[发明专利]对物理上正交耦合的进给机器轴进行不对中监控的方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控(CNC，Computer Numerical Control)技术领域，特 别涉及一种对物理上正交耦合的进给机器轴进行不对中监控的方法。

背景技术

进给系统是数控机床中最重要的部分之一。图1示出了数控机床中一典 型进给系统的组成结构示意图。参见图1，进给系统通常包括：电机101、 联轴器102、轴承103、滚珠丝杠104、滚珠丝杠丝母105和工作台106等。 图1还示出了用于对进给系统的运动进行控制的机床控制系统的各主要功能 模块，包括：直接位置测量系统(DMS)中的光栅尺107、间接位置测量系统 (IMS)中的电机编码器108、位置控制模块109、速度控制模块110、电流 控制模块111和放大器112等。其中，DMS位置信号113是光栅尺107的输 出信号，IMS位置信号114是电机编码器108的输出信号。

进给系统直接决定机床的加工精度，进给系统的对中质量对机床的整体 性能起着关键性的作用。进给系统对中质量的降低将对机床产生不良影响， 从而可能导致振动、丝杠弯曲、轴承和联轴器的使用寿命缩短、动力传输性 能下降等；而联轴器、滚珠丝杠和支撑轴承的状态好坏将影响进给系统的对 中质量。进给系统的对中质量会随着机床使用而降低，那么，一旦机床进给 系统的对中质量调校到其所要求的规范，我们就需要有对机床进给系统对中 质量进行监控的方法对进给系统的对中质量进行监控。而一旦对对中质量恶 化得超出预设的容忍门限，则机床的精度将下降。对对准度的变化进行早期 检测和校准能够减轻部件的损毁程度。因此，对进给系统的不对中程度进行 监控是机床的预测性维护中的一项重要任务。

在机床中，物理上正交耦合的进给机械轴的构造非常常见，该结构如图 2所示。图2中，轴201示出的方向为X轴方向，轴202示出的方向为Y轴 方向。下面简要介绍现有对机床进给系统的不对中进行监控的方法。

众所周知，进给系统的对中性对机床输送装置的使用寿命以及加工精度 来说非常重要。千分表和测隙规常用于确定两个相耦合的轴之间的同轴度， 但是，这两种仪器不适用于连续地监控机床进给系统的同轴度。这是因为： 技术专家需要时常操作这些量规，并且由于进给系统通常被保护层所屏蔽， 使得这些仪器的安装成了一个大问题。此外，这两种仪器不能用于确定由滚 珠丝杠弯曲所引起的不对中。

另外两种行之有效的监控不对中的方法是监控振动和温度。振动通常在 轴的所有轴承支撑架的径向上进行测量。通过检查振动频谱的2倍和3倍频 率分量来监测不对中。温度监控技术通常使用红外热成像仪测量设备表面的 红外发射量来监控不对中的发展程度。随着不对中程度的发展，温度将随着 摩擦力的增加而上升，因此，可以采用温度监控的方式确定轴的不对中程度。 然而，使用振动传感器不仅带来费用的增加，而且其安装可能破坏机械结构。 使用红外传感器技术的最大问题在于：为安全起见，大多数机床的机械传动 系统都被盖板遮盖而不能使用红外传感器。

美国专利US4864148提出了一种用于探测并监控旋转轴位置变化的设 备。它将光源及其相应的光接收装置安装在一个轴上，在另一个轴上安装一 个菱镜。光源向菱镜发出光线，菱镜将光线反射回光接收装置，从而，使得 轴的对中状况得以测量。美国专利US5684578也公开了一种类似的激光测量 系统。另外，还可以在许多其它文献中找到类似的方法。但是，使用这些方 法无法简便地实现对进给系统的不对中程度进行监控。由于需要安装传感 器，并且进给系统的周围存在障碍物(这些障碍物包括：保护盖板和工作台 等)使得这些方法不便于实际使用。

通过研究发现：传统的方法往往通过外部传感器或仪器实施对不对中的 监控，例如：通过振动感应器、激光感应器、温度感应器、以及千分表或其 它特定的仪器。但是，这些方法均需要花费较大的成本，并需要额外的空间 来安装这些仪器，而这些仪器的安装有可能损害机床本身的结构。并且，对 于整个机械传动系统均被保护层屏蔽、并与工作台集成在一起的物理上正交 耦合的供给机械轴来说，对其不对中性进行监控则更加困难。此外，这些外 部监控系统通常都需要技术专家和专用的信号处理方法来完成系统不对中 的监控。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种成本低、效益高、直观、且 使用简便的不对中监控方法，以实现对物理上正交耦合的进给机械轴的不对 中进行监控。