JPH09323240A - 工作機械の工具捕捉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工具のサイズが工具交換に従って様々に変動
しても、常に視点に工具を据えることができるようにし
て、常に工具の正確な状態を捕捉すること。 【解決手段】 数値制御装置に、工具番号毎にＩＴＶカ
メラの位置データを設定できるデータテーブル２１を設
け、該データテーブル２１のＩＴＶカメラの位置データ
に基づき、工具交換による工具サイズの変化に対して、
常に工具をＩＴＶカメラの視野に捉えるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、工作機械の工具
捕捉装置に関し、特に、数値制御装置に、工具番号毎の
ＩＴＶカメラの位置を設定できるデータテーブルを設
け、該データテーブルにおけるＩＴＶカメラの位置デー
タに基づき、工具交換による工具サイズの変化に対し
て、常に工具の先端をＩＴＶカメラの視野に捕捉するこ
とができるようにした工作機械の工具捕捉装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来における、自動工具交換装置により
多数の工具を切り換えて使用する機械にあっては、以下
の例に示すように主軸に工具を装着したまま自動的に工
具長を測定するものがある。

【０００３】すなわち、図４は、従来における数値制御
装置と、それにより制御される工作機械の概念図を示し
ている。図において、１は工作機械の本体、４は数値制
御装置、７は加工テーブル、２は工具３が取り付けられ
る主軸ヘッドである。また、加工テーブル７と主軸ヘッ
ド２は、それぞれボールネジ６ａ、６ｂにより、サーボ
モータ５ａ、５ｂと連結されており、加工テーブル７上
にクランプされたワーク８と主軸ヘッド２に装着された
工具３とは、互いに数値制御装置４にセットされた加工
プログラムに従って移動制御される。

【０００４】また、図において、４１はタッチセンサで
あり、主軸ヘッド２に装着された工具３をタッチセンサ
４１に向けて突き出す移動指令を固定サイクルプログラ
ムとして数値制御装置４に記憶させ、起動して工具３の
先端がタッチセンサ４１に接触した瞬間に接触信号を数
値制御装置４に対して送信し、送りを停止させ、その位
置より工具長を算出し、その算出結果を対応するデータ
テーブルに記憶し、その工具３の使用時に送りの位置を
補正するものである。

【０００５】また、上記の工具長測定と同様のシステム
において、加工プログラム中の任意のシーケンスに工具
長自動測定用の固定サイクルを挿入しておき、工具長が
以前の測定結果と異なっていた場合、工具３の折損と判
断し、その判断（検出）結果に基づいて運転中断等の後
処理に必要な信号を出力する。

【０００６】このような機械的接触を用いた工具長測定
あるいは工具折損検出を、ＩＴＶカメラおよび画像処理
装置を利用して光学的に実行する方式については、既に
いくつかの出願例があり、以下にその構成例を説明す
る。

【０００７】図４において、さらに、４２はＩＴＶカメ
ラであり、主軸ヘッド２に装着された工具３を側面より
撮影するように、所定位置において固定されている。４
３はＩＴＶカメラ４２からの映像信号に対して各種画像
処理を実行する画像処理装置である。

【０００８】次に、画像処理装置４３の構成について説
明する。図５において、ＩＴＶカメラ４２は、ＣＣＤカ
メラ５０と、その収容ケース５１とから構成されてお
り、該収容ケース５１は、駆動軸と結合するとともに、
ＣＣＤカメラ５０を切削液より保護する。また、撮影用
の窓が切削液で汚染されないようにするため数値制御装
置４の指令により開閉する窓のカバー５１ａを設けるこ
とにより、切削液の放出停止とタイミングを合わせてカ
バー５１ａの開閉動作を制御する。

【０００９】また、５２は映像デジタル化回路で、ＩＴ
Ｖカメラ４２からの映像信号を入力し、画面の走査に同
期して、該映像信号の強弱を時間分割して取り込み、画
面を多数の画素に分割し、画面メモリ５３上において各
画素に対応するアドレスに濃淡の状態を記録するもので
ある。この段階で映像の濃淡を白黒の２値のみにするこ
とができる。

【００１０】さらに、５４は画像処理装置４３全体を制
御する制御用ＣＰＵ、５５は制御用ソフトウェアを格納
する制御ソフトウェア用メモリ、５６は処理に必要な可
変データを格納するデータ処理用メモリ、５７は数値制
御装置４とデータのやりとりをするインタフェース回路
で、数値制御装置４との共用メモリでもよいし、シリア
ル通信手段であってもよい。また、制御用ＣＰＵ５４や
制御ソフトウェア用メモリ５５およびデータ処理用メモ
リ５６を数値制御装置４のものと共通にして、画像処理
装置４３と数値制御装置４を一体化した構成としてもよ
い。

【００１１】つぎに、図６を用いて工具長測定に関する
画像処理装置４３のソフトウェアの処理内容について説
明する。図６において、Ａは画面メモリ５３に格納され
た画面全体を示し、Ｂはその中の１個の画素を示す。さ
らに、Ｃは工具３の映像が写って、画素の値が周囲と反
転している画素群を示す。各画素のアドレスと視野内の
座標との関連は決まっているので、工具３の映像の図中
の最下段の画素をサーチすることにより、工具の先端の
視野中心からの偏差を求めることができる。

【００１２】工具長は、予めキャリブレートしておくこ
とのできるカメラ搭載軸と主軸端のＺ軸方向の位置関係
と、視野上の偏差とＺ軸上の距離との換算率を用いて、
カメラ搭載軸の現在位置と視野上の偏差より求めること
ができる。求めた工具長データのデータテーブルへの格
納方法や、加工運転時にこのデータを使用してＺ軸方向
の位置を補正する方式はタッチセンサを用いる方式と何
ら変わることがない。

【００１３】このような光学的な測定手段を、自動工具
交換装置を持つマシニングセンター等に用いようとする
場合、工具のサイズが様々で、この工具に対してカメラ
の視野を適当な位置に保持することは困難であるにもか
かわらず、この点についての対応手段を設けたものはな
かった。

【００１４】また、従来にあっては、カメラを主軸側に
設置して、ワーク側を撮影し、ワークの種別の認識や、
寸法計測、あるいはツールとワークの位置関係を求める
ものがあったが、カメラを搭載する駆動制御軸を、主軸
およびワーク位置決め用の駆動制御軸と別個に設け、加
工プログラムに混在してカメラ位置をプログラムできる
ようにすることにより、工具交換による工具サイズの変
化および加工位置の変化に対して、常に工具の先端をカ
メラの視野に据えるようにしたものはなかった。

【００１５】つぎに、従来における工具は、主としてド
リルであり、その結果、加工処理中に切り粉が工具に巻
き付き、しばしば工具の折損の原因となっていた。この
ような問題点に対しては、従来、目視で、切り粉の工具
への巻き付き状況を監視し、人手で適時取り除いてい
た。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来にあっては、装置
が以上のように構成されていたので、光学的手段で工具
長測定等を行う場合、工具のサイズが工具交換に従って
様々に変動するため、カメラ位置が固定では、常に視点
に工具を適切に据えておくのは難しいという問題点があ
った。

【００１７】また、従来の装置にあっては、加工処理中
において切り粉が工具に巻き付いた場合、目視で、切り
粉の工具への巻き付き状況を監視し、人手で適時取り除
いていたため、作業効率が悪く、無人運転におけるネッ
クになっているという問題点があった。

【００１８】この発明は、上記に鑑みてなされたもので
あって、光学的手段で工具長測定等を行う場合、工具の
サイズが工具交換に従って様々に変動しても、常に視点
に工具を据えることができるようにし、また、加工処理
中において切り粉が工具に巻き付いたか否かを自動的に
判別し、該判別結果に基づいて各種後処理を行うことに
より作業効率を向上させ、無人運転に好適な数値制御装
置を用いた工作機械の工具捕捉装置を得ることを目的と
する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明に係る工作機械の工具捕捉装置にあって
は、工作機械の工具を撮影する撮影手段と、前記撮影手
段を前記工具の移動方向と同じ方向に移動させる移動手
段と、前記撮影手段により撮影した画像データに対して
各種画像処理を実行する画像処理手段と、工作機械の各
部を制御する数値制御装置と、を備え、前記数値制御装
置に、工具番号毎に前記撮影手段の位置データを設定で
きるデータテーブルを設け、前記データテーブルの前記
撮影手段の位置データに基づき、工具交換による工具サ
イズの変化に対して、常に工具を前記撮影手段の視野に
捉えるように前記移動手段を制御するものである。

【００２０】この発明による工作機械の工具捕捉装置に
よれば、数値制御装置に、工具番号毎に撮影手段の位置
データを設定できるデータテーブルを設け、該データテ
ーブルの撮影手段の位置データに基づき、工具交換によ
る工具サイズの変化に対して、常に工具を前記撮影手段
の視野に捉えるようにするので、工具のサイズが工具交
換に従って様々に変動しても、常に工具の正確な状態を
据えることができる。

【００２１】つぎの発明に係る工作機械の工具捕捉装置
にあっては、工作機械の工具を撮影する撮影手段と、前
記撮影手段を前記工具の移動方向と同じ方向に移動させ
る移動手段と、前記撮影手段により撮影した画像データ
に対して各種画像処理を実行する画像処理手段と、工作
機械の各部を制御する数値制御装置と、を備え、前記数
値制御装置に、工具番号毎に前記撮影手段の位置データ
を設定でき、かつ、工具番号毎に設けた撮影画像データ
を設定できるデータテーブルを設け、前記データテーブ
ルの前記撮影手段の位置データに基づき、工具交換によ
る工具サイズの変化に対して、常に工具を前記撮影手段
の視野に捉えるように前記移動手段を制御するととも
に、前記工具を撮影し、該画像データを前記データテー
ブルにあらかじめ記憶してある正常時の画像データと照
合することにより、切り粉が絡んでいるか否かを判断す
るものである。

【００２２】この発明による工作機械の工具捕捉装置に
よれば、数値制御装置に工具番号毎に設けた撮影画像デ
ータを設定できるデータテーブルを設け、撮影した画像
データを、データテーブルにあらかじめ記憶してある正
常時の画像データと照合することにより、許容範囲数以
上の画素があれば、工具に切り粉が絡んでいると判断す
る。

【００２３】つぎの発明に係る工作機械の工具捕捉装置
にあっては、前記データテーブルにおける前記撮影手段
の位置データが、工具種別及び呼び径から決定されるも
のである。

【００２４】この発明による工作機械の工具捕捉装置に
よれば、撮影手段の位置データを工具種別及び呼び径か
ら決定するので、撮影手段の位置データとして特別に記
憶エリアを確保することなく、データテーブルの容量を
減らすことができる。

【００２５】つぎの発明に係る工作機械の工具捕捉装置
にあっては、前記データテーブルにおける前記撮影手段
の位置データが、工具長データと共用である。

【００２６】この発明による工作機械の工具捕捉装置に
よれば、撮影手段の位置データを工具長データと共用と
したので、撮影手段の位置データとして特別に記憶エリ
アを確保することなく、データテーブルの容量を減らす
ことができる。

【００２７】つぎの発明に係る工作機械の工具捕捉装置
にあっては、工作機械の工具を撮影する撮影手段と、前
記撮影手段を前記工具の移動方向と同じ方向に移動させ
る移動手段と、前記撮影手段により撮影した画像データ
に対して各種画像処理を実行する画像処理手段と、工作
機械の各部を制御する数値制御装置と、を備え、前記数
値制御装置の加工プログラムにより前記撮影手段の位置
を指令するものである。

【００２８】この発明による工作機械の工具捕捉装置に
よれば、加工プログラムにより前記撮影手段の位置を指
令するので、通常の軸制御と同様に撮影手段の位置を制
御することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る数値制御装
置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【００３０】（実施の形態１）図１は、本発明に係る数
値制御装置の実施の形態１の構成を示す説明図である。
図において、１は工作機械、本実施の形態にあっては、
縦型のマシニングセンタの本体であり、２はそれに搭載
された主軸ヘッド、３は主軸に装着された工具である。
ここでは、自動工具交換装置や工具マガジン等の詳細は
省略する。

【００３１】工具３を含めて主軸ヘッド２の、加工テー
ブル７上に置かれたワーク８に対する（垂直方向の）位
置は、数値制御装置４よりサーボモータ５およびボール
ネジ６を介して制御される。ここでは、ケーブル等数値
制御装置の詳細な構成は省略する。また、加工テーブル
７の位置も、同様に、数値制御装置４よりサーボモータ
１５および駆動制御軸１４を介して制御される。

【００３２】主軸ヘッド２が移動する軸は通常Ｚ軸と呼
ばれるが、１０はＺ軸と平行に設置された駆動制御軸で
あり、ＩＴＶカメラ１１を搭載し、該ＩＴＶカメラ１１
はサーボモータ１２を介して、同様に数値制御装置４に
より、その位置が制御される。

【００３３】ＩＴＶカメラ１１は工具３を側面から撮影
し、該映像を画像処理装置１３に送信する。画像処理装
置１３は、図示の如く数値制御装置４と別個のユニット
でもよいし、一体のユニットとしてもよいが、相互にデ
ータを授受するインタフェースを設ける。

【００３４】図２において、２１は数値制御装置４内に
おける工具関係のデータを集約したデータテーブルであ
る。本テーブルには工具種別、呼び径、工具径、工具長
等が、工具番号毎に格納されており、自動工具交換処理
モジュール２２の動作と同期して更新される主軸装着工
具番号２３に対応する個所を参照して、加工処理時の動
作に反映される。例えば、主軸装着工具の工具長データ
２４はＺ軸の座標系補正処理２５が参照し、Ｚ軸の位置
指令データ２６に反映される。

【００３５】ここで、工具データの項目として、工具毎
にカメラの位置データ２７を設ける。このデータは数値
制御装置４に設けた表示画面から、キー入力するように
してもよいし、あるいは別に工具種別と呼び径に対応す
るカメラの位置テーブルを用意して、工具種別および呼
び径から決定するようにしてもよい。あるいは、工具長
データと共用してもよい。

【００３６】このカメラの位置データ２７により、工具
交換により換わる主軸装着工具番号２３に対応して、カ
メラの位置指令データ２８を決めることができ、工具３
のサイズが様々にかわっても、ＩＴＶカメラ１１の視野
に工具３の先端を据えるようにすることができる。この
位置決めと前記工具長の測定処理を１つの固定サイクル
として、ＭコードまたはＧコードとして、加工プログラ
ムの任意の個所より呼び出すようにすることができる。

【００３７】また固定サイクルとは別に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸
と同様にカメラの搭載軸に名称を割り付け、加工プログ
ラムで、位置指令を混在させることができる。本例では
主軸がＺ軸方向に移動する縦型の機械を例にとったが、
主軸がＹ軸に載っている横型の機械ではカメラ搭載軸を
主軸ヘッドに載せるか、もう１軸追加してＺ軸とＹ軸に
平行な動作をさせればよい。

【００３８】（実施の形態２）つぎに、実施の形態２に
ついて説明する。まず、画像処理装置の構成については
図５に示した従来例と共通である。

【００３９】さらに、図２において、２９は数値制御装
置４内における工具用のデータテーブル２１内に工具番
号毎に設けた撮影画像データの記憶エリアもしくは記憶
エリアのポインタである。

【００４０】上記工具長測定処理のタイミングで工具が
写った画像メモリ５３の内容を、工具番号毎に上記撮影
画像データの記憶エリア２１に記憶させておく。メモリ
容量を節約するため視野上の中心部のみを記憶すればよ
いが、他に何らかのデータ圧縮方法を用いてもよい。工
具異常検出動作指令として、Ｍコード等を割り当て、加
工プログラムの任意の個所で、以下に説明する処理を起
動させることができる。

【００４１】すなわち、図３（ａ）において、３０は予
め画像を記録する際の画像メモリ５３対応の全体画面で
あって、３１は正常時の工具３の像であり、３２は記憶
エリア２１に格納する所定部分である。加工処理中また
は加工処理後に、固定サイクルとして再撮影を起動し
て、同一工具を同一の視点から撮影する。

【００４２】その結果、工具３に切り粉が絡んでいる場
合は、図３（ｂ）のような正常時と異なる以上部分３３
が付加された工具像が得られる。記憶エリア２１に記憶
してある正常時の工具像（図３（ａ））と比較し、ある
許容範囲数以上の画素が工具像に付加されている状態に
なっていた場合には、工具３に切り粉が絡んだと判断
し、それを報知する信号を出力するためのフラグをセッ
トする。該フラグのセットにより、警報手段（図示せ
ず）が外部に対して警報を出力したり、あるいは、数値
制御装置４によって工作機械自体の運転を中断する。

【００４３】

【発明の効果】この発明に係る工作機械の工具捕捉装置
によれば、数値制御装置に、工具番号毎に撮影手段の位
置データを設定できるデータテーブルを設け、該データ
テーブルの撮影手段の位置データに基づき、工具交換に
よる工具サイズの変化に対して、常に工具を前記撮影手
段の視野に捉えるようにするので、工具のサイズが工具
交換に従って様々に変動しても、常に工具の正確な状態
を据えることができる。

【００４４】つぎの発明による工作機械の工具捕捉装置
によれば、撮影手段の位置データを工具種別及び呼び径
から決定するので、撮影手段の位置データとして特別に
記憶エリアを確保することなく、データテーブルの容量
を減らすことができる。

【００４５】つぎの発明による工作機械の工具捕捉装置
によれば、撮影手段の位置データを工具長データと共用
としたので、撮影手段の位置データとして特別に記憶エ
リアを確保することなく、データテーブルの容量を減ら
すことができる。

【００４６】つぎの発明による工作機械の工具捕捉装置
によれば、数値制御装置に工具番号毎に設けた撮影画像
データを設定できるデータテーブルを設け、撮影した画
像データを、データテーブルにあらかじめ記憶してある
正常時の画像データと照合することにより、容易に工具
に切り粉が絡んでいることを判断することができる。

【００４７】つぎの発明による工作機械の工具捕捉装置
によれば、加工プログラムにより前記撮影手段の位置を
指令するので、通常の軸制御と同様に撮影手段の位置を
制御することができ、処理効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る工作機械の工具捕捉装置の全
体概略を示す説明図である。

【図２】 図１に示した数値制御装置内のデータテーブ
ルの構成を示す説明図である。

【図３】 （ａ）は実施の形態２に係る記憶画像データ
の例を示す説明図、（ｂ）は工具に絡まった切り粉を検
出する方法を示す説明図である。

【図４】 従来における数値制御装置と、それにより制
御される工作機械の概念を示す説明図である。

【図５】 従来における工具長測定方法に係る画像処理
装置の概略構成を示すブロック図である。

【図６】 従来における工具長測定に関する画像処理装
置のソフトウェアの処理内容を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 工作機械本体，２ 主軸ヘッド，３ 工具，４ 数
値制御装置，５ サーボモータ，６ ボールネジ，７
加工テーブル，８ ワーク，１０ 駆動制御軸，１１
ＩＴＶカメラ，１２ サーボモータ，１３ 画像処理装
置，１４ 駆動制御軸，１５ サーボモータ，２１ デ
ータテーブル，２２ 自動工具交換処理モジュール，２
３ 主軸装着工具番号，２４ 工具長データ格納エリ
ア，２５Ｚ軸座標系補正処理，２６ Ｚ軸位置指令デー
タ，２７ カメラの位置データ，２８ カメラの位置指
令データ，２９ 撮影画像データの記憶エリア

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械の工具を撮影する撮影手段と、 前記撮影手段を前記工具の移動方向と同じ方向に移動さ
   せる移動手段と、 前記撮影手段により撮影した画像データに対して各種画
   像処理を実行する画像処理手段と、 工作機械の各部を制御する数値制御装置と、を備え、 前記数値制御装置に、工具番号毎に前記撮影手段の位置
   データを設定できるデータテーブルを設け、 前記データテーブルの前記撮影手段の位置データに基づ
   き、工具交換による工具サイズの変化に対して、常に工
   具を前記撮影手段の視野に捉えるように前記移動手段を
   制御することを特徴とする工作機械の工具捕捉装置。
2. 【請求項２】 工作機械の工具を撮影する撮影手段と、 前記撮影手段を前記工具の移動方向と同じ方向に移動さ
   せる移動手段と、 前記撮影手段により撮影した画像データに対して各種画
   像処理を実行する画像処理手段と、 工作機械の各部を制御する数値制御装置と、を備え、 前記数値制御装置に、工具番号毎に前記撮影手段の位置
   データを設定でき、かつ、工具番号毎に設けた撮影画像
   データを設定できるデータテーブルを設け、 前記データテーブルの前記撮影手段の位置データに基づ
   き、工具交換による工具サイズの変化に対して、常に工
   具を前記撮影手段の視野に捉えるように前記移動手段を
   制御するとともに、前記工具を撮影し、該画像データを
   前記データテーブルにあらかじめ記憶してある正常時の
   画像データと照合することにより、切り粉が絡んでいる
   か否かを判断することを特徴する工作機械の工具捕捉装
   置。
3. 【請求項３】 前記データテーブルにおける前記撮影手
   段の位置データが、工具種別及び呼び径から決定される
   ことを特徴する請求項１または２に記載の工作機械の工
   具捕捉装置。
4. 【請求項４】 前記データテーブルにおける前記撮影手
   段の位置データが、工具長データと共用であることを特
   徴とする請求項１または２に記載の工作機械の工具捕捉
   装置。
5. 【請求項５】 工作機械の工具を撮影する撮影手段と、 前記撮影手段を前記工具の移動方向と同じ方向に移動さ
   せる移動手段と、 前記撮影手段により撮影した画像データに対して各種画
   像処理を実行する画像処理手段と、 工作機械の各部を制御する数値制御装置と、を備え、 前記数値制御装置の加工プログラムにより前記撮影手段
   の位置を指令することを特徴とする工作機械の工具捕捉
   装置。