CN108527002A - 一种数控机床主轴生热量内置式检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数控机床主轴的附件，特别是一种数控机床主轴生热量内置式检测系统。包括热流采集模块和热流处理模块，所述热流采集模块设置于主轴内热源的外表面，包括热流密度传感器，所述热流密度传感器用于检测主轴内热源的热流密度，所述热流采集模块与热流处理模块相连，将检测到的热流密度数据实时传输至热流处理模块；所述热流处理模块包括生热计量单元，所述生热计量单元根据检测到的热流密度数据，实时计算主轴内热源的生热量，并将计算结果输出。本发明实现主轴内热源运行状态的实时分析，并给出热源故障信息，勿需拆卸主轴来获取相应信息，避免因盲目拆卸主轴造成的精度下降，为主轴内热源冷却的制冷量控制、及主轴热特性分析提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床主轴的附件，特别是一种数控机床主轴生热量内置式检测系统。
背景技术
机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴，通常由主轴、轴承和传动件(齿轮或带轮)等组成。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。
随着主轴转速的提高和电主轴在数控机床中的广泛运用，主轴发热成为影响加工精度和效率的关键因素。在高速、高精密加工中，由热变形引起的误差占总误差的60～80％，而且，电主轴发热是影响其寿命的重要因素。因此，解决高速、高效、高精度工作状态下的发热是高速主轴的一项关键技术，对提高加工精度和寿命具有重要意义。
要解决高速主轴的发热问题，内热源生热量是关键参数之一，内热源生热量的确定是进行主轴热特性分析、制冷量控制的关键。目前，主轴内热源的生热量主要通过理论计算获得，但是，由于主轴内热源的生热量与工况、预紧力、热应力、磨损、润滑等诸多因素有关，很难通过模型进行精确预测。此外，还采用表面温度法、温差法检测主轴内热源的生热量，但由于结合面及边界效应的影响，具有迟滞性、不稳定、实时性差的缺点；而且，由于主轴内热源产生的热量通过热传导传递到热源的表面，传感器的实际测量值是热流在热源中再分布的结果，这严重影响测量精度。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种数控机床主轴生热量内置式检测系统，用于在线实时检测主轴内热源的生热量，并对内热源的运行状态进行判断，当生热量过阈值及时发出报警信号，避免内热源运行过热引起的数控机床加工精度和加工效率的下降。
本发明的技术方案为：
一种数控机床主轴生热量内置式检测系统，包括热流采集模块和热流处理模块，所述热流采集模块设置于主轴内热源的外表面，包括热流密度传感器，所述热流密度传感器用于检测主轴内热源的热流密度，所述热流采集模块与热流处理模块相连，将检测到的热流密度数据实时传输至热流处理模块；所述热流处理模块包括生热计量单元，所述生热计量单元根据检测到的热流密度数据，实时计算主轴内热源的生热量，并将计算结果输出。
所述热流采集模块还包括内置套圈和弧形压板，所述内置套圈内表面紧贴于主轴内热源外表面，内置套圈内表面设有容纳槽，还设有使容纳槽与外部相连通的螺孔，所述热流密度传感器和弧形压板设于容纳槽中，预紧螺钉旋于螺孔中，通过弧形压板将热流密度传感器抵住紧贴于主轴内热源的外表面，
所述内置套圈还设有使容纳槽与外部相连通的套圈引线槽，所述弧形压板中设有与套圈引线槽相连通的压板引线槽，所述热流密度传感器的数据线通过压板引线槽和套圈引线槽引到热流采集模块外部。
所述弧形压板内表面设置有散热格栅。
所述热流处理模块还包括测点优化单元和触摸屏，所述测点优化单元集成多种热源的热流分布模型及测点优化算法，可根据触摸屏输入的主轴内热源类型确定热流分布模型，再根据测点优化算法计算热流密度传感器的安装位置，并将此安装位置显示于触摸屏。
所述生热计量单元集成生热量模型和热量曲线拟合算法，并与触摸屏相连，根据检测到的热流密度数据计算主轴内热源的生热量，并根据热量曲线拟合算法生成热量曲线，显示于触摸屏。
所述热流处理模块还包括热源诊断单元，所述生热计量单元与热源诊断单元相连，将主轴内热源生热量计算结果输出至热源诊断单元，所述热源诊断单元集成生热量阈值模型，并与触摸屏相连，根据生热量阈值模型判断主轴内热源的生热量是否超过阈值，分析主轴内热源是否存在故障，并将分析结果显示于触摸屏。
所述热流处理模块还包括故障报警单元，当所述热源诊断单元判断主轴内热源的生热量超过阈值时，向故障报警单元发送信号，故障报警单元发出报警信号。
一种数控机床主轴生热量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：工作人员在触摸屏中输入主轴内热源类型；
步骤二：测点优化单元根据主轴内热源类型确定热流分布模型，根据测点优化算法计算热流密度传感器的安装位置，将此安装位置显示于触摸屏；
步骤三：工作人员将热流密度传感器安装在主轴内热源外表面的相应位置，将热流密度传感器的引出数据线与热流处理模块的输入接口连接；
步骤四：热流密度传感器检测到主轴内热源的热流密度，将热流密度数据实时传输至生热计量单元；
步骤五：生热计量单元实时计算主轴内热源的生热量，并根据热量曲线拟合算法生成热量曲线并显示于触摸屏；
步骤六：生热计量单元将生热量计算结果输出至热源诊断单元，热源诊断单元根据生热量阈值模型判断生热量是否超出阈值，分析主轴内热源是否存在故障，将分析结果显示于触摸屏。
还包括步骤七：如果生热量超过阈值，热源诊断单元向故障报警单元发送信号，故障报警单元发出报警信号。
本发明数控机床主轴生热量内置式检测系统，通过内热源热流分布模型优化测点位置，通过热流密度传感器实时采集主轴内热源的热流密度，通过生热量模型计算主轴内热源的生热量，通过生热量阈值模型判断主轴内热源的运行状态，并做出内热源是否存在故障的判断，解决数控机床主轴内热源生热量检测技术难题，提供内热源故障信息的预警。
本发明的有益效果是：实现主轴内热源运行状态的实时分析，并给出热源故障信息，勿需拆卸主轴来获取相应信息，避免因盲目拆卸主轴造成的精度下降；此外，实时检测主轴内热源的生热量并通过输出接口输出同时显示在触摸屏，为主轴内热源冷却的制冷量控制、及主轴热特性分析提供依据。
附图说明
图1为本发明数控机床主轴生热量内置式检测系统的结构示意图；
图2为本发明热流采集模块的结构图；
图3为本发明数控机床主轴生热量检测方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
参考图1，本发明的数控机床主轴生热量内置式检测系统，包括热流采集模块20和热流处理模块30，热流采集模块20设置于主轴内热源10的外表面，包括热流密度传感器23，热流密度传感器23用于检测主轴内热源10的热流密度，热流采集模块20与热流处理模块30相连，将检测到的热流密度数据实时传输至热流处理模块30；热流处理模块30包括生热计量单元31，生热计量单元31根据检测到的热流密度数据，实时计算主轴内热源10的生热量，并将计算结果通过输出接口输出，以实现外部冷却装置对内热源10制冷量的控制。
参考图2，热流采集模块20还包括内置套圈21和弧形压板24，内置套圈21内表面紧贴于主轴内热源10外表面，内置套圈21内表面设有容纳槽22，还设有使容纳槽22与外部相连通的螺孔26和套圈引线槽27，热流密度传感器23和弧形压板24设于容纳槽22中，预紧螺钉25旋于螺孔26中，通过弧形压板24将热流密度传感器23抵住紧贴于主轴内热源10的外表面，弧形压板24中设有与套圈引线槽27相连通的压板引线槽28，热流密度传感器23的数据线通过压板引线槽28和套圈引线槽27引到热流采集模块20外部。弧形压板24内表面设置有散热格栅29，散热格栅29实现热流密度传感器23外表面的对流散热。
热流采集模块20安装时，先将热流密度传感器23和弧形压板24安放在主轴内热源10外表面，将内置套圈21安放在弧形压板24外表面，使热流密度传感器23和弧形压板24容纳在其容纳槽22中；然后将热流密度传感器23的数据线穿过压板引线槽28和套圈引线槽27，将预紧螺钉25旋入螺孔26，并施加一定预紧力使弧形压板24和热流密度传感器23抵住内热源10外表面，以实现热流密度传感器23和内热源10外表面的紧密接触。
回到图1，为精确测量主轴内热源10的热流密度，热流处理模块30还包括测点优化单元32和触摸屏34，测点优化单元32包括优化MCU和信号变送电路，测点优化单元32集成多种热源的热流分布模型及测点优化算法，可根据触摸屏34输入的主轴内热源10类型确定热流分布模型，再根据测点优化算法计算热流密度传感器23的安装位置，并将此安装位置显示于触摸屏34。
生热计量单元31包括计量MCU、输出接口和变送电路，并与触摸屏34相连，生热计量单元31集成生热量模型和热量曲线拟合算法，根据热流密度传感器23的检测数据实时计算主轴内热源10的生热量，并根据热量曲线拟合算法生成热量曲线，显示于触摸屏34，方便了工作人员对内热源10生热量变化的动态监测。
热流处理模块30还包括热源诊断单元33，热源诊断单元33包括诊断MCU和信号变送电路，热流诊断单元33集成生热量阈值模型，生热计量单元31与热源诊断单元33相连，将主轴内热源10生热量计算结果输出至热源诊断单元33，热源诊断单元33与触摸屏34相连，根据生热量阈值模型判断主轴内热源10的生热量是否超过阈值，分析主轴内热源10是否存在故障，并将分析结果显示于触摸屏34。
热流处理模块30还包括故障报警单元35，当热源诊断单元33分析出主轴内热源10的生热量超过阈值，向故障报警单元35发送信号，故障报警单元35发出报警信号，通知工作人员采取必要措施，如加大冷却装置的制冷量、或对内热源10或主轴其它部件实施检查，查找故障原因。
参考图3，本发明的数控机床主轴生热量检测方法，包括以下步骤：
步骤一：工作人员在触摸屏34中输入主轴内热源10类型；
步骤二：测点优化单元31根据主轴内热源10类型确定热流分布模型，根据测点优化算法计算热流密度传感器23的安装位置，将此安装位置显示于触摸屏34；
步骤三：工作人员根据触摸屏34显示的安装位置将热流密度传感器23安装在主轴内热源10外表面，将热流密度传感器23的引出数据线与热流处理模块30的输入接口连接；
步骤四：热流密度传感器23检测到主轴内热源10的热流密度，将热流密度数据实时传输至生热计量单元31；
步骤五：生热计量单元31实时计算主轴内热源10的生热量，并根据热量曲线拟合算法生成热量曲线并显示于触摸屏34；
步骤六：生热计量单元31将生热量计算结果输出至热源诊断单元33，热源诊断单元33根据生热量阈值模型判断生热量是否超出阈值，分析主轴内热源10是否存在故障，将分析结果显示于触摸屏34；
步骤七：如果生热量超过阈值，热源诊断单元33向故障报警单元35发送信号，故障报警单元35发出报警信号。
本发明所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，可实现主轴内热源生热量的实时检测及热源故障的智能分析，并给出相应的故障信息，保证主轴的可靠性，同时为主轴内热源冷却提供制冷量控制依据，为主轴热特性分析提供数据。
本发明的有益效果在于：不仅可以实现数控机床主轴内热源生热量的在线实时检测，而且可以实现数控机床主轴内热源故障的智能判断，同时可用于主轴内热源制冷量的控制。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种数控机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，包括热流采集模块(20)和热流处理模块(30)，所述热流采集模块(20)设置于主轴内热源(10)的外表面，包括热流密度传感器(23)，所述热流密度传感器(23)用于检测主轴内热源(10)的热流密度，所述热流采集模块(20)与热流处理模块(30)相连，将检测到的热流密度数据实时传输至热流处理模块(30)；所述热流处理模块(30)包括生热计量单元(31)，所述生热计量单元(31)根据检测到的热流密度数据，实时计算主轴内热源(10)的生热量，并将计算结果输出。
2.根据权利要求1所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，所述热流采集模块(20)还包括内置套圈(21)和弧形压板(24)，所述内置套圈(21)内表面紧贴于主轴内热源(10)外表面，内置套圈(21)内表面设有容纳槽(22)，还设有使容纳槽(22)与外部相连通的螺孔(26)，所述热流密度传感器(23)和弧形压板(24)设于容纳槽(22)中，预紧螺钉(25)旋于螺孔(26)中，通过弧形压板(24)将热流密度传感器(23)抵住紧贴于主轴内热源(10)的外表面。
3.根据权利要求2所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，所述内置套圈(21)还设有使容纳槽(22)与外部相连通的套圈引线槽(27)，所述弧形压板(24)中设有与套圈引线槽(27)相连通的压板引线槽(28)，所述热流密度传感器(23)的数据线通过压板引线槽(28)和套圈引线槽(27)引到热流采集模块(20)外部。
4.根据权利要求2或3所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，所述弧形压板(24)内表面设置有散热格栅(29)。
5.根据权利要求1或2或3所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，所述热流处理模块(30)还包括测点优化单元(32)和触摸屏(34)，所述测点优化单元(32)集成多种热源的热流分布模型及测点优化算法，可根据触摸屏(34)输入的主轴内热源(10)类型确定热流分布模型，再根据测点优化算法计算热流密度传感器(23)的安装位置，并将此安装位置显示于触摸屏(34)。
6.根据权利要求5所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，所述生热计量单元(31)集成生热量模型和热量曲线拟合算法，并与触摸屏(34)相连，根据检测到的热流密度数据计算主轴内热源(10)的生热量，并根据热量曲线拟合算法生成热量曲线，显示于触摸屏(34)。
7.根据权利要求6所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，所述热流处理模块(30)还包括热源诊断单元(33)，所述生热计量单元(31)与热源诊断单元(33)相连，将主轴内热源(10)生热量计算结果输出至热源诊断单元(33)，所述热源诊断单元(33)集成生热量阈值模型，并与触摸屏(34)相连，根据生热量阈值模型判断主轴内热源(10)的生热量是否超过阈值，分析主轴内热源(10)是否存在故障，并将分析结果显示于触摸屏(34)。
8.根据权利要求7所述的数据机床主轴生热量内置式检测系统，其特征在于，所述热流处理模块(30)还包括故障报警单元(35)，当所述热源诊断单元(33)判断主轴内热源(10)的生热量超过阈值时，向故障报警单元(35)发送信号，故障报警单元(35)发出报警信号。
9.一种数控机床主轴生热量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：工作人员在触摸屏(34)中输入主轴内热源(10)类型；
步骤二：测点优化单元(31)根据主轴内热源(10)类型确定热流分布模型，根据测点优化算法计算热流密度传感器(23)的安装位置，将此安装位置显示于触摸屏(34)；
步骤三：工作人员将热流密度传感器(23)安装在主轴内热源(10)外表面的相应位置，将热流密度传感器(23)的引出数据线与热流处理模块(30)的输入接口连接；
步骤四：热流密度传感器(23)检测到主轴内热源(10)的热流密度，将热流密度数据实时传输至生热计量单元(31)；
步骤五：生热计量单元(31)实时计算主轴内热源(10)的生热量，并根据热量曲线拟合算法生成热量曲线并显示于触摸屏(34)；
步骤六：生热计量单元(31)将生热量计算结果输出至热源诊断单元(33)，热源诊断单元(33)根据生热量阈值模型判断生热量是否超出阈值，分析主轴内热源是否存在故障，将分析结果显示于触摸屏(34)。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，还包括步骤七：如果生热量超过阈值，热源诊断单元(33)向故障报警单元(35)发送信号，故障报警单元(35)发出报警信号。
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