JP2015131357A - 工作機械の工具折損検知装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】保守管理の増大を抑制するとともに、効率よく工具の折損を検知することを可能とした工作機械の工具折損検知装置を提供する。【解決手段】主軸１４と、複数の工具１５を収納可能な工具マガジン１６と、主軸１４と工具マガジン１６との間で工具１５の交換を自動的に行う自動工具交換装置１７とを備えた工作機械の工具折損検知装置に、自動工具交換装置１７によって工具マガジン１６から主軸１４へ搬送される加工前の工具１５と、自動工具交換装置１７によって主軸１４から工具マガジン１６へ搬送される加工後の工具１５とを撮像する撮像装置１９ａと、撮像装置１９ａによって撮像した加工前の工具１５の画像と加工後の工具１５の画像との比較により工具の折損の検知を行う画像処理装置１９ｂとを有する画像認識装置を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の工具折損検知装置に関し、とくに工具マガジンと自動工具交換装置とを備えた工作機械において工具の折損の検知を行う技術に関する。
従来、主軸と工具マガジンとを備える工作機械において、主軸と工具マガジンとの間に工具交換のために工具が待機保持される待機部を設け、主軸と待機部との間に工具交換装置を配設し、待機部と工具マガジンとの間に工具受け渡し装置を配設するとともに、工具受け渡し装置により工具が移動する移動領域のうち、直線移動領域に対応する位置に工具折損検出装置を設け、工具受け渡し装置により工具が直線移動領域を移動する途中で、光センサまたは接触子により工具の折損を検出するようにしたものが公知となっている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２０００−２８０１３９号公報
しかしながら、上述した従来の工作機械は、光センサにより工具の折損を検出する場合、光センサの発光素子から照射される検知光が工具の先端によって遮られるかどうかによって折損の検知を行うため、折損がない状態の工具長に合わせて光センサを支持する移動体を移動用モータによって移動させる必要がある、要するに、検査対象の工具に合わせて光センサの位置を調整するため、工具の自動交換用に設けられる搬送装置に加えて別途光センサを搬送するための搬送装置が必要であり、保守管理を行う対象が増加するという問題があった。
また、例えばタップ加工においては、下穴ドリル加工で工具の折損が生じ、下穴の加工が正常に終了していない場合、そのままタップ加工を実施すると工具が破損するおそれがあるため、次工程の加工は工具の折損検知を行ってから実施することとなる。しかしながら、上述した光センサにより工具の折損の検知を行う従来の方法では、光センサの位置調整に時間を要するため、生産効率が低下するおそれがあるという問題があった。これは、光センサの位置に合わせて工具を移動させる場合であっても同様である。
また、光センサの位置調整を誤った場合、検知光が遮られずに工具が正常な状態であっても折損有りと誤判定してしまうおそれがあるという問題もあった。
また、接触子により工具の折損を検知する場合、光センサを用いる場合と同様に、工具に接触子を接触させるための搬送装置が必要であり、保守管理を行う対象が増加するという問題、及び、上述したように折損の検知を次工程に移行する以前に行う必要があるのに対し、工具に接触子を接触させる際の速度には安全上の制限があるため工具の折損の検知に時間を要し、生産効率の低下を招くおそれがあるという問題があった。
このようなことから本発明は、保守管理の増大を抑制するとともに、短時間で効率よく工具の折損を検知することを可能とした工作機械の工具折損検知装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するための第１の発明に係る工作機械の工具折損検知装置は、
主軸と、複数の工具を収納可能な工具マガジンと、前記主軸と前記工具マガジンとの間で工具の交換を自動的に行う自動工具交換装置とを備えた工作機械の工具折損検知装置であって、
前記自動工具交換装置によって搬送される工具を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって工具を撮像した画像を解析する画像処理手段と
を有する画像認識装置を備え、
前記撮像手段は、前記自動工具交換装置によって前記工具マガジンから前記主軸へ搬送される加工前の工具と、前記自動工具交換装置によって前記主軸から前記工具マガジンへ搬送される加工後の工具とを撮像し、
前記画像処理手段は、前記加工前の工具の画像と前記加工後の工具の画像との比較により工具の折損の検知を行う
ことを特徴とする。
また、第２の発明に係る工作機械の工具折損検知装置は、第１の発明に係る工作機械の工具折損検知装置において、
前記自動工具交換装置によって搬送される工具を照明する照明手段を備える
ことを特徴とする。
また、第３の発明に係る工作機械の工具折損検知装置は、第２の発明に係る工作機械の工具折損検知装置において、
前記撮像手段は前記工具を当該工具の上方から撮像し、
前記照明手段は前記工具を当該工具の下方から照明する
ことを特徴とする。
また、第４の発明に係る工作機械の工具折損検知装置は、第１から第３のいずれか一つの発明に係る工作機械の工具折損検知装置において、
前記撮像手段および前記照明手段は、前記主軸と前記工具マガジンとの間に設けられた工具交換待機位置に配設される
ことを特徴とする。
上述した本発明に係る工作機械の工具折損検知装置によれば、保守管理の増大を抑制するとともに、短時間で効率よく工具の折損を検知することができる。
本発明の実施例に係る工作機械を示す正面図である。 本発明の実施例に係る工作機械を示す側面図である。 図３（ａ）は加工前の工具を撮像する例を示す説明図、図３（ｂ）は加工後の工具を撮像する例を示す説明図である。 本発明の実施例に係る工作機械の工具折損検知装置による折損検知アルゴリズムの一例を示す説明図である。 撮像装置を複数設置する例を示す説明図である。
以下、図面を参照しつつ本発明に係る工作機械の工具折損検知装置の詳細を説明する。
図１ないし図５を用いて本発明に係る工作機械の工具折損検知装置の一実施例を説明する。
図１及び図２に示すように、本実施例に係る工作機械１において、当該工作機械１の土台を構成するベッド１１上にはコラム１２が載置されている。そしてこのコラム１２の一つの側面１２ａには、主軸ヘッド１３が上下方向（Ｚ軸方向）に摺動自在に支持されている。主軸ヘッド１３には主軸１４が回動自在に支持され、主軸１４には工具１５が着脱自在に支持されている。
また、コラム１２の他の側面１２ｂ（上記側面１２ａとは反対側の側面）側には、工具マガジン１６が配設されている。工具マガジン１６には、複数のマガジンポット１６ａが楕円状に配設されており、当該マガジンポット１６ａは前記楕円状の軌道に沿って周回移動可能に構成されている。それぞれのマガジンポット１６ａは例えば異なる種類の工具１５を着脱自在に嵌挿可能となっている。
さらに、主軸１４と工具マガジン１６との間には、工具１５の自動交換を行うための自動工具交換装置１７が配設されている。自動工具交換装置１７は、工具を把持する工具把持部１７ａと、コラム１２に支持されて工具把持部１７ａを摺動自在に案内する案内レール１７ｂとを有している。
工具把持部１７ａは、図示しないアームを回動及び進退移動することにより、工具１５を交換するための位置（以下、工具交換位置という）に位置付けられた主軸１４に装着されている工具１５と工具把持部１７ａに把持されている工具１５とを同時に脱着交換することができるように構成されているとともに、マガジンポット１６ａに嵌挿されている工具１５と工具把持部１７ａに把持されている工具１５とを同時に脱着交換することができるように構成されている。
案内レール１７ｂは工具把持部１７ａを工具交換位置に位置付けられた主軸１４と工具マガジン１６との間で案内するように、工具交換位置に位置付けられた主軸１４と工具マガジン１６との間に、コラム１２の側面に沿って水平方向に延設されている。
さらに本実施例においては、工具交換のため、すなわち、所望の工具１５が嵌挿されたマガジンポット１６ａが周回移動により工具交換位置に搬送されるまでの間、工具把持部１７ａを待機させる待機位置（以下、工具交換待機位置という）に、画像認識装置１９と照明装置２１とが配設されている。
画像認識装置１９は撮像装置１９ａと画像処理装置１９ｂとを備えている。撮像装置１９ａは、例えばＣＣＤカメラ等の撮像手段であり、工具交換待機位置に対応する案内レール１７ｂの上方において撮像装置支持体２０を介してコラム１２に支持され、工具把持部１７ａによって把持され工具交換待機位置に位置づけられた工具１５の全体を撮像する。撮像装置１９ａによって工具１５を撮像した画像は画像処理装置１９ｂに入力される。
また、照明装置２１は工具交換待機位置に対応する案内レール１７ｂの下方において照明装置支持体２２を介してコラム１２に支持され、工具把持部１７ａによって把持され工具交換待機位置に位置づけられた工具１５全体の照明を行う。
なお、コラム１２の前方にはテーブル２３が配設されている。
このように構成される本実施例に係る工作機械の工具折損検知装置においては、まず、図示しないワークを加工する前に工具１５を自動工具交換装置１７により工具マガジン１６から主軸１４へ搬送する際、工具交換待機位置で工具把持部１７ａの移動を一旦停止させ、下方から照明装置２１により照明される工具１５全体のシルエットを撮像装置１９ａにより撮像し、加工前画像を取得する。
その後、前記ワークの加工が終了したら、工具１５を自動工具交換装置１７により主軸１４から工具マガジン１６へ搬送する際に、再度工具交換待機位置で工具把持部１７ａの移動を一旦停止させ、下方から照明装置２１により照明される工具１５全体のシルエットを撮像装置１９ａにより撮像し、加工後画像を取得する。すなわち、工具１５をマガジンポット１６ａに返却する前に、撮像装置１９ａによる撮像を行う。
そして、加工後の工具１５の撮像を行ったら、画像処理装置１９ｂにおいて加工前画像と加工後画像とをそれぞれあらかじめ設定したしきい値に基づいて二値化して工具１５と背景とを差別化した加工前二値化画像と加工後二値化画像とに変換し、加工前二値化画像と加工後二値化画像とを重ね合わせて、二つの二値化画像の差分を求める。
この二つの二値化画像の差分を、工具１５の折損の有無を判断するためにあらかじめ設定した折損検知しきい値と比較し、差分が折損検知しきい値以上であれば、工具１５が折損していると判断する。一方、差分が折損検知しきい値未満であれば、工具１５に折損が生じていないと判断する。
このような構成としたことにより、図３（ａ）に示す前記ワークの加工前の工具１５に対し、図３（ｂ）に示すように前記ワークの加工後の工具１５が折損していた場合、図４に示すように加工前の工具１５Ｂを撮像した加工前画像ＩB1を二値化してなる加工前二値化画像ＩB2と、加工後の工具１５Ａを撮像した加工後画像ＩA1を二値化してなる加工後二値化画像ＩA2とを重ね合わせた画像Ｉにおいて、破線で囲んだ差分２４が折損検知しきい値以上となり、工具１５の折損が検知される。
上述した本実施例に係る工作機械の工具折損検知装置によれば、前記ワークの加工前と加工後とに画像認識装置１９により撮像した工具１５の画像を比較することで工具１５の折損の有無を検知することができるため、従来の接触子を用いた検知装置のように工具１５に対するアプローチを考慮する必要がなく、短時間で効率よく、しかも確実に工具１５の折損を検知することが可能となる。そのため、折損検知は次の工具１５による加工を実施する前に行う必要があるが、本実施例では計測動作としては画像の撮影のみであるため、検知に必要な時間を大幅に短縮することができる。
さらに、非接触式で且つ工具１５と撮像装置１９ａとの位置関係を固定することができる、換言すると、撮像装置１９ａの移動が不要であるため、従来の光センサまたは接触子を用いた検知装置において必要であった搬送装置等の可動部が不要となり、従来に比較して保守管理を行う対象を低減することができる。
さらに、折損検知と同時に工具１５の輪郭を検出することが可能であるため、工具長、工具径等の工具形状の計測を実施可能であり、工具１５の状態を時系列的に管理でき、品質管理に利用できる。
さらに加えて、案内レール１７ｂの上方に画像認識装置１９を設置し受光部を下に向ける構成としたことにより、画像認識装置１９の受光部に切子、ほこり等が付着することを防止することができる。なお、案内レール１７ｂの下方に設置した照明装置２１に多少切子等が付着したとしても、折損の大きさに比べて小さいため影響は少ない。
また、撮影対象の工具１５に対して、照明装置２１によりバックライトを照射して撮像装置１９ａによる撮影を実施するため、明暗がはっきりした画像を得ることができ、二値化を利用して容易に工具形状を認識することができる。
また、工具１５の折損は、概ね１０〜２０［ｍｍ］の大きさで生じるため、画像認識により素早く検知するのに適している。
しかも、工具１５を工具交換待機位置に一旦停止させた状態で撮像装置１９ａによる撮影を行うため、撮影時において工具１５と画像認識装置１９の相対位置とが固定された状態となるため、加工前後に工具１５を撮像した画像を単純に重ね合わせることで、容易に折損部分を検知することができる。
なお、本発明に係る工作機械の工具折損検知装置は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、工具１５が長尺であって、一つの撮像装置１９ａでは工具１５全体を撮像することが困難な場合は、図５に示すように複数の撮像装置（図５では二つの撮像装置１９ａ−１，１９ａ−２）を設置することで対応してもよい。また、上述した実施例では工具交換待機位置で一旦停止させた工具１５を撮像する例を示したが、移動中の工具１５を撮像するようにしてもよい。
本発明は、工作機械において工具の折損を検知する工具折損検知装置に適用して好適なものである。
１１ ベッド
１２ コラム
１３ 主軸ヘッド
１４ 主軸
１５，１５Ａ，１５Ｂ 工具
１６ 工具マガジン
１６ａ マガジンポット
１７ 自動工具交換装置
１７ａ 工具把持部
１７ｂ 案内レール
１９ 画像認識装置
１９ａ 撮像装置
１９ｂ 画像処理装置
２０ 撮像装置支持体
２１ 照明装置
２２ 照明装置支持体
２３ テーブル
２４ 差分
ＩA1 加工後画像
ＩA2 加工後二値化画像
ＩB1 加工前画像
ＩB2 加工前二値化画像
Ｉ 重ね合わせ画像

Claims (4)

  1. 主軸と、複数の工具を収納可能な工具マガジンと、前記主軸と前記工具マガジンとの間で工具の交換を自動的に行う自動工具交換装置とを備えた工作機械の工具折損検知装置であって、
    前記自動工具交換装置によって搬送される工具を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって工具を撮像した画像を解析する画像処理手段と
    を有する画像認識装置を備え、
    前記撮像手段は、前記自動工具交換装置によって前記工具マガジンから前記主軸へ搬送される加工前の工具と、前記自動工具交換装置によって前記主軸から前記工具マガジンへ搬送される加工後の工具とを撮像し、
    前記画像処理手段は、前記加工前の工具の画像と前記加工後の工具の画像との比較により工具の折損の検知を行う
    ことを特徴とする工作機械の工具折損検知装置。
  2. 前記自動工具交換装置によって搬送される工具を照明する照明手段を備える
    ことを特徴とする請求項１記載の工作機械の工具折損検知装置。
  3. 前記撮像手段は前記工具を当該工具の上方から撮像し、
    前記照明手段は前記工具を当該工具の下方から照明する
    ことを特徴とする請求項２記載の工作機械の工具折損検知装置。
  4. 前記撮像手段および前記照明手段は、前記主軸と前記工具マガジンとの間に設けられた工具交換待機位置に配設される
    ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の工作機械の工具折損検知装置。
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