CN105598743A - 机床的刀具校正值的自动设定装置以及自动设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供机床的刀具校正值的自动设定装置以及自动设定方法，能够自动地设定NC机床的刀架上安装的多个刀具的刀具校正值(刀架和刀具的刀尖之间的相对位置关系)。利用设置于机身内的摄像机(4)取得安装于刀架(15)的刀具(2)的图像(A)，求出刀具(2)的刀尖(24)在图像上的位置和方向，根据摄像机(4)的设置位置和取得图像时的刀架(15)的位置关系，求出刀具校正值并自动设定到控制器中。设定到控制器(5)的刀具校正值能够使用对刀器(21)进行测量。自动执行校正值设定程序(53)，即：根据图像计算临时的刀具校正值，利用对刀器(21)的检测传感器(23)检测刀具的刀尖(24)并登记到控制器(5)。

Description

机床的刀具校正值的自动设定装置以及自动设定方法

技术领域

本发明涉及自动设定NC机床的刀架和安装于该刀架的刀具的刀尖之间的相对位置关系的方法及装置。

背景技术

由机床制造的工件(加工对象物)的加工形状是根据使刀具的刀尖相对于工件如何移动来决定的。另一方面，机床的控制器所控制的是工件和安装有刀具的刀架之间的相对位置关系。

刀架上安装有与加工种类相对应的多种刀具。根据不同的刀具，从刀架到刀尖的长度和方向不同，因此，只有将从刀架的基准位置(控制器识别并进行控制的位置)到刀尖为止的位置关系预先登记在控制器中才能够进行期望的加工。因此，在刀架上安装有刀具时，将以刀架的基准位置为基准的刀尖的位置(刀具校正值。也称作刀具偏移值)设定在控制器中。

刀具校正值的设定通常按照以下方式进行：在刀架上安装刀具之后，在预定位置处设置对刀器(toolsetter)，该对刀器具有用于检测刀具的刀尖的接近开关、触摸传感器等检测传感器，并且，使刀架移动而利用该检测传感器对刀尖进行检测，根据接收到其检测信号时的刀架的位置(控制器识别的位置)计算刀具校正值。

以往，利用检测传感器对刀尖进行检测的作业是由操作者手动操作操作板来进行的。即，选择作为对象的刀具，并通过手动操作使刀架移动到利用检测传感器检测该刀尖的位置，当从检测传感器输出检测信号时，在控制器中设定刀具校正值，通过反复进行这样的作业来设定安装于刀架的多个刀具的刀具校正值。

鉴于通过这样的手动操作进行的刀具校正值的设定比较花费时间，专利文献1中，针对滚珠盘提出了一种技术，该技术是自动测量安装于刀具主轴的夹具上的钻头的长度而进行设定。另外，专利文献2中提出了根据拍摄旋转刀具的摄像机的图像来计算该刀具的刀具直径的技术。并且，专利文献3中提出了根据摄像机取得的图像计算刀具校正值的技术。

【专利文献1】：日本特开平7-276122号公报

【专利文献2】：日本特开2000-24880号公报

【专利文献3】：日本特开平5-200654号公报

在转塔车床等使用多种刀具进行加工的机床中，1个刀架(转塔)上安装有多个刀具，例如8个或12个，有时在1个刀具安装位置(刀具工位)上安装了刀尖的方向不同的2个刀具，因此，存在以下问题：针对这些刀具，手动地在控制器中设定刀具校正值的作业要花费很多功夫和时间。

另外，在具有多个转塔的车床和具有刀具更换装置的复合车床中，加工中使用的刀具种类繁多，不仅到刀尖的长度不同，刀尖的位置和方向也不同。并且，这些刀具是通过刀具保持器安装在转塔上的，因此，即使是相同的刀具，根据所使用的刀具保持器的形状和尺寸的不同，刀具校正值也会改变。

因此，对于安装于刀架上的刀具的每一个种类，使刀尖接近对刀器的检测传感器的方向并不相同，并且，只有使多个刀具从多个方向接近检测传感器来检测刀尖才能够设定刀具校正值。

发明内容

本发明的课题在于，解决具有转塔车床和具有刀具更换装置的机床中存在的上述那样的问题，提供一种能够自动地设定安装于刀架上的多个刀具的刀具校正值的技术手段。

本发明利用设置于机床的机身内的摄像机4，取得安装于刀架15的刀具2的图像A，根据该图像A求出刀具2的刀尖24在图像上的位置和方向，根据摄像机4的设置位置和取得图像时的刀架15的位置关系，求出刀具校正值并自动设定到控制器中，该刀具校正值是该刀具的刀尖24的位置和刀架15的基准位置o之间的相对位置关系。

设定到控制器5中的刀具校正值能够使用对刀器21进行准确测量。在这种情况下，自动执行校正值设定程序53来设定刀具校正值，所述校正值设定程序53是根据摄像机4取得的刀具2的图像，求出临时的刀具校正值，使用所求出的临时的刀具校正值通过对刀器21的检测传感器23对刀尖24进行检测并登记到控制器5中。校正值设定程序使刀架15高速移动到刀尖检测开始点s，并反复进行以下动作：从与刀尖的方向对应的方向朝向检测传感器23的低速接近、接收到检测信号后的高速后退、以及在指定了下一个移动轴的情况下向该下一个移动轴的方向的转换。

在该反复动作的过程中从检测传感器23输出了检测信号时，根据此时的刀架15的移动方向的坐标，计算针对该移动方向的轴的刀具校正值，并自动设定到控制器5中。

本发明的刀具校正值的自动设定装置具有：摄像机4，其设置于机床1的机身内；刀具图像取得单元51，其利用摄像机4取得安装于刀架15的刀具2的图像A；图像解析单元52，其根据摄像机4取得的刀具图像A取得刀尖24的位置和方向；以及校正值设定程序53，其根据图像解析单元52取得的刀尖24的位置和方向，在控制器5中设定刀尖24和刀架的基准位置o之间的相对位置关系。

在通过对刀器21对刀尖24进行检测来设定刀具校正值的情况下，校正值设定程序53包括以下步骤：使刀架15朝对刀器21的检测传感器23高速移动；使刀架15朝检测传感器23低速接近；当检测传感器23输出检测信号时，停止该低速移动而取得刀架15的坐标；根据取得的坐标和检测传感器23的位置来计算刀具校正值；以及将计算出的刀具校正值存储到与安装有该刀具的刀具工位编号相对应的校正值存储器54。

在对安装于转塔的多个刀具进行校正值的设定时，在针对最初的刀具进行了所有必要的轴向上的校正值设定动作之后，校正值设定程序使刀架沿着后退路径高速移动到转塔分度位置，并在该位置处对下一个刀具进行分度，针对该下一个刀具重复上述动作。

如果对于各种刀具，已经预先将刀具的刀尖圆、刀尖的方向以及刀具的图像数据登记在控制器5中，则能够将摄像机4所取得的刀具2的图像与预先登记的图像数据进行对比，来获得该刀具的刀尖圆和刀尖的方向，校正值设定程序能够使用该取得的刀尖圆和刀尖的方向设定刀具校正值。

并且，通过使用分辨率高的摄像机或利用摄像机的变焦功能取得刀尖的放大图像，由此也能够通过图像解析直接取得刀具校正值。

在本发明中，根据摄像机拍摄的刀具的图像，能够自动进行刀具校正值的设定作业，因此，操作者只需要将必要的刀具安装于转塔刀架或刀具库即可。因此，能够全自动地进行针对多个刀具的刀具校正值的设定，从而减轻了操作者的作业负担，还能够防止操作失误和输入失误。

在使用对刀器进行的刀具校正值的设定作业中，也是针对安装于刀架的多个刀具，自动进行以下操作：使刀尖接近检测传感器的操作、与对应于各刀具的检测传感器接触的操作、针对各刀具的必要的轴向(车床上的X轴方向和/或Z轴方向)上的刀具校正值的设定或更新。因此，像转塔车床那样使用了多个刀具的机床的刀具校正值的设定作业能够容易地短时间地进行，还能够防止操作者的操作失误。

附图说明

图1是示出转塔车床的要部的示意图。

图2是刀尖的方向和刀尖校正编号的说明图。

图3是示出刀尖位置和刀尖的方向的检查方法的例子的说明图。

图4是示出刀尖圆的检测方法的例子的说明图。

图5是示出背景图像的去除方法的例子的说明图。

图6是示出刀尖检测动作的第1例子的图。

图7是示出刀尖检测动作的第2例子的图。

图8是示出刀尖检测动作的第3例子的图。

图9是示出刀尖检测动作的第4例子的图。

图10是示出使用了对刀器的刀尖设定顺序的一个例子的流程图。

标号说明

1：机床；2：刀具；4：摄像机；5：控制器；15：刀架；21：对刀器；23：检测传感器；24：刀具的刀尖；51：刀具图像取得单元；52：图像解析单元；53：校正值设定程序；54；校正值存储器；A：刀具图像；o：基准位置；s：刀尖检测开始点。

具体实施方式

以下，以基本结构的NC转塔车床为例，对本发明的实施方式进行说明。NC转塔车床具有机械主体1和控制器5。机械主体1具有刀架15以及支承在固定于床身的主轴台11上的主轴12。主轴12的前端安装有用于保持工件的夹具13。刀架15是具有转塔16的转塔刀架。转塔16上通过保持器3安装有多个刀具2。刀架15根据来自控制器5的指令，自如地在Z轴方向和X轴方向上移动定位，其中，Z轴方向是主轴轴线a的方向，X轴方向是与Z轴方向正交且与主轴轴线a接近或相离的方向。

主轴台11上安装有对刀器21及其进退装置22。如图6～9所示，对刀器21在前进位置上的Z轴方向和X轴方向的两侧具有检测传感器23(23z、23x)。这些检测传感器3在前进时被准确地定位在主轴轴线a上的规定位置。

在刀架15的移动区域的上方设置有摄像机4，该摄像机4的光轴朝向与刀架15的移动平面(Z-X平面)正交的方向。为了防止在工件加工过程中飞溅的切削液和切屑附着在摄像机上，或者在摄像机4上设置罩并在拍摄时将该罩打开，或者在摄像机4上设置在工件加工时使摄像机后退到加工区域外的退避装置。拍摄时的摄像机4以与刀架15的位置相同程度的精度，被定位在Z-X平面的上方的正确位置处。

控制器5具有：图像取得单元51、图像解析单元52、校正值设定程序53、以及校正值存储单元54。图像取得单元51在被指示了登记转塔16的某刀具工位17的刀具校正值时，在朝向主轴轴线a的方向上进行刀具工位17的分度，使刀架15移动到被安装于刀具工位17的刀具2进入摄像机4的拍摄区域的位置，并且使摄像机4进行拍摄动作从而取得其图像。

优选结构的图像取得单元如下所示：将按照上述顺序取得的图像发送到后述的图像分析单元52，检测刀具2的刀尖24的位置，让刀架15进行校正移动，以使检测出的刀尖24的位置来到摄像机4的光轴上，之后，使摄像机4再次进行拍摄动作，将通过该再次的拍摄动作取得的图像作为正规的取得图像发送给图像解析单元52。

图像解析单元52根据图像取得单元所取得的图像，取得朝向主轴轴线a的刀具工位17上安装的刀具2的刀尖24的位置和方向。

具体而言，例如，针对拍摄刀具得到的图3示出的图像，一边在X轴方向的扫描线R上增加X值(从主轴轴线a离开的方向)，一边进行扫描，将最初检测到刀具2的点r设为临时的刀尖位置，之后，一边进一步增加X值，一边从Z+侧和Z-侧进行扫描P、Q，从而得到多个刀具检测位置p1、p2、p3、…、q1、q2、q3、…的坐标，并针对这些坐标应用最小二乘法来求出夹着刀尖的2根直线M、N的方程式，将其2等分线L的方向作为刀尖的方向。取得的临时的刀尖位置是在图像上的刀尖的坐标上，加上了取得图像时的刀架的基准位置(一般而言是朝向主轴轴线a的刀具工位的中央)与摄像机的光轴之间的距离后的值(矢量和)。

刀具的刀尖24是较小的圆弧(刀尖圆25)。根据刀尖的方向，确定刀尖圆的哪个方向的圆弧成为基准。例如某种控制器如图2所示，将刀尖圆25按照45度刻度的方向进行划分并附加编号(刀尖校正编号)，用该编号表示刀尖的方向。例如，如果刀尖的方向是图2的第3号的方向，则在设定刀具校正值时，从图6中的轨迹t的箭头表示的方向即Z轴方向和X轴方向，使刀尖接触检测传感器而设定刀具校正值。因此，在这样的控制器中，根据所检测出的刀尖的方向确定刀尖校正编号。

在摄像机4的图像上，作为刀具2和刀架15的像的背景，映入有具备与刀具2和刀架15相同的金属光泽的床身等其他部件的像。在检测刀具的刀尖24时，需要去除背景。作为该背景的去除方法，以下方法是有效的：使安装有刀具2的刀架15在摄像机4的拍摄区域的内外移动，拍摄如图5所示那样的显现出刀具2的图像A以及没有显现出刀具2的图像B，通过取得两个图像的差分，制作去除了背景后的仅有刀架以及工作的图像E。

即，从显现出刀具2的图像A和没有显现出刀具2的图像B中的一方A的亮度中减去另一方B的亮度而得到差分图像C，并从另一方B的亮度中减去一方A的亮度而得到差分图像D，将这两个差分图像C和D进行合成来制作去除了背景的合成图像E，从该合成图像E中提取刀具2的形状。由此，不必使用用于消除背景的背景板或背景布，即可得到能够明确识别刀具形状的图像。

校正值设定程序53使用临时的刀具校正值，进行利用对刀器的检测传感器23检测刀尖的动作，由此，在控制器5中设定刀具校正值。校正值设定程序53使得刀架15对应于图像解析单元取得的刀尖的方向，例如按照图6～9所示的轨迹t那样进行移动。图6是与图2中刀尖校正编号为3的刀具对应的移动轨迹的例子，图7是与刀尖校正编号为2的刀具对应的移动轨迹的例子，图8是与刀尖校正编号为5的刀具对应的移动轨迹的例子，图9是与刀尖校正编号为7的刀具对应的移动轨迹的例子。

图10是示出针对刀尖校正编号(刀尖的方向)为3的刀具的、校正值设定程序53的顺序的流程图。

在利用对刀器21的检测传感器23检测刀具2的刀尖时，必须将刀尖定位在检测传感器的检测区域即边长为1mm左右的四方的区域内。另外，在刀尖接触到检测传感器时，如果不立即停止刀架，则检测传感器会发生破损。因此，在使刀尖与检测传感器相接触时，使得刀具高速移动到检测传感器的近旁(附近1mm左右)s(参照图6～9)，之后，以能够立即停止程度的较低速度使刀架在Z轴方向或X轴方向上移动。

通过图像解析取得的临时的校正值用于使刀具高速接近至检测传感器23的近旁。在临时的校正值上加上用于避免碰撞的余量(margin)，并将刀架15高速移动到临时的刀尖位置与检测传感器23接触的位置(实际的刀尖来到图6的s的位置)，接着切换到低速移动。在该低速移动过程中，如果检测传感器23输出检测信号，则停止刀架15的移动并读取刀架的坐标，根据该坐标和检测传感器23的坐标，计算刀具校正值并将其设定在控制器的校正值存储器54中。如果是刀具校正编号为3的刀具，则在设定了Z轴方向的刀具校正值之后，如图6的t所示那样进行移动从而进行X轴方向的刀具校正值的设定。

如果还有需求，可以根据由对刀器21检测出的刀尖位置和图像解析单元取得的临时的刀尖位置，经过几何学运算，计算刀尖圆的半径。例如，如图4所示，利用上述的方法求出夹着刀尖的2根直线M、N的方程式，为了排除由刀尖圆和刀具的边缘的检测误差引起的偏差，将与得到的方程式偏离较大的检测点排除在外而再次计算出直线M、N，并求出直线M、N的交点c的坐标。并且能够根据如下关系计算出刀尖圆25的中心b和半径dr，所述关系是：在对刀器检测出的实际的刀尖的位置与交点c的差dz、dx上加上刀尖圆的半径dr后得到的值即为焦点c的坐标与刀尖圆的中心b的坐标之间的差，并且，刀尖圆的中心b处于二等分线L上。

另外，通过使用高分辨率的摄像机，或者使用摄像机的变焦功能反复进行上述的刀尖位置的检测动作和刀架的修正移动来放大刀尖的图像，由此能够使用图像解析单元52对刀尖圆25的圆弧和Z轴及X轴方向的切线e、f进行检测，从而能够求出刀尖圆的半径和各个轴向的刀具校正值。

目前，只要使用设置于机床的机身内的一般的摄像机，即可以0.5mm左右的误差设定临时的刀具校正值，因此，能够安全且自动地使刀具2的刀尖与对刀器21相接触。根据本发明，能够自动地进行从刀具形状的取得到刀具校正值的设定为止的所有处理，因此，能够大幅度减轻操作者的作业负担，并且，也不需要操作者的熟练程度，也不会因为输入失误而损伤机械。

在上述的实施例中，通过对利用摄像机4取得刀尖方向而得到的图像进行解析，求得刀尖的方向和刀尖圆，但也可以是以下方式：在控制器中预先登记各种刀具的图像数据和各个刀具的刀尖圆和刀具校正编号，并且将摄像机取得的图像与已经登记的图像数据进行对比来确定刀尖圆和刀尖的方向，并使用刀尖圆和刀尖的方向，通过校正值设定程序对刀具校正值进行设定。

Claims (6)

1.一种机床的刀具校正值的自动设定装置，其具有：

摄像机，其设置于机床的机身内；

刀具图像取得单元，其利用该摄像机取得安装于刀架的刀具的图像；

图像解析单元，其根据摄像机取得的刀具图像取得该刀具的刀尖的位置和方向；以及

校正值设定程序，其根据图像解析单元取得的刀尖的位置和方向，在控制器中设定所述刀具的刀尖和刀架的基准位置之间的相对位置关系。

2.根据权利要求1所述的机床的刀具校正值的自动设定装置，其中，

所述自动设定装置还具有对刀器和进退装置，所述对刀器具有检测安装于刀架上的刀具的刀尖的检测传感器，所述进退装置使该对刀器向退避位置和所述刀具的刀尖的移动区域内的前进位置进退，

所述校正值设定程序包括以下步骤：使刀架朝向对刀器高速移动；使刀架朝向对刀器的检测传感器低速接近；当检测传感器输出检测信号时，停止该低速移动并取得刀架的坐标；根据取得的坐标和所述检测传感器之间的位置关系，计算刀具校正值；以及将计算出的刀具校正值存储到与安装有该刀具的刀具工位编号相对应的刀具校正值存储区域。

3.根据权利要求1所述的机床的刀具校正值的自动设定装置，其中，

所述自动设定装置具有所述图像解析单元，所述图像解析单元根据所述摄像机取得的刀具图像取得该刀具的刀尖圆，

所述校正值设定程序包括以下步骤：根据图像解析单元取得的刀尖的位置和方向以及刀尖圆，计算刀具校正值；以及将计算出的刀具校正值存储到与安装有该刀具的刀具工位编号相对应的刀具校正值存储区域。

4.一种机床的刀具校正值的自动设定装置，其中，

所述自动设定装置具有：

刀具种类，其是根据包括刀尖方向的刀具形状而分类的；以及

按照各个刀具种类而登记的校正值设定程序，

图像解析单元将摄像机取得的刀具的图像和登记的刀具种类的刀具形状进行对比来判断刀具的类别，执行与判断出的刀具的种类相对应地登记的校正值设定程序。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的机床的刀具校正值的自动设定装置，其中，

图像取得单元取得以下图像：该图像是使刀架处于同一位置，使所述摄像机拍摄显现出刀具的图像和没有显现出刀具的图像，并将两者的差分图像进行合成后得到的图像。

6.一种机床的刀具校正值的自动设定方法，其中，

在机床的机身内设置摄像机，

利用该摄像机取得安装于刀架上的刀具的图像，

根据摄像机取得的刀具图像取得该刀具的刀尖的位置和方向，

根据所取得的刀尖的位置和方向，计算所述刀具的刀尖与刀架的基准位置之间的相对位置关系，

将计算出的相对位置关系作为刀具校正值设定到控制器中。