工具检测的制作方法

专利名称：工具检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如机床上所用切削工具的物体的检测。具体来说，本 发明涉及确定切削工具的直径及其末端的位置。
背景技术：
机床使用多种工具，这些工具在不工作的时候存放在回转车上。当 选择一个工具时，其具体特征，例如直径和末端位置，必须在使用前得
到确定。希望快速准确地确定这些工具特征。通过减少设置工具所用的 时间并提高设置工具的精度，可以提高机床的生产力，并减少废品。
确定工具末端相对于安装该工具的机床主轴的位置的一种已有技
术包括步骤移动主轴，直到工具接触安装在机床床体上的工件的表面。 记录此位置时的机床坐标，并因此确定工具末端的位置。这种方法耗费 时间，不易控制，而且可能破坏工件表面。 一种替代的方案是通过在所 述表面和工具末端之间使用尺寸已知的滑规，从而避免破坏该表面，但 是这样做仍然耗费时间并且是一种笨拙的过程。
一种已知的用在机床上的工具设置设备包括光源，该光源产生的细 光束入射到检测器上。在工具设置操作中，操作机床以移动工具沿着一 定的方向横穿光束传播方向，直到工具的一部分中断光束的贯通。检测 这种中断导致在检测单元中产生触发信号，该触发信号被机床用来建立 其移动部分的相对位置，以便确定该工具的尺寸。这种设备是已知的， 例如参照德国专利DE4238504和DE4244869、法国专利No.2，343，555、 欧洲专利No. 98,930和美国专利No.4,518,257。该设备可以额外用来测 量工具的长度或直径，以用于监控断裂或磨损。
还已知一种例如电荷耦合设备(CCD)形式的光检测阵列。这种方 案在国际专利申请WO2005/085753中进行了描述。
一种工具设置设备，该设备检测工具的宽度和/或末端位置，通常永
久安装在机床的床体上，占据可观的工作空间。这种方案的缺陷在于，
需要为每个机床提供一个工具设置设备。因此，如果使用许多机床，则 为每个机床提供一个工具设置设备可能花费巨大。而且，由于工具设置
设备安装在机床中，所以必须足够坚固，以承受例如高温的极端条件以 及例如切屑和冷却剂的污染物。

发明内容
本发明的第 一方面是提供一种物体检测设备，该设备包括
壳体；
设置在所述壳体内的光源和光检测器，该光源向该光检测器投射光 束；和
所述壳体具有基部，该基部设置有基准表面，所述光束相对于基准 表面具有限定的距离和角度。
所述基准表面及其与光路径的预定关系使得该设备简单地置于表
面上待用，而不需要调节或校准。这样能让该设备可以拆卸，并且其进 一步的优势在于，不必承受诸如高温的极端条件以及诸如切屑和冷却剂 的污染。
优选地，光源和光检测器之间的光路径基本上平行于基准表面。这 允许确定物体末端相对于基准表面所在的表面的位置，所述基准表面所 在的表面例如为机床的床体或安装在机床上的工件。
优选地，所述光源是LED。优选地，该LED借助焊线安装到侧部。 但是，光源还可以包括例如激光器。光源可以是脉冲式的。这样具有的 优势在于延长电池寿命并允许光源工作电流高于连续运行时可能出现 的电流。在优选实施例中，光检测器也是脉冲式的，并且与光源的脉冲 同步。
球形透镜可以设置在光源前方。这有利于在检测器那边提供更加均 匀的光分布，所述检测器包括光接收阵列。
优选地，光检测器是一个光敏元件阵列。该阵列可以包括线性阵列。 更加优选地，所述线性阵列是CMOS传感器。但是，所述光接收阵列还 可以包括例如电荷耦合设备(CCD)或特定的光电二极管阵列。
本发明第二方面是提供一种物体检测设备，该设备包括光源和光检
测器，光源向光检测器发射光；
其中，所述光检测器包括光敏元件阵列；
并且其中，所述设备具有第一操作模式和第二操作模式，在第一操 作模式下，第一组光敏元件进行操作，而在第二操作模式下，第二组光 敏元件进行操作。
优选地，所述第二组光敏元件是所述第一组光敏元件的子集。所述 第一组光敏元件可以包括该阵列中的全部元件。所述第二组光敏元件可 以包括单个元件。
本发明的第三方面是提供一种利用物体检测设备检测物体直径的 方法，该物体检测设备包括光源和光检测器，光源向光检测器发射光束， 所述方法包括以任何适当顺序排列的以下步骤
移动所述物体从光束第一侧进入光束路径，并确定光束断开时物体 的位置；
移动所述物体从光束第二侧进入光束路径，所述第二侧相对着所述 第一侧，并确定光束断开时物体的位置；和
使用所述位置之间的差值来确定物体直径。
优选地，在所述检测器检测的光强为该物体不处于可检测光路径时 光强原始值的50%时，确定所述物体的位置。这样能简单地计算物体直 径。
本发明第四方面是提供一种校准物体^r测设备的方法，该设备具有 光源和光检测器，该光检测器包括光敏元件阵列，该光源向该光检测器 发射光，所述方法包括以任何适当顺序排列的以下步骤
当光源和检测器之间不存在物体时，测量入射到该阵列每个单个元 件上的光强；
计算在每个元件上测量的光强值的预定百分比；和 将每个元件的所述百分比值设置为该元件的阈值。 所述方法可以具有附加步骤 比较每个光敏元件的输出与该元件的闹值输出；和 当任何一个元件的光强低于其阈值时，产生信号来表示。
从而指示出物体存在于光源和光检测器之间。
本发明第五方面是提供一种用于物体检测设备的适配器，所述物体
检测设备通过遮挡光路径来检测物体的存在，所述适配器包括
壳体；
安装在壳体内并可以相对该壳体移动的柱塞； 作用在所述柱塞上的偏置装置；
所述柱塞具有一个表面，可以将物体推靠在该表面上，以便逆着所 述偏置装置的偏置力而相对于所述壳体移动所述柱塞。
所述适配器使得物体检测设备能利用该适配器来间接测量因体积 太大而无法直接测量的物体。
优选地，所述壳体配置成使得所述适配器安装在物体检测设备的光 路径中，所述壳体不遮挡光路径。该适配器例如可以是C形的。


借助示例并参照附图，现在将说明本发明的优选实施方式，其中 图1示出了本发明设备的侧视图； 图2示出了本发明设备的平面图3示出了检测器阵列和工具(本发明设备用途的第一模式)； 图4示出了在本发明设备用途的第二模式下，光束和处于两个位置 的工具的截面图5示出了图4的布置，而工具处于产生触发信号的位置； 图6示出了为各个光检测元件设定阈值的方法流程图； 图7示出了光电检测器元件和电压输出之间的关系曲线； 图8示出了用于大体积物体的柱塞系统的侧视图； 图9示出了位于所述设备内的图8所示柱塞系统的透视图。
具体实施例方式
用于检测例如工具的物体的存在、末端位置以及宽度的设备如图1 所示。该设备包括壳体10、基准表面12、光源14和光检测器16。壳体 具有凹部18,物体可以插入其中。光源14和4企测器16布置在凹部18
的相对两侧，以使光源14和^r测器16之间的光路径22穿过凹部18。 光检测器16连接到信号装置24，例如灯具，当物体存在于光源14和光 检测器16之间，导致光路径22完全或局部阻断时，该信号装置被激活。
图2图示了壳体的平面图。光源14和光检测器16包含在壳体10 内分开的舱室26、 28内，且每个舱室具有窗口30、 32,来自光源14的 光可以通过所述窗口 。
壳体IO覆盖光源14和光检测器16，尽可能防止污染物进入该系统。 壳体让光源和光检测器彼此相对定位并且相对于凹部18定位。
窗口 30、 32可以用玻璃制成，有利于防止光学器件受到污染，并 且在检测到任何污染的时候，能让该设备易于清洁。
如图1所示，壳体IO设置有基准平面12,基本上平行于光源14和 光检测器16之间的光路径22设置，并距离该光路径限定的距离d。基 准表面12能让该设备置于一表面上，而不需要随后进行调整以相对该 表面对齐光路径12。这是因为光路径22和基准表面12之间存在固定关 系。
基准表面12可以通过将壳体IO基部精加工成平坦表面而形成。或 者，基准表面12可以包括例如三个位于壳体基部上的机械加工表面。
光路径22距离基准表面12限定的距离，例如40mm。这允许相对 于安装壳体10的表面例如机床的床体或安装在车床上的工件来确定工 具20末端36的位置(如图1所示)。当工具20打断光路径22时，工 具末端36距离基准表面12从而距离安装该基准表面的表面d的距离。 这样能节省时间，因为除了工具末端36的位置之外，不需要确定工件 表面的^f立置。
基准表面12使得设备能可拆卸地定位在不同表面上，而不需要调 节光路径22。因此，该设备可以利用电池工作，这样能获得便携性方面 的优势。
光源14可以包括例如LED或激光器。在本实施例中，使用的LED 在侧部带有焊线。焊线布置在侧部而不是前部，防止了焊线阴影投射到光检测器16上，使得光输出更加均匀。
图2更为详细地示出了光源14。球形透镜34位于光源14前方。这
有利于使得光分布更为均匀地穿过光检测器16。
如图2所示，光检测器16可以包括线性CMOS阵列，该COMS阵 列包括各个CMOS元件38。但是，可以使用任何线性阵列，例如CCD 阵列或单个光电二极管的阵列。使用线性CMOS阵列或其他线性阵列的 优势在于，，光源14和光检测器16之间的光路径22具有更大的宽度， 有效地形成光"帘"。因此，为了置于光路径22中，工具20不需要位 于精确预定的位置，而只需位于光检测器阵列16宽度之内的近似位置 即可。这种特征对于可拆卸设备是有好处的，因为较宽的光路径的优势 在于，壳体可以位于大约低于工具的表面上。壳体仅需要以足够的精度 定位，以便工具移入CMOS阵列宽度范围内的光路径中。
CMOS阵列的额外优势在于，其给出了数据输出的数字表示，因此 减少了所需的电子元件数量。在利用电池工作的装置中，这是有用的， 因为所需电力较少。
光源14可以是脉冲式的。这样延长电池寿命并允许LED工作电流 高于持续运行的情况下可能出现的电流。光检测器1也可以是脉冲式的， 其脉冲与光源14的脉冲同步。
信号装置24借助例如点亮灯具、让蜂鸣器发声或产生数字显示来 指示光源14和光检测器16之间存在工具20。在本实施例中，信号装置 24是包括LED的灯具。
所述设备具有两种操作模式。在第一操作模式中，相对于基准表面 测量工具末端位置。该工具下降到光源14和光检测器16之间的光路径 22中。在工具20下降到光路径22中的同时，读取光检测器16中每个 元件的输出。将光检测器16的每个元件38的光强值进行比较从而设定 阈值。在这种模式下，所述阈值设置为光源14和光检测器16之间的光 路径22中不存在物体时每个单独元件上所测量光强值的大约80%。任 一单个检测器元件的光强下降到设定阈值以下将触发工具寻见信号。当 工具寻见信号出现时，记录机床主轴的位置。
光路径22高于壳体基部的高度d是已知的。因此，当输出工具寻 见信号时，工具20末端36距离壳体基部的距离为d，因此距离安装该 壳体的表面的距离为d (例如，机床床体或工件表面)。
通过将所述设备直接安装到工件上来直接确定工具末端36相对于 所述工件的位置而不需要校准该设备，这样能够节省时间，因为除了工
具末端36的位置之外，不需要找到工件表面的位置。
在本实施例中，工具20通常随着下降而转动。需要这种转动来处 理不同的工具轮廓。例如，工具可能具有凿刀轮廓，其中，工具末端在 0°和90°处具有不同轮廓。图3图示了工具20局部遮挡入射在光检测 器16上的光线，导致光检测器元件38中一个元件的强度降低。当工具 20导致任何元件的检测光强降低到阈值以下的水平时，触发工具寻见信 号。
在这种模式下，所述阈值通常设置为每个光检测元件初始检测光强 的大约80%处。该值经过仔细选择，以使因噪声和环境光线导致的误触 发最少，同时能让所述设备检测小工具。特别是对体积非常小的工具来 说，例如对于宽度小于一个元件的小工具来说，较低的百分比可能导致 未检测到工具存在的情况达到无法接受的水平。高百分比可能导致噪声 例如环境光线和来自电子件的噪声所引发的误触发达到无法接收的水 平。
在第二模式下，对工具20的宽度进行测量。在该模式下，光检测 器16只有一个光敏元件是激活的，因此检测到的是光束而非光帘。图3 示出的光检测器16具有光敏元件38线性阵列，其中只有一个元件38A
是激活的。
图4示出了确定工具20宽度的方法。工具20从每一侧依次移入光 束(即，沿着如图中箭头所示的方向A和B)，直到光检测器阵列16的 光敏元件38A的光强低于阈值，产生工具寻见信号。在工具沿着每个方 向移动时产生工具寻见信号的时候，记录保持工具20的主轴的位置。
用于触发信号的阈值优选地设置在50%,因此当检测光强下降到原 始光强的一半的时候触发信号。这样做的优势在于，当工具20从每个 方向靠近时，在遮挡50%的光束时触发工具寻见信号，则该触发发生于 工具20的边缘位于光束的中心线上的时候。
如果在工具20沿着两个方向移动时所对应的两个触点上各自记录 保持工具20的主轴的坐标位置(x， y, z)，则工具直径可以计算为这两
个坐标位置之间的距离。图5示出了产生触发信号的两个工具点20A、 20B的两个位置(即，光束40被遮挡50%时)。从触发点处的主轴位置 推算出中心线42A、 42B。工具20的宽度w即为中心线42A和42B之 间的距离。选择50%作为阈值使得工具20的宽度w的计算变得容易， 而无需知道光束40的宽度。
在这种布置中，工具20随着移入光束40而发生转动，以展现出工 具20的最宽直径。如果例如工具20—侧剖开(profiled)或断裂，这样 能防止产生较小的读数。在测量宽度的同时转动工具20，使得工具的圆 跳动(runout)能够包括在工具宽度测量中。这样具有优势，因为由该 工具塑造的特征取决于包括圓跳动的工具宽度。
开关44 (图1所示)用来切换两种模式。在第一位置，开关44根 据第 一模式的需要，选择CMOS线性阵列16的全部元件3 8为激活状态。 在第二位置，开关44根据第二模式的需要，仅选择CMOS线性阵列中 的一个元件38A为激活状态。
触发工具寻见信号所需的照射在光检测器16上的光强水平必须设 置成能区别光源14和光检测器16之间是否存在工具。但是，当光源14 接通且不存在工具时，光检测器16检测的光强将并非完全均匀地分布 在其长度上，而是朝向边缘以高斯分布逐渐减弱。因此，以整个光检测 器阵列16记录的最大光强的百分比值构成单个阈值，将导致结果不精 确。
本发明采用线性阵列光检测器。优势在于，可以为该阵列的每个元 件设置特定阈值。这样，该设备克服了检测光强在阵列范围内变化的问题。
图6示出的流程图说明了用来为各个光检测元件设置阈值的方法。 测量不存在工具时入射到该阵列每个元件上的光强50。计算每个元件的 检测光强的设定百分比52，将检测光强的该百分比设置为阈值54。
设置特定阈值的方法补偿了其他因素诸如噪声、环境光线和污染物 例如检测器或封盖透镜上的赃物所导致的光强变化。
图7的曲线示出了光电检测器元件和电压输出之间的关系。 一旦设 定了阈值，如果不存在工具，则光检测器阵列的单元的输出100应该落
入两个设定电压值x和x+a之间。如果任何具体单元的输出下降到输出 值x以下，如线102所示，则表示系统中，特别是窗口上存在污染物， 使用者能够在继续使用前清洁该设备。但是，如果任何单元的输出位于 上限x+a以上，如线104所示，则表示环境光线水平太高。因此，使用 者可以在继续操作前调节环境光线，例如将干涉源从所述设备移走。
某些工具可能太大，不能安装到该设备的凹部内。这些工具的末端 位置不能利用所述设备确定，因为它们不能进入光源14和光检测器16 之间的光束路径22。图8图示了柱塞系统58的一个实施例，作为对所 述设备的延伸，能相对于基准表面确定较大工具末端的位置。
柱塞系统58包括壳体60、柱塞62和弹簧64。弹簧64支座在壳体 中，向上偏置柱塞62。在工具逆着弹簧64的偏置将压力施加到柱塞62 时，柱塞62和壳体60的形状允许柱塞62移入光束路径22。柱塞系统 58的壳体60构造成配合到物体检测设备壳体10的凹部内，即形成C形， 允许光束没有中断地从光源14通到光检测器16。
图9示出的柱塞系统58定位到所述设备的凹部内。柱塞62的长度、 距离x精确已知。当输出工具寻见信号时，柱塞62的末端66距离壳体 的基部的距离为d。因此，知道距离x能确定工具末端距离基准表面的 距离，从而知道距离安装所述壳体的表面的距离(例如，机床床体或工 件表面)。
虽然在实施例中将被检测物体描述为工具，但是所述设备还可以用 来确定其他物体的特征。
权利要求
1. 一种物体检测设备，包括:壳体；设置在所述壳体内的光源和光检测器，所述光源向所述光检测器发射光束；所述壳体具有基部，所述基部设置有基准表面，其中，所述光束相对于所述基准表面具有限定的距离和角度。
2. 如权利要求1所述的物体检测设备，其特征在于，所述光源和 所述光检测器之间的光路径基本上平行于所述基准表面。
3. 如前述权利要求中任一项所述的物体检测设备，其特征在于， 所述光源是LED。
4. 如权利要求3所述的物体检测设备，其特征在于，所述LED具 有焊线，并安装成使得所述焊线处于不遮挡光路径的位置。
5. 如前述权利要求中任一项所述的物体检测设备，其特征在于， 所述光源为脉冲式。
6. 如权利要求5所述的物体检测设备，其特征在于，所述光检测 器也是脉冲式的，并且与所述光源的脉冲同步。
7. 如前述权利要求中任一项所述的物体^f全测设备，其特征在于， 在所述光源的前方设置有球形透镜。
8. 如前述权利要求中任一项所述的物体检测设备，其特征在于， 所述光检测器是光敏元件阵列。
9. 如权利要求8所述的物体检测设备 括线性阵列。
10. 如权利要求9所述的物体检测设备 列是CMOS传感器。
11. 如权利要求1所述的物体检测设备 面是所述壳体基部的平坦表面。
12. —种物体检测设备，所述设备包括光源和光检测器，所述光源 向所述光检测器发射光束；,其特征在于，所述阵列包 ，其特征在于，所述线性阵 ，其特征在于，所述基准表其中，所述光检测器包括光敏元件阵列；并且其中，所述设备具有第一操作模式和第二操作模式，在第一操 作模式下，第一组光敏元件进行操作，而在第二操作模式下，第二组光 敏元件进行操作。
13. 如权利要求12所述的物体检测设备，其特征在于，所述第二 组光敏元件是所述第一组光敏元件的子集。
14. 如权利要求12或13所述的物体检测设备，其特征在于，所述 第一组光敏元件包括该阵列中的全部元件。
15. 如权利要求12至14中任一项所述的物体检测设备，其特征在 于，所述第二组元敏元件包括该阵列中的单个元件。
16. 如权利要求12至15中任一项所述的物体检测设备，其特征在 于，当所述光检测器接收到一个设定的光强阈值时，输出信号，所设定 的阀值对于第 一操作模式和第二操作模式而言不相同。
17. —种校准物体检测设备的方法，所述设备包括光源和光检测器， 所述光检测器包括光敏元件阵列，所述光源向所述光检测器发射光，所 述方法包括以任何适当顺序排列的以下步骤当光源和检测器之间不存在物体时，测量入射到该阵列每个单个元 件上的光强；计算在每个元件上测量的光强值的预定百分比；和 将每个元件的所述百分比值设置为该元件的阈值。
18. 如权利要求17所述的校准物体检测设备的方法，其特征在于， 所述方法具有附加步骤比较每个光敏元件的输出与该元件的阈值输出； 当任何一个元件的光强低于其阈值时，产生信号来表示。
19. 一种用于物体检测设备的适配器，所述设备通过遮挡光路径来 检测物体的存在，所述适配器包括壳体；和安装在壳体内并可以相对该壳体移动的柱塞； 作用在所述柱塞上的偏置装置；所述柱塞具有一个表面，可以将物体推靠在所述表面上，以便逆着所述偏置装置的偏置力而相对于所述壳体移动所述柱塞。
20.如权利要求19所述的用于物体检测设备的适配器，其特征在于，所述壳体配置成使得所述适配器可以安装在物体检测设备的光路径中而不遮挡所述光路径
全文摘要
一种物体检测设备和一种用于校准物体检测设备的方法。所述设备包括壳体，其中设置有光源和光检测器。光源向光检测器发射光束。壳体具有基部，基部设置有基准表面。光束相对于基准基部具有限定的距离和角度。校准物体检测设备的方法包括为光检测器接收的光强设定阈值水平。所述设备具有两种操作模式。本发明还包括用于物体检测设备的适配器，该物体检测设备通过遮挡光路径来检测物体的存在。
文档编号B23Q17/22GK101389446SQ200780006219
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月24日
发明者威廉·肯尼思·戴维斯, 维克托·戈登·斯廷普森 申请人:瑞尼斯豪公司