JP2006102923A

JP2006102923A - 工作機械稼働部の衝突防止方法

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Publication number: JP2006102923A
Application number: JP2004296718A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Arai; 智則荒井
Original assignee: Nakamura Tome Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Nakamura Tome Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP4456455B2

Abstract

【課題】工作機械、特に旋盤でのワーク加工中において、チャック、工具、刃物台などの機械稼動部の衝突や干渉をオペレータやプログラマーに負担をかけることなく簡単に、かつより確実に回避可能にする。
【解決手段】カメラやビジョンセンサなどの画像取得手段８、９が取得した画像から輪郭抽出により、チャック３、工具７、１７、刃物台ケーシング１２、カバー１、２、５などの形状や位置関係を検出して、設定した領域に移動したときに機械を停止させること、あるいは、加工液などで機械稼動部の位置を画像取得手段８、９の画像から認識できないような場合は、予め加工液を使用しない状態で、各機械稼動部の形状や位置を取得して、その画像解析によって得られる干渉領域をＮＣ装置に設定して、機械稼動部が設定された干渉領域に移動したときに、機械を停止させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械、特に旋盤でのワーク加工中において、チャック、ワーク、刃物台、工具などの機械稼働部相互ないしこれらとカバーなどとの衝突を防止する技術に関するものである。

旋盤は、主軸端に装着したチャックで把持されたワークを回転させながら刃物台に装着した工具でワークの加工を行う。刃物台としては、複数の工具を装着して選択使用できるタレット刃物台が一般的で、工具の回転駆動装置を設けた旋盤では、ワークを固定した状態での加工も行われる。更に回転工具をＹ軸回りに旋回位置決め可能かつＹ軸方向に移動可能に装着した旋盤も実用化されており、そのような複合旋盤では、平面加工を含む各種の加工が可能である。また、同一機台上に複数の主軸や複数の刃物台を備えた旋盤も広く使用されている。

なお、旋盤において、Ｚ軸は主軸方向であり、Ｘ軸はＺ軸と直交する旋削工具の送り方向、Ｙ軸はＺ軸及びＸ軸と直交する方向である。

高機能で複雑な加工が可能な旋盤は、加工プログラムに従ってＮＣ装置で制御される。主軸や刃物台の数が多くなったり、工具の運動が複雑になると、プログラムミスなどにより、工具や刃物台、チャックなどの機械稼動部相互、あるいはこれらと隔壁やカバーなどとの衝突の危険が増大する。たとえばタレットに細長いボーリングバイトやドリルなどが装着されているとき、その隣の工具でワークを加工しているときに、隣の長い工具とチャック、あるいは他の刃物台に装着された工具との干渉がよく生ずる。また、Ｙ軸回りに旋回位置決めされる工具を持っている刃物台では、旋回する工具駆動装置のケーシングと、カバーあるいは第２主軸のチャックやワークとの干渉が起こりやすい。

干渉が起こるのは、新しい加工プログラムでのテスト加工時、手動操作で加工を行っているとき、前段の加工で工具が破損した状態で加工が継続されて、次の工程で工具とワークとが干渉する場合などがある。

この問題を避けるために、干渉領域を予め設定して、機械稼動部が当該干渉領域に移動したときに機械を停止させるということが行われている。たとえば、チャック形状、工具形状、刃物台形状などを予めＮＣ装置に登録し、タレットや刃物台の動きによってどの工具がどの位置で占めているかを演算させ、それら相互が干渉するとき、あるいは予め定められた干渉領域に入ろうとしたときに、機械を強制的に停止させて、衝突を防止するのである。
特開２００３−２５１５５１号公報

しかしながらこのような方法で干渉領域を設定ないし演算して、機械稼動部の衝突を防止するには、干渉領域のデータ又はチャック、工具、刃物台などの形状データを予めオペレータが登録する必要があり、ワークによって使用するチャックや工具が異なるので、これらのデータの入力は、ワークが変わる毎に行わなければならない。この作業は、非常に煩雑で手間と時間を必要とし、また入力ミスに起因する事故が発生する危険がある。更にこのような従来方法では、工具折損による未加工部分と工具等との干渉を回避するのは不可能である。

この発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、旋盤、特にタレット旋盤やＹ軸回りに旋回する工具を備えた複合旋盤のチャック、工具、刃物台などの機械稼動部の衝突や干渉をオペレータやプログラマーに負担をかけることなく簡単に、かつより確実に回避可能にすることを課題としている。

この発明は、カメラやビジョンセンサなどの画像取得手段８（８ａ、８ｂ）、９が取得した画像から輪郭抽出により、チャック３、工具７、１７、刃物台ケーシング１２、カバー１、２、５などの形状や位置関係を検出して、設定した領域に移動したときに機械を停止させること、あるいは、加工液などで機械稼動部の位置を画像取得手段８、９の画像から認識できないような場合は、予め加工液を使用しない状態で、各機械稼動部の形状や位置を取得して、その画像解析によって得られる干渉領域をＮＣ装置に設定して、機械稼動部が設定された干渉領域に移動したときに、機械を停止させることにより、上記課題を解決している。

すなわち本願請求項１の発明に係る工作機械稼働部の衝突防止方法は、チャック３、ワーク４、刃物台５、１２及び工具７、１７を撮影する画像取得手段８、９を備え、当該画像取得手段が取得した画像から前記チャック、ワーク、刃物台及び工具の形状ないし位置を認識し、その認識結果に基づいて機械稼働部の衝突を予測し、衝突が予測されるときに機械を停止させるというものである。

本願請求項２の発明に係る工作機械稼働部の衝突防止方法では、チャック３、ワーク４及び刃物台５、１２をＹ軸方向から撮影する全体画像取得手段８と、刃物台に装着されたタレット６及び工具７ａ、７ｂ・・・をタレット軸方向から撮影する工具画像取得手段９とを備え、全体画像取得手段８が取得したチャック不装着時の画像と装着時の画像とを対比してチャック形状を認識し、全体画像取得手段８が取得したワーク不装着時の画像と装着時の画像とを対比してワーク形状を認識し、全体画像取得手段８が取得した刃物台移動前後の画像を対比して刃物台形状を認識し、工具画像取得手段９が取得したタレットの割出回転前後の画像を対比して当該タレットに装着された工具７ａ、７ｂ・・・の形状を認識し、上記認識した各機械稼働部の形状に基づいて前記チャック、ワーク、刃物台及び工具の干渉領域を演算する。

また本願請求項３の発明に係る工作機械稼働部の衝突防止方法では、チャック３、ワーク４及び刃物台５、１２をＹ軸方向から撮影する全体画像取得手段８と、刃物台に装着されたタレット６及び工具７、１７をタレット軸方向から撮影する工具画像取得手段９とを備え、全体画像取得手段８が取得したチャック不装着時の画像と現在画像とを対比してチャック・ワーク形状と位置を認識し、全体画像取得手段８が取得した刃物台移動前後の画像を対比して刃物台形状と位置を認識し、工具画像取得手段９が取得したタレットの割出回転前後の画像を対比して当該タレットに装着された工具７ａ、７ｂ・・・の形状と位置を認識し、認識した各機械稼働部の形状と位置及びＮＣ装置から指令された移動方向に基づいて前記チャック、ワーク、刃物台及び工具の衝突を予測する。

請求項２の発明は、画像取得手段８、９が取得した画像からチャック３、工具７ａ、７ｂ・・・、１７、刃物台ケーシング１２などの形状を取得して、その座標を数値データに変換することにより、各機械稼働部の形状データを得、それに基づいて従来と同様な演算により、干渉領域の演算や設定を行うというものである。

一方、請求項３の発明は、画像取得手段８、９で取得した画像を解析して、常時チャック３、工具７ａ、７ｂ・・・、１７の形状、これらの工具の位置、刃物台ケーシング１２の位置などを認識させ、その時々に認識した形状と位置に基づいて、衝突や干渉を回避するものであり、異常な事態、たとえば前述した工具破損によるワーク形状の異常などに起因する工具とワークとの干渉なども確実に回避することが可能である。

この発明によれば、機械がチャック、工具、工具ホルダ、刃物台ケーシング、隔壁やカバーなどの形状や位置を自動的に検出し、衝突を避けるための干渉領域を設定してくれるので、操作ミスや入力ミス、プログラムミスなどによる機械稼動部の衝突を確実に防ぐことができる。また、ワークの変更や段取替えなどにより、干渉領域が変わっても、オペレータやプログラマーに負担をかけることなく、直ちに設定を修正することができる。

更に加工中の形状を常時検出するようにすれば、加工途中のワークと工具や工具ホルダなどとの干渉を検出でき、加工領域を区画する隔壁やカバーと、刃物台ケーシングなどとの干渉も検出できるという効果がある。

図１ないし図４は、タレット旋盤におけるこの発明の実施形態を示した図で、図１は旋盤の加工領域を模式的に示す側面図、図２は同平面図、図３はチャックとワークの画像を模式的に示した図、図４は工具の形状検出の例を示した図である。図中、１及び２は、加工領域Ｓを区画している隔壁（カバー）、３は隔壁１に臨出する主軸端に装着したチャック、４はチャック３に把持されたワーク、５は隔壁２から突出する伸縮自在な刃物台カバー、６は刃物台カバー５内の刃物台に装着されているタレット、７ａ、７ｂ・・・はタレット６に装着された工具、８は加工領域の上方にＹ軸方向に向けて装着した全体画像撮影用のカメラ、９は、タレット６に対向する隔壁１部分に装着した工具撮影用のカメラである。

全体画像を撮影する第１カメラ８は、主軸軸線上かあるいはこれよりタレット６側に偏倚した位置にＹ軸方向下方を向けて設ける。図には主軸軸線上に向けて設けた例を示してある。第１カメラ８は、隔壁１と２の間に配置されたチャック３、タレット６その他の機械稼動部の映像を撮影しており、その画像を解析することにより、各機械稼働部の形状と位置を検出する。

旋盤の加工領域を撮影した画像は、多数の線や面が映っており、金属表面の反射も多いので、画像解析によって部材相互を区別するのは、かなり困難である。この困難を解決する方法として、各部材毎に異なる色の反射を抑えた塗装を施す方法もあるが、チャック３やワーク４は着脱可能であり、刃物台カバー５やタレット６は、移動したり旋回したりするので、チャック３やワーク４は、それらを装着したときと装着していないときとの第１カメラ８の画像を比較することによって、それらの部材の輪郭検出が可能であり、また、タレット６や刃物台カバー５は、図で最も右側に移動したホームポジションの画像と加工時の画像とを比較することにより、輪郭検出が可能である。

実際には、第１カメラ８で得られる画像は、図３に示すようなパースペクティブな画像であるが、その画像の輪郭検出で得られるたとえば図３にａ、ｂ・・・ｆで示す点の第１カメラ８への入射角θは、カメラ８の位置や画像解析で得られる各部分の直径などから演算することができ、これによって楕円角も演算できるから、各稼働部材をたとえば円筒形や直方体などの単純な形状の組合せ形状として認識させるようにすれば、衝突を回避するのに必要な程度の数値データを画像解析によって得ることができる。

たとえば、チャック３、ワーク４、タレット６などは、Ｚ軸方向に積み重ねた複数の円筒体の組み合わせとして捉えて、その寸法及び位置の数値データを画像解析によって求める。この場合、検出された輪郭に外接する複数の円筒体として認識させる。また、刃物台カバー５は、１個の角筒体として認識させる。また、隔壁１、２は、チャック３や刃物台カバー５との境界位置に存在するＸ、Ｙ平面として認識させる。すなわち、第１カメラ８の複数の画像からチャック３、ワーク４、タレット６、刃物台カバー５などの境界認識を行い、パースペクティブの修正を行って、これらの可動部材の形状及び位置を数値データとして取得する。

また、タレット６に装着された工具７ａ、７ｂ・・・は、工具を装着していないステーションをワーク４に向けたときの画像と、工具７ａ、７ｂ・・・をワーク４に向けたときの画像との比較で各工具の輪郭を検出し、たとえば刃物１０とホルダ１１とをそれぞれ矩形に近似して、それらの工具が占める領域を数値データとして取得する。刃物台の位置及びタレットの割出位置は、ＮＣ装置が認識しているから、ある加工を行っているときに、各工具がどの位置を占めているかは、従来と同様な演算によって求めることができる。

また、工具を撮影している第２カメラ９には、図４に示すような画像が撮影されているので、ワーク４と工具７ａ、７ｂ・・・との位置関係を常時画像解析によって確認することができ、この画像解析から直接ワーク４と工具７ａ、７ｂ・・・との干渉を検出することも可能である。

図５及び図６は、Ｙ軸回りに旋回位置決め可能な回転工具１７を備えた２主軸対向型の複合旋盤におけるこの発明の実施形態を模式的に示した平面図である。２主軸対向旋盤では、第１カメラ８（８ａ、８ｂ）は、第１主軸Ａ側と第２主軸Ｂ側とに２個設けるのが好ましい。第２主軸１３は、Ｚ軸方向に後退可能なので、第２主軸１３を後退させて第２主軸用の第１カメラ８ｂの直下に刃物台ケーシング１２を移動させることにより、刃物台ケーシング１２の形状を比較的正確に検出することができる。加工中の回転工具１７は、それぞれの側の第１カメラ８ａ、８ｂに近い位置に移動するので、当該カメラで形状や寸法を検出することができる。

図５及び図６に示すように、Ｙ軸回りに旋回する刃物台ケーシング１２を備えた２主軸対向旋盤では、工具１７を主軸軸線上に進出させて、一方のワーク４ａを加工するとき、刃物台ケーシング１２の反工具側の部分が反対側の主軸に把持されたワーク４ｂに干渉したり、工具１７をワーク４ａの先端側に斜めに向けたときに、刃物台ケーシング１２の反工具側と隔壁１とが干渉するということが起こり、この干渉はワークの寸法や加工形状によって起こるものなので、予め予測することが非常に困難である。しかし、この発明の装置によれば、刃物台ケーシング１２やワーク４ａ、４ｂの画像解析により、この種の干渉についても事前に検知して回避することが可能である。

旋盤の加工領域を模式的に示す側面図同平面図チャックとワークの画像例を示す図工具の形状検出の説明図第２実施形態での衝突の一例を示す模式的な平面図図５と異なる衝突の態様を示す模式的な平面図

符号の説明

３チャック
４ワーク
５刃物台
7(a,b・・・) 工具
８全体画像撮影用のカメラ
９工具撮影用のカメラ
12 刃物台
17 工具

Claims

チャック(3)、ワーク(4)、刃物台(5,12)及び工具(7,17)を撮影する画像取得手段(8,9)を備え、当該画像取得手段が取得した画像から前記チャック、ワーク、刃物台及び工具の形状ないし位置を認識し、その認識結果に基づいて機械稼働部の衝突を予測する、工作機械稼働部の衝突防止方法。
チャック(3)、ワーク(4)及び刃物台(5,12)をＹ軸方向から撮影する全体画像取得手段(8)と、刃物台に装着されたタレット(6)及び工具(7a,7b・・・)をタレット軸方向から撮影する工具画像取得手段(9)とを備え、全体画像取得手段(8)が取得したチャック不装着時の画像と装着時の画像とを対比してチャック形状を認識し、全体画像取得手段(8)が取得したワーク不装着時の画像と装着時の画像とを対比してワーク形状を認識し、全体画像取得手段(8)が取得した刃物台移動前後の画像を対比して刃物台形状を認識し、工具画像取得手段(9)が取得したタレットの割出回転前後の画像を対比して当該タレットに装着された工具(7a,7b・・・)の形状を認識し、上記認識した各機械稼働部の形状に基づいて前記チャック、ワーク、刃物台及び工具の干渉領域を演算する、旋盤における機械稼働部の衝突防止方法。
チャック(3)、ワーク(4)及び刃物台(5,12)をＹ軸方向から撮影する全体画像取得手段(8)と、刃物台に装着されたタレット(6)及び工具(7,17)をタレット軸方向から撮影する工具画像取得手段(9)とを備え、全体画像取得手段(8)が取得したチャック不装着時の画像と現在画像とを対比してチャック・ワーク形状と位置を認識し、全体画像取得手段(8)が取得した刃物台移動前後の画像を対比して刃物台形状と位置を認識し、工具画像取得手段(9)が取得したタレットの割出回転前後の画像を対比して当該タレットに装着された工具(7a,7b・・・)の形状と位置を認識し、認識した各機械稼働部の形状と位置及びＮＣ装置から指令された移動方向に基づいて前記チャック、ワーク、刃物台及び工具の衝突を予測する、旋盤における機械稼働部の衝突防止方法。