CN104578350B - 智能刀柄用非接触供电装置 - Google Patents
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Abstract
智能刀柄用非接触供电装置，属于旋转部件电力传输领域。为了解决现有刀柄供电方式存在功率低、不能适应高转速及不易换刀的问题。它包括发射端装置和接收端装置；接收端装置包括接收端电路、接收线圈组和接收支架；接收支架套在刀柄上，接收线圈组设在接收支架外表面，接收端电路设在接收支架内部；发射端装置包括发射端电路、发射线圈组和发射支架；发射支架一侧为弧形面，发射线圈组固定在发射支架弧形面内侧，发射端电路设在发射支架内部；发射线圈组和接收线圈组构成基本传输模型；根据所述基本传输模型、发射端电路和接收端电路采用磁谐振耦合能量传输原理为刀柄上的传感器进行供电。用于为切削加工的智能刀柄供电。
Description
技术领域
本发明属于旋转部件电力传输领域。
背景技术
机械制造的现代化对切削加工的速度与精度提出了越来越高的要求，为了有效发挥自动化加工系统的制造能力，对切削加工过程进行实时监控显得尤为重要。
传统监测手段主要是利用台式测力仪、独立的振动传感器及声发射传感器等搭建一套单参数或多参数切削状态监测系统，考虑到该方法安装复杂、使用不便及易受工件形状尺寸影响等不足，一些研究学者和从业人员开始将一种或多种传感器集成到数控刀柄上，从而构成一套用于切削加工环境中刀具状态实时检测的智能刀柄系统。智能刀柄系统使得刀柄自身具备测量切削力、振动及声发射中一种或多种参数的功能，无需额外安装，不受工件形状尺寸影响，适用面更广。
随着多参数信号监测的需求，多个传感器安装于刀柄相关位置，需要三、四瓦供电功率成为常态，而相似尺寸的旋转部件供电装置及方法一般只能提供几百毫瓦的功率。目前存在利用电池、电刷及分离变压器等技术方案来解决智能刀柄系统供电问题。而传统的电池供电存在着容量有限需频繁更换电池或给电池充电的不足；电刷式供电是接触式供电，易磨损，且不能适应工业上越来越快的转速要求；分离变压器供电则存在着传输距离过小、发热量较大及初级绕组周向封闭不利于换刀操作等不足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有智能刀柄系统的供电方式存在功率低、不能适应高转速及不易换刀的问题，本发明提供一种智能刀柄用非接触供电装置。
本发明的智能刀柄用非接触供电装置，所述供电装置包括发射端装置和接收端装置；
所述接收端装置包括接收端电路10、接收线圈组12和接收支架2；
所述接收支架2套接在刀柄1上，随刀柄旋转，接收线圈组12设置在接收支架2的外表面，接收端电路10设置在接收支架2的内部；
所述发射端装置包括发射端电路9、发射线圈组13和发射支架6；
发射支架的一侧为弧形面，发射线圈组13固定在所述发射支架6的弧形面的内侧，发射端电路9设置在发射支架6的内部；
所述发射线圈组13和接收线圈组12构成磁谐振耦合基本传输模型；
发射端电路9用于将直流电信号转化为正弦交流电信号，并利用所述正弦交流电信号激励发射线圈组13产生谐振，从而使空间产生相同频率的变化磁场，所述正弦交流电信号频率与发射线圈组13的电谐振频率相同；
接收线圈组12通过所述传输模型，与发射线圈组13发生谐振，得到同频率的正弦交流电信号，接收端电路10将所述正弦交流电信号转化为直流电信号，进而转换成刀柄上的传感器所需的电压大小，为其供电。
所述发射线圈组13包括线圈LC1和线圈LC2，且线圈LC1和线圈LC2相互垂直设置在所述发射支架6的弧形面的内侧；
所述接收线圈组12包括线圈RC1、线圈RC2、线圈RC3、线圈RC4、线圈RC5和线圈RC6，这6个线圈呈正六边形周向均匀分布设置在接收支架2的外表面上。
所述发射端电路9包括方波发生电路、MOS管驱动电路和2个DC-AC电路；
电源的直流电信号输入至方波发生电路，方波发生电路输出的方波信号输入至MOS管驱动电路，MOS管驱动电路输出的放大信号同时输入至2个DC-AC电路，所述2个DC-AC电路分别输出正弦交流电信号输入至线圈LC1和线圈LC2；
所述接收端电路10包括AC-DC电路、3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路；
接收线圈组12产生的正弦交流电信号输入至AC-DC电路，AC-DC电路输出的直流电信号同时输入至3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路，3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路输出的电压为相应的传感器供电。
所述DC-AC电路采用E类逆变电路实现。
所述AC-DC电路采用全桥整流后串联以及π型滤波电路实现。
所述供电装置还包括接收端软磁片11和发射端软磁片14；
在接收线圈组12和接收支架2的外表面之间上粘贴有接收端软磁片11；
在发射线圈组13和发射支架6的弧形面之间上粘贴有发射端软磁片14。
所述发射支架6为非封闭环式结构。
所述供电装置还包括接收支架封装环3、封装环固定螺钉4、发射线圈组保护盖5、发射支架端盖7、端盖固定螺钉8和接收支架凹腔15；
所述接收支架封装环3套在接收线圈组12的外表面，所述发射线圈组保护盖5固定在发射支架6的弧形面的外侧；
接收支架封装环3通过封装环固定螺钉4固定在接收支架2上；
所述接收支架2内设置有接收支架凹腔15，接收端电路10设置在接收支架凹腔15；
发射支架6的另一端侧设置有发射支架端盖7，发射支架端盖7通过端盖固定螺钉8固定在发射支架6上。
本发明的有益效果在于，
1.本发明的发射支架为非封闭环，发射线圈组在总占据空间小于周向120度的情况下为智能刀柄系统供电，与传统的电刷式供电相比，实现了非接触，可适用于高转速；与传统的分离变压器式供电相比，实现了初级非封闭环、几乎无发热量且方便进行换刀操作等特点。
2.本发明采用磁谐振耦合能量传输原理进行供电，与传统的旋转部件供电装置相比，传输距离有所提升；本发明在发射端电路中采用E类逆变电路，通过基于负载阻抗的一体化设计，提高了供电装置整体效率。
3.本发明在有效距离内，为智能刀柄提供了足够的功率(5W以上)，功率高，通过多抽头DC-DC电路实现多个传感器及设备同时供电。
附图说明
图1是本发明所述的智能刀柄用非接触供电装置的结构图。
图2是图1三维爆炸视图。
图3是图1的俯视图。
图4是图1的半剖视图。
图5是图4中的局部放大图A的示意图。
图6是图4中的局部放大图B的示意图。
图7是具体实施方式二中发射线圈组与接收线圈组布局示意图。
图8是具体实施方式三中所述的接收端电路和发射端电路的原理示意图。
图9是具体实施方式四中DC-AC电路的原理示意图。
图10是具体实施方式五中AC-DC电路的原理示意图。
图11是具体实施方式八中接收支架的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述的智能刀柄用非接触供电装置，所述接收端装置包括接收端电路10、接收线圈组12和接收支架2；
所述接收支架2套接在刀柄1上，随刀柄旋转，接收线圈组12设置在接收支架2的外表面，接收端电路10设置在接收支架2的内部；
所述发射端装置包括发射端电路9、发射线圈组13和发射支架6；
发射支架的一侧为弧形面，发射线圈组13固定在所述发射支架6的弧形面的内侧，发射端电路9设置在发射支架6的内部；
所述发射线圈组13和接收线圈组12构成磁谐振耦合基本传输模型；
发射端电路9用于将直流电信号转化为正弦交流电信号，并利用所述正弦交流电信号激励发射线圈组13产生谐振，从而使空间产生相同频率的变化磁场，所述正弦交流电信号频率与发射线圈组13的电谐振频率相同；
接收线圈组12通过所述传输模型，与发射线圈组13发生谐振，得到同频率的正弦交流电信号，接收端电路10将所述正弦交流电信号转化为直流电信号，进而转换成刀柄上的传感器所需的电压大小，为其供电。
本实施方式中，在供电时，所述发射支架6的弧形面侧与接收支架2的外侧相对应，但并不接触，所述发射端装置固定在距刀柄固定位置范围的机床床身上或主轴架上，根据实际情况选择，发射端装置静止不动；所述接收端装置固定在刀柄上，切削加工时随着刀柄一起旋转。
具体实施方式二：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的智能刀柄用非接触供电装置的进一步限定，所述发射线圈组13包括线圈LC1和线圈LC2，且线圈LC1和线圈LC2相互垂直设置在所述发射支架6的一弧形面的内侧；
所述接收线圈组12包括线圈RC1、线圈RC2、线圈RC3、线圈RC4、线圈RC5和线圈RC6，这6个线圈呈正六边形周向均匀分布设置在接收支架2的外表面上。
如图7所示，本实施方式的接收线圈组12的布局可实现接收线圈组12每绕中心旋转30°便有一个发射线圈与一个接收线圈平行相对，这样达到的效果是接收线圈组12中总有一个线圈与发射线圈组13中的某一线圈夹角在15°以内，保证了智能刀柄系统在旋转过程中可获得连续平稳的电能供给。
具体实施方式三：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的智能刀柄用非接触供电装置的进一步限定，所述发射端电路9包括方波发生电路、MOS管驱动电路和2个DC-AC电路；
电源的直流电信号输入至方波发生电路，方波发生电路输出的方波信号输入至MOS管驱动电路，MOS管驱动电路输出的放大信号同时输入至2个DC-AC电路，所述2个DC-AC电路分别输出正弦交流电信号输入至线圈LC1和线圈LC2；
所述接收端电路10包括AC-DC电路、3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路；
接收线圈组12接收的正弦交流电信号输入至AC-DC电路，AC-DC电路输出的直流电信号同时输入至3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路，3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路输出的电压为相应的传感器供电。
本实施方式的DC-DC电路采用贴片DC-DC转换芯片，实现DC-DC电路板的小尺寸，通过多个DC-DC电路实现多个传感器及设备同时供电，例如，同时供给VOUT＝3.3V、5V和12V电压。
发射端电路9作用是将电源端连接的直流电信号转化为正弦交流电信号，为发射线圈组13提供正弦交流激励，当所产生的正弦交流电频率与发射线圈组13电谐振频率相同时，发射线圈组13在此交流激励下产生谐振，从而使空间产生相同频率的变化磁场。接收线圈组12通过感应空间中的磁场变化与发射线圈组13产生谐振，得到同频率的正弦交流电，接收端电路10将该正弦交流电信号转化为直流电信号，并根据实际使用需求将所获得的直流电信号转化为智能刀柄系统上集成的传感器设备所需的电压大小。
具体实施方式四：结合图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的智能刀柄用非接触供电装置的进一步限定，所述DC-AC电路采用E类逆变电路实现
本实施方式中的E类逆变电路的作用是将电源端连接的直流电转化为正弦交流电；
如图9所示，两个E类逆变电路单独为各自的发射线圈组13中的线圈LC1、线圈LC2供电。根据电路理论，设接收端设备阻抗及相关转换电路阻抗反映到发射端的总阻抗为Z＝R+jX，则E类逆变电路的元器件参数计算以负载为R时为准，此时E类逆变负载网络的总阻抗为
Zr＝R+jX+jωL2+1/(jωC1)+jωLs
式中，X一般在设计中较好的情况下接近0；Ls为单个发射线圈13-1的电感值，C1为发射端串联电感值，与发射线圈组谐振于PWM频率(PWM方波由方波发生电路产生，经过由MOS管驱动芯片设计的MOS管驱动电路控制MOS管栅极开关)，即满足L2为负载网络补偿电感，使整个输入阻抗Zr满足E类逆变最优工作条件——E类逆变负载网络阻抗角为49.02°。
具体实施方式五：结合图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的智能刀柄用非接触供电装置的进一步限定，所述AC-DC电路采用全桥整流后串联以及π型滤波电路实现。
本实施方式中的6个接收线圈RC1、RC2、RC3、RC4、RC5、RC6分别与电容并联谐振于PWM频率，分别通过各自的全桥整流电路后获得各自谐振得到的直流电信号，并通过电容相互串联后通过π型稳压滤波电路获得纹波较小的DC源。全桥整流再串联的目的是为了充分利用接收线圈组中每个线圈所获得的能量，不仅可以提高效率，更能保证供给功率的变化幅度较小。π型稳压滤波电路的目的是获得为了更好的直流电源激励，同时改善功率因数。如图8所示，本实施方式的智能刀柄用非接触供电方法包括如下步骤：
①利用方波发生电路产生固定频率的方波信号；
②通过MOS管驱动电路放大步骤①产生的方波信号，以便控制后级逆变电路的MOSFET管的导通与关断；
③通过逆变电路将直流电转换为等于方波频率的正弦交流电，频率由方波发生电路决定；
④发射线圈组各个子线圈以及相应串联的谐振电容组成发射谐振体(谐振频率等于正弦交流电频率)分别加载步骤③产生的正弦交流电，使得空间产生同频率变化的磁场；
⑤接收线圈组各个子线圈以及相应并联的谐振电容组成接收谐振体(谐振频率等于正弦交流电频率)通过感应磁场变化，产生同频率的正弦交流电；
⑥步骤⑤产生的六个正弦交流电分别通过相应的全桥整流电路，并通过电容相互串联，产生纹波较大的直流电连接到后级滤波电路的输入端；
⑦步骤⑥所获得的纹波较大的直流电通过π型滤波电路获得纹波较小的直流电源激励后连接到后级DC-DC电路的输入端；
⑧将纹波较小的直流电源激励通过相应的DC-DC转换获得各个设备所需的直流激励提供给负载。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的智能刀柄用非接触供电装置的进一步限定，所述供电装置还包括接收端软磁片11和发射端软磁片14；
在接收线圈组12和接收支架2的外表面之间上粘贴有接收端软磁片11；
在发射线圈组13和发射支架6的弧形面之间上粘贴有发射端软磁片14。
本实施方式中，接收端软磁片11为了降低空间电磁对智能刀柄系统内部传感器设备及电路的干扰，软磁片11也能够提高线圈之间的耦合程度，进一步提高传输效率或者扩大传输距离。发射端软磁片14是为了降低空间电磁干扰。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的智能刀柄用非接触供电装置的进一步限定，所述发射支架6为非封闭环式结构。
具体实施方式八：结合图1至图6和图11说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的智能刀柄用非接触供电装置的进一步限定，所述供电装置还包括接收支架封装环3、封装环固定螺钉4、发射线圈组保护盖5、发射支架端盖7、端盖固定螺钉8和接收支架凹腔15；
所述接收支架封装环3套在接收线圈组12的外表面，所述发射线圈组保护盖5固定在发射支架6的弧形面的外侧；
接收支架封装环3通过封装环固定螺钉4固定在接收支架2上；
所述接收支架2内设置有接收支架凹腔15，接收端电路10设置在接收支架凹腔15；
发射支架6的另一端侧设置有发射支架端盖7，发射支架端盖7通过端盖固定螺钉8固定在发射支架6上。
本实施方式中，接收端线圈组12的每个线圈对应的接收支架内都设有一个凹腔(15)，如图11所示，便于扩展使用时集成安装传感器设备和电路，并设计有接收端各电路板连接走线槽(16)便于走线。
本发明的发射端装置的弧形面结构方便使用者在不移除发射端装置的同时进行换刀操作，同时满足大部分智能刀柄系统中多参数传感器和数据传输模块的供电需求。
本发明优选设计制作方案如下：
供电装置工作于谐振频率150KHz；
直流供电电源为6V——12V可调；
8个线圈尺寸为：平面跑道型，60mm×30mm，材料相同，其电感值均为30uH；
实测所用智能刀柄系统传感器设备负载为阻抗200Ω；
方波发射电路采用NE555芯片实现；
MOS管驱动电路采用IR2110S芯片实现；
MOS管采用IRF540N实现；E类逆变扼流电感磁芯采用铁硅铝磁环，电容均采用CBB电容，耐压值200V；
发射线圈组12的两个子线圈(LC1、LC2)呈90度布局，如图7所示；
软磁片均采用0.2mm厚的软磁片BFSS2800-T22-105-105实现；
全桥整流电路中，二极管采用1N5822实现；
DC-DC转换电路采用MP1584实现；
装配后发射端装置和接收端装置之间间距GAP＝10～15mm；
根据相应的直流源可获得5W至10W的功率，整体效率为65％以上。
上述实例的描述是为了便于本领域技术人员更好的理解和应用本发明。但是本发明不限于本实例中的内容，凡根据本发明声明中所明确的，以及根据本发明所做的改进或修改皆在本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.智能刀柄用非接触供电装置，其特征在于，所述供电装置包括发射端装置和接收端装置；
所述接收端装置包括接收端电路（10）、接收线圈组（12）和接收支架（2）；
所述接收支架（2）套接在刀柄（1）上，随刀柄旋转，接收线圈组（12）设置在接收支架（2）的外表面，接收端电路（10）设置在接收支架（2）的内部；
所述发射端装置包括发射端电路（9）、发射线圈组（13）和发射支架（6）；
发射支架的一侧为弧形面，发射线圈组（13）固定在所述发射支架（6）的弧形面的内侧，发射端电路（9）设置在发射支架（6）的内部；
所述发射线圈组（13）和接收线圈组（12）构成磁谐振耦合基本传输模型；
发射端电路（9）用于将直流电信号转化为正弦交流电信号，并利用所述正弦交流电信号激励发射线圈组（13）产生谐振，从而使空间产生相同频率的变化磁场，所述正弦交流电信号频率与发射线圈组（13）的电谐振频率相同；
接收线圈组（12）通过所述传输模型，与发射线圈组（13）发生谐振，得到同频率的正弦交流电信号，接收端电路（10）将所述正弦交流电信号转化为直流电信号，进而转换成刀柄上的传感器所需的电压大小，为其供电；
所述发射线圈组（13）包括线圈LC1和线圈LC2，且线圈LC1和线圈LC2相互垂直设置在所述发射支架（6）的弧形面的内侧；
所述接收线圈组（12）包括线圈RC1、线圈RC2、线圈RC3、线圈RC4、线圈RC5和线圈RC6，这6个线圈呈正六边形周向均匀分布设置在接收支架（2）的外表面上；
所述发射端电路（9）包括方波发生电路、MOS管驱动电路和2个DC-AC电路；
电源的直流电信号输入至方波发生电路，方波发生电路输出的方波信号输入至MOS管驱动电路，MOS管驱动电路输出的放大信号同时输入至2个DC-AC电路，所述2个DC-AC电路分别输出正弦交流电信号输入至线圈LC1和线圈LC2；
所述接收端电路（10）包括AC-DC电路、3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路；
接收线圈组（12）产生的正弦交流电信号输入至AC-DC电路，AC-DC电路输出的直流电信号同时输入至3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路，3vDC-DC电路、5vDC-DC电路和12vDC-DC电路输出的电压为相应的传感器供电。
2.根据权利要求1所述的智能刀柄用非接触供电装置，其特征在于，所述DC-AC电路采用E类逆变电路实现。
3.根据权利要求2所述的智能刀柄用非接触供电装置，其特征在于，所述AC-DC电路采用全桥整流后串联以及π型滤波电路实现。
4.根据权利要求3所述的智能刀柄用非接触供电装置，其特征在于，所述供电装置还包括接收端软磁片（11）和发射端软磁片（14）；
在接收线圈组（12）和接收支架（2）的外表面之间上粘贴有接收端软磁片（11）；
在发射线圈组（13）和发射支架（6）的弧形面之间上粘贴有发射端软磁片（14）。
5.根据权利要求4所述的智能刀柄用非接触供电装置，其特征在于，所述发射支架（6）为非封闭环式结构。
6.根据权利要求5所述的智能刀柄用非接触供电装置，其特征在于，所述供电装置还包括接收支架封装环（3）、封装环固定螺钉（4）、发射线圈组保护盖（5）、发射支架端盖（7）、端盖固定螺钉（8）和接收支架凹腔（15）；
所述接收支架封装环（3）套在接收线圈组（12）的外表面，所述发射线圈组保护盖（5）固定在发射支架（6）的弧形面的外侧；
接收支架封装环（3）通过封装环固定螺钉（4）固定在接收支架（2）上；
所述接收支架（2）内设置有接收支架凹腔（15），接收端电路（10）设置在接收支架凹腔（15）；
发射支架（6）的另一端侧设置有发射支架端盖（7），发射支架端盖（7）通过端盖固定螺钉（8）固定在发射支架（6）上。
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