面向机床热变形检测的虚拟仪器研究

 
　　［摘　要］　虚拟仪器技术是虚拟测试技术和计算机自动测试技术发展的结果，是目前自动测试技术及测量仪器与系统的重要发展方向。该文介绍了面向机床热变形检测的虚拟仪器系统，给出了系统的硬件、软件设计及实现方法。
    ［关键词］　机床热变形；虚拟仪器；检测

1　引言
　　随着精密及超精密加工技术的发展及自动化加工系统的出现，人们对金属切削机床的精度提出了更高的要求，统计表明，由机床热变形引起的制造误差占总误差的40％～70％，且由于引起机床热变形的主要热源的变化规律较为复杂，所引起的加工误差不易识别及补偿。随着现代计算机技术和检测技术的发展，对机床热变形的研究可以提高到一个新的高度。虚拟仪器是继模拟仪表、分立元件式仪表、数字式仪表、智能化仪表之后的新一代仪器，是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是仪器领域的一次革命，针对车、铣、镗床的主要热源来自主轴箱的热变形从而引起机床主轴产生热位移与热倾斜，笔者借助虚拟仪器技术，开发面向机床主轴箱热变形检测的虚拟仪器系统。
2　硬件系统构成
　　虚拟仪器的硬件构成一般有4种方案，如图2—1所示。

　　在开发面向机床主轴箱热变形检测的虚拟仪器系统时，考虑到系统的灵活性和经济性，采用了数据采集卡结构。该系统包括电涡流位移传感器、信号调理器、数据采集卡、微机及外围设备等。系统结构组成如图2—2所示。

　　测试原理为：主轴箱变形后引起主轴前后端抬高不等，因此可以认为是研究主轴位置相对变化量的测定，其变化量对加工精度有直接影响，测试方法借鉴车床主轴锥孔中心线的径向跳动的检测方法，在主轴锥孔内安一检验棒（用膨胀系数极小的镍铁合金制成），在近主轴端及远主轴端的水平方向及垂再通过信号调理器（主要是低通滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量），然后经数据采集卡，将模拟信号转变成数字信号输入计算机，微机对采集的数据进行实时分析处理，最后给出反映机床主轴箱热变形的分析结果，以数据或图表的形式在微机上显示出来或联机打印结果。
3　软件系统
　　软件是虚拟仪器系统的关键和灵魂，面向机床主轴箱变形检测的虚拟仪器系统的软件是在Win－dows环境下利用VB6．0采用模块化设计方法开发出来的，其主要功能模块有：系统设置、数据采集、数据处理、显示、打印、存储、帮助等模块。
3．1　系统设置
　　根据实际需要，共设计了几个窗体，首先是系统主菜单，要求对测试项目进行选择；考虑到可扩展性和共享性，该软件能对机床的诸多性能参数（主轴箱热变形测试，主轴回转精度测试，主轴传动精度测试，主轴箱温度测试等）进行在线检测，针对不同的检测参数。只需适当更换信号的获取方式等硬件即可，充分体现了虚拟仪器灵活、开放、由软件来决定仪器功能的特点；其次是参数的初始化，在主轴箱热变形测试中，初始化参数中：机床型号、设置报警上限温度（这根据不同的工件加工精度要求，对应于主轴一变形量，因而可以转化为主轴箱的变形和温度），以及数据采集卡的初始化和诸如传感器等硬件设备的初始化及标定等。
3．2　数据采集
　　数据采集功能通过即插即用的数据采集卡来实现，系统采用研华PCL－711S型数据采集卡，它提供4种PC／AT及其兼容系统最流行I／O功能的全套包装（8路12位A／D、1路12位D／A、16个数字量输入，16个数字量输出）；在主轴箱热变形测试中通过设置采样时间，其4路位移信号经采集卡分时采集后从不同的通道分别存入计算机设定的区间内，以便于处理。由于VB不具备直接对硬件I／O地址进行访问的函数，为了实现动态数据的实时采集和处理，用VC5．0编制对硬件端口访问的DLL函数，然后由VB调用，从而实现对I／O口的访问和控制，实现数据采集功能。
3．3　数据分析处理
　　虚拟仪器系统在计算机的控制下通过传感器、信号预处理、数据采集卡获得4路热变形位移信号，但由于各种噪声的干扰，使被检测位移信号中混杂着不必要的成分，因此必须对其进行处理以提高信号的信噪比，保证系统的可靠性。
　　这一功能软件的实现采用了两种方法，一种是直接用VB来对采集的数据进行处理，然后直接生成“样条曲线”在绘图区输出；另一种是利用数字信号处理软件MATLAB实现数字信号的FIR滤波，仪器面板中显示的“过滤曲线”和“多项式曲线”即是由通过ActiveX协议成功地实现VB内部无缝地调用MATLAB对数据进行分析处理而生成的曲线。
　　通过不同的分析处理方法得到的数据可由操作虚拟面板显示出来，如图3—1所示。

　　该面板有数据显示区，原始数据检索区，相关功能区（读数、打印、保存等）以及时间显示区等。
　　采用不同的数据处理方法对采集数据分析处理后以曲线形式显示在虚拟操作面板上，如图3—2所示。

4　结束语
    面向机床热变形检测的虚拟仪器系统是集计算机、现代测试等先进技术于一体，利用多种语言混合编制以实现多种功能的软件，既具有极高的性价比和较短的开发周期，又具有友好的人机界面，良好的可维护性、开发性和可扩展性。该系统除能完成文中所涉及的机床有关参数检测外，还可用同一台PC机和同一片采集卡，虚拟生成多种传统仪器和现代智能测控系统，满足具体测控的需要。

［参考文献］