背景技术：
现有技术熟知机床，其中当工件通过刀具加工时，刀具的超声波振动可以叠加到刀具的旋转运动上。
ep1763416b1为此描述了一种刀具，包括刀架，所述刀架在第一端具有适应旋转主轴头的刀架支撑，以及在与第一端相对的第二端具有刀具支撑，并且包含可以插入到刀具支撑的刀具头，所述刀架包括一个振动马达。
为了将刀具设置为超声波振动，例如压电驱动可被使用，其中电压引起压电盘厚度的变化。对于特定的频率这会引起刀架中的驻波(共振激励)。
应该注意的是，共振频率以及共振的振动幅度取决于所使用的刀具的特性，例如其几何形状或材料，且因此刀架在出厂前不能被校准到某个振动幅度。
ep1431729a1描述了一种用于测量用于布线半导体芯片的引线接合器的自由振动微管的振幅的装置。这里，所述微管通过超声波发生器引起振动。为了测量振幅本身，通过光接收器检测由微管振动尖端产生的光束阴影。
在ep1431729a1中描述的方法中，光束可由光束被微管尖端完全遮蔽而中断。由于关于微管振动范围的表达只能根据阴影度进行，因此如果可能存在完全阴影，则不能表达，因为光接收器不再能够从光束中检测出信号。因此，测量信号会丢失，进而导致微管振动的测量不足。
此外，在ep1431729a1中描述的方法仅限于如引线接合器的微管的示例所指出的旋转对称刀具。然而，由于在大多数情况下刀具具有不对称性，这些不对称性会突出到光束中，并因此对振幅的测量具有不利影响，所以这种方法不太适合这种刀具。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种方法和装置，通过该方法和装置可以测量振动刀具的振动幅度。
该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求11所述的装置来实现。从属权利要求涉及根据本发明的方法和根据本发明的装置的有利实施例。
根据本发明的用于确定刀具的振动幅度的方法包括以下步骤：利用用于产生光束的发射器和用于检测所述光束的光强度的接收器产生光栅的光束；基于由所述光栅的接收器检测到的所述光束的光强度生成接收器信号；将所述刀具的刀尖定位在所述光束中；使所述刀具振动；根据由所述刀具的振动引起的接收器信号调制来确定所述刀具的振动幅度。
这使得刀具振动的实际振动幅度(例如在机床本身的超声频率范围内)的刀具特定测量成为可能。在此，通常机床中可用的传统刀具测量激光器可用作光栅。因此，根据本发明的方法可以以节约成本的方式实施，而无需在机床上进行设计修改，因为其可以在机床的可用设备执行，而无需在机器内部进行任何额外的安装。此外，所述振动幅度通过光栅以非接触的方式测量，使得所述刀具不会被损坏。
该方法优选地补充有以下步骤：将刀具设置成围绕垂直于所述光束的轴旋转，特别是在测量振动幅度期间和/或激励刀具振动期间当刀具放置在光束中时。
特别地，该方法优选地包括将所述刀具或保持所述刀具的刀架接收在所述机床的工作主轴中，并且通过所述工作主轴驱动所述刀具的旋转，特别是在根据受所述刀具的振动影响的所述接收器信号的调制和/或变换来确定所述刀具振动幅度的步骤期间，当所述刀具定位在所述光束中时。
其优点特别地在于：由于所述旋转，例如用所述机床的工作主轴驱动，即使是非旋转对称设计的刀具，在垂直于旋转轴的视图中看起来也是旋转对称的刀具。这继而又对于刀具的振动幅度测量特别有利，因为刀具的背离驱动刀具的主轴的一侧形成围绕刀具的旋转轴线的至少一个环形区域或圆环。该区域或环可以继而用于遮挡光束，这在不旋转的非旋转对称刀具中被证明是困难的。
另外，该方法可以有利地改进为，该刀具具有至少一个从该刀具的其余部分，例如在刀具的振动方向上，突出的刀刃(例如铣刀的铣刀片)。
其优点是，刀具的几何形状可以按照振动方向的需要进行设计，，因为可能的不对称性通过刀具的旋转再次得到补偿。
此外，可以有利地改进该方法，使得刀具的切削刃在垂直于所述刀具振动方向上额外地从刀具的其余部分突出。
此处的优点还在于，刀具的几何形状，特别是在不是旋转对称或不连续旋转对称的情况下，此时不再对测量组件和/或对刀具振动幅度的测量的可靠性产生任何显著影响，因为旋转刀具的设置在此也可以补偿可能的不对称性。
另外的优点是振动幅度可在所述刀具或刀架夹紧在所述机床的工作主轴上时直接进行测量，所述夹紧也用于后续的工件加工，并且如果适用的话，直接在所述工件加工之前。
在引起所述刀具振动之前，优选地改变所述刀尖在光束中的位置，使得所述接收器信号的信号强度根据所述刀尖的位置而改变。
其优点在于，该方法的功能和精度都不受该刀具的几何形状或材料的影响，因为只有该刀具对光束遮蔽程度才是幅度测量的决定性因素。
刀尖的位置优选地沿着垂直于光束的方向逐步地在光束内的区域中变化，并且在每一步处，所述接收器信号的对应信号强度与所述刀尖的位置相关联。
这样，该系统被校准用于绝对振幅测量。在所述校准中，在所述刀尖的位置和所述接收器信号的信号强度之间确定函数相互关系，以便以后能够根据所述接收器信号的测量信号强度确定所述刀尖的关联位置。
所述刀具的振动幅度优选地根据所述接收器信号的最大信号强度和最小信号强度的差值来确定。
在校准之后，振动刀具的刀尖的第一位置可以根据最大信号强度来确定，并且刀尖的第二位置可以根据最小信号强度来确定。这两个位置之间的差异提供了所述刀具振动的幅度。
所述垂直于光束的方向优选地对应于刀具轴线的方向。
这样，可以为在轴向上振动的刀具确定所述振动幅度。
或者，所述垂直于光束的方向优选地对应于垂直于刀具轴线的方向。
这样可以确定在垂直于刀具轴线的方向上振动的刀具的振动幅度。因此根据本发明的方法使得在几个方向上表征刀具振动成为可能。
接收器信号优选地是由接收器产生并与接收器检测到的光强度成比例的模拟电压信号。
其优点是，由于光强度和电压之间的线性相关性，可以以简单快捷的方式进行必要的计算。
所述刀具优选地以使得所述刀尖在光束内振动的方式振动。
为了测量所述振动幅度的目的，振动刀尖，例如被定位在所述光栅中使得所述刀尖与所述发射器和所述接收器大致等距并且大致位于所述光束直径的中心。所述光束直径因此被选择为足够宽，使得所述刀尖完全在所述光束内振动。这样，所述接收器信号的调制直接显示了刀具的振动。
根据本发明的方法优选地还包括以下步骤：由布置在刀架中的传感器装置根据布置在刀架中的刀具的振动产生传感器信号；根据取决于所述刀具的振动幅度的所述传感器信号确定所述刀具振动的振动频率；根据所述传感器信号确定所述刀具的振动幅度。
其优点是，在通过所述光栅校准某一刀具之后，不再需要所述光栅用于幅度测量，并且可以去除所述光栅，因为所述振动刀具的振动幅度可以直接由所述传感器信号确定。
所述刀具的振动的振动频率优选地逐步变化，并且在每一步处，所述刀具的相应振动幅度与所述振动频率相关联。
换言之，执行两步校准，即，初始确定所述刀尖的位置与所述接收器信号的信号强度之间的函数相互关系使得所述振动幅度可以从振动刀具的所述接收器信号的最小值和最大值推导出。然后，确定振动幅度和振动频率之间的函数相互关系，使得可以从所述振动刀具的已测量的振动频率推断出所述振动幅度。
根据本发明的用于确定刀具的振动幅度的装置包括：光栅，所述光栅具有用于产生光束的发射器和用于检测所述光束的光强度并且基于所述检测到的光强度产生接收信号的接收器；用于将所述刀具的刀尖定位在所述光束中的装置；用于使所述刀具振动的装置，以及用于根据由所述刀具的振动影响的所述接收器信号的调制来确定所述刀具的振动幅度的装置。
这使得刀具振动的实际振动幅度(例如在机床本身的超声频率范围内)的刀具特定测量成为可能。通常机械中已经存在的传统的刀具测量激光器可以用作光栅。因此，根据本发明的装置可以以节约成本的方式设置，而无需对具有已有设备的机床进行设计修改，无需在机器内部进行额外的安装。此外，振动幅度通过光栅以非接触的方式测量，使得所述刀具不会被损坏。
用于定位刀尖的装置优选地被设计成以所述接收器信号的信号强度根据所述刀尖的位置改变的方式改变所述刀尖在所述光束中的位置。
其优点是，所述装置的功能和精度都不受所述刀具的几何形状或材料的影响，因为只有所述刀具对所述光束遮蔽程度才是振幅测量的决定性因素。
所述装置优选地包括用于将所述接收器信号的信号强度分配给所述刀尖的位置的装置；用于定位所述刀尖的所述装置被配置为在所述光束的区域内在垂直于光束的方向上逐步改变刀尖的位置；以及用于将接收器信号的信号强度分配给刀尖的位置的装置被配置为在每一步处将接收器信号的对应信号强度分配到刀尖的位置。
这样，所述系统用根据本发明的装置进行绝对幅度测量的校准。在校准中，在刀尖的位置和接收器信号的信号强度之间确定功函数相互关系，使得以后所述刀尖的关联位置可以根据接收器信号的测量信号强度来确定。
用于确定所述刀具的振动幅度的装置优选地被配置为根据所述接收器信号的最大信号强度与最小信号强度之差来确定所述刀具的振动幅度。
在所述校准之后，利用所述用于振动刀具的装置，可以根据最大信号强度确定所述刀尖的第一位置，并且可以根据最小信号强度确定所述刀尖的第二位置。这两个位置之间的差异提供了所述刀具振动幅度。
所述垂直于光束的方向优选对应于刀具轴线的方向。
这样，可以为在轴向上振动的刀具确定所述振动幅度。
或者，所述垂直于光束的方向优选对应于垂直于刀具轴线的方向。
这样，可以确定在垂直于所述刀具轴线的方向上振动的刀具的振动幅度。因此根据本发明的装置可以在几个方向上表征所述刀具振动。
所述光栅的接收器优选地被配置为产生接收器信号，该接收器信号作为与接收器检测到的光强度成比例的模拟电压信号。
其优点在于，由于光强度和电压之间的线性相关性，可以简单快捷地进行必要的计算。
所述用于引起刀具振动的装置优选地构造成使所述刀具以所述刀尖在所述光束内振动的方式振动。
为了测量所述振动幅度的目的，所述振动刀尖例如被定位在所述光栅中使得所述刀尖与所述发射器和所述接收器大致等距并且大致位于所述光束直径的中心。所述光束直径被选择为足够宽，使得所述刀尖完全在所述光束内振动。这样，所述接收器信号的调制直接显示所述刀具振动。
根据本发明的所述装置优选地还具有：用于接收刀具的刀架；布置在所述刀架中的传感器装置，用于根据所述刀具的振动产生传感器信号；用于根据取决于所述刀具的振动幅度的所述传感器信号确定所述刀具振动的振动频率的装置；以及用于根据所述传感器信号确定所述刀具的振动幅度的装置。
其优点是，当通过所述光栅对某一刀具进行校准后，不再需要所述光栅进行幅度测量，并且可以去除光栅，因为所述振动刀具的振动幅度可以直接从所述传感器信号确定。
所述装置优选地还包括：用于所述逐步改变刀具振动的振动频率的装置和用于将所述刀具的振动幅度分配给振动频率的装置，所述用于将刀具的振动幅度分配给振动频率的装置被配置为在每一步处将所述刀具的相应振动幅度分配给振动频率。
换言之，根据本发明的装置使得两步校准成为可能，即，初始确定所述刀尖的位置和所述接收器信号的信号强度之间的函数相互关系，使得振动刀具的振幅可以从所述接收器信号的最小值和最大值推导出。然后，确定所述振动幅度和所述振动频率之间的函数相互关系，使得可以从测量的振动频率推断所述振动刀具的振动幅度。
根据本发明的机床包括根据本发明的装置并且被配置成根据本发明的方法确定刀具的振动幅度。
附图说明
图1示出了根据本发明的装置的一个实施例的一部分。
图2通过图表示出根据本发明的装置的实施例的一部分。
图3以示例的方式示出了用于根据本发明的方法的刀架。
图4以示意图的方式示出了根据本发明的装置的实施例。
具体实施方式
下面通过实施例和示例性附图来详细描述和解释本发明。
图1示出了根据本发明的装置的一个实施例的一部分。该图示出了光栅2，其包括产生光束23(在图1中未示出)的发射器21和检测光束23的光强度的接收器22。例如，用于renishaw或blum激光系统的非接触式刀具破损检测的系统可用作用于刀具控制和破损控制的光栅2，在该系统中从发射器21发射聚焦激光束23并且以激光束23撞击接收器22的方式配置接收器22。该激光光栅2通过载体或组装系统安装在机床1的加工区域刀具3的轴的行程区域中。光栅2可能位于机台上或机台旁边。接收器22产生与检测到的光强度成比例的接收器信号，并由接收器22将其作为模拟电压信号输出。
此外，机床1具有主轴50(例如刀具承载工作主轴)，刀具3通过刀架11容纳在主轴50中。主轴50还构造成使刀架11和刀具3旋转。当主轴50旋转地驱动刀具3时，振动幅度例如通过由发射器21发射的光束23和由刀具3遮蔽的光束23的光强度来测量，所述光强度由接收器22检测到。
特别地，刀具3的振动幅度例如由如下方式被检测到：刀架11被定位成使得接收在刀架11中的刀具3的刀尖31被布置在在光栅2的光束23中，在发射器21和接收器22之间，以遮蔽光束23。当刀具3被设置为超声波振动时，由于刀尖31在光束23中振动，阴影程度改变。这导致接收器信号的调制，由此可以确定刀具振动的振动幅度。
通过图2详细解释本发明的该基本原理。该系统被初始校准。为此目的，非振动刀具3的刀尖31定位于靠近束腰的区域中的光束23。光束23的直径在束腰处最小。刀具轴线32垂直地对准光束23。然后，刀尖31借助于机床1的可移动的轴线以这样的步骤移动：例如在通过光束23沿着刀具轴线32的方向上为1μm。结果，光束23越来越暗。在每步中，光强度由接收器22测量，转换为接收器信号并且电压值与当前刀具位置相关联。这就是如何获得基于电压的刀具位置的功能。束腰的直径在此处如此之大以至于需要多个定位步骤以从全光强度改变为完全遮光，并且其明显大于刀尖31所期望的最大振幅。
在校准之后，可以如下确定振动幅度：刀尖31相对于束腰且相对于发射器21和接收器22大约居中地定位在光束23中并且被激励超声振动。振动刀尖31因此实现与光强度成比例的接收器信号的调制。通过取决于电压的刀具位置的先前确定的函数从接收器信号的峰-峰值确定振动幅度。
也可以以这样的方式进行校准，即，刀尖31不沿刀具轴线32移动，而是沿垂直于刀具轴线32且垂直于光束23的方向移动。该校准用于确定刀具振动在垂直于刀具轴线32的方向上的振动幅度。
图3通过实例示出了用于根据本发明的方法的刀架11，通过该刀架11，在校准之后，也可以在没有光栅2的情况下测量刀具3的振动幅度。为此目的，该系统如下校准。
如通过图2所描述的，刀具位置的函数基于接收器信号的电压来初始确定。
刀架11配备有传感器装置12，该传感器装置12根据刀具振动产生传感器信号，所述信号包含关于刀具振动的振动频率的信息。传感器信号可以通过分析装置(未示出)在刀架11的外部进行评估。
然后将刀具3设置为超声波振动。这可以发生器(未示出)激励刀架11中的压电元件13发生传递到刀具3的机械振动的方式进行。振动的频率可以根据传感器装置12所产生的传感器信号来确定；振幅可以由光栅2的接收器22产生的接收器信号确定。
之后，刀具3的振动频率逐步变化，例如，通过改变发生器的激励频率。每步都测量振动频率和振动幅度，并且振动频率与相应的振动幅度相关联。这是如何基于振动频率获得振动幅度的函数。然后光栅2可被移除。
刀具3的振动幅度可以在不借助光栅2的情况下在系统的这种校准之后确定。为此目的，使刀具3振动并且由传感器信号确定振动频率。关联的振动幅度可以由根据振动频率由先前确定的振动幅度的函数来确定。
图4以示意图的方式示出了根据本发明的装置的实施例。用于定位刀尖31的装置41可用作，例如作为可以通过机床1的cnc控制单独移动的移动轴，以便将在其中一个轴上接收的刀架11和刀具3移动到期望的位置。用于使刀具3振动的装置13可以对应于刀架11中的图3中的压电元件13。用于改变刀具3的振动频率的装置46可以被设计为通过某一激励频率激励压电元件13发生超声波振动的发生器，其中该激励频率可以变化。
用于由接收器信号来确定振动幅度的装置42，用于关联信号强度与刀尖位置的装置43，用于确定振动频率的装置44，用于由传感器信号确定振动幅度的装置45，用于改变振动频率的装置46以及用于关联振动幅度与振动频率的装置47，可以是机床1的电子系统的一部分。
用于关联信号强度与刀尖的位置的装置43在此处可连接到光栅2的接收器22以接收来自接收器22的接收器信号。另外，用于关联信号强度与刀尖的位置的装置43可将校准信息传送到用于根据接收器信号确定振动幅度的装置42，装置42还从接收器22接收接收器信号。
用于确定振动频率的装置44可以连接到刀架11中的传感器装置12，以接收来自传感器装置12的传感器信号。另外，用于确定振动频率的装置44可以传送关于振动频率的数据到用于关联振动幅度与振动频率的装置47，继而装置47又接收来自用于根据接收器信号确定振动幅度的装置42的关于振动幅度的信息以。
用于关联振动幅度与振动频率的装置47将校准信息传递到用于根据传感器信号确定振动幅度的装置45，装置45还从传感器装置12接收传感器信号。
也可以将几个或全部装置42至45和47组合成一个装置。
本发明不限于上述实施例，相反，上述实施例的各个方面和/或各个特征可被组合以提供本发明的进一步的实施例。
参考标记列表
1机床
11刀架
12传感器装置
13压电元件
2光栅
21发射器
22接收器
23光束
3刀具
31刀尖
32刀具轴线
41用于定位刀尖的装置
42用于由接收器信号确定振动幅度的装置
43用于关联信号强度与刀尖的位置的装置
44用于确定振动频率的装置
45用于由传感器信号确定振动幅度的装置
46用于改变振动频率的装置
47用于关联振动幅度与振动频率的装置
50主轴