TW202210976A - 用於即時監控機械加工工具的使用和磨損的智能管理系統 - Google Patents

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Abstract

一種用於監控機械加工工具的使用和磨損的電子工具監控系統，對於待監控的每一個工具，包括：標籤，待施加於該工具上，具有允許該工具與其他工具相區別的唯一辨識碼；及獨立自主的電子監控裝置，設計成牢固且可拆卸地適用於該工具的工具驅動設備，以監控該工具的使用和磨損。獨立自主的電子監控裝置包括：電子感測裝置，允許識別該工具並監控其使用和磨損；電子通信介面，與遠端工具管理中心通信；電子操作員介面，向操作員提供有關該工具的資訊；以及電子控制單元，電性連接到電子感測裝置、電子通信介面和電子操作員介面並被編程以: 儲存表示該工具的使用壽命的資料；基於電子感測裝置的輸出識別並監控該工具的使用和磨損；基於監控之該工具的使用和磨損及儲存之表示該工具的使用壽命的資料估計該工具的剩餘使用壽命；如確定該工具的使用壽命未耗盡，則經由電子操作員界面向操作員提供有關該工具的剩餘使用壽命的資訊；如確定該工具的使用壽命已耗盡，則執行一項或多項干預措施，以使該工具的操作中斷: 經由電子操作員介面通知操作員需要中斷該工具的操作，及直接干預該工具的工具驅動設備以中斷其操作；及經由電子通信介面向工具管理中心發送與該工具相關聯的標籤的唯一辨識碼和表示估計的該工具的剩餘使用壽命或表示該工具的使用壽命耗盡的資料。

Description

用於即時監控機械加工工具的使用和磨損的智能管理系統
本發明總體上涉及用於機械加工的工具例如鑽頭、銑刀、切割片等領域，並且特別地，本發明涉及監控機械加工工具的使用和磨損，以對其智能管理。
術語「工業4.0」越來越多地用於表示近年來製造業由於數位技術的傳播及其與生產鏈的集成而面臨的根本性模式轉變。
在工業4.0中，大數據、機器人、資料分析和互聯網通信正在應用到工廠中，並使生產過程精簡，從而使其更加高效、動態、並能適應市場需求。
但是，除了技術要素外，在工業4.0中，勞動力也發生了變化，勞動力正在變得越來越專業以便與驅動生產過程的數位技術「對話」。
工業4.0源於第四次工業革命，該過程將帶來完全自動化和互連的工業生產，而第四次工業革命的基本要素是在全球範圍內將物聯網（Internet of Things, IoT）技術系統地應用到生產過程中。
特別地，根據一家跨國諮詢公司的報告，新的數位技術將在四個發展方向上產生深遠影響：第一個發展方向涉及資料的使用、計算能力和連線性，而在大數據、開放資料、物聯網、機器對機器和雲計算方面有所下降，以實現資訊及其儲存的集中化。
第二個發展方向是分析學：一旦收集到資料，就可以從中獲得價值。如今，公司僅使用了很小比例的收集的資料，而這些公司反而可以從「機器學習」中獲得優勢，即，從通過「學習」它們所收集和分析的資料來提高其性能的機器中獲得優勢。
第三個發展方向是人機交互和擴增實境，人機交互涉及觸敏介面並且正變得越來越流行。
最後，有一個處理從數位過渡到「真實」的完整領域，其包括：增材製造、3D列印、機器人技術、通信、機器對機器的交互、以及以合理化成本並最佳化性能的目標方式儲存和使用能源的新技術。
在機械加工領域，這些技術的引入還處於起步階段。
在該技術領域中，機械加工（特別是精密加工）的品質在很大程度上取決於所用工具的磨損，從而精確且連續地監控其磨損無疑是確保高品質標準方面的基本因素之一。
除此之外，過度的工具磨損會導致工具損壞，這可能導致對操作人員的安全的危險情況以及增加的加工成本。
因此，連續監控工具磨損隨時間變化的進程是保證符合機械加工所需的安全標準以及在過度磨損的情況下及時進行干預以執行必要的工具修復操作的另一個基本因素，工具修復操作可以改善工具品質及/或防止損壞的修整操作，從而避免不必要的工具更換的額外費用。
通常，工具的到期磨損是操作員進行視覺評估的主題，正如其隨時間變化的進程通常是基於摩擦學實驗的經驗表徵的課題一樣。
這種類型的評估的主觀性表示可引起評估誤差的變數，這些評估誤差有時可能會嚴重地對機械加工的品質和安全性以及使用該部件的產品的品質和使用安全性產生負面影響，其還可能針對由於使用磨損的工具進行的機械加工品質差而導致使用該部件的產品的任何故障的後果而在民事和刑事責任方面產生重要影響。
美國專利公開第US 4,471,444 A號、第US 4,694,686 A號、第US 5,904,457 A號和第US 10,005,167 A1號等專利文獻例示性描述了用於監控機械加工工具的磨損狀況的一些技術。
申請人能夠確定，工具管理的電腦化現在對於機械公司而言是不可或缺的過程，從而讓他們能夠即時瞭解每一個工具的狀態、數量、位置和剩餘使用壽命。
但是，儘管沒有理由懷疑它們在某些方面可能令人滿意，但申請人仍然能夠確定已知的方法和技術仍然存在很大的改進空間，特別是從它們與工業4.0引入的新模式的集成的角度來看，從而可以對可能數量眾多的工具進行集成和智能管理。
因此，本發明旨在提供一種IoT技術，能夠使工具管理實現電腦化，藉此，在一方面允許對用於機械加工的工具的使用和磨損以及工具的集成和智能管理進行精確而可靠的監控，並且在另一方面，在本來缺乏這種技術的應用環境中也易於使用。
根據本發明，如申請專利範圍所記載的範圍，提供一種用於監控機械加工工具的使用和磨損的電子工具監控系統以及一種電子工具管理系統。
現在將參考附圖詳細描述本發明，以使本領域技術人員能夠實現和使用本發明。所呈現的實施例的各種修改對於本領域技術人員而言是清楚的，並且本文所揭露的一般原理可以應用於其他實施例和應用，但不因此脫離所附申請專利範圍所限定之本發明的保護範圍。因此，本發明不應被認為限於所描述和示出的實施例，而應根據所描述和要求保護的特徵而被授予最寬的保護範圍。
在沒有另外定義的地方，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明有關的領域的普通技術人員通常使用的術語相同的含義。在發生衝突的情況下，該描述（包括所提供的定義）應具有約束力。此外，提供這些實施例僅出於示例性目的，因此不應認為是限制性的。
特別地，附圖中包含的方塊圖和下面描述的方塊圖不應理解為結構特徵或構造性限制的表示，而必須解釋為功能特性、為裝置的固有特性並且由所獲得的效果定義的特性、或者能夠以不同方式實施的功能性限定的表示，因此以便保護其功能（發揮功能的可能性）。
為了便於理解本文描述的實施例，將參考一些特定的實施例，並且將使用特定的語言來描述它們。本文所使用的術語僅出於描述特定實施例的目的，並不旨在限制本發明的範圍。
此外，為了便於描述，下面的描述將在不失一般性的情況下將以鑽頭形式表示用於機械加工的工具，該鑽頭表示本發明的許多有利應用之一。
本發明的思想是使用輕便且可靠的感測技術來對工具驅動設備裝測量儀器，以收集表示工具使用情況的資訊，從而不僅能夠即時量化其實際使用情況，而且能夠對其磨損進行即時量化，從而能夠實施智能工具管理，智能工具管理使符合預期的品質和安全標準。
在附圖中，示意性地顯示根據本發明較佳實施例的電子工具監控系統，該電子工具監控系統特別適用於與原本缺乏該監控技術以及允許其使用的傾向的工具和相關驅動設備一起使用，從而允許對已經上市或生產的所有工具和相關驅動設備進行改良。
此外，在附圖中所示的本發明較佳實施例中，為了說明方便，工具以鑽頭的形式表示，其適於由相應的掌上型驅動設備以鑽頭的形式進行操作，該掌上型驅動設備可以是電動的或者氣動的。
如圖1和圖2所示，整體以元件符號1表示的電子智能工具管理系統包括： -工具管理中心2； -與工具管理中心2通信耦合的一個或不同的工具收集和分配站3；以及 -與工具管理中心2通信耦合的電子工具監控系統4。
根據應用環境，工具管理中心2及工具收集和分配站3可以是位於工作環境的不同區域中的物理上不同的實體，如在圖1所示的實施例中那樣，或者可以構成單個實體。
在圖1所示的實施例中，工具收集和分配站3可以例如位於公司的執行機械加工操作的操作區域的不同部分中，而工具管理中心2可以相對於工具收集和分配站3被遠端定位，例如在公司的管理區域中，該管理區域包含公司業務流程的各種資訊和通信（ICT）和管理技術，例如產品生命週期管理（PLM）流程和企業資源計畫（ERP）流程。
如圖2所示，為了監控每一個工具5，電子工具監控系統4包括： -標籤6，待施加到工具5上並且與該標籤6相關聯的唯一辨識碼（ID）唯一地識別該標籤6，並因此識別施加有標籤6的工具5，從而允許工具5與由電子工具管理系統1管理且也設置有與相應的唯一辨識碼（ID）相關聯之相應的標籤6的其他工具5相區別；以及 -電子監控裝置8，設計成牢固且可拆卸地適用於工具5的工具驅動設備7，以監控工具5的使用和磨損。
標籤6可以根據適合於應用目的和特定環境及操作條件的任何當前或未來技術來實現。
在圖2所示的較佳實施例中，標籤6基於射頻識別（RFID）技術，並因此以通常稱為RFID標籤的電子標籤的形式實現，該電子標籤通常是無源的、黏性的、及可撓性的，以易於應用且適配工具5的外表面，並且在其中儲存唯一辨識碼（ID）。
替代地，標籤6可以基於光學讀取技術，並且因此以傳統的非電子黏合且撓性的標籤的形式實現，在傳統的非電子黏合且撓性的標籤上可以以不同的方式實現唯一辨識碼（ID）。
在一個實施例中，唯一辨識碼（ID）以任何類型的條碼的形式實現。特別地，條碼可以是線性的或方便地是二維的，或者可以呈矩陣的形式，也稱為快速反應（QR）條碼。
替代地或除了以任何類型的條碼的形式實現之外，唯一辨識碼（ID）可以以任何其他形式實現，例如以指定長度的字母數字字串的形式實現。
在一個實施例中，除了唯一辨識碼（ID）之外，根據標籤6是RFID形式或是條碼形式，還可以分別在標籤6中儲存或編碼附加資料，該附加資料表示工具5及/或其使用壽命或有效期（耐用性），並且可以方便地用工具5的最大使用極限來表示。方便地，工具5的最大使用極限又可以用以下列各項表示：工具5的最大磨損；可以使用工具5的機械加工操作的最大次數；及/或可以使用工具5進行機械加工操作的最大時間；或者表示工具5的最大允許使用的任何其他合適的量。並且，根據專有標準，該量已超過前述各項中的一個或多個時，如果可能的話，必須對工具5進行修復過程，或者以其他方式處置。
電子監控裝置8包括保護殼體9，該保護殼體9設計以允許電子監控裝置8在特定應用環境和操作條件下適當且可靠地起作用。
保護殼體9還被設計成使得電子監控裝置8可以容易牢固地適用於工具5的工具驅動設備7，並且同樣容易地從工具5的工具驅動設備7拆卸，從而可以在發生故障或定期維護時修理且用另一個裝置替換。
特別地，保護殼體9可以設置有固定裝置10，該固定裝置10被集成在保護殼體9中或者與保護殼體9分離並可以安裝在保護殼體9上，以允許保護殼體9能夠牢固地但可拆卸地固定在工具5的工具驅動設備7上。
例如，固定裝置10可以是包括由保護殼體9承載的機械附接介面並且成形為與由工具5的工具驅動設備7承載之對應的機械附接介面耦接的類型，或者可以是設置有一系列能夠緊貼到工具5的工具驅動設備7的殼體上的耦接構件的類型。
電子監控裝置8還被設計為獨立自主的，亦即，在其內具有或包含執行所設計的功能，並且能夠在不需要外部資源的情況下起作用。
為此，電子監控裝置8被設計為設置有硬體（處理、儲存和通信）和軟體資源，使得其可以獨立且自主地起作用，而無需外部硬體資源，特別是應用至工具驅動設備7的硬體資源。
如圖3所示，電子監控裝置8還包括容納在保護殼體9內的以下部件： -電子感測裝置11，以允許識別工具5、監控工具5的使用、以及估計工具5的磨損； -電子通信介面12，用於使電子監控裝置8與工具管理中心2通信； -電源裝置13，用於為電子監控裝置8的電子和電性部件供電；以及 -電子控制單元14，方便地以微控制器（MCU）的形式，電連接到電子感測裝置11、電子通信介面12和電源裝置13，並被編程以用於控制電子監控裝置8的操作，以基於由電子感測裝置11提供的資訊來識別、監控工具5的使用並估計工具5的磨損，並且以下面更詳細描述的方式將表示工具5的身份、用法和磨損的資料在本地儲存並傳輸至工具管理中心2。
電子感測裝置11設計以測量並輸出表示物理量的電輸出，該物理量允許電子控制單元14識別工具5並估計工具5的磨損並根據例如工具5執行的加工週期的數量和持續時間、工具5在每一個加工週期內執行的單個操作的數量和每一個操作的持續時間、以及可用於量化工具5的使用的任何其他資料來量化其使用。
特別地，出於識別工具5的目的，電子感測裝置11包括標籤讀取器15，該標籤讀取器15可由電子控制單元14操作以讀取標籤6的唯一辨識碼（ID）。
標籤讀取器15係基於與標籤6的技術相對應的當前或未來技術。
特別地，在標籤6是RFID標籤的實施例中，標籤讀取器15是RFID讀取器，RFID讀取器可由電子控制單元14操作以查詢標籤6，接收儲存在RFID標籤6中並由其回應於來自標籤讀取器15的查詢而發送的唯一辨識碼（ID），並且將接收的唯一辨識碼（ID）發送到電子控制單元14，在此將其適當地儲存在電子控制單元14的儲存資源中。
在標籤6是唯一辨識碼（ID）為線性條碼形式的非電子傳統標籤的實施例中，標籤讀取器15係基於光學技術特別是雷射技術之常見的條碼讀取器。
在標籤6是唯一辨識碼（ID）為QR條碼形式的非電子傳統標籤的實施例中，標籤讀取器15是常見的QR條碼讀取器，眾所周知，其包括數位照相機，數位照相機可以電子控制單元14操作以捕獲QR條碼的數位影像並將其發送到電子控制單元14，在此可以對其進行處理以提取在接收到的數位影像中描繪的QR條碼中編碼的唯一辨識碼（ID）。
在標籤6是唯一辨識碼（ID）為除了在上述示例中以字母數字字串的形式示出的條碼以外的任何形式的非電子傳統標籤的實施例中，標籤讀取器15是光學感測器，其可方便地基於成像的技術，即採用由常見數位（微型）照相機（例如電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）（微型）相機）組成的數位影像捕獲感測器的形式，也稱為主動像素感測器（APS）相機，可由電子控制單元14進行操作，以捕獲字母數字字串的影像並將其傳輸到電子控制單元14，從而其可以被處理以通過光學字元辨識過程提取在其中描述的字母數字字串中編碼的唯一辨識碼（ID）。
為了監控工具5的使用和磨損，根據工具5的類型和待進行的機械加工，電子感測裝置11包括以下感測器中的一個或其組合，所有這些均以元件符號16表示： -電聲感測器（麥克風），適當地佈置在保護殼體9內，以測量在機械加工期間由工具5產生的聲音發射，並輸出表示聲音發射位準的電輸出； -振動感測器，方便地呈壓電加速度計的形式，適當地佈置在保護殼體9內，以測量在加工期間由工具5產生的機械振動並輸出表示機械振動位準的電輸出； -距離感測器，方便地呈紅外距離感測器的形式，並適當地佈置在保護殼體9內，以測量距離並輸出表示距離感測器到待機械加工的機械部件的距離的電輸出，從而使電子控制單元14驗證工具5被操作而不是加工，相反地實際上是在對機械部件進行機械加工，並計算執行機械加工所花費的時間。在所考慮之以鑽頭形式的工具的示例中，距離感測器的電輸出使得電子控制單元14能夠驗證距離感測器到待鑽孔的機械部件的距離小於距離感測器距鑽頭遠端的距離，因此能夠驗證鑽頭有效地穿透到機械部件中，並計算出鑽頭鑽出孔所花費的時間； -無源紅外線感測器（PIR），適當地佈置在保護殼體9內，以使工具5在無源紅外線感測器的視場內，從而輸出表示由工具5在機械加工過程中以紅外線輻射形式發射的熱能強度的電輸出； -陀螺儀，適當地佈置在保護殼體9內，以測量工具5的旋轉速度並輸出表示該旋轉速度的電輸出； -負荷感測器，用於測量在機械加工期間由工具5施加至機械部件的力，並輸出表示所施加的力的電輸出；以及 -觸覺按鈕，適當地佈置在保護殼體9上，使得操作員可以在機械加工的開始和結束時對其進行操作，或者可以在整個機械加工中被保持按壓，以表示機械加工的開始時間和結束時間或其持續時間。
在一個實施例中，電子監控裝置8可以方便地（但並非必需地）還設置有連接到電子控制單元14的電子操作員介面17，以允許操作員與電子監控裝置8進行交互。
電子操作員介面17可以方便地包括以下一項或多項： -電子顯示器，例如液晶顯示器，用於顯示對操作員有用的各種資訊，例如與電子監控裝置8的操作、工具5的磨損以及（如果適用）待在工具5和相關聯的工具驅動設備7上執行的干預措施有關的資訊； -一個或多個光指示器，例如LED指示器，能夠發射表示工具5的不同磨損的不同顏色的光，其中，綠光可以例如表示與機械加工相符的工具5的磨損，紅光例如可以表示與待進行的機械加工不相符的工具5的磨損，而黃光例如可以表示對待執行的機械加工而言關鍵的工具5的磨損； -聲音警告裝置，用於聲音信號的形式向操作員傳達由光指示器提供的相同指示；以及 -一個或多個按鈕，與電子監控裝置8的預設或可編程功能相關聯，並且可以由操作員手動操作以實現相關聯的功能，例如，在電子顯示器上視覺化關於電子監控裝置8的操作、工具5的磨損、以及待在工具5上和在與工具5相關聯的工具驅動設備7上執行的任何干預措施的上述資訊、故障/緊急信號、電子監控設備8的重置等。
在一個實施例中，電子監控裝置8可以方便地（但並非必需地）進一步包括附加的電子儲存裝置（圖中未示），以向電子監控裝置8提供除電子控制單元14的儲存資源以外的儲存資源，並在本地儲存各種資料，例如表示工具5的磨損及其時間進度的資料，以及其唯一辨識碼（ID）等。
電子儲存裝置可以方便地採用可移除儲存卡的形式，其一旦被移除，就可以連接至個人電腦以下載本文所包含的資料並將下載的資料透過互聯網或專屬連接傳輸至工具管理中心2。
電子通信介面12係基於允許電子通信介面12與工具管理中心2通信的任何當前或將來的通信技術。
方便地，電子通信介面12設計以基於以下一種或多種通信技術與工具管理中心2進行通信： -一種或不同的短程無線（無線電或光）通信技術，方便地包括Wi-Fi技術，電子通信介面12可以通過該Wi-Fi技術經由無線區域網路（WLAN）與工具管理中心2進行通信，或者除Wi-Fi技術之外，或作為Wi-Fi技術的替代，包括ZigBee技術、藍牙技術（例如，根據規範4.0，又稱為藍牙低功耗、藍牙LE或藍牙智能），其還提供了便於配對過程的電子信標功能，並且電子通信介面12可以通過該技術經由存在於其通信範圍內並且屬於例如正在使用工具5的操作員的個人移動設備（例如智能手機）與工具管理中心2進行通信； -一種或不同的遠端無線（無線電或光）通信技術，包括3G、4G、5G等蜂窩通信技術；以及 -有線通信技術，方便地為通用序列匯流排（USB）技術，眾所周知，該USB技術包括稱為USB連接器或埠的特殊連接器，這些連接器可通過稱為USB電纜的特殊電纜連線到其他USB連接器。
電源裝置13可以是外部電源，或者方便地是自備電源，或兩者。
如果是外部電源類型，則電源裝置13包括用於通過合適的連接電纜連線到外部電源的合適的電源連接器，以及連接到該電源連接器並設計為輸出適合於為電子監控裝置8的電氣和電子元件供電的穩定電壓的內部電源，如果是自備電源類型，則電源裝置13包括內部電源，該內部電源設計以輸出適合於向電子監控裝置8的電子和電性元件供電的電壓。
內部電源可以是不可充電的或可充電的。
當為可充電類型時，內部電源包括電能儲存裝置或電池，方便地為鋰聚合物（LiPO）類型，並設有充電裝置，該充電裝置設計以可透過電連接器連接到外部電源，並使用從外部電源汲取的電能為電池充電。
在更先進的實施例中，作為與外部電源的連接的替代或補充，內部電源可以（還）配備有充電裝置，該充電裝置被設計為通過利用在機械加工過程中產生的振動能對電池進行充電。
在另一個更先進的實施例中，作為與外部電源的連接的替代或補充，內部電源可以（還）具有充電階段，該充電階段設計以透過利用經由合適的RF天線捕獲的電磁信號中包含的RF能量對電池進行無線或感應充電。
電子控制單元14被編程以： -儲存表示工具5的使用壽命的資料，該資料方便地用工具5的最大使用極限來表示，該最大使用極限又可以方便地用工具5的最大磨損、可以使用工具5的機械加工操作的最大次數及/或可以使用工具5進行機械加工操作的最長時間，或者適於表示工具5的最大允許使用的任何其他量，並且，根據專有標準，如果可能的話，在超過以上各項中的一個或多個時，必須對工具5進行修復處理，或者以其他方式處置； -根據由工具5執行的機械加工操作的次數及/或工具5的使用時間來監控工具5的使用，並基於電子感測裝置11的輸出從機械加工週期開始估計工具5的當前磨損； -基於工具5的使用和估計的磨損以及所儲存的工具5的最大使用極限來按照例如仍然可以由工具5執行剩餘的機械加工操作次數及/或工具5的剩餘使用時間及/或工具5的剩餘磨損，估計工具5的剩餘使用壽命； -如果確定工具5的使用壽命未耗盡，因此工具仍可用於進一步的機械加工操作，則通過電子操作員介面17的電子顯示器及/或燈光指示器及/或聲音警告裝置向操作員提供有關工具5的剩餘使用壽命的資訊； -相反地，如果確定工具5的使用壽命已用盡，因此不能再使用工具5進行後續的機械加工操作，則執行一項或多項不同的干預措施，用於使正在進行的機械加工週期由於超出儲存的最大使用極限中的一項或多項而被中斷，並且特別地： --經由電子操作員介面17的電子顯示器及/或燈光指示器及/或聲音警告裝置通知操作員需要立即中斷使用工具5；以及 --如果特定應用允許，則直接干預工具5的工具驅動設備7，以中斷其操作，例如，通過經由電子通信介面12向沿管道佈置的開/關電磁閥發送關閉命令，開/關電磁閥向工具5的工具驅動設備7供應壓縮空氣，並且為此目的而被預先設置，亦即，被設計成接收打開和關閉命令並相應地改變其操作狀態；以及 -經由電子通信介面12傳輸到工具管理中心2，並在本地其內部記憶體或附加的電子儲存裝置（如果提供的話）中儲存與工具5相關聯的標籤6的唯一辨識碼（ID）和表示工具5的剩餘使用壽命或工具5的使用壽命已耗盡的資料。
可以基於專有標準確定工具5的使用壽命的耗盡，該專有標準基於超過所儲存的最大使用極限中的一個或多個，在確定工具5的使用壽命耗盡時，可以給每一個所儲存的最大使用極限相同的權重，以使得最大使用極限會以相同的方式影響確定工具5使用壽命的耗盡，或者給每一個所儲存的最大使用極限不同的權重，以使得最大使用極限可不同地影響工具5的使用壽命耗盡。
電子控制單元14可以進一步被編程以經由電子通信介面12從工具管理中心2接收操作中斷命令，該操作中斷命令一旦被執行，就經由電子操作者介面17的電子顯示器及/或燈光指示器通知操作員由於超過了工具5的使用及/或磨損所允許的最大極限而需要中斷正在進行的機械加工操作週期。
工具5的最大使用極限可以獨立於工具5所適合的機械加工操作，並且因此對於工具5所適合的所有機械加工操作是唯一的，或者可以特定於機械工具5適合的機械加工操作，因此對於工具5適合的不同機械加工操作來說是不同的。
可以以多種方式將工具5的最大使用極限提供給電子監控裝置8，例如，如前所述，可以將其儲存在與工具5相關聯的標籤6中，並與標籤6的唯一辨識碼（ID）—起讀取，或者可以經由電子通信介面12將其從工具管理中心2發送到電子監控裝置8。
為了識別工具5，如果工具5的唯一辨識碼（ID）儲存在RFID標籤6中，則電子控制單元14被編程以操作標籤讀取器15並接收從標籤6讀取的唯一辨識碼（ID）。另一方面，如果標籤6的唯一辨識碼（ID）為QR條碼或字母數字字串的形式，則電子控制單元14被編程以接收由數位照相機捕獲的QR條碼或字母數字字串的數位影像，並對其進行處理以對QR條碼進行解碼，並以已知方式（因此未詳細描述）提取編碼在其中的唯一辨識碼（ID），或通過光學字符識別過程識別由字母數字字串表示的唯一辨識碼（ID）。
為了估計工具5的使用，對電子控制單元14編程以確定由工具5執行的加工週期的次數和持續時間、在每一個機械加工週期中執行的機械加工的次數、以及執行每次機械加工花費的時間。
電子控制單元14被編程以基於以下量中的一種或其（線性和非線性）組合估計工具5的磨損： -在待進行的機械加工的典型操作條件下工具5的使用時間，在所考慮的鑽頭示例中，待進行的機械加工的典型操作條件是鑽頭以高於閾值速度的速度旋轉的時間、距待鑽削的機械部件的距離（由距離感測器測量）小於距鑽頭遠端的距離，這些後面的條件表示鑽頭在待鑽削的機械部件中的有效穿透； -振動感測器在給定的頻率範圍內、振幅大於給定閾值的情況下測量之由機械加工產生的振動；以及 -在給定的頻率範圍內由機械加工產生的噪音或聲音。
表示所估計的工具5的使用、磨損和剩餘使用壽命的資料可以根據方便地旨在最大化電子監控裝置8的電氣自主性的專有標準被傳送到工具管理中心2。例如，使用和磨損資料可以在每單次機械加工結束時以資料封包的形式發送，以便工具管理中心2即時更新工具5的使用和磨損情況，或者方便地，獲取所有資料與單個機械加工操作有關的資料封包可以一次全部發送，例如在每單個加工週期結束時，或者週期性地（例如每小時一次），或者在每一個工作班次結束時，或者又在每一個工作日結束時，或者當電子監控裝置8的存儲容量即將用盡時，一次性發送與各次機械加工操作相關的所有資料封包。
每一個資料封包及/或資料封包的每次發送都方便地加上時間戳記，該時間戳記表示產生/發送的日期和時間，以允許確認和追蹤產生/發送。
如圖4所示，工具管理中心2包括： -電子通信介面18，配置以與電子監控裝置8的電子通信介面12通信以從其接收表示相關工具5的剩餘使用壽命或使用壽命耗盡的資料，以及與後面描述的工具收集和分配站3的電子通信介面通信以從其接收磨損資料； -工具資料庫TDB，可以儲存在專用電子儲存單元或為諸如ICT、PLM或ERP的其他業務技術的部分的儲存資源中；以及 -電子資料處理單元19，方便地為伺服器形式，其配置以與電子通信介面18通信以接收由其接收的資料並訪問工具資料庫TDB，並與工具收集和分配站3通信，以基於接收到的資料和儲存在工具資料庫TDB中的資料，由工具收集和分配站3管理工具5及相關的工具驅動設備7的收集和分配。
電子通信介面18可以係基於任何允許電子通信介面18與電子監控裝置8的電子通信介面12以及與工具收集和分配站3的電子通信介面通信的當前或將來的通信技術。
工具資料庫TDB被構造成針對由工具管理中心2管理的每一個工具5儲存對應的資料記錄，該資料記錄包含表示以下內容的資料： -工具5的唯一辨識碼（ID）； -工具5的使用壽命，在工具5的使用壽命耗盡後，工具5應進行修復或以其他方式處置； -由與工具5相關聯的電子監控裝置8傳送的工具5的剩餘使用壽命； -工具5適合的機械加工操作； -工具5位於其中的工具收集和分配站3；以及 -由於重磨/修復或處置而導致的工具5的可用性缺失。
電子資料處理單元19配置以填入並使工具資料庫TDB被更新，並且為此，其配置以： -處理從電子監控裝置8及從工具收集和分配站3接收的資料，以估計工具5的剩餘使用壽命，並管理使用壽命已耗盡的工具5的修復和處置；以及 -使估計的工具5的剩餘使用壽命及關於由於修復或處置而導致之工具5的可用性缺失的資訊更新至工具資料庫TDB。
電子資料處理單元19還可以配置以基於從電子監控裝置8接收的使用和磨損資料計算適當的分析，例如，允許診斷出工具破損的最常見原因的統計資料，或用於基於接收到的資料而學習的人工智能（AI）演算法，評估工具5對於工具5適合的全部或部分機械加工操作的使用壽命的任何延長或縮短，然後相應地更新工具資料庫TDB及/或將資料下載到專門的資料採擷或大數據分析系統中。
電子資料處理單元19還可以配置以中斷工具5的工具驅動設備7的操作，該工具5在機械加工操作的週期期間耗盡其剩餘使用壽命。
為此，電子資料處理單元19可以配置以經由電子通信介面12和18向電子監控裝置8發送操作中斷命令，當該操作中斷命令被電子監控裝置8的電子控制單元14接收並執行時，使電子控制單元執行以下一項或多項干預措施，以使工具5的操作中斷： -經由電子操作員介面17通知操作員需要中斷工具5的使用；以及 -直接干預工具5的工具驅動設備7以中斷其操作。
如圖5所示，每一個工具收集和分配站3包括： -電子操作員介面20，操作員可透過電子操作員介面20提交對工具5可能以與相關的工具驅動設備7結合使用的方式進行機械加工操作的請求； -電子通信介面21，用於與工具管理中心2的電子通信介面18通信，並且可能與電子監控裝置8的電子通信介面12通信； -感測裝置22，用於允許識別歸還的工具5並監控其使用；以及 -電子控制單元23，方便地也是伺服器形式，配置以與電子操作員介面20、電子通信介面21和感測裝置22通信，並基於所接收之對工具5的請求來管理工具5和相關的工具驅動設備7的收集和分配，如下所述。
電子操作員介面20配置以允許操作員提交對工具5和相關的工具驅動設備7的請求以使用適合該目的的任何現有或未來技術執行機械加工操作。
舉例來說，電子操作員介面20可以是觸敏顯示器的形式，在其上顯示合適的圖形化使用者介面（GUI），操作員可以通過該圖形化使用者介面輸入他們自己的識別資料、待執行的機械加工操作的識別資料和工具5或工具驅動設備7的識別資料，他們例如通過在特殊的下拉式功能表中選擇它們或通過手動輸入相關的識別碼來要求這些識別資料。
替代地，電子操作員介面20可以是一系列讀取器的形式，包括：標記讀取器，通過該標記讀取器可以讀取其個人標記中包含的操作員的識別資料；或者生物識別讀取器，可以通過該生物識別器測量操作員的生物識別參數，並在此基礎上識別操作員；以及QR條碼讀取器，借助該QR條碼讀取器，可以讀取印在加工板上並識別待進行的機械加工的一個或多個QR條碼和工具5待使用的相關工具驅動設備7。
電子通信介面21係基於允許電子通信介面21與工具管理中心2的電子通信介面18通信的任何當前或將來的通信技術。
感測裝置22包括： -標籤讀取器24，類似於電子監控裝置8的標籤讀取器15，用於讀取與歸還的工具5相關聯的標籤6的唯一辨識碼（ID）；以及 -工具掃描感測器25，係基於允許估計歸還的工具5的磨損的任何當前或將來的掃描技術。
在一個實施例中，工具掃描感測器25可以方便地基於成像技術，即，以包含可以由電子控制單元23操作的普通數位照相機（例如，CCD或CMOS照相機）的數位影像捕獲感測器的形式，以捕獲工具5的一幅或多幅數位影像，並在操作員歸還工具5時將其發送給電子控制單元23，以便隨後可以由電子控制單元23處理捕獲的數位影像，以基於捕獲的數位影像客觀地估計工具5的磨損。
在不同的實施例中，工具掃描感測器25可以方便地基於雷射技術，即，以允許以不同的比例和解析度檢測三維工具模型5的鐳射掃描器（也稱為3D雷射器）的形式。
電子控制單元23配置以管理歸還的工具5的收集，並且為此，電子控制單元23配置以： -接收並處理感測裝置22的輸出，以識別歸還的工具5並估計其磨損；以及 -經由電子通信介面21和18與工具管理中心2通信，以提供表示與歸還的工具5相關聯的標籤6的唯一辨識碼（ID）的資料。
關於工具5的工具驅動設備7，它們的收集可以由管理相關工具5的收集的同一工具收集和分配站3來管理，或者由專用於此目的的不同的收集站來管理。為此，工具5的工具驅動設備7還可以方便地設置有與用於識別工具5的標籤6相同的識別標籤。
電子控制單元23還配置以管理工具5的分配，並且為此目的，配置以： -經由電子操作員介面20接收由操作員提交之對工具5的請求，每一個請求都包含識別提交請求的操作員、要執行的機械加工操作以及用於執行指示的機械加工的工具5的資料； -驗證所請求的工具5是否適合執行所指示的機械加工操作，以及在工具收集和分配站3中是否有工具5與所請求的工具相匹配並且其剩餘使用壽命足以執行所指示的機械加工操作； -如確定所請求的工具5不適合執行所示的機械加工操作，或者在工具收集和分配站3中沒有工具5與所請求的工具匹配，或者在工具收集和分配站3中有工具5與所請求的工具相匹配，但其剩餘使用壽命不足以執行所指示的機械加工操作： --阻止工具收集和分配站3交付所請求的工具5；以及 --使提交請求的操作員被按時通知；以及 -如確定所請求的工具5適合於執行所指示的機械加工操作，並且在工具收集和分配站3中有工具5與所請求的工具相匹配，並且其剩餘使用壽命足以執行所指示的機械加工操作，則使得工具5被分配給提交請求的操作員，例如透過將工具庫連接到收集和分配站3的傳送帶。
可以根據兩種不同的架構方法來驗證所請求的工具5是否適合執行指示的機械加工操作，以及在工具收集和分配站3中是否有工具5與所請求的工具匹配：第一架構方法，其中，工具資料庫TDB是電子工具管理系統1的唯一工具資料庫，因此代表集中式工具資料庫TDB，因此，電子控制單元23與工具管理中心2通信以訪問包含在其中的資料；第二架構方法，其中，工具資料庫TDB的部分副本保存在工具收集和分配站3中，每一個工具收集和分配站3僅包含工具收集和分配站3中的工具5的資料。
在第一種方法中，電子控制單元23因此配置以： -經由電子通信介面21和18與工具管理中心2通信，以存取工具資料庫TDB，並基於其中包含的各種工具5的資料執行： --驗證所請求的工具5是否適合執行指示的機械加工操作，以及在工具收集和分配站3中是否有工具5與所請求的工具匹配； --驗證工具5的剩餘使用壽命是否與所請求的工具相匹配並被確定為適合並可用於執行所指示的機械加工操作以使工具5能夠執行所指示的加工週期； --在與請求的工具匹配並且適合並且可用於執行所指示的機械加工操作並且確定其剩餘壽命已使工具5能夠執行所指示的機械加工操作的工具5中，基於例如目的是使工具的磨損盡可能均勻的某個專有標準來識別待分配給請求它們的操作員的特定的工具5；以及 --在工具資料庫TDB中更新已交付工具5的資料記錄以及有關請求它們的操作員的資訊。
在第二種方法中，本地工具資料庫TDB進一步保存在每一個工具收集和分配站3中，該工具收集和分配站3包括含在集中式工具資料庫TDB中的工具收集和分配站3中的工具5的資料的副本，因此然後，將電子控制單元23配置以存取本地工具資料庫TDB，並基於其中包含之用於各種工具5的資料，執行與前面所述相同的操作，然後與工具管理中心2通信以更新工具資料庫TDB中所交付的工具5的資料記錄。
類似於關於它們的收集所描述的，工具5的工具驅動設備7的分配可以由管理工具5分配之相同的工具收集和分配站3來管理，或者由特定專用於此目的地不同的分配站來管理，以實現與先前關於工具5所描述的操作類似的操作。
基於前述內容，可以理解的是，本發明能夠實現在此闡述的所有目的。
特別地，本發明能夠對已經上市或製造的所有工具和相關驅動設備進行改裝，從而即使它們本來缺乏這種監控技術以及允許採用它們的任何措施，也能夠對其使用和磨損進行精確而可靠的監控。
此外，本發明能夠實現對任何尺寸的工具的集成、智能和可擴展的管理，從而確保嚴格遵守該技術領域中所提供的任何品質和安全標準，甚至是最嚴格的標準。
申請人已經能夠確定他所知道的方法和技術，儘管沒有理由懷疑它們在某些方面可能是令人滿意的，但仍然存在很大的改進餘地，特別是在它們與由工業4.0引入的新模式的整合方面，以便對可能數量眾多的工具進行集成和智能管理。
因此，本發明旨在提供一種IoT技術，該IoT技術一方面允許對用於機械加工操作的工具的使用和磨損以及工具的集成和智能管理進行精確而可靠的監控，並且另一方面，該IoT技術也可以很容易地在本來缺乏這種技術的應用環境中使用。
本專利申請主張於2020年5月7日提交之義大利專利申請第102020000010255號的優先權，其全部公開內容通過引用合併於此。
1:電子工具管理系統 2:工具管理中心 3:工具收集和分配站 4:電子工具監控系統 5:工具 6:標籤 7:工具驅動設備 8:電子監控裝置 9:保護殼體 10:固定裝置 11:電子感測裝置 12:電子通信介面 13:電源裝置 14:電子控制單元 15:標籤讀取器 16:感測器 17:電子操作員介面 18:電子通信介面 19:電子資料處理單元 20:電子操作員介面 21:電子通信介面 22:感測裝置 23:電子控制單元 24:標籤讀取器 25:工具掃描感測器 TDB:工具資料庫
圖1示意性地顯示本發明的電子工具管理系統； 圖2示意性地顯示本發明之用於監控工具的使用和磨損的電子系統； 圖3顯示本發明之用於監控工具的使用和磨損的電子裝置的方塊圖； 圖4顯示本發明之工具管理中心的方塊圖；以及 圖5顯示本發明之工具分配站的方塊圖。
1:電子工具管理系統
2:工具管理中心
3:工具收集和分配站

Claims (10)

  1. 一種用於監控機械加工的工具（5）的使用和磨損的電子工具監控系統（4），對於待監控的每一個工具（5），所述電子工具監控系統（4）包括： 一標籤（6），待施加於所述工具（5）上，並具有一唯一辨識碼（ID），所述唯一辨識碼（ID）允許所述工具（5）與其他工具（5）相區別；以及 一獨立自主的電子監控裝置（8），設計成牢固且可拆卸地適用於一工具驅動設備（7），以監控由此驅動的所述工具（5）的使用和磨損， 所述獨立自主的電子監控裝置（8）包括： 一電子感測裝置（11），用於允許識別所述工具（5）並監控其使用和磨損； 一電子通信介面（12），與遠端的一工具管理中心（2）通信； 一電子操作員介面（17），用於向操作員提供有關所述工具（5）的資訊；以及 一電子控制單元（14），電性連接到所述電子感測裝置（11）、所述電子通信介面（12）和所述電子操作員介面（17），並被編程以： 儲存表示所述工具（5）的使用壽命的資料； 基於所述電子感測裝置（11）的輸出識別並監控所述工具（5）的使用和磨損； 基於監控之所述工具（5）的使用和磨損以及儲存之表示其使用壽命的資料估計所述工具（5）的剩餘使用壽命； 如確定所述工具（5）的使用壽命未耗盡，則通過所述電子操作員界面（17）向操作員提供有關所述工具（5）的剩餘使用壽命的資訊； 如確定所述工具（5）的使用壽命已耗盡，則執行以下一項或多項干預措施，以使所述工具驅動設備（7）的操作中斷： 經由所述電子操作員介面（17）通知操作員需要中斷所述工具驅動設備（7）的操作；以及 直接干預所述工具驅動設備（7）以中斷其操作；以及 經由所述電子通信介面（12）向所述工具管理中心（2）發送與所述工具（5）相關聯的所述標籤（6）的所述唯一辨識碼（ID）以及表示估計之所述工具（5）的剩餘使用壽命或表示其使用壽命已耗盡的資料。
  2. 如請求項1所述的電子工具監控系統（4），其中， 所述標籤（6）係基於射頻識別（RFID）技術或光學掃描技術，特別是成像技術，以及 所述電子感測裝置（11）包括一標籤讀取器（15），以讀取與所述標籤（6）相關聯並基於射頻識別技術或光學掃描技術特別是成像技術的所述唯一辨識碼（ID）。
  3. 如請求項1或2所述的電子工具監控系統（4），其中，所述電子感測裝置（11）進一步包括以下感測器中的一個或其組合，以允許監控所述工具（5）的使用和磨損： 一電聲感測器，用於測量所述工具（5）在機械加工期間產生的聲音發射； 一振動感測器，用於測量所述工具（5）在機械加工期間產生的機械振動； 一距離感測器，用於測量所述距離感測器與待機械加工的機械部件之間的距離； 一無源紅外線感測器，用於測量所述工具（5）在機械加工期間以紅外線輻射形式發射的熱能； 一陀螺儀，用於測量所述工具（5）的轉速； 一負荷感測器，用於測量由所述工具（5）在正被機械加工的機械部件上施加的力；以及 一觸覺按鈕，能夠由操作員在機械加工的開始和結束時操作，或者在操作過程中始終保持按壓，以表示機械加工開始時間和結束時間或其持續時間。
  4. 一種電子工具管理系統（1），包括： 一工具管理中心（2）； 一個或不同的工具收集和分配站（3），與所述工具管理中心（2）通信；以及 如請求項1至3中任一項所述的電子工具監控系統（4），用於每一個待監控的工具（5）。
  5. 如請求項4所述的電子工具管理系統（1），其中，所述工具管理中心（2）包括： 一電子通信介面（18），用於與所述電子監控裝置（8）的所述電子通信介面（12）通信，以接收表示監控的所述工具（5）的剩餘使用壽命或表示其使用壽命已耗盡且由所述電子監控裝置（8）傳輸的資料，並與所述工具收集和分配站（3）的一電子通信介面（21）通信，以接收由此傳輸的磨損資料； 一工具資料庫（TDB）；以及 一電子資料處理單元（19），配置以與所述電子通信介面（18）通信以接收其所接收的資料並存取所述工具資料庫（TDB），並配置以與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）基於接收到的資料和儲存在所述工具資料庫（TDB）中的資料管理所述工具（5）的收集和分配， 其中，所述工具資料庫（TDB）建構以針對由所述工具管理中心（2）管理的每一個工具（5）儲存表示以下內容的資料： 所述工具（5）的所述唯一辨識碼（ID）； 所述工具（5）的使用壽命，在所述工具（5）的使用壽命耗盡後，所述工具（5）應進行修復或以其他方式處置； 由相關聯的所述電子監控裝置（8）傳輸的所述工具（5）的剩餘使用壽命； 適合所述工具（5）的機械加工操作； 被指派有收集和分配所述工具（5）的任務的所述工具收集和分配站（3）；以及 由於修復或處置而導致的所述工具（5）的可用性的任何缺失，以及 其中，所述電子資料處理單元（19）進一步配置以： 處理從所述電子監控裝置（8）和從所述工具收集和分配站（3）接收的資料，以估計所述工具（5）的剩餘使用壽命，並管理使用壽命已耗盡的所述工具（5）的修復和處置；以及 使估計的所述工具（5）的剩餘使用壽命和關於所述工具（5）之由於修復和處置而導致的可用性的缺失的資訊更新至所述工具資料庫（TDB）。
  6. 如請求項5所述的電子工具管理系統（1），其中，所述工具管理中心（2）的所述電子資料處理單元（19）進一步配置以： 基於根據接收到的資料而學習的人工智能（AI）演算法，評估適合所述工具（5）之所有或部分機械加工操作的所述工具（5）的使用壽命的延長或縮短，並將其更新至所述工具資料庫（TDB）。
  7. 如請求項5或6所述的電子工具管理系統（1），其中，所述工具管理中心（2）的所述電子資料處理單元（19）進一步配置以發送所述電子監控裝置（8）的操作中斷命令，當所述操作中斷命令被所述電子監控裝置（8）的所述電子控制單元（14）接收並執行時，所述操作中斷命令使所述電子控制單元（14）實施以下一項或多項干預措施，以使所述工具驅動設備（7）的操作中斷： 經由所述電子操作員介面（17）通知操作員需要中斷所述工具驅動設備（7）的操作；以及 直接干預所述工具驅動設備（7）以中斷其操作。
  8. 如請求項4至7中任一項所述的電子工具管理系統（1），其中，所述工具收集和分配站（3）包括： 一電子操作員介面（20），操作員能夠透過所述電子操作員介面（20）提交對所述工具（5）執行機械加工操作的請求； 一電子通信介面（21），用於與所述工具管理中心（2）的所述電子通信介面（18）通信； 一感測裝置（22），用於允許識別歸還的所述工具（5）並監控其使用；以及 一電子控制單元（23），配置以與所述電子操作員介面（20）、所述電子通信介面（21）和所述感測裝置（22）通信，並基於對所述工具（5）的請求管理所述工具（5）的收集和分配。
  9. 如請求項8所述的電子工具管理系統（1），其中，所述工具收集和分配站（3）的所述感測裝置（22）包括： 一標籤讀取器（24），用於讀取與歸還的所述工具（5）相關聯的所述標籤（6）的所述唯一辨識碼（ID）；以及 一工具掃描感測器（25），用於基於成像技術或雷射技術估計歸還的所述工具（5）的磨損。
  10. 如請求項8或9所述的電子工具管理系統（1），其中，所述工具收集和分配站（3）的所述電子控制單元（23）配置以透過以下方式管理歸還的所述工具（5）的收集： 接收和處理所述感測裝置（22）的輸出，以識別歸還的所述工具（5）並估計其磨損；以及 與所述工具管理中心（2）通信以提供表示與歸還的所述工具（5）相關聯的所述標籤（6）的所述唯一辨識碼（ID）及其磨損的資料，以及 其中，所述工具收集和分配站（3）的所述電子控制單元（23）進一步配置以透過以下方式管理所述工具（5）的交付： 接收由操作員經由所述電子操作員介面（20）提交之對所述工具（5）的請求，每一個請求都包含識別提交所述請求的操作員的資料、待執行的機械加工操作、以及待用來執行指示的機械加工的工具（5）； 驗證所請求的工具（5）是否適合執行指示的機械加工操作，以及在所述工具收集和分配站（3）中是否有工具（5）與所請求的工具相匹配並且其剩餘使用壽命足以執行指示的機械加工操作； 如確定所請求的工具（5）不適合執行所指示的機械加工操作，或者確定在所述工具收集和分配站（3）中沒有工具（5）與所請求的工具相匹配，或者確定在所述工具收集和分配站（3）中有工具（5）與所請求的工具相匹配，但其剩餘使用壽命不足以執行所指示的機械加工操作，則： 阻止所述工具收集和分配站（3）交付所請求的工具（5）；以及 使提交所述請求的操作員按時得到通知；以及 如確定所請求的工具（5）適合執行指示的機械加工操作，並且在所述工具收集和分配站（3）中有工具（5）與所請求的工具相匹配且其剩餘使用壽命足以執行指示的機械加工操作，則使所述工具收集和分配站（3）交付所請求的工具（5）。
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