CN116135454A - 用于测量工具的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量工具的设备和方法。本发明涉及用于确定具有刀刃（S）的工具（W）的尺寸（D，H）的设备（V）。设备（V）包括：第一光源（1），通过其可平行于第一轴线（T）来发射光；图像传感器（2），给其可分配第二轴线（Y），所述第二轴线（Y）与图像传感器（2）正交地伸展；和评估单元（10）。第一轴线（T）和第二轴线（Y）彼此倾斜地布置。该设备设立为使得，由第一光源（1）发射的光可被工具（W）的刀刃（S）反射，使得可通过被反射的光在图像传感器（2）上产生排列在一起的光点（L）。通过评估单元（10）可确定光点（L）的位置（xL，zL），且基于光点（L）的位置（xL，zL）可确定工具（W）的尺寸（D，H）。

Description

用于测量工具的设备和方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的一种用于按照光学原理来测量工具的设备，以及涉及根据权利要求8所述的一种用于运行该设备的方法。

背景技术

在加工机器中或在机床中，常常借助切削工具来对工件进行加工。为了能够考虑到由磨损造成的工具形状变化针对精确加工的影响，通常以预先给定的时间间隔用高精度对工具进行测量。这常常发生在测量机中或在机床之外的检查设备中。

从DE 10 2018 006 652 A1中，已知了一种用于监控工具的方法，其中通过工具来遮挡激光器的测量光束。激光束接收器输出代表遮挡程度的信号。

在DE 10 2016 224 000 A1中描述了一种方法，利用该方法，借助暗场照明来探测工具破损。

发明内容

本发明所基于的任务是创建一种设备和一种方法，通过所述设备和所述方法能够高度准确地确定具有刀刃的工具的至少一个尺寸，其中该设备可以在加工机器的加工空间中运行。

根据本发明，通过权利要求1或权利要求8的特征来解决该任务。

根据本发明，该设备适合于确定具有刀刃的工具的尺寸、例如相关的直径或者长度。该设备包括第一光源，使得可由第一光源平行于第一轴线来发射光。此外，该设备包括图像传感器，可以给该图像传感器分配第二轴线（光学轴线），所述第二轴线与该图像传感器正交地伸展。最后，该设备包括评估单元、亦即用于评估由图像传感器提供的信号的电子电路。第一轴线和第二轴线彼此倾斜地布置，亦即尤其是彼此不平行地取向。此外，该设备设立为使得，由第一光源发射的光可能被工具的刀刃反射，以致通过被反射的光在图像传感器上可产生排列在一起的光点（或反光带）。通过评估单元，可确定光点的位置，其中基于光点在图像传感器上的位置可确定工具的尺寸。

因此，对工具尺寸的确定在本发明不是以透射光法进行，在所述透射光法中，光源平行于图像传感器的光学轴线来发射光。更确切地说，该设备设立为使得，在本发明可以采用暗场方法。由此开辟了如下可能性：比较紧凑地来构建具有权利要求1的特征的设备，但是该设备仍然以高精度工作。

第一光源可以构建为使得，发射平行光束。优选地，在该构建方案中，可以使用激光光源，该激光光源主动地发射平行光束，或者具有准直仪光学装置。替选地，第一光源也可以发射如下光束：所述光束是聚焦的或者会聚。就这一点而言，有利地可以使用LED、尤其是具有进行对焦的光学装置的LED。那么，第一轴线优选地穿过第一光源的焦点伸展。

有利地，该设备构建为使得，在评估单元中可保存至少一个参考坐标，其中可通过光点中的至少一个光点的位置与参考坐标的组合来确定工具的尺寸。评估单元或有关的电子电路优选地处于该设备中。但是，所述评估单元也可以位于该设备之外，例如加工机器的控制装置可以包括评估单元，或者所述评估单元可以布置在单独的设备中。

在本发明的其他构建方案中，评估单元设立为使得，通过该评估单元，基于多个光点的位置，借助拟合计算可确定工具的尺寸。

根据本发明的扩展方案，该设备设立为使得，第一轴线和第二轴线相交。在此，在第一轴线与第二轴线之间的交角大于75°。因此，这两个轴线在空间中相交，使得在被它们撑开的平面中形成两对彼此完全相同的顶角。根据一般的常用定义，这两个顶角中的较小顶角是交角。因此，有关轴线在空间中的交角可以最高为90°。有利地，该设备构建为使得，在第一轴线与第二轴线之间的交角为90°。

优选地，该设备构建为使得，该设备确定为，被装配在机器工作台的在第一平面中延伸的面上。该第一平面平行于第二轴线地定向，其中第一光源布置为使得，第一轴线对于第一平面倾斜地伸展。因而，第一轴线以偏离90°的角度穿透第一平面。

在本发明的另一构建方案中，第一轴线和第二轴线在第二平面中伸展，其中第二平面相对于第一平面倾斜了大于20°的角度，有利地倾斜了大于30°或者大于40°的角度。

此外，该设备可包括第二图像检测单元，该第二图像检测单元具有第二图像传感器，可以给该第二图像传感器分配第三轴线，该第三轴线与第二图像传感器并且与第二轴线正交地伸展。

此外，本发明包括一种用于确定具有刀刃的工具的尺寸的方法。在这种情况下，由第一光源发射的光被工具的刀刃反射，使得通过被反射的光在图像传感器上产生排列在一起的光点。通过评估单元，确定光点的位置，并且基于光点的位置来确定工具的尺寸。

有利地，该设备被装配在加工空间中，在所述加工空间中稍后通过工具来执行对工件的切削加工。在装配该设备之后，确定如下位置值：通过所述位置值，明确地确定该设备在加工空间中的位置。为了确定所需的位置值，优选地可以应用触碰式（antastendes）方法。基于所述位置值，确定针对图像传感器的位置的参考坐标和第一轴线在加工空间中的定向。因而，在该方法步骤之后，图像传感器在加工空间的坐标系中的确切位置和取向是已知的。

有利地，在确定工具的尺寸之前，参考体与加工机器的工具夹相连。接着，参考体被放置在该设备之前，并且在使用第一光源的情况下，借助图像传感器测量该参考体，亦即确定该参考体的尺寸。优选地，参考体同样具有刀刃或者刀刃状的边缘。在既而确定工具的尺寸期间，该工具同样与加工机器的工具夹相连。基于参考体的测量结果，形成校正值，该校正值包含工具夹相对于图像传感器的参考坐标的确切方位的信息。接着，保存校正值，例如在评估单元或者控制装置中或者在另一设备中保存校正值。

有利地，在确定工具尺寸之前或者之后，对工具、尤其是工具的一个或者多个刀刃进行定性鉴定。为了这个目的，该设备尤其是可以包括第二图像检测单元，该第二图像检测单元具有第二图像传感器。给第二图像传感器可以分配第三（光学）轴线，所述第三轴线与第二图像传感器并且与第二轴线正交地伸展。由此，可以产生对该工具的另一视图。

根据本发明的另一方面，该设备此外包括控制装置，用于处理控制指令并将所述控制指令转换为工具夹在至少一个方向轴线上的运动流程。此外，根据另一方面，该设备包括至少一个位置测量设备，用于确定工具夹沿着至少一个方向轴线的实际位置。工具夹或紧固在其上的工具的相对应的实际位置值或者位置信号被输送给控制装置，用于进行方位调节。在确定工具的尺寸时，亦即在加工过程之外，位置测量设备用于确定工具的位置。

从从属权利要求中得知本发明的有利的构造方案。

附图说明

根据本发明的设备和方法的其他细节和优点从随后依据附图对实施例的描述中得出。

图1示出了用于确定工具尺寸的设备的透视图，

图2示出了该工具的侧视图，

图3示出了具有控制装置的加工机器和用于确定工具尺寸的设备的示意图，

图4示出了用于确定工具尺寸的方法的流程图，

图5示出了接收到的光点的图示以及评估图表。

具体实施方式

图1示出了针对根据本发明的设备V的实施例。设备V包括具有准直仪1.1的第一光源1（在本发明为激光二极管）。在设备运行时，第一光源1平行于第一轴线T发射光。

此外，设备V包括图像传感器2、例如CMOS传感器或者CCD传感器。如下透镜布置在图像传感器2之前：所述透镜构建为使得，在图像传感器2上可实现近心（entozentrische）成像。可以给图像传感器2分配第二轴线Y，该第二轴线Y与图像传感器2正交地定向。第二光源3径向地处于图像传感器2旁，该第二光源3在所介绍的实施例中构建为由多个LED组成的环形灯，所述LED围绕第二轴线Y布置。

设备V确定为，被装配在机器工作台的在第一平面xy中延伸的面上。第一平面xy平行于第二轴线Y定向，其中第一光源1布置为使得，第一轴线T对于第一平面xy倾斜地伸展。根据图1，第一轴线T和第二轴线Y在第二平面中伸展，所述第二平面相对于第一平面xy倾斜。在所介绍的实施例中，在第一平面xy与第二平面之间的角度为45°。

不仅图像传感器2连同透镜以及第二光源3都被透明板覆盖，该透明板在所介绍的实施例中圆形地构建。设备V应被安装在机床或加工机器的加工空间中。在那里，一般要预期有通过冷却润滑剂和/或碎屑对设备V的污染。这样的污染可以被透明板有效地借助压缩空气来去除，该压缩空气以高速从第一喷嘴单元5的喷嘴涌流。设备V此外具有第三光源4。

此外，设备V包括第二图像检测单元7，该第二图像检测单元7能在图1中在上部看到。图像检测单元7包括第二图像传感器，该第二图像传感器的光学轴线（在下文称为第三轴线Z）垂直于图像传感器2的光学轴线或垂直于第二轴线Y地来布置。此外，第二图像检测单元7包括另一尤其是环形的光源。为了去除夹杂物，在第二图像检测单元7的区域中安置有第二喷嘴单元9，压缩空气可以从所述第二喷嘴单元9涌流。此外，设备V在第二图像检测单元7的区域中具有第四光源8。

设备1的部件被壳体6包围，该壳体6可以防止外部影响并且是气密密封的。此外，在所介绍的实施例中，在图1中未示出的评估单元10（参见图3）处于壳体6中。

在图2中，示出了工具W（在本发明为具有螺旋形刀刃S的铣削工具），以及示出了具有方向轴线x、y、z的所分配的坐标系。在加工期间，工具W围绕工具轴线A转动。为了对工件进行精确加工，需要以预先确定的时间间隔来确定工具W的尺寸D、H（在本发明为直径和长度），因为这些尺寸由磨损造成地在运行时变化。

图3示意性地示出了加工机器的元件、尤其是机床的元件，以及示出了用于确定工具W的尺寸D、H的设备V。因而，加工机器包括控制装置C。另外，控制装置C用于处理经过编程的控制指令并这些控制指令转换为运动流程。为此，由控制装置C向驱动装置Dx、Dy、Dz传输控制信号Sx、Sy、Sz，所述驱动装置Dx、Dy、Dz引起，工具夹（尤其是与固定在其上的工具W一起）沿着第一方向轴线x、第二方向轴线y和第三方向轴线z（图1）在加工空间中运动。通过位置测量设备Jx、Jy、Jz，针对相应的方向轴线x、y、z来检测实际位置。接着，工具W的相对应的实际位置值或位置信号Px、Py、Pz被输送给控制装置C，用于进行方位调节，如在CNC机器中常见的那样。相对应的加工机器此外也可以具有三个以上的上面提到的运动轴线。在计算控制信号Sx、Sy、Sz时，必须考虑工具W的尺寸D、H，以便确切地在工件的期望部位处进行材料削减。因而，在加工过程开始之前，通常在加工空间之外已测量工具，并且相关的尺寸优选地在控制装置C中以电子方式已被寄存在表格中。

通过本发明，可以在加工空间中精确地确定具有刀刃S的工具W的尺寸D、H。为此，在所介绍的实施例中执行根据图4的下列方法步骤：

在步骤S1中，设备V首先被置于加工空间中，并在那里比较粗略地被定位在期望的方位中，例如被定位在加工工作台上。

此后，在步骤S2中，探针被夹紧到加工机器的工具夹中，并且触碰在壳体6上的多个事先定义的点，以便确定这些点的位置。借助寄存在控制装置C中的循环来实施该过程步骤，所述循环原则上（dem Grunde nach）与对工件毛坯的位置的常见测量有关地是预先已知。借助位置测量设备Jx、Jy、Jz，确定被触碰的点的绝对位置。设备V的这样产生的位置值Vx、Vy、Vz被输送给控制装置C。在知晓设备V的确切度量的情况下，现在在步骤S21中，可以在加工机器的坐标系中确定图像传感器2的中心的参考坐标Vmx、Vmy、Vmz以及第一轴线T的取向OT。如果设备V持久地停留在加工机器的加工空间中，则在将设备V装配在加工空间中之后，仅一次地需要确定位置值Vx、Vy、Vz以及由此需要步骤S21。与此相应地，在这些前提下，因此紧接在步骤S2之后可以进入步骤S3。

在探针已又从加工机器的工具夹被移开之后，在下一个步骤S3中，参考体被夹紧到工具夹中。该参考体的准确尺寸Dr、Hr是已知的，该参考体例如具有基本上圆柱形的造型并且平行于其纵向轴线且在环周方向上具有刀刃状的边缘。现在，在考虑到图像传感器2的中心的所确定的参考坐标Vmx、Vmy、Vmz以及第一轴线T的取向OT的情况下，参考体被置于所设置的测量位置中，其中在参考测量的情况下，工具夹与参考体一起优选地旋转。在知晓图像传感器2的中心的参考坐标Vmx、Vmy、Vmz的情况下，可能确定参考体的直径Drm和高度Hrm，类似于下面进一步与步骤S4有关地被阐述的方式方法。基于参考体的已知的尺寸Dr、Hr和所测量到的尺寸Drm、Hrm，可以在步骤S31中确定并保存校正值Qx、Qy、Qz，所述校正值Qx、Qy、Qz包含工具夹或工具轴线A相对于图像传感器2的具有参考坐标Vmx、Vmy、Vmz的中心的确切方位的信息。通过在进行旋转的参考体的情况下或在进行旋转的工具夹的情况下进行对校正值Qx、Qy、Qz的所描述的确定，稍后也隐含地与围绕工具轴线A的运动有关地考虑误差。

现在，参考体可以被堆积在加工机器的仓库中，并且待测量的工具W可以被夹紧到工具夹中。

加工机器的操作者可以在步骤S32中选出，他是否想要在真正确定工具W的尺寸D、H之前对工具W进行定性鉴定，例如以便检验刀刃S是否具有损坏。如果选择定性鉴定，接着是步骤S41。在步骤S41中，工具W首先被移向到第二图像检测单元7的区域中。为了定位，事先从寄存在控制装置C中的表格中取得工具W的标称尺寸Dn、Hn，并且所述工具W的标称尺寸Dn、Hn被读入到评估单元10中。在期望的位置，接着可以说从下方平行于z方向来检测工具W的图像，并且在显示器上显示工具W的图像。此后，在步骤S42中，工具W被定位在图像传感器2之前，并且第三光源4以及第一环形灯3被接通。工具W被置于旋转中，并且必要时在z方向上运动。由图像传感器2产生的图像可以在显示器上进行鉴定，使得可以判定，工具W是否还适合于对工件进行加工。如果不适合，则可以在该处中止，并检验替选的工具。如果工具W在合乎规则的状态中，则可以开始真正地确定工具W的尺寸D、H。

如果在步骤S32中未曾选择对刀具W进行定性鉴定，则在步骤S32之后立即从寄存在控制装置C中的表格中读出工具W的标称尺寸Dn、Hn（在新工具W的情况下）或者在最后一次加工之前测量到的尺寸。既而进行将工具W相对应地定位在图像传感器2之前，并且接通第一光源1。在所介绍的实施例中，在步骤S4，工具W在测量期间旋转。在设备V运行时，借助进行准直的光学装置1.1，第一光源1（在本发明为激光光源）平行于第一轴线T发射光。第二轴线Y相对于第一轴线T倾斜地布置，该第二轴线Y与图像传感器2正交地伸展，亦即是关于图像传感器2的光学轴线。以这种方式形成暗场照明。由第一光源1发射的光入射到工具W的刀刃S上。被刀刃S反射的光在图像传感器2上产生根据图5排列在一起的光点L或反光带。图5示出了通过在进行旋转的工具W的左下端部（参见图2）上的反射形成的光点L。由于在本发明涉及暗场照明，所以与图5中的图示相比，真实的图像倒转，相对应地在现实中，在暗背景之前存在亮的光点L。

现在，沿着光点L，带有增量地或利用像素宽度的光栅化对图像进行扫描。因而，图5中的在两个相邻虚线之间的相应间距对应于像素宽度，该像素宽度在所介绍的实施例中为8μm。尤其是，在相对应的光栅中，给基本上在x方向上伸展的行中的那些光点L在所有情况下都分配一个z位置。工具W在z方向上的实际位置通过加工机器的位置测量设备Jz来测量，并产生相对应的位置信号Pz。因此，现在可以查明：关于该坐标系，光点L处于加工机器的加工空间中的何处。结合事先执行的参考测量的结果，尤其是在考虑到校正值Qz的情况下，可以以非常高的精度来规定加工机器的坐标系中的每个z位置zL的绝对值。

利用相应的z位置zL作为输入值，在评估单元10中执行拟合计算，从所述拟合计算中得到根据图5的样条曲线或经过平滑的线gz。在线gz上的具有位置z0的具有最小z值的点Gz（在所介绍的实施例中为线gz的最左边的点）对于确定工具W的长度的尺寸H是决定性的。工具W关于z方向以所限定的方位夹紧在工具夹中。此外，通过位置测量设备Jz，知道工具夹的在z方向上的位置Pz。在考虑到校正值Qz的情况下，可以这样确切地确定在所保存的参考坐标Vmz与图像传感器2上的点Gz的位置z0之间的相对位置。

类似地确定尺寸D，其中工具W在测量期间旋转。因为通过位置测量设备Jx确定工具W的实际位置并且向评估单元10发送相对应的位置信号Px，现在可以在确定图像传感器2上的点Gx的位置x0之后立即确定工具W的半径R和由此确定工具W的直径的尺寸D。为了提高精度，通过校正值Qx来修正工具轴线A的方位。

在本发明，也在评估单元10中执行拟合计算，从该拟合计算中利用相应的x位置xL作为输入值来产生经过平滑的线gx。在线gx上的具有坐标或位置x0的具有最小x值的点Gx对于确定直径的尺寸D是决定性的。在评估单元10中，所保存的参考坐标Vmx与位置x0相组合，尤其是形成差（Vmx-x0），其中通过所述组合来确定工具W的直径的尺寸D。

已依据呈带柄铣刀形式的工具W来描述本发明。但是同样可以测量端面铣刀。完全一样地，本发明可以应用于半径铣刀、角度铣刀、V形铣刀等，其中视结构类型而定形成不同的反光带或成行的光点。除此以外，本发明也可应用于其他的具有刀刃的工具，例如可应用于钻削工具。

Claims (14)

1.用于确定具有刀刃（S）的工具（W）的尺寸（D，H）的设备（V），其包括：

- 第一光源（1），通过所述第一光源（1）能够平行于第一轴线（T）来发射光，

- 图像传感器（2），给所述图像传感器（2）能够分配第二轴线（Y），所述第二轴线（Y）与所述图像传感器（2）正交地伸展，

- 评估单元（10），

其中所述第一轴线（T）和所述第二轴线（Y）彼此倾斜地布置，

其中所述设备设立为使得，由所述第一光源（1）发射的光能够被所述工具（W）的所述刀刃（S）反射，使得能够通过被反射的光在所述图像传感器（2）上产生排列在一起的光点（L），

其中通过所述评估单元（10），能够确定所述光点（L）的位置（xL，zL），并且基于所述光点（L）的所述位置（xL，zL），能够确定所述工具（W）的所述尺寸（D，H）。

2.根据权利要求1所述的设备（V），其中，在所述评估单元（10）中，能够保存有参考坐标（Vmx，Vmy，Vmz），并且通过所述光点（Lx，Lz）中的至少一个光点的位置（xL0，zL0）与所述参考坐标（Vmx，Vmy，Vmz）的组合，能够确定所述工具（W）的所述尺寸（D，H）。

3.根据上述权利要求中任一项所述的设备（V），其中，所述评估单元（10）设立为使得，通过所述评估单元（10），借助拟合计算，基于多个光点（L）的所述位置（xL，zL），能够确定所述尺寸（D，H）。

4.根据上述权利要求中任一项所述的设备（V），其中，在所述第一轴线（T）与所述第二轴线（Y）之间的交角大于75°。

5.根据上述权利要求中任一项所述的设备（V），其中，所述设备（V）构建为使得，所述设备（V）能够装配在机器工作台的如下面上：所述面在第一平面（xy）中延伸，所述第一平面（xy）平行于所述第二轴线（Y）定向，其中所述第一光源（1）布置为使得，所述第一轴线（T）对于所述第一平面（xy）倾斜地伸展。

6.根据权利要求5所述的设备（V），其中，所述第一轴线（T）和所述第二轴线（Y）在第二平面中伸展，其中所述第二平面相对于所述第一平面（xy）倾斜了大于20°的角度。

7.根据上述权利要求中任一项所述的设备（V），其中，所述设备（V）包括第二图像检测单元（7），所述第二图像检测单元（7）具有第二图像传感器，给所述第二图像传感器能够分配第三轴线（Z），所述第三轴线（Z）与所述第二图像传感器并且与所述第二轴线（Y）正交地伸展。

8.用于借助设备（V）来确定具有刀刃（S）的工具（W）的尺寸（D，H）的方法，所述设备（V）包括第一光源（1）、图像传感器（2）和评估单元（10），

其中通过所述光源（1），平行于第一轴线（T）来发射光，并且给所述图像传感器（2）能够分配第二轴线（Y），所述第二轴线（Y）与所述图像传感器（2）正交地伸展，其中所述第一轴线（T）和所述第二轴线（Y）彼此倾斜地布置，

其中此外由所述第一光源（1）发射的光被所述工具（W）的所述刀刃（S）反射，使得通过被反射的光在所述图像传感器（2）上产生排列在一起的光点（L），

其中通过所述评估单元（10），确定所述光点（L）的位置（xL，zL），并且基于所述光点（L）的所述位置（xL，zL），确定所述工具（W）的所述尺寸（D，H）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，基于所述光点（L）的所述位置（xL，zL），借助拟合计算来确定所述尺寸（D，H）。

10.根据权利要求8或者9所述的方法，所述设备（V）被装配在加工空间中，并且既而确定位置值（Vx，Vy，Vz），通过所述位置值（Vx，Vy，Vz）明确地确定所述设备（V）在加工空间中的位置，其中基于所述位置值（Vx，Vy，Vz），确定针对所述图像传感器（2）的所述位置的参考坐标（Vmx，Vmy，Vmz）和所述第一轴线（T）在所述加工空间中的定向（OT）。

11.根据权利要求8、9或者10所述的方法，其中

- 在确定所述工具（W）的所述尺寸（D，H）之前，参考体与所述加工机器的工具夹相连，并借助所述图像传感器（2）来测量所述参考体，

- 在既而确定所述工具（W）的所述尺寸（D，H）期间，所述工具（W）与所述加工机器的所述工具夹相连，并且基于对所述参考体的测量的结果，形成校正值（Qx，Qy，Qz），所述校正值（Qx，Qy，Qz）包含所述工具夹相对于所述图像传感器（2）的所述参考坐标（Vmx，Vmy，Vmz）的确切方位的信息。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，基于所述光点（L）的所述位置（xL，zL），在考虑到所述校正值（Qx，Qy，Qz）的情况下，确定所述工具（W）的所述尺寸（D，H）。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，除了确定所述尺寸（D，H）之外，对所述工具（W）、尤其是所述工具（W）的刀刃（S）进行定性鉴定。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，所述设备（V）包括第二图像检测单元（7），所述第二图像检测单元（7）具有第二图像传感器，给所述第二图像传感器能够分配第三轴线（Z），所述第三轴线（Z）与所述第二图像传感器并且与所述第二轴线（Y）正交地伸展，其中除了确定所述尺寸（D，H）之外，对所述工具（W）、尤其是所述工具（W）的刀刃（S）进行定性鉴定。

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