JP4942764B2 - 加工材の幾何学的形状を検知するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工材の加工のためその幾何学的形状を検知するためのシステム及び方法並びにそのようなシステムを含む工作機械に関する。

本発明は、例えば生産機械により部材を製造する場合に使用され、その際には部材に製造されるべき未加工材の幾何学的形状が適切な製造計画を決定するために既知でなければならない。最適の製造計画の選択は、製造すべき部材の所望の幾何学的形状、いわゆる目標幾何学的形状に依存するのみならず、基礎にある未加工材の体積及び幾何学的形状にも依存する。特に未加工材が鋳造法によって製造された場合には、未加工材幾何学的形状は非常に変わりやすい。それ故、この鋳造材の状態の変動に基いて、適応性のある、未加工材幾何学的形状に依存した製造計画を開発することがしばしば望ましい。そのための前提は、各加工材ないし各未加工材の幾何学的形状が加工処理前に既知であることである。

生産機械によって実施される製造ステップに先立って未加工材幾何学的形状を知ることは、切削加工の場合には特に望ましい。その際基礎になる加工材幾何学的形状と完成した部材の幾何学的形状との間の差が１つ又は複数のいわゆる部材分量を決定する。この部材分量は、製造時の部材の実際に切削すべき体積に対する尺度である。それ故、製造計画の最適な選択のために、例えばＮＣ機械を用いた製造に対し、ＮＣプログラム及び加工のために用意される工具が部材分量を考慮して選択されるべきである。

未加工材幾何学的形状の決定及びしたがって製造すべき部材の分量の決定は、現在通例には、機械的な測定システムを用いて、又は鋳造材の場合には分量テーブルについて行われる。機械的な測定システムを使用する場合には、基礎にある加工材が測定ヘッドにより走査される。未加工材幾何学的形状をできるだけ正確に決定し得るためには、加工材が通例何度か運び込まれなければならない。

本発明の課題は、加工材の加工のための適切な製造計画の確定を容易にすることにある。

この課題は、加工ステップによって発生し得る加工材の幾何学的形状の変化を決定するためのシステムを用いて解決され、そのシステムは、
加工ステップ前の加工材の少なくとも１つの画像を発生させるための少なくとも１つのカメラ、
加工ステップ後の加工材が有すべき目標幾何学的形状値のためのメモリ領域、
少なくとも１つの画像に基づいて、加工ステップ前の加工材が有する加工材幾何学的形状値を決定するための決定手段、及び
加工材幾何学的形状値と目標幾何学的形状値との差を記述する幾何学的形状差値を計算するための計算手段
を含む。

さらに前述の課題は、加工ステップによって発生し得る加工材の幾何学的形状の変化を決定するための方法によって解決され、その方法は以下の処理ステップ、
少なくとも１つのカメラにより加工ステップ前の加工材の少なくとも１つの画像の生成、
少なくとも１つの画像に基づいて、加工ステップ前の加工材が有する加工材幾何学的形状値の決定、
加工材幾何学的形状値と加工ステップ後の加工材が有すべき目標幾何学的形状値との差を記述する幾何学的形状差値の計算、
を有する。

例えば工作機械を用いて実施される製造ステップの最適化のために、加工材の加工前と加工後の幾何学的形状の差を記述する幾何学的形状差値の知識が重要な入力量である。本発明の根底には、いまや、この幾何学的形状差値の特に効率的で迅速な決定が視覚的方法を用いて達成し得るという認識がある。そのため先ず、少なくとも１つのカメラを用いて加工すべき加工材の画像が造られる。加工材にどの加工ステップが実施されるべきかに応じて、もちろん加工材の複数の画像を造ることもできる。通例、そのためカメラを用いて加工材の異なる透視図を画くのが有利である。このことは、例えばカメラが回転されるか向きを変えられるか、又は加工材がその位置を変えられるかすることによって実現することができる。さらにもちろん複数のカメラをシステムが含んでいてもよく、その結果加工材の異なる透視図が１つより多くのカメラによって画かれる。

加工材の１つ又は複数の画像に基づいて、引き続き加工材の加工ステップ前の幾何学的形状を特徴付ける加工材幾何学的形状値が決定される。

製造すべき部材の加工ステップ後の望ましい幾何学的形状は、目標幾何学的形状値の形でメモリ領域に保管されている。製造計画の最適化のための基礎として、目標幾何学的形状値と加工材幾何学的形状値との差の考察が行われる。この考察の結果は幾何学的形状差値によって特徴付けられる。

ここで記述した加工材幾何学的形状の検知のための光学システムの従来技術から知られる方法と比較した利点は、幾何学的形状の視覚的検知が測定ヘッドを使用した加工材幾何学的形状の走査より著しく速いことである。既知の機械的方法の場合には、未加工材幾何学的形状ないし加工材幾何学的形状を決定するためこの方法は何度も開始されなければならない。衝突を避けるため、未加工材幾何学的形状のこの種の接触を基礎とする決定においては、使用される測定スキャナはごくゆっくりとしか加工材の近くへ運ぶことができない。それ故このような従来技術から知られた方法は、加工材幾何学的形状を検知するための本発明による方法に対し著しく時間を要する。

また既知の機械的方法においては、工作機械やクランピング装置内の加工材の位置が少なくとも大まかに知られていなければならない。さもなければ、測定プロセスを手動で行うため、測定スキャナを手動で適切な出発位置へ運ばなければならない。しかしこのような手動のプロセスは機械におけるさらなる時間消費を意味し、それはすべて機械の加工時間の負担となる。そのような手動の測定プロセスがクランピング・ステーション内で行われると、それによって補助のプロセス時間に著しく負担となる。加工材の幾何学的形状を検知するための本発明による視覚的システムを使用することによって、加工時間ないし補助のプロセス時間のそのような増加を避けることができる。

加工ステップ前の加工材の幾何学的形状の本発明による検知は、特に切削加工法の際に有利である。それ故本発明の有利な構成においては、加工ステップ内において目標幾何学的形状値を得るため加工材から取り去られるべき少なくとも１つの分量の形の幾何学的形状差値を計算するための計算手段が設けられている。加工材の加工において切削すべき体積は、部材の１つ又は複数の分量に依存する。それ故、そのような切削プロセスの工具磨耗を最小限に抑え、また製造時間をできるだけわずかに保つため、１つ又は複数の分量を考慮に入れた製造計画の最適化が目的に適っている。加工前の加工材幾何学的形状の基礎とする光学的決定及びそれに続く分量の決定によって、製造計画のそのような最適化の消費時間は従来技術に比して著しく低減される。

幾何学的形状差値は、一方では製造のための最適の工具の決定のための基礎として考慮され得る。他方ではまた、幾何学的形状差値は特にＮＣ制御の製造プロセスにおいて加工プログラムの最適化のために考慮され得る。それ故システムは、本発明の別の有利な構成においては加工材の加工を制御するために用意される加工プログラムを幾何学的形状差値に依存して適応させるための適応手段を有する。

本発明の有利な実施形態においては、目標幾何学的形状値に相応し加工ステップ後の加工材を記述する目標幾何学的形状モデルを保存するためのメモリ領域が設けられている。

本発明の別の有利な構成においては、システムは目標幾何学的形状モデルを作成するためのモデル作成手段を有する。例えばこのモデル作成手段は加工プログラムを基礎として目標幾何学的形状モデルの発生に関係させることができる。もしメモリ領域にまだ目標幾何学的形状モデルが存在しない場合には、この目標幾何学的形状モデルは本発明のそのような構成形態においては自動的に加工プログラムから生成され、続いてメモリ領域に納められる。

本発明の別の有利な実施形態においては、加工材幾何学的形状モデルの形の加工材幾何学的形状値の決定のための決定手段が設けられている。この実施形態の別の有利な構成においては、目標幾何学的形状モデル及び加工材幾何学的形状モデルに基いて幾何学的形状差値の計算のための計算手段が設けられている。その場合、製造計画の最適の決定のための基礎を作るため、対応するモデルに基いて加工前及び加工後の加工材の幾何学的形状が互いに比較される。

加工材幾何学的形状値の決定のため、異なる画像識別アルゴリズムが考えられ得る。本発明の１つの有利な実施形態は、例えば、画像から加工材の稜を抽出することによって加工材幾何学的形状値を決定する決定手段が設けられるものである。

本発明の別の有利な構成においては、システムが幾何学的形状差値に基いて加工ステップに対し適切な工作機械の工具を選択するための選択手段を有する。例えば切削法の場合にはまず分量が決定されると、その分量及びそれと結び付く切削すべき体積に基いて、幾何学的形状差値に基いて工作機械の相応に大きさを定められた工具が決定されるか、又は切断分割が相応に整合されることによって、場合によって起こり得る工具の破損を避けることができる。

とりわけ、加工時間を最適化するため、工具の消耗を低減するため、工具の破損を避けるため、及び製造すべき部材の品質を確保するため、製造技術の環境においては、前に説明された実施形態の１つによるシステムを有する工作機械が有利である。

以下本発明を図面に示す実施例に基いて詳細に説明する。

図１は加工材１の幾何学的形状を検知するための方法を図解したものを示す。加工材１はクランピング・ステーションの加工材台７上に存在する。切削加工ステップにおいては、加工材１へ直方体状の未加工材の稜に対し段階式のプロフィルがフライス切削加工されるものである。このフライス加工処理はＮＣ制御フライス盤によって行われるものである。

この加工ステップに対し最適の製造計画を決定するため、図示の方法を使用してできるだけわずかな時間消費でフライス加工される完成部品の分量が決定される。この分量とはフライス盤を使用して切削加工すべき体積を示す。この分量はまた適切な工具の選択の基礎として用いることができる。分量に基いて、フライス加工を行う際の工具の磨耗が推定され、したがって適切な工具を選択することができる。

フライス加工は、フライス盤の数値制御部上で走る加工プログラム４によって制御される。製造過程を最適化するため、図示の方法においてはＮＣ加工プログラム４が１つ又は複数の分量に依存して適応される。

分量を決定するため、まずカメラ２を使用して加工すべき加工材１の画像が造られる。加工材１が回転可能に支持されているかぎり、加工材１の別の画像をカメラ２を用いて造るため、加工材１は異なる位置にもたらすことができる。

数学的アルゴリズムに基いて、画像から加工材幾何学的形状モデル６が造られる。その際観察されている対象の稜モデルが問題となる。この稜モデル６を作成する際、図示の例では加工材台７のような周囲の対象物は画像からまず計算で外される。

加工プログラム４から、自動的に目標幾何学的形状モデル５が発生され、このモデルはフライス加工後の加工材の分量を記述する。したがって、製造すべき部材の分量は加工材幾何学的形状モデル６と目標幾何学的形状モデル５との比較によって生じる。差形成によって最後に部材の分量を特徴付ける幾何学的形状差値３が作られる。幾何学的形状差値３は一方ではフライス盤の適切な工具を選択するのに使用される。他方幾何学的形状差値３は、最適の製造計画を顧慮して加工プログラム４の適応のための基礎として用いられる。

図２は、加工材台７上に位置決めされている加工材１の幾何学的形状を検知するためのシステムを示す。製造プロセスに対する未加工材として用いられるこの加工材１の幾何学的形状をできるだけ迅速にかつ効率的に検知するため、システムはカメラ２を含む。ＨＭＩ８（ヒューマン・マシン・インタフェース）を介してシステムの利用者は、製造すべき部材の分量を決定するための指令を能動化することができる。ＨＭＩ８を介してシステムを能動化した後、カメラ２によって加工材１の異なる画像が作られ、その際加工材台７はカメラ２を介して部材の新しい透視図を検知し得るようにするため画像の間でそれぞれ回転される。画像はカメラ２からＰＣ９へ送られる。ＰＣ９には、加工材が加工前に持つ加工材幾何学的形状値を決定するために設けられたコンピュータプログラムの形の決定手段が実装されている。同様にコンピュータプログラムの形でＰＣ９に、加工材幾何学的形状値と目標幾何学的形状値との差を記述する幾何学的形状差値を計算するための計算手段が実装されている。さらに、ＰＣ９は加工材が加工ステップ後に有すべき目標幾何学的形状値が目標幾何学的形状モデルの形で保管されているメモリ領域を含む。さらに、ＰＣ９は適応手段を有し、この適応手段によって、加工材１の加工を制御するために設けられた加工プログラムを幾何学的形状差値に依存して適応させることができる。

ＰＣ９を用いて加工材１の画像から先ず加工材幾何学的形状モデルが発生され、この幾何学的形状モデルが目標幾何学的形状モデルと比較され、次いで幾何学的形状差値が決定された後、加工プログラムがＰＣ９上で自動的に幾何学的形状差値に相応して適応される。このようにして最適化された加工プログラムは次いでＰＣ９により加工のために準備された工作機械の数値制御部１０にロードされる。

製造ステップ中の加工材幾何学的形状の所望の変更を記述する幾何学的形状差値の説明された決定は、前に書かれた削り取り製造法においてだけ有利なのではない。この方法は、加工材幾何学的形状の変更が行われるべき全製造ステップにおいて使用することができる。例えば固い未加工材から部材が永久ひずみによって造られる変形法においても、光学的方法を用いた未加工材幾何学的形状の検知は、変形過程を最適化するために目的に適っている。このような変形法の例は、鍛造、圧こん、圧延、押出成形、折畳み、深絞り、波形付け、つば出し、くせ取り及び曲げがある。さらに本発明は、幾何学的形状が付加された質量で変化する層形成法において利用することが可能である。

加工材の幾何学的形状を検知するための方法の図解図である。 加工材の幾何学的形状を検知するためのシステムの説明図である。

符号の説明

１ 加工材
２ カメラ
３ 幾何学的形状差値
４ 加工プログラム
５ 目標幾何学的形状モデル
６ 加工材幾何学的形状モデル
７ 加工材台
８ ＨＭＩ（ヒューマン・マシン・インタフェース）
９ ＰＣ
１０ 数値制御部

Claims (15)

1. 加工ステップによって発生し得る加工材（１）の幾何学的形状の変化を決定するためのシステムが、
   加工ステップ前の加工材（１）の少なくとも１つの画像を発生させるための少なくとも１つのカメラ（２）と、
   加工ステップ後の加工材（１）が有すべき目標幾何学的形状値のためのメモリ領域と、
   加工ステップ前の加工材（１）が有する加工材幾何学的形状値を少なくとも１つの画像に基づいて決定するための決定手段と、
   加工ステップ内において前記目標幾何学的形状値を得るため前記加工材（１）から切除すべき少なくとも１つの分量の形として前記加工材幾何学的形状値と前記目標幾何学的形状値との間の差を記述する幾何学的形状差値を計算するための計算手段と、
   前記加工材（１）の加工を制御するために設けられた加工プログラム（４）を前記幾何学的形状差値（３）に依存して適応させるための適応手段と
   を含む加工材の幾何学的形状を検知するためのシステム。
2. 前記目標幾何学的形状値に相応し前記加工ステップ後の加工材（１）を記述する前記目標幾何学的形状モデル（５）を保存するためのメモリ領域が設けられている請求項１記載のシステム。
3. 前記システムが前記目標幾何学的形状モデル（５）を作成するための作成手段を有する請求項２記載のシステム。
4. 加工材幾何学的形状モデル（６）の形の前記加工材幾何学的形状値を決定するための前記決定手段が設けられている請求項２又は３記載のシステム。
5. 前記目標幾何学的形状モデル（５）及び前記加工材幾何学的形状モデル（６）に基いて前記幾何学的形状差値（３）を計算するための前記計算手段が設けられている請求項４記載のシステム。
6. 前記画像から前記加工材（１）の稜を抽出することによって前記加工材幾何学的形状値を決定するための前記決定手段が設けられている請求項１から５のいずれか１項記載のシステム。
7. 前記システムが、前記幾何学的形状差値（３）に基いて工作機械の前記加工ステップに対し適切な工具を選択するための選択手段を有する請求項１から６のいずれか１項記載のシステム。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載のシステムを有する加工材（１）加工のための工作機械。
9. 加工ステップによって発生し得る加工材（１）の幾何学的形状の変化を決定するための方法が、次の処理ステップ、
   少なくとも１つのカメラ（２）により、前記加工ステップ前の前記加工材の少なくとも１つの画像の生成、
   少なくとも１つの画像に基づいて、前記加工ステップ前の前記加工材（１）が有する加工材幾何学的形状値の決定、
   加工ステップ内において前記目標幾何学的形状値を得るため前記加工材（１）から切除すべき少なくとも１つの分量の形として前記加工材幾何学的形状値と前記加工ステップ後の前記加工材（１）が有すべき目標幾何学的形状値との差を記述する幾何学的形状差値（３）の計算、
   前記加工材（１）の加工を制御するために設けられた加工プログラム（４）の、前記幾
   何学的形状差値（３）に依存した適合を有する加工材の幾何学的形状を検知するための方法。
10. 前記目標幾何学的形状値に相応し前記加工ステップ後の加工材（１）を記述する前記目標幾何学的形状モデル（５）が、メモリ領域に保存される請求項９記載の方法。
11. 前記目標幾何学的形状モデル（５）が作成される請求項１０記載の方法。
12. 前記加工材幾何学的形状値が加工材幾何学的形状モデル（６）の形で決定される請求項１０又は１１記載の方法。
13. 前記幾何学的形状差値（３）が前記目標幾何学的形状モデル（５）及び前記加工材幾何学的形状モデル（６）に基いて計算される請求項１２記載の方法。
14. 前記画像から前記加工材（１）の稜を抽出することによって前記加工材幾何学的形状値が決定される請求項９から１２のいずれか１項記載の方法。
15. 前記幾何学的形状差値（３）に基いて、工作機械の前記加工ステップに対し適切な工具が選択される請求項９から１４のいずれか１項記載の方法。

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