機床主軸軸承溫度的檢測與保護

【摘 要】首先通過溫度傳感器來測量機床主軸溫度，由溫度變送器輸出電壓信號，將電壓信號送人測溫電路的取樣部分，然后將電壓信號經(jīng)低通濾波電路濾除高頻干擾，再經(jīng)V/F轉換電路將其轉換為頻率信號送入80C51單片機接口，經(jīng)單片機計算處理后輸出的數(shù)值存儲在單片機的RAM中供溫度計量計算調用，同時輸出信號再經(jīng)MC14489驅動數(shù)碼管顯示。

【關鍵詞】MCS-51單片機；溫度傳感器；LM331 V/F轉換電路；模塊設計；精度控制；溫度修正

1.引言

主軸是機床的關鍵零部件，而主軸軸承則是主軸正常運行的重要部件，當機床長期處于工作狀態(tài)時，很容易造成軸承的損壞甚至燒瓦、停機的惡性事故.軸承的使用壽命遵循典型的浴盆曲線規(guī)律，實際工作中，常采用人工定時巡檢和定期檢修的方法來保證運行的可靠性，對于一些直接影響到機床安全運行的重要軸承，一般價格很高，采用傳統(tǒng)的人工巡檢無法滿足機床長期安全運行的要求，因此只有對主軸軸承溫度進行實時溫度監(jiān)測才能保證主軸的正常運行，從而可進一步提高機床運行的可靠性，機床主軸軸承溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)就是通過在線采集軸承運行的溫度數(shù)據(jù)，通過處理器進行比較和分析，及時掌握軸承運行工況。

2.機床主軸軸承溫度升高原因及限制

機床主軸在運轉過程中，由于主軸轉速較高、主軸潤滑不足、潤滑油太粘稠、以及主軸加工、安裝如主軸彎曲或安裝與尾架不同心等因素，都會引起主軸軸承溫度升高，導致機械間隙變小而出現(xiàn)噪音和機械損傷，軸承溫度一般限制在溫度升高不超過45℃，監(jiān)測中若發(fā)現(xiàn)軸承的溫度超過70-80℃，應立即停機檢查。

3.總體設計思路

該系統(tǒng)設計主要是由MCS-51單片機組成的機床主軸溫度測量系統(tǒng)。其采用的核心技術是利用V/F轉換采集溫度信號來實現(xiàn)機床主軸溫度測量精度控制，并利用相對差值計算技術，通過軟件調整定時計數(shù)時間來精確控制測量精度，從而使得系統(tǒng)測溫精度與電路元件參數(shù)無關。

測溫系統(tǒng)主要由溫度變送器、測溫電路和軟件3部分組成。其中測溫電路主要由MCS-51系列中80C51單片機電路和LM331V/F轉換電路組成。測溫系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，溫度變送器輸出的0～5V電壓信號對應于0～+100℃的機床主軸實際溫度。這個信號經(jīng)具有屏蔽措施的傳輸線送至測溫電路，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻干擾。而后經(jīng)LM331V/F轉換電路轉換為頻率信號輸入至80C51單片機。系統(tǒng)對頻率脈沖進行定時計數(shù)，再根據(jù)0℃時對應的基準數(shù)進行相對差值計算，得到0～10000的相對數(shù)，這個相對數(shù)即代表0～+100℃的機床主軸溫度信號，由此計算出溫度值。同時還要進行溫度修正，修正值是在測溫標定時由用戶輸入的。測量值存于80C51 RAM中，可供溫度計量計算調用，同時經(jīng)MC14489驅動顯示電路送至LED顯示當時的機床主軸溫度。

圖1 總體設計思路

4.硬件設計

本設計的硬件部分主要包含六大部分，它們是溫度采集電路、低通濾波電路、V/F轉換電路、單片機接口電路、晶體管顯示驅動電路、溫度顯示電路。

限于篇幅具體各部分電路在此不進行詳述。

圖2 總電路圖

5.軟件設計

圖3 方案軟件設計

本設計項目的硬件思路是通過溫度傳感器來測量機床主軸溫度，由溫度變送器輸出電壓信號，將電壓信號送人測溫電路的取樣部分，將電壓信號經(jīng)低通濾波電路濾除高頻干擾。再經(jīng)V/F轉換電路將其轉換為頻率信號送入80C51單片機接口。經(jīng)單片機計算處理后輸出的數(shù)值存儲在單片機的RAM中供溫度計量計算調用，同時輸出信號再經(jīng)MC14489驅動數(shù)碼管顯示。

軟件思路是應用模塊設計方法，選用C語言編程。整個軟件部分需要完成三大塊的設計，它們是：溫度計算模塊，精度控制模塊和數(shù)碼管驅動模塊。

本次設計的難點是被測溫度的精度控制，一般的測溫系統(tǒng)中是將V/F轉換電路輸出的頻率脈沖數(shù)范圍對應于被測溫度范圍，但在溫度測量中要提高測量系統(tǒng)的最低分辨率就必須增大頻率脈沖范圍。國內大部分此類系統(tǒng)是通過元件的選取和硬件的合理來增大頻率脈沖的范圍，此方法復雜且效果不是很好。本設計采取的方法應用軟件方法來增大頻率脈沖范圍。通過系統(tǒng)對頻率脈沖進行計數(shù)，再根據(jù)給定的基準數(shù)進行相對差計算，得到測量溫度。

6.精度控制

在本方案中用于提高溫度測量精度的主要方法是通過對溫度傳感器采集的模擬信號進行了V/F轉換，然后用單片機對轉換后的頻率計數(shù).以此來達到提高測量精度。

本設計中采用由美國NS公司生產(chǎn)的LM331性價比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調器，其內部結構圖如圖4所示。

圖4 LM331內部結構圖

f0=（Vi×RS）/（2.09×Rt×RL×Ct）

（1-1）

如以頻率信號直接計算溫度值，且保證測溫的最小分辨率為0.02℃，由式（1-1）可知，當V在0～5V之間變化時，要求F的變化量為5000Hz，即在0～+100℃間相差5000個頻率脈沖，每個頻率脈沖對應0.02℃。實現(xiàn)這一目標是相當困難的，需要精確調整、搭配各電路元件的參數(shù)值，也就是說測溫精度及分辨率將完全依賴于電路元件參數(shù)絕對值的精確度，采取定時計數(shù)的方法可以解決這個問題。在定時時間τ內對頻率脈沖計數(shù)，得到數(shù)字信號N，以N值作為最后的溫度信號，也可以說對溫度信號又進行了一次F/N轉換，N與F之間的關系由下式計算：

N=2πf （1-2）

式中，乘2的原因是1個頻率脈沖計2個數(shù)，要保證0.02℃的分辨率，則應滿足下式：

N100-N0=10000 （1-3）

式中，N100對應軸溫在+100℃時的計數(shù)值，N0對應軸溫在0℃時的計數(shù)值.根據(jù)式（1-2）的關系將（1-3）式變換為：

2πF100-2πF0=10000

π（F100-F0）=5000 （1-4）

式中，F(xiàn)100對應軸溫在+100℃時的頻率數(shù)，F(xiàn)0對應軸溫在0℃時的頻率數(shù)。在電路元件參數(shù)值確定之后，F(xiàn)100及F0即為確定值，兩者的頻率差值也為確定數(shù)，此時不必嚴格要求電路元件參數(shù)的精確值，即不必嚴格要求頻率信號差值為5000Hz，只要在某一合適的范圍即可。通過軟件調整計數(shù)定時時間τ，就能滿足式（1-3）的條件，保證在0～+100℃的溫度變化范圍內，信號相差5000個頻率脈沖，則最小測溫分辨率為0.02℃，足以滿足測溫精度的要求。采用此方法將調整電路元件參數(shù)（即振蕩電路中電阻、電容）的精確值來保證頻率差值轉變?yōu)檐浖{整計數(shù)定時時間τ，調整電路元件參數(shù)的精確值是相當困難的，而由軟件調整計數(shù)定時時間τ是比較容易的。由此可知，振蕩電路中電阻、電容確定后，頻率差的精確度與電阻、電容的精確值無關。

7.傳感器的選型、安裝

由于本設計不僅要進行軸承溫度測量還要實現(xiàn)精度控制。精度控制的方法是首先對傳感器輸出的電壓信號實行V/F轉換，然后用單片機對頻率進行計數(shù)以此來達到一定的測量精度。所以模擬溫度傳感器是首選溫度傳感器，其次溫度傳感器所處的環(huán)境具有強電磁干擾的特點。綜合考慮本設計選用PT100鉑熱電阻溫度傳感器，導電導熱性好，靈敏度高，延展性強；耐熔、耐摩擦、耐腐蝕。

熱電阻是利用物質在溫度變化時本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的。熱電阻的受熱部分是用細金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上，當被測介質中有溫度梯度存在時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。PT100鉑熱電阻溫度傳感器是熱電阻溫度傳感器的一種，適用于測-200～+650℃之間的溫度。鉑的物理和化學性能非常穩(wěn)定，具有高的熔化溫度和電阻率，溫度范圍寬。傳感器的精度和穩(wěn)定性依賴于感溫元件的特性及精度級別。傳感器配有5m，10m的屏蔽電纜，廣泛應用于氣象，勘探，農業(yè)，制造業(yè)等領域。

選用WZP-P系列貼片式Pt100溫度傳感器，測量范圍為-50～200℃，在主軸前、中、后軸承處，通過螺栓或其它固定方式將3個溫度傳感器安裝在軸承或軸承座表面上，注意安裝時螺栓緊固程度不宜太大，避免溫度傳感器受力太大導致?lián)p壞。

8.軸承溫度的檢測與保護的實際應用

8.1 應用范圍

機床主軸軸承溫度的檢測與保護電路首先改造了10臺車床、5臺刨床，應用效果較好，但由于公司一年多后機構改革、調整，取消了機械加工工段，因此未能得以更大范圍的應用。

8.2 應用效果

經(jīng)過一年多的應用實踐的證明，機床主軸軸承溫度的檢測與保護電路在各式機床上的應用非常成功，據(jù)這一年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示每年每臺機床為公司節(jié)約電機修理費1.6萬元左右，每臺機床節(jié)約更換主軸軸承等直接費用1.2元以上。

9.結論

基于本設計的機床主軸軸承溫度測量的精度可以控制在0.01度，這樣就有效地提高了機床主軸軸承溫度的精確計算，從而及時掌握軸承運行工況，可以在軸承尚未損壞之前發(fā)出溫度超限報警及跳車信號，從而避免發(fā)生設備事故，達到大大降低值班人員的巡檢強度，提高了設備運行可靠性的目的。

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[4]徐國華，宋書峰，呂瑜.一種新型的智能化位移溫度測量系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2004，17（2）：44-61.

作者簡介：

曲磊（1984—），男，山東魯能智能技術有限公司助理工程師，主要從事電氣工程售后服務工作。

張翔（1988—），男，山東魯能智能技術有限公司助理工程師，主要從事于電氣控制設計工作。