JP2022123916A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工具長によらず撮像画像のコントラストを確保でき、工具の形状検出を十分な精度で行えるようにする。【解決手段】工作機械は、複数の工具が収容される収容室１０と、工具による機械加工が実行される加工室と、収容室１０と加工室との隔壁に設けられた開口２８を開閉するシャッタ３０と、収容室１０において交換対象の工具Ｔｘを支持する工具支持部２２と、収容室１０に配置された撮像部５０と、シャッタ３０に固定され、工具支持部２２に支持された工具Ｔｘを照らす照明部５２と、シャッタ３０を工具Ｔｘの長手方向に移動させて開口２８を開閉する開閉機構３２と、を備える。工作機械は、シャッタ３０と一体に照明部５２を移動させ、工具Ｔｘを撮像する。【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械における工具の検査技術に関する。

工作機械には、回転するワークに対して工具を移動させるターニングセンタ、回転する工具をワークに対して移動させるマシニングセンタ、およびこれらの機能を複合的に備える複合加工機などがある。工作機械には、ＡＴＣ（Automatic Tool Changer）と呼ばれる工具交換装置が備えられ、機械加工の過程で複数種の工具を交換しながらワークが所望の形状に加工される。ＡＴＣは、工具収容部（マガジン等）と工具保持部（主軸等）との間で工具交換を実行する。

このような工作機械では、使用後の工具に欠損や折損あるいは切屑の巻き付きなどの異常があった場合、その工具（以下「不良工具」ともいう）をそのまま次回の加工に使用することはできない。このため、工具の使用前後に刃形状をカメラにより撮像し、その使用前後の撮像画像に基づいて不良工具であるか否かを判定する技術が提案されている（特許文献１）。

工具検査においては、例えば工具の一方の側から照明をあて、他方の側に設置されたカメラで工具を撮像する。透過照明を利用することにより工具のシルエットを映し出し、そのシルエットに基づいて工具の輪郭を特定する。正常な輪郭形状が得られない場合、不良工具であると判定できる。

特開２０１５－１３１３５７号公報

このような工具検査の精度は、撮像画像のコントラストに左右される。工具のシルエットが良好に得られる必要があり、そのために工具の撮像対象部（例えば刃元から刃先まで）に均一に光を当てなければならない。しかし、工具収容部に収容される工具の寸法は様々であるため、照明範囲に対して工具が大きすぎると、均一な照明は困難となる。一方、大きな工具に合わせて大きな照明装置を採用するのはコスト面で不利となる。

本発明のある態様は工作機械である。この工作機械は、複数の工具が収容される収容室と、工具による機械加工が実行される加工室と、収容室と加工室との隔壁に設けられた開口を開閉するシャッタと、収容室において交換対象の工具を支持する工具支持部と、収容室に配置された撮像部と、シャッタに固定され、工具支持部に支持された工具を照らす照明部と、シャッタを工具の長手方向に移動させて開口を開閉する開閉機構と、を備える。工作機械は、シャッタと一体に照明部を移動させ、工具を撮像する。

本発明によれば、工具長によらず撮像画像のコントラストを確保でき、工具の形状検出を十分な精度で行うことができる。

実施形態に係る工作機械の外観を表す斜視図である。 工具収容装置の内部構成を表す側面図である。 収容室内の構成を模式的に表す斜視図である。 収容室と加工室との境界部周辺を模式的に表す正面図である。 工作機械および画像処理装置のハードウェア構成図である。 画像処理装置の機能ブロック図である。 撮像時における対象工具の照明方法を表す図である。 画像処理方法を表す図である。 使用前工具形状データ取得処理の処理過程を表すフローチャートである。 工具検査処理の処理過程を表すフローチャートである。 変形例にかかる照明および撮像方法を表す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態の工作機械は、工具を適宜交換しながらワークを所望の形状に加工するマシニングセンタとして構成されている。

図１は、実施形態に係る工作機械の外観を表す斜視図である。工作機械１を正面からみて前後方向，左右方向，上下方向を、それぞれＺ軸方向，Ｘ軸方向，Ｙ軸方向とする。
工作機械１は、加工装置２および工具収容装置４を備える。これらの装置を覆うようにカバー６（装置筐体）が設けられる。カバー６の内方には、正面から向かって右側に加工室８が設けられ、左側に収容室１０が設けられる。加工室８において加工装置２による機械加工が行われる。収容室１０においては、工具収容装置４により複数の工具が収容され、また、図示しないＡＴＣによる工具交換が行われる（詳細後述）。

カバー６の右側面には操作盤１２が設けられている。加工室８には画像処理装置１４が接続される。ユーザは、画像処理装置１４により工作機械１の作業状況を遠隔監視できる。画像処理装置１４は、一般的なラップトップＰＣ（Personal Computer）あるいはタブレット・コンピュータであってもよい。変形例においては、画像処理装置を加工室８の内部装置として構成してもよい。

図２は、工具収容装置４の内部構成を表す側面図である。本図は工作機械１の左側面図に対応するが、説明の便宜上、カバー６の左側面を取り除いた状態を示す。また、マガジン（後述）の一部が部分的に切り欠かれて表示されている。

工具収容装置４は、円盤式のマガジン２０を有する。マガジン２０の外周面に沿って複数のポット２２が配設され、それぞれ工具Ｔを収納可能に構成されている。各ポット２２が工具Ｔを同軸状に支持し、複数の工具がマガジン２０の回転軸２４を中心に放射状に支持されている。変形例においては、チェーン式その他のマガジンを採用してもよい。

マガジン２０は、回転軸２４を中心に回転し、交換対象となる工具Ｔをその前端位置（図２における右端位置）において水平に支持する。すなわち、マガジン２０のポット２２は、収容室１０において交換対象となる工具Ｔ（「対象工具Ｔｘ」ともいう）を待機状態で支持する「工具支持部」として機能する。

収容室１０と加工室８とを仕切る隔壁２６には開口２８が設けられ、開口２８を開閉するためのシャッタ３０が配設されている。また、シャッタ３０を対象工具Ｔｘの長手方向に移動させて開口２８を開閉する開閉機構３２が設けられている。収容室１０にはＡＴＣ３４が設けられる。ＡＴＣ３４は、収容室１０にて待機状態で保持される工具Ｔ（「使用前工具Ｔｐ」ともいう）と、加工室８にて工具主軸（図示せず）に保持される工具Ｔ（「使用済工具Ｔｕ」ともいう）とを交換する。工具交換は、シャッタ３０が開放された状態で行われる。

対象工具Ｔｘは、収容室１０において交換対象として水平に支持される。対象工具Ｔｘには、工具交換直前の使用前工具Ｔｐと、工具交換直後の使用済工具Ｔｕが含まれる。本実施形態では、同一の工具について使用前工具Ｔｐの画像と使用済工具Ｔｕの画像を撮像する。それら使用前工具Ｔｐの画像と使用済工具Ｔｕの画像との対比に基づいて、使用済工具Ｔｕの状態（不良工具であるか否か等）を判定する。その詳細については後述する。

図３は、収容室１０内の構成を模式的に表す斜視図である。図４は、収容室１０と加工室８との境界部周辺を模式的に表す正面図である。
図３に示すように、対象工具Ｔｘは、収容室１０において水平に支持される。シャッタ３０は、開閉機構３２により対象工具Ｔｘの長手方向に駆動され、開口２８を開閉する。なお、対象工具Ｔｘの「長手方向」は、収容室１０にて対象工具Ｔｘを支持するポット２２の軸線に沿った方向であり「Ｚ軸方向」に対応する。対象工具Ｔｘの「短手方向」は、長手方向と直角をなす方向であり「Ｘ軸方向」や「Ｙ軸方向」を含む。開閉機構３２は、ねじ送り機構３３およびこれを駆動するサーボモータ３５を含む。

図４にも示すように、対象工具Ｔｘとシャッタ３０との間の空間にＡＴＣ３４が配設されている。ＡＴＣ３４は、モータを内蔵する本体３６と、モータの回転軸に取り付けられたアーム３８を備える。アーム３８は、回転軸に対して対称な形状を有し、その両端にそれぞれ把持部４０を有する。把持部４０は、固定爪４２と可動爪４４を含む。可動爪４４を駆動することにより把持部４０による把持動作を実現できる。

ＡＴＣ３４には、アーム３８を軸線方向へ移動させる並進機構と、アーム３８を軸線周りに回転させる回転機構が設けられる。モータには、並進機構を駆動する第１モータと、回転機構を駆動する第２モータとが含まれる。このような機構そのものは公知であるため、その詳細な説明については省略する。

ＡＴＣ３４の非作動時には、図４に示すように、アーム３８の長手方向を上下に向けた状態となる。それにより、シャッタ３０が閉じた状態でＡＴＣ３４が収容室１０に収まるようにしている。ＡＴＣ３４の作動時には、アーム３８の軸線を挟んで一方の側（収容室１０側）で使用前工具Ｔｐが待機し、他方の側（加工室８側）で使用済工具Ｔｕが待機する。このとき、シャッタ３０が開放される。

ＡＴＣ３４が作動すると、アーム３８が回転することで一対の把持部４０がそれぞれ使用前工具Ｔｐ、使用済工具Ｔｕを把持する。このとき、アーム３８は、一時的に開口２８を跨ぐことになる。さらに並進機構および回転機構が駆動されることで、ポット２２および工具主軸３７に対して工具の離脱および装着がなされ、工具交換が実現される。このようなＡＴＣの作動そのものは公知であるため、その詳細な説明については省略する。

対象工具Ｔｘの保持位置の上方にカメラ５０が配置され、下方に照明装置５２が配置される。カメラ５０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）などのイメージセンサ（撮像素子）を備える。本実施形態におけるカメラ５０は約工具情報格納部１００万画素（１２２４×１０２４）の解像度を有する。また、カメラ５０は１秒間に最大８０枚の撮像画像を取得可能である。

照明装置５２は、シャッタ３０の下部に固定されている。照明装置５２は「照明部」として機能し、対象工具Ｔｘを斜め下方から照らす。カメラ５０は「撮像部」として機能し、斜め上方から対象工具Ｔｘを撮像する。カメラ５０と照明装置５２とが対象工具Ｔｘに対して反対側に配置される。照明装置５２による透過照明により、カメラ５０は、工具Ｔの輪郭位置を把握しやすい、コントラストの高い撮像画像を取得できる。

図３に戻り、対象工具Ｔｘの撮像対象部を一画面に収めることができるよう、カメラ５０と対象工具Ｔｘとの距離（ワーキングディスタンス：以下「ＷＤ」とも表記する）が設定されている（図４参照）。なお、「撮像対象部」は、対象工具Ｔｘが不良工具となっているか否かを判定するために検査が必要な部分（「検査対象部」ともいう）を意味し、予め設定される。本実施形態では、対象工具Ｔｘにおいてポット２２に支持される基端から刃先までを撮像対象部としている。変形例においては、刃元から刃先までを撮像対象部としてもよい。

図４にも示すように、工具主軸３７の回転軸Ｌt、ＡＴＣ３４の回転軸Ｌｘ、シャッタ３０の移動方向、および工具交換の待機位置における対象工具Ｔｘの長手方向は、互いに平行（いずれもＺ軸に対して平行）に設計されている。

なお、図３および図４においては図示を省略するが、ＡＴＣ３４の本体３６、開閉機構３２、カメラ５０等の各構造体が、収容室１０内の壁面や梁など構造体に安定に固定されていることは言うまでもない。

図５は、工作機械１および画像処理装置１４のハードウェア構成図である。
工作機械１は、上述の加工装置２、工具収容装置４、ＡＴＣ３４のほか、加工制御装置６０および操作制御装置６２を含む。加工制御装置６０は、数値制御装置として機能し、加工プログラムにしたがって加工装置２に制御信号を出力する。加工装置２は、加工制御装置６０からの指示にしたがって工具主軸（図示せず）を駆動してワークを加工する。

操作制御装置６２は、操作盤１２を含み、加工制御装置６０を制御する。ＡＴＣ３４は、加工制御装置６０からの交換指示にしたがって工具収容装置４から工具を取り出し、工具主軸に保持される使用済工具Ｔｕと、工具収容装置４から取り出した使用前工具Ｔｐとを交換する。

画像処理装置１４は、主として、工具形状認識等の画像処理を行う。上述のように、画像処理装置１４は操作制御装置６２の一部として構成されてもよい。あるいは、画像処理装置１４を含めた全体を「工作機械１」と称してもよい。

図６は、画像処理装置１４の機能ブロック図である。
画像処理装置１４の各構成要素は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および各種補助プロセッサなどの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され、演算器に処理命令を供給するソフトウェアによって実現される。コンピュータプログラムは、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、それらの上位層に位置する各種アプリケーションプログラム、また、これらのプログラムに共通機能を提供するライブラリによって構成されてもよい。以下に説明する各ブロックは、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。

なお、操作制御装置６２および加工制御装置６０も、プロセッサなどの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され演算器に処理命令を供給するソフトウェアやプログラムを画像処理装置１４とは別個のオペレーティングシステム上で実現される形態でもよい。

画像処理装置１４は、ユーザインタフェース処理部７０、データ処理部７２、データ格納部７４および通信部７６を含む。
ユーザインタフェース処理部７０は、ユーザからの操作を受け付けるほか、画像表示や音声出力など、ユーザインタフェースに関する処理を担当する。通信部７６は、操作制御装置６２との通信を担当する。データ処理部７２は、ユーザインタフェース処理部７０により取得されたデータおよびデータ格納部７４に格納されているデータに基づいて各種処理を実行する。データ処理部７２は、ユーザインタフェース処理部７０、データ格納部７４および通信部７６のインタフェースとしても機能する。データ格納部７４は、各種プログラムと設定データを格納する。

ユーザインタフェース処理部７０は、入力部８０および出力部８２を含む。
入力部８０は、タッチパネルあるいはハンドル等のハードデバイスを介してユーザからの入力を受け付ける。出力部８２は、画像表示あるいは音声出力を介して、ユーザに各種情報を提供する。出力部８２は、報知部８４を含む。報知部８４は、交換対象となる工具の異常（不良工具が検出されたこと）など、所定の異常条件が成立したときにユーザに各種事象の発生を報知する（詳細後述）。

通信部７６は、操作制御装置６２からデータを受信する受信部１１０と、操作制御装置６２にデータおよびコマンドを送信する送信部１１２を含む。

データ処理部７２は、移動制御部９０、撮像処理部９２、形状再現部９４、工具管理部９６および判定処理部９８を含む。
移動制御部９０は、開閉機構３２を駆動制御してシャッタ３０の開閉（つまり照明装置５２の移動）を制御する。撮像処理部９２は、カメラ５０を制御して対象工具Ｔｘを撮像させる。形状再現部９４は、撮像画像に基づいて対象工具Ｔｘの形状を示すデータである「工具形状データ」を生成する。工具管理部９６は、対象工具Ｔｘごとに工具ＩＤと工具形状データとを対応づけてデータ格納部７４に登録する。

判定処理部９８は、対象工具Ｔｘの撮像画像に基づき、あるいは、工具形状データに基づいて、対象工具Ｔｘに欠損や折損あるいは切屑の巻き付きなどの異常が生じていないか（不良工具であるか否か）を判定する。判定処理部９８が対象工具Ｔｘの異常が判定されたとき、報知部８４がユーザにその旨を報知する。判定処理部９８は、操作制御装置６２にその旨を操作盤１２に表示させるよう指示してもよい。使用済工具Ｔｕが不良工具であると判定された場合、工具管理部９６は、その不良工具であるとの情報を工具ＩＤに対応づけ、工具情報としてデータ格納部７４に登録する。

データ格納部７４は、工具情報格納部１００および形状データ格納部１０２を含む。工具情報格納部１００は、マガジン２０に収納される各工具Ｔの情報（工具情報）を工具ＩＤに対応づけて格納する。工具情報には、例えば工具の種類や形状、大きさ、長さなどの情報が含まれる。さらに、累計使用時間や累計使用回数などの情報を含めてもよい。データ格納部７４はまた、撮像画像を一時記憶する。

工具情報格納部１００は、工具交換がなされるごとに工具情報を更新する。上述のように対象工具Ｔｘが不良工具であると判定された場合には、工具情報としてその旨を追加する。工具管理部９６は、その判定以降、不良工具にかかる工具Ｔの使用、つまりＡＴＣ３４により使用前工具Ｔｐとして工具交換することを禁止する。

形状データ格納部１０２は、形状再現部９４が生成した工具形状データを工具ＩＤに対応づけて格納する。本実施形態では、工具交換前後に工具形状データが作成される。このため、各対象工具Ｔｘについて、使用前工具Ｔｐの工具形状データ（以下「使用前工具形状データ」ともいう）と、使用済工具Ｔｕの工具形状データ（以下「使用済工具形状データ」ともいう）とが、工具ＩＤに対応づけて記憶される。判定処理部９８は、同一の工具について使用前工具形状データと使用済工具形状データとを比較することで、使用済工具Ｔｕが不良工具であるか否かを判定できる。

次に、工具の撮像方法について説明する。
図７は、撮像時における対象工具Ｔｘの照明方法を表す図である。図７（Ａ）～（Ｃ）は撮像過程を示す。各図の上段は側面視を示し、下段は平面視を示す。図中の二点鎖線は、照明により撮像画像のコントラストが良好となる領域（つまり撮像のために照明が良好な領域：以下「撮像推奨領域Ｓ」ともいう）を示す。

本実施形態では、所定の大きさの照明装置５２を使用する。一方、上述のように、対象工具Ｔｘにおいてポット２２に支持される基端から刃先までを撮像対象部Ｔａとしている。このため、図７（Ａ）に示すように、対象工具Ｔｘがある程度大きくなると、撮像対象部Ｔａを撮像推奨領域Ｓに収めることができず、撮像対象部Ｔａの全体にわたってコントラストが高い画像が得られない。そこで、照明装置５２としてより大きなものを用いることも考えられるが、既に述べたようにコスト上昇につながる。

そこで本実施形態では、開閉機構３２によりシャッタ３０を開閉駆動するとともに照明装置５２を移動させ、対象工具Ｔｘを複数回撮像し、複数の撮像画像に基づいて撮像対象部Ｔａ全体の形状を認識する方式を採用している。以下、複数の撮像画像のそれぞれにおける一部の領域、つまり対象工具Ｔｘの一部の画像を「部分画像」とよぶ。撮像処理部９２は、照明装置５２が移動されるとき、その移動前後および移動過程の少なくとも一方において対象工具Ｔｘの画像を複数回撮像し、複数枚の撮像画像を取得する。

具体的には、カメラ５０は、シャッタ３０が開方向に駆動されるとき（つまり開閉機構３２の開作動によりシャッタ３０が開方向に移動するとき）使用前工具Ｔｐの画像を複数回撮像する。また、カメラ５０は、シャッタ３０が閉方向に駆動されるとき（つまり開閉機構３２の閉作動によりシャッタ３０が閉方向に移動するとき）使用済工具Ｔｕの画像を複数回撮像する。使用前工具Ｔｐの撮像はＡＴＣ３４による工具交換直前に実行され、使用済工具Ｔｕの撮像はＡＴＣ３４による工具交換直後に実行される。

すなわち、使用前工具Ｔｐの撮像に関し、開閉機構３２の開作動起点で撮像し（図７（Ａ））、さらに開閉機構３２の開作動中間点および開作動終点にて撮像する（図７（Ｂ），（Ｃ））。なお、ここでいう「開作動起点」はシャッタ３０の閉状態に対応し、「開作動中間点」はシャッタ３０の中間開放状態に対応し、「開作動終点」はシャッタ３０の全開状態に対応する。「開作動中間点」は照明装置５２の一時停止点であってもよいし、移動通過点であってもよい。照明の変化によるノイズの少ない画像を取得するためには一時停止点とするのが好ましい。「開作動終点」は照明装置５２の閉移動起点でもある。なお、カメラ５０の露光時間を絞ることで、照明装置５２を開作動中間点にて一時停止することなく撮像してもよい。

図７の例では、開閉機構３２の開作動起点で１回撮像し（図７（Ａ））、開閉機構３２の開作動中間点でもう１回撮像し（図７（Ｂ））、開閉機構３２の開作動終点でさらにもう１回撮像している（図７（Ｃ））。シャッタ３０の開制御時に取得されるこれら３つの撮像画像うち１つ目の画像が第１使用前画像Ｐ１、２つ目の画像が第２使用前画像Ｐ２、３つ目の画像が第３使用前画像Ｐ３である。

照明装置５２が正面付近に位置するほどコントラストが高くなるため、各使用前画像において撮像推奨領域Ｓに対応する部分は異なる。第１使用前画像Ｐ１においては、撮像対象部Ｔａの基端側寄り部分が撮像推奨領域Ｓに収まる。第２使用前画像Ｐ２においては、撮像対象部Ｔａの中間部分が撮像推奨領域Ｓに収まる。第３使用前画像Ｐ３においては、撮像対象部Ｔａの先端側寄り部分が撮像推奨領域Ｓに収まる。なお、前後の撮像間での照明装置５２の移動量が撮像推奨領域Ｓの長さよりも小さいため、前後の使用前画像については撮像推奨領域Ｓが部分的にオーバラップする。

図８は、画像処理方法を表す図である。図８（Ａ）は画像抽出方法を示し、図８（Ｂ）は画像合成方法を示す。
撮像処理部９２は、使用前画像Ｐ１～Ｐ３について、それぞれコントラストが相対的に高い部分画像を抽出し（図８（Ａ））、抽出された複数の部分画像を合成して対象工具Ｔｘの全体画像を生成する（図８（Ｂ））。

すなわち、撮像処理部９２は、第１使用前画像Ｐ１について撮像推奨領域Ｓに収まる部分画像Ｐｂ１を抽出し、第２使用前画像Ｐ２について撮像推奨領域Ｓに収まる部分画像Ｐｂ２を抽出し、第３使用前画像Ｐ３について撮像推奨領域Ｓに収まる部分画像Ｐｂ３を抽出する（図８（Ａ））。そして、これらの部分画像Ｐｂ１～Ｐｂ３をつなげて合成することで、対象工具Ｔｘの全体画像Ｐａを生成する（図８（Ｂ））。これにより、全体画像Ｐａとしてコントラストが高い良質の画像を得ることができる。撮像処理部９２は、この全体画像Ｐａに基づいて使用前工具Ｔｐ（撮像対象部Ｔａ）の輪郭を特定する。

具体的には、撮像対象部Ｔａの全体画像Ｐａとして、照明装置５２により映し出された対象工具Ｔｘのシルエットが表示される。撮像処理部９２は、Ｘ軸方向に走査線を設定し、暗領域（対象工具Ｔｘが存在するシルエット領域）から明領域（対象工具Ｔｘが存在しない領域）の境界に位置する点をエッジ点として検出する。撮像処理部９２は、走査線を一定のピッチにてずらしながら複数のエッジ点を検出し、これらのエッジ点をつなぐことで対象工具Ｔｘの輪郭を特定する。形状再現部９４は、特定された輪郭に基づいて工具形状データ（使用前工具形状データ）を生成する。

一方、使用済工具Ｔｕの画像処理についても、撮像時におけるシャッタ３０の駆動方向（つまり照明装置５２の移動方向）が異なる点を除いては、使用前工具Ｔｐの場合と同様である。使用済工具Ｔｕの撮像処理は、使用前工具Ｔｐとの工具交換処理に続けて実行される。

すなわち、使用済工具Ｔｕの撮像に関し、開閉機構３２の閉作動起点で撮像し（図７（Ｃ））、さらに開閉機構３２の閉作動中間点および閉作動終点にて撮像する（図７（Ｂ），（Ａ））。なお、ここでいう「閉作動起点」はシャッタ３０の全開状態に対応し、「閉作動中間点」はシャッタ３０の中間閉鎖状態に対応し、「閉作動終点」はシャッタ３０の閉状態に対応する。「閉作動中間点」は照明装置５２の一時停止点であってもよいし、移動通過点であってもよい。照明の変化によるノイズの少ない画像を取得するためには一時停止点とするのが好ましい。「閉作動終点」は照明装置５２の開移動起点でもある。

開閉機構３２の閉作動起点で１回撮像し（図７（Ｃ））、開閉機構３２の閉作動中間点でもう１回撮像し（図７（Ｂ））、開閉機構３２の閉作動終点でさらにもう１回撮像する（図７（Ａ））。シャッタ３０の閉制御時に取得されるこれら３つの撮像画像うち１つ目の画像が第１使用済画像、２つ目の画像が第２使用済画像、３つ目の画像が第３使用済画像である。

なお、使用済工具Ｔｕの画像処理方法（画像抽出方法、画像合成方法）は、使用前工具Ｔｐの場合と同様である。各使用済画像においてコントラストの高い部分画像を抽出し、それらの部分画像を合成して全体画像を得る。その詳細な説明については省略する。撮像処理部９２は、その全体画像に基づいて使用済工具Ｔｕ（撮像対象部Ｔａ）の輪郭を特定する。形状再現部９４は、特定された輪郭に基づいて工具形状データ（使用済工具形状データ）を生成する。

判定処理部９８は、同一の工具について使用前工具形状データと使用済工具形状データとを比較する。判定処理部９８は、使用前工具形状と使用済工具形状の類似度、特に、輪郭の類似度が所定値以下となっているとき、対象工具Ｔｘに欠損等が発生している、つまり対象工具Ｔｘが不良工具になっていると判定する。このとき、報知部８４は、ユーザに不良工具が検出されたことを示すアラート画面を表示させる。あるいは、ブザー音などの音声を発生させてもよい。

図９は、使用前工具形状データ取得処理の処理過程を表すフローチャートである。
本処理は、工具交換に先立ち、使用前工具Ｔｐが収容室１０において待機状態で水平に保持されたことを契機に実行される。このとき、シャッタ３０は閉状態であり、照明装置５２は開移動起点にある。

撮像処理部９２は、本処理に先立って予め定める工具交換禁止フラグをオンにする（Ｓ１０）。使用前工具Ｔｐの撮像中にＡＴＣ３４による工具交換がなされることを禁止するものである。続いて、カメラ５０により使用前工具Ｔｐを撮像する（Ｓ１１）。このとき取得された画像は、第１使用前画像Ｐ１として記憶される。続いて、移動制御部９０が開閉機構３２を作動させてシャッタ３０を開方向へ移動させる（Ｓ１２）。それにより照明装置５２が次の照明位置に到達すると（Ｓ１４のＹ）、シャッタ３０を一時停止させる（Ｓ１６）。撮像処理部９２は、カメラ５０により使用前工具Ｔｐを撮像する（Ｓ１８）。このとき取得された画像は、第２使用前画像Ｐ２として記憶される。

設定回数の撮像が完了するまでは（Ｓ２０のＮ）、Ｓ１２～Ｓ１８の処理が繰り返される。本実施形態では、設定回数が３回とされており、第３使用前画像Ｐ３が取得されれば撮像完了となるが、工具の長さによってその設定回数を変更してもよい。設定回数の撮像が完了すると（Ｓ２０のＹ）、工具交換禁止フラグをオフにする（Ｓ２２）。この撮像完了をもって、ＡＴＣ３４による工具交換を許可するものである。言い換えれば、工具交換禁止フラグがオンにされている間に使用前工具Ｔｐに対する撮像処理が実行される。

撮像処理部９２は、上述した複数の使用前画像Ｐ１～Ｐ３のそれぞれからコントラストが高い部分画像Ｐｂ１～Ｐｂ３を抽出し（Ｓ２４）、これらを合成することで全体画像Ｐａを生成する（Ｓ２６）。形状再現部９４は、全体画像Ｐａに基づいて使用前工具形状データを生成する（Ｓ２８）。工具管理部９６は、この使用前工具形状データを工具ＩＤに対応づけて形状データ格納部１０２に格納させる（Ｓ３０）。この使用前工具形状データは、後述する工具検査のために使用される。

図１０は、工具検査処理の処理過程を表すフローチャートである。
本処理は、工具交換後の工具収納に先立ち、収容室１０において使用済工具Ｔｕが待機状態で水平に保持されたことを契機に実行される。このとき、シャッタ３０は全開状態であり、照明装置５２は閉移動起点にある。

撮像処理部９２は、カメラ５０により使用済工具Ｔｕを撮像する（Ｓ４０）。このとき取得された画像は、第１使用済画像として記憶される。続いて、移動制御部９０が開閉機構３２を作動させてシャッタ３０を閉方向へ移動させる（Ｓ４２）。それにより照明装置５２が次の照明位置に到達すると（Ｓ４４のＹ）、シャッタ３０を一時停止させる（Ｓ４６）。撮像処理部９２は、カメラ５０により使用済工具Ｔｕを撮像する（Ｓ４８）。このとき取得された画像は、第２使用済画像として記憶される。

設定回数の撮像が完了するまでは（Ｓ５０のＮ）、Ｓ４２～Ｓ４８の処理が繰り返される。本実施形態では、設定回数が３回とされており、第３使用済画像が取得されれば撮像完了となるが、工具の長さによってその設定回数を変更してもよい。設定回数の撮像が完了すると（Ｓ５０のＹ）、撮像処理部９２は、上述した複数の使用済画像のそれぞれからコントラストが高い部分画像を抽出し（Ｓ５２）、これらを合成することで全体画像を生成する（Ｓ５４）。形状再現部９４は、その全体画像に基づいて使用済工具形状データを生成する（Ｓ５６）。工具管理部９６は、この使用済工具形状データを形状データ格納部１０２に一時記憶する（Ｓ５８）。

判定処理部９８は、この使用済工具形状データと工具ＩＤが同じ使用前工具形状データを読み出し（Ｓ６０）、それらの工具形状データを比較する（Ｓ６２）。すなわち、同一の工具について使用前工具形状と使用済工具形状とを比較する。このとき、使用済工具形状と使用前工具形状との類似度が所定値以下の不良工具であれば（Ｓ６４のＹ）、報知部８４にその旨を報知させる（Ｓ６６）。すなわち、報知部８４がアラート画面を表示させる。不良工具でなければ（Ｓ６４のＮ）、Ｓ６６の処理をスキップする。

本実施形態では、工具交換後に不良工具と判定された使用済工具Ｔｕについてもマガジン２０に収納するが、所定のメンテナンスが行われるまでその工具を使用禁止とする。その工具が使用禁止であるとの情報は工具ＩＤに対応づけて記憶される。

工具には一般に、その品質を確保するために使用回数や使用時間（「品質保証パラメータ」ともいう）の上限値が決められている。その品質保証パラメータが上限値を超えた工具は使用禁止とされ、別途用意されマガジン２０に収納された同種の工具（サブ工具）が使用される。それにより、加工装置２による量産プロセスを阻害しないようにする。本実施形態では、品質保証パラメータが上限値を超えなくとも、不良工具が検出された場合には、該当する工具を使用禁止として管理しつつサブ工具を使用する。

以上、実施形態に基づいて工作機械１について説明した。
本実施形態では、シャッタ３０に照明装置５２を固定し、シャッタ３０の開閉作動とともに照明装置５２を対象工具Ｔｘの長手方向に移動させて複数回撮像を行うようにした。このため、照明装置５２として大きく高価なものを採用する必要がない。すなわち、本実施形態によれば、コストを抑えつつ、工具長によらず撮像画像のコントラストを確保でき、工具の形状検出を十分な精度をもって行うことができる。

工具検査処理はシャッタ３０が閉じた状態で行われるので、その間、加工装置２において新たな機械加工を実行できる。すなわち、加工処理中に画像処理ができるため、各処理がお互いに邪魔にならないといった利点もある。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

上記実施形態では、対象工具Ｔｘにおける撮像対象部Ｔａを３回撮像して合成することにより、コントラストの高い全体画像を取得する構成を例示した。つまり、対象工具Ｔｘの長さにかかわらず照明装置５２を移動させ、カメラ５０による撮像回数を複数回とした。このため、対象工具Ｔｘが短い場合には、撮像が空振りとなる可能性がある。

変形例においては、撮像対象部Ｔａが撮像推奨領域Ｓに収まる程度に短い場合、カメラ５０による撮像回数を１回としてもよい。すなわち、使用前工具Ｔｐについては照明装置５２の開移動起点にて１回の撮像に留めてもよい。使用済工具Ｔｕについては照明装置５２の閉移動終点にて１回の撮像に留めてもよい。

工具の長さ情報は、工具ＩＤに対応づけて工具情報格納部１００に格納されている。移動制御部９０は、対象工具Ｔｘに対応する工具情報を読み出し、その工具長さが第１基準値以下である場合に撮像回数を１回に留めてもよい。「第１基準値」は、撮像推奨領域Ｓの長さとしてもよいし、それ以下としてもよい(図７参照)。

また、２回の撮像で撮像対象部Ｔａの各部が撮像推奨領域Ｓに収まる場合、撮像回数を２回としてもよい。その場合、使用前工具Ｔｐについては、照明装置５２の開移動起点と開移動終点で撮像を行えばよい。また、使用済工具Ｔｕについては、照明装置５２の閉移動起点と閉移動終点で撮像を行えばよい。

逆に、３回の撮像では一部が撮像推奨領域Ｓに収まらない程度に撮像対象部Ｔａが長い場合、撮像回数を３回以上としてもよい。移動制御部９０は、対象工具Ｔｘの長さ（撮像対象部Ｔａの長さ）に応じてシャッタ３０の停止回数を設定してもよい。撮像処理部９２は、照明装置５２の移動が停止するごとに対象工具Ｔｘを撮像してもよい。

上記実施形態では、照明装置５２の移動中間点でシャッタ３０を一時停止し、照明装置５２を停止させた状態で対象工具Ｔｘを撮像する構成を例示した。変形例においては、照明装置５２の移動中間点でシャッタ３０の開閉速度（つまり照明装置５２の移動速度）を低下させて対象工具Ｔｘを撮像してもよい。つまり、照明装置５２を低速で移動させながら撮像を行ってもよい。

その場合、シャッタ速度に基づいて複数回（多数回）撮像してもよい。複数の撮像画像（画像１～ｎ）について、それぞれ複数の領域（領域１～ｍ）を同じように設定し、各領域を部分画像として取得してもよい。そして、複数の画像１～ｎにそれぞれ含まれる部分画像の中から各領域１～ｍについて最もコントラストが高い部分画像を抽出し、抽出された部分画像を合成して全体画像としてもよい。

図１１は、変形例にかかる照明および撮像方法を表す図である。図１１（Ａ）および（Ｂ）は撮像過程を示す。図中の一点鎖線はカメラ５０による撮像領域Ｓｐを示し、二点鎖線は照明装置５２により高いコントラストが得られる撮像推奨領域Ｓを示す。

上記実施形態では述べなかったが、図１１（Ａ）に示すように、対象工具Ｔｘは、ポット２２に支持されるホルダＴｈと、ホルダＴｈに同軸状に取り付けられる刃Ｔｂを含む。ホルダＴｈからの刃Ｔｂの突出長さをオーバーハングｌｏという。カメラ５０は、その撮像領域Ｓｐに対象工具Ｔｘの全体を収めることができる程度の画角を有する。

本変形例では、使用前工具について、シャッタ３０が開方向に移動を開始してから所定距離ｘ１移動した後にカメラ５０が１回目の撮像を行う（図１１（Ａ））。その後、シャッタ３０の移動距離が所定距離ｘ２移動した後にカメラ５０が２回目の撮像を行う。距離ｘ１は、撮像推奨領域Ｓに少なくともホルダＴｈの先端位置（つまり刃Ｔｂが突出する基端位置）が含まれるように設定される。距離ｘ２は、対象工具Ｔｘの刃部の長さ（より詳細にはオーバーハングｌｏ）の半分以上の大きさが設定される。

そして、上記実施形態と同様に、これら２回の撮像で得られた各撮像画像について撮像推奨領域Ｓに対応する部分画像を取得し、それらをつなげて合成することで刃部およびその周辺の画像を生成する。本変形例によれば、対象工具Ｔｘの刃部（刃Ｔｂの露出部）に重点をおいてコントラストの高い良質の画像を得ることができる。

なお、本変形例では、使用前工具について例示したが、使用済工具についても同様に良質の画像を得ることができる。その場合、カメラ５０は、交換直後の使用済工具の画像をシャッタ３０が閉方向に移動するときに撮像する。シャッタ２０が閉方向に移動を開始する前、又は閉方向に所定距離移動した後に１回目の撮像を行う。このとき、撮像推奨領域Ｓに少なくとも刃Ｔｂの先端位置が含まれるようにする。カメラ５０は、１回目の撮像をした後、シャッタ３０の移動距離が工具の刃部の長さの半分以上（つまりオーバーハング以上）移動した後に２回目の撮像を行う。

そして、これら２回の撮像で得られた各撮像画像について撮像推奨領域Ｓに対応する部分画像を取得し、それらをつなげて合成することで刃部およびその周辺の画像を生成することができる。

他の変形例においては、同一の工具に関し、シャッタ３０が開く前（動く前）にその使用前工具について第１の撮像（使用前撮像）をし、その使用済工具についての交換後、シャッタ３０が閉まった後に第２の撮像（使用後撮像）をしてもよい。ここで、使用前撮像による画像を「使用前撮像画像」、使用後撮像による画像を「使用後撮像画像」ともいう。この場合、使用後撮像画像に使用前撮像画像と同様に工具が含まれるか否かにより対象工具Ｔｘの折損有無を検知してもよい。すなわち、同様に工具が含まれない場合に折損検知としてもよい。シャッタ３０とともに照明装置５２が移動することで、加工室８からのミストなどの照明装置５２への付着を低減できる。

上記実施形態ではカメラ５０を固定し、照明装置５２を移動させて対象工具Ｔｘを複数回撮像する構成を例示した。変形例においては、カメラ５０および照明装置５２の双方を移動させて対象工具Ｔｘを複数回撮像してもよい。カメラ５０と照明装置５２とを対象工具Ｔｘに対して常にちょうど反対側に配置することで、よりコントラストの高い高品質な画像を取得できる。その場合、カメラ５０を対象工具Ｔｘの長手方向に移動させるための移動機構を設ける。

上記実施形態では、判定処理部９８が対象工具Ｔｘの不良を判定する構成を例示した。変形例においては、使用前工具Ｔｐおよび使用済工具Ｔｕについて形状再現部９４が生成した工具形状データを、出力部８２により対比可能に描画表示させてもよい。ユーザがそれら使用前後の工具形状を目視により比較することで対象工具Ｔｘが不良工具であるか否かを判定してもよい。

上記実施形態では、各対象工具Ｔｘについて工具交換前後（つまり機械加工の前後）において撮像を行い、工具形状データを生成した。そして、それぞれの工具について使用前工具形状データと使用済工具形状データとを比較することで、欠損等の異常がないかどうかを判定した。変形例においては、工具形状データ（工具輪郭データ）を生成することなく、工具画像そのものを使用して不良工具の判定処理を行ってもよい。すなわち、各対象工具Ｔｘについて使用前工具画像と使用済工具画像とを比較することで、使用済工具Ｔｕが不良工具であるか否かを判定してもよい。

上記実施形態では、各対象工具Ｔｘを機械加工の直前および直後で撮像し、それらの画像に基づいて使用済工具Ｔｕの状態（不良工具であるか否か）を判定した。つまり、使用直前の撮像画像を「参照画像」として判定の基準に用いる例を示した。変形例においては、工具の初回使用開始前の工具登録時に基本データとして参照画像を格納してもよい。ただし、照明の状態などの撮像環境を同等にしてより正確な形状検出（形状比較）を行うためには、機械加工の直前の画像と直後の画像とを比較するのが好ましい。

上記実施形態では、撮像部（カメラ５０）を対象工具Ｔｘの上方に配置し、照明部（照明装置５２）を対象工具Ｔｘの下方に配置する例を示した。変形例においては逆に、撮像部を対象工具Ｔｘの下方に配置し、照明部を対象工具Ｔｘの上方に配置してもよい。カメラのレンズの汚染防止の観点からは、上記実施形態の配置が好ましい。カメラを対象工具の下方に配置すると、例えばその対象工具が使用済工具であった場合、その使用済工具からクーラントが滴り、カメラのレンズを汚染する可能性があるためである。上記実施形態によればこのような懸念がない。

上記実施形態では、マガジン２０のポット２２を「工具支持部」とし、収容室１０において対象工具Ｔｘを待機状態で支持する構成を例示した。変形例においては、ＡＴＣ３４（より詳細にはアーム３８）を「工具支持部」として機能させてもよい。すなわち、ＡＴＣにより工具交換前又は工具交換後の対象工具を支持した状態で、シャッタによる照明部の移動および撮像部による撮像処理を行ってもよい。

上記実施形態では、「工具搬送部」としてＡＴＣ３４を例示したが、工具交換機能を有することなく、加工室と収容室との間で工具を搬送する工具搬送機構を設けてもよい。

上記実施形態では、工作機械１としてマシニングセンタを例示したが、上記工具の検査技術をターニングセンタや複合加工機にも適用できることは言うまでもない。

１ 工作機械、２ 加工装置、４ 工具収容装置、６ カバー、８ 加工室、１０ 収容室、１２ 操作盤、１４ 画像処理装置、２０ マガジン、２２ ポット、２６ 隔壁、２８ 開口、３０ シャッタ、３２ 開閉機構、３３ ねじ送り機構、３４ ＡＴＣ、３５ サーボモータ、３８ アーム、４０ 把持部、５０ カメラ、５２ 照明装置、６０ 加工制御装置、６２ 操作制御装置、７０ ユーザインタフェース処理部、７２ データ処理部、７４ データ格納部、７６ 通信部、８０ 入力部、８２ 出力部、８４ 報知部、９０ 移動制御部、９２ 撮像処理部、９４ 形状再現部、９６ 工具管理部、９８ 判定処理部、１００ 工具情報格納部、１０２ 形状データ格納部、Ｐａ 全体画像、Ｐｂ１ 部分画像、Ｐｂ２ 部分画像、Ｐｂ３ 部分画像、Ｓ 撮像推奨領域、Ｔ 工具、Ｔａ 撮像対象部、Ｔｐ 使用前工具、Ｔｕ 使用済工具、Ｔｘ 対象工具。

Claims (10)

1. 複数の工具が収容される収容室と、
   工具による機械加工が実行される加工室と、
   前記収容室と前記加工室との隔壁に設けられた開口を開閉するシャッタと、
   前記収容室において交換対象の工具を支持する工具支持部と、
   前記収容室に配置された撮像部と、
   前記シャッタに固定され、前記工具支持部に支持された工具を照らす照明部と、
   前記シャッタを前記工具の長手方向に移動させて前記開口を開閉する開閉機構と、
   を備え、
   前記シャッタと一体に前記照明部を移動させ、前記工具を撮像する、工作機械。
2. 前記照明部は、前記工具に対して前記撮像部とは反対側に位置する、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記撮像部は、前記シャッタが移動されるとき、その移動前後および移動過程の少なくとも一方において前記工具の画像を複数回撮像する、請求項１又は２に記載の工作機械。
4. 撮像された画像を記憶するデータ格納部と、
   撮像された画像に基づいて所定の処理を実行する撮像処理部と、
   を備え、
   前記撮像処理部は、
   同一の工具について複数回撮像して得られた複数の画像について、それぞれコントラストが相対的に高い部分画像を抽出し、
   抽出された複数の部分画像を合成して前記工具の全体画像を生成する、請求項３に記載の工作機械。
5. 前記撮像部は、交換直前の使用前工具の画像を前記シャッタが開方向に移動するときに撮像し、
   前記撮像部は、１回目の撮像をした後、前記シャッタの移動距離が前記工具の刃部の長さの半分以上移動した後に２回目の撮像を行う、請求項３又は４に記載の工作機械。
6. 前記撮像部は、前記シャッタが移動を開始して所定距離移動した後に前記１回目の撮像を行う、請求項５に記載の工作機械。
7. 前記撮像部は、交換直後の使用済工具の画像を前記シャッタが閉方向に移動するときに複数回撮像する、請求項３～６のいずれかに記載の工作機械。
8. 撮像された画像に基づいて所定の判定処理を実行する判定処理部をさらに備え、
   前記判定処理部は、前記使用済工具の画像と、前記使用済工具と同一の工具について予め取得した参照画像とに基づいて前記使用済工具の状態を判定する、請求項７に記載の工作機械。
9. 撮像された画像に基づいて所定の判定処理を実行する判定処理部をさらに備え、
   前記撮像部は、交換直前の使用前工具の画像を前記シャッタが開方向に移動するときに複数回撮像する一方、交換直後の使用済工具の画像を前記シャッタが閉方向に移動するときに複数回撮像し、
   前記判定処理部は、前記使用済工具の画像と、前記使用済工具と同一の工具について撮像された使用前工具の画像とに基づいて前記使用済工具の状態を判定する、請求項３又は４に記載の工作機械。
10. 複数の工具が収容される収容室と、
    工具による機械加工が実行される加工室と、
    前記収容室と前記加工室との隔壁に設けられた開口を開閉するシャッタと、
    前記収容室において交換対象の工具を支持する工具支持部と、
    前記収容室に配置された撮像部と、
    前記シャッタに固定され、前記工具支持部に支持された工具を照らす照明部と、
    前記シャッタを前記工具の長手方向に移動させて前記開口を開閉する開閉機構と、
    を備える、工作機械。

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