一種數控機床熱誤差檢測系統的開發組建研究

王謙

摘 要： 溫度和熱誤差的檢測是進行熱誤差建模和補償的前提。本文從檢測系統的構建方案、溫度測量系統的組建、熱誤差測量系統的組建及檢測軟件的開發四個方面詳細闡述了一種數控機床熱誤差檢測系統的開發組建思路。

關鍵詞： 數控機床；熱誤差檢測；開發組建

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A

溫度和熱誤差的檢測是進行熱誤差建模的前提，要想實現熱誤差的高精度建模，則首先要進行溫度和熱誤差的高精度采集。為實現數控機床上各測溫點溫度和相應坐標軸熱誤差的高精度采集，本文對一種數控機床熱誤差檢測系統的開發組建做了深入研究。

1 熱誤差檢測系統的總體構建方案

本文設計開發的熱誤差檢測系統主要包含兩個部分：溫度測量系統和熱誤差測量系統，溫度測量系統用于測量和采集加工中心上布置的各溫度傳感器的實時溫度值，熱誤差測量系統用于測量和采集加工中心主軸方向上的熱誤差，其總體結構如圖1所示。該系統的主要工作是把位移傳感器采集到的位移信號和溫度傳感器采集到的溫度信號傳給數據采集卡，數據采集卡經A/D轉換后將信號傳輸給計算機上的軟件，軟件自動完成對數據的保存、顯示和運算處理。

圖1 熱誤差檢測系統的總體構建方案

該系統的硬件部分主要由計算機、位移傳感器、溫度傳感器、數據采集卡及配套的測量設備組成，軟件部分主要是利用LABVIEW軟件開發的應用程序，包括熱變形采集、溫度采集、數據處理和自動建模四個模塊。

2 熱誤差檢測系統的開發組建

2.1 溫度測量系統的組建

溫度測量系統的組成如表1所示，該系統主要負責由溫度傳感器檢測加工中心上各個測溫點的溫度數據，然后將這些檢測到的數據經過溫度采集卡傳送給PC，PC調用軟件部分的數據處理模塊對送來的溫度值進行保存和分析，并保存成EXCEL格式，然后再通過LABVIEW調用MATLAB程序訪問已保存的EXCEL表格，完成對數據的分析和建模運算。

在本檢測系統中測量溫度選擇的是DS18B20數字溫度傳感器，溫度采集卡選用的是AVR單片機，該溫度采集卡的主要任務是將溫度值從溫度傳感器送來的數據中分離出來并傳給計算機中的LABVIEW程序。

2.2 熱誤差測量系統的組建

熱誤差測量系統的組成如表2所示，該系統主要負責測量加工中心主軸熱誤差的數值，熱誤差的測量究其根本就是位移量的測量，本實驗熱誤差的測量采用高精度電感測量儀，利用電感微位移傳感器測得數控機床熱誤差的數據，由數據采集卡采集并送入計算機，計算機調用LABVIEW程序對熱誤差數據進行處理、分析和保存，然后再通過LABVIEW調用MATLAB程序訪問已保存的數據，完成對數據的分析和熱誤差的預測建模。

在本檢測系統中檢測熱誤差選擇的儀器設備是電感式位移測量儀，進行熱誤差數據的采集選用的是USB5935數據采集卡，該采集卡的主要任務是采集電感測量儀檢測的位移數據并傳給計算機中的LABVIEW程序。

3檢測系統軟件部分的開發

本檢測系統的軟件部分主要是利用LABVIEW軟件開發的應用程序，包括熱變形采集、溫度采集、數據處理和自動建模四個模塊。這些功能LABVIEW本身就具有，我們只需對它們做相應開發并添加到軟件的應用部分。

LABVIEW是使用圖形化編程語言的編程系統，使用它開發的程序是框圖的形式而非文本形式，它具有功能強大的函數庫，包括數據采集、數據分析、數據存儲及數據顯示等，它能夠與MATLAB實現無縫鏈接并調用其進行數學運算。本文使用LABVIEW開發的檢測系統的軟件部分，具有豐富的前面板人機界面和直觀的圖表顯示，能夠實現溫度和熱誤差的實時采樣和在線熱誤差建模，并可通過對采樣時間的設置實現每隔一定時間的自動采樣。

熱誤差檢測系統軟件部分的主要功能是，接收數據采集卡所采集的加工中心上多個測溫點的溫度值和相應坐標軸的熱誤差值，并把它們顯示在前面板上，然后調用相應模塊分析、處理這些傳輸來的數據，并把處理結果存儲成一定的格式，再通過LABVIEW調用MATLAB訪問已存儲數據，參照MATLAB中設定的數學模型算法進行數學運算，推導出熱誤差的預測模型，從而建立熱誤差的補償模型。

4 結束語

溫度和熱誤差的檢測，是進行熱誤差建模和補償的關鍵環節。檢測數據質量的高低直接影響到熱誤差模型的精度。通過檢測、采集溫度和熱誤差數據，進而分析計算熱誤差與溫度之間的變化規律，才能擬合出熱誤差與溫度的變化所遵循的精準數學模型，即建立高精度的熱誤差模型。