CN115598371A - 一种电主轴转速监测系统 - Google Patents

Abstract

提供一种电主轴转速监测系统，属于机械加工领域。所述电主轴转速监测系统包括：电主轴、主轴配套数控系统、信号预处理电路板、采集模块和上位机；电主轴、主轴配套数控系统和信号预处理电路板通讯连接，信号预处理电路板与采集模块电连接，采集模块和上位机通讯连接。本发明采用编码器三通线和高分辨率的采集系统，将电主轴的编码器的信号引出一路至编码器信号预处理模块的采集系统进行采集，通过上位机进行信号处理实现主轴切削状态的在较小时间尺度下的转速在线实时监测，通过转速实时监测找到稳定的转速以加工，进而提高机床加工精度和批量工件的一致性。

Description

一种电主轴转速监测系统

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种电主轴转速监测系统。

背景技术

电主轴在实际加工运转中，转速的波动对于加工工件的质量和加工效率会产生较大的影响，在高精度加工过程中，电主轴的转速波动或者偏离，会使得零件表面产生凹凸不平或者圆面不对称或者孔的尺寸偏离设计参数，现状中对转速测量中存在一些偏差或者误差，转速的测量偏差或者误差使得机床或者数控的控制策略也产生误差，从而进一步地影响加工精度，因而存在准确测量电主轴转速并控制的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种电主轴转速监测系统，解决提高电主轴在较小时间尺度下的转速监测与控制问题。

一种电主轴转速监测系统，其特征在于，包括：电主轴、主轴配套数控系统、编码器三通线缆、信号预处理电路板、采集模块和上位机；

电主轴、主轴配套数控系统和信号预处理电路板通讯连接，信号预处理电路板与采集模块电连接，采集模块和上位机通讯连接。

可选地，通过主轴配套数控系统的数控加工参数面板控制电主轴以预设的转速旋转。

可选地，电主轴、主轴配套数控系统和信号预处理电路板通过编码器三通线缆通讯连接，编码器三通线缆将电主轴的编码器信号反馈至主轴配套数控系统的同时将转速信号传送到信号预处理电路板。

可选地，主轴配套数控系统根据编码器的反馈信号对电主轴转速进行控制和调节。

可选地，电主轴的编码器在旋转时输出正余弦信号，所述正余弦信号通过编码器三通线缆依次输入信号预处理电路板的滤波防护电路、差动放大器和过零比较器，生成0-5V的方波信号。

可选地，所述方波信号接入采集模块中对转换的方波信号进行采样，采样的信号数据接入上位机中。

可选地，采集模块采样率大于等于(N*n)/20-(N*n)/12，测量最高转速为n r/min，电主轴编码器齿数为N。

可选地，采集模块的采样数为每秒采k个点，N1和N2为相邻两个方波上升沿的采样点数计数值，N1为前一个方波对应的采样点数计数值，N2为后一个方波对应的采样点数计数值；在相邻两个方波上升沿小时间尺度下的精确测量计算的转速为：k*60/((N2-N1)*N)。

可选地，上位机在小时间尺度下的精确测量计算的转速反馈至主轴配套数控系统，形成电主轴的闭环反馈控制。

可选地，所述电主轴为伺服电机。

有益的技术效果：

能够实现电主轴在较小时间尺度下的转速监测，实现电主轴外接转速监控系统的设计，通过分析电主轴的转速特性与加工精度的关系及电主轴异常情形的分析，并及时发现并定位故障，提高加工精度和加工效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了测周法测量转速原理框图。

图2示出了测频法和测周法误差产生示意图。

图3本发明实施例电主轴转速监测系统结构图。

图4本发明实施例电主轴转速监测系统原理图。

图5本发明实施例数据处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

实施例一

如图1，测频法和测周法常用于测量转速，测频法用待测脉冲去填充标准时间，计数器累计一个标准时钟脉冲信号同期内的待测脉冲数，从而求得待测转速；测周法以标准时钟脉冲填充待测脉冲，计数器累计一个待测脉冲信号周期Ta内的标准时钟脉冲数Na，从而求得待测转速n1。测周法测量转速原理如下：经过放大整形后的晶振脉冲信号被传输到主门的输入端，使从转速传感器输出的待测脉冲信号进入控制门，设第一个待测脉冲信号进入控制门时，使门内的双稳态触发器翻转，从而使主门开启，允许晶振脉冲通过，当第二待测脉冲进入控制门时，使门内的双稳态触发器再次翻转，使主门关闭，不允许晶振脉冲通过，两个待测脉冲信号之间的间隔，即为待测脉冲信号周期Ta，计数器累计在Ta内的晶振脉冲数Na，待测转速n1为n1＝60/(n2*Ta)，n2为被测轴转一周产生的脉冲个数。

如图2，测频法和测周法测量转速的误差由三部门组成，即转速传感器的误差、晶体振荡器的频率稳定度误差和由于被测脉冲信号的相位与控制门输出信号的起始时刻不同步而造成的采样误差。转速传感器在正常工作状态下的误差很小，可以不考虑。如果因电源波动、光敏元件老化、光源不足、间隙不当或者测量转速过低等原因造成，均不作为正常测量误差，而由于晶体振荡频率不稳定造成的误差数量级很小所以也可以忽略不计。因此造成测量误差的主要原因是由于控制门输出的时基信号t1的起始时刻t0落到被测脉冲波上相位的随机性所引起，如图2，同样在t1时间内，进入的脉冲数可能多一个，也可能少一个，所以这种误差叫做±1个数字误差。

测频法的误差表示为：

测周法的误差表示为：

Tz表示闸门时间，Tx表示被测周期，fx表示被测频率，f表示时钟频率，Δf_x表示fx绝对误差，ΔT_x表示Tx绝对误差。

式中Nx为在t1时间内进入计数器的脉冲数。

±1个脉冲所引起的频率误差为Δf_x＝1/t1；

相对误差为δ＝Δf_x/f_x＝1/(f_xt1)，

由于

n1为转速，Z1为旋转圆盘上的光栅数或齿数。

相对误差为

(1)式表明，转速测量相对误差受n1、Z1和t1的综合影响，并且由图2所示，由于控制门输出的时基信号t1的起始时刻t0落到被测脉冲波上相位的随机性所引起进入的脉冲数可能多一个也可能少一个，这种±1个数字误差使得在零件精加工时对转速的测量造成偏差从而影响控制精度；另外，由于传统测量都是在时基信号t1内测量脉冲个数，对高转速在较小时间尺度下的波动缺乏跟踪监测能力，不能真实反映高转速的波动。

参见图3-5，电主轴1，主轴配套数控系统2，编码器三通线缆3，信号预处理电路板4，高分辨率的采集模块5，上位机6。

电主轴的编码器能输出正余弦信号。

信号预处理电路板4具有滤波防护电路、差动放大器和过零比较器。

高分辨率的采集模块5要求能采集0-10V电压信号，记测量最高转速为nr/min，电主轴编码器齿数为N，采集模块采样率大于等于3*(N*n)/60-5*(N*n)/60以满足高精度的数据采集，3*(N*n)/60-5*(N*n)/60即为(N*n)/20-(N*n)/12的范围。

电主轴1、主轴配套数控系统2和信号预处理电路板4通过编码器三通线缆3相连接，通过主轴配套数控系统2的数控加工参数面板控制电主轴1以一定的转速旋转。一方面，编码器三通线缆3能够将电主轴1的编码器信号反馈至主轴配套数控系统2，以便于主轴配套数控系统2根据编码器的反馈信号对电主轴进行转速控制和调节；另一方面，编码器三通线缆3并联出转速信息信号传送到信号预处理电路板4，电主轴1的编码器在旋转时输出正余弦信号，正余弦信号通过编码器三通线缆3输入信号预处理电路板4的滤波防护电路，为了防止后续放大电路等对从电主轴1传送至主轴配套数控系统2的信号产生影响，经过信号预处理电路板4的滤波防护电路后，输出信号预处理电路板4的差动放大器，将正余弦信号放大，再输出信号预处理电路板4的过零比较器，生成0-5V的方波信号，方波信号的一个周期即为正弦信号的一个周期；然后将方波信号接入高分辨率的采集模块5中对转换的方波信号进行采样，采样的信号数据接入上位机6中，对采样的方波信号进行软件滤波及转速计算，从而实现电主轴1在旋转过程中的转速精确监测，由于电主轴1在旋转时其编码器信号反馈的正弦波信号传入信号预处理电路板4、高分辨率的采集模块5和上位机6中转换为方波信号，方波信号的相邻上升沿之间的时间间隔较小，此时间间隔与编码器的齿数和转速相关，可用于计算转速，从而能够实现电主轴1在较小尺度下的转速精确监测；编码器的齿数为N，转速监测系统实现计算一次转速的时间为电主轴旋转一周时间的1/N，根据方波信号相邻上升沿的时间间隔计算转速，记方波信号相邻上升沿的时间间隔为t s，采集模块的采样数为k点(每秒采k个点)，则转速为60/(t*N)r/min，其中t可根据采样数来计算为(N2-N1)/k s，N1和N2为相邻两个方波上升沿的采样点数计数值，N1为前一个方波对应的采样点数计数值，N2为后一个方波对应的采样点数计数值；

因此在小时间尺度下的精确测量计算的转速为：

k*60/((N2-N1)*N)r/min， (2)

上述(2)式通过采用相邻两个方波上升沿的采样点数计数值N1和N2计算转速，第一方面消除了±1个脉冲数字误差的影响；第二方面消除了受时基信号t1的影响，因为此时转速不受时基信号t1长短或者变化的影响；第三方面误差不受转速的影响，因为此时转速的计算与电主轴1的转速无关；第四方面采用相邻两个方波上升沿的采样点数计数值N1和N2计算转速使得转速测量更加精确，相邻两个方波上升沿使得转速测量的时间间隔达到最小，因而能够在最小时间尺度下测量出精度的转速和转速变化。

上述(2)式中计算的转速在上位机6上实时显示。

电主轴1、主轴配套数控系统2和信号预处理电路板4通过编码器三通线缆3通讯连接，编码器三通线缆3使得电主轴1的转速信号可以同步地传输到主轴配套数控系统2和信号预处理电路板4，减小了转速信号传输的不同步，使得主轴配套数控系统2和信号预处理电路板4可以对无时延的转速信号进行处理、控制和响应；编码器三通线缆3减少了线缆的使用，节省了线缆成本。

实施例二

除了电主轴在较小尺度下的转速监测外，还可以将电主轴替换为伺服电机，根据伺服电机编码器输出的正余弦波测量伺服电机转速。还可以将电主轴替换为异步电机或同步电机。

实施例三

将上位机6在小时间尺度下的精确测量计算的转速反馈至主轴配套数控系统2，形成电主轴1的闭环反馈控制。

实施例四

通过上位机6进行信号处理实现主轴切削状态的在较小时间尺度下的转速在线实时监测，在转速连续2m+1次无变化时，m为正整数，上位机将转速无变化信号传输到主轴配套数控系统2，主轴配套数控系统2在稳定的转速下加工，进而提高机床加工精度和批量工件的一致性。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

需要说明的是，本发明实施例序号仅仅为了描述，并不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电主轴转速监测系统，其特征在于，包括：电主轴(1)、主轴配套数控系统(2)、信号预处理电路板(4)、采集模块(5)和上位机(6)；

电主轴(1)、主轴配套数控系统(2)和信号预处理电路板(4)通讯连接，信号预处理电路板(4)与采集模块(5)电连接，采集模块(5)和上位机(6)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，通过主轴配套数控系统(2)的数控加工参数面板控制电主轴(1)以预设的转速旋转。

3.根据权利要求1所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，电主轴(1)、主轴配套数控系统(2)和信号预处理电路板(4)通过编码器三通线缆(3)通讯连接，编码器三通线缆(3)将电主轴(1)的编码器信号反馈至主轴配套数控系统(2)的同时将转速信号传送到信号预处理电路板(4)。

4.根据权利要求1所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，主轴配套数控系统(2)根据编码器的反馈信号对电主轴(1)转速进行控制和调节。

5.根据权利要求1所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，电主轴(1)的编码器在旋转时输出正余弦信号，所述正余弦信号通过编码器三通线缆(3)依次输入信号预处理电路板(4)的滤波防护电路、差动放大器和过零比较器，生成0-5V的方波信号。

6.根据权利要求5所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，所述方波信号接入采集模块(5)中对转换的方波信号进行采样，采样的信号数据接入上位机(6)中。

7.根据权利要求6所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，采集模块采样率大于等于(N*n)/20-(N*n)/12，测量最高转速为n r/min，电主轴编码器齿数为N。

8.根据权利要求7所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，采集模块的采样数为每秒采k个点，N1和N2为相邻两个方波上升沿的采样点数计数值，N1为前一个方波对应的采样点数计数值，N2为后一个方波对应的采样点数计数值；在相邻两个方波上升沿小时间尺度下的精确测量计算的转速为：k*60/((N2-N1)*N)。

9.根据权利要求1所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，上位机(6)在小时间尺度下的精确测量计算的转速反馈至主轴配套数控系统(2)，形成电主轴(1)的闭环反馈控制。

10.根据权利要求1所述的电主轴转速监测系统，其特征在于，所述电主轴(1)为伺服电机。

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