CN110809744A - 具有多个传感器的机床 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机床(10)，其具有用于感测各至少一个测量参数的多个传感器(20至23)，这些传感器接入到第一网络(30)中，其中，设有同步装置(31)，传感器(20至23)与该同步装置连接，用于同步地和/或触发地感测测量参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种机床，其具有用于感测测量参数的多个传感器，这些传感器接入到第一网络中。
本发明还涉及一种用于监控和/或调节机床的方法。
背景技术
在机床上偶尔会出现干扰(例如会使品质降低的振动)，借助存在的床载器件并不能明确地诊断出干扰的成因。由此通常必须由专家以特殊的测量装备进行高成本的现场分析。对于动态表现的持续优化缺少信息。
原则上已知的是：在机床上设置传感器并且将传感器联网。但这些传感器仅提供关于机床的单个特征(例如致动器的位置或构件的温度)的结论。在此，测量值的感测的同时性是不重要的。以传统的传感器不能感测或监控复杂的状态，例如振动形式、水平度状态或反映机床动态表现的特征参数(例如机械频率特性)。
发明内容
本发明的任务是，提供一种机床，可持久地监控和/或诊断该机床的状态并且在该机床的情况下必要时可基于所感测的传感器信号推断出干扰成因，以获得用于最佳地运行机床的合适措施(调节，维修，适配过滤器等)。
根据本发明，该任务通过以下机床解决，该机床具有用于感测各至少一个测量参数、尤其是第一测量参数的多个传感器、尤其是多个第一传感器，这些传感器接入到第一网络中，其中，设有同步装置，传感器与该同步装置连接，用于同步地和/或触发地感测测量参数。通过该措施，为不同传感器的测量信号提供相同的或者说共同的时间参照、尤其是共同的时间基准。这使得能一致地处理多个信号。同步装置可例如构造为有线网络或无线网络的组成部分或构造为DCF接收器。测量参数可以是测量信号，“触发”表示可在一个或多个时刻引发一动作。引发例如可以是测量参数的感测时刻。在此，在多次引发的情况下它们之间的时间间隔不必是等距的、即不必产生统一的周期时长。
通过传感器的尤其是持久的集成可随时提供关于机床的多个信息并且将其考虑用于诊断、尤其是远程诊断。在使用例如以大数量布置在汽车和手机中的那种传感器并且将这些传感器在合适的构架中联网的情况下，这能以经济性合理的成本实现。传感器的信号在此在确定的前提下也使得能调节机床的状态。附加的传感器可在需要时、例如被服务技工需要时被简单安装并且集成到网络中。
根据本发明的一个构型可设置，一个或多个传感器布置在传感器模块中，该传感器模块具有时钟电路(Zeitgeber)，该时钟电路与同步装置连接。时钟电路可构造为计时器(Timer)或用于实现与时间相关的功能的控制器(Steuerbaustein)。由此能特别简单地实现将传感器的测量参数感测在时间上同步化。也可设想，一个或多个传感器模块设有多个传感器但没有时钟电路。其中每个时钟电路可分别通过网络与上级时钟/时钟电路相比较，即所有的时钟/时钟电路可显示相同的时间并从而“同步”运行。用于感测每个传感器的测量值的引发时刻可由其在当地的时钟电路得出并且可参数化。可选择等距的当地引发，即周期性地感测测量值。
特别有利的是，传感器构造为用于感测振动的加速度传感器、尤其是MEMS传感器。由此可能的是，感测机床的动态表现。加速度传感器可成本有利地得到，因为其大量用在例如汽车工业中。传感器所接入的第一网络可任意地通过另外的传感器扩展，以便获得附加的测量参数。MEMS传感器是小的、性价比高的、但同时是精确并且稳健的。
当在网络中接入用于感测至少一个第二种测量参数、尤其是与通过第一传感器感测的测量参数不同的测量参数、例如与加速度不同的测量参数的一个或多个另外的传感器时，诊断可能性被扩展。至少一个另外的传感器例如可构造为转速传感器、磁场传感器、声音传感器、温度传感器、湿度传感器、光学传感器或多功能传感器。另外的传感器也可构造为可感测不同的测量参数的多功能传感器。因而提供附加的持久可用的测量器件(“床载器件”)用于分析机床表现。其允许广泛、快速并且可靠地远程诊断能够在机器的使用寿命内可预见或不可预见地出现的故障成因。通过在记录传感器信号之后对传感器信号离线诊断，可例如借助机器学习方法实现对大数据量的非常复杂的分析处理，该分析处理能导致关于机器的故障机理和关联性的新的认知。由此可更快地揭示并持久地消除迄今未知的故障成因。可很大程度上避免费时间或昂贵的专家现场解决。故障消除措施可目标明确地被限定。可避免不必要地更换与干扰成因无关的零部件。可降低在消除故障时不需要的零部件退还的耗费。可减少由于无成效的故障消除措施而造成的不进行生产的机床待机时间。此外可将由于机器故障造成的生产损失降到最小。
还有利的是，设有用于在机床的不同的轴方向上的加速度的加速度传感器和/或多轴加速度传感器。由此可感测机床沿不同方向的振动表现。由此扩展诊断可能性。
特别有利的是，至少一个传感器布置在要加工的工件上。因而也可在诊断时考虑工件的振动并且必要时对其做出反应。
根据本发明的一个构型，第一网络可至少部分构造为无线网络。无线网络例如可构造为WLAN网络或Bluetooth网络。为了诊断，一般以下方案就已足够：对传感器信号、尤其是测量参数离线地即在记录测量参数之后进行分析处理。适用于此的是：将传感器或传感器模块联网在一无线网络中，该无线网络可极其成本有利地实现并且可灵活地扩展。
根据本发明的另一构型可设置，第一网络至少部分构造为有线网络。为了使用传感器信号、尤其是测量参数用于调节，必须满足硬性的实时性要求和保证高的可靠性。这要求所涉及的传感器或者说传感器模块的有线联网。有线联网可例如通过尤其是针对该使用目的进行优化的总线系统、例如借助成本有利的双线线路实现。
还可设想，设有第二网络，多个传感器接入到该第二网络中，其中，第一网络和第二网络经由传感器节点连接。第二网络可构造为无线网络或有线网络。
还可设置，第一网络和/或第二网络与机器控制装置连接。因而可通过机器控制装置来利用由传感器感测的测量参数，尤其是以便调节或控制机床的状态。
特别有利的是，为了给一个或多个无线联网的传感器和/或传感器模块供应能量，设有发电机，所述发电机用于从环境温度、振动、空气流动或电磁场等获得能量。在此是指所谓的“能量收集Energy-Harvesting”解决方案，由此可进行传感器或传感器模块的自给能量供应，这使得传感器网络的以附加的传感器和/或传感器模块实现的灵活扩展显著地变简单。
为了使测量参数也可离线地并且在之后的时刻变得可用，有利的是，设有存储器装置，用于存储传感器信号。
在本发明的范畴中，还提出一种用于监控和/或调节机床的方法，在该方法中，将多个传感器接入到第一网络中并且在机床运行期间感测传感器的测量参数，其中，同步化地和/或触发地感测传感器的测量参数。通过传感器的网络永久地集成到机器中的方式，可例如识别振动现象的成因。传感器可装在关注部位处、尤其是预计会发生振动的部位处。可执行位移测量、轨迹测量或振动形式测量。可快速且可靠地通过远程诊断来识别能够在机器的使用寿命内可预见地或不可预见地出现的干扰成因。也可事后离线分析所记录的传感器信号，以追溯迄今仍未知的干扰成因。通过清晰的时间参照可明显改善和扩展诊断的可能性。
根据一个方法变型，可将用于感测另外的参数的另外的传感器接入到第一网络中。并不是仅能诊断机床的状态，而是也可基于传感器数据或者说测量参数来调节机床的动态表现。尤其是可基于测量参数对至少一个反映机床动态表现的特征参数进行调节。
有利的是，一个或多个传感器和/或传感器模块通过分散的能量源供应以功率。尤其是可使用所谓的“能量收集”。
根据一个方法变型可设置，将至少一个加速度传感器的测量参数双重集成。可通过该措施替代方位传感器。此外可由此实现虚拟的触测头(Messtaster)功能。例如可构成马达测量系统和虚拟触测头之间的差别。这提供机械传递元件的背隙。当使用多轴传感器时，可通过双重集成实现虚拟的交叉格栅功能。额定轨迹和虚拟的交叉格栅之间的比较得出轨迹偏差。
还可设置，双重集成的测量参数的漂移校正根据至少一个其他的传感器的传感器数据进行。因而可使用至少一个其他的传感器的次级信息，以执行漂移校正。例如可将加速度传感器的信号双重集成并且与方位传感器的信号相比较。
还可设置，感测由加速度传感器的至少一个传感器信号求取的、反映机器状态的特征参数(例如频谱)并且将其与参考参数(例如在全新状态中的频谱)进行比较。通过该措施可呈现运行振动。通过该措施可识别薄弱点和裂缝。
附图说明
本发明的另外的特征和优点可由后面根据附图对本发明的实施例的详细描述和权利要求得到，在附图中示出了对于本发明重要的细节。在那里显示的特征不应必须按比例尺理解并且示出为使得根据本发明的特点可更好地被看到。不同的特征在本发明的变型中可自身单独实行或对于多个特征以任意组合实行。
在示意图中示出本发明在不同使用方式中的实施例并且在后面的说明书中详细解释。
附图示出:
图1机床的极其示意性的图示；
图2传感器网络的第一实施方式；
图3传感器网络的第二实施方式；
图4用于本发明的进一步解释的示意图；
图5用于本发明的进一步解释的示意图。
具体实施方式
图1示出用于加工工件11的机床10。在示出的实施例中，门架12可沿双向箭头方向13运动，并且，带有工具14'的工具保持件14可相对于门架12沿双向箭头方向15运动。通过工具14'进行工件11的工件加工。
在门架12和工具保持件14运动时，会在机床10上出现振动。为了感测这些振动，设有第一传感器20至23，其中，传感器20至23的数量和布置是仅仅示例性地选择的。但要指出的是，传感器23布置在工件11自身上，以感测工件振动。但也可设想，传感器20至23仅仅设置在机器部件上而不设置在工件11上。尤其是可将传感器20至23设置在预计会出现振动的部位。传感器20至23可构造为加速度传感器、尤其是MEMS传感器。传感器20至23可与彼此联网。
此外设有另外的传感器24，25，通过所述另外的传感器可感测与通过传感器20至23感测的测量参数不同的测量参数。传感器24，25也可联网。所述另外的传感器可在自身的网络中联网或其与传感器20至23共同联网。传感器24，25可例如涉及温度传感器或方位传感器。
基于图2的示意图可得到，传感器20至23通过网络30联网。网络30可以是无线网络或有线网络。此外，传感器20至23与同步装置31处于连接中，通过该同步装置可对传感器20至23的测量参数感测进行触发并从而将其在时间上同步化。通过同步装置31提供用于通过传感器20至23实现的测量参数感测的时间基准。
通过传感器20至23测量的测量参数可传输给存储器装置32。存储器装置32可布置在机器控制装置33中或机器控制装置33之外。但传感器20至23的测量值也可绕过存储器32直接传输给机器控制装置33，测量值可在那里被分析处理并且用于诊断和/或机器调节。
图3示出按图2的实施方式的变型。在该实施方式中，传感器20至23布置在传感器模块40至43中。传感器20至23如前那样经由网络30相互联网。在该情况中，传感器20至23并不直接与同步装置31连接，而是经由时钟电路44至47与同步装置31连接，时钟电路通过同步装置31同步化并且触发传感器20至23的测量参数感测。
网络30和测量参数感测这样设计：使得在时间上同步化感测的测量参数实时地尤其是以相同的时间间隔到达分析处理装置50。在示出的实施例中，分析处理装置50布置在机器控制装置33中。但其也可布置在机器控制装置33之外。通过分析处理装置50可进行测量参数的分析处理并且必要时进行测量参数的集成和/或双重集成。此外可将测量参数存储在存储器32中。
还可识别到，传感器模块40至43分别与自身的发电机51至54连接。发电机51至54自给地工作并且可例如可由机床10的振动或电磁场生成功率。
传感器模块40至43可具有多于一个传感器、即多个传感器。例如，传感器模块40至43可具有用于在6个自由度中的加速度和转速的传感器。通过对传感器的测量参数进行分析处理可将所监控的机器部件或工件在空间中的刚体运动可视化并且求取可能产生的工具位置移动。
基于图4的图示可得到，传感器20至23布置在第一网络30中。传感器24，25可例如布置在第二网络60中。网络30可与传感器节点61在数据技术上连接，其中，在数据技术上的该连接可经由针对该使用目的进行优化的总线(例如双线总线)进行。网络60同样可与传感器节点61在数据技术上连接。在数据技术上的该连接可例如构造为CAN总线63。
传感器节点61可在数据技术上、例如通过无线网络64与机器网络65连接。机器网络65可例如经由LAN连接66与互联网或内部网67连接。因而也可在很远的地点处接收通过传感器20至25感测的数据、对其进行分析处理并且用于诊断。
图5示出机床的传感器的联网的替代实施方式。传感器20a，20b、钟电路44(当地系统时间)以及当地控制器70的联合可构成传感器模块40(图3的传感器模块40至43可相应地构型)。多个传感器模块40至43可分布在机器中的关注点处并经由第一网络30相互连接并且与传感器节点61连接。传感器节点61可具有同步化单元31或构造为同步化单元。传感器节点61可包含用于具有传感器模块40至43的第一网络30的参考时间源，由此可进行所有传感器20a，20b，21，22，23的同步的数据感测。参考时间源可自运转地实施或同样与上级时间源(例如通过第二网络60)同步化。传感器节点61当前经由第二网络60尤其与机器控制装置33连接。前述数据存储或数据(预)处理也可在机器控制装置33、传感器节点61或传感器模块40至43或必要时附加的网络参与者中存在。在第二网络60上可附接有另外的传感器24，25。传感器24，25同样可布置在传感器模块中。
Claims (20)
1.一种机床(10)，其具有用于感测各至少一个测量参数的多个传感器(20至23)，所述传感器接入到第一网络(30)中，其中，设有同步装置(31)，传感器(20至23)与该同步装置连接，用于同步地和/或触发地感测测量参数。
2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，一个或多个传感器(20至23)布置在传感器模块(40至43)中，所述传感器模块具有时钟电路(44至47)，该时钟电路与同步装置(31)连接。
3.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，传感器(20至23)构造为用于感测振动的加速度传感器、尤其是MEMS传感器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，在所述网络(30)中接入有用于感测至少一个第二种测量参数的一个或多个另外的传感器(24，25)。
5.根据权利要求4所述的机床，其特征在于，至少一个另外的传感器(24，25)构造为转速传感器、磁场传感器、声音传感器、温度传感器、湿度传感器、光学传感器或多功能传感器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，设有用于沿机床(10)的不同的轴方向的加速度的加速度传感器和/或设有多轴加速度传感器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，至少一个传感器(20至25)布置在要加工的工件上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，第一网络(30)至少部分构造为无线网络。
9.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，第一网络(30)至少部分构造为有线网络。
10.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，设有第二网络(60)，多个传感器(24，25)接入到该第二网络中，其中，第一网络和第二网络(30，60)经由传感器节点(61)连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，第一网络和/或第二网络(30，60)与机器控制装置(33)连接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，为了给一个或多个传感器和/或传感器模块(40至43)供应能量，设有用于从环境温度、运动、空气流动或电磁场获得能量的发电机(51至54)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的机床，其特征在于，设有用于存储测量参数的存储器装置(32)。
14.一种用于监控和/或调节机床(10)的方法，在该方法中，将多个传感器(20至23)接入到第一网络(30)中并且在机床(10)运行期间感测传感器(20至23)的测量参数，其中，同步地和/或触发地感测传感器(20至23)的测量参数。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，将用于感测另外的参数的另外的传感器(24，25)接入到第一网络(30)中。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，基于测量参数来对反映机床(10)的动态表现的至少一个特征参数进行调节。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，通过分散的能量源给一个或多个传感器(20至25)和/或传感器模块(40至43)供应以功率。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，将至少一个加速度传感器的测量参数双重集成。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，根据至少一个其他传感器的传感器数据进行双重集成的测量参数的漂移校正。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，对基于加速度传感器的至少一个传感器信号求取的、反映机器状态的特征参数(例如频谱)进行感测并且将该特征参数与参考参数(例如在全新状态中的频谱)比较。
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