袁 江，陶 濤，邱自學(xué)，許 凱，任 東

(1.南通大學(xué)機(jī)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(jī)床熱誤差成為需要考慮的重要因素[1-2]。作為機(jī)床系統(tǒng)關(guān)鍵傳動部件，絲杠的熱變形直接影響機(jī)床加工位置誤差，對其進(jìn)行監(jiān)測是研究進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽地址信息的識別，融合具有感知能力的傳感器實(shí)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(biāo)簽技術(shù)設(shè)計了溫度傳感標(biāo)簽與讀寫器，以無線的方式對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在絲杠頂端安裝激光位移傳感器對熱延伸量進(jìn)行實(shí)時采集?；贚abVIEW開發(fā)了絲杠熱誤差上位機(jī)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(jī)實(shí)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(biāo)簽、讀寫器、激光位移傳感器及其控制器、上位機(jī)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(jìn)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(jī)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(yuǎn)端軸承座、電機(jī)座、螺母座上安裝溫度傳感標(biāo)簽，此外考慮外部因素還應(yīng)對環(huán)境和機(jī)床本體等進(jìn)行溫度的監(jiān)測。當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測到溫度信號后，標(biāo)簽內(nèi)的微處理器對其進(jìn)行身份標(biāo)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(jī)，上位機(jī)軟件通過數(shù)字截取功能，將標(biāo)記好的溫度信號保存到對應(yīng)的文件中；安裝在x軸遠(yuǎn)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(jī)軟件之間實(shí)現(xiàn)通訊并將數(shù)據(jù)實(shí)時顯示與存儲。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 溫度傳感標(biāo)簽設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)溫度的無線傳輸和傳感標(biāo)簽小型化的理念，設(shè)計了如圖2所示的RFID溫度傳感標(biāo)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(biāo)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(qiáng)的處理性能以及超低功耗，適合用于對有源傳感標(biāo)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(yuǎn)，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(jìn)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(biāo)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(diǎn)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(jìn)行處理，用來將TTL電平轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠識別的RS232電平，而上位機(jī)中RS232接口相對較少，應(yīng)該采用RS232轉(zhuǎn)USB接口與上位機(jī)相連，這樣上位機(jī)中的LabVIEW便可通過VISA函數(shù)實(shí)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(diǎn)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)軟件進(jìn)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(jìn)給系統(tǒng)熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)。該上位機(jī)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(biāo)簽技術(shù)，在發(fā)送溫度信號時需對溫度信號進(jìn)行地址標(biāo)記與打包，讀寫器在進(jìn)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(jìn)行字符串截取功能將地址信號單獨(dú)截取以便識別，在設(shè)定偏移量和長度后進(jìn)行if條件結(jié)構(gòu)判定，將對應(yīng)標(biāo)簽的信號進(jìn)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(shí)現(xiàn)同步，在確定位移信號流的格式后對位移信號進(jìn)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(jī)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(yàn)，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(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)獲取

由于滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的主要發(fā)熱源為電機(jī)、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(shí)驗(yàn)平臺，溫度傳感器的安裝位置如表1所示。測量時機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)為空轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(biāo)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(jī)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(jìn)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(biāo)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(yùn)用圖9所示的基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)對各測點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)用傳感標(biāo)簽技術(shù)可以準(zhǔn)確地對每個布點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(yuǎn)端的讀寫器，通過上位機(jī)軟件將讀寫器的數(shù)據(jù)存儲；

(2)標(biāo)簽與讀寫器之間的通信協(xié)議簡單，測試距離遠(yuǎn)，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(jī)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(jìn)行實(shí)時保存，為后續(xù)的熱誤差建模提供參考。