[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

说明书

技术领域

本发明属于高端智能化机床领域，涉及加工过程的智能监测领域，具体为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。

背景技术

在数控机床加工过程中，CNC加工程序出现错误、刀具选择错误、人工误操作等意外可能会导致机床主轴与工件甚至机床部件发生碰撞，碰撞的发生会严重地损害工件甚至机床主轴和其他部件。另一方面，在利用细长型的加工刀具进行加工时，由于工件材料材质的不均匀等可能会导致刀具发生折断，进而严重影响加工过程的顺利进行。因此有必要在线实时地对上述两种现象进行监测，并在短时间内做出反应，避免损害的进一步发展。

目前针对主轴碰撞以及刀具折断的在线监测方法有以下几种：通过监测机床进给轴驱动电机的电流来实时监测碰撞是否发生；在机床主轴上设计专门的测力元件，通过实时地监测力的大小来监测碰撞和刀具折断等现象的发生等。

对于主轴碰撞以及刀具折断的监测，需要解决的核心问题包括：在尽可能短的时间内根据监测信号判断主轴碰撞或刀具折断事件的发生，进而向CNC发送指令，做出相应的应对措施，如进给轴停止、机床紧急停机等；避免事件的误判，尤其是漏判，即如何设计监测策略。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供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，具有较强通用性，采用新的监测策略，减少主轴碰撞和刀具折断等事件的判断时间，避免事件的误判和漏判。

本发明是通过以下技术方案来实现：

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，安装在主轴上的带有刀具的刀柄、前轴承组、内装电机的定子和内装电机的转子，以及后轴承组；还包括电磁轴承和信号采集及处理装置；电磁轴承与前轴承组和后轴承组构成对主轴的混合支撑；所述的电磁轴承包括过盈配合的套装在主轴前端的电磁轴承转子，以及依次连接的电涡流位移传感器、电磁轴承控制器和电磁轴承定子；电涡流位移传感器安装在主轴前端，用于测量主轴前端的径向位移；信号采集及处理装置的输入端分别连接电涡流位移传感器、电磁轴承控制器和设置在主轴上的编码器的输出端；信号采集及处理装置的输出端连接CNC数控系统的输入端。

优选的，电磁轴承定子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。

进一步，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。

优选的，共设置有两个电涡流位移传感器；两个电涡流位移传感器垂直分布，且与电磁轴承定子中产生的水平和垂直电磁力的方向一致。

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，包括如下步骤，

步骤1，根据信号采集及处理装置获取的编码器采集的主轴的转速信号，判断主轴是否旋转；

步骤2，若主轴转速为零，即为不旋转状态，则执行主轴非旋转情况下的监测策略；

通过信号采集及处理装置实时获取电涡流位移传感器采集的位移信号，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数控系统和信号采集处理装置做出针对主轴碰撞事件的应对措施；

步骤3，若主轴转速不为零，即为旋转状态，则执行主轴旋转情况下的监测策略；

通过信号采集及处理装置实时获取电涡流位移传感器采集的位移信号，以及电磁轴承控制器通入电磁轴承定子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数控系统和信号采集处理装置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。

优选的，步骤3中，所述的主轴前端受到的切削力等于电磁轴承产生的电磁力。

优选的，针对主轴碰撞事件的应对措施为，信号采集处理装置发出报警信号，并向CNC数控系统下达控制指令，停止进给轴的运动、机床停机、机床重启并回参考点。