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电主轴监控系统设计.doc
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1、电主轴监控系统设计 【摘要】文章以高速电主轴监控系统为研究对象,分析了机床电主轴需要检测的几个主要参数、系统主要硬件构成和上位机监控软件labviw的主要功能。通过电主轴专用实验平台采集分析机床主轴的振动信号、电机轴承温度、轴向位移及相关状态参数。经采集系统分析后,可通过指示灯为缺乏主轴、轴承知识的一线工人提供判断信息。该系统能够及时识别机床主轴的状态、发现故障的早期症状,从而可以及时消除故障隐患,避免破坏性事故的发生,为专业人员在机床主轴的优化设计、检修方面提供了坚实的技术基础。【关键词】Labview软件;电主轴;在线监控;轴承温度;轴向位移Give or get an electric
2、shock a principal axis supervision system designZhangYajun(Grade07,Class03 ,Major Mechanical Design, Manufacturing and Automation,Mechanical Engineering Dept,shaaxi University ofTechnology hanzhong 723003,shaanxi)Tutor:Huang Chong Li【Summary 】The article at a high speed gives or gets an electric sho
3、ck the principal axis supervisions system as research object and analyzed a tool machine electricity principal axis a few main parameters, system that need to be examined main hardware the composing and place of honor machine supervise and control the main function of software labviw.Pain conduct el
4、ectricity principal axis appropriation the experiment platform collect the vibration signal of analyzing the tool machine principal axis and turn soon, electrical engineering and front and back the bearings temperature, stalk move to and related status parameter.After collecting system analysis, can
5、 pass indicator for lack the front-line worker of principal axis, bearings knowledge to provide judgment information.The system can identify the status of tool machine principal axis and discover the earlier period symptom of breakdown in time, can get rid of to break down in time thus concealed suf
6、fer from, avoid a destructiveness of the occurrence of the trouble, for the professional personnel is in the tool machine principal axis of excellent turn to design, the check fixed aspect to provide solid technique foundation.【Keyword 】Labview software;Give or get an electric shock a principal axis
7、;On-line supervision;Bearings temperature;The stalk moves toward毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存
8、、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:
9、 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日目 录目录第一章 前言11.1选题背景11.2设计目的11.3总体设计方案1第二章 系统硬件部分设计32.1电主轴部分设计32.1.1电主轴选择32.2数据采集卡部分设计42.2.1概述42.2.2 I/O接口设备PCI
10、-6221数据采集卡42.3信号调理模块52.3.1概述52.3.2信号调理模块的选择62.3.3信号调理模块的功能72.4传感器部分设计82.4.1 温度传感器82.4.2 振动和位移传感器部分设计9第三章 数据采集系统部分设计113.1 系统实现的功能特点113.2 系统前面板设计123.2.1登录系统123.2.2通道参数配置143.2.3实时数据显示153.2.4历史数据查询163.2.5报警记录18第四章 系统软件设计及其相关技术194.1软件平台选择194.1.1 图形化编程软件平台LabVIEW194.2系统的应用软件编制194.2.1启动系统194.2.2系统登录模块204.2
11、.3用户管理模块214.2.4数据采集模块224.2.5数据存储模块234.2.6数据回放模块244.2.7报警及记录模块26第五章 总结27致谢27参考文献29第一章 前言1.1选题背景随着数控机床在我国的广泛应用,电主轴是数控机床的关键功能部件之一, 主轴的好坏直接影响机床性能。由于主轴单元中, 转子、壳体、轴承密封等部分的机构及加工和安装方面的缺陷, 机床运行时引起振动, 过大的振动又往往是机器破坏的主要原因,为了保持机床良好的技术状态和维修方面的便捷,需要对其重要参数进行全面的监测与研究 。近年来, 随着计算机软件的大量开发和先进的监测理论的应用, 由在线监视主轴工况离线分析诊断主轴状
12、态, 发展成为在线监视与诊断主轴运行状态, 监测软件系统趋向智能化, 使电主轴的监视与专家系统更能按照人们的愿望实现对其进行健康的管理。1.2设计目的了解电主轴在数控机床发展中的重要作用,了解其基本结构和工作原理。掌握传感器具体安装方法,学会用labview虚拟仪器和采集卡进行多路数据采集1.3总体设计方案主轴监控系统的主体为传感器、信号调理系统、数据采集卡及PC终端构成的硬件系统。由图1.1可知系统采用传感器为数据采集元件,经过信号调理系统的处理,再通过 采集卡A/D 转换卡将模拟信号转换成为数字信号,送入计算机实现数据的存储、分析和处理图1.1 硬件组成原理第二章 系统硬件部分设计2.1电
13、主轴部分设计2.1.1电主轴选择数控机床已经在我国广泛应用且越来越多的发挥着重要作用,这次设计选择了德国GMN公司用于加工中心和铣床的电主轴主轴型号套筒直径/mm最高转速/(r/min)输出功率/KW基速/(r/min)基速转矩/Nm润滑刀具接口HCS230g-12000/222301200022240087GHSK-A63注:HCS矢量控制;OL油气润滑;G:永久油脂润滑;SK ISO表2.1 电主轴其型号和参数图2.2 数控机床电主轴内部的简单结构图图2.3 电主轴内部结构外观图2.2数据采集卡部分设计2.2.1概述虚拟仪器的硬件平台由计算机和I/O接口设备两部分组成。I/O接口设备主要执
14、行信号的输入采集、放大与模/数或数/模转换的任务。I/O接口设备的驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号采集的基础。因此,I/O接口设备的驱动是虚拟仪器系统的重要环节。2.2.2 I/O接口设备PCI-6221数据采集卡NI PCI-6221(37针)数据采集卡DAQ卡,另有5倍采样速率的高速M系列和4倍分辨率的高精度M系列可供选择,包括NI-DAQmx、VI Logger Lite数据记录软件和其他测量服务。其基本规格如下:l 16路模拟输入、16位分辨率l 250kS/s采样速率l 2路16位模拟输出,更新速率833kS/sl 24路数字I/O(8路高速可达1M)l 2个32位80MHz计数器/
15、定时器l AI、AO通道可承受的最大电压正负10伏NI PCI-6221是一款低价位多功能M系列数据采集(DAQ)板卡,经优化适用于需要控制成本的应用。PCI-6221(37针)采用了常见于其他M系列设备的技术, NI PCI-6221(37针)为您在设计、测试和控制应用中进行数据采集提供了高性价比的解决方案。2.3信号调理模块2.3.1概述信号调理是数据采集系统中最重要也是最易被忽视的一部分。许多传感器都要求使用专门信号调理技术,而没有哪种设备能为所有的传感器提供各种类型的信号调理功能。比如说,热电偶产生的是低电压信号,它还需要进一步的放大、过滤、以及线性化等处理。2.3.2信号调理模块的选
16、择为解决工程中传感器 的接 口问题 , 美国模拟器件( ANAL0G DEVI CE S) 公司专门设计生产了传感器接 口模块 2 B3 1 。它是一个 电阻信号、 适配模块 。它功能完整, 精度高, 噪声低 , 只要配接少量外围元件 , 就可适应多种传感器。图2.2 2B31结构原理图该模块 由四个部 分组 成: 高性能 的仪器放大器、 缓冲器、 贝塞尔三极点低通滤渡器 、 一个可调激励源 。它可将用户设计接 口时所需的各种功能电路有机地结台起来 系统完成 了对传感器信号的处理,减少了接口电路的体积 , 降低了功耗 , 消除了器件间的干扰信号。 2.3.3信号调理模块的功能从传感器得到的信号
17、大多要经过调理才能进入数据采集设备,信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性,所以除了这些通用功能外,还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能如下:1) 放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声,使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器,使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大,使信噪比得到改善。2) 隔离 隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号,避免直接的电连接。使用隔离的原因:是从安全的角度考虑;二是隔离可使从数据采集卡读出来的
18、数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差,而又不进行隔离,那么就有可能形成接地回路,引起误差。3) 滤波 滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器,用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器,滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。另外,某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。4) 激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号,比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。5) 线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的,因而需要对其输出信号进行线性
19、化,以补偿传感器带来的误差。目前,数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。6) 数字信号调理 即使传感器直接输出数字信号,有时也有必要进行调理,其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块,使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。2.4传感器部分设计2.4.1 温度传感器 选用STT-S系列铂电阻温度传感器,它适用于金属设备表面和内部温度的测量,通过加长螺纹,也可测量轴承和轴瓦的温度,安装简单方便。技术指标:安装方式:螺纹安装传感器类型:PT100不锈钢材质:sus321螺纹规格:M101.0螺纹
20、长度:10mm引线结构:三线制/特氟龙类型/有线缆护套/有屏蔽层引线长度:1000mm精度:A级温度范围:-502002.4.2 振动和位移传感器部分设计振动形式是显示在示波器上的原始振动波形,是分析振动数据非常重要的方法。安装在机器上每一测点的两个互成90度的电涡流传感器,可以很好的描述振动形式。轴向位移测量的主要目的是为了确定转子和定子间的轴向间隙,避免轴向摩擦这种恶性故障,另外在利用径向振动数据分析振动原因时作为参考。该系统振动和轴位移传感器均采用JX70系列涡流传感器, JX70系列一体化电涡流位移传感器是在JX20系列电涡流位移传感器基础上,通过表面贴装微形封装技术,将前置器电路和探
21、头集成一体,是一种高性能、低成本的新型电涡流位移传感器,属本公司的专利产品。此设计我们选用JX70-04-GM12x1-80-30K技术指标1、非接触测量,永不磨损。2、抗干扰能力强,高可靠性,长寿命。3、工作温度:-25+85,温漂0.05%/。4、防护等级:IP68。5、输出形式:三线制电压或电流输出。-10+10输出6、频响:010kHz幅频特性01kHz衰减小于1,10kHz衰减小于5;相频特性01kHz相位差小于-10,10kHz相位差小于-1007、电压输出形式传感器供电电源:12Vdc15Vdc供电,输出0+5V或0+10V或-5+5V或-10+10V功耗12mA(不含输出电流)
22、;8、纹波(测量间隙恒定时最大输出噪声峰峰值):电压输出形式的传感器输出纹波不大于20mV;电流输出形式的传感器输出纹波不大于30uA。9、负载能力:电压输出形式的传感器输出阻抗不大于51,最大驱动信号电缆长度300m;420mA电流输出形式的传感器最大负载电阻不大于750,带最大负载电阻时输出变化-1%。第三章 数据采集系统部分设计3.1 系统实现的功能特点系统程序的主要功能为模块划分的标准,其包括系统管理、系统参数配置、实时数据采集显示、数据保存、历史数据的查询、报警指示及记录和远程数据查询等功能。具体结构见图3.1所示: 图3.1 基于LabV1EW和PCI-6221板卡的多路数据采集系
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