基于傳感標簽技術(shù)的滾珠絲杠熱誤差監(jiān)測與實驗

袁 江，陶 濤，邱自學(xué)，許 凱，任 東

(1.南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南通 226019；2.南通國盛智能科技有限公司，江蘇南通 226000)

0 引言

隨著現(xiàn)代精密制造技術(shù)的發(fā)展與需求，機床熱誤差成為需要考慮的重要因素[1-2]。作為機床系統(tǒng)關(guān)鍵傳動部件，絲杠的熱變形直接影響機床加工位置誤差，對其進行監(jiān)測是研究進給系統(tǒng)熱誤差的首要步驟。

目前，對絲杠熱誤差的監(jiān)測多采用熱電偶[3]、Pt100溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集卡[4]、紅外熱像儀[5]等方式，由于絲杠熱源分布比較廣，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式信號間通過有線的方式進行傳輸，現(xiàn)場布線復(fù)雜，安裝調(diào)試與熱誤差數(shù)據(jù)的獲取極為不便，不利于后續(xù)對熱誤差數(shù)據(jù)建模處理。

傳感標簽技術(shù)是一種融合傳感器和無線射頻識別(radio frequencyidentification，RFID)電子標簽的技術(shù)，其通信協(xié)議簡單，利用無線射頻技術(shù)自動識別的特點實現(xiàn)標簽地址信息的識別，融合具有感知能力的傳感器實現(xiàn)在線分布監(jiān)測與信號的無線傳輸處理[6-7]。本文利用傳感標簽技術(shù)設(shè)計了溫度傳感標簽與讀寫器，以無線的方式對溫度數(shù)據(jù)進行傳輸，在絲杠頂端安裝激光位移傳感器對熱延伸量進行實時采集?；贚abVIEW開發(fā)了絲杠熱誤差上位機監(jiān)測系統(tǒng)，通過RS232串口將熱誤差數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C實時顯示保存，為后續(xù)熱誤差建模奠定了基礎(chǔ)。

1 熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，以某高速龍門加工中心x軸方向滾珠絲杠傳動系統(tǒng)作為研究對象，該熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫度傳感標簽、讀寫器、激光位移傳感器及其控制器、上位機監(jiān)測軟件系統(tǒng)組成。

圖1 絲杠熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)圖

絲杠進給系統(tǒng)的主要熱源有絲杠兩端滾動軸承摩擦發(fā)熱、電機發(fā)熱以及絲杠和螺母之間的摩擦發(fā)熱[7]，因此分別在x軸遠端軸承座、電機座、螺母座上安裝溫度傳感標簽，此外考慮外部因素還應(yīng)對環(huán)境和機床本體等進行溫度的監(jiān)測。當溫度傳感器監(jiān)測到溫度信號后，標簽內(nèi)的微處理器對其進行身份標記即將它與地址信號打包無線發(fā)送給讀寫器，讀寫器通過RS232轉(zhuǎn)USB線將信號傳輸給上位機，上位機軟件通過數(shù)字截取功能，將標記好的溫度信號保存到對應(yīng)的文件中；安裝在x軸遠端的激光位移傳感器采集絲杠的累積熱延伸量，通過專有的控制器和上位機軟件之間實現(xiàn)通訊并將數(shù)據(jù)實時顯示與存儲。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 溫度傳感標簽設(shè)計

為了實現(xiàn)溫度的無線傳輸和傳感標簽小型化的理念，設(shè)計了如圖2所示的RFID溫度傳感標簽硬件結(jié)構(gòu)圖，主要由微型處理器、無線射頻發(fā)送單元、顯示單元、溫度傳感單元、程序調(diào)試單元以及供電單元組成。

圖2 溫度傳感標簽結(jié)構(gòu)圖

微控制器采用16位混合信號處理器，由于其較強的處理性能以及超低功耗，適合用于對有源傳感標簽的開發(fā)；無線射頻發(fā)送單元采用nRF905收發(fā)一體的無線收發(fā)模塊，其能耗低，傳輸距離遠，適用于低成本以及低功耗的設(shè)計，主要工作頻段在433 MHz；溫度測量采用磁吸式DS18B20數(shù)字溫度傳感器，由于絲杠進給系統(tǒng)工作在油污較大的環(huán)境，傳統(tǒng)的溫度傳感器無法牢固地吸附在絲杠表面，此外要想微控制器正確接收DS18B20的溫度信號，需要在兩信號端之間上拉10 kΩ的電阻，否則接收信號無效，此外DS18B20可以以單總線協(xié)議工作，同一個標簽可以通過循環(huán)遍歷溫度傳感器引腳地址接收不同傳感器的溫度值，節(jié)約了開發(fā)成本與布點空間。

2.2 讀寫器設(shè)計

如圖3所示，所設(shè)計的讀寫器包括微處理器單元、無線接收單元、顯示單元、JTAG程序調(diào)試單元、串口通訊單元以及供電單元。

圖3 讀寫器結(jié)構(gòu)圖

串口通訊接口與微處理間需要采用MX3232進行處理，用來將TTL電平轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的RS232電平，而上位機中RS232接口相對較少，應(yīng)該采用RS232轉(zhuǎn)USB接口與上位機相連，這樣上位機中的LabVIEW便可通過VISA函數(shù)實時獲取數(shù)據(jù)以便后續(xù)的處理。

2.3 激光位移傳感器及其控制器

對絲杠累計熱延伸的測量采用的是LK-H025激光位移傳感器以及LK-G500控制器，其具有測量精度高(20 mm±3 mm)、光電直徑小(25 μm)、重復(fù)精度高(0.02 μm)以及采樣周期短(2.55 μs)的特點，但由于測量數(shù)據(jù)只能保存到指定相關(guān)軟件中，因此對其接口進行二次開發(fā)將網(wǎng)絡(luò)接口I/O轉(zhuǎn)換成USB接口模式，實現(xiàn)了與上位機軟件進行通訊保存的功能。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

以LabVIEW為平臺，開發(fā)了滾珠絲杠進給系統(tǒng)熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)。該上位機監(jiān)測系統(tǒng)主要包括登錄模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、連續(xù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

由于采用了傳感標簽技術(shù)，在發(fā)送溫度信號時需對溫度信號進行地址標記與打包，讀寫器在進行信號接收與串口發(fā)送時地址信號也一并發(fā)送和接收，因此在設(shè)計溫度采集模塊時需對溫度信號進行字符串截取功能將地址信號單獨截取以便識別，在設(shè)定偏移量和長度后進行if條件結(jié)構(gòu)判定，將對應(yīng)標簽的信號進行截取和保存。對于位移采集模塊，在設(shè)置相應(yīng)串口以及控制器初始參數(shù)后即可與溫度信號采集實現(xiàn)同步，在確定位移信號流的格式后對位移信號進行字符串截取，然后流入各自對應(yīng)的條件結(jié)構(gòu)中顯示與保存。程序中VISA資源名稱配置串口號可由上位機設(shè)備管理器端口配置查看對應(yīng)端口，波特率設(shè)置為9 600，比特率為8，無奇偶校驗，停止位為1位。熱誤差數(shù)據(jù)顯示存儲程序框圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 溫度數(shù)據(jù)程序設(shè)計框圖

圖6 位移數(shù)據(jù)程序設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)實驗與數(shù)據(jù)獲取

由于滾珠絲杠進給系統(tǒng)的主要發(fā)熱源為電機、絲杠螺母以及端軸承發(fā)熱[8-9]，因此以某高速龍門加工中心作為實驗平臺，溫度傳感器的安裝位置如表1所示。測量時機床的運行狀態(tài)為空轉(zhuǎn)連續(xù)運行，進給速度為6 m/min。

表1 溫度傳感器位置

在布置傳感器時，應(yīng)當布置在熱源附近或者容易產(chǎn)生變形的位置；其次為了不讓傳感標簽之間存在干擾降低耦合性，吸附的距離不應(yīng)靠得太近；當部件均勻受熱時，應(yīng)盡量布置在固定端，防止干擾正常溫度測試，現(xiàn)場布置如圖7所示。

圖7 傳感標簽現(xiàn)場布置圖

由于滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的導(dǎo)軌在電機座端固定，因此將激光位移傳感器固定在軸承座端對絲杠累積熱誤差進行測量，現(xiàn)場布置如圖8所示。

圖8 激光位移傳感器現(xiàn)場布置圖

讀寫器接收傳感標簽無線發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)，通過RS232轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線運用圖9所示的基于LabVIEW開發(fā)的上位機監(jiān)測系統(tǒng)對各測點位置的數(shù)據(jù)進行截取和保存，所測數(shù)據(jù)曲線如圖10所示，由圖10可以看出運用傳感標簽技術(shù)可以準確地對每個布點位置的數(shù)據(jù)進行獲取，直觀地顯示出了溫度和熱變形的變化趨勢，有利于后續(xù)對溫度和熱變形之間進行相關(guān)性分析。

圖9 熱誤差監(jiān)測軟件界面圖

圖10 傳感標簽絲杠熱誤差數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種集溫度感知與身份識別于一體的溫度傳感標簽，可將采集的溫度數(shù)據(jù)與地址通過射頻通信發(fā)送給遠端的讀寫器，通過上位機軟件將讀寫器的數(shù)據(jù)存儲；

(2)標簽與讀寫器之間的通信協(xié)議簡單，測試距離遠，能耗低，解決了現(xiàn)場加工環(huán)境有線安裝困難、布線多的問題；

(3)開發(fā)的上位機監(jiān)測軟件同時獲取溫度和位移信號，直觀地體現(xiàn)了熱誤差的變化趨勢，對數(shù)據(jù)進行實時保存，為后續(xù)的熱誤差建模提供參考。