梁中源 鐘佩思 劉 坤 葛 旋

(山東科技大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

機(jī)床主軸是指機(jī)床上帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸。通常由主軸、軸承和傳動(dòng)件(齒輪或帶輪)等組成主軸部件。主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素，而溫度在影響機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)精度的諸多因素中，占有很大比重。機(jī)床主軸在工作狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，特別是電主軸的高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量引起主軸溫度的升高，一旦機(jī)床主軸的溫度超過(guò)了許用范圍，將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度，從而降低產(chǎn)品的質(zhì)量。所以有必要對(duì)機(jī)床主軸的溫度進(jìn)行檢測(cè)控制，預(yù)防主軸溫度過(guò)高造成的機(jī)床加工質(zhì)量下降甚至機(jī)床故障。

本文針對(duì)普通機(jī)床主軸的發(fā)熱特點(diǎn)和可測(cè)點(diǎn)溫度變化與主軸熱變形的關(guān)系［1］，結(jié)合PLC 的功能特點(diǎn)，構(gòu)建了機(jī)床主軸溫度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)床主軸溫度進(jìn)行有效的檢測(cè)控制，為實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床主軸工作狀態(tài)提供依據(jù)。同時(shí)本系統(tǒng)在普通機(jī)床的性能改進(jìn)及大型電動(dòng)機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以成為企業(yè)設(shè)備故障檢測(cè)，控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。

1 檢測(cè)控制系統(tǒng)組成和工作原理

(1)系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是針對(duì)機(jī)床主軸溫度參數(shù)檢測(cè)要求而設(shè)計(jì)的，具體的系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1。該系統(tǒng)是以PLC 作為數(shù)據(jù)處理終端，采用計(jì)算機(jī)為上位機(jī)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。硬件部分有安裝有組態(tài)軟件MCGS 的計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、紅外溫度傳感器以及其他控制設(shè)備。紅外溫度傳感器將當(dāng)前的主軸溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后傳入給PLC，PLC 將實(shí)際測(cè)得的溫度信號(hào)與設(shè)定的溫度信號(hào)進(jìn)行比較和邏輯運(yùn)算，然后通過(guò)運(yùn)算結(jié)果控制繼電器的閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻泵和風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)電路的控制。同時(shí)，機(jī)床主軸的溫度值經(jīng)PLC 傳輸給上位機(jī)，經(jīng)過(guò)組態(tài)軟件MCGS 進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

(2)系統(tǒng)工作原理

機(jī)床主軸溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制［2］，根據(jù)給定的溫度值和實(shí)際采集到的溫度值，由PLC 邏輯運(yùn)算后發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)，控制繼電器的閉合與斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻泵和風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的控制，從而對(duì)機(jī)床主軸的溫度起到檢測(cè)和控制作用。本檢測(cè)控制系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示，為閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，紅外溫度傳感器將機(jī)床主軸的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳給信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)節(jié)作用再傳給PLC，然后根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的溫度閾值參數(shù)T，PLC 將獲得的信號(hào)與參數(shù)T 做比較，通過(guò)邏輯運(yùn)算輸出控制繼電器工作狀態(tài)的指令，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)控制機(jī)床主軸溫度的要求。

本系統(tǒng)的工作原理是，紅外溫度傳感器將測(cè)得的機(jī)床主軸實(shí)時(shí)溫度經(jīng)反饋送到PLC 的輸入端，和給定的預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)機(jī)床主軸的溫度過(guò)高時(shí)，即測(cè)得的溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，通過(guò)參數(shù)的運(yùn)算，PLC 向繼電器發(fā)出閉合命令，該控制電路使交流接觸器閉合，冷卻泵和風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。隨著冷卻泵和風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的工作，機(jī)床主軸溫度會(huì)有所下降，此時(shí)紅外溫度傳感器檢測(cè)到的溫度低于PLC 預(yù)設(shè)溫度，PLC 控制繼電器斷開(kāi)，該控制電路使交流接觸器斷開(kāi)，冷卻泵和風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)停止工作。

2 系統(tǒng)的硬件選擇

本系統(tǒng)的PLC 選用西門子系列，型號(hào)為S7-200，CPU222，配套EM235 模擬量模塊使用。該P(yáng)LC 具有8個(gè)輸入和6 個(gè)輸出共14 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)，支持自由口和PPI 通訊接口。紅外溫度傳感器采用OTP-538U非接觸式紅外溫度傳感器，可測(cè)溫度范圍為-20～120℃，輸出信號(hào)為模擬量電壓信號(hào)。

系統(tǒng)部分硬件連接圖如圖3 所示。其中模擬量EM235 模塊與PLC 直接通過(guò)排線相連接，模擬量的輸入信號(hào)為經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后的電壓信號(hào)，其直接反應(yīng)機(jī)床主軸溫度的變化情況。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)PLC 配備的EM235 模擬量模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換，我們選擇雙極性±50 mV 輸入量程，對(duì)應(yīng)輸出量程為±32000。模擬量模塊6 個(gè)DIP 開(kāi)關(guān)狀態(tài)為SW1 OFF、SW2 ON、SW3 OFF、SW4 ON、SW5 OFF、SW6 OFF。根據(jù)該紅外溫度傳感器溫度和輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)表有:當(dāng)紅外溫度傳感器測(cè)的溫度為0 ℃時(shí)，其輸出電壓為-0.8 mV，調(diào)理電路輸出信號(hào)為-8 mV，EM235 模擬量模塊輸出值為0;當(dāng)紅外溫度傳感器測(cè)得的溫度為120 ℃時(shí)，其輸出電壓為5 mV，調(diào)理電路輸出信號(hào)為50 mV，EM235 模擬量模塊輸出值為32000。

假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A0～Am，A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù)值為D0～Dm，設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A，A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D，由于是線性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系A(chǔ)=f(D)可以表示為數(shù)學(xué)方程:

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。

規(guī)定當(dāng)機(jī)床主軸溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，采取降溫操作，那么根據(jù)EM235 模擬量模塊的A/D 轉(zhuǎn)換規(guī)則確定此時(shí)的輸出值為:13333.3，暫取13333，即在PLC中的閾值預(yù)設(shè)為13333。采樣時(shí)間定為1 s。部分程序如圖4。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能在計(jì)算機(jī)中直觀地顯示整個(gè)檢測(cè)控制系統(tǒng)各功能部件(繼電器、冷卻泵和風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)等)的工作狀態(tài)、機(jī)床主軸實(shí)時(shí)溫度等參數(shù)的變化，和各功能部件的歷史工作記錄，本系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用北京昆侖通態(tài)MCGS 組態(tài)軟件作為上位機(jī)的監(jiān)控開(kāi)發(fā)軟件，上位機(jī)監(jiān)控軟件與PLC 之間通過(guò)PC/PPI 電纜連接，從而實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控［3-4］。

(1)新建工程

打開(kāi)MCGS 組態(tài)軟件，新建一個(gè)工程，我們選擇默認(rèn)TPC7062KX，分辨率為800×480 的7 英寸TFT 液晶屏幕。在“主控窗口”選項(xiàng)卡內(nèi)單擊“系統(tǒng)屬性”，將“窗口標(biāo)題”改為“機(jī)床主軸溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)”，點(diǎn)擊“確定”按紐，完成工程創(chuàng)建。

(2)定義I/O 設(shè)備

在“設(shè)備窗口”選項(xiàng)卡中單擊“設(shè)備組態(tài)”，在彈出的窗口中右鍵選擇“設(shè)備工具箱”，單擊“設(shè)備管理”，依次雙擊“所有設(shè)備”、“PLC”、“西門子”、“S7200PPI”、“西門子_S7200PPI”，單擊“確認(rèn)”按鈕完成設(shè)備的添加。

(3)定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量

DB 數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的歷史記錄、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和服務(wù)請(qǐng)求等的統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)和處理。數(shù)據(jù)庫(kù)中信息保存和處理的基本單位是點(diǎn)，點(diǎn)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)的點(diǎn)名字典中。數(shù)據(jù)庫(kù)中的點(diǎn)名字典就決定了數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，合理分配數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)空間。

(4)建立I/O 數(shù)據(jù)連接

將數(shù)據(jù)庫(kù)中的點(diǎn)與外部采集設(shè)備的通道地址相對(duì)應(yīng)，從而建立起上位機(jī)的各個(gè)I/O 點(diǎn)與下位機(jī)PLC I/O 地址之間的通訊，使下位機(jī)PLC 的各個(gè)I/O 點(diǎn)的工作狀態(tài)能夠準(zhǔn)確傳達(dá)到上位機(jī)并顯示出來(lái)。

(5)組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)

利用組態(tài)軟件提供的繪圖工具和圖庫(kù)，根據(jù)機(jī)床主軸的實(shí)際情況繪制溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)畫(huà)面。畫(huà)面背景色我們選擇淺灰色，這樣可以避免操作人員的視覺(jué)疲勞。

(6)運(yùn)行與調(diào)試

MCGS 新建工程初步建立完成，接下來(lái)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試工作。保存好已完成設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面等組態(tài)內(nèi)容，關(guān)閉工作臺(tái)窗口。檢查外圍硬件設(shè)備以及連線，確保安全的情況下，接通各部件設(shè)備包括冷卻泵和風(fēng)扇電機(jī)的供電。在“工具”中選擇“下載配置”，在彈出的對(duì)話框中左鍵點(diǎn)擊“工程下載”，下載完成后，點(diǎn)擊“啟動(dòng)運(yùn)行”進(jìn)入MCGS 模擬運(yùn)行系統(tǒng)畫(huà)面。

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)建立完成之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。在GSK 980TDb 數(shù)控車床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并用測(cè)溫槍測(cè)量主軸溫度變化。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為23 ℃，測(cè)試從轉(zhuǎn)速為200 r/min 開(kāi)始進(jìn)行，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min 后記錄監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)用測(cè)溫槍對(duì)相同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量，依此方法每200 r/min 一個(gè)轉(zhuǎn)速級(jí)差進(jìn)行增速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到2000 r/min 為止。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

分析系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有較高的準(zhǔn)確性，并根據(jù)機(jī)床主軸實(shí)時(shí)溫度情況自動(dòng)控制冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到給主軸降溫的目的。

機(jī)床主軸溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸溫度的無(wú)人化實(shí)時(shí)檢測(cè)，使用期間只需要維修人員定期維護(hù)系統(tǒng)或出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)停機(jī)檢修，其他時(shí)間系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。

采用PLC 做為本系統(tǒng)的控制器，其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，并能夠保證檢測(cè)控制的可靠性。組態(tài)軟件的使用，使本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和各部件工作情況能夠直觀地動(dòng)態(tài)顯示，并能保存故障信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。雖然本系統(tǒng)能夠一定程度上防止機(jī)床主軸溫度過(guò)高，但值得關(guān)注的是通過(guò)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒刂浦鬏S溫升造成的熱變形是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)［5］。

［1］杜玉玲，文西芹，劉成文.機(jī)床主軸溫度場(chǎng)的數(shù)字化檢測(cè)［J］.新技術(shù)新工藝，2005(7):6-9.

［2］張文明.基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(29):18258-18261.

［3］李紅萍，賈秀明，趙曉莉.基于MCGS 的PLC 溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2012(5):83-85.

［4］王寧，虎恩典，王志剛.MCGS 和S7-200 PLC 液位溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2013，34(12):24-27.

［5］馮偉，張祥雷.機(jī)床主軸溫升試驗(yàn)研究及控制措施［J］.裝備制造技術(shù)，2013(11):250-251.