用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，包括安裝在機(jī)床主軸上并采集主軸熱能進(jìn)行發(fā)電的熱發(fā)電構(gòu)件，無線傳感器，還包括：儲能電容，熱發(fā)電構(gòu)件輸出端通過儲能電容接地，儲能電容與熱發(fā)電構(gòu)件輸出端通過開關(guān)連接；直流升壓轉(zhuǎn)換器，其輸入端通過另一開關(guān)與儲能電容未接地的一端連接，輸出端通過供電電容接地，且供電電容與直流升壓轉(zhuǎn)換器之間通過開關(guān)連接；控制器，具有無線通信模塊，用于控制儲能電容和供電電容所連接的開關(guān)，供電電容未接地的一端與控制器供電端連接。本發(fā)明還公開了一種控制方法。本發(fā)明的熱發(fā)電供能電路及方法利用主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時自身發(fā)熱為無線傳感器提供穩(wěn)定的能量，實(shí)現(xiàn)長期有效的實(shí)時監(jiān)測。
【專利說明】用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于制造過程無線監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在制造過程無線監(jiān)測領(lǐng)域中，機(jī)床主軸的無線實(shí)時監(jiān)測一直受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，并已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。如今幾乎所有高速旋轉(zhuǎn)的主軸都按標(biāo)準(zhǔn)配置了傳感器，用以測量軸承部位的溫度，部分機(jī)床還在主軸頭上配置了軸向和徑向移位傳感器，在軸承部位裝配了振動傳感器,可以近距離測量主軸軸承附近的加速度并實(shí)時監(jiān)控主軸軸承的冷卻油溫度。
[0003]一般的無線傳感器采用電池作為能量源，當(dāng)電量用完后就需要更換電池或者充電，而對于主軸這樣不適合經(jīng)常拆卸的機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，電池供電方式難以應(yīng)用。因此，有人提出了熱電供能的無線傳感器，它可以采集環(huán)境中產(chǎn)生的熱能并且把其轉(zhuǎn)換成電能為自身的無線監(jiān)測提供能量。機(jī)床主軸在帶傳動裝置的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生大量熱能，如果能夠充分利用這一部分熱能，將其轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行儲存并為無線傳感器進(jìn)行供電，則可解決需要拆卸無線傳感器供電電源的問題。因此可以通過將熱發(fā)電構(gòu)件安裝固定在機(jī)床主軸上，在機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動時將熱能轉(zhuǎn)換為電能來實(shí)現(xiàn)供電。目前這種用于無線傳感器的熱發(fā)電供能方法往往基于電容的充電電壓來進(jìn)行控制。但是主軸的熱能輸出特性并不像一般的熱源那樣可以提供穩(wěn)定持續(xù)的熱能，它具有發(fā)熱量隨著主軸工作發(fā)熱量隨著轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時間變化的特點(diǎn)。常常存在供電不穩(wěn)定的情況；并且，采用基于電容的充電電壓進(jìn)行控制的方式必然會導(dǎo)致復(fù)雜的控制電路和繁瑣的控制策略，這樣必然會降低無線傳感器工作效率。
[0004]綜上所述，設(shè)計一種基于機(jī)床主軸熱輸出特性的熱電供能電路與控制方法為無線傳感器提供穩(wěn)定的能量進(jìn)行主軸的無線監(jiān)測是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了基于電容充放電時間優(yōu)化的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路與控制方法。此方法在無需電池等電源供電的前提下，利用主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時自身發(fā)熱為無線傳感器提供穩(wěn)定的能量進(jìn)行主軸監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸長期有效的實(shí)時監(jiān)測。
[0006]一種用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，包括安裝在機(jī)床主軸上并采集機(jī)床主軸熱能進(jìn)行發(fā)電的熱發(fā)電構(gòu)件，無線監(jiān)測機(jī)床主軸的無線傳感器，還包括:
[0007]儲能電容，其中熱發(fā)電構(gòu)件輸出端通過儲能電容接地，其中儲能電容與熱發(fā)電構(gòu)件輸出端通過第一開關(guān)連接；
[0008]直流升壓轉(zhuǎn)換器，直流升壓轉(zhuǎn)換器輸入端通過第二開關(guān)與儲能電容未接地的一端連接，直流升壓轉(zhuǎn)換器輸出端通過供電電容接地，且供電電容與所述直流升壓轉(zhuǎn)換器之間通過第三開關(guān)連接，供電電容未接地一端還與無線傳感器供電端連接；
[0009]控制器，其用于控制第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)，供電電容未接地的一端與控制器供電端連接，且所述控制器具有與無線傳感器匹配的控制端口。
[0010]通過利用機(jī)床主軸產(chǎn)生的熱量為無線傳感器供電，并由控制器控制儲能電容進(jìn)行儲能，并通過直流升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成合適電壓為供電電容充電，從而充分利用了多余的熱量，不需要為無線傳感器額外提供電池，從而簡化了裝置。
[0011]所述儲能電容包括并聯(lián)的第一電容與第二電容，所述第一開關(guān)和第二開關(guān)為分別與第一電容和第二電容相匹配的兩組。
[0012]控制器通過控制開關(guān)使得第一電容和第二電容交替為供電電容充電，適合用于將機(jī)床主軸不穩(wěn)定發(fā)電轉(zhuǎn)換為較為穩(wěn)定的供電。
[0013]其中第一電容與第二電容的電容值相同。采用相同電容值的電容易于控制器程序的設(shè)計，同時可以穩(wěn)定地進(jìn)行供電。
[0014]其中直流升壓轉(zhuǎn)換器還通過緩沖電容接地。
[0015]由第一電容和第二電容交替為緩沖電容充電，再由控制器控制緩沖電容與供電電容之間的通斷，使緩沖電容向供電電容供電，以進(jìn)一步達(dá)到穩(wěn)定供電的目的，同時簡化了充電時間的設(shè)定。
[0016]所有的開關(guān)均為MOS管。通過高低電平可控制各個開關(guān)的通斷。
[0017]所述控制器的控制端口為串行通信端口。串行通信端口具有結(jié)構(gòu)簡單，收發(fā)效率高的特點(diǎn)。
[0018]當(dāng)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)時，軸承溫度上升，主軸上的熱發(fā)電構(gòu)件采集軸承上所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換發(fā)出電能，這些電能經(jīng)過熱發(fā)電供能電路采用電容充放電時間優(yōu)化方法使輸出電壓達(dá)到足以驅(qū)動無線傳感器模塊，最后驅(qū)動無線通訊模塊進(jìn)行信號發(fā)送。
[0019]利用本發(fā)明的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，在熱發(fā)電供能電路提升電壓的過程中的電容充放電時間優(yōu)化方法是根據(jù)主軸工作發(fā)熱量隨著轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時間變化的特點(diǎn)來設(shè)計的，這種控制方法可以使電能在升壓轉(zhuǎn)化的過程中達(dá)到最高效率，并且可以避免傳統(tǒng)方法中對電容進(jìn)行電壓監(jiān)測的過程。本發(fā)明還提出了基于這種供能電路的控制方法。
[0020]一種所述機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路的控制方法，包括如下步驟:
[0021 ] 步驟I，供電電容為控制器以及無線傳感器供電，所述控制器通過控制第一電容和第二電容所連接的開關(guān)，使第一電容和第二電容交替為緩沖電容充電，所述控制器還檢測緩沖電容的充電時間是否達(dá)到第一閾值，當(dāng)充電時間達(dá)到閾值時，進(jìn)入步驟2 ；
[0022]步驟2，控制器控制第三開關(guān)導(dǎo)通，則緩沖電容放電，且控制器無線發(fā)送數(shù)據(jù)至無線傳感器，同時控制器繼續(xù)控制第一電容和第二電容交替進(jìn)行充放電，控制器判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，是則進(jìn)入步驟3;
[0023]步驟3，斷開第三開關(guān)，并繼續(xù)通過控制器控制第一電容和第二電容交替進(jìn)行充放電，直至緩沖電容的充電時間再一次達(dá)到第一閾值。
[0024]其中，供電電容是預(yù)先充電的。在初始狀態(tài)時，控制器處于休眠狀態(tài)，由供電電容為控制器提供的電量不足以使控制器發(fā)送信號，而僅供控制器內(nèi)的定時器進(jìn)行正常工作，通過監(jiān)測時間來控制開關(guān)。當(dāng)通過時間監(jiān)測判定緩沖電容電量足夠時，導(dǎo)通緩沖電容與供電電容之間的開關(guān)，此時緩沖電容為控制器充電，且為供電電容補(bǔ)充電量，則控制器得到足夠多的電量可以與無線傳感器之間進(jìn)行無線通信，發(fā)送控制信號。
[0025]在步驟I中，控制器通過控制第一電容和第二電容所連接的開關(guān)，使第一電容和第二電容交替為緩沖電容充電的具體方法為:
[0026]控制器通過控制第一電容和第二電容所連接的開關(guān)，使第一電容和第二電容交替為緩沖電容充電的具體方法為:
[0027]步驟1-1，第一電容連接的第一開關(guān)和第二電容連接的第二開關(guān)導(dǎo)通，第一電容連接的第二開關(guān)和第二電容連接的第一開關(guān)斷開，熱發(fā)電構(gòu)件為第一電容充電，第二電容通過直流升壓轉(zhuǎn)換器為緩沖電容充電；控制器監(jiān)測緩沖電容的充電時間是否達(dá)到第二閾值，當(dāng)達(dá)到第二閾值時，進(jìn)入步驟1-2 ；
[0028]步驟1-2，第一電容連接的第一開關(guān)和第二電容連接的第二開關(guān)斷開，第一電容連接的第二開關(guān)和第二電容連接的第一開關(guān)導(dǎo)通，發(fā)電構(gòu)件為第二電容充電，第一電容通過直流升壓轉(zhuǎn)換器為緩沖電容充電；控制器監(jiān)測緩沖電容的充電時間是否達(dá)到第二閾值，當(dāng)達(dá)到第二閾值時，返回步驟1-1。
[0029]在初始時，第一電容充電，第二電容放電，在隨后的過程中由控制器控制第一電容和第二電容交替充放電，其中第二電容是預(yù)充電的。第一電容和第二電容的電容值相同，且由于這兩個電容上的電流和電壓均為關(guān)于時間的函數(shù)，因而可以通過監(jiān)測這兩個電容的充放電時間來讓第一電容和第二電容交替進(jìn)行充放電，使得在后續(xù)電路中輸出的電量持續(xù)穩(wěn)定。
[0030]本發(fā)明中方法，針對機(jī)床主軸工作發(fā)熱量隨著轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時間變化的特點(diǎn)，通過熱電轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行熱能發(fā)電，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)軸承發(fā)熱規(guī)律設(shè)計出熱能發(fā)電中的熱發(fā)電控制電路以及控制方法。最后，根據(jù)控制方法給出無線傳感器的工作流程。在工作中，無線傳感器不需要電池等電源供電。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0032]本發(fā)明采用的基本原理為常見的熱電轉(zhuǎn)換以及電能驅(qū)動提升的原理，在這些基本原理的基礎(chǔ)上根據(jù)主軸工作發(fā)熱量隨著轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時間變化的特點(diǎn)提出了獨(dú)有的熱電供能電路及其控制方法以及在此控制方法下的無線傳感器工作流程，利用這種控制方法可以提高能量采集的效率使無線傳感器的工作穩(wěn)定高效?；跈C(jī)床主軸熱輸出特性，采用本發(fā)明的熱電供能電路及控制方法，使得無線傳感器能夠在實(shí)時監(jiān)測主軸工作情況時不需要電源供能，保證無線傳感器能夠利用熱能在無人值守的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明實(shí)施例機(jī)床主軸熱發(fā)電構(gòu)件的安裝示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明實(shí)施例熱電供能電路以及無線發(fā)送模塊的原理圖；
[0035]圖3為本發(fā)明實(shí)施例無線傳感器工作流程圖；
[0036]圖4為本發(fā)明實(shí)施例Cm充電Cm放電過程等效電路圖；
[0037]圖5為本發(fā)明實(shí)施例Cm充電Cm放電過程等效電路圖；
[0038]圖6為本發(fā)明實(shí)施例無線模塊驅(qū)動過程等效電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0040]本發(fā)明實(shí)施例機(jī)床主軸的熱發(fā)電構(gòu)件3安裝圖如圖1所示，熱發(fā)電構(gòu)件3被安裝于主軸4上，導(dǎo)熱片3-1緊貼軸承2，并且與熱電片3-2連接，熱電片3-2另一端與散熱片3-3連接，散熱片通過固定件固定在主軸4上。主軸4靠帶傳動5帶動旋轉(zhuǎn)，其中軸套I用于固定整個主軸系統(tǒng)。
[0041]圖2中給出了用于無線傳感器的熱發(fā)電供能電路控制方法的原理圖，其中無線傳感器供電端口與C3連接，由C3為其供電。其中在本發(fā)明實(shí)施例中，直流升壓轉(zhuǎn)換器為LTC3108型號的直流升壓轉(zhuǎn)換器,其附帶具有一個變壓器。電容CV1 (第一電容)的一端通過開關(guān)Sm (與第一電容連接的第一開關(guān))與熱發(fā)電構(gòu)件輸出端連接，并通過開關(guān)Sp2 (與第一電容連接的第二開關(guān))與直流升壓轉(zhuǎn)換器所附帶的變壓器輸入端連接，另一端接地；電容Ch2 (第二電容)的一端通過開關(guān)Sp3 (與第二電容連接的第一開關(guān))與熱發(fā)電構(gòu)件輸出端連接，并通過開關(guān)Sp4 (與第二電容連接的第二開關(guān))與變壓器輸入端連接，另一端接地。變壓器輸出端連接在直流升壓轉(zhuǎn)換器主體的輸入端。直流升壓轉(zhuǎn)換器輸出端通過緩沖電容C2接地，并通過開關(guān)S2連接控制器電源輸入端，控制器電源輸入端與開關(guān)S2之間還通過C3接地?？刂破鞯妮斎胼敵?I/o)端口對所有的開關(guān)進(jìn)行單獨(dú)控制，且控制器通過串行通信端口(SPI)控制無線傳感器的無線工作模式。在本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例中，控制器為MSP430系列的單片機(jī)，其具有低功耗的特點(diǎn)，能夠在較小功率下驅(qū)動。
[0042]電容Cm和CV2用于存儲熱發(fā)電構(gòu)件所收集的電能，利用四個開關(guān)SppSnSn和S1^4進(jìn)行控制，可以使電容CV1和CV2交替地為直流升壓轉(zhuǎn)換器充電。電容C2用于存儲直流升壓變換器所輸出的能量并且間歇性地給電容C3 (供電電容)充電。同時，電容C3為控制器提供正常工作所需的能量，并且在充電完成后為無線傳感器發(fā)送模塊提供無線發(fā)送所需的能量。開關(guān)Sm、S"、S1^3和Sy決定了電容Cm和Ci_2的充電和放電時間，開關(guān)S2決定了 C2和C3的充電和放電時間。
[0043]圖3給出了熱發(fā)電電路的工作流程圖，圖中流程包括四個部分:初始化過程、C1^1充電C^2放電過程、(V2充 電CV1放電過程以及無線模塊驅(qū)動過程(也就是無線傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送過程)。當(dāng)無線傳感器啟動時，就進(jìn)入初始化過程，其中包括控制器初始化、電容(V1以及Cm初始充電等。
[0044]如圖3所示，初始化之后，C3為控制器供電，此時控制器處于休眠狀態(tài)，此時Sw導(dǎo)通，Sp2斷開，Sn斷開，Sm導(dǎo)通，熱發(fā)電構(gòu)件為CV1充電，Cu放電。當(dāng)控制器中的定時器監(jiān)控到充電持續(xù)時間達(dá)到&時，控制器的I/O端口發(fā)出信號，使得斷開，Sm導(dǎo)通，導(dǎo)通，S1^4斷開，使得直接進(jìn)入q_2充電CV1放電過程，此過程也持續(xù)。這個控制流程中只需要控制iC1的設(shè)置，所以此流程在控制上是十分方便的。當(dāng)Cu充電C1^放電持續(xù)時間達(dá)到iC1后，控制器中的定時器監(jiān)測是否達(dá)到數(shù)據(jù)發(fā)送時間V當(dāng)控制器中的定時器監(jiān)測到未達(dá)到數(shù)據(jù)發(fā)送時間時，繼續(xù)進(jìn)入Cm充電和Cu放電過程；當(dāng)監(jiān)測到已達(dá)到發(fā)送數(shù)據(jù)時間時，控制器控制S2導(dǎo)通，C2給C3充電，進(jìn)入無線模塊驅(qū)動過程，在此過程中控制器控制無線傳感器啟動，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析以及無線數(shù)據(jù)發(fā)送過程，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后斷開S2。在此過程中
控制器定時器始終監(jiān)測Cm和Cu的充電時間是否達(dá)到iC1，在達(dá)到iC1時通過控制Sm、S"、S1^3和Sn，進(jìn)行CV1和CV2之間充放電的切換。
[0045]其中，流程中的iC1和L2為關(guān)鍵值，控制方法中iC1和iC2的計算方法如下:[0046]因?yàn)樵谑褂弥羞x擇完全一樣的電容CV1和Q_2，所以Cm充電Cm放電過程和CV2充電Cm放電過程的等效電路圖是完全一樣的，如圖4和圖5所示，其中1?_表示等效電阻。在這兩個過程中采用相同的方法計算~在計算中Cm和CV2的電容值都由C1表示，可以得到:
【權(quán)利要求】
1.一種用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，包括安裝在機(jī)床主軸上并采集機(jī)床主軸熱能進(jìn)行發(fā)電的熱發(fā)電構(gòu)件，無線監(jiān)測機(jī)床主軸的無線傳感器，其特征在于，還包括: 儲能電容，其中熱發(fā)電構(gòu)件輸出端通過儲能電容接地，其中儲能電容與熱發(fā)電構(gòu)件輸出端通過第一開關(guān)連接； 直流升壓轉(zhuǎn)換器，直流升壓轉(zhuǎn)換器輸入端通過第二開關(guān)與儲能電容未接地的一端連接，直流升壓轉(zhuǎn)換器輸出端通過供電電容接地，且供電電容與所述直流升壓轉(zhuǎn)換器之間通過第三開關(guān)連接，供電電容未接地一端還與無線傳感器供電端連接； 控制器， 其用于控制第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)，供電電容未接地的一端與控制器供電端連接，且所述控制器具有與無線傳感器匹配的控制端口。
2.如權(quán)利要求1所述用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，其特征在于，所述儲能電容包括并聯(lián)的第一電容與第二電容，所述第一開關(guān)和第二開關(guān)為分別與第一電容和第二電容相匹配的兩組。
3.如權(quán)利要求2所述用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，其特征在于，其中第一電容與第二電容的電容值相同。
4.如權(quán)利要求2所述用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，其特征在于，其中直流升壓轉(zhuǎn)換器還通過緩沖電容接地。
5.如權(quán)利要求1所述用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，其特征在于，所有的開關(guān)均為MOS管。
6.如權(quán)利要求1所述用于無線傳感器的機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路，其特征在于，所述控制器的控制端口為串行通信端口。
7.—種權(quán)利要求5所述機(jī)床主軸熱發(fā)電供能電路的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟I，供電電容為控制器以及無線傳感器供電，所述控制器通過控制第一電容和第二電容所連接的開關(guān)，使第一電容和第二電容交替為緩沖電容充電，所述控制器還檢測緩沖電容的充電時間是否達(dá)到第一閾值，當(dāng)充電時間達(dá)到閾值時，進(jìn)入步驟2 ； 步驟2，控制器控制第三開關(guān)導(dǎo)通，則緩沖電容放電，且控制器無線發(fā)送數(shù)據(jù)至無線傳感器，同時控制器繼續(xù)控制第一電容和第二電容交替進(jìn)行充放電，控制器判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，是則進(jìn)入步驟3; 步驟3，斷開第三開關(guān)，并繼續(xù)通過控制器控制第一電容和第二電容交替進(jìn)行充放電，直至緩沖電容的充電時間再一次達(dá)到第一閾值。
8.如權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步驟I中，控制器通過控制第一電容和第二電容所連接的開關(guān)，使第一電容和第二電容交替為緩沖電容充電的具體方法為: 步驟1-1，第一電容連接的第一開關(guān)和第二電容連接的第二開關(guān)導(dǎo)通，第一電容連接的第二開關(guān)和第二電容連接的第一開關(guān)斷開，熱發(fā)電構(gòu)件為第一電容充電，第二電容通過直流升壓轉(zhuǎn)換器為緩沖電容充電；控制器監(jiān)測緩沖電容的充電時間是否達(dá)到第二閾值，當(dāng)達(dá)到第二閾值時，進(jìn)入步驟1-2; 步驟1-2，第一電容連接的第一開關(guān)和第二電容連接的第二開關(guān)斷開，第一電容連接的第二開關(guān)和第二電容連接的第一開關(guān)導(dǎo)通，發(fā)電構(gòu)件為第二電容充電，第一電容通過直流升壓轉(zhuǎn)換器為緩沖電容充電；控制器監(jiān)測緩沖電容的充電時間是否達(dá)到第二閾值，當(dāng)達(dá)到第二閾值時， 返回步驟1-1。
【文檔編號】B23Q11/00GK103683912SQ201310609087
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】姚鑫驊, 李晟, 曾慶輝, 傅建中 申請人:浙江大學(xué)