JP6887542B1

JP6887542B1 - 工作機械

Info

Publication number: JP6887542B1
Application number: JP2020034059A
Authority: JP
Inventors: 一之山本; 絢一郎奥野; 山田　智明; 智明山田
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: JP2021133489A

Abstract

【課題】十分な品質の切屑画像を取得すること。【解決手段】工作機械内部にクーラントを噴射するためのクーラント噴射装置と、工作機械内部の切屑を撮像するための撮像装置と、を備えた工作機械であって、さらに、前記クーラント噴射装置を制御しつつ、前記クーラント噴射装置の動きに連動して、前記クーラント噴射装置から噴射されたクーラントにより前記切屑の撮像が妨害されないように、前記撮像装置による撮像タイミングを制御する制御部を備えたことを特徴とする工作機械を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械に関する。

上記技術分野において、特許文献１には、カメラ等の検出装置１４をロボットなどの移動手段に取り付けて、カバー内部の状態を検出しつつ、タンク技術が開示されている（特許文献１）。

特開2017-94420号公報

しかしながら、上記従来技術では、クーラント噴射のタイミングと撮影のタイミングを連動して制御しておらず、十分な品質の画像が得られなかった。

そこで、本発明は、特許請求の範囲に記載の技術を提供するものである。

本発明によれば、十分な品質の画像を取得できる。

第１実施形態に係る工作機械の構成を示すブロック図である。第２実施形態に係る工作機械の構成を示すブロック図である。第２実施形態に係る工作機械の処理の流れを説明するフローチャートである。第２実施形態に係る工作機械の処理タイミングを説明するタイミングチャートである。第３実施形態に係る工作機械の撮像制御を説明する図である。第３実施形態に係る工作機械の撮像制御を説明する図である。第３実施形態に係る工作機械の撮像制御を説明する図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
第１実施形態としての工作機械１００について、図１を用いて説明する。工作機械１００は、クーラント噴射装置１０１と撮像装置１０２と制御部１０３とを含む。クーラント噴射装置１０１は、クーラントを工作機械１００の内部に向けて噴射する。撮像装置１０２は、工作機械１００の内部の切屑を撮影するためのものである。制御部１０３は、クーラント噴射装置１０１を制御しつつ、クーラント噴射装置１０１の動きに連動して、クーラント噴射装置１０１から噴射されたクーラントにより切屑の撮像が妨害されないように、撮像装置１０２による撮像タイミングを制御する。

以上の工作機械１００によれば、撮影のためのクーラント停止時間を削減し、サイクルタイムを短縮することができる。

［第２実施形態］
次に第２実施形態に係る工作機械２００について、図２以降を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る工作機械２００の構成を説明するための図である。

工作機械２００は、クーラント噴射装置２０１と撮像装置の一例としてのカメラ２０２と制御部２０３と画像解析部２０４とを含む。クーラント噴射装置２０１は、主軸２１１、工具２１２およびワーク２１３の潤滑・冷却・洗浄とは別に、切屑２１４の効果的な排出のためにクーラント２１０を工作機械２００の内部に向けて噴射する。カメラ２０２は、工作機械２００の内部を撮影するためのものである。画像解析部２０４は、撮影によって取得した映像を用いて、工作機械２００の内部の切屑２１４の位置などを認識する。ここでは、撮像装置の一例としてカメラ２０２を設けたが、例えばラインスキャナやＸ線撮影装置などを設けてもよい。

制御部２０３は、クーラント噴射装置２０１を制御しつつ、クーラント噴射装置２０１の動きに連動して、カメラ２０２の撮影を制御する。カメラ２０２で撮影を行なう際の障壁はクーラントであるため、切屑を精度良く見つけるため、クーラント噴射を所定時間だけ止めて撮像する。所定時間としては１秒以下であることが好ましい。所定時間が短くなれば、その分のサイクルタイムを短縮することができる。制御部２０３は、クーラント噴射装置２０１のクーラント噴射のＯＦＦのタイミングに連動して、カメラ２０２の撮影タイミングを制御する。制御部２０３は、クーラント噴射装置２０１を制御してクーラントの噴射を停止させた後、所定時間内に、カメラ２０２を制御して撮像を行い、撮像後にクーラントを再度噴射するようにクーラント噴射装置２０１を制御する。あるいは、制御部２０３は、クーラント噴射装置２０１を制御してクーラントの噴射を停止させた後、所定時間内に、カメラ２０２を制御して撮像を行い、所定時間後にクーラントを再度噴射するようにクーラント噴射装置２０１を制御してもよい。クーラント噴射を停止させる所定時間を、カメラ２０２のシャッタスピードによって決定してもよい。例えばカメラ２０２のシャッタスピードが、１／８００秒に設定されている場合には、クーラントの噴射の停止時間は、それよりも少し長い０．０１秒であればよい。あるいは、カメラ２０２のシャッタスピードが、１／４秒に設定されている場合には、それよりも少し長い０．５０秒であればよい。カメラ２０２のシャッタースピードが、一般的に、１／８００秒〜１／４秒の間で設定されているとすると、クーラント噴射の停止時間は、０．０１秒〜０．５０秒の間に設定すればよいということになる。

制御部２０３は、画像解析部２０４がカメラ２０２の撮影画像を解析した結果に基づいて、クーラント噴射の制御とカメラ２０２の撮影制御とを調整する。

画像解析部２０４は、撮影画像の特徴量を抽出する。画像解析部２０４が抽出する特徴量は、撮像画像の情報量、周波数成分、コントラスト、および輝度の分布のうち少なくともいずれか１つを含む。画像解析部２０４は、撮影画像の特徴量を抽出し、切屑検出に使える画像か否か判定する。

制御部２０３は、撮影画像の特徴量に基づいて決定した所定時間だけ、クーラント噴射を停止させた後、再度、カメラ２０２を駆動して撮影を行なう。画像解析部２０４の解析の結果、カメラが撮影した画像が、切屑検出に使えない画像だと判断すると制御部２０３は、クーラント噴射を停止させてから撮影を行なうまでのリードタイムを長くする。一方、切屑検出に使える画像だと判断すると、クーラント噴射を停止させて撮影を行なうまでのリードタイムを短くする。このように制御することで、撮影のためのクーラント停止時間を最低限度に短くすることができる。

図３は、ＡＴＣ（Auto Tool Changer）による工具の取替タイミングに合わせて、クーラントの噴射を停止させ、その停止時間に合わせて撮影する処理の例を示すフローチャートである。

まず、ステップ３０１において、加工プログラム（Ｇコード）やユーザ操作に従い、切屑検出のための撮影を行なうタイミングか否かを判定する。例えば、ランニング中における加工の切れ目（ワークの別の面を削るタイミング）や、ＡＴＣによる工具の取替タイミングなどや、ユーザからの指示があったタイミングがこれに当たる。次に、ステップＳ３０３において、制御部２０３は、クーラント噴射装置２０１に対して、クーラントの噴射停止を指示する。その後、ステップＳ３０５において、時間Ｓ（例えば１秒）の経過を待つ。これは、制御部２０３からクーラント噴射装置２０１に対するクーラント噴射停止指示後、実際にクーラントの噴射が停止し、機内に充満しているクーラントの霧が落ち着くまでの待機時間である。クーラント噴射中に撮影を行ない、「白ボケ」具合を事前に統計処理して、事前に統計処理された白ボケ具合と所定の閾値とに基づいて、「白ボケ解消」までの時間Ｓを算出（白ボケ解消時間算出）してもよい。

次に、ステップＳ３０７において、カメラ２０２による撮影を行なう。ここでの撮影は例えば複数枚の静止画撮影でもよいし、動画の撮影でもよい。撮影が終了すると同時にステップＳ３０９において、制御部２０３は、クーラント噴射装置２０１にクーラントの噴射を再開させる。画像処理による判断を待たず直ぐにクーラント噴射を開始することにより、ダウンタイムを最小限とする。

同時に、ステップＳ３１１において、撮影した画像を解析し、ステップＳ３１３で切屑を認識できる画像であるか否かを判定する。切屑認識ができる画像であれば、ステップＳ３１５に進んで、撮影までの待機時間Ｓを０．１秒だけ減算する。つまり、画像解析部２０４における画像処理により、クーラントの影響が出ていないと判断した場合は、待機時間Ｓを少なくして撮影してみる。

一方、切屑認識ができない画像であれば、ステップＳ３１７に進んで、撮影までの待機時間Ｓを０．５秒加算する。つまり、画像解析部２０４における画像処理により、クーラントの影響が出ていると判断した場合は、待機時間Ｓを長くして、次回の撮影をすることにより最適解（最小時間）を自己判断する（クーラントの粘度や質、色などの影響を自動的に判断する）。なお、ここでは０．１秒および０．５秒の加減算を行なったが、本願発明はこれに限定されるものではなく、１秒以上の加減算でもよい。

切屑の認識ができれば、ステップＳ３１９に進み、切屑に向けてクーラントの噴射方向を調整する。

このように、カメラ２０２と、クーラント噴射装置２０１を総合管理することにより、「切屑認識のノイズ要因」を排除できる最小時間を画像処理から算出し、クーラントを瞬間停止させる時間を最小化することができる。そして、その停止中に撮影し、撮影終了後すぐにクーラント噴射を再開することができる。機内の状況はワークの形状などにより常に変化しているため、最適待機時間Ｓは収束することはなく、調整し続けることが重要である。ただし、撮影の度に毎回時間Ｓを調整する必要は無く、３回に１回程度の調整でもよい。

なお、クーラント噴射の再開指示のタイミングを、撮影指示よりも早くしてもよい。制御部２０３によるクーラント噴射指示タイミングと実際のクーラント噴射タイミングとの間のタイムラグは、撮影指示と実際の撮影との間のタイムラグよりも大きいと考えられるためである。

ステップＳ３１１においては、撮影した画像の一部のみを画像処理の対象領域としてもよい。切屑が落ちやすい領域に限定して、その画像品質を解析することで、解析精度の向上や解析時間を短縮することができる。例えば、工作機械の内部を撮影した画像をメッシュで区分した画像には、工具、主軸、パレット、シュータなどが含まれるが、切屑が溜まりやすい領域はワークが固定されるパレットの近辺である。一方、切屑をチップコンベアに排出するシュータの近辺には切屑が溜まりにくい。そこで、パレット近辺の画像の一部のみを選別して画像処理してもよい。

また、ステップＳ３１１では、例えば、以下の方法（１）〜（４）のいずれかを用いて、切屑を認識できる画像であるか否かを判定してもよい。

（１）クーラント飛沫による撮影画像の白濁が画像周波数を下げる（高周波が少なくボケたような画像になる）ことが分かっている。そのため、撮影画像をＦＦＴ（高速フーリエ変換）にかけて、空間周波数スペクトルを導きだし、画像全体における高周波成分の割合が閾値よりも小さい場合には「白ボケ」が起きていると判定することができる。

（２）ノイズおよび照度斑を除去した後、画像の輝度ヒストグラム（分布）から、標準偏差σ１を算出する。そして、ノイズおよび照度斑除去後の画像に尖鋭化処理を行ない、輝度ヒストグラム（分布）から標準偏差σ２を算出し、標準偏差σ１、σ２に基づいて、白ボケの存在を判定する。先鋭化処理としては、１次微分や２次微分を用いたフィルタリング処理、ラプラシアンフィルタリング処理、フーリエ変換を用いた高域強調フィルタリング処理などが挙げられる。例えば、σ２≦−ａσ１＋ｂを満たせば白ボケなしと判定、満たさなければ白ボケありと判定することができる。

（３）白ボケ画像を人が判断して学習用教師データを作成し、機械学習を行なう。

（４）クーラントが飛んで、霧状になっている、白飛び、画像ぼけ、エッジがない、モザイクがかかった状態、画像に含まれる情報量が欠落している。この情報量を単純に閾値比較して、切屑を認識できる画像であるか否か判定してもよい。
なお、ステップＳ３０１においてＡＴＣによる工具交換前に、撮影およびクーラント噴射を行なう場合には、ステップＳ３０３〜Ｓ３１９を繰り返し行なってもよい。

つまり、切屑の除去を確実に行ないたい場合には、図４のシーケンス図に示すように、切屑が除去されたと判断されるまで、クーラント噴射→クーラントの噴射停止→撮影→切屑認識→クーラント噴射（切屑狙い撃ち）→クーラント噴射停止→撮影→切屑認識を繰り返してもよい。

以上、本実施形態にかかる工作機械２００によれば、撮影のためのクーラント停止時間を削減し、サイクルタイムの短縮化を図ることができる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る工作機械について、図５〜図７を用いて説明する。本実施形態に係る工作機械は、上記第２実施形態と比べると、クーラントの噴射に応じて、カメラの露出またはシャッタを制御する点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

図５は、本実施形態に係る工作機械のカメラ制御を説明するための図である。ここでは、例として、ＣＭＯＳセンサとローリングシャッタを用いたカメラについて説明する。

ＣＭＯＳセンサ５００は画素ごとのフォトダイオード５０１(図中、□)に受光し電荷を溜める。次に増幅器５０２(図中、上向き△)で信号を増幅する。さらに、画素選択スイッチ５０３（図中、右斜め下向きの線）を順番に切り替える。同時に列選択スイッチ５０５（図中右斜め上向きの線）で行ごとの画素データを画像解析部２０４に送り出す。この際、各行の露光終了はその行の転送開始まで行われるため露光タイミングは直前の行より遅れたタイミングとなる。

ＣＭＯＳセンサ５００から読み出す範囲（いわゆるＲＯＩ）は設定により変更することが可能である。つまり、ＣＭＯＳセンサ５００のＲＯＩ設定を変えることにより露出領域を切り替えることができる。

図６に示すように、撮像領域の右側（または左側）にクーラントが噴射されているタイミングでは、左半分（または右半分）のみをＲＯＩとして、左半分（または右半分）のみ選択スイッチ５０３をＯＮにする制御をすれば、撮像領域６０１を制御して、クーラントが画像に含まれないようにすることができる。

使用するＣＭＯＳセンサによっては、行方向のみＲＯＩの設定が可能な場合がある。この場合に左右のいずれかのみを露光領域とするような制御を行なうためには、図５に示すように、通常の画素配置から９０度傾けたＣＭＯＳセンサを用いる必要がある。このため、画像解析部２０４では、入力した画像データを右端から展開するような画像メモリを用意するか、あるいは、展開後の画像データを９０度回転処理するような構成を用意する必要がある。

また、ローリングシャッタの行毎の露光時間差を利用してクーラント滴を避けてもよい。図７に示すように、クーラントの噴射の途切れ目７０１の移動に合わせて露光タイミングが重なるようにＣＭＯＳンサのクロックまたは／およびクーラント射出速度を制御して、噴射されたクーラントを含まない画像を撮像することも可能となる。

この種のカメラではシャッタ時間はフレームの時間に対してかなり短く設定できるため、クーラント噴射を停止している時間をきわめて短く（例えば数msec）することができる。なお、図６、図７の制御を組み合わせてもよい。

図６、図７のいずれの場合も、カメラ２０２の設置角度を、クーラントの噴射方向に合わせて設置する必要があるが、ユーザに対する表示画像の向きは、カメラの方向にかかわらず、操作者の指示によって定められた方向、または、あらかじめ定められた方向とすることができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に供給され、内蔵されたプロセッサによって実行される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、プログラムを実行するプロセッサも本発明の技術的範囲に含まれる。

特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の技術的範囲に含まれる。

Claims

工具を冷却するため工作機械内部にクーラントを噴射するクーラント噴射装置と、
前記工作機械内部の切屑を撮像する撮像装置と、
クーラント噴射中に前記クーラント噴射装置を制御してクーラントの噴射を所定時間、停止した後、前記撮像装置による撮像を指示し、撮像後にクーラントを再度噴射することによって、前記クーラント噴射装置から噴射されたクーラントにより前記切屑の撮像が妨害されないように前記クーラント噴射装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記撮像装置による撮影画像の解析結果に基づいて、クーラントが切り屑認識に影響を及ぼす場合には、前記所定時間が長くなるように調整する工作機械。
工作機械内部に工具を冷却するためのクーラントを噴射するクーラント噴射装置と、
９０度傾けたＣＭＯＳセンサおよびローリングシャッタを有し、前記工作機械内部の切屑を撮像するための撮像装置と、
前記クーラント噴射装置のクーラント噴射方向に連動して、前記工作機械内部においてクーラントが噴射されていない領域のみを撮像するように、前記ＣＭＯＳセンサ内の読み出し範囲を変更する制御を行う制御部と、
を備えた工作機械。