数控机床主轴及主轴电机温度检测与控制系统.pdf

第 3 1 卷第 O 3期 2 0 1 0年 O 3月 煤矿 机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 1 _ 3 1 No ． 0 3 Ma r ． 2 0 1 0 数控相床主轴及主轴电栅温度楦测与控制系统 王瑜 ．罗 庚 合 西安航空技术高等专科学校 ， 西安 7 1 0 0 7 7 摘 要 介 绍 了一种数控 机床 主轴及 主轴 电机 温度 检测 与控 制 系统 。该 系统采 用 C 8 0 5 1 F 3 5 0 单片机为主控芯片． 选用 T N9红外温度传感器与高精度 p t l 0 0温度传感器作为数控机床主轴及主 轴 电机温度的检测元件 ． 采用 K e i l C和 L a b Wi n d o w s ／ C V I 开发 了下位机温度采集程序及上位机温度 监控程序 详 细介绍 了系统的设计思路及具体的实现方法，并给 出了下位机程序流程 图及 L a b ． Wi n d o w s ／ C V I 编程实例。实验结果表明， 该 系统具有灵敏度高、 实时性好、 稳定、 准确、 操作 简单等优 点． 为数控机床的加工精度及安全无故障运行提供 了保证。 关键词 L a b Wi n d o w s ／ C V I ；数控机床 主轴 ； 主轴 电机 ；温度 测控 中图分类号T P 2 7 3 T G 6 5 9 文献标志码 A文章编号1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 30 2 3 8 0 3 Te mp e r a t u r e M e a s u r e me n t a n d Co n t r o l S y s t e m o n S p i n d l e a n d S p i n d l e M o t o r o f C NC WANG Yu，LUO Ge n g - h e x i ’ a n A e r o t e c h n i c a l C o l l e g e ， X i ’ a n 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m o n t h e s p i n d l e a n d s p i n d l e mo t o r o f C NC a r e i n t r o d u c e d ． wh i c h a d o p t s C 8 0 5 1 F 3 5 0 s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r a s ma i n c o n t r o l c h i p ． ， I 1 } l e s y s t e m a d o p t s i n f r a r e d t e mp e r a t u r e s e n s o r T N 9 a n d h i g h - a c c u r a c y P T 1 0 0 t e mp e r a t u r e s e n s o r a s t e mp e r a t u r e i n s p e c t i o n i t e m o f C NC ma c h i n e t o o l s p i n d l e a n d s p i n d l e mo t o r ． Ke i l C a n d L a b Wi n d o w s ／ C VI a r e u s e d t o p r o g r a m t h e t e mp e r a t u r e c o l l e c t i o n a n d mo n i t o r p r o g r a ms o f P C a n d MC U． T h e d e s i g n i d e a a n d t h e c o n c r e t e r e a l i z a t i o n me t h o d o f t h e s y s t e m a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l s ， a n d MC U p r o g r a m fl o w d i a gra m a n d L a b Wi n d o w s ／ C VI p r o gra mmi n g e x a mp l e a r e g i v e n ． I Ih e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o w s t h a t t h e w h o l e s y s t e m h a s h i g h s e n s i t i v i t y ，g o o d r e a l t i me p e r f o r ma n c e ，h i g h s t a b i l i t y ，h i g h p r e c i s i o n ，s i mp l i c i t y o f o p e r a t o r a n d S O o n ．T h e p r o c e s s i n g p r e c i s i o n a n d f a i l u r e f r e e o p e r a t i o n o f CN C w e r e e n s u r e d b y t h e s y s t e m． Ke y wo r d s l a b Wi n d o w s ／ C VI ； C NC ma c h i n e t o o l s p i n d l e ； s p i n d l e mo t o r ； t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t a n d c o n t r o 】 ◆一 ◆一“ 4 ---◆。◆。◆。 ◆-◆- ◆。◆。 ●。◆。◆- ● - 作 为单片机 内定时器 T O的启动信号 i 丽 一 脚每检 测到一个下 降沿软件计数 s u m就加 1 ， T O定时到 ， sum停止计数 ． s u m除以定时时间就是电机的转速。 本设计软件可分为主程序 、数据处理程序 、 延 时子程序、中断服务子程序、 L E D显示程序 5个部 分 主程序流程及 中断服务子程序流程如图 6 和 图 7所示 图 6 T 0中断服务 子程序流程 图 图 7 4结语 ◆ ◆。◆- ◆-◆‘ ◆。◆。 ◆。◆_◆-◆-◆-◆-◆ 该测速算法结合单片机 的有限资源。设计了具 有体积小、 价格低 、 结构简单的转速测试器 ， 既可用 于电机的转速测量． 也可用于其他各种机械传动轴 的转速测量。 因此具有理想的实用价值。 参考文献 [ 1 ] 张毅坤， 陈善久， 裘雪红 ， 等． 单 片微型计算机原理与应用 [ M] ． 陕 西 西安 电子科技大学社， 2 0 0 5 ． 『 2 1 刘永锋． 电磁感应式 车速传感器的识别与检测[ J ] ． 电子测试 ,2 O 0 6 8 2 0 - 2 3 ． [ 3 ] 赵树磊， 谢 吉华， 刘永锋． 基于霍尔传感器 的电机测速装置 [ J ] ． 江 苏电器． 2 0 0 8 1 0 5 3 5 6 ． f 4] 牛洁， 李炳建， 苟娜． 基于霍尔传感器 的直流 电机转速测量系统设 计[ J ] ． 电子测试 ， 2 0 0 8 6 7 8 8 0 ． [ 5 ] 郑宪伟， 赵玉林， 陈广大． 基于 AV R单片机的直流电动机 P WM闭 环调速 系统的设计 [ j ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 1 2 0 1 2 2 ． 作者简介 丁阳喜 1 9 6 2 一 ， 江苏句容人， 教授， 主要从事机 电产 主 程 序 流 程 圈 品设计方面的教学 与研究工作． 电子 邮箱 w j 1 2 1 9 0 1 6 3 ． c o n 1 ． 责任编辑 于淑清收稿 日期 2 0 0 9 1 0 1 8 2 3 8一 圆 塞 第 3 1 卷第 0 3 期 数控机床主轴及主轴电机温度检测与控制系统王 瑜 ， 等 V 0 1 ． 3 1 N o ． 0 3 O引言 大量的研究表明 ， 在影响数控机床加工精度 的 诸多因素 中． 热误差约 占机床总误差的 4 0 ％～ 7 O ％。 数控机床主轴在高速旋转时， 主轴及主轴电机是受 热的主要部件 ． 一旦数控机床主轴的温度超过允许 范围． 会严重影响数控机床的加工精度 ， 从而降低 产品的质量 如果主轴电机运行时的温度长期超过 绕组材料的极限工作温度 ． 将会加剧绕组绝缘材料 的老化 。 电机寿命大大缩短 ， 严重时会将电机烧毁。 所 以有必要对数控机床 主轴及主轴电机 的温度进 行测控。 本文针对普通数控机床的特点 ． 构建了主轴及 主轴屯机温度测控系统 ． 该系统可 以同时对主轴及 主轴 电机的温度进行有效地 自动控制 ． 为主轴及主 轴电机的状态参数监控提供 了依据 该系统在普通 数控机床 的性能改进及大型电机的温度检测系统 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 数控机床主轴及主轴电机温控系统组成 数控机床主轴及主轴电机温度测控 系统结构 如图 1 所示 计算机上装有 L a b Wi n d o w s ／ C V I 虚拟 仪器设计软件 、 K e i l C下位机程序设计软件 ． 完成系 统监控程序及采集程序的设计等功能 控制器采用 C 8 0 5 1 F 3 5 0单片机 ， 由复位 电路、 时钟 电路 、 信号调 理电路、 P T l 0 0温度传感器 、 T N 9红外温度传感器及 计算机完成温度的采集及系统的启动 、停止控制 ； 并输 出控制量控制继电器 、 交流接触器的接通或断 开，从而控制风扇电机及冷却泵的开启与关闭 接 收由温度传感器检测到的现场温度信号 ． 构成温度 闭环控制系统。 I 墨 些 皇 堕卜 ’ 匝 二 卜 ． 苴 恒 片 机 图 1 温厦 测 控 系 统结 构 图 系 统 具 有 以 下 优 点 f 1 采 集 模 块 选 用 C 8 0 5 1 F 3 5 0单片机 内部的全差分 2 4位 A D． 简化 了 接 口电路设计 ， 无需复杂的外 围器件 ． 就可以实现 精度高、 性能稳定的数据采集。 2 借助红外辐射探 测技术不仅能够实现非接触 、 实时 、 快速测量 ． 而且 又具有分辨率高、 抗干扰能力强等特点。 3 上位机 采用 L a b Wi n d o w s ／ C V I 虚拟仪器设计软件编程 ． 具有 良好的人机交互界面、 运行速度快 、 准确、 操作简单 等特点。 4 1- - 位机采用软件滤波及多线程控制 ． 大 大的提高 了系统的精度及实时性 2系统的设计思想 数控机床主轴及主轴 电机温度测控系统如图 2 所示 ， 由单片机 、 继电器 、 交流接触器 、 冷却泵、 冷却 风扇 、 数控机床主轴 、 主轴 电机 、 温度 传感器等组 成 。温度给定量 与温度反馈量 。 比较后得到误 差信号 1 ． 来控制继 电器 l的开启／ 关闭 ， 使数控机 床主轴冷却泵开启， 关闭；温度给定量 与温度反 馈量 t 比较后得到误差信号 2 ， 来控制继电器 2的 开启／ 关闭。 使主轴电机冷却风扇开启／ 关 闭， 从而达 到控制数控机床主轴及主轴 电机温度的 目的 ． 使温 度保持在设定的安全运行范围内。 ⋯ 图 2温 度 测控 系统 方 框 图 3系统软件 设计 3 ． 1 下位 机程序 设计 系统 的下位机程序设计 由 C 8 0 5 1 F 3 5 0系统初 始化 、 P T I O 0温度采集 、 T N 9红外温度采集 、 发送 、 接 收及控制模块组成 程序通过单片机 内部的 A D转 换器将数控机床主轴电机温度的模 拟量转换为数 字量 ． 并采用模拟 S P I 的方式读取 T N 9红外传感器 中的数据从而得到数控机床主轴的温度值 ． 利用发 送 、接收 中断完成温度值的发送 和控制命令 的接 收．将采集到 的温度值由 R S 2 3 2发送到上位机显 示 、 存储及按照从 R S 2 3 2接收到的控制命令对相应 的继 电器进行控制， 系统下位机流程如图 3所示。 图 3温度测控系统 下位机程序流程图 3 ． 2 上位机程序设计 系统上位机主要用于对下位机发送 的温度数 据进行显示 、 存储及超限判断 ， 并根据判断的结果 一 2 39 兰 三 圭 主 皇 温度检测与控制系统王 瑜， 等 第3 1 卷 第0 3 期 发送控制命令来控制冷却系统的开启或关闭 温度 检测与控制系统主界面如图 4所示 ． 点击“ 确定 ” 按 钮分别设定数控机床主轴及主轴 电机温度 点击 “ 开始”按钮系统开始采集温度并根据设定温度来 控制冷却系统 ； 点击“ 标定 ” 按钮消除系统误差 。 改 善系统 的正确度 点击“ 存储 ” 按钮将采集的温度数 据存储 到 E x c e l 表格 中 点击“ 退 出” 按钮上位机程 序关闭 图 4温度 检 测 与控 制 系统 主界 面 上位机程序在设计时． 采用 L a b Wi n d o w s ／ C V I 的 多线程实时数据采集技术及软件滤波技术 ． 大大提 高了 C P U的利用率 、 有效改善吞吐量 、 程序的响应 速 度 及 控 制 精 度 。程 序 运 行 后 ，主 函数 调 用 C m t S c h e d u l e T h r e a d P o o l F u n c t i o n使线程池创建 了一 个新线程执行线程函数 D a t a A c q T h r e a d F u n c t i 0 n 。主 线程并不需要等待 D a t a A c q T h r e a d F u n c t i o n函数完 成就从 C mt S c h e d u l e T h r e a d P o o l F u n c t i o n返 回。主线 程执行 m a i n函数 中的代码的同时在次线程中执行 D a t a A c q T h r e a d F u n c t i o n函数。这里只给出了主函数 的源代码 i n t m a i n i n t a r g c ， c h a r a r g v [ ] { i n t f u n c t i o n l d ； i f I n i t C V I R T E 0 ， a r g v ， 0 0 r e t u m -1 ；| o u t o f me mo r y | i f p a n e l Ha n d l eL o a d P a n e l 0 ， ” w e n d u ． u i r ” ， P AN E L 0 r e t u r n -1 ； i f p a n e l 2L o a d P a n e l 0 ，” w e n d u ． u i r ” ， P A N E L2 0 ◆- ◆- - - ● 0◆‘◆。 ◆。◆。 r e t u r nl O p e n C o m C o n f i g c o m ，⋯ ’ ， 9 6 0 0 ， 0 ，8 ，1 ， 5 1 2 ， 5 1 2 1 ； ／ ／ 打开串口 C mt S c h e d u l e T h r e a d P o o l F u n c t i o n r DE ． F AUL T - T HRE AD _ P OOL _ HANDL E， D a t a Ac q T h r e a d ． F u n c t i o n ， N U L L ， f u n c t i o n l d ； D i s p l a y P a n e l p a n e l H a n d l e ； Ru n Us e r I n t e r f a c e f 1 ； Cmt Wa i t F o r T h r e a d P o o l F u n c t i o n C o mp l e t i o n D E F A U L T _ T HR E A D _ P O O L _ H AN D L E ， f u n c t i o n l d ， 0 ； D i s c a r d P a n e l p a n e l H a n d l e ； r e t u r n 0 } 4结语 系统的创新点是采用 T N 9红外温度传感器、 单 片机、 P C机及 L a b Wi n d o w s ／ C V I 虚拟仪器软件． 充分 利用了红外传感器实现非接触测量 、 单片机内部的 高精度 A D、 P C机运算 速度快 、界面 良好及 L a b ． Wi n d o w s ／ C V I 丰富的控 件资源及丰富的函数库 、 较 高的执行效率等优点 ， 使系统运行稳定 ， 能够实时 、 准确地检测数控机床主轴及主轴 电机的温度变化 情况 ， 并根据情况采取相应的冷却措施 。为普通数 控机床的加工精度 、 主轴电机的安全运行及故障检 测提供 了可靠的保障。同时， 系统还具备温度数据 存储功能 ． 便于在离线情况下分析数控机床主轴及 主轴电机的温度变化情况 参考文献 [ 1 ] 郭策 ， 孙庆鸿， 蒋书运 ， 等． 高速高精度数控车床主轴 系统 的温度 场建模与仿真[ J ] ． 制造业 自动化 2 0 0 3 ， 2 1 7 1 9 ． [ 2 ] 来清 民． 传感器与单片机接 口及实例 [ M] ． 北京 北京航空航 天大 学 出版社 ． 2 0 0 8 ． E 3 ] 左健 民， 盛英． 机电控制工程基 础 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 o o 2 ． [ 4 ] 张毅刚． 虚拟仪器软件开 发环境 L a b Wi n d o w s ／ C VI 6 ． 0 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ． 2 0 0 2 ． 『 5 ] 张凤均． L a b Wi n d o w s d C V I 开发入 门和进阶 [ M] ． 北京 北 京航空 堕 兰些 作者简介 王瑜 1 9 8 1 一 ， 女 ， 江苏徐州人 ， 助教 ， 现主要从事机 电专业的教学和科研工作 ． 电子信箱 w a n g y u ． x h 1 6 3 ．t o m． 责任编辑 于淑清收稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 0 扇形工作面旋转调面时液压支架控制 兖州矿业 集团 公司济宁二号煤矿开展 了 1 1 3 0 3工作 面旋转回采时液压支架控制研究 ． 为同类条件下回采提供了经验。 该工作面共安装 1 4 8组液压支架 。在推进过程 中每时每刻都要控制一些关键数据 ， 如工作面面长变化 、 前部机尾和后部机 尾 到帮的距离 、 1 4 7 “ ／ 1 4 8 “ 支架到帮的距离 、 2部机头有效搭接距离 、 前后部输送机上窜下滑控制 、 工作面推溜方式及采煤机进刀 方式等 ． 最大限度减少对生产影响时问。液压支架 自由旋转与强制旋转相结合 ， 确保液压支架始终处于 良好 的状态 ， 减少发生 挤架 、 咬架及支架错茬现象。由于采取锁住所有液压支架侧护板 的措施 ， 使液压支架 自由旋转有较大空间。采煤机司机割平工 作面的顶底板 。 在拉架前清理干净架前和架间所有煤粉。在工作面顶板较好位置将液压支架下降到完全脱离顶板后再拉架 ， 为 液压支架 自由旋转创造一个好环境 在工作 面顶板较差 的地方 和工作面 1 5 0 液压支架位 置采 取使 其强制旋 转的措施 ， 拉架 时利用单体支柱调架 ， 使液压支架强制旋转 。 李剑峰 一 2 4 0一 、