专利名称：具有对工具的穿透深度进行测量的装置的工具机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工具机，具有对工具穿透到被加工的材料中的穿透深度进行测量的装置，优选是对一个钻盲孔的钻孔工具的钻孔深度进行测量，以及其在手持式工具机如钻孔机或凿岩机中作为深度止挡的应用，以及一种相配的测量方法。
背景技术：
通常，工具穿透到待加工材料中的穿透深度是通过一个辅助测量距离测量的。因此，手持式工具机通常具有一个机械的、声学的或光学的深度测量系统，利用该深度测量系统，可直接测出机器上固定的基准点相对于被加工的材料的表面的距离，从该距离中减去预知的相对于基准点的工具长度，可间接地确定穿透深度。就手持式工具机而言，在通过机械止挡(深度止挡)或通过主传动装置的中断实现预定的穿透深度时，妨碍了工具较深的穿透。
在手持式工具机中，最为普及的是沿着工具轴线延伸的、与之隔开距离布置的棒形有深度止挡，它相对于机器上固定的基准点可轴向移动地固定并且通常设有一个测距标尺。此类机械深度止挡限制了轴向的旋转自由度，而且会弯曲。此外，要求机械深度止挡的调节灵活一些，因为原本需用到三只手，一只手要拿住刻度尺，一只手要打开手柄，还有一只手要握住器具，其中，只有将手持式工具机放到地上或连同机体压到墙上，才不用握住器具。
DE2838968提出了用以基于运行时间测距的不同类型的手持式工具机的电子深度止挡，尤其是基于应用超声波、电磁波或光线的测量方法，光线与基准点平行隔开距离(也即，具有平行轴)地朝工具轴线发射并且总反射在被加工的材料的表面上。原则上说，工具轴线偏离于表面垂直线的倾角会导致测量误差的出现。
此外，众所周知，为了在很长的数据传递电缆中定位误差位置，使用专门的电缆测试仪，基于时间范围反射计利用沿着电缆传播的高频电磁波进行测量的测量原理，例如参见US4739276。
发明内容
本发明的目的在于，实现无平行轴地对工具的穿透深度进行测量。
该目的主要通过独立权利要求的特征实现。有利的改进之处由从属权利要求给出。
因此，一种用于驱动一个至少轴向穿透到一待加工材料中的工具的工具机具有一个转换器，该转换器适于激励和探测一个轴向沿着工具传播的高频电磁波，该转换器与一个信号处理器连接，该信号处理器被构造成基于高频电磁波确定工具在材料中的穿透深度。
通过转换器和信号处理器，就可基于一个直接沿着工具传播的高频电磁波，实现无平行轴地对工具的穿透深度进行测量。这将在下面借助于一些物理理论基础予以阐明。
轴向穿透到一待加工材料中的工具自身是电磁波的波导。波主要通过传播速度和受包围波导的电介质影响的波电阻(阻抗)表现出轴向均匀的纵向范围的特征。在此情况下，自由的工具长度在圆柱形工具情况下可近似视为暴露(freiliegend)的波导，在双头钻孔螺旋情况下近似视为两平行的波导，并且在工具机中引导的工具的轴向纵向段近似视为同轴波导。在自由的工具端，由于波电阻无穷跃变，导致波的全反射。由于在待加工材料的表面上同样发生电介质(从空气的[ε]＝1起，矿物地基的[ε]＝3...5)乃至波电阻的变化，波在那里至少部分地反射。波的电场强度可在转换器上通过电压测量进行探测。因此，基于由转换器探测的自由的工具端和表面的反射的电压信号，可通过工具的相应的信号处理来确定穿透深度。
有利的是，将转换器构造为同轴线，其细长的内导体至少部分地由能高频传导的工具构成，而其套筒形的外导体至少部分地由工具机的一个能高频传导的外壳构成，它们彼此高频绝缘，由此构造了一个恒定波电阻的同轴线段，因此，工具机内的高频电磁波就可无反射地沿着工具传播。
有利的是，外导体在工具侧的端侧具有径向扩口，从而在工具侧的端侧使波电阻与真空波电阻相匹配，由此使高频电磁波无反射地与工具机分离，且可沿着暴露的工具传播。在入射、反射波情况下的匹配与之相似。
有利的是，构造为同轴线的转换器无论是在内导体上还是在外导体上在容纳于工具机内的工具的机器侧的轴向端部区域中各具有一个例如能电流式或电容式高频传导的馈电接线端子，由此在电压最大值的范围内馈电。
有利的是，内导体的馈电接线端子被构造成可自由旋转，例如通过一个能传导的枢轴承或一个高频旋转耦合器，由此亦可给作为波导的旋转驱动的工具馈电。
有利的是，信号处理器具有一个计时器、一个适于输出上升时间小于120ps的电压脉冲的高频脉冲发生器、一个适于探测取样时间小于12ps的电压信号的快速测量输入端和一个计算器，该计算器包括一个控制的运算系统，该运算系统具有一个运行时间模块，用以确定在至少两个由测量输入端选择的电压脉冲之间的时间差，由此通过脉冲形波沿着工具的直接的运行时间测量来实现距离测量。
有利的是，信号处理器或运行时间模块具有一个微分器，其适于求电压信号的微分(模拟或数字的)，由此就将电压信号中随时间检测的跃变转换成可简单稳固地检测的信号峰(正的和负的)。
有利的是，在相配的测量方法中，测量在第一正信号峰与第一负信号峰之间的时间差，由此测量在表面(正信号峰)和在工具端(负信号峰)上反射的波的运行时间差，该运行时间差与穿透深度成比例。
作为替换，有利的是，信号处理器具有一个适于以大于8GHz的频率固定振荡的变频的高频振荡器、一个用以振幅解调高频信号的解调器、一个适于探测高频信号的振幅信号的测量输入端和一个计算器，该计算器包括一个控制的运算系统，该运算系统具有一个用以确定特定高频驻波比(hochfrequenzspezifischen Stehwellenverhltnisse)的驻波模块以及一个距离模块，用以基于至少两个不同的特定高频驻波比确定距离，由此可在不同频率情况下间接通过取决于迭加馈电且反射的波的相位的驻波比测量进行距离测量。
有利的是，在相配的测量方法中，为了确定一个至少轴向穿透到一待加工材料中的工具的穿透深度，在工具暴露时的一个第一步骤中，执行直到自由的工具端的距离测量，而在工具穿透到被加工的材料中的一个第二步骤中，执行直到被加工的材料的表面的距离测量，由此将相对的距离测量充分代替了绝对的距离测量，因为穿透深度由两个距离的差值产生。
下面参照有利的实施例对本发明进行详述图1具有穿透深度测量装置的工具机；图2纵剖而细节图；图3可替换的信号处理器。
具体实施例方式
参见图1，为了旋转和冲击地驱动一个轴向穿透到一待加工材料2中的钻头形式的工具3，工具机1具有一个转换器5(图2)，该转换器5适于激励和探测一个轴向沿着工具3传播的、高频电磁的、脉冲形的波4，该转换器5与一个信号处理器6(图2)连接，该信号处理器6被构造成用于基于高频电磁波4确定工具3在材料2中的穿透深度T。
参见图2，转换器5被构造为同轴线，其细长的内导体至少部分地由能高频传导的工具3构成，而其套筒形的外导体至少部分地由工具机1的一个能高频传导的外壳7构成，它们通过一种陶瓷制成的绝缘材料8彼此高频绝缘。外导体在工具侧有端侧具有喇叭形辐射体形式的径向扩口9。转换器5在可自由旋转构造的内导体上具有一个构造为能传导的枢轴承10的能电流式高频传导的第一馈电接线端子11a而在外导体上具有一个能高频传导的第二馈电接线端子11b，它们被布置在容纳于工具机1内的工具3的在机器侧的轴向端部区域E中，工具机的形式为一个仅部分示出的电风动钻孔机。信号处理器6具有一个用于时间t的计时器12、一个适于输出上升时间为50ps的电压脉冲的高频脉冲发生器13、一个适于探测取样时间为5ps的电压信号v(t)的快速测量输入端14和一个微控制器[μ]C形式的计算器15，所述测量输入端的形式为一个脉冲混频器M(顺序取样，例如利用闪光测频扫描的二极管电桥实现)、一个串接的深度滤波器F和一个串接的模拟-数字-转换器A/D，所述计算器包括一个控制的运算系统16，用以确定穿透深度T，该运算系统16具有一个运行时间模块17，用以确定在由测量输入端选择的脉冲形波4的两个电压脉冲之间的时间差[Δ]t。在此情况下，运行时间模块17具有数字微分器18，适于求电压信号v(t)的微分，它在相配的测量方法中测量在第一正信号峰与第一负信号峰之间的时间差[Δ]t，该时间差与穿透深度T成比例，其中，c为真空光速，[μ]为导磁率，[ε]为介电常数。
参见图3所示的替换方案，与图2不同，信号处理器6′具有一个适于以大于8GHz的频率f固定振荡的变频的高频振荡器19、一个用以将高频信号f振幅解调成振幅信号a(f)的解调器20、一个适于探测高频信号f的振幅信号a(f)的测量输入端14和一个微控制器[μ]C形式的计算器15，所述测量输入端的形式为模拟-数字-转换器A/D，所述计算器包括一个控制的运算系统16，用以确定穿透深度T，该运算系统16具有一个用以确定特定高频驻波比[v]的驻波模块21以及一个距离模块22，用以在不同频率f1、f2情况下基于至少两个不同的特定高频驻波比[v]1、[v]2确定(绝对)距离d。在相配的测量方法中，为了确定轴向穿透到待加工材料2(图1)中的工具3(图1)的穿透深度T，在工具3(图1)暴露时的一个第一步骤中，执行直到自由的工具端的距离测量I，而在工具3(图1)穿透到被加工的材料2(图1)中的一个第二步骤中，执行直到被加工的材料2(图1)的表面的距离测量II。穿透深度T由两个距离dI、dII的差值产生。
权利要求
1.一种工具机，用于驱动一个至少轴向穿透到一待加工材料(2)中的工具(3)，具有一个信号处理器(6、6′)，其特征在于，设有一个转换器(5)，该转换器适于激励和探测一个轴向沿着工具(3)传播的高频电磁波(4)，该转换器与信号处理器(6、6′)连接，该信号处理器被构造成用于基于高频电磁波(4)确定工具(3)在材料(2)中的穿透深度(T)。
2.如权利要求1所述的工具机，其特征在于，所述转换器(5)被构造成同轴线，其细长的内导体至少部分地由能高频传导的工具(3)构成，而其套筒形的外导体至少部分地由工具机的一个能高频传导的外壳(7)构成，所述工具和外壳彼此高频绝缘。
3.如权利要求2所述的工具机，其特征在于，所述外导体在工具侧的端侧具有径向扩口(9)。
4.如权利要求2或3所述的工具机，其特征在于，构造为同轴线的转换器(5)无论是在内导体上还是在外导体上在容纳于工具机内的工具(3)的机器侧的轴向端部区域中各具有一个能高频传导的馈电接线端子(11a、11b)。
5.如权利要求4所述的工具机，其特征在于，所述内导体的馈电接线端子(11a)被构造成可自由旋转。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的工具机，其特征在于，所述信号处理器(6)具有一个计时器(12)、一个适于输出上升时间小于120ps的电压脉冲的高频脉冲发生器(13)、一个适于探测取样时间小于12ps的电压信号的快速测量输入端(14)和一个计算器(15)，该计算器包括一个控制的运算系统(16)，该运算系统(16)具有一个运行时间模块(17)，用以确定在至少两个由测量输入端(14)选择的电压脉冲之间的时间差([Δ]t)。
7.如权利要求6所述的工具机，其特征在于，设有一个微分器(18)，适于求在信号峰中的电压信号的微分。
8.如权利要求1至5中的任一项所述的工具机，其特征在于，信号处理器(6′)具有一个适于以大于8GHz的频率固定振荡的变频的高频振荡器(19)、一个用以振幅解调高频信号的解调器(20)、一个适于探测高频信号的振幅信号的测量输入端(14)和一个计算器(15)，该计算器包括一个控制的运算系统(16)，该运算系统(16)具有一个用以确定特定高频驻波比的驻波模块(21)以及一个距离模块(22)，用以基于至少两个不同的特定高频驻波比确定距离(d)。
9.一种利用如权利要求1至8中的任一项所述的工具机确定一个至少轴向穿透到一待加工材料中的工具(3)的穿透深度(T)的测量方法，其特征在于，在工具(3)暴露时的一个第一步骤中，执行直到自由的工具端的距离测量，而在工具(3)穿透到被加工的材料(2)中的一个第二步骤中，执行直到被加工的材料(2)的表面的距离测量。
10.一种利用如权利要求7所述的工具机确定一个至少轴向穿透到一待加工材料中的工具(3)的穿透深度(T)的测量方法，其特征在于，测量在第一正信号峰与第一负信号峰之间的时间差([Δ]t)。
全文摘要
本发明涉及一种工具机(1)，用于驱动一个至少轴向穿透到一待加工材料(2)中的工具(3)，具有一个信号处理器(6、6′)，其特征在于，具有一个转换器(5)，该转换器适于激励和探测一个轴向沿着工具(3)传播的高频电磁波(4)，该转换器(5)与信号处理器(6、6′)连接，该信号处理器被构造成基于高频电磁波(4)确定工具(3)在材料(2)中的穿透深度(T)。此外，本发明还涉及一种相配的测量方法。
文档编号B25F5/00GK1911574SQ20061011079
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月8日 优先权日2005年8月11日
发明者W·克里斯托夫 申请人:希尔蒂股份公司