三维形状数据处理装置、被雕刻板和雕刻装置 【技术领域】
本发明涉及处理在平板上形成的三维形状数据的三维形状数据处理装置、根据重叠合成的三维形状数据一边使平板在XY方向上移动一边使切削刀上下移动而雕刻的被雕刻板和根据三维形状数据来雕刻贵金属的平板的雕刻装置。
背景技术
使用激光器、CCD(电荷耦合元件)来测定具有高度的三维形状的所谓三维形状测定装置，以人体测定及人体部位测定的形态研究、医疗领域中的立体形状的应用等为目的，得到了广泛的应用。一般来说，三维形状测定装置利用众所周知的三角测量的原理测定在二维的XY平面上地各点的高度，迄今为止已提出了各种方案(例如，参照特开昭58-18110号公报、特开昭60-220805号公报等)。在现有的这些装置中，在人体测定的头发部的测定中，产生不能得到测定数据的缺测部，测定精度极差。因此，难以得到质量好的使用了头部的三维形状测定数据的雕刻奖章。但是，近年来，由于三维形状测定装置的测定精度的提高、测定数据的内插、校正处理算法的提高等，使用了三维形状测定数据的头部的雕刻奖章的质量也正在提高，已提出了奖章的自动雕刻装置的方案(例如，参照特开平2-303900号公报)。
图1是说明现有的使用了三维形状测定数据的自动雕刻装置用的图，图2是示出三维形状测定数据的存储空间的构成例的图。在图中，31表示三维形状测量装置，32表示形状数据处理装置，33表示三维切削加工机，34表示固定装置，35表示集尘机，36表示工具更换装置，37表示奖章选择供给装置，38表示奖章。
在图1中，三维形状测量装置31是以三维方式测量人的侧脸等的装置，形状数据处理装置32是对利用三维形状测量装置31测量的数据进行控制、运算、存储以计算人的侧脸的横向宽度、长度、厚度的计算机。三维切削加工机33根据在形状数据处理装置32的控制下的形状数据一边使作为被雕刻物的奖章38在XY方向上移动(扫描)、一边使切削工具在Z方向上上下移动，以在其1个面上雕刻侧脸，三维切削加工机33附带装有固定装置34、集尘机35、工具更换装置36、奖章选择供给装置37。固定装置34是固定奖章38的夹具等，工具更换装置36根据奖章的切削部更换与其相适应的钻头、铣刀、立铣刀等切削工具。此外，集尘机35将切屑收集到1个地方，奖章选择供给装置37根据需要预先准备改变了颜色、大小的几种奖章，在按照希望进行了选择时，将奖章运送到切削位置上。
在三维形状测量装置31中，采用了下述的各种方法，例如：使用2台工业电视摄像机和CCD来测量XY二维平面上的各点的高度Z的方法；对能由光线的扫描或平行光束放大透镜系统(光束放大器)和圆柱透镜的组合形成的光膜进行投影来测量三维形状的光切断法；将具有以等间隔的间距制成的狭缝的光栅放置在一定的距离处，使光通过该光栅进行投射来测量三维形状的波纹等高线(moiretopography)法、利用将网格状的正交光栅的阴影投影到物体上得到的变形的网格阴影图象的方法等。
例如如图2中所示在n×m的二维平面上以8比特来表现高度的情况下，可在使用了8片n×m的平面存储器的存储空间中设定由这些三维形状测量装置31测量的三维形状数据，以穿过该平面存储器的各点的方式来存储三维形状数据的高度信息。因而，例如通过按顺序读出该点的各平面存储器的数据，能以「10011010」的形式取出点P(i，j)处的高度数据。在三维切削加工机中根据该高度数据来决定切削工具的高度、即切削高度而进行控制。而且，P(i，j)成为此时的奖章的切削位置。
图3是说明进行三维形状数据的合成处理时的问题用的图。
说明利用上述的自动雕刻装置、使用由三维形状测量装置测量的三维形状数据在奖章等中雕刻侧脸时的情况。在这样的情况下，首先利用三维形状测量装置测量2个三维形状数据，如图3(A)中所示，将其1个作为被合成雕刻数据，将另一个作为合成雕刻数据，输入到雕刻数据合成处理部41中，在进行了各自的定位后，进行合成。在由雕刻数据合成处理部41进行的合成处理中，首先将被合成雕刻数据写入到存储器中，通过在其上写入合成雕刻数据来进行更新，能得到与合成雕刻数据重叠的被合成雕刻数据的部分被改写而被掩蔽，即被抹去的合成结果42。
但是，如果以上述的方式进行合成处理，则例如图3(A)中示出的合成结果42的Y-Y’剖面如图3(B)中所示那样从合成雕刻数据的边界轮廓X开始被合成雕刻数据①成为零(基准高度)，变得不连续。在三维切削加工机中，如前面所述那样雕刻奖章时，由于一边使奖章在XY方向上移动、一边按照高度数据使切削工具在Z方向上上下移动，故如果如图3(B)中所示那样成为不连续的数据，则不能一边使奖章以一定的速度移动一边进行切削，在切削过程中，必须在成为台阶差的边界轮廓X处暂时停止移动，存在加工效率显著降低的问题。此外，由于在雕刻面上形成台阶差，故不能预期平滑的光洁度。
此外，为了使被合成雕刻数据与合成雕刻数据在边界处平滑地连接，如图3(C)中所示，一边采用高的一方的数据，一边在相同的高度的部分处切换被合成雕刻数据与合成雕刻数据，即，如果将相同的高度的部分作为边界，则在边界处既不能得到被合成雕刻数据的轮廓，也不能得到合成雕刻数据的轮廓X。在这样的情况下，特别是在图3(A)中示出的合成结果42中产生合成雕刻数据的轮廓X发生变形的问题。
发明的公开
本发明是为了解决上述课题而进行的，本发明将三维形状数据作为良好的雕刻数据进行合成处理，此外，可高效率地进行依据三维形状数据的雕刻。
因此，本发明是处理在平板上形成的三维形状数据的三维形状数据处理装置，其特征在于：具备合成处理装置和内插处理装置，其中，上述合成处理装置使三维形状数据部分地重叠，通过在该重叠部分中留下某一方的三维形状数据及抹去另一方的三维形状数据来进行合成处理，上述内插处理装置在已进行了上述合成处理的三维形状数据的边界处设置一定的内插区域来进行内插处理，上述内插处理装置这样来进行内插，使高度在通过上述内插区域合成了的三维形状数据之间连续地变化。
本发明是根据重叠合成了的三维形状数据一边使平板在XY方向上移动一边使切削刀上下移动而雕刻了的被雕刻板，其特征在于：使三维形状数据部分地重叠，在该重叠部分中留下某一方的三维形状数据及抹去另一方的三维形状数据，同时在边界部分处设置一定的内插区域，这样来进行内插，使三维形状数据的高度通过该内插区域连续地变化，并进行了雕刻。
在根据三维形状数据来雕刻贵金属的平板的雕刻装置中，其特征在于：具备存储三维形状数据的存储装置、将上述平板保持于切削油中的保持装置、具有切削刀并在上述平板上进行切削的切削装置以及根据上述存储装置中存储了的三维形状数据在使上述保持装置在XY方向上移动的同时使上述切削装置在Z方向上上下移动的驱动控制装置；在将平板保持于切削油中的状态下一边使平板在XY方向上移动一边使上述切削装置在Z方向上上下移动来雕刻平板。
附图的简单说明
图1是说明现有的使用了三维形状测定数据的自动雕刻装置用的图。
图2是示出三维形状测定数据的存储空间的构成例的图。
图3是说明在进行三维形状数据的合成处理时的问题用的图。
图4是示出与本发明有关的三维形状数据处理装置的实施形态的图。
图5是示出三维形状数据的合成例的图。
图6是说明三维形状数据的合成处理的图。
图7是示出带有油的雕刻装置的实施形态的图。
图8是说明切削油的对流与切削方向的关系用的图。
实施发明的最佳形态
以下，在参照附图的同时说明本发明的实施形态。
图4是示出与本发明有关的三维形状数据处理装置的实施形态的图，图5是示出三维形状数据的合成例的图，图6是说明三维形状数据的合成处理用的图。
图中，1表示三维形状测定装置，2表示三维雕刻数据文件，3表示雕刻数据抽出部，4a表示合成雕刻数据，4b表示被合成雕刻数据，5表示雕刻数据位置边界轮廓内插区域设定部，6表示雕刻数据合成处理部，7表示边界轮廓内插处理部，8表示雕刻数据，9表示雕刻装置。
在图4中，三维形状测定装置如前面所述那样，使用激光器及CCD以二维方式对物体进行扫描，以测定具有高度的三维形状，进行具有异常值的数据的噪声的除去、不能得到测定数据的缺测部的数据的内插等的必要的处理，相对于XY平面的各点输出具有高度信息的三维形状数据，三维雕刻数据文件2是将该三维形状数据作为三维雕刻数据来存储的文件。雕刻数据抽出部3根据选择指定从三维雕刻数据文件2中存储的三维雕刻数据中抽出雕刻数据，将抽出了的合成雕刻数据4a和被合成雕刻数据4b作为合成三维雕刻数据用的2个雕刻数据进行保存。
雕刻数据位置边界轮廓内插区域设定部5设定被合成雕刻数据4b的位置和在其上重叠而合成的合成雕刻数据4a的位置，同时根据这些位置设定在被合成雕刻数据4b上重叠的合成雕刻数据4a的边界轮廓及其内插区域，从边界轮廓起在相对于被合成雕刻数据4b为一定距离(象素宽度等)的范围内设定内插区域。
雕刻数据合成处理部6将各自的数据压缩成与雕刻规格相一致的尺寸并进行下述合成处理，将合成雕刻数据4a合成到被合成雕刻数据4b上，使得被合成雕刻数据4b与合成雕刻数据4a重叠的部分并包含被合成雕刻数据4b中处于从边界轮廓起由一定的象素宽度构成的内插区域内的部分被抹去。
边界轮廓内插处理部7相对于从在被合成雕刻数据4b上重叠的合成雕刻数据4a的边界轮廓起由一定的象素宽度构成的内插区域，通过根据被合成雕刻数据4b进行内插，一边保存边界轮廓，一边进行平滑处理。雕刻数据8例如是在存储器中存储的边界轮廓内插处理后的数据，雕刻装置9是根据该雕刻数据，一边控制切削刀高度，一边使奖章在XY方向上移动来进行奖章的雕刻的三维切削加工机。
如上所述，在与本发明有关的三维形状数据处理装置中，关于利用三维形状测定装置测定而得到的三维雕刻数据文件，通过从合成的2个雕刻数据的边界轮廓起在一定的宽度内进行被合成雕刻数据4b的平滑处理，可消除合成雕刻数据的轮廓的无序来防止质量的下降，消除在合成雕刻数据与被合成雕刻数据的边界轮廓处成为不连续的情况，消除切削中的障碍。此外，在不是合成2种雕刻数据、而是只用1种雕刻数据来制作奖章时，没有合成雕刻数据4a和被合成雕刻数据4b，而是成为一种雕刻数据。因而，在雕刻数据位置边界轮廓内插区域设定部5中，只进行位置的设定，在雕刻数据合成处理部6中将一种雕刻数据压缩为与雕刻规格相一致的尺寸，将其作为雕刻数据8来存储。此时，绕过边界轮廓内插处理部7。
再者，具体地进行关于雕刻数据合成处理的说明。例如，对于图5(A)中示出的被合成雕刻数据4b，为了在其上重叠图5(B)中示出的合成雕刻数据4a而进行合成，如图5(C)中所示那样，在相对于被合成雕刻数据4b的位置偏移了任意距离的位置上设定合成雕刻数据4a，使之留下例如大致约一半的被合成雕刻数据4b。图6(A)为示出图5(C)中示出的合成雕刻数据4a与被合成雕刻数据4b的边界轮廓上的Y-Y’剖面的图，如图6中所示那样，从合成雕刻数据4a的边界轮廓X起向图示左方设置如图6中所示那样的ΔX的内插区域，从包含该内插区域ΔX的X’起，抹去右方的与合成雕刻数据4a重叠的部分的被合成雕刻数据4b。
如前面所述那样，由雕刻数据合成处理部6根据雕刻规格对合成雕刻数据4a和被合成雕刻数据4b进行压缩合成处理，如果如图6(A)中所示那样从边界轮廓起抹去内插区域的被合成雕刻数据4b，则在边界轮廓内插处理部7中，如图6(B)中所示，在内插区域中这样来进行内插处理，使数据从被合成雕刻数据4b的高度朝向边界轮廓的高度平滑地变化。由于该内插处理的缘故，从被合成雕刻数据4b通过边界轮廓、到合成雕刻数据4a为止，高度不会呈阶梯状地变得不连续，故能连续地进行雕刻装置9中的切削刀的操作，可提高切削加工的效率，可提供平滑的质量优良的三维图象合成雕刻奖章。
在内插区域中的数据内插的平滑处理中，使数据从被合成雕刻数据4b的高度朝向边界轮廓的高度线性地变化的情况是图6(B)中所示的例子，但也可如图6(C)中所示那样用曲线对高度进行内插。通过进行这样的内插，即使如图6(B)中所示，使合成雕刻数据4a、被合成雕刻数据4b的高度的压缩率都相同，或者，为了使双脸中的一个脸向上提升，即使如图6(C)中所示，使合成雕刻数据4a的高度的压缩率比被合成雕刻数据4b的高度的压缩率小，都能得到完全相同的感觉的合成结果。此时，如图6(D)中所示，可使用根据从边界轮廓算起的各自的距离d、d-1、……设定了压缩率的表进行处理，也可使用函数进行运算处理。
此外，关于合成时的方向，有时不是如图5中所示那样的相同方向，而是如镜像那样的相反方向，即，在图5中使合成雕刻数据4a朝向右方来进行合成。在进行这样的合成的情况下，一般在中央设定合成雕刻数据4a与被合成雕刻数据4b的边界线，没有边界轮廓。因而，作为内插处理，有下述的两种方法：一种方法是将中央的边界线设定为预定的基准高度，在其两侧与上述同样地设定内插区域来进行内插处理，使高度连续地变化，另一种方法是从中央的边界线起在一侧设定内插区域，在该内插区域中进行内插处理，使合成雕刻数据4a和被合成雕刻数据4b的高度连续。
其次，说明雕刻装置。图7是示出带有油的雕刻装置的实施形态的图，图8是说明切削油的对流与切削方向的关系用的图。图中，11表示三维形状数据处理装置，12表示控制箱，13表示Z电机，14表示雕刻电机，15表示奖章，16表示奖章卡盘，17表示油槽，18表示油泵，19表示供油喷嘴，20表示X电机，21表示Y电机，22表示切削油取入口，23表示切削油，24表示切削油循环系统，25表示切削刀。
在图7中，三维形状数据处理装置11是根据雕刻规格对于三维雕刻数据进行在前面参照图4已说明的处理的装置。控制箱12根据由三维形状数据处理装置11生成的雕刻数据来控制三维切削加工机的各机构。三维切削加工机将雕刻的奖章15保持于奖章卡盘16中，一边使其整体在油槽17中、即所谓的浸在油中的情况下，在XY方向上移动，一边使奖章的上面的切削刀按照雕刻数据上下移动来进行切削。X电机20使雕刻的奖章15与油槽17一起与奖章卡盘16一体地在X方向上移动，使之与其成直角地在Y方向上移动的电机是Y电机21。雕刻电机14使切削刀以一万几千转的转速例如在贵金属上高速旋转，Z电机13使高速旋转的切削刀上下移动。供油喷嘴19对油槽17供给切削油，油泵18使切削油从油槽17通过供油喷嘴19进行循环。
再有，在雕刻黄铜及聚丙烯那样的硬质材料的奖章时，与一般的工作机械及切削加工机相同，即使在原有的室内气氛下进行切削也没有特别的问题，但在使用了金、银、铂等硬度低、熔点低的贵金属的奖章的情况下，在切削中产生切屑熔敷在切削刀和奖章表面上的问题。图7中所示的三维切削加工机为了解决这样的问题，通过把雕刻的奖章15保持在奖章卡盘16上并浸渍在油槽17内，对切削刀和切屑进行冷却，同时，进而使用油泵18通过供油喷嘴19使油槽17中的切削油缓慢地对流使切屑从切削刀附近流过，由此，使切屑不积存在切削刀附近。
在切削使用了硬度低，融点低的贵金属的奖章时，在把奖章15浸渍在切削油中并使切削油对流，以免使切削时的摩擦热把切屑加热而熔敷在切削刀及奖章表面上的情况下，如果供油喷嘴19的位置过分靠近切削刀的刀尖而使切削油直接浇到刀尖上，则产生刀尖发生振动雕刻的质量下降的问题。因而，这样来选择供油喷嘴19的位置，使其以某种程度离开刀尖，在刀尖的雕刻面处产生切削油的缓慢的对流。
如图8中所示那样，在油槽17在X方向上移动时进行切削的情况下，将供油喷嘴19配置成位于切削刀25的切削方向的前方，使油槽17的切削油取入口22位于相反的切削方向的后方。即，在供油喷嘴19的某个方向上进行切削，在相对的一侧设置切削油取入口22，以便相对于进行切削的方向切削油23的对流成为反方向。通过这样做，切屑流到切削完了的一方而被除去。再有，如图8(B)中所示，为了使对流与切削方向平行，将供油喷嘴19一体地固定在切削刀25的安装一侧也是有效的。
此外，根据奖章的材料及切削条件，有时也使供油喷嘴19和切削油取入口22的配置与上述相反。在该情况下，由于切屑在切削方向上流动，故与上述的配置不同，不会因切屑而难以看到切削之后的雕刻面，故各有优点和缺点。此外，有时也使供油喷嘴19和切削油取入口22的配置与切削方向正交。当然，如在油槽17中在切削方向的开始一侧(后方)与完了一侧(前方)之间发生对流，也可不设置供油喷嘴19。
再有，本发明不限定于上述实施形态，可进行各种变形。例如，在上述实施形态中，作为利用处理装置将由三维形状测定装置测定的三维形状数据进行合成处理、用三维切削加工机以该雕刻数据进行雕刻的一系列的系统进行了说明，但三维形状测定装置、三维形状数据处理装置、三维切削加工机分别是独立的装置，不仅用数据线等连接各装置之间而作为一系列的系统来构成，而且当然也能以由存储盘等记录媒体交接三维雕刻数据文件及雕刻数据的方式来构成。
此外，作为对由三维形状测定装置测定的三维雕刻数据进行合成来雕刻的情况进行了说明，但不限于由三维形状测定装置测定的三维形状数据，也可从照片等二维数据通过进行使用例如以经验方式设定的参数等的预定的处理来求出高度数据，将其作为三维形状数据来使用，也可以是使用计算机作图技术制成的三维形状数据。
再有，三维形状数据不仅可雕刻在奖章上，也可适用于硬币或钟表的文字板、其它壁挂平板屏等，而不问其用途、种类如何，此外也可适用于圆形、椭圆形、多角形等形状，而不问其尺寸的大小如何，三维形状数据不仅可作为奖章等的雕刻数据来使用，也可用作制作压印护照等的模子的数据。在对雕刻数据进行合成的情况下，不仅可合成2种数据，也能以同样方式合成3种或3种以上的雕刻数据。作为雕刻数据，不仅是人物的头部，也可同样适用于全身或头部和全身的组合及与宠物等其它动物的组合。
产业上利用的可能性
从以上的说明可明白，按照本发明，由于在部分地重叠三维形状数据的情况下，通过在该重叠部分中留下某一方的三维形状数据及抹去另一方的三维形状数据来进行合成处理，同时在已进行了该合成处理的三维形状数据的边界处设置一定的内插区域，这样来进行内插，使高度在已合成的三维形状数据之间连续地变化，故在已合成的连接部处没有台阶差，在进行奖章等的雕刻的情况下，能平滑地对雕刻面进行加工，而且，通过留下边界轮廓来进行内插，可提供轮廓不发生变形的良好的雕刻奖章等。再有，在合成三维形状数据的情况下，通过使其高度的压缩率不同，可更加提高已合成的雕刻图象的立体感。
此外，在根据三维形状数据来雕刻贵金属的平板的雕刻装置中，将作为奖章等的被雕刻板的平板保持于切削油中的状态下一边使平板在XY方向上移动一边使上述切削装置在Z方向上上下移动来雕刻平板，故即使是硬度低、熔点低的贵金属，也可防止切屑粘接熔融在切削刀或切削部上而破坏雕刻面，可提供加工状态更加优良的被雕刻板。