[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

说明书

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IMTS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。