KR101497260B1

KR101497260B1 - 형상 계측 방법

Info

Publication number: KR101497260B1
Application number: KR20137028751A
Authority: KR
Inventors: 히데타케 기류; 겐지 구라; 히데아키 야마모토; 히로시 오이시; 겐지로 야마사키
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2015-02-27
Also published as: MX2013012660A; RU2013148563A; JP2013011579A; TW201250509A; BR112013027644A2; CN103534554A; JP5022508B1; TWI451282B; KR20130137695A; WO2012164987A1

Abstract

계측 점군 데이터에 근거하여 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 서피스(C)를 음함수로 하여 작성하는 공정과, 서피스(C)가 존재하는 계측 영역 전체를 3차원 들로네 다이어그램에 의한 분할 처리에 의해 간극 없이, 중복 없이 꽉 채운 사면체의 소영역(이하, 셀이라 함)으로 분할하는 공정과, 셀의 각 정점(4)을 서피스(C)의 내측에 존재하는 내점(5)과, 외측에 존재하는 외점(6)으로 분류하는 공정과, 경계 셀을 추출하는 공정과, 경계 셀과 서피스(C)의 교점(7)을 계산하는 공정과, 각 경계 셀이 갖는 교점(7)을 서로 연결하는 것에 의해 삼각형 또는 사각형의 면(8)을 구하는 공정과, 모든 면(8)을 결합하는 공정을 포함하므로, 계측 대상물의 매니폴드이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체 데이터를 자동적으로 작성할 수 있다.

Description

형상 계측 방법{SHAPE MEASURING METHOD}

본 발명은 수치 제어 장치에 의해 제어되는 산업 기계 등에 이용되는 형상 계측 방법에 관한 것이다.

공작 기계의 충돌 방지 장치로서 이용되는 형상 계측 방법으로서는, 대상물에 슬릿광을 조사하여, 대상물의 형상에 따른 광상을 얻고, CCD 카메라에서 촬상한다고 하는 광 절단법이 알려져 있다(특허문헌 1).

또한, CAD 시스템에서 대상물의 3차원 모델을 작성하는 방법으로서는, 기준면에 설치한 대상물의 제 1 점군 데이터와, 기준면에 자세를 바꾸어 설치한 대상물의 제 2 점군 데이터를 취득하고, 이들 2개의 점군 데이터를 결합하여 단일의 결합 점군 데이터로 하는 방법이 있다(특허문헌 2).

또한, 충돌 방지 장치에 이용되는 형상 계측 방법으로서는, 공간을 다면체 형상으로 분할하여 형성된 3차원 메시 구조를 생성하고, 측정된 상기 워크까지의 거리 정보에 근거하여, 워크의 측정점 좌표를 산출하고, 3차원 메시 구조의 1단위[이하, 복셀(voxel)이라 함]와 대응하는 워크의 위치를 주사한 회수에 대한, 산출한 측정점이 복셀에 포함되는 회수의 비율이 소정의 역치 이상일 때에, 복셀은 상기 워크의 형상으로 하여 측정 형상 맵을 작성하는 방법이 있다(특허문헌 3).

일본 특허 제 2895316 호 일본 특허 공개 제 2003-345840 호 일본 특허 공개 제 2009-265023 호

점군 데이터로부터 STL 데이터를 생성하는 경우는 도 26에 나타내는 2차원 들로네(delaunay) 다이어그램 등을 이용하는 것을 고려할 수 있다. 여기서, STL란, 3D system사에 의해서 개발된 3차원 CAD 시스템의 업계 표준 파일 포맷인 Standard Triangulated Language의 약자이며(Stereo Lithography라고도 함), 3차원 형상을 작은 삼각형의 집합체로 표현하는 것이다. 또한, 2차원 들로네 다이어그램이란, 「각 삼각형(셀)의 외접원이 다른 정점을 내부에 포함하지 않는 공간 분할」이다.

2차원 들로네 다이어그램에 의해서 생성된 STL 데이터는, 폐쇄되어 있지 않은 다면체가 된다. 즉, 복수 방향으로부터 3차원 계측을 실행하고, 각각의 계측 방향으로부터의 면 생성 결과를 좌표계 정합·결합하여, 형상 데이터를 생성한다. 이와 같이 하여 생성된 형상 데이터는, 서피스(면)의 집합이며, 볼륨 요소를 가진 솔리드 형상을 엄밀하게 정의하고 있지 않다. 특허문헌 2에서는, 제 1, 제 2 점군 데이터를 결합할 때에 결락 개소가 있으면, 작성한 단일의 결합 점군 데이터가 솔리드화 하지 않아서, 폐쇄된 형상 모델은 되지 않을 가능성이 있었다.

계측 데이터의 이용 방법에 따라서는, 종래의 서피스 형상으로 필요 충분한 것도 있지만, 어플리케이션에 따라서는, 입력 형상 데이터로서 폐쇄된 다면체인 것을 전제 조건으로 하고 있는 경우가 있다.

이것은 프로그램 상에서 간섭 계산 등의 기하 계산을 실행할 때, 물체의 볼륨 요소를 엄밀하게 정의한 폐쇄된 다면체를 계산의 출발점으로 함으로써 어플리케이션의 실장 용이성·강건성이 향상하는 것에 기인한다.

계측 점군으로부터 폐쇄된 STL 데이터를 생성하기 위해서, 도 27에 나타내는 복셀 형상 표현 등 이산적인 형상 모델을 이용하여, 이에 대응할 수도 있다. 특허문헌 3은 워크의 3차원 데이터인 측정 형상 맵을 이용하지만, 측정 형상 맵이 3차원 메시 구조의 복셀이기 때문에, 이산적인 형상 모델이었다.

그렇지만, 이산적인 복셀 형상 표현에서는, 해상도 향상에 따른 메모리 사용량·처리 속도의 알고리즘이 3승의 오더로 증가하여, 고해상도의 형상 표현이 매우 곤란하다.

또한, 복셀 형상으로부터 생성한 폐쇄된 다면체에서는, 비매니폴드(non-manifold)인 다면체가 될 가능성이 크다. 폐쇄된 다면체와 마찬가지로 매니폴드(manifold)인 다면체인 것도 기하 계산을 취급하는 어플리케이션의 제약 조건이 되는 경우가 있어서, 해결 과제가 되고 있다.

여기서, 「매니폴드」인 다면체란, 도 23 내지 도 25에 도시하는 바와 같이, 다면체의 변과 면의 접속 관계에 주목했을 때에, 1개의 변을 3개 이상의 면이 공유하는 「비매니폴드」가 아니며, 기하학적으로 소성(素性)이 양호한 성질을 갖는 다면체를 의미한다. 도 23은 4개의 평면이 1개의 변을 공유하는 예를 도시하고, 도 24는 2개의 입방체의 4개의 면이 1개의 변을 공유하는 예를 도시하며, 도 25는 4개의 경사면의 상단이 1개의 변을 공유하는 예를 나타내는 것이다.

또한, 다면체의 중요한 특성으로서 자기 교차를 포함하지 않는다고 하는 성질을 고려할 수 있다. 자기 교차란, 다면체를 구성하는 삼각형끼리가 서로 중첩되는 현상을 의미한다. 자기 교차를 포함하는 다면체도 기하 계산에 관한 어플리케이션에서는 취급이 어렵기 때문에, 자기 교차를 포함하지 않는다고 하는 다면체의 특성은 중요하다. 도 28은 자기 교차를 포함하는 다면체의 예를 나타내는 것이다. 도 28의 (a)는 2차원에 있어서의 자기 교차를 도시하고, 도 28의 (b) 및 (c)는 3차원에 있어서의 자기 교차의 예(1), (2)를 도시한 것이다(도면 중 파선 부분이 자기 교차임).

본 발명은 상술한 종래 기술을 감안하여 이루어진 것으로서, 3차원 계측기에 의해서 계측한 점군 데이터로부터 계측 대상물의 매니폴드이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체 데이터를 생성하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하는 본 발명의 청구항 1에 따른 형상 계측 방법은 이하의 공정에 의해 구성된다.

(1) 3차원 계측기에 의해서 계측 대상물을 복수의 계측 방향으로부터 주사함으로써, 계측 대상물의 계측 점군 데이터를 계측 방향마다 취득하는 공정. (2) 계측 점군 데이터를 바탕으로 계측 대상물의 형상을 표현하는 음함수를 생성하는 공정. (3) 계측 대상물의 형상을 표현하는 음함수를 바탕으로 다면체 데이터를 생성하는 공정.

또한, 공정 (3)은 이하의 소공정으로 구성된다.

(a) 계측 점군 데이터에 근거하여, 계측 대상물이 존재하는 계측 영역 전체를 3차원 들로네 다이어그램에 의한 공간 분할 처리를 실행하는 것에 의해 간극 없이 꽉 찬 사면체의 소영역(이하, 셀이라 함)으로 분할하는 공정. (b) 3차원 들로네 다이어그램에 있어서의 셀의 각 정점을 음함수에 의해 계측 대상물의 내측에 존재하는 내점과 외측에 존재하는 외점으로 분류하는 공정. (c) 3차원 들로네 다이어그램 내의 모든 셀 중 4개의 정점이 내점과 외점의 양쪽을 포함하는 경계 셀을 추출하는 공정. (d) 경계 셀의 변 중, 양 단점(端点)이 내점과 외점의 조합이 되는 변과 계측 대상물 표면의 교점을 계산하는 공정. (e) 각 경계 셀이 갖는 3점 또는 4점의 교점을 서로 연결하는 것에 의해 삼각형 또는 사각형의 면을 구하는 공정. (f) 모든 삼각형 또는 사각형의 면을 결합함으로써 매니폴드이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체 데이터로 하는 공정.

본 발명에 있어서는, 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 서피스가 존재하는 계측 영역 전체를 3차원 들로네 다이어그램에 의한 분할 처리에 의해 간극 없이 또한 중복 없이 꽉 찬 사면체의 셀로 분할하고 있으므로, 서피스와 각 경계 셀의 교점은 필연적으로 3점 또는 4점이 된다. 따라서, 이들 교점을 연결한 삼각형 또는 사각형의 면은, 서피스에서 각 경계 셀을 슬라이스(절단)한 면(이하, 그 면을 슬라이스 단면이라 함)으로 간주할 수 있다. 그 때문에, 모든 경계 셀의 슬라이스 단면을 결합하면, 폐쇄된 다면체 데이터를 생성할 수 있다. 게다가, 그 폐쇄된 다면체 데이터는, 슬라이스 단면의 각 변을 2개의 면이 공유하므로, 1개의 변을 3개 이상의 면이 공유하는 비매니폴드가 아니며, 따라서, 매니폴드라 할 수 있다. 또한, 3차원 들로네 다이어그램의 각 셀은 3차원 들로네 다이어그램 정의에 의해 서로 중첩되지 않는다. 따라서, 각 셀의 슬라이스 단면을 결합하여 생성되는 다면체 데이터는 자기 교차를 포함하지 않는 것을 보증할 수 있다.

즉, 본 발명은 매니폴드이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체 데이터를 간단하게 또한 확실하게 생성할 수 있게 된다.

종래에는, 매니폴드이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체 데이터라고 하는 후속 처리에서 취급하기 쉬운 형식에서의 다면체 데이터 생성은 곤란했다. 그 때문에, 상기와 같은 특성을 갖는 형상 데이터가 필요한 경우는 수동에 의한 형상 수정 작업에 의지하고 있다.

본 발명은 종래의 복셀 등의 이산적인 형상 표현 수법과 비교하여, 교점 좌표 계산에 있어서 연속적인 좌표값을 채용할 수 있기 때문에, 형상 근사 정밀도가 높아서, 각 삼각형면의 법선 벡터 등 정보의 결락을 억제할 수 있다.

또한,［발명의 효과］이후의 설명에 있어서, 「서피스」란, 계측 대상물로부터 표면 형상 이외의 것을 사상(捨像)하여 추상적인 표현으로 한 것이며, 일반적으로는,［과제의 해결 수단］ 및［특허청구범위］에 기재되는 바와 같이, 외부로부터 관측되는 계측 대상물 그 자체의 의미이다.

도 1은 계측 대상물을 3차원 계측 센서로 주사(스캔)하는 형태를 나타내는 설명도,
도 2a는 점군 데이터를 계측 방향으로 투영한 2차원 데이터의 설명도,
도 2b는 2차원의 삼각형 메시의 설명도,
도 3은 3차원의 삼각형 메시의 설명도,
도 4는 점군 데이터와 서피스의 관계를 나타내는 설명도,
도 5는 계측 대상물과 3개의 계측 방향의 관계를 나타내는 설명도,
도 6은 상면으로부터의 계측 방향인 경우의 대상물이 있는 영역 또는 그 이외의 영역의 설명도,
도 7은 좌측면으로부터의 계측 방향인 경우의 대상물이 있는 영역 또는 그 이외의 영역의 설명도,
도 8은 우측면으로부터의 계측 방향인 경우의 대상물이 있는 영역 또는 그 이외의 영역의 설명도,
도 9는 각 계측 방향의 음함수의 논리곱을 나타내는 설명도,
도 10은 최종적인 음함수의 설명도,
도 11은 계측 영역 내에 있어서의 계측 대상물의 서피스의 관계를 나타내는 3차원 들로네 다이어그램,
도 12의 (a)는 사면체 셀의 1단위를 나타내는 사시도, 도 12의 (b)는 사면체 셀에 의해 구성된 구형의 사시도, 도 12의 (c)는 사면체 셀에 의해 구성된 직방체의 사시도,
도 13은 서피스의 외점 및 내점을 나타내는 3차원 들로네 다이어그램,
도 14는 서피스와 셀의 교점을 나타내는 3차원 들로네 다이어그램,
도 15는 서피스에 의한 셀의 슬라이스 단면을 나타내는 사시도(그의 1),
도 16은 서피스에 의한 셀의 슬라이스 단면을 나타내는 사시도(그의 2),
도 17은 서피스에 의한 셀의 슬라이스 단면을 나타내는 사시도(그의 3),
도 18은 매니폴드이며 또한 폐쇄된 다면체 데이터를 나타내는 설명도,
도 19는 본 발명의 형상 계측 방법을 NC 장치에 적용한 실시예를 나타내는 시스템 구성도,
도 20은 본 발명의 형상 계측 방법에 사용되는 공작 기계의 설명도,
도 21은 형상 계측의 작업 순서를 나타내는 흐름도,
도 22는 STL화 처리를 나타내는 흐름도,
도 23은 비매니폴드인 다면체의 예(그의 1)를 나타내는 설명도,
도 24는 비매니폴드인 다면체의 예(그의 2)를 나타내는 설명도,
도 25는 비매니폴드인 다면체의 예(그의 3)를 나타내는 설명도,
도 26은 2차원 들로네 다이어그램,
도 27은 복셀 형상 모델의 설명도,
도 28의 (a)는 2차원에 있어서의 자기 교차를 포함하는 다면체의 예를 나타내는 설명도, 도 28의 (b)는 3차원에 있어서의 자기 교차를 포함하는 다면체의 예(1)를 나타내는 설명도, 도 28의 (c)는 3차원에 있어서의 자기 교차를 포함한 다면체의 예(2)를 나타내는 설명도,
도 29는 측면 가공용 어태치먼트의 개략도,
도 30은 센서 전용 어태치먼트의 개략도,
도 31은 측정 장치에 레이저광이 되돌아오지 않는 예를 나타내는 설명도,
도 32는 측정 장치에 레이저광이 되돌아오는 예를 나타내는 설명도,
도 33은 격자 형상의 측정 경로를 나타내는 설명도,
도 34는 경사각을 임의로 변경할 수 있는 어태치먼트의 개략도.

본 발명에서는, 먼저, 3차원 계측기에 의해서 계측 대상물을 주사(스캔)함으로써, 계측 대상물에 있어서의 계측 점군의 3차원 좌표인 계측 점군 데이터를 취득한다.

즉, 본 실시형태에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 3차원 계측 센서(1)를 공작 기계의 주축(2)에 장착하고, 주축(2)을 계측 방향(하향)(A)에 대하여 직행하는 주축 이동 방향(수평 방향)(B)으로 이동시키면서 계측 대상물(3)을 계측한다. 계측 대상물(3)은 테이블(9) 상에 탑재되며, 공작 기계의 주축(2)은 3차원 방향으로 이동 가능하게 되어 있다.

3차원 계측 센서(1)로서는, 예컨대, 계측 대상물(3)까지의 거리를 계측하는 레이저 센서를 이용하는 경우, 주축 이동 방향(B)으로 이동한 후, 지면 수직 방향에 일정 거리 이동하고, 그 후, 주축 이동 방향(B)으로 이동하는 것을 반복함으로써, 계측 대상물(3)을 3차원적으로 계측할 수 있다.

혹은, 3차원 계측 센서(1)로서, 계측 대상물(3)까지의 거리를 계측하는 레이저 센서를 지면 수직 방향으로 직선적으로 배치한 라인 센서를 사용하는 경우는, 주축 이동 방향(B)으로 1회 이동함으로써, 계측 대상물(3)을 3차원적으로 계측하는 것이 가능해진다.

3차원 계측 센서(1)에 의해 계측된 점인 계측점(a)은 3차원 계측 센서(1)로부터 계측 방향(A)인 하향으로 내려간 점이며, 계측 대상물(3) 위뿐만 아니라, 테이블(9) 위에도 존재한다.

각 계측점(a)에 대해 계측된 계측 점군 데이터는 주축(2)의 3차원 좌표, 즉, 3차원 계측 센서(1)의 3차원 좌표와, 3차원 계측 센서(1)로부터 계측 대상물(3)까지의 거리로 이루어지고, 계측 방향(A)에서 바라보아서 보이는 범위로 구성되며, 대상물의 사각(그림자)에 들어가 보이지 않는 부분은 포함되지 않는다. 즉, 계측 방향에서 바라보아서 중복이 없는 점군 데이터가 된다.

이와 같이, 계측 방향에서 바라보아서 중복이 없기 때문에 점군 데이터는 3차원 계측 센서(1)로부터 계측 대상물(3)까지의 거리, 즉, 높이 정보를 포함하므로, 「높이 정보를 가진 2차원의 점군 데이터(=3차원의 점군 데이터)」라 할 수 있다.

즉, 계측 점군 데이터는, 도 2a에 도시하는 바와 같이, 계측 방향으로 투영한 2차원 데이터라 판단하여, 도 2b에 나타내는 2차원의 점군 데이터로부터 2차원의 삼각형 메시를 작성한다. 점군 데이터는, 도 2a에서는 종횡으로 일정 간격으로 배치되는 2차원의 점군이며, 또한, 2차원의 삼각형 메시는, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 2차원의 점군이 삼각형의 정점을 구성하도록 변에 의해 연결된 것이다.

본 실시형태에서는, 들로네 삼각형 분할을 이용하여 2차원의 점군 데이터로부터 2차원의 삼각형 메시를 생성한다.

여기서, 들로네 삼각형 분할이란, 3차원 좌표의 집합인 계측 점군으로부터 표면 형상을 복원하는 경우에, 형상을 표현하기 위한 삼각형 메시를 작성하는 방법 중 하나이며, 다음의 조건을 만족하는 삼각형에 의한 공간의 분할을 말한다.

(1) 점군의 각 점을 정점으로 한다.

(2) 각 삼각형 외접원의 내부에는 점군의 점이 포함되지 않는다.

또한, 3차원 좌표의 집합인 계측 점군으로부터 표면 형상을 복원할 수 있으면, 들로네 삼각형 분할에 한정되지 않는다.

상기의 순서로 생성된 2차원의 삼각형 메시의 각 정점(=점군 데이터)은 높이 정보를 가지고 있으므로, 도 3에 도시하는 바와 같이, 높이 정보를 부가함으로써, 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 입체적인 삼각형 메시[=서피스(C)]가 된다.

즉, 본 실시형태에서는, 「높이 정보를 가진 2차원의 점군 데이터」로부터, 계측 대상물의 표면 형상을 입체적인 삼각형 메시로 나타낸 서피스(C)를 서피스 데이터(이하, 삼각형 메시 데이터라 함)로서 작성하는 것이다. 입체적인 삼각형 메시도 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 서피스의 일종이며, 삼각형 메시 데이터도 서피스 데이터의 일종이다. 또한, 도 3은 입체적인 삼각형 메시로 나타낸 서피스(C) 중 하나의 이미지를 나타내는 것이며, 도 1의 계측 대상물의 표면 형상과 다른 형상이다. 또한, 도 4에 나타내는 서피스(C)(도면 중 파선으로 나타냄)는 도 1에 나타내는 계측 대상물(3)에 대응한다.

이와 같이, 계측 대상물(3)을 어느 하나의 계측 방향으로부터 3차원 계측 센서(1)로 주사하는 것에 의해 취득한 점군 데이터에 근거하여, 계측 대상물(3)의 표면 형상을 입체적인 삼각형 메시로 나타낸 서피스(C)를 삼각형 메시 데이터로서 취득할 수 있지만, 하나의 계측 방향으로부터 얻어진 결과에 지나지 않는다.

그래서, 본 실시형태에서는, 복수의 계측 방향으로부터 얻어진 결과를 조합하여, 계측 대상물을 표현하는 이하와 같은 음함수를 생성한다. 이 음함수의 생성 처리에 의해서 계측 대상물을 면 데이터의 집합으로서 물체의 볼륨 요소를 엄밀하게 정의하고 있지 않은 서피스 데이터로부터, 물체의 볼륨 요소를 엄밀하게 정의한 솔리드 데이터로 변환·표현할 수 있는 것이다. 본 실시형태의 음함수는 구체적으로는 임의의 3차원 좌표값을 해석하여, 지정 좌표값이 계측 대상물의 내측인 경우는 1, 외측의 경우는 0을 출력하는 내외 판정 함수이다.

즉, 계측 대상물의 표면 형상을 입체적인 삼각형 메시로 나타낸 삼각형 메시 데이터를 이용하여, 어느 하나의 계측 방향에서 보아, 대상물이 없는 영역(1)과, (1) 이외의 영역(2)으로 분류하기 위한 음함수를 작성한다.

영역(1)은 서피스(C)보다도 3차원 계측 센서측의 영역이며, 또한, 영역(2)은 서피스(C)보다도 계측 대상물측의 영역이므로, 영역(1)과 영역(2)의 경계면이 서피스(C)이다(도 4 참조).

즉, 음함수는 서피스(C)를 경계면으로 하여, 대상물이 없는 영역(1)과, (1)이외의 영역(2)을 분류하는 것이며, 환언하면, 대상물이 없는 영역(1)과, (1)이외의 영역(2)의 경계면에 의해, 계측 대상물(3)의 표면 형상을 나타내는 서피스(C)를 정의하는 서피스 데이터라고 할 수 있다.

여기서, 영역(2)은 계측 대상물이 존재할 가능성이 있는 영역이지만, 즉시로 계측 대상물이 존재하는 영역이라 판단할 수 없다. 예컨대, 도 1에 도시하는 바와 같이, 계측 방향(A)이 하향인 경우에는, 영역(2)이 되어도, 다른 방향, 예컨대, 계측 방향이 횡방향인 경우는 대상물이 없는 영역(1)이라 판단되는 경우가 있기 때문이다.

이와 같이, 1면 계측만에 의한 음함수는 대상물이 존재하는 영역을 과대하게 평가한다. 즉, 실제로는, 계측 대상물이 존재하지 않는 영역을 계측 대상물이 존재하는 영역과 오판정하는 경우가 있다.

그래서, 복수 방향으로부터 계측 대상물을 측정하여, 복수의 측정 점군 데이터를 취득하고, 계측 대상물의 표면 형상을 입체적인 삼각형 메시로 나타낸 복수의 삼각형 메시 데이터를 작성하고, 각 삼각형 메시 데이터로부터 음함수를 각각 작성하고, 작성된 복수의 음함수를 합성하여, 최종적인 음함수로 한다. 이와 같이 하면, 과대 평가를 극히 억제할 수 있다.

이상적으로는, 계측 대상물을, 평면도, 우측면도, 정면도, 좌측면도, 배면도, 저면도의 6방향으로부터 계측하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 저면을 제외하는 5방향으로부터 계측된 취득한 점군 데이터에 근거하는 음함수를 합성(논리곱) 하면, 계측 대상물의 전체 영역에 걸친 표면 형상을 나타내는 서피스를 우선 구하는 것이 가능하다.

이 점에 대하여, 이하에 간단하게 설명한다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 계측 대상물(3)에 대하여, 상면으로부터의 계측 방향(A)과, 좌측면으로부터의 계측 방향(D)과, 우측면으로부터의 계측 방향(E)으로부터 3차원 계측을 실행한다. 다만, 도면에서는 3차원을 표현할 수 없기 때문에, 도 3에서는 지면에 수직인 2방향으로의 계측에 대한 설명을 간략화하여 주로 2차원으로 설명한다.

상면으로부터의 계측 방향(A)의 경우는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 계측 대상물(3)의 상면의 형상을 나타내는 서피스(C₁)(도면 중 파선으로 나타냄)를 경계면으로 하여, 그것보다 상측을 대상물이 없는 영역(1)으로 하고, 그것보다 하측을 대상물이 있는 영역(2)으로 하는 음함수가 작성된다. 서피스(C₁)는, 사발형(椀型)으로 저부에 볼록부를 마련한 형상으로 되어 있다. 대상물이 있는 영역(2)에는 도면 중 사선으로 나타냈다.

마찬가지로 좌측면으로부터의 계측 방향(D)의 경우는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 계측 대상물(3)의 좌측면의 형상을 나타내는 서피스(C₂)(도면 중 파선으로 나타냄)를 경계면으로 하여, 그것보다 좌측을 대상물이 없는 영역(1)으로 하고, 그것보다 우측을 대상물이 있는 영역(2)으로 하는 음함수가 작성된다. 다만, 실제의 계측에 있어서는, 3차원 계측 센서(1)가 테이블(9)에 간섭하지 않도록, 테이블(9)보다 일정 높이 이상으로 계측 범위가 제한되어, 계측 대상물(3)의 테이블(9)에 접하는 부분은 계측할 수 없다. 계측할 수 없는 영역은 대상물이 존재하지 않는 영역(1)이다.

마찬가지로 우측면으로부터의 계측 방향(E)의 경우는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 계측 대상물(3)의 우측면의 형상을 나타내는 서피스(C₃)(도면 중 파선으로 나타냄)를 경계면으로 하여, 그것보다 우측을 대상물이 없는 영역(1)으로 하고, 그것보다 좌측을 대상물이 있는 영역(2)으로 하는 음함수가 작성된다. 다만, 실제의 계측에 있어서는, 3차원 계측 센서(1)가 테이블(9)에 간섭하지 않도록, 테이블(9)보다 일정 높이 이상으로 계측 범위가 제한되어, 계측 대상물(3)의 테이블(9)에 접하는 부분은 계측할 수 없다. 계측할 수 없는 영역은 대상물이 존재하지 않는 영역(1)이다.

이와 같이 3방향으로부터 계측한 경우의 각 음함수(C₁, C₂, C₃)의 논리곱을 구하면, 도 9에 도시하는 바와 같이, 각 계측 방향(A, D, E)으로부터의 계측에 있어서, 대상물이 있는 영역(2)이 되는 영역에서도, 다른 계측 방향으로부터의 계측에 의하면, 대상물이 없는 영역(1)이 되게 된다. 실제로는, 3차원이므로, 지면과 수직인 2방향으로부터 계측한 경우의 각 음함수의 논리곱도 구하게 된다. 여기서, 「논리곱」이란, 어느 계측 방향으로부터의 계측에 의하면, 대상물이 있는 영역(2)이 되는 영역에서도, 다른 계측 방향으로부터의 계측에 의하면, 대상물이 없는 영역(1)이 될 때에는, 대상물이 없는 영역(1)으로 판단하는 것을 말한다.

그리고, 저면에 대해서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 계측 방향(D, E)으로부터의 측면 계측(그 이외의 지면과 수직인 2방향으로부터의 계측도 포함함)에 의해 부정확하면서도 구해지게 된다. 구체적으로는, 좌측면으로부터의 계측 방향(D, E)의 경우에는, 계측할 수 없는 영역은 대상물이 존재하지 않는 영역(1)이 되므로, 계측 범위의 하한이며 수평 방향으로 절단한 형상으로 하여 저면의 형상을 알 수 있게 된다. 또한, 지면과 수직인 2방향으로부터 계측한 경우도 이와 같이 저면의 형상을 알 수 있게 된다.

다만, 「부정확」이라 한 것은, 실제로는, 저면으로부터의 계측을 실행하지 않은 것에 의해 과대 평가가 남아 있다라고 하는 것이다. 즉, 각 계측 방향으로부터 계측한 경우의 음함수의 논리곱이 최종적인 음함수이며, 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 서피스를 정의하는 서피스 데이터이지만, 도 10에 도시하는 바와 같이, 과대 평가로서 저면의 중앙에 형성된 오목부(3a)에 대해서는 정확한 형상을 구할 수 없다. 마찬가지로, 계측 대상물(3)의 테이블(9)에 접하는 부분에 대해서도 정확한 형상을 구할 수 없다.

만일, 저면 방향으로부터의 계측을 실행하면, 최종적인 음함수가 계측 대상물의 전체 영역에 걸친 표면 형상을 정확하게 나타내는 것도 가능하다.

이와 같이 하여 구해진 최종적인 음함수는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 계측 영역 내에서 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 서피스(C)를 정의하는 서피스 데이터이다. 서피스(C)의 외부는 대상물이 없는 영역(1)으로서, 서피스(C)의 내부는 (1)이외의 영역(2), 즉, 대상물이 있는 영역이다. 또한, 최종적인 음함수에 의해 정의되는 서피스(C)는 입체적인 삼각형 메시로 나타낸 서피스(C)와는 엄밀한 의미에서는 일치하지 않는다. 그렇지만, 점군 데이터의 간격이 충분히 좁을 때에는, 대략의 값으로서는 일치하므로, 본 실시형태에서는 동일한 부호(C)를 부여하고 있다. 또한, 계측 영역이란, 물리적으로 계측 대상물이 존재하는 영역이 아니며, 컴퓨터 내에 있어서 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 서피스(C)가 존재하면 가상적으로 상정되는 영역을 말한다.

본 발명에 있어서의 「서피스 데이터」란, 본 실시형태에 있어서는, 계측 영역 내에서 서피스(C)를 정의하는 최종적인 음함수이다.

또한, 이상의 순서에 의해 생성된 계측 대상물을 표현하는 음함수로부터 다면체 데이터를 생성하는 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에서는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 계측 영역 전체를 3차원 들로네 다이어그램에 의한 분할 처리에 의해 간극 없이 꽉 찬 사면체의 소영역(셀)의 집합으로 분할한다.

여기서, 3차원 들로네 다이어그램에 의한 분할 처리란, 계측 영역 내에서 랜덤으로 배치하고 있는 점군(도면 중 검은 동그라미로 나타냄)(4)을, 사면체의 소영역(셀)의 정점이 되도록 결합하는 것을 말한다.

도 11은 계측 대상물의 서피스(C)가 존재하는 공간인 계측 영역을 나타내는 3차원 들로네 다이어그램이지만, 도면으로서의 제약에 의해, 사면체를 삼각형으로 대용하여 표현한 것이다.

여기서, 계측 영역 내에서, 점군(4)은, 도 11에서는 랜덤으로 배치되어 있었지만, 이것에 한정하는 것이 아니며, 규칙적인 격자 형상으로 배치되어 있어도 상관없다.

다만, 들로네 다이어그램 내에 있어서 점군(4)은 계측 대상물의 서피스(C)의 내측에도 배치되고, 계측 대상물의 표면 형상(C)의 외측에도 배치되며, 계측 영역의 경계 부근에도 반드시 배치되는 것으로 한다.

여기서, 3차원 들로네 다이어그램은, 2차원 들로네 다이어그램을 확장한 것으로서, 2차원 들로네 다이어그램이 「각 삼각형(셀)의 외접원이 다른 정점을 내부에 포함하지 않는 공간 분할」인데 대하여, 「각 사면체(셀)의 외접구가 다른 정점을 내부에 포함하지 않는 공간 분할」이다.

사면체 셀을 도 12에 예시한다. 도 12의 (a)는 사면체 셀의 1단위를, 도 12의 (b) 및 (c)는 복수의 사면체 셀에 의해 결합되어 구형 또는 입방체가 구성되는 예를 나타낸다.

이어서, 도 13에 도시하는 바와 같이, 음함수에 의해 3차원 들로네 다이어그램의 점군(4), 즉, 셀의 각 정점을, 계측 대상물의 서피스(C)의 내측에 존재하는 내점(5)(도면 중 삼각형으로 나타냄)과, 그 외측에 존재하는 외점(6)(도면 중 사각형으로 나타냄)으로 분류한다.

그 후, 도 13에 도시하는 바와 같이, 3차원 들로네 다이어그램의 모든 셀 중에서, 셀의 4개의 정점이 내점(5)과 외점(6)의 양쪽을 포함하는 셀을 추출한다.

이와 같은 셀은, 계측 대상물의 서피스(C)의 부근의 셀이라 간주할 수 있으므로, 이와 같은 셀을 경계 셀이라 부른다.

또한, 도 14에 도시하는 바와 같이, 경계 셀의 변 중, 양 단점이 내점(5)과 외점(6)의 조합이 되는 변에 주목하여, 2분법에 의해 계측 대상물의 서피스(C)와 경계 셀의 교점(7)(경계 좌표, 도면 중 ◎으로 도시함)을 계산한다.

2분법이란, 구한 중점에 대하여 음함수에 의해 내점인지 외점인지를 판정하여, 중점이 내점이면 경계 셀의 외점과의 중점을 구하고, 중점이 외점이면, 경계 셀의 중점과의 중점을 구하는 것을 반복하여, 서피스(C)와 경계 셀의 교점(7)을 구하는 방법이다.

서피스(C)와 경계 셀의 교점(7)은, 도 15 내지 도 17에 도시하는 바와 같이, 필연적으로, 3점 또는 4점이 되어, 교점(7)을 적절히 연결함으로써, 삼각형 또는 사각형의 면(8)을 구할 수 있다.

즉, 도 15는 셀의 4개의 정점이 3개의 내점(5)과 1개의 외점(6)으로 이루어지는 경우를 도시하며, 양단에 내점(5)과 외점(6)을 갖는 3개의 변에 각각 교점(7)을 가지므로, 3개의 교점(7)을 서로 연결하면 삼각형의 면(8)이 된다.

또한, 도 16은 셀의 4개의 정점이 2개의 내점(5)과 2개의 외점(6)이 되는 경우를 도시하며, 양단에 내점(5)과 외점(6)을 갖는 4개의 변에 각각 교점(7)을 가지므로, 4개의 교점(7)을 서로 연결하면 사각형의 면(8)이 된다.

또한, 도 17은 셀의 4개의 정점이 1개 내점(5)과 3개의 외점(6)으로 이루어지는 경우를 도시하고 있다. 양단에 내점(5)과 외점(6)을 갖는 3개의 변에 각각 교점(7)을 가지므로, 3개의 교점(7)을 서로 연결하면 삼각형의 면(8)이 된다.

상기의 순서로 얻어지는 삼각형 또는 사각형의 면(8)은 경계 셀을 계측 대상물의 서피스(C)에서 슬라이스(절단)한 슬라이스 단면으로 간주할 수 있다. 사각형의 슬라이스 단면(8)은 2개로 분할하면 삼각형의 슬라이스 단면(8)에 상당하게 된다.

따라서, 모든 경계 셀의 슬라이스 단면(8)을 결합함으로써, 매니폴드이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체로서 정의된 다면체 데이터(STL 포맷)를 생성할 수 있다.

즉, 생성된 다면체 데이터는, 도 18에 도시하는 바와 같이, 모든 경계 셀의 슬라이스 단면(8)을 결합하므로, 폐쇄된 다면체(10)가 된다. 또한, 슬라이스 단면(8)의 각 변을 2개의 슬라이스 단면(8)이 공유하므로, 1개의 변을 3개 이상의 면이 공유하는 비매니폴드는 아니며, 따라서, 매니폴드라 할 수 있다.

또한, 3차원 들로네 다이어그램의 각 셀은 3차원 들로네 다이어그램의 정의에 의해 서로 중첩되지 않는다. 따라서, 각 경계 셀의 슬라이스 단면을 결합하여 생성되는 다면체 데이터는 자기 교차를 포함하지 않는 것을 보증할 수 있다.

또한, STL 포맷은, 3차원 형상을 작은 삼각형의 집합체로서 표현하는 것인 바, 슬라이스 단면(8)은 삼각형 또는 사각형이며, 사각형은 2개로 분할하는 삼각형이 되므로, 슬라이스 단면(8)을 결합하여 이루어지는 다면체 데이터는 삼각형의 집합인 STL 포맷으로서 생성되게 된다.

실시예 1

이하, 본 발명의 형상 계측 방법을 NC 장치에 적용한 실시예에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 19에 도시하는 바와 같이, 본 실시예는 NC 장치(100) 및 측정 시스템(200)으로 이루어지며, 도 20에 나타내는 공작 기계(140)에 사용된다.

NC 장치(100)는, 워크의 절삭 가공을 실행하는 공구의 이동 경로를 기술한 NC 프로그램을 기억한 NC 프로그램 기억부(110)와, NC 프로그램 기억부(110)로부터 판독한 NC 프로그램에 근거하여 공구의 이동량 및 이동 속도에 관한 정보를 작성하는 NC 프로그램 해석부(120)와, 프로그램 해석부(120)에 의해 작성된 정보에 근거하여, 테이블, 새들 및 램으로 이루어지는 공작 기계(140)의 이동 제어를 실행하는 이동 제어부(130)와, 테이블, 램 및 새들로 이루어지는 공작 기계(140)로 이루어진다.

테이블, 램 및 새들을 구비한 공작 기계(140)를 도 20에 도시한다. 이 공작 기계(140)는, 도 20에 도시하는 바와 같이, 워크(계측 대상물)가 탑재되며, X방향으로 이동하는 테이블(141)과, 테이블(141)에 걸치도록 문형(門型)으로 형성된 지지부(142)와, 지지부(142)의 상부에서 Y방향으로 연장되는 비임부(143)와, 비임부(143)에 Y방향으로 이동 가능하게 설치된 새들(144)과, 새들(144) 상에서 Z방향으로 이동 가능한 램(주축)(145)으로 이루어진다.

따라서, 테이블(141) 상의 워크에 대한 램(145)의 3차원 좌표는 테이블(141), 새들(144), 램(145)의 이동량으로부터 취득할 수 있다. 램(145)에는 계측 시에는 워크까지의 거리를 계측하는 3차원 계측부(210)가 장착되는 동시에 절삭 가공 시에는 공구가 장착된다.

계측 시스템(200)은 워크인 계측 대상물(300)까지의 거리를 측정하는 3차원 측정기(210)와, 3차원 계측기(210)의 제어를 실행하는 측정부 제어부(220)와, 측정부(210)에 의해 측정된 워크까지의 거리 및 그때의 램(145)의 3차원 좌표(X, Y, Z)인 점군 데이터를 기억하는 측정점 기억부(230), 측정점 기억부(230)에 기억된 점군 데이터에 근거하여 「매니폴드」이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체로서 정의된 다면체 데이터(STL 데이터)를 생성하는 STL 생성부(240)로 이루어진다.

3차원 계측기(210)는, 예컨대, 거리 측정에 이용하는 레이저 거리 센서를 사용 가능하다.

계측 시스템(200)에 있어서의 형상 계측의 흐름도를 도 21에 나타낸다.

먼저, 작업원이 계측 대상물(300)을 테이블(110) 상에 설치한다[단계(S1)].

다음에, 작업원이 3차원 측정기(210)를 램(145)에 장착한다[단계(S2)].

그리고, 3차원 측정기(210)로부터 계측 대상물까지의 거리를 계측하는 동시에 그때의 램(145)의 3차원 좌표(X, Y, Z)를 취득한다[단계(S3)]. 이 처리는, 테이블(141)을 X방향으로 이동시키면서, 또한, 새들(144)을 Y방향으로 이동시키면서 계측 대상물(300)에 대한 3차원 측정기(210)의 위치를 변화시켜서 복수회 실행한다. 소위, 계측 대상물(300)을 3차원 측정기(210)로 스캔(주사)한다.

이어서, 3차원 측정기(210)로부터 계측 대상물(300)까지의 거리와 그때의 램(145)의 3차원 좌표(X, Y, Z)에 근거하여, 측정점의 3차원 좌표(점군 데이터)를 산출한다[단계(S4)].

여기서, 「3차원 측정기의 장착[단계(S2)]」 내지 「측정점의 좌표 산출[단계(S4)]」에 관하여 구체적인 동작 내용을 보충하면 이하 (1) 내지 (4)와 같다.

(1) 테이블(141) 상에 설치된 계측 대상물(300)을 5면(입형기의 경우는 상면＋4측면) 측정할 필요가 있기 때문에, 3차원 측정기(210)의 측정 경로를 결정한다. 3차원 측정기(210)는 기계의 램(주축)(145)에 장착되기 때문에, 기계의 축 동작에 의해 3차원 측정기(210)의 측정 경로를 실현할 수 있다.

(2) 계측 대상물(300)의 각 면 위를 일정한 높이를 유지하면서 3차원 측정기(210)를 이동시켜서 측정(스캔)함으로써, 3차원 측정기(210)의 취득 정보인 계측 대상물(300)까지의 거리와 각 측정 시점에서의 기계 좌표 정보[즉, 3차원 측정기(210)의 위치 좌표]를 합성함으로써, 대상물의 기계 좌표 데이터(점군 데이터)를 산출할 수 있다.

(3) 테이블(141) 상에 설치한 계측 대상물(300)의 5면을 순서대로 측정하기 때문에, 각 면에서 산출한 점군 데이터는 계측 대상물(300)의 어느 방향(시점)으로부터 측정되었는지 판단할 수 있다. 즉, 점군 데이터와 시점 정보(계측 방향)를 알 수 있으면, 계측 대상물에 대하여 내측인지 외측인지 판별하는 것이 가능하게 된다. 환언하면, 도 5 내지 도 10에서 설명한 바와 같이, 음함수의 논리곱에 의해, 대상물이 없는 영역(1)이나 그 이외의 영역(2)으로 분류할 수 있다.

(4) 각 면에서 산출한 점군 데이터를, 실시형태에서 설명한 바와 같이, 「높이 정보를 가진 2차원의 점군 데이터」의 작성→입체적인 삼각형 메시로 나타낸 삼각형 메시 데이터의 작성→삼각형 메시 데이터로부터 음함수의 작성을 반복하고, 각 면마다 복수 작성된 음함수를 논리곱하여, 최종적인 음함수를 구한다.

그 후, 최종적인 음함수로부터, 계측 대상물의 표면 형상을 나타내는 형상 모델(STL 데이터)의 생성을 실행한다[단계(S5)].

단계(S5)는, 이하에 구체적으로 기재하는 바와 같이, 도 22에 나타내는 흐름도에 따라 STL 생성부(240)가 처리한다.

우선, 도 11에 도시하는 바와 같이, 최종적인 음함수가 정의하는 서피스가 존재하는 계측 영역 전체를 꽉 채우는 셀의 집합을 생성한다[단계(S6)].

다음에, 도 13에 도시하는 바와 같이, 셀의 각 정점이 서피스의 내외에 있는지 판정한다[단계(S7)].

그리고, 도 14에 도시하는 바와 같이, 모든 셀 중 내점과 외점의 양쪽 모두를 갖는 경계 셀을 추출한다[단계(S8)].

그 후, 도 14에 도시하는 바와 같이, 경계 셀과 변과 서피스의 교점 좌표(3개 또는 4개)를 산출한다[단계(S9)].

또한, 도 15 내지 도 17에 도시하는 바와 같이, 경계 셀의 교점을 연결하는 것에 의해 슬라이스 단면(삼각형 또는 사각형)을 생성한다[단계(S10)]. 사각형의 슬라이스 단면은 2개로 분할하여 삼각형으로 한다.

그리고, 도 18에 도시하는 바와 같이, 모든 경계 셀의 슬라이스 단면을 결합하여, 「매니폴드」이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체로서 정의된 STL 데이터를 생성한다[단계(S11)].

실시예 2

본 발명의 형상 계측 방법에 사용되는 3차원 계측 센서(이하, 측정 장치라 함)를 주축에 장착하는 어태치먼트의 실시예에 대하여, 도 29 및 도 30을 참조하여 설명한다.

상술한 바와 같이, 일면만으로부터의 계측 결과에서는, 계측 대상물이 존재하지 않는 영역을 계측 대상물이 존재하는 영역으로 오판정하는 경우가 있기 때문에, 이상적으로는 6면에서 계측하는 것이 바람직하지만, 공작 기계의 테이블 상에 설치된 대상물은 5면(입형기의 경우는 상면＋4측면) 측정함으로써, 계측 대상물의 전체 영역에 걸친 표면 형상을 나타내는 서피스를 우선 구하는 것이 가능하다.

여기서, 실시예 1에서 설명한 바와 같이, 3차원 측정기는 공작 기계의 주축에 장착할 수 있기 때문에, 공작 기계의 축 동작에 의해 측정 경로를 실현할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 측면의 계측을 호적화하기 위해, 공작 기계에 부속의 측면 가공용 어태치먼트, 경사면 가공용 어태치먼트, 혹은 센서 전용의 틸트 기구를 갖는 어태치먼트를 사용하여, 계측을 실시하는 것이다.

즉, 측면 가공용 어태치먼트에 대해서는, 도 29에 도시하는 바와 같이, 90도 경사 어태치먼트(21)를 거쳐서 주축(20)에 측정 장치(22)를 장착한다.

90도 경사 어태치먼트(21)는, 측면 가공용 어태치먼트의 일 종류이며, 주축(20)의 회전축에 대하여 회전축이 90도 경사져 있다.

예컨대, 도면 중에 도시하는 바와 같이 주축(20)의 회전축이 연직 방향을 향할 때는, 90도 경사 어태치먼트(21)의 회전축은 수평 방향을 향하기 때문에, 이들 2개의 회전축 주위에 측정 장치(22)를 회전시키면서, 측정 장치(22)로부터 출사되는 레이저광이 측정 대상(23)에 반사하는 것에 의해, 측정 대상(23)까지의 거리가 계측된다.

또한, 경사면 가공용 어태치먼트에 대해서는, 전술의 90도 경사 어태치먼트(21) 경사각을 90도뿐만 아니라, 도 34에 도시하는 바와 같이 임의로 변화시킬 수 있는 어태치먼트를 가리킨다. 이것을 사용하는 것에 의해, 5면 측정이 가능해진다.

따라서, 도 29에 도시하는 바와 같이, 가공용의 어태치먼트를 유용함으로써 전용의 어태치먼트가 필요 없다고 하는 이점이 있다.

한편, 센서 전용 어태치먼트에 대해서는 도 30에 도시하는 바와 같이, 2개의 회전축을 구비한 회전 기구(틸트 기구)(24)를 거쳐서 주축(20)에 측정 장치(22)를 장착한다.

회전 기구(24)는 측정 장치(22)를 위한 전용 어태치먼트의 일종이며, 주축(20)의 회전축 이외에 2개의 회전축, 예컨대, 서로 직교하는 방향에 있어서, 주축에 대하여 임의의 각도로 교차하는 방향을 향하는 회전축을 갖는다. 그 때문에, 주축을 포함하면, 합계 3축의 회전이 가능해져, 테이블(25) 상의 측정 대상(23)에 대한 측정 장치(22)의 자유도를 광범위하게 취할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 도 30에 도시하는 바와 같이, 센서 전용의 어태치먼트를 사용하면, 가공용의 어태치먼트가 없어도 측정이 가능해진다.

또한, 센서 전용이면 어태치먼트를 소형화할 수 있어서, 측정 범위를 가공용의 어태치먼트보다 광범위하게 취하는 것이 가능해진다.

특히, 측정 장치(22)로서 라인 레이저 센서를 사용하는 경우에는, 각 측정면에 대해, 레이저의 라인과 측정 시의 이송 방향이 수직이 되도록 조정할 수 있어서, 라인 레이저 사용 시라도 이송 방향의 자유도가 증가한다.

실시예 3

본 발명의 형상 계측 방법에 있어서의 측정 경로의 실시예에 대하여 도 31 내지 도 33을 참조하여 설명한다.

예컨대, 도 31에 도시하는 바와 같이, 삼각 측량 방식으로 임의 형상의 측정 대상(23)을 도면 중 화살표로 나타내는 일방향만으로부터 측정하는 경우, 측정 대상(23)에 단차가 있으면, 측정 장치(22) 내의 투광부(도시 생략)로부터의 레이저광이 차단되어, 측정 장치(22) 내의 수광부(도시 생략)로 되돌아 오지 않는 경우가 있기 때문에, 3차원 형상 데이터 상에서의 결락(이른바 빠짐)이 생겨버린다.

이와 같은 경우, 도 32와 같이, 도면 중 화살표로 나타내는 측정 방향에 대하여, 측정 장치(22) 내의 투광부와 수광부의 방향을 반전시킴으로써 개선하는 경우가 있지만, 이것을 자동화하려면, 미리 측정물의 형상을 인식하고 있지 않으면 곤란하다.

그래서, 본 실시예는, 임의 형상의 측정 대상(23)을 측정하는 경우, 5면을 각각 격자 형상의 측정 경로에서 계측하여, 3차원 형상 데이터화하는 것이다.

즉, 도 33에 도시하는 바와 같이, 측정 대상(23)의 하나의 면에 대하여, 우선, 부호(22a)로 나타내는 좌측 상방 위치로부터 측정 장치(22)를 화살표를 따라서 수평 우측 방향으로 이동시키면서 계측하고, 그 후, 부호(22b, 22c)로 나타내는 위치에 일정 거리 하방으로 위치를 어긋나게 하여, 측정 장치(22)를 화살표를 따라서 수평 우측 방향으로 이동시키면서 계측하는 것을 반복한다. 즉, 횡방향의 측정 경로에서 계측을 실행한다.

그 후, 도 33 중에, 부호(22d)로 나타내는 좌측 하방 위치로부터 측정 장치(22)를 화살표를 따라서 연직 상방향으로 이동시키면서 계측하고, 그 후, 부호(22e, 22f)로 나타내는 위치에 일정 거리 우측으로 위치를 어긋나게 하여, 측정 장치(22)를 화살표를 따라서 연직 상방향으로 이동시키면서 계측하는 것을 반복한다. 즉, 종방향의 측정 경로에서 계측을 실행한다.

이와 같이, 횡방향 및 종방향의 측정 경로로 이루어지는 격자 형상 경로에서 측정 대상(23)의 하나의 면에 대하여 측정이 종료되면, 다른 4면에 대해서도 마찬가지로 측정을 속행한다.

본 실시예에서는, 측정 대상(23)의 5면을 격자 형상 경로에서의 측정으로 함으로써, 미리 형상을 인식하지 않고도[다만, 측정 대상(23)이 5면을 갖는 정도의 대략적인 형상의 인식은 필요함], 일방향만으로부터 계측하는 경우에 비하여, 레이저광이 차단되는 것에 의한 데이터의 결락을 경감할 수 있다.

또한, 회전축을 2개 구비한 어태치먼트를 거쳐서 측정 장치(22)를 주축에 장착하면, 측정 대상에 대해서는 한 번의 절차로 5면을 측정할 수 있어서, 대략적인 전체 형상을 3차원 형상 데이터화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 형상 계측 방법은 수치 제어 장치에 의해 제어되는 산업 기계, 예컨대, 공작 기계에 광범위하게 산업상 이용 가능한 것이다.

1 : 3차원 계측 센서 2 : 공작 기계의 주축
3 : 계측 대상물 4 : 점군
5 : 내점 6 : 외점
7 : 교점 8 : 슬라이스 단면
9 : 테이블
10 : 「매니폴드」이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체
A, D, E : 계측 방향 B : 이동 방향
C : 서피스

Claims

3차원 계측기에 의해서 계측 대상물을 복수의 계측 방향으로부터 주사함으로써, 상기 계측 대상물에 있어서의 계측 점군에 대한 3차원 좌표인 계측 점군 데이터를 계측 방향마다 취득하는 동시에 이들 계측 점군 데이터에 근거하여 상기 계측 대상물을 표현하는 음함수를 생성하는 공정과,
상기 음함수에 근거하여, 상기 계측 대상물이 존재하는 계측 영역 전체를 3차원 들로네 다이어그램에 의한 분할 처리에 의해 간극 없이, 중복 없이 꽉 찬 사면체의 소영역(이하, 셀이라 함)으로 분할하는 공정과,
상기 3차원 들로네 다이어그램에 있어서의 상기 셀의 각 정점을 상기 음함수에 의해 상기 계측 대상물의 내측에 존재하는 내점과, 상기 계측 대상물의 외측에 존재하는 외점으로 분류하는 공정과,
상기 3차원 들로네 다이어그램 내의 모든 상기 소영역 중 4개의 정점이 내점과 외점의 양쪽을 포함하는 경계 셀을 추출하는 공정과,
상기 경계 셀의 변 중 양 단점(端点)이 내점과 외점의 조합이 되는 변과 상기 계측 대상물의 표면의 교점을 계산하는 공정과,
상기 각 경계 셀이 갖는 3점 또는 4점의 상기 교점을 서로 연결하는 것에 의해 삼각형 또는 사각형의 면을 구하는 공정과, 모든 상기 삼각형 또는 사각형의 면을 결합함으로써, 매니폴드(manifold)이며 또한 자기 교차를 포함하지 않는 폐쇄된 다면체 데이터로 하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
형상 계측 방법.