主軸遠程控制檢測診斷平臺魏巍

楊薪冉 金濤

摘? 要：文章涉及一種主軸遠程控制檢測診斷平臺，該平臺主要用于電主軸故障診斷、電主軸二次維修后的功能驗證以及電主軸數(shù)據(jù)采集與分析。文章將從硬件搭建、軟件集成、數(shù)據(jù)采集三方面做主要闡述，其中硬件部分包括主回路、控制回路、驅(qū)動回路、HMI操作面板、冷卻站、液壓站、三工位維修平臺等;軟件集成包括數(shù)控系統(tǒng)、PLC控制，遠程控制，遠程報警監(jiān)控，同時對電主軸大量有效的關(guān)鍵參數(shù)進行采集、存儲，通過數(shù)據(jù)分析得出預(yù)警閾值對電主軸進行精準(zhǔn)預(yù)測。該平臺一方面能夠檢測電主軸松開夾緊是否到位，監(jiān)控電主軸電流、轉(zhuǎn)速、溫度、振動等關(guān)鍵參數(shù)，從而迅速排查電主軸故障，完成更換拉桿或拉桿彈簧等機械部件后的功能驗證，滿足維修及驗證需求，實現(xiàn)了電主軸維修檢測手段從無到有的突破;另一方面該平臺在遠程控制及遠程數(shù)據(jù)采集方面做出了嘗試性的探索，為電主軸的預(yù)測性維修提供了數(shù)據(jù)庫和寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：主軸遠程控制檢測診斷平臺;電主軸故障診斷;功能驗證;數(shù)據(jù)采集與分析

中圖分類號：TG659 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）11-0006-05

Abstract： This paper relates to a spindle remote control detection and diagnosis platform. The platform is mainly used for fault diagnosis of electric spindle， function verification after secondary maintenance of electric spindle and data acquisition and analysis of electric spindle. This article will mainly elaborate on three aspects： hardware construction， software integration and data acquisition. The hardware part includes main circuit， control loop， drive circuit， HMI operation panel， cooling station， hydraulic station， three-station maintenance platform， etc.; software integration includes CNC system， PLC control， remote control， remote alarm monitoring. At the same time， a large number of effective key parameters of the electric spindle are collected and stored， and the early warning threshold is obtained through data analysis to accurately predict the electric spindle. On the one hand， the platform can detect whether the electric spindle release clamp is in place， monitor the key parameters such as current， speed， temperature and vibration of the electric spindle， so as to quickly check the fault of the electric spindle and complete the function verification after replacing the mechanical parts such as the tie rod or the tie rod spring. To meet the maintenance and verification requirements， the breakthrough of the electric spindle maintenance detection means has been realized; meanwhile， the platform has made a tentative exploration in remote control and remote data acquisition， providing database and valuable experience for predictive maintenance of the electric spindle.

Keywords： remote control， detection and diagnosis platform of spindle; electric spindle fault diagnosis; function verification; data acquisition and analysis

電主軸作為機加工設(shè)備的核心部件被廣泛應(yīng)用于機加工車間，它是一種將電機與機床主軸的傳動結(jié)構(gòu)形式合二為一的智能型功能部件，極大簡化了高速數(shù)控機床傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)[1]。電主軸故障會直接導(dǎo)致數(shù)控機床停機，經(jīng)過多年來維修界的經(jīng)驗積累，對電主軸的機械維修已經(jīng)有了非常成熟的流程[2]。但是對電主軸各項關(guān)鍵參數(shù)的檢測，歷來均采用單獨測試的方法，并根據(jù)需要進行組合。這種單獨測試方法比較麻煩，數(shù)據(jù)處理方法不一致，評定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，容易造成不同誤差。若測量時選擇結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，也會造成數(shù)據(jù)偏差。使用的儀器多而雜，數(shù)據(jù)觀察不方便，數(shù)據(jù)處理也較混亂，如模擬量傳感器電壓值、扭矩、溫度、頻率、轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)，均需用相應(yīng)的儀器，且不能統(tǒng)一采用量程數(shù)據(jù)來顯示，且有的采用線性值，有的采用角度值，數(shù)值存在漂移[3]。為了解決上述問題，針對現(xiàn)場的實際需要，我們研制了一臺主軸遠程控制檢測診斷平臺，該平臺完全能夠滿足維修過程中的參數(shù)檢測及功能驗證。

該平臺在實現(xiàn)基本維修功能的基礎(chǔ)上，增加了遠程控制功能、報警信息無線反饋功能、電主軸數(shù)據(jù)采集功能，不僅能夠滿足維修過程中的基本需求，而且遠程控制方便操作人員使用，報警信息無線反饋到移動終端APP上能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有人監(jiān)控該平臺的情況下實時接收到報警信息，主軸數(shù)據(jù)采集將珍貴有效的數(shù)據(jù)進行采集分析[4]，實現(xiàn)主軸故障預(yù)測，從而更好地服務(wù)于日常生產(chǎn)。

1 硬件搭建

主軸檢測診斷平臺硬件框圖如圖1所示，包括主回路、電源模塊、驅(qū)動模塊、IO模塊、NCU控制器、HMI操作面板、按鈕模塊、冷卻站、液壓站。

1.1 主回路

（1）主電源進線：取380VAC，220VAC電源

（2）濾波器：濾除電源雜波

（3）隔離變壓器：在人不小心接觸火線的時候起到安全保護作用，防止電力電子器件對電網(wǎng)產(chǎn)生污染

（4）開關(guān)電源：AC220V轉(zhuǎn)24VDC控制電壓

1.2 控制回路

NCU 710.2是SINUMERIK 840D sl系列第一性能階段的產(chǎn)品。最多可有6個進給軸，最多2個加工通道，可最多執(zhí)行2個方式組。每個通道可支持最多6個進給軸或主軸。并集成數(shù)控軟件和PLC控制軟件，處理CNC、PLC通訊任務(wù)。? ? 1.3 ET200S從站

ET200S是PROFIBUS和PROFINET網(wǎng)絡(luò)的分布式IO系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)或者DP線纜與主CPU連接，擴展的輸入輸出接口用于連接外部信號。

1.4 按鈕操作面板MPP483按鈕操作面板包含急停按鈕（4 線）、帶閉鎖裝置、8個配有照明的控制按鈕、2 個空置插座， 25個功能鍵等。通過 MPI/PROFIBUSDP 實現(xiàn)通訊。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.5 ALM電源模塊

1.7 主軸測量系統(tǒng)

1.8 ESP8266模塊

件集成

2.1 系統(tǒng)配置

硬件搭建完成后需要在系統(tǒng)中進行主軸配置，主要步驟如下：

首先需要到調(diào)試，驅(qū)動系統(tǒng)中把設(shè)備做出廠設(shè)置，完成后會提示是否需要自動識別，點擊確定就可以，如果外部鏈接了SMC20的話需要人為配置電機和編碼器，進入驅(qū)動界面后按“更改”。之后按照電機數(shù)據(jù)、是否有抱閘等具體情況進行逐一配置。

2.2 easyscreen界面

隨著中高檔機床、專用產(chǎn)品機床需求的不斷增多，已經(jīng)不能夠充分滿足用戶的個性化需求。因此，在西門子標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，顯示出非常重要的意義[4]。利用西門子Operate編程包在西門子840Dsl系統(tǒng)上進行二次開發(fā)[5]，pcu50.3安裝的winXP系統(tǒng)，軟件是operater4.5.3.4，安裝完軟件后做easyscreen界面。

（1）首先在menu界面顯示需要的按鈕，如圖11所示。

（2）修改slamconfig.ini以及easyscreen.ini文件中的參數(shù)，經(jīng)過以上兩個修改重啟后可以看到這個按鈕變?yōu)榭刹僮鳡顟B(tài)了。

（3）進入界面后我們在custom.ini文件中修改成自己

需要的圖片及文本顯示，修改后如圖12所示。

（4）溫度等浮點數(shù)不能直接在easyscreen界面中正常

顯示，所以需要我們把這個PLC變量利用FC21發(fā)給$A_DBR[0]，再到custom.com里面調(diào)用這個變量，圖13是界面制作程序，該界面包含夾緊到位、模擬量電壓、主軸轉(zhuǎn)速、主軸狀態(tài)、溫度等內(nèi)容，能夠滿足主要的測試及維修顯示。

2.3 遠程控制實現(xiàn)

（1）系統(tǒng)硬件連接

（2）用keil4軟件來編輯C52單片機的程序

該部分主要定義繼電器對應(yīng)的單片機管腳以及實現(xiàn)單片機與wifi模塊通訊串口的設(shè)置，本文不做詳細說明。

2.4 編寫移動終端APP

利用E4A開發(fā)軟件，如圖15所示是APP的控制界面，使用該APP可以控制主軸的松開夾緊與旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)出現(xiàn)報警時能實時顯示報警，按圖標(biāo)可以復(fù)位報警信息。具體制作方法本文不做詳細闡述。

3 數(shù)據(jù)采集分析

3.1 數(shù)據(jù)采集方法

用wincc flexible runtime來采集主軸運轉(zhuǎn)過程中的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)存儲到電腦中的EXCEL文檔中，圖16為保存的EXCEL表格，里面記錄了采樣時間以及主軸運轉(zhuǎn)過程中的電流、模擬量、速度、溫度、振動等數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)階段我們對5000個數(shù)據(jù)樣本進行波動及數(shù)據(jù)集中趨勢分析，將5000個樣本數(shù)據(jù)每100個分為一組，然后運用統(tǒng)計學(xué)方法計算樣本均值、均值上下限、樣本極差、極差上下限，從而得到某一參數(shù)值的正常范圍，推算出預(yù)警閾值。

在后續(xù)研究中，我們也會探索智能算法在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[6]，嘗試將智能算法應(yīng)用在主軸樣本數(shù)據(jù)的預(yù)測和學(xué)習(xí)中。

4 電主軸故障預(yù)測

本項目在數(shù)據(jù)采集與分析上進行了多次嘗試，積累了數(shù)據(jù)與經(jīng)驗，得到了一些關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)警閾值，故可以增加預(yù)報警信息，使得在數(shù)據(jù)監(jiān)控過程中遇到異常數(shù)據(jù)時能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理，減少因主軸故障引起設(shè)備停機。圖18為項目團隊在預(yù)診斷中做的一種嘗試。

5 結(jié)論

本項目研制的主軸遠程控制檢測診斷平臺打破了委外維修的被動局面，實現(xiàn)了主軸功能驗證，完成了將數(shù)據(jù)采集功能應(yīng)用到加工中心，將電主軸運轉(zhuǎn)過程中大量有效的數(shù)據(jù)進行采集，并嘗試通過分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)判電主軸的運行狀態(tài)，實現(xiàn)電主軸預(yù)診斷的飛躍性突破，有效避免由電主軸故障引起的機床停機。

參考文獻：

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