CN110722403A - 一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统 - Google Patents

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黄涛
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Abstract

本发明属于刀具状态监测领域，并具体公开了一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，该系统包括连接装置、供电装置、传感装置和数据传输装置，其中：连接装置用于固定；供电装置包括固定在机床主轴上的供电电路板、能量发送线圈和固定在刀柄上的能量接收线圈和传感电路板，用于在电磁感应的作用下实现电能的无线传输；传感装置用于监测刀具的状态；数据传输装置包括供电端射频识别线圈和传感端射频识别线圈，用于通过射频识别的方式进行无线通信。本发明能够保证传感装置和数据传输装置获得持续稳定的电能，不用频繁更换锂电池，同时能够形成稳定的数据传输线路，保证将传感装置采集的数据进行实时稳定传输。

Description

一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统
技术领域
本发明属于刀具状态监测领域，更具体地，涉及一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统。
背景技术
加工工况的智能感知是智能制造中的重要一环，为优化切削参数和判断刀具状态提供可靠数据，对于航空航天制造业实现难加工材料、复杂薄壁类零件的高品质制造有着重要意义。当前加工过程中刀具物理量监测手段主要有非原位传感且有线传输电能且有线传输信号方式、原位传感且有线传输电能且有线传输信号方式、原位传感且锂电池传输电能且无线传输信号方式。
其中非原位传感且有线传输电能且有线传输信号方式中，传感元件不能测量切削过程中刀具特定位置的物理量，只能测量便于测量部位的物理量从而间接得出特定位置物理量，测量结果误差较大。原位传感且有线传输电能且有线传输信号方式中，由于有线传输能量和数据，只适用于车削等刀具非旋转的工况，无法满足铣削等刀具旋转的工况。原位传感且锂电池传输电能且无线传输信号方式中，锂电池给监测模块供电成本高且更换频繁，监测系统持续工作时间极短。
为解决监测系统持续工作时间短的问题，现有技术提供了带自发电装置的刀具监测系统，例如CN201811139712.6公开了一种智能刀具的测量装置及监测系统，该装置利用发电线圈切割磁棒的磁力线的方式进行自发电。但是该装置只有在机床工作时才能产生电流，机床停止工作后无法继续进行监测。同时现有的无线传输信号方式主要采用蓝牙和WiFi传输技术，分别存在传输不稳定和功耗过高的缺点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其中通过将供电电路板、能量发送线圈和供电端射频识别线圈固定在机床主轴上，将能量接收线圈、传感电路板和传感端射频识别线圈固定在刀柄上，不仅能够在刀具高速旋转的时候为传感装置提供稳定电源，也能够在刀具停止工作后继续进行供电，避免频繁更换电池造成工作效率过低的问题，同时还能够实现低功耗、稳定性高的数据传输功能，因而尤其适用于刀具状态监测的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，该系统包括连接装置、供电装置、传感装置和数据传输装置，其中：
所述连接装置包括主轴夹持座、刀柄夹持座和连接板，分别用于对所述供电装置、传感装置和数据传输装置进行固定；
所述供电装置包括供电电路板、能量发送线圈、能量接收线圈和传感电路板，工作时所述供电电路板和能量发送线圈通过所述主轴夹持座和连接板固定在机床主轴上，所述能量接收线圈和传感电路板通过所述刀柄夹持座和连接板固定在刀柄上，所述供电电路板与所述能量发送线圈通过导线连接，用于控制所述能量发送线圈发射能量，所述能量接收线圈与所述传感电路板通过导线连接，用于接收所述能量发送线圈发射的能量，从而在电磁感应的作用下实现电能的无线传输，进而为所述传感电路板供电；
所述传感装置工作时固定在所述刀具上，并通过导线与所述传感电路板连接，用于在所述传感电路板的作用下进行传感信号的采集转化，从而监测所述刀具的状态；
所述数据传输装置包括供电端射频识别线圈和传感端射频识别线圈，所述供电端射频识别线圈通过导线与所述供电电路板连接并固定在所述机床主轴上，所述传感端射频识别线圈通过导线与所述传感电路板连接并固定在所述刀柄上，所述数据传输装置用于将所述传感装置采集的数据通过射频识别的方式进行无线通信，进而对监测数据进行实时传输。
作为进一步优选地，能量发送线圈和能量接收线圈的间距为1mm～7mm。
作为进一步优选地，所述能量发送线圈和能量接收线圈的工作频率为180kHz～220kHz，所述供电端射频识别线圈和传感端射频识别线圈的工作频率为125kHz～134kHz。
作为进一步优选地，供电电路板中集成了微控制器、DC-AC电路、调制解调电路和信号输出电路。
作为进一步优选地，所述传感电路板集成了微控制器、AC-DC电路、调制解调电路和ADC放大电路。
作为进一步优选地，所述传感装置包括测量切削温度、切削力或切削振动的传感元件。
作为进一步优选地，所述传感装置采用嵌入的方式进行安装。
作为进一步优选地，所述连接板上设置有隔磁材料，用于避免能量发送线圈、能量接收线圈对供电端射频识别线圈、传感端射频识别线圈的信号产生干扰。
作为进一步优选地，所述能量发送线圈、能量接收线圈、供电端射频识别线圈和传感端射频识别线圈均为铜线绕制而成。
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，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将供电电路板和能量发送线圈固定在机床主轴上，使其相对机床主轴静止，同时将能量接收线圈和传感电路板固定在刀柄上，使其相对于机床主轴旋转，能量发送线圈和能量接收线圈在电磁感应的作用下实现了电能的无线传输，从而保证供电电路板在刀具高速旋转或静止状态下持续稳定地为传感电路板提供电源，进而保证传感装置和数据传输装置获得持续稳定供电，不用频繁更换锂电池，能够持续监测刀具的工作状态，同时针对基于蓝牙技术和WiFi技术的数据传输方式传输不稳定和功耗较大的问题，设置了供电端射频识别线圈和传感端射频识别线圈，能够形成稳定的数据传输线路，保证将传感装置采集的数据进行实时稳定传输；
2.同时，结合仿真分析及实际测试确定随着能量发送线圈和能量接收线圈之间距离的增大，能量传输效率不断递减，而负载接收功率则呈先上升后递减的变化趋势，因此本发明对能量发送线圈和能量接收线圈的距离进行优化，能够保证能量传输效率和负载接收功率均取得较大值；
3.此外，本发明对能量发送线圈和能量接收线圈的工作频率以及供电端射频识别线圈和传感端射频识别线圈的工作频率进行优化，分别能够保证能量传输效率和数据通信稳定性。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统的结构示意图；
图2是图1基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统中固定在机床主轴的部件安装示意图；
图3是图1基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统中固定在刀柄的部件安装示意图；
图4是本发明优选实施例中供电电路板与传感电路板的电路示意图；
图5是本发明优选实施例中隔磁材料的安装示意图。
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：
1-机床主轴，2-为主轴夹持座，3-第一直角连接板，4-第二直角连接板，5-供电电路固定板，6-供电电路板，7-供电端线圈固定架，7-1-第一隔磁材料，8-能量发送线圈，9-供电端射频识别线圈，10-刀柄，11-刀柄加持座，12-刀具，13-传感电路板固定板，14-传感电路板，15-传感端线圈固定架，15-1-第二隔磁材料，16-能量接收线圈，17-传感端射频识别线圈，18-传感装置。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，该系统包括连接装置、供电装置、传感装置18和数据传输装置其中：
连接装置包括主轴夹持座2、刀柄夹持座11和连接板，分别用于对供电装置、传感装置和数据传输装置进行固定；
供电装置包括供电电路板6、能量发送线圈8、能量接收线圈16和传感电路板14，工作时供电电路板6和能量发送线圈8通过主轴夹持座2和连接板固定在机床主轴1上，与机床主轴1相对静止，能量接收线圈16和传感电路板14通过刀柄夹持座11和连接板固定在刀柄10上，从而在刀柄10的带动下相对机床主轴1旋转，供电电路板6与能量发送线圈8通过导线连接，用于控制能量发送线圈8发射能量，能量接收线圈16与传感电路板14通过导线连接，用于接收能量发送线圈8发射的能量，从而在电磁感应的作用下实现电能的无线传输，进而为传感电路板14供电；
传感装置18工作时通过胶接等方式嵌入刀具12靠近刀刃的位置，实现切削过程刀具状态的准确原位感知，传感装置18通过导线与传感电路板14连接，从而在传感电路板14的作用下进行传感信号的采集转化，实现测刀具12状态的实时监测，传感装置18包括测量切削温度、切削力或切削振动的传感元件；
数据传输装置包括供电端射频识别线圈9和传感端射频识别线圈17，供电端射频识别线圈9通过导线与供电电路板6连接并通过主轴夹持座2和连接板固定在机床主轴1上，传感端射频识别线圈17通过导线与传感电路板14连接并通过刀柄夹持座11和连接板固定在刀柄10上，数据传输装置用于将传感装置18采集的数据通过传感电路板14发送至供电电路板6，进而通过射频识别对监测数据进行无线实时传输；
能量发送线圈8、能量接收线圈16、供电端射频识别线圈9和传感端射频识别线圈17均为铜线绕制而成。
如图2所示，主轴夹持座2通过螺栓螺母安装在机床主轴1上，并根据不同的机床主轴1的直径进行设计，第一直角连接板3通过螺栓螺母固定在主轴夹持座1的一端，第二直角连接板4通过螺栓螺母固定在第一直角连接板3的下端，第一直角连接板3和第二直角连接板4的固定面上均设置有一个键槽，螺栓可在键槽中上下移动，从而调节能量发送线圈8和能量接收线圈16的距离，供电电路板固定板5与第二直角连接板4连接，供电电路板6安装在供电电路板固定板5的上方，供电端线圈固定架7安装在供电电路板固定板5的下方，其呈工字型结构并且沿竖直方向从上至下包括大平板和小平板，能量发送线圈8粘贴在大平板上，供电端射频识别线圈9粘贴在小平板上，并且供电端线圈固定架7小平板直径小于能量发送线圈8的内径，上述部件均相对于机床主轴1静止；
如图3所示，刀柄夹持座11通过螺栓螺母与刀柄10连接，传感电路板固定板13固定在刀柄夹持座11的上方，传感电路板14和传感端线圈固定架15从下至上依次固定在传感电路板固定板13的上方，传感端线圈固定架15呈工字型结构并且从上至下包括小平板和大平板，能量接收线圈16粘贴在大平板上，传感端射频识别线圈17粘贴在小平板上，并且传感端线圈固定架15小平板直径小于能量接收线圈16的内径，上述部件均相对于刀柄10静止；
传感电路板固定板5、供电端线圈固定架7、能量发送线圈8、供电端射频识别线圈9、刀柄夹持座10、传感电路板固定板11、传感电路板14、传感端线圈固定架15、能量接收线圈16、传感端射频识别线圈17的中心均开设有通孔，便于安装刀柄10。
进一步，如图4所示，供电电路板6中集成了微控制器、DC-AC电路、调制解调电路和信号输出电路，传感电路板14集成了微控制器、AC-DC电路、调制解调电路和ADC放大电路，工作时供电电路板6为传感电路板14供电，传感装置18采集到的数据经过传感电路板14编码调制后通过传感端射频识别线圈发出，供电端射频识别线圈将交流电信号传输至供电电路板6进行解调解码后传输至PC机，实现刀具状态的实时原位监控；
供电电路板6中DC-AC电路对能量发送圈8施加高频电压产生高频电流，高频电流使能量发送器8产生高频交变电磁场，能量接收圈16会被感应出电流，从而实现电能的无线传输，传感电路板14中AC-DC电路将交流电收集后稳压直流输出，为传感电路板14所有电路供电，即使在旋转工况下，能量发送圈8与能量接收线圈16之间依然可以正常传输能量，传感电路板14不用接锂电池供电，避免了更换电池导致监测系统不能连续工作；
传感电路板14中ADC放大电路通过导线与传感装置18连接，ADC放大电路可以将微弱信号放大，同时经过调制解调电路将信号调制后经过传感端射频识别线圈14发出，调制方式为幅值调制，供电电路板6中调制解调电路将信号解调，信号输出电路可以以不同的接口输出至专用数据采集装置，数据采集装置可以将信号进行处理并在配套的UI界面显示。
进一步，结合仿真分析及实际测试，随着能量发送线圈8和能量接收线圈16之间距离的增大，能量传输效率不断递减，而负载接收功率则呈先上升后递减的变化趋势，负载接收功率在间距为7mm时其值最大，故能量发送线圈8和能量接收线圈16的间距优选为1mm～7mm。
进一步，选择工作频率为50kHz～600kHz的范围分别对能量线圈和传感射频识别线圈进行仿真分析和实际测试，得到能量发送线圈8和能量接收线圈16的工作频率范围在200kHz时能量传输效率取最大值，供电端射频识别线圈和传感端射频识别线圈的工作频率范围在130kHz时数据通信误码率最低，故能量发送线圈8和能量接收线圈16的工作频率为180kHz～220kHz，供电端射频识别线圈9和传感端射频识别线圈17的工作频率为125kHz～134kHz，能够分别保证能量传输效率和数据通信稳定性。
进一步，如图5所示，供电端线圈固定架7和传感端线圈固定架15上设置有第一隔磁材料7-1和第二隔磁材料15-1，用于避免能量发送线圈8、能量接收线圈16对供电端射频识别线圈9、传感端射频识别线圈17的信号产生干扰。
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 (9)

1.一种基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，该系统包括连接装置、供电装置、传感装置(18)和数据传输装置，其中：
所述连接装置包括主轴夹持座(2)、刀柄夹持座(11)和连接板，分别用于对所述供电装置、传感装置和数据传输装置进行固定；
所述供电装置包括供电电路板(6)、能量发送线圈(8)、能量接收线圈(16)和传感电路板(14)，工作时所述供电电路板(6)和能量发送线圈(8)通过所述主轴夹持座(2)和连接板固定在机床主轴(1)上，所述能量接收线圈(16)和传感电路板(14)通过所述刀柄夹持座(11)和连接板固定在刀柄(10)上，所述供电电路板(6)与所述能量发送线圈(8)通过导线连接，用于控制所述能量发送线圈(8)发射能量，所述能量接收线圈(16)与所述传感电路板(14)通过导线连接，用于接收所述能量发送线圈(8)发射的能量，从而在电磁感应的作用下实现电能的无线传输，进而为所述传感电路板(14)供电；
所述传感装置(18)工作时固定在所述刀具(12)上，并通过导线与所述传感电路板(14)连接，用于在所述传感电路板(14)的作用下进行传感信号的采集转化，从而监测所述刀具(12)的状态；
所述数据传输装置包括供电端射频识别线圈(9)和传感端射频识别线圈(17)，所述供电端射频识别线圈(9)通过导线与所述供电电路板(6)连接并固定在所述机床主轴(1)上，所述传感端射频识别线圈(17)通过导线与所述传感电路板(14)连接并固定在所述刀柄(10)上，所述数据传输装置用于将所述传感装置(18)采集的数据通过射频识别的方式进行无线通信，进而对监测数据进行实时传输。
2.如权利要求1所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，能量发送线圈(8)和能量接收线圈(16)的间距为1mm～7mm。
3.如权利要求1或2所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，所述能量发送线圈(8)和能量接收线圈(16)的工作频率为180kHz～220kHz，所述供电端射频识别线圈(9)和传感端射频识别线圈(17)的工作频率为125kHz～134kHz。
4.如权利要求1所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，供电电路板(6)中集成了微控制器、DC-AC电路、调制解调电路和信号输出电路。
5.如权利要求1所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，所述传感电路板(14)集成了微控制器、AC-DC电路、调制解调电路和ADC放大电路。
6.如权利要求1所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，所述传感装置(18)包括测量切削温度、切削力或切削振动的传感元件。
7.如权利要求1所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，所述传感装置(18)采用嵌入的方式进行安装。
8.如权利要求1所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，所述连接板上设置有隔磁材料，用于避免能量发送线圈(8)、能量接收线圈(16)对供电端射频识别线圈(9)、传感端射频识别线圈(17)的信号产生干扰。
9.如权利要求4～8任一项所述的基于电磁感应和射频识别技术的刀具状态监测系统，其特征在于，所述能量发送线圈(8)、能量接收线圈(16)、供电端射频识别线圈(9)和传感端射频识别线圈(17)均为铜线绕制而成。
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