CN112697434B - 一种智能主轴的轴承故障检测方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能主轴的轴承故障检测方法及系统，能够检测轴承在振动过程中的偏转。该系统包括：两第一微型激光测振传感器、一信号处理单元以及一偏转判断单元。智能主轴的轴承座上侧设有两沿智能主轴轴向设置的测点，每一测点正上方设置第一折射单元，两第一微型激光测振传感器发出的激光被第一折射单元折射到被测轴承的外圈表面，再被反射回第一微型激光测振传感器。该方法包括：通过两第一微型激光测振传感器根据各自接收的反射光输出相应的振动信号，然后由信号处理单元根据振动信号计算两第一微型激光测振传感器对应测点的振动速度和振动位移，最后由偏转判断单元根据两第一微型激光测振传感器的振动位移，判断被测轴承是否偏转。

Description

一种智能主轴的轴承故障检测方法以及系统

技术领域

本发明涉及主轴振动检测诊断的技术领域，尤其涉及一种智能主轴的轴承故障检测方法以及系统。

背景技术

智能主轴的加工状态检测一直是智能主轴的研究重点，通过在主轴单元上布置传感器以获取振动、温度、转矩、切削力等运行状态信息，以此实现对主轴单元的状态监测、故障诊断以及性能评估。

主轴故障的主要部件及原因包括轴承损伤、换刀机构失效和旋转接头泄露等。经德国GMN公司对200多个主轴系统故障案例的调查研究发现，40%以上的主轴故障都与滚动轴承失效有关，是引起主轴故障的主要因素，因此，对主轴轴承的检测诊断是极为重要的。主轴轴承损伤会引起主轴的的强迫振动，影响主轴的运行精度和寿命。目前，对主轴轴承监测诊断研究主要振动信号、声音信号等，再结合现代信号处理方法，提取特征，决策诊断。

现有基于振动信号对主轴轴承的监测诊断方法通常是通过在轴承座上设置加速度传感器，加速度传感器感测端与轴承外圈接触以感知轴承的振动。这种测振方法只能用于监测轴承的在轴承径向平面内的振动，若轴承在振动过程中发生偏转，会导致轴承测点的位置发生改变，给测振带来误差。而目前还没有针对轴承偏转的故障检测方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提供一种智能主轴的轴承故障检测方法及系统，以检测轴承在振动过程中的偏转。

为实现上述目的，本发明提出的智能主轴的轴承故障检测系统，包括：

两第一微型激光测振传感器，智能主轴的轴承座上侧设有两沿智能主轴轴向设置的测点，每一测点正上方设置第一折射单元，两第一微型激光测振传感器发出的激光被各自对应的第一折射单元折射到被测轴承的外圈表面，再被被测轴承的外圈表面激光反射回第一微型激光测振传感器，两第一微型激光测振传感器根据各自接收的反射光输出相应的振动信号；

信号处理单元，用于根据振动信号计算两所述第一微型激光测振传感器对应测点的振动速度和振动位移；

偏转判断单元，用于根据两所述第一微型激光测振传感器的振动位移，判断被测轴承是否偏转。

可选地，还包括：

报警单元，当两所述第一微型激光测振传感器的振动位移偏差过大时，发出故障报警。

可选地，两所述第一微型激光测振传感器沿智能主轴的轴向或径向设置。

可选地，所述第一微型激光测振传感器通过第一二维微动台安装固定。

可选地，所述第一微型激光测振传感器采用的是舜宇的微型激光测振传感器LV-M100。

可选地，还包括：

两第二微型激光测振传感器，智能主轴的轴承座左侧或右侧设有两沿智能主轴轴向设置的测点，每一测点正上方设置第二折射单元，两第二微型激光测振传感器发出的激光被各自对应的第二折射单元折射到被测轴承的外圈表面，再被被测轴承的外圈表面激光反射回第二微型激光测振传感器，两第二微型激光测振传感器根据各自接收的反射光输出相应的振动信号。

基于上述系统，本发明还提出一种智能主轴的轴承故障检测方法，包括如下步骤：

通过两第一微型激光测振传感器向两测点上方的第一折射单元投射激光，激光被第一折射单元折射到被测轴承的外圈表面，再由两第一微型激光测振传感器接收被测轴承的外圈表面反射回来的反射光，两第一微型激光测振传感器再根据各自接收的反射光输出相应的振动信号；

根据两第一微型激光测振传感器输出的振动信号，计算两第一微型激光测振传感器对应测点的振动速度和振动位移；

根据两第一微型激光测振传感器对应的振动位移，判断被测轴承是否偏转。

可选地，根据两第一微型激光测振传感器对应的振动位移，判断被测轴承是否偏转，包括：

计算两第一微型激光测振传感器对应的振动位移的偏差△s，比较偏差△s与预设的第一阈值的大小，若偏差△s大于预设的第一阈值，则认为被测轴承已偏转倾斜，否则，认为被测轴承未偏转倾斜。

可选地，比较偏差△s与预设的第二阈值的大小，若偏差△s大于预设的第二阈值，则认为被测轴承倾斜过度，并进行故障报警，否则，进行故障报警。

可选地，当被测轴承偏转时，计算两第一微型激光测振传感器对应的振动位移的平均位移S_ave和对应的平均速度V_ave，并以平均位移S_ave和对应的平均速度V_ave作为被测轴承振动情况的监测评判指标；

其中：S_ave=（S₁+S₂）/2，S₁、S₂分别为两第一微型激光测振传感器对应测量的振动位移；

Va_ve=（V₁+V₂）/2，V₁、V₂分别为两第一微型激光测振传感器对应测量的振动速度。

本发明通过沿智能主轴的轴向设置两个测点，在这两个测点的正上方设置分别设置折射单元，并设置与折射单元对应的微型激光测振传感器，检测时，通过微型激光测振传感器向其对应的折射单元投射激光并折射在智能主轴的被测轴承的外圈表面，以检测这两个测点的振动信号，再将这两个测点的振动信号输出到一信号处理单元，由信号处理单元根据振动信号计算这两个测点的振动位移和振动速度，再将两个测点同一时刻的振动位移输出到一偏转判断单元，偏转判断单元根据从两测点采集的振动位移来判断被测轴承的偏转，同时还能够获取偏转量，以便后续的轴承振动评估中来校正偏转带来的误差。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明智能主轴的轴承故障检测系统的功能框图；

图2为本发明中第一折射单元和第二折射单元的位置示意图；

图3为图2中A-A处的剖视图；

图4为图2中B-B处的剖视图；

图5为被测轴承未发生偏转的振动示意图；

图6为被测轴承发生偏转后的振动示意图；

图7为本发明智能主轴的轴承故障检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供的智能主轴的轴承故障检测系统，该系统包括两第一微型激光测振传感器6、一信号处理单元8以及偏转判断单元9。第一微型激光测振传感器6用于向智能主轴1的被测轴承2的外圈表面投射激光并接收被测轴承2的外圈表面反射回来的反射光，根据接收的反射光输出相应的振动信号。信号处理单元8与第一微型激光测振传感器6连接，其能够根据振动信号计算第一微型激光测振传感器6对应测点的振动速度和振动位移。偏转判断单元9与信号处理单元8连接，其能够根据两第一微型激光测振传感器6的测量的两测点的振动位移，来判断被测轴承2是否偏转。具体地，偏转判断单元9内预设一第一阈值，并且能够计算两第一微型激光测振传感器6对应的振动位移的偏差△s，比较偏差△s与预设的第一阈值的大小。若偏差△s大于预设的第一阈值，则偏转判断单元9认为被测轴承2已偏转倾斜，否则，偏转判断单元9认为被测轴承2未偏转倾斜。

实际应用时，如图2-3所示，在智能主轴1的轴承座3上侧设有两沿智能主轴1轴向设置的测点，且两测点以被测轴承2的径向中心平面对称设置。每一测点正上方设置第一折射单元4，两第一微型激光测振传感器6发出的激光分别投射到各自对应的第一折射单元4内，被第一折射单元4折射到被测轴承2的外圈表面，而后再被被测轴承2的外圈表面激光反射回第一微型激光测振传感器6，两第一微型激光测振传感器6再根据各自接收的反射光输出相应的振动信号。

具体地，两第一微型激光测振传感器6沿智能主轴1的轴向设置。在其他的一些实施例中，两第一微型激光测振传感器6也可以设置在智能主轴1或者时根据实际需求设置在不同的位置，再根据第一微型激光测振传感器6的位置来调整第一折射单元4的朝向，使得第一微型激光测振传感器6射出的激光能够投射在第一折射单元4的折射镜上，并控制好入射角度，使得自第一折射单元4反射出去的激光能够射入第一折射单元4下方的测点上。

在本实施例中，两第一微型激光测振传感器6采用的是舜宇的微型激光测振传感器LV-M100，其体积小，能够适用于有限空间内测量，实现对智能主轴1的轴承2振动实现实时在线的智能监测。

如图5所示，被测轴承2正常向上振动时，两测点在智能主轴1的轴向上保持在同一水平线上，两第一微型激光测振传感器6所测量到的振动位移也趋于一致。如图6所示，被测轴承2在向上振动的同时发生轴向向前的偏转，改变了两个测点与其上方的第一折射单元4的相对位置，一高一低，使得两个第一微型激光测振传感器6所测的振动位移存在偏差，进而给被测轴承2的测量带来误差。

故，本发明通过采用两个第一微型激光测振传感器6来采集被测轴承2上侧两个测点的振动位移，以获取到这两个测点的振动位移偏差，这样就能够根据振动位移偏差来判断被测轴承2在振动过程中的偏转倾斜程度。

且，由于被测轴承2表面在微观上并不平整，这也可能使得两个测点的振动位移存在偏差，影响对被测轴承2的偏转倾斜造成困扰，故设置了一第一阈值来消除因被测轴承2表面不平整而造成轴承2偏转误判的问题。

且，通过设置第一折射单元4，以方便根据安装位置的需要来改变第一微型激光测振传感器6到测点的光路，使得第一微型激光测振传感器6的安装位置选择更加自由，以此适应不同的安装环境，提高本系统的适用范围。

在被测轴承2上侧的两个测点仅能够测量被测轴承2在轴向向前或者向后的偏转倾斜，当被测轴承2发生了径向向左或向右的偏转倾斜时，由于被测轴承2在的上侧左右两侧是对称的，因此两第一微型激光测振传感器6测量的振动位移也是趋于一致的，并不能以此检测出被测轴承2沿被测轴承2的径向发生的左右偏转。

故，在本实施例中，如图2和图4所示，在智能主轴1的轴承座3左侧还设有两沿智能主轴1轴向设置的测点，每一测点正上方设置第二折射单元5，并在智能主轴1的右侧设置两个沿智能主轴1轴向分布的第二微型激光测振传感器7。两第二微型激光测振传感器7发出的激光被各自对应的第二折射单元5折射到被测轴承2的外圈表面，再被被测轴承2的外圈表面激光反射回第二微型激光测振传感器7，两第二微型激光测振传感器7根据各自接收的反射光输出相应的振动信号。

测量被测轴承2在其径向上发生的左右偏转原理与测量被测轴承2在其轴向上发生的前后偏转的原理相同，在此不一一赘述。

在本实施例中，第一微型激光测振传感器6通过第一二维微动台61安装固定，第二微型激光测振传感器7通过第二二维微动台71安装固定。由此，以方便在安装调试第一微型激光测振传感器6和第二微型激光测振传感器7的位置，使得第一微型激光测振传感器6和第二微型激光测振传感器7发出的激光能够准确投射大都各自对应的测点上。

在本实施例中，该系统还包括了一报警单元10，该报警单元10与偏转判断单元9，报警单元10内预设有第二阈值，该第二阈值大于第一阈值。报警单元10从偏转判断单元9读取两第一微型激光测振传感器6测量的振动位移之间的振动偏差△s以及两第二微型激光测振传感器7测量的振动位移之间的振动偏差△s′，并将偏差△s和偏差△s′与第二阈值进行大小对比，若偏差△s和偏差△s′中任意一个大于第二阈值，则报警单元10就会发出故障报警。

当偏差△s和/或偏差△s′越大，说明被测轴承2前后偏转倾斜程度和/或左右偏斜程度越大，很容易导致被测轴承2的振动幅度进一步加大。因此，在检测到被测轴承2存在较大的偏斜时，可以通过报警单元10进行及时的故障预警，以提示工作人员注意轴承2维护工作。

基于上述系统，本发明还提出一种智能主轴的轴承故障检测方法。具体地，参照图7，该方法包括如下步骤：

S1，通过两第一微型激光测振传感器6向两测点上方的第一折射单元4投射激光，激光被第一折射单元4折射到被测轴承2的外圈表面，再由两第一微型激光测振传感器6接收被测轴承2的外圈表面反射回来的反射光，两第一微型激光测振传感器6再根据各自接收的反射光输出相应的振动信号；

S2，由信号处理单元8根据两第一微型激光测振传感器6输出的振动信号，计算两第一微型激光测振传感器6对应测点的振动速度和振动位移；

S3，由偏转判断单元9根据两第一微型激光测振传感器6对应的振动位移，判断被测轴承2是否偏转。

在步骤S3中，根据两第一微型激光测振传感器6对应的振动位移，判断被测轴承2是否偏转，包括：

偏转判断单元9计算两第一微型激光测振传感器6对应的振动位移的偏差△s，比较偏差△s与其内预设的第一阈值的大小，若偏差△s大于预设的第一阈值，则偏转判断单元9认为被测轴承2已偏转倾斜，否则，偏转判断单元9认为被测轴承2未偏转倾斜。

可选地，在本实施例中，该方法还包括由报警单元10比较偏差△s与其内预设的第二阈值的大小，若偏差△s大于预设的第二阈值，则认为被测轴承2倾斜过度，并进行故障报警，否则，进行故障报警。这样，可以在检测到被测轴承2存在较大的偏斜时，通过报警单元10进行及时的故障预警，以提示工作人员注意轴承2维护工作。

可选地，在本实施例中，当偏转判断单元9检测到被测轴承2发生偏转时，向信号处理单元8发送校正信号，信号处理单元8根据校正信号计算两第一微型激光测振传感器6对应的振动位移的平均位移S_ave和对应的平均速度V_ave，并以平均位移S_ave和对应的平均速度V_ave作为被测轴承2振动情况的监测评判指标。其中，S_ave=（S₁+S₂）/2，V_ave=（V₁+V₂）/2。S₁、S₂分别为两第一微型激光测振传感器6对应测量的振动位移，V₁、V₂分别为两第一微型激光测振传感器6对应测量的振动速度。

由于两测点以被测轴承2的径向中心平面对称设置，发生偏转时两测点对应的振动位移产生的偏差刚好相反，因此，取第一微型激光测振传感器6对应测点的振动位移的平均值S_ave和振动速度的平均值V_ave，刚好消除了被测轴承2偏转后带来的误差，由此以保证对被测轴承2的振动监测的准确性。

本发明通过沿智能主轴1的轴向设置两个测点，在这两个测点的正上方设置分别设置折射单元，并设置与折射单元对应的微型激光测振传感器，检测时，通过微型激光测振传感器向其对应的折射单元投射激光并折射在智能主轴1的被测轴承2的外圈表面，以检测这两个测点的振动信号，再将这两个测点的振动信号输出到一信号处理单元8，由信号处理单元8根据振动信号计算这两个测点的振动位移和振动速度，再将两个测点同一时刻的振动位移输出到一偏转判断单元9，偏转判断单元9根据从两测点采集的振动位移来判断被测轴承2的偏转，同时还能够获取偏转量，以便后续的轴承2振动评估中来校正偏转带来的误差。

且，通过第一微型激光测振传感器6和第二微型激光测振传感器7还能够实时监测被测轴承2的在径向平面内水平方向和竖直方向上的振动情况，且精度高，响应速度快。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种智能主轴的轴承故障检测系统，其特征在于，包括：

两第一微型激光测振传感器，智能主轴的轴承座上侧设有两沿智能主轴轴向设置的测点，两测点以被测轴承的径向中心平面对称设置，每一测点正上方设置第一折射单元，两第一微型激光测振传感器发出的激光被各自对应的第一折射单元折射到被测轴承的外圈表面，再被被测轴承的外圈表面激光反射回第一微型激光测振传感器，两第一微型激光测振传感器根据各自接收的反射光输出相应的振动信号；

信号处理单元，用于根据振动信号计算两所述第一微型激光测振传感器对应测点的振动速度和振动位移，并计算两测点的平均位移S_ave和平均速度V_ave；

偏转判断单元，用于根据两所述第一微型激光测振传感器的振动位移计算两测点振动位移的偏差△s，根据偏差△s判断被测轴承是否偏转。

2.如权利要求1所述的智能主轴的轴承故障检测系统，其特征在于，还包括：

报警单元，当两所述第一微型激光测振传感器的振动位移偏差过大时，发出故障报警。

3.如权利要求1所述的智能主轴的轴承故障检测系统，其特征在于，两所述第一微型激光测振传感器沿智能主轴的轴向或径向设置。

4.如权利要求3所述的智能主轴的轴承故障检测系统，其特征在于，所述第一微型激光测振传感器通过第一二维微动台安装固定。

5.如权利要求3所述的智能主轴的轴承故障检测系统，其特征在于，所述第一微型激光测振传感器采用的是舜宇的微型激光测振传感器LV-M100。

6.如权利要求1-5任意一项所述的智能主轴的轴承故障检测系统，其特征在于，还包括：

两第二微型激光测振传感器，智能主轴的轴承座左侧或右侧设有两沿智能主轴轴向设置的测点，每一测点正上方设置第二折射单元，两第二微型激光测振传感器发出的激光被各自对应的第二折射单元折射到被测轴承的外圈表面，再被被测轴承的外圈表面激光反射回第二微型激光测振传感器，两第二微型激光测振传感器根据各自接收的反射光输出相应的振动信号。

7.一种智能主轴的轴承故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过两第一微型激光测振传感器向两测点上方的第一折射单元投射激光，激光被第一折射单元折射到被测轴承的外圈表面，再由两第一微型激光测振传感器接收被测轴承的外圈表面反射回来的反射光，两第一微型激光测振传感器再根据各自接收的反射光输出相应的振动信号；

根据两第一微型激光测振传感器输出的振动信号，计算两第一微型激光测振传感器对应测点的振动速度和振动位移；

根据两第一微型激光测振传感器对应的振动位移计算两测点振动位移的偏差△s，根据偏差△s判断被测轴承是否偏转；

当被测轴承偏转时，计算两第一微型激光测振传感器对应的振动位移的平均位移S_ave和对应的平均速度V_ave，并以平均位移S_ave和对应的平均速度V_ave作为被测轴承振动情况的监测评判指标；S_ave＝(S₁+S₂)/2，S₁、S₂分别为两第一微型激光测振传感器对应测量的振动位移；V_ave＝(V₁+V₂)/2，V₁、V₂分别为两第一微型激光测振传感器对应测量的振动速度；

其中，两测点以被测轴承的径向中心平面对称设置。

8.如权利要求7所述的智能主轴的轴承故障检测方法，其特征在于，根据两第一微型激光测振传感器对应的振动位移，判断被测轴承是否偏转，包括：

计算两第一微型激光测振传感器对应的振动位移的偏差△s，比较偏差△s与预设的第一阈值的大小，若偏差△s大于预设的第一阈值，则认为被测轴承已偏转倾斜，否则，认为被测轴承未偏转倾斜。

9.如权利要求7所述的智能主轴的轴承故障检测方法，其特征在于，比较偏差△s与预设的第二阈值的大小，若偏差△s大于预设的第二阈值，则认为被测轴承倾斜过度，并进行故障报警，否则，进行故障报警。

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