JP2012101289A

JP2012101289A - 工作機械及びこの工作機械による位置測定方法

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Publication number: JP2012101289A
Application number: JP2010249344A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Kunimitsu; 克則國光
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2012-05-31

Abstract

【課題】機械動作を伴わずに、工作機械上に取り付けられた加工物等の位置を測定する。
【解決手段】工作機械にカメラ１１を装備し、加工物８を保持するテーブル９の基準となる位置に指し棒１０を指し示した状態で、指し棒１０の目印をカメラ１１で撮影し、画像処理により目印の位置を算出し、指し棒の指した基準点の座標値を求める。一方、加工物８の測定したい点に指し棒１０を指し示した状態で、指し棒１０の目印をカメラ１１で撮影し、画像処理により目印の位置を算出し、指し棒の指した点の座標値を求め、基準点の座標値との差を求めることにより、基準点に対する測定したい点の３次元座標値を測定する。これにより、機械の動作を伴わず、機械の衝突を気にせずに、加工物等の位置を測定できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、加工物と、加工物を加工する工具との相対位置を制御可能な工作機械、特に加工物またはその他の位置を測定する測定方法に関する。

従来から、加工物と、加工物を加工する工具との相対位置を制御する工作機械が知られている。このような工作機械は、加工物を保持する機構または工具を保持する機構の少なくとも一方に位置検出器を装備する。工作機械は、位置検出器の検出結果に基づいて、初期状態の位置に対する移動量を制御することにより、加工物と工具の相対位置を制御することができる。

上述のような工作機械においては、一般的に、位置検出器が、工具またはセンサを加工物に接触させた状態の位置を加工物の位置として検出し、この加工物の位置を初期状態の位置として、初期状態の位置に対する移動量を制御することにより、加工物と工具との相対位置を制御する。

下記特許文献１には、部材の位置を測定する位置センサを備えた射出成形機が記載されている。

また、下記特許文献２には、加工物（ワーク）を撮像する撮像装置と、撮像装置により撮影された画像データを処理し、加工物の位置を測定する画像処理装置とを有する芯出し装置が記載されている。

また、下記特許文献３には、上述の２つの文献のような加工物の位置を測定する技術だけでなく、工作機械に設けられる３次元測定検出器により加工物の形状データを測定する技術が記載されている。

また、下記特許文献４には、カメラ等の画像取得手段を用いて、加工物だけでなく、チャックと刃物台の位置を記憶する工作機械が記載されている。

特開２００１−２２５３４５号公報特開２００４−２０２６３４号公報特許第４１８０４６９号特開２００６−１０２９２３号公報

上述したように、工具またはセンサを用いた加工物の位置を測定する方法においては、工具またはセンサを加工物に接触させる操作が必要になる。しかし、この操作を間違えると、加工物、工具、さらには工作機械を損傷させる可能性がある。この損傷を回避するために操作が慎重になると時間がかかってしまい、作業効率が低下してしまう。

このような作業効率の低下を防止するため、カメラ等の画像取得手段や、画像処理手段を用いて、加工物の位置を測定することが考えられる。例えば加工物の３次元測定を行う場合、画像処理手段は、画像取得手段により取得された画像から測定点を抽出する必要がある。測定点を抽出する方法としては、加工物における特徴のある模様を抽出する方法、または形状の変化に応じて変化する色や輝度に基づいて特徴点や特徴線を抽出する方法がある。

しかしながら、加工物が金属である場合、加工物に模様が無く、色の変化も無いことから、特徴点や特徴線が抽出できないという問題がある。また、金属表面の光沢により、外部からの光や模様が写り込み、加工物とは無関係の特徴点や特徴線を抽出してしまい、加工物の特徴点や特徴線を抽出することが困難になってしまうという問題がある。

これらの問題に対処するため、プロジェクター等を利用して加工物に模様を照射する、または加工物にマークを貼り付けることにより、特徴点や特徴線を抽出し、加工物の３次元測定を行うことができる。

例えば、上記特許文献３に記載される測定方法においては、プロジェクターから光を加工物に照射し、カメラによって加工物の表面で乱反射した光を撮影することにより、加工物の３次元座標が測定される。

しかし、金属表面の光沢により光が反射してしまう場合には、加工物の表面で反射した光がカメラに戻らず、その光を撮影することができないという問題がある。また、加工物の表面が黒い場合には、その表面により光が吸収されてしまい、反射光を撮影することができないという問題がある。

一方、加工物に対してマークを貼り付ける方法においては、加工物に対してマークを貼り付ける場所が必要となる。しかし、加工物の形状が複雑化すると、マークを貼り付ける場所を確保することが困難になるという問題がある。

また、画像取得手段及び画像処理手段によって加工物の３次元測定を行う方法の場合、測定点が画像取得手段により取得された画像に写っている必要がある。そうすると、測定点が画像に含まれるように、加工物の姿勢を変更する、または画像取得手段の位置を変更するなどして加工物を撮影しなければならず、手間がかかってしまうという問題がある。

本発明の目的は、加工物の特徴点や特徴線を使用せずに、機械に固定されたカメラであっても、加工物やその他の点の位置を計測することができる工作機械を提供することにある。

本発明は、加工物と、加工物を加工する工具との相対位置を制御可能な工作機械において、互いの相対位置が予め設定された３つ以上の目印と、これらの目印に対する相対位置が予め設定された測定点とを有し、位置測定対象物に対して測定点を指し示す指し棒と、前記目印を撮影し、前記目印の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段により取得された画像を処理して、この画像上の前記目印の位置を測定する画像処理手段と、前記画像処理手段により測定された前記目印の位置に基づいて前記目印の前記工作機械上の３次元座標位置を演算し、前記測定点の前記工作機械上の３次元座標位置を演算する３次元座標位置演算手段と、を備えることを特徴とする。

また、別の発明は、加工物と、加工物を加工する工具との相対位置を制御可能な工作機械による位置測定方法において、互いの相対位置が予め設定された３つ以上の目印と、これらの目印に対する相対位置が予め設定された測定点とを有する指し棒により、位置測定対象物に対して測定点を指し示すステップと、画像取得手段が、前記目印を撮影し、前記目印の画像を取得するステップと、画像処理手段が、前記画像取得手段によって取得された画像を処理して、この画像上の前記目印の位置を測定するステップと、前記工作機械上の３次元座標演算位置手段が、前記画像処理手段により測定された前記目印の位置に基づいて前記目印の前記工作機械上の３次元座標位置を演算し、前記測定点の３次元座標位置を演算するステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の工作機械によれば、指し棒の測定点が指す工作機械上の任意の点の３次元座標を測定することができる。従来技術で述べたような加工物の特徴線や特徴点を利用しないため、加工物が金属であっても、金属の光沢による制約を受けず、測定点の３次元座標を測定することができる。

また、本発明の工作機械においては、指し棒の目印を利用して位置を測定するので、加工物にマークを貼り付ける必要がない。よって、加工物の形状による制約を受けずに、測定点の３次元座標を測定することができる。

また、本発明の工作機械では、仮に、測定点が加工物の陰になり画像に写っていない場合であっても、指し棒の目印が画像に写っていれさえすれば、測定点の３次元座標を計測することができる。つまり、撮影においてわざわざ加工物やカメラを移動させずに済むので、測定時間を短縮することができる。

さらに、本発明の工作機械では、上述のように指し棒で測定点を指示するだけで測定点の３次元座標が測定可能になるので、測定作業のために機械を動かす際に機械が衝突する心配が無くなり、機械の損傷を防止するとともに作業者の負担を少なくすることができる。

本発明に係る工作機械の構成の一例を示すブロック図である。指し棒の構成を示す図である。指し棒の目印が写る画像を示す図である。測定点を求める方法を示す図である。基準点の測定方法を示す図である。測定点の測定方法を示す図である。

以下、本発明に係る工作機械の実施形態について、図を用いて説明する。

図１は、本発明に係る工作機械の構成の一例を示すブロック図である。工作機械は、目印１及び測定点２を含む指し棒と、画像取得部３と、画像処理部４と、３次元座標演算部５と、目印位置格納部６と、基準位置格納部７とを有する。

指し棒の構成について、図２を用いて説明する。指し棒は、互いに相対位置が予め設定された目印１を３つ有する。また、指し棒は、各目印１に対する相対位置が、予め設定された測定点２を有する。本実施形態の指し棒は、図２に示されるように、十字状の棒であり、この十字の各端部に、各目印１と測定点２が設けられる。測定点２を加工物や工具などの位置測定対象物に接触させる、または位置を指し示すことで、その点が３次元座標の測定点となる。なお、目印１の数は一例であって、本発明は目印１の数３個に限定されず、３個以上とすることができる。

図１に戻り、画像取得部３は、目印１を撮影し、目印１の画像を取得する。本実施形態の画像取得部３は、工作機械に固定される。画像処理部４は、画像取得部３により取得された画像を処理して、この画像上の目印１の位置を測定する。具体的には、画像処理部４は、図３に示されるような、指し棒が写る画像から３つの目印１を抽出し、画像上の座標値Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を求める。ここで、各座標は２次元座標であるので、Ｑ１＝（Ｘｑ１，Ｙｑ１）、Ｑ２＝（Ｘｑ２，Ｙｑ２）、Ｑ３＝（Ｘｑ３，Ｙｑ３）と表すことができる。なお、本実施形態においては、画像取得部３が工作機械に固定される場合について説明したが、本発明がこの構成に限定されず、画像取得部３と工作機械との相対位置が既知であれば、工作機械に固定されていなくてもよい。

３次元座標演算部５は、画像処理部４により測定された目印１の位置に基づいて目印１の工作機械上の３次元座標の位置を演算し、測定点２の工作機械上の３次元座標の位置を演算する。目印位置格納部６は、データを記憶する記憶装置であり、測定点２の座標値を（０，０，０）とした場合の目印１の各座標Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３（図２に示す）を格納する。ここで、各座標Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を、Ｐ１＝（Ｘｐ１，Ｙｐ１，Ｚｐ１）、Ｐ２＝（Ｘｐ２，Ｙｐ２，Ｚｐ２）、Ｐ３＝（Ｘｐ３，Ｙｐ３，Ｚｐ３）とする。基準位置格納部７は、データを記憶する記憶装置であり、３次元座標測定の基準となる基準点に測定点２を指し示した状態における指し棒の位置を、基準位置として格納する。

次に、指し棒が、基準位置から回転移動（α、β、γ）と平行移動（Ｘｓ，Ｙｓ、Ｚｓ）とを行って、測定すべき点に測定点２を指し示した状態における指し棒の位置について検討する。指し棒が、基準位置から回転移動（α、β、γ）と平行移動（Ｘｓ，Ｙｓ、Ｚｓ）した場合の幾何変換行列をＡとして、移動後の３つの目印１の各３次元座標Ｐ’１、Ｐ’２、Ｐ’３を求める。そうすると、各座標Ｐ’１、Ｐ’２、Ｐ’３を、Ｐ’１＝Ａ（Ｐ１）、Ｐ’２＝Ａ（Ｐ２）、Ｐ’３＝Ａ（Ｐ３）で表すことできる。なお、各座標Ｐ’１、Ｐ’２、Ｐ’３を、図４に示されるように、Ｐ’１＝（Ｘｐ’１，Ｙｐ’１，Ｚｐ’１）、Ｐ’２＝（Ｘｐ’２，Ｙｐ’２，Ｚｐ’２）、Ｐ’３＝（Ｘｐ’３，Ｙｐ’３，Ｚｐ’３）とする。

そして、上記座標Ｐ’１、Ｐ’２、Ｐ’３の位置の目印１を撮影して得られる画像における目印１の画像上の座標Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を、投影変換行列をＦとして表現する。この投影変換行列Ｆは、画像を取得する画像取得部３により決まる固定値である。そうすると、座標Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ、Ｒ１＝Ｆ（Ｐ’１）＝ＦＡ（Ｐ１）、Ｒ２＝Ｆ（Ｐ’２）＝ＦＡ（Ｐ２）、Ｒ３＝Ｆ（Ｐ’３）＝ＦＡ（Ｐ３）で表せる。

この様に表現される各座標Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、画像処理部４が抽出した目印１の各座標Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３と、それぞれ一致するはずである。すなわち、Ｑ１＝Ｒ１＝Ｆ（Ｐ’１）＝ＦＡ（Ｐ１）、Ｑ２＝Ｒ２＝Ｆ（Ｐ’２）＝ＦＡ（Ｐ２）、Ｑ３＝Ｒ３＝Ｆ（Ｐ’３）＝ＦＡ（Ｐ３）の関係となる。

幾何変換行列Ａは、回転量（α、β、γ）と、移動量（Ｘｓ，Ｙｓ、Ｚｓ）の６つの変数により成り立ち、投影変換行列Ｆは固定値であるので、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の３つの座標値から、回転量（α、β、γ）と移動量（Ｘｓ，Ｙｓ、Ｚｓ）を求めることができる。

次に、本発明を実施する具体例について、図５及び６を用いて説明する。図５は、基準点の測定方法を示す図であり、図６は、測定点の測定方法を示す図である。

図５に示されるように、加工物８を保持するテーブル９の端（ここを基準点とする）に測定点を指し示した状態の指し棒１０をカメラ１１で撮影し、指し棒１０の測定点の座標を基準位置として測定する。

具体的には、３次元座標演算部５は、目印位置格納部６に格納された３つの目印の座標Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を参照する。そして、３次元座標演算部５は、カメラ１１から得られた３つの座標値Ｑ１，Ｑ２、Ｑ３から、基準位置として、測定点の位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を測定する。基準位置格納部７は、３次元座標演算部５により測定された基準位置（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を格納する。

そして、図６に示されるように、測定したい点に指し棒１０の測定点を指し示した状態で、指し棒１０の測定点の位置を求め、先に測定した基準点との差を求めることにより、基準点に対する測定したい点の３次元座標値を測定する。

具体的には、３次元座標演算部５は、目印位置格納部６に格納された３つの目印の座標Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を参照する。そして、３次元座標演算部５は、このときにカメラ１１から得られた３つの座標値Ｑ１，Ｑ２、Ｑ３から、基準点に対する測定したい測定点の位置（Ｘ’ｓ，Ｙ’ｓ，Ｚ’ｓ）を測定する。

本実施形態においては、測定すべき点が、測定点２を加工物や工具などの位置測定対象物の表面上である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、測定すべき点を位置測定対象物から所定間隔を空けた空間上の点とすることも好適である。

１目印、２測定点、３画像取得部、４画像処理部、５３次元座標演算部、６目印位置格納部、７基準位置格納部、８加工物、９テーブル、１０指し棒、１１カメラ。

Claims

加工物と、加工物を加工する工具との相対位置を制御可能な工作機械において、
互いの相対位置が予め設定された３つ以上の目印と、これらの目印に対する相対位置が予め設定された測定点とを有し、位置測定対象物に対して測定点を指し示す指し棒と、
前記目印を撮影し、前記目印の画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段により取得された画像を処理して、この画像上の前記目印の位置を測定する画像処理手段と、
前記画像処理手段により測定された前記目印の位置に基づいて前記目印の前記工作機械上の３次元座標位置を演算し、前記測定点の前記工作機械上の３次元座標位置を演算する３次元座標位置演算手段と、
を備えることを特徴とする工作機械。
加工物と、加工物を加工する工具との相対位置を制御可能な工作機械による位置測定方法において、
互いの相対位置が予め設定された３つ以上の目印と、これらの目印に対する相対位置が予め設定された測定点とを有する指し棒により、位置測定対象物に対して測定点を指し示すステップと、
画像取得手段が、前記目印を撮影し、前記目印の画像を取得するステップと、
画像処理手段が、前記画像取得手段によって取得された画像を処理して、この画像上の前記目印の位置を測定するステップと、
前記工作機械上の３次元座標演算位置手段が、前記画像処理手段により測定された前記目印の位置に基づいて前記目印の前記工作機械上の３次元座標位置を演算し、前記測定点の３次元座標位置を演算するステップと、
を備えることを特徴とする位置測定方法。