《机床主轴热误差监测系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机床主轴热误差监测系统.pdf（11页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103801988 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103801988 A (21)申请号 201410064187.1 (22)申请日 2014.02.25 B23Q 17/00(2006.01) (71)申请人 南通大学 地址 226019 江苏省南通市崇川区啬园路 9 号 申请人 南通国盛机电集团有限公司 (72)发明人 袁江 吕晶 邱自学 薛伯军 居振华 邵建新 (74)专利代理机构 北京商专永信知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11400 代理人 高之波 邬玥 (54) 发明名称 机床主轴热误差监测系统 (57) 摘要 本发明公开了。
2、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。
3、与处理， 提高 了机床热误差的监测效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103801988 A CN 103801988 A 1/1 页 2 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， 。
4、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。
5、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。
6、， 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。
7、， 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。 权 利 要 求 书 CN 103801988 A 2 1/5 页 3 机床主轴热误差监测系统 技术领域 0001 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 0002 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。
8、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 0003 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。 0004 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。
9、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。 0005 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。 0006 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。
10、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。 0007 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。 0008 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。
11、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。 0009 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 说 明 书 CN 103801988 A 3 2/5 页 4 的传输。 0010 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。
12、控制系统。 0011 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。 0012 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。 0013 其有益效果是 ： 可以实现同步发送测量命令并实时。
13、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。 0014 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 0015 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 ； 0016 图 2 为主轴热误差测点分布图 ； 0017 图 3 是温度传感标签的原理框图 ； 0018 图 4 是 RFID 读写器与上位机控制系统的原理框图 ； 0019 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 ； 0020 图。
14、 6 是温度传感标签的工作流程图 ； 0021 图 7 是 RFID 读写器的工作流程图 ； 0022 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 0023 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 0024 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。 0025 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。
15、 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。 0026 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 说 明 书 CN 10380。
16、1988 A 4 3/5 页 5 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。 0027 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） 。
17、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。 0028 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。
18、。激光位移传感器 301 最小分辨率可达 1m， 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。 0029 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 2。
19、00 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。 0030 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。 0031 如图1、 3、 4、 5所示， 测量时， 首。
20、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， 0032 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，。
21、 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。 0033 2）。
22、 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 说 明 书 CN 103801988 A 5 4/5 页 6 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。 0034 如图 6 所示， 温度传感标签进行温度监测采用如下步骤 ： 0035 步骤 601 ： 第一微控制单元初始化， 0036 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， 0037 步骤 603 ： 第一微控制单元。
23、判断测量命令是否正确， 0038 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， 0039 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， 0040 步骤 606 ： 打包、 存储数据， 0041 步骤 607 ： 等待发送数据， 0042 步骤 608 ： 判断是否发送完毕， 如果为否， 则返回再次发送数据。 0043 如图 7 所示， RFID 读写器的工作步骤如下 ： 0044 步骤 701 ： 第二微控制单元初始化， 0045 步骤 702 ： 上位机发送读取命令和温度阈值， 0046 步骤 703 ： 等待接。
24、收温度传感标签发出的数据， 0047 步骤 704 ： 判断接收数据完毕与否， 否则返回再次发送数据， 0048 步骤 705 ： 第二微控制单元接收数据传送给上位机， 0049 步骤 706 ： 上位机实时显示、 存储， 0050 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， 0051 步骤 708 ： 二极管报警灯亮报警。 0052 如图 8 所示， 激光位移传感器测试系统工作步骤如下 ： 0053 步骤 801 ： 控制器初始化， 0054 步骤 802 ： 控制器设定感测头、 测温值输出条件、 操作环境， 0055 步骤 803 ： 上位机发送开始测量命。
25、令和热变形阈值， 0056 步骤 804 ： 激光位移传感器开始测量， 0057 步骤 805 ： 上位机实时显示、 存储， 0058 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， 0059 步骤 807 ： 二极管报警灯亮报警， 0060 步骤 808 ： 测量完毕。 0061 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。 006。
26、2 表 1 数据包格式定义 0063 0064 表 2 系统通讯指令定义 说 明 书 CN 103801988 A 6 5/5 页 7 0065 0066 表 3RFID 通讯协议 0067 0068 下面通过一个实例来说明通讯指令和通讯协议的含义 ： 0069 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。
27、机。 0070 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 RB4002RYT102201312 1409301035.067， 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。 0071 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，。
28、 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。 0072 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。 说 明 书 CN 103801988 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103801988 A 8 2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103801988 A 9 3/4 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103801988 A 10 4/4 页 11 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103801988 A 11 。