JPH01188255A - 加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は加工方法に係り、特に三次元視覚装置を用いて
モデル形状通りに工具を移動させて加工する加工方法に
関する。

〈従来技術〉 倣い加工においては、スタイラスをモデルに接触させた
時にトレーサヘッドから生じる三次元変位量ε８．ε７
．ε２を検出し、該三次元変位量を用いてスタイラスを
モデル表面に接触させながら移動させ、同時にスタイラ
スと一体に工具を移動させ、以後同様な動作により素材
にモデル形状通りの加工を施す。かかる倣い加工によれ
ばＮＣテープを作成するのが困難な自由曲面部分を、モ
デルさえあれば簡単に加工することができる。

〈発明が解決しようとしている課題〉 ところで、接触型のスタイラスを用いる倣い加工は、モ
デルが固い材料でできている場合は良いが、粘土のよう
な柔らかい材料でできている場合や、脆くて壊れやすい
材料でできている場合には、スタイラスの接触によりモ
デルが変形してしまい適用できない。

以上から、本発明の目的は非接触でモデル形状通りに加
工できる加工方法を提供することである。

く課題を解決するための手段〉 第１図は本発明の加工方法を実施するシステムのブロッ
ク図である。

ＤＮＣはデジタイジング／数値制御部、ＩＭＳは三次元
視覚装置、ＳＮは視覚センサ部、ＩＰＲは画像処理部、
ＡＸＣは軸制御部、ｏｐｐば操作盤、ＴＲＭは倣い工作
機械、ＣＴはカッタ、ＭＤＬはモデル、ＣＬＭはコラム
である。

く作用〉 三次元視覚装置ＩＭＳはモデルＭＤＬ表面のポイントの
三次元位置データを計測し、デジタイジング／数値制御
部ＤＮＣは該三次元位置データを用いて各ポイントにお
ける法線ベクトルを計算すると共に、各ポイントにおい
て法線方向に所定量オフセットしたポイントを工具中心
が移動するように通路データを作成する。そして、通路
データが作成されている状態において、テーブルＴＢＬ
からモデルをはずす代わりに素材を載せ、この状態でデ
ジタイジング／数値ｌ！ｌ！ｌｌ１１部ＤＮＣは通路デ
ータに基づいて軸制御部ＡＸＣを介して各軸モータＸＭ
、ＹＭ、ＺＭを回転して工具（カッタ）ＣＴを素材に対
して相対的に移動させてモデル形状通りに加工する。

〈実施例〉 第１図は本発明の加工方法を実現するシステムのブロッ
ク図である。

ＤＮＣはモデル形状通りに加工する通路データを作成す
ると共に、該通路データを用いて数値制御処理を実行す
るデジタイジング／数値制御部、ＩＭＳは三次元視覚装
置であり、第２図に示すようにカメラＣＭＲと、プロジ
ェクタＰＲＪと、画像処理部ＩＰＲを有しモデルの画像
を取り込み、画像処理を行ってモデルの三次元形状を出
力するようになっている。尚、カメラＣＭＲとプロジェ
クタＰＲＪは一体にして視覚センサ部ＳＮ（第１図）を
構成し、カッタＣＴと同一の動作をする部位（コラムＣ
ＬＭ）に装着されている。この三次元視覚装置の原理と
しては、 （ｉ）グレイコードパターン光を投影＠ＰＲＪで投影し
て空間をコード化して表わし、その画像をカメラＣＭＲ
で撮影して三角測量の原理によりモデルの三次元情報（
画像）を得るものや、（１１）スリット光を投影して同
様に三角測量の原理で光の当たっている部分の三次元位
置を求め、スリット光を回転ミラーで走査して、１画面
分の三次元情報（画像）を得るものや、 （２）振幅変調を掛けたレーザポット光の送信波と反射
波の位相差からモデル迄の距離を計算し、乙のレーザ光
を２次元的に走査して１画面分の三次元情報（画像）を
得るものなどが知られている。

尚、三次元視覚装置ＩＭＳにより得られる画像は、各画
素がモデルまでの距離を表わすので距離画像と呼ばれて
いるが、モデルと背景はある程度以上の距離があれば分
離が容易にできるという特徴がある。従って、三次元視
覚装置ＩＭＳはモデルの三次元形状を得てデジタイジン
グ／数値制御部ＤＮＣに入力することが可能である。

ＡＸＣは軸制御部であり、図示しないが各軸毎にパルス
補間回路、指令位置と実際の位置間の偏差を記憶するエ
ラーレジスタ、該偏差に比例したアナログ速度指令Ｖつ
、　Ｖ、、　Ｖ２を出力するＤＡ変換器を有している。

ＯＰＰは操作盤であり、各種操作指令を出力すると共に
、工具径、加工範囲、加工方向、ピックフィード量等加
工に必要なデータを設定するようになっている。ＳＶＸ
、ＳＶＹ。

ＳｖＺは各軸サーボ回路である。

ＴＲＭは倣い工作機域であり、テーブルＴＢＬをそれぞ
れＸ、Ｙ軸方向に駆動するＸ軸及びＹ軸のモータＸＭ、
ＹＭと、視覚センサ部ＳＮ及びカッタＣＴが装着された
コラムＣＬＭをＺ軸方向Ｃζ駆動するＺ軸モータＺＭと
、各軸モータが所定量回転する毎に１個のパルスＰ、、
　Ｐｖ、　Ｐ２を発生するパルス発生器ＰＧＸ、ＰＧＹ
、ＰＧＺが設けられている。テーブルＴＢＬには通路デ
ータ作成時、モデルＭＤＬのみが載置され、三次元視覚
装置ＩＭＳにより該モデル形状、換言すればモデル表面
各ポイントにおける三次元位置データが計測されるよう
になっており、又テーブルＴＢＬには加工時、素材（ワ
ーク）が載置されてカッタＣＴにより加工されるように
なっている。

第３図は本発明にかかる加工方法の処理の流れ図であり
、以下この流れ図に従って説明する。

予め、三次元視覚装置ＩＭＳと機械側の座標の較正をし
てお（。較正の方法は、例えば倣い工作機械ＴＲＭのテ
ーブルＴＢＬ上に寸法の計測しやすい物体をおいてその
物体上の数点に機械上の位置が既知の点、例えば工具先
端を位置決めしてその時の機械側の座標を計測し、同じ
点の座標を視覚装置ＩＭＳにおいても計測して、両者間
の座標変換の係数を求めておくことにより行う。

さて、はじめにテーブルＴＢＬにモデルＭＤＬのみを載
置し、三次元視覚装置ＩＭＳによりモデルの距離画像を
求める（ステップ１０１）。

ついで、距離画像におけるモデルと背景の分離を行う（
ステップ１０３）。尚、背景とモデルの間にある程度の
距離が存在すれば、カメラＣＭＲの光軸方向の特定範囲
内の距離画像をモデルの距離画像とみなして容易に分離
することができろ。

モデルの距離画像が求まれば、画像処理装置■ＰＲは該
距離画像を２値化し、それをデイスプレィ画面の縦軸及
び横軸に投影する。これにより２次元的なモデルの存在
領域が分かる。しかる後、該存在領域を例えばｍ　Ｘ　
ｍ画素の小領域に分割する（ステップ１０５）。尚、ｍ
Ｘｍとしては、例えば５Ｘ５，７Ｘ７等が考えられる。

ついで、各小領域の法線ベクトルを求める（ステップ１
０７）。尚、小領域の法線ベクトルは以下のようにして
求めることができる。

平面の方程式を Ａ−ｘ＋Ｂ−ｙ＋Ｃ−２＋Ｄ＝Ｏ ｚ−−Ａ−ｘ／Ｃ−Ｂ−ｙ／Ｃ−Ｄ／Ｃ（Ｃ≠０）で表
現する。尚、Ｃ＝ＯはＺ軸に平行な平面を意味し、従っ
て上式で表現される平面はＺ軸に平行でないものとする
。これは、カメラの光軸をＺ軸とするからであり、通常
このような平面は見えない。ここで、 −Ａ／Ｃ＝　ａ　、、　−Ｂ／Ｃ＝　ｂ　、、　−Ｄ／
Ｃ＝　ｄ　、とすると平面方程式は ｚ　；ａ　１’　ｘ　＋　ｂ　、　・ｙ　＋　ｄ　。

と変形できる。この結果、最小二乗法の正規方程式ζよ
次のようになる。尚、ｋは小領域の画素数、（ｘ、ｐ　
Ｙ　、　ｐ　ｚ□は第１画素の座標値である。

Σｚ、＝ａ、Σｘ、＋ｂ、Σｙ、＋に−ｄ、　　　　（
ｉ　＝１〜ｋ）Σｘ、ｚ、＝ａ、Σｘ　’、＋　ｂ　、
Σｘ、ｙ、＋ｄ、Σｘ、（ｉ＝１〜ｋ）Σｙ、ｚ、＝ａ
、Σｘ、ｙ、＋ｂ、Σｙ７−＋−ｄ、Σｙ　、　　（ｉ
　＝　１〜ｋ）ガウス記号を用いて表わすと（ΣＸ　、
　ｙ　、−［ｚ　ｙ　］等）以下のようになる。

［ｘｌ　ａ、＋　［ｙｌ　ｂ１＋ｋ　−ｄ、＝　［ｚ］
［ｘｘ］　　ａ、＋　　［ｘｙコ　ｂｉ＋　　［ｘｌ　
　ｄ、＝　　［ｚｘ］［ｘｙｌ　ａ、＋　［ｙｙｌ　ｂ
、＋　［ｙｌ　ｄ、＝　［ｙｚ］この連立方程式をａｌ
、　ｂｌ、　ｄ、について解くと、ａ　、＝　（ｕ、、
　’　ｕ　、１ｌ−ｕ　、、　’　ｕ　、、）　／ｖ。

ｂ、＝　（ｕ、、−ｕ、、’−ｕ、、−ｕ、１１）　／
ｖ１ｄ、＝　（［ｚ］　−［ｘｌ　ａ、−［ｙｌｂ、）
　／にただし、 ｙ＝ｕ　　砕ｕ　　−ｕ− １ｘｘ　　　　　ｙｙ　　　　　貿ｙ −＝　　［ｘｌ　　”−ｋ　　［ｘｘコ　ｐ　　　　ｕ
ｌｌ、＝　　［ｘｌ　　　［ｙｌ　　−ｋ　　［ｘｙｌ
　　ｐ　　ｅ　　ｔ　　（！。

［Ｘコ　＝Σｘ、、　　　［ｘｘ］　　”’Σｘ’、、
　　　［ｘｙ］＝Σｘｌｙｌ、　　ｓｔｅｍ以上により
、ａｌ、　ｂｌ、　ｄ、を求めた後、平面方程式　ａ、
・ｘ＋ｂ、・ｙ−ｚ＋ｄ、＝Ｏを標準形ａ１’　＋　ｘ
＋ｂ、’　・ｙ＋ｃ、’　・ｚ−ｄ　’　＝０に直す。

すなわち、 ａ、’　＝ａ、／Ｎ、　ｂｉ’　＝＝ｂ、／Ｎ、　ｃ、
’　＝−１／Ｎ、　ｄ、’　＝−ｄ１／ＮＮ＝ｆπマー このとき、ベクトル（ａ％　、１．、′、　Ｃ１／　）
が、この平面式の単位法線ベクトルとなる。尚、以上で
は距離画像をｍ　Ｘ　ｍ画素の小領域に分割し、各小領
域毎に法線ベクトルを求め、該法線ベクトルを小領域に
おける各画素（ポイント）の法線ベクトルとしたが、ベ
クトル（”Ｉ　　Ｐ　　、′ｌ　Ｃ１′）′　　　ｂ を小領域中心の画素のみの法線ベクトルとし、以下同様
に各画素の法線ベクトルを求めるようにしてもよい。そ
して、このようにすれば精度の良好な通路データが得ら
れる。

各小領域（各画素）の法線ベクトルが求まれば、デジタ
イジング／数値制御部ＤＮＣのプロセッサは、モデルＭ
ＤＬ表面における各ポイントの位置データ（座標値）を
較正係数を用いて機械側の座標値に較正し、該較正座標
値と法線ベクトルを対にして記憶する（ステップ１０９
）。

しかる後、ステップ１０９で得られた三次元形状データ
を、既に得られているモデルの三次元形状データＭＦＤ
に合成し、新たな三次元形状データＭＦＤとする（ステ
ップ１１１）。初期状態においては形状データＭＦＤは
存在していない。

尚、ステップ１１１の合成が必要となる理由は、１つの
視点からでは加工に必要なモデルの座標値が全て得られ
ない場合（影になる部分）があるからであり、視点を変
えて、すなわち機械を動かして視覚装置ＩＭＳの視覚セ
ンサ部ＳＮの位置を変えて距離画像を計測してそれぞれ
合成し、モデル表面における全ポイントの座標値を求め
る必要があるからである。

ついで、モデル表面における全ポイントの座標値が得ら
れたかチエツクし、得られてなければ視覚センサ部ＳＮ
の位置を変えてステップ１０１以降の処理を繰り返す（
ステップ１１３）。

一方、モデルＭＤＬの全点の座標値が得られ＼ば、操作
盤ＯＰＰから工具先端の半径Ｒ１加工範囲ＭＲ（第４図
参照）、工具送り方向（たとえばＸ軸方向）、ピックフ
ィード方向（たとえばＹ軸方向）、ピックフィード量Ｃ
等を指令する（ステップ１１５）。

加工に関するデータが入力され５ば、デジタイジング／
数値制御装置ＤＮＣのプロセッサζよ法線方向に工具径
Ｒだけオフセットしたポイントを工具中心が移動するよ
うに、しかも指令された送り方向（Ｘ方向）に加工範囲
ＭＲの境界線まで移動し、ついでピックフィードし、し
かる後指令された工具送り方向と逆方向（同方向でもよ
い）に加工範囲境界線まで移動するサイクルを繰り返す
ように通路データを生成する（第４図参照ステップ１１
６）。

以上により、通路データが作成され−ば、テーブルＴＢ
Ｌからモ、デルをはずし、代わって素材をテーブルに固
定する。しかる後、デジタイジング／数値制御部ＤＮＣ
は通路データに基づいて周知の数値制御処理を行い、軸
制御部ＡＸＣを介して各軸モータＸＭ、ＹＭ、ＺＭを回
転してカッタＣＴを素材に対して相対的に移動させてモ
デル形状通りに加工する。

〈発明の効果〉 以上本発明によれば、三次元視覚装置を用いてモデル上
のポイントにおける三次元位置データを求めると共に、
該三次元位置データを用いて各ポイントにおける法線ベ
クトルを計算し、各ポイントにおいて法線方向に所定量
オフセットさせながら工具を移動させる通路データを生
成し、該通路データに基づいて工具を移動させて素材を
加工するように構成したから、モデルが柔らかい場合、
あるいは脆くて壊れやすい場合であっても非接触７でモ
デル形状を把握して該モデル形状通りの加工ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の加工方法を実現するシステムのブロッ
ク図、 第２図は三次元視覚装置の説明図、 第３図は本発明の処理の流れ図、 第４図は加工に必要なデータ説明図である。 Ｉ）ＮＣ・・デジタイジング／数値制御部、ＩＭＳ・・
三次元視覚装置、 ＳＮ・・視覚センサ、 ＩＰＲ・・画像処理部、 ＡＸＣ・・軸制御部、 ＯＰＰ・・操作盤、 ＴＲＭ・・倣い工作機械、 ＣＴ・・カッタ、 ＭＤＬ・・モデル、 特許出願人　　　　　　　　ファナック株式会社代理人
　　　　　　　　　　弁理士　　齋藤千幹第２図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）三次元視覚装置を用いてモデル上の各ポイントに
   おける三次元位置データを求めると共に、該三次元位置
   データを用いて各ポイントにおける法線ベクトルを計算
   し、各ポイントにおいて法線方向に所定量オフセットさ
   せながら工具を移動させる通路データを生成し、該通路
   データに基づいて工具を移動させて素材を加工すること
   を特徴とする加工方法。
2. （２）加工範囲や工具送り方向、ピックフィード量等を
   指令し、該指令された送り方向に加工範囲境界線まで移
   動し、ついでピックフィードし、しかる後指令された工
   具送り方向に、あるいは該送り方向と逆方向に加工範囲
   境界線まで移動して加工するサイクルを繰り返すように
   前記通路データを作成することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の加工方法。