热电耦合自供电无线传感的能量管理系统及在精密主轴热监测中的应用

摘要

精密主轴热监测是实现数控机床热精度控制的基础.无线传感器是解决传统有线传感器在旋转结构上配置难题的有效手段,但其供能问题仍成为主轴监测应用中的难点.针对无线传感器热电耦合自供能中存在的输出电量低和电压波动特点,提出一种新型能量管理系统电路拓扑结构,及基于最优时间的充放电控制策略,以保证自供能无线传感器可以在各种主轴转速条件下稳定工作.建立机床主轴的热网络模型,分析热发电能量管理系统输入特性;在此基础上,设计能量管理系统的多电容电路拓扑结构,并通过电容充放电时间参数的优化计算,获取最优的热发电平均输出功率.实验研究证实了在主轴不同转速下热发电构件及能量管理系统可以使驱动无线传感器稳定的工作,并通过对不同的电容充电和放电时间设置方案的比对,验证了最优时间控制策略的优越性.在此基础上,利用热电耦合自供能无线传感器和传统有线传感器所监测的温度数据分别进行主轴轴向热变形建模实验,结果表明,采用无线传感器可以监测有线传感器难以配置的主轴核心部件,从而获取更为直接、准确的温度数据,提高所建热误差预测模型精度约40％以上。