基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏志強(qiáng)

摘要：手持鉚槍在裝配領(lǐng)域仍然被廣泛應(yīng)用。在不改變其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將具有應(yīng)變、位移檢測(cè)功能的無線傳感網(wǎng)絡(luò)引入手持鉚槍，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在對(duì)鉚槍總體進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理及其實(shí)現(xiàn)方法;最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采集的鉚接過程應(yīng)變、位移等信息能為鉚槍系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、在線質(zhì)量檢測(cè)等提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：手持鉚槍;ZigBee;無線傳感網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP273???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???? DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.012

隨著信息、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，網(wǎng)絡(luò)化制造已成為企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，它代表著先進(jìn)的制造模式，也是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展平臺(tái)的重要體現(xiàn)。

目前，手持鉚釘連接工具仍被廣泛應(yīng)用，如環(huán)槽鉚釘槍（拉槍）是一種提高連接壽命的重要工具。國(guó)外已對(duì)鉚接工具進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)鉚接質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化檢測(cè)，國(guó)內(nèi)還未有相關(guān)報(bào)道。本項(xiàng)目借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，給出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的鉚槍鉚接工藝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，在工具上嵌入基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)鉚接過程工具關(guān)鍵部位的應(yīng)變、位移等參數(shù)的感知，并由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理與分析，為建立制造及工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、分析工具運(yùn)行狀態(tài)及建立數(shù)據(jù)增值新模型（如在線判斷鉚接質(zhì)量）提供原始數(shù)據(jù)。

1基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的鉚槍總體系統(tǒng)

環(huán)槽鉚釘利用釘套的變形鎖緊環(huán)槽以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的連接，被各大主機(jī)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(cè)的工藝參數(shù)。

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

圖2為鉚槍總體系統(tǒng)組成示意圖。它集成有無線數(shù)據(jù)采集模塊、電池組、測(cè)量槍桿表面應(yīng)力變化的應(yīng)變片、測(cè)量鉚槍內(nèi)卡爪組件位移的位移傳感器等。引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，減少了繁瑣的布線工作，結(jié)構(gòu)靈活，能實(shí)現(xiàn)快速部署和易于安裝，保證了鉚槍的可移動(dòng)性。

對(duì)一定直徑鉚釘進(jìn)行鉚接試驗(yàn)表明：拉斷鉚釘瞬間鉚槍能達(dá)到的拉力在25?35kN之間。鉚槍基于氣液增壓原理進(jìn)行工作，經(jīng)有限元分析可知，拉斷鉚釘瞬間應(yīng)力主要集中在槍桿前端（圖3所示集中應(yīng)變區(qū)），鉚槍桿內(nèi)卡爪組件產(chǎn)生的位移為15mm左右。為測(cè)量鉚接過程工藝參數(shù)，在不改變鉚槍基本結(jié)構(gòu)、不影響其使用性能的前提下實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、位移傳感器以及無線數(shù)據(jù)采集模塊的安裝。

2傳感器網(wǎng)絡(luò)及其工作原理

2.1 LVDT位移傳感器

選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、重復(fù)性好、滯后低、零位可恢復(fù)及低溫漂的密封直流線性可變差動(dòng)變壓器傳感器（LVDT），如圖2所示，型號(hào)為HSER750。它具有運(yùn)行無摩擦、分辨率高、單軸向感應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

將鉚槍內(nèi)部卡爪組件與LVDT的磁芯相連接，LVDT通過結(jié)構(gòu)件固定于槍體上，可容易測(cè)出連接在磁芯上卡爪組件的位移，并以電壓信號(hào)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(shí)，對(duì)零點(diǎn)位置進(jìn)行標(biāo)定與校準(zhǔn)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

式中：U為L(zhǎng)VDT輸出電壓，x為磁芯位移，H為L(zhǎng)VDT滿量程，這里為25.4mm。

2.2應(yīng)變片

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

2.3基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集模塊

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE.802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(jié)點(diǎn)采集位移信號(hào)，它結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊組成，可以接收±10V電壓信號(hào);選用SG404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)采集應(yīng)變信號(hào)，使用簡(jiǎn)單方便，該無線節(jié)點(diǎn)具有很高的測(cè)量精度和抗干擾能力。采用電流激勵(lì)，測(cè)量量程為100000με。采用1/4橋測(cè)量方式與應(yīng)變片連接，節(jié)點(diǎn)的空中傳輸速率可達(dá)250KBPS，有效室外通信距離可達(dá)100m。兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，也可以存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)各自內(nèi)置的1GB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3系統(tǒng)試驗(yàn)

通過無線節(jié)點(diǎn)配置的BeeData軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過無線電壓及應(yīng)變節(jié)點(diǎn)處理后再通過節(jié)點(diǎn)與中心網(wǎng)關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。采用MLGP-8-14輕型鈦合金環(huán)槽鉚釘（一種6齒比例鎖緊環(huán)槽鈦合金鉚釘），材料為Ti-6A1-4V。試驗(yàn)連接件夾層長(zhǎng)度（即鉚釘無螺紋部分長(zhǎng)度）L=14mm。鉚釘實(shí)物及夾層長(zhǎng)度定義如圖4所示。試驗(yàn)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(zhǎng)（如圖5所示）時(shí)參數(shù)的變化情況。多次鉚接試驗(yàn)表明，相同條件下，每種情況試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好。

鉚接完成后采用墩頭檢測(cè)樣板的過端和止端對(duì)釘桿和釘套進(jìn)行檢驗(yàn)，夾層過長(zhǎng)或過短皆為鉚接不合格，當(dāng)夾層合適時(shí)鉚接合格。圖6?圖8分別給出了夾層過長(zhǎng)、夾層過短與夾層合適的應(yīng)變、位移和應(yīng)變/位移曲線。從圖中可見，在約0.8s內(nèi)鉚釘經(jīng)過塑性變形直至在環(huán)槽部位被拉斷即鉚接完成，三種情況的參數(shù)曲線雖相似，但在特定時(shí)間點(diǎn)的幅值及圖形形狀存在不同的特征。

4結(jié)論

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過鉚接試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的鉚接工藝參數(shù)的采集。

（2）將采集的應(yīng)變、位移、鉚釘和連接件等鉚接過程，以及工藝信息建立數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)制造、裝配工藝數(shù)據(jù)資源共享，為鉚接工具及連接件本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供原始數(shù)據(jù)。

（3）借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，可利用采集的信息，通過數(shù)據(jù)處理與分析，實(shí)現(xiàn)鉚接質(zhì)量在線檢測(cè)，也是未來鉚接工具的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[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(wèi)東，等.無線傳感ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)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(jī)裝配工藝學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

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