本發明涉及一種攪拌摩擦焊焊接力及力矩在線測量的智能刀柄系統，特別是涉及一種基于電磁諧振耦合電能與信號混合傳輸的焊接刀柄在線測試系統，屬于機床刀柄、攪拌摩擦焊刀柄等高速旋轉刀柄測試系統領域。

背景技術：

攪拌摩擦焊是一種新型的焊接技術，焊接過程中焊接質量控制是該技術領域熱門研究方向。焊接過程中獲得壓緊力的精確值是實現焊接恒壓力控制的重要途徑。目前獲得恒壓力的方法是在焊接刀柄上直接安裝壓力傳感器進行測量，這種方法很好地解決了測量準確性問題，考慮到刀柄在工作期間一直是高速旋轉的，傳統解決方法是利用導電滑環方式進行電能及信號的傳輸。在使用中發現，長時間的工作，滑環刷絲極易發熱老化，甚至脫落，可靠性差。

隨著電力電子及通訊技術發展，針對滑環式連接方式存在的缺陷，設計一種非接觸式的無線電能及信號混合傳輸系統，是非接觸式力、力矩傳感器測量領域的研究焦點，使焊接刀柄對焊接力及力矩在線直接測量成為可能。

技術實現要素：

本發明目的是為解決攪拌摩擦焊焊接力及焊接力矩的直接測量提出的，可以避免使用滑環結構所帶來的不安全性及壽命短等缺點，基于電磁耦合諧振技術和載波通信原理，實現焊接刀柄測量系統的無線電能、信號的傳輸。

本發明采用的技術方案是，一種攪拌摩擦焊焊接力及力矩在線測量的智能刀柄系統，包括焊接刀柄，焊接刀柄內部測力、力矩測試系統，焊接刀柄內部彈性體感知單元，無線電能及信號同步傳輸副邊單元，無線電能及信號同步傳輸原邊單元，固定無線電能及信號同步傳輸原邊單元的支架；

所述焊接刀柄彈性體感應單元與焊接刀柄內部測力及力矩測試系統封裝在焊接刀柄內部，所述的無線電能及信號同步傳輸副邊單元套在焊接刀柄外徑上隨主軸做高速旋轉運動，所述的無線電能及信號同步傳輸原邊單元固定在固定無線電能及信號同步傳輸原邊單元的支架上相對于主軸固定不動；所述無線電能及信號同步傳輸原邊單元向無線電能及信號同步傳輸副邊單元傳輸電能，所述無線電能及信號同步傳輸副邊單元向無線電能及信號同步傳輸原邊單元傳輸信號。

進一步，所述焊接刀柄內部測力、力矩測試系統包括微弱信號放大單元、抗高溫采集處理電路單元，微弱信號放大單元、抗高溫采集處理電路單元一體集成在刀柄內部，并通過灌膠工藝封裝成一體，對外只提供三根導線，分別是電源線、地線、信號線。。

進一步，所述焊接刀柄內部彈性體感知單元包括，四個方向半導體應變單元，其中兩個方向為軸向力感應單元，另外兩個方向為扭矩感應單元。

進一步，所述無線電能及信號同步傳輸副邊單元包括：副邊能量與信號耦合線圈、導磁片、電能拾取電路、副邊諧振補償電路、感知單元信號調制電路；

所述電能拾取電路、副邊諧振補償電路、感知單元信號調制電路在一塊PCB板上，PCB板并且封裝在副邊單元中；副邊能量與信號耦合線圈繞在導磁片上。

優選地，所述PCB板采用圓形結構。

優選地，所述副邊能量與信號耦合線圈繞在導磁片上，采用同軸圓環方式繞制。

優選地，所述感知單元信號調制電路采用2ASK信號調制方式。

進一步，所述無線電能及信號同步傳輸原邊單元包括原邊能量與信號耦合線圈、磁芯、直流逆變電路，原邊諧振補償電路，感知單元信號解調電路；所述直流逆變電路采用電流型全橋逆變電路，原邊補償電路采用C，L并聯諧振方式，感知單元信號解調電路采用2ASK信號解調方式。

進一步，微弱信號放大單元采用AD620儀用放大器作為主放大器，抗高溫采集處理電路單元采用PIC18F系列抗高溫單片機及AD7606模數轉換芯片構成。

本發明的有益效果是：解決了攪拌摩擦焊焊接力及焊接力矩的直接測量，避免了使用滑環結構所帶來的不安全性及壽命短等缺點。

附圖說明

圖1 為本發明專利的攪拌摩擦焊焊接力及力矩在線測量的智能刀柄系統示意圖。

圖2為智能刀柄系統感知單元及測力、力矩單元系統框圖。

圖3 為智能刀柄系統無線電能及信號同步傳輸部分系統框圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細的描述。應理解，以下實施例僅用于說明本發明而非用于限定本發明的范圍。

圖1所示攪拌摩擦焊焊接力在線測量智能刀柄系統包括焊接刀柄1，焊接刀柄內部測力、力矩測試系統2，焊接刀柄內部彈性體感應單元3，無線電能及信號同步傳輸副邊單元4，無線電能及信號同步傳輸原邊單元5，固定無線電能及信號同步傳輸原邊單元的支架6。

其中焊接刀柄彈性體感應單元3與焊接刀柄內部測力、力矩測試系統2封裝在焊接刀柄1內部，無線電能及信號同步傳輸副邊單元4套在焊接刀柄1外徑上隨主軸做高速旋轉運動，所述的無線電能及信號同步傳輸原邊單元5固定在固定無線電能及信號同步傳輸原邊單元的支架6上相對于主軸是固定不動的。

所述的焊接刀柄1內部彈性體感應單元圖2所示，采用半導體應變片組橋方式構成，半導體應變片受力變形，電阻值就會有相應的變化，測量變化的電阻值即可得到相應的信號。由于在焊接過程中需要同時監測焊接力及焊接力矩，故彈性體感應單元采用90°及45°兩種不同的粘貼方式，以達到同時測量兩個參數的目的。首先在焊接刀柄1內部彈性體單元3粘貼半導體應變片，利用半導體應變片組橋方式來感知焊接力及焊接力矩，并將焊接刀柄內部測力、力矩測試系統2封裝在焊接刀柄內部，它們用來放大、采集、處理半導體應變片產生的微弱信號。

所述的焊接刀柄內部測力及力矩系統2如圖2所示，實現放大刀柄內部彈性體感應單元輸出的微弱信號并將放大后的信號進行采集、處理、傳輸，微弱信號放大采用AD620儀用放大器作為主放大電路，另外由于內部彈性體感應單元是利用半導體應變片組橋而成，所以需要為傳感器提供供橋電壓，并且保證供橋電壓的穩定度和紋波均不超過0.1mV。放大后的信號采集采用PIC18F系列單片機及AD7606模數轉換芯片構成，最后將采樣處理后的數字量信號通過PIC18F單片機的串行口輸出。

所述的無線電能及信號同步傳輸副邊單元4及無線電能及信號同步傳輸原邊單元5的系統框圖如圖3下所示，無線電能及信號同步傳輸原邊單元5向無線電能及信號同步傳輸副邊單元4傳輸電能，所述無線電能及信號同步傳輸副邊單元4向無線電能及信號同步傳輸原邊單元5傳輸信號。

所述的無線電能及信號同步傳輸原邊單元實現步驟是將DC24V的直流電壓逆變成高頻的交流電壓通過電容與線圈并聯補償結構后使電路產生諧振，這樣就能在原邊耦合線圈上得到較大幅值的交變電流，交變電流在耦合線圈上就會產生交變的磁場，從而通過松耦合的方式將原邊電能耦合至副邊。同時原邊耦合線圈還會感應出副邊線圈發來的調制高頻信號，通過原邊解調電路將調制高頻信號進行解調，還原出副邊感應單元的測力信號。

所述的無線電能及信號同步傳輸原邊單元實現原理是將刀柄內部測力、力矩單元2發出的TTL電平信號，調制到10.7MHz的載波頻率上，利用2ASK調制方式進行信號的調制，產生一個高頻調制信號，發送至副邊耦合線圈。同時副邊耦合線圈感應出原邊線圈傳輸的電能，傳輸過來的電能是交流電壓，同樣經過電容電感串聯結構進行補償后，再進行整流和穩壓，從而產生一個穩定的10V直流電壓。

焊接刀柄1內部包括半導體應變片感知單元及測力、力矩信號處理單元2，它們倆為一體集成在刀柄內部，并通過灌膠工藝封裝成一體，對外只提供三根導線，分別是電源線、地線、信號線。然后焊接刀柄外徑上套入無線電能耦合機構的副邊部分4，在主軸固定部分利用支架固定無線電能耦合機構的原邊部分5。副邊部分是隨焊接刀柄做高速旋轉運動，原邊固定不動，實現電能、信號的旋轉式非接觸傳輸。其中，副邊部分包括耦合機構的次級線圈、次級導磁片、電能拾取模塊、整流濾波模塊、信號載波發生模塊、信號調制模塊、功率放大模塊。原邊部分包括耦合機構的初級線圈、初級磁芯、高頻逆變模塊、并聯諧振模塊、信號解調模塊。

所述的焊接刀柄1半導體應變片組橋方式采用電壓型全橋方式，橋路供電電壓為6V，橋路輸出信號為20mV/V。

所述的焊接刀柄1內部測力、力矩單元包括力傳感放大單元、力矩傳感放大單元2、力與力矩信號采集、處理、傳輸單元。焊接刀柄內部測力、力矩單元直接與半導體應變片的輸出信號端相連。

所述的原邊部分輸入24V直流電源，經過高頻逆變電路將直流電能轉換為高頻交流電能，再經過并聯諧振補償電路后，輸出至原邊電磁耦合機構產生交變的電磁場。通過交變的電磁場耦合到副邊線圈產生電動勢，再經過副邊的串聯諧振模塊進行補償后，通過整流濾波電路即可得到穩定的電壓。副邊信號直接與焊接刀柄內部測力、力矩單元輸出信號線相連，副邊信號調制電路采用2ASK調制方式，將焊接刀柄產生的二進制信號進行調制放大后輸出至副邊耦合線圈上。

所述的無線電能耦合機構次級線圈采用同軸圓環方式繞制，線圈半徑為25mm，高度為5mm。初級線圈采用正方體纏繞方式。所述的無線電能耦合機構初級線圈、次級線圈采用松耦合連接方式，分別繞制于初級磁芯和次級磁芯上，均采用反向繞制方式。

所述的高頻逆變模塊采用電流型全橋逆變器電路，將輸入的直流電源轉換為高頻交流電能，經電源線輸出至電磁耦合機構的初級線圈側。

所述并聯諧振模塊是將高頻逆變后的電能進一步進行補償，使電能在傳輸線圈上達到最大值。

所述信號解調模塊將電磁耦合機構初級線圈感應出的高頻載波信號進行信號的解調任務。

所述副邊電能拾取電路采用單相全橋整流電路和電容濾波方式，將電磁耦合機構次級線圈輸出的高頻交流電能轉換為直流電能。

所述的信號載波發生模塊、信號調制模塊、功率放大模塊構成信號調制發送電路，信號載波發生電路產生10.7MHz的高頻載波信號，信號調制模塊將刀柄測試系統發出的二進制信號進行2ASK方式調制，功率放大模塊將調制小功率信號放大并加載到信號發送線圈。