基于PLC的机床主轴温度检测控制系统.pdf

D e s ig n a n d R e s e a 『 C h 设计与研究 基于 P L C的机床主轴温度检测控制系统 梁 中源 钟佩 思 刘 坤 葛 旋 山东科技大学先进制造技术研 究中心 ， 山东 青 岛 2 6 6 5 9 0 摘要 针对机床主轴运转时温度过高的问题 ， 结合通讯、 传感器和上位机组态等技术设计 了基于 P L C的 机床主轴温度检测控制系统 。 并给出了系统的硬件和软件设计。该设计具有 自动化高、 灵敏度高、 实时性好、 稳定性好、 成本低等优点 。 解决了因为机床主轴温度过高引起的加工精度下降问题 ， 为提 高机床加工精度和机床无故障运行提供 了可靠保证。 关键词 机床主轴 ； P L C； 温度检测 ； 组态 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B Ma c h i n e t o o l s p i n d l e t e mp e r a t u r e d e t e c t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n PL C L I ANG Z ho n g y ua n，ZHONG P e i s i ，LI U Ku n，GE Xu a n A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ，S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ， C H N Abs t r ac t I n v i e w o f t h e p r o b l e m o f h i g h t e mp e r a t ur e wh i l e t h e ma c h i n e t o o l s p i nd l e i u n， c o mb i n e d wi t h t h e c o n mu n i c a t i o n t e c h n o l o gy ， s e n s o r t e c h n o l o gy a nd PC c o n f i g u r a t i o n t e c h n o l o gy ， d e s i g n t he ma c h i n e t o o l s pi n d l e t e mp e r a t ur e d e t e c t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P LC，a n d t he h a r d wa r e s t r u c t u r e o f t h e s y s t e r m a n d s o f t wa r e d e s i g n a r e g i v e n ． Th e d e s i g n h a s h i g h a u t o ma t i o n， h i g h s e ns i t i v i t y， g o o d r e a l t i me p e rfo r ma n c e， h i g h s t a b i l i t y， l o w c o s t a n d o t he r a d v a n t a g e s ． Th e pr o b l e m o f ma c h i n i n g a c c u r a c y d e c l i n e c a u s e d b y t he h i g h t e mp e r a t u r e o f ma c hi n e t o o l s p i n d l e i s s o l v e d ． Th e pr o c e s s i n g p r e c i s i o n a n d t r o ub l e f r e e o p e r a t i o n o f ma c h i n e t o o l a r e e n s u r e d b y t h e s y s t e m． Ke ywo r d sma c h i n e t o o l s p i n d l e；P LC；t e mp e r a t ur e de t e c t i o n；c o n f i g u r a t i o n t e c h n o l o g y 机床主轴是指机床上带动工件或刀具旋转 的轴。 通常由主轴 、 轴承和传动件 齿轮或带轮 等组成主轴 部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质 量和切削效率的重要 因素 ， 而温度在影响机床主轴运 动精度的诸多因素 中， 占有很大 比重。机床主轴在工 作状态下高速旋转时 ， 特别是 电主轴的高速旋转 ， 会产 生大量的热量引起主轴温度 的升高 ， 一旦机床主轴的 温度超过 了许用范 围， 将会严重影响机床的加工精度 ， 从而降低产品的质量。所以有必要对机床主轴的温度 进行检测控制 ， 预防主轴温度过高造成 的机床加工质 块能够实现 电动机组 网运行的控制与监测 ， 结构简单 、 控制方便。因此设计 的驱动模块的智能化、 网络化监 控能够满足要求 。 参考文献 [ 1 ] 李慧 ， 刘星桥 ， 李景 ， 等． 多电机同步协调 系统控制 策略 [ J ] ． 电机与 控制应用 ， 2 0 1 4 4 61 1 ． [ 2 ] 刘涛 ， 王宗义 ， 孔庆磊 ， 等． 基于 C A N总线 的多电机协调运 动控制系 统研究 [ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 1 0 3 7 57 7 ． [ 3 ] 亢雪 琳． 基 于 S T M3 2的 C AN总 线 通 信 设计 [ D] ． 长 春 吉 林 大 学 ， 2 0 1 3 ． [ 4 ] 张唏 ， 曾迪晖 ， 王永立 ． 基于 S T M3 2的无刷直 流电机 控制 系统 [ J ] ． 仪表技术与传感器 ， 2 0 1 3 9 6 8 6 9 ． 等 Zu10 年 幂 ， 朋 [ 5 ] 伍洲 ， 方彦军 ． I R 2 1 1 0在 电机驱 动器设计 中的应用 [ J ] ． 仪表技术与 传感器 ， 2 0 0 8 1 1 8 8 9 0 ． [ 6 ] 董建怀． 电流 传感 器 A C S 7 1 2的原 理 与应 用 [ J ] ．中国科 技 信息 ， 2 0 1 0 5 9 2 9 3 ， 9 6 ． [ 7 ] 何存 富， 周龙 ， 宋 国荣 ， 等． 基于 D S P的直流 电机驱 动控制 电路设计 [ J ] ． 测控技术 ， 2 0 0 7 1 6 4 6 7 ． 第一作者 余松科 ， 男， 1 9 9 0年生 ， 硕士研 究生， 主 要研 究方 向为 测控仪 器与检 测技 术。 编辑谭 弘颖 收稿 日期 2 0 1 5一叭 一1 3 文章编号 1 5 0 7 2 5 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 设计与研究 n a n d R e s e a 量下降甚至机床故障。 本文针对普通机床主轴 的发热特点和可测点温度 变化与主轴热变形的关系_ 1 J ， 结合 P L C的功能特点， 构建了机床主轴温度检测系统 。该系统可以实时对机 床主轴温度进行有效 的检测控制 ， 为实时监控机床 主 轴工作状态提供依据 。同时本系统在普通机床的性能 改进及大型 电动机的温度检测系统 中具有一定的应用 价值 ， 可 以成为企业设备故障检测 ， 控制产品质量 的重 要手段 。 1 检 测控制 系统组成和工作原理 1 系统组成 本系统是针对机床主轴温度参数检测要求而设计 的， 具体的系统硬件构成如 图 1 。该 系统是 以 P L C作 为数据处理终端 ， 采用计算机为上位机 的监控 网络。 硬件部分有安装有组态软件 MC G S的计算机、 可编程 逻辑控制器 P L C 、 红外温度传感器 以及其他控制设 备。红外温度传感器将当前的主轴温度信号转换为标 准的电信号 ， 经过信号 调理 电路调 理后传人 给 P L C， P L C将实际测得的温度信号与设定的温度信号进行 比 较和逻辑运算， 然后通过运算结果控制继电器的闭合， 实现对冷却泵和风扇电动机 电路 的控制。同时 ， 机床 主轴 的温度值经 P L C传输 给上位机 ， 经 过组 态软件 MC G S进行动态显示。 pL C 图 1 系统儡戚 2 系统工作原理 机床 主轴 温度 检测 控 制 系统 采用 的是 闭环 控 制 ] ， 根据给定 的温度值和实 际采集 到的温度值 ， 由 P L C逻辑运算后发 出系统调节信号 ， 控制继 电器 的闭 合与断开 ， 实现对冷却泵和风扇电动机的控制 ， 从而对 机床主轴的温度起到检测和控制作用。本检测控制系 统的工作原理如图 2所示 ， 为闭环控制 系统 。当系统 工作时 ， 红外温度传感器将机床 主轴的温度信号转换 为电信号， 传给信号调理电路， 通过信号调理电路的调 节作用再传给 P L C， 然后根据用户预设的温度阈值参 数 T， P L C将获得的信号与参数 T做 比较 ， 通过逻辑运 算输出控制继电器工作状 态的指令 ， 从而实现检测 控 制机床主轴温度的要求。 8 8 图2 工作原理 本系统的工作原理是 ， 红外温度传感器将测得 的 机床主轴实时温度经反馈送到 P L C的输入端 ， 和给定 的预设温度进行比较， 当机床主轴的温度过高时， 即测 得的温度高于预设温度时， 通过参数的运算 ， P L C向继 电器发出闭合命令 ， 该控制 电路使交流接触器闭合 ， 冷 却泵和风扇电动机进人工作状态。随着冷却泵和风扇 电动机的工作， 机床主轴温度会有所下降， 此时红外温 度传感器检测到的温度低于 P L C预设温度， P L C控制 继电器断开， 该控制电路使交流接触器断开， 冷却泵和 风扇电动机停止工作 。 2 系统的硬件选择 本系统的 P L C选用西门子系列 ， 型号为 s 7 2 0 0， C P U 2 2 2， 配套 E M2 3 5模拟量模块使用 。该 P L C具有 8 个输入和 6个输 出共 1 4个数字量 I ／ O点 ， 支持 自由口 和 P P I 通讯接 口。红 外温度传感 器采用 O T P一5 3 8 U 非接触式红外温度传感器 ， 可测温度范围为 一 2 0～1 2 0 ℃ ， 输 出信号为模拟量电压信号。 系统部分硬件连接 图如图 3所示 。其 中模拟量 E M 2 3 5模块与 P L C直接通过排线相连接 ， 模拟量的输 入信号为经调理电路调理后的电压信号， 其直接反应 机床主轴温度的变化情况。 3系统 的软件设计 通过 P L C配备的E M 2 3 5 模拟量模块实现信号的A ／ D转换 ， 我们选择双极性 5 0 m V输入量程， 对应输 出量 程为 3 2 0 0 0 。模拟量模块 6个 D I P开关状态为 S W1 OF F、S W2 ON S W3 OF F、 S W4 ON S W 5 OF F1 S W 6 OF F 根据该红外温度传感器温度和输出信号对应表有 当红 外温 度 传 感 器 测 的 温 度 为 0 o C时， 其 输 出 电 压 为 一 0 ． 8 m V ， 调理电路输出信号为一 8 m V， E M 2 3 5 模拟量模 块输出值为 0 ； 当红外温度传感器测得的温度为 1 2 0 o C 时， 其输 出电压为 5 m V， 调理电路输 出信号 为 5 0 m V， E M 2 3 5 模拟量模块输出值为3 2 0 0 0 。 假设模拟量 的标准电信号是 A 。 ～A ，A ／ D转换 后数值为 ～ ， 设模拟量 的标准 电信号是 A， A ／ D 转换后的相应数值为 D， 由于是线性关 系， 函数关系 A D 可以表示为数学方程 等 ； ；； zu13 年 幂 ， 朋 降 沮手 降温手 1 0 ． 1 Q o ．0 l 0 ． 1 1 0 ．2 Q o ． 1 I O ． 3 CO M C OM N S 7 ． 2 o o L C U P 2 2 2 A I WO 模拟量 扩展E M _2 3 5 冷却泵电 磁阀 冷却风扇电动 机电 磁阀 图3 部分硬件连接 图 A D D 0 A 一 A 0 ／ D 一D 0 A 0 。 规定当机床主轴温度达 到 5 0℃ 时， 采取降温操 作 ， 那 么根据 E M2 3 5模拟量模块 的 A ／ D转换规 则确 定此时的输出值为 1 3 3 3 3 ． 3 ， 暂取 1 3 3 3 3 ， 即在 P L C 中的阈值预设 为 1 3 3 3 3 。采样 时间定 为1 s 。部 分程 序如图 4 。 图4部分程序梯形图 4 监控 系统设计 为了能在计算机 中直观地显示整个检测控制系统 各功能部件 继电器 、 冷却泵和风扇 电动机等 的工作 状态、 机床主轴实时温度等参数 的变化 ， 和各功能部件 的历史工作记录， 本系统的监控 系统设计选用北京 昆 仑通态 MC G S组态软件作 为上位机的监控开发软件 ， 上位机监控软件与 P L C之间通过 P C ／ P P I电缆连接 ， 从而实现温度检测系统的监控 J 。 1 新建 工程 打开 MC G S组态软件 ， 新建一个工程， 我们选择默 认 T P C 7 0 6 2 K X， 分辨率为 8 0 0 4 8 0的7英寸 T F r液 晶屏幕 。在“ 主控窗 口” 选项卡内单击“ 系统属性” ， 将 “ 窗口标题” 改为“ 机床主轴温度检测控制系统 ” ， 点击 等 ； ，， 10 年 幂 ， 朋 D e s ig n a n d R 洲 设计与研究 “ 确定” 按纽 ， 完成工程创建 。 2 定义 I ／ O设备 在“ 设备窗 口” 选项卡中单击“ 设备组态 ” ， 在弹出 的窗 口中右键选择“ 设备工具箱” ， 单击 “ 设备管理” ， 依 次 双 击 “ 所 有 设 备 ” 、“ P L C” 、“ 西 门 子 ” 、 “ S 7 2 0 0 P P I ” 、 “ 西门子一 S 7 2 0 0 P P I ” ， 单击“ 确认” 按钮完 成设备的添加 。 3 定义数据库变量 D B数据库是整个监 控系统 的核心 ， 能够实现 对 整个监控系统 的历史记录、 实时数据 、 报警信息和服务 请求等的统计、 存储和处理。数据库中信息保存和处 理的基本单位是 点， 点存放在数据库 的点名字典 中。 数据库中的点名字典就决定了数据库 的结构 ， 合理分 配数据库 的存储空间。 4 建立 l V O数据连接 将数据库中的点与外部采集设备 的通道地址相对 应 ， 从而建立起上位机的各个 I ／ O点与下位机 P L C I ／ 0地址之间的通讯 ， 使下位机 P L C的各个 I ／ O点的工 作状态能够准确传达到上位机并显示出来。 5 组态画面设计 利用组态软件提供 的绘 图工具和图库 ， 根 据机床 主轴的实际情况绘制温度检测与控制系统画面。画面 背景色我们选择浅灰色， 这样可以避免操作人员的视 觉疲劳。 6 运行与调试 MC G S新建工程初 步建立 完成 ， 接下来进行运行 调试工作。保存好已完成设计的数据库、 实时监控画 面等组态内容， 关闭工作台窗 口。检查外围硬件设备 以及连线 ， 确保安全 的情况下 ， 接通各部件设备包括冷 却泵和风扇 电机 的供 电。在 “ 工具 ” 中选择 “ 下载 配 置” ， 在弹出的对话框中左键点击“ 工程下载” ， 下载完 成后 ， 点击 “ 启 动 运 行 ” 进 入 MC G S模 拟 运 行 系 统 画 面 。 5系统测试与结论 为了验证本系统的准确性 ， 在系统建立完成之后 进行实验和数据统计。在 G S K 9 8 0 T D b数控车床上进 行实验 ， 并用测温枪测量主轴温度变化。实验环境温 度为 2 3℃ ， 测试从转速为 2 0 0 r ／ mi n开始进行 ， 连续运 转 1 0 m i n后记录监控数据 ， 同时用测温枪对相同测点 进行温度测量 ， 依 此方法 每 2 0 0 r ／ m i n一个转速级差 进行增速实验数据统计 ， 直到转速达到 2 0 0 0 r ／ mi n为 止。系统测试结果如表 1 所示。 数控车床深孔镗削结构的分析与应用 路世强 刘来章 李 林何海 峰 德州德隆 集 团 机床有限公司， 山东 德州 2 5 3 0 0 3 摘要 总结出了利用车床进行深孔镗削时 ， 机床结构设计的各个要点 ， 通过利用传统加工方法和前期试验 进行分析论证 。 提出了一种长套管类工件深孔镗削的解决方案， 也是一次大胆尝试 。 该方案既能满 足车削的要求。 又能弥补传统镗削的不足。 关键词 数控车床 ； 深孔镗削 ； 卧式刀架 ； 镗刀座 中图分类 号 I H1 2 2 文献标 识 码 B De e p b o r i n g s t r u c t u r e a n a l y s i s a n d a p p l i c a t i o n o f CNC l a t h e L U S h i q i a ng，LI U La i z h a n g，LI Li n ，HE Ha i f e n g D e z h o u D e l o n g Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ． ， D e z h o u 2 5 3 0 0 3 ，C HN Abs t r a c tTh i s pa p e r s u mma riz e s t h e u s e o f d e e p h o l e bo ring l a t h e，t h e v a rio u s p o i n t s o f s t r u c t ur e d e s i g n o f t h e ma c hi ne t o o l ，a n a l y z e s b y u s i n g t h e t r a d i t i o n a l p r o c e s s i n g me t h o d a nd t h e t e s t ，t h e p a pe r p u t s f o r wa r d a s o l u t i o n o f l o n g s l e e v e p a r t s d e e p ho l e b o rin g，a l s o i s a bo l d a t t e mp t ，t h e s c he me c a n s a t i s f y t h e r e q ui r e ． me n t o f t u r n i n g，a n d ma k e u p s h o r t c o mi n g s o f t r a d i t i o n a l b o rin g ． Ke ywo r d sCNC l a t h e； d e e p h o l e b o rin g； ho r i z o n t a l t u r r e t ； t h e c u t t e r b a s e 目前 ， 利用数控车床卧式刀架镗削常规长度 内孔 已不再是什么难题 ， 但往往会有一些长套管类工件 的 内孔加工 ， 利用这种结构加工就无法实现 了。常规工 艺大都采用扩孔和镗孔 ， 因工件固定而刀具运动 ， 不易 表 1 系统测试 结果 转速／ r ／ mi n 监控温度／ ℃ 实测温度／ ℃ 冷却 系统是 否开启 2 o 0 2 3 ． 4 2 3 ． 4 否 4 0 o 2 6 ． 2 2 6 ． 2 否 6 oo 2 8 ． 3 2 8 ． 2 否 8 o o 3 4 ． 3 3 4 ． 5 否 1 O 0 o 3 6 ． 7 3 6 ． 7 否 l 2 0 o 3 9 ． 4 3 9． 3 否 1 4 0 0 4 _4 ． 1 4 4 ． O 否 1 6 0 0 4 9 ． 6 4 9 ． 4 否 1 8 o o 4 1 ． 2 4 1 ． 2 是 2 0 0 0 4 2 ． 1 4 2 ． 0 是 分析系统测试结果数据可知 ， 本 系统实现了机床 主轴温度的实时检测 ， 具有较高的准确性 ， 并根据机床 主轴实时温度情况 自动控制冷却系统的运行达到给主 轴降温的目的。 机床主轴温度检测控制系统 的设计可以实现机床 主轴温度的无人化实时检测， 使用期 间只需要维修人 员定期维护系统或 出现报警信号时停机检修 ， 其他时 间系统 自动运行。 采用 P L C做 为本系统 的控制器 ， 其 硬件结 构简 单 ， 成本低 ， 并能够保证检测控制 的可靠性 。组态软件 的使用， 使本系统的实时数据和各部件工作情况能够 直观地动态显示 ， 并能保存故障信息和运行 数据等优 点。虽然本系统能够一定程度上防止机床主轴温度过 高 ， 但值得关注的是通过误差补偿的方法控制 主轴温 升造成的热变形是未来发展 的一个趋势 j 。 参考文献 [ 1 ] 杜玉玲 ，文西芹 ， 刘成文 ．机床 主轴温度 场的数 字化检测 [ J ] ．新 技术新工艺 ， 2 0 0 5 7 6 9 ． [ 2 ] 张文明 ．基于 P L C 的温度控 制 系统 的设计 [ J ] ．安徽 农 业科 学 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 9 1 8 2 5 81 8 2 6 1 ． [ 3 ] 李红 萍，贾秀明 ，赵晓莉 ．基于 MC G S的 P L C温度 监控 系统设 计 [ J ] ．工业仪表与 自动化装置 ， 2 0 1 2 5 8 3 8 5 ． [ 4] 王宁 ， 虎恩典 ，王志刚 ． MC G S和 s 7 2 0 0 P L C液位温度 自动控制 系统设计 [ J ] ．自动化仪表 ， 2 0 1 3 ， 3 4 1 2 2 42 7 ． [ 5 ] 冯伟 ， 张祥雷 ．机床主轴温升试验研究 及控制措施 [ J ] ．装 备制造 技术 ， 2 0 1 3 1 1 2 5 0 2 5 1 ． 编辑李静 收稿 日期 2 0 1 4 0 71 1 文章编号 1 5 0 7 2 6 如果您想发表砖本文的看法。 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 ZU1 簪 ． ． ，， 0 ，