トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験




【発明の名称】 ３次元形状測定方法および３次元形状測定装置
【発明者】 【氏名】田中 明

【氏名】石渡 裕

【氏名】片山 仁
【要約】 【課題】製品の３次元的内外面形状を測定し、測定したデータから設計、製造に必要なＣＡＤデータを作成し、製品を再現化する３次元形状測定方法および３次元形状測定装置を提供する。

【解決手段】本発明に係る３次元形状測定方法は、対象物の表面形状および内部形状のそれぞれを撮像し（Ｓｔ−１、Ｓｔ−２）、撮像した内部形状を点群データに変換し、変換した点群データを基準マーカを基点に重ね合わせて合成する内部形状合成工程（Ｓｔ−３）と、撮像した表面形状を点群データに変換し、変換した点群データを基準マーカを基点に重ね合わせて合成する表面形状合成工程（Ｓｔ−４）と、前記内部形状合成工程（Ｓｔ−３）で作成した内部形状合成点群データと前記表面形状合成工程（Ｓｔ−４）で作成した表面形状合成点群データとを合成して一体化する内部表面データ合成工程（Ｓｔ−５）と、この内部表面データ合成工程（Ｓｔ−５）で作成したデータをＣＡＤデータに変換する３次元形状変換工程（Ｓｔ−６）とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め基準マーカを設置した対象物の表面形状および内部形状のそれぞれ複数枚撮像する形状撮像工程と、撮像した内部形状を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する内部形状合成工程と、撮像した表面形状を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する表面形状合成工程と、前記内部形状合成工程で作成した内部形状合成点群データと前記表面形状合成工程で作成した表面形状合成点群データとを前記基準マーカを基点として合成して一体化する内部表面データ合成工程と、この内部表面データ合成工程で作成したデータをＣＡＤデータに変換する３次元形状変換工程とを備えることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項２】
対象物の内部形状を撮像する際、Ｘ線カメラ装置、核磁気共鳴装置、超音波装置、マイクロスコープ、レーザ顕微鏡、電子顕微鏡のうち、少なくとも１つを選択して使用することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
【請求項３】
予め基準マーカを設置した対象物の表面形状を撮像する表面形状測定装置と、前記対象物の内部形状を撮像する内部形状測定装置と、前記表面形状測定装置で撮像した画像を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する表面形状合成装置と、前記内部形状測定装置で撮像した画像を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する内部形状合成装置と、前記表面形状合成装置および前記内部形状合成装置のそれぞれからの合成点群データを前記基準マーカを基点として重ね合わせて一体化する内部表面データ合成装置と、この内部表面データ合成装置で一体化した合成点群データをＣＡＤデータに変換する３次元形状変換装置とを備えたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項４】
表面形状測定装置は、レーザ光装置であることを特徴とする請求項３記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
内部形状測定装置は、対象物の内部形状を撮像するＸ線カメラと、このＸ線カメラを昇降自在にして回転自在に移動させるスタンド支持装置とを備えたことを特徴とする請求項３記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
Ｘ線カメラは、Ｘ線照射距離算出装置を備えたことを特徴とする請求項５記載の３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、製品を３次元的に計測し、得られた情報に基づいてＣＡＤデータを作成する３次元形状測定方法および３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、リバースエンジニアリングにおいては、通常行われている図面から製品を作製するのではなく、既に製作された製品から逆にＣＡＤデータ等の設計、製造に必要なデータを求めることが行われている。つまり、この分野では、通常の設計、製造のフローとは逆のフローになっている。例えば、製品はあるものの、図面等の資料がなく、製品を再現したい場合、製品の座標情報から図面化に必要なＣＡＤ情報を収集するものである。
【０００３】
このようなリバースエンジニアリングの分野においては、例えば、特許文献１に見られるように、製品の立体モデルから３次元測定器で形状を測定し、設計から得られたＣＡＤデータを補正するものや、例えば、特許文献２に見られるように、２次元の図面およびその実物の３次元データを用いて３次元モデルを作製するもの、あるいは、例えば、特許文献３に開示されているように、Ｘ線を用いた試料の断面画像から形状測定を行う技術が数多く提案されている。
【特許文献１】特開２００３−２４２１８６号公報
【特許文献２】特開２００１−１８４５２７号公報
【特許文献３】特開２００４−３１７４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述特許文献１〜２に開示された技術は、製品の外側（外面）の表面形状を測定するものであり、製品の内部（構造物）の測定を行っていない。
【０００５】
また、上述特許文献３に開示された技術は、Ｘ線を用いて内部断面形状を測定するものであり、製品の外側（外面）の測定を行っていない。
【０００６】
このため、製品全体の構造を把握するためには内外面の形状を測定しないと、その正確なＣＡＤデータ情報が得られない等の不具合、不都合がある。
【０００７】
また、内外面の形状を測定しないと、形状によっては、他の部品の位置の影響でその形状が隠されてしまい表面からでは測定ができない場合、あるいは非破壊試験の手法を用いて内部形状を含めた全体形状を把握したい場合などでは、不正確な情報しか得られない等の不安がある。
【０００８】
したがって、３次元形状の製品を測定する場合、従来から測定対象物の内部形状測定が可能な手段を、少なくとも一つ以上を備え、かつ内部形状と表面形状を合成し、任意の表面、断面形状を作成できる新らたな技術の実現が求められていた。
【０００９】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、製品の３次元的に内外面形状を測定し、測定したデータから設計、製造に必要な正確なＣＡＤデータを作成し、製品を再現化する３次元形状測定方法および３次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る３次元形状測定方法は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、予め基準マーカを設置した対象物の表面形状および内部形状のそれぞれ複数枚撮像する形状撮像工程と、撮像した内部形状を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する内部形状合成工程と、撮像した表面形状を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する表面形状合成工程と、前記内部形状合成工程で作成した内部形状合成点群データと前記表面形状合成工程で作成した表面形状合成点群データとを前記基準マーカを基点として合成して一体化する内部表面データ合成工程と、この内部表面データ合成工程で作成したデータをＣＡＤデータに変換する３次元形状変換工程とを備える方法である。
【００１１】
また、本発明に係る３次元形状測定装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、予め基準マーカを設置した対象物の表面形状を撮像する表面形状測定装置と、前記対象物の内部形状を撮像する内部形状測定装置と、前記表面形状測定装置で撮像した画像を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する表面形状合成装置と、前記内部形状測定装置で撮像した画像を点群データに変換し、変換した点群データを前記基準マーカを基点に重ね合わせて合成する内部形状合成装置と、前記表面形状合成装置および前記内部形状合成装置のそれぞれからの合成点群データを前記基準マーカを基点として重ね合わせて一体化する内部表面データ合成装置と、この内部表面データ合成装置で一体化した合成点群データをＣＡＤデータに変換する３次元形状変換装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置は、対象測定物の表面形状および内部形状のそれぞれから撮像した画像のそれぞれを重ね合わせて合成し、表面形状の重ね合わせ合成像と内部形状の重ね合わせ合成像とをさらに重ね合わせ像に一体化し、この一体化した重ね合わせ像からＣＡＤデータを再現するので、リバースエンジニアリングにおける製品形状からの検査、製造の再現を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置の第１実施形態を示す概念図である。
【００１５】
本実施形態は、例えば、駆動伝達軸等の対象物（製品）の表面形状を、例えば、３次元レーザ測定器等で測定する表面形状測定工程Ｓｔ−１と、例えばＸ線撮像管等を用いて対象物の内部形状を測定手段で測定する内部形状測定工程Ｓｔ−２と、この内部形状測定工程Ｓｔ−２で得られた測定画像を点群データに変換し、変換した点群データを予め対象物に設定しておいた基準マーカＭを基点に重ね合せて合成する内部形状合成工程Ｓｔ−３と、上述表面形状測定工程Ｓｔ−１で測定した測定画像を点群データに変換し、変換した点群データを基準マーカＭを基点に重ね合せて合成する表面形状合成工程Ｓｔ−４とを備えている。
【００１６】
ここで、点群データとは、３次元測定装置で測定またはＣＣＤカメラ等で撮像した外表面形状や、Ｘ線撮像管等で撮像した内部形状を、それらの形状を損なわない程度の間隔を有した多数の点であらわすとともに、それらの点はそれぞれ３次元の座標値を有するものである。
【００１７】
また、本実施形態は、内部形状合成工程Ｓｔ−３からの内部形状点群データと表面形状合成工程Ｓｔ−４からの表面形状点群データとを基準マーカＭを基点に重ね合せて合成する内部・表面合成工程Ｓｔ−５を有する。この内部・表面合成工程Ｓｔ−５では、得られた合成点群データを、例えば、合成点群データのうち、近接するある３点で構成され、ある適当な面積を有する三角形の面を仮定し、このような面を多数用いて前記表面形状測定工程Ｓｔ−１または前記内部形状測定工程Ｓｔ−２で撮像した画像全てを表現するポリゴンデータに変換される。よって、この工程Ｓｔ−５では、内部形状合成工程Ｓｔ−３および表面形状合成工程Ｓｔ−４で変換された点群データのうち、ポリゴンデータで活用されなかった点群データは削除される。そして、このポリゴンデータからさらに設計、製造に必要なＣＡＤデータやＮＣデータを作成する３次元形状変換工程Ｓｔ−６とを備える構成になっている。
【００１８】
なお、表面形状合成工程Ｓｔ−４で合成点群データを作成する際、表面形状が、例えば段差等があって急激な形状変化がある場合、補正が行われるが、この場合の補正は設計者またはコンピュータで行うようにしている。
【００１９】
一方、対象物の内部形状を測定する測定手段には、Ｘ線撮像管装置、ＭＲＩ（核磁気共鳴装置）、超音波装置、小型マイクロスコープ装置、レーザ顕微鏡、電子顕微鏡のうち、いずれかが選択される。
【００２０】
このうち、ＭＲＩを選択する場合は、測定対象物の表面形状と内部形状とを同時に撮影できる点で有効である。
【００２１】
また、超音波装置を選択する場合、送信側と受信側のセンサを複数用意し、各センサ毎に送受信角度を変化させフューズドアレイ手法を用いると、３次元断面形状の算出に有効である。
【００２２】
さらに、測定対象物の内部形状にわずかな隙間がある場合、小型マイクロスコープ装置を選択することにより、その隙間から撮影を良好に行うことができる。
【００２３】
また、表面形状の測定対象が極少なミクロンオーダの場合、レーザ顕微鏡、電子顕微鏡を選択すると、鮮明な画像が得られる点で有効である。
【００２４】
内部表面合成工程Ｓｔ−５で、内部形状点群データと表面形状点群データとを重ね合わせて合成するとき、本実施形態では、内部の断面形状を複数枚撮像し、一方の各断面画像と他方の各画像間との距離をわずかに置いて重ね合わせるとともに、重ね合わせた画像を表面および内部の共通の基準マーカＭおよび表面形状、輪郭をベースに回転させながら表面形状や輪郭の点群データと合わせ込みを行って合成画像を作成する。
【００２５】
このように、本実施形態は、測定対象の表面形状および内部形状のそれぞれを画像化し、各内外形状の画像を点群データに変換し、変換した点群データを基準マーカＭ等と基点に重ね合せて３次元形状のＣＡＤデータを作成するので、表面形状、内部形状を含めた全体形状を把握できるとともに、任意の表面、内部断面形状を作成することができ、リバースエンジニアリングにおける製品形状からの検査、製造の再現等を容易に行うことができる。
【００２６】
図２は、本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置の第２実施形態を示す概念図である。
【００２７】
本実施形態は、測定対象として発電機ロータ（発電機の回転軸）１を適用例とし、発電機ロータ１の内部形状の測定を行うＸ線カメラ２と、このＸ線カメラ２を昇降自在にして、回転自在に移動させるスタンド支持装置３とを備えた内部形状測定装置３ａを設けるとともに、Ｘ線カメラ２から照射されるＸ線の照射角度、照射距離に基づいて画像間の距離を算出するＸ線照射距離算出装置４をＸ線カメラ２に設けたものである。
【００２８】
なお、発電機ロータ１は、図３に示すように、周方向から中心位置に向ってコイル溝が設けられ、このコイル溝５に、図４に示すように、軸方向に向ってコイル６が収容されている。
【００２９】
この発電機ロータ１を例示に採った本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置は、第１実施形態と同様に、発電機ロータ１の表面形状を、例えば、レーザを用いた３次元測定装置で構成される表面形状測定装置７と、発電機ロータ１の内部形状を測定する例えば、Ｘ線カメラ２と、Ｘ線カメラ２で撮像した測定画像を点群データに変換し、変換した点群データを基準マーカＭを基点に重ね合せて合成する内部形状合成装置８と、上述表面形状測定装置７で測定画像を点群データに変換し、変換した点群データを基準マーカＭを基点に重ね合せて合成する表面形状合成装置９と、各内外部形状合成装置８，９からの点群データを基にして内部と表面を一体化して合成する内部・表面データ合成装置１０と、この内部・表面データ合成装置１０で合成した点群データを基にして設計、製造に必要な３次元のＣＡＤデータを作成する３次元形状変換装置１１とを備える構成になっている。
【００３０】
このように、本実施形態は、発電機ロータ１の表面形状および内部形状のそれぞれを表面形状測定装置７、内部形状測定装置３ａのそれぞれで複数枚撮像し、撮像した画像のうち、表面形状画像および内部形状画像のそれぞれを点群データに変換し、変換した点群データから、表面形状を表面形状合成装置９で重ね合せて合成し、また内部形状を内部形状合成装置８で重ね合せて合成し、重ね合わせたそれぞれの表面形状および内部形状を内部表面データ合成装置１０で点群データを一体にして重ね合せて合成し、点群データを一体にして重ね合わせたデータから３次元形状変換装置１１で立体形状の３次元ＣＡＤデータを作成するので、発電機ロータ１の３次元全体形状を容易に把握でき、リバースエンジニアリングにおける製品形状から検査、製造の再現等を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置の第１実施形態を示す概念図。
【図２】本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置の第２実施形態を示す概念図。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視方向から切断した切断概念図。
【図４】本発明に係る３次元形状測定方法および３次元形状測定装置に適用する例示としての発電機ロータを示す概念図。
【符号の説明】
【００３２】
１ 発電機ロータ
２ Ｘ線カメラ
３ スタンド支持装置
３ａ 内部形状測定装置
４ Ｘ線照射距離算出装置
５ コイル溝
６ コイル
７ 表面形状測定装置
８ 内部形状合成装置
９ 表面形状合成装置
１０ 内部表面データ合成装置
１１ ３次元形状変換装置
【出願人】 【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
【出願日】 平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【代理人】 【識別番号】１０００７８７６５
【弁理士】
【氏名又は名称】波多野 久

【識別番号】１０００７８８０２
【弁理士】
【氏名又は名称】関口 俊三

【識別番号】１０００７７７５７
【弁理士】
【氏名又は名称】猿渡 章雄

【識別番号】１００１２２２５３
【弁理士】
【氏名又は名称】古川 潤一
【公開番号】 特開２００７−２７８９９５（Ｐ２００７−２７８９９５Ａ）
【公開日】 平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【出願番号】 特願２００６−１０９３２５（Ｐ２００６−１０９３２５）