于曉洋， 王震宇，， 李廣慧， 譚光宇

(1.哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150080; 2.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江524088)

切削溫度實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器及其特性

于曉洋1， 王震宇1，2， 李廣慧2， 譚光宇2

(1.哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150080; 2.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江524088)

為實(shí)時(shí)測(cè)量刀具切削溫度，采用熱電偶作為感溫元件設(shè)計(jì)一種切削溫度實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器。其中，將熱電偶裸線對(duì)與刀具熔焊為一體，其熱滯后可以忽略;采用兩片AD交替采樣將采樣率提高1倍;采用無線傳輸解決刀具高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的信號(hào)引出難的問題;信號(hào)采集轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)采取小時(shí)間常數(shù)、小尺寸和低功耗設(shè)計(jì)。傳感器特性分析和立銑機(jī)床切削溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:傳感器量程為0～1300℃，靜態(tài)精確度為0.6%，分辨力為1℃;截止頻率為1.5 kHz，時(shí)間常數(shù)為0.408ms。傳感器實(shí)現(xiàn)了切削溫度實(shí)時(shí)在線測(cè)量，能滿足切削溫度變化研究與實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。

切削溫度;熱電偶;無線傳輸;實(shí)時(shí)測(cè)量;時(shí)間常數(shù)

0 引 言

切削熱是切削過程中重要的現(xiàn)象之一。切削溫度不僅影響刀具的磨損和壽命，而且影響表面加工質(zhì)量。因此，切削熱是研究切削加工的重要方面，其中切削溫度在線測(cè)量又是至關(guān)重要的。切削溫度測(cè)量方法主要包括自然熱電偶法、人工熱電偶法、半人工熱電偶法和光熱輻射法等其他方法［1-3］。熱電偶法最為實(shí)用和成熟，但因?yàn)榻佑|式測(cè)量而帶來熱電偶安裝受限和信號(hào)引出困難的問題［4-5］。其中，自然熱電偶法主要用于測(cè)量切削區(qū)域的平均溫度，不能測(cè)量指定點(diǎn)的溫度;人工熱電偶法和半人工熱電偶法可以測(cè)量指定點(diǎn)的溫度，但通常在刀具上打孔將熱電偶埋設(shè)其中，打孔往往存在困難而且導(dǎo)致刀具溫度場(chǎng)改變，而且打孔安裝熱電偶因空氣和金屬導(dǎo)熱性的巨大差異而較大的熱滯后。另外，熱電偶法需要特殊加工、甚至改造主軸結(jié)構(gòu)來將隨刀具旋轉(zhuǎn)的熱電偶的輸出信號(hào)引出到外部進(jìn)行處理，而隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速越來越高，這樣的信號(hào)引出方式越來越難以實(shí)現(xiàn)了。光熱輻射法等方法即使能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫、不存在信號(hào)引出問題，但因?yàn)榄h(huán)境適應(yīng)性差、技術(shù)不成熟、成本高等諸多原因，目前尚難以實(shí)現(xiàn)切削溫度實(shí)時(shí)在線測(cè)量［6-9］。鑒于高轉(zhuǎn)速下切削溫度缺乏在線實(shí)時(shí)測(cè)量手段和設(shè)備的現(xiàn)狀，本文采用熱電偶為感溫元件，研制一種切削溫度實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下刀具切削溫度在線實(shí)時(shí)測(cè)量，并具有成本低、實(shí)時(shí)性高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器組成及其設(shè)計(jì)指標(biāo)

傳感器組成如圖1所示，熱電偶感受被測(cè)點(diǎn)溫度T1，并將其轉(zhuǎn)換為輸出電勢(shì)差U12;U12通過Rc網(wǎng)絡(luò)輸出電勢(shì)差接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)溫度傳感器測(cè)量熱電偶冷端溫度T2并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)微處理器MPc控制A/D進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換;控制進(jìn)行溫度測(cè)量;將信號(hào)和送給無線發(fā)射模塊WiFiA進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射模塊WiFiA與AP和接收模塊WiFiB形成無線網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)系統(tǒng)控制WiFiB接收無線數(shù)據(jù);上位機(jī)根據(jù)熱電偶分度表反向查表將接收到的UDT2轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的冷端電勢(shì)UT2，然后將其與接收到的U12相加而得到冷端補(bǔ)償后熱電偶電勢(shì)測(cè)量值再根據(jù)同一熱電偶電壓分度表由U12T2得到溫度測(cè)量值T。

根據(jù)立銑刀切削溫度測(cè)量前期研究基礎(chǔ)，為滿足立銑刀切削熱和切削溫度測(cè)量研究與監(jiān)控的實(shí)際需求，提出傳感器特性指標(biāo)如下:溫度量程為0～1 300℃、測(cè)量精確度為0.5%、分辨力為1℃、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速低于每分20 000轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)采樣率為400 000SPS、截止頻率為1.65 kHz、響應(yīng)時(shí)間為0.5ms。

圖1 傳感器組成框圖Fig.1 The sensor block diagram

1.2 熱電偶及其安裝

熱電偶測(cè)量刀具切削溫度時(shí)，通常采用在刀具上打孔的安裝方式，結(jié)果在兩種介質(zhì)熱傳遞過程中存在較大的熱滯后，而且破壞了原有溫度分布。熱電偶安裝如圖2所示，在緊鄰切削刃的后刀面上被測(cè)點(diǎn)處，使用電容焊機(jī)將熱電偶裸線對(duì)與刀具熔焊為一體，熱電偶對(duì)接點(diǎn)本身成為被測(cè)點(diǎn)。這實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)溫度測(cè)量、基本不影響刀具溫度分布;熱電偶對(duì)接點(diǎn)與刀具被測(cè)點(diǎn)熔融為一體、基本不存在滯后;另外，測(cè)溫點(diǎn)位置鄰近刀刃，這對(duì)研究刀具切削溫度場(chǎng)十分重要，因?yàn)榍邢鳒囟茸罡邊^(qū)域在刀刃附近而不是在刀刃本身處。熱電偶選用K型熱電偶TTK-36-SLE，其線芯直徑為0.127mm，其測(cè)溫精確度為0.4%，時(shí)間常數(shù)為0.1 s，其測(cè)溫范圍為-50～1 370℃。

圖2 熱電偶安裝照片F(xiàn)ig.2 Thermocouple installation diagram

1.3 下位機(jī)及其電路

焊接在刀具上的熱電偶通過一個(gè)刀具冷卻液孔接到放置于刀具夾具之內(nèi)的下位機(jī)模塊。下位機(jī)模塊由圖1中的Rc網(wǎng)絡(luò)、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片A/D、微處理器MPc和WiFiA芯片集合而成，它放置在刀具夾具之內(nèi)，隨刀具一起旋轉(zhuǎn)。圖3所示為立銑刀、熱電偶、熱電偶引線、下位機(jī)模塊和刀柄的展開圖。

圖3 熱電偶、下位機(jī)、刀具以及刀柄安裝的展開圖Fig.3 Diagram ofm ills，thermocoup le，thermocouple leads，DW the subordinatemachinemodu le and tool holder

下位機(jī)設(shè)計(jì)首先要考慮可供放置的空間小和主軸轉(zhuǎn)速高這兩個(gè)因素。前者要求上位機(jī)體積小和功耗低，低功耗可采用小體積電池;后者以20 000rps為轉(zhuǎn)速上限、以每轉(zhuǎn)20個(gè)采樣點(diǎn)為下限，則要求采樣率為6 666.7SPS，因此傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性至關(guān)重要，前面熱電偶安裝就已經(jīng)充分考慮了這一點(diǎn)。再綜合考慮傳感器特性指標(biāo)以及成本和可靠性等因素，A/D芯片選用ADS1018，微處理器芯片選用STM8，WiFiA芯片選用GS1011，3個(gè)芯片連接如圖4。

圖4 下位機(jī)中模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理器和W iFi芯片的連線圖Fig.4 Connections of ADS1018，STM 8 and GS1011

ADS1018是超小型、低功耗、12位A/D轉(zhuǎn)換芯片和具有內(nèi)部基準(zhǔn)的溫度傳感器，其外形尺寸為2mm×1.5mm×0.4mm，其連續(xù)工作電路消耗僅為150μA，其模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差小于0.05%，其測(cè)溫誤差小于1℃。STM8是小體積、低功耗、低成本的微處理器芯片，其外形尺寸為5mm×5mm×1mm、其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)8Mbit/s、其工作電流小于150 mA。GS1011是集成了射頻發(fā)射器的超低功率WiFi芯片，支持IEEE802.11射頻通信、MAc層和物理層協(xié)議，其外形尺寸為10 mm×10 mm×0.85 mm、其通信速率可達(dá)11 Mbit/s、其發(fā)射狀態(tài)電流小于250mA。

然而，ADS1018最大采樣率為3300SPS、低于6666.7SPS的要求，因此采用兩個(gè)ADS1018交替采樣的方案。由Rc網(wǎng)絡(luò)和兩片ADS1018構(gòu)成的熱電偶信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，兩路相同的采樣電路同時(shí)工作，一路在時(shí)鐘上升沿采樣，采樣點(diǎn)為1、3、5、7、9、…，另一路下降沿采樣，采樣點(diǎn)為2、4、6、8、10、…等。這樣，采樣率提高了1倍、達(dá)到6 600SPS，基本滿足要求，而且不降低采樣精確度、幾乎不增加成本。電阻RDFFA和RDFFB與電容CDIFF組成差動(dòng)Rc低通濾波器衰減高頻差模噪聲;電容CcMA和CcMB衰減高頻共模噪聲。共模電容失配會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)噪聲，因此差動(dòng)電容至少比共模電容高1個(gè)數(shù)量級(jí)。電阻RPU和RPD提供約等于電源電壓中值的共模偏置電壓，同時(shí)提供微弱的上拉和下拉來檢測(cè)傳感器開路。

圖5 熱電偶信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Therm ocoup le signal acquisition conversion circuit

圖5中，采用MFP精密金屬膜電阻，其精確度可達(dá)0.01%、溫度穩(wěn)定性為10 ppm/℃;采用NPO瓷片電容，其精確度可達(dá)0.05%、其溫度穩(wěn)定性為30 ppm/℃。通過實(shí)測(cè)進(jìn)行電阻匹配，其失配值影響可忽略，僅需考慮其溫度穩(wěn)定性，且電阻溫漂具有相互抵消的作用;同理，電容也僅考慮其溫度穩(wěn)定性，電容溫漂也具有相互抵消的作用。

如圖6所示，ADS1018采用開關(guān)電容輸入級(jí)，其中電容器連續(xù)充放電來測(cè)量AIN0和AIN1之間的電勢(shì)。所采用的電容其值小并與外電路相連接，其平均負(fù)載效應(yīng)相當(dāng)于電阻，該電阻值取決于電容值和開關(guān)速度。當(dāng)開關(guān)速度為fcLK=250 kHz時(shí)，差動(dòng)輸入阻抗ZDIFF為4.9MΩ、共模輸入阻抗ZcM為6MΩ。

圖6 簡(jiǎn)化的模擬輸入電路Fig.6 Sim plified analog input circuit

2 傳感器特性分析

2.1 傳感器輸入輸出關(guān)系

傳感器信號(hào)感受和轉(zhuǎn)換過程包括熱電偶、Rc網(wǎng)絡(luò)、數(shù)模轉(zhuǎn)換3個(gè)環(huán)節(jié)，其余均為數(shù)字量傳輸過程，因此僅考慮熱電偶、Rc網(wǎng)絡(luò)、數(shù)模轉(zhuǎn)換3個(gè)環(huán)節(jié)。

將圖5和圖6所示電路結(jié)合起來進(jìn)行Rc網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)分析，電勢(shì)差U12經(jīng)過Rc網(wǎng)絡(luò)后形成電勢(shì)差作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入，根據(jù)基爾霍夫電流定律有

若RDFF=500Ω、CcM=0.01μF、CDIFF=0.1μF、f=250×103Hz，則ZDIFF=4.9 MΩ、ZcM=6 MΩ，那么，

1/ωCcM=1/(2πfωCcM)≈6.20Ω?ZcM、1/ ωCDIFF=1/(2πfωCDIFF)≈57.1Ω?ZDIFF。

因此，式(3)可簡(jiǎn)化如下

整理得到Rc網(wǎng)絡(luò)輸入輸出關(guān)系

則Rc網(wǎng)絡(luò)其頻率響應(yīng)函數(shù)HRc(ω)和傳遞函數(shù)HRc(s)如下

2.2 傳感器靜態(tài)特性

根據(jù)式(5)，在RDFF、CcM、CDIFF分別單獨(dú)存在誤差dRDFF、dCcM、dCDIFF的情況下通過求導(dǎo)運(yùn)算得到Rc網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的相對(duì)誤差如下

根據(jù)上面公式，Rc網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)相對(duì)誤差不僅與網(wǎng)絡(luò)中電阻值和電容值有關(guān)，而且與輸入信號(hào)頻率有關(guān)，頻率越高，電阻誤差和電容誤差的影響就越大。當(dāng)ω→∞時(shí)，電阻誤差和電容誤差的影響達(dá)到最大，分別為

根據(jù)RDFF、CcM和CDIFF的精確度和溫漂參數(shù)值進(jìn)行估計(jì)，由上式得Rc網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)誤差分項(xiàng)δRc如下

因?yàn)锳DS1018的模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差小于0.05%，所以UAIN0-AIN1經(jīng)ADS1018轉(zhuǎn)換后輸出UDOUT過程中存在轉(zhuǎn)換誤差分項(xiàng)δDOUT=0.05%。那么，熱電偶輸出電勢(shì)差U12經(jīng)過Rc網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)和數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)后，存在測(cè)量誤差分項(xiàng)δRcD為

因?yàn)锳DS1018在-40～125℃測(cè)溫范圍內(nèi)存在不超過1℃的測(cè)溫誤差，那么根據(jù)熱電偶分度表由UDT2確定其對(duì)應(yīng)電勢(shì)值UT2時(shí)，導(dǎo)致UT2存在小于相當(dāng)于1℃的電勢(shì)誤差ΔUT2S，則ΔUT2在冷端補(bǔ)償后熱電偶電勢(shì)U12T2中形成一個(gè)測(cè)量誤差分項(xiàng)為δUT2S≤ΔUT2/U12FS=(1℃/1300℃)=0.077%;同理，因?yàn)闊犭娕挤侄缺泶嬖?.4%的誤差，根據(jù)熱電偶分度表由溫度測(cè)量值UDT2確定其對(duì)應(yīng)電勢(shì)值UT2時(shí)，導(dǎo)致UT2存在一個(gè)電勢(shì)誤差ΔUT2I，進(jìn)而在U12T2中形成一個(gè)測(cè)量誤差分項(xiàng)為δUT2I≤0.4%?？梢?，ADS1018測(cè)量熱電偶冷端溫度并根據(jù)熱電偶分度表將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電勢(shì)UT2過程中，存在一個(gè)測(cè)量誤差分項(xiàng)δUT2為

根據(jù)熱電偶分度表，由冷端補(bǔ)償后熱電偶電勢(shì)測(cè)量值U12T2=U12+UT2查表得到溫度測(cè)量值T的過程中，因?yàn)闊犭娕挤侄缺泶嬖?.4%的誤差，結(jié)果存在一個(gè)測(cè)量誤差分項(xiàng)δTI≤0.400%。

總結(jié)上述，通過測(cè)量熱電偶電勢(shì)差和冷端溫度，根據(jù)分度表獲得冷端補(bǔ)償熱電偶溫度測(cè)量值整個(gè)過程中，存在靜態(tài)測(cè)量誤差δT為

因此，傳感器靜態(tài)測(cè)量精確度為0.6%。那么，絕對(duì)靜態(tài)測(cè)量誤差應(yīng)該小于7℃，因此其測(cè)量分辨率設(shè)定為1℃足夠了，同時(shí)也非常容易實(shí)現(xiàn)。

2.3 傳感器動(dòng)態(tài)特性

根據(jù)式(6)，一階Rc網(wǎng)絡(luò)截止頻率為fRc=根據(jù)式(8)，模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的幅頻特性為恒定常數(shù)1，相頻特性為一條直線。因此，綜合而言，傳感器截止頻率為1.52 kHz。因?yàn)閱纹?shù)轉(zhuǎn)換芯片采樣率為3 300SPS，則基本上保證了在Rc網(wǎng)絡(luò)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)在每個(gè)周期內(nèi)被采樣兩次，符合采樣定理。

根據(jù)式(7)，得到Rc網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)為τRc=根據(jù)式(8)，模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的絕對(duì)延遲時(shí)間為0.303ms;相比之下，微處理器和WiFi發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)傳輸率分別可達(dá)8Mbit/s和11Mbit/s，其時(shí)間延遲可以忽略。綜合而言，傳感器時(shí)間常數(shù)為0.303+0.105=0.408ms。因?yàn)閱纹?shù)轉(zhuǎn)換芯片采樣時(shí)間為0.303 ms，則基本上保證了每次采樣都能跟隨被測(cè)信號(hào)的變化。

3 刀具切削溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

采用傳感器在XH714D機(jī)床上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。下面以8 000 r/min轉(zhuǎn)速情況下的一組測(cè)量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，其回放曲線如圖8所示，橫坐標(biāo)為等間隔的采樣點(diǎn)序號(hào)，縱坐標(biāo)為溫度測(cè)量值，共計(jì)475 043個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)量用時(shí)為72 s。圖7所示曲線顯示了切削開始前、切削開始、連續(xù)切削、切削結(jié)束各個(gè)階段中，刀具主刃附近表面被測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)切削溫度的變化規(guī)律。

切削開始前階段參見圖8，溫度測(cè)量采樣點(diǎn)從0開始到第112 879點(diǎn)用時(shí)約17 s，該時(shí)段主軸空轉(zhuǎn)逐漸接近工件但尚未接觸工件，該時(shí)段溫度圍繞室溫(17℃)上下略有浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍不超過5℃。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 The experimental system

圖8 一次溫度測(cè)量的回放曲線Fig.8 the p layback curve of a single time tem peraturemeasurem ent

切削開始階段參見圖9所示刀具接觸工件前后局部放大溫度曲線，隨刀具接近工件，溫度緩慢上升，在采樣點(diǎn)111 999達(dá)到19℃，在采樣點(diǎn)112 879升到20℃，此段用時(shí)0.13 s;然后，在采樣點(diǎn)113 495刀具接觸到工件，其溫度上升到23℃，此段用時(shí)0.09 s;接著，溫度開始快速上升，在采樣點(diǎn)114 441達(dá)到35℃，此段用時(shí)0.14 s。由此進(jìn)入連續(xù)切削階段。連續(xù)切削階段參見圖8，溫度快速上升，但溫度上升速度逐步下降，直至采樣點(diǎn)426 928切削結(jié)束，此段用時(shí)47.35 s。

切削結(jié)束階段參見圖10刀具離開工件前后局部放大溫度曲線，刀具離開工件前，溫度上升較慢，從采樣點(diǎn)425 097開始到采樣點(diǎn)426 928刀具離開工件為止，溫度從458℃上升到463℃，此段用時(shí)0.28 s;刀具離開工件后，其溫度快速下降，在采樣點(diǎn)427 539下降到446℃，此段用時(shí)0.09 s;接著，溫度繼續(xù)快速下降，但其下降速度越來越慢。

圖10所示為圖8中溫度曲線最復(fù)雜的一段，既包括溫度緩慢上升又包括變化最劇烈的部分，因此針對(duì)其進(jìn)行分析最具說服力。圖10中溫度拐點(diǎn)附近區(qū)域A的曲線放大如圖11所示，詳細(xì)地給出了0.06 s時(shí)間段內(nèi)刀具溫度的變化情況;溫度有時(shí)穩(wěn)定、有時(shí)上下跳動(dòng)，最小跳動(dòng)范圍為1℃、最大跳動(dòng)范圍為2℃，因此傳感器分辨力為1℃;圖中曲線采樣點(diǎn)數(shù)共計(jì)420個(gè)，從采樣點(diǎn)x開始到采樣點(diǎn)(x+ 10)結(jié)束范圍內(nèi)，溫度跳動(dòng)次數(shù)為10，可見溫度上下跳動(dòng)速率與采樣率相等，因此傳感器采樣率達(dá)到6 600SPS，同時(shí)可以斷定跳動(dòng)主要是由于兩片ADS1018失配所致;在采樣點(diǎn)426 638附近開始退刀、溫度達(dá)到463℃，進(jìn)入切削熱仍然在刀具體內(nèi)傳遞擴(kuò)散、而同時(shí)刀具表面又在散熱的熱平衡過程中，溫度幾乎不變;直到刀具完全離開工件后，在采樣點(diǎn)426 928溫度仍為463℃，但散熱開始占主導(dǎo)地位，溫度才開始快速下降，此段用時(shí)大約為0.04 s;之后，刀具進(jìn)入純散熱階段，溫度快速下降，但下降速度越來越慢，參見圖8;到采樣點(diǎn)475 043溫度降到181℃，此段用時(shí)7.3s、溫度下降了282℃，因?yàn)闇囟确€(wěn)態(tài)值為室溫17℃，則溫度由最高值(463℃-17℃)=446℃下降了63.2%，那么可以斷定該刀具在溫度下降階段的時(shí)間常數(shù)為7.3 s。

圖9 刀具接觸工件前后局部放大溫度曲線Fig.9 M agnified tem perature curve before

圖10 刀具離開工件前后局部放大溫度Fig.10 M agnified tem perature curve before the cutter touches the work piece before the cutter leaves the work piece

圖11 圖9中A區(qū)域局部放大溫度曲線Fig.11 M agnified temperature curve of region A shown in Figure 9

4 結(jié) 論

本文研制了一種切削溫度實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器，采用熱電偶為感溫元件，并使用電容焊機(jī)將熱電偶裸線對(duì)與刀具熔焊為一體，熱電偶對(duì)接點(diǎn)本身成為被測(cè)點(diǎn)，將熱滯后減少到最小;采用雙片模數(shù)轉(zhuǎn)換器交替采樣將采樣率提高了1倍;采用無線數(shù)據(jù)傳輸解決了刀具高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的信號(hào)引出難問題;設(shè)計(jì)了小時(shí)間常數(shù)的信號(hào)采集轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)，滿足了實(shí)時(shí)測(cè)量的要求;下位機(jī)器選取小尺寸和低功耗器件，適于安裝在狹小的空間內(nèi)。

在傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了特性分析和多次立銑機(jī)床切削溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論:

傳感器測(cè)溫范圍為0～1 300℃;靜態(tài)測(cè)量精度為0.6%;分辨力為1℃;測(cè)量值存在跳動(dòng)現(xiàn)象，跳動(dòng)值不超過2℃。

傳感器截止頻率為1.52 kHz，其通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)在每個(gè)周期內(nèi)被采樣兩次，符合采樣定理;傳感器時(shí)間常數(shù)為0.408 ms，與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采樣時(shí)間0.303ms基本匹配，能反映出被測(cè)信號(hào)的變化。

傳感器實(shí)現(xiàn)了立銑刀具切削溫度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，能詳細(xì)給出切削開始前、切削開始、連續(xù)切削、切削結(jié)束所有階段中刀具主刃附近表面被測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)切削溫度的完整曲線，其時(shí)間分辨力達(dá)到0.15 ms、其溫度分辨力達(dá)到1℃;在銑刀離開工件前后，切削溫度變化最為劇烈的階段，溫度曲線清晰準(zhǔn)確，表明測(cè)量結(jié)果能滿足切削溫度變化研究與實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。

傳感器具有體積小、成本低、實(shí)用強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。本文后續(xù)工作的重點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換的匹配，將測(cè)量值跳動(dòng)減小到1℃;定量研究無線傳輸丟包率，采取措施提高無線傳輸可靠性。

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(編輯:劉素菊)

Real-time cutting tem perature sensor and its characteristics

YU Xiao-yang1， WANG Zhen-yu1，2， LIGuang-hui2， TAN Guang-yu2
(1.The Higher Educational Key Laboratory for Measuring&control Technology and Instrumentations of Heilongjiang province，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，china; 2.college of Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，china)

In order tomeasure cutter temperature online，a real time temperaturemeasurement sensor of cutter was designed with thermocouple as its temperature sensing element.In this sensor，thermal hysteresis can be ignored by welding bare wires pair of therocouple to cutter，and two AD converterswere used to sample alternately to double sampling rate.In addition，wireless transmission was adopted to address the problem of difficult signal extraction caused by high-speed rotary tool.It takes less time during signal acquisition and conversion in this solution.Lower small size and low power consumption were also designed.Through sensor characteristic analysis and the experimentofmillingmachine cutting temperature，the results show that the sensor measurement range is 0～1 300℃，the static measurement accuracy is 0.6%and resolution is 1℃，the cutoff frequency is 1.5kHz，and the time constant is 0.408ms.This sensor can measure cutter temperature online，and can satisfy the needs of the cutter temperature change research and real timemonitor.

cutting temperature;thermocouple;wireless transmission;real-timemeasurement;time constant

10.15938/j.emc.2015.04.014

TP 242;TP 273

A

1007-449X(2015)04-0087-07

2014-06-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(51175096);國(guó)家自然科學(xué)基金(51375099)

于曉洋(1962—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閭鞲屑夹g(shù);王震宇(1969—)，男，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)閭鞲屑夹g(shù);李廣慧(1960—)，女，學(xué)士，教授，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù);譚光宇(1957—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。

李廣慧