CN107345857A - 一种电主轴状态监测与故障诊断系统及其监测诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电主轴状态监测与故障诊断系统及其监测诊断方法，属于数控加工技术领域。电主轴状态监测与故障诊断系统包括电主轴装置、信号调理和采集装置、参数设置模块、音频采集装置和视频监测装置、下位机、上位机、客户端，其监测诊断方法包括通过参数设置模块设置电流传感器、电压传感器、振动传感器的故障值范围，信号调理和采集装置中电流传感器、电压传感器分别检测电主轴装置中绕组、定子和转子的电流、电压，振动传感器检测电主轴装置中主轴和电机的转速信号及轴承、转轴、主轴壳体的振动信号等步骤。本发明克服了现有电主轴故障诊断系统诊断方式单一，无法智能诊断等缺点，提升了故障的诊断可靠性和精确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电主轴状态监测与故障诊断系统及其监测诊断方法，属于数控加工技术领域。
背景技术
电主轴是数控机床主轴点击技术和机械技术的基础上诞生的新技术，是高数加工领域的关键技术之一。有余电主轴直接参与材料切削加工，其载荷负载多变，为加工中心的薄弱环节之一，其状态严重影响着数控机床的性能。据统计，电主轴在目前的电机驱动系统中主轴故障接近44.4%，并且主要集中在电主轴的转子、定子和轴承等部位，而部件故障往往最终导致设备损坏的后果。因此，为了维持加工中心的切削加工性能和电主轴的运行精度，进行电主轴状态监测与故障诊断系统的研发具有重要意义。
加工中心电主轴主要有主轴壳体、冷却模块、定子模块、转子模块、轴承、润滑模块、电源模块、打刀缸模块、检测模块等部分。加工中心能否正常运行关键取决于上述设备是否完好，其运行的健康状态可以由定子和转子的电流电压以及轴承的振动情况等工况参数反应出来。电主轴运行有无异常也可根据主轴转动有无异响和是否偏心直接观察得出结论。
电主轴状态监测与故障诊断系统根据传感器所测电流电压以及振动幅度的大小定性评估电主轴运行状态和故障程度。
目前针对电主轴故障诊断技术，国内外已有很多的研究。从上世纪七十年代开始，英国的科学家H.Opttiz就通过对齿轮箱当中齿轮的振动和噪声情况进行分析，研究主轴的振动与主轴故障之间的关系。在国外，C.Brecher等对多种主轴一轴承系统的改进方法做了概述。BarendJ.van.Wyk等将时序特征提取用于主轴系统的滚轴轴承信号。在国内，也开展了大量主轴系统故障技术研究。张英芝等对主轴进行故障树定量分析。谭深证实了小波分析在主轴系统诊断技术领域的可行性和实用性。王志琼对电主轴系统的故障分析，提高了电主轴的使用可靠性。喻祖铭介绍了企业利用振动法技术检测、分析、诊断不同机床故障的方法和经验，并取得了预期效果。张爱华和杨树莲进行了主轴系统故障特征提取的研究，验证了分析和实际结果的一致性。
虽然加工中心电主轴状态检测与故障诊断监测系统在国内外已有应用，但监控参数偏少，多为机械振动参数，未能对加工中心电主轴整体进行监控，缺少综合故障诊断分析。对轴承的故障分析还主要依据振动信号。
传统的加工中心电主轴状态监测系统一方面存在监测方式单一，无法综合监测的缺点，另一方面，传统的电主轴状态监测系统只能监测，但缺乏自动故障诊断系统，无法及时预警，导致加工效率底下，维修时间长等不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电主轴状态监测与故障诊断系统及其监测诊断方法，解决现有技术中存在的监测方式单一、故障时无法及时报警等问题，通过全面监控加工中心电主轴各主要部件的电压、电流和振动情况，实现电主轴故障时报警，并自动诊断故障位置部件，提升维修效率。同时，利用音频和视频技术，能够实现对电主轴运作状态的远程观察。
本发明采用的技术方案是：一种电主轴状态监测与故障诊断系统，包括电主轴装置、信号调理和采集装置1、参数设置模块2、音频采集装置4和视频监测装置5、下位机6、上位机8、客户端，
所述的信号调理和采集装置1、参数设置模块2、音频采集装置4和视频监测装置5安装在电主轴装置上，信号调理和采集装置1与下位机6连接，下位机6与上位机8连接，上位机8与客户端连接，信号调理和采集装置1用于检测并获取电主轴装置的实时信号，参数设置模块2用于设置电主轴装置的故障信号，下位机6包括状态监测模块8和报警提示模块16，状态监测模块8用于接收信号调理和采集装置1获取的电主轴装置的实时信号，并根据参数设置模块2设置电主轴装置的故障信号判断电主轴运行的健康状态，健康时，下位机6将信号调理和采集装置1获取的电主轴装置的实时信号传递给上位机8，不健康时，报警提示模块16自动报警；上位机8包括专家模块9和故障诊断数据库3，故障诊断数据库3用于存储电主轴装置所有的历史故障信息，确定电主轴装置的运行状态和故障部件，专家模块9用于接收下位机6传送的信号调理和采集装置1获取的电主轴装置的实时信号，并根据故障诊断数据库20存储的数据确定电主轴装置的运行状态和故障部件，音频采集装置4和视频监测装置5均通过下位机6与上位机8连接，上位机8将音频采集装置4和视频监测装置5的检测信号传递给客户端。
具体地，所述的信号调理和采集模块包括采集信号传感器15、信号调理器14和数据采集卡17，采集信号传感器15包括电压传感器152、电流传感器151、振动传感器153，电流传感器151与信号调理器14连接，电压传感器152、振动传感器153、信号调理器14均与数据采集卡17连接，数据采集卡17与下位机6连接，信号调理器14用于将电流传感器151检测到的电流信号转变为符合数据采集卡17PCI模拟输入端口要求的电压信号，所述的数据采集卡17包括低频数据采集卡171、高频数据采集卡172，低频采集卡171采集电主轴装置噪声对电主轴固有频率的干扰；高频采集卡172采集电压传感器152、振动传感器153、信号调理器14的检测信号并将振动传感器153的检测信号转化为数字信号，然后将采集到的电压传感器152、信号调理器14、转化为数字信号后的振动传感器153的检测信号同时传送给下位机6。
具体地，所述的电主轴装置包括电主轴12、过盈套21、鼠笼型转子模块22、定子模块23、轴承24、润滑油气入口25、冷却油出口26、电源接口27，振动传感器153安装在电主轴12的轴承24两端，电流传感器151安装在鼠笼型转子模块21和定子模块23上；电压传感器152安装在电源接口27上；音频采集装置4以及所述视频监测装置5分别安装在电主轴12的底部支撑座上。
优选地，所述的电压传感器152为型号为SVD-C19-500P5O9的电压传感器，电流传感器151为型号为SAC-S7-50P2O9的电流传感器，振动传感器153为型号为ULT2124的压电式振动传感器。
优选地，所述的音频采集装置4为麦克风13，视频监测装置5为摄像头11，报警提示模块16为鸣笛报警器。
优选地，所述的下位机6为工控机，上位机8为PC机，下位机6与上位机8通过光纤连接，信号调理和采集装置1与下位机6通过光纤连接。
优选地，所述的专家模块9与报警提示模块16连接。
一种所述的电主轴状态监测与故障诊断系统的监测诊断方法，包括以下步骤，
1）通过参数设置模块2设置电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153的故障值范围，信号调理和采集装置1中电流传感器151、电压传感器152分别检测电主轴装置中绕组、定子和转子的电流、电压，振动传感器153检测电主轴装置中主轴和电机的转速信号及轴承、转轴、主轴壳体的振动信号，电流传感器151检测到的电流信号进入信号调理器14进行处理后传递给数据采集卡17，电压传感器152、振动传感器153检测到的信号直接传递给数据采集卡17，高频采集卡172采集电压传感器152、振动传感器153、信号调理器14的检测信号并将振动传感器153的检测信号转化为数字信号，然后将采集到的电压传感器152、信号调理器14、转化为数字信号后的振动传感器153的检测信号同时传送给下位机6，音频采集装置4、视频监测装置5实时获取电主轴装置运行的音频和视频信息，并通过下位机6发送至上位机8，上位机8实时将所述的音频和视频信息传递给客户端；
2）所述下位机6的状态检测模块8将参数设置模块2预先设定的电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153的故障值范围与电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153检测到的实时数据进行对比分析，若实时检测值在故障值范围内，则启动报警提示模块16进行鸣笛报警；
3）若实时检测值不在故障值范围内，则下位机6通过光纤将数据采集卡17采集到的电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153的实时数据传送至所述上位机8，所述上位机8中的专家模块9将下位机6传递的信息与预装的故障诊断数据库3中的故障数据进行故障分析，如发现下位机6传递的信息与故障诊断数据库3中的故障数据匹配，则可确定电主轴的运行状态和故障部件，同时通过报警提示模块16自动报警。
具体地，所述的专家模块9的故障分析采用神经网络方法，对故障诊断数据库3故障案例进行模糊诊断，在分析电主轴12转动过程中定子和转子的电压电流变化和轴承振动变化的前提下，将电压电流突然大幅增加和轴承振动大幅加剧为故障的主判据，结合自相关分析、频谱分析和时域分析，确定电主轴的运行状态和故障部件。
本发明的有益效果是：
(1) 本发明利用电气系统故障分析和机械振动故障分析，通过全面监控加工中心电主轴各主要部件的电压、电流和振动情况，及时预警加工中心故障的发生以及机器故障时报警提示维修的功能。
(2) 本发明通过对电主轴的定子、转子和轴承等主要部件信号的采集和分析处理，采用神经网络算法和专家诊断模块，实现对电主轴状态的自动监控和报警提示，能够及时预测故障产生的部件。
(3) 本发明实时对比采集信号，一旦发现故障能及时报警，保障了加工中心电主轴的正常运行，提高加工中心的工作效率。
(4) 利用音频和视频技术，实现远程观测加工中心电主轴运行情况的功能，成本低廉且操作简单。
附图说明
图1为本发明的监测模式示意图；
图2为本发明的结构原理示意图；
图3为本发明的振动监测原理示意图；
图4为本发明的信号采集结构示意图。
图中各标号为：1-信号调理和采集装置，2-参数设置模块，3-故障诊断数据库，4-音频采集装置，5-视频监测装置，6-下位机，7-光纤，8-上位机 9-专家模块，10-传输总线，11-摄像头，12-电主轴，13-麦克风，14-信号调理器，15-采集信号传感器，151-电流传感器，152-电压传感器，153-振动传感器，16-报警提示模块，17-数据采集卡，171-低频数据采集卡，172-高频数据采集卡，18-状态监测模块，21-过盈套，22-鼠笼型转子模块， 23-定子模块，24-轴承，25-润滑油气入口， 26-冷却油出口，27-电源接口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明。
实施例1：如图1-4所示，一种电主轴状态监测与故障诊断系统，包括电主轴装置、信号调理和采集装置1、参数设置模块2、音频采集装置4和视频监测装置5、下位机6、上位机8、客户端，
所述的信号调理和采集装置1、参数设置模块2、音频采集装置4和视频监测装置5安装在电主轴装置上，信号调理和采集装置1与下位机6连接，下位机6与上位机8连接，上位机8与客户端连接，信号调理和采集装置1用于检测并获取电主轴装置的实时信号，参数设置模块2用于设置电主轴装置的故障信号，下位机6包括状态监测模块8和报警提示模块16，状态监测模块8用于接收信号调理和采集装置1获取的电主轴装置的实时信号，并根据参数设置模块2设置电主轴装置的故障信号判断电主轴运行的健康状态，健康时，下位机6将信号调理和采集装置1获取的电主轴装置的实时信号传递给上位机8，不健康时，报警提示模块16自动报警；上位机8包括专家模块9和故障诊断数据库3，故障诊断数据库3用于存储电主轴装置所有的历史故障信息，确定电主轴装置的运行状态和故障部件，专家模块9用于接收下位机6传送的信号调理和采集装置1获取的电主轴装置的实时信号，并根据故障诊断数据库20存储的数据确定电主轴装置的运行状态和故障部件，音频采集装置4和视频监测装置5均通过下位机6与上位机8连接，上位机8将音频采集装置4和视频监测装置5的检测信号传递给客户端。
进一步地，所述的信号调理和采集模块包括采集信号传感器15、信号调理器14和数据采集卡17，采集信号传感器15包括电压传感器152、电流传感器151、振动传感器153，电流传感器151与信号调理器14连接，电压传感器152、振动传感器153、信号调理器14均与数据采集卡17连接，数据采集卡17与下位机6连接，信号调理器14用于将电流传感器151检测到的电流信号转变为符合数据采集卡17PCI模拟输入端口要求的电压信号，所述的数据采集卡17包括低频数据采集卡171、高频数据采集卡172，低频采集卡171采集电主轴装置噪声对电主轴固有频率的干扰；高频采集卡172采集电压传感器152、振动传感器153、信号调理器14的检测信号并将振动传感器153的检测信号转化为数字信号，然后将采集到的电压传感器152、信号调理器14、转化为数字信号后的振动传感器153的检测信号同时传送给下位机6。
进一步地，所述的电主轴装置包括电主轴12、过盈套21、鼠笼型转子模块22、定子模块23、轴承24、润滑油气入口25、冷却油出口26、电源接口27，振动传感器153安装在电主轴12的轴承24两端，电流传感器151安装在鼠笼型转子模块21和定子模块23上，本实施例中，振动传感器153为压电式振动传感器，在x轴和y轴方向至少各安装6个，转子模块21和定子模块23上各安装2个电流传感器151；电压传感器152安装在电源接口27上；音频采集装置4以及所述视频监测装置5分别安装在电主轴12的底部支撑座上。
进一步地，所述的电压传感器152为型号为SVD-C19-500P5O9的电压传感器，电流传感器151为型号为SAC-S7-50P2O9的电流传感器，振动传感器153为型号为ULT2124的压电式振动传感器。
进一步地，所述的音频采集装置4为麦克风13，视频监测装置5为摄像头11，报警提示模块16为鸣笛报警器。
进一步地，所述的下位机6为工控机，上位机8为PC机，下位机6与上位机8通过光纤连接，信号调理和采集装置1与下位机6通过光纤连接。
进一步地，所述的专家模块9与报警提示模块16连接。
一种所述的电主轴状态监测与故障诊断系统的监测诊断方法，包括以下步骤，
1）通过参数设置模块2设置电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153的故障值范围，信号调理和采集装置1中电流传感器151、电压传感器152分别检测电主轴装置中绕组、定子和转子的电流、电压，振动传感器153检测电主轴装置中主轴和电机的转速信号及轴承、转轴、主轴壳体的振动信号，电流传感器151检测到的电流信号进入信号调理器14进行处理后传递给数据采集卡17，电压传感器152、振动传感器153检测到的信号直接传递给数据采集卡17，高频采集卡172采集电压传感器152、振动传感器153、信号调理器14的检测信号并将振动传感器153的检测信号转化为数字信号，然后将采集到的电压传感器152、信号调理器14、转化为数字信号后的振动传感器153的检测信号同时传送给下位机6，音频采集装置4、视频监测装置5实时获取电主轴装置运行的音频和视频信息，并通过下位机6发送至上位机8，上位机8实时将所述的音频和视频信息传递给客户端；
2）所述下位机6的状态检测模块8将参数设置模块2预先设定的电主轴故障信息（即电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153的故障值范围）与电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153检测到的实时数据进行对比分析，若实时检测值在故障值范围内，则启动报警提示模块16进行鸣笛报警；
3）若实时检测值不在故障值范围内，则下位机6通过光纤将数据采集卡17采集到的电流传感器151、电压传感器152、振动传感器153的实时数据传送至所述上位机8，所述上位机8中的专家模块9将下位机6传递的信息与预装的故障诊断数据库3中的故障数据进行故障分析，如发现下位机6传递的信息与故障诊断数据库3中的故障数据匹配，则可确定电主轴的运行状态和故障部件，同时通过报警提示模块16自动报警。
进一步地，所述的专家模块9的故障分析采用神经网络方法，对故障诊断数据库3故障案例进行模糊诊断，在分析电主轴12转动过程中定子和转子的电压电流变化和轴承振动变化的前提下，将电压电流突然大幅增加和轴承振动大幅加剧为故障的主判据，结合自相关分析、频谱分析和时域分析，确定电主轴的运行状态和故障部件。
本加工中心电主轴状态检测与故障诊断系统可单独针对单台加工中心进行监测，也可对多台加工中心进行监测。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种电主轴状态监测与故障诊断系统，其特征在于:包括电主轴装置、信号调理和采集装置（1）、参数设置模块（2）、音频采集装置（4）和视频监测装置（5）、下位机（6）、上位机（8）、客户端，
所述的信号调理和采集装置（1）、参数设置模块（2）、音频采集装置（4）和视频监测装置（5）安装在电主轴装置上，信号调理和采集装置（1）与下位机（6）连接，下位机（6）与上位机（8）连接，上位机（8）与客户端连接，信号调理和采集装置（1）用于检测并获取电主轴装置的实时信号，参数设置模块（2）用于设置电主轴装置的故障信号，下位机（6）包括状态监测模块（8）和报警提示模块（16），状态监测模块（8）用于接收信号调理和采集装置（1）获取的电主轴装置的实时信号，并根据参数设置模块（2）设置电主轴装置的故障信号判断电主轴运行的健康状态，健康时，下位机（6）将信号调理和采集装置（1）获取的电主轴装置的实时信号传递给上位机（8），不健康时，报警提示模块（16）自动报警；上位机（8）包括专家模块（9）和故障诊断数据库（3），故障诊断数据库（3）用于存储电主轴装置所有的历史故障信息，确定电主轴装置的运行状态和故障部件，专家模块（9）用于接收下位机（6）传送的信号调理和采集装置（1）获取的电主轴装置的实时信号，并根据故障诊断数据库（20）存储的数据确定电主轴装置的运行状态和故障部件，音频采集装置（4）和视频监测装置（5）均通过下位机（6）与上位机（8）连接，上位机（8）将音频采集装置（4）和视频监测装置（5）的检测信号传递给客户端。
2.根据权利要求1所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的信号调理和采集模块包括采集信号传感器（15）、信号调理器（14）和数据采集卡（17），采集信号传感器（15）包括电压传感器（152）、电流传感器（151）、振动传感器（153），电流传感器（151）与信号调理器（14）连接，电压传感器（152）、振动传感器（153）、信号调理器（14）均与数据采集卡（17）连接，数据采集卡（17）与下位机（6）连接，信号调理器（14）用于将电流传感器（151）检测到的电流信号转变为符合数据采集卡（17）PCI模拟输入端口要求的电压信号，所述的数据采集卡（17）包括低频数据采集卡（171）、高频数据采集卡（172），低频采集卡（171）采集电主轴装置噪声对电主轴固有频率的干扰；高频采集卡（172）采集电压传感器（152）、振动传感器（153）、信号调理器（14）的检测信号并将振动传感器（153）的检测信号转化为数字信号，然后将采集到的电压传感器（152）、信号调理器（14）、转化为数字信号后的振动传感器（153）的检测信号同时传送给下位机（6）。
3.根据权利要求2所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的电主轴装置包括电主轴（12）、过盈套（21）、鼠笼型转子模块（22）、定子模块（23）、轴承（24）、润滑油气入口（25）、冷却油出口（26）、电源接口（27），振动传感器（153）安装在电主轴（12）的轴承（24）两端，电流传感器（151）安装在鼠笼型转子模块（21）和定子模块（23）上；电压传感器（152）安装在电源接口（27）上；音频采集装置（4）以及所述视频监测装置（5）分别安装在电主轴（12）的底部支撑座上。
4.根据权利要求2或3所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的电压传感器（152）为型号为SVD-C19-500P5O9的电压传感器，电流传感器（151）为型号为SAC-S7-50P2O9的电流传感器，振动传感器（153）为型号为ULT2124的压电式振动传感器。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的音频采集装置（4）为麦克风（13），视频监测装置（5）为摄像头（11），报警提示模块（16）为鸣笛报警器。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的下位机（6）为工控机，上位机（8）为PC机，下位机（6）与上位机（8）通过光纤连接，信号调理和采集装置（1）与下位机（6）通过光纤连接。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的专家模块（9）与报警提示模块（16）连接。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统的监测诊断方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）通过参数设置模块（2）设置电流传感器（151）、电压传感器（152）、振动传感器（153）的故障值范围，信号调理和采集装置（1）中电流传感器（151）、电压传感器（152）分别检测电主轴装置中绕组、定子和转子的电流、电压，振动传感器（153）检测电主轴装置中主轴和电机的转速信号及轴承、转轴、主轴壳体的振动信号，电流传感器（151）检测到的电流信号进入信号调理器（14）进行处理后传递给数据采集卡（17），电压传感器（152）、振动传感器（153）检测到的信号直接传递给数据采集卡（17），高频采集卡（172）采集电压传感器（152）、振动传感器（153）、信号调理器（14）的检测信号并将振动传感器（153）的检测信号转化为数字信号，然后将采集到的电压传感器（152）、信号调理器（14）、转化为数字信号后的振动传感器（153）的检测信号同时传送给下位机（6），音频采集装置（4）、视频监测装置（5）实时获取电主轴装置运行的音频和视频信息，并通过下位机（6）发送至上位机（8），上位机（8）实时将所述的音频和视频信息传递给客户端；
2）所述下位机（6）的状态检测模块（8）将参数设置模块（2）预先设定的电流传感器（151）、电压传感器（152）、振动传感器（153）的故障值范围与电流传感器（151）、电压传感器（152）、振动传感器（153）检测到的实时数据进行对比分析，若实时检测值在故障值范围内，则启动报警提示模块（16）进行鸣笛报警；
3）若实时检测值不在故障值范围内，则下位机（6）通过光纤将数据采集卡（17）采集到的电流传感器（151）、电压传感器（152）、振动传感器（153）的实时数据传送至所述上位机（8），所述上位机（8）中的专家模块（9）将下位机（6）传递的信息与预装的故障诊断数据库（3）中的故障数据进行故障分析，如发现下位机（6）传递的信息与故障诊断数据库（3）中的故障数据匹配，则可确定电主轴的运行状态和故障部件，同时通过报警提示模块（16）自动报警。
9.根据权利要求8所述的一种电主轴状态监测与故障诊断系统的监测诊断方法，其特征在于：所述的专家模块（9）的故障分析采用神经网络方法，对故障诊断数据库（3）故障案例进行模糊诊断，在分析电主轴（12）转动过程中定子和转子的电压电流变化和轴承振动变化的前提下，将电压电流突然大幅增加和轴承振动大幅加剧为故障的主判据，结合自相关分析、频谱分析和时域分析，确定电主轴的运行状态和故障部件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171114 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |