摘 要

传统的机械传动往往采用皮带传动与齿轮传动两种传动方式，然而，随着工业化进程的不断加快，一种新型的技术正在慢慢映入眼帘，那便是电主轴技术。电主轴较早先的皮带与齿轮传动相比，取消了中间传动环节，实现了真正意义上的“零传动”，传动效率得到了大大的提升。然而，鉴于电主轴的高速转动和震动两重因素，同时加上其密闭的空间，对电主轴实时数据的获取造成了困难，而这些数据对电主轴后续的保养维护起着举足轻重的作用。因此，本课题对电主轴数据采集与远程诊断系统进行设计研究，该成果将对电主轴的长期平稳运行起着积极作用。

本文通过对电主轴各组成部分及运行原理进行分析研究，进而对电主轴关键的运行参数及相应测点进行了寻找，并对电主轴的数据采集及传输方案进行了设计，最后则设计了电主轴的监测报警软件。本文的具体工作如下：

1）以电主轴为研究对象，系统性地对电主轴的工作原理及其结构组成进行了分析阐述。根据电主轴各个部分之间联系，结合电主轴的运行特点，对电主轴运行时的几个重要参数进行了选择，进而完成对测点的选择。最后根据测点的特点及采集的要求，对采集信号的传感器进行了选择。

2）对于电主轴的采集系统设计，首先分析采集系统的各个部分及其运行原理，从而对采集系统大体框架有一定认识。然后，对采集系统的硬件，包括采集卡、接线端子和工控机，结合前述所选的测点及其传感器，采取合理的选择原则进行选择。最后则对采集系统的流程作简要说明。

3）针对电主轴的远程无线网络传输方案，其中比较重要的是传输介质以及网络协议的选择。因此，首先先对传输介质进行比较选择，在此基础上再对无线传输的原理作一定解释，同时对传输的网络协议进行举例说明，并解释其原理以帮助理解无线传输的过程。最后，针对无线传输过程中可能出现的问题进行了分析研究。

4）电主轴的监测报警软件主要完成对人机界面与数据库的建立。人机界面要求足够友好，能帮助管理人员更好地掌握电主轴的运行状况，为其管理提供参考。数据库的建立则可以对大量数据进行存储，同时实现数据相互间的通讯，用以帮助实现电主轴的监测报警。

关键词：电主轴；数据采集；无线网络传输；监测报警

Abstract

Traditional mechanical transmission often adopts belt transmission or gear transmission. However, with the acceleration of industrialization, a new motorized spindle technology is slowly coming into sight. Compared with the gear transmission and belt transmission,motorized spindle cancels the intermediate transmission link and achieve "zero transmission".It greatly improves the transmission efficiency. However, in view of the factors of high speed rotation and vibration of the motorized spindle, and its closed space, it is difficult to obtain real-time data of the motorized spindle, which plays a vital role in the later maintenance of the motorized spindle. Therefore, the research of the motorized spindle data acquisition and remote diagnosis system will plays an active role in the long-term stable operation of the motorized spindle.

Through the analysis and study of the principle and composition of the motorized spindle, the key operating parameters and corresponding measuring points of the motorized spindle are searched, and the data acquisition and transmission scheme of the motorized spindle is designed. Finally, the monitoring and alarming software for the operation of the motorized spindle is designed. The work of this paper is as follows:

1) Taking the motorized spindle as the research target, the working principle and structural composition of the motorized spindle are systematically analyzed and elaborated. According to the relationship between each part of the motorized spindle and the operation characteristics of the motorized spindle, several key parameters of the motorized spindle are selected in order to complete the selection of measuring points. Finally, according to the characteristics of the measuring points and the requirements of data acquisition, the sensors for collecting signals are selected.

2) For the design of the acquisition system of motorized spindle, firstly, each part of the acquisition system and its principle are analyzed, and the general framework of the acquisition system is understood. Then, the hardware of the acquisition system, including the acquisition card, connecting terminal and industrial computer, is selected according to the selected measuring points,sensors and reasonable selection principles. Finally, the operation process of the acquisition system is briefly explained.

3) For the remote wireless network transmission scheme of motorized spindle, the selections of transmission medium and network protocol are greatly important. Therefore, firstly, the transmission medium is compared and selected, and then the principle of the wireless transmission is explained. Meanwhile, the transmission network protocols are illustrated with examples, and

their principles are explained to help understand the process of wireless transmission. Finally, the possible problems in the process of wireless transmission are analyzed and studied.

4) The design for monitoring and alarming software of motorized spindle mainly includes the establishments of human machine interaction and database. Human machine interaction should be friendly enough to help managers better know the operation state of motorized spindle and provide reference for its management. The database can save a large amount of data, and achieve the communication between the data to help achieve the monitoring and alarming of the motorized spindle.

Key Words：Motorized spindle；Data acquisition；Wireless network transmission；Monitoring and alarming

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.2.1 国内外的电主轴研究现状 1

1.2.2 国内外电主轴的差距 2

1.2.3 国内外电主轴的数据采集与监测技术研究 3

1.3 本课题的基本研究内容及技术路线 3

第2章 电主轴测点分布与传感器选型 7

2.1 概述 7

2.2 电主轴的结构 7

2.3 电主轴测点的选择 10

2.4 传感器选型 11

2.4.1 传感器的选择原则 11

2.4.2 传感器的选择 11

第3章 电主轴的采集系统方案设计 15

3.1 概述 15

3.2 数据采集系统简介 15

3.3 电主轴采集系统硬件选择 16

3.4 电主轴采集系统采集流程 19

第4章 电主轴的远程无线网络传输方案设计 21

4.1 概述 21

4.2 传输介质的选择 21

4.3 无线网络传输原理 22

4.4 网络传输协议 23

4.5 数据传输过程中存在的问题 25

第5章 电主轴监测报警软件设计 28

5.1 概述 28

5.2 人机界面设计 28

5.3 数据库建立 30

第6章 结论 33

6.1 本文的总结 33

6.2 本文的展望 33

参考文献 35

致谢 38

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

近年来，随着工业化程度的不断加进以及电气传动技术的迅猛发展与日趋完善，传统的传动系统的机械结构，如带轮传动和齿轮传动，已无法满足现在一些设备的运行要求，在这样的大背景之下，亟需出现一种新型的传动技术来满足现代一些工业设备的运转要求。因此，电主轴这一技术便开始逐渐引起越来越多人的关注,并开始对其进行广泛研究^[1-3]。

电主轴不同于传统主轴，其采用无外壳电动机，将机械主轴和电机结合在一起，转子与主轴的转轴结为一体，同时电主轴的壳体采用带有冷却模块的电动机定子，这样便取消了传统结构中的齿轮和皮带等的中间环节。主轴由内装电动机直接驱动，实现了真正意义上的“零传动”，从而大大提高了系统的传动效率。

电主轴相比于传统主轴，其拥有着结构紧凑、安装方便简单、节省空间、效率高、振动小、噪声低、运动平稳、转速高、精度高等优点。同时通过借助于目前的控制技术，可满足各种复杂工况及负荷要求。然而电主轴受高转速和振动因素的影响，加上密闭的工作空间，很难采集到电主轴的实时数据，而这些数据对提高电主轴的可靠性和精度保持性起着十分重要的作用。

目前国内对电主轴的研究仍处在理论探索阶段^[4],并未拥有较为科学系统的研究体系，对电主轴的动态检测方面仍有不足。企业大多只关注静态及几个动态参数，一些高校和科研院所尽管对这些方面进行过一些研究探索^[5]，但程度仍不够。因此目前市场上的高端电主轴，绝大部分都依赖进口。

在这种情况下，我国亟需电主轴可靠性数据^[6]，以加强对电主轴故障机理的研究^[7]，从而更好地实现对电主轴的状态监测报警，提高我国的电主轴性能及其可靠性，进而加强国产电主轴的竞争力，打破国外对高端电主轴的技术垄断。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1 国内外的电主轴研究现状

我国对电主轴的应用研究起步十分早，对高速电主轴的研制始于1958年。但是当时所研制的电主轴功率普遍较小，转速较低，多用于零件的内表面磨削，这便对国产电主轴的发展造成了一定的影响。70年代后期的高速主轴轴承研发的进展，推动了电主轴的进一步发展。至20世纪90年代，国内便能制造出高速度、高刚度的电主轴。目前，我国所研发的电主轴，其转速最高达24000r/min，扭矩最高可达200Nm。用于内表面磨削的电主轴，其转速已经能够达到3000～240000r/min，功率范围为0.2kW～20kW^[8]。但是，这些电主轴仍处于小批量开发研制，在国际市场大环境中，对比国外产品存在较弱的竞争实力。

国内对高速电主轴进行研究与生产的单位不少，其中比较著名的有洛阳轴承所、广州钜联、安阳莱必泰、无锡开源和济宁博特精工等公司。其中洛阳轴承所对电主轴的开发研制力度不小，能自主研发电主轴及其配套的高速精密轴承；广州钜联曾开发的大功率静压轴承电主轴，在国际上的博览会荣获金奖；安阳莱必泰公司所开发的电主轴，功率可达3.7～25kW，恒功率段为1500～12000r/min。可见，我国电主轴的研究势头十分足。

国外的高速电主轴的国际市场占有率十分之高，特别是欧洲公司，其技术更为成熟，如德国的GMN、瑞士的IBAG、瑞士的FISCHER、德国的FAG等公司的高速电主轴技术在国际市场上一马当先^[9]。此外，美国与日本等一些的国家的公司在电主轴方面的技术也具有巨大的优势，如美国PRECISE、日本NSK^[9]。下面介绍一些查阅到的电主轴产品：

1.德国的Kessler生产的应用于加工中心、磨床等方面的S-Line电主轴，其质量好，价格相对较低，转速区间为0～24000r/min，扭矩可达200Nm，如图1.1所示^[8]。

2.瑞士的Mikron公司的电主轴，其采用水冷的冷却方式，通过高性能的复合陶瓷球轴承和矢量控制技术来控制温度，使其转速最高可达60000rpm，如图1.2所示^[10]。

3.美国的Ingersoll公司的HVM型机床的主轴转速可达20000r/min,功率可达25kW^[11]。

图1.1 德国Kessler电主轴 图1.2 瑞士Mikron公司电主轴

1.2.2 国内外电主轴的差距

尽管国产电主轴技术发展事态十分不错，但很明显的，仍和国外存在较大差距。首先是技术硬实力不足，创新水平亟需提高，对于关键技术的研究不够，国产的电主轴在功率等级、转速、扭矩方面相比国外有着不少的差距。国内最大功率达20kW的电主轴的相应技术较为成熟，转速勉强达到10000r/min，这样比较起来，国外同类电主轴的最大功率是我国的一半多，高达50kW，瑞士公司的电主轴转速最大为42000r/min^[11]。其次是在电主轴的轴承等关键零部件的研发不足，电主轴的配套技术尚不成熟^[12]。国产电主轴受其技术限制，普遍采用普通精密的角接触球轴承，并且使用的轴承大多依赖进口，而国外则远远超出我国的进度，已经从全陶瓷轴承技术下手，开始着手研究使用了。最后则是国内的生产制造规模不足，目前仍处小批量生产环节，无法满足国内市场需求^[13]，以至于所使用三分之二的电主轴都从国外进口。

总的来说，同国外电主轴相比，价格低、维修方便是国内电主轴的优点之一^[14]，但是功率小、转速低、主轴轴承刚度低这些因素则制约了国内电主轴的推广^[10]，国内电主轴在国际市场仍难站一席之地。因此，我国必须对电主轴的关键技术投入力量进行开发，包括轴承技术与驱动技术等，以缩短国内电主轴各项性能指标同国外产品的差距。

1.2.3 国内外电主轴的数据采集与监测技术研究

对电主轴方面的研究，离不开电主轴运行过程中实时数据的采集和状态监控，只有充分了解电主轴的运行状况，才能更好地加快我国对电主轴的研制。在这方面，吉林大学的陈超博士基于加速度时-频域混合积分的电主轴振动监测方法，借助于电主轴振动加速度传感器实现了对电主轴振动位移的实时监测^[11]。哈尔滨工业大学的许可基于LabVIEW建立了电主轴的温度、转速、振动与噪声测试模块，完成对电主轴性能的分析研究。北京工业大学的周大帅对高速电主轴进行了综合性能测试，并研究了相关的关键技术。何强等人则基于LabVIEW开发了高速电主轴数据采集系统，实现对转速、振动与温度的监测^[15]。德国的Abele E在电主轴上集成了各种测试系统和监测系统，设计了对电主轴振动、受力与轴承状态的状态监测系统。苏丹的Elhaj AI Ahmed等人基于RS方法与FEA对影响电主轴的振动特性的因素进行了分析研究^[16]。西安理工大学的Yangang X等人通过振动传感器、位移传感器、速度传感器、温度传感器对电主轴的转轴径向位移、振动、转速和温度等状态特征量进行了测量，并基于MCGS平台开发了相应的信号处理程序。

1.3 本课题的基本研究内容及技术路线

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