安春華　武文革　伏寧娜　張新宇

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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NiCr薄膜傳感器的切削力無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

安春華武文革伏寧娜張新宇

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

為了達(dá)到實(shí)時(shí)無線測量切削力的目的，設(shè)計(jì)了基于自主研制的NiCr合金薄膜測力傳感器與ZigBee模塊的切削力無線監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器實(shí)時(shí)輸出切削力電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee模塊與RS-232線纜上傳至上位機(jī)(LabVIEW)，通過不同的LabVIEW顯示面板獲取準(zhǔn)確的切削力應(yīng)變與電壓值并換算出切削力值，且在上位機(jī)中完成數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)與報(bào)表生成等任務(wù)。經(jīng)由靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)與實(shí)際切削力測量試驗(yàn)驗(yàn)證，切削力無線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案完成了基本的實(shí)時(shí)采集、無線傳輸與實(shí)時(shí)顯示功能，具有較好的靜態(tài)力學(xué)采集與實(shí)際切削力測量精度。

NiCr薄膜傳感器；ZigBee；LabVIEW；切削力無線監(jiān)測系統(tǒng)

切削力的測量與控制對現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有著極其深遠(yuǎn)的影響，對數(shù)控機(jī)床的編程與控制等先進(jìn)加工技術(shù)具有較大的借鑒意義。獲取實(shí)時(shí)、精確的切削力數(shù)據(jù)無論對切削生產(chǎn)工藝的制定還是對機(jī)械加工系統(tǒng)故障的排查都具有較大的指導(dǎo)價(jià)值。為了改進(jìn)以往有線采集系統(tǒng)布線困難、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，在獲得性能優(yōu)良的新型薄膜傳感器[1-2]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套完整的切削力無線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[3-4]，將切削力無線監(jiān)測系統(tǒng)接入進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)與實(shí)際切削力測量試驗(yàn)，將該采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與原靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和KISTLER-9272型四分力車削測力儀測量的切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析該系統(tǒng)的靜態(tài)力學(xué)采集[5]與實(shí)際切削力測量精度。

1　傳感器設(shè)計(jì)制作

傳感器作為測量切削力最重要的部分，其選擇對后續(xù)監(jiān)測環(huán)節(jié)影響深遠(yuǎn)。本文通過前期理論計(jì)算設(shè)計(jì)出圖1所示兩種傳感器設(shè)計(jì)方案，橫向電阻柵寬度100 μm、長度200 μm，縱向電阻柵寬度50 μm長度2000 μm，電阻柵厚度600 nm，電阻率0.984×10-8Ω·m，電阻值1 200 Ω。結(jié)合敏感柵材料鎳鉻合金(Ni80Cr20)的性能，在鈦合金基底上利用LDJ-2A-F100系列雙離子束濺射沉積系統(tǒng)制作了一種電阻柵結(jié)構(gòu)的NiCr合金薄膜傳感器樣品[6]如圖2所示。測量其橫、縱電阻寬度102.6 μm、51.5 μm，長度206.6 μm、2 010.6 μm，厚度為643.8 nm，電阻率1.01×10-8Ω·m，電阻值為1 242.6 Ω。

由于薄膜沉積速率、濺射原子沉積角等工藝因素的影響使得傳感器樣品與理論值之間存在誤差，使用KEYENCE VHX-Z5000超景深三維顯微系統(tǒng)和KLA-Tencor P-7探針式臺(tái)階儀測量A、B兩種傳感器的基本尺寸，并與其理論值進(jìn)行比較得出其橫、縱電阻長度誤差分別為2.6%和3.0%，電阻率誤差均為2.6%，電阻值誤差為3.5%，符合設(shè)計(jì)加工要求，所以所設(shè)計(jì)的兩種傳感器樣品合格。

2　總體監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要是為了顯示采集回來的切削力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，達(dá)到遠(yuǎn)程、智能監(jiān)測的目標(biāo)。將NiCr薄膜傳感器與ZigBee發(fā)送模塊相連，切削力數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee接收模塊、USB-RS232線纜傳輸給上位機(jī)(LabVIEW)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸與監(jiān)測功能，整體監(jiān)測方案示意圖如圖3所示。此外還可以對采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析、對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧以此來發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，及時(shí)對切削加工系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，減小不必要的損失。

3　靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)與實(shí)際切削力測量實(shí)驗(yàn)

將NiCr薄膜傳感器粘貼在車刀上依次加載5.79 kg、15.425 kg、26.985 kg、42.045 kg、59.005 kg、80.385 kg觀察傳感器電阻柵的線應(yīng)變的梯度變化，并由DASP 36通道振動(dòng)與噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)將應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，YD-15型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀顯示傳感器輸出電壓數(shù)據(jù)后完成傳感器靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)如圖4所示。

在傳感器靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)基礎(chǔ)上將ZigBee模塊接入傳感器輸出端如圖5所示，測量其輸出電壓與應(yīng)變信號(hào)。數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee發(fā)送模塊將電壓與應(yīng)變信號(hào)無線傳輸至50 m外的ZigBee接收模塊與上位機(jī)處； Labview應(yīng)變與電壓顯示面板顯示出應(yīng)變與輸出電壓的實(shí)時(shí)曲線，如圖6、7所示。在采集過程中利用LabVIEW中自帶的TDMS工具包，對采集回來的歷史數(shù)據(jù)加以保存，便于日后調(diào)用，如圖8所示。

利用改裝調(diào)速電動(dòng)機(jī)的臥式車床C620、KISTLER-9272型四分力車削測力儀、切削力采集系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)際切削力測量試驗(yàn)，切削力測量現(xiàn)場試驗(yàn)圖及部分測力儀原始數(shù)據(jù)如圖9所示。刀具為不銹鋼車刀，工件為40Cr棒料直徑61 mm長度500 mm，車床轉(zhuǎn)速490 r/min，背吃刀量0.5 mm，進(jìn)給量0.1 mm/r，線速度90 m/min，進(jìn)行多組試驗(yàn)。為了數(shù)據(jù)精確、減少多個(gè)傳感器互相干擾，試驗(yàn)只粘貼測量X單向力的輸出電壓數(shù)據(jù)并計(jì)算X向理論切削力與測力儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

比較靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)的DASP 36通道振動(dòng)與噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集到的應(yīng)變信號(hào)與YD-15型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采集的電壓值與Labview應(yīng)變、電壓面板顯示值比較表如表1、2所示，通過兩組數(shù)據(jù)對比看出切削力無線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、無線傳輸與實(shí)時(shí)顯示功能。將處理得到的四組KISTLER-9272型四分力車削測力儀的X向切削力數(shù)據(jù)與X向傳感器理論切削力進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表3所示。

表1　靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)應(yīng)變值與Labview應(yīng)變面板顯示值比較表

表2　靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)電壓值與Labview電壓面板顯示值比較表

表3　實(shí)際切削力測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表

由計(jì)算得出其顯示輸出電壓值與靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)采集測量值基本一致，該采集系統(tǒng)的應(yīng)變采集誤差范圍為2.53%～6.86%，電壓采集誤差為4.76%～12.5%，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案的可行性與準(zhǔn)確性；實(shí)際切削力測量標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為3.62%～4.50%，進(jìn)一步表明此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測量性能良好，準(zhǔn)確度較高。其較大誤差造成的原因?yàn)楫?dāng)輸入電壓較小時(shí)，ZigBee模塊與輸入電壓之間互相干擾造成誤差，且ZigBee模塊與傳感器相連導(dǎo)線未采用防屏蔽線纜，現(xiàn)場場地內(nèi)的不穩(wěn)定電磁場、噪聲、振動(dòng)等也會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)一定的測量誤差，但其總體測量效果較理想。

4　結(jié)語

在制作完成橫、縱電阻長度誤差分別為2.6%和3.0%，電阻率誤差均為2.6%，電阻值誤差為3.5%的1 200 ΩNiCr薄膜測力傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套完整的切削力無線監(jiān)測系統(tǒng)方案，進(jìn)行了傳感器靜態(tài)力學(xué)與實(shí)際切削力測量試驗(yàn)，并由LabVIEW應(yīng)變顯示面板與電壓顯示面板得到的數(shù)值與靜態(tài)力學(xué)標(biāo)定試驗(yàn)值計(jì)算對比，得到切削力無線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)變采集誤差范圍為2.53%～6.86%，電壓采集誤差為4.76%～12.5%，實(shí)際切削力測量測量誤差為3.62%～4.50%；表明本文設(shè)計(jì)的切削力無線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案不僅完成了基本的實(shí)時(shí)采集、無線傳輸與實(shí)時(shí)顯示功能，而且具有較好的靜態(tài)力學(xué)采集與實(shí)際切削力測量精度。

[1]李鄧化,陳雯柏，彭書華.智能傳感技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011: 60-70.

[2]孟立凡,藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011:45-52.

[3]劉坤朋.基于紅外協(xié)作的無線自組織視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長沙:國防科技大學(xué)，2009:13.

[4]陳健.基于ZigBee 的無線工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[D].西安：西安科技大學(xué)，2007:21-22.

[5]童敏明，唐守鋒，董海波.傳感器原理與檢測技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013,11:255-256.

[6]劉金聲. 離子束沉積薄膜技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,2003:194-200.

(編輯汪藝)

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Design of cutting force wireless monitoring system of NiCr thin film sensors

AN Chunhua, WU Wenge,FU Ningna, ZHANG Xinyu

(College of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, CHN)

In order to achieve the purpose of real-time wireless measuring the cutting force, design a wireless monitoring system based on the self-developed NiCr alloy thin film strain sensor and ZigBee module for measuring cutting force. Sensors output real-time voltage signal, the cutting force data are uploaded to the upper machine (LabVIEW) via ZigBee module and RS-232 cables, cutting force values are calculated by the exact cutting force strain and voltage values displayed by the different LabVIEW panel. In the upper machine to complete the task including data display, data storage and report generation, etc. Cutting force wireless real-time monitoring system solutions complete the basic real-time acquisition, wireless transmission and real-time display tasks with good static mechanical collection and the actual cutting force measurement accuracy, by static mechanical calibration test and the actual cutting force measurement test verification.

NiCr thin film sensors; ZigBee; LabVIEW; cutting force wireless monitoring system

TH7;TP212

A

安春華，男，1988年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧奖∧の鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)及有限元分析，已發(fā)表論文1篇。

2015-08-05)

160129

*山西省國際科技合作項(xiàng)目(2015081018)