CN108469310A - 一种刀柄式温度监测装置 - Google Patents

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王铭
庞静珠
赵慧慧
张华德
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Abstract

本发明涉及一种刀柄式温度监测装置，主要包括温度感应模块、无线供电模块、无线通讯模块和信号采集系统，其主要特征是温度感应模块中的热电偶嵌入到制有孔的刀具或搅拌工具中，并通过信号放大与转换单元处理后转为数字量信号。无线供电模块采用电磁感应耦合方式为本装置中的各电子元器件提供电能。无线通讯模块采用射频技术将温度对应的数字量信号发送到上位机的信号采集系统中。本发明集温度实时感应与采集、无线供电与信号传输为一体，实现了机械加工、搅拌摩擦焊接等生产过程中的温度在线测试，具有结构简单、使用方便和成本低等优点。

Description

一种刀柄式温度监测装置
技术领域
本发明涉及一种用于机械加工、搅拌摩擦焊接等生产过程中的温度在线监测的装置，属于机械工程测试技术领域。
背景技术
在机械加工、搅拌摩擦焊接等制造过程中，切削(焊接)热不仅直接影响产品质量，还将加速刀(工)具磨损。因此，如何优化工艺参数，合理控制加工过程中的温度，一直是工程领域研究热点之一。在加工过程中实时获得温度及其分布规律是实现控制的重要途径。实际上，刀(工)具通常由安装在主轴上的刀柄带动做高速旋转运动。因此，目前最常用的方法就是事先在工件上打孔并预埋热电偶，并由专用仪器获取信号并进行处理。这种方法虽然简单，测量方便，但准确度较低，装置的再利用率差，对工件具有一定的破坏性。
发明内容
本发明的目的是提供一种安装在主轴前端的，能够对加工过程中温度进行实时在线测试的装置。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，包括温度感应模块、无线供电模块、无线通讯模块、安装座和信号采集系统，其中：
温度感应模块包括铠装热电偶和信号转换单元，铠装热电偶嵌入刀具或工具中，铠装热电偶与信号转换单元相连，信号转换单元与无线通讯模块相连；
无线供电模块包括相耦合的原边单元及副边单元，原边单元固定在安装座上，并与外部电源连接；副边单元与信号转换单元及无线通讯模块相连；
无线通讯模块与信号采集系统建立无线通信。
优选地，所述信号转换单元由STC89C52单片机和MAX6675温度信号转换芯片组成，MAX6675温度信号转换芯片连接所述铠装热电偶，STC89C52单片机连接MAX6675温度信号转换芯片及所述无线通讯模块。
优选地，所述安装座采用环形安装座。
优选地，所述原边单元包括依次连接的高频振荡电路、功放电路和初级线圈，其中，初级线圈绕在整体呈扇形的塑料盒的梯形槽内，高频振荡电路连接所述外部电源。
优选地，所述副边单元包括依次连接的次级线圈、高频整流滤波电路和稳压电路，次级线圈与所述初级线圈耦合，稳压电路连接所述
优选地，所述次级线圈采用同轴圆环方式绕制在线路盒的环形槽内。
优选地，所述无线通讯模块包括信号接收单元及信号发射单元，信号接收单元及信号发射单元一方面与所述信号转换单元相连，另一方面与所述信号采集系统建立无线通信。
本发明提供了一种直接嵌入到主轴刀柄中与之集成形成一个整体，能够在加工过程中对切削温度、焊接温度等进行实时检测的在线监测装置，从而解决了现有方法中在工件上打孔，温度测试准确度低，装置再利用率差等缺陷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的温度感应模块直接嵌入到主轴刀柄中，克服了现有方式中的工件上打孔测试不准确等弊端，使得温度测试更加简单准确。
2)本发明的无线供电与信号传输模块，解决了旋转刀柄供电与信号传输问题，避免了使用滑环结构所带来的不安全及寿命短等弊端。
3)本发明实现了机械加工、搅拌摩擦焊接等制造过程中温度实时在线测试，结构紧凑、安装便捷。
附图说明
图1为本发明的刀柄式温度监测装置总体构成；
图2为本发明的工作原理示意。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1及图2所示，本发明一种刀柄式温度监测装置，它主要由温度感应模块、无线供电模块、无线通讯模块、安装座4、线路盒5和信号采集系统6组成。
温度感应模块主要由铠装热电偶1-1和信号转换单元1-2组成。使用在机械加工中，刀具可直接采购带有中心孔的结构形式。使用在搅拌摩擦焊接过程中，用电火花成形法在搅拌工具的轴肩和搅拌针底部分别加工出两个通孔，并嵌入带有保护套的K型热电偶，即铠装热电偶1-1。然后用耐高温粘合剂将热电偶的温度感应端固定在孔口部位，另一端引出并送入信号转换单元1-2中。
信号转换单元1-2主要由STC89C52单片机和MAX6675温度信号转换芯片组成，设计中为提高采样频率采用了5块MAX6675温度信号转换芯片，并由软件程序控制其采样与信号转换时序和频率。无线供电模块2中的原边单元2-1固定在圆环形安装座4上，并与外部电源连接，该单元包括高频振荡电路、功放电路和初级线圈，其中初级线圈绕在整体呈扇形的塑料盒的梯形槽内。无线供电模块2中的副边单元2-2与加工过程中的负载相连，包括次级线圈、高频整流滤波电路和稳压电路，其中，次级线圈采用同轴圆环方式绕制在线路盒6的环形槽内。无线通讯模块3的信号接收和发射单元均采用集成式nRF24L01射频收发芯片，并采用抗干扰能力强，且芯片功耗低、体积小、质量轻的GFSK信号调制方式。
本发明中的温度感应模块、无线供电模块的副边单元2-2以及无线通讯模块的信号发射单元3-1全部封装在与主轴刀柄同轴安装的接线盒5内，并跟随主轴做高速旋转运动。信号接收单元3-2通过USB接口与信号采集系统6中的计算机相连，并在软件控制下实时采集、处理并显示温度信息。
本发明所采用的热电偶可以直接从市场采购，所涉及到的各种电路均可以直接采购或参照教科书上相应成熟的电路加以实现，也可以根据功能要求选择相关的集成块加以实现。本发明在工作时，首先，根据所用加工设备的主轴结构设计并加工出符合要求的刀柄，并将本发明与该刀柄组装成整体再安装到设备上。然后，无线供电原边单元安装在圆环形安装座上，该安装座通过螺栓固定在主轴前端不转动的法兰盘或端盖上。最后手动转动主轴观察信号采集系统的输出，直至有阶跃或弦波信号显示，说明本发明安装工作完成并可使用。。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，包括温度感应模块、无线供电模块、无线通讯模块、安装座和信号采集系统，其中：
温度感应模块包括铠装热电偶(1-1)和信号转换单元(1-2)，铠装热电偶(1-1)嵌入刀具或工具中，铠装热电偶(1-1)与信号转换单元(1-2)相连，信号转换单元(1-2)与无线通讯模块相连；
无线供电模块包括相耦合的原边单元(2-1)及副边单元(2-2)，原边单元(2-1)固定在安装座上，并与外部电源连接；副边单元(2-2)与信号转换单元(1-2)及无线通讯模块相连；
无线通讯模块与信号采集系统建立无线通信。
2.如权利要求1所述的一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，所述信号转换单元(1-2)由STC89C52单片机和MAX6675温度信号转换芯片组成，MAX6675温度信号转换芯片连接所述铠装热电偶(1-1)，STC89C52单片机连接MAX6675温度信号转换芯片及所述无线通讯模块。
3.如权利要求1所述的一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，所述安装座(4)采用环形安装座(4)。
4.如权利要求1所述的一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，所述原边单元(2-1)包括依次连接的高频振荡电路、功放电路和初级线圈，其中，初级线圈绕在整体呈扇形的塑料盒的梯形槽内，高频振荡电路连接所述外部电源。
5.如权利要求4所述的一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，所述副边单元(2-2)包括依次连接的次级线圈、高频整流滤波电路和稳压电路，次级线圈与所述初级线圈耦合，稳压电路连接所述。
6.如权利要求5所述的一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，所述次级线圈采用同轴圆环方式绕制在线路盒(6)的环形槽内。
7.如权利要求1所述的一种刀柄式温度监测装置，其特征在于，所述无线通讯模块包括信号接收单元(3-1)及信号发射单元(3-2)，信号接收单元(3-1)及信号发射单元(3-2)一方面与所述信号转换单元(1-2)相连，另一方面与所述信号采集系统建立无线通信。
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