1、河北工业大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的数控机床误差监控技术研究及系统开发 摘 要 计算机集成制造系统是制造信息化发展的一个主要方向，追求高精度、高效率的生产和低成本的产品，对在现代制造业中占主导地位的数控机床提出了更高的要求。目前，数控机床误差的检测、补偿和监控问题已成为机械加工特别是精密加工中的瓶颈问题。另一方面，虚拟仪器技术通过软件将计算机与仪器硬件有机的融合为一体，可以快速方便地组建各种测量控制系统。 本文在深入分析国内外数控机床误差监控技术应用现状的基础上，利用虚拟仪器 开发平台对数控机床的几何误差和热误差进行了采集，提出了各误差参数辨识方法与综合误差模型，并且建立了数控机床误差远程
2、监控系统。 主要研究内容如下： 1. 对机床误差源及其误差特性进行了深入分析，提出了机床几何误差和热误差的检测方法； 2. 以多体系统理论（ MBS）为基础，建立了包含机床几何误差、热误差的综合误差补偿模型，深入分析了几何误差和热误差参数的辨识方法； 3. 针对数控系统的远程监控问题进行了探讨，并就 LabVIEW 中的网络通信方式进行了重点分析； 4. 具体介绍了数控机床误差监控系统的开发过程，包括子模块的设 计思路和程序编写，实现了数控机床误差的采集分析以及远程监控。 此项研究采用 LabVIEW 作为数控系统的软件开发平台，充分利用计算机丰富的资源和强大的功能，设计了数控机床误差监控系统
3、，大大缩短了系统开发时间，提高了产品的质量，从而降低了成本，具有明显的经济效益。相信虚拟仪器技术会在数控机床精密加工和生产过程自动化方面发挥越来越重要的作用。 关键词： 数控机床，虚拟仪器，误差监控，几何误差，热误差，多体系统 i 基于虚拟仪器的数控机床误差监控技术研究及系统开 发 RESEARCH ON ERRORS MONITOR AND CONTROL TECHNIQUES FOR NC MACHINE TOOLS BASED ON VIRTUAL INSTRUMENT ABSTRACT The Computer Integrated Manufacturing System is a
4、main direction of manufacture information system development. Pursuing the high precise and efficient manufacture and the low cost productions impose higher demand upon the NC machine tools, which is dominant in the modern manufacturing. At present, the inspection, compensation and monitoring of the
5、 errors have already become the bottleneck question of machining especially that of precision machining 1. On the other hand, the virtual instrument technique inosculate the computer and instrument hardware whole organically by the software, so we can set up many kinds of measure and analyze the par
6、ameter identification methods of geometry errors and thermal errors deeply. 3. Discuss about the remote errors monitor and control system for NC machine tools and have a deeply analysis on the network communication methods on the LabVIEW software . 4. Introduced the development process of the errors
7、 monitor and control techniques for NC machine tools including the design ideas and procedure of the subroutine, and realized the error acquisition & analysis & remote monitor and control of NC machine tools. This research adopts LabVIEW as the software development platform for CNC system， make full
8、 use of computer abundant resources and functions to complete lots of error modeling ii 河北工业大学硕士学位论文 works, design the errors monitor and control technique for NC machine tools. The research is not only shorten the system development time greatly, but also increased the quantity of the products and
9、lowered the cost, so have the obviously economic benefits. I confirm believe that virtual instrument technique will play more and more important roles in the precision machining and production process automation of NC machine tools. KEY WORDS: NC machine tools, virtual instrument, errors monitor, ge
10、ometric errors, thermal errors, multi-body system iii 基于虚拟仪器的数控机床误差监控技术研究及系统开发 目 录 第一章 绪 论 . 1 1 -1 课题提出和意义 . 1 1 -2 国内外研究动态 . 2 1-2-1 虚拟仪器技术现状及发展 . 2 1-2-2 几何误差研究现状 . 3 1-2-3 热误差研究现状 . 3 1 -3 虚拟仪器介绍 . 4 1-3-1 虚拟仪器的概念及特点 . 4 1-3-2 课题采用 LabVIEW 作为开发平台的原因 . 5 1 -4 本学位论文的主要工作及总体结构 . 5 1-4-1 本论文的主要研究内容
11、. 5 1-4-2 论文总体结构 . 6 第二章 数控机床误差检测分析 . 7 2 -1 数控机床误差源及其误差特性分析 . 7 2-1-1 数控机床误差源分析 . 7 2-1-2 几何误差特性分析 . 7 2-1-3 热变形误差特性分析 . 8 2 -2 几何误差的检测 . 9 2-2-1 几何误差检测方法综述 . 9 2-2-2 双频激光干涉仪简介 . 10 2-2-3 双频激光干涉仪的使用 .11 2 -3 热误差的检测 . 12 2-3-1 温度传感器优化布置 . 12 2-3-2 热传感器的选择 . 14 2-3-3 温度采集系统硬 件组成及信号调理 . 15 2-3-4 热变形测量
12、中微位移传感器的选择 . 16 2-3-5 热变形的测定方法 . 16 2 -4 本章小结 . 17 第三章 数控机床误差参数辨识与建模 . 18 3 -1 数控机床几何误差参数辨识 . 18 3-1-1 加工中心几何误差参数辨识技术概述 . 18 3 -2 数控机床热误差参数辨识 . 24 3-2-1 RBF 神经网络法 . 24 3-2-2 利用 RBF 对测温点的优化 . 27 iv 河北工业大学硕士学位论文 3 -3 多体系统理论 (MBS)的基本方法简介 . 28 3-3-1 多体系统的拓扑结构 . 28 3-3-2 相邻体间的坐标变换矩阵 . 29 3-3-3 描述任意体上给定点的
13、实际位置 . 30 3 -4 基于 MBS 的数控机床综合误差建模 . 31 3-4-1 检测系统的拓扑结构及设立坐标系 . 31 3-4-2 综合误差模型的建立 . 32 3 -5 本章小结 . 34 第四章 本系统网络监控技术研究 . 35 4 -1 数控系统网络监控技术的发展现状 . 35 4 -2 网络计算处理模式 . 35 4-2-1 客户机 /服务器（ Client/Server）体系结构 . 35 4-2-2 浏览器 /服务器（ Browser/Server）体系结构 . 35 4 -3 LABVIEW 中的网络通信方式 . 36 4-3-1 TCP 与 UDP 通信 . 36
14、4-3-2 DataSocket 通信 . 36 4-3-3 VI Server 技术的网络控制 . 38 4-3-4 Remote Panels 技术 . 39 4 -4 本系统网络监控的策略 . 40 4 -5 本章小结 . 41 第五章 数控机床误差监控系统开发 . 42 5 -1 数控机床误差监控系统总体框架 . 42 5 -2 硬件设 备安装与调试 . 43 5-2-1 基于 LabVIEW 的数据采集系统组成 . 43 5-2-2 数据采集卡安装、设置和测试 . 43 5-2-3 信号调理设备的设置 . 46 5 -3 数控机床误差监控系统主程序设计 . 47 5-3-1 主程序前
15、面板设计 . 47 5-3-2 主程序的框图程序设计 . 48 5 -4 软件主要模块的设计 . 48 5-4-1 几何误差采集模块的设计 . 48 5-4-2 热敏点温度采集模块设计 . 50 5-4-3 几何误差辨识模块设计 . 52 5-4-4 热误差辨识模块设计 . 53 5-4-5 综合误差补偿模块设计 . 54 5-4-6 加工状态远程监控模块的设计 . 58 5 -5 本章小结 . 61 第六章 结论与展望 . 62 参考文献 . 63 v 基于虚拟仪器的数控机床误差监控技术研究及系统开发 致 谢 . 75 vi 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1 -1 课题提出和意义
16、 近年来，随着信息技术、计算机技 术、微电子技术等高新技术的飞速发展，制造业领域也相应发生了深刻的变化。计算机集成制造系统（ Computer Integrated Manufacturing System）是制造信息化发展的一个主要方向，整个制造生产过程实质就是信息的采集，传递和加工处理的过程。 生产过程自动化的飞速发展和精密加工的广泛应用，数控机床制造行业和以数控机床为载体的众多行业从自身出发，不约而同地对数控机床的精度和效率提出了更高的要求，从而，数控机床行业的未来发展趋势必然是：高速化、高效化和高精度化，这也是 21 世纪制造业的基 本要求。尤其是柔性制造系统（ Flexible Manufacturing System，简称 FMS）和柔性制造单元 (FMC)提出了机床加工过程中对各种误差的自动监控和自动补偿问题。 为了减小误差，解决精度和效率之间的矛盾，许多专业人士已经或正在进行大量的科学研究和实验。有的采用改造机床硬件来达到减小误差的目的，有的应用闭环或半闭环反馈装置
