JP3194773B2 - デジタル化システム及び方法 - Google Patents
デジタル化システム及び方法Info
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Description
ル化に関するものである。
分に確立されている。外被のみをデジタル化するよう動
作する3次元デジタル化装置が知られている。これらの
装置としては、例えば、物体の外面をたどる機械的アー
ムがあり、アームの先端部の座標は、アームジョイント
部でシャフトエンコーダによって決定される。このよう
なデジタル化装置の別の例は、物体の面上の位置を指し
示す針(stylus)を使用するものであり、針の先端部の
座標は遠隔測定によって決定される。このような装置の
もう1つの例は、物体の外郭で反射される光等のエネル
ギービームの反射を測定するものである。
は、”Digital Design, 1984年 4月, 104 頁”に記載さ
れており、Vernon CT, U.S.A. の Micro Controlから 3
D Digitizer という名称で入手可能であると記されてい
る。
して知られており、 St. Louis, MO, U.S.A.の McDonne
ll Douglasから入手可能である。
トをCADモデルへ変換するための装置は CADD Inspec
tor として知られており、 Vernon, CT, U.S.A. の CAD
KEYから入手可能であると”Klein Report, Vol. 10, N
o. 13, 1988 年 7月”に記載されている。
らかい組織の3次元画像を生成することが知られてい
る。この技法は、画像の位置決めを提供せず、エンジニ
アリングのためには適さない。
線スキャナによって、物体のスライス情報が提供される
が、これらは一般に、その速度、モデルサイズ容量、精
度、解像度、及び取扱可能な材料の種類の点で、産業環
境で使用するのには適さない。
からの3次元再構成:再組み立て問題(Tree-dimension
al reconstruction from serial sections: iv. The re
assembly problem)」(Computer. & Biomed. Res. (US
A), vol. 19, No. 4, 361-373 頁, 1986年 8月)と題さ
れた論文では、物体から薄いスライスが順次切断される
再構成技について記載されている。切断後、スライスは
従来の2次元デジタル化技法によってデジタル化され
る。
る組み立て、視覚化及びコンピューティング(Buildin
g, visualizing and computing on surfaces of evolut
ion)」(IEEE Computer Graphics & Applications, 19
88 年 7月, 31-41 頁)と題された論文では、物体の3
次元表面をその2次元スライスから再構成することに関
して議論されている。
3、884、563号は何れも、試験体の層毎の写真撮
影に関するものである。所定の層は、撮影後に試験体か
ら除去され処分される。米国特許第3、884、563
号は、欄2の15行目で、コンピュータスキャナの使用
について記載している。米国特許第3、649、108
号は、欄3の16〜20行目で、通常は半透明又は透明
である充填材の使用について記載している。
の物体を均一に高解像度で立体デジタル化することがで
きないと言えるであろう。
体をデジタル化するための極めて正確なシステムを提供
しようとするものである。
するために、本発明の好ましい実施例に従って提供され
る3次元の物体の立体デジタル化のためのシステムに
は、デジタル化を実行する前に3次元の物体内の空洞及
び物体の外側の容積をほぼ不透明な支持材料で充填して
支持材料をほぼ均一な硬度を有する固体ブロックへ凝固
させる装置と、物体の第1の露出表面をデジタル化する
装置と、第1の露出表面のデジタル化に続いて動作して
物体の所定厚の層を除去し第2の露出表面を露出させる
装置と、物体の第2の露出表面をデジタル化するよう動
作する装置と、が含まれる。
たほぼ2次元の表面をデジタル化するための装置と、物
体の所定厚の層を選択的に除去してそのほぼ2次元の表
面を露出させるための装置と、デジタル化装置が物体の
第1の露出表面をデジタル化し、選択的除去装置が第1
の露出表面のデジタル化に続いて動作して物体から所定
厚の層を除去して第2の露出表面を露出させ、デジタル
化装置が物体の第2の露出表面をデジタル化するように
する制御装置と、を含む、3次元の物体の立体デジタル
化のためのシステムが提供されている。
て提供される3次元の物体をデジタル化するための方法
は、デジタル化を実行する前に3次元の物体の空洞及び
物体の外側の容積をほぼ不透明な支持材料で充填して支
持材料をほぼ均一な硬度を有する固体ブロックへ凝固さ
せるステップと、物体の第1の露出表面をデジタル化す
るステップと、第1の露出表面のデジタル化に続いて物
体から所定厚の層を除去して第2の露出表面を露出させ
るステップと、物体の第2の露出表面をデジタル化する
ステップと、を含むものである。
を露出させる操作及びそのデジタル化操作は、物体の全
容積がデジタル化されるまで続けられる。
デジタル化プロセスの前に、3次元の物体内の空洞及び
物体の外側の容積は支持材料で充填され、ほぼ均一な硬
度を有する固体ブロックへ凝固される。
物体の所定厚の層の除去は機械加工(machining )によ
って実行される。
と、コントラストを提供するために、支持材料の色は物
体の色とは異なる。より深い層からデジタル化表面へ通
過する光による偽の読取りを無くすために、支持材料は
不透明であるのが好ましい。
次元表面のデジタル化は、標準CADフォーマットであ
る3次元表示へ併合される。
と、デジタル化はコンピュータ化自動検査システムと共
に実行される。
ではなく、固体ブロックから除去する前のブロックのそ
のままの表面で2次元デジタル化を実行することによっ
て、種々の表面のデジタル化間の位置決めの問題が除去
されることは、特に本発明の特徴である。
れている。花瓶のような物体10は、始めに、ここで凝
固手順と称される処理が準備セル12内で実行される。
以下により詳細に記載されるように、物体10の内部空
洞は充填材料14で充填される。物体の外側の容積は充
填されて、物体10が埋込まれた固体の立方体16又は
他の適切な形を画定する。
双方を充填するのに使用される充填材料14は、物体1
0の硬度と同様の硬度を有する材料であるのが好まし
い。また充填材料は、物体10の色と異なる色であり、
不透明であることが望ましい。
れた参照番号20で示される被加工物(ワークピース)
を画定する。トレイ22は、X−Y平面を移動可能な移
動台(キャリッジ)24上に可変高さで支持される。
udreから入手可能なCCDカメラのような略2次元表面
の2次元写真を提供するためのカメラ26、物体から所
定の又は選択的な厚さを除去することによって新しい2
次元表面を露出させるためのフライスヘッド(milling
head)28、及び、カメラ26のために新しく露出され
た表面を準備する光学的クリーンアップ・アセンブリ2
9と、繰返し且つ順番に操作係合したり離れたりする。
カメラ26は、Nes Ziona, Israel の Optrotech Ltd.
から市販されている Vision-106 検査システムのような
コンピュータ化検査システムの一部を形成するのが好ま
しい。市販されている別のシステムは、Hartford, CT
の Gerber Scientific Instruments Co.から得られる M
odel 1850 自動光学検査システムである。
形式のカメラ26の出力は、 IBM PC のようなコンピュ
ータシステム30へ供給される。コンピュータシステム
30は、St. Louis, Missouri, U.S.A. の McDonnell D
ouglas Automation から得られる Unigraphics system
のような従来の市販のCADシステム32によって使用
するために、計算機支援設計(CAD)出力31を従来
のフォーマットで準備する。このような応用のためのア
ルゴリズム及びシステムの概説は、"ComputerVision, G
raphics and Image Processing, No. 41, 346-381頁"
の R. T. Chinによる「自動化視覚的検査の調査(Surve
y-Automated Visual Inspection 1981-1987)」に示さ
れている。
される。本発明に従って立体的にデジタル化されるべき
物体10又は1つ以上の物体は、準備セル12を画定す
る適切なフレーミング容器内に置かれ、必要に応じて、
固体リブによって適所に保持される。固体リブは、以下
のステップで凝固の際使用される支持材料と同様又は同
一の支持材料で製造されるのが好ましい。
フォーム、セッコウ又はエポキシのような凝固可能な液
状支持材料14は、準備セル12(図1)の内部容積を
充填するように、物体の空洞及び物体の周囲全てに挿入
される。支持材料14の固着及び凝固において、立方体
又は他の適切な立体16が画定され、その外郭は準備セ
ル12の外郭に対応する。この時点で、立体16はセル
12から取り外されてもよい。又は、セル12が取り除
かれてもよい。あるいは、更に好ましいのは、図4に示
されるように、立体16はセル12内に保持される。
な機能を有する。 *物体の精密部分を支持し、フライス切削による物体の
歪みを防止すること。 *正確なイメージングが達成されるように物体と背景と
の間の視覚的なコントラストを提供すること。 *物体の露出された2次元層から除かれた部分を見えな
くして、イメージングの正確さを保持すること。 *ツール及びマーカーがデジタル化されている物体に関
して所望の位置に配置されるのを可能にすること。 *同時に同一の準備セル内で多数の物体がデジタル化さ
れるのを可能にすること。
昇降トレイ22上に置かれ、被加工物の頂部は、カメラ
26、フライスヘッド28及びクリーンアップ・ユニッ
ト29と操作係合する操作レベルに配置される。
な解像度は0.1 mm である。
には0.1 mm )だけ上昇させ、フライスヘッドを横切
ってトレイを移動し、1解像度単位の厚さの層を除去す
ることによって開始される。次に、例えば水やアルコー
ルのような透明な液体で層の露出表面をぬらす等によっ
て、露出層は装置29によって処理されて、物体と支持
材料14との間のコントラストを強化する。
26によって走査又は撮影され、デジタルラスタ画像を
生成する。
の解像度でスライスされてその各層が撮影されるまで上
記のステップは繰り返される。
修正されて従来のCADデータファイル出力を生成す
る。
することができる比較的複雑な物体の絵画図である。
図3Cを考えることによって容易に視覚化することがで
きる。図3Aは物体を示す。図3Bは、物体上に重ね合
せられた層パターンを示す。図3Cは、層1から層3が
除去されて層4が露出した物体を示す。
とが認識されるであろう。例えば以下のようなものが含
まれる。 *3次元の物体のデジタル化。 *適切な出力装置で結合されると、現存の物体の多くの
スケールアップ及び/又はスケールダウンされた変形を
生成する。 *成形又は注型成形された生成物をデジタル化して、そ
れをその設計寸法と比較することによって、注型成形用
モールド及びダイスをテストすること。 *材料の追加及び/又は減少によって物理モデルが物理
的に修正された後、CADファイルを更新すること。 *市販のCADデータベースと互換性のある標準CAD
ファイルへ物理的物体を変換すること。
1の装置の一部の概略的な絵画図である。移動台24
は、トレイ22を支持するZ軸昇降機構40を有するこ
とがわかる。トレイ22の上には立方体16が配置され
ている。立方体16は、始めに配置された準備セル容器
12によって包囲されていてもよいことに注意する。
は、 Israel の Iscar Ltd. から市販されているような
従来の設計のフライカッタ(舞いカッタ)44を備えて
いる。フライカッタ44は、モータ46によって駆動さ
れ、ダストの制御及び収集のために真空クリーナ48及
びダストトラップ50と連結されている。
には、ウェット回転ブラシ又は1列の噴射スプリンクラ
ー52を備えている。カメラ26(図1)は、典型的に
は、照明装置56及び制御コンピュータ58と連結され
たデジタルビデオカメラ54を備えている。これらは、
Optrotech Ltd.によって製造される上記の Vision 106
検査システムで使用されるようなものである。
の修正の前にシステムが指定する座標を決定すること
は、認識されるであろう。図5Aは、ピストン60を使
用して、支持材料66で充填された準備セル64の底部
へ物体62を押しつけて、物体62の平らな底部が準備
セル64の平らな底部に沿うようにすることを示してい
る。
セル68内に物体66を吊るした状態を示している。好
ましくは、物体66は凝固した支持材料70で形成され
た支持ロッド72へ取り付けられている。ロッド72
は、支持部材74によって正確な位置に保持される。
に従ってデジタル化するために内部空洞を有する物体を
準備する種々の段階が示されている。内部空洞82を有
する典型的な物体80が図6Aに示されている。内部空
洞82は図6Bに示されるように支持材料84によって
充填され、充填された物体は図6Cに示されている。次
に物体は準備セル86に配置された後、物体80の外側
の容積が支持材料で充填される。充填された準備セルは
図6Eに示される。凝固した立方体88は図6Fに示さ
れる。この場合は例として、上下が逆向きになっている
ことがわかる。この向きは、特に、図9に示されるタイ
プの準備セルが使用される場合、又は物体の上にある支
持材料のフライス切削の回避が望まれる場合に、デジタ
ル化のために好ましい向きである。立方体88は、準備
セル86と共に、又は準備セル86が取除かれた後に、
機械加工される。
ンスインジケータは、物体と共にデジタル化される。こ
れは、マーカによって示すことのできる所定位置でデジ
タル化されている物体にある変化をさせることをコンピ
ュータへ指示することが所望されるときに望ましい。マ
ーカーはまた、CADファイル間、又はCADファイル
の一部の間で可能な分離を示すために使用することもで
きる。
所望される領域90を示している。図7Bでは、領域9
0は比較的厚い塗料94又は他のマーキング物質の層で
被覆されている。図7Cは、支持材料98で充填された
準備セル96内に配置された図7Bのマークされた物体
の典型的な断面を示す。
大して示している。3つの異なる色の間の界面、即ち物
体92とマーキング材料94との間、マーキング材料9
4と支持材料98との間、及び物体92と支持材料98
との間、が画定されて記載されている。上記の Optrote
ch Vision 106 systemで使用されている標準的なエッジ
検出ソフトウェアは、上記界面のそれぞれをベクトル化
するのに使用することができる。
異なるベクトルのリスト100及び102が物体92と
支持材料98との間の界面、並びに物体92とマーキン
グ材料94との間の界面に沿ってそれぞれ画定されてい
る。マーキング材料94と支持材料98との間の界面は
関係ないので無視することに注意する。2つの異なるベ
クトルのリストが層同士の間で累算されると、これら
は、マーキングを所望するような別々の表面を画定す
る。
の材料を以下に挙げる。 * Mamaroneck, New York, U.S.A. の Arguesoから入手
可能なタイプ999のような注型成形用ワックス * "Modern Plastics Encyclopedia, McGraw Hill, 198
8"の 79 頁に記載されているようなポリスチレンフォー
ム * Ramat Gan, Israelの Delta Chemicalsから入手可能
な注型成形用エポキシタイプ 3142-66E のようなエポキ
シ *セッコウ
き物体の内部及び周囲に支持材料を挿入するための種々
の技法が示されている。図面では、注ぎ込み(pouring
)が参照番号101で示され、注入(injecting )が
参照番号103で示されている。物体106の内部空洞
104は、図8Bに示されるように準備セルの外側で予
め充填されていてもよい。予め充填された物体106
は、次に準備セル108内に配置され、図8Cに示され
るように支持材料110が更に充填される。この2段階
充填技法は、より直接的な技法が気泡を生じ得る場合に
特に有用である。
等によって、所定表面116に関して正確な物体の向き
で使用するために、準備セルの外側で、固体ベース11
2が物体114上へ注型成形されてもよい。
(dipping )及び噴霧(spraying)等のどんな所望の技
法によって被覆されてもよい。
22をその底部に画定する準備セル120が示されてい
る。これは、機械加工されるとき、デジタル化システム
の座標システムに関して準備セル120の向きの誤差を
表示する2次元パターンを提供する。従って、移動台2
4及びトレイ22(図1)は、デジタル化の前に、準備
セル120の測定された位置の誤差に従ってその位置を
調節するための装置を有する。
点を有する。 a.誤差をX成分とY成分とに分ける。 b.デジタル化されるべき物体へ向かって機械加工が継
続されるにつれてより感度が高くなる。
イプのリファレンス凹部122を有する準備セル120
を使用して、デジタル化のために物体を準備する種々の
ステップが示されている。図10Bに示されるように、
物体130は、凹部122の上の準備セル120の底に
配置される。図10Cに示されるように物体が支持材料
132で充填された後、図10Dに示されるように準備
セル120の残りの部分が充填される。
2を凝固させた後、準備セルが逆さにされ、フライカッ
タ136等による機械加工のために、調節可能な支持ア
センブリ134上に取付けられる。図10Fは、略水平
の向きにある準備セル120を示している。図10G
は、水平でない向きの準備セルを示す。図11Aおよび
図11Bは、始めの層が取り除かれたときの凹部122
の様子を示す。凹部122の様子から水平度を決定し適
切な調節を行うことができることがわかる。図12に
は、ベース134上の準備セル120の向きを調節して
所望の水平化を達成するためのスプリング付取付けスク
リュー140を含むベースアセンブリ134の詳細が示
されている。
れているので、3次元の物体を極めて正確にデジタル化
することができる。
されるデジタル化システムの概略ブロック図である。
化することのできる物体の絵画図である。
る。
る。
の位置に保持するための2つの異なる技法の絵画図であ
る。
凝固技法におけるステップの図である。
に説明する異なるレベルの図である。
における4つの段階の図である。
容器の絵画図である。
器を使用する凝固ステップにおける種々の段階を示す図
である。
の線A−A及び線B−Bについての断面図である。
である。
Claims (20)
- 【請求項1】 空洞を有する3次元の物体を立体デジタ
ル化するためのシステムであって、 デジタル化を実行する前に、3次元の物体内の前記空洞
及び物体の外側の容積をほぼ不透明な支持材料で充填
し、前記支持材料をほぼ均一な硬度を有する固体ブロッ
クへ凝固させるための手段と、 物体の第1の露出表面をデジタル化するための手段と、 第1の露出表面のデジタル化に続いて動作して、物体の
残りの部分を実質的に歪めることなく物体から所定厚の
層を除去して物体の第2の露出表面を露出させるための
フライカッタを含む機械加工手段と、 物体の第2の露出表面をデジタル化するための手段と、 を備えたデジタル化システム。 - 【請求項2】 空洞を有する3次元の物体を立体デジタ
ル化するためのシステムであって、 デジタル化を実行する前に、3次元の物体内の前記空洞
及び物体の外側の容積をほぼ不透明な支持材料で充填
し、前記支持材料をほぼ均一な硬度を有する固体ブロッ
クへ凝固させるための手段と、 物体のほぼ2次元の露出表面をデジタル化するための手
段と、 物体から所定厚の層を選択的に除去してほぼ2次元の表
面を露出させるためのフライカッタを含む機械加工手段
と、 デジタル化手段が物体の第1の露出表面をデジタル化
し、選択的除去手段が第1の露出表面のデジタル化に続
いて動作して物体の所定厚の層を除去して第2の露出表
面を露出させ、デジタル化手段が物体の第2の露出表面
をデジタル化するように動作する制御手段と、 を備えたデジタル化システム。 - 【請求項3】 空洞を含む3次元の物体をデジタル化す
るための方法であって、 デジタル化を実行する前に、3次元の物体内の前記空洞
及び物体の外側の容積をほぼ不透明な支持材料で充填
し、前記支持材料をほぼ均一な硬度を有する固体ブロッ
クへ凝固させるステップと、 物体の第1の露出表面をデジタル化するステップと、 第1の露出表面のデジタル化に続いて、物体から所定厚
の層を機械加工して、物体の第2の露出表面を提供する
ステップと、 物体の第2の露出表面をデジタル化するステップと、 を含むデジタル化方法。 - 【請求項4】 表面をデジタル化した後に更に層を機械
加工して次の表面を露出させるステップ及び前記次の表
面をデジタル化するステップは、物体の全容積がデジタ
ル化されるまで継続される請求項3記載のデジタル化方
法。 - 【請求項5】 前記除去手段はフライカッタを含む請求
項1記載のデジタル化システム。 - 【請求項6】 前記除去手段はフライカッタを含む請求
項2記載のデジタル化システム。 - 【請求項7】 前記除去ステップはフライカッティング
を含む請求項3記載のデジタル化方法。 - 【請求項8】 前記除去ステップはフライカッティング
を含む請求項4記載のデジタル化方法。 - 【請求項9】 前記支持材料の色が物体の色と異なるこ
とによってコントラストが提供される請求項1記載のデ
ジタル化システム。 - 【請求項10】 前記支持材料の色が物体の色と異なる
ことによってコントラストが提供される請求項2記載の
デジタル化システム。 - 【請求項11】 前記支持材料の色が物体の色と異なる
ことによってコントラストが提供される請求項3記載の
デジタル化方法。 - 【請求項12】 前記支持材料の色が物体の色と異なる
ことによってコントラストが提供される請求項4記載の
デジタル化方法。 - 【請求項13】 複数の2次元表面のデジタル化を3次
元表示へ併合するための手段を更に含む請求項1記載の
デジタル化システム。 - 【請求項14】 複数の2次元表面のデジタル化を3次
元表示へ併合するための手段を更に含む請求項2記載の
デジタル化システム。 - 【請求項15】 複数の2次元表面のデジタル化を3次
元表示へ併合するステップを更に含む請求項3記載のデ
ジタル化方法。 - 【請求項16】 複数の2次元表面のデジタル化を3次
元表示へ併合するステップを更に含む請求項4記載のデ
ジタル化方法。 - 【請求項17】 前記3次元表示は、CAD表示である
請求項14記載のデジタル化システム。 - 【請求項18】 前記3次元表示は、CAD表示である
請求項15記載のデジタル化方法。 - 【請求項19】 3次元の物体の立体デジタル化のため
のシステムであって、 デジタル化を実行する前に、中空の3次元の物体をほぼ
均一な硬度を有する固体ブロックへ充填及び凝固させる
ための手段と、 物体の第1の露出表面をデジタル化するための手段と、 第1の露出表面のデジタル化に続いて動作して、物体の
残りの部分を実質的に歪めることなく物体の所定厚の層
を除去して、物体の第2の露出表面を露出させるための
フライカッタ手段と、 物体の第2の露出表面をデジタル化するため手段と、 を備えたデジタル化システム。 - 【請求項20】 中空の3次元の物体をデジタル化する
ための方法であって、 デジタル化を実行する前に、ほぼ均一な硬度を有する固
体ブロック内に中空の3次元物体を凝固させるステップ
と、 物体の第1の露出表面をデジタル化するステップと、 第1の露出表面のデジタル化に続いて、物体から所定厚
の層をフライカッティングして物体の第2の露出表面を
提供するステップと、 物体の第2の露出表面をデジタル化するステップと、 を含むデジタル化方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP04598392A JP3194773B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | デジタル化システム及び方法 |
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JP04598392A JP3194773B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | デジタル化システム及び方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH05265659A JPH05265659A (ja) | 1993-10-15 |
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JP04598392A Expired - Lifetime JP3194773B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | デジタル化システム及び方法 |
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EP3426475A4 (en) * | 2016-03-10 | 2019-10-30 | San Draw Inc. | DEVICES, SYSTEMS AND METHOD FOR GENERATING THREE-DIMENSIONAL OBJECTS WITH ADAPTABLE PROPERTIES |
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