JP6193790B2

JP6193790B2 - 工作機械の工具変位測定装置

Info

Publication number: JP6193790B2
Application number: JP2014059520A
Authority: JP
Inventors: 欣且佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool Co Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP2015182159A

Description

本発明は、工作機械の工具の先端位置の変位を測定する工作機械の工具変位測定装置に関する。

工作機械で工具を回転させて加工する際、回転による発熱や機械周囲の温度変化などによって工具の先端位置が変位してしまう。そのため、機上に工作機械の工具変位測定装置を搭載し、非接触で工具の先端位置の変位を測定し、測定結果に基づき前記工具の先端位置を補正することで、前記工具による加工の誤差を抑制するようにしている。

前記工作機械の工具変位測定装置として、レーザ式の装置とカメラを用いた撮像式の装置とがある。例えば、下記特許文献１は、カメラユニットと照明ユニットと接触式変位計とレーザ変位計などを具備し、カメラユニットおよび照明ユニットにより得られた画像に基づき水平校正し、接触式変位計およびレーザ変位計により得られたデータに基づき垂直校正する装置を開示している。

特開２０１０−６４２０３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置は、工具の先端位置を水平校正できるものの、工具とターゲットマークの２つの像が重なった状態にて撮影できるように複数のミラーおよびハーフミラーおよびカメラを組み合わせたものであり、装置自体が煩雑であった。また、工具の先端位置を垂直校正できるものの、接触式変位計が工具の先端との接触によって工具の物理的な移動量を計測するものであり、工具を回転させながらの測定は不可能であることから、回転の発熱による変位を測定することができなかった。

以上のことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたもので、簡易な構成にて工具の先端位置の変位を正確に測定することができる工作機械の工具変位測定装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する本発明に係る工作機械の工具変位測定装置は、
工作機械の工具の先端位置の変位を測定する工作機械の工具変位測定装置であって、
前記工具を撮影する撮影手段と、
前記工具に光を照射する第一，第二照明手段と、
前記光を反射する反射手段と、
前記反射手段を移動する移動手段と、
前記撮影手段により撮影された前記工具の画像から前記工具の先端位置を解析する画像処理手段とを具備し、
前記第一照明手段が前記撮影手段に対向して配置される一方、前記第二照明手段が、前記第一照明手段および前記撮影手段と同一面において前記反射手段を介して前記撮影手段の撮影方向に対し直交して配置され、
前記撮影手段と前記第一照明手段との間の第一撮影領域に前記工具を配置したときに、前記移動手段が前記撮影手段の撮影視野から離間した位置に前記反射手段を移動し、前記第一照明手段が前記工具を照明する一方、前記撮影手段が前記工具を撮影し、
前記第二照明手段と対向する第二撮影領域に前記工具を配置したときに、前記移動手段が前記第二照明手段の光を前記撮影手段側へ反射する位置に前記反射手段を移動し、前記第二照明手段が前記工具を照明する一方、前記撮影手段が前記反射手段により反射された前記工具の像を撮影し、
前記画像処理手段は、前記第一撮影領域での前記工具の画像と前記第二撮影領域での前記工具の画像に基づき前記工具の先端位置を測定する
ことを特徴とする。

また、
前記第一照明手段と前記第二照明手段と前記撮影手段とが同一水平面に配置される
ことを特徴とする。

また、
前記撮影手段、前記第一照明手段、前記第二照明手段、前記反射手段を覆い、前記撮影手段による撮影方向、前記第一，第二照明手段による光の照射方向、前記反射手段による光の反射方向に窓部が形成されたカバーと、
前記窓部を遮蔽可能なシャッターと
を具備する
ことを特徴とする。

また、
前記反射手段が前記シャッターに設けられ、
前記移動手段は、前記シャッターである
ことを特徴とする。

本発明に係る工作機械の工具変位測定装置によれば、撮影手段と第一，第二照明手段と反射手段と移動手段と画像処理手段とを具備し、撮影手段と第一，第二照明手段と反射手段の４つを所定の関係となる様に配置するだけで、工作機械の工具の先端における直交する３方向の位置を測定することができる。よって、簡易な構成にて、工具の先端位置の変位を正確に測定することができる。

本発明に係る工作機械の工具変位測定装置の一実施形態を説明するための概略図であって、図１（ａ）に反射鏡がカメラの撮影視野外に配置された状態を示し、図１（ｂ）に反射鏡が第二照明装置による光の反射位置（カメラの撮影視野）に配置された状態を示す。本発明に係る工作機械の工具変位測定装置の一実施形態の概略図である。本発明に係る工作機械の工具変位測定装置の一実施形態のブロック図である。本発明に係る工作機械の工具変位測定装置の一実施形態の概略図であって、図４（ａ）に第二シャッターにより窓部を遮蔽した場合を示し、図４（ｂ）に第一シャッターにより窓部を遮蔽した場合を示す。

本発明に係る工作機械の工具変位測定装置の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態に係る工作機械の工具変位測定装置は、工作機械が具備する工具Ｔの変位を測定する装置である。前記工具Ｔは、例えば、土台を構成するベッド上に載置されるコラムと、コラムの一側面側に摺動自在に支持される主軸ヘッドと、主軸ヘッドに回転自在に支持される主軸とを具備する工作機械において、前記主軸に着脱自在に支持されるものである。すなわち、工具Ｔは、工作機械により所定の箇所に配置可能になっており、工作機械が工具の移動手段をなしている。

本実施形態に係る工作機械の工具変位測定装置１０は、図１に示すように、基台１１、カメラ（撮影手段）１４、第一照明装置（第一照明手段）１５、第二照明装置（第二照明手段）１６、反射鏡（反射手段）１７を具備する。

基台１１は、例えば、前記工作機械のコラムの前方に配設されるテーブル上にて、前記工作機械がワークを加工する箇所に隣接した箇所に配置される。基台１１は、直方体状をなす第一基部１１ａおよび第二基部１１ｂを有する。第二基部１１ｂは、第一基部１１ａと同一平面にて第一基部１１ａの延在方向に対して直交方向となるように第一基部１１ａの略中央部と接続している。すなわち、基台１１は、平面視で略Ｔ字状をなしている。第一基部１１ａは、工具Ｔを後述する第一撮影領域４１に配置したときに、カメラ１４および第一照明装置１５により工具Ｔを撮影可能な大きさに形成されている。第二基部１１ｂは、工具Ｔを詳細につき後述する第二撮影領域４２に配置すると共に、反射鏡１７を詳細につき後述する光反射位置に配置したときに、カメラ１４および第二照明装置１６および反射鏡１７により工具Ｔを撮影可能な大きさに形成されている。

カメラ１４は、基台１１の第一基部１１ａにおける一方の端部に固定される。カメラ１４は、例えばＣＣＤカメラであり、工作機械によって第一撮影領域４１に配置された工具Ｔの先端を撮影すると共に、工作機械によって第二撮影領域４２に配置され、反射鏡１７によって反射された工具Ｔの先端の像を撮影する。

第一照明装置１５は、基台１１の第一基部１１ａにおける他方の端部に固定される。第一照明装置１５は、工作機械によって第一撮影領域４１に配置された工具Ｔの先端およびその近傍を照明する。

カメラ１４と第一照明装置１５は、対向して配置されると共に、当該カメラ１４の撮影方向であるカメラ軸Ａ２と当該第一照明装置１５による光の照射方向である光軸Ａ１とが一致するように配置される。ここで、カメラ１４のカメラ軸Ａ２および第一照明装置１５の光軸Ａ１と平行な方向をＹ軸方向とし、垂直方向をＺ軸方向とする。

第二照明装置１６は、基台１１の第二基部１１ｂの端部に固定される。第二照明装置１６は、工作機械によって第二撮影領域４２に配置された工具Ｔの先端およびその近傍を照明する。第二照明装置１６は、当該第二照明装置１６による光の照射方向である光軸Ａ３が前記Ｙ軸と同一の水平面に配置されると共に、カメラ１４と第一照明装置１５の間にて、カメラ１４のカメラ軸Ａ２と直交するように配置される。第二照明装置１６の光軸Ａ３は、Ｙ軸方向と直交する方向であり、Ｘ軸方向とする。

反射鏡１７は、支持具１８により支持され、ＸＹ平面にて所定の角度に保持される。反射鏡１７は、第二照明装置１６による光をカメラ１４側へ反射する光反射位置と、前記光反射位置から離間し、カメラ１４の撮影視野から外れた撮影視野外位置とに移動可能に設けられる。

上述した工作機械の工具変位測定装置１０は、図２に示すように、カバー２０および第一，第二シャッター３１，３２をさらに備える。これにより、工具Ｔの変位を測定可能なように装置全体を覆うことができ、工具Ｔによりワークを加工したときに生じる加工くず（例えば、切粉）や加工油（例えば、切削油）などの異物からカメラ１４および第一，第二照明装置１５，１６および反射鏡１７を保護することができる。

カバー２０は、撮影室２１、第一照明室２２、第二照明室２３、第一連絡室２４、第二連絡室２５を構成するように形成されている。

撮影室２１は、カメラ１４を覆うように構成されている。撮影室２１を覆うカバー２０には、カメラ１４のカメラ軸Ａ２の延在方向に第一撮影用窓部２１ａが形成されている。さらに撮影室２１を覆うカバー２０には、反射鏡１７によるカメラ軸Ａ２の反射方向（第二照明装置１６の光軸Ａ３の延在方向）に第二撮影用窓部２１ｂが形成されている。

第一照明室２２は、第一照明装置１５を覆うように構成されている。第一照明室２２を覆うカバー２０には、第一照明装置１５の光軸Ａ１の延在方向に第一照明用窓部２２ａが形成されている。

第二照明室２３は、第二照明装置１６を覆うように構成されている。第二照明室２３を覆うカバー２０には、第二照明装置１６の光軸Ａ３の延在方向に第二照明用窓部２３ａが形成されている。

撮影室２１と第一照明室２２とは、第一連絡室２４により連通している。

撮影室２１と第二照明室２３とは、第二連絡室２５により連通している。

第一，第二シャッター３１，３２は、平面視で略Ｕ字状をなしている。第一シャッター３１は、上下動自在に設けられており、上下動によって第一撮影用窓部２１ａおよび第一照明用窓部２２ａを開閉している。第二シャッター３２は、上下動自在に設けられており、上下動によって第二撮影用窓部２１ｂおよび第二照明用窓部２３ａを開閉している。

第一シャッター３１におけるカメラ１４との対向面側には、支持具１８を介して反射鏡１７が取り付けられている。反射鏡１７は、第一撮影用窓部２１ａおよび第一照明用窓部２２ａを遮蔽する位置に第一シャッター３１を配置する一方、第二撮影用窓部２１ｂおよび第二照明用窓部２３ａを開口する位置に第二シャッター３２を配置したときに、第二照明装置１６の光軸Ａ３とカメラ１４のカメラ軸Ａ２とが一致するように配置されている。よって、第一シャッター３１の開閉により、カメラ１４の撮影視野から離間した位置に反射鏡１７を移動すると共に、第二照明装置１６による光をカメラ１４側へ反射する位置に反射鏡１７を移動することができる。

上述の工作機械の工具変位測定装置１０は、窓部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２３ａに向けて空気を噴射するエア噴射ノズル３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄをさらに備える。これらエア噴射ノズル３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄからエアを噴射することにより、上述した異物のカバー２０内への侵入を防ぐことができる。

また、上述の工作機械の工具変位測定装置１０は、図３に示すように、カメラ１４、第一照明装置１５、第二照明装置１６、第一シャッター３１、第二シャッター３２と接続して設けられた制御装置５０と、カメラ１４および制御装置５０と接続して設けられた画像処理装置５１を具備する。制御装置５０は、カメラ１４、第一，第二照明装置１５，１６、第一，第二シャッター３１，３２、画像処理装置５１を制御する。なお、制御装置５０には、上述した工具の移動手段をなす工作機械とも接続しており、制御装置５０は、前記工作機械も制御している。

画像処理装置５１は、カメラ１４により撮影された工具Ｔの画像から工具Ｔの先端位置を解析する。具体的には、画像処理装置５１は、工具Ｔが第一撮影領域４１に配置されたときに、第一照明装置１５が工具Ｔを照明する一方、カメラ１４が工具Ｔを撮影して得られた工具Ｔの画像と、工具Ｔが第二撮影領域４２に配置されたときに、反射鏡１７が光反射位置に配置され、第二照明装置１６が工具Ｔを照明する一方、カメラ１４が工具Ｔを撮影して得られた工具Ｔの画像とに基づき工具Ｔの先端位置を測定（演算）して座標位置を求める。

ここで、上述した工作機械の工具変位測定装置１０が具備する制御装置５０により、工具Ｔの変位を測定する手順について、図４（ａ），（ｂ）を用いて以下に説明する。なお、工具Ｔの変位を測定する前は、図２に示すように、第一シャッター３１が第一撮影用窓部２１ａおよび第一照明用窓部２２ａを遮蔽するように配置され、第二シャッター３２は第二撮影用窓部２１ｂおよび第二照明用窓部２３ａを遮蔽するように配置される。エア噴射ノズル３３ａ〜３３ｄは、窓部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２３ａに向けてエアを常に噴射するように制御されている。

先ず、図４（ａ）に示すように、前記工作機械が工具Ｔを第一撮影領域４１に配置する。

続いて、第一撮影用窓部２１ａおよび第一照明用窓部２２ａを開口する位置に第一シャッター３１を移動し、第一照明装置１５が光を工具Ｔに向けて照射する一方、カメラ１４が工具Ｔを撮影する。画像処理装置５１は、得られた工具Ｔの画像を従来の画像処理技術によって処理することにより、工具Ｔの先端位置のＸ軸方向およびＺ軸方向の変位（Ｘ座標およびＺ座標）を測定する（演算する）。なお、第二シャッター３２は、第二撮影用窓部２１ｂおよび第二照明用窓部２３ａを遮蔽する位置に配置される。

続いて、第一撮影領域４１において、工具Ｔの先端位置の測定が終わると、第一照明装置１５を消灯する一方、第一撮影窓部２１ａおよび第一照明用窓部２２ａを遮蔽する位置に第一シャッター３１を移動する。これにより、反射鏡１７は、第二照明装置１６が照射する光をカメラ１４側へ反射する位置に配置される。

続いて、図４（ｂ）に示すように、前記工作機械が工具Ｔを第二撮影領域４２に配置する。

続いて、第二撮影用窓部２１ｂおよび第二照明用窓部２３ａを開口する位置に第二シャッター３２を移動し、第二照明装置１６が光を工具Ｔに向けて照射する一方、カメラ１４が反射鏡１７により反射された工具Ｔの像を撮影する。画像処理装置５１は、得られた工具Ｔの画像を従来の画像処理技術によって処理することにより、工具ＴのＹ軸方向の変位（Ｙ座標）を測定する（演算する）。なお、第一シャッター３１は、第一撮影用窓部２１ａおよび第一照明用窓部２２ａを遮蔽する位置に配置される。

続いて、第二測定領域４２において、工具Ｔの先端位置の測定が終わると、第二照明装置１６を消灯する一方、第二撮影用窓部２１ｂおよび第二照明用窓部２３ａを遮蔽する位置に第二シャッター３２を移動する。

したがって、本実施形態に係る工作機械の工具変位測定装置１０によれば、所定の位置に配置したカメラ１４、第一照明装置１５、第二照明装置１６、反射鏡１７を具備し、これらを所定の順序で動作させるだけで、工具Ｔの先端位置（Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標）の変位を測定することができる。すなわち、簡易な構成でありながらも、工具Ｔの先端位置の変位を正確に測定することができる。

カメラ１４と第一照明装置１５と第二照明装置１６を略Ｔ字の頂点に配置し、反射鏡１７を前記略Ｔ字の交点に配置するだけで、工具Ｔの先端におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の変位を測定することができることから、カメラと照明装置を具備する工作機械の工具変位測定装置を２組用いて工具Ｔの先端におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の変位を測定する場合と比べて省スペース化を図ることができる。

反射鏡１７が第一シャッター３１に設けられることにより、反射鏡１７を移動するための機器が不要となり、簡易な構成とすることができる。

［他の実施形態］
なお、上記では、１つのカメラ１４と２つの照明装置１５，１６と１つの反射鏡１７とを具備する工作機械の工具変位測定装置１０について説明したが、２つのカメラと１つの照明装置と１つの反射鏡とを具備する工作機械の工具変位測定装置とすることも可能である。

上記では、１つのカメラ１４と２つの照明装置１５，１６と１つの反射鏡１７とを具備する工作機械の工具変位測定装置１０について説明したが、カメラ１４の代わりに、光を受光する１つの受光装置と２つの投光装置と１つの反射鏡とを具備する工作機械の工具変位測定装置とすることも可能である。

上記では、同一水平面に配置される１つのカメラ１４および２つの照明装置１５，１６と、カメラ１４および照明装置１５，１６と同一の水平面に配置可能な反射鏡１７とを具備する工作機械の工具変位測定装置１０について説明したが、同一鉛直面に配置される１つのカメラおよび２つの照明装置と、前記カメラおよび前記２つの照明装置と同一の鉛直面に配置可能な１つの反射鏡とを具備する工作機械の工具変位測定装置とすることも可能である。

上記では、１つのカメラ１４と２つの照明装置１５，１６とが基台１１に固定される工作機械の工具変位測定装置１０を用いて説明したが、１つのカメラと２つの照明装置とが支持具を介して基台に固定される工作機械の工具変位測定装置とすることも可能である。

上記では、第一シャッター３１に設けられた反射鏡１７を備える工作機械の工具変位測定装置１０について説明したが、第二照明装置１６による光をカメラ１４側へ反射する光反射位置と、前記光反射位置から離間し、カメラ１４による撮影視野から外れた撮影視野外位置とに前記反射鏡１７を移動する移動装置（移動手段）を備える工作機械の工具変位測定装置とすることも可能である。前記移動装置としては、例えば、Ｚ軸方向に移動可能な昇降装置、ＸＹ平面にて移動可能な水平移動装置などを用いることができる。前記装置として、例えば、支持具１８に先端側が取り付けられたピストンロッドと、流体（例えば、空気、油など）の給排により前記ピストンロッドを進退させるシリンダとを備える機器などが挙げられる。

本発明に係る工作機械の工具変位測定装置によれば、簡易な構成にて工具の先端位置の変位を正確に測定することができることから、工具による加工の精度を向上させることができ、製造産業などで有益に利用することができる。

１０工作機械の工具変位測定装置
１１基台
１１ａ第一基部
１１ｂ第二基部
１４カメラ
１５第一照明装置
１６第二照明装置
１７反射鏡
１８支持具
２０カバー
２１撮影室
２１ａ第一撮影用窓部
２１ｂ第二撮影用窓部
２２第一照明室
２２ａ第一照明用窓部
２３第二照明室
２３ａ第二照明用窓部
２４第一連絡室
２５第二連絡室
３１第一シャッター
３２第二シャッター
３３ａ〜３３ｄエア噴射ノズル
４１第一測定領域
４２第二測定領域
５０制御装置
５１画像処理装置
Ａ１第一照明装置の光軸
Ａ２カメラ軸
Ａ３第二照明装置の光軸
Ｔ工具

Claims

工作機械の工具の先端位置の変位を測定する工作機械の工具変位測定装置であって、
前記工具を撮影する撮影手段と、
前記工具に光を照射する第一，第二照明手段と、
前記光を反射する反射手段と、
前記反射手段を移動する移動手段と、
前記撮影手段により撮影された前記工具の画像から前記工具の先端位置を解析する画像処理手段とを具備し、
前記第一照明手段が前記撮影手段に対向して配置される一方、前記第二照明手段が、前記第一照明手段および前記撮影手段と同一面において前記反射手段を介して前記撮影手段の撮影方向に対し直交して配置され、
前記撮影手段と前記第一照明手段との間の第一撮影領域に前記工具を配置したときに、前記移動手段が前記撮影手段の撮影視野から離間した位置に前記反射手段を移動し、前記第一照明手段が前記工具を照明する一方、前記撮影手段が前記工具を撮影し、
前記第二照明手段と対向する第二撮影領域に前記工具を配置したときに、前記移動手段が前記第二照明手段の光を前記撮影手段側へ反射する位置に前記反射手段を移動し、前記第二照明手段が前記工具を照明する一方、前記撮影手段が前記反射手段により反射された前記工具の像を撮影し、
前記画像処理手段は、前記第一撮影領域での前記工具の画像と前記第二撮影領域での前記工具の画像に基づき前記工具の先端位置を測定する
ことを特徴とする工作機械の工具変位測定装置。
請求項１に記載された工作機械の工具変位測定装置であって、
前記第一照明手段と前記第二照明手段と前記撮影手段とが同一水平面に配置される
ことを特徴とする工作機械の工具変位測定装置。
請求項１または請求項２に記載された工作機械の工具変位測定装置であって、
前記撮影手段、前記第一照明手段、前記第二照明手段、前記反射手段を覆い、前記撮影手段による撮影方向、前記第一，第二照明手段による光の照射方向、前記反射手段による光の反射方向に窓部が形成されたカバーと、
前記窓部を遮蔽可能なシャッターと
を具備する
ことを特徴とする工作機械の工具変位測定装置。
請求項３に記載された工作機械の工具変位測定装置であって、
前記反射手段が前記シャッターに設けられ、
前記移動手段は、前記シャッターである
ことを特徴とする工作機械の工具変位測定装置。