基于labview的热变形误差计算及补偿方法

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。

2labview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