JP2016194896A - 自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用して検査対象物を検査方法を提供する。
【解決手段】検査対象物の設計データであるCADデータを入力する段階Ｓ１００と、3次元スキャナを利用して検査対象物の形状を示す3次元スキャンデータを取得して入力する段階Ｓ２００と、前記CADデータに検査に必要な幾何形状を生成する段階Ｓ３００と、前記スキャンデータに前記CADデータに生成された幾何形状と対応する幾何形状を自動的に生成する段階Ｓ４００と、CADデータとスキャンデータを同じ座標に整列する段階Ｓ５００と、前記CADデータとスキャンデータに生成された幾何形状を利用して検査要素を生成しＳ６００、CADデータの検査要素とスキャンデータの検査要素とを比較する段階と、検査要素の比較結果に基づいて、検査対象物が設計データに合うように設計されたかを判断して、結果報告書を生成する段階Ｓ７００とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、CADデータを利用して製作された検査対象物が正確に製作されたかを判断するための検査対象物の検査方法に関するもので、自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法に関するものである。

一般的に、CAD/ CAM / CAEを活用するデジタル生産システムの運用にあたって、設計データであるCADデータを利用して物品を製作した後、製作された物品をスキャンして得られた3次元スキャンデータとCADデータとを比較して、製作された物品が設計どおりに正確に製作されたかを確認する作業を行う。

このような設計データとCADデータとを比較して製作された物品を検査する方法が、例えば特許第10-0637727号に開示されている。

前記先行文献に開示された検査方法を含んで、従来のCADデータとスキャンデータの検査方法は、概ね次のように進行される。

まず、検査システムにCADデータを入力する。そして、3次元スキャナを利用して検査対象物品を測定し、この測定されたスキャンデータを検査システムに入力する。続いて、CADデータから検査に必要な幾何形状を生成する。そして、スキャンデータにCADデータで定義した幾何形成と対応する幾何形状を生成する。続いて、CADデータとスキャンデータの座標を合わせる。そして、前述した幾何形状で検査要素を生成し、これを比較して検査報告書を作成する。

前述した従来の検査方法で、スキャンデータにCADデータで定義した幾何形状と対応する幾何形状を生成する過程は、根本的に検査結果に影響を与えることになる。具体的には、スキャンデータに幾何形状を生成するためには、作業者がスキャンデータから必要な部分を手動で選択した後、選択された部分のデータを利用して幾何形状を生成した。

ところが、前述した従来の検査方法は、スキャンデータに幾何形状を生成する過程が作業者によって手動で行われるため、検査対象物の同じ部分に該当する幾何形状を生成するにおいて、作業者によって選択する領域が異なるので、生成された幾何形状の結果が異なる可能性があり、最終的な検査結果が異なる可能性があるという問題があった。

本発明は、上記した問題を解決するために発明されたものであって、設計データであるCADデータと対応するスキャンデータをユーザーが任意に選択する必要がなく、自動的な生成により検査対象物の最終検査結果が変わらないようにする、自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、コンピューティングデバイスにユーザーコマンドを入力し、自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用して検査対象物を検査する方法であって、a）検査対象物の設計データであるCADデータを入力する段階と、b）3次元スキャナを利用して検査対象物の形状を示す3次元スキャンデータを取得し、取得した3次元スキャンデータを入力する段階と、c）前記CADデータに検査に必要な幾何形状を生成する段階と、d）前記スキャンデータに前記CADデータに生成された幾何形状と対応する幾何形状を自動的に生成する段階と、e）CADデータとスキャンデータを同じ座標に整列する段階と、f）前記CADデータとスキャンデータに生成された幾何形状を利用して検査要素を生成し、CADデータの検査要素とスキャンデータの検査要素とを比較する段階と、g）前記検査要素の比較結果に基づいて、検査対象物が設計データに合うように設計されたかを判断して、結果報告書を生成する段階とを含むことを特徴とする。

好ましくは、前記d段階は、i）CADデータのそれぞれの面に該当するスキャンデータを抽出してCADデータとスキャンデータを1：1でマッチングさせ、データフィルタリングを行う段階と、ii）CADデータとスキャンデータが1：1でマッチングされた状態で、適合したスキャンデータを得るために、追加のデータフィルタリングを行う段階とを含むことを特徴とする。

ここで、前記i）段階は、CADデータとスキャンデータの垂直方向の要素の偏差が設定値以上であるものをフィルタリングする段階と、CADデータとスキャンデータのエッジ要素の偏差が設定値以上であるものをフィルタリングする段階とを含むことを特徴とする。

好ましくは、前記フィルタリング段階は、サイズおよび密度に関する定められた基準に基づいて、CADデータとの差が発生するスキャンデータをフィルタリングすることを特徴とする。

また、前記ii）段階は、設定された厚さ領域に該当するCADデータのみを結果として使用する段階と、CADデータとスキャンデータの垂直方向の要素を再び比較して、その偏差が設定値以上であるものを再度フィルタリングする段階と、フィルタリングが完了したスキャンデータから異常点を探し出す段階とを含むことを特徴とする。

ここで、前記ii）段階は、CADデータの境界部分に該当するスキャンデータを排除する段階をさらに含むことを特徴とする。

好ましくは、前記異常点を探し出す段階は、数学的な統計を利用する方法、百分率でサンプリングする方法、またはすべての点が設定距離に近づくようにする方法を用いることを特徴とする。

本発明によれば、設計データであるCADデータと対応するスキャンデータをユーザーが任意に選択する必要なく、自動的に生成することで検査対象物の最終検査結果が同一になるので、全体の検査プロセスの反復性を保障することができる。

以下、添付された図面を参照して、本発明に係る自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法の好ましい実施例を詳細に説明する。参考までに、以下で本発明を説明するにあたり、本発明の構成要素を指す用語は、それぞれの構成要素の機能を考慮して命名されたものなので、本発明の技術的構成要素を限定する意味で理解されてはならないのである。

図1は、本発明の実施例を示すのに適した代表的な環境を示す図であり、本発明に係る自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法を行うための検査システムの構成を概略的に示したブロック図である。

コンピューティングデバイス１は、本発明に係る検査方法を行うためのプロセッサを含む。コンピューティングデバイス１は、このようなプロセッサをサポートできるワークステーション（workstation）、サーバ（server）、ラップトップ（laptop）、メインフレーム（mainframe）、PDA、一緒に動作する装置のクラスタ（cluster）、仮想デバイス（virtual device）、または他のコンピューティングデバイスである。

3次元スキャナ２は、スキャンされた3次元対象物、すなわち検査対象物の形状を表す高解像度点（high resolution point）を収集して検査対象物の物理的な形状情報を取得する。3次元スキャナ２を介して収集された3次元スキャンデータは、原始データであって、点群、三角メッシュ、正方形メッシュ、四面体メッシュ、または六面体メッシュである。

ユーザーインターフェース３は、ユーザー４にとって設計データであるCADデータをコンピューティングデバイスに入力することができるようにし、ユーザーインターフェース３のユーザー入力により、本発明に係る検査方法を行うプロセスが実行される。また、ユーザーインターフェース３は、データをフィルタリングするためのいくつかのツール（tool）を選択し、パラメータを入力および設定するためのオプションを含む。

図2は、本発明に係る自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法の一連の段階を示すフローチャートであり、図3a乃至3fは、図2の一連の段階に対応する処理過程を図式化した図である。

本発明に係る自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用して検査対象物を検査する方法は、ユーザーがユーザーインターフェース３を利用してコンピューティングデバイス１にユーザーコマンドを入力すると、3次元スキャンデータの幾何形状が自動的に生成され、検査対象物が設計データの許容公差以内に適切に製作されたかを判断する方法である。

具体的には、本発明に係る検査方法は、次のような一連の段階を介して行われる。

まず、検査対象物の設計データであるCADデータをコンピューティングデバイス１に入力する（S100）。ユーザー４は、ユーザーインターフェース３を利用してCADデータをコンピューティングデバイス１に入力することができる。図3aは、入力されたCADデータによって表示された検査対象物５を示す。

続いて、検査対象物５の3次元スキャンデータをコンピューティングデバイス１に入力する（S200）。ユーザー４は、3次元スキャナ２を利用して検査対象物５の形状を示す3次元スキャンデータを取得することができる。ここで、3次元スキャナ２は、コンピューティングデバイス１と通信して、取得した3次元スキャンデータは、コンピューティングデバイス１に提供される。図3bは、入力された3次元スキャンデータによって表示された検査対象物５を示す。

3次元スキャンデータの入力が完了したら、ユーザーは、ユーザーインターフェース３のオプションを利用してCADデータに検査に必要な幾何形状を生成する（S300）。この段階では、ユーザーは、ユーザーインターフェース３のオプションを利用して基準を設定し、この基準に沿った幾何形状を抽出する。図3cは、CADデータに検査に必要な幾何形状が生成される様子を図式化した図であり、ユーザーは、ユーザーインターフェース３のオプションを利用して基準面を設定し、1つの平面５ａを抽出することができる。

続いて、3次元スキャンデータに、CADデータに生成された幾何形状と対応する幾何形状を自動的に生成する（S400）。前述したように、CADデータの幾何形状が生成されると、コンピューティングデバイス１は、内蔵されたプロセスを実行して、CADデータに生成された幾何形状と対応する幾何形状を自動的に3次元スキャンデータに生成することができる。図3dは、3次元スキャンデータからCADデータの幾何形状と対応する幾何形状５ｂを生成した様子を図式化した図である。

具体的には、S400の段階は、データをフィルタリングする二つの段階で行われる。まず、CADデータのそれぞれの面に対応するスキャンデータを抽出してCADデータとスキャンデータを1：1でマッチングさせた後、データをフィルタリングする（1次データフィルタリング段階）。続いて、CADデータとスキャンデータが1：1でマッチングされた状態で、適合したスキャンデータを取得するためにさらにデータをフィルタリングする（2次データフィルタリング段階）。

1次データフィルタリング段階は、CADデータとスキャンデータの垂直方向の差が大きいものを選別する段階を含む。この段階は、CADデータとスキャンデータの垂直方向の要素の偏差が設定値以上であるデータをフィルタリングする段階である。また、1次データフィルタリング段階は、CADデータのエッジに該当するスキャンデータを選別する段階をさらに含む。この段階は、CADデータの鋭いエッジ（sharp edge）に該当するスキャンデータを抽出し、抽出されたデータ（CADデータとスキャンデータのエッジ要素）の偏差が設定値以上であるデータをフィルタリングする段階である。

ここで、1次データフィルタリング段階の垂直方向の要素とエッジ要素のフィルタリングは、CADデータ全体のサイズと、スキャンデータ全体のサイズと、スキャンデータの密度に関する定められた基準に対して、CADデータとの差が発生するスキャンデータをフィルタリングするようにプログラムされている。

2次フィルタリング段階は、次のような段階を実行してデータをフィルタリングする。

まず、CADデータに厚さ領域（thickness zone）を与え、この領域内に入ってきたデータのみを結果として使用する。つまり、予め設定された厚さ領域に該当するCADデータのみを結果として使用する。

続いて、CADデータの境界部分に該当するスキャンデータを排除させる。たとえば、図4aに示されたように、CADデータの上面から平面５ａを生成するときに、一つの完全な平面ではなく、図4bに示すように境界６を有するCADデータ５ｅを使用することになる。しかし、スキャンデータは、この境界部分で他の要素と連結されてノイズが発生しやすい。このようなノイズの発生を避けるために、図4cに示されたように、境界部分７にフィルタリング処理をして、境界部分で一定距離のデータを使用しないことができる。このような段階は、ユーザーがスキャンデータの結果値に満足しなかった場合、ユーザーインターフェースのオプションを変更して実行することができる。図4dは、境界部分６に対するフィルタリング処理をせずにスキャンデータを抽出した場合を図式化した図である。

その後、処理されたスキャンデータの垂直方向の要素とCADデータの垂直方向の要素をもう一度比較して、その偏差が設定値以上であるものを再度フィルタリングする。

そして、このようにフィルタリングされたスキャンデータから異常点（outlier）を探し出すフィルタリングを実行する。ここで、データの異常点を探し出す段階は、数学的統計を利用して異常点をフィルタリングする方法（N* Sigma）と、単に百分率（％）でサンプリングして異常点をフィルタリングする方法（Ratio）と、すべての点が設定した距離に近づくようにする方法（Absolute Distance）のいずれかを利用することができる。このような方法は、ユーザーインターフェースのオプションを使用して、ユーザーが任意に選択可能である。そして、2次フィルタリング段階を介して選別されたスキャンデータを、その後のプロセスの最終結果物として使用する。

前述した2次フィルタリング段階が完了すると、コンピューティングデバイス１は、設定されたプロセスに沿ってCADデータとスキャンデータを基準座標に整列する段階（S500）を実行する。このとき、前述したS300とS400の段階で生成された幾何形状5a、5bを利用することができる。CADデータ5cとスキャンデータ5dを基準座標に整列した状態が、図3eに示されている。

続いて、コンピューティングデバイス１は、CADデータとスキャンデータに生成された幾何形状を利用して検査要素を生成し、CADデータの検査要素とスキャンデータの検査要素を比較する段階（S600）を実行する。具体的には、S600の段階は、S400段階で生成された幾何形状を利用して、図3fに示すように、直線、距離、半径などの検査要素を生成し、設計データであるCADデータとスキャンデータの値を比較する段階である。

最後に、コンピューティングデバイスは、前述したS600段階で実行された検査要素の比較結果に基づいて、検査対象物５が設計データに合うように設計されたかを判断し、この判断結果について結果報告書を生成する（S700）。

このように、本発明に係る自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法は、設計データであるCADデータと対応するスキャンデータをユーザーが任意に選択する必要がなく、自動的に生成することで検査対象物の最終検査結果が同一になるようにするので、全体の検査プロセスの反復性を保障することができる。

以上で説明された本発明の実施例は、本発明の技術思想を例示的に示したものに過ぎず、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって解釈されるべきである。また、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正および変形が可能であるため、本発明と同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

本発明に係る自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法を行うための検査システムの構成を概略的に示したブロック図である。 本発明に係る自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法の一連の段階を示したフローチャートである。 図2の一連の段階に対応するプロセスを図式化した図面である。 図2の一連の段階に対応するプロセスを図式化した図面である。 図2の一連の段階に対応するプロセスを図式化した図面である。 図2の一連の段階に対応するプロセスを図式化した図面である。 図2の一連の段階に対応するプロセスを図式化した図面である。 図2の一連の段階に対応するプロセスを図式化した図面である。 2次データフィルタリング段階のプロセスを図式化した図面である。 2次データフィルタリング段階のプロセスを図式化した図面である。 2次データフィルタリング段階のプロセスを図式化した図面である。 2次データフィルタリング段階のプロセスを図式化した図面である。

Claims (7)

1. コンピューティングデバイスにユーザーコマンドを入力し、自動的に生成された3次元スキャンデータの幾何形状を利用して検査対象物を検査する方法であって、
   a）検査対象物の設計データであるCADデータを入力する段階と、
   b）3次元スキャナを利用して検査対象物の形状を示す3次元スキャンデータを取得し、取得した3次元スキャンデータを入力する段階と、
   c）前記CADデータに検査に必要な幾何形状を生成する段階と、
   d）前記スキャンデータに前記CADデータに生成された幾何形状と対応する幾何形状を自動的に生成する段階と、
   e）CADデータとスキャンデータを同じ座標に整列する段階と、
   f）前記CADデータとスキャンデータに生成された幾何形状を利用して検査要素を生成し、CADデータの検査要素とスキャンデータの検査要素とを比較する段階と、
   g）前記検査要素の比較結果に基づいて、検査対象物が設計データに合うように設計されたかを判断して、結果報告書を生成する段階とを含むことを特徴とする、自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法。
2. 前記d段階は、
   i）CADデータのそれぞれの面に該当するスキャンデータを抽出してCADデータとスキャンデータを1：1でマッチングさせ、データフィルタリングを行う段階と、
   ii）CADデータとスキャンデータが1：1でマッチングされた状態で、適合したスキャンデータを得るために、追加のデータフィルタリングを行う段階とを含むことを特徴とする請求項１に記載の自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法。
3. 前記i）段階は、
   CADデータとスキャンデータの垂直方向の要素の偏差が設定値以上であるものをフィルタリングする段階と、
   CADデータとスキャンデータのエッジ要素の偏差が設定値以上であるものをフィルタリングする段階とを含むことを特徴とする請求項２に記載の自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法。
4. 前記フィルタリング段階は、サイズおよび密度に関する定められた基準に基づいて、CADデータとの差が発生するスキャンデータをフィルタリングすることを特徴とする請求項３に記載の自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法。
5. 前記ii）段階は、
   設定された厚さ領域に該当するCADデータのみを結果として使用する段階と、
   CADデータとスキャンデータの垂直方向の要素を再び比較して、その偏差が設定値以上であるものを再度フィルタリングする段階と、
   フィルタリングが完了したスキャンデータから異常点を探し出す段階とを含むことを特徴とする請求項２に記載の自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法。
6. 前記ii）段階は、
   CADデータの境界部分に該当するスキャンデータを排除する段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法。
7. 前記異常点を探し出す段階は、数学的な統計を利用する方法、百分率でサンプリングする方法、またはすべての点が設定距離に近づくようにする方法を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の自動的に生成された３次元スキャンデータの幾何形状を利用した検査対象物の検査方法。