CN108225566B - 图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像显示装置，基于加工所涉及的信息取得表示加工机械的温度分布的状况的数据，并由该数据生成温度分布图像。进一步地，执行表示加工的状况的三维加工模拟，生成三维模拟动画，并根据该三维模拟动画生成投影图像。然后，生成并显示合成了这些温度分布图像和投影图像的图像。

Description

图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种图像显示装置，尤其涉及一种将工具、工件的清晰图像和温度分布的图像重叠显示的图像显示装置。
背景技术
在机床、工业机械中，为了防止工具的异常磨损和破损、确保固定的加工品质，要求对加工中的工具、工件的温度进行监视。这时，为了更准确地判断温度分布的正常/异常，取得温度梯度最显著的工具与工件的加工接点附近的温度分布变得更为重要。进一步地，由于工具和工件的组合是无限的，这些组合的温度分布是未知的，因此，能够最佳地进行加工的情况下的温度分布(作为加工的基准的温度分布)需要人的视觉上的判断。因此，期望温度分布的图像尽可能清晰。
因此，存在使用温度传感器来监视工具、工件的温度的方法，但是，根据工具、工件的不同，也有时难以直接安装温度传感器，因此，作为非接触式的温度传感器，使用红外线热像仪(热图像测量装置)。然而，红外线热像仪测量物体的红外线辐射，因此，分辨率低于普通照相机的可见图像，存在无法获得监视对象物的清晰的图像的问题。
作为利用红外线热像仪来显示工件加工中的工具和工件的温度分布的现有技术，例如，日本特开平09-273964号公报中公开了将由普通照相机拍摄到的图像和基于工具的冷却特性计算出的加工中的工具的温度分布的图像重叠显示的技术。另外，日本特开2010-181324号公报中公开了将由普通照相机拍摄到的图像和通过红外线热像仪取得的温度分布的图像重叠显示的技术。
但是，上述的日本特开平09-273964号公报公开的技术中，工具的温度不是实测值，因此，在工具发生异常的情况下，例如，在发生了因工具的异常磨损等而产生的发热的情况下等，无法计算正确的温度分布。也就是，存在无法探测工件加工中的工具的异常温度上升的问题。
另外，就上述的日本特开2010-181324号公报公开的技术而言，其用途原本就不是用于机床、工业机械，并未考虑在加工中对工具、工件喷射的切削液等的影响。因此，在以工具、工件为监视对象物而应用该技术的情况下，如图9A及图9B所示，在对加工中的工具3、工件4进行摄像的照相机的图像中也包括飞散的切削液、碎屑，因此，存在无法清晰地显示所有工具3、工件4的问题。此外，图9A是表示等温线被着色的情况下的图像显示例的图，图9B是表示等温线为半透明(未着色)的情况下的图像显示例的图。
进一步地，在上述的日本特开平09-273964号公报以及日本特开2010-181324号公报公开的技术中，使用普通的需要可见光的照相机，因此，为了获得清晰的图像，需要固定的光量，但在机床、工业机械的情况下，工件加工中通常关闭机床的加工室的门，成为密闭状态。因此，为了连续取得加工室内部的工具、工件的清晰图像，额外需要向加工室内部供给固定的光量的设备，还存在成本增加的这一另外的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能够清晰地显示机床的加工室内、工业机械的温度分布的图像显示装置。
在本发明中，通过将红外线热像仪的温度分布信息和清晰地显示机床的加工室内、工业机械的主要部分的加工模拟图像重合，来显示机床的工具与工件的加工接点附近、工业机械的主要部分的温度分布和清晰的图像，由此，解决上述问题。
而且，本发明的图像显示装置是显示机械的温度分布的图像显示装置，具备：加工信息输入部，其取得在上述机械正在进行的加工所涉及的加工信息；模拟动画生成部，其基于上述加工信息，执行三维加工模拟，生成三维模拟动画，上述三维加工模拟表示在上述机械正在进行的加工的状况；温度分布数据输入部，其取得表示上述机械的温度分布的状况的温度分布数据；温度分布图像生成部，其基于上述温度分布数据生成温度分布图像；图像合成部，其生成合成了根据上述三维模拟动画生成的投影图像和上述温度分布图像的图像；以及图像显示部，其显示上述图像合成部生成的图像。
也可以是，上述温度分布数据表示从预定的视点观察上述机械的情况下的温度分布，上述图像合成部生成合成了从上述视点观察上述三维模拟动画的情况下的投影图像和上述温度分布图像的图像。
也可以是，上述温度分布数据是通过安装于上述机械的红外线热像仪取得的。
根据本发明，即使在机床的加工室内飞散有切削液、碎屑的情况下，也能够显示工具与工件的加工接点附近、其它部分的温度分布和清晰的图像。另外，在工业机械中，能够显示其主要部分的温度分布和清晰的图像。由此，在人视觉上判断能够最佳地进行加工时的温度分布(作为加工的基准的温度分布)、异常的温度分布状况等的情况下，提高加工室内的各部的温度分布的正常/异常的视觉上的判断精度，因此，实现工具的异常磨损的探测、加工不良的探测的提高。
另外，由于显示加工室内的温度分布的清晰图像，因此，不需要向机床、工业机械的加工室内供给光，不需要设置向加工室内供给光的装置，能够抑制维护成本的增加，另外，在长时间进行监视的情况下，始终不需要供给光，因此，能够期待节电效果。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的图像显示装置的概略性的功能框图。
图2是说明本发明的将三维物体的坐标投影至二维坐标的思路的图。
图3是说明本发明的将三维物体的坐标投影至二维坐标的思路的另一个图。
图4是表示将图2所示的将三维物体的坐标投影至二维坐标的思路应用于机床的机械坐标系的情况的例子的图。
图5是表示开始加工时合成的图像的例子的图。
图6是对温度分布图像与三维模拟动画的投影图像的重叠进行说明的图。
图7A以及图7B是表示本发明的一实施方式的图像显示装置的图像显示例的图。
图8是表示将本发明的技术应用于车床加工的情况下的例子的图。
图9A以及图9B是表示现有技术的加工室内的图像显示例的图。
具体实施方式
图1是本发明的一实施方式的图像显示装置的概略性的功能框图。
本实施方式的图像显示装置100显示具备红外线热像仪2的机床1的包括加工时的工具与工件的加工接点附近在内的加工室内的温度分布。该图像显示装置100具备加工信息输入部10、温度分布数据输入部20、模拟动画生成部30、温度分布图像生成部40、图像合成部50以及图像显示部60。
加工信息输入部10与机床1的控制部(未图示)连接，取得表示在机床1中正在进行的加工状况的加工信息。加工信息输入部10按预定周期从机床1的控制部取得模拟动画生成部30执行的三维模拟所需要的信息作为加工信息。加工信息输入部10取得的加工信息例如也可以包括由机床1的控制部自当前开始执行的加工程序的程序块的信息，也可以包括表示工具、工件、其它加工室内的设备的当前的坐标位置和移动方向等的信息。
温度分布数据输入部20按预定周期取得安装于机床1的红外线热像仪(热图像测量装置)2检测到的机床1的加工室内的温度分布数据。用于供温度分布数据输入部20取得温度分布数据的红外线热像仪2可以使用普通的红外线热像仪。红外线热像仪2也可以构成为，通过用户经由机床1具备的操作盘等的操作，能够改变注视点(红外线热像仪2检测温度分布的范围的中心点)。红外线热像仪2的设置位置的坐标值(机械坐标值等)、注视点的坐标值(机械坐标值等)、焦距等信息也可以是用户能够通过图像显示装置100的操作输入部(未图示)设定，也可是能够从机床1的控制部取得。
模拟动画生成部30基于加工信息输入部10按预定周期取得的加工信息执行在机床1正在进行的加工的三维模拟，制作表示加工室内(加工空间内)的工具和工件的状态的三维模拟动画。模拟动画生成部30使用例如预先存储于存储器(未图示)的工具、工件、其它设备的三维模型，制作三维模拟动画。对于模拟动画生成部30进行的三维模拟动画的生成，例如只要使用目前已知的普通的加工模拟的方法(例如参照日本特开平10-10220号公报、日本特开平11-119818号公报)即可。
温度分布图像生成部40基于温度分布数据输入部20取得的机床1的加工室内的温度分布数据，生成表示注视点附近的温度分布的图像(等温线图像等)。
图像合成部50合成使温度分布图像生成部40生成的温度分布图像和模拟动画生成部30生成的机床1的加工室内的三维模拟动画重叠而得到的图像。图像合成部50合成如下图像，该图像是使温度分布图像生成部40生成的温度分布图像重叠于以设置有红外线热像仪2的位置为视点观察模拟动画生成部30生成的三维模拟动画的情况下的图像而得到的图像。图像合成部50与在机床1正在执行的加工的进程同步，按预先设定的预定的周期进行图像的合成。
而且，图像合成部50合成的图像与在机床1正在执行的加工的进程同步，显示于由液晶显示装置等构成的图像显示部60。
以下，使用图2以及图3，对将三维物体的坐标投影至二维坐标的思路进行说明。
如图2所示，用原点O和坐标系(世界坐标系)Xw-Yw-Zw来表现设置三维物体的空间，将观察三维物体的视点设为V(Vx，Vy，Vz)、将以视点V为原点的坐标系设为视点坐标系Xv-Yv-Zv。另外，将用于决定观察三维物体的角度的点(注视点)设为R(Rx，Ry，Rz)，将以注视点R为原点的坐标系设为注视点坐标系Xr-Yr-Zr。进一步地，在设定了从视点V朝向注视点R行进了距离f的位置存在投影面时，将从视点V观察注视点R时的投影面的中心点设为P(Px、Py、Pz)，将以投影面中心点P为原点的坐标系设为投影面中心点坐标系Xp-Yp。此外，为了使说明简单，在图2所示的例子中，世界坐标系和注视点坐标系的关系设为X轴、Y轴、Z轴指示的方向分别相同。
在这样设定了的情况下，将世界坐标系的各点向视点坐标系转换。该转换例如可以按照以下步骤。
步骤1：世界坐标系和注视点坐标系以使各自的原点重合的方式平行移动。
步骤2：注视点坐标系和视点坐标系以使各自的原点重合的方式平行移动。
步骤3：世界坐标系和视点坐标系以使各自的Z轴重合的方式旋转移动。
然后，根据图3所示的透视投影的概念和类似三角形的关系，能够由以下(1)式表示从三维物体的视点坐标系观察的坐标S(Sx，Sy)与从视点坐标系观察该坐标S的情况下的投影面上的坐标T(Tx，Tz)的关系。此外，图3所示的概念图是对视点坐标系的Xv-Zv平面进行表示的图，但对于Yv-Zv平面，也能够同样地进行表示。
Sz:f＝Sx:Tx
Sz：f＝SyTy......(1)
因此，与从视点坐标系观察到的坐标S(Sx，Sy)对应的投影面上的坐标T(Tx，Tz)能够由以下的(2)式表示。
因此，若总结将三维物体的坐标投影至二维坐标所需要的参数，则如下所述。
参数1：世界坐标系的原点O
参数2：从世界坐标系观察到的视点V
参数3：从世界坐标系观察到的注视点R
参数4：视点V与投影面中心点P的距离f
参数5：从视点坐标系观察时的三维物体的坐标S(Sx，Sy，Sz)
图像合成部50将机床1的机械坐标系设为以上所说明的世界坐标系，将红外线热像仪2的坐标(红外线镜头的位置)设为视点V，将红外线热像仪2检测温度分布的范围的中心点设为注视点R，将红外线热像仪2的焦距设为f，从而通过将模拟动画生成部30生成的机床1的加工室内的三维模拟动画的三维空间的各坐标点S(Sx，Sy，Sz)向温度分布图像生成部40生成的温度分布图像(投影面)上的坐标转换，合成使温度分布图像生成部40生成的温度分布图像和模拟动画生成部30生成的机床1的加工室内的三维模拟动画重叠而得到的图像。
以下，对具备上述的结构的本实施方式的图像显示装置100合成并显示机床1的加工室内的图像时的步骤进行说明。
首先，作为加工前的通常的准备，操作机床1的控制部(一般为数控装置)来定义工件坐标系，并制作NC程序。工件坐标一般是工具与工件的加工点的坐标，NC程序中，使用工件坐标系，指示工具的移动量等。
为了将加工室内的工具、工件、其它设备(三维物体)向投影面投影，图像合成部50基于用户设定的各设定值、从机床1的控制部取得的各设定值，如以上所说明地进行坐标系、各点的置换。
图4是表示将使用图2所说明的将三维物体的坐标投影至二维坐标的概念置换为实际的机床1和红外线热像仪2的坐标系的情况的图。此外，图4的例示出了铣削加工的情况。图4中，符号3为工具，符号4为工件。
在图像合成部50进行的图像的合成所需要的参数中，机械坐标系的原点M由机床1的控制部决定，因此只要从该控制部取得即可。
另外，从机械坐标系观察到的红外线热像仪2的红外线镜头的位置V(Vx，Vy，Vz)由从机械坐标系观察到的红外线热像仪2的安装位置决定，因此，在该位置由机床1的控制部设定的情况下，从控制部取得即可，在不是由机床1的控制部设定的情况下，用户只要操作图像显示装置100进行设定即可。
从机械坐标系观察到的注视点R能够设为从红外线热像仪2的红外线镜头的位置V相对于投影面垂直地下降的直线与工件表面的交点。此外，从机械坐标系观察的工件的坐标能够根据工件的形状信息求出，因此，在由机床1的控制部设定的情况下，只要从控制部取得即可，在不是由机床1的控制部设定的情况下，用户只要操作图像显示装置100进行设定即可。
红外线热像仪2的红外线镜头的焦距f由使用的红外线热像仪2的红外线镜头的特性决定，因此，在能够从红外线热像仪2取得的情况下，从红外线热像仪2取得即可，在不能从红外线热像仪2取得的情况下，用户只要操作图像显示装置100进行设定即可。
从红外线热像仪的红外线镜头的位置V的坐标系观察到的加工室内的工具、工件、其它设备的各点的坐标S能够从模拟动画生成部30基于加工信息执行在机床1正在进行的加工的三维模拟的结果取得，因此，能够通过利用上述的方法将该三维模拟中的虚拟空间的各点的世界坐标系的坐标向视点坐标系转换而得到。
图5是在加工的开始阶段通由图像合成部50将模拟动画生成部30制作出的三维模拟动画相对于投影面投影而制作出的图像的一例。
之后，当在机床1用工具3开始工件4的加工时，加工信息输入部10按预定周期从机床1的控制部取得加工信息，并且温度分布数据输入部20按预定周期从红外线热像仪2取得温度分布数据。温度分布数据输入部20从红外线热像仪2取得的温度分布数据包括红外线热像仪2取得的温度分布数据的范围的坐标值(Tx，Ty)(相当于投影面坐标系上的坐标值)和在该坐标值表示坐标测量到的温度Tt，通过一次取得，取得红外线热像仪2拍摄到的平面上的多个点(一般为几千个点)的数据T1(T1x，T1y，T1t)、T2(T2x，T2y，T2t)、…、Tn(Tnx，Tny，Tnt)。
模拟动画生成部30基于加工信息输入部10取得的加工信息，执行三维模拟，制作三维模拟动画。
另外，温度分布图像生成部40基于温度分布数据输入部20取得的温度分布数据，生成温度分布图像。作为一例，温度分布图像生成部40基于取得的温度分布数据生成等温线图像。温度分布图像生成部40制作的等温线图像是通过在平面上绘制温度分布数据，将相同的温度彼此用线连结而生成的。为了使等温线图像上的等温线的温度分布在视觉上易于判别，温度分布图像生成部40以不同的颜色对等温线进行着色。
然后，如图6所示，图像合成部50通过使温度分布图像生成部40生成的等温线图像和将加工模拟动画投影至投影面而得到的投影图像以如下方式重叠而对两图像进行合成：使基于从红外线热像仪2取得的温度分布数据而制作的温度分布图像的中心点T和三维模拟动画的投影面中心点P一致。
图7A及图7B是本实施方式的图像显示装置100的图像显示部60显示的图像的例子。图像合成部50通常通过使用公知的图像合成以及图像加工的技术，能够例如如图7A所示地将温度分布图像设为半透明，并与三维模拟动画重叠、如图7B所示地使突出显示三维模拟动画中的加工室内的工具3、工件4、其它设备的轮廓的图像和温度分布图像重叠。
以上，至此对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式的例子，通过施加适当的变更，能够以各种方式实施。
例如，在上述的实施方式中，对铣削加工的例子进行了说明，但如图8所示，也能够将本发明的方法应用于车床加工。另外，也能够应用于其它工业机械。
另外，在上述的实施方式中，示出了使用红外线热像仪作为用于取得温度分布数据的传感器的例子，但只要是能够测量从规定的视点观察的温度分布的传感器，就可以使用任何传感器。

Claims (3)

1.一种图像显示装置，其显示机械的温度分布，
上述图像显示装置的特征在于，具备：
加工信息输入部，其取得在上述机械正在进行的加工所涉及的加工信息；
模拟动画生成部，其基于上述加工信息，执行三维加工模拟，且生成三维模拟动画，上述三维加工模拟表示在上述机械正在进行的加工的状况；
温度分布数据输入部，其取得表示上述机械的温度分布的状况的温度分布数据；
温度分布图像生成部，其基于上述温度分布数据生成温度分布图像；
图像合成部，其生成合成了根据上述三维模拟动画生成的投影图像和上述温度分布图像的图像；以及
图像显示部，其显示上述图像合成部生成的图像。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
上述温度分布数据表示从预定的视点观察上述机械的情况下的温度分布，
上述图像合成部生成合成了从上述视点观察上述三维模拟动画的情况下的投影图像和上述温度分布图像的图像。
3.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于，
上述温度分布数据是通过安装于上述机械的红外线热像仪取得的。
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