JP6774587B1 - 工作機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】ワークの加工によってできた切屑を、クーラントを噴射することによって効果的に工作機械の内部から排除することを課題とする。【解決手段】切屑を効果的に工作機械から排除するために設けられたクーラント噴射部を備えた工作機械である。この工作機械は、機内上部に設けられたレールと、レールに沿って移動しつつ、クーラントを噴射するクーラント噴射部と、クーラント噴射部をレールに沿って移動させる駆動部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】 図1

Description

本発明は、工作機械に関する。
上記技術分野において、特許文献1には、ノズルを揺動させて利用してクーラントを吐出させ広範囲の切粉を洗浄する機内洗浄装置が開示されている。
特開平10-180585号公報
しかしながら、上記文献に記載の技術では、切屑を移動させ、切屑を効率的に排除することができなかった。
本発明は、特許請求の範囲に記載した工作機械等を提供するものである。
本発明によれば、切屑を効果的に移動させることができる。
第1実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。 第1実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。 第1実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。 第1実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。 第1実施形態に係る工作機械の概略構成を示す図である。 第1実施形態に係る切屑検出部の構成を示すブロック図である。 第1実施形態に係る切屑検出部の学習処理を説明する図である。
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。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態としての工作機械100について、図1〜図3を用いて説明する。図1に示すように、工作機械100は、レール101と、クーラント噴射部102と、駆動部103とを備える。工作機械100は、金属、木材、石材、樹脂等のワーク130に対して、工具主軸および工具を用いて、切削や研削等の加工を行うための機械である。クーラント噴射部102は、工具およびワーク130を冷却するためにクーラントを工具やワークに向けて噴射するだけでなく、切屑110の効果的に移動させるためにクーラント111を噴射可能である。工作機械100は、また、工具主軸141とホルダ142と工具143とを備えている。
レール101は、工作機械100の機内上部に設けられている。レール101は、機内の長手方向に延設されていることが好ましい。クーラント噴射部102を、工作機械100内で広範囲に移動させるためである。図1では、Z軸方向と長手方向とが同じ方向になっている例を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。クーラント噴射部102は、レール101に沿って長手方向に移動しつつ、同方向にクーラントを噴射する。駆動部103は、クーラント噴射部102をレール101に沿って図中左右いずれかに移動させる。なお、本実施形態ではレールを長手方向に設けているが、この形態に限定されるものではなく、X方向、Y方向、Z方向など、工作機械の加工室の形状に応じて所定方向に設けることができる。また、X方向とZ方向など複数の方向に複数のレールを設置してもよい。
レール101は、例えば、リニアガイドスライドレールであり、ボールねじを含み、ボールねじの回転によってクーラント噴射部102が取り付けられたステージが移動する構成であればよい。クーラント噴射部102は、例えば、レール101のステージに固定され、ボールねじの回転に従って、レール101に沿って移動する。クーラント噴射部102は、X方向に首振り動作することができるクーラントノズルを備えていてもよい。駆動部103は、例えば、レール101に設けられたボールねじを回転させるステッピングモータである。
また、工作機械100は、カメラ104と、切屑検出部105と、制御部106とクーラントポンプ107とをさらに備えている。
カメラ104は、工作機械100内部を撮像することにより機内画像を取得する撮像部である。カメラ104は、機内の天井付近に固定されたカメラでもよいが、自動工具交換装置(Automatic Tool Changer:ATC)により工具同様に主軸に着脱可能なATCカメラでもよい。
切屑検出部105は、カメラ104によって撮像された機内画像を解析して、工作機械100の内部に存在する切屑110を検出する。具体的には、機内画像を小領域に分割(メッシュ化)し、部分領域ごとに、切屑110の有無を判定する。切屑検出部105は、切屑110の有無以外に、切屑の量、切屑の形状、切屑の種類またはこれらの組み合わせ等のように、切屑に関する様々な情報を検出してもよい。例えば、切屑の洗浄のし易さを示す「クラス」を判定してもよい。
切屑検出部105は、カメラ104によって撮像された映像を用いて、工作機械100の内部の清掃対象物としての切屑110の大きさや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104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。切屑検出部105は、撮影画像の特徴量を抽出する。切屑検出部105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。切屑検出部105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。
制御部106は、クーラントポンプ107を制御しつつ、クーラントポンプ107の動きに連動して、カメラ104の撮影を制御する。制御部106は、クーラントポンプ107を制御してクーラント111の噴射を停止させた後、カメラ104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ポンプ107を制御する。
また、制御部104は、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。
制御部103は、カメラ104の撮影画像を解析した結果に基づいて、クーラント噴射部102を制御し、効果的かつ効率的に、切屑にクーラントを噴射する。
制御部104は、例えば、自動工具交換装置(Automatic Tool Changer:ATC)による工具の取替タイミングに合わせて、クーラントポンプ107をオフにしてクーラント111の噴射を停止させ、その停止時間に合わせて切屑の撮影を行う。
制御部104は、切屑検出部105で切屑を検出すると、クーラントポンプ107をオンにして、検出した切屑の位置に応じて、駆動部103を制御して、クーラント噴射部102をレール101に沿って移動させる。
制御部106は、切屑検出部105で切屑の動きを検出した場合に、切屑の動きと同じ方向にクーラント噴射部102が移動するように駆動部103を制御する。また、制御部106は、切屑検出部105で切屑の動きを検出した場合に、切屑の動きと同じ速度で前記クーラント噴射部102が移動するように駆動部103を制御する。さらに、制御部106は、切屑検出部105で検出した切屑のうち、ターゲットとなる注目切屑とクーラント噴射部102との距離が一定となるように、駆動部103を制御する。
図1→図2→図3のように、切屑との距離を保ちながらクーラントを噴射するため、切屑110をシュータ120に向けて、ホウキで掃き出すように、クーラント噴射部102を移動させることができる。
図2,図3の説明では、Z軸方向に切屑を移動させる説明をしたが、図4,図5では、レール101からX軸方向にずれた位置にある切屑の移動のさせ方の説明を行う。
図4、5は、工作機械100内部をY軸に沿って上方から見た場合の概略図である。工作機械100は、例えば横形マシニングセンタであり、工具143が工具主軸141に取り付けられている。ワーク130は、パレットの上に固定されている。工具主軸141のX軸方向の可動範囲の中央にレール101が設けられている。レール101には、クーラント噴射部102が取り付けられ、クーラント噴射部102は、レール101に沿ってZ軸方向に移動可能になっている。クーラント噴射部102は、X軸(横方向)やY軸(縦方向)へクーラントを噴射できるように可動なノズル121を有している。ノズル121は、ノズル固定部122に対し、噴射方向を可変な状態で固定されている。図4は、クーラント噴射部102がZ軸方向に移動しながらクーラント111を噴射し、クーラント111が切屑を移動させていることを示している。
また、図5に示すように、レール101からX軸方向に大きくずれた位置に切屑110が残っている場合、クーラント噴射部102のノズルの向きを変えて、工作機械の側壁501にクーラント111が当たるように噴射させる。噴射されたクーラント111は、工作機械の側壁501にあたり、Y軸上を工作機械100の設置面側に流れる。工作機械の側壁501を流れ落ちたクーラント111は、加工室底部の斜面を、切屑110を移動させながら流れる。切屑110を移動させながら流れたクーラントは、チップコンベアに切屑を排出する排出口502に流れ込む。加工室の底部は、工作機械の短手方向(X軸方向)において、斜面503、504になっている場合が多く、工作機械の側面カバーを利用して切屑を移動させる構成でもよい。
本実施形態によれば、クーラント噴射の力とレール101を移動しているクーラント噴射部102の運動量を加算して切屑を除去する力が増強される。つまり、ポンプ圧を低く設定してコストを削減できる。切屑との距離を一定にすることで、押し流す力を保持できる。切屑を水流で吹き飛ばすのではなく、押し流すという新しい除去方法が実現できる。単一方向に履き流すため、様々な方向に飛散することを防止できる。
図6は、切屑検出部105の内部構成を説明するためのブロック図である。切屑検出部105は、演算処理部601とストレージ602とタッチパネル603とを備える。
演算処理部601は、各種の演算処理を実行し、各種の機能を実現する。
ストレージ602は、各種のデータを記憶するとともに、演算処理部601が演算処理を行う際のワーキングエリアとして機能する。具体的に、ストレージ602は、切屑検出プログラム621と、判定用パラメータ623と、判定結果624と、洗浄条件625と、洗浄回数626と機内画像627とを記憶する。ここでは切屑検出部105の内部にストレージ602を設けているが、ストレージは外部サーバに用意され、ネットワークを介して切屑検出部105に各種データが提供されてもよい。
タッチパネル603は、ユーザからの指示入力を受け付ける入力機能と、切屑の判定結果等を表示する表示機能とを兼ね備える。
切屑検出プログラム621は、学習・推論モデルにこの判定用パラメータ623を適用してなる切屑判定モデル622を採用する。判定用パラメータ623は、切屑を検出するためのパラメータであり、部分画像と切屑に関する情報を教師データとして用いて、学習・推論モデルに事前学習させて得られるものである。
判定用パラメータ623は、複数の異なるメッシュサイズごとに記憶されている。また、ストレージ602には、切屑判定モデル622の学習効率等の特性を左右する学習パラメータが別途設定されている。
図7に示すように、判定結果624は、機内画像627をメッシュに分割した部分画像701のそれぞれ(メッシュエリアに対応)について切屑検出プログラムを実行した結果である。例えば、切屑判定モデル622は、判定結果624として、切屑の洗浄のし易さを示す「クラス」を導き出す。この「クラス」は、切屑の量、密集度合、大きさ、長さ、形状等を総合的に勘案して決定される。具体的には、切屑が少ない、散在している、小さい、短い、引っ掛かり難い等のように、洗浄し易い状態であるほど低いクラスとし、切屑が多い、密集している、大きい、長い、引っ掛かり易い等のように、洗浄し難い状態であるほど高いクラスとして分類される。クラスごとに、そのクラスの確率が判定結果624として記憶される。例えば、切屑がない「クラス0」と、切屑が少ない「クラス1」と、切屑が多い「クラス2」の3クラスが設定されている場合、部分画像ごとに、「クラス0」である確率P0と、「クラス1」である確率P1と、「クラス2」である確率P2とが記憶される。なお、判定結果624は、クラスごとの確率に限定されるものではなく、最も確率の高いクラスを単純に判定結果として記憶してもよい。
図6に戻り、洗浄条件625は、切屑の洗浄が必要か否かを判定するための条件である。洗浄条件625として、各部分画像の位置とクラスごとの確率と、を組み合わせた条件が設定されている。例えば、上述した3クラスが設定されている場合には、以下のような洗浄条件(1)〜(4)を降順に評価することにより、効率的で高性能な洗浄判定アルゴリズムが実現される。
(1)P0,P1,P2のうち、最大値がP2である:洗浄する
(2)P1+P2≧99%である:洗浄する
(3)メッシュエリアがテーブル12上であり、かつ、P1+P2≧P0である:洗浄する
(4)上記条件(1)〜(3)に該当しない:洗浄しない
例えば、上述した最も単純化された2クラスが設定されている場合は、メッシュエリアの位置に関わらず、クラス0(切屑なし)であれば洗浄せず、クラス1(切屑あり)であれば洗浄する、という洗浄条件を設定してもよい。
例えば、洗浄回数626は、機内を連続して洗浄した回数である連続洗浄回数と、各メッシュエリアを連続して洗浄した回数である局所連続洗浄回数とを含む。演算処理部601は、例えばCPU(Central Processing Unit)によって構成されている。演算処理部601は、切屑検出プログラム621を実行することにより、駆動制御部611、撮像制御部612、メッシュ分割部613、切屑判定部614、洗浄処理部615、ティーチング処理部616、追加学習部617およびクーラント制御部618として機能する。
駆動制御部611は、カメラ104としてATCカメラを使用する場合、自動工具交換装置(Automatic Tool Changer:ATC)を制御し、工具をATCカメラに交換させる。
撮像制御部612は、あらかじめ設定した撮影タイミングでカメラ104に撮影制御信号を出力し、機内画像627を取得してストレージ602に記憶する。撮影タイミングは、工程と工程との間、工具交換時、一定時間間隔、所定の加工量に達したタイミング等である。
メッシュ分割部613は、機内画像を複数の部分画像に分割処理する。これにより、切屑の検出を簡単化かつ高精度化することができる。
切屑の外形を構成するエッジ(稜線)は、比較的複雑で不規則である。当該特徴は、多数の切屑が堆積して折り重なり、個々の形状が認識できないような状態においても失われることがない。一方、切屑の背景となるワークや治具については、一般的に、切屑のような不規則性はない。そこで、メッシュ分割部613は、切屑、ワークおよび治具の各サイズに基づいて、決定されたサイズの部分画像に分割する。これより、ワークや治具のエッジ形状と切屑とが識別しやすくなり、誤検出が低減される。メッシュは碁盤目状に限定されるものではなく、菱形、三角形、ハニカム形状等であってもよい。また、機内画像の全てを部分画像に分割する必要はなく、切屑の検出が必要なエリアのみを分割してもよい。
切屑判定部614は、各部分画像に対して、ノイズの除去処理や、画像サイズの変換処理等のような、判定精度を向上させるための前処理を実行する。その後、切屑判定部614は、部分画像のそれぞれについて、切屑検出プログラム621を実行することにより、切屑判定モデル622を用いて切屑の有無を判定し、判定結果624を保存する。
切屑判定部614は、例えば、環境変化に比較的強いディープラーニング手法のうち、とりわけ画像のクラス分類に特化したモデルである畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network:CNN)を用いる。ただし、これに限定されるものではなく、他の機械学習アルゴリズムを用いてもよい。
例えば、サポートベクターマシン(SVM:support vector machine)等のように、画像ではない入力データを用いる機械学習アルゴリズムを使用する場合、部分画像に対してフィルタ処理等を実行し、各部分画像が有する形状特徴量を算出する。そして、当該形状特徴量を学習済の切屑判定モデルに入力することにより、部分画像のそれぞれについてクラスを判定してもよい。さらに決定的アルゴリズムのような非機械学習アルゴリズムを使用してもよい。例えば、部分画像は、切屑が多いほど複雑になり、高い画像周波数成分が多くなる傾向がある。そこで、切屑判定部614は、高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform:FFT)等の周波数解析を実行し、各部分画像のスペクトル統計量を判定用パラメータとを比較して、クラスを判定してもよい。ただし、高速フーリエ変換は環境依存度が高く、部分画像内に切屑以外の小さなネジ穴や、クーラントの飛沫等が撮像されていると、高周波成分が多くなり、誤判定しやすくなる。このため、切屑がない状態でのエリア全体画像をあらかじめ用意しておき、これと判定対象であるエリア全体画像との差分画像をメッシュ分割し、高速フーリエ変換することにより、環境依存成分を排除してもよい。
洗浄処理部615は、部分画像のそれぞれについて、切屑の洗浄が必要か否かを判定し、クーラントポンプ107を駆動して洗浄を行なう。洗浄処理部615は、記憶されている洗浄条件625と、各部分画像の判定結果624とを比較する。そして、洗浄条件625を満たす部分画像については洗浄が必要と判定する。洗浄処理部615は、洗浄が必要と判定すると、クーラント噴射部102を制御して切屑の洗浄を行わせる。洗浄処理部615は、洗浄が必要と判定された部分画像に対応するメッシュエリアの位置(工作機械100内における実際の位置)を算出し、当該メッシュエリアに向けて、クーラント噴射部102から洗浄液を噴射させる。
なお、メッシュエリアの位置は、例えば、エリア全体画像を格納する画像メモリ(図示せず)を工作機械100内の座標系に対応させておくことにより、特定することができる。クーラント噴射部102はプログラマブルノズルを用いて、噴射方向を変えながら、洗浄が必要と判定された全てのメッシュエリアに対してクーラント液を噴射する。
洗浄処理部615は、洗浄動作を実行するたびに、洗浄回数626を更新し、洗浄回数626が、所定の閾値未満の場合には洗浄を実施する。一方、洗浄回数626(連続洗浄回数および局所連続洗浄回数のうち少なくとも一方)が、所定の閾値に到達した場合には、所定の異常時処理を実行する。
異常時処理は、自動洗浄動作がいつまでも終了しない事態を回避するための処理であれば特に限定されるものではなく、例えば、工作機械100の運転を停止するとともにアラームを報知してもよい。あるいは、閾値に到達した旨を記録、通知するとともに、そのメッシュエリアの洗浄はあらかじめユーザが設定した「洗浄中断期間」だけ中断し、他のメッシュエリアの洗浄や工作機械100の運転は継続してもよい。なお、洗浄回数626の閾値は、ユーザによって設定可能に構成されている。
ティーチング処理部616は、各部分画像の判定結果624をストレージ602から読み出し、タッチパネル603に表示させる。具体的には、各部分画像を判定結果が識別可能な態様(例えば異なる判定結果ごとに異なる色)で表示する。
例えば、クラス0(切屑なし)の判定確率P0、およびクラス1(切屑あり)の判定確率P1の値によって、以下に示す4グループに分類され、異なる色でマスクされる。
グループ1:P1が0〜30%(P0が70〜100%):赤色
グループ2:P1が30〜50%(P0が50〜70%):青色
グループ3:P1が50〜70%(P0が30〜50%):緑色
グループ4:P1が70〜100%(P0が0〜30%):黄色
画像から判定結果を確認したユーザは、誤って判定されている任意の部分画像をタッチ選択し、正しい判定結果(別の色)を入力することができる。例えば、グループ2に色分けされている部分画像を、グループ1に、グループ3に色分けされている部分画像をグループ4に分類するなど、といった変更を行なうことができる。ティーチング処理部616は、ユーザによる判定結果の変更入力に応じて、ストレージ602の判定結果624を訂正する。
追加学習部617は、新たな教師データを用いて追加学習を行う。追加学習部617は、ティーチング処理部616によって訂正された判定結果(ユーザによる正しい切屑検出結果)を教師データとして、切屑判定モデル622に追加学習を実行させる。そして、追加学習の結果に応じて判定用パラメータ623を更新する。追加学習部617をネットワーク上の学習サーバに教師データをアップロードして追加学習させ、得られた判定用パラメータで切屑判定モデル622を更新してもよい。追加学習部617は、ティーチングモードの終了後、所定のタイミングでバックグラウンドで追加学習を開始し、訂正された判定結果を反映させた判定用パラメータを生成し更新するとともに、切屑判定モデル622を更新する。
クーラント制御部618は、制御部106を介してクーラントポンプ107および駆動部103を制御する。具体的には、機内の状況をそのまま撮像してタッチパネル203に表示する観察モードや、切屑検出部105で切屑を検出する切屑検出モードでは、クーラントポンプ107をオフにする。あるいは、クーラント制御部618は、切屑判定部614による判定結果に従い、制御部106および駆動部103を介して、クーラント噴射部102を移動させて、狙った位置にクーラントを噴射する。さらに、撮像を続けつつ、切屑検出部105による切屑検出を繰り返し、クーラントの圧力により移動した切屑を追いかけるように、クーラント噴射部102を移動させる。
クーラント制御部618は、切屑判定部614による判定結果に応じて、クーラント噴射部102の移動方向や移動速度を制御してもよい。例えば、切屑が所定値以上集まっている領域や、一定期間以上噴射しているにも関わらず切屑が残っている領域などに対しては、クーラントの噴射圧が高まるように、クーラント噴射部102を移動させればよい。クーラント噴射部102を長手方向に動かすときに、クーラントを噴射しながら動かせば、同じ力を切屑に与えて、押し流すことができる。
以上、本実施形態によれば、遠くの切屑に対しても高圧のクーラントを噴射する必要がなく、十分に近づいてから低圧のクーラントを噴射すればよい。また、比較的大きくて重い切屑を効果的に移動、除去することができる。つまり、連続的に弱い力で押し続けられる。動く切り屑に対して追いかけてクーラントを噴射させるため、低圧のクーラントでも、おおきな、または重い切屑を動かし続けることができる。
[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。
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。

Claims (4)

  1. 工作機械内の上部に設けられたレールと、
    前記レールに沿って移動しつつ、クーラントを噴射するクーラント噴射部と、
    前記クーラント噴射部を前記レールに沿って移動させる駆動部と、
    前記工作機械の内部を撮像する撮像部と、
    前記撮像部によって撮像された画像を用いて検出された切屑の動きに応じて前記クーラント噴射部を移動させるため前記駆動部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記切屑の動きと同じ方向に前記クーラント噴射部が移動するように前記駆動部を制御する工作機械。
  2. 前記撮像部によって撮像された画像を用いて、前記工作機械内における切屑の位置を検出する切屑検出部を更に備えた請求項1に記載の工作機械。
  3. 前記制御部は、前記切屑の動きを検出した場合に、前記切屑の動きと同じ速度で前記クーラント噴射部が移動するように前記駆動部を制御する請求項に記載の工作機械。
  4. 前記制御部は、前記切屑のうち、ターゲットとなる注目切屑と前記クーラント噴射部との距離が一定となるように、前記駆動部を制御する請求項に記載の工作機械。
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