基于PLC 的機床主軸溫度檢測控制系統

梁中源 鐘佩思 劉 坤 葛 旋

(山東科技大學先進制造技術研究中心，山東 青島 266590)

機床主軸是指機床上帶動工件或刀具旋轉的軸。通常由主軸、軸承和傳動件(齒輪或帶輪)等組成主軸部件。主軸部件的運動精度和結構剛度是決定加工質量和切削效率的重要因素，而溫度在影響機床主軸運動精度的諸多因素中，占有很大比重。機床主軸在工作狀態下高速旋轉時，特別是電主軸的高速旋轉，會產生大量的熱量引起主軸溫度的升高，一旦機床主軸的溫度超過了許用范圍，將會嚴重影響機床的加工精度，從而降低產品的質量。所以有必要對機床主軸的溫度進行檢測控制，預防主軸溫度過高造成的機床加工質量下降甚至機床故障。

本文針對普通機床主軸的發熱特點和可測點溫度變化與主軸熱變形的關系［1］，結合PLC 的功能特點，構建了機床主軸溫度檢測系統。該系統可以實時對機床主軸溫度進行有效的檢測控制，為實時監控機床主軸工作狀態提供依據。同時本系統在普通機床的性能改進及大型電動機的溫度檢測系統中具有一定的應用價值，可以成為企業設備故障檢測，控制產品質量的重要手段。

1 檢測控制系統組成和工作原理

(1)系統組成

本系統是針對機床主軸溫度參數檢測要求而設計的，具體的系統硬件構成如圖1。該系統是以PLC 作為數據處理終端，采用計算機為上位機的監控網絡。硬件部分有安裝有組態軟件MCGS 的計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、紅外溫度傳感器以及其他控制設備。紅外溫度傳感器將當前的主軸溫度信號轉換為標準的電信號，經過信號調理電路調理后傳入給PLC，PLC 將實際測得的溫度信號與設定的溫度信號進行比較和邏輯運算，然后通過運算結果控制繼電器的閉合，實現對冷卻泵和風扇電動機電路的控制。同時，機床主軸的溫度值經PLC 傳輸給上位機，經過組態軟件MCGS 進行動態顯示。

(2)系統工作原理

機床主軸溫度檢測控制系統采用的是閉環控制［2］，根據給定的溫度值和實際采集到的溫度值，由PLC 邏輯運算后發出系統調節信號，控制繼電器的閉合與斷開，實現對冷卻泵和風扇電動機的控制，從而對機床主軸的溫度起到檢測和控制作用。本檢測控制系統的工作原理如圖2 所示，為閉環控制系統。當系統工作時，紅外溫度傳感器將機床主軸的溫度信號轉換為電信號，傳給信號調理電路，通過信號調理電路的調節作用再傳給PLC，然后根據用戶預設的溫度閾值參數T，PLC 將獲得的信號與參數T 做比較，通過邏輯運算輸出控制繼電器工作狀態的指令，從而實現檢測控制機床主軸溫度的要求。

本系統的工作原理是，紅外溫度傳感器將測得的機床主軸實時溫度經反饋送到PLC 的輸入端，和給定的預設溫度進行比較，當機床主軸的溫度過高時，即測得的溫度高于預設溫度時，通過參數的運算，PLC 向繼電器發出閉合命令，該控制電路使交流接觸器閉合，冷卻泵和風扇電動機進入工作狀態。隨著冷卻泵和風扇電動機的工作，機床主軸溫度會有所下降，此時紅外溫度傳感器檢測到的溫度低于PLC 預設溫度，PLC 控制繼電器斷開，該控制電路使交流接觸器斷開，冷卻泵和風扇電動機停止工作。

2 系統的硬件選擇

本系統的PLC 選用西門子系列，型號為S7-200，CPU222，配套EM235 模擬量模塊使用。該PLC 具有8個輸入和6 個輸出共14 個數字量I/O 點，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，可測溫度范圍為-20～120℃，輸出信號為模擬量電壓信號。

系統部分硬件連接圖如圖3 所示。其中模擬量EM235 模塊與PLC 直接通過排線相連接，模擬量的輸入信號為經調理電路調理后的電壓信號，其直接反應機床主軸溫度的變化情況。

3 系統的軟件設計

通過PLC 配備的EM235 模擬量模塊實現信號的A/D 轉換，我們選擇雙極性±50 mV 輸入量程，對應輸出量程為±32000。模擬量模塊6 個DIP 開關狀態為SW1 OFF、SW2 ON、SW3 OFF、SW4 ON、SW5 OFF、SW6 OFF。根據該紅外溫度傳感器溫度和輸出信號對應表有:當紅外溫度傳感器測的溫度為0 ℃時，其輸出電壓為-0.8 mV，調理電路輸出信號為-8 mV，EM235 模擬量模塊輸出值為0;當紅外溫度傳感器測得的溫度為120 ℃時，其輸出電壓為5 mV，調理電路輸出信號為50 mV，EM235 模擬量模塊輸出值為32000。

假設模擬量的標準電信號是A0～Am，A/D 轉換后數值為D0～Dm，設模擬量的標準電信號是A，A/D轉換后的相應數值為D，由于是線性關系，函數關系A=f(D)可以表示為數學方程:

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。

規定當機床主軸溫度達到50 ℃時，采取降溫操作，那么根據EM235 模擬量模塊的A/D 轉換規則確定此時的輸出值為:13333.3，暫取13333，即在PLC中的閾值預設為13333。采樣時間定為1 s。部分程序如圖4。

4 監控系統設計

為了能在計算機中直觀地顯示整個檢測控制系統各功能部件(繼電器、冷卻泵和風扇電動機等)的工作狀態、機床主軸實時溫度等參數的變化，和各功能部件的歷史工作記錄，本系統的監控系統設計選用北京昆侖通態MCGS 組態軟件作為上位機的監控開發軟件，上位機監控軟件與PLC 之間通過PC/PPI 電纜連接，從而實現溫度檢測系統的監控［3-4］。

(1)新建工程

打開MCGS 組態軟件，新建一個工程，我們選擇默認TPC7062KX，分辨率為800×480 的7 英寸TFT 液晶屏幕。在“主控窗口”選項卡內單擊“系統屬性”，將“窗口標題”改為“機床主軸溫度檢測控制系統”，點擊“確定”按紐，完成工程創建。

(2)定義I/O 設備

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

(3)定義數據庫變量

DB 數據庫是整個監控系統的核心，能夠實現對整個監控系統的歷史記錄、實時數據、報警信息和服務請求等的統計、存儲和處理。數據庫中信息保存和處理的基本單位是點，點存放在數據庫的點名字典中。數據庫中的點名字典就決定了數據庫的結構，合理分配數據庫的存儲空間。

(4)建立I/O 數據連接

將數據庫中的點與外部采集設備的通道地址相對應，從而建立起上位機的各個I/O 點與下位機PLC I/O 地址之間的通訊，使下位機PLC 的各個I/O 點的工作狀態能夠準確傳達到上位機并顯示出來。

(5)組態畫面設計

利用組態軟件提供的繪圖工具和圖庫，根據機床主軸的實際情況繪制溫度檢測與控制系統畫面。畫面背景色我們選擇淺灰色，這樣可以避免操作人員的視覺疲勞。

(6)運行與調試

MCGS 新建工程初步建立完成，接下來進行運行調試工作。保存好已完成設計的數據庫、實時監控畫面等組態內容，關閉工作臺窗口。檢查外圍硬件設備以及連線，確保安全的情況下，接通各部件設備包括冷卻泵和風扇電機的供電。在“工具”中選擇“下載配置”，在彈出的對話框中左鍵點擊“工程下載”，下載完成后，點擊“啟動運行”進入MCGS 模擬運行系統畫面。

5 系統測試與結論

為了驗證本系統的準確性，在系統建立完成之后進行實驗和數據統計。在GSK 980TDb 數控車床上進行實驗，并用測溫槍測量主軸溫度變化。實驗環境溫度為23 ℃，測試從轉速為200 r/min 開始進行，連續運轉10 min 后記錄監控數據，同時用測溫槍對相同測點進行溫度測量，依此方法每200 r/min 一個轉速級差進行增速實驗數據統計，直到轉速達到2000 r/min 為止。系統測試結果如表1 所示。

表1 系統測試結果

分析系統測試結果數據可知，本系統實現了機床主軸溫度的實時檢測，具有較高的準確性，并根據機床主軸實時溫度情況自動控制冷卻系統的運行達到給主軸降溫的目的。

機床主軸溫度檢測控制系統的設計可以實現機床主軸溫度的無人化實時檢測，使用期間只需要維修人員定期維護系統或出現報警信號時停機檢修，其他時間系統自動運行。

采用PLC 做為本系統的控制器，其硬件結構簡單，成本低，并能夠保證檢測控制的可靠性。組態軟件的使用，使本系統的實時數據和各部件工作情況能夠直觀地動態顯示，并能保存故障信息和運行數據等優點。雖然本系統能夠一定程度上防止機床主軸溫度過高，但值得關注的是通過誤差補償的方法控制主軸溫升造成的熱變形是未來發展的一個趨勢［5］。

［1］杜玉玲，文西芹，劉成文.機床主軸溫度場的數字化檢測［J］.新技術新工藝，2005(7):6-9.

［2］張文明.基于PLC 的溫度控制系統的設計［J］.安徽農業科學，2011，39(29):18258-18261.

［3］李紅萍，賈秀明，趙曉莉.基于MCGS 的PLC 溫度監控系統設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2012(5):83-85.

［4］王寧，虎恩典，王志剛.MCGS 和S7-200 PLC 液位溫度自動控制系統設計［J］.自動化儀表，2013，34(12):24-27.

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