基于耦合自供电无线传感的数控机床主轴热监测方法及关键技术研究

摘要

本论文针对数控机床主轴热监测技术存在的问题，开展基于耦合自供电无线传感的数控机床主轴热监测新方法和关键技术研究，旨在为主轴热监测提供新的思路和方法，推动我国数控机床精密主轴监测技术的进步和发展。
　　论文中首先综述了数控机床主轴热监测的研究现状，分析了传统有线传感器监测的局限性，即有线传感器在旋转机构上的配置及其存在的问题。为此，提出了基于耦合自供电无线传感监测的新思路和方法，重点研究数控机床实际工况条件下的无线传感器最优配置和热监测过程中传感器能量自捕获的关键技术。
　　针对数控机床主轴实际工况条件下的无线传感器配置问题，提出了工况约束条件下的无线传感器测温点优化配置策略研究，引入信息论中的互信息量来描述并计算测点温度与主轴热变形的相关性;同时通过图的连通性分析寻找无线传感器间的通信路径，在此基础上采用人工鱼群算法求解可选测点组合的优化解。
　　针对主轴热监测过程中的温度传感器能量获取问题，开展了3方面的研究:首先，为了能够获得在主轴工作情况下热电耦合能量采集的特点，采用热网络理论对主轴热-电转换能量输出特性进行研究，对热发电构件与主轴联合建模并给出仿真分析结果，并且设计了相应的实验平台对仿真结构进行实验验证。其次，为了进一步提高能量采集的效率，对无线传感器的热发电构件进行优化研究。采用有限元分析，对散热效果和散热片结构进行研究;针对导热片，采用无网格的方法，对其热结构进行分析研究。在此基础上，提出了散热片和导热片结构设计准则，并且采用实验的方式验证了准则的有效性。最后，对耦合自供电无线传感系统进行研究，得到系统的最优电路拓扑结构以及最优的控制方法。
　　开展了实验研究，验证理论分析与技术方法的正确性和可行性。在实验中，设计了热发电自供能无线传感器的数控机床主轴热监测系统实验平台，进行主轴热监测以及热变形预测实验，通过测温点建立主轴热变形，验证了基于耦合自供电无线传感的数控机床主轴热监测方法和技术的有效性和优越性。

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 数控机床主轴热监测技术研究现状

1．2．1 主轴热监测传感器优化布置研究

1．2．2 主轴热监测传感器研究

1．2．3 基于热监测的主轴热变形建模研究

1．3 机械结构无线传感监测技术研究

1．4 论文的主要研究内容与框架

2 基于能量及通信可靠性约束的主轴热监测无线传感器优化配置方法研究

2．1 引言

2．2 适于机床工况约束的主轴热特性监测无线传感器优化配置理论研究

2．2．1 无线传感器优化配置目标

2．2．2 基于互信息量评价的热敏感点选择方法

2．2．3 机床工况条件下无线传感器能耗约束及通信质量评价方法

2．2．4 基于人工鱼群算法的无线传感器最优配置策略研究

2．3 适于机床工况约束的主轴热特性监测无线传感器优化配置实验

2．3．1 无线传感器优化配置实验平台

2．3．2 无线传感器优化配置方法

2．3．3 无线传感器优化配置理论验证

2．4 本章小结

3 数控机床主轴热监测无线传感器热-电耦合供能方法研究

3．1 引言

3．2 热发电的基本原理

3．3 基于热网络理论的主轴热-电转换能量输出特性研究

3．3．1 热发电构件结构及其建模研究

3．3．2 主轴机械结构建模研究

3．3．3 热-电转换能量输出特性仿真及分析

3．4 主轴热-电转换能量输出特性实验

3．4．1 实验平台介绍以及参数获得

3．4．2 实验过程

3．4．3 实验结果与讨论

3．5 本章小结

4 基于热电效应的主轴热监测无线传感器自供能构件研究

4．1 引言

4．2 基于有限元分析的热发电构件散热结构研究

4．2．1 热发电构件散热片基本结构设计

4．2．2 散热结构分析及优化设计

4．3 基于无网格方法的热发电构件导热结构研究

4．3．1 无网格分析方法的基本理论概述

4．3．2 基于无网格方法的导热方程离散化

4．3．3 导热结构分析及优化设计

4．4 热发电构件实验研究

4．4．1 热发电构件散热片实验研究

4．4．2 热发电构件导热片实验研究

4．5 本章小结

5 基于热发电能量管理的主轴热监测自供能无线传感系统研究

5．1 引言

5．2 无线传感系统电路拓扑结构及其电源输入特性研究

5．2．1 无线传感系统能量管理电路拓扑结构分析

5．2．2 无线传感系统电源输入特性分析

5．3 主轴热监测无线传感系统供能优化控制策略的研究

5．3．1 基于时间的供能优化控制策略研究

5．3．2 基于时间改进的供能优化控制策略研究

5．4 主轴热监测无线传感系统实验研究

5．4．1 无线传感系统电路设计及其能量采集性能测试

5．4．2 无线传感系统工作性能测试

5．5 本章小结

6 基于耦合自供电无线传感的主轴热监测实验研究

6．1 引言

6．2 实验平台构建

6．2．1 主轴结构设计

6．2．2 热发电构件设计

6．2．3 无线传感系统控制电路设计

6．2．4 接收端电路设计

6．3 基于自供能无线传感的主轴热特性监测实验

6．3．1 主轴温度的监测

6．3．2 主轴热变形的监测

6．3．3 主轴热变形建模

6．4 实验结果及其分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果及参加的科研项目