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技術 位置表示システム

出願人 株式会社シンテックホズミ
発明者 齊藤和幸吉田純也無笹俊樹
出願日 2016年3月25日 (4年0ヶ月経過) 出願番号 2016-061162
公開日 2017年9月28日 (2年5ヶ月経過) 公開番号 2017-170497
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による測長装置 金型の交換、取付、製造
主要キーワード 各基準孔 補修データ 補修内容 補修位置 補修情報 プレス成型品 前処理データ 投射データ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年9月28日)のものです。
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図面 (8)

課題

対象物の表面上の位置を精度高く表示するための位置表示システムを提供すること。

解決手段

金型2の3次元的な形状仕様を表す3次元設計データを実際の金型2に対応付け、実際の金型2の表面のうち3次元設計データ上で規定される特定の箇所に光学的なマーキング投影する位置表示システム1は、3次元設計データにおける位置が特定されており、かつ、一直線上にはない3点を利用し、実際の金型2における3点の3次元位置に対して3次元設計データにおける3点が位置的に一致するものとして、3次元設計データを実際の金型2に対応付ける対応付け手段を備えている。

概要

背景

従来より、例えば、プレス加工に用いられる金型や、車のボディパネル等のプレス加工品などの工業製品がある(例えば下記の特許文献1参照。)。これらの工業製品では、高精度な3次元形状が要求されるため、設計仕様との差異が生じたときには形状的な修正等の補修作業が必要となる。例えば金型の形状的な問題等は、その金型で成型したパネルの形状的な不良として健在化する。そこで、従来、不良箇所を示すエリア表示や不良の内容等がマジック等により書き込まれたプレス成型品が、金型の補修作業を指示するために利用されている。

概要

対象物の表面上の位置を精度高く表示するための位置表示システムを提供すること。金型2の3次元的な形状仕様を表す3次元設計データを実際の金型2に対応付け、実際の金型2の表面のうち3次元設計データ上で規定される特定の箇所に光学的なマーキング投影する位置表示システム1は、3次元設計データにおける位置が特定されており、かつ、一直線上にはない3点を利用し、実際の金型2における3点の3次元位置に対して3次元設計データにおける3点が位置的に一致するものとして、3次元設計データを実際の金型2に対応付ける対応付け手段を備えている。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

対象物の3次元的な形状仕様を表す3次元設計データを実際の対象物に対応付け、当該実際の対象物の表面のうち、前記3次元設計データ上で規定される特定の箇所に対応する位置に光学的なマーキングを形成する位置表示システム

請求項2

請求項1において、前記3次元設計データにおける位置が特定されており、かつ、一直線上にはない少なくとも3点を利用し、前記実際の対象物における前記少なくとも3点の3次元位置に対して、前記3次元設計データにおける前記少なくとも3点が位置的に一致するものとして、前記3次元設計データを前記実際の対象物に対応付ける対応付け手段を備える位置表示システム。

請求項3

請求項2において、前記少なくとも3点のうちのいずれかとして、対象物により特定されるいずれかの平面に沿って、3次元位置を計測あるいは入力された点を仮想的に移動させた擬似的な点を利用する位置表示システム。

請求項4

請求項2又は3において、前記実際の対象物について、前記少なくとも3点の3次元位置を計測する位置計測手段を備える位置表示システム。

請求項5

請求項4において、前記位置計測手段は、前記マーキングを形成するための光を投射する投射手段との位置関係を一定に保持しながら一体的に移動可能である位置表示システム。

請求項6

請求項1〜5のいずれか1項において、前記実際の対象物の形状を計測して3次元計測データを取得するデータ取得手段を備え、前記3次元設計データと前記3次元計測データとの差分が閾値を超える位置に前記マーキングを形成する位置表示システム。

請求項7

請求項1〜6のいずれか1項において、対象物は加工用金型であって、前記マーキングに対応付けて金型の補修情報投影する位置表示システム。

技術分野

0001

本発明は、対象物の表面上の位置を表示するシステムに関する。

背景技術

0002

従来より、例えば、プレス加工に用いられる金型や、車のボディパネル等のプレス加工品などの工業製品がある(例えば下記の特許文献1参照。)。これらの工業製品では、高精度な3次元形状が要求されるため、設計仕様との差異が生じたときには形状的な修正等の補修作業が必要となる。例えば金型の形状的な問題等は、その金型で成型したパネルの形状的な不良として健在化する。そこで、従来、不良箇所を示すエリア表示や不良の内容等がマジック等により書き込まれたプレス成型品が、金型の補修作業を指示するために利用されている。

先行技術

0003

特開2013−215749号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、前記従来の金型の補修作業では、プレス成型品への書き込みから金型の不良箇所を判断する必要があり、位置的な間違い等の作業ミスを生じる可能性がある。

0005

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、対象物の表面上の特定の箇所を精度高く表示するための位置表示システムを提供しようとするものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明は、対象物の3次元的な形状仕様を表す3次元設計データを実際の対象物に対応付け、当該実際の対象物の表面のうち、前記3次元設計データ上で規定される特定の箇所に対応する位置に光学的なマーキングを形成する位置表示システムにある(請求項1)。

発明の効果

0007

本発明の位置表示システムは、対象物の3次元設計データを実際に対象物に対応付けることで、前記実際の対象物の表面のうち、前記3次元設計データ上の特定の箇所に対応する位置へのマーキングの形成を可能としている。この位置表示システムによれば、前記3次元設計データ上で特定された箇所を、実際の対象物の表面上で精度高く表示できる。

図面の簡単な説明

0008

位置表示システムを示す説明図。
投影装置の構成を示すブロック図。
金型にセットする基準孔マーカ、平面推定マーカを示す説明図。
位置表示システムの動作の流れを示すフロー図。
位置表示システムを運用する様子を示す説明図。
基準孔マーカの揺動動作を示す説明図。
金型に投影した補修情報の一例を示す図。

実施例

0009

本発明の好適な態様を説明する。
前記3次元設計データにおける位置が特定されており、かつ、一直線上にはない少なくとも3点を利用し、前記実際の対象物における前記少なくとも3点の3次元位置に対して、前記3次元設計データにおける前記少なくとも3点が位置的に一致するものとして、前記3次元設計データを前記実際の対象物に対応付ける対応付け手段を備えると良い(請求項2)。

0010

一直線上にない3点の3次元位置に基づけば実際の対象物の3次元的な姿勢を特定でき、前記3次元設計データとの対応付けが可能になる。なお、一直線上にない3点の3次元位置としては、いずれかの2点を結ぶ直線と残りの1点との距離が遠いほど上記の対応付けの精度を確保できる。対応付けに利用する点を増やすことも良く、点を増やせば対応付けの精度を向上できる。

0011

前記少なくとも3点のうちのいずれかとして、対象物により特定されるいずれかの平面に沿って、3次元位置を計測あるいは入力された点を仮想的に移動させた擬似的な点を利用することも良い(請求項3)。

0012

前記少なくとも3点のうちのいずれか2点がなす直線に対して、残りの1点が近くに存在していると前記対応付けの精度を十分に確保できないおそれがある。このような場合、3次元位置が特定された点を前記いずれかの平面に沿って仮想的に移動させ、上記の直線から離れた前記擬似的な点を想定すると良い。この擬似的な点を利用すれば、上記の対応付けの精度を向上できる。

0013

前記実際の対象物について、前記少なくとも3点の3次元位置を計測する位置計測手段を備えると良い(請求項4)。
前記少なくとも3点の3次元位置を計測すれば、その計測データを利用して前記3次元設計データを実際の対象物に対応付けできる。

0014

前記位置計測手段は、前記マーキングを形成するための光を投射する投射手段との位置関係を一定に保持しながら一体的に移動可能であると良い(請求項5)。
例えば実際の対象物の裏側などは光の投射によるマーキングの形成が困難である。前記投射手段を裏側に移動すれば良いが、前記投射手段の移動に応じて実際の対象物と3次元設計データとの対応関係が不明となってマーキングの形成ができなくなる。そこで、前記位置計測手段を前記投射手段と一体的に移動させれば、移動後であっても、実際の対象物と前記3次元設計データとの対応付けを可能にでき、前記マーキングの形成が可能になる。

0015

前記実際の対象物の形状を計測して3次元計測データを取得するデータ取得手段を備え、前記3次元設計データと前記3次元計測データとの差分が閾値を超える位置に前記マーキングを形成することも良い(請求項6)。
この場合には、実際の対象物の表面形状の計測と、前記マーキングによる形状不良箇所の表示と、の両方を実現できる。前記データ取得手段としては、例えば、レーザスリット光を対象物の表面に投射して表面を計測する手段や、レーザー光照射して対象までの距離を計測する手段等を利用すれば、非接触で対象物の表面を計測できる。

0016

対象物は加工用の金型であって、前記マーキングに対応付けて金型の補修情報を投影すると良い(請求項7)。
この場合には、金型の正確な補修作業の実施に役立つ。補修情報としては、文字情報のほか、記号情報図形情報等がある。

0017

なお、本発明で取り扱う対象物としては、上記の金型のほか、自動車のボディパネルや内装パネル・自動車のシリンダブロックカムシャフトロッカーアーム等のエンジン部品サスペンションアーム等の部品・自動車のフレームなどの工業製品や部品、入れ歯や差し歯やクラウン歯科矯正器具等の歯科材料義肢や人口骨等の医療材料など様々な対象がある。さらに、歯科材料や医療材料や下着などのフィッティングの確認や美容整形など人の体を対象とした作業や行為では、人体を対象物として取り扱い本発明を適用できる可能性もある。

0018

(実施例1)
本例は、対象物の一例であるプレス加工用の金型2の表面に補修情報等を投影する位置表示システム1に関する例である。この内容について図1図7を用いて説明する。
図1に例示の位置表示システム1は、金型2の3次元的な形状仕様を表す3次元設計データを実際の金型2に対応付け、実際の金型2の表面のうち、3次元設計データ上で規定される特定の箇所に対応する位置に光学的なマーキング181を形成するシステムである。

0019

位置表示システム1は、図1及び図2のごとく、プロジェクタ11、2基のカメラ12、13、処理ユニット15を含む投影装置10を中心として構成されている。投影装置10は、処理ユニット15等を収容する箱状の筐体100が三脚で支持された装置である。箱状の筐体100の横長の前面には、プロジェクタ11の投射レンズ110を中心としてその両側にカメラ12、13の集光レンズ120、130が配置されている。位置表示システム1では、プロジェクタ11の投射レンズ110の光軸方向に沿ってZ軸が規定され、投射レンズ110の中心を通過する水平方向、垂直方向に沿ってX軸、Y軸が規定されている(図1参照。)。そして、この位置表示システム1では、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸による3次元座標空間が規定されている。

0020

2基のカメラ12、13は、X軸に沿うように投射レンズ110の両側に所定距離を空けて配置され、ステレオカメラを構成している。ステレオカメラを構成する2基のカメラ12、13の撮像画像を比較すれば、三角測量の原理を利用して撮像対象までの距離を計測できる。位置表示システム1では、カメラ12、13の撮像エリアの水平方向、垂直方向、及び光軸方向について、上記X軸、Y軸、Z軸との相対関係物理的あるいはソフトウェア的に調整済みである。これにより、2基のカメラ12、13で距離を計測した各点について、X軸、Y軸、Z軸による上記の3次元座標空間内の位置の特定が可能になっている。なお、カメラ12、13は、赤外線波長領域に感度を有する赤外線カメラであり、赤外線ランプによる照明下での撮像が可能である。

0021

処理ユニット15は、2基のカメラ12、13の撮像画像を取得して処理を実行し、その処理結果に基づいてプロジェクタ(投射手段)11を制御するユニットである。処理ユニット15は、以下の各構成を備えている。
(1)I/O部153:撮像画像の情報や投射情報等を入出力するインターフェース
(2)前処理部154:カメラ12、13の撮像画像を取り込んで距離計測等に必要な前処理を施す演算処理部。
(3)距離計測部(位置計測手段)155:前処理データを利用して距離計測及び3次元位置の計測等の演算処理を実行する演算処理部。
(4)第1の記憶部151:対象物である金型2の形状仕様を表す3次元設計データを記憶する記憶部。
(5)対応付け部(対応付け手段)156:3次元設計データを撮像対象の実際の金型2に対応付ける演算処理部。
(6)第2の記憶部152:金型2の補修データを記憶する記憶部。
(7)出力部157:撮像対象の実際の金型2の表面に補修情報を投影するための投射情報を生成しプロジェクタ11に出力する出力部。

0022

次に、以上のように構成した位置表示システム1を適用する金型2等について説明する。図3の金型2は、上型下型とが対となって平板状の鉄板等を挟み込んで成型するプレス加工用の金型である。金型2では、対となる相手方の金型との合わせ面20に凹凸形状が設けられているほか、対になる金型との位置合わせ等のための基準孔21等が設けられている。この金型2では、略矩形状の正面形状を呈する金型2の一方の長辺に沿うように基準孔21が3箇所設けられている。なお、この3箇所の基準孔21は、一直線上に位置しないように配置されている。

0023

位置表示システム1では、各基準孔21の3次元位置や、合わせ面20の平面推定の結果等を利用して3次元設計データの対応付けを実現している。基準孔21の位置的な特定、及び合わせ面20をなす平面の推定には、赤外光反射する外表面の球体マーカ30を備える基準孔マーカ31や平面推定マーカ32が利用される(図3参照。)。

0024

基準孔マーカ31は、図3のごとく、マーカ軸311の先端側に球体マーカ30を保持する棒状のマーカである。球体マーカ30は、マーカ軸311に対して交差する支持ステーの両端に、それぞれ、取り付けられている。球体マーカ30の配置は、3つの基準孔マーカ31でそれぞれ相違しており、各基準孔マーカ31の区別が可能になっている。基準孔マーカ31は基準孔21に差し込んだ状態で先端側を揺動可能である。詳しくは後述するが、基準孔マーカ31の揺動動作により球体マーカ30と基準孔21との3次元的な位置関係(立設高さなど)の特定が可能となっている。

0025

平面推定マーカ32は、図3のごとく、大径のボールを中心として、周囲に3個の球体マーカ30を設けたマーカである。この平面推定マーカ32は、各球体マーカ30が合わせ面20に接する状態で金型2にセットされる。

0026

次に、上記のような基準孔マーカ31、平面推定マーカ32をセットした金型2を対象物とした際の位置表示システム1の運用について図4のフロー図に沿って説明する。位置表示システム1の運用に当たっては、対象物である金型2の3次元的な形状仕様を表す3次元設計データ、この3次元設計データにおける基準孔21の位置のデータ、金型2の補修箇所の位置を表すデータや補修内容を表すデータ等の補修情報等を予め入力し、これらのデータ等を処理ユニット15に記憶させておく必要がある。なお、上記の補修情報に含まれる位置のデータは、3次元設計データにおける特定の箇所を表すデータである必要がある。

0027

位置表示システム1の運用時には、まず、金型2にセットされた全ての基準孔マーカ31及び平面推定マーカ32を見込むことができる初期位置(図5参照。)に投影装置10を設置し(S101)、投影装置10の動作を開始させる。投影装置10の処理ユニット15は、動作開始に応じて左右のカメラ12、13を撮像状態とし、各カメラ12、13による金型2の撮像画像の取得を開始する。なお、撮像は、赤外光の照明下で実施される。

0028

なお、上記の撮像状態において、予め、基準孔マーカ31に関する初期学習を実施しておく必要がある。この初期学習は、基準孔21に差し込んだ各基準孔マーカ31を図6のように揺動させることで、基準孔マーカ31と基準孔21との3次元的な位置関係(主として立設高さ)を特定するための学習である。処理ユニット15は、揺動中の基準孔マーカ31を撮像して球体マーカ30の動きを特定することで揺動動作の中心、すなわち金型2の合わせ面20に開口する基準孔21の位置を特定する。そしてこれにより、基準孔マーカ31が備える複数の球体マーカ30を基準とした基準孔21の3次元的な相対位置を特定する。

0029

処理ユニット15は、上記の初期学習が終了していることを前提として、図1の3次元座標空間における各基準孔21の座標の特定を試みる。処理ユニット15は、左右のカメラ12、13の撮像画像について前処理を施し、画像中の各基準孔マーカ31(球体マーカ30)の位置を特定する。そして、各基準孔マーカ31について、左右のカメラ12、13の視差を特定し三角測量の原理により距離を計測すると共に(S102)、上記の3次元座標空間における3次元位置を求める。なお、処理ユニット15は、上記の初期学習により特定済みである基準孔マーカ31と基準孔21との3次元的な相対位置を利用し、基準孔マーカ31の3次元位置から基準孔21の3次元位置を演算し、これを各基準孔21の初期座標として特定する(S103)。

0030

次に、補修情報を金型2の表面に投影するに当たっては、金型2に対して近接する投影位置図5参照。)に投影装置10を移動させる必要がある(S104)。処理ユニット15は、投影装置10と金型2とを近接させるための移動中において、各基準孔マーカ31を追跡し(S105)、3次元位置(図1の3次元座標空間における座標)の変化をリアルタイムで計測して座標を更新する(S106)。

0031

なお、金型2と投影装置10を近づける際には、投影装置10を移動させても良く、金型2の載置台を移動させても良い。投影装置10と金型2とを同じ床面に載置すると共に、移動する側に設けたキャスター輪(図示略)等により床面を移動させると良い。このように床面に沿う平行移動では、投影装置10と金型2との高さの違いに変化が生じないため、移動中等における各基準孔21の座標の更新演算が比較的容易になる。

0032

投影装置10を投影位置(図5参照。)に移動させた後、金型2に補修情報を投影するに当たって、処理ユニット15は、金型2の形状仕様を表す3次元設計データを読出し、実際の金型2と対応付ける(S107)。この対応付けは、一直線上にはない3箇所の基準孔21の座標(3次元位置)を利用して行われる。処理ユニット15は、上記の3次元設計データにおいて特定された各基準孔21の位置と、実際の金型2の各基準孔21の位置とが一致するよう、実際の金型2に対して3次元設計データを対応付ける。

0033

続いて処理ユニット15は、記憶している補修情報の読み出しを実行する。この補修情報には、補修箇所を表す位置データと補修内容を表す補修データ等が含まれている。ここで、位置データは、3次元設計データにおける特定の箇所を表すデータである。補修データは、補修を要する状況の説明や、補修の度合いを表す数値等の文字情報や図形情報等のデータである。

0034

処理ユニット15は、実際の金型2と3次元設計データとの対応付けの結果を利用し、上記の3次元座標空間(図1参照。)における補修位置を特定する。そして、金型2の補修位置に光学的なマーキングを投影できるようにプロジェクタ11から光を投射し(S108)、例えば図7に例示するマーキング181等を金型1の表面に投影する。

0035

図7の例は、表面荒れトラブルを生じた領域を取り囲むドットラインを光学的なマーキング181として投影する例である。補修内容を表す例えば「表面荒れ」等の文字情報183は、領域から引き出された引き出し線182に沿って表示される。このとき、処理ユニット15は、実際の金型2の3次元形状に対応付けられた3次元設計データを利用し、マーキングや文字や引き出し線などを投影面の凹凸を考慮した投射データを生成し、これにより凹凸がある金型2の表面に正しい形状の線や文字等の投影を可能にしている。

0036

例えば、補修箇所が金型2の裏側にも存在している場合であれば、投影装置10が金型2の裏側を見込むことができるよう、投影装置10あるいは金型2を移動させると良い(S109)。補修箇所を見込むことができる新たな投影位置に投影装置10を移動した後、上記と同様に金型2の表面に補修情報を投影すると良い。

0037

以上のように構成された位置表示システム1は、金型2の3次元設計データを実際に金型2に対応付けることで、実際の金型2の表面への補修位置や補修内容等の投影を可能としている。このように金型2の表面に補修情報を投影すれば、補修位置の間違い等の作業ミスが生じるおそれを抑制できる。

0038

ここで、3次元設計データを実際の金型2に対応付ける際の精度の向上に役立つ方法を説明する。本例では、3点を利用した対応付けの方法を例示したが、この対応付けの方法では、上記の通り、いずれかの2点を結ぶ直線を基準として、残りの1点までの距離が離れているほど対応付けの精度が高くなる。一方、例示した金型2の場合、3箇所の基準孔21が一直線上ではないものの、一方の側面側に寄せて配列されており、上記の距離を十分に確保できないおそれがある。このような基準孔21の配列下で対応付けの精度を確保したい場合には、金型2の合わせ面20にセットされた上記の平面推定マーカ32を有効に活用できる。

0039

同一直線状にない3つの平面推定マーカ32の3次元位置に基づけば、これらの平面推定マーカ32が載置された合わせ面20を基準となる平面として推定可能である。特に、本例では、一方の側面側に2つの平面推定マーカ32がセットされ、他方の側面側にもう1つの平面推定マーカ32がセットされている。このような平面推定マーカ32の配置下では、合わせ面20がなす基準の平面を精度高く推定可能である。

0040

この推定平面を利用すれば、いずれかの基準孔21をこの推定平面に沿って仮想的にずらして仮想的な擬似基準孔(擬似的な点)を生成でき、これにより、上記の距離を拡大できる。以下、擬似基準孔の元となる基準孔を特定基準孔、その他の基準孔を一般基準孔という。なお、基準孔21を仮想的にずらす方向としては、例えば2つの一般基準孔を通過する直線に対する直交方向を設定できる。また、仮想的にずらす距離としては、例えば2つの一般基準孔を通過する直線と特定基準孔との距離との定数倍の距離を設定できる。

0041

上記のような擬似基準孔の3次元位置の演算を、実際の金型2、及び3次元設計データについて、それぞれ実行する。そして、擬似基準孔を含む各基準孔21の3次元位置が一致するものとして、擬似基準孔の3次元位置を含む3次元設計データと、擬似基準孔の3次元位置が特定された実際の金型2と、の対応付けを実行する。擬似基準孔については上記の距離が拡大されているため、実際の金型2と3次元設計データとの対応付けの精度を向上できる。

0042

なお、予め記憶している補修情報を金型2に投影する例を説明したが、これに代えて、例えば、2次元領域走査しながら距離計測が可能なレーザレーダ装置(図示略、データ取得手段)により金型2の3次元形状を計測して3次元計測データを取得することも良い。この場合には、金型2の形状仕様を表す3次元設計データと3次元計測データとの差分を位置毎に演算することで、補修を要する箇所の位置データやずれ度合い(差分の大きさ)等を補修情報として生成可能となる。なお、3次元設計データと3次元計測データとを比較するための両者の対応付けは、基準孔21を利用すると良い。

0043

なお、本例では、2基のカメラ12、13を利用して3次元位置を計測したが、これに代えて、例えば、カメラを上下2段に設置し、各段に3〜4基ずつのカメラを配列することも良い。三角測量に用いるカメラの台数を増やせば、測量の精度を向上し3次元位置の計測精度をより向上できる。
光学的なマーキングを形成する手段としてプロジェクタを例示したが、これに代えて、レーザーポインタ等を利用しても良い。

0044

以上、実施例のごとく本発明の具体例を詳細に説明したが、これらの具体例は、特許請求の範囲に包含される技術の一例を開示しているにすぎない。言うまでもなく、具体例の構成や数値等によって、特許請求の範囲が限定的に解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、公知技術や当業者の知識等を利用して前記具体例を多様に変形、変更あるいは適宜組み合わせた技術を包含している。

0045

1位置表示システム
10投影装置
100筐体
11プロジェクタ(投射手段)
110投射レンズ
12、13カメラ
120、130集光レンズ
15処理ユニット
155距離計測部(位置計測手段)
156対応付け部(対応付け手段)
2金型
20 合わせ面
21基準孔
30球体マーカ
31 基準孔マーカ
32平面推定マーカ

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