专利名称：一种机床主轴温度测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明主要涉及到机床主轴温度监测领域，特指一种在线机床主轴温度测量方法 及装置。
背景技术：
现代机械工业的发展对机床的加工精度提出了越来越高的要求。影响高速机床加 工精度的主要因素是热误差，约占机床总误差的40% 70%。而主轴部件的热变形误差又 是引起机床热变形误差的重要因素。主轴变形将严重降低机床的加工精度，造成较高的次 品率，因此对主轴轴温的测量显得十分重要。目前广泛采用的一些主轴温度测量方法很难直接测得机床主轴在运行状态下的 主轴轴心温度。部分采用红外非接触测量，很难实现沿主轴轴向温度分布的测量。针对目 前主轴温度监测系统的不足，本发明采用无线通信、数字温度传感器、单片机和串口通讯技 术，开发了一种基于无线通信技术的机床主轴温度测量方法及装置。本方法和装置可以直 接测量机床在运行状态下的主轴轴心温度，以及温度沿轴向的分布，为机床主轴温度相关 分析提供依据。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种安装方便、抗干扰能力强、测量精 度高、响应速度快、适用范围广的机床主轴在线温度测量方法及装置。为解决上述问题，本发明的技术方案为一种机床主轴温度测量装置，由温度测量 装置、接收装置和上位机组成；温度测量装置通过安装装置固定于被测主轴内部，通过数字 传感器采集主轴温度信号并通过无线通信的方式将监测数据发送到接收装置，接收装置接 收到监测数据后将数据通过串口传输到上位机。所述温度测量装置由传感器模块、信号处理模块、无线通信模块、电源模块和存储 模块组成；传感器模块由多个数字温度传感器组成，温度传感器布置于安装装置的侧壁之 上，通过安装装置使温度传感器与主轴充分接触，温度传感器采用单总线数据传输方式，多 个温度传感器通过一根数据线与信号处理模块进行连接；温度传感器在信号处理模块的控 制下采集温度信号，动态设定传感器的采集精度和速度。所述信号处理模块采用低功耗单片机做为处理器，负责配置温度传感器参数、信 号处理、配置无线通信模块的运行参数并控制发送和接收数据、控制温度测量装置的运行； 信号处理模块可配置温度传感器分辨率、采集间隔和报警值等参数；对采集的信号进行滤 波和压缩处理；配置无线通讯模块发送速率、发送频率和发送功率等参数，控制无线通讯模 块发送的内容，根据无线通讯模块接收的配置命令配置系统运行参数；信号处理模块空闲 时处于低功耗状态，当有处理请求时可迅速恢复到正常工作状态，状态转换时间只需要几 个微秒，及时响应处理请求，延长系统工作时间。所述无线通信模块采用低功耗的无线通信模块，该射频模块采用双工工作模式，可同时进行数据发射和接收，发射速率、发射模式和发射功率可动态调整，以适应不同监测 环境的要求；通过SPI并行接口或1 总线接口与信号处理模块连接，保证通讯质量和速 度；无线通讯模块在空旷环境下通讯距离大于100米，可满足一般的通讯要求；当无数据发 送和接收时，无线射频模块自动进入休眠状态以节省能量，同时该射频模块支持低功耗模 式下电磁波激活功能，并具有硬件CRC检错和点对多点通讯地址控制功能。所述电源模块由超低功耗升压稳压芯片和电池组成，升压稳压芯片具有微安级的 工作电流和较宽的输入电压范围。所述存储模块采用低功耗的E2PRAM动态存储芯片；存储模块中保存温度测量装置 的运行参数，并暂存一部分测量数据，系统初始化或复位时从存储模块读取运行参数，当无 线通信模块发生故障或无线通信受到干扰时，将监测数据暂时存储在存储模块中，待无线 通信正常时再重新发送监测数据，保证监测数据的连续性。所述接收装置由信号处理模块、无线通讯模块、电源模块和串口通信模块组成，功 能是接收温度测量装置发送的数据并通过串口发送到上位机中，接收装置还将上位机发出 的控制指令发送到温度测量装置；接收装置的信号处理模块、无线通讯模块同温度测量装 置中对应模块采用相同的硬件，接收装置需要与上位机进行通信，增加了串口通讯模块；串 口通信模块采用RS232或RS485接口，通过一根串口线实现与上位机稳定可靠的数据传输。所述安装装置由测杆、两个机械锁紧装置和薄壁管组成，温度测量装置固定于安 装装置上，其中温度传感器可布置于测杆和薄壁管间，无线发射和信号处理模块固定于测 杆的一端；安装装置放入主轴内后，通过向某个方向旋转测杆使两个机械锁紧装置自动胀 紧并将安装装置固定于主轴内，当逆向旋转测杆时，两个锁紧装置会自动缩紧，方便温度测 量装置自由取出。一种机床主轴温度测量方法，按照如下步骤首先根据测量要求调整安装装置上温度传感器的位置和数量，保证温度传感器与 待测量位置重合，然后将安装装置置入被测主轴内，旋转测杆到某个角度固定安装装置；固 定完成后，打开温度测量装置开关使其处于工作状态，通过上位机设置温度测量参数，参数 设置完成后，即对主轴温度开始测量；温度测量装置开机后进入初始化，初始化主要完成运行参数配置，信号处理模块 根据存储模块内的数据配置各个模块的运行参数；初始化完成后，装置判断是否接收到上 位机控制信号，如果接收到控制信号，则将接收的数据解析后保存在存储模块内，并控制装 置重新进行初始化工作，如没有接收到控制信号，则温度测量装置进入温度采集过程，信号 处理模块控制温度传感器采集温度，温度采集完成后，信号处理模块收集温度数据并进行 简单处理后，通过无线通信模块发送出去，由此完成一次温度测量；接收装置开机后首先完成初始化，然后判断是否接收到信号，如果接收到信号并 判断为温度数据后，则将接收的数据通过串口发送到上位机中，如没有接收到信号，则判断 是否接收到串口数据，如接收到串口数据，则将数据通过无线通信模块发送到温度测量装 置。所述安装装置采用一种机械胀紧机构，通过旋转操作可将安装装置固定于被测主 轴内，并可方便拆卸。所述温度采集模块采用一种高精度数字温度传感器，用来采集主轴温度信号，并可直接输出数字温度信号。所述信号处理模块采用一种低功耗单片机，用来接收温度采集模块采集的温度数 据，并可对温度信号进行滤波和调理，控制无线通讯模块进行数据通信，该模块同时可以根 据上位机命令设置温度监测装置的运行参数。所述无线通信模块采用一种低功耗无线射频模块，将处理过的温度信号发送给接 收装置，同时可接收上位机发出的控制命令。所述存储模块采用一种E2PRAM存储芯片，用来存储温度测量装置的运行参数，并 可保存部分温度数据。所述供电模块由电池和一种超低功耗LDO稳压芯片组成，用来给整个温度测量装 置提供稳定电源。所述串口通讯模块采用一种串口通讯芯片，用来实现与上位机的数据通信。本发明提供了一种在线机床主轴温度测量方法及装置，具有安装方便、抗干扰能 力强，响应速度快、适用范围广等优点，具备了温度在线监测和温度场监测的能力，可应用 于机床主轴的温度监测。本测量方法及装置利用无线通信技术克服了有线传输时遇到的布 线困难问题，实现了机床温度的在线监测；安装装置实现了温度测量装置的无工具化安装， 通过简单操作即可安装和拆卸测量装置，提高了监测系统的易用性；电池方式供电增加了 温度测量装置安装的灵活性，符合可持续发展和绿色环保的要求。
图1是本发明的结构图；图2是本发明的数据流图；图3是本发明温度监测装置模块图；图4是本发明接收装置模块图；图5是本发明模块间通信方式示意图；图6是本发明安装装置示意图；图7是本发明温度测量装置安装示意图；图8是本发明温度测量装置工作流程图；图9是本发明接收装置工作流程图；其中1为胀紧装置、2为薄壁管、3为测杆、4为温度传感器、5为温度测量装置、6 为驱动电机、7为联轴器、8为轴承、9为主轴。
具体实施例方式以下结合附图和具体实例对本发明进一步详细说明。如图1所示，机床主轴温度测量方法及装置由温度测量装置、安装装置和接收装 置三部分组成，温度测量装置固定在安装装置上。如图2所示，温度测量装置通过安装装置固定于被测主轴内部，通过数字传感器 采集主轴温度信号并通过无线通信的方式将监测数据发送到接收装置，接收装置接收到监 测数据后将数据通过串口传输到上位机。如图3所示，温度测量装置由传感器模块、信号处理模块、无线通信模块、电源模块和存储模块组成。传感器模块由多个数字温度传感器组成，温度传感器布置于安装装置 的侧壁之上，通过安装装置使温度传感器与主轴充分接触，温度传感器采用单总线数据传 输方式，多个温度传感器通过一根数据线与信号处理模块进行连接。温度传感器在信号处 理模块的控制下采集温度信号，可动态设定传感器的采集精度和速度。信号处理模块采用低功耗单片机做为处理器，负责配置温度传感器参数、信号处 理、配置无线通信模块的运行参数并控制发送和接收数据、控制温度测量装置的运行。信号 处理模块可配置温度传感器分辨率、采集间隔和报警值等参数；对采集的信号进行滤波和 压缩处理；配置无线通讯模块发送速率、发送频率和发送功率等参数，控制无线通讯模块发 送的内容，根据无线通讯模块接收的配置命令配置系统运行参数。信号处理模块空闲时处 于低功耗状态，当有处理请求时可迅速恢复到正常工作状态，状态转换时间只需要几个微 秒，可及时响应处理请求，延长系统工作时间。无线通信模块采用低功耗的无线通信模块，该射频模块采用双工工作模式，可同 时进行数据发射和接收，发射速率、发射模式和发射功率可动态调整，以适应不同监测环境 的要求；通过SPI并行接口或1 总线接口与信号处理模块连接，保证通讯质量和速度；无 线通讯模块在空旷环境下通讯距离大于100米，可满足一般的通讯要求；当无数据发送和 接收时，无线射频模块自动进入休眠状态以节省能量，同时该射频模块支持低功耗模式下 电磁波激活功能，并具有硬件CRC检错和点对多点通讯地址控制功能。电源模块由超低功耗升压稳压芯片和电池组成，升压稳压芯片具有微安级的工作 电流和较宽的输入电压范围，具有较强的电流驱动能力、转换效率高和外围电路简单的特 点，可为温度测量装置提供稳定的电源。为减小体积，可使用一颗纽扣电池、一节充电电池 或普通电池为系统供电，电源模块可将电池电压升压到测量装置各模块工作需要的电压。存储模块采用低功耗的E2PRAM动态存储芯片，芯片具有百万次的擦写寿命，微安 级数据读写电流，掉电状态下数据可保存10年以上，通过SPI或1 总线接口与信号处理 模块连接，具有较高的工作速度。存储模块中保存温度测量装置的运行参数，并暂存一部分 测量数据，系统初始化或复位时从存储模块读取运行参数，当无线通信模块发生故障或无 线通信受到干扰时，可将监测数据暂时存储在存储模块中，待无线通信正常时再重新发送 监测数据，保证监测数据的连续性。如图4所示，接收装置由信号处理模块、无线通讯模块、电源模块和串口通信模块 组成，功能是接收温度测量装置发送的数据并通过串口发送到上位机中，接收装置还将上 位机发出的控制指令发送到温度测量装置。接收装置的信号处理模块、无线通讯模块同温 度测量装置中对应模块采用相同的硬件，接收装置需要与上位机进行通信，增加了串口通 讯模块。串口通信模块采用RS232或RS485接口，通过一根串口线即可实现与上位机稳定 可靠的数据传输。接收装置的供电方式相对温度测量模块具有更大的灵活性，电源模块采用电池和 外接直流电源双供电模式，当外接电源方便时，可直接接外接直流电源，否则可采用电池供 电模式。电池供电的电源模块采用同温度测量装置相同的硬件结构，直流电源供电采用具 有稳压功能的LDO线性稳压器，可将外接直流电源转化为接收装置各模块工作所需电压。如图5所示，信号处理模块是温度测量装置和接收装置的核心模块，该模块控制 其他各个模块的运行，其他模块通过各种接口方式与它进行通信。其中，无线通信模块和存储模块通过1 总线或SPI方式与信号处理模块通信，温度传感器使用I-Wire与信号处理 模块通信，串口通讯模块通过USART串口协议与信号处理模块进行通信。如图6所示，安装装置由测杆、两个机械锁紧装置和薄壁管组成，温度测量装置固 定于安装装置上，其中温度传感器可布置于测杆和薄壁管间，无线发射和信号处理模块固 定于测杆的一端。安装装置放入主轴内后，通过向某个方向旋转测杆使两个机械锁紧装置 自动胀紧并将安装装置固定于主轴内，当逆向旋转测杆时，两个锁紧装置会自动缩紧，方便 温度测量装置自由取出。具体使用过程中，首先根据测量要求调整安装装置上温度传感器的位置和数量， 保证温度传感器与待测量位置重合，然后将安装装置置入被测主轴内，旋转测杆到某个角 度固定安装装置，如图7所示。固定完成后，打开温度测量装置开关使其处于工作状态，通 过上位机设置温度测量参数，参数设置完成后，即可对主轴温度开始测量。如图8所示，温度测量装置开机后进入初始化，初始化主要完成运行参数配置，信 号处理模块根据存储模块内的数据配置各个模块的运行参数。初始化完成后，装置判断是 否接收到上位机控制信号，如果接收到控制信号，则将接收的数据解析后保存在存储模块 内，并控制装置重新进行初始化工作，如没有接收到控制信号，则温度测量装置进入温度采 集过程，信号处理模块控制温度传感器采集温度，温度采集完成后，信号处理模块收集温度 数据并进行简单处理后，通过无线通信模块发送出去，由此完成一次温度测量。如图9所示，接收装置开机后首先完成初始化，然后判断是否接收到信号，如果接 收到信号并判断为温度数据后，则将接收的数据通过串口发送到上位机中，如没有接收到 信号，则判断是否接收到串口数据，如接收到串口数据，则将数据通过无线通信模块发送到 温度测量装置。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所 提交的权利要求书确定专利保护范围。
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权利要求
1.一种机床主轴温度测量装置，其特征在于由温度测量装置、安装装置和接收装置 组成；温度测量装置通过安装装置固定于被测主轴内部，通过数字传感器采集主轴温度信 号并通过无线通信的方式将监测数据发送到接收装置，接收装置接收到监测数据后将数据 通过串口传输到上位机。
2.如权利要求1所述一种机床主轴温度测量装置，其特征在于所述温度测量装置由 传感器模块、信号处理模块、无线通信模块、电源模块和存储模块组成；传感器模块由多个 数字温度传感器组成，温度传感器布置于安装装置的侧壁之上，通过安装装置使温度传感 器与主轴充分接触，温度传感器采用单总线数据传输方式，多个温度传感器通过一根数据 线与信号处理模块进行连接；温度传感器在信号处理模块的控制下采集温度信号，动态设 定传感器的采集精度和速度。
3.如权利要求2所述一种机床主轴温度测量装置，其特征在于所述信号处理模块采 用低功耗单片机做为处理器，负责配置温度传感器参数、信号处理、配置无线通信模块的运 行参数并控制发送和接收数据、控制温度测量装置的运行；信号处理模块可配置温度传感 器分辨率、采集间隔和报警值等参数；对采集的信号进行滤波和压缩处理；配置无线通讯 模块发送速率、发送频率和发送功率等参数，控制无线通讯模块发送的内容，根据无线通讯 模块接收的配置命令配置系统运行参数；信号处理模块空闲时处于低功耗状态，当有处理 请求时可迅速恢复到正常工作状态，状态转换时间只需要几个微秒，及时响应处理请求，延 长系统工作时间。
4.如权利要求2所述一种机床主轴温度测量装置，其特征在于所述无线通信模块采 用低功耗的无线通信模块，该射频模块采用双工工作模式，可同时进行数据发射和接收，发 射速率、发射模式和发射功率可动态调整，以适应不同监测环境的要求；通过SPI并行接口 或1 总线接口与信号处理模块连接，保证通讯质量和速度；无线通讯模块在空旷环境下通 讯距离大于100米，可满足一般的通讯要求；当无数据发送和接收时，无线射频模块自动进 入休眠状态以节省能量，同时该射频模块支持低功耗模式下电磁波激活功能，并具有硬件 CRC检错和点对多点通讯地址控制功能。
5.如权利要求2所述一种机床主轴温度测量装置，其特征在于所述电源模块由超低 功耗升压稳压芯片和电池组成，升压稳压芯片具有微安级的工作电流和较宽的输入电压范 围。
6.如权利要求2所述一种机床主轴温度测量装置，其特征在于所述存储模块采用低 功耗的E2PRAM动态存储芯片；存储模块中保存温度测量装置的运行参数，并暂存一部分测 量数据，系统初始化或复位时从存储模块读取运行参数，当无线通信模块发生故障或无线 通信受到干扰时，将监测数据暂时存储在存储模块中，待无线通信正常时再重新发送监测 数据，保证监测数据的连续性。
7.如权利要求1所述一种机床主轴温度测量装置，其特征在于所述接收装置由信号 处理模块、无线通讯模块、电源模块和串口通信模块组成，功能是接收温度测量装置发送的 数据并通过串口发送到上位机中，接收装置还将上位机发出的控制指令发送到温度测量装 置；接收装置的信号处理模块、无线通讯模块同温度测量装置中对应模块采用相同的硬件， 接收装置需要与上位机进行通信，增加了串口通讯模块；串口通信模块采用RS232或RS485 接口，通过一根串口线实现与上位机稳定可靠的数据传输。
8.如权利要求1所述一种机床主轴温度测量装置，其特征在于所述安装装置由测杆、 两个机械锁紧装置和薄壁管组成，温度测量装置固定于安装装置上，其中温度传感器可布 置于测杆和薄壁管间，无线发射和信号处理模块固定于测杆的一端；安装装置放入主轴内 后，通过向某个方向旋转测杆使两个机械锁紧装置自动胀紧并将安装装置固定于主轴内， 当逆向旋转测杆时，两个锁紧装置会自动缩紧，方便温度测量装置自由取出。
9.基于权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于，按照如下步骤首先根据测量要求调整安装装置上温度传感器的位置和数量，保证温度传感器与待测 量位置重合，然后将安装装置置入被测主轴内，旋转测杆到某个角度固定安装装置；固定完 成后，打开温度测量装置开关使其处于工作状态，通过上位机设置温度测量参数，参数设置 完成后，即对主轴温度开始测量；温度测量装置开机后进入初始化，初始化主要完成运行参数配置，信号处理模块根据 存储模块内的数据配置各个模块的运行参数；初始化完成后，装置判断是否接收到上位机 控制信号，如果接收到控制信号，则将接收的数据解析后保存在存储模块内，并控制装置重 新进行初始化工作，如没有接收到控制信号，则温度测量装置进入温度采集过程，信号处理 模块控制温度传感器采集温度，温度采集完成后，信号处理模块收集温度数据并进行简单 处理后，通过无线通信模块发送出去，由此完成一次温度测量；接收装置开机后首先完成初始化，然后判断是否接收到信号，如果接收到信号并判断 为温度数据后，则将接收的数据通过串口发送到上位机中，如没有接收到信号，则判断是否 接收到串口数据，如接收到串口数据，则将数据通过无线通信模块发送到温度测量装置。
全文摘要
本发明公开了一种机床主轴温度测量装置及其测量方法，该装置包括温度测量装置、安装装置和接收装置三部分。温度测量装置包括温度采集模块、信号处理模块、无线通信模块、存储模块和供电模块；接收装置包括信号处理模块、无线通信模块和串口通讯模块；安装装置包括测杆和锁紧模块。上述温度采集模块采集温度信号并传输到信号处理模块，信号处理模块对数据信号进行处理后，通过无线通信模块以无线的形式传输到接收装置，接收装置直接显示监测数据或通过串口将接收到的监测数据传输到电脑中显示和存储。温度测量装置固定于安装装置上，通过简单操作即可将安装模块固定并锁紧在被测主轴上，安装模块可方便取下并安装于不同规格的主轴上，实现了无工具操作。
文档编号G01K7/00GK102095511SQ20101056545
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者刁瑞朋, 孟庆丰, 王培功 申请人:西安瑞特快速制造工程研究有限公司