-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug, das eine Trägereinheit und eine in der Trägereinheit drehbar gelagerte Welle aufweist, wobei das Werkzeug eine Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung des Werkzeugs aufweist, umfassend eine Sensoreinheit zum Messen einer physikalischen Größe, die mit einem Indikator für eine vorbeugende Instandhaltung assoziiert ist, eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Indikatorwertes aus einem Signal der Sensoreinheit, eine Speichereinheit zum Speichern des Indikatorwertes, eine Kommunikationseinheit zum Senden des Indikatorwertes an ein Auslesegerät und eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen der Vorrichtung mit elektrischer Energie.
-
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein System, umfassend ein Werkzeug mit einer Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung und ein Auslesegerät.
-
Werkzeuge sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Jede Art von drehenden Werkzeugen, bei denen ein drehendes Bauteil, hierin Welle genannt, an einem weiteren Bauteil, hierin Trägereinheit genannt, drehbar gelagert ist, ist ein Werkzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung. Beispiele für Werkzeuge umfassen Fräswerkzeuge, Schneidwerkzeuge, Schleifwerkzeuge und Bohrwerkzeuge. Wie vorstehend bereits ausgeführt, ist es sehr erstrebenswert, den tatsächlichen Ermüdungszustand oder Verschleißzustand des Werkzeuges zu erfassen, um einerseits rechtzeitig vor einem Schadensfall eine vorbeugende Instandhaltung durchführen zu können und andererseits eine verfrühte und damit im Prinzip überflüssige Instandhaltung zu vermeiden.
-
Vorrichtungen zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung sind Vorrichtungen, die Verschleißindikatoren oder Verbrauchsindikatoren erfassen, die anzeigen, dass eine vorbeugende Instandhaltung oder Wartung des Werkzeuges erforderlich ist. Selbstverständlich sind diese Vorrichtungen ebenfalls geeignet, um in einem Schadensfall eine Instandhaltung oder Wartung anzuzeigen, die nicht vorbeugend beziehungsweise präventiv ist. Vorrichtungen zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung können auch als Zustandserfasser bezeichnet werden, die einen Zustand des Werkzeuges erfassen und gegebenenfalls über einen Zeitraum hinweg überwachen.
-
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Betriebsstundenzähler bekannt. Solche Betriebsstundenzähler werden oftmals bei landwirtschaftlichen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Im Fall eines Betriebsstundenzählers ist der Indikator die Anzahl an geleisteten Betriebsstunden. Die vorbeugende Instandhaltung wird durchgeführt, wenn eine vorbestimmte Anzahl an Betriebsstunden erreicht ist. Bei der vorbeugenden Instandhaltung handelt es sich beispielsweise um einen Ölwechsel. Eine Energieversorgung des Betriebsstundenzählers erfolgt über die Bordelektrik des Kraftfahrzeuges. Die Anzahl an Betriebsstunden wird im Armaturenbrett des Kraftfahrzeuges angezeigt und kann dort abgelesen werden. Andere Betriebsstundenzähler arbeiten für lange Zeit energieautark und weisen deshalb eine relativ große Batterie auf, sodass solche Betriebsstundenzähler ein Raumerfordernis von mindestens 35 cm3 haben. Bei kompakt konstruierten Maschinen, Werkzeugen oder Fahrzeugen führt das dazu, dass der Betriebsstundenzähler nicht eingesetzt werden kann oder dass die Maschinen, Werkzeuge oder Fahrzeuge unter gesonderter Bereitstellung von Raum für den Betriebsstundenzähler umkonstruiert werden müssen.
-
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Vibrationsmesser bekannt, die bei Hubschraubern eingesetzt werden. Mit zunehmender Betriebsdauer ermüden hoch belastete Antriebsteile des Hubschraubers, beispielsweise dessen Rotor und Antriebswelle, wodurch sich ein Schwingungsmuster dieser Bauteile verändert. Der Indikator für eine vorbeugende Instandhaltung ist das Schwingungsmuster. Der Vibrationsmesser erfasst das Schwingungsmuster, vergleicht es mit einem hinterlegten Schwingungsmuster und stellt einen Wert bereit, der anzeigt, ob eine vorbeugende Instandhaltung durchgeführt werden muss. Dieser Wert kann mittels eines Auslesegerätes ausgelesen werden. Die Kommunikation zwischen dem Vibrationsmesser und dem Auslesegerät erfolgt mittels eines BUS-Systems. Eine Energieversorgung des Vibrationsmessers erfolgt über die Bordelektrik des Hubschraubers.
-
Zum Stand der Technik zählen auch Werkzeuge, insbesondere angetriebene Werkzeuge für Werkzeugmaschinen, die mit einem Radio Frequency Identification (RFID)-Transponder ausgestattet sind. Der Transponder dient zum Erkennen des Werkzeuges. Beispielsweise erkennt die Werkzeugmaschine das Werkzeug, wenn es an einer Spindel der Werkzeugmaschine befestigt wird. Hierzu weist die Werkzeugmaschine ein Auslesegerät auf. Auf der Grundlage der Zeiten, in denen das Werkzeug an der Spindel befestigt ist und von dem Auslesegerät erkannt wird, können Bereitschaftsstunden für das Werkzeug berechnet werden. Allerdings stimmen die Bereitschaftsstunden regelmäßig nicht mit den tatsächlich geleisteten Betriebsstunden überein, da die Spindel oftmals kein eigenes Auslesegerät aufweist. Der Transponder ist zumeist passiv ausgebildet, sodass er keine aktive Energieversorgungseinheit benötigt. Dies hat jedoch zur Folge, dass der Transponder lediglich dann aktiv ist, wenn er von dem Auslesegerät aktiviert wird. Eine kontinuierliche Erfassung der Betriebsstunden ist damit nicht möglich.
-
Aus der
US 2005/0 017 602 A1 ist eine an drehenden Teilen anbringbare Vorrichtung zur Messwertgewinnung, Datenspeicherung und drahtlose Übermittlung sowie Energiegewinnung bekannt, die zur Ermittlung eines Gesundheitszustandes einer Maschine oder eines Systems über dessen Lebenszeit dient. Die Vorrichtung weist weiter ein Netzwerk von Sensoren auf sowie eine Speichermöglichkeit für die gewonnene Energie und ist insbesondere zur Temperatur- und Druckermittlung bei einem Fahrzeugrad einsetzbar.
-
DE 10 2004 040 407 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren wie Bauteilspannungen und -dehnungen für eine vorbeugende Instandhaltung durch Bestimmung der Lebensdauer bei maschinentechnischen Einrichtungen. Dazu weist die Vorrichtung einen Spannungs- und Dehnungssensor auf sowie eine Sensoreinheit zum Messen einer physikalischen Größe, eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Indikatorwertes aus einem Signal der Sensoreinheit, eine Speichereinheit in Form eines Mikrocontrollers, eine Antennenanordnung zum Senden des Indikatorwertes an eine Datenverarbeitungsanlage und eine Energieversorgungseinheit mit einer Batterie als Spannungsquelle zum Versorgen der Vorrichtung mit elektrischer Energie und einer Niederfrequenzantenne.
-
DE 10 2004 051 145 A1 betrifft ein Sensorsystem mit Prozessor und Speicher für eine spanabhebende Werkzeugmaschine. Über Induktion wird wenigstens ein Sensor zur Kraft-, Drehmoment oder Körperschallermittlung mit Energie versorgt und die Daten mittels einer drahtlosen Sendeeinheit unmittelbar und unverarbeitet übertragen.
-
DE 10 2006 030 834 A1 betrifft ein Sensorsystem für eine Werkzeugmaschine, umfassend eine erste und eine zweite Energieversorgungseinheit, wobei nur letztere eine Batterie aufweist.
-
DE 10 2007 042 678 A1 betrifft einen Schwingungssensor zum Messen physikalischer Größen, die mit einem Indikator für eine vorbeugende Instandhaltung assoziiert ist, eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Indikatorwertes aus einem Signal des Schwingungssensors, ein Bestimmen eines Pegels, der einem Spitzenwert des digitalen Signals über einen bestimmten Bereich von Datenpunkten entspricht, was eine zumindest temporäre Speicherung von Datenpunkten erfordert, ein Datenübertragungsmodul zum Senden des Indikatorwertes an ein Auslesegerät und eine Leistungsversorgung zum Versorgen der Vorrichtung mit elektrischer Energie. Die Leistungsversorgung weist eine erste Energieversorgungsvorrichtung auf, die von einer Batterie verschieden ausgebildet ist. Weiterhin umfasst der Schwingungssensor eine Energieverwaltungseinheit durch einen Leistungsversorgungsregler, wobei die Energieverwaltungseinheit zum Aktivieren und Deaktivieren des Schwingungssensors oder einer oder mehrere Einheiten des Schwingungssensors ausgebildet ist.
-
US 2013/0 307 703 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung bei Luftfahrtstrukturen, die eine Trägereinheit und eine in der Trägereinheit drehbar gelagerte Welle in Form eines Hauptrotors aufweist. Diese Vorrichtung für Hubschrauber enthält eine Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren, insbesondere eine Sensoreinheit zum Messen einer physikalischen Größe, einen Mikroprozessor zum Berechnen eines Indikatorwertes aus einem Signal der Sensoreinheit, eine Speichereinheit zum Speichern des Indikatorwertes, Mittel zum Übertragen und Empfangen des Indikatorwertes an eine Maschinenschnittstelle und eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen der Vorrichtung mit elektrischer Energie. Die Energieversorgungseinheit weist neben einer Batterie eine elektromagnetische Energie-Rettungseinheit auf, wobei durch die Energie-Rettungseinheit die elektromagnetischen Wellen der Umgebung absorbiert werden und in elektrische Energie umgewandelt werden. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinheit als Energieverwaltungseinheit, wobei die Steuerungseinheit zum Aktivieren und Deaktivieren der Vorrichtung oder einer oder mehrerer Einheiten der Vorrichtung ausgebildet ist.
-
Um eine Vorrichtung zum Erfassen eines Indikators für eine vorbeugende Instandhaltung, beispielsweise der Betriebsstunden, bei einem Werkzeug ohne eigene Energieversorgungseinheit bereitzustellen, muss die Vorrichtung energieautark funktionieren, und zwar über einen Zeitraum, der länger ist als ein Instandhaltungsintervall. Je nach Einsatzhäufigkeit und -dauer des Werkzeuges beträgt das Instandhaltungsintervall beispielsweise zwischen ein und zehn Jahren. Zur Überbrückung solch lange Instandhaltungsintervalle wäre eine Batterie von erheblicher Größe erforderlich. Da jedoch der zur Anordnung einer Batterie zur Verfügung stehende Raum innerhalb eines an sich äußerst kompakt konstruierten Werkzeuges sehr begrenzt ist, scheiden Batterien mit einem nicht vernachlässigbaren Raumerfordernis aus. Die Batterie sollte einen Durchmesser von kleiner 25 mm und eine Höhe von kleiner 12 mm aufweisen.
-
Im Zuge der industriellen Weiterentwicklung ist eine Bereitstellung von fertig verarbeiteten Informationen über fertigungstechnische Teile, Gruppen und Anlagen durch die Teile, Gruppen und Anlagen selbst anvisiert („Industrie 4.0“). Die Informationen werden dezentral generiert und bereitgestellt, um anschließend zentral zusammengefasst und weiterverarbeitet zu werden. Das Ziel ist eine intelligente Fabrik. Eine intelligente Fabrik arbeitet insbesondere ökonomisch. Hierzu zählt, dass Wartungen und Instandhaltungen nur dann durchgeführt werden, wenn sie tatsächlich erforderlich sind, um Kosten und Betriebsstillstände gering zu halten. Andererseits ist es wichtig, dass Wartungen und Instandhaltungen stattfinden, bevor ein Schadensfall auftritt, um nicht vorhersehbare Betriebsstillstände in Form von nicht geplanten Wartungen und Instandhaltungen zu vermeiden.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Werkzeug der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Verschleißzustand zuverlässig erfasst wird und das bei kompakter Bauweise langfristig energieautark ist.
-
Zur Lösung der Vorrichtungsaufgabe schlägt die Erfindung ein Werkzeug vor, das eine Trägereinheit und eine in der Trägereinheit drehbar gelagerte Welle aufweist, wobei das Werkzeug eine Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung des Werkzeugs aufweist, umfassend: eine Sensoreinheit zum Messen einer physikalischen Größe, die mit einem Indikator für eine vorbeugende Instandhaltung assoziiert ist, eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Indikatorwertes aus einem Signal der Sensoreinheit, eine Speichereinheit zum Speichern des Indikatorwertes, eine Kommunikationseinheit zum Senden des Indikatorwertes an ein Auslesegerät und eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen der Vorrichtung mit elektrischer Energie, wobei die Energieversorgungseinheit eine erste Energieversorgungsvorrichtung aufweist, die von einer Batterie verschieden ausgebildet ist und sie zusätzlich eine zweite Energieversorgungseinheit aufweist und dass die Vorrichtung eine Energieverwaltungseinheit umfasst, wobei die Energieverwaltungseinheit zum Aktivieren und Deaktivieren der Vorrichtung oder einer oder mehrerer Einheiten der Vorrichtung ausgebildet ist, wobei die Energieverwaltungseinheit Aktivitätssignale von den Einheiten der Vorrichtung empfangend, diese mit hinterlegten Aktivitätsdaten vergleichend und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs Schaltsignale zum Aktivieren/Deaktivieren der Vorrichtung oder einer oder mehrere Einheiten der Vorrichtung erzeugend ausgebildet ist, wobei die Signalverarbeitungseinheit ein Rechenmodul zum Berechnen des Indikatorwertes aus dem Signal aufweist, wobei integriert eine Verarbeitung von Messsignalen (Rohdaten) in einen fertig verarbeiteten Indikatorwert zur Bereitstellung aussagekräftiger destillierter Daten derart erfolgend ist, dass die Vorrichtung nur noch eine geringe Speicher- und Übertragungskapazität benötigt, und wobei die Speichereinheit einen ersten Speicher zum Speichern von werkzeugbezogenen Daten und einen zweiten Speicher zum Speichern des Indikatorwertes aufweist.
-
Mit großem Vorteil überwacht die Vorrichtung den tatsächlichen Verschleißzustand des Werkzeuges und generiert entsprechende Indikatorwerte, auf deren Basis rechtzeitige Wartungen und Instandhaltungen terminiert und durchgeführt werden können. Schadensfälle als auch überflüssige Wartungen werden vermieden, sodass ein kontinuierlicher und damit ökonomischer Betrieb gesichert ist. Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit gewährleistet eine langfristig zuverlässige Funktion der Vorrichtung und damit eine zuverlässige Erfassung des Verschleißzustandes des Werkzeuges.
-
Die erste Energieversorgungseinrichtung, die keine Batterie ist, stellt mit großem Vorteil langfristig ausreichend elektrische Energie bereit, um die Vorrichtung kontinuierlich zu betreiben, jedoch ohne den Raum einer großen Batterie zu erfordern. Zusätzlich steuert oder regelt die Energieverwaltungseinheit Energieströme von der Energieversorgungseinheit zu den Einheiten der Vorrichtung, um einen Energieverbrauch der Vorrichtung in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Vorrichtung zu minimieren, sodass eine voluminöse Batterie überflüssig ist. Insofern ist eine kompakte Bauweise der Vorrichtung möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bereits werkseitig an oder in dem Werkzeug, das es zu überwachen gilt, angeordnet oder nachrüstbar ausgebildet.
-
Die erste Energieversorgungsvorrichtung und die zweite Energieversorgungsvorrichtung können identisch ausgebildet sein, sind in der Regel aber unterschiedlich ausgebildet. Das Vorhandensein einer zweiten Energieversorgungsvorrichtung und gegebenenfalls weiterer Energieversorgungsvorrichtungen ermöglicht es, dass die Vorrichtung mit einem Energiemix betrieben wird, der optional im Zuge eines Energiemanagements bedarfsgerecht gesteuert oder geregelt wird. Insbesondere sind verschiedene Einheiten der Vorrichtung unterschiedlichen Energieversorgungsvorrichtungen zugeordnet. Beispielsweise ist die Sensoreinheit einer ersten Energieversorgungsvorrichtung zugeordnet, die ein Induktionsmodul umfasst, da die Sensoreinheit elektrische Energie zum Messen der physikalischen Größe benötigt, wenn sich die Welle relativ zu der Trägereinheit dreht, und das Induktionsmodul gerade dann elektrische Energie für die Sensoreinheit bereitstellt, wenn sich die Welle relativ zu der Trägereinheit dreht.
-
Durch das Empfangen und Vergleichen der Aktivitätssignale und das Erzeugen von Schaltsignalen mittels der Energieverwaltungseinheit wird der Energieverbrauch der Einheiten der Vorrichtung überwacht, dem aktuellen Betriebszustand der Vorrichtung angepasst und somit optimiert. Ein optimaler Energieverbrauch ist insbesondere ein minimaler Energieverbrauch. Aktivitätsdaten im Sinne der Erfindung sind beispielsweise einheitenspezifische Abschaltzeiten nach vorbestimmten Betriebsvorgängen oder Intervallzeiten zum wiederkehrenden Aktivieren und Deaktivieren von bestimmten Einheiten. Das Aktivieren und Deaktivieren kann Stufen umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: Full-On; Stand-By; Suspend; Sleep; und Full-Off.
-
Die Zweiteilung oder gegebenenfalls Mehrfachteilung der Speichereinheit erlaubt eine klare Zuordnung, aber auch klare Trennung der Daten. Die werkzeugbezogenen Daten sind zum Beispiel die Identifikationsnummer, das Herstellungsdatum, Konstruktionsdaten, Betriebshinweise, Anwendungsdaten und dergleichen. Bevorzugt sind der erste Speicher und der zweite Speicher unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Read Only Memory (ROM); Programmable Read Only Memory (PROM); Erasable Programmable Read Only Memory (EPROM); und Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM).
-
Hierzu ist in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die erste Energieversorgungsvorrichtung ein zwischen der Welle und der Trägereinheit wirkendes Induktionsmodul zum Bereitstellen von elektrischer Energie aus einer Drehbewegung der Welle relativ zu der Trägereinheit oder eine Antenne zum Empfangen von elektrischer Energie von dem Auslesegerät aufweist. Um einen langfristigen Betrieb der Vorrichtung sicherzustellen, eignet sich das Induktionsmodul bestens, da es immer dann elektrische Energie bereitstellt, wenn sich die Welle relativ zu der Trägereinheit dreht, mit anderen Worten, wenn das Werkzeug in Betrieb ist und folgerichtig zu überwachen ist. Das Induktionsmodul gewinnt die elektrische Energie aus der Drehbewegung der Welle, wobei die Drehbewegung der Welle von außen eingeleitet und aufrechterhalten wird, sodass ein Energiereservoir zum Gewinnen von elektrischer Energie von außen gespeist wird und damit dem Grunde nach unbegrenzt ist. Das Induktionsmodul umfasst eine Leiteranordnung, in der elektrische Ströme induziert werden. Eine als Antenne ausgebildete erste Energieversorgungsvorrichtung ist für solche Konstellationen besonders geeignet, bei denen ein elektromagnetisches Feld zur Verfügung steht, über das die elektrische Energie zum Versorgen der Vorrichtung bezogen werden kann. Die erste Energieversorgungsvorrichtung kann auch eine Batterie oder ein Akkumulator sein, insbesondere wenn die Vorrichtung eine Energieverwaltungseinheit umfasst.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Energieversorgungsvorrichtung ein zwischen der Welle und der Trägereinheit wirkendes Induktionsmodul zum Bereitstellen von elektrischer Energie aus einer Drehbewegung der Welle relativ zu der Trägereinheit, eine Antenne zum Empfangen von elektrischer Energie von dem Auslesegerät, einen Kondensator, einen Akkumulator oder eine Batterie aufweist. Um eine ausreichend lange energetische Unabhängigkeit der Vorrichtung bei gleichzeitig kompakter Bauweise der Vorrichtung zu gewährleisten, sind die folgenden Kombinationen von Energieversorgungsvorrichtungen besonders geeignet: Induktionsmodul und Antenne; Induktionsmodul und Kondensator; Induktionsmodul und Akkumulator; Induktionsmodul und Batterie; Induktionsmodul, Antenne und Kondensator; Induktionsmodul, Antenne und Akkumulator; und Induktionsmodul, Antenne und Batterie.
-
Es erweist sich in Weiterbildung der Erfindung als sehr vorteilhaft, dass die Kommunikationseinheit eine Antenne zum Senden des Indikatorwertes an das Auslesegerät mittels Near Field Communication (NFC)-, Radio Frequency Identification (RFID)- oder Bluetooth-Technologie aufweist. Eine solche drahtlose Übermittlung des Indikatorwertes und gegebenenfalls weiterer Daten an das Auslesegerät macht eine Kabelverbindung zwischen der Vorrichtung und dem Auslesegerät entbehrlich, sodass die Vorrichtung vollständig in das Werkzeug integrierbar ist. Eine Integration der Vorrichtung in das Werkzeug ist vorteilhaft, da einerseits die von der Sensoreinheit zu erfassende Welle regelmäßig am besten innerhalb des Werkzeuges zugänglich ist und andererseits die oftmals empfindliche Vorrichtung vor negativen Umwelteinflüssen, wie Schmutz, Feuchtigkeit oder Chemikalien, geschützt ist. Weiterhin ist eine kabellose Verbindung sehr bedienerfreundlich, da zum Auslesen des Indikatorwertes keine Steckverbindungen an oftmals für einen Bediener schwer zugänglichen oder sogar gefährlichen Stellen an dem Werkzeug hergestellt werden müssen. Die genannten Technologien erlauben eine drahtlose Übermittlung von Daten, jedoch nur über geringe Distanzen oder nach Paarung von Kommunikationseinheit und Auslesegerät, sodass ein ausreichender Datenschutz gewährt ist. Besonders bevorzugt weist die Kommunikationseinheit eine Antenne zum Senden des Indikatorwertes und gegebenenfalls weiterer Daten an das Auslesegerät mittels NFC-Technologie auf. Alternativ dazu ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die Kommunikationseinheit einen Stecker mit elektrisch leitenden Kontakten aufweist, um den Indikatorwert und gegebenenfalls weitere Daten an das Auslesegerät zu senden. Diese drahtgebundene Alternative ist beispielsweise dann zweckmäßig, wenn das Werkzeug von starken elektromagnetischen Felder umgeben ist.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine oder mehrere Sensoreinheiten umfasst, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: Sensoreinheit zum qualitativen Erfassen einer Drehbewegung der Welle relativ zu der Trägereinheit; Sensoreinheit zum quantitativen Erfassen einer Drehbewegung der Welle relativ zu der Trägereinheit; Sensoreinheit zum Erfassen von Schwingungen der Welle; Sensoreinheit zum Erfassen einer Temperatur; Sensoreinheit zum Erfassen einer Feuchtigkeit; und Sensoreinheit zum Erfassen von Verunreinigungen in einem Schmiermittel der Welle. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine Sensoreinheit zum quantitativen Erfassen einer Drehbewegung der Welle relativ zu der Trägereinheit und eine Sensoreinheit zum Erfassen einer Temperatur aufweist, ist besonders geeignet, um hochrelevante Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung, nämlich die Betriebsstunden und die Temperatur, zu erfassen. Beispielhafte Indikatoren sind die Standzeit des Werkzeuges, die Betriebszeit des Werkzeuges, die Drehzahl der Welle, das Schwingungsverhalten der Welle, die Temperatur der Welle oder des Werkzeuges, die Feuchtigkeit der Welle oder der Trägereinheit und der mechanische Abrieb der Welle oder der Trägereinheit.
-
Zum Erfassen des Indikators oder der Indikatoren weist die Sensoreinheit in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Messanordnung auf, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Magnet in Wirkverbindung mit einer Induktionsschleife; Permanentmagnet in Wirkverbindung mit einer Induktionsschleife; Hall-Element; Thermoelement; Piezoelement; Kette elektrischer Widerstände; Potentiometer; Schleifkontakte; Bimetallstreifen; Induktionsspule; pH-Elektrode; und lichtemittierende Diode in Wirkverbindung mit einer Fotodiode. Die Induktionsschleife kann als Induktionsspule ausgebildet sein. Mittels des Magneten oder Permanentmagneten in Wirkverbindung mit der Induktionsschleife oder mittels des Hall-Elementes ist die Drehbewegung sowohl qualitativ als auch quantitativ messbar. Mittels des Thermoelementes oder mittels des Bimetallstreifens ist die Temperatur der Welle oder des Werkzeuges messbar. Mittels des Piezoelementes ist das Schwingungsverhalten der Welle messbar. Mittels der Kette elektrischer Widerstände, mittels des Potentiometers oder mittels der Induktionsspule sind elektrische oder magnetische Eigenschaften der Welle oder des Schmiermittels der Welle messbar. Mittels der Schleifkontakte ist Materialschwund oder Materialabrieb an der Welle oder der Trägereinheit messbar. Mittels der pH-Elektrode sind Verunreinigungen in dem Schmiermittel der Welle messbar. Mittels der lichtemittierender Diode in Wirkverbindung mit der Fotodiode ist eine physikalische Ausdehnung der Welle oder der Trägereinheit, eine Oberflächenbeschaffenheit der Welle oder der Trägereinheit oder eine Trübung des Schmiermittels durch Verunreinigungen oder Abrieb messbar. Die genannten Verwendungen der Messanordnungen sind lediglich beispielhaft und keinesfalls erschöpfend für die Möglichkeiten, mit den aufgeführten Messanordnungen physikalische Größen direkt oder indirekt zu messen, die zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung bei Gegenständen herangezogen werden können.
-
Auf Grund der erfindungsgemäßen Energieversorgung und Energieverwaltung ist es möglich, dass die Vorrichtung mit Ausnahme von Sensoreinheiten und zwischen der Welle und der Trägereinheit wirkenden Induktionsmodulen ein Volumen von kleiner als 3 cm3 aufweist. Bevorzugt weist die Vorrichtung ein Volumen von kleiner als 2 cm3 auf, insbesondere ein Volumen von 1,75 cm3. Derartig miniaturisierte Vorrichtungen sind selbst in kompakt konstruierten Werkzeugen problemlos einsetzbar, ohne dass diese unter gesonderter Bereitstellung von Raum für die Vorrichtung umkonstruiert werden müssen.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Werkzeug ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Werkzeug für eine Werkzeugmaschine; Fräswerkzeug; Schleifwerkzeug; Bohrwerkzeug. Diese Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Besonders bevorzugt ist ein Werkzeug für eine Werkzeugmaschine, das über keine eigene Energieversorgung verfügt. Das Werkzeug für eine Werkzeugmaschine wird gegebenenfalls von der Werkzeugmaschine mit Energie versorgt.
-
Systeme der eingangs genannten Art sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Als Beispiel sei ein System aus einem Bordcomputer eines Personenkraftwagens und einem Diagnosecomputer zum Auslesen von Indikatorwerten aus dem Bordcomputer genannt. Nachteilig an diesem System ist, dass der Bordcomputer im Betrieb so viel elektrische Energie erfordert, dass er von einer großen Hauptbatterie des Personenkraftwagens gespeist werden muss, und der Diagnosecomputer mittels eines Kabels mit dem Bordcomputer verbunden werden muss, um die Indikatorwerte auszulesen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher zusätzlich die Aufgabe zu Grunde, ein System der eingangs genannten Art anzugeben, das bei kompakter Bauweise langfristig energieautark und bedienerfreundlich ist.
-
Zur Lösung der Systemaufgabe schlägt die Erfindung ein System der eingangs genannten Art vor, umfassend ein erfindungsgemäßes Werkzeug, wobei das Auslesegerät eine Antenne zum Empfangen des Indikatorwertes von der Kommunikationseinheit mittels Near Field Communication (NFC)-, Radio Frequency Identification (RFID)- oder Bluetooth-Technologie aufweist. Mit der Vorrichtung des erfindungsgemäßen Werkzeuges ist eine physikalische Größe, die mit einem Indikator für eine vorbeugende Instandhaltung assoziiert ist, messbar, daraus ein Indikatorwert berechenbar, der Indikatorwert speicherbar und der Indikatorwert an das Auslesegerät übermittelbar. Hinsichtlich der Energieversorgung ist die Vorrichtung besonders bevorzugt unabhängig von einer Batterie oder bevorzugt lediglich sekundär abhängig von einer Batterie oder primär abhängig von einer Batterie. Insbesondere im Fall der primären Abhängigkeit von einer Batterie reduziert die Energieverwaltungseinheit den Energieverbrauch der Vorrichtung auf ein Maß, bei dem die Vorrichtung mit einer relativ kleinen Batterie lange Zeit energieautark ist. Eine solche Vorrichtung stellt mit großem Vorteil eine kompakte, energieautarke und dezentrale Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung dar und bildet somit ein wesentliches Element für ein kompaktes und langfristig energieautarkes System. Die Kommunikationseinheit der Vorrichtung ist auf die Antenne des Auslesegerätes abgestimmt und zu dieser kompatibel. Eine Antenne der Kommunikationseinheit und die Antenne des Auslesegerätes sind bevorzugt derart ausgebildet, dass der Indikatorwert und gegebenenfalls weitere Daten mittels NFC-, RFID- oder Bluetooth-Technologie übermittelt werden. Besonders bevorzugt sind die Antennen ausgebildet, um den Indikatorwert und gegebenenfalls weitere Daten mittels NFC-Technologie zu übermitteln. Auf Grund der drahtlosen Verbindung von Kommunikationseinheit und Auslesegerät ist das erfindungsgemäße System sehr bedienerfreundlich.
-
Es erweist sich in Weiterbildung der Erfindung als sehr vorteilhaft, dass das Auslesegerät ein NFC-fähiges Mobiltelefon ist. Viele Typen von Smartphones sind NFC-fähige Mobiltelefone und in der heutigen Zeit weit verbreitet, sodass ein zu der Vorrichtung kompatibles Auslesegerät dem Grunde nach bereits vorhanden ist. Für einen tatsächlichen Datenaustausch zwischen Vorrichtung und Auslesegerät bedarf es lediglich einer entsprechenden Applikation (App), die auf dem NFCfähigen Mobiltelefon installiert ist. Der ausgelesene Indikatorwert und gegebenenfalls weitere Daten des Werkzeuges werden auf dem NFCfähigen Mobiltelefon gespeichert und entweder mit Indikatorwerten und gegebenenfalls weiteren Daten von weiteren Werkzeugen auf dem NFCfähigen Mobiltelefon zentral zusammengefasst oder an einen zentralen Computer weitergeleitet. In letzterem Fall dient das NFC-fähige Mobiltelefon als Relaisstation zur sicheren Übermittlung der Daten über weite Strecken.
-
Alternativ dazu kann das Auslesegerät, das eine Antenne zum Empfangen des Indikatorwertes und gegebenenfalls weiterer Daten von der Kommunikationseinheit aufweist, ein Tablet-Computer, ein Regal zum Lagern der Gegenstände, eine Schleuse zum Durchleiten der Gegenstände oder eine Werkzeugmaschine sein.
-
Die Erfindung wird in vier Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen sind.
-
Die Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 dient zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung bei Werkzeugen 2, die eine Trägereinheit 3 und eine in der Trägereinheit 3 drehbar gelagerte Welle 4 aufweisen. Die Vorrichtung 1 ist innerhalb des Werkzeuges 2 angeordnet und umfasst eine Sensoreinheit 5 zum Messen einer physikalischen Größe, die mit einem Indikator für eine vorbeugende Instandhaltung assoziiert ist, eine Signalverarbeitungseinheit 6 zum Berechnen eines Indikatorwertes aus einem Signal der Sensoreinheit 5, eine Speichereinheit 7 zum Speichern des Indikatorwertes, eine Kommunikationseinheit 8 zum Senden des Indikatorwertes an ein Auslesegerät 9 und eine Energieversorgungseinheit 10 zum Versorgen der Vorrichtung 1 mit elektrischer Energie. Die Energieversorgungseinheit 10 weist eine erste Energieversorgungsvorrichtung 11 auf, die von einer Batterie verschieden ausgebildet ist. In der ersten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Energieversorgungsvorrichtung 11 ein zwischen der Welle 4 und der Trägereinheit 3 wirkendes Induktionsmodul zum Bereitstellen von elektrischer Energie aus einer Drehbewegung der Welle 4 relativ zu der Trägereinheit 3 auf. Die Energieversorgungseinheit 10 weist zusätzlich zu der ersten Energieversorgungsvorrichtung 11 eine zweite Energieversorgungsvorrichtung 12 auf. In der ersten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Energieversorgungsvorrichtung 12 eine Antenne zum Empfangen von elektrischer Energie von dem Auslesegerät 9 auf. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform eine Energieverwaltungseinheit 14, wobei die Energieverwaltungseinheit 14 zum Aktivieren und Deaktivieren der Vorrichtung 1 und mehrerer Einheiten der Vorrichtung 1 unabhängig voneinander ausgebildet ist. Hierzu empfängt die Energieverwaltungseinheit 14 Aktivitätssignale von den Einheiten der Vorrichtung 1, vergleicht die Aktivitätssignale mit hinterlegten Aktivitätsdaten und erzeugt in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleiches Schaltsignale zum Aktivieren und Deaktivieren der Vorrichtung 1 und der Einheiten der Vorrichtung 1. Wenn beispielsweise die Sensoreinheit 5 eine Messung abgeschlossen hat, sendet die Speichereinheit 7 nach erfolgter Speicherung des Indikatorwertes für diese Messung ein entsprechendes Aktivitätssignal an die Energieverwaltungseinheit 14. Die Energieverwaltungseinheit 14 vergleicht dieses Aktivitätssignal mit hinterlegten Aktivitätsdaten, durch die zum Beispiel festgelegt ist, dass eine nächste Messung in 20 s erfolgen soll. Daraufhin erzeugt die Energieverwaltungseinheit 14 beispielsweise Schaltsignale, die die Sensoreinheit 5 und die Speichereinheit 7 zwischenzeitlich ausschalten, die Signalverarbeitungseinheit 6 und die Energieversorgungseinheit 10 in Stand-By versetzen und die Kommunikationseinheit 8 ausgeschaltet lassen. Die Signalverarbeitungseinheit 6 weist ein Rechenmodul zum Berechnen des Indikatorwertes auf. Die Speichereinheit 7 weist einen ersten Speicher zum Speichern von werkzeugbezogenen Daten und einen zweiten Speicher zum Speichern des Indikatorwertes auf. Die Kommunikationseinheit 8 weist eine Antenne zum Senden des Indikatorwertes an das Auslesegerät 9 mittels NFC-Technologie auf. Dementsprechend ist das Auslesegerät 9 als ein NFC-fähiges Gerät, insbesondere NFC-fähiges Mobiltelefon, ausgebildet. Die Antenne zum Senden des Indikatorwertes an das Auslesegerät 9 bildet gleichzeitig die Antenne zum Empfangen von elektrischer Energie von dem Auslesegerät 9. Die Signalverarbeitungseinheit 6, die Speichereinheit 7 und die Kommunikationseinheit 8 sind auf einer rechteckigen Platine mit einer Länge von etwa 25 mm und einer Breite von etwa 10 mm angeordnet. Eine alternativ geformte Platine ist kreisrund und weist einen Durchmesser von etwa 18 mm auf. Die Sensoreinheit 5 ist als eine Sensoreinheit zum quantitativen Erfassen einer Drehbewegung der Welle 4 relativ zu der Trägereinheit 3 ausgebildet und weist als Messanordnung einen Permanentmagnet in Wirkverbindung mit einer Induktionsschleife auf. Besonders bevorzugt ist eine Messanordnung, bei der sowohl der Permanentmagnet als auch die Induktionsschleife in der Sensoreinheit 5 angeordnet sind. Somit muss die Welle 4 nicht mit einem Permanentmagnet ausgestattet sein. Die Induktionsschleife kann als Induktionsspule geformt sein. Die Sensoreinheit 5 ist zylindrisch ausgebildet mit einer Länge von etwa 25 mm und einem Durchmesser von etwa 7 mm. Die Sensoreinheit 5 ist etwa 0,1 mm von der Welle beabstandet angeordnet. Die Messanordnung bildet gleichzeitig das Induktionsmodul der ersten Energieversorgungsvorrichtung 11. In einer nicht dargestellten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Messanordnung der Sensoreinheit 5 und das Induktionsmodul der ersten Energieversorgungsvorrichtung 11 separat voneinander ausgebildet. Auf Grund der Sensoreinheit 5 zum quantitativen Erfassen einer Drehbewegung der Welle 4 relativ zu der Trägereinheit 3 ist die Vorrichtung 1 ein Drehzahlmesser und Betriebsstundenzähler.
-
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 1 zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist sehr ähnlich zu der ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut. In der zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung 1 zusätzlich zu der Sensoreinheit 5 zum quantitativen Erfassen einer Drehbewegung der Welle 4 relativ zu der Trägereinheit 3 eine weitere Sensoreinheit 13. Die Sensoreinheit 13 ist als eine Sensoreinheit zum Erfassen einer Temperatur ausgebildet und weist als Messanordnung ein Thermoelement auf. Die Sensoreinheit 5 ist neben der Platine angeordnet, die Sensoreinheit 13 auf der Platine. Zum präzisen Erfassen der Temperatur der Welle 4 könnte die Sensoreinheit 13 auch neben der Platine in der Nähe der Welle 4 angeordnet sein, beispielsweise direkt neben der Sensoreinheit 5.
-
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 1 zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dritte Ausführungsform der Erfindung ist sehr ähnlich zu der ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut. In der dritten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Energieversorgungsvorrichtung 12 eine Batterie auf, deren Durchmesser etwa gleich 6 mm und deren Höhe etwa gleich 3 mm beträgt.
-
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 1 zum Erfassen von Indikatoren für eine vorbeugende Instandhaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die vierte Ausführungsform der Erfindung ist sehr ähnlich zu der ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut. In der vierten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung 1 im Wesentlichen außerhalb des Werkzeuges 2 angeordnet und insbesondere außen an dem Werkzeug 2 befestigt. Lediglich die Sensoreinheit 5 ist innerhalb des Werkzeuges 2 nahe der Welle 4 angeordnet. Die Kommunikationseinheit 8 zum Senden des Indikatorwertes und gegebenenfalls weiterer Daten an das Auslesegerät 9 weist elektrisch leitende Kontakte auf. Ein Verbindungskabel verbindet die Kontakte der Kommunikationseinheit 8 der Vorrichtung 1 mit dem Auslesegerät 9 physisch. Das Auslesegerät 9 ist als ein Personal Digital Assistant (PDA) ausgebildet. In einer nicht dargestellten Variante der vierten Ausführungsform der Erfindung weist die Kommunikationseinheit 8 eine Antenne zum Senden des Indikatorwertes und gegebenenfalls weiterer Daten an das Auslesegerät 9 mittels RFID-Technologie auf. Dementsprechend ist das Auslesegerät 9 als ein RFID-fähiges Gerät ausgebildet.
-
Alle technisch möglichen Kombinationen von Sensoreinheiten, Messanordnungen, Kommunikationseinheiten, Energieversorgungseinheiten und Auslesegeräten sollen als in den Anmeldeunterlagen einzeln offenbart und von der vorliegenden Erfindung umfasst gelten.
-
BEZUGSZEICHENLISTE
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Werkzeug
- 3
- Trägereinheit
- 4
- Welle
- 5
- Sensoreinheit
- 6
- Signalverarbeitungseinheit
- 7
- Speichereinheit
- 8
- Kommunikationseinheit
- 9
- Auslesegerät
- 10
- Energieversorgungseinheit
- 11
- Erste Energieversorgungsvorrichtung
- 12
- Zweite Energieversorgungsvorrichtung
- 13
- Sensoreinheit
- 14
- Energieverwaltungseinheit
