CN204759168U - 一种木材铣削加工电主轴实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于木材铣削加工电主轴的实时监控系统，包括控制器，控制器与设置在木材铣削加工电主轴上的用于检测定转子温升的第一温度传感器、用于检测前、后轴承温升的第二温度传感器、用于检测前、后轴承振动的加速度传感器、用于检测主轴转速的转速编码器、用于检测松拉刀机构动作是否到位的接近开关组、用于检测气缸气压的压力传感器、用于分别检测木材铣削加工电主轴的电压、电流的电压传感器、电流传感器相连。本实用新型可对木材铣削加工电主轴的性能指标实现实时有效地监测，提前预测出故障与损坏的发生，达到加快工作进度、提高生产效率的目的。

Description

一种木材铣削加工电主轴实时监控系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于实时监控木材铣削加工电主轴的自动控制系统，属于木材铣削加工电主轴监控领域。

背景技术

木材加工的主要特点是高速铣削，而木材铣削加工电主轴是木工机床的加工头，其集成了传统机床主轴结构与现代高速电机技术，具有结构紧凑、节能高效等特点，已被广泛应用。

在长期的使用中可以发现，木材铣削加工电主轴的性能对木工机床的整体加工水平会产生直接影响。具体来说，由于木材属于有机各向异性材料，具有一定的强度和硬度，并且木材具有天然节疤等缺陷，因而，木材在高速铣削加工过程中，木材铣削加工电主轴会因受力不均、长时间运转、装配问题等因素而引发振动、出现持续过热等状况，而且木材铣削加工电主轴的前后轴承、定子、转子等部件在长时间处于超负荷运转后极易发生故障或损坏，这些都会对木材铣削加工电主轴的加工性能和使用寿命产生较大影响。

目前传统的做法是在木材铣削加工电主轴发生故障或损坏后，停机进行检修。这种做法的缺陷是：一方面，木材铣削加工电主轴发生故障后再查找故障原因的话，费时费力，降低了生产效率，另一方面，当木材铣削加工电主轴发生损坏需要更换时，必须停止生产，势必延缓工作进度，降低生产效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种木材铣削加工电主轴实时监控系统，其可对木材铣削加工电主轴的性能指标实现实时有效地监测，提前预测出故障与损坏的发生，达到加快工作进度、提高生产效率的目的。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种木材铣削加工电主轴实时监控系统，用于木材铣削加工电主轴，木材铣削加工电主轴包括主轴，主轴的前、后端上分别装配有前轴承、后轴承，前、后轴承装配在轴承座内且经由轴承座与外壳相固定，主轴的中部安装有转子，转子的外周对应设有定子，定子固定在外壳内壁上且缠绕有定子线圈，主轴的后端设有气缸且与气缸的拉杆相对应，其特征在于：实时监控系统包括控制器，控制器与设置在木材铣削加工电主轴上的用于检测定转子温升的第一温度传感器、用于检测前、后轴承温升的第二温度传感器、用于检测前、后轴承振动的加速度传感器、用于检测主轴转速的转速编码器、用于检测松拉刀机构动作是否到位的接近开关组、用于检测气缸气压的压力传感器、用于分别检测木材铣削加工电主轴的电压、电流的电压传感器、电流传感器相连。

较佳地，与所述定子两端分别相对的所述外壳内壁上，沿所述外壳内壁的圆周均布有多个所述第一温度传感器，且所述第一温度传感器的感测范围大于等于其所在所述外壳内壁圆周的半径。

较佳地，与构成所述前轴承的两个轴承之间的间隙相对的所述轴承座内壁上，沿所述轴承座内壁的圆周均布有多个所述第二温度传感器，与构成所述后轴承的两个轴承之间的间隙相对的所述轴承座内壁上，沿所述轴承座内壁的圆周均布有多个所述第二温度传感器，且所述第二温度传感器的感测范围大于等于其所在所述轴承座内壁圆周的半径。

较佳地，所述加速度传感器固定在所述轴承座外壁凹设的沉孔内且与所述前轴承或所述后轴承相贴近。所述加速度传感器为三轴向加速度传感器。

较佳地，所述转速编码器由光电传感器和码盘构成，其中，码盘固定在所述主轴的后端上，光电传感器对应码盘设置。

较佳地，所述接近开关组由对应所述气缸上的所述拉杆后端相应设置的伸出到位检测接近开关和缩回到位检测接近开关构成。

较佳地，所述压力传感器设置在所述气缸的入气口处。

较佳地，所述电压传感器并联在所述定子线圈的A、B相接线端之间，所述电流传感器串联在所述定子线圈的C相接线端上。

本实用新型的优点是：

本实用新型可对木材铣削加工电主轴的性能指标实现实时、有效地监测，涉及的性能指标有定转子温升、前后轴承温升、前后轴承振动、主轴转速、松拉刀机构动作是否到位、气缸气压值、电主轴三相电压、电流和功率、不同转速下的工作时间以及总工作时间等，以使通过对性能指标的监测，来提前预测出即将发生的故障与损坏，从而对木材铣削加工电主轴采取提前进行停转等控制措施，避免故障或损坏发生而导致工作进度的延缓与生产效率的降低。

附图说明

图1是本实用新型实时监控系统的组成示意图。

图2是本实用新型实时监控系统在木材铣削加工电主轴上的安装设置说明图。

图3A-图3C是第一温度传感器布置的实例图。

具体实施方式

本实用新型实时监控系统用于木材铣削加工电主轴，如图1和图2，木材铣削加工电主轴包括安装松拉刀机构10的主轴11，主轴11的前、后端上分别装配有前轴承13、后轴承14，前、后轴承13、14分别装配在轴承座131、141内且各自经由轴承座131、141与外壳16相固定，主轴11的中部，即前、后轴承13、14之间安装有转子12，转子12的外周对应设有定子15，定子15固定在外壳16内壁上且缠绕有定子线圈(图中未示出)，主轴11的后端设有气缸17且与气缸17的拉杆171相对应设置，定子线圈、气缸17各自与相应驱动系统(图中未示出)相连。

如图1和图2，本实用新型实时监控系统包括控制器20，控制器20与设置在木材铣削加工电主轴(下面简称电主轴)上的用于检测定转子温升的第一温度传感器21、用于检测前后轴承温升的第二温度传感器22、用于检测前后轴承振动的加速度传感器24、用于检测主轴转速的转速编码器25、用于检测松拉刀机构动作是否到位的接近开关组28、用于检测气缸气压的压力传感器23、用于检测电主轴电压的电压传感器、用于检测电主轴电流的电流传感器相连。

在木材铣削加工过程中会产生大量的粉尘，因此电主轴的工作环境较金属切削电主轴更加恶劣，温度测量受工作环境和电主轴的结构因素影响较大。因而，本实用新型对第一温度传感器21、第二温度传感器22的测温位置进行了合理设计，下面详述：

为了更精准地对定子15、转子12的温升进行测量，与定子15两端分别相对的外壳16内壁上，沿外壳16内壁的圆周均布有多个第一温度传感器21。也就是说，定子15各端相对应地在外壳16内壁上设有沿外壳16内壁的圆周均布的多个第一温度传感器21。如图2，图中仅示出了定子15一端上对应设置的第一温度传感器21，而定子15另一端对应设置的第一温度传感器未示出。

并且较佳地，第一温度传感器21的感测范围大于等于其所在外壳16内壁圆周的半径。为了避免同一外壳16内壁圆周上的各温度测点相互干扰以及保证测温数据准确性，在本实用新型中，均布在同一外壳16内壁圆周上的第一温度传感器21的数量可为2个、3个、4个或更多个，分别如图3A至图3C所示，在图中，标号30表示第一温度传感器21的感测范围(参见细线圆圈)，标号40表示外壳16内壁圆周(参见粗线圆圈)。考虑到感测面积的重合程度对第一温度传感器21的感测效果与成本的影响，在实际使用中，以图3B示出的均匀布置方式为宜，即在外壳16内壁圆周上均布3个第一温度传感器21且令第一温度传感器21的感测范围大于等于其所在外壳16内壁圆周的半径，这样的设置可以实现对电主轴外壳16内壁周向整个区域的全面准确监测，不会出现监测盲区。

为了避免前、后轴承温升受电主轴内部油脂、粉尘的干扰，与构成前轴承13的两个轴承之间的间隙相对的轴承座131内壁上，沿轴承座131内壁的圆周均布有多个第二温度传感器22，与构成后轴承14的两个轴承之间的间隙相对的轴承座141内壁上，沿轴承座141内壁的圆周均布有多个第二温度传感器22。

并且与第一温度传感器21相似地，较佳地，第二温度传感器22的感测范围应大于等于其所在轴承座131或141内壁圆周的半径。为了避免同一轴承座131或141内壁圆周上的各温度测点相互干扰以及保证测温数据准确性，均布在同一轴承座131或141内壁圆周上的第二温度传感器22的数量可为2个、3个、4个或更多个，其中，考虑到感测面积的重合程度对第二温度传感器22的感测效果与成本的影响，在轴承座131、141内壁圆周上各均布3个第二温度传感器22且令第二温度传感器22的感测范围大于等于其所在轴承座131或141内壁圆周的半径为宜，这样的设置可以实现全面准确的监测，不会出现监测盲区。在本实用新型中，第二温度传感器22的布置方式可参考图3A至图3C来理解。

在实际使用中，加速度传感器24优选固定在轴承座131的外壁上凹设的沉孔18内且与前轴承13相贴近，或者，加速度传感器24优选固定在轴承座141的外壁上凹设的沉孔内且与后轴承14相贴近。在实际应用中，测量前轴承13或后轴承14中的任意一个的振动状况既可，加速度传感器24所检测到的前轴承13或后轴承14的振动状况即可代表前轴承13和后轴承14所共同受到的振动情况，这样的设计可使加速度传感器24在准确对前轴承13或后轴承14的振动情况进行测量而得出振动变形数据时，其自身不会因前轴承13或后轴承14的振动而受到损坏。

较佳地，加速度传感器24选用三轴向加速度传感器。三轴向加速度传感器可同时检测轴承(前轴承13或后轴承14)在与主轴11轴向方向垂直的纵平面内的水平方向、垂直方向上以及主轴11轴向方向上的振动变形，从而对电主轴内前、后轴承13、14附近是否发生故障进行判断。

如图2，转速编码器25由光电传感器252和码盘251构成，其中，码盘251固定在主轴11的后端上，光电传感器252对应码盘251设置。主轴11每转动一圈，码盘251对准光电传感器252一次，从而通过测量相邻两个脉冲间的时间间隔(即周期)而得到主轴11的转速，对主轴11转动、停止状态进行判断，从而确保在停止状态下进行换刀动作，以及在某转速下结合检测的工作时间来判断主轴11的旋转位置等。

在实际中，更换松拉刀机构的速度与质量是衡量木工机床的重要指标之一，其直接影响着电主轴的使用可靠性、精度和使用寿命，进而影响着木工机床的加工效率和工件质量。面对此种情况，本实用新型中的接近开关组28由对应气缸17上的拉杆171后端相应设置的伸出到位检测接近开关26和缩回到位检测接近开关27构成。伸出到位检测接近开关26可以检测出主轴11孔内的松拉刀机构10是否被拉杆171伸出到位，当伸出到位后，拉杆171会保持顶住松拉刀机构状态，而缩回到位检测接近开关27可以检测拉杆171是否缩回到位。在实际使用中，主轴11孔内的松拉刀机构10需要成功完成伸出、缩回动作后才可实现刀具在主轴11上的成功更换。

在实际中，接近开关组28与转速编码器25对主轴11转速的判断相结合，还可用来确保松拉刀机构10在主轴11停转状态下进行自动换刀动作。

如图2，压力传感器23可设置在气缸17的入气口处，其主要用于测量气缸17的气压是否足够对松拉刀机构10进行伸出与缩回动作。

如图2，优选地，电压传感器291并联在定子线圈的A、B相接线端之间，电流传感器292串联在定子线圈的C相接线端上。当然，电压传感器291、电流传感器292的连接方式并不局限于上述。

在本实用新型中，第一温度传感器21、第二温度传感器22即为普通的温度传感器，控制器20为本领域的熟知技术。第一温度传感器21、第二温度传感器22、加速度传感器24、转速编码器25、接近开关组28、压力传感器23、电压传感器291、电流传感器292为性能指标检测器件，这些性能指标检测器件的信号端子分别与控制器20的相应信号端子连接。

在实际使用时，当电主轴启动并进入稳定运行阶段后，本实用新型的控制器20即开始进行各项性能指标的检测，并且控制器20实时接收各个性能指标检测器件传送来的采集信号，对这些信号进行A/D转换处理后进行计算分析并存储。具体来说：第一温度传感器21检测定子15附近的温度，从而计算出定转子的温升。第二温度传感器22检测前、后轴承13、14的温度，从而计算出前、后轴承13、14的温升。加速度传感器24检测前轴承13或后轴承14的振动，从而对前轴承13、后轴承14是否发生故障做出分析。转速编码器25检测主轴11的转速，从而对主轴11转动、停止状态进行判断分析，一方面可在主轴11处于某转速下结合工作时间数据来对主轴11的旋转位置进行判断，另一方面可配合接近开关组28来确保松拉刀机构10在主轴11停止状态下进行安全换刀动作。对于接近开关组28，当主轴11停止进行换刀时，伸出到位检测接近开关26检测松拉刀机构10在主轴11孔内是否被拉杆171伸出到位，当伸出到位后，拉杆171会保持顶住松拉刀机构状态，随即缩回到位检测接近开关27检测拉杆171是否缩回到位，从而根据伸出到位检测接近开关26与缩回到位检测接近开关27的检测结果对电主轴是否成功完成换刀动作做出判断。而在气缸17运行的过程中，压力传感器23实时检测气缸17的气压值，以对气缸17的气压是否足够完成伸出与缩回松拉刀机构10进行判断。并且，电压传感器291实时获取三相电压信号，以及电流传感器292实时获取电流信号，以对电主轴的实际运行功率进行计算，以及根据电流信号来计算出电主轴在不同转速下的工作时间以及总工作时间，从而配合相关性能指标检测器件对电主轴相关运行状态进行监控。

在实际中，可对各个性能指标的正常范围进行设定，若控制器20计算分析出的某性能指标的数值即将超过正常范围，则做出故障或损坏的趋势预警。故障趋势预警内容包含可能发生故障的类型、原因、位置点和危害程度，损坏趋势预警内容包含可能发生损坏的类型、原因、位置点和危害程度。

例如，若通过第一温度传感器21采集的温度数据判断出定转子的温升即将超过正常范围，或者通过第二温度传感器22采集的温度数据判断出前、后轴承13、14的温升即将超过正常范围，或者通过加速度传感器24采集的振动数据判断出前轴承13或后轴承14可能出现故障，或者通过压力传感器23采集的气压数据判断出气缸17气压即将不足以进行松拉刀机构10伸出与缩回动作，或者通过电压传感器291、电流传感器292计算出的电主轴三相电压值和电流值而判断出电主轴的实际运行功率即将超过额定最大功率，则控制器20便可发出预警信号，以对电主轴提前实行停转等措施。

若控制器20计算分析出的某性能指标的数值已超过正常范围，则应立即做出故障或损坏分析(故障分析包含确定故障类型、故障原因、故障位置点和故障危害程度，损坏分析包含确定损坏类型、损坏原因、损坏位置点和损坏危害程度)，并及时进行报警。

在实际中，控制器20可将各项性能指标的变化实时传送给控制电主轴运行的相关系统，以实现对电主轴工作状态的自适应调整，从而实现电主轴的智能化监测与控制。

另外，控制器20还可将性能指标数据通过网络传输给监控中心或者是相关人员的手机等终端上，实现远程监控与诊断。

本实用新型可对木材铣削加工电主轴的性能指标实现实时、有效地监测，涉及的性能指标有定转子温升、前后轴承温升、前后轴承振动、主轴转速、松拉刀机构动作是否到位、气缸气压值、电主轴三相电压、电流和功率、不同转速下的工作时间以及总工作时间等，以使通过对性能指标的监测，来提前预测出故障与损坏的发生，从而对木材铣削加工电主轴采取提前进行停转等控制措施，避免故障或损坏发生而导致工作进度的延缓与生产效率的降低。

以上所述是本实用新型的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (9)

1.一种木材铣削加工电主轴实时监控系统，用于木材铣削加工电主轴，木材铣削加工电主轴包括主轴，主轴的前、后端上分别装配有前轴承、后轴承，前、后轴承装配在轴承座内且经由轴承座与外壳相固定，主轴的中部安装有转子，转子的外周对应设有定子，定子固定在外壳内壁上且缠绕有定子线圈，主轴的后端设有气缸且与气缸的拉杆相对应，其特征在于：实时监控系统包括控制器，控制器与设置在木材铣削加工电主轴上的用于检测定转子温升的第一温度传感器、用于检测前、后轴承温升的第二温度传感器、用于检测前、后轴承振动的加速度传感器、用于检测主轴转速的转速编码器、用于检测松拉刀机构动作是否到位的接近开关组、用于检测气缸气压的压力传感器、用于分别检测木材铣削加工电主轴的电压、电流的电压传感器、电流传感器相连。

2.如权利要求1所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

与所述定子两端分别相对的所述外壳内壁上，沿所述外壳内壁的圆周均布有多个所述第一温度传感器，且所述第一温度传感器的感测范围大于等于其所在所述外壳内壁圆周的半径。

3.如权利要求1所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

与构成所述前轴承的两个轴承之间的间隙相对的所述轴承座内壁上，沿所述轴承座内壁的圆周均布有多个所述第二温度传感器，与构成所述后轴承的两个轴承之间的间隙相对的所述轴承座内壁上，沿所述轴承座内壁的圆周均布有多个所述第二温度传感器，且所述第二温度传感器的感测范围大于等于其所在所述轴承座内壁圆周的半径。

4.如权利要求1所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

所述加速度传感器固定在所述轴承座外壁凹设的沉孔内且与所述前轴承或所述后轴承相贴近。

5.如权利要求4所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

所述加速度传感器为三轴向加速度传感器。

6.如权利要求1所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

所述转速编码器由光电传感器和码盘构成，其中，码盘固定在所述主轴的后端上，光电传感器对应码盘设置。

7.如权利要求1所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

所述接近开关组由对应所述气缸上的所述拉杆后端相应设置的伸出到位检测接近开关和缩回到位检测接近开关构成。

8.如权利要求1所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

所述压力传感器设置在所述气缸的入气口处。

9.如权利要求1所述的木材铣削加工电主轴实时监控系统，其特征在于：

所述电压传感器并联在所述定子线圈的A、B相接线端之间，所述电流传感器串联在所述定子线圈的C相接线端上。