TW201617166A

TW201617166A - 機床的刀具校正值的自動設定裝置以及自動設定方法

Info

Publication number: TW201617166A
Application number: TW104137304A
Authority: TW
Inventors: Nishimura Naotugu
Original assignee: Nakamura Tome Precision Ind
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-05-16
Also published as: EP3021183A1; CN105598743A; JP2016093872A

Abstract

本發明提供機床的刀具校正值的自動設定裝置以及自動設定方法，能夠自動地設定NC機床的刀架上安裝的多個刀具的刀具校正值（刀架和刀具的刀尖之間的相對位置關係）。利用設置於機身內的攝像機（4）取得安裝於刀架（15）的刀具（2）的圖像（A），求出刀具（2）的刀尖（24）在圖像上的位置和方向，根據攝像機（4）的設置位置和取得圖像時的刀架（15）的位置關係，求出刀具校正值並自動設定到控制器中。設定到控制器（5）的刀具校正值能夠使用對刀器（21）進行測量。自動執行校正值設定程序（53），即：根據圖像計算臨時的刀具校正值，利用對刀器（21）的檢測傳感器（23）檢測刀具的刀尖（24）並登記到控制器（5）。

Description

機床的刀具校正值的自動設定裝置以及自動設定方法

本發明涉及自動設定NC(Numerical Control，數值控制)機床的刀架和安裝於該刀架的刀具的刀尖之間的相對位置關係的方法及裝置。

由機床製造的工件（加工對象物）的加工形狀是根據使刀具的刀尖相對於工件如何移動來决定的。另一方面，機床的控制器所控制的是工件和安裝有刀具的刀架之間的相對位置關係。

刀架上安裝有與加工種類相對應的多種刀具。根據不同的刀具，從刀架到刀尖的長度和方向不同，因此，只有將從刀架的基準位置（控制器識別並進行控制的位置）到刀尖爲止的位置關係預先登記在控制器中才能夠進行期望的加工。因此，在刀架上安裝有刀具時，將以刀架的基準位置爲基準的刀尖的位置（刀具校正值。也稱作刀具偏移值）設定在控制器中。

刀具校正值的設定通常按照以下方式進行：在刀架上安裝刀具之後，在預定位置處設置對刀器（tool setter），該對刀器具有用於檢測刀具的刀尖的近接開關、觸摸傳感器等檢測傳感器，並且，使刀架移動而利用該檢測傳感器對刀尖進行檢測，根據接收到其檢測信號時的刀架的位置（控制器識別的位置）計算刀具校正值。

以往，利用檢測傳感器對刀尖進行檢測的作業是由操作者手動操作操作板來進行的。即，選擇作爲對象的刀具，並透過手動操作使刀架移動到利用檢測傳感器檢測該刀尖的位置，當從檢測傳感器輸出檢測信號時，在控制器中設定刀具校正值，透過反覆進行這樣的作業來設定安裝於刀架的多個刀具的刀具校正值。

鑒於透過這樣的手動操作進行的刀具校正值的設定比較花費時間，專利文獻1中，針對滾珠盤提出了一種技術，該技術是自動測量安裝於刀具主軸的夾具上的鑽頭的長度而進行設定。另外，專利文獻2中提出了根據拍攝旋轉刀具的攝像機的圖像來計算該刀具的刀具直徑的技術。並且，專利文獻3中提出了根據攝像機取得的圖像計算刀具校正值的技術。

【專利文獻1】：日本特開平7-276122號公報

【專利文獻2】：日本特開2000-24880號公報

【專利文獻3】：日本特開平5-200654號公報

在轉塔車床等使用多種刀具進行加工的機床中，1個刀架（轉塔）上安裝有多個刀具，例如8個或12個，有時在1個刀具安裝位置（刀具工位）上安裝了刀尖的方向不同的2個刀具，因此，存在以下問題：針對這些刀具，手動地在控制器中設定刀具校正值的作業要花費很多功夫和時間。

另外，在具有多個轉塔的車床和具有刀具更換裝置的複合車床中，加工中使用的刀具種類繁多，不僅到刀尖的長度不同，刀尖的位置和方向也不同。並且，這些刀具是透過刀具保持器安裝在轉塔上的，因此，即使是相同的刀具，根據所使用的刀具保持器的形狀和尺寸的不同，刀具校正值也會改變。

因此，對於安裝於刀架上的刀具的每一個種類，使刀尖接近對刀器的檢測傳感器的方向並不相同，並且，只有使多個刀具從多個方向接近檢測傳感器來檢測刀尖才能夠設定刀具校正值。

本發明的課題在於，解决具有轉塔車床和具有刀具更換裝置的機床中存在的上述那樣的問題，提供一種能夠自動地設定安裝於刀架上的多個刀具的刀具校正值的技術手段。

本發明利用設置於機床的機身內的攝像機4，取得安裝於刀架15的刀具2的圖像A，根據該圖像A求出刀具2的刀尖24在圖像上的位置和方向，根據攝像機4的設置位置和取得圖像時的刀架15的位置關係，求出刀具校正值並自動設定到控制器中，該刀具校正值是該刀具的刀尖24的位置和刀架15的基準位置o之間的相對位置關係。

設定到控制器5中的刀具校正值能夠使用對刀器21進行準確測量。在這種情况下，自動執行校正值設定程序53來設定刀具校正值，所述校正值設定程序53是根據攝像機4取得的刀具2的圖像，求出臨時的刀具校正值，使用所求出的臨時的刀具校正值透過對刀器21的檢測傳感器23對刀尖24進行檢測並登記到控制器5中。校正值設定程序使刀架15高速移動到刀尖檢測開始點s，並反覆進行以下動作：從與刀尖的方向對應的方向朝向檢測傳感器23的低速接近、接收到檢測信號後的高速後退、以及在指定了下一個移動軸的情况下向該下一個移動軸的方向的轉換。

在該反覆動作的過程中從檢測傳感器23輸出了檢測信號時，根據此時的刀架15的移動方向的座標，計算針對該移動方向的軸的刀具校正值，並自動設定到控制器5中。

本發明的刀具校正值的自動設定裝置具有：攝像機4，其設置於機床的機身內；刀具圖像取得單元51，其利用攝像機4取得安裝於刀架15的刀具2的圖像A；圖像解析單元52，其根據攝像機4取得的刀具圖像A取得刀尖24的位置和方向；以及校正值設定程序53，其根據圖像解析單元52取得的刀尖24的位置和方向，在控制器5中設定刀尖24和刀架的基準位置o之間的相對位置關係。

在透過對刀器21對刀尖24進行檢測來設定刀具校正值的情况下，校正值設定程序53包括以下步驟：使刀架15朝對刀器21的檢測傳感器23高速移動；使刀架15朝檢測傳感器23低速接近；當檢測傳感器23輸出檢測信號時，停止該低速移動而取得刀架15的座標；根據取得的座標和檢測傳感器23的位置來計算刀具校正值；以及將計算出的刀具校正值儲存到與安裝有該刀具的刀具工位編號相對應的校正值儲存器54。

在對安裝於轉塔的多個刀具進行校正值的設定時，在針對最初的刀具進行了所有必要的軸向上的校正值設定動作之後，校正值設定程序使刀架沿著後退路徑高速移動到轉塔分度位置，並在該位置處對下一個刀具進行分度，針對該下一個刀具重複上述動作。

如果對於各種刀具，已經預先將刀具的刀尖圓、刀尖的方向以及刀具的圖像數據登記在控制器5中，則能夠將攝像機4所取得的刀具2的圖像與預先登記的圖像數據進行對比，來獲得該刀具的刀尖圓和刀尖的方向，校正值設定程序能夠使用該取得的刀尖圓和刀尖的方向設定刀具校正值。

並且，透過使用分辨率高的攝像機或利用攝像機的變焦功能取得刀尖的放大圖像，由此也能夠透過圖像解析直接取得刀具校正值。

在本發明中，根據攝像機拍攝的刀具的圖像，能夠自動進行刀具校正值的設定作業，因此，操作者只需要將必要的刀具安裝於轉塔刀架或刀具庫即可。因此，能夠全自動地進行針對多個刀具的刀具校正值的設定，從而减輕了操作者的作業負擔，還能夠防止操作失誤和輸入失誤。

在使用對刀器進行的刀具校正值的設定作業中，也是針對安裝於刀架的多個刀具，自動進行以下操作：使刀尖接近檢測傳感器的操作、與對應於各刀具的檢測傳感器接觸的操作、針對各刀具的必要的軸向（車床上的X軸方向和/或Z軸方向）上的刀具校正值的設定或更新。因此，像轉塔車床那樣使用了多個刀具的機床的刀具校正值的設定作業能夠容易地短時間地進行，還能夠防止操作者的操作失誤。

以下，以基本結構的NC轉塔車床爲例，對本發明的實施方式進行說明。NC轉塔車床具有機械主體1和控制器5。機械主體1具有刀架15以及支承在固定於床身的主軸台11上的主軸12。主軸12的前端安裝有用於保持工件的夾具13。刀架15是具有轉塔16的轉塔刀架。轉塔16上透過保持器3安裝有多個刀具2。刀架15根據來自控制器5的指令，自如地在Z軸方向和X軸方向上移動定位，其中，Z軸方向是主軸軸線a的方向，X軸方向是與Z軸方向正交且與主軸軸線a接近或相離的方向。

主軸台11上安裝有對刀器21及其進退裝置22。如圖6~9所示，對刀器21在前進位置上的Z軸方向和X軸方向的兩側具有檢測傳感器23（23z、23x）。這些檢測傳感器23在前進時被準確地定位在主軸軸線a上的規定位置。

在刀架15的移動區域的上方設置有攝像機4，該攝像機4的光軸朝向與刀架15的移動平面（Z-X平面）正交的方向。爲了防止在工件加工過程中飛濺的切削液和切屑附著在攝像機上，或者在攝像機4上設置罩並在拍攝時將該罩打開，或者在攝像機4上設置在工件加工時使攝像機後退到加工區域外的退避裝置。拍攝時的攝像機4以與刀架15的位置相同程度的精度，被定位在Z-X平面的上方的正確位置處。

控制器5具有：圖像取得單元51、圖像解析單元52、校正值設定程序53、以及校正值儲存單元54。圖像取得單元51在被指示了登記轉塔16的某刀具工位17的刀具校正值時，在朝向主軸軸線a的方向上進行刀具工位17的分度，使刀架15移動到被安裝於刀具工位17的刀具2進入攝像機4的拍攝區域的位置，並且使攝像機4進行拍攝動作從而取得其圖像。

優選結構的圖像取得單元51如下所示：將按照上述順序取得的圖像發送到後述的圖像解析單元52，檢測刀具2的刀尖24的位置，讓刀架15進行校正移動，以使檢測出的刀尖24的位置來到攝像機4的光軸上，之後，使攝像機4再次進行拍攝動作，將透過該再次的拍攝動作取得的圖像作爲正規的取得圖像發送給圖像解析單元52。

圖像解析單元52根據圖像取得單元51所取得的圖像，取得朝向主軸軸線a的刀具工位17上安裝的刀具2的刀尖24的位置和方向。

具體而言，例如，針對拍攝刀具得到的圖3示出的圖像，一邊在X軸方向的掃描線R上增加X值（從主軸軸線a離開的方向），一邊進行掃描，將最初檢測到刀具2的點r設爲臨時的刀尖位置，之後，一邊進一步增加X值，一邊從Z+側和Z-側進行掃描P、Q，從而得到多個刀具檢測位置p1、p2、p3、…、q1、q2、q3、…的座標，並針對這些座標應用最小二乘法來求出夾著刀尖的2根直線M、N的方程式，將其2等分線L的方向作爲刀尖的方向。取得的臨時的刀尖位置是在圖像上的刀尖的座標上，加上了取得圖像時的刀架的基準位置（一般而言是朝向主軸軸線a的刀具工位的中央）與攝像機的光軸之間的距離後的值（矢量和）。

刀具的刀尖24是較小的圓弧（刀尖圓25）。根據刀尖的方向，確定刀尖圓的哪個方向的圓弧成爲基準。例如某種控制器如圖2所示，將刀尖圓25按照45度刻度的方向進行劃分並附加編號（刀尖校正編號），用該編號表示刀尖的方向。例如，如果刀尖的方向是圖2的第3號的方向，則在設定刀具校正值時，從圖6中的軌跡t的箭頭表示的方向即Z軸方向和X軸方向，使刀尖接觸檢測傳感器而設定刀具校正值。因此，在這樣的控制器中，根據所檢測出的刀尖的方向確定刀尖校正編號。

在攝像機4的圖像上，作爲刀具2和刀架15的像的背景，映入有具備與刀具2和刀架15相同的金屬光澤的床身等其他部件的像。在檢測刀具的刀尖24時，需要去除背景。作爲該背景的去除方法，以下方法是有效的：使安裝有刀具2的刀架15在攝像機4的拍攝區域的內外移動，拍攝如圖5所示那樣的顯現出刀具2的圖像A以及沒有顯現出刀具2的圖像B，透過取得兩個圖像的差分，製作去除了背景後的僅有刀架以及工作的圖像E。

即，從顯現出刀具2的圖像A和沒有顯現出刀具2的圖像B中的一方A的亮度中减去另一方B的亮度而得到差分圖像C，並從另一方B的亮度中减去一方A的亮度而得到差分圖像D，將這兩個差分圖像C和D進行合成來製作去除了背景的合成圖像E，從該合成圖像E中提取刀具2的形狀。由此，不必使用用於消除背景的背景板或背景布，即可得到能夠明確識別刀具形狀的圖像。

校正值設定程序53使用臨時的刀具校正值，進行利用對刀器的檢測傳感器23檢測刀尖的動作，由此，在控制器5中設定刀具校正值。校正值設定程序53使得刀架15對應於圖像解析單元52取得的刀尖的方向，例如按照圖6~9所示的軌跡t那樣進行移動。圖6是與圖2中刀尖校正編號爲3的刀具對應的移動軌跡的例子，圖7是與刀尖校正編號爲2的刀具對應的移動軌跡的例子，圖8是與刀尖校正編號爲5的刀具對應的移動軌跡的例子，圖9是與刀尖校正編號爲7的刀具對應的移動軌跡的例子。

圖10是示出針對刀尖校正編號（刀尖的方向）爲3的刀具的、校正值設定程序53的順序的流程圖。

在利用對刀器21的檢測傳感器23檢測刀具2的刀尖時，必須將刀尖定位在檢測傳感器的檢測區域即邊長爲1mm左右的四方的區域內。另外，在刀尖接觸到檢測傳感器時，如果不立即停止刀架，則檢測傳感器會發生破損。因此，在使刀尖與檢測傳感器相接觸時，使得刀具高速移動到檢測傳感器的近旁（附近1mm左右）s（參照圖6~9），之後，以能夠立即停止程度的較低速度使刀架在Z軸方向或X軸方向上移動。

透過圖像解析取得的臨時的校正值用於使刀具高速接近至檢測傳感器23的近旁。在臨時的校正值上加上用於避免碰撞的餘量（margin），並將刀架15高速移動到臨時的刀尖位置與檢測傳感器23接觸的位置（實際的刀尖來到圖6的s的位置），接著切換到低速移動。在該低速移動過程中，如果檢測傳感器23輸出檢測信號，則停止刀架15的移動並讀取刀架的座標，根據該座標和檢測傳感器23的座標，計算刀具校正值並將其設定在控制器的校正值儲存器54中。如果是刀具校正編號爲3的刀具，則在設定了Z軸方向的刀具校正值之後，如圖6的軌跡t所示那樣進行移動從而進行X軸方向的刀具校正值的設定。

如果還有需求，可以根據由對刀器21檢測出的刀尖位置和圖像解析單元52取得的臨時的刀尖位置，經過幾何學運算，計算刀尖圓的半徑。例如，如圖4所示，利用上述的方法求出夾著刀尖的2根直線M、N的方程式，爲了排除由刀尖圓和刀具的邊緣的檢測誤差引起的偏差，將與得到的方程式偏離較大的檢測點排除在外而再次計算出直線M、N，並求出直線M、N的交點c的座標。並且能夠根據如下關係計算出刀尖圓25的中心b和半徑dr，所述關係是：在對刀器檢測出的實際的刀尖的位置與交點c的差dz、dx上加上刀尖圓的半徑dr後得到的值即爲焦點c的座標與刀尖圓的中心b的座標之間的差，並且，刀尖圓的中心b處於二等分線L上。

另外，透過使用高分辨率的攝像機，或者使用攝像機的變焦功能反覆進行上述的刀尖位置的檢測動作和刀架的修正移動來放大刀尖的圖像，由此能夠使用圖像解析單元52對刀尖圓25的圓弧和Z軸及X軸方向的切線e、f進行檢測，從而能夠求出刀尖圓的半徑和各個軸向的刀具校正值。

目前，只要使用設置於機床的機身內的一般的攝像機，即可以0.5mm左右的誤差設定臨時的刀具校正值，因此，能夠安全且自動地使刀具2的刀尖與對刀器21相接觸。根據本發明，能夠自動地進行從刀具形狀的取得到刀具校正值的設定爲止的所有處理，因此，能夠大幅度减輕操作者的作業負擔，並且，也不需要操作者的熟練程度，也不會因爲輸入失誤而損傷機械。

在上述的實施例中，透過對利用攝像機4取得刀尖方向而得到的圖像進行解析，求得刀尖的方向和刀尖圓，但也可以是以下方式：在控制器中預先登記各種刀具的圖像數據和各個刀具的刀尖圓和刀具校正編號，並且將攝像機取得的圖像與已經登記的圖像數據進行對比來確定刀尖圓和刀尖的方向，並使用刀尖圓和刀尖的方向，透過校正值設定程序53對刀具校正值進行設定。

1‧‧‧機械主體
11‧‧‧主軸台
12‧‧‧主軸
13‧‧‧夾具
15‧‧‧刀架
16‧‧‧轉塔
17‧‧‧刀具工位
2‧‧‧刀具
21‧‧‧對刀器
22‧‧‧進退裝置
23、23x、23z‧‧‧檢測傳感器
24‧‧‧刀具的刀尖
25‧‧‧刀尖圓
3‧‧‧保持器
4‧‧‧攝像機
5‧‧‧控制器
51‧‧‧刀具圖像取得單元
52‧‧‧圖像解析單元
53‧‧‧校正值設定程序
54‧‧‧校正值儲存器
A、B、C、D、E‧‧‧刀具圖像
o‧‧‧基準位置
s‧‧‧刀尖檢測開始點
t‧‧‧軌跡
a‧‧‧主軸軸線
R‧‧‧掃描線
M‧‧‧直線
N‧‧‧直線
L‧‧‧分線
r‧‧‧最初檢測到刀具的點
p1、p2、p3‧‧‧座標
q1、q2、q3‧‧‧座標
dx、dz‧‧‧刀尖位置與交點c的差
dr‧‧‧刀尖圓的半徑
b‧‧‧刀尖圓的中心
c‧‧‧直線M、N的交點
e‧‧‧刀尖圓的圓弧和Z軸方向的切線
f‧‧‧刀尖圓的圓弧和X軸方向的切線

圖1是示出轉塔車床的要部的示意圖。圖2是刀尖的方向和刀尖校正編號的說明圖。圖3是示出刀尖位置和刀尖的方向的檢查方法的例子的說明圖。圖4是示出刀尖圓的檢測方法的例子的說明圖。圖5是示出背景圖像的去除方法的例子的說明圖。圖6是示出刀尖檢測動作的第1例子的圖。圖7是示出刀尖檢測動作的第2例子的圖。圖8是示出刀尖檢測動作的第3例子的圖。圖9是示出刀尖檢測動作的第4例子的圖。圖10是示出使用了對刀器的刀尖設定順序的一個例子的流程圖。

1‧‧‧機械主體

11‧‧‧主軸台

12‧‧‧主軸

13‧‧‧夾具

15‧‧‧刀架

16‧‧‧轉塔

17‧‧‧刀具工位

2‧‧‧刀具

21‧‧‧對刀器

22‧‧‧進退裝置

23‧‧‧檢測傳感器

3‧‧‧保持器

4‧‧‧攝像機

5‧‧‧控制器

51‧‧‧刀具圖像取得單元

52‧‧‧圖像解析單元

53‧‧‧校正值設定程序

54‧‧‧校正值儲存器

a‧‧‧主軸軸線

Claims

一種機床的刀具校正值的自動設定裝置，其具有：攝像機，其設置於機床的機身內；刀具圖像取得單元，其利用該攝像機取得安裝於刀架的刀具的圖像；圖像解析單元，其根據攝像機取得的刀具圖像取得該刀具的刀尖的位置和方向；以及校正值設定程序，其根據圖像解析單元取得的刀尖的位置和方向，在控制器中設定所述刀具的刀尖和刀架的基準位置之間的相對位置關係。
如請求項1所述的機床的刀具校正值的自動設定裝置，其中，所述自動設定裝置還具有對刀器和進退裝置，所述對刀器具有檢測安裝於刀架上的刀具的刀尖的檢測傳感器，所述進退裝置使該對刀器向退避位置和所述刀具的刀尖的移動區域內的前進位置進退，所述校正值設定程序包括以下步驟：使刀架朝向對刀器高速移動；使刀架朝向對刀器的檢測傳感器低速接近；當檢測傳感器輸出檢測信號時，停止該低速移動並取得刀架的座標；根據取得的座標和所述檢測傳感器之間的位置關係，計算刀具校正值；以及將計算出的刀具校正值儲存到與安裝有該刀具的刀具工位編號相對應的刀具校正值儲存區域。
如請求項1所述的機床的刀具校正值的自動設定裝置，其中，所述自動設定裝置具有所述圖像解析單元，所述圖像解析單元根據所述攝像機取得的刀具圖像取得該刀具的刀尖圓，所述校正值設定程序包括以下步驟：根據圖像解析單元取得的刀尖的位置和方向以及刀尖圓，計算刀具校正值；以及將計算出的刀具校正值儲存到與安裝有該刀具的刀具工位編號相對應的刀具校正值儲存區域。
如請求項1至3中任一項所述的機床的刀具校正值的自動設定裝置，其中，圖像取得單元取得以下圖像：該圖像是使刀架處於同一位置，使所述攝像機拍攝顯現出刀具的圖像和沒有顯現出刀具的圖像，並將兩者的差分圖像進行合成後得到的圖像。
一種機床的刀具校正值的自動設定裝置，其中，所述自動設定裝置具有：刀具種類，其是根據包括刀尖方向的刀具形狀而分類的；以及按照各個刀具種類而登記的校正值設定程序，圖像解析單元將攝像機取得的刀具的圖像和登記的刀具種類的刀具形狀進行對比來判斷刀具的類別，執行與判斷出的刀具的種類相對應地登記的校正值設定程序。
如請求項5所述的機床的刀具校正值的自動設定裝置，其中，圖像取得單元取得以下圖像：該圖像是使刀架處於同一位置，使所述攝像機拍攝顯現出刀具的圖像和沒有顯現出刀具的圖像，並將兩者的差分圖像進行合成後得到的圖像。
一種機床的刀具校正值的自動設定方法，其中，在機床的機身內設置攝像機，利用該攝像機取得安裝於刀架上的刀具的圖像，根據攝像機取得的刀具圖像取得該刀具的刀尖的位置和方向，根據所取得的刀尖的位置和方向，計算所述刀具的刀尖與刀架的基準位置之間的相對位置關係，將計算出的相對位置關係作爲刀具校正值設定到控制器中。