TWI850251B

TWI850251B - 工具機、用於工具機的操作裝置、以及收集工具機的操作資料的系統及方法

Info

Publication number: TWI850251B
Application number: TW108131732A
Authority: TW
Inventors: 保羅吉賽佩符密歐加利; 史丹法諾班尼迪提尼
Original assignee: 義大利商Ｈｓｄ股份公司
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2024-08-01
Also published as: TW202012097A; WO2020049449A1; US20210311444A1; CN112997124A; EP3847514A1; CN112997124B; US11782405B2

Abstract

一種用於工具機(8)的操作裝置，尤其是電動主軸，該操作裝置(1)包括：感測器裝置(6)，測量操作裝置(1)的至少一個操作參數(PS)；以及電子控制單元(7)，其包括：處理和控制裝置(13)；資料獲取裝置(14、21)，被配置以獲取與工具機(8)的操作有關的機器資料；記憶體裝置(15)，儲存操作裝置(1)的操作參數(PS)的測量值和該機器資料；以及通訊模組(16)，較佳為無線，被配置以將該測量值和該機器資料傳送到伺服器(11)及/或行動通訊裝置(17)，該伺服器(11)可遠端存取並包括資料庫(12)。

Description

工具機、用於工具機的操作裝置、以及收集工具機的操作資料的系統及方法

本發明涉及一種用於工具機的操作裝置。

具體來說，本發明發現在工具機中的有利但非排他性地，一般應用在用於加工木材及其衍生物、石材、玻璃、金屬、複合材料或塑膠材料的機械加工中，該工具機包括一個或多個操作裝置，例如，包含傾斜頭和各自的電動主軸(electrospindle)的雙旋轉頭，或包括複數個心軸(spindle)或單個電動主軸的搪刀頭(boring head)，下文的描述將對此進行明確參考，而不會失去任何一般性。

通常，用於諸如木材、石材、玻璃、金屬、複合材料或塑膠材料的材料的機械加工的工具機通常機台上會包括一個或多個適於機械加工該材料的操作裝置，例如，配備各自的工具、雙旋轉頭或搪刀頭之簡單的電動主軸。通常，為了提升工具機的機械加工品質，或者只是為了處理一個或多個電動主軸的損壞，會將各個操作裝置替換為具有類似的通用特性的裝置。

替換舊型操作裝置的新型操作裝置通常具有改進的特性及/或配備有更先進的電子設備和感測器。

例如，美國專利申請第2003/0103827 A1號描述一種用於工具機的電動主軸。該電動主軸包括：殼體，容納電動馬達和相關的馬達軸心；耦接構件，附接到馬達軸心上，用於接合適於加工零件的工具；複數個感測器，測量與電動主軸的操作有關的參數；以及記憶體，儲存參數的測量值。感測器直接連接到工具機的電腦數值控制單元，以將參數的測量值傳送到工具機，或者可以經由結合到電動主軸中的通訊介面從外部讀取測量值。

然而，為了控制升級成本，工具機通常沒有安裝合適的電腦數值控制單元，該電腦數值控制單元能夠使用由新型操作裝置的感測器提供的附加資訊，這些附加資訊可以幫助提高工具機的效率。

本發明的目的是為了補償在工具機上缺少合適的監控電子裝置，以便以簡單且成本有效的方式來利用安裝在工具機本身上的新型操作裝置的潛能。

根據本發明，提供如所附申請專利範圍界定的一種用於工具機的操作裝置，特別是電動主軸；一種工具機；一種用於收集工具機操作資料的系統；以及一種用於收集工具機的操作資料的方法。

1:電動主軸/操作裝置

2:外殼

3:電動馬達

4:輸出軸心

5:軸線

6:感測器/感測器裝置

7:電子控制單元

8:工具機

9:電腦數值控制單元/電腦數值控制裝置

10:系統

11:伺服器

12:資料庫

13:處理和控制單元/處理和控制裝置

14:機器介面裝置/資料獲取裝置

15:記憶體模組/記憶體裝置

16:無線通訊模組/無線通訊裝置

17:行動通訊裝置

18:網際網路

19:感測器/感測器裝置

20:感測器介面裝置

21:感測器介面裝置/資料獲取裝置

現在將參考附圖描述本發明，其顯示本發明的非限制性實施例，其中：圖1係顯示本發明的操作裝置的側視圖，為了清楚起見而移除一些零件；以及圖係2顯示用於收集工具機操作資料的系統的方塊圖，該系統部分地安裝在圖1中的操作裝置上並根據本發明製造的。

在圖1中，元件編號1整體通常表示電動主軸，包括：外殼2，其內部容納電動馬達3，該電動馬達3設置有相對於軸線5旋轉的輸出軸心4。輸出軸心4又設有用於接合工具的耦接構件(已知且未顯示)，該工具也是已知且未顯示。電動主軸1是工具機(未顯示)的一部分，例如，一種通常用於機械加工諸如木材及其衍生物、石材、玻璃、金屬、複合材料或塑膠材料等材料的工具機，被配置以根據要執行的機械加工以及要被加工的工件的尺寸和形狀，以已知的方式沿著基本上彼此正交的三個方向推進電動主軸1本身。

電動主軸1包括容納在外殼2內部的一個或多個感測器6，以測量電動主軸1的一個或多個操作參數PS。根據一個實施例(未顯示)，感測器6安裝在外殼2外部。

操作參數PS選自由以下所組成的群組：- 電動主軸1的整體或電動主軸1的各個部分之諸如定子、前後軸承、冷卻液的流入和流出(如果有使用的話)、轉子、馬達軸心、電子基板的瞬時溫度和最高溫度；- 環境溫度、環境濕度和大氣壓；- 表示電動主軸1的零件的操作狀態的大小或事件，例如軸承磨損、轉子籠(rotor cage)破損、氣隙(air gap)工作異常、定子絕緣漏電；- 電動主軸1的每一個電力或電子裝置的操作狀態；- 與電動主軸1的電力操作有關的大小，例如由電動馬達3吸收的電流、電動馬達3的操作頻率、電動馬達3的供應電壓、相位移供應電壓、傳遞的扭矩、傳遞的功率、耗散的功率以及瞬時輸出；- 與電動主軸1的機器操作有關的大小，例如瞬時速度、最大速度、輸出軸心4的瞬時加速度和最大加速度、電動主軸1的振動、電動主軸1在三個前進方向上的加速度、沿著及/或圍繞軸線5本身的耦接構件的位置、工具與耦接構件之間的耦接品質、冷卻液的流率(如果電動主軸1是流體冷卻的)、工具耦合力、靜力和動力、軸承預載、耦合到電動主軸1的工具的質量、組件的幾何變化，例如伸長率、本體的位置和運動，例如拉桿；以及- 關於電動主軸1的操作的統計數值，例如：總操作時間、各種速度下的操作時間、點火次數、工具更換次數、工具鎖定和解鎖時間。

電動主軸1也包括安裝在外殼2上的電子控制單元7。

在圖2中，元件編號10整體表示用於收集與工具機有關的操作資料的系統，該系統示意性地顯示具有元件編號8的矩形方塊，並且包含電腦數值控制單元(9)。工具機8包含設有感測器6的電動主軸1，該電動主軸1在圖2中以矩形方塊示意性地顯示。

系統10包括伺服器11，該伺服器位於工具機8的外部並且可通過網際網路遠端存取，並且包括資料庫12和電動主軸1的電子控制單元7，在資料庫12中儲存工具機8的操作資料。

電子控制單元7包括：處理和控制單元13，包括例如微處理器；有線的機器介面裝置14，例如所謂的現場匯流排(fieldbus)、或無線裝置，以將處理和控制單元13通訊地連接至工具機8的電腦數值控制單元9，並被配置以獲取與工具機8本身的操作有關的機器資料；記憶體模組15，用於至少暫時地儲存機器資料；以及無線通訊模組16，例如Wi-Fi模組，被配置以將機器資料發送到伺服器11或行動通訊裝置17，例如平板電腦或個人電腦的裝置，其又通訊地且無線地連接到伺服器11。無線通訊模組16或行動通訊裝置17與伺服器11之間的連接經由例如網際網路18進行。

根據本發明的變型(未顯示)，電子控制單元7包含有線通訊模組，取代無線通訊模組16。

機器資料包括工具機8的一個或多個操作參數PM的測量值，該操作參數PM選自由以下所組成的群組：- 工具機8的操作狀態，例如設置狀態、緊急狀態、工作狀態(即當機器執行其設計的特定任務時)、維護狀態、工具機8的主要構件和輔助構件(幫浦、伺服馬達、冷卻系統)的工作狀態；- 在工具機的操作狀態下的停留時間；- 工具機8的溫度、吸收電流和振動。

操作參數PM藉由安裝在工具機8上並與圖2中的元件編號19一起表示的一個或多個已知感測器來監測及/或測量。

電子控制單元7還包含用於將感測器6連接到處理和控制單元13的類比、數位、磁性或光學的感測器介面裝置20。藉由感測器6獲取的操作參數PS的測量值至少暫時地儲存在記憶體模組15中，並且還藉由無線通訊模組16傳送到伺服器11或行動通訊裝置17。另外或替代方式，操作參數PS經由機器介面裝置14發送到電腦數值控制單元9。

可選地，電子控制單元7包括附加的感測器介面裝置21，用於將感測器19連接至處理和控制單元13，並被配置以獲取一個或多個操作參數PM的測量值。以這種方式，電子控制單元7可以直接從感測器19得到至少一部分的機器資料，而無需通過電腦數值控制單元9，或者部分地從感測器19得到並部分地從電腦數值控制單元9得到。

根據本發明的另一實施例(未顯示)，處理和控制單元13經由無線通訊模組16獲取機器資料。為此，電腦數值控制單元9還配備有無線通訊模組。

根據本發明的另一實施例(未顯示)，安裝在電動主軸1上的電子控制單元7的處理和控制單元13被配置以自動地確定一些機器資料為藉由感測器6獲得的操作參數PS的測量值的函數，亦即，無需借助感測器19和感測器介面裝置21，或者無需借助電腦數值控制單元9和機器介面裝置14。這是因為電動主軸1是工具機8的一部分，亦即，將其固定地或可移動地安裝在工具機8的框架(未顯示)上，因此，由感測器6測量的操作參數PS受到工具機8的機械和電氣性能的影響。

為此目的，處理和控制單元13被配置以實施至少一種適當的計算演算法，例如，基於神經網路或人工智慧，旨在處理操作參數PS的測量值，以便評估一個或多個選自由以下所組成的群組的操作參數PM：- 工具機8的操作狀態，例如：工具機停止、工具機空轉、以及工具機加工零件；- 在該工具機上述的操作狀態下的停留時間；- 該工具機8的主軸線的移動構件的操作狀態(靜止或移動)；以及- 工具機8的異常振動。

因此，配備有電子控制單元7的電動主軸1用作資料收集集線器，用於收集與工具機8有關的機器資料，包含由安裝在工具機8上的感測器19提供的測量值和由電動主軸1的感測器6提供的測量值。以這種方式，可以收集工具機8的全部機器資料和來自感測器6的測量值，並且將它們傳送到外部伺服器11，而不必更新、修改或更換電腦數值控制單元9。換句話說，本發明允許將「低端」工具機(亦即，沒有先進資料處理能力及/或沒有最新一代的通訊和資料共享介面的工具機)機轉換成「高端」工具機。

應當注意的是，上述發明適用於可安裝至工具機上的任何操作裝置或組件，例如搪刀頭、雙旋轉頭、或單個電動主軸。換句話說，上述的資料收集集線器通常由操作裝置組成，該操作裝置包含電子控制單元7和可選地至少一個心軸或至少一個電動主軸1。

本專利申請主張於2018年9月3日提交的義大利專利申請第102018000008297號的優先權，其揭露內容全部藉由引用合併於本文中。