[发明专利]数控机床智能电主轴系统

权利要求书

1.一种数控机床智能电主轴系统，其特征在于，包括：主轴部分和控制器部分，其中：主轴部分设置于数控机床上；控制器部分分别通过数据接口与数控机床的数控系统相连，接收实时加工信息并发送主轴误差补偿信息，通过网络节点与物联网相连并传输实时状态信息以及实时加工信息；控制器部分通过数据采集模块与主轴部分的传感器和执行装置实现高速实时互联；

所述的实时加工信息包括：机床坐标、主轴转速、主轴功率或电流和机床进给速度信息；

所述的主轴误差补偿信息包括：机床各进给轴的坐标偏移值；

所述的实时状态信息包括：主轴温度、轴承预紧力、主轴热误差信息；

所述的传感器包括：温度传感器、振动传感器和位移传感器；

所述的执行装置包括：主轴冷却装置和轴承预紧力调节装置；

所述的主轴部分包括：带有冷却装置的主轴箱壳体以及依次设置于主轴箱壳体内部的定子和位于其中的带有转子的主轴，其中：主轴通过轴承、转动设置于主轴箱壳体内并在定子和转子的驱动下旋转，转子正对定子；轴承与主轴箱壳体之间分别设有预紧力调节装置；冷却装置带有控制接口，可以调节冷却速率；

所述的控制器部分包括：误差补偿模块、温度控制模块、主轴碰撞保护模块、自适应预紧模块，其中：误差补偿模块根据数据采集模块采集到的来自位移传感器的位移信号以及主轴误差模型计算出当前的补偿值并输出给数控机床的数控系统，通过数控系统自身的误差补偿功能对主轴的变形进行补偿；温度控制模块根据数据采集模块采集到的前轴承温度传感器和后轴承温度传感器的温度信号以及主轴的热特性模型，通过数据采集模块控制主轴冷却装置调节主轴的冷却速率，将主轴温度维持在当前工况的最佳工作温度，以提高主轴性能；主轴碰撞保护模块根据数据采集模块采集到的振动传感器的振动信号以及碰撞识别模型快速识别出因为主轴碰撞产生的异常振动信号并发出碰撞警报至数控系统，由数控系统调用自身的碰撞保护功能对主轴和机床实现碰撞保护；自适应预紧模块根据数据采集模块采集到的前轴承温度传感器和后轴承温度传感器的温度信号以及振动传感器的振动信号并根据轴承预紧力-刚度模型计算出当前的最佳预紧力，并通过数据采集模块控制后轴承预紧力调节装置和前轴承预紧力调节装置，调节前轴承和后轴承的预紧力；

所述的主轴误差模型以主轴前后轴承温度的时域变化、主轴运行过程数据为输入，以主轴热误差实时补偿量为输出；由于温度控制模块和自适应预紧模块会影响轴承的发热和主轴内部的温度分布，并引起热误差和力误差的变化；

所述的轴承温度传感器包括：前轴承温度传感器和后轴承温度传感器分别设置于主轴箱壳体的前轴承和后轴承处用于测量前轴承和后轴承处的温度；通过双温度传感器分别测量前后轴承处温度，以获取更加详细的主轴内部温度分布；

所述的热特性模型以主轴前后轴承温度的时域变化、主轴运行过程数据、主轴冷却装置运行数据为输入，以主轴各部分的实时温度分布为输出，具体建模方式包括热阻网络模型、有限元模型或键合图模型；

碰撞识别模型，以主轴振动信号为输入，通过数字信号处理算法提取主轴振动特征，得到主轴碰撞响应对应模态的振动幅值，并与设定的阈值进行比对，进而判断主轴是否发生碰撞，并以机床急停信号为输出；

所述的轴承预紧力-刚度模型，以轴承预紧力为输入，以轴承刚度为输出，根据Hertz弹性体接触理论得到轴承刚度的解析表达式；

所述的碰撞保护模块在所有功能模块中拥有最高的优先级，具体通过专用的数字信号处理芯片单独处理机床碰撞信号，以实现在控制器中的最高优先级；并通过与机床PLC直接接线的方式实现机床响应的最高优先级。