摘要：主轴是机床的核心。它的性能对机床的整体性能、生产率和加工精度有决定性的影响。带刀具的主轴常是静、动刚度的薄弱环节和激励源。通过监测主轴和轴承的工作状态，可以检测到主轴的不平衡，将信号传输到数控系统，并补偿主轴的位置误差。综合状态监测可以提高定子的利用率和运行质量。
关键字：电主轴；智能化；工况监控
一、前 言
智能电主轴在状态监测中的应用基础。通过安装多个传感器的测量环附近的前轴承主轴,一系列的操作参数如温度和主轴的振动可以测量,以防止损坏主轴和补偿轴向位置误差引起的热变形和机械负载。
随着内置电机效率的提高，轴承润滑技术的改进和鲁棒性能的提高，主轴的运行维护成本逐渐降低。在过去，人们一直致力于提高电主轴的速度，但现在他们转向更关注高速(< 15000r / min)下的输出扭矩。随着对锭子的可靠性、使用寿命、维修和运行费用的要求越来越高，锭子的状态监测显得尤为重要。定期或连续观察主轴的运行状态，可防止异常磨损、过热和意外损坏。主轴的全寿命周期成本，包括主轴、电、油、气介质及维修费用，也是进一步提升主轴的重要因素。主轴工况监控。
1、声发监控技术
日本大隈（Okuma）公司推出一种称为加工导航（Machining Navi）的声发射主轴工况监控系统。通过话筒拾取实际铣削加工的声音，判断是否出现导致加工表面质 量差的颤振， 将分析结果作为切削用量调整的依据。操作人员可按照屏幕提示变更主轴转速，或由系统自动选取为适合最佳加工工况的主轴转速，使加工过程离开颤振区，最大限度地发挥机床和刀具的潜力，提高铣削加工的效率。
2、高性能电主轴编码器关键技术
高速电主轴系统是数控机床的核心功能部件，它实现了电机主轴的一体化，具有结构紧凑回转速度和精度高动态特性好等优点，能显著提高零件的表面质量和加工精度，在现代高速数控机床领域中得到了广泛应用 为实现自动换刀镗孔退刀以及刚性攻螺纹等加工要求，电主轴系统通常内置编码器，来实现准停分度控制以及与进给轴的配合目前常用的编码器主要有光电编码器、旋转变压器以及磁旋转编码器 光电编码器精度高，接口简单，但转速低且难以在高振动高污染的恶劣环境下工作; 旋转变压器虽然防护等级高但是抗电磁干扰能力差，解码电路复杂; 而磁感应式编码器可同时兼顾高分辨率和高速度，能够满足高速电主轴的高性能控制要求。鉴于以上原因，进行磁感应式电主轴编码器的研究。
磁感应式编码器由一个测头和一个精密测量齿轮组成，通过带有磁阻传感器元件的测头对精密测量齿轮进行非接触式扫描可以进行转速和位置测量。输出信号是1Vpp的正余弦信号或方波（TTL）信号。
3、电主轴振动状态监测及信号处理
利用现代有限元分析手段与实际测量结合方法分析电主轴动态特性。采用有限元软件ANSYS对其三维建模并进行了模态分析，得到其前六阶固有频率和振型，分析计算出临界转速，并对电主轴振动性能测试。
分别采用精密传声器及涡流位移传感器实现电主轴噪声和振动同步检测。建立电主轴动态特性试验台，对电主轴动态特性测试。
合理布置测点(包括激振点和拾振点)，以正确地反映主轴的各阶频率及有效振型；对电主轴进行瞬态锤击激励，同步拾取主轴在激励下的响应，经数据处理得到主轴的固有频率等动态参数；采用高精度涡流位移传感器进行空载主轴振动测试、带载主轴振动测试，掌握主轴的振动幅值、相位和轴心轨迹等振动状况。采用高精度涡流位移传感器进行空载电主轴振动测试、带载电主轴振动测试实验。分析振动噪声数据，通过振动和噪声时频分析方法在不平衡质量等振源中找到对主轴振动影响明显的振源，进而采取针对性的抑振措施。
由于振动信号与噪声信号相似，均为高频信号。因此，研究振动信号与噪声信号的分析原理和方法可以相互借鉴。从相关性原理出发采用一种振动噪声信号进行解耦的算法，通过对人工合成的两路信号进行解耦验证了此算法的正确性。利用小波包对解耦后的信号进行分解，提取其各频段的能量值，通过其统计量作为信号的特征值。并将这种方法应用到电主轴的振动噪声信号的特征提取上。
4、电主轴热误差建模及补偿方法
高速加工过程中，主轴内部及表面间、主轴与零部件之间存在明显温度差，以及主轴系统各部件热特性参数的不同，易诱发主轴系统产生复杂的空间热误差。因此，研究主轴系统热漂移误差衍生及其传递规律是热误差实时补偿的关键基础环节。
利用现代有限元分析手段，分析获得不同温度梯度、材料热特性、热源位置等因素对主轴系统单个零部件非线性热变形的影响规律，在主轴系统内部选取两个典型装配零部件热变形为突破口，量化描述热变形空间状态及基准位置偏差关系，推导出多个零部件、多操作步的热误差传递模型，建立热变形与热漂移误差的关联关系，揭示空间热误差演变机理。
建立空间热误差预测模型；计算各轴空间热误差补偿分量，并将其累加至当前位置坐标，实现空间热误差的坐标补偿。研究基于原点平移发的热误差实时补偿方法。根据热误差模型及实时反馈（如温度、位置等值），将热误差补偿信号输送至CNC控制器，通过数控系统加工PLC程序校正，控制伺服驱动系统实现对于机床综合误差的实时补偿。
建立主轴热漂移误差测量及实时补偿系统，以纳米级插补的高档数控系统为基础，根据热误差补偿的功能需求，开发具有多通道数据采集及补偿功能的软件模块。模块能够稳定嵌入数控系统，保证温度、热变形等数据的同步采集，在机计算热误差补偿分量，修正坐标信息。模块具有温度采集、存储、热误差计算、热误差补偿、参数更新、显示等功能。
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作者简介：周吉贞，1984年7月，男，汉族，工程师，研究方向：机床功能部件.