CN105871079B - 一种适用于智能铣削刀具的无线传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能刀具相关领域，其公开了一种适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其包括发射端、接收端及谐振耦合线圈。所述发射端用于将PC端的指令数据基于近场耦合原理无线传输给所述接收端或者将来自所述谐振耦合线圈的状态数据处理后传输到所述PC端，所述PC端根据所述刀具状态信息发出指令数据到所述发射端；同时，所述发射端用于将接收到的电能基于磁场感应原理无线发送到所述接收端。所述接收端设置在所述铣削刀具的刀柄上，其与设置在所述刀柄上的状态监测模块电性连接，所述状态监测模块用于监测所述铣削刀具的状态数据并将所述状态数据传输给所述接收端。本发明的无线传输系统降低了成本，提高了集成度及监测效率，减小了体积。
Description
技术领域
本发明属于智能刀具相关领域，更具体地，涉及一种适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其集成了数据传输及电能传输，为智能铣削刀具的状态监测模块持续提供电能，同时实现了状态监模块的数据与控制指令数据的无线传递，降低了成本，提高了集成度及监测效率，减小了体积。
背景技术
制造业是国家经济发展的支柱行业，而制造业的发展离不开先进的制造技术。因智能制造通过工况在线感知、工艺知识自主学习、装配自律执行大闭环过程，不断提升装配性能、增强自适应能力，而成为高品质复杂零件制造的首选。其中，刀具作为加工过程中直接与零件表面接触的部件，其切削过程中的实时状态如切削温度、切削力、刀具磨损等直接影响着零件的加工精度、表面质量、刀具寿命及加工效率。因此，采用状态监测模块对刀具状态信息实时监测，对这些信息进行处理并根据处理结果控制加工过程中的切削工艺参数，对于提高加工质量、设备和刀具的使用寿命有着重要的意义。
加工过程中，状态监测模块设置在旋转的刀具上，其需要外部供电以进行工作。通常在刀具上设置电池为所述状态监测模块提供工作电能，如锂电池。由于锂电池的电能用完之后需要进行充电，因此锂电池不能一直给状态监测模块供电，影响工作效率，成本较高。此外，状态监测模块的数据传输与能量供应采用不同的两个系统进行，体积较大，集成度较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其结合智能刀具的数据传输及电能传输特点，针对数据传输及电能传输的耦合集成进行了设计。所述无线传输系统基于电磁感应原理实现了电能的无线传输，同时，基于近场效应实现了数据的无线传输，进而持续为设置在刀柄上的状态监测模块提供电能，降低了供电成本，提高了检测效率；此外，所述状态监测模块监测的刀具的状态数据通过所述无线传输系统能够实时地无线传输到PC端，所述PC端同样可以通过所述无线传输系统将指令数据无线传输到所述状态监测模块以实时控制所述状态监测模块，提高了集成度，减小了体积、确保了数据的交互及实时传输。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其包括发射端、接收端及谐振耦合线圈，其特征在于：
所述发射端用于将来自PC端的指令数据基于近场耦合原理无线传输给所述接收端或者将来自所述谐振耦合线圈的刀具的状态数据处理后传输到所述PC端，所述PC端根据所述刀具状态信息发出指令数据到所述发射端；同时，所述发射端用于将接收到的电能基于磁场感应原理无线发送到所述接收端；
所述谐振耦合线圈包括与所述发射端电性连接的发射线圈及与所述发射线圈相对耦合的接收线圈，所述接收线圈与所述接收端电性连接；
所述接收端设置在所述铣削刀具的刀柄上，其与设置在所述刀柄上的状态监测模块电性连接；所述状态监测模块用于监测所述铣削刀具的状态数据并将所述状态数据传输给所述接收端，所述接收端用于将接收到的所述状态数据通过所述谐振耦合线圈无线传输给所述发射端或者将接收到的所述指令数据处理后传输给所述状态监测模块以控制所述状态监测模块；同时，所述接收端用于将接收到的电能提供给所述状态监测模块。
进一步的，所述无线传输系统还包括屏蔽环，所述屏蔽环设置在所述刀柄与所述谐振耦合线圈之间，其用于消除所述刀柄在所述谐振耦合线圈的磁场中产生的涡流效应。
进一步的，所述屏蔽环是由具有高磁导率及低电导率的材料制成的。
进一步的，所述发射端包括第一MCU主控单元、与所述第一MCU主控单元电性连接的所述全桥逆变单元及锁相环，所述全桥逆变单元与所述发射线圈电性连接，其用于将接收到的直流电压转化成交流电压后传输到所述谐振耦合线圈；所述锁相环与所述第一MCU主控单元相配合进行调谐以使所述发射端工作在谐振状态下。
进一步的，所述第一MCU主控单元包括上升沿检测模块、与所述上升沿检测模块电性连接的相位差计数模块及与所述相位差计数模块电性连接的频率控制模块；所述锁相环包括电压信号采样模块及与所述电压信号采样模块电性连接的信号转换模块，所述电压信号采样模块电性连接所述发射线圈的一端以采取电压信号，同时，所述电压信号采样模块将采取的波形为高压正弦波的电压信号传输至所述信号转换模块；所述信号转换模块用于将接收到的电压信号的波形传化成低压方波，并将电平转换成与所述第一MCU主控单元相兼容的电平，同时，所述信号转换模块将转换后的电压信号输入至所述第一MCU主控单元，以与所述第一MCU主控单元内部发出的PWM信号进行相位比较；所述上升沿检测模块用于测量所述PWM信号与经所述信号转换模块转后的电压信号之间的相位并将所述相位传输至所述相位差计数模块；所述相位差计数模块用于计算出相位差，所述第一MCU主控单元判断所述相位差是否满足要求，若不满足则由所述频率控制模块调整所述PWM信号的工作频率，如此往复，直至满足相位差要求。
进一步的，所述发射端还包括与所述第一MCU主控单元电性连接的第一数据调制解调单元，所述第一MCU主控单元用于对所述指令数据进行编码或者对来自所述第一数据调制解调单元的低频信号进行解码；所述第一数据调制解调单元用于将经所述第一MCU主控单元编码后的所述指令数据调制成调制信号后传输到所述谐振耦合线圈或者将来自所述谐振耦合线圈的调制信号进行检波以得到所述低频信号。
进一步的，所述接收端包括与所述接收线圈电性连接的全桥整流单元、与所述全桥整流单元电性连接的第二MCU主控单元及连接于所述第二MCU主控单元的第二数据调制解调单元，所述全桥整流单元用于将接收到的交流电压转化成直流电压；所述第二调制解调单元用于将来自所述谐振耦合线圈的所述调制信号进行检波以得到低频信号或者将经所述第二MCU主控单元编码后的状态数据调制成调制信号后传输到所述谐振耦合线圈；所述第二MCU主控单元用于将来自所述第二数据调制解调单元的所述低频信号进行解码或者对所述接收端将发射的刀具的状态数据进行编码。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，所述发射端与所述接收端之间基于电磁感应原理实现了电能的无线传输，同时，基于近场效应实现了数据的无线传输，进而使所述接收端持续为所述状态监测模块提供电能，降低了供电成本，提高了检测效率；此外，所述状态监测模块监测的刀具的状态数据通过所述无线传输系统能够实时地无线传输到PC端，所述PC端同样可以通过所述无线传输系统将指令数据无线传输到所述状态监测模块以实时控制所述状态监测模块，提高了集成度，减小了体积、确保了数据的交互及实时传输。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的适用于智能铣削刀具的无线传输系统的整体架构图。
图2是图1中的无线传输系统的电能无线传输方案的电路示意图。
图3是图1中的无线传输系统的全桥整流单元的电路示意图。
图4是图1中的无线传输系统的锁相环的功能示意图。
图5是图1中的无线传输系统的数据无线传输方案的功能示意图。
图6是图1中的无线传输系统处于使用状态的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10-发射端，010-电源，020-第一MCU主控单元，021-上升沿检测模块，022-频率控制模块，023-PWM信号，024-相位差计数模块，030-全桥逆变单元，031-第一MOSFET，032-第二MOSFET，033-第三MOSFET，034-第四MOSFET，040-第一数据调制与解调单元，041-第二调制电路，042-第二检波电路，050-锁相环，051-电压信号采样模块，052-信号转换模块，200-接收端，210-电源管理单元，220-第二MCU主控单元，230-全桥整流单元，231-第五MOSFET，232-第六MOSFET，233-第七MOSFET，234-第八MOSFET，235-第一肖特基二极管，236-第二肖特基二极管，237-第三肖特基二极管，238-第四肖特基二极管，239-控制信号，240-第二数据调制解调单元，241-第一调制电路，242-第二检波电路，100-谐振耦合线圈，110-发射线圈，120-接收线圈，130-第一电容，140-第二电容，150-屏蔽环，300-刀柄，400-状态监测模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1至图4，本发明较佳实施方式提供的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其基于电磁感应原理实现电能无线传输，同时基于近场耦合原理实现数据无线传输。所述无线传输系统包括发射端10、接收端200及谐振耦合线圈100。请参阅图6，所述接收端200设置在铣削刀具的刀柄300上，其与设置在所述刀柄300上的状态监测模块400电性连接，为所述状监测模块400提供电能。
所述发射端10通过所述谐振耦合线圈100将电能无线传输给所述接收端200，所述接收端200再将接收到的电能传输给所述状态监测模块400，所述发射端10是基于电磁感应原理将电能无线传输给所述接收端200的。同时，所述发射端10通过所述谐振耦合线圈100无线发送开始、停止等指令数据给所述接收端200，所述接收端200根据所述指令数据控制所述状态监测模块400开始监测或者停止监测；同样地，所述状态监测模块400监测到的切削温度、切削力、刀具磨损等关于刀具的状态数据传送给所述接收端200，所述接收端200将来自所述状态监测模块400的数据通过所述谐振耦合线圈100无线发送到所述发射端10，所述发射端10将来自所述谐振耦合线圈100的数据传送到PC端，用户自所述PC端查看所述刀具的工作状态，并可根据所述工作状态控制所述刀具。所述发射端10与所述接收端200之间的数据的无线传输是基于近场耦合原理。
所述刀柄300与所述谐振耦合线圈100之间设置有屏蔽环150，所述屏蔽环用于消除所述刀柄300在所述谐振耦合线圈100产生的磁场中产生的涡流效应，避免过多的能量损耗在所述刀柄300上而影响电能及数据的无线传输。所述屏蔽环150的材质可以为铁氧体、硅钢或者其他同时具有高磁导率及低电导率的材料。
所述发射端10用于发射电能并接收或者发射数据，其包括电源010、与所述电源010电性连接的第一MCU主控单元020及全桥逆变单元030、电性连接于所述第一MCU主控单元020的第一数据调制解调单元040及锁相环050。
所述第一MCU主控单元020由所述电源010供电，其包括上升沿检测模块021、与所述上升沿检测模块021电性连接的相位差计数模块024及与所述相位差计数模块024电性连接的频率控制模块022。
所述全桥逆变单元030包括四个金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,MOSFET)，分别为第一MOSFET 031、第二MOSFET 032、第三MOSFET 033及第四MOSFET 034，所述第一MOSFET 031、所述第二MOSFET 032、所述第三MOSFET 033及所述第四MOSFET 034电性连接构成H桥。所述第一MOSFET 031与所述第三MOSFET 033相串联；所述第二MOSFET 032与所述第四MOSFET 034相串联。所述第一MCU主控单元020控制所述第一MOSFET 031、所述第二MOSFET 032、所述第三MOSFET 033及所述第四MOSFET 034的顺序开关。工作过程中，所述第一MOSFET 031与所述第四MOSFET 034同时打开，此时，所述第二MOSFET 032与所述第三MOSFET 033同时关闭；同样地，所述第二MOSFET032与所述第三MOSFET 033同时打开时，所述第一MOSFET 031与所述第四MOSFET 034同时关闭。
请参阅图5，所述第一数据调制解调单元040包括电性连接所述第一MCU主控单元020的第二调制电路041及第二检波电路042。所述锁相环050包括电压信号采样模块051及与所述电压信号采样模块051电性连接的信号转换模块052。
所述接收端200包括依次电性连接的全桥整流单元230、电源管理单元210、第二MCU主控单元220及第二数据调制解调单元240。所述全桥整流单元230由四个MOSFET组成整流桥，所述四个MOSFET分别为第五MOSFET 231、第六MOSFET 232、第七MOSFET 233及第八MOSFET 234。所述第五MOSFET 231、所述第六MOSFET 232、所述第七MOSFET 233及所述第八MOSFET 234由控制信号239控制。所述控制信号239包括四路信号G1、G2、G3、G4，所述四路信号分别控制所述第五MOSFET 231、所述第六MOSFET 232、所述第七MOSFET 233及所述第八MOSFET 234。本实施方式中，所述控制信号239是由第二MCU主控单元220产生的；可以理解，在其他实施方式中，所述控制信号239可以由四个单独的专用控制芯片产生。
本实施方式中，所述第五MOSFET 231与所述第八MOSFET 234构成一对；所述第六MOSFET 232与所述第七MOSFET 233构成一对，每对MOSFET同时开关，不同对的MOSFET开关状态相反；所述第五MOSFET 231、所述第六MOSFET 232、所述第七MOSFET 233及所述第八MOSFET 234分别并联第一肖特基二极管235、第二肖特基二极管236、第三肖特基二极管237及第四肖特基二极管238，以保护四个MOSFET的体二极管，避免其承受过大电压而被击穿。
同时，所述接收端200初始状态下未得电的情况下，所述第一肖特基二极管235、所述第二肖特基二极管236、所述第三肖特基二极管237及所述第四肖特基二极管238构成二极管整流桥使所述接收端200获得电能，在电压达到预定的阀值后，所述接收端200开始工作并产生所述控制信号239，所述第五MOSFET 231、所述第六MOSFET 232、所述第七MOSFET233及所述第八MOSFET 234开始正常工作。
所述第二数据调制解调单元240包括与所述第二MCU主控单元220电性连接的第一调制电路241及第一检波电路242。所述谐振耦合线圈100包括与所述全桥逆变单元030电性连接的发射线圈110、与所述发射线圈110相对耦合的接收线圈120，所述接收线圈120电性连接所述全桥整流单元230。所述发射线圈110串联有第一电容130，所述第一电容130用于匹配所述全桥逆变单元030的工作频率，使所述发射线圈110工作在谐振状态下。所述接收线圈120并联有第二电容140，所述第二电容140用于匹配所述接收线圈120的工作频率，使所述接收线圈120工作在谐振状态下。本实施方式中，所述发射线圈110与所述接收线圈120均是由多股李兹线绕成的。
所述无线传输系统进行电能无线传输时，所述发射端10的全桥逆变单元030将电源010提供的直流电压转化成交流电压传送到所述谐振耦合线圈100的发射线圈110，所述发射线圈110基于电磁感应原理将所述电压耦合到所述接收线圈120上，所述全桥整流单元030将来自所述接收线圈120上的交流电压转化成直流电压后提供给负载模块，至此，实现了电能的无线传输。本实施方式中，所述负载模块为状态监测模块400。
其中，所述锁相环050用于调谐使所述发射端10工作在谐振状态下。具体的，所述电压信号采样模块051电性连接所述发射线圈110的一端以采取电压信号并将采取的电压信号传输至所述信号转换模块052。所述电压信号采样模块051采取的电压信号的波形为高压正弦波。所述信号转换模块052将接收到的电压信号的波形传化成低压方波，并将电平转换成与所述第一MCU主控单元020相兼容的电平。所述信号转换模块052将转换后的电压信号输入至所述第一MCU主控单元020，以与所述第一MCU主控单元020内部发出的PWM信号023进行相位比较，所述上升沿检测模块021测量所述PWM信号023与经所述信号转换模块052转换后的电压信号之间的相位并传输至所述相位差计数模块024。所述相位差计数模块024计算出相位差，所述第一MCU主控单元020判断所述相位差是否满足要求，若不满足则由所述频率控制模块022调整所述PWM信号023的工作频率，如此往复，直至满足相位差要求，达到调谐的目的，使所述发射端10一直工作在谐振状态，提高电能传输效率和输出功率。
所述无线传输系统进行数据无线传输时，所述发射端10与所述接收端200可以互相传递数据信息。所述发射端10向所述接收端200发射数据信息时，数据信息经所述第一MCU主控单元020编码后传输至所述第二调制电路041，所述第二调制电路041将编码后的所述数据信息调制成调制信号，所述调制信号传输到所述谐振耦合线圈100，所述谐振耦合线圈100将所述调制信号耦合传递到所述接收端200的第一检波电路242，所述第一检波电路242对所述调制信号检波处理以得到低频信号，并将所述低频信号传输到所述第二MCU主控单元220，所述第二MCU主控单元220根据所述发射端10的编解码方式自所述低频信号解调出数据信息。同样地，所述接收端200向所述发射端10发射数据的流程与方法与所述发射端10向所述接收端200发射数据的流程与方法类似，经所述第二MCU主控单元220编码后的信息依次通过所述第一调制电路241、所述谐振耦合线圈100及所述第二检波电路042相应处理后传输到所述第一MCU主控单元020并由所述第一MCU主控单元020解调出来。
本发明提供的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，所述发射端与所述接收端之间基于电磁感应原理实现了电能的无线传输，同时基于近场效应实现了数据的无线传输，进而使所述接收端持续为所述状态监测模块提供电能，降低了供电成本，提高了检测效率；此外，所述状态监测模块监测的刀具的状态数据通过所述无线传输系统能够实时地无线传输到PC端，所述PC端同样可以通过所述无线传输系统将指令数据无线传输到所述状态监测模块以实时控制所述状态监测模块，提高了集成度，减小了体积、确保了数据的交互及实时传输。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其包括发射端(10)、接收端(200)及谐振耦合线圈(100)，其特征在于：
所述发射端(10)用于将来自PC端的指令数据基于近场耦合原理无线传输给所述接收端(200)或者将来自所述谐振耦合线圈(100)的刀具的状态数据处理后传输到所述PC端，所述PC端根据所述刀具状态信息发出指令数据到所述发射端(10)；同时，所述发射端(10)用于将接收到的电能基于磁场感应原理无线发送到所述接收端(200)；
所述谐振耦合线圈(100)包括与所述发射端(10)电性连接的发射线圈(110)及与所述发射线圈(110)相对耦合的接收线圈(120)，所述接收线圈(120)与所述接收端(200)电性连接；
所述接收端(200)设置在所述铣削刀具的刀柄(300)上，其与设置在所述刀柄(300)上的状态监测模块(400)电性连接；所述状态监测模块(400)用于监测所述铣削刀具的状态数据并将所述状态数据传输给所述接收端(200)，所述接收端(200)用于将接收到的所述状态数据通过所述谐振耦合线圈(100)无线传输给所述发射端(10)，或者将接收到的所述指令数据处理后传输给所述状态监测模块(400)以控制所述状态监测模块(400)；同时，所述接收端(200)用于将接收到的电能提供给所述状态监测模块(400)。
2.如权利要求1所述的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其特征在于：所述无线传输系统还包括屏蔽环(150)，所述屏蔽环(150)设置在所述刀柄(300)与所述谐振耦合线圈(100)之间，其用于消除所述刀柄(300)在所述谐振耦合线圈(100)的磁场中产生的涡流效应。
3.如权利要求1所述的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其特征在于：所述发射端(10)包括第一MCU主控单元(020)、与所述第一MCU主控单元(020)电性连接的全桥逆变单元(030)及锁相环(050)，所述全桥逆变单元(030)与所述发射线圈(110)电性连接，其用于将接收到的直流电压转化成交流电压后传输到所述谐振耦合线圈(100)；所述锁相环(050)与所述第一MCU主控单元(020)相配合进行调谐以使所述发射端(10)工作在谐振状态下。
4.如权利要求3所述的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其特征在于：所述第一MCU主控单元(020)包括上升沿检测模块(021)、与所述上升沿检测模块(021)电性连接的相位差计数模块(024)及与所述相位差计数模块(024)电性连接的频率控制模块(022)；所述锁相环(050)包括电压信号采样模块(051)及与所述电压信号采样模块(051)电性连接的信号转换模块(052)，所述电压信号采样模块(051)电性连接所述发射线圈(110)的一端以采取电压信号，同时，所述电压信号采样模块(051)将采取的波形为高压正弦波的电压信号传输至所述信号转换模块(052)；所述信号转换模块(052)用于将接收到的电压信号的波形传化成低压方波，并将电平转换成与所述第一MCU主控单元(020)兼容的电平，同时，所述信号转换模块(052)将转换后的电压信号输入至所述第一MCU主控单元(020)，以与所述第一MCU主控单元(020)内部发出的PWM信号(023)进行相位比较；所述上升沿检测模块(021)用于测量所述PWM信号(023)与经所述信号转换模块(052)转换后的电压信号之间的相位并将所述相位传输至所述相位差计数模块(024)；所述相位差计数模块(024)用于计算出相位差，所述第一MCU主控单元(020)判断所述相位差是否满足要求，若不满足则由所述频率控制模块(022)调整所述PWM信号(023)的工作频率，如此往复，直至满足相位差要求。
5.如权利要求3所述的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其特征在于：所述发射端(10)还包括与所述第一MCU主控单元(020)电性连接的第一数据调制解调单元(040)，所述第一MCU主控单元(020)用于对所述指令数据进行编码或者对来自所述第一数据调制解调单元(040)的低频信号进行解码；所述第一数据调制解调单元(040)用于将经所述第一MCU主控单元(020)编码后的所述指令数据调制成调制信号后传输到所述谐振耦合线圈(100)或者将来自所述谐振耦合线圈(100)的调制信号进行检波以得到所述低频信号。
6.如权利要求5所述的适用于智能铣削刀具的无线传输系统，其特征在于：所述接收端(200)包括与所述接收线圈(120)电性连接的全桥整流单元(230)、与所述全桥整流单元(230)电性连接的第二MCU主控单元(220)及连接于所述第二MCU主控单元(220)的第二数据调制解调单元(240)，所述全桥整流单元(230)用于将接收到的交流电压转化成直流电压；所述第二数据调制解调单元(240)用于将来自所述谐振耦合线圈(100)的所述调制信号进行检波以得到低频信号或者将经所述第二MCU主控单元(220)编码后的状态数据调制成调制信号后传输到所述谐振耦合线圈(100)；所述第二MCU主控单元(220)用于将来自所述第二数据调制解调单元(240)的所述低频信号进行解码或者对所述接收端(200)将发射的刀具的状态数据进行编码。
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