基于LabVIEW的主軸熱變形采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的主軸熱變形采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳秀梅，李光龍，劉世杰

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100192)

摘要：熱誤差已經(jīng)成為影響機(jī)床加工精度的重要因素，為對其進(jìn)行定量研究，開發(fā)了一套主軸熱變形測量系統(tǒng)，可以同時(shí)測量主軸的軸向和徑向誤差，軟件系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)，由電渦流傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，放大器等硬件組成一個(gè)便攜式測量儀器，該測量系統(tǒng)為機(jī)床熱誤差分析補(bǔ)償研究提供基礎(chǔ)支持。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；主軸熱變形；采集系統(tǒng)

文章編號：1001-2265(2015)09-0053-02

收稿日期：2014-11-13；修回日期：2014-12-12

基金項(xiàng)目：*"千臺國產(chǎn)加工中心可靠性提升工程"科技重大專項(xiàng)(2013ZX04011-012)

作者簡介：陳秀梅(1970—)，女，河北滄州人，北京信息科技大學(xué)副教授，研究方向?yàn)榱黧w傳動及控制、先進(jìn)制造技術(shù)，(E-mail) 864882503@qq.com。

中圖分類號：TH122;TG506

The Acquisition System Design of Spindle Thermal Deformation Based on LabVIEW

CHEN Xiu-mei,LI Guang-long, LIU Shi-jie

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Abstract：Thermal error has become an important factor affect the machining accuracy of machine tool. Developed a set of spindle thermal deformation measurement system to carry on the quantitative research.It can measure the axial and radial error of spindle simultaneously.The software system development based on LabVIEW.The portable measuring instruments consist by the eddy current sensors, data acquisition cards and power amplifier. The measurement system provides the basis support for the research of thermal error compensation of machine tool.

Key words： LabVIEW;the thermal deformation of spindle; acquisition system

0引言

熱誤差已經(jīng)成為影響高精密機(jī)床加工精度的主要因素，大約占總誤差的40%~70%[1-2]，為進(jìn)一步提高機(jī)床的加工精度，對機(jī)床主軸熱誤差進(jìn)行測量分析，需開發(fā)主軸熱誤差測量系統(tǒng)。

主軸熱誤差的測量方法[3-4]主要有雙球軌法、激光干涉儀檢測法、平面正交光柵測量法、電渦流測量法，但根據(jù)測量的需求又有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，雙球軌法由于采用接觸安裝方式圓球與球座之間的摩擦運(yùn)動會增大測量誤差，激光干涉儀檢測法價(jià)格高，安裝耗時(shí)，平面正交光柵測量法只能完成對X、Y軸的誤差測量，無法完成對Z軸的誤差測量。電渦流傳感器采用非接觸測量法，測量精度滿足誤差測量要求，且價(jià)格相對便宜，綜合考慮選用電渦流傳感器測量法[5]。

本文基于虛擬儀器平臺LabVIEW設(shè)計(jì)了一個(gè)多通道主軸熱誤差測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用五點(diǎn)法測量主軸的軸向和徑向誤差，選擇電渦流傳感器進(jìn)行測量，安裝方便、精度高，能實(shí)時(shí)顯示五個(gè)點(diǎn)的誤差變化，并對誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。試驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)能方便快捷的完成對數(shù)控機(jī)床主軸的熱誤差測量。

1測量方案

圖1　五點(diǎn)測量法測量熱位移示意圖

機(jī)床熱變形引起的加工誤差主要體現(xiàn)在刀具與工件加工點(diǎn)的位置偏移，一般都通過測量主軸的熱變形來測熱誤差，主軸的熱誤差主要是由溫度分布不均導(dǎo)致的軸向伸長和徑向變形。采用五點(diǎn)法(如圖1)測量主軸的軸向、徑向位移及傾斜度。五點(diǎn)的布置為軸向放置一個(gè)傳感器，徑向的X、Y方向各放置兩個(gè)傳感器。一般來說，直接測量機(jī)床熱誤差是非常困難的。因此在主軸上安裝高精度標(biāo)準(zhǔn)芯棒，以標(biāo)準(zhǔn)芯棒為測量對象。芯棒與熱源可以看作是隔離的，芯棒的軸向位置變化可認(rèn)為是主軸軸向熱變形引起的，徑向的位置變化認(rèn)為是主軸徑向熱變形引起的。

2硬件系統(tǒng)構(gòu)成

考慮到測量的精度和便利性，電渦流傳感器選擇HZ-8500系列φ5探頭和前置器，數(shù)據(jù)采集卡選擇阿爾泰型號為USB5953的采集卡，將前置器和采集卡集成到定制的機(jī)箱里，方便使用。機(jī)床熱誤差測試硬件系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示，電渦流位移傳感器將電渦流阻抗的變化轉(zhuǎn)換為機(jī)床主軸位移量的變化，然后利用測量電路將其轉(zhuǎn)換成電壓變化量，電信號通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)USB接口傳入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中軟件實(shí)現(xiàn)部分具體由LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。

圖2　硬件實(shí)物圖

3軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1程序界面設(shè)計(jì)

為測量機(jī)床主軸的受熱變形量，需做到連續(xù)監(jiān)測、實(shí)時(shí)顯示，并能對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，為后續(xù)分析做準(zhǔn)備。根據(jù)所要達(dá)到的要求，選擇合適的控件。程序界面[6-8]主要包括用戶輸入部分，圖形實(shí)時(shí)顯示部分和數(shù)據(jù)處理部分。對于實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)可以以波形顯示和數(shù)據(jù)顯示，并能顯示誤差的最大值和最小值，開始進(jìn)行測量時(shí)需要進(jìn)行采集頻率的設(shè)置和程序的調(diào)試。同時(shí)也可以查看已存儲入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。并有一個(gè)可以顯示歷史數(shù)據(jù)的面板，以方便數(shù)據(jù)的查看分析。根據(jù)以上需求設(shè)計(jì)的面板如圖3所示。根據(jù)前面板的設(shè)計(jì)需求來進(jìn)一步設(shè)計(jì)程序框圖。

圖3　測量系統(tǒng)前面板

3.2程序框圖的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)測量面板的界面，完成程序框圖[9-11]。程序框圖主要由幾部分程序按平鋪式順序結(jié)構(gòu)組成，其中硬件識別連接部分的程序框圖由設(shè)備公司提供，剩下的就是按照所要達(dá)到的目的編程實(shí)現(xiàn)，其中將調(diào)試，采集頻率，保存數(shù)據(jù)，停止功能用一個(gè)事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并集成到一個(gè)while循環(huán)中，這些體現(xiàn)在前面板上就是有按鈕操作的部分。在用戶操作錯(cuò)誤，或者操作不當(dāng)時(shí)，程序會自動提醒用戶操作錯(cuò)誤，需要重新操作。程序框圖如圖4所示。通過對數(shù)據(jù)的讀取，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)五組數(shù)據(jù)的顯示，分別以波形和數(shù)值顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及波形顯示的程序框圖如圖5所示。

圖4　按鈕部分程序框圖

圖5　數(shù)據(jù)的采集及波形顯示程序框圖

將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為位移量。通過控制采樣頻率和求取平均值對各時(shí)間段的位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在數(shù)據(jù)的保存之前有個(gè)調(diào)試控件，該程序可以根據(jù)是否調(diào)試對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與否的判斷，對非調(diào)試狀態(tài)的數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，把采集到的電壓數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離，然后將其保存到數(shù)據(jù)庫里。其實(shí)現(xiàn)程序框圖如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)保存程序框圖

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對所設(shè)計(jì)的熱誤差采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際采集實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其性能，用專用工具將電渦流傳感器固定于標(biāo)準(zhǔn)芯棒的軸向和徑向位置。圖7為電渦流傳感器實(shí)測圖。開始采集時(shí)，設(shè)置好保存數(shù)據(jù)的表格名稱和采集頻率，運(yùn)行調(diào)試控件，調(diào)整傳感器和芯棒之間距離到合適位置后，再進(jìn)行實(shí)際采集，采集完畢后將數(shù)據(jù)保存，以便后續(xù)分析處理。通過測試該測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)床主軸軸向誤差和徑向誤差的采集。

圖7　電渦流傳感器實(shí)測圖

5結(jié)論

該測量系統(tǒng)是基于LabVIEW虛擬技術(shù)開發(fā)的測量系統(tǒng)，使用數(shù)據(jù)采集卡采集從傳感器傳來的數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)絇C機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和顯示，數(shù)據(jù)的保存和察看，以及數(shù)據(jù)的刪除和操作錯(cuò)誤的反饋，從而實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床主軸受熱變形后的軸向誤差和徑向誤差數(shù)據(jù)采集。整個(gè)系統(tǒng)從功能需求到具體實(shí)現(xiàn)，充分考慮了功能的實(shí)現(xiàn)和用戶操作的簡便性，從用戶的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。從最終的實(shí)測實(shí)驗(yàn)來看，該系統(tǒng)能夠完成測量需求，為后續(xù)的熱誤差實(shí)驗(yàn)提供支持，但是在精度提升方面還有待后續(xù)優(yōu)化。

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(編輯李秀敏)