專利名稱：刀具分析裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能夠用于在刀具與機床一起使用的過程中分析刀具的一種裝置和方法，該裝置和方法特別用于確定刀具的位置，但并非僅用于此。
背景技術：
采用阻斷光束系統(tǒng)的用于確定刀具位置的調(diào)刀裝置是公知的。EP1050368 A1詳細描述了具有光發(fā)射器和接收器的一種系統(tǒng)。該發(fā)射器產(chǎn)生光束，而接收器具有在探測到光束的阻擋時產(chǎn)生信號的電路。當達到預定水平的光束阻擋例如50％時，則降低來自接收器的信號強度以便產(chǎn)生觸發(fā)信號。當?shù)毒叱霈F(xiàn)在光束路徑中時產(chǎn)生觸發(fā)信號。
必須回轉帶齒的切削刀具，以便確定其切削直徑。通常刀具會具有至少兩個齒，其中一個齒比另一個齒高，從而所述一個齒將限定比所述另一個齒大的直徑。當將刀具帶進光束路徑時，最高的齒可以在任意點處，從而觸發(fā)信號的重復性將變化。例如，如果以1500rpm回轉的刀具以6mm/min移向光束，則每轉走刀量將是6÷1500，即等于0.004mm。因此，觸發(fā)信號的重復性將幾乎等于4微米，因為最大的齒可能在該每轉走刀量距離內(nèi)的任何地方阻斷光束。該測量的每轉走刀量限制了刀具能夠被驅動進入光束的速度，從而使探測速率變慢。為迅速操作機床，需要使探測速度最大化，而需要使重復性最大化又要求較慢的進給速率。
增加探測速度的一種已知的方式是將刀具迅速移向調(diào)刀裝置，一旦被探測到就后退，然后緩慢移動以確定刀具的位置。該程序雖然節(jié)省了一些時間，但仍是相對費時的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一個方面，本發(fā)明提供一種用在機床上的刀具分析裝置，包括光發(fā)射器和光接收器，光接收器在使用時接收來自發(fā)射器的光，并產(chǎn)生指示接收光量的信號，其中該裝置還包括轉換器，該轉換器用于提供具有對接收器所產(chǎn)生信號的數(shù)字表示的數(shù)據(jù)，該裝置還包括處理器，該處理器用于處理這些數(shù)據(jù)，并用于在這些數(shù)據(jù)符合預定條件時產(chǎn)生輸出。
該處理器可以是數(shù)字信號處理器(DSP)，該數(shù)字信號處理器可運行以根據(jù)算法處理數(shù)據(jù)。
根據(jù)第二個方面，本發(fā)明提供一種處理模擬信號的方法，該模擬信號由射到用在機床上的刀具分析裝置的光接收器上的光產(chǎn)生，該方法包括步驟將模擬信號轉換成具有代表該信號的數(shù)字形式的數(shù)據(jù)；和根據(jù)算法處理這些數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，該方法還提供步驟當數(shù)據(jù)符合預定條件時，受算法指示而產(chǎn)生輸出信號。
優(yōu)選地，該方法采用DSP處理數(shù)據(jù)，并在DSP內(nèi)執(zhí)行算法。
根據(jù)兩個方面，該預定條件都可以是當射到光接收器上的光以一定方式改變時得到的數(shù)據(jù)，其改變方式例如是刀具的齒暫時移入射在光接收器的光中并隨后移出，或者一系列符合預定圖案的這種事件。該圖案可以是這樣的該光量的偏移，或者是那些偏移幅度內(nèi)的可定義的改變，例如從一個偏移到下一個偏移的幅度的減小；或者是一個極大，其隨后為一個極小，再隨后為該幅度內(nèi)的另一個極大。


現(xiàn)在將參考附圖詳細描述本發(fā)明的實施例，其中圖1表示阻斷光束型刀具探測器和相關的部件；圖2表示圖1所示阻斷光束型刀具探測器的元件的示意圖；圖3表示與本發(fā)明一起使用的算法的流程圖；圖4、5、6、7和8表示在圖1所示探測器的使用過程中產(chǎn)生的信號的簡化圖示；圖9-14表示在圖1所示類型的探測器的使用過程中得到的光接收器與時間對應的實際輸出。
具體實施例方式
圖1表示阻斷光束型刀具探測器5。該探測器適于用在計算機控制的機床(通常稱為CNC)上，該機床具有機床控制器56、刀具50、刀夾52，還可能具有自動換刀裝置54。
刀具探測器5包括在發(fā)射器部分10處的激光發(fā)射器12(在該示例中采用紅外光)、在接收器部分30處的光接收器34、和用于安裝發(fā)射器與接收器部分的底座40。在使用時產(chǎn)生能夠被刀具50阻擋的光束20。還采用附加電路32以處理光接收器34發(fā)出的信號。盡管所示電路在接收器部分30中，該電路的一部分或全部可以設置在探測器外，例如作為PC接口卡。圖2更詳細地示出了該電路32。采用光電二極管作為光探測器34。來自光電二極管的模擬信號在放大器31處被放大，然后被模數(shù)轉換器(A-D)33采樣。采樣速率約為45KHz，但不一定取該值。采樣需要數(shù)字信號處理器(DSP)，該處理器執(zhí)行連續(xù)循環(huán)算法，該算法需要每個循環(huán)采樣一次。DSP能夠并行處理，從而非常迅速地執(zhí)行其任務。所采用的算法執(zhí)行圖3所示步驟并能夠復位。實際上會出現(xiàn)背景噪聲，而這會被DSP采樣。當光束被例如刀具阻擋時，來自接收器34的信號將改變，從而也將被依次采樣。該算法能夠在數(shù)據(jù)符合預定條件時引起輸出。
在刀具探測之前，探測器探測一個校準銷。在該示例中的銷尺寸類似于待探測的刀具，通過在CNC中運行的一個程序以大約4mm/s的進給速率將該銷帶進光束20。該銷可以是回轉的或非回轉的。光接收器輸出將跟隨與圖4所示曲線類似的曲線。該曲線圖表示與時間對應的伏特V形式的接收器輸出。直線n代表沒有任何光束阻擋時接收器輸出的名義高電壓。當將該銷帶進光束時，觀測到由于衍射而引起輸出V的振蕩，然后隨著來自光束的越來越少的光射到接收器上，電壓沿著曲線c降低并最終下降到零。特別地，當光束開始受阻擋時，觀測到電壓的顯著增長p。在該校準過程中的電壓通過DSP進行處理而變成數(shù)字信息，該數(shù)字信息代表光接收器34的模擬輸出。該曲線作為一種數(shù)字表示而存儲在DSP的存儲器中，下面將該曲線稱為校準曲線c?？梢源鎯σ粋€以上的曲線。
當將刀具50以大約與銷相同的進給速率帶進光束時，盡管刀具50是回轉的，但其具有的齒將暫時遮住光束的一部分，而這些齒引起來自接收器34的信號的電壓偏移s，如圖5所示。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)圖5所示偏移的極小和極大大致位于校準曲線c上。圖5所示曲線圖是理想形式的曲線圖，實際上將觀測到遠比所示更多的干擾或噪音。但是，不管噪音存在與否，所示電壓偏移總會出現(xiàn)。為簡化起見而示出了較少的偏移，但是，實際上有比所示更多的偏移，因為刀具將回轉得比示例的刀具更快，從而將觀測到更多對光束的干擾。這些附加的偏移也將具有大致位于校準曲線c上的極小和極大。
出現(xiàn)的偏移在形狀上將不同，其形狀取決于刀具類型，但是極小和極大仍位于校準曲線c上。
圖6示出了另一組偏移。該曲線圖示出了當將一個兩齒切削刀具帶進光束時得到的電壓偏移，該兩齒切削刀具的一個齒比另一個齒高。在該示例中形成兩組電壓偏移s和s′，s′滯后于s。這些組s和s′中的每一組都具有位于相應的校準曲線c或c′上的極小和極大。
而圖7示出了另一組偏移。除了偏移s外，該曲線圖還示出了當光束20被機床冷卻液或切屑等材料遮住時出現(xiàn)的冷卻液滴下等d。這些亂真信號d不符合任何圖案或曲線，而且隨機地產(chǎn)生。
在圖5、6和7的每一個曲線圖中，當忽略背景噪聲和亂真信號d時，有利于DSP處理一組可識別的電壓偏移s。
現(xiàn)在，在本發(fā)明的該實施例中，采用圖2示意性示出的電路對來自光接收器的電壓信號進行調(diào)節(jié)。信號放大器31對模擬信號進行放大并將其傳遞到A-D 33。在該示例中的A-D能夠以96KHz的采樣速率工作，但是如圖3所示，驅動A-D以通過下游的DSP 35收集每次采樣。一旦經(jīng)過處理，采樣的信號就能夠用于例如觸發(fā)以觸發(fā)開關37為形式的輸出，從而例如指示已經(jīng)發(fā)現(xiàn)刀具的邊緣。
在該示例中，所述預定條件是當光束被刀具阻擋時得到的數(shù)據(jù)。
可以以許多方式執(zhí)行DSP對數(shù)字化信號所進行的處理。DSP是執(zhí)行這種處理的理想裝置，因為它很快并實時處理數(shù)據(jù)，從而使得較短的響應時間成為可能。
處理采樣數(shù)據(jù)的一種方法包括為圖4所示的校準曲線c導出一個多項式，例如三次式；并使得在該裝置使用過程中得到的電壓偏移s的極小和極大與該曲線在容限內(nèi)擬合。如果已經(jīng)識別出在預定時間周期內(nèi)與該曲線擬合的四個極小值和極大值(可以采用更多個)，則DSP向開關37發(fā)送觸發(fā)信號，從而能夠向機床控制器56發(fā)出24V的跳躍信號。機床控制器能夠使用該信號確定刀具邊緣的位置，從而確定其有效切削路徑。
或者可以生成一個近似的直線或多項式，采用那些極小作為該直線上的點。不需要任何校準曲線，但最好能夠預先確定閾值，當計算出該直線或多項式曲線已經(jīng)穿越(或外插時將要穿越)該閾值時，就產(chǎn)生觸發(fā)信號。可以在DSP中重復執(zhí)行直線生成所需的計算。如果采用多于最小數(shù)目的點，則能夠提高估算的閾值穿越點的精度。可以采用梯度法來確定極小或極大，并從而確定閾值。如果需要的話，也可以采用增長p來預測閾值穿越。
在上面剛提到的技術的使用過程中，液滴或類似的東西對光束的阻擋可能引起錯誤讀數(shù)。有許多方式可以忽略這些錯誤讀數(shù)。一種這樣的方式是尋找來自接收器34的周期性電壓偏移，然后在預期發(fā)生下一個偏移的時刻左右打開時間周期。信號的數(shù)字化將只在該周期內(nèi)進行。因此，在該周期內(nèi)滴下發(fā)生的機率將相對較小。
排除液滴等的影響另一種方式是將值位于一個帶外側的任何電壓偏移極小或極大排除，在該帶內(nèi)預期將發(fā)生預定曲線的下一個逐次值。
處理采樣數(shù)據(jù)的上述示例可以用于非回轉或回轉刀具探測，包括探測回轉鉆頭等的長度，當在軸線上將回轉鉆頭等帶進光束時可能看來像是非回轉的。
對來自回轉刀具邊緣的采樣數(shù)據(jù)進行處理的另一種方法是尋找具有明顯特征的電壓偏移。一種這樣的電壓偏移的詳圖如圖8所示。對于特定的信號，當切削刀具的齒阻擋光束時電壓的偏移具有由光學效應引起的明顯形狀。只有當回轉部分進入和離開光束時才出現(xiàn)該形狀。通過在DSP中運行算法可以探測該明顯形狀。該算法將尋找一個相對較高的振幅極大值h，其隨后為一個相對較高的振幅極小值s，其隨后為另一個相對較高的振幅極大值h。該偏移的極小和隨后的類似偏移的極小能夠被確定為齒邊緣偏移，從而能夠用于形成能擬合為多項式的曲線。對于這種方法不需要任何校準曲線。
上述特征形狀可以是極小-極大-極小以及所述的極大-極小-極大。
當探測回轉刀具時排除液滴影響的一種方法是忽略不具有預期明顯特征的電壓偏移，即不具有如圖8所示的極小-極大-極小或極大-極小-極大的電壓偏移。
上述用于確定刀具位置的技術依靠計算當齒阻擋光束時出現(xiàn)的電壓偏移s的極小和極大。有許多公知的技術用于從可能采用的極小或極大的兩側估算曲線的平坡部分。
圖9表示從圖1所示類型的刀具探測器的輸出采樣到的實際信號的曲線圖。在該曲線圖中，沿著V軸的一個方格代表1伏特，沿著時間軸的一個方格代表大約25ms。
已經(jīng)將一個校準銷帶進光束并已經(jīng)產(chǎn)生圖4所示簡化形式的特征曲線c。名義電壓n為5.5V，在完全阻擋時，接收器電壓下降到零。
圖10表示從刀具探測器的輸出采樣到的實際信號的曲線圖。在該曲線圖中，將回轉刀具(12mm的槽鉆)帶進探測器光束，當其齒阻擋光束時，這些齒已經(jīng)產(chǎn)生該信號。該曲線圖的方格代表1伏特和大約120毫秒。疊加在該曲線圖上的是與圖9的曲線c接近的一個曲線c。
在沿著該曲線的點F11到F14處的各種典型形狀的數(shù)據(jù)圖分別在圖11到14中更詳細地示出。在圖11-14所示的每個曲線圖中，一個方格代表0.5V和大約5毫秒。
在圖12中，阻擋信號仍在其振蕩相位并具有極小-極大-極小的形狀。在圖12中，在極大處形成波谷，從而形成極小、極大、極小、極大、極小的形狀。在圖13中，中間的波谷變得較大。在圖14處波谷大于其它信號。圖14中的信號是上面提到的極大-極小-極大的信號，該信號具有能夠被識別并能夠區(qū)別于其它亂真信號的明顯形狀。
沿著刀具回轉軸線被帶進光束的刀具，例如尖端首先被帶進的鉆頭也具有這種特征的“c”形。
因此可以看出通過在DSP中的算法探測到的電壓偏移隨著刀具逐漸進入光束而形成。如上所述，有許多方式可以將采樣數(shù)據(jù)用于確定觸發(fā)點。
圖8所示極大-極小-極大的信號隨著刀具移入光束而逐漸改變。極大-極小-極大的極大峰值之間的時間t隨著刀具逐漸進入光束而增加。在圖5中時間t也示為t1、t2、t3、t4、t5等。該增加(或刀具離開光束時的減小)能夠通過DSP來確定，并用于確定刀具在何處與光束發(fā)生關系。這樣，對于圖8所示可識別的極大-極小-極大的信號，能夠在到達特定時間t時設置觸發(fā)閾值。如果t的增長率隨著刀具逐漸進入而確定，則已知刀具相對于光束的速度時將能夠確定其它刀具特征，例如刀具幾何形狀。如果對于給定的刀具行程確定了t的改變，則在恒定的刀具角速度下能夠確定刀具直徑。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使光束中的刀具或阻礙物在進入光束時不是回轉的，圖4-14所示的曲線c也跟隨所示的明顯形狀。因此，通過DSP中的算法，例如通過確定漸進極小值(圖8中的s)能夠探測到這樣的一個形狀。不一定要在刀具分析之前生成校準曲線(圖4中的c)，因為該曲線將跟隨極小值的可識別路徑。
因此可以看出，有許多方式可以使從接收器34導出的數(shù)據(jù)符合一個預定條件，該預定條件指示刀具存在于光束20中，該預定條件例如許多重復信號，例如具有特征外形的極大、極小、極大。
曲線c的形狀可以符合校準曲線或具有預期的形狀；時間t(圖8)可以變化從而能夠對刀具位置作出預測；或可以遇到連續(xù)的峰值h(圖8)。
在所述實施例中已采用DSP，但是還存在許多替換物。執(zhí)行對數(shù)字化信號的處理可以采用例如現(xiàn)場可編程門陣列；專用集成電路；或通用微處理器，例如PIC或基于PC的系統(tǒng)。
所示刀具探測器為阻斷光束型，但是也可以是反射型。
可以探測刀具的邊緣，例如側面或端部。通常，將為待探測的每個邊緣都生成一個校準曲線，但是這樣的一個曲線對邊緣探測而言不是必須的。
這些曲線圖一般表示光接收器的電壓輸出，但是可以使用任何其它變量。電壓等可以不完全下降到零，特別是在要探測很小的刀具且只有一部分光束被阻擋的情況下。
除了在刀具進入光束時以外，還可以在刀具從光束中出來時作出探測。在這種情形下，上面詳述的效果將相反。不必為探測待探測的刀具或其它零件而使其回轉。
如上所述，電壓偏移或變量偏移的極小或極大可以擬合為曲線或簡單地用于繪制直線。在這兩種情況下都能夠設置相當于電壓(等)閾值的觸發(fā)點。
權利要求
1.一種用在機床上的刀具分析裝置，包括光發(fā)射器和光接收器，光接收器在使用中接收來自發(fā)射器的光，并產(chǎn)生指示接收到的光量的信號，其中該裝置還包括轉換器，該轉換器用于提供對接收器所產(chǎn)生信號的具有數(shù)字表示的數(shù)據(jù)，該裝置還包括處理器，該處理器用于處理該數(shù)據(jù)，并在該數(shù)據(jù)符合預定條件時產(chǎn)生輸出。
2.如權利要求1所述的裝置，其中預定條件是代表著一次或多次出現(xiàn)以下情形的數(shù)據(jù)，該情形為在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量增加，隨后該光量減少，再隨后該光量再次增加。
3.如權利要求1所述的裝置，其中預定條件是代表著在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量的一連串減小的數(shù)據(jù)，該光量減小的極小值大致符合處理器所預期類型的曲線。
4.如權利要求1所述的裝置，其中預定條件是代表著在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量發(fā)生增加或減少之間的時間里的變化的數(shù)據(jù)。
5.如權利要求1所述的裝置，其中預定條件是代表著在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量的增加處于發(fā)射器所預期水平之上的數(shù)據(jù)。
6.如前述權利要求中的任一權利要求所述的裝置，其中處理器是數(shù)字信號處理器，該數(shù)字信號處理器能夠運行以根據(jù)算法連續(xù)處理數(shù)據(jù)。
7.一種處理模擬信號的方法，該模擬信號由射到用在機床上的刀具分析裝置的光接收器上的光產(chǎn)生，該方法包括以下步驟將模擬信號轉換成代表該信號的具有數(shù)字形式的數(shù)據(jù)；和根據(jù)算法處理該數(shù)據(jù)。
8.如權利要求7所述的方法，其中該方法還包括以下步驟當數(shù)據(jù)符合預定條件時，受算法指示而產(chǎn)生輸出信號。
9.如權利要求8所述的方法，其中預定條件是代表一次或多次出現(xiàn)以下情形的數(shù)據(jù)，該情形為在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量增加，隨后該光量減少，再隨后該光量再次增加。
10.如權利要求8所述的方法，其中預定條件是代表著在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量的一連串減小的數(shù)據(jù)，該光量減小的極小值大致符合處理器所預期類型的曲線。
11.如權利要求8所述的方法，其中預定條件是代表著在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量發(fā)生增加或減少之間的時間里的變化的數(shù)據(jù)。
12.如權利要求8所述的方法，其中預定條件是代表著在接收器處接收的來自發(fā)射器的光量的增加處于發(fā)射器所預期水平之上的數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于分析例如用在機床上的刀具(50)的一種裝置和方法。刀具探測器(5)包括光發(fā)射器(12)和光接收器(34)。當?shù)毒?50)逐漸進入發(fā)射器(12)所發(fā)射光的光束(20)時，刀具(50)將使得來自接收器的信號改變。電路(32)包括數(shù)字信號處理器，該數(shù)字信號處理器處理來自接收器的信號，并只有在該信號符合預定條件時才產(chǎn)生輸出。優(yōu)選地，該預定條件可以是例如來自接收器的信號的特征形狀；從一連串這種信號導出的值的改變；或來自接收器的一連串信號的極小值或極大值的改變。
文檔編號B23Q17/09GK1729080SQ200380107102
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月18日 優(yōu)先權日2002年12月19日
發(fā)明者沙倫·安·阿什頓, 維克多·戈登·斯廷普森, 喬納森·保羅·佛格, 大衛(wèi)·羅伯茨·麥克默特里 申請人:瑞尼斯豪公司