摘要：溫度是機(jī)械加工中最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程中常需要對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。數(shù)控機(jī)床加工中，常需要對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行熱誤差計(jì)算并實(shí)現(xiàn)熱誤差補(bǔ)償，通過熱誤差補(bǔ)償技術(shù)來(lái)達(dá)到提高數(shù)控機(jī)床加工精度的目的。因此，研究一種基于串行通信的多路溫度采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)提高工業(yè)控制性能、提高數(shù)控機(jī)床的加工精度以及提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。

數(shù)控機(jī)床在加工過程中，熱誤差是因溫度上升引起的加工誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在精密加工和超精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差占總加工誤差的50%～70%。目前，有兩類方法可以用來(lái)減小機(jī)床的熱誤差。一是通過改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，直接減小熱誤差，但是會(huì)大大提高成本。二是通過建立熱誤差模型進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

因此本文設(shè)計(jì)的主要目的是，在生產(chǎn)車間中對(duì)數(shù)控機(jī)床的主要部件進(jìn)行實(shí)時(shí)多點(diǎn)溫度采集，采集硬件電路主要包括：溫度傳感器，放大濾波，A/D轉(zhuǎn)換，下位機(jī)控制，串口通信等功能;采集通道數(shù)>=4，采集溫度精度：0.5度，溫度范圍：0～40度。上位機(jī)對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行受熱分析，并顯示溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，并對(duì)加工的熱變形誤差進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示。主要任務(wù)分為上位機(jī)的設(shè)計(jì)和下位機(jī)設(shè)計(jì)兩個(gè)大模塊。其中，下位機(jī)主要是硬件電路的設(shè)計(jì)和C語(yǔ)言程序的編寫。用電壓輸出型溫度傳感器TC1047來(lái)實(shí)現(xiàn)四路溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將溫度傳感器輸出的電壓，通過RC濾波電路，將50 Hz以上的信號(hào)給予濾除，再經(jīng)過運(yùn)算放大器OP07組建的放大電路對(duì)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，使用兩片ADC0832將四路放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。主控芯片STC89C52將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量經(jīng)過基于MAX232芯片的串行通信方式，發(fā)送到用LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)，上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，顯示溫度隨時(shí)間的變化曲線以及用顏色的淺深來(lái)表示溫度的高低。上位機(jī)分為兩個(gè)面板，一個(gè)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示面板，另一個(gè)為歷史數(shù)據(jù)讀取顯示面板，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)也可以讀取和分析歷史數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示。

1.1 運(yùn)算放大電路

單通道放大電路原理圖如圖2所示。設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器OP07作為主芯片組建電壓放大電路，放大經(jīng)過RC低通濾波器電路后的電壓信號(hào)。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合都不需要額外的調(diào)零。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)。這種低失調(diào)電壓、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器輸出的信號(hào)。

溫度傳感器TC1047在0℃～40℃的電壓輸出范圍為0.5 V～0.9 V，每10 mV變化一度，精度要求為0.5℃。而采用的是8位的A/D轉(zhuǎn)換，最大能分辨20 mV電壓變化，放大器的放大倍數(shù)為5即可滿足要求。設(shè)計(jì)要求能實(shí)時(shí)快速地采集溫度的變化，對(duì)采集的速度有較高的要求，不能通過模擬開關(guān)來(lái)分時(shí)放大每一通道的電壓信號(hào)，而是每個(gè)通道都有各自的放大電路，這樣就可以大大提高溫度采集的速度。

如上圖2所示為三運(yùn)放組成的差分放大電路，其中U9和U10都是組成電壓跟隨器，用于增大輸入阻抗減小輸出阻抗。U10的管腳3輸入溫度傳感器的輸出電壓，U11用于將電壓進(jìn)行差分放大。需要根據(jù)要求計(jì)算各電阻的參數(shù)值。

U10的輸出電壓為：

解得：RV1=4.98 k，電阻RV1用一個(gè)50 k的滑動(dòng)變阻器代替，便于放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。

1.2 穩(wěn)壓電源電路

選用L7812和L7912穩(wěn)壓芯片分別得到穩(wěn)定的正12 V和負(fù)12 V電壓。而A/D轉(zhuǎn)換芯片、溫度傳感器和單片機(jī)等都需要正5 V的工作電壓，選用L7805穩(wěn)壓芯片得到穩(wěn)定的正5 V電壓輸出。其中P5用于接220 V交流轉(zhuǎn)12 V交流的變壓器，對(duì)12 V交流經(jīng)過整流后輸出直流正電壓和直流負(fù)電壓。將整流后的直流電壓經(jīng)過一個(gè)2 200μF和一個(gè)0.33μF的電容后可以得到較穩(wěn)定的直流電壓。然后通過穩(wěn)壓芯片L7812和L7912就可以得到穩(wěn)定的正負(fù)12 V電壓，把穩(wěn)壓管輸出的正12 V作為L(zhǎng)7805的輸入，L7805就可以輸出穩(wěn)定的正5 V電壓。

2 labview整體設(shè)計(jì)

上位機(jī)的整體程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。主程序通過串口接收下位機(jī)發(fā)送的4路A/D轉(zhuǎn)換采集到的8位數(shù)字量，通過數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出溫度值、熱變形誤差，同時(shí)能在前面板顯示出來(lái)。另外還要實(shí)現(xiàn)報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和相關(guān)數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)定等功能。

3 溫度傳感器的標(biāo)定

溫度傳感器TC1047理論上是0℃時(shí)為100 mV，40℃時(shí)為900 mV，但在實(shí)際中，理論與實(shí)際是有一定的差距的，為了使測(cè)量的數(shù)據(jù)更加的準(zhǔn)確，需要對(duì)4路溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。即將四路傳感器同標(biāo)準(zhǔn)傳感器在同一條件下的輸出溫度作比較。表1、表2、表3和表4分別為通道1到通道4溫度傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄。

第一組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U1_1=(0.74+0.73+0.74)/3=0.737 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T1_1=(24.4+24.3+24.4)/3=24.37℃.

第二組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U1_2=(0.8+0.79+0.79)/3=0.793 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T1_2=(30.5+30.4+30.4)/3=30.37℃.

第三組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U1_3=(0.85+0.86+0.84)/3=0.85 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T1_3=(35.7+35.9+35.8)/3=35.8℃.

第一組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U2_1=(0.74+0.74+0.74)/3=0.74 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T2_1=(24.3+24.5+24.4)/3=24.4℃.

第二組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U2_2=(0.81+0.79+0.82)/3=0.806 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T2_2=(30.5+30.4+30.5)/3=30.37℃.

第三組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U2_3=(0.85+0.86+0.87)/3=0.854 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T2_3=(35.6+35.9+35.7)/3=35.73℃.

第一組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U3_1=(0.74+0.74+0.74)/3=0.736 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：U3_1=(24.3+24.5+24.4)/3=24.4℃.

第二組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U3_2=(0.80+0.79+0.82)/3=0.803 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：U3_2=(30.4+30.4+30.5)/3=30.46℃.

第三組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U3_3=(0.84+0.86+0.84)/3=0.848 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：U3_3=(35.7+35.8+35.8)/3=35.77℃.

第一組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U4_1=(0.75+0.73+0.72)/3=0.733 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T4_1=(24.6+24.4+24.2)/3=24.43℃.

第二組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U4_2=(0.83+0.79+0.81)/3=0.81 V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T4_2=(30.7+30.2+30.4)/3=30.37℃.

第三組數(shù)據(jù)：

平均電壓輸出：U4_3=(0.85+0.83+0.86)/3=0.846V.

平均標(biāo)準(zhǔn)溫度：T4_3=(35.7+35.6+35.8)/3=35.7℃.

根據(jù)表1、表2、表3、表4計(jì)算出的各通道溫度傳感器平均輸出電壓和對(duì)應(yīng)的平均標(biāo)準(zhǔn)溫度繪制出TC1047溫度傳感器的實(shí)際輸出電壓與溫度的關(guān)系。

為了觀察溫度傳感器輸出電壓隨溫度變化的趨勢(shì)直線，并將趨勢(shì)直線與理論直線對(duì)比。用EXL繪制出4通道的各自線性趨勢(shì)線和理論的直線。

為了使測(cè)量的溫度更加準(zhǔn)確，將各通道溫度傳感器電壓-溫度變化趨勢(shì)直線的斜率和y軸的截距分別相加再作平均值作為實(shí)際直線斜率和截距。下面分別計(jì)算出平均直線斜率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。

所以溫度傳感器的實(shí)際輸出電壓與溫度的關(guān)系表達(dá)示為：

Vout=0.010 1 T+0.495.

式中，Vout為溫度傳感器輸出電壓，單位為V;T為所測(cè)溫度，單位為℃。

4 數(shù)據(jù)的測(cè)量

對(duì)溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定之后就可以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)將串口的相關(guān)參數(shù)設(shè)置好之后，再設(shè)置報(bào)警溫度上限為40℃，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為500 ms。然后運(yùn)行上位機(jī)和下位機(jī)程序，并點(diǎn)擊上位機(jī)的開始運(yùn)行按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和顯示。上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示，用手觸摸1通道溫度傳感器，則通道1的實(shí)時(shí)曲線也會(huì)隨著溫度的改變而改變。在界面左上角窗口顯示的是各通道溫度實(shí)時(shí)強(qiáng)度圖，圖中可以看出當(dāng)通道1的溫度升高時(shí)，強(qiáng)度圖表中通道1的顏色也會(huì)隨之變淡，說(shuō)明溫度在升高，而顏色加深時(shí)，說(shuō)明溫度在降低。強(qiáng)度圖表下面顯示的是采集到的4通道溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)也顯示出采集數(shù)據(jù)的時(shí)間。在顯示界面的右下角顯示的是數(shù)控機(jī)床在當(dāng)前采集到溫度環(huán)境下的熱誤差。

采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)還需要對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，點(diǎn)擊上位機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑可以選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的路徑，可將溫度數(shù)據(jù)以TXT或者XLS的格式存儲(chǔ)。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面顯示的是動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)，為了方便數(shù)據(jù)的觀察，歷史數(shù)據(jù)顯示界面可以讀取存儲(chǔ)文件里的數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)，方便數(shù)據(jù)的分析。在程序運(yùn)行時(shí)點(diǎn)擊歷史界面中的開始讀取按鈕就可以讀取歷史文件數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)，其讀取的歷史數(shù)據(jù)界面顯示如圖5所示。

上位機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示的同時(shí)，下位機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)溫度的采集并在LCD1602上顯示出實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，利用多路溫度傳感器，對(duì)被測(cè)量機(jī)床進(jìn)行溫度測(cè)試，并通過一定算法，完成對(duì)熱誤差的計(jì)算及補(bǔ)償，具有一定實(shí)用價(jià)值。