[发明专利]主轴性能实时监控装置、方法及其标定实验装置、方法

权利要求书

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。

2.如权利要求1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1所述的主轴性能实时监控装置，其特征在于，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。

4.如权利要求3所述的主轴性能实时监控装置，其特征在于，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1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。

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、数据调理单元、数据采集卡、PC机和主轴控制单元；

前端轴承和后端轴承分别安装在主轴的前后端，相邻的后端轴承之间设置有隔套；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。