數(shù)控機床熱誤差測試中的溫度傳感器研究

上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 姚曉棟 楊建國 羅文君 薛 波

一、前言

機床熱變形誤差是影響機床加工精度的主要原因之一[1，2]。大量研究表明，熱誤差是機床的最大誤差源，占機床總誤差的40% ～70%[3，4]。要提高加工精度，最為經(jīng)濟有效的方法是對機床熱誤差進行實時補償[5]，而進行熱誤差補償?shù)那疤釛l件是要能夠?qū)崟r、精確、可靠地測試出機床熱敏感點的溫度數(shù)值，這就離不開高精度和高穩(wěn)定性的測溫元件。如何選擇有效的測溫元件，搭建測溫系統(tǒng)，獲取機床溫度變化量，是實現(xiàn)機床熱變形建模與補償?shù)闹匾蛩豙6]。

數(shù)控機床上使用的溫度傳感器大致可分為兩大類:模擬式溫度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器。其中，前者主要以熱電阻型和熱電偶型為代表;后者則可分為普通型和高精度型。本文論述了進行數(shù)控機床溫度敏感點測試時對溫度傳感器的設(shè)計要求，并對自行研制的幾種溫度傳感器的性能進行了分析和比較，給出了適合于機床溫度敏感點的實時測試的最優(yōu)溫度傳感器設(shè)計的思路。

二、機床溫度敏感點和溫度傳感器

1.機床溫度敏感點

數(shù)控機床表面及內(nèi)部各點的溫升對機床熱誤差的影響程度不同，總存在這么一些點，它們的溫升變化將引起機床熱誤差的明顯變化，在熱誤差補償系統(tǒng)中，只有將這些點作為模型的輸入，才能在保證精度的情況下，使測溫點數(shù)最少。這些點被稱為影響數(shù)控機床熱誤差的溫度敏感點[7]。機床溫度敏感點有的位于軸承、冷卻液和電機等固定點，也有的位于絲杠螺母這樣的移動部件上，因此溫度傳感器需要適應(yīng)各種測試狀況。

2.溫度傳感器的比較

(1)模擬式溫度傳感器

模擬式溫度傳感器一般以模擬量信號輸出，需進行信號變送處理以及A/D轉(zhuǎn)換，這就要求溫度變送單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元都具有很高的精度，而實際上溫度變送單元往往存在線性度和抗干擾能力較差的缺點，導(dǎo)致模擬式溫度傳感器的最終檢測精度和穩(wěn)定性下降。

①熱電偶型溫度溫度傳感器。熱電偶型溫度傳感器是通過把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號來測量出溫度大小的，熱電偶測量時，要求其冷端的溫度保持不變。若冷端溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。因此必須在冷端采取一定的補償措施來消除冷端溫度變化的影響，但是精確的冷端補償實現(xiàn)起來困難;此外，熱電偶的測試溫度范圍較寬，一般在250℃以上，而機床溫度敏感點的變化范圍一般在0～60℃，熱電偶較寬的測試范圍不適合用于機床溫度檢測。

②熱電阻型溫度傳感器。該類傳感器是基于金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。通常工業(yè)測量時采用鉑電阻作為熱電阻傳感器的感溫元件，熱電阻傳感器測溫范圍同樣較寬，如鉑電阻測試范圍在0～650℃，測試范圍較寬會使得在機床溫度的測試區(qū)存在非線性問題，因而也不適合進行機床溫度測試;此外，熱電阻型傳感器有一定的衰減性，即隨著時間的增加，其電阻-溫度比例關(guān)系會逐步衰減變化，因而需要定期重新標(biāo)定，具體實施起來較為繁瑣，不利于工程應(yīng)用。

(2)數(shù)字式溫度傳感器

數(shù)字式溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器，其結(jié)合了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測量技術(shù)，在傳感器芯片內(nèi)部與包含了溫度檢測和變送單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、信號處理單元和存儲單元、電源調(diào)理單元等，具有抗干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。因此，在設(shè)計數(shù)控機床的測溫系統(tǒng)時，優(yōu)先考慮選擇使用數(shù)字溫度傳感器作為溫度測量元件[8]。

①普通型數(shù)字溫度傳感器。普通型數(shù)字溫度傳感器通常以DS1820、DS1822、DS18B20等芯片作為核心部件，其內(nèi)部集成了溫度采集到模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，采用“單總線”的雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的數(shù)字化直接輸出。以本文中研究使用過的DS18B20型溫度傳感器為例，其溫度監(jiān)測與數(shù)字輸出全集成在一個芯片之上，從而抗干擾力很強;DS18B20測溫范圍為-55℃ ～125℃，但由于其線性度明顯優(yōu)于模擬式溫度傳感器，因而也可滿足線性測試的要求;此外，該款傳感器還具有價格低廉，性價比較高的優(yōu)點。但是，DS18B20型溫度傳感器最大的缺點在于測量精度較低，為±0.5℃，相對于大型機床熱誤差的預(yù)測來說，其較大的精度偏差將引起誤差補償?shù)膰?yán)重偏失，因而DS18B20型的溫度傳感器比較適合于對機床溫度場的趨勢進行定性研究，而對于機床誤差補償實施時需要精確測量溫度敏感點實時溫度，其并不是最佳的選擇。

②高精度型數(shù)字溫度傳感器。本文所研究的高精度型數(shù)字溫度傳感器采用了瑞士IST公司生產(chǎn)的TSic—506F型溫度傳感集成芯片，其主要特點是精度高、響應(yīng)速度快、成本低、抗干擾性強以及衰減率極低。該款芯片采用溫度自動檢測和數(shù)字濾波，內(nèi)部集成了高精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，采用單根信號線傳輸數(shù)據(jù)信號，使用者無需進行額定校準(zhǔn);由于其衰減率很低，使用5年以上的精度偏差在0.1℃左右，因而無需進行定期標(biāo)定。該傳感器為功耗很低，也可設(shè)計為無線傳輸型傳感裝置，文中后面提到的無線溫度傳感器即是基于該芯片設(shè)計制作的。此外，該傳感器最大的特點是精度很高，達到±0.1℃，并且其測試范圍在-10℃ ～60℃，而線性度最高的測試區(qū)在5℃ ～45℃之間，區(qū)內(nèi)測試精度高達0.0625°，完全符合機床熱敏感點溫度的測試精度和測試范圍要求。

3.機床溫度敏感點測試對傳感器的設(shè)計要求

作為機床溫度敏感點的測量用的溫度傳感器在設(shè)計中需要考慮多方面的因素，主要包括:①安裝牢固可靠且快捷方便;②溫度傳感器熱傳導(dǎo)效果好;③溫度傳感器抗外界溫度干擾;④溫度傳感器信號電纜抗電磁干擾;⑤溫度傳感器信號電纜壓降對測量結(jié)果影響小。

為滿足工業(yè)現(xiàn)場對溫度實際測試的需求，本文作者自行研制了專用的機床熱敏感點溫度測試用溫度傳感器，包括有線型和無線型兩種模式。

(1)有線型溫度傳感器的設(shè)計

以高精度有線型數(shù)字溫度傳感器為例，該傳感器在設(shè)計中主要采取了以下的設(shè)計思路和方法，達到了機床溫度敏感點測試所需的要求:

①采用稀土材料 (釹鐵硼)制作整體式強磁性外殼，釹鐵硼材料具有體積小、重量輕和磁性強的特點，是性價比極高的稀土類磁鐵。釹鐵硼材料的使用環(huán)境溫度可達80℃以上，能夠滿足機床溫度敏感點測試的要求。如圖1所示，溫度傳感器采用了整體強磁結(jié)構(gòu)，可以方便快捷地吸附在絲杠螺母這樣的溫度敏感點上，并且由于磁力很強，傳感器安裝牢固可靠。此外，如圖1所示，傳感器在封裝時直接焊接在線路板上，信號電纜則焊接在線路板的另一面，并采用了特殊固定走線方式，可防止外部信號電纜受力作用在焊接點上，增強了傳感器芯片封裝和信號線連接的可靠性;傳感器的信號電纜采用了耐彎曲的加固橡膠電纜線和鎧裝結(jié)構(gòu)，可有效避免電纜線在來回運動中的彎曲疲勞折損和橡膠層的磨損。

圖1 溫度傳感器布置圖

②采用釹鐵硼材料加工的磁鐵外殼具有均勻性、一致性好的特點，通過在燒結(jié)時調(diào)整其化學(xué)成分，可以制造出高導(dǎo)熱性的傳感器外殼，并且通過燒結(jié)工藝制作的外殼壁厚在0.2mm左右，整體尺寸只有φ10mm×10mm大小，整個磁鐵外殼熱傳導(dǎo)性能好。此外，如圖2所示，溫度傳感器芯片的熱感應(yīng)面與磁鐵外殼底部貼合，并涂覆高導(dǎo)熱性膠體以增強熱傳導(dǎo)性，采用該設(shè)計結(jié)構(gòu)的傳感器能夠達到優(yōu)異的熱傳導(dǎo)效果。

圖2 有線溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

③該款溫度傳感器在對機床溫度敏感點采樣時，需要保證所采集的溫度數(shù)據(jù)由待測熱源位置所作用，因而就必須防止傳感器受到外界溫度的干擾。如圖2所示，溫度傳感器在封裝時，芯片周圍以及磁鐵外殼的空缺處全部填充了隔熱樹脂材料，使得所設(shè)計的溫度傳感器具有優(yōu)良的抗外界溫度干擾的性能。

④該款溫度傳感器在信號電纜的設(shè)計時，采用了特殊的抗電磁干擾的設(shè)計，采用雙絞和雙屏蔽導(dǎo)線，雙絞電纜模式可防止長距離導(dǎo)線傳輸時的差分電壓干擾;雙屏蔽結(jié)構(gòu)則具有良好抵抗外界電磁干擾的作用;此外，信號電纜線外層護套采用了內(nèi)襯金屬軟管的鎧裝結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在雙層屏蔽保護結(jié)構(gòu)外又增加了一層電磁隔離屏蔽層，在機床上布置溫度傳感器信號電纜時，有時信號電纜走線位置靠近動力電纜，而動力電纜流過的是大電流，容易對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，而本傳感器采用的這種三層屏蔽防護結(jié)構(gòu)可有效地防止動力電纜的電磁干擾，保證了溫度信號傳送的穩(wěn)定性。

⑤溫度傳感器信號電纜壓降對測量結(jié)果影響小。該型溫度傳感器采用的是高精度數(shù)字式溫度芯片，其對于工作電壓有嚴(yán)格的要求，在保證高精度工作條件時，工作電壓要求穩(wěn)定在4.5～5V之間。傳感器在設(shè)計時對于電纜長度有嚴(yán)格規(guī)定，當(dāng)電纜長度小于20m時，可保證工作電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，而當(dāng)電纜長度超過20m后，電纜線設(shè)計了專門的電壓補償中繼模塊，可補償由于電纜過長導(dǎo)致的電壓降低，以保證溫度芯片端的電壓處于規(guī)定范圍。

(2)無線型溫度傳感器的設(shè)計

無線溫度傳感器的設(shè)計目的主要是為了解決對溫度敏感點的快捷測試，免去安裝有線溫度傳感器時需要在機床排線的工作量，并且在有的測試位置 (如絲杠上)無法布置有線溫度傳感器，而金屬基紅外溫度傳感器價格昂貴，并且測試精度較低，一般只能到±1℃左右，因此無線溫度傳感器則能夠較好地解決這一問題，便于研究人員獲得準(zhǔn)確的連續(xù)測試溫度數(shù)據(jù)信息。無線溫度傳感器測試主軸時的位置如圖3所示;測試絲杠表面溫度時的位置如圖4所示。

圖3 無線溫度傳感器測試主軸布置圖

無線溫度傳感器同樣以TSic—506F芯片為核心，作者在其設(shè)計指標(biāo)上也達到了機床溫度敏感點測試所需的要求，具體設(shè)計思路和方法如下:

圖4 無線溫度傳感器測試絲杠布置圖

①無線溫度傳感器的設(shè)計需考慮到電池容量，因而體積上比有線傳感器大較多，如仍用稀土材料來制作整體式外殼，則由于壁厚的原因，會使得外殼的熱容量相對較大，從而造成傳感器敏感性的下降;因此，無線溫度傳感器的外殼采用了沖壓模的方式來制作:選用延展性好的不銹鋼材料，并通過連續(xù)沖壓成型工藝，所制作出的外殼各處的壁厚僅為0.1mm，因而很好地保證了無線溫度傳感器的熱敏感性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。溫度傳感器芯片的熱感應(yīng)面同樣通過高導(dǎo)熱性膠體與外殼底部貼合，增強了傳感器的熱敏感效果。

②溫度傳感器芯片在封裝時焊接在線路板1上，高能鋰電池則焊接在線路板2上，線路板1和2通過插針焊接相連;絕緣墊用于隔離線路板2的元器件和外殼;外殼上有天線孔，因而天線可通過該孔連接到線路板2的天線座上;溫度芯片周圍是強磁性的磁環(huán)，具有很強的磁力，使得傳感器可以牢固地吸附在待測溫度敏感點上。

圖5 無線溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

③芯片周圍同樣填充了隔熱樹脂材料，因而能夠很好地抗外界溫度的干擾。

④一般機床電器部件的電磁干擾頻率為10～500MHz范圍內(nèi)，而無線溫度傳感器的采用了2.4GHz的射頻頻率，完全跳過了機床的電磁干擾區(qū)，所以無線溫度傳感器具有非常好的抗干擾能力，并且由于無需電纜傳送，因此適應(yīng)于安裝在機床的各個位置場合。

⑤采用了智能應(yīng)答模式的數(shù)據(jù)訪問協(xié)議，即只有當(dāng)接收器向某一無線傳感器提出訪問請求時，該傳感器才被激活，繼而進入應(yīng)答狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳送協(xié)議將實時溫度值傳送到接收器;而當(dāng)接收器沒有連續(xù)的訪問信號時，傳感器本身處于“休眠”狀態(tài)，此時的功耗極低，采用這種設(shè)計有利于傳感器的節(jié)能，延長了使用時間。此外，傳感器的數(shù)據(jù)上報周期是可設(shè)置的，考慮到溫度變化一般是緩慢進行的，因而一般上報周期設(shè)置為10s即能滿足使用要求，在該種條件下傳感器持續(xù)使用時間可達1年以上。

⑥無線溫度傳感器的多點訪問采用了Zigbee協(xié)議模式，可將接收器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并同多個接收器實現(xiàn)組網(wǎng)，因而對于機床溫度場研究中需要布置多個傳感器的情況非常合適。

綜上所述，有線型溫度傳感器主要用于在機床上的長期生產(chǎn)配套使用;而無線型溫度傳感器則主要用于機床溫度敏感點的測溫和誤差建模研究。

三、高精度數(shù)字式溫度傳感器的效果

1.與雷尼紹激光干涉儀溫度傳感器對比

有線型和無線型高精度型數(shù)字溫度傳感器采用了相同的內(nèi)核溫度芯片，因而具有相同的精度等級，以下用無線溫度傳感器與雷尼紹激光干涉儀自帶的溫度傳感器的測試效果進行對比，傳感器布置如圖6所示。

圖6 溫度傳感器對比實驗布置圖

雷尼紹自帶的溫度傳感器的檢測精度為0.1℃，對比實驗中兩種傳感器放置在靠近位置，測試時間為450min，以雷尼紹的傳感器作為標(biāo)定溫度，將測試出的兩種溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后如圖7所示。從圖7中可知，由雷尼紹溫度傳感器檢測出額待測區(qū)溫度從25.1℃上升到28℃，總的溫升為2.9℃;而無線溫度傳感器測試結(jié)果為溫升從24.9℃變化到27.8℃，總溫升同樣為2.9℃。

圖7 兩種溫度傳感器測試效果對比

從測試效果對比可見，無線溫度傳感器相對雷尼紹激光干涉儀的溫度傳感器的測試值在各個點上的偏差值都保持在0.2℃，由此可見無線溫度傳感器的穩(wěn)定性很好，沒有波動情況發(fā)生，其精度等級與雷尼紹激光干涉儀的溫度傳感器相同，而0.2℃的系統(tǒng)偏差可通過對傳感器的標(biāo)定來消除。

2.與熱電阻溫度傳感器的對比

在某立式加工中心上的X軸螺母上安裝了熱電阻傳感器和有線型數(shù)字式傳感器各一個，經(jīng)一年使用后，采用安裝一個標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器對上述兩個傳感器進行對比檢測，通過X軸絲杠螺母副的往復(fù)運動對3個傳感器進行升溫，測試時間為120min，采樣間隔為1min，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種溫度傳感器標(biāo)定檢測效果對比

圖8中，藍線為標(biāo)定用的傳感器測試曲線，紅線為高精度有線型數(shù)字式溫度傳感器測試曲線，黑線為Pt100型熱電阻溫度傳感器。從測試結(jié)果來看，有線型數(shù)字式溫度傳感器的精度保持不變，與標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器對比，兩者之前的偏差范圍:[-0.04℃，0.05℃]，測試最大偏差只有0.9℃;而熱電阻傳感器明顯由于衰減特性而發(fā)生了精度偏差，并且測試數(shù)據(jù)波動相對較大，與標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器對比，兩者之前的偏差范圍: [-0.94℃，0.03℃]，測試最大偏差接近1℃。

四、結(jié)語

對機床溫度敏感點的精確測量是進行熱誤差測試的前提條件。本文對當(dāng)前機床熱變形測試中所用的溫度傳感器進行了歸納和比較，并給出了專用于機床溫度敏感點測試的兩種類型的數(shù)字式傳感器，從測試對比效果來看，作者自行研制的數(shù)字式溫度床傳感器具有高精度和高可靠性的特點，今后可廣泛應(yīng)用到機床熱誤差中的溫度在線檢測領(lǐng)域中。

[1]倪軍.數(shù)控機床誤差補償研究的回顧及展望[J].中國機械工程，1997，8(1):29-32.

[2]Bryan J B.Internat ional status of thermal error research[J].Annals of CIRP，1990，39(2):645-656.

[3]Ranesh R，M ann an M A.Error compensation in machine Tools——A review.Part Ⅱ.Thermal errors [J].International Journal of Machine Tool＆ Manufacture，2000，40(9):1257-1284.

[4]傅建中，陳子辰.精密機械熱動態(tài)誤差模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模研究 [J].浙江大學(xué)學(xué)報 (工學(xué)版)，2004，38(6):742-746.

[5]楊建國.數(shù)控機床綜合誤差補償技術(shù)及應(yīng)用:[博士學(xué)位論文].上海:上海交通大學(xué)，1998.

[6]錢華芳.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].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[7]曹永潔.基于激光測試技術(shù)的數(shù)控機床誤差識別與補償研究 [D].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[8]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)，1006-3269(2007)03-0005-04.