摘 要

数控机床在加工过程中，一般而言是达不到控制端预设的精准值，因为存在着几何误差、热误差等误差源，这些因素会使机器部件产生形变，从而降低机床的加工精度。为了保证生产效益，生产者必须通过误差补偿法来提高机床加工精度，而使用补偿法的前提是得到了机床变形的数据。

本文通过模拟实验，以一块铝合金材料的工件去模拟大型机床底座的变形情况，通过光纤布拉格光栅传感器测出其温度场的分布、变形的测试数据。

本文分析了机床变形测量的研究意义与现状，介绍了光纤布拉格光栅传感器的工作原理、研究现状以及作为传感器的优缺点，结合传感器的工作原理分析确定了应用到实验的机床变形测量的思路。

然后，对光纤布拉格光栅传感器测温度场的基本原理进行了推导、阐述，并研究、分析了机床底座的变形原理。

接着，对Labview软件进行了简单的介绍，阐述了Labview软件开发的流程，对整个软件的流程进行了模块式的设计，让其功能分块。

最后，针对机床底座的特点，用工件对其进行模拟实验，结合理论所述分析了光纤布拉格光栅传感器测点的位置，完成测量并得到数据。

关键词：机床变形，光纤布拉格光栅传感器，Labview

Abstract

CNC machine tools in the processing process, in general, is not reach the default value of the control side, because there are geometric error, thermal error and other error sources, these factors will cause deformation of the machine, thereby reducing the machine machining accuracy. In order to improve production efficiency, producers must improve the accuracy of machining by means of error compensation, while the use of compensation method is the premise of the deformation of the machine data.

 In this paper, through the simulation experiment, a piece of aluminum alloy workpiece to simulate the deformation of large machine tool base, through the fiber Bragg grating sensor to detect the temperature field distribution, deformation of the test data.

 In this paper, the research significance and current situation of machine tool deformation measurement are analyzed. The working principle, research status and advantages and disadvantages of fiber Bragg grating sensor are introduced. The idea of ​​deformation measurement of machine tool applied to the experiment is analyzed with the working principle of the sensor.

Then, the basic principle of the temperature field of the Bragg grating sensor is deduced, and the deformation principle of the machine tool base is analyzed and analyzed.

 Then, a brief introduction to Labview software is introduced, and the process of Labview software development is expounded. The whole process of software is modularized and its function is divided.

 Finally, according to the characteristics of the machine base, the simulation experiment is carried out with the workpiece, and the position of the measuring point of the Bragg grating sensor is analyzed by the theory, and the measurement is completed and the data are obtained.

Keywords: machine tool deformation, light Bragg grating sensor, Labview

目录

第一章 绪论 6

1.1 设计内容与要求： 6

1.2 设计的目的与意义 6

1.3 对误差对工业生产影响的认识 6

1.4 国内外研究现状 8

第二章 测量方案及原理 10

2.1 光纤布拉格光栅传感器（FBG)原理 10

2.1.1 光纤布拉格光栅传感基础 10

2.1.2 FBG应变传感模型 11

2.1.3 FBG温度传感模型 13

2.2 机床主要结构形式及其变形的特点 16

2.3 底座变形测量原理和方案 19

第三章 测量系统程序设计 24

3.1 Labview软件介绍 24

3.2 Labview程序的建立流程 25

3.3 LabVIEW软件模块设计 26

3.31 设计要求 26

3.32 Excel的自动化引用 26

3.33 工作簿的引用获取 26

3.34 数据类型的类型的转换 27

3.35 索引数组 28

3.36 获取XY波形图 28

3.4 软件功能检测 30

第四章 机床底座变形测量实验 32

4.1 实验准备工作 32

4.2 关于光纤光栅传感器监测点在金属上的分布 33

4.3 工件变形测量结果获取 33

4.4基于测量数据的金属结构变形计算 40

第五章 总结 44

绪论

1.1 设计内容与要求：

本次课程设计的内容是利用光纤布拉格光栅传感器设计一个测量系统，要求这个测量系统能测量重型数控机床结构件的温度场和变形的分布，掌握重型数控机床的基本结构、原理，了解工业生产中误差带来的影响，并在实验过程中结合测量给出实际温度场、变形的测试数据。

1.2 设计的目的与意义

本次课程设计主要研究目的是：（1）了解和掌握数控机床的基本结构、原理；（2）利用光测和电测等方法，研究大型结构件温度场及其变形的分布测量原理与方法，设计其测量系统。（3）通过实际测量给出实际温度场、变形的测试数据。

由于实验条件限制，我们所设计的测量系统不用大型机床的底座作为测量实验的对象，改用500×50×50的铝合金长方体代替机床底座，使用热烘枪对其进行温度加热，通过FBG光纤光栅传感器测得的中心波长以及其漂移量传入解调仪，然后接入PC进行数据存储、处理和分析。最终目的是得到这个工件温度场的分布并给出分布图，以及测量整个工件的纵向形变和形变图。

作为一名测控的本科生，我们的知识理念一定要能跟得上时代的潮流，与时俱进。数控机床是当代一种十分普及的生产工具，而机床的误差研究又是当下热门的话题，在本课程设计中，不仅能把我们在本科课程中所学的知识运用到理论分析和实际操作中，更能接触到以前未曾接触的新领域（例如光纤光栅传感技术）。在针对课题的设计过程中，因条件限制会给我们带来不少问题，但通过一系列的思考（例如用工件代替笨重的机床）我们能逐渐将问题从大化小，这在无形中也锻炼了我们的思维转换能力，在本课题研究过程中，我们也不仅能动手能力，对工业生产过程的了解也可以上升一个台阶。

1.3 对误差对工业生产影响的认识

随着当今社会工业化的普及，生产效率是决定生产利益的主要因素。因为产品的结构越来越趋向于复杂化、产品的质量越来越趋向于高精度化，企业间激烈的竞争会迫使竞争对手之间采取措施提高生产效率，缩短生产周期，因此生产自动化代替手工是必然的趋势，如此一来，伴随着国内产业结构的调整，越来越多的企业选择数控机床生产来提高生产效率，国家也鼓励各企业不断数控加工技术的应用水平、不断提高数控加工的普及度，已成为国家提升制造业核心竞争力的重要支柱^[1]。在实际生产中，影响工件制造精度的重要因素之一就是数控机床，因为现代制造业中数控机床是最重要的加工工具^[2]。因此，对机床误差的分析成为了越来越热门的话题，对机床的误差的分析以及如何提高机床加工精度这个研究问题已经吸引了越来越多的学者。

一般而言，当代工业想提高数控机床的加工精度一般通过两个途径，其中之一是提高数控机床本身的制造和装配精度，但是这种方法会耗费更多的生产成本，随机床制造精度的提高，生产费用会成几何级数增长，导致生产利益急剧下降。因此企业想在获取高利润的同时保证加工精度，只能通过第二种途径——误差补偿法，误差补偿法具有一个很大的优点，它能实现在精度相对较低的机床上完成高精度零件的加工，所以说误差补偿法既能使成本降低，也可以提高生产目标的质量。对误差补偿法理论的完善和进步，对于我国的机械加工工业有着举足轻重的重要性，我国工业基础差，生产资金不足，对现有设备进行革命性大量更新不可能实现，而误差补偿法能在不需要大量资金投入的前提下帮助工厂生产提高机床加工精度，借此带来更大的生产收益。

一般用于生产的数控机床主要由主轴、床身、主轴以及各种导轨和旋转轴组合构成，由于各种生产环境因素的影响，每一个部分在运作时都会产生误差，各种误差结合起来会对精度产生较大的影响，数控机床的主要误差来源于以下几个部分：（1）机床的原始制造误差：指制造机床的时候由于生产精度不同而造成机床本身的误差，这使得机床各部分的工件的表面质量、形状以及相互之间的位置会给机床工件运动带来误差，这种误差是造成数控机床几何误差最主要的原因。（2）切削负荷造成误差：指机床上各部件，如刀具、夹具发生变形而导致的误差，这种误差被称为“让刀”，这种误差的产生会造成十分严重的工件形状畸变，在生产过程中要尽量减少这种误差。（3）热误差：指机床工作过程中由于运动摩擦会产生大量热，机床的内部热源如热机和环境的热扰动也会造成这种误差，这种误差将会导致温度上升，机床的主要工作部件如主轴会受到热膨胀进而导致回转误差，影响生产精度。（4）震动误差：由于整个生产系统刚度不足，机床在运作的时候会发生明显震动，这样工具的加工点无法落在预先设定的点上，造成了加工位置上的偏差，另外，机床自身的重量以及切削力造成的变形也会引起震动误差，这种误差将会导致工件几何形状的严重变形和表面质量恶化。（5）检测系统误差：这种误差包括两个方面①机床的结构误差和零件误差配合不当导致传感器出现的误差②测量传感器由于在生产过程中精度选择不当或者在安装传感器的过程中位置放置不当而造成的误差。（6）环境误差：诸如温度、湿度、气流的变化等因素会给测量数据带来误差，或者这些环境因素通过影响传感器来影响加工精度。（7）人为误差：人在编程或者操作时带来的误差会引起随机误差。上述前三种误差是机床制造的主要误差，比例可达百分之八十以上，是工业生产需要严加控制的生产误差。

总而言之，误差会使得机床加工过程产生变形，最终导致加工误差。要消除或减小误差所带来的影响，就要在测得这些误差的基础上，建立起补偿误差的模型和其他方法减小机床加工中发生的变形，从而提高机床加工精度。

1.4 国内外研究现状

由于数控机床生产是一种先进的机械生产方式，目前有很多学者加入了对机床误差导致机床变形的研究。2007年华中科技大学的夏军勇等通过最小二乘法对线性轴线系统的热态特性进行建模分析^[3]；2009年李永祥提出采用时间序列法和灰色系统模型对机床热误差建模的方法^[4];2012年捷克的Jiri Vyroubal采用分解法对高精密切削机床主轴方向热变形进行补偿^[5]；2013年英国的Naeem S Mian通过有限元分析了环境温度对机床热变形的影响规律^[6]。对上述问题的研究仅仅是通过检测温度建立热误差模型，进一步反映出机床的变形，这种方法有两个问题：一是环境温度因素没有考虑，比如不同时刻气温不同，这些温差等随机干扰因素使得它的适应性很差，第二种局限性在于所考虑的造成变形的因素仅仅是温度，未曾考虑到在加床加工过程中还有着主轴运动误差、机床震动、几何误差等误差，这些因素也会造成机床的变形。

针对上述的问题，我们要对影响机床的复合因素进行研究，能更全面地分析热变形引起的误差，这样补偿法才能发挥其最大的优势为生产带来便利。2006年浙江大学的曹永洁选用Rnesihaw激光干涉仪对一台三轴立式铣床的线性定位误差进行了测量^[7]；2012年西班牙的E.Gomez-Acedo通过三个电涡流传感器和九个温度传感器建立了巨型龙门机床的温度场和X、Z两个方向的变形量之间的关系，并通过FEM仿真验证结果^[8]；2013年日本的Cefu Hong和Soichi Ibaraki使用激光位移传感器构成的非接触式R-test来测量补偿五轴机床的误差^[9]。上述的位移传感器虽然克服了上面不足的问题，而且测量精度很高，能测量机床的整体变形，但是过于庞大的体积使得我们实验条件不允许，安装会带来很多麻烦，而且测点也很少，无法将机床整体变形反映出来，而且需要安装基准来隔离机床加工过程的影响。