[发明专利]一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测系统和方法

权利要求书

1.一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测系统，所述电主轴包括主轴(2)，安装在主轴(2)上的带有刀具的刀柄(1)、前轴承组(5)、内装电机的定子(6)和内装电机的转子(7)，以及后轴承组(8)；其特征在于，还包括电磁轴承和信号采集及处理装置(12)；电磁轴承与前轴承组(5)和后轴承组(8)构成对主轴(2)的混合支撑；

所述的电磁轴承包括过盈配合的套装在主轴(2)前端的电磁轴承转子(4)，以及依次连接的电涡流位移传感器(10)、电磁轴承控制器(11)和电磁轴承定子(3)；电涡流位移传感器(10)安装在主轴(2)前端，用于测量主轴(2)前端的径向位移；

信号采集及处理装置(12)的输入端分别连接电涡流位移传感器(10)、电磁轴承控制器(11)和设置在主轴(2)上的编码器(9)的输出端；信号采集及处理装置(12)的输出端连接CNC数控系统(13)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测系统，其特征在于，电磁轴承定子(3)包括由硅钢片叠加而成的定子铁心及绕制在定子铁心上的铜线圈。

3.根据权利要求2所述的一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测系统，其特征在于，所述的铜线圈缠绕在定子铁心上形成磁极，每相邻两个磁极上的铜线圈串联，且绕向相反，形成一个磁极对；电磁轴承定子(3)上均匀分布八个磁极，形成四个磁极对，用于产生X、Y方向的力。

4.根据权利要求1所述的一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测系统，其特征在于，共设置有两个电涡流位移传感器(10)；两个电涡流位移传感器(10)垂直分布，且与电磁轴承定子(3)中产生的水平和垂直电磁力的方向一致。

5.一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，根据信号采集及处理装置(12)获取的编码器(9)采集的主轴(2)的转速信号，判断主轴(2)是否旋转；

步骤2，若主轴(2)转速为零，即为不旋转状态，则执行主轴(2)非旋转情况下的监测策略；

通过信号采集及处理装置(12)实时获取电涡流位移传感器(10)采集的位移信号，并经过计算及处理得到加速度信号，将实时得到的加速度信号的幅值|a|与设定的阈值|a₀|进行比较，若|a|≥|a₀|，则判断主轴碰撞事件发生；

当监测到主轴碰撞事件发生时，通过CNC数控系统(13)和信号采集处理装置(12)做出针对主轴碰撞事件的应对措施；

步骤3，若主轴(2)转速不为零，即为旋转状态，则执行主轴(2)旋转情况下的监测策略；

通过信号采集及处理装置(12)实时获取电涡流位移传感器(10)采集的位移信号，以及电磁轴承控制器(11)通入电磁轴承定子(3)线圈中的控制电流信号；并经过计算及处理得到加速度信号以及主轴(2)前端受到的切削力，将加速度信号的幅值|a|与设定的阈值|a₀|进行比较，若|a|≥|a₀|且在前一时刻切削力为零，则判断主轴碰撞事件发生，若|a|≥|a₀|且在前一时刻切削力大于零，则判断刀具折断事件发生；

当监测主轴碰撞事件或刀具折断事件发生时，通过CNC数控系统(13)和信号采集处理装置(12)做出针对主轴碰撞事件的应对措施或针对刀具折断事件的应对措施。

6.根据权利要求5所述的一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测方法，其特征在于，步骤3中，所述的主轴(2)前端受到的切削力等于电磁轴承产生的电磁力。

7.根据权利要求5所述的一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测方法，其特征在于，针对主轴碰撞事件的应对措施为，信号采集处理装置(12)发出报警信号，并向CNC数控系统(13)下达控制指令，停止进给轴的运动、机床停机、机床重启并回参考点。

8.根据权利要求5所述的一种基于混合支撑电主轴的在线主轴碰撞及刀具折断监测方法，其特征在于，针对刀具折断事件的应对措施为，信号采集处理装置(12)发出报警信号，并向CNC数控系统(13)下达控制指令，停止进给轴的运动、换刀、继续加工。