传感器|智能主轴技术发展综述算法|CNN|机械

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摘要：主轴作为数控机床的核心部件，其智能化是未来的重点发展方向。对智能主轴的概念和发展现状进行了概括，并对目前智能主轴的相关研究进展进行了较全面的综述，描述了智能主轴的特点和未来发展方向，详细阐述了智能主轴的状态监测、多源信息融合以及状态决策和主动调控这3大功能，论述了智能主轴的发展局限性和面临的挑战，认为自顶向下设计、智能传感器和执行器、实时数据处理和决策、以预测为中心的控制和维护等潜在技术将进一步推动智能主轴的发展。关键词：滚动轴承；智能主轴；状态监测；信息融合；主动控制；数控机床；智能化传感器
1 研究意义及价值自工业4.0提出以智能制造为核心的第四次工业革命以来，世界各国纷纷将智能制造技术作为国家重点发展领域，努力推动本国的工业化水平提升，以期在工业革命中占据制高点[1-2
。我国也提出了智能制造2025的战略方针，力求在科技发展中不落下风[3
。数控机床作为制造业的“工作母机” ，其发展水平能够直接体现一个国家的制造能力，是国家工业水平和综合国力的象征。随着我国机床行业的创新和发展，国产数控机床的技术水平日益提高，机床的国产化程度也越来越高，但核心技术与稳定性、可靠性水平还有待研究，多数的高档数控机床仍然依赖进口。我国的高档数控机床起步较晚，距发达国家还有很大的差距，为此《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“高档数控机床与基础制造设备”列为了十六个国家科技重大专项之一，同时把数控机床及其功能部件的可靠性列为重大专项的重要研究内容。数控机床是一个复杂的机电系统，由数个子系统耦合而成。主轴是机床的核心部件，具有高精度、高刚度、高转速等特点，其性能及可靠性直接影响数控机床的加工精度、加工效率和产品性能。一方面，可以通过加强主轴的力学性能和稳定性提高主轴性能；另一方面，可以对主轴进行健康状态评估监测，在主轴运转过程中及时发现其故障状态并实施预防性维护，从而避免故障和加工事故，减少停机次数，节约生产成本并提升可靠性。一旦主轴发生故障，机床其他子系统也无法正常运转，导致生产停滞，不仅影响正常的生产加工，降低生产效率，而且会增加故障查找难度，导致长时间维修停机，增加维修费用，提高生产成本。主轴是数控机床加工的直接驱动部件，需要承受较高的载荷，也是整个数控系统容易产生故障的环节，如果能对其进行监测、评估和适当的健康维护，保证其处于较为良好的状态，可避免发生加工故障。目前，主流的主轴状态监测往往采用单个振动信号进行状态判别，随着机床和主轴结构日益复杂，故障耦合程度不断加深，单个传感器信号无法提供完整、准确的状态信息，在未来的状态监测过程中需要多种、多个传感器共同协作、深度融合，从而判别主轴状态，如何进行同种传感器信息的互补性融合和不同传感器的协同融合是研究的重点和难点。主轴状态评估技术的进步能够为及时发现主轴潜在故障，判别主轴健康退化趋势提供便利，从而实现基于主轴状态的维护，在此基础上提高数控系统的维护和管理水平，延长主轴和其他部件的寿命，避免设备可靠性和稳定性不足等问题。研发合适的主轴监测系统并集成主轴状态评估技术有利于工厂实际加工过程中的进一步应用。使用多个传感器数据对主轴进行状态识别需要较强的处理性能和计算能力，需开发合适的监测软件以满足计算性能的要求；在此基础上开发制造配套的传感器嵌入式智能主轴，能够提高主轴监测的准确度和快速性。另外，友好的人机界面和功能丰富的状态监测系统能够很大程度上推动主轴监测的广泛应用，提高加工效率。综上所述，在主轴运转过程中使用多个传感器监测主轴的状态参数，并运用数据处理方法对采集到的数据进行特征提取，状态识别等综合分析，结合多个传感器的数据进行综合性的主轴状态识别有利于实现主轴的健康状态评估，这是进行主轴状态维护的前提，也能为主轴和数控机床的智能化发展提供技术保障[4