JP2020001301A

JP2020001301A - 読取装置および造形装置

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Publication number: JP2020001301A
Application number: JP2018123993A
Authority: JP
Inventors: 亮輔西; Ryosuke Nishi; 恭明萬; Yasuaki Yorozu
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: US11015923B2; EP3587999A1; US20200003553A1; JP7056411B2; EP3587999B1

Abstract

【課題】立体造形物や造形中間物の３次元データの高精度化を安価かつ容易に実現する。【解決手段】計測対象物にパターン光線を投影し、前記パターン光線が投影された前記計測対象物の投影画像を計測データとして取得する計測データ取得部と、前記計測対象物を造形するための造形データを用い、前記光線パターンを前記計測対象物に投影した場合に出現する確からしい画像を予測して予測データとする予測部と、前記予測データを用いて前記計測データを補正した補正済みデータを用いて前記計測対象物までの３次元データを計算する計算部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、読取装置および造形装置に関する。

入力されたデータに基づいて、立体造形物を造形する造形装置（いわゆる「３Ｄプリンタ」）が開発されている。立体造形を行う方法は、例えば、ＦＦＦ（Fused Filament Fabrication、熱溶解フィラメント製造法）、ＳＬＳ（Selective Laser Sintering、粉末焼結積層造形法）、ＭＪ（Material Jetting、マテリアルジェッティング）、ＥＢＭ（Electron Beam Melting、電子ビーム溶解法）、ＳＬＡ（Stereolithography Apparatus、光造形法）など、種々の方法が提案されている。

また、特許文献１には、造形装置による立体造形の対象となる計測対象物の３次元形状のスキャンにおいて、計測処理時間を短縮する目的で、局所領域毎に適応的に計測点の空間分解能を設定する技術が開示されている。

しかしながら、従来の３次元形状スキャンの精度を向上させるためには、計測対象物へ照射させるパターン光を高解像度で生成するか、パターン光が照射された画像をカメラで高解像度に取得するかが必要となる。一般的には、パターン光を高解像度で生成する場合と、パターン光が照射された画像をカメラで高解像度に取得する場合とのいずれであっても、計算量が増大し、実現には高い費用が必要になる、という課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、立体造形物や造形中間物の３次元データの高精度化を安価かつ容易に実現することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、計測対象物にパターン光線を投影し、前記パターン光線が投影された前記計測対象物の投影画像を計測データとして取得する計測データ取得部と、前記計測対象物を造形するための造形データを用い、前記光線パターンを前記計測対象物に投影した場合に出現する確からしい画像を予測して予測データとする予測部と、前記予測データを用いて前記計測データを補正した補正済みデータを用いて前記計測対象物までの３次元データを計算する計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、立体造形物や造形中間物の３次元データの高精度化を安価かつ容易に実現することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる立体造形システムの全体の概略構成を示す図である。図２は、造形装置に含まれるハードウェア構成を示す図である。図３は、造形装置の機能構成を示す機能ブロック図である。図４は、予測部における予測データの生成手法の一例を示す図である。図５は、３次元データ計算部における３次元データの計算手法を示す図である。図６は、造形装置が立体造形物を造形する処理の流れを概略的に示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、読取装置および造形装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、実施の形態にかかる立体造形システム１の全体の概略構成を示す図である。なお、以下では、説明の便宜上、立体造形物の高さ方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する面をｘｙ平面として説明する。

図１（ａ）に示すように、立体造形システム１は、３次元の立体造形物を造形する造形装置１００と、情報処理端末１５０とを備えている。情報処理端末１５０は、造形したい立体造形物の形状データを造形装置１００に対して送信する。造形装置１００は、情報処理端末１５０から送信された造形したい立体造形物の形状データを受信する。造形装置１００は、当該形状データに基づいて、立体造形物を造形する。

なお、情報処理端末１５０は、造形装置１００が実行する処理を制御する制御装置として動作してもよい。なお、造形装置１００は、情報処理端末１５０の機能を組み込まれていてもよい。

図１（ｂ）に示すように、造形装置１００は、ｘｙ平面と平行に移動可能なヘッド１１０と、ステージ１２０と、を備えている。造形装置１００は、ヘッド１１０からステージ１２０上に造形材料１４０を吐出し、ｘｙ平面に層形状を造形する。造形装置１００は、１次元の線描を、同一平面内に描画することで、立体造形物のうち１層分の造形層を造形する。

造形装置１００は、１層目の造形層の造形が終了すると、ステージ１２０をｚ軸に沿う方向に１層分の高さ（積層ピッチ）だけ下げる。その後、造形装置１００は、１層目と同様にヘッド１１０を駆動して、２層目の造形層を造形する。造形装置１００は、これらの動作を繰り返すことで、造形層を積層し、立体造形物を造形する。

なお、造形装置１００は、ｘｙ平面においてヘッド１１０を移動させ、ｚ軸方向にステージ１２０を移動させる構成を例に説明したが、上述した構成は本実施形態を限定するものではなく、これ以外の構成であってもよい。

また、造形装置１００は、図１（ｃ）に示すように、造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物の形状を測定するための形状センサ１３０を備えている。形状センサ１３０は、立体造形物のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の寸法などを測定する。

形状センサ１３０の例としては、赤外線センサ、カメラ、および３Ｄ計測センサ（例えば、光切断プロファイルセンサ）などが挙げられる。すなわち、造形装置１００は、読取装置としても機能する。本実施の形態においては、形状センサ１３０として３Ｄ計測センサ（例えば、光切断プロファイルセンサ）を適用する。形状センサ１３０（３Ｄ計測センサ）は、パターン光線を計測対象物に投影する投影部１３０ａ（図４参照）と、パターン光線が投影された計測対象物の２Ｄ画像（カメラ画像）の画像データを取得するカメラ１３０ｂ（図４参照）と、を備える。

図１（ｃ）に示すように、形状センサ１３０は、例えば、ヘッド１１０による造形動作に連動して、造形層の形状を測定してもよい。また、形状センサ１３０は、１層の造形層が造形されるごとに、造形層の形状を測定してもよい。なお、形状センサ１３０が、立体造形物の測定をどのタイミングで、どの範囲で行うかは、任意に選択することができ、特に実施形態を限定するものではない。

次に、造形装置１００のハードウェア構成について説明する。

図２は、造形装置１００に含まれるハードウェア構成を示す図である。図２に示すように、造形装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０３と、記憶装置２０４と、インターフェース２０５と、造形ユニット２０６と、形状センサ１３０とを備えている。各ハードウェアは、バス２０８を介して接続されている。

ＣＰＵ２０１は、造形装置１００の動作を制御するプログラムを実行し、所定の処理を行う装置である。ＲＡＭ２０２は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラムの実行空間を提供するための揮発性の記憶装置であり、プログラムやデータの格納用、展開用として使用される。ＲＯＭ２０３は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラムやファームウェアなどを記憶するための不揮発性の記憶装置である。

記憶装置２０４は、造形装置１００を機能させるＯＳや各種アプリケーション、プログラム、設定情報、各種データなどを記憶する、読み書き可能な不揮発性の記憶装置である。

本実施形態の造形装置１００で実行されるプログラム（ＯＳや各種アプリケーションも含む）は、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、本実施形態の造形装置１００で実行されるプログラム（ＯＳや各種アプリケーションも含む）を、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の造形装置１００で実行されるプログラム（ＯＳや各種アプリケーションも含む）をインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

また、本実施形態の造形装置１００で実行されるプログラム（ＯＳや各種アプリケーションも含む）を、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

インターフェース２０５は、造形装置１００と他の機器とを接続する装置である。インターフェース２０５は、例えば、情報処理端末１５０や、ネットワーク、外部記憶装置などと接続することができる。造形装置１００は、インターフェース２０５を介して、造形動作の制御データや、立体造形物の形状データなどを受信することができる。

造形ユニット２０６は、造形材料１４０から所望の立体造形物を造形する造形部である。造形ユニット２０６は、ヘッド１１０や、ステージ１２０などを含んで、造形方式に応じて構成される。例えば、ＦＦＦ方式における造形ユニット２０６は、造形材料１４０を溶融する加熱機構や、造形材料１４０を吐出するノズルなどを含む。ＳＬＳ方式における造形ユニット２０６は、レーザ光源などを含む。

形状センサ１３０は、上述したように、造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物の形状を測定する装置である。

次に、造形装置１００のＣＰＵ２０１が記憶装置２０４やＲＯＭ２０３に記憶されたプログラムを実行することによって発揮する機能について説明する。なお、ここでは従来から知られている機能については説明を省略し、本実施の形態の造形装置１００が発揮する特徴的な機能について詳述する。

図３は、造形装置１００の機能構成を示す機能ブロック図である。

図３に示すように、造形装置１００のＣＰＵ２０１は、データ入力部３１０、造形データ生成部３２０、造形ユニット制御部３３０、造形物形状測定部３４０、比較部３５０、補正部３６０、記憶部３７０、予測部３８０、３次元データ計算部３９０、として機能する。

なお、本実施の形態においては、造形装置１００が発揮する特徴的な機能をＣＰＵ２０１がプログラムを実行することにより実現するものとしたが、これに限るものではなく、例えば、上述した各部の機能のうちの一部または全部が専用のハードウェア回路で実現されてもよい。

データ入力部３１０は、立体造形物を造形するための形状データなどの入力を受け付ける手段である。形状データは、一例として、情報処理端末１５０などで作成され、インターフェース２０５を介して、データ入力部３１０に入力される。

造形データ生成部３２０は、データ入力部３１０に入力された形状データを立体造形物の高さ方向に対して分割し、複数の造形層の造形データを生成する手段である。造形データは、造形される立体造形物を積層ピッチ単位で分割することで、積層される各層を造形するための造形層を示すデータとして生成される。造形データは、各層のｘｙ平面座標において、造形するかしないかを示す二値データとすることができる。また、好ましい実施形態では、単に各座標での造形の有無だけでなく、各座標における造形量や造形材料の吐出量などをパラメータとして含んでもよい。

なお、図３では、造形データ生成部３２０は造形装置１００に含まれているが、情報処理端末１５０に含まれてもよい。この場合、情報処理端末１５０で生成された造形データが、造形装置１００に送信され、造形処理が実行される。

造形物形状測定部３４０は、形状センサ１３０を制御し、造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物である計測対象物の形状として、高さデータなどの計測データを計測する手段である。造形物形状測定部３４０は、計測データ取得部として機能するものであって、測定した結果を計測データとして取得する。

より詳細には、造形物形状測定部３４０は、造形物の形状の測定のためのデータを取得する。例えば、造形物形状測定部３４０は、光切断法による高さデータの計測を行う場合、ライン状のレーザ光（パターン光線）を計測対象物に照射し、その反射光の画像を形状センサ１３０のカメラ１３０ｂで取得する。造形物形状測定部３４０は、取得した画像データを３次元データ計算部３９０に送る。

造形ユニット制御部３３０は、造形データに基づいて、造形ユニット２０６が造形する動作を制御する制御部である。造形ユニット制御部３３０は、造形データに基づいてヘッド１１０の位置やステージ１２０の高さを調整することで、造形の速度、積層ピッチなどの種々のパラメータやアルゴリズムを制御しながら造形できる。また、造形ユニット制御部３３０は、造形データに基づいて造形量を制御することができる。例えば、ＦＦＦ方式では、造形材料１４０の吐出量を制御でき、ＳＬＳ方式では、レーザの強度を制御できる。

予測部３８０は、計測対象物の形状データ（立体造形物を造形するための形状データ）を用いて、パターン光線を計測対象物に投影した場合の確からしい画像を予測する。予測部３８０は、確からしさ（確率）を階調化して確からしい画像としてまとめ、予測データとして３次元データ計算部３９０に送る。

ここで、予測部３８０について詳述する。予測部３８０は、計測対象物（造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物）を造形するための造形データを用い、計測対象物の高さ変動などのシミュレーションを実行して予測データを生成する。

図４は、予測部３８０における予測データの生成手法の一例を示す図である。図４に示す例は、段差があるような計測対象物（造形中の造形層もしくは造形後の立体造形物）に対して、形状センサ１３０（３Ｄ計測センサ）の投影部１３０ａからパターン光線を照射させてカメラ１３０ｂで２Ｄ画像（カメラ画像）を取得する場合を示すものである。

図４（ａ）は、計測対象物ｂの高さｚが理想的な場合を示すものである。図４（ａ）における輝線Ａは、パターン光線が計測対象物ａの段差ｂに照射されている理想的なケースをカメラ１３０ｂで撮像したものである。すなわち、図４（ａ）に示す理想的なケースでは、輝線Ａが計測対象物ａの段差ｂに位置するカメラ画像が取得できる。

一方、計測対象物ａの高さｚが理想的なケースよりも高い場合、図４（ｂ）に示すように、パターン光線が計測対象物ａの段差ｂよりも投影部１３０ａ側に照射されてしまう。このような場合、図４（ａ）に示す理想的なケースに比べて、輝線Ｂは輝線Ａよりも投影部１３０ａ側にずれることになる。

一方、計測対象物ａの高さｚが理想的なケースよりも低い場合、図４（ｃ）に示すように、パターン光線が計測対象物ａの段差ｂよりも投影部１３０ａから離れる側に照射されてしまう。このような場合、図４（ａ）に示す理想的なケースに比べて、輝線Ｃは輝線Ａよりも投影部１３０ａから離れる側にずれることになる。

予測部３８０は、計測対象物を造形するための造形データを用い、上述の図４（ａ）〜（ｃ）に示すような高さｚの変動についてのシミュレーションを実行し、図４（ｄ）に示すような確からしい画像を得る。図４（ｄ）に示す確からしい画像においては、輝線Ａ、輝線Ｂ、輝線Ｃが重み付けされて表示されている。すなわち、理想的なケースにおける輝線Ａが、輝線Ｂおよび輝線Ｃよりも重み付けが大きくなっている。このような図４（ｄ）に示す確からしい画像は、予測データとして使われる。つまり、予測部３８０は、確からしさを階調化して確からしい画像としてまとめ、予測データとする。

３次元データ計算部３９０は、予測データを用いて計測データを補正することで、確からしい計測補正済みデータを得る。３次元データ計算部３９０は、計算部として機能するものであって、計測補正済みデータを用いて、計測対象物の３次元データ（実際の高さデータ）を計算する。

次に、３次元データ計算部３９０について詳述する。

図５は、３次元データ計算部３９０における３次元データの計算手法を示す図である。３次元データ計算部３９０は、図５に示すように、予測データを用いて計測データを補正することで、確からしい計測補正済みデータを得る。３次元データ計算部３９０は、計測補正済みデータを用いて、計測対象物の３次元データ（実際の高さデータ）を計算する。

具体的には、３次元データ計算部３９０は、予測データをマスク処理に用いる。予測データの輝線Ａ、輝線Ｂ、輝線Ｃに一致する計測データの検出値は、重み付けが大きいほど発生確率が高いものとなる。そして、計測データにはノイズ成分が多く含まれる。したがって、３次元データ計算部３９０は、予測データをマスクとすることで、発生確率が低い検出値をノイズとして除去し、計測補正済みデータを得る。

比較部３５０は、造形データと、３次元データ計算部３９０で計算された高さデータ（３次元データ）とを比較し、両者の差分から、造形によって生じた誤差を算出する手段である。立体造形物の形状は、造形材料１４０の種類や、周囲温度などの各種条件によって変動することがある。ここで用いられる高さデータ（３次元データ）は、１層目からｎ層目までに造形された複数の造形層を測定してノイズを除去したデータを指す。また、造形材料１４０が冷却や硬化した後では、造形直後と比べて、収縮や反りが生じることもある。収縮などが生じたまま積層を続けると、所望する立体造形物と異なる立体造形物が造形される場合がある。したがって、造形データと、実際に造形された造形層の形状を示す、３次元データ計算部３９０で計算された高さデータ（３次元データ）との誤差を、次層以降の造形データにフィードバックして補正を行う。

補正部３６０は、立体造形物を造形する造形データを補正する手段である。例えば、補正部３６０は、比較部３５０が比較した差分に応じて、造形ユニット制御部３３０が実行する造形の動作が変更されるように、造形データを補正することができる。ここで、造形の動作を変更とは、造形データに含まれるパラメータやアルゴリズムの変更を示す。パラメータやアルゴリズムの一例として、造形される立体造形物の形状、造形層ごとの寸法や、高さ、造形データに基づく造形量、造形材料の溶融温度、造形の速度、積層ピッチなどが含まれる。造形データが補正された場合には、造形ユニット制御部３３０は、補正造形データに基づいて、造形処理を実行する。

記憶部３７０は、形状データ、造形データ、計測データ、３次元データ計算部３９０で計算された高さデータ（３次元データ）などの種々のデータを記憶装置２０４に記憶する手段である。記憶部３７０は、各機能手段によって、各種データが書き込まれ、また、読み出される。

図６は、造形装置１００が立体造形物を造形する処理の流れを概略的に示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１で、データ入力部３１０は、形状データの入力を受け付ける。ステップＳ２では、造形データ生成部３２０は、入力された形状データを、立体造形物の高さ方向に対してＮ層に分割した造形データを生成する。生成された造形データは、記憶部３７０に記憶されてもよい。

その後、ステップＳ３では、造形ユニット制御部３３０は、ｎ＝１として設定する。ステップＳ４で、造形ユニット制御部３３０は、第ｎ層目の造形データに基づいて、造形ユニット２０６の動作を制御して第ｎ層目の造形層を造形する。ステップＳ５では、造形ユニット制御部３３０は、ｎ＝Ｎであるか否かによって処理を分岐する。すなわち、ｎとＮとが一致する場合（ステップＳ５のＹｅｓ）には、造形ユニット制御部３３０は、全ての造形層を造形し、立体造形物が完成したとして、造形処理を終了する。また、ｎとＮとが一致しない場合（ステップＳ５のＮｏ）には、造形ユニット制御部３３０は、造形していない造形層があることから、次層を造形するためにステップＳ６に分岐する。

ステップＳ６では、造形物形状測定部３４０は、造形した第ｎ層目の造形層の形状を測定する。

続く、ステップＳ７では、３次元データ計算部３９０は、予測データを用いて計測データを補正した計測補正済みデータを用いて、計測対象物の３次元データ（実際の高さデータ）を計算する。

ステップＳ８では、比較部３５０が、第ｎ層目の造形データと、第ｎ層目の３次元データ（実際の高さデータ）とを比較し、差分を算出する。

次に、ステップＳ９で、補正部３６０は、第ｎ層目の差分に基づいて、第ｎ＋１層目を造形する造形データを補正する。なお、補正処理は、１層ごとに行われても良いし、複数の層の差分に基づいて行われてもよい。また、各層の差分は適宜記憶部３７０に格納されてもよく、補正部３６０は、記憶部３７０に格納されている各層の差分を読み出し、第１層目から第ｎ層目までの差分に基づいて、第ｎ＋１層目の造形データを補正してもよい。

その後、ステップＳ１０では、造形ユニット制御部３３０は、ｎの値をｎ＋１にカウントアップし、ステップＳ４の処理に戻る。ここで、２回目以降に実行するステップＳ４の処理においては、補正された造形データによって造形を行う。造形装置１００は、第Ｎ層目の造形データに基づく造形を完了するまで、上記のステップＳ４〜Ｓ１０の処理を繰り返す。

上述したフローチャートの処理によって、造形した造形層に基づく差分を、次に積層する造形層にフィードバックすることで、造形動作を変更することができるので、所望とする立体造形物を造形することができる。

このように本実施の形態によれば、計測対象物の形状データ（立体造形物を造形するための形状データ）を用いてカメラ１３０ｂで観測される画像を予測し、その予測データを用いてカメラ画像を補正し、計測補正済みデータを用いて計測対象物の３次元データ（実際の高さデータ）を計算する。これにより、計測対象物の３次元データの予測値を計算できる場合において、安価かつ容易に計測対象物の３次元データ（実際の高さデータ）を取得することができる。特に、３次元の立体造形物を造形する造形装置において、造形中間物の３次元データの高精度化を安価かつ容易に実現することができる。

１００計測装置、造形装置
２０６造形部
３３０制御部
３４０計測データ取得部
３８０予測部
３９０計算部

特開２０１２−１９４０６１号公報

Claims

計測対象物にパターン光線を投影し、前記パターン光線が投影された前記計測対象物の投影画像を計測データとして取得する計測データ取得部と、
前記計測対象物を造形するための造形データを用い、前記パターン光線を前記計測対象物に投影した場合に出現する確からしい画像を予測して予測データとする予測部と、
前記予測データを用いて前記計測データを補正した補正済みデータを用いて前記計測対象物までの３次元データを計算する計算部と、
を備えることを特徴とする計測装置。
前記予測部は、確からしさを階調化して前記確からしい画像としてまとめ、前記予測データとする、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記計測データ取得部は、ライン状のパターン光線を前記計測対象物に投影する光切断法を用いる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
造形データに基づき、立体造形物を造形する造形部と、
前記立体造形物を計測対象物とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の計測装置と、
前記造形データと、前記計測装置により計測した３次元データとに基づいて、前記造形部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする造形装置。
前記造形部は、前記造形データとして立体造形物を高さ方向に対して分割した造形層を示すデータに基づいて、造形層を造形することで立体造形物を造形し、
前記制御部は、計測された造形層の上部に造形される造形層を示す造形データを変更するように制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の造形装置。
前記計測装置は、前記造形層の高さを測定し、
前記制御部は、前記計測装置によって測定された高さに基づいて、造形の動作を変更するように制御する、
ことを特徴とする請求項５に記載の造形装置。