CN102538993A - 一种机床温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床温度测量装置，包括用于采集机床温度的温度传感器、用于处理该温度传感器输出信号的调理电路以及电源，设有用于封装所述的温度传感器的真空绝热套，该真空绝热套通过磁性连接件固定在机床上。通过真空绝热套来避免周边环境温度变化对温度传感器的影响，从而实现待测表面温度的精确测量，通过热电发电模块为无线发射模块和调理电路板供电，避免了电池的使用，确保整个机床温度测量装置体积紧凑，使用自供电方法也更为环保；通过无线发射模块解决了现有的有线连接方式中连接线容易拉断或造成连接线内部断裂的技术问题。

Description

一种机床温度测量装置

技术领域

本发明涉及机床温度测量领域，尤其是涉及一种用于机床的可自供电的机床温度测量装置。

背景技术

数控机床的加工精度是衡量数控机床工作性能的重要指标，大量的研究表明，热误差是数控机床等精密加工机械的最大误差源，占总误差的70％左右，而对于超精密数控机床而言，甚至达到近90％。由于数控机床在加工过程中不可避免地存在内外部热源，特别是内部热源，必然导致热变形误差的产生。因而对数控机床热态特性进行监控，根据其温度变化，进行相应的变形补偿，控制其加工过程中热变形影响就显得非常重要。

目前对机床进行热态特性进行监控，主要通过在机床的一些热源表面布置一系列的温度传感器采集机床各位置的温度场分布。

常规方式是通过将热电偶粘附在待测位置表面，或者在待测位置预留一些测量孔，通过带有螺纹的热电偶固定在待测表面实现对待测位置的温度测量。对于将热电偶粘附在待测位置表面，由于机床表面通常为金属材料，金属材料与温度传感器的粘附强度不高，因而无法对一些运动部件的热特性进行监控，同时，粘附固定方式不易拆除，存在着技术缺陷。对于采用预留孔的方式固定热电偶，则需要破坏机床结构，容易对机床的动态特性、稳定性等造成影响。

此外，这两种方式固定热电偶测量机床表面的温度易受外部环境影响，测量结果波动大，不能如实反映机床表面的温度变化。如当机床Z轴带着主轴进给时，主轴表面和空气有相对运动，机床Z轴带着主轴运动到不同位置时，该位置的环境温度也有一定的波动，这些因素都会对主轴表面的温度测量造成影响，导致主轴表面测点温度不停地波动，其波动幅度在0.3～1℃。即使是高档精密主轴，其热伸长仍达10μm/℃，因而0.3℃的温度波动，也会导致补偿量偏差3μm，直接影响机床的加工精度。

机床温度监控的连线都采用有线连接方式。有线连接方式容易对机床的运动造成影响，在机床运动时容易将连接线拉断或造成连接线内部断裂，直接导致温度监控失效。而现有的采用无线通讯方式的温度传感器体积较大，无法稳定地固定到机床的运动部件上，特别是当运动部件高速进给的时候，也不适宜用到机床热特性监控中去。

在现有的机床温度检测中也无法保证温度传感器与待测点的接触力，由于不同接触面间存在接触热阻，因此，如果温度传感器与待测点间无法保证一定的压力，就会使得两接触面间的热阻过大，温度传感器与待测点间就会存在温度梯度，从而导致所测量的温度准确度较差。

发明内容

本发明提供了一种测量安装方便、测量精确的机床温度测量装置。

一种机床温度测量装置，包括用于采集机床温度的温度传感器、用于处理该温度传感器输出信号的调理电路以及电源，设有用于封装所述的温度传感器的真空绝热套，该真空绝热套通过磁性连接件固定在机床上。

由于所述的真空绝热套通过磁性连接件固定在机床上，因此所述的机床对应的部位的材质应该是与所述的磁性连接件能够相互作用，一般为金属材质，由于温度传感器位于真空绝热套内部，因此，当采集机床温度时，真空绝热套应该固定在机床温度的温度采集点处。通过真空绝热套来避免周边环境温度变化对温度传感器的影响，从而实现待测表面温度的精确测量。

所述的温度传感器为热敏电阻。在本发明中，热敏电阻相对于热电偶，更能满足本发明机床温度测量装置结构上的要求，具有更好的检测精确度。由于热电偶是通过两接点温度不同在电路中产生不同的温差电势来达到测量的目的，其测量温度范围较大，可以根据不同的需要进行选择，适用在本发明中，热电偶的测量精度不如热敏电阻。

所述的真空绝热套主要用于避免环境温度波动时造成机床待测表面温度的波动，影响温度补偿效果。通过真空绝热套将温度传感器置于和环境温度绝热的条件下，实现对机床待测表面温度的准确测量。真空绝热套为双层结构，夹层为真空，并涂以反射材料，避免环境温度的干扰。作为优选，所述的真空绝热套为圆筒形，以方便将其安装在磁性连接件、热电发电模块和散热片中，并且也方便真空绝热套内各元器件的集成安装。

所述的磁性连接件用于与机床待测表面固定连接，磁性连接件的材料可采用磁钢等，具体选用主要由钕铁硼金属合金构成的磁钢，由该材料制成的磁性连接件的磁性强，即使测量机床的运动部位，本发明机床温度测量装置也能够牢固地吸附于待测表面，对于圆弧形待测表面，如机床的主轴表面，磁性连接件可制作为圆弧形，便于更好地与待测表面紧密贴合，从而将本发明机床温度测量装置更好地固定在机床待测表面上。

为了使真空绝热套更贴近机床，作为优选，所述的磁性连接件为板状且带有通孔，所述的真空绝热套嵌装在该通孔中，这样可以保证温度传感器更加真实的反应机床温度。真空绝热套与磁性连接件的通孔之间可以采用过盈配合、粘结或利用连接件等形式相互固定。

作为进一步的优选，所述的真空绝热套与机床接触的一侧带有开口，且该开口通过导热片密封，所述的温度传感器安装在该导热片上。温度传感器通过导热片直接与机床接触保证了温度信号的精度。在温度传感器前面设置导热片，一方面为温度传感器提供封装保护，另一方面，温度传感器通过导热片直接与机床接触，将待测机床表面的热量有效传递到温度传感器上，保证了温度信号的精度，保证温度传感器测量的准确性。所述的导热片的材料可选用金属或者导热塑料，优选为铜或铁。

所述的电源用于向调理电路和温度传感器供电，由于电源、温度传感器、调理电路三者之间是电路连接，因此在空间位置上并没有严格限制。

作为优选，所述的真空绝热套内设有用于承载调理电路的调理电路板，所述的调理电路板位于温度传感器背向导热片的一侧。所述的调理电路板上的调理电路用于将温度传感器响应温度变化所产生的模拟量信号转化为数字量信号，调理电路可参考温度变送器电路结构。

为了保证温度传感器与导热片的良好接触，作为优选，所述的调理电路板与真空绝热套的内壁之间设有压紧弹簧，该压紧弹簧通过对调理电路板施力，将调理电路板、温度传感器、导热片三者之间依次压紧。

作为进一步的优选，所述的真空绝热套内设有簧片，所述的压紧弹簧一端与调理电路板接触，另一端与该簧片连接，所述的真空绝热套设有螺纹孔，该螺纹孔内螺纹配合有螺栓，且该螺栓伸入真空绝热套的一端与簧片连接，形成接触压力可调节的装置，使得螺栓沿真空绝热套的内壁方向移动，通过螺栓调节压紧弹簧的伸缩长度，从而调节调理电路板、温度传感器和导热片三者组成的温度测量模块与待测表面之间的接触压力，以降低接触热阻，更好的实现待测表面温度的精确测量。

所述的调理电路板、温度传感器和导热片均与真空绝热套的内壁滑动配合，进一步有利于调节调理电路板、温度传感器和导热片三者组成的温度测量模块与待测表面之间的接触压力。

为了避免调理电路板、温度传感器与导热片之间发生错位，所述的调理电路板、温度传感器和导热片的外边缘受限于所述的真空绝热套的内壁，可以避免三者之间的相对滑动，保证了温度采集的效果。

设有无线发射模块，该无线发射模块的信号输入端与所述的调理电路的信号输出端连接，通过无线发射模块解决了现有的有线连接方式中连接线容易拉断或造成连接线内部断裂的技术问题。无线发射模块将数字量信号发射到无线接收端，无线发射模块可参考商业化的CC1101TR4无线模块。

作为优选，所述的电源包括热电发电模块和散热片，所述的热电发电模块安装在磁性连接件背向机床的一侧，所述的散热片设置在热电发电模块背向磁性连接件的一侧。通过热电发电模块为无线发射模块和调理电路供电，避免了电池的使用，确保整个机床温度测量装置体积紧凑，同时，使用自供电方法也更为环保。

所述的热电发电模块由交替的N型和P型的热电材料用导体串联而成，并且并联有电容，热电材料具体可选用为铋碲锑合金，热电发电模块可采用现有技术，如参考授权公告号为CN 100448045C的中国专利。机床待测表面温度与环境温度有一定的温差，可以在热电发电模块中产生电流，热电发电模块中并联电容，用于储存及整流电能。现有技术中的热电发电模块，主要问题是发电功率较低，难以提供持续稳定的功率。由于机床中的温度变化是一个缓慢过程，如温度采样频率为5min-1也可满足温度监测的要求。因而，通过调理电路板的调理电路和无线发射模块进行固定频率的温度采样触发，在非触发状态时将电能都存储起来，可有效解决这一问题。

所述的散热片用于对热电发电模块的低温端(即热电发电模块与散热片连接一侧)散热，从而为热电发电模块提供尽可能大的温差，提高热电发电模的发电效率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、本发明机床温度测量装置通过真空绝热罩的使用，避免了环境温度对温度测量过程的干扰，便于提供后续热变形补偿的精度；

二、本发明机床温度测量装置通过接触压力可调节的装置，减小了温度传感器与温度待测表面的接触热阻，提高了温度测量精度；

三、本发明机床温度测量装置通过磁性连接件与机床待测表面固定连接，固定方式方便快捷，并且磁性连接件具有较强的磁性，保证了磁性连接件与机床待测表面固定连接的牢固度；

四、本发明机床温度测量装置通过无线发射模块将检测的温度数字信号发送至无线接收端，避免了现有技术中连接导线的干扰，从而更方便对机床的运动部位进行温度的监控；

五、本发明机床温度测量装置的热电发电模块利用机床待测表面温度与环境温度的温差，及机床温度变化的缓慢性，实现机床温度测量装置的自供电，绿色环保。由于机床运动部位在运动时与空气的相对运动可以更有效地促进热电发电模块的散热，因此，本发明机床温度测量装置更适合于对机床运动部位温度的监测。

附图说明

图1为本发明机床温度测量装置的结构示意图；

图2是一种典型的热电发电模块的结构示意图；

图3是采用目前常用的热电偶进行机床测量主轴温升时的测量结果；

图4是本发明机床温度测量装置测量主轴温升时的测量结果。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种机床温度测量装置，包括：

磁性连接件1，磁性连接件1具体选用主要由钕铁硼金属合金构成的磁钢，磁性连接件1的一侧用于与机床待测表面固定连接，磁性连接件1的另一侧固定有热电发电模块2，热电发电模块2上与磁性连接件1连接的一侧作为热电发电模块2的高温端，热电发电模块2背离磁性连接件1的一侧固定有散热片3，散热片3用于对热电发电模块2的低温端散热。磁性连接件1、热电发电模块2和散热片3层叠在一起，外形可具体选择圆柱形、立方形等。磁性连接件1、热电发电模块2和散热片3设有贯穿的通孔，通孔内设有真空绝热套11，真空绝热套11在该通孔内可以采用过盈配合、粘结或利用连接件等形式固定。真空绝热套11为圆筒形，真空绝热套11为双层结构，夹层为真空，并涂以反射材料，避免环境温度的干扰。真空绝热套11与机床接触的一侧带有开口，且该开口通过导热片4密封，再依次叠放有温度传感器5和用于承载调理电路的调理电路板6，温度传感器5为热敏电阻，即将导热片4设置在最外侧，导热片4的材料为铜，调理电路板6设置在真空绝热套11的最内侧。调理电路板6、温度传感器5和导热片4均与真空绝热套11滑动配合，具体选用滑轨，调理电路板6、温度传感器5和导热片4的外边缘受限于所述的真空绝热套11的内壁。螺栓9贯穿于真空绝热套11的顶部，并与真空绝热套11螺纹配合，螺栓9伸入真空绝热套11内的一端固定有簧片8，簧片8与调理电路板6通过压紧弹簧7连接。真空绝热套11外侧设有与调理电路板6连接的无线发射模块10，无线发射模块10采用商业化的CC1101TR4无线模块。

如图2所示，为热电发电模块2，参考授权公告号为CN 100448045C的中国专利，由交替的N型热电材料12和P型热电材料13用导体14串联而成，即N型热电材料12与P型热电材料13呈一定的间距设置，然后通过导体14串联，上下两端为绝缘体，上端的绝缘体15为低温端，下端的绝缘体为高温端，即上端的绝缘体15与图1中的散热片3连接，下端的绝缘体与图1中的磁性连接件1连接。N型热电材料12和P型热电材料13选用铋碲锑合金，导体14选用铜，热电发电模块2的正负极通过导线与电容16连接，用于储存及整流电能。热电发电模块2的正负极与无线发射模块10以及调理电路板6的调理电路连接，为调理电路板6的调理电路和无线发射模块10进行固定频率的温度采样触发提供电能。

本发明机床温度测量装置具体的工作流程如下：

将本发明机床温度测量装置通过磁性连接件1安装在机床待测表面，通过螺栓9与真空绝热套11螺纹配合，调节螺栓9的位置，从而调节调理电路板6、温度传感器5和导热片4三者组成的温度测量模块与待测表面之间的接触压力，以降低接触热阻，热电发电模块2由于机床待测表面温度与环境温度有一定的温差，在热电发电模块2中产生电流，电容16用于储存及整流电能。通过调理电路板6的调理电路和无线发射模块10进行固定频率的温度采样触发，热电发电模块2为温度采样触发提供电能，电容16在非触发状态时将电能都存储起来。调理电路板6上的调理电路用于将温度传感器5响应温度变化所产生的模拟量信号转化为数字量信号，无线发射模块10将数字量信号发射到无线接收端，无线接收端接受数字量信号后，显示温度测量值。

应用例1

将本发明机床温度测量装置应用于机床(HTM-80H)主轴表面温度的监测，机床启动3小时后进行检测，测量时环境温度为18℃，温度采样频率为5min^-1，为了增加主轴表面环境温度的波动性，在测温点处放置一台功率为50W的台扇加剧环境温度的波动，具体测量结果如图3所示，从测量结果可以看出，温度波动小于0.1℃，误差相对较小，属于热敏电阻的系统测量误差范围内。

对比例1

将目前常用的热电偶(采用粘结的方式)应用于机床(HTM-80H)主轴表面温度的监测，机床启动3小时后进行检测，测量时环境温度为18℃，温度采样频率为5min^-1，具体测量结果如图4所示，从测量结果可以看出，测量温度波动为0.3℃，而该机床主轴的热伸长和主轴表面温升的关系为15μm/℃，温度波动为0.3℃，便会造成4.5μm的测量误差，直接影响热变形的补偿精度。

Claims (10)

1.一种机床温度测量装置，包括用于采集机床温度的温度传感器(5)、用于处理该温度传感器(5)输出信号的调理电路以及电源，其特征在于，设有用于封装所述的温度传感器(5)的真空绝热套(11)，该真空绝热套(11)通过磁性连接件(1)固定在机床上。

2.根据权利要求1所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的磁性连接件(1)为板状且带有通孔，所述的真空绝热套(11)嵌装在该通孔中。

3.根据权利要求2所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的真空绝热套(11)与机床接触的一侧带有开口，且该开口通过导热片(4)密封，所述的温度传感器(5)安装在该导热片(4)上。

4.根据权利要求3所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的真空绝热套(11)内设有用于承载调理电路的调理电路板(6)，所述的调理电路板(6)位于温度传感器(5)背向导热片(4)的一侧。

5.根据权利要求4所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的调理电路板(6)与真空绝热套(11)的内壁之间设有压紧弹簧(7)。

6.根据权利要求5所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的真空绝热套(11)内设有簧片(8)，所述的压紧弹簧(7)一端与调理电路板(6)接触，另一端与该簧片(8)连接，所述的真空绝热套(11)设有螺纹孔，该螺纹孔内螺纹配合有螺栓(9)，且该螺栓(9)伸入真空绝热套(11)的一端与簧片(8)连接。

7.根据权利要求6所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的调理电路板(6)、温度传感器(5)和导热片(4)均与真空绝热套(11)的内壁滑动配合。

8.根据权利要求7所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的调理电路板(6)、温度传感器(5)和导热片(4)的外边缘受限于所述的真空绝热套(11)的内壁。

9.根据权利要求1所述的机床温度测量装置，其特征在于，设有无线发射模块(10)，该无线发射模块(10)的信号输入端与所述的调理电路的信号输出端连接。

10.根据权利要求1所述的机床温度测量装置，其特征在于，所述的电源包括热电发电模块(2)和散热片(3)，所述的热电发电模块(2)安装在磁性连接件(1)背向机床的一侧，所述的散热片(3)设置在热电发电模块(2)背向磁性连接件(1)的一侧。

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