CN104374521A - 一种高精度加工主轴的在线动平衡测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，包括信号调理电路、信号采集电路、DSP处理电路、人机交互终端、单片机控制电路、用于控制主轴动平衡的动平衡控制终端、用于检测主轴位移信号、加速度信号及用户所需位置的温度信号的信号检测电路；所述信号检测电路的输出端与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端与信号采集电路的输入端相连接，信号采集电路的控制端与人机交互终端相连接，DSP处理电路与信号采集电路相连接，人机交互终端与DSP处理电路及单片机控制电路相连接，单片机控制电路的输出端与动平衡控制终端的输入端相连接。本发明可以直观、准确、快速的完成对加工主轴的在线动平衡测控。

Description

一种高精度加工主轴的在线动平衡测控系统

技术领域

本发明属于主轴高速动平衡技术领域，涉及一种高精度加工主轴的在线动平衡测控系统。

背景技术

现代机械加工的发展方向为高速、高精度、高效率，机床的高速化成为目前机床的发展趋势，这种趋势对加工机床提出了更高的要求，而主轴作为机床的核心部件很大程度上决定了机床的加工性能。在实际加工工程中，由于制造误差、材质不均匀以及安装误差等因素的影响，主轴必然存在不平衡量。不平衡量通常会导致主轴振动，在高速机床上体现的尤为明显，而主轴振动过大会直接影响加工精度，同时会大大缩短主轴组件寿命，甚至产生主轴断裂等严重事故。因此，对主轴不平衡造成的振动进行监测控制显得尤为重要。

但是，目前国内的主轴动平衡测控系统主要是针对加工精度不高的中低速主轴，对高速高精度主轴并不适用，现有的系统主要有以下不足：

首先，传统系统结构较为集中，通常只用一个单一化的处理芯片来完成主轴运行状态的检测、控制及数据的计算处理功能，由于功能复杂导致芯片的运行负荷较大，进而形成了工作效率低、反应速度慢等诸多方面的不足之处，在对主轴进行动态特性测试时，在系统整周期工作频率固定的情况下，如果主轴转速较高，系统相对识别精度降低，且系统在数据处理的过程中还要同时执行其他功能，进而导致系统运行时间较长，无法利用传统系统实现主轴动平衡的精确性能测试和动平衡控制；且系统管理复杂，不容易分别实现对每个功能的优化，且稳定性不高，只要有一个功能环节出现问题将会导致整个系统的崩溃；

其次，现有的主轴动平衡测控系统并未配置对外数据通信接口，无法与数控系统等其他设备进行数据交换，为一孤立的系统，不能实现与其他设备或系统的联合使用，且人机交互能力较差，不能在运行过程中进行实时命令输入与结果显示，操作复杂，不够直观。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，该系统直观、准确、快速的完成对加工主轴的在线动平衡测控。

为达到上述目的，本发明所述高精度加工主轴的在线动平衡测控系统包括信号调理电路、信号采集电路、DSP处理电路、人机交互终端、单片机控制电路、用于控制主轴动平衡的动平衡控制终端、用于检测主轴位移信号、加速度信号及用户所需位置的温度信号的信号检测电路；

所述信号检测电路的输出端与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端与信号采集电路的输入端相连接，信号采集电路的控制端与人机交互终端相连接，DSP处理电路与信号采集电路相连接，人机交互终端与DSP处理电路及单片机控制电路相连接，单片机控制电路的输出端与动平衡控制终端的输入端相连接。

还包括储存器及通讯模块，存储器的输入端与人机交互终端的输出端相连接，存储器的输出端与外接设备通过通讯模块相连接。

所述信号检测电路包括位移传感器、加速度传感器及温度传感器。

所述信号调理电路包括前置放大电路、后置放大电路及滤波电路，前置放大电路的输入端与信号检测电路的输出端相连接，前置放大电路的输出端通过滤波电路与后置放大电路的输入端相连接，后置放大电路的输出端与信号采集电路的输入端相连接。

所述信号采集模块包括多路模拟开关电路及A/D数模转换电路，多路模拟开关电路的控制端与人机交互终端相连接，多路模拟开关电路的输入端与信号调理电路的输出端相连接，多路模拟开关电路的输出端与A/D数模转换电路的输入端相连接，A/D数模转换电路与DSP处理电路相连接。

所述人机交互终端包括ARM芯片及TFT触摸屏，ARM芯片与DSP处理电路、TFT触摸屏、信号采集电路的控制端、单片机控制电路及存储器的输入端相连接。

所述ARM芯片的型号为STM32F103ZET6，ARM芯片与TFT触摸屏通过RS232接口相连接；

所述A/D数模转换电路设有AD976芯片；

所述DSP处理电路设有DSP芯片，所述DSP芯片为TMS320F28335芯片。

所述存储器为CH376文件管理控制芯片。

所述DSP处理电路与人机交互终端通过SPI总线相连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统在对加工主轴进行在线动平衡测控的过程中，通过信号检测电路采集主轴位移信号、加速度信号及用户所需位置的温度信号，所述主轴位移信号、加速度信号及用户所需位置的温度信号经信号调理电路调理后输入到信号采集电路中，用户根据自身的需要根据主轴位移信号、加速度信号及用户所需位置的温度信号生成位移振动频谱图、加速度振动频谱图、轴心轨迹图或温度轨迹图，并通过人机交互终端显示所述位移振动频谱图、加速度振动频谱图、轴心轨迹图或温度轨迹图，同时用户可以操作人机交互终端通过单片机控制电路控制动平衡控制终端实现对主轴的动平衡，从而直观、准确、快速的完成对加工主轴进行在线动平衡测控，不用重复启停主轴，灵活方便，满足30000r/min转速下的电主轴动平衡监测与控制功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中信号采集电路4的结构示意图；

图3为本发明中信号调理电路3的结构示意图。

其中，1为人机交互终端、2为信号检测电路、3为信号调理电路、4为信号采集电路、5为DSP处理电路、6为单片机控制电路、7为存储器、8为通讯模块、9为动平衡控制终端、10为外接设备、31为前置放大电路、32为滤波电路、33为后置放大电路、41为多路模拟开关电路、42为A/D数模转换电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2及图3，本发明所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统包括信号调理电路3、信号采集电路4、DSP处理电路5、人机交互终端1、单片机控制电路6、用于控制主轴动平衡的动平衡控制终端9、用于检测主轴位移信号、加速度信号及用户所需位置的温度信号的信号检测电路2；所述信号检测电路2的输出端与信号调理电路3的输入端相连接，信号调理电路3的输出端与信号采集电路4的输入端相连接，信号采集电路4的控制端与人机交互终端1相连接，DSP处理电路5与信号采集电路4相连接，人机交互终端1与DSP处理电路5及单片机控制电路6相连接，单片机控制电路6的输出端与动平衡控制终端9的输入端相连接。

需要说明的是，本发明还包括储存器及通讯模块8，存储器7的输入端与人机交互终端1的输出端相连接，存储器7的输出端与外接设备10通过通讯模块8相连接，信号检测电路2包括位移传感器、加速度传感器及温度传感器，信号调理电路3包括前置放大电路31、后置放大电路33及滤波电路32，前置放大电路31的输入端与信号检测电路2的输出端相连接，前置放大电路31的输出端通过滤波电路32与后置放大电路33的输入端相连接，后置放大电路33的输出端与信号采集电路4的输入端相连接，信号采集模块包括多路模拟开关电路41及A/D数模转换电路42，多路模拟开关电路41的控制端与人机交互终端1相连接，多路模拟开关电路41的输入端与信号调理电路3的输出端相连接，多路模拟开关电路41的输出端与A/D数模转换电路42的输入端相连接，A/D数模转换电路42与DSP处理电路5相连接，人机交互终端1包括ARM芯片及TFT触摸屏，ARM芯片与DSP处理电路5、TFT触摸屏、信号采集电路4的控制端、单片机控制电路6及存储器7的输入端相连接，ARM芯片的型号为STM32F103ZET6，ARM芯片与TFT触摸屏通过RS232接口相连接，A/D数模转换电路42设有AD976芯片，DSP处理电路5设有DSP芯片，所述DSP芯片为TMS320F28335芯片，存储器7为CH376文件管理控制芯片。DSP处理电路5与人机交互终端1通过SPI总线相连接。

本发明的测控过程包括原始信息的采集、数据的处理及主轴的控制；

所述原始信息的采集包括以下步骤：信号检测电路2采集主轴的位移信号、加速度信号以及用户所需位置的温度信号，所述主轴的位移信号、加速度信号以及用户所需位置的温度信号均通过信号调理电路3依次进行前置放大、低通滤波及后置放大后输入到信号采集电路4中；

所述数据的处理为获取位移振动频谱图、加速度振动频谱图、轴心轨迹图或温度轨迹图；

所述获取位移振动频谱图的具体过程为：用户向人机交互终端1中输入获取位移振动频谱图指令，人机交互终端1根据所述获取位移振动频谱图指令生成第一控制信号，并将所述第一控制信号输入到信号采集电路4及DSP处理电路5中，信号采集电路4接收所述第一控制信号，然后根据所述第一控制信号选取主轴的位移信号，并将选取的主轴的位移信号输入到DSP处理电路5中，DSP处理电路5根据所述第一控制信号及主轴的位移信号生成位移振动频谱图，并通过人机交互终端1显示所述位移振动频谱图；

所述获取加速度振动频谱图的具体过程为：用户向人机交互终端1中输入获取加速度振动频谱图指令，人机交互终端1根据所述获取加速度振动频谱图指令生成第二控制信号，并将所述第二控制信号输入到信号采集电路4及DSP处理电路5中，信号采集电路4根据所述第二控制信号选取主轴的加速度信号，并将选取的主轴的加速度信号转发至DSP处理电路5中，DSP处理电路5根据所述第二控制信号及主轴的加速度信号生成加速度振动频谱图，并通过人机交互终端1显示所述加速度振动频谱图；

所述获取轴心轨迹图的具体过程为：用户向人机交互终端1中输入获取轴心轨迹图指令，人机交互终端1根据所述获取轴心轨迹图指令生成第三控制信号，并将所述第三控制信号输入到信号采集电路4及DSP处理模块中，信号采集电路4根据所述第三控制信号选取主轴的位移信号，并将选取的主轴的位移信号转发至DSP处理电路5中，DSP处理电路5根据所述主轴的位移信号及第三控制信号生成轴心轨迹图，并通过人机交互终端1显示所述轴心轨迹图；

所述获取主轴的温度轨迹图的具体操作为：用户向人机交互终端1中输入获取温度轨迹图指令，人机交互终端1根据所述温度轨迹图指令生成第四控制信号，并将所述第四控制信号转发至DSP处理电路5及信号采集电路4中，信号采集电路4根据所述第四控制信号选取用户所需位置的温度信号，然后将选取的用户所需位置的温度信号转发至DSP处理电路5中，DSP处理电路5根据所述第四控制信号及用户所需位置的温度信号生成温度轨迹图，并通过人机交互终端1显示所述温度轨迹图；

所述主轴的控制的具体过程为：用户向人机交互终端1中输入主轴动平衡指令，人机交互终端1根据所述主轴动平衡指令控制单片机控制模块通过动平衡控制终端9完成对主轴的动平衡。

Claims (9)

1.一种高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，包括信号调理电路(3)、信号采集电路(4)、DSP处理电路(5)、人机交互终端(1)、单片机控制电路(6)、用于控制主轴动平衡的动平衡控制终端(9)、用于检测主轴位移信号、加速度信号及用户所需位置的温度信号的信号检测电路(2)；

所述信号检测电路(2)的输出端与信号调理电路(3)的输入端相连接，信号调理电路(3)的输出端与信号采集电路(4)的输入端相连接，信号采集电路(4)的控制端与人机交互终端(1)相连接，DSP处理电路(5)与信号采集电路(4)相连接，人机交互终端(1)与DSP处理电路(5)及单片机控制电路(6)相连接，单片机控制电路(6)的输出端与动平衡控制终端(9)的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，还包括储存器及通讯模块(8)，存储器(7)的输入端与人机交互终端(1)的输出端相连接，存储器(7)的输出端与外接设备(10)通过通讯模块(8)相连接。

3.根据权利要求1所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，所述信号检测电路(2)包括位移传感器、加速度传感器及温度传感器。

4.根据权利要求1所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，所述信号调理电路(3)包括前置放大电路(31)、后置放大电路(33)及滤波电路(32)，前置放大电路(31)的输入端与信号检测电路(2)的输出端相连接，前置放大电路(31)的输出端通过滤波电路(32)与后置放大电路(33)的输入端相连接，后置放大电路(33)的输出端与信号采集电路(4)的输入端相连接。

5.根据权利要求1所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，所述信号采集模块包括多路模拟开关电路(41)及A/D数模转换电路(42)，多路模拟开关电路(41)的控制端与人机交互终端(1)相连接，多路模拟开关电路(41)的输入端与信号调理电路(3)的输出端相连接，多路模拟开关电路(41)的输出端与A/D数模转换电路(42)的输入端相连接，A/D数模转换电路(42)与DSP处理电路(5)相连接。

6.根据权利要求1所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，所述人机交互终端(1)包括ARM芯片及TFT触摸屏，ARM芯片与DSP处理电路(5)、TFT触摸屏、信号采集电路(4)的控制端、单片机控制电路(6)及存储器(7)的输入端相连接。

7.根据权利要求6所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，

所述ARM芯片的型号为STM32F103ZET6，ARM芯片与TFT触摸屏通过RS232接口相连接；

所述A/D数模转换电路(42)设有AD976芯片；

所述DSP处理电路(5)设有DSP芯片，所述DSP芯片为TMS320F28335芯片。

8.根据权利要求2所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，所述存储器(7)为CH376文件管理控制芯片。

9.根据权利要求2所述的高精度加工主轴的在线动平衡测控系统，其特征在于，所述DSP处理电路(5)与人机交互终端(1)通过SPI总线相连接。