形状计测方法
【专利摘要】本发明包括如下工序：基于计测点群数据来生成表示计测对象物的表面形状的表面（C）作为隐函数；通过基于三维德劳奈图的分割处理而将表面（C）所存在的整个计测区域分割成无间隙、不重复、完全充填的四面体的小区域（以下，称作单元）；将单元的各顶点（4）分类成存在于表面（C）的内侧的内点（5）和存在于外侧的外点（6）；提取边界单元；计算边界单元和表面（C）的交点（7）；通过连接各边界单元所具有的交点（7）来求出三角形或四边形的面（8）；及结合所有的面（8），因此，能够自动地生成计测对象物的流形且不包含自交叉的封闭多面体数据。
【专利说明】形状计测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用于由数值控制装置控制的工业机器等的形状计测方法。
【背景技术】
[0002]作为在机床的碰撞防止装置中利用的形状计测方法，公知有如下光切割法(专利文献I):向对象物照射狭缝光，获取按照对象物形状的光像，并利用CCD相机进行拍摄。
[0003]此外，作为在CAD系统中生成对象物的三维模型的方法，具有如下方法(专利文献2):获取设置在基准面上的对象物的第一点群数据和改变了姿势地设置在基准面上的对象物的第二点群数据，结合这两个点群数据来形成单一的结合点群数据。
[0004]另外，作为在碰撞防止装置中利用的形状计测方法，具有如下方法(专利文献3):生成将空间分割成多面体状而形成的三维网格结构，并根据测定出的到上述工件为止的距离信息来计算工件的测定点坐标，对与三维网格结构的一单位(以下，称作体素)对应的工件的位置进行扫描，当计算出的测定点被包含在体素内的次数与上述扫描的次数的比率在规定阈值以上时，将体素作为上述工件的形状来生成测定形状映射。
[0005]专利文献1:日本专利2895316号
[0006]专利文献2:日本特开2003 - 345840号公报
[0007]专利文献3:日本专利2009 - 265023号公报
【发明内容】
[0008]发明所要解决的课题
[0009]在根据点群数据来生成STL数据的情况下，考虑利用图26所示的二维德劳奈(Delaunay)图等。此处，所谓STL是由3D系统公司开发的三维CAD系统的工业标准文件格式，即标准三角语言的简称(也称作stereo lithography:立体光刻技术),将三维形状作为小三角形的集合体来表示。此外，所谓二维德劳奈图是“各三角形(单元)的外接圆在内部不包含其他顶点的空间分割”。
[0010]由二维德劳奈图生成的STL数据构成不封闭的多面体。即从多个方向进行三维计测，对来自各个计测方向的面生成结果进行坐标系整合/结合，生成形状数据。如此生成的形状数据是表面(面)的集合，并未严格地定义具有体积要素的实体形状。在专利文献2中，如果在结合第一、第二点群数据时存在欠缺部位，存在所生成的单一的结合点群数据未实体化而不会成为封闭形状模型的可能性。
[0011]对于计测数据的利用方法，有时也十分需要以往的表面形状，但对于应用，作为输入形状数据，存在以封闭的多面体作为前提条件的情况。
[0012]这是因为，在利用程序进行干扰计算等几何计算时，通过将严格地定义了物体的体积要素的封闭多面体设为计算的出发点，来提高应用的安装便利性/牢固性。
[0013]为了根据计测点群来生成封闭的STL数据，利用图27所示的体素形状表现等离散形状模型，也能与此对应。专利文献3中，使用工件的三维数据即测定形状映射，但由于测定形状映射是三维网格结构的体素，所以是离散形状模型。
[0014]然而，在离散的体素形状表现中，存储器使用量/处理速度的算法因提高分辨率而以三次方的级数增加，高分辨率的形状表现非常困难。
[0015]此外，在根据体素形状生成的封闭多面体中，成为非流形的多面体的可能性很高。与封闭多面体相同地，流形的多面体有时也成为使用几何计算的应用的制约条件，成为需要解决的问题。
[0016]此处，如图23?25所示，在注意到多面体的边和面的连接关系时，“流形”的多面体不是三个以上的面共用一条边那样的“非流形”，而是指在几何学上具有素性良好的性质的多面体。图23表示四个平面共用一条边的例子，图24表示两个立方体的四个面共用一条边的例子，图25表示四个倾斜面的上端共用一条边的例子。
[0017]此外，不包含自交叉的性质被认为是多面体的重要特性。所谓的自交叉是指构成多面体的三角形彼此相互重合的现象。在与几何计算相关的应用中，包含自交叉的多面体也难以操作，所以不包含自交叉的多面体的特性非常重要。图28表示包含自交叉的多面体的例子，图28 (a)表示二维中的自交叉，图28 (b)、图28 (c)表示三维中的自交叉的例子
(1)、(2)(图中虚线部分是自交叉)。
[0018]本发明鉴于上述现有技术而提出，目的在于根据由三维计测器计测出的点群数据来生成计测对象物的流形且不包含自交叉的封闭多面体数据。
[0019]用于解决问题的方法
[0020]用于解决上述问题的本发明的技术方案I涉及的形状计测方法由下述工序构成。
[0021](I)通过由三维计测器从多个计测方向对计测对象物进行扫描而对应每个计测方向获取计测对象物的计测点群数据的工序；(2)根据计测点群数据来生成表现计测对象物的形状的隐函数的工序；(3)根据表现计测对象物的形状的隐函数来生成多面体数据的工序。
[0022]此外,工序(3)由以下小工序构成。
[0023](a)基于计测点群数据，通过基于三维德劳奈图的空间分割处理而将存在计测对象物的整个计测区域分割为无间隙、完全充填的四面体的小区域(以下称作单元)；(b)通过隐函数将三维德劳奈图中的单元的各顶点分类为存在于计测对象物内侧的内点和存在于外侧的外点；(C)提取将三维德劳奈图中所有单元中的、四个顶点包含内点和外点这两者的边界单元；(d)计算边界单元的边中的、两端点为内点和外点的组合的边与计测对象物的表面的交点；(e)通过连接各边界单元具有的三点或四点的交点来求出三角形或四边形的面；(f)通过结合所有三角形或四边形的面来构成流形且不包含自交叉的封闭多面体数据。
[0024]发明效果
[0025]在本发明中，通过基于三维德劳奈图的空间分割处理，将表示计测对象物的表面形状的表面所存在的整个计测区域分割为无间隙、不重复、完全充填的四面体的单元，因此表面与各边界单元的交点必然是三点或四点。从而,连接这些交点而构成的三角形或四边形的面可以构成在表面对各个边界单元进行剖切(切割)所得的面(以下，将该面称作剖切截面)。因此，当对所有边界单元的剖切截面进行结合时，能够生成封闭的多面体数据。而且，两个面共用剖切截面的各条边，不是三个以上的面共用一条边的非流形，因此该封闭的多面体数据能够称作流形。此外，三维德劳奈图的各单元根据三维德劳奈图的定义而不相互重合。因此，能够保证结合各单元的剖切截面而生成的多面体数据不包含自交叉。
[0026]S卩，本发明能够简单且切实地生成流形且不包含自交叉的封闭多面体数据。
[0027]以往，在称作流形且不包含自交叉的封闭多面体数据的后续处理中，难以生成容易操作形式的多面体数据。因此，在需要具有上述那样特性的形状数据的情况下，依赖人工进行形状修正作业。
[0028]与现有体素的等离散形状表现方法相比较，由于本发明在交点坐标计算中能够采用连续的坐标值，所以形状近似精度高，能够抑制各三角形面的法线向量等信息的欠缺。
[0029]此外，在“发明效果”之后的说明中，“表面”是指:根据计测对象物对表面形状之外的信息进行抽象并进行抽象表现的表面，一般而言，如“用于解决问题的方法”和“权利要求书”记载的那样，是从外部能够观测的计测对象物的意思。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是说明用三维计测传感器扫描(扫描)计测对象物的情形的图。
[0031]图2a是将点群数据在计测方向上投影所得的二维数据的说明图。
[0032]图2b是二维三角形网格的说明图。
[0033]图3是三维三角形网格的说明图。
[0034]图4是表示点群数据与表面之间的关系的说明图。
[0035]图5是表示计测对象物与三个计测方向之间的关系的说明图。
[0036]图6是在从上面进行计测的计测方向的情况下存在对象物的区域或除此之外的区域的说明图。
[0037]图7是在从左面进行计测的计测方向的情况下存在对象物的区域或除此之外的区域的说明图。。
[0038]图8是在从右面进行计测的计测方向的情况下存在对象物的区域或除此之外的区域的说明图。
[0039]图9是表示各计测方向的隐函数的逻辑积的说明图。
[0040]图10是最终隐函数的说明图。
[0041]图11是表示计测区域内的计测对象物的表面关系的三维德劳奈图。
[0042]图12 Ca)是表示四面体单元的一单位的立体图，图12 (b)是由四面体单元构成的球形的立体图，图12 (C)是由四面体单元构成的正方体的立体图。
[0043]图13是表示表面的外点和内点的三维德劳奈图。
[0044]图14是表示表面和单元的交点的三维德劳奈图。
[0045]图15是表不由表面对单兀的剖切截面的立体图(其一)。
[0046]图16是表示由表面对单元的剖切截面的立体图(其二)。
[0047]图17是表示由表面对单元的剖切截面的立体图(其三)。
[0048]图18是表示流形且封闭多面体数据的说明图。
[0049]图19是表示将本发明的形状计测方法应用在NC装置中的实施例的系统构成图。
[0050]图20是在本发明的形状计测方法中所使用的机床的说明图。
[0051]图21是表示形状计测的作业顺序的流程图。[0052]图22是表示STL化处理的流程图。
[0053]图23是表示非流形的多面体的例子(其一)的说明图。
[0054]图24是表示非流形的多面体的例子(其二)的说明图。
[0055]图25是表示非流形的多面体的例子(其三)的说明图。
[0056]图26是二维德劳奈图。
[0057]图27是体素形状模型的说明图。
[0058]图28 Ca)是表示在二维中包含自交叉的多面体的例子的说明图，图28 (b)是表示在三维中包含自交叉的多面体的例子(I)的说明图，图28 (c)是表示在三维中包含自交叉的多面体的例子(2)的说明图。
[0059]图29是侧面加工用附属装置的概略图。
[0060]图30是传感器专用附属装置的概略图。
[0061]图31是表示激光未返回到测定装置的例子的说明图。
[0062]图32是表示激光返回到测定装置的例子的说明图
[0063]图33是表示格子状的测定路径的说明图。
[0064]图34是能够任意改变倾斜角的附属装置的概略图。
【具体实施方式】
[0065]在本发明中，首先，通过三维计测器来扫描(扫描)计测对象物，由此获取计测对象物的计测点群的三维坐标即计测点群数据。
[0066]S卩，在本实施方式中，如图1所示，将三维计测传感器I安装在机床的主轴2上，一边使主轴2沿与计测方向(向下)A直行的主轴移动方向(水平方向)B移动一边对计测对象物3进行计测。计测对象物3被载置在工作台9上，机床的主轴2能够在三维方向上移动。
[0067]作为三维计测传感器1，例如在使用对到计测对象物3为止的距离进行计测的激光传感器的情况下，沿主轴移动方向B移动后，沿与纸面垂直方向移动一定距离，之后，再沿主轴移动方向B移动，反复进行上述操作，从而能够对计测对象物3进行三维计测。
[0068]或者，作为三维计测传感器1，在使用将对到计测对象物3为止的距离进行计测的激光传感器直线地配置在与纸面垂直的方向上的线传感器的情况下，通过沿主轴移动方向B移动一次，就能对计测对象物3进行三维计测。
[0069]由三维计测传感器I计测出的点即计测点a是从三维计测传感器I沿计测方向A即向下方向下降所得的点，不仅存在于计测对象物3上，也存在于工作台9上。
[0070]针对各个计测点a计测出的计测点群数据由主轴2的三维坐标即三维计测传感器I的三维坐标和从三维计测传感器I到计测对象物3的距离构成，由从计测方向A观察时能看到的范围构成，不包含进入到对象物的死角(影子)而不能看到的部分。也就是成为从计测方向观察而不重复的点群数据。
[0071]这样一来，由于从计测方向观察而不重复，点群数据包含从三维计测传感器I到计测对象物3为止的距离、即高度信息，所以能够认为是“具有高度信息的二维点群数据(=三维点群数据)”。
[0072]S卩，如图2a所示，认为计测点群数据是投影到计测方向上的二维数据，根据二维点群数据生成图2b所示那样的二维三角形网格。在图2a中，点群数据是在纵横方向上以一定间隔配置的二维点群，此外，如图2b所示，二维三角形网格是通过以二维点群构成三角形顶点的方式用边进行连接而得到的。
[0073]在本实施方式中，利用德劳奈三角形分割，根据二维点群数据来生成二维三角形网格。
[0074]此处，德劳奈三角形分割是指，根据三维坐标的集合即计测点群来复原表面形状的情况下生成用于表现形状的三角形网格的方法之一，是指由满足下述条件的三角形进行的空间分割。
[0075]( I)将点群的各点设为顶点。
[0076](2)点群的点不包含在各三角形外接圆的内部。
[0077]此外，只要能够根据三维坐标的集合即计测点群来复原表面形状，则并不限于德劳奈三角形分割。
[0078]由于按照上述顺序生成的二维三角形网格的各个顶点(=点群数据)含有高度信息，所以如图3所示，通过附加高度信息，构成表示计测对象物的表面形状的立体的三角形网格(=表面C)。
[0079]S卩，在本实施方式中，根据“具有高度信息的二维点群数据”，生成由立体三角形网格表示计测对象物的表面形状的表面C来作为表面数据(以下，称作三角形网格数据)。立体三角形网格也是表示计测对象物的表面形状的表面的一种，三角形网格数据也是表面数据的一种。此外，图3表示由立体三角形网格表示的表面C的一个图像，是与图1的计测对象物的表面形状不同的形状。此外，图4所示表面C (图中用虚线表示)与图1所述计测对象物3对应。
[0080]这样一来，基于由三维计测传感器I从某一个计测方向扫描计测对象物3而获取的点群数据，能够获取由立体三角形网格表示计测对象物3的表面形状的表面C来作为三角形网格数据，但只不过是从一个计测方向获取的结果。
[0081]因此，在本实施方式中，组合从多个计测方向获取的结果来生成表现计测对象物的下述那样的隐函数。能够通过该隐函数的生成处理将计测对象物从未严格地定义面数据的集合即物体的体积要素的表面数据转换/表现成严格地定义了物体的体积要素的实体数据。具体而言，本实施方式的隐函数是如下的内外判定函数:接收任意的三维坐标值，在指定坐标值位于计测对象物的内侧情况输出1、在位于外侧情况下输出O。
[0082]S卩，利用由立体三角形网格表示计测对象物的表面形状的三角形网格数据来生成隐函数，该隐函数用于从某一个计测方向观察而分成不存在对象物的区域(I)和除(I)之外的区域(2)。
[0083]区域(I)是比表面C靠三维计测传感器侧的区域，此外，区域(2)是比表面C靠计测对象物侧的区域，因此，区域(I)和区域(2)的边界面是表面C (参照图4)。
[0084]S卩，隐函数以表面C为边界面而对不存在对象物的区域(I)和除区域(I)之外的区域(2)进行分类，换言之，隐函数可以称作利用不存在对象物的区域(I)和除区域(I)之外的区域(2)的边界面对表示计测对象物3的表面形状的表面C进行定义的表面数据。
[0085]此处，虽然区域(2)是有可能存在计测对象物的某个区域，但不能立即判断为该区域(2)是存在计测对象物的区域。这是因为，例如，如图1所示，在计测方向A是朝下的情况下，即使成为区域(2)，在计测方向为其他方向、例如横向的情况下，有时也会被判断为不存在对象物的区域(I)。
[0086]这样一来，仅由一个面计测而得到的隐函数过度地评价存在对象物的区域。S卩，实际上，存在将不存在计测对象物的区域误判定为存在计测对象物的区域的情况。
[0087]因此，从多个方向对计测对象物进行测定，获取多个测定点群数据，生成由立体三角形网格表示了计测对象物的表面形状的多个三角形网格数据，并根据各个三角形网格数据，分别生成隐函数，对生成的多个隐函数进行合成，获取最终的隐函数。这样一来，能够极力抑制过度评价。
[0088]理想的是，优选从俯视图、右视图、主视图、左视图、后视图和仰视图这六个方向对计测对象物进行计测。然而，当合成(逻辑积)基于从除了底面之外的五个方向进行计测而获取的点群数据的隐函数时，能够大致地获取表示计测对象的整个区域上的表面形状的表面。
[0089]对于这一点，以下简单进行说明。如图5所示，对于计测对象物3，根据来自上面的计测方向A、来自左面的计测方向D、来自右面的计测方向E来进行三维计测。但是由于在图中不能表现三维，所以在图3中，对于从与纸面垂直的两个方向进行的计测，将说明简略化，主要用二维进行说明。
[0090]在从上面进行计测的计测方向A的情况下，如图6所示，生成如下的隐函数:以表示计测对象物3的上面形状的表面C1 (在图中，用虚线表示)作为边界面，将其上侧设为不存在对象物的区域(1)，将其下侧设为存在对象物的区域(2)。表面C1为碗型且在底部设有凸部的形状。对存在对象物的区域(2)图中施加了斜线。
[0091]同样，在从左面进行计测的计测方向D的情况下，如图7所示，生成如下的隐函数:以表示计测对象物3的左面形状的表面C2 (在图中，用虚线表示)作为边界面，将其左侧设为不存在对象物的区域(1)，将其右侧设为存在对象物的区域(2)。但是，在实际计测中，将计测范围限制在距工作台9为一定高度以上，使得三维计测传感器I不与工作台9相干扰，计测对象物3的与工作台9相接触的部分不能进行计测。不能进行计测的区域是不存在对象物的区域(I)。
[0092]同样，在从右面进行计测的计测方向E的情况下，如图8所示，生成如下的隐函数:以表示计测对象物3的右面形状的表面C3 (在图中，用虚线表示)作为边界面，将其右侧设为不存在对象物的区域(1)，将其左侧设为存在对象物的区域(2)。但是，在实际计测中，将计测范围限制在距工作台9为一定高度以上，使得三维计测传感器I不与工作台9相干扰，计测对象物3的与工作台9相接触的部分不能进行计测。不能进行计测的区域是不存在对象物的区域(I)。
[0093]当求算如此从三个方向进行计测的情况下的各隐函数Cp C2, C3的逻辑积时，如图9所示，在从各计测方向A、D、E进行的计测中，即使是被设为存在对象物的区域(2)，根据从其他计测方向进行的计测，该区域也会变成不存在对象物的区域(I)。实际上，由于是三维，因此也求算从与纸面垂直的两个方向进行了计测的情况下的各隐函数的逻辑积。此处，“逻辑积”是指:根据从某个计测方向进行的计测而被设为存在对象物的区域(2)的区域，也会在根据从其他计测方向进行的计测而被设为不存在对象物的区域(I)时，判断为是不存在对象物的区域(I)。
[0094]而且，对于底面，如图10所示，根据从计测方向D、E进行的侧面计测(也包含其他的从与纸面垂直的两个方向进行的计测)，虽然不准确但也可求出。具体而言，在从左面进行计测的计测方向D、E的情况下，由于不能计测的区域成为不存在对象物的区域(1)，因此，将底面的形状判定为在计测范围的下限沿水平方向切割后的形状。此外，在从与纸面垂直的两个方向进行了计测的情况下，也同样地判定底面的形状。
[0095]其中，“不准确”是指因未从底面进行计测而残存过度评价。即，从各计测方向进行了计测的情况下的隐函数的逻辑积是最终的隐函数，是对表示计测对象物的表面形状的表面进行定义的表面数据，但如图10所示，对于作为过度评价而形成在底面的中央的凹部3a,不能求算出准确的形状。同样地,对于计测对象物3的与工作台9相接触的部分,也不能求算出准确的形状。
[0096]假设从底面方向进行计测，则最终的隐函数能准确地表示计测对象物的整个区域上的表面形状。
[0097]如此求出的最终的隐函数如图11所示，是对在计测区域内表示计测对象物的表面形状的表面C进行定义的表面数据。表面C的外部是不存在对象物的区域(1)，表面C的内部是除(I)之外的区域(2)即存在对象物的区域。此外，由最终隐函数定义的表面C与由立体三角形表示的表面C在严格意义是上不一致的。然而，当点群数据的间隔狭窄时，由于其值大致一致，所以在本实施方式中，标以相同的附图标记C。此外，计测区域不是指物理上存在计测对象物的区域，而是指在电子计算机内假想的、存在表示计测对象物的表面形状的表面C的区域。
[0098]本发明中的“表面数据”在本实施方式中是在计测区域内对表面C进行定义的最终的隐函数。
[0099]另外，对根据由以上顺序生成的表示计测对象物的隐函数来生成多面体数据的方法进行说明。
[0100]在本发明中，如图11所示，通过基于三维德劳奈图的分割处理将整个计测区域分割为无间隙地完全充填的四面体的小区域(单元)的集合。
[0101]此处，基于三维德劳奈图的分割处理是指，将在计测区域内随机配置的点群(图中用黑色圆表示)4以成为四面体的小区域(单元)的顶点的方式进行结合。
[0102]图11是表示计测对象物的表面C所存在的空间即计测区域的三维德劳奈图，但受附图制约，由三角形代替四面体来表示。
[0103]此处，在计测区域内，虽然点群4在图11内被随机配置，但并不局限于此，也可以配置成规则的格子状。
[0104]但是，在德劳奈图中，点群4既配置在计测对象物的表面C的内侧，又配置在计测对象物的表面形状C的外侧，也必须配置在计测区域的边界附近。
[0105]此处，三维德劳奈图是对二维德劳奈图扩展后的图，二维德劳奈图是“各三角形(单元)的外接圆在内部不包含其他顶点的空间分割”，相对于此，三维德劳奈图是“各四面体(单元)的外接球在内部不包含其他顶点的空间分割”。
[0106]在图12中例示了四面体单元。图12 (a)表示四面体单元的一个单位，图12 (b)、12 (c)表示由多个四面体单元结合而构成球形或立方体的例子。
[0107]接下来，如图13所示，通过隐函数将三维德劳奈图的点群4、即单元的各顶点分类为存在于计测对象物的表面C的内侧的内点5 (图中，用三角形表示)和存在于其外侧的外点6 (图中，用四边形表示)。
[0108]之后，如图13所示，从三维德劳奈图的所有单元中提取单元的四个顶点包含内点5和外点6这两者的单元。
[0109]这种单元可以认为是计测对象物的表面C附近的单元，因此将这种单元称作边界单元。
[0110]此外，如图14所示,注意边界单元的边中的、两端点是内点5和外点6的组合的边，利用二分法来计算计测对象物的表面C和边界单元的交点7(边界坐标，图中用◎表示)。
[0111]所谓二分法是指如下的方法:对于所求出的中点，通过隐函数来判定是内点还是外点，如果中点是内点，则求出与边界单元的外点的中点，如果中点是外点，则求出与边界单元的内点的中点，反复进行上述内容，以求出表面C和边界单元的交点7。
[0112]如图15~17所示,表面C和边界单元的交点7必然成为三点或四点,通过适当地连接交点7，能够获取三角形或四边形的面8。
[0113]即，图15表示单元的四个顶点由三个内点5和一个外点6构成的情况，由于在两端具有内点5和外点6的三条边上均具有交点7，所以当连接三个交点7时，就变成了三角形的面8。
[0114]此外，图16表示单元的四个顶点由两个内点5和两个外点6构成的情况，由于在两端具有内点5和外点6的四条边上均具有交点7，所以当连接四个交点7时，就变成了四边形的面8。
[0115]此外，图17表不单兀的四个顶点由一个内点5和三个外点6构成的情况，由于在两端具有内点5和外点6的三条边上均具有交点7，所以当连接三个交点7时，就变成了三角形的面8。
[0116]在由上述顺序获取的三角形或四边形的面8可视为由计测对象物的表面C对边界单元进行剖切(切割)所得的剖切截面。当四边形的剖切截面8分割为两个时，相当于三角形的剖切截面8。
[0117]因此，通过结合所有边界单元的剖切截面8，能够生成作为流形且不包含自交叉的封闭多面体而被定义的多面体数据(STL格式)。
[0118]即，对于所生成的多面体数据，如图18所示，结合所有边界单元的剖切截面8，所以成为封闭的多面体10。此外，由于两个剖切截面8共用剖切截面8的各边，所以不是三个以上的面共用一条边的非流形，因此，可以称作流形。
[0119]此外，三维德劳奈图的各单元根据三维德劳奈图的定义而不相互重合。因此，能够保证结合各边界单元的剖切截面而生成的多面体数据不包含自交叉。
[0120]此外，STL格式是将三维形状表现为小三角形的集合体，而剖切截面8是三角形或四边形，四边形一分为二，成为两个三角形，因此结合剖切截面8而构成的多面体数据作为三角形集合体即STL格式而被生成。
[0121]实施例1
[0122]以下，针对将本发明的形状计测方法应用在NC装置中的实施例，参照附图详细说明。
[0123]如图19所示，本实施例由NC装置100和测定系统200构成，并在图20所示的机床140中使用。[0124]NC装置100包括:NC程序存储部100，存储有描述对工件进行切削加工的工具的移动路径的NC程序；NC程序解析部120，基于从NC程序存储部100读出的NC程序来生成与工具的移动量及移动速度相关的信息；移动控制部130，基于由NC程序解析部120生成的信息对由工作台、滑鞍和滑块构成的机床140的移动进行控制；及由工作台、滑块和滑鞍构成的机床140。
[0125]在图20中表示具备工作台、滑块和滑鞍的机床140。如图20所示，该机床140包括:载置工件(计测对象物)并沿X方向移动的工作台141、以横跨工作台141方式形成为门型的支撑部142、在支撑部142的上部沿Y方向延伸的梁部143、以能够沿Y方向移动的方式设置在梁部143上的滑鞍144、在滑鞍144上能够沿Z方向移动的滑块(主轴)145。
[0126]因此，滑块145相对于工作台141上的工件的三维坐标可以根据工作台141、滑鞍144、滑块145的移动量来获取。在计测时，在滑块145上安装对到工件的距离进行计测的三维计测部210并在切削加工时安装工具。
[0127]计测系统200具备:三维测定器210，计测到工件即计测对象物300的距离；测定部控制部220，对三维计测器210进行控制；测定点存储部230，存储由测定部210测定的到工件的距离及此时的滑块145的三维坐标(X，Y，Z)即存储点群数据；STL生成部240，基于测定点存储部230所存储的点群数据来生成作为流形且不包含自交叉的封闭多面体而被定义的多面体数据(STL数据)。
[0128]三维计测器210例如可以使用在距离测定中使用的激光距离传感器。
[0129]将计测系统200中的形状计测的流程图示于图21。
[0130]首先，操作者将计测对象物300设置在工作台110上(步骤SI)。
[0131]接下来，操作者将三维测定器210安装于滑块145 (步骤S2)。
[0132]而且，计测从三维测定器210到计测对象物的距离并获取此时的滑块145的三维坐标(X，Y，Z)(步骤S3)。该处理中，一边使工作台141沿X方向移动并使滑鞍144沿Y方向移动，一边使三维测定器210相对于计测对象物300的位置发生改变，并反复进行数次。进行所谓的通过三维测定器210对计测对象物300进行扫描(扫描)。
[0133]接下来，基于从三维测定器210到计测对象物300的距离及此时的滑块145的三维坐标(X，Y，Z)，计算测定点的三维坐标(点群数据)(步骤S4)。
[0134]此处，若关于“三维测定器的安装(步骤S2)”至“测定点的坐标计算(步骤S4)”对具体动作内容进行补充，则参照下述(I)?(4)。
[0135](I)由于需要对设置在工作台141上的计测对象物300进行五面(在立形机的情况下，上面+四个侧面)测定，所以确定三维测定器210的测定路径。由于三维测定器210安装在机器的滑块(主轴)145上，所以能够通过机器的轴动作来实现三维测定器210的测定路径。
[0136](2)通过一边将三维测定器210在计测对象物300的各面上方保持一定高度一边使三维测定器210移动来进行测定(扫描)，通过对三维测定器210的获取信息即到计测对象物300的距离及在各测定时刻的机器坐标信息(即，三维测定器210的位置坐标)进行合成，能够计算出对象物的机器坐标数据(点群数据)。
[0137](3)由于按顺序对设置在工作台141上的计测对象物300的五个面进行测定，所以根据在各面上算出的点群数据可以判断从计测对象物300的哪个方向(视点)进行了测定。即，如果划分点群信息和视点信息(计测方向)，则能够判断相对于计测对象物位于内侧还是外侧。换言之，像用图5?图10说明的那样，能够通过隐函数的逻辑积而分类成不存在对象物的区域(I)和除此之外的区域(2 )。
[0138](4)像实施方式所述那样，利用在各面算出的点群数据，反复进行“具有高度信息的二维点群数据”的生成一由立体三角形网格表示的三角形网格数据的生成一根据三角形网格数据进行的隐函数的生成，对针对每个面生成的多个隐函数进行逻辑积，求出最终的隐函数。
[0139]然后，根据最终的隐函数，进行表示计测对象物的表面形状的形状模型(STL数据)的生成(步骤S5)。
[0140]步骤S5像下述具体记载那样，按照图22所示流程图由STL生成部240进行。
[0141]首先，如图11所示，生成存在完全充填最终隐函数所定义的表面的整个计测区域的单元的集合(步骤S6)。
[0142]接下来，如图13所示，判断单元的各个顶点处于表面的内还是外(步骤S7)。
[0143]而且，如图14所示，提取所有单元中具有内点和外点这两者的边界单元(步骤S8)。
[0144]之后，如图14所示，计算边界单元和边及表面的交点坐标(三个或四个)(步骤S9)。
[0145]此外，如图15?17所示，通过连接边界单元的交点，生成剖切截面(三角形或四边形)(步骤S10)。四边形的剖切截面分割为两个，成为三角形。
[0146]而且，如图18所示，对所有边界单元的剖切截面进行结合，生成作为“流形”且不包含自交叉的封闭多面体而被定义的STL数据(步骤S11)。
[0147]实施例2
[0148]对于将在本发明的形状计测方法中使用的三维计测传感器(以下，称作测定装置)安装在主轴上的附属装置的实施例，参照图29和图30进行说明。
[0149]如上所述，在仅从一面进行计测的计测结果中，存在将不存在计测对象物的区域误判断为存在计测对象物的区域的情况，因此理想的情况是优选在六个面进行计测，但通过对被设置在机床的工作台上的对象物进行五个面(在立形机的情况下，上面+四个侧面)测定，能够大致地求出表示计测对象物的整个区域的表面形状的表面。
[0150]此处，如实施例1中所述那样，由于三维测定器能够安装在机床的主轴上，所以能够通过机床的轴动作来实现测定路径。
[0151]此外，在本实施例中，为了使侧面计测最佳化，使用机床附属的侧面加工用附属装置、倾斜面加工用附属装置或具有传感器专用的倾斜机构的附属装置来实施计测。
[0152]S卩，对于侧面加工用附属装置，如图29所示，经由90度倾斜附属装置21将测定装置22安装在主轴20上。
[0153]90度倾斜附属装置21是侧面加工用附属装置的一种，旋转轴相对于主轴20的旋转轴倾斜90度。
[0154]例如，当如图所示那样，主轴20的旋转轴朝向铅垂方向时，90度倾斜附属装置21的旋转轴朝向水平方向，因此，一边使测定装置22围绕这两个旋转轴旋转，一边由测定对象23反射从测定装置22射出的激光，从而能够计测出到测定对象23的距离。
[0155]此外，倾斜面加工用附属装置是指不仅能够将上述90度倾斜附属装置21的倾斜角设成90度且能够如图34所示地任意进行变化的附属装置。通过使用这种附属装置，能够进行五个面测定。
[0156]因此，如图29所示，通过移用加工用附属装置，具有无需专用附属装置的优点。
[0157]另一方面，对于传感器专用附属装置，如图30所示，经由具备两个旋转轴的旋转机构(倾斜机构)24将测定装置22安装在主轴20上。
[0158]旋转机构24是用于测定装置22的专用附属装置的一种，具有除了主轴20的旋转轴之外的其他两个旋转轴，例如，具有在相互正交方向上且朝向以任意角度与主轴交叉的方向的旋转轴。因此，当包含主轴在内时，能够围绕共三个轴进行旋转，具有增大测定装置22相对于工作台25上的测定对象23的自由度的优点。
[0159]从而，如图30所示，若使用传感器专用的附属装置，则即使不存在加工用附属装置，也能够进行测定。
[0160]此外，若为传感器专用，则能够将附属装置小型化，能够通过加工用附属装置来扩大测定范围。
[0161]特别是，在使用线激光传感器作为测定装置22的情况下，能够相对各测定面垂直进行调整使得激光的射线和测定时的进给方向垂直，即使在使用线激光时，进给方向上的自由度也会增加。
[0162]实施例3
[0163]针对本发明的形状计测方法中的测定路径的实施例，参照图31~33进行说明。
[0164]例如,如图31所示,在以三角测量方式仅从图中箭头所示一个方向对任意形状的测定对象23进行测定的情况下，当测定对象23具有阶梯时，由于存在从测定装置22内的投光部(图示省略)射出的激光被遮挡且不会返回到测定装置22内的受光部(图示省略)的情况，所以在三维形状数据上产生欠缺(所谓的遗漏)。
[0165]在此情况下，如图32所示，存在通过相对于图中箭头所示方向使测定装置22内的投光部和受光部的朝向反转以进行改善的情况，但是若未预先识别计测物的形状，则难以使其自动化。
[0166]因此，本实施例中，在测定任意形状的测定对象23的情况下，分别用格子状的测定路径对五个面进行计测，使三维形状数据化。
[0167]即，如图33所示，相对于测定对象23的一个面，首先，一边使测定装置22从附图标记22a所示左上方位置沿着箭头向水平右方向移动一边进行计测，之后，使位置向下方错开一定距离至附图标记22b、22c所示的位置，一边使测定装置22沿着箭头向水平右方向移动一边进行计测，反复进行上述操作。即，在横向的测定路径上进行计测。
[0168]之后，在图33中，一边使测定装置22从附图标记22d所示的左下方位置沿着箭头向铅垂方向上方向移动一边进行计测，之后，使位置向右方错开一定距离至附图标记22e、22f?所示的位置，一边使测定装置22沿着箭头向铅垂方向上方向移动一边进行计测，反复进行上述操作。即，在纵向的测定路径上进行计测。
[0169]这样一来，在由横向和纵向测定路径构成的格子状路径上针对测定对象23的一个面的测定结束后，针对其他四个面，也同样地进行计测。
[0170]在本实施例中，通过用格子状路径对测定对象23的五个面进行计测，可不预先识别形状(但是，需要识别测定对象23具有五个面这种的大致形状)，与仅从一个方向进行计测的情况相比，能够减轻因激光被遮挡而导致的数据的欠缺。
[0171]此外，存在如下优点:若经由具有两个旋转轴的附属装置将测定装置22安装在主轴上，则对于测定对象，能够在一个工序中测定五个面，能够将大致的整体形状三维数据化。
[0172]工业实用性
[0173]本发明的形状计测方法可在由数值控制装置控制的工业机器例如机床上广泛地利用。
[0174]附图标记说明
[0175]I三维计测传感器
[0176]2机床的主轴
[0177]3计测对象物
[0178]4 点群
[0179]5 内点
[0180]6 外点
[0181]7 交点
[0182]8剖切截面
[0183]9工作台
[0184]10 “流形”且不包含自交叉的封闭多面体
[0185]A、D、E计测方向
[0186]B移动方向
[0187]C 表面
【权利要求】
1.一种形状计测方法，其特征在于，包括如下工序: 通过由三维计测器从多个计测方向对计测对象物进行扫描，对应每个计测方向获取所述计测对象物中的计测点群的三维坐标即计测点群数据，并基于这些计测点群数据来生成表现所述计测对象物的隐函数； 基于所述隐函数，通过基于三维德劳奈图的分割处理而将所述计测对象物所存在的整个计测区域分割成无间隙、不重复、完全充填的四面体的小区域(以下称作单元); 通过所述隐函数将所述三维德劳奈图中的所述单元的各顶点分类为存在于所述计测对象物内侧的内点和存在于所述计测对象物外侧的外点； 提取所述三维德劳奈图内所有所述小区域中的、四个顶点包含内点和外点这两者的边界单元； 计算所述边界单元的边中的、两端点为内点和外点的组合的边与所述计测对象物的表面的交点； 通过连接所述各边界单元所具有的三点或四点的所述交点来求出三角形或四边形的面；及 通过结合所有的所述三角形或四边形的面，来构成流形且不包含自交叉的封闭多面体数据。
【文档编号】G01B21/00GK103534554SQ201280021378
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年2月24日 优先权日:2011年6月2日
【发明者】吉柳秀威, 久良贤二, 山本英明, 大石浩史, 山崎谦次郎 申请人:三菱重工业株式会社