基于LabVIEW的主轴热变形采集系统设计

基于LabVIEW的主轴热变形采集系统设计*

陈秀梅，李光龙，刘世杰

(北京信息科技大学 机电工程学院，北京100192)

摘要：热误差已经成为影响机床加工精度的重要因素，为对其进行定量研究，开发了一套主轴热变形测量系统，可以同时测量主轴的轴向和径向误差，软件系统基于LabVIEW虚拟仪器开发，由电涡流传感器，数据采集卡，放大器等硬件组成一个便携式测量仪器，该测量系统为机床热误差分析补偿研究提供基础支持。

关键词：LabVIEW；主轴热变形；采集系统

文章编号：1001-2265(2015)09-0053-02

收稿日期：2014-11-13；修回日期：2014-12-12

基金项目：*"千台国产加工中心可靠性提升工程"科技重大专项(2013ZX04011-012)

作者简介：陈秀梅(1970—)，女，河北沧州人，北京信息科技大学副教授，研究方向为流体传动及控制、先进制造技术，(E-mail) 864882503@qq.com。

中图分类号：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

热误差已经成为影响高精密机床加工精度的主要因素，大约占总误差的40%~70%[1-2]，为进一步提高机床的加工精度，对机床主轴热误差进行测量分析，需开发主轴热误差测量系统。

主轴热误差的测量方法[3-4]主要有双球轨法、激光干涉仪检测法、平面正交光栅测量法、电涡流测量法，但根据测量的需求又有其各自的优缺点，双球轨法由于采用接触安装方式圆球与球座之间的摩擦运动会增大测量误差，激光干涉仪检测法价格高，安装耗时，平面正交光栅测量法只能完成对X、Y轴的误差测量，无法完成对Z轴的误差测量。电涡流传感器采用非接触测量法，测量精度满足误差测量要求，且价格相对便宜，综合考虑选用电涡流传感器测量法[5]。

本文基于虚拟仪器平台LabVIEW设计了一个多通道主轴热误差测量系统，该系统采用五点法测量主轴的轴向和径向误差，选择电涡流传感器进行测量，安装方便、精度高，能实时显示五个点的误差变化，并对误差数据进行保存。试验测试表明，该系统能方便快捷的完成对数控机床主轴的热误差测量。

1测量方案

图1　五点测量法测量热位移示意图

机床热变形引起的加工误差主要体现在刀具与工件加工点的位置偏移，一般都通过测量主轴的热变形来测热误差，主轴的热误差主要是由温度分布不均导致的轴向伸长和径向变形。采用五点法(如图1)测量主轴的轴向、径向位移及倾斜度。五点的布置为轴向放置一个传感器，径向的X、Y方向各放置两个传感器。一般来说，直接测量机床热误差是非常困难的。因此在主轴上安装高精度标准芯棒，以标准芯棒为测量对象。芯棒与热源可以看作是隔离的，芯棒的轴向位置变化可认为是主轴轴向热变形引起的，径向的位置变化认为是主轴径向热变形引起的。

2硬件系统构成

考虑到测量的精度和便利性，电涡流传感器选择HZ-8500系列φ5探头和前置器，数据采集卡选择阿尔泰型号为USB5953的采集卡，将前置器和采集卡集成到定制的机箱里，方便使用。机床热误差测试硬件系统实物如图2所示，电涡流位移传感器将电涡流阻抗的变化转换为机床主轴位移量的变化，然后利用测量电路将其转换成电压变化量，电信号通过数据采集卡转换为数字信号经USB接口传入计算机中，计算机中软件实现部分具体由LabVIEW编程实现。

图2　硬件实物图

3软件系统实现

3.1程序界面设计

为测量机床主轴的受热变形量，需做到连续监测、实时显示，并能对测量数据进行存储，为后续分析做准备。根据所要达到的要求，选择合适的控件。程序界面[6-8]主要包括用户输入部分，图形实时显示部分和数据处理部分。对于实时测量的数据可以以波形显示和数据显示，并能显示误差的最大值和最小值，开始进行测量时需要进行采集频率的设置和程序的调试。同时也可以查看已存储入数据库的数据。并有一个可以显示历史数据的面板，以方便数据的查看分析。根据以上需求设计的面板如图3所示。根据前面板的设计需求来进一步设计程序框图。

图3　测量系统前面板

3.2程序框图的实现

根据测量面板的界面，完成程序框图[9-11]。程序框图主要由几部分程序按平铺式顺序结构组成，其中硬件识别连接部分的程序框图由设备公司提供，剩下的就是按照所要达到的目的编程实现，其中将调试，采集频率，保存数据，停止功能用一个事件结构实现，并集成到一个while循环中，这些体现在前面板上就是有按钮操作的部分。在用户操作错误，或者操作不当时，程序会自动提醒用户操作错误，需要重新操作。程序框图如图4所示。通过对数据的读取，可以同时实现五组数据的显示，分别以波形和数值显示，实现数据采集及波形显示的程序框图如图5所示。

图4　按钮部分程序框图

图5　数据的采集及波形显示程序框图

将采集到的模拟信号转换为位移量。通过控制采样频率和求取平均值对各时间段的位移量进行实时采集。在数据的保存之前有个调试控件，该程序可以根据是否调试对数据进行保存与否的判断，对非调试状态的数据，需要对其进行数据转换，把采集到的电压数据，转换为距离，然后将其保存到数据库里。其实现程序框图如图6所示。

图6　数据保存程序框图

4实验验证

对所设计的热误差采集系统进行实际采集实验，验证其性能，用专用工具将电涡流传感器固定于标准芯棒的轴向和径向位置。图7为电涡流传感器实测图。开始采集时，设置好保存数据的表格名称和采集频率，运行调试控件，调整传感器和芯棒之间距离到合适位置后，再进行实际采集，采集完毕后将数据保存，以便后续分析处理。通过测试该测量系统可以实现对机床主轴轴向误差和径向误差的采集。

图7　电涡流传感器实测图

5结论

该测量系统是基于LabVIEW虚拟技术开发的测量系统，使用数据采集卡采集从传感器传来的数据，再传输到PC机，实现了数据采集和显示，数据的保存和察看，以及数据的删除和操作错误的反馈，从而实现了对机床主轴受热变形后的轴向误差和径向误差数据采集。整个系统从功能需求到具体实现，充分考虑了功能的实现和用户操作的简便性，从用户的角度进行设计。从最终的实测实验来看，该系统能够完成测量需求，为后续的热误差实验提供支持，但是在精度提升方面还有待后续优化。

[参考文献]

[1] 坦野义昭.机床热变形对加工精度的影响[J].机械と工具,1997,(10):1841-1844.

[2] 陈兆年,陈子辰.机床热态特性学基础[M].北京:机械工业出版社,1989.

[3] 陈晨. 桥式五轴数控铣床热误差检测、建模及补偿研究[D].成都:西南交通大学,2012.

[4] 薛海涛. 数控机床热误差测试技术研究[D].合肥:合肥工业大学,2011.

[5] 王欣威,慕丽.基于LabVIEW的电涡流位移传感器测量系统设计与研究[J].机床与液压,2009,37(9):160-165.

[6] 江阳源，王福吉,王威,等.基于LabVIEW的数控机床多通道温度测量系统[J].组合机床与自动化加工技术,2010(12):58-60.

[7] 曹永洁，傅建中.基于高精度位移传感器的机床主轴热变形实时测量[J].组合机床与自动化加工技术,2006(12):42-44.

[8] 刘君华.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教材[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[9] 白云.基于LabVIEW的数据采集与处理技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009

[10] 汪顺利，丁毓峰，王琳，等.基于LabVIEW的机床主轴振动测量与分析[J].组合机床与自动化加工技术,2014(2):32-39.

[11] 林爽,杨风.基于LabVIEW的多通道数据采集系统的研究[J].山西电子技术,2009(3):18-20.

(编辑李秀敏)