JP5328025B2 - エッジ検出装置及びこれを用いた工作機械、エッジ検出方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、これらは段付きやテーパなどを有した形状があり、特に凹部では、シルエットとして測定ができなかったため、特許文献1に開示されたような発明では、このような工具のエッジの検出ができなかった。
本請求項に係る発明では、透過型エッジ検出装置のように投影光学系の投影方向と同一な方向から照明光を照射するのではなく、透過型エッジ検出装置と異なり、照明光の光軸を投影方向とは一定角度の偏角θ(°)の分だけ傾けて照明するため、エッジ検出の対象物へ照射した照明光の反射光を投影することができる。
本請求項に係る発明では、特に、投影光学系の光軸側の方向から照明光を照射することで、比較的エッジのみを認識しやすくすることができる。
本請求項に係る発明では、エッジ検出の対象物が平面的で、表面が鏡面に近い場合、この面を投影光学系の光軸に直交するように載置すれば、投影光学系の光線の進行方向とは180°逆の方向から照明光を照射することで、ワーク全体から反射して来た平行光が遮光されるため画像は低輝度となり、エッジを認識しやすくなる。
請求項7に係る発明では、請求項1〜6のいずれか1項に記載のエッジ検出装置において、前記光源モジュールを、複数配置したことを要旨とする。
請求項8に係る発明では、請求項7に記載のエッジ検出装置において、前記複数の光源モジュールのうち、照明光の光路を投影光学系の光軸に対して対称に配置可能に構成された光源モジュールを有することを要旨とする。
請求項9に係る発明では、請求項1〜8のいずれか1項に記載のエッジ検出装置において、前記光源モジュールは、レーザ光源を備えたことを要旨とする。
請求項10に係る発明では、請求項1〜8のいずれか1項に記載のエッジ検出装置において、前記光源モジュールは、LEDを備えたことを要旨とする。
請求項11に係る発明では、請求項1〜8のいずれか1項に記載のエッジ検出装置において、前記光源モジュールは、白色の光源を備えたことを要旨とする。
請求項12に係る発明では、請求項1〜11のいずれか1項に記載のエッジ検出装置において、前記エッジ検出の対象物を、前記投影光学系の光軸と平行な方向に変位させるワーク変位機構を備えたことを要旨とする。
請求項15に係る発明では、請求項1〜13のいずれか1項に記載のエッジ検出装置において、表示装置をさらに備え、前記コンピュータにより検出されたエッジを該表示装置に座標で表示することを要旨とする。
請求項16に係る工作機械では、請求項14に記載のエッジ検出装置が工作機械に搭載されるとともに、入力された対象物の設計データに基づき、前記表示装置には、前記エッジ画像と重畳して該設計データに基づいた設計画像が表示されることを要旨とする。
請求項17に係る工作機械では、請求項16に記載のエッジ検出装置がNC制御可能な工作機械に搭載されるとともに、前記コンピュータは、当該工作機械の加工対象である工作物を前記対象物として前記撮像素子から入力された信号に基づき対象物のエッジをエッジデータとして検出するとともに、入力された対象物の設計データに基づき、前記エッジデータと前記設計データとの差分を演算し、この差分をフィードバックすることで工作機械をNC制御により自動制御して対象物を加工することを要旨とする。
請求項18に係る発明では、請求項17に記載の工作機械において、前記エッジ検出装置は、光学収差測定装置を備えるとともに、該光学収差測定装置により測定した光学収差を予め前記コンピュータに入力し、少なくとも前記エッジデータ及び前記設計データのいずれかを前記光学収差に基づいて補正することを要旨とする。
請求項19に係る発明では、請求項16乃至請求項18のいずれか1項に記載の工作機械において、前記工作機械は、成形研削盤であることを要旨とする。
請求項20に係るエッジ検出方法では、エッジ検出の対象物を一方の焦点位置に配置可能に設けられた対物レンズと、該対物レンズと共焦点を有するように当該対物レンズに対して前記対象物と反対側に配置された投影レンズと、前記共焦点に配置され、入射光のうちの前記共焦点を通過する光を遮光するアンチピンホールフィルタとを備えた投影光学系を有するレンズ鏡筒と、前記対物レンズの光軸を前記対象物を越えて延長した仮想線において、当該仮想線を基準に当該対象物を中心に一定の偏角θ(°)を有する方向から、平行光を当該対象物に対して発するように配設された光源モジュールと、該レンズ鏡筒により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子と、該撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータとを用い、前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた前記対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、前記コンピュータは、前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、2本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分をエッジと判定するエッジ判定の手順を実行することを要旨とする。
本請求項に係る発明では、請求項1と同様の効果がある。
本請求項に係る発明では、請求項2と同様の効果がある。
以下、本発明を具体化した成形研削盤の一実施例を図1〜図9を用いて説明する。図1には本発明の一実施例であるエッジ検出装置5の主要部を、図2には図1に示したエッジ検出装置を搭載した成形研削盤36を、図3にはエッジ検出の原理を説明するためのエッジ検出ユニット9の光学系の模式図を示す。
また、光源モジュール11、検出モジュール14(図1)は、パソコン20にデータ送受信可能に接続されている(図4参照)。また、ワーク支持装置2、および砥石支持装置(不図示)は、NC制御装置8を介してパソコン20に接続されている。そしてパソコン20は、検出モジュール14からの画像信号を受信する。また、パソコン20は、NC制御装置8を介して、ワーク支持装置2および砥石支持装置、スピンドル18からのフィードバック信号を受信するとともに、これらに制御信号を送信して研削加工を制御する。
また、調光されたレーザ光線はコリメータレンズ22により光軸と平行な平行光に変換される。この照明光31は、コヒーレントな状態が維持されている。したがって、光源モジュール11からは、均質でコヒーレントな平行光が照明光31として照射される。
このため、この底面17aに照射されたすべての照明光31の光軸16bは、入射した光路をそのまま180°方向を転換する。つまり、そのまま平行光として投影光学系の光軸16aに平行に投影光学系の方向に進む。本実施形態では、この投影光学系の光軸16aに平行な方向で対物レンズに入射する光線を平行反射光30という。
一方、底面17aのエッジ17bでは、底面17aと同様に仕様が鏡面仕上げであっても、通常は、加工時のバリやダレ、稜線の欠け、乱れ、その他種々の理由から、底面17aよりも、ミクロ的に見るとその表面の形状が粗い。そのため、エッジ17bでは、設計上の法線に基づいた反射光(ここでは「正反射光」という。)の方向とは異なる乱反射による「散乱光」が生じる。この散乱光は、画面上ではエッジ17b近傍に光の「滲み」を生じさせる。本実施形態では、この投影光学系の光軸16aに平行でない方向で対物レンズに入射する光線を傾斜反射光29という。なお、この散乱光は、底面17aではほとんど生じない。
なお、側面17d、大きな面積の方の底面のエッジ17c(図1)は照明光31が反射することはあっても、その反射光は投影光学系に入射しない。
(レンズ鏡筒) レンズ鏡筒13には、ワーク17側から順に、対物レンズ23、アンチピンホールフィルタ25、投影レンズ24がそれぞれ同一の光軸16aに沿って配置される。本実施形態の例では、対物レンズ23は、例えば直径D=50mm、焦点距離f=300mmの平行光を収束させるレンズで、ワーク17側に前側焦点27´を形成するとともに、検出モジュール14側に、後側焦点28を形成する。
(検出モジュール) 検出モジュール14は、撮像素子26として、マトリクス状にCCDをアレー配置したCCDカメラである。ここで受信した光は電気信号に変換され、パソコン20で例えばドットマトリクスのデータとなり画像処理される。
底面17aのエッジ17bで反射された光線の残る一部は傾斜反射光と29となる。その他の部分に進んだ照明光31は、反射しても投影光学系に入射することはない。
すなわち、撮像素子26に入射する光線は、傾斜反射光29のみとなる。
さらに、画像処理においても、データの認識が容易となる。
(成形研削盤の詳細) 次に、このようなエッジ検出装置5を用いた工作機械である成形研削盤36について説明する。
パソコン20は、エッジ判定プログラムによりエッジ判定手段として、画像処理により信号強度を判定し、帯状の2本の高輝度の部分に挟まれた低輝度の部分をエッジと判定する(S5)。具体的には、たとえば、高輝度のドットを選択し、ノイズ処理をした後、連続した帯状の領域を抽出する。さらに、この帯状の部分から低輝度の連続した部分を抽出する。複数抽出された場合は、例えば、最も長く連続するもの、帯状の高輝度部分の中央部に存在するもの、或いは低輝度部分の幅の最も大きなものなどの条件で1本のラインに絞り込む。さらに、予め設計データに基づき、設計上のエッジの位置近傍のデータのみアンド条件で取捨して判断することで誤認識を抑制してもよい。また、データの欠けを予測して補充することも好ましい。
(1)本発明の実施形態のエッジ検出装置5によれば、シルエットを得られない形状のエッジも検出することができる。なお、エッジに限らず、浅いディンプルやトレンチ等は、散乱光に加え、回折光も発生するので、検出することができる。
(2)また、本実施形態のエッジ検出方法によれば、正確なエッジ画像を得ることができる。特に、エッジ部分の輝線の中央に暗線が示されるため、「暗−明−暗−明−暗」のパターンで、エッジ17bの正確な位置を、暗線で目視或いは数値により正確に把握できる。また、たとえエッジの状態で暗線が明確に現れない場合でも、底面17aが低輝度で表示されるため、少なくとも「暗−明−暗」のパターンで、輝線で目視でもエッジ17bを確認でき、また、数値的にエッジ17b捉える場合でも、従来のように閾値によりエッジ17bの位置が変動することがない。
(3)また、非接触でエッジ画像をえられるため、加工途中のワーク17などの輪郭形状も正確かつリアルタイムに得られる。
(4)エッジ画像は、撮像され、これをパソコン20で画像処理することで数値的に測定することができる。
(5)エッジ画像を縮小して同一の撮像素子で捉えているため、エッジ検出の対象物であるワーク全体の画像を得ることができ、ワークの幅などを実測することができる。なお、エッジの画像を光学的に拡大すれば、エッジの検出がより正確にできる。
(6)光源モジュール11からの照明光31の光軸16bを、θ=180となるように配設したため、ワーク17に対して、投影方向と反対方向から照明光31を照射できるので、全体に均一に照明光を照射できる。また、単一の光源モジュール11で投影されるワーク17全体が照射できるので構成が簡易となる。
(7)また、ワーク17の底面17aに対して垂直に照明光を照射することで、ワークと光学系との位置調整が容易になる。
(8)ビームスプリッタ34により照明光を導入しているので、光源モジュール11自体を移動しなくても、ビームスプリッタ34の調整で照明光31の光路(光軸16b)を調整できる。
(9)光源モジュール11は、光量調整手段を備えるため、エッジ近傍の信号強度が、帯状の2本の高輝度の部分に挟まれた低輝度の部分となるように適度な光量に調整することができる。また、光量調整手段は、NDフィルタ19であるため無段階に調整できる。
(10)光源モジュール11の光源としてレーザ発振器21を備え、He−Neレーザを用いているため十分な光量を得られ、コヒーレントな光源とすることで、偏光などのコントロールを容易にしている。
(11)撮像素子26は、高密度にマトリクス状にCCDを配置したCCDカメラであるため、低ノイズ・高感度でリアルタイムに数値化して画像処理することができる。
(12)アンチピンホールフィルタ25は、光軸方向に調整可能に配置されるため、鮮明なエッジ画像を得ることができる。
(13)検出されたエッジ画像を表示装置20fで確認できるだけでなく、同一の座標系とされたCADによる設計図面に重ねてモニターすることができるため、より直感的に把握でき、マニュアルの操作においても操作が容易になる。
(14)エッジ画像を表示するだけでなく、その形状を座標値で表示することにより、より形状を正確に確認できる。
(15)ワーク17の形状が数値的に把握されるため、この数値に基づきNC自動制御により正確かつ容易に加工することができる。特に、CADにより設計した設計データを、そのままパソコン20に入力し、これに基づきNC制御装置8と連動させてエッジ検出装置によりワーク17の形状をフィードバックしつつ自動制御することで、完全自動化された製造をすることができる。
(16)さらに、予めエッジ検出装置固有の収差を測定し、CADデータ若しくはエッジ画像について補正するため、エッジ検出装置固有の収差を考慮することなく、測定した形状と設計された形状とを比較しながら対象物の加工をすることができる。また、補正された形状を表示装置20fに表示することもできる。
図10に示す、本発明の第2の実施形態のエッジ検出装置では、照明光学系である光源モジュール11からの照明光31の照射方向が異なる点で第1の実施形態と異なる。
(光源モジュール) ここでも同様に、対物レンズ23の光軸16aをワーク17を越えて延長した直線を、仮想線16cとする。また、ワーク17に入射する照明光31の光軸を光軸16bとする。このとき、この仮想線16cを基準として、照明光31の光軸16bが、対物レンズ23の前側焦点27´を中心に偏角θ=135°となるように光源モジュールが配設されている。
また、この正反射光を生じる位置17eは、投影光学系から見てエッジ17b部分の底面17a側の端17fではなく、ここから離れたエッジ17b中央寄りにくる。そして、この位置17eで反射された正反射光は、平行反射光30となり、アンチピンホールフィルタ25により遮光される。このため、アンチピンホールフィルタ25により遮光されて形成される低輝度の暗線が、エッジ17b部分に形成される高輝度の輝線の中央よりに見える。
(17)光源モジュール11からの照明光31が、底面17aの法線に対して45°傾けてあるので、底面17aに照射した照明光31は、投影光学系に入射せず、エッジ17b部分の反射光のみが投影光学系に入射し、エッジ17bが検出されるため、アンチピンホールフィルタ25に拠らずとも、より確実に底面17aからの反射光をキャンセルできる。
(18)底面17aの周囲のエッジ17bの平行反射光30による暗線が、底面17aの端ではなく、底面17aの端から離れた位置に来るので、エッジ17bからの傾斜反射光29により形成される輝線の中に平行反射光30による暗線が形成され、「暗−明−暗−明−暗」のパターンができやすく、画像上でエッジを認識しやすくなる。また、数値による画像処理上も処理が容易になる。
(19)ワーク17に入射する照明光31を光軸16aに沿って導入するための、ビームスプリッタ34が不要になるため、構成が簡易にできる。
(20)また、ビームスプリッタによる光量の減少がないため、同一出力の光源であれば画像を明るくでき、同じ画像の明るさであれば光源の出力を小さくできる。
図12に示す、本発明の第3の実施形態のエッジ検出装置では、照明光学系である光源モジュール11からの照明光31の照射方向が第2の実施形態と共通し、この光源モジュール11が複数備えられる点で異なる。
図12に示すように、本実施形態の光源モジュールは、第2の実施形態と同様の構成の光源モジュール11aと、この光源モジュール11aと光軸16aについて対称な位置に配設された光源モジュール11bを備える。
(21)光源モジュール11a、11bを、光軸16aについて対象に一対設けたため、ワーク17の反対方向のエッジ17bについて、ワーク17を回転させることなく、適切にエッジ17bを検出することができる。
(22)対向するエッジ17bを同一のCCDカメラで同時に測定することで、エッジ17bの幅の絶対値を正確に測定することができる。
○ 第1の実施形態では、偏角θをθ=180、第2・3実施形態では、θ=135°としたが、偏角θは、ワーク17のエッジ17bが照明光を反射可能であれば、偏角θ(°)は、0<θ≦180の間で適宜選択可能である。
○ また、偏角θ(°)が変更可能なように、光源モジュール11を位置及び照射角度を変位可能にする光路変更手段を設けることも好ましい。
○ また、複数の光源モジュール11a、11b、11c…を予め異なる角度に設定し、切り替えて使用する構成も好ましい。
○ 本発明のこのエッジ検出装置により検出するのに適したワークとしては、スローアウェイチップに限らない。たとえば、平面部や筒状の曲面部が多く、その面の周縁にエッジが形成されたものが適している。したがって、ドリル、ミル、フライス、バイトなど刃先を備えた各種工具のほか、各種治具、正確なエッジ寸法が求められるゲージ、スケールなどに、好適に適用できる。
Claims (21)
- エッジ検出の対象物を一方の焦点位置に配置可能に設けられた対物レンズと、該対物レンズと共焦点を有するように当該対物レンズに対して前記対象物と反対側に配置された投影レンズと、前記共焦点に配置され、入射光のうちの前記共焦点を通過する光を遮光するアンチピンホールフィルタとを備えた投影光学系を有するレンズ鏡筒と、
前記対物レンズの光軸を前記対象物を越えて延長した仮想線において、当該仮想線を基準に当該対象物を中心に一定の偏角θ(°)を有する方向から、平行光を当該対象物に対して発するように配設された光源モジュールと、
該レンズ鏡筒により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子と、
該撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータとを備え、
前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた前記対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、
前記コンピュータは、前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、2本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分をエッジとして判定するエッジ判定の手順を実行することを特徴とするエッジ検出装置。 - エッジ検出の対象物を一方の焦点位置に配置可能に設けられた対物レンズと、該対物レンズと共焦点を有するように当該対物レンズに対して前記対象物と反対側に配置された投影レンズと、前記共焦点に配置され、入射光のうちの前記共焦点を通過する光を遮光するアンチピンホールフィルタとを備えた投影光学系を有するレンズ鏡筒と、
前記対物レンズの光軸を前記対象物を越えて延長した仮想線において、当該仮想線を基準に当該対象物を中心に前記エッジ検出をする前記対象物の測定点の法線と、前記投影光学系の光軸との間の角度をα(°)とするとき、
θ=180−2α(0≦α<90)とする偏角θ(°)を有する方向から、平行光を当該対象物に対して発するように配設された光源モジュールと、
該レンズ鏡筒により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子と、
該撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータとを備え、
前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた前記対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、
前記コンピュータは、前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、エッジを判定するエッジ判定の手順を実行する
ことを特徴とするエッジ検出装置。 - 前記偏角θ(°)は、90≦θ≦180であることを特徴とする請求項1又は2に記載のエッジ検出装置。
- 前記光源モジュールが配置される前記偏角θ(°)は、θ=180であることを特徴とする請求項1又は2に記載のエッジ検出装置。
- 前記光源モジュールは、光源とは別にその照明光の光路を反射し若しくは屈折させる光路変更手段を備えたこと
を特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。 - 前記偏角θ(°)がθ=180であり、前記光路変更手段として前記対象物と前記対物レンズとの間に配置されたビームスプリッタにより前記光源モジュールからの平行光が導入されることを特徴とする請求項5に記載のエッジ検出装置。
- 前記光源モジュールを、複数配置したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 前記複数の光源モジュールのうち、照明光の光路を投影光学系の光軸に対して対称に配置可能に構成された光源モジュールを有することを特徴とする請求項7に記載のエッジ検出装置。
- 前記光源モジュールは、レーザ光源を備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 前記光源モジュールは、LEDを備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 前記光源モジュールは、白色の光源を備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 前記エッジ検出の対象物を、前記投影光学系の光軸と平行な方向に変位させるワーク変位機構を備えたことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 前記エッジ検出の対象物を、前記投影光学系の光軸を中心に回転させるワーク回転機構を備えたことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 表示装置をさらに備え、前記コンピュータは、前記撮像素子から入力された信号に基づき対象物のエッジをエッジデータとして検出するとともに、当該エッジデータに基づきエッジ画像を該表示装置に表示することを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 表示装置をさらに備え、前記コンピュータにより検出されたエッジを該表示装置に座標で表示することを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のエッジ検出装置。
- 請求項14に記載のエッジ検出装置が工作機械に搭載されるとともに、
入力された対象物の設計データに基づき、前記表示装置には、前記エッジ画像と重畳して該設計データに基づいた設計画像が表示されることを特徴とする工作機械。 - 請求項16に記載のエッジ検出装置がNC制御可能な工作機械に搭載されるとともに、前記コンピュータは、当該工作機械の加工対象である工作物を前記対象物として前記撮像素子から入力された信号に基づき対象物のエッジをエッジデータとして検出するとともに、入力された対象物の設計データに基づき、前記エッジデータと前記設計データとの差分を演算し、この差分をフィードバックすることで工作機械をNC制御により自動制御して対象物を加工することを特徴とする工作機械。
- 前記エッジ検出装置は、光学収差測定装置を備えるとともに、該光学収差測定装置により測定した光学収差を予め前記コンピュータに入力し、少なくとも前記エッジデータ及び前記設計データのいずれかを前記光学収差に基づいて補正することを特徴とする請求項17に記載の工作機械。
- 前記工作機械は、成形研削盤であることを特徴とする請求項16乃至請求項18のいずれか1項に記載の工作機械。
- エッジ検出の対象物を一方の焦点位置に配置可能に設けられた対物レンズと、
該対物レンズと共焦点を有するように当該対物レンズに対して前記対象物と反対側に配置された投影レンズと、
前記共焦点に配置され、入射光のうちの前記共焦点を通過する光を遮光するアンチピンホールフィルタと
を備えた投影光学系を有するレンズ鏡筒と、
前記対物レンズの光軸を前記対象物を越えて延長した仮想線において、当該仮想線を基準に当該対象物を中心に一定の偏角θを有する方向から、平行光を当該対象物に対して発するように配設された光源モジュールと、
該レンズ鏡筒により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子と、
該撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータとを用い、
前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた前記対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、
前記コンピュータは、前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、2本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分をエッジと判定するエッジ判定の手順を実行することを特徴とするエッジ検出方法。 - エッジ検出の対象物を一方の焦点位置に配置可能に設けられた対物レンズと、
該対物レンズと共焦点を有するように当該対物レンズに対して前記対象物と反対側に配置された投影レンズと、
前記共焦点に配置され、入射光のうちの前記共焦点を通過する光を遮光するアンチピンホールフィルタと
を備えた投影光学系を有するレンズ鏡筒と、
前記対物レンズの光軸を前記対象物を越えて延長した仮想線において、当該仮想線を基準に当該対象物を中心に前記エッジ検出をする前記対象物の測定点の法線と、前記投影光学系の光軸との間の角度をα(°)とするとき、
θ=180−2α(0≦α<90)とする偏角θを有する方向から、平行光を当該対象物に対して発するように配設された光源モジュールと、
該レンズ鏡筒により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子と、
該撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータとを用い、
前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた前記対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、
前記コンピュータは、前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、エッジを判定するエッジ判定の手順を実行することを特徴とするエッジ検出方法。
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