CN115413316A - 测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于光学测量装置、诸如机床用的中断射束对刀装置(2)的保护构件(126)。保护构件(126)包括光和空气可以通过的管道(140)。管道(140)被配置成使得在使用中，光束沿着(140)光轴(O)穿过管道并且空气流沿着气流轴线(A)被导引出管道。光轴(O)不平行于气流轴线(A)，并且管道(140)沿着气流轴线(A)具有变化的截面轮廓。提供了改进的测量复现性。

Description

测量装置和方法

本发明涉及一种光学(非接触式)测量装置，尤其涉及这样的装置，在这些装置中使用排出的空气的流来保护各种光学部件免受机床环境中常见类型的污染物的影响。

已知保护非接触式测量装置、诸如非接触式刀具测量装置免受由机床进行的机加工操作产生的污染物(例如，冷却剂、切削碎屑等)的影响。这种非接触式刀具测量装置的一个示例是激光对刀仪，该激光对刀仪用于检测由机床固持的刀具何时中断窄的激光束，从而允许获得刀具测量值、诸如刀具长度和直径。

EP 1050368和EP 1502699描述了这种激光对刀仪的示例，其中激光束经由自由空间区域从发射器部分传递到接收器部分。激光束经由发射器部分和接收器部分中的每一者中的窄通道或管道进出装置。在这种装置中，每个通道(例如，通过钻孔)形成为与激光束在发射器与接收器之间通过所沿的光轴成斜角。因此，排出的空气被引导(成角度地)远离激光束穿过的自由空间光路。例如，在EP 1050368的图4c和EP 1502699的图4中展示了这些成角度的空气通道。由英国沃顿盎德艾基(Wotton-Under-Edge，UK)的瑞尼斯豪公司(Renishaw plc)销售的NC4非接触式对刀系统是包括这种成角度的孔径的装置的示例。US2018/111240中描述了中断射束对刀装置(break-beam tool setter device)的示例，该中断射束对刀装置将空气沿其光轴排出。US 2010/0206384描述了一种替代性设备，其中由围绕激光束穿过的中心孔径的空气喷嘴阵列提供了管状空气屏蔽件。

尽管上述类型的已知装置减少了激光束穿过的自由空间光路中的空气湍流，但本发明人已经发现仍可能存在一些空气湍流效应，从而劣化测量的复现性。

根据本发明提供了一种用于光学测量装置的保护构件，保护构件包括光和空气能够穿过的管道，管道被配置成使得在使用中，光束沿着光轴穿过管道并且空气流沿着气流轴线被导引出管道，光轴不平行于气流轴线，其特征在于，管道沿着气流轴线具有变化的截面轮廓。

因此，本发明涉及一种用于光学测量装置、诸如非接触式刀具测量装置的保护构件。保护构件包括在使用中存在光束和气流(空气流)两者穿过的管道或通路。在使用中，光沿着光轴穿过管道，该光轴可以垂直于保护构件的外表面。被导引穿过管道的空气沿着相对于光轴倾斜或成角度的气流轴线从管道排出。因此，排出的空气被引导远离光束以试图防止湍流空气沿着光束的自由空间路径流动。

本发明的特征在于管道具有沿着气流轴线的长度变化的(即，改变的)截面轮廓。特别地，管道的截面面积和/或截面形状沿其长度变化，以便减少从其排出的空气的湍流。这与EP 1050368和EP 1502699的管道不同，这些管道是通过例如沿着气流轴线在坯件保护构件上钻孔而形成(从而产生沿着气流轴线的长度截面轮廓不变的管道)。已经发现管道的变化的形状减少了排出的空气的总体气流湍流，从而减少了自由空间射束路径中存在的湍流量。变化的形状也可以用于减少需要排出的空气量以提供一定程度的针对外部污染物的保护。已经发现这两种改进都提供了测量复现性的改进。

应该再次注意，管道也被配置成允许光束沿着光轴(即相对于气流轴线成角度的轴线)通过。穿过管道的光束可以被管道限制(例如，衰减或成形)或者光束可以不受阻碍地穿过管道。因此，可以在不影响保护构件的光学性能的情况下实现上述对气流特性的改进。

有利地，管道具有用于接收空气的入口开口和用于排出空气的出口开口。入口开口便利地具有与出口开口不同的截面面积。优选地，所述入口开口的截面面积大于所述出口开口的截面面积。换言之，管道的入口可能比出口更宽。截面面积沿着管道的这种变化(例如，减小)减少了在空气排出之前在管道内的空气湍流，从而减少了排出的空气的湍流。入口开口还可以具有至少部分槽形的轮廓。例如，任何“尖锐”的边缘都可以变平以提供更平滑、更少湍流的气流。在优选实施例中，可以钻孔，然后使用激光切割工艺对该孔进行加宽并适当成形以形成管道。这种两个阶段的过程最大限度地减少了形成的毛刺，否则这种毛刺可能会引入一些空气湍流。

有利地，所述管道的至少一部分具有不对称的截面轮廓。例如，现有技术管道的圆形或椭圆形截面可以由不对称的截面代替。因此，管道可以是非圆柱形的。便利地，管道具有在沿着光轴观察时基本上为D形的出口开口。

有利地，管道对于沿着光轴穿过其中的光呈现基本上圆形的截面。换言之，管道被成形为使得基本上圆形的光束可以沿着光轴穿过该管道。管道可以限制光束或使光束成形。替代性地，基本上所有入射光束可以沿着光轴直接穿过管道。

保护构件可以包括其他部件，这些部件用于帮助引导气流穿过管道和/或与光束相互作用。例如，保护构件可以包括光学孔径(即与管道分开的孔径)，该光学孔径用于约束沿着光轴传递的光束。光学孔径可以使光束成形和/或衰减。当沿着光轴观察时，用于光的管道的截面可以略大于相关联的光学孔径。例如，管道沿着光轴的有效半径可以比这种光学孔径的半径大0.1mm。经由保护构件排出的所有空气也可以穿过光学孔径。替代性地，可以存在其他孔或通道，一些空气可以穿过这些其他孔或通道(即不穿过光学孔径)。

可以在基本上相同的方向上(即沿着气流轴线)引导离开管道的所有空气。例如，从管道排出的所有气流可以向上、向下或向光轴一侧引导。气流轴线相对于光轴不平行(例如，倾斜或偏斜)，因此气流对沿着光轴通过的光的可能影响最小。特别地，保护性空气流优选地在非常局部的区域中并且仅在一个方向上横穿光路。这提供了改进测量复现性的稳定的气流布置。有利地，从管道排出的空气流的相当一部分不会沿着光轴方向或平行于光轴的方向移动。换言之，空气优选地以偏离轴线方向喷出。

便利地，气流轴线可以相对于光轴成大于5°的角度。气流轴线可以相对于光轴成大于10°的角度。气流轴线可以相对于光轴成大于15°的角度。气流轴线可以相对于光轴成大于20°的角度。气流轴线可以相对于光轴成小于45°的角度。优选地，气流轴线相对于光轴成大约30°的角度。尽管更大的角度将空气引导得离自由空间光束的路径更远，但这确实需要更大的管道(即确保射束仍可沿着光轴通过)，并且因此降低了进入保护和/或必须排出更多空气。

保护构件优选地仅由单个管道组成。该单个管道可以仅具有单个出口孔径，空气从该出口孔径排出。该单个管道的物理形状可以限定气流方向。优选地，通过保护构件排出的所有空气穿过单个管道。因此，可以避免在US 2010/0206384中描述的类型的多个空气喷嘴的复杂布置。也减少了为防止污染物进入提供了一定程度的保护所需的空气消耗量。

保护构件可以与光学测量装置一体地形成。例如，保护构件可以形成这种装置的壳体或外壳的一部分。便利地，保护构件可以包括一个或多个特征，该一个或多个特征用于可释放地附接至光学测量装置的发射器或接收器。例如，保护构件可以形成为可以附接至光学测量装置并从其拆下的帽。然后可以为光学测量装置的不同构型提供这种帽的变体。这种帽可以被配置成适配现有技术测量装置(即它们可以是可改装的)。光学测量装置的光学部件(例如，透镜/检测器)优选地凹进装置内(即在保护构件的管道的后面)。

本发明还延伸至包括至少一个如上所述的保护构件的光学测量装置。光学测量装置可以包括具有保护构件的发射器和/或具有保护构件的接收器。在这种示例中，保护构件可以名义上相同或可以不同。例如，可以为发射器和接收器提供具有不同尺寸的管道和/或不同尺寸的光学孔径的保护构件。发射器处产生的空气湍流可能小于接收器处产生的空气湍流。还可以提供具有不同尺寸的管道和/或光学孔径的多个保护构件的套件，以允许根据需要配置测量装置。

光学测量装置可以包括其他光学部件(透镜、光源、接收器等)。光学测量装置可以包括其他气流控制装置(例如控制阀、流限流器、单向阀等)。有利地，光学测量装置可以包括与每个保护构件的管道相邻的内部空气腔室。这种内部空气腔室可以有助于减少进入保护构件的管道的空气湍流，从而减少排出的空气的湍流。通过内部空气腔室的气流也可以被布置成避开通过空气腔室的光路。而且，通过腔室的气流可以在管道处会聚。这可以减小在光束穿过空气腔室时湍流对光束的影响。

可以选择管道尺寸来在复现性和空气消耗与精度之间实现最佳平衡。例如，可以维持光学孔径的尺寸并且改进复现性。替代性地，可以增大光学孔径的尺寸来提高计量同时维持复现性。因此，可以针对各个所需的应用使用适当尺寸的保护构件。

在优选实施例中，光学测量装置是刀具测量装置、诸如中断射束刀具测量装置。刀具测量装置可以安装至机床的床身。可以将空气或其他气体(例如，从车间压缩空气供应)送入装置中。空气的供应可以是基本上恒定的流速。替代性地，在使用期间，气流可以是可变的(例如，基于所需的保护程度)。例如，可以使用低流速和高流速。空气供应可以完全停止，例如当不需要空气保护时完全停止。保护构件还可以形成了在我们的专利申请PCT/GB2020/050581中描述的遮断器组件的一部分。

本文还描述了一种用于光学测量装置的保护构件。保护构件可以包括光和气体(例如，空气)可以穿过的管道。管道可以被配置成使得在使用中光束沿着光轴穿过管道。管道可以被配置成使得在使用中空气(或其他气体)流沿着气流轴线被导引出管道。光轴可以不平行于气流轴线。管道可以沿着气流轴线具有变化的截面轮廓。管道可以是基本上光滑的空气动力学管道。基本上光滑的空气动力学管道可以是文丘里管状的。管道可以是基本上光滑的(例如，通过在制造期间倒角或混合半径)。该构件可以包括本文所描述的单独的任何其他特征或者其组合。

现在将仅通过举例方式、参考附图来描述本发明，在附图中；

图1示出了非接触式对刀装置，

图2示出了用于非接触式对刀装置的现有技术的帽，

图3示出了根据本发明的用于与非接触式对刀装置一起使用的帽的剖切视图，

图4示出了图3的帽的正视图，

图5示出了根据本发明的具有额外的气流插入的帽的剖切视图，

图6是根据图3中所展示的结构制成的帽的照片，

图7示出了与现有技术的帽相关联的x-y平面中的空气湍流，

图8示出了与本发明的帽相关联的x-y平面中的空气湍流，

图9示出了与现有技术的帽相关联的y-z平面中的空气湍流，以及

图10示出了与本发明的帽相关联的y-z平面中的空气湍流。

参考图1，示出了现有技术的对刀装置2的部分分解视图。该装置包括发射器单元10，该发射器单元包括激光二极管和用于产生光束12的适当光学器件(未示出)。还提供了包括光电二极管(未示出)的接收器单元14，该接收器单元用于检测所接收的光束12的强度。发射器单元10和接收器单元14这两者都附接至公共基座20，从而相对于彼此维持固定间距和取向。然后可以将基座20直接安装到机床的床身或甚至任何适当的部分。还应当注意，可以使用多种不同的用于对发射器和接收器进行安装的替代性结构。例如，可以提供用于发射器和接收器的公共壳体，或者发射器单元和接收器单元可以分别安装到机床。在基座20上提供电插座22，用于通过线缆连接到相关联接口(未示出)，该接口提供电力并且从接收器单元14的检测器接收射束强度信号。

对刀装置2被设计成在机床的恶劣环境中操作，其中经常存在加压的冷却剂流、冷却剂雾和切削碎屑等。通过使用所谓的空气保护系统，在这种恶劣的状况下长期且可靠的装置操作是可能的。因此，发射器单元10和接收器单元14包括空气帽26，该空气帽包括光束12穿过的通道或管道28。在图1中，出于说明目的，空气帽26被示出为与它们各自的发射器单元和接收器单元分离(但是在使用期间将这些空气帽附接到这些单元)。在使用中，压缩空气从空气进口30送入装置的本体。该装置被布置成使得至少一些这样的空气经由光穿过的帽26中的相同管道40从该装置排放。这种持续的空气排放防止了污染物进入装置，同时仍允许光在适当的情况下进出装置，从而可以进行测量。

现在也参考图2，更详细地示出了现有技术的空气帽26的构型。每个空气帽26包括空气排出所通过的倾斜通路或管道40。该管道40通过以相对于构件的最外表面的表面法线成斜角钻穿坯件帽形成。管道40的尺寸和斜角被选择成使得沿着与构件的最外表面垂直的方向(即沿着光束的光轴)穿过光学孔径42的光束也可以穿过管道。管道40也通过一系列空气孔46、可选地经由气流限流器48将在压力下被迫已进入腔室44的空气排出。管道以一定角度形成，空气沿大致平行于该角度的方向排出。换言之，空气沿着与光束的光轴(O)成斜角(θ)的气流轴线(A)排出。如EP 1050368和EP 1502699中所解释的，这种布置有助于引导气流远离射束的自由空间光路(即，光束穿过的发射器与接收单元之间的自由空间路径)，从而减小这样的气流可能对装置的测量精度造成的影响。

尽管现有技术布置提供了针对污染物的可靠保护，但是本发明人已经发现，排出的空气流内的湍流仍可能破坏沿着射束的自由空间光路的气流，从而对装置的测量性能造成不利影响。如将在下文描述的，已经发现本发明通过减少与排出的空气相关联的气流湍流而提高了装置的测量精度。特别地，已经发现，与现有技术的管道(具有沿其长度不变的截面)相比，改变沿着管道(即，在沿着气流轴线A的方向上)的截面轮廓可以显著减少从这种管道排出的空气的湍流。例如，已经发现去除通过管道的气流路径中的任何锐边和/或减小管道沿其长度(即沿气流轴线方向)的截面面积来减少排出的空气的湍流流动。

参考图3和图4，展示了根据本发明的空气帽126。空气帽包括管道140，该管道具有恒定截面的区域142，但是包括具有增大的截面面积的区域144。特别地，图2的空气帽26中可见的锐边90由图3中所示的扁平区段190代替。因此，当从表面法线的方向(即沿着光轴)观察时，管道140的开口形状的这种变化提供了“D形”管道140，如图4所展示的。当安装在对刀装置上时(例如，如图1所示)，空气沿着气流轴线A排出，同时光束沿着光轴O经过。气流轴线A相对于光轴O倾斜或成角度。

图5示出了参考图3和图4描述的空气帽126如何可以进一步包括光学孔径150，该光学孔径例如可以限制穿过其中的光束。还提供了可选的气流限流器152；已经发现提供这种具有均匀的截面以及加宽的孔径的气流限流器用于进一步减少进入腔室154的气流的湍流。在此示例中，气流限流器152中的孔径的直径约为1.7mm，并且光学孔径150的直径约为0.5mm。约三十升每分钟的流速穿过空气帽126。气流限流器152的形状优选地没有台阶或截面突变；这有助于减小空气湍流效应。

图6是根据图3和图4的图示制作的空气帽的照片。通过沿着坯件的表面法线方向从其上钻穿孔，然后激光切割剩余的轮廓，形成D形管道。当然其他制造技术也是可能的。

接下来参考图7至图10，呈现了气流建模结果以说明与如图2中所示的现有技术的空气帽相比，当使用如参考图3至图6描述的空气帽时产生了减少的空气湍流。特别地，图7示出了针对如图2中所示的现有技术的空气帽在XY平面中的空气湍流。可以看出空气湍流延伸至光束通过所沿着的光轴O。图8示出了针对如参考图3至图6描述的本发明的空气帽在XY平面中的空气湍流。可以看出对管道形状的修改减少了与排出的空气相关联的总体湍流，并且大大减少了在光轴O附近的空气湍流量。这也可以从如图9所示的针对现有技术的空气帽和图10所示的针对本发明的空气帽在YZ平面图中的空气湍流看出。当然，空气帽可以相对于相关联的测量装置或机床的轴线以任何期望取向放置。

应该记住，上述仅是本发明的一个示例，并且技术人员将理解可能的变体。例如，空气帽可以仅安装到接收器或发射器单元中的一者、或反射装置的组合发射器/接收器单元。也可以在其他测量装置上使用空气帽，而不仅仅是对刀仪。尽管描述了可移除的空气帽，但也可以将管道等形成为测量装置的整体部分。例如，管道可以被提供为检修面板或壳体部分的一部分。

Claims (14)

1.一种用于光学测量装置的保护构件，所述保护构件包括光和空气能够穿过的管道，所述管道被配置成使得在使用中，光束沿着光轴穿过所述管道并且空气流沿着气流轴线被导引出所述管道，所述光轴不平行于所述气流轴线，其特征在于，所述管道沿着所述气流轴线具有变化的截面轮廓。

2.根据任一前述权利要求所述的保护构件，其中，所述管道具有用于接收空气的入口开口和用于排出空气的出口开口，其中，所述入口开口具有与所述出口开口不同的截面面积。

3.根据权利要求2所述的保护构件，其中，所述入口开口的截面面积大于所述出口开口的截面面积。

4.根据权利要求3所述的保护构件，其中，所述入口开口具有至少部分槽形的轮廓。

5.根据任一前述权利要求所述的保护构件，其中，所述管道的至少一部分具有不对称的截面轮廓。

6.根据任一前述权利要求所述的保护构件，其中，所述管道具有在沿着所述光轴观察时基本上为D形的出口开口。

7.根据任一前述权利要求所述的保护构件，其中，所述管道对于沿着所述光轴穿过其中的光呈现基本上圆形的截面。

8.根据任一前述权利要求所述的保护构件，进一步包括用于约束沿着所述光轴传递的光束的光学孔径。

9.根据任一前述权利要求所述的保护构件，其中，所述气流轴线相对于所述光轴成大于10°的角度。

10.根据任一前述权利要求所述的保护构件，其中，所述保护构件包括一个或多个特征，所述一个或多个特征用于可释放地附接至光学测量装置的发射器或接收器。

11.一种光学测量装置，包括至少一个根据任一前述权利要求所述的保护构件。

12.根据权利要求11所述的光学测量装置，包括内部气流控制构件，所述内部气流控制构件用于使引导至所述保护构件的管道的气流的湍流最小化。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的光学测量装置，包括与每个保护构件的所述管道相邻的内部空气腔室。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的光学测量装置，其中，所述测量装置是中断射束刀具测量装置。

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