一种基于互联网的机床主轴智能在线监测及综合诊断系统的制作方法

本发明属于工业现场机床主轴测控技术领域，涉及一种基于互联网的机床主轴智能在线监测及综合诊断系统。

背景技术：

随着我国工业水准的逐步提高，对工业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为现代工业发展的基本诉求。那么，提高工业加工效率和精度的必经之路就是要提高工业自动化程度和智能化程度。数控机床是工业加工的最重要装备之一，而机床主轴又是数控机床的核心功能部件，因此，电主轴的自动化程度和智能化程度将直接关系到工业加工制造的智能化水平。但是，长期以来我国的工业现场加工人员并没有经受过专业的数据管理、测试技术等先进工业生产知识的培训，这就造成了工业实际生产中以经验为主要测评手段，导致加工精度和加工效率无法保证，对主轴运行故障无法形成早期判断，严重时甚至会导致机床运行出现重大故障，严重威胁工人的生命安全和工厂的经济效益。由此可见，提高工业自动化和智能化具有重要的意义。

由于现场工人并不具备早期故障检测和诊断的能力，一般机械出现故障已经是严重的损坏性故障，此时的维修需要长时间停机进行，不但严重影响加工的自动化程度，而且造成不必要的经济损失，由此可见自动化的在线监测和故障诊断对提高工业自动化和创造经济效益具有实际意义。

由于工业现场环境较为复杂，各种干扰混杂在一起，这就为现场准确、有效的测试和数据传输带来了困难。现代工业的控制方式多样化，更多的采用多种控制方法联合使用的方式来支持整个机器的运转，尤其是受到输入输出设备、变频装置、多种多个传感器等配套技术的限制，使得控制方式更加复杂，这就给设备之间的信号传输和管理造成了很大的困难。传统的传输方式不但无法满足综合测试系统的多任务传输的要求，而且实时性很差，影响自动化程度的提高，由此可见采用工业以太网等互联网传输技术和现场总线技术显得非常有必要。

主轴振动是反应主轴工作状态的一个重要因素，主轴振动过大不但严重影响机床的加工精度和加工效率，严重时甚至会导致其功能部件的严重损坏；主轴关键部位的温升反应了主轴所处的工作状态以及润滑与冷却的效果；刀具的磨损会对加工过程产生重要影响，过早地换刀会降低加工效率、影响经济效益，过迟地换刀会使加工质量恶化、产生废品；而刀具的破损会造成加工过程中断，并可能引发生产事故，因此对主轴振动、主轴关键部位的温度、刀具状态的监控就显得意义重大。

传统工业加工采用的机器设备的定期检修和损坏维修都存在比较明显的弊端，且无法实时的调整加工过程中出现的偏差，容易造成加工误差的叠加，无法保证加工精度。另外，通常出现疑难故障，一般技术人员和手段无法解决，便利的传输诊断平台，从而专家会诊周期较长，造成不必要的经济损失。综上所述非常有必要提出一种以工业以太网和互联网为传输技术的机床主轴智能在线监测和综合诊断系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于互联网的机床主轴智能在线监测及综合诊断系统，该系统能够实现提高加工精度及加工效率，不仅能够远程、实时发现机械加工过程中的故障，而且可以综合信息提前预知潜在故障，工业现场的自动化程度及智能化程度较高。

为达到上述目的，本发明所述的基于互联网的机床主轴智能在线监测及综合诊断系统包括振动综合测评系统、温度综合测评系统、数据采集卡、刀具工作状态综合测评系统、机器现场工作状态监控系统及远程故障诊断系统；

所述振动综合测评系统包括用于检测主轴振动位移信息的位移传感器、用于检测主轴加速度信息的加速度传感器、用于检测主轴振动相位信息的磁栅编码器，位移传感器的输出端通过第一信号调理电路与数据采集卡相连接，加速度传感器的输出端通过第二信号调理电路与数据采集卡相连接，磁栅编码器的输出端与数据采集卡相连接；

温度综合测评系统包括若干用于检测主轴的待测位置温度的温度传感器及第三信号调理电路，各温度传感器的输出端均通过第三信号调理电路与数据采集卡相连接，温度传感器内置于主轴内；

刀具工作状态综合测评系统包括用于检测刀具拉杆位置的拉杆位置传感器、用于测试刀具磨损状态的声发射传感器、以及用于完成自动对刀的对刀装置，拉杆位置传感器的输出端及声发射传感器的输出端通过第四信号调理电路与数据采集卡相连接；

数据采集卡与机器现场工作状态监控系统通过以太网相连接，机器 现场工作状态监控系统与远程故障诊断系统通过互联网相连接。

机器现场工作状态监控系统包括现场服务器及主轴工作状态监控系统，现场服务器与远程故障诊断系统、数据采集卡及主轴工作状态监控系统相连接。

远程故障诊断系统包括远程服务器及专家会诊系统，远程服务器与专家会诊系统相连接，远程服务器通过互联网与现场服务器相连接。

加速度传感器为压电式加速度传感器。

位移传感器通过传感器支架固定于主轴的前后两端。

数据采集卡通过以太网与机器现场工作状态监控系统相连接。

温度传感器为PT100温度传感器。

对刀装置为激光对刀仪。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于互联网的机床主轴智能在线监测及综合诊断系统包括振动综合测评系统、温度综合测评系统、数据采集卡、刀具工作状态综合测评系统、机器现场工作状态监控系统及远程故障诊断系统，通过振动综合测评系统获取主轴的振动相位信息、加速度信息及振动位移信息，然后将主轴的振动相位信息、加速度信息及振动位移信息经第一信号调理电路转发至机器现场工作状态监控系统中，机器现场工作状态监控系统根据主轴的振动相位信息、加速度信息及振动位移信息获取机床主轴运转时的振动数据，并根据主轴运转时的振动数据判断主轴是否出现故障；温度综合测评系统获取主轴待测位置的温度信息，并将所述温度信息经第二信号调理电路转发至机器现场工作状态监控系统，由于 温度综合测评系统中的温度传感器内置于主轴内，从而实现对主轴待测位置的温度的直接测量，同时使测量的温度值更贴近于转子的实际温度；所述刀具工作状态综合测评系统检测刀具拉杆的位置以及刀具磨损状态，通过检测刀具拉杆的位置保证换刀过程准确无误，提高加工的效率。同时通过获取刀具的磨损状态判断刀具的使用状态，从而提高加工精度；数据采集卡与机器现场工作状态监控系统通过以太网相连接，机器现场工作状态监控系统与远程故障诊断系统通过互联网相连接，在工作时，机器现场工作状态监控系统将采集到的振动数据、温度信息、刀具拉杆的位置信息、刀具磨损状态以及判断的结果转发至远程故障诊断系统，通过远程故障诊断系统根据获取的信息对判断的结果进行核实，实现机床主轴的远程在线监测及综合诊断。

进一步，远程服务器与专家会诊系统相连接，远程服务器通过物联网与现场服务器相连接，可以远程通过专家会诊系统对主轴运行问题进行监测及诊断，也可以时远程服务器中的数据库与现场服务器中的数据库相互补充，然后再由现场人员对故障进行处理，从而极大的缩短故障处理的周期。

附图说明

图1为本发明的原理图。

其中，1为位移传感器、2为加速度传感器、3为温度传感器、4为磁栅编码器、5为声发射传感器、6为拉杆位置传感器、7为第四信号调理电路、8为刀具工作状态综合测评系统、9为温度综合测评系统、10为振动综合测评系统、11为机器现场工作状态监控系统、12为远程故障 诊断系统、13为专家会诊系统、14为第三信号调理电路、15为第一信号调理电路、16为第二信号调理电路、17为数据采集卡、18为以太网、19为现场服务器、20为主轴工作状态监控系统、21为互联网。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于互联网的机床主轴智能在线监测及综合诊断系统包括振动综合测评系统10、温度综合测评系统9、数据采集卡17、刀具工作状态综合测评系统8、机器现场工作状态监控系统11及远程故障诊断系统；所述振动综合测评系统10包括用于检测主轴的振动位移信息的位移传感器1、用于检测主轴的加速度信息的加速度传感器2、用于检测主轴的振动相位信息的磁栅编码器4，位移传感器1的输出端通过第一信号调理电路15与数据采集卡17相连接，加速度传感器2的输出端通过第二信号调理电路16与数据采集卡17相连接，磁栅编码器4的输出端与数据采集卡17相连接；温度综合测评系统9包括若干用于检测主轴的待测位置温度的温度传感器3及第三信号调理电路14，各温度传感器3的输出端均通过第三信号调理电路14与数据采集卡17相连接，温度传感器3内置于主轴内；刀具工作状态综合测评系统8包括用于检测刀具拉杆位置的拉杆位置传感器6、用于测试刀具磨损状态的声发射传感器5、以及用于完成自动对刀的对刀装置，拉杆位置传感器6的输出端及声发射传感器5的输出端通过第四信号调理电路7与数据采集卡17相连接；数据采集卡17与机器现场工作状态监控系统11通过以太网18相连接，机器现场工作状态监控系统11与远程故障诊断 系统通过互联网22相连接。

需要说明的是，所述机器现场工作状态监控系统11包括现场服务器19及主轴工作状态监控系统20，现场服务器19与远程故障诊断系统、数据采集卡17及主轴工作状态监控系统20相连接；远程故障诊断系统包括远程服务器12及专家会诊系统13，远程服务器12与专家会诊系统13相连接，远程服务器12通过互联网22与现场服务器19相连接。

加速度传感器2为压电式加速度传感器；位移传感器1通过传感器支架固定于主轴的前后两端；数据采集卡17通过以太网18与机器现场工作状态监控系统11相连接；温度传感器3为PT100温度传感器；对刀装置为激光对刀仪。

位移传感器1检测主轴的振动位移信息，并将所述振动位移信息经第一信号调理电路15放大后再经数据采集卡17进入到现场服务器19中；加速度传感器2检测主轴的加速度信息，并将所述加速度信息经第二信号调理电路16放大后再经数据采集卡17进入到现场服务器19中，磁栅编码器4检测主轴的振动相位信息，并将所述振动相位信息经数据采集卡17进入到现场服务器19中，主轴工作状态监控系统20通过科学算法对加速度、位移以及相位信息进行融合，得到比较真实的信号频谱和振动幅值，然后与预设阈值进行对比，超过预设阈值，则会自动发出报警提醒处理，并且根据振动信息和相位信息计算出振动过大的相位，然后根据振动过大的相位对转子进行平衡，当振动过大的相位与正常振动值之间的差值大于预设范围时，则自动停止主轴的运转；同时将所述信号频谱和振动幅值转发至远程服务器12中，专家会诊系统13中的专 家根据所述信号频谱和振动幅值判断当前主轴的故障类型，然后所述故障类型转发至现场服务器19中。

温度传感器3检测主轴内部的温度信息，所述主轴内部的温度信息经第二信号调理电路16放大后经数据采集卡17转发至现场服务器19中，主轴工作状态监控系统20根据所述主轴内部的温度信息判断主轴温度是否过高，当主轴的温度过高时，则先通过调节油气润滑和水冷却系统来调节主轴的温度，当主轴的温度依然很高时，则发出故障警报。

BLUM激光对刀仪完成数控机床在换刀时主轴自动换刀时的对刀；通过声发射传感器5来监测刀具磨损状态信息经第四信号调理电路7放大后进入到现场服务器19中，主轴工作状态监控系统20根据所述刀具磨损状态信息判断刀具的磨损情况，当刀具磨损严重时，则发出警报；同时将当前刀具磨损状态信息转发至远程服务器12中，专家会诊系统13中的专家根据所述当前刀具磨损状态信息判断当前主轴的故障类型，然后所述故障类型转发至现场服务器19中。