CN114871848A - 一种封闭式主轴偏心窜动监测装置及方法 - Google Patents

一种封闭式主轴偏心窜动监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种封闭式主轴偏心窜动监测装置，包括传感器组件、反光片组件以及数据采集仪；所述传感器组件包括水平激光传感器和竖直激光传感器，所述反光片组件包括水平反光片和竖直反光片，所述工作台与封闭式主轴同轴固定连接设置。本发明还提供了一种封闭式主轴偏心窜动监测方法，所述方法通过获取反映工作台是否产生偏心的水平位移数据以及是否产生窜动的竖直位移数据，判定与工作台同轴固定连接设置的封闭式主轴是否存在偏心与窜动。本发明的优点在于，通过数据采集和实时监测，获取封闭式主轴的运行状态，实现设备运行状态的实时监测、故障诊断以及智能预警，同时，能够避免工作台外圈及工作台上表面精度不高对激光传感器监测精度的影响。

Description

一种封闭式主轴偏心窜动监测装置及方法
技术领域
本发明涉及机床领域，具体涉及一种封闭式主轴偏心窜动监测装置及方法。
背景技术
随着大型基础设施投入的不断加大，我国机床的年销量呈现逐步增加的趋势，制造业的产业升级也使得对机床的需求进一步增加。对于数控机床，其工作台的主轴如若在工作中产生异常偏心及窜动，不但会影响机床的正常运行，而且会降低生产制造对象的加工质量，甚至会造成机床损坏以及生产事故等严重后果。但是，数控机床的工作台的主轴为了避免在裸露的环境中遭受损坏及侵蚀，引起生产安全事故及设备故障，均密封在大型金属机床外壳中，无法对封闭式主轴的偏心及窜动进行直接监测。
现有技术中，虽然存在数控机床的主轴监测方法，但是此类方法普遍通过破坏机床的外壳结构后，布置接触式传感器或者激光位移传感器对机床主轴的偏心及窜动进行监测，而并不涉及对封闭式主轴的偏心及窜动进行监测。破坏机床的外壳不但增加了设备的损坏风险、影响设备的正常使用，而且会导致无法有效识别主轴的相关故障，降低机床故障诊断以及预测性维护的功能。同时，现有技术中的监测无法为后续故障的诊断提供有效的数据，且无法消除设备加工的误差。
综上所述，急需一种封闭式主轴偏心窜动监测装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种封闭式主轴偏心窜动监测装置，能够提高监测的可靠性，具体技术方案如下：
一种封闭式主轴偏心窜动监测装置，包括传感器组件、反光片组件以及数据采集仪；
所述传感器组件包括水平激光传感器和竖直激光传感器，所述反光片组件包括水平反光片和竖直反光片，所述水平激光传感器设置在工作台的外圈上，所述水平反光片设置在工作台内圆处且与水平激光传感器对应设置；所述竖直激光传感器设置在工作台上表面的上方，所述竖直反光片设置在工作台上表面处且与竖直传感器对应设置；所述工作台与封闭式主轴同轴固定连接设置；
所述水平激光传感器和竖直激光传感器均与所述数据采集仪连接，通过水平激光传感器、水平反光片和数据采集仪的组合实现封闭式主轴的偏心监测，通过竖直激光传感器、竖直反光片和数据采集仪的组合实现封闭式主轴的窜动监测。
优选的，还包括云端分析模块与云端显示模块，所述水平激光传感器、水平反光片和数据采集仪的组合实现水平位移数据的测量；所述竖直激光传感器、竖直反光片和数据采集仪的组合实现竖直位移数据的测量；
所述云端分析模块用于储存所述水平位移数据与竖直位移数据，并对所述水平位移数据与竖直位移数据进行幅值分析，设置阈值；
所述云端显示模块用于显示与实时监测所述水平位移数据与竖直位移数据，并在所述水平位移数据与竖直位移数据超过阈值时进行故障预警。
优选的，还包括通信模块，所述通信模块用于将所述水平位移数据以及竖直位移数据传输至云端分析模块中进行储存。
优选的，所述水平激光传感器的中心、水平反光片的中心与工作台的圆中心处于同一直线上。
优选的，所述水平激光传感器设置为两个，且所述两个水平激光传感器之间的水平夹角为直角。
优选的，所述竖直激光传感器的中心与竖直反光片的中心之间的连线与工作台上表面垂直。
优选的，所述竖直激光传感器设置为两个，且所述两个竖直激光传感器之间的水平夹角为直角。
应用本发明提供的封闭式主轴偏心窜动监测装置，具有的有益效果为：所述监测装置能够通过数据采集和实时监测，获取封闭式主轴的运行状态，经过云端分析模块进行数据储存与分析，并通过云端显示模块进行显示，以实现设备运行状态的实时监测、故障诊断以及智能预警。
本发明还提供了一种封闭式主轴偏心窜动监测方法，具体技术方案如下：
一种封闭式主轴偏心窜动监测方法，具体包括如下步骤：
安装传感器组件与反光片组件，具体是：在工作台的外圈上安装水平激光传感器，并在工作台内圆处对应的位置安装与水平激光传感器相应的水平反光片；在工作台上表面的上方安装竖直激光传感器，并在工作台上表面对应的位置安装与竖直激光传感器相应的竖直反光片；
进行测量，具体是：转动工作台过程中，获取至少两个时刻的水平距离和竖直距离，其中：某时刻t1水平距离和竖直距离的获取方式是：当水平反光片转动到水平激光传感器对应的位置时，水平激光传感器测试其与水平反光片在水平方向上的距离并反馈给数据采集仪，获得水平距离；当竖直反光片转动到竖直激光传感器对应的位置时，竖直激光传感器测试其与竖直反光片在竖直方向上的距离并反馈给数据采集仪，获得竖直距离；
进行判定，获取反映工作台是否产生偏心的水平位移数据以及是否产生窜动的竖直位移数据，判定与工作台同轴固定连接设置的封闭式主轴是否存在偏心和/或窜动；其中：水平位移数据为不同时刻的水平距离的差值；竖直位移数据为不同时刻的竖直距离的差值。
优选的，还包括传输与储存位移数据，具体是：通过通讯模块将数据采集仪采集到的水平位移数据与竖直位移数据传输到云端分析模块，所述云端分析模块将所述水平位移数据与竖直位移数据进行储存。
优选的，还包括阈值预警，具体是：所述云端分析模块对所述水平位移数据与竖直位移数据进行幅值分析，并设置阈值；云端显示模块将所述云端分析模块储存的水平位移数据与竖直位移数据进行显示与实时监测，并在所述水平位移数据与竖直位移数据超过阈值时进行故障预警。
应用本发明提供的封闭式主轴偏心窜动监测方法，具有的有益效果为：所述监测方法以位移信号为主，基于大型机床现有的控制与监测装置，在对机床不进行较大改动及破坏的前提下，即可监测封闭式主轴的偏心及窜动情况，克服了大型机床封闭式主轴偏心及窜动无法有效或者难以监测的问题，适用范围广、简便可行。除此之外，通过在工作台相应位置布置反光片，将监测工作台的轴向位移与径向位移转换为监测反光片的位移，并通过较高精度的激光位移传感器加以辅助，能够克服因工件本身的误差造成的监测精度的问题，避免监测装置因误差问题而产生误判，能够实现机床高精度故障监测及诊断的功能。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例提供的封闭式主轴偏心窜动监测装置的工作原理图；
图2是本发明优选实施例提供的封闭式主轴偏心窜动监测方法进行监测时的工作原理图；
图3是图2所示工作原理图的俯视图；
其中，1、水平激光传感器，2、竖直激光传感器，3、水平反光片，4、竖直反光片，5、工作台，6、封闭式主轴。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例：
本实施例公开了一种优选的封闭式主轴偏心窜动监测装置，所述监测装置包括传感器组件、反光片组件、数据采集仪、通信模块、云端分析模块以及云端显示模块；
所述传感器组件包括水平激光传感器1和竖直激光传感器2，所述反光片组件包括水平反光片3和竖直反光片4，所述水平激光传感器1设置在工作台5的外圈上，所述水平反光片3设置在工作台5内圆处且与水平激光传感器1对应设置；所述竖直激光传感器2设置在工作台5上表面的上方，所述竖直反光片4设置在工作台5上表面处且与竖直传感器对应设置；所述工作台5与封闭式主轴6同轴固定连接设置；
所述水平激光传感器1和竖直激光传感器2均与所述数据采集仪连接，通过水平激光传感器1、水平反光片3和数据采集仪的组合实现封闭式主轴6的偏心监测，通过竖直激光传感器2、竖直反光片4和数据采集仪的组合实现封闭式主轴6的窜动监测。
具体的，将所述水平激光传感器1设置为两个，且所述两个水平激光传感器1之间的水平夹角为直角，所述水平激光传感器1的中心、水平反光片3的中心与工作台5的圆中心处于同一直线上；将所述竖直激光传感器2设置为两个，且所述两个竖直激光传感器2之间的水平夹角为直角，所述竖直激光传感器2的中心与竖直反光片4的中心之间的连线与工作台5上表面垂直。
具体的，所述水平激光传感器1、水平反光片3和数据采集仪的组合实现水平位移数据的测量；所述竖直激光传感器2、竖直反光片4和数据采集仪的组合实现竖直位移数据的测量；
所述通信模块用于将所述水平位移数据以及竖直位移数据传输至云端分析模块中进行储存。
所述云端分析模块用于储存所述水平位移数据与竖直位移数据，并对所述水平位移数据与竖直位移数据进行幅值分析，设置阈值。
所述云端显示模块用于显示与实时监测所述水平位移数据与竖直位移数据，并在所述水平位移数据与竖直位移数据超过阈值时进行故障预警。
本实施例提供的封闭式主轴偏心窜动监测装置能够通过数据采集和实时监测，获取封闭式主轴6的运行状态，经过云端分析模块进行数据储存与分析，并通过云端显示模块进行显示，以实现设备运行状态的实时监测、故障诊断以及智能预警，能够有效避免封闭式主轴6产生偏心及窜动对加工生产甚至人身安全带来危害。
以铣车床为例，其主轴为封闭式设置，所述封闭式主轴6与工作台5刚性连接，因此，封闭式主轴6的偏心与窜动会传递至工作台5上，引起工作台5的同步偏心与窜动，故可以通过监测工作台5的偏心与窜动间接反映封闭式主轴6的偏心与窜动。参见图2与图3，所述封闭式主轴偏心窜动监测方法具体包括如下步骤：
安装传感器组件与反光片组件，具体是：在工作台5的外圈上安装水平激光传感器1，并在工作台5内圆处对应的位置安装与水平激光传感器1相应的水平反光片3；在工作台5上表面的上方安装竖直激光传感器2，并在工作台5上表面对应的位置安装与竖直激光传感器2相应的竖直反光片4；
进行测量，具体是：转动工作台5过程中，获取至少两个时刻的水平距离和竖直距离，其中：某时刻t1水平距离和竖直距离的获取方式是：当水平反光片3转动到水平激光传感器1对应的位置时，水平激光传感器1测试其与水平反光片3在水平方向上的距离并反馈给数据采集仪，获得水平距离；当竖直反光片4转动到竖直激光传感器2对应的位置时，竖直激光传感器2测试其与竖直反光片4在竖直方向上的距离并反馈给数据采集仪，获得竖直距离；
进行判定，获取反映工作台5是否产生偏心的水平位移数据以及是否产生窜动的竖直位移数据，判定与工作台5同轴固定连接设置的封闭式主轴6是否存在偏心和/或窜动；其中：水平位移数据为不同时刻的水平距离的差值；竖直位移数据为不同时刻的竖直距离的差值。
具体的，在本优选实施例中，将所述水平激光传感器1以及竖直激光传感器2均匀分布在工作台5圆面的四等分点对应位置处，相应安装好所述水平反光片3以及竖直反光片4，使工作台5上表面保持水平，避免倾斜。
本实施例提供的封闭式主轴偏心窜动监测方法，将直接监测工作台5与封闭式主轴6的偏心与窜动转换为监测所述水平反光片3的水平位移数据以及竖直反光片4的竖直位移数据，能够避免工作台5外圈及工作台5上表面精度不高对激光传感器监测工作台5位移的影响，防止了监测误差超过封闭式主轴6的偏心及窜动，从而产生故障误报。所述水平反光片3与竖直反光片4的体积小、加工简单且成本较低，加工精度可以精确到微米级，本实施例采用的水平反光片3与竖直反光片4均为2微米型号的反光片，累计误差不超过10微米，能够满足封闭式主轴6偏心及窜动的监测精度50微米的需求，保证监测的准确性与可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种封闭式主轴偏心窜动监测装置，其特征在于，包括传感器组件、反光片组件以及数据采集仪；
所述传感器组件包括水平激光传感器(1)和竖直激光传感器(2)，所述反光片组件包括水平反光片(3)和竖直反光片(4)，所述水平激光传感器(1)设置在工作台(5)的外圈上，所述水平反光片(3)设置在工作台(5)内圆处且与水平激光传感器(1)对应设置；所述竖直激光传感器(2)设置在工作台(5)上表面的上方，所述竖直反光片(4)设置在工作台(5)上表面处且与竖直传感器对应设置；所述工作台(5)与封闭式主轴(6)同轴固定连接设置；
所述水平激光传感器(1)和竖直激光传感器(2)均与所述数据采集仪连接，通过水平激光传感器(1)、水平反光片(3)和数据采集仪的组合实现封闭式主轴(6)的偏心监测，通过竖直激光传感器(2)、竖直反光片(4)和数据采集仪的组合实现封闭式主轴(6)的窜动监测。
2.根据权利要求1所述的封闭式主轴偏心窜动监测装置，其特征在于，还包括云端分析模块与云端显示模块，所述水平激光传感器(1)、水平反光片(3)和数据采集仪的组合实现水平位移数据的测量；所述竖直激光传感器(2)、竖直反光片(4)和数据采集仪的组合实现竖直位移数据的测量；
所述云端分析模块用于储存所述水平位移数据与竖直位移数据，并对所述水平位移数据与竖直位移数据进行幅值分析，设置阈值；
所述云端显示模块用于显示与实时监测所述水平位移数据与竖直位移数据，并在所述水平位移数据与竖直位移数据超过阈值时进行故障预警。
3.根据权利要求2所述的封闭式主轴偏心窜动监测装置，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块用于将所述水平位移数据以及竖直位移数据传输至云端分析模块中进行储存。
4.根据权利要求1所述的封闭式主轴偏心窜动监测装置，其特征在于，所述水平激光传感器(1)的中心、水平反光片(3)的中心与工作台(5)的圆中心处于同一直线上。
5.根据权利要求4所述的封闭式主轴偏心窜动监测方法，其特征在于，所述水平激光传感器(1)设置为两个，且所述两个水平激光传感器(1)之间的水平夹角为直角。
6.根据权利要求1所述的封闭式主轴偏心窜动监测方法，其特征在于，所述竖直激光传感器(2)的中心与竖直反光片(4)的中心之间的连线与工作台(5)上表面垂直。
7.根据权利要求6所述的封闭式主轴偏心窜动监测方法，其特征在于，所述竖直激光传感器(2)设置为两个，且所述两个竖直激光传感器(2)之间的水平夹角为直角。
8.一种封闭式主轴偏心窜动监测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
安装传感器组件与反光片组件，具体是：在工作台(5)的外圈上安装水平激光传感器(1)，并在工作台(5)内圆处对应的位置安装与水平激光传感器(1)相应的水平反光片(3)；在工作台(5)上表面的上方安装竖直激光传感器(2)，并在工作台(5)上表面对应的位置安装与竖直激光传感器(2)相应的竖直反光片(4)；
进行测量，具体是：转动工作台(5)过程中，获取至少两个时刻的水平距离和竖直距离，其中：某时刻t1水平距离和竖直距离的获取方式是：当水平反光片(3)转动到水平激光传感器(1)对应的位置时，水平激光传感器(1)测试其与水平反光片(3)在水平方向上的距离并反馈给数据采集仪，获得水平距离；当竖直反光片(4)转动到竖直激光传感器(2)对应的位置时，竖直激光传感器(2)测试其与竖直反光片(4)在竖直方向上的距离并反馈给数据采集仪，获得竖直距离；
进行判定，获取反映工作台(5)是否产生偏心的水平位移数据以及是否产生窜动的竖直位移数据，判定与工作台(5)同轴固定连接设置的封闭式主轴(6)是否存在偏心和/或窜动；其中：水平位移数据为不同时刻的水平距离的差值；竖直位移数据为不同时刻的竖直距离的差值。
9.根据权利要求8所述的封闭式主轴偏心窜动监测方法，其特征在于，还包括传输与储存位移数据，具体是：通过通讯模块将数据采集仪采集到的水平位移数据与竖直位移数据传输到云端分析模块，所述云端分析模块将所述水平位移数据与竖直位移数据进行储存。
10.根据权利要求9所述的封闭式主轴偏心窜动监测方法，其特征在于，还包括阈值预警，具体是：所述云端分析模块对所述水平位移数据与竖直位移数据进行幅值分析，并设置阈值；云端显示模块将所述云端分析模块储存的水平位移数据与竖直位移数据进行显示与实时监测，并在所述水平位移数据与竖直位移数据超过阈值时进行故障预警。
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