一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，包括：若干安装于机床主轴传动部件的各关键连接处的智能螺栓，内置用于采集振动信号的三轴加速度传感器，无线传输单元，设于智能螺栓内部并发送振动信号；信号接收单元，位于机床控制系统用于接收振动信号；数据处理单元，位于机床控制系统并计算分析振动信号；报警单元，与接收数据处理单元电连接，发出警报；机床伺服单元，其与接收数据处理单元电连接，控制相应设备的紧急停机。本发明专利技术具有以下优点和效果：本发明专利技术给机床上无处不在的螺栓赋予了感知功能，能有效的监测机床主轴传动部件工作状态，最大化的保证被加工产品的质量，提高机床运行效率，保护机器和人员安全。

【技术实现步骤摘要】
一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统
本专利技术涉及机械设备状态监测领域，特别涉及一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统。
技术介绍
智能机器区别于传统机器的最大特征就是像人类一样能够对自身运行状态进行实时监测分析，智能化的做出最优化的决策，最大化的保证产品质量，从而提高工作效率，保护机器和人员安全。作为“工业之米”的螺栓在智能机器上同样是必备零件，若机器的螺栓也具备监测分析能力，将为机器智能化提供一个有效的解决方案。机器在正常运行过程中，其振动信号是平稳的在一定范围内波动；机器超负荷运转或工作异常时，其振动信号是异常的(振幅均值超差、周期性冲击)；由于操作不当或是程序错误，会出现运动部件之间的撞击现象(如机床主轴撞击工件或夹具)，其振动信号在撞击的瞬间会出现异常峰值。这些异常状态轻则造成机器设备和加工零件的损坏，重则造成操作人员的人身伤害，甚至引发重大生产安全事故造成重大经济和人员损失。螺栓是机械结构中最重要的零件之一，在传统工业领域，机械零件通常仅作为结构件存在，而在智能化时代，智能化的结构件将不仅仅只是结构件，结构功能一体化是必然趋势。结构功能一体化是指机械零件除作为结构件使用外，同时还具备一定的附加功能，如感知、驱动、存储、形变和自修复等。智能化的机械需要由众多的传感器来提供信息，而无处不在的具有感知功能的智能螺栓将是最好的选择之一。现有的智能螺栓主要有以下五类：第一类是内置热电偶监测温度的智能螺栓，第二类是内置压电式应变片监测预应力的智能螺栓，第三类是不同拉力下颜色不同的监测预应力的智能螺栓，第四类是带有数字标签用于身份识别的智能螺栓，第五类是内置光纤光栅传感器的既可监测温度也可监测预应力的智能螺栓。以上各类监测温度与应力的智能螺栓在船舶工程、电网工程、水利工程、桥梁建筑工程等领域的很多造价昂贵的大型工程结构和设备，如风机、海洋平台、桥梁、输电塔、港机、船舶等领域存在较广的应用潜力。但对于智能机器来说，振动监测是最为方便和成熟的一种故障检测方式，应用于机器运行状态的实时监测与诊断，然而，国内外尚未见到用于监测振动信号的智能螺栓监测系统。本专利技术提出一种用于机床主轴传动部件故障检测的无线智能螺栓监测系统，有效地监测机床主轴传动部件运行过程中的振动信号，分析判断机器所处运行状态。在机床撞机事故发生瞬间紧急停机，减轻机床撞机事故的危害，保护设备和人员的安全；在主轴传动系统主要零件故障发生前发出报警，提醒维护人员及时检修，提高经济效益。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，其通过机床上随处可见的螺栓来监测设备状态，采用瞬间振动峰值监测、周期性振动频率匹配以及平均振幅监测相结合的方法来确定机床是否发生机床撞机事故、机械故障，并自动做出紧急停机、检修报警或继续运行决策。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，包括：若干安装于机床主轴传动部件的各关键连接处的智能螺栓，各所述的智能螺栓均内置三轴加速度传感器，并用于采集振动信号；无线传输单元，其设于对应的智能螺栓内部，并用于发送采集到的振动信号；信号接收单元，其内置于机床控制系统中，并用于接收无线传输单元所发射的振动信号；数据处理单元，其内置于机床控制系统，并通过计算分析信号接收单元获取的振动信号的平均幅值、周期性冲击频率以及瞬时冲击判断机床主轴运行状态；报警单元，其与接收数据处理单元电连接，并接收来自数据处理单元的命令，发出警报；机床伺服单元，其与接收数据处理单元电连接，并接收来自数据处理单元的命令，控制相应设备的紧急停机。进一步设置是所述的智能螺栓内置电磁式能量收集装置及锂离子电池，所述的电磁式能量收集装置基于磁通量的变化产生感应电动势为锂离子电池供电，所述的锂离子电池为加三轴加速度传感器供电。进一步设置是所述的三轴加速度传感器采用压电陶瓷式传感元件。进一步设置是所述的无线传输单元包括2.4GHz频段的RF收发器。进一步设置是所述的信号接收单元内置可编程滤波器。进一步设置是所述的数据处理单元中的计算分析具体包括:S1、数据处理单元实时监测振动信号的振幅均值，并与预设正常运行阈值进行对比，当监测的振动信号超出阈值时，命令报警单元发出警报，提醒设备维护人员检查主轴运行状态；S2、数据处理单元利用希尔伯特包络解调算法实时监测振动信号中的周期性冲击成分，当这些周期性成分与该智能螺栓连接的旋转零件的故障频率一致时，命令报警单元出警报，提醒设备维护人员重点检查该可能出现故障的零件；S3、数据处理单元实时监测瞬时冲击振动信号，若检测到超过预设阈值的瞬时冲击振动信号，向机床伺服单元发送紧急停机指令。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术给机床上无处不在的智能螺栓赋予了感知功能，能有效的监测机床主轴传动部件工作状态，最大化的保证被加工产品的质量，提高机床运行效率，保护机器和人员安全。2、以机床设备上无处不在的智能螺栓为载体，设计出用于机床主轴传动部件故障检测的无线智能螺栓监测系统，通过对智能机器关键连接点振动信号在线监测，可以判断出机床主轴的运行状态并防止严重机床撞击事故的发生。3、利用电磁式能量收集装置收集到的设备振动能量给锂离子电池充电，同时利用锂离子电池给加速度传感器供能，从而保证了智能螺栓长期稳定工作的能源需求。4、振动信号采用无线传输方法，避免了对运动部件进行振动监测时经常面临的布线问题，能够方便有效的对复杂设备进行多传感器网络化监测。附图说明图1为本专利技术的原理框图；图2为本专利技术的系统流程图；图3为本专利技术中智能螺栓的结构示意图；图4为本专利技术中判断机床主轴传动部件状态的原理图；图5为本专利技术的系统图；图6为本专利技术中主轴轴承故障诊断结果图。图中：1、智能螺栓；11、电磁式能量收集装置；12、锂离子电池；13、三轴加速度传感器；2、无线传输单元；3、信号接收单元；4、数据处理单元；5、报警单元；6、机床伺服单元。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：针对机床运行状态自动连续监测的问题，提出的一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，其通过机床上随处可见的螺栓来监测设备状态，采用瞬间振动峰值监测、周期性振动频率匹配以及平均振幅监测相结合的方法来确定机床是否发生机床撞机事故、机械故障(如主轴、轴承、齿轮等)，并自动做出紧急停机、检修报警或继续运行决策。机床部件之间的连接绝大多数是靠螺栓实现的，如将传感器放置在单体零件上，由于单个铸件或锻件的质量和刚度很大比较稳定，振动信号比较微弱不利于进行振动监测。本专利技术将传感器放置于机床主轴部件之间的连接螺栓上，由于部件连接处的刚性较差，振动信号更能明显的反映出机器运行状态的变化。在机床的主要运动部件连接智能螺栓1，并内置三轴加速度传感器13收集振动信号，然后经由无线传输单元2，将振动信号传输给机床控制系统的信号接收单元3，并通过数据处理单元4实时监测机器运行状态，作出决策，最终于报警单元5及机床伺服单元6执行决策。如图1至图6所示，为本专利技术实施例中，提出的一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓1监测系统，其包括：智能螺栓1、无线传输单元2、信号接收单元3、数据处理单元4、报警单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，其特征在于，包括：若干安装于机床主轴传动部件的各关键连接处的智能螺栓(1)，各所述的智能螺栓(1)均内置三轴加速度传感器(13)，并用于采集振动信号；无线传输单元(2)，其设于对应的智能螺栓(1)内部，并用于发送采集到的振动信号；信号接收单元(3)，其内置于机床控制系统中，并用于接收无线传输单元(2)所发射的振动信号；数据处理单元(4)，其内置于机床控制系统，并通过计算分析信号接收单元(3)获取的振动信号的平均幅值、周期性冲击频率以及瞬时冲击判断机床主轴运行状态；报警单元(5)，其与接收数据处理单元(4)电连接，并接收来自数据处理单元(4)的命令，发出警报；机床伺服单元(6)，其与接收数据处理单元(4)电连接，并接收来自数据处理单元(4)的命令，控制相应设备的紧急停机。

【技术特征摘要】
1.一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，其特征在于，包括：若干安装于机床主轴传动部件的各关键连接处的智能螺栓(1)，各所述的智能螺栓(1)均内置三轴加速度传感器(13)，并用于采集振动信号；无线传输单元(2)，其设于对应的智能螺栓(1)内部，并用于发送采集到的振动信号；信号接收单元(3)，其内置于机床控制系统中，并用于接收无线传输单元(2)所发射的振动信号；数据处理单元(4)，其内置于机床控制系统，并通过计算分析信号接收单元(3)获取的振动信号的平均幅值、周期性冲击频率以及瞬时冲击判断机床主轴运行状态；报警单元(5)，其与接收数据处理单元(4)电连接，并接收来自数据处理单元(4)的命令，发出警报；机床伺服单元(6)，其与接收数据处理单元(4)电连接，并接收来自数据处理单元(4)的命令，控制相应设备的紧急停机。2.根据权利要求1所述的一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，其特征在于：所述的智能螺栓(1)内置电磁式能量收集装置(11)及锂离子电池(12)，所述的电磁式能量收集装置(11)基于磁通量的变化产生感应电动势为锂离子电池(12)供电，所述的锂离子电池(12)为加三轴加速度传感器(13)供电。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：向家伟，高强，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33