基于PLC 的机床主轴温度检测控制系统

梁中源 钟佩思 刘 坤 葛 旋

(山东科技大学先进制造技术研究中心，山东 青岛 266590)

机床主轴是指机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件(齿轮或带轮)等组成主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素，而温度在影响机床主轴运动精度的诸多因素中，占有很大比重。机床主轴在工作状态下高速旋转时，特别是电主轴的高速旋转，会产生大量的热量引起主轴温度的升高，一旦机床主轴的温度超过了许用范围，将会严重影响机床的加工精度，从而降低产品的质量。所以有必要对机床主轴的温度进行检测控制，预防主轴温度过高造成的机床加工质量下降甚至机床故障。

本文针对普通机床主轴的发热特点和可测点温度变化与主轴热变形的关系［1］，结合PLC 的功能特点，构建了机床主轴温度检测系统。该系统可以实时对机床主轴温度进行有效的检测控制，为实时监控机床主轴工作状态提供依据。同时本系统在普通机床的性能改进及大型电动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 检测控制系统组成和工作原理

(1)系统组成

本系统是针对机床主轴温度参数检测要求而设计的，具体的系统硬件构成如图1。该系统是以PLC 作为数据处理终端，采用计算机为上位机的监控网络。硬件部分有安装有组态软件MCGS 的计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、红外温度传感器以及其他控制设备。红外温度传感器将当前的主轴温度信号转换为标准的电信号，经过信号调理电路调理后传入给PLC，PLC 将实际测得的温度信号与设定的温度信号进行比较和逻辑运算，然后通过运算结果控制继电器的闭合，实现对冷却泵和风扇电动机电路的控制。同时，机床主轴的温度值经PLC 传输给上位机，经过组态软件MCGS 进行动态显示。

(2)系统工作原理

机床主轴温度检测控制系统采用的是闭环控制［2］，根据给定的温度值和实际采集到的温度值，由PLC 逻辑运算后发出系统调节信号，控制继电器的闭合与断开，实现对冷却泵和风扇电动机的控制，从而对机床主轴的温度起到检测和控制作用。本检测控制系统的工作原理如图2 所示，为闭环控制系统。当系统工作时，红外温度传感器将机床主轴的温度信号转换为电信号，传给信号调理电路，通过信号调理电路的调节作用再传给PLC，然后根据用户预设的温度阈值参数T，PLC 将获得的信号与参数T 做比较，通过逻辑运算输出控制继电器工作状态的指令，从而实现检测控制机床主轴温度的要求。

本系统的工作原理是，红外温度传感器将测得的机床主轴实时温度经反馈送到PLC 的输入端，和给定的预设温度进行比较，当机床主轴的温度过高时，即测得的温度高于预设温度时，通过参数的运算，PLC 向继电器发出闭合命令，该控制电路使交流接触器闭合，冷却泵和风扇电动机进入工作状态。随着冷却泵和风扇电动机的工作，机床主轴温度会有所下降，此时红外温度传感器检测到的温度低于PLC 预设温度，PLC 控制继电器断开，该控制电路使交流接触器断开，冷却泵和风扇电动机停止工作。

2 系统的硬件选择

本系统的PLC 选用西门子系列，型号为S7-200，CPU222，配套EM235 模拟量模块使用。该PLC 具有8个输入和6 个输出共14 个数字量I/O 点，支持自由口和PPI 通讯接口。红外温度传感器采用OTP-538U非接触式红外温度传感器，可测温度范围为-20～120℃，输出信号为模拟量电压信号。

系统部分硬件连接图如图3 所示。其中模拟量EM235 模块与PLC 直接通过排线相连接，模拟量的输入信号为经调理电路调理后的电压信号，其直接反应机床主轴温度的变化情况。

3 系统的软件设计

通过PLC 配备的EM235 模拟量模块实现信号的A/D 转换，我们选择双极性±50 mV 输入量程，对应输出量程为±32000。模拟量模块6 个DIP 开关状态为SW1 OFF、SW2 ON、SW3 OFF、SW4 ON、SW5 OFF、SW6 OFF。根据该红外温度传感器温度和输出信号对应表有:当红外温度传感器测的温度为0 ℃时，其输出电压为-0.8 mV，调理电路输出信号为-8 mV，EM235 模拟量模块输出值为0;当红外温度传感器测得的温度为120 ℃时，其输出电压为5 mV，调理电路输出信号为50 mV，EM235 模拟量模块输出值为32000。

假设模拟量的标准电信号是A0～Am，A/D 转换后数值为D0～Dm，设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A=f(D)可以表示为数学方程:

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。

规定当机床主轴温度达到50 ℃时，采取降温操作，那么根据EM235 模拟量模块的A/D 转换规则确定此时的输出值为:13333.3，暂取13333，即在PLC中的阈值预设为13333。采样时间定为1 s。部分程序如图4。

4 监控系统设计

为了能在计算机中直观地显示整个检测控制系统各功能部件(继电器、冷却泵和风扇电动机等)的工作状态、机床主轴实时温度等参数的变化，和各功能部件的历史工作记录，本系统的监控系统设计选用北京昆仑通态MCGS 组态软件作为上位机的监控开发软件，上位机监控软件与PLC 之间通过PC/PPI 电缆连接，从而实现温度检测系统的监控［3-4］。

(1)新建工程

打开MCGS 组态软件，新建一个工程，我们选择默认TPC7062KX，分辨率为800×480 的7 英寸TFT 液晶屏幕。在“主控窗口”选项卡内单击“系统属性”，将“窗口标题”改为“机床主轴温度检测控制系统”，点击“确定”按纽，完成工程创建。

(2)定义I/O 设备

在“设备窗口”选项卡中单击“设备组态”，在弹出的窗口中右键选择“设备工具箱”，单击“设备管理”，依次双击“所有设备”、“PLC”、“西门子”、“S7200PPI”、“西门子_S7200PPI”，单击“确认”按钮完成设备的添加。

(3)定义数据库变量

DB 数据库是整个监控系统的核心，能够实现对整个监控系统的历史记录、实时数据、报警信息和服务请求等的统计、存储和处理。数据库中信息保存和处理的基本单位是点，点存放在数据库的点名字典中。数据库中的点名字典就决定了数据库的结构，合理分配数据库的存储空间。

(4)建立I/O 数据连接

将数据库中的点与外部采集设备的通道地址相对应，从而建立起上位机的各个I/O 点与下位机PLC I/O 地址之间的通讯，使下位机PLC 的各个I/O 点的工作状态能够准确传达到上位机并显示出来。

(5)组态画面设计

利用组态软件提供的绘图工具和图库，根据机床主轴的实际情况绘制温度检测与控制系统画面。画面背景色我们选择浅灰色，这样可以避免操作人员的视觉疲劳。

(6)运行与调试

MCGS 新建工程初步建立完成，接下来进行运行调试工作。保存好已完成设计的数据库、实时监控画面等组态内容，关闭工作台窗口。检查外围硬件设备以及连线，确保安全的情况下，接通各部件设备包括冷却泵和风扇电机的供电。在“工具”中选择“下载配置”，在弹出的对话框中左键点击“工程下载”，下载完成后，点击“启动运行”进入MCGS 模拟运行系统画面。

5 系统测试与结论

为了验证本系统的准确性，在系统建立完成之后进行实验和数据统计。在GSK 980TDb 数控车床上进行实验，并用测温枪测量主轴温度变化。实验环境温度为23 ℃，测试从转速为200 r/min 开始进行，连续运转10 min 后记录监控数据，同时用测温枪对相同测点进行温度测量，依此方法每200 r/min 一个转速级差进行增速实验数据统计，直到转速达到2000 r/min 为止。系统测试结果如表1 所示。

表1 系统测试结果

分析系统测试结果数据可知，本系统实现了机床主轴温度的实时检测，具有较高的准确性，并根据机床主轴实时温度情况自动控制冷却系统的运行达到给主轴降温的目的。

机床主轴温度检测控制系统的设计可以实现机床主轴温度的无人化实时检测，使用期间只需要维修人员定期维护系统或出现报警信号时停机检修，其他时间系统自动运行。

采用PLC 做为本系统的控制器，其硬件结构简单，成本低，并能够保证检测控制的可靠性。组态软件的使用，使本系统的实时数据和各部件工作情况能够直观地动态显示，并能保存故障信息和运行数据等优点。虽然本系统能够一定程度上防止机床主轴温度过高，但值得关注的是通过误差补偿的方法控制主轴温升造成的热变形是未来发展的一个趋势［5］。

［1］杜玉玲，文西芹，刘成文.机床主轴温度场的数字化检测［J］.新技术新工艺，2005(7):6-9.

［2］张文明.基于PLC 的温度控制系统的设计［J］.安徽农业科学，2011，39(29):18258-18261.

［3］李红萍，贾秀明，赵晓莉.基于MCGS 的PLC 温度监控系统设计［J］.工业仪表与自动化装置，2012(5):83-85.

［4］王宁，虎恩典，王志刚.MCGS 和S7-200 PLC 液位温度自动控制系统设计［J］.自动化仪表，2013，34(12):24-27.

［5］冯伟，张祥雷.机床主轴温升试验研究及控制措施［J］.装备制造技术，2013(11):250-251.