JP6486632B2 - Tool shape acquisition method and apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、工具を撮影したカメラの画像から当該工具の形状(寸法を含む)を取得する方法に関するもので、特に工作機械の刃物台に装着された工具の形状を取得する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for acquiring the shape (including dimensions) of a tool from a camera image of the tool, and particularly to a method for acquiring the shape of a tool mounted on a tool post of a machine tool. .
工具マガジンやタレット刃物台に複数の工具を装着してワークの加工を行う工作機械では、工具マガジンやタレット刃物台の工具取付位置に装着された各工具の工具データを予め制御器に登録しておく必要がある。工具にはドリルやフライスなどの回転工具とバイトのような固定の工具とがあり、バイトにも内径用と外径用の区別があるほか、刃先の方向や形状の異なる多種類のものがある。 In a machine tool that processes multiple workpieces by attaching multiple tools to the tool magazine or turret tool post, the tool data of each tool installed at the tool mounting position of the tool magazine or turret tool post is registered in the controller in advance. It is necessary to keep. There are rotating tools such as drills and milling tools and fixed tools such as cutting tools. There are also different types of cutting tools for inner diameter and outer diameter, and there are many types with different cutting edge directions and shapes. .
刃物台に装着したときの工具の刃先の位置と刃物台の基準位置(制御器が制御している位置)との位置関係は、工具毎に異なる。従って、その位置関係(工具オフセット値)を制御器に登録しておかなければワークを所望形状に加工することができない。また、刃物台が移動したときに、これに装着された工具が加工中のワークや機械本体に衝突するのを避けるためにも、刃物台に装着されている工具の形状を制御器に登録しておくことが必要である。 The positional relationship between the position of the tool edge when mounted on the tool post and the reference position of the tool post (the position controlled by the controller) differs for each tool. Accordingly, the workpiece cannot be machined into a desired shape unless the positional relationship (tool offset value) is registered in the controller. In addition, when the tool post moves, the shape of the tool attached to the tool post is registered in the controller in order to prevent the tool attached to the tool post from colliding with the workpiece being processed or the machine body. It is necessary to keep it.
工具の種類と寸法が分かれば代役の工具形状が定まる。換言すれば、工具の形状が分かれば工具の種類の判別と寸法の検出を行うことができる。 If the type and dimensions of the tool are known, the substitute tool shape can be determined. In other words, if the shape of the tool is known, it is possible to determine the type of tool and detect the size.
工具マガジンやタレットには、加工の準備作業である段取り作業時にオペレータが工具を装着する。オペレータは、工具を装着したとき、その工具装着位置に対応づけて、操作盤から装着した工具の工具データ(工具の種類や寸法など)を制御器に入力していた。しかし、オペレータの手入力による制御器への工具データの登録は、面倒で時間がかかると共に、入力ミスが生じやすいという問題がある。 The tool is mounted on the tool magazine and the turret by the operator during the setup work, which is preparation work. When the operator mounts a tool, the operator inputs tool data (such as the type and size of the tool) of the tool mounted from the operation panel in association with the tool mounting position. However, registration of tool data to the controller by manual input by the operator has a problem that it is troublesome and takes time, and input errors are likely to occur.
そこで刃物台に装着された工具をカメラで撮影して、その画像を解析することによって、工具の形状とおおよその寸法を検出して、工具データの一部を自動入力する方法が提案されている。また、工具をタレットに装着するときに用いる工具ホルダにICチップを取り付け、当該ICチップに当該ホルダに装着されている工具の工具データを登録しておき、刃物台に工具を装着したときに、そのICチップの登録データを制御器に読み込むことによって工具データの登録を行う方法が提案されている。 Therefore, a method has been proposed in which the tool mounted on the tool post is photographed with a camera and the image is analyzed to detect the shape and approximate dimensions of the tool, and a part of the tool data is automatically input. . Also, when an IC chip is attached to the tool holder used when the tool is mounted on the turret, the tool data of the tool mounted on the holder is registered in the IC chip, and when the tool is mounted on the tool post, A method of registering tool data by reading the registration data of the IC chip into a controller has been proposed.
カメラの解像度の向上や画像解析技術の向上によって、カメラで工具を撮影した画像から工具データを取得する方法は、有効な手段となりつつある。この場合、工具マガジンやタレット刃物台のそれぞれの工具取付位置に現に装着されている工具の工具データを制御器に登録するためには、工具を工具マガジンやタレット刃物台に装着した状態で撮影した画像から工具形状を認識するという処理が必要である。 A method of acquiring tool data from an image obtained by photographing a tool with a camera due to improvement in resolution of the camera and improvement in image analysis technology is becoming an effective means. In this case, in order to register the tool data of the tool that is currently mounted at the tool mounting position of the tool magazine or turret tool post to the controller, the image was taken with the tool mounted on the tool magazine or turret tool post. A process of recognizing the tool shape from the image is necessary.
しかし、工具を工作機械に装着した状態で撮影した画像には、背景に工作機械の種々の部材が写り込み、これらの部材が工具と同様な金属光沢を有しているので、その画像から工具の画像を抽出することが極めて困難である。 However, in the image taken with the tool mounted on the machine tool, various members of the machine tool are reflected in the background, and these members have the same metallic luster as the tool. It is extremely difficult to extract the image.
そこで、この困難を避けるために、カメラで工具を撮影するときに、その背景となる位置に背景を隠す平板を挿入したり、背景として写り込む部材を覆う布を挿入して撮影していた。この方法によれば、工具や刃物台とその背景とのコントラストが大きく相違した画像を得ることができるので、比較的簡単な画像解析で工具の正確な形状を検出することができる。 Therefore, in order to avoid this difficulty, when photographing a tool with a camera, a flat plate that hides the background is inserted at a position that becomes the background, or a cloth that covers a member that is reflected as a background is inserted and photographed. According to this method, it is possible to obtain an image in which the contrast between the tool or the tool rest and the background thereof is greatly different, so that the accurate shape of the tool can be detected by relatively simple image analysis.
しかし、この方法の場合は、撮影時に背景となる板や布(背景板や背景布)を装着する手間が必要で、刃物台が配置されているワークの加工領域が隔壁と扉で囲まれている近時の工作機械では、この背景板や背景布の装着が大変に面倒で、刃物台に装着されている工具によって作業者の腕を傷つける危険もある。 However, in this method, it is necessary to install a background plate or cloth (background plate or background cloth) as a background when photographing, and the work area where the tool post is placed is surrounded by a partition and a door. In recent machine tools, it is very troublesome to attach the background plate and the background cloth, and there is a risk of damaging the operator's arm with a tool attached to the tool post.
一方、工具ホルダのICチップに工具データを登録しておく方法は、ICチップに工具データを登録する際に手入力でデータを登録しなければならないので、その登録の際に工具データを手入力で制御器に登録する場合と同様な問題が生じる。また、ICチップが装着されているのが工具そのものではなく、工具ホルダであるため、ホルダに装着する工具が変更されたときは、工具データを新たに登録し直す必要もある。 On the other hand, in the method of registering tool data in the IC chip of the tool holder, the data must be registered manually when registering the tool data in the IC chip. This causes the same problem as when registering with the controller. In addition, since the IC chip is mounted not on the tool itself but on the tool holder, when the tool mounted on the holder is changed, it is also necessary to newly register the tool data.
この発明は、このような従来技術の問題点を解決して、背景板や背景布を用いることなく、工具マガジンやタレット刃物台、特に背景板や背景布を取り付けることが困難で、工具に近い位置に工具と同様な金属光沢を備えた部材が存在する刃物台に装着された工具を撮影した画像から、簡単な画像解析によって工具形状を検出する手段を提供することを課題としている。 The present invention solves such problems of the prior art, and it is difficult to attach a tool magazine or a turret tool post, particularly a background plate or background cloth, without using a background plate or background cloth, and is close to a tool. It is an object of the present invention to provide means for detecting a tool shape by simple image analysis from an image obtained by photographing a tool mounted on a tool post having a member having a metallic luster similar to that of a tool at a position.
この発明は、工作機械の機内にカメラ2を設置し、刃物台1(1a、1b、1c)に工具3(3a、3b、3c)を装着した状態で刃物台1をカメラ2の撮影領域の内外に移動することにより、工具3が写っているデジタル画像Aと写っていないデジタル画像Bを撮影し、両デジタル画像の差分をとることにより、背景が除去された刃物台及び工具のみの画像Eを作成して、当該画像Eの画像解析により、刃物台1に装着された状態で工具3の形状を取得することにより、上記課題を解決したものである。
In the present invention, the
すなわちこの発明の工具の形状取得方法は、工作機械の加工領域内の所定位置に位置決めした刃物台1に装着された工具3を撮影するカメラ2を設置し、当該刃物台1に工具3を装着し、工具3がカメラ2の撮影領域内となる位置に刃物台1を移動して撮影したデジタル画像Aと、工具3が当該撮影領域外となる位置に刃物台1を移動して撮影したデジタル画像Bとを取得し、両デジタル画像A、Bの一方Aの輝度から他方Bの輝度を引いた差分画像Cと他方Bの輝度から一方Aの輝度を引いた差分画像Dとの両差分画像C、Dを合成して背景が除去された合成画像Eを作成し、当該合成画像Eから工具3の形状を抽出することで、背景板や背景布を用いることなく、工具形状を明確に認識できる工具の画像を得ることができるようにしたものである。
That is, according to the tool shape acquisition method of the present invention, the
この発明は、機内で工具3を撮影したデジタル画像Aに工具3と同様な金属光沢を有する複雑な部材が背景として写り込み、かつ背景板や背景布を挿入するのに手数を要する旋盤の刃物台1に装着した工具3の形状を取得するのに特に有効である。この場合、タレット刃物台1a、1bの割出軸線a、b回りの回転により、工具3a、3bの正面をカメラ2に向けることができるので、機内におけるカメラ2の設置位置に対する自由度が大きく、また、1台のカメラ2で複数の刃物台1に装着した工具3を撮影することが可能である。
In the present invention, a complicated member having a metallic luster similar to that of the tool 3 is reflected as a background in the digital image A obtained by photographing the tool 3 in the machine, and a lathe blade that requires a lot of work to insert a background plate or a background cloth This is particularly effective for acquiring the shape of the tool 3 mounted on the table 1. In this case, since the front of the
この発明の工具形状取得装置は、刃物台1の移動領域の一部が撮影領域となるように設置されたカメラ2と、刃物台1の移動動作とカメラ2の撮影動作を制御する制御器5とを備え、制御器5は、工具形状取得手段50を備える。工具形状取得手段50は、刃物台1をカメラ2の撮影領域内に位置決めしたときと撮影領域外に移動したときのデジタル画像A、Bを取得する画像取得手段52と、デジタル画像A、Bの一方Aから他方B及び他方Bから一方Aの差分画像C、Dを作成して当該差分画像C、Dを合成した合成画像Eを作成する背景除去手段53と、合成画像Eから工具3の画像を抽出する画像解析手段54とを備えている。
The tool shape acquisition apparatus according to the present invention includes a
この発明によれば、工作機械の各工具装着位置に装着された工具の形状を自動で取得する際に、工具形状を誤認識する虞がなく、工作機械の機内で工具を撮影するときに背景板や背景布などの背景を除去するための部材を必要とせず、背景板や背景布を取り付ける手間が省け、またICチップへの工具データの入力も必要としないので、作業者の負担が軽減される。 According to this invention, when automatically acquiring the shape of the tool mounted at each tool mounting position of the machine tool, there is no possibility of erroneously recognizing the tool shape, and the background when shooting the tool in the machine tool. It eliminates the need to install materials such as boards and background cloth, eliminates the need to attach the background board and background cloth, and eliminates the need to input tool data to the IC chip, reducing the burden on the operator. Is done.
そして、制御器に予め工作機械に使用されることのある工具の形状と工具データとを登録しておくことで、取得した工具形状から工具の種類を自動判別して画像から工具データとして登録する寸法を検出することで、工具データの自動入力が可能になるという効果がある。 And by registering the shape and tool data of the tool that may be used in the machine tool in advance in the controller, the tool type is automatically determined from the acquired tool shape and registered as tool data from the image. By detecting the dimensions, there is an effect that tool data can be automatically input.
以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施形態を説明する。図1及び図2は、この発明の第1実施例を示した図で、主軸軸線cの上下にタレット刃物台1a、1bを備えたスラント型の旋盤における実施例を示した図である。タレット刃物台1a、1bは、主軸軸線cと平行な割出軸線a、b回りに回動可能で、傾斜したベッド上面Sと略平行な図のX軸方向及び主軸軸線cと平行な図の紙面直角方向(Z軸方向)に移動可能である。タレット刃物台1a、1bの回転角及び移動位置は、旋盤の制御器5によって正確に制御されている。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIGS. 1 and 2 are views showing a first embodiment of the present invention and showing an embodiment in a slant type lathe provided with turret tool rests 1a and 1b above and below a spindle axis c. The
カメラ2は、撮影しようとする工具3a、3bを正面、すなわちワークに対する刃先の進行方向の前方から撮影する位置に配置する。主軸軸線cの上下に刃物台1が配置されている旋盤では、カメラ2の方向を変えることによって、上下の刃物台1a、1bに装着された工具3a、3bを共に正面から撮影可能な位置にカメラ2を配置することができる。
The
図示の例では、主軸4が矢印Rの方向に回転するとして、下タレット刃物台1aの工具3aが主軸軸線cを向く位置(ワークを加工する位置)から割出軸線a回りに角度θだけ回動したときの工具3aを正面から撮影する方向(以下、「θ直角方向」と言う。)dと、上タレット刃物台1bの工具3bが主軸軸線cを向く位置から割出軸線b回りに角度φだけ回動したときの工具3bを正面から撮影する方向(以下「φ直角方向」と言う。)eとが交叉する位置に、カメラ2を、主軸軸線cと平行な軸線f回りに回動位置決め可能に、装着している。
In the example shown in the figure, assuming that the
θ直角方向d及びφ直角方向eは、タレット刃物台1a、1bに装着された全ての工具について同じ方向であり、かつそれぞれの方向におけるカメラ2から工具3a、3bまでの距離La、Lbもそれぞれ一定なので、これらの方向d、e及び距離La、Lbを制御器5に登録するか計算させることにより、撮影対象となる工具3a、3bをカメラの画像の正確な位置に正確なピントで撮影することができる。
The θ perpendicular direction d and the φ perpendicular direction e are the same for all tools mounted on the
なお、工具撮影時の上下の刃物台のX軸方向の位置は、刃物台1a、1bに工具3a、3bを装着するときの位置であることが望ましいが、刃物台1a、1bは、X軸方向の正確な位置に移動できるので、カメラ2の設置位置には、ある程度の自由度がある。従ってカメラ2は、刃物台1a、1bがX軸方向に移動可能であることを考慮して、ワークの搬入搬出の障害になったり、加工中の切削液や切粉の飛散による障害を受けない位置に設置することが可能である。
It should be noted that the position of the upper and lower tool rests in the X-axis direction during tool photographing is preferably the position when the
次に上記の旋盤における下刃物台1aに装着した工具3aの形状取得動作を説明する。工具3aの所定の工具装着位置をオペレータ側に向くようにタレット刃物台1aを回動して工具3aを装着した後、制御器5に登録された工具形状取得手段(プログラム)50を実行する。
Next, the shape acquisition operation of the
工具形状取得手段50の撮影準備手段51は、制御器5に登録された下タレット刃物台1aの工具撮影時の割出角θ、カメラ2から工具3aまでの距離La及びX軸方向の位置を参照して、新たに装着された工具が割出し位置θに来るように下タレット刃物台1aを割り出し、登録されているX軸方向の位置に下タレット刃物台1aを移動して、カメラ2をθ直角方向に向け、カメラ2のピント合わせをする。
The imaging preparation means 51 of the tool shape acquisition means 50 determines the index angle θ at the time of imaging the tool of the lower
次に、工具形状取得手段50の画像取得手段52が、工具3aがカメラ2の撮影領域に入っている状態でのデジタル画像Aと、刃物台1aのZ軸方向の移動によって工具3aがカメラ2の撮影領域から外れた位置に移動した後の同一箇所のデジタル画像Bとを取得する。デジタル画像Bには、背景のみが写っている。
Next, the image acquisition means 52 of the tool shape acquisition means 50 causes the
工具形状取得手段50の背景除去手段53は、この2つのデジタル画像A、Bの各画素の輝度について、画像Aから画像Bの輝度を差し引いた差分画像C(C=A−B)と、画像Bから画像Aの輝度を差し引いた差分画像D(D=B−A)を作成し、次に両差分画像の輝度の和を輝度とする合成画像E(E=C+D)を作成する。
The
差分画像の輝度は、マイナスにはならないので、それぞれの差分画像C、Dの画素の輝度がマイナスとなる部分には、輝度0が置かれて黒になる。工具3a及び刃物台1aが写っている部分以外の背景は、デジタル画像A、Bにおいて同じ輝度となっているはずであるから、その背景部分が差分画像C及び差分画像Dで共に0となっている。そして、2つの差分画像C、Dを合成することで黒い背景の中に工具3aと下タレット刃物台1aが写っている合成画像Eが得られる。
Since the luminance of the difference image does not become negative, the luminance 0 is placed in the portion where the luminance of the pixels of the respective difference images C and D is negative, and the difference image becomes black. Since the background other than the part in which the
刃物台1aの形状は分かっているので、工具形状取得手段50の画像解析手段54は、合成画像Eの画像解析により、工具3aの形状を検出する。なお、上記の説明では特に述べなかったが、これらの画像処理中にスパイクノイズの除去などのノイズ除去を必要に応じて行ってやればよい。
Since the shape of the
また、照明の具合や刃物台の影や反射によって、画像A、Bにおける背景の輝度が異なることがあり得る。この場合は、工具を装着しない状態での刃物台が写っている画像(画像Aに相当する画像)と写っていない画像(画像Bに相当する画像)を予め取得して背景の輝度の差を検出して制御器に登録しておき、差分画像を取得するときに登録された輝度の差で背景の輝度を補正してやれば良い。 Moreover, the brightness | luminance of the background in the images A and B may change with the lighting conditions and the shadow and reflection of a tool post. In this case, an image showing the tool post in a state where no tool is mounted (an image corresponding to the image A) and an image not showing the image (an image corresponding to the image B) are acquired in advance to obtain a difference in luminance of the background. It may be detected and registered in the controller, and the luminance of the background may be corrected with the luminance difference registered when the difference image is acquired.
以上は下タレット刃物台1aに装着した工具3aの形状を取得する手順であるが、上タレット刃物台1bに装着した工具3bの形状を取得するときは、工具3bを上タレット刃物台1bに装着した後、上タレット刃物台1bをφだけ回動させること、及びカメラ2の光軸をφ直角方向に向けると共に工具までの距離をLbに設定する点が異なるのみで、あとは上記と同様な手順によって上タレット刃物台1bに装着された工具3bの形状を取得する。
The above is the procedure for acquiring the shape of the
図3は、この発明の第2実施例を示した図で、主軸軸線cの上下に回転工具軸を備えた複合刃物台1cとタレット刃物台1aとを配置したスラント型の複合旋盤にこの発明を実施した例を示した図である。この種の複合旋盤の複合刃物台1cは、Z軸及びX軸と直交するY軸方向にも移動可能で、かつ当該Y軸回りに旋回可能である。また、複合刃物台1cに装着する多数の工具を収容した工具マガジンと、工具マガジンと複合刃物台1cとの間で工具交換を行う自動工具交換装置(いずれも図には示していない。)が設けられている。
FIG. 3 is a view showing a second embodiment of the present invention. The present invention is applied to a slant-type compound lathe in which a
第2実施例におけるカメラ2の装着位置は、タレット刃物台1aの工具3aを撮影するθ直角方向と、上刃物台1cの工具3cを撮影するY軸方向とが交叉する位置である。カメラ2は、主軸軸線cと平行な軸線f回りにθ直角方向とY軸方向に回動位置決め可能に装着される。
The mounting position of the
下刃物台に装着された工具3aの形状取得手順は、第1実施例と同じであるので説明を省略し、工具マガジンに装着した工具の形状取得手順を以下に説明する。
The procedure for acquiring the shape of the
オペレータは、工具マガジンに必要な工具を順次装着して、工具形状取得手段50を実行する。工具形状取得手段の撮影準備手段51は、形状を取得する工具が装着された工具装着位置をオペレータに入力させ、その工具装着位置を工具交換位置に移動して工具交換装置で複合刃物台1cに装着した後、複合刃物台1cのX及びZ軸方向の移動により、複合刃物台1cをカメラ2の撮影領域に移動し、カメラ2をY軸方向に向けると共に、登録されたカメラ2から工具3cまでの距離Lcを参照して、カメラ2のピント合わせをする。
The operator sequentially attaches necessary tools to the tool magazine and executes the tool shape acquisition means 50. The imaging preparation means 51 of the tool shape acquisition means causes the operator to input the tool mounting position on which the tool for acquiring the shape is mounted, moves the tool mounting position to the tool replacement position, and moves the tool mounting position to the
以下、画像取得手段52、背景除去手段53及び画像解析手段54により、第1実施例の下タレット刃物台の工具形状を取得するときと同じ手順で工具形状を取得し、当該形状又は当該形状から演算により求めた工具データを、工具交換位置に移動した工具装着位置に装着した工具の形状とする。
Hereinafter, the tool shape is acquired by the same procedure as that for acquiring the tool shape of the lower turret tool post of the first embodiment by the
以上のようにして取得した工具形状と、予め制御器に登録した工具種類別の形状データとを制御器に登録した工具判別手段で対比することにより、工具の種類を判別し、当該種類の工具について登録された刃先の方向や形状を参照して、画像から仮の工具オフセット値の計測を行うことができる。仮の工具オフセット値は、ツールセッタ(工作機械内に設置された工具の刃先を検出する装置)で工具の刃先を検出するときの刃物台の移動先を自動設定するのに用いることができる。また、高解像度のカメラを用いることで、画像上で計測した工具寸法から取得した工具オフセット値をそのまま工具オフセット値として、ワークの加工を行うことも可能になる。 By comparing the tool shape acquired as described above with the shape data for each tool type registered in the controller in advance by the tool discriminating means registered in the controller, the tool type is determined, and the tool of that type The temporary tool offset value can be measured from the image with reference to the direction and shape of the blade edge registered for. The temporary tool offset value can be used to automatically set the movement destination of the tool post when the tool edge of the tool is detected by a tool setter (a device for detecting the edge of the tool installed in the machine tool). In addition, by using a high-resolution camera, it is possible to process a workpiece using the tool offset value acquired from the tool dimension measured on the image as it is as the tool offset value.
1(1a、1b、1c) 刃物台
2 カメラ
3(3a、3b、3c) 工具
5 制御器
50 工具形状取得手段
52 画像取得手段
53 背景除去手段
54 画像解析手段
A デジタル画像
B デジタル画像
C 差分画像
D 差分画像
E 合成画像
a、b 割出軸線
1 (1a, 1b, 1c)
Claims (4)
前記制御器は、刃物台を前記カメラの撮影領域内に位置決めしたときと撮影領域外に移動したときのデジタル画像を取得する画像取得手段と、当該画像取得手段が取得したデジタル画像の一方の輝度から他方の輝度を引いた差分画像と他方の輝度から一方の輝度を引いた差分画像とを合成した合成画像を作成する背景除去手段と、当該合成画像から工具の画像を抽出する画像解析手段とを含む工具形状取得手段を備えている、工作機械の工具形状取得装置。 A camera installed so that a part of the moving region of the tool post becomes a photographing region, and a controller that controls the moving operation of the tool post and the photographing operation of the camera;
The controller includes an image acquisition unit that acquires a digital image when the tool post is positioned in the imaging region of the camera and moves outside the imaging region, and one luminance of the digital image acquired by the image acquisition unit. and background removal means for creating a composite image by combining the difference image obtained by subtracting one of the luminance from the difference image by subtracting the other luminance and the other luminance from the image analysis means for extracting an image of the tool from the composite image A tool shape acquisition device for a machine tool, comprising tool shape acquisition means including
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