CN102528564A - 钻机的辅助装置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辅助装置，它与一个钻机可连接。设置一个将一个第一光斑和一个第二光斑投射到一个待加工的工件上的投影器。投影器沿工作方向投射到工件上或一个待加工面上。设置一个将第一光斑和第二光斑记录在一个图像中的摄像头。设置一个评价装置，它基于在图像中记录的第一光斑到一个基准点的第一间距和在图像中记录的第二光斑到基准点的第二间距确定钻机相对于工件的倾斜度。一个显示装置与评价装置联接并显示所确定的倾斜度。各光斑可以构成为点形的或平面的。

Description

钻机的辅助装置和控制方法
技术领域
本发明涉及一种钻机的辅助装置，用于将钻机相对于工件特别是垂直定向，和一种所属的控制方法。
发明内容
一种按照本发明的辅助装置与一个钻机可连接或可以可拆式地固定在钻机上。辅助装置可以具有可拆式或不可拆式的用于固定在钻机上的装置，例如卡圈、套筒、夹子、螺钉。设置一个将一个第一光斑和一个第二光斑投射到一个待加工的工件上的投影器。投影器沿工作方向投射到工件上或一个待加工面上。设置一个将第一光斑和第二光斑记录在一个图像中的摄像头。设置一个评价装置，它基于在图像中记录的第一光斑到一个基准点的第一间距和在图像中记录的第二光斑到基准点的第二间距确定钻机相对于工件的倾斜度。一个显示装置与评价装置联接并显示所确定的倾斜度。各光斑可以构成为点形的或平面的。符合目的的是，间距从光斑的中心或重心到基准点确定。如果各光斑具有表明特征的尖角或尖端，则可以考虑其到基准点的间距。
一种针对用于将钻机相对于工作面定向的辅助装置的控制方法设定以下步骤。利用一个投影器将一个第一光斑和一个第二光斑投射到工作面上。一个摄像头将第一光斑和第二光斑记录在一个图像中。由一个评价装置确定在图像中记录的第一光斑到一个基准点的第一间距和在图像中记录的第二光斑到基准点的第二间距。第一间距和第二间距是在工作面上的各光斑与一个假定的轴例如摄像头的光轴之间的所属间距的虚像。基于第一间距和第二间距测定钻机相对于工作面的倾斜度并借助一个显示装置显示出来。
一种实施形式设定，投影器沿第一方向发出一个用于产生第一光斑的第一光束，沿第二方向发出一个用于产生第二光斑的第二光束并且发出一个用于产生第三光斑的第三光束，其中第一光束关于摄像头的一个光轴的方位角和第二光束关于摄像头的光轴的方位角不同，并且第一光束关于光轴的偏振角和第三光束关于光轴的偏振角不同。三个光束以不同的取向和倾斜度的发出用于从在图像中记录的各光斑确定光轴的距离和倾斜度。三个光束允许以绝对值解释倾斜度和距离。确定的数值可以例如作为数字显示给使用者。
一种实施形式设定，第一光束以一个大于10°的偏振角关于光轴倾斜而第三光束以一个小于5°的偏振关于光轴倾斜。各光点在图像中的成像由于投射伴随有信息损失。两个光束相对于光轴或图像的一个图像平面以不同的偏振角的调整表明足可以重新确定各信息。
一种实施形式设定，摄像头和投影器设置在一个平台上，它可相对于钻机的工作轴可偏转。特别是可调节在工作轴与摄像头的光轴之间的偏振角。辅助装置指示使用者，如何垂直于工作面引导光轴，借此按照调节的偏振角保持钻机。
一种实施形式设定，显示装置具有一个投影器，它将显示内容投射到工件上。显示装置的投影器沿与摄像头相同的方向取向。通过投影器沿工作方向亦即朝工具的方向实现光的发出，用以显示各信息。
附图说明
下面的描述借助一些示例性的实施形式和附图说明本发明。附图中：
图1具有一个辅助装置钻机；
图2由辅助装置摄取的图像；
图3辅助装置的一个光学测量装置的详图；
图4辅助装置的一个光学测量装置的详图；
图5辅助装置的一个显示装置的监控器；
图6辅助装置的一个显示装置的投影器；
图7辅助装置的一个显示装置的投影器。
只要没有另外说明，相同的或功能相同的各元件通过相同的附图标记标注在各图中。
具体实施方式
图1示出一个示例性的钻机1，它可以驱动钻头2绕一个工作轴3旋转。使用者将钻头2向工作方向4压紧到一个工件6的一个待加工的工作面5上。旋转的钻头2在此在工件6中产生一个钻孔7。钻头2具有一个由硬质合金例如烧结的碳化钨和/或金刚石构成的切削元件，它通过绕轴线旋转切除工件6的材料。可以通过钻头的螺旋形的杆或空心杆运走钻屑。也可以沿一个罐形钻头的圆形端面设置一些切削元件。
一个驱动装置可以包括一个马达8例如一台电机、一个传动装置9和一个输出轴10。输出轴10将转矩传递到一个工具夹头11上，钻头2可插入该工具夹头中。使用者借助一个手柄12可以保持和/或引导钻机1，手柄优选设置在一个机具壳体13的一个远离工具夹头11的端部上。
一个辅助装置20便于使用者以想要的角度优选垂直于加工工作面5定向钻机1的工作轴3并且定向地对其进行引导。一个光学测量装置21可以测定其光轴22相对于工件6的取向。一个显示装置23使使用者看清当前的取向。此外辅助装置20可以测定当前的钻孔深度并且借助显示装置23看清该钻孔深度。
辅助装置20的光学测量装置21具有一个投影器24和一个摄像头25，它们详细示于图3中。投影器24在工作面5上产生至少一个第一光点26和一个第二光点27。摄像头25优选设置在光轴22上并且将工作面5和在其上产生的光点26、27记录在一个图像28中(图2)。一个评价装置29借助图像28和在其中记录的光点26、27确定光轴22相对于工作面5的取向。
针于投影器24的一个实例是两个激光源30例如激光二极管，它们产生一个第一光束31和一个第二光束32。第一光束31沿一个第一方向发射而第二光束32沿一个不同于第一方的第二方向发射。
下面在关于光轴22的角坐标中说明光束31、32的方向。一个偏振角描述一个光束相对于光轴22在一个由光束和光轴22展开的平面内的倾斜度。一个方位角说明光束沿绕光轴22的旋转方向的取向并且可以在一个到垂直于光轴22的平面上的投影中进行确定(参见图2)。
优选第一光束31的第一方位角33和第二光束32的第二方位角34不同。第一方位角33与第二方位角34可以相差180°，亦即两个光束31、32与光轴22处在一个平面内。第一光束31的第一偏振角35和第二光束32的第二偏振角36可以是相同的。偏振角35、36优选处于在10°与60°之间的范围内。投影器24可以交叉光轴22地发射光束31、32。
在工作面5上第一光束31导致第一光点26而第二光束32导致第二光点27。从第一和第二光点相对于光轴22的相对位置和间距可以确定光轴22相对于工件6的相对取向。由投影器24发出的光束31、32可以具有一个圆形的横截面或一种不同的形状。微小直径的光点由于其简单可确定的位置是优选的，但也可以将不同成形的光斑例如非圆形的形状、箭头、十字投射到工件6上。
摄像头25记录在工件6上具有光点26、27的工作面5。摄像头25可以包括一个成像镜组37，它将工作面5成像到一个分辨位置的光传感器38上。光传感器38将射入到其上的光转变成一个图像28，该图像在一个图像平面39中空间分辨地给出光的强度。光点26、27符合目的地是如此明亮，以致它成像在图像28中具有最高的强度。一个符合光点26、27的颜色的滤色器40可以设置在光传感器38之前，用于加强对比度。
成像镜组37可以包括一个由一个或多个透镜42组成的物镜41。各透镜42优选居中和垂直于光轴22地设置。代替或除了物镜41，还可以设置一个光圈。投影器24和摄像头25相互这样位错地设置，以致第一光点26由摄像头25在一个不同于第一方向的方向下进行检测而第二光点27在一个不同于第二方向的方向下进行检测。
一个评价装置29从摄像头25特别是从分辨位置的光传感器38读出图像28。图像的最亮点解释为虚的、成像的光点26、27。在图像28中或在图像平面39中成像的光点26、27相对于一个基准点43的位置由评价装置29测定。在图像28中示出第一光点26相对于基准点43的第一间距44和第二光点27相对于基本点43的第二间距45。测出的间距是虚的。测出可以包括确定光点26、27在图像中的坐标。为了测定间距44、45，例如将属于坐标的各间距以一个参考表格保持在评价装置29的一个存储器构件46中，例如RAM、Flash-RAM中。可以任意规定基准点43，优选基准点43是图像平面39与光轴22的交点或图像28的中心。
辅助装置20的一种运行模式设定，支持使用者将钻机1相对于工件6垂直定向。辅助装置20这样固定在钻机1上，以致光轴22平行于工作轴3。评价装置29发送一个控制信号，如果第一间距44与第二间距45不同，则该控制信号由此说明光轴22相对工件6是倾斜的。控制信号说明间距44、45中较大者处于哪一方向。显示装置23使使用者看清该控制信号。例如显示装置23显示一个朝该方向指向的箭头。使用者由此使手柄12在钻孔周围朝该方向偏转，直到间距44、45是等大小的且光轴22垂直于工件6。
光学测量装置21可以设置在一个相对于工作轴3可偏转的平台47上。特别是一个在光轴22与工作轴3之间的偏振角是可调的，平台可以例如借助一个球接头48或回转接头固定在钻机1的壳体上。使用者调节一个想要的例如光轴22相对于工作轴3不平行的取向。评价装置29和显示装置23指示使用者以垂直于工件6的光轴22引导钻机1。一个钻出的钻孔随后具有一个相对于工作面5的倾斜度，它符合工作轴3相对于光轴22调节的取向。
在另一种运行模式中，辅助装置20可以绝对地确定光轴22相对于工作面5的角度。投影器24产生一个第三光束49，它优选平行于光轴22而与光轴22位错。代替平行，第三光束49也可以相对于光轴22具有一个与第一光束31相比小的偏振角，例如在0°和5°之间。产生的第三光点50由摄像头25检测。在图像28中测定成像的光点50距基准点43的虚的第三间距51。借助第三间距51确定摄像头25离工件6的距离52。第三间距51在图像28中随着渐小的距离52而增大。基于距离52、第一间距44和第二间距45以及第一光束31的偏振角35和第二光束32的偏振角36，可以绝对和量化地测定光轴22相对于工作面5的倾斜度53。优选在存储器构件46中相对于不同的距离52、第一和第二间距，存储各相应的偏振角35、36。显示装置23优选作为数字显示绝对角度。
另一种实施形式设定，第一光束31和第二光束32相对于光轴22具有不同的偏振角35、36。两个光束31、32可以在一个平面内延伸，该平面例如包含光轴22。优选第一光束31平行于光轴22，第二光束倾斜于光轴22。借助光轴22作为基准点43可以由第一间距44和第二间距45直接确定光轴22相对于工作面5的绝对倾斜度53。
光传感器38可以具有许多光敏的单元，它们设置在一个格栅上。一个光点的坐标符合所述单元和必要时分别由光点26、27照射的单元的间隙。一个单元可以规定为基准点43。光传感器38可以例如包括一个CCD芯片或一个APS传感器。
摄像头25可以在图像28中记录在工作面5中的钻孔7和钻头2。评价装置29包括一个图像识别装置54，它识别钻孔7并在图像28中确定其坐标。图像识别装置54可以例如首先识别钻头2，例如借助其细长的形状和/或基于钻头2在图像28中的一个已知的根据摄像头25相对于钻头2的一种固定的或已知的设置得出的取向。钻头2的可见部分的一个端部55的坐标符合钻孔7的坐标。在图像28中确定钻孔7距基准点43的间距56。该间距56是用于摄像头25距钻孔7继而距工作面5的距离52的数值。评价装置29可以基于该数值确定钻机1的距离并且将其发送给显示装置23以便看清。也可以将距离52用于确定绝对角度53。
至此描述的各种实施形式可以以相对于一条垂直线的偏差或作为光轴22相对于工件6在一个平面内的绝对角度53测定一个倾斜度。一种进一步构成设置一些其他的光束，它们相对于第一和第二光束31、32具有相差90°的方位角。可以类似于第一和第二光束31、32实现对其他的光束的光点57的评价。由此可以在一个垂直于第一的第二平面内测定倾斜度。为了确定绝对角度53，还可以附加地使用第三光束49，它相对于光轴22具有一个不同于其他的光束31、32的偏振角。在一种实施形式中设置三个不同取向的光束，其中两个至少在方位角上不同而两个至少在偏振角上不同。附加或代替第三光束49，可以测出钻孔7在图像28中距光轴22的间距56，用于距离确定。
投影器24可以由多个单个的、独立的激光源30组成。可以按照激光束32的预定方向定向地将激光二极管30设置在一个壳体58中。投影器24也可以具有一个分光器59，以便将一个光束分成为两个光束31、49。分光器59可以例如包括一个小玻璃片或一束玻璃纤维。
在另一种实施形式中，投影器24按选择或附加地具有一个自发光显示屏60和一个成像镜组61(图4)。显示屏60可以例如是一个背景照亮的液晶显示器、一个包括多个发光二极管的矩阵等。在显示屏60上可以显示由多个像点62组成的符号。成像镜组61将显示在显示屏60上的图像成像到工作面5上。成像镜组61可以具有一个或多个透镜，它们沿成像镜组61的光轴63设置。光轴63伸过显示屏60、优选显示屏60的中心。接近光轴63的各像点在相当大程度上导致平行于光轴22的光束。而接近显示屏边缘的各像点通过倾斜于光轴63的光束31、32投射到工作面5上。可以通过成像镜组61的焦距调节各光束的倾斜度。
显示装置23具有一个监控器64，它固定在辅助装置20的一个支架65上。监控器64以其可读出的平面66面对使用者，亦即相反于工作方向4取向。使用者在沿工作方向4引导钻机1时可以读出监控器64上的信息。多个电光部分67彼此独立地在明亮与黑暗状态之间可转换(图5)。各部分67可以是自发光的，例如包括多个发光二极管的一个排或一个矩阵，或一个使例如多个液晶单元具有色调明暗层次的背景照明装置。各部分67可以构成为箭头的形状，它们以90°的步进方式旋转设置。在光轴22相对于工作面5倾斜时，按照评价装置29的控制信号分别激活其中一个部分67。各部分67也可以构成为许多在一个格栅上的像点，它们共同显示激活的箭头、数字、字母等。图5的实例示出一组黑暗的处理的部分67，它们说明一个向右的倾斜度并因此要求使用者向左偏转钻机1。各部分67设置在辅助装置20的一个远离工具2的面上。使用者可以直接在辅助装置20上读出所显示的方向。
显示装置23具有例如一个投影器68，它将一个由显示装置23待显示的信息投射到工作面5上(图6)。投影器68沿工作方向4指向。投影器68可以具有一个自发光显示屏69和一个成像镜组70。
显示屏69由多个单独可控制的电光发光元件71组成。每个电光元件71都可以在一种控制状态下发射光而在另一种控制状态下不发射光。各电光元件71可以例如包括背景照亮的液晶显示器、点形的或其他几何构成的发光二极管、一个由灯照亮的微反射镜的场等。示例性示出显示屏69包括多个电光元件71，它们设置在一个格栅上。各像点可以单独或成组地发光，以便显示一个或多个想要的符号。符号是箭头、数字、字母等。测量装置21控制投影器68。在此按照由测量装置21发送的数据，以发光方式控制电光元件71的不同的组。各组成对地至少在一个元件71中不同，该元件针对一个组发光而另一组不发光地进行控制。
成像镜组70将在显示屏69上显示的符号成像到工作面5上。成像镜组70具有一个包括一个或多个透镜的物镜72。物镜72的焦距和焦点可以是可调的。例如物镜72可以通过一个滑座74沿其光轴73移动。作为备选方案，物镜72可以包括一个液态的透镜，其焦距通过设置一个电场可调节。
投影器68的另一种实施形式具有一个光源75，用于产生一个光束76，优选一个激光器，和一个偏转装置77。偏转装置77具有例如一个反射镜78，它绕两个轴79可转动或可摆动地悬挂。反射镜78可以通过一个激励器80例如以压电、电磁或静电方式被激励成绕两个轴79摆动。反射镜78也可以绕一个或两个轴79转动。为了使光束76沿两个方向偏转，也可以设置两个摆动的或转动的反射镜。使光束76沿一个格栅例如一个曲线图(Lissajous-Figur)偏转到工作面5上面。
一个控制装置81根据偏转装置77的位置控制光束76的强度，以便将符号投射到工作面5上。一种控制图案可以针对不同需要的符号例如箭头、数字存储在控制装置81的一个存储器构件中。控制图案规定关于反射镜78的角位置的强度。只要光束76处在符号的范围之外，就降低光束76的强度。可以借助控制装置81通过控制用于光源75的电流供给实现强度的控制。此外可以通过一个强度调制器82实现控制，该强度调制器例如包括一种用于改变偏振的转换单元(Pockelszelle)83与后接的偏振滤光器84的组合和/或一种由用于改变光束的展开方向的声光(akkustooptischen)调制器85和后接的光圈86的组合。
一种实施形式设定，将用于显示测量结果的显示装置23的投影器68也用于在工作面5上产生光斑26、27，以便通过测量装置21测出。可以取消测量装置21的一个附加的投影器24。
辅助装置20可以具有一个夹紧箍90，它可以绕着钻机1的一个颈部91或一个手柄设置。一个夹紧机构91将夹紧箍卡紧在钻机1上。代替一个夹紧箍也可以通过夹紧机构91将一些卡圈夹紧在钻机1上。

Claims (11)

1.辅助装置(20)，它与一个钻机(1)可连接，包括：
一个将一个第一光斑(26)和一个第二光斑(27)投射到一个待加工的工件(6)上的投影器(24)，
一个将第一光斑(26)和第二光斑(27)记录在一个图像(28)中的摄像头(25)，
一个评价装置(29)，它基于在图像(28)中记录的第一光斑(26)到一个基准点(43)的第一间距和在图像中记录的第二光斑(27)到基准点(43)的第二间距(45)确定钻机(1)相对于工件(6)的倾斜度(53)，和
一个用于显示所确定的倾斜度(53)的显示装置(23)。
2.按照权利要求1所述的辅助装置，其特征在于，投影器(24)沿第一方向发出一个用于产生第一光斑(26)的第一光束(31)，沿第二方向发出一个用于产生第二光斑(27)的第二光束(32)并且发出一个用于产生第三光斑(50)的第三光束(49)，其中第一光束(31)和第二光束(32)关于摄像头(25)的一个光轴(22)的方位角(33、34)不同，并且第一光束(31)和第三光束(49)关于光轴(22)的偏振角(35、36)不同。
3.按照权利要求2所述的辅助装置，其特征在于，第一光束(31)以一个大于10°的偏振角关于光轴(22)倾斜而第三光束(49)以一个小于5°的偏振角关于光轴(22)倾斜。
4.按照上述权利要求之一所述的辅助装置，其特征在于，摄像头(25)和投影器(24)设置在一个平台上，该平台相对于钻机(1)的工作轴(3)可偏转。
5.按照上述权利要求之一所述的辅助装置，其特征在于，投影器(24)包括一个激光源(30)。
6.按照权利要求5所述的辅助装置，其特征在于，在激光源(30)后面连接一个分光器(59)，用于将一个光束分成多个光束。
7.按照上述权利要求之一所述的辅助装置，其特征在于，投影器(24)包括一个自发光显示屏(60)和一个成像镜组(61)。
8.按照上述权利要求之一所述的辅助装置，其特征在于，显示装置(23)具有一个将显示内容投射到工件(6)上的投影器(68)。
9.按照权利要求8所述的辅助装置，其特征在于，投影器(68)沿与摄像头(25)相同的方向取向。
10.用于将钻机(1)相对于工作面(5)定向的控制方法，包括下列步骤：
利用一个投影器(24)将一个第一光斑(26)和一个第二光斑(27)投射到工作面(5)上，
将第一光斑和第二光斑记录在一个图像(28)中，
确定在图像(28)中记录的第一光斑(26)到一个基准点(43)的第一间距和在图像中记录的第二光斑(27)到基准点(43)的第二间距(45)，
基于第一间距(44)和第二间距(45)测定钻机(1)相对于工作面(5)的倾斜度(53)，和
借助一个显示装置(23)显示所确定的倾斜度(53)。
11.按照权利要求10所述的控制方法，其特征在于，沿第一方向发出一个用于产生第一光斑(26)的第一光束(31)，沿第二方向发出一个用于产生第二光斑(27)的第二光束(32)并且沿第三方向发出一个用于产生第三光斑的第三光束(49)，其中第一光束(31)和第二光束(32)关于摄像头(25)的一个光轴(22)的方位角不同，并且第一光束(31)和第三光束(49)关于光轴(22)的偏振角不同。
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