CN111098496A - 三维造型装置、该装置的控制方法以及其控制程序 - Google Patents

三维造型装置、该装置的控制方法以及其控制程序 Download PDF

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Abstract

本发明提供简单、迅速地制造复制品的三维造型装置、该装置的控制方法以及其控制程序。一种三维造型装置，具有：光照射部，照射种类不同的第一激光和第二激光；受光部，接收从光照射部照射到物体的所述第一激光的反射光；计测部，基于反射光，对物体的形状进行计测；控制部，基于由计测部计测到的所述物体的形状，控制光照射部的第二激光对三维造型物的材料的照射，由此对三维造型物造型进行造型。

Description

三维造型装置、该装置的控制方法以及其控制程序
技术领域
本发明涉及一种三维造型装置、三维造型装置的控制方法以及三维造型装置的控制程序。
背景技术
在上述技术领域中，专利文献1公开了一种利用CCD照相机来接收曝光用光的反射光并对焦点位置进行调整的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-240045号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在上述文献所记载的技术中，无法简单、迅速地对复制品进行造型。
本发明的目的在于提供一种解决上述问题的技术。
用于解决问题的手段
为了达到上述目的，本发明的三维造型装置具有：光照射部，照射种类不同的第一激光和第二激光；受光部，接收从所述光照射部照射到物体的所述第一激光的反射光；计测部，基于所述反射光，对所述物体的形状进行计测；控制部，基于由所述计测部计测到的所述物体的形状，控制所述光照射部的所述第二激光向三维造型物的材料的照射，由此对所述三维造型物进行造型。
为了达到上述目的，本发明的三维造型装置的控制方法包括：光照射步骤，照射种类不同的第一激光和第二激光；受光步骤，接收在所述光照射步骤中照射到物体的所述第一激光的反射光；计测步骤，基于所述反射光，对所述物体的形状进行计测；以及控制步骤，基于在所述计测步骤中计测到的所述物体的形状，控制在所述光照射步骤中所述第二激光向三维造型物的材料的照射，对所述三维造型物进行造型。
为了达到上述目的，本发明的三维造型装置的控制程序使计算机执行：光照射步骤，照射种类不同的第一激光和第二激光；受光步骤，接收在所述光照射步骤中照射至物体的所述第一激光的反射光；计测步骤，基于所述反射光，对所述物体的形状进行计测；以及控制步骤，基于在所述计测步骤中计测到的所述物体的形状，控制在所述光照射步骤中所述第二激光向三维造型物的材料的照射，来对所述三维造型物进行造型。
发明效果
根据本发明，能够简单、迅速地对复制品进行造型。
附图说明
图1A是示出本发明的第一实施方式的三维造型装置的结构的图。
图1B是示出本发明的第一实施方式的三维造型装置的结构的图。
图2是用于对本发明的第二实施方式的三维造型装置的结构进行说明的图。
图3A是对本发明的第二实施方式的三维造型装置的光照射部的结构进行说明的图。
图3B是对本发明的第二实施方式的三维造型装置的形状计测以及造型的一个示例进行说明的图。
图4是示出本发明的第二实施方式的三维造型装置所具有的造型表的一个示例的图。
图5是对本发明的第二实施方式的三维造型装置的硬件结构进行说明的框图。
图6是对本发明的第二实施方式的三维造型装置的动作步骤进行说明的流程图。
图7是对本发明的第三实施方式的三维造型装置的形状计测的一个示例进行说明的图。
图8是对本发明的第四实施方式的三维造型装置的形状计测的一个示例进行说明的图。
图9A是对本发明的第五实施方式的三维造型装置的形状计测的一个示例进行说明的图。
图9B是对本发明的第五实施方式的三维造型装置的造型的一个示例进行说明的图。
具体实施方式
以下，参照附图，例示性地对本发明的实施方式进行详细的说明。但是，以下的实施方式所记载的结构、数值、处理流程、功能要素等只不过为一个示例，可自由地对其进行变形或变更，而并非旨在将本发明的技术范围限定在以下所记载的范围内。
[第一实施方式]
使用图1A以及图1B，对本发明的第一实施方式的三维造型装置100进行说明。三维造型装置100是对复制品进行造型的造型装置。如图1A以及图1B所示，三维造型装置100具有光照射部101、受光部102、计测部103以及控制部104。
光照射部101照射种类不同的第一激光111和第二激光113。受光部102接收从光照射部101照射到物体130的第一激光111的反射光112。计测部103基于反射光112对物体130的形状进行计测。控制部104基于由计测部103计测出的物体130的形状，来控制光照射部101的第二激光113向三维造型物140的材料的照射，由此对三维造型物140进行造型。
根据本实施方式，能够简单、迅速地对复制品进行造型。
[第二实施方式]
接着，使用图2至图6，对本发明的第二实施方式的三维造型装置进行说明。图2是用于对本实施方式的三维造型装置的结构进行说明的图。三维造型装置200具有光照射部201、受光部202、计测部203以及控制部204。光照射部201具有切换部211。
光照射部201对三维造型物230的材料以及物体240照射激光。向三维造型物230的材料照射的激光是造型用激光。另外，向物体240照射的激光为可见激光或红外激光。切换部211可以对这些激光(造型用激光、可见激光、红外激光)进行适当地切换。此外，物体240例如是三维造型物、注塑造型而成的立体物或铸模造型成的立体物等，但并不限于此。
受光部202接收来自物体240的反射光241。在光照射部201向物体240照射红外激光的情况下，受光部202是能够接收红外激光的受光元件(受光传感器)。另外，在光照射部201向物体240照射可见激光的情况下，受光部202是能够接收可见激光的受光元件(受光传感器)。作为受光元件，例如有光电探测器(Photo Detector)、光电二极管(Photo Diode)、CCD(Charged Coupled Devices：带电耦合器件)传感器、CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor：互补金属氧化物半导体)传感器等，但并不限于此。
计测部203基于由受光部202接收的反射光241对物体240的形状进行计测。计测部203对形状的计测例如通过对到物体240的表面上的各点的距离进行测定来进行。计测部203的对距离的测定例如通过TOF(Time of Flight；飞行时间)方式、三角法方式、相位差方式(相移)等方式进行求得。距离的测定可以根据各个方式的特征适当选择。然后，计测部203基于到物体240的表面上的各点的距离来对物体240的形状进行计测。另外，计测部203将计测出的形状数据化。
控制部204(储存器)基于由计测部203计测出的物体240的形状，来对光照射部201的造型用激光向三维造型物230的材料的照射进行控制。即，控制部204对为了对物体240的形状进行计测而照射可见激光或红外激光的光照射部201进行控制，以此对三维造型物230进行造型，因此使照射的激光切换为造型用激光并照射。由此，向三维造型物230的材料照射造型用激光，造型三维造型物230。
三维造型装置200几乎同时进行物体240的形状计测和三维造型物230的造型。三维造型装置200例如在进行了规定次数的用于对物体240的形状进行计测的扫描之后，基于该规定次数的计测数据来进行三维造型物230的造型。或者三维造型装置200也可以每对物体240进行一次扫描都进行三维造型物230的造型。
三维造型装置200的操作者使用操作用计算机250来操作三维造型装置200。利用三维造型装置200计测的物体240的形状例如显示在操作用计算机250的监视器等显示装置上。而且，用于对三维造型物230进行造型的造型数据等由安装在操作用计算机250中的CAD(Computer Aided Design：计算机辅助设计)等创建。
并且，从操作用计算机250接收了造型数据的三维造型装置200基于接收到的造型数据，执行三维造型物230的造型。此外，造型数据等的创建并不限于使用CAD的创建，例如可以使用智能手机的应用或CAE(Computer Aided Engineering：计算机辅助工程)等进行创建。
图3A是对本实施方式的三维造型装置的光照射部的结构进行说明的图。光照射部201具有激光源302以及二维MEMS(Micro Electro Mechanical System：微机电系统)反射镜304。二维MEMS反射镜304是机电式反射镜。
激光源302是波长为405nm的激光的光源。从激光源302放射的激光的波长并不限于405nm，也可以是紫外光的波长区域的激光。从激光源302放射的激光用于三维造型物230的造型。并且，从激光源302放射出的激光被引导到聚光部322。聚光部322包括聚光透镜和准直透镜等。另外，激光源302是半导体LD(Laser Diode：激光二极管)，是放射(振荡)激光的激光振荡元件。并且，入射到聚光部322的可见激光例如经聚光透镜汇聚并且经准直透镜变为平行光，之后出射。
激光源303是可见激光或红外激光的光源。并且，从激光源303放射的激光被引导到聚光部332。聚光部332包括聚光透镜和准直透镜等。另外，激光源303是半导体LD(LaserDiode：激光二极管)，是放射(振荡)激光的激光振荡元件。并且，入射到聚光部332的激光是例如经聚光透镜汇聚并且经准直透镜变为平行光，之后出射。另外，在对物体240照射红外激光来进行形状计测的情况下，使红外激光在物体240上进行扫描。在对物体240照射可见激光来进行形状计测的情况下，例如，向物体240照射格子图案(条纹图案)的图案。
二维MEMS反射镜304是机电式反射镜。二维MEMS反射镜304基于从外部输入的控制信号被驱动的驱动反射镜，以在水平方向(X方向)以及垂直方向(Y方向)上改变角度来反射激光的方式进行振动。利用视角校正元件(未图示)，对被二维MEMS反射镜304反射的激光的视角进行校正。然后，使视角被校正了的激光在三维造型物230、物体240上或加工面上进行扫描，进行期望的加工和造型。此外，视角校正元件根据需要来设置。此外，可以使用两个一维MEMS反射镜来代替使用二维MEMS反射镜304。
在此，从激光源302放射的可见激光被反射镜310以及反射镜340反射而到达二维MEMS反射镜304。而且，从激光源303放射的红外激光被反射镜330以及反射镜340反射而到达二维MEMS反射镜304。反射镜340配置在光照射部201的底部(底面)。并且，反射镜310使来自激光源302的可见激光的反射光朝向配置于底面的反射镜340向下方反射。同样地，反射镜330使来自激光源303的红外激光的反射光朝向配置于底面的反射镜340向下方反射。然后，反射镜340使来自反射镜310的可见激光以及来自反射镜330的红外激光朝向配置于反射镜340的上方的二维MEMS反射镜304向上方反射。二维MEMS反射镜304使来自反射镜340的反射光在二维方向上扫描来进行照射。
从激光源302以及激光源303放射的可见激光以及红外激光在被各反射镜310、330、340反射后，通过二维MEMS反射镜304，到达物体240。即，加工用激光、可见激光以及红外激光通过相同光路(以个光路)，到达三维造型物230的材料和物体240。
图3B是对本实施方式的三维造型装置的形状计测以及造型的一个示例进行说明的图。三维造型装置200具有光照射部201、造型台350、配件306以及反射镜308。
作为形状计测的对象的物体240放置在配件306上。而且，配件306与旋转轴361连接。旋转轴361与旋转机构362连接。旋转轴361随着旋转机构362的旋转而旋转。因为配件306随着旋转轴361的旋转而旋转，所以放置在配件306上的物体240也旋转。
反射镜308配置在光照射部201与造型台350之间。来自光照射部201的可见激光和红外激光被反射镜308反射，向放置于配件306上的物体240照射。
光照射部201向旋转的物体240照射红外激光或可见激光，受光部202接收红外激光或可见激光的反射光。计测部203基于接收的反射光，对物体240的形状进行计测。
此外，在造型台350上设置有对造型台350进行支撑的腿部351。腿部351设置在造型台350的四角，不会对被反射镜308反射的可见激光和红外激光的光线路径以及来自物体240的反射光的光线路径造成影响。
控制部204基于由计测部203计测出的物体240的形状，来控制光照射部201的加工用激光向三维造型物230的材料的照射，由此对三维造型物230进行造型。即，一边使平台360上升，一边对作为填充在槽体370内的三维造型物230的材料即树脂380照射加工用激光来进行三维造型物230的造型，槽体370载置在造型台350上。树脂380例如是若被加工用激光照射则固化的光固化性树脂。此外，反射镜308是能够使来自光照射部201的加工用激光透过的反射镜。
三维造型装置200几乎同时进行物体240的形状计测以及三维造型物230的造型。即，三维造型装置200不是在物体240的整体形状的计测结束之后，进行三维造型物的造型。三维造型装置200例如在物体240的规定高度的形状计测(扫描)完成后，基于该计测数据进行三维造型物230的造型。通过这样，能够几乎同时进行物体240的形状计测以及三维造型物230的造型。另外，三维造型装置200也可以每扫描一次物体240，例如每当物体240旋转1周期间的扫描完成后，进行三维造型物230的造型。即，也可以交替地进行物体240的扫描(形状计测)与三维造型物230的造型。
图4是示出本实施方式的三维造型装置所具有的造型表的一个示例的图。关于造型表401，与造型ID(Identifier：识别符)411相关联地存储位置和距离412、计测形状413以及控制内容(层叠造型用数据)414。造型ID411是用于识别三维造型装置200中的造型的识别符。位置和距离412是基于由受光部202接收的反射光而导出的距物体240的表面上的各点(位置)的距离。计测形状413是计测出的物体240的形状。控制内容414表示基于计测出的物体240的形状来执行的、对三维造型物230的造型中的光照射部201等进行控制的内容。并且，三维造型装置200例如参照造型表401来进行三维造型物的造型。
图5是示出本实施方式的三维造型装置的硬件结构的框图。CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)510是运算控制用的处理器，通过执行程序来实现图2的三维造型装置200的功能结构部。CPU510可以具有多个处理器，并行执行不同的程序、模块、任务或线程等。ROM(Read Only Memory：只读存储器)520存储初始数据和程序等固定数据以及其他程序。另外，网络接口530经由网络与其他装置等通信。此外，CPU510并不限于一个，可以有多个CPU，或也可以包括图像处理用的GPU(Graphics Processing Unit：图形处理单元)。另外，优选网络接口530具有与CPU510独立的CPU，向RAM(Random Access Memory)540的区域写入收发数据，或从RAM(Random Access Memory)540的区域读取收发数据。另外，优选在RAM540与存储器550之间设置传输数据的DMAC(Direct Memory AccessController：直接存储器访问控制器)(未图示)。而且，CPU510识别出数据已经被RAM540接收或已经传输到RAM540，对数据进行处理。另外，CPU510在RAM540中准备处理结果，由网络接口530或DMAC进行之后的发送或传输。
RAM540是CPU510作为临时存储的工作区域使用的随机存取存储器。在RAM540中确保有存储实现本实施方式所需的数据的区域。位置和距离541是距物体240的表面上的各点的距离。计测形状542是计测出的物体240的形状。控制内容543是基于计测出的物体240的形状来执行的，对三维造型物230的造型中的光照射部201等进行控制的内容的数据。这些数据例如根据造型表401展开。
收发数据544是经由网络接口530发送和接收的数据。另外，RAM540具有用于执行各种应用模块的应用执行区域545。
在存储器550中存储有数据库及各种参数，或实现本实施方式所需的以下数据或程序。存储器550储存造型表401。造型表401是如图4所示的对造型ID411与控制内容414等的关系进行管理的表。
存储器550还储存光照射模块551、受光模块552、计测模块553、控制模块554以及切换模块555。光照射模块551是对三维造型物230的材料以及物体240照射激光的模块。受光模块552是接收来自物体240的反射光的模块。计测模块553是基于接收到的反射光对物体240的形状进行计测的模块。控制模块554是基于计测出的物体240的形状，控制光照射部201的激光向三维造型物230的材料的照射等的模块。切换模块555是对从光照射部201照射的激光(可见激光、红外激光、造型用激光)进行切换的模块。这些模块551～555被CPU510被读取至RAM540的应用执行区域545并执行。控制程序556是用于对三维造型装置200的整体进行控制的程序。
输入输出接口560对输入输出设备间的输入输出数据进行交换。在输入输出接口560上连接有显示部561、操作部562。另外，在输入输出接口560上还可以连接存储介质564。还可以连接作为声音输出部的扬声器563、作为声音输入部的麦克风(未图示)或GPS位置判定部。此外，在图5所示的RAM540和存储器550中未图示与三维造型装置200所具有的通用的功能以及其他能够实现的功能相关的程序和数据。
图6是对本实施方式的三维造型装置的处理步骤进行说明的流程图。该流程图由图5的CPU510使用RAM540来执行，从而实现图2的三维造型装置200的功能结构部。
在步骤S601中，三维造型装置200向物体240照射可见激光或红外激光。在步骤S603中，三维造型装置200接收来自物体240的反射光。在步骤S605中，三维造型装置200对规定高度的物体240的形状进行计测。在步骤S607中，三维造型装置200基于计测出的物体240的形状，确定利用光照射部201加工用激光向三维造型物230的材料的照射控制的内容。在步骤S609中，三维造型装置200将从光照射部201照射的激光从红外激光(可见激光)切换为加工用激光。在步骤S611中，三维造型装置200执行三维造型物230的造型。在步骤S613中，三维造型装置200判定造型是否结束。在判定为造型没有结束的情况下(步骤S613的否)，三维造型装置200返回步骤S601，继续造型。在判定为造型结束的情况下(步骤S613的是)，三维造型装置200结束造型处理。
根据本实施方式，因为几乎同时进行物体的形状计测和三维造型物的造型，所以能够简单、迅速、高精度地对期望的三维造型物进行造型。
[第三实施方式]
接着，使用图7，对本发明的第三实施方式的三维造型装置进行说明。图7是对本实施方式的三维造型装置的形状计测的一个示例进行说明的图。本实施方式的三维造型装置与上述第二实施方式的不同点在于，具有对作为计测对象的物体进行安装的配件。因为其他的结构以及动作与第二实施方式相同，所以对相同结构以及动作标注相同的附图标记，省略其详细说明。
作为形状计测的对象的物体740安装在配件706上。配件706与旋转轴761连接。旋转轴761与旋转机构762连接。安装在配件706上的物体740随着旋转轴761的旋转而旋转。并且，一边使安装在配件706上的物体740旋转，一边照射红外激光或可见激光来对物体740进行形状计测。另外，配件706安装在规定的基座750上。在物体740的形状计测中，以物体740位于光照射部201的上方的位置的方式移动基座750。若物体740的形状计测结束，则以使物体740从光照射部201的上方的位置离开的方式移动基座750。此外，三维造型装置700在物体740的形状计测结束后，执行三维造型物的造型。
根据本实施方式，因为能够一边使物体旋转一边进行形状计测，所以能够测定物体的准确的形状。
[第四实施方式]
接着，使用图8，对本发明的第四实施方式的三维造型装置进行说明。图8是对本实施方式的三维造型装置的形状计测的一个示例进行说明的图。本实施方式的三维造型装置与上述第三实施方式的不同点在于，没有旋转机构等，但具有配件。因为其他的结构以及动作与第三实施方式相同，所以对相同结构以及动作标注相同的附图标记，省略其详细说明。
图8是对本实施方式的三维造型装置的形状计测的一个示例进行说明的图。如图所示，将作为形状计测的对象的物体840放置到配件806之上，并照射红外激光或可见激光来进行形状计测(图8左图)。配件806配置在光照射部201的上方的位置。在该情况下，如图8所示，因为无法使配件806旋转，所以在配件806上改变物体840的朝向来进行形状计测(图8右图)。这样，若有至少两个方向的形状计测数据，则能够对物体240进行形状计测。在物体840的形状计测结束之后，使配件806从光照射部201的上方的位置离开，进行三维造型物的造型。此外，配件806是能够使红外激光或可见激光透过的构件。另外，三维造型装置800在物体840的形状计测结束之后执行三维造型物的造型。
根据本实施方式，能够以少的工时进行形状计测，因此能够缩短三维造型物的造型所需要的时间。另外，因为不需要设置旋转机构等，所以能够实现简单的装置结构。
[第五实施方式]
接着，使用图9A以及图9B，对本发明的第五实施方式的三维造型装置进行说明。图9A是对本实施方式的三维造型装置的形状计测的一个示例进行说明的图。图9B是对本实施方式的三维造型装置的造型的一个示例进行说明的图。本实施方式的三维造型装置与上述第二实施方式至第四实施方式的不同点在于，具有反射镜。因为其他的结构以及动作与第二实施方式至第四实施方式相同，所以对相同结构以及动作标注相同的附图标记，省略其详细说明。
如图9A所示，三维造型装置900具有反射镜907。三维造型装置900利用反射镜907，使从二维MEMS反射镜304放射的红外激光和可见激光反射，向作为形状计测的对象的物体940照射。物体940被放置在配件906上。配件906与旋转轴961连接，旋转轴961与旋转机构962连接。并且，一边使配件906旋转，一边进行物体940的形状计测。然后，在物体940的形状计测结束后，如图9B所示，使反射镜907移动。此外，可以将物体940从三维造型装置900取出，也可以继续放置在三维造型装置900内。然后，一边使平台310上升，一边对在槽体320内充填的树脂330等的三维造型物930的材料照射从二维MEMS反射镜304放射出的激光，以此进行三维造型物930的造型。三维造型装置900在物体940的形状计测结束之后执行三维造型物930的造型。
根据本实施方式，因为能够以简单的装置结构进行物体的形状计测，所以能够简单、迅速地对三维造型物进行造型。另外，能够高精度地对三维造型物进行造型。
[其他实施方式]
以上参照实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。在本发明的范围内，能够对本发明的结构以及细节进行本领域技术人员能理解的各种变更。另外，将各个实施方式所包含的个别特征以任意方式组合而成的系统或装置也包含在本发明的范畴内。
另外，本发明可以适用于由多个机器构成的系统，也可以适用于单个装置。而且，本发明能够适用于以下情况：将实现实施方式的功能的信息处理程序直接或远程地提供给系统或装置。因此，为了在计算机上实现本发明的功能，安装在计算机中的程序、储存该程序的介质或下载该程序的WWW(World Wide Web：万维网)服务器也包含在本发明的范畴内。尤其是，至少存储有用于使使计算机执行上述实施方式所包含的处理步骤的程序的非暂时性计算机可读介质(non-transitory computer readable medium)包含在本发明的范畴内。

Claims (6)

1.一种三维造型装置，其特征在于，具有：
光照射部，照射种类不同的第一激光和第二激光；
受光部，接收从所述光照射部照射到物体的所述第一激光的反射光；
计测部，基于所述反射光，对所述物体的形状进行计测；
控制部，基于由所述计测部计测到的所述物体的形状，控制所述光照射部的所述第二激光向三维造型物的材料的照射，由此对所述三维造型物进行造型。
2.根据权利要求1所述的三维造型装置，其特征在于，
所述光照射部向所述物体照射作为所述第一激光的红外激光。
3.根据权利要求1所述的三维造型装置，其特征在于，
所述光照射部向所述物体照射作为所述第二激光的可见激光。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维造型装置，其特征在于，
所述光照射部具有机电式反射镜。
5.一种三维造型装置的控制方法，其特征在于，包括：
光照射步骤，照射种类不同的第一激光和第二激光；
受光步骤，接收在所述光照射步骤中照射到物体的所述第一激光的反射光；
计测步骤，基于所述反射光，对所述物体的形状进行计测；以及
控制步骤，基于在所述计测步骤中计测到的所述物体的形状，控制在所述光照射步骤中所述第二激光向三维造型物的材料的照射，对所述三维造型物进行造型。
6.一种三维造型装置的控制程序，其特征在于，使计算机执行：
光照射步骤，照射种类不同的第一激光和第二激光；
受光步骤，接收在所述光照射步骤中照射至物体的所述第一激光的反射光；
计测步骤，基于所述反射光，对所述物体的形状进行计测；以及
控制步骤，基于在所述计测步骤中计测到的所述物体的形状，控制在所述光照射步骤中所述第二激光向三维造型物的材料的照射，来对所述三维造型物进行造型。
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