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基于无源无线声表面波技术的机床主轴热监测系统研究与实现

曾庆辉  
【摘要】:随着数控机床加工精度要求的提高,机床热误差问题的研究变得尤为重要。而主轴作为机床的核心功能部件,其热变形将影响整个机床的工作性能,因此对机床主轴的热监测技术研究具有十分重要的意义。论文在深入研究声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)温度传感技术相关理论的基础上,提出了一种基于无源无线SAW传感技术的机床主轴热监测方法,并针对该方法开展了相关的研究和实现工作。首先,阐述了研究工作的背景及意义,详细综述了机床主轴热监测技术和SAW传感技术的国内外研究现状。在此基础上,论文详细论述了无源无线SAW温度传感技术的相关理论基础,包括SAW传感器的结构和分类等。结合不同类型传感器的特点和论文的应用场合,选择了单端谐振型SAW温度传感器,同时对该类型传感器的测温原理和频率响应特性进行了讨论,为热监测系统的设计和实现提供了理论基础。其次,论文在SAW热监测系统总体设计的基础上对阅读器的射频发射链路和射频接收链路进行了详细的设计和制作。发射链路主要包括本振模块、射频功放模块和开关模块;接收链路主要为下变频模块。论文针对每个功能模块进行芯片的选型、电路的设计、制作和功能的测试等,最后完成了该系统阅读器的研制。同时论文完成了该系统上位机软件的设计与开发,该软件主要实现阅读器上传数据的接收、处理和显示等功能。最后,论文在天线设计理论的研究基础上,开展了SAW主轴热监测系统性能分析和优化研究。通过系列实验研究了不同因素对系统电磁信号传输质量的影响,包括信号传输距离、天线间夹角和周围的金属环境,根据实验结果设计了该系统的优化配置方案。基于该系统的优化配置方案,论文完成了热监测系统的静态测温实验和主轴热监测实验,通过静态测温实验验证了谐振频率与温度的近似线性关系,分析了系统的静态热监测性能;通过与传统的有线热监测系统对比完成了主轴热监测实验。结果表明SAW热监测系统可以更直接地获取主轴温度场的数据,更明显地反映主轴温度场的变化情况。证明了基于无源无线SAW传感技术的主轴热监测方法的有效性和优越性。


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