本发明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，所述系统中电主轴包括主轴，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；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。
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。
9.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，根据主轴(2)的转速信号，利用自回归滤波法对加速度信号和切削力信号进行处理，将主轴系统切削工件时的常规事件与主轴碰撞及刀具折断事件进行区分。
10.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，分别利用自回归模型和自回归滑动平均模型对获取的位移信号和控制电流信号进行计算处理。
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
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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，[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 优选的，针对刀具折断事件的应对措施为，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、换刀、继续加工。
[0022] 优选的，根据主轴的转速信号，利用自回归滤波法对加速度信号和切削力信号进行处理，将主轴系统切削工件时的常规事件与主轴碰撞及刀具折断事件进行区分。
[0023] 优选的，分别利用自回归模型和自回归滑动平均模型对获取的位移信号和控制电流信号进行计算处理。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0025] 本发明所述系统能够在线实时地监测数控加工过程中主轴碰撞及刀具折断事件的发生，同时判断时间短，能够及时地做出对应事件的应对措施，还可以有效避免误判现象的发生，并可以通过自主地设置判断阈值，避免漏判的发生。另外，利用混合支撑电主轴，还可以有效地减小加工过程中的周期性振动，提高加工质量。
[0026] 本发明所述方法考虑到在数控机床运行过程中，不论是主轴碰撞亦或是刀具的折断，最为直观的表现是机床主轴振动以及主轴受力的变化，因此通过监测主轴的振动以及轴端受力来判断主轴碰撞以及刀具折断是否发生，保证在足够短的时间内对事件进行预测并作出应对措施。利用电磁轴承中的电涡流位移传感器采集得到的位移信号、电磁轴承控制器输入到定子线圈中的控制电流信号以及编码器的速度信号来获取数控机床在运转过程中主轴系统的状态信息，进一步地针对主轴非旋转和旋转两种情况，制定了不同的监测策略。在主轴旋转情况下，引入由位移信号及控制电流信号近似得到的主轴受到的切削力信号来区分主轴碰撞与刀具折断两个事件，使得数控机床作出不同的应对措施。
[0027] 进一步的，利用自回归模型和自回归平均模型对信号进行处理，缩短了事件的判断时间。根据主轴转速信号，引入自回归滤波，有效地避免了主轴碰撞事件的误判。
附图说明
[0028] 图1为本发明所述系统的结构原理示意图。
[0029] 图2为本发明所述方法的流程图。
[0030] 图3为图1中电磁轴承处的横截面结构示意图。
[0031] 图中：1为刀柄，2为主轴，3为电磁轴承定子，4为电磁轴承转子，5为前轴承组，8为后轴承组，6为内装电机的定子，7为内装电机的转子，9为编码器，10为电涡流位移传感器，11为电磁轴承控制器，12为信号采集及处理装置，13为CNC数控系统。
具体实施方式
[0032] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0033] 如图1所示，本发明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，包括信号采集及处理装置12和安装在电主轴前端的电磁轴承。
[0034] 其中，铣削的电主轴包括主轴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和转子7，以及后轴承组8。优选的，前轴承组5和后轴承组8的轴承类型为角接触球轴承。所述的电磁轴承与前轴承组5和后轴承组8构成对主轴2的一种混合支撑。主轴2上设置有编码器9，还能够包括其他零部件，例如，拉刀机构、主轴壳体等。
[0035] 所述的电磁轴承包括电涡流位移传感器10、电磁轴承控制器11、电磁轴承定子3和电磁轴承转子4，如图3所示，其中定子磁极数为八个。电涡流位移传感器安装在主轴2前端，用于测量主轴2前端的径向位移。电磁轴承转子4过盈配合的套装在主轴2前端；电磁轴承定子3能够固定在主轴壳体上。
[0036] 具体地，电磁轴承安装在主轴2前端，当主轴2受到外界作用力后，电涡流位移传感器10用于测量主轴2前端受到外界作用力如切削力后的径向位移，之后电磁轴承控制器11根据该位移信号输出控制电流信号到电磁轴承定子3的线圈中，产生一个电磁力来抵抗主轴2受到的外界作用力，该电磁力与外界作用力方向相反，两者大小相等。
[0037] 其中，信号采集及处理装置12用于采集电涡流位移传感器10的位移信号、电磁轴承定子3线圈中的控制电流信号以及编码器9的转速信号。同时，对位移信号进行数字滤波及微分处理，将主轴2的振动位移信号转换为加速度信号。
[0038] 具体的，信号采集及处理装置12采集电涡流位移传感器10的位移信号x、电磁轴承定子3线圈中的控制电流信号i、编码器9的转速信号n。对位移信号x进行数字滤波及微分处理，进一步地将主轴2的振动位移信号转换为加速度a。根据位移信号x及控制电流信号i，可计算得到电磁轴承产生的电磁力大小Fb，从而获得主轴所受到的外界切削力Fc。
[0039] 如图2所示，本发明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，包括以下步骤：
[0040] 1)根据信号采集及处理装置获取的主轴编码器转速信号n，判断主轴是否旋转；
[0041] 2)若主轴转速为零，则执行主轴非旋转情况下的监测策略，监测事件的发生并作出应对措施；
[0042] 3)若主轴转速不为零，则执行主轴旋转情况下的监测策略，监测事件的发生并作出应对措施。
[0043] 步骤2)和3)中的应对措施包括针对主轴碰撞事件的应对措施和针对刀具折断事件的应对措施。其中，针对主轴碰撞事件的应对措施为，发出报警信号，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；针对刀具折断事件的应对措施为，发出报警信号，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。
[0044] 其中，所述的主轴非旋转情况下的监测策略为：考虑到在主轴非旋转情况下，主轴不进行切削，此时若发生刀具的折断，则一定是由于主轴碰撞所导致的，即由于主轴上的刀具部分与工件或机床部件发生碰撞进一步导致刀具折断，因此在主轴非旋转情况下，只需要监测主轴是否发生碰撞并及时地作出应对措施即可；另一方面，主轴发生碰撞时，主轴2前端的振动加速度信号会存在阶跃性地突变。综上，通过信号采集及处理装置12实时采集电涡流位移信号并进一步经过计算及处理得到加速度信号，将获得的加速度的幅值与设定的阈值进行比较，若超出阈值，则判断主轴碰撞事件发生；
[0045] 具体的，主轴2非旋转下，只需要监测主轴碰撞这一事件即可。设定主轴碰撞时主轴振动加速度幅值的阈值|a0|，根据信号采集及处理装置12实时地获取主轴2前端的加速度信号a，并将其幅值|a0|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。启动针对主轴碰撞事件的应对措施，之后信号采集及处理装置12发出报警信号，并发送指令信号到CNC数控系统，停止进给轴的运动、机床停机、机床重启并回参考点。主轴碰撞时主轴振动加速度幅值的阈值|a0|需要通过模拟的主轴碰撞实验进行设定，即对主轴进行锤击，同时监测并获取加速度信号a，进一步设定合理的阈值|a0|；
[0046] 其中，所述的主轴旋转情况下的监测策略为：考虑到在主轴发生碰撞以及刀具折断时，主轴前端的加速度信号都会存在一个阶跃性地突变，因此仅仅根据主轴前端的加速度信号难以区分两个事件的发生。考虑到主轴碰撞发生在主轴非切削过程中而刀具折断发生在主轴切削过程中，因此通过监测主轴前端加速度信号发生突变前切削力是否为零即可区分两个事件，并作出相应的应对措施。综上，通过信号采集及处理装置实时采集电涡流位移信号和通入电磁轴承定子线圈中的控制电流信号并进一步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信号，将加速度信号的幅值与设定的阈值进行比较，若超出阈值且在前一时刻切削力为零，则判断主轴碰撞事件发生，若超出阈值且在前一时刻切削力大于零，则判断刀具折断事件发生。
[0047] 具体的，设定主轴碰撞或刀具折断时主轴振动加速度a的阈值|a0|，根据信号采集及处理装置实时地获取主轴前端的加速度a以及主轴前端受到的外界切削力Fc，将实时获取地加速度信号的幅值|a|与设定的阈值|a0|进行比较，若|a|≥|a0|，则判断主轴碰撞或刀具折断事件发生。之后，判断事件发生前主轴所受到的外界切削力Fc是否为零。若Fc为零，则判断为主轴碰撞事件的发生，并作出与上述步骤2)中相同的应对措施。若Fc大于零，则判断为刀具折断事件的发生，启动针对刀具折断事件的应对措施，之后信号采集及处理装置发出报警信号，并发送指令信号到CNC数控系统，停止进给轴的运动、换刀、继续加工。
[0048] 其中，为了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，分别利用自回归模型(AR)和自回归滑动平均模型(ARMA)对获取的位移时域信号和控制电流信号进行分析处理，大大地缩短监测过程中事件判断的时间。
[0049] 特别地，在主轴旋转情况下，刀具相对工件的切入、切出以及切削参数的变化同样会引起主轴前端加速度信号的阶跃性突变，为了避免误判，根据获得的编码器转速信息并利用自回归(AR)滤波法对加速度信号和切削力信号进行处理，对上述事件与主轴碰撞及刀具折断予以区分。
