一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源制造技术

公开了一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，包括：能量收集模块，包括能量收集单元，用于高效收集智能车间物联制造执行过程中切削振动能转化的电能、切削热能转化的电能、切削噪声能转化的电能及结构件变形能转化的电能，并且对收集的多源电能进行耦合；能量管理模块，包括能量存储单元和能量管理单元；以及能量监控模块，包括监控单元、报警单元、复位单元和设置单元，所述监控单元用于监测切削振动能、切削热能、切削噪声能和结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中的电压及所述能量存储单元中的电压经能量管理单元作用后的输出电压，且对能量管理单元的通断进行控制。理单元的通断进行控制。理单元的通断进行控制。

【技术实现步骤摘要】
一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源


[0001]本专利技术涉及微电源与自供能的传感器节点、无线传感器网络领 域，特别涉及到一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微 电源。

技术介绍

[0002]智能制造技术的发展促进了全球产业的变革，加快了我国制造业 由传统制造模式向智能制造模式的转变速度，在未来很长的一段时间 内，中国的制造业仍会朝着智能制造方向发展。可以将新兴的信息技 术与制造业融合，实现制造执行过程管理的智能化，从而实现制造车 间的智能化。因此，在制造业中引入物联网技术，实现制造资源物物 相连，对制造执行过程的现场信息进行实时感知、传输和处理，满足 车间生产的动态需求对实现制造车间的数字化、网络化及智能化至关 重要。
[0003]随着物联网技术在制造业的广泛应用，这种以信息感知技术为驱 动力的制造系统一物联制造系统，有力地推动着智能制造向自动化、 信息化、集成化、绿色化方向发展。制造物联是将网络、嵌入式、RFID、 传感器等电子信息技术与制造技术相融合，实现对产品制造与服务过 程及全生命周期中制造资源与信息资源的动态感知、智能处理与优化 控制的一种新型制造模式和信息服务模式。制造物联给制造业信息化 注入了新内涵，是提升企业竞争力的重要技术途径。其中无线传感网 络(Wireless Sensor Network，WSN)作为物联网的关键技术，是实 现物联制造执行过程(机床监测(颤振监测、过载监测)、刀具监测 (刀具磨损监测、刀具破损监测)、工件质量监测(表面粗糙度监测、 尺寸精度监测、变形监测等))、车间环境监测(如温度、湿度、噪 声监测等)的重要手段，也是制造物联的重要技术支撑。
[0004]智能车间的无线传感网络是一种由大量分布的、具有实时感知和 自组织能力的传感器节点组成的网状网络，随着传感器节点数量的增 加、传感节点的设置环境
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智能车间更加复杂，WSN的供电问题日益 突出，如何为这些无线传感节点供电已成为未来制约WSN发展的关键 问题之一。目前，给WSN供电的方式主要有两种，即利用市电的有线 供电方式和电池供电方式。对于电池供电普遍使用干电池或充电电池 供电，但是，由于电池的存储能量有限，导致其工作寿命短，需要定 期更换电池或给电池充电，这对于大量安置在智能车间的传感节点， 更换成本十分高昂甚至无法实现，而且更换下来的电池会造成环境的 污染。对于市电的有线供电，需要为每个传感节点配一根电缆，接到 市电源开关上，要实现这个过程，必须花费很大的人力去布置市电源 开关及电缆，而且要求安装人员无差错的给每个传感节点配置电缆与 市电源开关，布置电缆及电源开关一定要合理，并且要求放置的电缆 在监测的过程中不会被破坏。整个过程对测试人员来说非常繁琐，会 带来很多不便，如果传感节点过多，布置的电缆及电源开关甚至会引 起视觉混乱。此外，随着无线传感节点向着智能化、多功能化(可同 时采集和处理多种物理信息)以及超低功耗的方向发展，无线传感节 点对供电电源的要求更加苛刻，例如，要求供电电源能够同时提供不 同电压等级的供电电压，以满足不同传感器或电路模块的供电电压需 求。
[0005]在智能车间物联制造执行过程中，结构件的切削变形会产生能 量，这部分切削变形能最终会变成结构件表面的热能消耗在结构件表 面，增加结构件表面损坏的风险，所以可以使用结构件变形能量采集 装置将结构件变形能转化为电能，在减缓结构件变形能对结构件表面 损坏的同时，使用微电源将结构件变形能转化的电能收集、存储起来， 然后将稳定的电能供给传感器节点等微电子设备。
[0006]在智能车间物联制造执行过程中，普遍存在切削振动，严重危害 了结构件表面质量、机床和刀具寿命及加工效率，一种有效减少切削 振动危害的办法是使用振动能量采集装置将切削振动源的切削振动 能转化为电能，进而减少物联制造执行过程中切削振动对工件、机床 及刀具的危害，但转化的电能不能直接应用于传感器节点供能，需要 使用微电源将切削振动能转化的电能收集、存储起来，然后将稳定的 电能供给传感器节点等微电子设备。
[0007]在智能车间物联制造执行过程中出现的冲击、挤压和撕裂均会产 生切削噪声，并且刀具和被加工的结构件是主要的切削噪声源，切削 噪声的存在会使工作人员情绪烦躁、易怒，注意力不集中，降低工作 效率，甚至可能成为意外事故的隐患，对工作人员各方面都非常不利。 作为一种潜在的可再生能源，声能具有广阔的发展和利用前景。可以 采用声能采集装置吸收切削噪声，降低切削噪声对工作人员的危害， 并将切削噪声能量转化成电能，但切削噪声转化的电能并不能直接应 用于传感器节点供能，需要使用微电源将电能收集、存储起来，然后 将稳定的电能供给传感器节点等微电子设备。
[0008]在智能车间物联制造执行过程中，结构件在刀具作用下发生弹性 和塑性变形所消耗的工、切屑与刀具前刀面的摩擦所消耗的工、结构 件与刀具后面的摩擦所消耗的功的绝大部分会转变成切削热，切削热 由切屑、刀具、工件及周围介质传出，其中传入切屑和周围介质的热 量对加工无直接影响，但是传入刀具的热量使切削区的温度升高，刀 具的温度升高，磨损加剧，会影响刀具的使用寿命。切削热传入结构 件，结构件温度升高，产生热变形，影响加工精度。因此可以使用热 能采集装置将有害的切削热能转化为电能存储利用，进而减少切削热 的危害，同时可以使用微电源高效收集与存储转化的电能，为传感器 节点等微电子设备的自供电提供一种理想的解决方案。
[0009]切削振动、切削噪声、结构件变形能量采集装置中将机械能转化 为电能的方法包括电磁转化、静电转化和压电转化。电磁能量采集装 置利用切削振动能量、切削噪声能量、结构件变形能量使线圈与磁场 相对运动，发生作用产生电流，其线圈体积大、耗能多，俘能效果不 佳。静电能量采集装置利用切削振动能、切削噪声能、结构件变形能 改变极板间的关系，从而改变电容量大小。若令电量一定，则电容减 小时电压升高；而令电压一定，则电容减小时电量增大。其优点是在 微机电系统中容易与电路部分整合，体积小；但因其极板间空气薄膜 具有较大阻尼效应和极板间距离不能太小而难以微型化，所以静电能 量采集转置也不常用。压电能量采集装置利用切削振动、切削噪声、 结构件变形引起压电材料变形，进而引起其内部正负电荷中心分离， 产生极化电压，极化电压驱动极板上的自由电荷定向流动而输出电 能，压电能量采集装置具有力电转换效率高、能耗低、成本低、结构 简单、易于加工、不受电磁干扰、利于微型化等优点，因此在智能车 间物联制造执行过程中使用压电式能量采集装置将切削振动能、切削 噪声能及结构件变形能转化成电能。
[0010]切削热能量采集装置包括热电发生器、薄膜热电发生器。热电发 生器的核心组件
是一组热电偶，它包括一个N型与一个P型半导体， 两者由金属板相连。在P型与N型材料对端的导电连接构成了一个完 整电路。当热电偶存在热梯度时(即顶部比底部热)，热电发生器(TEG) 工作。在该情况下，器件产生电压并形成电流，根据赛贝克效应，切 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，其特征在于，包括：能量收集模块，包括能量收集单元，所述能量收集单元用于收集智能车间物联制造执行过程切削振动能转化的电能、切削热转化的电能、切削噪声转化的电能及结构件变形能转化的电能，并且对收集的多源电能进行耦合；能量管理模块，包括能量存储单元和能量管理单元，所述能量存储单元利用高比能全固态平面微型超级电容的循环稳定性实现储能容量、储能时间的最优配置；以及能量监控模块，包括监控单元、报警单元、复位单元和设置单元，所述监控单元用于监测切削振动能、切削热能、切削噪声能和结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中的电压及所述能量存储单元中的电压经能量管理单元作用后的输出电压，且对能量管理单元的通断进行控制。2.根据权利要求1所述的用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，其特征在于，所述能量收集模块包括第一超低功耗芯片及其外围电路，所述外围电路包括：第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第八电容(C8)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)和第二极管(D2)，所述第一电容(C1)一端、第二电容(C2)一端及第一超低功耗芯片的第十五引脚(VSTOR)连接，所述第一电容(C1)另一端及第二电容(C2)另一端接地，所述第三电容(C3)一端、第一电感(L1)一端、第二电阻(R2)一端及第一超低功耗芯片的第二引脚(VIN_DC)连接，所述第三电容(C3)另一端接地，所述第一电感(L1)另一端与第一超低功耗芯片的第十六引脚(LBST)连接，所述第二电阻(R2)另一端、第四电阻(R4)一端及第一超低功耗芯片的第三引脚(VOC_SAMP)连接，所述第四电阻(R4)的另一端接地，所述第八电容(C8)一端与第一超低功耗芯片的第四引脚(VREF_SAMP)连接，所述第八电容(C8)的另一端接地，所述第六电阻(R6)一端、第八电阻(R8)一端及第一超低功耗芯片的第六引脚(VBAT_OV)连接，所述第六电阻(R6)另一端、第七电阻(R7)另一端、第五电阻(R5)另一端及第一超低功耗芯片的第七引脚(VRDIV)连接，所述第八电阻(R8)另一端接地，所述第九电阻(R9)一端、第七电阻(R7)一端及第一超低功耗芯片的第八引脚连接，所述第一电阻(R1)一端与第一超低功耗芯片的第十一引脚(VBAT_OK)连接接地，所述第一电阻(R1)另一端、第三电阻(R3)一端及第一超低功耗芯片的第十引脚(OK_PROG)连接，所述第三电阻(R3)另一端、第五电阻(R5)一端及第一超低功耗芯片的第九引脚(OK_HYST)连接。3.根据权利要求1所述的用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，其特征在于，所述能量收集模块包括第二超低功耗芯片及其外围电路，所述外围电路包括：第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第七电容(C7)和第二电感(L2)，所述第四电容(C4)的一端与第二超低功耗芯片的第三引脚(CAP)连接，所述第四电容(C4)的另一端、第六电容(C6)的一端及第二超低功耗芯片的第一引脚(VIN)连接，所述第六电容(C6)的另一端与所述第七电容(C7)的另一端连接，所述第五电容(C5)一端、第二电感(L2)一端、第一二极管(D1)正极及第二超低功耗芯片的第六引脚(VOUT)连接，所述第五电容(C5)另一端接地，所述第二电感(L2)另一端与第二超低功耗芯片的第二引脚(SW)连接，所述第七电容(C7)的一端、第二超低功耗芯片的第七引脚(VIN2)、第二超低...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文安，沈悦，郭宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：