杨薪冉 金涛
摘 要：文章涉及一种主轴远程控制检测诊断平台，该平台主要用于电主轴故障诊断、电主轴二次维修后的功能验证以及电主轴数据采集与分析。文章将从硬件搭建、软件集成、数据采集三方面做主要阐述，其中硬件部分包括主回路、控制回路、驱动回路、HMI操作面板、冷却站、液压站、三工位维修平台等;软件集成包括数控系统、PLC控制，远程控制，远程报警监控，同时对电主轴大量有效的关键参数进行采集、存储，通过数据分析得出预警阈值对电主轴进行精准预测。该平台一方面能够检测电主轴松开夹紧是否到位，监控电主轴电流、转速、温度、振动等关键参数，从而迅速排查电主轴故障，完成更换拉杆或拉杆弹簧等机械部件后的功能验证，满足维修及验证需求，实现了电主轴维修检测手段从无到有的突破;另一方面该平台在远程控制及远程数据采集方面做出了尝试性的探索，为电主轴的预测性维修提供了数据库和宝贵经验。
关键词：主轴远程控制检测诊断平台;电主轴故障诊断;功能验证;数据采集与分析
中图分类号：TG659 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）11-0006-05
Abstract： This paper relates to a spindle remote control detection and diagnosis platform. The platform is mainly used for fault diagnosis of electric spindle， function verification after secondary maintenance of electric spindle and data acquisition and analysis of electric spindle. This article will mainly elaborate on three aspects： hardware construction， software integration and data acquisition. The hardware part includes main circuit， control loop， drive circuit， HMI operation panel， cooling station， hydraulic station， three-station maintenance platform， etc.; software integration includes CNC system， PLC control， remote control， remote alarm monitoring. At the same time， a large number of effective key parameters of the electric spindle are collected and stored， and the early warning threshold is obtained through data analysis to accurately predict the electric spindle. On the one hand， the platform can detect whether the electric spindle release clamp is in place， monitor the key parameters such as current， speed， temperature and vibration of the electric spindle， so as to quickly check the fault of the electric spindle and complete the function verification after replacing the mechanical parts such as the tie rod or the tie rod spring. To meet the maintenance and verification requirements， the breakthrough of the electric spindle maintenance detection means has been realized; meanwhile， the platform has made a tentative exploration in remote control and remote data acquisition， providing database and valuable experience for predictive maintenance of the electric spindle.
Keywords： remote control， detection and diagnosis platform of spindle; electric spindle fault diagnosis; function verification; data acquisition and analysis
电主轴作为机加工设备的核心部件被广泛应用于机加工车间，它是一种将电机与机床主轴的传动结构形式合二为一的智能型功能部件，极大简化了高速数控机床传动系统的机械结构[1]。电主轴故障会直接导致数控机床停机，经过多年来维修界的经验积累，对电主轴的机械维修已经有了非常成熟的流程[2]。但是对电主轴各项关键参数的检测，历来均采用单独测试的方法，并根据需要进行组合。这种单独测试方法比较麻烦，数据处理方法不一致，评定数值标准也不统一，容易造成不同误差。若测量时选择结构不统一，也会造成数据偏差。使用的仪器多而杂，数据观察不方便，数据处理也较混乱，如模拟量传感器电压值、扭矩、温度、频率、转速、电流等参数，均需用相应的仪器，且不能统一采用量程数据来显示，且有的采用线性值，有的采用角度值，数值存在漂移[3]。为了解决上述问题，针对现场的实际需要，我们研制了一台主轴远程控制检测诊断平台，该平台完全能够满足维修过程中的参数检测及功能验证。
该平台在实现基本维修功能的基础上，增加了远程控制功能、报警信息无线反馈功能、电主轴数据采集功能，不仅能够满足维修过程中的基本需求，而且远程控制方便操作人员使用，报警信息无线反馈到移动终端APP上能够实现在没有人监控该平台的情况下实时接收到报警信息，主轴数据采集将珍贵有效的数据进行采集分析[4]，实现主轴故障预测，从而更好地服务于日常生产。
1 硬件搭建
主轴检测诊断平台硬件框图如图1所示，包括主回路、电源模块、驱动模块、IO模块、NCU控制器、HMI操作面板、按钮模块、冷却站、液压站。
1.1 主回路
（1）主电源进线：取380VAC，220VAC电源
（2）滤波器：滤除电源杂波
（3）隔离变压器：在人不小心接触火线的时候起到安全保护作用，防止电力电子器件对电网产生污染
（4）开关电源：AC220V转24VDC控制电压
1.2 控制回路
NCU 710.2是SINUMERIK 840D sl系列第一性能阶段的产品。最多可有6个进给轴，最多2个加工通道，可最多执行2个方式组。每个通道可支持最多6个进给轴或主轴。并集成数控软件和PLC控制软件，处理CNC、PLC通讯任务。 1.3 ET200S从站
ET200S是PROFIBUS和PROFINET网络的分布式IO系统，通过网络或者DP线缆与主CPU连接，扩展的输入输出接口用于连接外部信号。
1.4 按钮操作面板MPP483按钮操作面板包含急停按钮（4 线）、带闭锁装置、8个配有照明的控制按钮、2 个空置插座， 25个功能键等。通过 MPI/PROFIBUSDP 实现通讯。 1.5 ALM电源模块
1.7 主轴测量系统
1.8 ESP8266模块
件集成
2.1 系统配置
硬件搭建完成后需要在系统中进行主轴配置，主要步骤如下：
首先需要到调试，驱动系统中把设备做出厂设置，完成后会提示是否需要自动识别，点击确定就可以，如果外部链接了SMC20的话需要人为配置电机和编码器，进入驱动界面后按“更改”。之后按照电机数据、是否有抱闸等具体情况进行逐一配置。
2.2 easyscreen界面
随着中高档机床、专用产品机床需求的不断增多，已经不能够充分满足用户的个性化需求。因此，在西门子标准系统的基础上进行二次开发，显示出非常重要的意义[4]。利用西门子Operate编程包在西门子840Dsl系统上进行二次开发[5]，pcu50.3安装的winXP系统，软件是operater4.5.3.4，安装完软件后做easyscreen界面。
（1）首先在menu界面显示需要的按钮，如图11所示。
（2）修改slamconfig.ini以及easyscreen.ini文件中的参数，经过以上两个修改重启后可以看到这个按钮变为可操作状态了。
（3）进入界面后我们在custom.ini文件中修改成自己
需要的图片及文本显示，修改后如图12所示。
（4）温度等浮点数不能直接在easyscreen界面中正常
显示，所以需要我们把这个PLC变量利用FC21发给$A_DBR[0]，再到custom.com里面调用这个变量，图13是界面制作程序，该界面包含夹紧到位、模拟量电压、主轴转速、主轴状态、温度等内容，能够满足主要的测试及维修显示。
2.3 远程控制实现
（1）系统硬件连接
（2）用keil4软件来编辑C52单片机的程序
该部分主要定义继电器对应的单片机管脚以及实现单片机与wifi模块通讯串口的设置，本文不做详细说明。
2.4 编写移动终端APP
利用E4A开发软件，如图15所示是APP的控制界面，使用该APP可以控制主轴的松开夹紧与旋转，并且当出现报警时能实时显示报警，按图标可以复位报警信息。具体制作方法本文不做详细阐述。
3 数据采集分析
3.1 数据采集方法
用wincc flexible runtime来采集主轴运转过程中的数据，并将采集的数据存储到电脑中的EXCEL文档中，图16为保存的EXCEL表格，里面记录了采样时间以及主轴运转过程中的电流、模拟量、速度、温度、振动等数据。
3.2 数据分析
现阶段我们对5000个数据样本进行波动及数据集中趋势分析，将5000个样本数据每100个分为一组，然后运用统计学方法计算样本均值、均值上下限、样本极差、极差上下限，从而得到某一参数值的正常范围，推算出预警阈值。
在后续研究中，我们也会探索智能算法在工业领域的应用[6]，尝试将智能算法应用在主轴样本数据的预测和学习中。
4 电主轴故障预测
本项目在数据采集与分析上进行了多次尝试，积累了数据与经验，得到了一些关键参数的预警阈值，故可以增加预报警信息，使得在数据监控过程中遇到异常数据时能够及时发现并处理，减少因主轴故障引起设备停机。图18为项目团队在预诊断中做的一种尝试。
5 结论
本项目研制的主轴远程控制检测诊断平台打破了委外维修的被动局面，实现了主轴功能验证，完成了将数据采集功能应用到加工中心，将电主轴运转过程中大量有效的数据进行采集，并尝试通过分析数据准确预判电主轴的运行状态，实现电主轴预诊断的飞跃性突破，有效避免由电主轴故障引起的机床停机。
参考文献：
[1]崔立，何亚飞，蔡池兰.高速电主轴用球轴承油气润滑温度场仿真与实验研究[J].机床与液压，2017，45（7）：15-19.
[2]张均，苏玲.精密加工设备主轴精细化维修探讨[J].设备管理与维修，2017（06）：30-33.
[3]陆建明，张磊.数字化数控机床主轴测试系统的研发[J].机械制造，2018，56（03）：63-65+73.
[4]化春雷，邬铎，姜宇，等.基于西门子Operate编程包的数控系统界面开发[J].机械工程师，2017（07）：92-95.
[5]Siemens. SINUMERIK Operate Programming Package[Z].2011.
[6]代明远.基于BP神经网络的徐工挖掘机造型设计评价研究[D].徐州：中国矿业大学，2016.
