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1.引言
主軸是機(jī)床的關(guān)鍵零部件，而主軸軸承則是主軸正常運(yùn)行的重要部件，當(dāng)機(jī)床長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)時(shí)，很容易造成軸承的損壞甚至燒瓦、停機(jī)的惡性事故.軸承的使用壽命遵循典型的浴盆曲線規(guī)律，實(shí)際工作中，常采用人工定時(shí)巡檢和定期檢修的方法來保證運(yùn)行的可靠性，對(duì)于一些直接影響到機(jī)床安全運(yùn)行的重要軸承，一般價(jià)格很高，采用傳統(tǒng)的人工巡檢無法滿足機(jī)床長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求，因此只有對(duì)主軸軸承溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)才能保證主軸的正常運(yùn)行，從而可進(jìn)一步提高機(jī)床運(yùn)行的可靠性，機(jī)床主軸軸承溫度的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是通過在線采集軸承運(yùn)行的溫度數(shù)據(jù)，通過處理器進(jìn)行比較和分析，及時(shí)掌握軸承運(yùn)行工況。
2.機(jī)床主軸軸承溫度升高原因及限制機(jī)床主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于主軸轉(zhuǎn)速較高、主軸潤(rùn)滑不足、潤(rùn)滑油太粘稠、以及主軸加工、安裝如主軸彎曲或安裝與尾架不同心等因素，都會(huì)引起主軸軸承溫度升高，導(dǎo)致機(jī)械間隙變小而出現(xiàn)噪音和機(jī)械損傷，軸承溫度一般限制在溫度升高不超過45℃，監(jiān)測(cè)中若發(fā)現(xiàn)軸承的溫度超過70-80℃，應(yīng)立即停機(jī)檢查。
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3.總體設(shè)計(jì)思路
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是由MCS-51單片機(jī)組成的機(jī)床主軸溫度測(cè)量系統(tǒng)。其采用的核心技術(shù)是利用V/F轉(zhuǎn)換采集溫度信號(hào)來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸溫度測(cè)量精度控制，并利用相對(duì)差值計(jì)算技術(shù)，通過軟件調(diào)整定時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)間來精確控制測(cè)量精度，從而使得系統(tǒng)測(cè)溫精度與電路元件參數(shù)無關(guān)。
測(cè)溫系統(tǒng)主要由溫度變送器、測(cè)溫電路和軟件3部分組成。其中測(cè)溫電路主要由MCS-51系列中80C51單片機(jī)電路和LM331V/F轉(zhuǎn)換電路組成。測(cè)溫系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，溫度變送器輸出的0～5V電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于0～+100℃的機(jī)床主軸實(shí)際溫度。這個(gè)信號(hào)經(jīng)具有屏蔽措施的傳輸線送至測(cè)溫電路，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻干擾。而后經(jīng)LM331V/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸入至80C51單片機(jī)。系統(tǒng)對(duì)頻率脈沖進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，再根據(jù)0℃時(shí)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行相對(duì)差值計(jì)算，得到0～10000的相對(duì)數(shù)，這個(gè)相對(duì)數(shù)即代表0～+100℃的機(jī)床主軸溫度信號(hào)，由此計(jì)算出溫度值。同時(shí)還要進(jìn)行溫度修正，修正值是在測(cè)溫標(biāo)定時(shí)由用戶輸入的。測(cè)量值存于80C51 RAM中，可供溫度計(jì)量計(jì)算調(diào)用，同時(shí)經(jīng)MC14489驅(qū)動(dòng)顯示電路送至LED顯示當(dāng)時(shí)的機(jī)床主軸溫度。
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4.硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的硬件部分主要包含六大部分，它們是溫度采集電路、低通濾波電路、V/F轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)接口電路、晶體管顯示驅(qū)動(dòng)電路、溫度顯示電路。
限于篇幅具體各部分電路在此不進(jìn)行詳述。
本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的硬件思路是通過溫度傳感器來測(cè)量機(jī)床主軸溫度，由溫度變送器輸出電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)送人測(cè)溫電路的取樣部分，將電壓信號(hào)經(jīng)低通濾波電路濾除高頻干擾。再經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)送入80C51單片機(jī)接口。經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理后輸出的數(shù)值存儲(chǔ)在單片機(jī)的RAM中供溫度計(jì)量計(jì)算調(diào)用，同時(shí)輸出信號(hào)再經(jīng)MC14489驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。
軟件思路是應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)方法，選用C語言編程。整個(gè)軟件部分需要完成三大塊的設(shè)計(jì)，它們是：溫度計(jì)算模塊，精度控制模塊和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊。
本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是被測(cè)溫度的精度控制，一般的測(cè)溫系統(tǒng)中是將V/F轉(zhuǎn)換電路輸出的頻率脈沖數(shù)范圍對(duì)應(yīng)于被測(cè)溫度范圍，但在溫度測(cè)量中要提高測(cè)量系統(tǒng)的最低分辨率就必須增大頻率脈沖范圍。國內(nèi)大部分此類系統(tǒng)是通過元件的選取和硬件的合理來增大頻率脈沖的范圍，此方法復(fù)雜且效果不是很好。本設(shè)計(jì)采取的方法應(yīng)用軟件方法來增大頻率脈沖范圍。通過系統(tǒng)對(duì)頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再根據(jù)給定的基準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行相對(duì)差計(jì)算，得到測(cè)量溫度。
6.精度控制
在本方案中用于提高溫度測(cè)量精度的主要方法是通過對(duì)溫度傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行了V/F轉(zhuǎn)換，然后用單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的頻率計(jì)數(shù).以此來達(dá)到提高測(cè)量精度。
本設(shè)計(jì)中采用由美國NS公司生產(chǎn)的LM331性價(jià)比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
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f0=(Vi×RS)/(2.09×Rt×RL×Ct)
(1-1)
如以頻率信號(hào)直接計(jì)算溫度值，且保證測(cè)溫的最小分辨率為0.02℃，由式(1-1)可知，當(dāng)V在0～5V之間變化時(shí)，要求F的變化量為5000Hz，即在0～+100℃間相差5000個(gè)頻率脈沖，每個(gè)頻率脈沖對(duì)應(yīng)0.02℃。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是相當(dāng)困難的，需要精確調(diào)整、搭配各電路元件的參數(shù)值，也就是說測(cè)溫精度及分辨率將完全依賴于電路元件參數(shù)絕對(duì)值的精確度，采取定時(shí)計(jì)數(shù)的方法可以解決這個(gè)問題。在定時(shí)時(shí)間τ內(nèi)對(duì)頻率脈沖計(jì)數(shù)，得到數(shù)字信號(hào)N，以N值作為最后的溫度信號(hào)，也可以說對(duì)溫度信號(hào)又進(jìn)行了一次F/N轉(zhuǎn)換，N與F之間的關(guān)系由下式計(jì)算：
N=2πf (1-2)
式中，乘2的原因是1個(gè)頻率脈沖計(jì)2個(gè)數(shù)，要保證0.02℃的分辨率，則應(yīng)滿足下式：
N100-N0=10000 (1-3)
式中，N100對(duì)應(yīng)軸溫在+100℃時(shí)的計(jì)數(shù)值，N0對(duì)應(yīng)軸溫在0℃時(shí)的計(jì)數(shù)值.根據(jù)式(1-2)的關(guān)系將(1-3)式變換為：
2πF100-2πF0=10000
π(F100-F0)=5000 (1-4)
式中，F(xiàn)100對(duì)應(yīng)軸溫在+100℃時(shí)的頻率數(shù)，F(xiàn)0對(duì)應(yīng)軸溫在0℃時(shí)的頻率數(shù)。在電路元件參數(shù)值確定之后，F(xiàn)100及F0即為確定值，兩者的頻率差值也為確定數(shù)，此時(shí)不必嚴(yán)格要求電路元件參數(shù)的精確值，即不必嚴(yán)格要求頻率信號(hào)差值為5000Hz，只要在某一合適的范圍即可。通過軟件調(diào)整計(jì)數(shù)定時(shí)時(shí)間τ，就能滿足式(1-3)的條件，保證在0～+100℃的溫度變化范圍內(nèi)，信號(hào)相差5000個(gè)頻率脈沖，則最小測(cè)溫分辨率為0.02℃，足以滿足測(cè)溫精度的要求。采用此方法將調(diào)整電路元件參數(shù)(即振蕩電路中電阻、電容)的精確值來保證頻率差
值轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖{(diào)整計(jì)數(shù)定時(shí)時(shí)間τ，調(diào)整電路元件參數(shù)的精確值是相當(dāng)困難的，而由軟件調(diào)整計(jì)數(shù)定時(shí)時(shí)間τ是比較容易的。由此可知，振蕩電路中電阻、電容確定后，頻率差的精確度與電阻、電容的精確值無關(guān)。
7.傳感器的選型、安裝
由于本設(shè)計(jì)不僅要進(jìn)行軸承溫度測(cè)量還要實(shí)現(xiàn)精度控制。精度控制的方法是首先對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)實(shí)行V/F轉(zhuǎn)換，然后用單片機(jī)對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)以此來達(dá)到一定的測(cè)量精度。所以模擬溫度傳感器是首選溫度傳感器，其次溫度傳感器所處的環(huán)境具有強(qiáng)電磁干擾的特點(diǎn)。綜合考慮本設(shè)計(jì)選用PT100鉑熱電阻溫度傳感器，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，靈敏度高，延展性強(qiáng)；耐熔、耐摩擦、耐腐蝕。
熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測(cè)量溫度的。熱電阻的受熱部分是用細(xì)金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中有溫度梯度存在時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。PT100鉑熱電阻溫度傳感器是熱電阻溫度傳感器的一種，適用于測(cè)-200～+650℃之間的溫度。鉑的物理和化學(xué)性能非常穩(wěn)定，具有高的熔化溫度和電阻率，溫度范圍寬。傳感器的精度和穩(wěn)定性依賴于感溫元件的特性及精度級(jí)別。傳感器配有5m，10m的屏蔽電纜，廣泛應(yīng)用于氣象，勘探，農(nóng)業(yè)，制造業(yè)等領(lǐng)域。
選用WZP-P系列貼片式Pt100溫度傳感器，測(cè)量范圍為-50～200℃，在主軸前、中、后軸承處，通過螺栓或其它固定方式將3個(gè)溫度傳感器安裝在軸承或軸承座表面上，注意安裝時(shí)螺栓緊固程度不宜太大，避免溫度傳感器受力太大導(dǎo)致?lián)p壞。
8.軸承溫度的檢測(cè)與保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用
8.1 應(yīng)用范圍
機(jī)床主軸軸承溫度的檢測(cè)與保護(hù)電路首先改造了10臺(tái)車床、5臺(tái)刨床，應(yīng)用效果較好，但由于公司一年多后機(jī)構(gòu)改革、調(diào)整，取消了機(jī)械加工工段，因此未能得以更大范圍的應(yīng)用。
8.2 應(yīng)用效果
經(jīng)過一年多的應(yīng)用實(shí)踐的證明，機(jī)床主軸軸承溫度的檢測(cè)與保護(hù)電路在各式機(jī)床上的應(yīng)用非常成功，據(jù)這一年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示每年每臺(tái)機(jī)床為公司節(jié)約電機(jī)修理費(fèi)1.6萬元左右，每臺(tái)機(jī)床節(jié)約更換主軸軸承等直接費(fèi)用1.2元以上。
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9.結(jié)論
基于本設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸軸承溫度測(cè)量的精度可以控制在0.01度，這樣就有效地提高了機(jī)床主軸軸承溫度的精確計(jì)算，從而及時(shí)掌握軸承運(yùn)行工況，可以在軸承尚未損壞之前發(fā)出溫度超限報(bào)警及跳車信號(hào)，從而避免發(fā)生設(shè)備事故，達(dá)到大大降低值班人員的巡檢強(qiáng)度，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性的目的。
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