用於檢測旋轉元件是否存在於工具機中的方法

2023-06-17 19:57:01

用於檢測旋轉元件是否存在於工具機中的方法
【專利摘要】用於以已知的或可確定的旋轉頻率RF來檢測旋轉元件（3）是否存在的檢測方法和設備，其中，發射器（8）將主要電磁輻射（9）朝向所述旋轉元件（3）引導；接收器（10）接收已經由旋轉元件（3）所反射的反射電磁輻射（11）；以及處理單元（12）對所反射的反射電磁輻射（11）採樣以便確定用於進行分析的粗略信號（S），在頻域內分析粗略信號（S）以便檢測粗略信號（S）是否包括頻率對應於所述旋轉元件（3）旋轉頻率RF的周期性，並且如果粗略信號（S）包括頻率對應於所述旋轉元件（3）旋轉頻率RF的周期性，則確定旋轉元件（3）實際是存在的。
【專利說明】用於檢測旋轉元件是否存在於工具機中的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於檢測旋轉元件是否存在的檢測方法和設備。本發明可有利地用於檢測旋轉工具是否存在於數控工具機中，在說明書中明確但不喪失一般性地參照其進行描述。
【背景技術】
[0002]在數控工具機中，不同類型的工具可安裝於主軸上。這些不同類型的工具都取自於自動存儲器(automatic store)以及在自動存儲器中進行替換，且在使用過程中這些不同類型的工具旋轉以便通過去除材料來加工工件。
[0003]當需要更換工具時，將主軸放置於自動存儲器處，主軸在自動存儲器處替換舊工具並採用新工具。
[0004]由於會發生主軸不從存儲器採用新工具的情況，因此在工具更換之後，有必要檢測主軸是否實際上已經採用了新工具。換言之，必須要檢測工具實際上是否存在於所述主軸上。
[0005]此外，在使用過程中，工具可能會破損(通常但不是唯一的情況是當工具為具有小直徑的鑽頭的時候)，因此有必要檢測由主軸承載的工具是完整的(也就是說，所述工具包括其端部部分，所述端部部分是其前端部)。
[0006]為了檢測主軸實際上是否承載工具(更具體地，所述工具為旋轉工具，即由主軸使其旋轉的工具)以及為了檢測工具是否為完整的(即，所述工具包括其端部部分)，數控工具機可包括接觸類型的檢測設備或裝置(但是所述檢測設備或裝置在工具旋轉的同時不能用於檢測)或非接觸類型的設備或裝置。非接觸類型的裝置例如可通過光束的中斷(該解決方案通常具有整體尺寸的問題)或通過觀察和分析工具本身所反射的輻射來檢測所述旋轉工具是否存在。
[0007]諸如像在US-A-5293048中所示類型的最後一種類型的檢測設備包括電磁輻射(通常是但不一定是雷射束)發射器和接收器，所述發射器指向所述旋轉工具應當定位於其中的區域，所述發射器靠近發射器布置並接收由所述旋轉工具所反射的電磁輻射。檢測設備的處理單元分析由接收器所檢測到的所反射電磁輻射並且根據所述分析來確定旋轉工具實際上是否存在。
[0008]由接收器所檢測到的所反射電磁輻射的分析是非常重要的，其原因在於其必須在確定旋轉工具是否存在的過程中確保高度的可靠性。具體地，這種分析包括複雜的處理，從而避免假陽性錯誤(即，當旋轉工具實際上不存在時而確定其存在)和假陰性錯誤(即，當旋轉工具實際上存在時而確定其不存在)。
[0009]假陽性錯誤的風險水平是相當高的，其原因在於接收器可以檢測到被誤認為是由旋轉工具所反射輻射的噪聲。例如，噪聲可包括由發射器所發射以及由旋轉工具之外的對象(例如，噴向旋轉工具的冷卻劑，由加工所導致的灰塵或碎屑，或位於工具後面的其它反射表面)所反射的電磁輻射，或噪聲可包括由其它源(例如提供環境照明的螢光燈)所發射的電磁輻射。
[0010]還存在假陰性錯誤的風險。事實上，為了儘量避免假陽性錯誤來使用對於由發射器所檢測到的電磁輻射的分析而言的嚴格標準會意味著作為負面後果由旋轉工具所實際反射的但意外包括噪聲的電磁輻射不會被認為是旋轉工具的反射。

【發明內容】

[0011]本發明的目的在於提供一種用於檢測旋轉元件是否存在的檢測方法和設備，所述檢測方法和設備使得能夠以增加的可靠性來檢測旋轉工具是否存在，同時所述檢測方法和設備能夠以容易且成本低廉的方式來實施。
[0012]本發明提供一種根據所附權利要求所要求保護的用於檢測旋轉工具是否存在的檢測方法和設備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]在下文中參照通過非限制性的實例方式給出的附頁附圖來對本發明進行描述，其中:
[0014]圖1是根據本發明的具有用於檢測旋轉工具是否存在的檢測設備的數控工具機的簡化視圖，其中為了清楚起見去除了某些部分並放大了其它部分；
[0015]圖2至圖5示出由用於檢測所述旋轉工具是否存在的檢測設備所處理的數據的四幅曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]在圖1中以最好的示意性方式示出數控工具機I (例如自動鑽孔機),其包括承載旋轉工具3 (在圖1所示的特定情況下是鑽頭)的主軸2以及承載被加工的工件5的工作檯4。
[0017]此外，工具機I包括用於檢測旋轉工具3是否存在(從而間接地檢測旋轉工具3的完整性)的檢測設備6。通過將檢測設備6朝向旋轉工具3的端部部分(即，朝向前端部)弓I導來檢測旋轉工具3的完整性:如果旋轉工具3的端部部分實際上是存在的話，則假定旋轉工具3存在且還是完整的。顯然，通過將檢測設備6朝向旋轉工具3本身的中央部分引導，檢測設備6可僅僅用於檢測旋轉工具3是否存在。
[0018]工具機I可包括速度傳感器7，其機械地連接到主軸2來測量旋轉工具3的旋轉頻率(即，旋轉速度)，特別是實際的旋轉頻率RF，並將其自身的讀數提供給檢測設備6的(數字或模擬)輸入。根據一等同的實施例，工具機I不包括速度傳感器7。在這種情況下，基於標稱頻率來精確估計旋轉工具3的實際旋轉頻率RF，該標稱頻率本身已知為電動馬達的控制參數，所述電動馬達通過如在下文中參照圖5所述那些合適的處理操作以使得主軸2旋轉。
[0019]檢測設備6包括光學發射器8,該光學發射器8將主要電磁福射9朝向旋轉工具3引導。根據一個優選的實施例，主要電磁輻射9是以10-500千赫量級的頻率振蕩(脈衝)的脈衝雷射束(其對應於存在和不存在雷射束的周期性反覆交替)。此外，檢測設備6包括光學接收器10，該光學接收器10接收已經由旋轉工具3所反射的反射電磁輻射11。換言之，光學接收器10 「捕獲」由旋轉工具3對由光學發射器8所發射的主要電磁輻射9所產生的反射。
[0020]檢測設備6包括處理單元12，該處理單元12採集所反射的反射電磁輻射11(8卩，其採集由光學接收器10所提供的電信號，所述光學接收器10由所反射的反射電磁輻射11「射中」)以便確定用於進行分析的粗略信號S (在圖2中示出)。根據一個優選的實施例，所反射的反射電磁輻射11的採集通過與主要電磁輻射9的振蕩頻率同步的採樣和保持電路來執行。
[0021]在獲知所述旋轉工具3的實際旋轉頻率RF (該頻率可以兩種不同的方式來獲得:由速度傳感器7提供給處理單元12，或在沒有任何速度傳感器的情況下基於已知的標稱頻率來處理)之後，處理單元12根據實際旋轉頻率RF來確定粗略信號S的長度，這樣，粗略信號S包括旋轉工具3的至少兩次完整旋轉，且優選包括旋轉工具3的至少三次完整旋轉(顯然，粗略信號S可包括旋轉工具3的三次以上的完整旋轉，重要的是粗略信號從不包括旋轉工具3的小於兩次的完整旋轉)。應當注意的是，包括在粗略信號S中的旋轉工具3完整旋轉的數目越大，則用於確定旋轉工具3是否存在的粗略信號S的分析就更簡單和更準確，但是需要的時間則更長。在下文中所述的處理操作使得能夠利用工具的有限數目的完整旋轉而在很短的時間內來獲得很好的結果。
[0022]在計算粗略信號S的長度的過程中，處理單元12考慮實際旋轉頻率RF和已知的標稱旋轉頻率之間的差異，且即使在最大的差異處於已知的可變範圍內的最壞的情況下，即實際旋轉頻率RF低於標稱頻率的情況，粗略信號S包括旋轉工具3的至少兩次完整旋轉(在優選的實施例中包括旋轉工具3的至少三次完整旋轉)。
[0023]在圖2中所示的實例中，虛線代表粗略信號S，其由1536個樣本構成。通過以1.6千赫的採樣頻率以及200RPM (S卩，等於200/60=3.333赫茲)的旋轉工具3的標稱旋轉頻率下解調所反射的電磁輻射11來獲得該粗略信號S。如果實際旋轉頻率RF等於標稱頻率，在以1.6千赫採樣的情況下，旋轉工具3的一次完整旋轉將包括480個樣本。但是有必要考慮到實際旋轉頻率RF通常可相對於標稱旋轉頻率變化，該標稱頻率為使得主軸2旋轉的電動馬達的旋轉頻率。典型地，該變化處於±5的可變範圍內。這通常是真實的，且不影響由工具3以任何方式執行的工具機的正常加工操作。因此，在最壞的情況下(即在實際旋轉頻率RF比標稱頻率低5%的情況下)，旋轉工具3的一次完整旋轉包括512個樣本(即480個樣本+5% +由於512是2的倍數因此四捨五入以便獲得便於存儲的「方便」數)。因此，粗略信號S必須由1536個(=512x3)樣本構成以便確定粗略信號S指代旋轉工具3的至少三次完整的旋轉。
[0024]根據一個可能的實施例，所反射的電磁輻射以下述的採樣頻率來採集，所述採樣頻率根據旋轉工具3的旋轉頻率(或作為旋轉工具3的旋轉頻率的函數)以如此的方式變化以至於採樣頻率隨著旋轉頻率的增加而增加。例如，當旋轉工具3的標稱旋轉頻率處於200RPM和1000RPM之間時，採樣頻率可以等於1.6千赫，而當旋轉工具3的標稱旋轉頻率處於1000RPM和5000RPM之間時，採樣頻率可以等於8千赫。由於採樣頻率隨著旋轉工具3旋轉頻率的增加而增加，因此可以保持相當恆定的採集精確度(也就是說，對於旋轉工具3的每次完整旋轉而言具有或多或少恆定的採樣數目，因而當旋轉工具緩慢旋轉時該數目不太大和/或當旋轉工具3快速旋轉時該數目不太小)。
[0025]根據一個可能的實施例，包括在粗略信號S中的旋轉工具3的完整旋轉數目不是恆定的，而是隨著旋轉工具3旋轉頻率的增加而增加。以這種方式，粗略信號S的採集長度或多或少是恆定的(因此用於檢測旋轉工具3是否存在所需的時間可或多或少地保持恆定)。
[0026]根據一個優選的實施例，處理單元12將低通軟體濾波預先(即，在下文所述的進一步處理操作之前)應用到粗略信號S。此外，根據一個優選的實施例，處理單元12將減去一恆定值的值的時間縮放預先(即，在下文所述的進一步處理操作之前)應用到粗略信號S，該恆定值等於粗略信號S最小值。在圖2中，虛線代表粗略信號S，所述粗略信號S未經濾波且不經過時間縮放，而實線代表經過濾波和時間縮放的粗略信號S。
[0027]在其中實際旋轉頻率RF不由速度傳感器7提供的優選的實施例中，處理單元12首先處理經過濾波和時間縮放的粗略信號S以便通過在時域中進行分析來確定粗略信號S(由此旋轉工具3)的精確旋轉周期。然後，在確定粗略信號S的精確旋轉周期之後，處理單元12根據粗略信號S的精確旋轉周期(或作為粗略信號S精確旋轉周期的函數)以如此的方式截掉粗略信號S的一部分，以至於經截掉的粗略信號S恰好包括旋轉工具3完整旋轉的整數。換言之，粗略信號S通常包括旋轉工具3完整旋轉的分數數目，從而以如此的方式截掉粗略信號S (也就是說，包括在粗略信號S內的樣本部分被截掉)，以至於在截掉之後，經截掉的粗略信號S恰好包括旋轉工具3完整旋轉的整數(如在圖2-5中所示的實施例中那樣，恰好包括旋轉工具3的三次完整旋轉)。可以只在粗略信號S的起始部分處、只在粗略信號S的端部部分處、或在粗略信號S的起始部分和端部部分兩者處截掉粗略信號S。
[0028]處理單元12通過由節距檢測算法在時域中執行的分析來確定粗略信號S的精確旋轉周期，使得能夠估算準周期和虛擬周期信號的基本頻率周期。優選地，處理單元12利用自相關函數AMDF (「平均幅度差函數」)，其基於以下公式:
【權利要求】
1.用於檢測旋轉元件(3)是否存在的方法，所述檢測方法包括以下步驟: -獲得所述旋轉元件(3)的旋轉頻率RF ； -通過發射器(8 )將主要電磁輻射(9 )朝向所述旋轉元件(3 )引導； -通過接收器(10)接收已經由旋轉元件(3)所反射的反射電磁輻射(11); -採集反射的反射電磁輻射(11)以便確定用於進行分析的粗略信號(S)； -分析粗略信號(S)，以便確認粗略信號(S)中是否包括頻率對應於所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的周期性；以及 -如果粗略信號(S)包括頻率對應於所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的周期性，則確定所述旋轉元件(3)實際是存在的； 所述檢測方法的特徵在於其包括進一步的步驟: -在頻域內分析粗略信號(S)；以及 -如果粗略信號(S)的頻率分量具有為所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的整數倍的主要分量，則確定所述粗略信號(S)包括頻率對應於所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的周期性。
2.根據權利要求1所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: -通過在時域內分析粗略信號(S)來確定粗略信號(S)的精確旋轉周期； -根據粗略信號(S)的精確旋轉周期以如此的方式截掉粗略信號(S)的一部分以至於使得經截掉的粗略信號(S)恰好包括旋轉元件(3)完整旋轉的整數；以及-在頻域內分析經截掉的粗略信號`(S)。
3.根據權利要求2所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: 通過由節距檢測算法在時域中執行的分析來確定粗略信號(S)的精確旋轉周期。
4.根據權利要求3所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: 通過由節距檢測算法利用自相關函數在時域中執行的分析來確定粗略信號(S)的精確旋轉周期，所述自相關函數為平均幅度差函數AMDF。
5.根據權利要求2，3或4所述的檢測方法，其特徵在於包括進一步的步驟: 通過在搜索區間內搜索精確的旋轉周期來確定所述粗略信號(S)的精確旋轉周期，所述搜索區間根據旋轉元件(3)的標稱旋轉頻率的函數以及根據相對於標稱旋轉頻率的可變範圍的函數來確定。
6.根據權利要求5所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: 如果不能確定粗略信號(S)的精確旋轉周期處於搜索區間內，則確定不能識別所述旋轉元件(3 )，因此確定所述旋轉元件(3 )不存在。
7.根據權利要求2至6任一項所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: 在時域內執行分析之前，通過重新採樣使得經截掉的粗略信號(S)縮減/擴展。
8.根據權利要求7所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: 使得粗略信號(S)以如此的方式縮減/擴展以至於使得粗略信號(S)所包括的樣本數量等於數量2的冪次。
9.根據權利要求1至8任一項所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: 將傅立葉變換應用到粗略信號(S)以便從時域移動到頻域。
10.根據權利要求9所述的檢測方法，其特徵在於所述傅立葉變換是快速傅立葉變換FFT。
11.根據權利要求9或權利要求10所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: _確定具有最大振幅諧波的幅度和階數；以及 -如果具有最大振幅諧波的階數是包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉的整數的整數倍，則確定所述旋轉元件(3)實際是存在的。
12.根據權利要求11所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: 如果具有最大振幅諧波階數是包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉整數的整數倍以及如果同時具有最大振幅諧波的最大振幅高於第一閾值，則確定所述旋轉元件(3)實際是存在的。
13.根據權利要求9或權利要求10所述的檢測方法，其特徵在於其包括進一步的步驟: -作為包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉的整數的函數來計算信噪比； -如果信噪比大於第二閾值，則確定所述旋轉元件(3)實際是存在的。
14.根據權利要求13所述的檢測方法，其特徵在於: 在計算信噪比的過程中，其階數為包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉整數的整數倍的所有諧波幅度被認為是有用的信號，而其階數不為包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉整數的整數倍的所有諧波幅度被認為是噪聲。
15.根據權利要求13或14所述的檢測方法，其特徵在於包括進一步的步驟: 將信噪比計算為分數，其中分子是其階數為包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉整數的整數倍的幅度之和，而分母是其階數不為包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉整數的整數倍的所有諧波幅度之和。
16.根據權利要求13或14所述的檢測方法，其特徵在於包括進一步的步驟: 將信噪比計算為分數，其中分子是其階數為包括在經截掉粗略信號(S)內的旋轉元件(3)完整旋轉整數的整數倍的幅度之和，而分母是所有幅度之和和分子之間的差異。
17.根據權利要求1至16任一項所述的檢測方法，其特徵在於包括進一步的步驟: 作為旋轉元件(3)旋轉頻率RF的函數以如此的方式來確定粗略信號(S)的長度，以至於粗略信號(S)包括旋轉元件(3)的至少兩次完整旋轉。
18.根據權利要求1至17任一項所述的檢測方法，其特徵在於包括進一步的步驟: 作為旋轉元件(3)旋轉頻率RF的函數以如此的方式來改變所反射電磁福射(11)的採樣頻率以至於所述採樣頻率隨著旋轉頻率RF的增加而增加。
19.根據權利要求1至18任一項所述的檢測方法，其特徵在於包括進一步的步驟: 作為旋轉元件(3)旋轉頻率RF的函數以如此的方式來改變包括在粗略信號(S)內的旋轉元件(3)的完整旋轉的數目以至於包括在粗略信號(S)內的旋轉元件(3)的完整旋轉的數目隨著旋轉頻率RF的增加而增加。
20.一種用於以已知的或可確定的旋轉頻率RF來檢測旋轉元件(3)是否存在的檢測設備，所述檢測設備(6)包括: -發射器(8 )，其用於將主要電磁輻射(9 )朝向所述旋轉元件(3 )引導； -接收器(10)，其用於接收已經由旋轉元件(3)所反射的反射電磁輻射(11);以及-處理單元(12)，其對所反射的反射電磁輻射(11)採樣以便確定用於進行分析的粗略信號(S)，分析粗略信號(S)以便確認粗略信號(S)是否包括頻率對應於所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的周期性，並且如果粗略信號(S)包括頻率對應於所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的周期性，則確定旋轉元件(3)實際是存在的； 所述檢測設備(6)的特徵在於: -所述處理單元(12)在頻域內分析粗略信號(S);以及 -如果粗略信號(S)的頻率分量具有為所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的整數倍的主要分量，則所述處理單元(12)確定所述粗略信號(S)包括頻率對應於所述旋轉元件(3)旋轉頻率RF的周期性。
21.根據權利要求20 所述的檢測設備，其特徵在於所述主要電磁輻射是脈衝雷射束。
【文檔編號】B23Q17/12GK103687696SQ201280034729
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年7月6日 優先權日:2011年7月13日
【發明者】D·馬爾佩齊, N·巴比裡 申請人:馬波斯S.P.A.公司