JP2021133489A - Machine tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械に関する。 The present invention relates to a machine tool.
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）。 In the above technical field, Patent Document 1 discloses a tank technique in which a detection device 14 such as a camera is attached to a moving means such as a robot to detect a state inside a cover (Patent Document 1).
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。 However, in the above-mentioned conventional technique, the timing of coolant injection and the timing of photographing are not controlled in conjunction with each other, and an image of sufficient quality cannot be obtained.
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。 Therefore, the present invention provides the technique described in the claims.
本発明によれば、十分な品質の画像を取得できる。 According to the present invention, an image of sufficient quality can be obtained.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail exemplarily with reference to the drawings. However, the components described in the following embodiments are merely examples, and the technical scope of the present invention is not limited to them.
［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。
[First Embodiment]
The
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。
According to the
［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。
[Second Embodiment]
Next, the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of a process of stopping the injection of coolant in accordance with the tool replacement timing by ATC (Auto Tool Changer) and taking a picture in accordance with the stop time.
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。
First, in step 301, it is determined whether or not it is time to take a picture for chip detection according to a machining program (G code) or a user operation. For example, this corresponds to a processing break during running (timing to scrape another surface of the work), timing to replace a tool by ATC, and timing instructed by a user. Next, in step S303, the
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。
Next, in step S307, shooting is performed by the
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。
At the same time, in step S311 the captured image is analyzed, and it is determined in step S313 whether or not the image can recognize chips. If the image can recognize chips, the process proceeds to step S315, and the waiting time S until shooting is subtracted by 0.1 seconds. That is, when it is determined by the image processing in the
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。
On the other hand, if the image cannot be chip-recognized, the process proceeds to step S317, and the waiting time S until shooting is added by 0.5 seconds. That is, when it is determined that the influence of the coolant is exerted by the image processing in the
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。 If the chips can be recognized, the process proceeds to step S319, and the coolant injection direction is adjusted toward the chips.
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。
By comprehensively managing the
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。
The timing of the coolant injection restart instruction may be earlier than the shooting instruction. This is because the time lag between the coolant injection instruction timing by the
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。 In step S311, only a part of the captured image may be the target area for image processing. By analyzing the image quality only in the area where chips are likely to fall, it is possible to improve the analysis accuracy and shorten the analysis time. For example, an image obtained by dividing an image of the inside of a machine tool by a mesh includes a tool, a spindle, a pallet, a shooter, and the like, but an area where chips are likely to accumulate is in the vicinity of the pallet on which the work is fixed. On the other hand, chips are unlikely to collect in the vicinity of the shooter that discharges chips to the chip conveyor. Therefore, only a part of the image near the palette may be selected for image processing.
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。 Further, in step S311, for example, any of the following methods (1) to (4) may be used to determine whether or not the image can recognize chips.
（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。 (1) It is known that the cloudiness of the captured image due to the coolant droplets lowers the image frequency (the image becomes blurred with less high frequency). Therefore, the captured image is subjected to FFT (Fast Fourier Transform) to derive the spatial frequency spectrum, and when the ratio of the high frequency component in the entire image is smaller than the threshold value, it can be determined that "white blur" has occurred.
（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。 (2) After removing noise and illuminance spots, the standard deviation σ1 is calculated from the luminance histogram (distribution) of the image. Then, the image after removing noise and illuminance spots is sharpened, the standard deviation σ2 is calculated from the luminance histogram (distribution), and the presence of white blur is determined based on the standard deviations σ1 and σ2. Examples of the sharpening process include filtering processing using first-order differentiation and second-order differentiation, Laplacian filtering processing, and high-frequency emphasis filtering processing using Fourier transform. For example, if σ2 ≦ −aσ1 + b is satisfied, it can be determined that there is no white blur, and if it is not satisfied, it can be determined that there is white blur.
（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。 (3) A person judges a white-blurred image, creates learning teacher data, and performs machine learning.
（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。
(4) The coolant is blown and mist-like, whiteout, image blur, no edges, mosaic is applied, and the amount of information contained in the image is missing. This amount of information may be simply compared with the threshold value to determine whether or not the image can recognize chips.
If imaging and coolant injection are performed in step S301 before the tool is replaced by ATC, steps S303 to S319 may be repeated.
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。 That is, when it is desired to reliably remove the chips, as shown in the sequence diagram of FIG. 4, coolant injection → coolant injection stop → photographing → chip recognition → coolant injection until it is determined that the chips have been removed ( Chip shooting) → Coolant injection stop → Shooting → Chip recognition may be repeated.
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。
As described above, according to the
［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。
[Third Embodiment]
Next, the machine tool according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 7. The machine tool according to the present embodiment is different from the second embodiment in that the exposure or the shutter of the camera is controlled according to the injection of the coolant. Since other configurations and operations are the same as those in the second embodiment, the same configurations and operations are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
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。 FIG. 5 is a diagram for explaining camera control of the machine tool according to the present embodiment. Here, as an example, a camera using a CMOS sensor and a rolling shutter will be described.
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。
The
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。
The range read from the CMOS sensor 500 (so-called ROI) can be changed by setting. That is, the exposure region can be switched by changing the ROI setting of the
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。
As shown in FIG. 6, at the timing when the coolant is injected to the right side (or left side) of the imaging region, only the left half (or right half) is set as the ROI, and only the left half (or right half) of the
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。
Depending on the CMOS sensor used, ROI may be set only in the row direction. In this case, in order to control so that only one of the left and right exposure areas is used, it is necessary to use a CMOS sensor tilted 90 degrees from the normal pixel arrangement as shown in FIG. Therefore, the
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。
Further, the coolant droplets may be avoided by utilizing the exposure time difference for each row of the rolling shutter. As shown in FIG. 7, the clock and / and the coolant injection speed of the CMOS sensor are controlled so that the exposure timings overlap with the movement of the
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。 In this type of camera, the shutter time can be set to be considerably shorter than the frame time, so that the time during which the coolant injection is stopped can be made extremely short (for example, several msec). The controls of FIGS. 6 and 7 may be combined.
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。
In both cases of FIGS. 6 and 7, it is necessary to install the
［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。
[Other Embodiments]
Although the invention of the present application has been described above with reference to the embodiment, the invention of the present application is not limited to the above embodiment. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the structure and details of the present invention within the technical scope of the present invention. Also included in the technical scope of the present invention are systems or devices in any combination of the different features contained in each embodiment.
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。 Further, the present invention may be applied to a system composed of a plurality of devices, or may be applied to a single device. Further, the present invention is also applicable when an information processing program that realizes the functions of the embodiment is supplied to a system or an apparatus and executed by a built-in processor. Therefore, in order to realize the functions of the present invention on a computer, the program installed on the computer, the medium containing the program, the WWW (World Wide Web) server for downloading the program, and the processor for executing the program are also included in the present invention. Included in the technical scope of the invention.
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。 In particular, at least a non-transitory computer readable medium containing a program that causes a computer to execute the processing steps included in the above-described embodiment is included in the technical scope of the present invention.
Claims (4)
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と、
を備えた工作機械。 A coolant injection device for injecting coolant inside the machine tool,
An imaging device for imaging chips inside the machine tool,
Control to control the imaging timing by the imaging device while controlling the coolant injection device so that the coolant injected from the coolant injection device does not interfere with the imaging of the chips in conjunction with the movement of the coolant injection device. Department and
Machine tool equipped with.
前記制御部は、前記特徴量に基づいて決定した時間だけ、前記クーラント噴射を停止させ、再度、前記撮像装置を駆動して撮影を行なう請求項１乃至３のいずれか１項に記載の工作機械。 An image analysis unit for extracting the feature amount of the image taken by the image pickup device is further provided.
The machine tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit stops the coolant injection for a time determined based on the feature amount, and drives the image pickup apparatus again to take a picture. ..
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