機(jī)床形變無線感知與監(jiān)測

周冬

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161000）

1 概述

在傳統(tǒng)的應(yīng)力測量過程中，經(jīng)常會遇到應(yīng)變傳感器與應(yīng)力測試點(diǎn)有很長距離，測量時需要較長的布線工作以及不安全因素的存在，這樣不僅提高了安裝費(fèi)、增加了工作量、而且較長的布線使得信號在傳輸過程中嚴(yán)重?fù)p耗，測試周期也比較長。我公司在此次機(jī)床主要部件自身的形變感知技術(shù)研究中擬定使用無線應(yīng)變傳感器信號發(fā)射器，希望在試驗(yàn)研究中可以較好的解決這個問題。無線應(yīng)變傳感器與傳統(tǒng)應(yīng)變采集器系統(tǒng)相比，體積小，適合攜帶，而且安裝無需布線；采用了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，使測量數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值，更加準(zhǔn)確。具有極高的測量精度和抗干擾能力。

無線應(yīng)變傳感器信號發(fā)射器節(jié)點(diǎn)每個通道內(nèi)置有獨(dú)立的高精度500Ω 橋路電阻和放大調(diào)理電路，每個通道的最高采樣率可達(dá)到1000sps，支持電壓激勵測量方法。采用電壓激勵時量程為15000με，采集的數(shù)據(jù)即可以實(shí)時無線傳輸至計(jì)算機(jī)，也可以存儲在節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的1 GB數(shù)據(jù)存儲器，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。節(jié)點(diǎn)的空中傳輸速率可以達(dá)到250KBPS，有效室外通訊距離可達(dá)100m，SG404EX共通訊距離可達(dá)到1 公里。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有專門的電源管理軟硬件，在實(shí)時不間斷傳輸情況下，節(jié)點(diǎn)功耗公48mA，使用內(nèi)置可充電電池，可連續(xù)測量10 小時以上；節(jié)點(diǎn)支持外部I/O觸發(fā)采集控制模式，通過外部接口接入高電平信號進(jìn)行控制；節(jié)點(diǎn)帶有USB接口，用戶可以通過USB接口對節(jié)點(diǎn)充電，可以快速地把存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)里。

基于無線應(yīng)變傳感器信號發(fā)射器的高精度應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)，以低廉的價格、高的可靠性以及無需布線等特點(diǎn)使得在實(shí)際測試過程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量結(jié)果符合實(shí)際，對大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號高精度的采集與無線傳輸?shù)玫捷^好的融合，非常適合我公司在此次機(jī)床主要部件自身的形變感知技術(shù)研究中進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 傳感器在機(jī)床上的部署

2.1 工作臺。形變檢測：測量工作臺自身形變擬采用貼片式電阻應(yīng)變片，配合無線應(yīng)變傳感器將測量數(shù)據(jù)傳輸出來。將無線應(yīng)變傳感器放置于工作臺內(nèi)部，結(jié)合工作臺應(yīng)力形變有限元分析，此次關(guān)于工作臺自身形變的研究預(yù)計(jì)先采用沿AC 和BD 兩條線段路徑預(yù)埋貼片式電阻應(yīng)變片。

圖1

實(shí)驗(yàn)初期，預(yù)計(jì)埋入約10 片電阻應(yīng)變片，采用有線方式連接應(yīng)變片，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，優(yōu)化應(yīng)變片的部署位置以及應(yīng)用數(shù)量；并檢測形變檢測精度是否能滿足數(shù)據(jù)以及實(shí)際應(yīng)用需求，工作臺的形變變化檢測精度要求是0.01 毫米。

2.2 刀架。形變檢測。測量刀架滑枕自身形變擬采用貼片式電阻應(yīng)變片，配合無線應(yīng)變傳感器將測量數(shù)據(jù)傳輸出來。將無線應(yīng)變傳感器放置于滑枕內(nèi)部，此次關(guān)于刀架滑枕自身形變的研究預(yù)計(jì)先采用沿4 條AB線段路徑預(yù)埋貼片式電阻應(yīng)變片，一共四個面，也就是每個面都有一條AB線段，一個滑枕共4 條AB線段。

圖2

實(shí)驗(yàn)初期，預(yù)計(jì)埋入約20 片電阻應(yīng)變片，每個面的AB線段為5 片電阻應(yīng)變片，采用有線方式連接應(yīng)變片，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，優(yōu)化應(yīng)變片的部署位置以及應(yīng)用數(shù)量；并檢測形變檢測精度是否能滿足數(shù)據(jù)以及實(shí)際應(yīng)用需求，刀架的形變變化檢測精度要求是0.01mm。

2.3 橫梁。形變檢測。測量橫梁自身形變擬采用貼片式電阻應(yīng)變片，配合無線應(yīng)變傳感器將測量數(shù)據(jù)傳輸出來。將無線應(yīng)變傳感器放置于橫梁內(nèi)部，結(jié)合橫梁剛度形變有限元分析，此次關(guān)于橫梁自身形變的研究預(yù)計(jì)先采用沿AB 和CD 以及AB'CD'（即AB 和CD的相對面）四條線段路徑預(yù)埋貼片式電阻應(yīng)變片。

圖3

此次關(guān)于橫梁自身形變的研究預(yù)計(jì)先采用16 個貼片式電阻應(yīng)變片，關(guān)于貼片式電阻應(yīng)變片的具體位置部署，在橫梁的上端面和下端面分別均布5 個貼片式電阻應(yīng)變片即AB線上，兩側(cè)各均布3 個貼片式電阻應(yīng)變片即CD線上。采用有線方式連接應(yīng)變片，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，優(yōu)化應(yīng)變片的部署位置以及應(yīng)用數(shù)量；并檢測形變檢測精度是否能滿足數(shù)據(jù)以及實(shí)際應(yīng)用需求，橫梁的形變變化檢測精度要求是0.01mm。

2.4 立柱。形變檢測。測量立柱自身形變擬采用貼片式電阻應(yīng)變片，配合無線應(yīng)變傳感器將測量數(shù)據(jù)傳輸出來。將無線應(yīng)變傳感器放置于立柱內(nèi)部，結(jié)合立柱自重形變有限元分析，此次關(guān)于立柱自身形變的研究預(yù)計(jì)先采用沿AB、CD、EF 三條線段路徑預(yù)埋貼片式電阻應(yīng)變片。

圖4

實(shí)驗(yàn)初期，預(yù)計(jì)埋入10 片電阻應(yīng)變片，AB和EF 各均布10 個電阻應(yīng)變片，CD上均布10 個電阻應(yīng)變片，采用有線方式連接應(yīng)變片，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，優(yōu)化應(yīng)變片的部署位置以及應(yīng)用數(shù)量；并檢測形變檢測精度是否能滿足數(shù)據(jù)以及實(shí)際應(yīng)用需求，立柱的形變變化檢測精度要求是0.01mm。

2.5 數(shù)據(jù)驗(yàn)證。通過激光干涉儀、振動分析儀等精密檢測工具檢驗(yàn)立柱形變、振動等，通過對比分析校驗(yàn)預(yù)埋的電阻應(yīng)變片等傳感器、加速度傳感器等檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 邊緣計(jì)算平臺

本系統(tǒng)邊緣計(jì)算平臺在作為傳感器無線傳輸?shù)膮R聚節(jié)點(diǎn)外，還將承擔(dān)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)建模和精度補(bǔ)償算法控制器的計(jì)算角色，以及與云端運(yùn)維平臺的數(shù)據(jù)交互角色。計(jì)劃采用Nvidia 公司Jetson TX2 平臺為核心，搭配AT86RF215 作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸模塊，搭配5G通信終端作為遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺傳輸模塊。Jetson TX2提供了256 個PASCAL GPU核提供了強(qiáng)大的并行計(jì)算核心，完善支持CUDA的并行算法開發(fā)工具箱，用于支撐數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)建模和策略決策算法部署。

圖5 Nvidia 公司Jetson TX2 開發(fā)板

4 結(jié)論

無線監(jiān)測是高端設(shè)備未來的發(fā)展趨勢，通過此方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床形變的精準(zhǔn)監(jiān)測，對實(shí)時提升機(jī)床精度與精度建模提供巨大的幫助。

智能機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成與深度融合的產(chǎn)物,是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的高級形態(tài)。隨著科技不斷創(chuàng)新，智能機(jī)床作為移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端，將成為智能生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵加工設(shè)備。