具有至少一个传感器的工具架的制作方法

具有至少一个传感器的工具架


背景技术：

1.工具架广泛用于各种机床，如车床、铣床和加工中心。它们是实际切削工具(可转位刀片、钻头、铣刀等)与机床之间的纽带。工具架也可以从不同的模块以模块化结构套件的方式组装。在这种情况下，模块中的一个通常被称为“工具适配器”、“钻杆”或“扩展”，另一个模块被称为“工具夹”。然而，这些命名上的差异对于所要求保护的发明是不重要的；重要的是它们作为连接机床和切削工具的纽带的功能。
2.从动的和静止的(固定的)工具架都存在。从动工具架具有至少一个定位轴和/或主轴，该定位轴和/或主轴赋予加工工件所需的工具(钻头、铣刀、丝锥、旋环、刨子等)(旋转、提升和/或振荡)运动。驱动器本身可以集成到工具架中；例如以电动机、涡轮机或压电元件的形式。驱动器也可以被布置在工具架的外部。许多机床为工具架提供外部驱动器。示例包括机床的主轴或转台内的驱动器。在后一种情况下，外部驱动器和工具架的主轴或驱动轴经由可拆卸的联轴器连接。
3.固定工具架是不具有定位轴和主轴的工具架。固定工具(例如钻杆)连接到工具架上。
4.为了提高加工过程的生产率和质量，为工具架配备传感器是已知的。从de 10 2014 116 861 a1和wo 2018/099697 a1中已知具有传感器的工具架。传感器用于记录运行数据或状态数据。运行数据可以是例如主轴的速度、温度、振荡值和冷却剂的压力。例如，可以通过采集冷却剂泄漏和/或振动来检测工具架的状态。运行数据和采集工具架状态的数据之间的界限并不总是很清楚。振动可以指示钝器、有缺陷的主轴轴承或有缺陷的传输元件(例如，有缺陷的齿轮)。
5.由传感器采集的(原始)数据(可选地)被首先处理，然后优选地被无线地发送到外部接收器。需要通常由电池提供的电能来采集和发送数据。电池在工具架中或工具架上的可用空间及其容量是有限的。
6.de 10 2014 116 861 a1中已知一种用于降低功耗的备用电路。可以在考虑传感器信号(例如速度或振荡信号)的情况下执行运行状态和待机状态之间的切换。借助于备用电路，在没有数据被采集期间降低了功耗。然而，为了检测运行状态的变化，电子设备还必须在待机运行期间被供给能量，这给电池增加了负载。
7.通常情况下，用于机床的工具架不经常使用。如果不需要工具架，则通常将其存放在机器外部的库中数天甚至数周。在此之后，电池经常完全或至少大部分放电，并且必须更换。在实践中，这会反复导致问题并降低生产率。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种克服了现有技术缺点的工具架。特别地，该工具架应是坚固且可靠的。
9.该目的通过一种工具架来实现，该工具架包括壳体和用于工具的容器以及数据模块和电源，其中，数据模块包括用于采集运行数据和/或状态数据的至少一个传感器以及发
用于将数据发送到接收器的射器，其中，工具架具有开关单元，该开关单元使数据模块与电源电连接或断开，并且开关单元被设计为该开关单元以无接触的方式被致动。
10.根据本发明的开关通过壳体的壁或盖的无接触致动使得可以可靠地保护壳体的内部免受冷却润滑剂和在加工工件期间不可避免地产生的碎屑的影响。壳体的结构也没有被弱化，使得工具架保持较高的机械稳定性和刚性。
11.切断或断开数据模块的电源确保了，当开关单元打开并且不使用工具架时，没有更多的电流流动，并且电源的能量存储设备或电荷存储设备不放电。电源的能量存储设备或电荷存储设备(电荷存储装置)可以是不可再充电电池或可再充电蓄电池，和/或另一种类型的可再充电的电荷存储设备。本发明可以与电池和蓄电池或者所有其它类型的可再充电电荷存储设备(例如，锂离子电池、超级电容器、镍镉电池、铅电池)一起使用。出于语言简化的原因，各种电荷存储设备被包含在通用术语“蓄电池”中。
12.根据本发明，切断或断开数据模块的电源使得工具架可以存放数周甚至数月，而电源的能量存储设备或电荷存储设备不会放电。换句话说，根据本发明的工具架在从存放位置或库中取出后立即可供使用。此外，电池的使用寿命显著增加，并且用新电池更换已放电的电池的必要性显著降低。术语“使用寿命”是指安装新电池和更换已放电的该电池之间的时间长度。延长的使用寿命增加了可用性并显著降低了工具架的运行成本。此外，确保了在工件加工期间传感器的可靠运行。
13.在本发明的上下文中，“无接触”是指开关可以布置在壳体内部并且在壳体中不需要开口。这是特别有利的，因为工具架在机床的工作空间中使用并暴露在工作空间中普遍存在的恶劣条件下。工作空间中的条件的特征在于：持续暴露于冷却润滑剂(切削油、冷却润滑剂乳液)、振动、温度波动，当然还有加工过程中产生的碎屑。
14.因此，手动操作的常规机械开关在其密封、机械稳定性、和耐温性方面提出了非常高的要求。这导致高空间需求和高成本。以(金属)膜形式的“弹性盖”可用于在不打开壳体外壁的情况下致动机械开关，也导致机械复杂且不够坚固的构造。
15.根据本发明的解决方案在结构上非常简单。在特别简单的形式中，开关单元被设计为簧片开关。簧片开关是一种由外加磁场致动的开关。几十年来，这种簧片开关已经得到多次验证。它们可以以低成本的方式用于各种设计和各种开关电流，并且允许非常大量的开关操作。
16.根据本发明的有利实施例，簧片开关被设计为打开器(常闭(nc))。在该实施例中，当永磁体靠近簧片开关时，簧片开关打开。这与常规的簧片开关不同。常规的簧片开关在合适的永久磁铁靠近时立即闭合。
17.根据本发明的另一有利实施例，簧片开关被设计为转换触点(单刀双掷(spdt))。在该实施例中，簧片开关的切换位置(打开或闭合)通过外加磁场改变一次。
18.在本发明的另一实施例中，还可以将开关单元设计为无线开关或由电磁波或场致动的开关。对此存在大量可能的电路变型，这对于相关领域的技术人员是已知的。
19.在本发明的另一实施例中，开关单元包括可电致动的开关，其中，由位于工具架外部的发射器以无线的方式为用于切换可电致动开关的开关单元供应电能。在这种情况下，电能借助于电磁波从发射器以无接触的方式发送到开关单元。有利地，开关单元经由发射器汲取致动开关所需的所有能量，从而不需要额外的电源(例如电池)来致动开关。例如，借
助于rfid技术(射频识别)提供电能。发射器生成交变磁场或发射高频无线电波。基于rfid技术的已知传输标准是已知的，例如，命名为nfc(近场通信)下。
20.rfid技术是所谓的能量收集的示例。这意味着生成少量电能以供应移动设备或传感器。用于能量收集的结构也被称为纳米发电机。根据本发明的工具架还可以配备有一个或多个纳米发电机或发电机。这些纳米发电机或发电机用于产生数据模块和/或传感器所需的电能。(纳米)发电机生成的能量也可以临时存储在可再充电的能量存储设备或电荷存储设备(蓄电池)中。
21.有利地，可电致动开关被配置为当发射器的电源被中断时，使开关保持在其选定位置中。
22.在本发明的另一实施例中，开关单元包括接收器，接收器用于接收发射器发射、特别是借助于电磁波发射的电能。
23.发射器被布置在工具架的外部，而接收器是开关单元的部分并且从发射器接收信号，并且根据该信号建立或断开电源和数据模块之间的电连接。
24.在根据本发明的实施例中，数据模块包括旋转速度传感器或旋转角度传感器、至少一个温度传感器、加速度传感器、麦克风和/或用于采集电源或其电荷存储设备的充电状态的传感器。
25.例如，借助于温度传感器，可以采集工具附近的温度。由此，可以得出关于工具上的负载及其磨损的结论。多个加速度传感器或一个加速度传感器用于检测工具可能出现的任何振动(颤动)。此外，可以检测到驱动工具架中的缺陷，例如主轴的轴承或机械传输元件(例如齿轮组件)中的缺陷。以类似的方式，还可以使用采集在壳体内部生成的噪声的麦克风，以允许经由对应的评估对轴承或机械传输元件以及运行条件和/或工具的条件进行推断。
26.通过采集电源的充电状态，在加工一个工件或一系列工件时，可以有效地防止数据模块或传感器系统的故障。如果检测到电源充电不足，可通过对应的显示器提醒机器操作员注意。然后，操作员可以更换电源(电池)、对蓄电池和/或电荷存储设备进行充电、或者使用具有充分充电的电源的可操作替换工具架来代替具有已被放电的电源的工具架。
27.在本发明的优选实施例中，数据模块包括用于评估和/或处理由至少一个传感器采集的数据的评估单元。因此，必须从数据模块发送到更高级别的控制器等的数据量是最小的。这使得数据传递更容易并且更可靠。然而，还可以将来自传感器的原始数据以未处理的形式传输到工具架外部的更高级别的控制器或评估单元并在那里对其进行处理。
28.如果在工具架内处理数据，则用于数据模块和用于将数据传输到更高级别的控制器的能量消耗最终降低。这意味着，在相同容量的条件下，电池的使用寿命延长了。在蓄电池或电荷存储设备的情况下，运行时间(这是两次充电过程之间的时间)增加。
29.数据模块和电源容纳在工具架的壳体中或者容纳在单独的壳体中，但在任何情况下它们都是液体密封的并受到保护防止碎屑进入。为了能够更换电源，例如，优选地在工具架的壳体上或单独的壳体上布置盖。该盖可以通过密封件连接到壳体或单独的壳体。螺钉连接是特别合适的，因为它们是高性能的并且可以多次拧紧和松开。
30.单独的壳体和/或盖优选地由诸如铝、塑料或陶瓷之类的非铁磁材料制成。这使得开关单元更容易致动，例如使用永磁体。与由铁磁性材料组成的壳体壁相比，使用这种非铁
磁性材料的壳体壁也使蓄电池或电荷存储设备的感应充电更容易。
31.电源优选地由蓄电池和/或电荷存储设备组成。在这种情况下，接收线圈和整流器可以被设置在壳体内或单独的壳体内。能量可以经由接收线圈从位于工具架外部的发射线圈耦合到系统中。整流器通常配备有充电电子设备，将接收线圈的ac电压转换为适合于对蓄电池或电荷存储设备进行充电的dc电压。这就是蓄电池的充电方式。
32.替代地，可以由集成在工具架中的一个或多个纳米发电机或发电机为蓄电池、电荷存储设备、数据模块和/或一个或多个传感器提供电能。于是电源在运行期间用作缓冲器。因此，与没有设置纳米发电机或发电机的工具架相比，其容量可以显著更小。
33.当将工具架存放在库中时，可以与用于采集蓄电池和/或电荷存储设备的电荷状态的传感器结合，以确定是否应该为蓄电池和/或电荷存储设备充电作为预防措施。替代地，当工具架在机床中使用之前从库中取出时，也可以给为工具架的蓄电池和/或电荷存储设备充电，从而当加工一个工件或一系列工件时，蓄电池和/或电荷存储设备的全部容量是可用的。
34.在第一实施例中，开关由位于壳体外部的磁体致动，因此位于“分隔”的后面，并与簧片开关相互作用。
35.如果使用磁体致动开关单元(簧片触点)，则在本发明中，在断电状态期间，磁体保持在工具架上并因此保持在壳体外部。其磁效应打开壳体内的开关并中断电源和数据模块之间的电连接。
36.因为大量的工具架具有钢制壳体，所以磁体可以容易地定位并保持在壳体上和簧片开关附近。如果这是不希望的(例如为了防止壳体的磁化)，壳体的至少部分(例如盖)可以由非铁磁材料(例如铝、非铁合金、塑料或陶瓷)制成。这简化了与簧片开关结合的磁体的切换动作。
37.如果在壳体的这一部分后面有一个足够大的金属插入件来容纳磁体，则仍然可以保证该保持功能。
38.替代地，由铁磁材料(例如钢)制成的电源(电池或蓄电池)的壳体也可以用于附接磁体。
39.使用这种结构，可以自由地选择壳体的非铁磁部分的材料，并且可以产生最佳的框架条件。材料的自由选择意味着，可以至少通过部分非金属盖来显著降低金属壳体对无线电连接的屏蔽作用。
40.同时，对机床工作空间中的磨损环境条件具有高耐磨性的材料(例如陶瓷)也可以被选择用于壳体的这一部分。
41.在第二实施例变型中，数据模块或独立于数据模块的第二电子开关单元可通过电磁波或高频无线电波(例如rfid或nfc，例如使用移动电话作为发射器)暂时提供能量，并作为电致动开关在数据模块和电源(电池、蓄电池、电荷储存设备等)之间切换。在这种设计中，电子设备被构造为,如果在切换操作之后来自传输的电源被中断，使得开关保持在其选定的位置。
附图说明
42.在附图中：
43.图1是根据本发明的从动工具架的简化纵向剖面图；
44.图2是在机床中的根据图1的工具架；
45.图3是在库中的根据图1的工具架；
46.图4和图5示出了根据本发明的电源在两个开关状态下中断的实施例；
47.图6至8是根据本发明的电源中断的另外的示例性实施例；以及
48.图9示出了根据本发明的工具架的其他示例性实施例(具有蓄电池和/或电荷存储设备以及感应充电)。
具体实施方式
49.图1示出了根据本发明的从动工具架10。其包括壳体11和主轴12。主轴12经由轴承13可旋转地容纳在壳体11中。在主轴12的端部，在图中的左侧，具有用于工具15(例如铣刀或钻头)的容器14。图1右侧的工具架10的端部被设计为使得其与机床的容器(例如，转台)兼容。在主轴12的右端处形成二面体。其用于以旋转固定的方式将主轴12连接到机床的驱动轴(未示出)。到目前为止的这些对于本领域的相关技术人员来说是已知的。
50.在该示例性实施例中，单独的壳体20被附接到工具架的壳体11。其容纳数据模块23和电源22，即，电池、蓄电池或其他类型的电荷存储设备。替代地，数据模块23和电源22也可以容纳在工具架10的壳体11中。在该示例性实施例中，盖21存在于单独的壳体20上。盖可以例如通过螺钉单独的，并且以液密方式连接到单独的壳体20。螺钉和可选的密封件未示出。为了更换电源22，可以移除盖21。
51.数据模块23和电源22经由线路(未示出)彼此电连接。根据本发明的开关单元26可以在无接触的情况下被致动(参见图4和随后的附图)。
52.数据模块23包括至少一个用于采集运行数据和/或状态数据的传感器。霍尔传感器24(如图1中的示例所示)用于检测主轴12的旋转速度。本发明不限于这种霍尔传感器；而是，适合于采集运行数据和/或工具架10或工具15的状态的任何可想象的传感器可以安装在工具架10、主轴12和/或单独的壳体20中或上的适当点处。
53.此外，数据模块23可以包括评估单元，该评估单元评估由用于采集运行数据和/或状态数据的至少一个传感器采集的输出信号或数据。
54.壳体11、20和壳体盖21可以由不同的材料制成。通常，壳体1由钢制成；单独的壳体20和壳体盖21也可以由铁磁材料或铝、矿物材料、或优选纤维增强的塑料材料制成。
55.图2示出了高度简化的机床30。根据本发明的工具架10位于其工作空间31中。在这种情况下，它连接到用于工具架的容器32上。工件33由切削工具15加工。在图2中可以看到单独的壳体20。它容纳数据模块23和电源22。如果工具架10位于机床30的工作空间31中，则数据模块23和与其连接的传感器(未示出)必须由电源22提供电能。这意味着被布置在数据模块23和电源22之间的根据本发明的开关单元26闭合，使得数据模块23与电源26电连接，并由电源26提供电能。
56.图3示出了不具有工具架10的机床30。工具架10位于机床30外部的存放位置34中。电源22和数据模块23或传感器之间的电连接应在存放位置处被中断，以防止电源22被放电。
57.开关单元26集成在根据本发明的工具架10中，并且例如可以设计为簧片开关。簧
片开关通过创建磁场来致动。通常，当被放置在磁场中时，簧片开关闭合。
58.在根据本发明的工具架中，簧片开关优选地设计为打开器(常闭(nc))。这意味着当它处于具有足够场强的适当对准的磁场中时，它就会打开。
59.(永久)磁体19被附接到工具架10。选择磁体19相对于簧片开关的位置和对准，并且电源22与数据模块23和传感器电隔离。这有效地防止了电源22放电。优选地，磁体19嵌入由塑料或另一种非铁磁材料制成的清晰可见的盖中。这使得能够非常简单且有效地目视检查位于存储器34中的所有工具架10的电源是否已经中断。如果在工具架10中的一个上一个磁体19不具有例如红色的覆盖物，这会是显而易见的，并且可以连接缺失的磁体19。
60.在自动化存储情况下，在存储期间，可以通过磁体19的磁场来检测磁体19的存在。如果磁体19缺失，则可以发出对应的信号，和/或可以拒绝进入存储。
61.参照图4至图6，使用簧片开关26的示例来说明根据本发明的开关单元的功能。从图4可以看出，数据模块23经由线路25电连接到以电池和/或蓄电池和/或其他类型的电荷存储设备形式的电源22。开关单元26被安装在多个线路25中的一个中。数据模块23、线路25、电源22和开关单元26位于一个或多个壳体11、20和盖21内，并且以液密方式与环境密封。
62.在图4中，开关单元26闭合，使得电源(电池和/或蓄电池和/或其他类型的电荷存储设备)和数据模块23彼此电连接。数据模块23和与其连接的传感器(未示出)处于运行状态。运行状态可以是备用运行。在该切换位置中，工具架10通常位于机床30的工作空间31中，如图2所示。
63.图5示出了与图4相同的结构，但是工具架10位于机床30的工作空间31的外部。磁体19被布置在工具架10、壳体20和/或壳体11的外部，使得其生成的磁场的磁力线打开开关单元26(在该情况下，开关单元26为簧片开关)。结果，在电源22和数据模块23之间的电路被中断。
64.如果壳体20、壳体11由铁磁性材料制成，则磁体19通过磁效应(由图5中的双箭头27所示)保持在壳体(20和/或11)上。
65.图6示出了类似于图5的结构。在这种情况下，盖21由非铁磁材料制成。为了仍然能够借助于磁力将磁体19保持在盖21上，在壳体11内部存在铁磁组件28。由于磁体19和组件28之间的磁效应27，磁体19被足够牢固地保持在盖21上，使得其不会“自己”落下。组件28可以是电源22的部分，例如壳体。
66.为此，所述的四个组件28、26、21和19在其尺寸、形状和几何布置方面相互匹配，使得磁体19能够致动开关单元26。
67.在本发明的有利实施例中，由永磁体19生成的磁场还用于将磁体19保持在工具架10上，更准确地，将磁体19保持在壳体20、壳体11和/或盖21上。以这种方式，磁体19被牢固地、足够稳固地并且在需要时以可手动拆卸的方式固定到工具架10，而无需任何另外的结构复杂性。
68.当然，也可以以不同的方式将磁体19附接到壳体11、壳体20和/或盖21，例如，借助于可拆卸的卡扣连接或非常简单地通过一个(显着彩色的)橡皮筋或一个带尼龙搭扣的带子。
69.图7示出了类似于图5和图6的结构。在该实施例中，开关单元26包括可电致动的开
关，其中，为了切换可电致动的开关，由位于工具架外部的发射器41为开关单元26无线地提供电能。在这种情况下，电能借助于电磁波或电磁场(关键：能量收集)从发射器41以无接触的方式发送到开关单元26。发射器41发射电磁波43，例如以高频无线电波的形式。根据所示的实施例，开关单元26包括用于接收由发射器41发射的电磁波43的接收器42。
70.这些电磁波43穿透壳体20、壳体11的壁和/或盖21并且到达开关单元26，从而为开关单元26提供用于致动开关的能量。结果，开关单元26的开关可以被致动。有利地，可电致动的开关被设计为，当来自发射器41的电能中断时，使得开关保持在其选定的位置处。
71.例如，发射器41是生成电磁波的设备，特别是移动电话，特别是智能手机或平板电脑。
72.图8示出了根据本发明的模块化结构的固定工具架50，该固定工具架50由多个工具架模块51、52和53组成。第二工具架模块52(在这种情况下为钻杆)被容纳在第一工具架模块51的容器中。第三工具架模块53(在这种情况下为适配器)被紧固到钻杆的左端并且保持切削工具15(在这种情况下为可转位刀片)。
73.容纳有数据模块23、电源22和传感器24的单独的壳体20被固定在钻杆52上。在这种情况下，传感器24例如可以是加速度传感器，以检测工具架50的振动。
74.如图所示，一个或多个传感器可以集成到单独的壳体20中。然而，也可以将一个或多个传感器(未示出)布置在例如紧邻切削工具15的第三工具架模块53中。可能有利的是，在第三工具架模块中设置加速度传感器和/或温度传感器。
75.例如，切削工具15的颤动和/或切削工具15的磨损可以通过加速度传感器来检测。
76.借助于温度传感器可以检测在切割工具15处的温度。运行温度是切削工具15上的应力的指示；如果温度升高，在所有其它条件相同的情况下，这表明切割工具15正在磨损。
77.信号可以经由工具架模块53和52内部的信号线从一个或多个传感器发送到数据模块23。
78.在单独的壳体20内部，还存在根据本发明的开关单元26，为了清楚起见，未示出该开关单元26。借助于该开关单元，电源22可以与数据模块23电隔离或以上述方式连接到数据模块23。
79.图9中示出了另外的实施例。电源22被设计为可以感应充电的可充电蓄电池和/或电荷存储设备22a。图9基于图6；然而，可以在所有其他实施例中实施蓄电池和/或电荷存储设备22a的感应充电。代替感应充电，还可以将纳米发电机或发电机(未示出)集成到工具架中。当运行工具架时，纳米发电机或发电机生成电能。数据模块23和/或蓄电池和/或电荷存储设备22a可以被供应该电能和/或使用该电能充电。
80.蓄电池和/或电荷存储设备22a间接连接到位于单独的壳体20、壳体11和/或盖21内部的接收线圈29。因此，其与数据模块23、传感器和蓄电池和/或电荷存储设备22a相同程度地被保护免受冷却润滑剂和碎屑的影响。
81.由于接收线圈29发射交流电，而蓄电池和/或电荷存储设备22a必须用直流电充电，因此需要整流器，其仅在图9中示意性地以方块36示出。
82.充电过程发生在机床30的外部，例如在存放位置34处。此处布置有发射线圈35。发射线圈35和接收线圈29被布置在彼此相对的位置处，以使得当工具架处于对应配备的存放位置34中时，能量从发射线圈35发送到接收线圈29。
83.如果存放位置34设置有发射线圈35，那么存放在该存放位置中的所有工具架可以定期地或者根据蓄电池或/和电荷存储设备22a的充电状态来充电。还可能的是，蓄电池和/或电荷存储设备22a在工具架从存放位置移除之前被充电，使得蓄电池和/或电荷存储设备22a的全部容量可用于即将到来的加工过程。
84.附图标记列表
85.10
ꢀꢀ
工具架
86.11
ꢀꢀ
壳体
87.12
ꢀꢀ
主轴
88.13
ꢀꢀ
轴承
89.14
ꢀꢀ
工具架
90.15
ꢀꢀ
切削工具
91.19
ꢀꢀ
磁体
92.20
ꢀꢀ
单独的壳体
93.21
ꢀꢀ
壳体盖
94.22
ꢀꢀ
电池
95.22a 蓄电池/电荷存储设备
96.23
ꢀꢀ
数据模块
97.24
ꢀꢀ
传感器
98.25
ꢀꢀ
线路
99.26
ꢀꢀ
开关
100.27
ꢀꢀ
磁效应
101.28
ꢀꢀ
磁作用组件
102.29
ꢀꢀ
接收线圈
103.30
ꢀꢀ
机床
104.31
ꢀꢀ
工作空间
105.32
ꢀꢀ
用于工具架的容器
106.33
ꢀꢀ
工件
107.34
ꢀꢀ
存放位置
108.35
ꢀꢀ
发射线圈
109.36
ꢀꢀ
整流器
110.41
ꢀꢀ
发射器
111.42
ꢀꢀ
接收器
112.43
ꢀꢀ
波、场
113.50
ꢀꢀ
工具架
114.51
ꢀꢀ
第一工具架模块
115.52
ꢀꢀ
第二工具架模块
116.53
ꢀꢀ
第三工具架模块