[发明专利]用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于制造过程无线监测领域，尤其涉及用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路及控制方法。

背景技术

在制造过程无线监测领域中，机床主轴的无线实时监测一直受到国内外学者的高度重视，并已成为当前研究的热点之一。如今几乎所有高速旋转的主轴都按标准配置了传感器，用以测量轴承部位的温度，部分机床还在主轴头上配置了轴向和径向移位传感器，在轴承部位装配了振动传感器，可以近距离测量主轴轴承附近的加速度并实时监控主轴轴承的冷却油温度。

一般的无线传感器采用电池作为能量源，当电量用完后就需要更换电池或者充电，而对于主轴这样不适合经常拆卸的机械结构来说，电池供电方式难以应用。因此，有人提出了热电供能的无线传感器，它可以采集环境中产生的热能并且把其转换成电能为自身的无线监测提供能量。机床主轴在带传动装置的带动下高速旋转，会产生大量热能，如果能够充分利用这一部分热能，将其转换成电能进行储存并为无线传感器进行供电，则可解决需要拆卸无线传感器供电电源的问题。因此可以通过将热发电构件安装固定在机床主轴上，在机床主轴转动时将热能转换为电能来实现供电。目前这种用于无线传感器的热发电供能方法往往基于电容的充电电压来进行控制。但是主轴的热能输出特性并不像一般的热源那样可以提供稳定持续的热能，它具有发热量随着主轴工作发热量随着转速和运行时间变化的特点。常常存在供电不稳定的情况；并且，采用基于电容的充电电压进行控制的方式必然会导致复杂的控制电路和繁琐的控制策略，这样必然会降低无线传感器工作效率。

综上所述，设计一种基于机床主轴热输出特性的热电供能电路与控制方法为无线传感器提供稳定的能量进行主轴的无线监测是非常必要的。

发明内容

本发明提供了基于电容充放电时间优化的机床主轴热发电供能电路与控制方法。此方法在无需电池等电源供电的前提下，利用主轴运转时自身发热为无线传感器提供稳定的能量进行主轴监测，实现机床主轴长期有效的实时监测。

一种用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，包括安装在机床主轴上并采集机床主轴热能进行发电的热发电构件，无线监测机床主轴的无线传感器，还包括：

储能电容，其中热发电构件输出端通过储能电容接地，其中储能电容与热发电构件输出端通过第一开关连接；

直流升压转换器，直流升压转换器输入端通过第二开关与储能电容未接地的一端连接，直流升压转换器输出端通过供电电容接地，且供电电容与所述直流升压转换器之间通过第三开关连接，供电电容未接地一端还与无线传感器供电端连接；

控制器，其用于控制第一开关、第二开关和第三开关，供电电容未接地的一端与控制器供电端连接，且所述控制器具有与无线传感器匹配的控制端口。

通过利用机床主轴产生的热量为无线传感器供电，并由控制器控制储能电容进行储能，并通过直流升压转换器转换成合适电压为供电电容充电，从而充分利用了多余的热量，不需要为无线传感器额外提供电池，从而简化了装置。

所述储能电容包括并联的第一电容与第二电容，所述第一开关和第二开关为分别与第一电容和第二电容相匹配的两组。

控制器通过控制开关使得第一电容和第二电容交替为供电电容充电，适合用于将机床主轴不稳定发电转换为较为稳定的供电。

其中第一电容与第二电容的电容值相同。采用相同电容值的电容易于控制器程序的设计，同时可以稳定地进行供电。

其中直流升压转换器还通过缓冲电容接地。

由第一电容和第二电容交替为缓冲电容充电，再由控制器控制缓冲电容与供电电容之间的通断，使缓冲电容向供电电容供电，以进一步达到稳定供电的目的，同时简化了充电时间的设定。

所有的开关均为MOS管。通过高低电平可控制各个开关的通断。

所述控制器的控制端口为串行通信端口。串行通信端口具有结构简单，收发效率高的特点。

当机床主轴旋转时，轴承温度上升，主轴上的热发电构件采集轴承上所产生的热量进行热电转换发出电能，这些电能经过热发电供能电路采用电容充放电时间优化方法使输出电压达到足以驱动无线传感器模块，最后驱动无线通讯模块进行信号发送。

利用本发明的机床主轴热发电供能电路，在热发电供能电路提升电压的过程中的电容充放电时间优化方法是根据主轴工作发热量随着转速和运行时间变化的特点来设计的，这种控制方法可以使电能在升压转化的过程中达到最高效率，并且可以避免传统方法中对电容进行电压监测的过程。本发明还提出了基于这种供能电路的控制方法。