一种机械加工轴稳态运行装置及方法与流程

1.本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种机械加工轴稳态运行装置及方法。


背景技术：

2.机械加工在作业过程中采用机械加工轴对待加工试件按照预设程序段进行加工，待加工试件的精度取决于机械加工轴的稳定性，即在设置完成预设加工程序段后，若机械加工轴在作业过程中未能稳定运行，则会影响待加工试件的加工精度，进而使试件在加工完成后达不到预设精度。
3.现有技术中，为保持机械加工过程中机械轴的稳定性，以离线的方式，使用数值控制程序对机械加工轴品质或加工过程进行全域优化，但仍需要在机械加工轴加工过程中实时监测机械加工轴的参数，以处理机械加工轴不稳定的问题。
4.而且，现有技术中仅能对单一机械加工轴进行监测和处理，或在机械加工轴发生异常时停止运行数值控制程序，因此，现有技术难以应用于具有多个机械加工轴的机械加工装置上，或者当多个机械加工轴中的其中一个或多个发生故障时，使其他正常运行的机械加工轴持续不断的加工试件。
5.另外，虽然现有技术中有部分采用声音传感器（或声音传感器阵列）对机械加工过程进行监测，但该声音传感器（或声音传感器阵列）只能应用于单一机械加工轴上，若该声音传感器（或声音传感器阵列）应用于多个机械加工轴上，当其中一个机械加工轴发生故障时，现有技术只能停止机械加工作业，且需花费较长时间排查发生故障的机械加工轴位置，因而无法在多个机械加工轴作业过程中实时使发生故障的机械加工轴恢复稳态运行。
6.再者，采用声音传感器（或声音传感器阵列）对机械加工过程进行监测，其精度不高，因为在机械加工作业一般位于车间内，车间内噪声较大，未能对声音传感器采集的信号进行有效处理，则会降低对机械加工过程监测的精度。
7.因此，如何克服上述现有技术中存在的问题，是机械加工领域亟待解决的。


技术实现要素：

8.本发明提供一种机械加工轴稳态运行装置及方法，其能同时对多个机械加工轴进行实时高精度监测，并能够对发生异常的机械加工轴进行调整，以使机械加工轴稳态运行。
9.本发明提供的机械加工轴稳态运行装置包括：至少两个机械加工轴，用于加工待加工试件；机械加工轴异常监测模组，用于监测机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号；至少两个机械加工轴位置监测模组，分别对应每个机械加工轴，用于监测每个机械加工在加工工件时的位置信息；以及控制模组，其分别连接机械加工轴异常监测模组和每个机械加工轴位置监测模组，以获取机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号，该控制模组根据机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号判断是否有机械加工轴非稳态运行，若判断有机械加工轴非稳态运行，则根据每个机械加工轴的位置信息判断出发生异常/故障的机械加工轴的位置并对其进行处理，以使所有机械加工轴在作业时均处于稳态。
10.本发明提供的机械加工轴稳态运行方法包括：以机械加工轴异常监测模组监测机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号；以至少两个机械加工轴位置监测模组监测每个机械加工轴在加工待加工试件的位置信息；以及以控制模组获取机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号，根据机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号判断是否有机械加工轴非稳态运行，若无，则机械加工轴继续以现有状态运行，若有，则控制模组根据每个机械加工轴的位置信息判断出发生异常/故障的机械加工轴的位置并对其进行处理，及时在线解除异常/故障。
11.本发明提供的机械加工轴稳态运行装置及方法中，机械加工轴异常监测采用声音传感器采集机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号后再进行信号处理后的信号，或采用流经连接于机械加工轴在作业时的机械加工装置的负载电流信号。
12.由上述内容可知，本发明提供的机械加工轴稳态运行装置及方法中，主要是以机械加工轴异常监测模组精确监测至少两个机械加工轴加工待加工试件时的信号，并以至少两个机械加工轴位置监测模组监测这些机械加工轴的位置信息，再根据机械加工轴加工待加工试件时的信号判断机械加工轴是否发生异常/故障，且依据上述位置信息对发生异常/故障的机械加工轴进行处理。
13.另外，本发明提供的机械加工轴稳态运行装置及方法能同时对多个机械加工轴进行实时监测，并在这些机械加工轴加工待加工试件时即时排除异常/故障，无需使机械加工装置停止作业，进而使未发生异常/故障的机械加工轴持续加工待加工试件，以提升加工效率，且有效地缩短机械加工轴对待加工试件加工步序。
附图说明
14.图1为本发明的机械加工轴稳态运行装置的示意图；图2为本发明的机械加工轴稳态运行装置的内部示意图；图3为本发明的机械加工轴位置监测模组所监测位置信息分别连接至数值控制单元的多个工作程式分段的示意图；图4为本发明的机械加工轴稳态运行方法的流程示意图；图5为本发明的信号处理示意图；图6为本发明的电流监测示意图。
15.附图标记：1
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机械加工轴稳态运行装置11
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机械加工轴12
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待加工试件13
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机械加工轴位置监测模组131
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声音感知单元132
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声音感知阵列133
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位置信息14
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控制模组141
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机械加工轴辨识单元142
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稳定决策单元
143
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数值控制单元143a、143b、143n
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工作程式分段144
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信号转换单元15
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机械加工轴异常监测模组151
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预设稳定值。
具体实施方式
16.由以下特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉本领域技术人员可由说明书所记载的内容轻易地了解本发明的创造性，也可由其他不同的具体实施例加以实施或应用。
17.图1是本发明的机械加工轴稳态运行装置1的示意图。
18.如图1所示，机械加工轴稳态运行装置1包括至少两个机械加工轴11、至少两个机械加工轴位置监测模组13、一机械加工轴异常监测模组15、一控制模组14。
19.至少两个机械加工轴11可以是两个或三个以上的机械加工轴，且至少两个机械加工轴位置监测模组13可以是两个或三个以上的机械加工轴位置监测模组，机械加工轴位置监测模组13和机械加工轴11数量相等，且一一对应。而控制模组14是机械加工轴稳态运行装置1的核心部分，并可以为软件的控制程式或处理程式，也可以是硬件的控制元件、控制器、控制晶片、处理器或微电脑等。
20.上述机械加工轴11用于加工至少一待加工试件12。机械加工轴异常监测模组15监测上述机械加工轴10在作业时的机械加工装置信号，且该信号可以是声音传感器采集机械加工轴在作业时机械加工装置产生的信号后再进行信号处理后的信号，或流经连接于机械加工轴在作业时的机械加工装置的负载电流信号。
21.机械加工轴异常监测模组15与控制模组14连接，至少两个机械加工轴位置监测模组13均与控制模组14连接，至少两个机械加工轴11均与控制模组13连接。
22.图2是本发明的机械加工轴稳态运行装置1的内部示意图，图3是机械加工轴位置监测模组13所监测位置信息分别连接至数值控制单元143的多个工作程式分段的示意图。
23.如图2和图3所示，上述机械加工轴位置监测模组13分别对应机械加工轴11，并监测机械加工轴11在加工待加工试件12时的位置信号。上述位置信号可以是上述机械加工轴11的一维、二维或三维的空间坐标，也可以使上述机械加工轴11的相对位置或绝对位置。机械加工轴位置监测模组13是多个声音感知单元131组成的声音感知阵列132，且每个机械加工轴位置监测模组13还另外包括两个声音感知单元131。
24.控制模组14分别通过有线信号、无线信号或电信号连接机械加工轴异常监测模组15和机械加工轴位置监测模组13以获取机械加工轴11在作业时的机械加工装置信号和机械加工轴11的位置信号，将机械加工轴11在作业时的机械加工装置信号和预测稳定值151进行比较，以判断是否有机械加工轴11发生异常/故障，若有机械加工轴11发生异常/故障，则根据机械加工轴11的位置信号对发生异常/故障的机械加工轴11进行处理，直至机械加工轴异常监测模组15监测到的机械加工轴11在作业时的机械加工装置信号在预测稳定值151范围内。
25.若机械加工轴11在作业时的机械加工装置信号在预测稳定值151范围内，则判断
机械加工轴11未发生异常/故障，若机械加工轴11在作业时的机械加工装置信号不在预测稳定值151范围内，则判断机械加工轴11发生异常/故障。
26.控制模组14包括一信号转换单元144，通过信号转换单元144将机械加工轴位置监测模组13传输的信号转换为数位信号，且信号转换单元144可以是类比数位转换程式或类比数位转换器。
27.机械加工轴位置监测模组13中的另外两个声音感知单元131判断发生异常/故障的机械加工轴11的位置信息。
28.举例而言，如图2所示，假设左右两边的两个机械加工轴位置监测模组13分别监测左右两个机械加工轴11，两个机械加工轴位置监测模组13包括四个声音感知单元131，从左到右，第一个声音感知单元131和第二个声音感知单元131用于监测左边的机械加工轴11，第三个声音感知单元131和第四个声音感知单元131用于监测右边的机械加工轴11，第一个声音感知单元131监测的声音强度为m1，第二个声音感知单元131监测的声音强度为m2，第三个声音感知单元131监测的声音强度为m3，第四个声音感知单元131监测的声音强度为m4，则可依据下列公式计算四个声音感知单元131的声音强度差异，并由此分辨出发生异常/故障的机械加工轴11。
29.其中，m表示由左至右的四个声音感知单元131的声音强度m1至m4的平均值，m
l
表示左边两个声音感知单元131的声音强度m1与m2的平均值减去该平均值m，mr表示右边两个声音感知单元131的声音强度m3与m4的平均值减去该平均值m。
30.由此，若m
l
大于mr，则表示左边机械加工轴11发生异常/故障。反之，若m
l
小于mr，则表示右边机械加工轴11发生异常/故障。若m
l
等于mr，则表示左右两个加工轴11均发生异常/故障。
31.控制模组14包括一机械加工轴辨识单元141、一稳定决策单元142、一数值控制单元143，每个机械加工位置监测模块13均将声音感知阵列132获取的位置信息133通过信号转换单元144传输至机械加工轴辨识单元141。当机械加工轴异常监测模组15监测到机械加工轴11未发生异常/故障时，则机械加工轴辨识单元141不发出任何信号。当机械加工轴异常监测模组15监测到机械加工轴11发生异常/故障时，则机械加工轴异常监测模组15和机械加工轴辨识单元141均发送启动信号至稳定决策单元142，同时，多个机械加工位置监测模块13通过内设的另外两个声音感知单元131判断发生异常/故障的机械加工轴11，并将其位置信息通过信号转换单元144传输至机械加工轴辨识单元141，机械加工轴辨识单元141将发生异常/故障的机械加工轴11的位置信息传输至数值控制单元143，稳定决策单元142在接收到机械加工轴异常监测模组15和机械加工轴辨识单元141发送的启动信号后发送改写信号至数值控制单元143，数值控制单元143开启程式改写模式，并根据接收到的位置信息精准定位发生异常/故障的机械加工轴11，通过改变该机械加工轴11的转速、进给率或切削深度等，直至机械加工轴异常监测模组15监测到的机械加工轴11在作业时的机械加工装置信号在预测稳定值151范围内，即使机械加工轴11恢复稳态运行，在此期间未发生异常/故障的机械加工轴11按原设定程式运行。
32.控制模组14可以包括多个数值控制单元143（如数值控制程式），且数值控制单元143可以具有多个工作程式分段143a至143n，数值控制单元143中的每个工作程式分段与每个机械加工轴11对应，分别用于控制每个机械加工轴11的运行模式，数值控制单元143在接收到机械加工轴辨识单元141传输的发生异常/故障的机械加工轴11的位置信息后，对发生异常/故障的机械加工轴11进行处理，通过其对应的工作程式分段调整转速、进给率或切削深度等。工作程式分段自动实现调整，比如，机械加工轴异常监测模组15采集到的信号小于预设稳定值151的下限值，则工作程式以步进方式增加转速、进给率和切削深度等。
33.数值控制单元143与每个机械加工轴11连接，连接方式可以是信号控制线、有线网络或无线网络等。每个机械加工轴位置监测模组13使用其内设的声音感知阵列132将每个机械加工轴的位置信息通过信号转换单元144传输至数值控制单元143，以使每个工作程式分段与每个机械加工轴11对应。
34.其中一个实施例中，机械加工轴异常监测模组15采用声音传感器采集机械加工轴11在作业时机械加工装置产生的信号后再进行信号处理后的信号。声音传感器采集的信号为v1。在此实施例中，通过最后输出信号提取出频率信号，作为判断依据，因此，预设稳定值可以是[490，510]hz。
[0035]
在具体测试时，上述声音传感器需要在有较大共模信号的情况下测量小信号，在这类应用中，通常需要使用两个或三个运算放大器的集成仪表放大器，尽管仪表放大器具有出色的共模抑制比，但价格因素、性能指标阻碍了其在机械轴稳态测试中的使用。
[0036]
图5为本发明的信号处理示意图。图5为一种适用于机械加工环境下监测机械轴稳态的信号处理电路，其仅使用一个运算放大器u1即可实现精确测量。
[0037]
声音传感器的信号输出端分别与电阻r3和电阻r1的一端连接，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端接地，电阻r3的一端与运算放大器u1的正相输入端连接，电阻r1的另一端与运算放大器u1的反相输入端连接，电阻r2跨接在运算放大器u1的输出端和反相输入端之间，且电阻r2与电阻r1相连，由此，声音传感器采集机械加工轴11在作业时机械加工装置产生的信号后再进行信号处理后的信号为v2。
[0038]
在实际使用过程中，需要对电阻的电阻值进行有效设置，才能发挥电路的实际作用，在此，未使该电路能够在具体测试时精确获取机械装置的声音信号，需要对电阻的电阻值进行调整。
[0039]
假设电阻r2的公差引起的误差为r2(1-error)，信号v1分为两个部分的信号，即(v1/2) v0和(v1/2)-v0，其中，error为电阻比率误差值，v0为电压参考值，则有，根据上式，共模增益acm和差分增益adm可定义为：共模增益acm和差分增益adm可定义为：从上式可见，当电阻值不存在误差（即error=0时），则 acm = 0。
[0040]
因此，当电阻比率误差为零（error=0）时，电路的共模抑制比将在很大程度上取决
于共模抑制比，当电阻比率误差error不为零时，电路共模抑制比可表示为：电路共模抑制比可表示为：当r2误差极小时，以上等式中的第二项可忽略不计且：对于r2 = r4 = 10 kω，r1 = r3 = 10 kω且error = 1%的单位增益信号处理，其共模抑制比约为46 db。
[0041]
在阻值的选择上作出更进一步创造性改进，通过选择阻值更大的r2和r4（r2 = r4），以及阻值更小的r1和r3（r1 = r3），可获得的更高的增益，这样共模抑制比得到了优化。例如，r2 = r4 = 10 kω、r1 = r3 = 1 kω且error = 0.1%，共模抑制比将得到改善，优于80 db；error = 0.02%，电路共模抑制比优于90 db。
[0042]
由此，在此实施例中，通过使用图5所示的信号处理方式，能够提高机械加工轴异常监测模组15的监测精度。
[0043]
另一个实施例中，机械加工轴异常监测模组15采用流经连接于机械加工轴11在作业时的机械加工装置的负载电流信号。在此实施例中，预设温度值根负载load的值来设定范围。
[0044]
由于机械加工装置的电流一般较高，直接监测，易发生漏电危险，且电流值越大则精度越低，因此，在此使用一负载连接于机械加工装置，通过流经负载的电流判断机械加工装置是否发生异常。如图5所示，该电路仅需2.3
ꢀµ
a至280
ꢀµ
a的电源电流即可检测100
ꢀµ
a至250 ma宽动态范围电流，可在高噪声条件下免受rf干扰。
[0045]
如图5所示，在机械加工装置上闭环连接一负载load，同时外接一电源v3，电源v3的电压范围为4.5v至90v，在此，可以使用220v交流电连接一变压装置，将220v交流电转换为4.5至90v的直流电压以供使用。
[0046]
在电源v3和负载load之间连接一电阻rsense，负载load的另一端接地，电阻rsense的一端与电源v3连接，电阻rsense的另一端与负载load连接，电阻rsense的一端还与电阻rin的一端连接，电阻rsense的另一端与电阻r5的一端连接，稳压管ref的一端与电源v3连接，稳压管ref的另一端与电阻r6的一端连接，电容c1与稳压管ref并联连接，电阻r6的另一端接地，电容c4与二极管d1连接后也与稳压管ref并联连接，电阻r6的一端还与场效应管m2的栅极连接，电阻r6和场效应管m2的源极均接地，场效应管m2的漏极与二极管d1的阴极连接后与运算放大器u2的负电源端连接，电阻r5的另一端与运算放大器u2的同相输入端连接，电阻rin的另一端与运算放大器u2的反相输入端连接，电阻rin的另一端还与场效应管m1的漏极连接，运算放大器u2的正电源端与电源v3连接，运算放大器u2的输出端与场效应管m1的栅极连接，电容c3、电容c2、电阻rout并联后的一端与场效应管m1的源极连接，
电容c3、电容c2、电阻rout并联后的另一端接地，将电容c3、电容c2、电阻rout并联后的一端作为输出端，输出电压v4。
[0047]
在具体应用时，需要对每个电子元器件的规格进行设定，在一种实施例中，电阻rsense设定为100mω；电阻rin设定为49.9ω，其电阻比率误差值为0.1%；电阻r5设定为49.9ω，其电阻比率误差值为0.1%；电阻r6设定为499kω；电阻rout设定为5kω，其电阻比率误差值为0.1%；电容c1设定为3.3μf，电容c2设定为22μf，电容c3设定为100nf，电容c4设定为10μf。
[0048]
图5所示电路的电压输出为：电流检测的关键指标是零点，或在没有检测电流时产生的输出折合到输入端的等效误差电流。在此零点由输入失调电压除以rsense决定。设定运算放大器u2的低输入失调电压典型值为1
ꢀµ
v，最大值为5
ꢀµ
v，低输入偏置和失调电流典型值为1 pa至3 pa，因此，折合到输入端的零点误差电流典型值仅为10
ꢀµ
a（1
ꢀµ
v/0.1 ω），最大值为50
ꢀµ
a （5
ꢀµ
v/0.1 ω）。这种低误差使该电路能够在低至其指定范围内的最小电流（100
ꢀµ
a）时仍然保持其线性度，不会因分辨率损耗而在低量程范围内产生一个固定的失调值导致线性度变平，本发明提供的此种电流测试电路的输入电流与输出电压关系曲线在整个电流检测范围内都是线性的。
[0049]
另外，零点误差的另一个来源是输出pmos在零栅极电压时的漏极电流或idss，即pmos标称为关闭（|v
gs
| = 0）时存在于非零v
ds
上的寄生电流，具有高i
dss
漏电流的mosfet在没有i
sense
时将产生一个非零正v
out
值。
[0050]
本发明提供的此种电流测试电路中使用的晶体管为英飞凌的bsp322p，它在|v
ds
| = 100 v时的i
dss 上限值为1
ꢀµ
a，可对应用中bsp322p的典型i
dss 进行一个合理估计，在室温条件且v
ds
=
–
7.6 v时，ii
dss
仅为0.2 na，因此仅产生1
ꢀµ
v的误差输出，或等效于测量0 a输入电流时产生100 na的输入电流误差。
[0051]
稳压管ref基准电压源以及由场效应管m2、电阻r2和二极管d1组成的自举电路构成超低功耗的隔离3 v电源轨（4.096 v 场效应管m2的v
th ，后者典型值为-1 v），运算放大器u2可防止达到5.5 v的绝对最大电源电压值。尽管串联电阻也能满足建立偏置电流的需求，但在此使用场效应管m2可以提供更高的整体电源电压，同时还可将电源范围高边的电流消耗限制在仅为280
ꢀµ
a。
[0052]
运算放大器u2的输入失调电压导致折合到输入端的固定电流误差为10
ꢀµ
a（典型值）。在250 ma满量程输入中，所产生的失调误差仅为0.004%。在低端，100
ꢀµ
a中的10
ꢀµ
a代表10%的误差。由于失调是恒定的，因此可以对其进行校准。因此，运算放大器u2不匹配的寄生热电偶以及所有寄生串联输入电阻产生的总失调仅为2
ꢀµ
v。
[0053]
在具体测试时，输出不确定性的主要来源是噪声，因此，使用并联大电容进行滤波对于降低噪声带宽从而降低总综合噪声至关重要，使用1.5 hz输出滤波器时，运算放大器u2会使折合到输入端的低频噪声增加约2
ꢀµ
v p-p。在尽可能长的持续时间内平均输出，进一步减少由于噪声引起的误差。
[0054]
本发明提供的此种电流测试电路中的其他误差源包括在运算放大器u2输入端与
rsense串联的寄生板级电阻、增益设置电阻rin和rout的电阻值容差、增益设置电阻的温度系数不匹配以及由寄生热电偶引起的运算放大器输入端的误差电压，在此可以通过使用开尔文连接检测rsense引脚检测电阻以及使用与rin和rout的关键增益设置路径具有相似或更低温度系数的0.1%电阻来大幅降低前三个误差源。为了消除运算放大器u2输入端的寄生热电偶，r1应与rin具有相同的金属端子，还应尽可能避免在输入端的不对称热梯度。
[0055]
稳压管ref和运算放大器u2在最小v3和isense（4.5 v和100
ꢀµ
a）时所需的最小电源电流为2.3
ꢀµ
a，在最大v3和isense（90 v和 250 ma）时则可达280
ꢀµ
a。除了有源组件消耗的电流外，v3还需要提供流经场效应管m1的输出电流i
drive
，该电流与输出电压成比例，范围从1.0 mv输出时的200 na (isense为100
ꢀµ
a时）到2.5 v输出时的500
ꢀµ
a（isense 为250 ma时）。因此，除isense外，总的电源电流范围为2.5
ꢀµ
a至780
µ
a。22
ꢀµ
f的电容c2与负载load并联，可将输出噪声滤波为1.5 hz，以提高精度并保护后续电路免受突发电流浪涌影响。
[0056]
图4为本发明的机械加工轴稳态运行方法的流程示意图，请一并参阅图1-3，本发明提供的机械加工轴稳态运行方法主要包括以下步骤：在步骤s21中，首先放入待加工试件12至具有至少两个机械加工轴11的机械加工装置中，机械加工装置通过机械加工轴11对待加工试件12进行加工，接着，进行步骤s22。
[0057]
在步骤s22中，机械加工装置对待加工试件12以预设程序进行加工，采用机械加工轴异常监测模组15对机械加工装置进行监测，通过监测结果判断机械加工轴是否发生异常/故障（即进入步骤s23），若未发生异常/故障，则进行步骤s26（继续加工），若发生异常/故障则进行步骤s24。
[0058]
在步骤s24中，通过机械加工轴位置监测模组13找出发生异常/故障的机械加工轴11，接着，进行步骤s25。
[0059]
在步骤s25中，通过控制模组14对发生异常/故障的机械加工轴11进行适应性调整，每进行完一次调整后均返回步骤s22。
[0060]
由上述内容可知，本发明提供的机械加工轴稳态运行装置及方法中，主要通过机械加工轴异常监测模组对至少两个机械加工轴在加工时的机械加工装置进行监测，以此获知机械加工轴是否发生异常/故障，并以至少两个机械加工轴位置监测模组获取发生异常/故障的机械加工轴的位置信息，再使用控制模组在线调整，从而使得机械加工轴在加工时处于稳态运行。
[0061]
最后，上述一个或多个实施例仅说明本发明的原理、特点和效果，并非用以限制本发明所公开内容的实施范围，任何本领域技术人员均可在不违背本发明公开内容的基础上，对上述一个或多个实施例进行改进，但任何运用本发明所公开技术方案而实现的相同技术效果的技术，均应为本发明所记载范围内。