CN101356418B - 形状识别装置以及变形评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及形状识别装置(50)，其基于被测定面的三维测量数据进行形状识别，具有：近似曲线应用单元(43)，对表示被测定面的凹凸的测量数据的二维截面数据中的、沿截面的长度方向的多个第一数据组，分别应用具有恒定曲率的第一近似曲线；曲率导出单元(44)，用于导出多个第一近似曲线的曲率；相同范围决定单元(45)，用于根据曲率导出单元(44)所导出的多个曲率的、沿截面的长度方向的变化数据，决定曲率沿截面的长度方向相同的相同范围；以及近似曲线导出单元(46)，用于对二维截面数据中的、存在于相同范围决定单元所决定的相同范围内的第二数据组，导出具有恒定曲率的第二近似曲线。

Description

形状识别装置以及变形评价装置

技术领域

本发明涉及根据被测定面的三维测量数据进行该被测定面的形状识别的形状识别装置、以及使用被识别的被测定面的形状进行变形评价的变形评价装置。

背景技术

在使用钢板制作的车辆的车身表面上，根据钢板的板厚、成分等，往往会发生和按照设计制作的车身表面不同的形状(即变形)。而且，依靠熟练的人的感性所进行的功能评价来判定该变形是否是可以允许的程度。但是，如果不是在长期的时间内见过各种变形的有经验的熟练者，则不能在一定的基准下可靠地进行变形程度的评价。因此，提出了如下变形评价装置，该变形评价装置的目的在于，以机械方式从车身表面等被测定面提取某些特征，定量地进行变形程度的功能评价。

专利文献1中记载的变形评价装置，比较被测定面的测量数据和预先存储在CAD装置中的被测定面的CAD数据，制作出被测定面上的各点处的差分数据。然后，根据该差分数据进行被测定面的变形评价。亦即，专利文献1中记载的变形评价装置基于包含在差分数据中的信息仅是被测定面的变形信息这样的想法而进行处理的。

专利文献1：特开2003-21511号公报

在使用钢板实际冲压成形的车身表面上，有时会发生和上述变形等不同的回跳(spring back)等若干变形。在该情况下，被测定面的实际的测量数据和CAD数据不一致。而且，在上述差分数据中，除了表示变形的信息之外，也包含表示回跳的信息。但是，表示回跳的信息是表示被测定面的本来形状的信息，不是变形。亦即，上述专利文献1中记载的变形评价装置不能分开识别被测定面的本来形状、和在该形状上发生的变形。

如上所述，现有的变形评价装置，因为根据被测定面的不正确的形状识别而进行被测定面的变形评价，所以不能说进行了正确的变形评价。

发明内容

本发明鉴于上述课题提出，其目的在于：提供一种形状识别装置，即使发生由于回跳等引起的变形，该装置也能够正确地进行被测定面的形状识别；此外，提供一种变形评价装置，其能够根据该形状识别的结果而进行正确的变形评价。

为了实现上述目的的本发明的形状识别装置的特征结构是基于被测定面的三维测量数据进行形状识别的形状识别装置，该形状识别装置具有：近似曲线应用单元，对于表示所述被测定面的凹凸的测量数据的二维截面数据中的、沿所述截面的长度方向的多个第一数据组，分别应用具有恒定曲率的第一近似曲线；曲率导出单元，用于导出多个所述第一近似曲线的曲率；相同范围决定单元，用于根据所述曲率导出单元所导出的多个曲率的、沿所述截面的长度方向的变化数据，决定曲率沿所述截面的长度方向相同的相同范围；以及近似曲线导出单元，对于所述二维截面数据中的、在所述相同范围决定单元所决定的所述相同范围内存在的第二数据组，导出具有恒定曲率的第二近似曲线。

根据上述特征结构，近似曲线应用单元，对于表示所述被测定面的凹凸的测量数据的二维截面数据中的、沿所述截面的长度方向的多个第一数据组，分别应用具有恒定曲率的第一近似曲线，导出多个所述第一近似曲线的曲率。亦即，通过导出沿截面的长度方向的各位置的局部的曲率，能够了解沿截面的长度方向的曲率变化的倾向。

此外，构成为：相同范围决定单元根据所述曲率导出单元所导出的多个曲率的、沿所述截面的长度方向的变化数据，决定曲率沿所述截面的长度方向相同的相同范围；近似曲线导出单元，对于所述二维截面数据中的、在所述一样范围决定单元所决定的所述相同范围内存在的第二数据组，导出具有恒定曲率的第二近似曲线。亦即，能够决定沿截面的长度方向曲率相同、即被测定面的截面形状是大体恒定的曲率的相同范围，能够提取在该相同范围内存在的第二数据组。因此，关于第二数据组导出的、具有恒定曲率的第二近似曲线与被测定面的截面形状是大体恒定的曲率的部分相当。

如上所述，通过使用本发明的形状识别装置，不管有无由回跳等所引起的变形，都能够提取截面形状具有大体恒定的曲率的被测定面的部分二维截面数据。其结果，能够获知包含变形的被测定面的本来形状。

用于实现上述目的的本发明的变形评价装置的特征结构在于，具有变形数据提取单元，用于比较在所述相同范围内存在的所述第二数据组与所述第二近似曲线，将离开所述第二近似曲线的逸出量大于等于设定允许差的数据作为变形数据进行提取。

根据上述特征结构，通过比较表示不含变形的被测定面的本来形状的第二近似曲线与第二数据组，能够提取与包含在第二数据组中的被测定面的本来形状不同的形状，并将其作为变形数据。因此，能够进行正确的变形评价。

本发明的变形评价装置的其他特征结构在于，所述变形数据提取单元构成为：在所述二维截面数据中，对于与所述第一近似曲线的曲率大于等于设定曲率的所述第一数据组相对应的数据，不执行所述变形数据的提取。

根据上述特征结构，在曲率大于等于设定曲率的部分，即在被测定面的形状从最初开始急剧变化的部分中，例如即使发生变形也不明显，故在变形评价中可以对其进行忽略不计。其结果，不进行不需要的变形评价，能够有效地充分利用硬件资源。

附图说明

图1是非接触三维测量系统、形状识别装置以及变形评价装置的功能框图。

图2是说明通过数据变换单元进行的数据变换的图。

图3是说明通过噪声去除单元进行噪声去除的图。

图4是说明近似曲线应用单元的功能的图表。

图5是曲率导出单元导出的、应用于测量数据的二维截面数据的各点的第一近似曲线的曲率的图表。

图6是表示测量数据的二维截面数据中的、存在于特定的相同范围内的多个数据点(第二数据组)的图表。

图7是表示被测定面中变形数据的显示画面的例子的图。

符号说明

40变形评价装置

43近似曲线应用单元

44曲率导出单元

45相同范围决定单元

46近似曲线导出单元

47变形数据提取单元

50形状识别装置

具体实施方式

图1是以三维方式测量被测定面形状的非接触三维测量系统、本发明的形状识别装置50以及变形评价装置40的功能框图。该非接触三维测量系统是以非接触方式对由模具冲压加工钢板而制作出的门板或者车身等的形状进行三维测量的系统。该系统首先具有：作为测定头移动单元的机械手10和非接触三维测量单元20，该非接触三维测量单元20通过机械手10在例如门板表面的跟踪扫描下进行相位移动，并对投影到被检查面上的光栅图形的摄影图像进行条纹解析，求出摄影图像的每一像素的三维坐标值，输出向每一像素分配了三维距离数据的测定图像(正确地说，构成图像的像素的值是三维距离数据，和一般的图像不同，但这里为了易于理解而将其称为测定图像)。还具有三维测量控制单元30，用于处理从该非接触三维测量单元20依次发送来的、门板表面的部分测定图像，生成门板表面整体的三维测量数据。另外，形状识别装置50以及变形评价装置40可以通过计算机等运算处理装置和规定的程序的组合来实现。

机械手10自身是公知的装置，由臂机构11和机械手控制器12组成，臂机构11在前端具有可三维位置移动的工具安装部11a，机械手控制器12控制该臂机构11的运动。

非接触三维测量单元20具有测定头21、控制部22以及三维距离数据测定部23，测定头21由条纹投影部21a和照相机部21b组成，条纹投影部21a作为向被测定面投影光栅图形的投影仪起作用，照相机部21b对投影到被测定面并发生变形的光栅图像进行拍摄，控制部22控制条纹投影部21a或者照相机部21b，三维距离数据测定部23分析从照相机部21b发送来的摄影画面的图像，生成并输出上述的测定图像。这样的非接触三维测量单元20，通过在光栅图形投影中组合相位移动，从而能够进行更高精度的测定，其测定原理和结构是公知的，例如在特开2004-317495号公报、或者特开2002-257528号公报中已进行了说明。因为测定头21安装在机械手10的工具安装部11a上，所以可以移动到任意的三维位置并进行三维测量。

如上述那样生成的三维测量数据从三维测量控制单元30提供给具有形状识别装置50的变形评价装置40。下面说明形状识别装置50以及变形评价装置40的结构、和使用形状识别装置50进行的被测定面的形状识别方法以及使用变形评价装置40进行的变形评价方法。

本发明的形状识别装置50具有近似曲线应用单元43、曲率导出单元44、相同范围决定单元45、和近似曲线导出单元46。进而，形状识别装置50具有数据变换单元41和噪声去除单元42，数据变换单元41进行由三维测量控制单元生成的三维测量数据的数据变换，噪声去除单元42进行该数据的噪声去除。

另外，本发明的变形评价装置40具有提取在被测定面上存在的变形数据的变形数据提取单元47，还具有显示单元48，该显示单元48能够显示输入的数据、运算处理中的数据、运算处理后的数据等被处理的各种数据。

上述数据变换单元41、噪声去除单元42、近似曲线应用单元43、曲率导出单元44、相同范围决定单元45、近似曲线导出单元46、以及变形数据提取单元47通过构成形状识别装置50以及变形评价装置40的计算机等运算处理装置来实现。

图2是说明通过数据变换单元41进行的数据变换的图。上述数据变换单元41实现如下功能：为了将以三维方式表示被测定面的表面形状的点组数据，即三维测量数据变为在后面的处理中易于使用的数据而进行数据变换。在图2中，三维测量数据的实测数据用白圆圈表示，变换后的变换数据用黑圆圈表示。具体地说，数据变换单元41根据实际的三维测量数据来计算X-Y平面的光栅点上的数据，将构成实际的三维测量数据的点组数据变换为X-Y平面的光栅点上的点组数据。

图3是说明通过噪声去除单元42进行的噪声去除的图。噪声去除单元42对作为噪声去除对象的特定点P_V与相对于该特定点P_V隔开间隔而相邻的点进行比较。在本实施形式中，噪声去除单元42对以夹着特定点P_V的方式隔两个而存在的点P_V+2、P_V-2与特定点P_V的Z值(被测定面的高度方向的值)进行比较。

如图3的图表A-1所示，噪声去除单元42导出与距离特定点P_V的差异较大的点P_V-2的差异值Dv，比较该差异值Dv与允许差异值Di。然后，如图3的图表A-1所示，如果Dv＜Di，则如图3的图表B-1所示，对于特定点P_V进行如下平滑处理：在相邻数据的近似线上对该特定点P_V进行修正。

另一方面，如图3的图表A-2所示，噪声去除单元42，在比较特定点P_V和点P_V+2时，如果Dv＞Di，则如图3的图表B-2所示，不进行对于特定点P_V的平滑处理。如上所述，通过进行对于各数据点的噪声去除处理，能够得到如图表C所示那样的数据组。然后，在以下的处理中，将该噪声去除后的数据组作为被测定面的三维测量数据(或者表示被测定面的凹凸的测量数据的二维截面数据)使用。

图4是说明近似曲线应用单元43的功能的图。该近似曲线应用单元43构成为：对表示被测定面的凹凸之测量数据的二维截面数据中的、沿该截面的长度方向的多个第一数据组，分别应用具有恒定曲率的第一近似曲线。具体地说，如图4(a)所示，对于沿截面的长度方向的二维截面数据P₁、P₂、P₃、…的各个数据点应用第一近似曲线。

在以下的说明中，说明针对有关被测定面的特定测量数据的二维截面数据所进行的处理，但是，对于构成被测定面的其他二维截面数据也进行同样的处理。

首先，如图4(a)所示，以P_i为中心，将一定间隔的两端的点设为P_si、P_ei，通过这三点描绘圆。如果所有点都处于此时设定的公差内，则P_i的曲率变成该计算出的值。只要有一点在公差外，则使si＝si+1、ei＝ei-1，反复进行一直到处于公差内。

即使这样有时也不能找到最适合的圆。

在图4(b)中，说明近似曲线应用单元43执行的、在数据点P_i处的第一近似曲线的应用方法。如图所示，如果在一定间距内存在形状([P_i-5，P_i-3]区间)或者拐点，则对存在形状或者拐点的一方(图4(b)中P_si侧)进行固定并开始计算。计算方法和上述相同，并按照(P_i-2，P_i，P_ei)→(P_i-2，P_i，P_ei-1)→(P_i-2，P_i，P_ei-2)→…→(P_i-2，P_i，P_i+2)→(P_i-1，P_i，P_i+2)→(P_i-1，P_i，P_i+1)的顺序进行圆近似。

由此能够求所有点的曲率。

以上述方式表示了进行圆近似的方法的例子，但是该方式并不是始终固定不变的。为了近似为更大而且更正确的圆，可以变更为从两侧减少点的方法，或者也可以移动已确定的圆的近似区间中的、作为中心的点P_i。

图4(c)中列举的是如上所述制作出的第一近似曲线R1、R4、R6的例子。例如，针对点P₄的第一近似曲线R4，将P₃、P₄以及P₅作为第一数据组。这样，将各第一近似曲线与沿截面的长度方向的位置信息，即表示针对哪个点制作的信息相关联，并提供给后面的工序。

图5是曲率导出单元44所导出的、应用于二维截面数据的各点的第一近似曲线的曲率的数据。曲率ρ是第一近似曲线的半径R的绝对值的倒数。在本实施形式中，将二维截面数据是向上凸的形状时的第一近似曲线的半径的符号作为正，将二维截面数据是向下凸的形状时的第一近似曲线的半径的符号取为负。例如，图4(a)的第一近似曲线R1、R4的半径的符号为正，第一近似曲线R6的半径的符号为负。

接着，相同范围决定单元45，根据图5所示的、由曲率导出单元44所导出的多个曲率的、沿被测定面的截面的长度方向的变化数据，决定曲率沿截面的长度方向相同的相同范围。图5中，范围A以及范围C是相同范围，而范围B不是相同范围。如图5所示，在相同范围A以及相同范围C中，沿被测定面的截面方向曲率相同，意味着与该范围相对应的位置的被测定面是在较宽的范围内具有固定曲率的面。此外，上述A、B、C的曲率是正的，这些区域是凸状的曲面。

在本实施形式中，将存在于相同范围内的各个曲率值与如下信息相关联，该信息有关如下内容，即有关是被应用到沿着被测定面的截面方向的哪个位置的第一近似曲线的曲率值。因此，相同范围决定单元45决定曲率信息的相同范围，变成了间接地决定二维截面数据的相同范围。

其后，近似曲线导出单元46，将二维截面数据中的、存在于上述相同范围决定单元45所决定的上述相同范围内的数据作为第二数据组进行提取，并关于该第二数据组导出具有一定曲率的第二近似曲线。图6是表示该二维截面数据中的、存在于特定的相同范围内的多个数据点(第二数据组)的图表。图示的各点是沿被测定面的截面方向的点，给各点关联了有关上述第一近似曲线的曲率的信息。因此，近似曲线导出单元46，通过对存在于第二数据组内存在的各点的曲率取平均，从而能够关于第二数据组导出具有恒定曲率的第二近似曲线。另外，近似曲线导出单元46，针对各相同范围进行该第二近似曲线的导出。

如上所述，图6所示的第二近似曲线是表示在被测定面的特定范围内具有恒定曲率的面的截面形状的线。即，通过使用本发明的形状识别装置50，不管在被测定面上是否发生了由回跳引起的变形，都能够仅使用实际测量的被测定面的二维截面数据，识别不包含变形等的被测定面自身的形状(回跳后的形状)。

进而，本发明的变形评价装置40，可以使用在形状识别装置50中导出的上述第二近似曲线来提取在被测定面上存在的变形。如图1所示，变形评价装置40具有变形数据提取单元47，该变形数据提取单元47比较在上述形状识别装置50中导出的存在于相同范围内的第二数据组与第二近似曲线，将离开第二近似曲线的逸出量大于等于设定允许差的数据作为变形数据进行提取。具体地说，如图6所示，变形数据提取单元47，对第二近似曲线的增加侧以及减小侧分别进行设定允许差d1、d2的设定，在构成第二数据组的数据中，提取离开第二近似曲线的逸出量大于等于其设定允许差的数据。在图6所示的例子中，存在于数据区域Da内的数据的逸出量小于设定允许差，但是，在数据区域Db以及数据区域Dc内存在的数据的逸出量大于等于设定允许差。因此，变形数据提取单元47将存在于被测定面的二维截面数据中的、数据区域Db以及数据区域Dc内的数据作为变形数据进行提取。另外，变形数据提取单元47使用上述近似曲线导出单元46所导出的构成被测定面的所有截面中的各第二近似曲线，同样地进行各相同范围内的变形数据的提取。

但是，在被测定面的二维截面数据中的、第一近似曲线的曲率是凹凸中任何一种的情况下，变形数据提取单元47对于与图5所示的大于等于设定曲率ρ_TH的第一数据组相对应的数据，即使第一近似曲线的曲率相同，也不进行上述那样的变形数据的提取。这是因为：在曲率大于等于设定曲率ρ_TH的部分，即被测定面的形状从最初开始急剧变化的部分，例如即使发生变形也不明显，所以在变形评价中可以将其忽略不计。例如，如果图4中所示的第一近似曲线R4的曲率大于等于设定曲率ρ_TH，则关于点P₄构成第一数据组的点P₃、P₄、P₅被视为不是变形数据，并且不作为上述变形数据的提取对象。

另外，图5所示的范围B等，对于存在于相同范围以外的部分的数据也不进行变形数据的提取。

图7是将车辆的车身表面的供油口附近作为被测定面，并通过显示单元48显示在该被测定面中变形数据提取单元47所提取的变形数据时的显示画面的例子。但是，变形数据采用与该值的大小相对应的灰度级的分布图进行描绘。从图7可知，变形在供油口的四角(区域S3、S4、S5、S6)附近集中出现，在其他的部分几乎不出现。

如上所述，通过比较形状识别装置50所识别的、表示不包含变形的被测定面的本来形状的第二近似曲线和与其对应的第二数据组，从而能够提取与包含在第二数据组中的被测定面的本来形状不同的形状，并将其作为变形数据。特别地，在图7的分布图中，离开第二近似曲线的逸出量未达到设定允许差的部分、第一近似曲线的曲率大于等于设定曲率ρ_TH的部分、以及图5中所示的范围B等相同范围以外的部分，如区域S1、S2那样被显示为平坦面。也就是说，即使与区域S1、S2对应的被测定面的形状实际上具有曲率，具有该曲率的部分也不会被识别为变形。而且，如图7所示，能够获得可较容易地识别仅存在变形的分布图。

<其他实施例>

<1>

在上述实施方式中，在图1的功能框图中，图示出变形评价装置40包含形状识别装置50，但是，也可以将形状识别装置50和变形评价装置40分体构成。例如，也可以分体构成实现形状识别装置50的计算机等运算处理装置和实现变形评价装置40的计算机等运算处理装置。进而，也可以构成为通过多台运算处理装置实现形状识别装置50以及变形评价装置40的功能。

<2>

在上述实施形态中，说明了噪声去除单元42使用参照图3说明的方法进行二维截面数据的噪声去除的例子，但是，作为噪声去除的方法，可以采用现有技术中存在的各种方法。

本发明的形状识别装置，只要是具有曲率恒定的表面的物体，便可以用于识别所有物体的形状。另外，本发明的变形评价装置，可以在定量地对汽车等的车身表面的变形进行评价时使用。因此，由于能够在一定的基准下适当地发现通过冲压加工制作的、例如车辆的门板表面上所产生的变形，所以能够适当地修正在该冲压加工中使用的模具，使之以后不发生变形。另外，为了高精度地表现增加了微量(0.1mm级)的修正后的冲压模具的数据，也可以使用形状识别装置。这样，本发明的变形评价装置，对于在冲压加工中使用的模具的检查也非常有用。

进而，通过反复进行面板形状的设计、模具的设计、冲压加工、变形评价、模具修正等工序以进行技术的积累，从而能够提高包含了设计难于发生变形的面板形状以及模具时的CAE(computer-aided engineering：计算机辅助工程))的预测技术。

进而，利用定量地进行变形程度的评价结果，从而判定通过人的感性所进行的变形程度的功能评价是否适当，即，用于诸如将经验较少的人培养成熟练者的技术继承。

Claims (3)

1.一种形状识别装置，基于被测定面的三维测量数据进行形状识别，其中具有：

近似曲线应用单元，对表示所述被测定面的凹凸的测量数据的二维截面数据中的、沿所述截面的长度方向的多个第一数据组，分别应用具有恒定曲率的第一近似曲线；

曲率导出单元，导出多个所述第一近似曲线的曲率；

相同范围决定单元，根据由所述曲率导出单元所导出的多个曲率的、沿所述截面的长度方向的变化数据，决定曲率沿所述截面的长度方向相同的相同范围；和

近似曲线导出单元，将所述二维截面数据中的、存在于由所述相同范围决定单元所决定的所述相同范围内的数据作为第二数据组进行提取，并从该第二数据组导出具有恒定曲率的第二近似曲线。

2.一种变形评价装置，其中

具有变形数据提取单元，该变形数据提取单元用于比较在根据权利要求1所述的形状识别装置中导出的、存在于所述相同范围内的所述第二数据组与所述第二近似曲线，并将离开所述第二近似曲线的逸出量大于等于设定允许差的数据作为变形数据进行提取。

3.根据权利要求2所述的变形评价装置，其中

所述变形数据提取单元构成为：对于与所述二维截面数据中的、所述第一近似曲线的曲率大于等于设定曲率的所述第一数据组相对应的数据，不执行所述变形数据的提取。

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