JP2021133468A - 研削装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研削砥石の摩耗量に基づいて研削状況を研削中に正確に把握し、研削ユニットの動作を精密に制御する。【解決手段】研削装置１は、被研削材Ｓを研削する研削砥石１１と、研削砥石１１を回転させる回転駆動部１３と、研削砥石１１を保持しており、研削砥石１１を被研削材Ｓに押し付ける押し付け量調整部１４とを備える研削ユニット１０と、被研削材Ｓを研削している研削砥石１１を撮像して研削画像Ｐを取得する撮像装置２０と、撮像装置２０により取得された研削画像Ｐから研削砥石１１の摩耗量ΔＤＷを検出する画像処理装置３０と、検出した研削砥石１１の摩耗量ΔＤＷに基づいて、研削ユニット１０の動作を制御する動作制御装置４０と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、研削砥石を用いて鋼材等の被研削材を研削する研削装置及び方法に関するものである。

鋼板等の表面を滑らかな状態に整えるために研削加工が行われており、この研削加工においては原理的に研削砥石が摩耗しながら被研削材の表面の微小突起を削り取っていく。従来、鋼板等の研削は、作業者が小型の研削機器を手で押し付け、もしくは体重をかけて行われていた。研削砥石は研削作業が進むにつれて摩耗していくため、研削深さの調整は作業者の経験と勘に頼っているとともに、重筋作業になっていた。また、研削中に研削深さを測定することはできないため、研削後に研削面を変位計で研削深さを測定する、もしくは超音波厚さ計を用いて鋼材の厚さを測定することが行われていた。

一方、研削深さを測定しながら研削作業を自動で行う研削機が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、研削中に研削火花をカメラで検出し、研削火花の発生量から研削量（研削深さ）を推定して、研削火花の発生量が設定範囲内になるように研削ベルトの押し付け量を制御する方法が開示されている。

特開平７−１６４３１８号公報

しかしながら、特許文献１のように研削火花に基づき研削の制御を行った場合、研削火花の発生量は、砥粒の種類、被研削材の種類もしくは研削条件等によって異なるため、正確に研削状況を把握することができず、精密な研削作業の制御を行うことができない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、精密な被研削材の研削を行うことができる研削装置及び方法を提供することを目的とする。

［１］ 被研削材を研削する研削砥石と、前記研削砥石を回転させる回転駆動部と、前記研削砥石を保持し前記研削砥石を前記被研削材に押し付ける押し付け量調整部とを備える研削ユニットと、
前記鋼材を研削している前記研削砥石を撮像して研削画像を取得する撮像装置と、
前記撮像装置により取得された前記研削画像から前記研削砥石の摩耗量を検出する画像処理装置と、
検出した前記研削砥石の摩耗量に基づいて、前記研削ユニットの動作を制御する動作制御装置と、
を有する研削装置。
［２］ 前記動作制御装置は、前記研削砥石の摩耗量に基づいて前記研削ユニットの前記押し付け量調整部を制御し、前記被研削材に対する前記研削砥石の前記押し付け量を調整する［１］に記載の研削装置。
［３］ 前記撮像装置は、研削中の前記研削砥石全体を撮像した前記研削画像を取得するものであり、
前記画像処理装置は、研削前の前記研削砥石の基準直径の情報を有しており、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁から前記研削砥石の直径を検出し、検出した前記研削砥石の直径と前記基準直径との差分を用いて摩耗量を検出する［１］または［２］に記載の研削装置。
［４］ 前記撮像装置は、研削中の前記研削砥石の周縁の一部を撮像した前記研削画像を取得するものであり、
前記画像処理装置は、研削前の前記研削砥石の基準研削画像を有しており、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁の一部を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁と前記基準研削画像との差分を用いて摩耗量を検出する［１］または［２］に記載の研削装置。
［５］ 被研削材を研削する研削砥石と、前記研削砥石を回転させる回転駆動部と、前記研削砥石を保持しており、前記研削砥石を前記被研削材に押し付ける押し付け量調整部とを備える研削ユニットを用いて被研削材を研削する研削方法であって、
前記被研削材研削している前記研削砥石を撮像装置により撮像して研削画像を取得する取得工程と、
取得した前記研削画像から前記研削砥石の摩耗量を検出する検出工程と、
検出した前記研削砥石の摩耗量に基づいて、前記研削ユニットの動作を制御する制御工程と、を有する研削方法。
［６］ 前記制御工程は、研削砥石の摩耗量に基づいて前記研削ユニットの前記押し付け量調整部を制御し、前記被研削材に対する前記研削砥石の前記押し付け量を調整する［５］に記載の研削方法。
［７］ 前記研削画像は、研削中の前記研削砥石全体を撮像し取得されたものであり、
摩耗量を検出する際、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁から前記研削砥石の直径を検出し、検出した前記研削砥石の直径と研削前の前記研削砥石の基準直径との差分を用いて摩耗量を検出する［５］または［６］に記載の研削方法。
［８］ 前記研削画像は、研削中の前記研削砥石の周縁の一部を撮像し取得されたものであり、
摩耗量を検出する際、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁の一部を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁の一部と研削前の前記研削砥石の基準研削画像との差分を用いて摩耗量を検出する［５］または［６］に記載の研削方法。

本発明によれば、撮像装置により取得された研削画像から研削砥石の摩耗量を精度よく検出し、この摩耗量に基づいて研削ユニットの動作を制御するため、精密な被研削材の研削を行うことができる。

本発明の研削装置の好ましい実施形態を示す模式図である。 図１における研削ユニットの一例を示す模式図である。 撮像装置により撮像された研削画像の一例を示す模式図である。 研削画像Ｐの別の一例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の研削装置の好ましい実施形態を示す模式図である。図１の研削装置１は、被研削材Ｓとして厚鋼材を研削するものであって、被研削材Ｓを研削する研削ユニット１０と、研削中の研削状態を撮像して研削画像Ｐを取得する撮像装置２０と、研削画像Ｐから摩耗量を検出する画像処理装置３０と、摩耗量ΔＤＷに基づいて研削ユニット１０を制御する動作制御装置４０とを備える。被研削材Ｓは、図示しないテーブル上において、研削ユニット１０に対し水平方向（矢印Ｘ方向及び矢印Ｙ方向）に移動可能に載置されている。なお、被研削材Ｓと研削ユニット１０とは相対的に移動すればよく、研削ユニット１０側が被研削材Ｓに対し水平方向に移動するようにしてもよい。

図２は図１における研削ユニット１０の一例を示す模式図である。図１及び図２の研削ユニット１０は、被研削材Ｓを研削する研削砥石１１と、研削砥石１１を回転させる回転駆動部１３と、被研削材Ｓに対する研削砥石１１の押し付け量Ｈｄを調整する押し付け量調整部１４とを備える。研削砥石１１は、例えば円盤状に形成されており、中心に軸１２が固定されている。なお、研削砥石１１の形状は、円盤状の他、カップ形状等の公知の技術を適用することができる。軸１２はモータ等からなる回転駆動部１３に接続されており、回転駆動部１３は軸１２を介して研削砥石１１を回転させる。そして、研削砥石１１の外側周側面が被研削材Ｓに回転しながら押し付けられることにより、被研削材Ｓが研削されていく。この回転駆動部１３の動作は動作制御装置４０により制御される。

押し付け量調整部１４は、例えば直動シリンダからなり、研削砥石１１及び回転駆動部１３を上下方向（矢印Ｚ方向）に移動可能に保持している。そして、押し付け量調整部１４のストローク量が調整されることにより、被研削材Ｓに対する研削砥石１１の押し付け量Ｈｄが調整される。つまり、押し付け量Ｈｄが研削深さになるため、押し付け量が調整されることで研削深さが調整されることになる。押し付け量調整部１４の動作は動作制御装置４０により制御されている。なお、押し付け量調整部１４は、研削砥石１１と被研削材Ｓとの距離を調整できるものであれば直動シリンダに限定されず、公知の技術を適用することができる。また、図１及び図２において、押し付け量調整部１４は研削砥石１１側を移動させる場合について例示しているが、被研削材Ｓ側を移動させるようにしてもよい。

図１の撮像装置２０は、例えば１０００フレーム／秒で撮影可能なハイスピードカメラからなり、研削中の研削砥石１１をオンラインで撮像して順次研削画像Ｐを取得していく。ここで、撮像装置２０は、研削画像Ｐ内に研削中の研削砥石１１の周縁が含まれるように研削砥石１１を撮像する。図３は撮像装置２０により撮像された研削画像Ｐの一例を示す模式図である。図３の研削画像Ｐは、撮像装置２０が例えば研削砥石１１の真横に設置され、研削砥石１１全体を撮像したときに取得されたものである。

図１の画像処理装置３０は、例えばコンピュータからなっており、研削画像Ｐに基づいて画像処理により研削砥石１１の摩耗量ΔＤＷを検出する。画像処理装置３０には研削前の研削砥石１１の基準直径ＤＷ０が記憶されている（図３中の点線部分）。そして、研削中に研削画像Ｐが取得されたとき、画像処理装置３０は、研削画像Ｐから研削砥石１１の周縁（エッジ）を抽出し、抽出した周縁部分を用いて研削砥石１１の直径ＤＷを検出する。その後、画像処理装置３０は、基準直径ＤＷ０と直径ＤＷとの差分に基づいて摩耗量ΔＤＷ（＝（ＤＷ０−ＤＷ）／２）を検出する。また、画像処理装置３０は、撮像装置２０において研削画像Ｐが取得される度に直径ＤＷを検出していく。

なお、画像処理装置３０は直径ＤＷを検出した後に摩耗量ΔＤＷを検出する場合について例示しているが、摩耗量ΔＤＷを検出できるものであればその手法は問わない。図４は研削画像Ｐの別の一例を示す模式図である。図４の研削画像Ｐは、研削砥石１１の周縁の一部を撮像したものである。画像処理装置３０には、研削前の研削砥石１１の周縁の一部を撮像した基準研削画像が記憶されており（図４中の点線部分）、基準研削画像と研削中の研削画像Ｐの差分に基づいて摩耗量ΔＤＷを直接検出するようにしてもよい。

図１の動作制御装置４０は、画像処理装置３０において検出された摩耗量ΔＤＷに基づいて研削ユニット１０の動作を制御する。なお、画像処理装置３０と動作制御装置４０とは、別々のコンピュータで構成されていてもよいし、同一のコンピュータで構成されていてもよい。特に、動作制御装置４０は、画像処理装置３０において検出された摩耗量ΔＤＷに基づいて、被研削材Ｓに対する研削砥石１１の押し付け量Ｈｄを制御する機能を有する。

動作制御装置４０には、研削前の摩耗していない研削砥石１１を基準として設定された基準押し付け量Ｈｄ０が予め記憶されている。この基準押し付け量Ｈｄ０は、被研削材Ｓに対する研削深さ又は研削砥石１１のサイズ等に応じて設定変更可能になっている。動作制御装置４０は、研削中の押しつけ量Ｈｄを摩耗量ΔＤＷを用いて次式（１）のように決定する。そして、動作制御装置４０は、決定した目標押し付け量Ｈｄだけ研削砥石１１が被研削材Ｓに押し付けられるように、押し付け量調整部１４の動作を制御する。

Ｈｄ＝Ｈｄ０＋ΔＤＷ ・・・（１）

次に、図１から図４を参照して本発明の研削方法の好ましい実施形態について説明する。はじめに、動作制御装置４０には基準押し付け量Ｈｄ０が設定され、画像処理装置３０には研削前の基準直径ＤＷ０もしくは基準研削画像が記憶される。そして、回転駆動部１３及び押し付け量調整部１４が動作制御装置４０の制御により作動し、被研削材Ｓに対する研削が開始される。被研削材Ｓが研削されている間、研削砥石１１が撮像装置２０により撮像され、例えば１０００フレーム／秒で研削画像Ｐが取得されていく（取得工程、図３及び図４参照）。

画像処理装置３０において、順次取得される研削画像Ｐからそれぞれ研削砥石１１の摩耗量ΔＤＷが検出されていく（検出工程）。その後、動作制御装置４０により、上記式（１）に基づき目標押し付け量Ｈｄが算出され、算出された目標押し付け量Ｈｄに基づいて押し付け量調整部１４の動作が制御される（制御工程）。上述した目標押し付け量Ｈｄの制御は、研削中に研削画像Ｐが取得するたびにリアルタイムに行われる。

上記実施形態によれば、撮像装置２０において取得された研削画像Ｐから直接摩耗量ΔＤＷを検出し、動作制御装置４０が摩耗量ΔＤＷに基づいて研削ユニット１０の動作を制御する。これにより、摩耗量ΔＤＷを精度よく検出し、研削中に摩耗量ΔＤＷの変化に応じてリアルタイムに検索条件の調整を行うといった、精密な研削ユニット１０の制御を行うことができ、精密な被研削材Sの研削を行うことができる。特に、画像処理装置３０によって検出される研削砥石１１の摩耗量ΔＤＷに基づいて研削砥石１１の目標押し付け量Ｈｄを制御することにより、研削深さの制御を精密に行うことができる。

すなわち、従来技術では、研削深さの測定は、研削後に研削面を何らかの変位計で測定するか、鋼材そのものを超音波厚さ計を用いた測定により行われるため、研削中に研削深さを測定することができない。よって、自動で研削を行う際にも、研削砥石１１の押しつけ量は、摩耗量を考慮せずに所定の固定値に設定される。しかしながら、研削は摩耗によって研削砥石１１の直径は小さくなっていくため、砥石径を固定すると、設定した研削深さにならない場合がある（切残し）。また、火花発生量から研削深さを検出する場合、正確に研削状況を把握することができず、精密な研削作業の制御を行うことができない。一方、図１及び図２の研削装置１によれば、撮像装置２０において取得された研削画像Ｐから直接摩耗量ΔＤＷを正確に検出することができるため、精密な研削作業の制御を行うことができる。

直径２００ｍｍ、幅７５ｍｍの研削砥石１１を使用し、６０ｋｇ鋼を被研削材Ｓとして目標研削深さ１５０μｍに設定して研削した。また、撮像装置２０により１秒間に１０００フレームで研削画像Ｐを取得した。また、画像処理装置３０において研削砥石１１の外周のエッジを抽出する処理によって、研削砥石１１の直径ＤＷを算出した後に摩耗量ΔＤＷを検出した。

まず、従来のように、摩耗量ΔＤＷに基づく目標押し付け量Ｈｄの調整を行わずに固定値にして研削を実施した場合、目標研削深さが１５０μｍであるのに対して実際の研削深さは平均１４０μｍとなった。これは、研削砥石１１の押し付け量は被研削材Ｓの表面から１５０μｍにセットしたまま固定（不変）にしたのに対し、研削砥石１１の直径ＤＷは２０μｍ摩耗していたので、その半分の１０μｍ分切削することができず切残しが生じたためである。

一方、図１の研削装置１を用いて研削画像Ｐを用いて検出された摩耗量ΔＤＷに基づいて目標押し付け量Ｈｄを変更する制御を行いながら研削を行った。その結果、研削深さは平均で目標研削深さの１５０μｍとなった。なお、研削砥石１１の最大押し付け量は１６０μｍになっていた。このように、研削画像Ｐから検出された摩耗量ΔＤＷを正確に検出することができるため、精密な研削作業の制御を行うことができた。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。例えば、上記実施形態において、被研削材Ｓとして厚鋼材である場合について例示しているが、これに限定されず、薄鋼材であってもよいし、アルミナやめっき鋼板等の金属材料であってもよい。また、図１において、いわゆる平面研削を行う場合について例示しているが、円筒研削、内面研削、ねじ研削、歯車研削等の公知の研削加工にも適用することができる。

さらに、上記実施形態において、摩耗量ΔＤＷに基づく研削ユニット１０の動作制御の一例として、研削砥石１１の目標押し付け量Ｈｄを制御する場合について例示しているがこれに限定されず、摩耗量ΔＤＷに基づき研削ユニット１０の動作制御するものであればよい。例えば、研削中において研削砥石１１に偏摩耗が生じる場合もある。そこで、画像処理装置３０は、研削画像Ｐに基づいて研削砥石１１の真円度を検出し、検出した真円度が設定された許容範囲を超えている場合には研削ユニット１０を停止するように制御し、形直し（ツルーイング）が必要である旨の警告を出力するようにしてもよい。

あるいは、画像処理装置３０は、上述した摩耗量ΔＤＷとともに、研削砥石１１の側面に付された砥粒の種類等の文字を識別子として、研削砥石１１の砥石周速度を検出する機能を有していてもよい。そして、動作制御装置４０が、検出した砥石周速度が設定砥石周速度になるように、回転駆動部１３の動作を制御するようにしてもよい。

１ 研削装置
１０ 研削ユニット
１１ 研削砥石
１２ 軸
１３ 回転駆動部
１４ 押し付け量調整部
２０ 撮像装置
３０ 画像処理装置
４０ 動作制御装置
ＤＷ 直径
ＤＷ０ 基準直径
Ｈｄ０ 基準押し付け量
Ｈｄ 目標押し付け量
Ｐ 研削画像
Ｓ 被研削材
ΔＤＷ 摩耗量

Claims (8)

1. 被研削材を研削する研削砥石と、前記研削砥石を回転させる回転駆動部と、前記研削砥石を保持し前記研削砥石を前記被研削材に押し付ける押し付け量調整部とを備える研削ユニットと、
   前記被研削材を研削している前記研削砥石を撮像して研削画像を取得する撮像装置と、
   前記撮像装置により取得された前記研削画像から前記研削砥石の摩耗量を検出する画像処理装置と、
   検出した前記研削砥石の摩耗量に基づいて、前記研削ユニットの動作を制御する動作制御装置と、
   を有する研削装置。
2. 前記動作制御装置は、前記研削砥石の摩耗量に基づいて前記研削ユニットの前記押し付け量調整部を制御し、前記被研削材に対する前記研削砥石の前記押し付け量を調整する請求項１に記載の研削装置。
3. 前記撮像装置は、研削中の前記研削砥石全体を撮像した前記研削画像を取得するものであり、
   前記画像処理装置は、研削前の前記研削砥石の基準直径の情報を有しており、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁から前記研削砥石の直径を検出し、検出した前記研削砥石の直径と前記基準直径との差分を用いて摩耗量を検出する請求項１または２に記載の研削装置。
4. 前記撮像装置は、研削中の前記研削砥石の周縁の一部を撮像した前記研削画像を取得するものであり、
   前記画像処理装置は、研削前の前記研削砥石の基準研削画像を有しており、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁の一部を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁と前記基準研削画像との差分を用いて摩耗量を検出する請求項１または２に記載の研削装置。
5. 被研削材を研削する研削砥石と、前記研削砥石を回転させる回転駆動部と、前記研削砥石を保持しており、前記研削砥石を前記被研削材に押し付ける押し付け量調整部とを備える研削ユニットを用いて被研削材を研削する研削方法であって、
   前記被研削材研削している前記研削砥石を撮像装置により撮像して研削画像を取得する取得工程と、
   取得した前記研削画像から前記研削砥石の摩耗量を検出する検出工程と、
   検出した前記研削砥石の摩耗量に基づいて、前記研削ユニットの動作を制御する制御工程と、を有する研削方法。
6. 前記制御工程は、研削砥石の摩耗量に基づいて前記研削ユニットの前記押し付け量調整部を制御し、前記被研削材に対する前記研削砥石の前記押し付け量を調整する請求項５に記載の研削方法。
7. 前記研削画像は、研削中の前記研削砥石全体を撮像し取得されたものであり、
   摩耗量を検出する際、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁から前記研削砥石の直径を検出し、検出した前記研削砥石の直径と研削前の前記研削砥石の基準直径との差分を用いて摩耗量を検出する請求項５または６に記載の研削方法。
8. 前記研削画像は、研削中の前記研削砥石の周縁の一部を撮像し取得されたものであり、
   摩耗量を検出する際、前記研削画像から研削中の前記研削砥石の周縁の一部を抽出し、抽出した前記研削砥石の周縁の一部と研削前の前記研削砥石の基準研削画像との差分を用いて摩耗量を検出する請求項５または６に記載の研削方法。

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