形狀計測方法
2023-04-28 02:29:16 1
形狀計測方法
【專利摘要】本發明包括如下工序：基於計測點群數據來生成表示計測對象物的表面形狀的表面（C）作為隱函數；通過基於三維德勞奈圖的分割處理而將表面（C）所存在的整個計測區域分割成無間隙、不重複、完全充填的四面體的小區域（以下，稱作單元）；將單元的各頂點（4）分類成存在於表面（C）的內側的內點（5）和存在於外側的外點（6）；提取邊界單元；計算邊界單元和表面（C）的交點（7）；通過連接各邊界單元所具有的交點（7）來求出三角形或四邊形的面（8）；及結合所有的面（8），因此，能夠自動地生成計測對象物的流形且不包含自交叉的封閉多面體數據。
【專利說明】形狀計測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及利用於由數值控制裝置控制的工業機器等的形狀計測方法。
【背景技術】
[0002]作為在工具機的碰撞防止裝置中利用的形狀計測方法，公知有如下光切割法(專利文獻I):向對象物照射狹縫光，獲取按照對象物形狀的光像，並利用CCD相機進行拍攝。
[0003]此外，作為在CAD系統中生成對象物的三維模型的方法，具有如下方法(專利文獻2):獲取設置在基準面上的對象物的第一點群數據和改變了姿勢地設置在基準面上的對象物的第二點群數據，結合這兩個點群數據來形成單一的結合點群數據。
[0004]另外，作為在碰撞防止裝置中利用的形狀計測方法，具有如下方法(專利文獻3):生成將空間分割成多面體狀而形成的三維網格結構，並根據測定出的到上述工件為止的距離信息來計算工件的測定點坐標，對與三維網格結構的一單位(以下，稱作體素)對應的工件的位置進行掃描，當計算出的測定點被包含在體素內的次數與上述掃描的次數的比率在規定閾值以上時，將體素作為上述工件的形狀來生成測定形狀映射。
[0005]專利文獻1:日本專利2895316號
[0006]專利文獻2:日本特開2003 - 345840號公報
[0007]專利文獻3:日本專利2009 - 265023號公報
【發明內容】
[0008]發明所要解決的課題
[0009]在根據點群數據來生成STL數據的情況下，考慮利用圖26所示的二維德勞奈(Delaunay)圖等。此處，所謂STL是由3D系統公司開發的三維CAD系統的工業標準文件格式，即標準三角語言的簡稱(也稱作stereo lithography:立體光刻技術),將三維形狀作為小三角形的集合體來表示。此外，所謂二維德勞奈圖是「各三角形(單元)的外接圓在內部不包含其他頂點的空間分割」。
[0010]由二維德勞奈圖生成的STL數據構成不封閉的多面體。即從多個方向進行三維計測，對來自各個計測方向的面生成結果進行坐標系整合/結合，生成形狀數據。如此生成的形狀數據是表面(面)的集合，並未嚴格地定義具有體積要素的實體形狀。在專利文獻2中，如果在結合第一、第二點群數據時存在欠缺部位，存在所生成的單一的結合點群數據未實體化而不會成為封閉形狀模型的可能性。
[0011]對於計測數據的利用方法，有時也十分需要以往的表面形狀，但對於應用，作為輸入形狀數據，存在以封閉的多面體作為前提條件的情況。
[0012]這是因為，在利用程序進行幹擾計算等幾何計算時，通過將嚴格地定義了物體的體積要素的封閉多面體設為計算的出發點，來提高應用的安裝便利性/牢固性。
[0013]為了根據計測點群來生成封閉的STL數據，利用圖27所示的體素形狀表現等離散形狀模型，也能與此對應。專利文獻3中，使用工件的三維數據即測定形狀映射，但由於測定形狀映射是三維網格結構的體素，所以是離散形狀模型。
[0014]然而，在離散的體素形狀表現中，存儲器使用量/處理速度的算法因提高解析度而以三次方的級數增加，高解析度的形狀表現非常困難。
[0015]此外，在根據體素形狀生成的封閉多面體中，成為非流形的多面體的可能性很高。與封閉多面體相同地，流形的多面體有時也成為使用幾何計算的應用的制約條件，成為需要解決的問題。
[0016]此處，如圖23?25所示，在注意到多面體的邊和面的連接關係時，「流形」的多面體不是三個以上的面共用一條邊那樣的「非流形」，而是指在幾何學上具有素性良好的性質的多面體。圖23表示四個平面共用一條邊的例子，圖24表示兩個立方體的四個面共用一條邊的例子，圖25表示四個傾斜面的上端共用一條邊的例子。
[0017]此外，不包含自交叉的性質被認為是多面體的重要特性。所謂的自交叉是指構成多面體的三角形彼此相互重合的現象。在與幾何計算相關的應用中，包含自交叉的多面體也難以操作，所以不包含自交叉的多面體的特性非常重要。圖28表示包含自交叉的多面體的例子，圖28 (a)表示二維中的自交叉，圖28 (b)、圖28 (c)表示三維中的自交叉的例子
(1)、(2)(圖中虛線部分是自交叉)。
[0018]本發明鑑於上述現有技術而提出，目的在於根據由三維計測器計測出的點群數據來生成計測對象物的流形且不包含自交叉的封閉多面體數據。
[0019]用於解決問題的方法
[0020]用於解決上述問題的本發明的技術方案I涉及的形狀計測方法由下述工序構成。
[0021](I)通過由三維計測器從多個計測方向對計測對象物進行掃描而對應每個計測方向獲取計測對象物的計測點群數據的工序；(2)根據計測點群數據來生成表現計測對象物的形狀的隱函數的工序；(3)根據表現計測對象物的形狀的隱函數來生成多面體數據的工序。
[0022]此外,工序(3)由以下小工序構成。
[0023](a)基於計測點群數據，通過基於三維德勞奈圖的空間分割處理而將存在計測對象物的整個計測區域分割為無間隙、完全充填的四面體的小區域(以下稱作單元)；(b)通過隱函數將三維德勞奈圖中的單元的各頂點分類為存在於計測對象物內側的內點和存在於外側的外點；(C)提取將三維德勞奈圖中所有單元中的、四個頂點包含內點和外點這兩者的邊界單元；(d)計算邊界單元的邊中的、兩端點為內點和外點的組合的邊與計測對象物的表面的交點；(e)通過連接各邊界單元具有的三點或四點的交點來求出三角形或四邊形的面；(f)通過結合所有三角形或四邊形的面來構成流形且不包含自交叉的封閉多面體數據。
[0024]發明效果
[0025]在本發明中，通過基於三維德勞奈圖的空間分割處理，將表示計測對象物的表面形狀的表面所存在的整個計測區域分割為無間隙、不重複、完全充填的四面體的單元，因此表面與各邊界單元的交點必然是三點或四點。從而,連接這些交點而構成的三角形或四邊形的面可以構成在表面對各個邊界單元進行剖切(切割)所得的面(以下，將該面稱作剖切截面)。因此，當對所有邊界單元的剖切截面進行結合時，能夠生成封閉的多面體數據。而且，兩個面共用剖切截面的各條邊，不是三個以上的面共用一條邊的非流形，因此該封閉的多面體數據能夠稱作流形。此外，三維德勞奈圖的各單元根據三維德勞奈圖的定義而不相互重合。因此，能夠保證結合各單元的剖切截面而生成的多面體數據不包含自交叉。
[0026]S卩，本發明能夠簡單且切實地生成流形且不包含自交叉的封閉多面體數據。
[0027]以往，在稱作流形且不包含自交叉的封閉多面體數據的後續處理中，難以生成容易操作形式的多面體數據。因此，在需要具有上述那樣特性的形狀數據的情況下，依賴人工進行形狀修正作業。
[0028]與現有體素的等離散形狀表現方法相比較，由於本發明在交點坐標計算中能夠採用連續的坐標值，所以形狀近似精度高，能夠抑制各三角形面的法線向量等信息的欠缺。
[0029]此外，在「發明效果」之後的說明中，「表面」是指:根據計測對象物對表面形狀之外的信息進行抽象並進行抽象表現的表面，一般而言，如「用於解決問題的方法」和「權利要求書」記載的那樣，是從外部能夠觀測的計測對象物的意思。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是說明用三維計測傳感器掃描(掃描)計測對象物的情形的圖。
[0031]圖2a是將點群數據在計測方向上投影所得的二維數據的說明圖。
[0032]圖2b是二維三角形網格的說明圖。
[0033]圖3是三維三角形網格的說明圖。
[0034]圖4是表示點群數據與表面之間的關係的說明圖。
[0035]圖5是表示計測對象物與三個計測方向之間的關係的說明圖。
[0036]圖6是在從上面進行計測的計測方向的情況下存在對象物的區域或除此之外的區域的說明圖。
[0037]圖7是在從左面進行計測的計測方向的情況下存在對象物的區域或除此之外的區域的說明圖。。
[0038]圖8是在從右面進行計測的計測方向的情況下存在對象物的區域或除此之外的區域的說明圖。
[0039]圖9是表示各計測方向的隱函數的邏輯積的說明圖。
[0040]圖10是最終隱函數的說明圖。
[0041]圖11是表示計測區域內的計測對象物的表面關係的三維德勞奈圖。
[0042]圖12 Ca)是表示四面體單元的一單位的立體圖，圖12 (b)是由四面體單元構成的球形的立體圖，圖12 (C)是由四面體單元構成的正方體的立體圖。
[0043]圖13是表示表面的外點和內點的三維德勞奈圖。
[0044]圖14是表示表面和單元的交點的三維德勞奈圖。
[0045]圖15是表不由表面對單兀的剖切截面的立體圖(其一)。
[0046]圖16是表示由表面對單元的剖切截面的立體圖(其二)。
[0047]圖17是表示由表面對單元的剖切截面的立體圖(其三)。
[0048]圖18是表示流形且封閉多面體數據的說明圖。
[0049]圖19是表示將本發明的形狀計測方法應用在NC裝置中的實施例的系統構成圖。
[0050]圖20是在本發明的形狀計測方法中所使用的工具機的說明圖。
[0051]圖21是表示形狀計測的作業順序的流程圖。[0052]圖22是表示STL化處理的流程圖。
[0053]圖23是表示非流形的多面體的例子(其一)的說明圖。
[0054]圖24是表示非流形的多面體的例子(其二)的說明圖。
[0055]圖25是表示非流形的多面體的例子(其三)的說明圖。
[0056]圖26是二維德勞奈圖。
[0057]圖27是體素形狀模型的說明圖。
[0058]圖28 Ca)是表示在二維中包含自交叉的多面體的例子的說明圖，圖28 (b)是表示在三維中包含自交叉的多面體的例子(I)的說明圖，圖28 (c)是表示在三維中包含自交叉的多面體的例子(2)的說明圖。
[0059]圖29是側面加工用附屬裝置的概略圖。
[0060]圖30是傳感器專用附屬裝置的概略圖。
[0061]圖31是表示雷射未返回到測定裝置的例子的說明圖。
[0062]圖32是表示雷射返回到測定裝置的例子的說明圖
[0063]圖33是表示格子狀的測定路徑的說明圖。
[0064]圖34是能夠任意改變傾斜角的附屬裝置的概略圖。
【具體實施方式】
[0065]在本發明中，首先，通過三維計測器來掃描(掃描)計測對象物，由此獲取計測對象物的計測點群的三維坐標即計測點群數據。
[0066]S卩，在本實施方式中，如圖1所示，將三維計測傳感器I安裝在工具機的主軸2上，一邊使主軸2沿與計測方向(向下)A直行的主軸移動方向(水平方向)B移動一邊對計測對象物3進行計測。計測對象物3被載置在工作檯9上，工具機的主軸2能夠在三維方向上移動。
[0067]作為三維計測傳感器1，例如在使用對到計測對象物3為止的距離進行計測的雷射傳感器的情況下，沿主軸移動方向B移動後，沿與紙面垂直方向移動一定距離，之後，再沿主軸移動方向B移動，反覆進行上述操作，從而能夠對計測對象物3進行三維計測。
[0068]或者，作為三維計測傳感器1，在使用將對到計測對象物3為止的距離進行計測的雷射傳感器直線地配置在與紙面垂直的方向上的線傳感器的情況下，通過沿主軸移動方向B移動一次，就能對計測對象物3進行三維計測。
[0069]由三維計測傳感器I計測出的點即計測點a是從三維計測傳感器I沿計測方向A即向下方向下降所得的點，不僅存在於計測對象物3上，也存在於工作檯9上。
[0070]針對各個計測點a計測出的計測點群數據由主軸2的三維坐標即三維計測傳感器I的三維坐標和從三維計測傳感器I到計測對象物3的距離構成，由從計測方向A觀察時能看到的範圍構成，不包含進入到對象物的死角(影子)而不能看到的部分。也就是成為從計測方向觀察而不重複的點群數據。
[0071]這樣一來，由於從計測方向觀察而不重複，點群數據包含從三維計測傳感器I到計測對象物3為止的距離、即高度信息，所以能夠認為是「具有高度信息的二維點群數據(=三維點群數據)」。
[0072]S卩，如圖2a所示，認為計測點群數據是投影到計測方向上的二維數據，根據二維點群數據生成圖2b所示那樣的二維三角形網格。在圖2a中，點群數據是在縱橫方向上以一定間隔配置的二維點群，此外，如圖2b所示，二維三角形網格是通過以二維點群構成三角形頂點的方式用邊進行連接而得到的。
[0073]在本實施方式中，利用德勞奈三角形分割，根據二維點群數據來生成二維三角形網格。
[0074]此處，德勞奈三角形分割是指，根據三維坐標的集合即計測點群來復原表面形狀的情況下生成用於表現形狀的三角形網格的方法之一，是指由滿足下述條件的三角形進行的空間分割。
[0075]( I)將點群的各點設為頂點。
[0076](2)點群的點不包含在各三角形外接圓的內部。
[0077]此外，只要能夠根據三維坐標的集合即計測點群來復原表面形狀，則並不限於德勞奈三角形分割。
[0078]由於按照上述順序生成的二維三角形網格的各個頂點(=點群數據)含有高度信息，所以如圖3所示，通過附加高度信息，構成表示計測對象物的表面形狀的立體的三角形網格(=表面C)。
[0079]S卩，在本實施方式中，根據「具有高度信息的二維點群數據」，生成由立體三角形網格表示計測對象物的表面形狀的表面C來作為表面數據(以下，稱作三角形網格數據)。立體三角形網格也是表示計測對象物的表面形狀的表面的一種，三角形網格數據也是表面數據的一種。此外，圖3表示由立體三角形網格表示的表面C的一個圖像，是與圖1的計測對象物的表面形狀不同的形狀。此外，圖4所示表面C (圖中用虛線表示)與圖1所述計測對象物3對應。
[0080]這樣一來，基於由三維計測傳感器I從某一個計測方向掃描計測對象物3而獲取的點群數據，能夠獲取由立體三角形網格表示計測對象物3的表面形狀的表面C來作為三角形網格數據，但只不過是從一個計測方向獲取的結果。
[0081]因此，在本實施方式中，組合從多個計測方向獲取的結果來生成表現計測對象物的下述那樣的隱函數。能夠通過該隱函數的生成處理將計測對象物從未嚴格地定義面數據的集合即物體的體積要素的表面數據轉換/表現成嚴格地定義了物體的體積要素的實體數據。具體而言，本實施方式的隱函數是如下的內外判定函數:接收任意的三維坐標值，在指定坐標值位於計測對象物的內側情況輸出1、在位於外側情況下輸出O。
[0082]S卩，利用由立體三角形網格表示計測對象物的表面形狀的三角形網格數據來生成隱函數，該隱函數用於從某一個計測方向觀察而分成不存在對象物的區域(I)和除(I)之外的區域(2)。
[0083]區域(I)是比表面C靠三維計測傳感器側的區域，此外，區域(2)是比表面C靠計測對象物側的區域，因此，區域(I)和區域(2)的邊界面是表面C (參照圖4)。
[0084]S卩，隱函數以表面C為邊界面而對不存在對象物的區域(I)和除區域(I)之外的區域(2)進行分類，換言之，隱函數可以稱作利用不存在對象物的區域(I)和除區域(I)之外的區域(2)的邊界面對表示計測對象物3的表面形狀的表面C進行定義的表面數據。
[0085]此處，雖然區域(2)是有可能存在計測對象物的某個區域，但不能立即判斷為該區域(2)是存在計測對象物的區域。這是因為，例如，如圖1所示，在計測方向A是朝下的情況下，即使成為區域(2)，在計測方向為其他方向、例如橫向的情況下，有時也會被判斷為不存在對象物的區域(I)。
[0086]這樣一來，僅由一個面計測而得到的隱函數過度地評價存在對象物的區域。S卩，實際上，存在將不存在計測對象物的區域誤判定為存在計測對象物的區域的情況。
[0087]因此，從多個方向對計測對象物進行測定，獲取多個測定點群數據，生成由立體三角形網格表示了計測對象物的表面形狀的多個三角形網格數據，並根據各個三角形網格數據，分別生成隱函數，對生成的多個隱函數進行合成，獲取最終的隱函數。這樣一來，能夠極力抑制過度評價。
[0088]理想的是，優選從俯視圖、右視圖、主視圖、左視圖、後視圖和仰視圖這六個方向對計測對象物進行計測。然而，當合成(邏輯積)基於從除了底面之外的五個方向進行計測而獲取的點群數據的隱函數時，能夠大致地獲取表示計測對象的整個區域上的表面形狀的表面。
[0089]對於這一點，以下簡單進行說明。如圖5所示，對於計測對象物3，根據來自上面的計測方向A、來自左面的計測方向D、來自右面的計測方向E來進行三維計測。但是由於在圖中不能表現三維，所以在圖3中，對於從與紙面垂直的兩個方向進行的計測，將說明簡略化，主要用二維進行說明。
[0090]在從上面進行計測的計測方向A的情況下，如圖6所示，生成如下的隱函數:以表示計測對象物3的上面形狀的表面C1 (在圖中，用虛線表示)作為邊界面，將其上側設為不存在對象物的區域(1)，將其下側設為存在對象物的區域(2)。表面C1為碗型且在底部設有凸部的形狀。對存在對象物的區域(2)圖中施加了斜線。
[0091]同樣，在從左面進行計測的計測方向D的情況下，如圖7所示，生成如下的隱函數:以表示計測對象物3的左面形狀的表面C2 (在圖中，用虛線表示)作為邊界面，將其左側設為不存在對象物的區域(1)，將其右側設為存在對象物的區域(2)。但是，在實際計測中，將計測範圍限制在距工作檯9為一定高度以上，使得三維計測傳感器I不與工作檯9相干擾，計測對象物3的與工作檯9相接觸的部分不能進行計測。不能進行計測的區域是不存在對象物的區域(I)。
[0092]同樣，在從右面進行計測的計測方向E的情況下，如圖8所示，生成如下的隱函數:以表示計測對象物3的右面形狀的表面C3 (在圖中，用虛線表示)作為邊界面，將其右側設為不存在對象物的區域(1)，將其左側設為存在對象物的區域(2)。但是，在實際計測中，將計測範圍限制在距工作檯9為一定高度以上，使得三維計測傳感器I不與工作檯9相干擾，計測對象物3的與工作檯9相接觸的部分不能進行計測。不能進行計測的區域是不存在對象物的區域(I)。
[0093]當求算如此從三個方向進行計測的情況下的各隱函數Cp C2, C3的邏輯積時，如圖9所示，在從各計測方向A、D、E進行的計測中，即使是被設為存在對象物的區域(2)，根據從其他計測方向進行的計測，該區域也會變成不存在對象物的區域(I)。實際上，由於是三維，因此也求算從與紙面垂直的兩個方向進行了計測的情況下的各隱函數的邏輯積。此處，「邏輯積」是指:根據從某個計測方向進行的計測而被設為存在對象物的區域(2)的區域，也會在根據從其他計測方向進行的計測而被設為不存在對象物的區域(I)時，判斷為是不存在對象物的區域(I)。
[0094]而且，對於底面，如圖10所示，根據從計測方向D、E進行的側面計測(也包含其他的從與紙面垂直的兩個方向進行的計測)，雖然不準確但也可求出。具體而言，在從左面進行計測的計測方向D、E的情況下，由於不能計測的區域成為不存在對象物的區域(1)，因此，將底面的形狀判定為在計測範圍的下限沿水平方向切割後的形狀。此外，在從與紙面垂直的兩個方向進行了計測的情況下，也同樣地判定底面的形狀。
[0095]其中，「不準確」是指因未從底面進行計測而殘存過度評價。即，從各計測方向進行了計測的情況下的隱函數的邏輯積是最終的隱函數，是對表示計測對象物的表面形狀的表面進行定義的表面數據，但如圖10所示，對於作為過度評價而形成在底面的中央的凹部3a,不能求算出準確的形狀。同樣地,對於計測對象物3的與工作檯9相接觸的部分,也不能求算出準確的形狀。
[0096]假設從底面方向進行計測，則最終的隱函數能準確地表示計測對象物的整個區域上的表面形狀。
[0097]如此求出的最終的隱函數如圖11所示，是對在計測區域內表示計測對象物的表面形狀的表面C進行定義的表面數據。表面C的外部是不存在對象物的區域(1)，表面C的內部是除(I)之外的區域(2)即存在對象物的區域。此外，由最終隱函數定義的表面C與由立體三角形表示的表面C在嚴格意義是上不一致的。然而，當點群數據的間隔狹窄時，由於其值大致一致，所以在本實施方式中，標以相同的附圖標記C。此外，計測區域不是指物理上存在計測對象物的區域，而是指在電子計算機內假想的、存在表示計測對象物的表面形狀的表面C的區域。
[0098]本發明中的「表面數據」在本實施方式中是在計測區域內對表面C進行定義的最終的隱函數。
[0099]另外，對根據由以上順序生成的表示計測對象物的隱函數來生成多面體數據的方法進行說明。
[0100]在本發明中，如圖11所示，通過基於三維德勞奈圖的分割處理將整個計測區域分割為無間隙地完全充填的四面體的小區域(單元)的集合。
[0101]此處，基於三維德勞奈圖的分割處理是指，將在計測區域內隨機配置的點群(圖中用黑色圓表示)4以成為四面體的小區域(單元)的頂點的方式進行結合。
[0102]圖11是表示計測對象物的表面C所存在的空間即計測區域的三維德勞奈圖，但受附圖制約，由三角形代替四面體來表示。
[0103]此處，在計測區域內，雖然點群4在圖11內被隨機配置，但並不局限於此，也可以配置成規則的格子狀。
[0104]但是，在德勞奈圖中，點群4既配置在計測對象物的表面C的內側，又配置在計測對象物的表面形狀C的外側，也必須配置在計測區域的邊界附近。
[0105]此處，三維德勞奈圖是對二維德勞奈圖擴展後的圖，二維德勞奈圖是「各三角形(單元)的外接圓在內部不包含其他頂點的空間分割」，相對於此，三維德勞奈圖是「各四面體(單元)的外接球在內部不包含其他頂點的空間分割」。
[0106]在圖12中例示了四面體單元。圖12 (a)表示四面體單元的一個單位，圖12 (b)、12 (c)表示由多個四面體單元結合而構成球形或立方體的例子。
[0107]接下來，如圖13所示，通過隱函數將三維德勞奈圖的點群4、即單元的各頂點分類為存在於計測對象物的表面C的內側的內點5 (圖中，用三角形表示)和存在於其外側的外點6 (圖中，用四邊形表示)。
[0108]之後，如圖13所示，從三維德勞奈圖的所有單元中提取單元的四個頂點包含內點5和外點6這兩者的單元。
[0109]這種單元可以認為是計測對象物的表面C附近的單元，因此將這種單元稱作邊界單元。
[0110]此外，如圖14所示,注意邊界單元的邊中的、兩端點是內點5和外點6的組合的邊，利用二分法來計算計測對象物的表面C和邊界單元的交點7(邊界坐標，圖中用◎表示)。
[0111]所謂二分法是指如下的方法:對於所求出的中點，通過隱函數來判定是內點還是外點，如果中點是內點，則求出與邊界單元的外點的中點，如果中點是外點，則求出與邊界單元的內點的中點，反覆進行上述內容，以求出表面C和邊界單元的交點7。
[0112]如圖15~17所示,表面C和邊界單元的交點7必然成為三點或四點,通過適當地連接交點7，能夠獲取三角形或四邊形的面8。
[0113]即，圖15表示單元的四個頂點由三個內點5和一個外點6構成的情況，由於在兩端具有內點5和外點6的三條邊上均具有交點7，所以當連接三個交點7時，就變成了三角形的面8。
[0114]此外，圖16表示單元的四個頂點由兩個內點5和兩個外點6構成的情況，由於在兩端具有內點5和外點6的四條邊上均具有交點7，所以當連接四個交點7時，就變成了四邊形的面8。
[0115]此外，圖17表不單兀的四個頂點由一個內點5和三個外點6構成的情況，由於在兩端具有內點5和外點6的三條邊上均具有交點7，所以當連接三個交點7時，就變成了三角形的面8。
[0116]在由上述順序獲取的三角形或四邊形的面8可視為由計測對象物的表面C對邊界單元進行剖切(切割)所得的剖切截面。當四邊形的剖切截面8分割為兩個時，相當於三角形的剖切截面8。
[0117]因此，通過結合所有邊界單元的剖切截面8，能夠生成作為流形且不包含自交叉的封閉多面體而被定義的多面體數據(STL格式)。
[0118]即，對於所生成的多面體數據，如圖18所示，結合所有邊界單元的剖切截面8，所以成為封閉的多面體10。此外，由於兩個剖切截面8共用剖切截面8的各邊，所以不是三個以上的面共用一條邊的非流形，因此，可以稱作流形。
[0119]此外，三維德勞奈圖的各單元根據三維德勞奈圖的定義而不相互重合。因此，能夠保證結合各邊界單元的剖切截面而生成的多面體數據不包含自交叉。
[0120]此外，STL格式是將三維形狀表現為小三角形的集合體，而剖切截面8是三角形或四邊形，四邊形一分為二，成為兩個三角形，因此結合剖切截面8而構成的多面體數據作為三角形集合體即STL格式而被生成。
[0121]實施例1
[0122]以下，針對將本發明的形狀計測方法應用在NC裝置中的實施例，參照附圖詳細說明。
[0123]如圖19所示，本實施例由NC裝置100和測定系統200構成，並在圖20所示的工具機140中使用。[0124]NC裝置100包括:NC程序存儲部100，存儲有描述對工件進行切削加工的工具的移動路徑的NC程序；NC程序解析部120，基於從NC程序存儲部100讀出的NC程序來生成與工具的移動量及移動速度相關的信息；移動控制部130，基於由NC程序解析部120生成的信息對由工作檯、滑鞍和滑塊構成的工具機140的移動進行控制；及由工作檯、滑塊和滑鞍構成的工具機140。
[0125]在圖20中表示具備工作檯、滑塊和滑鞍的工具機140。如圖20所示，該工具機140包括:載置工件(計測對象物)並沿X方向移動的工作檯141、以橫跨工作檯141方式形成為門型的支撐部142、在支撐部142的上部沿Y方向延伸的梁部143、以能夠沿Y方向移動的方式設置在梁部143上的滑鞍144、在滑鞍144上能夠沿Z方向移動的滑塊(主軸)145。
[0126]因此，滑塊145相對於工作檯141上的工件的三維坐標可以根據工作檯141、滑鞍144、滑塊145的移動量來獲取。在計測時，在滑塊145上安裝對到工件的距離進行計測的三維計測部210並在切削加工時安裝工具。
[0127]計測系統200具備:三維測定器210，計測到工件即計測對象物300的距離；測定部控制部220，對三維計測器210進行控制；測定點存儲部230，存儲由測定部210測定的到工件的距離及此時的滑塊145的三維坐標(X，Y，Z)即存儲點群數據；STL生成部240，基於測定點存儲部230所存儲的點群數據來生成作為流形且不包含自交叉的封閉多面體而被定義的多面體數據(STL數據)。
[0128]三維計測器210例如可以使用在距離測定中使用的雷射距離傳感器。
[0129]將計測系統200中的形狀計測的流程圖示於圖21。
[0130]首先，操作者將計測對象物300設置在工作檯110上(步驟SI)。
[0131]接下來，操作者將三維測定器210安裝於滑塊145 (步驟S2)。
[0132]而且，計測從三維測定器210到計測對象物的距離並獲取此時的滑塊145的三維坐標(X，Y，Z)(步驟S3)。該處理中，一邊使工作檯141沿X方向移動並使滑鞍144沿Y方向移動，一邊使三維測定器210相對於計測對象物300的位置發生改變，並反覆進行數次。進行所謂的通過三維測定器210對計測對象物300進行掃描(掃描)。
[0133]接下來，基於從三維測定器210到計測對象物300的距離及此時的滑塊145的三維坐標(X，Y，Z)，計算測定點的三維坐標(點群數據)(步驟S4)。
[0134]此處，若關於「三維測定器的安裝(步驟S2)」至「測定點的坐標計算(步驟S4)」對具體動作內容進行補充，則參照下述(I)?(4)。
[0135](I)由於需要對設置在工作檯141上的計測對象物300進行五面(在立形機的情況下，上面+四個側面)測定，所以確定三維測定器210的測定路徑。由於三維測定器210安裝在機器的滑塊(主軸)145上，所以能夠通過機器的軸動作來實現三維測定器210的測定路徑。
[0136](2)通過一邊將三維測定器210在計測對象物300的各面上方保持一定高度一邊使三維測定器210移動來進行測定(掃描)，通過對三維測定器210的獲取信息即到計測對象物300的距離及在各測定時刻的機器坐標信息(即，三維測定器210的位置坐標)進行合成，能夠計算出對象物的機器坐標數據(點群數據)。
[0137](3)由於按順序對設置在工作檯141上的計測對象物300的五個面進行測定，所以根據在各面上算出的點群數據可以判斷從計測對象物300的哪個方向(視點)進行了測定。即，如果劃分點群信息和視點信息(計測方向)，則能夠判斷相對於計測對象物位於內側還是外側。換言之，像用圖5?圖10說明的那樣，能夠通過隱函數的邏輯積而分類成不存在對象物的區域(I)和除此之外的區域(2 )。
[0138](4)像實施方式所述那樣，利用在各面算出的點群數據，反覆進行「具有高度信息的二維點群數據」的生成一由立體三角形網格表示的三角形網格數據的生成一根據三角形網格數據進行的隱函數的生成，對針對每個面生成的多個隱函數進行邏輯積，求出最終的隱函數。
[0139]然後，根據最終的隱函數，進行表示計測對象物的表面形狀的形狀模型(STL數據)的生成(步驟S5)。
[0140]步驟S5像下述具體記載那樣，按照圖22所示流程圖由STL生成部240進行。
[0141]首先，如圖11所示，生成存在完全充填最終隱函數所定義的表面的整個計測區域的單元的集合(步驟S6)。
[0142]接下來，如圖13所示，判斷單元的各個頂點處於表面的內還是外(步驟S7)。
[0143]而且，如圖14所示，提取所有單元中具有內點和外點這兩者的邊界單元(步驟S8)。
[0144]之後，如圖14所示，計算邊界單元和邊及表面的交點坐標(三個或四個)(步驟S9)。
[0145]此外，如圖15?17所示，通過連接邊界單元的交點，生成剖切截面(三角形或四邊形)(步驟S10)。四邊形的剖切截面分割為兩個，成為三角形。
[0146]而且，如圖18所示，對所有邊界單元的剖切截面進行結合，生成作為「流形」且不包含自交叉的封閉多面體而被定義的STL數據(步驟S11)。
[0147]實施例2
[0148]對於將在本發明的形狀計測方法中使用的三維計測傳感器(以下，稱作測定裝置)安裝在主軸上的附屬裝置的實施例，參照圖29和圖30進行說明。
[0149]如上所述，在僅從一面進行計測的計測結果中，存在將不存在計測對象物的區域誤判斷為存在計測對象物的區域的情況，因此理想的情況是優選在六個面進行計測，但通過對被設置在工具機的工作檯上的對象物進行五個面(在立形機的情況下，上面+四個側面)測定，能夠大致地求出表示計測對象物的整個區域的表面形狀的表面。
[0150]此處，如實施例1中所述那樣，由於三維測定器能夠安裝在工具機的主軸上，所以能夠通過工具機的軸動作來實現測定路徑。
[0151]此外，在本實施例中，為了使側面計測最佳化，使用工具機附屬的側面加工用附屬裝置、傾斜面加工用附屬裝置或具有傳感器專用的傾斜機構的附屬裝置來實施計測。
[0152]S卩，對於側面加工用附屬裝置，如圖29所示，經由90度傾斜附屬裝置21將測定裝置22安裝在主軸20上。
[0153]90度傾斜附屬裝置21是側面加工用附屬裝置的一種，旋轉軸相對於主軸20的旋轉軸傾斜90度。
[0154]例如，當如圖所示那樣，主軸20的旋轉軸朝向鉛垂方向時，90度傾斜附屬裝置21的旋轉軸朝向水平方向，因此，一邊使測定裝置22圍繞這兩個旋轉軸旋轉，一邊由測定對象23反射從測定裝置22射出的雷射，從而能夠計測出到測定對象23的距離。
[0155]此外，傾斜面加工用附屬裝置是指不僅能夠將上述90度傾斜附屬裝置21的傾斜角設成90度且能夠如圖34所示地任意進行變化的附屬裝置。通過使用這種附屬裝置，能夠進行五個面測定。
[0156]因此，如圖29所示，通過移用加工用附屬裝置，具有無需專用附屬裝置的優點。
[0157]另一方面，對於傳感器專用附屬裝置，如圖30所示，經由具備兩個旋轉軸的旋轉機構(傾斜機構)24將測定裝置22安裝在主軸20上。
[0158]旋轉機構24是用於測定裝置22的專用附屬裝置的一種，具有除了主軸20的旋轉軸之外的其他兩個旋轉軸，例如，具有在相互正交方向上且朝向以任意角度與主軸交叉的方向的旋轉軸。因此，當包含主軸在內時，能夠圍繞共三個軸進行旋轉，具有增大測定裝置22相對於工作檯25上的測定對象23的自由度的優點。
[0159]從而，如圖30所示，若使用傳感器專用的附屬裝置，則即使不存在加工用附屬裝置，也能夠進行測定。
[0160]此外，若為傳感器專用，則能夠將附屬裝置小型化，能夠通過加工用附屬裝置來擴大測定範圍。
[0161]特別是，在使用線雷射傳感器作為測定裝置22的情況下，能夠相對各測定面垂直進行調整使得雷射的射線和測定時的進給方向垂直，即使在使用線雷射時，進給方向上的自由度也會增加。
[0162]實施例3
[0163]針對本發明的形狀計測方法中的測定路徑的實施例，參照圖31~33進行說明。
[0164]例如,如圖31所示,在以三角測量方式僅從圖中箭頭所示一個方向對任意形狀的測定對象23進行測定的情況下，當測定對象23具有階梯時，由於存在從測定裝置22內的投光部(圖示省略)射出的雷射被遮擋且不會返回到測定裝置22內的受光部(圖示省略)的情況，所以在三維形狀數據上產生欠缺(所謂的遺漏)。
[0165]在此情況下，如圖32所示，存在通過相對於圖中箭頭所示方向使測定裝置22內的投光部和受光部的朝向反轉以進行改善的情況，但是若未預先識別計測物的形狀，則難以使其自動化。
[0166]因此，本實施例中，在測定任意形狀的測定對象23的情況下，分別用格子狀的測定路徑對五個面進行計測，使三維形狀數據化。
[0167]即，如圖33所示，相對於測定對象23的一個面，首先，一邊使測定裝置22從附圖標記22a所示左上方位置沿著箭頭向水平右方向移動一邊進行計測，之後，使位置向下方錯開一定距離至附圖標記22b、22c所示的位置，一邊使測定裝置22沿著箭頭向水平右方向移動一邊進行計測，反覆進行上述操作。即，在橫向的測定路徑上進行計測。
[0168]之後，在圖33中，一邊使測定裝置22從附圖標記22d所示的左下方位置沿著箭頭向鉛垂方向上方向移動一邊進行計測，之後，使位置向右方錯開一定距離至附圖標記22e、22f?所示的位置，一邊使測定裝置22沿著箭頭向鉛垂方向上方向移動一邊進行計測，反覆進行上述操作。即，在縱向的測定路徑上進行計測。
[0169]這樣一來，在由橫向和縱向測定路徑構成的格子狀路徑上針對測定對象23的一個面的測定結束後，針對其他四個面，也同樣地進行計測。
[0170]在本實施例中，通過用格子狀路徑對測定對象23的五個面進行計測，可不預先識別形狀(但是，需要識別測定對象23具有五個面這種的大致形狀)，與僅從一個方向進行計測的情況相比，能夠減輕因雷射被遮擋而導致的數據的欠缺。
[0171]此外，存在如下優點:若經由具有兩個旋轉軸的附屬裝置將測定裝置22安裝在主軸上，則對於測定對象，能夠在一個工序中測定五個面，能夠將大致的整體形狀三維數據化。
[0172]工業實用性
[0173]本發明的形狀計測方法可在由數值控制裝置控制的工業機器例如工具機上廣泛地利用。
[0174]附圖標記說明
[0175]I三維計測傳感器
[0176]2工具機的主軸
[0177]3計測對象物
[0178]4 點群
[0179]5 內點
[0180]6 外點
[0181]7 交點
[0182]8剖切截面
[0183]9工作檯
[0184]10 「流形」且不包含自交叉的封閉多面體
[0185]A、D、E計測方向
[0186]B移動方向
[0187]C 表面
【權利要求】
1.一種形狀計測方法，其特徵在於，包括如下工序: 通過由三維計測器從多個計測方向對計測對象物進行掃描，對應每個計測方向獲取所述計測對象物中的計測點群的三維坐標即計測點群數據，並基於這些計測點群數據來生成表現所述計測對象物的隱函數； 基於所述隱函數，通過基於三維德勞奈圖的分割處理而將所述計測對象物所存在的整個計測區域分割成無間隙、不重複、完全充填的四面體的小區域(以下稱作單元); 通過所述隱函數將所述三維德勞奈圖中的所述單元的各頂點分類為存在於所述計測對象物內側的內點和存在於所述計測對象物外側的外點； 提取所述三維德勞奈圖內所有所述小區域中的、四個頂點包含內點和外點這兩者的邊界單元； 計算所述邊界單元的邊中的、兩端點為內點和外點的組合的邊與所述計測對象物的表面的交點； 通過連接所述各邊界單元所具有的三點或四點的所述交點來求出三角形或四邊形的面；及 通過結合所有的所述三角形或四邊形的面，來構成流形且不包含自交叉的封閉多面體數據。
【文檔編號】G01B21/00GK103534554SQ201280021378
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年2月24日 優先權日:2011年6月2日
【發明者】吉柳秀威, 久良賢二, 山本英明, 大石浩史, 山崎謙次郎 申請人:三菱重工業株式會社