TW200810872A - Tool detection - Google Patents

Description

200810872 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於物件（例如，機床上使用之切削工具）檢 測。特定而言，本發明係關於切削工具之直徑及其尖端位 置之確定。 【先前技術】 機床使用夕種工具，该工具在不運作時可被儲存於一 方疋轉盤中。當選擇一工具時，必須在可使用其之前確定其 具體特性（例如，直徑及尖端位置p合意之情形係快速並 準確地確定該等工具特性。藉由減少所用時間及增加設定 工具之準確性，可提高機床生產力且減少廢料。 一檢測一工具之尖端相對於安裝其之機床主軸之位置之 習知佈置包括移動該主軸直至該工具觸及至一安裝於一機 床之台板上之工件之表面上。記錄該位置處之機床座標， 並k而確疋該工具之尖端之位置。該方法費時費力且可能 導致對該工件之表面之損傷。一替代佈置藉由使用一具有 "亥表面與该工具尖端之間之習知尺寸之滑規來避免損傷該 表面’然而’此做法仍係一費時且笨拙之過程。 一供於一機床上使用之習知工具設定器件包括一光源， 該光源產生一投射至一檢測器上之纖細光束。在一工具設 疋作業期間，機床經操作以在一橫切該光束之傳播方向之 方向上移動該工具，直至該工具之一部分遮斷該光束之通 道。該遮斷之檢測導致在檢測單元中產生一觸發信號，該 檢測單元被該機床用於確定其運動部件之相對位置以確定 118494.doc 200810872 »玄工，、之尺寸„亥等裝置已自諸如德國專利第仏385 〇4 號及第DE 42 448 69辦、、土阳宙乂丨从 _ 疏法國專利第2,343,555號、歐洲專 利第98,930號及美國專刹楚 六β寻利弟4,518,257號獲知。另外，該器 件可用於里測-工具之長度或直徑以監測斷裂或磨損。 亦習知可提供一（例如）呈電荷輕合器件（CCD)形式之光 寺欢測器Ρ車列。此闡述於國際專利申請案第w〇 2〇〇5/〇85753 號中。 、工具設定裝置（其檢測工具之寬度及/或尖端位置）通常被 永久性地安裝於機床之台板上，從而佔用寶貴的工作空 間。此會具有每-機床需要一工具設定裝置之缺點。因 此，若在使用大量機床，則向它們每一者提供一工具設定 裝置可係代價甚高。同樣，當將工具設定器安裝於機床上 時，其必須係足夠穩健以耐受諸如高溫之極端條件及諸如 金屬屑及冷卻劑之污染物。 【發明内容】 本發明之一第一態樣提供一種物件檢測裝置，其包括： 一外殼； 一女裝於該外殼内之光源及光檢測器，該光源將一束光 射向該光檢測器；及 該外殼具有一基座，該基座設置有一基準表面，其中該 光束具有一矩該基準表面之限定距離和角度。 該基準表面及其與光路徑之預定關係使裝置能夠被簡單 地置於一準備好使用之表面上，而無需調整或校準。此可 使裝置能夠係可移除且具有另一優點：其不必耐受諸如高 118494.doc 200810872 温之極端條件及諸如金屬屑及冷卻劑之污染物。 該光源及該光檢測器之間之光路徑宜大體上平行於該基 準表面。此容許相對於該基準表面所處之表面(例如一機 床之台板或一安裝於一機床上之工件）確定該物件之尖端 位置。 該光源宜係一 LED。宜藉由側面處之焊線安裝該led。 然而’遠光源亦可包括（例如）一雷射。該光源可係脈衝 式。此具有延長電池壽命且容許該光源在一較若其連續地 運轉時可能之電流為高之電流下工作之優點。在一較佳實 施例中’該光檢測器亦係脈衝式且與該光源之脈衝同步。 可將一球形透鏡置於該光源之前。此有助於在該檢測器 上產生一更均一之光分佈，該檢測器可包括一光接收陣 列。 該光檢測器宜係一光敏元件陣列。該陣列可包括一線性 陣列。更佳地，該線性陣列係一 CMOS感測器。然而，該 光接收陣列亦可包括（例如）一電荷耦合器件（CCD)或一個 別光電二極體之陣列。 本發明之一第一恶樣提供一種包括一光源及一光檢測器 之物件檢測裝置，該光源將光射向該檢測器； 其中该光檢測器包括一光敏元件陣列；且 其中該等裝置具有一第一作業模式（其中一第一組光敏 元件係可操作）以及一第二作業模式（其中一第二組光敏元 件係可操作）。 該弟一組光敏元件宜係該第一組之一子組。該第一組可 118494.doc 200810872 包括該陣列中之所有元件。該第二組可包括一單個元件 本發明之一第三態樣提供一種使用一包括一光源和一光 檢測器（光源將光射向檢測器）之物件檢測裝置檢測一物件 直徑之方法，該方法包括下述步驟（任一適當順序）： . 將該物件自該光束之一第一侧移動至該光束之路徑内， _ 且當該光束被遮斷時確定該物件之位置； 將該物件自該光束之一第二侧移動至該光束之路徑内， 該第二側係對置於第一側，且當該光束被遮斷時確定該物 件之位置；及 使用該等位置之間之差異來確定該物件之直徑。 且在田5亥檢測器所檢測之光強度為其初始值（當該物件 不在可檢測之光路徑内時）之5〇%時，確定該物件之位置。 此使物件直徑之計算簡化。 本I月之第四態樣進一步提供一種用於校準一物件檢 測裝置之方法，該物件檢測裝置具有一光源及一包括—光 &元件陣列之光檢測器，該光源將光射向該檢測器，該方 法包括下述步驟（任一適當順序）·· 在^源與檢測器之間不存在物件時，量測入射於該陣列 中之每一個別元件上之光強度，· 5十异於每個元件處量測之測得之光強度的預定百分 比；及 將母一 7L件之該百分比值設定為彼元件之一臨限位準。 該方法可具有以下額外步驟·· 匕車又每光敏兀*件之輸出與彼元件之臨限值之輸出；及 118494.doc 200810872 產生一信號以指示任一個元件處之光強度何時降至其臨 限值以下。 ^ 藉此指示該光源和該光檢測器之間存在一物件。 本發明之一第五態樣提供一種用於一藉由遮擋一光路徑 檢測一物件之存在之物件檢測裝置之適配器，該適配器2 括： 一外殼；及 一柱塞’其安裝於該外殼内且可相對於該外殼移動； 一作用於柱塞上之偏置構件； 柱塞具有一表面’可抵住該表面推動一物件以逆著該偏 置構件之偏置相對於該外殼移動該柱塞。 該適配器使一太大而不能直接地藉由該物件檢測裝置量 測之物件能夠被間接地使用一適配器量測。 較佳地，該外殼經組態以使該適配器被安裝於一物件檢 測裝置之光路徑内，該外殼不遮擋該光路徑。舉例而言， 其可係C形。 【實施方式】 圖1中圖解說明用於檢測一物件（例如，一工具）之存 在、尖端及寬度之裝置。該裝置包括一外殼10、一基準表 面12、一光源14及一光檢測器1 6。該外殼具有一凹陷部分 1 8，可將該物件插入至該凹陷部分内。將光源14和檢測器 16佈置於凹陷部分18之對置側上，以使光源14及檢測器16 間之光路徑22穿過凹陷部分18。將該光檢測器16連接至_ 信號構件24(例如，一光），當光源14及光檢測器16間有一 118494.doc -10- 200810872 物件存在從而使光路徑22被全部或部分遮擋時激活該信號 構件。 圖2圖解說明該外殼之一平面視圖。該光源14及光檢測 器16包含於外殼10内之單獨區室26、28内且每個區室具有 一窗口 30、32，來自光源14之光可通過該窗口。 外殼10遮蔽光源14及光檢測器16以盡可能防止污染進入 該系統。該外殼亦使該光源及該光檢測器能夠相對於彼此 且相對於凹陷部分18定位。 窗口 30、32(其可由玻璃製成）幫助使光學元件免於污染 且若檢測到任何污染則使該裝置能夠被容易地清洗。 如圖1中所圖解說明，外殼10設置有一基準表面12，該 基準表面大體平行於且距光源14與光檢測器16之間之光路 徑22—限定之距離d。基準表面12使該裝置能夠被置於一 平面上’而無需隨後調整以相對於該平面對準光路徑Μ。 此歸因於光路徑22與基準表面12之間之固定關係。 基準表面12可藉由精確地將外殼10之基座加工為一平坦 表面而形成。或者，基準表面12可包括（例如）該外殼之基 座上之三個經加工之表面。 該光路徑22係距基準表面12—限定距離d(例如，4〇 mm)。此容許相對於安裝外殼1〇之表面（例如，一機床之台 板或一安裝於一機床台板上之工件）確定該工具20之尖端 36之位置（如圖j中所圖解說明當工具2〇遮擋光路徑μ 時，該工具之尖端36距基準表面12及（因而）其安裝之平面 為一距離d。此節省時間，乃因除該工具之尖端36之位置 118494.doc -11 - 200810872 外無需確定該工件表面之位置。 基準表面12使該裝置能夠被可移除地定位於不同表面 上’而無需調整光路徑22。因而，該裝置可係電池驅動， 其具有可攜性之優點。 光源14可包括（例如）一 led或一雷射。在此實施例中， 使用一於侧面具有一焊線之led。焊線在側面而非在前面 之佈置防止一來自該焊線之陰影投射於光檢測器16上，從 而導致一更均一之光輸出。 圖2更詳細地顯示光源14。將一球形透鏡34定位於光源 14之前面。此幫助橫跨光檢測器16產生一更均一之光分 佈。 如圖2中所圖解說明，光檢測器16可包括一包括個別 CMOS元件38之線性CMOS陣列。然而，可使用任一線性 陣列，例如，一 CCD陣列或一個別光電二極體之陣列。使 用一線性CMOS陣列或其他線性陣列具有如下優點：光源 14及光檢測器16間之光路徑22具有一比使用一單個光檢測 元件時大的寬度，從而有效地形成一光”幕”。因而，為定 位於光路徑22之内，工具20無需處於一精確預定位置，而 僅需處於光檢測器陣列16寬度内之一大致位置。此特徵對 於一可移除裝置係有利的，因為該較寬之光路徑具有可將 該外殼定位於一大約在一工具下方之表面上之優點。該外 殼僅需以足以使該工具在該CMOS陣列之寬度内移動至該 光路徑内的精度定位。 一 CMOS陣列具有額外優點：其提供資料輸出之一數位 118494.doc • 12 - 200810872 描述’因此減少所需電子元件之量。在一電池驅動之裝置 中此係有益的，因為需要更少的功率。 光源14可係脈衝式。此延長電池之壽命，且容許該LED 可能在一比其連續地運作時之電流為高的電流下工作。光 才双測器1 6可係與光源丨4同步之脈衝式。 信號構件24經設置以藉由（例如）接通一燈、使一蜂鳴器 發聲或產生一數位顯示來指示工具20於光源14與光檢測器 16之間之存在。在此實施例中，信號構件24係一包括一 LED之燈。 该裝置具有兩種作業模式。在一第一模式中，相對於該 基準表面量測工具尖端位置。將該工具降至光源14與光檢 測器16之間之光路徑22内。在將工具20降至光路徑22内同 時’頃取光檢測器16内之每一元件之輸出。比較光檢測器 16之每一元件38之光強度值與設定之臨限值。在此模式 中，將該臨限值設定為光源14和光檢測器16間之光路徑22 上不存在一物件時於每一元件所量測之強度之約。任 一個別檢測器元件之一光強度降至所設定之臨限值之下將 觸發一工具發現信號。當工具發現信號出現時，記錄該機 床之主轴之位置。 光路徑2 2於该外设之基座上之局度d係習知。因此，當 輸出工具發現信號時，工具20之尖端36係距該外殼之基座 及（因而）安裝該外殼之表面（例如，機床台板或工件之表 面）一距離d。 藉由將該裝置直接地安裝於該工件上而無需校準該裝置 118494.doc -13 - 200810872 來直接地確定工具尖端3 6相對於該工件之位置之能力節省 時間’乃因除工具尖端36之位置外無需獲取該工件之表面 之位置。 在此佈置中，通常於降下工具2〇之同時旋轉其。考慮到 不同工具之輪廓，故需要此旋轉。舉例而言，一工具可具 有一鑾形輪廓，其中該工具尖端於〇。及9〇。處具有一不同 輪廓。圖3圖解說明工具2〇部分地遮播射入光檢測器16上 之光，從而導致光檢測器元件38中之一者處之光強度減 小。當工具2〇致使任一元件處所檢測之光強度減少至一低 於該臨限值位準時，觸發該工具發現信號。 在此模式下，通常將該臨限值設定為每一光檢測器元件 處所k測之初始光強度之約8〇%。此值經謹慎選擇以最小 化由於雜訊及環境光造成之錯誤觸發，同時使裝置仍能夠 檢測小工具。尤其對甚小工具（其可（例如）具有―較—元件 為小之寬度）而言，-低之百分比可導致一不可接受位準 之工具出現漏檢。一高之百分比可導致一不可接受位準之 由於雜訊(舉例而言，環境光及來自電子元件之雜訊)之錯 誤觸發。 在-第二模式下’量測工具2〇之寬度。在此模式下，僅 光檢測器16巾之-光敏元件係可運作，因而檢測—束光而 非一光幕。圖3圖解說明—具有一線性陣列之光敏元件％ 之光檢測器16’其中僅—單個元件38A係可運作。 圖4圖解說明確定一工具2〇之寬度之方法。依次自每一 婦即’沿如藉由該等箭頭所示之方向A及B)將工具⑼移 118494.doc •14- 200810872 動至該光束内，直至光檢測器陣列16之光敏元件38A處之 光強度係在該臨限值之下，從而導致產生一工具發現信 號。當因该工具在每個方向上移動而產生該工具發現信號 之時s己錄固持工具2 0之主轴之位置。 較佳地，將用於觸發該信號之臨限值設定為5〇%，因而 當所檢測之光強度降至其初始值之一半時觸發該信號。此 具有如下優點：因當該光束被50%遮擋時觸發該工具發現 信號，故當工具20從每個方向上靠近時，在工具2〇之一邊 緣處於光束之中線時出現該信號。 因針對工具20在兩個方向上移動之兩個觸發點中每一者 記錄了固持工具20之主軸之座標位置（x，y，z)，該工具之 直徑可計算為該兩個座標之間的距離。圖5圖解說明產生 一觸發信號時（亦即，當光束40被50%遮擋時），工具2〇A及 20B之兩個位置。中心線42A，42]5係得自觸發點處該主軸 之位置。工具20之寬度w係中心線42A與42B之間之距離。 一 50%臨限值之選取允許容易地計算工具2〇之寬度w，而 無需知曉光束40之寬度。 在此佈置中，在將工具20移動至光束40内之同時旋轉其 以給出工具20之最寬直徑。此防止在工具2〇(舉例而言）於 一側上具有輪廓或破損時產生較小之讀數。在旋轉工具 之同時量測其寬度導致該工具之徑向振擺被包括於工具寬 度量測内。此係有利，乃因藉由該工具產生之特徵之大小 相依於該工具（包括徑向振擺部）之寬度。 一切換器44(如圖1所示）經提供以在兩模式之間進行切 118494.doc -15 - 200810872 換。在一第一位置中，如該第一握 /弟楔式中所需要，切換器44 選擇CMOS線性陣列16之所有元件38係可運作。在一第二 位置中’如該第二模式中所需要，切換器料僅選擇CMOS 線性陣列之一元件3 8 A係可運作。 . 觸發-工具發現信號所需之射入至光檢測器16上之光強 1之位準必須經設定以區分Μ源U及光檢測器16間是否 存在工具。然而，接通光源14且沒有一工具時，於光檢測 器16處所檢測之光強度在其長度上將不完全均―，而將以 一高斯分佈朝該等邊緣降低。 因此，為整個光檢測器陣列16設定一由所記錄之最大光 強度之一百分比值構成之單一臨限值將導致不精確之結 果。 本發明使用一線性陣列光檢測器。此具有可為該陣列之 每一元件設定個別臨限值之優點。以此方法，該器件克服 陣列範圍内所檢測之光強度變化之問題。 圖6顯示一闡述用於個別光檢測元件設定臨限值之方法 之流程圖。當不存在工具時，量測射於該陣列之每一個別 元件上之光之強度5 0。計算於每一元件處所檢測之光強度 ^ 之一設定百分比52，並將所檢測之光強度位準之此百分比 • 設定為一臨限值54。 此設定個別臨限值之方法彌補諸如雜訊、環境光及污染 (例如，該檢測器或覆蓋透鏡上之污垢）等其他因素導致之 光強度之變化。 圖7係一顯示光檢測器元件與電壓輸出之間之關係之曲 118494.doc 200810872 線圖。-旦設定臨限值，則當不存在工具時該光檢測器陣 列單元之輸出100應處於兩設定電壓值（X及x+a)之間。若任 I個別單元輸出降至輸出值x之下（如線1G2所示），則表示 系、、先内（特疋而α ’在窗口上）有污染，且使用者能夠在繼 續之前清料隸—單元㈣處於上邊界 x+a之上（如線104所示），則表示環境光位準係過高。因 此，在繼續工作之前’使用者可(例如)藉由自該裝置移開 一干擾源調整環境光。 某些工具會太大而不適合該裝置之凹陷部分。使用所述 裝置不能確定此等工具之尖端位置，乃因其不能進入光源 14與光檢測器16之間之光路徑22。圖8圖解說明一柱塞系 統58之一實施例，該柱塞系統設置為該裝置之一延伸以實 現較大工具之尖端相對於該基準表面之位置之確定。 柱塞系統58包括一殼體60、一柱塞62及一彈簧64。彈簧 64位於該殼體内且向上偏置柱塞62。柱塞62和殼體6〇經定 形以容許當藉由一工具將壓力施加至柱塞62來抵斥彈簧64 之偏壓時將柱塞62移動至光束路徑22内。柱塞系統58之外 殼60經構造以安裝至該物件檢測裝置1〇之凹陷部分，該殼 體係c形狀以容許該光束在無幹擾之情形下自光源14通至 光檢測器16。 圖9顯示定位於該裝置之凹陷部分内之柱塞系統“。已 精確地知曉柱塞62之長度（距離X)。當輸出該工具發現信號 時’柱塞62之尖端66係距該外殼基座一距離d。因此，距 離X之知曉使能夠確定該工具之尖端距該基準表面及（因而） 118494.doc -17- 200810872 安裝該外殼之表面（例如，機床台板或工件之表面）之距 離。 儘管在該等實施例中所檢測之物件被闡述為一工具，但 3亥裝置亦可用於確定其他物件之特性。 【圖式簡單說明】 現將以實例方式並參照附圖闡述本發明之較佳實施例， 其中： 圖1顯示根據本發明之裝置之一側視圖； 圖2顯示根據本發明之裝置之一俯視圖； 圖3顯示該檢測器陣列及一工具（在根據本發明之裝置之 一第一使用模式中） 圖4顯示在根據本發明之裝置之—第二使賴式中該光 束及處於兩個位置之工具之一剖面圖； 圖5顯示該工具處於形成一觸發信號之位置時圖4之佈 置； 圖6顯示一闡述用於設定該等個別光檢測元件之臨限值 之方法之流程圖； 圖7係一顯示光檢測器元件與電壓輸出之間之關係之曲 線圖； 圖8顯示一用於大物件之柱塞系統之一側視圖，·及 圖9顯示定位於該裝置内之圖8之柱塞系統之一透視圖。 【主要元件符號說明】 10 外殼 12 基準表面 118494.doc -18- 200810872 14 光源 16 光檢測器 18 凹陷部分 20 工具 20A 工具 20B 工具 22 光路徑 24 信號構件 26 區室 28 區室 30 窗口 32 窗口 34 球形透鏡 36 尖端 38 光敏元件 38A 個別元件 40 光束 42A 中心線 42B 中心線 44 切換器 58 柱塞系統 60 殼體 62 柱塞 64 彈簧 66 柱塞尖端 118494.doc -19

Claims (1)

1. 200810872 十、申請專利範圍： 1 · 一種物件檢測裝置，其包括： 一外殼； 設置於該外殼内之一光源及一光檢測器，該光源將一 束光射向該光檢測器；及 該外殼具有一基座，該基座設置有一基準表面，其中 光束距該基準表面一限定距離及角度。 2·如請求項丨之物件檢測裝置，其中該光源與該檢測器之 間之光路徑大體平行於該基準表面。 3 ·如明求項1之物件檢測裝置，其中該光源係一 [ED。 4·如請求項3之物件檢測裝置，其中該led具有一焊線，且 精由該焊線安裝於一該焊線不遮擋該光路徑之位置内。 5·如巧求項1之物件檢測裝置，其中該光源是脈衝式的。 6·如明求項5之物件檢測裝置，其中該光檢測器亦係脈衝 式的且與該光源之脈衝同步。 如叫求項1之物件檢測裝置，其中將一球形透鏡置於該 光源前面。 月求項1之物件檢測裝置，其中該光檢測器係一光敏 元件陣列。 月长項8之物件檢測裝置，其中該陣列包括一線性陣 列。 月求項9之物件檢測裝置，其中該線性陣列係一 CMOS 感測器。 月求員1之物件檢測裝置，其中該基準表面係該外殼 118494.doc 200810872 之該基座之一平坦表面。 12. 13. 14. 15. 16. 17. 種物件檢測裝置，其包括一光源及一光檢測器，該光 源引導光射向該檢測器； 其中該光檢測器包括一光敏元件陣列；且 其中δ亥裝置具有：一第一作業模式，其中一第一組光 敏元件係可運作的；及一第二作業模式，其中一第二組 光敏元件係可運作的。 如請求項12之物件檢測裝置，其中該第二組光敏元件係 該第一組之一子組。 如請求項12或丨3之物件檢測裝置，其中該第一組光敏元 件包括該陣列中之所有元件。 如請求項12或13之物件檢測裝置，其中該第二組光敏元 件包括該陣列中之一單個元件。 如印求項12或13之物件檢測裝置，其中當該光檢測器接 收到一光強度之設定臨限值時，輸出一信號，其中對於 該第一及第二使用模式而言，該設定臨限值係不同的。 一種校準一物件檢測裝置之方法，該物件檢測裝置具有 一光源及一包括一光敏元件陣列之光檢測器，該光源引 導光射向該檢測器，該方法包括如下步驟（任一適當順 序）： 备该光源與該檢測器之間不存在物件時，量測射入該 陣列之每一個別元件上之光強度； 計算每個元件處所量測之測得之光強度的預定百分 比，及 118494.doc -2 - 200810872 準 1 8 ·如 设定每 一 百刀比值作為該元件之一臨限值位 請求項17之校準一物件檢測裝 具有如下額外步驟： 比較每一光敏 双凡仵之輸出與彼元件 出；及 置之方法，其中該方法 之該臨限值之輸 至 產生-信號m任—個元件處之光強度何時降 5品限值之下。 19. 一種用於—物件檢測裝置之適配器，該物件檢測裝置藉 由遮播—光路徑來檢測-物件之存在，該適配器包括： 一外殼；及 一安裝於該殼體内並可相對於殼體移動之柱塞； 一作用於該柱塞上之偏置構件； 該柱塞具有一表面，可抵斥該表面推動一物件，以逆 著该偏置構件之偏置’相對於該外殼移動該柱塞。 2〇·如請求項19之用於一物件檢測裝置之適配器，其中該殼 體經組態以使該適配器可被安裝於一物件檢測裝置之光 路徑内而不遮擋該光路徑。 118494.doc