一種數(shù)控機(jī)床熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)組建研究

王謙

摘 要： 溫度和熱誤差的檢測(cè)是進(jìn)行熱誤差建模和補(bǔ)償?shù)那疤?。本文從檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方案、溫度測(cè)量系統(tǒng)的組建、熱誤差測(cè)量系統(tǒng)的組建及檢測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)四個(gè)方面詳細(xì)闡述了一種數(shù)控機(jī)床熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)組建思路。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床；熱誤差檢測(cè)；開(kāi)發(fā)組建

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

溫度和熱誤差的檢測(cè)是進(jìn)行熱誤差建模的前提，要想實(shí)現(xiàn)熱誤差的高精度建模，則首先要進(jìn)行溫度和熱誤差的高精度采集。為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床上各測(cè)溫點(diǎn)溫度和相應(yīng)坐標(biāo)軸熱誤差的高精度采集，本文對(duì)一種數(shù)控機(jī)床熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)組建做了深入研究。

1 熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)建方案

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分：溫度測(cè)量系統(tǒng)和熱誤差測(cè)量系統(tǒng)，溫度測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量和采集加工中心上布置的各溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度值，熱誤差測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量和采集加工中心主軸方向上的熱誤差，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的主要工作是把位移傳感器采集到的位移信號(hào)和溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)傳給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)上的軟件，軟件自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的保存、顯示和運(yùn)算處理。

圖1 熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)建方案

該系統(tǒng)的硬件部分主要由計(jì)算機(jī)、位移傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及配套的測(cè)量設(shè)備組成，軟件部分主要是利用LABVIEW軟件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，包括熱變形采集、溫度采集、數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)建模四個(gè)模塊。

2 熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)組建

2.1 溫度測(cè)量系統(tǒng)的組建

溫度測(cè)量系統(tǒng)的組成如表1所示，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)由溫度傳感器檢測(cè)加工中心上各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，然后將這些檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)溫度采集卡傳送給PC，PC調(diào)用軟件部分的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)送來(lái)的溫度值進(jìn)行保存和分析，并保存成EXCEL格式，然后再通過(guò)LABVIEW調(diào)用MATLAB程序訪問(wèn)已保存的EXCEL表格，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析和建模運(yùn)算。

在本檢測(cè)系統(tǒng)中測(cè)量溫度選擇的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，溫度采集卡選用的是AVR單片機(jī)，該溫度采集卡的主要任務(wù)是將溫度值從溫度傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)中分離出來(lái)并傳給計(jì)算機(jī)中的LABVIEW程序。

2.2 熱誤差測(cè)量系統(tǒng)的組建

熱誤差測(cè)量系統(tǒng)的組成如表2所示，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)測(cè)量加工中心主軸熱誤差的數(shù)值，熱誤差的測(cè)量究其根本就是位移量的測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)熱誤差的測(cè)量采用高精度電感測(cè)量?jī)x，利用電感微位移傳感器測(cè)得數(shù)控機(jī)床熱誤差的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集卡采集并送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)調(diào)用LABVIEW程序?qū)嵴`差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和保存，然后再通過(guò)LABVIEW調(diào)用MATLAB程序訪問(wèn)已保存的數(shù)據(jù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析和熱誤差的預(yù)測(cè)建模。

在本檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)熱誤差選擇的儀器設(shè)備是電感式位移測(cè)量?jī)x，進(jìn)行熱誤差數(shù)據(jù)的采集選用的是USB5935數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡的主要任務(wù)是采集電感測(cè)量?jī)x檢測(cè)的位移數(shù)據(jù)并傳給計(jì)算機(jī)中的LABVIEW程序。

3檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分的開(kāi)發(fā)

本檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要是利用LABVIEW軟件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，包括熱變形采集、溫度采集、數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)建模四個(gè)模塊。這些功能LABVIEW本身就具有，我們只需對(duì)它們做相應(yīng)開(kāi)發(fā)并添加到軟件的應(yīng)用部分。

LABVIEW是使用圖形化編程語(yǔ)言的編程系統(tǒng)，使用它開(kāi)發(fā)的程序是框圖的形式而非文本形式，它具有功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)顯示等，它能夠與MATLAB實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接并調(diào)用其進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。本文使用LABVIEW開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分，具有豐富的前面板人機(jī)界面和直觀的圖表顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和熱誤差的實(shí)時(shí)采樣和在線熱誤差建模，并可通過(guò)對(duì)采樣時(shí)間的設(shè)置實(shí)現(xiàn)每隔一定時(shí)間的自動(dòng)采樣。

熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分的主要功能是，接收數(shù)據(jù)采集卡所采集的加工中心上多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值和相應(yīng)坐標(biāo)軸的熱誤差值，并把它們顯示在前面板上，然后調(diào)用相應(yīng)模塊分析、處理這些傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，并把處理結(jié)果存儲(chǔ)成一定的格式，再通過(guò)LABVIEW調(diào)用MATLAB訪問(wèn)已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，參照MATLAB中設(shè)定的數(shù)學(xué)模型算法進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，推導(dǎo)出熱誤差的預(yù)測(cè)模型，從而建立熱誤差的補(bǔ)償模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

溫度和熱誤差的檢測(cè)，是進(jìn)行熱誤差建模和補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低直接影響到熱誤差模型的精度。通過(guò)檢測(cè)、采集溫度和熱誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析計(jì)算熱誤差與溫度之間的變化規(guī)律，才能擬合出熱誤差與溫度的變化所遵循的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，即建立高精度的熱誤差模型。