JP6659641B2 - ３次元モデル作成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、３次元モデル作成装置に関し、特に画像から干渉チェックデータを作成する３次元モデル作成装置に関する。
工作機械の構造物や工具、被加工物の干渉を検出する技術がある。干渉を検出する従来技術である３次元干渉チェック機能は、干渉のチェック対象物の３次元形状を直方体や円柱などの立体モデルを組み合わせて表現し、３次元シミュレーションを行なうことで立体モデル同士が干渉するかどうかをチェックする方法が一般的である。
３次元干渉チェック機能を用いて干渉をチェックする場合には、３次元シミュレーションのデータとして、ＣＡＤで作成した３次元モデルが必要となるが、工作機械で加工を行う毎に加工対象となるワークやワークを固定するために用いる冶具は異なり、その３次元モデルは作業者がその都度作成する必要があり、また、ワークは工具により加工される（工具と接触する）ことで形状が変化していくものの、冶具は一般に形を変えることはなく、また治具は工具との接触が干渉として判断されるべき部分であるため、ワークと治具は別の３次元モデルとして作成する必要がある。
３次元モデルの作成を支援する技術として、例えば特許文献１には、２つのカメラにより、工作機械を構成する構造体をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向からそれぞれ撮像して画像データを生成し、各画像データを基に、構造体の３次元形状データを生成する方法が開示されている。また、特許文献２には、旋盤において、チャック、ワークそれぞれの不装着時の画像と装着時の画像から各形状を検出し、干渉領域を演算する技術が開示されている。更に、特許文献３には、ワークの３次元モデルと３次元計測でワークおよび冶具の形状を一体的に計測したデータをもとに、冶具の個別モデルを生成する技術が開示されている。
特許第４０８３５５４号公報 特許第４４５６４５５号公報 特許第６０４３２３４号公報
しかしながら、特許文献１に開示される従来技術では、ワークと冶具とを一体の３次元モデルとして作成してしまい、そのような３次元モデルからはワークと冶具の区別ができないため、干渉チェックにおいてワークと冶具とを区別してチェックすることができない。また、特許文献２に開示される従来技術では、３次元モデルを作成する際にワークとチャック（治具）それぞれの不装着時の画像と装着時の画像を別に撮像する必要があり、３次元モデルの作成の手間を充分に軽減できているとは言えない。更に、特許文献３に開示される従来技術では、ワークと冶具が一体の３次元モデルからワークの３次元モデルを利用して冶具の３次元モデルを切り出しているが、ワークの３次元モデルは作業者が別途ＣＡＤで作成する必要があり、作業者は冶具の３次元モデルの作成の手間こそかからないものの、ワークの３次元モデルの作成はしなければならない。
そこで本発明の目的は、一度の撮影乃至計測でワーク及び治具の３次元モデルを作成することが可能な３次元モデル作成装置を提供することである。
本発明の３次元モデル作成装置は、ワーク及び該ワークが装着された治具を一緒に撮影乃至計測して得られた画像と、作業者による簡単な操作とにより、ワークの３次元モデルと冶具の３次元モデルとを別に作成する機能を備えることにより、上記課題を解決する。本発明の一実施形態による３次元モデル作成装置は、例えば図６に示すように、撮影乃至計測された画像から３次元モデルを構成し、構成した３次元モデルの稜線の接続関係から３次元モデルを複数の３次元モデルのパーツへと分割して、それぞれの分割した３次元モデルのパーツに対して作業者によるタグ付けを行なわせて、タグ付けられたモデルから冶具・ワークの個別の３次元モデルを作成する
そして、本発明の一態様は、少なくとも２以上の物体を一緒に撮像乃至計測することで得られたデータに基づいて作成された一体モデルから、前記物体の個別の形状を示す個別モデルを作成する３次元モデル作成装置において、前記一体モデルを形成する各面を延長した延長面により該一体モデルを分割した複数の分割モデルを作成する３次元モデル分割処理部と、前記分割モデルのそれぞれへのタグ付けを受け付けるユーザインタフェース部と、分割モデルへのタグ付けに基づいて、前記物体の個別モデルを作成する個別モデル作成部と、を備えた３次元モデル作成装置である。
本発明により、作業者はワーク及び該ワークが装着された治具を一緒に撮像乃至計測して得られた画像から、治具とワークのそれぞれ個別の３次元モデルを作成できるので、３次元モデルを作成する手間を大きく軽減することができる。
一実施形態による３次元モデル作成装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。 一実施形態による３次元モデル作成装置の概略的な機能ブロック図である。 ステレオビジョンによる３次元モデルの作成方法を説明する図である。 一体モデルの分割方法の例を示す図である。 凹稜線と凸稜線の判別方法の例を示す図である。 本発明の３次元モデル作成方法について説明する図である。
以下に本発明を実現するための３次元モデル作成装置の構成例を示す。
図１は一実施形態による３次元モデル作成装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。本実施形態による３次元モデル作成装置１は、例えば数値制御装置として実装することができる。また、本実施形態による３次元モデル作成装置１は、例えば工作機械に併設されるパソコン等として実装することができる。更に、本実施形態による３次元モデル作成装置１は、例えば工作機械に併設される干渉チェック装置等として実装することもできる。図１は、パソコンとして実装された３次元モデル作成装置１のハードウェア構成の例を示している。
３次元モデル作成装置１は、プロセッサ１０を中心に構成されている。３次元モデル作成装置１が備える各構成要素はバス１７を介して接続されており、該バス１７を介して互いにデータをやり取りする。プロセッサ１０はＲＯＭ１１に格納されたシステム・プログラムに従って３次元モデル作成装置１の全体を制御する。このＲＯＭ１１にはＥＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどが使用される。
ＲＡＭ１２にはＤＲＡＭ等が使用され、一時的な計算データ、表示データ、入出力信号等が格納される。不揮発性メモリ１３には図示されていないバッテリによってバックアップされたＣＭＯＳやＳＲＡＭ等が使用され、電源切断後も保持すべきパラメータ等が記憶される。
機械操作盤１８は、３次元モデル作成装置１の前面などに配置され、３次元モデル作成装置１の動作に必要とされるデータ及び図形の表示、作業者の手動操作入力や、データ入力などを受け付け、３次元モデル作成装置１の動作に使用される。グラフィック制御回路１９は数値データ及び図形データ等のデジタル信号を表示用のラスタ信号に変換し、表示装置２０に送り、表示装置２０はこれらの数値及び図形を表示する。表示装置２０には主に液晶表示装置が使用される。
入力装置２１は、キースイッチやロータリースイッチ、数値キー、シンボリックキー、文字キー及び機能キーを備えたキーボードや、マウスなどのポインティングデバイスから構成される。
タッチパネル２２は、作業者によるタッチやドラッグなどの操作を検知する機能を備える。タッチパネル２２は表示装置２０の画面上に重畳して配置され、作業者が表示装置２０の画面上に表示されたソフトウェアキーやソフトウェアボタン、ソフトウェアスイッチに対して行った操作をタッチパネル２２により検知することができる。なお、タッチパネル２２と表示装置２０とを併せて１つの装置として構成しても良い。
通信部２３は、有線／無線ネットワークを介して数値制御装置、干渉チェック装置、セルコンピュータ、ホストコンピュータ等との間でデータ通信を行なう。３次元モデル作成装置１で作成された３次元モデルデータは、例えば通信部２３を介して数値制御装置へと送信される。
インタフェース１４はセンサ１００により撮像乃至計測して得たデータを３次元モデル作成装置１へと取り込むインタフェースである。センサ１００は、３次元モデルを作成するためのデータが取得できるものであればどのようなものを用いても良い。センサ１００としては、例えばカメラや距離センサなどを利用することができ、更に好適には、３次元距離画像カメラやステレオビジョン等のように、撮像対象の画像と、該画像の各ピクセルに対する撮像位置からの距離を取得できるものを用いることができる。
図２は、本発明の３次元モデル作成機能を実現するためのシステム・プログラムを図１で示した３次元モデル作成装置１上で実行した場合の、本発明の一実施形態による３次元モデル作成装置の要部を示す概略的な機能ブロック図である。図２に示した各機能ブロックは、図１に示した３次元モデル作成装置１が備えるプロセッサ１０が、３次元モデル作成機能のためのシステム・プログラムを実行し、３次元モデル作成装置１の各部の動作を制御することにより実現される。本実施形態の３次元モデル作成装置１は、データ取得部１１０、３次元モデル作成部１２０、３次元モデル分割処理部１３０、ユーザインタフェース部１４０、個別モデル作成部１５０を備え、また、不揮発性メモリ１３上にはワーク及び該ワークが装着された治具を一緒に撮像乃至計測して得られた画像を格納するためのデータ格納部２００、及び３次元モデルを格納するための３次元モデル格納部２１０が確保されている。
データ取得部１１０は、センサ１００により撮像乃至計測して得られたデータを取得し、データ格納部２００へと格納する機能手段である。データ取得部１１０は、例えばワーク及び該ワークが装着された治具をセンサ１００により複数の方向から撮像乃至計測して取得した複数のデータの組をデータ格納部２００に格納するようにしても良い。
３次元モデル作成部１２０は、データ格納部２００に格納されたワーク及び該ワークが装着された治具を一緒に撮像乃至計測して得られたデータから、３次元モデルを作成する機能手段である。３次元モデル作成部１２０は、データ格納部２００に格納されたデータから作成した３次元モデルを、ワーク及び治具の一体モデルとして、３次元モデル格納部２１０に格納する。
一般に、データとしての画像から３次元モデルを作成する手法は、例えば視体積交差法やステレオマッチング法等の様々な方法が知られているが、３次元モデル作成部１２０による３次元モデルを作成する手法としては、何らかの手段で取得されたワーク及び該ワークが装着された治具の撮像乃至計測の結果に基づいて３次元モデルを作成できる方法であれば、どのような方法を用いても良い。
３次元モデル作成部１２０による３次元モデル作成の一例として、３次元距離画像を用いた方法を簡単に説明する。この方法では、まずデータ取得部１１０により、センサ１００としての３次元距離画像カメラやステレオビジョン等でワーク及び該ワークが装着された治具を一緒に複数方向から撮影し、複数の距離画像を得て、データ格納部２００に格納する。３次元距離画像カメラを用いて距離画像を撮像する際には、３次元距離画像カメラは予め所定の位置に設置するようにしても良いし、例えば工作機械の主軸や工作機械に併設されるロボットに３次元距離画像カメラを取り付けて、軸移動により３次元距離画像カメラを所定の位置へと移動させて撮像するようにしても良い。また、図３に示すように、ステレオビジョンを使用して対象物の画像を取得している場合には、以下の手順で距離画像を得る。
●［手順ａ１］画像内で特徴点を検出
●［手順ａ２］各画像間（図３では、右目画像（ＸR，ＹR）と左目画像（ＸL，ＹL））で特徴点を対応付け
●［手順ａ３］検出した対応点を元に以下の数１式を用いて３次元位置を計算
Figure 0006659641
このようにして得られた複数の距離画像に対して、３次元モデル作成部１２０は、平行移動と回転により撮影した画像を同座標系に位置合せする。そして、同座標系に位置合せした複数の距離画像を用いて、３次元モデル作成部１２０は、ボクセル上の符号付距離を求め、マーチングキューブ法を用いてメッシュを作成する。
更に、３次元モデル作成部１２０は、このようにして作成したメッシュに対して、以下の手順で簡略化した３次元モデルを作成する。
●［手順ｂ１］３次元モデルの各メッシュの面の法線を計算
●［手順ｂ２］隣接する面の法線について外積を計算
●［手順ｂ３］計算した外積があらかじめ決めた閾値以下であれば同一平面とみなし、面を合成
３次元モデル分割処理部１３０は、３次元モデル格納部２１０に格納されたワーク及び治具の一体モデルに基づいて、該一体モデルの各部分を分割した分割モデルを作成する機能手段である。３次元モデル分割処理部１３０は、図４に示すように、一体モデルを形成する各面を延長した延長面により一体モデルを分割する。３次元モデル分割処理部１３０は、３次元モデル格納部２１０に格納された一体モデルを分割して得られた分割モデルを３次元モデル格納部２１０に格納する。
３次元モデル分割処理部１３０による一体モデルの分割アルゴリズムは様々なアルゴリズムが考えられるが、一例として、一体モデルの各部における稜線（面と面とが接する境目の線）が凹稜線であるのか又は凸稜線であるのかを判別し、凹稜線に対して接続する面の従法線の方向（従法線ベクトルの正負方向）に他の稜線と交差する位置まで面を拡張し、交差する点でモデルを分割するようにしても良い。この方法を取る場合、３次元モデル分割処理部１３０は、例えば以下の手順に従って、一体モデルの各部における稜線（面と面とが接する境目の線）が凹稜線であるのか又は凸稜線であるのかを判別する（図５）。
●［手順ｃ１］判別対象となる稜線（ベクトル）に接する面１と面２（稜線ベクトルに対して物体の表側から見て右側の面を面２とする）のそれぞれの（物体の表側へ向かう）法線ベクトルを求める
●［手順ｃ２］面２の法線ベクトルと稜線ベクトルに対して従法線ベクトルを求める
●［手順ｃ３］面１の法線ベクトルと求めた従法線ベクトルの内積を求め、内積が負の場合には凸稜線、内積が正の場合は凹稜線として判断する

上記した３次元モデル分割アルゴリズムは、「尹泰聖，外２名，"多重特徴認識に基づいた溶接部品の形状分割支援"，精密工学会誌，精密工学会，第６２巻，第１２号，ｐ．１７０７−１７１１」等ですでに公知となっているので、本明細書での更なる詳細な説明は省略する。
ユーザインタフェース部１４０は、３次元モデル格納部２１０に格納された分割モデルを表示装置２０に表示して作業者へ提示すると共に、表示装置２０に表示された分割モデルに対して入力装置２１、タッチパネル２２等を用いた作業者によるタグ付けを要求する機能手段である。ユーザインタフェース部１４０は、それぞれの分割モデルに対して、ワークであるのか、治具であるのかを示すタグ付けを受け付けるようにしても良い。ユーザインタフェース部１４０は、作業者による複数の分割モデルの選択を受付け、選択した複数の分割モデルに対して同時にタグ付けできるようにしても良い。
個別モデル作成部１５０は、作業者からそれぞれの分割モデルに対して付与されたタグに基づいて、同一のタグを付与された分割モデルを１つのモデルとした個別モデルを作成する機能手段である。個別モデル作成部１５０は、ワークにタグ付けられた分割モデルからワークの個別モデルを作成し、治具にタグ付けられた分割モデルから治具の個別モデルを作成しても良い。個別モデル作成部１５０は、同じタグが付けられた分割モデルが接していない場合は、同一のタグに対応する複数の個別モデルを作成するようにしても良い。個別モデル作成部１５０は、３次元モデル格納部２１０に格納された分割モデルから得られた個別モデルを３次元モデル格納部２１０に格納する。
このようにして、本実施形態の３次元モデル作成装置１により作成され、３次元モデル格納部２１０に格納されたワーク、治具等の個別モデルは、数値制御装置や干渉チェック装置等が備える加工シミュレーション機能や干渉チェック機能において活用される。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。
例えば、上記実施形態ではワークと該ワークが装着された治具とを一緒に捉えた一体モデルからワークと治具の個別モデルを作成する例を示しているが、例えば工具と主軸とを一緒に捉えた一体モデルから工具と主軸の個別モデルを作成する等、他の目的で利用することも可能である。
１ ３次元モデル作成装置
１０ プロセッサ
１１ ＲＯＭ
１２ ＲＡＭ
１３ 不揮発性メモリ
１４ インタフェース
１８ 機械操作盤
１９ グラフィック制御回路
２０ 表示装置
２１ 入力装置
２２ タッチパネル
２３ 通信部
１００ センサ
１１０ データ取得部
１２０ ３次元モデル作成部
１３０ ３次元モデル分割処理部
１４０ ユーザインタフェース部
１５０ 個別モデル作成部
２００ データ格納部
２１０ ３次元モデル格納部

Claims (3)

  1. 少なくとも２以上の物体を一緒に撮像乃至計測することで得られたデータに基づいて作成された一体モデルから、前記物体の個別の形状を示す個別モデルを作成する３次元モデル作成装置において、
    前記一体モデルを形成する各面を延長した延長面により該一体モデルを分割した複数の分割モデルを作成する３次元モデル分割処理部と、
    前記分割モデルのそれぞれへのタグ付けを受け付けるユーザインタフェース部と、
    分割モデルへのタグ付けに基づいて、前記物体の個別モデルを作成する個別モデル作成部と、
    を備えた３次元モデル作成装置。
  2. 前記物体は、ワーク及び治具を含む、
    請求項１に記載の３次元モデル作成装置。
  3. 前記３次元モデル分割処理部は、前記一体モデルの各稜線に対して、それぞれの稜線が凹稜線か凸稜線かを判別し、凹稜線と判別した稜線に接続する面を従法線の方向に他の稜線と交差する位置まで拡張して、交差する点でモデルを分割する、
    請求項１または２に記載の３次元モデル作成装置。
JP2017175420A 2017-09-13 2017-09-13 ３次元モデル作成装置 Active JP6659641B2 (ja)

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