用于调节切割机工具头中的刀口偏移量的设备
阅读说明：本技术 用于调节切割机工具头中的刀口偏移量的设备 (Apparatus for adjusting the amount of knife edge offset in a cutter tool head ) 是由 达瑞尔·C·斯坦因 蒂莫西·菲利普·麦克唐纳 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：一种用于调节具有切割机工具头框架的切割机工具头中的刀口偏移量的设备。该设备包括：刀具,该刀具可移动地耦接到工具头部；致动臂,该致动臂可移动地附接至切割机工具头部框架；计算机控制器,该计算机控制器用于控制所述刀具和致动臂的移动；研磨磨削器,该研磨磨削器可移动地附接至所述致动臂并且被适配成接触刀具；以及传感器,该传感器被适配成确定切割机工具头框架和致动臂之间的距离。设备的计算机控制器还能够根据由传感器确定的距离调节刀具和致动臂的运动。(An apparatus for adjusting the amount of knife edge offset in a cutter tool head having a cutter tool head frame. The apparatus comprises: a cutter movably coupled to the tool head; an actuator arm movably attached to the cutter tool head frame; a computer controller for controlling movement of the tool and the actuator arm; an abrasive sharpener movably attached to the actuator arm and adapted to contact a tool; and a sensor adapted to determine a distance between the cutter head frame and the actuator arm. The computer controller of the apparatus is also capable of adjusting the movement of the tool and the actuator arm according to the distance determined by the sensor.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月19日提交的美国临时申请序列号62/950,728的优先权的权益，该申请的公开内容出于任何目的通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本发明涉及计算机数控(CNC)机器，该计算机数控(CNC)机器使用刀具作为用于切割柔性材料的形状的切割工具。更具体地，本发明涉及计算机数控(CNC)机器，该计算机数控(CNC)机器使用刀具作为切割工具并且包括用于确定刀具偏移量以减少切割误差的传感器。
背景技术
计算机数控(CNC)机器可以使用刀具作为用于自动切割通常由柔性材料(诸如织物等)形成的形状的切割工具。这种机器的众所周知的用途是从堆叠的织物层自动切割衣服部件。通常，刀具在平行于刀口的方向上往复运动，并且刀具由内置于机器中的自动磨削器周期性地磨削。连续的磨削向后磨损刀口，导致边缘的位置从理想或原始边缘位置偏移。刀口从其前缘向后磨损2.5毫米或更多并不罕见。精确的CNC切割必须补偿刀口的这种偏移量。这与称为切割机直径补偿的公知方法类似，其中，输入到CNC机器的编程路径被修改以考虑切割机直径与标称直径的差异。然而，如本文所讨论的，切割工具是刀具而不是圆柱形切割工具，诸如端铣刀等。
图1展示了适合于使用刀具进行CNC切割的示例部件的轮廓或工具路径。轮廓包括凹口101，凹口101是服装部件的共同特征，并且被缝纫机操作者用作相邻缝纫部件之间的对准点。未补偿刀口偏移量的不利影响是切割特征(诸如凹口等)从其预期位置移位。例如，实际切割凹口102被示出为从凹口101的刀具路径位置移位。图1的示例的切割方向是逆时针方向，这是在由箭头100指示的方向上。位移的大小主要几何地遵循刀口偏移量。
控制刀口偏移量的不利影响的最常见方法是在由于磨削的磨损超过某个阈值量之前更换刀具。该方法不补偿偏移量，而是它限制误差量。现有技术已知的其他方法补偿刀口偏移量。这些方法需要刀口位置的估计或测量。一个解决方案通过跟踪磨削的数量并且使用计数来预测磨损量来估计刀口偏移量。该方法的精度取决于磨削的数量与磨损量之间的关系的精度和知识。这种关系是复杂的，因为随着使用磨削器磨料，磨削器磨料变得较不具侵蚀性，并且因此磨料向后磨损刀具的速率随着磨料的使用而减小。该方法还要求当安装新刀具时重置磨削计数器，并且这可能是遭受人为错误的手动操作。操作者可能忘记或不知道重置计数器。
现有技术还包括用于使用非接触传感器测量刀口偏移量的方法。例如，美国专利公开第2015/0082957号(其公开内容整体并入本文)教导了用于测量刀口偏移量的非接触式接近传感器。在不接触刀的情况下找到边缘的位置。现有技术中的非接触方法的使用是通过与探头直接接触来测量往复边缘的位置的困难而受到激励的。本公开的发明通过使用磨削器研磨轮作为接触探头克服了这种困难。
在现有技术中，刀具磨削循环具有固定参数，该固定参数包括接触压力和磨料与刀具之间的接触持续时间。如所提及的，磨削器研磨介质在使用时变得较不具有侵蚀性。因此，刀口磨损量取决于研磨介质的侵蚀状态。当研磨介质是新的且具有侵蚀性时，磨削循环倾向于磨损来自刀具的过多材料。
因此，在本领域中需要一种准确地确定用于切割机工具头的刀口偏移量的设备。进一步地，此项技术中需要一种用于在磨削期间通过根据需要调整接触持续时间、研磨轮速度或压力来防止从刀口去除过多材料以实现从用于每一磨削的刀具去除均匀材料的设备。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种测量切割机工具头的框架与臂之间的间隙的大小的传感器。传感器产生与间隙的大小直接相关的电信号。间隙的大小与用于切割机工具头的刀具的刀口偏移量直接相关。
本发明的另一个目的是提供一种第一研磨轮和第二研磨轮用作与切割机工具头的刀具相接触的探头并且机械地控制切割机工具头的框架与臂之间的间隙的大小。可替代的传感器包括电容式接近传感器、线性电压位移换能器、电阻式电位计、编码器或可以产生与两个表面之间的相对距离相关的计算机可读电信号的任何传感器。
本发明的另一个目的是提供可以由计算机控制器使用来自测量刀工具头的框架与臂之间的间隙的大小的传感器的数据来确定刀口偏移量。当第一研磨轮和第二研磨轮与刀具工具头的刀具接触时，由计算机控制器读取传感器数据。可以在磨削循环的持续时间内以一速率多次读取或取样传感器数据以获得所存储的样本集合。刀口偏移量是通过线性函数、表查找计算或通常由计算机控制器完成的其他函数映射从平均传感器数据获得的。
附图说明
本文参考并构成其一部分的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1展示了适合用于使用刀具进行CNC切割的示例部件的轮廓或工具路径。
图2示出了根据本发明的具有用于测量刀口位置的传感器的切割机工具头。
图3示出了具有与刀具接合的研磨轮的切割机工具头。
图4示出了具有脱离刀具的研磨轮的切割机工具头。
具体实施方式
本发明总体上适用于在平面工作表面上切割二维形状的计算机控制的机器。该机器包括台架，该台架使用两个或更多个伺服马达定位切割机工具头以遵循在平行于工作表面的平面内的受控工具路径。待切割的材料放置在工作表面上。美国专利第4,205,835号(其公开内容以其全文并入本文)描述了一种适合用于支撑材料同时用往复式刀具切割的硬毛床工作表面。
图2展示了切割机工具头，该切割机工具头包括刀具10和驱动器件，刀具10由刀具马达16驱动以垂直于工作表面往复运动，驱动器件包括曲柄臂17。刀具马达16提供切割材料所做的大部分工作。刀具10和包括曲柄臂17的刀具驱动器件可以通过升降平台19定位在工具向上或工具向下的状态中，该升降平台19通常由气缸致动。在刀具向下状态中，刀具10刺穿并且切割放置在平坦工作表面上的材料。在刀具向上状态中，刀具10位于材料上方的安全平面中，并且在该状态中，刀具可以移动到切割线的起始点。刀具向上状态还用于定位刀具10以用于磨削。图2示出了处于刀具向上状态中的刀具。
如图3中所展示的，刀具10由第一研磨轮11和第二研磨轮12周期性地磨削。第一研磨轮11和第二研磨轮12可旋转地耦接至臂13，并且均由研磨机马达借助于包括齿轮或皮带的传动装置驱动。在优选实施例中，臂13相对于框架26绕枢轴22旋转，并且臂13通过旋转式气缸24旋转地致动到接合位置或分离位置。在图3所示的啮合位置中，第一研磨轮11和第二研磨轮12与刀具10接触以磨削刀具10。
在图4中所示的脱离位置中，第一研磨轮11和第二研磨轮12远离刀具10储存，且在该状态中，发生切割和其他非磨削操作。
本发明的优选实施例包括附接至框架26的传感器20，该附接至框架26的传感器20测量臂13与框架26之间的间隙21的大小。传感器20产生可由计算机控制的机器读取的与间隙21的大小直接相关的电信号。间隙的大小与刀口偏移量直接相关。即，第一研磨轮11和第二研磨轮12用作与刀具10接触的探头并且机械地操控间隙21的大小。可替代的传感器包括电容式接近传感器、线性电压位移换能器、电阻式电位计、编码器或可产生与两个表面之间的相对距离相关的计算机可读电信号的任何传感器。本发明的另一实施例测量臂13和框架26之间的角度。该角度可以通过旋转编码器或产生计算机可读电信号的其他等效传感器来测量。本发明的又一实施例具有臂13，臂13可滑动地耦合到框架26而不是围绕枢轴22旋转。例如，臂13可以安装至线性轴承，该线性轴承将允许第一研磨轮11和第二研磨轮12沿着线滑动以创建刀具10被磨削的啮合位置和研磨轮被存储的脱离啮合位置。磨削器的致动可以通过直线型气缸而非旋转气缸24来实现。
刀口偏移量由计算机控制器使用来自传感器20的数据来确定。当第一研磨轮11和第二研磨轮12与刀具10接触时，传感器20输出由计算机控制器读取。可以在磨削循环的持续时间内以一速率多次读取或取样传感器20输出以获得所存储的样本集合。由于振动和电噪声，每个样本可能稍微不同。如果速率是每秒100个样本并且磨削持续时间是0.5秒，则样本集合将包括50个存储值。该样本集合可以被计算机控制器平均以获得平均传感器输出，并且是对振动和电噪声的影响较不敏感的估计。刀口偏移量是通过线性函数、查表计算或通常由计算机控制器完成的其他函数映射从平均传感器输出获得的。
在优选实施例中，使用线性函数从平均传感器输出计算刀口偏移量。优选地，对于新刀具，刀口偏移量名义上为零，并且随着刀具10磨损而增加。该线性函数的斜率可以是使得获得以标准尺寸单位(诸如毫米等)计的刀口偏移量。在优选的实施例中，刀口偏移量由计算机控制器进一步处理。每个磨削周期将产生新的刀口偏移值。由于振动和电噪声，实际上值的序列中将存在一些变化。本领域技术人员将认识到，可以通过计算当前和一些先前刀口偏移值的加权平均值来获得更平滑的估计。在优选的实施例中，该估计将代替原始刀口偏移量。
刀口偏移量的信息可以由计算机控制器使用以补偿磨损的刀口。例如，在没有补偿的情况下，图1中的凹口101的工具路径位置被移位到实际的切割凹口102的位置。计算机控制器执行补偿算法，其修改工具路径几何形状，使得实际刀口遵循工具路径。该问题的解决方案是逆向运动学领域的技术人员所熟知的。
刀口偏移量的另一个用途是用于自动地确定刀具10何时需要更换。在每次磨削之后，计算机控制器可以将刀口偏移量与阈值进行比较。机器可以警告操作者或停止机器，并且如果刀口偏移量超过阈值，则需要更换刀具10。
刀口偏移量的又一用途是用于自动地确定新刀具何时被安装。计算机控制器可以通过在先前维持大得多的值之后寻找刀口偏移量下降到接近零值来检测新刀具。关于刀具何时是新的和何时需要更换的信息使得计算机控制器有可能对特定刀具在其寿命进程接收的磨削的次数进行计数，并且在刀具磨损到其使用寿命时通知操作者等待的必要刀具改变或停止操作。
刀口偏移量的又一用途是确定第一研磨轮和第二研磨轮的侵蚀性估计，且使用侵蚀性估计来调整磨削器循环参数(诸如研磨时间等)以在单次磨削中实现从刀具的一致材料去除。侵蚀性估计可以计算为每个研磨轮旋转的刀口偏移量的变化。优选地，侵蚀性估计将被计算为多次磨削的平均值，例如最近的100个研磨周期。希望维持磨削器的周期参数，使得每次磨削的刀口偏移量的改变几乎总是等于目标值。例如，目标值可以是每次磨削0.8微米。计算机控制器将在反馈回路中使用侵蚀性估计信息，反馈回路调整研磨时间或研磨轮速度的磨削循环。减小的侵蚀性估计可以通过增大研磨时间或研磨轮速度中的一者或两者来补偿。任一补偿增加每次磨削研磨轮旋转的次数，从而增加每次磨削的材料去除。
计算机控制器可以使用侵蚀性估计来检测第一研磨轮和第二研磨轮何时需要更换。侵蚀性估计将随着研磨轮老化而缓慢减小。最终，侵蚀性估计将下降到过低的水平，其中通过增加研磨时间或研磨轮速度来补偿刀材料去除的减少不再实用。计算机控制器可以监视侵蚀性估计，并且当估计下降到低于阈值时，将通知或迫使操作者改变第一研磨轮11和第二研磨轮12。
可以了解的是，第一研磨轮11和第二研磨轮12的磨料磨损将对传感器20的读数作出贡献。然而，相对于刀具磨损，磨料磨损被假设是小的并且是可忽略的。更具体来说，研磨轮11和第二研磨轮12优选地为立方氮化硼(CBN)。立方氮化硼研磨轮151微米(0.0059英寸)的晶粒尺寸。约55％的这些颗粒被包封以将它们机械地保持到轮。因此，磨料磨损对传感器20读数的贡献仅是晶粒尺寸的45％或68微米(0.0027英寸)。当与2500微米(0.10英寸)可能的刀具磨损相比时，这些值是可忽略的。
本发明在其更宽泛的方面不限于本文示出和描述的具体实施例，并且在所附权利要求书的范围内可以从中偏离而不脱离本发明的原理并且不牺牲其主要优点。
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