專利名稱：具有對工具的穿透深度進(jìn)行測量的裝置的工具機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工具機(jī)，具有對工具穿透到被加工的材料中的穿透深度進(jìn)行測量的裝置，優(yōu)選是對一個鉆盲孔的鉆孔工具的鉆孔深度進(jìn)行測量，以及其在手持式工具機(jī)如鉆孔機(jī)或鑿巖機(jī)中作為深度止擋的應(yīng)用，以及一種相配的測量方法。
背景技術(shù)：
通常，工具穿透到待加工材料中的穿透深度是通過一個輔助測量距離測量的。因此，手持式工具機(jī)通常具有一個機(jī)械的、聲學(xué)的或光學(xué)的深度測量系統(tǒng)，利用該深度測量系統(tǒng)，可直接測出機(jī)器上固定的基準(zhǔn)點(diǎn)相對于被加工的材料的表面的距離，從該距離中減去預(yù)知的相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的工具長度，可間接地確定穿透深度。就手持式工具機(jī)而言，在通過機(jī)械止擋(深度止擋)或通過主傳動裝置的中斷實(shí)現(xiàn)預(yù)定的穿透深度時，妨礙了工具較深的穿透。
在手持式工具機(jī)中，最為普及的是沿著工具軸線延伸的、與之隔開距離布置的棒形有深度止擋，它相對于機(jī)器上固定的基準(zhǔn)點(diǎn)可軸向移動地固定并且通常設(shè)有一個測距標(biāo)尺。此類機(jī)械深度止擋限制了軸向的旋轉(zhuǎn)自由度，而且會彎曲。此外，要求機(jī)械深度止擋的調(diào)節(jié)靈活一些，因?yàn)樵拘栌玫饺皇?，一只手要拿住刻度尺，一只手要打開手柄，還有一只手要握住器具，其中，只有將手持式工具機(jī)放到地上或連同機(jī)體壓到墻上，才不用握住器具。
DE2838968提出了用以基于運(yùn)行時間測距的不同類型的手持式工具機(jī)的電子深度止擋，尤其是基于應(yīng)用超聲波、電磁波或光線的測量方法，光線與基準(zhǔn)點(diǎn)平行隔開距離(也即，具有平行軸)地朝工具軸線發(fā)射并且總反射在被加工的材料的表面上。原則上說，工具軸線偏離于表面垂直線的傾角會導(dǎo)致測量誤差的出現(xiàn)。
此外，眾所周知，為了在很長的數(shù)據(jù)傳遞電纜中定位誤差位置，使用專門的電纜測試儀，基于時間范圍反射計利用沿著電纜傳播的高頻電磁波進(jìn)行測量的測量原理，例如參見US4739276。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，實(shí)現(xiàn)無平行軸地對工具的穿透深度進(jìn)行測量。
該目的主要通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。有利的改進(jìn)之處由從屬權(quán)利要求給出。
因此，一種用于驅(qū)動一個至少軸向穿透到一待加工材料中的工具的工具機(jī)具有一個轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器適于激勵和探測一個軸向沿著工具傳播的高頻電磁波，該轉(zhuǎn)換器與一個信號處理器連接，該信號處理器被構(gòu)造成基于高頻電磁波確定工具在材料中的穿透深度。
通過轉(zhuǎn)換器和信號處理器，就可基于一個直接沿著工具傳播的高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)無平行軸地對工具的穿透深度進(jìn)行測量。這將在下面借助于一些物理理論基礎(chǔ)予以闡明。
軸向穿透到一待加工材料中的工具自身是電磁波的波導(dǎo)。波主要通過傳播速度和受包圍波導(dǎo)的電介質(zhì)影響的波電阻(阻抗)表現(xiàn)出軸向均勻的縱向范圍的特征。在此情況下，自由的工具長度在圓柱形工具情況下可近似視為暴露(freiliegend)的波導(dǎo)，在雙頭鉆孔螺旋情況下近似視為兩平行的波導(dǎo)，并且在工具機(jī)中引導(dǎo)的工具的軸向縱向段近似視為同軸波導(dǎo)。在自由的工具端，由于波電阻無窮躍變，導(dǎo)致波的全反射。由于在待加工材料的表面上同樣發(fā)生電介質(zhì)(從空氣的[ε]＝1起，礦物地基的[ε]＝3...5)乃至波電阻的變化，波在那里至少部分地反射。波的電場強(qiáng)度可在轉(zhuǎn)換器上通過電壓測量進(jìn)行探測。因此，基于由轉(zhuǎn)換器探測的自由的工具端和表面的反射的電壓信號，可通過工具的相應(yīng)的信號處理來確定穿透深度。
有利的是，將轉(zhuǎn)換器構(gòu)造為同軸線，其細(xì)長的內(nèi)導(dǎo)體至少部分地由能高頻傳導(dǎo)的工具構(gòu)成，而其套筒形的外導(dǎo)體至少部分地由工具機(jī)的一個能高頻傳導(dǎo)的外殼構(gòu)成，它們彼此高頻絕緣，由此構(gòu)造了一個恒定波電阻的同軸線段，因此，工具機(jī)內(nèi)的高頻電磁波就可無反射地沿著工具傳播。
有利的是，外導(dǎo)體在工具側(cè)的端側(cè)具有徑向擴(kuò)口，從而在工具側(cè)的端側(cè)使波電阻與真空波電阻相匹配，由此使高頻電磁波無反射地與工具機(jī)分離，且可沿著暴露的工具傳播。在入射、反射波情況下的匹配與之相似。
有利的是，構(gòu)造為同軸線的轉(zhuǎn)換器無論是在內(nèi)導(dǎo)體上還是在外導(dǎo)體上在容納于工具機(jī)內(nèi)的工具的機(jī)器側(cè)的軸向端部區(qū)域中各具有一個例如能電流式或電容式高頻傳導(dǎo)的饋電接線端子，由此在電壓最大值的范圍內(nèi)饋電。
有利的是，內(nèi)導(dǎo)體的饋電接線端子被構(gòu)造成可自由旋轉(zhuǎn)，例如通過一個能傳導(dǎo)的樞軸承或一個高頻旋轉(zhuǎn)耦合器，由此亦可給作為波導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的工具饋電。
有利的是，信號處理器具有一個計時器、一個適于輸出上升時間小于120ps的電壓脈沖的高頻脈沖發(fā)生器、一個適于探測取樣時間小于12ps的電壓信號的快速測量輸入端和一個計算器，該計算器包括一個控制的運(yùn)算系統(tǒng)，該運(yùn)算系統(tǒng)具有一個運(yùn)行時間模塊，用以確定在至少兩個由測量輸入端選擇的電壓脈沖之間的時間差，由此通過脈沖形波沿著工具的直接的運(yùn)行時間測量來實(shí)現(xiàn)距離測量。
有利的是，信號處理器或運(yùn)行時間模塊具有一個微分器，其適于求電壓信號的微分(模擬或數(shù)字的)，由此就將電壓信號中隨時間檢測的躍變轉(zhuǎn)換成可簡單穩(wěn)固地檢測的信號峰(正的和負(fù)的)。
有利的是，在相配的測量方法中，測量在第一正信號峰與第一負(fù)信號峰之間的時間差，由此測量在表面(正信號峰)和在工具端(負(fù)信號峰)上反射的波的運(yùn)行時間差，該運(yùn)行時間差與穿透深度成比例。
作為替換，有利的是，信號處理器具有一個適于以大于8GHz的頻率固定振蕩的變頻的高頻振蕩器、一個用以振幅解調(diào)高頻信號的解調(diào)器、一個適于探測高頻信號的振幅信號的測量輸入端和一個計算器，該計算器包括一個控制的運(yùn)算系統(tǒng)，該運(yùn)算系統(tǒng)具有一個用以確定特定高頻駐波比(hochfrequenzspezifischen Stehwellenverhltnisse)的駐波模塊以及一個距離模塊，用以基于至少兩個不同的特定高頻駐波比確定距離，由此可在不同頻率情況下間接通過取決于迭加饋電且反射的波的相位的駐波比測量進(jìn)行距離測量。
有利的是，在相配的測量方法中，為了確定一個至少軸向穿透到一待加工材料中的工具的穿透深度，在工具暴露時的一個第一步驟中，執(zhí)行直到自由的工具端的距離測量，而在工具穿透到被加工的材料中的一個第二步驟中，執(zhí)行直到被加工的材料的表面的距離測量，由此將相對的距離測量充分代替了絕對的距離測量，因?yàn)榇┩干疃扔蓛蓚€距離的差值產(chǎn)生。


下面參照有利的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳述圖1具有穿透深度測量裝置的工具機(jī)；圖2縱剖而細(xì)節(jié)圖；圖3可替換的信號處理器。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，為了旋轉(zhuǎn)和沖擊地驅(qū)動一個軸向穿透到一待加工材料2中的鉆頭形式的工具3，工具機(jī)1具有一個轉(zhuǎn)換器5(圖2)，該轉(zhuǎn)換器5適于激勵和探測一個軸向沿著工具3傳播的、高頻電磁的、脈沖形的波4，該轉(zhuǎn)換器5與一個信號處理器6(圖2)連接，該信號處理器6被構(gòu)造成用于基于高頻電磁波4確定工具3在材料2中的穿透深度T。
參見圖2，轉(zhuǎn)換器5被構(gòu)造為同軸線，其細(xì)長的內(nèi)導(dǎo)體至少部分地由能高頻傳導(dǎo)的工具3構(gòu)成，而其套筒形的外導(dǎo)體至少部分地由工具機(jī)1的一個能高頻傳導(dǎo)的外殼7構(gòu)成，它們通過一種陶瓷制成的絕緣材料8彼此高頻絕緣。外導(dǎo)體在工具側(cè)有端側(cè)具有喇叭形輻射體形式的徑向擴(kuò)口9。轉(zhuǎn)換器5在可自由旋轉(zhuǎn)構(gòu)造的內(nèi)導(dǎo)體上具有一個構(gòu)造為能傳導(dǎo)的樞軸承10的能電流式高頻傳導(dǎo)的第一饋電接線端子11a而在外導(dǎo)體上具有一個能高頻傳導(dǎo)的第二饋電接線端子11b，它們被布置在容納于工具機(jī)1內(nèi)的工具3的在機(jī)器側(cè)的軸向端部區(qū)域E中，工具機(jī)的形式為一個僅部分示出的電風(fēng)動鉆孔機(jī)。信號處理器6具有一個用于時間t的計時器12、一個適于輸出上升時間為50ps的電壓脈沖的高頻脈沖發(fā)生器13、一個適于探測取樣時間為5ps的電壓信號v(t)的快速測量輸入端14和一個微控制器[μ]C形式的計算器15，所述測量輸入端的形式為一個脈沖混頻器M(順序取樣，例如利用閃光測頻掃描的二極管電橋?qū)崿F(xiàn))、一個串接的深度濾波器F和一個串接的模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器A/D，所述計算器包括一個控制的運(yùn)算系統(tǒng)16，用以確定穿透深度T，該運(yùn)算系統(tǒng)16具有一個運(yùn)行時間模塊17，用以確定在由測量輸入端選擇的脈沖形波4的兩個電壓脈沖之間的時間差[Δ]t。在此情況下，運(yùn)行時間模塊17具有數(shù)字微分器18，適于求電壓信號v(t)的微分，它在相配的測量方法中測量在第一正信號峰與第一負(fù)信號峰之間的時間差[Δ]t，該時間差與穿透深度T成比例，其中，c為真空光速，[μ]為導(dǎo)磁率，[ε]為介電常數(shù)。
參見圖3所示的替換方案，與圖2不同，信號處理器6′具有一個適于以大于8GHz的頻率f固定振蕩的變頻的高頻振蕩器19、一個用以將高頻信號f振幅解調(diào)成振幅信號a(f)的解調(diào)器20、一個適于探測高頻信號f的振幅信號a(f)的測量輸入端14和一個微控制器[μ]C形式的計算器15，所述測量輸入端的形式為模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器A/D，所述計算器包括一個控制的運(yùn)算系統(tǒng)16，用以確定穿透深度T，該運(yùn)算系統(tǒng)16具有一個用以確定特定高頻駐波比[v]的駐波模塊21以及一個距離模塊22，用以在不同頻率f1、f2情況下基于至少兩個不同的特定高頻駐波比[v]1、[v]2確定(絕對)距離d。在相配的測量方法中，為了確定軸向穿透到待加工材料2(圖1)中的工具3(圖1)的穿透深度T，在工具3(圖1)暴露時的一個第一步驟中，執(zhí)行直到自由的工具端的距離測量I，而在工具3(圖1)穿透到被加工的材料2(圖1)中的一個第二步驟中，執(zhí)行直到被加工的材料2(圖1)的表面的距離測量II。穿透深度T由兩個距離dI、dII的差值產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種工具機(jī)，用于驅(qū)動一個至少軸向穿透到一待加工材料(2)中的工具(3)，具有一個信號處理器(6、6′)，其特征在于，設(shè)有一個轉(zhuǎn)換器(5)，該轉(zhuǎn)換器適于激勵和探測一個軸向沿著工具(3)傳播的高頻電磁波(4)，該轉(zhuǎn)換器與信號處理器(6、6′)連接，該信號處理器被構(gòu)造成用于基于高頻電磁波(4)確定工具(3)在材料(2)中的穿透深度(T)。
2.如權(quán)利要求1所述的工具機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器(5)被構(gòu)造成同軸線，其細(xì)長的內(nèi)導(dǎo)體至少部分地由能高頻傳導(dǎo)的工具(3)構(gòu)成，而其套筒形的外導(dǎo)體至少部分地由工具機(jī)的一個能高頻傳導(dǎo)的外殼(7)構(gòu)成，所述工具和外殼彼此高頻絕緣。
3.如權(quán)利要求2所述的工具機(jī)，其特征在于，所述外導(dǎo)體在工具側(cè)的端側(cè)具有徑向擴(kuò)口(9)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的工具機(jī)，其特征在于，構(gòu)造為同軸線的轉(zhuǎn)換器(5)無論是在內(nèi)導(dǎo)體上還是在外導(dǎo)體上在容納于工具機(jī)內(nèi)的工具(3)的機(jī)器側(cè)的軸向端部區(qū)域中各具有一個能高頻傳導(dǎo)的饋電接線端子(11a、11b)。
5.如權(quán)利要求4所述的工具機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)導(dǎo)體的饋電接線端子(11a)被構(gòu)造成可自由旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的工具機(jī)，其特征在于，所述信號處理器(6)具有一個計時器(12)、一個適于輸出上升時間小于120ps的電壓脈沖的高頻脈沖發(fā)生器(13)、一個適于探測取樣時間小于12ps的電壓信號的快速測量輸入端(14)和一個計算器(15)，該計算器包括一個控制的運(yùn)算系統(tǒng)(16)，該運(yùn)算系統(tǒng)(16)具有一個運(yùn)行時間模塊(17)，用以確定在至少兩個由測量輸入端(14)選擇的電壓脈沖之間的時間差([Δ]t)。
7.如權(quán)利要求6所述的工具機(jī)，其特征在于，設(shè)有一個微分器(18)，適于求在信號峰中的電壓信號的微分。
8.如權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的工具機(jī)，其特征在于，信號處理器(6′)具有一個適于以大于8GHz的頻率固定振蕩的變頻的高頻振蕩器(19)、一個用以振幅解調(diào)高頻信號的解調(diào)器(20)、一個適于探測高頻信號的振幅信號的測量輸入端(14)和一個計算器(15)，該計算器包括一個控制的運(yùn)算系統(tǒng)(16)，該運(yùn)算系統(tǒng)(16)具有一個用以確定特定高頻駐波比的駐波模塊(21)以及一個距離模塊(22)，用以基于至少兩個不同的特定高頻駐波比確定距離(d)。
9.一種利用如權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的工具機(jī)確定一個至少軸向穿透到一待加工材料中的工具(3)的穿透深度(T)的測量方法，其特征在于，在工具(3)暴露時的一個第一步驟中，執(zhí)行直到自由的工具端的距離測量，而在工具(3)穿透到被加工的材料(2)中的一個第二步驟中，執(zhí)行直到被加工的材料(2)的表面的距離測量。
10.一種利用如權(quán)利要求7所述的工具機(jī)確定一個至少軸向穿透到一待加工材料中的工具(3)的穿透深度(T)的測量方法，其特征在于，測量在第一正信號峰與第一負(fù)信號峰之間的時間差([Δ]t)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工具機(jī)(1)，用于驅(qū)動一個至少軸向穿透到一待加工材料(2)中的工具(3)，具有一個信號處理器(6、6′)，其特征在于，具有一個轉(zhuǎn)換器(5)，該轉(zhuǎn)換器適于激勵和探測一個軸向沿著工具(3)傳播的高頻電磁波(4)，該轉(zhuǎn)換器(5)與信號處理器(6、6′)連接，該信號處理器被構(gòu)造成基于高頻電磁波(4)確定工具(3)在材料(2)中的穿透深度(T)。此外，本發(fā)明還涉及一種相配的測量方法。
文檔編號B25F5/00GK1911574SQ20061011079
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者W·克里斯托夫 申請人:希爾蒂股份公司