CN113627707A - 实时监控机械加工工具的使用和磨损以对其智能管理 - Google Patents

Abstract

一种监控用于机械加工的工具的使用和磨损的电子工具监控系统，对于待监控的每个工具，包括：待应用于所述工具的标签，该标签具有允许所述工具区分于其他工具的唯一的标识符；以及独立且单独的电子监控装置，其设计成牢固且能够移除地应用于工具的工具驱动设备，以监控工具的使用和磨损。独立且单独的电子监控装置包括：电子感测装置，用于允许识别工具并监控其使用和磨损；与远程工具管理中心通信的电子通信接口；电子操作员界面，用于向操作员提供有关工具的信息，以及电子控制单元，其电连接到电子感测装置、电子通信接口和电子操作员接口，并且编程为：存储指示工具的使用寿命的数据，识别并监控工具的使用和磨损，估计工具的剩余使用寿命。

Description

实时监控机械加工工具的使用和磨损以对其智能管理

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2020年5月7日提交的、申请号为102020000010255的意大利专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及用于机械加工的工具，例如钻头、铣刀、切割片等的领域，并且特别地，本发明涉及用于智能管理机械加工工具而对其使用和磨损的监控。

背景技术

术语“工业4.0”越来越多地用于表示近年来制造业由于数字技术的传播及其与生产链的集成而面临的根本性范式转变。

在工业4.0中，大数据、机器人、数据分析和互联网通信正在传播到工厂中，并简化了生产过程，从而使其更加高效、动态并能适应市场需求。

但是，除了技术要素外，在工业4.0中，劳动力也发生了变化，劳动力正在变得越来越专业以便与驱动生产过程的数字技术“对话”。

工业4.0源于第四次工业革命，该过程将带来完全自动化和互连的工业生产，而第四次工业革命的基本要素是在全球范围内将IoT(物联网)技术系统地应用到生产过程中。

特别地，根据一家跨国咨询公司的报告，新的数字技术将在四个发展方向上产生深远影响：第一个发展方向涉及数据的使用、计算能力和连接性，而在大数据、开放数据、物联网、机器对机器和云计算方面有所下降，以实现信息及其存储的集中化。

第二个发展反向是分析学：一旦收集到数据，就可以从中获得价值。如今，公司仅使用了很小比例的收集的数据，而这些公司反而可以从“机器学习”中获得优势，即从通过“学习”它们所收集和分析的数据来提高其性能的机器中获得优势。

第三条发展线是人机交互和增强现实，人机交互涉及触敏界面并且正变得越来越流行。

最后，有一个完整的部门处理从数字到“真实”的过渡，其包括增材制造、3D打印、机器人技术、通信、机器对机器的交互以及以合理化成本并优化性能的目标方式存储和使用能源的新技术。

在机械加工领域，这些技术的引入还处于起步阶段。

在该技术领域中，机械加工的质量(特别是其为精密加工时)在很大程度上取决于所用工具的磨损，从而精确且连续地监控其磨损无疑是确保高质量标准方面的基本因素之一。

除此之外，过度的工具磨损会导致工具损坏，这可能导致对操作人员的安全的危险情况以及增加的加工成本。

因此，连续监控工具磨损随时间变化的进程是保证符合机械加工所需的安全标准以及在过度磨损的情况下及时进行干预以执行必要的工具修复操作的另一个基本因素，工具修复操作可以改善工具质量和/或防止损坏的修整操作，从而避免不必要的工具更换的额外费用。

通常，工具的到期磨损是操作员进行视觉评估的主题，正如其随时间变化的进程通常是基于摩擦学实验的经验表征的课题一样。

这种类型的评估的主观性表示可引起评估误差的变量，这些评估误差有时可能会严重地对机械加工的质量和安全性以及使用该部件的产品的质量和使用安全性产生负面影响，其还可能针对由于使用磨损的工具进行的机械加工质量差而导致的使用该部件的产品的任何故障的后果而在民事和刑事责任方面产生重要影响。

在US 4,471,444 A、US 4,694,686 A、US 5,904,457 A和US 10,005,167A1中以示例的方式描述了专利文献中提出的用于监控机械加工工具的磨损状况的一些技术。

发明内容

申请人已经能够确定，工具管理的计算机化现在对于机械公司来说是必不可少的过程，因此使他们能够始终了解每个工具的状态、数量、位置和剩余使用寿命。

但是，尽管没有理由怀疑它们在某些方面下可能令人满意，但申请人仍然能够确定其已知的方法和技术但仍然存在很大的改进余地，特别是从它们与工业4.0引入的新范式的集成的视角来看，从而可以对可能数量众多的工具进行集成和智能管理。

因此，本发明旨在提供一种能够使工具管理实现计算机化的IoT技术，其一方面允许对用于机械加工的工具的使用和磨损以及工具的集成和智能管理进行精确而可靠的监控，并且另一方面，在本来缺乏这种技术的应用环境中也易于使用。

根据本发明，如所附权利要求中所要求的，提供了一种监控用于机械加工的工具的使用和磨损的电子工具监控系统以及一种电子工具管理系统。

附图说明

图1示意性地示出了本发明的电子工具管理系统。

图2示意性地示出了用于监控本发明的工具的使用和磨损的电子系统。

图3示出了用于监控本发明的工具的使用和磨损的电子装置的框图。

图4示出了本发明的工具管理中心的框图。

图5示出了本发明的工具分配站的框图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本发明，以使本领域技术人员能够实现和使用本发明。所呈现的实施例的各种修改对于本领域技术人员而言是清楚的，并且本文公开的一般原理可以应用于其他实施例和应用，但不因此脱离所附权利要求所限定的本发明的保护范围。因此，本发明不应被认为限于所描述和示出的实施例，而应根据所描述和要求保护的特征而被授予最宽的保护范围。

在没有另外定义的地方，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明有关的领域的普通技术人员通常使用的术语相同的含义。在发生冲突的情况下，该描述(包括所提供的定义)应具有约束力。此外，提供这些实施例仅出于示例性目的，因此不应认为是限制性的。

特别地，附图中包含的框图和下面描述的框图不应理解为结构特征或构造性限制的表示，而必须解释为功能特性、为装置的固有特性并且由所获得的效果定义的特性、或者能够以不同方式实施的功能性限定的表示，因此以便保护其功能(发挥功能的可能性)。

为了便于理解本文描述的实施例，将参考一些特定的实施例，并且将使用特定的语言来描述它们。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明的范围。

此外，为了便于描述，下面的描述将在不失一般性的情况下指代呈钻头形式的用于机械加工的工具，该钻头代表本发明的许多有利应用之一。

本发明的思想是使用轻便且可靠的感测技术来对工具驱动设备装测量仪器，以收集指示工具使用情况的信息，从而不仅能够实时量化其实际使用情况，而且能够对其磨损进行实时量化，从而能够实施智能工具管理，智能工具管理使符合预期的质量和安全标准。

在附图中，示意性地示出了根据本发明的优选实施例的电子工具监控系统，该电子工具监控系统特别适用于与原本缺乏该监控技术以及允许其使用的倾向的工具和相关驱动设备一起使用，从而允许对已经上市或生产的所有工具和相关驱动设备进行改造。

此外，在附图中所示的本发明的优选实施例中，为了说明方便，工具以钻头的形式示出，其适于由相应的手持式驱动设备以钻头的形式进行操作，该手持式驱动设备可以是电动的或者气动的。

如图1和图2所示，整体以参考数字1表示的电子智能工具管理系统包括：

-工具管理中心2，

-与工具管理中心2通信耦合的一个或不同的工具收集和分配站3，以及

-与工具管理中心2通信耦合的电子工具监控系统4。

根据应用环境，工具管理中心2和工具收集与分配站3可以是位于工作环境的不同区域中的物理上不同的实体，如在图1所示的实施例中那样，或者可以构成单个实体。

在图1所示的实施例中，工具收集和分配站3可以例如位于公司的执行机械加工操作的操作区域的不同部分中，而工具管理中心2可以相对于工具收集和分配站3被远程定位，例如在公司的管理区域中，该管理区域包含公司业务流程的各种信息和通信(ICT)和管理技术，例如产品生命周期管理(PLM)流程和企业资源计划(ERP)流程。

如图2所示，对于待监控的每个工具5，电子工具监控系统4包括：

-待施加到工具5的标签6，并且与该标签6相关联的唯一标识符ID唯一地识别该标签6，并因此识别在其上施加了标签6的工具5，从而允许工具5区分于由电子工具管理系统1管理并且也设置有与相应的唯一标识符ID相关联的相应的标签6的其他工具5，以及

-电子监控装置8，其被设计成牢固且可移除地应用于工具5的驱动设备7，以监控工具5的使用和磨损。

标签6可以根据适合于应用目的和特定环境及操作条件的任何当前或未来技术来实现。

在图2所示的优选实施例中，标签6基于射频识别(RFID)技术，并因此以通常称为RFID标签的电子标签的形式实现，该电子标签通常是无源的、粘性的并且柔性的，以易于施加并适配工具5的外表面，并且在其中存储唯一标识符ID。

替代地，标签6可以基于光学读取技术，并且因此以传统的非电子粘合且柔性的标签的形式实现，在传统的非电子粘合且柔性的标签上可以以不同的方式实现唯一标识符ID。

在一个实施例中，唯一标识符ID以任何类型的条形码的形式实现。特别地，条形码可以是线性的或方便地是二维的，或者可以呈矩阵的形式，也称为QR码。

替代地或除了以任何类型的条形码的形式实现之外，唯一标识符ID可以以任何其他形式实现，例如以指定长度的字母数字字符串的形式实现。

在一个实施例中，除了唯一标识符ID之外，根据标签6是RFID形式还是条形码形式，还可以分别在标签6中存储或编码附加数据，该附加数据指示工具5和/或其使用寿命或有效期(耐用性)，并且可以方便地用工具5的最大使用极限来表示。方便地，工具5的最大使用极限又可以用以下项表示：工具5的最大磨损、可以使用工具5的机械加工操作的最大次数和/或可以使用工具5进行机械加工操作的最大时间，或者表示工具5的最大允许使用的任何其他合适的量，并且，根据专有标准，该量已超过前述项中的一个或多个时，如果可能的话，必须对工具5进行修复过程，或者以其他方式处置。

电子监控装置8包括保护壳体9，该保护壳体9被设计为允许电子监控装置8在特定于应用的环境和操作条件下适当且可靠地起作用。

壳体9还被设计成使得电子监控装置8可以容易地牢固施加至工具5的驱动设备7，并且同样容易地从工具5的驱动设备7移除，从而可以在发生故障或定期维护时用可修理的另一种装置替换。

特别地，壳体9可以设置有固定装置10，该固定装置10被集成在壳体9中或者与壳体9分离并且可以安装在壳体9上，以允许壳体9能够牢固地但可移除地固定在工具5的驱动设备7上。

例如，固定装置10可以是包括由壳体9承载的机械附接接口并且成形为与由工具5的驱动设备7承载的对应的机械附接接口联接的类型，或者可以是设置有一系列能够紧贴到工具5的驱动设备7的壳体上的联接构件的类型。

电子监控装置8还被设计为独立的且自足的，即在其内具有或包含执行其设计所用于的功能所必需的所有内容，并且能够在不需要外部资源的情况下起作用。

为此，电子监控装置8被设计为设置有硬件(处理、存储和通信)和软件资源，使得其可以独立且自主地起作用，而无需外部硬件资源、特别是其所应用至的驱动设备7的硬件资源。

如图3所示，电子监控装置8还包括容纳在壳体9内的以下部件：

-电子感测装置11，以允许识别工具5，监控工具5的使用以及估计工具5的磨损；

-电子通信接口12，用于使电子监控装置8能够与工具管理中心2通信；

-电源装置13，用于为电子监控装置8的电气和电子部件供电；和

-电子控制单元14，方便地以微控制器(MCU)的形式，电连接到电子感测装置11、电子通信接口12和电源装置13，并且被编程用于控制电子监控装置8的操作，以基于由电子感测装置11提供的信息来识别、监控工具5的使用并估计工具5的磨损，并且以下面更详细描述的方式将指示该工具5的身份、用法和磨损的数据在本地存储并传输至工具管理中心2。

电子感测装置11被设计为测量并输出表示物理量的电输出，该物理量允许电子控制单元14识别工具5并估计工具5的磨损并根据例如工具5执行的加工周期的数量和持续时间、工具5在每个加工周期内执行的单个操作的数量及每个操作的持续时间、以及可用于量化工具5的使用的任何其他数据来量化其使用。

特别地，出于识别工具5的目的，电子感测装置10包括标签读取器15，该标签读取器15可由电子控制单元13操作以读取标签6的唯一标识符ID。

标签读取器15基于与标签6的技术相对应的当前或未来技术。

特别地，在标签6是RFID标签的实施例中，标签读取器15是RFID读取器，RFID读取器可由电子控制单元14操作以查询标签6，接收存储在RFID标签4中并由其响应于来自标签读取器15的查询而发送的唯一标识符ID，并且将接收的唯一标识符ID发送到电子控制单元13，在此将其适当地存储在电子控制单元14的存储资源中。

在标签6是唯一标识符ID为线性条形码形式的非电子传统标签的实施例中，标签读取器15是基于光学技术、特别是激光技术的常见的条形码读取器。

在标签6是唯一标识符ID为QR码形式的非电子传统标签的实施例中，标签读取器15是常见的QR码读取器，众所周知，其包括数字照相机，数字照相机可以电子控制单元14操作以捕获QR码的数字图像并将其发送到电子控制单元14，在此可以对其进行处理以提取在接收到的数字图像中描绘的QR码中编码的唯一标识符ID。

在标签6是唯一标识符ID以条形码、在上述示例中以字母数字字符串的形式以外的任何形式示出的非电子传统标签的实施例中，标签读取器15是光学传感器，其可方便地基于成像的技术，即采用由常见数字(微型)照相机(例如CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)(微型)相机)组成的数字图像捕获传感器的形式，也称为APS(主动像素传感器)相机，可由电子控制单元14进行操作，以捕获字母数字字符串的图像并将其传输到电子控制单元14，从而其可以被处理以通过光学字符识别过程提取在其中描述的字母数字字符串中编码的唯一标识符ID。

为了监控工具5的使用和磨损，根据工具5的类型和待进行的机械加工，电子感测装置11包括以下换能器中的一个或组合，所有这些均以数字16表示：

-适当地布置在壳体9内的电声换能器(麦克风)，以测量在机械加工期间由工具5产生的声音发射，并输出指示声音发射水平的电输出；

-振动传感器，方便地呈压电加速度计的形式，适当地布置在壳体9内，以测量在加工期间由工具5产生的机械振动并输出指示机械振动的水平的电输出；

-接近传感器，其方便地呈红外距离传感器的形式，并适当地布置在壳体9内，以测量距离并输出指示接近传感器到待机械加工的机械部件的距离的电输出，从而使电子控制单元14验证工具5被操作但不是加工，而相反是实际上在对机械部件进行机械加工，并计算执行机械加工所花费的时间。在所考虑的以钻头形式的工具的示例中，接近传感器的电输出使得电子控制单元14能够验证接近传感器到待钻孔的机械部件的距离小于接近传感器距钻头远端的距离，因此能够验证钻头有效地穿透到机械部件中，并计算出钻头钻出孔所花费的时间；

-无源红外传感器(PIR)，其适当地布置在壳体9内，以使工具5在无源红外传感器的视场内，从而输出指示由传感器5在机械加工过程中以红外线辐射形式发射的热能的强度的电输出；

-陀螺仪，该陀螺仪适当地布置在壳体9内，以测量工具5的旋转速度并输出指示该旋转速度的电输出；

-负荷传感器，用于测量在机械加工期间由工具5施加至机械部件的力，并输出指示所施加的力的电输出；和

-适当地布置在壳体9上的触觉按钮，使得操作员可以在机械加工的开始和结束时对其进行操作，或者可以在整个机械加工中被保持按下以指示机械加工的开始时间和结束时间或其持续时间。

在一个实施例中，电子监控装置8可以方便地(但并非必须)还设置有连接到电子控制单元14的操作员界面17，以允许操作员与电子监控装置8进行交互。

操作员界面17可以方便地包括以下一项或多项：

-电子显示器，例如液晶显示器，用于显示对操作员有用的各种信息，例如与电子监控装置8的操作、工具5的磨损以及(如果适用)待对工具5和相关联的驱动设备7执行的干预措施有关的信息；

-一个或多个光指示器，例如LED指示器，其能够发射指示工具5的不同磨损的不同颜色的光指示，其中，绿光指示可以例如指示与机械加工相符的工具5的磨损，红光指示例如可以指示与待进行的机械加工不相符的工具5的磨损，而黄光指示例如可以指示对待执行的机械加工而言关键的工具5的磨损；

-声音警告装置，用于声音信号的形式向操作员传达由光指示器提供的相同指示，以及

-与电子监控装置8的预设或可编程功能相关联的一个或多个按钮，并且可以由操作员手动操作以实现相关联的功能，例如，在电子显示器上可视化与电子监控装置8的操作、工具5的磨损以及待在工具5上及工具5的相关联的驱动设备7上执行的任何干预措施有关的上述信息，故障/紧急信号，电子监控设备8的复位等。

在一个实施例中，电子监控装置8可以方便地，但并非必须地，进一步包括附加的电子存储装置(未示出)，以向电子监控装置8提供除电子控制单元14的存储资源以外的存储资源，并在本地存储各种数据，例如指示工具5的磨损及其时间进度的数据，以及其唯一的标识符ID等。

电子存储装置可以方便地采用可移除存储卡的形式，其一旦被移除，就可以联接至个人计算机以下载本文所包含的数据并将所下载的数据通过互联网或专属连接传输至工具管理中心2。

电子通信接口12基于允许电子通信接口12与工具管理中心2通信的任何当前或将来的通信技术。

方便地，电子通信接口12被设计为基于以下一种或多种通信技术与工具管理中心2进行通信：

-一种或不同的短程无线(无线电或光)通信技术，方便地包括包括Wi-Fi技术，通信电子接口12可以通过该Wi-Fi技术经由无线局域网(WLAN)与工具管理中心2进行通信，或者除Wi-Fi技术之外，或作为Wi-Fi技术的替代，包括ZigBee技术、蓝牙技术(例如，根据规范4.0，又称为蓝牙低功耗，蓝牙LE或蓝牙智能)，其还提供了便于配对过程的电子信标功能，并且电子通信接口12可以通过该技术经由存在于其通信范围内并且属于例如正在使用工具5的操作员的个人移动设备(例如智能手机)与工具管理中心2进行通信；

-包括3G、4G、5G等蜂窝通信技术中的一种或多种的一种或不同的远程无线(无线电或光)通信技术；和

-有线通信技术，方便地为USB(通用串行总线)技术，众所周知，该USB技术包括称为USB连接器或端口的特殊连接器，这些连接器可通过称为USB电缆的特殊电缆连接到其他USB连接器。

电源装置13可以是外部电源，或者方便地是自备电源，或两者。

如果是外部电源类型，则电源装置13包括用于通过合适的连接电缆连接到外部电源的合适的电源连接器，以及连接到该电源连接器并设计为输出适合于为电子监控装置8的电气和电子组件供电的稳定电压的内部电源，

如果是自备电源类型，则电源装置13包括内部电源，该内部电源被设计为输出适合于向电子监控装置8的电气和电子组件供电的电压。

内部电源可以是不可充电的或可充电的。

当为可充电类型时，内部电源包括电能存储装置或电池，方便地为锂聚合物(LiPO)类型，并设有充电装置，该充电装置被设计为可通过电连接器连接到外部电源，并使用从外部电源汲取的电能为电池充电。

在更先进的实施例中，作为与外部电源的连接的替代或补充，内部电源可以(还)配备有充电装置，该充电装置被设计为通过利用在机械加工过程中产生的振动能对电池进行充电。

在另一个更先进的实施例中，作为与外部电源的连接的替代或补充，内部电源可以(还)具有充电阶段，该充电阶段被设计为通过利用经由合适的RF天线捕获的电磁信号中包含的RF能量对电池进行无线或感应充电。

电子控制单元14被编程为：

-存储指示工具5的使用寿命的数据，该数据方便地用工具5的最大使用极限来表示，该最大使用极限又可以方便地用工具5的最大磨损、可以使用工具5的机械加工操作的最大次数和/或可以使用工具5进行机械加工操作的最长时间，或者适于代表工具5的最大允许使用的任何其他量，并且，根据专有标准，如果可能的话，在超过以上项中的一个或多个时，必须对工具5进行修复处理，或者以其他方式处置；

-根据由工具5执行的机械加工操作的次数和/或工具5的使用时间来监控工具5的使用，并基于电子传感设备10的输出来从机械加工周期开始估计工具5的当前磨损；

-基于工具5的使用和估计的磨损以及所存储的工具5的最大使用极限来按照例如仍然可以由工具5执行剩余的机械加工操作次数和/或工具5的剩余使用时间和/或工具5的剩余磨损来估计工具5的剩余使用寿命；

-如果确定工具5的使用寿命未耗尽，因此工具仍可用于进一步的机械加工操作，则通过操作员界面17的电子显示器和/或灯光指示器和/或声音警告装置向操作员提供有关工具5的剩余使用寿命的信息；和

-相反，如果确定工具5的使用寿命已用尽，因此不能再使用工具5进行后续的机械加工操作，则执行一种或多种不同的干预措施，用于使正在进行的机械加工周期由于超出存储的最大使用极限中的一项或多项而被中断，并且特别地：

通过操作员界面17的电子显示器和/或灯光指示器和/或声音警告装置通知操作员需要立即中断使用工具5；并且

如果特定应用允许，则直接干预工具5的驱动设备7，以中断其操作，例如，通过经由电子通信接口12向沿管道布置的开/关电磁阀发送关闭命令，开/关电磁阀向工具5的驱动设备7供应压缩空气的并且为此目的而被预先设置，即被设计成接收打开和关闭命令并相应地改变其操作状态；并且

-经由电子通信接口12传输到工具管理中心2，并在其内部存储器或附加的电子存储装置(如果提供的话)中本地存储与工具5相关联的标签6的唯一标识符ID和表示工具5的剩余使用寿命或工具5的使用寿命已耗尽的数据。

可以基于专有标准来确定工具5的使用寿命的耗尽，该专有标准基于超过所存储的最大使用极限中的一个或多个，在确定工具5的使用寿命耗尽时，可以给每个所存储的最大使用极限相同的权重，以使得最大使用极限会以相同的方式影响确定工具5使用寿命的耗尽，或者给每个所存储的最大使用极限不同的重量下，以使得最大使用极限可不同地影响工具5的使用寿命耗尽。

电子控制单元14可以进一步被编程为经由电子通信接口12从工具管理中心2接收操作中断命令，该操作中断命令一旦被执行，就经由用户界面17的电子显示器和/或灯光指示器通知操作员由于超过了工具5的使用和/或磨损所允许的最大极限而需要中断正在进行的机械加工操作周期。

工具5的最大使用极限可以独立于工具5所适合的机械加工操作，并且因此对于工具5所适合的所有机械加工操作是唯一的，或者可以特定于机械工具5适合的机械加工操作，因此对于工具5适合的不同机械加工操作来说是不同的。

可以以多种方式将工具5的最大使用极限提供给电子监控装置8，例如，如前所述，可以将其存储在与工具5相关联的标签6中，并与标签6的唯一标识符ID一起读取，或者可以经由电子通信接口12将其从工具管理中心2发送到电子监控装置8。

为了识别工具5，如果工具5的唯一标识符ID存储在RFID标签6中，则电子控制单元14被编程为操作标签读取器15并接收从标签6读取的唯一标识符ID。另一方面，如果标签6的唯一标识符ID为QR码或字母数字字符串的形式，则电子控制单元14被编程为接收由数字照相机捕获的QR码或字母数字字符串的数字图像，并对其进行处理以对QR码进行解码，并以已知方式(因此未详细描述)提取编码在其中的唯一标识符ID，或通过光学字符识别过程识别由字母数字字符串表示的唯一标识符ID。

为了估计工具5的使用，对电子控制单元14进行编程以确定由工具5执行的加工周期的次数和持续时间、在每个机械加工周期中执行的机械加工的次数以及执行每次机械加工花费的时间。

电子控制单元14被编程为基于以下量中的一种或(线性和非线性)组合来估计工具5的磨损：

-在待进行的机械加工的典型操作条件下工具5的使用时间，在所考虑的钻头示例中，待进行的机械加工的典型操作条件是钻头以高于阈值速度的速度旋转的时间、距待钻削的机械部件的距离(由接近传感器测量)小于距钻头远端的距离，这些后面的条件表示钻头在待钻削的机械部件中的有效穿透；

-振动传感器在给定的频率范围内、振幅大于给定阈值的情况下测量的由机械加工产生的振动；和

-在给定的频率范围内由机械加工产生的噪音或声音。

指示所估计的工具5的使用、磨损和剩余使用寿命的数据可以根据方便地旨在最大化电子监控装置8的电气自主性的专有标准被传送到工具管理中心3。例如，使用和磨损数据可以在每单次机械加工结束时以数据包的形式发送，以便工具管理中心3实时更新工具5的使用和磨损情况，或者方便地，获取所有数据与单个机械加工操作有关的数据包可以一次全部发送，例如在每单个加工周期结束时，或者周期性地(例如每小时一次)，或者在每个工作班次结束时，或者在每个工作日结束时再次，或者当电子监控装置5的存储容量即将用尽时，一次性发送与各次机械加工操作相关的所有数据包。

每个数据包和/或数据包的每次发送都方便地加上时间戳，该时间戳指示生成/发送的日期和时间，以允许确认和跟踪生成/发送。

如图4所示，工具管理中心2包括：

-电子通信接口18，其被配置为与电子监控装置8的电子通信接口12通信以从其接收指示相关工具5的剩余使用寿命或使用寿命耗尽的数据，以及与后面描述的工具收集和分配站3的电子通信接口通信以从其接收磨损数据。

-工具数据库TDB，其可以存储在专用电子存储单元或为诸如ICT、PLM或ERP的其他业务技术的部分的存储资源中；和

-方便地为服务器形式的电子数据处理单元19，其被配置为与电子通信接口18通信以接收由其接收的数据并访问工具数据库TDB，并与工具收集和分配站3通信，以根据接收到的数据和存储在工具数据库TDB中的数据，由工具收集和分配站3管理工具5和相关的驱动设备7的收集和分配。

通信电子接口18可以基于任何允许通信电子接口18与电子监控装置8的通信电子接口12以及与工具收集和分配站3的通信电子接口进行通信的当前或将来的通信技术。

工具数据库TDB被构造成针对由工具管理中心2管理的每个工具5存储对应的数据记录，该数据记录包含指示以下内容的数据：

-工具的唯一标识符ID 5，

-工具5的使用寿命，在工具5的使用寿命耗尽后，工具5应进行修复或以其他方式处置，

-由与工具5相关联的电子监控装置8传送的工具5的剩余使用寿命。

-工具5适合的机械加工操作，

-工具5位于其中的收集和分配站3，

-由于重磨/修复或处置而导致的工具5的可用性缺失。

电子数据处理单元19被配置为填入并保持工具数据库TDB被更新，并且为此，其被配置为：

-处理从电子监控装置8以及从工具收集和分配站3接收的数据，以估计工具5的剩余使用寿命，并管理使用寿命已耗尽的工具5的修复和处置；和

-用估计的工具5的剩余使用寿命以及关于由于修复或处置而导致的工具5的可用性缺失的信息来保持工具数据库TDB更新。

电子数据处理单元19还可以被配置为基于从电子监控装置8接收的使用和磨损数据来计算适当的分析，例如，允许诊断出工具破损的最常见原因的统计数据，或用于基于接收到的数据而训练的人工智能(AI)算法，评估工具5对于工具5适合的全部或部分机械加工操作的使用寿命的任何延长或缩短，然后相应地更新工具数据库TDB和/或将数据下载到专门的数据挖掘或大数据分析系统中。

电子数据处理单元19还可以被配置为中断工具5的驱动设备7的操作，该工具5在机械加工操作的周期期间耗尽其剩余使用寿命。

为此，电子数据处理单元19可以被配置为经由电子通信接口12和18向电子监控装置8发送操作中断命令，当该操作中断命令被电子监控装置8的电子控制单元14接收并执行时，使电子控制单元执行以下一项或多项干预措施，以使工具5的操作中断：

-通过操作员界面17通知操作员需要中断工具5的使用，以及

-直接干预工具5的驱动设备7以中断其操作。

如图5所示，每个工具收集和分配站3包括：

-电子操作员界面20，操作员可通过该电子操作员界面20提交对工具5可能以与相关的驱动设备7结合使用的方式进行机械加工操作的请求；

-电子通信接口21，用于与工具管理中心2的通信电子接口18进行通信，并且可能与电子监控装置8的通信电子接口12进行通信；

-感测装置22，用于允许识别归还的工具5并监控其使用；和

-电子控制单元23，其方便地也是服务器形式，被配置为与电子操作员接口20、电子通信接口21和感测装置22通信，并基于接收到的对工具5的请求来管理工具5和相关的驱动设备7的收集和分配，如下所述。

电子操作员界面20被配置为允许操作员提交对工具5和相关的驱动设备7的请求以使用适合该目的的任何现有或未来技术来执行机械加工操作。

举例来说，电子操作员界面20可以是触敏显示器的形式，在其上显示合适的图形用户界面(GUI)，操作员可以通过该图形用户界面输入他们自己的识别数据、待执行的机械加工操作的识别数据和工具5或驱动工具7的识别数据，他们例如通过在特殊的下拉菜单中选择它们或通过手动输入相关的识别码来要求这些识别数据。

替代地，电子操作员界面20可以是一系列读取器的形式，包括：标记读取器，通过该标记读取器可以读取其个人标记中包含的操作员的识别数据；或者生物识别读取器，可以通过该生物识别器测量操作员的生物识别参数，并在此基础上识别操作员；以及QR码读取器，借助该QR码读取器，可以读取印在加工板上并识别待进行的机械加工的一个或多个QR码和工具5待使用的相关驱动设备7。

电子通信接口21基于允许电子通信接口21与工具管理中心2的电子通信接口18进行通信的任何当前或将来的通信技术。

感测装置22包括：

-类似于电子监控装置8的标签读取器15的标签读取器24，用于读取与归还的工具5相关联的标签6的唯一标识符ID；和

-基于允许估计归还的工具5的磨损的任何当前或将来的扫描技术的工具扫描传感器25。

在一个实施例中，工具扫描传感器25可以方便地基于成像技术，即，以包括可以由电子控制单元23操作的普通数字照相机(例如，CCD或CMOS照相机)的数字图像捕获传感器的形式，以捕获工具5的一幅或多幅数字图像，并在操作员归还工具5时将其发送给电子控制单元23，以便随后可以由电子控制单元23处理捕获的数字图像，以基于捕获的数字图像客观地估计工具5的磨损。

在不同的实施例中，工具扫描传感器25可以方便地基于激光技术，即，以允许以不同的比例和分辨率检测三维工具模型5的激光扫描器(也称为3D激光器)的形式。

电子控制单元23被配置为管理归还的工具5的收集，并且为此，电子控制单元23被配置为：

-接收并处理感测装置22的输出，以识别归还的工具5并估计其磨损；和

-经由电子通信接口21和18与工具管理中心2通信，以提供指示与归还的工具5相关联的标签6的唯一标识符ID的数据。

关于工具5的驱动设备7，它们的收集可以由管理相关工具5的收集的同一工具收集和分配站3来管理，或者由专用于此目的的不同的收集站来管理。为此，工具5的驱动设备7还可以方便地设置有与用于识别工具5的标签6相同的识别标签。

电子控制单元23还被配置为管理工具5的分配，并且为此目的，被配置为：

-通过电子操作员界面20接收操作员提交的对工具5的请求，每个请求都包含识别提交请求的操作员、要执行的机械加工操作以及用于执行指示的机械加工的工具5的数据；

-验证所请求的工具5是否适合执行所指示的机械加工操作，以及在工具收集和分配站3中是否有工具5与所请求的工具相匹配并且其剩余使用寿命足以执行所指示的机械加工操作；

-如果确定所请求的工具5不适合执行所示的机械加工操作，或者在工具收集和分配站3中没有工具5与所请求的工具匹配，或者在工具收集和分配站3中有工具5与所请求的工具相匹配，但其剩余使用寿命不足以执行所指示的机械加工操作：

阻止工具收集和分配站3交付所请求的工具5；和

使提交请求的操作员被按时通知；和

-如果确定所请求的工具5适合于执行所指示的机械加工操作，并且在工具收集和分配站3中有工具5与所请求的工具相匹配，并且其剩余使用寿命足以执行所指示的机械加工操作，则使得工具5被分配给提交请求的操作员，例如通过将工具库连接到收集和分配站3的传送带。

可以根据两种不同的架构方法来验证所请求的工具5是否适合执行指示的机械加工操作，以及在工具收集和分配站3中是否有工具5与所请求的工具匹配：第一架构方法，其中，工具数据库TDB是电子工具管理系统1的唯一工具数据库，因此代表集中式工具数据库TDB，因此，电子控制单元23与工具管理中心2通信以访问包含在其中的数据；第二架构方法，其中，工具数据库TDB的部分副本保存在工具收集和分配站3中，每个工具收集和分配站3仅包含工具收集和分配站3中的工具5的数据。

在第一种方法中，电子控制单元23因此配置为：

-通过电子通信接口21和18与工具管理中心2进行通信，以访问工具数据库TDB，并基于其中包含的各种工具5的数据：

验证所请求的工具5是否适合执行指示的机械加工操作，以及在工具收集和分配站3中是否有工具5与所请求的工具匹配；

验证工具5的剩余使用寿命是否与所请求的工具相匹配并被确定为适合并可用于执行所指示的机械加工操作以使工具5能够执行所指示的加工周期的；

在与请求的工具匹配并且适合并且可用于执行所指示的机械加工操作并且确定其剩余寿命已使工具5能够执行所指示的机械加工操作的工具5中，根据例如目的是使工具的磨损尽可能均匀的某个专有标准来识别待分配给请求它们的操作员的特定的工具5；和

在工具数据库TDB中更新已交付工具5的数据记录以及有关请求它们的操作员的信息。

在第二种方法中，本地工具数据库TDB进一步保存在每个工具收集和分配站3中，该工具收集和分配站3包含在工具收集和分配站3中的、集中式工具数据库TDB中含有的工具5的数据的副本，因此然后，将电子控制单元23配置为访问本地工具数据库TDB，并基于其中包含的用于各种工具5的数据，执行与前面所述相同的操作，然后与工具管理中心2进行通信以进行更新工具数据库TDB中所交付的工具5的数据记录。

类似于关于它们的收集所描述的，工具5的驱动设备7的分配可以由管理工具5的分配的相同的工具收集和分配站3来管理，或者由特定专用于此目的地不同的分配站来管理，以实现与先前关于工具5所描述的操作类似的操作。

基于前述内容，可以理解的是，本发明能够实现在此阐述的所有目的。

特别地，本发明使得能够对已经上市或制造的所有工具和相关驱动设备进行改装，从而即使它们本来缺乏这种监控技术以及允许采用它们的任何措施，也能够对其使用和磨损进行精确而可靠的监控。

此外，本发明使得能够实现对任何尺寸的工具的集成、智能和可扩展的管理，从而确保严格遵守该技术领域中所提供的任何质量和安全标准，甚至是最严格的标准。

申请人已经能够确定他所知道的方法和技术，尽管没有理由怀疑它们在某些方面可能是令人满意的，但仍然存在很大的改进余地，特别是在它们与由工业4.0引入的新范式的整合方面，以便对可能数量众多的工具进行集成和智能管理。

因此，本发明旨在提供一种IoT技术，该IoT技术一方面允许对用于机械加工操作的工具的使用和磨损以及工具的集成和智能管理进行精确而可靠的监控，并且另一方面，该IoT技术也可以很容易地在本来缺乏这种技术的应用环境中使用。

Claims (10)

1.一种监控用于机械加工的工具(5)的使用和磨损的电子工具监控系统(4)，对于待监控的每个工具(5)，所述电子工具监控系统(4)包括：

-待应用于所述工具(5)的标签(6)，所述标签(6)具有唯一的标识符(ID)，所述标识符(ID)允许所述工具(5)区分于其他工具(5)；以及

-独立且单独的电子监控装置(8)，其设计成牢固且能够移除地应用于工具驱动设备(7)，以监控由此驱动的工具(5)的使用和磨损；

所述独立且单独的电子监控装置(8)包括：

-电子感测装置(11)，用于允许识别所述工具(5)并监控其使用和磨损；

-与远程工具管理中心(2)通信的电子通信接口(12)，

-电子操作员界面(17)，用于向操作员提供有关所述工具(5)的信息，以及

-电子控制单元(14)，其电连接到所述电子感测装置(11)、所述电子通信接口(12)和所述电子操作员接口(17)，并且编程为：

存储指示所述工具(5)的使用寿命的数据，

根据所述电子感测装置(11)的输出来识别并监控所述工具(5)的使用和磨损，

根据监控的所述工具(5)的使用和磨损以及存储的指示其使用寿命的数据来估计所述工具(5)的剩余使用寿命，

-如果确定所述工具(5)的使用寿命未耗尽，则通过所述电子操作员界面(17)向所述操作员提供有关所述工具(5)的剩余使用寿命的信息，

-如果确定所述工具(5)的使用寿命已耗尽，则执行以下一项或多项干预措施，以使所述工具驱动设备(7)的操作中断：

通过所述电子操作员界面(17)通知所述操作员需要中断所述工具驱动设备(7)的操作，以及

直接干预所述工具驱动设备(7)以中断其操作；并且

-经由所述电子通信接口(12)向所述工具管理中心(2)发送与所述工具(5)相关联的所述标签(6)的唯一标识符(ID)以及指示估计的所述工具(5)的剩余使用寿命或指示其使用寿命已耗尽的数据。

2.根据权利要求1所述的电子工具监控系统(4)，其中，所述标签(6)基于射频识别(RFID)技术或光学扫描技术、特别是成像技术，并且所述电子感测装置(11)包括标签读取器(15)以读取与所述标签(6)相关联的并且分别基于射频识别(RFID)技术或光学扫描技术、特别是成像技术的唯一标识符(ID)。

3.根据权利要求1所述的电子工具监控系统(4)，其中，所述电子感测装置(11)还包括以下换能器中的一个或组合，以允许监控所述工具(5)的使用和磨损：

-电声换能器，用于测量所述工具(5)在机械加工期间产生的声音发射；

-振动换能器，用于测量所述工具(5)在机械加工期间产生的机械振动；

-接近传感器，用于测量所述接近传感器与待机械加工的机械部件之间的距离；

-无源红外传感器，用于测量所述工具(5)在机械加工期间以红外辐射形式发射的热能，

-陀螺仪，用于测量所述工具(5)的转速，

-负荷传感器，用于测量由所述工具(5)在正被机械加工的机械部件上施加的力，以及

-触觉按钮，其能够由操作员在机械加工的开始和结束时操作，或者在操作过程中始终保持按下以指示机械加工开始和结束的时刻或其持续时间。

4.一种电子工具管理系统(1)，包括：

-工具管理中心(2)，

-与所述工具管理中心(2)通信的一个或不同的工具收集和分配站(3)，以及

-根据权利要求1所述的电子工具监控系统(4)，用于每个待监控的工具(5)。

5.根据权利要求4所述的电子工具管理系统(1)，其中，所述工具管理中心(2)包括：

-电子通信接口(18)，用于与电子监控装置(8)的电子通信接口(12)进行通信，以接收指示监控的所述工具(5)的剩余使用寿命或指示其使用寿命已耗尽并通过所述电子监控装置(8)传输的数据，并且与所述工具收集和分配站(3)的电子通信接口(21)通信，以接收由此传输的磨损数据；

-工具数据库(TDB)；和

-电子数据处理单元(19)，其配置成与所述电子通信接口(18)通信以接收由此接收的数据并访问所述工具数据库(TDB)，并配置成与所述工具收集和分配站(3)通信以由所述工具收集和分配站(3)根据接收到的数据和存储在所述工具数据库(TDB)中的数据来管理所述工具(5)的收集和分配；

所述工具数据库(TDB)构建成针于对由所述工具管理中心(2)管理的每个工具(5)来存储指示以下内容的数据：

-所述工具(5)的所述唯一标识符(ID)，

-所述工具(5)的使用寿命，在所述工具(5)的使用寿命耗尽后，所述工具(5)应进行修复或以其他方式处置，

-由相关联的电子监控装置(8)传输的所述工具(5)的剩余使用寿命，以及

-所述工具(5)适于的机械加工操作，

-被分配有收集和分配所述工具(5)的任务的所述收集和分配站(3)，以及

-由于修复或处置而导致的所述工具(5)的可用性的任何缺失；

所述电子数据处理单元(19)还配置成：

-处理从所述电子监控装置(8)以及从所述工具收集和分配站(3)接收的数据，以估计所述工具(5)的剩余使用寿命，并管理使用寿命已耗尽的所述工具(5)的修复和处置，并且

-保持所述工具数据库(TDB)更新估计的所述工具(5)的剩余使用寿命和关于所述工具(5)的由于修复和处置而导致的可用性的缺失的信息。

6.根据权利要求5所述的电子工具管理系统(1)，其中，所述工具管理中心(2)的所述电子数据处理单元(19)还被配置为：基于根据接收到的数据而训练的人工智能(AI)算法，来评估对于所述工具(5)适合的所有或部分机械加工操作的所述工具(5)的使用寿命的延长或缩短，并且相应地更新所述工具数据库(TDB)。

7.根据权利要求5所述的电子工具管理系统(1)，其中，所述工具管理中心(2)的电子数据处理单元(19)还被配置为发送所述电子监控装置(8)的操作中断命令，当被所述电子监控装置(8)的所述电子控制单元(14)接收并执行时，所述操作中断命令使所述电子控制单元(14)实施以下一种或多种干预措施，以使所述工具驱动设备(7)的操作中断：

通过所述操作员界面(17)通知操作员需要中断所述工具驱动设备(7)的操作；以及

直接干预所述工具驱动设备(7)，以中断其操作。

8.根据权利要求4所述的电子工具管理系统(1)，其中，工具收集和分配站(3)包括：

-电子操作员界面(20)，操作员能够通过所述电子操作员界面(20)提交对所述工具(5)执行机械加工操作的请求，

-电子通信接口(21)，用于与所述工具管理中心(2)的所述电子通信接口(18)通信，

-感测装置(22)，用于允许识别归还的工具(5)并监控其使用，以及

-电子控制单元(23)，其被配置为与所述电子操作员界面(20)、所述电子通信界面(21)和所述感测装置(22)通信，并基于对所述工具(5)的请求来管理所述工具(5)的收集和分配。

9.根据权利要求8所述的电子管理系统(1)，其中，工具收集和分配站(3)的所述感测装置(22)包括：

-标签读取器(24)，用于读取与归还的工具(5)相关联的标签(6)的唯一标识符(ID)；和

-基于成像技术或激光技术的工具扫描传感器(25)，用于估计归还的工具(5)的磨损。

10.根据权利要求8所述的电子管理系统(1)，其中，工具收集和分配站(3)的所述电子控制单元(23)被配置为通过以下方式管理归还的工具(5)的收集：

-接收和处理所述感测装置(22)的输出，以识别归还的工具(5)并估计其磨损，并且

-与所述工具管理中心(2)通信以提供指示与归还的工具(5)相关联的标签(6)的唯一标识符(ID)及其磨损的数据；

工具收集和分配站(3)的所述电子控制单元(23)进一步配置为通过以下方式管理工具(5)的交付：

-接收操作员通过所述电子操作员界面(20)提交的对工具(5)的请求，每个请求都包含识别提交所述请求的操作员的数据、待执行的机械加工操作以及待用来执行指示的机械加工的工具(5)，

-验证所请求的工具(5)是否适合执行指示的机械加工操作，以及在所述工具收集和分配站(3)中是否有工具(5)与所请求的工具相匹配并且其剩余使用寿命足以执行指示的机械加工操作，

-如果确定所请求的工具(5)不适合执行所指示的机械加工操作，或者确定在所述工具收集和分配站(3)中没有工具(5)与所请求的工具相匹配，或者确定在所述工具收集和分配站(3)中有工具(5)与所请求的工具相匹配，但其剩余使用寿命不足以执行所指示的机械加工操作，则：

阻止所述工具收集和分配站(3)交付所请求的工具(5)，并且

使提交所述请求的操作员按时得到通知；并且

-如果确定所请求的工具(5)适合执行指示的机械加工操作，并且在所述工具收集和分配站(3)中有工具(5)与所请求的工具相匹配且其剩余使用寿命足以执行指示的机械加工操作，则使所述工具收集和分配站(3)交付所请求的工具(5)。

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