JP6946584B1

JP6946584B1 - 画像処理装置および工作機械

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Publication number: JP6946584B1
Application number: JP2021021386A
Authority: JP
Inventors: 純一窪田
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2041-02-15
Also published as: JP2022123922A; US20230386066A1; WO2022172662A1

Abstract

【課題】熱変位の影響を考慮して、工具長を計測する。【解決手段】画像処理装置は、工作機械のカメラから、工具の撮像画像を受信する受信部と、工具とカメラが第１距離相対移動したときの撮像画像において、工具または工具を保持する工具保持部にける第１点の位置である第１座標を計測し、工具とカメラが第２距離相対移動したときの撮像画像において、工具または工具保持部における第２点の位置である第２座標を計測する計測部と、第１座標、第２座標、第１距離および第２距離に基づいて、工具の長さを計算する工具長算出部と、を備える。【選択図】図１０

Description

本発明は、工作機械における工具の検査技術、に関する。

工作機械は、ワークを所望の形状に切削加工する装置や、金属粉末などを積層してワークを作る装置がある。切削加工する工作機械には、回転するワークに切削用の工具を当てることでワークを加工するターニングセンタと、回転する工具をワークに当てることでワークを加工するマシニングセンタ、これらの機能を複合的に備える複合加工機などがある。

主軸あるいは刃物台などの工具保持部に工具は固定される。工作機械は、あらかじめ用意された加工プログラムにしたがって、工具を交換しつつ、工具保持部を動かしながらワークを加工する。ワークとの摩擦により工具の刃先は徐々に摩耗する。作業者は、適宜、工具長を確認しながら工具寿命を判断する必要がある（特許文献１，２参照）。

特開平１０−１４３２１６号公報特開２０１７−２１４７２号公報

工具長を計測する方法の一例として、たとえば、カメラを固定しておき、工具保持部を原点位置から一定距離動かして工具をカメラの下に移動させる。そして、撮像領域の中心と工具先端の差分値に基づいて、工具長を計算する。工具長が長いときには工具先端は撮像領域の深い位置で検出され、工具長が短いときには工具先端は撮像領域の浅い位置で検出されるためである。

しかし、工作機械は加工中に熱をもつことにより、原点位置からカメラまでの距離が延びてしまう。原点位置からカメラまでの距離が安定しないため、上述の方法では工具長の計測結果に熱による影響も含まれてしまう。

本発明のある態様における画像処理装置は、工作機械のカメラから、工具の撮像画像を受信する受信部と、工具とカメラが第１距離相対移動したときの撮像画像において、工具または工具を保持する工具保持部にける第１点の位置である第１座標を計測し、工具とカメラが第２距離相対移動したときの撮像画像において、工具または工具保持部における第２点の位置である第２座標を計測する計測部と、第１座標、第２座標、第１距離および第２距離に基づいて、工具の長さを計算する工具長算出部と、を備える。

ここでいう「工具保持部」は、主軸、タレット、あるいは、刃物台であってもよい。いずれにしても、工具保持部は、工作機械において工具を保持する部材であればよい。

本発明の別の態様における画像処理装置は、工作機械のカメラから、工具の撮像画像を受信する受信部と、工具とカメラが所定距離相対移動したときの撮像画像において、工具または工具を保持する工具保持部にける所定位置の位置座標を計測する計測部と、撮像領域における基準位置と、計測された位置座標の差分値に基づいて、工作機械の熱変位量を計算する熱変位算出部と、を備える。

本発明の別の態様における画像処理装置は、工作機械のカメラから、工具の撮像画像を受信する受信部と、基準工具とカメラが第１距離相対移動したときの撮像画像において、基準工具または工具保持部の第１点の位置である第１座標を計測し、撮像領域における基準位置と第１座標の差分値である第１差分値を計算し、基準工具とカメラが第２距離相対移動したときの撮像画像において、工具または工具保持部における第２点の位置である第２座標を計測し、撮像領域における基準位置と第２座標の差分値である第２差分値を計算する計測部と、第１差分値および第２差分値に基づいて、工具保持部におけるホルダ長を計算するホルダ長算出部と、検査対象となる工具である被検査工具の長さを計算する工具長算出部と、を備える。
計測部は、被検査工具とカメラが第３距離相対移動したときの撮像画像において、工具または工具を保持する工具保持部にける第３点の位置である第３座標を計測し、被検査工具とカメラが第４距離相対移動したときの撮像画像において、被検査工具または工具保持部における第４点の位置である第４座標を計測し、工具長算出部は、第３座標、第４座標、第３距離、第４距離およびホルダ長に基づいて、被検査工具の長さを計算する。

本発明のある態様における工作機械は、第１座標と第２座標を計測し、第１座標、第２座標、第１距離、第２距離とをもとに工具の長さを計算するための撮像画像を取得するカメラと、工具を保持する工具保持部と、工具とカメラとを第１距離または第２距離相対移動させるために工具保持部の移動させる制御部と、を備える。
カメラは、工具とカメラとが第１距離相対移動したときの第１画像を撮像し、工具とカメラとが第２距離相対移動したときの第２画像を撮像する。
第１画像には、工具または工具を保持する工具保持部にける第１点の位置である第１座標が含まれる。
第２画像には、工具または工具を保持する工具保持部にける第２点の位置である第２座標が含まれる。

本発明によれば、工具長を正確に測定しやすくなる。

工作機械の外観図である。工具認識領域における工具、カメラおよび照明装置の位置関係を示す模式図である。工作機械および画像処理装置のハードウェア構成図である。画像処理装置の機能ブロック図である。カメラおよび主軸の位置関係を模式的に示す側面図である。比較例において検査対象工具が短いときの撮像画像を示す模式図である。比較例において検査対象工具が長いときの撮像画像を示す模式図である。第１実施形態において、主軸端面の計測時におけるカメラおよび主軸の位置関係を模式的に示す側面図である。第１実施形態において、工具先端の計測時におけるカメラおよび主軸の位置関係を模式的に示す側面図である。第１実施形態における工具長の計算方法を説明するための模式図である。第２実施形態において、基準工具の工具先端の計測時におけるカメラおよび主軸の位置関係を模式的に示す側面図である。第２実施形態において、基準工具のホルダ端面の計測時におけるカメラおよび主軸の位置関係を模式的に示す側面図である。第２実施形態において、被検査工具のホルダ端面の計測時におけるカメラおよび主軸の位置関係を模式的に示す側面図である。第２実施形態において、被検査工具の工具先端の計測時におけるカメラおよび主軸の位置関係を模式的に示す側面図である。

工具は、ワークを加工することで徐々に摩耗する。工具長が短くなった工具、いいかえれば、摩耗度の大きな工具は別の工具と交換する必要がある。本実施形態における工作機械１００は、ワークの加工後において適宜、工具長の検査を行う（以下、「工具長検査」とよぶ）。

以下においては、まず、工作機械１００の基本構成を説明したあと、工具長検査の一例（比較例）について図６，７に関連して説明する。比較例に示す工具長検査方法を「１点測定法」とよぶ。続いて１点測定法の問題点についても説明する。次に、本実施形態における２種類の工具検査方法について第１実施形態、第２実施形態に分けて説明する。以下、第１実施形態および第２実施形態をまとめてよぶとき、あるいは、特に区別しないときには「本実施形態」とよぶ。本実施形態における工具長検査方法を「多点測定法」とよぶ。

図１は、工作機械１００の外観図である。
本実施形態における工作機械１００は、加工領域２００内に配置されるワークを加工する複合加工機である。ワークは保持部１０４に固定され、別の保持部である主軸に取り付けられる工具１０２により切削される。ワークを保持する保持部１０４は駆動機構により回転駆動される。本実施形態における「工具保持部」は主軸であるとして説明する。

工具１０２が工具認識領域２１０内に挿入されたとき、下方の照明装置１０８は工具１０２を照明し、上方のカメラ１０６は工具１０２を撮像する。このときの撮像画像に基づいて後述の工具登録および工具検査が実行される。工具長検査は、工具登録および工具検査の一部として実行される。工具認識領域２１０の構成については次の図２に関連して更に詳述する。

工作機械１００は、外部を遮断するカバー２０２を備える。カバー２０２は、ドア２０４を備える。ユーザは、ドア２０４を開口して、加工領域２００へのワークの取り付けおよび加工領域２００からのワークの取り出しを行う。操作盤２０６は、作業者から、工作機械１００に対する各種操作を受け付ける。

操作盤２０６は、画像処理装置１１０と接続される。作業者は、画像処理装置１１０により工作機械１００の作業状況を遠隔監視できる。本実施形態においては、工作機械１００本体と画像処理装置１１０は有線ケーブルを介して接続される。画像処理装置１１０は、工作機械１００の内部、たとえば、操作盤２０６の内部装置として形成されてもよい。

工具格納部１３０は、複数の工具１０２を格納する。工具格納部１３０に格納される複数の工具１０２から工具交換部（後述）により工具１０２を取得し、これを主軸に装着する。なお、図１に示すように、水平方向にＹ軸とＺ軸、垂直方向にＸ軸を設定するものとする。Ｚ軸方向は、主軸およびワークの軸方向に対応する。

図２は、工具認識領域２１０における工具１０２、カメラ１０６および照明装置１０８の位置関係を示す模式図である。
工具１０２は、ワークの加工に利用される刃部１１２と、ホルダ１１８に固定されるシャンク部１１４を含む。主軸１１６は、工具１０２を保持しつつ、回転および移動可能に構成される。また、主軸１１６は、保持している工具を回転させることもできる。

カメラ１０６は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）などのイメージセンサ（撮像素子）を備える。カメラ１０６は、主軸１１６に取り付けられた工具１０２を上（Ｘ軸方向）から撮像する。カメラ１０６は画像処理装置１１０と接続され、撮像画像は画像処理装置１１０に送信される。カメラ１０６は工具認識領域２１０に固定される。主軸１１６がＺ軸を軸心として工具１０２を回転させることにより、複数方向から工具１０２を撮像できる。また、主軸１１６が工具１０２を水平方向（ＹＺ方向）に動かすことにより、工具１０２の複数箇所を撮像できる。

カメラ１０６に対向するように、下部には照明装置１０８が固定される。照明装置１０８は工具１０２を下から照明する。照明装置１０８による透過照明により、カメラ１０６は、工具１０２の輪郭位置を把握しやすい、コントラストの高い撮像画像を取得できる。

ユーザは、工具１０２を新規登録するときには（以下、「工具登録」とよぶ）、操作盤２０６において工具登録モードに設定し、主軸１１６に新規の工具１０２を取り付ける。次に、任意の工具ＩＤを入力する。主軸１１６は工具１０２を移動・回転させ、固定されたカメラ１０６は工具１０２をさまざまな位置および方向から自動的に撮像する。カメラ１０６により得られた多数の撮像画像から、工具形状が認識され、工具ＩＤと工具形状が対応づけて登録される。このような制御方法により、工具１０２ごとに、工具形状を自動的に工具ＩＤに対応づけて登録できる。工具形状は、二次元データあるいは三次元データとして形成される。工具登録に際しては、工具長検査も実行されるが、詳細は後述する。

また、加工中あるいは加工後の工具１０２について検査を実行するときにも、主軸１１６は工具１０２を工具認識領域２１０に進入させる。新規の工具登録時と同様、主軸１１６は工具１０２を移動・回転させ、カメラ１０６は工具１０２をさまざまな位置および方向から自動的に撮像する。カメラ１０６により得られた多数の撮像画像から、工具形状が認識される。以下、このような加工中に適宜実行される検査を「工具検査」とよぶ。工具検査に際しても、工具長検査が実行される。作業者は、工具登録時の工具形状データと工具検査時の工具形状データを比較することにより、工具１０２の摩耗度、欠損の有無を判定する。

本実施形態におけるカメラ１０６は約１００万画素（１２２４×１０２４）の解像度を有する。撮像範囲は１６．８ミリメートル×１４．０ミリメートル程度である。また、カメラ１０６は１秒間に最大８０枚の撮像画像を取得可能である。

図３は、工作機械１００および画像処理装置１１０のハードウェア構成図である。
工作機械１００は、操作制御装置１２０、加工制御部１２２、加工装置１２４、工具交換部１２６および工具格納部１３０を含む。数値制御装置として機能する加工制御部１２２は、加工プログラムにしたがって加工装置１２４に制御信号を送信する。加工装置１２４は、加工制御部１２２からの指示にしたがって主軸１１６を動かしてワークを加工する。

操作制御装置１２０は、操作盤２０６を含み、加工制御部１２２を制御する。工具格納部１３０は工具を格納する。工具交換部１２６は、いわゆるＡＴＣ（Automatic Tool Changer）に対応する。工具交換部１２６は、加工制御部１２２からの交換指示にしたがって、工具格納部１３０から工具を取り出し、主軸１１６にある工具１０２と取り出した工具１０２を交換する。

画像処理装置１１０は、主として、工具形状認識等の画像処理を行う。上述したように、画像処理装置１１０は操作制御装置１２０の一部として構成されてもよい。画像処理装置１１０は、一般的なラップトップＰＣ（Personal Computer）あるいはタブレット・コンピュータであってもよい。

図４は、画像処理装置１１０の機能ブロック図である。
画像処理装置１１０の各構成要素は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および各種コンピュータプロセッサなどの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され、演算器に処理命令を供給するソフトウェアによって実現される。コンピュータプログラムは、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、それらの上位層に位置する各種アプリケーションプログラム、また、これらのプログラムに共通機能を提供するライブラリによって構成されてもよい。以下に説明する各ブロックは、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。

なお、操作制御装置１２０および加工制御部１２２も、プロセッサなどの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され演算器に処理命令を供給するソフトウェアやプログラムを画像処理装置１１０とは別個のオペレーティングシステム上で実現される形態でもよい。

画像処理装置１１０は、ユーザインタフェース処理部１４０、データ処理部１４２、通信部３００およびデータ格納部１４４を含む。
ユーザインタフェース処理部１４０は、作業者からの操作を受け付けるほか、画像表示や音声出力など、ユーザインタフェースに関する処理を担当する。通信部３００は、操作制御装置１２０との通信を担当する。データ処理部１４２は、ユーザインタフェース処理部１４０により取得されたデータおよびデータ格納部１４４に格納されているデータに基づいて各種処理を実行する。データ処理部１４２は、ユーザインタフェース処理部１４０、通信部３００およびデータ格納部１４４のインタフェースとしても機能する。データ格納部１４４は、各種プログラムと設定データを格納する。

ユーザインタフェース処理部１４０は、入力部１４６および出力部１４８を含む。
入力部１４６は、タッチパネル、マウス、キーボード等のハードデバイスを介してユーザからの入力を受け付ける。出力部１４８は、画像表示あるいは音声出力を介して、ユーザに各種情報を提供する。

通信部３００は、操作制御装置１２０からデータを受信する受信部３０４と、操作制御装置１２０にデータおよびコマンドを送信する送信部３０６を含む。

データ処理部１４２は、計測部１５０、工具長算出部１５２、熱変位算出部１５４、撮像処理部１５６およびホルダ長算出部１５８を含む。
撮像処理部１５６は、カメラ１０６を制御して工具１０２を撮像させる。加工制御部１２２は主軸１１６をカメラ１０６の直下に移動させ、撮像処理部１５６は工具１０２を撮像する。撮像処理部１５６から加工制御部１２２に主軸１１６の移動方向および移動量を指示することもできる。計測部１５０は、撮像画像において工具１０２の先端位置、ホルダ１１８の端面位置、主軸１１６の端面位置を計測する。工具長算出部１５２は、計測部１５０による計測結果に基づいて、後述の方法により工具長を算出する。熱変位算出部１５４は、工作機械１００の台座が加工中の熱によってどのくらい延伸しているかを算出する（後述）。ホルダ長算出部１５８は、ホルダ１１８の長さである「ホルダ長」を算出する。

図５は、カメラ１０６および主軸１１６の位置関係を模式的に示す側面図である。
主軸１１６は、主軸台１６０に固定される。主軸台１６０は、工作機械１００の台座１６２の上をＺ方向に移動可能である。台座１６２にはカメラ１０６が固定される。加工制御部１２２は、主軸台１６０の移動を制御する。

主軸台１６０の移動量は、台座１６２に内蔵されるエンコーダにより計測可能である。主軸１１６の所定位置にはあらかじめ「主軸基準点Ｐ」が設定される。主軸基準点Ｐの初期位置のＺ座標を「原点座標Ｚ０」とする。エンコーダは主軸基準点Ｐの移動量を計測する。カメラ１０６の撮像領域の中心に対応するＺ座標が基準位置としての「カメラ座標ＺＣ」となる。カメラ１０６は台座１６２に固定されているため、原点座標Ｚ０からカメラ座標ＺＣまでの距離Ｒは一定である。ただし、加工中に台座１６２が加熱され、台座１６２自体が延伸し、距離Ｒ（＝ＺＣ−Ｚ０）が通常時よりも大きくなることがある。以下、このような台座１６２の熱による伸張効果を「熱変位」とよび、その伸張量を「熱変位量」とよぶ。

主軸１１６の端面（以下、「主軸端面」とよぶ）のＺ座標を「主軸座標ＺＳ」、ホルダ１１８の端面（以下、「ホルダ端面」とよぶ）のＺ座標を「ホルダ座標ＺＨ」、工具１０２の先端（以下、「工具先端」とよぶ）のＺ座標を「先端座標ＺＴ」とよぶ。また、主軸基準点ＰのＺ座標を「主軸基準座標ＺＰ」とよぶ。主軸台１６０の移動にともなって、主軸座標ＺＳ、ホルダ座標ＺＨおよび先端座標ＺＴは変化する。カメラ１０６の撮像領域に向けて、主軸台１６０（工具先端、ホルダ端面、主軸端面、主軸基準点Ｐ）を移動させ、そのときの主軸台１６０の移動量により、後述の方法により工具長を計算する。工具長とは「工具先端から主軸端面までの長さ」を意味する。すなわち、工具長は「ＺＴ−ＺＳ」である。

エンコーダは、主軸基準点Ｐの移動量を計測する。主軸座標ＺＳから主軸基準座標ＺＰまでの距離Ｄ１は既知かつ一定である。

以下、工具検査に際して摩耗および欠損検査の対象となる工具１０２を「被検査工具」とよぶ。また、摩耗が生じていない基準となる工具１０２を「基準工具」とよぶ。

主軸台１６０、台座１６２、主軸１１６およびカメラ１０６を固定する支持台の全部または一部が「支持部」に対応する。

［比較例］
図６は、比較例において検査対象工具が短いときの撮像画像を示す模式図である。
比較例においては、加工制御部１２２は主軸台１６０を原点位置Ｚ０から所定の距離ＭＡだけＺ方向に移動させるとする。基準工具（工具長ＬＳ）の場合、距離ＭＡだけ主軸台１６０を動かしたときに工具先端が撮像領域１７０の中心Ｑ（カメラ座標ＺＣ）と一致することがあらかじめわかっている。被検査工具の工具長が工具長ＬＳよりも短いときには、工具先端はカメラ中心Ｑよりも右側（Ｚ軸負方向）に映る。この場合、計測部１５０は、カメラ座標ＺＣと先端座標ＺＴの差分値「ｄＴ（＝ＺＴ−ＺＣ）」を計算する。工具長算出部１５２は、検査対象工具の工具長ＬＴを「ＬＳ−ｄＴ」として算出できる。

図７は、比較例において検査対象工具が長いときの撮像画像を示す模式図である。
同様にして、長い工具１０２が取り付けられた状態で、加工制御部１２２は主軸台１６０を距離ＭＡだけ移動させたとする。工具長が工具長ＬＳよりも長いときには、工具先端は中心Ｑよりも左側（Ｚ軸正方向）に映る。この場合も、計測部１５０は、カメラ座標ＺＣと先端座標ＺＴの差分値「ｄＴ（＝ＺＴ−ＺＣ）」を計算する。工具長算出部１５２は、検査対象工具の工具長ＬＴを「ＬＳ＋ｄＴ」として算出できる。

このように、基準工具の工具長ＬＳをあらかじめ測定しておき、被検査工具を所定距離ＭＡだけ移動させたときの工具先端とカメラ中心点中心Ｑの差分値ｄＴを計測することにより、検査対象工具の工具長ＬＴを計算できる。しかし、比較例の方法は熱変位によって計測誤差が発生するという問題がある。

比較例に示した１点測定法は、距離ＭＡだけ主軸１１６を移動させたときの主軸座標ＺＳは不変であることを前提としている。しかし、台座１６２が熱変位により延伸した場合、距離ＭＡだけ主軸１１６を移動させたときの工具先端が想定位置よりも右側に映ることになる。いいかえれば、差分値ｄＴが実際よりも小さく見積もられやすい。

本発明者が実験したところ、台座１６２の温度が２３．０度から２５．５度に変化した場合、工具長が１７０ミリメートルの工具１０２について、その工具長が１７０．０８ミリメートルと計測されることがわかった。０．０８ミリメートル分は、台座１６２の熱変位による計測誤差である。エンコーダは、主軸台１６０の移動量を正確に計測できているが、台座１６２の長さ自体（座標系そのもの）が変化することにより、工具長を正しく算出できなくなる。

［第１実施形態］
第１実施形態（多点測定法）において、工作機械１００は、主軸端面および工具先端の２点を計測し、２点間の距離に基づいて工具長を計測する。工具１０２あるいは主軸１１６自体の熱膨張は、台座１６２の熱膨張に比べると無視できるほど小さい。

図８は、第１実施形態において、主軸端面の計測時におけるカメラ１０６および主軸１１６の位置関係を模式的に示す側面図である。
まず、工具長検査に際し、原点位置Ｚ０を基準として、撮像処理部１５６は主軸台１６０を第１距離Ｍ１（以下、単に「距離Ｍ１」とよぶ）だけＺ軸正方向に移動させるように加工制御部１２２に指示する。移動距離Ｍ１はあらかじめ定義されている距離である。カメラ１０６は「第１点」として主軸端面を撮像する。第１点（主軸端面）のＺ座標が「第１座標」となる。計測部１５０は、カメラ座標ＺＣを基準位置とした上でｄＳ＝ＺＳ−ＺＣを計算することにより、第１差分値ｄＳを算出する（以下、単に「差分値ｄＳ」とよぶ）。

図９は、第１実施形態において、工具先端の計測時におけるカメラ１０６および主軸１１６の位置関係を模式的に示す側面図である。
主軸端面の計測後、原点位置Ｚ０を基準として、加工制御部１２２は主軸台１６０を第２距離Ｍ２（以下、単に「距離Ｍ２」とよぶ）だけＺ軸正方向の位置に移動させる。移動距離Ｍ２もあらかじめ定義されている距離である。カメラ１０６は「第２点」として工具先端を撮像する。第２点（工具先端）のＺ座標が「第２座標」となる。計測部１５０は、ｄＴ＝ＺＴ−ＺＣにより、第２差分値ｄＴを算出する（以下、単に「差分値ｄＴ」とよぶ）。

主軸端面計測時（図８）と工具端面計測時（図９）の移動量の差は、Ｍ１−Ｍ２である。Ｍ１−Ｍ２を差分値ｄＳおよび差分値ｄＴで補正する。具体的には、工具長算出部１５２は検査対象工具の工具長をＬＴ＝（Ｍ１−Ｍ２）＋ｄＴ＋ｄＳとして算出する。すなわち、検査工具の工具長ＬＴ＝（第１距離−第２距離）＋（第２座標−基準位置）＋（第１座標−基準位置）となる。

図１０は、第１実施形態における工具長の計算方法を説明するための模式図である。
差分値ｄＳおよび差分値ｄＴがどちらもゼロである場合、工具長ＬＴ＝Ｍ１−Ｍ２となる。図１０においては、差分値ｄＴ（正方向）が検出されている。したがって、工具長ＬＴ＝Ｍ１−Ｍ２＋ｄＴに補正する必要がある。また、図１０においては、差分値ｄＳ（負方向）が検出されている。差分値ｄＳは台座１６２の熱変位に起因する。工具長算出部１５２は、更に、工具長ＬＴ＝Ｍ１−Ｍ２＋ｄＴ＋ｄＳに補正する。このような制御方法によれば、主軸１１６の熱変位を考慮に入れた上でより正確に工具長ＬＴを算出できる。

本発明者らが実験したところ、台座１６２の温度が２３．０度から２５．５度に変化した場合、実際の工具長が１７０ミリメートルの工具１０２について、有意な計測誤差は見出されなかった。多点測定法は、主軸端面および工具先端の差分値から工具長ＬＴを計算するため、台座１６２に熱変位による影響を受けることなく、より正確な工具長検査が可能となる。

［第２実施形態］
第２実施形態（多点測定法）では、工具認識領域２１０が小さいため、主軸１１６を工具認識領域２１０に進入させることができない状況を想定する。第２実施形態においては、主軸端面の代わりにホルダ端面を計測する。まず、基準工具に基づいてホルダ１１８の長さであるホルダ長ＬＨを計測する。ホルダ長ＬＨの計測後に、被検査工具の工具長ＬＴを計測する。なお、基準工具の工具長ＬＳは既知であるとする。

図１１は、第２実施形態において、基準工具の工具先端の計測時におけるカメラ１０６および主軸１１６の位置関係を模式的に示す側面図である。
まず、原点位置Ｚ０を基準として、撮像処理部１５６の指示により加工制御部１２２は主軸台１６０を第２距離Ｍ２だけＺ軸正方向に移動させる。カメラ１０６は「第２点」として工具先端を撮像する。第２実施形態においても第２点（工具先端）のＺ座標が「第２座標」となる。計測部１５０は第２座標として先端座標ＺＴを検出する。計測部１５０は、ｄＴ＝ＺＴ−ＺＣにより、第２差分値ｄＴを算出する（以下、単に「差分値ｄＴ」とよぶ）。図１１においては差分値ｄＴ＞０（正方向の差分）である。

計測部１５０は、原点座標Ｚ０からカメラ座標ＺＣまでの距離Ｒを計算する。Ｒ＝Ｍ２＋Ｄ１＋ＬＳ−ｄＴとなる。距離Ｄ１は、主軸端面から主軸基準点Ｐまでの長さである。距離Ｄ１および基準工具の工具長ＬＳはいずれも一定かつ既知である。距離Ｍ２はエンコーダにより正確に計測可能である。また、計測部１５０により差分値ｄＴも計測可能である。したがって、計測部１５０は、距離Ｒを計算可能である。距離Ｒは一定値であることが望ましいが、台座１６２の熱変位により変化する可能性がある。熱変位分は差分値ｄＴに折り込まれている。

図１２は、第２実施形態において、基準工具のホルダ端面の計測時におけるカメラ１０６および主軸１１６の位置関係を模式的に示す側面図である。
基準工具の工具先端の計測後、原点位置Ｚ０を基準として、加工制御部１２２は主軸台１６０を第１距離Ｍ３だけＺ軸正方向の位置に移動させる（以下、単に「距離Ｍ３」とよぶ）。移動距離Ｍ３もあらかじめ定義されている距離である。第１実施形態における距離Ｍ１と第２実施形態における距離Ｍ３は同一である必要はない。カメラ１０６は「第１点」としてホルダ端面を撮像する。第２実施形態においては基準工具計測時における第１点（ホルダ端面）のＺ座標が「第１座標」となる。ホルダ長算出部１５８は、ｄＨ＝ＺＨ−ＺＣにより、第１差分値ｄＨを算出する（以下、単に「差分値ｄＨ」とよぶ）。図１２においては差分値ｄＨ＜０（負方向の差分）である。

主軸基準点Ｐの初期位置である原点位置Ｚ０からカメラ座標ＺＣまでの距離Ｒは、Ｒ＝Ｍ３＋Ｄ１＋ＬＨ＋ｄＨである。距離Ｄ１は一定かつ既知である。距離Ｒは上述したように工具先端の計測時において既に算出されている。距離Ｍ３はエンコーダにより正確に計測可能である。また、計測部１５０により差分値ｄＨは計測可能である。基準工具のホルダ長ＬＨのみが未知である。したがって、ＬＨ＝Ｒ−Ｍ３−Ｄ１−ｄＨとなる。このような計算方法により、計測部１５０は基準工具のホルダ長ＬＨを算出する。

図１３は、第２実施形態において、被検査工具のホルダ端面の計測時におけるカメラ１０６および主軸１１６の位置関係を模式的に示す側面図である。
基準工具に基づいてホルダ長ＬＨを計測したあと、被検査工具に交換する。まず、原点位置Ｚ０を基準として、加工制御部１２２は主軸台１６０を第３距離Ｍ３だけＺ軸正方向に移動させる（以下、単に「距離Ｍ３」とよぶ）。なお、第２実施形態においては基準工具計測時の距離Ｍ３と、被検査工具計測時の距離Ｍ３は同一であるとする。カメラ１０６は「第３点」としてホルダ端面を撮像する。第２実施形態においては被検査工具計測時における第３点（ホルダ端面）のＺ座標が「第３座標」となる。計測部１５０はホルダ座標ＺＨを検出する。計測部１５０は、ｄＨ＝ＺＨ−ＺＣにより、差分値ｄＨを算出する。図１３においては差分値ｄＨ＜０（負方向の差分）である。

図１４は、第２実施形態において、被検査工具の工具先端の計測時におけるカメラ１０６および主軸１１６の位置関係を模式的に示す側面図である。
被検査工具のホルダ端面の計測後、原点位置Ｚ０を基準として、加工制御部１２２は主軸台１６０を第４距離Ｍ２だけＺ軸正方向の位置に移動させる（以下、単に「距離Ｍ２」とよぶ）。なお、第２実施形態においては基準工具計測時の距離Ｍ２と、被検査工具計測時の距離Ｍ２は同一であるとする。カメラ１０６は「第４点」として工具先端を撮像する。第２実施形態においては被検査工具計測時における第４点（工具先端）のＺ座標が「第４座標」となる。計測部１５０は、ｄＴ＝ＺＴ−ＺＣにより、差分値ｄＴを算出する。図１４においては第２差分値ｄＴ＞０（正方向の差分）である。

ホルダ端面計測時（図１３）と工具先端計測時（図１４）の移動量の差は、Ｍ３−Ｍ２である。差分値ｄＨおよび差分値ｄＴで補正することにより、工具長算出部１５２は検査対象工具の工具長ＬＴ＝（Ｍ３−Ｍ２）＋ｄＴ＋ｄＨ＋ＬＨとして算出する。すなわち、検査工具の工具長ＬＴ＝（第３距離−第４距離）＋（第４座標−基準位置）＋（第３座標−基準位置）＋ホルダ長となる。

以上の計測方法によれば、工具長だけでなく、台座１６２の熱変位量を計算することも可能である。たとえば、基準工具を取り付けた状態で、主軸台１６０を第２距離Ｍ３だけ動かしたときに基準工具の工具先端とカメラ中心が一致するように、第２距離Ｍ３を事前に設定しておく（図１１参照）。この場合、熱変位算出部１５４は、主軸台１６０を第２距離Ｍ３だけ動かしたときの差分値ｄＴを熱変位量として算出できる。

［総括］
以上、実施形態に基づいて工作機械１００および画像処理装置１１０について説明した。
本実施形態に示した多点測定法によれば、台座１６２の加熱による熱変位の影響を考慮した上でより正確に被検査工具の工具長を算出できる。また、工具長が既知である基準工具に基づいて台座１６２の熱変位量を算出することも可能となる。第２実施形態に示したように、主軸１１６に比べて工具認識領域２１０が狭いために主軸端面を計測できない場合には、ホルダ端面を計測することで被検査工具の工具長を同様の精度にて計測可能となる。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

［変形例］
本実施形態においては、工具先端および主軸端面、あるいは、工具先端およびホルダ端面の２箇所の位置座標を計測することにより、工具長を計測するとして説明した。計測地点はこれら２点に限られない。たとえば、主軸１１６にマーカーを設け、工具先端およびマーカー位置の２箇所を計測することによっても同様にして工具長を計測することができる。

本実施形態においては、カメラ１０６を固定し、加工制御部１２２が主軸台１６０をＺ軸方向に移動させることで、カメラ１０６と主軸１１６との相対位置を変化させるとして説明した。変形例として、主軸台１６０を固定し、加工制御部１２２がカメラ１０６をＺ軸方向に移動させることで、カメラ１０６と主軸１１６の相対位置を変化させるとしてもよい。また、加工制御部１２２は、カメラ１０６および主軸１１６の双方を移動させることにより、カメラ１０６と主軸１１６の相対位置を変化させてもよい。

１００工作機械、１０２工具、１０４保持部、１０６カメラ、１０８照明装置、１１０画像処理装置、１１２刃部、１１４シャンク部、１１６主軸、１１８ホルダ、１２０操作制御装置、１２２加工制御部、１２４加工装置、１２６工具交換部、１３０工具格納部、１４０ユーザインタフェース処理部、１４２データ処理部、１４４データ格納部、１４６入力部、１４８出力部、１５０計測部、１５２工具長算出部、１５４熱変位算出部、１５６撮像処理部、１５８ホルダ長算出部、１６０主軸台、１６２台座、１７０撮像領域、２００加工領域、２０２カバー、２０４ドア、２０６操作盤、２１０工具認識領域、３００通信部、３０４受信部、３０６送信部、ＬＨホルダ長、ＬＳ工具長、ＬＴ工具長、ＺＣカメラ座標、ＺＨホルダ座標、ＺＰ主軸基準座標、ＺＳ主軸座標、ＺＴ先端座標

Claims

工作機械のカメラから、工具の撮像画像を受信する受信部と、
前記工具と前記カメラが相互に所定距離だけ離れた基準地点から第１距離相対移動したときの撮像画像において、前記工具または前記工具を保持する工具保持部における第１点の位置である第１座標を計測し、
前記工具と前記カメラが前記基準地点から第２距離相対移動したときの撮像画像において、前記工具または前記工具保持部における第２点の位置である第２座標を計測する計測部と、
前記第１座標、前記第２座標、前記第１距離および前記第２距離の差分値である基本差分値に基づいて、前記工具の長さを計算する工具長算出部と、を備え、
前記第１点は前記工具保持部の端面位置であり、前記第２点は前記工具の先端位置である、画像処理装置。
前記工具長算出部は、撮像領域における基準位置と前記第１座標の差分値である第１差分値を前記基本差分値に加算することにより、前記工具の長さを計算する、請求項１に記載の画像処理装置。
前記工具長算出部は、前記基本差分値に前記第１差分値を加算し、撮像領域における前記基準位置と前記第２座標の差分値である第２差分値を更に加算することにより、前記工具の長さを計算する、請求項２に記載の画像処理装置。
工作機械のカメラから、工具の撮像画像を受信する受信部と、
基準工具と前記カメラが相互に所定距離だけ離れた基準地点から第１距離相対移動したときの撮像画像において、前記基準工具または工具保持部の第１点の位置である第１座標を計測し、撮像領域における基準位置と前記第１座標の差分値である第１差分値を計算し、
前記基準工具と前記カメラが前記基準地点から第２距離相対移動したときの撮像画像において、前記工具または前記工具保持部における第２点の位置である第２座標を計測し、撮像領域における前記基準位置と前記第２座標の差分値である第２差分値を計算する計測部と、
前記第１差分値および前記第２差分値に基づいて、前記工具保持部におけるホルダ長を計算するホルダ長算出部と、
検査対象となる工具である被検査工具の長さを計算する工具長算出部と、を備え、
前記計測部は、前記被検査工具と前記カメラが前記基準地点から第３距離相対移動したときの撮像画像において、前記工具または前記工具を保持する工具保持部における第３点の位置である第３座標を計測し、
前記被検査工具と前記カメラが前記基準地点から第４距離相対移動したときの撮像画像において、前記被検査工具または前記工具保持部における第４点の位置である第４座標を計測し、
前記工具長算出部は、前記第３座標、前記第４座標、前記第３距離、前記第４距離および前記ホルダ長に基づいて、前記被検査工具の長さを計算する、画像処理装置。
請求項１，４のいずれかに記載の画像処理装置と接続され、
工具を装着可能な工具保持部と、
前記工具を撮像するカメラと、
前記工具保持部と前記カメラとを支持する支持部と、を備える工作機械。
第１座標と第２座標を計測し、第１座標、第２座標、第１距離、第２距離とをもとに工具の長さを計算するための撮像画像を取得するカメラと、
工具を保持する工具保持部と、
前記工具と前記カメラとを相互に所定距離だけ離れた基準地点から前記第１距離または前記第２距離相対移動させるために前記工具保持部の移動させる制御部と、を備え、
前記カメラは、前記工具と前記カメラとが前記基準地点から前記第１距離相対移動したときの第１画像を撮像し、前記工具と前記カメラとが前記第２距離相対移動したときの第２画像を撮像し、
前記第１画像には、前記工具または前記工具を保持する工具保持部における前記第１点の位置である前記第１座標が含まれ、
前記第２画像には、前記工具または前記工具を保持する工具保持部における前記第２点の位置である前記第２座標が含まれ、
前記第１点は前記工具保持部の端面位置であり、前記第２点は前記工具の先端位置である、工作機械。