JP6802306B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の回転部に把持された部材の撮影を行う撮像装置に関する。

工作機械において、被加工物の加工を行う工具の刃先の状態を解析することが望まれている。これに対応するため、旋削加工用工具について、撮像装置で工具を撮影し、取得した画像から工具の刃先位置を認識する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２５３９７９号

工作機械の回転部に把持された転削加工用工具についても、旋削加工用工具と同様に、工具の刃先の状態を解析することが望まれている。しかし、工具自体が回転しているので、解析に必要な刃先範囲を撮像装置の被写界深度内に収めることが困難である。更に、工具自体が複雑な形状を有しているので、照明の反射光も複雑に影響し、特許文献１に記載の技術を用いて、転削加工用工具の刃先の状態を解析することは困難である。
一方、異なる回転角度における転削加工用工具の刃先の画像を取得して、刃先の状態を解析することは考えられるが、膨大な画像を取得して解析する必要があるため、多大な時間と工数を要するので、効率的な解析は困難である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、工作機械の回転部に把持された部材の解析に適した画像を効率的に取得可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの実施態様に係る撮像装置は、
工作機械の回転部に把持された部材の撮影を行う、回転しない領域に設置された撮影部と、
前記回転部の回転角度に対応させて前記撮影部を制御する撮影制御部と、
前記撮影部により取得された画像のうち、前記部材の解析に適した解析画像を選択する解析画像選択部と、
前記撮影部により画像が取得されたときの前記回転部の回転角度のうち、前記解析画像が撮影されたときの回転角度である解析回転角度を定める解析回転角度決定部と、
を備え、
前記撮影部により、前記回転部を回転させながら前記部材の撮影を行う第１のステップと、
前記撮影部により、再度、前記解析回転角度における前記部材の撮影を行う第２のステップと、
を有する。

上記の実施態様によれば、工作機械の回転部に把持された部材の解析に適した画像を効率的に取得可能な撮像装置を提供する。

本発明の１つの実施形態に係る撮像装置の撮影部の配置の一例を模式的に示す図である。 本発明の１つの実施形態に係る撮像装置の制御部の概要を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

（本発明の１つの実施形態に係る測定装置）
はじめに、図１及び図２を参照しながら、本発明の１つの実施形態に係る撮像装置について説明する。図１は、本発明の１つの実施形態に係る撮像装置の撮影部の配置の一例を模式的に示す図である。図２は、本発明の１つの実施形態に係る撮像装置の制御部の概要を示すブロック図である。

本実施形態に係る撮像装置２は、工作機械の回転部Ｒに把持された部材Ｔの撮影を行う撮影部１０を備える。工作機械の回転部Ｒとして、工作機械の主軸、回転テーブル等を例示することができる。また、回転部Ｒに把持された部材Ｔには、主軸に取り付けられた転削加工用工具や、主軸に取り付けられた被加工（例えば、旋盤の場合）等を例示することができる。転削加工用工具としては、任意のタイプの転削加工用工具が含まれる。図１では、回転部Ｒが工作機械の主軸であり、回転部Ｒに把持された部材Ｔが転削加工用工具の場合を示す。

工作機械の回転部Ｒに把持された部材Ｔの撮影を行う撮影部１０としては、ＣＣＤ、ＭＯＳをはじめとする任意の撮像素子を備えたカメラを用いることができる。「部材Ｔの撮影を行う」には、部材Ｔ全体を撮影する場合もあり得るし、部材Ｔの一部の領域、例えば刃先領域を撮影する場合も含まれる。

撮影部１０は、部材Ｔを撮影可能な回転しない領域に設置されている。「回転しない領域」としては、工作機械のフレーム領域や、加工領域を外部と隔てるカバー体や、カバー体の外側の領域を例示することができる。撮影部１０をカバー体の外側に設置する場合には、カバー体に設けられた、外部から加工領域を視認するための窓部を通して、部材Ｔを撮影することが考えられる。
ただし、撮影部１０が設置される「回転しない領域」については、撮影時に回転しない領域であればよく、例えば、移動機構や回転機構に撮影部１０が取り付けられている場合もあり得る。その場合には、移動機構、回転機構により、解析に適した画像が取得できるように、撮影部１０の位置、姿勢を変更することができる。

撮影部１０に電気的に接続された制御部１００には、撮影制御部２０、解析画像選択部３０及び解析回転角度決定部４０を備える。
撮影制御部２０は、撮影部１０に信号を送り、回転部Ｒの回転角度に対応させて撮影部１０を制御する。回転部Ｒの回転角度に対応させて撮影部１０を制御することは、回転部Ｒの回転に同期させて露光を行って、所定の回転角度にある回転部Ｒに把持された部材Ｔの画像を取得することを意味する。
回転部Ｒの回転角度に対応させた制御を行うため、撮影制御部２０は、例えば、下記のような３つの方法の何れかを用いて、回転部Ｒの回転角度の情報を得ることができる。

（１）第1の方法
回転部Ｒが、工作機械の主軸や回転テーブルの場合、これらの回転制御のために用いるエンコーダからの同期パルスを受信することにより、撮影制御部２０は、回転部Ｒの回転角度を把握することができる。
（２）第２の方法
回転部Ｒが、工作機械の主軸や回転テーブルの場合、工作機械の制御を行うＮＣ装置から同期パルスを受信することにより、撮影制御部２０は、回転部Ｒの回転角度を把握することができる。
（３）第３の方法
工作機械に設けられたセンサとは別に、撮像装置２として固有の回転センサを備えて、回転部Ｒの回転角度を把握することができる。

撮影部１０を制御する対象としては、撮影位置、露光タイミング、露光時間、解像度、照明強度等を例示することができる。撮影位置に関する制御として、撮影部１０の位置及び姿勢を予め制御することが考えられる。更に撮影位置に関する制御として、回転している回転部Ｒにおいて、所定の回転角度で部材Ｔの撮影を行うことが考えられる。例えば、回転している回転部Ｒに把持された部材Ｔの画像を一定のインターバルで取得することもできるし、回転部Ｒが所定の回転角度に達したときの部材Ｔの画像を取得することもできる。

撮影制御部２０は、回転部Ｒの回転角度を把握しているので、撮影部１０を用いて、解析に適した画像を得るために適した回転角度における部材Ｔの画像を取得することができる。このような回転角度における撮影において、最適な露光タイミング、露光時間、解像度、照明強度で撮影を行うように制御する。

解析画像選択部３０は、撮影部１０により取得された画像のうち、部材Ｔの解析に適した解析画像を選択する。解析に適した画像とは、解析の内容によって、要求される数値は異なるが、画像の解析が必要な領域において、解析可能なレベルの諧調、コントラスト、ダイナミックレンジ、解像力を有し、かつノイズ、色合いの偏り、色のにじみや画像の歪み等が少ない画像を意味する。

解析回転角度決定部４０は、撮影制御部２０及び解析画像選択部３０から受信した信号に基づき、解析画像を選択したタイミングにおける回転角度を判別する。これにより、解析回転角度決定部４０は、撮影部１０により画像が取得されたときの回転部Ｒの回転角度のうち、解析画像が撮影されたときの回転角度である解析回転角度を定めることができる。

以上のような構成の撮像装置２において、撮影部１０により、下記の２つのステップの制御処理を行う：
（１）回転部Ｒを回転させながら部材Ｔの撮影を行う第１のステップ、及び
（２）撮影部１０により、再度、解析回転角度における部材Ｔの撮影を行う第２のステップ。

第１のステップでは、例えば、回転部Ｒを回転させた状態で、所定のインターバルで撮影を行って、複数の画像を取得する。そして、取得した複数の画像に基づいて、解析に適した解析画像を選択し、解析画像が撮影されたときの回転角度である解析回転角度を定める。そして、第２のステップでは、回転部Ｒを回転させて、第１のステップで得られた解析回転角度に達したタイミングで部材Ｔの撮影を行う。これにより、確実に、解析に適した部材Ｔの画像を取得することができる。

更に、第１のステップでは、取得した複数の画像を用いて、解析回転角度を定めるだけでなく、解析に適した画像を得るための撮影条件である、露光タイミング、露光時間、解像度、照明強度等を定めることができる。そして、第２のステップでは、第１のステップで定めた露光タイミング、露光時間、解像度、照明強度等で撮影することにより、解析に適した高画質な画像を取得することができる。
更に、後述するように、第２のステップにおいて、第１のステップで得られた画像に基づいて、ガンマ補正を行って、より解析に適した画像を取得することも考えられる。また、第１のステップにおいてＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）の設定を行って、短時間に効率的に解析画像、解析回転角度を定めることも考えられる。

一般的に、回転部に把持された部材（工具や被加工物）を撮像装置で撮影する場合、解析に適さない画像が多数含まれるため、部材の解析を行うには、膨大な数の画像を取得する必要があり、多大な時間とコストを要する。一方、本実施形態では、第１のステップで、解析に適した画像が得られる解析回転角度を定め、第２のステップで、第１のステップで定めた解析回転角度で、部材Ｔを撮影する。第１のステップでは、実際の解析に用いる画像を取得する必要はないので、解析回転角度の把握が可能なレベルの回転速度で回転部Ｒを回転させて、効率的に部材Ｔの撮影を行うことができる。第２のステップでは、第１のステップで定めた解析回転角度で部材Ｔの撮影を行うので、限定された回転角度において、解析に適した画像が得られる撮影条件を整えて撮影を行う。これにより、工作機械の回転部Ｒに把持された部材Ｔの解析に適した画像を効率的に取得することができる。

制御部１００は、更に、解析画像に基づいて部材Ｔの解析に適した解析領域を定め、解析回転角度における部材Ｔの撮影において、解析領域が抽出された画像を取得する解析領域抽出部５０を更に備えることもできる。部材Ｔの解析に適した解析領域を抽出することにより、画像取得のための時間及び画像解析の時間を更に削減できる。よって、より短時間により効率的に部材Ｔの解析を行うことができる。
（解析画像の内容）
次に、部材Ｔの解析に適した解析画像について、更に詳細に説明する。

＜被写界深度内で撮影された画像＞
まず、解析画像として、解析画像選択部３０が、部材Ｔの少なくとも一部が被写界深度内で撮影された画像を選択することが考えられる。解析画像として、被写界深度内で撮影された画像を用いるので、部材Ｔの解析を確実に適切に行うことができる。

被写界深度内で撮影されたか否か判断する方法として、例えば、以下のような２つの方法が考えられる。
（１）第１の方法
被写界深度内にある物体の画像は、被写界深度内にない物体の画像に比べて、コントラスト（明暗差）が大きくなる。よって、解析画像選択部３０は、画像のコントラストの解析に基づいて、被写界深度内で撮影されたか否か判断することができる。
コントラストの解析を用いることにより、確実に容易に被写界深度内で撮影されたか否か判定することができる。

（２）第２の方法
画像分析や画像処理の分野において２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いる場合がある。
画像の２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により得られた空間周波数スペクトルにおいて、被写界深度から外れた画像は、濃淡変化が緩やかで、高周波数成分が少なくなり、逆に、被写界深度内の画像は、急激に濃淡が変化し、高周波数成分が多くなる。
よって、解析画像選択部３０が、画像の２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により得られた空間周波数スペクトルの高周波成分の解析に基づいて、被写界深度内で撮影されたか否か判断することができる。
２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、被写界深度内で撮影されたか否か判定するので、短時間に効率的に被写界深度内で撮影された画像を選択することができる。

＜露光条件＞
解析に適した画像を取得するための露光条件を、以下のようにして定めることが考えられる。
第１のステップで得られた、解析回転角度における少なくとも一部の領域の輝度分布及び最大輝度の何れかを用いて、高画質な画像が得られる最適な露光条件を定める。そして、第２のステップにおいて、定められ最適な露光条件で部材Ｔの撮影を行う。これにより、第２のステップにおいて、高画質な画像が得られる露光条件で撮影ができるので、確実に部材の解析を適した画像を取得することができる。

＜入射光量−出力特性＞
更に、第１のステップでは、撮影部１０が第１の入射光量−出力特性として撮影し、第２のステップでは、撮影部１０が第１の入射光量−出力特性とは異なる第２の入射光量−出力特性として撮影することが考えられる。
例えば、第１のステップにおける第１の入射光量−出力特性として撮影して得られた画像から、表示装置の特性も考慮してガンマ補正を行って、第２の入射光量−出力特性として撮影することが考えられる。これにより、第２のステップで、より解析に適した高画質な画像を取得することができる。ただし、第２のステップで用いる入射光量−出力特性の補正はガンマ補正に限られるものではなく、その他の任意の非線形プロファイルを用いて補正することができる。

以上のように、第２のステップで、第１の入射光量−出力特性とは異なる第２の入射光量−出力特性として撮影することにより、表示装置の特性に適応した解析に適した画像を確実に取得することができる。

（回転部Ｒの回転速度）
工具Ｔを把持する回転部Ｒの回転速度について、以下に説明を行う。
＜第１のステップ及び第２のステップにおける回転速度＞
第１のステップでは、解析に適した画像が得られる回転部Ｒの回転角度、露光タイミング、露光時間、解像度等を定めるために撮影を行い、実際に解析を行う画像を取得するものではない。よって、より速い第１の回転速度で回転部Ｒを回転させ、撮影部１０を用いて部材Ｔの撮影を行って、解析回転角度をはじめとする、解析に適した画像を取得するための撮影条件を効率的に定めることが好ましい。一方、第２のステップでは、第１のステップの第1の回転速度より遅い第２の回転速度で回転部Ｒを回転させながら、解析回転角度における部材Ｔのより高画質な画像を取得することが好ましい。

ただし、本実施形態は、第１の回転速度が第２の回転速度より速い場合に限られるものではない。例えば、部材Ｔに一定の角度を介して配置された複数の解析を要する箇所があり、１つの箇所の撮影で、全ての解析を要する箇所の解析回転角度が得られる場合もあり得る。その場合には、第２のステップで、第１のステップより多い回転角度で撮影を行う必要があるので、第２の回転速度が第１の回転速度より速い場合もあり得る。また、第２のステップにおいて、非常に短時間に解析に適した画像を取得できる場合にも、第２の回転速度が第１の回転速度より速い場合があり得る。

以上のように、本実施形態では、第１のステップでは、回転部Ｒを第1の回転速度で回転し、第２のステップでは、第１の速度と異なる第２の回転速度で回転部Ｒを回転させる。これにより、状況に応じて解析に最適な画像を効率的に取得することができる。

＜画像の読み込み範囲（ＲＯＩ）＞
解析に適した画像を効率的に取得する方法として、更に、第１のステップでは、撮影部１０が第１の読み込み範囲の画像を取得し、第２のステップでは、撮影部１０が、第１の読み込み範囲と異なる第２の読み込み範囲の画像を取得することが考えられる。何れかのステップで、ＲＯＩを設定して、より限定された読み込み範囲の画像を取得することが考えられる。

例えば、第1のステップでは、第１の読み込み範囲の画像として、部材Ｔ全体の画像を取得し、第２のステップでは、第２の読み込み範囲の画像として、解析に必要な部材Ｔの一部の領域の画像を取得することが考えられる。更に、第１のステップでは、解析に適した画像を取得する条件が得られれば良いので、第１の読み込み範囲において飛び越し走査を行って画像データを取得することにより、短時間に効率的に解析回転角度を定めることもできる。

例えば、転削加工用工具Ｔの工具径が８０ｍｍで、撮影部１０の被写界深度がプラスマイナス１ｍｍとする。ＲＯＩを設定しない画像を取得する場合の撮影部１０フレームレートを、３０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ（ｆｐｓ）とする。その場合、被写界深度内で工具を撮影するには、工具の周上で２ｍｍに１枚は画像を取得する必要がある。
よって、工具全周の画像を得るのに必要な時間ｔは、下式のように示される。
ｔ＝８０ｍｍ×π／２ｍｍ／３０ｆｐｓ＝４．２秒
となる。つまり、転削加工用工具Ｔを、1回転４．２秒という低速で回転させて撮影する必要があるので、長い撮影時間を要する。

これに対して、ＲＯＩの設定の一例として４ラインごとに走査する場合には、フレームレートを１２０ｆｐｓとすることができきる。よって、工具全周の画像を得るのに必要な時間ｔは、
ｔ＝８０ｍｍ×π／２ｍｍ／１００ｆｐｓ＝１．０５秒と大幅に短縮できる。従って、転削加工用工具Ｔを、1回転１．０５秒（概ね６０ｒｐｍ）で回転させて撮影できるので、撮影時間を短縮して、解析画像を効率よく取得することができる。
また、ＲＯＩの設定により、読み込む画像データ量も削減できるので、解析のための時間も削減できる。

以上のように、第１のステップでは、第１の読み込み範囲の画像を取得し、第２のステップでは、第１の読み込み範囲と異なる第２の読み込み範囲の画像を取得することにより、短時間に効率的に解析に適切な画像を取得することができ、画像データ量も削減できるので、効率的な解析が実現できる。

＜高速回転＞
回転部Ｒに把持された部材Ｔを高速で回転させて撮影することについて、効率的に解析画像や解析回転角度を定めるためだけでなく、高速回転による主軸や工具の変形を検出するために行う場合もあり得る。この場合には、実際の切削に用いる回転数より高い回転数を用いることにより、無負荷であることによる変形不足を低減することもできる。また、高速回転時の画像は、露光を継続したり、取得した画像を積算することにより、外形モデルを作成して、部材Ｔの振れや、その他の影響を検出することもできる。

＜回転中心の補正＞
第１のステップ及び第２のステップの撮影を行う前に、回転中心補正を行うことが好ましい。回転中心補正は、回転部Ｒに把持された部材Ｔとして、基準工具を用いて回転測定を行い、その差分を偏心として補正を行う。例えば、回転角度が０度の位置で部材（基準工具）Ｔの径を計測すし、回転角度が１８０度で部材（基準工具）Ｔの径を計測する。そして、０度での測定時の径から１８０度での測定時の径を引いた差分から偏心を求めて、補正を行うことができる。

（諸元及びＣＡＤモデルに基づく制御）
更に、撮影制御部２０に、部材Ｔに関する諸元及びＣＡＤモデルの何れかが入力され、解析回転角度決定部３０が、前元及びＣＡＤモデルの何れかの情報を用いて定められた回転角度に基づいて、解析回転角度の決定を行うことが考えられる。
この場合、例えば、部材Ｔが複雑な形状を有する転削加工用工具だとしても、予め撮影制御部２０に入力された諸元及びＣＡＤモデルにより、確実に正確な解析回転角度を定めることができる。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

２ 撮像装置
１０ 撮影部
２０ 撮影制御部
３０ 解析画像選択部
４０ 解析回転角度決定部
５０ 解析領域抽出部
１００ 制御部
Ｒ 回転部
Ｔ 部材

Claims (10)

1. 工作機械の回転部に把持された部材の撮影を行う、回転しない領域に設置された撮影部と、
   前記回転部の回転角度を取得し、前記回転部の回転角度に対応させて前記撮影部を制御する撮影制御部と、
   前記撮影部により取得された画像のうち、前記部材の解析に適した解析画像を選択する解析画像選択部と、
   前記撮影部により画像が取得されたときの前記回転部の回転角度のうち、前記解析画像が撮影されたときの回転角度である解析回転角度を定める解析回転角度決定部と、
   を備え、
   前記撮影制御部が前記撮影部を制御して、回転した前記回転部に把持された前記部材を前記回転部の回転角度に対応させて撮影し、取得された複数の画像から前記解析画像を選択し、前記解析回転角度を定める第１のステップと、
   前記撮影制御部が前記撮影部を制御して、再度、前記第１のステップで定められた前記解析回転角度における前記部材の撮影を行う第２のステップと、
   を有することを特徴とする工作機械の撮像装置。
2. 前記解析画像選択部が、前記解析画像として、前記部材の少なくとも一部が被写界深度内で撮影された画像を選択することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記解析画像選択部が、画像のコントラストの解析に基づいて、被写界深度内で撮影されたか否か判断することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記解析画像選択部が、画像の２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により得られた空間周波数スペクトルの高周波成分の解析に基づいて、被写界深度内で撮影されたか否か判断することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記第２のステップにおいて、前記解析回転角度における少なくとも一部の領域の輝度分布及び最大輝度の何れかを用いて決定した露光条件で、前記部材の撮影を行うことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の撮像装置。
6. 前記解析画像に基づいて前記部材の解析に適した解析領域を定め、前記解析回転角度における前記部材の撮影において、前記解析領域が抽出された画像を取得する解析領域抽出部を更に備えることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の撮像装置。
7. 前記第１のステップでは、前記撮影部が第１の入射光量−出力特性として撮影し、
   前記第２のステップでは、前記撮影部が前記第１の入射光量−出力特性とは異なる第２の入射光量−出力特性として撮影することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の撮像装置。
8. 前記第１のステップでは、前記回転部を第1の回転速度で回転し
   前記第２のステップでは、前記第１の回転速度と異なる第２の回転速度で前記回転部を回転させることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の撮像装置。
9. 前記第１のステップでは、前記撮影部が第１の読み込み範囲の画像を取得し、前記第２のステップでは、前記撮影部が、前記第１の読み込み範囲と異なる第２の読み込み範囲の画像を取得することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の撮像装置。
10. 前記撮影制御部に、前記部材に関する諸元及びＣＡＤモデルの何れかが入力され、
    前記解析回転角度決定部が、前記諸元及びＣＡＤモデルの何れかの情報を用いて定められた回転角度に基づいて、前記解析回転角度の決定を行うことを特徴とする請求項１から９の何れか1項に記載の撮像装置。

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