JP2004163347A - 非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】プレス成型用の金型もしくはそのプレス成型品の表面に沿って焦点位置で形状センサの姿勢を制御しつつ面状に計測走査して光学式に面形状を計測する非接触式三次元形状計測装置に対して、完全自動化のオフラインティーチングを可能にする。
【解決手段】金型１の表面形状を規定するＣＡＤデータを基に金型表面に対する切削工具２の加工走査位置を規定するように作成されたＮＣ加工データのポイントデータ群につき、ＣＡＤデータを基に所属の表面形状の法線ベクトルをそれぞれ算出し、ポイントデータ群の座標値から所属の法線ベクトル方向へ形状センサ１９の焦点距離に対応してオフセットさせた座標値をされぞれ算出し、この座標値を三次元形状計測器の座標系上の座標値に変換し、ポイントデータ群の変換された各座標値データ及び所属の各法線ベクトルデータを三次元形状計測器にティーチングする。
【選択図】 図１
【解決手段】金型１の表面形状を規定するＣＡＤデータを基に金型表面に対する切削工具２の加工走査位置を規定するように作成されたＮＣ加工データのポイントデータ群につき、ＣＡＤデータを基に所属の表面形状の法線ベクトルをそれぞれ算出し、ポイントデータ群の座標値から所属の法線ベクトル方向へ形状センサ１９の焦点距離に対応してオフセットさせた座標値をされぞれ算出し、この座標値を三次元形状計測器の座標系上の座標値に変換し、ポイントデータ群の変換された各座標値データ及び所属の各法線ベクトルデータを三次元形状計測器にティーチングする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面がＮＣ切削加工により仕上げられるプレス成型用の金型もしくはこの金型により製作されたプレス成型品の形状を形状センサにより光学式に検知して金型もしくはプレス成型品の三次元形状を自動的に計測する非接触式の三次元形状計測器に対して、形状センサの走査位置及び姿勢をティーチングするための非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学式に非接触状態で三次元形状を計測する装置としては、光切断法、レーザ光切断法、レーザ光走査法、光包絡線法等の断面計測方式によるもの、或はモアレトポグラフィ法、干渉縞法、ホログラフィ法等の等高線計測方式によるのものが汎用されている。
【０００３】
このような非接触式三次元形状計測装置の形状センサをロボットにより自動走査させる場合、計測精度を低下させないための対策として、計測対象物に対して焦点距離を保持させるように、形状センサに距離センサを付属させて計測対象物間の距離が焦点距離から外れると自動警報させることは行われている。しかしながら、距離の監視により、焦点距離は保持し得るとしても所定の計測精度を確保できる焦点距離に合った計測範囲は正確に確認できないことにより、計測走査或はティーチング走査に際して計測範囲間に空きを生じたり、或は逆に重複による無駄を生じる可能性があり、能率的な作業が難しく、またやり直しにつながることがある。いずれにしてもティーチングは、手作業で行われるために長時間を要する。
【０００４】
そこで、特許文献１には、製品の設計ＣＡＤデータから三次元自動計測器による測定ポイントのデータを作成すると共に、並行して設計ＣＡＤデータからラピッドモデルを製造し、このモデルを用いてラフティーチングを行って作成した計測プログラムに従って製品の寸法精度を計測する寸法精度計測方法が開示されている。また、特許文献２により、非接触で測定物の形状をモニタする画像測定器に複数配設されている各照明装置に対して、照明条件を測定物の三次元ＣＡＤデータを基に測定部分の特徴的な幾何形状に対応させて最適化させる画像測定器のオフラインティーチング方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらは、測定対象物のＣＡＤデータを利用して計測用のティーチングを行おうとするものであるが、特許文献１はＣＡＤデータにより三次元形状の測定点を決定し、このラフティーチングに従いラピッドモデルに対して接触状態を確認しつつ接触式の三次元形状計測器のティーチングを行うもので、三次元形状計測器で自動的に計測させるオフラインティーチングデータをＣＡＤデータから直接作成する方法は開示されていない。また、文献２は測定しようとする特殊な幾何形状、例えば穴、段差に対応させて照明条件をＣＡＤデータを基にオフラインティーチングするもので、形状センサによる計測走査を自動的に行わせるオフラインティーチング方法は開示されていない。
【０００６】
一方、ＣＡＤデータを基に例えば自動車のボデーパネルをプレス成形する金型を製作する場合、その表面形状を仕上げるのための切削加工用のＮＣ旋盤のＮＣデータは、ボデーパネル製品のＣＡＤデータを基に作成されるが、その表面形状を面状に走査して計測する三次元形状計測器に対するティーチングに、ＮＣデータを自動変換することは行われていない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２４１１５６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２８４２４号公報
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みて、プレス成型用の金型もしくはそのプレス成型品の表面に沿って焦点位置で形状センサの姿勢を制御しつつ面状に計測走査して光学式に面形状を計測する非接触式三次元形状計測装置に対して、ティーチングを完全自動化させ得る非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この目的を達成するために、表面がＮＣ切削加工により仕上げられるプレス成型用の金型もしくはこの金型により製作されたプレス成型品の形状を形状センサにより光学式に検知して金型もしくはプレス成型品の三次元形状を自動的に計測する非接触式の三次元形状計測器に対して、形状センサの走査位置及び姿勢をティーチングするための非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法において、金型の表面形状を規定するＣＡＤデータを基に金型表面に対する切削工具の加工走査位置を規定するように作成されたＮＣ加工データのポイントデータ群につき、ＣＡＤデータを基に所属の表面形状の法線ベクトルをそれぞれ算出し、ポイントデータ群の座標値から所属の法線ベクトル方向へ形状センサの焦点距離に対応してオフセットさせた座標値をされぞれ算出し、この座標値を三次元形状計測器の座標系上の座標値に変換し、ポイントデータ群の変換された各座標値データ及び所属の各法線ベクトルデータを三次元形状計測器にティーチングすることを特徴とする。
【００１０】
三次元形状計測器の座標系上の座標値にそれぞれ変換されたＮＣ加工データのポイントデータは、金型の表面に沿って焦点距離だけ離間した位置で移動させる走査位置データとなる。ＣＡＤデータを基に作成された法線ベクトルは、各走査位置での形状センサの姿勢制御データとなる。このオフラインティーチングデータは、ＮＣ加工データが作成された時点で作成可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を基に本発明の実施の形態の一例による非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法を説明する。この計測装置は、図２に示すように、基部１１に立設された関節アーム１０の先端部のユニバーサルジョイント式の関節１３に、レーザ光を照射する三次元位置センサである形状センサ１９を取付けて構成されている。このロボットで三次元位置及び姿勢を制御される形状センサは、ティーチングに従い関節アーム１０及び関節１３により自動的に三次元の走査位置及び姿勢が設定されると共に、三角測量の原理を基に計測物対象物に対して焦点距離２００ｍｍだけオフセットされた位置で３０°の走査範囲内において反射レーザ光の入射位置に応じて三次元形状を解析する。
【００１２】
図１に示すように、自動車のボデーパネルをプレス成形する金型１の表面形状をＮＣ旋盤の仕上げ加工する場合、そのＮＣデータは、切削工具２が図で左右方向の線状移動を僅かなピッチを置いて図の奥行方向へシフトしつつ繰返し、かつ昇降位置も設定されて加工走査を行うように、ボデーパネル形状を規定するＣＡＤデータを基に作成される。即ち、逐次出力される切削加工用ＮＣデータは、金型１の形状に対応して所定の範囲で切削工具２を逐次直線状に移動させ、その終端で交差方向へ僅かにシフトさせつつ直線状の移動を繰返すように設定されている。
【００１３】
このような切削加工用ＮＣデータを利用して、形状センサ１９を計測走査させるオフラインティーチングデータは、次のように作成される。ＮＣデータの各ポイントデータにつき、ボデーパネル形状、つまり金型１の形状を規定するＣＡＤデータを基に所属の表面形状の法線ベクトルを算出する。次いで、ポイントデータの座標値を基に、法線方向、即ち面直方向へ形状センサ１９の焦点距離に対応して２００ｍｍオフセットされた位置のＣＡＤデータの三次元座標上の座標値を算出する。続いて、この座標値を三次元形状計測器の座標系上の座標値に変換する。
【００１４】
このように、ＮＣデータの加工走査用の各ポイントデータ（図１Ａ）につき、順に法線ベクトルを算出し、この法線方向に焦点距離に対応して表面からオフセットされたＣＡＤデータの座標値を算出して、三次元形状計測器の座標値に変換することにより、形状センサ１９の姿勢及び走査位置を規定する計測走査用データ（図１Ｂ）が作成される。図１に示すように、黒点で示すＮＣデータのポイントデータはそのままのピッチを保持してオフラインティーチングデータに変換され、平坦面では互いの間隔が大きく、かつ曲面領域では曲率が小さい程に間隔が小さくなって計測精度を確保する。
【００１５】
このオフラインティーチングデータによるティーチングが行われた非接触式三次元形状計測器により、所定位置に配置された金型１に対して表面から焦点距離だけ離れた対面位置で法線方向へ揃うように、形状センサ１９の姿勢が関節アーム１０及びユニバーサルジョイント式の関節１３により制御されつつ切削工具２の加工走査に対応した計測走査が行われると共に、逐次各走査位置で３０°の光照射範囲内において三次元形状が解析され、計測走査の終了時点で形状センサ１９自体の計測データ（ｘ，ｙ，ｚ）と，ロボットの形状センサ１９に対する三次元の位置制御データ（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）と、法線ベクトルデータとを併せて金型１の全体の面形状が計測される。尚、このようにオフラインティーチングされた非接触式三次元形状計測器により、金型１で製作されたプレス成型品の三次元形状も計測することができる。
【００１６】
尚、本発明は、形状センサは三次元位置センサに限らず、二次元の形状センサ或は一次元の距離のみを検知する形状センサで計測走査する非接触式三次元形状計測器にも適用可能である。この場合、特に一次元の形状センサに対しては、曲面領域ではＮＣデータのポイントデータ間を補間する計測ポイントデータをＣＡＤデータを基に追加作成することも考えられる。逆に、形状センサの検知範囲が前述の３０°のように広い場合には、金型面の形状に応じてＮＣデータを適宜選択して変換することも考えられる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、金型又はそのプレス成型品の表面形状を非接触式に自動計測する際に、ＮＣ切削加工データを変換し、併せてＣＡＤデータを基に法線ベクトルも算出して計測走査データを作成することにより、所要時間が大幅に削減されたオフラインティーチングが可能になると共に、金型又はそのプレス成型品が製作されると直ちに計測可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法の原理を説明する図である。
【図２】同方法が適用される三次元形状計測器の概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 金型
２ 切削工具
１９ 形状センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面がＮＣ切削加工により仕上げられるプレス成型用の金型もしくはこの金型により製作されたプレス成型品の形状を形状センサにより光学式に検知して金型もしくはプレス成型品の三次元形状を自動的に計測する非接触式の三次元形状計測器に対して、形状センサの走査位置及び姿勢をティーチングするための非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学式に非接触状態で三次元形状を計測する装置としては、光切断法、レーザ光切断法、レーザ光走査法、光包絡線法等の断面計測方式によるもの、或はモアレトポグラフィ法、干渉縞法、ホログラフィ法等の等高線計測方式によるのものが汎用されている。
【０００３】
このような非接触式三次元形状計測装置の形状センサをロボットにより自動走査させる場合、計測精度を低下させないための対策として、計測対象物に対して焦点距離を保持させるように、形状センサに距離センサを付属させて計測対象物間の距離が焦点距離から外れると自動警報させることは行われている。しかしながら、距離の監視により、焦点距離は保持し得るとしても所定の計測精度を確保できる焦点距離に合った計測範囲は正確に確認できないことにより、計測走査或はティーチング走査に際して計測範囲間に空きを生じたり、或は逆に重複による無駄を生じる可能性があり、能率的な作業が難しく、またやり直しにつながることがある。いずれにしてもティーチングは、手作業で行われるために長時間を要する。
【０００４】
そこで、特許文献１には、製品の設計ＣＡＤデータから三次元自動計測器による測定ポイントのデータを作成すると共に、並行して設計ＣＡＤデータからラピッドモデルを製造し、このモデルを用いてラフティーチングを行って作成した計測プログラムに従って製品の寸法精度を計測する寸法精度計測方法が開示されている。また、特許文献２により、非接触で測定物の形状をモニタする画像測定器に複数配設されている各照明装置に対して、照明条件を測定物の三次元ＣＡＤデータを基に測定部分の特徴的な幾何形状に対応させて最適化させる画像測定器のオフラインティーチング方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらは、測定対象物のＣＡＤデータを利用して計測用のティーチングを行おうとするものであるが、特許文献１はＣＡＤデータにより三次元形状の測定点を決定し、このラフティーチングに従いラピッドモデルに対して接触状態を確認しつつ接触式の三次元形状計測器のティーチングを行うもので、三次元形状計測器で自動的に計測させるオフラインティーチングデータをＣＡＤデータから直接作成する方法は開示されていない。また、文献２は測定しようとする特殊な幾何形状、例えば穴、段差に対応させて照明条件をＣＡＤデータを基にオフラインティーチングするもので、形状センサによる計測走査を自動的に行わせるオフラインティーチング方法は開示されていない。
【０００６】
一方、ＣＡＤデータを基に例えば自動車のボデーパネルをプレス成形する金型を製作する場合、その表面形状を仕上げるのための切削加工用のＮＣ旋盤のＮＣデータは、ボデーパネル製品のＣＡＤデータを基に作成されるが、その表面形状を面状に走査して計測する三次元形状計測器に対するティーチングに、ＮＣデータを自動変換することは行われていない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２４１１５６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２８４２４号公報
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みて、プレス成型用の金型もしくはそのプレス成型品の表面に沿って焦点位置で形状センサの姿勢を制御しつつ面状に計測走査して光学式に面形状を計測する非接触式三次元形状計測装置に対して、ティーチングを完全自動化させ得る非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この目的を達成するために、表面がＮＣ切削加工により仕上げられるプレス成型用の金型もしくはこの金型により製作されたプレス成型品の形状を形状センサにより光学式に検知して金型もしくはプレス成型品の三次元形状を自動的に計測する非接触式の三次元形状計測器に対して、形状センサの走査位置及び姿勢をティーチングするための非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法において、金型の表面形状を規定するＣＡＤデータを基に金型表面に対する切削工具の加工走査位置を規定するように作成されたＮＣ加工データのポイントデータ群につき、ＣＡＤデータを基に所属の表面形状の法線ベクトルをそれぞれ算出し、ポイントデータ群の座標値から所属の法線ベクトル方向へ形状センサの焦点距離に対応してオフセットさせた座標値をされぞれ算出し、この座標値を三次元形状計測器の座標系上の座標値に変換し、ポイントデータ群の変換された各座標値データ及び所属の各法線ベクトルデータを三次元形状計測器にティーチングすることを特徴とする。
【００１０】
三次元形状計測器の座標系上の座標値にそれぞれ変換されたＮＣ加工データのポイントデータは、金型の表面に沿って焦点距離だけ離間した位置で移動させる走査位置データとなる。ＣＡＤデータを基に作成された法線ベクトルは、各走査位置での形状センサの姿勢制御データとなる。このオフラインティーチングデータは、ＮＣ加工データが作成された時点で作成可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を基に本発明の実施の形態の一例による非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法を説明する。この計測装置は、図２に示すように、基部１１に立設された関節アーム１０の先端部のユニバーサルジョイント式の関節１３に、レーザ光を照射する三次元位置センサである形状センサ１９を取付けて構成されている。このロボットで三次元位置及び姿勢を制御される形状センサは、ティーチングに従い関節アーム１０及び関節１３により自動的に三次元の走査位置及び姿勢が設定されると共に、三角測量の原理を基に計測物対象物に対して焦点距離２００ｍｍだけオフセットされた位置で３０°の走査範囲内において反射レーザ光の入射位置に応じて三次元形状を解析する。
【００１２】
図１に示すように、自動車のボデーパネルをプレス成形する金型１の表面形状をＮＣ旋盤の仕上げ加工する場合、そのＮＣデータは、切削工具２が図で左右方向の線状移動を僅かなピッチを置いて図の奥行方向へシフトしつつ繰返し、かつ昇降位置も設定されて加工走査を行うように、ボデーパネル形状を規定するＣＡＤデータを基に作成される。即ち、逐次出力される切削加工用ＮＣデータは、金型１の形状に対応して所定の範囲で切削工具２を逐次直線状に移動させ、その終端で交差方向へ僅かにシフトさせつつ直線状の移動を繰返すように設定されている。
【００１３】
このような切削加工用ＮＣデータを利用して、形状センサ１９を計測走査させるオフラインティーチングデータは、次のように作成される。ＮＣデータの各ポイントデータにつき、ボデーパネル形状、つまり金型１の形状を規定するＣＡＤデータを基に所属の表面形状の法線ベクトルを算出する。次いで、ポイントデータの座標値を基に、法線方向、即ち面直方向へ形状センサ１９の焦点距離に対応して２００ｍｍオフセットされた位置のＣＡＤデータの三次元座標上の座標値を算出する。続いて、この座標値を三次元形状計測器の座標系上の座標値に変換する。
【００１４】
このように、ＮＣデータの加工走査用の各ポイントデータ（図１Ａ）につき、順に法線ベクトルを算出し、この法線方向に焦点距離に対応して表面からオフセットされたＣＡＤデータの座標値を算出して、三次元形状計測器の座標値に変換することにより、形状センサ１９の姿勢及び走査位置を規定する計測走査用データ（図１Ｂ）が作成される。図１に示すように、黒点で示すＮＣデータのポイントデータはそのままのピッチを保持してオフラインティーチングデータに変換され、平坦面では互いの間隔が大きく、かつ曲面領域では曲率が小さい程に間隔が小さくなって計測精度を確保する。
【００１５】
このオフラインティーチングデータによるティーチングが行われた非接触式三次元形状計測器により、所定位置に配置された金型１に対して表面から焦点距離だけ離れた対面位置で法線方向へ揃うように、形状センサ１９の姿勢が関節アーム１０及びユニバーサルジョイント式の関節１３により制御されつつ切削工具２の加工走査に対応した計測走査が行われると共に、逐次各走査位置で３０°の光照射範囲内において三次元形状が解析され、計測走査の終了時点で形状センサ１９自体の計測データ（ｘ，ｙ，ｚ）と，ロボットの形状センサ１９に対する三次元の位置制御データ（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）と、法線ベクトルデータとを併せて金型１の全体の面形状が計測される。尚、このようにオフラインティーチングされた非接触式三次元形状計測器により、金型１で製作されたプレス成型品の三次元形状も計測することができる。
【００１６】
尚、本発明は、形状センサは三次元位置センサに限らず、二次元の形状センサ或は一次元の距離のみを検知する形状センサで計測走査する非接触式三次元形状計測器にも適用可能である。この場合、特に一次元の形状センサに対しては、曲面領域ではＮＣデータのポイントデータ間を補間する計測ポイントデータをＣＡＤデータを基に追加作成することも考えられる。逆に、形状センサの検知範囲が前述の３０°のように広い場合には、金型面の形状に応じてＮＣデータを適宜選択して変換することも考えられる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、金型又はそのプレス成型品の表面形状を非接触式に自動計測する際に、ＮＣ切削加工データを変換し、併せてＣＡＤデータを基に法線ベクトルも算出して計測走査データを作成することにより、所要時間が大幅に削減されたオフラインティーチングが可能になると共に、金型又はそのプレス成型品が製作されると直ちに計測可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法の原理を説明する図である。
【図２】同方法が適用される三次元形状計測器の概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 金型
２ 切削工具
１９ 形状センサ
Claims (1)
- 表面がＮＣ切削加工により仕上げられるプレス成型用の金型もしくはこの金型により製作されたプレス成型品の形状を形状センサにより光学式に検知して金型もしくはプレス成型品の三次元形状を自動的に計測する非接触式の三次元形状計測器に対して、形状センサの走査位置及び姿勢をティーチングするための非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法において、金型の表面形状を規定するＣＡＤデータを基に前記金型表面に対する切削工具の加工走査位置を規定するように作成されたＮＣ加工データのポイントデータ群につき、前記ＣＡＤデータを基に所属の前記表面形状の法線ベクトルをそれぞれ算出し、
前記ポイントデータ群の座標値から所属の前記法線ベクトル方向へ形状センサの焦点距離に対応してオフセットさせた座標値をされぞれ算出し、
この座標値を三次元形状計測器の座標系上の座標値に変換し、前記ポイントデータ群の変換された前記各座標値データ及び所属の前記各法線ベクトルデータを前記三次元形状計測器にティーチングすることを特徴とする非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002331650A JP2004163347A (ja) | 2002-11-15 | 2002-11-15 | 非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法 |
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| JP2002331650A JP2004163347A (ja) | 2002-11-15 | 2002-11-15 | 非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法 |
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| JP2002331650A Pending JP2004163347A (ja) | 2002-11-15 | 2002-11-15 | 非接触式三次元形状計測器のオフラインティーチング方法 |
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2002
- 2002-11-15 JP JP2002331650A patent/JP2004163347A/ja active Pending
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