基于MCGS组态软件下电主轴监控系统应用

2024-07-28 作者:

第1期2011年1月

组合机床与自动化加工技术

ModularMachineTool＆AutomaticManufacturingTechnique

No.1Jan.2011

文章编号:1001-2265(2011)01-0061-04

基于MCGS组态软件下电主轴监控系统应用

王　胜

1,2

＊

,苗晓锋

1,2

(1.陕西广播电视大学,西安　710068;2.陕西工商职业学院,西安　710119)

摘要:文章以高速电主轴监控系统为研究对象,分析了机床电主轴需要监测的几个主要参数、系统主要

硬件构成和国产组态软件MGCS的主要功能。通过电主轴专用实验平台采集分析机床主轴的振动信号、转速、电机和前后轴承温度、轴向位移及相关状态参数。经采集系统分析后,可通过指示灯为缺乏主轴、轴承知识的一线工作人员提供判断信息。试验证明:该采集系统能够及时识别机床主轴的状态、发现故障早期征兆,从而可以及时消除故障隐患,避免破坏性事故的发生,为专业技术人员在机床主轴的优化设计、检修等方面提供了坚实的技术基础。关键词:组态软件;电主轴;在线监控;轴承温度中图分类号:TH16;TG65　　　文献标识码:A

TheApplicationforSpindleMonitorSystemBasedMCGS

WANGSheng,MIAOXiao-feng(iRadioandTVUniversity,Xi'an710068,China;iBusinessCollege,Xi'an710119,China)Abstract:Thisthesisintroducesthekeyparametersthatthemachinetoolspindleneededtomonitor、hardwarecomponentsaboutthesystemandsomemainlyfunctionsofconfigurationsoftwareMGCSinChina,MGCS(Mo-nitorandControlGeneratedSystem)is,aonlinemonitoringandanalysissystem,temacquiresandanalyzestheReal-Timedatasgeneratedfrommachinetoolspindlevibrationsign、rotationalspeed、motor、thetemperaturebetweenfrontandbackbearing、rovidejudginginformationforworkerswholackspindleandbearingknowledgebyindicatorssoastorecognizetheworkingcondition、discoverthefaultsign,laysasolidspecialityfoundationtoprofessionalandtechnicalpersonfortheirbearingandmachinetoolspindleoptimumdesign、ds:configurationsoftware;electricspindle;onlinemonitoring;bearingtemperature

1,2

1,2

0　引言

随着数控机床在我国的广泛应用,电主轴是数控机床的关键功能部件之一,主轴的好坏直接影响机床性能。由于主轴单元中,转子、壳体、轴承密封等部分的机构及加工和安装方面的缺陷,机床运行时引起振动,过大的振动又往往是机器破坏的主要原因,为了保持机床良好的技术状态和维修方面的便捷,

[3]

需要对其重要参数进行全面的监测与研究。近年来,随着计算机软件的大量开发和先进的监测理论的应用,由在线监视主轴工况离线分析诊断主轴

[1-2]

状态,发展成为在线监视与诊断主轴运行状态,监测软件系统趋向智能化,使电主轴的监视与专家系统更能按照人们的愿望实现对其进行健康的管[4-6]

理。

1　监测的主要参数

随着数控机床电主轴朝着高速、高效、高精度、大功率、大扭矩和高可靠性发展,对于机床主轴的运行状态的监测水平要求更高,必须随时随地的准确了解机床主轴的运行状态,而机床主轴运行状态是由可靠、精确的

收稿日期:2010-07-30

　＊基金项目:“十一五”国家科技支撑计划课题(2006bfa01b02)

作者简介:王胜(1974—),男,西安人,陕西广播电视大学讲师,硕士,博士研究生,研究方向为机电液一体化设备及系统,(E-mail)

lzwangsheng@。·62·

组合机床与自动化加工技术

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监测数据来判断,主要监测参数如下。1.1　振动参量

振幅是偏离平衡位置的最大值,描述振动的规

模。是表示振动的严重程度的一个重要指标,它可以用位移、速度或加速度表示。一台正常运行的机床,主轴的振动都是稳定在一定的范围内,振幅值大的变化都表明主轴状态有了改变,因此对振幅的监测,可以判断机器是否在平稳运行。

频率对于识别机器的振动形式是重要参量,因为机器的振动一般都是机器转速的整数倍或分数倍。

相位是一重要参量;第一峰值相应于机器转子的“高点”位置,通过确定“高点”位置,就可确定机器的平衡状态和机器转子残留的非平衡重的位置,这是平衡转子的重要依据。1.2　振动形式

振动形式是显示在示波器上的原始振动波形,是分析振动数据非常重要的方法。安装在机器上每一测点的两个互成90度的电涡流传感器,可以很好地描述振动形式。振动形式有两种:时基波形和轴心轨迹。通过时基波形,能够确定振动的振幅、频率和相位,通过轴心轨迹,可观察到轴的实际运动情况。1.3　轴向位移

轴向位移测量的主要目的是为了确定转子和定子间的轴向间隙,避免轴向摩擦这种恶性故障,另外在利用径向振动数据分析振动原因时作为参考。1.4　主轴转速

提高电主轴转速可以提高其工作效率但如果转速

[7-8]

太高则会引起主轴的振动。机床主轴的运行转速应避开临界共振转速,为了避免出现主轴的临界工作状态转速对于机器的振动是一重要的参量。1.5　温度

主轴轴承高速下的剧烈摩擦发热和高频电机发热会使主轴产生热变形,过高的温度对于电主轴的伤害是致命的,必须对电主轴进行监测,电主轴有两大热源:内置电动机的发热和主轴轴承的发热。工程上多以用主轴前轴承的外周作为测量系统温升的典型区域,为了更清楚的了解主轴内部温度的变化,对主轴的两大热源进行测量。如图1为电主轴3个温度测量点的位置示意图。

[9]

2　系统硬件构成

根据实际情况和研究目的,系统硬件由温度传感器、转速传感器、振动传感器、位移传感器、信号变送器构成,结构示意图2如下。

图2　系统构成示意图

2.1　温度传感器

该系统的电机温度和轴承温度采用PT100铂电阻进行测量,铂电阻是一种温度传感器,其工作原理:在温度作用下,铂热电阻丝的电阻值随之变化而变化,且电阻与温度的关系即分度特性完全和IEC标准等同,具有良好的输出性能。并且PT100可以与PLC模块直接配合使用采集信号,取消温度变送器,可以显著降低成本,方便维护。2.2　转速传感器

该系统转速传感器运用霍尔效应,当开槽处经过霍尔传感器前端时,引起磁场变化,霍尔元件检测到磁场变化,并转换成一个交变电信号,传感器内置电路对该信号进行放大、整形,输出良好的矩形脉冲信号,测量频率范围更宽,输出信号更精确稳定,安装简单。工作电压:DC5～24V,测量范围:0～20KHz能够满足测量要求。2.3　振动和轴位移传感器

该系统振动和轴位移传感器均采用涡流传感器,涡流传感器与前置器形成一个振荡器,振幅随着传感器探头与金属被测物的接近而衰减,衰减的幅度与传感器和被测物之间的距离成正比。它具有体积小,可靠性高,非接触测量等优点,此外还有测量范围宽,灵敏度高,抗干扰能力强,不怕油污等。适用温度-35℃-+380℃,测量范围:0～200μm,较适合测量例如轴振动和轴位移等物理量.在安装电涡流传感器时需要注意:根据电主轴实际尺寸进行打孔,.传感器的探头与主轴的面要平行。主轴的面要大于传感器探头的面1.5倍。传感器的周围环境应无强磁场。.尽量减少延伸电缆的长度。2.4　扩展模块

扩展模采用西门子S7300的SM331系列模拟量输入模块,该模块具有分辨率高,转换速度快等特点,通过量程卡可以方便快捷的改变输入信号的类型。并且可以直接连接PT100,具有很高的性价比。它通过背板总线和Plc控制器系统连接,由CPU直接读取测量图1　电主轴温度测量点示意图

2011年1月　　王　胜,等:基于MCGS组态软件下电主轴监控系统应用的数值用于程序处理,因而具有其它采样方式无可比拟的精度。2.5　plc控制器

S7-300针对的是中小系统,他的模块可以扩展多达32个模块,背板总线也在模块内集成,它的网络连接已比较成熟和流行,有MPI(多点接口),使通讯和编程变的简单和多选性,并可以借助于HWConfig工具可以进行组态和设置参数。除了信号模块(SM)和EM模块同类型之外,它还有接口模块(IM)———用来进行多层组态,把总线从一层传到另一层;占位模块(DM)———为没有设置参数的信号模块保留一个插槽或为以后安装的接口模块保留一个插槽;功能模块(FM)———执行特殊功能,如计数、定位、闭环控制相当于对CPU功能的一个扩展或补充;通讯处理器(CP)———提供点对点连接、PROFIBUS和工业以太网。2.6　水泵控制器

水泵控制器的作用是调节进水量的大小,通过温度传感器给出的值,经过专家系统判断,确定进水量的多少,从而达到合理地降低主轴温度的目的。2.7　油气控制器

油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承,微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜,而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的,油气控制器的作用是根据轴承的润滑条件,进行油气量的控制。

统

[10-12]

·63·

。

3.2　组态软件设计

数据对象是构成实时数据库的基本单元,建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括:指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围,建立变量如表1。

表1　MCGS数据库主要变量表

对象名称喷油阀进水阀前轴承温度后轴承温度电机温度水泵

类型开关型开关型数值型数值型数值型开关型

对象名称转速振幅频率相位X向位移Y向位移

类型数值型数值型数值型数值型数值型数值型

　　MCGS组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序,该构件可以产生标准的正弦波,方波,三角波,锯齿波信号。图3为常用窗口。

3　系统软件

3.1　MGCS组态软件简介

MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft(各种

32位Windows平台上)运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点,比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性,MCGS组态软件功能强大,操作简单,易学易用,普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题,集中精力去解决工程问题本身,根据工程作业的需要和特点,组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系

3.3　软件功能

图3　设备管理窗口

编写控制流程:该系统需要使用脚本程序(见图4),脚本程序的编程语法非常类似于普通的Basic语言,可简化组态过程,大大提高工作效率。

图4　脚本程序的编写流程

随着计算机技术技术的不断发展,许多领域都引入了计算机自动检测与控制技术

[12]

。在执行机床电

主轴测监测系统中,由于需要进行同步数据采集与测试分析,所以也需要采用计算机自动检测技术进行数据实时处理、曲线绘制、精度分析等。引入工控组态软件术,对于工作一线的操作人员,无需对主轴、轴承知

·64·

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识十分熟悉,透过机床指示灯就可简易判断设备状况是否良好,对于专业技术人员,可通过人机界面提供主

轴数据搜集和分析信息,进而了解机床主轴在不同温度、载荷、转速下的运行状态,便于对主轴进行优化设计。软件界面如图5和图6所示。

转,而是还环绕某一中心作涡动运动,这种涡动运动的轨迹称为轴心轨迹,轴心轨迹可用来确定转子的临界

转速、空间振型曲线等,图7为系统轴心轨迹图。

图7　系统轴心轨迹图

幅值谱分析是把复杂的混合频率的振动信号分解成一系列单一频率的正玄波幅值的方法。幅值谱中横坐标为频率,纵坐标为幅值,通过幅值谱分析可以得到振动信号和频率下的幅值大小。如图8所示。

图8　系统幅值谱分析图

该软件通过网络通讯,以每秒一次的速率读取实时采集数据,经计算和处理,在界面上显示以实现在线监测显示功能。系统采用同步整周期方式采集数据,可采集起/停机(瞬态)和稳态的振动数据及相关过程参数。系统具有FFT分析功能,把时域的信号转换成频域的信号。获得振动的频谱并分析频谱分量的变化,为振动故障诊断和处理提供大量的信息。

为了避免出现主轴的临界工作状态,比如需要对碰撞、过载荷以及温度的变化进行监控。为此首先需要对主轴的临界工作状态以及非临界工作状态全部从测量技术上进行采集,并保存在一个共享的数据库里。然后可以根据这个基准数据库,经数据计算,处理和绘图以完成历史数据分析功能。该系统可以绘制并打印输出数据列表、轴心轨迹、幅值谱图、时域波形、参数棒图、启停曲线、波特图、瀑布图、趋势图和轴心位置图。这里介绍一下轴心轨迹、幅值谱图、时域波形。轴心轨迹图。转子在轴承中旋转时并不是只围绕自身中心旋在机床电主轴监测技术中,常用的有时域波形分析及频谱分析:振动信号以位移、速度、加速度三个参量表示,其最简单、最直观的表现形式就是时域波形。

波形具有明显特征,直接观察可以看出周期信号、谐波信号、短脉冲信号,这时利用波形分析可以直接识别共振现象及调制现象,从而可直接用来对设备故障作出初步判断,如图9所示。

图9　系统时域波形图

(下转第68页)

·68·

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4　结束语

基于PC/104激光极耳成型控制器能够实现高精

度的运动控制,具备良好的运动控制性能。采用实时RTLinux操作系统,使得系统能很好地进行多任务处理,并保证了系统的实时性,该系统成功地应用于动

图4　极耳图形

力电池激光动态极片成型切割机上,控制切割精度在0.5mm之内,完全达到期望的控制效果。

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(编辑　李秀敏)

缓存来存储耳朵部分(方形虚线部分),对这部分的处

理是根据界面模块传下来的极耳高度及极耳宽度和圆弧半径的大小,换算出耳朵部分四个顶点的坐标值,然后根据这四个顶点再细分成24个坐标点;对圆弧部分的处理是另外再开辟一块缓存,调用贝塞尔曲线去模拟生成圆弧点,其生成坐标点随着圆弧半径的增大而增多,并把生成点依次放到缓存中去。然后通过构造一种新的数据结构,这种数据结构是由圆弧+耳朵部分+圆弧方式构成单极耳图形,最后再通过圆弧+耳朵部分+圆弧+极耳间距+圆弧+耳朵部分+圆弧+极耳间距+…+圆弧的方式构成最后的图形数据结构,该数据结构最后通过用户层发送到内核层的数据队列缓存中,等待发送到振境中去驱动其完成相应的动作。本系统采用的数据生成方法具有简单,易实现,并能根据参数的大小而灵活的改变待切割极耳图形的大小的特性。目前该生成数据方法的瑕疵是不能适应改变极耳形状的情况,既能改变大小又能改变切割图形形状的数据生成法还有待于研究。

(上接第64页)

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(编辑　李秀敏)

4　结束语

根据机床电主轴的运行特点,借助MCGS组态软件对其进行实时监测,实现了实时数据浏览、实时和历史数据趋势显示等功能,及时发现问题并解决问题,达到了预期的实验目的。相对原有的仪表调节器,该监控系统具有结构简单、成本低、性能稳定等优点,同时可方便地通过硬、软件进行扩充。经测试证明,基于MCGS组态软件开发的测试系统,完全能够满足高速机床电主轴在线监测与分析的要求。

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