JPWO2012056520A1 - 工具衝突防止システム及び工具衝突防止方法 - Google Patents

Abstract

工作機械（１）の工具（２）によって加工されるワーク（３）を含むワーク部を予め三次元計測し、その計測結果に基づいて、工具（２）と、ワーク部とが衝突するか否かの衝突判定をする工具衝突防止システムであって、ワーク部の形状を三次元計測するレーザスキャナ（５）と、レーザスキャナ（５）の計測結果に基づいてワーク部の形状を決定するワーク形状決定部（３３）と、を備え、ワーク形状決定部（３３）には、レーザスキャナ（５）の計測結果にワーク部の形状が計測されていない未計測領域が含まれている場合に、未計測領域に対しワーク部の外形又はその外形よりも外側にワーク部の形状を決定するようにワーク部の形状を補間する形状補間部（３５）が含まれている。

Description

本発明は、工作機械における工具のワークへの衝突を防止するための工具衝突防止システム等に関する。

工作機械においては、工具がワークに衝突することを回避するため、レーザ光を照射して予めワークの形状を三次元計測してワークが加工される過程のシミュレーションが行われている（例えば特許文献１参照）。一方、ワークの形状を三次元計測する装置としてワークを回転台へ設置して回転させながら計測することで死角領域を除去したり（特許文献２参照）、ライン光を照射する三次元センサの光路をミラーで変更することにより死角領域を減少させたり（特許文献３参照）するものが知られている。

特開２００７−４８２１０号公報 特開２００３−７５１３９号公報 特開２００８−２０３０９１号公報

工作機械におけるワークの形状の三次元計測では、工作機械の設備によってはワークの形状を計測できない死角領域を含む未計測領域が生じてしまい、正確な形状が把握できないことがある。特許文献２及び３の装置のように改造することは費用の面から考えて得策ではなく、未計測領域を有するデータを利用する場合でも確実に工具のワークへの衝突を回避したい。

そこで、本発明はワークの形状を三次元計測する場合に未計測領域があっても確実に工具のワークへの衝突を防止できる工具衝突防止システム及び工具衝突防止方法を提供することを目的とする。

本発明の工具衝突防止システムは、工作機械の工具によって加工されるワークを含むワーク部を予め三次元計測し、その計測結果に基づいて、前記工具と、前記ワーク部とが衝突するか否かの衝突判定をする工具衝突防止システムであって、前記ワーク部の形状を三次元計測する計測手段と、前記計測手段の計測結果に基づいて前記ワーク部の形状を決定する形状決定手段と、を備え、前記形状決定手段には、前記計測手段の計測結果に前記ワーク部の形状が計測されていない未計測領域が含まれている場合に、前記未計測領域に対し前記ワーク部の外形又は前記外形よりも外側に前記ワーク部の形状を決定するように前記ワーク部の形状を補間する形状補間手段が含まれていることにより上記課題を解決する。

本発明の工具衝突防止システムによれば、計測手段により計測したワーク部の計測結果に未計測領域が含まれている場合に、実際の形状又はそれよりも大きな形状としてワーク部の形状を補間する。これにより、ワーク部の形状としては実際の外形よりも大きくなるが、確実に工具の衝突を回避することができる。補間した形状の部分にて工具が衝突するという警告がなされた場合でも、作業者が確認するという工程が追加されるだけであり、工具の衝突は確実に回避される。追加の設備を要することなく、簡易な構成で工具の衝突を回避できる。なお、ワーク部とは、ワークのみの場合と、ワークに加えワークを支持する治具、テーブル、計測機等のその他の構成を含む場合とを含む概念である。また、「ワーク部の外形よりも外側」には、ワーク部に凹部が設けられている場合の凹部内周面側へせり出して大きくなるような形状も含み、もとのワーク部の外形に対してそれよりも体積が増すようにして形状を決定するという概念が含まれる。

本発明の工具衝突防止システムの一態様において、前記形状補間手段は、前記計測手段により取得された三次元座標データの一部が欠落して、前記未計測領域を示す欠落座標データが含まれている場合に、その欠落座標データに隣接する、データの欠落がない隣接座標データに基づいて補間座標データを決定し、前記欠落座標データに前記補間座標データを補間することで、前記ワーク部の形状を補間してもよい。この態様によれば、欠落座標データに対し、これに隣接する隣接座標データに基づいて補間座標データを決定する。これにより、欠落座標データが補間され、ワーク部の形状を補間することで工具の衝突を確実に回避することができる。

隣接座標データに基づいて補間座標データを決定する場合において、前記形状補間手段は、前記欠落座標データに隣接する隣接座標データ群を比較して、前記隣接座標データ群のうち最大値を有する隣接座標データを補間座標データとして決定してもよい。この態様によれば、欠落座標データに隣接する複数の隣接座標データ群のうち最大値を補間座標データとして補間する。これにより、不明な形状である未計測領域に対して実際の外形よりも小さい形状となることを防止しつつ、補間する形状を考え得る最大の大きさとすることで確実に工具の衝突を防止できる。

本発明の工具衝突防止方法は、工作機械の工具によって加工されるワークを含むワーク部を予め三次元計測し、その計測結果に基づいて、前記工具と、前記ワーク部とが衝突するか否かの衝突判定をする工具衝突防止方法であって、前記ワーク部の形状を三次元計測する計測工程と、前記計測工程の計測結果に基づいて前記ワーク部の形状を決定する形状決定工程と、を備え、前記形状決定工程には、前記計測工程の計測結果に前記ワーク部の形状が計測されていない未計測領域が含まれている場合に、前記未計測領域に対し前記ワーク部の外形又は前記外形よりも外側に前記ワーク部の形状を決定するように前記ワーク部の形状を補間する形状補間工程が含まれていることにより上記課題を解決する。本発明の工具衝突防止方法は、本発明の工具衝突防止システムとして具現化される。

以上、説明したように、本発明の工具衝突防止システム及び工具衝突防止方法においては、計測手段により計測したワーク部の計測結果に未計測領域が含まれている場合に、実際の形状又はそれよりも大きな形状としてワーク部の形状を補間する。これにより、ワーク部の形状としては実際の外形よりも大きくなるが、確実に工具の衝突を回避することができる。

本発明の一形態に係る工具衝突防止システムが適用された工作機械及び工具衝突防止装置の概略図。 工作機械及び工具衝突防止装置の機能ブロック図。 レーザスキャナとワークとの関係を説明する図。 死角領域について説明する図。 形状補間処理を説明するフローチャート。 死角領域及び不連続領域の形状補間について説明する図。 図６Ａのワークに対してした形状補間について説明する図。 欠落座標データの一例を示す図。

図１に本発明の一形態に係る工具衝突防止システムが適用された工作機械及び工具衝突防止装置の概略図を示す。工作機械１は、ＮＣプログラムに従って順次動作する機械である。工作機械１には、工具２と、その工具によって加工されるワーク部としてのワーク３と、工具２の長さ及び径を計測する工具計測センサ４と、ワーク３の形状を三次元計測する計測手段としてのレーザスキャナ５と、必要に応じて各種メッセージが表示されるモニタ６とを備えている。一方、工具衝突防止装置１０は、いわゆるパーソナルコンピュータとして構成される。工具衝突防止装置１０と工作機械１とを接続する接続回線には、レーザスキャナ５によって計測されたワーク３の形状の計測値を送受信するためのＵＳＢ回線７と、その他の情報の送受信のためのイーサネット（登録商標）回線８とが設けられている。なお、工具計測センサ４及びレーザスキャナ５は各種公知の技術を利用してよい。レーザスキャナ５には、三次元計測が可能な各種のスキャナを適用できる。

図２に工作機械１及び工具衝突防止装置１０の機能ブロック図を示す。工作機械１は、制御部２１を備えている。制御部２１は、マイクロプロセッサと、そのマイクロプロセッサの動作に必要な内部記憶装置（一例としてＲＯＭ及びＲＡＭ）等の各種の周辺装置とを組み合わせたユニットとして構成されている。制御部２１は、工作機械１の動作に必要な制御を行う。工具衝突防止装置１０は、制御部３１と、接続インターフェース３２とを備えている。制御部３１は、マイクロプロセッサと、そのマイクロプロセッサの動作に必要な内部記憶装置（一例としてＲＯＭ及びＲＡＭ）等の各種の周辺装置とを組み合わせたユニットとして構成され、不図示のモニタ、キーボード等のユーザインターフェースを有している。制御部３１には、形状決定手段としてのワーク形状決定部３３と、衝突判定部３４とを備えている。ワーク形状決定部３３は、レーザスキャナ５にワーク３の形状の計測を指示し、取得された計測情報からワーク３の形状を決定する。ワーク形状決定部３３には、形状補間手段としての形状補間部３５が設けられている。形状補間部３５は、ワーク形状決定部３３にて得られる計測情報である、ワーク３の三次元座標データの一部が欠落している場合に、欠落した部分の欠落座標データを補間する処理をする。衝突判定部３４は、工具２とワーク３とが衝突するか否かの判定に関する処理をする。接続インターフェース３２は、ＯＲｉＮ（登録商標）等の公知のものでよい。

図３はレーザスキャナ５とワーク３との関係を説明する図である。レーザスキャナ５は、工具２の主軸ＡＸ（Ｚ軸方向）に対して設置角ａで取り付けられている。また、レーザスキャナ５はスポットレーザ、ラインレーザを射出するため、ワーク３に対するレーザスキャナ５の計測範囲ｂ〜ｃは、レーザスキャナ５で走査可能な走査角によって決まる。例えば、レーザスキャナ５の走査角の範囲が−１４．４°〜＋１４．４°である場合に、設置角ａを３０°としてそのレーザスキャナ５を工具２に取り付けると、レーザスキャナ５の計測範囲ｂ〜ｃは、主軸ＡＸに対して１５．６°〜４４．４°の範囲となる。従って、レーザスキャナ５による計測可能領域Ａは、レーザスキャナ５の設置角ａ及び走査角に依存する。なお、レーザスキャナ５とワーク３とは相対的に変位可能に構成されている。レーザスキャナ５とワーク３との相対位置を変更してから一時的に停止して計測したり、相対位置を変更しながら計測したりすることができ、適宜状況に応じた計測が可能なものである。ワーク３又はレーザスキャナ５のうち少なくともいずれか一方が位置変更可能に構成されていればよい。

ワーク３に深穴や深溝が設けられている場合にレーザスキャナ５でワーク３を三次元計測すると、深穴や深溝により生じる段差がレーザ光に対して死角となり、得られる三次元座標データの一部が欠落することがある。図４は死角領域について説明する図である。段差ｈにレーザ光Ｌが入射すると、入射したときの走査角によりレーザ光の入射角が変動する。段差ｈの高さΔＺに対し、レーザスキャナ５の計測範囲ｂ〜ｃにより、死角領域Ｂ〜ＣがＹ軸方向に生じる。上述の計測範囲の例でいうと、レーザスキャナ５の走査角のタイミングによりレーザ光Ｌの入射角が変化するため、死角Ｂ、Ｃは入射角にもよるが、死角領域Ｂ＝ΔＺ×ｔａｎ（１５．６）までの範囲は入射角によらず常に死角領域となり、死角領域Ｂから死角Ｃ＝ΔＺ×ｔａｎ（４４．４）の範囲は、入射角により死角領域が変化する。

図５を参照して工具衝突防止装置１０の制御部３１が実行する形状補間処理について説明する。形状補間処理は、ワーク形状決定部３３が実行するワーク３の形状計測処理の一部として実行される。ワーク３の形状計測処理及び衝突判定処理については公知技術を利用してよい。例えば、ワーク３の形状計測処理については、ワーク形状決定部３３によりレーザスキャナ５に計測開始の指示がなされ、レーザスキャナ５が三次元計測することによりその計測領域の計測情報（三次元座標データ）が得られ、制御部３１の記憶装置に取り込まれる。そして、ワーク形状決定部３３は取り込まれた計測情報に基づいてワーク３の形状を決定する。一方、衝突判定処理では、決定された形状の情報に基づいて衝突の判定をする。衝突の判定には、市販の各種加工シミュレータを利用することができる。衝突判定部３４は、判定結果に基づいて衝突する旨の警告メッセージ又は衝突しない旨の安全メッセージを工具衝突防止装置１０のモニタに表示する。

ワーク形状決定部３３が実行する形状計測処理において、計測情報として得られた三次元座標データが欠落している場合に形状補間処理が実行される。まず、形状補間部３５は、ステップＳ１にて形状計測処理にて得られた三次元座標データから欠落座標データを選択する。図６Ａに示すように各凸部３ａ〜３ｃにより生じる段差ｈ１〜ｈ６にレーザ光Ｌを照射すると、レーザ光Ｌのワーク３への入射角によって死角領域Ｂ１〜Ｂ３が生じる。また、段差ｈ５では照射されたレーザ光Ｌが反射しない不連続領域Ｂ４が生じる。レーザスキャナ５にて得られる計測情報は三次元座標データであり、レーザスキャナ５の光源からライン状に順次射出されるレーザ光Ｌにより各計測点にてデータを得ることができる。上述したレーザスキャナ５の走査角により、図６Ａにおいては死角領域Ｂ１〜Ｂ３及び不連続領域Ｂ４の未計測領域が生じ、三次元座標データが得られずに欠落することとなる。

図７に欠落座標データの一例を示す。図７は、Ｘ−Ｙ平面上にＸ軸方向及びＹ軸方向に一定間隔で格子状に区切ったメッシュｍを割り付け、その各メッシュｍにおいて含まれる三次元座標データである点群データのうち、Ｚ軸座標の最大値を高さ情報としてそのメッシュに付加したものを示している。各メッシュｍには、座標データが欠落した欠落座標データＤ１、Ｄ２、…（特に区別する必要がない場合は参照符号Ｄで代表する。）が存在することがある。欠落座標データＤは、空白の座標データであり、１つの欠落座標データＤあるいは２以上の欠落座標データＤ群として存在する。図７の例では、欠落座標データＤが５つ集合した欠落座標データＤ１〜Ｄ５群を示している。形状補間部３５は、この欠落座標データＤを選択する。ステップＳ１においては、欠落座標データＤ１〜Ｄ５群の場合であってもいずれかの欠落座標データＤが選択されることになる。便宜上、欠落座標データＤ１が選択されたとして説明を続ける。

次に形状補間部３５は、ステップＳ２に進み欠落座標データＤ１に隣接する座標データを抽出し、抽出した座標データを比較する。この場合において、欠落座標データＤ１〜Ｄ５群のように複数の欠落座標データＤが隣接している場合には、欠落座標データＤ１〜Ｄ５を一つのデータ群として認識し、そのデータ群に隣接する座標データを抽出する。図７では、欠落座標データＤ１に隣接する欠落座標データＤ２、Ｄ３、Ｄ５については欠落座標データと判断し、さらにこれらの欠落座標データＤ２、Ｄ３、Ｄ５に隣接する座標データを抽出し、隣接する欠落座標データが抽出されなくなるまで抽出処理を行う。これにより、欠落座標データＤ１〜Ｄ５群に対し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の八方に隣接する隣接座標データＮ１〜Ｎ１４が抽出される。抽出した隣接座標データＮ１〜Ｎ１４を比較し、これらの中で最も高い数値を欠落座標データＤ群に補間する補間座標データとして決定する。図７の例でいうと、抽出した各隣接座標データＮ１〜Ｎ３＝５０、Ｎ４〜Ｎ５＝１５０、Ｎ６〜Ｎ１４＝１００のうち最も高い数値を有する隣接座標データＮ４〜Ｎ５＝１５０を補間座標データとして決定する。次のステップＳ３にて、形状補間部３５は、ステップＳ２で決定した補間座標データを欠落座標データＤ１〜Ｄ５群のそれぞれに補間して今回の処理を終了する。形状補間処理においてステップＳ１〜ステップＳ３の処理が形状補間手段に相当し、形状計測処理が形状決定手段に該当する。

図６Ｂは、欠落座標データを補間して形成されたワーク３の形状を説明する図である。なお、図６ＢはＹ−Ｚ平面上における断面図で説明しているため、便宜上、Ｙ軸方向に等間隔に区切られたメッシュｍのＹ軸成分ｍＹで説明するが、実際はＸ−Ｙ平面上のメッシュｍに含まれる三次元座標データでメッシュｍ内の座標データが決定される。図６Ｂに、死角領域Ｂ１〜Ｂ３及び不連続領域Ｂ４による各欠落座標データＤが形状補間処理により補間された様子を示す。各未計測領域Ｂ１〜Ｂ４に隣接する隣接座標データとしては、各凸部３ａ〜３ｃの上面部に位置するメッシュ成分ｍＹがＺ軸方向に最も大きな値を有しているので、その値が未計測領域Ｂ１〜Ｂ４に対応する各メッシュ成分ｍＹに補間座標データとして補間され、図６Ｂの太線で示した形状のように決定される。なお、メッシュ成分ｍＹごとに一つの座標データが決定されるため、メッシュ成分ｍＹにて高さの異なる外形が割り当てられている場合には、そのメッシュ成分ｍＹに含まれる最大値にて形状が補間されて図６Ｂの該当メッシュ成分ｍＹ１〜ｍＹ３のように実際のワーク３の外形よりも外側に補間されることがある。

補間後は、形状計測処理にてデータ補間後の計測情報に基づいてワーク３の形状が決定される。図６Ａのような形状を有するワーク３の場合、図６Ｂの太線で示した形状のように矩形状に決定され、ワーク３の外形よりも外側にワーク３の形状が補間される。ワーク３の実際の外形よりも外側、つまり、現実のワーク３の外形に対してそれよりも体積が増すようにして形状が補間される。この「外側」の概念には、ワーク３に凹部が設けられている場合の凹部内周面側へせり出して大きくなるような形状の補間も含まれる。なお、未計測領域において補間された形状と実際の外形とが同一となる場合もある。このような簡易な処理により形状が補間されることで工具２とワーク３との衝突を確実に防止することができる。実際のワーク３の外形よりも大きい形状として認識されることになるが、この補間された形状部分により衝突の警告が通知されても作業者による確認作業が工程に追加されるだけであり、工具２とワーク３とが衝突することによる損失に比べれば、十分実用に耐え得る程度の軽微な追加である。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、形状補間処理を形状計測処理の一部として説明したがこれに限られない。例えば、形状補間処理が独立して処理されてもよい。欠落座標データを有する三次元座標データがある場合に、形状補間処理を実行することにより、欠落座標データに補間座標データを補間することができる。また、本形態において計測手段をレーザスキャナ５として説明したがこれに限られない。ＣＣＤカメラ等の未計測領域が生じる各種計測手段に対して本発明を適用してもよい。また、本形態において、欠落座標データＤに対して隣接する隣接座標データを欠落座標データＤの八方から取得したが、これに限られず、例えば四方からでもよいし、適宜の変更が可能である。また、メッシュｍの大きさについても任意でよく、性能に応じて適宜変更が可能である。

ワーク部は、ワーク３のみの場合と、ワーク３に加えワーク３を支持する治具、テーブル、計測機等のその他の構成を含む場合とを含む概念である。また、未計測領域とは、死角Ｂ１〜Ｂ３及び不連続領域Ｂ４を含む概念である。

本発明の工具衝突防止システムは、工作機械の工具によって加工されるワークを含むワーク部を予め三次元計測し、その計測結果に基づいて、前記工具と、前記ワーク部とが衝突するか否かの衝突判定をする工具衝突防止システムであって、前記ワーク部の形状を三次元計測する計測手段と、前記計測手段の計測結果に基づいて前記ワーク部の形状を決定する形状決定手段と、を備え、前記形状決定手段には、前記計測手段の計測結果に前記ワーク部の形状が計測されていない未計測領域が含まれている場合に、前記未計測領域に対し前記ワーク部の外形としてとり得る最大の大きさとなるように前記ワーク部の形状を補間する形状補間手段が含まれていることにより上記課題を解決する。

本発明の工具衝突防止システムによれば、計測手段により計測したワーク部の計測結果に未計測領域が含まれている場合に、実際の形状又はそれよりも大きな形状としてワーク部の形状を補間する。これにより、ワーク部の形状としては実際の外形よりも大きくなるが、確実に工具の衝突を回避することができる。補間した形状の部分にて工具が衝突するという警告がなされた場合でも、作業者が確認するという工程が追加されるだけであり、工具の衝突は確実に回避される。追加の設備を要することなく、簡易な構成で工具の衝突を回避できる。なお、ワーク部とは、ワークのみの場合と、ワークに加えワークを支持する治具、テーブル、計測機等のその他の構成を含む場合とを含む概念である。

本発明の工具衝突防止方法は、工作機械の工具によって加工されるワークを含むワーク部を予め三次元計測し、その計測結果に基づいて、前記工具と、前記ワーク部とが衝突するか否かの衝突判定をする工具衝突防止方法であって、前記ワーク部の形状を三次元計測する計測工程と、前記計測工程の計測結果に基づいて前記ワーク部の形状を決定する形状決定工程と、を備え、前記形状決定工程には、前記計測工程の計測結果に前記ワーク部の形状が計測されていない未計測領域が含まれている場合に、前記未計測領域に対し前記ワーク部の外形としてとり得る最大の大きさとなるように前記ワーク部の形状を補間する形状補間工程が含まれていることにより上記課題を解決する。本発明の工具衝突防止方法は、本発明の工具衝突防止システムとして具現化される。

Claims (4)

1. 工作機械の工具によって加工されるワークを含むワーク部を予め三次元計測し、その計測結果に基づいて、前記工具と、前記ワーク部とが衝突するか否かの衝突判定をする工具衝突防止システムであって、
   前記ワーク部の形状を三次元計測する計測手段と、
   前記計測手段の計測結果に基づいて前記ワーク部の形状を決定する形状決定手段と、
   を備え、
   前記形状決定手段には、前記計測手段の計測結果に前記ワーク部の形状が計測されていない未計測領域が含まれている場合に、前記未計測領域に対し前記ワーク部の外形又は前記外形よりも外側に前記ワーク部の形状を決定するように前記ワーク部の形状を補間する形状補間手段が含まれている工具衝突防止システム。
2. 前記形状補間手段は、前記計測手段により取得された三次元座標データの一部が欠落して、前記未計測領域を示す欠落座標データが含まれている場合に、その欠落座標データに隣接する、データの欠落がない隣接座標データに基づいて補間座標データを決定し、前記欠落座標データに前記補間座標データを補間することで、前記ワーク部の形状を補間する請求項１の工具衝突防止システム。
3. 前記形状補間手段は、前記欠落座標データに隣接する隣接座標データ群を比較して、前記隣接座標データ群のうち最大値を有する隣接座標データを補間座標データとして決定する請求項２の工具衝突防止システム。
4. 工作機械の工具によって加工されるワークを含むワーク部を予め三次元計測し、その計測結果に基づいて、前記工具と、前記ワーク部とが衝突するか否かの衝突判定をする工具衝突防止方法であって、
   前記ワーク部の形状を三次元計測する計測工程と、
   前記計測工程の計測結果に基づいて前記ワーク部の形状を決定する形状決定工程と、
   を備え、
   前記形状決定工程には、前記計測工程の計測結果に前記ワーク部の形状が計測されていない未計測領域が含まれている場合に、前記未計測領域に対し前記ワーク部の外形又は前記外形よりも外側に前記ワーク部の形状を決定するように前記ワーク部の形状を補間する形状補間工程が含まれている工具衝突防止方法。

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