探测系统和用于运行探测系统的方法 |
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| 申请号 | CN201310278860.7 | 申请日 | 2013-07-04 | 公开(公告)号 | CN103528551B | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 约翰内斯·海德汉博士有限公司; | 发明人 | K.格勒尔; C.艾森贝格尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种探测系统，其包括探测头(1)和发送‑接收器元件(2)。探测头(1)和发送‑接收器元件(2)构造成使得在它们之间信息(AI,BI)可无线地经由无线电 信号 传输。发送‑接收器元件(2)或探测头(1)为了接收无线 电信号 具有两个彼此相间隔的天线(2.1,2.2)，使得经由无线电信号由这两个天线(2.1,2.2)所接收的信息(AI,BI)可平行地处理。同样，本发明还包括一种用于运行探测系统的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种探测系统，其包括探测头和发送-接收器元件，其中， |
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| 说明书全文 | 探测系统和用于运行探测系统的方法技术领域[0001] 本发明涉及根据本发明的探测系统(Tastsystem)，其包括带有探测针(Taststift)的探测头(Tastkopf)和发送-接收器元件(Sende-Empfängerelement)，其中，在探测头与发送-接收器元件之间无线的信息传输是可能的。此外，本发明涉及一种根据本发明的用于运行这样的探测系统的方法。 背景技术[0002] 探测系统通常包括移动的探测头和静止的发送-接收器元件。以带有可偏转的探测针(其在从其静止位置偏转时或在接触探测针时发出信号)的探测开关(Tastschalter)的形式的探测头尤其被用于工件的位置确定，工件在加工材料的机器、例如机床中夹紧。探测针的静止位置在此被理解成探测针与待触碰的工件没有接触的位置。在探测针与工件接触时，使探测针从其静止位置偏转并且当偏转超过预设的探测阈值时，借助于合适的转换器(Wandler)产生电气的传感器信号。电气的传感器信号然后经常被转换成无线电信号(Funksignal)，从而以该方式实现触碰信息(Antastinformation)的无接触且无线地传输到探测系统的发送-接收器元件处。 [0003] 在该发送-接收器元件处无线传输的信号然后又被转换成电信号。探测系统的发送-接收器元件与评估单元相连接，电信号被传递到评估单元处并且最终例如被提供用于机床的控制。在那里，基于相关的机床部件(Werkzeugmaschinenteil)的所测量的位置，可来确定待测量的工件的位置。就此而言重要的是，在预定的时间窗之内可靠地传输相应的信息。 [0004] 利用这样的探测头即例如可来探测工件的轮廓、但是还有工具的轮廓。在探测工件的情况中，探测头大多相对于发送-接收器元件可移动地来布置。 [0005] 由公开文件EP 2317278 A1已知一种开头提及的类型的探测系统，在其中公开了经由无线电信号的无线的信号传输或信息传输。 发明内容[0006] 本发明目的在与提供一种探测系统或一种用于运行探测系统的方法，通过该方法可实现探测系统的可靠的且简单的运行。 [0007] 相应地，探测系统包括探测头和发送-接收器元件，其中，探测头具有探测针和传感器元件。通过探测针的接触，由传感器元件可产生传感器信号。探测头和发送-接收器元件构造成使得在它们之间可无线地经由无线电信号传输信息。在此，发送-接收器元件或探测头(必要时发送-接收器元件和探测头)为了接收无线电信号具有两个彼此相间隔的天线，其中，发送-接收器元件或探测头构造成使得经由无线电信号由两个天线所接收的信息可平行地处理。 [0008] 在本发明的一优选的设计方案中，传感器元件可设计为机械地起作用的元件、例如为应变片(Dehnmessstreifen)或为压电元件，或者实现为在光学组件中光学地起作用的元件、例如光电元件(Fotoelement)。 [0009] 以调制的无线电波(Funkwelle)的形式存在的信号应理解成无线电信号。无线电波的优选的频率带处于100MHz和300GHz之间。在有利的设计方案中，无线电波具有在500MHz与30GHz之间的频率。尤其地，根据与OSI分层模型(OSI-Schichtenmodell)相联系的常用术语，无线电信号可设计为数据帧(Datenrahmen)或数据框(Datenframe)。概念可处理尤其可被理解成可存储或可评估或可评价。 [0010] 有利地，两个天线中的每个与电子的接收器线路(Empfängerschaltung)相连接，使得所接收的信息可平行地在接收器线路中处理。根据接收器线路的一特别简单的实现方案，其例如可仅设计为放大器、过滤器或解调器(Demodulator)。 [0011] 探测头和发送-接收器元件尤其能够相对于彼此可移动地来布置。 [0012] 在本发明的另一设计方案中，天线可相对于彼此倾斜地来布置、即彼此间不沿着平行的线来定向。 [0013] 天线根据一优选的设计方案布置在封闭的壳体内，其中，壳体可相对于周围环境密封地来设计。天线的间距有利地可选择成大于无线电信号的无线电波的半波长或等于半波长。 [0014] 有利地，电子接收器线路布置在两个独立的电子结构块(Baustein)上，其中，结构块此外相应包括电子发射器线路(Senderschaltung)。尤其地，电子结构块可被称为无线电收发器(Funktransceiver)。优选地，这些结构块是独立的芯片(集成电路)、尤其结构相同的芯片。本发明尤其基于该思想，即带有频率f(例如f=2.4GHz)的同一所发送的无线电信号可由两个彼此相间隔的天线平行地或同时地接收。尤其地，电子发射器线路可设计成使得在探测系统的运行期间通过其仅可发送在一频率上的无线电信号。对于探测系统的运行不需要无线电信号或数据帧的发送(发射器侧)开始与可能的接收窗(接收器侧)的同步。相应地，即在探测头与发送-接收器元件之间可无线地经由无线电信号不同步地传输信息。这尤其由此来实现，即天线和属于此的接收器线路在自己的发送时间之外准备好接收或者听得到(hören)。在其内由天线发送无线电信号的时间段应理解为特有的发送时间。 [0015] 有 利 地 ，可 无 线 地 经 由 无 线电 信 号 传 输 的 信 息 是 准 备 信 息(Bereitschaftsinformation)或触碰信息。触碰信息对探测针是否接触待测量的主体给出答复。尤其地，信息可从探测头传输至发送-接收器元件，使得至少发送-接收器元件为了接收无线电信号具有两个彼此相间隔的天线和所属的接收器线路。 [0016] 在本发明的另一设计方案中，可通过这两个天线交替地或轮流地发送无线电信号，使得无线电信号可由仅仅一个天线发送，而另一天线是哑的(stumm)且相应地不发送。即不能设置有无线电信号的同时发送。 [0017] 探测系统此外可设计成使得在发送-接收器元件中能够确定由第一天线所接收的无线电信号的第一电平(Pegel)且能够确定如由第二天线所接收的无线电信号的第二电平。在此，探测系统具有比较器，通过其可将第一电平与第二电平比较。通过这个天线，可交替地发送无线电信号，使得无线电信号可由仅仅一个天线发送，而另一天线是哑的，其中，发送的天线是提供了由之前所执行的比较所确定的更高的电平的天线。相应地，即可确定两个天线的相应的所接收的电平，从而可决定天线中的哪个提供更好的接收。可选择该天线用于接下来的发送。 [0018] 电平可由所接收的功率与固定的预定的功率值的比的对数来形成。术语电平但是也可指适合作为对所接收的无线电信号的强度的度量的其它参数。 [0019] 本发明还涉及一种用于运行探测系统的方法，在其中在探测头与发送-接收器元件之间经由无线电信号无线地来传输信息。在此，发送-接收器元件或探测头为了接收无线电信号具有两个彼此相间隔的天线，从而平行地来处理经由无线电信号由这两个天线所接收的信息。 [0020] 有利地，该信息设计为准备信息或触碰信息并且尤其被从探测头发送至发送-接收器元件。 [0021] 这两个天线中的每个可与电子的接收器线路相连接，使得在接收器线路中平行地来处理所接收的信息。处理在下面尤其可被理解为存储或评估或评价。 [0022] 通过这两个天线可以交替地来发送无线电信号，使得无线电信号由仅仅一个天线来发送，而另一天线是哑的。 [0023] 此外，有利地，确定如其由第一天线所接收的无线电信号的第一电平且确定如其由第二天线所接收的无线电信号的第二电平。接着将第一电平与第二电平相比较并且其通过这两个天线交替地来发送，使得无线电信号由仅仅一个天线来发送或发射，而另一天线是哑的，其中，提供了由之前所执行的比较所确定的更高的电平的天线被确定为发送的天线。 [0024] 相应所接收的电平的高度或所接收的信号强度的确定有利地在测量运行中持续地、尤其在每个信息传输中实现。 [0025] 在根据本发明的方法的另一设计方案中，发送的天线的发送功率根据由相同的天线所接收的无线电信号的之前所确定的电平的高度来确定。这以该方式发生，即对于比较高的所确定的电平减小发送功率。 [0026] 此外，在发送-接收器元件中可来确定如由第一天线所接收的无线电信号的第一电平和如由第二天线所接收的无线电信号的第二电平。然后将第一电平与第二电平相比较。然后通过天线将无线电信号发送至探测头，其中，发送至探测头的无线电信号保留关于所确定的电平的更高那个的大小或值的信息。接着，根据所确定的电平的更高那个的大小来确定探测头的发送功率。 [0027] 通过根据本发明的探测系统或方法，比较少信息在限定的时期内的可靠的传输尤其应是可能的。如果探测头相对发送-接收器元件持续改变其位置，那么还尤其如此。通过应用两个天线和接收器线路(它们平行工作)，可实现冗余(Redundanz)、即相同的信息的多次存在。当信号附加地经由光波来传输时，可进一步提高信息的传输的可靠性，使得在无线电信号完全扰乱时也实现信息在限定的时期内的传输。 [0029] 根据本发明的探测系统和根据本发明的方法的另外的细节和优点根据附图由实施例的接下来的说明中得出。其中： [0030] 图1在侧视图中显示了探测系统， [0031] 图2显示了带有传感器元件的探测头的细节视图， [0032] 图3显示了探测头和发送-接收器元件的发送及接收器单元的原理电路图，以及[0033] 图4在侧视图中显示了在触碰位置中的探测系统。 具体实施方式[0034] 在图1中示出探测系统，其包括探测头1和发送-接收器元件2。探测头1可借助于夹紧锥(Spannkonus)1.1被夹紧到机床的主轴中。探测头1的纵轴线Z同时是夹紧锥1.1的中轴线。平行且同心于纵轴线Z，在探测头1处设置柱状的探测针1.2，其在端部处具有触碰球(Antastkugel)。 [0035] 在图2中显示对探测头1的内部的局部视图。在电路板(Leiterplatte)1.4上放置有总共三个压力敏感的传感器元件1.5，在图2的视图中其中的仅仅一个可见。在每个传感器元件1.5的表面上相应布置有薄膜1.6，其相应被球1.7接触，其中，球1.7被支架1.8精确地固定在相对于传感器元件1.5的预定的位置处。探测针1.2的臂靠在每个球1.7上、相应通过弹簧1.9预紧。为了探测头1的供能，在探测头1中布置有在附图中未示出的电池。 [0036] 此外，探测头1具有窗1.10，其设计成不仅对于光波而且对于无线电波可穿透。根据图3，在探测头1内存在发送和接收器单元1.3。其具有光源1.31，光源1.31由在探测头1中的电池来供应并且在探测头1的周缘上错位地布置。在所示的示例中，根据图3在探测头1处设置有六个光源1.31，其相应错位60°地沿着周缘线布置在探测头1处。如在图3中示意性所示，光源1.31由位于探测头1中的CPU 1.32来操控。其这里可发射带有λL=880nm的波长的光波。此外，探测头1设计成关于光波不传感(sensorlos)，使得由探测头1不能接收以光波为基础的信号。 [0037] 此外，在探测头1中布置有无线电收发器1.34，其具有电子的接收器线路1.341和电子的发射器线路1.342。无线电收发器1.34设计为单独的芯片并且与天线1.33相连接。天线1.33例如作为在探测头1中的环绕的电线安置在窗1.10后面。 [0038] 发送-接收器元件2在所介绍的示例中根据图1固定在机床的静止的构件3处。机床3具有加工腔(Bearbeitungsraum)，其主要通过金属壁来限制。发送-接收器元件2具有壳体 2.6，其包括对于光波而且对于无线电波可穿透的窗2.61。带有窗2.61的壳体2.6气密地来设计，使得在工件加工期间在加工腔中所使用的冷却或润滑剂不能渗入壳体2.6的内部中。 [0039] 在发送-接收器元件2的壳体2.6内，在窗2.61后面存在电路板2.7，在其上布置有光电接收器2.10和两个另外的无线电收发器2.3、2.4(见图3)。无线电收发器2.3、2.4在所示的示例中设计为两个类型相同的芯片。其相应具有电子接收器线路2.31、2.41和电子发射器线路2.41、2.42。 [0040] 电子接收器线路2.31、2.41在所示的实施例中包括阻抗或交流电阻、带通滤波器(Bandpassfilter)以及无线电频率放大器和混合装置。在接收器线路2.31、2.41；1.341中，以无线电频率到达的信号可处理成使得此后可发出带有更低频率的电信号。 [0041] 此外，无线电收发器2.3、2.4相应与天线2.1、2.2相连接，其中，天线2.1、2.2设计为在电路板2.7上的导电的结构并且彼此相间隔并且彼此倾斜定向地来布置。在所介绍的实施例中，无线电收发器2.3、2.4、1.34可发射和接收带有频率fR=2.4GHz(λR=12.5cm)的无线电波。在天线2.1、2.2之间的间距X在所介绍的实施例中为6.3cm，使得即条件X≈½·λR适用。当天线2.1、2.2相间隔成使得适用：X≥½·λR时，通常是有利的。尤其彼此倾斜地定向的天线2.1、2.2的平均间距X、或尤其在天线2.1、2.2的几何重心之间的间距X可被定义为间距X。 [0042] 此外，发送-接收器元件2包括模拟-字转换器(Analog-Digital-Wandler)2.9和集成的线路2.5，例如以FPGA元件的形式，其作为U起作用。备选地，在发送-接收器元件2中还使用必要时带有可调节的放大器的触发线路(Triggerschaltung)。 [0043] 通过多线的线缆2.8，发送-接收器元件2为了其供能联接在电网处。此外，发送-接收器元件2经由线缆2.8与跟随电子装置(Folgeelektronik)5(其例如可以是数字控制部)与相关的机床电连接。在该实施例中，另外在发送-接收器元件2与跟随电子装置5之间设立有双向的数据总线连接。 [0044] 首先，探测头1例如被固定在机床的主轴中并且然后接通，也就是从电池保护的待命状态转换到实际的测量运行状态中。为了接通探测头1，在发送-接收器元件2中由集成的线路2.5发出(absetzen)指令到第一无线电收发器2.3处，其经由无线电信号通过其电子发射器线路2.32和第一天线2.1引起接通信息或接通指令的发送。该无线电信号(数据帧)在此以全功率来发出。第二无线电收发器2.4在该时间期间不激活，使得即第二天线2.2那么是哑的并且不发送。在接通指令发出之后，等待是否通过第一天线2.1来接收由探测头1所发送的确认信号(Acknowledge-Signal)。 [0045] 如上面已提及的那样，加工腔通过金属壁来限制，使得无线电信号(其由探测头1或者由发送-接收器元件2发出)被壁反射。通过干涉效应(Interferenzeffekt)现在可能的是，引起无线电波的局部的消除(Auslöschung)(无线电死区(Funkloch))，使得在那里不接收无线电信号。同样，可通过其它无线电源的干扰来阻止在确定地点处的传输。 [0046] 由于该原因，即该情况可出现，即经由第一无线电收发器2.3和第一天线2.1传输带有接通信息的无线电信号失败，从而没有确认信号由第一天线2.1接收。在预订的时间间隔(例如2ms)过去之后，然后在该情况中由集成的线路2.5发出指令到第二无线电收发器2.4处，其中，该指令引起经由发射器线路2.42和第二天线2.2发送带有接通信息的另一无线电信号。受在天线2.1、2.2之间的所选择的间距限制，极端不可能的是，探测头1还关于第二天线2.2定位在无线电死区中。相应地，探测头1现在将接收接通信息、接通并且发出确认信号。该确认信号可由第二天线2.2接收并且可由第二无线电收发器2.4的接收器线路2.41处理。只要探测头1在待命状态中不永久地准备好接收、而是例如仅在一定的时间窗期间，带有接通信息的无线电信号首先可多次反复地由同一无线电收发器2.3、2.4和所属的天线 2.1、2.2发出且必要时之后才进行变换到带有另一天线2.1、2.2的另一无线电收发器2.3、 2.4上。 [0047] 然而一旦探测头1接收接通指令并且告知受到(quittieren)确认信号，其处于测量运行中并且通常被在机床3的加工腔内移动或者围绕垂直于纵轴线Z取向的轴线摆动。 [0048] 由探测头1的无线电收发器1.34在测量运行中连续地将包含准备信息BI的准备信号传输到发送-接收器元件2处，以信号化，即无线电信号至探测头1的传输正确地工作。准备信息BI即通过准备信号(其载波(Trägerwelle)是无线电波)来传输。在由发送-接收器元件2接收准备信息时，结果将维持测量运行。 [0049] 为了确保在发送-接收器元件2中无线电信号的无问题的接收，在测量运行中同时使两个天线2.1、2.2和属于此的无线电收发器2.3、2.4、尤其属于此的电子接收器线路2.31、2.41激活或准备接收。 [0050] 即当探测头1在测量运行中发出无线电信号时，其被两个天线2.1、2.2接收并且相应同时输送给无线电收发器2.3、2.4、尤其属于此的电子接收器线路2.31、2.41并且在那里平行地来处理。尤其地，由第一天线2.1所接收的无线电信号和由第二天线2.2所接收的相同的无线电信号相应被转换成数字电信号，并且此外相应来确定所接收的无线电信号的信号强度或电平。电信号或相应的数据平行地被结构相同的无线电收发器2.3、2.4传递到集成的线路2.5处。在集成的线路2.5中，现在此外来比较这两个电子接收器线路2.31、2.41中的哪个报告所接收的无线电信号的更高的电平。集成的线路2.5然后利用发出应答指令命令具有报告了更高电平的电子接收器线路2.31、2.41的无线电收发器2.3、2.4。如果电平应一样大，激活之前所确定的无线电收发器2.3、2.4。此外，由所接收的电平的大小或高度通过集成的线路2.5来确定对于应答指令必需的发送功率必须是多大。对于高的所接收的电平，减小发送功率。这具有该优点，即从探测系统得到对于其它无线电运行的系统的最小干扰风险。随应答指令，发送-接收器元件2还将关于所确定的(更高的)电平的大小的信息发送到探测头1处。关于所确定的电平的该信息被用于，在探测头1中相应地来匹配用于下一无线电信号的发送功率，这样使得高的所确定的电平引起用于下一无线电信号的发送功率的减小而较低的电平引起由探测头1发出的下一无线电信号的发送功率的提高。尤其可进行非线性的匹配、例如对数匹配，以便以特别高的程度使探测头1的电流需求最小。相应地，探测头1的发送功率可被确定成使得下一无线电信号的待期待的由发送-接收器元件2所接收的电平例如为-75dBm。如果在测量运行期间会出现传输错误，又以完全的发送功率发出下一无线电信号。 [0051] 通常，探测头1的位置将在加工腔中，这样使得由相应的天线2.1、2.2所接收的无线电信号不具有相等的所确定的电平。在探测头1的不利的位置中甚至可以是，天线2.1、2.2中的一个由于干涉不能接收无线电信号。但是在该状况中，通过间距X的所进行的定尺寸，那么天线2.1、2.2中的另一个将具有接收。带有属于其的无线电收发器2.3、2.4的相关的天线2.1、2.2接下来被选择用于发送接下来的无线电信号。 [0052] 在图4中示出一状况，在其中探测针1.2触碰工件4，其固定在机床3的夹紧台(Aufspanntisch)处。在该情况中由传感器元件1.5产生电气的传感器信号E1，其相应地包含触碰信息AI。传感器信号E1的出现导致发送光信号和同时附加的无线电信号，其中，两者当然同样包含触碰信息AI。通常受电子线路的设计限制，触碰信息AI的传输通过光信号比通过无线电信号更快。 [0053] 带有触碰信息AI的光信号被发送至发送-接收器元件2并且被光电接收器2.10接收。在那里，光信号被转换成电信号，其在模拟-数字转换器2.9中被数字化并且之后输送给集成的线路2.5，使得触碰信息AI然后准备好经由线缆2.8输出到跟随电子装置5处。 [0054] 平行地，由与探测头1的天线1.33相联系的无线电收发器1.34发出无线电信号。触碰信息AI即还通过无线电信号被传输至发送-接收器元件2。无线电信号由天线2.1、2.2平行地来接收并且彼此独立地同时由无线电收发器2.3、2.4、尤其由接收器线路2.31、2.41来处理。尤其地，确定由天线2.1、2.2所接收的无线电信号的电平并且将无线电信号相应转换成数字的电信号。 [0055] 接下来，数字信号被输送给集成的线路2.5。在集成的线路2.5中来比较这两个电子接收器线路2.31、2.41中的哪个报告了所接收的无线电信号的更高的电平。集成的线路2.5然后利用发出应答指令命令具有报告了更高电平的电子接收器线路2.31、2.41的无线电收发器2.3、2.4。 [0056] 通常，出于传输技术的原因，总地来说，触碰信息AI的传输在无线电波的路径上比经由光波更长。 [0057] 一旦触碰信息AI传输到跟随电子装置5处，确定该位置，在其处实现工件4的接触并且跟随电子装置5同时触发机床的停止，从而不再使探测头1相对于工件4移动。通常，机床3具有精确的测量装置，其确定主轴位置，使得该测量值被用于确定接触位置。通常，在所示的示例中，经由光波来传输的触碰信息AI在跟随电子装置5中触发所提及的措施。虽然如此，触碰信息AI还经由无线电信号被传输用于确认实际上已发生触碰过程。相应地，探测系统构造成使得触碰信息AI可由发送-接收器元件2冗余地相继发出到跟随电子装置5处。 [0058] 但是也可发生，例如由于光信号的干扰、比如由于在光波的路径中的不透明的障碍，触碰信息AI经由光信号的传输失败。在该情况中，经由无线电信号所传输的触碰信息AI可触发停止和测量。对于该情况，即还再次实现提高的运行可靠性，因为当这两个天线2.1、2.2中的仅仅一个接收带有触碰信息AI的无线电信号时已触发机床3的停止。在即使在没有经由光波传输信息的情况下可靠的测量运行也可能之后，为了简化探测系统还可放弃该传输方式。 [0059] 除了所说明的接通信息、准备信息BI或触碰信息AI之外，经由无线电信号还可传输另外的信息，例如参数信息、证明信息或调节信息。 |
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