CN112672849B - 智能冷却剂泵 - Google Patents

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Abstract

一种用于机器人或计算机控制的机器的智能冷却剂泵。该智能泵使用伺服电机而不是传统的工业电机(诸如感应电机)。智能泵具有固有的扭矩和速度感测，以及与计算机控制的机器的控制器集成的控制器。电机扭矩/速度感测和冷却剂压力/流量感测使能够立即检测任何异常状况，诸如冷却剂液位低或冷却剂端口堵塞。智能泵可以被配置以一定速度运行并且针对在工作站处执行的每个加工操作提供特定的冷却剂压力和流量，并且在各加工操作之间以非常低的速度运行。与传统的恒速冷却剂泵相比，这种速度配置节省能量并允许泵和冷却剂在更低的温度下运行。

Description

智能冷却剂泵
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月10日提交的题为智能冷却剂泵、编号为62/728,910的美国临时专利申请的优先权日期的权益。
技术领域
本发明涉及冷却剂泵的领域，更具体地，涉及一种用于机器人或计算机控制的机器的冷却剂泵，该机器使用具有控制器和传感器的伺服电机，以用于在钻孔/机加工操作期间测量冷却剂压力和流量，这进而使能够早期检测包含低冷却剂液位或冷却剂流阻塞的任何问题，并且进一步使能够基于正在发生的钻孔/机加工操作所指示的实时冷却剂需求来自动调节泵速度。
背景技术
自动机器人钻孔/加工站和计算机数控(CNC)机在本领域中是公知的，它们在触摸控制屏按钮时执行复杂的、多轴的、多工具的加工操作。例如，这种计算机控制的机器可以加工具有几种不同设计变型的零件，其中该零件由实心金属块加工而成，并且成品零件包括许多通孔、非通孔、斜面、钻孔和攻丝孔等，并且这些孔和加工特征相对于该零件沿几种不同的定向轴线对准。
上述类型的CNC和类似机器需要冷却剂流(例如加工油)用于切削操作。冷却剂的作用是冷却零件和工具，并且将切削金属的“碎屑”从工具上冲出并且从正在加工的任何孔中冲出。现有的CNC机床使用简单的冷却剂泵，根据通过工作站在给定时间执行的操作而可以打开或关闭冷却剂泵。例如，当机器在零件上钻孔时，冷却剂泵打开并且冷却剂流指向孔中的钻头。相反地，在钻孔操作之后，当机器为准备下一加工步骤而更换工具时，冷却剂泵通常关闭。
尽管上述简单的冷却剂泵能够充分地执行，但它们通常泵送比给定操作所需更多的冷却剂，导致不必要的能量使用。此外，这些泵的频繁关闭和打开增加了泵的磨损，这增加了所需的维护和修理量。此外，简单的冷却剂泵无法检测到与冷却剂低液位或冷却剂低流量有关的问题，而这些问题可迅速导致CNC机器中的零件和工具损坏。
因此，希望提供一种智能冷却剂泵，其与机器控制器集成并为任何钻孔/机械加工操作提供适当的冷却剂流量。
发明内容
根据本公开的教导，描述了一种用于计算机控制的加工站的智能冷却剂泵。智能泵采用伺服电机而不是传统的工业电机(例如感应电机)。智能泵具有固有的扭矩和速度感测，以及与加工站控制器集成的控制器。电机扭矩/速度感测和冷却剂压力/流量感测可立即检测任何异常情况例如冷却剂液位低或冷却剂端口堵塞。智能泵可以被配置为以一定速度运行并为在工作站处执行的每个加工操作提供特定的冷却剂压力和流量，并且在各加工操作之间以非常低的速度运行。与传统的恒速冷却剂泵相比，这种速度配置可节省能量并允许泵和冷却剂在更低的温度下运行。
结合附图，从以下描述和所附权利要求书中，本公开技术的附加特征将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的与计算机控制的机器集成的智能冷却剂泵的图示；
图2是根据本公开的实施例的耦接到冷却剂歧管的智能冷却剂泵之一的图示，它表示图1的计算机控制的机器中的冷却剂子系统的部分实现；以及
图3是根据本公开的实施例的用于配置和监视图1至图2的智能冷却剂泵的多个用户界面屏幕的图示。
具体实施方式
本公开的实施例针对与机器人或计算机控制的机器集成的智能冷却剂泵的以下讨论在本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制所公开的装置或它们的应用或用途。
图1是包括两台计算机控制的机器100的柔性制造设施的图示。计算机控制的机器100可以是任何类型的CNC或计算机控制的机器或机器人钻孔站/加工站，并且能够以极大的速度和质量自动生产许多不同的预编程设计的机械加工零件。计算机控制的机器100包括用于将工件保持在适当位置的夹具，以及用于沿相对于工件任意定向的任何轴线执行诸如钻孔、铣削和螺纹攻丝之类的操作的机床。根据本公开的实施例，图1的机器100配备有新的智能冷却剂泵10。
在图1中，仅为了视觉冲击，智能冷却剂泵10被示出在计算机控制的机器100的外部。实际上，智能冷却剂泵10中的一个设置在计算机控制的机器100中的每一个的内部，如下文详细讨论的。在每个计算机控制的机器100中的智能冷却剂泵10向加工操作提供冷却剂流，通过一个或多个喷嘴将冷却剂引导到工件和工具，其中冷却剂再循环到箱并返回到智能冷却剂泵10。
每个计算机控制的机器100包括控制器110和显示单元120。计算机控制的机器100中的每一个还包括机器人设备(未示出)，该机器人设备包括被配置为在加工操作期间从供应库存中选择工件并将工件保持在固定位置的夹持工具，以及用于根据在控制器110上运行的预定义程序对工件执行加工操作的可互换机床，诸如铣刀、钻头、钻孔、丝锥等。
现有的使用传统冷却剂泵电机的计算机控制的加工站受到几个限制。例如，传统的冷却剂泵不提供电机扭矩或速度的反馈。如果没有电机扭矩或速度反馈，泵是否正常工作、是否泵送预期体积的冷却剂等就不容易明显。传统冷却剂泵也不提供冷却剂温度反馈。冷却剂温度是重要的并且可以指示对更多或更少冷却剂流的需求。此外，传统冷却剂泵不能改变速度或调节冷却剂的压力和流量。此外，传统冷却剂泵消耗比必要的更多的电能，因为它们频繁地停止和重新启动，并且以提供通常高于给定加工操作所需流量的冷却剂流量的固定速度运行。
根据本公开的实施例，计算机控制的机器100包括智能冷却剂泵10，该智能冷却剂泵10克服了上述传统冷却剂泵的限制。智能冷却剂泵10由伺服电机12(图2)驱动，该伺服电机12在泵旋转速度和斜坡上升和斜坡下降速度曲线方面是完全可控的。下面讨论的传感器和控制逻辑使智能冷却剂泵10的行为能够被定制以适于计算机控制的机器100可能经历的工具、操作以及条件的任何组合。
为了下面讨论的目的，考虑计算机控制的机器100中的控制器110控制机器本身的操作(定位工件以及对工件执行所有加工操作以生产期望的零件)并且还控制智能冷却剂泵10的操作。还可以提供用于智能泵10的单独控制器，在这种情况下泵控制器将与计算机控制的机器100的控制器110保持通信。
如上所述，智能冷却剂泵10由伺服电机12驱动。伺服电机12配备有传感器，该传感器固有地向泵控制器(在这种情况下为机器控制器110)提供速度和扭矩信号。例如，伺服电机12可包括位置编码器、转速传感器和扭矩传感器。来自扭矩、速度和位置传感器的信号被提供给控制器110或其它泵控制器，这使得能够实时反馈速度控制和扭矩测量。
电机扭矩信号可由控制器110用来确定是否向泵10的入口提供了适当的冷却剂供应。冷却剂液位低、冷却剂滤清器或入口堵塞、或完全没有冷却剂可能导致冷却剂供应不足。如果通过低扭矩值检测到这些条件中的一个，则控制器110可以防止计算机控制的机器100切割或执行任何其它机械加工操作；在这种情况下，还优选地向操作员提供警报信号。防止计算机控制的机器100进行无意的干切削降低了工具修理和更换的成本，并且减少了被退回的零件的数量。
电机速度信号能够实时反馈冷却剂流量，冷却剂流量是泵速度的函数。这允许机器控制器110确保电机速度对应于操作员针对任何特定工具、操作和条件选择的冷却剂流量。例如，在铝上钻一个小直径的孔所需的冷却剂比在钢上钻一个大直径的孔所需的冷却剂少得多。智能冷却剂泵10可以被配置为(见图3)为操作员所选择的每次操作提供所需量的冷却剂，并且然后该冷却剂控制通过电机速度信号被包括在计算机控制的机器100的操作中。不需要额外的硬件来控制泵的速度；伺服电机12已经包括传感器和可控性特征。控制器110允许为计算机控制的机器100执行的每个单独操作选择冷却剂的特定体积流量(和相应的速度)，如下文进一步讨论的。
智能冷却剂泵10的另一个优点是冷却剂子系统可以在较低的温度下运行。改变泵速度的能力意味着在不需要来自智能冷却剂泵10的冷却剂的最大流量的情况下，可以通过减慢电机12来降低电机12以及冷却剂的温度。以较低的速度运行电机12降低了冷却剂子系统的温度并且还节省了能量。
智能冷却剂泵10中的伺服电机12还能够在不需要冷却剂流动的时间期间(例如当在各加工操作之间更换工具时)使电机12减速。将电机12和泵10减速到“怠速”速度，而不是像传统冷却剂泵那样停止电机，不仅减少了电机12的停止/启动循环的次数，而且使得电机12和控制器110能够在减速期间捕获能量以提供再生动力——从而进一步降低能量成本。
图2是耦接到冷却剂歧管130的智能冷却剂泵10之一的图示，表示计算机控制的机器100中的冷却剂子系统的部分实现。包括伺服电机12和泵体14的智能冷却剂泵10被示出在左上方的小插图中。智能冷却剂泵10的上部(包括所有伺服电机12和泵体14的上部)在图2的主要大图像中是可见的。
冷却剂歧管130包括多个由伺服或螺线管控制的阀体，其中每个阀由电信号线132控制。每个阀控制通过冷却剂回路的一个分支的流动，其中每个分支包括管道和喷嘴(未示出)以将冷却剂输送到计算机控制的机器100内部的特定位置。例如，一个阀可以被配置为控制冷却剂流到针对于位于工件顶部上的铣削站的喷嘴，另一个阀可以被配置为控制冷却剂流到针对于位于工件末端上的钻孔站的喷嘴，等等。歧管130通过流体耦接器134连接(流体耦接)到泵体14，流体耦接器134可以在图2的底部中心附近看到。
如上所述，通过简单地使用该伺服电机12的固有速度和扭矩传感器，该智能冷却剂泵10可以检测诸如冷却剂流不当、冷却剂液位低或冷却剂不足的情况并对这些情况作出反应，并由此防止工具磨损/破损并且确保零件尺寸精度。此外，智能冷却剂泵10可以被装配有冷却剂压力和流量传感器，并且压力和流动信号被提供给控制器110或其它泵控制器。通过直接测量得知冷却剂压力和流量，控制器110可以更精确地控制智能泵10的速度来获得所需的冷却剂压力和/或流量，该冷却剂压力和/或流量可以针对计算机控制的机器100中的特定工具或操作而规定。冷却剂压力和流量信号也可以针对在规定范围之外的值(例如压力过高或过低、或流量过低)而被监视，并且如果合适的话，控制器110可以停止计算机控制的机器100中的操作。
冷却剂压力和流量值、以及它们之间的关系，也可用于作出关于计算机控制的机器100的维护的其他确定。例如，在考虑到实际冷却剂使用的情况下，可能在特定的总体积流量之后想要改变或处理冷却剂，而不是简单地在特定的操作小时数之后改变或处理冷却剂。该体积流量可以被积分以获得累积体积流，该累积体积流可与预定义阈值相比较，其中当累积体积流超过阈值时可以向操作员发出需要冷却剂和过滤器改变的信号。
该智能冷却剂泵10的另一个优点是可以使用比标准泵更小的冷却剂箱。这是因为智能冷却剂泵10经常以低于全速的速度运行，然而传统的冷却剂泵即使在需要较少的冷却剂流时也总是以全速运行。
利用该智能冷却剂泵10还减少了泵的维护，因为降低的速度分布也降低了所有泵部件上的压力。由于与传统泵相比较低的平均泵速度、以及由于在智能冷却剂泵10中使用的伺服电机12的再生功率捕获能力，利用智能冷却剂泵10还减少了电能消耗。
图3是用于配置和监视智能冷却剂泵10的多个用户界面屏幕122-128的图示。用户界面屏幕122-128显示在计算机控制的机器100的显示单元120(图1所示)上。
界面屏幕122-128为用户提供了针对计算机控制的机器100中的每个工具、操作和条件来完全配置冷却剂流的能力。例如，使用以500转/分(RPM)转动的30mm钻头，以1mm/秒的钻头进给速率在铸铝上钻孔的钻孔操作代表了工具、操作和条件的特定组合。每个这样的组合(工具、操作、条件)都可以配置有冷却剂设置，该设置包括“中心通过冷却剂”(CTC-下文讨论)、切割(冷却剂流至工具尖端)、壁面清洗、床面清洗和流量/体积。这些不同的冷却剂流中的每一个由图2所示的冷却剂歧管130的单独的阀/喷嘴控制。
界面屏幕122和124是用于计算机控制的机器100的一般设置屏幕，包括对工件夹具、钻孔/加工操作的控制、以及对诸如鼓风机和碎屑传送器的其它特征的控制。界面屏幕122和124还提供对配置冷却剂系统参数的界面屏幕126和128的访问。
界面屏幕126包括用于工具、操作和条件的特定组合的冷却剂配置控制。配置选项包括引导冷却剂流的位置(切割操作、壁、床和/或CTC)，以及相应的流量。根据所选择的冷却剂流动位置和流量，可以确定冷却剂泵的总流量。其它配置选项包括用于在操作后关闭或降低泵10的速度的延迟定时器。
界面屏幕128是冷却剂系统中各个喷嘴的配置控制屏幕。界面屏幕128被称为蜘蛛式冷却设置屏，因为单独的管道和喷嘴可以以特定的角度定向，以在切割操作的适当冷却和润滑所需的位置和量提供冷却剂流。用户可以在配置过程中接通冷却剂，以直观地验证特定机床和位置的流量。
在此示出界面屏幕126和128以示出冷却剂系统的可配置性，这导致针对特定工具、操作和条件的冷却剂的优化流动和放置。通过这样定义的总流量，智能冷却剂泵10提供以输送所需冷却剂流量所需要的速度运行的能力，并通过伺服电机反馈和传感器测量来验证适当的冷却剂流量。
某些机械加工操作需要“中心通过冷却剂”(CTC)，其中冷却剂直接通过工具的中心(如铣削头)提供。CTC需要相对较低的冷却剂流量，但与至正常切割操作、壁清洗等的喷嘴流所使用的(可以以例如100psi运行)相比，需要高得多的压力(例如1000psi)。由于这个原因，CTC通常通过独立的冷却剂泵和独立的冷却剂回路提供，而不是通过主冷却剂系统提供。CTC冷却剂系统可以由另一个智能冷却剂泵供电，其中CTC泵具有与智能冷却剂泵10相同的特性(伺服电机驱动、固有的扭矩和速度感测和控制)，但是CTC泵小于智能冷却剂泵10。
在前面的讨论中，描述和暗示了各种控制器——用于控制计算机控制的机器100、智能泵10等的运动和任务。应当理解，这些控制器的软件应用程序和模块是在具有处理器和存储器模块的一个或多个计算设备上执行的。在一个非限制性实施例中，每个计算机控制的机器100具有机器控制器(110)，并且智能泵10可以由机器控制器110或其自身的专用泵控制器控制。机器控制器110、泵控制器和工厂主控制器之间的通信可以通过硬线网络，或者可以使用任何合适的无线技术——例如蜂窝电话/数据网络、Wi-Fi、宽带互联网、蓝牙等。
如上所述，具有与机器人或计算机控制的机器集成的伺服电机驱动和集成的控制的所公开的智能冷却剂泵提供了超过现有技术的几个优点。对于每个特定的加工工具/操作/条件控制泵速度和冷却剂流量的能力、以及在零件或工具损坏之前识别冷却剂流动问题的能力，远优于典型的“开或关”冷却剂泵。智能冷却剂泵的特点导致更低的维护成本、更低的能量消耗、以及诸如冷却剂液位低或流动堵塞的问题的更佳检测。
尽管上面已经讨论了与机器人或计算机控制的机器集成的智能冷却剂泵的多个示例性方面和实施例，然而，本领域技术人员将认识到其修改、排列、添加以及子组合。因此，意欲将以下所附权利要求和下文介绍的权利要求解释为包括在真实精神和范围内的所有此类修改、排列、添加以及子组合。

Claims (18)

1.一种用于计算机控制的机器的冷却剂泵系统，所述系统包括：
伺服电机，包括电机扭矩和电机速度传感器；
泵体，机械地耦接到所述伺服电机，其中，所述泵体包括泵送元件，所述泵送元件在由所述伺服电机的旋转致动时泵送冷却剂；
冷却剂压力传感器，位于所述泵体的出口处；
冷却剂流量传感器，在所述泵体下游的流体回路中；以及
控制器，接收来自所述电机扭矩和电机速度传感器、所述冷却剂压力传感器以及所述冷却剂流量传感器的信号，所述控制器基于接收的信号向所述伺服电机提供控制信号，以实现针对所述计算机控制的机器的特定加工操作规定的预定冷却剂压力或冷却剂流量，其中，
所述控制器被配置为当所述加工操作完成时且在下一加工操作开始之前，使所述伺服电机降低旋转速度、但不停止。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成当来自所述电机扭矩和电机速度传感器的信号指示冷却剂供应问题时采取抢先动作。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述冷却剂供应问题由低于针对于给定电机速度的阈值的电机扭矩信号指示。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述冷却剂供应问题是冷却剂液位低、没有冷却剂或冷却剂供应通道堵塞。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述抢先动作是发出警告警报。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述抢先动作是停止在所述计算机控制的机器上的加工操作。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器和所述伺服电机被配置成当所述控制器向所述伺服电机发出降低旋转速度的信号时恢复再生电能。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还控制所述计算机控制的机器，并且所述控制器能够被配置为向所述伺服电机提供控制信号，以针对所述计算机控制的机器的每个不同的加工操作实现不同的预定冷却剂压力或冷却剂流量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述不同的加工操作包括钻孔、铣削和螺纹攻丝，并且所述预定冷却剂压力或冷却剂流量是基于工具直径、旋转速度和进给速率、以及工件材料来确定的。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述伺服电机和所述泵体被用作所述计算机控制的机器中的主冷却剂泵。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括第二伺服电机和第二泵体，所述第二伺服电机和所述第二泵体被用作所述计算机控制的机器中的中心通过冷却剂泵，其中，所述冷却剂被泵送通过所述计算机控制的机器中使用的工具的中心。
12.一种工业加工站，包括：
一个或多个机床，布置在壳体内；
加工站控制器，与所述一个或多个机床通信，所述加工站控制器被配置成控制所述一个或多个机床以对工件执行规定的加工操作的序列，以便生产零件；以及
冷却剂子系统，用于在所述加工操作期间将冷却剂施加至所述工件和工具，所述冷却剂子系统包括耦接到冷却剂管网的冷却剂泵，所述冷却剂泵包括；
伺服电机，包括电机扭矩和电机速度传感器；
泵体，机械地耦接到所述伺服电机并流体地耦接到所述冷却剂管网，其中，所述泵体包括泵送元件，所述泵送元件在由所述伺服电机的旋转致动时泵送冷却剂；
冷却剂压力传感器，位于所述泵体的出口处；
冷却剂流量传感器，在所述泵体下游的流体回路中；以及
泵控制器，接收来自所述电机扭矩和电机速度传感器、所述冷却剂压力传感器和所述冷却剂流量传感器的信号，所述泵控制器向所述伺服电机提供控制信号以实现针对每个加工操作规定的预定冷却剂压力或冷却剂流量，其中，所述预定冷却剂压力或冷却剂流量从所述加工站控制器传送，其中，
所述泵控制器被配置成在一个加工操作完成时且在下一个加工操作开始之前，使所述伺服电机降低旋转速度、但不停止。
13.根据权利要求12所述的加工站，其中，所述泵控制器和所述伺服电机被配置成当所述泵控制器向所述伺服电机发出降低旋转速度的信号时恢复再生电能。
14.根据权利要求12所述的加工站，其中，所述加工操作包括钻孔、铣削和螺纹攻丝，并且所述预定冷却剂压力或冷却剂流量是基于工具直径、旋转速度和进给速率、以及工件材料来确定的。
15.根据权利要求12所述的加工站，还包括第二伺服电机和第二泵体，所述第二伺服电机和所述第二泵体用作所述工业加工站中的中心通过冷却剂泵，其中，所述冷却剂被泵送通过所述加工站中使用的工具的中心。
16.一种用于计算机控制的机器的冷却剂泵，所述泵包括：
伺服电机，包括电机扭矩和电机速度传感器；
泵体，机械地耦接到所述伺服电机，其中，所述泵体包括泵送元件，所述泵送元件在由所述伺服电机的旋转致动时泵送冷却剂；以及
控制器，接收来自所述电机扭矩和电机速度传感器的信号，所述控制器基于来自所述电机扭矩和电机速度传感器的信号向所述伺服电机提供控制信号，以实现针对所述计算机控制的机器的特定加工操作规定的预定冷却剂压力或冷却剂流量，其中，
所述控制器被配置为当所述加工操作完成时且在下一加工操作开始之前，使所述伺服电机降低旋转速度、但不停止。
17.根据权利要求16所述的泵，其中，所述泵用作所述计算机控制的机器中的主冷却剂泵。
18.根据权利要求16所述的泵，其中，所述泵用作所述计算机控制的机器中的中心通过冷却剂泵，其中，所述冷却剂被泵送通过所述计算机控制的机器中使用的工具的中心。
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