CN1773227A - 碰撞探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于探测对象物、特别是机床的主轴与其他物体碰撞的碰撞探测装置，具备：安装在对象物上的振动传感器；用于接收来自该振动传感器的输出信号的接收部；将接收部接收到的连续的输出信号中的最大值作为峰值保持的峰值保持电路；以及用于将保持在峰值保持电路中的峰值作为用于判断对象物的碰撞的数据输出的输出部。

Description

碰撞探测装置
技术领域
本发明涉及用于探测对象物、特别是机床的主轴与其他物体碰撞的碰撞探测装置。
背景技术
机床的主轴或机器手等等会发生由于程序错误或操作员的操作错误而导致与其他物体的意外碰撞。若发生这样的碰撞，则就主轴或机器手等等而言，主轴或机器手的结构本身或用于驱动它们的电动机会发生故障。这类故障会影响加工精度或动作精度等，因此最好在发生碰撞时，使机床或机器人的动作停止，进行检查。
但是，在自动运行时，不能探测这些碰撞。因此，对于机床的主轴等等，也有例如特开平11-296213号公报所记载的那样，当发生故障时，着眼主轴或驱动它的电动机发生异常振动的情况，利用设置在主轴上的位置检测器探测主轴的异常振动。另外，也有在对象物上安装振动传感器，利用将来自振动传感器的输出变换为数字信号，使用探测碰撞的碰撞探测装置的做法。
在利用上述位置检测器探测异常振动中，能够探测故障的发生，但即使主轴或机器手发生故障，这些是否是碰撞起因的判断在自动运行中也不能判断，另外，即使是在有操作员的情况下，若操作员未自己报告发生碰撞，判断也是很困难的。另外，在使用现有碰撞探测装置的情况下，为了将来自振动传感器的连续模拟信号变换为离散的数字信号，要在一定周期进行取样。但是，由碰撞产生的振动具有急剧的峰值，因此在指示取样的定时的取样信号之间发生由碰撞产生的传感器信号的突然变化时，存在不能切实探测由碰撞产生的振动的问题。还有，现有的碰撞探测装置具有专用的碰撞判断电路，存在通常为价格昂贵的问题。
发明内容
因此，本发明的目的为解决存在上述现有技术中的问题，提供能够确实检测对象物的碰撞的碰撞探测装置。
另外，作为本发明的附加目的为提供廉价的碰撞探测装置。
根据本发明的第1方式，提供一种碰撞探测装置，具备：安装在对象物上的振动传感器；用于接收来自该振动传感器的输出信号的接收部；将上述接收部接收的连续的上述输出信号中的最大值作为峰值保持的峰值保持电路；以及用于输出保持在上述峰值保持电路中的峰值的输出部。
在上述碰撞探测装置中，最好是上述输出部输出上述峰值的同时输出上述接收部接收的上述振动传感器的输出信号。
最好是上述碰撞探测装置还具备当从上述输出部输出的上述峰值超过预先确定的值时判断为发生了碰撞的碰撞判断机构。
最好是这种碰撞判断机构具有计时的功能，当上述峰值超过上述预先确定的值时能够与时刻一同存储上述峰值。
在上述碰撞探测装置中，例如，能够将上述对象物作为机床的主轴、将上述碰撞判断机构作为机床的控制装置。
还有，在上述碰撞探测装置中，能够如下构成：来自上述振动传感器的输出信号是模拟信号，上述峰值保持电路保持上述模拟信号的峰值，上述输出部将接收的模拟信号转换为数字信号输出。
另外，根据本发明的第2方式，提供一种碰撞探测装置，具备：安装在对象物上的振动传感器；用于接收来自该振动传感器的输出信号的接收部；将上述接收部接收的连续的上述输出信号中的最大值作为峰值保持的峰值保持机构；以及当从上述输出部输出的被数字化了的上述峰值超过预先确定的值时判断为发生了碰撞的碰撞判断机构。
根据本发明，利用峰值保持电路保持来自振动传感器的输出信号的振动波形的最大值，因此发生碰撞时，即使其振动波形急剧变化也能在峰值保持电路中确实维持振动的峰值信息。因此，若A/D转换来自峰值保持电路的输出，则不会丢失碰撞发生时振动峰值的信息，能够确实探测碰撞。
附图说明
以下参照附图说明，根据本发明的最佳实施方式进一步详细说明本发明的上述以及其他目的、特征以及长处。
图1是本发明的碰撞探测装置的整体构成图。
图2是表示判断是否发生了碰撞的方法的一个例子的流程图。
图3A～图3C是表示来自图1的碰撞探测装置的振动传感器以及峰值保持电路的输出波形的一个例子的图。
图4是说明模拟—数字变换例的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的最佳实施方式。
本发明的碰撞探测装置11被安装在机床的主轴或机器手等本身或驱动它的驱动器上，用于探测主轴或臂与其他物体碰撞。以下特别以应用于机床的主轴的情形为例进行说明。
最先，参照图1说明本发明的碰撞探测装置11的整体构成。碰撞探测装置11具备：被安装在机床的主轴上的振动传感器13；接收来自振动传感器13的输出信号的接收部15；与接收部15连接的峰值保持电路17；以及用于将保持在峰值保持电路17中的数值输出到外部的输出部19。
振动传感器13是将被安装的对象物的振动变换为电压、作为电信号输出的传感器，输出与对象物的位移、速度或加速度的振幅成比例的电压。因此，来自振动传感器13的输出是模拟信号。作为振动传感器13，能够使用例如振动拾取器等。振动传感器13为众所周知类型的设备，因此在这里不更详细地说明。
接收部15能够接收来自振动传感器13的模拟信号，典型地，采用能够连接来自振动传感器13的信号线的接口形式，但并不特别限于该形式。
峰值保持电路17是具有将接收部15接收到的连续的输出信号(模拟信号)的波形的最大电压作为峰值或峰值电压保持的功能的电路，可以使用一般类型的设备。在峰值保持电路中，一般地，保持的峰值电压随着时间的推移衰减而变小，其衰减率可以利用电路设计的变更而调整，因此可以如后所述选择适合A/D转换器的取样周期的衰减率。
输出部19不仅能够输出保持在峰值保持电路17中的峰值电位或与其对应的数字信号，还能够输出来自振动传感器13的输出信号或与其对应的数字信号。但是，来自振动传感器13的输出信号无需一定通过输出部19输出。输出部19利用电缆等与后述的碰撞判断机构连接，一般采用能够连接这些电缆等的接口形式。
碰撞探测装置11还具备：将表示利用峰值保持电路17保持的峰值电位的来自峰值保持电路17的输出信号从模拟信号变换为数字信号的第1A/D转换器21；以及将利用接收部15接收到的来自振动传感器13的输出信号从模拟信号变换为数字信号的第2A/D转换器23。关于这些A/D转换器(模拟—数字转换器)21、23为众所周知的设备，因此在这里不做详细说明。
来自如此构成的碰撞探测装置11的输出部19的输出信号被输出到碰撞判断机构，碰撞判断机构根据这些信号判断是否发生了碰撞。在图示的实施方式中，碰撞判断机构是机床的控制装置25。如此通过利用机床的控制装置25作为碰撞判断机构，不需设置碰撞探测装置11的专用判断部，从而廉价制造碰撞探测装置11成为可能。例如，机床的控制装置25当从输出部19输出的信号中的保持在峰值保持电路17的峰值电位或将其进行了A/D转换的数值超过预先确定的阈值时，判断为发生了碰撞。或者还有，机床的控制装置25在预先确定的期间内从输出部输出的信号中的来自振动传感器13的输出信号求出平时的平均输出水平，在当该平均输出水平与从输出部19输出的信号中的保持在峰值保持电路17的峰值电位的差超过预先确定的值时，判断为发生了碰撞。
碰撞判断机构即机床的控制装置25具有计时的功能，在如上述判断为发生了碰撞时，期望能够存储此时从输出部输出的峰值电压的同时存储时刻。由此，能够知道何时发生了碰撞，对碰撞原因的分析是有益的。
其次，参照图2～图4，说明图1的碰撞探测装置11的动作。在碰撞探测装置11中，作为连续信号、接收部15获取被安装在主轴或驱动它的电动机上的振动传感器13的输出。获取的振动传感器13的输出信号是模拟信号，通常地是如图3A所示的信号。获取的振动传感器13的连续输出信号传递给峰值保持电路17，将该一连串输出信号的波形表示的最大电压作为峰值电位(峰值)P保持在峰值保持电路17中。其次，保持在峰值保持电路17中的峰值电位P利用第1A/D转换器21从模拟信号被转换为数字信号，作为碰撞判断机构的机床的控制装置25通过输出部19作为数字信号获取保持在峰值保持电路17中的峰值电位P(步骤S100)。控制装置25比较获取的峰值电位P与预先确定的值K(步骤S102)
如图3A所示，在未发生碰撞时，峰值电位P低于预先确定的阈值K，所以判断为未发生碰撞(步骤S106)。另外，在控制装置25内与阈值K比较的值严格说是将峰值电位P进行A/D转换后的值。为了便于说明，在此，作为将峰值电位P与阈值K比较来记载，这在以下的对控制装置25内的与阈值K的比较的说明中也同样。
一方面，若发生碰撞，通过接收部15获取的振动传感器13的输出信号则表示为具有如图3B所示急剧峰值的波形。在一般的碰撞探测装置11中，直接A/D转换振动传感器13的输出信号(模拟信号)，因此，振动传感器13的输出信号表示为具有如此急剧峰值的波形时，如图4所示，在两个取样信号相互间，因碰撞产生的输出信号的急剧变化会收敛，A/D转换后的数字信号有时不能反映出急剧的变化。此时，振动传感器13的输出信号的位于急剧变化的波形的顶点的电压、即峰值电位即使超过预先确定的阈值K，机床的控制装置25获取的信号有时只有低于该峰值电位的电压，因此，不能探测碰撞。
但是，本发明的碰撞探测装置11中，通过接收部15获取的振动传感器13的输出信号传递到峰值保持电路17。因此，利用峰值保持电路17提取如图3B所示的因碰撞产生的急剧变化的信号的波形表示为最大电压时的峰值电位，将其保持在峰值保持电路17中，因此能够生成如图3C所表示的相当于振动传感器13的输出信号的峰值电位P的信号。利用第1A/D转换器21将如此生成的信号转换为数字信号后，通过输出部19输出到机床的控制装置25。峰值保持电路17的输出信号总是表示相当于峰值电位P的信息，因此即使利用第1A/D转换器21将其转换为数字信号，与第1A/D转换器21的取样信号的定时无关，能够将相当于峰值电位P的信息确实传递到机床的控制装置25。
因此，当碰撞了主轴时，如图3C所示，在将来自峰值保持电路17的输出信号进行了A/D转换的数字信号中能够确实反映作为位于图3B的碰撞时的波形顶点电压的峰值电位P的信息，因此控制装置25从碰撞探测装置11的输出部19获取的峰值电位P高于预先确定的阈值K时，判断为发生了碰撞(步骤S104)。
另外，如图3C所示，保持在峰值保持电路17中的峰值电位P在电路特性方面，严密地说为渐渐衰减。因此，最好是关于保持在峰值保持电路17中的峰值电位P，比较现在的取样值与上次的取样值，此次取样时的数值高于上次取样值，并且，在此次取样时的数值高于阈值K时，判断为发生了碰撞。
峰值保持电路17的衰减率能够通过电路设计而调整，设定峰值保持电路17的衰减率，使得因要探测的碰撞而产生的振动传感器13的输出信号的波形的峰值电位P在经过1个取样周期后仍旧高于预先确定的阈值K地保持在峰值保持电路17中。或者另外，还可以确定阈值K，使得因要探测的碰撞产生的振动传感器13的输出信号的波形的峰值电位P依据设定在峰值保持电路17的衰减率经过1个取样周期衰减时，衰减后的电位还高于阈值K。后者的情况，当然阈值K必须高于未发生碰撞时的振动传感器的输出电位地被设定。
另外，峰值保持电路17的衰减率一般很小，取样周期也很短，因此，实质上保持在取样周期间的峰值电位P能够维持固定值。因此，可以认为相当于碰撞时由振动传感器13生成的输出信号的峰值电位P的信息能够输出到控制装置25。
在上述中，机床的控制装置25仅仅根据保持在峰值保持电路17中的峰值电位P判断有无碰撞发生，但还可以利用来自振动传感器13的输出信号判断有无碰撞发生。例如，控制装置25再从输出部19获取来自振动传感器13的输出信号求出该电压的平均值，将该平均值与保持在峰值保持电路17中的峰值电位P的差与预先确定的阈值K比较，差高于阈值K时，能够判断为发生了碰撞。另外，从输出部19获取的振动传感器13的输出信号也可以用于监视主轴的状态。
以上，参照图示的实施方式说明了本发明的碰撞探测装置11，但本发明的碰撞探测装置11不限于图示的实施方式。例如，上述的碰撞探测装置11设有第1A/D转换器21以及第2A/D转换器23，但这些也可设置在机床的控制装置(即，碰撞判断机构)25上。另外，在上述实施方式中，机床的控制装置25作为碰撞判断机构使用，但碰撞探测装置11也可除机床的控制装置25之外具备碰撞判断机构。
根据本发明，提供一种碰撞探测装置，具备：安装在对象物上的振动传感器；用于接收来自该振动传感器的输出信号的接收部；将利用接收部接收到的连续的输出信号中的最大值作为峰值保持的峰值保持电路；以及用于输出保持在峰值保持电路中的峰值的输出部。
测定对象物在碰撞时的振动传感器的输出信号具有急剧的峰值。因此，进行A/D转换(模拟—数字转换)处理，若在固定取样周期内将该输出信号数字化，根据取样的定时关系，A/D转换后的信号波形的峰值有时会变小或消失。因此根据A/D转换了的来自振动传感器的输出信号的信号正确判断有无碰撞的发生是很困难的。与此相对，在本发明的碰撞探测装置中，在峰值保持电路保持振动传感器的输出信号的峰值(一般是峰值电位)。因此，即使碰撞发生后，至少在一定期间内，能够将碰撞时的振动传感器的输出信号的最大值作为峰值保持在峰值保持电路中，从而，能够从峰值保持电路的输出值中确实探测碰撞。
在这种碰撞探测装置中，最好是输出部输出峰值的同时输出利用接收部接收到的振动传感器的输出信号。如采用这种构成，通过将保持在峰值保持电路中的峰值与来自振动传感器的输出信号的正常值比较，可以判断保持在峰值保持电路中的峰值是否异常。另外，也可利用振动传感器的输出信号来监视对象物的动作。
另外，最好是碰撞探测装置还具备当从输出部输出的峰值超过预先确定的值时、判断为发生了碰撞的碰撞判断机构。碰撞物体时，从振动传感器输出的输出信号的振动振幅急剧变大，因此，在碰撞判断机构中若将平时的振动中未达到的数值作为阈值而预先设定，则在振动传感器的输出信号的最大值即从输出部输出的保持在峰值保持电路的峰值超过阈值时，能够判断为发生了碰撞。
还最好是这种碰撞判断机构具有计时的功能，当峰值超过上述预先确定的值时，能够与时刻一同存储峰值。根据这种构成，能够知道碰撞何时发生。
还有，就碰撞探测装置而言，能够做成例如将对象物作为机床的主轴、将碰撞判断机构作为机床的控制装置。
还有，就碰撞探测装置而言可以如下构成，即，来自振动传感器的输出信号是模拟信号，峰值保持电路保持模拟信号的峰值，输出部将接收的模拟信号转换为数字信号并输出。将模拟信号转换为数字信号(A/D转换)时，会发生因取样周期模拟信号的部分信息的丢失，但若将模拟信号通过峰值保持电路保持峰值的话，则即使A/D转换峰值保持电路的输出，也可以确实输出峰值的信息，可以确实探测碰撞。

Claims (7)

1.一种碰撞探测装置(11)，其特征在于，具备：安装在对象物上的振动传感器(13)；用于接收来自该振动传感器(13)的输出信号的接收部(15)；将上述接收部(15)接收的连续的上述输出信号中的最大值作为峰值保持的峰值保持电路(17)；以及用于输出保持在上述峰值保持电路(17)中的峰值的输出部(19)。
2.根据权利要求1所述的碰撞探测装置，其特征在于，上述输出部(19)在输出上述峰值的同时，输出上述接收部(15)接收的上述振动传感器(13)的输出信号。
3.根据权利要求1所述的碰撞探测装置，其特征在于，上述碰撞探测装置(11)还具备当从上述输出部(19)输出的上述峰值超过预先确定的值时判断为发生了碰撞的碰撞判断机构(25)。
4.根据权利要求3所述的碰撞探测装置，其特征在于，上述碰撞判断机构(25)具有计时的功能，当上述峰值超过上述预先确定的值时，与时刻一同存储上述峰值。
5.根据权利要求3或4所述的碰撞探测装置，其特征在于，上述对象物是机床的主轴，上述碰撞判断机构(25)是机床的控制装置。
6.根据权利要求1所述的碰撞探测装置，其特征在于，来自上述振动传感器(13)的输出信号是模拟信号，上述峰值保持电路(17)保持上述模拟信号的峰值，上述输出部(19)将接收的模拟信号转换为数字信号并输出。
7.一种碰撞探测装置，其特征在于，具备：安装在对象物上的振动传感器(13)；用于接收来自该振动传感器(13)的输出信号的接收部(15)；将上述接收部(15)接收的连续的上述输出信号中的最大值作为峰值保持的峰值保持机构(17)；用于将保持在上述峰值保持机构(17)中的峰值作为数字信号输出的输出部(19)；以及当从上述输出部(19)输出的数字化的上述峰值超过预先确定的值时判断为发生了碰撞的碰撞判断机构(25)。
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