JP2020060828A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】監視したい加工部と視覚センサの間に切粉や切削液等の障害物が存在しても監視を続行する。【解決手段】工作機械内で移動自在な機内ロボット３に視覚センサ１を取り付ける。制御装置１０は、切粉７や切削液８の影響を判別しながら視覚センサ１を動作させ、影響の少ない姿勢を自動的に判別し最適な方向からの監視を行う。【選択図】図１

Description

本発明は工作機械に関し、特に加工部を監視する技術に関する。

工作機械では加工面の向上や不良率の低下などが求められている。そのため、加工中のワーク、工具等の状態を監視することが求められている。しかし、工作機械内ではセンサの取り付け場所が限られる場合があり、また、多数のセンサを設けた場合のコスト増が問題となり得る。

特許文献１には、外部から加工領域を視認することができる透明な窓部を備えていないカバー体を有する工作機械が記載されている。

特許文献２には、異物の有無を確認する視覚センサを備えた工作機械が記載されており、工作機械の加工室の外部においてパレットを視覚センサで撮影することで異物を検出する。

特許文献３には、ＮＣ工作機械の主軸頭または主軸頭の移動に追従する部位に位置調整可能に取り付けられたカメラと、このカメラの映像及びＮＣ工作機械内の情報を一画面内に分割表示するＣＲＴとを含む加工部の監視装置が記載されている。

特開２０１７−１５９４０７号公報 特許第５８９３７１９号 特開平１―１２７２５５号公報

近年のＮＣ工作機械では全面をカバーで覆うことが必要とされている。そのため、加工の状態は窓の限られた範囲からしか見ることが出来ない。

この問題を解決するために、工作機内にカメラ等の視覚センサを取り付けることが考えられるが、加工部やワーク表面等の監視を行いたい部位と視覚センサとの間に切粉や切削液等の障害物が存在する場合には、監視を行うことができない。

通常、視覚センサはカバーなどの固定部に取り付けられるため、このような障害物を回り込んで加工部を見ることが出来ない。また、視覚センサがテーブル、主軸、刃物台などに取り付けられる場合も、加工中に自由に動くことが出来ないため障害物を回り込んでみることは出来ない。

本発明は、ワークの加工中における切粉や切削液等の障害物が生じても、これらの障害物を回避して加工部を監視することができる工作機械を提供することを目的とする。

本発明は、切削中の工作物の加工部を監視する視覚センサと、前記切削中に排出される飛散物の影響の有無を判別し、前記飛散物の影響がない位置に前記視覚センサを位置付けるべく前記視覚センサを駆動制御する制御装置とを備える工作機械である。

本発明の一つの実施形態では、前記制御装置は、前記視覚センサで得られた画像を用いて前記飛散物の影響を判別する。

本発明の他の実施形態では、前記制御装置は、前記視覚センサに設けられた複数の電極の電気抵抗の変化を用いて前記飛散物の影響を判別する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記制御装置は、前記視覚センサに設けられた力センサを用いて前記飛散物の影響を判別する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記制御装置は、前記工作物と切削工具との位置関係に応じて前記加工部を監視し得る探索範囲を設定し、前記飛散物の影響がある場合に前記探索範囲内の別の位置に前記視覚センサを駆動制御する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記制御装置は、前記加工部を示す所定の特徴点を検知するように前記視覚センサを駆動制御する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記視覚センサは、前記工作機械内で移動自在な機内ロボットに設けられ、前記制御装置は、前記機内ロボットを駆動制御することで前記視覚センサを駆動制御する。

本発明によれば、切削点等の加工部の状況を切削液や切粉に阻害されずに監視することが出来る。また、本発明によれば、加工の状況の変化に合わせて加工部を常に監視できる。また逐一、手作業で視覚センサを調整しなくて済む。

実施形態の工作機械の構成図である。 実施形態の工作機械の別姿勢における構成図である。 実施形態の加工部の画像説明図である。 実施形態の切削液が視覚センサにかかっている場合の加工部の画像説明図である。 実施形態の障害物を回避し得る姿勢範囲の説明図である。 実施形態の処理フローチャートである。 実施形態の処理の模式的説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

実施形態に係る工作機械は、ワーク３を回転させながらバイト（旋削工具）５を当ててワーク３を切削する旋削機能と、回転工具でワーク３を切削する転削機能とを有した複合加工機である。工作機械の本体部の周囲は、カバー（図示せず）で覆われている。このカバーで区画される空間が、ワーク３の加工が行われる加工室となる。カバーには、少なくとも一つの開口部と、当該開口部を開閉するドア（いずれも図示せず）とが設けられている。オペレータは、この開口部を介して、工作機械の本体部やワーク３等にアクセスする。加工中、開口部に設けられたドアは、閉鎖される。これは、安全性や環境性等を担保するためである。

本体部は、ワーク３を自転可能に保持するワーク主軸装置と、回転工具を自転可能に保持する工具主軸装置と、バイト５を保持する刃物台４とを備えている。ワーク主軸装置は、基台に設置された主軸台と、当該主軸台に取り付けられたワーク主軸とを備えている。ワーク主軸は、ワーク３を着脱自在に保持するチャック６やコレットを備えており、保持するワーク３を適宜交換できる。ワーク主軸は、ワーク回転軸を中心として自転する。

工具主軸装置は、転削用の工具（回転工具）、例えば、フライスやエンドミルと呼ばれる工具を自転可能に保持するもので、その内部に駆動モータ等を内蔵した主軸ヘッドと、当該主軸ヘッドに取り付けられた工具主軸とを備えている。工具主軸は、回転工具を着脱自在に保持するクランパを備えており、必要に応じて保持する回転工具を交換できる。

また、主軸ヘッドには、連結機構を介して機内ロボット２が取り付けられている。この機内ロボット２は、加工の補助や、各種センシング、補助的作業等に用いられる。本実施形態では、特に、機内ロボット２は加工部のセンシング（監視）に用いられる。主軸ヘッドは、当該主軸ヘッドを通るとともに揺動軸回りに揺動可能となっている。主軸ヘッドが揺動軸回りに揺動することで、機内ロボット２の姿勢が変化する。

制御装置１０は、オペレータからの指示に応じて、各部の駆動を制御する。制御装置１０は、例えば、各種演算を行うＣＰＵと、各種制御プログラムや制御パラメータを記憶するメモリとで構成される。また、制御装置１０は、通信機能を有しており、他の装置との間で各種データ、例えば、ＮＣプログラムデータ等を授受できる。制御装置１０は、バイト５やワーク３の位置、及び機内ロボット２の位置を随時演算する数値制御装置を含んでもよい。また、制御装置１０は、単一の装置でもよいし、複数の演算装置を組み合わせて構成されてもよい。

機内ロボット２は、例えば、複数のアームと複数の関節を有した多関節ロボットであり、その先端にエンドエフェクタが設けられる。機内ロボット２は、既述した通り、連結機構を介して主軸ヘッドに取り付けられている。連結機構は、ベアリングを介して主軸ヘッドに取り付けられており、主軸ヘッドに対して回転可能となっている。連結機構には、モータ等のアクチュエータが取り付けられており、このアクチュエータの駆動は、制御装置１０により制御される。

また、機内ロボット２の複数の関節には、モータ等のアクチュエータが取り付けられており、このアクチュエータの駆動は、制御装置１０により制御される。制御装置１０は、連結機構および各関節に設けられたアクチュエータの駆動量から、エンドエフェクタの位置を算出する。エンドエフェクタは、対象物に対して何らかの働きかけを行う部材であり、本実施形態ではカメラ等の視覚センサ１である。

視覚センサ１での検知結果、すなわち視覚センサ１で撮影された画像は、連結機構および関節の駆動量から算出される視覚センサ１の位置情報と関連付けて記憶され、制御装置１０で解析される。解析結果は、適宜表示装置に表示される。

なお、エンドエフェクタとしての視覚センサ１は、少なくとも、機内ロボット２に設けられていればよく、その設置位置は、多関節アームの先端に限らず、多関節アームの途中に設けられていてもよい。

制御装置１０は、機内ロボット２の位置を駆動制御することで視覚センサ１を位置決めし、バイト５によるワーク３の加工部を監視するが、ワーク３の加工時には切粉７やノズル（図示せず）からの切削液８が生じ、これらが視覚センサ１と加工部との間に存在すると障害物となり、視覚センサ１で加工部の画像を撮影することができない。例えば、視覚センサ１の位置によっては視覚センサ１に切粉７が衝突して視覚センサ１の視界を遮蔽する場合がある。あるいは視覚センサ１の位置によっては視覚センサ１に切削液がかかって視覚センサ１の視界を遮蔽する場合もある。

そこで、制御装置１０は、切粉７や切削液８が視覚センサ１に悪影響を与えないような位置を探索し、当該探索位置に視覚センサ１を位置付けるように機内ロボット２を駆動制御する。

図２は、図１の状態から機内ロボット２を駆動制御してその姿勢を変化させ、視覚センサ１の位置を変化させる場合の一例を示す。切粉７や切削液８の存在領域から外れた位置に視覚センサ１が位置しており、切粉７や切削液８に妨げられずに加工部の画像を取得して監視することができる。

図３は、視覚センサ１で撮影して得られる加工部の画像の一例を示す。チャック６で把持されたワーク３を回転させながらバイト５を当ててワーク３を切削する画像であり、切削時の切削液８が飛散している様子を示す。切削液８が飛散する範囲外に視覚センサ１が位置していれば、バイト５によるワーク３の切削加工部が表示されるので、加工の様子を監視できる。

他方、図４は、切削液８が飛散する範囲内に視覚センサ１が位置している場合の画像の一例を示す。切削液８が視覚センサ１にかかるためその影響により加工部がぼやけてしまい、加工部の様子を監視することが困難となる。制御装置１０は、図４に示すような画像を回避し、図３に示すような画像を維持すべく、機内ロボット２を駆動制御して、切粉７や切削液８等の切削加工中に排出される飛散物の影響が及ばない位置に視覚センサ１を位置付ける。

図５は、切粉７や切削液８等の飛散物の影響が及ばない範囲の一例を示す。ワーク３に対するバイト５の位置、及び切削液８を排出するノズル１２の位置から加工部を観察し得る位置及び距離が決定される。また、切削時に排出される切粉７の飛散範囲、及びノズル１２から排出された切削液の飛散範囲から、切粉７及び切削液８の影響が及ばない範囲が決定される。図において、加工部を撮影し得る位置及び距離、並びに切粉７と切削液８の影響が及ばない範囲として視覚センサ１の探索範囲１００が決定される。視覚センサ１は、この探索範囲１００内のいずれかに位置付けられる。

制御装置１０は、具体的には、視覚センサ１が加工部である切削点の方向に向くように機内ロボット２の姿勢を制御し、切粉７や切削液８等の飛散物が影響しない位置を探索する。切粉７や切削液８等の飛散物の影響があるか否かは、例えば以下の方法がある。

（１）得られた画像の解析
視覚センサ１に切粉７や切削液８がかかっている場合、図４に示すように画像がぼやける。従って、視覚センサ１で得られた画像を解析（空間周波数解析）してピントがはずれているか否かを判定し、本来であればピントが合う距離に位置しているにもかかわらずピントが外れている場合に，切粉７や切削液８の影響があると判定する。

（２）電気抵抗
視覚センサ１の周辺に複数の電極を取り付け、電気抵抗を測定することで切削液８がかかっているかを判定する。切削液８がかかっている場合には電気抵抗が大きく低下するため、この電気抵抗の低下を検知することで切削液８の影響があると判定する。また、切粉７が金属等の導電体であれば同様に電気抵抗が大きく低下するので判定できる。電極に所定間隔でエアブローを吹き付けて、水滴等による誤検知を防止し得る。

（３）力センサ
視覚センサ１に力センサを取り付けることで切粉７や切削液８の衝突の有無を判定する。力センサとして、歪みゲージや感圧式センサ等が用いられ得る。歪みゲージは視覚センサ１の根本に取り付け、感圧式センサは視覚センサ１の表面に貼り付ける。

これらの方法は単独で、あるいは組み合わせて用いることができる。また、視覚センサ１には切粉７や切削液８が付着しないようにすることが望ましいので、撥水加工やエアブロー、ワイパー等でその視界を維持するのが好適である。

また、制御装置１０は、加工部が見える位置に視覚センサ１を位置決めするが、加工部が見えるか否かは、所定の特徴点が見えているか否かで判定し得る。特徴点としては、バイト５の形状やワーク３の形状を用い得る。バイト５の先端にマーカを取り付け、当該マーカを特徴点としてもよい。

図６は、本実施形態の処理フローチャートを示す。

まず、制御装置１０は、探索範囲を設定する（Ｓ１０１）。探索範囲は、ワーク３とバイト５とノズル１２の位置関係、及び工作機械内の他の器具（固定器具及び移動器具のいずれも含む）と干渉しない範囲として設定される。図５に示す探索範囲１００はその一例である。

探索範囲は、ある一定範囲以上と広く、加工部回りの領域を監視可能な距離にあり、加工の邪魔にならず、他の器具と干渉しない範囲である。

探索範囲を設定した後、探索範囲を所定の単位領域に分割し（Ｓ１０２）、単位領域毎に探索姿勢、つまり視覚センサ１が加工部の方向を向くような機内ロボット２の姿勢を設定する（Ｓ１０３）。

探索姿勢を設定した後、機内ロボット２及び視覚センサ１を探索姿勢に移動し（Ｓ１０４）、加工部を撮影してその画像を取得し、監視を開始する（Ｓ１０５）。

監視を開始した後、制御装置１０は、加工部が見えているか否かを判定する（Ｓ１０６）。この判定に代えて、ピントが外れているか否か、電気抵抗が著しく低下したか否か、力センサで飛散物の衝突を検出したか否かを判定してもよい。

加工部が見えている場合（Ｓ１０６でＹＥＳ）、監視をそのまま続行し（Ｓ１０７）、ワーク３の加工が終了したか否かを判定する（Ｓ１０８）。加工が終了していなければ（Ｓ１０８でＮＯ）、Ｓ１０６以降の処理を繰り返す。

他方、加工部が見えていない場合（Ｓ１０６でＮＯ）、あるいはピントが外れている場合、電気抵抗が著しく低下した場合、飛散物の衝突を検出した場合には、機内ロボット２及び視覚センサ１の姿勢を変更する（Ｓ１０９）。すなわち、Ｓ１０２で分割した他の単位領域に移動する。そして、Ｓ１０６以降の処理を繰り返す（Ｓ１１０）。他の単位領域に移動して加工部が見えている場合（Ｓ１０６でＹＥＳ）、その姿勢を維持して監視を続行する（Ｓ１０７）。全ての探査姿勢を探索しても加工部が見えない場合（Ｓ１１０でＹＥＳ）、表示部にエラー表示を行い監視不能と判定する（Ｓ１１１）。

図７は、図６におけるＳ１０１〜Ｓ１０４の処理を模式的に示す。図７（ａ）は、Ｓ１０１の探索範囲設定処理を示す。ワーク３とバイト５の位置から、加工部あるいは加工部を代表する特徴点が見える範囲を探索範囲１００として設定する。図７（ｂ）は、Ｓ１０２の探索範囲分割処理を示す。探索範囲１００を円弧領域とすると、この円弧領域を等角度で分割する。図７（ｃ）は、Ｓ１０３の探索姿勢決定処理及びＳ１０４の探索姿勢に移動処理を示す。制御装置１０は、探索姿勢を決定すると、この探索姿勢の位置に機内ロボット２を駆動して視覚センサ１を決定した探索姿勢に位置付ける。

図７（ｃ）の姿勢で加工部を監視し、加工部が見えている限りこの姿勢を維持して監視を続行する。切粉７や切削液８の影響で加工部が見えなくなると、制御装置１０は視覚センサ１の位置を探索範囲１００内の別の位置に変更して加工部の監視を続行する。

以上説明したように、本実施形態によれば、切粉７や切削液８等の飛散物に阻害されずに加工部の監視を行うことができる。また、本実施形態では、仮に飛散物により視覚センサ１で加工部が監視できなくなっても、制御装置１０がこの事態を検知して視覚センサ１の姿勢を自動的に変更調整するので、逐一手作業で視覚センサ１の姿勢を調整する必要がない。特に、通常の加工では切粉７や切削液８等の飛散物が影響を及ぼさない位置であっても、例えば工具の摩耗や破損、ワーク３のばらつき等の異常時にはこれらの飛散物が影響を及ぼし得る場合もあるが、本実施形態ではこのような異常時にも対応して加工部を監視し続けることができる。このことは、ログとして特に記録に残しておく必要性が高い異常時において、その加工状況を確実に残しておくことができることを意味する。

１ 視覚センサ、２ 機内ロボット、３ ワーク、４ 刃物台、５ バイト、６ チャック、７ 切粉、８ 切削液、１０ 制御装置。

Claims (7)

1. 切削中の工作物の加工部を監視する視覚センサと、
   前記切削中に排出される飛散物の影響の有無を判別し、前記飛散物の影響がない位置に前記視覚センサを位置付けるべく前記視覚センサを駆動制御する制御装置と、
   を備える工作機械。
2. 前記制御装置は、前記視覚センサで得られた画像を用いて前記飛散物の影響を判別する
   請求項１に記載の工作機械。
3. 前記制御装置は、前記視覚センサに設けられた複数の電極の電気抵抗の変化を用いて前記飛散物の影響を判別する
   請求項１に記載の工作機械。
4. 前記制御装置は、前記視覚センサに設けられた力センサを用いて前記飛散物の影響を判別する
   請求項１に記載の工作機械。
5. 前記制御装置は、前記工作物と切削工具との位置関係に応じて前記加工部を監視し得る探索範囲を設定し、前記飛散物の影響がある場合に前記探索範囲内の別の位置に前記視覚センサを駆動制御する
   請求項１に記載の工作機械。
6. 前記制御装置は、前記加工部を示す所定の特徴点を検知するように前記視覚センサを駆動制御する
   請求項１〜５のいずれかに記載の工作機械。
7. 前記視覚センサは、前記工作機械内で移動自在な機内ロボットに設けられ、
   前記制御装置は、前記機内ロボットを駆動制御することで前記視覚センサを駆動制御する
   請求項１〜６のいずれかに記載の工作機械。