JP2022187130A - 工作機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】工具状態を把握するための撮像に関し、熱伝導や振動などによるカメラの位置ずれを抑制する。【解決手段】工作機械は、ワーク主軸104を回転可能に支持する主軸台と、所定の領域に保持される工具を撮像するカメラ106と、を備える。カメラが主軸台170に固定されている。カメラと対向配置される照明部108をさらに備えてもよい。その場合、カメラと照明部との間に領域が形成される。また、カメラが照明部よりも主軸台に近い位置に配置される。【選択図】図4

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。工具主軸あるいは刃物台などの工具保持部に工具は固定される。工作機械は、予め用意された加工プログラムにしたがって、工具を交換しつつ、工具保持部を動かしながらワークを加工する。
このような工作機械では、工具に欠損や折損などの異常があった場合、あるいは工具の摩耗が許容量を超えた場合、その工具(以下「不良工具」ともいう)を使用することはできない。このため、工具の使用に際して刃形状をカメラにより撮像し、その撮像画像に基づいて不良工具であるか否かを検査する技術が提案されている(特許文献1)。
工具検査は一般に、照明装置により工具を照らしながら撮像した画像に基づいて行われる。カメラと照明装置とが工具に対してちょうど反対側に配置されることで、カメラは、工具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。すなわち、工具とその背景とのコントラストの差から工具の輪郭を抽出し、工具形状データを生成する。このとき取得された工具形状に基づいて不良工具であるか否かを判定できる。
特開2015-131357号公報
ところで、工具検査用のカメラや照明装置は、一般に長尺状のアームに支持され、互いの位置関係が調整される。例えば、ワーク主軸を支持する主軸台にアームの基端が固定され、そのアームの先端にカメラが固定される。照明装置は、そのアームの基端側あるいは別のアームに固定される。カメラと照明部との間に検査領域が設けられる。工具検査時には、工具が検査領域に位置するよう工具主軸が移動される。
しかしながら、主軸台にはワーク主軸を回転させるモータが備えられ、そのモータが熱源となって高温になることがある。この主軸台からの熱伝導によりアームが伸長(膨張)し、カメラと工具との位置関係がずれる可能性がある。また、ワーク主軸の振動等の外乱によりカメラの位置が不安定になることもある。この位置関係のずれが検査精度を低下させる可能性がある。
本発明のある態様の工作機械は、ワーク主軸を回転可能に支持する主軸台と、所定の領域に保持される工具を撮像するカメラと、を備える。カメラが主軸台に固定されている。
本発明の別の態様の工作機械は、ワーク主軸を回転可能に支持する主軸台と、所定の領域に保持される工具を撮像するカメラと、カメラと対向配置される照明部と、を備える。カメラと照明部との間に領域が形成される。カメラが照明部よりも主軸台に近い位置に配置される。
本発明によれば、工具状態を把握するための撮像に関し、熱伝導や振動などによるカメラの位置ずれを抑制できる。
実施形態に係る工作機械の外観を表す斜視図である。 工具認識領域における工具、カメラおよび照明装置の位置関係を示す模式図である。 工具認識領域の周辺を表す斜視図である。 工具検査のための主要構成を表す図である。 工具検査のための主要構成を表す図である。 工具検査のための主要構成を表す図である。 工具検査のための主要構成を表す図である。 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。
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。
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100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複合加工機として構成されている。以下の説明では便宜上、工作機械100を正面からみて上下方向,前後方向,左右方向を、それぞれX軸方向,Y軸方向,Z軸方向とする。
工作機械100は、工具を用いてワークを加工する加工装置124と、交換対象となる複数の工具を格納する工具格納部130を備える。加工装置124は、加工領域200内に配置されるワークを加工する。ワークはワーク主軸104に固定され、工具主軸116に取り付けられる工具102により切削される。ワーク主軸104は駆動機構により回転駆動される。
工具格納部130と加工領域200との間に工具認識領域210が設けられる。工具認識領域210は、工具検査に用いられるカメラ106および照明装置108が設置される領域である。工具102が工具認識領域210内に挿入されたとき、上方の照明装置108は工具102を照明し、下方のカメラ106は工具102を撮像する。このときの撮像画像に基づいて後述の工具登録および工具検査が実行される。工具認識領域210の構成については図2に関連して更に詳述する。
工作機械100は、外部を遮断するカバー202を備える。カバー202は、ドア204を備える。ユーザは、ドア204を開口して、ワークの取り付けおよびワークの取り出しを行う。操作盤206は、作業者から工作機械100に対する各種操作を受け付ける。
操作盤206は、画像処理装置110と接続される。作業者は、画像処理装置110により工作機械100の作業状況を遠隔監視できる。本実施形態においては、工作機械100の本体と画像処理装置110は有線ケーブルを介して接続される。画像処理装置110は、工作機械100の内部、例えば操作盤206の内部装置として形成されてもよい。
操作盤206は工作機械100の一部として形成されてもよいし、工作機械100から着脱可能かつ運搬可能に構成されてもよい。
工具格納部130は、複数の工具102を格納する。工具格納部130に格納される複数の工具102から工具交換部(後述)により工具102を取得し、これを工具主軸116に装着する。
図2は、工具認識領域210における工具102、カメラ106および照明装置108の位置関係を示す模式図である。
工具102は、ワークの加工に利用される刃部112と、工具主軸116のホルダ118に固定されるシャンク部114を含む。工具主軸116は、主軸頭117により軸線周りに回転可能に支持されている。主軸頭117には、工具主軸116を回転駆動するためのスピンドルモータが設けられている。工作機械100には、主軸頭117を3軸方向(X,Y,Z軸方向)に移動させるための移動機構(図示略)が設けられている。この移動機構は、主軸頭117を移動させるためのねじ送り機構およびこれを駆動するサーボモータを含む。工具102は、主軸頭117と一体に3軸方向に移動し、工具主軸116と一体に回転する。
カメラ106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。カメラ106は、工具主軸116に取り付けられた工具102を下方から撮像する。カメラ106は画像処理装置110と接続され、撮像画像は画像処理装置110に送信される。工具102を回転させることにより、複数方向から工具102を撮像できる。また、工具102を水平方向(YZ方向)に動かすことにより、工具102の複数箇所を撮像できる。
カメラ106と対向するように照明装置108が配置される。照明装置108は工具102を上方から照明する。照明装置108による透過照明により、カメラ106は、工具102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。
ユーザは、工具102を新規登録するときには(以下、「工具登録」とよぶ)、操作盤206において工具登録モードに設定し、工具主軸116に新規の工具102を取り付ける。次に、任意の工具IDを入力する。工具主軸116は工具102を移動・回転させ、固定されたカメラ106は工具102を様々な位置および方向から自動的に撮像する。カメラ106により得られた多数の撮像画像から、工具形状が認識され、工具IDと工具形状が対応づけて登録される。このような制御方法により、工具102ごとに、工具形状を自動的に工具IDに対応づけて登録できる。工具形状は、二次元データあるいは三次元データとして形成される。
また、加工作業前あるいは加工作業後の工具102について検査を実行するときにも、工具主軸116は工具102を工具認識領域210に進入させる。新規登録時と同様、工具主軸116は工具102を移動・回転させ、カメラ106は工具102を様々な位置および方向から自動的に撮像する。カメラ106により得られた多数の撮像画像から、工具形状が認識される。以下、工具102について実行される検査を「工具検査」とよぶ。
作業者は、工具登録時の工具形状データと工具検査時の工具形状データを比較することにより、工具102の摩耗度、欠損の有無を判定する。例えば、カタログに示される仕様としての工具長が170.000ミリメートルであっても、工具登録時における工具長の計測値は170.008ミリメートルかもしれない。この場合には、登録時の工具長である170.008ミリメートルを基準として工具102の摩耗度を判断する。
本実施形態におけるカメラ106は約500万画素(2448×2048)の解像度を有する。撮像範囲は17ミリメートル×14ミリメートル程度である。より具体的には、撮像範囲は16.8ミリメートル×14.0ミリメートルであってもよい。また、カメラ106は1秒間に最大20枚の撮像画像を取得可能である。
工具主軸116側から見て、工具認識領域210の奥(Z軸負方向側)に工具格納部130が存在する(図1参照)。工具交換に際しては、工具主軸116は工具認識領域210内に深く進入し、工具格納部130において工具交換を受ける。一方、工具登録および工具検査のときには、工具主軸116は工具認識領域210に比較的浅く進入する。
次に、工具検査のための構造について詳細に説明する。
図3は、工具認識領域210の周辺を表す斜視図である。
加工装置124と工具格納部130との隔壁として内部カバー160が設けられている。内部カバー160には、ワーク主軸104を露出させるための開口162が形成されている。また、内部カバー160の所定位置に開口164が形成され、開口164を開閉可能なシャッター166が設けられている。加工領域200側からみてシャッター166の奥方、かつワーク主軸104の上方に工具認識領域210(空間)が形成される。上述のように、工具認識領域210には、カメラ106および照明装置108が配置される。加工領域200は、工具認識領域210を介して工具格納部130(図1)とつながる。
シャッター166は、加工領域200に対して工具認識領域210を開閉する可動式の仕切板である。シャッター166は、図示略のサーボモータを含む駆動機構により開閉駆動される。ワークの加工時においては、工具認識領域210はシャッター166により閉鎖される。加工中の加工領域200においては、ワークと工具102との摩擦熱を除去するための冷却液であるクーラントが噴射される。また、加工領域200内ではワークの切り屑も飛散する。このため、シャッター166により工具認識領域210を閉鎖することで、クーラント等が工具認識領域210内に入り込むのを防止する。
測定コマンド等により工具検査を指示されたとき、工作機械100はワークの加工を中止する。このとき、工作機械100は、クーラントの噴射も中止させる。次に、工具認識領域210の手前の所定位置(以下、「待機位置」とよぶ)に工具102を移動させ、待機位置にて工具102を高速回転させる。工具102を高速回転させることにより、工具102に付着しているクーラントおよび切り屑(以下、まとめて「付着物」とよぶ)を振り落とす。以下、待機位置において付着物を除去するために工具102を高速回転させることを「清掃回転」とよぶ。
清掃回転後にシャッター166が開口し、工具を工具認識領域210に進入させる。工具認識領域210に挿入された工具102をカメラ106で撮像することにより、工具検査が実行される。
上述したように、加工領域200は工具認識領域210を経由して工具格納部130につながっている。したがって、工具交換を行うときには、工具102を工具認識領域210の奥深くに差し込む。工具検査だけでなく、工具交換のときにも工具102は工具認識領域210を通過するので、通過前にも同様にして清掃回転を実行してもよい。
図4~図7は、工具検査のための主要構成を表す図である。図4および図5は、内部カバー160を取り除いた状態で加工領域200側から工具認識領域210をみた状態(ワーク主軸104の軸線方向にみた状態)を示す。図6および図7は、図4のA方向矢視図である(ワーク主軸104の軸線と直角方向にみた状態を示す)。図中の二点鎖線は、工具検査に際して工具認識領域210に工具102を保持した状態を模式的に示す。
図4に示すように、ワーク主軸104が主軸台170に回転可能に支持され、その主軸台170にカメラ106が固定されている。一方、主軸台170の上方に設けられたアーム172に照明装置108が固定されている。より詳細には、ワーク主軸104の回転軸の軸線(つまりワーク主軸104の軸線)と交わる鉛直線L1からオフセットした位置において、カメラ106が主軸台170に固定されている。
一方、アーム172は、基端部(下端部)が工具格納部130の筐体に固定され、主軸台170の上方に向けて延出している。照明装置108は、アーム172の先端部(上端部)に固定され、鉛直線L1上に位置する。カメラ106は、その受光面が斜め上方に向けて配置され、その光軸L2は、鉛直線L1に対して所定角度(傾斜角θ)にて傾斜している。照明装置108は、光軸L2上に位置するようその発光面が斜め下方に向けて配置されている。工具認識領域210におけるカメラ106と照明装置108との間に所定の領域、つまり検査領域212が形成される。工具検査の際には、工具102における撮像対象部(検査のために撮像される部分)が検査領域212に配置される。
上述した清掃回転を行っても工具102の表面に付着したクーラントや洗浄液等の液体の全てを除去できるわけではない。僅かに残ったクーラント等が滴っても下方のカメラ106(特に受光面)を汚染しないよう傾斜角θが設定され、カメラ106が工具102の直下からオフセットされている。本実施形態では、傾斜角θを20度に設定しているが、15度以上90度以下の範囲で適宜設定できる。ただし、本実施形態では図示のようにカメラ106を主軸台170に直付けすること、工作機械100内のスペースを有効活用することなどを考慮すると、傾斜角θを20度前後とするのが好ましい。
より詳細には、図5にも示すように、照明装置108の横には照明装置108の発光面を覆うためのカバー306が設置される。図示を省略するが、カメラ106の横にもカメラ106の受光面を覆うためのカバーを設置してもよい。鉛直線L1に沿って見た場合(または、鉛直線L1の上方から見た場合)、照明装置108とカバー306とが、カメラ106と重ならない位置関係を有する程度に光軸L2が傾けられる(図中の鉛直線L1と平行な二点鎖線参照)。
それにより、カメラ106が工具102の直下からオフセットされる。その結果、工具認識領域210に挿入された工具102からクーラント等が垂れたとしても、カメラ106やそのカバーに付着することを抑制し、カメラ106の汚染を抑制できる。
また、光軸L2を傾斜させることで、照明装置108を固定しているアーム172から離れた位置に工具102を移動させることになるため、工具径が大きい工具102を撮像することも可能となる。
図示のように、ワーク主軸104の軸線L3からワーク主軸104の端部までの距離(つまりワーク主軸104の半径)をD1とすると、ワーク主軸104の軸線L3に沿って見た場合に、その軸線L3から距離D1の2倍である距離D2(ワーク主軸104の直径に対応)の範囲内に、カメラ106の全部または一部が含まれるように配置されている。
図6にも示すように、工具102は、カメラ106と照明装置108の中間に挿入される。カメラ106の側部には下方から工具102を照らすための副照明装置308も設置される。カメラ106および照明装置108の各カバーは、Z軸方向に延びる回転軸を中心に回転駆動され、受光面や発光面を開放又は閉鎖するが、その詳細な説明については省略する。
工具検査は、工具102を照明装置108により上方から照射した状態で、カメラ106により工具102を撮像する。工具交換のときには、工具102は工具検査時に比べて工具認識領域210に深く進入する。
本実施形態では、カメラ106そのものにリング照明が設けられている。図7にも示すように、ワーク主軸104の軸線L3と直角方向(図5のA方向)に見た場合に、カメラ106の光軸L2は、ワーク主軸104と重なる。一方、図5に示したように、ワーク主軸104の軸線L3の方向に見た場合には、カメラ106の光軸L2は、ワーク主軸104と重ならない。
図8は、工作機械100および画像処理装置110のハードウェア構成図である。
工作機械100は、操作制御装置120、表示装置121、加工制御装置122、加工装置124、工具交換部126および工具格納部130を含む。数値制御装置として機能する加工制御装置122は、加工プログラムにしたがって加工装置124に制御信号を送信する。加工装置124は、加工制御装置122からの指示にしたがって工具主軸116を動かしてワークを加工する。
操作制御装置120は、操作盤206を含み、加工制御装置122を制御する。表示装置121は、操作盤206に設けられた表示部として機能し、各種画像を画面表示させる。工具格納部130は工具を格納する。工具交換部126は、いわゆるATC(Automatic Tool Changer)に対応し、加工領域200の外側(つまり内部カバー160に対して工具格納部130側)に設けられている(図1,図3参照)。工具交換部126は、加工制御装置122からの交換指示にしたがって、工具格納部130から工具を取り出し、工具主軸116にある工具と取り出した工具を交換する。
画像処理装置110は、主として、工具形状認識等の画像処理を行う。上述したように、画像処理装置110は操作制御装置120の一部として構成されてもよい。画像処理装置110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。
図9は、画像処理装置110の機能ブロック図である。
画像処理装置110の各構成要素は、CPU(Central Processing Unit)および各種コンピュータ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120および加工制御装置122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110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110は、データ処理部142、通信部400およびデータ格納部144を含む。通信部400は、操作制御装置120との通信を担当する。データ処理部142は、操作制御装置120から受信したデータや、データ格納部144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142は、通信部400およびデータ格納部144のインタフェースとしても機能する。データ格納部144は、各種プログラムと設定データを格納する。
通信部400は、操作制御装置120からデータを受信する受信部404と、操作制御装置120にデータおよびコマンドを送信する送信部406を含む。
データ処理部142は、工具形状検出部150および撮像画像取得部152を含む。
撮像画像取得部152は、カメラ106を制御して工具102を撮像させる。加工制御装置122は工具102を工具認識領域210に移動させ、撮像画像取得部152は工具102を撮像する。撮像画像取得部152から加工制御装置122に工具主軸116(つまり工具102)の移動方向を指示することもできる。工具形状検出部150は、工具102の撮像画像に基づいて工具形状データを生成することで工具検査および工具登録を実行する。画像処理装置110は、工具検査において画像処理した結果を操作制御装置120に送信し、表示装置121に表示させる。
以上、実施形態に基づいて工作機械100について説明した。
本実施形態では、ワーク主軸104(詳細にはワーク主軸104を回転駆動するモータ)が熱源となり、主軸台170が比較的高温になるところ、カメラ106が長尺のアームを介することなく主軸台170に固定される。すなわち、カメラ106と主軸台170との間に大きく熱変形する部材が介在しないため、主軸台170が高温になってもカメラ106が設定位置からずれることを抑制できる。また、ワーク主軸104の振動等の外乱によりカメラ106が大きく変位することもない。一方、照明装置108はアーム172に支持されるが、照明機能を有すれば足り、工具102に対してカメラ106ほどの位置精度を要しないため、実質的な問題は生じない。
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。
上記実施形態では述べなかったが、工具主軸の軸線とカメラの光軸との位置ずれを補正するために、カメラのキャリブレーション(カメラ校正)を行ってもよい。具体的には、所定パターンが印刷されたキャリブレーションプレートを使用できる。このキャリブレーションプレートとカメラの相対的な位置関係を求めることによって、工具主軸の軸線とカメラの光軸との位置ずれを補正する。
具体的には、工具認識領域内の任意の位置にキャリブレーションプレートを設定しておく。ただし、キャリブレーションプレートの位置と向きは特定されているものとする。そして、カメラで、このキャリブレーションプレートを撮像する。その結果得られる撮像画像に映りこんでいるキャリブレーションプレートの所定パターンを抽出し、抽出された所定パターンを画像解析する。このとき、所定パターンの形状の変形具合などに基づいて、カメラのアングル、つまりカメラ光軸の方向を特定する。このときの工具主軸の位置がわかっているので、工具主軸とカメラとの相対的な位置関係を割り出すことができる。そして、実際にカメラを測定に用いるときに、そのときの工具主軸との位置に基づいて、カメラの位置や光軸の方向を特定して、その時々のカメラの姿勢を考慮した上での測定値の補正が可能になる。
上記実施形態では、カメラ106を主軸台170に近接するように固定する構成を例示した。変形例においては、カメラと主軸台との間に所定の取付部材を介在させてもよい。ただし、カメラが照明装置よりも主軸台に近い位置に配置されるようにする。カメラは、工具よりも下方に配置されるようにする。
上記実施形態では、アーム172の基端部が工具格納部130の筐体に固定される例を示したが、工具格納部130を構成する支柱その他の内部構造体に固定されてもよい。
上記実施形態では、アーム172の基端部を工具格納部130に固定する例を示したが、主軸台170に固定してもよい。その場合、アーム172の熱変形により照明装置108が設定位置からずれる可能性があるが、上述のとおり、照明装置108はカメラ106ほどの位置精度を要しないため、実質的な問題は生じ難い。カメラ106をアーム172の基端部(つまり主軸台170の近傍)に固定してもよい。
上記実施形態では、光軸L2が鉛直線L1に対して傾斜するようにカメラ106を設置した例を示した。すなわち、カメラ106を工具102の直下からオフセットした位置に配置した。変形例においては、光軸L2が鉛直線L1と平行となるようにカメラ106を設置してもよい。すなわち、クーラントの滴下による汚染対策を講じたうえでカメラ106を工具102の直下に配置し、照明装置108を工具102の上方に配置してもよい。
100 工作機械、102 工具、104 ワーク主軸、106 カメラ、108 照明装置、110 画像処理装置、112 刃部、116 工具主軸、117 主軸頭、120 操作制御装置、122 加工制御装置、124 加工装置、126 工具交換部、130 工具格納部、142 データ処理部、144 データ格納部、150 工具形状検出部、152 撮像画像取得部、160 内部カバー、162 開口、164 開口、166 シャッター、170 主軸台、172 アーム、200 加工領域、202 カバー、206 操作盤、210 工具認識領域、212 検査領域、306 カバー、400 通信部、L1 鉛直線、L2 光軸。

Claims (5)

  1. ワーク主軸を回転可能に支持する主軸台と、
    所定の領域に保持される工具を撮像するカメラと、
    を備え、
    前記カメラが前記主軸台に固定されている、工作機械。
  2. 前記カメラの上方において前記カメラと対向配置される照明部をさらに備え、
    前記カメラと前記照明部との間に前記領域が形成され、
    前記カメラは、光軸が鉛直方向に対して斜めとなるように前記主軸台に固定されている、請求項1に記載の工作機械。
  3. 前記照明部が固定されるアームをさらに備え、
    前記アームが、前記主軸台と離間した工具格納部の筐体又は内部構造体に固定されている、請求項2に記載の工作機械。
  4. ワーク主軸を回転可能に支持する主軸台と、
    所定の領域に保持される工具を撮像するカメラと、
    前記カメラと対向配置される照明部と、
    を備え、
    前記カメラと前記照明部との間に前記領域が形成され、
    前記カメラが前記照明部よりも前記主軸台に近い位置に配置される、工作機械。
  5. 前記カメラの受光面が上方に向けられている、請求項1~4のいずれかに記載の工作機械。
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