JP2017211757A - ３次元表面形状の曲率分布表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元形状データに基づいて表面形状における歪の分布や表面形状の滑らかさ、不連続性などを視覚的に把握しやすい３次元表面形状の曲率分布表示装置を提供する。【解決手段】設計機器１１や３次元計測器１２により得られる物体表面の特定領域の表面形状を示す３次元形状データを用いて、特定領域内の表面形状の特定の方向に対する曲率の値を算出する演算装置４と、算出された特定領域内における曲率の値を、特定領域を上面より見た二次元分布として表示する表示部６とを備え、表示部６は、曲率の値に応じて色彩または明るさを変化させて表示する。【選択図】図１

Description

本発明は、物体表面の３次元形状を表示する表示装置に関し、特に、３次元形状データを曲率分布のデータに変換して表示する３次元表面形状の曲率分布表示装置に関する。

従来、工業製品などの検査において物体表面の面形状の歪を測定する場合、例えば特許文献１に記載のように、物体の表面形状を光学的な方法により測定し、周囲の面形状からの変位を歪として計測する方法が行われている。また、その検査結果の評価を行う場合、基準形状からの変位量を算出してその変位量の大きさを基準値と比較して合否判定を行うことや、特許文献２に記載のように、歪部分の曲率半径を計算し、その結果に基づいて歪の許容値を判定する方法などが行われている。

また、工業製品などの設計工程等で物体の表面形状の表示を行う場合、その物体表面の任意の直線方向に沿った断面形状を表示するか、または、前記直線方向と直交する方向に少しづつ変位させて前記の断面形状を重ね、立体形状に見えるように表示する方法が一般的である。

特開２００３−４４２５号公報 特開平８−１５９７４０号公報

製品の物体表面の検査においては、基準値と比較した合否判定だけでなく、その検査結果を製品設計や製造工程などの改善に有効に利用するため、着目する物体表面全体にわたってどのような大きさの歪がどのように分布しているかを視覚的に把握できることが望ましい。しかし、上記の従来の表面形状の検査においては、測定された３次元形状データにより歪が存在する場所や数値的に表された歪量などは把握できるが、どのような大きさの歪がどのように分布しているかを視覚的に把握することが困難であった。

また、製品設計においても、設計した表面形状の滑らかさや、微細な部分の不連続性などによる製造上の問題点などを把握するためには、従来よりも滑らかさや不連続性などを視覚的に把握し易い表面形状の表示方法が望まれる。

そこで、本発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、３次元形状データに基づいて表面形状における歪の分布や表面形状の滑らかさ、不連続性などを視覚的に把握しやすい３次元表面形状の曲率分布表示装置を提供することを目的とする。

第１の観点では、本発明の３次元表面形状の曲率分布表示装置は、物体表面の特定領域の表面形状を示す３次元形状データを用いて、前記特定領域内の表面形状の特定の方向に対する曲率の値を算出する演算手段と、該算出された前記特定領域内における曲率の値を、前記特定領域を上方より見た２次元分布として表示する表示手段とを備え、該表示手段は、前記曲率の値に応じて色彩または明るさを変化させて表示することを特徴とする。

本発明の３次元表面形状の曲率分布表示装置は、上記のように、工業製品等の物体表面の特定領域内の特定の方向に対する各点の曲率の値を算出し、その曲率の値を、上方から見た２次元分布として表示するものである。ここで、特定の方向に対する曲率とは、例えば、特定領域の表面形状がＸＹ平面上の凹凸形状で示される場合、Ｚ軸を含む任意の平面で切断したときのその切断平面と上記の特定領域の物体表面との交線の各部分の曲率であり、その交線に沿って各部の曲率の値を算出する。例えば、上記の切断平面がＸＺ平面である場合、Ｘ軸方向に任意の間隔で上記の交線の各部の曲率を算出する。さらに、上記の切断平面をＹ方向に任意の間隔で移動して同様に切断平面との交線の各部の曲率をＸ軸方向に任意の間隔で算出する。この演算処理により特定領域内の各部の曲率の値を算出することができる。なお、上記のＸ方向およびＹ方向の曲率を算出する間隔は上記の平面形状に含まれる曲率の大きさにより決定する。曲率が大きい、すなわち曲率半径が小さいほど上記の間隔は小さい値に設定する。

さらに、本発明においては、曲率の値の応じた色彩の変化、または明るさの変化で表示することにより、曲率が大きく変化する部分、すなわち、表面形状における歪の大きい部分やその分布、不連続性などを視覚的に把握することができる。また、色彩や明るさの変化が少なければ、表面が滑らかであることを確認することができる。なお、本発明においては、各点に対応する曲率の値を特定の方向に対する曲率の値とすることにより、全ての方向に対する曲率を算出して表示する場合に比べて、曲率の値の算出が非常に容易となり、また、表示も容易となる。この場合、目的とする表面形状の状況によって、上記の特定の方向を決定してもよい。また、表面形状を従来のような３次元立体表示を行って観察し、その表示の向きを傾けながら観察することにより、曲率を算出すべき特定の方向を設定してもよい。なお、本発明に用いる３次元形状データは、本発明の装置に備えたメモリ素子や記憶装置などの記憶手段に保存されていてもよく、または、外部の記憶手段に保存されていてもよい。さらに、３次元形状データは計測機器や設計装置などから直接、本発明の装置に供給されてもよい。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の３次元表面形状の曲率分布表示装置において、記憶手段を有し、前記３次元形状データは前記記憶手段に保存されていることを特徴とする。本観点の発明では、記憶素子や記憶装置等の記憶手段を備えており、そこに３次元形状データが保存されているので、曲率を求めるためのデータ処理や演算等を本発明の装置内でクローズして行うことができる。

第３の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の３次元表面形状の曲率分布表示装置において、前記表示装置は、前記曲率の値に応じて色彩を変化させて表示することを特徴とする。曲率の分布を表示画面の明暗で表すよりも表示色の違いで表した方が、曲率の異なる部分をより認識し易くなる。

第４の観点では、本発明は、前記第１乃至第３の観点の３次元表面形状の曲率分布表示装置において、前記特定領域を微小な単位領域に分割し、前記演算手段は、前記の特定の方向に沿って前記単位領域間の傾きの変化を算出し、該傾きの変化により前記曲率を算出することを特徴とする。

本観点の発明では、３次元表面形状を微小な単位領域の集合体として表し、着目する単位領域に対して、特定の方向にその前後の単位領域の傾きがどのように変化するかを算出し、その傾きの変化により特定の方向に対する曲率を算出するものである。この場合、微小な単位領域は、３次元形状データが点群のデータ、すなわち３次元の座標データの集合からなる場合、３個又は４個の座標データで囲まれる領域を単位領域としてもよく、又はさらに多くの座標データで囲まれる領域を単位領域としてもよい。また、３次元形状データが、表面形状を微小な三角形の集合体として表現し、前記三角形の各頂点の座標と前記三角形の法線ベクトルで表したＳＴＬ形式のデータである場合、その三角形を単位領域とし、前記の特定方向を決定する切断平面への前記法線ベクトルの射影を特定方向に対する法線とし、その法線の特定方向に対する角度の変化により曲率を算出してもよい。

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点の３次元表面形状の曲率分布表示装置において、前記演算手段は、前記の特定の方向に直交する方向に沿って前記単位領域間の傾きの変化を算出し、該傾きの変化により前記特定の方向に直交する方向に対する曲率を算出することを特徴とする。本観点の発明では、特定の方向に対する曲率の値の分布と、それに直交する方向に対する曲率の値の分布の両方を算出し、両者のいずれかを選択して表示することができる。

第６の観点では、本発明は、前記第１乃至第５の観点の３次元表面形状の曲率分布表示装置において、前記３次元形状データは、計測器により測定された３次元形状データであることを特徴とする。本観点の発明では、特に、表面形状を計測器により測定した３次元形状データを用いることにより、その表面形状に発生した歪など明確に表示することができる。

以上のように、本発明によれば、３次元形状データに基づいて表面形状における歪の分布や表面形状の滑らかさ、不連続性などを視覚的に把握しやすい３次元表面形状の曲率分布表示装置が得られる。

実施例１に係る３次元表面形状の曲率分布表示装置のブロック構成図。 実施例１における３次元表面形状の曲率分布表示装置の動作フローチャート。 実施例１の測定対象の一例としたモデルの表面形状を上方から見た表示図。 実施例１のモデルの表面形状を斜めから見た３次元表示図。 モデルの表面形状の各部の曲率の大きさを色彩に対応させて表示した２次元曲率分布表示図。 実施例２のモデルの３次元表面形状の曲率を色彩に対応させて表示して示す２次元曲率分布表示図。

以下、図面を参照して本発明の３次元表面形状の曲率分布表示装置を実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は、実施例１に係る３次元表面形状の曲率分布表示装置のブロック構成図である。本実施例の３次元表面形状の曲率分布表示装置は、例えば、パーソナルコンピュータに必要なソフトウェアをインストールすることにより、構成することができる。図１において、本実施例の曲率分布表示装置３では、物体表面の特定領域の表面形状に対応する３次元形状データを外部の装置から取り込んで内部に備えたメモリに保存する。外部の装置が、ＣＡＤやＣＡＥを用いた設計機器１１の場合にはメモリ２１に、物体の表面形状を測定する３次元計測器１２からのデータはメモリ２２に、製造データや検査基準形状等のその他の装置からの３次元形状データの場合にはメモリ２３に、それぞれ保存される。ここで、上記のメモリはパーソナルコンピュータの内部メモリ又は外部メモリで構成できる。

演算装置４は、例えばパーソナルコンピュータのＣＰＵにより構成でき、メモリ２１、２２、２３のいずれかに保存された３次元形状データを読み出して前記特定領域内の表面形状の特定の方向に対する曲率の値を算出する。この場合、曲率分布を求める特定の方向や曲率の算出を行う座標間隔などの条件は、入力装置５、例えばキーボードなどにより入力して設定する。

算出された曲率分布のデータは表示部６に入力され、各点に対応する曲率の値に応じて異なった色彩で表示される。表示部６は、例えば、パーソナルコンピュータのディスプレイである。また、算出された曲率分布のデータは表示データメモリ７に送られて保存される。

図２は、実施例１における３次元表面形状の曲率分布表示装置の動作フローチャートである。図３は、本実施例において測定対象の一例としたモデルの表面形状を上方から見た３次元表示図であり、図４は、上記モデルの表面形状を斜めから見た３次元表示図である。

本実施例においては、最初にステップＳ１として、メモリ１１やメモリ１２から物体表面の３次元形状データを読み込み、例えば３次元計測器からのデータはメモリ２２に保存する。次にステップＳ２として、３次元形状データを用いてモデルの表面形状の３次元表示を行い、表示画面上に任意の角度で配置する。図３はモデルを上方から見た表示画面上の表示図であり、図４は斜めから見た表示図である。ここで、図３、図４に示したモデルは、平面を主体としてその平面の一部にだけ凹状部分の形状が含まれる表面形状を有するモデルである。

次のステップＳ３としては、表示画面上でモデルの表面形状を把握しながら角度を変化させ、基準となる方位又は平面、すなわち姿勢を決定する。図３、図４のモデルでは、その表面形状が有する平面の方向が基準となるので、図３、図４に示すように、その基準となる平面をＸＹ平面とする。次にステップＳ４として、モデルの平面形状の基準平面からの変位量を算出し、２次元配列として、図１に非表示の変位量データメモリに保存する。図３、図４のモデルの場合は、表面のＺ軸の座標値を基準平面であるＸＹ平面からの変位量として、ＸＹの２次元座標配列に保存する。なお、モデルの平面の上方のＸＹ平面と平行な平面を基準面とし、そこからのモデル表面までのＺ軸方向の距離の変化を求め、その距離の変化を変位量として算出してもよい。計測器により測定された３次元形状データの場合は後者の方が扱いやすい場合がある。

次に、ステップＳ５として、前記の第１のメモリに保存された２次元配列の変位量に基づいて、前記の基準平面内の特定の方向に沿って表面の傾きを算出する。例えば、図３、図４のモデルではＸＹ平面に垂直な特定の平面とモデルの表面との交線上の各点の傾きを算出する。その特定の平面は、特定の方向がＸ軸方向である場合はＸＺ平面と平行な平面であり、特定の方向がＹ軸方向である場合はＹＺ平面と平行な平面である。さらに、上記の特定の方向に直交する方向に座標を移動させながら、特定の方向に沿って表面の傾きを算出することにより、２次元配列された傾きの値が得られる。この場合、特定の方向の傾きを算出する間隔、および特定の方向に直交する方向に座標を移動させる間隔、すなわち、モデルの表面形状を分割するときの単位領域の大きさは、上記の傾きの変化の大きさによって決定することができ、入力装置により設定する。得られた２次元配列された傾きの値は、図１に非表示の傾きデータメモリに保存される。
なお、ステップＳ４とステップＳ５の代わりに、ステップＳ６として、座標データより法線ベクトルを算出して、その法線ベクトルから特定の方向への表面の傾きを算出してもよい。３次元形状データに法線ベクトルが含まれている場合も同様である。それらの算出された傾きは傾きデータメモリに保存される。

次に、ステップＳ７として、傾きデータメモリに保存された傾きの値の特定の方向に対する変化から、表面各部の特定の方向に対する曲率の値を算出する。算出した結果は表示部６に表示されるとともに、表示データメモリ７に保存される。図５は、図３、図４のモデルの表面形状の各部の曲率の大きさを色彩に対応させて表示部に表示された２次元曲率分布表示図である。

図５において、実際の画面では曲率の大きさによって、赤色（Ｒ）、黄色（Ｙ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の順に色分けして示している。赤色（Ｒ）が曲率０．５／ｍ付近、黄色（Ｙ）が曲率０．２５／ｍ付近であり凸部を、緑色（Ｇ）が曲率０／ｍ付近であり平面部を、青色（Ｂ）が曲率−０．５／ｍ付近であり凹部をそれぞれ示す。この表示により、観測者は視覚的に表面形状の歪の分布や滑らかさ、不連続性などを明確に認識することができる。大まかには、平面からの凹部の周囲の立ち下がり部分では赤色で表される正の大きな曲率を有し、凹部中央の平坦部との境界部では青色で示される負の大きな曲率を有しているのが把握できる。

次に本発明の３次元表面形状の曲率分布表示装置の実施例２について説明する。実施例２の基本的な構成は図１に示す実施例１と同じである。本実施例においては、３次元計測機器１２から得られる３次元形状データは、表面形状を微小な三角形の集合体として表現し、前記三角形の各頂点の座標と前記三角形の法線ベクトルで表したＳＴＬ形式のデータである。その三角形を単位領域とし、物体表面に大まかに沿った平面を基準面とし、特定方向を含み、基準面に垂直な平面に上記の法線ベクトルを射影したものを特定方向に対する法線とする。特定方向に連続する単位領域間の上記の法線の角度の変化により曲率を算出する。

図６は、実施例２のモデルの３次元表面形状の曲率を色彩に対応させて表示して示す２次元曲率分布表示図である。本実施例の表面形状のモデルは、平面の一部に微小な楕円状の凸部及び微小な楕円状の凹部を有するモデルである。図６においては、Ｘ方向およびＹ方向の２次元表示画面上に、曲率の大きさを、赤色（Ｒ）、黄色（Ｙ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の順に色分けして示している。赤色（Ｒ）が曲率０．３／ｍ付近、黄色（Ｙ）が曲率０．１５／ｍ付近の凸部を、緑色（Ｇ）が曲率０／ｍ付近であり平面部を、青色（Ｂ）が曲率−０．３／ｍ付近の凹部をそれぞれ示す。

また、本実施例の曲率分布表示装置では、表面のＸ方向及びＹ方向の任意の位置の切断面における断面形状を算出し、それを２次元表示画面の下側及び左側に表示可能としている。図６においては凸部の中心にカーソルを置いてそのＸ方向及びＹ方向の断面形状を表示している。本モデル形状における凸部及び凹部の高さ又は深さは０．３ｍｍ以下である。これらは非常に小さな平面上の歪であるが、図６の曲率分布表示図では、それらは赤色および青色に着色された部分として、明確に把握できるように表示されている。

以上のように、本発明により、３次元形状データに基づいて表面形状における歪の分布や表面形状の滑らかさ、不連続性などを視覚的に把握しやすい３次元表面形状の曲率分布表示装置が得られることを確認できた。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、曲率分布表示装置には上記の実施例に示した以外の機能を付加してもよい。または、上記の実施例に示した機能の一部またはすべてをパーソナルコンピュータ以外の電子機器で実現してもよい。

３ ３次元表面形状の曲率分布表示装置
４ 演算装置
５ 入力装置
６ 表示部
７ 表示データメモリ
１１ 設計機器
１２ ３次元計測器
１３ その他の装置
２１、２２、２３ メモリ

Claims (6)

1. 物体表面の特定領域の表面形状を示す３次元形状データを用いて、前記特定領域内の表面形状の特定の方向に対する曲率の値を算出する演算手段と、該算出された前記特定領域内における曲率の値を、前記特定領域を上面より見た二次元分布として表示する表示手段とを備え、該表示手段は、前記曲率の値に応じて色彩または明るさを変化させて表示することを特徴とする３次元表面形状の曲率分布表示装置。
2. 記憶手段を有し、前記３次元形状データは前記記憶手段に保存されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元表面形状の曲率分布表示装置。
3. 前記表示装置は、前記曲率の値に応じて色彩を変化させて表示することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元表面形状の曲率分布表示装置。
4. 前記特定領域を微小な単位領域に分割し、前記演算手段は、前記の特定の方向に沿って前記単位領域間の傾きの変化を算出し、該傾きの変化により前記曲率を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の３次元表面形状の曲率分布表示装置。
5. 前記演算手段は、前記の特定の方向に直交する方向に沿って前記単位領域間の傾きの変化を算出し、該傾きの変化により前記特定の方向に直交する方向に対する曲率を算出することを特徴とする請求項４に記載の３次元表面形状の曲率分布表示装置。
6. 前記３次元形状データは、計測器により測定された３次元形状データであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の３次元表面形状の曲率分布表示装置。