JP4052213B2 - 三次元加工物評価装置およびその方法 - Google Patents

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本発明は、三次元加工物評価装置およびその方法に関するものである。
三次元加工物の形状評価方法としては、三次元計測装置を利用して三次元加工物の三次元形状を計測し、その計測結果を加工物の設計データと比較することで、その製品の完成精度を確認するものがある。
従来の三次元加工物評価方法としては、あらかじめ記憶されている形状データベースと三次元計測装置によって計測された被計測物の計測データから、計測データの近傍面を抽出すると共に、基準曲面上の対応点を計算して、求まった対応点の中から最も近い近傍点を抽出し、この近傍点と計測データとの距離を計算することで、被計測物の形状とその設計データとの比較を行うこととしている(特許文献1参照)。
特開平07−021238号公報
しかしながら、従来の三次元加工物評価方法では、計測子が被計測物と接触したときの計測子中心の三次元位置と、設計データ上での面直方向の最短距離とを比較してしまう。このため、被計測物である三次元加工物そのものの設計データを加工物の計測結果を比較するのではなく、その加工物と当接する他の物体(以下、他物体と称する)の形状データ(その物体の設計データまたは計測された形状データ)と比較する場合、たとえば、図14に示すように、被計測物5の計測対象点10において計測子120が被計測物と接触した時点で、この計測点方向で実際に被計測物と他物体3が接触するであろう評価基準点(図14中A点)より距離の近い他物体上の面直点(図14中B点)がある場合、この点Bを評価の基準点として、計測子中心位置1から点Bまでの距離を誤差として出力してしまうことがある。
このようにして出力された誤差は、評価目的とする誤差とは違うものであり、結果として誤差評価を誤ってしまうといった問題がある。
また、図15に示すように、他物体3の形状データが、2重になっている部分では、実際に被計測物5と接触するのは、他物体の下側面の点A2であるにも関わらず、被計測物5と計測子120が接触した時点で、他物体3の上側の点A1の方が計測子中心位置1に近いため、計測子中心位置1からこの上側面の点A1までの距離を誤差として出力してしまい、実際に加工物の評価として必要な下側面の点A2との誤差が出力されず、この場合も誤差の評価を誤ってしまうという問題があった。
そこで、本発明の目的は、三次元加工物のできあがりの評価を他物体の形状と比較する際に、確実に、評価対象となる位置で誤差を評価することのできる三次元形状評価装置、およびその方法を提供することである。
上記目的は、被計測物である三次元加工物において他物体と当接されるべき当接部分での、できあがり誤差を評価する三次元加工物評価装置であって、
三次元形状計測装置における計測子が、前記三次元加工物の前記当接部分でのあらかじめ決められた計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した状態における前記計測子の中心位置を頂角として、少なくとも前記計測対象点を含み前記計測対象点方向に広がる円錐形状の誤差評価範囲を設定する誤差評価範囲設定手段と、
あらかじめ記憶されている前記他物体の形状データを取得するとともに、当該他物体の形状データと前記計測子による計測によって得られた前記三次元加工物の形状データとを位置合わせした上で、前記誤差評価範囲内で前記計測子中心から前記他物体の形状データ上に引いた線が前記他物体の形状データ上で面直となる面直点を検し、検出した前記面直点から前記計測子前記計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した接触点までの距離を前記できあがり誤差として算出する誤差算出手段と、
を有することを特徴とする三次元加工物評価装置によって達成される。
また、上記目的は、被計測物である三次元加工物において他物体と当接されるべき当接部分での、できあがり誤差を評価する三次元加工物評価方法であって、
三次元形状計測装置における計測子が、前記三次元加工物の前記当接部分でのあらかじめ決められた計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した状態における前記計測子の中心位置を頂角として、少なくとも前記計測対象点を含み前記計測対象点方向に広がる円錐形状の誤差評価範囲を設定する段階と、
あらかじめ記憶されている前記他物体の形状データを取得するとともに、当該他物体の形状データと前記計測子による計測によって得られた前記三次元加工物の形状データとを位置合わせした上で、前記誤差評価範囲内で前記計測子中心から前記他物体の形状データ上に引いた線が前記他物体の形状データ上で面直となる面直点を検する段階と、
前記面直点を検出した場合に、検出した前記面直点から前記計測子前記計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した接触点までの距離をできあがり誤差として算出する段階と、
を有することを特徴とする三次元加工物評価方法によって達成される。
本発明によれば、円錐形状の誤差評価範囲を設定したので、計測対象点において他物体と当接されるべき部分での、三次元加工物のできあがり誤差を確実に評価することができる。
以下、本発明を適用した実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明による三次元加工物評価装置を用いた被計測物の誤差評価を行うための設備例を示す概略図であり、図2は、三次元加工物評価装置の機能を説明するためのブロック図である。
被計測物の誤差評価を行うための設備は、本発明を適用した三次元加工物評価装置100と、被計測物5を三次元計測する三次元計測装置110と、からなる。
三次元加工物評価装置100には、過去の計測データや他物体の形状データを記憶したデータベース装置130、ディスプレイ141、およびプリンタ142などが接続されている。
三次元計測装置110は、先端に計測子120が取り付けられていて、この計測子120を自在に動かすことのできるロボット121からなる計測機111と、この計測機111の動作を制御すると共に、計測データを記憶するコントローラ112とから構成されている。なお、このような次元計測装置は、従来からあるものであり、特別のものではない。
ここで、計測対象となっている三次元加工物(被計測物5)は、自動車車体のパネル部材を保持するための冶具である。したがって、この被計測物である冶具のできあがり誤差を評価するために用いる形状データ元となる他物体は、自動車車体のパネル部材となる。
本実施の形態の三次元加工物評価装置100は、図2に示したように、データ入出力部101、誤差評価範囲設定部102、誤差算出部102よりなる。
データ入出力部101は、三次元計測装置110のコントローラ112およびデータベース装置130から、計測された被計測物5の三次元データ(計測子の位置データ)および他物体の形状データを取得する。
誤差評価範囲設定部102は、誤差評価範囲設定手段であり、後述するように、誤差を評価するための範囲を設定する。
誤差算出部102は、誤差算出手段であり、後述するように、誤差評価範囲において、計測対象(以下、計測点とも称する)で三次元加工物と他物体当接する部分の誤差を算出する。
なお、この三次元加工物評価装置100は、実際にはコンピュータであり、各部の機能はこのコンピュータによって後述する手順を処理するため作成されたプログラムが実行されることにより提供される。
次に、このように構成された三次元加工物評価装置100の作用について説明する。なお、ここでは、1つの計測点における計測によって得られた三次元加工物の形状データと他物体の形状データとの比較により得られる誤差を求める手順について説明するが、実際には、通常、被計測物上にあらかじめ決められた複数の計測点において同様の手順により他物体形状データとの比較により得られる誤差を求めることになる。
図3は、上記装置による誤差評価の処理手順を示すフローチャートであり、図4〜図13は、誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。
まず、データ入出力部101が、データベース装置130から他物体3の形状データを取り込む(S1)。他物体3の形状データは、たとえば、設計データや実際に他物体3を三次元計測して得られた形状データなどである。
続いて、データ入出力部101が、三次元形状計測装置110から被計測物5のあらかじめ決められた計測点10において三次元加工物の当接部分へ計測子120を接触させたときの計測子中心位置1(三次元形状計測装置によって得られている座標位置)を取り込む(S2)。なお、この計測子中心位置1のデータは、あらかじめすべての計測点10を三次元計測装置110によって計測した後のデータであってもよいし、1つ計測した後この処理に入ってもよい。また、このとき同時に計測子の形状データ(計測子球の半径など)もいっしょに取り込む。
また、取り込んだ他物体の形状データ、計測子中心位置のデータ、および計測子の形状データなどは、同一座標系上にマッピングする。このとき他物体の形状データは、同一座標系内においてあらかじめ配置された被計測物の全体基準点の位置に対して他物体の形状データの全体基準点が一致するように配置される。これは、誤差評価を行う場合の全体の位置合わせを行うためである。
被計測物においては、計測点の1点を全体基準点とする場合、他物体形状における全体基準点は、この計測点と当接する予定の位置に設けられる。これにより、被計測物と他物体との全体の位置決めが行われる。
続いて、誤差評価範囲設定部102が、図4に示すように、計測子中心位置1を通る計測点10の面直方向の任意の位置に計測補助点2を設定する(S3)。この計測補助点2は、誤差を検出する方向を定めるためのものである。
計測補助点2の設定は、たとえば、あらかじめ計測点位置を決める際に一緒に決定しておくとよい。その場合、この計測補助点2は、計測点10に対して面直方向から計測子を進入させる場合、その計測子進入方向上で計測子停止位置(計測点10において三次元加工物と接触して停止した位置)から一定距離前の位置とするとよい。また、計測子の進入方向が計測点10の面直方向からではない場合には、オペレータによって計測点10上での面直方向を決めて、そこから任意の距離離れた点としたり、または、被計測物の設計形状から面直方向を算出し、任意の距離離れた点としたり、さらには、注目する計測点10を含む被計測物の同一面上に複数の他の計測点10を設定し、それら計測点10を計測した結果の計測子中心位置1を接続した線に対して面直方向となり、任意の距離離れた点を設定するとよい。
なお、計測点10から計測補助点2までの距離は、基本的に任意でよいが、たとえば、あらかじめ推定される計測点位置における三次元加工物と他物体3の当接部分での誤差の1〜3倍程度あれば十分である。
続いて、誤差評価範囲設定部102は、計測子中心位置1から計測補助点2方向に基準ベクトル4を設定する(S4)。
続いて、誤差評価範囲設定部102は、図5に示すように、基準ベクトル4を中心軸としてあらかじめ決められた範囲の円柱形状の仮誤差評価範囲6を設定する(S5)。ここで、この仮誤差評価範囲6の大きさは、計測子中心位置1から計測補助点2方向の長さをd1とし、計測子中心位置1から計測補助点2の逆方向の長さをd2、基準ベクトル4を中心軸とした半径d3の円柱とする。ここで、d1およびd2は、少なくとも推定される誤差の2倍以上確保しておく必要がある。これは、この仮誤差評価範囲6内で誤差を評価するため、この仮誤差評価範囲6が小さすぎると評価できなくなるためである。なお、図示する場合には、d1の距離が計測補助点2に達していないが、実際には計測補助点2を越えて設定してもよい。
この円柱形状の仮誤差評価範囲6を設定することで、少なくともこの範囲以外にある他物体3の当接部分での誤差を誤って評価することを防ぐことができる。しかし、このような円柱形状の場合、図6(a)に示したように、他物体3の形状が、L字形など計測点10近傍で屈曲している場合、円柱形状(角柱でも同様)の仮誤差評価範囲6では、その範囲内に実際に評価したい計測点10方向ではなく、L字の横の部分との距離Δmを誤って誤差としてしまうおそれがある。
また、このようなL字の横の部分との近接点を誤評価しないようにするために、たとえば、基準ベクトル4を中心にして設定する円柱を限りなく細くすることも考えられる。しかしながら、このように円柱の形状を細くした場合、たとえば、図6(b)に示すように、限りなく線状に近い形状とした場合、たまたま他物体3の空間31があると、実際には、誤差評価が可能な部分に計測子中心位置1に対して面直な近接点35があるにもかかわらず、これを検出することができず、エラーとなって、誤差評価ができなくなるおそれがあり好ましくない。
そこで、このような横方向における評価を防止するために、本実施の形態では、図7に示すように、仮誤差評価範囲6の範囲内に最終的な誤差評価範囲7として、計測子中心位置1を頂点とした円錐を設定する(S6)。このときこの円錐の誤差評価範囲7は計測補助点2側と、計測点10側の両方に設定しているが、被計測物と他物体の位置関係として、被計測物に対して、他物体が下に来る場合だけを評価すればよい場合には、計測点側にのみ設定すればよい。また、円錐の大きさは、長さについては、先に設定した仮誤差評価範囲6の範囲、すなわち、d1およびd2の長さとするが、円錐の底辺部の幅は、後述するように、頂角の角度によって決定される。なお、ここでは、仮誤差評価範囲6を設定後、誤差評価範囲7を設定しているが、仮誤差評価範囲6は、誤差評価範囲を大まかに決めるために用いているものであり、これは設定しなくてもよい。
このように円錐形状の誤差評価範囲7とすることで、図7に示すように、他物体3がL字形状であっても、L字の横の部分との距離を誤差として評価してしまうのを防止することができる。
このとき設定する円錐の頂角θ1は、基本的には、任意であるが、最初は狭く、たとえば、10度程度にとっておく。これは後述するように、この範囲内で他物体3との面直方向の点が取れない場合にあらかじめ決められた刻み幅で徐々に広くしてゆくためである。なお、ここで任意でよいとしているのは、たとえば、他物体3の当接部分での誤差を評価する際に、基準ベクトル4の逆方向にまっすぐな位置に他物体3との誤差評価を行う他物体3がないことがあらかじめ分かっているような場合には、初めから広めにとっておいてもよいからである。
続いて、誤差算出部102が、図8に示すように、円錐形状の誤差評価範囲7内で、計測子中心位置1から他物体3の形状上に引いた線が他物体3の形状上で面直になる点(面直点8)を検索する(S7)。なお、図8では、他物体3の形状データが2重となっている部分を示している。
続いて、検索の結果、他物体3の形状データ上で面直となる部分(面直点8と称する)があるか否かを判断する(S8)。図8に示した例では、存在することになるので、ここではYesとなる。なお、Noとなった場合の処理については後述する。
面直点8がある場合には、続いて、その面直点8は計測子中心位置1から面直点8を超えて面直点8方向へ引いたベクトル(外側チェックベクトル41と称する)上で面直点8よりも外側で他物体3とを交差する部分(外側交差点19と称する。なお、外側交差点19は面直ではない)がないか否かを判断する(S9)。
この判断は、面直点8が他物体3の形状において被計測物5と接触する部分であるか否かを判断するためである。たとえば、図9に示すように、もしここで面直点8よりも遠い位置で他物体形状36が存在するとすれば、その部分が実際には被計測物5と当接する予定の場所である。したがって、このステップS9において面直点8よりも遠い部分でより外側チェックベクトル41と交差する他物体形状がある場合(S9:No)は、ステップS20以降へ進むことになる(詳細後述)。
一方、ステップS9において、面直点8よりも遠い部分でより外側チェックベクトル41と交差する他物体形状がなければ(S9:Yes)、続いて、その面直点は1つか否かを判断する(S10)。
ここで、面直点8が1つであれば、その面直点8を誤差計測の基準点とする(S11)。
面直点8が2つ以上ある場合は、2つ以上ある面直点8のうち、少なくとも1つの面直点8が計測子中心位置1よりも計測補助点2とは反対側にある場合には、そのうち最も遠い位置にある面直点8を基準点とし、一方、計測子中心位置1よりも計測補助点2側にのみ2つ以上の面直点8がある場合には、最も計測子中心位置1に近い方を基準点とする(S12)。
すなわち、図8に示したように他物体3の形状が2重になっている場合には、図10に示すように、基準ベクトル4と逆方向に存在する2つの面直点8(図8参照)のうち、最も遠い側を基準点11とする。これにより、他物体形状が2重構造となっている場合でも正確に計測点10において三次元加工物と当接する予定の他物体3の位置(すなわち誤差を評価するための点)を見つけだすことができる。
基準点11が決定された後は、誤差の計算のための処理(S13および14))となる(詳細後述)。
前記ステップS8において、面直点8がない場合(S8:No)、およびステップS9において外側交差点19が存在する場合(S9:No)は、誤差算出部102は、その旨を誤差評価範囲設定部101に伝えて、誤差評価範囲設定部101が円錐形の誤差評価範囲7の頂角の角度を所定の刻み角度θで広げる(S20)。
この処理は、たとえば、図11に示すように、計測点10付近の他物体3の形状が誤差評価範囲7内で面直点8を持たないような場合に、図12に示すように、誤差評価範囲7の頂角をθ2に広げることで、その中に面直点8が存在するか否かを確認できるようにするものである。
続いて、誤差評価範囲設定部101は、円錐の頂角が180度以下か否かを判断する(S21)。ここで円錐の頂角が180度を超えてしまうともはやその形状は円錐ではなく、したがって、すでに説明したように、他物体3の形状がL字形などの場合に、計測点10から横方向の近接点を誤評価してしまうため、円錐の頂角を広げていったときに誤差評価範囲7が適切な範囲となるようにここで判断している。
ここで円錐の頂角が180度以下であれば、ステップS7へ戻り、その後の処理を継続して、面直点が検出されるまで、所定の刻み角度θにより頂角の角度を増加させてゆく。一方、ここで、円錐の頂角が180度を超えた場合には、適切な評価を行うための面直点が存在しないので、その旨をエラーとして表示し(S22)、処理を終了する。
続いて、誤差計算の処理(S13およびS14)を説明する。
まず、誤差算出部102が、ステップS12において設定された基準点、あらかじめ設定されている計測子球の半径、計測補助点2の位置から計測子球と計測点10において三次元加工物の当接部分が実際に接触している位置(これを接触点14と称する)を算出する(S13)。
これは、図13に示すように、通常、計測子120の先端は球状であるため、この球に対して実際に計測点10において三次元加工物の当接部分と接触している部分がどこにあるのかを確定し、その位置を求める処理である。これには、計測補助点2を利用する。計測補助点2は、前述したように、計測子中心位置1を通り計測点10に対して面直となる位置としているので、実際に計測点10と接触する計測子球上の位置は、計測子中心位置1から計測補助点2が在る側とは反対方向の計測子球上の位置となる。
算出する(S13)。
したがって、このようにして得られた接触点14の位置は、計測子中心位置1から計測子球の半径を基準ベクトル4と反対方向に加算した位置となる。
続いて、誤差算出部102は、接触点14の位置と、先ほど決定された基準点11との座標上の差を算出することで、誤差15を算出して、この値を誤差15としてディスプレイ141やプリンタ142などに出力し(S14)、処理を終了する。
以上本実施の形態によれば、円錐状の誤差評価範囲7を設定したので、他物体3の形状としてL字形状などの屈曲した形状が計測点10付近にある場合でも、計測点10において三次元加工物と他物体の当接部分、できあがり誤差15を確実に評価することができる。
また、この円錐形状の誤差評価範囲7は、頂角の角度を徐々に広げて評価することとしたので、計測点10から面直方向に他物体3上で面直となる点がない場合でも、計測点10の在る部分と当接する予定の他物体部分との誤差15を確実に評価することができる。
本発明による三次元加工物評価装置を用いた被計測物の誤差評価を行うための設備例を示す概略図である。 三次元加工物評価装置の機能を説明するためのブロック図である。 上記装置による評価処理の手順を示すフローチャートである。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 誤差評価の処理状態を説明するための説明図である。 従来の三次元加工物評価における問題点を説明するための説明図である。 従来の三次元加工物評価における問題点を説明するための説明図である。
符号の説明
1…計測子中心位置、
2…計測補助点、
3…他物体、
4…基準ベクトル、
5…被計測物、
6…仮誤差評価範囲、
7…誤差評価範囲、
8…面直点、
10…計測点、
11…基準点、
14…接触点、
15…誤差、
19…外側交差点、
31…他物体の空間、
41…外側チェックベクトル、
100…評価装置、
101…データ入出力部、
102…誤差評価範囲設定部、
102…誤差算出部、
110…三次元計測装置、
120…計測子、
130…データベース装置。

Claims (6)

  1. 被計測物である三次元加工物において他物体と当接されるべき当接部分での、できあがり誤差を評価する三次元加工物評価装置であって、
    三次元形状計測装置における計測子が、前記三次元加工物の前記当接部分でのあらかじめ決められた計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した状態における前記計測子の中心位置を頂角として、少なくとも前記計測対象点を含み前記計測対象点方向に広がる円錐形状の誤差評価範囲を設定する誤差評価範囲設定手段と、
    あらかじめ記憶されている前記他物体の形状データを取得するとともに、当該他物体の形状データと前記計測子による計測によって得られた前記三次元加工物の形状データとを位置合わせした上で、前記誤差評価範囲内で前記計測子中心から前記他物体の形状データ上に引いた線が前記他物体の形状データ上で面直となる面直点を検し、検出した前記面直点から前記計測子前記計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した接触点までの距離を前記できあがり誤差として算出する誤差算出手段と、
    を有することを特徴とする三次元加工物評価装置。
  2. 前記誤差算出手段は、前記面直点が2つ以上検出された場合に、検出された2つ以上の面直点のうち、少なくとも1つの面直点が前記計測子の中心位置よりも前記計測対象点側にある場合には、最も遠くにある面直点と前記接触点までの距離をできあがり誤差として算出し、検出された2つ以上の面直点のすべてが、前記計測子の中心位置よりも前記計測対象点とは反対側にある場合には、前記計測子の中心位置の最も近くにある面直点と前記接触点までの距離をできあがり誤差として算出することを特徴とする請求項1記載の三次元加工物評価装置。
  3. 前記誤差算出手段が前記面直点を検出できない場合に、誤差評価範囲設定手段は、前記円錐の頂角の角度を広くして前記誤差評価範囲を設定し、前記誤差算出手段は、広く設定された前記誤差評価範囲内で前記面直点を検することを特徴とする請求項1または2記載の三次元加工物評価装置。
  4. 被計測物である三次元加工物において他物体と当接されるべき当接部分での、できあがり誤差を評価する三次元加工物評価方法であって、
    三次元形状計測装置における計測子が、前記三次元加工物の前記当接部分でのあらかじめ決められた計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した状態における前記計測子の中心位置を頂角として、少なくとも前記計測対象点を含み前記計測対象点方向に広がる円錐形状の誤差評価範囲を設定する段階と、
    あらかじめ記憶されている前記他物体の形状データを取得するとともに、当該他物体の形状データと前記計測子による計測によって得られた前記三次元加工物の形状データとを位置合わせした上で、前記誤差評価範囲内で前記計測子中心から前記他物体の形状データ上に引いた線が前記他物体の形状データ上で面直となる面直点を検する段階と、
    前記面直点を検出した場合に、検出した前記面直点から前記計測子前記計測対象で前記三次元加工物の前記当接部分と接触した接触点までの距離をできあがり誤差として算出する段階と、
    を有することを特徴とする三次元加工物評価方法。
  5. 前記面直点が2つ以上検出された場合に、検出された2つ以上の面直点のうち、少なくとも1つの面直点が前記計測子の中心位置よりも前記計測対象点側にある場合には、最も遠くにある面直点と前記接触点までの距離をできあがり誤差として算出し、検出された2つ以上の面直点のすべてが、前記計測子の中心位置よりも前記計測対象点とは反対側にある場合には、前記計測子の中心位置の最も近くにある面直点と前記接触点までの距離をできあがり誤差として算出することを特徴とする請求項4記載の三次元加工物評価方法。
  6. 前記面直点を検出できない場合に、前記円錐の頂角の角度を広くして前記誤差評価範囲を設定し、広く設定された前記誤差評価範囲内で前記面直点を検することを特徴とする請求項4または5記載の三次元加工物評価方法。
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