基于电动机电流的数控机床主轴状态监测系统研究.pdf

D e s ig n a n d R e s e a r c h 设计与研究 基于 电动机电流 的数控机床主轴状态监 测系统研究 周 玉清① 孙挪 刚② 黎 玉刚① 母勇 民① ①西安现代控制技术研 究所 ， 陕西 西安 7 1 0 0 4 9 ； ② 西安交通大学机械工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 9 摘要 提出了一种基于主轴电动机电流的数控机床主轴状态监测 系统， 建立了主轴交流 电动机转矩输出模 型 ， 深入研究了主轴组件故障诊断和主轴 当前运行能力评估原理， 搭建了主轴状态监测系统 ； 实验证 明提 出的主轴状态监测方法简单、 准确、 有效 ， 具有很高的性价比 ， 从而为数控机床状态在线监测提 供 了技术 支撑 。 关 键词 数控 机床 电动机 电流状态监 测 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A NC ma c h i n e t o o l s p i n d l e c o n d i t i o n mo n i t or i n g s y s t e m b a s e d o n mo t o r c u r r e n t ZHOU Yuq i n g ① ， S UN Nu o g a n g ② ， LI Yug a n g ① ， MU Yo n g mi n ① ①X i ’ a n I n s t i t u t e o f Mo d e r n C o n t r o l T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 4 9 ，C HN； S c h o o l o f M e c h a n i c E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 6 9 ，C H N Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a n e w n ume r i c a l c o n t r o l ma c h i n e t o o l s p i n d l e c o n di t i o n mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n mo t o r c u r r e n t i s p r o p o s e d． Fi r s t l y，t h e ma t h e ma t i c mo d e l o f t h e s pi nd l e mo t o r o u t p u t t o r qu e i s e s t a bl i s h e d． S e c o n d l y，t h e p r i n c i p l e s o f s p i nd l e me c h a n i c a l pa r t s f a u l t d i a g n o s i s a n d wo r k i n g s t a t e a r e pr o f o u n dl y i n v e s t i g a t e d ． F i n a l l y，t h e me a s u r i n g s y s t e m i s c o ns t r u c t e d．Th e r e s ul t s o f t h e e x p e r i me nt s s h o w t h a t i t i s s i mp l e，a c c ur a t e，e f f e c t i v e a n d c h e a p t o u s e t h e mo t o r c u r r e n t f o r s p i n d l e c o n d i t i o n mo n i t o r i n g ． Ke ywo r d sNC Ma c h i n e To o l ；Mo t o r Cu r r e n t ；Co nd i t i o n Mo ni t o r i n g 在能源 、 交通和国防等这些涉及国计民生领域 ， 常 常需要制造大型 、 复杂以及难加工材料的精密零件 ， 由 此对加工这些零件的数控机床 的精度 、 可靠性 以及寿 命等提出了很高的要求。在 高速 、 高加速度和大载荷 等工况下 ， 振动 、 冲击等因素常会对数控机床的主轴系 统等产生重大影响， 并易导致轴承 、 齿轮等部件发生故 障， 影响到工件的加 质量 ， 并造成数控机床的意外停 机 、 寿命缩短甚至报废。因此 ， 研究数控机床主轴的状 态监测技术具有很强的现实意义 。 目前 ， 人们采用安装加速度 、 涡流位移 、 振动等外 置传感器获取主轴的状 态信息 ， 尽管基 于这些信息可 对主轴性能进行状态监测以及对减速器等组件进行故 障诊断， 但是存在下面两个问题 其一 ， 传感器安装不 方便 ； 其二 ， 外置传感器不能很好地对主轴的运行能力 进行评估 ， 即切削力大小对主轴 的影响。为此 ， 本文提 出一种基于电动机 电流 的数控机床 主轴状态监测 系 统 ， 一方面， 采用电动机 电流信息可对主轴的运行能力 进行在线评估 ； 另一方面 ， 可对主轴组件进行故障状态 监测 ， 并且 电流传 感器价格便 宜 ， 安装方便 。试 验证 明， 文中所提 出的方法是可行有效 的， 从 而为数控机床 主轴状态监测奠定了基础。 1 数控机床主轴 电动机模型 的建 立 如图 1 所示 ， 主轴系统主要 由交流伺服 电动机 、 减 速箱 、 轴承、 刚性主轴等组成 ， 其 中减速箱 由多个齿轮 组 成 。 高档数控机床基础制造装备重大专项 2 0 0 9 Z X 0 4 0 1 4 0 2 3 ， 家 自然科学基金 5 0 8 7 5 2 0 3 固 耋 ’’ 0 图1主轴 系统 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a rc h 1 ． 1 主轴电动机输 出转矩建模 根据图 1 ， 可以建立主轴 电动机转矩输 出模型 不 计磁芯和磁饱和造成损失 ． ， B ∞ 1 IJ 式中 _， 为主轴驱动 的转动惯量常数 ； B为等效粘性组 尼系数 ； ∞为主轴电动机角速度 ； T e 为主轴 电动机输 出 转矩 ； 为总的干扰转矩。 如果不考虑转子绕组的损耗 ， 则有 K ， 2 ， 6 i i 3 式 巾 为主轴电动机转矩常量 ； 为三相电流的 R M S 值 ； i i ⋯ i 为 主轴 电动机三相输入 电流 ， 如 图 2所 示 。 主轴 电动机的总干扰转矩有 4部分组成 丁 ’r T a 。6 4 式巾 为切削力引起 的十 扰转矩 ； 为库仑摩擦 力 引起 的转 矩 ； 7 1 r 为非线 性 摩擦转 矩， 它是 和 的 非线性 函数 ；T o 为主轴 机 械组件故障引起的转矩 ， 1 ． 2 主轴机械组件故障诊 断原 理 图2主轴电动机示意图 当主轴恒速空载运转 时， T0 、 6 0 、 J d a ／ d t 0 ， 则 T ． 一 K I p B w T f 0 5 由于 B o o 、 恒定 ， 凶此 电动机输出转矩将 随着故 障的变化而变化 ， 换言之 ， 电动机输出转矩可用来进行 主轴机械组件故障诊断。 1 ． 3主轴运行能力的评估 由式 1 、 2 、 4 可知 ， 切削力 的变化将 引起主 轴 电动机输出转矩的变化， 也引起 电动机电流的变化； 并 日 ． 电流越大 ， 说明主轴载荷越大， 当载荷超过某一 阈 值 ， f 时 见式 6 ， 主轴系统可能出现故障。因此 ， 可 通过观察电流的状态 ， 来评估主轴 当前的运行能力。 ， ， ． ≥ ， ， 6 2 主轴状态监测 系统 2 ． 1 状态监测系统搭建 基于电动机电流的数控机床主轴状态监测系统如 图 3所示 ， 它由3个霍尔 电流传感器 、 调理 电路、 研华 P C I 1 7 1 2 A D采集 卡、 工业控制计算机组成。其 中， 霍 尔电流传感器串接到 C N C控制器上 ， 主要获取主轴电 动机的电流信息； 调理电路对 电流传感器的信号进行 调整、 放大成 0～5 V信号；P C I 一 1 7 1 2板卡实现电流 传感器输 出信号的采集， 并且采样频率 1 H z 、 1 6通道 、 1 2位 A D； 工业控制计算 机对采集信 息进 行保存 、 处 理 ， 实现对 当前主轴状态的评估。 图3基于 电动机 电流 的数控机床主 轴状态监测 系统 2 ． 2调 理 电路 对传感器而言 ， 其输出信号大多是 0～ 5 V或 4～ 2 0 m A。若为前者 ， 通过低通滤波器， 可与 A ／ D卡直接 连接。若为后者 ， 则其调理电路有两种 第一种采用精 密采样 电路 ， 输 出范 围为 0 ． 8～ 4 V， 其电路简单 图 4 a ， 用于信号要求不高的情况下； 第二种 电路采用运 放 电路 图4 b ， 输 出电压为 0～ 4 ． 8 V， 方便 了用户对 信号的处理。 a 精密 电阻l ／ V 转换电路 b 运放电路I ／ V 转换电路 图4调理 电路 O～ 4 ． 8V C1 O． 22uF 2 ． 3 软件系统 软件系统主要实现对 A D采集 卡的操作 、 状态信 息保存以及状态智能化评估 。软件开发平台为 C B u i l d e r 。c B u i l d e r 在继承 了 D e l p h i 的可视化构件 库 V C L 基础上 ， 再从 B o r l a n d C 继承 C 语言的 语法结构 ， 近乎完美地将快速应用程序开发模式与可 重用构件结合在一起 ， 成为一种功能强大的真正可视 化的 c 开发环境。它与传统的 C ／ C 开发工具相 ； ； ￡u l I耳 幂0 朋 比， 具有许多优点 1 c B u i l d e r 是基于 C 的， 它 具有高速 的编译 、 连接和执行速度 ， 它有双 编译器引 擎 ， 不仅可以编译 C ／ C 程序 ， 还可以编译 O b j e c t P a s c a l 语言程序 ； 2 它使程序员从繁琐的代码编写中解 放出来 ， 使他们能将更多的精力放在程序的设计上 ， 同 时提供完全可视化的程序界 面开发工具 ， 使程序员对 开发工具的学 习周期大 大缩短 ； 3 它提供 了强大的 数据库处理功能， 它使程序员 可以一行代码不用写就 能产生功能强大 的数 据库应 用程序 ， C B u i l d e r的 B D E数据库 引擎是 B o r l a n d公 司成熟的数据库连接技 术 ， 提供了多种可靠的数据连接方式 。基于上述优点 ， 实现了基于电动机 电流的数控机床主轴状态监测系统 软件模块 的快速开发。 D e s ig n a n d R e s e a 『c h 设计与研究 3 试验与讨论 测试对象为三轴联动立式铣床 ， 主轴采用交流伺 服电动机驱动 ， 额定功率为 9 ． 8 k W， 最大输 出电流为 3 6 A， 转速 1 0 6 0 0 0 r ／ ra i n ， 可通过变频器进行调速 。 选用的霍尔电流传 感器测量范围为 0～ 4 0 A， 输 出电 压 0～ 5 V， 因此 ， 可直接与 A D采集卡相连接 ， 采样频 率 l k H z 。 测试试验分为两组 ， 一是进行空载恒速测试查看 主轴组件的状态 ， 转速 为 1 2 0 0 r ／ rai n ； 二 是进行切 削 测试 ， 查 看载 荷变 化对 电 动机 电流 的影 响 ， 转 速为 1 2 0 0 r ／ rai n ， 切 削 宽 度 为 8 I n n ] ， 切 削 深 度 分 别 为 1 h i m 、 2 mi l l 、 3 mm 、 4 mi l l 、 5 I I I Il l 、 6 I l l I l l 。 图 5是试验的测试结果 。恒速空载测试时的三相 电流变化如 图 5 a所示 ， 三者相位依次相差 1 2 0 。 ， 符合 理论情况 。图 5 b是 ， 三相 电流 的 ， 值成周期性振动 ， 可能 由于数控机床主轴机械组件出现故 障而形成 ， 因 此进行恒速空载测试 ， 可对主轴机械组件进行故障诊 断。图 5 c是相同转速 、 相 同切削宽度 、 不 同切深下的 电流变 化情况。图中表明， 主轴电流与切 削深度成正 比关系。根据经验分析 ， 设定报警 阈值为 3 2 A， 显然 ， 试验中的测试电流远小于阈值 ， 表明这种工况下 ， 数控 机床主轴运行稳定。 t | s a 空 载 恒 速 测 试 下 主 轴 电 动 机 实 时 测 试 三 相 电 流4 结语 3． 41 3． 4 0 8 3． 4 O 6 3． 4 0 4 3． 4 0 2 3 ． 4 3 ． 39 8 3 ． 3 9 6 3． 3 94 3 ． 3 92 t ／ s b 空载恒速测试下 计算值 切深／ ram c 不 同工况下 测试值 图5试验分析 訾 u] I _年 弟 朋 通过对基于 电动机电流的数控机床主轴状态监测 系统研究 ， 可得到如下结论 1 采用 主轴 电流对数控 机床 主轴进行状 态监 测 ， 安装方便 ， 有很高的性价比， 具有很广的推介价值 ； 2 基于主轴电流信息 ， 不仅 可以对数控机床主 轴机械组件进行故障诊断 ， 还能对主轴的运行能力进 行评估 ， 实现主轴状态的全面监测。 参考文 献 [ 1 ] 丁庆新 ， 焦 汝娟 ， 商 立新 ， 等． 数控 机 床远 程 监视 与故 障诊 断系统 [ J ] ． 电气时代 ， 2 0 0 4 2 ． [ 2] 沈爱群 ， 倪 中华 ， 幸研面向数控机J木的远程在线 I ⋯V ,- , ，、 ．1[ II 故障 诊断 系 统 的研究 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 3 9 ． [ 3] 陈淳辉 ， 欧阳一明 ， 张伟 数控机床故障诊断智能化研 究[ J ] ． 机械制 造 与自动化 ， 2 0 0 7 4 [ 4 ] 徐新华 ． C B U I L D E R 3核心编程技术l M] ． 北京 北京 希望电脑公 司， 1 9 9 8 ． 编 辑谭 弘颖 收稿 口期 2 0 1 0 0 7 2 5 文章编号 1 1 0 3 2 0 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。