CN104062029B - 一种基于声表面波的电主轴温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的电主轴温度测量装置，主要包括；环形导槽，设置在电主轴壳体内，且环形导槽具有导电材料层；声表面波温度传感器，固定在转轴上，声表面波温度传感器的信号输出端与环形导槽滑动配合且与导电材料层相接触；天线，一端伸入环形导槽与导电材料层接触，另一端穿出壳体；质询端天线，设置在壳体的外侧，与天线配合进行信号传输。本发明通过设置天线，环形导槽，以及与导电材料层滑动配合的滑动触头，将传感器敏感元测得的温度信号传送至壳体外，克服了电磁信号难以通过密闭金属壳体传播的问题，能够实现对电主轴转轴温度的无线、无源长效监测。

Description

一种基于声表面波的电主轴温度测量装置

技术领域

本发明涉及机床主轴温度测量领域，特别是涉及一种用于机床电主轴的无线无源温度测量装置。

背景技术

电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。

电主轴与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向一个新时代，在高效加工领域有着举足轻重的作用。大量研究表明，主轴发热是影响其性能(刚度、精度、使用寿命)的最主要因素之一，由其导致的主轴热误差是数控机床等精密加工机械的最大误差源。随着机床可靠性与精度稳定性要求的不断提高，电主轴热状态感知和控制的重要性日益突出。

如授权公告号为CN202994320U的专利文献公开了一种高速加工中心电主轴前后轴承温度测试系统。该专利文献的电主轴前轴承径向方向设置三个直通轴承外圈的热电偶传感器安装孔；电主轴前轴承径向方向的前热电偶传感器螺纹安装孔装有直通电主轴前轴承外圈的三支热电偶传感器，前轴承密封细牙堵丝旋装在前热电偶传感器螺纹安装孔内；热电偶传感器的底部探头与电主轴前轴承外圈接触。

电主轴发热源主要是前后轴承和内置电动机的定、转子。传统测试电主轴温度的方法一般采用有源有线、有源无线或红外测温，这些监测技术存在诸多局限性，主要表现在：(1)传统有线传感器在旋转结构上受到走线空间的限制，往往难以实现在理想测点上的安装，且监测系统通常需要多个传感器，使得电源线和信号线的配置更加复杂，线路也往往因复杂多变的工况(如旋转、振动等)发生短路、断路的问题，致使传感器失效，或降低监测的有效性和可靠性；(2)无线传感器摆脱了走线的限制，但仍受到供能问题和体积问题的困扰。无线传感器一般通过电池供电，应用于精密电主轴内部转轴温度检测存在电池耗尽后难以更换的问题，同时，电池供电会显著增大传感器体积，这一方面使得其在电主轴的狭小空间中安装困难，另一方面使得传感器在小直径轴类部件上难以紧密贴合，从而导致测量精度下降。(3)采用红外摄像对机床主轴箱进行非接触式热态监测。该方法虽然操作简单，但只能获得测量对象的表面温度，且测量效果受到表面材料、测量角度、表面加工情况及粗糙度等多种因素的影响；同时，红外摄像法无法应用于振动等其它物理量的测量。因此，建立一种新型的、便捷有效并可用于真实加工环境下的旋转结构测量手段，实现机床电主轴的嵌入式监测，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于声表面波的电主轴温度测量装置。解决了现有测量技术诸多局限性的问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于声表面波的电主轴温度测量装置，包括：

环形导槽，设置在电主轴的壳体内，且环形导槽具有导电材料层；

声表面波温度传感器，固定在电主轴的转轴上，声表面波温度传感器的信号输出端与所述环形导槽滑动配合且与所述导电材料层相接触；

天线，一端伸入环形导槽与所述导电材料层接触，另一端穿出所述壳体；

质询端天线，设置在所述壳体的外侧，与所述天线配合进行信号传输，质询端天线通过同轴电缆连接有质询端读取器；

控制器，与所述质询端读取器连接，用于控制质询端读取器。

声表面波传感是近些年发展起来的一种新的传感测量方式。声表面波传感器除了具有精度和灵敏度高，线性度好等特点外，更重要的是实现了传感器的无线和无源化。声表面波传感器一般在射频段工作，可以将声表面波输出信号直接转化成为电磁波发射出去，实现信息的无线传输。声表面波传感器的基片采用压电材料，传感器受电磁波激发时具有储能特性，在信号回传时无需额外供电，只以电磁波作为能量的供应和信号传输的工具，从而摆脱了电池的限制，实现传感信号反馈的无源化。本发明通过设置天线以及环形导槽，克服了电磁信号难以通过密闭金属壳体传播而导致的声表面波传感器无法在电主轴内部应用的问题，温度测量装置无需电源，结构更加紧凑，可长期置于转轴内部工作；采用无线方式进行信息传送，克服了现有的有线连接布线困难及连接线寿命短的弊端，本发明能够实现对电主轴温度的无线、无源长效监测。

作为优选，所述声表面波温度传感器包括：

导热套，与所述转轴固定；

滑动座，设置在导热套内，能沿导热套的轴线运动；

滑动触头，固定在滑动座上，与所述环形导槽滑动配合且与所述导电材料层相接触；

传感器敏感元，设置在导热套内，与所述滑动触头连接；

弹簧，设置在导热套内，一端与滑动座抵接，另一端与转轴相对固定。

通过设置弹簧能够施加预紧力确保滑动触头与环形导槽充分接触，工作时，传感器敏感元采集转轴的温度信号，然后依次通过滑动触头、环形导槽以及天线传送给质询端天线，实现本发明电主轴温度的无线、无源信号传送。

导热套可以通过各种方式与转轴固定，如焊接等，为了便于装配和维护，作为优选，所述导热套外壁设有螺纹，所述转轴设有与导热套螺纹配合的螺纹孔。

作为优选，所述导热套的轴线与转轴的轴线垂直且相交。

作为优选，所述传感器敏感元与所述滑动座相对固定。

作为优选，所述导热套的内壁设有沟槽，所述滑动座设有与所述沟槽相配合的凸块。

通过设置相互配合的沟槽和凸块，实现了对滑动座的周向定位。

作为优选，所述质询端天线的底部设有磁性连接件，质询端天线通过磁性连接件固定在壳体上。

通过磁性连接件的设计使得质询端天线能够安装在合适的位置。

作为优选，还包括固定在壳体内，位于转轴外围的环形的安装座，所述环形导槽设置在安装座与转轴相对的侧壁上。

作为优选，所述壳体包括壳身以及设置在壳身两端的端盖，所述安装座与其中一个端盖固定，所述天线一端位于壳体外，另一端分别穿过与安装座对应的端盖以及安装座后，与所述导电材料层接触。

本发明的有益效果是：将声表面波传感器引入到电主轴内部进行温度测试，实现电主轴的转轴在高速旋转运动状态下的接触式温度测量；通过设置天线，具有导电材料层的环形导槽，以及与导电材料层滑动配合的滑动触头，能够将传感器敏感元测得的温度信号传送至壳体外，克服了由于电磁信号难以通过密闭金属壳体传播而导致的声表面波传感器无法在电主轴内部应用的难题，能够实现无线、无源长效监测。

附图说明：

图1是本发明基于声表面波的电主轴温度测量装置的剖视图；

图2是图1中安装温度测量装置的局部放大图；

图3是声表面波温度传感器的剖视图；

图4是图3的A向视图；

图5是安装座的剖视图；

图6是安装座的侧视图；

图7是轴承隔套的剖视图；

图8是轴承隔套的侧视图；

图9是前端盖的剖视图；

图10是前端盖的侧视图；

图11是温度测量装置的工作原理图。

图中各附图标记为：

1.转轴，2.前端盖，4.壳身，5.后端盖，6.天线，7.质询端天线，8.安装座，9.环形导槽，10.声表面波温度传感器，11.轴承隔套，12.导热套，13.传感器敏感元，14.弹簧，15.沟槽，16.凸块，17.滑动触头，19.滑动座，20.第一斜孔，21.锁紧螺母，22.开口，23.第二斜孔。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

如图1、2所示，电主轴包括由壳身4、前端盖2以及后端盖5构成的壳体，设置在电主轴的壳体中的转轴1，以及与前端盖固定位于转轴外围的环形的安装座8。

如图1，2所示，一种基于声表面波的电主轴温度测量装置，包括：

环形导槽9，设置在安装座与转轴相对的侧壁上，且环形导槽具有导电材料层；

声表面波温度传感器10，固定在转轴上，声表面波温度传感器的信号输出端与环形导槽滑动配合且与导电材料层相接触；

天线6，一端伸入环形导槽与导电材料层接触，另一端穿出壳体；

质询端天线7，与天线配合进行信号传输，质询端天线的底部设有磁性连接件，质询端天线通过磁性连接件固定在壳体上，且质询端天线通过同轴电缆连接有质询端读取器(图中未画出)，质询端读取器与控制端的控制器相连接，该控制器用于控制质询端读取器收发电磁波信号以及对转轴温度误差进行补偿。

如图3、4所示，声表面波温度传感器包括：

导热套12，外壁设有螺纹，转轴设有与导热套螺纹配合的螺纹孔，导热套与转轴螺纹配合固定，且导热套的轴线与转轴的轴线垂直且相交；

滑动座19，设置在导热套内，能沿导热套的轴线运动，；

滑动触头17，固定在滑动座上，与环形导槽滑动配合且与导电材料层相接触；

传感器敏感元13，固定在滑动座上，且传感器敏感元13的一端与滑动触头连接；

弹簧14，设置在导热套内，一端与滑动座抵接，另一端与转轴相对固定。

导热套的内壁设有沟槽15，滑动座设有与沟槽相配合的凸块16。

如图5、6所示，安装座上还设有用于通过天线的第一斜孔20。

如图2、7、8所示，转轴上还套设有轴承隔套11，轴承隔套一端与轴承的内圈抵接，另一端与锁紧螺母21抵靠，锁紧螺母21套设在转轴上，与转轴螺纹配合，轴承隔套的侧壁具有用于安置声表面波温度传感器的开口22。

如图9、10所示，前端盖设有用于通过天线的第二斜孔23。

本实施例的装配方法：轴承按原来顺序安装，安装好轴承后将转轴安装在前端盖上，然后安装轴承隔套，然后将声表面波温度传感器螺纹连接到转轴中，再将安装座固定在前端盖上，确保滑动触头与环形导槽充分接触，然后用锁紧螺母将轴承隔套固定好，质询端天线4靠磁性连接件安装在前端盖上合适位置，其后各部件按原来顺序安装，在此不再赘述。

如图11所示，温度测量装置的工作过程如下：质询端天线与读取器连接，读取器控制质询端天线向天线发出分时间隔电磁波，声表面波温度传感器经天线、环形导槽及滑动触头接收电磁波信号，并由声表面波温度传感器内部的叉指换能器将其转化为声表面波沿基底传播，声表面波遇反射栅后反射回到叉指换能器，然后叉指换能器将其转化为携带温度信息的回波信号，经滑动触头、环形导槽、天线传输出去，质询端天线接收携带有温度信息的回波信号并传输给读取器，由其进行回波信号分析处理，从而获得转轴的温度，进而通过控制端计算机或单片机等控制设备进行温度热误差补偿等处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于声表面波的电主轴温度测量装置，其特征在于，包括：

环形导槽，设置在电主轴的壳体内，且环形导槽具有导电材料层；

声表面波温度传感器，固定在电主轴的转轴上，声表面波温度传感器的信号输出端为滑动触头，与所述环形导槽滑动配合且与所述导电材料层相接触；

天线，一端伸入环形导槽与所述导电材料层接触，另一端穿出电主轴的壳体；

质询端天线，设置在所述壳体的外侧，与所述天线配合进行信号传输，质询端天线通过电缆连接有质询端读取器；

控制器，与所述质询端读取器连接，用于控制质询端读取器收发电磁波信号以及对转轴温度误差进行补偿；

所述声表面波温度传感器包括：

导热套，与所述转轴固定；

滑动座，设置在导热套内；

滑动触头，固定在滑动座上，与所述环形导槽滑动配合且与所述导电材料层相接触；

传感器敏感元，设置在导热套内，与所述滑动触头连接；

弹簧，设置在导热套内，一端与滑动座抵接，另一端与转轴相对固定。

2.如权利要求1所述的基于声表面波的电主轴温度测量装置，其特征在于，所述导热套外壁设有螺纹，所述转轴设有与导热套螺纹配合的螺纹孔。

3.如权利要求1所述的基于声表面波的电主轴温度测量装置，其特征在于，所述传感器敏感元与所述滑动座相对固定。

4.如权利要求1所述的基于声表面波的电主轴温度测量装置，其特征在于，所述导热套的内壁设有沟槽，所述滑动座设有与所述沟槽相配合的凸块。

5.如权利要求1所述的基于声表面波的电主轴温度测量装置，其特征在于，所述质询端天线的底部设有磁性连接件，质询端天线通过磁性连接件固定在电主轴的壳体上。

6.如权利要求1所述的基于声表面波的电主轴温度测量装置，其特征在于，还包括固定在壳体内，位于转轴外围的环形的安装座，所述环形导槽设置在安装座与电主轴的转轴相对的侧壁上。

7.如权利要求6所述的基于声表面波的电主轴温度测量装置，其特征在于，所述壳体包括壳身以及设置在壳身两端的端盖，所述安装座与其中一个端盖固定，所述天线一端位于壳体外，另一端分别穿过与安装座对应的端盖以及安装座后，与所述导电材料层接触。