JP2001269844A

JP2001269844A - 工具観察方法とその装置および切削加工システム

Info

Publication number: JP2001269844A
Application number: JP2000087472A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Imi; 哲志伊美; Ryuichi Togawa; 隆一外川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2001-10-02

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】切削加工装置の工具観察技術で、オンマシン
で工具を正確に撮像して、その画像にもとづいて工具を
管理する工具観察方法とその装置、および、切削加工シ
ステムとを提供すること。【解決手段】被加工体を切削加工する工具２の状態を
撮像手段２５により撮像し、その画像情報に基づいて前
記工具の観察を行う工具観察方法において、前記工具で
の前記被加工体の加工前または加工後の少なくとも一方
で前記工具を回転あるいは移動させてその画像を複数取
込み、当該複数の画像の中から焦点が合った画像を選択
的に用いて観察を行うことを特徴とする工具観察方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、切削加工装置での
工具観察技術に関わり、特に、オンマシンでの工具観察
方法とその装置、および、切削加工システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】切削加工装置での加工では、工具の管理
は最も重要な項目である。加工前に工具種類、工具寸法
（工具長／径）の選択の確認がなされていなくては、当
然のことながら所定の正しい加工はできない。これら
は、一般には、加工精度の確保に重要な要素である工具
寸法（工具長／径）を、工具を準備する段階で測定し、
その測定した数値をＮＣコントローラヘ入力すると共
に、ツールポッドにセットすることで行われている。ま
た、ワークパレットにタッチセンサを装着して工具寸法
（工具長／径）を確認できるようにしている場合もあ
る。

【０００３】さらに、それらの適正な選択により工具が
決定されても、その工具自体が磨耗等の損傷を受けてい
ないことを確認する必要がある。それらの確認は、加工物
を加工後毎に行い、工具が欠損していないいか、また、
破損していないことを確認して、次回からの加工が常に
良好な状態で行なわれるようにしなければならない。通
常、これらの工具の磨耗管理等については、加工時間に
よる管理や、または、作業員の目視による磨耗チェック
が行われている場合が多い。

【０００４】一方、工具の磨耗管理等を画像処理を用い
て検出することも行なわれている。例えば、特開平６−１
１４６９４号公報には、固定工具の場合のバイトの異常
検出についての技術が開示されている。すなわち、図７
に斜視図を示すように、刃物台５０に取り付けられたバ
イト５１の異常検出に当たっては、先ず被加工体５２の
切削を行う前の新品バイト５１の状態で、ハロゲンラン
プ５３によってバイト５１の先端エッジ部を照らした状
態で、モニターカメラ５４によってバイト５１の先端エ
ッジ部を撮影する。モニターカメラ５４によって捉えら
れた画像信号は、画像メモリ（不図示）に送られ、記憶
されるとともに、コントローラ（不図示）内の二値化変
換装置によって二値化変換される。それらの処理は、図
８（ａ）および（ｂ）に示すように、図８（ａ）の生画
像が、図８（ｂ）に示すように、バイト５１の実像部分
を示す黒レべルと、非実像部分を示す白レべルとに区別
される。

【０００５】そして、例えば、図８（ｂ）に示されるよ
うに、バイト５１のエッジの角部を中心として、半径ｒ
の計測用ウインドウ５５を描き、この計測用ウインドウ
５５内における、バイト５１の実像部分の面積または面
積比を基準特徴量として記憶する。

【０００６】この記憶された基準特徴量と、加工後のバ
イト５１を同様に、ハロゲンランプ５３によってバイト
５１の先端エッジ部を照らした状態で、モニターカメラ
５４によってバイト５１の先端エッジ部を撮影し、その
画像と比較して判断している。

【０００７】また、また、特開平９−２９５２４９号公
報には、回転工具（ブローチカッタ）の際の、撮像手段
によるチップの異常検出の取込みについての技術が開示
されている。ブローチカッタは、荒加工チップから仕上
げ加工にいくに従って、順次径が大きくなるので、撮像手
段のレンズが同じ位置では焦点が合わなくなるので、撮
像手段のレンズの焦点をそれに合わせるために焦点調整
手段が設けられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
工具を加工装置にセットする前に工具寸法（工具長／
径）を測定する方法では、工具を加工装置のツールポッ
ドに間違えてセットする可能性がある。もし、間違えて
工具をセットするとＮＣコントローラにセットした工具
寸法はツールポッドの番号に対応しているので、実際の
工具とは違う寸法が割り当てられてしまい、それによ
り、間違った工具で加工してしまう恐れがある。また、
ワークパレット等にタッチセンサを装着して工具寸法
（工具長／径）を確認する方式では、タッチセンサの配
線が複雑になる。また、タッチセンサそのものが作業ス
ペース上の障害になる。さらに、測定時に装着するタイ
プの場合は、装着を作業者が行うので煩わしく、作業工
程上好ましくない。また、工具の磨耗等の管理に関して
は、加工時間による磨耗管理方法は、加工データが充実
している量産部品の加工ではあまり問題が生じないが、
多種類の材質について少量多品種加工する場合では、加
工データが乏しいために事実上管理が不可能である。

【０００９】また、作業者の目視による方法では作業者
の負担が大きく、また、工具欠けなど大きな工具異常は
発見できるが、磨耗のように微小な欠陥を発見するのは
困難である。

【００１０】また、特開平６−１１４６９４号公報、お
よび、特開平９−２９５２４９号公報に開示されている
技術では、加工室内、特に、切削加工の加工工具の周辺は、
切削油等によるミストが大量に漂っている状態なので、
そのミストがカメラ等の光学系に付着して良好な画像を
得ることは困難である。また、回転工具の場合は、カメラ
の位置と撮影するチップとの位置が回転に伴って変化し
ているので、正確に焦点の合った画像を得るのが困難で
ある。本発明は上述の事情にもとづいてなされたもので、
切削加工装置の工具観察技術で、オンマシンで工具を正
確に撮像して、その画像にもとづいて工具を管理する工
具観察方法とその装置、および、切削加工システムとを
提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、被加工体を切削加工する工具の状態を撮像
手段により撮像し、その画像情報に基づいて前記工具の
観察を行う工具観察方法において、前記工具での前記被
加工体の加工前または加工後の少なくとも一方で前記工
具を回転あるいは移動させてその画像を複数取込み、当
該複数の画像の中から焦点が合った画像を選択的に用い
て観察を行うことを特徴とする工具観察方法である。

【００１２】また請求項２の発明による手段によれば、
被加工体を切削加工する工具の状態を撮像手段により撮
像し、その画像情報に基づいて前記工具の観察を行う工
具観察装置において、前記工具での前記被加工体の加工
前または加工後の少なくとも一方で前記工具を回転ある
いは移動させてその画像を複数取込み、当該複数の画像
の中から焦点が合った画像を選択的に用いて観察を行う
ように構成したことを特徴とする工具観察装置である。

【００１３】また請求項３の発明による手段によれば、
被加工体を切削加工する工具の状態を撮像手段により撮
像し、その画像情報に基づいて前記工具の観察を行う工
具観察装置において、前記撮像手段は、蓋が開閉可能な
密閉容器内に収納されていることを特徴とする工具観察
装置である。

【００１４】また請求項４の発明による手段によれば、
被加工体を切削加工する工具の状態を撮像手段により撮
像し、その画像情報に基づいて前記工具の観察を行う工
具観察装置において、前記撮像手段を蓋が開閉可能な密
閉容器内に収納し、前記工具の状態を撮像する時に前記
蓋を開制御し、撮像終了時に閉制御する制御手段を設け
たことを特徴とする工具観察装置である。

【００１５】また請求項５の発明による手段によれば、
前記密閉容器内には、前記撮像手段の他に、前記工具を
照明するための照明手段と、前記工具の方向に向かって
気体を噴射する気体噴射手段とが設けられていることを
特徴とする工具観察装置である。

【００１６】また請求項６の発明による手段によれば、
被加工体を切削加工するための工具を有する切削装置
と、上記のいずれかに記載の工具観察装置とを備えたこ
とを特徴とする切削加工システムである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例を説
明するためのマシニングセンタの要部構成図である。図
中、１はマシニングセンタ、２は工具、３はマシニング
センタ制御部、４は加工条件設定部、５は工具管理部、
６は加工条件データべース部、７はＣＡＤ・ＣＡＭシス
テム、８は振動センサ、Ｍは工具評価モジュールであ
る。

【００１８】マシニングセンタ１は、ＣＡＤ・ＣＡＭシ
ステム７より加工条件を含み、過去の不具合を考慮した
条件、ツールパス、削り方を修正したＮＣプログラムを
受け取り（Ｓ１）加工を実施する。このマシニングセン
タ１には、加工中、インプロセスで工具のビビリまたは
折損を検知できる振動センサ８が取り付けられている。

【００１９】加工中に、工具２のビビリあるいは折損と
いう不具合が生ずると、この情報は、直ちにマシニング
センタ制御部３に送られ（Ｓ２）、ａ．不具合を生じたＮＣプログラムの行番号、ｂ．実行加工条件である主軸回転数と送り速度、ｃ．主軸負荷、の情報が加工条件設定部４に送られる（Ｓ３）。

【００２０】加工条件設定部４は、不具合を生じたＮＣ
プログラムの行番号をＣＡＤ・ＣＡＭシステム７に送り
（Ｓ４）、不具合を生じたａ．ツールパスｂ．削りのパターンｃ．加工面の角度からなる加工形状情報を加工条件設定部４に返しの連絡
を行なう（Ｓ５）。

【００２１】なお、「ツールパス」とは、走査線あるい
は等高線等の工具軌跡の様式と、そのパス内のどの部位
か（コーナか否か）を表す情報を指し、「削りのパター
ン」とは、アプローチ、肩削り、内側または外側輪郭加
工、領域加工、ポケット加工等であり、これは使用した
ＣＡＭシステムが具備している切削のパターンに相当す
る。「加工面の角度」とは、加工部が立ち壁であったの
か、底面であった等を判断する情報である。

【００２２】図２は、図１に示した工具評価モジュール
Ｍを説明するための説明図である。なお、図中、図１と
同じ作用をする部分には図１と同じ符号が付してある。
すなわち、工具評価モジュールＭには、工具２を撮像す
る撮像手段９ａ、９ｂ、９ｃにより撮像された画像を取
込む、工具画像取込み手段１１、工具の振れを評価する
工具先端長振れ評価手段１２と工具外径振れ評価手段１
３が設けられている。なお、加工で用いられる工具は、
あらかじめ、加工装置で工具評価モジュールＭによって
工具の振れや磨耗状態が計測されており（Ｓ６）、工具
管理部５にて、磨耗状態から予測寿命が立てられ、その
切削長内で使用される。

【００２３】次に、工具画像取込み手段１１について、図
３に示す模式斜視図で説明する。加工装置の主軸に取り
付けられた工具２がＺ軸（上下）および前後（Ｙ軸）に
動き、ワーク１５を載せるテーブル１６がＸ軸（左右）
に動く構成の加工装置で説明する。

【００２４】工具２の側方の離間した位置には、画像取
込ユニット２１が加工装置の筐体（不図示）に固定され
ている。画像取込ユニット２１は、開閉自在な蓋２２を
有する筒状の防水機能を有する密閉容器２３で形成さ
れ、内部に蓋２２を開閉するアクチュエータ２４とＴＶ
カメラ撮像部２５、照明系２６およびエア噴射ノズル２
７がいずれも工具２に向けて設置されている。アクチュ
エータ２４は、軸心方向に進退自由で、かつ、蓋２２の偏
心位置を固定して回動自在である。従って、密閉容器２３
を蓋２２により密閉する場合は、アクチュエータ２４の
軸心が密閉容器２３側に退いた状態になり、また、回動
角度が原点位置にある状態である。一方、密閉容器２３を
開く状態では、アクチュエータ２４が工具２側に前進し、
所定の回転角度を回動した状態である。これらの構造に
より、画像取込ユニット２１は、加工装置が工具２でワ
ーク１５を加工中に切削液が飛び散る雰囲気に設置され
ているが、加工中は蓋２２を閉めておき防水の密閉構造
であるので、密閉容器２３の内部に液体やミストが侵入
しないようになり、容器内に内蔵しているＴＶカメラ撮
像部２５および照明系２６は、それらに汚染されずに清
浄な状態が維持される。また、加工装置での加工前後に
おいて工具２を観察する際には、アクチュエータ２４に
より蓋２２を開け、工具２の所定個所を観察する。この
際、加工装置が設置されている加工室内に浮遊している
加工液のミスト等により、ＴＶカメラ撮像部２５および
照明系２６が汚れるのを防ぐためにエア噴射ノズル２７
（６）からエアを密閉容器２３から噴射させて、それら
への悪影響を防止している。また、ＴＶカメラ撮像部２
５のＴＶカメラ２８の光軸上の前方に設けられている光
学系ユニット２９の焦点位置は、Ｚ軸方向およびＹ軸方
向の作動により形成される工具２の動く平面に一致する
ようにセットされている。このため、光学系ユニット２
９の位置は、工具の径や工具の長さによる調整が必要な
くなるので、一度焦点が合う位置にセットすれば、光学
系ユニット２９を移動させる必要が無く、位置を固定し
たまま用いることができる。すなわち、工具２の観察に
際しては、所定の加工が終了後に、まず、アクチュエータ
２４を工具２側に前進させ、所定の回転角度を回動させ
て密閉容器２３の蓋２２を開ける。続いて、エア噴射ノズ
ル２７から所定時間の間エアを噴射してＴＶカメラ撮像
部２５と工具２との間に漂っているミストを除去し、そ
の後、照明系２６から工具２を照明して、カメラ撮像部
２５での撮像を行なう。図４は工具を観察する際の光学
系ユニット２９と工具２の刃先３０ａ、３０ｂ、３０ｃ
…３０ｎの位置関係を示す平面図である。工具２を観察
する際には、工具２をＺ軸方向およびＹ軸方向に所定量
ずつ移動させて、工具２の移動方向の外周が光学系ユニ
ット２９の光軸上の前方に位置するようにする。つま
り、主軸（２）のＹ軸位置は工具の径によって変わるこ
とになる。また、Ｚ軸位置は工具の長さによって変わる
ことになる。これにより、工具の刃先３０ａ、３０ｂ、
３０ｃ…３０ｎが、工具２を所定位置まで回転させた際
に、正対してＴＶカメラ２８の撮像範囲内に入るように
なる。

【００２５】この工具の刃先３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…
３０ｎを、正対してＴＶカメラ２８で撮像するために
は、一般に、工具２の回転位置を精密に制御するのは複
雑な制御が必要になる。通常の方式では必ずしも焦点の
合った像を得られるとは限らない。そこで、本発明で
は、図５（ａ）から（ｃ）に説明図を、図６（ａ）から
（ｃ）にその際の各々の取込み画像を示すように、ＴＶ
カメラ２８での撮像位置である光学系ユニット２９の前
方に工具２を移動させた後、工具２をゆっくり回転（例
えば、１５回転／分程度）させ、その際に、連続して複数
の画像を撮り込む。撮り込んだ複数の画像のうち、焦点
が合った像かどうかを判断し、焦点の合った像を選び出
す。この画像の焦点が合ったか否かは、例えば画像を微
分（図６に示した微分値を参照）し、絶対値の総和を算
出することで判断することができる。すなわち、図５
（ａ）場合は、刃先３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…３０ｎの
位置がまだＴＶカメラ２８の光学系ユニット２９の焦点
の位置まで来ていないので焦点は合っておらず、その撮
像画像は図６（ａ）に示したように白地の面積が小さく
なる。一方、図５（ｂ）場合は、刃先３０ａ、３０ｂ、３
０ｃ…３０ｎの位置が焦点の位置に来ているので刃先３
０ａ、３０ｂ、３０ｃ…３０ｎがＴＶカメラ２８の光学
系ユニット２９と正対した位置で焦点が合い、その撮像
画像は図６（ｂ）に示したように白地の面積が大きくな
る。また、図５（ｃ）場合は、刃先３０ａ、３０ｂ、３
０ｃ…３０ｎの位置がまだＴＶカメラ２８の光学系ユニ
ット２９の焦点の位置を通り越しているので、焦点は合
っておらず、その撮像画像は図６（ｃ）に示したように
白地の面積が小さくなる。このように、加工装置の工具
２を保持している移動軸を利用し、焦点の合った像を選
ぶ方式をとることで、蓋２２の開閉の際に作動するアク
チュエータ２４以外の駆動軸を付加しない構成が可能と
なり、低コストを実現できる。

【００２６】また、観察した工具２の刃先３０ａ、３０
ｂ、３０ｃ…３０ｎの画像を記録し、刃先３０ａ、３０
ｂ、３０ｃ…３０ｎが寿命かどうかを作業者の目視で判
断したり、また、観察した工具の画像から工具寸法を画
像処理により測定したりするシステムを構成することが
できる。

【００２７】工具２の観察が終了後に、アクチュエータ
２４の軸心を密閉容器２３側に退かせ、また、回動角度
が原点位置になるように回転させて、密閉容器２３に蓋
２２を密閉させる。これらにより、工具２が磨耗や折損
などの不具合が確認されると、使用された工具２が外さ
れ、新しい工具２に交換される。その際に、外した工具
２の寿命実績値が予測寿命算出の基礎データとして工具
管理部５に取り込まれる（Ｓ６）。工具２にビビリ等の
不具合が発生した際、その場合に使用された工具２の情
報として、工具管理部５は使用前後の工具２の磨耗状態
や振れの状態等の計測データと工具メーカ、工具材質、
コーティング、刃長、ねじれ角等の工具の仕様に関する
情報（Ｓ７）で構成される工具情報を加工条件設定部に
渡す（Ｓ８）。

【００２８】加工条件設定部４は、これらの情報をもと
に、不具合が生じた際のａ．加工条件ｂ．ワーク形状情報ｃ．工具情報を所定のフォーマットで加工条件デ−タべ−ス部６に送
り（Ｓ９）、「変更を必要とする条件」として蓄える。
マシニングセンタオぺレータが調整できる条件変更は主
軸回転数と送り速度であり、この変更により、不具合を
押さえることができた場合は、その結果を「良好な加工
条件」として取り込む。

【００２９】この加工条件データべース部６は、ＣＡＤ
・ＣＡＭシステム７にリンクしており、プログラマがあ
らかじめ被削材および工具情報を入力してＣＡＭを開始
することにより、ツールパス、削りのパターンを決定し
た時点で最適な切削条件を自動的に提示する（Ｓ１０）
仕組みとなっている。

【００３０】切り込み量に関しては、ブランクからソリ
ッドモデルで表現し、各ツール軌跡により除去されるワ
ークの体積を算出し、この単位時間の切りくず体積、工
具切り刃の接触長さを考慮して加工時の不具合発生をシ
ュミレーションする。

【００３１】また、ポケット加工でのコーナ部のよう
に、局所的に加工条件を落とす必要のあるものも、変更
が必要な部位をシステム側が自動チェックして、その箇
所を表示する機能を有する。条件変更をオぺレータが認
可することにより、その局所部位の主軸回転数または送
り速度を最適値に自動的に変更する。

【００３２】以上に述べたように、本発明によれば、オ
ンマシンで工具を観察できるので、加工前後に工具を観
察可能になり、工具を加工装置から外して検査を行なう
必要が無く、作業者が行っていた工具寸法の確認や工具
破損や磨耗の確認等の作業を簡便に行うことができる。
そのため、作業者の負担が軽減され、加工装置の自動運
転率が向上する。

【００３３】また、加工装置に取り付けた状態で、工具
の画像から画像処理により工具寸法測定や工具破損や磨
耗の判断を自動的に行うことで自動運転率が向上し、生
産性向上ならびに作業工数削減が可能となる。

【００３４】また、上述の実施の形態では、回転工具の
場合について説明したが、固定工具の場合でも、本発明の
密閉容器内に撮像手段を設けて、加工時は蓋を閉じて撮
像手段等を保護し、撮像時に蓋を開いて所定の撮像を行
なう技術を用いれば、極めて有効である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、オンマシンで加工装置
の工具の画像を取込むことにより、工具の状態を正確に
観察することができる。また、それを用いた切削加工シ
ステムは常に良好な加工を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明するためマシニングセ
ンタの要部構成図。

【図２】マシニングセンタの工具評価モジュールＭの説
明図。

【図３】本発明の工具画像取込み手段の模式斜視図。

【図４】光学系ユニットと工具の刃先の位置関係を示す
平面図。

【図５】（ａ）から（ｃ）は、光学系ユニットと工具の
刃先の位置関係を示す説明図。

【図６】（ａ）から（ｃ）は、［図５］に対応した各々
の取込み画像図。

【図７】従来の固定工具の観察系の斜視図。

【図８】（ａ）から（ｂ）は、従来の固定工具の観察系
による画像処理の説明図。

【符号の説明】

１…マシニングセンタ、２…工具、５…工具管理部、１
１…工具画像取込み手段、１５…ワーク、２１…画像取
込みユニット、２２…蓋、２３…密閉容器、２５…ＴＶ
カメラ撮像部、２６…照明系、２７…エア噴射ノズル、
２９…光学系ユニット、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ〜３０
ｎ…刃先、Ｍ…工具評価モジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工体を切削加工する工具の状態を撮
像手段により撮像し、その画像情報に基づいて前記工具
の観察を行う工具観察方法において、前記工具での前記被加工体の加工前または加工後の少な
くとも一方で前記工具を回転あるいは移動させてその画
像を複数取込み、当該複数の画像の中から焦点が合った
画像を選択的に用いて観察を行うことを特徴とする工具
観察方法。
【請求項２】被加工体を切削加工する工具の状態を撮
像手段により撮像し、その画像情報に基づいて前記工具
の観察を行う工具観察装置において、前記工具での前記被加工体の加工前または加工後の少な
くとも一方で前記工具を回転あるいは移動させてその画
像を複数取込み、当該複数の画像の中から焦点が合った
画像を選択的に用いて観察を行うように構成したことを
特徴とする工具観察装置。
【請求項３】被加工体を切削加工する工具の状態を撮
像手段により撮像し、その画像情報に基づいて前記工具
の観察を行う工具観察装置において、前記撮像手段は、蓋が開閉可能な密閉容器内に収納され
ていることを特徴とする工具観察装置。
【請求項４】被加工体を切削加工する工具の状態を撮
像手段により撮像し、その画像情報に基づいて前記工具
の観察を行う工具観察装置において、前記撮像手段を蓋が開閉可能な密閉容器内に収納し、前
記工具の状態を撮像する時に前記蓋を開制御し、撮像終
了時に閉制御する制御手段を設けたことを特徴とする工
具観察装置。
【請求項５】前記密閉容器内には、前記撮像手段の他
に、前記工具を照明するための照明手段と、前記工具の
方向に向かって気体を噴射する気体噴射手段とが設けら
れていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに
記載の工具観察装置。
【請求項６】被加工体を切削加工するための工具を有
する切削装置と、請求項２乃至４のいずれかに記載の工
具観察装置とを備えたことを特徴とする切削加工システ
ム。