一種基於網際網路的工具機主軸智能在線監測及綜合診斷系統的製作方法

2023-07-30 03:25:06

本發明屬於工業現場工具機主軸測控技術領域，涉及一種基於網際網路的工具機主軸智能在線監測及綜合診斷系統。

背景技術：

隨著我國工業水準的逐步提高，對工業加工能力也提出了更高的要求。高速、超高速、高精度以及高效率成為現代工業發展的基本訴求。那麼，提高工業加工效率和精度的必經之路就是要提高工業自動化程度和智能化程度。數控工具機是工業加工的最重要裝備之一，而工具機主軸又是數控工具機的核心功能部件，因此，電主軸的自動化程度和智能化程度將直接關係到工業加工製造的智能化水平。但是，長期以來我國的工業現場加工人員並沒有經受過專業的數據管理、測試技術等先進工業生產知識的培訓，這就造成了工業實際生產中以經驗為主要測評手段，導致加工精度和加工效率無法保證，對主軸運行故障無法形成早期判斷，嚴重時甚至會導致工具機運行出現重大故障，嚴重威脅工人的生命安全和工廠的經濟效益。由此可見，提高工業自動化和智能化具有重要的意義。

由於現場工人並不具備早期故障檢測和診斷的能力，一般機械出現故障已經是嚴重的損壞性故障，此時的維修需要長時間停機進行，不但嚴重影響加工的自動化程度，而且造成不必要的經濟損失，由此可見自動化的在線監測和故障診斷對提高工業自動化和創造經濟效益具有實際意義。

由於工業現場環境較為複雜，各種幹擾混雜在一起，這就為現場準確、有效的測試和數據傳輸帶來了困難。現代工業的控制方式多樣化，更多的採用多種控制方法聯合使用的方式來支持整個機器的運轉，尤其是受到輸入輸出設備、變頻裝置、多種多個傳感器等配套技術的限制，使得控制方式更加複雜，這就給設備之間的信號傳輸和管理造成了很大的困難。傳統的傳輸方式不但無法滿足綜合測試系統的多任務傳輸的要求，而且實時性很差，影響自動化程度的提高，由此可見採用工業乙太網等網際網路傳輸技術和現場總線技術顯得非常有必要。

主軸振動是反應主軸工作狀態的一個重要因素，主軸振動過大不但嚴重影響工具機的加工精度和加工效率，嚴重時甚至會導致其功能部件的嚴重損壞；主軸關鍵部位的溫升反應了主軸所處的工作狀態以及潤滑與冷卻的效果；刀具的磨損會對加工過程產生重要影響，過早地換刀會降低加工效率、影響經濟效益，過遲地換刀會使加工質量惡化、產生廢品；而刀具的破損會造成加工過程中斷，並可能引發生產事故，因此對主軸振動、主軸關鍵部位的溫度、刀具狀態的監控就顯得意義重大。

傳統工業加工採用的機器設備的定期檢修和損壞維修都存在比較明顯的弊端，且無法實時的調整加工過程中出現的偏差，容易造成加工誤差的疊加，無法保證加工精度。另外，通常出現疑難故障，一般技術人員和手段無法解決，便利的傳輸診斷平臺，從而專家會診周期較長，造成不必要的經濟損失。綜上所述非常有必要提出一種以工業乙太網和網際網路為傳輸技術的工具機主軸智能在線監測和綜合診斷系統。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種基於網際網路的工具機主軸智能在線監測及綜合診斷系統，該系統能夠實現提高加工精度及加工效率，不僅能夠遠程、實時發現機械加工過程中的故障，而且可以綜合信息提前預知潛在故障，工業現場的自動化程度及智能化程度較高。

為達到上述目的，本發明所述的基於網際網路的工具機主軸智能在線監測及綜合診斷系統包括振動綜合測評系統、溫度綜合測評系統、數據採集卡、刀具工作狀態綜合測評系統、機器現場工作狀態監控系統及遠程故障診斷系統；

所述振動綜合測評系統包括用於檢測主軸振動位移信息的位移傳感器、用於檢測主軸加速度信息的加速度傳感器、用於檢測主軸振動相位信息的磁柵編碼器，位移傳感器的輸出端通過第一信號調理電路與數據採集卡相連接，加速度傳感器的輸出端通過第二信號調理電路與數據採集卡相連接，磁柵編碼器的輸出端與數據採集卡相連接；

溫度綜合測評系統包括若干用於檢測主軸的待測位置溫度的溫度傳感器及第三信號調理電路，各溫度傳感器的輸出端均通過第三信號調理電路與數據採集卡相連接，溫度傳感器內置於主軸內；

刀具工作狀態綜合測評系統包括用於檢測刀具拉杆位置的拉杆位置傳感器、用於測試刀具磨損狀態的聲發射傳感器、以及用於完成自動對刀的對刀裝置，拉杆位置傳感器的輸出端及聲發射傳感器的輸出端通過第四信號調理電路與數據採集卡相連接；

數據採集卡與機器現場工作狀態監控系統通過乙太網相連接，機器 現場工作狀態監控系統與遠程故障診斷系統通過網際網路相連接。

機器現場工作狀態監控系統包括現場伺服器及主軸工作狀態監控系統，現場伺服器與遠程故障診斷系統、數據採集卡及主軸工作狀態監控系統相連接。

遠程故障診斷系統包括遠程伺服器及專家會診系統，遠程伺服器與專家會診系統相連接，遠程伺服器通過網際網路與現場伺服器相連接。

加速度傳感器為壓電式加速度傳感器。

位移傳感器通過傳感器支架固定於主軸的前後兩端。

數據採集卡通過乙太網與機器現場工作狀態監控系統相連接。

溫度傳感器為PT100溫度傳感器。

對刀裝置為雷射對刀儀。

本發明具有以下有益效果：

本發明所述的基於網際網路的工具機主軸智能在線監測及綜合診斷系統包括振動綜合測評系統、溫度綜合測評系統、數據採集卡、刀具工作狀態綜合測評系統、機器現場工作狀態監控系統及遠程故障診斷系統，通過振動綜合測評系統獲取主軸的振動相位信息、加速度信息及振動位移信息，然後將主軸的振動相位信息、加速度信息及振動位移信息經第一信號調理電路轉發至機器現場工作狀態監控系統中，機器現場工作狀態監控系統根據主軸的振動相位信息、加速度信息及振動位移信息獲取工具機主軸運轉時的振動數據，並根據主軸運轉時的振動數據判斷主軸是否出現故障；溫度綜合測評系統獲取主軸待測位置的溫度信息，並將所述溫度信息經第二信號調理電路轉發至機器現場工作狀態監控系統，由於 溫度綜合測評系統中的溫度傳感器內置於主軸內，從而實現對主軸待測位置的溫度的直接測量，同時使測量的溫度值更貼近於轉子的實際溫度；所述刀具工作狀態綜合測評系統檢測刀具拉杆的位置以及刀具磨損狀態，通過檢測刀具拉杆的位置保證換刀過程準確無誤，提高加工的效率。同時通過獲取刀具的磨損狀態判斷刀具的使用狀態，從而提高加工精度；數據採集卡與機器現場工作狀態監控系統通過乙太網相連接，機器現場工作狀態監控系統與遠程故障診斷系統通過網際網路相連接，在工作時，機器現場工作狀態監控系統將採集到的振動數據、溫度信息、刀具拉杆的位置信息、刀具磨損狀態以及判斷的結果轉發至遠程故障診斷系統，通過遠程故障診斷系統根據獲取的信息對判斷的結果進行核實，實現工具機主軸的遠程在線監測及綜合診斷。

進一步，遠程伺服器與專家會診系統相連接，遠程伺服器通過物聯網與現場伺服器相連接，可以遠程通過專家會診系統對主軸運行問題進行監測及診斷，也可以時遠程伺服器中的資料庫與現場伺服器中的資料庫相互補充，然後再由現場人員對故障進行處理，從而極大的縮短故障處理的周期。

附圖說明

圖1為本發明的原理圖。

其中，1為位移傳感器、2為加速度傳感器、3為溫度傳感器、4為磁柵編碼器、5為聲發射傳感器、6為拉杆位置傳感器、7為第四信號調理電路、8為刀具工作狀態綜合測評系統、9為溫度綜合測評系統、10為振動綜合測評系統、11為機器現場工作狀態監控系統、12為遠程故障 診斷系統、13為專家會診系統、14為第三信號調理電路、15為第一信號調理電路、16為第二信號調理電路、17為數據採集卡、18為乙太網、19為現場伺服器、20為主軸工作狀態監控系統、21為網際網路。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：

參考圖1，本發明所述的基於網際網路的工具機主軸智能在線監測及綜合診斷系統包括振動綜合測評系統10、溫度綜合測評系統9、數據採集卡17、刀具工作狀態綜合測評系統8、機器現場工作狀態監控系統11及遠程故障診斷系統；所述振動綜合測評系統10包括用於檢測主軸的振動位移信息的位移傳感器1、用於檢測主軸的加速度信息的加速度傳感器2、用於檢測主軸的振動相位信息的磁柵編碼器4，位移傳感器1的輸出端通過第一信號調理電路15與數據採集卡17相連接，加速度傳感器2的輸出端通過第二信號調理電路16與數據採集卡17相連接，磁柵編碼器4的輸出端與數據採集卡17相連接；溫度綜合測評系統9包括若干用於檢測主軸的待測位置溫度的溫度傳感器3及第三信號調理電路14，各溫度傳感器3的輸出端均通過第三信號調理電路14與數據採集卡17相連接，溫度傳感器3內置於主軸內；刀具工作狀態綜合測評系統8包括用於檢測刀具拉杆位置的拉杆位置傳感器6、用於測試刀具磨損狀態的聲發射傳感器5、以及用於完成自動對刀的對刀裝置，拉杆位置傳感器6的輸出端及聲發射傳感器5的輸出端通過第四信號調理電路7與數據採集卡17相連接；數據採集卡17與機器現場工作狀態監控系統11通過乙太網18相連接，機器現場工作狀態監控系統11與遠程故障診斷 系統通過網際網路22相連接。

需要說明的是，所述機器現場工作狀態監控系統11包括現場伺服器19及主軸工作狀態監控系統20，現場伺服器19與遠程故障診斷系統、數據採集卡17及主軸工作狀態監控系統20相連接；遠程故障診斷系統包括遠程伺服器12及專家會診系統13，遠程伺服器12與專家會診系統13相連接，遠程伺服器12通過網際網路22與現場伺服器19相連接。

加速度傳感器2為壓電式加速度傳感器；位移傳感器1通過傳感器支架固定於主軸的前後兩端；數據採集卡17通過乙太網18與機器現場工作狀態監控系統11相連接；溫度傳感器3為PT100溫度傳感器；對刀裝置為雷射對刀儀。

位移傳感器1檢測主軸的振動位移信息，並將所述振動位移信息經第一信號調理電路15放大後再經數據採集卡17進入到現場伺服器19中；加速度傳感器2檢測主軸的加速度信息，並將所述加速度信息經第二信號調理電路16放大後再經數據採集卡17進入到現場伺服器19中，磁柵編碼器4檢測主軸的振動相位信息，並將所述振動相位信息經數據採集卡17進入到現場伺服器19中，主軸工作狀態監控系統20通過科學算法對加速度、位移以及相位信息進行融合，得到比較真實的信號頻譜和振動幅值，然後與預設閾值進行對比，超過預設閾值，則會自動發出報警提醒處理，並且根據振動信息和相位信息計算出振動過大的相位，然後根據振動過大的相位對轉子進行平衡，當振動過大的相位與正常振動值之間的差值大於預設範圍時，則自動停止主軸的運轉；同時將所述信號頻譜和振動幅值轉發至遠程伺服器12中，專家會診系統13中的專 家根據所述信號頻譜和振動幅值判斷當前主軸的故障類型，然後所述故障類型轉發至現場伺服器19中。

溫度傳感器3檢測主軸內部的溫度信息，所述主軸內部的溫度信息經第二信號調理電路16放大後經數據採集卡17轉發至現場伺服器19中，主軸工作狀態監控系統20根據所述主軸內部的溫度信息判斷主軸溫度是否過高，當主軸的溫度過高時，則先通過調節油氣潤滑和水冷卻系統來調節主軸的溫度，當主軸的溫度依然很高時，則發出故障警報。

BLUM雷射對刀儀完成數控工具機在換刀時主軸自動換刀時的對刀；通過聲發射傳感器5來監測刀具磨損狀態信息經第四信號調理電路7放大後進入到現場伺服器19中，主軸工作狀態監控系統20根據所述刀具磨損狀態信息判斷刀具的磨損情況，當刀具磨損嚴重時，則發出警報；同時將當前刀具磨損狀態信息轉發至遠程伺服器12中，專家會診系統13中的專家根據所述當前刀具磨損狀態信息判斷當前主軸的故障類型，然後所述故障類型轉發至現場伺服器19中。