JP2010502947A - チャージャ用スキャナシステム - Google Patents

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Abstract

丸太ブロック(12)の幾何学的中心を三次元で計算するための測定システムと方法を提供している。同システムは、チャージャ装置と、少なくとも1つのブロックスキャナ(20)機構を備えている。スキャナブロック機構(20)は、丸太ブロックの表面の長さに沿って光を投影して複数の走査点を形成するための照明源(23)と、丸太ブロック(12)の表面から反射された複数の走査点を受け取るための画像化装置(32)を含んでいる。同システムは、画像化装置(32)から送られた丸太ブロックの三次元画像を表している情報をコンパイルする処理ユニット(40)を更に備えている。処理ユニットは、三次元画像から最適歩留まり軸を計算する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、丸太ブロックの大きさ形状及び他の特性を三次元的に解析するための装置及び方法に、より厳密には、丸太ブロックの最適な歩留まり軸を計算するために使用される測定システム内で、収集される複数の走査点を生成する装置及び方法に関する。
本特許出願は、2006年8月30日出願の、米国仮特許出願第60/841,178号「チャージャ用スキャナシステム」に対する優先権を主張する。本出願は、優先権の主張に加え、上記仮出願をそのまま、あらゆる目的のための参考文献としてここに援用する。
本発明の譲受人であるCoe Manufacturing Companyは、林業に関する設備、厳密には、樹木の丸太(原木)からベニアシートを作り出す機械及び設備を販売している。丸太は、最終的に、ベニヤ旋盤チャージャに配置されるが、切削を施す時、丸太ベニアの最適歩留まり軸ができる限り正確に計算されることが望ましい。現在業界で実施されているやり方は、丸太の長さに沿って間隔を空けて設定された複数の固定位置で、丸太の周囲周りの測定値を捕捉することである。測定値は、切削工程の前に、旋盤チャージャ及びベニヤ旋盤の両方で丸太の単に略中心を得るためだけに用いられている。
しばしば、丸太ブロック、又は丸太ブロックと指定されるものは、ベニヤ旋盤に受け取られる時点で、直径が40インチを超え、長さが106インチを上回るものをいう。旋盤に配置されると、ブロックは高速で回転し、全長に沿って旋盤ナイフが係合し、ベニアが、理想的には途切れのない連続したシートとして、剥かれてゆく。シートは、一般に、厚さが0.015インチ内至0.25インチであり、丸太は、通常、ブロックの直径が6インチ未満になるまで回転される。ベニアのシートの破損は、ほとんどの場合、ブロックを回転させているスピンドルが最適歩留まり軸付近に設置されていない場合に発生している。この様な破損品は廃棄物と同等に扱われ、その結果、望ましくない費用と経費が発生する。丸太ブロックからベニアを取り出すための装置及び方法を改良することに、多大な研究と開発が充てられている。本発明の譲受人は、この様な改良に関する幾つかの特許を所有している。その様な特許には、2000年9月12日発行の米国特許第6,116,306号及び1989年12月5日発行の同第4,884,605号が含まれ、これらの特許には、丸太ブロックの径輪郭を測定するために、三角測量技法と複数の一点レーザースキャナを使用した非接触的な走査法が記載されている。‘306号と‘605号の両方の特許をそのまま、あらゆる目的のための参考文献としてここに援用し、また付録Aとしてここに添付する。
代表的な8フィート旋盤チャージャでは、5個から32個までの独立した一点スキャナを使用するのが現在広く実施されているやり方である。数の多い独立したスキャナの設置、整列、洗浄、及び整備は、費用が高くつき非効率的である。上記両特許に記載されている、略中心軸を非接触的に走査するための技法は概ね有効ではあるが、この技術には、最適歩留まり軸を計算する能力が欠けている。而して、上記両特許に記載されている様な、業界で実施されている技法を採用しても、実現できるものは最大歩留まりには届かない。どの様な方法であろうと丸太の最適歩留まり軸の正確な計算が不足しているものは、廃棄物が生まれ、結果的に製品全体のコスト上昇を招く。
本発明は、最適歩留まり軸を求めるために、一連のブロック輪郭スキャナを使用して丸太ブロック輪郭を走査及び解析するための新しく改良された方法と装置である。一例としての実施形態によれば、4個のブロック輪郭スキャナが使用されている。各ブロック輪郭スキャナは、512の走査距離を測定することができる。
図1は、丸太ブロックが予備的な走査処理過程の第1又は静止位置に置かれている状態のチャージャとスキャナの正面図である。 図1Aは、先行技術に使用されているスキャナの斜視図である。 図1及びベニヤ旋盤の側面図である。 図3Aは、一例としての実施形態におけるブロック輪郭スキャナの動作を示す斜視図である。 図3Bは、ブロック輪郭スキャナの一例としての実施形態の線図である。 丸太ブロックが、第2又は歩留まり走査位置に置かれている状態のチャージャとスキャナの正面図である。 図4の部分斜視図である。 図5に示すブロックの360°ブロック全周囲の線形表現である。 最適歩留まり軸を計算するのにスキャナを使用することができるように、ブロックを位置決めするチャージャの部分正面図である。 重なり合うスキャナ領域に曝されてブロック輪郭の付影条件に遭遇したブロックの拡大図である。 丸太輪郭の付影条件を解析する論理処理を表す流れ図である。 ブロック輪郭の走査時に使用されるフィルタリング処理を表す図である。
本発明の上記及び他の特性は、本発明が関係する技術分野の当業者には、添付図面を参照しながら以下の本発明の説明を考察することで明らかになるであろう。
図を参照すると、旋盤チャージャ装置は、図1と図2に、符号10を付し全体を仮想線で示されている。旋盤チャージャ10は、丸太ブロック12を、第1V形部13と第2V形部14によって支持された静止すなわち第1位置に保持している。ブロック12は、コンベヤー(図示せず)からチャージャ装置10の中へ装入される際に両V形部によって支持される第1端15と第2端16を備えている。図1には、固定具11によって丸太ブロック12の上方に懸架されているブロック輪郭スキャナすなわちカメラ20a−20dが示されている。4個のスキャナ20a−20dを示しているが、当業者には理解頂けるように、特許請求の範囲に記載されている発明の精神及び範囲を逸脱することなく、何れの個数のスキャナを使用してもよい。ブロック輪郭スキャナ20は、二次元画像を捕捉することができる三角測量式測定用スキャナである。ブロック輪郭スキャナは、例えば、画像化技術に基づく電荷結合素子(CCD)又は相補型金属酸化膜半導体(CMOS)を採用している型式のスキャナであってもよい。或る適切なブロック輪郭スキャナは、丸太ブロック12の表面の長さに沿って投影される照明源を有しており、ブロックのその長さに沿った表面の表面画像輪郭が高密度二次元画素アレイに映し出されることになる。
図1Aは、先行技術に使用されているスキャナシステムの斜視図である。同スキャナシステムは、ブロックの周囲に沿って光を投影する照明源を含んでいる。図1Aのカメラすなわちスキャナは、ブロックに沿ったたった1つの周方向位置でのブロック表面の画像化に限定される。
図3Aは、カメラ32から切り離された照明源23を有するスキャナシステムの一例としての実施形態を示している。照明源23は、ブロック12上に光路24を投影する。光路24は、ブロックの上表面から反射されて反射画像29と成り、それがカメラ32のレンズ25で受け取られる。反射画像29の解析は、カメラ32又はスキャナ20の内部又は外部のどちらに設けられていてもよいプロセッサ(図示せず)によって行われる。別の一例としての実施形態を、図3Bに示している。図3Bの構造は、図3Aの構造と同一又は類似しており、同じ参照番号に「’」記号を付けて表示している。図3Bは、スキャナ20’の中に含まれている照明源23’と受光レンズ25’を特徴とする。反射画像29’は、レンズ25’を通って最終的に高密度二次元画素アレイ26に投影される。1つの実施形態では、画素アレイは、スキャナ当たり512×512画素の走査密度解像度を有している。
適した市販のブロック輪郭スキャナの一例として、IVP Integrated Vision Products Inc.によってIVP Ranger M20OEM-1という型番で製造されているカメラが挙げられる。この型式のスキャナ技術に関する別の論考は、Eklundによる米国特許第6,313,876号に開示されており、同特許をそのまま、あらゆる目的のための参考文献としてここに援用し、付録Bとしてここに添付する。
図3Bのスキャナ20’は、更に、窓22を備えているハウジング21を含んでおり、照明源23’は、この窓から光路24’をブロック12の表面に投影する。照明源23’は、細い光の線を投影するレンズが設けられている1つ又はそれ以上の発光ダイオード又はレーザーダイオードであってもよい。光路24’は、結果的にブロック表面の反射画像29’を形成し、スキャナ20’の中に設置されているレンズ25’を通して受け取られる。レンズは、反射画像29’を二次元画素アレイ26上に集束させる。画素アレイ上に捕捉されたデータ画像は、その後解析され、更に、ブロック12に沿った特定の走査点又は位置rに関係付けられているスキャナ20からの直線走査距離に対応する値に変換される。
512×512画素アレイを採用した場合、各スキャナにより、ブロック12の輪郭に沿って丸太ブロック回転増分1.5°以下で、概ね512の走査距離が測定される。各走査距離は、丸太ブロック回転同時角度と、スキャナ面から丸太ブロック回転軸までの同時距離に相関づけられ、それによって、最適歩留まり軸を計算するための三次元データが提供される。
予備走査工程
予備走査処理過程は、図2に示す様に、略中心30を計算するために、ブロック12が第1位置に置かれている間に行われる。予備走査処理過程の間、4個のブロック輪郭スキャナ20a−20dは、図1に最も分かり易く示している様に、ブロック12を第1端15から第2端16まで解析及び走査する。
ブロック輪郭スキャナのそれぞれは、数式(1)の数値r,r,r,...rによって表わされ図3Bに示されている512の走査点を生成する。値rは、解析されて対応する走査距離に変換される画素アレイ26内の或る特定の画素に対応している。各走査点に対応する各走査距離は、集められ、中央演算処理装置(CPU)又はコンピュータ40に保存される。数式(1)の変数hは、スキャナからの既知距離から、計算された走査点からの距離を差し引いたものを表している。hの値と、ブロックの輪郭12に沿った各走査点rに対応する各走査距離の値が分かれば、下の数式及び図によって実証されるように、略中心30を表す距離bを計算することができる。
h=r+b 数式(1)
approx=bcos(45°) 数式(2)
=h/l+cos(45°) 数式(3)
最適歩留まり軸を計算するための第2走査工程
予備走査と略中心30の計算が完了した後、図4に17a及び17bで示す一対のチャージャスピンドルは、予備走査工程中に計算された略中心30で丸太ブロック12の第1及び第2端と係合するように、それぞれ単独で動かされる。一対の油圧シリンダ18a及び18bは、図4、図5、及び図7に最も分かり易く示しているが、ブロック12を第1静止位置から第2又は生産位置まで持ち上げる。
ブロックが、第1静止位置から生産位置まで持ち上げられる間、又は生産位置に置かれている間に、丸太ブロック12は、チャージャスピンドル17aと17bを介して丸太ブロック12を回転させることによって、最適な歩留まり軸を算出することができる、厳密な三次元幾何学形状を求めるための或る向きに配置される。同時に、24a−24dで表されている4個の光路が、各スキャナそれぞれの照明源23によって生成され、ブロック12の長さ輪郭に沿って投影される。それぞれの光路は、ブロック12までの対応する走査距離と同等と見なされている反射画像を画素アレイ26上に提供する、rで表される512の走査点を含んでいる。4個の光路24a−24dは結集して1つの走査路31になる。ブロックが回転すると、360度回転する間に、図5及び図6にXで表されている長手方向に沿って複数の走査路31a、31b・・・が生成される。丸太ブロック12は、通常、加速されて、毎秒2回転に近い速度の回転ωになり、既述のブロック輪郭スキャナを使用すれば、ブロック12が360度回転する間に1.5度毎に走査路を出現させることができるため、少なくとも240の走査路が生成されることになる。走査路の数及び頻度は、ブロック回転の加速及び減速時、最も典型的には回転速度が減速する時には、一段と多くしてもよい。それぞれが、512×512の二次元画素アレイを有し、約1.5度毎にブロックに沿って走査路を生成するブロック輪郭スキャナを4個使用することにより、結果的に約419,520の走査点rが得られ、それらがスキャナによって測定され、而して図7に示している走査点毎の対応する走査距離SDが与えられる。複数の走査路に沿って相当数の走査点が与えられることで、走査密度が高まるため、大抵は木の節に起因するブロックのこぶ又は裂け目28があった場合にそれらを検出することを含め、丸太ブロックの鮮明な三次元解析描画が可能になる。通常、ブロック12の質量が大きいほど、回転速度は遅くなり、その結果、走査点rは上で論じた419,520点より更に多くなる。
走査点rからの画素データに基づき走査距離SDが分かると、図7の線50で表されているブロック12の最適歩留まり軸を集合的に形成する、対応している走査点半径「R」を得ることができる。例えば、SDと、スピンドル17の中心から対応するスキャナ20までの高さHと、所与の光ビーム24がβで表わされているスキャナの中心から投影される角度が分かっていれば、特定の走査点でのブロックの半径に対応する走査点半径Rを計算することができる。Hは、可変距離であるが、進んだ距離はスピンドル17毎に、CPU40によって例えばエンコーダ(図示せず)で追跡することができるので、既知の値である。走査点半径Rは、走査点rのブロック12の表面から最適歩留まり軸50までの距離である。このことを、図7と数式(4)では、走査点r512に対応している走査点半径R512について示し、計算している。
512=H−X
X=cos(β)SD
512=H−cos(β)SD 数式(4)
ブロック12が1.5度回転する毎にスキャナ毎に512の走査点によって生成されるデータストリームから求められた走査点半径Rの中心が、丸太ブロック12の厳密な三次元形状を提供する。三次元形状は、最適歩留まり軸50を計算することができる約419,520の走査点半径を提供している。最適歩留まり軸50が算定されたら、その様な位置は、ブロック12を、ベニアの取り出しで歩留まりの値が最高になるように位置決めするために用いられ、ブロックは、丸太ブロック12を図2の仮想線で全体が示されているベニヤ旋盤60の中へ移送する一対の振り子クランプを受け入れることによって位置決めされる。ベニヤ旋盤60によって実行される処理過程は、上記した‘306号特許に更に詳細に記載されている。
走査路の重なり合い
各スキャナからの丸太ブロックの全長に沿った走査点rの間隔は、スキャナから丸太表面までの距離に伴って変化し、代表的には、各スキャナの作動範囲に亘って0.050インチ乃至0.100インチの範囲にある。スキャナが重なっている場合は、結果的に、データは密度がより高い又は間隔のより詰まったデータになり、時には、(図7及び図8に関し)2つのX読み値が偶然一致して同じY位置に当てはまる場合がある。最適化アルゴリズム100は、最適歩留まり軸50を計算する場合、示されている半径の中でより小さい方を用いる。重なり合いの別の利点は、表面の突起又は窪みに起因する付影をなくすことによって、より正確に表面を画定することができることである。
それぞれの走査距離SDは、距離X(図7及び8に示す、スキャナの面から丸太の表面までの垂直距離)と、丸太12の長さに沿った横方向中心位置までの距離Yに変換される。スキャナ毎に、先ず、Yが、スキャナの縦方向中心線からの距離として、中心より右側が負で左側が正として示される。スキャナインターフェースコンピュータ40は、全4個のスキャナからのデータを組み合わせ、全ての測距読み値を、X(スキャナの表面から丸太の表面までの垂直距離)とY(丸太の長さに沿った距離)の形態で最適化コンピュータに手渡すが、このとき、材料の流れの中心ではY=0、それより右側ならYは負、それより左側ならYは正としている。例えば、(Xが一定で63インチと仮定すると)長さ100インチのブロックの各端の最後のSDは、右端がX=63インチ、Y=−50インチ、左端がX=63インチ、Y=+50インチとして最適化コンピュータへ報告されることになる。
図1には、27a、27b、及び27cで表されている3つの重なり領域を示している。それぞれの重なり領域27は、各スキャナそれぞれの光路24が隣接のスキャナの光路を超えて広がっていることが原因である。重なり領域27に曝されるブロック12の表面積の量は、ブロックの径寸法と位置によって変化する。重なり合っている領域は、図1(ブロックは予備走査位置に置かれている)を図4(ブロックは二次走査位置に置かれている)と比較すると分かるように、ブロック12の直径が大きくなるにつれ、又はブロックがスキャナにより近接するにつれ、より小さくなる。
重なり領域27は、丸太ブロック12の拡大部分である図8に最も分かり易く示しているブロック輪郭に沿った突起又はこぶに起因する、ブロックに沿った付影条件を受けやすい区域を解析する上で好都合である。重なり合っている領域、例えば、図8の、スキャナ20bと20cを使用している領域は、それぞれにSD1とSD2として表される、走査点rに対する2つの異なる走査距離値を提供している。プログラム又はソースコードに組み立てられている最適化アルゴリズム100は、重なり合っている走査点に対し、どちらの走査距離を用いるべきかを解決するが、これは図9の流れ図に概括的に表されている。
次に図9を参照すると、最適化アルゴリズムソースコード100は、110で開始される。スキャナ毎に画素アレイ26上に反射される走査距離は、120で値が与えられ、130で、120での値に関係する座標位置が与えられる。決定時点140で、座標点は重なり合っている領域内に在り同じ位置が与えられているか否かが評価される。各点が重なっていない場合は、145で、ブロック12の走査点半径Rは上記特定の走査点rについて計算される。走査点が実際に重なり合い、同じ位置が与えられている場合は、150で、比較が行われる。150では、各共通の走査点について走査距離が比較される。160で、より大きい走査距離を有している方の走査点が、ブロック走査点半径Rの計算用として選択される。再び図8を参照すると、SD1はSD2より大きいので、従って、プログラム100に基づき、SD1の値が、走査点rの走査点半径Rを計算するのに用いられることになる。結果的に、プログラミング並びに重なり合っている領域27は、丸太ブロック12の、付影条件に遭遇した場合の直径がより小さくて更に正確な画像を提供する。
蒸気透過時のフィルタリング
走査環境では、カメラ又はスキャナ20と走査対象のブロック12の間に、輝度が不揃いな空気中の蒸気又は空気中のその他何らかの浮遊物が含まれることがよくある。蒸気は、通常、走査中のブロック12及び/又は既に走査されたブロックから切削中のベニアから放出される。レーザー照明及びブロック表面からの反射が蒸気を透過しても、蒸気による不揃いな反射のせいで、複数の無関係な測距読み値が生成される恐れがある。
図10は、ブロック輪郭を走査する時に用いられるフィルタリング処理を表している図である。カメラ20は、最遠測距点から最近測距点まで走査している。最遠測距読み値だけがブロック表面を表しているので、而して最遠読み値が、最適歩留まり軸の計算に用いられる。閾値70は、背景周辺光を除去して正確な距離測定ができるようにするために提供されている。言い方を変えれば、走査距離が、不揃いな反射、空気中の浮遊物、又は水蒸気の雲72の様な物体を通して測定された場合、測定された走査距離は、閾値70より小さくなるはずであり、よって、最適歩留まり軸50を計算する時、その様な走査距離測定値は、中央演算処理装置又はコンピュータ40から却下されるか又はフィルターにかけて除外される。
以上、本発明を或る程度詳細に説明したが、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれる、開示された例示的な実施形態からのあらゆる変更及び修正を含むものとする。

Claims (18)

  1. 丸太ブロックの幾何学的中心を三次元で算定するための測定システムにおいて、
    チャージャ装置と、
    少なくとも1つのブロックスキャナ機構であって、
    i)前記丸太ブロックの表面の長さに沿って光を投影して、複数の走査点を形成するための照明源と、
    ii)前記丸太ブロックの前記表面から反射された前記複数の走査点を受け取るための画像化装置と、を有している、ブロックスキャナ機構と、
    前記画像化装置から送られた前記丸太ブロックの三次元画像を表している情報をコンパイルする処理ユニットであって、前記三次元画像から最適歩留まり軸を計算する、処理ユニットと、を備えている測定システム。
  2. 前記システムは、隣接するスキャナからの前記複数の走査点の幾つかが重なり合うように空間的に整列された複数のブロックスキャナ機構を備えている、請求項1に記載の測定システム。
  3. 前記画像化装置は、二次元画素アレイである、請求項1に記載の測定システム。
  4. 前記画像化装置は、512×512画素の走査密度を有する二次元画素アレイである、請求項1に記載の測定システム。
  5. 前記画像化装置は、電荷結合素子である、請求項1に記載の測定システム。
  6. 前記画像化装置は、相補型金属酸化膜半導体素子である、請求項1に記載の測定システム。
  7. 前記ブロックスキャナは、三角測量式測定用スキャナである、請求項1に記載の測定システム。
  8. 前記処理ユニットは、隣接するブロックスキャナの重なり合っている走査点を解析するための走査重なりアルゴリズムを更に備えている、請求項2に記載の測定システム。
  9. 前記走査重なりアルゴリズムは、前記最適歩留まり軸を計算するため、前記丸太ブロックの前記三次元画像を表している情報をコンパイルする時、何れかの2つ又はそれ以上の重なり合っている走査点の中でより長い距離を有する走査点を用いる、請求項8に記載の測定システム。
  10. 前記処理ユニットは、前記最適歩留まり軸を計算するため、前記丸太ブロックの前記三次元画像を表している情報をコンパイルする時、前記閾値より小さい値を有する走査点は何れも無効にされる測距閾値アルゴリズムを更に備えている、請求項8に記載の測定システム。
  11. 前記処理ユニットはコンピュータである、請求項1に記載の測定システム。
  12. 丸太ブロックの輪郭を走査する方法において、
    a)少なくとも1つのブロックスキャナの中に設置されている照明源からの照明を前記丸太ブロックの表面の長さに沿って送るステップと、
    b)前記丸太ブロックから前記表面の前記長さに沿って反射された照明を、前記ブロックスキャナ内で画像化装置上に受け取るステップであって、前記反射された照明は複数の走査点を形成する、反射された照明を受け取るステップと、
    c)照明を送り反射された照明を受け取っている間、前記丸太ブロックを軸周りに回転させるステップと、
    d)前記画像化装置によって集められた前記走査点から複数の走査路を生成するステップと、
    e)前記走査路のそれぞれの前記走査点を三角測量して、前記ブロックの数値モデルを作成するステップと、
    f)前記ブロックの前記数値モデルから前記ブロックの前記幾何学的中心を算出するステップと、から成る方法。
  13. 予備的及び二次的な走査処理過程を更に含んでいる、請求項12に記載の丸太ブロックの輪郭を走査する方法。
  14. 前記丸太ブロックは、前記予備的な走査処理過程の間は静止したままである、請求項13に記載の丸太ブロックの輪郭を走査する方法。
  15. 前記走査路のそれぞれの前記走査点を三角測量して、前記ブロックの数値モデルを作成する時、測距閾値より小さい値を有する走査点をフィルターにかけて除外するステップを更に含んでいる、請求項12に記載の丸太ブロックの輪郭を走査する方法。
  16. 前記走査路のそれぞれの前記走査点を三角測量して、前記ブロックの数値モデルを作成する時、2つ以上のブロックスキャナによって捕捉された重なり合っている走査点をフィルターにかけて除外するステップを更に含んでいる、請求項12に記載の丸太ブロックの輪郭を走査する方法。
  17. 前記走査路のそれぞれの前記走査点を三角測量して、前記ブロックの数値モデルを作成する時、測距閾値より小さい値を有する走査点をフィルターにかけて除外するステップを更に含んでいる、請求項16に記載の丸太ブロックの輪郭を走査する方法。
  18. 前記走査路のそれぞれの前記走査点を三角測量して、前記ブロックの数値モデルを作成する時、2つ以上のブロックスキャナによって捕捉された重なり合っている走査点をフィルターにかけて除外するステップを更に含んでいる、請求項15に記載の丸太ブロックの輪郭を走査する方法。
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