CN101674918B

CN101674918B - 工具分析装置

Info

Publication number: CN101674918B
Application number: CN2008800141750A
Authority: CN
Inventors: 爱德华·本杰明·埃格尔斯顿; 德里克·马歇尔; 本杰明·贾森·梅里菲尔德
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-05-02
Also published as: WO2008135744A1; US9040899B2; ATE523290T1; JP2013078841A; CN103286639A; EP2152469A1; CN101674918A; EP2380698A1; TWI473681B; EP2380698B1; US8530823B2; US20130320200A1; GB0708499D0; EP2152469B1; US20100051783A1; TW200909120A; JP5587393B2; JP2010526287A; CN103286639B

Abstract

一种用于机床的工具设置或工具分析装置，包括用于产生光束(20)的光源(12)。光接收器(34)接收光束并产生表示所接收光的量的信号。这由主分析电路(35)进行分析，从而当光束至少部分被遮挡时产生触发信号到机器控制器(62)。为了提供自动防故障操作，如果主电路(35)没有识别出工具，则在延迟电路(66)的延迟之后产生后备触发信号。在一个优选形式中，后备触发信号可以发生振荡从而产生重复的边界，所述边界甚至在机器控制器遭遇到盲窗因而错过原来的触发信号时也能保证自动防故障操作。

Description

工具分析装置

技术领域

本发明涉及一种用于对工具进行分析的装置，具体地，一种与机床一起使用的切割工具。其可以用于，例如，在工具设置中确定切割工具的位置，或者用于确定其条件，例如，是否折断或损坏。

背景技术

国际专利申请WO 2004/056528描述了这种工具设置装置，其使用所谓的“断开光束”系统。光束在光发射器和光接收器之间传递。具有锯齿的切割工具在其进入这个光束时发生旋转。来自接收器的复合信号在模数转换器中进行数字转换，从而产生接收信号的数字表示。然后在数字信号处理器(DSP)、场编程门阵列、专用集成电路或例如可编程集成电路(PIC)或个人电脑系统的通用微处理器中进行数字处理，从而从信号的特定属性中对工具进行检测。

当识别出工具时，处理器产生触发信号，该触发信号被带至机床的计算机数字控制(CNC)的所谓的“跳转”输入端。这使得控制读取机床的位置编码器的瞬时值，当对切割工具进行定位以用于切割操作时从所述瞬时值产生偏移值进行使用。

这种系统产生可重复的测量结果而不需要工具移入光束的低馈送速度，从而能够进行快速操作。其还能够注入外来信号，该外来信号并非工具断开光束的结果，特别是在机床冷冻剂的液体水滴通过光束时。

发明内容

本发明提供一种工具分析装置，包括：

光源，用于产生光束；

光接收器，用于接收所述光束并且从所述光束产生指示出所接收光的量的信号；

主分析电路，用于在所述光束至少部分被工具遮挡时，分析来自所述光接收器的所述信号并且产生触发信号；

第二触发信号产生电路，所述第二触发信号产生电路也从所述光接收器接收所述信号，并且在所述主分析电路在所述光束至少部分被所述工具遮挡时未能产生所述触发信号的情况下产生后备触发信号。

我们已经认识到这样的风险，即在某些少见的情况下，先前已经知道的装置的主分析电路可能会不能识别出旋转工具所导致的复杂信号，从而不能产生触发信号。通过提供第二触发信号产生电路，这个风险得以改进。与主分析电路相比较，第二触发信号产生电路可能会给出较低的可重复性，从而给出较低的度量上的准确性。但是，它可以提供自动防故障信号用于机器控制，用于停止工具的移动并防止意外损坏。

优选地，如果来自所述光接收器的所述信号保持为给定状态的时间比预先确定的时间长，则所述第二触发信号产生电路产生所述后备触发信号。优选地，所述第二触发信号产生电路的输出与所述主分析电路的输出并联连接。

在使用前面所提的现有技术的装置的实际使用中已经发现另外一个问题，如下所述。某些类型的CNC机床控制的跳转输入具有这样的时间，在该期间，控制不能对有效的触发信号作出反应。这被称为盲窗。在这个盲窗期间，控制不能停止切割工具的移动，这可能会导致碰撞。

在一个优选的实施例中，根据本发明的装置包括振荡发生器，其连接来用于提供振荡触发信号。优选地，所述振荡发生器与所述第二触发信号产生电路相关联，用于在所述预先确定的时间的末端之后产生重复的触发输出。如果工具在具有上述问题的控制器的盲窗中断开光束，则重复的触发信号将会继续直至盲窗的末端之后，并且将会保证控制器作出反应。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式对本发明的优选实施例进行详细的描述。其中：

图1为工具分析和设置装置的示意图，

图2示出了该装置中的信号波形，并且

图3为用于工具分析和设置装置的替代电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了断开光束类型的工具设置装置。其包括光发射器12，该光发射器12将光束20引向光接收器34。在使用中，所述装置安装在具有可移动轴杆(未示出)的机床上，其中可以安装带锯齿的切割工具50。为了检测切割工具50的存在以及进行工具的设置，心轴可以移动工具50从而使其进入光束20并且至少部分阻挡光束20。光发射器12可以是半导体激光二极管，并且接收器34可以为光电二极管。在这个例子中使用了红外线光。

来自接收器34的信号由放大器31进行放大。在主分析电路中，由模数(A-D)转换器33进行取样。取样速率约为45kHz，但是也可以使用其它的取样速率。数字信号处理器(DSP)35调取取样。这对复合信号进行分析并且当其与旋转的切割工具的复合信号相匹配时产生触发输出信号。触发信号在线路60上被传送到机床CNC控制器62的“跳转”输出端61。当接收到触发信号时，控制器62询问机床的位置编码器，从而确定握持切割工具50的轴杆的坐标位置。从而可以进行工具检测并产生工具设置偏移值。

如上所述，所述装置示出在我们的国际专利申请WO 2004/056528及对应的美国专利No.7,315,018，我们将参照它们进行进一步的描述，包括在DSP 35中执行的算法。这保证了触发信号的生成是高度可重复的，即使当切割工具50快速地移动到光束20中时也是如此，从而可以准确并快速地执行工具设置操作。国际专利申请WO 2004/056528和美国专利No.7,315,018在此引入作为参考。

所述装置还包括第二个冗余的或后备的工具检测单元，其与A-D转换器33和DSP 35并联连接，将在下面对之详细描述。其目的在于保证触发信号总能产生并且总能被控制器62检测，即使在极少情况下工具50不由DSP算法检测，或者机床控制器没有对来自DSP 35的触发信号作出响应。

第二个冗余或后备工具检测电路包括信号比较器64，该信号比较器64从放大器31接收工具信号输出。比较器64用作阈值检测器，当信号输出超过某个阈值时产生输出信号。在当前的例子中，来自放大器的工具信号为负脉冲，当旋转切割工具50的锯齿进入光束20时对应于整个光的减少。因此，当来自放大器31的信号低于2.0V的阈值时，比较器64产生输出。

比较器64的输出连接到延迟定时器66，当超过阈值时，延迟定时器66以(例如)150ms的延迟时间对时钟脉冲进行计数。定时器66在这个延迟时间最后在输出线路68上输出后备触发信号。如果在这个延迟时间的末端之前工具信号超出比较器的阈值，则重置定时器。图2对此进行了图示：当信号低于2.0V阈值时定时器在A点处被重置，但是当其重新回到阈值之上时在B点处被重置。然后，定时器在C点处被再次重置一次，这时，信号没有回到阈值之上。触发信号在D点处产生，D点在C点之后的150ms处。

为了说明的目的，图2已经进行了简化。在实践中，在工具信号中将会有多得多的脉冲，正如在之前的申请WO 2004/056528中所描述的，定时器66仅在其中有一个没有回到2.0V阈值之上之后输出其触发信号。

当然，如果放大器输出信号包括负脉冲时，比较器64将在工具信号超出阈值时而不是在其低于阈值时产生输出。

延迟定时器66的输出68在电路70中利用来自DSP 35的输出60进行门操作。电路70包括驱动逻辑和固态继电器，用于驱动控制器62的跳转输入61。

定时器66的延迟时间选择为使得其超过为DSP 35所取的时间长度，以便识别工具。还将比较器64的2.0V阈值选择为使得它只在DSP 35中对应的信号阈值之后超出。(即，在负信号的情况下，比较器阈值低于DSP阈值，或者在正信号的情况下，比较器阈值高于DSP阈值。在当前的例子中，DSP阈值可以为2.5V，如图2中所示。)

作为结果，在通常的操作中，DSP 35在线路68上的第二电路触发输出之前在线路60上产生其触发输出，然后该触发输出被带到机器控制器62的跳转输入61。因此，机器控制器62与来自DSP 35的可重复触发信号相作用，用于准确的工具设置。

但是，如果DSP 35没有识别出工具，则比较器64和延迟定时器66的组合是简单并且可靠的，并且在150ms的延迟之后以自动防故障(fail-safe)的方式将其后备触发信号提供给控制器。这保证了控制器通过光束20停止工具50的移动，并且防止它与机床其它结构相碰撞。

可选择地，电路70可以在线路72上通过另一个固态继电器产生第二个输出到机器控制器。这个输出通过不但对DSP 35的输出和定时器66进行门操作而且对振荡器74进行门操作而产生。作为结果，在线路72上从DSP 35或定时器66产生触发信号之后，在这个线路上出现了由振荡器导致的重复的信号边限。这些重复的信号边限用作进一步的触发信号。如果机器控制器62处于盲窗(blind window)中并且没有能够与来自DSP 35或定时器66的第一触发信号作出反应，则它将在盲窗末端之后与这些重复的进一步的触发信号中的一个信号作出反应。这提供了自动防故障操作，以便保证斑点工具的移动在碰撞出现之前停止。

应当理解，控制器62可能需要连接到线路61和72。然而，如果线路72被使用(因为控制器遭遇盲窗)，则线路61有利地提供了非振荡的输入，控制器可以询问该输入以便确定装置的当前状态(被触发或未被触发)。

图3示出了一个替代电路，用于与图1中的断光装置12和34一起使用。这里，主分析电路包括可编程集成电路(PIC)80，而不是DSP 35。它经过与图1中类似的放大器31和比较器64从接收器34接收信号。这提供脉冲输入信号到PIC，而不是模数转换。PIC被编程来对旋转工具在它断开光束时导致的信号图像进行识别。

当PIC识别工具时，它在线路89上提供触发信号到逻辑电路和固态继电器82，从而提供到机器控制器62，如前所述。这个触发信号是可以重复的，从而提供了好的度量上的准确性。

与PIC 80平行，150ms延迟电路86还接收比较器64的输出。利用图1中的延迟计数器，这提供了自动防故障的触发信号。这个自动防故障信号在OR门88中与PIC 80的输出相结合，在线路90上将结合的触发信号提供给逻辑电路和继电器82。因此，线路90上结合的信号通常将在PIC的输出上提供触发，但是如果PIC没有能够识别出工具，则它将随后进行触发，以作为延迟电路的输出的结果。

线路89和990上的触发信号只在工具被检测时改变电平(从高到低或从低到高)。但是，附加地还提供有脉冲发生器92和振荡发生器94，从OR门88的输出接收它们的输入。脉冲发生器92以脉冲的形式产生结合的触发信号。振荡发生器94以重复方波振荡的形式产生结合的触发信号。这两个信号被带到逻辑电路82，它们可以从该逻辑电路82被选择以通至线路72上的机器控制器。

逻辑电路82在模式选择电路84的控制下选择将哪个触发信号经过输出61或72带到机器。模式选择电路可以由设置开关和/或来自于在机器控制器62中运行的程序的“M码”信用卡号设置。

如果装置用在工具设置模式中，则任何结合的触发信号(改变电平、脉冲或振荡)可以由模式选择电路84选择并被传送到机器控制器62。或者线路89上的未结合的PIC输出可以被传送到控制器。如果振荡触发信号被选择，则如前所述它的重复信号边界用作进一步的触发信号，如果控制器62遭遇盲窗则提供自动防故障操作。

如果装置用在非工具设置模式中，例如，用于检测折断或损坏的工具，则PIC输出89通过模式选择电路84进行选择并被传送到机器控制器62。

振荡发生器94优选地与线路90上结合的触发信号同步(与图1中的自由运行的振荡器74不同)。这样具有的好处是所产生的振荡触发信号相对于工具断开的光束可重复地产生。因此，可用作度量上准确的触发信号。

应当理解，不同于DSP 35或PIC 80的其它分析电路也可以使用。例如，场可编程门阵列、专用集成电路、通用微处理器或个人电脑系统。

Claims

1.一种工具分析装置，包括：

光源，用于产生光束；

主分析电路，该主分析电路用于分析来自所述光接收器的信号，并且在所述光束至少部分被旋转工具遮挡且该主分析电路识别出由至少部分遮挡所述光束的所述旋转工具导致的复合信号时产生触发信号；

第二触发信号产生电路，所述第二触发信号产生电路也从所述光接收器接收所述信号，并且在所述主分析电路未能识别由至少部分遮挡所述光束的所述旋转工具导致的复合信号的情况下产生后备触发信号。

2.根据权利要求1所述的工具分析装置，其中，如果来自所述光接收器的所述信号保持为给定状态的时间比预先确定的时间长，则所述第二触发信号产生电路产生所述后备触发信号。

3.根据权利要求1所述的工具分析装置，其中，所述第二触发信号产生电路的输出与所述主分析电路的输出并联连接。

4.权利要求2所述的工具分析装置，其中，所述第二触发信号产生电路的输出与所述主分析电路的输出并联连接。

5.根据权利要求2所述的工具分析装置，包括与所述第二触发信号产生电路相关联的振荡发生器，用于在所述预先确定的时间的末端之后导致重复的触发输出。