CN103801988A - 机床主轴热误差监测系统 - Google Patents

机床主轴热误差监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了机床主轴热误差监测系统，包括温度传感标签、RFID读写器、激光位移传感器测试系统和上位机控制系统，其中，RFID读写器和激光位移传感器控制系统接收上位机控制系统测量命令，RFID读写器接收的测量命令输出至温度传感标签，温度传感标签测量的温度信息输出至RFID读写器并传输给上位机控制系统，激光位移传感器控制系统将与获取温度信息对应时刻的热变形信号输出给上位机控制系统，上位机控制系统对热变形信息和温度信息进行处理，得到热误差信息。本发明操作简单、抗干扰能力强、响应速度快，对机床主轴热误差进行在线监测，实现了温度信息与热变形信息的无线传输与处理，提高了机床热误差的监测效率。

Description

机床主轴热误差监测系统
技术领域
本发明涉及机床主轴热误差的动态测量领域，特别涉及一种机床主轴热误差的监测系统。
背景技术
机床主轴热误差主要表现在温度和热变形两个方面，主轴温升和热变形产生的误差是影响机床加工精度的重要因素。目前，机床主轴温度监测多采用布线安装温度传感器获取温度信号，在机床复杂工况下造成一些重要的温度测量点布线困难，也影响了故障检测。另一方面，机床主轴热变形监测多采用电涡流位移传感器采集位移信号，还不能满足机床主轴热变形测量的高精度和实时测量要求。
发明内容
本发明的目的是要提供一种机床主轴热误差监测系统，克服了温度监测采用有线方式的缺点，并提高了热变形监测的精度和实时性。
根据本发明的一个方面，提供了机床主轴热误差监测系统，包括温度传感标签、RFID读写器、激光位移传感器测试系统和上位机控制系统，其中，RFID读写器和激光位移传感器控制系统接收上位机控制系统测量命令，RFID读写器接收的测量命令输出至温度传感标签，温度传感标签测量的温度信息输出至RFID读写器并传输给上位机控制系统，激光位移传感器控制系统将与获取温度信息对应时刻的热变形信号输出给上位机控制系统，上位机控制系统对热变形信息和温度信息进行处理，得到热误差信息。
其有益效果是：由于温度传感标签与RFID读写器之间无线传输，因此可以实现高速旋转主轴上进行温度实时测量；由于采用激光位移传感器控制系统采集热变形信息，精度高、响应快，因此可以实现主轴高精度、实时性的热变形监测。
在一些实施方式中，温度传感标签包括第一微控制单元、温度传感单元、时钟芯片、第一无线收发单元、第一存储芯片和第一供电单元，其中，测量命令通过第一无线收发单元传输给第一微控制单元，温度传感单元接收第一微控制单元的控制命令，采集温度信息，采集的温度信号与时钟芯片输出的时钟信号由第一微控制单元控制，通过第一无线收发单元传输给RFID读写器。
其有益效果是：可以实现上位机控制系统测量命令的接收以及机床主轴温度信息的采集与传输。
在一些实施方式中，RFID读写器包括第二微控制单元、第二无线收发单元、第二存储芯片、串口芯片和第二供电单元，其中，上位机控制系统测量命令通过串口芯片输出至第二微控制单元，第二无线收发单元接收第二微控制单元的控制命令，将测量命令传输给温度传感标签，温度传感标签测量的温度信息通过第二无线收发单元输出至第二微控制单元，第二微控制单元通过串口芯片传输给上位机控制系统。
其有益效果是：可以实现上位机控制系统测量命令的接收以及机床主轴温度信息的传输。
在一些实施方式中，激光位移传感器测试系统包括激光位移传感器、控制器、变压器和USB串口，其中，测量命令通过USB串口输出至控制器，激光位移传感器接收所述控制器的控制命令，采集热变形信息，采集的热变形信息由控制器控制，通过USB串口传输给上位机控制系统。
其有益效果是：可以实现上位机控制系统测量命令的接收以及机床主轴热变形信息的采集与传输。
在一些实施方式中，上位机控制系统包括上位机、上位机软件、二极管报警灯、RS232串口和USB组成，其中，上位机通过上位机软件同步发送测量命令，通过RS232串口输出至RFID读写器，通过USB串口输出至激光位移传感器控制系统，上位机通过上位机软件对采集到的温度信息和热变形信息实时显示并存储，根据上位机软件判断出温度值或热变形值超出设定理论阈值时，由上位机控制二极管报警灯报警。
其有益效果是：可以实现同步发送测量命令并实时显示与存储温度信息和热位移信息，并对超出热误差范围时进行报警。
本发明的有益效果在于：操作简单、抗干扰能力强、响应速度快，对机床主轴热误差进行在线监测，实现了温度信息与热变形信息的无线传输与处理，提高了机床热误差的监测效率。
附图说明
图1为本发明的一实施方式的立式加工中心主轴热误差监测系统结构图；
图2为主轴热误差测点分布图；
图3是温度传感标签的原理框图；
图4是RFID读写器与上位机控制系统的原理框图；
图5是激光位移传感器测试系统与上位机控制系统的原理框图；
图6是温度传感标签的工作流程图；
图7是RFID读写器的工作流程图；
图8是激光位移传感器测试系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的机床主轴热误差监测系统。
如图1所示，为立式加工中心主轴热误差监测系统，包括温度传感标签100、RFID读写器200、激光位移传感器测试系统300和上位机控制系统400，温度传感标签100与RFID读写器200之间无线通讯，RFID读写器200与上位机控制系统400通过RS232串口连接，激光位移传感器测试系统300与上位机控制系统400通过USB串口连接。
如图1、3、4、5所示，温度传感标签100包括第一微控制单元101（MSP430F149）、温度传感单元102（DS18B20）、时钟芯片103（DS1302）、第一无线收发单元104（nRF905）、第一存储芯片105（AT24C02）和第一供电单元106。温度传感标签100用于采集并无线传输主轴温度、型号等信息，温度传感标签100内部的电子标签与温度传感单元102之间采用有线通讯。第一微控制单元101控制温度传感单元102采集温度信息，测量完毕后通过I/O端口传输给第一微控制单元101，然后第一微控制单元101读取时钟芯片103内的时间信息并和温度信息一起经第一存储芯片105打包处理和存储，最后通过第一无线收发单元104传输给RFID读写器200。
如图1、3、4、5所示，RFID读写器200包括第二微控制单元201（MSP430F149）、第二无线收发单元202（nRF905）、第二存储芯片203（AT24C02）、串口芯片204（MAX3232）和第二供电单元205。RFID读写器200用于接收命令控制字、温度传感标签信号。第二微控制单元201通过第二无线收发单元202接收温度传感标签100发送的温度信息，并通过串口芯片204将温度信息传输给上位机控制系统400，上位机控制系统400发出测量指令通过串口芯片204传输给第二微控制单元201，再通过第二无线收发单元202向温度传感标签100发送测量指令。
如图1、3、4、5所示，激光位移传感器测试系统300包括激光位移传感器301（LK-G30）、控制器302、变压器303和USB串口304。激光位移传感器301最小分辨率可达1μm，通过控制器302对其测头、输出值的条件以及显示最小精度进行设置，激光位移传感器301与控制器302由变压器303提供合适的电源，控制器302通过USB串口304与上位机控制系统400连接。
如图1、3、4、5所示，上位机控制系统400包括上位机401、上位机软件402、二极管报警灯403、RS232串口404和USB405，上位机软件402采用美国NI公司的LabVIEW软件，上位机401通过上位机软件402向RFID读写器200和控制器302发送测量命令，并分别转发给温度传感标签100和激光位移传感器301并进行同步采集，采集到的温度信息、热变形信息会及时传输给上位机401实时显示并存储到数据库，当温度值或热变形值超出理论阈值时，上位机401控制二极管报警灯403进行报警。
如图2所示，在主轴前轴承区1、后轴承区2附近贴合温度传感标签，T1-T4为温度测点编号，对应于测温点3～6，将激光位移传感器安装在主轴端面轴中心延长线上以监测其热变形，L1为热变形测点编号，对应于热变形点7。
如图1、3、4、5所示，测量时，首先控制主轴转速由低向高转动，每隔30s采集一次，当主轴达到热平衡时，维持转速，继续测量，一定时间后停止转动，让主轴自由冷却。在此过程中，上位机401通过上位机软件402向RFID读写器200和控制器302同步发送测量命令，
1）RFID读写器200接收的测量命令通过串口芯片204输出至第二微控制单元201，第二无线收发单元202接收第二微控制单元201的控制命令，将测量命令传输给温度传感标签100，温度传感标签100通过第一无线收发单元104传输给第一微控制单元101，温度传感单元102接收第一微控制单元101的控制命令，采集温度信息，采集的温度信号与时钟芯片103输出的时钟信号由第一微控制单元101控制，通过第一无线收发单元104传输给RFID读写器200，RFID读写器200通过第二无线收发单元202输出至第二微控制单元201，第二微控制单元201通过串口芯片204、RS232串口404传输给上位机控制系统400，上位机401通过上位机软件402对采集到的温度信息和热变形信息实时显示并存储，得到热误差信息，并根据上位机软件402判断出温度值或热变形值超出设定理论阈值时，由上位机控制二极管403报警灯报警。
2）同时，控制器302接收的测量命令通过USB串口304输出至控制器302，激光位移传感器301接收控制器302的控制命令，采集热变形信息，采集的热变形信息由控制器302控制，通过USB串口304、USB405传输给上位机控制系统400。
如图6所示，温度传感标签进行温度监测采用如下步骤：
步骤601：第一微控制单元初始化，
步骤602：接收RFID读写器转发上位机控制系统发出的测量命令，
步骤603：第一微控制单元判断测量命令是否正确，
步骤604：判断测量命令正确，则温度传感单元读取主轴温度信息，否则停止测量，
步骤605：读取主轴型号信息、标签地址信息、测点编码信息以及时间信息，
步骤606：打包、存储数据，
步骤607：等待发送数据，
步骤608：判断是否发送完毕，如果为否，则返回再次发送数据。
如图7所示，RFID读写器的工作步骤如下：
步骤701：第二微控制单元初始化，
步骤702：上位机发送读取命令和温度阈值，
步骤703：等待接收温度传感标签发出的数据，
步骤704：判断接收数据完毕与否，否则返回再次发送数据，
步骤705：第二微控制单元接收数据传送给上位机，
步骤706：上位机实时显示、存储，
步骤707：上位机软件判断是否超出温度阈值，如果为否，则测量结束，
步骤708：二极管报警灯亮报警。
如图8所示，激光位移传感器测试系统工作步骤如下：
步骤801：控制器初始化，
步骤802：控制器设定感测头、测温值输出条件、操作环境，
步骤803：上位机发送开始测量命令和热变形阈值，
步骤804：激光位移传感器开始测量，
步骤805：上位机实时显示、存储，
步骤806：上位机软件判断是否超出热变形阈值，否则测量结束，
步骤807：二极管报警灯亮报警，
步骤808：测量完毕。
RFID读写器和温度传感标签工作频率为915MHz开放ISM频段，传输距离不小于200米。温度传感标签将测量的结果打包传给RFID读写器，打包后的数据包共32个字节，其格式如表1所示，系统通讯指令定义如表2所示，RFID通讯协议如表3所示。
表1数据包格式定义
Figure BDA0000469213670000051
表2系统通讯指令定义
Figure BDA0000469213670000061
表3RFID通讯协议
Figure BDA0000469213670000062
下面通过一个实例来说明通讯指令和通讯协议的含义：
首先在上位机里设置温度阈值并发送命令“01”给RFID读写器，RFID读写器将此命令无线传输给温度传感标签，当温度传感标签接收到命令后进行判断，若命令正确则开始测量，测量完成后将温度值与主轴型号、标签号、测点编号及日期信息打包传输给RFID读写器，RFID读写器再通过RS232串口将数据传输给上位机。
上位机对接受的信息进行分离，例如接收到的数据包格式为RB4002RYT1022013121409301035.067，则上位机对其进行数据分离显示具体信息：型号为RB4002的罗翌（RY）牌主轴在测温点T1处被02号传感标签在2013年12月14号09时30分10秒测得的温度为35.067度。上位机在分离出信息后，将测温值与设置的阈值进行比较，若超出则启动二极管报警器以提示监测人员。
当需要停止测量时，操作人员只需在上位机上发送“00”命令，RFID读写器接收到之后将其无线转发给温度传感标签，温度传感标签接受到此命令后进行判断，若为停止命令则停止所有的测量操作。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.机床主轴热误差监测系统，其特征在于，包括温度传感标签、RFID读写器、激光位移传感器测试系统和上位机控制系统，
其中，所述RFID读写器和所述激光位移传感器控制系统接收所述上位机控制系统测量命令，所述RFID读写器接收的所述测量命令输出至所述温度传感标签，所述温度传感标签测量的温度信息输出至RFID读写器并传输给上位机控制系统，所述激光位移传感器控制系统将与所述获取温度信息对应时刻的热变形信号输出给上位机控制系统，上位机控制系统对所述热变形信息和温度信息进行处理，得到热误差信息。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述温度传感标签包括第一微控制单元、温度传感单元、时钟芯片、第一无线收发单元、第一存储芯片和第一供电单元，其中，
所述测量命令通过第一无线收发单元传输给所述第一微控制单元，所述温度传感单元接收所述第一微控制单元的控制命令，采集温度信息，
所述采集的温度信号与所述时钟芯片输出的时钟信号由所述第一微控制单元控制，通过第一无线收发单元传输给所述RFID读写器。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，RFID读写器包括第二微控制单元、第二无线收发单元、第二存储芯片、串口芯片和第二供电单元，其中，
所述上位机控制系统测量命令通过串口芯片输出至所述第二微控制单元，所述第二无线收发单元接收所述第二微控制单元的控制命令，将所述测量命令传输给所述温度传感标签，
所述温度传感标签测量的温度信息通过第二无线收发单元输出至所述第二微控制单元，所述第二微控制单元通过串口芯片传输给所述上位机控制系统。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述激光位移传感器测试系统包括激光位移传感器、控制器、变压器和USB串口，其中，
所述测量命令通过USB串口输出至控制器，所述激光位移传感器接收所述控制器的控制命令，采集热变形信息，
所述采集的热变形信息由控制器控制，通过USB串口传输给所述上位机控制系统。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，上位机控制系统包括上位机、上位机软件、二极管报警灯、RS232串口和USB组成，其中，
所述上位机通过上位机软件同步发送所述测量命令，通过RS232串口输出至所述RFID读写器，通过USB输出至所述激光位移传感器控制系统，所述上位机通过上位机软件对采集到的温度信息和热变形信息实时显示并存储，根据所述上位机软件判断出温度值或热变形值超出设定理论阈值时，由所述上位机控制二极管报警灯报警。
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