特開 2024-112289 切削工具刃先撮影システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024112289

(43)【公開日】2024-08-20

(54)【発明の名称】切削工具刃先撮影システム

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/24 20060101AFI20240813BHJP

   G01N 21/17 20060101ALI20240813BHJP

   G01N 21/84 20060101ALI20240813BHJP

   B23Q 17/09 20060101ALI20240813BHJP

【ＦＩ】

B23Q17/24 Z

G01N21/17 A

G01N21/84 Z

B23Q17/09 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024006937

(22)【出願日】2024-01-19

(31)【優先権主張番号】P 2023016955

(32)【優先日】2023-02-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】591014835

【氏名又は名称】高松機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100124419

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 敬也

(74)【代理人】

【識別番号】100162293

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷 久生

(72)【発明者】

【氏名】敷村 達也

(72)【発明者】

【氏名】石野 嘉章

【テーマコード（参考）】

2G051

2G059

3C029

【Ｆターム（参考）】

2G051AB02

2G051BA01

2G051BB01

2G051CA04

2G051CA06

2G051CC09

2G059AA05

2G059BB08

2G059BB15

2G059FF01

2G059GG03

2G059JJ11

2G059KK04

2G059LL01

3C029DD08

3C029DD20

3C029EE00

3C029EE20

(57)【要約】      （修正有）

【課題】切削工具刃先の損傷状態を判断するための画像品質を、工具刃先の撮影用カメラの性能、及び工具刃先への照射装置の配置等を工夫することにより向上させることで、より正確に切削工具刃先の損傷状態を判定することができる（工具損傷検知システムにおける）切削工具刃先撮影システムを提供する。
【解決手段】工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システムであって、工具刃先を撮影するための撮影用カメラ１０と、工具刃先に向けて照射をするための２個の照明装置Ａ,Ｂを備えており、照明装置Ａ２０は、撮影用カメラ１０の向きに対して２０°～４０°の角度で工具刃先が照射されるように設置されており、照明装置Ｂ３０は、撮影用カメラ１０の向きに対して８０°～１００°の角度で工具刃先が照射されるように設置されていることを特徴とする工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システムとした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システムであって、
工具刃先を撮影するための撮影用カメラと、
工具刃先に向けて照射をするための２個の照明装置（Ａ,Ｂ）を備えており、
照明装置Ａは、前記撮影用カメラの向きに対して２０°～４０°の角度で工具刃先が照射されるように設置されており、
照明装置Ｂは、前記撮影用カメラの向きに対して８０°～１００°の角度で工具刃先が照射されるように設置されていることを特徴とする工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システム。

【請求項2】

前記撮影用カメラは、テレセントリックレンズを備えていることを特徴とする請求項１に記載の工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工具損傷検知システムにおける、切削工具刃先の撮影用カメラ、及び切削工具刃先への照明装置からなる切削工具刃先撮影システムに関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械の生産性向上を目的として、工作機械に設置されたカメラからの画像にて加工作業状態を監視すること、及び加工作業毎に切削工具刃先の損傷状態を（工作機械に設置された）カメラからの画像にて監視することが行われている。さらに、ＡＩを使った機械学習の手法等を用いて、（切削工具刃先の）使用可否を判定すること、即ち、切削工具刃先の損傷状態を判定すること（切削工具刃先の損傷を検知すること）が行われている。切削工具刃先の損傷状態を、ＡＩを使った画像認識によって監視する刃先状態判定手段等により、切削工具刃先の画像から（切削工具刃先が）使用可能状態か、使用不可能状態かをＡＩに判定させるもので、膨大な量の切削工具刃先の画像を学習させた学習モデルを使用する。

【0003】

一方、加工作業毎に切削工具刃先の損傷状態を（工作機械に設置された）カメラ画像にて監視する際、その画像を得るための、撮影用カメラの性能、及び照明装置の配置等（照明装置は複数の装置である場合も有り得る）は、切削工具刃先の損傷状態を判断するための、カメラ画像の品質を担保する上で非常に重要な要素である。かかる認識を持った出願人らは鋭意研究開発を行い、本発明をするに至ったのである。

【0004】

特許文献１には、「刃の刃先を短時間で精度良く測定可能な刃先の検査方法および検査装置を提供する（特許文献１：要約の課題）」ことを課題として、「刃を保持する保持手段と、刃先を中心に刃を回転させる回転手段と、刃先を撮像する撮像手段と、撮像手段の光軸と同方向から照明を照射する照明手段とを用い、回転手段で刃を回転させつつ撮像手段で撮像し、刃の部位毎に、撮像画像が最も明るくなる回転手段の角度を求めて刃先の形状を測定することを特徴とする（特許文献１：要約の解決課題より抜粋）刃先の検査方法および検査装置（特許文献１：発明の名称）」が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－１７２７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に係る刃先の検査方法および検査装置（特許文献１：発明の名称）は、刃先を撮像する撮像手段と、撮像手段の光軸と同方向から照明を照射する照明手段以外に、刃先を中心に刃を回転させる回転手段を備えており、回転手段で刃を回転させつつ撮像手段で撮像し、刃の部位毎に、撮像画像が最も明るくなる回転手段の角度を求めて刃先の形状を測定する発明であると言える。思うに、撮像手段（カメラ）、照明手段（ライト）以外に、刃先を中心に刃を回転させる回転手段を備えることで検査装置の構造が複雑になる方向に向かうためコスト面、メンテナンス面等を考慮すると好ましくないと言える。

【0007】

本発明の目的は、切削工具刃先の損傷状態を判断するための画像品質を、工具刃先の撮影用カメラの性能、及び工具刃先への照明装置の配置等を工夫することにより向上させることで、より正確に切削工具刃先の損傷状態を判定することができる（工具損傷検知システムにおける）切削工具刃先撮影システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システムであって、
工具刃先を撮影するための撮影用カメラと、
工具刃先に向けて照射をするための２個の照明装置（Ａ，Ｂ）を備えており、
照明装置Ａは、前記撮影用カメラの向きに対して２０°～４０°の角度で工具刃先が照射されるように設置されており、
照明装置Ｂは、前記撮影用カメラの向きに対して８０°～１００°の角度で工具刃先が照射されるように設置されていることを特徴とする工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システムであることを特徴とするものである。

【0009】

請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記撮影用カメラは、テレセントリックレンズを備えている工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システムであることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る切削工具刃先撮影システムにより、切削工具刃先の損傷状態を判断するための画像の品質を向上させることで、より正確に切削工具刃先の損傷状態を判定することができる（工具損傷検知システムにおける）切削工具刃先撮影システムを提供することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係る切削工具刃先撮影システムにおける撮影用カメラ、照明装置Ａ，及び照明装置Ｂの切削工具刃先との位置関係を説明するための図である。

【図2】テレセントリックレンズについて説明するための図である。

【図3】切削工具における切れ刃を説明するための図である。

【図4】照明装置Ａ（なす角３０°）側の作用を説明するための図である。

【図5】照明装置Ｂ（なす角９０°）側の作用を説明するための図である。

【図6】照明装置Ａ（なす角３０°）側の許容角度範囲を説明するための図である。

【図7】「アプローチ角（横切れ刃角）」と「副切込み角（前切れ刃角）」による影響を考慮した際の、照明装置Ａ（なす角３０°）側の許容角度範囲を説明するための図である。

【図8】照明装置Ｂ（なす角９０°）側の許容角度範囲を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明に係る工具損傷検知システムにおける切削工具刃先撮影システムの一実施形態について、図１～図８に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る切削工具刃先撮影システムにおける撮影用カメラ、照明装置Ａ，及び照明装置Ｂの切削工具刃先との位置関係を説明するための図である。

【0013】

本発明は、工具刃先の撮影用カメラ１０（特にレンズ）を工夫すること、及び工具刃先への照明装置からの照射角度を特定することにより、切削工具刃先の損傷状態を判断するための画像の品質を向上させることで、より正確に切削工具刃先の損傷状態を判定することができる（工具損傷検知システムにおける）切削工具刃先撮影システムである。

【0014】

図１に記載したように、切削工具刃先撮影システムは、切削工具刃先を撮影するための撮影用カメラ１０と、切削工具刃先への照射をするための照明装置Ａ（２０）、照明装置Ｂ（３０）を備えている。尚、照明装置Ａ（２０）は、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角３０°側に設置した照明装置であり、照明装置Ｂ（３０）は、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角９０°側に設置した照明装置である。特徴的には、照明装置Ａ（２０）は、撮影用カメラ１０の向き（撮影用カメラ１０のレンズの中心軸方向）に対して２０°～４０°の角度で切削工具刃先が照射されるように設置されており、照明装置Ｂは、撮影用カメラ１０の向き（撮影用カメラ１０のレンズの中心軸方向）に対して８０°～１００°の角度で切削工具刃先が照射されるように設置されている。

【0015】

＜テレセントリックレンズ＞
図２は、テレセントリックレンズについて説明するための図である。図２（ａ）は一般的なレンズであり、図２（ｂ）はテレセントリックレンズである。切削工具刃先撮影システムにおいて、撮影用カメラ１０にて使用するレンズは、いわゆるテレセントリックレンズである。テレセントリックレンズとは、主光線が光軸に平行な光学系を持つレンズのことである。即ち、光学系の軸外の物点から出て開口絞りの中心を通る光線である主光線が、レンズ中心と焦点とを通る直線である光軸に平行な光学系を持つレンズのことである（指向性が高いレンズであるとも言える）。テレセントリック光学系では、開口絞りがレンズの焦点位置にあるので、主光線がレンズ光軸線に対し物体側、像側、もしくは両側で平行（画角０°に近い角度）になる。図２に記載したように、一般的なレンズとの比較において、軸線（レンズの向き）にほぼ平行（例えば、±１０°以内）方向から入射する光しか像を結ばないという特徴がある。

【0016】

＜切削工具における切れ刃＞
図３は、切削工具における切れ刃を説明するための図である。切削工具に於いて、すくい面５０の端部と逃げ面６０の端部が形成する線状の箇所を切れ刃７０という（図３参照）。すくい面５０は、切削工具に於いて切削を行う主の面で、逃げ面６０は、切削加工した面と工具の切れ刃が干渉することを防ぐために角度を付けたもので、切削工具と切削加工面の接触を防ぐために逃がした面である（図３参照）。

【0017】

＜撮影用カメラの向き（レンズの向き）とのなす角３０°側に設置した照明装置Ａ＞
図４は、照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側の作用を説明するための図である。図４（ａ）は、切削工具刃先に摩耗が生じていない場合の作用を説明するための図であり、図４（ｂ）は、切削工具刃先に摩耗が生じた場合の作用を説明するための図である。撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角３０°側に設置した照明装置Ａ（２０）の主な役割は、摩耗部先端以後の部分Ｘ（摩耗部の終端部よりも先の部分で摩耗していない部分：図４（ｂ）参照）を摩耗部（黒色）と識別し易いようにするために灰色に見せることである。

【0018】

照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側からの光は、切削工具刃先４０に到達し、切削工具刃先４０で反射する。切削工具刃先４０に摩耗部が無い場合は、図４（ａ）に記載したように、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角３０°側に設置した照明装置Ａ（２０）からの光であれば、（テレセントリックレンズの作用により）反射光の一部（Ｗと記載したハッチ部：図４（ａ）参照）が到達することになるので、画像としては灰色になる。尚、Ｗと記載したハッチ部以外の反射光（Ｐと記載：図４（ａ）参照）はレンズに届かない。尚、図面において、切削工具刃先４０は、切削工具刃先４０のホーニング部を示している（図４以下の図面においても同様）。

【0019】

切削工具刃先の摩耗が進む（図４（ｂ）に未摩耗面を点線にて記載：実際にはこの部分は空間）と、図４（ｂ）に記載したように、摩耗部（摩耗により形成された面）からの反射光（光線Ｓ：図４（ｂ）参照）は（テレセントリックレンズでは）角度的に像を結べないので、摩耗部の画像は黒色になる。要するに、摩耗が進むと摩耗により形成された面は、テレセントリックレンズの特徴（画角が０°に近い）による作用で、角度的に像を結べない。従って、画像としては黒色になる。一方で、摩耗部以後の部分Ｘ（摩耗部の端部よりも先の部分で摩耗していない部分：図４（ｂ）参照）は、（照明装置Ａ（２０）を光源とする）反射光（光線Ｔ：（図４（ｂ）参照）の一部（ハッチ部））がテレセントリックレンズに受光されるので画像は灰色になる。

【0020】

＜撮影用カメラの向き（レンズの向き）とのなす角９０°側に設置した照明装置Ｂ＞
図５は、照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）側の作用を説明するための図である。図５（ａ）は、切削工具刃先に摩耗部が無い場合の作用を説明するための図であり、図５（ｂ）は、切削工具刃先に摩耗部が生じた場合の作用を説明するための図である。撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角９０°側に設置した照明装置Ｂ（３０）の主な役割は、（摩耗部と識別し易くするために）切れ刃稜線（Ｑと記載：図５（ｂ）参照）の画像を白色に見せることである。（加工が重なることにより摩耗部が形成されると）摩耗部は画像としては黒色になる。尚、照明装置Ｂ（３０）の配置位置は、切削工具刃先の摩耗面（切削を重ねると形成される摩耗面：新品の時には摩耗面は形成されていない）と、照明装置Ｂ（３０）からの光の向きが平行（公差範囲として８０°～１００°は許容される）になるように設置することになる。即ち、撮影用カメラの向き（レンズの向き）とのなす角９０°側に設置した照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）は、摩耗面基準で設置角度が決定される。照明装置Ｂの設置角度をベースに撮影用カメラ１０、及び撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角３０°側に設置した照明装置Ａ（２０：なす角３０°）の設置角度が決定される。

【0021】

照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）側からの光は、切削工具刃先部分（ホーニング（刃先処理部））に到達し、切削工具刃先部分で反射する。切削工具刃先に摩耗部が無い場合は、照明装置Ｂ（３０）側からの光は、切削工具刃先部分に到達し、切削工具刃先部分で反射する。撮影用カメラの向き（レンズの向き）とのなす角９０°側に設置した照明装置Ｂ（３０）からの光であれば、図５（ａ）に記載したように、撮影用カメラ１０の向き（テレセントリックレンズの向き）とほぼ平行なので、殆どの光がテレセントリックレンズに到達（光線Ｐ：図５（ａ）参照）し、（切れ刃エッジ部の）画像としては白色になる（但し、光源から届く光の強度が弱ければ灰色になることもある）。切削工具刃先４０であっても反射光がテレセントリックレンズに届かない箇所は、画像としては黒色になる（光線Ｍ：図５（ａ）参照）。実際には、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角３０°側に設置した照明装置Ａ（２０）からの光の作用で全体的に画像としては灰色になる（図４（ａ）参照）。

【0022】

切削工具刃先４０に摩耗部（図５（ｂ）で未摩耗面を点線で記載：実際にはこの部分は空間）が形成されると、図５（ｂ）に記載したように、照明装置Ｂ（３０）からの光が直進（光線Ｒ：図５（ｂ）参照）する（未摩耗面では存在していた光路が消滅するからである（図５（ｂ）参照））ため、レンズに光が届かずに摩耗部は画像としては黒色になる。一方、切れ刃エッジ部（Ｑと記載：図５（ｂ）参照）からの反射光は（テレセントリックレンズに対して垂直に入るので）画像としては白色になる（光線Ｓ：図５（ｂ）参照）。要するに、切削工具刃先が新品であれば摩耗部が形成されていないので、切削工具刃先の画像としては白色になるが、切削を重ねることで摩耗が進むと摩耗部が形成され、切削工具刃先の画像として摩耗部が黒色に変化することになる。

【0023】

＜照明装置Ａの許容角度範囲について＞
図６は、照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側の許容角度範囲を説明するための図である。図６（ａ）は、なす角３０°以下の許容角度範囲について説明するための図であり、図６（ｂ）は、なす角３０°以上の許容角度範囲について説明するための図である。

【0024】

図６（ａ）に記載したように、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角３０°側に設置した照明装置Ａ（２０）から出た光は、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角が２０°以上であれば、（テレセントリックレンズの作用により）反射光の一部（Ｗ（ハッチ部）と表記：図６（ａ）参照）が到達する。ところが、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角２０°以下では、反射光がテレセントリックレンズの受光部に届かずに像を結べない（Ｑと表記：図６（ａ）参照）。従って、照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側の許容角度は２０°以上であることが必要となる。

【0025】

一方で、撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）とのなす角４０°以上では、テレセントリックレンズの作用（軸線にほぼ平行な光しか像を結ばない）により、反射光が像を結べない（Ｓと表記：図６（ｂ）参照）。従って、照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）側の許容角度は４０°以下であることが必要となる。以上の事より、照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側での許容角度範囲は、撮影用カメラの向き（レンズの向き）とのなす角２０°～４０°である。

【0026】

ところで、照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側の許容角度範囲（撮影用カメラ１０の向き（レンズの向き）を基準とする）を考える際、切削工具刃先４０形状（具体的にはアプローチ角）や切削工具刃先４０の取り付け状態（具体的には副切込み角）までも考慮する必要があれば、切削工具刃先４０における「アプローチ角」と「副切込み角」による影響を考慮して許容角度範囲を算出する必要がある。

【0027】

「アプローチ角」とは、工具や刃物等の切れ味の良さを表す指標の一つである。具体的には、チップが被加工品を切断するときに発生する切り屑が、チップから逃げるために必要な最小の角度のことを指す。一方、「副切込み角」とは、クランプシステム（工作機械等でバイトを固定するために使用されるシステム）にバイトをセットする際の取り付け角度のことを指す（チップは切削工具の長手方向（＝撮影用カメラ１０の軸線）に対して「副切込み角」の分だけ、傾いて取り付けられる）。尚、バイトはチップ（刃先）とシャンク（柄の部分）とから構成される。

【0028】

図７は「アプローチ角：ｉ」と「副切込み角：ｊ」による影響を考慮した際の、照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側の許容角度範囲を説明するための図である。図７に記載したように、照明装置Ａ（２０：なす角３０°）側の許容角度範囲Ｘは、Ｘ＝２（ｉ＋ｊ）±１０°（アプローチ角：ｉ、副切込み角：ｊ）という計算式で表すことができる。ここでアプローチ角は、０°～１１°を想定しており、副切込み角は、０°～１５°を想定している。因みに、Ｘ＝２（ｉ＋ｊ）±１０°という計算式の誤差項（±１０°）を構成するのは、テレセントリックレンズが像を結ぶことができる角度、及び照明装置Ａから出る光線の拡散角度に拠る変動値である。

【0029】

＜照明装置Ｂの許容角度について＞
図８は、照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）側の許容角度を説明するための図である。照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）側からの光は、切削工具刃先４０（ノーズＲ部分）に到達し、切削工具刃先４０で反射する。図８に記載したように、照明装置Ｂ（３０）からの光がテレセントリックレンズの受光部に届く範囲（Ｗと記載）が照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）側の許容する角度範囲であると言える。具体的には、８０°～１００°になる。尚、テレセントリックレンズの受光部に届く範囲が変われば、それに応じて照明装置Ｂ（３０：なす角９０°）側の許容角度範囲が変わることは言うまでもない。

【0030】

＜切削工具刃先撮影システムの効果＞
本発明に係る切削工具刃先撮影システムにより、切削工具刃先の損傷状態を判断するための画像の品質を向上させることで、より正確に切削工具刃先の損傷状態を判定することができる（工具損傷検知システムにおける）切削工具刃先撮影システムを提供することができるようになった。

【0031】

工具刃先を撮影するための撮影用カメラ１０のレンズにテレセントリックレンズを設置し、工具刃先に向けて照射をするための、二個の照明装置Ａ、照明装置Ｂの配置を工夫することで、即ち、照明装置Ａは、撮影用カメラ１０の向きに対して２０°～４０°の角度で工具刃先が照射されるように設置し、照明装置Ｂは、撮影用カメラ１０の向きに対して８０°～１００°の角度で工具刃先が照射されるように設置することで、切削工具刃先の損傷状態を判断するための画像の品質を向上させることで、より正確に切削工具刃先の損傷状態を判定することができる（工具損傷検知システムにおける）切削工具刃先撮影システムを提供することができるようになった。

【0032】

＜切削工具刃先撮影システムの変更例＞
本発明に係る切削工具刃先撮影システムは、上記した各実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、撮影用カメラ、照明装置等の構成を本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、照明においても、同様に主光線がコリメートされて光軸に対して平行になるという概念（テレセントリック照明）がある。照明装置をテレセントリック照明にすることで、高コントラストなシルエット画像を形成することができる。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本発明に係る切削工具刃先撮影システムは、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、切削工具刃先の損傷状態が、使用可能状態か、使用不可能状態かをＡＩに判定させる工具損傷検知システムを備えた工作機械の切削工具刃先撮影するシステムとして好適に用いることができる。

【符号の説明】

【0034】

１０・・撮影用カメラ（テレセントリックレンズを備える）
２０・・照明装置Ａ
３０・・照明装置Ｂ
４０・・切削工具刃先（ホーニング部）
５０・・すくい面
６０・・逃げ面
７０・・切れ刃

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】