JP3716573B2 - Non-contact temperature distribution measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削加工中における切削工具の二次元温度分布を非接触の状態で計測する非接触温度分布計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
物体の表面温度を非接触で計測する装置として、物体表面より放射する遠赤外像を撮像する遠赤外像形成装置(サーモグラフ)が一般的に知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この遠赤外像形成装置は、測定対象物の表面の温度分布を計測するものである。このため、切削加工中に被削材から発生する切り屑によって切削工具が隠れてしまい、切削工具の刃先や刃先すくい面等の二次元温度分布を計測することができないという問題がある。
【0004】
また、切削工具中に熱伝対を埋設し、この熱伝対で切削工具の温度を計測する1本バイト法と呼ばれる温度計測方法が知られているが、この方法では、切削工具の比較的広い範囲の二次元温度分布を計測することができない。また、この方法では、切削工具中に熱伝対を埋設するための穴や溝等を形成する必要があるため、切削工具の機械的強度が低下する問題がある。また、このような穴や溝を形成するための煩雑な前処理が必要になる等の問題がある。
【0005】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、切削加工中における切削工具の二次元温度分布を、非接触の状態で、より簡易に且つ高精度で計測することができる非接触温度分布計測装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、切削加工中における切削工具の二次元温度分布を計測する非接触温度分布計測装置において、前記切削加工中に、前記切削工具と被削材とを接触させることによる実質的な切削期間と、前記切削工具と前記被削材とを離すことによる実質的な非切削期間とを設定する切削状態設定手段と、所定の遅延時間毎に、前記切削工具を複数回撮像する撮像手段と、前記撮像手段による複数回の撮像で得られる複数の画像情報を、前記切削工具の同一部位に該当する情報毎に、前記切替わり時点からの露出経過時間に対応付けて、前記露出経過時間に対する画像情報の変化傾向を求める変化特性演算手段と、前記変化特性演算手段により求められた前記変化傾向基づいて、前記切替わり時点における切削工具の二次元温度分布を演算する温度分布演算手段とを備える構成とした。
【0007】
【作用】
センサ手段により検出された切り替わり時点を基準にして、複数の異なる遅延時間毎に、切削工具を複数回撮像することにより、切削工具の複数の露出画像情報が得られる。これらの複数の画像情報を、切削工具の同一部位に該当する情報毎に、切替わり時点からの露出経過時間に対応付けることにより、露出状態となった切削工具の温度変化の傾向が得られる。この変化傾向に基づいて、前記切替わり時点における切削工具の温度を演算することにより、被削材に切削工具が接触しているとき、即ち、切削加工中における切削工具の二次元温度分布が求まる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図1〜図12を参照して説明する。尚、これらの図において、同一又は同等の構成要素を同一符号で示している。
【0009】
図1は、実施の形態の非接触温度分布測定装置の構成を示すブロック図、図2は、測定対象物への本装置の設置態様の一例を示す図である。
【0010】
図1において、本装置は、測定対象物を撮像するための撮像ユニットと、撮像ユニットから出力される画像信号SAWを解析して測定対象物の二次元温度分布を求める解析ユニットを備えている。
【0011】
撮像ユニットは、図2に示すように、二次元撮像デバイスにて撮像するカメラ機構2と、フォトトランジスタ等からなる光センサ4を備えている。
【0012】
カメラ機構2と光センサ4は、測定対象物に対して適宜の位置に配置される。例えば、同図に示すように、各種の旋盤装置を用いて切削加工を行う際に、周方向θに回転する被削材6の周側壁を切削するための切削工具8の刃先及び刃先すくい面の二次元温度分布を計測する場合には、カメラ機構2は、その撮像可能範囲(一点鎖線AWで示す視野範囲)内に、測定しようとする切削工具8が収まるように配置され、光センサ4は被削材6の周側壁に向けて配置される。
【0013】
尚、切削加工中に被削材6から生じる切り屑などが飛散して、カメラ機構2の撮像面を汚染する等の問題を未然に防止するために、カメラ機構2中の撮像光学系は、焦点距離が50mm以上、解像力が30μm以下の値の光学特性が得られるように設計されている。ここで、解像力とは、細部再現能力の限界値を意味し、例えば、等間隔の白黒縞パターンを撮像したときに、それらを分離して撮像することができる限界点における、その黒の最少の縞間隔と定義するものとする。また、より好ましくは、焦点距離を100mm以上、解像力を25μmより高細密(解像力≦25μm)に設定することが望ましい。
【0014】
更に、切削加工中に、被削材6と切削工具8とが接触することによる実質的な切削期間と、被削材6と切削工具8とが離れることによる実質的な非切削時間とを設定するための切削状態設定手段として、切削工具8にて切削される被切削面10よりも内側に切欠部12を有する被削材6が用いられる。したがって、被削材6が周方向θに回転すると、切削工具8が切欠部12を通過するときには被削材6から離れるため、一時的に切削加工が行われなくなり、切削工具8の刃先及び刃先すくい面が露出する。
【0015】
尚、図3に示すように、カメラ機構2は、内蔵されている二次元撮像デバイスの水平ライン方向jと被削材6の回転方向(周方向)θとがほぼ直交するように配置される。これにより、被削材6が第1番目(i=1)の水平ライン側から垂直ライン方向iに沿って撮像可能範囲AW内を移動するようになる。
【0016】
また、切欠部12の形状や大きさは任意でよい。要は、切削加工中に切削工具8が被削材6から離れて実質的に切削加工がなされない状態を生じさせる形状であればよい。
【0017】
図1において、前記解析ユニットは、演算制御機能を有し且つ解析ユニット全体の動作を制御するマイクロプロセッサ(MPU)等を有する制御部14と、カメラ機構2の撮像動作を制御する撮像制御部16と、カメラ機構2から出力される画像信号SAWに基づいて切削工具8の表面の二次元温度分布を求める画像処理部18と、外部表示装置や外部記憶装置、キーボード等の外部機器を接続するための入出力ポート20を備えており、これらの各構成要素14〜20は、所謂バスラインBUSを介して接続されている。
【0018】
撮像制御部16には、同期検出部22と、計測条件設定部24、計測条件記憶メモリ26及び駆動部28が備えられている。
【0019】
同期検出部22は、被削材6の回転している間に光センサ4から出力される光検出信号SPDの振幅変化に基づいて、被切削面10から切欠部12へ切り替わる時点(以下、第1の同期時点という)tFと、切欠部12から被切削面10へ切り替わる時点(以下、第2の同期時点という)tEを検出する。
【0020】
図4は、同期検出部22による前記第1の同期時点tFと第2の同期時点tEの検出動作を示すタイミングチャートである。同図において、光センサ4から出力される光検出信号SPDの振幅は、被切削面10を受光した場合と切欠部12を受光した場合とでは変化する。この光検出信号SPDを微分処理することにより、パルス状の微分波形信号ΔSPDを生成する。更に、微分波形信号ΔSPDのマイナス側のパルス波形が所定の閾値THD2を超えた時点で論理“H”となる第1の同期信号Soutと、プラス側のパルス波形が所定の閾値THD1を超えた時点で論理“H”となる第2の同期信号Sinが形成される。そして、第1の同期信号Soutの論理“H”となる時点を第1の同期時点tF、第2の同期信号Sinの論理“H”となる時点を第2の同期時点tEと判定する。
【0021】
計測条件設定部24は、第1,第2の同期信号Sout,Sinで設定される第1,第2の同期時点tF,tEに基づいて、被削材6が1回転するのに要する時間T0と、被削材6の回転速度Vと、光センサ4の前方を切欠部12が通過するのに要する通過時間TWと、光センサ4の前方を被切削面10が通過するのに要する通過時間TSと、切欠部分12の周方向θの幅Wなどを求める。
【0022】
更に、切欠部12を切削工具8が通過するのに要する期間(即ち、TW)内に撮像すべきフレーム数Nでこの期間TWを割り算することにより、シャッタタイミングの基準となる基準遅延時間Δ(=TW/N)を求める。尚、フレーム数Nは、操作者が任意に設定できるようになっている。
【0023】
そして、計測条件設定部24で求められたこれらの計測条件データT0,V,TW,TS,W,N,Δは、計測条件記憶メモリ26に格納され、後述する画像処理部18が二次元温度分布を演算する際に利用される。
【0024】
駆動部28は、同期検出部22から出力される第1の同期信号Soutが論理“H”となる時点(第1の同期時点)tFを検知する毎に、時間TSに基準遅延時間Δの整数m倍の時間を加えて成る遅延時間τm(=TS+mΔ)が経過した時点でカメラ機構2にシャッタ信号STを供給する。尚、時間TSは、光センサ4が時点tEを検出してから、切削工具8が切欠部12に侵入するまでのオフセット期間である。即ち、時間TSは、光センサ4と切削工具8とのオフセット間隔を被削材6の回転速度Vで割り算することにより求められる。
【0025】
そして、遅延時間τmが時間TS+N×Δに達すると、再び遅延時間時間τmをリセットして、基準遅延時間Δから順次に増加させつつ、カメラ機構2へのシャッタタイミングを設定していく処理を繰り返す。
【0026】
このように遅延時間τmを可変制御しつつカメラ機構2に撮像動作を行わせることで、図5(a)〜(e)に示す被削材6と切削工具8との相対的な位置関係に対応した、同図(a’)〜(e’)のような画像が得られる。
【0027】
図1において、画像処理部18には、A/D変換器30、温度補償部32、測定範囲抽出部34、露出経過時間判定部36、温度変化特性演算部38、温度分布演算部40、画像合成部42、撮像画像メモリ44、温度変化特性メモリ46、合成画像メモリ48が備えられている。
【0028】
A/D変換器30は、前記遅延時間τm毎にカメラ機構2が撮像して出力する画像信号SAWをデジタル画像データDAWに変換し、各遅延時間τmに対応付けたフレーム画像ファイルとして撮像画像メモリ44に格納させる。
【0029】
温度補償部32は、撮像画像メモリ44に格納された輝度成分を表すデジタル画像データDAWを、温度成分を表すデジタル画像データ(以下、温度画像データという)TDAWに変換する。そして、再び各遅延時間τmに対応付けたフレーム画像ファイルとして撮像画像メモリ44に格納する。ここで、デジタル画像データDAWを構成している各画素データPi,j(但し、1≦i≦I,1≦j≦J)を、次式(1)のステファンボルツマンの式を適用することにより、温度成分の温度画像データTDAWを求める。
【0030】
ω=εσT4 …(1)
但し、ωは赤外線エネルギー(各画素データPi,jの輝度に相当する)、Tは物体の絶対温度(各温度画素データTPi,jに相当する)、εは放射率(ε≦1)、σはステファンボルツマンの定数である。
【0031】
測定範囲抽出部34は、撮像画像メモリ44に格納された複数フレーム画像分の温度画像データTDAWから、切削工具8が実質的に切削加工しない期間に該当する温度画像データTRBを抽出して、合成画像メモリ48に格納させる。即ち、温度画像データTDAWのうち、切削加工中に生じる切り屑によって切削工具8の刃先及び刃先すくい面が隠れている画像のデータは抽出せず、切削工具8が被削材6の切欠部12を通過して実質的に切削が行われなかったときに得られた温度画像データTRBを抽出する。この処理により、切り屑に邪魔されずに露出した切削工具8の画像を表す温度画像データTRBが抽出される。
【0032】
図6は、温度画像データTRBの抽出原理を示す図である。各フレーム画像ファイルの温度画像データTRAWについて、前記二次元撮像デバイスの垂直ライン方向iに沿った画素群(例えば、同図中のQ1−Q1線上に在る画素群と、Q2−Q2線上に在る画素群)より得られた温度画素データの温度変化分布を調べる。Q1−Q1線上の画素群の温度画像データの変化から、切欠部12の範囲WBを検出し、この範囲WB内に切削工具8に該当する温度画像データが存在する場合には、その温度画像データTRAWを抽出することにより、切り屑で隠れていない切削工具8を表している画素温度データTRBを得る。
【0033】
また、前述のように切欠部12の範囲WBを検出して、この範囲WB内に存在する温度画像データデータTRAWだけを抽出することによって、被削材6の非切削面10等に該当する温度画像データを取り除くと共に、切り屑で隠れていない切削工具8を表している画素温度データTRBを得るようにしてもよい。
【0034】
露出経過時間判定部36は、切り屑で隠れていた切削工具8の各部位が切欠部12を通過することで露出状態になった時点(瞬間)から、カメラ機構2によって撮像されるまでの経過時間(以下、露出経過時間という)τを、夫々の温度画像データTRBに基づいて演算する。
【0035】
図3及び図7に基づいて、この露出経過時間τの演算原理を説明する。図3で説明したように、被削材6の画像はカメラ機構2に内蔵されている二次元撮像デバイスの垂直ライン方向iに沿って移動していく。したがって、切削工具8は被削材6に対してそれとは相対的に逆方向へ移動することになる。この関係から、図7に示すように、切欠部12の前縁部分Eから遠い部位ほど露出経過時間τは長くなる。例えば、図7中に示す同一の特定部位xにおける露出経過時間τは、同図(a)から同図(c)に移るにしたがって次第に長くなる。
【0036】
そこで、図7に示すように、特定部位xの温度画素データTPi,jを有している複数の温度画像データTRB(1)〜TRB(N)を合成画像メモリ48から読み出し、温度画像データTRB(1)〜TRB(N)における、切欠部12の前縁部分Eに当たる水平ラインIE(1)〜IE(N)と、特定部位xに該当する温度画素データTPi,jの位置する水平ラインIF(1)〜IF(N)を検出する。更に、夫々の水平ラインIE(1)〜IE(N)とIF(1)〜IF(N)との間に存在する水平ライン数IF(1)−IE(1),〜,IF(N)−IE(N)を算出する。そして、切欠部12が二次元撮像デバイスの1水平ライン期間を通過するのに要する時間δを、これらの水平ライン数IF(1)−IE(1),〜,IF(N)−IE(N)に掛け算することにより、特定部位xの露出経過時間τ(1)〜τ(N)を求めている。
【0037】
即ち、図7に示す温度画像データTRB(1)中の温度画素データTPi,jの露出経過時間τ(1)は、τ(1)=(IF(1)−IE(1))×δとなり、温度画像データTRB(2)中の温度画素データTPi,jの露出経過時間τ(2)は、τ(2)=(IF(2)−IE(2))×δとなり、以下同様に、温度画像データTRB(N)中の温度画素データTPi,jの露出経過時間τ(N)は、τ(N)=(IF(N)−IE(N))×δとなる。また、残余の温度画素データの露出経過時間τも同様に求められる。
【0038】
尚、時間δは、被削材8の回転速度Vと撮像可能範囲AWの周方向θの長さLAWと二次元撮像デバイスの全水平ライン数Iに基づいて、δ=LAW/(I×V)の関係式により求められる。
【0039】
温度変化特性演算部38は、合成画像メモリ48に格納されている複数ファイルの温度画像データTRBについて、切削工具8の同一部位に該当する画素データTPi,jを露出経過時間τ(1)〜τ(N)に沿って配列し、その部位の露出してからの温度変化の傾向を表す温度特性曲線CPi,jを推定演算する。
【0040】
図8は、切削工具8のある特定部位に該当する温度画素データTPi,jについての温度特性曲線CPi,jの演算原理を代表して示す。同図において、温度画像データTRB(1)〜TRB(N)から、温度画素データTPi,j(1)〜TPi,j(N)を読出し、これらの温度画素データTPi,j(1)〜TPi,j(N)を夫々の露出経過時間τ(1)〜τ(N)に沿って配列する。カーブフィット法や最小2乗法等の統計処理、ニューラルネット法等を用いて温度画素データTPi,j(1)〜TPi,j(N)の変化傾向を表す温度特性曲線CPi,jを推定演算する。また、切削工具8の残余の部位についても同様の推定演算を行うことにより、全ての部位の温度特性曲線CPi,jを求め、そのデータを温度変化特性メモリ46に格納する。
【0041】
温度分布演算部40は、温度変化特性メモリ46に格納された温度特性曲線CPi,jのデータに基づいて、切削工具8の各部位が露出状態となった瞬間trでの温度分布TPi,j(tr)を推定演算し、その演算結果のデータを合成画像メモリ48に再格納する。尚、切削工具8の各部位が露出状態となった瞬間trは、図7中に示す切欠部12の前縁部分Eに当たる水平ラインIE(1)〜IE(N)の位置情報から求められる。
【0042】
画像合成部42は、合成画像メモリ48に格納された前記温度分布TPi,j(tr)のデータの欠落部分を統計処理によって補間することにより、切削工具8の表面全体の二次元温度分布を表す二次元温度分布データTSBを形成して、合成画像メモリ48に格納する。また、この二次元温度分布データTSBは、入出力ポート20を介して外部記憶装置に格納されたり、外部モニタ装置に再生表示されたり、ハードコピーに印字する等の処理も行われる。
【0043】
次に、この非接触温度分布測定装置の一連の動作を、図9に示すフローチャートに基づいて説明する。
【0044】
本装置を起動すると、ステップS100において、撮像制御部16が作動し、被削材6が5〜10回転する間に、同期検出部22及び計測条件設定部24が光センサ4の光検出信号SPDに基づいて、前記の遅延基準時間Δや被削材6の回転速度V等の各種の計測条件を求める。尚、この処理中は、画像処理部18による二次元温度分布を求めるための処理は行われず、単に、画像信号SAWがA/D変換器30及び入出力ポート20を介して外部表示装置等へ転送される。
【0045】
前記各種の計測条件が求められるとステップS110に移行し、画像処理部18が起動する。まず、ステップS120において、駆動部28で設定される遅延時間τmに同期してカメラ機構2から出力される画像信号SAWをA/D変換器30でデジタル画像データDAWに変換し、撮像画像メモリ44に記憶する。ここで、切削工具8の表面の二次元温度分布を求めるのに十分なフレーム画像分のデジタル画像データDAWを採取するまで、撮像処理が行われる。
【0046】
十分なデジタル画像データDAWを採取すると、ステップS130において、温度補償部32により、輝度成分のデジタル画像データDAWを温度成分の温度画像データTDAWに変換する。次に、ステップS140において、測定範囲抽出部34により、温度画像データTDAWの中から切削工具8の露出面に関わる温度画像データTRBを抽出する。次に、ステップS150において、露出経過時間判定部36が、温度画像データTRBに基づいて露出面の各部位の露出経過時間τを求める。次に、ステップS160において、温度変化特性演算部38が、露出面の各部位における温度特性曲線CPi,jを求める。
【0047】
ステップS170において、温度分布演算部40が、前記温度特性曲線CPi,jに基づいて、切削工具8の露出した瞬間trでの二次元温度分布データTBSを演算する。そして、ステップS180において、画像合成部42が二次元温度分布データTBSの欠落データを補間処理することにより、切削工具8の全体の二次元温度分布を表す二次元温度分布データTSBにして、一連の処理を終了する。
【0048】
このように、この実施の形態によれば、切欠部12を切削工具8が通過するときの温度分布を計測し、その温度分布のデータに基づいて、被切削面10を切削工具8が切削しているときの二次元温度分布を推定演算処理によって求めるので、切削加工中に切削工具8が切り屑によって隠れてしまっても、切削工具8の二次元温度分布を高精度で計測することができる。
【0049】
尚、以上の説明では、撮像制御部16に計測条件設定部24を設け、この計測条件設定部24により、自動的に前記計測条件を求める構成を説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、前記回転速度Vや遅延基準時間Δ等の計測条件が既知である場合には、入出力ポート20を介してこれらの計測条件のデータを計測条件記憶メモリ26に予め記憶させるようにしてもよい。この場合には、計測条件設定部24を省略することができる。
【0050】
また、被削材6と切削工具8の材質や、切削工具8が露出状態となったときの温度変化特性が予め既知の場合には、その温度特性曲線CPi,jのデータを入出力ポート20を介して温度変化特性記憶メモリ46に記憶させるようにしてもよい。この場合には、露出経過時間判定部36及び温度変化特性演算部38を省略することができる。また、温度特性曲線CPi,jのデータを温度変化特性記憶メモリ46に記憶させておけば、切削工具8が露出状態となったときの1フレーム画像相当のデジタル画像データDAWをこの温度特性曲線CPi,jのデータに適用するだけで、切削工具8の各部位の露出状態となった瞬間trでの温度分布TPi,j(tr)を演算することができる。このため、デジタル画像データDAWを採取するための処理時間(撮像に要する時間)を短くすることができ、より高速で二次元温度分布を計測することが可能となる。
【0051】
更にまた、基準遅延時間Δを、カメラ機構2に予め設定されている所謂フレーム周期と等しくする場合には、撮像制御部16を省略してもよい。即ち、図1に示す撮像制御部16中の同期検出部22、計測条件設定部24、計測条件記憶メモリ26及び駆動部28を省略し、画像処理部18でこのフレーム周期を基準遅延時間Δとして前記の画像処理をすることにより、二次元温度分布を求めることができる。この場合には、前記の光センサ4も省略することができる。
【0052】
更にまた、二次元撮像デバイスを備えたカメラ機構2により面順次撮像を行う構成を説明したが、線順次撮像や点順次撮像を行う構成にしてもよい。
【0053】
図10は、線順次撮像を行うカメラ機構の構成例を示している。同図において、被削材6に対向して配置されると共に、被削材6の回転方向θと同方向θiに所定の角速度Δiで定回転する回転ミラー50と、回転ミラー50で反射される光像を受光するラインセンサ52が設けられ、ラインセンサ52から出力される画像信号SAWを図1中のA/D変換器30に供給する。そして、画像信号SAWをフレーム画像単位のデジタル画像データDAWにして、撮像画像メモリ44に取り込み、このデジタル画像データDAWを画像処理部18で前記の画像処理を行うことにより、二次元温度分布を求めることができる。
【0054】
図11は、点順次撮像を行うカメラ機構の構成例を示している。同図において、被削材6に対向して配置されると共に、被削材6の回転方向θと同方向θiに所定の角速度Δiで定回転する回転ミラー54と、回転ミラー54の回転方向θiに対して直交する方向θjに所定の角速度Δjで定回転するポリゴンミラー56と、ポリゴンミラー56からの反射光を受光するフォトトランジスタ等の受光素子58が設けられ、受光素子58から出力される画像信号SAWを図1中のA/D変換器30に供給する。そして、画像信号SAWをフレーム画像単位のデジタル画像データDAWにして、撮像画像メモリ44に取り込み、このデジタル画像データDAWを画像処理部18で前記の画像処理を行うことにより、二次元温度分布を求めることができる。
【0055】
このように、線順次や点順次による撮像走査を行う構成にすると、面順次撮像を行う構成よりも、安価なカメラ機構2を実現することができる。
【0056】
また、以上の説明では、被削材6の外周面を切削工具8で切削加工する使用態様について説明したが、本装置は他の使用態様にも適用できるものである。
【0057】
図12は、各種の旋盤装置を用いて、周方向θに回転する円筒形の被削材60の内側壁を、切削工具8で切削する場合を示している。
【0058】
この場合には、被削材60の内側壁の一部分に、スリット状の凹欠部や貫通孔からなる切欠部62を予め形成しておき、切削工具8が切欠部62を通過する際に一時的に露出する状態を生じさせるようにする。そして、露出状態になるときの切削工具8をカメラ機構2で撮像し、画像処理部18で画像処理することにより、切削工具8の切削加工中における二次元温度分布を計測することができる。
【0059】
また、同図に示すように、カメラ機構2に細い光ファイバ64を延設し、この光ファイバ64の先端部(光入射端)より切削工具8の画像を導入して、撮像デバイスで撮像するようにしてもよい。このように光ファイバ64を設けると、微細な部分を切削加工したり、構造の複雑な部位を切削加工する場合での切削工具の二次元温度分布を計測することができる。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、切削加工中に実質的な非切削期間を設定し、この非切削期間中に露出状態となる切削工具の画像情報を得て、この画像情報に基づいて切削工具の各部位の温度変化特性を求め、更にこの温度変化特性に基づいて切削工具が露出状態となった瞬間での温度を推定演算し、その推定演算された各部位の温度から切削工具の二次元温度分布を形成するので、たとえ切り屑が発生してもその影響を取り除いて、切削工具の二次元温度分布を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態の非接触温度分布計測装置の構成を示すブロック図である。
【図2】非接触温度分布計測装置の設置態様の一例を示す説明図である。
【図3】撮像走査の原理を説明する説明図である。
【図4】測定対象物と撮像走査との同期をとるための原理を説明するタイミングチャートである。
【図5】遅延時間に同期して撮像走査することにより得られる画像を説明する説明図である。
【図6】露出面の画像データを抽出するための原理を説明する説明図である。
【図7】露出経過時間を求めるための原理を説明する説明図である。
【図8】温度変化曲線を求めるための原理を説明する説明図である。
【図9】非接触温度分布計測装置により二次元温度分布を求めるまでの一連の動作を説明するフローチャートである。
【図10】撮像ユニットの変形例を示す構成説明図である。
【図11】撮像ユニットの他の変形例を示す構成説明図である。
【図12】非接触温度分布計測装置の他の適用例を説明する説明図である。
【符号の説明】
2…カメラ機構、4…光センサ、6,60…被削材、10…被切削面、12,62…切欠部、14…制御部、16…撮像制御部、18…画像処理部、20…入出力ポート、22…同期検出部、24…計測条件設定部、26…計測条件記憶メモリ、28…駆動部、30…A/D変換器、32…温度補償部、34…測定範囲抽出部、36…露出経過時間判定部、38…温度変化特性演算部、40…温度分布演算部、42…画像合成部、44…撮像画像メモリ、46…温度変化特性記憶メモリ、48…合成画像メモリ、64…光ファイバ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-contact temperature distribution measuring apparatus that measures a two-dimensional temperature distribution of a cutting tool during cutting in a non-contact state.
[0002]
[Prior art]
As a device that measures the surface temperature of an object in a non-contact manner, a far-infrared image forming device (thermograph) that captures a far-infrared image radiated from the object surface is generally known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, this far-infrared image forming apparatus measures the temperature distribution on the surface of the measurement object. For this reason, there is a problem that the cutting tool is hidden by the chips generated from the work material during the cutting process, and the two-dimensional temperature distribution of the cutting edge of the cutting tool, the cutting edge rake face, etc. cannot be measured.
[0004]
In addition, a temperature measurement method called a one-byte method in which a thermocouple is embedded in a cutting tool and the temperature of the cutting tool is measured by this thermocouple is known. A wide range of two-dimensional temperature distribution cannot be measured. In addition, this method has a problem that the mechanical strength of the cutting tool is lowered because it is necessary to form a hole, a groove or the like for embedding a thermocouple in the cutting tool. In addition, there is a problem that a complicated pretreatment for forming such holes and grooves is necessary.
[0005]
The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and can measure the two-dimensional temperature distribution of a cutting tool during cutting more easily and with high accuracy in a non-contact state. An object of the present invention is to provide a non-contact temperature distribution measuring device that can be used.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a non-contact temperature distribution measuring apparatus for measuring a two-dimensional temperature distribution of a cutting tool during cutting, and a substantial cutting period by bringing the cutting tool into contact with a work material during the cutting. Cutting state setting means for setting a substantial non-cutting period by separating the cutting tool and the work material, and imaging means for imaging the cutting tool a plurality of times for each predetermined delay time; A plurality of pieces of image information obtained by a plurality of times of imaging by the imaging unit are associated with the exposure elapsed time from the switching time for each piece of information corresponding to the same part of the cutting tool, and the image with respect to the exposure elapsed time A change characteristic calculating means for obtaining a change tendency of information, and a temperature for calculating a two-dimensional temperature distribution of the cutting tool at the time of switching based on the change tendency obtained by the change characteristic calculating means And configured to include a fabric arithmetic means.
[0007]
[Action]
A plurality of exposure image information of the cutting tool can be obtained by imaging the cutting tool a plurality of times at a plurality of different delay times with reference to the switching time detected by the sensor means. By associating the plurality of pieces of image information with the exposure elapsed time from the time of switching for each piece of information corresponding to the same part of the cutting tool, the tendency of the temperature change of the exposed cutting tool can be obtained. Based on this change tendency, by calculating the temperature of the cutting tool at the time of switching, the two-dimensional temperature distribution of the cutting tool is obtained when the cutting tool is in contact with the work material, that is, during the cutting process. .
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In these drawings, the same or equivalent components are denoted by the same reference numerals.
[0009]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a non-contact temperature distribution measuring apparatus according to an embodiment, and FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an installation mode of the apparatus on a measurement target.
[0010]
In FIG. 1, this apparatus includes an imaging unit for imaging a measurement object, and an image signal S output from the imaging unit. AW And an analysis unit for obtaining a two-dimensional temperature distribution of the measurement object.
[0011]
As shown in FIG. 2, the imaging unit includes a
[0012]
The
[0013]
In order to prevent problems such as contamination of the imaging surface of the
[0014]
Further, a substantial cutting period due to the contact between the
[0015]
As shown in FIG. 3, the
[0016]
Further, the shape and size of the
[0017]
In FIG. 1, the analysis unit has a
[0018]
The imaging control unit 16 includes a synchronization detection unit 22, a measurement
[0019]
The synchronization detection unit 22 detects the light detection signal S output from the
[0020]
FIG. 4 shows the first synchronization time t by the synchronization detector 22. F And the second synchronization time t E It is a timing chart which shows this detection operation. In the same figure, the light detection signal S output from the
[0021]
The measurement
[0022]
Furthermore, the period required for the
[0023]
And these measurement condition data T calculated | required in the measurement
[0024]
The
[0025]
The delay time τm is the time T S When + N × Δ is reached, the delay time τm is reset again, and the process of setting the shutter timing for the
[0026]
Thus, by causing the
[0027]
In FIG. 1, the image processing unit 18 includes an A /
[0028]
The A /
[0029]
The
[0030]
ω = εσT Four … (1)
Where ω is infrared energy (each pixel data P i, j T) is the absolute temperature of the object (each temperature pixel data TP) i, j ) Is an emissivity (ε ≦ 1), and σ is a Stefan Boltzmann constant.
[0031]
The measurement
[0032]
FIG. 6 shows temperature image data TR B It is a figure which shows the extraction principle of. Temperature image data TR of each frame image file AW Is a pixel group (for example, Q in the figure) along the vertical line direction i of the two-dimensional imaging device. 1 -Q 1 A group of pixels on the line, and Q 2 -Q 2 The temperature change distribution of the temperature pixel data obtained from the pixel group on the line) is examined. Q 1 -Q 1 From the change in the temperature image data of the pixel group on the line, the range W of the
[0033]
As described above, the range W of the
[0034]
The elapsed exposure
[0035]
Based on FIGS. 3 and 7, the calculation principle of the exposure elapsed time τ will be described. As described with reference to FIG. 3, the image of the
[0036]
Therefore, as shown in FIG. 7, the temperature pixel data TP of the specific part x. i, j A plurality of temperature image data TR having B (1)-TR B (N) is read from the
[0037]
That is, the temperature image data TR shown in FIG. B Temperature pixel data TP in (1) i, j Exposure elapsed time τ (1) of τ (1) = (I F (1) -I E (1)) xδ and temperature image data TR B (2) Temperature pixel data TP in i, j Exposure elapsed time τ (2) of τ (2) = (I F (2) -I E (2)) × δ, and similarly, temperature image data TR B Temperature pixel data TP in (N) i, j Exposure elapsed time τ (N) of τ (N) = (I F (N) -I E (N)) × δ. Further, the exposure elapsed time τ of the remaining temperature pixel data is obtained in the same manner.
[0038]
The time δ is the rotational speed V of the
[0039]
The temperature change
[0040]
FIG. 8 shows temperature pixel data TP corresponding to a specific part of the
[0041]
The temperature
[0042]
The
[0043]
Next, a series of operations of this non-contact temperature distribution measuring apparatus will be described based on the flowchart shown in FIG.
[0044]
When the apparatus is activated, in step S100, the imaging control unit 16 is activated, and the
[0045]
When the various measurement conditions are obtained, the process proceeds to step S110, and the image processing unit 18 is activated. First, in step S120, the image signal S output from the
[0046]
Enough digital image data D AW In step S130, the
[0047]
In step S170, the temperature
[0048]
Thus, according to this embodiment, the temperature distribution when the
[0049]
In the above description, the measurement
[0050]
Further, when the material of the
[0051]
Furthermore, when the reference delay time Δ is made equal to a so-called frame period preset in the
[0052]
Furthermore, although the configuration in which the surface sequential imaging is performed by the
[0053]
FIG. 10 shows a configuration example of a camera mechanism that performs line-sequential imaging. In the figure, the
[0054]
FIG. 11 shows a configuration example of a camera mechanism that performs point sequential imaging. In the figure, a rotating
[0055]
As described above, when the configuration is such that line-sequential or point-sequential imaging scanning is performed, the
[0056]
Moreover, although the above description demonstrated the usage aspect which cuts the outer peripheral surface of the
[0057]
FIG. 12 shows a case where the inner wall of the
[0058]
In this case, a
[0059]
Further, as shown in the figure, a thin
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a substantial non-cutting period is set during the cutting process, image information of the cutting tool that is exposed during the non-cutting period is obtained, and based on this image information. The temperature change characteristics of each part of the cutting tool are obtained, and the temperature at the moment when the cutting tool is exposed is estimated and calculated based on the temperature change characteristic. Since the two-dimensional temperature distribution is formed, even if chips are generated, the influence can be removed and the two-dimensional temperature distribution of the cutting tool can be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a non-contact temperature distribution measuring apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of an installation mode of a non-contact temperature distribution measuring device.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating the principle of imaging scanning.
FIG. 4 is a timing chart for explaining the principle for synchronizing a measurement object and an imaging scan.
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an image obtained by imaging scanning in synchronization with a delay time.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a principle for extracting image data of an exposed surface.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the principle for obtaining the elapsed exposure time.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the principle for obtaining a temperature change curve;
FIG. 9 is a flowchart illustrating a series of operations until a two-dimensional temperature distribution is obtained by a non-contact temperature distribution measuring apparatus.
FIG. 10 is a configuration explanatory diagram illustrating a modified example of the imaging unit.
FIG. 11 is a configuration explanatory diagram illustrating another modification of the imaging unit.
FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining another application example of the non-contact temperature distribution measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記切削加工中に、前記切削工具と被削材とを接触させることによる実質的な切削期間と、前記切削工具と前記被削材とを離すことによる実質的な非切削期間とを設定する切削状態設定手段と、
所定の遅延時間毎に、前記切削工具を複数回撮像する撮像手段と、
前記撮像手段による複数回の撮像で得られる複数の画像情報を、前記切削工具の同一部位に該当する情報毎に、前記切替わり時点からの露出経過時間に対応付けて、前記露出経過時間に対する画像情報の変化傾向を求める変化特性演算手段と、
前記変化特性演算手段により求められた前記変化傾向基づいて、前記切替わり時点における切削工具の二次元温度分布を演算する温度分布演算手段と、
を備えることを特徴とする非接触温度分布計測装置。In a non-contact temperature distribution measuring device that measures the two-dimensional temperature distribution of a cutting tool during cutting,
Cutting that sets a substantial cutting period by bringing the cutting tool and the work material into contact with each other and a substantial non-cutting period by separating the cutting tool and the work material during the cutting process. State setting means;
Imaging means for imaging the cutting tool a plurality of times for each predetermined delay time;
A plurality of pieces of image information obtained by a plurality of times of image pickup by the image pickup means are associated with the exposure elapsed time from the switching time for each piece of information corresponding to the same part of the cutting tool, and the image with respect to the exposure elapsed time A change characteristic calculating means for obtaining a change tendency of information;
Temperature distribution calculating means for calculating a two-dimensional temperature distribution of the cutting tool at the time of switching based on the change tendency obtained by the change characteristic calculating means;
A non-contact temperature distribution measuring device comprising:
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