鄭克非

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)加工的使用過程中，由于其本身在制造、安裝時(shí)的誤差和主軸運(yùn)動(dòng)控制不精確以及刀具、床身熱變形等因素，會(huì)產(chǎn)生加工過程中的加工誤差［1］。研究表明，刀具、床身熱變形等因素產(chǎn)生的熱誤差是數(shù)控機(jī)床最大的誤差源，約占機(jī)床總誤差的40%～70%［2］。因此如何降低機(jī)床加工過程中的熱誤差，是提高加工精度的關(guān)鍵問題。降低機(jī)床熱誤差的主要方法是對(duì)機(jī)床熱誤差進(jìn)行建模補(bǔ)償［3］。首要的是對(duì)機(jī)床的熱誤差進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量并建立相應(yīng)的熱誤差模型。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)存的大量數(shù)控機(jī)床都不具備熱誤差檢測(cè)及聯(lián)網(wǎng)功能，需要人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱誤差測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)熱誤差建模，這樣對(duì)于大規(guī)模的機(jī)床使用廠家來說效率較低。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于無線傳輸?shù)臄?shù)控機(jī)床熱誤差采集與建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了機(jī)床溫度場(chǎng)的測(cè)量以及熱形變量的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)獲取多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的熱誤差并實(shí)時(shí)在上位機(jī)建立模型，極大提高了熱誤差測(cè)量效率。通過在機(jī)床上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床熱誤差采集與建模系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：數(shù)控機(jī)床熱誤差采集模塊和上位機(jī)自動(dòng)監(jiān)控建模模塊。這兩部分的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱誤差采集與建模系統(tǒng)組成圖

數(shù)控機(jī)床熱誤差采集模塊采用Lepton紅外熱像儀采集機(jī)床的溫度數(shù)據(jù)，采用在線檢測(cè)裝置從機(jī)床讀取坐標(biāo)值，通過STM32單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理并通過ATK-ESP8266無線傳輸模塊連接至無線局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)自動(dòng)監(jiān)控。建模軟件采用LabView編程，能夠自動(dòng)接收多臺(tái)熱誤差采集模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的溫度與熱誤差值，并通過所采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)建立熱誤差模型。

2 熱誤差采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床熱誤差采集系統(tǒng)主要包括紅外熱像儀測(cè)溫模塊，在線檢測(cè)坐標(biāo)讀取模塊，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)，以及為上述各個(gè)電路供電的電源模塊。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊負(fù)責(zé)給電路中的各個(gè)模塊提供電源供應(yīng)，其中STM32單片機(jī)與ATK-ESP8266無線傳輸模塊采用3.3V電壓供電，紅外熱像儀模塊采用2.8V與1.2V電壓供電，由機(jī)床獲取的電壓為24V。因此采用DC-DC電源芯片MP2303將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓，再使用XC6206P33電源穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成3.3V給單片機(jī)和無線模塊供電。通過AMS1117-1.2和LP5907-2.8線性穩(wěn)壓電源提供1.2V與2.8V電壓給紅外熱像儀供電。電源模塊電路如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

2.2 紅外熱像儀測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)

紅外熱像儀測(cè)溫模塊由熱像儀芯片和啟動(dòng)電路構(gòu)成。紅外熱成像技術(shù)是紅外熱像儀芯片所采用的核心技術(shù)，其主要原理是測(cè)量被測(cè)物體發(fā)射出的紅外熱輻射，將其轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，再進(jìn)行一定的圖像處理，便可輸出被測(cè)物體的紅外熱輻射圖像［4］。

本文選擇了美國(guó)FLIR公司的Lepton紅外熱像儀作為數(shù)控機(jī)床熱誤差采集系統(tǒng)的溫度采集設(shè)備。該產(chǎn)品成像效果好，價(jià)格低廉，便于進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用［5］。FLIR-Lepton熱像儀的輸出像素格式為60×80 P，熱靈敏度<0.05℃，成像速度<0.5 ms，功耗<160 mW。其組成架構(gòu)如圖3所示。

圖3 FLIR-Lepton熱像儀組成架構(gòu)圖

FLIR-Lepton熱像儀的工作原理為：焦平面陣列測(cè)量到被測(cè)物體的紅外輻射后，對(duì)應(yīng)的熱敏電阻器阻值會(huì)發(fā)生變化。內(nèi)部片上系統(tǒng)通過對(duì)熱探測(cè)器施加一個(gè)偏置電壓，并對(duì)電阻上產(chǎn)生的偏置電流進(jìn)行一定時(shí)間的積分運(yùn)算，即能得到各個(gè)電阻的阻值，從而得出被測(cè)物體的溫度。片上系統(tǒng)能夠讀取用戶設(shè)定的參數(shù)并輸出特定格式的數(shù)據(jù)。

FLIR-Lepton熱像儀的輸出需要經(jīng)過包括非均勻性校正（NUC），缺陷替換，空間/時(shí)間濾波，自動(dòng)增益校正（AGC），著色等模塊，部分模塊可通過CCI通信設(shè)置。圖像的輸出方式如圖4所示。

圖4 FLIR-Lepton熱像儀圖像輸出方式

CCI配置用于在熱像儀進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)發(fā)送前配置熱像儀內(nèi)部各個(gè)模塊的功能。CCI的主要配置選項(xiàng)有開關(guān)AGC模式、定時(shí)讀取焦平面陣列溫度、定時(shí)啟動(dòng)平場(chǎng)校正。CCI通信的建立，需要對(duì)熱像儀內(nèi)部的寄存器進(jìn)行讀寫操作。MCU和熱像儀之間的CCI通信的流程如圖5所示。

圖5 CCI通信流程圖

SPI通信用于獲取熱像儀的輸出數(shù)據(jù)。FLIR-Lepton熱像儀對(duì)主機(jī)SPI的時(shí)鐘頻率要求為2.2MHz~20MHz，而STM32可提供的SPI最大工作頻率達(dá)到36MHz，足夠滿足圖像數(shù)據(jù)的傳輸需求。FLIR-Lepton熱像儀采取的是掃描式的成像方式，溫度圖像數(shù)據(jù)從焦平面陣列中逐行輸出。因此，利用SPI通信方式讀取數(shù)據(jù)時(shí)也是逐行讀取，即完整的一幀紅外圖像需要60次讀取。

MCU通過SPI發(fā)送任意一個(gè)數(shù)據(jù)即開始數(shù)據(jù)傳輸過程。時(shí)鐘同步完成后熱像儀即發(fā)送可用紅外圖像數(shù)據(jù)給MCU。紅外熱像儀發(fā)送的數(shù)據(jù)每3幀相同，每秒共發(fā)送27幀數(shù)據(jù)。完整的嵌入式程序的運(yùn)行步驟如圖6所示。

圖6 MCU讀取熱像儀數(shù)據(jù)流程圖

紅外熱像儀的啟動(dòng)電路包括其電源電路和時(shí)鐘電路。熱像儀的啟動(dòng)，可按照“上電—復(fù)位—延時(shí)—運(yùn)行”的順序進(jìn)行。具體過程如圖7所示。

圖7 熱像儀啟動(dòng)流程

根據(jù)上述內(nèi)容，Lepton的啟動(dòng)電路如圖8所示。

圖8 熱像儀啟動(dòng)電路圖

X1為25MHz有源晶振，為L(zhǎng)epton提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。PWR_DWN_L引腳接入VCC2.8，使其一直保持在高電平狀態(tài)，防止熱像儀關(guān)機(jī)。R5和C13構(gòu)成RESET_L的延時(shí)復(fù)位電路。當(dāng)電源接通時(shí)，由于C13兩側(cè)的電壓不能突變，其左右側(cè)電壓相同且接近GND的電壓，則RESET_L的電壓起初為低電平。由于VCC2.8持續(xù)通過R5對(duì)C13進(jìn)行充電，C13的電位逐漸由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。調(diào)節(jié)R5、C13的值，使其時(shí)間常數(shù)大于5000個(gè)時(shí)鐘周期（0.2ms），即可滿足“上電—復(fù)位—延時(shí)—運(yùn)行”的順序的需求，即實(shí)現(xiàn)從“關(guān)閉”狀態(tài)到“未初始化”狀態(tài)再到“運(yùn)行”狀態(tài)。

2.3 在線檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床熱誤差采集通過在線檢測(cè)測(cè)頭獲取機(jī)床主軸的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在線檢測(cè)測(cè)頭在觸碰到機(jī)床工作臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)接受到觸發(fā)信號(hào)后將當(dāng)前主軸坐標(biāo)通過數(shù)控機(jī)床擴(kuò)展IO接口發(fā)送至MCU，實(shí)現(xiàn)讀取主軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)的目的。本文選用哈爾濱先鋒機(jī)電生產(chǎn)的OPS-20加工中心用在線測(cè)量系統(tǒng)，并在機(jī)床工作臺(tái)上固定標(biāo)準(zhǔn)量塊來實(shí)現(xiàn)主軸熱誤差偏移量的測(cè)量。數(shù)控機(jī)床通過16個(gè)擴(kuò)展IO口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，其中1個(gè)IO口發(fā)送在線檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)，3個(gè)IO口用來區(qū)別XYZ三軸坐標(biāo)，12個(gè)IO口用來發(fā)送主軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)。由于數(shù)控機(jī)床擴(kuò)展IO邏輯電平為24V而單片機(jī)IO口邏輯電平為3.3V，因此需要通過電平匹配裝置進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這里本文采用常見的TLP620光耦作為不同電平之間的隔離轉(zhuǎn)換器件。TLP620光耦是常用的光電耦合器件，它能夠?qū)η昂蠹?jí)電路進(jìn)行電氣隔離，使其不會(huì)相互干擾。采用TLP620光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可以通過光電隔離屏蔽機(jī)床電路中的干擾信號(hào)，完成電平匹配。

2.4 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無線傳輸功能由ATK-ESP8266無線模塊與上位機(jī)組成局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)［6］。ATK-ESP8266采用LVTTL串口與MCU通信，支持串口轉(zhuǎn)STA、串口轉(zhuǎn)AP和STA+AP模式，從而快速搭建串口-無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案。ATK-ESP8266能夠?qū)鹘y(tǒng)的串口傳輸協(xié)議通過內(nèi)建的TCP/IP協(xié)議棧轉(zhuǎn)換為WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸，也能進(jìn)一步通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)TCP/IP協(xié)議的通信應(yīng)用。熱誤差采集系統(tǒng)在采集到溫度數(shù)據(jù)和主軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，通過無線傳輸模塊連接至上位機(jī)所在的局域網(wǎng)，采用TCP/IP技術(shù)與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接，通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中。無線傳輸模塊的電路如圖9所示。

圖9 無線傳輸模塊電路圖

2.5 單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)主控芯片負(fù)責(zé)為熱像儀提供CCI、SPI信號(hào)，采集熱像儀獲得的溫度數(shù)據(jù)和在線檢測(cè)裝置所獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)臨時(shí)儲(chǔ)存在擴(kuò)展SRAM中，通過無線傳輸模塊發(fā)送給上位機(jī)。

為此本文采用STM32F103ZET6芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片，STM32F103ZET6芯片是一款功能強(qiáng)大的MCU，它具有3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè)FSMC接口、64KB的SRAM以及112個(gè)通用IO口，可滿足熱誤差采集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集和傳輸需要。Lepton紅外熱像儀的分辨率為60×80，每個(gè)像素大小為16bit，即一幀圖像的數(shù)據(jù)量能夠達(dá)到9.6KB。如果將全部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在STM32的SRAM中很可能造成SRAM儲(chǔ)存空間不足，因此需要對(duì)SRAM進(jìn)行擴(kuò)展。本文采用容量為1M字節(jié)的IS62WV51216芯片作為SRAM的擴(kuò)展芯片。其功耗低、讀寫速度快、和TTL電平兼容，適合作為熱像儀圖像數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存芯片。IS62WV 51216芯片通過FSMC方式與STM32相連接，是STM32采用的一種存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)，可靈活地和SRAM、NOR FLASH、NAND FLASH等存儲(chǔ)器進(jìn)行對(duì)接。除了擴(kuò)展SRAM電路外，主控模塊還由復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，下載電路等電路組成。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床熱誤差上位機(jī)自動(dòng)監(jiān)控與建模軟件采用LabView軟件編寫，其主要功能是接收熱誤差采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，將其實(shí)時(shí)保存并顯示在前面板上，在采集完成后自動(dòng)進(jìn)行建模。上位機(jī)軟件主要分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，數(shù)據(jù)處理模塊。

數(shù)據(jù)接收模塊采用TCP協(xié)議與下位機(jī)通信。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。使用LabVIEW基于TCP協(xié)議編寫通信軟件時(shí)，其整個(gè)傳輸過程如下：服務(wù)器通過主機(jī)名或者IP地址與端口號(hào)，建立偵聽，等待客戶端連接；客戶端根據(jù)主機(jī)的IP地址和端口號(hào)發(fā)出連接請(qǐng)求；建立連接后，通過讀寫函數(shù)進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)通信；最后關(guān)閉連接。

數(shù)據(jù)顯示模塊采用二維圖標(biāo)顯示主軸位移量，采用強(qiáng)度圖表顯示紅外熱像儀所采集的灰度圖像。由于灰度圖采用對(duì)比度深淺來表征溫度，顯示效果不夠直觀，因此將其轉(zhuǎn)化為偽彩圖。偽彩色通過不同顏色表征不同溫度，能夠直觀的反應(yīng)出機(jī)床溫度場(chǎng)的變化。

數(shù)據(jù)處理模塊能夠?qū)⑺杉降臏囟扰c位移數(shù)據(jù)保存為電子表格等形式的文件，并且在采集結(jié)束后能夠調(diào)用MATLAB腳本，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)建立熱誤差模型，得出相應(yīng)的模型參數(shù)。

數(shù)控機(jī)床熱誤差上位機(jī)自動(dòng)監(jiān)控與建模軟件如圖10所示。

圖10 上位機(jī)自動(dòng)建模軟件前面板

4 數(shù)控機(jī)床熱誤差建模

多元線性回歸是常見的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法之一，這種模型簡(jiǎn)單易懂，容易建立。它的基本原理是用統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律建立起的多自變量單因變量數(shù)學(xué)模型。若因變量Y和M個(gè)自變量x1，x2，…，xM的內(nèi)在聯(lián)系是線性的，通過實(shí)驗(yàn)獲得了N組數(shù)據(jù)：

則有：

式（1）中，β1，β2，…，βM是M+1個(gè)待估參數(shù)，x1，x2，…，xM是M個(gè)可知變量，ε1，ε2，…，εN是N個(gè)隨機(jī)變量。

若令：

則多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型式就可以寫成矩陣形式：Y=Xβ+ε

式（2）中，ε是N維隨機(jī)向量，它的分量是相互獨(dú)立的。

采用多元線性回歸對(duì)所采集的數(shù)控機(jī)床單點(diǎn)熱誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過模糊聚類與灰色關(guān)聯(lián)結(jié)合的方式從機(jī)床溫度場(chǎng)圖像中找出溫度敏感點(diǎn)，然后通過以溫度為模型輸入自變量X，以機(jī)床單點(diǎn)熱變形為因變量Y進(jìn)行建模。這樣能夠提高所建立模型的精度，并減小過多溫度測(cè)量點(diǎn)帶來的自變量之間共線性干擾產(chǎn)生的誤差。利用最小二乘法求解模型參數(shù)，即：

通過在Leaderway-V450型數(shù)控加工中心上進(jìn)行采集實(shí)驗(yàn)并建立模型，所采集的熱變形量與熱誤差模型計(jì)算的補(bǔ)償值如圖11所示。

圖11 數(shù)控機(jī)床熱誤差建模擬合效果圖

由圖11中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，建模補(bǔ)償前機(jī)床運(yùn)行70分鐘所產(chǎn)生的熱誤差值＞25μm，經(jīng)過建模補(bǔ)償后的熱誤差值＜±5μm。由此可以說明本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床熱誤差采集與建模系統(tǒng)能夠成功采集并計(jì)算出熱誤差模型，所得出的模型應(yīng)用在機(jī)床熱誤差補(bǔ)償上能夠得到較為良好的擬合效果。

5 總結(jié)

本文介紹了一種基于無線傳輸?shù)臄?shù)控機(jī)床熱誤差采集與建模系統(tǒng)，采用紅外熱像儀和在線檢測(cè)裝置采集機(jī)床的溫度和熱誤差數(shù)據(jù)。它能夠?qū)崟r(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行讀取、顯示和保存。上位機(jī)能夠同時(shí)讀取多個(gè)設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，并自動(dòng)進(jìn)行處理。采集完成后上位機(jī)軟件能夠自動(dòng)根據(jù)所選參數(shù)進(jìn)行熱誤差建模。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠正常工作，采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，顯示效果直觀，所建立的模型與實(shí)測(cè)值較為符合，能夠?yàn)閿?shù)控機(jī)床熱誤差采集的工程應(yīng)用提供一種新的思路。