一種基於聲表面波的電主軸溫度測量裝置的製作方法

2023-06-12 11:25:01 2

本發明涉及工具機主軸溫度測量領域，特別是涉及一種用於工具機電主軸的無線無源溫度測量裝置。

背景技術：
電主軸是最近幾年在數控工具機領域出現的將工具機主軸與主軸電機融為一體的新技術。高速數控工具機主傳動系統取消了帶輪傳動和齒輪傳動。工具機主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把工具機主傳動鏈的長度縮短為零，實現了工具機的「零傳動」。這種主軸電動機與工具機主軸「合二為一」的傳動結構形式，使主軸部件從工具機的傳動系統和整體結構中相對獨立出來，因此可做成「主軸單元」，俗稱「電主軸」。電主軸與直線電機技術、高速刀具技術一起，把高速加工推向一個新時代，在高效加工領域有著舉足輕重的作用。大量研究表明，主軸發熱是影響其性能(剛度、精度、使用壽命)的最主要因素之一，由其導致的主軸熱誤差是數控工具機等精密加工機械的最大誤差源。隨著工具機可靠性與精度穩定性要求的不斷提高，電主軸熱狀態感知和控制的重要性日益突出。如授權公告號為CN202994320U的專利文獻公開了一種高速加工中心電主軸前後軸承溫度測試系統。該專利文獻的電主軸前軸承徑向方向設置三個直通軸承外圈的熱電偶傳感器安裝孔；電主軸前軸承徑向方向的前熱電偶傳感器螺紋安裝孔裝有直通電主軸前軸承外圈的三支熱電偶傳感器，前軸承密封細牙堵絲旋裝在前熱電偶傳感器螺紋安裝孔內；熱電偶傳感器的底部探頭與電主軸前軸承外圈接觸。電主軸發熱源主要是前後軸承和內置電動機的定、轉子。傳統測試電主軸溫度的方法一般採用有源有線、有源無線或紅外測溫，這些監測技術存在諸多局限性，主要表現在：(1)傳統有線傳感器在旋轉結構上受到走線空間的限制，往往難以實現在理想測點上的安裝，且監測系統通常需要多個傳感器，使得電源線和信號線的配置更加複雜，線路也往往因複雜多變的工況(如旋轉、振動等)發生短路、斷路的問題，致使傳感器失效，或降低監測的有效性和可靠性；(2)無線傳感器擺脫了走線的限制，但仍受到供能問題和體積問題的困擾。無線傳感器一般通過電池供電，應用於精密電主軸內部轉軸溫度檢測存在電池耗盡後難以更換的問題，同時，電池供電會顯著增大傳感器體積，這一方面使得其在電主軸的狹小空間中安裝困難，另一方面使得傳感器在小直徑軸類部件上難以緊密貼合，從而導致測量精度下降。(3)採用紅外攝像對工具機主軸箱進行非接觸式熱態監測。該方法雖然操作簡單，但只能獲得測量對象的表面溫度，且測量效果受到表面材料、測量角度、表面加工情況及粗糙度等多種因素的影響；同時，紅外攝像法無法應用于振動等其它物理量的測量。因此，建立一種新型的、便捷有效並可用於真實加工環境下的旋轉結構測量手段，實現工具機電主軸的嵌入式監測，具有十分重要的意義。

技術實現要素：
本發明針對上述問題，提出了一種基於聲表面波的電主軸溫度測量裝置。解決了現有測量技術諸多局限性的問題。本發明採取的技術方案如下：一種基於聲表面波的電主軸溫度測量裝置，包括：環形導槽，設置在電主軸的殼體內，且環形導槽具有導電材料層；聲表面波溫度傳感器，固定在電主軸的轉軸上，聲表面波溫度傳感器的信號輸出端與所述環形導槽滑動配合且與所述導電材料層相接觸；天線，一端伸入環形導槽與所述導電材料層接觸，另一端穿出所述殼體；質詢端天線，設置在所述殼體的外側，與所述天線配合進行信號傳輸，質詢端天線通過同軸電纜連接有質詢端讀取器；控制器，與所述質詢端讀取器連接，用於控制質詢端讀取器。聲表面波傳感是近些年發展起來的一種新的傳感測量方式。聲表面波傳感器除了具有精度和靈敏度高，線性度好等特點外，更重要的是實現了傳感器的無線和無源化。聲表面波傳感器一般在射頻段工作，可以將聲表面波輸出信號直接轉化成為電磁波發射出去，實現信息的無線傳輸。聲表面波傳感器的基片採用壓電材料，傳感器受電磁波激發時具有儲能特性，在信號回傳時無需額外供電，只以電磁波作為能量的供應和信號傳輸的工具，從而擺脫了電池的限制，實現傳感信號反饋的無源化。本發明通過設置天線以及環形導槽，克服了電磁信號難以通過密閉金屬殼體傳播而導致的聲表面波傳感器無法在電主軸內部應用的問題，溫度測量裝置無需電源，結構更加緊湊，可長期置於轉軸內部工作；採用無線方式進行信息傳送，克服了現有的有線連接布線困難及連接線壽命短的弊端，本發明能夠實現對電主軸溫度的無線、無源長效監測。作為優選，所述聲表面波溫度傳感器包括：導熱套，與所述轉軸固定；滑動座，設置在導熱套內，能沿導熱套的軸線運動；滑動觸頭，固定在滑動座上，與所述環形導槽滑動配合且與所述導電材料層相接觸；傳感器敏感元，設置在導熱套內，與所述滑動觸頭連接；彈簧，設置在導熱套內，一端與滑動座抵接，另一端與轉軸相對固定。通過設置彈簧能夠施加預緊力確保滑動觸頭與環形導槽充分接觸，工作時，傳感器敏感元採集轉軸的溫度信號，然後依次通過滑動觸頭、環形導槽以及天線傳送給質詢端天線，實現本發明電主軸溫度的無線、無源信號傳送。導熱套可以通過各種方式與轉軸固定，如焊接等，為了便於裝配和維護，作為優選，所述導熱套外壁設有螺紋，所述轉軸設有與導熱套螺紋配合的螺紋孔。作為優選，所述導熱套的軸線與轉軸的軸線垂直且相交。作為優選，所述傳感器敏感元與所述滑動座相對固定。作為優選，所述導熱套的內壁設有溝槽，所述滑動座設有與所述溝槽相配合的凸塊。通過設置相互配合的溝槽和凸塊，實現了對滑動座的周向定位。作為優選，所述質詢端天線的底部設有磁性連接件，質詢端天線通過磁性連接件固定在殼體上。通過磁性連接件的設計使得質詢端天線能夠安裝在合適的位置。作為優選，還包括固定在殼體內，位於轉軸外圍的環形的安裝座，所述環形導槽設置在安裝座與轉軸相對的側壁上。作為優選，所述殼體包括殼身以及設置在殼身兩端的端蓋，所述安裝座與其中一個端蓋固定，所述天線一端位於殼體外，另一端分別穿過與安裝座對應的端蓋以及安裝座後，與所述導電材料層接觸。本發明的有益效果是：將聲表面波傳感器引入到電主軸內部進行溫度測試，實現電主軸的轉軸在高速旋轉運動狀態下的接觸式溫度測量；通過設置天線，具有導電材料層的環形導槽，以及與導電材料層滑動配合的滑動觸頭，能夠將傳感器敏感元測得的溫度信號傳送至殼體外，克服了由於電磁信號難以通過密閉金屬殼體傳播而導致的聲表面波傳感器無法在電主軸內部應用的難題，能夠實現無線、無源長效監測。附圖說明：圖1是本發明基於聲表面波的電主軸溫度測量裝置的剖視圖；圖2是圖1中安裝溫度測量裝置的局部放大圖；圖3是聲表面波溫度傳感器的剖視圖；圖4是圖3的A向視圖；圖5是安裝座的剖視圖；圖6是安裝座的側視圖；圖7是軸承隔套的剖視圖；圖8是軸承隔套的側視圖；圖9是前端蓋的剖視圖；圖10是前端蓋的側視圖；圖11是溫度測量裝置的工作原理圖。圖中各附圖標記為：1.轉軸，2.前端蓋，4.殼身，5.後端蓋，6.天線，7.質詢端天線，8.安裝座，9.環形導槽，10.聲表面波溫度傳感器，11.軸承隔套，12.導熱套，13.傳感器敏感元，14.彈簧，15.溝槽，16.凸塊，17.滑動觸頭，19.滑動座，20.第一斜孔，21.鎖緊螺母，22.開口，23.第二斜孔。具體實施方式：下面結合各附圖，對本發明做詳細描述。如圖1、2所示，電主軸包括由殼身4、前端蓋2以及後端蓋5構成的殼體，設置在電主軸的殼體中的轉軸1，以及與前端蓋固定位於轉軸外圍的環形的安裝座8。如圖1，2所示，一種基於聲表面波的電主軸溫度測量裝置，包括：環形導槽9，設置在安裝座與轉軸相對的側壁上，且環形導槽具有導電材料層；聲表面波溫度傳感器10，固定在轉軸上，聲表面波溫度傳感器的信號輸出端與環形導槽滑動配合且與導電材料層相接觸；天線6，一端伸入環形導槽與導電材料層接觸，另一端穿出殼體；質詢端天線7，與天線配合進行信號傳輸，質詢端天線的底部設有磁性連接件，質詢端天線通過磁性連接件固定在殼體上，且質詢端天線通過同軸電纜連接有質詢端讀取器(圖中未畫出)，質詢端讀取器與控制端的控制器相連接，該控制器用於控制質詢端讀取器收發電磁波信號以及對轉軸溫度誤差進行補償。如圖3、4所示，聲表面波溫度傳感器包括：導熱套12，外壁設有螺紋，轉軸設有與導熱套螺紋配合的螺紋孔，導熱套與轉軸螺紋配合固定，且導熱套的軸線與轉軸的軸線垂直且相交；滑動座19，設置在導熱套內，能沿導熱套的軸線運動，；滑動觸頭17，固定在滑動座上，與環形導槽滑動配合且與導電材料層相接觸；傳感器敏感元13，固定在滑動座上，且傳感器敏感元13的一端與滑動觸頭連接；彈簧14，設置在導熱套內，一端與滑動座抵接，另一端與轉軸相對固定。導熱套的內壁設有溝槽15，滑動座設有與溝槽相配合的凸塊16。如圖5、6所示，安裝座上還設有用於通過天線的第一斜孔20。如圖2、7、8所示，轉軸上還套設有軸承隔套11，軸承隔套一端與軸承的內圈抵接，另一端與鎖緊螺母21抵靠，鎖緊螺母21套設在轉軸上，與轉軸螺紋配合，軸承隔套的側壁具有用於安置聲表面波溫度傳感器的開口22。如圖9、10所示，前端蓋設有用於通過天線的第二斜孔23。本實施例的裝配方法：軸承按原來順序安裝，安裝好軸承後將轉軸安裝在前端蓋上，然後安裝軸承隔套，然後將聲表面波溫度傳感器螺紋連接到轉軸中，再將安裝座固定在前端蓋上，確保滑動觸頭與環形導槽充分接觸，然後用鎖緊螺母將軸承隔套固定好，質詢端天線4靠磁性連接件安裝在前端蓋上合適位置，其後各部件按原來順序安裝，在此不再贅述。如圖11所示，溫度測量裝置的工作過程如下：質詢端天線與讀取器連接，讀取器控制質詢端天線向天線發出分時間隔電磁波，聲表面波溫度傳感器經天線、環形導槽及滑動觸頭接收電磁波信號，並由聲表面波溫度傳感器內部的叉指換能器將其轉化為聲表面波沿基底傳播，聲表面波遇反射柵後反射回到叉指換能器，然後叉指換能器將其轉化為攜帶溫度信息的回波信號，經滑動觸頭、環形導槽、天線傳輸出去，質詢端天線接收攜帶有溫度信息的回波信號並傳輸給讀取器，由其進行回波信號分析處理，從而獲得轉軸的溫度，進而通過控制端計算機或單片機等控制設備進行溫度熱誤差補償等處理。以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此即限制本發明的專利保護範圍，凡是運用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的保護範圍內。