专利名称：主轴性能实时监控装置、方法及其标定实验装置、方法
技术领域：
本发明涉及主轴性能检测及控制技术领域，尤其是主轴性能实时监测和控制的装置和方法。
背景技术：
数控机床智能化是继高精度、高速度发展之后又一个重要的发展方向，其显著特点是将信息技术和智能技术深度融合与集成在数控装备及其设计、制造过程中。机床主轴作为精密数控机床的核心部件，其智能化水平是未来智能机床水平的关键所在。自2006年9月在MTS展会日本MAZAK公司展出其研发的“自适应”智能机床后，日本大偎、Fanuc、美国辛辛那提、瑞士米克朗等机床公司都开始了智能机床及智能主轴的研发，并取得了一定的成果。在智能主轴产品方面，国外主轴或精密机床公司广泛采用实时精度补偿技术提高主轴精度，如DIXI公司的DHP40型高速精密卧式镗铣加工中心。瑞士IBAG主轴内嵌许多传感器，具有轴承温度控制、轴承和芯轴振动检测等功能。此外，有关主轴智能监控的产品也相继问世，在Weiss公司新的主轴监控和诊断系统(SPIDS)中，传感器被直接集成到主轴中。山崎马扎克也开发出一种"智能主轴"，通过在主轴上配备多种传感器，并通过NC装置对传感器信息进行处理，能对故障等做到防患于未然；米克朗机床制造公司的Spindle Protection System(SPS)从主轴部件的寿命周期和当前的加工轨迹,预测主轴温度、振动等数据的变化，并与传感器收集的实测数据进行比较，当实测数据与预测出现不寻常的偏差，SPS就会试图判断可能出现的故障，并作出降速、停机、提示更换部件、通知操作员等处置。为了实现智能主轴的多种功能，需要在主轴设计过程中，增加不同类型的传感器，这样必然导致整个主轴结构的复杂化。随着主轴结构的改变，主轴本身的性能必然受到影响，如何采用简单有效的方法实现智能主轴多种功能的需求，还需要开展新型主轴性能监控方法和装置的研究。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种以压电致动器为核心作用部件的主轴性能实时监控装置、方法及其标定实验装置、方法，通过对多个压电致动器的检测和控制，实现对主轴系统的实时监控。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种主轴性能实时监控装置，包括机床、安装于机床上的主轴、安装在主轴外周的主轴测控环、数据处理单元和数控系统，主轴测控环包括隔套，隔套上设有安装孔，安装孔中安装有压电致动器和温度传感器；压电致动器和温度传感器连接数据处理单元；所述数据处理单元对压电致动器和温度传感器输入的信号进行滤波、模数转换和放大后输入数控系统；数控系统包括伺服系统和可编程逻辑控制器，伺服系统与主轴的电机连接，可编程逻辑控制器和机床的报警系统、润滑系统、冷却系统连接；数控系统根据数据处理单元输入的信号通过压电致动器调节主轴的预紧力、控制报警系统进行报警、控制润滑系统进行润滑或控制冷却系统进行冷却。作为本发明的优选实施例，压电致动器均匀安装于隔套圆周方向上均匀分布的安装孔中，压电致动器的安装数量大于3且小于最大可安装数量。作为本发明的优选实施例，数据处理单元包括单片机、信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元；主轴测控环上的压电致动器和温度传感器与信号调理单元连接，压电致动器和温度传感器的信号经信号调理单元实现传感器信号的交直流分离和信号滤波；多路开关与信号调理单元连接，用于多路传感器信号的选择；功率放大单元与多路开关连接，用于信号的大小变换；模数转换单元与功率放大单元连接，用于将检测到的模拟信号转换成数字信号；单片机连接信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元，通过其内部指令实现控制信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元的协 调工作。作为本发明的优选实施例，数控系统根据数据处理单元输入的信号判定主轴运行状态，所述运行状态包括运行正常、主轴过热、主轴颤振、主轴故障和主轴预紧力过大。主轴性能实时监控装置的监控方法，主轴在电机的驱动下转动时，温度控制器和压电致动器分别将测量得到的主轴旋转时的温度模拟信号和主轴预紧力模拟信号输入数据处理单元的信号调理单元，经信号调理单元滤波后，由模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，由功率放大单元将信号放大后输入数控系统进行主轴运行状态的判定，如果主轴运行正常，则继续进行信号采集和状态判定；如果判定为主轴过热，则数控系统发出冷却系统调整指令给可编程逻辑控制器，将指令转换为冷却系统可以执行的指令传给冷却系统，然后增加冷却系统的流量，实现主轴系统的降温；如果判定为主轴颤振，则数控系统发出主轴转速调整指令，指令通过伺服系统实现主轴转速的调整；如果判定为主轴故障，则由数控系统发出停机及报警指令，通过伺服系统实现主轴停转，通过可编程逻辑控制器启动机床报警系统；如果判定为主轴预紧力过大，数控系统发出预紧力调整指令，通过数据处理单元的信号数模变换转换为模拟信号，由多路开关送至功率放大单元，功率放大单元控制电压送至压电致动器控制压电致动器的伸出量，实现主轴预紧力的调整。一种主轴性能实时监控装置的标定实验装置，包括主轴前端的载荷接头、前端轴承、主轴、主轴测控环、后轴承、隔圈、锁紧螺母、数据调理单元、数据采集卡、PC机和主轴控制单兀；如端轴承和后端轴承分别安装在王轴的如后端，相邻的后端轴承之间设直有隔套；后端轴承通过轴肩和锁紧螺母固定在主轴上，前端轴承通过端盖和轴承挡肩固定在主轴上；主轴测控环安装在后端轴承的前端，并通过后端轴承和轴承挡肩固定在主轴上；数据调理单元包括信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元；主轴测控环上安装有压电致动器和温度传感器，压电致动器和温度传感器与信号调理单元连接，压电致动器和温度传感器的输出信号经信号调理单元进行交直流分离和信号滤波；多路开关与信号调理单元连接，用于实现多路传感器信号的选择；功率放大单元与多路开关连接，实现信号的大小变换；模数转换单元与功率放大单元连接，它将检测到的模拟信号转换成数字信号；信号调理单元、数据采集卡、PC机和主轴控制单元依次连接；PC机包括数据采集单元、数据分析单元和数据存储单元；主轴控制单元包括转速控制单元、冷却控制单元和润滑控制单
J Li o
作为本发明的优选实施例，所述标定实验装置还包括作用于载荷接头上的轴向加载装置和径向加载装置。一种主轴性能实时监控装置的标定实验装置的标定方法，轴向加载和径向加载通过载荷接头与主轴连接，用于不同工况下主轴的载荷模拟；模拟不同工况时，通过轴向加载和径向加载通过载荷接头对主轴分别加载轴向和径向上的载荷，由主轴控制单元通过转速控制单元实现对主轴转速的控制，由冷却控制单元实现不同流量的冷却控制，由润滑控制单元实现不同润滑量的润滑控制；主轴模拟运转后，主轴测控环的温度传感器和压电致动 器信号经过数据调理单元的信号调理单元和模数转换单元处理后，进入数据采集卡，数据采集卡安装在PC机的插槽中，并通过PC机上的数据采集单元、数据分析单元和数据存储单元进行数据采集、数据分析和数据存储，不同工况下的数据经过信息距离计算或状态特征计算后，形成标准模式，记录到PC机。作为本发明的优选实施例，将所述标准模式存储于主轴性能实时监控装置的数控系统，用于机床工作过程中的主轴状态判定。作为本发明的优选实施例，主轴性能实时监控系统根据测控环所获得的振动、温度、预紧、载荷信息，采用对比分析或信息距离方法进行主轴状态判断，并通过PLC和数控系统实现对主轴系统的状态显示和实时控制。与现有技术相比，本发明一种主轴性能实时监控方法及装置至少具有以下优点I)本发明中基于温度传感器和压电致动器的测控环，集主轴性能检测与控制为一体；2)基于标准模式的主轴状态识别方法，能有效的识别主轴的各种状态；3)以测控环为关键部件的主轴性能实时监控系统结构简单，实施方便，可广泛应用于各类机床主轴系统。
图I是本发明主轴性能实时监控装置示意图；图2是本发明主轴测控环结构示意图；图3是图2的侧视示意图；图4是本发明主轴性能实时监控系统标定实验装置示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明主轴性能实时监控方法及装置作具体介绍请参阅图I所示，本发明主轴性能实时监控装置包括主轴测控环I、主轴2、数据处理单元6和数控系统7。其中数据处理单元6包括单片机61、信号调理单元62、多路开关63、模数转换单元64和功率放大单元65。数控系统7包括CNC内核71、通讯接口 72、伺服系统73和PLC74。主轴测控环I、数据处理单元6和数控系统7构成主轴性能实时监控装置。请参阅图2及图3所示，主轴测控环I由压电致动器11、温度传感器13和隔套12组成，压电致动器11安装于隔套12上在圆周方向上均匀分布的孔22中，孔22的数量为大于3小于最大可安装数量的整数。压电致动器11安装完成后，在无载荷状态下，其可伸缩端面与隔套12的端面21平齐。主轴测控环I上的压电致动器11和温度传感器13与信号调理单元62连接，压电致动器11和温度传感器13的信号经信号调理单元62实现传感器信号的交直流分离和信号滤波。多路开关63与信号调理单元62连接，用于实现多路传感器信号的选择。功率放大单元65与多路开关63连接，实现微弱传感器信号和计算机通过DA给出的模拟信号的大小变换，以满足传感器的驱和信号转换的要求。模数转换单元64与功率放大单元65连接，它将检测到的模拟信号转换成数字信号，以便计算机分析和处理。请参阅图I所示，主轴测控环I安装在主轴2的后端轴承处，其信号输出线与数据处理单元6相连，数控系统7与数据处理单元6采用数据线连接，数控系统7通过伺服系统73和PLC (可编程逻辑控制器)74实现对机床5和主轴2的控制。主轴测控环I上安装的温度传感器13和压电致动器11，其信号线连接数据处理单元6的信号调理单元62，数据处理单元6的数据接口与数控系统7的数据接口通过数据线连接，数控系统7的伺服系统73与机床主轴2的电机连接，可编程逻辑控制器(PLC) 74和机床的报警系统、润滑系统、冷却系统连接。系统工作时，温度传感器13和压电致动器11 的信号经数据处理单元6滤波、放大和转换后进入数控系统7，数控系统7通过传感器信号进行主轴2运行状态的判定，如果主轴2运行正常，则继续进行信号采集和状态判定；如果判定为主轴过热，则数控系统发出冷却系统调整指令给可编程逻辑控制器(PLC) 74，PLC74将指令转换为冷却系统可以执行的指令传给冷却系统，然后增加冷却系统的流量，实现主轴系统的降温；如果判定为主轴颤振，则数控系统7发出主轴转速调整指令，指令通过伺服系统实现主轴转速的调整；如果判定为主轴故障，则由数控系统7发出停机及报警指令，通过伺服系统73实现主轴停转，通过可编程逻辑控制器(PLC) 74启动机床报警系统；如果判定为主轴预紧力过大，数控系统发出预紧力调整指令，通过数据处理单元6的信号变换、放大后传给压电致动器11控制压电致动器11的伸出量，实现主轴预紧力的调整。机床进行加工时，工件4固定在机床5上，数控系统7控制主轴2通过刀具3对工件4进行切削。切削过程中，主轴测控环I的多组压电信号和温度传感器信号不断被数据处理单元6采集，并通过信号调理单元62和模数转换单元64处理后，进入单片机61进行主轴状态识别，识别后的主轴状态信息由数据处理单元6传送至数控系统7。数控系统7接收到数据处理单元6的主轴状态信号后，根据不同信号进行不同动作，如果属于报警信号，则数控系统7显示报警；如果是轴承过热信号，数控系统7启动冷却加速指令，进行主轴2冷却调整；如果是刀具3破损或者共振信号，数控系统7则执行停转指令，主轴2停转；如果是预紧力过大，数控系统7发出预紧力调整指令，数据处理单元6中的单片机61发出信号通过模数转换单元64、多路开关单元63和功率放大单元65对主轴测控环I中的压电致动器11进行控制，实现对主轴2预紧力的调整。请参阅图4所示，主轴性能实时监控装置的标定实验装置包括轴向加载10、径向加载20、载荷接头30、前端轴承40、主轴2、主轴测控环I、后轴承70、隔圈80、锁紧螺母90、数据调理单元100、数据采集卡110、PC机120和主轴控制单元130。其中数据调理单元100包括信号调理单元101、多路开关102、模数转换单元103和功率放大单元104。主轴测控环I上的压电致动器11和温度传感器13与信号调理单元101连接，压电致动器11和温度传感器13的信号经信号调理单元101实现传感器信号的交直流分离和信号滤波。多路开关102与信号调理单元101连接，用于实现多路传感器信号的选择。功率放大单元104与多路开关102连接，实现微弱传感器信号和计算机通过DA给出的模拟信号的大小变换，以满足传感器的驱和信号转换的要求。模数转换单元103与功率放大单元104连接，它将检测到的模拟信号转换成数字信号，以便计算机分析和处理。PC机120包括数据采集单元121、数据分析单元122和数据存储单元123。主轴控制单元130包括转速控制单元131、冷却控制单元132和润滑控制单元133。请参阅图4所示，轴向加载10和径向加载20通过载荷接头30与主轴2连接，实现不同工况下主轴2的载荷模拟。前端轴承40和后端轴承70分别安装在主轴2的前后端，相邻的后端轴承70之间设置有隔套80。后端 轴承70通过轴肩和锁紧螺母90固定在主轴2上，前端轴承40通过端盖和轴承挡肩固定在主轴2上。主轴测控环I安装在后端轴承70的前端，并通过后端轴承70和轴承挡肩固定在主轴上。模拟不同工况时，通过轴向加载10和径向加载20通过载荷接头30对主轴2分别加载轴向和径向上的载荷，由主轴控制单元130通过转速控制单元131实现对主轴转速的控制，由冷却控制单元132实现不同流量的冷却控制，由润滑控制单元133实现不同润滑量的润滑控制。主轴模拟运转后，主轴测控环I的温度传感器13和压电致动器11信号经过数据调理单元100的信号调理单元101和模数转换单元103处理后，进入数据采集卡110，数据采集卡110安装在PC机120的插槽中，并通过PC机120上的数据采集单元121、数据分析单元122和数据存储单元123进行数据采集、数据分析和数据存储，不同工况下的数据经过信息距离计算或状态特征计算后，确定与各种运行状态有关的振动、温度、预紧、载荷特征形成标准模式，记录到PC机120。同时，数据分析的结果表明需要进行主轴性能调整时，PC机120发出信号到主轴控制单元130进行转速、冷却和润滑的相关控制；如需要进行轴承预紧调整，PC机120发送信号到数据采集卡110，通过数据调理单元100的模数转换单元103、多路开关102和功率放大单元104后对主轴测控环I中的压电致动器11进行调整。由主轴性能实时监控系统标定实验装置获得的标准模式，将存储于主轴性能实时监控装置中的数控系统，用于机床工作过程中的主轴状态判别。对于已经安装主轴测控环的机床，主轴性能实时监控系统标定实验装置及其标定方法可在机床上进行。以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种主轴性能实时监控装置，其特征在于，包括机床、安装于机床上的主轴、安装在主轴外周的主轴测控环、数据处理単元和数控系统，主轴测控环包括隔套，隔套上设有安装孔，安装孔中安装有压电致动器和温度传感器；压电致动器和温度传感器连接数据处理单元; 所述数据处理单元对压电致动器和温度传感器输入的信号进行滤波、模数转换和放大后输入数控系统； 数控系统包括伺服系统和可编程逻辑控制器，伺服系统与主轴的电机连接，可编程逻辑控制器和机床的报警系统、润滑系统、冷却系统连接；数控系统根据数据处理单元输入的信号通过压电致动器调节主轴的预紧力、控制报警系统进行报警、控制润滑系统进行润滑或控制冷却系统进行冷却。
2.如权利要求I所述的主轴性能实时监控装置，其特征在于，压电致动器均匀安装于隔套圆周方向上均匀分布的安装孔中，压电致动器的安装数量大于3且小于最大可安装数量。
3.如权利要求I所述的主轴性能实时监控装置，其特征在于，数据处理単元包括单片机、信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元；主轴测控环上的压电致动器和温度传感器与信号调理单元连接，压电致动器和温度传感器的信号经信号调理单元实现传感器信号的交直流分离和信号滤波；多路开关与信号调理单元连接，用于多路传感器信号的选择；功率放大单元与多路开关连接，用于信号的大小变换；模数转换单元与功率放大单元连接，用于将检测到的模拟信号转换成数字信号；单片机连接信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元，通过其内部指令实现控制信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元的协调工作。
4.如权利要求3所述的主轴性能实时监控装置，其特征在干，数控系统根据数据处理单元输入的信号判定主轴运行状态，所述运行状态包括运行正常、主轴过热、主轴颤振、主轴故障和主轴预紧力过大。
5.如权利要求I至4中任一项所述的主轴性能实时监控装置的监控方法，其特征在于主轴在电机的驱动下转动时，温度控制器和压电致动器分别将测量得到的主轴旋转时的温度模拟信号和主轴预紧カ模拟信号输入数据处理単元的信号调理单元，经信号调理单元滤波后，由模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，由功率放大单元将信号放大后输入数控系统进行主轴运行状态的判定，如果主轴运行正常，则继续进行信号采集和状态判定；如果判定为主轴过热，则数控系统发出冷却系统调整指令给可编程逻辑控制器，将指令转换为冷却系统可以执行的指令传给冷却系统，然后増加冷却系统的流量，实现主轴系统的降温；如果判定为主轴颤振，则数控系统发出主轴转速调整指令，指令通过伺服系统实现主轴转速的调整；如果判定为主轴故障，则由数控系统发出停机及报警指令，通过伺服系统实现主轴停转，通过可编程逻辑控制器启动机床报警系统；如果判定为主轴预紧カ过大，数控系统发出预紧カ调整指令，通过数据处理单元的信号数模变换转换为模拟信号，由多路开关送至功率放大单元，功率放大单元控制电压送至压电致动器控制压电致动器的伸出量，实现主轴预紧カ的调整。
6.一种主轴性能实时监控装置的标定实验装置，其特征在于，包括主轴前端的载荷接头、前端轴承、主轴、主轴测控环、后轴承、隔圈、锁紧螺母、数据调理単元、数据采集卡、PC机和主轴控制单元；iu端轴承和后端轴承分别安装在王轴的如后端，相邻的后端轴承之间设直有隔套；后端轴承通过轴肩和锁紧螺母固定在主轴上，前端轴承通过端盖和轴承挡肩固定在主轴上；主轴测控环安装在后端轴承的前端，并通过后端轴承和轴承挡肩固定在主轴上；数据调理单元包括信号调理单元、多路开关、模数转换单元和功率放大单元；主轴测控环上安装有压电致动器和温度传感器，压电致动器和温度传感器与信号调理单元连接，压电致动器和温度传感器的输出信号经信号调理单元进行交直流分离和信号滤波；多路开关与信号调理单元连接，用于实现多路传感器信号的选择；功率放大单元与多路开关连接，实现信号的大小变换；模数转换单元与功率放大单元连接，它将检测到的模拟信号转换成数字信号；信号调理单元、数据采集卡、PC机和主轴控制单元依次连接；PC机包括数据采集单元、数据分析单元和数据存储单元；主轴控制单元包括转速控制单元、冷却控制单元和润滑控制单元。
7.如权利要求6所述的标定实验装置，其特征在于，所述标定实验装置还包括作用于载荷接头上的轴向加载装置和径向加载装置。
8.如权利要求7所述的标定实验装置的标定方法，其特征在于轴向加载和径向加载通过载荷接头与主轴连接，用于不同工况下主轴的载荷模拟；模拟不同工况时，通过轴向加载和径向加载通过载荷接头对主轴分别加载轴向和径向上的载荷，由主轴控制单元通过转速控制单元实现对主轴转速的控制，由冷却控制单元实现不同流量的冷却控制，由润滑控制单元实现不同润滑量的润滑控制；主轴模拟运转后，主轴测控环的温度传感器和压电致动器信号经过数据调理单元的信号调理单元和模数转换单元处理后，进入数据采集卡，数据采集卡安装在PC机的插槽中，并通过PC机上的数据采集单元、数据分析单元和数据存储单元进行数据采集、数据分析和数据存储，不同工况下的数据经过信息距离计算或状态特征计算后，形成标准模式，记录到PC机。
9.如权利要求要求8所述的方法，其特征在于，将所述标准模式存储于如权利要求I所述的主轴性能实时监控装置的数控系统，用于机床工作过程中的主轴状态判定。
全文摘要
本发明公开了一种主轴性能实时监控装置、方法及其标定实验装置、方法，所述主轴性能实时监控装置包括机床、安装于机床上的主轴、安装在主轴外周的主轴测控环、数据处理单元和数控系统，主轴测控环包括隔套，隔套上设有安装孔，安装孔中安装有压电致动器和温度传感器；压电致动器和温度传感器连接数据处理单元；所述数据处理单元对压电致动器和温度传感器输入的信号进行滤波、模数转换和放大后输入数控系统；数控系统根据数据处理单元输入的信号通过压电致动器调节主轴的预紧力、控制报警系统进行报警、控制润滑系统进行润滑或控制冷却系统进行冷却。本发明结构简单，实施方便，可广泛应用于各类机床主轴系统。
文档编号G01M13/04GK102637017SQ201210128600
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者吴文武, 张秀华, 徐枫, 李小虎, 洪军, 田久良 申请人:西安交通大学
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