CN114378642A - 带测量装置的刀具架的状态监测 - Google Patents

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CN114378642A CN202111211747.8A CN202111211747A CN114378642A CN 114378642 A CN114378642 A CN 114378642A CN 202111211747 A CN202111211747 A CN 202111211747A CN 114378642 A CN114378642 A CN 114378642A
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Abstract

一种用于监测刀具架的工作特性的方法。在用于监测刀具架(1)的工作特性的方法(100)中，使用来自设置在该刀具架中的传感器(9)的至少两个径向地取向的测量轴(x，y)的至少两个测量轴信号(x，y)来形成合成的测量轴信号(合成结果(R))，并且使用该合成的测量轴信号或该合成结果(R)执行监测。

Description

带测量装置的刀具架的状态监测
本发明涉及一种用于监测刀具架的工作特性的方法。
这种方法例如由F.Bleicher等人的“In-Process Control with a Sensory ToolHolder to avoid Chatter”,Journal of Machine Engineering,2018,Vol.18,No.3，16-27[使用感测式刀具架进行过程控制以避免振颤，机械工程学报，2018年，第18卷，第3号，16-27]、
Figure BDA0003309125340000011
等人的“Using Sensory Tool Holder Data for OptimizingProduction Processes”,Journal of Machine Engineering,2019,Vol.19,No.3，43-55[使用感测式刀具架数据优化生产过程，机械工程学报，2019年，第19卷，第3号，43-55]或F.Bleicehr等人的“Method for Determining Edge Chipping in Milling based onTool Holder Vibration Measurements”,CIRP Annals-Manufacturing Technology 69(2020)101-104[基于刀具架振动测量确定铣削边缘崩刃的方法，CIRP年鉴-制造技术69(2020)101-104]已知。
在此，在这里要监测的刀具架被设计成围绕限定轴向方向的刀具架旋转轴线(D)旋转，并且在其一个轴向的纵向端部处设置有带有用于接纳刀具的刀具接纳结构的刀具区段，并且在其另一个轴向的纵向端部处设置有带有联接结构的联接区段，该联接结构用于传递扭矩地与机床的机床主轴联接。
此外，要监测的刀具架具有用于检测与刀具架的工作相关的数据的测量装置，该测量装置是单轴加速度传感器，其具有相对于刀具架旋转轴线(D)径向取向的单个测量轴，其中该加速度传感器生成与这个径向测量轴相关联的测量轴信号。
以如下方式来监测这个刀具架中的工作特性，例如观察在这里为铣削时(在此于是在刀具架的刀具接纳结构中接纳铣削刀具)刀具架中的振动或识别不稳定性(如振颤)：该单轴加速度传感器在铣削期间测得的测量轴信号在时间曲线中或在频谱中予以分析。于是例如该单轴加速度传感器的测量轴信号在时间曲线上的“异常的”(例如阶跃的)变化可以表示不稳定。
在借助这种带有测量装置/加速度传感器的刀具架(例如在考虑)对铣削加工进行这种监测的缺点可能会是：由该刀具架的测量装置为加工工序提供的信号/数据(尤其在没有合适的评估方法的情况下)会不充分地或说服力较小地反映该刀具架的工作(例如在这里为铣削过程)，由此也只能不充分地进行该(过程)监测。简而言之，带有测量装置的刀具架在此提供了难以针对过程予以解释的(过程)信号/(过程)数据。
因此本发明的目的是，提出一种用测量装置来监测刀具架的工作特性的方法，其避免了现有技术的缺点，尤其是对现有技术加以改进，从而可以以提高的说服力反映和监测在刀具架中或刀具架的工作和/或工作特性或加工过程。
该目的通过一种具有独立权利要求的特征的用于监测刀具架的工作特性的方法来实现。本发明的有利的改进方案是从属权利要求以及以下说明书的主题。
所使用的术语，例如顶部、底部、前部、后部、左侧或右侧应根据通常的理解来进行理解，除非另有明确定义。诸如径向和轴向的术语应参照刀具架的刀具架旋转轴线(D)来理解。
术语“基本上”(根据最高法院的理解)可以理解为，它指的是“实际上仍然相当大的程度”。由于制造或组装公差等原因，可能会无意中(即没有功能性理由)产生与通过该术语所隐含的精确性的可能偏差。
用于监测刀具架的工作特性的该方法提出了一种刀具架，该刀具架被设计成围绕限定轴向方向的刀具架旋转轴线(D)旋转。
此外，要监测的刀具架在其一个轴向的纵向端部处设置有带有用于接纳刀具的刀具接纳结构的刀具区段，并且在其另一个轴向的纵向端部处设置有带有联接结构的联接区段，该联接结构用于传递扭矩地与机床的机床主轴联接。
此外，要监测的刀具架也具有用于检测与刀具架的工作相关的数据的测量装置。
该测量装置是传感器、尤其是加速度传感器，其具有至少两个测量轴(例如用x和y表示)，这两个测量轴(x，y)相对于该刀具架旋转轴线(D)基本上径向地取向。
必要时可以有益的是，该至少两个测量轴(例如用x和y表示)此外也彼此正交地取向，这两个测量轴(x，y)相对于该刀具架旋转轴线(D)基本上径向地取向。
此外在此也可以有益的是，将相对于该刀具架旋转轴线(D)基本上径向地取向的至少两个测量轴与该刀具架的对准特征(例如Deutsches Eck或HSK中的随动器)对准。通过与机床控制装置的足够快速的通信(实时)，于是可以分配旋转角度。由此可以在机床坐标中指针式地指明振动。
但该测量装置也可以包括其他的提供关于方向的信号的传感器系统，例如力传感器、速度传感器或变形传感器或位移测量系统。
下面例如通过使用或基于加速度传感器来解释本发明。
加速度传感器提供与至少两个(径向)测量轴相关联的至少两个测量轴信号，这些测量轴信号(被评估或解释、通常被处理为(测量)数据地)描述或反映该刀具架的工作、例如对应于测量轴x和y(也被称为x和y)。
为简单起见，这些术语(测量)信号、(测量)值和(测量)数据也可以彼此同义地使用。
在用于监测刀具架的工作特性的该方法中，于是使用该至少两个测量轴信号来形成合成的测量轴信号，以下仅被简称为“合成结果(Resultierende)”(R)，并且使用该合成结果执行监测。
在此，该至少两个测量轴信号的合成的测量轴信号或合成结果，如在(数学)力学领域中常见的，可以理解为(矢量)总和，但也可以理解为任何(数学计算)规则，其对这两个测量轴信号共同进行数学运算，其结果就是合成的。
在数学上简单地表达为R＝f(x,y)，其中f代表数学计算规则。
于是，该合成结果(R)例如可以根据以下规则形成：
R(xi)＝Sqr(Sum(xi 2)) (1)
其中：
xi 轴i的测量轴信号
Sqr 平方根
Sum 总和
((1)也是矢量的，尤其是在传感器的取向非正交的情况下)。
该方法基于如下认识：一方面，如此设计并布置在刀具架中的加速度传感器(其具有至少两个相对于刀具架旋转轴线(D)基本上径向地取向的测量轴)能够更好地通过由其产生的(测量)信号/(测量)数据来描述或反映该刀具架的工作，并从而更有说服力地描述使用(以这种方式受到感测的)刀具架的加工过程。
另一方面，使用至少两个测量轴信号形成的合成结果也才提供了对该加工过程的有说服力的反映。
由此可以更可靠地进行分析并且改进预测，例如异常的工作状态、不稳定性、刀具破损或刀具磨损。
用配备有传感器的刀具架进行的测试已表明，尤其简单的单轴传感器或带有简单的单轴传感器的刀具架可能提供关于加工过程的不太有说服力的数据，这些数据于是不太能可靠地识别出异常的工作状态、不稳定性、刀具破损、刀具磨损等。
例如图10示出了刀具架的加工数据/传感器数据，这里是齿数z＝4的立铣刀，其具有单轴加速度传感器，该单轴加速度传感器具有径向地(32)取向的测量轴。过程参数为n＝2400转/分钟，aP(切削深度)＝2mm并且ae(作业啮合)＝4mm。
在此，图10以3D视图示出了随时间的频谱分析(频谱图)。在此，时间轴从下向左延伸，并且频率从右向下增加。预期的齿啮合频率为160Hz。这个齿啮合频率在图10中乍一看是看不出来的。
相比之下，图11示出了刀具架的加工数据/传感器数据，这里同样是齿数z＝4的立铣刀，在这种情况下使用两轴加速度传感器，其具有两个正交的、径向地(32)取向的测量轴(x，y)。这两个(测量/测量轴)信号x、y或它们的(测量)数据根据如下规则
R(xi)＝Sqr(Sum(xi 2)) (1)
其中：
xi 轴i的测量轴信号
Sqr 平方根
Sum 总和
得出合成结果Rxy。
过程参数也为n＝2400转/分钟，
aP(切削深度)＝2mm并且ae(作业啮合)＝4mm。
图11以3D视图再次示出了随时间的频谱分析。在此，时间轴也从下向左延伸，并且频率也从右向下增加。预期的齿啮合频率也为160Hz，但这一次在图11中作为主要频率可以清楚地看到(用ZEF标出)。
因此表明，至少两轴加速度传感器与由其测量信号形成的合成结果相结合能够反映或描述刀具架的工作特性，由此能可靠地识别出刀具架中的异常工作状态、不稳定性、刀具破损、刀具磨损等。
有益的是，加速度传感器还具有第三测量轴，例如被称为z(其中相应的(测量轴)信号/值/数据也可以用z表示)，其中第三测量轴相对于刀具架旋转轴线(D)基本上轴向地取向，因此该加速度传感器也提供与第三测量轴相关联的第三测量轴信号(z)，而且尤其该合成结果(R)必要时也可以使用该第三测量轴信号形成。
但必要时也可以单独评估该第三测量轴信号(7)，因为该第三测量轴或z轴(因为其受激励的方式不同)的特性可能与第一测量轴或x轴和y轴略有不同，因为主要激励在这些第一测量轴或x轴和y轴的测量平面内发生。
在此，从使用多分量测力计进行的切削力测试中已经知道，在不稳定时，轴向的轴信号会显示出显著的信号变化。
如果必要时第三测量轴或z轴受到不同的激励，则该第三测量轴或z轴必要时可以被考虑用于探测例如振颤，因为即使在测力平台中，该轴在振颤时也显示出非常明显的力突变。
此外可以提出，将原始的或经处理的测量轴信号和/或数据无线地传输至评估单元、尤其是状态监测系统(Condition Monitoring System，CMS)。这可以例如根据已知的(无线电)标准和/或借助于蓝牙来实现。
此外有益的是，对原始的或经处理的测量轴信号和/或数据进行统计学处理，尤其是进行平滑、滤波或进行频率分析。
还可以提出，使原始的或经处理的测量轴信号和/或数据经受变换，尤其是从旋转系(例如与刀具架一起旋转的、由这些测量轴展开的坐标系)坐标变换至惯性系。
特别有益的是，将该加速度传感器布置在该刀具架旋转轴线(D)中或靠近该刀具架旋转轴线(D)布置。加速度传感器的定位具有如下影响：转速n的平方与基本载荷azp(向心加速度)相关，并且因此该加速度传感器相距刀具架旋转轴线(D)的距离应保持得尽可能小，以便监测高转速。因此，加速度传感器的测量范围仅受到很小的限制。
与转速相关的对测量结果的影响在时间信号中体现在振幅随基本载荷azp的大小而偏移。当针对评估而考虑时间信号中的振动强度时，必须要注意到这一点。测得的最大值于是与过程的激励不对应，而在减去偏移后才有说服力。
在适当地校准测量系统的情况下甚至可行的是，通过分析基本载荷azp来识别出夹紧到机床主轴中的刀具的径向振摆误差。
也可以优选地提出，根据监测来自动地适配和/或改变以刀具架处于加工过程/加工工作中的机床的过程参数和/或工作参数。直观地且简化地表达，有益的是，借助于监测结果来控制和/或调控加工过程。如果监测结果例如显示出振颤，则可以改变机床的转速，或者可以在刀具即将断裂的最初迹象时以受控的方式使得机床降速行驶。
此外有益的是，刀具架除了加速度传感器外还具有其他的电子器件，尤其是：微控制器，一个或多个传输设备、尤其是一个或多个天线，一个或多个印制电路板和/或一个或多个能量供应装置。
根据改进方案提出，刀具接纳结构例如是热缩卡盘或液压膨胀卡盘或刀头架或夹头卡盘或动力卡盘。
联接结构例如也可以是或包括空心轴锥体或陡锥体(Steilkegel)和/或用于球夹紧系统的接合结构或多边形空心轴。
该方法可以优选地用于识别接纳在刀具架中的刀具中或刀具的异常的工作状态/过程状态，尤其是不稳定性和/或振颤和/或磨损和/或破损，其中利用该合成结果通过分析进行识别。
该方法还可以用于自动的机床控制，其中根据监测来自动地适配和/或改变以刀具架处于加工过程/加工工作中的机床的过程参数和/或工作参数。
此外可以提出一种智能(“智能型”)刀具架，该智能刀具架具有至少一个刀具架，该至少一个刀具架被设计成围绕限定轴向方向的刀具架旋转轴线(D)旋转，并且在其一个轴向的纵向端部处具有带有用于接纳刀具的刀具接纳结构的刀具区段，并且在其另一个轴向的纵向端部处具有带有联接结构的联接区段，该联接结构用于传递扭矩地与机床的机床主轴联接，并且该至少一个刀具架具有用于检测与该刀具架的工作相关的数据的测量装置，该测量装置是具有至少两个测量轴的加速度传感器，这两个测量轴相对于刀具架旋转轴线(D)基本上径向地取向，该加速度传感器提供与该至少两个测量轴相关联的至少两个测量轴信号，并且该智能刀具架具有评估单元、例如CMS，该评估单元被配置成用于执行该方法或其改进方案之一。
简而言之，这种智能刀具架设置有根据该方法提出的刀具架(或改进的刀具架)以及执行该方法(或其改进方案之一)的评估单元。
该加速度传感器可以改进地不同地设计。因此，根据改进方案可以提出，该加速度传感器具有(恰好)两个尤其彼此正交地取向的测量轴。根据另一改进方案，该加速度传感器也可以具有三个(在这种情况下尤其展开为正交坐标系的)测量轴，其中在这种情况下，第三测量轴可以相对于刀具架旋转轴线(D)基本上轴向地取向。
也有益的是，该合成结果(R)借助于评估单元(例如微处理器/微控制器)或者在状态监测(CM)范畴内或在状态监测系统(CMS)中形成。
此外还可以提出，该加速度传感器被布置在单独的印制电路板上，尤其是被布置在与微控制器不同的印制电路板上。由此可以实现在刀具架中更灵活地布置构件，也可以实现为有利的模块化的构造系统(具有灵活的互换性)。
在此，承载微控制器的印制电路板可以被设计为柔性印制电路板，这于是可以在刀具架中提供有利的安装情况。
一个或多个传输设备或天线也可以被布置在一个或多个单独的印制电路板上。
于是，这种分布式的布置能够在刀具架中实现有利的模块化结构，该模块化结构具有简化的互换性。
但也可以有益的是，电子结构单元中的基本部件(例如传感器/μC-组合)被组合在一个芯片上。
有益地，天线可以是SMD(surface mounted device，表面贴装设备)天线或有线天线或自粘箔天线。在此也可以提出，SMD天线或有线天线被布置在单独的印制电路板上(模块化的结构/模块化的系统)。
此外还可以提出，传输设备(尤其是天线)和/或能量供应装置被布置成埋入在该刀具架的外表面上的沉降部中。
这种沉降部可以有益地被设计为在该刀具架的外表面上的圆形的袋状部，该沉降部尤其借助于硅树脂物料尤其地被浇铸和/或被覆盖。
根据改进方案，设置有两个或更多个传输设备，尤其是两个或更多个天线、尤其是有线天线，它们尤其在周向方向上围绕该刀具架旋转轴线(D)分布地布置。因此，如果例如两个或更多个天线中的一个处于传输受阻时，另一个或另一些天线可以(冗余地)传输数据。这样就可以保证不间断的数据发送。
此外还可以提出，一个或多个连通孔相对于刀具架旋转轴线(D)倾斜地延伸，尤其用于该加速度传感器或天线的连接线的连通孔相对于刀具架旋转轴线(D)倾斜地延伸。带有相关电缆导向装置的倾斜孔有助于避免电缆扭结，并从而使系统更加可靠。
根据改进方案也提出，该加速度传感器具有SPI接口，和/或刀具架中的电子器件具有SPI接口和/或SPI总线。简言之，在该方法中，值/数据/信号优选通过SPI接口传输。SPI接口或总线允许高数据速率，例如高于I2C接口。
此外也可以有益的是，能量供应借助于尤其是动能的能量收集来进行，其中尤其是刀具架中的冷却剂流尤其是借助于刀具架的冷却剂通道中的涡轮被用于能量产生。
替代地或也补充地，可以设想借助于电池和/或蓄电池进行能量供应。
尤其有益的是，机床配备有根据本发明的方法和根据本发明的刀具架或者如所述改进的方法或刀具架。因此允许监测机床上的过程。
本发明的迄今为止给出的描述和本发明的有利设计方案包含许多特征，这些特征在各个(独立/从属)权利要求中单独地以及部分地组合成多个来得到体现。然而，这些特征也可以有益地单独考虑用于一个/该刀具架，和/或组合成有意义的其它组合。
即使在说明书中或在专利权利要求中分别以单数或与数量词相关地使用若干术语，本发明的用于这些术语的范围也不应受限于该单数或相应的数量词。另外，词语“一个”或“一种”并不理解为数量词，而是不定冠词。
以上所描述的本发明的特性、特征和优点以及其实现的方式方法，在结合了对以下结合一个或多个附图/图示详细阐释的本发明实施例的说明的情况下将变得更清楚且更容易理解(相同的构件/部件和功能在附图/图示中具有相同的附图标记)。
这些实施例用于阐述本发明，并且本发明并不受限于其中给出的特征组合，而且在功能特征方面也不受限。此外，还可以明确分离地观察每一个实施例的适合于此的特征、将其从实施例中去掉、为了补充另外的实施例将其引入另外的实施例中以及与权利要求中的任意一项相组合。
在附图中：
图1示出了根据一种实施方案的带有卡盘(这里是热缩卡盘)的刀具架，
图2示出了根据图1的具有电池舱和天线袋状部的刀具架的一部分，
图3以(柔性)主电路板的位置示出了根据图1的刀具架的视图，
图4示出了用于根据图1的刀具架的(柔性)主电路板，其在正面和背面具有保护膜，并且具有传感器端子、微控制器(μC)和天线端子，
图5示出了用于根据图1的刀具架的(柔性)主电路板，其具有传感器端子(插塞式触点)、微控制器(μC)、天线端子、编程触点和能量供应装置端子(插塞式触点)，
图6以传感器的位置示出了根据图1的刀具架的视图，
图7示出了传感器电路板，其具有用于根据图1的刀具架的传感器和布线，
图8示出了带有传感器的传感器电路板和为根据图1的刀具架布线的(柔性)主电路板，
图9示出了根据带有两个有线天线的另一实施方案的具有卡盘(这里是热缩卡盘)的刀具架，
图10示出了带单轴加速度传感器的刀具架的加工数据/传感器数据(时间曲线)，
图11示出了具有两轴加速度传感器的根据本发明的刀具架的加工数据/传感器数据(频谱图)，该加速度传感器具有两个径向测量轴，
图12示出了用于监测刀具架(例如根据前述实施方案的刀具架)的工作特性的方法的示意图，
图13示出了根据本发明的具有两轴加速度传感器的刀具架在加工过程(铣削加工)中在时间曲线上的合成结果R，该两轴加速度传感器具有两个径向测量轴，
图14示出了根据本发明的具有两轴加速度传感器的刀具架在加工过程(铣削加工)中在时间曲线上的根据图13的合成结果R的频谱图，该两轴加速度传感器具有两个径向测量轴。
借助于传感式刀具架进行状态监测
-带传感装置的刀具架1(图1至图8)
图1示出了根据本发明的刀具架1的第一实施方式，其在下面仅被简称为刀具架1或第一刀具架1。
刀具架1包括刀具架基体35，其在下文中仅被称为基体35。基体35在此一体地构造，以用于实现尽可能高的刚度。它以通常的方式由金属制成。
本申请意义上的一体也在于：一个构件以增材方法例如由金属粉末产生，或者由多个构件不可松脱地例如通过焊接或钎焊组成。
(轴向地31)沿刀具架旋转轴线D(以下仅被称为旋转轴线D)延伸的刀具架1在其刀具侧的纵向端部2处具有刀具区段3，并且在其相反的联接侧的纵向端部5处具有联接区段6。
刀具区段3包括呈刀具接纳凹部4形式的刀具接纳结构4。(图1中未示出的)刀具的柄部可从刀具侧的纵向端部2轴向地31引入到该刀具接纳凹部4中。
刀具架1的刀具区段3以本身已知的方式被实施为热缩卡盘，(图1中未示出的)刀具的柄部可以利用基体材料的热膨胀和收缩而被夹紧在该热缩卡盘中。
在刀具架1的图1中所示的示例中，联接区段6包括呈空心轴锥体(或简称为HSK)的形式的联接结构7。
如可以借助其他(未示出的)实施例所示，刀具区段3也可以根据另一种夹紧原理、例如根据液压膨胀卡盘的原理形成。同样，与此无关地，联接区段6可以被设计成具有另一种柄部造型。
用于操纵刀具架1的操纵结构36例如可以通过夹持装置在轴向31上设置在刀具区段3与联接区段6之间。如图1所示，操纵结构36可以包括沿周向方向21围绕旋转轴线D延伸的夹持槽37。
在图1所示的示例中，基体35在轴向31上被中心凹部38完全穿透，其中刀具接纳凹部4形成轴向区段，该轴向区段尤其可以用于使冷却剂穿过刀具架1被供应到加工位置，在该加工位置处，例如在铣削加工中为铣削刀具的情况下，夹紧在刀具架1中的刀具(未示出)与待加工的工件处于加工接合。
为了在工件加工期间监测刀具架1的工作，刀具架1设有测量装置8。
这个测量装置8也可以例如识别出刀具架1中的异常状态，如刀具破损/磨损、振动或其他不稳定性(如振颤)。为此，分析和评估/处理测量装置的信号/数据。
为此，测量装置8设置有布置在刀具架1上的(通过电缆)相互连接的各种部件，如加速度传感器9、SMD天线11、微控制器(μC)10和电压/能量供应装置或电池16(尤其参见图2至图8)，这些部件(按照模块化结构如下所述地)大多被放置在通过连接线/电缆23(未示出)、24、25彼此连接的独立的电路板12、13、14、15上，如带有微控制器(μC)10的主电路板14、带有加速度传感器9的(传感器)电路板13和带有SMD天线11的(天线)电路板15。
-两轴加速度传感器9
尤其如图6至图8清楚表明，在这种情况下两轴加速度传感器9是测量装置8的主要组成部分，该两轴加速度传感器的两个测量轴x和y彼此正交布置。
模块化地实施并且为了独立于测量装置8的其他部件，这个加速度传感器9被单独地放置在单独的(传感器)电路板13(参见图7和图8)上。
为了使刀具架1的旋转对加速度传感器9的离心力影响保持尽可能低，尤其是如图6所示，加速度传感器9位于刀具架1中的中心/旋转轴线D上，其中(彼此正交的)测量轴x和y相对于旋转轴线D法向地取向(因此在这些轴向方向x和y上测量径向(32)加速度)(参见图6)。
替代于这个两轴加速度传感器9，也可以使用三轴加速度传感器，该三轴加速度传感器的(于是)三个测量轴x、y、z在这种情况下于是展开为正交的坐标系，并且该三轴加速度传感器的第三测量轴z于是相对于刀具架旋转轴线(D)轴向地31取向(未示出)。
同样如图6所示，(传感器)电路板13粘合在壳体39中，该壳体(代替冷却剂管)可以被拧入到刀具架1中。加速度传感器9借助于瞬干胶直接粘合到壳体39上。
如尤其是从图8和图7可以看出，(传感器)电路板13与主电路板14之间的连接以有线的方式实现(用于加速度传感器9的连接线23与用于连接线23的插塞式触点26的插头40)。为此，即为了插头40，在主电路板14上设置有相应的插塞式触点26。代替有线连接，也可以在这些部件之间设置无线连接。
-带有微控制器(μC)10的主电路板14
为了将承载微控制器(μC)10的主电路板14集成到刀具架1中，如图3所示，将与旋转轴线D同心的圆形或环形凹槽33引入到刀具架1中，该凹槽围绕在刀具架1中的中心凹部38或者围绕(由于加速度传感器，此处未示出的)冷却剂管的区域延伸。
如图2所示，环形凹槽33被可旋拧的盖子34封闭，这是有利的，因为该表面是用于从主轴推出刀具架1的HSK接口的一部分。
类似于传感器壳体39中的(传感器)电路板13，主电路板14在所有部件都已组装在环形凹槽33中之后借助于保护性硅树脂涂层被浇铸(19)。
如图3至图5所示，主电路板14被设计为柔性“带”，因为这尤其是为组装带来了显著优势。可以将柔性电路板不费力地形成圆形凹槽33的形状(这里也参见图3和图4)，并且在连接各种连接线/电缆23、24(未示出)、25时可更容易地处理/组装为刚性变型。
图5示出了配备好的主电路板14的俯视图(没有连接的线/电缆23、24、25(参见图8))。图5示出了主电路板14的顶面，在顶面上配备了所有的部件；在主电路板14的背面上只有印制导线。
所有连接线/电缆23、24(未示出)、25，例如用于加速度传感器9的连接线/电缆(23)、用于能量供应装置16的连接线/电缆(25)，和用于天线11的连接线/电缆(24(未示出))，都通过插塞式触点26、27、28来实现，这有利于简单和灵活的组装。
在(如图5所示的)主电路板14的左边缘处是用于加速度传感器9的连接线23或插头40的连接插塞式触点26。位于下面的(空闲)触点29必要时可以用于其它的传感器信号。
从加速度传感器9读取信号/数据的具有各种元器件的微控制器(μC)10被放置在(如图5所示的)主电路板14中心的稍偏左侧。
信号/数据通过SPI从加速度传感器9读出，该加速度传感器在这种情况下提供针对两个测量轴(即x和y)的值。
如果在一个时间点需要多于一个值，则必须在一次读取过程中传输所有值。在完成读取过程后，丢弃加速度传感器9的值，并加载按时间顺序接下来的值，以用于下一个读取过程。
加速度传感器9逐字节地传输数据，其中各个值分别由两个字节组成。附加地，加速度传感器9首先传输总值的“后部”，然后是“前部”，这必须由微控制器(μC)10的软件组合在一起。这些数据由微控制器(μC)10汇总并准备发送。
在(如图5所示的)主电路板14中心右侧有两种用于连接天线的可能性(即插塞式触点)，其中一个插塞式触点(这里是这些上部的插塞式触点或一个上部的插塞式触点27)在第一刀具架1中用于SMD天线11，该天线将信号/数据传送/传输(蓝牙传输)到刀具架1的外部、例如CMS。
在(如图5所示的)主电路板14的更右侧可以看到多个编程触点30，并且在主电路板14的右边缘处可以看到用于电压/能量供应装置16的端子或插塞式触点28。
为了保护主电路板14的部件，主电路板14的正面和背面必要时可以用保护膜42粘住，如图4所示。
-SMD天线11
放置在单独的天线电路板15(见图2)上的SMD天线11藉由夹持环43上的圆形袋状部17安置在刀具架1上(如图1和图2示出的那样)，该圆形袋状部通过(为了避免在连接线24(未示出)上的弯折而)偏心的、倾斜的(用于连接线24(未示出)的)连接孔/连通孔22与容纳主电路板14的圆形凹槽33处于连接。
如有必要，可以在夹持环(43)中引入相对的相同的第二圆形袋状部(17)，以便一方面改善刀具架1的平衡质量，而另一方面可实现其它的天线方案，该方案具有两个天线(11)(并且必要时由此改善的发送功率)(参见这里的图9或根据具有两个有线天线11的第二实施方案的刀具架1)。为此，已经在主电路板14上设置了第二天线端子(这里是另一个插塞式触点27)(见上文)。
为了将天线电路板15固定在圆形袋状部17中，该圆形袋状部被硅树脂浇铸(19)(替代地被覆盖)，或者可以使用与用于主电路板14相同的硅树脂保护涂层19。
-能量供应装置/电池16
与SMD天线11类似地，如图1和图2所示，能量/电压供应装置16或电池16的安置通过在夹持环43上的另一个圆形袋状部17(电池舱45)来实现，该另一个圆形袋状部同样通过(为了避免在连接线25上的弯折而)偏心的、倾斜的(用于连接线25的)连接孔22与容纳主电路板14的圆形凹槽33处于连接。
电池16在电池舱45中的固定通过可拧紧的盖子20(参见图1)来实现，该盖子可拧到电池舱45上、封闭该电池舱，并且同时该盖子也与电池16建立接触。这个盖子20也可以实现能够从外部更换电池16。
如果需要，也可以在电池舱45中设置密封件(未示出)，该密封件保护电池舱不受液体侵入(未示出)。
-带传感装置的刀具架1(图9)
图9示出了根据本发明的刀具架1的另一实施方式，仅被简称为第二刀具架1。
这个另外的或第二刀具架1与根据第一实施方案的刀具架、即第一刀具架1(参见图1至图8)的不同之处仅在于，该第二刀具架设置有另一种天线11。
除此之外，这个第二刀具架1也设置有如根据第一实施方案那样的加速度传感器9，并且也设置有所有其他的(但这里在下面未进一步提及的、但结合第一刀具架1已描述的)构件。对此的更详细的解释可自针对第一刀具架1所做的说明中得到。
与第一实施方案不同(此处SMD天线11安装在第一刀具架1的外周21上的圆形袋状部17中(见图2))，如图9所示，这个第二刀具架1设置有两条有线天线11，这些有线天线分别同样被布置成埋入圆形袋状部17中、在第二刀具架1的外周21上均匀分布。这些有线天线也分别通过连接线/电缆与主电路板或那里的天线端子/插塞式触点27连接。
在此，在刀具架1的外周21上的容纳两条有线天线11的这些圆形袋状部17也可以再次被硅树脂(19)浇铸(替代地覆盖)。
-借助带有传感装置的刀具架1对机床/加工机器的过程进行状态监测(图12至图14)
图12示出了用于监测刀具架1、例如根据前述实施方案的刀具架1(参见图1至9)的工作特性(Condition Monitoring，状态监测(CM))的方法100的示意图。
图12以机床202(或其他加工机器)的控制-调控装置203(作为CM或CMS 201的一部分)的(框)图的形式示出了这一点，该机床被实施为具有如上所述的刀具架1之一(并因此能够借助于加速度传感器9提供关于加工过程的测量数据)。
如上所述并在图12中示出，将由传感式刀具接纳架1接收的、必要时经预处理的测量信号经由蓝牙来信号传输150到CMS 201或那里的调控装置203。该调控装置能实现对所出现的和/或尚未消失的不稳定状态做出特殊反应，或者对这种或类似的异常的过程状态进行调控。
这是通过对机床202的加工参数(例如进给、转速等)进行实时适配/改变160来完成的，其中这种适配/改变160根据(从传感式刀具架1的这些测量信号/数据得知的)过程状态(如振动、振颤或引入在刀具上的力)来实施，其中通过传感式刀具架1的测量信号/数据检测到这些过程状态并且将其传输至调控装置203。
如图12所示，调控装置203主要由数据检测和评估单元204组成，该数据检测和评估单元对过程稳定性(正常/异常(过程不稳定))进行判断120，并且通过调控装置203在必要时改变160机床202的加工参数(如果过程稳定性不符合规定(常态)的话)。
在此，CMS 201的接收传感式刀具架1的测量信号/数据的(蓝牙)接收器205(收发器)通过实时通道与这个数据检测和评估单元204连接，这实现了系统的实时能力。
评估单元204得到(与刀具架1一起移动/旋转的)加速度传感器9的测量数据，将这些测量数据例如存储在缓冲存储器中，并且立即运行各种算法，尤其是已在前面介绍的由测量轴信号/数据110形成合成结果R，以用于识别/检测过程状态120。
将所使用的算法设计成也确定在何种条件下对机床202的控制进行(自动)干预160。
这些算法的一部分根据传感式刀具接纳架1的测量信号/测量数据确定过程状态。
在此，尤其根据刀具架1的两轴加速度传感器9的两个测量轴信号x、y，确切地说根据以下规则形成合成结果(R)：
R(xi)＝Sqr(Sum(xi 2)) (1)
其中：
xi 轴i(这里是x和y)的测量轴信号
Sqr 平方根
Sum 总和。
如果刀具架1的两轴加速度传感器9的测量轴信号x、y由旋转系提供，则它们必要时可以经受变换140，即在这种情况下将刀具架1的旋转系的坐标变换至惯性系。
如果需要，为了排除在这些测量轴信号x、y或测量数据中的测量误差、测量值异常值等，也可以对这些测量轴信号进行统计学处理130，例如予以平滑。
评估单元204然后尤其基于这些经处理或评估的测量轴信号x、y或测量数据的各种表示(如尤其在时间曲线上并且作为频谱图的合成结果R)来进行评估单元的分析，以用于识别/检测过程状态。
例如图13示出了在加工过程(铣削加工)时传感式刀具架1的这个合成结果R的时间曲线(横坐标：t(时间)；纵坐标：合成结果R或其为法向加速度g的多倍的幅度(合成结果的量值))。(相应的合成结果或其曲线也在向惯性系变换时产生，为了简单起见，由此此处应考虑“一同旋转的数据”)。
正如(在时间曲线上的)合成结果R所示，大约0.5s后开始齿啮合，并且幅度(即合成结果R的值)仅略微增加。
大约5.5s后，可以看到合成结果R突然升高，这里升高了大约70g，这允许推断出在此过程中存在初始不稳定性，例如振颤。
大约10s后，进给降低到v＝0mm/min，直到刀具原地旋转而不再移动(大约10.5s)。自这一时间点起，幅度或合成结果几乎保持恒定，即过程再次处于稳定状态，直到马达主轴然后在大约13.5s后完全切断或停止。
图14示出了与根据图13的R相关联的这个合成结果R的频谱图。时间轴(以t＝秒为单位)在此从右下角延伸到右上角；频率(以Hz为单位)从右下角向左下角增加。
这里，如图14所示，作为最显著的频率，可看到加工过程的旋转频率fnII＝45Hz及其倍数。也可以看到齿啮合频率fZEFII＝180Hz，其中该频率始终也是旋转频率的倍数。
大约8s后，在频谱中出现另一个频率，大约为192Hz，这可以解释为不稳定过程或振颤的特征(参见关于图13的上文)。
于是，所使用的合成结果R提供了对加工过程或过程状态的有说服力的反映。也就是说，借此可以(由评估装置202)清楚地识别出不稳定，例如在这里是振颤。
算法的另一部分于是将这些过程状态与加工参数(例如材料参数等)和/或用户输入相关联，以便判定是否必须对机床202或由其执行的加工过程进行干预。
然后，如果需要，算法的另一部分基于这些数据来调整这些加工参数(见上文，降低进给，直至加工过程稳定)。
在此，评估单元204经由实时通道与机床控制装置203联接。由此可以实现在加工期间对机床进给和/或机床转速和/或类似参数进行特殊的适配/改变。
此处的典型应用是避免和/或识别出过程错误、过程不稳定性、振颤、刀具破损、刀具磨损等。
在出现过程不稳定等时，作为反应，这些加工参数于是通过机床控制装置203自动地且实时地改变160。
虽然已经通过优选实施例详细展示并说明了本发明，但本发明不受所公开的示例的限制，并且在不背离本发明保护范围的情况下可以由此推导出其他的变体。
附图标记清单：
1 刀具架
2 (刀具侧的第一)轴向的纵向端部
3 刀具区段
4 刀具接纳结构，刀具接纳凹部
5 (联接侧的第二)轴向的纵向端部
6 联接区段
7 联接结构
8 测量装置
9 (加速度)传感器
10 微控制器(μC)
11 传输设备，天线，SMD天线，有线天线
12 印制电路板，电路板
13 (传感器)电路板
14 主电路板
15 (天线)电路板
16 能量供应装置，电压供应装置，电池
17 沉降部，圆形袋状部
18 外表面
19 浇铸，硅树脂物料
20 (用于电池舱的)覆盖，盖子
21 (刀具架(1)的)周向方向，也指外周
22 连通孔，连接孔
23 (用于加速度传感器的)连接线
24 (用于传输设备的)连接线
25 (用于能量供应装置的)连接线
26 (用于加速度传感器的)连接线的(多个)插塞式触点
27 (用于传输设备的)连接线的(多个)插塞式触点
28 (用于能量供应装置的)连接线的(多个)插塞式触点
29 空闲的插塞式触点
30 编程触点
31 轴向方向
32 径向方向
33 环/环形凹槽
34 (用于环形凹槽的)盖子
35 (刀具架)基体
36 操纵结构
37 夹持槽
38 中心凹部
39 (用于(传感器)电路板13的)壳体
40 ((用于(加速度)传感器的)连接线的插塞式触点的)插头
41 ((用于能量供应装置的)连接线的插塞式触点的)插头
42 保护膜
43 夹持环
44 操纵结构，夹持装置
45 电池舱
100 方法
110 使用至少两个测量轴信号(x，y)形成合成的测量轴信号或合成结果R
120 使用合成结果R(对过程状态)进行监测/识别/评估
130 统计学处理
140 变换，坐标变换
150 传输(通过SPI接口)
160 适配/改变工作参数
200 智能刀具架
201 CMS
202 机床，加工机器
203 (CMS的)调控装置/控制装置
204 (CMS的)评估单元
205 接收器
R 合成结果
D 刀具架旋转轴线，旋转轴线
x 测量轴，测量轴信号
y 测量轴，测量轴信号
z 测量轴，测量轴信号
ZEF 中央干预频率
fnII 旋转频率
fZEFII 齿啮合频率。

Claims (15)

1.一种用于监测刀具架(1)的工作特性的方法(100)，该刀具架被设计成围绕限定轴向方向(31)的刀具架旋转轴线(D)旋转，并且在其一个轴向的纵向端部(2)处具有带有用于接纳刀具的刀具接纳结构(4)的刀具区段(3)，并且在其另一个轴向的纵向端部(5)处具有带有联接结构(7)的联接区段(6)，该联接结构用于传递扭矩地与机床的机床主轴联接，并且该刀具架具有用于检测与该刀具架(1)的工作相关的数据的测量装置(8)，该测量装置(8)是传感器(9)、尤其是具有至少两个测量轴(x，y)的加速度传感器(9)，这两个测量轴(x，y)相对于该刀具架旋转轴线(D)基本上径向地(32)取向，该加速度传感器提供与该至少两个测量轴(x，y)相关联的至少两个测量轴信号(x，y)，
其中，
使用该至少两个测量轴信号(x，y)形成(110)合成的测量轴信号(合成结果R)，并且使用该合成结果R执行监测(120)。
2.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
该合成结果(R)根据以下规则形成：
R(xi)＝Sqr(Sum(xi 2)) (1)
其中：
xi 轴i的测量轴信号
Sqr 平方根
Sum 总和
((1)也是矢量的，尤其是在传感器的取向非正交的情况下)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
该传感器(9)具有第三测量轴(z)，其中该第三测量轴(z)相对于该刀具架旋转轴线(D)基本上轴向地(31)取向，该传感器(9)于是也提供与该第三测量轴(z)相关联的第三测量轴信号(z)，并且尤其该合成结果(R)也使用该第三测量轴信号(z)形成(110)，和/或单独地评估该第三测量轴信号(7)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
将原始的或经处理的测量轴信号和/或数据无线地传输至评估单元、尤其是状态监测系统(CMS)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
对原始的或经处理的测量轴信号和/或数据进行统计学处理，尤其是进行平滑、滤波或经受频率分析(130)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
使原始的或经处理的测量轴信号和/或数据经受变换(140)，尤其是从旋转系向惯性系进行坐标变换。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
通过SPI接口传输(150)信号和/或数据。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
将该传感器(9)布置在该刀具架旋转轴线(D)中或靠近该刀具架旋转轴线(D)布置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
根据该监测来自动地适配和/或改变(160)以该刀具架(1)处于加工过程/加工工作中的机床(202)的过程参数和/或工作参数。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
该刀具架(1)具有其他的电子器件，尤其是：微控制器(10)，一个或多个传输设备(11)、尤其是一个或多个天线(11)，一个或多个印制电路板(12，13，14，15)和/或一个或多个能量供应装置(16)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
其特征在于，
该刀具接纳结构(4)是热缩卡盘或液压膨胀卡盘或刀头架或夹头卡盘或动力卡盘，和/或
该联接结构(6)包括空心轴锥体或陡锥体或/和用于球夹紧系统的接合结构。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
将该方法用于：
识别接纳在该刀具架(1)中的刀具中/该刀具的异常的工作状态/过程状态、尤其是不稳定性和/或振颤和/或磨损和/或破损，其中利用该合成结果(R)通过分析进行该识别。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
将该方法用于：
识别径向振摆误差，其中分析基本载荷azp。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，
将该方法用于：
自动的机床控制，其中根据该监测来自动地适配和/或改变(160)以该刀具架(1)处于加工过程/加工工作中的机床(202)的过程参数和/或工作参数。
15.一种智能刀具架(200)，该智能刀具架具有至少一个刀具架(1)，该至少一个刀具架被设计成围绕限定轴向(31)方向的刀具架旋转轴线(D)旋转，并且在其一个轴向的纵向端部(2)处具有带有用于接纳刀具的刀具接纳结构(4)的刀具区段(3)，并且在其另一个轴向的纵向端部(5)处具有带有联接结构(7)的联接区段(6)，该联接结构用于传递扭矩地与机床的机床主轴联接，并且该至少一个刀具架具有用于检测与该刀具架(1)的工作相关的数据的测量装置(8)，该测量装置(8)是传感器(9)、尤其是具有至少两个测量轴(x，y)的加速度传感器(9)，这两个测量轴(x，y)相对于该刀具架旋转轴线(D)基本上径向地(32)取向，该加速度传感器提供与该至少两个测量轴(x，y)相关联的至少两个测量轴信号(x，y)，并且该智能刀具架具有评估单元(204)，该评估单元被设计用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法(1)，该评估单元尤其是状态监测系统(CMS 201)。
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