CN105865767A - 一种具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统 - Google Patents

一种具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统 Download PDF

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姜歌东
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Abstract

本发明公开了一种具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，包括振动加速度传感器、振动位移传感器、传感器支架、振动相位传感器以及内设有远程通信模块的测试系统。本发明能够远程、全程对电主轴的性能进行测试，测试系统与电主轴的集成度较高。

Description

一种具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统
技术领域
本发明涉及一种电主轴及测试系统，具体涉及一种具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统。
背景技术
现代加工制造正朝着高速度、高精度、智能化的方向发展，电主轴是数控机床最为核心的功能部件，电主轴是高集成度的科技化产品，电主轴的工作性能直接决定了加工质量及加工效率，因此对电主轴工作性能进行监测能够更好的掌握电主轴运行状态特征，电主轴振动特性对主轴运行特性影响最大，对电主轴振动测试信号进行实时监测并对测试结果进行分析可以快速发现主轴运行过程中可导致加工精度降低的故障特征，通过信号处理方法也可以对电主轴即将发生的故障特征进行预警，及时对电主轴进行调整，避免事故的发生，有效提高电主轴的使用效率。
伴随着“互联网+”的行动计划的推动，现代制造业作为典型的传统行业需要首当其冲走在前列，将传统的制造设备与“互联网+”相结合，能够有效改善工业产品的用户体验，电主轴是现代制造业最为典型的高集成度的工业化产品，智能化电主轴是电主轴产品的必然趋势，实现电主轴运行状态的远程监测是智能化电主轴的必要手段和基础。采用具有远程监控功能的电主轴能够将操作人员的工作场所从工业现场转移至集控中心，将繁琐而危险的现场工作向着数字化、可视化、智能化的方向推进，可以有效保障人员的安全，并且节约操作人员的劳动成本。因此推行具有远程监测功能的智能化电主轴是“互联网+现代制造业”的必然发展趋势。
然而目前现有的电主轴振动测试系统具有以下几方面的不足：
1)现有电主轴大多不具备性能测试功能，无法将电主轴运行信息进行收集，不能够满足实时观测主轴运行状态的需要，不能够为操作人员提供必要的使用状态信息，也无法为电主轴的维护、维修提供运行数据作为参考，多数情况下对于电主轴的检修都是在电主轴出现重大故障的时候，相对增加了维修成本；
2)测试系统与电主轴的集成程度低，多数采用电主轴及测试系统分离的形式，在使用测试系统对电主轴进行性能测试的过程中需要利用大量的时间对系统进行针对性的调试，降低了电主轴的使用效率；
3)现有测试系统大多仅在电主轴出现故障特征时才对电主轴进行性能测试，无法实现电主轴动态特性的全程监测，不能够全面掌握电主轴运行信息，对于电主轴运行过程中即将发生的故障无法预警，极有可能给生产带来事故；
4)现有测试系统大多不具备远程监测的能力，仅能通过人工操作的方式实现，使用效率受到一定的限制，不利于实现智能化的设备管理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，该电主轴及测试系统能够远程、全程对电主轴的性能进行测试，测试系统与电主轴的集成度较高。
为达到上述目的，本发明所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统包括振动加速度传感器、振动位移传感器、传感器支架、振动相位传感器以及内设有远程通信模块的测试系统；
电主轴中转子支撑轴承的外侧面上开设有振动加速度传感器安装接口，振动加速度传感器位于所述振动加速度传感器安装接口内并固定于电主轴的轴承外圈上，传感器支架固定于电主轴的前端面上，振动位移传感器固定于所述传感器支架上，电主轴后端的侧面开设有振动相位传感器安装接口，振动相位传感器安装于振动相位传感器安装接口内，振动相位传感器位于电主轴后部的转子支撑轴承外且垂直于电主轴转子的轴线；
电主轴侧面的中部开设有测试系统安装接口，测试系统安装于测试系统安装接口内，振动加速度传感器的输出端、振动位移传感器的输出端及振动相位传感器的输出端均与测试系统的输入端相连接。
振动加速度传感器的输出端通过加速度信号线缆与测试系统的输入端相连接；
振动位移传感器的输出端通过位移信号线缆与测试系统的输入端相连接；
振动相位传感器的输出端通过相位信号线缆与测试系统的输入端相连接。
传感器支架通过固定螺栓固定于电主轴的前端面上。
传感器支架上开设有振动位移传感器安装孔，振动位移传感器安装于振动位移传感器安装孔内。
电主轴转子上安装有振动相位标尺盘。
振动相位传感器由相位标记以及用于识别相位标记产生的相位信号的相位探头，相位标记位于电主轴转子上，相位探头的输出端与测试系统的输入端相连接。
所述测试系统包括中央处理模块、用于提供电能的电源、以及与中央处理模块相连接的数据存储模块、信号调理放大器、A/D转换模块、信号处理模块、远程通讯模块、故障预警模块及故障报警模块；
振动加速度传感器的输出端、振动位移传感器的输出端及振动相位传感器的输出端均与信号调理放大器的输入端相连接，信号调理放大器的输出端通过A/D转换模块与数据存储模块的输入端相连接，数据存储模块与信号处理模块、故障预警模块及故障报警模块相连接。
所述远程通讯模块为GPRS模块。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的有振动远程监测功能的电主轴及测试系统中包括振动加速度传感器、振动位移传感器、传感器支架、振动相位传感器以及内设有远程通讯模块的测试系统，其中振动加速度传感器及振动相位传感器分别安装于电主轴上的振动加速度传感器安装接口、振动位移传感器安装孔及振动相位传感器安装接口，测试系统位于电主轴侧面的测试系统安装接口内，振动位移传感器通过传感器支架固定于电主轴上，集成化程度较高，电主轴与测试系统集成为一体，避免长时间对测试系统进行针对性的调试，电主轴的使用效率高，在测试时，通过振动加速度传感器检测电主轴的振动加速度信号，通过振动位移传感器实时检测电主轴的振动位移信号，通过振动相位传感器实时检测电主轴的振动相位信号，测试系统根据电主轴的振动加速度信号、振动位移信号及振动相位信号判断电主轴是否出现故障，避免由于电主轴故障导致加工工件的损坏，同时通过故障预警避免由于电主轴关键部件的严重损坏，在故障发生之前对可能产生故障的因素进行调整，降低电主轴的检修成本，提高电主轴的使用效率，同时将判断的结果通过远程通讯模块转发出去，从而实现机床设备运行的无人值守，避免工业现场事故造成的人身伤害，实现人力资源的节约。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中测试系统15的结构示意图。
其中，1为电主轴、2为振动加速度传感器安装接口、3为相位信号线缆、4为振动相位传感器安装接口、5为转子支撑轴承、6为振动加速度传感器、7为轴承外圈、8为加速度信号线、9为传感器支架、10为固定螺栓、11为振动位移传感器安装孔、12为振动位移传感器、13为位移信号线缆、14为电主轴转子、15为测试系统、16为振动相位标尺盘、17为相位标记、18为相位探头、19故障报警模块、20为远程通讯模块、21为故障预警模块、22为中央处理模块、23为电源、24为信号调理放大器、25为A/D转换模块、26为数据存储模块、27为信号处理模块。
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及图2，本发明所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统包括振动加速度传感器6、振动位移传感器12、传感器支架9、振动相位传感器以及内设有远程通信模块的测试系统15；电主轴1中转子支撑轴承5的外侧面上开设有振动加速度传感器安装接口2，振动加速度传感器6位于所述振动加速度传感器安装接口2内并固定于电主轴1的轴承外圈7上，传感器支架9固定于电主轴1的前端面上，振动位移传感器12固定于所述传感器支架9上，电主轴1后端的侧面开设有振动相位传感器安装接口4，振动相位传感器安装于振动相位传感器安装接口4内，振动相位传感器位于电主轴1后部的转子支撑轴承5外且垂直于电主轴转子14的轴线；电主轴1侧面的中部开设有测试系统安装接口，测试系统15安装于测试系统安装接口内，振动加速度传感器6的输出端、振动位移传感器12的输出端及振动相位传感器的输出端均与测试系统15的输入端相连接。
需要说明的是，振动加速度传感器6的输出端通过加速度信号线缆8与测试系统15的输入端相连接；振动位移传感器12的输出端通过位移信号线缆13与测试系统15的输入端相连接；振动相位传感器的输出端通过相位信号线缆3与测试系统15的输入端相连接，且加速度信号线缆8、位移信号线缆13及相位信号线缆3均具有屏蔽功能。
传感器支架9通过固定螺栓10固定于电主轴1的前端面上；传感器支架9上开设有振动位移传感器安装孔11，振动位移传感器12安装于振动位移传感器安装孔11内；电主轴转子14上安装有振动相位标尺盘16；振动相位传感器由相位标记17以及用于识别相位标记17产生的相位信号的相位探头18，相位标记17位于电主轴转子14上，相位探头18的输出端与测试系统15的输入端相连接。
所述测试系统15包括中央处理模块22、用于提供电能的电源23、以及与中央处理模块22相连接的数据存储模块26、信号调理放大器24、A/D转换模块25、信号处理模块27、远程通讯模块20、故障预警模块21及故障报警模块19；振动加速度传感器6的输出端、振动位移传感器12的输出端及振动相位传感器的输出端均与信号调理放大器24的输入端相连接，信号调理放大器24的输出端通过A/D转换模块25与数据存储模块26的输入端相连接，数据存储模块26与信号处理模块27、故障预警模块21及故障报警模块19相连接，远程通讯模块20为GPRS模块。
所述振动加速度传感器安装接口2的直径小于转子支撑轴承5的宽度，保证转子支撑轴承5的轴承外圈7能够通过振动加速度传感器安装接口2显露出来，所述振动加速度传感器安装接口2的直径大于振动加速度传感器6探头的直径，以确保振动加速度传感器6探头能够安装在转子支撑轴承5的轴承外圈7上。每个转子支撑轴承5外侧具有两个振动加速度传感器安装接口2，同一个转子支撑轴承5外侧的振动加速度传感器安装接口2之间呈垂直分布，一个振动加速度传感器安装接口2内安装有一个振动加速度传感器6。
所述振动加速度传感器6穿过振动加速度传感器安装接口2后通过粘胶固定在轴承外圈7上，保证振动加速度传感器6随轴承振动而产生相应的激励信号，使得测试结果准确可靠，所述振动加速度传感器6为ICP加速度传感器。
所述传感器支架9具有定位平面，使传感器支架9的中心与电主轴转子14的中心不发生偏移，所述固定螺栓10采用沉头螺栓，所述传感器支架9内设有沉头通孔，沉头通孔的尺寸与固定螺栓10相匹配。所述传感器支架9具有两个振动位移传感器安装孔11，且两个振动位移传感器安装孔11之间互相垂直，两个振动位移传感器安装孔11的轴线所在平面与电主轴转子14的轴线相垂直。
所述振动位移传感器12通过螺纹连接的方式安装在振动位移传感器安装孔11内，所述振动位移传感器12采用非接触测试的方式，振动位移传感器12采用电涡流式位移传感器或电容式位移传感器，本发明采用非接触测试方式对电主轴1运行状态不产生影响，所述振动位移传感器12与电主轴转子14之间的距离在振动位移传感器12的测试量程范围内，保证测试结果的准确性。
所述振动相位传感器的相位标记17随电主轴转子14旋转的过程中每旋转周期内在相同位置处产生一个触发脉冲信号，所述相位探头18可以检测到该触发脉冲信号，测试系统15对相位探头18检测到的触发脉冲信号进行采样和计数，则固定时间内触发脉冲信号的计数值即为电主轴1的转速测量值，同时利用触发脉冲信号的上升沿或下降沿对数据进行截取获得不同时期数据的相同起点，并据此判断数据的初相角，A/D转换模块25具有多个24位A/D转换器。
振动加速度传感器6实时获取电主轴1的振动加速度信号，并将所述振动加速度信号转发至测试系统15中；振动位移传感器12实时获取电主轴1的振动位移信号，并将所述振动位移信号转发至测试系统15中，振动相位传感器获取电主轴1的振动相位信号，并将所述振动相位信号转发至测试系统15中，测试系统15同步获取所述振动位移信号、振动加速度信号及振动相位信号，信号调理放大器24对所述振动位移信号、振动加速度信号及振动相位信号进行调理放大，A/D转换模块25对调理放大后的振动位移信号、振动加速度信号及振动相位信号进行模数转换，然后将模数转换后的振动位移信号、振动加速度信号及振动相位信号存储到数据存储模块26中，中央处理模块22提取数据存储模块26中的数据，并将提取的数据转发至信号处理模块27中，信号处理模块27对提取的数据进行时频联合分析，对振动位移信号、振动加速度信号及振动相位信号在不同频段下的幅值及相位进行提取，同时利用小波变换、EMD、LMD信号处理方法对振动位移信号、振动加速度信号及振动相位信号进行分解，并将处理得到的数据存储到数据存储模块26中，故障预警模块21及故障报警模块19对信号处理模块27处理得到的数据进行分析，当电主轴1出现振动超标时，故障报警模块19产生警报信息，并将所述警报信息通过远程通讯模块20发送至工程师工作站；当电主轴1出现即将发生故障的现象时，故障预警模块21产生预警信息，并将所述预警信息通过远程通讯模块20转发至工程师工作站，远程操作人员即可在第一时间停止设备运行，并对设备进行调整及检修。

Claims (8)

1.一种具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，包括振动加速度传感器(6)、振动位移传感器(12)、传感器支架(9)、振动相位传感器以及内设有远程通信模块的测试系统(15)；
电主轴(1)中转子支撑轴承(5)的外侧面上开设有振动加速度传感器安装接口(2)，振动加速度传感器(6)位于所述振动加速度传感器安装接口(2)内并固定于电主轴(1)的轴承外圈(7)上，传感器支架(9)固定于电主轴(1)的前端面上，振动位移传感器(12)固定于所述传感器支架(9)上，电主轴(1)后端的侧面开设有振动相位传感器安装接口(4)，振动相位传感器安装于振动相位传感器安装接口(4)内，振动相位传感器位于电主轴(1)后部的转子支撑轴承(5)外且垂直于电主轴转子(14)的轴线；
电主轴(1)侧面的中部开设有测试系统安装接口，测试系统(15)安装于测试系统安装接口内，振动加速度传感器(6)的输出端、振动位移传感器(12)的输出端及振动相位传感器的输出端均与测试系统(15)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，
振动加速度传感器(6)的输出端通过加速度信号线缆(8)与测试系统(15)的输入端相连接；
振动位移传感器(12)的输出端通过位移信号线缆(13)与测试系统(15)的输入端相连接；
振动相位传感器的输出端通过相位信号线缆(3)与测试系统(15)的输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，传感器支架(9)通过固定螺栓(10)固定于电主轴(1)的前端面上。
4.根据权利要求1所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，传感器支架(9)上开设有振动位移传感器安装孔(11)，振动位移传感器(12)安装于振动位移传感器安装孔(11)内。
5.根据权利要求1所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，电主轴转子(14)上安装有振动相位标尺盘(16)。
6.根据权利要求1所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，振动相位传感器由相位标记(17)以及用于识别相位标记(17)产生的相位信号的相位探头(18)，相位标记(17)位于电主轴转子(14)上，相位探头(18)的输出端与测试系统(15)的输入端相连接。
7.根据权利要求1所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，所述测试系统(15)包括中央处理模块(22)、用于提供电能的电源(23)、以及与中央处理模块(22)相连接的数据存储模块(26)、信号调理放大器(24)、A/D转换模块(25)、信号处理模块(27)、远程通讯模块(20)、故障预警模块(21)及故障报警模块(19)；
振动加速度传感器(6)的输出端、振动位移传感器(12)的输出端及振动相位传感器的输出端均与信号调理放大器(24)的输入端相连接，信号调理放大器(24)的输出端通过A/D转换模块(25)与数据存储模块(26)的输入端相连接，数据存储模块(26)与信号处理模块(27)、故障预警模块(21)及故障报警模块(19)相连接。
8.根据权利要求7所述的具有振动远程监测功能的电主轴及测试系统，其特征在于，所述远程通讯模块(20)为GPRS模块。
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