CN113557106A - 测量设备和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于安装在机器外壳内的测量设备。该设备包括测量装置(2；300；400；500)和用于保护测量装置(2；300；400；500)免受机器外壳内存在的污染物(420)的影响的保护器件(40，42；70；100；230)。保护器件(40，42；70；100；230)至少可在保护测量装置(2；300；400；500)免受污染物的影响的第一模式和与第一模式相比对测量装置(2)提供较少的污染物保护的第二模式之间切换。污染物传感器(14；242；302；360；410)用于感测机器外壳内的污染，从而确定保护器件(40，42；70；100；230)何时可以采用第二模式。还描述了一种对应的方法。

Description

测量设备和方法
本发明涉及一种测量设备、更具体地涉及一种用于更好地保护测量装置免受机床外壳内的恶劣环境的影响的设备和方法。
已知对装置、比如非接触式刀具测量装置进行保护免受因机加工操作而引起的污染物(例如冷却剂、切削碎屑等)的影响。例如，已知用于机床的激光对刀仪和视觉(基于相机的)对刀仪包括保护光学部件免受污染物侵入的器件。
激光对刀仪检测机床固持的刀具何时破坏窄的激光束。这允许收集测量结果，比如刀具长度和直径。EP 1050368描述了这种激光对刀仪，其中激光束可以经由窄孔径进出装置。在使用中，保护性气体流从光学孔径中排出，以降低污染物等进入装置并遮挡光学通路的风险。当不使用机床时，可以关闭此气体流。由英国的沃顿-安德埃奇的雷尼绍公司(Renishaw pic，Wotton-Under-Edge，UK)销售的NC4非接触式对刀系统就是这种系统的示例。
还已知基于视觉或相机的刀具测量装置，其中成像传感器捕获刀具的图像。由挪威的克莱比的康光公司(Conoptica，Klaebu，Norway)销售的CU2刀具测量系统就是这种装置的示例。典型的基于视觉的对刀系统包括用于照亮刀具的光源和用于收集该刀具的图像的成像传感器。机械快门通常用于保护成像传感器免受恶劣机床环境的影响，并且机床控制器指示视觉刀具测量装置适当地打开和关闭其快门。例如，当要检查刀具时，快门打开，而在进行通常使用加压冷却剂流并产生大量切削碎屑的机加工操作时，快门关闭以保护成像传感器。当存在冷却剂或碎屑时将快门打开将会污染或损坏光学部件，从而需要拆卸该装置进行清洁或维修以防止测量性能下降。
WO 2019/053432描述了一种具有成像传感器的刀具测量装置，该成像传感器被配置为在视觉模式和激光仿真模式两者下操作。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于安装在机器外壳内的测量设备，该测量设备包括：
测量装置，以及
用于保护所述测量装置免受所述机器外壳内存在的污染物的影响的保护器件，所述保护器件至少可在保护所述测量装置免受污染物的影响的第一模式和与所述第一模式相比对所述测量装置提供较少的污染物保护的第二模式之间切换，
其特征在于，所述设备包括用于感测所述机器外壳内的污染的污染物传感器，所述感测到的污染用于确定所述保护器件何时能够采用所述第二模式。
因此，本发明涉及一种被配置从而可以在机器的恶劣操作环境中安装和操作的测量设备。例如，该设备可以被配置为安装在呈金属切割机、铣床、车床、加工中心等形式的机床的外壳内。测量设备包括测量装置，比如非接触式或接触式对刀装置。还提供一种保护器件(本文也称为保护系统、保护设备或保护装置)，以用于保护测量装置免受机器外壳内可能存在的任何污染物(例如冷却剂、切削碎屑等)的影响。
保护器件至少可在第一模式和第二模式之间切换。第一模式被布置为为测量装置提供防止污染物的至少一些保护。第一模式可以例如包括被移动以保护测量装置的保护性物理屏障(例如，可以关闭快门以相对于机器环境密封)、和/或执行保护功能的空气流(例如，空气可以从光也穿过的孔径中排出)。与第一模式相比，第二模式对测量装置提供较少的保护。例如，物理屏障可以被移动，使得测量装置露出(例如，快门可以至少部分打开)、和/或保护性空气流可以被关闭或以较低的流量提供。如以下所解释的，当保护器件处于第一模式时，测量装置可能根本无法进行任何测量(例如，在可以进行测量之前必须进入第二模式)。可替代地，可以在第一模式中进行的测量的准确度或类型可能低于在第二模式中可能的准确度或类型。
本发明的测量设备还包括用于感测机器外壳内的污染的污染物传感器。如以下所解释的，污染物传感器可以形成测量装置本身的一部分(例如，常见的光学传感器可以用于测量和污染物感测二者)。可替代地，污染物传感器可以集成到还包含测量装置的壳体中，或者它可以作为单独安装的单元提供。感测到的污染(即由污染物传感器测量到的)用于确定保护器件何时可以采用第二模式。换言之，感测到的污染用于指示保护器件何时可以安全地切换到第二模式(即，对测量装置提供较少保护的模式)。这可以通过在感测到的污染高于某个水平时禁止或警告保护器件进入第二模式来实现。可替代地，当感测到的污染下降到低于某个水平时可以自动进入第二模式，或者当感测到的污染增加到高于某个水平时可以自动离开第二模式。
因此，本发明提供了一种改进的方式，以确保在机器环境(例如在机床的壳或外壳内)中安装的测量装置受到保护而免于机器产生的或机器使用的任何污染物，比如冷却剂(其可能以流、液滴或作为雾存在)、切屑、灰尘、粉末、碳烟、烟等的影响。例如，本发明着手解决了即使在切削过程完成之后污染物仍可能留在机床环境中的问题。例如，高速零件或刀具旋转产生的冷却剂雾可能在停止向机床供应冷却剂后的一段时间内不会消散。此外，机床轴典型地包括各种管或通道，冷却剂通过这些管或通道被泵送到喷嘴，喷嘴以高压向刀具或正在被机加工的零件喷射大量冷却剂。已经发现，即使在主动冷却剂泵送停止后，机床内仍可能产生冷却剂液滴或流，这仅仅是因为在移动机床的不同零件时(例如，移动轴以使它所固持的刀具与刀具测量装置建立感测关系)，这种冷却剂会从管和流体通道中排出。主动感测机器内是否存在污染物(而不是假设相关机加工过程完成后立即或不久后环境是清洁的)降低了测量装置被污染到其变得不准确或简单地完全停止运行的这样一种程度的风险。
测量设备可以向相关联的机器控制器(例如，机床的机床控制器)或用户提供机器环境是否足够清洁以允许保护器件进入第二模式的指示。例如，控制信号可以传递到机器控制器和/或视觉指示器(例如颜色变化的灯)可以向用户通知状态。有利地，设备被布置成使得保护器件仅在机器环境内感测到的(即由污染物传感器感测到的)污染低于预定阈值时才可以(例如，响应机器控制器发送的控制信号)切换到第二模式。如果测量到的污染高于此阈值，则可以代替地将错误信号发送回到控制器，从而指示需要更多时间来清洁机器环境。此错误信号可以保持直到感测到的污染降到低于阈值，或者控制器可以周期性地重新请求进入第二模式(例如，直到发现机器环境足够清洁)。
在进入第二模式(即与第一模式相比，对测量装置的保护较少)之后，该设备可以保持在该第二模式直到它被(例如被机器控制器)指令重新进入第一模式。当保护器件处于第一模式时，污染物传感器可以仅用于感测污染。可替代地，该设备可以被布置成使得当机器环境内感测到的污染(如由污染物传感器测量到的)超过阈值时，保护器件被切换到第一模式。换言之，当感测到的污染增加到高于预定阈值水平时，可以接合第一(更具保护性)模式，从而自动地保护测量装置。这需要将污染物与正在被测量装置测量的物体(例如刀具)区分开来。如果存在大量污染物和/或如果它们以高速移动(例如，如果冷却剂泵被激活以产生加压冷却剂流和/或如果碎屑/冷却剂从高速旋转的刀具中排出)，则在进入第一模式时可能需要保护器件以相对高的速度响应。
来自污染物传感器的输出可以被馈送到相关联机器的用于分析的控制器，以确定机器环境内存在的污染水平。可替代地，该设备可以包括用于分析污染物传感器的输出的控制器。控制器可以是独立单元。可替代地，控制器可以与用于测量装置的控制器组合。控制器还可以控制保护器件。特别地，控制器可以控制保护器件是处于第一模式还是第二模式。控制器因此可以在确定保护器件将采用的模式时使用污染物传感器的分析输出。例如，如以上所解释的，控制器可以仅在感测到的污染低于阈值水平时才允许进入第二模式。
作为测量设备的一部分提供的测量装置可以是任何合适的类型。测量装置可以测量物体的存在、尺寸、位置或状态。测量装置可以用于观察物体。在一个实施例中，测量装置可以包括基于接触的测量装置(例如，带有突出触针的接触式对刀探头、表面光洁度探头或超声探头)。有利地，测量装置包括非接触式测量装置。可以提供导电的、感应的或磁性的非接触式测量装置。有利地，非接触式测量装置是光学测量装置。这种光学测量装置优选地包括光学接收器和/或光学发射器。光学接收器和/或光学发射器可以包括各种部件(例如透镜、窗口、滤光器等)。测量装置可以包括用于捕获物体的图像的相机(例如具有成像传感器)。保护器件可以被布置为防止光学接收器和/或光学发射器的污染。例如，保护器件可以阻止光学发射器和/或接收器的光学部件的阻塞、损坏或雾化(例如，来自光学部件上污染物的长期或快速积聚)。
保护器件可以包括用于保护测量装置的任何合适的装置。如果提供基于接触的测量装置，则保护器件可以包括可缩回护罩，该护罩可以伸出以遮盖或保护触针(即第一模式)，然后缩回以允许触针充分突出以能够与物体(例如刀具)产生接触(即第二模式)。保护器件还可以包括防止污染物积聚在测量装置的零件上的气体(例如空气)流。在这种示例中，第一模式可以包括供应加压气体(例如，其通过如上所述的测量装置的光学孔径排出)并且第二模式可以包括供应减少的气体流或完全停止气体流。因此，第一模式可以提供空气流保护，而第二模式可以提供减少的空气流保护或不提供空气流保护。
有利地，保护器件包括用于保护测量装置的至少一个快门。快门可以是可移动的(例如通过旋转和/或平移)。在第一模式中，快门可以部分地关闭。在第一模式中，快门可以完全关闭。快门可以在第一模式中比在第二模式中更大程度地关闭(即，更大程度地遮挡测量装置)。快门可以在第二模式中比在第一模式中提供更大的孔径。可替代地，对于光学测量装置，快门可以具有光在第一模式中穿过的透明窗口区域和光在第二模式中穿过的孔径(即孔)。快门的移动可以用于将透明窗口区域或孔径放置在测量装置的光路中。因此，透明窗口区域在使用中可能被污染物遮盖，但仍将允许一些光通过，从而实现污染物感测或低准确度测量。相比之下，第二模式的孔径能够执行更高准确度的测量(即没有在光通过窗口时可能发生的测量准确度下降)，但可能允许一些污染物到达测量装置(即提供降低的保护水平)。
保护器件可以仅包括一个快门。可替代地，保护器件可以包括多个快门。测量装置可以包括具有传感器的接收器和具有光源的发射器。在这种示例中，可以提供第一快门以保护传感器并且提供第二快门以保护光源。快门可以是机械操作的快门。可以使用任何合适的激活器件来使快门在第一模式和第二模式之间移动。例如，每个快门可以被(例如被一个或多个气动致动器)气动激活或(例如被一个或多个电致动器)电激活。快门可以包括偏压器件(例如，一个或多个弹簧或类似元件)以在断电时将其偏压到默认模式。例如，如果移除电力，快门可能默认进入第一模式。这具有提供故障安全布置的优点(即，如果例如电力供应出现故障，则提供第一模式的更高保护)。还可以提供多级快门。换言之，可以提供一系列快门。例如，可以关闭第一快门元件(例如没有孔径的实心快门)以提供第一模式。第二模式然后可以包括打开第一快门元件并关闭(例如，具有孔径的)第二快门元件。
污染物传感器可以以多种形式提供并且可以包括可以直接或间接检测机器环境内污染物的存在的任何传感器。
测量装置可以包括测量传感器(例如成像阵列、相机、光电检测器等)，该测量装置使用该测量传感器来测量和/或观察物体。在一个实施例中，污染物传感器也可以由测量装置的测量传感器提供。换言之，单个传感器可以提供测量传感器和污染物传感器二者。因此，单个传感器可以用于物体测量和污染物测量两者。单个传感器可以是光学传感器。如果单个传感器是光学传感器，则可以分析传感器输出以提供测量信息，但也可以分析传感器输出以确定机器环境中是否存在污染物。例如，可以分析接收到的光强度或光强度图案(在没有要测量的物体的情况下)的变化，以提取有关机器环境内存在的污染物的信息。使用单个传感器具有的优点是允许在要进行测量的空间区域中(例如在被保护的测量装置附近)测量污染。
在替代性实施例中，可以提供单独的污染物传感器。换言之，测量装置可以包括与污染物传感器不同和/或分离的测量传感器。污染物传感器可以直接感测机器外壳内的环境。例如，这种直接感测可以包括使光束(或其他波长的电磁辐射)从源通过机器外壳内的区域传递到检测器。污染物传感器便利地是光学传感器，该光学传感器用于分析通过机器外壳内的区域传递到它的接收到的光。到达检测器的光的强度或分布、或到达检测器的光的强度或分布随时间的变化可以用于直接测量污染物的存在。
污染物传感器可以间接感测机器外壳内的环境。例如，可以使用合适的污染物传感器测量玻璃板上污染物(例如液体冷却剂)的量或分布的变化(例如，红外传感器可以以类似于机动车辆挡风玻璃上使用的雨水传感器的方式用于测量从玻璃板的全部内反射的量)。还可以测量紧密间隔的导电条之间的电导率，以间接测量机器环境的污染量。
本发明的设备可以形成为单个一体物品。换言之，测量装置、保护器件和污染物传感器可以设置在单个测量单元内。例如，可以提供集成的非接触式对刀仪，该对刀仪包括非接触式刀具测量装置、保护器件和污染物传感器。这种装置可以具有与不包括污染物传感器的现有技术设备相同的占用空间和/或相同形状的壳体。将该设备形成为单个集成单元，注意该设备仍可以包括用于执行分析功能等的单独接口，这意味着它可以容易地安装在机器的床身上。可替代地，污染物传感器可以作为多个单独的(非集成的)单元或多个单元来提供。如果测量装置和污染物传感器设置在单独的单元中，则它们在使用中可以被适当地定向并且彼此间隔开。换言之，可以在向机器上安装期间提供测量装置(保护器件可以与测量装置集成在一起)和污染物传感器之间所需的空间关系。这种模块化布置允许对现有系统进行改造，并且可能更适合空间有限的机器。
当保护器件处于第一模式时(即保护该测量装置)，保护器件可以完全阻止使用测量装置获取任何测量结果。例如，保护器件的快门或盖可以防止对物体或刀具进行任何测量。然而，第一模式优选地不阻止污染物传感器感测机器外壳内的污染物。这意味着，例如，如果污染物传感器与测量装置集成在一起，那么保护器件应该仍然允许在第一模式中进行污染物测量。
在优选实施例中，当保护器件被置于第一模式和第二模式中的任一者中时，测量装置可以获取物体测量结果。当保护器件处于第二模式时，测量装置可以具有附加测量功能。例如，刀具检测或仿真模式测量(例如，使用小视场)可以通过保护器件在第一模式下进行。第二模式也可以允许这种刀具检测或仿真模式测量，但是另外可以允许在更宽的视场内获取刀具的图像或其他测量结果。换言之，当保护器件处于第二模式时对测量装置提供的减少的污染物保护可以伴随着测量准确度的增加和/或伴随着可以使用测量装置收集的测量的类型或速度的增加。
保护器件还可以能够采用至少一个附加模式。换言之，将保护器件置于第一模式和第二模式之外的一个或多个模式可以是可能的。例如，可以提供比第二模式提供更少保护的附加模式(例如，在这种附加模式中可以完全禁用保护器件)。有利地，可以采用提供比第一模式更大保护的附加(第三)模式。例如，第三模式可以提供相对于污染物的更强的(例如气密的)密封。
在优选实施例中，保护器件包括具有第一孔径和大于第一孔径的第二孔径的快门。保护器件的第一模式可以涉及将第一孔径放置在光路中并且还通过第一(相对较小的)孔径逐出空气。在此示例中，呈二维成像阵列形式的单个传感器可以收集物体测量结果并且还提供污染物传感器(即，当保护器件处于第一模式时，允许感测机器外壳内的污染物水平)。此第一模式可以包括处于下文更详细描述的所谓的收缩构型中的保护器件。保护器件的第二模式可以涉及将第二(较大)孔径放置在光束路径中并停止空气流动(例如，以允许获取更大面积的刀具图像并且还防止浪费压缩空气)。此第二模式可以包括处于下文更详细描述的所谓的打开构型中的保护器件。第三模式可以涉及使用快门的不透明区域完全阻挡光路。此第三模式可以密封设备，但是然后可能根本无法获得(物体或污染物的)测量结果。因此，第三模式是关闭或停用状态并且可以包括处于下文更详细描述的所谓的关闭构型的保护器件。
在优选实施例中，测量装置包括具有发射器的光学对刀装置，该发射器用于沿着光束路径将光束传递到接收器，待测量的刀具可以插入到该光束路径中。保护器件便利地包括快门。在使用中，通过将刀具带入、移动经过或移出光束来测量刀具。其上安装有该设备的机器优选地包括机床。可替代地，该机器可以是在使用过程中产生污染物的任何类型的工业制造机器。例如，焊接机、放电加工机(EDM)、激光切割机、增材制造机(例如，从金属或塑料粉末的沉积层打印3D物体)、粉末喷涂机等。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作安装在机器外壳内的测量设备的方法，该测量设备包括测量装置和用于保护该测量装置免受该机器外壳内存在的污染物的影响的保护器件，该保护器件至少可在保护该测量装置免受污染物的影响的第一模式和与该第一模式相比对该测量装置提供较少的污染物保护的第二模式之间切换，其中，该方法包括以下步骤：(i)感测该机器外壳内的污染量，以及(ii)基于步骤(i)中感测到的污染量确定该保护器件何时可以采用该第二模式。步骤(ii)可以包括当在步骤(i)中感测到的污染量高于预设阈值时禁止保护器件进入第二模式。本文描述的与对应设备的操作相关的各种特征也可以形成该方法的一部分。
本文还描述了一种用于安装在机器外壳内的测量设备，该测量设备包括：测量装置，以及用于保护测量装置免受机器外壳内存在的污染物的影响的保护器件，该保护器件至少可在保护测量装置免受污染物的影响的第一模式和与第一模式相比对测量装置提供较少的污染物保护的第二模式之间切换，其中，该设备包括用于感测机器外壳内的污染的污染物传感器，所感测到的污染用于确定保护器件何时可以采用第二模式。
本文描述了一种测量设备。测量设备可以适合于安装在机器的外壳内。该机器可以包括机床。测量设备可以包括测量装置(例如非接触式测量装置)。该设备可以包括保护器件。保护器件可以用于保护测量装置免受机器外壳内存在的污染物的影响。保护器件可以至少切换到保护测量装置免受污染物的影响的第一模式。保护器件可以切换到第二模式。与第一模式相比，第二模式可以对测量装置提供较少的污染物保护。该设备可以包括污染物传感器。污染物传感器可以用于感测机器外壳内的污染。感测到的污染可以用于确定保护器件何时可以采用第二模式。该设备可以包括本文描述的其他特征中的任何一个或多个。
现在将参考附图仅通过举例方式来描述本发明，在附图中；
图1示出了测量设备，该测量设备包括对刀装置，该对刀装置具有用于物体测量和污染物感测两者的成像传感器，
图2展示了图1的设备的保护器件的多级快门组件，
图3展示了呈可旋转盘形式的多级快门组件，
图4示出了包括图3的可旋转盘的保护机构，
图5示出了形成为单个单元但具有与测量装置的测量传感器分开的污染物传感器的测量设备，
图6示出了测量装置和污染物传感器作为分立单元提供的测量设备，
图7展示了污染物传感器与单侧非接触式测量装置的使用，以及
图8展示了污染物传感器与基于接触的测量装置的使用。
参照图1，展示了本发明的测量设备，该测量设备包括呈安装在机床的床身4上的对刀装置2形式的测量装置。对刀装置2包括发射光束的LED光源10。还提供了成像传感器14，该成像传感器包括用于感测光的1000×1000像素阵列(即1兆像素阵列)。光源10和传感器14包括适当的光学元件(例如透镜等)。提供分析单元16(例如，包括处理器)用于分析由成像传感器14收集的强度数据。光源10和成像传感器14被包含在公共底座20内并通过支柱18附连到公共底座。来自光源10的光束被放置在刀具感测区域13中的不透明物体(例如刀具)阻挡而不能到达传感器14。还可以提供辅助光源11用于对刀具进行前照明。
安装有对刀装置2的机床还包括用于固持刀具32的轴30。轴可围绕旋转轴线R旋转(即，允许刀具围绕其纵向轴线旋转)。轴30在包括处理器的数控器或NC 34的控制下在机床内旋转并且四处移动。对刀装置2还经由接口36连接至NC 34。接口36经由电缆线17连接至对刀装置2。接口36向对刀装置提供电力。此外，接口36被连接至用于执行更复杂的处理任务(比如图像分析)的外部计算机31。应当注意，计算机31还可以(例如，通过发送由NC 34采取行动的一系列移动指令)指导NC 34的操作。还应当注意的是，接口36不必是分立的单元并且可以形成为NC 34或外部计算机31的一部分。使用时，机床(在NC 34的控制下)可以使刀具32根据需要移动进入和离开光束，由此允许测量刀具。
对刀装置2典型地位于机床床身4的某个区域上，在该区域处，在切削操作期间可能存在大量冷却剂和切削碎屑。该装置因此包括保护系统，该保护系统包括用于保护成像传感器14的第一快门组件40和用于保护光源10的第二快门组件42。第一快门组件40和第二快门组件42均可以采用三种不同的构型，即打开、关闭和收缩构型。如果第一快门组件和第二快门组件均采用打开构型，则它们为光的通过提供相对较宽的孔径。特别地，产生从光源10传递到成像传感器14的相对较宽的光束12a。在没有任何障碍物的情况下，光束12a的尺寸被确定为完全照亮成像传感器14的有效区域(即1000×1000像素)。以此方式，可以使用刀具的由成像传感器14产生的背光图像来检查放置在刀具感测区域13中的刀具。如果第一快门组件和第二快门组件均被置于关闭构型，则它们将光源10和传感器14从机床环境完全密封。在此关闭构型中，光源10和传感器14被完全保护免于受到在机床执行切削操作时典型地存在的大量冷却剂和切削碎屑的污染。当然，在关闭构型中测量是不可能的。
第一快门组件40和第二快门组件42也可以采用收缩构型。这也可以称为部分打开、受限或限制构型。在这种收缩构型中，快门组件均限定小孔径(即，孔径小于打开构型的孔径)。第一快门组件40的小孔径限制了朝向传感器14引导的光量；即，产生了图示的“窄”光束12b。第二快门组件42的小孔径部分地覆盖成像传感器14。第一快门组件40和第二快门组件42被适当地对准，使得在没有刀具的情况下，窄光束12b穿过第二快门组件42的小孔径并落在成像传感器14上。
在收缩构型中，仍然可以感测放置在刀具感测区域13中的刀具，但是装置的视场被减小。可以在这个较小的视场上捕获刀具的图像，或者，如下文更详细描述的，该装置可以在仿真模式下操作(例如，如WO 2019/053432中所描述的)，其中分析到达传感器的光的总强度。这种仿真模式将允许以与上述类型的已知激光对刀装置类似的方式检测进入和/或离开光束12b的刀具。
尽管收缩构型基本上防止了装置的任何污染，但是在收缩构型中到达成像传感器14的光也受到机床环境中的任何污染物的影响。因此，成像传感器14还被配置为用作用于感测机床环境的清洁度的污染物传感器。例如，可以分析到达传感器的光量或图案，以确定局部环境中是否仍然存在冷却剂雾、切屑等。在此实施例中，接口36分析由成像传感器14接收的光以确定机床环境内的污染水平，但是应当注意，可以代替地提供单独的处理器等。
在收缩构型中感测到的污染用于指示第一快门组件40和第二快门组件42何时可以安全地(即，污染进入装置的可接受的低风险)采用打开构型。该装置因此可以被配置为监测机床环境的清洁度并且当测量到足够低水平的污染物时自动从收缩构型(即第一模式)切换到打开构型(即第二模式)。可替代地，当装置被指令进入打开构型时，可以评估测量的污染水平。例如，只有在测量的污染低于某个阈值水平，才采用打开构型(例如，在收到来自NC 34的合适指令时)。当装置处于打开构型时(注意，必须小心的是忽略因刀具进入或离开光束而导致的任何光强度降低)也可以测量污染水平，并且如果感测到不可接受的污染水平，则可以将装置切换回受限构型。
提供收缩构型(即具有较小的孔径)的优点是比处于(完全)打开构型时提供更大的抗污染性。换言之，较小的孔径减少了可以传递到传感器或光源的污染量。还可以通过经由快门组件的孔径提供流出装置的气体(例如压缩空气)流来进一步增强防止污染的保护。在此示例中，这种压缩空气可以从压缩空气供应管38接收。因此，收缩构型(第一模式)可以具有与基于激光的非接触式对刀装置类似的抗污染性，但其优点是也可以根据需要(例如，当机床环境中足够清洁而没有冷却剂雾或切削碎屑时)采用全成像或第二模式(即快门组件处于打开构型)。
如以上所解释的，在此示例中，接口36控制对刀装置的操作。特别地，接口36可以命令装置进入关闭构型、打开构型和收缩构型中的任何一种。这些都是可以根据需要的时间长度维持的稳定构型。尽管设想两个快门组件在任何单个时间点都将采用相同的构型，但是可以分别设置第一快门组件40和第二快门组件42的构型。接口36可以从控制器34和/或外部计算机31接收指令并相应地设置适当的构型。
参考图2a、图2b和图2c，更详细地展示了参照图1描述的类型的快门组件70的打开(完全打开)构型、收缩(部分打开)构型和关闭构型。图2a的打开构型提供了第一(大)孔径72，孔径的尺寸被确定成使得光束可以通过孔径，孔径的宽度略大于成像传感器的宽度。图2b示出了收缩构型的第二(小)孔径74。第二孔径74小于第一孔径72；术语“小”和“大”用于指此类孔径的相对大小。如图2c所示，关闭构型不包括孔径并且在此关闭构型中提供了保护相关联的光源或传感器的物理和光学屏障。关闭构型可以提供不透流体的密封。
应当注意，虽然展示了圆形截面孔径，但是孔径可以具有任何合适的形状。例如，孔径形状可以被选择为对应于传感器的形状。示出了每个构型使用单个孔径，但是一种构型也可以提供多个孔径。例如，收缩构型可以提供允许照亮成像传感器的多个区段的多个小孔径。上面的示例还假设打开构型提供了孔径，该孔径允许整个成像传感器被照亮，但这也不是必需的。打开构型可能仅使一些成像传感器被照亮。此外，快门组件可以提供图2b所示的收缩构型和至少一种附加的收缩构型。附加构型可以具有比收缩构型的孔径更小和/或更大的孔径、和/或具有一个或多个孔径。
参照图3，示出了可以形成保护系统的快门组件的一部分的快门构件100。快门构件100包括大孔径102、小孔径104和没有孔径的实心区域106。在使用中，传感器(或光源)放置在快门构件后面。快门构件100然后可以围绕其中心旋转，使得光可以根据需要经由小孔径或大孔径到达传感器。
图4示出了包括固定盘142和可旋转盘144的保护系统快门组件机构140。固定盘142可以紧固到包含传感器(或光源)的壳体，使得传感器(或光源)邻近(在图4的视图之后)于形成在固定盘142中的进入孔143。可旋转盘144的中心经由允许可旋转盘144围绕其中心旋转的旋转连杆145附接到固定盘142。可旋转盘144包括第一(大)孔径146和第二(小)孔径148。致动活塞150被对中弹簧152固持在中央位置。当致动活塞150处于图4所展示的中央位置时，可旋转盘144阻挡进入孔143从而防止光到达传感器；即提供了关闭构型。致动活塞150可以被提供能量以来回移动，从而使可旋转盘144旋转。取决于旋转方向，这种旋转可以使第一(大)孔径146或第二(小)孔径148与进入孔143对齐。以这种方式，可以提供打开构型和收缩构型。在没有施加力的情况下，弹簧将组件偏压到关闭构型中。
图5示出了测量设备的替代性实施例。该设备包括具有光源210和成像传感器214的对刀装置，光源和成像传感器被包含在公共底座220内并通过支柱218附连到公共底座。光源210和成像传感器214均由呈可以采用打开构型或关闭构型的快门230形式的保护系统或保护器件保护。将快门关闭提供了不透流体密封，该密封保护光源210和成像传感器214免受损坏和/或免受可能降低测量性能的污染物的积聚(即，第一模式)。如果两个快门230都打开，则光可以从光源传递到成像传感器，从而允许对位于光源210和成像传感器214之间的区域中的刀具进行测量(即，第二模式)。
图5中所示的实施例包括污染感测布置，该污染感测布置物理地集成到对刀装置的支柱218中但与光源210和提供刀具测量功能的成像传感器214分开。特别地，污染感测布置包括相对于环境密封的激光二极管光源240和光检测器242(例如光电二极管)。光束241从光源240传递到检测器242，并且由检测器242感测到的光强度被传递到接口236，该接口包括用于对接收到的光强度进行分析的分析模块。如上所述，接口236可以连接到相关联机床的数控器234。
污染物检测器242接收到的光强度随着光束241内污染物的存在而变化。例如，穿过光束241的冷却剂滴将导致检测到的光强度的瞬时下降，而存在于机床内的冷却剂雾将导致检测到的光的总强度下降。接口236内的污染分析模块针对这些特性分析接收到的光强度，并确定机床环境是否足够清洁而没有污染物以允许打开快门230(即允许刀具测量)。当污染分析模块确认机床内的环境足够清洁时，接口236将仅根据数控器234的指令行事打开快门230以测量刀具。如果测量到的污染水平太高，则接口236可以向数控器234发信号表示测量在当前是不可能的(例如，高于误差线)。
应该注意的是，与用于获取刀具测量结果的光学系统(即光源210和成像传感器214)不同，不需要提供快门等来保护污染感测布置本身(即光源240和检测器242)免受机床环境内的污染。光源240和检测器242相对于环境密封以防止污染物进入，并且每一者都包括光束通过的透明窗口。尽管污物可能在透明窗口上积累，从而减少到达检测器的光量，但可以通过定期清洁窗口和/或将接收到的强度信号标准化来克服这种影响。这应该与光学刀具测量布置的污染形成对比，其中在刀具测量期间光束的任何不均匀或变化的遮挡降低了可以获得的测量精度。
图6示出了另一实施例，其中对刀装置300与污染感测系统302物理地间隔开。
对刀装置300包括光源310和传感器314，光源和传感器被包含在公共底座320内并通过支柱318附连到公共底座。如上所述，光束322从光源310传递到传感器314，该光束可能被要测量的刀具中断。在使用中，对刀装置300被固定(例如，螺栓连接)到机床的床身304或另一固定部分。对刀装置300典型地位于机床床身的一侧、远离工件所在的区域，但位于刀具可以被机床移动到光束中的位置。包括可以打开或关闭的快门330的保护系统保护光源310和传感器314。接口336为光源310、传感器314和快门330供电并对其进行控制。接口336还将测量结果和/或状态信息传递到相关联机床的数控器334。
此实施例中的污染感测系统302包括光源模块340和检测器模块342。这些模块被配置成使得它们可以安装在机床外壳内；例如，可以提供合适的支架和臂等以合适地安装模块。在使用之前，模块340和342因此被牢固地安装在对刀装置300附近(例如在对刀装置300的光束322附近)并且被布置成使得光352从光源模块340传递到检测器模块342。尽管光352被展示为单个光束(例如，具有椭圆形、圆形、高斯轮廓等的铅笔状光束)，但也可以提供二维光幕(例如在对刀装置300上方且与机床床身倾斜或基本平行的平面中)。模块340和342相对于对刀装置300的位置将优选地被设置为使得任何污染物(例如切削碎屑或冷却剂流/滴)在到达对刀装置300之前将穿过污染感测系统302的光束352。以此方式，可以感测到可能进入打开的快门330从而污染光源310或传感器314的光学器件的污染物。
污染感测系统302还包括污染分析模块360，该污染分析模块通过电缆连接到光源模块340和检测器模块342。污染分析模块360因此为光源模块340和检测器模块342供电并对其进行控制。污染分析模块360还从检测器模块342接收光强度信息并分析这种信息以确定机床环境中是否存在污染物。关于机床环境内的污染水平的信息从污染分析模块360传递到对刀装置300的接口336。此信息可以简单地指示环境是否足够清洁以打开快门330，或者它可以提供污染水平的度量。接口336因此可以使用此信息来确定何时可以接受打开快门330以允许刀具测量。
以上只是“断开光束”对刀或视觉装置可以如何包括光学污染感测系统的示例。然而，存在着本发明所包含的对技术人员来说显而易见的许多变体。例如，该设备可以包括替代性测量装置(例如接触式探头或接触式对刀仪、基于激光的对刀仪等)。下面将描述其中的一些。
参考图7，展示了另一实施例。示出了单侧刀具检测装置400。展示的刀具检测装置400包括用于捕获位于其视场406内的物体(比如刀具404)的图像的相机402。该刀具可以被光源(未示出)或环境光照亮。高速快门组件408包括可以打开和关闭以打开或保护相机402的快门。代替相机402，可以提供基于激光的(反射)刀具检测系统。
包括光学发射器412和光学接收器414的污染感测系统410放置在距刀具检测装置400距离“d”处。污染感测系统410被布置成检测穿过设置在光学发射器412和光学接收器414之间的光幕416的任何污染物(例如，从旋转刀具404排出的碎屑或从机床逐出的冷却剂流/滴)。在没有这种污染物的情况下，允许快门打开。此外，快门被配置为在快门打开时如果检测到任何污染物则关闭。图6中展示了朝向刀具检测装置400移动的流体液滴420。当感测到液滴420穿过光幕416时，快门响应于检测到液滴420而关闭。这种布置需要快门响应时间足够快(考虑到分离距离d)以允许在液滴420到达快门之前关闭快门408。
应当注意，在这种布置中使用污染感测系统410来关闭快门是可能的，因为刀具不需要穿过光幕416以被单侧刀具检测装置400测量。如果刀具在测量期间确实需要穿过光幕416，则污染感测系统410可以被布置成将污染物与刀具区分开来、和/或当已知刀具存在于光幕416中时关闭快门的功能可以被禁止。
图8展示了包括与污染感测系统502结合的接触式对刀装置500的设备。
对刀装置500为已知类型并且包括探头503，该探头具有在其远端带有立方体506的触针504。探头503内的传感器测量触针504的偏转，从而允许测量与立方体506接触的刀具。对刀装置500包括呈可缩回护罩或盖510形式的保护系统。盖510可以伸出(如虚线轮廓所示)。在伸出构型中，触针504被保护免受可能缠绕或弄脏它的切屑和其他切割碎屑的影响。盖510也可以缩回(如实线轮廓所示)，从而露出触针504和立方体506以允许测量物体。
污染感测系统502包括与接触式对刀装置500间隔开(例如，直接在其上方)的光学发射器512和光学接收器514。污染感测系统502被布置成检测穿过设置在光学发射器512和光学接收器514之间的光束516的任何污染物(例如，从旋转刀具中排出的切屑或碎屑、和/或从机床中逐出的冷却剂流/滴)。污染感测系统502指示环境何时足够清洁，此时对刀探头504的盖510可以缩回以允许进行测量。
再次应注意的是，以上仅为本发明的示例。上述保护系统包括一个或多个快门或盖以及可选的空气排出装置，但重要的是要注意可以提供任何类型的保护系统。例如，保护系统可以仅包括通过孔径逐出压缩空气(当空气流处于活动状态时，保护系统将保护测量装置，而当空气流减少或停止时，保护会减少)。设备的各种部件也可以以多种方式分布并且某些功能可以由机床的控制器和/或独立计算机来实施。组合不同实施例的特征也是可能的。上面概述的示例描述了安装到机床的测量设备，但该设备也可以代替地安装到其他类型的机器(例如焊接机、放电加工机(EDM)、激光切割机、增材制造机、粉末喷涂机等)。此外，技术人员还能够在不脱离本发明的基本概念的情况下实施对上述内容的变型和修改。

Claims (15)

1.一种用于安装在机器外壳内的测量设备，所述测量设备包括：
测量装置，以及
用于保护所述测量装置免受所述机器外壳内存在的污染物的影响的保护器件，所述保护器件至少可在保护所述测量装置免受污染物的影响的第一模式和与所述第一模式相比对所述测量装置提供较少的污染物保护的第二模式之间切换，
其特征在于，所述设备包括用于感测所述机器外壳内的污染的污染物传感器，所述感测到的污染用于确定所述保护器件何时能够采用所述第二模式。
2.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述设备被布置成使得只有当所述污染物传感器感测到的污染低于阈值时所述保护器件才能够被切换到所述第二模式。
3.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述设备被布置成使得当所述污染物传感器感测到的污染超过阈值时所述保护器件被切换到所述第一模式。
4.根据任一项前述权利要求所述的设备，包括控制器，所述控制器用于分析所述污染物传感器的输出和用于控制所述保护器件。
5.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述测量装置包括非接触式测量装置，所述非接触式测量装置包括光学接收器和/或光学发射器，所述保护器件被布置为防止所述光学接收器和/或所述光学发射器的污染。
6.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述保护器件包括用于保护所述测量装置的至少一个快门，所述快门在所述第二模式中比在所述第一模式中提供更大的孔径。
7.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述测量装置包括测量传感器，其中，单个传感器提供所述测量传感器和所述污染物传感器二者，从而所述单个传感器用于物体测量和污染物测量二者。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述测量装置包括与所述污染物传感器不同的测量传感器。
9.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述污染物传感器是光学传感器，所述光学传感器分析通过所述刀具外壳内的区域传递到它的接收到的光。
10.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述测量装置、所述保护器件和所述污染物传感器设置在单个测量单元内。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中，所述测量装置和所述污染物传感器被提供为多个单独的单元。
12.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，当所述保护器件处于所述第一模式和所述第二模式二者时，所述测量装置能够获取物体测量结果，当所述保护器件处于所述第二模式时，所述测量装置具有附加测量功能。
13.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述保护器件还能够采用至少一个附加模式。
14.根据任一项前述权利要求所述的设备，其中，所述测量装置包括具有发射器的光学对刀装置，所述发射器用于沿着光束路径将光传递到接收器，待测量的刀具能够插入到所述光束路径中。
15.一种用于操作安装在机器外壳内的测量设备的方法，所述测量设备包括测量装置和用于保护所述测量装置免受所述机器外壳内存在的污染物的影响的保护器件，所述保护器件至少可在保护所述测量装置免受污染物的影响的第一模式和与所述第一模式相比对所述测量装置提供较少的污染物保护的第二模式之间切换，
其中，所述方法包括以下步骤：
(i)感测所述机器外壳内的污染量，以及
(ii)基于步骤(i)中感测到的污染量确定所述保护器件何时能够采用所述第二模式。
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