JP2017021723A - ワーク原点を取得可能な工作機械制御システムおよびワーク原点設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】人手を介さずにワーク原点を設定可能にする。
【解決手段】本発明の工作機械制御システムは、工作機械１１と、撮影装置１５と、撮影装置１５により複数の異なる方向から撮影されたワークＷの複数の画像に基づいてワークＷの三次元座標を算出するとともに、当該三次元座標から、ワークＷ上の指定された加工開始点の三次元座標を算出する三次元座標演算部３２と、三次元座標演算部３２により算出されたワークＷの加工開始点を含む三次元座標を工作機械１１の機械座標系での座標に変換し、変換後のワークＷ上の加工開始点の三次元座標を工作機械１１の加工プログラム３０にワーク原点として設定する座標変換部３３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＣ工作機械を加工プログラムに従って制御する工作機械制御システム、および該ＮＣ工作機械においてワークを加工するときのワーク原点を設定するワーク原点設定方法に関する。

ＮＣフライス盤やマシニングセンタなどのＮＣ工作機械においては、ワークを工作機械の加工テーブルに設置し、加工前に、設置されたワーク上の所定の位置をワーク原点として取得し、ワーク原点を基準に加工プログラムを作成する必要がある。また、ワーク原点としては、工作機械の機械座標系におけるワーク上の所定の位置座標を使用する必要がある。

そのようなワーク原点の座標を取得するには、一般にタッチプローブとツールセッタとを用いる方法が採用されている。当該方法を以下に具体的に説明する。

例えば立形マシニングセンタにより略直方体形状のワークを加工するときのワーク原点をワークの上面中央にする場合、まず、機械オペレータは、ワークを立形マシニングセンタの加工テーブル上に設置し、加工ツールの代わりにタッチプローブを主軸に装着する。そして機械オペレータは、手動パルス発生器を用いて加工テーブルを機械原点からＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させて、タッチプローブのスタイラスをワークの各端面に接触させる。そして、機械オペレータは、タッチプローブが接触した時のＸ軸方向およびＹ軸方向における加工テーブル移動量から、機械座標系におけるワークの各端面の位置座標を決定する。さらに、機械オペレータは、機械座標系での各端面の位置座標に基づいて、ワークの上面中央に対応する位置座標を算出する。その後、機械オペレータは、その算出された位置座標をＸ軸方向およびＹ軸方向のワーク原点として加工プログラムに設定する。なお、ここでいう「Ｘ軸方向」とは立形マシニングセンタの横方向を指し、「Ｙ軸方向」とは立形マシニングセンタの前後方向を指す。

続いて、機械オペレータは、Ｚ軸方向、すなわち立形マシニングセンタの上下方向におけるワーク原点を設定する作業を行う。そのため、機械オペレータは、加工テーブル上のワークの上面にツールセッタを設置し、ワークを加工するのに使用されるべき加工ツールを主軸に装着し、当該加工ツールの種類を加工プログラムに設定する。そして、機械オペレータは、手動パルス発生器を用いて主軸を原点高さから−Ｚ軸方向（下方向）に移動させて、加工ツールの先端をツールセッタに接触させる。さらに、機械オペレータは、ツールセッタ接触時点での−Ｚ軸方向の主軸移動量からツールセッタの高さを減算することにより、機械座標系におけるワークの上面の位置座標を算出する。その後、機械オペレータは、その算出された位置座標をＺ軸方向のワーク原点として加工プログラムに設定する。

従来、上述したような方法によってワーク原点を設定しているが、ワーク原点の位置精度をより高めるために、特許文献１に記載の方法も提案されている。すなわち、特許文献１には、タッチセンサを主軸に装着してワークの端面に接触させることによってワーク原点を設定するに際して、次のような方法が記載されている。すなわち、まず開始点からワークの端面まで速い速度でタッチセンサを移動させる。そしてタッチセンサがＯＮになった後、ごく遅い速度でタッチセンサを後退させてタッチセンサがＯＦＦになった位置を測定し、開始点まで高速で戻し、次いでタッチセンサを主軸回りに１８０°回転させて、上記と同様の動作を繰返す。このような方法により、主軸の芯ぶれによる測定誤差が避けられるとしている。

一方、特許文献２には、上述のようなタッチセンサ、ツールセッタ、またはタッチセンサなどといった接触検出器を使用せずに、カメラを用いてワーク原点を設定する方法が開示されている。すなわち、特許文献２には、オペレータが、工作機械のヘッドストックに取付けられたカメラの画像を見ながら、カメラに付いているカーソルを動かしてワークの芯に合わせると、計算装置が、工作機械におけるカメラの取付け位置とカメラのカーソル位置とからワークの芯位置を計算することが開示されている。

特公平０８−００３５０号公報 実開昭６２−０８５３４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法においては、機械オペレータが、タッチセンサといった接触検出器を主軸に装着し、接触検出器とワークとを互いに接触させる操作を行う必要があるため、多くの手間と時間を要するという問題がある。

また、特許文献２に開示された方法おいても、オペレータがカメラの画像を見ながらカメラのカーソルを操作する必要があるため、ワーク原点の取得に時間がかかるという問題がある。

本発明は、上述したような従来技術の実情に鑑みて、人手を介さずにワーク原点を設定することが可能な工作機械制御システムおよびワーク原点設定方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様によれば、
加工プログラムに従ってワークを加工する工作機械と、
工作機械の所定の位置に配置され、ワークを撮影する撮影装置と、
撮影装置により複数の異なる方向から撮影されたワークの複数の画像に基づいてワークの三次元座標を算出するとともに、当該三次元座標から、ワーク上の指定された加工開始点の三次元座標を算出する三次元座標演算部と、
三次元座標演算部により算出されたワークの前記加工開始点を含む三次元座標を工作機械の機械座標系での位置に変換し、変換後のワーク上の加工開始点の三次元座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として設定する座標変換部と、
を備えた工作機械制御システムが提供される。
この第一態様により上述の課題が解決される。しかし、本発明は、第一態様に限られず、以下の第二態様ないし第六態様のいずれかの工作機械制御システム、および第七態様ないし第九態様のいずれかのワーク原点設定方法を提供することもできる。

本発明の第二態様によれば、第一態様の工作機械制御システムであって、
工作機械との相対位置関係が予め決められたロボットをさらに備え、
ロボットの先端部にワークを把持するハンドとともに撮影装置が取付けられており、
ロボットは撮影装置を工作機械の上記所定の位置に配置するようになされている、工作機械制御システムが提供される。

本発明の第三態様によれば、第一態様の工作機械制御システムであって、
工作機械は、複数の加工ツールを取付可能なタレット形オートツールチェンジャを備えており、
タレット形オートツールチェンジャのタレットに撮影装置が取付けられており、
タレットは撮影装置を工作機械の上記所定の位置に配置するようになされている、工作機械制御システムが提供される。

本発明の第四態様によれば、第一態様または第二態様の工作機械制御システムであって、
座標変換部により得られるワークの三次元座標に基づいて、ワークの各端面および上面に接触させるタッチプローブの動作経路を生成するタッチプローブ動作経路生成部と、
工作機械を制御する工作機械制御部であって、タッチプローブ動作経路生成部により生成されたタッチプローブの動作経路に従って、タッチプローブの接触動作を工作機械に実施させる工作機械制御部と、
をさらに備えた、工作機械制御システムが提供される。

本発明の第五態様によれば、第四態様の工作機械制御システムであって、
タッチプローブの接触動作に応じて、機械座標系におけるワークの各端面および上面の位置座標を取得し、当該取得した位置座標からワーク上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、当該三次元座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として再設定するワーク原点更新部をさらに備えた、工作機械制御システムが提供される。

本発明の第六態様によれば、加工プログラムに従ってワークを加工する工作機械においてワーク原点を設定するワーク原点設定方法であって、
撮影装置を工作機械の所定の位置に配置してワークを複数の異なる方向から撮影し、
撮影されたワークの複数の画像に基づいてワークの三次元座標を算出するとともに、当該三次元座標から、ワーク上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、
算出されたワークの加工開始点を含む三次元座標を工作機械の機械座標系での座標に変換し、
変換されたワーク上の加工開始点の三次元座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として設定する、ワーク原点設定方法が提供される。

本発明の第七態様によれば、第六態様の工作機械制御システムであって、
ワーク原点の設定後、工作機械の機械座標系でのワークの三次元座標に基づいて、ワークの各端面および上面に接触させるタッチプローブの動作経路を生成し、
生成されたタッチプローブの動作経路に従って、タッチプローブの接触動作を工作機械に実施させる、ワーク原点設定方法が提供される。

本発明の第八態様によれば、第七態様の工作機械制御システムであって、
タッチプローブの接触動作を工作機械に実施させることによって、機械座標系におけるワークの各端面および上面の位置座標を取得し、当該取得した位置座標からワーク上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、当該三次元座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として再設定する、ワーク原点設定方法が提供される。

本発明の第九態様によれば、第六態様の工作機械制御システムであって、
工作機械の加工ツールを装着すべき主軸を所定の回転速度で回転させ、
ワーク原点の設定後、工作機械の機械座標系でのワークの三次元座標に基づいて、回転している主軸をワークの各端面および上面に移動させ、
ワークとの接触によって回転している主軸の外乱トルクが上昇したときに、機械座標系におけるワークの各端面および上面の位置座標を取得し、当該取得した位置座標から、ワーク上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、当該三次元座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として再設定する、ワーク原点設定方法が提供される。

本発明の第一態様および第六態様によれば、撮影装置が工作機械の所定の位置に配置され、工作機械に固定されたワークを複数の異なる方向から撮影すると、三次元座標演算部は、ワークの複数の画像に基づいてワークの三次元座標、特にワーク上の指定された加工開始点の三次元座標を算出する。そして、座標変換部は、算出された加工開始点の三次元座標を工作機械の機械座標系での座標に変換し、変換後の加工開始点の座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として設定することとなる。このため、機械オペレータのワーク原点取得作業を省力化することができる。すなわち、本願発明は、例えばタッチプローブを用いて、ワーク上の指定された加工開始点の座標を取得して、工作機械制御部に記憶保持される加工プログラムに設定するという人の作業を省力化することができる。

本発明の第二態様によれば、撮影装置がロボットの先端部に取付けられていて、ロボットにより工作機械の所定の位置に配置されるようになっている。それにより、撮影装置に二次元カメラを使用する場合であっても、ワークの三次元座標を算出するのに必要な、複数の異なる方向から撮影されたワークの複数の画像情報を取得することが可能となる。

本発明の第三態様によれば、撮影装置が工作機械のタレット形オートツールチェンジャのタレットに取付けられていて、タレットにより工作機械の所定の位置に配置されるようになっている。それにより、撮影装置に二次元カメラを使用する場合であっても、ワークの三次元座標を算出するのに必要な、複数の異なる方向から撮影されたワークの複数の画像情報を取得することが可能となる。

本発明の第四態様および第七態様によれば、タッチプローブ動作経路部が、座標変換部により得られるワークの三次元座標に基づいて、ワークの各端面および上面に接触させるタッチプローブの動作経路を生成し、この動作経路に従って、タッチプローブの接触動作を工作機械に実施させるようになっている。本願発明は、このようなタッチプローブ動作経路部を備えることにより、機械オペレータがタッチプローブを用いて、ワーク上の指定された加工開始点の座標を取得するといった作業を省力化することができる。

本発明の第五態様および第八態様によれば、ワーク原点更新部が、タッチプローブの接触動作に応じて、機械座標系におけるワークの各端面および上面の位置座標を取得し、当該取得した位置座標からワーク上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、当該三次元座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として再設定するようになっている。
本願発明は、このようなワーク原点更新部を備えることにより、ワークの画像情報をもとにして得たワーク原点の座標をより正確な座標に更新することが可能となる。つまり、ワークの画像情報をもとに演算および座標変換を行って取得したワーク原点の座標を、機械座標系でのワークの各端面および上面の位置座標から直接的に算出したワーク原点の座標に更新することにより、ワーク原点の位置精度が向上する。

本発明の第九態様によれば、回転している主軸をワークに接触させ、主軸の外乱トルクが上昇したときの主軸の位置を取得し、取得した位置座標を工作機械の加工プログラムにワーク原点として再設定するようになっている。これにより、上述したようなタッチプローブを用いてワーク原点の座標を更新する方法と同じように、ワークの画像情報をもとにして得たワーク原点の座標をより正確な座標に更新することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態の工作機械制御システムの概略構成を示すブロック図である。 タッチプローブ動作経路生成部によって生成されるタッチプローブの動作経路の一例を模式的に表した工作機械の上面図である。 タッチプローブ動作経路生成部によって生成されるタッチプローブの動作経路の一例を模式的に表した工作機械の正面図である。 図１に示される工作機械制御システムによるワーク原点取得の動作フローの一例を示すフローチャートである。 その他の実施形態の工作機械制御システムにおける撮影装置の取付位置を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。なお、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は本発明の一実施形態の工作機械制御システムの概略構成を示すブロック図である。
図１を参照すると、本実施形態の工作機械制御システム１は、ＮＣフライス盤またはマシニングセンタなどの工作機械１１と、工作機械１１を制御する工作機械制御部１２と、加工プログラム３０を生成して工作機械制御部１２に出力する加工プログラム生成部１３と、工作機械１１に隣接して設置されたロボット１４と、ロボット１４の先端部に取付けられていてワークＷを撮影する撮影装置１５と、ロボット１４を制御するロボット制御部１６と、を備えている。さらに、加工プログラム生成部１３は、工作機械１１に設置されたワークＷを加工するときのワーク原点を取得して加工プログラム３０に設定する機能を備えている。

なお、図１に示されているロボット１４と撮影装置１５との相対位置は予めキャリブレーションにより決定されているものとする。また同様に、ロボット１４と工作機械１１との相対位置も予め決定されているものとする。そして、ロボット１４と工作機械１１とは同じ座標を共有しているか、または、互いに座標変換により、他方の座標系での位置を一意に求めることができるものとする。

さらに、上述した工作機械制御システム１の各構成要素を順次詳述する。
工作機械１１は、穴あけ、切削などの加工を行う加工ツール１７と、ワークＷを移動させる加工テーブル１８とを筐体１９内に備える。筐体１９の一側部には扉２０が設置されている。扉２０は加工中には閉鎖されていて、ロボット１４の先端部を筐体１９内に侵入させるときに開放される。さらに、図１に示されるように、加工テーブル１８上には、ワークＷを載置する台座２１と、台座２１上に載置されたワークＷを位置決めおよび固定する固定治具２２とが設置されている。固定治具２２はワークＷを台座２１上にクランプするクランプ機構を備える。なお、図１においては、筐体１９内の構成を分かり易くするため、筐体１９の壁が透明な壁であるとして、加工ツール１７や加工テーブル１８などといった、筐体１９内に配置されるものを実線により描いている。また、加工前のワークＷは金属材料または樹脂材料または木材からなる被加工物であり、以降においては、略直方体形状のインゴットであるとして説明する。

ロボット１４は、例えば垂直多関節ロボットである。ロボット１４の先端部には、撮影装置１５だけでなく、ワークＷを把持可能なロボットハンド（図示せず）も取付けられている。ロボット１４は、工作機械１１の扉２０が開放されているとき、筐体１９外に用意されたワークＷをロボットハンドにより把持して筐体１９内の台座２１に設置したり、筐体１９内の加工済ワークＷをロボットハンドにより把持して筐体１９外に搬送する。さらに、本願発明におけるロボット１４の動作には、ロボット先端部の撮影装置１５を台座２１に設置されたワークＷ上方の所定の位置に配置するといった動作も含まれる。なお、図１においては、ロボット１４を筐体１９外に設置した態様を示しているが、ロボット１４は筐体１９内に設置されていてもよい。但し、ロボット１４を筐体１９外に設置した場合には、クーラントや切粉などの影響が少ない環境においてロボット１４の先端部の撮影装置１５を動作させることができる。さらに、工作機械１１によってワークＷを加工している間に撮影装置１５のレンズ清掃作業を実施させられるので、工作機械１１の稼働率が上がる利点もある。

撮影装置１５は、加工ツール１７によって加工が開始されるべきワークＷを撮影する機能を有する。この撮影装置１５は、二眼ステレオ方式を採用した三次元カメラであることが好ましい。つまり、三次元カメラは、互いの相対位置が正確に決められた二台のカメラを備えていて、二台のカメラによってワークＷを異なる２方向から撮影する。そして、撮影された２枚の画像データから画像データ間の対応点をもとにワークＷの表面の高さ位置を求めることにより、ワークＷの三次元座標を取得することが可能になる。勿論、本発明に適用されるワーク表面の三次元座標の取得方法としては、上述した二眼ステレオ方式に限定されず、その他の様々な三次元計測法、例えば光切断法などが使用されてもよい。さらに、二眼ステレオ方式に光切断法を併用してワーク表面の三次元座標を取得してもよい。なお、三次元座標の取得時に必要となるカメラ位置およびその他の各種パラメータはロボット制御部１６に予め記録されているものとする。

また、撮影装置１５は二次元カメラであってもよい。つまり、二次元カメラが取付けられたロボット１４の先端部の位置を台座２１上方の予め設定された二箇所の位置に順次移動させることにより、ワークＷを異なる２方向から撮影することができる。なお、本実施形態においては、撮影装置１５により異なる２方向からワークＷを撮影して２枚の画像を取得しているが、必要ならば、３方向以上の異なる方向からワークＷを撮影して３枚以上の画像データからワーク表面の三次元座標を取得してもよい。

さらに、本実施形態においては、台座２１に正常に設置されたワークＷの画像データを撮影装置１５によって事前に取得しておくことにより、台座２１でのワークＷの着座状態に異常が無いかどうかも確認できる。

工作機械制御部１２はＣＮＣ（computer numerical control）装置を備えていて、ワークＷの加工に用いる情報、例えば加工経路、加工品種、加工ツールなどが記述された加工プログラム（ＮＣプログラムとも呼ばれる。）３０を記憶保持している。加工プログラム３０は加工プログラム生成部１３において生成される。また、工作機械制御部１２は、加工プログラム３０による工作機械１１の動作に伴ってロボット１４を動作できるようにロボット制御部１６と相互通信する機能も有する。さらに、工作機械制御部１２は、筐体１９の扉２０を開閉するとともに、扉２０が開放されたことをロボット制御部１６に通信する。

ロボット制御部１６は、筐体１９の扉２０が開放されているときにロボット１４を動作させる。特に、ロボット制御部１６は、ワークＷの三次元座標を取得する時にロボット１４の先端部の撮影装置１５を台座２１上方の予め設定された位置に配置して、ワークＷを撮影する。また、ロボット制御部１６は、ワークＷの加工に際し、ロボットハンド（図示せず）によりワークＷを筐体１９外から筐体１９内へ、または筐体１９内から筐体１９外へ搬送するようにロボット１４を制御する。

さらに、加工プログラム生成部１３は、図１に示されるように、画像データ保持部３１、三次元座標演算部３２、座標変換部３３、タッチプローブ動作経路生成部３４、およびワーク原点更新部３５を備えている。以下に、加工プログラム生成部１３の各構成要素を順次説明する。

画像データ保持部３１は、撮影装置１５が撮影したワークＷの画像データを保持する。画像データ保持部３１としては、種々の記録媒体、例えばＲＡＭや、ハードディスク、ＵＳＢメモリなどを使用することができる。

三次元座標演算部３２は、ワークＷに対して異なる２方向から撮影して得た２枚の画像データに基づいて、ワークＷの三次元座標を算出する。このとき、撮影装置１５が取付けられたロボット１４のユーザ座標系における所定位置を基準としたワーク表面の三次元座標が算出される。なお、ロボット１４のユーザ座標系とは、ユーザにより任意に設定可能なロボット１４の動作原点を基準に定義された座標系（以下、ロボット座標系と呼ぶ。）である。
さらに、三次元座標演算部３２は、ロボット座標系におけるワークＷの三次元座標から、ワークＷ上の指定された加工開始点の三次元座標を算出する。例えば直方体形状のワークＷの上面中央から加工を開始するといった情報が三次元座標演算部３２に予め与えられているものとする。このように直方体形状のワークＷの上面中央が加工開始点である場合、三次元座標演算部３２は、ワークＷの三次元座標から、ワークＷの上面の長方形の各辺を構成する座標群を抽出し、長方形の各辺の中間点の座標をもとに長方形の中心点の座標を算出する。また、加工開始点がワークＷの上面の一つの角部（コーナ）である場合には、三次元座標演算部３２はその一つの角部に対応する座標をワークＷの三次元座標から抽出すればよい。

座標変換部３３は、算出された加工開始点の三次元座標を工作機械１１の機械座標系での座標に変換する。つまり、ロボット座標系の座標として算出されたワークＷの加工開始点の座標が、機械座標系での座標に変換される。そして、座標変換部３３は、座標変換後の加工開始点の座標を工作機械制御部１２の加工プログラム３０のワーク原点に設定する。例えばＣＮＣ装置に記憶保持されるＮＣプログラム（加工プログラム３０）においては、ワーク座標系設定用の指令（例えばＧコードにおいてはＧ５４）が記述されている。座標変換部３３はそのような加工開始点の座標を、ワーク加工時に加工プログラム３０から読出されるワーク原点としてＧ５４に書込む。このため、座標変換部３３はワーク原点設定部でもある。

また、タッチプローブ動作経路生成部３４は、タッチプローブ（図示せず）がワークＷの各端面や上面に接触するようなタッチプローブの動作経路を生成する。後で詳述するが、この動作経路は、三次元座標演算部３２および座標変換部３３を用いて得られるワークＷの三次元座標から生成される。なお、工作機械１１が立形マシニングセンタあって、タッチプローブによりワーク原点を取得する場合、機械オペレータは加工ツール１７の代わりにタッチプローブ（図示せず）を工作機械１１の主軸に装着する。そして、従来技術においては、機械オペレータが手動パルス発生器を用いて工作機械１１の主軸および加工テーブル１８を機械原点からＸ、ＹおよびＺ軸方向に適宜移動させて、タッチプローブのスタイラスをワークＷの各端面や上面に接触させる必要があった。これに対し、本実施形態においては、そのようなタッチプローブの動作経路をタッチプローブ動作経路生成部３４が自動的に生成する。そして、工作機械制御部１２は、生成されたタッチプローブの動作経路に基づき、工作機械１１の主軸および加工テーブル１８を移動させてタッチプローブの接触動作を行う。

上述のタッチプローブ動作経路生成部３４によって生成されるタッチプローブの動作経路の一例を図２Ａおよび図２Ｂに示す。図２Ａはタッチプローブの動作経路を模式的に表した工作機械１１の上面図であり、図２Ｂはその正面図である。これらの図に示されるようにタッチプローブ３７は立形マシニングセンタの主軸３８に装着されており、主軸３８の最初の位置は立形マシニングセンタの機械原点にあるとする。生成されるタッチプローブの動作経路、例えばタッチプローブ３７のスタイラス３７ａをワークＷの一端面３９に接触させる経路としては、まず、図２Ｂに矢印４０により示されるように、主軸３８が下方に移動して、タッチプローブ３７のスタイラス３７ａがワークＷの一端面３９と接触可能な高さ、例えばワーク上面の一辺から−Ｚ軸方向へ１０ｍｍ離れた位置に配置される。それから、図２Ａに矢印４１および矢印４２により示されるように、加工テーブル１８がＹ軸方向およびＸ軸方向に順次移動して、ワークＷの一端面３９がタッチプローブ３７のスタイラス３７ａと接触する。なお、このようなタッチプローブの動作経路は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。

ワーク原点更新部３５は、上記タッチプローブの接触動作により、機械座標系におけるワークＷの各端面や上面の位置座標を取得する。具体的には、機械原点からタッチプローブの接触動作を開始し、タッチプローブとワークＷとが互いに接触すると、タッチプローブは接触信号を出力する。ワーク原点更新部３５は、接触信号受信時に、機械原点からの加工テーブル移動量または主軸移動量を取得する。そして、そのような移動量だけ機械原点から離れた位置が、機械座標系におけるワークＷの各端面や上面の位置座標に相当することになる。さらに、ワークＷの上面中央をワーク原点とする場合は、ワーク原点更新部３５は、ワークＷの各端面および上面の位置座標から、ワークＷの上面中央の三次元座標を算出する。例えば、ワークＷの上面中央のＸＹ座標については、ワークＷの各端面のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置座標から、それぞれの方向の中間点を算出すればよい。このとき、ワークＷの寸法にばらつきがある場合、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の正負両方向からタッチプローブの接触動作を行い中間点を算出すればよい。また、ワークＷの上面中央のＺ座標は、ワークＷの上面の位置座標となる。なお、ここでいう「Ｘ軸方向」とは立形マシニングセンタの横方向を指し、「Ｙ軸方向」とは立形マシニングセンタの前後方向を指し、「Ｚ軸方向」とは立形マシニングセンタの上下方向を指す。

さらに、ワーク原点更新部３５は、加工プログラム３０に既に設定されているワーク原点を、上述のように算出したワークＷの上面中央の三次元座標に更新する。それにより、ワークＷの画像情報をもとに演算および座標変換を行って取得したワーク原点の座標が、機械座標系でのワークの各端面および上面の位置座標から直接的に算出したワーク原点の座標に更新されるので、ワーク原点の位置精度が向上する。

ここで、三次元座標演算部３２および座標変換部３３を経て取得されたワーク原点を更新するときの方法例をさらに具体的に示す。

例えば、ワークＷが略直方体形状のインゴットである場合、三次元座標演算部３２は、撮影装置１５により撮影されたワークＷの画像データに基づいて、インゴットの上面として認識できる三次元点集合の外接長方形の各辺や角部などに対応する三次元座標を算出する。そして、座標変換部３３は、そのような長方形の三次元座標を工作機械１１の機械座標系における三次元座標に変換する。

さらに、タッチプローブ動作経路生成部３４は、上記の長方形の各辺の中心位置からそれぞれ−Ｚ軸方向に例えば１０ｍｍ離れた位置にタッチプローブのスタイラスが配置されるようにタッチプローブの動作経路を生成する。タッチプローブは事前に機械オペレータにより工作機械１１の主軸に装着されていて、タッチプローブの寸法はタッチプローブ動作経路生成部３４に既に入力されているものとする。そして、工作機械制御部１２は、生成されたタッチプローブの動作経路に従って、工作機械１１の主軸および加工テーブル１８を移動させてタッチプローブの接触動作を行う（例えば図２Ａ、図２Ｂ参照）。このとき、工作機械制御部１２は、タッチプローブからの接触信号を受信したら、タッチプローブとワークＷとを互いに所定の距離だけ離間させ、そのような離間状態からタッチプローブの接触動作を低速で行うことを所定の回数繰返す。この繰返しの動作において、ワーク原点更新部３５は、接触信号を受信する度に、タッチプローブが接触したワーク端面の位置座標を取得して更新する。これにより、ワーク原点更新部３５は、機械座標系におけるワーク端面の位置座標を正確に取得することができる。また、ワークＷの上面についても上記の繰返し動作を実施することが好ましい。それにより、機械座標系におけるワーク上面の位置座標も正確に取得することができる。

なお、ワーク原点の座標をより正確な座標に更新する方法は、上述したような繰返し動作の他に、次のような方法であってもよい。まず、工作機械１１の主軸、例えば立形マシニングセンタの主軸を所定の回転速度で回転させながらワークＷに低速で接近させる。このとき、主軸には加工ツールを装着しない。そして、例えばワーク原点のＺ座標を高精度化する場合には、工作機械制御部１２は、三次元座標演算部３２および座標変換部３３を経て取得されたワーク原点の座標に主軸の先端を配置し、さらに、回転している主軸を−Ｚ軸方向に低速で移動させる。それにより、回転している主軸の先端がワークＷに接触すると、主軸に負荷が掛かり、主軸の外乱トルクが上昇する。ワーク原点更新部３５は、外乱トルクが上昇したときの主軸先端の位置座標を取得して、ワーク原点のＺ座標として更新する。勿論、このように主軸とワークＷとを互いに接触させる接触動作によってワーク原点の座標を更新する方法は、ワーク原点のＸ座標およびＹ座標の高精度化にも有効である。

また、主軸の外乱トルクの上昇を検出するには、主軸を回転させるサーボモータの電流値の変化を監視すればよい。つまり、主軸の外乱トルクはサーボモータの電流値によって管理し得る。そして、監視される外乱トルクとは、動作指令に応じてサーボモータに入力されるトルク（即ち、指令電流値）と、実際にサーボモータの動作に使われたトルク（即ち、消費電流値）との差を意味する。例えば、サーボモータの負荷が所定の範囲内であれば、消費電流値は指令電流値と同等となるため、外乱トルクは発生しない。これに対し、サーボモータに掛かる負荷が所定の範囲を超えた場合は、フィードバック制御を実施した結果、消費電流値が大きくなる、すなわち外乱トルクは大きくなる。

次に、図１〜図３を参照しながら、上述した工作機械制御システム１によるワーク原点取得の動作フローの一例を説明する。図２は工作機械制御システム１によるワーク原点取得の動作フローの一例を示すフローチャートである。

まず、ロボット制御部１６はロボット１４を動作させ、筐体１９外のワークＷをロボット１４の先端部のロボットハンド（図示せず）により把持して筐体１９内の台座２１に設置する（図３のステップＳ１１）。このとき、筐体１９の扉２０は開放されている。さらに、工作機械制御部１２は、固定治具２２のクランプ機構を動作させて、台座２１に設置されたワークＷをクランプする（図３のステップＳ１２）。

続いて、ロボット制御部１６は、ロボット１４の先端部に取付けられている撮影装置１５によって、台座２１上のワークＷを撮影する（図３のステップＳ１３）。このとき、撮影装置１５はワークＷの上方からワークＷを撮影しており、その撮影時の撮影装置１５の位置は、ロボット１４の動作原点を基準とした所定の位置に配置される。また、撮影装置１５は、ワークＷの三次元画像を取得できるものならば、如何なる三次元計測手法を採用したものであってもよい。本実施形態の撮影装置１５としては、上述したように二次元カメラあるいは三次元カメラが用いられる。撮影装置１５が二次元カメラである場合は、ロボット制御部１６は、台座２１上方の予め設定された二箇所の位置にロボット１４の先端部の撮影装置１５を順次移動し、それぞれの位置においてワークＷの撮影を行う。他方、撮影装置１５が三次元カメラである場合は、ロボット制御部１６は、台座２１上方の予め設定された一箇所の位置にロボット１４の先端部の撮影装置１５を配置し、その位置においてワークＷの撮影を行う。

その後、撮影装置１５によって撮影されたワークＷの画像データに基づいて、台座２１でのワークＷの着座に異常が無いかどうかを確認する（図３のステップＳ１４）。なお、画像データ保持部３１において、台座２１に正常に設置されたワークＷの三次元画像が予め記憶保持されている。したがって、三次元座標演算部３２において、正常なワーク画像データと今回撮影されたワーク画像データとを比較して着座の異常の有無が判定される。もし異常が有る場合、三次元座標演算部３２はワークＷの設置に異常が有る旨のアラームを例えば音や光などによって出力する（図３のステップＳ２２）。一方、異常が無い場合は、次の工程に移行する。

着座の異常が無い場合、三次元座標演算部３２は、上記撮影装置１５により撮影して得たワークＷの画像データに基づいて、ロボット座標系におけるワークＷの三次元座標、特にワークＷの表面の三次元座標を算出する。さらに三次元座標演算部３２は、その三次元座標から、ワークＷ上の指定された加工開始点、例えばワークＷの上面中央の座標を取得する（図３のステップＳ１５）。そして、加工プログラム生成部１３の座標変換部３３は、ロボット座標系の座標として算出されたワークＷの加工開始点の座標を、工作機械１１の機械座標系での座標に変換する（図３のステップＳ１６）。

次いで、加工プログラム生成部１３は、機械オペレータがタッチプローブを用いてワーク原点の高精度化を図ることを要求したかどうかを判定する（図３のステップＳ１７）。この判定は、例えば、機械オペレータが工作機械１１の制御操作パネル（図示せず）から加工プログラム生成部１３にワーク原点の高精度化の指令を入力することにより実行される。

上記ステップＳ１７において、ワーク原点の高精度化の要求が無いと判定された場合は、座標変換部３３は、ステップＳ１６における座標変換後の加工開始点の座標を加工プログラム３０のワーク原点設定命令に反映する（図３のステップＳ２０）。つまり、そのような加工開始点の座標が、加工プログラム３０におけるワーク座標系設定用Ｇコード（Ｇ５４）に書込まれるか、または、既に書込まれているワーク原点と置換される。

一方、上記ステップＳ１７において、ワーク原点の高精度化の要求が有ると判定された場合、タッチプローブ動作経路生成部３４は、上述したようなタッチプローブの動作経路を生成する（図３のステップＳ１８）。

そして、工作機械制御部１２は、生成されたタッチプローブの動作経路に基づき、工作機械１１の主軸および加工テーブル１８を移動させてタッチプローブの接触動作を行う。それにより、ワーク原点更新部３５は機械座標系におけるワークＷの各端面や上面の位置座標を取得する。さらに、ワーク原点更新部３５はワークＷの各端面および上面の位置座標から、加工開始点としてのワークＷの上面中央の三次元座標を算出する。つまり、タッチプローブの接触動作により、再び、機械座標系におけるワークＷの加工開始点の三次元座標を取得する（図３のステップＳ１９）。

さらに、ワーク原点更新部３５は、取得したワークＷの加工開始点の三次元座標を加工プログラム３０のワーク原点設定命令に反映する（図３のステップＳ２０）。つまり、ワーク原点更新部３５は、加工プログラム３０に既に書込まれているワーク原点を、算出したワークＷの上面中央の三次元座標に更新する。なお、加工プログラム生成部１３は、更新されたワーク原点に基づいて、再び加工プログラム３０を生成することとなる。その後、工作機械制御部１２は、上述の動作フローを経てワーク原点が決定された加工プログラム３０に従い、ワークＷの加工を開始する（図３のステップＳ２１）。

以上に説明したように、本実施形態のワーク原点設定方法においては、まず、工作機械１１の脇に置かれたロボット１４の先端に撮影装置１５を設置し、工作機械１１の台座２１に固定されたワークＷの三次元座標、特にワークＷ上の指定された加工開始点の三次元座標を三次元計測法によって算出する。そして、算出された加工開始点の三次元座標を工作機械１１の機械座標系での座標に変換する。さらに、変換後の加工開始点の座標を工作機械制御部１２の加工プログラム３０にワーク原点として設定している。このため、機械オペレータがタッチプローブを用いて、ワークＷ上の指定された加工開始点の座標を取得して、工作機械制御部１２に記憶保持される加工プログラム３０に設定するという作業を大幅に省力化することができる。
勿論、タッチプローブ以外の機器（例えばレーザ計測機）を使用してワーク原点を求める従来の様々な手法に対しても、本願発明のワーク原点設定方法を適用することにより、ワーク原点の設定作業の省力化が可能となる。

（その他の実施形態）
次に、その他の実施形態について説明する。
図１に示された実施形態の工作機械制御システムにおいては、撮影装置１５はロボット１４の先端部に設置されている。しかし本発明は、台座２１に固定されたワークＷを複数の異なる方向から撮影するように構成されていれば、ワークＷの三次元座標を得ることができる。つまり、本発明においては撮影装置１５の位置はロボット１４の先端部に限定されない。

図４は、本発明の他の実施形態の工作機械制御システム１における撮影装置１５の取付位置を示す図である。図４に示されるように、工作機械１１がタレット形オートツールチェンジャ３６を搭載したマシニングセンタである場合、撮影装置１５はオートツールチェンジャ３６のタレット３６ａに取付けられてもよい。タレット３６ａは、複数種の加工ツール１７をタレット３６ａの周方向に順次保持していて、加工ツール１７の交換時に所定の回転位置に位置決めされるものである。つまり、タレット３６ａ上の位置はタレット３６ａの回転動作での位置精度が保障されている位置である。したがって、タレット３６ａ上に撮影装置１５として二次元カメラを取付け、タレット３６ａを回転させて二次元カメラを二箇所に順次移動させることにより、ワークＷを異なる２方向から撮影することができる。

撮影装置１５をタレット３６ａに取付けた工作機械制御システム１においても、撮影装置１５と工作機械１１のタレット３６ａとの相対位置はキャリブレーションによって予め決められているものとする。そして、タレット３６ａによって撮影装置１５のカメラ位置を順次移動して撮影した２枚の画像データもとにワークＷの表面の高さ位置を求めることにより、ワークＷの表面の三次元座標を取得することが可能になる。勿論、二次元カメラでなく三次元カメラをタレット３６ａに取付けた構成であっても、ワークＷの三次元座標の取得は可能である。

また、上述のように撮影装置１５をタレット３６ａに取付けた場合、図１に示されたようなロボット１４を工作機械１１の脇に備えた工作機械制御システム１でなくても、本発明によるワーク原点設定を実施することができる。

なお、以上に説明した各実施形態の工作機械制御システム１において、加工プログラム生成部１３は、図１に示されているように工作機械制御部１２やロボット制御部１６とは別の構成要素として設けられていて、通信ケーブル（図示せず）や通信電波などにより工作機械制御部１２やロボット制御部１６と相互通信するものとしている。しかし、加工プログラム生成部１３は工作機械制御部１２またはロボット制御部１６に内蔵されていてもよい。つまり、本願発明においては撮影対象物の複数の画像データをもとに撮影対象物の三次元座標を演算する演算装置が必要となるので、その演算装置として、工作機械制御部１２あるいはロボット制御部１６内に在る演算装置を使用してもよい。

以上、本発明の加工システムの工作機械としてマシニングセンタを例にして説明したが、本発明に適用される工作機械はマシニングセンタに限定されず、例えばＮＣフライス盤であってもよい。要するに、本発明は、加工プログラムにワーク原点を設定することが必要なＮＣ工作機械全般に適用できる。
また、以上では典型的な実施形態を示したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で上述の実施形態を様々な形、構造や材料などに変更可能である。

１ 工作機械制御システム
１１ 工作機械
１２ 工作機械制御部
１３ 加工プログラム生成部
１４ ロボット
１５ 撮影装置
１６ ロボット制御部
１７ 加工ツール
１８ 加工テーブル
１９ 筐体
２０ 扉
２１ 台座
２２ 固定治具
３０ 加工プログラム
３１ 画像データ保持部
３２ 三次元座標演算部
３３ 座標変換部
３４ タッチプローブ動作経路生成部
３５ ワーク原点更新部
３６ タレット形オートツールチェンジャ
３６ａ タレット
３７ タッチプローブ
３７ａ タッチプローブのスタイラス
３８ 主軸
３９ ワークの一端面

Claims (9)

1. 加工プログラム（３０）に従ってワーク（Ｗ）を加工する工作機械（１１）と、
   前記工作機械（１１）の所定の位置に配置され、前記ワーク（Ｗ）を撮影する撮影装置（１５）と、
   前記撮影装置（１５）により複数の異なる方向から撮影された前記ワーク（Ｗ）の複数の画像に基づいて前記ワーク（Ｗ）の三次元座標を算出するとともに、当該三次元座標から、前記ワーク（Ｗ）上の指定された加工開始点の三次元座標を算出する三次元座標演算部（３２）と、
   前記三次元座標演算部（３２）により算出された前記ワーク（Ｗ）の前記加工開始点を含む三次元座標を前記工作機械（１１）の機械座標系での座標に変換し、変換後の前記ワーク（Ｗ）上の前記加工開始点の三次元座標を前記工作機械（１１）の前記加工プログラム（３０）にワーク原点として設定する座標変換部（３３）と、
   を備えた工作機械制御システム。
2. 前記工作機械（１１）との相対位置関係が予め決められたロボット（１４）をさらに備え、
   前記ロボット（１４）の先端部に前記ワーク（Ｗ）を把持するハンドとともに前記撮影装置（１５）が取付けられており、
   前記ロボット（１４）は前記撮影装置（１５）を前記工作機械（１１）の前記所定の位置に配置するようになされている、請求項１に記載の工作機械制御システム。
3. 前記工作機械（１１）は、複数の加工ツール（１７）を取付可能なタレット形オートツールチェンジャを備えており、
   前記タレット形オートツールチェンジャのタレットに前記撮影装置（１５）が取付けられており、
   前記タレットは前記撮影装置（１５）を前記工作機械（１１）の前記所定の位置に配置するようになされている、請求項１に記載の工作機械制御システム。
4. 前記座標変換部（３３）により得られる前記ワーク（Ｗ）の三次元座標に基づいて、前記ワーク（Ｗ）の各端面および上面に接触させるタッチプローブの動作経路を生成するタッチプローブ動作経路生成部（３４）と、
   前記工作機械（１１）を制御する工作機械制御部（１２）であって、前記タッチプローブ動作経路生成部（３４）により生成された前記タッチプローブの動作経路に従って、前記タッチプローブの接触動作を前記工作機械（１１）に実施させる工作機械制御部（１２）と、
   をさらに備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載の工作機械制御システム。
5. 前記タッチプローブの接触動作に応じて、前記機械座標系における前記ワーク（Ｗ）の各端面および上面の位置座標を取得し、当該取得した位置座標から前記ワーク（Ｗ）上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、当該三次元座標を前記工作機械（１１）の前記加工プログラム（３０）にワーク原点として再設定するワーク原点更新部（３５）をさらに備えた、請求項４に記載の工作機械制御システム。
6. 加工プログラム（３０）に従ってワーク（Ｗ）を加工する工作機械（１１）においてワーク原点を設定するワーク原点設定方法であって、
   撮影装置（１５）を前記工作機械（１１）の所定の位置に配置して前記ワーク（Ｗ）を複数の異なる方向から撮影し、
   撮影された前記ワーク（Ｗ）の複数の画像に基づいて前記ワーク（Ｗ）の三次元座標を算出するとともに、当該三次元座標から、前記ワーク（Ｗ）上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、
   算出された前記ワーク（Ｗ）の前記加工開始点を含む三次元座標を前記工作機械（１１）の機械座標系での座標に変換し、
   変換された前記ワーク（Ｗ）上の前記加工開始点の三次元座標を前記工作機械（１１）の前記加工プログラム（３０）にワーク原点として設定する、ワーク原点設定方法。
7. 前記ワーク原点の設定後、前記工作機械（１１）の機械座標系での前記ワーク（Ｗ）の三次元座標に基づいて、前記ワーク（Ｗ）の各端面および上面に接触させるタッチプローブの動作経路を生成し、
   生成された前記タッチプローブの動作経路に従って、前記タッチプローブの接触動作を前記工作機械（１１）に実施させる、請求項６に記載のワーク原点設定方法。
8. 前記タッチプローブの接触動作を前記工作機械（１１）に実施させることによって、前記機械座標系における前記ワーク（Ｗ）の各端面および上面の位置座標を取得し、当該取得した位置座標から前記ワーク（Ｗ）上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、当該三次元座標を前記工作機械（１１）の前記加工プログラム（３０）にワーク原点として再設定する、請求項７に記載のワーク原点設定方法。
9. 前記工作機械（１１）の加工ツール（１７）を装着すべき主軸を所定の回転速度で回転させ、
   前記ワーク原点の設定後、前記工作機械（１１）の機械座標系での前記ワークの三次元座標に基づいて、回転している前記主軸を前記ワーク（Ｗ）の各端面および上面に移動させ、
   前記ワーク（Ｗ）との接触によって前記回転している主軸の外乱トルクが上昇したときに、前記機械座標系における前記ワーク（Ｗ）の各端面および上面の位置座標を取得し、当該取得した位置座標から、前記ワーク（Ｗ）上の指定された加工開始点の三次元座標を算出し、当該三次元座標を前記工作機械（１１）の前記加工プログラム（３０）にワーク原点として再設定する、請求項６に記載のワーク原点設定方法。

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