JP2016093872A - 工作機械の工具補正値の自動設定装置及び自動設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＣ工作機械の刃物台に装着された多数の工具の工具補正値（刃物台と工具刃先との相対位置関係）の設定を自動で行うことができる技術手段を提供する。【解決手段】機内に設置したカメラ４で刃物台１５に装着した工具２の画像Ａを取得し、工具２の刃先２４の画像上での位置と方向とを求め、カメラ４の設置位置と画像を取得したときの刃物台１５の位置関係から、工具補正値を求めて制御器に自動設定する。制御器５に設定する工具補正値は、ツールセッタ２１を用いて計測できる。この場合は、画像から仮の工具補正値を求めてツールセッタ２１のセンサ２３で工具の刃先２４を検出して制御器５に登録する補正値設定プログラム５３を自動実行する。【選択図】図１

Description

この発明は、ＮＣ工作機械の刃物台と当該刃物台に装着された工具刃先との相対位置関係（工具補正値）を自動設定する方法及び装置に関するものである。

工作機械によるワーク（加工対象物）の加工形状は、ワークに対して工具の刃先をどのように移動させるかにより決定される。一方、工作機械の制御器が制御しているのは、ワークを固定した主軸やテーブルと工具を装着した刃物台との相対位置関係である。

刃物台には、加工の種類に応じた種々の工具が装着される。工具によって刃物台からの突き出し長さや突き出し方向が異なるので、刃物台の基準位置（制御器が認識ないし制御している位置）から工具刃先までの位置関係を予め制御器に登録しておかなければ所望の加工を行うことができない。そこで刃物台に工具を取り付けたときに、刃物台の基準位置を基準とする工具刃先の位置（工具補正値。工具オフセット値とも言う。）を制御器に設定している。

工具補正値の設定は、通常、予め定められた位置に工具刃先を検出する近接スイッチやタッチセンサなどの検出センサを備えたツールセッタを設置し、刃物台に工具を装着した後、刃物台を移動して工具刃先を検出センサで検出し、その検出信号を受けたときの刃物台の位置（制御器が認識している位置）に基づいて工具補正値を求めることによって行われている。

工具補正値を設定する際の工具刃先をツールセッタで検出させる作業や工具補正値を制御器に設定（登録）する作業は、従来オペレータが手動操作で行っている。例えばタレット旋盤の場合には、工具補正値を設定しようとする工具を検出センサで検出可能な角度にタレットを回動し（割り出し）、当該工具の刃先が検出センサで検出される位置に刃物台を手動操作で移動し、検出センサから工具刃先の検出信号が出力されて制御器に工具補正値が設定されたことを確認した後、刃物台をツールセッタから離れた位置に移動し、タレットを回転して次の工具を割り出すという操作を繰り返すことによって工具補正値を設定していた。

このような手動操作による工具補正値の設定には時間がかかることに鑑み、特許文献１には、ボール盤について、工具主軸のチャックに装着したドリルの長さを自動計測して設定する手段が提案されている。

特開平７−２７６１２２号公報 特開２０００−２４８８０号公報

タレット旋盤などの複数の工具を用いて加工を行う工作機械においては、１個の刃物台（タレット）に８本とか１２本とかの複数の工具が装着され、１個の工具装着位置（工具ステーション）に刃先の方向が異なる２本の工具が装着されることもあるので、これらの工具について手動により制御器に工具補正値を設定する作業は、多大な手間と時間がかかるという問題があった。

また、複数のタレットを備えた旋盤や工具交換装置を備えた複合旋盤では、加工に使用する工具の種類が多く、刃物台からの工具の突き出し長さだけでなく、刃先の位置や方向も異なる。更にこれらの工具は、工具ホルダを介してタレットに装着されるので、使用する工具ホルダの形状や寸法によって同じ工具を用いた場合でも工具補正値が変化する。

従って、刃物台に装着された工具の種類毎に刃先をツールセッタに接近させる方向が異なり、更に多くの工具は、複数の方向からツールセッタに接近させて刃先を検出しなければ工具補正値を設定できない。

この発明は、タレット旋盤や工具交換装置を備えた工作機械における上記のような問題点を解決して、刃物台に装着された複数の工具の工具補正値の設定を自動で行うことができる技術手段を提供することを課題としている。

この発明は、工作機械の機内に設置したカメラ４で刃物台１５に装着した工具２の画像Ａを取得し、当該画像Ａから工具２の刃先２４の画像上での位置と方向とを求め、カメラ４の設置位置と画像を取得したときの刃物台１５の位置関係から、当該工具の刃先２４の位置と刃物台１５の基準位置ｏとの相対位置関係である工具補正値を求めて制御器に自動設定することにより、上記課題を解決したものである。

制御器５に設定する工具補正値は、ツールセッタ２１を用いて計測することができる。この場合は、工具２の画像から仮の工具補正値を求め、求めた仮の工具補正値を用いてツールセッタ２１のセンサ２３で工具の刃先２４を検出して制御器５に登録する補正値設定プログラム５３を自動実行して、工具補正値の設定を行う。補正値設定プログラムは、刃物台１５を刃先検出開始点ｓに高速移動し、刃先の方向に対応する方向からの検出センサ２３への低速接近と、検出信号を受けた後の高速退避と、次の移動軸が指定されている場合には当該次の移動軸方向への変換移動とを繰り返す。

この繰り返し動作中に工具刃先の検出センサ２３から検出信号を受けたとき、そのときの刃物台１５の移動方向の座標から当該移動方向の軸についての工具補正値を算出して制御器５に自動設定する。

この発明の工具補正値の自動設定装置は、工作機械１の機内に設置されたカメラ４と、カメラ４で刃物台１５に装着された工具２の画像Ａを取得する工具画像取得手段５１と、カメラ４が取得した工具画像Ａから工具の刃先２４の位置と方向とを取得する画像解析手段５２と、画像解析手段５２が取得した刃先２４の位置と方向とに基づいて工具の刃先２４と刃物台の基準位置ｏとの相対位置関係を制御器５に設定する補正値設定プログラム５３とを備えている。

ツールセッタ２１で工具の刃先２４を検出して工具補正値を設定するようにした場合は、補正値設定プログラム５３は、刃物台１５をツールセッタ２１に向けて高速移動させる工程と、刃物台１５をツールセッタのセンサ２３に向けて低速接近させる工程と、センサ２３が検出信号を出力したときに当該低速移動を停止して刃物台１５の座標を取得する工程と、取得した座標とセンサ２３との位置関係に基づいて工具補正値を演算する工程と、演算した工具補正値を当該工具が装着されている工具ステーション番号に対応する補正値メモリ５４に記憶する工程とを含んでいる。

複数の工具について補正値の設定を行うときは、１本の工具について、必要な総ての軸方向についての補正値設定動作が終了すると、補正値設定プログラムは、退避経路に沿って刃物台を割出位置に高速移動し、当該位置で次の工具を割り出し、当該次の工具についての上記動作を行って、当該次の工具に対応する補正値記憶領域に補正値を設定する。

刃先２４の方向や刃先円２５は、予め各種の工具２の画像データとそれぞれの工具の刃先円と刃先の方向とを制御器５に登録しておき、カメラ４が取得した工具２の画像を登録された画像データと対比して刃先円と工具刃先の方向を決定し、それを用いて補正値設定プログラムにより工具補正値を設定することも可能である。

更に、解像度の高いカメラを用いたり、カメラのズーム機能で刃先の拡大画像を取得することにより、画像解析により工具補正値を直接取得することもできる。

この発明では、カメラで撮影した工具の画像に基づいて、工具補正値の設定作業が人手を介することなく自動で行われるので、オペレータは、必要な工具をタレット刃物台や工具マガジンに装着するだけで良く、工具寸法の計測や工具形状データの入力などという作業を行わなくても多数の工具についての工具補正値の設定が全自動で行われるので、オペレータの作業負担が解消され、操作ミスや入力ミスも防止できる。

ツールセッタを用いて行われる工具補正値の設定作業においても、刃物台に装着された複数の工具について、工具刃先を刃先検出センサに接近させる操作、各工具に対応する刃先検出センサへの接触操作、各工具についての必要な軸方向（Ｘ軸及び／又はＺ軸）の工具補正値の設定ないし更新が、工具ステーションを変換しながら自動的に行われるので、タレット旋盤のように、複数の工具が使用される工作機械の工具補正値の設定作業が容易かつ短時間でできるようになり、オペレータの操作ミスも防止できるという効果がある。

タレット旋盤の要部を示す模式図 刃先の方向と刃先補正番号の説明図 刃先位置と刃先の方向との検出方法の例を示す説明図 刃先円の検出方法の例を示す説明図 背景画像の除去方法の例を示す説明図 刃先検出動作の第１例を示す図 刃先検出動作の第２例を示す図 刃先検出動作の第３例を示す図 刃先検出動作の第４例を示す図 ツールセッタを用いた刃先設定手順の一例を示すフローチャート

以下、基本的な構造のＮＣタレット旋盤を例にして、この発明の実施形態を説明する。ＮＣタレット旋盤は、機械本体１と、制御器５とを備えている。機械本体１は、ベッドに固定の主軸台１１に軸支された主軸１２と、刃物台１５とを備えている。主軸１２の先端には、ワークを保持するチャック１３が装着されている。刃物台１５は、タレット１６を備えたタレット刃物台で、タレット１６にはそれぞれ複数の工具２がホルダ３を介して装着されている。刃物台１５は、制御器５からの指令により、主軸軸線ａの方向であるＺ軸方向と、これと直交して主軸軸線ａに近接離隔する方向であるＸ軸方向とに移動位置決め自在である。

主軸台１１には、ツールセッタ２１と、その進退装置２２とが装着されている。ツールセッタ２１は、図６〜９に示すように、進出位置でのＺ軸方向とＸ軸方向との両側に接触センサ２３（２３ｚ、２３ｘ）を備えている。これらの接触センサ２３は、進出時に主軸軸線ａ上の定位置に正確に位置決めされる。

刃物台１５の移動領域の上方には、その移動平面（Ｚ−Ｘ平面）と直交する方向に光軸を向けたカメラ４が設けられている。カメラ４には、ワーク加工中に飛散する切削液や切粉がカメラに付着するのを防止するために、カバーを設けて撮影時に当該カバーが開くようにするか、またはワーク加工時にカメラを加工領域外へ退避させる退避装置を設ける。撮影時のカメラ４の位置は、刃物台１５の位置と同程度の精度で、Ｚ−Ｘ平面の上方の正確な位置に設定する必要がある。

制御器５は、画像取得手段５１、画像解析手段５２、補正値設定プログラム５３及び補正値記憶手段５４を備えている。画像取得手段５１は、タレット１６のある工具ステーション１７の工具補正値の登録が指令されたときに、工具ステーション１７を主軸軸線ａに向く方向に割り出し、工具ステーション１７に装着された工具２がカメラ４の撮影領域に入る位置に刃物台１５を移動し、カメラ４に撮影動作を行わせて、その画像を取得する。

より好ましい画像取得手段は、上記の手順で取得した画像を次に述べる画像解析手段５２に送って、工具２の刃先２４の位置を検出させ、検出した刃先２４の位置がカメラ４の光軸上に来るように刃物台１５を補正移動したあと、カメラ４に再度撮影動作を行わせて、この再度の撮影動作によって取得した画像を正規の取得画像として画像解析手段５２に送る。

画像解析手段５２は、画像取得手段が取得した画像から主軸軸線ａを向いている工具ステーション１７に装着された工具２の刃先２４の位置と方向とを取得する。

具体的には例えば、工具を撮影した図３に示す画像をＸ軸方向の走査線ＲでＸ値を増加（主軸軸線ａから離れる方向）させながら走査し、工具２が最初に検出された点ｒを仮の刃先位置とし、その後、Ｘ値を増加させながらＺプラス側とＺマイナス側から走査Ｐ、Ｑして、得られた多数の工具検出位置ｐ１、ｐ２、ｐ３・・・、ｑ１、ｑ２、ｑ３・・・の座標に最小二乗法を適用することにより、刃先を挟む２本の直線Ｍ、Ｎの方程式を求め、その２等分線Ｌの方向を刃先の方向とする。取得する仮の刃先位置は、画像上の刃先位置に制御器が制御している刃物台の基準位置（一般的には主軸軸線ａを向いている工具ステーションの中央）とカメラの光軸との距離を加えた値（ベクトル和）となる。

工具の刃先２４は、小さな円弧（刃先円２５）となっている。刃先の方向によって、刃先円のどの方向の円弧が基準となるかが決まる。例えばある種の制御器は、図２に示すように、刃先円２５を４５度刻みの方向に分けて番号（刃先補正番号）を付し、この番号で刃先の方向を表示している。例えば刃先の方向が図２の３番の方向であれば、工具補正値の設定時には、図６に軌跡ｔの矢印で示した方向のＺ軸方向とＸ軸方向とから工具刃先を接触センサに接触して工具補正値を設定する。従ってそのような制御器では、検出された刃先の方向により刃先補正番号を決定する。

カメラ４の画像には、工具２と刃物台１５の像の背景としてこれらと同様な金属光沢を有するベッドその他の部材の像が映り込んでいる。工具の刃先２４を検出する際には、背景を除去する必要がある。この背景の除去方法として、工具２を装着した刃物台１５をカメラ４の撮影領域の内外に移動して、図５に示すような工具２が写っている画像Ａと写っていない画像Ｂを撮影し、両画像の差分をとることにより、背景が除去された刃物台及び工具のみの画像Ｅを作成する方法が有効である。

すなわち、工具２が写っている画像Ａと写っていない画像Ｂの一方Ａの輝度から他方Ｂの輝度を引いた差分画像Ｃと他方Ｂの輝度から一方Ａの輝度を引いた差分画像Ｄとの両差分画像Ｃ、Ｄを合成して背景が除去された合成画像Ｅを作成し、当該合成画像Ｅから工具２の形状を抽出することで、背景を消すための背景板や背景布を用いることなく、工具形状を明確に認識できる工具の画像を得ることができる。

補正値設定プログラム５３は、仮の工具補正値を用いて工具の刃先をツールセッタの接触センサ２３で検出する動作を行わせることにより、制御器５に主軸軸線ａに向けて割り出されている工具の工具補正値を制御器に設定する。補正値設定プログラム５３は、画像解析手段が取得した刃先の方向に対応して、例えば図６〜９に示す軌跡ｔのように刃物台１５を移動する。図６は、図２の刃先補正番号が３の工具に対する軌跡、図７は、刃先補正番号が２の工具に対する軌跡、図８は、刃先補正番号が５の工具に対する軌跡、図９は、刃先補正番号が７の工具に対する軌跡の例である。

図１０は、刃先補正番号（刃先の方向）が３の工具についての補正値設定プログラム５３の手順を示すフローチャートである。

ツールセッタ２１の接触センサ２３で工具２の刃先を検出するときは、接触センサの検出領域である１ｍｍ四方程度の領域内に工具の刃先を位置決めしなければならない。また、工具の刃先が接触センサに接触したときには、直ちに刃物台を停止しなければ接触センサが破損する。そのため、工具刃先を接触センサに接触させる際には、接触センサの直近（１ｍｍ程度手前）ｓ（図６〜９参照）まで工具刃先を高速で移動し、そのあと直ちに停止できる程度の低速で刃物台をＺ軸方向又はＸ軸方向に移動するという操作となる。

画像解析により取得した仮の補正値は、工具を接触センサ２３の直近に高速接近させるために用いられる。仮の補正値に衝突を避けるための余裕分（マージン）を加えて、仮の工具刃先位置が接触センサ２３に接触する位置（実際の刃先は図６のｓの位置に来る）まで刃物台１５を高速移動し、次に低速移動に切り換え、この低速移動中に接触センサ２３が検出信号を出力したら、刃物台１５の移動を停止して刃物台の座標を読みとり、その座標と接触センサ２３の座標とから工具補正値を演算して制御器の補正値メモリ５４に設定する。工具補正番号が３の工具であれば、Ｚ軸方向の工具補正値を設定したあと、図６のｔで示すように移動してＸ軸方向の工具補正値を検出と設定を行う。

更に必要があれば、ツールセッタ２１により検出された刃先位置と画像解析手段が取得した仮の刃先位置から、幾何学的な計算により、刃先円の半径を求めることが可能である。具体的には例えば図４に示すように、前述した方法で刃先を挟む２本の直線Ｍ、Ｎの方程式を求め、刃先円や工具の縁の検出誤差に起因する偏りを除外するために、得られた方程式から大きく外れている検出点を除外して再度求めた直線Ｍ、Ｎの交点ｃの座標を求める。そして、ツールセッタで検出した実際の刃先の位置と交点ｃとの差ｄｚ、ｄｘに刃先円の半径ｄｒを加えた値が交点ｃの座標と刃先円の中心ｂの座標との差となること、及び刃先円の中心ｂが二等分線Ｌ上にあるという関係から、刃先円２５の中心ｂと半径ｄｒを求めることができる。

また、高解像度のカメラを用いるとか、カメラのズーム機能を用いて前述した刃先位置の検出動作と刃物台の修正移動とを繰り返して刃先の画像を拡大するなどにより、画像解析手段５２で刃先円２５の円弧とＺ軸及びＸ軸方向の接線ｅ、ｆを検出して、刃先円の半径とそれぞれの軸方向の工具補正値を求めることができる。

現在、工作機械の機内に設置される一般的なカメラを用いれば、仮の工具補正値は、０．５ｍｍ程度の誤差で設定できるので、安全にかつ自動でツールセッタ２１に工具２の刃先を接触させることが可能である。この発明によれば、工具形状の取得から工具補正値の設定までの処理が全て自動で行われるため、オペレータの作業負担を大幅に軽減できると共に、オペレータの熟練も必要とせず、入力ミスによって機械を損傷するおそれもない。

上記の実施例では、刃先の方向をカメラ４で取得した画像を解析することにより刃先の方向や刃先円を求めているが、予め各種の工具の画像データとそれぞれの工具の刃先円と工具補正番号を制御器に登録しておき、カメラが取得した画像を登録された画像データと対比して刃先円と工具刃先の方向を決定し、それを用いて補正値設定プログラムにより工具補正値を設定することも可能である。

１ 工作機械
２ 工具
４ カメラ
５ 制御器
１５ 刃物台
２１ ツールセッタ
２３ 検出センサ
２４ 刃先
５１ 工具画像取得手段
５２ 画像解析手段
５３ 補正値設定プログラム
５４ 補正値メモリ
Ａ 工具画像
ｏ 基準位置
ｓ 刃先検出開始点

Claims (6)

1. 工作機械の機内に設置されたカメラと、
   このカメラで刃物台に装着された工具の画像を取得する工具画像取得手段と、
   カメラが取得した工具画像から当該工具の刃先の位置と方向とを取得する画像解析手段と、
   画像解析手段が取得した刃先の位置と方向とに基づいて前記工具の刃先と刃物台の基準位置との相対位置関係を制御器に設定する補正値設定プログラムとを備えた、工作機械の工具補正値の自動設定装置。
2. 刃物台に装着された工具の刃先を検出するセンサを備えたツールセッタ及び当該ツールセッタを退避位置と前記工具刃先の移動領域内の進出位置とに進退させる進退装置とを備え、
   前記補正値設定プログラムは、刃物台をツールセッタに向けて高速移動させる工程と、ツールセッタのセンサに向けて低速接近させる工程と、センサが検出信号を出力したときに当該低速移動を停止して刃物台の座標を取得する工程と、取得した座標と前記センサとの位置関係に基づいて工具補正値を演算する工程と、演算した工具補正値を当該工具が装着されている工具ステーション番号に対応する工具補正値記憶領域に記憶する工程とを含んでいる、
   請求項１記載の、
   工作機械の工具補正値の自動設定装置。
3. 前記カメラが取得した工具画像から当該工具の刃先円を取得する前記画像解析手段を備え、
   前記補正値設定プログラムは、画像解析手段が取得した刃先の位置と方向及び刃先円から工具補正値を演算する工程と、演算した工具補正値を当該工具が装着されている工具ステーション番号に対応する工具補正値記憶領域に記憶する工程とを含んでいる、
   請求項１記載の
   工作機械の工具補正値の自動設定装置。
4. 刃先の方向を含む工具形状に基づいて分類された工具種類と各工具種類毎に登録された補正値設定プログラムとを備え、画像解析手段は、カメラが取得した工具の画像と登録された工具種類の工具形状とを対比して工具の種別を判別し、判別した工具の種類に対応して登録されている補正値設定プログラムを実行する、工作機械の工具補正値の自動設定装置。
5. 画像取得手段が、刃物台を同位置にして工具が写っている画像と工具が写っていない画像とを前記カメラに撮影させて両者の差分画像を合成した画像を取得する、請求項１から４のいずれか１に記載の工作機械の工具補正値の自動設定装置。
6. 工作機械の機内にカメラを設置し、このカメラで刃物台に装着された工具の画像を取得し、カメラが取得した工具画像から当該工具の刃先の位置と方向とを取得し、取得した刃先の位置と方向とに基づいて前記工具の刃先と刃物台の基準位置との相対位置関係を演算し、演算した相対位置関係を工具補正値として制御器に設定する、工作機械の工具補正値の自動設定方法。

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