JP6486632B2 - 工具の形状取得方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、工具を撮影したカメラの画像から当該工具の形状（寸法を含む）を取得する方法に関するもので、特に工作機械の刃物台に装着された工具の形状を取得する方法に関するものである。

工具マガジンやタレット刃物台に複数の工具を装着してワークの加工を行う工作機械では、工具マガジンやタレット刃物台の工具取付位置に装着された各工具の工具データを予め制御器に登録しておく必要がある。工具にはドリルやフライスなどの回転工具とバイトのような固定の工具とがあり、バイトにも内径用と外径用の区別があるほか、刃先の方向や形状の異なる多種類のものがある。

刃物台に装着したときの工具の刃先の位置と刃物台の基準位置（制御器が制御している位置）との位置関係は、工具毎に異なる。従って、その位置関係（工具オフセット値）を制御器に登録しておかなければワークを所望形状に加工することができない。また、刃物台が移動したときに、これに装着された工具が加工中のワークや機械本体に衝突するのを避けるためにも、刃物台に装着されている工具の形状を制御器に登録しておくことが必要である。

工具の種類と寸法が分かれば代役の工具形状が定まる。換言すれば、工具の形状が分かれば工具の種類の判別と寸法の検出を行うことができる。

工具マガジンやタレットには、加工の準備作業である段取り作業時にオペレータが工具を装着する。オペレータは、工具を装着したとき、その工具装着位置に対応づけて、操作盤から装着した工具の工具データ（工具の種類や寸法など）を制御器に入力していた。しかし、オペレータの手入力による制御器への工具データの登録は、面倒で時間がかかると共に、入力ミスが生じやすいという問題がある。

そこで刃物台に装着された工具をカメラで撮影して、その画像を解析することによって、工具の形状とおおよその寸法を検出して、工具データの一部を自動入力する方法が提案されている。また、工具をタレットに装着するときに用いる工具ホルダにＩＣチップを取り付け、当該ＩＣチップに当該ホルダに装着されている工具の工具データを登録しておき、刃物台に工具を装着したときに、そのＩＣチップの登録データを制御器に読み込むことによって工具データの登録を行う方法が提案されている。

特開２０００−２４８８０号公報

カメラの解像度の向上や画像解析技術の向上によって、カメラで工具を撮影した画像から工具データを取得する方法は、有効な手段となりつつある。この場合、工具マガジンやタレット刃物台のそれぞれの工具取付位置に現に装着されている工具の工具データを制御器に登録するためには、工具を工具マガジンやタレット刃物台に装着した状態で撮影した画像から工具形状を認識するという処理が必要である。

しかし、工具を工作機械に装着した状態で撮影した画像には、背景に工作機械の種々の部材が写り込み、これらの部材が工具と同様な金属光沢を有しているので、その画像から工具の画像を抽出することが極めて困難である。

そこで、この困難を避けるために、カメラで工具を撮影するときに、その背景となる位置に背景を隠す平板を挿入したり、背景として写り込む部材を覆う布を挿入して撮影していた。この方法によれば、工具や刃物台とその背景とのコントラストが大きく相違した画像を得ることができるので、比較的簡単な画像解析で工具の正確な形状を検出することができる。

しかし、この方法の場合は、撮影時に背景となる板や布（背景板や背景布）を装着する手間が必要で、刃物台が配置されているワークの加工領域が隔壁と扉で囲まれている近時の工作機械では、この背景板や背景布の装着が大変に面倒で、刃物台に装着されている工具によって作業者の腕を傷つける危険もある。

一方、工具ホルダのＩＣチップに工具データを登録しておく方法は、ＩＣチップに工具データを登録する際に手入力でデータを登録しなければならないので、その登録の際に工具データを手入力で制御器に登録する場合と同様な問題が生じる。また、ＩＣチップが装着されているのが工具そのものではなく、工具ホルダであるため、ホルダに装着する工具が変更されたときは、工具データを新たに登録し直す必要もある。

この発明は、このような従来技術の問題点を解決して、背景板や背景布を用いることなく、工具マガジンやタレット刃物台、特に背景板や背景布を取り付けることが困難で、工具に近い位置に工具と同様な金属光沢を備えた部材が存在する刃物台に装着された工具を撮影した画像から、簡単な画像解析によって工具形状を検出する手段を提供することを課題としている。

この発明は、工作機械の機内にカメラ２を設置し、刃物台１（１ａ、１ｂ、１ｃ）に工具３（３ａ、３ｂ、３ｃ）を装着した状態で刃物台１をカメラ２の撮影領域の内外に移動することにより、工具３が写っているデジタル画像Ａと写っていないデジタル画像Ｂを撮影し、両デジタル画像の差分をとることにより、背景が除去された刃物台及び工具のみの画像Ｅを作成して、当該画像Ｅの画像解析により、刃物台１に装着された状態で工具３の形状を取得することにより、上記課題を解決したものである。

すなわちこの発明の工具の形状取得方法は、工作機械の加工領域内の所定位置に位置決めした刃物台１に装着された工具３を撮影するカメラ２を設置し、当該刃物台１に工具３を装着し、工具３がカメラ２の撮影領域内となる位置に刃物台１を移動して撮影したデジタル画像Ａと、工具３が当該撮影領域外となる位置に刃物台１を移動して撮影したデジタル画像Ｂとを取得し、両デジタル画像Ａ、Ｂの一方Ａの輝度から他方Ｂの輝度を引いた差分画像Ｃと他方Ｂの輝度から一方Ａの輝度を引いた差分画像Ｄとの両差分画像Ｃ、Ｄを合成して背景が除去された合成画像Ｅを作成し、当該合成画像Ｅから工具３の形状を抽出することで、背景板や背景布を用いることなく、工具形状を明確に認識できる工具の画像を得ることができるようにしたものである。

この発明は、機内で工具３を撮影したデジタル画像Ａに工具３と同様な金属光沢を有する複雑な部材が背景として写り込み、かつ背景板や背景布を挿入するのに手数を要する旋盤の刃物台１に装着した工具３の形状を取得するのに特に有効である。この場合、タレット刃物台１ａ、１ｂの割出軸線ａ、ｂ回りの回転により、工具３ａ、３ｂの正面をカメラ２に向けることができるので、機内におけるカメラ２の設置位置に対する自由度が大きく、また、１台のカメラ２で複数の刃物台１に装着した工具３を撮影することが可能である。

この発明の工具形状取得装置は、刃物台１の移動領域の一部が撮影領域となるように設置されたカメラ２と、刃物台１の移動動作とカメラ２の撮影動作を制御する制御器５とを備え、制御器５は、工具形状取得手段５０を備える。工具形状取得手段５０は、刃物台１をカメラ２の撮影領域内に位置決めしたときと撮影領域外に移動したときのデジタル画像Ａ、Ｂを取得する画像取得手段５２と、デジタル画像Ａ、Ｂの一方Ａから他方Ｂ及び他方Ｂから一方Ａの差分画像Ｃ、Ｄを作成して当該差分画像Ｃ、Ｄを合成した合成画像Ｅを作成する背景除去手段５３と、合成画像Ｅから工具３の画像を抽出する画像解析手段５４とを備えている。

この発明によれば、工作機械の各工具装着位置に装着された工具の形状を自動で取得する際に、工具形状を誤認識する虞がなく、工作機械の機内で工具を撮影するときに背景板や背景布などの背景を除去するための部材を必要とせず、背景板や背景布を取り付ける手間が省け、またＩＣチップへの工具データの入力も必要としないので、作業者の負担が軽減される。

そして、制御器に予め工作機械に使用されることのある工具の形状と工具データとを登録しておくことで、取得した工具形状から工具の種類を自動判別して画像から工具データとして登録する寸法を検出することで、工具データの自動入力が可能になるという効果がある。

旋盤における実施例を示す模式的な装置の側面図 背景除去手順を示す説明図 複合旋盤における実施例を示す模式的な装置の側面図

以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施形態を説明する。図１及び図２は、この発明の第１実施例を示した図で、主軸軸線ｃの上下にタレット刃物台１ａ、１ｂを備えたスラント型の旋盤における実施例を示した図である。タレット刃物台１ａ、１ｂは、主軸軸線ｃと平行な割出軸線ａ、ｂ回りに回動可能で、傾斜したベッド上面Ｓと略平行な図のＸ軸方向及び主軸軸線ｃと平行な図の紙面直角方向（Ｚ軸方向）に移動可能である。タレット刃物台１ａ、１ｂの回転角及び移動位置は、旋盤の制御器５によって正確に制御されている。

カメラ２は、撮影しようとする工具３ａ、３ｂを正面、すなわちワークに対する刃先の進行方向の前方から撮影する位置に配置する。主軸軸線ｃの上下に刃物台１が配置されている旋盤では、カメラ２の方向を変えることによって、上下の刃物台１ａ、１ｂに装着された工具３ａ、３ｂを共に正面から撮影可能な位置にカメラ２を配置することができる。

図示の例では、主軸４が矢印Ｒの方向に回転するとして、下タレット刃物台１ａの工具３ａが主軸軸線ｃを向く位置（ワークを加工する位置）から割出軸線ａ回りに角度θだけ回動したときの工具３ａを正面から撮影する方向（以下、「θ直角方向」と言う。）ｄと、上タレット刃物台１ｂの工具３ｂが主軸軸線ｃを向く位置から割出軸線ｂ回りに角度φだけ回動したときの工具３ｂを正面から撮影する方向（以下「φ直角方向」と言う。）ｅとが交叉する位置に、カメラ２を、主軸軸線ｃと平行な軸線ｆ回りに回動位置決め可能に、装着している。

θ直角方向ｄ及びφ直角方向ｅは、タレット刃物台１ａ、１ｂに装着された全ての工具について同じ方向であり、かつそれぞれの方向におけるカメラ２から工具３ａ、３ｂまでの距離Ｌａ、Ｌｂもそれぞれ一定なので、これらの方向ｄ、ｅ及び距離Ｌａ、Ｌｂを制御器５に登録するか計算させることにより、撮影対象となる工具３ａ、３ｂをカメラの画像の正確な位置に正確なピントで撮影することができる。

なお、工具撮影時の上下の刃物台のＸ軸方向の位置は、刃物台１ａ、１ｂに工具３ａ、３ｂを装着するときの位置であることが望ましいが、刃物台１ａ、１ｂは、Ｘ軸方向の正確な位置に移動できるので、カメラ２の設置位置には、ある程度の自由度がある。従ってカメラ２は、刃物台１ａ、１ｂがＸ軸方向に移動可能であることを考慮して、ワークの搬入搬出の障害になったり、加工中の切削液や切粉の飛散による障害を受けない位置に設置することが可能である。

次に上記の旋盤における下刃物台１ａに装着した工具３ａの形状取得動作を説明する。工具３ａの所定の工具装着位置をオペレータ側に向くようにタレット刃物台１ａを回動して工具３ａを装着した後、制御器５に登録された工具形状取得手段（プログラム）５０を実行する。

工具形状取得手段５０の撮影準備手段５１は、制御器５に登録された下タレット刃物台１ａの工具撮影時の割出角θ、カメラ２から工具３ａまでの距離Ｌａ及びＸ軸方向の位置を参照して、新たに装着された工具が割出し位置θに来るように下タレット刃物台１ａを割り出し、登録されているＸ軸方向の位置に下タレット刃物台１ａを移動して、カメラ２をθ直角方向に向け、カメラ２のピント合わせをする。

次に、工具形状取得手段５０の画像取得手段５２が、工具３ａがカメラ２の撮影領域に入っている状態でのデジタル画像Ａと、刃物台１ａのＺ軸方向の移動によって工具３ａがカメラ２の撮影領域から外れた位置に移動した後の同一箇所のデジタル画像Ｂとを取得する。デジタル画像Ｂには、背景のみが写っている。

工具形状取得手段５０の背景除去手段５３は、この２つのデジタル画像Ａ、Ｂの各画素の輝度について、画像Ａから画像Ｂの輝度を差し引いた差分画像Ｃ（Ｃ＝Ａ−Ｂ）と、画像Ｂから画像Ａの輝度を差し引いた差分画像Ｄ（Ｄ＝Ｂ−Ａ）を作成し、次に両差分画像の輝度の和を輝度とする合成画像Ｅ（Ｅ＝Ｃ＋Ｄ）を作成する。

差分画像の輝度は、マイナスにはならないので、それぞれの差分画像Ｃ、Ｄの画素の輝度がマイナスとなる部分には、輝度０が置かれて黒になる。工具３ａ及び刃物台１ａが写っている部分以外の背景は、デジタル画像Ａ、Ｂにおいて同じ輝度となっているはずであるから、その背景部分が差分画像Ｃ及び差分画像Ｄで共に０となっている。そして、２つの差分画像Ｃ、Ｄを合成することで黒い背景の中に工具３ａと下タレット刃物台１ａが写っている合成画像Ｅが得られる。

刃物台１ａの形状は分かっているので、工具形状取得手段５０の画像解析手段５４は、合成画像Ｅの画像解析により、工具３ａの形状を検出する。なお、上記の説明では特に述べなかったが、これらの画像処理中にスパイクノイズの除去などのノイズ除去を必要に応じて行ってやればよい。

また、照明の具合や刃物台の影や反射によって、画像Ａ、Ｂにおける背景の輝度が異なることがあり得る。この場合は、工具を装着しない状態での刃物台が写っている画像（画像Ａに相当する画像）と写っていない画像（画像Ｂに相当する画像）を予め取得して背景の輝度の差を検出して制御器に登録しておき、差分画像を取得するときに登録された輝度の差で背景の輝度を補正してやれば良い。

以上は下タレット刃物台１ａに装着した工具３ａの形状を取得する手順であるが、上タレット刃物台１ｂに装着した工具３ｂの形状を取得するときは、工具３ｂを上タレット刃物台１ｂに装着した後、上タレット刃物台１ｂをφだけ回動させること、及びカメラ２の光軸をφ直角方向に向けると共に工具までの距離をＬｂに設定する点が異なるのみで、あとは上記と同様な手順によって上タレット刃物台１ｂに装着された工具３ｂの形状を取得する。

図３は、この発明の第２実施例を示した図で、主軸軸線ｃの上下に回転工具軸を備えた複合刃物台１ｃとタレット刃物台１ａとを配置したスラント型の複合旋盤にこの発明を実施した例を示した図である。この種の複合旋盤の複合刃物台１ｃは、Ｚ軸及びＸ軸と直交するＹ軸方向にも移動可能で、かつ当該Ｙ軸回りに旋回可能である。また、複合刃物台１ｃに装着する多数の工具を収容した工具マガジンと、工具マガジンと複合刃物台１ｃとの間で工具交換を行う自動工具交換装置（いずれも図には示していない。）が設けられている。

第２実施例におけるカメラ２の装着位置は、タレット刃物台１ａの工具３ａを撮影するθ直角方向と、上刃物台１ｃの工具３ｃを撮影するＹ軸方向とが交叉する位置である。カメラ２は、主軸軸線ｃと平行な軸線ｆ回りにθ直角方向とＹ軸方向に回動位置決め可能に装着される。

下刃物台に装着された工具３ａの形状取得手順は、第１実施例と同じであるので説明を省略し、工具マガジンに装着した工具の形状取得手順を以下に説明する。

オペレータは、工具マガジンに必要な工具を順次装着して、工具形状取得手段５０を実行する。工具形状取得手段の撮影準備手段５１は、形状を取得する工具が装着された工具装着位置をオペレータに入力させ、その工具装着位置を工具交換位置に移動して工具交換装置で複合刃物台１ｃに装着した後、複合刃物台１ｃのＸ及びＺ軸方向の移動により、複合刃物台１ｃをカメラ２の撮影領域に移動し、カメラ２をＹ軸方向に向けると共に、登録されたカメラ２から工具３ｃまでの距離Ｌｃを参照して、カメラ２のピント合わせをする。

以下、画像取得手段５２、背景除去手段５３及び画像解析手段５４により、第１実施例の下タレット刃物台の工具形状を取得するときと同じ手順で工具形状を取得し、当該形状又は当該形状から演算により求めた工具データを、工具交換位置に移動した工具装着位置に装着した工具の形状とする。

以上のようにして取得した工具形状と、予め制御器に登録した工具種類別の形状データとを制御器に登録した工具判別手段で対比することにより、工具の種類を判別し、当該種類の工具について登録された刃先の方向や形状を参照して、画像から仮の工具オフセット値の計測を行うことができる。仮の工具オフセット値は、ツールセッタ（工作機械内に設置された工具の刃先を検出する装置）で工具の刃先を検出するときの刃物台の移動先を自動設定するのに用いることができる。また、高解像度のカメラを用いることで、画像上で計測した工具寸法から取得した工具オフセット値をそのまま工具オフセット値として、ワークの加工を行うことも可能になる。

１（１ａ、１ｂ、１ｃ） 刃物台
２ カメラ
３（３ａ、３ｂ、３ｃ） 工具
５ 制御器
５０ 工具形状取得手段
５２ 画像取得手段
５３ 背景除去手段
５４ 画像解析手段
Ａ デジタル画像
Ｂ デジタル画像
Ｃ 差分画像
Ｄ 差分画像
Ｅ 合成画像
ａ、ｂ 割出軸線

Claims (4)

1. 工作機械の加工領域内の所定位置に移動した刃物台に装着された工具を撮影するカメラを設置し、当該刃物台に工具を装着し、装着した工具が前記カメラの撮影領域に入る位置に刃物台を移動して撮影したデジタル画像と、当該工具が当該撮影領域外となる位置に刃物台を移動して撮影したデジタル画像とを取得し、両デジタル画像の一方の輝度から他方の輝度を引いた差分画像と他方の輝度から一方の輝度を引いた差分画像との両差分画像を合成して背景を除去し、当該合成画像から前記工具の形状を抽出する、工具の形状取得方法。
2. 前記工具をタレット刃物台に装着し、当該タレット刃物台の割出軸線回りの回転により当該工具の正面を前記カメラに向けた後、前記両デジタル画像を取得する、請求項１記載の工具の形状取得方法。
3. 主軸軸線の上下に刃物台を備えた旋盤において、前記カメラを主軸軸線と平行な軸線回りの少なくとも２方向に回動位置決め可能に設置し、当該カメラの前記回動位置決めにより、前記カメラで上下の刃物台に装着した工具のデジタル画像を取得する、請求項２記載の工具の形状取得方法。
4. 刃物台の移動領域の一部が撮影領域となるように設置されたカメラと、刃物台の移動動作とカメラの撮影動作を制御する制御器とを備え、
   前記制御器は、刃物台を前記カメラの撮影領域内に位置決めしたときと撮影領域外に移動したときのデジタル画像を取得する画像取得手段と、当該画像取得手段が取得したデジタル画像の一方の輝度から他方の輝度を引いた差分画像と他方の輝度から一方の輝度を引いた差分画像とを合成した合成画像を作成する背景除去手段と、当該合成画像から工具の画像を抽出する画像解析手段とを含む工具形状取得手段を備えている、工作機械の工具形状取得装置。

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