JPH09192986A - 画像処理による工具刃先位置の自動認識方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、上述の如き問題点に着目してな
されたものであり、工作機械の切削工具の刃先位置を画
像処理により自動的に精度よく認識すること。 【解決手段】 撮像手段によって工具を正面より撮像
し、この撮像により得られる工具正面の画像データより
切れ刃部と他の部分とを差別する２値画像データを求
め、この２値画像データにおいて工具中心に該当する画
素を原点とする極座標系を設定し、所定角度毎に半径方
向の画素を走査して切れ刃部を示す濃度値の画素数を所
定角度毎にカウントし、この切れ刃部画素の工具中心角
度対応の頻度分布データより工具中心周りの切れ刃部の
配置角度を求め、この角度データと工具径データより工
具刃先位置を特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、工作機械で使用
される切削工具の工具刃先位置の自動認識方法に関し、
特に工具の刃先摩耗を画像処理により測定する場合に必
要な工具刃先位置を自動認識する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】工作機械における工具の刃先摩耗を計測
する方法として、ＩＴＶカメラにより工具切れ刃部を詳
細に撮像し、画像処理により刃先摩耗を測定する方法が
知られており、この方法は、「画像処理による工具摩耗
の自動測定」（精密工学会誌，Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．３
（１９９５）３６８頁〜３７１頁）に記載されている。

【０００３】この「画像処理による工具摩耗の自動測
定」では、ＩＴＶカメラによって工具切れ刃部を詳細撮
影するために、ＩＴＶカメラによって工具切れ刃部が撮
影可能な位置に工具を位置決め配置する作業は、作業者
の手作業によって行われる。

【０００４】また、フライス工具のように、スローアウ
ェイチップを取り付けて使用する工具については、従来
は、工具からスローアウェイチップを取り外し、スロー
アウェイチップ単体を一つずつ手作業によって撮影位置
に位置決め配置することが行われる。

【０００５】また、上述の撮影位置の位置決めを自動化
するために、「オートフォーカス機構を組み込んだ光計
測による非接触工具損傷モニタリング装置の開発」（精
密工学会誌Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．８（１９８９）７３頁
〜７８頁）、「２台のＩＴＶカメラと画像処理によるド
リル摩耗の自動測定」（精密工学会誌Ｖｏｌ．５６，Ｎ
ｏ．１０（１９９０）７５頁〜８０頁）には、工具から
スローアウェイチップを取り外し、測定テーブル上にス
ローアウェイチップを並べてその全体を撮影した画像デ
ータを画像処理してチップの外周輪郭を抽出し、それぞ
れのチップの外周輪郭上を走査して曲率の極小点を求
め、その極小点からチップ刃先部を自動認識する方法
や、ドリル工具において、ドリル工具の正面画像から外
周輪郭を抽出し、外周輪郭点にハフ変換を行い、ドリル
切れ刃部に相当する２本の直線成分を取り出し、刃先位
置を自動認識する方法が示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＩＴＶカメラによって
工具切れ刃部が撮影可能な位置に工具を位置決め配置す
る作業が作業者の手作業によって行われる場合は、この
手作業が間違いなく行われる限り工具切れ刃部を確実に
撮影することができるが、工具切れ刃部の撮像位置の設
定に作業者が介入するため、手間がかかり、工具摩耗の
測定を全自動化することが不可能である。また、スロー
アウェイチップを取り付けて使用する工具については、
スローアウェイチップを取り外し、このチップを一つず
つ設置する手間がかかり、異常のないチップについて
は、取り外して、検査して、また取り付けるという無駄
な工程を行わなければならないことになる。

【０００７】チップを取り外して、測定テーブル上に並
べて、画像処理により求めたチップの外周輪郭の曲率か
ら刃先部を認識する方法は、チップの設置が容易で、刃
先の認識を自動化でき、一度に複数のチップの検査が行
えるが、テーブル上に並べたそれぞれのチップに対し
て、外周輪郭上を走査し、曲率の極小点を求め、求めた
極小点の数と距離から刃先部を決定しているため、刃先
認識のアルゴリズムが複雑で、計算に時間がかかる。ま
た、測定対象がスローアウェイチップに限られ、汎用性
に乏しく、この方法でもチップを取り外さなければない
ため、手間がかかり、異常のないチップについては上述
の場合と同等の無駄な工程を行わなければならない。

【０００８】ハフ変換によって工具切れ刃部を認識する
方法については、ハフ変換は、距離ρと角度θの２次元
配列の頻度分布から直線成分を抽出するため、計算に時
間がかかり、また大きな容量の記憶領域を必要とする。
また、ドリル工具の場合は、直線成分が切れ刃部の２本
に限定されるが、フライス工具のように多数の直線成分
の抽出が必要な場合には、上記の計算時間や記憶容量の
問題の他に、ハフ変換により検出される直線成分が、全
て切れ刃部を示すものとは限らないため、検出した直線
成分の中から、切れ刃部を示すものと、そうでないもの
とを見極めるアルゴリズムが必要になる。これらのこと
により、この方法は、汎用性に乏しく、実用的でない。

【０００９】この発明は、上述の如き問題点に着目して
なされたものであり、工作機械の切削工具の刃先位置
を、画像処理により、工具からスローアウェイチップ
を、又はホルダーから工具を取り外すことなしに、自動
的に精度よく認識する方法を提供することを目的として
いる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１による発明は、撮像手段によって工具を
正面より撮像し、この撮像により得られる工具正面の画
像データより切れ刃部と他の部分とを差別する２値画像
データを求め、この２値画像データにおいて工具中心に
該当する画素を原点とする極座標系を設定し、所定角度
毎に半径方向の画素を走査して切れ刃部を示す濃度値の
画素数を所定角度毎にカウントし、この切れ刃部画素の
工具中心角度対応の頻度分布データより工具中心周りの
切れ刃部の配置角度を求め、この角度データと工具径デ
ータより工具刃先位置を特定するものである。

【００１１】請求項２による発明は、請求項１に記載の
工具刃先位置の自動認識方法において、工具の回転方向
に関するデータを予め工具情報データベースに格納して
おき、この工具回転方向データに基き前記頻度分布デー
タにおいて切れ刃部画素の頻度数が急激に増加する角度
あるいは急激に減少する角度の何れか一方を選択し、切
れ刃部の配置角度を求めるものである。

【００１２】請求項３による発明は、請求項１または２
に記載の工具刃先位置の自動認識方法において、工具径
データを予め工具情報データベースに格納しておき、当
該工具情報データベースより工具径データを取得するも
のである。

【００１３】請求項４による発明は、請求項１〜３の何
れかに記載の工具刃先位置の自動認識方法において、撮
像手段の中心光軸と工具の回転中心とが一致するように
撮像手段の配置位置と工具の撮像位置とを定めておき、
この位置関係より工具中心に該当する画素を特定するも
のである。

【００１４】これらの発明による工具刃先位置の自動認
識方法では、工作機械の切削工具（スローアウェイチッ
プを取り付ける工具についてはチップを取り付けたまま
の）正面全体を撮影した画像データより、工具の刃先部
と他の部分との濃淡値の違いなどを利用して切れ刃部と
他の部分とを差別する２値画像データ、換言すれば刃先
部のみを抽出した２値画像データを求め、その画像デー
タに工具中心の画素を原点にｒ−θの極座標系を設定
し、所定角度毎に半径方向に画素を走査して、刃先部を
示す濃度値、例えば濃度値１の画素をカウントした頻度
分布を求める。このようにして求めた頻度分布と、工具
種類、工具径、切れ刃数などの工具情報より工具の刃先
位置を決定する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面を用いて詳細に説明する。

【００１６】図１はこの発明による工具刃先位置の自動
認識方法の実施に使用される工具撮像装置を示してい
る。図１において、１は工具（ドリル工具）Ｔを工具ホ
ルダ３ごと撮像位置に位置決め保持する工具ホルダ設置
治具を、５は工具ホルダ設置治具１に取り付けられた工
具Ｔの全体を正面から撮像する工具全体撮像用のＩＴＶ
カメラを、７は自動認識された工具刃先位置より工具Ｔ
の刃先を詳細撮像する接写ＩＴＶカメラを各々示してい
る。

【００１７】ＩＴＶカメラ５の配置位置と工具ホルダ設
置治具１による工具の配置（撮像）位置とは、ＩＴＶカ
メラ５の中心光軸と工具Ｔの回転中心とが一致するよう
に、定めている。この場合、工具ホルダ設置治具１が固
定配置であれば、ＩＴＶカメラ５が図１にてＸ軸方向と
Ｙ軸方向の座標位置を工具ホルダ設置治具１のＸ軸方向
とＹ軸方向の座標位置に関して固定設定され、ＩＴＶカ
メラ５は必要に応じてＺ軸方向にのみ移動可能であれば
よい。

【００１８】図２はこの発明による工具刃先位置の自動
認識方法の実施に使用される工具刃先位置自動認識装置
の一つの実施の形態を示している。

【００１９】この工具刃先位置自動認識装置は、ＩＴＶ
カメラ５が出力するアナログ画像信号をディジタル画像
信号（画像データ）に変換するＡ／Ｄ変換器１１と、Ａ
／Ｄ変換器１１よりの画像データを、工具の刃先部と他
の部分との濃淡値の違いなどを利用して切れ刃部（濃度
値１）と他の部分（濃度値０）とを差別する２値画像デ
ータに変換する２値化処理部１３と、２値化処理部１３
によって得られる２値画像データにおいて工具中心に該
当する画素を原点とする極座標系を設定し、所定角度毎
に半径方向の画素を走査して切れ刃部を示す濃度値の画
素数を所定角度毎にカウントし、この切れ刃部画素の工
具中心角度対応の頻度分布データを生成する頻度分布デ
ータ生成部１５と、検査する工具の工具種類、工具径、
切れ刃数、回転方向など工具情報をあらかじめ格納した
工具情報データベース１７と、工具情報データベース１
７に格納されている工具情報（回転方向データ）を参照
して頻度分布データ生成部１５により生成された頻度分
布データより工具中心周りの切れ刃部の配置角度を求め
る切れ刃部配置角度演算部１９と、工具情報データベー
ス１７に格納されている工具情報（工具径データ）を参
照して切れ刃部配置角度演算部１９によって求められた
切れ刃部配置角度より工具刃先位置を特定する工具刃先
位置演算部２１とを有している。

【００２０】つぎに上述のような構成による工具刃先位
置自動認識装置によってこの発明による工具刃先位置自
動認識方法を実施する手順を説明する。

【００２１】（ａ）工具Ｔを工具ホルダ３に取り付けた
まま工具ホルダ３と共に工具ホルダ設置治具１に取り付
け、この工具Ｔに正対するＩＴＶカメラ５によって工具
Ｔの全体を正面から撮像する。

【００２２】なお、スローアウェイチップを取り付けて
使用する工具では、チップを取り付けたまま、その工具
Ｔの全体をＩＴＶカメラ５によって正面から撮像する。
図３はフライス工具を正面から撮像することにより得ら
れた多値画像データによる画像のモニタ表示例を示して
いる。

【００２３】（ｂ）工具Ｔの切れ刃部ｂは、工具のその
他の部分に比べて比較的明るく映るため、その濃度値の
差異を利用して、２値化処理部１３において或るしきい
値を設定して画像データを２値画像データとする。この
場合、工具切れ刃部ｂの画素は濃度値１となり、モニタ
上に白く浮かび上がって表示される。

【００２４】なお、その２値画像データにノイズ成分
（ごみ成分）が多い場合には、２値画像データにラベリ
ング処理を行い、工具情報から得られる工具種類や切れ
刃数などの工具特徴と、各ラベルの面積や中心位置など
から工具切れ刃部のみを抽出することができる。図４は
図３に示されている画像を表示する多値画像データを２
値化し、ノイズ成分を取り除いて、切れ刃部ｂのみを抽
出したモニタ表示例を示している。

【００２５】工具ＴとＩＴＶカメラ５の中心軸線位置と
が相互に一致しているから、ＩＴＶカメラ５で撮影して
得られる画像データ上の工具Ｔの中心位置は常に一定の
画素（ｘ0 ，ｙ0 ）となる。

【００２６】（ｃ）図４に例示されているように切り刃
部ｂを抽出した２値画像データに対して、図５に示され
ているように、画素（ｘ0 ，ｙ0 ）を原点としたｒ−θ
の極座標系を設定する。

【００２７】半径ｒ、角度θのときのｘ座標値、ｙ座標
値は、式（１）、式（２）で求められる。

【００２８】ｘ＝ｘ0 ＋ｒｃｏｓθ …（１） ｙ＝ｙ0 ＋ｒｓｉｎθ …（２） そして、ある所定の角度毎に半径方向に画素を走査し
て、切れ刃部ｂを示す濃度値の画素、この場合、濃度値
１の画素をカウントし、図６に示されているような切れ
刃部画素の頻度分布データを頻度分布データ生成部１５
によって作成する。この頻度分布データは工具中心角度
対応の頻度分布データであり、図４に示されているよう
に角度θが反時計廻り方向の角度として取られているこ
とから、頻度分布データの横軸（角度θ）の右方向（展
開方向）と反時計廻り方向とが合致している。

【００２９】図４に例示されている画像の２値画像デー
タをｒ−θ極座標系上に走査した場合、円周上に切れ刃
が分布しているため、切れ刃部ｂでは頻度数が高くな
り、図６に示されている頻度分布データにおいて、切れ
刃部ｂはピーク部として現れる。

【００３０】（ｄ）工具情報データベース１７に格納さ
れている工具情報より工具の回転方向が既知であるか
ら、例えば反時計廻りに回転する工具の場合には、求め
る切れ刃部ｂの配置角度は、頻度分布データの横軸方向
の取り方との兼ね合いで、頻度分布データにおけるピー
ク部の頻度数が高い値から低い値に急激に減少する点
（角度）である。

【００３１】この点は、頻度分布データを微分して微分
値が−（マイナス）側に高くなる点を求めたり、頻度数
の最大値と最小値からしきい値を決定し、しきい値を＋
（プラス）側から−（マイナス）側に横切った点を求め
るなどの方法により決定することができる。

【００３２】これにより切れ刃部配置角度演算部１９は
工具情報データベース１７に格納されている工具の回転
方向データを参照して上述の点、即ち切れ刃部ｂの配置
角度を求める。

【００３３】（ｅ）工具径は工具情報データベース１７
に格納されている工具情報より得られるから、工具刃先
演算部２１は、工具情報データベース１７より取得する
工具径と（ｄ）で求めた切れ刃部ｂの配置角度とから、
刃先の位置を極座標系で決定でき、これを直交座標系に
座標変換することにより刃先のｘ座標値とｙ座標値が求
まる。

【００３４】（ｆ）工具刃先のＺ座標値を取得する方
法、および必要に応じてフライス工具などのチップの取
付角やドリル工具の先端角を取得する方法には、次に云
うような方法がある。 工具をＩＴＶカメラで２箇所から撮影し、三角測量の
原理から求める。 工具正面を撮影したときのＩＴＶカメラのフォーカス
位置から光学的に求める。 レーザー変位計などの副センサを用いる。 工具情報データベースに工具長やチップ取付角、ドリ
ル先端角をあらかじめ登録して、工具情報から決定す
る。 〜の方法のうち、最も現実的な方法はの方法であ
る。

【００３５】以上の方法で、工具刃先のＸ，Ｙ，Ｚ座標
が求まり、後は工具切れ刃撮影用の接写カメラ７を求め
た刃先位置に移動させ、通常の画像処理による摩耗量の
測定方法により工具摩耗量を測定できる。

【００３６】図７、８、９は、それぞれドリル工具に対
して上述の工程と同様の工程を行ったときの工具正面画
像データによるモニタ表示例、２値画像データによるモ
ニタ表示例、頻度分布グラフを各々示している。この場
合も、頻度分布データから頻度数が急激に減少する点を
求めることで、切れ刃の角度を決定できる。

【００３７】なお、工具種類、工具径、切れ刃数、回転
方向などの工具情報はデータベースより読み出す以外
に、外部より入力されてもよい。

【００３８】以上に於ては、この発明を特定の実施の形
態について詳細に説明したが、この発明は、これに限定
されるものではなく、この発明の範囲内にて種々の実施
の形態が可能であることは当業者にとって明らかであろ
う。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、この発
明による工具刃先認識方法によれば、工具やスローアウ
ェイチップを工具ホルダまたは工具から取り外す必要が
なく、工具とＩＴＶカメラの軸線が一致するように、両
者に位置関係を設定するだけで、工具刃先位置を自動的
に認識できるので、作業が簡潔で、サイクルタイムの短
縮ができる。

【００４０】また工具やスローアウェイチップを工具ホ
ルダまたは工具から取り外すことなく工具刃先位置を認
識できるので、刃先撮影用の接写カメラを求めた位置に
移動可能な装置と組み合わせることで、例えば、工作機
械のツールマガジン部に上述の装置を設置して、工具摩
耗の自動測定を行うことができる。

【００４１】また撮影した工具正面の２値画像データを
用いて、工具中心画素を原点として極座標系に走査して
頻度分布を求めるという簡単な方法で工具刃先の角度を
決定しているので、スローアウェイチップを使う工具
も、使わない工具でも同じアルゴリズムで、工具刃先位
置を自動的に認識でき、しかもプログラムが簡単で、計
算に時間がかからず、記憶容量も少なくてすむ。

【００４２】また画像処理により求めた刃先角度と工具
情報から得られる工具固有の特徴から工具の刃先位置を
求めているので、精度が高く信頼性がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による工具刃先認識方法の実施に使用
される工具撮影装置の概要図である。

【図２】この発明による工具刃先位置認識方法の実施に
使用される工具刃先位置自動認識装置の一つの実施の形
態を示すブロック線図である。

【図３】フライス工具正面の多値画像データによるモニ
タ表示例を示す写真である。

【図４】フライス工具正面の２値画像データによるモニ
タ表示例を示す写真である。

【図５】極座標系に走査して頻度分布を求める方法の概
念を示す説明図である。

【図６】フライス工具における切れ刃部の頻度分布グラ
フである。

【図７】ドリル工具正面の多値画像データによるモニタ
表示例を示す写真である。

【図８】ドリル工具正面の２値画像データによるモニタ
表示例を示す写真である。

【図９】ドリル工具における切れ刃部の頻度分布グラフ
である。

【符号の説明】

１ 工具ホルダ設置治具 ３ 工具ホルダ ５ 工具全体撮像用のＩＴＶカメラ ７ 接写ＩＴＶカメラ １１ Ａ／Ｄ変換器 １３ ２値化処理部 １５ 頻度分布データ生成部 １７ 工具情報データベース １９ 切れ刃部配置角度演算部 ２１ 工具刃先位置演算部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像手段によって工具を正面より撮像
   し、この撮像により得られる工具正面の画像データより
   切れ刃部と他の部分とを差別する２値画像データを求
   め、この２値画像データにおいて工具中心に該当する画
   素を原点とする極座標系を設定し、所定角度毎に半径方
   向の画素を走査して切れ刃部を示す濃度値の画素数を所
   定角度毎にカウントし、この切れ刃部画素の工具中心角
   度対応の頻度分布データより工具中心周りの切れ刃部の
   配置角度を求め、この角度データと工具径データより工
   具刃先位置を特定することを特徴とする画像処理による
   工具刃先位置の自動認識方法。
2. 【請求項２】 工具の回転方向に関するデータを予め工
   具情報データベースに格納しておき、この工具回転方向
   データに基き前記頻度分布データにおいて切れ刃部画素
   の頻度数が急激に増加する角度あるいは急激に減少する
   角度の何れか一方を選択し、切れ刃部の配置角度を求め
   ることを特徴とする請求項１に記載の工具刃先位置の自
   動認識方法。
3. 【請求項３】 工具径データを予め工具情報データベー
   スに格納しておき、当該工具情報データベースより工具
   径データを取得することを特徴とする請求項１または２
   に記載の工具刃先位置の自動認識方法。
4. 【請求項４】 撮像手段の中心光軸と工具の回転中心と
   が一致するように撮像手段の配置位置と工具の撮像位置
   とを定めておき、この位置関係より工具中心に該当する
   画素を特定することを特徴とする請求項１〜３の何れか
   に記載の工具刃先位置の自動認識方法。