搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量的智能刀柄系统技术方案

一种搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量的智能刀柄系统，基于刀柄内部传感器单元、测力、力矩单元及无线电能及信号同步传输单元，为高速旋转的搅拌摩擦焊焊接在线测量系统提供了可靠解决方案。智能刀柄系统能够实现非接触式供电及信号的传输功能，感知焊接过程中力、力矩信号。智能刀柄内部传感器单元、测力及力矩测量单元包括半导体应变片、数据采集、处理、传输模块，智能刀柄无线电能与信号混合传输系统包括电能无线传输部分、载波信号调制调解电路和电磁耦合机构；通过将直流电能进行逆变变换，由电磁耦合机构以非接触方式将电能传输至焊接刀柄内部测量单元，实现对高速旋转的焊接刀柄测试系统的无线电能传输，提高了系统稳定性、安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量的智能刀柄系统，特别是涉及一种基于电磁谐振耦合电能与信号混合传输的焊接刀柄在线测试系统，属于机床刀柄、搅拌摩擦焊刀柄等高速旋转刀柄测试系统领域。
技术介绍
搅拌摩擦焊是一种新型的焊接技术，焊接过程中焊接质量控制是该
热门研究方向。焊接过程中获得压紧力的精确值是实现焊接恒压力控制的重要途径。目前获得恒压力的方法是在焊接刀柄上直接安装压力传感器进行测量，这种方法很好地解决了测量准确性问题，考虑到刀柄在工作期间一直是高速旋转的，传统解决方法是利用导电滑环方式进行电能及信号的传输。在使用中发现，长时间的工作，滑环刷丝极易发热老化，甚至脱落，可靠性差。随着电力电子及通讯技术发展，针对滑环式连接方式存在的缺陷，设计一种非接触式的无线电能及信号混合传输系统，是非接触式力、力矩传感器测量领域的研究焦点，使焊接刀柄对焊接力及力矩在线直接测量成为可能。
技术实现思路
本专利技术目的是为解决搅拌摩擦焊焊接力及焊接力矩的直接测量提出的，可以避免使用滑环结构所带来的不安全性及寿命短等缺点，基于电磁耦合谐振技术和载波通信原理，实现焊接刀柄测量系统的无线电能、信号的传输。本专利技术采用的技术方案是，一种搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量的智能刀柄系统，包括焊接刀柄，焊接刀柄内部测力、力矩测试系统，焊接刀柄内部弹性体感知单元，无线电能及信号同步传输副边单元，无线电能及信号同步传输原边单元，固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架；所述焊接刀柄弹性体感应单元与焊接刀柄内部测力及力矩测试系统封装在焊接刀柄内部，所述的无线电能及信号同步传输副边单元套在焊接刀柄外径上随主轴做高速旋转运动，所述的无线电能及信号同步传输原边单元固定在固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架上相对于主轴固定不动；所述无线电能及信号同步传输原边单元向无线电能及信号同步传输副边单元传输电能，所述无线电能及信号同步传输副边单元向无线电能及信号同步传输原边单元传输信号。进一步，所述焊接刀柄内部测力、力矩测试系统包括微弱信号放大单元、抗高温采集处理电路单元，微弱信号放大单元、抗高温采集处理电路单元一体集成在刀柄内部，并通过灌胶工艺封装成一体，对外只提供三根导线，分别是电源线、地线、信号线。。进一步，所述焊接刀柄内部弹性体感知单元包括，四个方向半导体应变单元，其中两个方向为轴向力感应单元，另外两个方向为扭矩感应单元。进一步，所述无线电能及信号同步传输副边单元包括：副边能量与信号耦合线圈、导磁片、电能拾取电路、副边谐振补偿电路、感知单元信号调制电路；所述电能拾取电路、副边谐振补偿电路、感知单元信号调制电路在一块PCB板上，PCB板并且封装在副边单元中；副边能量与信号耦合线圈绕在导磁片上。优选地，所述PCB板采用圆形结构。优选地，所述副边能量与信号耦合线圈绕在导磁片上，采用同轴圆环方式绕制。优选地，所述感知单元信号调制电路采用2ASK信号调制方式。进一步，所述无线电能及信号同步传输原边单元包括原边能量与信号耦合线圈、磁芯、直流逆变电路，原边谐振补偿电路，感知单元信号解调电路；所述直流逆变电路采用电流型全桥逆变电路，原边补偿电路采用C，L并联谐振方式，感知单元信号解调电路采用2ASK信号解调方式。进一步，微弱信号放大单元采用AD620仪用放大器作为主放大器，抗高温采集处理电路单元采用PIC18F系列抗高温单片机及AD7606模数转换芯片构成。本专利技术的有益效果是：解决了搅拌摩擦焊焊接力及焊接力矩的直接测量，避免了使用滑环结构所带来的不安全性及寿命短等缺点。附图说明图1为本专利技术专利的搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量的智能刀柄系统示意图。图2为智能刀柄系统感知单元及测力、力矩单元系统框图。图3为智能刀柄系统无线电能及信号同步传输部分系统框图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步详细的描述。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限定本专利技术的范围。图1所示搅拌摩擦焊焊接力在线测量智能刀柄系统包括焊接刀柄1，焊接刀柄内部测力、力矩测试系统2，焊接刀柄内部弹性体感应单元3，无线电能及信号同步传输副边单元4，无线电能及信号同步传输原边单元5，固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架6。其中焊接刀柄弹性体感应单元3与焊接刀柄内部测力、力矩测试系统2封装在焊接刀柄1内部，无线电能及信号同步传输副边单元4套在焊接刀柄1外径上随主轴做高速旋转运动，所述的无线电能及信号同步传输原边单元5固定在固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架6上相对于主轴是固定不动的。所述的焊接刀柄1内部弹性体感应单元图2所示，采用半导体应变片组桥方式构成，半导体应变片受力变形，电阻值就会有相应的变化，测量变化的电阻值即可得到相应的信号。由于在焊接过程中需要同时监测焊接力及焊接力矩，故弹性体感应单元采用90°及45°两种不同的粘贴方式，以达到同时测量两个参数的目的。首先在焊接刀柄1内部弹性体单元3粘贴半导体应变片，利用半导体应变片组桥方式来感知焊接力及焊接力矩，并将焊接刀柄内部测力、力矩测试系统2封装在焊接刀柄内部，它们用来放大、采集、处理半导体应变片产生的微弱信号。所述的焊接刀柄内部测力及力矩系统2如图2所示，实现放大刀柄内部弹性体感应单元输出的微弱信号并将放大后的信号进行采集、处理、传输，微弱信号放大采用AD620仪用放大器作为主放大电路，另外由于内部弹性体感应单元是利用半导体应变片组桥而成，所以需要为传感器提供供桥电压，并且保证供桥电压的稳定度和纹波均不超过0.1mV。放大后的信号采集采用PIC18F系列单片机及AD7606模数转换芯片构成，最后将采样处理后的数字量信号通过PIC18F单片机的串行口输出。所述的无线电能及信号同步传输副边单元4及无线电能及信号同步传输原边单元5的系统框图如图3下所示，无线电能及信号同步传输原边单元5向无线电能及信号同步传输副边单元4传输电能，所述无线电能及信号同步传输副边单元4向无线电能及信号同步传输原边单元5传输信号。所述的无线电能及信号同步传输原边单元实现步骤是将DC24V的直流电压逆变成高频的交流电压通过电容与线圈并联补偿结构后使电路产生谐振，这样就能在原边耦合线圈上得到较大幅值的交变电流，交变电流在耦合线圈上就会产生交变的磁场，从而通过松耦合的方式将原边电能耦合至副边。同时原边耦合线圈还会感应出副边线圈发来的调制高频信号，通过原边解调电路将调制高频信号进行解调，还原出副边感应单元的测力信号。所述的无线电能及信号同步传输原边单元实现原理是将刀柄内部测力、力矩单元2发出的TTL电平信号，调制到10.7MHz的载波频率上，利用2ASK调制方式进行信号的调制，产生一个高频调制信号，发送至副边耦合线圈。同时副边耦合线圈感应出原边线圈传输的电能，传输过来的电能是交流电压，同样经过电容电感串联结构进行补偿后，再进行整流和稳压，从而产生一个稳定的10V直流电压。焊接刀柄1内部包括半导体应变片感知单元及测力、力矩信号处理单元2，它们俩为一体集成在刀柄内部，并通过灌胶工艺封装成一体，对外只提供三根导线，分别是电源线、地线、信号线。然后焊接刀柄外径上套入无线电能耦合机构的副边部分4，在主轴固定部分利用支架固定无线电能耦合机构的原边部分5。副边部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量的智能刀柄系统，其特征在于：包括焊接刀柄，焊接刀柄内部测力、力矩测试系统，焊接刀柄内部弹性体感知单元，无线电能及信号同步传输副边单元，无线电能及信号同步传输原边单元，固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架；所述焊接刀柄弹性体感应单元与焊接刀柄内部测力及力矩测试系统封装在焊接刀柄内部，所述的无线电能及信号同步传输副边单元套在焊接刀柄外径上随主轴做高速旋转运动，所述的无线电能及信号同步传输原边单元固定在固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架上相对于主轴固定不动；所述无线电能及信号同步传输原边单元向无线电能及信号同步传输副边单元传输电能，所述无线电能及信号同步传输副边单元向无线电能及信号同步传输原边单元传输信号。

【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量的智能刀柄系统，其特征在于：包括焊接刀柄，焊接刀柄内部测力、力矩测试系统，焊接刀柄内部弹性体感知单元，无线电能及信号同步传输副边单元，无线电能及信号同步传输原边单元，固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架；所述焊接刀柄弹性体感应单元与焊接刀柄内部测力及力矩测试系统封装在焊接刀柄内部，所述的无线电能及信号同步传输副边单元套在焊接刀柄外径上随主轴做高速旋转运动，所述的无线电能及信号同步传输原边单元固定在固定无线电能及信号同步传输原边单元的支架上相对于主轴固定不动；所述无线电能及信号同步传输原边单元向无线电能及信号同步传输副边单元传输电能，所述无线电能及信号同步传输副边单元向无线电能及信号同步传输原边单元传输信号。2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量智能刀柄系统，其特征在于：所述焊接刀柄内部测力、力矩测试系统包括微弱信号放大单元、抗高温采集处理电路单元，微弱信号放大单元、抗高温采集处理电路单元一体集成在刀柄内部，并通过灌胶工艺封装成一体，对外只提供三根导线，分别是电源线、地线、信号线。3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接力在线测量智能刀柄系统，其特征在于：所述焊接刀柄内部弹性体感知单元包括，四个方向半导体应变单元，其中两个方向为轴向力感应单元，另外两个方向为扭矩感应单元。4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接力及力矩在线测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海勇，刘秀芳，王江，杨洋，田海林，白彦伟，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂，
类型：发明
国别省市：上海;31