CN205644242U - 再制造机床健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种再制造机床健康监测系统，包括机床、电气控制柜及总控制处理系统，机床上设有主轴及刀架，主轴的前后端设有轴承，主轴的前后端互相垂直的位置上通过支架固定有两第一振动传感器，轴承上固定有第二振动传感器及温度传感器；刀架的三个方向上固定有第二振动传感器；刀架上还设有刀具，刀具上固定有温度传感器；机床底部还设有第一振动传感器；电气控制柜上设有电压变送器、电流变送器及电流互感器；机床与所述电气控制柜的对应电路连接，电流变送器与电流互感器连接，且第一振动传感器、第二振动传感器、温度传感器、电压变送器及电流变送器均连接至总控制处理系统。本实用新型可及时发现机床故障；可实时监控工件加工表面质量。

Description

再制造机床健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及机械技术领域，尤其涉及一种再制造机床健康监测系统。

背景技术

随着现代机械设备日趋复杂和精密，故障的危害性愈加严重，故障诊断技术受到了高度的重视。受技术进步和市场拓展的双重驱动，机械故障诊断方法正朝着多样化和智能化的方向发展，同时机械故障诊断能力也是现代机械工程师必备的专业能力。

再制造机床通过数控改造后，实际数控化，但运行的稳定性由于系统和价格的双因素影响，目前没有监控系统用于实时监测系统的运行情况，并对加工的表面质量实时监控。

在2013年08月20日申请的申请号为201310368189.5的中国发明，公开了数控机床领域内的一种数控机床监测系统，包括信息获取单元、特征提取单元以及状态识别单元，所述信息获取单元包括信号输出端连接在信号检测模块上的监测传感器，所述特征提取单元包括信号输入端连接在所述信号检测模块上的信号处理模块，所述信号处理模块的信号输出端与特征提取模块的信号输入端相连，所述状态识别单元包括信号输入端连接在特征提取模块上的专家系统模块，所述专家系统模块的信号输出端与状态识别模块的信号输入端相连。该发明虽然也可以实现在线监测的目的，但不是实现实时的机床健康监测、对加工质量的在线监测，并实时预警的目的。

在2011年04月29日申请的申请号为201120133898.1的中国实用新型，涉及一种数控机床监测系统，该系统包括：后台监控主机、智能接口设备与智能采集装置；后台监控主机通过以太网连接至少一个智能接口设备，每个智能接口设备均设有一个用于连接后台监控主机的以太网接口与一个连接485通讯总线的通讯接口，所述485通讯总线上连接有至少一个智能采集装置，每个智能采集装置均对应数个机床。上述机床监测系统，通过将各机床的状态开关对应采集到智能采集设备，再由智能采集设备上传至后台监控主机。不仅能够有效接入一个工厂内不同车间、不同时代、不同厂家的机床设备，通过后台监控主机实现对所有接入机床的监控，提高了工厂生产的效率。该实用新型虽然也可以实现在线监测的目的，但不是实现实时的机床健康监测、对加工质量的在线监测，并实时预警的目的。

在2011年02月25日申请的申请号为201110045763.4的中国发明，提出了一种数控机床车削稳定性监测的方法，涉及监测技术领域。由于伺服系统性能的不断提高，其响应速度、敏感性等也不断提高，因此，在切削过程中机床的状态可以在驱动电机的电流上得到反映。该发明中，通过各种信号处理方法提取电流信号的多个特征值，建立特征状态向量作为数学模型的输入，再通过数学模型的分析计算，输出机床的切削状态。该发明中由于电流信号抗干扰性强、易于采集、使用辅助工具少等特点，相对于目前的诸多监测方法其操作上具有简单易行、监测效果好等优点，更容易实现对加工状态的在线监测，有效保证了加工安全和产品质量。该发明虽然也可以实现在线监测的目的，但只对电流信号进行监测。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种再制造机床健康监测系统，基于数学模型的方法、信号处理的方法来记录设备运行情况，并通过信号处理分析，来诊断设备可能存在的故障原因，也可以适时监控加工件的表面质量，出现异常时发出报警信号。

本实用新型的问题是这样实现的：

一种再制造机床健康监测系统，包括一机床、一电气控制柜以及一总控制处理系统，所述机床上设有一主轴以及一刀架，所述主轴的前后端分别套设有一轴承，所述主轴的前后端互相垂直的位置上通过支架固定有两第一振动传感器，所述轴承上固定有一第二振动传感器及一温度传感器；所述刀架的X轴、Y轴及Z轴方向上均固定有一第二振动传感器；所述刀架上还设有一刀具，所述刀具上固定有一温度传感器；所述机床底部还设有第一振动传感器；所述电气控制柜上设有一电压变送器、一电流变送器以及三电流互感器；所述机床与所述电气控制柜的对应电路连接，所述电流变送器与三所述电流互感器连接，且所述第一振动传感器、所述第二振动传感器、所述温度传感器、所述电压变送器及所述电流变送器均连接至所述总控制处理系统。

进一步地，所述主轴的前后端中的两第一振动传感器，其一所述第一振动传感器位于水平方向上，另一所述第一振动传感器位于垂直方向上。

进一步地，所述总控制处理系统为工控机。

进一步地，所述轴承上的第二振动传感器及温度传感器为一体式结构。

进一步地，所述第二振动传感器为贴磁式振动传感器。

本实用新型具有如下优点：本实用新型可以对设备可能存在的故障或即将产生的故障，进行提前预判断，以便让机床的使用周期更长；通过高阶谱分析，可以实时监控工件加工表面质量，如果超出质量标准及时报警处理。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型再制造机床健康监测系统的主视图。

图2为本实用新型再制造机床健康监测系统的俯视图。

图3为本实用新型主轴的侧视图。

图4为本实用新型轴承的侧视图。

图中标号说明：

1-机床、11-主轴、12-刀架、13-轴承、14-刀具、2-电气控制柜、3-总控制处理系统、4-第一振动传感器、5-第二振动传感器、6-温度传感器、7-电压变送器、8-电流变送器、9-电流互感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作出进一步的详细说明，但是本实用新型的结构并不仅限于以下实施例。

如图1至图4所示，本实用新型的一种再制造机床健康监测系统，包括一机床1、一电气控制柜2以及一总控制处理系统3，所述机床1上设有一主轴11以及一刀架12，所述主轴11的前后端分别套设有一轴承13，所述主轴11的前后端互相垂直的位置上通过支架固定有两第一振动传感器4，所述轴承13上固定有一第二振动传感器5及一温度传感器6；所述刀架12的X轴、Y轴及Z轴方向上均固定有一第二振动传感器5；所述刀架12上还设有一刀具14，所述刀具14上固定有一温度传感器6；所述机床1底部还设有第一振动传感器4；所述电气控制柜2上设有一电压变送器7、一电流变送器8以及三电流互感器9；所述机床1与所述电气控制柜2的对应电路连接，所述电流变送器8与三所述电流互感器9连接，且所述第一振动传感器4、所述第二振动传感器5、所述温度传感器6、所述电压变送器7及所述电流变送器8均连接至所述总控制处理系统3。

进一步地，所述主轴11的前后端中的两第一振动传感器4，其一所述第一振动传感器4位于水平方向上，另一所述第一振动传感器4位于垂直方向上，通过位于水平方向上的第一振动传感器4可以测量出所述主轴11水平方向上的振动量，通过位于垂直方向上的第一振动传感器4可以测量出所述主轴11垂直方向上的振动量。

进一步地，所述总控制处理系统3为工控机，工控机(Industrial PersonalComputer，IPC)即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称；工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面；工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。

进一步地，所述轴承13上的第二振动传感器5及温度传感器6为一体式结构。

进一步地，所述第二振动传感器5为贴磁式振动传感器。

当该监测系统发生故障时，该监测系统的各种量或部分量会表现与正常状态时不同的特性。这种差异常包含着丰富的故障信息。如何找到这种故障的特征描述，并利用它进行故障的检测和分离是故障诊断的主要工作。在机床故障中，当故障发生时，主轴、轴承以及刀架的振动会出现异常，通过分析异常振动信号，可以诊断出故障的原因和位置；另外，机床电气部分的异常情况更是故障分析的几个最重要的指标，因此，在生产过程中，如果在机床关键部件上设置传感器，通过对相关信息采集和实时分析，便可能实现在机床工作状态基础上，发现故障、诊断故障，通过采取相应措施，保证设备安全、可靠运行。

基于以上分析，本实用新型提出在线监控方式实施故障监控与诊断策略。在机械制造工艺实验室的再制造数控车床平台上，设置主轴、轴承及刀架三个振动信号监控点，以及主轴变频器、伺服驱动器两个电气信号监控点，对机床进行运行工作状态在线监控，通过监控信息的预测、发现可能发生故障。同时，对处理后的监控信息进行存贮，为机床寿命预测提供数据支持。该方案特别适合于废旧机床经再制造后，新设备安全运行监控应用。

在这些测量量中，机床的相对振动和绝对振动是最关键的参量值，以下关于这两个的参量值的简单解释说明。

本实用新型中的第一振动传感器4为相对振动传感器，相对振动传感器的原理：在相对振动传感器测振时，是将传感器固定在支架上，使传感器与被测物体的振动方向一致，当被测物体在振动时，传感器通过磁场感应，记录出振动的被测物体相对于传感器的位移情况，同时传感器将信号传递给接收元件，就能描述出振动的被测物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。

本实用新型中的第二振动传感器5为绝对振动传感器，绝对振动传感器的原理：在绝对振动传感器测振时，是将传感器直接固定在被测振动物体的测点上，当传感器外壳随被测振动物体运行时，由弹性支撑的惯性质量块将与外壳发生相对运行，则转在质量块上的记录笔就可以记录下质量元件与外壳的相对振动的位移幅值，然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式，即可求出被测物体的绝对振动位移波形。

软件功能描述：

1、数据采集功能：

在机床运行时，在人为可设的采样周期的情况下采集主轴的前后端水平方向及垂直方向的振动值、两轴承的振动值及温度、刀架的X、Y、Z三个方向上的振动值及刀具的温度，该监测系统运行时的电流、该监测系统运行时的电压，并将这些数据实时描绘在电脑上，形成实时曲线。

2、数据记录功能：

在人为可设的记录周期下记录主轴的前后端水平方向及垂直方向的振动值、两轴承的振动值及温度、刀架的X、Y、Z三个方向上的振动值及刀具的温度，该监测系统运行时的电流、该监测系统运行时的电压。在需要的时候，调入以时间为刻度的历史记录，并形成历史曲线。

3、数据的故障记录功能：

设置各个参数的故障记录点，当设备的各个参量值超过这些故障点时候，记录下该故障的值及时间。这些参量包含主轴的前后端水平方向及垂直方向的振动值、两轴承的振动值及温度、刀架的X、Y、Z三个方向上的振动值及刀具的温度，该监测系统运行时的电流、该监测系统运行时的电压、功率等。

4、通过软件的ODBC接口可以做二次数据分析，通过基于信号的处理方法，例如基于小波变换的振动方法或基于知识的方法，例如基于专家系统和人工神经网络的方法做的预报警功能：

基于信号处理的方法是利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均等，直接分析可测信号，提取方差、幅值、频率等特征值，从而检测故障的发生。其主要内容是统计分析、相关分析、频率分析、小波分析及模态分析等。

基于信息知识的方法是指将来自某一机械设备的多源信息加以智能化合成，产生比单一信息源更加精确，更完全的估计和判决。故障检测的信息不仅来自传感器的测量数据，还包括某些知识或中间结果。利用这些信息可以提取出一些有关系统故障的特征，然后由这些故障特征及系统的知识进行更详细的诊断，判断故障的部位及故障的性质。该方法的一个显著特点是具有相关性的传感器的噪声是相关的，经过融合处理可以明显地抑制噪声，降低不确定性。

通过上述两种方法，形成一个知识系统，对设备可能存在的故障或即将产生的故障，进行提前预判断，以便让机床的使用周期更长。通过高阶谱分析，可以适时监控工作加工表面质量，如果超出质量标准及时报警处理。

综上所述，本实用新型的优点如下：

本实用新型可以对设备可能存在的故障或即将产生的故障，进行提前预判断，以便让机床的使用周期更长；通过高阶谱分析，可以实时监控工件加工表面质量，如果超出质量标准及时报警处理。

本实用新型只需要对机床做很小的改造，对机床本身不会产生影响，而且控制系统与机床数控系统分开，整套设备可能移到别的机床上使用，方便没使用时收起和移动到别的地使用。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种再制造机床健康监测系统，其特征在于：包括一机床、一电气控制柜以及一总控制处理系统，所述机床上设有一主轴以及一刀架，所述主轴的前后端分别套设有一轴承，所述主轴的前后端互相垂直的位置上通过支架固定有两第一振动传感器，所述轴承上固定有一第二振动传感器及一温度传感器；所述刀架的X轴、Y轴及Z轴方向上均固定有一第二振动传感器；所述刀架上还设有一刀具，所述刀具上固定有一温度传感器；所述机床底部还设有第一振动传感器；所述电气控制柜上设有一电压变送器、一电流变送器以及三电流互感器；所述机床与所述电气控制柜的对应电路连接，所述电流变送器与三所述电流互感器连接，且所述第一振动传感器、所述第二振动传感器、所述温度传感器、所述电压变送器及所述电流变送器均连接至所述总控制处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种再制造机床健康监测系统，其特征在于：所述主轴的前后端中的两第一振动传感器，其一所述第一振动传感器位于水平方向上，另一所述第一振动传感器位于垂直方向上。

3.根据权利要求1所述的一种再制造机床健康监测系统，其特征在于：所述总控制处理系统为工控机。

4.根据权利要求1所述的一种再制造机床健康监测系统，其特征在于：所述轴承上的第二振动传感器及温度传感器为一体式结构。

5.根据权利要求1所述的一种再制造机床健康监测系统，其特征在于：所述第二振动传感器为贴磁式振动传感器。