JP5383853B2 - 工具形状測定装置、及び工具形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、工具形状測定装置に関しており、特に、加工工具及びそれを保持する保持機構の撮像画像から、加工工具及びそれを保持する保持機構の断面形状を得るための技術に関する。

工作機械（例えば、マシニングセンタ）の主軸に装着された加工工具、及びそれを保持する工具保持機構（例えば、シャンクやシャンクホルダー）の形状を自動測定することは、工作機械の適切な運用のために有用である。例えば、加工工具や工具保持機構の形状を自動測定することにより、加工工具や工具保持機構の寸法（例えば、加工工具の長さ、工具保持機構の幅や高さ）のデータを工作機械に自動的に与えることが可能になる。加工工具や工具保持機構の寸法は、工作機械の数値制御に重要なデータであり、これらを自動的に工作機械に与えることは工作機械のオペレータの労力を低減するために有効である。加えて、加工工具や保持機構の形状を自動測定することにより、加工工具、シャンク、及びシャンクホルダーの正しい組み合わせが工作機械に装着されたかを自動的にチェックし、不適切な組み合わせが装着されている場合には工作機械の運転の開始を禁止することができる。加えて、加工工具や工具保持機構の形状を自動測定することにより、加工工具や工具保持機構と、加工対象との干渉の有無をチェックすることができる。

実開昭６２−１９２８４７号公報は、一対のイメージセンサとレーザ測長ヘッドとを用いて工具長、工具半径を測定する技術を開示している。この公報に開示された技術では、工具長及び工具半径の測定は、概略的には、下記の手順で行われる。まず、イメージセンサによって工具刃先高さ位置を認識され、レーザ測長ヘッドの基準点が、当該工具刃先高さ位置に移動される。更に、レーザ測長ヘッドが加工工具の長さ方向に走査され、工具径が最大である工具径最大部が検出される。工具径最大部の位置が工具長として決定され、さらに、工具径最大部における加工工具の半径が、工具半径として決定される。

一方、特開平８−５２６３８号公報は、ＣＣＤカメラによって工具ホルダーと加工工具を２次元的に撮像して実工具形状データを生成し、その実工具形状データと、工具ホルダーと加工工具を定義した工具形状データとを比較することによって、加工工具、工具ホルダーの装着ミスを判定する技術を開示している。当該公報には、更に、加工工具、及び工具ホルダーが装着された主軸頭を含む機械側の３次元形状を定義した機械形状データと、加工対象の加工素材形状データとを用いて干渉チェックを行う技術が開示されている。

このような工具形状測定装置では、加工工具や工具保持機構の寸法を安価且つ簡便な装置構成で測定可能なことが望まれるが、従来の技術は、このような要求に充分に応えていない。例えば、テレセントリックレンズを用いて物体の撮像画像を撮像し、その撮像画像から物体の寸法を得る手法は、光学的に物体の寸法を測定する最も典型的な手法である。しかし、テレセントリックレンズは、高価であり、また、測定対象がレンズの径よりも小さいことを必要とすることから、加工工具や工具保持機構の寸法を測定するためには適さない。また、実開昭６２−１９２８４７号公報に開示された工具形状測定装置は、一対のイメージセンサとレーザ測長ヘッドとの３つの光学装置を必要とし、装置構成の簡便性の観点において劣っている。更に、特開平８−５２６３８号公報に開示された装置は、加工工具及び工具ホルダーが正しく装着されたかを検出することはできても、実際に工作機械に装着された加工工具及び工具ホルダーの寸法を測定することはできない。

実開昭６２−１９２８４７号公報 特開平８−５２６３８号公報

したがって、本発明の目的は、加工工具や工具保持機構の寸法を安価且つ簡便な装置構成で測定できる工具形状測定装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

本発明の一の観点において、本発明の工具形状測定装置は、中心軸（４ａ）の周りに回転可能な加工工具（１）及び前記加工工具（１）を保持する工具保持機構（２、３）を撮像して撮像画像を得る撮像装置（５）と、前記撮像画像から前記加工工具（１）及び／又は前記工具保持機構（２、３）の寸法を示す寸法データを生成する寸法データ生成部（１３）とを具備する。撮像装置（５）は、その光軸（５ａ）が、前記中心軸（４ａ）と垂直に交わるように位置している。前記寸法データ生成部（１３）には、前記光軸（５ａ）と垂直であり且つ前記中心軸（４ａ）を含むように規定された基準平面（Ｓ）から前記撮像装置（５）までの距離である基準距離（Ｌ）と、前記撮像画像の上における単位長さと前記基準平面（Ｓ）の上の長さとの対応を表す対応データ（α）とが設定され、前記寸法データ生成部（１３）は、前記撮像画像と、前記基準距離（Ｌ）と、前記対応データ（α）とを用いて前記撮像画像の遠近誤差を補正して前記寸法データを生成する。

前記寸法データ生成部（１３）は、前記加工工具（１）及び前記工具保持機構（２、３）の形状を円筒を用いて表現し、前記撮像画像を前記基準平面への正射影像に変換する写像を、前記円筒の底面の輪郭線のうちの半円の部分が前記正射影像の上で直線に投影されるように算出し、算出された前記写像を用いて前記撮像画像の遠近誤差を補正して前記寸法データを生成することが好ましい。

本発明の他の観点において、本発明の工具形状測定装置は、中心軸（４ａ）の周りに回転可能な加工工具（１）及び前記加工工具（１）を保持する工具保持機構（２、３）を撮像して撮像画像を得る撮像装置（５）と、前記撮像画像から前記加工工具（１）及び／又は前記工具保持機構（２、３）の寸法を示す寸法データを生成する寸法データ生成部（１３）とを具備する。前記寸法データ生成部（１３）には、加工工具（１）と工具保持機構（２、３）のモデルと寸法とが対応付けて格納されたデータベース（１３ａ〜１３ｃ）が用意され、前記寸法データ生成部（１３）は、前記加工工具（１）と前記工具保持機構（２、３）のそれぞれについて前記データベース（１３ａ〜１３ｃ）に格納された前記モデルから最適なものを候補モデルとして選択し、更に、前記候補モデルの組み合わせ画像と前記撮像画像とのパターンマッチングによって前記候補モデルの位置を決定し、前記候補モデルに対応する加工工具（１）及び工具保持機構（２、３）の組み合わせと前記決定された位置から、前記寸法データを生成する。

本発明により、加工工具や工具保持機構の寸法を安価且つ簡便な装置構成で測定できる工具形状測定装置を提供できる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る工具形状測定装置の構成を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態における、形状計測装置のブロック図である。 図３は、対象物の幅の算出方法を説明する概念図である。 図４は、円筒の上下底面の高さ位置の算出方法を説明する概念図である。 図５は、側面の輪郭線の端点の高さ位置を推定する方法を説明する概念図である。 図６は、円筒に接続された半球面の先端の高さ位置の算出方法を説明する概念図である。 図７は、第２の実施形態における、加工工具、シャンク、及びホルダーの寸法を算出する算出方法を説明するフローチャートである。

第１の実施形態：
図１は、本発明の第１の実施形態に係る工具形状測定装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る工具形状測定装置１０は、マシニングセンタの加工工具１と、加工工具１を保持するシャンク２と、シャンク２を主軸４に装着するホルダー３の寸法を計測してマシニングセンタコントローラ７に送り、マシニングセンタの制御に役立てるためのものである。以下、加工工具形状測定装置１０の構成について詳細に説明する。

工具形状測定装置１０は、カメラ５と、形状計測装置６とを備えている。カメラ５は、その光軸５ａが、基準平面Ｓに垂直になるように位置している；基準平面Ｓとは、加工工具１、シャンク２、ホルダー３、及び主軸４が回転する中心軸４ａを含むように規定された平面であり、カメラ５の光軸５ａは、中心軸４ａに垂直に交わっている。実空間の座標系（以下、ＸＹＺ座標系という）は、カメラ５の内部に規定された位置を原点として、Ｚ軸が光軸５ａと平行な方向に、Ｙ軸が中心軸４ａと平行な方向に、Ｘ軸が中心軸４ａ及び光軸５ａの両方と垂直な方向になるように定義される。基準平面Ｓとカメラ５との距離は、基準距離Ｌと呼ばれる。カメラ５は、このような配置の下、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３を撮像して撮像画像を取得する。

形状計測装置６は、カメラ５によって取得された撮像画像を用いて、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法を計測する。形状計測装置６は、計測した寸法を、マシニングセンタを制御するマシニングセンタコントローラ７に送る。

本実施の形態においては、カメラ５の光学系としてテレセントリック系は採用されない。これは、工具形状測定装置１０の低廉化のために有用である一方で、撮像画像の上における像の大きさに遠近誤差が含まれる、即ち、像の大きさが実際の寸法に対応していないという問題も生じさせる。

テレセントリック系の不採用に起因する遠近誤差の発生を克服して加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の正しい寸法を得るために、形状計測装置６は、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の撮像画像上での寸法から、それらの実際の寸法を特別な処理によって算出する。以下では、形状計測装置６の構成及び動作が詳細に説明される。

図２は、形状計測装置６の構成を示すブロック図である。形状計測装置６は、対象画像撮影処理部１１と、輪郭線画像抽出処理部１２と、寸法データ生成部１３とを備えている。対象画像撮影処理部１１は、制御信号１５によってカメラ５を制御して、所望の撮像画像をカメラ５から取得する。より具体的には、マシニングセンタコントローラ７からの形状計測要求１６を受け取ると、対象画像撮影処理部１１は、カメラ５に加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の撮像画像を撮影させ、撮像画像をカメラ５から受け取る。輪郭線画像抽出処理部１２は、カメラ５によって撮影された撮像画像に対して画像処理を行い、輪郭線画像（エッジ画像）を抽出する。寸法データ生成部１３は、輪郭線画像から加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法を演算によって算出し、算出された寸法を示す寸法データをマシニングセンタコントローラ７に送る。輪郭線画像の上の寸法は、撮像画像の上の寸法と同様に遠近誤差を含んでおり、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の正しい寸法を反映していない。このため、寸法データ生成部１３は、基準距離Ｌと、撮像画像の１ピクセルに対応する基準平面Ｓ上での長さを示すパラメータαとを用いて、撮像画像の遠近誤差を補正し、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の正しい寸法を同定する。

遠近誤差の補正には、輪郭線画像に現されている加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の形状が、概略的に、中心軸４ａの周りに回転対称であるように配置された円筒及び半球の組み合わせによって表されるという前提が使用される。詳細には、多くの加工工具１、シャンク２、及びホルダー３が、円筒の組み合わせによって表され、ボールエンドミルのように先端が半球面である加工工具は、先端に半球面が付された円筒として表される。加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の形状が、円筒及び半球の組み合わせによって表されるという前提が妥当であることは、当業者であれば理解できよう。

このような前提が採用される場合には、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法を測定するためには、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３を表す円筒の幅（即ち直径）、円筒の上下底面の高さ位置、並びに、半球面が付されている円筒については半球面の先端の高さ位置を決定すればよい；ここで幅とは、中心軸４ａに垂直な方向に定義され、高さ位置は中心軸４ａに沿った方向に定義されていることに留意されたい。以下では、遠近誤差を補正して円筒の幅、上下底面の高さ位置、及び、半球面の先端の高さ位置を決定する決定方法が詳細に説明される。

１．対象物の幅
図３を参照して、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の所望の部分（対象部分）の幅Ｗは、これらの断面が円形であるという前提の下、下記式によって算出される：

ここで、Ｗ’は、ピクセル数で表された、輪郭線画像上における（即ち、撮像画像上における）対象部分の幅であり、αは、撮像画像の１ピクセルに対応する基準平面Ｓ上での長さであり、Ｌは、基準距離（即ち、基準平面Ｓとカメラ５との距離）である。

２．円筒の上下底面の高さ位置（中心軸４ａ方向の位置）
図４を参照して、まず、対象である円筒の底面２１、２２の（実空間における）半径Ｒが下記式によって推定される：

ここでＲ’は、ピクセル数で表された、輪郭線画像上における（即ち、撮像画像上における）底面の半径であり、αは、撮像画像の１ピクセルに対応する基準平面Ｓ上での長さであり、Ｌは、基準距離である。

更に、円筒の側面の輪郭線２３の端点の（実空間における）高さ位置ｈが、下記式によって推定される：
ｈ＝α・（Ｊ_０−Ｊ_Ｐ）， ・・・（３）
ここで、Ｊ_０は、図５に示されているように、輪郭線画像（及び撮像画像）上に規定された座標系（以下、この座標系をｘｙ座標系又は画像座標系という。）における光軸５ａのｙ座標であり、Ｊ_Ｐは、ｘｙ画像座標系における輪郭線２３の端点のｙ座標である。

図４に戻り、対象の底面２１、２２それぞれについて、輪郭線のうちの手前又は奥側の半円が選択される。上底面である底面２１については、それが光軸５ａよりも上に位置している場合には手前の半円が、そうでないときには奥側の半円が選択される。一方、下底面である底面２２については、それが光軸５ａよりも上に位置している場合には奥側の半円が、そうでないときには手前の半円が選択される。本実施形態では、上底面である底面２１については奥側の半円、下底面である底面２２については手前の半円が選択される。

続いて、選択された半円を中心とする高さ２ΔＨの領域２４、２５の画像座標系（ｘｙ座標系）への投影が算出される。具体的には、まず、領域２４、２５の境界上にある複数の点Ｐ_１、Ｐ_２、・・・の実空間における座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）、（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）・・・が算出される。詳細には、点Ｐ_ｉの実空間における座標は、手前の半円については下記式：

奥側の半円については下記式：

によって算出される。ここで、Ｒは、式（２）によって算出された半径であり、ｈは、式（３）によって算出された高さ位置であり、ΔＨは、領域２４、２５の高さの半分であり、θ_ｉは、下記式を満足する任意の値である：

更に、点Ｐ_１、Ｐ_２、・・・の画像座標系への投影の座標（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）・・・が、下記式によって算出される：

ここで、ｆは、カメラ５のレンズの焦点距離であり、ξは、カメラ５に内蔵された撮像素子の画素のＸ軸方向のサイズであり、ηは、画素のＹ軸方向のサイズである。

続いて、点Ｐ_１、Ｐ_２、・・・の画像座標系への投影の座標を用いて、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の撮像画像を、それらの基準平面Ｓへの正射影像に変換する写像を表す式が求められる。正射影像を求めるのは、正射影像からは遠近誤差が排除されており、従って、正射影像から正しい寸法を算出できるからである。正射影像に規定された座標系を、ｘ’ｙ’座標系と呼ぶこととすると、撮像画像を正射影像に変換する写像とは、ｘｙ座標系からｘ’ｙ’座標系への写像と言い換えることができる。ただし、本実施形態では、高さ位置にしか興味がないから、写像のうちｙ’を求める式のみが算出される。

ｘｙ座標系からｘ’ｙ’座標系への写像においてｙ’を求める式は、手前の半円については下記式（６ａ）：

奥側の半円については下記式（６ｂ）：

と仮定される。ここでｋ_１〜ｋ_８は係数である。ｒは、下記式
ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２， ・・・（６ｃ）
で表される。更に、ｘ_ｍａｘは、対象となる円筒の画像座標系への投影のｘ座標の最大値であり、下記式：

で表される。

更に、下記２つの条件：
（１）点Ｐ_１、Ｐ_２、・・・のうち領域２４の上側境界に位置する点のｘ’ｙ’座標系への写像がｘ’軸に平行な直線（ｙ’が一定の直線）上に位置し、下側境界に位置する点の写像がその直線に平行な他の直線上に位置する
（２）点Ｐ_１、Ｐ_２、・・・のうち領域２５の上側境界に位置する点のｘ’ｙ’座標系への写像が、ｘ’軸に平行な他の直線上に位置し、下側境界に位置する点の写像がその直線に平行な他の直線上に位置する
を満足させるように、係数ｋ_１〜ｋ_８が最小２乗法により決定される。

このように決定された写像によれば、選択された半円のｘ’ｙ’座標系への写像は、ｘ’軸に平行な線分になる。

円筒の上底面の高さ位置Ｈ_Ｕ、下底面の高さ位置Ｈ_Ｄは、選択された半円のｘ’ｙ’座標系への写像である線分のｙ’座標を用いて、下記式で表される：
Ｈ_Ｕ＝α・ｙ_Ｕ’， ・・・（７ａ）
Ｈ_Ｄ＝α・ｙ_Ｄ’， ・・・（７ｂ）
ここでｙ_Ｕ’は、上底面について選択された半円のｘ’ｙ’座標系への写像である線分のｙ’座標であり、ｙ_Ｄ’は下底面について選択された半円のｘ’ｙ’座標系への写像である線分のｙ’座標である。加工工具１、シャンク２、及びホルダー３を表す円筒の中心軸４ａに沿った長さは、円筒の上下底面の高さ位置の差である。

３．半球面の先端の高さ位置
図６から理解されるように、先端に半球面が付された円筒は、その先端が光軸５ａよりも上側にある場合、撮像画像上における高さ位置に遠近誤差ΔＨが含まれている。この遠近誤差を除くために、半球面の先端の高さ位置Ｈ’は、輪郭線画像（即ち撮像画像）における高さ位置Ｙを用いて、下記式で求められる：

このようにして、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３を表す円筒の幅、上下底面の高さ位置、及び半球面の先端の高さ位置が決定され、これらの値から、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法が算出される。

以上に説明されているように、本実施形態の工具形状測定装置１０は、カメラ５の光学系としてテレセントリック系を採用せずに（即ち、高価なテレセントリックレンズを使用せずに）撮像画像から加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法を測定可能である。したがって、本実施形態の工具形状測定装置１０は、経済性に優れ、また、その装置構成が簡便である。

第２の実施形態：
第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる処理により、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法が計測される。図７は、第２の実施形態において寸法データ生成部１３が行う処理のフローを示している。第２の実施形態では、加工工具１のモデル（即ち、テンプレート画像）を格納する加工工具モデルデータベース１３ａと、シャンク２のモデルを格納するシャンクモデルデータベース１３ｂと、ホルダー３のモデルを格納するホルダーモデルデータベース１３ｃとが寸法データ生成部１３に用意され、これらのデータベースが寸法の計測に利用される。加工工具モデルデータベース１３ａ、シャンクモデルデータベース１３ｂ、及びホルダーモデルデータベース１３ｃには、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３のモデルに加え、それぞれの寸法（例えば、長さや幅）を示すデータが格納されている。

輪郭線画像抽出部１２によって抽出された輪郭線画像の輪郭線が追跡され、輪郭線の屈曲点で加工工具１、シャンク２、及びホルダー３が分離される（ステップＳ０１）。

続いて、加工工具１に対応する部分について凹部が埋められ、輪郭線画像が単純化される（ステップＳ０２）。

続いて、輪郭線画像から、上述の式（２）によって加工工具１、シャンク２、及びホルダー３のそれぞれの幅が算出され、算出された幅に基づいて最適なモデル（候補モデル）が、加工工具モデルデータベース１３ａ、シャンクモデルデータベース１３ｂ、及びホルダーモデルデータベース１３ｃから選定される（ステップＳ０３）。

更に、各候補モデルの高さ方向（中心軸４ａに平行な方向）の位置が決定される（ステップＳ０４）。各候補モデルの高さ方向の位置は、３つの候補モデルの組み合わせ画像と撮像画像の２値化画像のパターンマッチングによって行われる。より具体的には、各候補モデルの高さ方向の位置は、３つの候補モデルの組み合わせ画像と撮像画像の２値化画像の差分絶対値が最小になるように決定される。

以上の手順により、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の組み合わせと、それらの位置が同定される。同定された加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の組み合わせ及びそれらの位置から、加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法が算出される（ステップＳ０５）。

本実施形態の手順でも、カメラ５の光学系としてテレセントリック系を採用せずに（即ち、高価なテレセントリックレンズを使用せずに）撮像画像から加工工具１、シャンク２、及びホルダー３の寸法を測定可能である。

１：加工工具
２：シャンク
３：ホルダー
４：主軸
４ａ：中心軸
５：カメラ
５ａ：光軸
６：形状計測装置
７：マシニングセンタコントローラ
１１：対象画像撮影処理部
１２：輪郭線画像抽出処理部
１３：寸法データ生成部
２１、２２：底面
２３：（側面の）輪郭線
２４、２５：領域

Claims (1)

1. 中心軸の周りに回転可能な加工工具及び前記加工工具を保持する工具保持機構を撮像して撮像画像を得る撮像装置と、
   前記撮像画像から前記加工工具及び／又は前記工具保持機構の寸法を示す寸法データを生成する寸法データ生成部
   とを具備し、
   前記寸法データ生成部には、加工工具と工具保持機構のモデルと寸法とが対応付けて格納されたデータベースが用意され、
   前記寸法データ生成部は、前記加工工具と前記工具保持機構のそれぞれについて前記データベースに格納された前記モデルから最適なものを候補モデルとして選択し、更に、前記候補モデルの組み合わせ画像と前記撮像画像とのパターンマッチングによって前記候補モデルの位置を決定し、前記候補モデルに対応する加工工具及び工具保持機構の組み合わせと前記決定された位置から、前記寸法データを生成する
   工具形状測定装置。

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