基于LabVIEW的数控机床网络测控系统--数控机床下位机测控系统硬件设计（一）

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3数控机床下位机测控系统硬件设计
          一般网络化工业测控下位机数据采集平台由两大部分组成：一部分是系统基本功能单元（主要包括：进行测量和管理的下位机测控服务器以及各种测试模块和通用数据采集卡驱动部分）；另一部分是连接各基本功能单元的通信网络，例如Internet /Ethernet，USB和串口RS232等总线技术。
       
        3.1工业数据采集与仪器控制技术研究
          一般的工业测控现场硬件系统由各种传感器、信号调理单元、电源、A/D转换单元、下位测控机、以太网、上位处理机、打印机、总控台等单元组成。信号调理单元将现场传感器的各种物理量调理成标准电量，经A/D转换成数字量，由下位测控机进行初步数据处理，通过以太网与上位处理机通讯，在上位机上进行数据分析、处理、存储。
       
        硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储处理和输入/输出设备等工作，由计算机和I/O接口设备组成。计算机一般为一台PC机或工作站，是硬件平台的核心，它包括微处理器、存储器和输入/输出设备等，用来提供实时高效的数据处理。I/O接口设备即采集调理部件，包括PC总线的数据采集（Data Acquisition，DAQ）卡、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、LXI总线仪器模块、串口总线仪器和现场总线仪器模块等标准总线仪器，主要完成被测信号的采集、放大和模数转换。现场智能单元就是由工业测控机及信号调理转换模块等所组成。
         
       
        工业测控系统采集现场数据，主要是温度、压力、流量和位移信号，经过信号处理和控制规则约束，形成控制量，再由执行机构产生控制动作，形成复杂闭环控制。对于这样的测控系统，首先必须运行安全可靠，设计时应该从多方面仔细考虑。在满足安全可靠的前提下，主要解决测量的准确性。因为真实、准确的测量数据才能反映出被测控系统的实质性，准确的控制才有依据。测控系统各部分都会对准确性产生影响，特别是在环境恶劣的工业现场，必须处理好各个细节，才能保证系统的准确性。
       
        3.2下位机数据采集平台设计
          数控机床数据采集系统是一种常用的工业测控系统，本章将研究基于LabVIEW的下位机数据采集平台的下位机测控服务器系统，它是数控机床远程测控系统的基础，其数据采集系统硬件平台构成如下：
          （1）前端测试对象：数控机床（Computer number control，简称CNC）；
          （2）测试仪器：电流、压力、温度等传感器，机器视觉模块和激光干涉仪；
          （3）信号调理模块：将传感器中的信号转换成模拟量送到采集卡；
          （4）数据采集卡：选择阿尔泰的高速采集卡USB2850，工控机箱；
          （5）总线技术：选择用USB和串口RS232总线。
       
        整体下位机数据采集平台结构框图如下图3.2所示：
         
       
        本文以控制和测试数控机床的一些参数，来构建整个测试平台。需要测试的信号：伺服电机的电流信号，机床主轴的位移，机床主轴的温度等。电流传感器采用电流传感器主要测试数控机床的消耗电流，根据现场车间环境，由于数控机床的电源线无法改动，因此电流传感器选用了JT30T32（Φ26）手持式电流传感器，主要检测电流的频率在25HZ-10KHZ范围，电流量为0.1A-30A范围，不需要电源就能实现被测电流的变换输出。通过激光干涉仪对数控机床位移定位精度，对机床的位移参数进行补偿。温度传感器检测机床主轴的温度，也是为了提高机床的精度，及时的对稳定参数进行补偿。
       
        3.2.1提高数控机床定位精度的位移补偿方法
          激光干涉仪测得的位移数据通过USB总线实时传送到PC机，LabVIEW过调用C程序的方式调用激光干涉仪的底层驱动，从而实时的现实位移数据，同时数据采集卡的另外一路A/D来采集电流传感器测得伺服电机的电流信号，将位移与电流的关系绘制在LabVIEW界面上，从而可以分析机床运动与消耗电流功率的关系，也就能推出机床工作时切削力与消耗功率的关系。对测得位移信号再继续处理，得到目标位移和机床定位精度误差的曲线，从而能及时的对机床的位移参数进行补偿。
       
        激光干涉仪：可测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性。测试主轴的位移采用定位精度高的的激光干涉仪，这里本文选用API公司的激光干涉仪（5D/6D标准型），它能一次安装能够同时测量线性轴的六个误差，包括1个位置度误差、2个直线度误差、3个角度误差。在通常情况下需要数天时间进行的测试，使用API激光干涉仪只需几个小时即可，应用结果表明，节省时间可达80%.6D激光干涉仪主要由稳频激光器、干涉仪和6维传感器组成，从激光器发出的激光光束经过干涉后，被6D传感器内的分光镜分成三束，一束记录精确长度位移。第二束光用作直线度测量的参考光束，传感器与参考光束之间的相对位移由装在传感器内的横向光电二级管测得。第三束光用作装在6D传感器内的小型光电测角仪的参考光源，用来测量角度误差（俯仰角和偏摆角）。为了保证激光光束的稳定性，测量仪在结构的设计以及激光器的选择方面都做了仔细设计，以使测量仪的横向和角度漂移量都降低到最小，从而保证测量仪的长期稳定性。测量仪配有自动气压、环境温度补偿器，自动校正环境变化对激光波长及长度测量的影响，其中多重数字滤波器使由空气波动及温度梯度引起的测量误差降到最小。
       
        其中误差补偿重点是研究加工中心误差的影响因素和计算机辅助软件补偿技术，其特点是在对机床本身不作任何改动的情况下，综合运用当代各学科的先进技术和计算机控制技术来提高机床加工精度。误差补偿的结构框图如下图3.3所示。
         
          测得的补偿前后机床的三次运动的正向和负向位置精度误差如表3.1和表3.2所示。
         
       
        如上表所示，下位测控机采集平台，通过激光干涉实时记录机床的动态位移及定位位移，软件通过对数据实时的采集分析，存储，将整个数控机床运动过程的定位位移实时记录。在分析软件下可以清楚看出机床3次运动过程中正向和负向位移误差的对比。
       
        进行补偿前的位移精度曲线如图3.4所示，进行补偿后的位移精度曲线如图3.5所示。
         
         
        通过以上图表，可以明显的看出补偿后的位移定位精度有了明显的提高。由于实验测试值仅是测的一台刚刚改造后的数控机床数据，数据只是特例数据，以后要进行多台数控机床的数据测试分析，这样的分析后的结果就有了普遍性和统计性。
          3.2.2温度补偿技术研究
          温度传感器选用PT100铂电阻温度传感器。它适用于测量（-60 ~+400℃）之间的温度，完全适用于机床的使用环境温度（5 ~ 45℃）。PT100在0℃时电阻为100欧随着温度的变化电阻成线性变化，大约是每摄氏度0.4欧。为了把PT100随温度变化的电阻转换成电压，AD转换器模拟量接口提供恒流源输出，即输出12.5mA恒电流源供给PT100传感器，在传感器回路中产生5Mv/℃线性输入电压。AD传感器把这个电压转换成数字量，程序周期地读这些数字量，并将所读的这些数，利用下面公式计算出温度值。
       
        温度T [℃] =（温度数字量- 0℃偏置量）/ 1℃数字量（3.1）
       
        其中：温度数字量=存储在NC-PLC接口IW xxx中的测量值；
          0℃偏置量=在0℃测量出的数字量，该值为4000；
          1℃数字量=温度每升高1℃的数字量，该值为16.
          PLC定时采样温度值，利用上式计算出温度数字量并转换为带一位小数点的十进制温度值，然后计算出温度补偿参数K 0（T）、tanβ（T）周期性送至NCK刷新温度补偿参数。
       
        （1）温度补偿的理由
          金属材料具有“热胀冷缩”的性质，该特性在物理学上通常用热膨胀系数（Thermal expansion confficient，αtherm）描述。数控机床的床身、立柱、拖板等导轨基础件和滚珠丝杠等传动部件一般由金属材料制成，由于机床驱动电机的发热、运动部件摩擦发热以及环境温度等的变化，均会对机床运动轴位置产生附加误差，这将直接影响机床的定位精度，从而影响工件的加工精度。对于在普通车间环境条件下使用的数控机床尤其是行程较长的落地式铣镗床，热膨胀系数的影响更不容忽视。以行程为5m的X轴来说，金属材料的热膨胀系数为10ppm（10um/每1m每1℃），理论上温度每升高1℃，5m行程的X轴就“胀长”50um.日夜温差和冬夏季节温差的影响便可想而知。因此高精度机床要求在规定的恒温条件下制造或使用，普通环境下使用的数控机床为保证较高定位精度和加工精度，须使用“温度补偿”等选件功能消除附加误差。
       
        （2）系统中温度补偿原理
          机床坐标轴的定位误差随温度变化会附加一定偏差，对每一给定温度可测出相应的定位误差曲线，为了完成温度补偿需要测出不同温度下的定位误差曲线。如图3.6所示为一组实验曲线，测量条件是：以22度误差曲线为基准，在行程500~1500mm范围内不停的运动加热机床，每隔20分钟做一次定位误差测量采样，采样间隔100mm，并用点温计记录滚珠丝杆的温度。因此一定温度T的定位误差曲线可以表示为如图3.7所示的直线，其数学表达式为：
         
         
       
        式3.2中，梯度tanβ（T）和轴位置不相关温度补偿值K 0（T）均是随温度变化的函数。
       
        不同温度下的定位误差曲线如图3.6，以及温度为T时的定位误差曲线如图3.7所示。
         
         
       
        系统中温度补偿功能的工作过程：将测量得到的温度偏差（补偿）值送至NC插补单元参与插补运算修正轴的运动。若温度补偿值ΔKx(T)为正值就控制轴负向移动，否则正向移动。由于温度影响的滞后性，PLC程序采取定时间隔采样温度（T）的方法，周期性地修改NC中相关补偿参数，并利用式3.2计算温度偏差ΔKx(T)，从而补偿掉温度变化产生的位置偏差，实现温度补偿。