、数式化
可能な曲面や自由曲面等の多種にわたる基本形状要素に
対して、その交差線を求めるのは非常に困難である。特
に数式化可能な曲面と自由曲面、自由曲面と自由曲面の
交差線を求めることは、数式化曲面と自由曲面のデータ
構造が基本的に異なっているため、処理を行なうのが難
しい問題となっている。従来は、数式曲面データを一旦
自由曲面データと同一のデータ構造に変換してから交差
線を求めるようにしている。しかしながら、データ変換
という別の工程を実施しなくてはならず、データ量も増
大してしまう欠点があった。On the other hand, in addition to the above description, when only a predetermined shape of a curved surface is processed, when a roundness R is added to the intersection of two curved surfaces, or when chamfering is performed, an intersection line of two curved surfaces Need to know. The intersection line is a straight line in the case of a plane and a plane, but is generally a complicated curve. In addition, it is very difficult to find the intersection line of various basic shape elements such as a mathematically-formable curved surface and a free-form surface. In particular, finding the intersection line of a free-form surface and a free-form surface that can be mathematically expressed is a difficult problem because the data structure of the free-form surface is basically different from that of the free-form surface. ing. Conventionally, the mathematical expression curved surface data is once converted into the same data structure as the free curved surface data, and then the intersection line is obtained. However, there is a drawback in that another step of data conversion has to be performed and the amount of data increases.
(発明の目的) この発明は上述のような事情からなされたものであり、
この発明の目的は、CSG方式の利点を生かしつつ、自由
曲面形状と数式化形状を同一のアルゴリズムで交線計算
が扱えるようにするCAD/CAMシステムにおける面交線抽
出方式を提供することにある。(Object of the Invention) The present invention has been made under the circumstances described above.
An object of the present invention is to provide a surface intersection line extraction method in a CAD / CAM system that enables the intersection line calculation to be performed with the same algorithm for a free-form surface shape and a mathematical expression shape while making use of the advantages of the CSG method. .
(発明の概要) この発明は、形状データ及び物体構造データが入力され
る入力装置と、前記形状データ及び前記物体構造データ
を用いてセットオペレーションを行う形状抽出処理部
と、前記形状抽出処理部から出力される全体形状情報に
基づいて画面表示処理等を行なうアプリケーション処理
部とを具備したCAD/CAMシステムにおいて、前記形状デ
ータとして実空間内で数式化形状を表す数式化形状デー
タ及び/又はパラメータ空間内で自由曲面形状を表す自
由曲面データを入力し、前記数式化形状データ及び/又
は前記自由曲面データが複数ある場合、それらのうち任
意の2つの形状データを取出し、取り出した形状データ
を用いた収束演算により、一方の形状データが表す面上
の任意の位置から他方の形状データが表す面への面法線
ベクトルを求めてその距離を求めるという処理を繰返
し、前記距離の大きさが零となったときは前記任意の2
つの形状データが表す面が交差しているとして、当該交
差面が作る面交線上に前記距離の大きさが零となったと
きの前記任意の位置が存在するとする一連の処理を繰返
して前記面交線を抽出し、抽出した面交線を表す前記形
状データを用いて前記セットオペレーションを行うよう
にしたものである。(Summary of the Invention) The present invention provides an input device to which shape data and object structure data are input, a shape extraction processing unit that performs a set operation using the shape data and the object structure data, and a shape extraction processing unit. In a CAD / CAM system including an application processing unit that performs screen display processing based on the output overall shape information, in the CAD / CAM system, as the shape data, the mathematical expression shape data and / or the parameter space that represents the mathematical expression shape in the real space. Input the free-form surface data that represents the free-form surface shape, and if there are a plurality of the above-mentioned mathematical expression shape data and / or the above-mentioned free-form surface data, any two shape data of them are extracted and the extracted shape data is used. By the convergence calculation, the surface normal vector from an arbitrary position on the surface represented by one shape data to the surface represented by the other shape data Repeating a process of obtaining the distance seek, when the magnitude of said distance becomes zero of the arbitrary 2
It is assumed that the surfaces represented by the two shape data intersect each other and that the arbitrary position exists when the magnitude of the distance becomes zero on the intersection line formed by the intersecting surfaces. The intersection line is extracted, and the set operation is performed using the shape data representing the extracted surface intersection line.
(発明の実施例) 第12図はこの発明方式を実現するシステム例を第10図に
対応させて示すものある。先ず、形状データ入力装置10
より形状データを入力する。形状入力の方法は人間が直
感的に理解し易く、しかも表現能力の豊かなものが望ま
れ、ここではプリミティブによる入力とセットオペレー
ションとの組合せを用いている。複雑な形状は段階を追
って作られていくため、形状の変形や付加,削除などの
変更操作も形状を構築する上で大きな役割を演じてい
る。(Embodiment of the Invention) FIG. 12 shows an example of a system for realizing the method of the present invention in correspondence with FIG. First, the shape data input device 10
Enter more shape data. It is desired that the shape input method be intuitively understandable by humans and that the expression ability be rich. Here, a combination of input by a primitive and set operation is used. Since complex shapes are created step by step, modification operations such as deformation, addition and deletion of shapes also play a major role in constructing shapes.
プリミティブによる入力は、直方体,円柱等の単純な図
形を基本形状として登録しておき、これを必要に応じて
取り出す方法である。The input by the primitive is a method in which a simple figure such as a rectangular parallelepiped or a cylinder is registered as a basic shape, and this is taken out as needed.
CSGによる形状データ20としては境界を示す面の関数情
報が用いられ、自由曲面データ23は境界データを含んで
いない。As the shape data 20 by the CSG, the function information of the surface indicating the boundary is used, and the free-form surface data 23 does not include the boundary data.
そこで、画面表示処理101等のアプリケーション処理の
1つが実行されると、その処理からのデータS1等がアプ
リケーション対応の処理43,44に入力される。アプリケ
ーション対応の処理43はそれをSP1として数式化形状処
理41に送る。アプリケーション対応の処理44はそれをSP
2として自由曲面演算処理45に送る。数式化形状処理41
は数式化形状データ22の個々のデータについてSP1に基
づく評価・判定を行ない、その結果を形状情報スタック
エリア46に格納する。一方、自由曲面評価演算処理45は
自由曲面データ23の個々のデータについてSP2に基づく
評価・判定を行ない、その結果を形状情報スタックエリ
ア46に格納する。数式化形状処理41及び自由曲面評価演
算処理45における評価・判定については後に詳述する。
セットオペレーション42は、形状情報スタックエリア46
に格納された個々の形状データについての評価結果に対
して物体構造データ20に基づいてセットオペレーション
を行なう。その結果のTSは画面表示処理101等のアプリ
ケーション処理に返される。Then, when one of the application processes such as the screen display process 101 is executed, the data S1 and the like from the process are input to the processes 43 and 44 corresponding to the application. The process 43 corresponding to the application sends it as SP1 to the mathematical shape processing 41. Application-aware process 44 SP it
2 is sent to the free-form surface calculation processing 45. Formulation and shape processing 41
Evaluates and determines each data of the formulated shape data 22 based on SP1, and stores the result in the shape information stack area 46. On the other hand, the free-form surface evaluation calculation processing 45 makes an evaluation / judgment based on SP2 for each data of the free-form surface data 23, and stores the result in the shape information stack area 46. The evaluation / determination in the mathematical expression shape processing 41 and the free-form surface evaluation calculation processing 45 will be described in detail later.
The set operation 42 has a shape information stack area 46.
Based on the object structure data 20, the set operation is performed on the evaluation results of the individual shape data stored in. The resulting TS is returned to the application processing such as the screen display processing 101.
例えば、画面表示処理101について説明する。全体形状
を表示させるには実空間上の任意の点についてその点が
全体形状の内側にあるか外側にあるかが判定可能であれ
ばよい。したがっって、画面表示装置101からの座標情
報について個々の形状データに対して数式化形状処理41
もしくは自由曲面評価演算処理45が内側か外側かすなわ
ちどちらの半空間側かの評価を行ない、その評価結果に
対して物体構造データ21に基づいてセットオペレーショ
ンを行なうことにより、その座標位置が全体形状につい
て内側にあるか外側にあるかが判定できる。全体形状の
輪郭を表示したければ、内側でもなく外側でもなく評価
値が0である座標位置を探索すればよいことになる。For example, the screen display process 101 will be described. In order to display the overall shape, it is only necessary to be able to determine whether or not an arbitrary point in the real space is inside or outside the overall shape. Therefore, regarding the coordinate information from the screen display device 101, the mathematical expression shape processing 41 is performed for each shape data.
Alternatively, the free-form surface evaluation calculation processing 45 evaluates whether it is inside or outside, that is, which half space side, and performs a set operation on the evaluation result based on the object structure data 21, so that the coordinate position is the entire shape. Can be determined to be inside or outside. To display the outline of the entire shape, it is sufficient to search for a coordinate position having an evaluation value of 0, not on the inside or outside.
次に、自由曲面評価演算処理45における処理を詳細に説
明する。すなわち、自由曲面についてある座標位置がそ
の自由曲面で区切られる半空間のどちら側にあるかを評
価する処理である。Next, the processing in the free-form surface evaluation calculation processing 45 will be described in detail. That is, this is a process of evaluating which side of a half space a certain coordinate position of a free-form surface is divided into.
そこで、第19図に示すように実空間内で指定した座標値
(x,y,z)が、パラメータ表示(u,v)された曲面1に対
してどのような位置関係にあるかを演算する。その演算
手法は収束演算を利用するもので、以下収束演算の概略
を述べ、次にその詳細を説明する。Therefore, as shown in FIG. 19, it is calculated what kind of positional relationship the coordinate values (x, y, z) specified in the real space have with respect to the curved surface 1 that is parameterized (u, v). To do. The calculation method uses a convergence calculation. The outline of the convergence calculation will be described below, and then the details thereof will be described.
半空間領域化の基本概念は自由曲面の空間における評価
の実現である。今、第20図に示すように、自由曲面上方
に点Pを想定し、曲面1上の任意の点Nから与点Pまで
の距離をEとする。曲面1上に無数に存在する任意の位
置全てに対し、この距離Eを計算し、距離Eが同じ値を
とる曲面1上の点を結ぶと第21図に示すように、曲面1
上に距離Eの等高線を描くことができる。これを、E軸
と曲面上の系u,v軸とで表わした図を第22図に示す。こ
れは曲面1から与点Pへの距離関数となり、この関数を
Ψ(u,v)とおく。そして、この関数に対して、曲面1
上のu方向について方向微分係数を求めると、 となる。を単位ベクトルとして、gradΨとの作る角を
θ1とすると、 を得る。同様にv方向について を得る。今、このポテンシャル関数の最小値を求める場
合、 なる条件を満たす必要がある。また、 であるから|▽Ψ|≠0とすると、cosθ1=0,cosθ2
=0である必要がある。故に、θ1=90°,θ2=90°
となる。ここで、θは曲面上の各方向とgradΨのなす角
であることから、ポテンシャル関数値の最小をとるEは
与点Pに向う面法線方向での与点Pとの距離となる。The basic concept of half-space domainization is the realization of evaluation in the space of free-form surfaces. Now, as shown in FIG. 20, a point P is assumed above the free curved surface, and a distance from an arbitrary point N on the curved surface 1 to a given point P is E. When this distance E is calculated for all infinite positions existing on the curved surface 1 and the points on the curved surface 1 having the same value of the distance E are connected, as shown in FIG.
A contour line of distance E can be drawn above. FIG. 22 shows a diagram in which this is represented by the E axis and the system u and v axes on the curved surface. This is a distance function from the curved surface 1 to the given point P, and this function is set to Ψ (u, v). Then, for this function, the curved surface 1
When the directional differential coefficient is obtained for the above u direction, Becomes Let θ1 be the unit vector and θ1 be the angle formed by grad Ψ. To get Similarly for v direction To get Now, to find the minimum value of this potential function, The following conditions must be met. Also, Therefore, if | ▽ Ψ | ≠ 0, cos θ1 = 0, cos θ2
Must be = 0. Therefore, θ1 = 90 °, θ2 = 90 °
Becomes Here, since θ is an angle between each direction on the curved surface and grad Ψ, E, which minimizes the potential function value, is the distance from the point P to the point P in the surface normal direction.
ポテンシャル最小値とは、与点の曲面に対する最短距離
を示すものであり、これはパラメトリックに表現された
曲面を空間的に評価する値となる。曲面補間式を(u,
v)とすると、そのときポテンシャル値は Ψ(u,v)=|−(u,v)| ……(12) となり、さらにポテンシャルの発生する向きを考えると (u,v)=−(u,v) ……(13) となる。今、ポテンシャル最小値を与える曲面上の点を
u1,v1とすると、ポテンシャルベクトルは、 (u1,v1)=−(u1,v1) ……(14) となる。ポテンシャル最小値を与えるu1,v1上の面法線
と(u1,v1)の向きは一致するので、u1,v1の面法線ベ
クトルをとすると S=(u1,v1)・ ……(15) を行なうことによってポテンシャルの符号が決定でき、
その結果半空間領域の向き付けを行なうことができる。The minimum potential value indicates the shortest distance of a given point to a curved surface, which is a value for spatially evaluating a curved surface expressed parametrically. The surface interpolation formula is (u,
v) then the potential value is Ψ (u, v) = | - (u, v) | ・ ・ ・ (12), and considering the direction of potential generation, (u, v) = - (u , v) …… (13). Now find the point on the surface that gives the minimum potential value
Given u1, v1, the potential vector is (u1, v1) = − (u1, v1) …… (14). Since the surface normal on u1, v1 that gives the minimum potential matches the direction of (u1, v1), let the surface normal vector of u1, v1 be S = (u1, v1) ··· (15) The sign of the potential can be determined by
As a result, the orientation of the half-space region can be performed.
ポテンシャル最小なる曲面上のパラメータ値(u1,v1)
を求めれば、自由曲面に対し半空間の領域分けを行なう
ことができる。Parameter value on the surface with the smallest potential (u1, v1)
By calculating, the half-space area can be divided into the free-form surface.
以上のことに基づいてパラメータ値(u1,v1)を求めれ
ばよいのであるが、解析的に(u1,v1)を求めることは
不可能なため、探索法を用いて求める必要がある。すな
わち、曲面上に探索初期位置(u0,v0)を設定し、その
時のΨ(u0,v0)に対してその極小値は−grad Ψ(u0,
v0)方向にあることは理解できる。The parameter value (u1, v1) should be obtained based on the above, but it is impossible to analytically obtain (u1, v1), so it is necessary to use a search method. That is, the search initial position (u0, v0) is set on the curved surface, and the minimum value is −grad Ψ (u0, v0) for Ψ (u0, v0) at that time.
It is understandable that it is in the v0) direction.
ここで となるので−▽Ψ= −|▽Ψ|cosθ1−|▽Ψ|cosθ2 ……(17) となる。これは、(−|▽Ψ|cosθ1,−|▽Ψ|cosθ
2)方向に求めたい解があることを示している。ここ
で、Ψ(u0,v0)は明らかに与点Pとの距離であるの
で、次に求める位置は u1=−Ψ(u0,v0)|▽Ψ|cosθ1+u0 v1=−Ψ(u0,v0)|▽Ψ|cosθ2+v0 ……(18) となる。ここで、=(u,v)とすると上記(18)式は
一般に、 i=−Ψ(i−1)▽Ψ(i−1)+i−1…
…(19) と書ける。Ψ(i−1)は探索ステップ,−▽Ψ(
i−1)は探索方向を示している。この式により次の探
索位置を求め、その探索位置毎に S=(−(i)・=S(は面法線) ……(2
0) をモニタすればよい。S≒1又はS≒−1となった時の
Xiがポテンシャル最小の位置である。 here Therefore,-▽ Ψ =-| ▽ Ψ | cosθ1- | ▽ Ψ | cosθ2 (17). This is (-| ▽ Ψ | cosθ1, − | ▽ Ψ | cosθ
2) It shows that there is a desired solution in the direction. Here, since Ψ (u0, v0) is obviously the distance from the given point P, the position to be obtained next is u1 = −Ψ (u0, v0) | ▽ Ψ | cos θ1 + u0 v1 = −Ψ (u0, v0) | ▽ Ψ | cos θ2 + v0 …… (18) Here, assuming that = (u, v), the above equation (18) is generally expressed as follows: i = −Ψ (i−1) ▽ Ψ (i−1) + i−1.
You can write (19). Ψ (i-1) is the search step, − ▽ Ψ (
i-1) indicates the search direction. The next search position is obtained by this formula, and S = (-(i) · = S (is the surface normal) for each search position.
0) should be monitored. When S≈1 or S≈−1
Xi is the minimum potential position.
以上の理論を具体的に説明する。The above theory will be specifically described.
第23図に示すように、曲面1は2つのパラメータu,vで
表現され、実空間で任意に指定したた点の位置ベクトル Pとする。今、初期パラメータ値を(Pu,Pv)とし、曲
面1上の位置ベクトル(Pu,Pv)とすると、ベクトル
は =−(Pu,Pv) ……(21) となり、このベクトルに対して =∂/∂u×∂/∂v ……(22) /||≒/|| ……(23) であれば、||は曲面1から任意点に対する最短距離
にある。As shown in FIG. 23, the curved surface 1 is represented by two parameters u and v, and the position vector of the point arbitrarily specified in the real space. Let P. Now, assuming that the initial parameter value is (Pu, Pv) and the position vector (Pu, Pv) on the curved surface 1, the vector is =-(Pu, Pv) ... (21), and for this vector == ∂ / ∂u × ∂ / ∂v (22) / || ≈ / || (23), || is the shortest distance from the curved surface 1 to an arbitrary point.
次に、上記(23)式を満足するようなパラメータ(Pu,P
v)を求める手法を説明する。第24図はパラメータ(Pu,
Pv)点での曲面1の接平面1Aを示すもので、接平面1Aに
はu,v各方向に接線ベクトルが存在する。この接平面1A
にベクトルを投影した′を計算すると、 ′=(×)× ……(24) によってベクトルの方向を計算し、後に ′=||sinθ′/|′| ……(25) の計算をすることによって求めることができる。そし
て、このベクトル′に対して、接平面1A上に存在する
u,v方向の接線ベクトル(u,v)向きの成分を計算
する。その計算は、各方向成分を各々TU,TVとし、u
とx軸,vとy軸のなす角をθ,Ψとすると TU=V′×cosθ−Vy sinθ ……(26) TV=−V′×sinΨ−Vy cosΨ ……(27) となる。このTU,TVを基にそれに見合う大きさのパラメ
ータ量分だけ、初期のパラメータから移動させたパラメ
ータが、より上記(23)式を満足させる可能性のある曲
面位置を示しているといえる。このパラメータの計算は
面のu,v方向の曲面の境界線長さをDU,DVとすると PUnew=PU+TU/DU ……(28) PVnew=PV+TV/DV ……(29) で行なわれる。この結果を基に再び(20)式へ戻り、
(23)式が満足されるまでこの処理を繰り返す。(23)
式を満足した||は、面からの距離を表わす。しか
し、このままでは面の表裏どちらの方向か明確化しない
ので、次に説明する極性判定を行なう必要がある。Next, parameters (Pu, P
The method of obtaining v) is explained. Figure 24 shows the parameters (Pu,
Pv) shows a tangent plane 1A of the curved surface 1 at which points tangent vectors exist in the u and v directions. This tangent plane 1A
Calculating ′ by projecting the vector onto, calculate the vector direction by ′ = (×) × …… (24), and then calculate ′ = || sinθ ′ / | ′ | …… (25) Can be sought by. Then, for this vector ', it exists on the tangent plane 1A.
The component in the u, v direction tangential vector (u, v) direction is calculated. In the calculation, each direction component is TU, TV, and u
If the angle between the x-axis and the x-axis, and v and the y-axis is θ, Ψ, TU = V ′ × cos θ−Vy sin θ (26) TV = −V ′ × sin Ψ−Vy cos Ψ (27). It can be said that the parameter moved from the initial parameter by the amount of the parameter corresponding to the TU and TV is a curved surface position that may further satisfy the above equation (23). This parameter is calculated as follows: PUnew = PU + TU / DU (28) PVnew = PV + TV / DV (29) where DU and DV are the boundary lengths of the curved surfaces in the u and v directions. Based on this result, we return to equation (20) again,
This process is repeated until the expression (23) is satisfied. (twenty three)
|| that satisfies the expression represents the distance from the surface. However, as it is, it is not clear which direction the surface is facing, so it is necessary to determine the polarity described below.
そこで、上記(23)式を したV′に対して の計算を行なうと、以下に示すようにと′の開き角
が90°以上の時にANは負、90°以下の時にANは正とな
る。また、と′はほぼ同一直線上に存在するので AN≒1;面法線ベクトルと同方向 −1;面法線ベクトルと逆方向 となり、評価関数値を とすれば、形状内外の判定可能な評価関数となる。Therefore, the above equation (23) is Against V ' As shown below, when the opening angle of and 'is 90 ° or more, AN is negative, and when it is 90 ° or less, AN is positive. Since and ′ are almost on the same straight line, AN ≈ 1; same direction as the surface normal vector −1; opposite direction to the surface normal vector, and the evaluation function value is Then, the evaluation function can determine whether the shape is inside or outside.
面境界での評価関数の取扱いとして、評価関数の適用可
能な領域範囲が存在する。評価関数は任意のスキャン点
に対して形状を表現する面の面法線方向の距離で表わ
す。そのため、第27図に示すような適用範囲が存在す
る。しかし、評価関数の演算を行なわせる際、上記(2
8)及(29)式の結果がこの領域外になることがある。
この位置は曲面1上に存在しないため、その位置からス
キャン点に対して面法線を立てるのは不可能であり、領
域外の評価関数の取扱いについて特別に考慮しなくては
ならない。As the handling of the evaluation function at the surface boundary, there is a range of areas to which the evaluation function can be applied. The evaluation function is represented by the distance in the surface normal direction of the surface expressing the shape with respect to an arbitrary scan point. Therefore, there is an applicable range as shown in FIG. However, when performing the calculation of the evaluation function, (2
The results of Eqs. 8) and (29) may fall outside this range.
Since this position does not exist on the curved surface 1, it is impossible to set a surface normal to the scan point from that position, and special consideration must be given to the handling of the evaluation function outside the region.
ここでは、第28図に示すようなベクトルを評価ベクト
ルとする。すなわち、パッチ4の境界線5に垂直な面法
線6に対して、境界線5に直交するベクトルを考え、そ
の垂直方向ベクトルを評価ベクトルとするのである。
このような評価ベクトルを用いると、評価関数は近似
的にではあるが第29図に示すようにパッチ曲面4からの
距離を明確化し、かつ面4に対する上下関係(表裏関
係)を明確化する。その演算法は上記(28)及び(29)
式の結果が第30図に示すA〜Hの領域のどこに属するか
を判定する。これはパラメータ空間上での領域判定であ
る。この判定は、パラメータ空間上で形状内部を表現す
る領域を負とするようなF(u,v)≦0なる関係を各境
界線毎に用意し(4本)、その値を全て比較することで
容易に行なうことができる。次に、第31図に示すよう
に、パラメータ空間上での前回の探索位置P1と、上記
(28)及び(29)式の結果P2から求めることができる直
線と形状境界との交点IPを求める。直線の式は であるので、交点IPは容易に求めることができる。この
パラメータを基に再び′を求める処理を行なう。この
処理を経ても尚(28)及び(29)式の結果P2が領域外で
あるなら、境界線とスキャン点に対し第32図で示すよう
な探索を行なって行き、 ′・=0 ……(45) となるようなu,vパラメータを求め、第27図に示すよう
な評価関数値を求める極性は前述と同一である。なお、
第32図は境界線5に上の点(u,v)とスキャン点SCとの
間をベクトル′で表わし、点(u,v)における接線ベ
クトルをで示している。そして、(45)式の結果を得
る手法は第33図に示す通りである。Here, the vector shown in FIG. 28 is used as the evaluation vector. That is, with respect to the surface normal 6 perpendicular to the boundary line 5 of the patch 4, a vector orthogonal to the boundary line 5 is considered, and the vertical direction vector is set as the evaluation vector.
When such an evaluation vector is used, the evaluation function approximates the distance from the patch curved surface 4 as shown in FIG. 29, but also the vertical relationship (front-back relationship) with respect to the surface 4. The calculation method is (28) and (29) above.
It is determined where the result of the expression belongs to the areas A to H shown in FIG. This is a region determination on the parameter space. For this judgment, prepare a relation (4) for each boundary line such that F (u, v) ≤ 0 that makes the region expressing the inside of the shape negative in the parameter space, and compare all the values. Can be done easily. Next, as shown in FIG. 31, the intersection point IP of the straight line and the shape boundary that can be obtained from the previous search position P1 in the parameter space and the result P2 of the above equations (28) and (29) is obtained. . The straight line formula is Therefore, the intersection IP can be easily obtained. Based on this parameter, the processing for obtaining 'again is performed. If the result P2 of the equations (28) and (29) is out of the area even after this processing, the boundary line and the scan point are searched as shown in FIG. 32, and ′ · = 0 ...... The polarities for obtaining the u and v parameters such that (45) and for obtaining the evaluation function value as shown in Fig. 27 are the same as above. In addition,
FIG. 32 shows a vector ′ between the point (u, v) on the boundary line 5 and the scan point SC, and a tangent vector at the point (u, v). The method of obtaining the result of equation (45) is as shown in FIG.
以上が自由曲面評価演算処理45における自由曲面に対す
る評価方法である。The above is the evaluation method for the free-form surface in the free-form surface evaluation calculation processing 45.
以上のように自由曲面の評価が可能になったことによ
り、次に示すような2つの自由曲面間の交線を求めるこ
とができる。第25図に示すように、2つの曲面4A及び4B
のどちらか一方の面上にスキャンライン7を設定し、そ
のライン7上の点について上記手法に基づく評価法を用
いる。この際、この評価法によって計算される評価関数
とスキャンラインとの関係は第26図のようになり、この
評価関数の0となる位置がスキャンライン7と面4Aとの
交点となり、全てのスキャンライン7についてこの交点
を求めると、その交点群は曲面4A及び4B間の交線を表わ
すことになる。Since the free-form surface can be evaluated as described above, the line of intersection between two free-form surfaces as shown below can be obtained. As shown in FIG. 25, two curved surfaces 4A and 4B
The scan line 7 is set on one of the surfaces, and the evaluation method based on the above method is used for points on the line 7. At this time, the relationship between the evaluation function calculated by this evaluation method and the scan line is as shown in FIG. 26, and the position where the evaluation function becomes 0 is the intersection of the scan line 7 and the surface 4A, and all scans are performed. When this intersection is obtained for the line 7, the intersection group represents the intersection between the curved surfaces 4A and 4B.
以上の処理は数式化形状処理41においても同様である。The above processing is the same as in the mathematical expression shape processing 41.
面交線の抽出を、第34図のフローチャートを参照して詳
細に説明する。面交線の抽出は第12図に示す面交線演算
処理104で行なわれるものであり、アプリケーション対
応の処理43には1つの曲面上に乗っている走査ライン上
の位置ベクトルが与えられる。なお、走査ラインはパラ
メータ空間上で設定される。Extraction of the intersection line will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. The extraction of the surface intersection line is performed in the surface intersection line calculation process 104 shown in FIG. 12, and the position vector on the scanning line on one curved surface is given to the process 43 corresponding to the application. The scan line is set in the parameter space.
先ず第25図に示すような2つの曲面4A及び4Bを考え、た
とえば曲面4B上の境界線にSSPを始点とするスタート走
査ライン7Aを設定し(ステップS1)、曲面4B上の点を上
述した方法でパラメータ補間する(ステップS2)。そし
て、曲面4B上の点に対して曲面4Aからの面法線ベクトル
を計算し(ステップS3)、ベクトルの大きさが零である
か否かを判定し(ステップS4)、零でない場合はベクト
ルの大きさに合せ、曲面4B上の点を走査ライン7Aに沿っ
て移動し(ステップS7)、上記ステップS2にリターンす
る。また、ベクトルの大きさが零の場合はこれを交線座
標としてメモリにストアし(ステップS5)、曲面4Bの全
面について終了したか否かを判定する(ステップS6)。
全面終了でない場合は、次の走査ライン7Bを設定し(ス
テップS8)、上記ステップS2にリターンする。First, consider two curved surfaces 4A and 4B as shown in FIG. 25. For example, a start scan line 7A starting from SSP is set at the boundary line on the curved surface 4B (step S1), and the points on the curved surface 4B are described above. Parameters are interpolated by the method (step S2). Then, the surface normal vector from the curved surface 4A is calculated for the point on the curved surface 4B (step S3), and it is determined whether or not the magnitude of the vector is zero (step S4). The point on the curved surface 4B is moved along the scanning line 7A in accordance with the size of (step S7), and the process returns to step S2. If the magnitude of the vector is zero, it is stored in the memory as the intersection line coordinates (step S5), and it is determined whether or not the whole surface of the curved surface 4B is completed (step S6).
If the entire surface is not completed, the next scanning line 7B is set (step S8) and the process returns to step S2.
ここで、第34図に示した処理を第12図に基づいて説明す
る。第25図に示した曲面4Aは、形状データ入力装置10を
介して自由曲面データ23に格納される。そこで、面交線
演算処理104は、先ず走査線を発生させる曲面4Bを用い
てパラメータ補間により探索点Snを発生させる。その探
索点Snは、アプリケーション対応の処理44へ渡される。
アプリケーション対応の処理44は、複数のアプリケーシ
ョン(101〜104)に対応する入力切換を行なっており、
したがって探索点SnはSP2として自由曲面評価演算処理4
5へ渡される。自由曲面評価演算処理45においては、前
述した探索法による処理が行なわれる。即ち、探索点SP
2への曲面4Aからの法線ベクトルが求められ、形状情報
スタックエリア46へ渡される。この場合には形状データ
20には1つの曲面しか可能されていないので、形状情報
スタックエリア46のデータはセットオペレーション42へ
渡され、その結果TSとして得られる。曲面線演算処理10
4は、このTSに基づいて次の探索点を求める。そして、
以上の処理をTSの値即ちベクトルの大きさが0になるま
で繰り返し、0になると次の走査線に対して同様の処理
を行なう。Here, the processing shown in FIG. 34 will be described with reference to FIG. The curved surface 4A shown in FIG. 25 is stored in the free curved surface data 23 via the shape data input device 10. Therefore, the surface intersection line calculation process 104 first generates a search point Sn by parameter interpolation using the curved surface 4B that generates a scanning line. The search point Sn is passed to the process 44 corresponding to the application.
The application-compatible processing 44 performs input switching corresponding to a plurality of applications (101 to 104),
Therefore, the search point Sn is SP2 and the free-form surface evaluation calculation process 4
Passed to 5. In the free-form surface evaluation calculation processing 45, the processing by the search method described above is performed. That is, the search point SP
The normal vector from the curved surface 4A to 2 is obtained and passed to the shape information stack area 46. Shape data in this case
Since only one curved surface is possible in 20, the data in the shape information stack area 46 is passed to the set operation 42 and is obtained as a result TS. Curved line calculation processing 10
4 finds the next search point based on this TS. And
The above processing is repeated until the value of TS, that is, the magnitude of the vector becomes 0, and when it becomes 0, the same processing is performed for the next scanning line.
一方、複数の曲面が形状データ20に格納されているとす
ると、それぞれの曲面に対する自由曲面評価演算処理45
における処理結果は、形状情報スタックエリア46へ一度
格納される。即ち、全ての曲面について評価演算処理が
行なわれる。全ての曲面についての処理が終ると、セッ
トオペレーション42の処理が行なわれる。これは、例え
ば第11図,第14図,第15図及び第16図にあるように複数
の曲面が組合わさって1つの物体を構成しているとき、
その物体からの法線ベクトルを求める処理とする。即
ち、個々の曲面の各々について法線ベクトルとして用い
るのに最も適したものを選び出すという処理である。
尚、個々の曲面がどのように組合あわさっているかは、
形状データ20中の物体構造データ21として記述される。On the other hand, if a plurality of curved surfaces are stored in the shape data 20, the free curved surface evaluation calculation process for each curved surface 45
The processing result in (1) is once stored in the shape information stack area 46. That is, the evaluation calculation process is performed on all curved surfaces. When the processing for all curved surfaces is completed, the processing of the set operation 42 is performed. This is because when a plurality of curved surfaces are combined to form one object, as shown in FIGS. 11, 14, 15, and 16, for example,
The processing is to obtain a normal vector from the object. That is, it is a process of selecting the most suitable one to be used as a normal vector for each of the individual curved surfaces.
In addition, how the individual curved surfaces are combined
It is described as the object structure data 21 in the shape data 20.
第35図は、NC装置300内に上述の如き工具軌跡生成機能
を組込んだ際の処理の流れを示す。通常の処理は紙テー
プ307のNCの情報を読込み(303)、そのNC情報を表わし
ているキャラクタイメージのデータをバイナリ変換する
(304)。そのバイナリデータを基に指令情報の解析処
理を行ない(305)、サーボ処理(306)を行なってその
出力を工作機械308に与える。NC装置300に工具軌跡生成
機能302を組込むと、直接バイナリデータを出力できる
こと、直線補間の連続であるため指令情報解析が不要で
あること等の利点があり、これにより処理の高速化が期
待できる。このため、NC装置300が工具軌跡生成機能を
有することは有効であり、形状データ301を入力して工
具軌跡TPを生成してサーボ処理(306)すれば、入力さ
れた形状データに従った加工を行なうことができる。よ
って、前述の形状抽出処理部40をNC装置300内に工具軌
跡生成処理302として組込めば、セットオペレーション
された全体形状情報TSを工具軌跡TPとして利用すること
ができる。この場合、複雑形状の加工の際に必要となる
NC指令情報は膨大な量となりその取扱いが問題となる
が、それに対して工具軌跡生成処理(302)をするため
の形状データ301は非常にコンパクトな量であり、その
取扱いも容易である。また、第36図は上記NC装置300の
ハードウエアの構成例を示し、工具軌跡生成処理部312
と従来のNCコントロール部の接続は2通り考えられる。
1つは、工具軌跡生成処理部312を内部に置く利点を十
分に生かす方法であり、これは図示実線で示すように工
具軌跡生成処理部312及びNCコントロール部のCPU310が
共通に利用可能なRAM311を設け、このRAM311を介して相
互に情報伝達するものである。これによるとデータ転送
時のロス時間がなくなり、高速処理が可能である。もう
1つは、従来のNCコントロール部との間に、図示破線部
のようにインターフェース313を設けて接続する方法で
ある。この方法を用いると処理速度にデータ転送速度の
影響が含まれるので、全体的に処理速度が遅くなる。FIG. 35 shows the flow of processing when the tool path generation function as described above is incorporated in the NC device 300. In a normal process, the NC information of the paper tape 307 is read (303), and the character image data representing the NC information is converted into binary data (304). The command information is analyzed based on the binary data (305), the servo processing (306) is performed, and the output is given to the machine tool 308. Incorporating the tool path generation function 302 into the NC device 300 has the advantages that it can output binary data directly and that command information analysis is not necessary because it is a series of linear interpolations, which can be expected to speed up processing. . Therefore, it is effective that the NC device 300 has a tool locus generating function, and if the shape data 301 is input to generate the tool locus TP and the servo processing (306) is performed, machining according to the input shape data is performed. Can be done. Therefore, if the shape extraction processing unit 40 described above is incorporated into the NC device 300 as the tool trajectory generation processing 302, the overall shape information TS that has been set and operated can be used as the tool trajectory TP. In this case, it is necessary when processing complex shapes
The NC command information becomes a huge amount and its handling becomes a problem, but the shape data 301 for the tool locus generation processing (302) is a very compact amount and its handling is easy. Further, FIG. 36 shows an example of the hardware configuration of the NC device 300, and the tool path generation processing unit 312
There are two possible connections between the NC control unit and the conventional NC control unit.
One is a method of fully utilizing the advantage of placing the tool locus generation processing unit 312 inside, and this is a RAM 311 that can be commonly used by the tool locus generation processing unit 312 and the CPU 310 of the NC control unit as shown by the solid line in the figure. Is provided and information is mutually transmitted via the RAM 311. According to this, loss time at the time of data transfer is eliminated, and high-speed processing is possible. The other is a method in which an interface 313 is provided and connected to the conventional NC control unit as shown by the broken line in the figure. When this method is used, the processing speed includes the influence of the data transfer speed, so that the processing speed becomes slow as a whole.
なお、第35図の例では、形状データ301をNC装置300内で
直接工具軌跡生成処理(302)するようにしているが、
第37図に示すようにNC情報と共に紙テープ307に入力
し、指令情報の読込み時に、NC情報か形状データかを判
定して振分けるようにすることも可能である。Note that in the example of FIG. 35, the shape data 301 is directly subjected to the tool locus generation processing (302) in the NC device 300.
As shown in FIG. 37, it is also possible to input the same with the NC information to the paper tape 307, and at the time of reading the command information, determine whether it is the NC information or the shape data and distribute it.
(発明の効果) 以上のようにこの発明のCAD/CAMシステムにおける面交
線抽出方式によれば、CSG方式に自由曲面を適用して面
交線を抽出することができる。(Effects of the Invention) As described above, according to the surface intersection line extraction method in the CAD / CAM system of the present invention, the surface intersection line can be extracted by applying a free-form surface to the CSG method.
第1図は2次元図形についてのセットオペレーションを
説明するための図、第2図は曲面の点群による表示例を
示す図、第3図はXYZ実空間とuvパラメータ空間の関係
を示す図、第4図〜第6図は実空間とパラメータ空間と
の間の関係を説明するための図、第7図はB−Repsによ
る従来のシステム例を示すブロック図、第8図は立体形
状の一例を示す図、第9図及び第11図は第8図の立体形
状の分解例を説明するための図 第10図はCSGによる従来のシステム例を示すブロック
図、第12図はこの発明方法を実現するシステム例を示す
ブロック図、第13図〜第16図はセットオペレーションを
説明するための図第17図は曲面の補間を説明するための
図第18図はCoons補間式を説明するための図第19図〜第2
4図はこの発明による自由曲面の評価の原理を説明する
ための図第25図及び第26図はこの発明の自由曲面の具体
的な評価を説明するための図第27図〜第33図は自由曲面
の極性判定の手法を説明するための図第34図はこの発明
方式を示すフローチャート、第35図及び第36図はNC装置
に対する具体的応用例を示すブロック構成図、第37図は
更に別の例を示すブロック構成図である。 1……曲面、1A……接平面、2……点群(ノード)、3
……矩形領域、4……パッチ、10……形状データ入力装
置、20……形状データ、30……数式化形状処理部、31…
…加工情報、40……形状抽出処理部、41……数式化形状
処理、42……セットオペレーション、43,44……アプリ
ケーション対応の処理、45……自由曲面評価演算処理、
46……形状情報スタックエリア、200……立体形状。FIG. 1 is a diagram for explaining a set operation for a two-dimensional figure, FIG. 2 is a diagram showing a display example by a point group of a curved surface, FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an XYZ real space and a uv parameter space, 4 to 6 are diagrams for explaining the relationship between the real space and the parameter space, FIG. 7 is a block diagram showing a conventional system example by B-Reps, and FIG. 8 is an example of a three-dimensional shape. FIG. 9, FIG. 9 and FIG. 11 are diagrams for explaining an example of disassembling the three-dimensional shape of FIG. 8. FIG. 10 is a block diagram showing an example of a conventional system by CSG, and FIG. A block diagram showing an example of a system to be realized, FIGS. 13 to 16 are diagrams for explaining a set operation, FIG. 17 is a diagram for explaining the interpolation of a curved surface, and FIG. 18 is a diagram for explaining the Coons interpolation formula. Fig. 19 to 2
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of evaluation of a free-form surface according to the present invention.FIGS. 25 and 26 are diagrams for explaining a specific evaluation of the free-form surface of the present invention. FIG. 34 is a flow chart showing the method of the present invention, FIGS. 35 and 36 are block configuration diagrams showing a concrete application example to the NC device, and FIG. 37 is a further diagram for explaining the method for determining the polarity of the free-form surface. It is a block block diagram which shows another example. 1 ... curved surface, 1A ... tangent plane, 2 ... point group (node), 3
...... Rectangular area, 4 ...... Patch, 10 ...... Shape data input device, 20 ...... Shape data, 30 ...... Formulation shape processing unit, 31 ・ ・ ・
… Processing information, 40 …… Shape extraction processing part, 41 …… Formation processing of mathematics, 42 …… Set operation, 43,44 …… Process for application, 45 …… Free curved surface evaluation calculation processing,
46: Shape information stack area, 200: 3D shape.
Claims (1)
る入力装置と、前記形状データ及び前記物体構造データ
を用いてセットオペレーションを行う形状抽出処理部
と、前記形状抽出処理部から出力される全体形状情報に
基づいて画面表示処理等を行なうアプリケーション処理
部とを具備したCAD/CAMシステムにおいて、前記形状デ
ータとして実空間内で数式化形状を表す数式化形状デー
タ及び/又はパラメータ空間内で自由曲面形状を表す自
由曲面データを入力し、前記数式化形状データ及び/又
は前記自由曲面データが複数ある場合、それらのうち任
意の2つの形状データを取出し、取り出した形状データ
を用いた収束演算により、一方の形状データが表す面上
の任意の位置から他方の形状データが表す面への面法線
ベクトルを求めてその距離を求めるという処理を繰返
し、前記距離の大きさが零となったときは前記任意の2
つの形状データが表す面が交差しているとして、当該交
差面が作る面交線上に前記距離の大きさが零となったと
きの前記任意の位置が存在するとする一連の処理を繰返
して前記面交線を抽出し、抽出した面交線を表す前記形
状データを用いて前記セットオペレーションを行うよう
にしたことを特徴とするCAD/CAMシステムにおける面交
線抽出方式。1. An input device to which shape data and object structure data are input, a shape extraction processing section that performs a set operation using the shape data and the object structure data, and an entire output from the shape extraction processing section. In a CAD / CAM system equipped with an application processing unit that performs screen display processing and the like based on shape information, the free-form surface in the parameter space and / or the mathematical expression shape data that represents the mathematical expression shape in the real space as the shape data. When inputting free-form surface data representing a shape, and when there are a plurality of the above-mentioned mathematical expression shape data and / or the above-mentioned free-form surface data, two arbitrary shape data of them are taken out, and a convergence operation using the extracted shape data is performed. Obtain the surface normal vector from an arbitrary position on the surface represented by one shape data to the surface represented by the other shape data, and calculate its distance. The process of obtaining the distance is repeated, and when the magnitude of the distance becomes zero, the arbitrary 2
It is assumed that the surfaces represented by the two shape data intersect each other and that the arbitrary position exists when the magnitude of the distance becomes zero on the intersection line formed by the intersecting surfaces. An intersection line extraction method in a CAD / CAM system, characterized in that intersection lines are extracted, and the set operation is performed using the shape data representing the extracted intersection lines.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60051046A JPH0724076B2 (en) | 1985-03-14 | 1985-03-14 | Intersection line extraction method in CAD / CAM system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60051046A JPH0724076B2 (en) | 1985-03-14 | 1985-03-14 | Intersection line extraction method in CAD / CAM system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61210481A JPS61210481A (en) | 1986-09-18 |
| JPH0724076B2 true JPH0724076B2 (en) | 1995-03-15 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60051046A Expired - Fee Related JPH0724076B2 (en) | 1985-03-14 | 1985-03-14 | Intersection line extraction method in CAD / CAM system |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0724076B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115351383B (en) * | 2022-06-28 | 2024-01-23 | 西安理工大学 | Pipe diameter intersecting line control method of cutting robot |
-
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- 1985-03-14 JP JP60051046A patent/JPH0724076B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPS61210481A (en) | 1986-09-18 |
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