基于labview的熱變形誤差計算及補償方法

數控機床在加工過(guò)程中，熱誤差是因溫度上升引起的加工誤差。據統計，在精密加工和超精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差占總加工誤差的50%～70%。目前，有兩類(lèi)方法可以用來(lái)減小機床的熱誤差。一是通過(guò)改進(jìn)機床結構設計方法，直接減小熱誤差，但是會(huì )大大提高成本。二是通過(guò)建立熱誤差模型進(jìn)行補償的方法。

因此本文設計的主要目的是，在生產(chǎn)車(chē)間中對數控機床的主要部件進(jìn)行實(shí)時(shí)多點(diǎn)溫度采集，采集硬件電路主要包括：溫度傳感器，放大濾波，A/D轉換，下位機控制，串口通信等功能;采集通道數>=4，采集溫度精度：0.5度，溫度范圍：0～40度。上位機對采集的溫度數據進(jìn)行受熱分析，并顯示溫度隨時(shí)間的變化趨勢，并對加工的熱變形誤差進(jìn)行計算和補償。

1 系統整體設計

設計的整體框圖如圖1所示。主要任務(wù)分為上位機的設計和下位機設計兩個(gè)大模塊。其中，下位機主要是硬件電路的設計和C語(yǔ)言程序的編寫(xiě)。用電壓輸出型溫度傳感器TC1047來(lái)實(shí)現四路溫度的實(shí)時(shí)監測。將溫度傳感器輸出的電壓，通過(guò)RC濾波電路，將50 Hz以上的信號給予濾除，再經(jīng)過(guò)運算放大器OP07組建的放大電路對濾波后的電壓信號進(jìn)行放大，使用兩片ADC0832將四路放大的模擬信號轉化為數字信號。主控芯片STC89C52將A/D轉換的數字量經(jīng)過(guò)基于MAX232芯片的串行通信方式，發(fā)送到用LABVIEW軟件編寫(xiě)的上位機，上位機將接收到的數據進(jìn)行處理和顯示，顯示溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)以及用顏色的淺深來(lái)表示溫度的高低。上位機分為兩個(gè)面板，一個(gè)為實(shí)時(shí)數據顯示面板，另一個(gè)為歷史數據讀取顯示面板，可以實(shí)現實(shí)時(shí)數據采集，同時(shí)也可以讀取和分析歷史數據。設計的整體框圖如圖1所示。

1.1 運算放大電路

單通道放大電路原理圖如圖2所示。設計采用運算放大器OP07作為主芯片組建電壓放大電路，放大經(jīng)過(guò)RC低通濾波器電路后的電壓信號。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓，所以OP07在很多應用場(chǎng)合都不需要額外的調零。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開(kāi)環(huán)增益高的特點(diǎn)。這種低失調電壓、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器輸出的信號。

溫度傳感器TC1047在0℃～40℃的電壓輸出范圍為0.5 V～0.9 V，每10 mV變化一度，精度要求為0.5℃。而采用的是8位的A/D轉換，最大能分辨20 mV電壓變化，放大器的放大倍數為5即可滿(mǎn)足要求。設計要求能實(shí)時(shí)快速地采集溫度的變化，對采集的速度有較高的要求，不能通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)來(lái)分時(shí)放大每一通道的電壓信號，而是每個(gè)通道都有各自的放大電路，這樣就可以大大提高溫度采集的速度。

如上圖2所示為三運放組成的差分放大電路，其中U9和U10都是組成電壓跟隨器，用于增大輸入阻抗減小輸出阻抗。U10的管腳3輸入溫度傳感器的輸出電壓，U11用于將電壓進(jìn)行差分放大。需要根據要求計算各電阻的參數值。

U10的輸出電壓為：

解得：RV1=4.98 k，電阻RV1用一個(gè)50 k的滑動(dòng)變阻器代替，便于放大倍數的調節。

1.2 穩壓電源電路

選用L7812和L7912穩壓芯片分別得到穩定的正12 V和負12 V電壓。而A/D轉換芯片、溫度傳感器和單片機等都需要正5 V的工作電壓，選用L7805穩壓芯片得到穩定的正5 V電壓輸出。其中P5用于接220 V交流轉12 V交流的變壓器，對12 V交流經(jīng)過(guò)整流后輸出直流正電壓和直流負電壓。將整流后的直流電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)2 200μF和一個(gè)0.33μF的電容后可以得到較穩定的直流電壓。然后通過(guò)穩壓芯片L7812和L7912就可以得到穩定的正負12 V電壓，把穩壓管輸出的正12 V作為L(cháng)7805的輸入，L7805就可以輸出穩定的正5 V電壓。

2labview整體設計

上位機的整體程序設計流程圖如圖3所示。主程序通過(guò)串口接收下位機發(fā)送的4路A/D轉換采集到的8位數字量，通過(guò)數據處理，計算出溫度值、熱變形誤差，同時(shí)能在前面板顯示出來(lái)。另外還要實(shí)現報警、數據存儲和相關(guān)數據采集參數設定等功能。

3溫度傳感器的標定

溫度傳感器TC1047理論上是0℃時(shí)為100 mV，40℃時(shí)為900 mV，但在實(shí)際中，理論與實(shí)際是有一定的差距的，為了使測量的數據更加的準確，需要對4路溫度傳感器進(jìn)行標定。即將四路傳感器同標準傳感器在同一條件下的輸出溫度作比較。

第一組數據：

平均電壓輸出：U1_1=(0.74+0.73+0.74)/3=0.737 V.

平均標準溫度：T1_1=(24.4+24.3+24.4)/3=24.37℃.

第二組數據：

平均電壓輸出：U1_2=(0.8+0.79+0.79)/3=0.793 V.

平均標準溫度：T1_2=(30.5+30.4+30.4)/3=30.37℃.

第三組數據：

平均電壓輸出：U1_3=(0.85+0.86+0.84)/3=0.85 V.

平均標準溫度：T1_3=(35.7+35.9+35.8)/3=35.8℃.

第一組數據：

平均電壓輸出：U2_1=(0.74+0.74+0.74)/3=0.74 V.

平均標準溫度：T2_1=(24.3+24.5+24.4)/3=24.4℃.

第二組數據：

平均電壓輸出：U2_2=(0.81+0.79+0.82)/3=0.806 V.

平均標準溫度：T2_2=(30.5+30.4+30.5)/3=30.37℃.

第三組數據：

平均電壓輸出：U2_3=(0.85+0.86+0.87)/3=0.854 V.

平均標準溫度：T2_3=(35.6+35.9+35.7)/3=35.73℃.

第一組數據：

平均電壓輸出：U3_1=(0.74+0.74+0.74)/3=0.736 V.

平均標準溫度：U3_1=(24.3+24.5+24.4)/3=24.4℃.

第二組數據：

平均電壓輸出：U3_2=(0.80+0.79+0.82)/3=0.803 V.

平均標準溫度：U3_2=(30.4+30.4+30.5)/3=30.46℃.

第三組數據：

平均電壓輸出：U3_3=(0.84+0.86+0.84)/3=0.848 V.

平均標準溫度：U3_3=(35.7+35.8+35.8)/3=35.77℃.

第一組數據：

平均電壓輸出：U4_1=(0.75+0.73+0.72)/3=0.733 V.

平均標準溫度：T4_1=(24.6+24.4+24.2)/3=24.43℃.

第二組數據：

平均電壓輸出：U4_2=(0.83+0.79+0.81)/3=0.81 V.

平均標準溫度：T4_2=(30.7+30.2+30.4)/3=30.37℃.

第三組數據：

平均電壓輸出：U4_3=(0.85+0.83+0.86)/3=0.846V.

平均標準溫度：T4_3=(35.7+35.6+35.8)/3=35.7℃.

計算出的各通道溫度傳感器平均輸出電壓和對應的平均標準溫度繪制出TC1047溫度傳感器的實(shí)際輸出電壓與溫度的關(guān)系。

為了觀(guān)察溫度傳感器輸出電壓隨溫度變化的趨勢直線(xiàn)，并將趨勢直線(xiàn)與理論直線(xiàn)對比。用EXL繪制出4通道的各自線(xiàn)性趨勢線(xiàn)和理論的直線(xiàn)。

為了使測量的溫度更加準確，將各通道溫度傳感器電壓-溫度變化趨勢直線(xiàn)的斜率和y軸的截距分別相加再作平均值作為實(shí)際直線(xiàn)斜率和截距。下面分別計算出平均直線(xiàn)斜率k和截距d。

斜率：k=(0.099+0.010 1+0.009 8+0.010 5)/4=0.010 1;

截距：d=(0.495 3+0.495 9+0.497 2+0.492 2)/4=0.495。

所以溫度傳感器的實(shí)際輸出電壓與溫度的關(guān)系表達示為：

Vout=0.010 1 T+0.495.

式中，Vout為溫度傳感器輸出電壓，單位為V;T為所測溫度，單位為℃。

4 數據的測量

對溫度傳感器進(jìn)行標定之后就可以對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在進(jìn)行數據采集時(shí)將串口的相關(guān)參數設置好之后，再設置報警溫度上限為40℃，數據采集時(shí)間間隔為500 ms。然后運行上位機和下位機程序，并點(diǎn)擊上位機的開(kāi)始運行按鈕，就可以實(shí)現數據的采集和顯示。上位機的實(shí)時(shí)數據采集界面如圖4所示，用手觸摸1通道溫度傳感器，則通道1的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)也會(huì )隨著(zhù)溫度的改變而改變。在界面左上角窗口顯示的是各通道溫度實(shí)時(shí)強度圖，圖中可以看出當通道1的溫度升高時(shí)，強度圖表中通道1的顏色也會(huì )隨之變淡，說(shuō)明溫度在升高，而顏色加深時(shí)，說(shuō)明溫度在降低。強度圖表下面顯示的是采集到的4通道溫度數據，同時(shí)也顯示出采集數據的時(shí)間。在顯示界面的右下角顯示的是數控機床在當前采集到溫度環(huán)境下的熱誤差。

采集溫度數據時(shí)還需要對采集到的溫度數據進(jìn)行存儲，點(diǎn)擊上位機中的數據存儲路徑可以選擇數據存儲的路徑，可將溫度數據以TXT或者XLS的格式存儲。

在實(shí)時(shí)數據顯示界面顯示的是動(dòng)態(tài)的數據，為了方便數據的觀(guān)察，歷史數據顯示界面可以讀取存儲文件里的數據并顯示出來(lái)，方便數據的分析。在程序運行時(shí)點(diǎn)擊歷史界面中的開(kāi)始讀取按鈕就可以讀取歷史文件數據并顯示出來(lái)，其讀取的歷史數據界面顯示如圖5所示。

上位機在進(jìn)行數據采集和顯示的同時(shí)，下位機也可以實(shí)現溫度的采集并在LCD1602上顯示出實(shí)時(shí)的溫度數據。

5 結論

本設計操作簡(jiǎn)單，利用多路溫度傳感器，對被測量機床進(jìn)行溫度測試，并通過(guò)一定算法，完成對熱誤差的計算及補償，具有一定實(shí)用價(jià)值。