了解如何检测及保护数控机床的主轴轴承

伯特利数控陈生

1.引言

主轴是机床的关键零部件，而主轴轴承则是主轴正常运行的重要部件，当机床长期处于工作状态时，很容易造成轴承的损坏甚至烧瓦、停机的恶性事故.轴承的使用寿命遵循典型的浴盆曲线规律，实际工作中，常采用人工定时巡检和定期检修的方法来保证运行的可靠性，对于一些直接影响到机床安全运行的重要轴承，一般价格很高，采用传统的人工巡检无法满足机床长期安全运行的要求，因此只有对主轴轴承温度进行实时温度监测才能保证主轴的正常运行，从而可进一步提高机床运行的可靠性，机床主轴轴承温度的在线监测系统就是通过在线采集轴承运行的温度数据，通过处理器进行比较和分析，及时掌握轴承运行工况。

2.机床主轴轴承温度升高原因及限制机床主轴在运转过程中，由于主轴转速较高、主轴润滑不足、润滑油太粘稠、以及主轴加工、安装如主轴弯曲或安装与尾架不同心等因素，都会引起主轴轴承温度升高，导致机械间隙变小而出现噪音和机械损伤，轴承温度一般限制在温度升高不超过45℃，监测中若发现轴承的温度超过70-80℃，应立即停机检查。

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3.总体设计思路

该系统设计主要是由MCS-51单片机组成的机床主轴温度测量系统。其采用的核心技术是利用V/F转换采集温度信号来实现机床主轴温度测量精度控制，并利用相对差值计算技术，通过软件调整定时计数时间来精确控制测量精度，从而使得系统测温精度与电路元件参数无关。

测温系统主要由温度变送器、测温电路和软件3部分组成。其中测温电路主要由MCS-51系列中80C51单片机电路和LM331V/F转换电路组成。测温系统原理框图如图1所示，温度变送器输出的0～5V电压信号对应于0～+100℃的机床主轴实际温度。这个信号经具有屏蔽措施的传输线送至测温电路，经过低通滤波器滤除高频干扰。而后经LM331V/F转换电路转换为频率信号输入至80C51单片机。系统对频率脉冲进行定时计数，再根据0℃时对应的基准数进行相对差值计算，得到0～10000的相对数，这个相对数即代表0～+100℃的机床主轴温度信号，由此计算出温度值。同时还要进行温度修正，修正值是在测温标定时由用户输入的。测量值存于80C51  RAM中，可供温度计量计算调用，同时经MC14489驱动显示电路送至LED显示当时的机床主轴温度。

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4.硬件设计

本设计的硬件部分主要包含六大部分，它们是温度采集电路、低通滤波电路、V/F转换电路、单片机接口电路、晶体管显示驱动电路、温度显示电路。

限于篇幅具体各部分电路在此不进行详述。

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本设计项目的硬件思路是通过温度传感器来测量机床主轴温度，由温度变送器输出电压信号，将电压信号送人测温电路的取样部分，将电压信号经低通滤波电路滤除高频干扰。再经V/F转换电路将其转换为频率信号送入80C51单片机接口。经单片机计算处理后输出的数值存储在单片机的RAM中供温度计量计算调用，同时输出信号再经MC14489驱动数码管显示。

软件思路是应用模块设计方法，选用C语言编程。整个软件部分需要完成三大块的设计，它们是：温度计算模块，精度控制模块和数码管驱动模块。

本次设计的难点是被测温度的精度控制，一般的测温系统中是将V/F转换电路输出的频率脉冲数范围对应于被测温度范围，但在温度测量中要提高测量系统的最低分辨率就必须增大频率脉冲范围。国内大部分此类系统是通过元件的选取和硬件的合理来增大频率脉冲的范围，此方法复杂且效果不是很好。本设计采取的方法应用软件方法来增大频率脉冲范围。通过系统对频率脉冲进行计数，再根据给定的基准数进行相对差计算，得到测量温度。

6.精度控制

在本方案中用于提高温度测量精度的主要方法是通过对温度传感器采集的模拟信号进行了V/F转换，然后用单片机对转换后的频率计数.以此来达到提高测量精度。

本设计中采用由美国NS公司生产的LM331性价比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调器，其内部结构图如图4所示。

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f0=(Vi×RS)/(2.09×Rt×RL×Ct)

                            (1-1)

如以频率信号直接计算温度值，且保证测温的最小分辨率为0.02℃，由式(1-1)可知，当V在0～5V之间变化时，要求F的变化量为5000Hz，即在0～+100℃间相差5000个频率脉冲，每个频率脉冲对应0.02℃。实现这一目标是相当困难的，需要精确调整、搭配各电路元件的参数值，也就是说测温精度及分辨率将完全依赖于电路元件参数绝对值的精确度，采取定时计数的方法可以解决这个问题。在定时时间τ内对频率脉冲计数，得到数字信号N，以N值作为最后的温度信号，也可以说对温度信号又进行了一次F/N转换，N与F之间的关系由下式计算：

N=2πf                    (1-2)

式中，乘2的原因是1个频率脉冲计2个数，要保证0.02℃的分辨率，则应满足下式：

N100-N0=10000            (1-3)

式中，N100对应轴温在+100℃时的计数值，N0对应轴温在0℃时的计数值.根据式(1-2)的关系将(1-3)式变换为：

2πF100-2πF0=10000

π(F100-F0)=5000          (1-4)

式中，F100对应轴温在+100℃时的频率数，F0对应轴温在0℃时的频率数。在电路元件参数值确定之后，F100及F0即为确定值，两者的频率差值也为确定数，此时不必严格要求电路元件参数的精确值，即不必严格要求频率信号差值为5000Hz，只要在某一合适的范围即可。通过软件调整计数定时时间τ，就能满足式(1-3)的条件，保证在0～+100℃的温度变化范围内，信号相差5000个频率脉冲，则最小测温分辨率为0.02℃，足以满足测温精度的要求。采用此方法将调整电路元件参数(即振荡电路中电阻、电容)的精确值来保证频率差

值转变为软件调整计数定时时间τ，调整电路元件参数的精确值是相当困难的，而由软件调整计数定时时间τ是比较容易的。由此可知，振荡电路中电阻、电容确定后，频率差的精确度与电阻、电容的精确值无关。

7.传感器的选型、安装

由于本设计不仅要进行轴承温度测量还要实现精度控制。精度控制的方法是首先对传感器输出的电压信号实行V/F转换，然后用单片机对频率进行计数以此来达到一定的测量精度。所以模拟温度传感器是首选温度传感器，其次温度传感器所处的环境具有强电磁干扰的特点。综合考虑本设计选用PT100铂热电阻温度传感器，导电导热性好，灵敏度高，延展性强；耐熔、耐摩擦、耐腐蚀。

热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。PT100铂热电阻温度传感器是热电阻温度传感器的一种，适用于测-200～+650℃之间的温度。铂的物理和化学性能非常稳定，具有高的熔化温度和电阻率，温度范围宽。传感器的精度和稳定性依赖于感温元件的特性及精度级别。传感器配有5m，10m的屏蔽电缆，广泛应用于气象，勘探，农业，制造业等领域。

选用WZP-P系列贴片式Pt100温度传感器，测量范围为-50～200℃，在主轴前、中、后轴承处，通过螺栓或其它固定方式将3个温度传感器安装在轴承或轴承座表面上，注意安装时螺栓紧固程度不宜太大，避免温度传感器受力太大导致损坏。

8.轴承温度的检测与保护的实际应用

8.1 应用范围

机床主轴轴承温度的检测与保护电路首先改造了10台车床、5台刨床，应用效果较好，但由于公司一年多后机构改革、调整，取消了机械加工工段，因此未能得以更大范围的应用。

8.2 应用效果

经过一年多的应用实践的证明，机床主轴轴承温度的检测与保护电路在各式机床上的应用非常成功，据这一年的统计数据显示每年每台机床为公司节约电机修理费1.6万元左右，每台机床节约更换主轴轴承等直接费用1.2元以上。

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9.结论

基于本设计的机床主轴轴承温度测量的精度可以控制在0.01度，这样就有效地提高了机床主轴轴承温度的精确计算，从而及时掌握轴承运行工况，可以在轴承尚未损坏之前发出温度超限报警及跳车信号，从而避免发生设备事故，达到大大降低值班人员的巡检强度，提高了设备运行可靠性的目的。

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