专利名称：刀具分析装置和方法
技术领域：
本发明涉及能够用于在刀具与机床一起使用的过程中分析刀具的一种装置和方法，该装置和方法特别用于确定刀具的位置，但并非仅用于此。
背景技术：
采用阻断光束系统的用于确定刀具位置的调刀装置是公知的。EP1050368 A1详细描述了具有光发射器和接收器的一种系统。该发射器产生光束，而接收器具有在探测到光束的阻挡时产生信号的电路。当达到预定水平的光束阻挡例如50％时，则降低来自接收器的信号强度以便产生触发信号。当刀具出现在光束路径中时产生触发信号。
必须回转带齿的切削刀具，以便确定其切削直径。通常刀具会具有至少两个齿，其中一个齿比另一个齿高，从而所述一个齿将限定比所述另一个齿大的直径。当将刀具带进光束路径时，最高的齿可以在任意点处，从而触发信号的重复性将变化。例如，如果以1500rpm回转的刀具以6mm/min移向光束，则每转走刀量将是6÷1500，即等于0.004mm。因此，触发信号的重复性将几乎等于4微米，因为最大的齿可能在该每转走刀量距离内的任何地方阻断光束。该测量的每转走刀量限制了刀具能够被驱动进入光束的速度，从而使探测速率变慢。为迅速操作机床，需要使探测速度最大化，而需要使重复性最大化又要求较慢的进给速率。
增加探测速度的一种已知的方式是将刀具迅速移向调刀装置，一旦被探测到就后退，然后缓慢移动以确定刀具的位置。该程序虽然节省了一些时间，但仍是相对费时的。
发明内容
根据第一个方面，本发明提供一种用在机床上的刀具分析装置，包括光发射器和光接收器，光接收器在使用时接收来自发射器的光，并产生指示接收光量的信号，其中该装置还包括转换器，该转换器用于提供具有对接收器所产生信号的数字表示的数据，该装置还包括处理器，该处理器用于处理这些数据，并用于在这些数据符合预定条件时产生输出。
该处理器可以是数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器可运行以根据算法处理数据。
根据第二个方面，本发明提供一种处理模拟信号的方法，该模拟信号由射到用在机床上的刀具分析装置的光接收器上的光产生，该方法包括步骤将模拟信号转换成具有代表该信号的数字形式的数据；和根据算法处理这些数据。
优选地，该方法还提供步骤当数据符合预定条件时，受算法指示而产生输出信号。
优选地，该方法采用DSP处理数据，并在DSP内执行算法。
根据两个方面，该预定条件都可以是当射到光接收器上的光以一定方式改变时得到的数据，其改变方式例如是刀具的齿暂时移入射在光接收器的光中并随后移出，或者一系列符合预定图案的这种事件。该图案可以是这样的该光量的偏移，或者是那些偏移幅度内的可定义的改变，例如从一个偏移到下一个偏移的幅度的减小；或者是一个极大，其随后为一个极小，再随后为该幅度内的另一个极大。
现在将参考附图详细描述本发明的实施例，其中图1表示阻断光束型刀具探测器和相关的部件；图2表示图1所示阻断光束型刀具探测器的元件的示意图；图3表示与本发明一起使用的算法的流程图；图4、5、6、7和8表示在图1所示探测器的使用过程中产生的信号的简化图示；图9-14表示在图1所示类型的探测器的使用过程中得到的光接收器与时间对应的实际输出。
具体实施例方式
图1表示阻断光束型刀具探测器5。该探测器适于用在计算机控制的机床(通常称为CNC)上，该机床具有机床控制器56、刀具50、刀夹52，还可能具有自动换刀装置54。
刀具探测器5包括在发射器部分10处的激光发射器12(在该示例中采用红外光)、在接收器部分30处的光接收器34、和用于安装发射器与接收器部分的底座40。在使用时产生能够被刀具50阻挡的光束20。还采用附加电路32以处理光接收器34发出的信号。尽管所示电路在接收器部分30中，该电路的一部分或全部可以设置在探测器外，例如作为PC接口卡。图2更详细地示出了该电路32。采用光电二极管作为光探测器34。来自光电二极管的模拟信号在放大器31处被放大，然后被模数转换器(A-D)33采样。采样速率约为45KHz，但不一定取该值。采样需要数字信号处理器(DSP)，该处理器执行连续循环算法，该算法需要每个循环采样一次。DSP能够并行处理，从而非常迅速地执行其任务。所采用的算法执行图3所示步骤并能够复位。实际上会出现背景噪声，而这会被DSP采样。当光束被例如刀具阻挡时，来自接收器34的信号将改变，从而也将被依次采样。该算法能够在数据符合预定条件时引起输出。
在刀具探测之前，探测器探测一个校准销。在该示例中的销尺寸类似于待探测的刀具，通过在CNC中运行的一个程序以大约4mm/s的进给速率将该销带进光束20。该销可以是回转的或非回转的。光接收器输出将跟随与图4所示曲线类似的曲线。该曲线图表示与时间对应的伏特V形式的接收器输出。直线n代表没有任何光束阻挡时接收器输出的名义高电压。当将该销带进光束时，观测到由于衍射而引起输出V的振荡，然后随着来自光束的越来越少的光射到接收器上，电压沿着曲线c降低并最终下降到零。特别地，当光束开始受阻挡时，观测到电压的显著增长p。在该校准过程中的电压通过DSP进行处理而变成数字信息，该数字信息代表光接收器34的模拟输出。该曲线作为一种数字表示而存储在DSP的存储器中，下面将该曲线称为校准曲线c。可以存储一个以上的曲线。
当将刀具50以大约与销相同的进给速率带进光束时，尽管刀具50是回转的，但其具有的齿将暂时遮住光束的一部分，而这些齿引起来自接收器34的信号的电压偏移s，如图5所示。
已经发现图5所示偏移的极小和极大大致位于校准曲线c上。图5所示曲线图是理想形式的曲线图，实际上将观测到远比所示更多的干扰或噪音。但是，不管噪音存在与否，所示电压偏移总会出现。为简化起见而示出了较少的偏移，但是，实际上有比所示更多的偏移，因为刀具将回转得比示例的刀具更快，从而将观测到更多对光束的干扰。这些附加的偏移也将具有大致位于校准曲线c上的极小和极大。
出现的偏移在形状上将不同，其形状取决于刀具类型，但是极小和极大仍位于校准曲线c上。
图6示出了另一组偏移。该曲线图示出了当将一个两齿切削刀具带进光束时得到的电压偏移，该两齿切削刀具的一个齿比另一个齿高。在该示例中形成两组电压偏移s和s′，s′滞后于s。这些组s和s′中的每一组都具有位于相应的校准曲线c或c′上的极小和极大。
而图7示出了另一组偏移。除了偏移s外，该曲线图还示出了当光束20被机床冷却液或切屑等材料遮住时出现的冷却液滴下等d。这些乱真信号d不符合任何图案或曲线，而且随机地产生。
在图5、6和7的每一个曲线图中，当忽略背景噪声和乱真信号d时，有利于DSP处理一组可识别的电压偏移s。
现在，在本发明的该实施例中，采用图2示意性示出的电路对来自光接收器的电压信号进行调节。信号放大器31对模拟信号进行放大并将其传递到A-D 33。在该示例中的A-D能够以96KHz的采样速率工作，但是如图3所示，驱动A-D以通过下游的DSP 35收集每次采样。一旦经过处理，采样的信号就能够用于例如触发以触发开关37为形式的输出，从而例如指示已经发现刀具的边缘。
在该示例中，所述预定条件是当光束被刀具阻挡时得到的数据。
可以以许多方式执行DSP对数字化信号所进行的处理。DSP是执行这种处理的理想装置，因为它很快并实时处理数据，从而使得较短的响应时间成为可能。
处理采样数据的一种方法包括为图4所示的校准曲线c导出一个多项式，例如三次式；并使得在该装置使用过程中得到的电压偏移s的极小和极大与该曲线在容限内拟合。如果已经识别出在预定时间周期内与该曲线拟合的四个极小值和极大值(可以采用更多个)，则DSP向开关37发送触发信号，从而能够向机床控制器56发出24V的跳跃信号。机床控制器能够使用该信号确定刀具边缘的位置，从而确定其有效切削路径。
或者可以生成一个近似的直线或多项式，采用那些极小作为该直线上的点。不需要任何校准曲线，但最好能够预先确定阈值，当计算出该直线或多项式曲线已经穿越(或外插时将要穿越)该阈值时，就产生触发信号。可以在DSP中重复执行直线生成所需的计算。如果采用多于最小数目的点，则能够提高估算的阈值穿越点的精度。可以采用梯度法来确定极小或极大，并从而确定阈值。如果需要的话，也可以采用增长p来预测阈值穿越。
在上面刚提到的技术的使用过程中，液滴或类似的东西对光束的阻挡可能引起错误读数。有许多方式可以忽略这些错误读数。一种这样的方式是寻找来自接收器34的周期性电压偏移，然后在预期发生下一个偏移的时刻左右打开时间周期。信号的数字化将只在该周期内进行。因此，在该周期内滴下发生的机率将相对较小。
排除液滴等的影响另一种方式是将值位于一个带外侧的任何电压偏移极小或极大排除，在该带内预期将发生预定曲线的下一个逐次值。
处理采样数据的上述示例可以用于非回转或回转刀具探测，包括探测回转钻头等的长度，当在轴线上将回转钻头等带进光束时可能看来像是非回转的。
对来自回转刀具边缘的采样数据进行处理的另一种方法是寻找具有明显特征的电压偏移。一种这样的电压偏移的详图如图8所示。对于特定的信号，当切削刀具的齿阻挡光束时电压的偏移具有由光学效应引起的明显形状。只有当回转部分进入和离开光束时才出现该形状。通过在DSP中运行算法可以探测该明显形状。该算法将寻找一个相对较高的振幅极大值h，其随后为一个相对较高的振幅极小值s，其随后为另一个相对较高的振幅极大值h。该偏移的极小和随后的类似偏移的极小能够被确定为齿边缘偏移，从而能够用于形成能拟合为多项式的曲线。对于这种方法不需要任何校准曲线。
上述特征形状可以是极小-极大-极小以及所述的极大-极小-极大。
当探测回转刀具时排除液滴影响的一种方法是忽略不具有预期明显特征的电压偏移，即不具有如图8所示的极小-极大-极小或极大-极小-极大的电压偏移。
上述用于确定刀具位置的技术依靠计算当齿阻挡光束时出现的电压偏移s的极小和极大。有许多公知的技术用于从可能采用的极小或极大的两侧估算曲线的平坡部分。
图9表示从图1所示类型的刀具探测器的输出采样到的实际信号的曲线图。在该曲线图中，沿着V轴的一个方格代表1伏特，沿着时间轴的一个方格代表大约25ms。
已经将一个校准销带进光束并已经产生图4所示简化形式的特征曲线c。名义电压n为5.5V，在完全阻挡时，接收器电压下降到零。
图10表示从刀具探测器的输出采样到的实际信号的曲线图。在该曲线图中，将回转刀具(12mm的槽钻)带进探测器光束，当其齿阻挡光束时，这些齿已经产生该信号。该曲线图的方格代表1伏特和大约120毫秒。叠加在该曲线图上的是与图9的曲线c接近的一个曲线c。
在沿着该曲线的点F11到F14处的各种典型形状的数据图分别在图11到14中更详细地示出。在图11-14所示的每个曲线图中，一个方格代表0.5V和大约5毫秒。
在图12中，阻挡信号仍在其振荡相位并具有极小-极大-极小的形状。在图12中，在极大处形成波谷，从而形成极小、极大、极小、极大、极小的形状。在图13中，中间的波谷变得较大。在图14处波谷大于其它信号。图14中的信号是上面提到的极大-极小-极大的信号，该信号具有能够被识别并能够区别于其它乱真信号的明显形状。
沿着刀具回转轴线被带进光束的刀具，例如尖端首先被带进的钻头也具有这种特征的“c”形。
因此可以看出通过在DSP中的算法探测到的电压偏移随着刀具逐渐进入光束而形成。如上所述，有许多方式可以将采样数据用于确定触发点。
图8所示极大-极小-极大的信号随着刀具移入光束而逐渐改变。极大-极小-极大的极大峰值之间的时间t随着刀具逐渐进入光束而增加。在图5中时间t也示为t1、t2、t3、t4、t5等。该增加(或刀具离开光束时的减小)能够通过DSP来确定，并用于确定刀具在何处与光束发生关系。这样，对于图8所示可识别的极大-极小-极大的信号，能够在到达特定时间t时设置触发阈值。如果t的增长率随着刀具逐渐进入而确定，则已知刀具相对于光束的速度时将能够确定其它刀具特征，例如刀具几何形状。如果对于给定的刀具行程确定了t的改变，则在恒定的刀具角速度下能够确定刀具直径。
已经发现即使光束中的刀具或阻碍物在进入光束时不是回转的，图4-14所示的曲线c也跟随所示的明显形状。因此，通过DSP中的算法，例如通过确定渐进极小值(图8中的s)能够探测到这样的一个形状。不一定要在刀具分析之前生成校准曲线(图4中的c)，因为该曲线将跟随极小值的可识别路径。
因此可以看出，有许多方式可以使从接收器34导出的数据符合一个预定条件，该预定条件指示刀具存在于光束20中，该预定条件例如许多重复信号，例如具有特征外形的极大、极小、极大。
曲线c的形状可以符合校准曲线或具有预期的形状；时间t(图8)可以变化从而能够对刀具位置作出预测；或可以遇到连续的峰值h(图8)。
在所述实施例中已采用DSP，但是还存在许多替换物。执行对数字化信号的处理可以采用例如现场可编程门阵列；专用集成电路；或通用微处理器，例如PIC或基于PC的系统。
所示刀具探测器为阻断光束型，但是也可以是反射型。
可以探测刀具的边缘，例如侧面或端部。通常，将为待探测的每个边缘都生成一个校准曲线，但是这样的一个曲线对边缘探测而言不是必须的。
这些曲线图一般表示光接收器的电压输出，但是可以使用任何其它变量。电压等可以不完全下降到零，特别是在要探测很小的刀具且只有一部分光束被阻挡的情况下。
除了在刀具进入光束时以外，还可以在刀具从光束中出来时作出探测。在这种情形下，上面详述的效果将相反。不必为探测待探测的刀具或其它零件而使其回转。
如上所述，电压偏移或变量偏移的极小或极大可以拟合为曲线或简单地用于绘制直线。在这两种情况下都能够设置相当于电压(等)阈值的触发点。
权利要求
1.一种用在机床上的刀具分析装置，包括光发射器和光接收器，光接收器在使用中接收来自发射器的光，并产生指示接收到的光量的信号，其中该装置还包括转换器，该转换器用于提供对接收器所产生信号的具有数字表示的数据，该装置还包括处理器，该处理器用于处理该数据，并在该数据符合预定条件时产生输出。
2.如权利要求1所述的装置，其中预定条件是代表着一次或多次出现以下情形的数据，该情形为在接收器处接收的来自发射器的光量增加，随后该光量减少，再随后该光量再次增加。
3.如权利要求1所述的装置，其中预定条件是代表着在接收器处接收的来自发射器的光量的一连串减小的数据，该光量减小的极小值大致符合处理器所预期类型的曲线。
4.如权利要求1所述的装置，其中预定条件是代表着在接收器处接收的来自发射器的光量发生增加或减少之间的时间里的变化的数据。
5.如权利要求1所述的装置，其中预定条件是代表着在接收器处接收的来自发射器的光量的增加处于发射器所预期水平之上的数据。
6.如前述权利要求中的任一权利要求所述的装置，其中处理器是数字信号处理器，该数字信号处理器能够运行以根据算法连续处理数据。
7.一种处理模拟信号的方法，该模拟信号由射到用在机床上的刀具分析装置的光接收器上的光产生，该方法包括以下步骤将模拟信号转换成代表该信号的具有数字形式的数据；和根据算法处理该数据。
8.如权利要求7所述的方法，其中该方法还包括以下步骤当数据符合预定条件时，受算法指示而产生输出信号。
9.如权利要求8所述的方法，其中预定条件是代表一次或多次出现以下情形的数据，该情形为在接收器处接收的来自发射器的光量增加，随后该光量减少，再随后该光量再次增加。
10.如权利要求8所述的方法，其中预定条件是代表着在接收器处接收的来自发射器的光量的一连串减小的数据，该光量减小的极小值大致符合处理器所预期类型的曲线。
11.如权利要求8所述的方法，其中预定条件是代表着在接收器处接收的来自发射器的光量发生增加或减少之间的时间里的变化的数据。
12.如权利要求8所述的方法，其中预定条件是代表着在接收器处接收的来自发射器的光量的增加处于发射器所预期水平之上的数据。
全文摘要
本发明涉及用于分析例如用在机床上的刀具(50)的一种装置和方法。刀具探测器(5)包括光发射器(12)和光接收器(34)。当刀具(50)逐渐进入发射器(12)所发射光的光束(20)时，刀具(50)将使得来自接收器的信号改变。电路(32)包括数字信号处理器，该数字信号处理器处理来自接收器的信号，并只有在该信号符合预定条件时才产生输出。优选地，该预定条件可以是例如来自接收器的信号的特征形状；从一连串这种信号导出的值的改变；或来自接收器的一连串信号的极小值或极大值的改变。
文档编号B23Q17/09GK1729080SQ200380107102
公开日2006年2月1日 申请日期2003年12月18日 优先权日2002年12月19日
发明者沙伦·安·阿什顿, 维克多·戈登·斯廷普森, 乔纳森·保罗·佛格, 大卫·罗伯茨·麦克默特里 申请人:瑞尼斯豪公司