【机床热变形测控系统设计5300字（论文）】

机床热变形测控系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u20407机床热变形测控系统设计 1283981机床的热变型概述 1293761.1机床的热变形概念及机理 1169221.2减少机床热变形的措施 315542系统硬件设计 373662.1低功耗无线传感器节点 417312.2无线信号收发模块 5319192.3无线现场显示器 612043上位机监控软件系统 6243154检测实验及分析 7107675结论 1026696参考文献 10摘要：本文设计的基于无线传感网络的机床热变形智能检测系统，采用嵌入式、智能传感、ZigBee无线等技术对机床温度场、热变形等信号进行采集、处理和监测，实现机床热误差实时检测、现场及多地显示和故障报警等功能。关键词：机床；热变形；智能检测现代机床的加工精度是每25年左右提高一个数量级。研究表明，数控机床的热误差占了机床总误差的40%~70%。当前控制机床热变形误差最有效和经济的方法之一是运用热误差模型实现误差补偿，而热误差模型是基于机床上测量的大量温度和位移数据而建立的，因此，能够快速、准确、简便地测量机床主轴位移和温度在机床热误差研究中至关重要。目前测量机床主轴热变形的方法中，有的在测量过程中会产生接触变形和热变形，影响检测精度；有的成本高、设计复杂，开发周期长；而且因为机床温度场分布极其复杂，需要在机床上布置大量的温度传感器，但布线过多会影响机床正常工作。针对目前机床热误差检测系统结构复杂、布线麻烦、安装困难等问题，设计了基于无线传感网络的机床热误差智能检测系统，采用嵌入式、无线传感技术对机床温度场、热变形等信号进行实时采集、处理和监测，实现多地显示和故障报警等功能。1机床的热变型概述1.1机床的热变形概念及机理数控机床在运行过程中，在内部热源如摩擦热和外部热源如环境温度的共同作用下使机床零部件产生热胀冷缩，最终导致机床产生工艺系统（机床—工件—刀具—夹具）的变形就是机床的热变形。热变形严重影响着数控机床的加工精度，它对机床总误差的比重可达到60%左右。图1-1机床热变形机理数控机床的热变形机理可简单表示为图1-1。假定机床在内外热源的共同作用下产生的热量为Q，该热量可以通过热传导、热对流、热辐射三种方式耗散给机床各个零部件，使机床各个零部件温度升高T，然后通过热胀冷缩效应使相应的零部件产生变形，最终导致机床的刀具与工件的相对位置产生偏移，从而影响机床的加工精度。因此机床热变形的基本过程就是热源—温升—热变形，这个过程并不是单一方向，而是相互作用的，所以机床热变形是比较复杂的。1.2减少机床热变形的措施(1)控制机床热变形方向使机床的热变形方向尽量不要在误差敏感方向，如车床主轴的热变形方向最好不要在水平面方向。(2)进行热变形补偿对于数控机床的热变形，补偿方法主要有2种:①在精度要求不高的情况下，可利用预置补偿的方法来进行，通过直接测量出的热变形数值或通过其他方法(如离线建模)，找出热变形与工艺参数、时间参数的关系模型，得到其变形的变化规律，然后编程并按此规律进行误差补偿;②精度要求较高时，可采用实时测量补偿系统进行补偿，该方法通过一定的实时测量系统和误差模型快速实时地得到补偿值，实现实时误差补偿。(3)机床结构优化设计机床结构优化是在分析热变形的基础上，改进机床结构(如牛头刨床采用热对称结构，则滑枕的翘曲变形可大大改善)，最大限度地减少发热元件(热源)和发热元件对机床的影响，包括采用一些冷却措施。①改进机床结构如牛头刨床采用热对称结构，则滑枕的翘曲变形可大大改善;另外，缩短零件变形部分的长度，也可有效减小热变形。②要控制机床热变形，就必须解决热源发热的问题，如提高滚动轴承的精度，对于一般传动轴尽量采用小尺寸轴承以减小摩擦的面积，改善主轴轴承及传动轴轴承的润滑条件及其装配质量;提高齿轮的制造质量(如采用磨齿齿轮)与安装质量;改善导轨的摩擦润滑条件(如采用低摩擦系数的导轨材料或采用静压导轨等)及改善丝杠，螺母的运动条件(如滚动丝杠及液压螺母)等，均为减少机床发热量的重要措施。③隔离热源和强制冷却隔离热源可以从根本上减小机床的热变形，凡是可能从机床分离出去的热源如电动机、变速箱、液压系统和冷却系统等均应移出，使之成为独立单元。对于不能分离的热源可从结构、润滑等方面改善其性能、减少发热，同时可用防热材料将发热部件和机床大件隔离开来。例如将坐标镗床上主电动机置于主传动箱的顶部，并使风扇吸出的热风由电动机顶部吹出，不仅电动机的热量易于散失，而且主传动箱散热的条件较好，减少了立柱的受热并使其顶部受热均匀，从而改善立柱的弯曲变形。对于发热量大的热源，可采用强制式风冷(采用氢、氦气冷却)、大流量水冷却措施。大型数控机床，加工中心机床，采用冷冻机对润滑油切削液进行强制冷却，效果较好。2系统硬件设计数控机床主轴变形是整个机床热误差的主要来源。根据数控机床热误差补偿的要求，设计的温度与热变形测量系统必须满足如下要求:1)测量系统能够同时采集温度、热变形量，且采样通道数多。要求系统能够采集同一时刻的温度和位移信号，温度测量通道多达16个以上，热变形检测通道要求达到3个以上。2)测量系统检测设备精度高，实时性强。要求系统能够分辨出缓慢变化温度差异和微米级热变形量，同时由于补偿技术的实时性要求，测量系统要具有较快的响应速度和采集速度。3)测量系统软件操作方便、灵活。在实际测量时，要求能任意设定所要采集的信号通道并能任意设定采样频率和时间。无线传感网络的机床热误差检测系统是基于ZigBee无线协议栈的具有自动组网、多节点同时相互通信、低功耗、抗干扰能力强的检测装置。系统由无线温度传感器节点、无线位移传感器节点、无线现场显示器、无线信号收发模块及远程监控PC组成，如图2-1所示。温度传感器设置在机床的主轴四周，位移传感器设置在机床的移动工作平台上；无线数据采集收发模块实时采集温度传感器和位移传感器上的数据，通过ZigBee无线网络传输给上位机进行分析处理及显示，并传送给无线现场显示器实现现场数据实时显示；上位机可通过无线信号与企业指挥中心的移动智能设备通信，实现任意时间和地点的实时监控。图2-1基于无线传感网络的机床热变形检测系统2.1低功耗无线传感器节点无线传感器节点结构如图2-2所示，由电源模块、微控制器、传感器模块和ZigBee通信模块等组成。电源模块对输入的电源进行处理净化抑制外部干扰，为系统提供稳定的直流工作电压。微控制器与温度传感器或电涡流微位移传感器连接，所采集的数据利用ZigBee模块通过数据打包发送到无线控制信号控制器。无线传感器节点的能量消耗与节点所选取的芯片、节点模块的性能高低和功能强弱、不同的工作状态、通信协议等有着密切的关系。图2-2无线温度传感节点结构框图2.1.1PIC24FJ64GA004控制器控制器不但要实现数据处理、存储和通信等功能，而且还要在保证正常工作的情况下尽量降低功耗，这就要求微控制器具有较强的运算处理能力和多种低功耗工作模式。本设计采用PIC24FJ64GA004高性能单片机，它具有以下在工作时显著降低功耗的功能：①动态时钟切换：在器件工作过程中，器件时钟可在软件控制下切换为Timer1时钟源或内部低功耗RC振荡器，允许用户把节能理念融入到软件设计中；②打盹模式操作：当对时间要求很高的应用（如串行通信）要求外设不间断地工作时，该模式可以适当降低CPU时钟速度，从而在不丢失任一时钟脉冲的前提下进一步节约功耗；③基于指令的节能模式：通过在软件中使用一条指令，单片机可以暂停所有的操作或仅关闭内核，而让外设处于活动状态。2.1.2ZigBee通信模块ZigBee是通过低功耗无线单片机内部运行ZigBee通信协议栈，具有自我组网、自动中继、数据自动校验等优点。本系统采用了第二代片上系统CC2530F256芯片，除了收发模式外还具有3种节电模式，模块体积小巧，采用外置SMA天线设计，增益大，接收灵敏度高，经过功率放大能实现远距离的稳定通信。2.2无线信号收发模块无线信号收发模块结构图如图2-3所示。图2-3无线控制信号收发模块结构图该模块由电源部分、电平转换电路及状态显示电路组成。电平转换电路把电脑串口的RS232电平转成ZigBee模块的TTL电平，与ZigBee模块连接接收和发送各个模块以及监控软件的数据与指令。2.3无线现场显示器无线现场显示器以MCU（PIC24FJ64GA004）为核心，与ZigBee模块连接接收监控软件的数据，并对接收的数据进行分析校验以及通信协议的解析，最终打包成为液晶屏的通信协议发送至工业串口屏实现实时监测显示。本设计采用DC80480B070_01TW基本型工业串口触摸屏，可以文本形式显示当前检测值；显示单点的温度曲线或一组多点曲线。3上位机监控软件系统本系统的监控软件是基于LabVIEW进行开发的。无线机床热变形检测系统的上位机监控程序结构图如图3-1所示。图3-1上位机监控程序结构图该软件系统由6大部分组成，分别为：通信配置程序、节点配置程序、指令系统、通信程序、文件系统、用户界面。上位机监控程序流程图如图3-2所示。图3-2上位机监控程序流程图启动监控软件第一步是通信参数的设置，其中包括通信端口、波特率、采样时间的设置；第二步是检测点的设置，主要是配置显示框中各条曲线对应的节点号以及该节点对应的传感器号；第三步是测量文件的保存路径设置。一旦检测任务启动，系统以采样时间为基准，在每个采样时刻促发一次采样操作。采样操作的具体动作如下：首先在指令系统中读取由配置信息生成的命令并发送命令到各个节点；接着等待检测数据的回传，各个节点的数据回传结束后进行通信协议的解析并提取出各个节点上的温度位移数据；最后根据配置信息在面板中显示检测结果，生成曲线并进行文件保存，并打包为现场显示器的相关协议发送检测数据到现场显示器。上位机检测点的设置界面如图3-3所示。图3-3上位机检测点的设置界面4检测实验及分析本实验以YHM1100铣床为例，机床主轴转速从600r/min至1200r/min取4个不同的转速，用12个采用DS18B20数字式温度传感器、3个HZ-891电涡流位移传感器分别对主轴温度及X、Y、Z方向进行位移检测，其中一个温度传感器用于测量环境温度。采用高速时30s、低速时60s的采样速率。图4-1为温度传感器、位移传感器的安装位置以及各无线节点在机床上的分布示意图，图4-2为现场实验接线图。图4-1位移和温度传感器布置示意图图4-2现场实验接线图所得结果分别如图4-3和图4-4所示，上位机监控系统及无线现场显示器均能正确显示检测结果。系统采用温度分辨率为0.0625℃的DS18B20数字式温度传感器。由于传感器之间会出现1℃的偏差，为此从众多的传感器中挑选出温度值一致的温度传感器，并利用标准温度计及恒温箱对所选的传感器校准。方法如下：把温度传感器与恒温箱实验装置连接，通过调节不同的温度，求出设置温度与传感器的输出温度之差，然后利用传感器自带的ID号对每个传感器进行检测补偿，以提高检测的精度。位移检测选用上海的HZ-891电涡流位移传感器，精度为2um。为了提高检测精度，对位移传感器进行校准，方法如下：把电涡流传感器与微分尺自动测量实验装置连接，通过调节不同的距离，测量微分尺与电涡流传感器的输出电压值，换算为实际值进行比较，再通过软件对误差进行补偿。实验中，终端出现数据丢失现象。为此，在通信协议中加强了通信握手以及通信校验部分。通信的握手能确保网络畅通以及保证网络的通信正常；通信校验能够确保通信过程中一旦出现数据丢失等情况能及时补充数据，确保数据的准备性。同时，测量温度时，如果12个温度传感器轮流启动读取温度，则第一个读取的温度值与最后一个温度传感器读取温度值所需时间较长，产生检测误差。解决的办法是采用统一发送一系列温度传感器的启动检测命令，启动全部温度传感器的温度转换，间隔1s再按照DS18B20传感器的内部ID逐个读取温度。大大减少了温度传感器的检测时间，提高检测精度。图4-3上位机监控系统图4-4无线现场显示器根据研究实验得到温度与热变形范围，利用MATLAB产生300个随机数作为网络训练样本，150个随机数作为网络测试样本。利用C语言编写模糊神经网络模型，网络中最小误差E=0.002，η=0.2，经过924轮训练网络收敛，利用测试样本进行预测，可以将预测误差控制在1.7µm内，热变形补偿预测仿真结果如图4-5所示，CX1，CX2，CX3，CX4为网络测试温度输入，CY1为网络测试热变形输出，其范围在20µm内，CT1为网络预测输出，补偿效果非常明显。图4-5机床热变形补偿仿真5结论本文针对现有机床温度和热变形检测技术的缺陷和不足，研制了一种结构简单、设计合理、使用方便的基于无线传感网络的机床热变形实时检测系统。该系统通过在机床上设置温度传感器和位移传感器采集实时数据，通过无线信号实现数据传送，方便了机床热变形检测，减少设备之间的有线连接，提高了设备与人员安全性，减少安装时间，并具