機(jī)床熱誤差的RFID傳感標(biāo)簽測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁　江, 沈亞峰, 呂　晶, 邱自學(xué), 劉傳進(jìn)

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通　226019;2.南通國(guó)盛機(jī)電集團(tuán)有限公司,江蘇 南通　226002)

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機(jī)床熱誤差的RFID傳感標(biāo)簽測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁江1, 沈亞峰1, 呂晶1, 邱自學(xué)1, 劉傳進(jìn)2

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通226019;2.南通國(guó)盛機(jī)電集團(tuán)有限公司,江蘇 南通226002)

摘要：針對(duì)數(shù)控機(jī)床熱誤差有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線難、傳感器信號(hào)易被干擾等問題，設(shè)計(jì)了由傳感標(biāo)簽、讀寫器、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)組成的數(shù)控機(jī)床熱誤差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件組成及軟件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)溫度與熱變形的同步監(jiān)測(cè)和顯示，且同時(shí)可以自動(dòng)識(shí)別多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感標(biāo)簽與紅外測(cè)溫儀的最大相對(duì)誤差小于5%，電渦流傳感器與激光干涉儀的最大相對(duì)誤差小于6%。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；熱誤差；傳感標(biāo)簽；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0引言

研究發(fā)現(xiàn)，由機(jī)床熱變形引起的加工制造誤差所占的比例為40%~70%，這使得熱誤差成為影響機(jī)床加工精度的重要因素之一，因而成為一個(gè)亟待解決的重大問題[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外機(jī)床的熱誤差監(jiān)測(cè)多是通過有線方式來獲取的，但在機(jī)床這樣復(fù)雜的工作環(huán)境下，空間局限性很強(qiáng)，很多情況下一些重要的溫度測(cè)量點(diǎn)都無法進(jìn)行布線安裝傳感器。其次，傳感器發(fā)生故障需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去排查線路，維護(hù)困難。

而集成傳感器與無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification)標(biāo)簽的傳感標(biāo)簽技術(shù)，不僅可發(fā)揮射頻識(shí)別具有的身份標(biāo)識(shí)度高、響應(yīng)速度快、讀取距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，還可以對(duì)溫度、壓力、聲波等物理參數(shù)進(jìn)行無線跟蹤與監(jiān)測(cè)[4-7]。RFID傳感標(biāo)簽技術(shù)在短距離通信方面有著其優(yōu)勢(shì)，具有通信協(xié)議簡(jiǎn)單、可靠性高、保密性能好，時(shí)延短，成本低等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。

本文基于RFID傳感標(biāo)簽技術(shù)，設(shè)計(jì)了由溫度傳感標(biāo)簽、讀寫器、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)組成的數(shù)控機(jī)床熱誤差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并與工廠現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

如圖1所示，設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由溫度傳感標(biāo)簽、讀寫器、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)等組成。將溫度傳感標(biāo)簽粘貼在主軸測(cè)點(diǎn)表面上，電渦流傳感器位于主軸端面軸中心延長(zhǎng)線上。傳感標(biāo)簽內(nèi)的微處理器將采集的溫度信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后與標(biāo)簽地址一起傳輸給讀寫器，讀寫器再將信號(hào)通過RS232-USB轉(zhuǎn)接口傳輸給上位機(jī)；電渦流傳感器采集的熱位移信息通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)再對(duì)獲取的溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和熱變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感標(biāo)簽和讀寫器

考慮到公司生產(chǎn)的數(shù)控加工中心使用時(shí)主軸溫升一般不超過20℃，機(jī)床最大外形尺寸為19000×7500×6250mm，要求測(cè)試精度在±0.5°內(nèi)，因此綜合考量后，選取上海仁微電子公司的RW-T600型高精度溫度傳感標(biāo)簽和RW-R802型讀寫器。

該傳感標(biāo)簽采用“主動(dòng)或被動(dòng)方式”進(jìn)行工作，標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)射信號(hào)或由讀寫器的指令觸發(fā)后發(fā)射信號(hào)，且其發(fā)射和測(cè)溫頻次可調(diào)。標(biāo)簽按預(yù)定頻次或讀寫器指令檢測(cè)環(huán)境溫度并向讀寫器發(fā)射ID和溫度信息，當(dāng)溫度超越設(shè)定上下限時(shí)，可通過內(nèi)置蜂鳴器告警。其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

該讀寫器的工作模式為“被動(dòng)或主動(dòng)式”，一般應(yīng)用時(shí)讀寫器處于接收狀態(tài)，實(shí)時(shí)接收“主動(dòng)式”有源電子標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到后臺(tái)管理系統(tǒng)中。在讀寫器的有效識(shí)別范圍內(nèi)有源電子標(biāo)簽以最高200km/h的速度運(yùn)行時(shí)，可以保證穩(wěn)定識(shí)別，這一特性可完全保證高低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的人員、物品的身份識(shí)別。此外，該讀寫器還能夠同時(shí)讀取500張以上的有源電子標(biāo)簽，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99.999%。其技術(shù)特性如表2。

表1　RW-T600主要技術(shù)指標(biāo)

表2　RW-R802主要技術(shù)指標(biāo)

2.2電渦流傳感器

由于電渦流傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性特性，且體積小、靈敏度高、價(jià)格適中，因此常被用于對(duì)一些機(jī)械的位移、振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文選取東華測(cè)試有線公司的DH901電渦流傳感器。該傳感器長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，其主要包括探頭、前置器、延伸電纜。該傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表3。

表3　DH901主要技術(shù)指標(biāo)

2.3數(shù)據(jù)采集卡

由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)需要實(shí)時(shí)采集電渦流傳感器的信號(hào)，并實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，而USB數(shù)據(jù)采集卡攜帶方便，更適應(yīng)車間現(xiàn)場(chǎng)的位移采集。本文選取美國(guó)MCC公司的USB-1208LS采集卡，并且該采集卡內(nèi)部自帶了MCC ULx for LabVIEW虛擬儀器(VIs)驅(qū)動(dòng)庫(kù)，可以開發(fā)基于LabVIEW的數(shù)據(jù)儀表、數(shù)據(jù)采集、控制應(yīng)用。其主要技術(shù)參數(shù)如表4。

表4　USB-1208LS采集卡主要技術(shù)指標(biāo)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體設(shè)計(jì)

采用LabVIEW8.6開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，具體工作流程如圖2，設(shè)計(jì)的軟件主要包含參數(shù)設(shè)置模塊、傳感標(biāo)簽通訊模塊、電渦流傳感器通訊模塊、測(cè)試報(bào)表模塊等。

圖2　軟件系統(tǒng)功能流程圖

3.2傳感標(biāo)簽通訊模塊設(shè)計(jì)

由于傳感標(biāo)簽感測(cè)的信號(hào)經(jīng)讀寫器收發(fā)后傳輸給上位機(jī)，而所購(gòu)買的讀寫器支持RS232模式通訊，因此通過RS232—USB轉(zhuǎn)接頭將讀寫器通訊轉(zhuǎn)化為USB通訊模式，其程序框圖如圖3所示。但是產(chǎn)品化的讀寫器在傳輸給上位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，顯示的是一連串的動(dòng)態(tài)連續(xù)16進(jìn)制代碼，該代碼包含標(biāo)簽的類型、ID、溫度值等信息，因此為了更好的后續(xù)數(shù)據(jù)處理，需要根據(jù)廠家提供的代碼協(xié)議將有用的代碼信息解析出來。解析程序如圖4所示。

圖3　傳感標(biāo)簽通訊程序框圖

圖4　數(shù)據(jù)解析程序框圖

3.3電渦流傳感器通訊模塊設(shè)計(jì)

電渦流傳感器采集的熱位移主要是通過USB數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，編程時(shí)，首先，通過InstaCal對(duì)采集卡進(jìn)行配置，然后，根據(jù)采集卡內(nèi)部自帶的MCC ULx for LabVIEW虛擬儀器(VIs)驅(qū)動(dòng)庫(kù)對(duì)采集卡進(jìn)行調(diào)用，最后，根據(jù)廠家提供的電渦流采集的電壓與位移之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系對(duì)采集的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以實(shí)時(shí)顯示熱變形。具體程序框圖如圖5所示。

圖5　熱變形監(jiān)測(cè)程序框圖

3.4測(cè)試報(bào)表模塊設(shè)計(jì)

報(bào)表生成是一個(gè)完備的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的重要功能，也是現(xiàn)代專業(yè)測(cè)試軟件的重要組成部分。隨著計(jì)算機(jī)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)地依靠?jī)x器的簡(jiǎn)單結(jié)果輸出正在被計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算和報(bào)告生成所取代，許多用戶在檢測(cè)完之后都需要提供完善的報(bào)告信息。

目前，常用的生成報(bào)表的方法有四種：①使用Report Generation類函數(shù)生成報(bào)表；②使用File I/O類函數(shù)生成報(bào)表；③利用專門的電子表格處理軟件生成報(bào)表；④使用Report Generation Toolkit生成報(bào)表。

本文結(jié)合公司實(shí)際需求設(shè)計(jì)了基于Report Generation類函數(shù)的普通報(bào)表和基于Report Generation Toolkit的專業(yè)報(bào)表。其中Report Generation類函數(shù)中的基本報(bào)表模塊，可以生成LabvIEW的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表或HTML網(wǎng)頁(yè)格式的報(bào)表，該模塊可方便的對(duì)報(bào)表進(jìn)行配置，省去了配置模塊的編寫及調(diào)試。根據(jù)上述編程設(shè)計(jì)，在軟件界面中提供兩種報(bào)表生成，其程序前面板如圖6所示。

圖6　報(bào)表程序前面板

3.5其它模塊設(shè)計(jì)

登陸模塊的設(shè)計(jì)主要是為保護(hù)軟件使用權(quán)，用戶在使用前，需要輸入用戶名、密碼以及機(jī)床型號(hào)。

參數(shù)設(shè)置模塊是針對(duì)讀寫器、電渦流傳感器以及測(cè)試條件涉及的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此，基本參數(shù)應(yīng)包括串口資源、通信的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等。另外，測(cè)試條件是基于現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)時(shí)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，主要包括主軸轉(zhuǎn)速、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、冷卻條件、熱誤差閾值、采樣間隔以及溫度、熱變形測(cè)試數(shù)據(jù)保存路徑。

4精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及處理

為驗(yàn)證熱誤差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，采用公司現(xiàn)有的紅外測(cè)溫儀和激光干涉儀對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的溫度傳感標(biāo)簽和電渦流傳感器分別進(jìn)行精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7所示。

圖7　熱誤差產(chǎn)品測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

4.1傳感標(biāo)簽精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取一臺(tái)立式加工中心上的臺(tái)灣普森(POSA)主軸，在主軸中下端靠近軸承附近選取某一測(cè)量點(diǎn)，并將傳感標(biāo)簽引出的傳感探頭貼合于測(cè)點(diǎn)處，同時(shí)將高精度紅外測(cè)溫儀激光點(diǎn)打在測(cè)點(diǎn)處，使主軸轉(zhuǎn)速保持3000r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)60min，每隔4min采樣一次，測(cè)試結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

圖8　標(biāo)簽與測(cè)溫儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖9　測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差

從圖8可以看出設(shè)計(jì)的溫度傳感標(biāo)簽與紅外測(cè)溫儀測(cè)試趨勢(shì)基本相近，根據(jù)圖9的結(jié)果可以看出兩者測(cè)試的最大相對(duì)誤差為4.73%，平均相對(duì)誤差為1.43%，這說明由溫度傳感標(biāo)簽和讀寫器組成的無線傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸溫度信號(hào)的正確獲取與無線傳輸，并具有較高的測(cè)量精度。

4.2電渦流傳感器精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選取上述溫度測(cè)試的主軸，控制其轉(zhuǎn)速為3000r/min，分別采用電渦流傳感器DH901和英國(guó)雷尼紹的激光干涉儀XL-80對(duì)主軸軸向進(jìn)行熱變形測(cè)試。由于電渦流傳感器的量程為1±0.5mm，因此測(cè)試時(shí)，控制操作面板使主軸底端端面距測(cè)試儀器初始距離為0.5mm，并逐次遞增0.05mm進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，其中電渦流傳感器直接固定在工作臺(tái)上，采集的位移信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給上位機(jī)，而激光干涉儀測(cè)試則需要在主軸和工作臺(tái)上分別安裝測(cè)量鏡和參考鏡，其中，一個(gè)光學(xué)組件保持靜止不動(dòng)，另一個(gè)光學(xué)組件沿主軸向上移動(dòng)，經(jīng)反射后可由上位機(jī)專用軟件處理得到測(cè)量結(jié)果。其測(cè)試結(jié)果分別如圖10、圖11所示。

從圖中可以看出，電渦流傳感器與激光干涉儀測(cè)試結(jié)果非常接近，最大相對(duì)誤差為5.69%，平均相對(duì)誤差為3.67%，這說明所選用的電渦流傳感器測(cè)量精度滿足熱位移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求。

圖10　電渦流傳感器與激光干涉儀測(cè)試結(jié)果

圖11　測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差曲線

5結(jié)論

基于RFID傳感標(biāo)簽技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)床熱誤差測(cè)試系統(tǒng)并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果表明，傳感標(biāo)簽與紅外測(cè)溫儀的最大相對(duì)誤差小于5%，電渦流傳感器與激光干涉儀的最大相對(duì)誤差小于6%，在基本不改變精度的前提下，節(jié)約了成本，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

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(編輯李秀敏)

Design of Monitoring System of Thermal Errors for Machine Tool Based on RFID Sensor Tag

YUAN Jiang1,SHEN Ya-feng1, LV Jing1, QIU Zi-xue1, LIU Chuan-jin2

(1. School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong Jiangsu 226019,China;2.Nantong Guosheng Electromechanical Group Company Ltd., Nantong Jiangsu 226002,China)

Abstract：Due to the problems of wiring and the signal of sensor is easily disturbed,the thermal error monitoring system for CNC machine tools was designed,and it was constituted by sensor tags, readers, eddy current sensor, data acquisition card and PC.The hardware and software of the monitoring system were described in detail.The temperature and thermal deformation can be monitored and showed together by the system.And the location of multiple monitoring points also can be automatically identified.The experimental results show that the maximum relative error of sensor tag and infrared thermometer was less than 5%, and the maximum relative error of eddy current sensor and laser interferometer was less than 6%.

Key words：CNC machine tools; thermal error; sensor tag; monitoring system

中圖分類號(hào)：TH164;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：袁江(1968—)，男，江蘇南通人，南通大學(xué)教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)，(E-mail)yuanjiang68@126.com。

*基金項(xiàng)目：江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目(JHZD10-035)；南通市"瞪羚企業(yè)" 培育計(jì)劃項(xiàng)目(AA2013016)

收稿日期：2015-04-27

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0108-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.030