【正文】 參考文獻[1] 林偉青，傅建中. 數(shù)控機床熱誤差建模中的溫度傳感器優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，2007，24（3）.[2] 錢華方. 數(shù)控機床溫度傳感器優(yōu)化布置及新型測溫系統(tǒng)的研究[D]. 浙江：浙江大學(xué)，2006.[3] 閆守紅，馬術(shù)文，閆開印，丁國富，謝偉，[J].機械,2006,5(33).[4] 詹友基，[J].機電技術(shù)，2004，2.[5] 魯遠棟,徐中行,劉立新,馬術(shù)文,閏守紅. 數(shù)控機床熱變形誤差補償技術(shù)[J].機床與液壓，2007，2（35）.[6] 王選民. 智能儀器原理及設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008:32～51.[7] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2005:413～430.[8] 白駒行，[M].高等教育出版社，2004:130～152.[9] 閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2004:524～545.[10] 豈興明，周建興，矯津毅．[M].北京:人民郵電出版社，2008:215～230.[11] 關(guān)德新,馮文全. 單片機外圍器件實用手冊－電源器件分冊[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 199802.[12] 金發(fā)慶. 傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京機械工業(yè)出版社, 2002, 12（24）：8656.[13] 譚浩強. C程序的設(shè)計[M]. 清華大學(xué)出版社, 2001.[14] 陽江源，王福吉，王威，賈振元，張雪. 基于LabVIEW的數(shù)控機床多通道溫度測量系統(tǒng)[J]. 控制與檢測，2010，12.[15] Jianguo Yang, Jingxia Yuan，Jun Ni. Thermal error mode analysis and robust modeling for error pensation on a CNC turning center[J].International Journal of Machine Tools amp。生活中我們互相幫助和鼓勵，生活中過得快樂和充實。最后，要感謝大學(xué)四年來各位同學(xué)和朋友們的幫助。設(shè)計從電路設(shè)計到論文的完成都是在黃教授的虛心指導(dǎo)下完成的，在這過程中黃教授給了許多寶貴的建議，掌握了許多學(xué)習(xí)的方法和解決問題的技巧。其次，要特別感謝指導(dǎo)老師黃教授在設(shè)計的整個過程中給我了我巨大的幫助。感謝四年來所有老師的悉心教誨，不僅專業(yè)知識與日俱增，而且學(xué)會許多做人的道理。在設(shè)計過程中得到了許多老師和同學(xué)的幫助，要感謝的人很多。故設(shè)計在提高數(shù)控數(shù)控機床加工精度在未來有廣泛的應(yīng)用前景。 前景展望數(shù)控機床熱誤差補償技術(shù)在提高數(shù)控機床的加工精度方面顯示出很大的優(yōu)越性，與通過改進數(shù)控機床結(jié)構(gòu)來提高加工精度相比，不僅成本更低，操作簡單，也更容易普遍應(yīng)用。其次，上位機增加了溫度上限報警功能和數(shù)據(jù)采集速率設(shè)置功能，增加報警功能有助于對數(shù)控機床進行超溫預(yù)警，而數(shù)據(jù)采集速率則能夠根據(jù)實際情況對數(shù)控機床進行采集速率的設(shè)定，便于數(shù)據(jù)的觀察。 功能擴展設(shè)計在進行溫度的采集和熱誤差補償計算時，還對整個設(shè)計進行了功能擴展。設(shè)計溫度測量結(jié)果準確，測量誤差小，℃的要求，溫度測量范圍為0～50℃,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和熱誤差的計算。在進行溫度測量時，只要正確設(shè)置好串口的各參數(shù)、報警溫度上限、數(shù)據(jù)采集速率和數(shù)據(jù)存儲路徑，然后再運行上位機和下位機就可以實現(xiàn)測量溫度的顯示和熱誤差補償值的顯示等功能。最終實現(xiàn)下位機顯示四路溫度值，上位機顯示四路溫度值及四路溫度隨時間變化的波形圖表和強度圖表，同時進行數(shù)據(jù)存儲和報警功能等。還有在下位進行4路溫度的顯示時，顯示的溫度數(shù)據(jù)變動太快，通過使用定時器定時一定的時間再對LCD進行數(shù)據(jù)的更新，保證了數(shù)據(jù)顯示更穩(wěn)定。在對整個設(shè)計經(jīng)過調(diào)試之后，確保整個設(shè)計的功能基本善完之后，需要對設(shè)計進行整體的優(yōu)化。最后，終于解決了這個大難題，在上位機編寫過程中還遇到了數(shù)據(jù)存儲問題、波形顯示及溫度強度圖顯示等問題，都需要耐心的去鉆研，找到解決問題的方法。其中在上位機的編寫過程中遇到一個重要的難題是如何區(qū)分串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)分別是與那一個通道相對應(yīng)的。上位機采用LABVIEW進行編寫，而以前對LABVIEW軟件使用并不是很熟悉，需要對該軟件進行更加深入的學(xué)習(xí)。這樣不僅可以很快發(fā)現(xiàn)問題的所在，也可以提高電路板調(diào)試的效率。在電路的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)LCD不能正常顯示，首先通過檢查硬件電路，發(fā)現(xiàn)沒有問題，然后再排除程序錯誤的可能，最后發(fā)現(xiàn)是LCD對比度太低而不能顯示，通過調(diào)節(jié)滑動變阻調(diào)整其對比度之后就可以正常顯示。首先，硬件電路的調(diào)試。 軟硬件調(diào)試綜述 在進行軟件和硬件的調(diào)試時，會遇到許多實際的問題，在進行調(diào)試時，要握調(diào)試的方法和技巧。從A/D采集到的壓開始到計算出溫度值都是在單片機中實現(xiàn)的，在這過程中都需經(jīng)過很多的數(shù)據(jù)處理，而軟件對數(shù)據(jù)處理的精度也一定的限制，只能處理一定精度的數(shù)據(jù)，超過軟件所能表達的精度時會自動將最低位或最高位舍去。這樣也會使計算得到的溫度產(chǎn)生誤差。電源不穩(wěn)定產(chǎn)生的A/D轉(zhuǎn)換誤差。在求解溫度的過程中，需要用到傳感器經(jīng)放大電路后輸出電壓及放大電路的放大倍數(shù)。其中數(shù)據(jù)記錄如表65所示。圖66 下位機LCD1602溫度顯示 誤差計算及分析（1）誤差計算將溫度傳感器進行標定之后，需要對測量的溫度進行誤差計算和測量誤差分析。在程序運行時點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，其讀取的歷史數(shù)據(jù)界面顯示如圖65所示。圖63 上位機實時數(shù)據(jù)顯示界面采集溫度數(shù)據(jù)時還需要對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行存儲，點擊上位機中的數(shù)據(jù)存儲路徑可以選擇數(shù)據(jù)存儲的路徑，可將溫度數(shù)據(jù)以TXT或者XLS的格式存儲，如圖64所示為在采集過程中溫度數(shù)據(jù)存儲文件。強度圖表下面顯示的是采集到的4通道溫度數(shù)據(jù)，同時也顯示出采集數(shù)據(jù)的時間。上位機的實時數(shù)據(jù)采集界面如圖63所示，用手觸摸1通道溫度傳感器，則通道1的實時曲線也會隨著溫度的改變而改變。在進行數(shù)據(jù)采集時將串口的相關(guān)參數(shù)設(shè)置好之后，再設(shè)置報警溫度上限為40℃，數(shù)據(jù)采集時間間隔為500ms。為所測溫度,單位為℃。下面分別計算出平均直線斜率k和截距d。圖中可以看出各 圖62 傳感器實際輸出電壓隨溫度度變化的趨勢曲線通道的傳感器輸出電壓與溫度的趨勢直線與理論直線近似相等。圖61 四路溫度傳感器實際輸出電壓與溫度關(guān)系曲線為了觀察溫度傳感器輸出電壓隨溫度變化的趨勢直線，并將趨勢直線與理論直線對比。表6表6表63和表64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。在標定過程中將溫度傳感器DS18B20測量的溫度作為標準溫度。 數(shù)據(jù)測量及誤差分析 溫度傳感器標定溫度傳感器TC1047理論上是0℃時為100mV,40℃時為900mV，但在實際中，理論與實際是有一定的差距的，為了使測量的數(shù)據(jù)更加的準確，需要對4路溫度傳感器進行標定。在上位機上設(shè)定好各種參數(shù)之后，開始數(shù)據(jù)采集，首先驗證上位機上顯示的溫度值是否與下位LCD顯示的溫度值一致，然后逐一測試溫度波形曲線、溫度強度圖表、數(shù)據(jù)顯示和存儲等是否正確。在發(fā)送4路數(shù)字量時，要注意數(shù)據(jù)要以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送，即按順序發(fā)送兩個數(shù)據(jù)幀幀頭0x31和0x32，接著發(fā)送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這4個字節(jié)為A/D采集到的4路數(shù)字量，最后再發(fā)送0x31作為一幀數(shù)據(jù)的幀尾。將以上測試LCD顯示、A/D轉(zhuǎn)換和串口通信等測試程序整合起來，結(jié)合上位機一起來測試整個設(shè)計的運行結(jié)果。若不能接收到數(shù)據(jù)，則檢查上位機串口接收程序，若可以接收到數(shù)據(jù)，則可以進一步對上位機是否可以正常處理數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)等功能進行測試。在上位機的人機交互界面上選擇串口號、設(shè)定串口的相關(guān)參數(shù)、采集速率和報警溫度上限等設(shè)置。 上位機串口通信測試 測試上位機能否接收數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理和顯示。將已編寫好的串口通信測試程序下載到單片機中，剛開始先不使用自己編寫的上位機與下位機進行測試，而是使用串口調(diào)試助手軟件與下位機進行通信，這樣就可以排除自己編寫上位機出錯的可能。 下位機串口通信測試 測試串口通信電路能否進行正常發(fā)送數(shù)據(jù)。為了確保A/D采集到的數(shù)據(jù)是正確的，用萬用表測量各通道放大電路的電壓輸出與A/D采集到的電壓是否一致，若一致則說明A/D可以正常采集數(shù)據(jù)。將各通道采集到的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為電壓之后送到LCD上顯示，并通過用手握住溫度傳感器來改變溫度傳感器的電壓輸出來觀察A/D是否能采集到電壓。 A/D轉(zhuǎn)換測試測試A/D轉(zhuǎn)換電路是否能正常采集數(shù)據(jù)。將4路溫度傳感器接入電路中，溫度傳感器將輸出一個電壓作為放大電路的輸入。最后發(fā)現(xiàn)是LCD的對比度太低，通過調(diào)節(jié)滑滑動變阻器來調(diào)節(jié)LCD的對比度之后，LCD就可以正常顯示數(shù)據(jù)。電源測試好之后，將卸下的元件裝回電路板上，接著將LCD顯示測試程序下載到單片機中，觀察發(fā)現(xiàn)LCD不能顯示，仔細檢察程序之后，確保了程序是正確的。在電源測試時，分別測量各三端穩(wěn)壓芯片的輸入和輸出電壓是否在預(yù)期的范圍內(nèi)，若不是則應(yīng)立即拔掉電源插頭，檢查電路，再進行測試，直到能正常輸出穩(wěn)定的正負12V和正負5V電壓。 硬件調(diào)試及軟件驗證 電源電路測試為了防止電源出現(xiàn)問題因電壓過大燒壞元器件，在進行電源測試之前先將除電源外的其它芯片卸下。在程序的調(diào)試過程中要分步進行調(diào)試，先把每個模塊分別測試好，再將所有的模塊組合起來一起測試。（5）電路板打完孔后，就是焊接。插孔過大過小都會影響到電路的焊接。在腐蝕過程中要注意掌握時間，時間不能夠太長，最后將腐蝕好的電路板清洗干凈。（3）查看覆銅板上使用熨斗燙印的連線是否有脫落或者斷掉的情況出現(xiàn)，如果存在小范圍的這種情況，可以使用油性筆進行描繪補齊斷線和脫落塊，如果存在大范圍的脫落時，需要將銅板沖洗干凈，重新燙印一次電路。（2）PCB圖檢查完畢后，將PCB圖打印出來，因為制作的PCB為雙面板，所以需要注意將PCB的頂層和底層進行進行對孔，并訂裝好。在制作雙面板時應(yīng)該選擇手動布線，在布要注意適當(dāng)?shù)奶砑舆^孔，方便以后電路板的焊接。同理，上位機串接收數(shù)據(jù)的仿真也可以通過這兩個虛擬串口進行仿真。串口仿真結(jié)果如圖54所示，在仿真程序中串口發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)一共有7個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀幀頭為0x31和0x32，數(shù)據(jù)幀幀尾為圖53 仿真串口參數(shù)設(shè)置0x33,幀頭和幀尾之間的數(shù)據(jù)為A/D采集到的數(shù)據(jù)。設(shè)置好這些參數(shù)之后，還需要打開串口調(diào)試助手，串口調(diào)試助手的設(shè)置除了串口號選擇COM2不同外，其它設(shè)置必須與與Proteus中串口的設(shè)置一致。在進行串口通信仿真時，首先需要安裝一個虛擬串口軟件VSPD XP 5，安裝成功后打開如圖51 硬件電路仿真原理圖圖52所示，會虛擬出兩個串口COM1和COM2，通過這兩個虛擬串口，就可以實現(xiàn)串口通信的仿真。仿真時另外三路放大器的電壓輸出用三個滑動變阻器來模擬溫度傳感器經(jīng)放大后的電壓輸出。設(shè)計仿真主要使用Proteus仿真軟件和虛擬串口軟件。在報警程序中實現(xiàn)報警聲的輸出及報警指示燈每隔200毫秒紅綠燈進行交替閃爍，當(dāng)4路溫度值都與設(shè)定的溫度值低時，則條件結(jié)構(gòu)判斷為假，則報警程序不執(zhí)行，這樣就可以實現(xiàn)報警功能。其中，溫度報警程序如圖413所示。為了方便數(shù)據(jù)的分析，人機交互界面專門有一個是用來讀取歷史數(shù)據(jù)的，其程序設(shè)計如圖412所示。讀取文本文件是用于讀取存儲的歷史數(shù)據(jù)，如圖411所示。 數(shù)據(jù)的存儲和讀取數(shù)據(jù)的存儲和讀取主要是通過寫入文本文件和讀取文本文件這兩個節(jié)點來完成。圖表處理新數(shù)據(jù)時，新數(shù)據(jù)出現(xiàn)在舊數(shù)據(jù)的右邊。由于強度圖表將顏色作為第三個維度，因此一個類似于顏色梯度控件的標尺可定義強度圖表的范圍和數(shù)值到顏色的映射。在設(shè)計中需要向波形圖表傳送多條曲線的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)捆綁為一個標量數(shù)值簇，其中每一個數(shù)值代表各條曲線上的單個數(shù)據(jù)點，這樣就可以在波形圖表上同時顯示多條實時溫度曲線。波形圖表會保留來源于此前更新的歷史數(shù)據(jù)，又稱緩沖區(qū)。如圖49所示為波形圖表和強度圖表。圖47 公式節(jié)點數(shù)據(jù)幀解碼 數(shù)據(jù)處理和顯示將數(shù)據(jù)幀解碼得到的4路數(shù)據(jù)計算出電壓值，再通過電壓值計算出相應(yīng)的溫度值，并通過溫度值計算出熱誤差，數(shù)據(jù)處理子VI如圖48所示。首先對數(shù)組的第一個元素進行查找，在數(shù)組長度范圍內(nèi)，若找到兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)幀幀頭，并且數(shù)組的下標加4后的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)幀的幀尾，則數(shù)組幀頭和幀尾之間的四個字節(jié)即為下位機發(fā)送的4路采集到的數(shù)據(jù)，4個字節(jié)數(shù)據(jù)的通道分別與下位機發(fā)送時的通道相對應(yīng)。公式節(jié)點可以進行參數(shù)的輸入和輸出，參數(shù)的傳遞通過輸入變量和輸出變量來傳遞。在程序設(shè)計中通過編寫數(shù)據(jù)幀解析子VI來供主程序調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)幀解析程序采用公式節(jié)點來設(shè)計。下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包括3個部分，包括2個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀頭、4個字節(jié)的數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀尾。圖46 串口數(shù)據(jù)讀取部分程序 串口數(shù)據(jù)幀解碼正位機發(fā)送來的采集到的4路數(shù)據(jù)，在讀取串口的數(shù)據(jù)之后并不知道接收到的數(shù)據(jù)是屬于那一路的，需要將各路的數(shù)據(jù)區(qū)分開來，再進行數(shù)據(jù)處理和顯示。圖45 Bytes at Port屬性節(jié)點 將以上幾個節(jié)點正確連接