轴承试验机多点温度监控系统设计

王恒迪，翟 鑫，秦 超，郑银行

(河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003)

0 引言

轴承寿命试验机主要是模拟轴承实际使用工况，对轴承进行寿命试验[1］。寿命试验过程中，由于需要模拟特定的温度环境，这就要求对其温度进行监控，以保证试验温度在试验要求范围以内。传统的温度监控系统存在传感器类型单一、测量温度范围小、数据传输速度慢、不能存储温度数据等问题[2-7］，对工业控制人员根据温度变化及时做出响应有影响，无法满足试验机对温度监控系统的要求。特别是航空轴承，必须在高温恶劣条件下具有高可靠性，这就对试验机温度监控系统的性能提出了更高的要求。在这样的情况下，开发一种具有多种输入类型、同时进行多点温度采集、实时性强、能够综合处理多点温度信息的温度监控系统就显得尤为必要。本文介绍一种高速轴承试验机多点温度监控系统，采用温控仪表采集多路温度信号，以PC机为主机，通过串口传输温度参数并加以显示，使润滑性能、电主轴动态性能及试验机的可靠性和实用性能大大提高。根据试验机对温度和点数要求，本文的多点温度监控系统可以相应调整传感器类型或者增减温控仪表数量，方便快速，满足各种类型试验机对温度监控的要求，测试性能好，温度数据更新快、温度控制准确，适用范围广。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

系统主要由温度传感器、温控仪表、PCI多路串口卡、NI PCI-6221数据采集卡、控制计算机、加热器等组成。系统结构图如图1所示。对润滑油供油温度、回油温度、电主轴内部温度、试验轴承外圈温度、加载轴承外圈温度以及油箱内润滑油温度等进行监测。其中回油温度包括:试验轴承左侧回油温度、试验轴承右侧回油温度、加载轴承回油温度。考虑到轴承外圈是存在一定弧度的金属结构，本系统选用德国欧普士CTLT20型在线式红外温度传感器，响应时间小于300 ms，能够快速测出外圈温度;测量润滑油油温采用Pt1000型铂电阻和硅半导体温度传感器;电主轴自带Pt100型铂电阻温度传感器，可有效地测量出电主轴内部温度。

1.2 工作原理

温度传感器输出的电压信号经过温控仪表的调理电路和A/D转换电路转变为数字信号，通过RS485接口传输给上位机，实现温度数据的传输，上位机通过控制算法得到系统的控制量，由NI PCI-6221数据采集卡数字I/O口控制固态继电器控制端，从而改变加热器工作状态，实现润滑油油温的调节。根据电主轴性能要求，电主轴内部温度不得长期高于100℃，否则会造成电主轴损坏。本系统选用具有上限报警功能的温控仪表，设定上限报警参数为100℃，为了避免温度处于报警参数边缘时内部继电器频繁动作，设置报警回差值为5℃，当温度超过设置值时，仪表内部继电器会吸合，利用这一原理，将继电器的常闭触电与接触器的线圈串联，电主轴一旦超温，接触器自动断开电主轴电源，最终达到对电主轴的保护。

图1 系统结构图

2 软件设计

LabVIEW是美国NI公司开发的一种图形化编程语言的虚拟仪器开发工具[8］，利用其可以轻松构建测试系统和仪器面板。上位机程序采用LabVIEW作为开发平台，具有界面友好，操作简单等特点，由温度数据采集、数据存储、报表生成与打印、历史数据查询及串口通讯等模块组成。

2.1 数据采集与串口通讯

串口通讯是一种在计算机与外部设备以及计算机与测试系统之间最简单、最普遍的数据通讯方式。一般计算机都内置串口，使用相对方便，只需用串口线联接计算机和外部设备即可达到收发数据的目的[9］。选用的温控仪表具有RS485接口，并支持标准Modbus RTU协议，可以轻松实现与上位机通讯。

2.1.1 RS485通讯接口

RS485接口标准主要是用于多站通讯，最高传输速率为10 Mb/s;最大距离约为1 200 m，能够满足较远距离传输;通过双绞线实现主从通讯，具有较强的抗干扰能力。

2.1.2 Modbus RTU通讯协议

Modbus RTU通讯协议指令包括地址码、功能码、数据区及校验码。指令的第1个字节为地址码，用来确定接收指令的从机，每个从机都有唯一的地址码，且每个从机只能接收与其地址码相对应的指令。指令的第2个字节是功能码，功能码的作用是指示从机执行何种动作，本系统温控仪只用到读取和写入寄存器指令两条指令，读取寄存器功能代码为03H，写入寄存器功能代码为06H。数据区是根据不同的功能码而不同，可以是实际数据、设置点等。校验码为二字节的错误检测码，本系统的四路温控仪表使用的是CRC-16校验码，仪表温度数据寄存器地址如表1所示。

2.1.3 循环冗余校验

循环冗余校验(CRC)是一种最常用的、最有效的差错检测编码[10］。CRC码由上位机根据发送信息计算，并放置于发送指令的尾部。下位机收到信息后重新计算接收到信息的CRC码，比较接收的CRC码与计算得到的CRC码是否一致，如果一致，表明信息无误，否则说明信息在传输中出现错误。

表1 温度数据寄存器地址

数据读取时，根据温控仪表的通讯格式要求把指定的串口配置为波特率9 600 b/s，数据位8位，无奇偶校验位，1位停止位。为了快速读取数据，采用多路串口卡同时对仪表通讯。多路串口卡的主要作用是将上位机的PCI接口转换成多个串口，以满足设备对串口数量的需要。上位机首先向仪表发送指令，例如使用上位机COM1口，向地址为1的仪表发送读取通道1温度指令，指令为:0103 0000 0001 840A，当1号仪表收到指令后，会将1通道温度数据按照指令格式返回给上位机，此时程序处于读取串口状态，直到读取到完整数据。然后通过程序实现寄存器地址的变化，并重新计算CRC值，依次实现各通道温度数据的读取。上位机与温度仪表通讯程序如图2所示。

图2 上位机与温度仪表通讯程序

外界干扰可能会引起数据读取的不完整，为了防止程序一直处于读取某一通道温度，程序中加入了错误处理机制，规定读取100次还没有读取到完整数据，上位机重新发送指令，重新读取，反复3次，如果仍然读取失败，则放弃此通道并进行报警提醒。

2.2 数据存储与查询

对于轴承试验来说，试验数据是最为关键的一部分，是考核轴承的重要标准，对工艺的改进和方案的修改具有指导作用。为了满足以后查看，又方便其他程序调用处理，系统对采集到的温度数据进行实时存储。试验要求每套轴承试验过程长达1 000 h以上，至少需要试验3套轴承，这就需要存储大量的数据。综合考虑文件格式的性能，选择通用性较好，读写速率高，可以被其他应用程序调用的文本文件格式存储温度数据，这种格式按字节对文件进行读写，不具有独占性，打开文件查看数据时不会影响上位机程序继续写入数据。查询历史数据是读取温度数据文件来实现的。选择需要查看的温度数据文件并读取，利用温度数据与时间创建波形，最终以波形图形式显示，使得更加直观。

2.3 报表生成与打印

温度数据报表是记录测量数据的重要凭证，也是显示测量结果最直观的方法之一，同时报表对轴承工艺的改进也起着非常重要的作用。本系统中温度数据报表分为本次试验温度报表和每套轴承试验温度报表两种类型。

本次试验温度报表是在每次试验结束时生成的，主要记录每次试验过程中的温度曲线、试验时间、试验时长、操作人员、轴承编号、试验条件等内容。本次试验温度报表使用Report Generation Toolkit for Microsoft Office工具包和模板法生成。首先，利用New Report.vi新建报表，设置类型为Excel，并把报表模板地址送到New Report.vi中;然后，根据模板格式使用Set Report Orientation.vi设置报表打印方向为横向，Set Report Font.vi设置报表字体;最后，通过Append Report Text.vi把打印时间、操作人员、轴承编号、试验条件、备注等参数写入到模板中相应位置[11］。本次试验温度报表在记录温度曲线时采用的是添加VI前面板到报表的方法，这种方法相对于传统文字报表具有信息量大、显示直观、曲线无失真以及图片样式可以自定义等特点。具体操作:通过子VI截取并显示需要的温度曲线，调用Append Front Panel Image to Report.vi函数把子VI前面板添加到报表中，使用Print Report.vi完成对报表的打印，同时对生成的本次试验温度报表电子文档进行存盘，以备查询。

每套轴承试验温度报表主要记录轴承试验过程中炉室的温度曲线、试验时长、轴承编号、试验条件等内容，由于包含全部温度数据，所以对整个试验起着至关重要的作用。当轴承在试验过程中出现质量问题时，可以通过查看每套轴承试验温度报表查找并分析原因。在每套轴承试验温度报表中最重要的数据是温度曲线，为了更加直观地显示温度曲线，每套轴承试验温度报表采用打印前面板的方法实现，该方法编程简单，操作方便。具体方法为:新建一个VI，其前面板包括每套轴承试验温度报表所需要的数据，通过设置VI自动打印前面板方法完成打印功能。在每套轴承试验结束时，操作人员通过选择本套轴承所有温度数据文件即可实现该套轴承的温度数据的合并。通过点击温度曲线显示界面的“打印”按钮即可调用上述VI，并把数据传输到该VI中，由于上面已经进行了打印设置，调用结束时会自动完成打印，最终实现每套轴承试验温度报表的生成和打印。

3 试验测试

在试验机试验过程中，采用设计的多点温度监控系统进行温度监控试验。系统加热设备总功率为9 kW，程序通过控制固态继电器改变加热器工作状态，使得润滑油供油温度控制在(100±3)℃。测得电主轴正常运转时内部温度为40～50℃，当电主轴内部温度超限时，系统能够快速控制接触器做出断开动作，响应时间＜0.1 s，起到保护电主轴的作用。测试结果表明:温度数据刷新速率高，全部数据更新用时＜1 s。测试过程中得到的供油温度和回油温度变化曲线如图3所示。

图3 供油、回油温度变化曲线

4 结论

温度监控系统通过串口与下位机温控仪表进行通讯，把采集的温度数据进行实时显示，同时，根据采集的温度调整加热器等设备的工作状态，实现了对试验机各测量点温度的监控，上位机软件界面友好，操作简单，降低了对操作人员的技术要求。通过使用本系统以后，润滑油温度控制在要求范围内，有效地监测电主轴和轴承温度。在轴承试验机实际应用中，本系统工作稳定，温度数据传输速度快，温度控制精确，可提高轴承试验机的性能，具有较强的实用价值。

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