摘 要

本篇论文首先讲述了大型机床的主要部分，接下来讲述机床热误差的研究现状，机床在加工过程中热变形的原因：由于受到制造缺陷，温度等坐标错位的因素，造成机床加工出现形变现象，降低了机床的加工质量。采用一种误差补偿方式，来提升机床加工质量，但是要使用误差补偿法需要测得机床的变形。本文以北一机床厂动梁龙门框架移动式为研究对象，用光纤布拉格光栅温度传感器对其加工时的底座进行测量，通过温度传感器得到机床的温度，然后利用激光测位移的方法得到机床刀尖的错位，利用这些数学测试方法，得到机床热误差测试系统。总结了机床热变形的研究现状，以及光纤布拉格光栅传感器作为测量工具的好处与目前的情形，设计了整个实验的步骤；

第一, 对光纤布拉格光栅传感测温技术进行了阐述,介绍了机床测试系统的测量方案及原理，分析了机床热变形的原理，针对机床底座的特点，设计光纤布拉格光栅传感器的测温布点。

第二，简单介绍了MATLAB软件和LabVIEW软件，阐述了MATLAB软件和LabVIEW开发流程，在上位机程序的基体上，对每个部分进行了程序设计，最后能够实现预期的作用。

最后，完成测量并用LabVIEW软件对解调仪得到的数据进行相应处理，得到热误差模型建立的图像。

关键词：机床热误差；光纤布拉格光栅传感器；MATLAB; LabVIEW

Abstract

This paper introduces the main structure of large machine tool and researches status of thermal error of machine tool. The machine in the process due to the influence of geometric error, thermal error and other error sources, so that the machine will produce deformation, reduce the machining accuracy of machine tool .Error compensation method can be used to improve the machining accuracy of the machine tool .But to measure the deformation of the machine tool need to use the error compensation method ，so in this paper, the Long men frame moving type (XKA2830) of the moving beam of the north one machine tool plant is studied.The temperature of the machine tool is measured by using the optical fiber Prague grating temperature sensor to measure the base of the temperature sensor.Then using the laser displcement measurement method of offset machine tool,By using these data to establish the model, the thermal error test system of machine tool is obtained.

First, the basic principle of fiber Bragg grating sensor are described, describes the measurement scheme and principle, analyzing the principle of thermal deformation of machine tools, machine tool base for the characteristics of and the design of fiber Bragg grating sensor measurement points.

Second, a brief introducting of the MATLAB software, describes the MATLAB software development process, in the design of software program on the basis of the various modules of the software design, so that it can achieve the corresponding functions.

Finally, the measurement is completed and the data of the demodulator is processed by the Matlab program, and the thermal error model is obtained.

Key words: thermal error of machine tool; fiber Prague grating sensor; MATLAB; LabVIEW

目录

第1章 绪论 1

1.1 数控机床热误差研究内容及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 主要研究内容 3

第2章测试系统设计 5

2.1测试系统方案设计 5

2.2数控机床的基本结构及分析 5

2.2.1机床结构 5

2.1.2机床热源分析 8

2.3基于FBG传感的机床热误差测试系统设计 10

2.3.1光纤布拉格光栅传感器介绍 10

2.3.2光纤布拉格光栅传感器布点位置优化 11

2.4解调仪介绍 12

2.5 MATLAB软件设计 13

2.5.1MATLAB软件功能介绍 13

2.5.2机床热误差测试系统MATLAB编程 13

2.6 LabVIEW测试系统设计 16

2.6.1 LabVIEW软件介绍 16

2.6.2LabVIEW设计流程图 17

2.6.3 LabVIEW程序设计 18

2.7 LabVIEW显示模块设计 20

第3章 机床热误差测试变形分析 22

3.1 x、y、z三方向热变形分析 22

3.1.1x方向热变形分析 22

3.1.2y方向热变形分析 22

3.1.3z方向热变形分析 23

3.2测试系统分析 23

第4章 总结与展望 24

4.1总结 24

4.2展望 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 数控机床热误差研究内容及意义

通过半个多世纪的钻研，机床加工受到温度影响之后产生的偏差，是工厂制造业误差最大的来源，相对于总机床加工误差的大概百分之三十到百分之六十[1]。目前主要从理论方面、实际应用方面分析、不断解决存在的问题。从理论上而言，鉴于数控机床在工作中不能忽视地要产生热量，尤其是其自身运行产热。在传热和散热两个方面温度会逐渐变化，所以受到冷却液、工作状态因素的影响，还有村砸死间隙、接触挤压等造成的热变形滞后现象，在接触面部分由于多混合应力引起的热形变等，上述所有的都是引起热误差的因素。出现的现象有加工形变的时间滞后、时间多变、方向不确定性等特征，这些造成增强了用数学模型来描述热误差的困难性，对误差进行补偿的不可知性[2]。正因为如此，不仅在国内，国外在数控机床加工精度上，也进行了多年的研究与探索，同时在控制方面进行了深入的攻关，近些年，国外在这方面的技术取得了质的飞跃，有些生产工艺已经在超速、超精密加工技术上实现。热误差补偿技术作为机械加工中重要的组成部分，已经作为竞争力量的核心技术，逐渐实现生产过程无人化的跨步似的进步、对精密零件的普及使用，这些现实渴求都让制造商对数控机床加工零部件的质量提出了更加严苛的诉求，特别是在柔性生产加工业和柔性工作车间，给出机床加工过程中对多样的热变形的自动检测和自动补偿问题。机床的热误差已经严重影响了机床加工的精度，大量事实证明，热误差占据总的误差的大约70% [3]。所以，机床受热后的变形问题成为提高机床加工精度亟待解决的事情。

实际应用上面主要是从利用测量温度的技术、各类数学建模方式，对热变形采用监控等角度来解决问题。最常见的测温技术就是热电偶，它被认为是温度测量中最普通测温工具，是由两种不一样类型的导体将两端合二为一，如果两点温度存在不一致，将会在电路内生成电流，也被研究者称为热电流[4]。它一般探测温度的宽度差不多是在零下200摄氏度到1300摄氏度，只有在极少的情形能达到零下270摄氏度到2800摄氏度。对比于热电阻，热电偶达到的精度普遍比不上热电阻，但是，它也有自己的优点：能够测量温度的范围比其他以其广泛，灵敏度高，至少可以携带4-20mA带电信息，这样就便于工作台自动控制、人们统一把握加工件质量[5]。采用最新概念的红外传感技术，创造性发明了一种新的装置，主要功能就是对物理进行没有副作用、无误差、节约时间、可靠的测量。红外探测仪的工作运行过程[6]：地球上所有物体的温度，只要比绝对零度大，自己本身都会向外界产生红外线，并向外发射，红外线的能量与温度成正相关，红外测温仪的运行机理就是通过透镜获取、综合所有的红外热量，集中到到传感器，利用传感器所构建的系统，生成一个与之相互关联的电信号，设计好这个因素后关联上实际目标物体温度的数学函数式，也即是建立模型。就可获得所测物体真实温度值。当今，红外测温仪已经普遍投身在测试机械、工厂、等行业。它们的共同的工作环境就是温度比较高、危险并且不容易获知目标外部的温度[7]。在众多的红外测温仪中，有一种叫作两种颜色红外测温仪。它的原理就是测量目标在不一样的光谱内将会散发的红外辐射，根据这对辐射亮度之间的比对，间接推导出出目标的温度^[8]。双色红外测温仪运行规律：在调选好的两个定量的波长和频带下，之间辐射强度之比，随着温度而变化。带宽很窄单色滤光片之间，利用两组，采集一组类似波段内的光线能量，最后把通过它们推导出电信号，最终进行校验，最后根据比值计算探测目标的温度[9]。现代光通信推动了光纤传感技术，光纤新技术是依据光纤材料技术所发展的信息技术，近代飞跃式的新光纤测温技术。特别是其本身就具有很好的灵敏度、结果的精度等级高、误差几乎没有、可以重复利用，特别是不易被干扰的独特特性使得光纤温度测量技术深的研究者喜爱。拉曼散射现象[10]。石英玻璃产生光波导由，石英玻璃成分是二氧化硅分子，热源导致分子晶格出现上下位置的位移现象，假若光照射在这些上下震动的分子上，这些带电电子之间会产生化学反应。出现光在传播中会散射现象，这种现象被称为拉曼散射现象。入射光可以造成物体频率使之同步，发散光的谱线出现了位移[11]。一般光线的强度与光线的温度是有关系的， 建立光强与温度的函数模型，便可以获取测试点的温度。光纤用来测温技术在国际上还很少见到，南开大学不断地致力于这方面的研究，适用于工程、制造业等领域，数控机床对部件实现高精度的加工、测试，目的就是增强机床的加工等级、减小误差[12]，普遍采用的方法是提高机床的本身存在的性质，事物都有两面性，不好的一面就是会造成成本的增加，还有一种误差补偿的技术，就是在计算机上实时监控热误差，并实现跟随补偿，是在生产车间机床主体结构，是在保持精度的基础上还要节约资金的加工方式。利用上位机对机床制造过程中的误差来源分析、利用实验数据建模、实时将加工点产生的位置误差，显示出来，最后把偏移量，反馈到机床运功进给部位，通过增减坐标来进行误差减小，进而增加机床的定位精度。机床热误差的研究世界上，都存在很长的研究历史，这个过程中的突破性的成果也是令人振奋的，在减少机床误差方面已经有了质的飞越，但是现有很多类型的补偿技术，都有自己的特点，在超精度加工上可以很远的路要走。近年来，各国科研人员在发表热误差测试的方法后，把攻克方向瞄准了基于实时误差补偿的方法，这样，对于机床在提高制造加工精度方面能够发挥更好地效果，实时误差补偿研究中，目前超精度检测的设计是其中主要亟待解决的难题[13]。误差补偿技术已经被研究了半个多世纪，已经具备了很高的理论基础，基本上可以用于市场化，生产过程采用软件控制反馈较少热误差，提高有效性，但是目前还需要提高技术，需要大量的科研人员进行不懈的钻研[14]。

1.2国内外研究现状

机床受热之后产生加工质量下降，很早以前就作为机床研究的基本理论之一，在现代切削加工的条件下，生产过程的受热带来的不良的影响，更加需要人们来解决，因此世界各国的科研人员都为此进行了努力，在成果上取得了相当大的进展[15]。杨建国现在是在上海交通大学工作一位教授，他擅长是运用热模态分析法，然后对机床上面的主的受热变化进行实验，发现选择布点位置的温度与变形，会形成线性的数学函数关系。国外一家企业附属的一家专门制造离合器的工厂，采用布兰迪斯大学创立的道具受热变形后的补偿技术，将车削加工中心的加工精度大大的提高了。并且使得制造飞机重要部位的加工中心的加工精度差不多提高了一倍以上。刘志明运用最小二乘法原理，对大型系统的受热变化规律进行了长时间的探索，并且建立了函数模型，日本东京大学对超精密的自动化机床的主轴的受热变化、环境温度、功率三者联系起来，得出数学模型，即传递函数，机床受热变化的影响采用科学的算法[16]。苏风雨创立了一种测试电主轴的受热变形反控制理论，之后预测滚珠丝杠中的滚珠、丝杠的热误差，雷春丽等设计了一种新模型，通过多元自回归数学方式，建立电主轴热误差建模与预测值之间的关系，并得出了一个重要的结论，那就是基于位移的热误差自回归模型，相较于基于温度的多元线性回归，可以很好解决热误差精度的问题，还分别通过灰色系统模型、自回归分析模型的验证，还有依靠神经网络的智能组合为原理形成的预测模型的计算结果校验，最后总结出了单行模型准确性不如电主轴热误差组合测试模型，精度优于量歪的模型百分之三论断[17]。