NiCr薄膜傳感器的切削力無線監測系統設計*

安春華　武文革　伏寧娜　張新宇

(中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051)

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NiCr薄膜傳感器的切削力無線監測系統設計*

安春華武文革伏寧娜張新宇

(中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051)

為了達到實時無線測量切削力的目的，設計了基于自主研制的NiCr合金薄膜測力傳感器與ZigBee模塊的切削力無線監測系統。傳感器實時輸出切削力電壓信號，數據經ZigBee模塊與RS-232線纜上傳至上位機(LabVIEW)，通過不同的LabVIEW顯示面板獲取準確的切削力應變與電壓值并換算出切削力值，且在上位機中完成數據顯示、存儲與報表生成等任務。經由靜態力學標定試驗與實際切削力測量試驗驗證，切削力無線實時監測系統方案完成了基本的實時采集、無線傳輸與實時顯示功能，具有較好的靜態力學采集與實際切削力測量精度。

NiCr薄膜傳感器；ZigBee；LabVIEW；切削力無線監測系統

切削力的測量與控制對現代制造技術的發展有著極其深遠的影響，對數控機床的編程與控制等先進加工技術具有較大的借鑒意義。獲取實時、精確的切削力數據無論對切削生產工藝的制定還是對機械加工系統故障的排查都具有較大的指導價值。為了改進以往有線采集系統布線困難、抗干擾能力差等缺點，在獲得性能優良的新型薄膜傳感器[1-2]的基礎上，設計了一套完整的切削力無線實時監測系統[3-4]，將切削力無線監測系統接入進行靜態力學標定試驗與實際切削力測量試驗，將該采集系統得到的數據與原靜態力學標定實驗數據和KISTLER-9272型四分力車削測力儀測量的切削力數據進行對比分析該系統的靜態力學采集[5]與實際切削力測量精度。

1　傳感器設計制作

傳感器作為測量切削力最重要的部分，其選擇對后續監測環節影響深遠。本文通過前期理論計算設計出圖1所示兩種傳感器設計方案，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制作了一種電阻柵結構的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和KLA-Tencor P-7探針式臺階儀測量A、B兩種傳感器的基本尺寸，并與其理論值進行比較得出其橫、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%，符合設計加工要求，所以所設計的兩種傳感器樣品合格。

2　總體監測方案設計

數據監測系統主要是為了顯示采集回來的切削力的實時數據，達到遠程、智能監測的目標。將NiCr薄膜傳感器與ZigBee發送模塊相連，切削力數據經ZigBee接收模塊、USB-RS232線纜傳輸給上位機(LabVIEW)實現數據無線傳輸與監測功能，整體監測方案示意圖如圖3所示。此外還可以對采集回來的數據進行初步分析、對歷史數據進行回顧以此來發現可能存在的問題，及時對切削加工系統進行調節，減小不必要的損失。

3　靜態力學標定試驗與實際切削力測量實驗

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變的梯度變化，并由DASP 36通道振動與噪聲信號采集分析系統將應變數據采集，YD-15型動態電阻應變儀顯示傳感器輸出電壓數據后完成傳感器靜態力學標定試驗如圖4所示。

在傳感器靜態力學標定試驗基礎上將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變信號。數據經ZigBee發送模塊將電壓與應變信號無線傳輸至50 m外的ZigBee接收模塊與上位機處； Labview應變與電壓顯示面板顯示出應變與輸出電壓的實時曲線，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據加以保存，便于日后調用，如圖8所示。

利用改裝調速電動機的臥式車床C620、KISTLER-9272型四分力車削測力儀、切削力采集系統等進行實際切削力測量試驗，切削力測量現場試驗圖及部分測力儀原始數據如圖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，車床轉速490 r/min，背吃刀量0.5 mm，進給量0.1 mm/r，線速度90 m/min，進行多組試驗。為了數據精確、減少多個傳感器互相干擾，試驗只粘貼測量X單向力的輸出電壓數據并計算X向理論切削力與測力儀測量數據進行比較。

比較靜態力學標定試驗的DASP 36通道振動與噪聲信號采集分析系統采集到的應變信號與YD-15型動態電阻應變儀采集的電壓值與Labview應變、電壓面板顯示值比較表如表1、2所示，通過兩組數據對比看出切削力無線監測系統實現了信號的實時采集、無線傳輸與實時顯示功能。將處理得到的四組KISTLER-9272型四分力車削測力儀的X向切削力數據與X向傳感器理論切削力進行對比，數據如表3所示。

表1　靜態力學標定試驗應變值與Labview應變面板顯示值比較表

表2　靜態力學標定試驗電壓值與Labview電壓面板顯示值比較表

表3　實際切削力測量試驗數據對比表

由計算得出其顯示輸出電壓值與靜態力學標定試驗采集測量值基本一致，該采集系統的應變采集誤差范圍為2.53%～6.86%，電壓采集誤差為4.76%～12.5%，驗證了數據采集系統總體方案的可行性與準確性；實際切削力測量標定試驗數據誤差為3.62%～4.50%，進一步表明此系統的動態測量性能良好，準確度較高。其較大誤差造成的原因為當輸入電壓較小時，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線未采用防屏蔽線纜，現場場地內的不穩定電磁場、噪聲、振動等也會使系統出現一定的測量誤差，但其總體測量效果較理想。

4　結語

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上，設計了一套完整的切削力無線監測系統方案，進行了傳感器靜態力學與實際切削力測量試驗，并由LabVIEW應變顯示面板與電壓顯示面板得到的數值與靜態力學標定試驗值計算對比，得到切削力無線實時監測系統應變采集誤差范圍為2.53%～6.86%，電壓采集誤差為4.76%～12.5%，實際切削力測量測量誤差為3.62%～4.50%；表明本文設計的切削力無線實時監測系統方案不僅完成了基本的實時采集、無線傳輸與實時顯示功能，而且具有較好的靜態力學采集與實際切削力測量精度。

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

[2]孟立凡,藍金輝.傳感器原理與應用[M].北京：電子工業出版社,2011:45-52.

[3]劉坤朋.基于紅外協作的無線自組織視頻監控系統的研究與實現[D].長沙:國防科技大學，2009:13.

[4]陳健.基于ZigBee 的無線工業監測監控系統[D].西安：西安科技大學，2007:21-22.

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

[6]劉金聲. 離子束沉積薄膜技術及應用[M].北京：國防工業出版社,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，研究方向為嵌入式薄膜微傳感器的設計及有限元分析，已發表論文1篇。

2015-08-05)

160129

*山西省國際科技合作項目(2015081018)