基于ZigBee無線傳感網絡的數據采集系統設計與實現

魏志強

摘要：手持鉚槍在裝配領域仍然被廣泛應用。在不改變其結構的基礎上，將具有應變、位移檢測功能的無線傳感網絡引入手持鉚槍，實現基于ZigBee的無線數據采集系統。在對鉚槍總體進行介紹的基礎上，分析了數據采集系統原理及其實現方法;最后，通過試驗驗證系統的穩定性。采集的鉚接過程應變、位移等信息能為鉚槍系統優化設計、在線質量檢測等提供可靠的數據依據。

關鍵詞：手持鉚槍;ZigBee;無線傳感網絡;數據采集

中圖分類號：TP273???? 文獻標識碼：A???? DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.012

隨著信息、云計算、大數據時代的到來，網絡化制造已成為企業的發展趨勢，它代表著先進的制造模式，也是網絡時代企業創新驅動發展平臺的重要體現。

目前，手持鉚釘連接工具仍被廣泛應用，如環槽鉚釘槍（拉槍）是一種提高連接壽命的重要工具。國外已對鉚接工具進行智能化改造，實現鉚接質量的網絡化、數字化檢測，國內還未有相關報道。本項目借鑒國外經驗，給出一種基于無線傳感網絡的鉚槍鉚接工藝數據采集系統，借助無線傳感網絡、數據采集與處理技術，在工具上嵌入基于ZigBee的無線傳感器網絡，實現鉚接過程工具關鍵部位的應變、位移等參數的感知，并由遠程計算機對數據進行實時采集、處理與分析，為建立制造及工藝參數數據庫、分析工具運行狀態及建立數據增值新模型（如在線判斷鉚接質量）提供原始數據。

1基于無線傳感網絡的鉚槍總體系統

環槽鉚釘利用釘套的變形鎖緊環槽以實現長壽命的連接，被各大主機廠廣泛使用。圖1給出了基于Huck245鉚槍將鉚釘在短頸槽處拉斷的鉚接工作過程及可檢測的工藝參數。

圖1（b）干涉拉入時，拉力需符合連接工藝要求，圖1（c）放釘套時，箭頭指示長度用于判斷放入的鉚釘長度是否符合要求;圖1（e）拉斷時，可檢測位移和工具表面的應力變化。

圖2為鉚槍總體系統組成示意圖。它集成有無線數據采集模塊、電池組、測量槍桿表面應力變化的應變片、測量鉚槍內卡爪組件位移的位移傳感器等。引入無線傳感網絡，減少了繁瑣的布線工作，結構靈活，能實現快速部署和易于安裝，保證了鉚槍的可移動性。

對一定直徑鉚釘進行鉚接試驗表明：拉斷鉚釘瞬間鉚槍能達到的拉力在25?35kN之間。鉚槍基于氣液增壓原理進行工作，經有限元分析可知，拉斷鉚釘瞬間應力主要集中在槍桿前端（圖3所示集中應變區），鉚槍桿內卡爪組件產生的位移為15mm左右。為測量鉚接過程工藝參數，在不改變鉚槍基本結構、不影響其使用性能的前提下實現應變、位移傳感器以及無線數據采集模塊的安裝。

2傳感器網絡及其工作原理

2.1 LVDT位移傳感器

選用結構簡單、靈敏度高、重復性好、滯后低、零位可恢復及低溫漂的密封直流線性可變差動變壓器傳感器（LVDT），如圖2所示，型號為HSER750。它具有運行無摩擦、分辨率高、單軸向感應、抗干擾能力強等優點。

將鉚槍內部卡爪組件與LVDT的磁芯相連接，LVDT通過結構件固定于槍體上，可容易測出連接在磁芯上卡爪組件的位移，并以電壓信號形式輸出，電壓值大小與LVDT磁芯及線圈的位移成正比，如式⑴所示，最大為10V;同時，對零點位置進行標定與校準，確保測量的準確性。

式中：U為LVDT輸出電壓，x為磁芯位移，H為LVDT滿量程，這里為25.4mm。

2.2應變片

本文采用只有一個測量柵絲的HBM Strain Gauge（SG）線性應變片，型號為1-LY41，其名義電阻為120Ω，測量柵絲長度為6mm、寬度2.7mm，載體長度為13.9mm、寬度為5.9mm。基于應變效應感知環槽鉚釘被拉斷過程由于壓力槍桿表面所受軸向應變情況。應變片按照使用要求貼于圖3集中應變區附近，便于信號采集。

2.3基于ZigBee的無線數據采集模塊

ZigBee技術是一組基于IEEE.802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術，它是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線網絡技術，使用的頻段是全球通用的2.4GHz。

本文選用V102無線電壓傳感器節點采集位移信號，它結構緊湊，體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發模塊組成，可以接收±10V電壓信號;選用SG404無線應變傳感器節點采集應變信號，使用簡單方便，該無線節點具有很高的測量精度和抗干擾能力。采用電流激勵，測量量程為100000με。采用1/4橋測量方式與應變片連接，節點的空中傳輸速率可達250KBPS，有效室外通信距離可達100m。兩個無線節點組成星型網絡拓撲結構進行數據采集。采集的數據既可以實時傳輸至遠程計算機，也可以存儲在節點各自內置的1GB數據存儲器中，便于對數據進行處理。

3系統試驗

通過無線節點配置的BeeData軟件進行數據采集，傳感器數據經過無線電壓及應變節點處理后再通過節點與中心網關組成的網絡將數據傳送給遠程計算機。采用MLGP-8-14輕型鈦合金環槽鉚釘（一種6齒比例鎖緊環槽鈦合金鉚釘），材料為Ti-6A1-4V。試驗連接件夾層長度（即鉚釘無螺紋部分長度）L=14mm。鉚釘實物及夾層長度定義如圖4所示。試驗板厚分別為12.0mm、14.0mm和15.5mm，使用帶法蘭純鈦釘套，研究鉚接夾層過短、夾層合適、夾層過長（如圖5所示）時參數的變化情況。多次鉚接試驗表明，相同條件下，每種情況試驗數據的穩定性較好。

鉚接完成后采用墩頭檢測樣板的過端和止端對釘桿和釘套進行檢驗，夾層過長或過短皆為鉚接不合格，當夾層合適時鉚接合格。圖6?圖8分別給出了夾層過長、夾層過短與夾層合適的應變、位移和應變/位移曲線。從圖中可見，在約0.8s內鉚釘經過塑性變形直至在環槽部位被拉斷即鉚接完成，三種情況的參數曲線雖相似，但在特定時間點的幅值及圖形形狀存在不同的特征。

4結論

通過分析，可以得出以下結論：

（1）通過鉚接試驗，驗證了基于ZigBee技術的無線數據采集系統工作穩定、可靠，實現了預期的鉚接工藝參數的采集。

（2）將采集的應變、位移、鉚釘和連接件等鉚接過程，以及工藝信息建立數據庫，實現制造、裝配工藝數據資源共享，為鉚接工具及連接件本身的優化設計提供原始數據。

（3）借鑒國外成功經驗，可利用采集的信息，通過數據處理與分析，實現鉚接質量在線檢測，也是未來鉚接工具的發展趨勢。

參考文獻

[1]Anguswamy R，Saygin C，Sarangapani J.In-process detection of fastener grip length using embedded mobile wireless sensor networks[c]//2007 ASME International Mechanical Engingering Congress and Exposition，2007.

[2]任小洪，樂英高，徐衛東，等.無線傳感ZigBee技術在物聯網中的應用[J].電子技術應用，2011，37（6）：81-83.

Ren Xiaohong，Yue Yinggao，Xu Weidong，et al.Application of wireless sensing ZigBee technology in thing of internet[J].Application of Electronic Technique，2011，37（6）：81-83.（in Chinese）

[3]王海宇.飛機裝配工藝學[M].西安：西北工業大學出版社，2012.

Wang Haiyu.Aircraft assembly technology[M].Xi'an：Northwestern Polytechnical University Press，2012.（in Chinese）