数控机床热误差测量与补偿03版63页文档
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析。因此，要求检测系统必须能够采集同一时刻的温度和热变形数据， 热变形测量通道要求3个以上。 2.2.2 精度高，实时性强，检测速度快
在误差补偿技术研究中，机床温度是缓慢变化的，热变形量是微米
级，要分辨出缓慢变化温度的差异和微小的热变形，这要求检测系统具
有高的分辨率和检测精度。同时，为满足实时性要求，检测系统必须具 有较快的响应速度和采集速度。
数控机床热误差测量与补偿03版
幽默来自智慧，恶语来自无能
背景
随着科技的发展，数控机床重视，但是影响数控机床加工精 度的因素有很多，主要的加工精度越来越受到重视。机床误差可 以归结为四大类：数控机床主要机械结构的几何误差；加工过程 中的载荷误差；热变形误差；伺服系统误差。随着组成数控机床 自身的主要机械零部件制造精度的越来越高，使得几何误差对机 床精度的影响越来越小；而由于现代加工制造的特点，需要数控 机床长时间处于高速切削和快速进给的状态下工作，这样就会造 成机床床身和主要部件的快速升温，机床的各个部分产生不均匀 的温度场，使得机床在热应力的影响下发生热变形，产生热变形 误差。众多研究已经表明热误差已经成为影响数控机床加工精度 提高的极其关键因素，对于一些精密数控机床由于热误差引起的 加工误差约占总加工误差的40--70％左右，而对于一些超精密加 工机床而言，高的甚至可达到89％。因此如何有效的控制机床热 误差就显得十分重要。
2.2 对检测系统的要求 温度和热误差检测系统为整个热误差补偿技术提供数据基础，
系统的检测精度和自动化程度显得尤为重要。温度与热误差检测系 统必须满足如下要求：
2.2.1 能能同时采集温度、热位移量，且采样通道多 在数控机床热误差补偿技术研究中，特别是传感器优化布点与热误差
建模等问题研究中，必须同时采集多点的温度和热变形量进行相关性分
2.2.3 使用方便、灵活、功能丰富 由于检测系统的通道数较多，在实际检测时，要求能任意设定所要
通道并能随意设定采样频率和保存间隔时间。对所采集的数据，能够以 excel格式存储以便进行数据处理。还要求检测系统软件具有良好的界面， 使用方便。
基于上述要求，采用高精度数据采集卡和高速、高精度数字位移传
感器等构建温度与热误差检测硬件系统，并基于虚拟仪器Labview (Laboratory virtual instrument Engineering Workbench)平台开发了温度与 热误差检测软件系统。
2.3 温度与热误差检测系统原理 温度与热误差检测系统检测原理如下图所示．传感器将温度和热误差信
本系统铂电阻选用瑞典铱诺公司的热电阻 PT100 和温度变送器APAQ3HPT。规格：10mm*15mm 片状，可贴于机床表面；测温范围：0～100℃； 变送输出：4～20mA；标准精度：0.15%FS（即0.15℃）；电源：6.5～ 32VDC。
热位移检测元件选用电涡流传感器测量机床的热误差。电涡流传感器
能静态和动态地非接触、高线性度、高精度、高分辨率地测量被测金属导 体表面距探头的相对位移变化。
电涡流传感器的工作过程是：当被测物体与探头之间的距离发生变
化时，探头中线圈的品质因数（Q值）也发生变化，Q值的变化引起前置 器中振荡电压幅值的变化，该振荡电压经过检波、滤波、线性温漂补偿、
放大归一处理转化为电压（电流）的变化。值得注意的是：电涡流传感器
二热误差的测量系统
2.1 温度与误差检测技术概述 温度和热误差检测技术是热误差补偿技术的基础，通过检测深
入了解和分析机床热误差及其误差源，掌握热误差的的性质、产生 规律和对加工精度的影响，准确地测量机床的温度和热误差是进行 热误差建模和补偿的先决条件，很多研究人员已经在这个领域进行 了深入广泛的研究工作，开发出很多有效的温度和热误差检测方法。 温度的检测主要是通过接触式温度传感器粘贴在机床部件表面来测 量机床部件温度，温度传感器主要选用热电偶、铂电阻和数字温度 传感器等。热误差检测的方法主要有双圆盘法、单圆盘法、球杆法 等，这些都属于机床精度的间接测量法。直接测量法是对各种零件 进行加工试验，即通过测量加工零件的精度检验热误差。然而，这 种情况下，很多因素都影响试验的结果，如材料属性、冷却液和刀 具磨损等。
用电阻系数随温度的变化而变化的物理效应。
在0℃～660℃范围内，铂电阻的阻值与温度之间的关系可用下式表示
为：
R1=R0*（1+At+Bt2) 式中 R1 为温度为t ℃时的电阻值， R0 是温度为0℃时的电阻值，A、B 为 常数，A=3.94E-3/℃，B=-5.8E-7/( )2 °C 。目前工业上常用的铂电阻有三种， 其中0 R 值分别为50Ω、100Ω、1000Ω，相应的分度号为PT50、PT100、 PT1000。
的工作系统中被测物体要看作传感器系统中的一个重要部分，即一个涡电 流传感器的性能（主要是指灵敏度）与被测物体的材质有关。
本系统采用的涡电流传感器为基恩士EX-305V 型涡电流位移传感器如 图2.4 所示。测量范围：0～1.0mm；变送输出：0～5V；分辨率：0.4um； 线性：±0.3%FS；电源：24VDC。
PT100温度传感器
EX-305V型电涡流位移传感器
数据采集卡（Data Acquisition，DAQ）是指从传感器和其它 待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号， 送到上位机中进行分析、处理。数据采集卡可以结合基于计算机 或者其它专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自 定义的测量系统。通常，必须在信号接入采集卡之前调理传感器 信号，包括对其进行增益或衰减和隔离、放大、滤波等。
驱
动
Labview
程
程序
序
显示和保存 温度与热误差检测系统检测原理
2.4 系统硬件组成和信号调理电路 2.4.1 系统硬件组成 系统硬件主要由温度检测元件，位移检测元件和数据采集卡组成。
温度检测元件的选择要更根据机床表面温升范围和温度检测的精度
要求（≤0.15℃），本系统用铂电阻信号，经信号调理、滤波处理后转换成数据采集卡所要求
的电压信号，数据采集卡通过模数转换再将电压信号转换成计算机可接受 的数字量信号，通过在Labview 平台下开发的软件系统，实时显示和存储温 度和热误差数据。
传 感 器
信 号
调 理
滤 波 处 理
A / D
Buffer （FIFO）
PC机内存 Buffer
在误差补偿技术研究中，机床温度是缓慢变化的，热变形量是微米
级，要分辨出缓慢变化温度的差异和微小的热变形，这要求检测系统具
有高的分辨率和检测精度。同时，为满足实时性要求，检测系统必须具 有较快的响应速度和采集速度。
数控机床热误差测量与补偿03版
幽默来自智慧，恶语来自无能
背景
随着科技的发展，数控机床重视，但是影响数控机床加工精 度的因素有很多，主要的加工精度越来越受到重视。机床误差可 以归结为四大类：数控机床主要机械结构的几何误差；加工过程 中的载荷误差；热变形误差；伺服系统误差。随着组成数控机床 自身的主要机械零部件制造精度的越来越高，使得几何误差对机 床精度的影响越来越小；而由于现代加工制造的特点，需要数控 机床长时间处于高速切削和快速进给的状态下工作，这样就会造 成机床床身和主要部件的快速升温，机床的各个部分产生不均匀 的温度场，使得机床在热应力的影响下发生热变形，产生热变形 误差。众多研究已经表明热误差已经成为影响数控机床加工精度 提高的极其关键因素，对于一些精密数控机床由于热误差引起的 加工误差约占总加工误差的40--70％左右，而对于一些超精密加 工机床而言，高的甚至可达到89％。因此如何有效的控制机床热 误差就显得十分重要。
2.2 对检测系统的要求 温度和热误差检测系统为整个热误差补偿技术提供数据基础，
系统的检测精度和自动化程度显得尤为重要。温度与热误差检测系 统必须满足如下要求：
2.2.1 能能同时采集温度、热位移量，且采样通道多 在数控机床热误差补偿技术研究中，特别是传感器优化布点与热误差
建模等问题研究中，必须同时采集多点的温度和热变形量进行相关性分
2.2.3 使用方便、灵活、功能丰富 由于检测系统的通道数较多，在实际检测时，要求能任意设定所要
通道并能随意设定采样频率和保存间隔时间。对所采集的数据，能够以 excel格式存储以便进行数据处理。还要求检测系统软件具有良好的界面， 使用方便。
基于上述要求，采用高精度数据采集卡和高速、高精度数字位移传
感器等构建温度与热误差检测硬件系统，并基于虚拟仪器Labview (Laboratory virtual instrument Engineering Workbench)平台开发了温度与 热误差检测软件系统。
2.3 温度与热误差检测系统原理 温度与热误差检测系统检测原理如下图所示．传感器将温度和热误差信
本系统铂电阻选用瑞典铱诺公司的热电阻 PT100 和温度变送器APAQ3HPT。规格：10mm*15mm 片状，可贴于机床表面；测温范围：0～100℃； 变送输出：4～20mA；标准精度：0.15%FS（即0.15℃）；电源：6.5～ 32VDC。
热位移检测元件选用电涡流传感器测量机床的热误差。电涡流传感器
能静态和动态地非接触、高线性度、高精度、高分辨率地测量被测金属导 体表面距探头的相对位移变化。
电涡流传感器的工作过程是：当被测物体与探头之间的距离发生变
化时，探头中线圈的品质因数（Q值）也发生变化，Q值的变化引起前置 器中振荡电压幅值的变化，该振荡电压经过检波、滤波、线性温漂补偿、
放大归一处理转化为电压（电流）的变化。值得注意的是：电涡流传感器
二热误差的测量系统
2.1 温度与误差检测技术概述 温度和热误差检测技术是热误差补偿技术的基础，通过检测深
入了解和分析机床热误差及其误差源，掌握热误差的的性质、产生 规律和对加工精度的影响，准确地测量机床的温度和热误差是进行 热误差建模和补偿的先决条件，很多研究人员已经在这个领域进行 了深入广泛的研究工作，开发出很多有效的温度和热误差检测方法。 温度的检测主要是通过接触式温度传感器粘贴在机床部件表面来测 量机床部件温度，温度传感器主要选用热电偶、铂电阻和数字温度 传感器等。热误差检测的方法主要有双圆盘法、单圆盘法、球杆法 等，这些都属于机床精度的间接测量法。直接测量法是对各种零件 进行加工试验，即通过测量加工零件的精度检验热误差。然而，这 种情况下，很多因素都影响试验的结果，如材料属性、冷却液和刀 具磨损等。
用电阻系数随温度的变化而变化的物理效应。
在0℃～660℃范围内，铂电阻的阻值与温度之间的关系可用下式表示
为：
R1=R0*（1+At+Bt2) 式中 R1 为温度为t ℃时的电阻值， R0 是温度为0℃时的电阻值，A、B 为 常数，A=3.94E-3/℃，B=-5.8E-7/( )2 °C 。目前工业上常用的铂电阻有三种， 其中0 R 值分别为50Ω、100Ω、1000Ω，相应的分度号为PT50、PT100、 PT1000。
的工作系统中被测物体要看作传感器系统中的一个重要部分，即一个涡电 流传感器的性能（主要是指灵敏度）与被测物体的材质有关。
本系统采用的涡电流传感器为基恩士EX-305V 型涡电流位移传感器如 图2.4 所示。测量范围：0～1.0mm；变送输出：0～5V；分辨率：0.4um； 线性：±0.3%FS；电源：24VDC。
PT100温度传感器
EX-305V型电涡流位移传感器
数据采集卡（Data Acquisition，DAQ）是指从传感器和其它 待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号， 送到上位机中进行分析、处理。数据采集卡可以结合基于计算机 或者其它专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自 定义的测量系统。通常，必须在信号接入采集卡之前调理传感器 信号，包括对其进行增益或衰减和隔离、放大、滤波等。
驱
动
Labview
程
程序
序
显示和保存 温度与热误差检测系统检测原理
2.4 系统硬件组成和信号调理电路 2.4.1 系统硬件组成 系统硬件主要由温度检测元件，位移检测元件和数据采集卡组成。
温度检测元件的选择要更根据机床表面温升范围和温度检测的精度
要求（≤0.15℃），本系统用铂电阻信号，经信号调理、滤波处理后转换成数据采集卡所要求
的电压信号，数据采集卡通过模数转换再将电压信号转换成计算机可接受 的数字量信号，通过在Labview 平台下开发的软件系统，实时显示和存储温 度和热误差数据。
传 感 器
信 号
调 理
滤 波 处 理
A / D
Buffer （FIFO）
PC机内存 Buffer