袁　江, 沈亞峰, 呂　晶, 邱自學(xué), 劉傳進

(1.南通大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南通　226019;2.南通國盛機電集團有限公司,江蘇 南通　226002)

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機床熱誤差的RFID傳感標簽測試系統(tǒng)設(shè)計*

袁江1, 沈亞峰1, 呂晶1, 邱自學(xué)1, 劉傳進2

(1.南通大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南通226019;2.南通國盛機電集團有限公司,江蘇 南通226002)

摘要：針對數(shù)控機床熱誤差有線監(jiān)測系統(tǒng)布線難、傳感器信號易被干擾等問題，設(shè)計了由傳感標簽、讀寫器、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機組成的數(shù)控機床熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)的硬件組成及軟件設(shè)計，可實現(xiàn)溫度與熱變形的同步監(jiān)測和顯示，且同時可以自動識別多個監(jiān)測點的位置。實驗結(jié)果表明，傳感標簽與紅外測溫儀的最大相對誤差小于5%，電渦流傳感器與激光干涉儀的最大相對誤差小于6%。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；熱誤差；傳感標簽；監(jiān)測系統(tǒng)

0引言

研究發(fā)現(xiàn)，由機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床加工精度的重要因素之一，因而成為一個亟待解決的重大問題[1-3]。目前國內(nèi)外機床的熱誤差監(jiān)測多是通過有線方式來獲取的，但在機床這樣復(fù)雜的工作環(huán)境下，空間局限性很強，很多情況下一些重要的溫度測量點都無法進行布線安裝傳感器。其次，傳感器發(fā)生故障需要花費大量的時間和精力去排查線路，維護困難。

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

本文基于RFID傳感標簽技術(shù)，設(shè)計了由溫度傳感標簽、讀寫器、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機組成的數(shù)控機床熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)，并與工廠現(xiàn)有檢測設(shè)備進行了精度對比實驗。

1監(jiān)測系統(tǒng)原理

如圖1所示，設(shè)計的數(shù)控機床主軸熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫度傳感標簽、讀寫器、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及上位機等組成。將溫度傳感標簽粘貼在主軸測點表面上，電渦流傳感器位于主軸端面軸中心延長線上。傳感標簽內(nèi)的微處理器將采集的溫度信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后與標簽地址一起傳輸給讀寫器，讀寫器再將信號通過RS232-USB轉(zhuǎn)接口傳輸給上位機；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；上位機再對獲取的溫度測點數(shù)據(jù)和熱變形進行統(tǒng)計相關(guān)分析。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1傳感標簽和讀寫器

考慮到公司生產(chǎn)的數(shù)控加工中心使用時主軸溫升一般不超過20℃，機床最大外形尺寸為19000×7500×6250mm，要求測試精度在±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簽和RW-R802型讀寫器。

該傳感標簽采用“主動或被動方式”進行工作，標簽主動發(fā)射信號或由讀寫器的指令觸發(fā)后發(fā)射信號，且其發(fā)射和測溫頻次可調(diào)。標簽按預(yù)定頻次或讀寫器指令檢測環(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，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“被動或主動式”，一般應(yīng)用時讀寫器處于接收狀態(tài)，實時接收“主動式”有源電子標簽發(fā)出的信號，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到后臺管理系統(tǒng)中。在讀寫器的有效識別范圍內(nèi)有源電子標簽以最高200km/h的速度運行時，可以保證穩(wěn)定識別，這一特性可完全保證高低速運動狀態(tài)中的人員、物品的身份識別。此外，該讀寫器還能夠同時讀取500張以上的有源電子標簽，識別準確率達99.999%。其技術(shù)特性如表2。

表1　RW-T600主要技術(shù)指標

表2　RW-R802主要技術(shù)指標

2.2電渦流傳感器

由于電渦流傳感器在測量范圍內(nèi)具有良好的線性特性，且體積小、靈敏度高、價格適中，因此常被用于對一些機械的位移、振動、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行長期實時監(jiān)測。本文選取東華測試有線公司的DH901電渦流傳感器。該傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、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)指標如表3。

表3　DH901主要技術(shù)指標

2.3數(shù)據(jù)采集卡

由于測試現(xiàn)場需要實時采集電渦流傳感器的信號，并實時傳輸給上位機，而USB數(shù)據(jù)采集卡攜帶方便，更適應(yīng)車間現(xiàn)場的位移采集。本文選取美國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)動庫，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

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件總體設(shè)計

采用LabVIEW8.6開發(fā)平臺進行系統(tǒng)軟件設(shè)計，具體工作流程如圖2，設(shè)計的軟件主要包含參數(shù)設(shè)置模塊、傳感標簽通訊模塊、電渦流傳感器通訊模塊、測試報表模塊等。

圖2　軟件系統(tǒng)功能流程圖

3.2傳感標簽通訊模塊設(shè)計

由于傳感標簽感測的信號經(jīng)讀寫器收發(fā)后傳輸給上位機，而所購買的讀寫器支持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數(shù)據(jù)時，顯示的是一連串的動態(tài)連續(xù)16進制代碼，該代碼包含標簽的類型、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

電渦流傳感器采集的熱位移主要是通過USB數(shù)據(jù)采集卡進行采集，編程時，首先，通過InstaCal對采集卡進行配置，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)動庫對采集卡進行調(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)系對采集的電壓進行轉(zhuǎn)化，以實時顯示熱變形。具體程序框圖如圖5所示。

圖5　熱變形監(jiān)測程序框圖

3.4測試報表模塊設(shè)計

報表生成是一個完備的自動化測試系統(tǒng)的重要功能，也是現(xiàn)代專業(yè)測試軟件的重要組成部分。隨著計算機和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)地依靠儀器的簡單結(jié)果輸出正在被計算機自動計算和報告生成所取代，許多用戶在檢測完之后都需要提供完善的報告信息。

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

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

圖6　報表程序前面板

3.5其它模塊設(shè)計

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

參數(shù)設(shè)置模塊是針對讀寫器、電渦流傳感器以及測試條件涉及的參數(shù)進行設(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、校驗位、停止位等。另外，測試條件是基于現(xiàn)場當(dāng)時測試環(huán)境進行設(shè)置，主要包括主軸轉(zhuǎn)速、運轉(zhuǎn)時間、冷卻條件、熱誤差閾值、采樣間隔以及溫度、熱變形測試數(shù)據(jù)保存路徑。

4精度實驗結(jié)果及處理

為驗證熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，采用公司現(xiàn)有的紅外測溫儀和激光干涉儀對監(jiān)測系統(tǒng)所采用的溫度傳感標簽和電渦流傳感器分別進行精度對比實驗?，F(xiàn)場測試如圖7所示。

圖7　熱誤差產(chǎn)品測試現(xiàn)場

4.1傳感標簽精度對比實驗

實驗時，選取一臺立式加工中心上的臺灣普森(POSA)主軸，在主軸中下端靠近軸承附近選取某一測量點，并將傳感標簽引出的傳感探頭貼合于測點處，同時將高精度紅外測溫儀激光點打在測點處，使主軸轉(zhuǎn)速保持3000r/min，運轉(zhuǎn)60min，每隔4min采樣一次，測試結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

圖8　標簽與測溫儀測試結(jié)果對比

圖9　測試結(jié)果相對誤差

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

4.2電渦流傳感器精度對比實驗

選取上述溫度測試的主軸，控制其轉(zhuǎn)速為3000r/min，分別采用電渦流傳感器DH901和英國雷尼紹的激光干涉儀XL-80對主軸軸向進行熱變形測試。由于電渦流傳感器的量程為1±0.5mm，因此測試時，控制操作面板使主軸底端端面距測試儀器初始距離為0.5mm，并逐次遞增0.05mm進行數(shù)據(jù)記錄，其中電渦流傳感器直接固定在工作臺上，采集的位移信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給上位機，而激光干涉儀測試則需要在主軸和工作臺上分別安裝測量鏡和參考鏡，其中，一個光學(xué)組件保持靜止不動，另一個光學(xué)組件沿主軸向上移動，經(jīng)反射后可由上位機專用軟件處理得到測量結(jié)果。其測試結(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試結(jié)果非常接近，最大相對誤差為5.69%，平均相對誤差為3.67%，這說明所選用的電渦流傳感器測量精度滿足熱位移現(xiàn)場測試需求。

圖10　電渦流傳感器與激光干涉儀測試結(jié)果

圖11　測試結(jié)果相對誤差曲線

5結(jié)論

基于RFID傳感標簽技術(shù)，設(shè)計了一種機床熱誤差測試系統(tǒng)并在現(xiàn)場進行了實驗測試，數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果表明，傳感標簽與紅外測溫儀的最大相對誤差小于5%，電渦流傳感器與激光干涉儀的最大相對誤差小于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：TH164;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：袁江(1968—)，男，江蘇南通人，南通大學(xué)教授，碩士，研究方向為機電系統(tǒng)測控技術(shù)，(E-mail)yuanjiang68@126.com。

*基金項目：江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進項目(JHZD10-035)；南通市"瞪羚企業(yè)" 培育計劃項目(AA2013016)

收稿日期：2015-04-27

文章編號：1001-2265(2016)03-0108-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.030