【機床熱變形測控系統(tǒng)設(shè)計5300字（論文）】

機床熱變形測控系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u20407機床熱變形測控系統(tǒng)設(shè)計 1283981機床的熱變型概述 1293761.1機床的熱變形概念及機理 1169221.2減少機床熱變形的措施 315542系統(tǒng)硬件設(shè)計 373662.1低功耗無線傳感器節(jié)點 417312.2無線信號收發(fā)模塊 5319192.3無線現(xiàn)場顯示器 612043上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng) 6243154檢測實驗及分析 7107675結(jié)論 1026696參考文獻 10摘要：本文設(shè)計的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的機床熱變形智能檢測系統(tǒng)，采用嵌入式、智能傳感、ZigBee無線等技術(shù)對機床溫度場、熱變形等信號進行采集、處理和監(jiān)測，實現(xiàn)機床熱誤差實時檢測、現(xiàn)場及多地顯示和故障報警等功能。關(guān)鍵詞：機床；熱變形；智能檢測現(xiàn)代機床的加工精度是每25年左右提高一個數(shù)量級。研究表明，數(shù)控機床的熱誤差占了機床總誤差的40%~70%。當(dāng)前控制機床熱變形誤差最有效和經(jīng)濟的方法之一是運用熱誤差模型實現(xiàn)誤差補償，而熱誤差模型是基于機床上測量的大量溫度和位移數(shù)據(jù)而建立的，因此，能夠快速、準(zhǔn)確、簡便地測量機床主軸位移和溫度在機床熱誤差研究中至關(guān)重要。目前測量機床主軸熱變形的方法中，有的在測量過程中會產(chǎn)生接觸變形和熱變形，影響檢測精度；有的成本高、設(shè)計復(fù)雜，開發(fā)周期長；而且因為機床溫度場分布極其復(fù)雜，需要在機床上布置大量的溫度傳感器，但布線過多會影響機床正常工作。針對目前機床熱誤差檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布線麻煩、安裝困難等問題，設(shè)計了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的機床熱誤差智能檢測系統(tǒng)，采用嵌入式、無線傳感技術(shù)對機床溫度場、熱變形等信號進行實時采集、處理和監(jiān)測，實現(xiàn)多地顯示和故障報警等功能。1機床的熱變型概述1.1機床的熱變形概念及機理數(shù)控機床在運行過程中，在內(nèi)部熱源如摩擦熱和外部熱源如環(huán)境溫度的共同作用下使機床零部件產(chǎn)生熱脹冷縮，最終導(dǎo)致機床產(chǎn)生工藝系統(tǒng)（機床—工件—刀具—夾具）的變形就是機床的熱變形。熱變形嚴(yán)重影響著數(shù)控機床的加工精度，它對機床總誤差的比重可達(dá)到60%左右。圖1-1機床熱變形機理數(shù)控機床的熱變形機理可簡單表示為圖1-1。假定機床在內(nèi)外熱源的共同作用下產(chǎn)生的熱量為Q，該熱量可以通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種方式耗散給機床各個零部件，使機床各個零部件溫度升高T，然后通過熱脹冷縮效應(yīng)使相應(yīng)的零部件產(chǎn)生變形，最終導(dǎo)致機床的刀具與工件的相對位置產(chǎn)生偏移，從而影響機床的加工精度。因此機床熱變形的基本過程就是熱源—溫升—熱變形，這個過程并不是單一方向，而是相互作用的，所以機床熱變形是比較復(fù)雜的。1.2減少機床熱變形的措施(1)控制機床熱變形方向使機床的熱變形方向盡量不要在誤差敏感方向，如車床主軸的熱變形方向最好不要在水平面方向。(2)進行熱變形補償對于數(shù)控機床的熱變形，補償方法主要有2種:①在精度要求不高的情況下，可利用預(yù)置補償?shù)姆椒▉磉M行，通過直接測量出的熱變形數(shù)值或通過其他方法(如離線建模)，找出熱變形與工藝參數(shù)、時間參數(shù)的關(guān)系模型，得到其變形的變化規(guī)律，然后編程并按此規(guī)律進行誤差補償;②精度要求較高時，可采用實時測量補償系統(tǒng)進行補償，該方法通過一定的實時測量系統(tǒng)和誤差模型快速實時地得到補償值，實現(xiàn)實時誤差補償。(3)機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在分析熱變形的基礎(chǔ)上，改進機床結(jié)構(gòu)(如牛頭刨床采用熱對稱結(jié)構(gòu)，則滑枕的翹曲變形可大大改善)，最大限度地減少發(fā)熱元件(熱源)和發(fā)熱元件對機床的影響，包括采用一些冷卻措施。①改進機床結(jié)構(gòu)如牛頭刨床采用熱對稱結(jié)構(gòu)，則滑枕的翹曲變形可大大改善;另外，縮短零件變形部分的長度，也可有效減小熱變形。②要控制機床熱變形，就必須解決熱源發(fā)熱的問題，如提高滾動軸承的精度，對于一般傳動軸盡量采用小尺寸軸承以減小摩擦的面積，改善主軸軸承及傳動軸軸承的潤滑條件及其裝配質(zhì)量;提高齒輪的制造質(zhì)量(如采用磨齒齒輪)與安裝質(zhì)量;改善導(dǎo)軌的摩擦潤滑條件(如采用低摩擦系數(shù)的導(dǎo)軌材料或采用靜壓導(dǎo)軌等)及改善絲杠，螺母的運動條件(如滾動絲杠及液壓螺母)等，均為減少機床發(fā)熱量的重要措施。③隔離熱源和強制冷卻隔離熱源可以從根本上減小機床的熱變形，凡是可能從機床分離出去的熱源如電動機、變速箱、液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等均應(yīng)移出，使之成為獨立單元。對于不能分離的熱源可從結(jié)構(gòu)、潤滑等方面改善其性能、減少發(fā)熱，同時可用防熱材料將發(fā)熱部件和機床大件隔離開來。例如將坐標(biāo)鏜床上主電動機置于主傳動箱的頂部，并使風(fēng)扇吸出的熱風(fēng)由電動機頂部吹出，不僅電動機的熱量易于散失，而且主傳動箱散熱的條件較好，減少了立柱的受熱并使其頂部受熱均勻，從而改善立柱的彎曲變形。對于發(fā)熱量大的熱源，可采用強制式風(fēng)冷(采用氫、氦氣冷卻)、大流量水冷卻措施。大型數(shù)控機床，加工中心機床，采用冷凍機對潤滑油切削液進行強制冷卻，效果較好。2系統(tǒng)硬件設(shè)計數(shù)控機床主軸變形是整個機床熱誤差的主要來源。根據(jù)數(shù)控機床熱誤差補償?shù)囊?，設(shè)計的溫度與熱變形測量系統(tǒng)必須滿足如下要求:1)測量系統(tǒng)能夠同時采集溫度、熱變形量，且采樣通道數(shù)多。要求系統(tǒng)能夠采集同一時刻的溫度和位移信號，溫度測量通道多達(dá)16個以上，熱變形檢測通道要求達(dá)到3個以上。2)測量系統(tǒng)檢測設(shè)備精度高，實時性強。要求系統(tǒng)能夠分辨出緩慢變化溫度差異和微米級熱變形量，同時由于補償技術(shù)的實時性要求，測量系統(tǒng)要具有較快的響應(yīng)速度和采集速度。3)測量系統(tǒng)軟件操作方便、靈活。在實際測量時，要求能任意設(shè)定所要采集的信號通道并能任意設(shè)定采樣頻率和時間。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的機床熱誤差檢測系統(tǒng)是基于ZigBee無線協(xié)議棧的具有自動組網(wǎng)、多節(jié)點同時相互通信、低功耗、抗干擾能力強的檢測裝置。系統(tǒng)由無線溫度傳感器節(jié)點、無線位移傳感器節(jié)點、無線現(xiàn)場顯示器、無線信號收發(fā)模塊及遠(yuǎn)程監(jiān)控PC組成，如圖2-1所示。溫度傳感器設(shè)置在機床的主軸四周，位移傳感器設(shè)置在機床的移動工作平臺上；無線數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊實時采集溫度傳感器和位移傳感器上的數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機進行分析處理及顯示，并傳送給無線現(xiàn)場顯示器實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時顯示；上位機可通過無線信號與企業(yè)指揮中心的移動智能設(shè)備通信，實現(xiàn)任意時間和地點的實時監(jiān)控。圖2-1基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的機床熱變形檢測系統(tǒng)2.1低功耗無線傳感器節(jié)點無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，由電源模塊、微控制器、傳感器模塊和ZigBee通信模塊等組成。電源模塊對輸入的電源進行處理凈化抑制外部干擾，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流工作電壓。微控制器與溫度傳感器或電渦流微位移傳感器連接，所采集的數(shù)據(jù)利用ZigBee模塊通過數(shù)據(jù)打包發(fā)送到無線控制信號控制器。無線傳感器節(jié)點的能量消耗與節(jié)點所選取的芯片、節(jié)點模塊的性能高低和功能強弱、不同的工作狀態(tài)、通信協(xié)議等有著密切的關(guān)系。圖2-2無線溫度傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖2.1.1PIC24FJ64GA004控制器控制器不但要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲和通信等功能，而且還要在保證正常工作的情況下盡量降低功耗，這就要求微控制器具有較強的運算處理能力和多種低功耗工作模式。本設(shè)計采用PIC24FJ64GA004高性能單片機，它具有以下在工作時顯著降低功耗的功能：①動態(tài)時鐘切換：在器件工作過程中，器件時鐘可在軟件控制下切換為Timer1時鐘源或內(nèi)部低功耗RC振蕩器，允許用戶把節(jié)能理念融入到軟件設(shè)計中；②打盹模式操作：當(dāng)對時間要求很高的應(yīng)用（如串行通信）要求外設(shè)不間斷地工作時，該模式可以適當(dāng)降低CPU時鐘速度，從而在不丟失任一時鐘脈沖的前提下進一步節(jié)約功耗；③基于指令的節(jié)能模式：通過在軟件中使用一條指令，單片機可以暫停所有的操作或僅關(guān)閉內(nèi)核，而讓外設(shè)處于活動狀態(tài)。2.1.2ZigBee通信模塊ZigBee是通過低功耗無線單片機內(nèi)部運行ZigBee通信協(xié)議棧，具有自我組網(wǎng)、自動中繼、數(shù)據(jù)自動校驗等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用了第二代片上系統(tǒng)CC2530F256芯片，除了收發(fā)模式外還具有3種節(jié)電模式，模塊體積小巧，采用外置SMA天線設(shè)計，增益大，接收靈敏度高，經(jīng)過功率放大能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的穩(wěn)定通信。2.2無線信號收發(fā)模塊無線信號收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。圖2-3無線控制信號收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)圖該模塊由電源部分、電平轉(zhuǎn)換電路及狀態(tài)顯示電路組成。電平轉(zhuǎn)換電路把電腦串口的RS232電平轉(zhuǎn)成ZigBee模塊的TTL電平，與ZigBee模塊連接接收和發(fā)送各個模塊以及監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)與指令。2.3無線現(xiàn)場顯示器無線現(xiàn)場顯示器以MCU（PIC24FJ64GA004）為核心，與ZigBee模塊連接接收監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)，并對接收的數(shù)據(jù)進行分析校驗以及通信協(xié)議的解析，最終打包成為液晶屏的通信協(xié)議發(fā)送至工業(yè)串口屏實現(xiàn)實時監(jiān)測顯示。本設(shè)計采用DC80480B070_01TW基本型工業(yè)串口觸摸屏，可以文本形式顯示當(dāng)前檢測值；顯示單點的溫度曲線或一組多點曲線。3上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)本系統(tǒng)的監(jiān)控軟件是基于LabVIEW進行開發(fā)的。無線機床熱變形檢測系統(tǒng)的上位機監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1上位機監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)圖該軟件系統(tǒng)由6大部分組成，分別為：通信配置程序、節(jié)點配置程序、指令系統(tǒng)、通信程序、文件系統(tǒng)、用戶界面。上位機監(jiān)控程序流程圖如圖3-2所示。圖3-2上位機監(jiān)控程序流程圖啟動監(jiān)控軟件第一步是通信參數(shù)的設(shè)置，其中包括通信端口、波特率、采樣時間的設(shè)置；第二步是檢測點的設(shè)置，主要是配置顯示框中各條曲線對應(yīng)的節(jié)點號以及該節(jié)點對應(yīng)的傳感器號；第三步是測量文件的保存路徑設(shè)置。一旦檢測任務(wù)啟動，系統(tǒng)以采樣時間為基準(zhǔn)，在每個采樣時刻促發(fā)一次采樣操作。采樣操作的具體動作如下：首先在指令系統(tǒng)中讀取由配置信息生成的命令并發(fā)送命令到各個節(jié)點；接著等待檢測數(shù)據(jù)的回傳，各個節(jié)點的數(shù)據(jù)回傳結(jié)束后進行通信協(xié)議的解析并提取出各個節(jié)點上的溫度位移數(shù)據(jù)；最后根據(jù)配置信息在面板中顯示檢測結(jié)果，生成曲線并進行文件保存，并打包為現(xiàn)場顯示器的相關(guān)協(xié)議發(fā)送檢測數(shù)據(jù)到現(xiàn)場顯示器。上位機檢測點的設(shè)置界面如圖3-3所示。圖3-3上位機檢測點的設(shè)置界面4檢測實驗及分析本實驗以YHM1100銑床為例，機床主軸轉(zhuǎn)速從600r/min至1200r/min取4個不同的轉(zhuǎn)速，用12個采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器、3個HZ-891電渦流位移傳感器分別對主軸溫度及X、Y、Z方向進行位移檢測，其中一個溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度。采用高速時30s、低速時60s的采樣速率。圖4-1為溫度傳感器、位移傳感器的安裝位置以及各無線節(jié)點在機床上的分布示意圖，圖4-2為現(xiàn)場實驗接線圖。圖4-1位移和溫度傳感器布置示意圖圖4-2現(xiàn)場實驗接線圖所得結(jié)果分別如圖4-3和圖4-4所示，上位機監(jiān)控系統(tǒng)及無線現(xiàn)場顯示器均能正確顯示檢測結(jié)果。系統(tǒng)采用溫度分辨率為0.0625℃的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。由于傳感器之間會出現(xiàn)1℃的偏差，為此從眾多的傳感器中挑選出溫度值一致的溫度傳感器，并利用標(biāo)準(zhǔn)溫度計及恒溫箱對所選的傳感器校準(zhǔn)。方法如下：把溫度傳感器與恒溫箱實驗裝置連接，通過調(diào)節(jié)不同的溫度，求出設(shè)置溫度與傳感器的輸出溫度之差，然后利用傳感器自帶的ID號對每個傳感器進行檢測補償，以提高檢測的精度。位移檢測選用上海的HZ-891電渦流位移傳感器，精度為2um。為了提高檢測精度，對位移傳感器進行校準(zhǔn)，方法如下：把電渦流傳感器與微分尺自動測量實驗裝置連接，通過調(diào)節(jié)不同的距離，測量微分尺與電渦流傳感器的輸出電壓值，換算為實際值進行比較，再通過軟件對誤差進行補償。實驗中，終端出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。為此，在通信協(xié)議中加強了通信握手以及通信校驗部分。通信的握手能確保網(wǎng)絡(luò)暢通以及保證網(wǎng)絡(luò)的通信正常；通信校驗?zāi)軌虼_保通信過程中一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等情況能及時補充數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備性。同時，測量溫度時，如果12個溫度傳感器輪流啟動讀取溫度，則第一個讀取的溫度值與最后一個溫度傳感器讀取溫度值所需時間較長，產(chǎn)生檢測誤差。解決的辦法是采用統(tǒng)一發(fā)送一系列溫度傳感器的啟動檢測命令，啟動全部溫度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換，間隔1s再按照DS18B20傳感器的內(nèi)部ID逐個讀取溫度。大大減少了溫度傳感器的檢測時間，提高檢測精度。圖4-3上位機監(jiān)控系統(tǒng)圖4-4無線現(xiàn)場顯示器根據(jù)研究實驗得到溫度與熱變形范圍，利用MATLAB產(chǎn)生300個隨機數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，150個隨機數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)測試樣本。利用C語言編寫模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)中最小誤差E=0.002，η=0.2，經(jīng)過924輪訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)收斂，利用測試樣本進行預(yù)測，可以將預(yù)測誤差控制在1.7μm內(nèi)，熱變形補償預(yù)測仿真結(jié)果如圖4-5所示，CX1，CX2，CX3，CX4為網(wǎng)絡(luò)測試溫度輸入，CY1為網(wǎng)絡(luò)測試熱變形輸出，其范圍在20μm內(nèi)，CT1為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出，補償效果非常明顯。圖4-5機床熱變形補償仿真5結(jié)論本文針對現(xiàn)有機床溫度和熱變形檢測技術(shù)的缺陷和不足，研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、使用方便的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的機床熱變形實時檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在機床上設(shè)置溫度傳感器和位移傳感器采集實時數(shù)據(jù)，通過無線信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，方便了機床熱變形檢測，減少設(shè)備之間的有線連接，提高了設(shè)備與人員安全性，減少安裝時間，并具