基于LabVIEW的热变形误差计算及补偿方法

摘要：温度是机械加工中最基本的参数之一，在生产过程中常需要对温度进行检测和监控。数控机床加工中，常需要对数控机床进行热误差计算并实现热误差补偿，通过热误差补偿技术来达到提高数控机床加工精度的目的。因此，研究一种基于串行通信的多路温度采集和实时监控系统，对提高工业控制性能、提高数控机床的加工精度以及提高生产效率有着重要的意义。

数控机床在加工过程中，热误差是因温度上升引起的加工误差。据统计，在精密加工和超精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总加工误差的50%～70%。目前，有两类方法可以用来减小机床的热误差。一是通过改进机床结构设计方法，直接减小热误差，但是会大大提高成本。二是通过建立热误差模型进行补偿的方法。

因此本文设计的主要目的是，在生产车间中对数控机床的主要部件进行实时多点温度采集，采集硬件电路主要包括：温度传感器，放大滤波，A/D转换，下位机控制，串口通信等功能;采集通道数>=4，采集温度精度：0.5度，温度范围：0～40度。上位机对采集的温度数据进行受热分析，并显示温度随时间的变化趋势，并对加工的热变形误差进行计算和补偿。

1 系统整体设计

设计的整体框图如图1所示。主要任务分为上位机的设计和下位机设计两个大模块。其中，下位机主要是硬件电路的设计和C语言程序的编写。用电压输出型温度传感器TC1047来实现四路温度的实时监测。将温度传感器输出的电压，通过RC滤波电路，将50 Hz以上的信号给予滤除，再经过运算放大器OP07组建的放大电路对滤波后的电压信号进行放大，使用两片ADC0832将四路放大的模拟信号转化为数字信号。主控芯片STC89C52将A/D转换的数字量经过基于MAX232芯片的串行通信方式，发送到用LabVIEW软件编写的上位机，上位机将接收到的数据进行处理和显示，显示温度随时间的变化曲线以及用颜色的浅深来表示温度的高低。上位机分为两个面板，一个为实时数据显示面板，另一个为历史数据读取显示面板，可以实现实时数据采集，同时也可以读取和分析历史数据。设计的整体框图如图1所示。

1.1 运算放大电路

单通道放大电路原理图如图2所示。设计采用运算放大器OP07作为主芯片组建电压放大电路，放大经过RC低通滤波器电路后的电压信号。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合都不需要额外的调零。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点。这种低失调电压、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器输出的信号。

温度传感器TC1047在0℃～40℃的电压输出范围为0.5 V～0.9 V，每10 mV变化一度，精度要求为0.5℃。而采用的是8位的A/D转换，最大能分辨20 mV电压变化，放大器的放大倍数为5即可满足要求。设计要求能实时快速地采集温度的变化，对采集的速度有较高的要求，不能通过模拟开关来分时放大每一通道的电压信号，而是每个通道都有各自的放大电路，这样就可以大大提高温度采集的速度。

如上图2所示为三运放组成的差分放大电路，其中U9和U10都是组成电压跟随器，用于增大输入阻抗减小输出阻抗。U10的管脚3输入温度传感器的输出电压，U11用于将电压进行差分放大。需要根据要求计算各电阻的参数值。

U10的输出电压为：

解得：RV1=4.98 k，电阻RV1用一个50 k的滑动变阻器代替，便于放大倍数的调节。

1.2 稳压电源电路

选用L7812和L7912稳压芯片分别得到稳定的正12 V和负12 V电压。而A/D转换芯片、温度传感器和单片机等都需要正5 V的工作电压，选用L7805稳压芯片得到稳定的正5 V电压输出。其中P5用于接220 V交流转12 V交流的变压器，对12 V交流经过整流后输出直流正电压和直流负电压。将整流后的直流电压经过一个2 200μF和一个0.33μF的电容后可以得到较稳定的直流电压。然后通过稳压芯片L7812和L7912就可以得到稳定的正负12 V电压，把稳压管输出的正12 V作为L7805的输入，L7805就可以输出稳定的正5 V电压。

2 labview整体设计

上位机的整体程序设计流程图如图3所示。主程序通过串口接收下位机发送的4路A/D转换采集到的8位数字量，通过数据处理，计算出温度值、热变形误差，同时能在前面板显示出来。另外还要实现报警、数据存储和相关数据采集参数设定等功能。

3 温度传感器的标定

温度传感器TC1047理论上是0℃时为100 mV，40℃时为900 mV，但在实际中，理论与实际是有一定的差距的，为了使测量的数据更加的准确，需要对4路温度传感器进行标定。即将四路传感器同标准传感器在同一条件下的输出温度作比较。表1、表2、表3和表4分别为通道1到通道4温度传感器相关数据的记录。

第一组数据：

平均电压输出：U1_1=(0.74+0.73+0.74)/3=0.737 V.

平均标准温度：T1_1=(24.4+24.3+24.4)/3=24.37℃.

第二组数据：

平均电压输出：U1_2=(0.8+0.79+0.79)/3=0.793 V.

平均标准温度：T1_2=(30.5+30.4+30.4)/3=30.37℃.

第三组数据：

平均电压输出：U1_3=(0.85+0.86+0.84)/3=0.85 V.

平均标准温度：T1_3=(35.7+35.9+35.8)/3=35.8℃.

第一组数据：

平均电压输出：U2_1=(0.74+0.74+0.74)/3=0.74 V.

平均标准温度：T2_1=(24.3+24.5+24.4)/3=24.4℃.

第二组数据：

平均电压输出：U2_2=(0.81+0.79+0.82)/3=0.806 V.

平均标准温度：T2_2=(30.5+30.4+30.5)/3=30.37℃.

第三组数据：

平均电压输出：U2_3=(0.85+0.86+0.87)/3=0.854 V.

平均标准温度：T2_3=(35.6+35.9+35.7)/3=35.73℃.

第一组数据：

平均电压输出：U3_1=(0.74+0.74+0.74)/3=0.736 V.

平均标准温度：U3_1=(24.3+24.5+24.4)/3=24.4℃.

第二组数据：

平均电压输出：U3_2=(0.80+0.79+0.82)/3=0.803 V.

平均标准温度：U3_2=(30.4+30.4+30.5)/3=30.46℃.

第三组数据：

平均电压输出：U3_3=(0.84+0.86+0.84)/3=0.848 V.

平均标准温度：U3_3=(35.7+35.8+35.8)/3=35.77℃.

第一组数据：

平均电压输出：U4_1=(0.75+0.73+0.72)/3=0.733 V.

平均标准温度：T4_1=(24.6+24.4+24.2)/3=24.43℃.

第二组数据：

平均电压输出：U4_2=(0.83+0.79+0.81)/3=0.81 V.

平均标准温度：T4_2=(30.7+30.2+30.4)/3=30.37℃.

第三组数据：

平均电压输出：U4_3=(0.85+0.83+0.86)/3=0.846V.

平均标准温度：T4_3=(35.7+35.6+35.8)/3=35.7℃.

根据表1、表2、表3、表4计算出的各通道温度传感器平均输出电压和对应的平均标准温度绘制出TC1047温度传感器的实际输出电压与温度的关系。

为了观察温度传感器输出电压随温度变化的趋势直线，并将趋势直线与理论直线对比。用EXL绘制出4通道的各自线性趋势线和理论的直线。

为了使测量的温度更加准确，将各通道温度传感器电压-温度变化趋势直线的斜率和y轴的截距分别相加再作平均值作为实际直线斜率和截距。下面分别计算出平均直线斜率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。

所以温度传感器的实际输出电压与温度的关系表达示为：

Vout=0.010 1 T+0.495.

式中，Vout为温度传感器输出电压，单位为V;T为所测温度，单位为℃。

4 数据的测量

对温度传感器进行标定之后就可以对温度进行实时采集。在进行数据采集时将串口的相关参数设置好之后，再设置报警温度上限为40℃，数据采集时间间隔为500 ms。然后运行上位机和下位机程序，并点击上位机的开始运行按钮，就可以实现数据的采集和显示。上位机的实时数据采集界面如图4所示，用手触摸1通道温度传感器，则通道1的实时曲线也会随着温度的改变而改变。在界面左上角窗口显示的是各通道温度实时强度图，图中可以看出当通道1的温度升高时，强度图表中通道1的颜色也会随之变淡，说明温度在升高，而颜色加深时，说明温度在降低。强度图表下面显示的是采集到的4通道温度数据，同时也显示出采集数据的时间。在显示界面的右下角显示的是数控机床在当前采集到温度环境下的热误差。

采集温度数据时还需要对采集到的温度数据进行存储，点击上位机中的数据存储路径可以选择数据存储的路径，可将温度数据以TXT或者XLS的格式存储。

在实时数据显示界面显示的是动态的数据，为了方便数据的观察，历史数据显示界面可以读取存储文件里的数据并显示出来，方便数据的分析。在程序运行时点击历史界面中的开始读取按钮就可以读取历史文件数据并显示出来，其读取的历史数据界面显示如图5所示。

上位机在进行数据采集和显示的同时，下位机也可以实现温度的采集并在LCD1602上显示出实时的温度数据。

5 结论

本设计操作简单，利用多路温度传感器，对被测量机床进行温度测试，并通过一定算法，完成对热误差的计算及补偿，具有一定实用价值。