梁松博,趙玉龍,趙 友(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054)

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三維集成車削力傳感器數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

梁松博,趙玉龍*,趙 友
(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054)

切削力與切屑形成、切削熱、刀具磨損和切削振動(dòng)等現(xiàn)象有著密切聯(lián)系,是影響加工精度、刀具壽命和切削效率的重要因素。通過實(shí)時(shí)測(cè)量切削力,及時(shí)調(diào)整切削參數(shù)、優(yōu)化切削工藝,對(duì)于保證加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命、提高切削效率等有著重要意義。切削力的準(zhǔn)確測(cè)量和處理離不開優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng),針對(duì)基于MEMS壓阻式芯片的三維集成車削力傳感器,以微處理器STM32為控制核心研制了一種三維集成車削力傳感器數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了三維車削力的標(biāo)定、實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)分析功能。

車削力;MEMS傳感器;數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)分析

在車削過程中,車削力直接影響刀具磨損、零件加工精度和已加工表面質(zhì)量。因此,以切削力測(cè)量進(jìn)行切削狀態(tài)監(jiān)控,已經(jīng)成為從事機(jī)械加工與研究領(lǐng)域人們的共識(shí)[1]。目前,國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)研制了基于壓電效應(yīng)、電阻應(yīng)變效應(yīng)、光纖光柵效應(yīng)的多種切削力傳感器。但應(yīng)用最廣的是應(yīng)變式車削力傳感器和壓電式車削力傳感器[2]。壓電式三維車削測(cè)力儀具有高剛度、高固有頻率、線性好等優(yōu)良特點(diǎn)[3]。應(yīng)變式車削力傳感器具有精度高、可靠性好和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。然而,壓電式車削力傳感器存在三向力測(cè)量獨(dú)立性差,不易維護(hù),難以測(cè)量穩(wěn)定量的缺陷。應(yīng)變式車削力傳感器輸出信號(hào)弱,同時(shí),其固有頻率和靈敏度是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾。MEMS壓阻式傳感器具有靈敏度高,精度高,響應(yīng)速度快,可靠性好且易于微型化、集成化的特點(diǎn)[4]。因此,可以解決壓電和應(yīng)變式車削力傳感器存在的問題。

本文針對(duì)車削力的測(cè)量需求,在設(shè)計(jì)一種MEMS壓阻式三維車削力傳感器的基礎(chǔ)上,研究設(shè)計(jì)了一種如圖1所示的三維集成車削力傳感器數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng),在對(duì)傳感器標(biāo)定之后,能夠同時(shí)測(cè)量主車削力(Fc)、進(jìn)給力(Ff)和吃刀抗力(Fp)3個(gè)車削力分量,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。

圖1 三維集成車削力傳感器數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)示意圖

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圓環(huán)理論,如圖2所示,當(dāng)八角環(huán)分別受到垂直力Fv和水平力Ft作用時(shí),在八角環(huán)中,Ft在θ≈50°截面位置處彎矩為0,Fv在θ≈90°截面位置處的彎矩為0[5]。

圖2 八角環(huán)在垂直力與水平力作用下的變形示意圖

忽略八角環(huán)截面所受軸向力,僅考慮彎矩對(duì)八角環(huán)的作用,在θ≈50°位置處粘貼傳感器芯片可以獨(dú)立測(cè)量Fv而不受Ft的影響,而在θ≈90°處粘貼傳感器芯片則可以獨(dú)立測(cè)量Ft而不受Fv的影響[6]。同時(shí),八角環(huán)具有良好的機(jī)械加工性和剛度,因此,選用兩個(gè)相互垂直的八角環(huán)作為彈性體[7]。

由Ft和Fv所引起的相應(yīng)位置處的應(yīng)力分別為:

(1)

(2)

根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)了如圖3所示的傳感器結(jié)構(gòu)。12個(gè)MEMS壓阻式傳感器芯片組成3個(gè)惠斯通全橋分別用于測(cè)量主切削力(Fc)、進(jìn)給力(Ff)和吃刀抗力(Fp)。MEMS傳感器芯片貼片方案如圖4所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)

圖4 MEMS傳感器芯片粘貼位置及測(cè)量電橋組合示意圖

2 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件以微處理器STM32為核心,最多可同時(shí)采集五路傳感器信號(hào),并通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)硬件主要包括:微處理器STM32103ZET6、數(shù)字電位計(jì)(AD5252)、抗混疊濾波器、低功耗高精度儀表放大器(INA128)、精密基準(zhǔn)電壓源(ADR4550)和以太網(wǎng)通訊模塊(W5500)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

測(cè)試應(yīng)力信號(hào)時(shí),首先要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,消除連接應(yīng)變片和測(cè)量橋路之間線纜可能帶來的阻值干擾,保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。另外,在傳感器的使用過程中,溫度、芯片蠕變等因素也會(huì)使傳感器的零位輸出發(fā)生漂移,從而影響測(cè)量結(jié)果。然而,當(dāng)放大電路的放大增益確定后,其信號(hào)輸入范圍也將確定,傳感器零位輸出漂移會(huì)造成有效信號(hào)范圍的縮減。通常使用軟件變換坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償,然而軟件補(bǔ)償并不能解決有效信號(hào)范圍變窄的問題。在惠斯通電橋橋臂上分別串聯(lián)電位器,手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器平衡橋臂的方法雖然解決了有效信號(hào)范圍變小的問題,但手動(dòng)調(diào)整在自動(dòng)化環(huán)境下缺乏主動(dòng)性,更不能實(shí)時(shí)調(diào)整。

針對(duì)上述問題,本文設(shè)計(jì)了以數(shù)字電位計(jì)作為核心器件的調(diào)理電路,有效減小了零漂和時(shí)漂帶來的測(cè)量誤差。數(shù)字電位計(jì)是一種替代傳統(tǒng)機(jī)械電位器的新型集成電路,采用數(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻值,具有使用靈活,調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn),在許多領(lǐng)域已取代機(jī)械電位器。改進(jìn)后的惠斯通電橋由4個(gè)電阻與一個(gè)AD5252組成。AD5252是ADI公司生產(chǎn)的一種雙通道、阻值1 kΩ,共256個(gè)抽頭(ΔR≈3.92 Ω)的數(shù)字電位計(jì)。由式(3)可知,當(dāng)R1=R2=R3=R4=R=1 kΩ,U=5 V時(shí),AD5252保持一路通道阻值不變,另一路通道的阻值每變化一個(gè)ΔR,電橋輸出變化ΔU≈4.8 mV,完全滿足電橋的信號(hào)調(diào)理。

(3)

系統(tǒng)開機(jī)自檢后,單片機(jī)將根據(jù)傳感器的初始輸出調(diào)節(jié)數(shù)字電位器平衡電橋橋臂電阻,補(bǔ)償由傳感器零漂產(chǎn)生的誤差。此外,在傳感器非受力狀態(tài)下,單片機(jī)將檢測(cè)傳感器的輸出,并調(diào)整電橋橋臂電阻,補(bǔ)償傳感器時(shí)漂產(chǎn)生的輸出漂移。

2.2 抗混疊濾波器與放大電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的抗混疊濾波,在電路設(shè)計(jì)中是很重要的考慮因素[9]。根據(jù)奈奎斯特采樣定律,采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)中最高頻率的兩倍,否則模擬信號(hào)中的高頻信號(hào)會(huì)疊加在低頻段,造成混疊現(xiàn)象。因此,在數(shù)據(jù)采集時(shí),需要采用低通濾波器濾除高頻成分,從而解決頻率混疊。濾波電路采用無源濾波,用L、C無源器件降低相應(yīng)諧波電流通路的阻抗,與有源濾波相比可有效減小系統(tǒng)功耗[10]。傳感器輸出的差分信號(hào)經(jīng)過抗混疊濾波器,去除信號(hào)中的混疊頻率分量。當(dāng)R1=R2=30 Ω,C1=C2=470 nF,C3=33 nF時(shí),由式(4)可知,抗混疊濾波器的高頻截止頻率fH=9.898 kHz。

(4)

放大電路由高精度儀表放大器INA128和精密基準(zhǔn)電壓源組成,可將傳感器信號(hào)放大為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。通過調(diào)整電阻RG的阻值,放大電路可以實(shí)現(xiàn)1倍～1 000倍的增益,當(dāng)放大電路的增益G=1 000時(shí),放大電路仍有10 kHz的帶寬,完全滿足高速切削時(shí)的數(shù)據(jù)采樣頻率。放大器INA128的REF引腳與精密基準(zhǔn)電壓源連接,通過調(diào)整R3和R4的比例,可調(diào)整放大器的輸出偏置,以滿足傳感器信號(hào)為負(fù)時(shí)的采集需求。由于本模塊是數(shù)模混合電路,為減少數(shù)字部分對(duì)模擬部分的影響,需要將數(shù)字部分與模擬部分分離,數(shù)字地和模擬地分離,通過0 Ω電阻連接[11]。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字濾波與通訊電路設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換由STM32內(nèi)置的12 bit ADC完成。ADC的最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.17 μs,并且可以通過DMA方式將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)直接從ADC寄存器傳輸?shù)街付ǖ哪康牡刂?極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度。

圖6 靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)濾波前后對(duì)比(F=100 N)

靜態(tài)測(cè)試表明,采集的數(shù)據(jù)有約2N的波動(dòng),這表明,外界干擾對(duì)傳感器信號(hào)的采集有較大的影響。為提高測(cè)量的可靠性和精度,設(shè)計(jì)數(shù)字濾波算法抑制干擾、獲取有用信號(hào)[12]。相比模擬濾波器,數(shù)字濾波器有著軟件編程容易構(gòu)建和測(cè)試、沒有溫漂等問題,同時(shí)它也不要求精密部件,不受制造的限制,沒有老化或磨損等問題的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)抗脈沖干擾平均濾波算法,并嵌入STM32微處理器中,STM32微處理器將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后,再發(fā)送給上位機(jī)。為防止因數(shù)字濾波造成采樣頻率下降,從而不能反映車削過程中因故障或其他原因引起的沖擊信息,本文將ADC采樣頻率提高至110 kHz,連續(xù)采集10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行濾波,因此,濾波后的采樣頻率依然保持10 kHz。靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)濾波前后對(duì)比如圖6所示。

傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波后,STM32按規(guī)定的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)打包,由驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)芯片W5500電路以TCP/IP協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表2所示。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中采用0x8F表示標(biāo)識(shí)位,若幀號(hào)、用戶數(shù)據(jù)或CRC校驗(yàn)中出現(xiàn)0x8F,則要進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理,轉(zhuǎn)義規(guī)則定義如下:

0x8F<—>0x8E后緊跟一個(gè)0x02;

0x8E<—>0x8E后緊跟一個(gè)0x01;

表2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3 傳感器數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabView作為一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境,用流程圖與框圖代替了程序代碼,是一種便捷的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)途徑。因此本文采用LabView作為傳感器標(biāo)定系統(tǒng)和傳感器數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境。

3.1 傳感器標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可以獲得傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)[2],并且通過標(biāo)定函數(shù)(F=aU+b)可將傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為切削力數(shù)值信號(hào)。標(biāo)定過程中,對(duì)傳感器施加標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)力,因此可適當(dāng)降低采樣頻率(f=1 kHz),以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理。傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)程序框圖如圖7所示。

圖7 傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)程序框圖

標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)傳感器的k個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行n次正反行程的測(cè)量[13]。萬能電子試驗(yàn)機(jī)(SUNS UTM6104)向傳感器施加預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)力,標(biāo)定系統(tǒng)采集記錄傳感器的輸出信號(hào),數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波后存儲(chǔ)。N次正反行程測(cè)量結(jié)束后,標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合,`繪制傳感器信號(hào)-力曲線,并得到線性標(biāo)定函數(shù)F=aU+b及線性誤差γ?？赏ㄟ^線性誤差γ的大小判定標(biāo)定結(jié)果的可用性。標(biāo)定流程如圖8所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)三維車削力實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)分析功能。系統(tǒng)程序框圖如圖9所示。數(shù)據(jù)采集前需輸入各路標(biāo)定函數(shù)的參數(shù)及切削信息,如車床主軸轉(zhuǎn)速、刀具類型、工件材料與直徑、切削進(jìn)給量及吃刀深度等。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,可通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、快速傅里葉變換等分析,從而可以評(píng)價(jià)刀具磨損狀況、零件表面質(zhì)量、機(jī)床加工性能等。

圖8 標(biāo)定流程示意圖

圖9 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)程序框圖

圖10 靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)圖

4 靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

傳感器標(biāo)定后,將傳感器裝夾在萬能電子試驗(yàn)機(jī)底座上,如圖10所示。萬能電子試驗(yàn)機(jī)以20 N為間隔,從0 N—200 N—0 N向傳感器施加標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)載荷,每一階段力保載15 s。靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,三維車削力傳感器有良好的三維力解耦能力,傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有良好的采集性能。

圖11 靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

5 結(jié)論

本文基于壓阻式三維集成車削力傳感器研究設(shè)計(jì)了一種三維集成車削力傳感器數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)采用數(shù)字電位計(jì)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路,從硬件層面上,在一定程度上解決了傳感器零漂和時(shí)漂造成的誤差;抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)避免了信號(hào)的混疊現(xiàn)象;放大增益可調(diào)式放大電路增強(qiáng)了系統(tǒng)使用的靈活性。系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)了傳感器的標(biāo)定功能、三維車削力的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)功能及數(shù)據(jù)分析功能。

后續(xù)工作將進(jìn)行車削力傳感器動(dòng)態(tài)切削實(shí)驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上,研究傳感器時(shí)漂補(bǔ)償算法,減小數(shù)據(jù)采集誤差;研究三維力數(shù)字解耦算法,降低各向力間的交叉干擾,提高三維力測(cè)量精度。

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梁松博(1992-),男,陜西白水人,碩士,主要從事MEMS傳感器傳感器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理研究工作,coffeelsb@stu.xjtu.edu.cn;

趙玉龍(1968-),男,山西運(yùn)城市人,教授,博士生導(dǎo)師,長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授,主要從事MEMS技術(shù)、傳感器技術(shù)及微納制造等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用方面的研究工作,zhaoyulong@mail.xjtu.edu.cn。

Design of Data Collection and Analysis System for a Three Dimensional Integrated Dynamometer on Turning*

LIANG Songbo,ZHAO Yulong*
,ZHAO You(State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering Xi’an 710054,China)

Cutting force is a key factor that reflects machining accuracy,tool life and machining efficiency.There is a close relationship between cutting force and chip formation,cutting heat and the vibration in cutting process. By measuring real-time cutting force,cutting condition is observed and the cutting parameters can be adjusted properly in time,which will in turn improve cutting efficiency,extend too life and decrease machining cost. An excellent data collection and analysis system is a key factor for precision measurement. In this paper,a kind of data collection and analysis system based on MCU STM32 for a three dimensional integrated dynamometer on turningis proposed. It has static calibration function,real-time acquisition function and data analysis function for three dimensional cutting force.

cutting force;MEMS sensor;data collection and analysis

項(xiàng)目來源:國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA041108);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51421004);國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51325503);長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT_14R45)

2016-09-10 修改日期:2016-11-02

TP274

A

1004-1699(2017)04-0623-05

C:7210G

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.024