CN101511530A - 机床监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明基于一种机床监测装置，其包括用于识别机床(10；82)中的使用状况的识别单元(22)，在此提出，机床(10；82)的至少一个部件(16；88)用作用于识别单元(22)的发射信号和/或接收信号的反射器。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的机床监测装置。
背景技术
DE10261791A1公开一种用于圆锯的机床监测装置。它具有用于产生和获得电磁信号的传感器单元，该传感器单元布置在锯片的附近。通过监测信号频谱来发现人体部靠近锯片。
发明内容
本发明基于机床监测装置，其具有用于识别机床使用状况的识别单元。
在此提出，机床的至少一个部件用作识别单元的发射信号和/或接收信号的反射器，由此可以从结构上简单实现对机床的大范围监测。
还提出，机床监测装置具有至少一个超宽频带雷达传感器。它可以在利用超宽频带信号的情况下获得高信息密度，由此获得有效监测。与此相关，“超宽频带雷达传感器”应该尤其被理解为一种雷达传感器，借此能产生、发射和接收和/或分析计算超宽频带雷达信号。“超宽频带(或Ultra Wide Band或UWB)雷达信号”应该尤其被理解为电磁信号，其具有中心频率介于1GHz至15GHz频率范围且频带宽度至少为500MHz的频谱。超宽频带雷达传感器尤其是识别单元的组成部分。
还提出，识别单元尤其是识别单元的超宽频带雷达传感器能实现位置确定和/或速度确定，这样可以获得非常高的识别精度。“位置确定”应该尤其被理解为确定借助机床监测装置监测的目标相对机床的一个活动目标例如尤其是相对最好处于被驱动状态的刀具的位置。此外，“速度确定”应该尤其是指确定至少一个运动特征，该运动特征选自一个相对机床的活动目标运动的物体的运动方向、瞬时速度值和瞬时加速度值的组。
与此相关，如果位置确定和/或速度确定是人体组织或动物组织的位置确定和/或速度确定，则可以获得高的安全性。尤其是借助对超宽频带信号的频谱分析来实现人体组织或动物组织的识别。
在本发明的一个优选实施方案中提出，机床的所述至少一个部件是加工工件的元件，由此可以获得在直接位于加工工件的元件四周中的特别大的监测区。与此相关地提出，机床的所述至少一个部件是锯片或锯条。
在本发明的一个有利改进方案中提出，识别单元具有至少一个包括发射方向和/或接收方向的天线，该天线对准所述至少一个部件，其中可以获得具有高强度的分析信号。
在本发明的另一个实施方案中提出，识别单元具有至少两个传感器，它们在机床基准安装位置上设置在用于安置工件的机床工作面的两侧，这样一来，可以从结构上简单实现大监测区的覆盖。与此相关，“机床基准安装位置”应被理解为这样的位置，其在最终用户按照规定的操作条件使用机床时出现。机床工作面最好按照用于安放待加工工件的安放面的形式构成，其在机床基准安装位置中水平取向。当传感器布置在机床工作面的“两侧”时，传感器最好通过机床工作面被分隔开，在此，第一传感器布置在机床工作面之上，第二传感器布置在机床工作面之下。
在本发明的一个有利改进方案中提出，设置识别单元是为了求出至少一种材料的介电常数，由此能做到特别精确的材料识别。
还提出，设置识别单元是为了通过将发射信号或接收信号反射至工件来求出工件厚度，由此能有利地省去用于测量工件厚度的附加装置。
为了确定介电常数和/或工件厚度而提出，识别单元在至少一个工作模式中用于分析计算一组至少两个辐射部分中的至少一个辐射部分，这两个辐射部分因信号被反射向材料的至少两个界面而在空间上相互分开。
如果机床监测装置尤其是识别单元具有天线阵列，则可以实现非常有效的识别。与此相关，“天线阵列”应尤其被理解为一组多个彼此不同的天线，它们在工作中借助同一个信号发生单元被供给待发射的信号。天线阵列适当地具有至少一个超宽频带雷达天线。
如果天线阵列以相位可变式天线阵列的形式构成，则可以提高识别精度。与此相关，“相位可变式”天线阵列应尤其被理解为这样一种天线阵列，其对应于至少一个相位移机构，该相位移机构设置用来改变由天线阵列的不同天线所发出的两个信号之间的至少一个相对相位。
如果识别单元具有至少两个监测区用于监测机床的使用过程，则可以获得监测功能设计的高灵活性。
还提出，所述监测区分别对应于机床的一个不同工作模式，这样一来，可以在机床使用中获得高的灵活性。
在本发明的一个优选实施方案中提出，至少其中一个所述监测区对应于机床的报警模式。这样，可以有利地在发现潜在危险的使用状况时在操作者处于实际危险境地之前采取预防措施。
与此相关，如果识别单元与用于驱动刀具的机床驱动单元配合地设置用来在报警模式下减缓刀具的驱动，则可以有利地获得报警效果和高的安全性。
在本发明的一个有利设计中提出，至少其中一个所述监测区对应于机床的安全关闭，结果，可以获得高的机床操作安全性。
还提出，识别单元能发现一方面是人或动物且另一方面是木头、金属或塑料之间的差别，在这里，能依据所识别出的材料类型来采取不同的应对。如果发现的是人体组织，则可以采取安全措施。如果发现的是待加工的工件，则可以启动用于表示工件状态特征如湿度、厚度、进给速度等的测量过程。
有利的是，识别单元包括计算单元，其通过基于模糊逻辑和/或神经元逻辑的特征参数的分析评估，来识别使用状况。借助模糊逻辑，计算单元可以结合所掌握的信号来快速分析大量复杂信息。模糊逻辑尤其表示这样的逻辑，它给某事件的发生指派介于0(假)和1(真)区间的概率值。通过神经元逻辑，可以有利地获得机床监测装置的自学习功能。
在本发明的一个有利改进方案中提出，识别单元具有数据库，在该数据库中，一组特征参数被分配给一个使用状况。可以有利地实现非常快速的使用状况识别过程，其做法是，研究所掌握的特征参数和使用状况之间的关联性。
还提出了一种用于识别在机床使用过程中的使用状况的方法，其中为了识别使用状况，从人体组织或动物组织的探测中掌握至少一个特征参数，由此能在使用机床时获得高的安全性。
附图说明
从以下的附图说明中得到其它优点。在附图中示出了本发明的多个实施例。附图、说明书和权利要求书包含了大量特征组合。技术人员也将适当地单独审视这些特征并且归纳成有意义的其它特征组合。其中：
图1以前侧截面图表示包括锯片和机床监测装置的圆锯；
图2是图1所示圆锯的从上方看的俯视图；
图3是机床监测装置的示意图；
图4以振幅-频率视图表示由机床监测装置产生的宽频带信号；
图5表示机床监测装置的数据库；
图6表示确定手相对锯片的位置和速度；
图7表示工件的介电常数的确定；
图8表示机床监测装置的两个不同监测区；和
图9以前视图表示带有机床监测装置的裁板锯。
具体实施方式
图1以前侧截面图表示成台式圆锯形式的机床10。以下的说明还涉及图2，图2以俯视图表示机床10。机床10具有床身12、用于安放待锯切工件的工作面14以及以待加工刀具形式构成的部件16。尤其是，部件16以锯片的形式构成。或者，部件16可以作为锯条或其它技术人员看起来有意义的刀具的形式构成。机床10如图1所示处于其基准安装位置。在此情况下，为了加工工件，工件被安置在水平取向的工作面14上并且在水平的加工方向18上相对刀具16运动，该加工方向垂直于图1的图面。机床10还配备有机床监测装置20，其具有一个识别单元22，用于识别在机床10使用时出现的状况。尤其是该识别单元22按照能在至少一个监测区(参见图8)内识别存在人体组织或动物组织来设计。
为此，识别单元22配备有多个传感器24和26。这些传感器24和26分别以超宽频带雷达传感器的形式构成。在此情况下，每个传感器24或26具有至少一个超宽频带天线28，其设置用于发射和/或接收图4所示的超宽频带信号。传感器24在如图1所示的机床10基准安装位置上与竖直方向30相关地设置在工作面14的下方，尤其在床身12中。在此情况下，传感器24在竖直方向上朝上被工作面14遮挡住。传感器26在基准安装位置上设置在工作面14的上方。为此，传感器26借助保持机构32被保持在其高出工作面14的位置上。传感器26的在竖直方向上30向下投射到工作面14上的投影被包在工作面14中。下传感器24和上传感器26设置在工作面14的两侧，就是说，下传感器24通过工作面14与上传感器26分隔开。
如图2所示，传感器24.1和24.3的天线28构成包括两个天线28的第一天线阵列34.1，而传感器24.2和24.4的天线28构成包括两个天线28的第二天线阵列34.2。所述天线阵列34.1和34.2在作为刀具的部件16的运动平面36的两侧设置在工作面14的下方。在此例子中，运动平面36对应于部件16的转动平面。其包括部件16的重心并且垂直于部件16的转动轴线38取向。传感器26.1、26.3、26.5和26.7的天线28构成包括四个天线28的第三天线阵列40.1，而传感器26.2和26.4、26.6和26.8的天线28构成包含四个天线28的第四天线阵列40.2。天线阵列40.1和40.2设置在工作面的上方并且在运动平面36的两侧。此外，天线阵列40.1和40.2分别设置在部件16旁侧的区域内。设置在部件16的旁侧应该理解为是这样的布局，尤其是完全包埋在由部件16的运动平面36所限定的一半空间中。还可以想到，传感器24和26本身以天线阵列的形式构成。
识别单元22具有传感器24和26，它们在机床基准安装位置上如上所述地设置在工作面14的两侧，就像例如传感器24.1和26.1那样。每个天线28具有一个发射器和/或接收器42，器对准成刀具形式的部件16。在此情况下，发射器和/或接收器42与水平的工作面和与竖直的运动平面36形成一个尖锐的夹角α或者β，其中夹角α或者β之和最好等于90度。当通过天线28发出发射信号时，发射器42最好对应于具有最高强度的发射信号被发射的方向。在接收一个接收信号时，接收器42最好对应于天线28具有最大接收灵敏度的方向。发射器和/或接收器42的取向可以通过相对工作面14来适当选取对应天线28的取向来定，和/或可以通过为一个传感器24、26设置光学单元，该光学单元用于辐射成束。例如，发射器和/或接收器42可以对应于该光学单元的光轴。在所研究的情况中，天线阵列34、40以相位可变式天线阵列的形式构成。在此情况下，在一个天线阵列34、40内，可以控制由构成对应天线阵列34和40的单独天线28所产生的发射信号之间的相对相位。在此情况下，可以借助构造性和/或破坏性干涉使发射信号成束，以便在优选发射方向42上射出。相对相位移的控制借助未详细示出的相位移元件来进行。
在图1所示的发射器和/或接收器42的取向下，以刀具形式构成的部件16将被用作用于识别单元22的发射信号和/或接收信号的反射器。例如，由在工作面14下方的一个天线28从机床10的内室中将发射信号发射向部件16。该发射信号优选射向部件16上的一个反射点，该反射点设置在工作面14中的、为部件16而设的间隙44的区域内，并且由射中部件16的倾斜入射角决定地到达在工作面14上方的一半空间，在此空间内，发射信号在目标如工件或操作者的手上被反射或转向。例如，发射信号可以在位于部件16附近的操作者的手反射，此时回对准部件16。在重新在部件16上反射后，其作为接收信号被传感器24和/或26接收。
借助识别单元22，可以在加工工件时实现不同的监测功能。在图3中说明了识别单元22的结构和行动方式。
图3表示包括识别单元22的机床监测装置20以及机床10的以刀具形式构成的部件16。出于一目了然的考虑，只示出识别单元22中的传感器24.1。为了发射信号或接收信号，如上所述地给传感器24.1配备超宽频带天线28。待发射信号(参见图4)将在传感器的一个为超宽频带工作而设置的信号发生单元46中产生并且备发送给天线28。在通过天线28收到信号后，信号在信号处理单元48中被滤波、放大并被转换成数字形式，随后被发送给识别单元22的计算单元50，以便加工处理。识别单元22还具有存储器单元52，包含监测信息的数据库54存储于其中。数据库54的功能以下将做说明，该数据库可借助输入单元56由最终用户或者在设备调整时被编程。计算单元50最好具有至少一个微处理器，或者它可以作为微处理器来构成。
图4表示其中一个天线28的输入施加的发射信号的频谱，在这里，在Y轴上标示出振幅A，在X轴上标示出频率v。发射信号按以下方式传输，其中心频率vM为5GHz，中心频率vM左右的信号带宽Δv为2GHz。此时，低频v1等于4GHz，高频v2等于6GHz。例如发射信号可借助产生脉冲来生成，其中每个脉冲按照纳秒级的脉冲持续时间来传输并且有规律地前后相随。可以想到技术人员看起来是有意义的其它超宽频带信号产生方法。
图5表示存储在存储器单元52内的数据库54。借助数据库54，计算单元50可以给所掌握的接收信号分配使用状况58，其例如对应于工件被安放在工作面14上。在数据库54中，信号模式如A3、B2等在一张分配表中分别被分配给使用状况A或者B等。尤其是，识别单元22可以发现一方面是人体组织或动物组织且另一方面是木头、金属或塑料的区别。不同的使用状况本身以接收信号的各不相同的频谱加以区分。分别针对某材料表示一个符号的表征频谱以信号模式的形式A1、B2等被存储在数据库54中。依据所测定的接收信号，计算单元50研究接收信号和信号模式之间的关联性，直到确定出一个与所测定的接收信号最相关的信号模式60。合适的信号模式60的确定将借助模糊逻辑(unscharfe Logik)方法来执行。在数据库54的另一张分配表中，使用状况A、B、C等对应于用于工件加工的行动方式I、II、III等。如果计算单元50发现了一个使用状况，则可以对该使用状况做出发应，其做法是，一个设置用于执行安全措施且与识别单元2相连的执行器单元62(参见图3)相应于该行动地优势改变该工件加工过程。执行器单元62此时处于与设置用来驱动部件16的驱动单元64的有效连接中(参见图3)，和/或其用于驱动未示出的安全机构，该安全机构设置用来保护操作者。在所研究的例子中，使用状况58对应于行动66，该行动在数据库54中对应于项I。在此行动66中，例如机床10的工作未改变地继续进行。
还假定，操作者的手指靠近被驱动的部件16。这本身在接收信号等的频谱中通过表示人体组织特征的多个共振频率体现出来。该使用状况被称为使用状况68，其被计算单元50依据所测到的接收信号并通过确定一个相关联的信号模式70识别。在数据库54中，使用状况68对应于一个行动72，在此行动中，部件16的驱动装置被关停。
借助输入单元56，用户可以执行数据库54的配置。用户尤其可以使数据库54适应机床10的新应用，例如当使用其它的锯切装置或者新型配件时，和/或它可以调整出对应于某些使用状况的新行动方式。为了用新的使用状况和用于该使用状况的新行动方式来扩充数据库54，规定机床10的自学习模式。在此模式中，使用状况可以由操作者来有意识地提供，其中计算单元50可以自动学习，识别这样的使用状况并且求出哪些行动方式适应于该使用状况。此时，计算单元50知晓每个使用状况对应于一个或多个信号模式。对此，计算单元50在此模式中依据神经元逻辑来工作，该神经元逻辑允许这样的自学习功能。此外，借助计算单元50，可以确定所发现的目标相对部件16的位置，尤其确定至部件16的距离。这在图6中示出了。为此，计算单元50为了确定所测量的手和部件16之间的距离D而测定在产生发射信号和街道对应的接收信号之间的传播时间，就像例如通过执行相位计算。通过分析计算频率和/或发射信号和接收信号之间的相位移，可以监测手相对部件16移动的速度。
另外，将以刀具形式构成的部件16用作反射器能够确定安置在工作面上的材料的介电常数。这在图7中示意示出了。在此情况下，由其中一个上传感器26以倾斜的发射方向42将发射信号对准部件16。在所研究的例子中假定，发射信号由其中一个传感器26.1、26.3、26.5或26.7发出。在朝向部件16反射后，发射信号的方向在一个对应于图面的竖直平面里同竖直取向的工件表面法线形成一个角度α1。发射信号的一部分将在空气和工件74之间的第一界面反射，而一部分将透过工件74。在此情况下，透过的辐射与相同的工件表面法线形成一个角度α2。透过的辐射部分在工件74至工作面14的第二界面被反射。传感器26的位置，确切说例如传感器26.3至运动平面36的水平距离X时如此选择的，即只测量到在第一界面上被反射的辐射部分。由此一来，可以确定工件74材料的反射系。通过在发射信号不同极化时确定反射系数，可以求出工件74材料的介电常数。这借助识别单元22的计算单元50来完成。还可以如此在垂直于运动平面36的水平方向上移动传感器26.3，即距离X是如此选择的，传感器26.3测量在第二界面被反射的辐射部分。通过确定移动距离，可以求出角度α2和工件74的厚度d。这又借助识别单元22的计算单元50来求出。作为替换方式或者除此之外，可以想到将一个天线28用于传感器26.3，该天线具有接收角度，该接收角度能实现两个辐射部分的接收。在此情况下，发射信号能以脉冲发射信号的形式构成，在此借助测量发射信号的传播时间对两个辐射部分加以区分。还可以想到使用一个天线阵列，在这里，天线阵列的多个天线分别被设置用于明确测量其中一个辐射部分，由此一来，又能对两个辐射部分加以区分。
通过许多天线28及其围绕部件16的分散布置，可以通过识别单元22灵活确定机床10的许多监测区。这在以从上方看的俯视图表示机床10的图8中示出了。识别单元22确定下两个监测区76和78。监测区76和78的在竖直方向30上朝下投射到工作面14上的且对应于在工作面14中的监测区76和78边界的投影借助虚线来表示。监测区78围绕部件16并且对应于执行器区。如果借助识别单元22发现在部件16旋转时在监测区78内存在人体组织或动物组织，则如上所述地触发执行器单元62的安全措施。尤其借助执行器单元62来触发机床10的安全关闭，尤其是驱动单元64的安全关停。监测区76围绕监测区78并且由多个点组成，这些点离部件16最近，其距离大于监测区78的点至部件16的最小距离。监测区76对应于报警区并且对应于机床10的报警模式。如果在监测区76内发现存在人体组织或动物组织，则可以借助光学和/或声学发信单元80来警告操作者(参见图3)。另一种报警模式借助执行器单元62来完成，该执行器单元与驱动单元64相关联地改变旋转的部件16的转速，从而通过减缓部件16的驱动来警告操作者有潜在危险。监测区76和78的行动方式存储在数据库54中。
机床监测装置20可以有利地被用在静止不动的机床中，例如带锯、摆锯、刨床等。还可以想到，本发明的机床监测装置20被用在摆锯和斜切锯、裁板锯和横截锯等中。例如，在图9中示出了被应用在成裁板锯形式的机床中的情况。在图9的前视图中示出的机床82按照已知方式具有工作面84和用于支承以刀具确切说以锯片形式构成的部件88的刀具支承单元86，该部件以相对工作面84移动的方式支承。为了加工安置在工作面84上的工件，刀具支承单元86可以从图9所示的静止位置开始，借助一个与刀具支承单元86紧固在一起的操作单元90竖直向下地移动，直到产生部件88与工件的接触。机床82还具有以护罩形式构成的保护装置92，用于局部遮盖部件88。另外，机床82配备有机床监测装置20，其具有四个传感器24.1至24.4，它们布置在工作面84下方(为此参见图2)，而在图中只能看到其中两个传感器24.1和24.2。另外，设有四个传感器26.1至26.4，它们设置在工作面84的上方。在此相应用到尤其是关于传感器24、26相对工作面84和运动平面94尤其是部件88的转动平面、以及关于发射器和接收器42的取向以及将部件88用作发射信号或接收信号的反射器的、以上对机床监测装置20的说明。传感器26被保持在保持机构96上，其与刀具支承单元96紧固支承，尤其被固定在保护装置92上。在此情况下，传感器26将在刀具支承单元86相对工作面14运动时被带动。
Claims (24)
1.机床监测装置，包括用于识别机床(10；82)中的使用状况的识别单元(22)，其特征在于，该机床(10；82)的至少一个部件(16；88)用作该识别单元(22)的发射信号和/或接收信号的反射器。
2.根据权利要求1所述的机床监测装置，其特征在于，设有至少一个超宽频带雷达传感器(24，26)。
3.根据权利要求1或2所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)能实现位置确定和/或速度确定。
4.根据权利要求3所述的机床监测装置，其特征在于，位置确定和/或速度确定是人体组织或动物组织的位置确定和/或速度确定。
5.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该机床(10；82)的该至少一个部件(16；88)是加工工件的部件。
6.根据权利要求5所述的机床监测装置，其特征在于，该机床(10)的该至少一个部件(16；88)是锯片或锯条。
7.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)具有至少一个包括发射方向和/或接收方向(42)的天线(28)，该天线对准所述至少一个部件(16；88)。
8.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)具有至少两个传感器(24，26)，它们在机床基准安装位置上设置在用于安放工件的机床工作面(14；84)的两侧。
9.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)设置用于求出至少一种介质的介电常数。
10.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)设置用于通过将发射信号或接收信号反射到工件(74)上来求出工件厚度(d)。
11.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，设有天线阵列(34，40)。
12.根据权利要求11所述的机床监测装置，其特征在于，该天线阵列(34，40)以相位可变式天线阵列的形式构成。
13.根据权利要求11或12所述的机床监测装置，其特征在于，该天线阵列(34，40)具有至少一个超宽频带雷达天线(28)。
14.根据前述权利要求之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)确定至少两个用于监测机床(10)的使用过程的监测区(76，78)，。
15.根据权利要求14所述的机床监测装置，其特征在于，给所述监测区(76，78)各分配一个不同的机床(10)工作模式。
16.根据权利要求14或15所述的机床监测装置，其特征在于，至少其中一个所述监测区(76)对应于机床(10)的报警模式。
17.根据权利要求16所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)与用于驱动刀具的机床驱动单元(64)配合地设置用来在报警模式下减缓刀具的驱动。
18.根据权利要求14至17之一所述的机床监测装置，其特征在于，至少其中一个所述监测区(78)对应于机床(10)的安全关闭。
19.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)能够发现一方面是人或动物且另一方面是木头、金属或塑料之间的差别。
20.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)包括计算单元(50)，它设置用于通过基于模糊逻辑和/或神经元逻辑的特性参数分析来识别使用状况。
21.根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置，其特征在于，该识别单元(22)具有数据库(54)，在该数据库中一组特征参数与一种使用状况(58，68)相对应。
22.一种机床，包括根据前述权利要求中之一所述的机床监测装置。
23.一种超宽频带雷达传感器，其用于在按照权利要求22所述的机床中识别使用状况。
24.一种用于识别在机床(10；82)的使用过程中的使用状况的方法，其特征在于，为了识别使用状况，从人体组织或动物组织的探测中掌握至少一个特征参数。
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