CN110825028B - 三维模型生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维模型生成装置，根据基于通过一起拍摄或测量至少2个以上的物体而得到的数据生成的一体模型来生成表示物体的个别形状的个别模型。三维模型生成装置生成由延长了形成一体模型的各个面的延长面来分割一体模型而得的多个分割模型，根据所得到的数据来分别确定存在物体的二维区域，根据分割模型的投影和二维区域对分割模型分别进行标记标注，根据注标后的分割模型来生成物体的个别模型。

Description

三维模型生成装置
技术领域
本发明涉及三维模型生成装置，特别涉及根据图像生成干扰检查数据的三维模型生成装置。
背景技术
有一种检测机床的结构物或刀具、被加工物的干扰的技术。作为检测干扰的现有技术的三维干扰检查功能，其方法一般为将长方体或圆柱等立体模型组合来表现干扰的检查对象物的三维形状，并进行三维模拟，由此检查立体模型之间是否有干扰。
在使用三维干扰检查功能检查干扰时，作为三维模拟的数据需要由CAD(ComputerAided Design计算机辅助设计)生成的三维模型。但是，每次由机床进行加工时成为加工对象的工件或为了固定工件所使用的夹具不同，需要由作业人员每次生成该三维模型。另外，工件由刀具进行加工(与刀具接触)，由此形状发生变化，但是夹具一般不会改变形状，另外，夹具与刀具的接触是应该判断为干扰的部分。因此，工件和夹具需要作为另外的三维模型来生成。
作为辅助三维模型的生成的技术，例如专利第4083554号公报中公开以下方法：通过2个摄像机从X轴、Y轴、Z轴方向分别拍摄构成机床的结构体并生成图像数据，根据各个图形数据来生成结构体的三维形状数据。
另外，日本专利第4456455号公报中公开一种技术，在车床中，根据卡盘、工件各自不安装时的图像和安装时的图像来检查各个形状，并运算干扰区域。
进一步，日本专利第6043234号公报中公开一种技术，根据工件的三维模型和通过三维测量一体地测量了工件以及夹具的形状后得到的数据，生成夹具的个别模型。
但是，在日本专利第4083554号公报公开的现有技术中，将工件和夹具作为一体的三维模型而生成，根据这样的三维模型不能够区别工件和夹具，因此在干扰检查中不能够区别地检查工件和夹具。
另外，在专利第4456455号公报公开的现有技术中，在生成三维模型时需要另外拍摄工件和卡盘(夹具)分别不安装时的图像和安装时的图像，不能说充分地减少了生成三维模型的时间。
进一步，在日本专利第6043234号公报公开的现有技术中，使用工件的三维模型从工件和夹具一体的三维模型来切出夹具的三维模型，但是工件的三维模型需要由作业人员另外通过CAD来生成，作业人员虽然不花费时间来生成夹具的三维模型，但是必须生成工件的三维模型。
发明内容
因此，本发明的目的为提供一种能够根据摄像或测量数据自动生成工件以及夹具的三维模型的三维模型生成装置。
本发明的三维模型生成装置根据基于通过一起拍摄或测量至少2个以上的物体而得到的数据生成的一体模型，来生成表示上述物体的个别形状的个别模型，该三维模型生成装置具备：三维模型分割处理部，其生成由延长了形成上述一体模型的各个面的延长面来分割该一体模型而得的多个分割模型；区域判定部，其根据上述数据来分别确定存在上述物体的二维区域；以及个别模型生成部，其根据上述分割模型的投影和上述二维区域对上述分割模型分别进行添加标记的标注，根据上述标注后的上述分割模型来生成上述物体的个别模型。
在本发明的三维模型生成装置的一个实施方式中，上述物体包括工件以及夹具。
在本发明的三维模型生成装置的一个实施方式中，上述区域判定部根据上述物体的摄影图像的亮度信息或颜色信息来确定上述二维区域。
在本发明的三维模型生成装置的一个实施方式中，上述个别模型生成部根据上述分割模型的投影和特定的上述物体的上述二维区域的重叠程度将表示特定的上述物体的上述标记赋予上述分割模型。
通过本发明能够提供一种能够根据摄影或测量数据自动生成工件以及夹具的三维模型的三维模型生成装置。
附图说明
参照附图根据以下实施例的说明来明确本发明的上述以及其他目的和特征。这些附图中：
图1是表示本发明一个实施方式的三维模型生成装置的主要部件的概略硬件结构图。
图2是本发明一个实施方式的三维模型生成装置的概略功能结构图。
图3是说明立体视觉传感器的三维模型的生成方法的图。
图4表示一体模型的分割方法的例子。
图5表示凹棱线和凸棱线的判别方法的例子。
图6是表示三维模型生成用数据取得部以及区域判定用数据取得部所进行的处理的图。
图7是表示三维模型生成部以及三维模型分割处理部所进行的处理的图。
图8是表示区域判定部所进行的处理的图。
图9是表示个别模型生成部150所进行的处理的图。
图10是表示个别模型生成部150所进行的处理的图。
图11是表示个别模型生成部150所进行的处理的图。
具体实施方式
以下表示用于实现本发明的三维模型生成装置的结构例。
图1是表示一个实施方式的三维模型生成装置的主要部件的概略硬件结构图。本实施方式的三维模型生成装置1例如能够作为数值控制装置进行安装。另外，本实施方式的三维模型生成装置1例如能够作为与机床并列设置的个人电脑等进行安装。进一步，本实施方式的三维模型生成装置1例如也能够作为与机床并列设置的干扰检查装置等进行安装。图1表示作为个人电脑而安装的三维模型生成装置1的硬件结构的例子。
三维模型生成装置1以处理器10为中心而构成。三维模型生成装置1所具备的各个结构要素经由总线17连接，经由该总线17相互交换数据。处理器10按照存储在ROM(ReadOnly Memory只读存储器)11中的***程序来整体控制三维模型生成装置1。该ROM11中使用EPRO(Erasable Programmable Read Only Memory可擦除可编程只读存储器)和EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory电可擦可编程只读存储器)等。
RAM(Random Access Memory随机存取存储器)12中使用DRAM(Dynamic RAM)等，存储暂时的计算数据、显示数据、输入输出信号等。非易失性存储器13中使用通过未图示的电池进行了备份的互补型MOS(CMOS)和SRAM(Static RAM)等，电源切断后也存储应该保持的参数等。
机器操作盘18配置在三维模型装置1的前面等上，接受三维模型生成装置1的动作所需要的数据以及图形的显示、作业人员的手动操作输入和数据输入等，用于三维模型生成装置1的动作。图形控制电路19将数值数据以及图形数据等数字信号转换为显示用的光栅信号，并发送给显示装置20。显示装置20显示这些数值以及图形。显示装置20中主要使用液晶显示装置。
输入装置21由具备键开关或旋转开关、数值键、符号键、字符键以及功能键的键盘、或鼠标等指示设备构成。
触摸面板22具备检测作业人员的触摸或拖放等操作的功能。触摸面板22重叠地配置在显示装置20的画面上，能够通过触摸面板22检测作业人员对显示在显示装置20的画面上的软件键或软件按钮、软件开关进行的操作。另外，也可以使触摸面板22和显示装置20合并构成一个装置。
通信部23经由有线/无线网络与数值控制装置、干扰检查装置、单元计算机、主计算机等之间进行数据通信。由三维模型生成装置1生成的三维模型数据例如经由通信部23被发送给数值控制装置。
接口14是将通过传感器100拍摄或测量得到的数据取入到三维模型生成装置1的接口。传感器100如果能够取得用于生成三维模型的数据则可以使用任意传感器。作为传感器100能够使用例如摄像机或距离传感器等，进一步优选能够使用如三维距离图形摄像机或立体视觉传感器(ステレオビジョン)等那样能够取得摄像对象的图像和该图像的各个像素与摄像位置的距离的传感器。
接口15是将通过传感器102拍摄得到的数据取入到三维模型生成装置1的接口。传感器102如果能够取得能够用于工件和夹具的判别的信息则可以使用任意传感器。例如，由于工件以及夹具的材质等的不同，表面的亮度或颜色(光波长度)会不同。因此，作为传感器102能够典型地使用摄像机。根据摄像机所取得的图像数据得到亮度、颜色(光波长度)等信息。另外，如果使用高光谱摄像机等高功能摄像机，则能够更精密地判别材质造成的光波长度的不同。另外，传感器102最好是能够将摄影时的视角、摄影方向、与被摄体的距离等参数输出给外部。或者，传感器102最好是在事先被校准并确定了上述参数的状态下被使用。
另外，传感器100以及传感器102可以是分别独立的装置，或者也可以是相同的装置作为传感器100以及传感器102双方发挥功能。
图2是本发明在图1所示的三维模型生成装置1上执行了用于实现三维模型生成功能的***程序时表示本发明一个实施方式的三维模型生成装置的主要部件的概略功能框图。由图1所示的三维模型生成装置1所具备的处理器10执行用于三维模型生成功能的***程序，并控制三维模型生成装置1的各部的动作，从而实现图2所示的各个功能块。本实施方式的三维模型生成装置1具备三维模型生成用数据取得部110、三维模型生成部120、三维模型分割处理部130、个别模型生成部150、区域判定用数据取得部160、区域判定部170。另外，在三维模型生成装置1的非易失性存储器13上确保三维模型生成用数据存储部200以及三维模型存储部210，三维模型生成用数据存储部200用于存储一起拍摄或测量工件以及安装了该工件的夹具后得到的图像，三维模型存储部210用于存储三维模型。
三维模型生成用数据取得部110是取得通过传感器100拍摄或测量而得到的数据并存储到三维模型生成用数据存储部200的功能单元(图6)。三维模型生成用数据取得部110可以将通过传感器100从多个方向拍摄或测量例如图6所示的工件320以及安装了该工件的夹具322而取得的多个数据组存储在三维模型生成用数据存储部200中。
三维模型生成部120是根据存储在三维模型生成用数据存储部200中的、一起拍摄或测量了工件320以及安装了该工件320的夹具322而得到的数据来生成三维模型的功能单元(图7)。三维模型生成部120将根据存储在三维模型生成用数据存储部200中的数据而生成的三维模型作为工件320以及夹具322的一体模型存储在三维模型存储部210中。
通常根据作为数据的图像来生成三维模型的方法，例如公知有体积交叉法(視体積交差法)或立体匹配法等各种方法。但是，作为三维模型生成部120生成三维模型的方法如果是能够根据以某种手段取得的工件320以及安装了该工件320的夹具322的拍摄或测量的结果生成三维模型的方法，则可以使用任意的方法。
作为三维模型生成部120生成三维模型的一例，简单地说明使用了三维距离图像的方法。在该方法中，首先通过三维模型生成用数据取得部110，通过作为传感器100的三维距离图像摄像机或立体视觉传感器等从多个方向一起拍摄工件320以及安装了该工件320的夹具322，得到多个距离图像，并存储在三维模型生成用数据存储部200中。在使用三维距离图像摄像机拍摄距离图像时，三维距离图像摄像机可以预先设置在预定的位置，也可以例如在机床的主轴或与机床并列设置的机器人上安装三维距离图像摄像机，通过轴移动使三维距离图像摄像机向预定的位置移动并进行拍摄。另外，如图3所示，在使用立体视觉传感器取得对象物的图像时，按照以下的步骤来得到距离图像。
[步骤a1]在图像内检测特征点；
[步骤a2]在各个图像间(图3中右眼图像(XR、YR)和左眼图像(XL、YL))使特征点对应；
[步骤a3]使用以下的数式根据检测出的对应点来计算三维位置，
X＝{B/(XL－XR)}×XL
Y＝{B/(XL－XR)}×YL
Z＝{B/(XL－XR)}×f
其中，上式中f是焦点距离，B是基线长度。
针对这样得到的多个距离图像，三维模型生成部120将通过平行移动和旋转拍摄到的图像与相同坐标系进行位置对准。并且，三维模型生成部120使用与相同坐标系进行位置对准后的多个距离图像来求出体素上的带符号距离，使用行进立方体法来生成网格。
进一步，三维模型生成部120针对这样生成的网格生成按照以下的步骤简略化的三维模型。
[步骤b1]计算三维模型的各个网格面的法线；
[步骤b2]计算相邻的面的法线的外积；
[步骤b3]计算出的外积如果是预先决定的阈值以下，则视为相同平面，合成面。
三维模型分割处理部130是根据存储在三维模型存储部210中的工件320以及夹具322的一体模型来生成将该一体模型的各个部分进行分割后的分割模型的功能单元(图7)。如图4所示，三维模型分割处理部130通过延长面304a、304b来分割一体模型，该延长面304a、304b是将形成一体模型的各个面302a、302b分别向箭头E1或E2的方向延长而得的面。三维模型分割处理部130将分割存储在三维模型存储部210中的一体模型后得到的分割模型存储在三维模型存储部210中。
关于三维模型分割处理部130的一体模型的分割算法考虑了各种算法，但是作为一例可以判别一体模型各部的棱线(面与面相接的交接线)是凹棱线还是凸棱线，在与凹棱线连接的面的法线的方向(从法线向量的正负方向)将面扩大到与其他棱线交叉的位置，在交叉的点分割模型。在取得该方法时，三维模型分割处理部130例如按照以下的步骤来判别一体模型各部的棱线(面与面相接的交接线)是凹棱线还是凸棱线(图5)。
[步骤c1]求出与成为判别对象的棱线(向量)连接的第一面308a和第二面308b(相对于棱线向量从物体的表面侧观察，右侧面为第二面308b)各自的(面向物体的表面侧的)法线向量310a、310b。
[步骤c2]针对第二面308b的法线向量310b和棱线向量312求出从法线向量314。
[步骤c3]求出第一面308a的法线向量310a和所求出的从法线向量314的内积，当内积为负时判断为凸棱线，当内积为正时判断为凹棱线。
上述三维模型分割算法在“尹泰圣，另外2名，“基于多重特征识别的焊接部件的形状分割辅助(多重特徴認識に基づいた溶接部品の形状分割支援)”，精密工学会杂志，精密工学会，第62卷，第12号，p.1707-1711”等是已经公知的，所以省略本说明书的更进一步的详细说明。
区域判定用数据取得部160是取得通过传感器102拍摄或测量工件320以及夹具322而得到的数据的功能单元(图6)。区域判定用数据取得部160能够取得例如包括亮度信息、颜色信息、深度信息或X射线透射率信息的图像数据。
区域判定部170是判别区域判定用数据取得部160所取得的图像数据中存在工件320的区域330以及存在夹具322的区域332的功能单元(图8)。区域判定部170在区域判定用数据取得部160所取得的图像数据中包括的各种信息例如如果是基于亮度信息、颜色信息，则可以用任意方法来判别存在工件320的区域330以及存在夹具322的区域332。
作为一例，说明区域判定部170使用亮度信息或颜色信息判别存在工件320的区域330以及存在夹具322的区域332的方法。在工件320和夹具322使用不同的材质(包括材料或表面处理等不同的材质)时，图像数据的两者的亮度或颜色(光波长度)会不同。此时，区域判定部170确定区域判定用数据取得部160所取得的图像数据中、存在具有工件特有的亮度或颜色(光波长度)的像素的区域和存在具有夹具特有的亮度或颜色(光波长度)的像素的区域。另外，工件特有的亮度或颜色以及夹具特有的亮度或颜色(光波长度)的基准值为区域判定部170预先保持的值。区域判定部170能够根据被定义的基准值将具有位于一定范围内的亮度或颜色(光波长度)的像素确定为存在工件320的区域330以及存在夹具322的区域332。
作为其他例子，说明区域判定部170通过形状判定来判别存在工件320的区域330以及存在夹具322的区域332的方法。当工件320以及夹具322具有一定的特征形状时本方法有效。此时，区域判定部170通过公知的机器学习方法来保持学习了工件320以及夹具322的形状特征的学习模型，并能够使用该学习模型判定所生成的分割模型是工件320和夹具322的哪一个。
个别模型生成部150为以下的功能单元：根据区域判定部170的工件以及夹具的存在区域330、332的判别结果，对由三维模型分割处理部130生成的分割模型中对应工件320或夹具332的模型分别进行标注，生成将被赋予了相同标记的分割模型作为一个模型的个别模型。
说明个别模型生成部150的标注处理。个别模型生成部150计算由三维模型分割处理部130生成的分割模型的投影(二维投影图像)(图9)。此时，个别模型生成部150使用传感器120的摄影参数(摄影时的视角、摄影方向、与被摄体之间的距离等)来计算投影，使得传感器120所取得的图像和分割模型的投影为同样的透视(パースペクティブ)。即，下式的关系成立。
x＝PX
x：由区域判定用数据取得部106取得的图像数据上的坐标。
X：分割模型上的坐标。
P：传感器102的摄影参数。
个别模型生成部150将由区域判定用数据取得部106取得的图像数据和所有分割模型的投影图像重叠。即以工件320以及夹具322的轮廓一致的方式来叠加两个图像。并且，对作为投影图像的像素且是区域判定部170所判定的工件320的存在区域330中包括的像素进行工件的标注。对夹具322的存在区域332中包括的像素进行夹具的标注(图10)。在附图中，通过附图标记340表示对工件进行了标注的像素，通过附图标记342表示对夹具进行了标注的像素。
个别模型生成部150根据构成分割模型的投影的像素与工件或夹具的存在区域的重叠程度对该分割模型进行工件或夹具的标注。例如，个别模型生成部150在构成三维分割模型的投影的像素中超过预定比例的像素被标注到工件上时，将工件的标记赋予该三维的分割模型(图11)。同样，在构成三维分割模型的投影的像素中超过预定比例的像素被标注到夹具上时，将夹具的标记赋予该三维的分割模型。例如在投影某个三维分割模型而生成二维图像时，投影图像的像素的80％被标注给工件，10％被标注给夹具，剩余的10％为未知(没有标注)。此时，关于标记未知的像素例如为了安全可以附加夹具标记。于是投影图像的像素的80％被标注给工件，20％被标注给夹具。例如如果是采用被赋予像素的标记的数量较多的一方作为分割模型的标记的规则，则个别模型生成部150此时将工件的标记赋予三维分割模型。个别模型生成部150对所有的分割模型依次实施同样的处理。
说明个别模型生成部150的个别模型生成处理。个别模型生成部150根据被标注在工件上的分割模型350来生成工件的个别模型，并根据被标注在夹具上的分割模型352来生成夹具的个别模型。个别模型生成部150在被标注了相同的标记的分割模型彼此不连接时，可以生成与相同的标记对应的多个个别模型。个别模型生成部150将根据存储在三维模型存储部210中的分割模型得到的个别模型存储在三维模型存储部210中。
这样，通过本实施方式的三维模型生成装置1生成并存储在三维模型存储部210中的工件、夹具等的个别模型被灵活用于数值控制装置或干扰检查装置等具备的加工仿真功能和干扰检查功能中。
以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明不限于上述实施方式的例子，而能够通过增加适当的变更以各种方式来实施。
例如，在上述实施方式中示出了根据一起捕捉到工件和安装了该工件的夹具的一体模型来生成工件和夹具的个别模型的例子，但是也能够用于例如根据一起捕捉到刀具和主轴的一体模型来生成刀具和主轴的个别模型等其他的目的。

Claims (4)

1.一种三维模型生成装置，根据基于通过一起拍摄或测量作为一体而捕捉的至少2个以上的、基于机床的加工涉及的物体而得到的数据生成的一体模型，来生成表示上述物体的个别形状的个别模型，其特征在于，
该三维模型生成装置具备：
三维模型分割处理部，其生成由延长了形成上述一体模型的各个面的延长面来分割该一体模型而得的多个分割模型；
区域判定部，其根据上述数据来分别确定上述数据所包含的图像数据中存在上述物体的二维区域；以及
个别模型生成部，其对构成上述分割模型的投影的像素中特定的上述物体的上述二维区域中包含的像素标注与特定的上述物体对应的标记，针对各个分割模型，基于对构成该分割模型的投影的像素赋予的标记的比例对该分割模型赋予标记，生成将赋予了相同的上述标记的上述分割模型作为一个模型的与该标记对应的上述物体的个别模型。
2.根据权利要求1所述的三维模型生成装置，其特征在于，
上述物体包括工件以及夹具、或者刀具以及主轴。
3.根据权利要求1或2所述的三维模型生成装置，其特征在于，
上述区域判定部根据上述图像数据的像素内的上述物体特有的亮度或颜色的基准值将具有一定范围内的亮度信息或颜色信息的像素的区域确定为是存在上述物体的上述二维区域。
4.根据权利要求1或2所述的三维模型生成装置，其特征在于，
上述个别模型生成部在上述分割模型的投影和特定的上述物体的上述二维区域的重叠程度为预定阈值以上时，将表示特定的上述物体的上述标记赋予上述分割模型。
CN201910725950.3A 2018-08-08 2019-08-07 三维模型生成装置 Active CN110825028B (zh)

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