上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 姚曉棟 楊建國(guó) 羅文君 薛 波

一、前言

機(jī)床熱變形誤差是影響機(jī)床加工精度的主要原因之一[1，2]。大量研究表明，熱誤差是機(jī)床的最大誤差源，占機(jī)床總誤差的40% ～70%[3，4]。要提高加工精度，最為經(jīng)濟(jì)有效的方法是對(duì)機(jī)床熱誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償[5]，而進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償?shù)那疤釛l件是要能夠?qū)崟r(shí)、精確、可靠地測(cè)試出機(jī)床熱敏感點(diǎn)的溫度數(shù)值，這就離不開(kāi)高精度和高穩(wěn)定性的測(cè)溫元件。如何選擇有效的測(cè)溫元件，搭建測(cè)溫系統(tǒng)，獲取機(jī)床溫度變化量，是實(shí)現(xiàn)機(jī)床熱變形建模與補(bǔ)償?shù)闹匾蛩豙6]。

數(shù)控機(jī)床上使用的溫度傳感器大致可分為兩大類(lèi):模擬式溫度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器。其中，前者主要以熱電阻型和熱電偶型為代表;后者則可分為普通型和高精度型。本文論述了進(jìn)行數(shù)控機(jī)床溫度敏感點(diǎn)測(cè)試時(shí)對(duì)溫度傳感器的設(shè)計(jì)要求，并對(duì)自行研制的幾種溫度傳感器的性能進(jìn)行了分析和比較，給出了適合于機(jī)床溫度敏感點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)試的最優(yōu)溫度傳感器設(shè)計(jì)的思路。

二、機(jī)床溫度敏感點(diǎn)和溫度傳感器

1.機(jī)床溫度敏感點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床表面及內(nèi)部各點(diǎn)的溫升對(duì)機(jī)床熱誤差的影響程度不同，總存在這么一些點(diǎn)，它們的溫升變化將引起機(jī)床熱誤差的明顯變化，在熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)中，只有將這些點(diǎn)作為模型的輸入，才能在保證精度的情況下，使測(cè)溫點(diǎn)數(shù)最少。這些點(diǎn)被稱(chēng)為影響數(shù)控機(jī)床熱誤差的溫度敏感點(diǎn)[7]。機(jī)床溫度敏感點(diǎn)有的位于軸承、冷卻液和電機(jī)等固定點(diǎn)，也有的位于絲杠螺母這樣的移動(dòng)部件上，因此溫度傳感器需要適應(yīng)各種測(cè)試狀況。

2.溫度傳感器的比較

(1)模擬式溫度傳感器

模擬式溫度傳感器一般以模擬量信號(hào)輸出，需進(jìn)行信號(hào)變送處理以及A/D轉(zhuǎn)換，這就要求溫度變送單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元都具有很高的精度，而實(shí)際上溫度變送單元往往存在線性度和抗干擾能力較差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致模擬式溫度傳感器的最終檢測(cè)精度和穩(wěn)定性下降。

①熱電偶型溫度溫度傳感器。熱電偶型溫度傳感器是通過(guò)把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)來(lái)測(cè)量出溫度大小的，熱電偶測(cè)量時(shí)，要求其冷端的溫度保持不變。若冷端溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此必須在冷端采取一定的補(bǔ)償措施來(lái)消除冷端溫度變化的影響，但是精確的冷端補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難;此外，熱電偶的測(cè)試溫度范圍較寬，一般在250℃以上，而機(jī)床溫度敏感點(diǎn)的變化范圍一般在0～60℃，熱電偶較寬的測(cè)試范圍不適合用于機(jī)床溫度檢測(cè)。

②熱電阻型溫度傳感器。該類(lèi)傳感器是基于金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。通常工業(yè)測(cè)量時(shí)采用鉑電阻作為熱電阻傳感器的感溫元件，熱電阻傳感器測(cè)溫范圍同樣較寬，如鉑電阻測(cè)試范圍在0～650℃，測(cè)試范圍較寬會(huì)使得在機(jī)床溫度的測(cè)試區(qū)存在非線性問(wèn)題，因而也不適合進(jìn)行機(jī)床溫度測(cè)試;此外，熱電阻型傳感器有一定的衰減性，即隨著時(shí)間的增加，其電阻-溫度比例關(guān)系會(huì)逐步衰減變化，因而需要定期重新標(biāo)定，具體實(shí)施起來(lái)較為繁瑣，不利于工程應(yīng)用。

(2)數(shù)字式溫度傳感器

數(shù)字式溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器，其結(jié)合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，在傳感器芯片內(nèi)部與包含了溫度檢測(cè)和變送單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)處理單元和存儲(chǔ)單元、電源調(diào)理單元等，具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的測(cè)溫系統(tǒng)時(shí)，優(yōu)先考慮選擇使用數(shù)字溫度傳感器作為溫度測(cè)量元件[8]。

①普通型數(shù)字溫度傳感器。普通型數(shù)字溫度傳感器通常以DS1820、DS1822、DS18B20等芯片作為核心部件，其內(nèi)部集成了溫度采集到模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，采用“單總線”的雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的數(shù)字化直接輸出。以本文中研究使用過(guò)的DS18B20型溫度傳感器為例，其溫度監(jiān)測(cè)與數(shù)字輸出全集成在一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力很強(qiáng);DS18B20測(cè)溫范圍為-55℃ ～125℃，但由于其線性度明顯優(yōu)于模擬式溫度傳感器，因而也可滿足線性測(cè)試的要求;此外，該款傳感器還具有價(jià)格低廉，性?xún)r(jià)比較高的優(yōu)點(diǎn)。但是，DS18B20型溫度傳感器最大的缺點(diǎn)在于測(cè)量精度較低，為±0.5℃，相對(duì)于大型機(jī)床熱誤差的預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，其較大的精度偏差將引起誤差補(bǔ)償?shù)膰?yán)重偏失，因而DS18B20型的溫度傳感器比較適合于對(duì)機(jī)床溫度場(chǎng)的趨勢(shì)進(jìn)行定性研究，而對(duì)于機(jī)床誤差補(bǔ)償實(shí)施時(shí)需要精確測(cè)量溫度敏感點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度，其并不是最佳的選擇。

②高精度型數(shù)字溫度傳感器。本文所研究的高精度型數(shù)字溫度傳感器采用了瑞士IST公司生產(chǎn)的TSic—506F型溫度傳感集成芯片，其主要特點(diǎn)是精度高、響應(yīng)速度快、成本低、抗干擾性強(qiáng)以及衰減率極低。該款芯片采用溫度自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)字濾波，內(nèi)部集成了高精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，采用單根信號(hào)線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，使用者無(wú)需進(jìn)行額定校準(zhǔn);由于其衰減率很低，使用5年以上的精度偏差在0.1℃左右，因而無(wú)需進(jìn)行定期標(biāo)定。該傳感器為功耗很低，也可設(shè)計(jì)為無(wú)線傳輸型傳感裝置，文中后面提到的無(wú)線溫度傳感器即是基于該芯片設(shè)計(jì)制作的。此外，該傳感器最大的特點(diǎn)是精度很高，達(dá)到±0.1℃，并且其測(cè)試范圍在-10℃ ～60℃，而線性度最高的測(cè)試區(qū)在5℃ ～45℃之間，區(qū)內(nèi)測(cè)試精度高達(dá)0.0625°，完全符合機(jī)床熱敏感點(diǎn)溫度的測(cè)試精度和測(cè)試范圍要求。

3.機(jī)床溫度敏感點(diǎn)測(cè)試對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)要求

作為機(jī)床溫度敏感點(diǎn)的測(cè)量用的溫度傳感器在設(shè)計(jì)中需要考慮多方面的因素，主要包括:①安裝牢固可靠且快捷方便;②溫度傳感器熱傳導(dǎo)效果好;③溫度傳感器抗外界溫度干擾;④溫度傳感器信號(hào)電纜抗電磁干擾;⑤溫度傳感器信號(hào)電纜壓降對(duì)測(cè)量結(jié)果影響小。

為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度實(shí)際測(cè)試的需求，本文作者自行研制了專(zhuān)用的機(jī)床熱敏感點(diǎn)溫度測(cè)試用溫度傳感器，包括有線型和無(wú)線型兩種模式。

(1)有線型溫度傳感器的設(shè)計(jì)

以高精度有線型數(shù)字溫度傳感器為例，該傳感器在設(shè)計(jì)中主要采取了以下的設(shè)計(jì)思路和方法，達(dá)到了機(jī)床溫度敏感點(diǎn)測(cè)試所需的要求:

①采用稀土材料 (釹鐵硼)制作整體式強(qiáng)磁性外殼，釹鐵硼材料具有體積小、重量輕和磁性強(qiáng)的特點(diǎn)，是性?xún)r(jià)比極高的稀土類(lèi)磁鐵。釹鐵硼材料的使用環(huán)境溫度可達(dá)80℃以上，能夠滿足機(jī)床溫度敏感點(diǎn)測(cè)試的要求。如圖1所示，溫度傳感器采用了整體強(qiáng)磁結(jié)構(gòu)，可以方便快捷地吸附在絲杠螺母這樣的溫度敏感點(diǎn)上，并且由于磁力很強(qiáng)，傳感器安裝牢固可靠。此外，如圖1所示，傳感器在封裝時(shí)直接焊接在線路板上，信號(hào)電纜則焊接在線路板的另一面，并采用了特殊固定走線方式，可防止外部信號(hào)電纜受力作用在焊接點(diǎn)上，增強(qiáng)了傳感器芯片封裝和信號(hào)線連接的可靠性;傳感器的信號(hào)電纜采用了耐彎曲的加固橡膠電纜線和鎧裝結(jié)構(gòu)，可有效避免電纜線在來(lái)回運(yùn)動(dòng)中的彎曲疲勞折損和橡膠層的磨損。

圖1 溫度傳感器布置圖

②采用釹鐵硼材料加工的磁鐵外殼具有均勻性、一致性好的特點(diǎn)，通過(guò)在燒結(jié)時(shí)調(diào)整其化學(xué)成分，可以制造出高導(dǎo)熱性的傳感器外殼，并且通過(guò)燒結(jié)工藝制作的外殼壁厚在0.2mm左右，整體尺寸只有φ10mm×10mm大小，整個(gè)磁鐵外殼熱傳導(dǎo)性能好。此外，如圖2所示，溫度傳感器芯片的熱感應(yīng)面與磁鐵外殼底部貼合，并涂覆高導(dǎo)熱性膠體以增強(qiáng)熱傳導(dǎo)性，采用該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的傳感器能夠達(dá)到優(yōu)異的熱傳導(dǎo)效果。

圖2 有線溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

③該款溫度傳感器在對(duì)機(jī)床溫度敏感點(diǎn)采樣時(shí)，需要保證所采集的溫度數(shù)據(jù)由待測(cè)熱源位置所作用，因而就必須防止傳感器受到外界溫度的干擾。如圖2所示，溫度傳感器在封裝時(shí)，芯片周?chē)约按盆F外殼的空缺處全部填充了隔熱樹(shù)脂材料，使得所設(shè)計(jì)的溫度傳感器具有優(yōu)良的抗外界溫度干擾的性能。

④該款溫度傳感器在信號(hào)電纜的設(shè)計(jì)時(shí)，采用了特殊的抗電磁干擾的設(shè)計(jì)，采用雙絞和雙屏蔽導(dǎo)線，雙絞電纜模式可防止長(zhǎng)距離導(dǎo)線傳輸時(shí)的差分電壓干擾;雙屏蔽結(jié)構(gòu)則具有良好抵抗外界電磁干擾的作用;此外，信號(hào)電纜線外層護(hù)套采用了內(nèi)襯金屬軟管的鎧裝結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在雙層屏蔽保護(hù)結(jié)構(gòu)外又增加了一層電磁隔離屏蔽層，在機(jī)床上布置溫度傳感器信號(hào)電纜時(shí)，有時(shí)信號(hào)電纜走線位置靠近動(dòng)力電纜，而動(dòng)力電纜流過(guò)的是大電流，容易對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，而本傳感器采用的這種三層屏蔽防護(hù)結(jié)構(gòu)可有效地防止動(dòng)力電纜的電磁干擾，保證了溫度信號(hào)傳送的穩(wěn)定性。

⑤溫度傳感器信號(hào)電纜壓降對(duì)測(cè)量結(jié)果影響小。該型溫度傳感器采用的是高精度數(shù)字式溫度芯片，其對(duì)于工作電壓有嚴(yán)格的要求，在保證高精度工作條件時(shí)，工作電壓要求穩(wěn)定在4.5～5V之間。傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于電纜長(zhǎng)度有嚴(yán)格規(guī)定，當(dāng)電纜長(zhǎng)度小于20m時(shí)，可保證工作電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，而當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過(guò)20m后，電纜線設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的電壓補(bǔ)償中繼模塊，可補(bǔ)償由于電纜過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的電壓降低，以保證溫度芯片端的電壓處于規(guī)定范圍。

(2)無(wú)線型溫度傳感器的設(shè)計(jì)

無(wú)線溫度傳感器的設(shè)計(jì)目的主要是為了解決對(duì)溫度敏感點(diǎn)的快捷測(cè)試，免去安裝有線溫度傳感器時(shí)需要在機(jī)床排線的工作量，并且在有的測(cè)試位置 (如絲杠上)無(wú)法布置有線溫度傳感器，而金屬基紅外溫度傳感器價(jià)格昂貴，并且測(cè)試精度較低，一般只能到±1℃左右，因此無(wú)線溫度傳感器則能夠較好地解決這一問(wèn)題，便于研究人員獲得準(zhǔn)確的連續(xù)測(cè)試溫度數(shù)據(jù)信息。無(wú)線溫度傳感器測(cè)試主軸時(shí)的位置如圖3所示;測(cè)試絲杠表面溫度時(shí)的位置如圖4所示。

圖3 無(wú)線溫度傳感器測(cè)試主軸布置圖

無(wú)線溫度傳感器同樣以TSic—506F芯片為核心，作者在其設(shè)計(jì)指標(biāo)上也達(dá)到了機(jī)床溫度敏感點(diǎn)測(cè)試所需的要求，具體設(shè)計(jì)思路和方法如下:

圖4 無(wú)線溫度傳感器測(cè)試絲杠布置圖

①無(wú)線溫度傳感器的設(shè)計(jì)需考慮到電池容量，因而體積上比有線傳感器大較多，如仍用稀土材料來(lái)制作整體式外殼，則由于壁厚的原因，會(huì)使得外殼的熱容量相對(duì)較大，從而造成傳感器敏感性的下降;因此，無(wú)線溫度傳感器的外殼采用了沖壓模的方式來(lái)制作:選用延展性好的不銹鋼材料，并通過(guò)連續(xù)沖壓成型工藝，所制作出的外殼各處的壁厚僅為0.1mm，因而很好地保證了無(wú)線溫度傳感器的熱敏感性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。溫度傳感器芯片的熱感應(yīng)面同樣通過(guò)高導(dǎo)熱性膠體與外殼底部貼合，增強(qiáng)了傳感器的熱敏感效果。

②溫度傳感器芯片在封裝時(shí)焊接在線路板1上，高能鋰電池則焊接在線路板2上，線路板1和2通過(guò)插針焊接相連;絕緣墊用于隔離線路板2的元器件和外殼;外殼上有天線孔，因而天線可通過(guò)該孔連接到線路板2的天線座上;溫度芯片周?chē)菑?qiáng)磁性的磁環(huán)，具有很強(qiáng)的磁力，使得傳感器可以牢固地吸附在待測(cè)溫度敏感點(diǎn)上。

圖5 無(wú)線溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

③芯片周?chē)瑯犹畛淞烁魺針?shù)脂材料，因而能夠很好地抗外界溫度的干擾。

④一般機(jī)床電器部件的電磁干擾頻率為10～500MHz范圍內(nèi)，而無(wú)線溫度傳感器的采用了2.4GHz的射頻頻率，完全跳過(guò)了機(jī)床的電磁干擾區(qū)，所以無(wú)線溫度傳感器具有非常好的抗干擾能力，并且由于無(wú)需電纜傳送，因此適應(yīng)于安裝在機(jī)床的各個(gè)位置場(chǎng)合。

⑤采用了智能應(yīng)答模式的數(shù)據(jù)訪問(wèn)協(xié)議，即只有當(dāng)接收器向某一無(wú)線傳感器提出訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，該傳感器才被激活，繼而進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳送協(xié)議將實(shí)時(shí)溫度值傳送到接收器;而當(dāng)接收器沒(méi)有連續(xù)的訪問(wèn)信號(hào)時(shí)，傳感器本身處于“休眠”狀態(tài)，此時(shí)的功耗極低，采用這種設(shè)計(jì)有利于傳感器的節(jié)能，延長(zhǎng)了使用時(shí)間。此外，傳感器的數(shù)據(jù)上報(bào)周期是可設(shè)置的，考慮到溫度變化一般是緩慢進(jìn)行的，因而一般上報(bào)周期設(shè)置為10s即能滿足使用要求，在該種條件下傳感器持續(xù)使用時(shí)間可達(dá)1年以上。

⑥無(wú)線溫度傳感器的多點(diǎn)訪問(wèn)采用了Zigbee協(xié)議模式，可將接收器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并同多個(gè)接收器實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，因而對(duì)于機(jī)床溫度場(chǎng)研究中需要布置多個(gè)傳感器的情況非常合適。

綜上所述，有線型溫度傳感器主要用于在機(jī)床上的長(zhǎng)期生產(chǎn)配套使用;而無(wú)線型溫度傳感器則主要用于機(jī)床溫度敏感點(diǎn)的測(cè)溫和誤差建模研究。

三、高精度數(shù)字式溫度傳感器的效果

1.與雷尼紹激光干涉儀溫度傳感器對(duì)比

有線型和無(wú)線型高精度型數(shù)字溫度傳感器采用了相同的內(nèi)核溫度芯片，因而具有相同的精度等級(jí)，以下用無(wú)線溫度傳感器與雷尼紹激光干涉儀自帶的溫度傳感器的測(cè)試效果進(jìn)行對(duì)比，傳感器布置如圖6所示。

圖6 溫度傳感器對(duì)比實(shí)驗(yàn)布置圖

雷尼紹自帶的溫度傳感器的檢測(cè)精度為0.1℃，對(duì)比實(shí)驗(yàn)中兩種傳感器放置在靠近位置，測(cè)試時(shí)間為450min，以雷尼紹的傳感器作為標(biāo)定溫度，將測(cè)試出的兩種溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后如圖7所示。從圖7中可知，由雷尼紹溫度傳感器檢測(cè)出額待測(cè)區(qū)溫度從25.1℃上升到28℃，總的溫升為2.9℃;而無(wú)線溫度傳感器測(cè)試結(jié)果為溫升從24.9℃變化到27.8℃，總溫升同樣為2.9℃。

圖7 兩種溫度傳感器測(cè)試效果對(duì)比

從測(cè)試效果對(duì)比可見(jiàn)，無(wú)線溫度傳感器相對(duì)雷尼紹激光干涉儀的溫度傳感器的測(cè)試值在各個(gè)點(diǎn)上的偏差值都保持在0.2℃，由此可見(jiàn)無(wú)線溫度傳感器的穩(wěn)定性很好，沒(méi)有波動(dòng)情況發(fā)生，其精度等級(jí)與雷尼紹激光干涉儀的溫度傳感器相同，而0.2℃的系統(tǒng)偏差可通過(guò)對(duì)傳感器的標(biāo)定來(lái)消除。

2.與熱電阻溫度傳感器的對(duì)比

在某立式加工中心上的X軸螺母上安裝了熱電阻傳感器和有線型數(shù)字式傳感器各一個(gè)，經(jīng)一年使用后，采用安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器對(duì)上述兩個(gè)傳感器進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，通過(guò)X軸絲杠螺母副的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)3個(gè)傳感器進(jìn)行升溫，測(cè)試時(shí)間為120min，采樣間隔為1min，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種溫度傳感器標(biāo)定檢測(cè)效果對(duì)比

圖8中，藍(lán)線為標(biāo)定用的傳感器測(cè)試曲線，紅線為高精度有線型數(shù)字式溫度傳感器測(cè)試曲線，黑線為Pt100型熱電阻溫度傳感器。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，有線型數(shù)字式溫度傳感器的精度保持不變，與標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器對(duì)比，兩者之前的偏差范圍:[-0.04℃，0.05℃]，測(cè)試最大偏差只有0.9℃;而熱電阻傳感器明顯由于衰減特性而發(fā)生了精度偏差，并且測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)相對(duì)較大，與標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器對(duì)比，兩者之前的偏差范圍: [-0.94℃，0.03℃]，測(cè)試最大偏差接近1℃。

四、結(jié)語(yǔ)

對(duì)機(jī)床溫度敏感點(diǎn)的精確測(cè)量是進(jìn)行熱誤差測(cè)試的前提條件。本文對(duì)當(dāng)前機(jī)床熱變形測(cè)試中所用的溫度傳感器進(jìn)行了歸納和比較，并給出了專(zhuān)用于機(jī)床溫度敏感點(diǎn)測(cè)試的兩種類(lèi)型的數(shù)字式傳感器，從測(cè)試對(duì)比效果來(lái)看，作者自行研制的數(shù)字式溫度床傳感器具有高精度和高可靠性的特點(diǎn)，今后可廣泛應(yīng)用到機(jī)床熱誤差中的溫度在線檢測(cè)領(lǐng)域中。

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