CN103406804A

CN103406804A - 在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法

Info

Publication number: CN103406804A
Application number: CN2013103584749A
Authority: CN
Inventors: 袁江; 邱自学; 邵建新; 陈志新; 吕晶
Original assignee: Nantong University
Current assignee: Nantong University
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: CN103406804B

Abstract

本发明公开了一种在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法，有三个装有半导体激光器的四维光学微调架分别放在机床X、Y、Z三个方向的定导轨上，三个RFID位敏传感标签分别固定在X、Y、Z三个方向的动导轨上，读写器通过射频通信无线接收三个传感标签发送的直线度误差测量数据及对应的编码信息，通过计算机串口上传给计算机，计算机处理得到X、Y、Z各方向上的直线度误差数据处理结果。本发明避免了有线方法中复杂的连线对测量带来的不利影响，也不需要反复搭建测量系统，操作简便，测量精度高，尤其适用于五轴机床上的直线度动态在线测量。

Description

在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法

技术领域

本发明涉及一种在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法。

背景技术

五轴机床具有高效率、高精度的特点，工件一次安装后能完成除安装面以外的其余五个面的加工。如配置五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。五轴机床大多是3+2的结构，即X，Y，Z三个直线运动轴加上分别围绕X，Y，Z轴旋转的a，b，c三个旋转轴中的两个旋转轴组成。通常在机床的安装过程中或者由于导轨的磨损及导轨的热变形等因素的影响都会产生直线度误差，从而导致导轨运动发生相应变化。而当机床加工零件时，由上述原因所引起的直线度误差将直接带入其所加工的零件中。所以在五轴机床上测量X，Y，Z三个直线运动导轨的直线度误差具有十分重要的意义。

目前生产实践中五轴机床导轨直线度误差的检测主要是采用双频激光干涉仪，采用专用直线度测量附件，测量精度高，但测量调整比较复杂，主要用于数控机床的出厂验收和定期检验。为满足在线监测的需要，20世纪60年代以来，出现了基于干涉技术、多光束基准法、衍射技术以及二元光学技术等多种多自由度测量方法。如发明专利（02115589.5）将无衍射光理论和技术应用于直线度误差测量技术，以解决现有中、长距离直线度基准误差大的难题；发明专利（88106504.8）以激光做光源，以光栅、晶体片及对称的两面反射镜经反射后再次衍射然后干涉的原理构成测量系统；发明专利（201010218507.6）公开一种激光直线度/同轴度测量装置，采用渥拉斯顿棱镜和平移反射镜，在相互垂直的两个方向上具有光路漂移自适应功能；但这些系统一般是在光路中加多个分光元件，将单一激光束分为多束，利用每一束光所带来的位移信息，用光电位置探测器检测光斑位置变化，从而实现对数控机床多自由度误差的同时测量，但是这些系统都是采用有线方式实现信号的传输与处理，给现场的布线、测量带来极大不便。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）具有规模大、随机布设、自组织、动态性强、传输距离远、环境适应性强等特点，可解决传统有线方法存在的问题，近年来在很多无线监测领域得到应用。丁喜波论文“大型机床导轨直线度测量仪无线光靶的设计”（长江大学学报2009年第6卷第1期），以半导体激光器发出的光线作基准直线，设计了由二象限光电池、放大电路、单片机及WSN技术中广为应用的无线通信模块CC2500组成的无线光靶，采用SimpliciTI网络通信协议通过硬件逻辑层直接实现一维直线度误差数据的无线传输。胡志远在其硕士研究论文《无线USB通信式长距离双导轨激光准直仪》（天津大学，2005年）中，也是基于WSN技术，采用光电位置传感器PSD获取导轨直线度误差测量数据，通过无线通信方式将直线度误差数据传输给无线通信基站，再通过USB接口把数据传输给计算机，由软件处理得到直线度误差。但是这种采用WSN技术的无线监测方法一般只关心直线度误差的测量数据，不关心节点的位置，不采用全局标识，需要通过多跳自组网络实现定位识别，通信协议复杂，而且传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，其通信能力、处理能力和存储能力相对较弱。对于五轴机床X/Y/Z三个方向导轨的直线度误差测量，采用这些方法不能直接分辨是哪个方向上的直线度误差测量数据。

无线射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）是20世纪90年代开始兴起的一种利用射频信号进行空间耦合实现无接触信息传递的自动识别技术。而集成传感元件与RFID电子标签的传感标签技术，不仅可发挥RIFD的标识功能，使标签的定位识别更为简便，而且内带的传感元件使传感标签具备了感知能力，其组成的无线监测系统与无线传感器网络WSN（技术）也有本质的不同。（1）基于WSN的网络，传输的主要是节点的物理参数信息，而基于RFID传感标签的无线监测方法，通过射频通信可将感知的直线度误差测量信号及标签对应的X/Y/Z地址编码信息无线传输给读写器和监控中心，这样使三个方向直线度误差的辨识更为便捷；（2）与WSN中的传感器节点相比较，RFID中的读写器是一个静态的运算处理能力强大的设备，与RFID传感标签采用广播方式通信，通信协议比较简单，数据处理能力更强大。

综上所述，针对五轴机床导轨直线度有线测量的问题及WSN技术存在的不足，提出一种基于RFID传感标签技术，实现直线度误差的无线监测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，操作方便，测量效率高，有效地缩短零件的加工周期和保障零件的加工质量的在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法。

本发明的技术解决方案是：

一种在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法，其特征是：有三个装有半导体激光器的四维光学微调架分别放在机床X、Y、Z三个方向的定导轨上，半导体激光器发出的光线作为直线度误差的测量基准直线；三个RFID位敏传感标签分别固定在X、Y、Z三个方向的动导轨上，采集机床导轨直线度误差测量数据并无线发送；读写器通过射频通信无线接收三个传感标签发送的直线度误差测量数据及对应的编码信息，通过计算机串口上传给计算机，计算机处理得到X、Y、Z各方向上的直线度误差数据处理结果。

半导体激光器安装在四维光学微调架上，进行激光束上下、左右的移动，以及激光线的倾角与偏航调整。

所述的RFID位敏传感标签包括MSP430单片机，MSP430单片机与位敏信号调理电路、无线射频通信模块nRF905、存储芯片及时钟芯片连接，位敏信号调理电路与位置敏感探测器PSD连接；测量时，首先将激光器发出的光束调整到与被测机床导轨平行，再将位敏传感标签上的位置敏感探测器对准光束，控制机床在X/Y/Z轴方向移动时，位敏传感标签通过位置敏感探测器PSD获取机床导轨的直线度误差测量数据，并将其转换为电流信号；位敏信号调理电路将电流信号转换为0-3V的电压输出信号，通过I/O端口与单片机MSP430连接，单片机将获取的电压信号进行模数转换后与X/Y/Z向地址编码信息打包后通过射频通信模块nRF905无线发送。

读写器包括单片机，单片机与无线收发模块、存储芯片、串口芯片连接。

本发明选用合适的电子标签，设计传感器与标签的接口和在五面体加工中心上进行直线度误差无线监测的RFID位敏传感标签；构造了合适的通信协议将传感标签测量的数据进行无线传输，具有传输速度快，效率高，出错率低的特点。传感标签主要由单片机MSP430F149、位置敏感器件PSD、位敏信号调理电路、时钟芯片DS1302、存储芯片AT24C02和无线收发模块nRF905组成，当传感标签接收到测量开始命令后，首先利用MSP430单片机控制PSD进行位置信息测量，测量完数据后，再读取DS1302中的日期和时间信息，然后将标签编号信息、日期及时间信息以及位置信息一起打包储存到AT24C02中，并按照设定的通信协议通过nRF905无线发送出去。读写器读到标签发来的数据后通过串口将三个方向的直线度测量数据及对应的编码信息发送到上位机进行后续的处理。

本发明的有益效果是：提出一种利用RFID位敏传感标签实现机床导轨直线度无线监测的方法，该方法避免了有线方法中复杂的连线对测量带来的不利影响，也不需要反复搭建测量系统，操作简便，测量精度高，尤其适用于五轴机床上的直线度动态在线测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的系统组成图。

图2是五面体加工中心X/Y/Z方向直线度误差测量原理图。

图3是位敏传感标签组成框图。

图4是读写器组成框图。

图5是上位机发送命令流程图。

图6是传感标签测量和传送数据流程图。

具体实施方式

一种在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法，有三个装有半导体激光器的四维光学微调架1、2、3分别放在机床X、Y、Z三个方向的定导轨上，半导体激光器发出的光线作为直线度误差的测量基准直线；三个RFID位敏传感标签4、5、6分别固定在X、Y、Z三个方向的动导轨上，采集机床导轨直线度误差测量数据并无线发送；读写器7通过射频通信无线接8收三个传感标签发送的直线度误差测量数据及对应的编码信息，通过计算机串口上传给计算机9，计算机处理得到X、Y、Z各方向上的直线度误差数据处理结果。

所述的RFID位敏传感标签包括MSP430单片机10，MSP430单片机与位敏信号调理电路11、无线射频通信模块（nRF905）12、存储芯片13及时钟芯片14连接，位敏信号调理电路与位置敏感探测器PSD15连接；测量时，首先将激光器发出的光束调整到与被测机床导轨平行，再将位敏传感标签上的位置敏感探测器对准光束，控制机床在X/Y/Z轴方向移动时，位敏传感标签通过位置敏感探测器PSD获取机床导轨的直线度误差测量数据，并将其转换为电流信号；位敏信号调理电路将电流信号转换为0-3V的电压输出信号，通过I/O端口与单片机MSP430连接，单片机将获取的电压信号进行模数转换后与X/Y/Z向地址编码信息打包后通过射频通信模块nRF905无线发送。

表1数据包格式定义

表2系统通讯指令定义

表3无线通讯协议

读写器包括单片机16，单片机与无线收发模块17、存储芯片18、串口芯片19连接；主要功能是接收由传感标签发来的三个方向的直线度误差测量数据及对应的编码信息并通过串口传送给上位机，并将上位机的控制命令无线发送给传感标签。

Claims

1.一种在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法，其特征是：有三个装有半导体激光器的四维光学微调架分别放在机床X、Y、Z三个方向的定导轨上，半导体激光器发出的光线作为直线度误差的测量基准直线；三个RFID位敏传感标签分别固定在X、Y、Z三个方向的动导轨上，采集机床导轨直线度误差测量数据并无线发送；读写器通过射频通信无线接收三个传感标签发送的直线度误差测量数据及对应的编码信息，通过计算机串口上传给计算机，计算机处理得到X、Y、Z各方向上的直线度误差数据处理结果。

2.根据权利要求1所述的在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法，其特征是：半导体激光器安装在四维光学微调架上，进行激光束上下、左右的移动，以及激光线的倾角与偏航调整。

3. 根据权利要求1或2所述的在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法，其特征是：所述的RFID位敏传感标签包括MSP430单片机，MSP430单片机与位敏信号调理电路、无线射频通信模块nRF905、存储芯片及时钟芯片连接，位敏信号调理电路与位置敏感探测器PSD连接；测量时，首先将激光器发出的光束调整到与被测机床导轨平行，再将位敏传感标签上的位置敏感探测器对准光束，控制机床在X/Y/Z轴方向移动时，位敏传感标签通过位置敏感探测器PSD获取机床导轨的直线度误差测量数据，并将其转换为电流信号；位敏信号调理电路将电流信号转换为0-3V的电压输出信号，通过I/O端口与单片机MSP430连接，单片机将获取的电压信号进行模数转换后与X/Y/Z向地址编码信息打包后通过射频通信模块nRF905无线发送。

4. 根据权利要求1或2所述的在五轴机床上利用传感标签实现直线度误差的监测方法，其特征是：读写器包括单片机，单片机与无线收发模块、存储芯片、串口芯片连接。