检测装置和方法

专利名称：检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及检测装置和检测方法。更具体地，本发明涉及相对于检测装置旋转或经历其他周期运动或重复运动的物体的检测。特别地，但是不是唯一的，该物体是用于和机床一起使用的旋转刀具。另外，本发明涉及来到该装置和旋转元件之间的物体的检测。
传统上，已经使用光束的中断或重制来检测刀具等，该光束可以在对准的光发射器和接收器之间直接地传播，例如如在EP1050368中所示的。
这种布置具有的问题是，刀具等必须安装(fit)在光发射器和接收器之间以被检测到。振动可以导致发射器和接收器的对不准，该对不准影响刀具的检测。另外，刀具必须精确地布置，而如果不知道刀具的精确尺寸，则精确布置不总是可以的。在这类的系统中，由穿过束的刀具或其他物品在检测器上形成阴影，以及当该阴影使束模糊了预定量时，产生刀具存在信号。
有利地，刀具等可以用于反射光，以及发射器和接收器可以被安装到一起。这样的系统在US5,293,048、GB2200747A和DE3434461中进行描述。然而，刀具反射的光的量是有限的，因为刀具通常具有较差的反射率，所以光发射器必须相对于在以上段落中描述的对准系统的光发射器的功率具有更大的功率。当光发射器是激光器时，激光器从刀具产生可测量的反射所需要的输出功率可能超出当前(current)安全极限。
在US5,940,787中，检测来自其中刀具接触加工件的区域的电磁辐射。根据刀具的情况，在刀具的接触和缩回之间，由检测器接收到的信号的特性发生改变。监控和分析该信号特性以产生控制信号。源于冷却剂和碎屑(debris)的干扰被过滤，但是在激光器系统的情况下，这样的过滤掩盖了某些特性以及使系统变慢，使得激光器系统不适用于那些情况。
根据第一方面，本发明提供用于检测物体的存在或不存在的检测装置，该装置包括光发射器和相对于该光发射器布置的光接收器，以接收由物体反射的光，其特征在于发射的光以变化的强度来发射。
根据第二方面，本发明提供一种用于检测物体的存在或不存在的方法，其包括这些步骤向着物体发射光；以及接收由该物体反射的光；其中，发射的光以变化的强度来发射。优选地，该变化强度是在光发射器不发射光和发射全部光之间的变量。在优选实施例中，周期性地发射光。优选地，“接通”周期在每2-100μS中有1-50μS，也就是大约10-500kHz。优选地，该物体邻近该装置。
以这种方法，检测装置不连续地检测光，而只是在预定周期检测光。这导致光发射器的定期(periodic)瞬时功率高于平均输出功率，因为光发射器不连续地输出光。该更高的定期输出功率可以被用于在所述周期期间安全地增加在光接收器处接收到的光的量，而不会导致输出光的不安全的平均水平。平均输出优选地为了激光器的无防护观察而处于当前可接受极限之下。
并且，光的变化强度在光接收器处产生交变信号，该信号可以从由大体不变的环境光产生的信号容易地分开地放大。
与刀具检测装置相关的问题通常、具体但是不排他地是使用反射光的类型的那些问题，包括源自其他光源和反射的干扰，或者源自检测环境的污染的光束阻塞。在US5393048中，这些问题通过使用相对于刀具的旋转轴成角度的激光源来缓解。这减少了由于碎屑而导致的阻塞问题。如果反射信号超出了一定阈值，则发出刀具存在信号。如果阈值在刀具的一个旋转所用时间中没有被超出，则刀具被认为是断裂的。
现有技术存在的问题是任何超出阈值的反射被记录作为刀具存在信号，因此出现源自冷却剂或切屑的错误触发。此外，在刀具上提供多于一个的刃口的情况下，只识别这些刃口的一个。在一些情况下，刀具被设置为穿过刀具冷却剂。在这样的情况下，为了执行刀具检查，则必须等到冷却剂排尽，这导致了加工过程中的延迟。
根据第三方面，本发明提供可一种用于检测具有重复运动的物体的存在或不存在的装置，该装置包括接收器，用于从物体接收信号；以及电路，用于确定要检测的物体的存在或不存在。该装置的特征在于该电路在物体的重复运动的至少部分期间，将来自接收器的信号记录为数据图案；将该数据与先前记录的数据图案做比较；基于该比较产生输出信号。
因此，该电路当图案匹配先前记录的数据图案时或当该图案不再匹配先前记录的数据图案时，产生物体检测输出信号。
根据第四方面，本发明提供一种用于检测具有重复运动的物体的存在或不存在的方法，该方法包括以下步骤在接收器处接收来自物体的信号；在该物体的重复运动的至少部分期间，将来自接收器的信号记录为数据图案；将该数据与先前记录的数据图案做比较；以及基于该比较产生输出信号。
在本发明的这些方面中，刀具断裂检测的技术已经从识别束模糊或损坏或者指示反射束具有超出阈值的强度也就是接通/关断系统的选择改变为利用图案识别对于现在存在的刀具的正识别，该正识别也就是识别束中的变化作为刀具的特性。
重复运动可以是旋转或任何其他反复运动。
优选信号为光，在优选实施例中，光来自发射器，以及接收器接收来自发射器的光，以产生所述信号。优选地，发射的光以变化的强度进行发射。
因此在本发明的实施例中，装置的电路能够找到匹配的数据的图案，从而确认旋转物体的存在。数据图案可以从钻头图案(drill bit pattern)的历史数据选择或下载，然后与当前数据做比较，或在优选实施例中，将当前数据与在至少一个稍早旋转期间接收到的先前记录的数据做比较。在本说明书中，术语“先前记录的数据”包括在相同检查周期期间刀具的稍早旋转期间记录的数据以及历史数据。
使用历史数据的好处当使用具有多于一个的刃口的刀具时发生。随着产生的图案不同于历史数据，可以识别出一个或多个刃口的不存在。有利地，两种类型的数据的混合可以被应用，以当表面加工将受到影响以及该刀具更易于断裂从而增加了产生切屑的风险时，标记该刀具应该被立即改变。任何几何改变可以被识别出，例如在夹具中的刀具是错误的，该几何改变被标记给操作员。
物体可以是要确认其的存在的切削刀具，或可以是机床的移动部分，该刀具被布置在装置和移动部分之间，以阻止物体检测信号，从而作为物体找到信号的中断来确认其存在。
优选地，电路确定在各个时间间隔期间在接收器处接收到的信号的量，以及为每个间隔产生一个值。
电路或者将接收到的信号(例如光)的值转换为数字化形式例如二进制值，或者使用模拟信号。二进制是优选的，因为其使得可以实时地完成简单处理。优选地当二进制值或数据的其他图案与之前数据具有相关关系时，则由电路发出刀具找到信号。
利用这样的方式，当两个或多个组的数据的图案被比较并且匹配时，将检测到旋转刀具或类似运动的物体。优选地，在接收器处接收到的信号的量被监控，以及如果在任何一个间隔期间该量超出阈值，则数据的二进制值被记录为1。可选择地，如果在间隔期间信号的值没有达到阈值，则记录二进制0。
现在将参考附图来说明本发明的实施例，其中

图1显示了使用作为切削刀具检测器的根据本发明的检测装置；图2显示了图1中所示的装置的示意图；图3显示了用在图1和图2中所示的检测装置中的电路的电路框图；图4a、4b和4c显示在图3中所示的电路的操作的图示；图5显示以不同方式使用的本发明；图6显示了图3中所示的电路的可选择操作的图示；图7a和7b显示了根据本发明的装置的可选择结构。
图1显示了检测装置10以及安装架80的图示视图，该安装架80用于将装置固定到机床等。显示的还有刀具30的部分，该刀具30要由检测器10来检测。
图2显示了横截面中的相同装置10。显示的是激光器二极管光发射器12、发射器聚焦透镜14、输出光路52、反射光路54、接收器透镜16和光电二极管光接收器18。以标称地正交于(nominally normally)刀具30的方式发射光。
从激光器12发出的光，沿着路径52在期望刀具30所位于的点处聚焦。当存在旋转刀具30时，发射的光被至少沿着反射光路54反射。反射光54然后利用透镜16聚焦到光电检测器18上。
在加工环境中，碎屑的微粒可以模糊激光束52、54以及透镜14、16。为了缓解这种情况，发射器透镜14设置有气源22，其经由壳体中的孔24流出到加工环境中，以及接收器透镜16大于所需，这样如果任何微粒粘在表面上或任何油膜部分地覆盖了表面，依然保持充分的表面面积来使得信号可以被接收到。因此该系统具有内置冗余，这样反射的信号可以偏离光路并且依然被接收到。
检测器装置10包括电路20，在本例子中该电路20安装在装置10内。电路20详细显示在图3中。当电路20检测到(或没有检测到)刀具30时，输出信号被发送到控制器50，该控制器50控制了刀具30的操作。
图7a和图7b显示了根据本发明的装置的可选择布置。在图7a中，发射器112和接收器118相对于彼此垂直地布置，以及分别地设置在分开的壳体100和102中。在图7b中，分别显示了两组发射器和接收器212/218以及212′/218′。在两种情况下，发射器/接收器对都位于基本上相同的垂直平面内，但是它们关于刀具30的旋转轴放射状地布置。在一种情况212/218下，位移的角度小于90°。而在另一情况212′/218′下，位移的角度在90°和180°之间。
参考图3，显示了振荡器21和除法器电路22。除法器22产生两个同步化输出。第一输出是触发激光器的信号，以及第二输出是到采样与保持电路23的信号。来自除法器电路的信号以大约150kHz操作。在该频率处，激光器二极管1恒定地以一定速度闪亮和闪灭，这对于机器操作员或观测员表现为弱激光输出。因此，激光器12的平均光输出52将处于激光器的未保护观测的当前可接收极限之下。因此，来自激光器的输出52对于操作者是安全的。
回到透镜16的反射光以及环境光由光电二极管18检测，而其模拟信号在二级放大器24/25中进行放大。DC恢复器26将交变信号保持在大约合适的电压，以停止其由于例如在环境光水平中的变化而导致的漂移。采样与保持电路23利用来自时钟除法器电路22的同步化信号，在几乎与激光相同的时间被触发。由放大器24/25产生的信号将表示激光52的一次闪动。来自采样与保持电路的信号37如此频繁(150kHz)以至于其如在图4a中所示表现为连续的，虽然实际上大约每6μSec才采样一次。采样信号然后在低通滤波器27中过滤，以去除不期望的高频噪声。来自该滤波器的周期性模拟信号然后被分开，以及馈送到信号比较器以及参考电压产生电路29，该参考电压产生电路29包括峰值信号强度检测器和百分比除法电路。因此来自该参考电压电路29的输出Vref是来自低通滤波器27的峰值模拟信号强度的百分比。将该参考电压Vref与模拟信号37做比较，以及比较器28只有当模拟信号超出参考电压时才产生输出。这只有当在光电检测器处的光量高得不正常时也就是当激光54被反射到光电检测器18时才会发生。来自比较器28的输出38显示在图4b中。如果刀具30旋转，并且具有齿或其他不规则情况，则光电检测器检测到的光量将随着齿等移动进入光52的脉冲以及引发被检测器18检测到的反射54，而定期地达到峰值。脉冲发生得如此频繁以至于检测电路不会遗漏旋转的齿等。
将来自比较器28的输出馈送给微控制器32。微控制器经由编程输入进行编程，以及具有时钟以将其与采样速率保持同步。微控制器监控在一段周期上的数字输入信号，以及如果从比较器获得该信号，则微控制器将该事件记录为二进制“1”。在其他情况下则记录二进制“0”。在本例子中，周期为3.75mS。也就是说该周期是以1000rpm旋转的刀具转数的1/16。也可以是其他的周期。记录以滚动方式录入到图4c中所示的32位寄存器中，该滚动方式也就是新数据恒定地取代旧数据一个位置。
图4c的线1显示了微控制器对于对应于图4a和4b中显示的信号的刀具30的一次旋转的记录。线2表示在行1中记录的刀具的旋转之前的刀具的旋转期间所记录的数据。在行2中的数据已经从行1发生了位移。实际上寄存器足够长以保持陈旧时间为120mS的数据，也就是以1000rpm旋转的刀具的两次旋转的数据。实际上，在本实施例中，行1和行2是一个寄存器。
在寄存器的行1和行2中的条目如所示进行“异或”计算以得到结果的行3。行3只有在行1和行2匹配时才是都为0的，而行1和行2只有当它们具有相同的数据图案时才匹配。当在刀具的每次旋转期间的时间旋转刀具等将光反射到光电检测器18的相同点处时，行1和行2将具有相同的数据图案。因此当刀具在检测器10处旋转时，行3包含的都是0。
另外，当行1和2包含的都是1或都是0时，行3将包含都是0。当不存在刀具时，当光束52恒定地反射到检测器10上，或当过多的光达到检测器时，这是可能的。为了防止导致刀具检测器错误触发的以上事件的任何一个，使用逻辑电路。如果行1和行2包含的都是1或包含的都是0，则在与门42处录入逻辑值0。只有当行1和行2不都为0或不都为1并且行3都为0时，与门才触发输出。从前述可以看出，需要旋转物体用于从电路20产生输出。通常，该输出经由已知为跳行(skip line)馈送给机床控制器50，该输出包括简单的24伏接通/关断信号。
可选择地，行1显示了先前记录的数据，该数据从历史数据源选择或下载。在本实施例中，行1和行2包括两个寄存器，它们以之前所述的方式进行比较。
在图3中说明的装置的操作的可选择方法显示在图6中。
当机器冷却剂的液滴浸透邻近刀具检测器的环境时，这些液滴可能导致刀具找到信号的错误触发。因此，有利地，为了防止错误触发，在两次以上旋转上执行数据的相关。
在图6中，在刀具的三次(a，b和c)旋转上搜索匹配的数据图案。如在图4c中所示，使用逻辑电路，以当在寄存器41的数据的三个部分a′、b′和c′中找到相关数据，也就是匹配的1或0时，产生刀具找到信号。可以使用多于三次的旋转。每次旋转(在本例子中为60mS)进行一次相关数据的确定。寄存器41可以是任何长度，但是需要存储36位的信息。
实际上，在图4中所示的两次旋转上，时钟21的速度和刀具的旋转速度不需要精确同步，因为短时间间隔意味着该两次旋转不会变得显著异相。同样，刀具的期望旋转速度和实际旋转速度经常也不是精确匹配的。
然而，使用更多旋转来对数据相关指示出，时钟采样速度和刀具的旋转应该更好地匹配以给出精确结果。旋转数可以少到三次，但是是旋转速度的函数。利用本系统来精确地确定刀具的旋转速度不是必需的。
在图6中所述的方法中，每次旋转采样12个而不是16个，也就是每5mS一次。这减少了每次旋转所收集的数据。两齿刀具(例如钻头)以大约980rpm而不是期望的1000rpm旋转时被检测。当模拟信号37上升到阈值Vref以上时，二进制1被插入到寄存器41的当前位置中。如以前那样，寄存器滚动新数据将最旧的数据推出。当接收到第一信号37a时，内部时钟被重置，这样样本的中间在接收到信号37a时发生，也就是下一个样本在2.5mS后开始(以及7.5mS后结束)。
在本例子中，当在60mS(1rev)中没有接收到信号时发生这样的调节，以及然后获得在第12个样本之后发生的每个信号37b、37c，直到在60mS中没有收集到数据。
因此，如果再一次轮到某一齿但是刀具不以精确的1000rpm旋转时，则每旋转一次要将齿和刀具检测器重新同步。这意味着由于齿的反射而发生的数据图案从一次旋转到另一次旋转不会漂移横跨寄存器位置1到12，而是由于每一次旋转时钟与刀具的重新同步，将在每次旋转期间保持在相同的寄存器位置中。因此然后可以使用增加的旋转数目来检测刀具，其减少了错误触发或未被检测出的刀具的发生。
在图6中显示的例子中，尽管刀具以仅仅980rpm旋转，但是寄存器a′、b′和c′全部具有匹配的数据，因为在每个第13个记录时，寄存器中的记录被轻微地延迟了量d。相同的原理可以用于旋转太快的刀具。在这样的例子中，在每个第12个采样之后的第一个样本的持续时间将被去除，这样下一个采样在2.5mS后开始。
每次旋转12个采样是优选的，因为切削件的齿数很可能是12的因数。如果这样，齿检测信号将发生在采样时间的中间处而不是在采样时间的周边处。因此，降低了在检测的三次或更多旋转的期间齿检测信号从一个采样位置漂浮到相邻采样位置的风险，以及因此由于相关数据的缺乏而导致的刀具未被检测到的可能性更少。然而，将知道可以使用其他采样速率和刀具速度，以及对于本领域技术人员来说计算有关的相对采样时间是简单的任务。
然而，不是所有机床都具有旋转的刀具。车床通常具有不可旋转的刀具以及旋转的工件夹具。该刀具只能以不可重复的方式来移动。图5显示了用于和刀具不旋转的车床等一起使用的本发明的实施例。检测器10以平面图显示，其固定到车床上的主轴箱51以及指向车床夹具56。车床夹具56在箭头A的方向中旋转。如前所述，在夹具上的反射功能部件当夹具旋转时将从检测器10中的电路产生输出信号。然而，当机床切削刀具30′进入束52或54中时，则输出信号将停止。因此，可以从来自电路20的输出信号的状态来确定车床刀具30′的存在或不存在。如果光束52聚焦到期望车床刀具进入该光束的点处，则可以获得更大的精确度。
在本实施例中，不同于在刀具与光束互相作用时产生图案由此图案的产生表示存在刀具，情况与之相反。夹具产生的图案的缺失表示刀具存在。在任何一种情况下，产生图案或遮蔽图案的数据流中的变化指示刀具存在。
在至今描述的实施例中，反射离开物体的光-该物体为刀具或夹具-指向接收器。在可选择的例子中，从物体发射的光指向接收器，该接收器例如设置有LED的物体。在图5中，LED插入在点58处以及转动角度以在近似相同的方向上发射光。如以前那样，夹具56的旋转相对于检测器10移动LED，该检测器10当刀具30′进入光束路径时产生被遮蔽的图案。当使用发射的光时，由夹具的旋转产生的数据图案在强度以及频率/波长上都可以改变。这可以被用于确定实际夹具/主轴速度(而不是仅仅指示已知的期望速度)，以及不同颜色的使用可以显示何时LED之一被烧坏。
在机床控制器50中的软件可以被用于当检测到刀具(旋转刀具或者非旋转车床类型的刀具)时通知机床切削程序来执行加工过程。
以上描述了检测物体的一个装置和三种方法。落在本发明的范围内的很多变化对于本领域技术人员(skilled addressee)是显而易见的。例如，如果要检测的物体或物体附近的一些部件移动，除了刀具的物体的检测也是可以的。描述了要检测的物体的旋转，但是其他重复运动也可能给出相同的结果。虽然描述了激光，但是可以提供来自源的任何可视或非可视光，包括环境光。根据物体的运动的速度，在检测器18处检测到的光量的记录的间隔可以被增加或减少。已经描述了达到36位的二进制寄存器，但是其他容量也是可以的，以及不需要使用二进制数据。
如果记录了二进制数据，则任何数量的位可以用在上述的一位的位置中。在这样的例子中，然后将可以记录在接收器处存在的光量，而不仅仅是如前所述的接通/关断值。
在对于以上的改进中，可以提供单元来发送对应于将从刀具反射的光的信号。因此，刀具检测器可以被安装在机床上并且进行检查，而不需要将刀具放在检测器附近。该单元可以包括简单的旋转镜或者其他反射面，但是优选地是固态布置，其响应由刀具检测器发送的类似脉冲产生激光的脉冲。
这些修改和改变都包括在由附加权利要求限定的本发明的范围中。
权利要求
1.一种用于检测具有重复运动的物体的存在或不存在的装置(10，100，102，212，218)，所述装置包括接收器(18，118，218)，用于接收来自所述物体的信号；以及电路(20)，用于确定要检测的所述物体的存在或不存在，其特征在于所述电路(20)在所述物体的至少部分所述重复运动期间，将来自所述接收器的所述信号记录为数据图案，将所述数据与先前记录的数据图案做比较，基于所述比较产生输出信号(42)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中在各个离散时间间隔期间接收所述信号(37)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述信号为光(52，54)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述光来自发射器(12)，以及所述接收器(18)从所述发射器接收光，以产生所述信号。
5.根据任何一个前述权利要求所述的装置，其中所述电路(20)确定在所述接收器处接收到的信号的值，以及产生二进制值。
6.根据权利要求5所述的装置，其中如果从所述物体(30，56)反射的所述信号超出预定阈值(Vref)，则所述数据的值被记录为1。
7.根据任何一个前述权利要求所述的装置，其中当所述先前记录的数据与所述数据图案具有相关关系时，则由所述电路发出刀具找到信号。
8.根据权利要求1到6的任一个所述的装置，其中所述当先前记录的数据不再与所述数据图案匹配时，则由所述电路发出刀具找到信号。
9.根据任何一个前述的权利要求所述的装置，所述在所述接收器处接收到的所述信号从要检测的所述物体反射。
10.根据权利要求3到9的任何一个所述的装置，其中所述发射的光(52)以变化的强度发射。
11.一种用于检测具有重复运动的物体(30，56)的存在或不存在的方法，所述方法包括以下步骤在接收器处接收来自所述物体的信号(54)；在所述物体的至少部分所述重复运动期间，将来自所述接收器的所述信号记录为数据图案；将所述数据与先前记录的数据图案做比较；以及基于所述比较产生输出信号(42)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述数据图案是二进制图案。
13.根据权利要求12所述的方法，其中如果从所述物体(30，56)反射的信号超出预定阈值(Vref)，则所述数据的值被记录为1。
14.根据权利要求11到13的任何一个所述的方法，当所述先前记录的数据与所述数据图案具有相关关系时，则由所述电路发出刀具找到信号。
15.根据权利要求11到14的任何一个所述的方法，其中所述先前记录的数据包括来自所述物体的之前重复运动的数据。
16.根据权利要求11到15的任何一个所述的方法，其中所述先前记录的数据包括历史数据。
17.根据权利要求11到16的任何一个所述的方法，其中所述信号(52，54)是光，以及所述光具有变化的强度。
全文摘要
公开了一种用于检测具有重复运动的物体(30，56)的存在或不存在的装置和方法，其包括接收器(18，118，218)，用于接收来自物体的信号；以及电路(20)，用于确定要检测的物体的存在或不存在，其中该电路在物体的重复运动的至少部分期间将来自接收器的信号记录为数据图案，将该数据与先前记录的数据图案做比较，以及基于该比较产生输出信号(42)。该信号可以在各个时间间隔期间接收，以及可以是以变化的强度发射的光(52，54)。该电路可以确定在接收器处接收到的信号的值，以及产生二进制值。该在接收器处接收到的信号可以从要检测的物体反射出来。
文档编号G05B19/4065GK101014443SQ200580029916
公开日2007年8月8日 申请日期2005年9月7日 优先权日2004年9月8日
发明者维克托·戈登·斯廷普森, 科林·蒂莫西·贝尔, 威廉·肯尼思·戴维斯, 保罗·马克斯特德 申请人:瑞尼斯豪公司