VCAD-D-TR-04-3019

ボリュームCADの開発ー次世代のものつくりの基幹データ表現ー

独立行政法人 理化学研究所フロンティア研究システム

ものつくり情報技術統合化研究プログラム

ボリュームCAD開発チーム チームリーダ

加瀬 究

理化学研究所http://www.riken.go.jp

独立行政法人

生産におけるデータの流れ

設計意匠･機能検討

解析 加工 組立 検査

統合化された実体データ

理想

現状

設計意匠･機能検討

解析 加工 組立 検査

工程ごとに異なる形式(ソフトウェア）のディジタルデータ

モノの流れ（データとの相関は必ずしも取れていない）

ＩＧＥＳ，ＳＴＥＰ（フラットな構造､意図は伝えられない)ダイレクトインターフェース

適材適所ソフトウェア

3次元CAD内での形状モデルの進化の先？

wireframe

surface

solid

volume!

いままでのCADの問題点

–内部での変換操作に弱い（数値誤差と処理手法の問題）

–シミュレーションに直接使えない（内部情報をもっていないのでメッシュを生成しなくてはいけない）

–加工自体の検討ができない（最終形状しかもっていない）

→表面だけに頼ることの危うさ

⇒実体データの必要性（Volume CAD)

Volume Data / voxelVolume has richer information than surfaces!Complete topology (digital topology)!

Poor surface information- Inaccuracy for shape

representation or dynamic simulations

ボリュームCADでは…

VCADにおける世界世界

固体対象固体対象

流体

流体

1. 境界セル（2つ以上の物性+形状）2. 非境界セル（1つの物性）

VCADデータ（内部セルと境界セルのみ）

境界セル

非境界セル

切断点

形状属性

物理属性

物理属性

物理属性

物理属性

非境界セル

2種類のセルにより多媒質

3媒質同時表示例：赤－空気の非境界セル緑－鉄の非境界セル白－アルミの非境界セル黒－境界セル

2番目（例：鉄）の媒質の非境界および境界セル表示1番目の媒質（例：空気）

の非境界セルと境界セルの表示

V-CAD Ver.1

• ボクセル版単純な構造 –読みやすく、利用しやすい融通が利かない –場所によって細かさを変えられない

入力のS-CADデータ（IGESファイル）

ツバメックス社よりいただいた実際に使われたバンパーの金型

V-CADデータ（６４×２５６×６４)

Kitta Cubeの例

K. Kase, Y. Teshima, S. Usami, H. Ohmori, C. Teodosiu and A. Makinouchi, “Volume CAD”, Volume Graphics 2003 Eurographics / IEEE TCVG Workshop Proceedings, I. Fujishiro, K. Mueller, A. Kaufman (eds.) in cooperation with ACM SIGGRAPH, Tokyo, pp.145-150,pp.173, (2003).

Kitta Cubes• Edge based data structure (MC is vertex based)• “1 cutting point per 1 cell edge” sampling rule for LOD

New configuration beyond Marching cubes !

changing view angle

This cutting pointnever appears in MC

cutting triangles

ある断面(1ボクセル分の厚さ)

丸印がデータの欠落

切断点による境界セルによって内外判定成功

フロントフェンダーの金型 (NUMISHEET02)

フェンダー 512x512x128

V-CAD Ver.1.1および1.2• V1.1

– アルゴリズムの精緻化– 速度向上－ほぼ10倍– 手動での編集機能追加– 単純化機能と表示の強化

• V1.2– 切断点上の法線ベクトル（右図上下）– IGES 色情報変更– 座標軸 表示/非表示

Ver.２（階層化版）• 多重分解能 –場所によって細かさを制御可能

産総研ものづくり先端技術センターシステム技術研究チームのカムシャフト

Ver.1との比較Ver.2で32x32x8(レベル0)から5階層（レベル4)

総セル数42009でボクセル版（33,554,432）の0.13%切断点表示

V2.0でのカムシャフト（6階層）

産総研ものづくり先端技術センターよりいただいたデータのV-CAD化

産総研からモデルエンジン(シリンダヘッド、２階層）

↓流体部分のセル

↑固体部分のセル

最新の成果

• ＶＣＡＤフレームワーク（ＶＣＡＤ V.3)– ソースコードを全て書き換えて、内部のモジュール化を行なった

–基本部分をフレームワークとして提供する→シミュレーションやＣＡＭ、ＣＡＴなどのアプリケーションプログラムを外部APIを介してAdd-on可能

モジュール化されたシステム構成

単独セル処理

（分割・併合／ラベリング等）

ファイル入出力

（グラフィカル）ユーザインターフェイス部

外部API

モデル操作

カーネル部

ボリュームデータ管理

Cell Info.w/value

リポジトリ部

モデル全体情報

入出力デバイス管理

分散型 CAD フレームワーク

指示受付部及び指示履歴保持部

表示（移動・回転等）

.

データインターフェイス

カーネルインターフェイス

内部バス

複数セル処理

（隣接探索等）

分散支援

カーネル管理

Cell Info.w/valueセル幾何情報物性値情報

表示部

セル内面生成

アプリケーション部

点群

三角形パッチ

幾何物性値

分散不可

分散可

API (Application Program Interface)

情報取得及び設定階層化指示表示変更ファイル入出力変形・操作指示選択

チェック計算その他

シミュレーションⅡ

シミュレーションⅠ

VCADモデル

VCADモデル

VCADフレームワーク

ものもの

ﾎﾟｽﾄﾌﾟﾛｾｯｻｰ

ﾎﾟｽﾄﾌﾟﾛｾｯｻｰ

V-CAMV-CAM

VCADﾃﾞｰﾀｼﾞｪﾈﾚｰﾀ

VCADﾃﾞｰﾀｼﾞｪﾈﾚｰﾀ

ｿﾙﾊﾞｰⅡ

ｿﾙﾊﾞｰⅡ

ﾎﾟｽﾄﾌﾟﾛｾｯｻｰ

ﾎﾟｽﾄﾌﾟﾛｾｯｻｰｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果

V-可視化

ﾒｯｼｭﾃﾞｰﾀﾒｯｼｭﾃﾞｰﾀﾌﾟﾘﾌﾟﾛｾｯｻｰﾌﾟﾘﾌﾟﾛｾｯｻｰ

設計ﾂｰﾙ

設計ﾂｰﾙ

S-CADモデルS-CADモデル

V-可視化V-可視化

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果

ｿﾙﾊﾞｰⅠｿﾙﾊﾞｰⅠ

ﾌﾟﾘﾌﾟﾛｾｯｻｰﾌﾟﾘﾌﾟﾛｾｯｻｰ

ＶＣＡＤﾃﾞｰﾀＶＣＡＤﾃﾞｰﾀ

V-CATV-CATｲﾒｰｼﾞﾃﾞｰﾀｲﾒｰｼﾞﾃﾞｰﾀ

ﾃﾞｨｼﾞﾀｲｻﾞ

ﾃﾞｨｼﾞﾀｲｻﾞ

設計・製造支援VCADシステムの概念

設計・製造支援VCADシステムの概念

Integrated Manufacturing System by V-CAD

Input S-CAD

V-CAD

casting, stamping

Continuous simulation

welding, assembling

V-fabrication

V-CAT(inspection/digitizing)V-

mod

eling

Products

V-modelingV-UI

V-CAM

ソリッドモデルの種類

＋＋

B-Rep(Boundary Representation)CSG

(Constructive Solid Geometry)

位相と幾何（Topology and Geometry）立体（solid, body)

面（face)曲面、平面（surface,plane)

稜線(edge)曲線、直線(curve,line)

頂点(vertex) （座標)点（point)

幾何情報位相情報

Unstable Product Data Quality

JAMA: Japan Automobile Manufacturers Association Inc.JAPIA: Japan Auto Parts Industries Association Inc.