CN111273605A - 数控机床智能电主轴系统 - Google Patents

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Abstract

一种数控机床智能电主轴系统，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。本发明具有自我感知和调节加工参数和运行环境的能力，从而实现主轴误差补偿、主轴温度控制、主轴碰撞保护、主轴轴承预紧力自适应调节等多种功能，有效提高电主轴的精度、寿命和加工效率。

Description

数控机床智能电主轴系统
技术领域
本发明涉及的是一种机床制造领域的技术，具体是一种数控机床智能电主轴系统。
背景技术
主轴是数控机床的重要零部件之一，在机床的切削加工中起到旋转刀具并提供切削能量。加工过程中的能量耗散会导致主轴温度升高，进而导致主轴的热变形，引起加工误差。此外，高速旋转的主轴在切削中可能引发颤振，影响加工质量和机床寿命。因此主轴的变形和振动极大地影响了工件的加工精度。此外，在加工过程中，不合理的加工参数和错误的操作会引起主轴与工件或机床其余部分的碰撞，导致机床损坏，严重的将引发生产安全事故。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种数控机床智能电主轴系统，具有自我感知和调节加工参数和运行环境的能力，从而实现主轴误差补偿、主轴温度控制、主轴碰撞保护、主轴轴承预紧力自适应调节等多种功能，有效提高电主轴的精度、寿命和加工效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：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。
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。
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、自适应预紧模块等多种功能模块，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以调节主轴的冷却速率；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。
技术效果
本发明整体解决了主轴发热量控制、主轴加工中的热误差、主轴发生碰撞时的损害以及减小主轴的切削颤振的技术问题；与现有技术相比，本发明通过误差补偿模块进行热误差补偿、通过温度控制模块控制主轴发热、通过主轴碰撞保护模块减少碰撞损失、通过自适应预紧模块控制切削颤振。本发明通过自我学习和优化各个功能模块，能够有效提高设备的加工精度和加工效率。相比传统电主轴，仅增加部分传感器、执行机构和控制器，且各大功能模块可根据实际需求灵活选装，经济性较好，通过传感器测量和软件控制的手段，提高了电主轴的运行精度，改善了电主轴的热特性和动态特性，间接的提高了加工设备生产效率，智能电主轴系统能够根据历史运行数据，自我学习和优化各个功能模块，并且能够接入工业物联网。
附图说明
图1为本系统结构示意图；
图2为实施例结构示意图；
图中：1后轴承预紧力调节装置、2主轴冷却装置、3主轴箱壳体、4前轴承预紧力调节装置、5主轴、6位移传感器、7振动传感器、8前轴承、9前轴承温度传感器、10驱动模块定子、11驱动模块转子、12后轴承温度传感器、13后轴承。
具体实施方式
如图1和图2所示，为本实施例涉及一种适用于数控机床的智能电主轴系统，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机床坐标、主轴转速、主轴功率或电流、机床进给速度等实时加工信息，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主轴温度、轴承预紧力、主轴热误差等实时状态信息以及部分实时加工信息。
所述的主轴部分包括：带有冷却装置2的主轴箱壳体3以及依次设置于主轴箱壳体3内部的定子10和位于其中的带有转子11的主轴5，其中：主轴5通过轴承8、13转动设置于主轴箱壳体3内并在定子10和转子11的驱动下旋转，转子11正对定子10，轴承8、13与主轴箱壳体3之间分别设有前后预紧力调节装置1、4。
所述的主轴箱壳体3上进一步设有分别与数据采集模块相连的位移传感器6、振动传感器7以及轴承温度传感器9、12。
所述的位移传感器6设置于主轴箱壳体3的末端用于测量主轴5末端的变形量。
所述的振动传感器7设置于主轴箱壳体3上用于获取主轴的实时振动信号。
所述的轴承温度传感器包括：前轴承温度传感器9和后轴承温度传感器12分别设置于主轴箱壳体3的前轴承8和后轴承13处用于测量前轴承8和后轴承13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。
所述的预紧力调节装置分别与各自对应的轴承以及主轴箱壳体3相连以调节轴承，通过改变轴承预紧力，可以调节主轴刚度。
所述的主轴冷却装置2通过冷却水循环机制调节主轴部分的温度。
所述的数据采集模块分别与后轴承预紧力调节装置1、前轴承预紧力调节装置4、主轴冷却装置2、位移传感器6、振动传感器7、前轴承温度传感器9和后轴承温度传感器12相连，收集各传感器数据并转发给控制器。与控制器部分相连，并将控制信号下发给预紧力调节装置和主轴冷却装置。
所述的控制器部分内置用于与操作人员交互并显示所述的智能电主轴系统实时状态的人机接口，对外的数据接口和可供接入物联网的网络节点；该控制器部分包括：误差补偿模块、温度控制模块、主轴碰撞保护模块、自适应预紧模块等多种功能模块，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6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9和后轴承温度传感器12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2以调节主轴的冷却速率；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7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9和后轴承温度传感器12的温度信号以及振动传感器7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1和前轴承预紧力调节装置4，调节前轴承8和后轴承13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，通过实验测量主轴温度与误差的时域变化，建立分段自然指数模型：δ＝δ0+(δw-δ0)·(1-exp(-t/τ))，其中：δ0为电主轴以特定转速开始转动时的热误差；δw是电主轴在特定转速下达到热平衡时的稳态热误差；t是电主轴以特定转速运行的时间；τ是特定转速下电主轴的热变形平衡时间常数(温度上升阶段和温度下降阶段，τ的值不同)；δ是电主轴经历t时间后的热误差。
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，具体建模方式有热阻网络模型、有限元模型或键合图模型等。
所述的热阻网络模型采用但不限于：Liu Z,Pan M,Zhang A,et al.Thermalcharacteristic analysis of high-speed motorized spindle system based onthermal contact resistance and thermal-conduction resistance(基于接触热阻和导热热阻的高速电主轴系统热特性分析)[J].The International Journal of AdvancedManufacturing Technology,2015,76(9-12):1913-1926.
所述的有限元模型采用但不限于：Ma C,Yang J,Zhao L,et al.Simulation andexperimental study on the thermally induced deformations of high-speedspindle system(高速主轴系统热变形仿真与实验研究)[J].Applied ThermalEngineering,2015,86:251-268.
所述的键合图模型采用但不限于：Kim S M,Lee S K.Prediction of thermo-elastic behavior in a spindle-bearing system considering bearing surroundings(考虑轴承环境的主轴-轴承系统热弹性行为预测)[J].International Journal ofMachine Tools and Manufacture,2001,41(6):809-831.
所述的数控系统自身的误差补偿功能是指：数控系统厂商在数控系统中预留的补偿功能接口，例如：FANUC数控系统的FOCUS协议、西门子数控系统的OPC/UA协议。
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。
所述的碰撞识别模型，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(方兵,张雷,曲兴田,赵继.角接触球轴承刚度理论计算与实验[J].吉林大学学报(工学),2012,42(04):840-844.)
本实施例系统在接入工业物联网后上传运行数据，从而实现设备运行状态的远程监控，通过加入多种功能的传感器以及与数控系统的数据交互，使得机床电主轴有了对加工参数和工作环境的自我感知能力；通过边缘计算以及数学模型，使得机床电主轴能够根据加工参数和环境数据计算出最佳的工作方式；通过加入执行装置，使得机床电主轴能够改变自身温度和动态特性和调节外部加工参数，从而获得更好的加工性能。
与现有技术相比，本装置减少机床电主轴的加工误差，保持电主轴在不同加工工况下温度基本稳定，降低电主轴在发生碰撞事故后的故障率，抑制电主轴在加工中出现的颤振。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

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；
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。
2.根据权利要求1所述的数控机床智能电主轴系统，其特征是，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。
3.根据权利要求2所述的数控机床智能电主轴系统，其特征是，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、自适应预紧模块等多种功能模块，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以调节主轴的冷却速率；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。
4.根据权利要求3所述的数控机床智能电主轴系统，其特征是，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。
5.根据权利要求3所述的数控机床智能电主轴系统，其特征是，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，通过实验测量主轴温度与误差的时域变化，建立分段自然指数模型：δ＝δ0+(δw-δ0)·(1-exp(-t/τ))，其中：δ0为电主轴以特定转速开始转动时的热误差；δw为电主轴在特定转速下达到热平衡时的稳态热误差；t为电主轴以特定转速运行的时间；τ为特定转速下电主轴的热变形平衡时间常数且温度上升阶段和温度下降阶段，τ的值不同，δ为电主轴经历t时间后的热误差。
6.根据权利要求3所述的数控机床智能电主轴系统，其特征是，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。
7.根据权利要求3所述的数控机床智能电主轴系统，其特征是，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。
8.根据权利要求5所述的数控机床智能电主轴系统，其特征是，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。
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