CN105538039B - 智能电主轴控制实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了智能电主轴控制实施方法，属于智能装备技术领域。该智能电主轴控制实施方法，包括采用以下1至4中的一种或两种以上组合的控制实施方法：(1)通过与电主轴配合设置预紧力智能调节装置，实时调整预紧力；(2)通过在前轴承处、外套、驱动转子内设定温度传感器，根据温度传感器采集的温度信号智能调节冷却液流量；(3)通过与电主轴配合设置动态扭矩检测系统，实时监测电主轴工作过程中的动态扭矩；(4)通过电主轴的带动端跳动检测系统，检测电主轴的轴端跳动量；本发明通过对智能电主轴运行参数的检测与控制，实现电主轴的智能化运行，提高了电主轴的运行精度与寿命，为零件加工工艺提供可靠的理论参数。

Description

智能电主轴控制实施方法

技术领域

本发明涉及智能电主轴控制实施方法，属于智能装备技术领域。

背景技术

国内电主轴的设计与制造大多是参照国外电主轴的设计，较大程度上制约了我国电主轴技术创新与产业发展。国内现有的电主轴大部分采用内装异步电机通过变频进行驱动,普遍存在的缺点是：一是国内现有电主轴没有运行状态参数检测传感器及控制方法，无运行状态参数信号输出和智能调节功能；二是国内现有电主轴其运行状态参数无法进行动态检测和数据分析，无法建立工件、工艺、运行参数之间较佳的对应关系，三是国内现有电主轴还没有对其运行参数进行智能控制的方法，现有电主轴的轴承预紧力恒定，没有对其运行速度、承受载荷以及主轴刚性进行动态调整的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述智能电主轴智能控制方法方面的缺陷，提供一种智能电主轴控制实施方法。

为实现本发明的目的，采用了下述的技术方案：智能电主轴控制实施方法，包括采用以下1至4中的一种或两种以上组合的控制实施方法：

(1)通过与电主轴配合设置预紧力智能调节装置，实时调整预紧力，所述的预紧力智能调节装置包括设置在主轴上的转速传感器、预紧力检测装置、预紧力调整装置，转速传感器将电主轴当前转速信号输至控制器，预紧力检测装置将当前预紧力大小信号输至控制器，控制器根据当前转速找出该转速下对应的最佳预紧力值，将当前预紧力大小与最佳预紧力值进行比较后指令预紧力调整装置动作使预紧力调整至当前转速下的最佳预紧力值；

(2)通过在前轴承处、外套、驱动转子内设定温度传感器，根据温度传感器采集的温度信号智能调节冷却液流量，上述温度传感器均连接至控制器；在控制器内设定智能电主轴运行温升理论值为20°C，允差为范围±2°C，智能电主轴运行时，当温升参数小于控制器内部存储的智能电主轴运行温升理论值范围时，智能电主轴控制器发出指令调节减小冷却系统流量，调高冷却系统冷却液出口温度，使智能电主轴运行温升达到运动控制器内部存储理论参数值范围，当温升参数大于控制器内部存储的智能电主轴运行温升理论值范围时，智能电主轴控制器发出指令调节增大冷却系统流量，调低冷却系统冷却液出口温度，使智能电主轴运行温升达到控制器内部存储理论值范围，保证智能电主轴在运行中的温升动态平衡；

(3)通过与电主轴配合设置动态扭矩检测系统，实时监测电主轴工作过程中的动态扭矩；通过在电主轴后端与回转轴连接设置同步运转的连接杆，连接杆驱动液压伺服马达，液压伺服马达上配置流量传感器和流动压力传感器，上述两个传感器连接至控制器，控制器根据液压伺服马达的流量和流动压力计算得出动态扭矩；

(4)通过电主轴的带动端跳动检测系统，检测电主轴的轴端跳动量；所述的跳动检测系统检测限为0.0001mm，所述的跳动检测系统通过在主轴带动端连接与回转轴同心的跳动验棒，在跳动验棒两侧分别设置投光器和受光器，投光器和受光器连接至控制器，在电主轴运转的过程中，带动端在圆周方向的跳动引起跳动验棒跳动使投射在受光器上的阴影面积发生变化，控制器根据受光器上阴影面积的变化得出电主轴带动端的跳动值；

进一步的，（1）中的转速传感器采用旋转编码器，所述的旋转编码器设置在后轴承座支撑座上，旋转编码器感应轮组件安装在回转轴的后部，所述的预紧力检测装置为压力传感器，所述的预紧力调整装置为压力伺服动作器，在前轴承与前轴承座端面结合面设置有压力传感器，压力伺服动作器与后轴承座固定连接，压力伺服座和压力伺服盖固定连接在后轴承座支撑座上，在压力伺服动作器前后均设置有压力传感器，进出油及油压检测阀安装在压力伺服盖上，进出油及油压检测阀连接液压站，上述的各压力传感器、压力伺服动作器、进出油及油压检测阀、旋转编码器均连接至电主轴控制器。

本发明的积极有益技术效果在于：通过对智能电主轴运行参数的检测与控制，实现电主轴的智能化运行，提高了电主轴的运行精度与寿命；通过智能控制系统对智能电主轴工作载荷，同步电机电流、电压、扭矩的检测与控制， 为零件加工工艺提供可靠的理论参数，有利于零件加工工艺及加工实验分析；通过智能控制系统对控制智能电主轴各项运行参数的检测与控制，为国产高性能高速电主轴和专用电主轴的研发提供可靠的理念数据。

附图说明

图1是本发明电主轴的示意图。

图2是电主轴配置跳动检测系统及扭矩动态检测系统的示意图。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供本发明的实施实例。这些实施实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。

首先对本发明的电主轴进行详细的介绍，附图本发明电主轴的示意图，附图中各标记为：1：回转轴；2：前螺母；3：前盖；4：前轴承隔离圈；5：前轴承座；6：外套；7：驱动转子；8：驱动定子；9：定子水套；10：旋转编码器感应轮组件；11：后轴承；12：后轴承隔离圈；13：轴承滑套；14：后轴承座支撑座；15：后螺母；16：后轴承座；17：压力伺服座；18：压力伺服盖；19：压力伺服动作器；20：振动传感器；21：温度传感器一；22：前轴承与前轴承座端面结合面圆周方向上的压力传感器；23：温度传感器二；24：温度传感器三；25：旋转编码器；26：压力伺服动作器与压力伺服座结合端面圆周方向的压力传感器；27：压力伺服动作器与压力伺服盖结合端面圆周方向的压力传感器；29：进出油及油压检测阀；30：刀具；31：前轴承；38：刀柄；400：跳动验棒；401：投光器；402：受光器；500：液压伺服马达；501：连接杆；501：伺服液压马达上的压力传感器；502：流量传感器。本发明的中采用的智能电主轴其结构为：前轴承座5与后轴承座支撑座14分别安装在外套6的前后两端，驱动定子8与定子水套9固定在外套6内；两套前轴承31和前轴承隔圈4通过前螺母2固定于回转轴1的前端，驱动转子7通过过盈方式装入主轴回转轴1的中部，后螺母15将两套后轴承11、后轴承隔圈12和编码器感应轮组件10和后轴承座16安装于回转轴1的后端，安装有轴承的回转轴1通过前轴承支撑于前轴承座5和后轴承座支撑座14内，前轴承通过前盖3与前轴承座5固定连接；后轴承通过后轴承座14、轴承滑套13支撑于后轴承座支撑座14内；压力伺服动作器19与后轴承座16连接，压力伺服座17和压力伺服盖18连接于后轴承座支撑座14上；振动传感器20、温度传感器一21、压力传感器安装在前轴承座5内，三只压力传感器均匀分布设置在前轴承与前轴承座端面结合面圆周方向上，22所示为其中一个，预紧力检测装置包括前轴承座内的三只压力传感器，温度传感器二23安装在外套6内、温度传感器三24安装在驱动转子7内，旋转编码器25安装在后轴承座支撑座14上，编码器感应轮组件10和安装于回转轴1的后端，在压力伺服动作器19与压力伺服座17结合端面圆周方向均布有三只只压力传感器，26所示压力伺服动作器与压力伺服座结合端面圆周方向的压力传感器为其中一个，压力伺服动作器19与压力伺服盖18结合端面圆周方向均布有三只压力传感器，27所示的压力伺服动作器与压力伺服盖结合端面圆周方向的压力传感器为其中一个，预紧力检测装置压力也包括伺服动作器19与压力伺服盖18结合端面圆周方向均布有三只压力传感器及压力伺服动作器19与压力伺服座17结合端面圆周方向均布有三只只压力传感器，预紧力调整装置为压力伺服动作器，进出油及油压检测阀29安装在压力伺服盖18上，进出油及油压检测阀与压力伺服动作器和压力伺服盖间的压力腔联通，进出油及油压检测阀连接液压站，刀具30安装于回转轴1前端，上述的各压力传感器、压力伺服动作器、进出油及油压检测阀、旋转编码器均连接至电主轴控制系统。在电主轴上刀架端设置有跳动检测系统，所述的跳动检测系统包括连接在回转轴且与回转轴同心的跳动验棒400，在跳动验棒400的两侧分别设置有投光器401和受光器402，受光器连接有运算控制器，运算控制器连接有数字显示器，运算控制器均可设置在控制系统中，在电主轴上设置有扭矩动态检测系统，图中扭矩动态检测系统设置在主轴后端，所述的扭矩动态检测系统包括回转轴，在回转轴后端部通过连接杆501连接有液压伺服马达500，所述的连接杆500与回转轴同心，液压伺服马达500通过连接杆501随回转轴一起转动，液压伺服马达上设置有压力传感器和流量传感器502，501所示为伺服液压马达上的压力传感器，伺服液压马达上的压力传感器和流量传感器连接至控制器，控制器连接有显示器，控制器根据流量和压力的大小计算出实时扭矩并输出至显示器上。本电主轴中采用的压力伺服动作器可采用油缸的活塞，压力伺服座为油缸座，压力伺服盖为油缸盖，进出油及油压检测阀用于进出油及油压检测，油缸采用伺服控制，即采用伺服油缸，需要调整预紧力时，通过调整油缸的油压通过活塞作用到后轴承座上通过回转轴调整前后轴承的预紧力。

本控制方法具体工作时如下：

1、通过电主轴的带动端跳动检测系统，检测电主轴的轴端跳动量；所述的跳动检测系统检测限为0.0001mm，在检测主轴带动端跳动值时，首先在刀柄上安装跳动验棒，跳动验棒随回转轴高速旋转，投光器和受光器安装在跳动验棒两侧，投光器和受光器可选择采用光栅投光器和光栅受光器，投光器发出的光经跳动验棒投射到受光器形成阴影，跳动验棒在圆周方向产生的跳动导致投射到受光器阴影的变化，控制器采集受光器信号变化通过相关的逻辑运算转换成数字信号通过数字显示器显示动态跳动精度值，本系统中，跳动验棒挡光部分为圆柱形或轮辐形；

2、实时调整预紧力；智能电主轴控制器通过采集智能电主轴内置旋转编码器反馈的智能电主轴实时运行速度信号，当转速传感器输出运行速度信号给智能电主轴控制器，智能电主轴控制器通过逻辑运算，计算出当前转速下轴承需要的最佳预紧力，智能电主轴控制器发出动作指令调节进出油及油压检测阀29调节压力伺服动作器19，改变轴承预紧力，使预紧力检测装置的反馈的轴承预紧力信号与智能电主轴控制器通过逻辑运算的最佳轴承预紧力相同；

通常零件加工分为粗加工和精加工，粗加工时需要主轴承受较大的载荷，精加工时需要主轴承受较高的转速；主轴承受大载荷加工时需要主轴内部轴承的预紧力较大，主轴进行高速精加工时主轴内部的轴承预紧力较小，使用常用的主轴由于无法在运行过程中不能调整其轴承的预紧力，所以同一台设备的主轴不能同时满足粗加工和精加工，当采用本发明的控制方法后，我们只需要通过数控系统输入零件的加工程序，智能电主轴控制器自动读取加工程序，通过内部的逻辑运算计算出与加工工艺对应的主轴运行参数，当进行粗加工时，智能电主轴控制器发出动作指令调节进出油及油压检测阀29控制压力调节压力伺服动作器19，增大轴承预紧力；由于主轴承受载荷较大，产生的热能较大，智能电主轴控制器发出指令调节增大冷却系统流量，调低冷却系统冷却液出口温度；当进行精加工时，智能电主轴控制器发出动作指令调节进出油及油压检测阀29控制压力调节压力伺服动作器19，减小轴承预紧力，同时控制降低冷却系统流量；通过轴承预紧力调整机构调整轴承预紧力，既能使智能电主轴在低速状态下承受较大载荷的粗加工工艺，又可以在高速状态下满足精密加工工艺。一台设备可以完成零件所有加工工艺。较大程度节约了企业的成本，提高生产效率；

3、实时动态扭矩的检测：在电主轴上设置有扭矩动态检测系统，图中扭矩动态检测系统设置在主轴后端，所述的扭矩动态检测系统包括回转轴，在回转轴后端部通过连接杆501连接有液压伺服马达500，所述的连接杆500与回转轴同心，液压伺服马达500通过连接杆501随回转轴一起转动，液压伺服马达上设置有压力传感器和流量传感器502，501所示为伺服液压马达上的压力传感器，伺服液压马达上的压力传感器和流量传感器连接至控制器，控制器连接有显示器，控制器根据流量和压力的大小计算出实时扭矩并输出至显示器上；

4、温度控制：在控制器内设定智能电主轴运行温升理论值为20°C，允差为范围±2°C，电主轴运行时，温度传感器检测的信号通过运动控制运算器转换为智能电主轴的温度运行参数，当温升小于运动控制运算器内部存储的智能电主轴运行温升理论值范围时，运动控制运算器发出该参数误差信号（-），智能电主轴控制器发出指令调节减小冷却系统流量，调高冷却系统冷却液出口温度，使智能电主轴运行温升达到运动控制运算器内部存储理论参数范围；当温升参数大于运动控制运算器内部存储的智能电主轴运行温升理论值范围时，运动控制运算器发出该参数误差信号（+），智能电主轴控制器发出指令调节增大冷却系统流量，调低冷却系统冷却液出口温度，使智能电主轴运行温升达到运动控制运算器内部存储理论参数范围。保证智能电主轴温升动态平衡。

在详细说明本发明的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围，且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。

Claims (2)

1.智能电主轴控制实施方法，其特征在于：采用以下（1）、（2）、（3）、（4）组合在一起实现智能电主轴的控制实施：

(1)通过与电主轴配合设置预紧力智能调节装置，实时调整预紧力，所述的预紧力智能调节装置包括设置在主轴上的转速传感器、预紧力检测装置、预紧力调整装置，转速传感器将电主轴当前转速信号输至控制器，预紧力检测装置将当前预紧力大小信号输至控制器，控制器根据当前转速找出该转速下对应的最佳预紧力值，将当前预紧力大小与最佳预紧力值进行比较后指令预紧力调整装置动作使预紧力调整至当前转速下的最佳预紧力值；

(2)通过在前轴承处、外套、驱动转子内设定温度传感器，根据温度传感器采集的温度信号智能调节冷却液流量，上述温度传感器均连接至控制器；在控制器内设定智能电主轴运行温升理论值为20°C，允差为范围±2°C，智能电主轴运行时，当温升参数小于控制器内部存储的智能电主轴运行温升理论值范围时，智能电主轴控制器发出指令调节减小冷却系统流量，调高冷却系统冷却液出口温度，使智能电主轴运行温升达到运动控制器内部存储理论参数值范围，当温升参数大于控制器内部存储的智能电主轴运行温升理论值范围时，智能电主轴控制器发出指令调节增大冷却系统流量，调低冷却系统冷却液出口温度，使智能电主轴运行温升达到控制器内部存储理论值范围，保证智能电主轴在运行中的温升动态平衡；

(3)通过与电主轴配合设置动态扭矩检测系统，实时监测电主轴工作过程中的动态扭矩；通过在电主轴后端与回转轴连接设置同步运转的连接杆，连接杆驱动液压伺服马达，液压伺服马达上配置流量传感器和流动压力传感器，上述两个传感器连接至控制器，控制器根据液压伺服马达的流量和流动压力计算得出动态扭矩；

(4)通过电主轴的带动端跳动检测系统，检测电主轴的轴端跳动量；所述的跳动检测系统检测限为0.0001mm，所述的跳动检测系统通过在主轴带动端连接与回转轴同心的跳动验棒，在跳动验棒两侧分别设置投光器和受光器，投光器和受光器连接至控制器，在电主轴运转的过程中，带动端在圆周方向的跳动引起跳动验棒跳动使投射在受光器上的阴影面积发生变化，控制器根据受光器上阴影面积的变化得出电主轴带动端的跳动值。

2.根据权利要求1所述的 智能电主轴控制实施方法，其特征在于：（1）中的转速传感器采用旋转编码器，所述的旋转编码器设置在后轴承座支撑座上，旋转编码器感应轮组件安装在回转轴的后部，所述的预紧力检测装置为压力传感器，所述的预紧力调整装置为压力伺服动作器，在前轴承与前轴承座端面结合面设置有压力传感器，压力伺服动作器与后轴承座固定连接，压力伺服座和压力伺服盖固定连接在后轴承座支撑座上，在压力伺服动作器前后均设置有压力传感器，进出油及油压检测阀安装在压力伺服盖上，进出油及油压检测阀连接液压站，上述的各压力传感器、压力伺服动作器、进出油及油压检测阀、旋转编码器均连接至电主轴控制器。