基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)研究【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技術(shù)與儀器

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>&l

3、t;p>　　精密機(jī)床作為工業(yè)中的基礎(chǔ)裝備，其安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。本文以ML-360車銑床為研究對象，設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)。</p><p>　　比較了傳統(tǒng)的機(jī)床狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)與基于嵌入式系統(tǒng)的狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)劣，確定了論文總體設(shè)計(jì)方案。以精密機(jī)床運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、溫度等信息作為監(jiān)測物理量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。</p><p>

4、;　　設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測的硬件電路。闡述了傳感器的選型、安裝，設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換模塊等。</p><p>　　構(gòu)建了模塊化的軟件系統(tǒng)，集合了數(shù)據(jù)采集、信號處理、狀態(tài)監(jiān)測等，是精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。</p><p>　　上述工作對特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，利用ARM微處理器對機(jī)床的工作狀態(tài)進(jìn)行辯識。通過采集和分析機(jī)床工作時(shí)的一系列信

5、號，為避免機(jī)床故障提供了實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，精密機(jī)床，信息采集，狀態(tài)監(jiān)測</p><p>　　Research on Information Acquisition and Monitoring Technology</p><p>　　of Precision Machine Tool Based on Embedded

6、System</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Precision machine tools and equipment as the basis for industry. Its safe operation has a vital role. In this paper Comparison of the traditi

7、onal machine status line monitoring technology and state-based embedded system pros and cons of online monitoring.</p><p>　　ML-360 milling machine as the research object , designed Precision machine tool inf

8、ormation collection and monitoring system based on embedded systems. Determine the overall design thesis, Precision machine tool operation to vibration, temperature and other information for monitoring the physical.</

9、p><p>　　Data acquisition, real-time operating status of the machine tool monitoring. Design of embedded systems based on sophisticated hardware machine condition monitoring. </p><p>　　Describes the

10、 sensor selection, installation, design a signal conditioning circuit and A / D conversion module. Construction of a modular software system, the collection of data acquisition, signal processing, condition monitoring, e

11、tc. </p><p>　　The function and implementation through the ARM microprocessor control. Work by analyzing a series of machine signals, in order to accurate, effective, real-time fault diagnosis based on reliab

12、le data.</p><p>　　顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p>　　Keywords: Embedded Systems， Precision Machine Tool， Information Collection，Condition Monitoring顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　目 錄</b>&

13、lt;/p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題的背景及意義1</p><p>　　1.1.1 選題的背景1</p><

14、;p>　　1.1.2 選題的意義1</p><p>　　1.2 機(jī)床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況3</p><p>　　1.2.1 機(jī)床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況3</p><p>　　1.2.2 基于嵌入式系統(tǒng)機(jī)電裝備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況4</p><p>　　1.3 論文內(nèi)容安排6&l

15、t;/p><p>　　2 精密機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測總體設(shè)計(jì)方案7</p><p>　　2.1 基礎(chǔ)理論7</p><p>　　2.1.1 精密機(jī)床簡介及其工作原理7</p><p>　　2.1.2機(jī)床在線狀態(tài)監(jiān)測量的選擇8</p><p>　　2.2 傳統(tǒng)的機(jī)床在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)9</p><p&

16、gt;　　2.2.1 基于單片機(jī)的在線監(jiān)測技術(shù)9</p><p>　　2.2.2 基于DSP的在線監(jiān)測技術(shù)10</p><p>　　2.2.3 基于PLC的在線監(jiān)測技術(shù)11</p><p>　　2.3 基于嵌入式精密機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案12</p><p>　　2.3.1 嵌入式系統(tǒng)與基于PC的測試系統(tǒng)的比較12

17、</p><p>　　2.3.2 總體方案設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15</p><p>　　3 精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的硬件設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1 精密機(jī)床信息采集傳感器的選擇17</p><p>　　3.1.1 常用測振傳感器17</p>

18、<p>　　3.1.2 常用測溫傳感器18</p><p>　　3.1.3 傳感器的選擇19</p><p>　　3.1.4 傳感器的安裝21</p><p>　　3.2 信號調(diào)理電路22</p><p>　　3.2.1 濾波放大電路22</p><p>　　3.2.1.1 振動(dòng)信號的濾

19、波放大電路……………………………………22</p><p>　　3.2.1.2 溫度信號的濾波放大電路……………………………………25</p><p>　　3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇27</p><p>　　3.3 ARM結(jié)構(gòu)介紹28</p><p>　　3.4 基于MagicS3C2410的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)30</

20、p><p>　　3.4.1 核心板…………………………………………………………………30</p><p>　　3.4.1.1 S3C2410A處理器……………………………………………30</p><p>　　3.4.1.2 存儲器接口電路……………………………………………...30</p><p>　　3.4.1.3 以太網(wǎng)接口電路………

21、……………………………………...31</p><p>　　3.4.2 主板31</p><p>　　3.4.2.1 A/D電路………………………………………………………31</p><p>　　3.4.2.2 顯示屏接口電路………………………………………………32</p><p>　　3.4.3 外圍電路33</p>

22、<p>　　3.4.3.1觸摸屏接口電路………………………………………………..33</p><p>　　3.4.3.2 信號輸入端接口………………………………………………34</p><p>　　3.4.4 機(jī)床信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…..35</p><p>　　4 精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的軟件設(shè)計(jì)37</p><

23、;p>　　4.1 軟件部分功能與程序框圖37</p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)38</p><p>　　4.2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)38</p><p>　　4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)39</p><p>　　4.3 精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的頻譜分析40</p><p>&

24、lt;b>　　5 結(jié)論42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附 錄45</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

25、<p>　　1.1 選題的背景及意義</p><p>　　1.1.1 選題的背景</p><p>　　機(jī)床工業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，體現(xiàn)了一個(gè)國家制造業(yè)的發(fā)展水平，也是機(jī)械工業(yè)發(fā)展和振興的重點(diǎn)領(lǐng)域。精密機(jī)床作為我國機(jī)床工具行業(yè)完善提高階段的重點(diǎn)發(fā)展對象之一，在現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展中顯得尤為重要。目前，國內(nèi)很多機(jī)械設(shè)備都引用了Phillips等知名公司的監(jiān)測保護(hù)儀裝置。但鑒于成本

26、等問題，或即便引進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)對機(jī)械運(yùn)作的安全起到了積極作用，由于監(jiān)管人員無法對監(jiān)測系統(tǒng)顯示的異常信號進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，無法深層次地分析和故障診斷。因此，建立一個(gè)可以為專業(yè)人員提供在線故障診斷依據(jù)的具有數(shù)據(jù)采集、分析能力的在線監(jiān)測系統(tǒng)就變得非常重要了。與此同時(shí)，在連續(xù)生產(chǎn)中，如果機(jī)床存在故障且未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，不僅會(huì)造成機(jī)床的損壞，影響整個(gè)生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，更有可能造成危害性的事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。為對精密機(jī)床進(jìn)行故障診斷，就必須對其

27、運(yùn)作進(jìn)行信息采集和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)，為滿足網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展需求，這就引出了基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床的信息采集和監(jiān)測技術(shù)的研究。</p><p>　　1.1.2 選題的意義</p><p>　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，精密機(jī)床作為工業(yè)中的基礎(chǔ)裝備，在各領(lǐng)域的應(yīng)用顯得越來越重要。2000年起，我國就把發(fā)展新型精密機(jī)床和完善其功能作為工業(yè)振興的目標(biāo)。溫家寶總理曾說過：“精密機(jī)床的發(fā)展水平

28、是一個(gè)國家機(jī)床化、現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，代表著一個(gè)國家的科學(xué)水平、創(chuàng)新能力和綜合能力，中國要成為生產(chǎn)精密機(jī)床的大國?！本軝C(jī)床作為我國機(jī)床工具行業(yè)完善提高階段的重點(diǎn)發(fā)展對象之一，正朝著高速、高智能化、功能多元化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[1]。在各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展中，精密機(jī)床有著不可小覷的作用；機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工業(yè)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)、精密測量與檢測等領(lǐng)域中都運(yùn)用到了精密機(jī)床，足以見證了精密機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。</p><p>

29、;　　鑒于精密機(jī)床的廣泛運(yùn)用，保證精密機(jī)床安全運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率,減少設(shè)備故障就有了重要的現(xiàn)實(shí)意義。只有及時(shí)并準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)機(jī)床故障所在，才能提高機(jī)床運(yùn)行的安全性、可靠性和機(jī)床的利用率，才能節(jié)約大量的維修時(shí)間和費(fèi)用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，避免不必要的事故。因此，也促使了基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床的信息采集和監(jiān)測技術(shù)成為我國重點(diǎn)發(fā)展的一塊新領(lǐng)域。</p><p>　　精密機(jī)床的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測是對機(jī)床故障診斷的重要

30、前期工作。機(jī)床在運(yùn)行過程中，受到力、熱、摩擦等多種作用，使其運(yùn)行狀態(tài)不斷變化，因此必須在機(jī)床運(yùn)作過程中對其進(jìn)行信息采集和狀態(tài)監(jiān)測，以便及時(shí)做出判斷，采取必要措施，避免發(fā)生故障而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。</p><p>　　多數(shù)傳統(tǒng)精密機(jī)床不具備信息采集和監(jiān)測的能力,在一定程度上降低了生產(chǎn)效率,使企業(yè)信息化和工業(yè)自動(dòng)化得不到進(jìn)一步的發(fā)展。傳統(tǒng)的信息采集和監(jiān)測技術(shù)又存在精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應(yīng)

31、現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，以及各種機(jī)床參數(shù)的不同，包含了復(fù)雜的環(huán)境和狀態(tài)信息。只有采用有效的信息采集技術(shù)，準(zhǔn)確地監(jiān)測到精密機(jī)床運(yùn)作過程中的各種狀態(tài)信息，才能以此為依據(jù)，提高整個(gè)機(jī)床的運(yùn)作能力和故障處理能力。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的信息采集和監(jiān)測系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。鑒于嵌入式技術(shù)具有成本低、體積小、集成度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),采用基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)模塊與傳統(tǒng)

32、精密機(jī)床相結(jié)合的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)精密機(jī)床的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測等操作，從而加快企業(yè)信息化、自動(dòng)化發(fā)展，對提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。而且，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，制造質(zhì)量的重心從傳統(tǒng)的直接以工件參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向以信息采集和監(jiān)測制造系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床的信息采集和監(jiān)測技術(shù)更凸現(xiàn)其重要作用。</p><p>　　機(jī)床故障主要通過機(jī)床振動(dòng)、溫度和速度等特征表現(xiàn)，需要應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測、信

33、息采集、信號處理和信息融合等多種技術(shù)進(jìn)行分析；從而為提高加工精度、深化對精密加工過程的認(rèn)識提供有力的分析依據(jù)。若要實(shí)現(xiàn)精密機(jī)床在制造過程中的自動(dòng)化和智能化控制,對精密機(jī)床加工過程的狀態(tài)監(jiān)測時(shí)十分重要的。因此本文擬進(jìn)行的研究不但可以提高加工精度和勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且能有效地提高生產(chǎn)質(zhì)量，提高產(chǎn)品精度，提高生產(chǎn)效率和保障生產(chǎn)安全等等，使之更有效的滿足了工業(yè)發(fā)展的需求[3]。但在技術(shù)方面，仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)目前國內(nèi)外精密機(jī)床發(fā)展的趨勢，結(jié)

34、合嵌入式系統(tǒng)的超精密機(jī)床在線信息采集和監(jiān)測技術(shù)的研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　綜上所述,對機(jī)床加工過程進(jìn)行信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)際意義歸納為以下四點(diǎn):</p><p>　　(1) 保證機(jī)床加工的安全運(yùn)行；</p><p>　　(2) 保證加工工件質(zhì)量；</p><p>　　(3) 合理并優(yōu)化使用機(jī)床設(shè)備，避免設(shè)

35、備故障；</p><p>　　(4) 減少額外的輔助工作時(shí)間，提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率。</p><p>　　1.2 機(jī)床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　1.2.1 機(jī)床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,各種機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、自動(dòng)化程度也越來越高,極大地提高

36、了生產(chǎn)效率，促進(jìn)了生產(chǎn)力的快速發(fā)展。但機(jī)械設(shè)備一旦發(fā)生故障就會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命安全。2010年1月，我國蘭州石化發(fā)生爆炸事故,造成6人死亡，事故的直接原因是一儲罐閥門突然泄漏。隨著國際國內(nèi)安全事故頻發(fā)，設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測已被提升到極為重要的高度，人們迫切希望能及時(shí)了解機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài),從而保證機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行。</p><p>　　以美國為主的西方發(fā)達(dá)國家在信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究上處領(lǐng)先

37、水平。美國Bentley，IRD，BEI等公司對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的研究，已有了四十多年的歷史，并建立了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)等。信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，早期主要應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械零件的高效精密加工；軍工、航空航天、能源以及微電子等精密非球面鏡零件的超精密加工等[4]。60年代的數(shù)字電路和信號分析處理技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了監(jiān)測技術(shù)在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用。70年代開始，機(jī)械設(shè)備的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究在各個(gè)國家都跨入了系統(tǒng)化

38、的發(fā)展階段。那時(shí)對監(jiān)測技術(shù)的研究一般采用專用計(jì)算機(jī)和專用操作系統(tǒng)的信息采集和監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)，簡稱SCADA。美國亞特蘭大公司研制的M6000系統(tǒng)以及丹麥B&K公司研制的2500監(jiān)測系統(tǒng)都具備了對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行信號采集、信息處理分析、顯示及監(jiān)測的能力[5]。之后，對于機(jī)床的信息采集和監(jiān)測，則主要運(yùn)用機(jī)床串口技術(shù)（如標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232）和外接PLC技術(shù)。90年代以來，最新研制的微機(jī)系統(tǒng)不斷更新，對各種信號處理的計(jì)算方法也在不斷優(yōu)化，尤

39、其是是微處理器DSP的出現(xiàn)和發(fā)展，不僅大大提高了數(shù)據(jù)處理的能力與速度</p><p>　　在80年代，我國主要采取從國外引進(jìn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；然而，國外的在線監(jiān)測系統(tǒng)、診斷儀等一系列軟硬件一般價(jià)格都較昂貴，并且維護(hù)方面也存在不便。因此，國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)及高等院校都在致力于研發(fā)自己的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合研制的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置，即3MD系列系統(tǒng)；南京汽輪高新技術(shù)開發(fā)公司的CRA

40、S隨機(jī)信號與振動(dòng)分析系統(tǒng)；西安交通大學(xué)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)等都是監(jiān)測系統(tǒng)研制過程中的碩果。</p><p>　　當(dāng)今，比較典型的機(jī)械設(shè)備信息采集和狀態(tài)監(jiān)測方式主要有以下三種[7]：</p><p><b>　　離線定期監(jiān)測方式。</b></p><p>　　當(dāng)前利用進(jìn)口監(jiān)測儀器普遍采用的方式是：測試人員用傳感器依次對各測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采

41、集，記錄信號，在專用計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)處理。此監(jiān)測方法的特點(diǎn)是：其整體測試方案簡單可行，缺點(diǎn)是測試工作比較煩瑣復(fù)雜，需要測試人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；但作為離線定期監(jiān)測，不能提前預(yù)測，因此不能避免突發(fā)性故障的發(fā)生。</p><p>　　2) 在線檢測離線分析的監(jiān)測方式。</p><p>　　近年來，在機(jī)械設(shè)備中采用的主要監(jiān)測方法是在線檢測離線分析的監(jiān)測方式，此方式采用在機(jī)械設(shè)備上安裝傳感器進(jìn)行多個(gè)測

42、點(diǎn)的信息采集與監(jiān)測，先從現(xiàn)場由微處理器從機(jī)械設(shè)備中采集各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)并處理，專業(yè)人員在主機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行分析和判斷。較離線定期監(jiān)測方式，在線檢測離線分析的監(jiān)測方式免去了更換測點(diǎn)的麻煩，并能在線進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測和報(bào)警；但是該方式需要離線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判斷，而且需要專業(yè)技術(shù)人員對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷處理。</p><p>　　3) 自動(dòng)在線監(jiān)測方式。</p><p>　　該方式不僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

43、在線監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)報(bào)，而且能實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)處理和分析判斷。該方式技術(shù)最先進(jìn)，不需要人為更換測點(diǎn)，不僅不需要專門的測試人員，也不需要專業(yè)技術(shù)人員參與分析和判斷；但是軟硬件的研制工作量很大。</p><p>　　1.2.2 基于嵌入式系統(tǒng)機(jī)電裝備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　以往的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，硬件方面大多采用基于PC平臺，加上各種采集控制卡的方式

44、。但傳統(tǒng)的硬件PC平臺存在穩(wěn)定性差，而且防震、防電磁、防塵干擾的效果不理想等缺陷。為了改善PC穩(wěn)定性，同時(shí)減少外部干擾的影響，必須在PC硬件平臺的外部增加必要的防護(hù)設(shè)備，如防護(hù)用的機(jī)箱或屏蔽外殼等。而且由于傳統(tǒng)的硬件PC平臺集成度不高，顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤都要通過線纜與主機(jī)進(jìn)行連接，各種線纜多而復(fù)雜，不僅影響了外部的美觀，而且影響工作效率，不適合在生產(chǎn)線上使用。對大型的測控系統(tǒng)來說，其采用的是專用的控制平臺，雖然避免的傳統(tǒng)PC平臺的缺陷，

45、但需要專用的軟件，成本高，開發(fā)周期長，并非最理想的監(jiān)測設(shè)備。近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，其集成度高、開發(fā)周期短、體積小、功能擴(kuò)展靈活、針對性強(qiáng)等特點(diǎn)使其逐步成為機(jī)電裝備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)研究的一個(gè)新趨勢[8]。</p><p>　　單片機(jī)是最典型、最廣泛、最普及的嵌入式系統(tǒng)，起初對精密機(jī)床的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測主要采用單片機(jī)；運(yùn)用單片機(jī)構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而進(jìn)行信息采集和狀態(tài)監(jiān)測。</p&

46、gt;<p>　　現(xiàn)如今，對機(jī)械設(shè)備的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)大致主要分為兩大類[9]：</p><p>　　1) 傳統(tǒng)的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)設(shè)備；</p><p>　　2) 便攜式的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)設(shè)備。</p><p>　　對傳統(tǒng)的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)就是在機(jī)械設(shè)備上安裝傳感器，從現(xiàn)場測得各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。典型的代表有德

47、國普魯夫科技生產(chǎn)的在線監(jiān)測系統(tǒng)與診斷系統(tǒng)；由我國英華達(dá)公司生產(chǎn)的水輪機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測分析儀等。但基于傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)不便于攜帶且價(jià)格昂貴等原因，這個(gè)系統(tǒng)基本上一直處于研發(fā)階段，也未能推廣應(yīng)用。</p><p>　　較傳統(tǒng)的信息采集和監(jiān)測技術(shù)而言，便攜式的監(jiān)測系統(tǒng)就比較容易受到大家的普遍認(rèn)可。如三星公司推出的一款16/32位的嵌入式微處理器S3C2410，以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將專家系統(tǒng)和圖形用戶接口與嵌入式系統(tǒng)想融合，實(shí)現(xiàn)了

48、人機(jī)互交、數(shù)據(jù)分析處理、專家診斷等功能。</p><p>　　自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)這個(gè)概念以來，嵌入式系統(tǒng)以其低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)，得到了飛速發(fā)展。早期的嵌入式系統(tǒng)主要以單片機(jī)為技術(shù)核心，現(xiàn)今，以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其與傳感器、監(jiān)測設(shè)備、伺服控制、顯示設(shè)備等配合，實(shí)現(xiàn)一定的測量、顯示、信息處理等功能。以美國為主的西方國家在這方面的綜合研究處于領(lǐng)先水平。</p&

49、gt;<p>　　20世紀(jì)80年代，市場上已有了諸多嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、Windows CE、UC/OS等。隨著嵌入式系統(tǒng)研究和應(yīng)用的進(jìn)一步深入，嵌入式系統(tǒng)從以微處理器/DSP為核心的“集成電路”設(shè)計(jì)逐步轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”設(shè)計(jì)，提出了片上系統(tǒng)SOC( System on a chip)的基本理論[10]。目前，嵌入式系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化的方向發(fā)展。在與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的過程中，嵌入式系統(tǒng)對國民經(jīng)

50、濟(jì)進(jìn)行了全方位的滲透, 現(xiàn)在市場中出售的眾多的數(shù)碼產(chǎn)品、航空設(shè)備、ATM機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等電子產(chǎn)品中都用到了嵌入式系統(tǒng)。毫無疑問，嵌入式系統(tǒng)已是當(dāng)今最熱門的話題之一。</p><p>　　目前，比較有代表性的嵌入式系統(tǒng)微處理器有ARM公司的ARM系列、IBM公司的Power PC等。Microsoft等國外嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其一系列產(chǎn)品，以其成熟的技術(shù)深入了千家萬戶。我國現(xiàn)也已自主研發(fā)嵌入式系統(tǒng)，如科銀公司研

51、制的嵌入式軟件開發(fā)平臺Delta System；中科院推出的Hope嵌入式操作系統(tǒng)。飛速發(fā)展的嵌入式技術(shù)的應(yīng)用，使處理器從8位擴(kuò)展到16位，到目前為止的32位、64位嵌入式處理器；在龐大市場的需求下，嵌入式系統(tǒng)必將得到進(jìn)一步的深入發(fā)展。</p><p>　　近年來，國內(nèi)外對有關(guān)基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)的研究相當(dāng)活躍。經(jīng)過不斷地研究探索，現(xiàn)代精密機(jī)床集合了電子計(jì)算機(jī)、伺服系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、精密測量系

52、統(tǒng)及新型機(jī)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù),能夠加工形狀復(fù)雜、精密、小批量零件,并且具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。其研究成果是可喜的，發(fā)展前景是明朗的。因此，對基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)的研究是相當(dāng)有必要的。</p><p>　　1.3 論文內(nèi)容安排</p><p>　　本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)部分：嵌入式系統(tǒng)及監(jiān)測技術(shù)的研究、基于嵌入式精密機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、硬

53、件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、軟件部分的模塊化設(shè)計(jì)、總結(jié)。</p><p>　　1) 第一章 介紹了本次選題的背景及意義，總結(jié)了機(jī)床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了基于嵌入式系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。</p><p>　　2）第二章 闡述了精密機(jī)床結(jié)構(gòu)及其工作原理，給出了機(jī)床狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用物理量；比較分析了傳統(tǒng)的機(jī)床狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)與基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電裝備信息

54、采集與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，并建立了基于嵌入式技術(shù)的機(jī)床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及功能單元。</p><p>　　3）第三章 設(shè)計(jì)了精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。首先闡述了常用傳感器的基本理論、分析了傳感器的選型以及安裝方法。其次，介紹了ARM的基本結(jié)構(gòu)，對基于MagicS3C2410ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)；最后設(shè)計(jì)了的信息調(diào)理模塊包括濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊等。</p&g

55、t;<p>　　4）第四章 設(shè)計(jì)了精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件單元。首先介紹了軟件部分的總體設(shè)計(jì)框圖；其次，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；最后，對精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的頻譜分析進(jìn)行簡要說明。</p><p>　　5）本研究內(nèi)容總結(jié)。</p><p>　　2 精密機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測總體設(shè)計(jì)方案</p><p><b&

56、gt;　　2.1 基礎(chǔ)理論</b></p><p>　　2.1.1 精密機(jī)床簡介及其工作原理</p><p>　　精密機(jī)床即精度、性能等符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的精密級要求的機(jī)床；是運(yùn)用如切割、特種加工等一系列加工方法，使之獲得所需求的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的機(jī)床設(shè)備。圖2-1所示的精密機(jī)床為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的ML-360車銑床。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，對零件的加工精度要求越來越嚴(yán)

57、格，而精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)精密加工的首要基礎(chǔ)條件。50年代，美國首先研發(fā)了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并研制了空氣軸承主軸的超精密機(jī)床。1984年有研制成功了超精密金剛石車床DTM-3型和LODTM大型超精密車床。</p><p>　　精密機(jī)床以其特殊的精密等級的需求，需要滿足一定的加工精度、加工質(zhì)量。精密機(jī)床的加工質(zhì)量主要取決于機(jī)床的制造誤差、彈性變形、熱變形、加工磨損以及機(jī)床所產(chǎn)生的振動(dòng)、溫度等因素。從被加工件的形

58、成過程可知，機(jī)床在切削時(shí)，若刀具沿著規(guī)定的軌跡對工件進(jìn)行加工制作，則能得到較好的加工質(zhì)量。但是，在實(shí)際切削過程時(shí)，來自切削過程、機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)床外界的各種力，作用在機(jī)床與工件及刀具的彈性系統(tǒng)上，都將產(chǎn)生變形，其中靜態(tài)力將引起彈性變形，動(dòng)態(tài)力將使系統(tǒng)產(chǎn)生受追振動(dòng)，最終致使刀具與工件間產(chǎn)生相對變位，改變了它們之間的正確位置關(guān)系，并在加工表面上留下振紋，從而降低了被加工零件的加工精度和加工質(zhì)量[11]。</p><p&

59、gt;　　精密機(jī)床的又一技術(shù)指標(biāo)是機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能定義為機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)之后振動(dòng)、噪聲、熱變形與磨損等性能的總稱。在機(jī)械設(shè)備的角度來看，機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能主要是指機(jī)床的振動(dòng)性能，即主要指機(jī)床抵抗振動(dòng)的能力。機(jī)床的振動(dòng)因素是加工過程中不可避免的，它的存在，不僅會(huì)使工件和刀具的相對位置發(fā)生變化，影響加工精度，而且會(huì)加速刀具的磨損，進(jìn)一步影響了刀具壽命，影響工件的加工精度，同時(shí)還可能產(chǎn)生噪聲污染。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)床的加工質(zhì)量、加工精度在很大程度

60、上取決于機(jī)床所產(chǎn)生的振動(dòng)大小。特別是高速、高精度的機(jī)床，振動(dòng)對其影響尤其明顯。因此，大量學(xué)者致力于機(jī)床在線狀態(tài)振動(dòng)信息監(jiān)測的研究。</p><p>　　同時(shí)，任何機(jī)床進(jìn)行加工就要消耗動(dòng)力，產(chǎn)生熱量，這熱量傳導(dǎo)到機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件和機(jī)床構(gòu)件，必然引起機(jī)床工藝系統(tǒng)的熱變形，造成工件加工精度的變化。實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)床在溫度變化梯度較大時(shí)，機(jī)床從冷卻到全熱態(tài)過程中，機(jī)床的坐標(biāo)系原點(diǎn)存在漂移；鋼件材料的熱線張系數(shù)和鋁材料相差較大，

61、在一米長度上溫度相差1℃尺寸長度就相差0.01mm以上。明顯，這會(huì)造成不小了誤差，使精度得不到要求。因此對溫度的影響，通常在軟件部分采取溫度補(bǔ)償來解決以上問題。</p><p>　　圖2-1 ML-360車銑床</p><p>　　2.1.2 機(jī)床在線狀態(tài)監(jiān)測量的選擇</p><p>　　機(jī)床可在線監(jiān)測的物理量大致有以下幾類[12]：</p>&l

62、t;p>　　(1) 以機(jī)床的振動(dòng)信號作為監(jiān)測對象的振動(dòng)監(jiān)測：在機(jī)床運(yùn)行過程中，通過振動(dòng)參數(shù)的變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　(2) 以機(jī)床運(yùn)行中的噪聲作為監(jiān)測對象的噪聲監(jiān)測，在機(jī)床運(yùn)行過程中，通過噪聲參數(shù)的變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　(3) 以刀具溫度或加工器件溫度作為監(jiān)測對象的溫度監(jiān)測，在機(jī)床運(yùn)行過程中，通過溫度參數(shù)的變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀

63、態(tài)。</p><p>　　(4) 以機(jī)床刀具所受壓力作為監(jiān)測對象的壓力監(jiān)測，在機(jī)器運(yùn)行過程中，通過壓力參數(shù)的變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　(5) 以加工零件加工時(shí)所磨損、變形、破裂過程中產(chǎn)生彈性波作為監(jiān)測對象，在機(jī)器運(yùn)行過程中，分析彈性波的頻率變化特征判別機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　(6) 以加工零件表面層的顯微組織、殘余應(yīng)力、裂紋及物

64、理性質(zhì)為監(jiān)測對象，研究其變化特征，從而間接判別機(jī)床設(shè)備存在的故障及形成原因。</p><p>　　在諸多可采集的信息中,振動(dòng)信號是最能夠更迅速、更直接地反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),因此利用振動(dòng)信號對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷分析,是設(shè)備故障診斷方法中最有效且最常用的方法。在機(jī)床的運(yùn)行過程中,機(jī)床的振動(dòng)信號中蘊(yùn)藏了大量信息，通過對振動(dòng)信號的時(shí)域、頻率特征提取分析法已發(fā)展成為一種實(shí)用的故障診斷方法。如機(jī)床主軸、刀架的振動(dòng)信

65、號，可以為判別機(jī)床性能、評價(jià)加工質(zhì)量、故障分析提供準(zhǔn)確的信息。在線實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)床振動(dòng)狀態(tài)可提供實(shí)時(shí)的機(jī)床狀態(tài)信息，為分析機(jī)床故障提供參數(shù)。有關(guān)學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)床主軸的振動(dòng)、導(dǎo)軌的振動(dòng)、刀具的振動(dòng)以及由外界的干擾、機(jī)床剛性不足等原因引起的切削振動(dòng)，會(huì)使刀具和工件之間產(chǎn)生相對的位移，從而影響加工精度、導(dǎo)致加工質(zhì)量的缺陷[13]。實(shí)驗(yàn)證明：用加速度傳感器采集機(jī)床的振動(dòng)信號,可以通過對機(jī)床振動(dòng)信號的分析來判斷刀具的磨損或是破損狀況。而且振動(dòng)信

66、號的頻響范圍寬,對切削過程中的異常敏感,受環(huán)境條件限制較少,檢測裝置比較簡單,安裝靈活,調(diào)整方便,在生產(chǎn)條件下容易實(shí)現(xiàn)。所以，本文將精密機(jī)床的振動(dòng)信號作為監(jiān)測對象之一。</p><p>　　此外，在切削過程中,刀尖溫度很高,也會(huì)影響加工精度；對刀具溫度監(jiān)測的目的是了解刀具溫度與切削參數(shù)的關(guān)系。</p><p>　　2.2 傳統(tǒng)的機(jī)床在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)</p><p>

67、;　　2.2.1 基于單片機(jī)的在線監(jiān)測技術(shù)</p><p>　　所謂單片機(jī)就是將CPU、ROM(EPROM或EEPROM)、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘多種功能的串行和并行I/O口集成于一塊芯片上的微處理器。如Intel公司的8051系列等。除了以上基本功能外，有的還集成有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換功能，如Intel公司出產(chǎn)的8098系列。概括來說，單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：具有很強(qiáng)的位處理能力，強(qiáng)調(diào)控制和事務(wù)處理功能；價(jià)

68、格低廉；開發(fā)環(huán)境完備，開發(fā)工具齊全，應(yīng)用資料眾多等。在過去的幾十年里，單片機(jī)的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了簡單的智能控制功能。早期的機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)就是應(yīng)用了單片機(jī)技術(shù)[14]。</p><p>　　一般的監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、計(jì)算機(jī)監(jiān)控模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可由如下圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 基于單片機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)</p><p>　　數(shù)

69、據(jù)采集模塊由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。由傳感器感知模擬信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入單片機(jī)進(jìn)行處理。</p><p>　　單片機(jī)屬于低端的控制類芯片，功能較弱。隨著信息化的進(jìn)程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信號處理理論與方法等的迅速發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，對實(shí)時(shí)性和精度的要求越來越高，在某些領(lǐng)域，低檔單片機(jī)已不再能滿足要求。因此引出了基于DSP的在線監(jiān)測技術(shù)。</p>&l

70、t;p>　　2.2.2 基于DSP的在線監(jiān)測技術(shù)</p><p>　　DSP具有高速運(yùn)算能力，是為滿足數(shù)字信號處理所要求的特定運(yùn)算所設(shè)計(jì)的專用微處理器。與單片機(jī)相比較，DSP具有以下優(yōu)勢：運(yùn)行速度更快，減少所需指令周期數(shù)，大大減少FFT運(yùn)算尋址時(shí)間，采用并行方式，提高數(shù)據(jù)處理能力，較好解決了高速運(yùn)行和精簡程序的矛盾，保證了高速運(yùn)算中通信和結(jié)果的完整。具體來說，DSP采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，擁有相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線

71、、程序總線和地址總線，具有相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲空間、程序存儲空間和地址存儲空間，可以同時(shí)進(jìn)行存取程序和地址，具備堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)[15]。DSP器件的CPU板塊采用了流水線指令結(jié)構(gòu)，CPU上集成了可以在單個(gè)周期內(nèi)完成算數(shù)運(yùn)算的硬件乘法器。綜合以上特點(diǎn)可知，DSP的單指令執(zhí)行時(shí)間比16位的單片機(jī)要快8至10倍左右，而完成一次乘加算數(shù)運(yùn)算至少要快16至30倍。同時(shí)，DSP提供了相對比較完善的指令集模塊，使FFT快速傅里葉變換速度以及濾波器的運(yùn)算

72、速度等有了較明顯的提高。此外，DSP也提供TJAG接口，可以與TJAG仿真器相連接進(jìn)行硬件仿真，并且不占用用戶任何資源。DSP所涉及的外圍電路設(shè)計(jì)與單片機(jī)電路設(shè)計(jì)相仿，無論是何種型號的DSP器件，其集成在外部的功能模塊功能</p><p>　　因此，DSP器件的應(yīng)用大范圍推廣，越來越多的單片機(jī)用戶考慮選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能。目前，DSP芯片的主要應(yīng)用于以下工作：信號處理（包括快速傅立葉變換、信號頻譜分析、卷

73、積變換、加窗函數(shù)、數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、產(chǎn)生波形、相關(guān)運(yùn)算等）；通信模塊（用于語音方面的語音編碼、語音識別、語音合成、語音存儲；以及可視電話、高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字留言機(jī)等）；圖形和圖像處理（多維圖形處理，圖像壓縮與傳輸?shù)龋淮送?，自?dòng)控制領(lǐng)域、家用電器和醫(yī)療器械領(lǐng)域，乃至軍事領(lǐng)域都有運(yùn)用到DSP的相關(guān)技術(shù) [16]。</p><p>　　90年代以來，微型數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn)和發(fā)展，使數(shù)據(jù)處理速度大為提高，

74、在機(jī)械設(shè)備中，主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的信息采集、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。一般監(jiān)測系統(tǒng)的基本工作流程如下：</p><p>　　由傳感器把從監(jiān)測對象檢測到的原始信號轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號，再用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后用數(shù)字信號處理功能強(qiáng)大的DSP作為硬件基礎(chǔ)，再對數(shù)字信號進(jìn)行處理，最后信號功率頻譜圖在PC機(jī)上顯示并根據(jù)該圖特征判斷診斷對象的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖

75、2-3所示：</p><p>　　圖2-3 基于DSP的監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　但是DSP器件存在受串行指令的限制；超過幾兆赫茲取樣率時(shí)，一個(gè)DSP僅能完成對數(shù)據(jù)非常簡單的運(yùn)算；其研發(fā)周期長等缺陷。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能也相對較弱些。如基于DSP的結(jié)構(gòu)缺乏人機(jī)互交界面，缺少數(shù)據(jù)管理和存儲功能；而且，基于DSP的在線監(jiān)測系統(tǒng)缺乏事務(wù)管理能力，不具備跑

76、界面以及應(yīng)用程序等控制方面的能力。</p><p>　　2.2.3 基于PLC的在線監(jiān)測技術(shù)</p><p>　　鑒于基于DSP結(jié)構(gòu)所存在的不足，同時(shí)隨著可編程控制器即PLC的發(fā)展與應(yīng)用，研發(fā)人員采用了擁有更高性能比的PLC運(yùn)用于機(jī)械設(shè)備的信息采集和監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)上。雖然采用基于PLC結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)管理和人機(jī)界面的問題，但由于PLC主要是面向單個(gè)項(xiàng)目的，上層應(yīng)用的，在成本、功耗

77、和開發(fā)周期等方面是有所欠缺的。</p><p>　　表2-1 單片機(jī)、DSP、PLC的比較</p><p>　　如表2-1所示，雖然單片機(jī)、DSP、PLC有著各自不同的優(yōu)點(diǎn)，但隨著現(xiàn)代化進(jìn)程得不斷發(fā)展，諸如此類的技術(shù)仍然不能滿足現(xiàn)代化的要求。因此，本文的研究選用了性價(jià)比更高的ARM開發(fā)系統(tǒng)。</p><p>　　2.3 基于嵌入式精密機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方

78、案</p><p>　　2.3.1 嵌入式系統(tǒng)與基于PC的測試系統(tǒng)的比較</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)就是“專用”，嵌入式系統(tǒng)主要針對現(xiàn)實(shí)中某種實(shí)際應(yīng)用而開發(fā)的，其軟件幾乎沒有什么可移植性。對PC系統(tǒng)來說，PC機(jī)本身通用程度高、軟件比較齊全同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)化，表2-2和表2-3對比了嵌入式系統(tǒng)和基于PC的系統(tǒng)[17]。</p><p>　　表2-2 硬件

79、平臺的比較[17]</p><p>　　表2-3 軟件及開發(fā)平臺的比較[17]</p><p>　　從表2-2及表2-3可以看出，嵌入式系統(tǒng)和基于PC的系統(tǒng)有很大的不同，但這也正是嵌入式系統(tǒng)的靈活之處，即“軟硬件可裁剪”。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)與基于PC的測試系統(tǒng)相比有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[17]：</p><p>　　(1) 嵌入式系統(tǒng)

80、的功耗低、體積小，專用性強(qiáng)，而基于PC的測試系統(tǒng)功能全面，但功耗較高，體積較大。嵌入式產(chǎn)品可以把PC中的一部分功能集成到芯片內(nèi)部，從而有利于小型化使用。</p><p>　　(2) 嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)了如FLASH、EEPROM等存儲芯片，提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性。</p><p>　　(3) 嵌入式系統(tǒng)功耗低和存儲容量大等特點(diǎn)，決定了硬件設(shè)備和程序代碼的高效性和精簡性。</p>

81、<p>　　(4) 嵌入式產(chǎn)品一般運(yùn)行于無人或環(huán)境惡劣的環(huán)境，不能像PC機(jī)，可以人為重啟，所以一般嵌入式產(chǎn)品都具有自監(jiān)測和自啟動(dòng)的功能，比如看門狗工具等。</p><p>　　(5) 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境可由不同的公司專門開發(fā)設(shè)計(jì)專有的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境。基于嵌入式系統(tǒng)的巨大的發(fā)展前景以及嵌入式系統(tǒng)的廉價(jià)、體積小、方便攜帶性等諸多優(yōu)勢是普通PC測試系統(tǒng)所無法相比的。</p><p&

82、gt;　　2.3.2 總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)證明，精密機(jī)床故障大致可分為兩類：一是控制裝置和測量系統(tǒng)的軟硬件故障；二是精密機(jī)床本體故障。</p><p>　　在機(jī)械故障診斷中，可以采集與監(jiān)測的信息很多，包括振動(dòng)信息、溫度信息、壓力信息、聲音信息等。在所有課監(jiān)測到的課表現(xiàn)機(jī)械狀態(tài)的信息中，機(jī)械振動(dòng)信息是最具權(quán)威性的，因?yàn)樗瑫r(shí)包含幅值，相位和頻率等信息量；機(jī)械振動(dòng)信息的

83、監(jiān)測能及時(shí)反應(yīng)出機(jī)械存在的故障，而且振動(dòng)信息相對來說較易測得。因此利用振動(dòng)信號對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷分析，是設(shè)備故障診斷方法中最有效且最常用的方法[18]。在機(jī)床的運(yùn)行過程中，機(jī)床的振動(dòng)信號中蘊(yùn)藏了大量信息，通過對振動(dòng)信號的時(shí)域、頻率特征提取分析法已發(fā)展成為一種實(shí)用的故障診斷方法。如機(jī)床主軸、刀架的振動(dòng)信號，可以為判別機(jī)床性能、評價(jià)加工質(zhì)量、故障分析提供準(zhǔn)確的信息。在線實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)床振動(dòng)狀態(tài)可提供實(shí)時(shí)的機(jī)床狀態(tài)信息，為分析機(jī)床故障提供

84、參數(shù)。有關(guān)學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)床主軸的振動(dòng)、導(dǎo)軌的振動(dòng)、刀具的振動(dòng)以及由外界的干擾、機(jī)床剛性不足等原因引起的切削振動(dòng)，會(huì)使刀具和工件之間產(chǎn)生相對的位移，從而影響加工精度、導(dǎo)致加工質(zhì)量的缺陷。實(shí)驗(yàn)證明：用加速度傳感器采集機(jī)床的振動(dòng)信號,可以通過對機(jī)床振動(dòng)信號的分析來判斷刀具的磨損或是破損狀況。而且振動(dòng)信號的頻響范圍寬,對切削過程中的異常敏感,受環(huán)境</p><p>　　此外，在切削過程中,刀尖溫度很高,也會(huì)影響加工

85、精度；精密機(jī)床在運(yùn)作時(shí)，因軸承、刀具等零件的高速旋轉(zhuǎn)、摩擦等會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生一定的熱量，使得機(jī)床各部位的溫度升高，機(jī)床的性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。特別是，隨著溫度的升高，金屬軸轉(zhuǎn)子的軸向和徑向尺寸都有所增加，造成零件間配合性質(zhì)發(fā)生變化，并產(chǎn)生摩擦熱彎曲等現(xiàn)象；溫升也會(huì)使剛度有所變化，造成振動(dòng)模態(tài)改變[19]。對刀具溫度監(jiān)測的目的是了解刀具溫度與切削參數(shù)的關(guān)系。 </p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)用了嵌入式理念，目的是

86、通過對精密機(jī)床中會(huì)引起故障的振動(dòng)信號參數(shù)、刀具溫度參數(shù)、刀具壓力信號參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而掌握機(jī)床的工作狀態(tài)，為精密機(jī)床的加工過程提供分析依據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2-4所示，將所監(jiān)測的非電信號通過傳感器，再經(jīng)信號的轉(zhuǎn)換和放大后，送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，從而進(jìn)行故障的診斷。</p><p>　　圖2-4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</

87、p><p>　　精密機(jī)床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如2-5所示：</p><p>　　圖2-5 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　(1) 精密機(jī)床信息采集的方法以及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　機(jī)床的信息采集是設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測的核心內(nèi)容，所謂信息采集就是將溫度、壓力、位移等模擬量經(jīng)傳感器進(jìn)行采集、再將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并進(jìn)行存儲、處理，

88、最后顯示這一過程。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件一般由傳感器、信號調(diào)理電路、多路開關(guān)、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器、存儲器等組成。</p><p>　　本文中的信息采集模塊是通過傳感器將精密機(jī)床加工過程中的物理量轉(zhuǎn)換為電信號，再對這些電信號進(jìn)行分析，從而獲得精密機(jī)床加工過程的狀態(tài)信息。如采用壓電加速度傳感器采集精密機(jī)床刀具的振動(dòng)信號，通過對刀具振動(dòng)信號的分析來判斷刀具磨損或破損狀況。信息采集的基本組成框圖如

89、圖2-6所示：</p><p>　　圖2-6 信息采集流程圖</p><p>　　(2) 精密機(jī)床嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)，建立在有效的信息采集以及對信息進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地分析和處理的基礎(chǔ)上。傳感器檢測到的信息很難直接用于狀態(tài)識別,需要通過信號的分析處理，識別機(jī)床狀態(tài)變化的特征量才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成

90、如圖2-7所示：</p><p>　　圖2-7 監(jiān)測系統(tǒng)基本組成圖</p><p>　　對監(jiān)測到的信息做進(jìn)一步的加工處理，從大量信號中提取出與加工狀態(tài)變化相關(guān)的參數(shù)這一過程稱為特征提取。目前常用的特征提取的方法主要有以下幾種：統(tǒng)計(jì)分析法(計(jì)算均值、幅值、方差等)；時(shí)域分析法(差分、濾波、相關(guān)系數(shù)等)；頻域分析法(FFT、功率譜、譜能量等)；時(shí)頻分析法(短時(shí)FFT、維格爾分布、小波分析等)

91、等[20]。</p><p>　　精密機(jī)床在加工時(shí)難免會(huì)存在某些故障，過去只有在機(jī)床運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)才知道機(jī)床中某部分發(fā)生了故障。本方案是基于ARM嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床故障診斷系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)適合現(xiàn)場參數(shù)監(jiān)測和分析,可以對機(jī)床由振動(dòng)造成的故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)、識別，能有效排除故障，減少損失。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能和指標(biāo)，并考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和延伸性，本系統(tǒng)采用主從

92、CPU協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機(jī)交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。由于精密機(jī)床的主要激振源是主軸系統(tǒng)，而刀架系統(tǒng)和尾架系統(tǒng)是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵部位。</p><p>　　3 精密機(jī)床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 精密機(jī)床信息采集傳感器的選擇</p><p>　　3.1.1 常用測振

93、傳感器</p><p>　　傳感器是以一定精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。在測振系統(tǒng)中，最常用的振動(dòng)測試方法是電測法，將振動(dòng)的參量經(jīng)傳感器拾取后，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)制電路的處理，從而得到所需測量的物理量。</p><p>　　根據(jù)所選用的傳感器是否與被測件接觸，可將傳感器分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式傳感器有磁電式速度傳感器和壓電式加速

94、度傳感器等，由于其機(jī)電轉(zhuǎn)換較為方便，因而被應(yīng)用得最多。而電容傳感器、渦流傳感器常用于振動(dòng)位移的非接觸測量。按被測振動(dòng)信息的性質(zhì)又可將傳感器分為：絕對式測振傳感器和相對式測振傳感器。絕對式測振傳感器的輸出描述的是被測對象的絕對振動(dòng)，其殼體固定在被測件上，其內(nèi)部利用其彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)來感受振動(dòng)；測試時(shí)，其殼體和被測對象固接，殼體的振動(dòng)等視于被測點(diǎn)的振動(dòng)，即傳感器的輸入。相對式傳感器，其殼體和測量對象分別與不同被測件聯(lián)系，其輸出為殼體和測量對象

95、的相對振動(dòng)。以下對部分常見測振傳感器進(jìn)行簡要介紹 [21]：</p><p>　　(1) 電渦流位移傳感器</p><p>　　電渦流傳感器是一種非接觸的線性化計(jì)量工具，能準(zhǔn)確測量出被測體與探頭端面之間的相對位移變化量（被測體必須是金屬導(dǎo)體）。在對各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行反復(fù)的狀態(tài)監(jiān)測分析后得出，通過對振動(dòng)信息(對非接觸的高精度振動(dòng)、位移信號)的采集、分析測量，能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到機(jī)械設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)的

96、各種參數(shù)。如軸的徑向振動(dòng)、振幅以及軸向位置。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，使其在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　(2) 電容傳感器</b></p><p>　　非接觸式的電容式傳感器常常用于位移測量中，其測量內(nèi)容與電渦流位移傳感

97、器相近。接觸式的電容傳感器的信號轉(zhuǎn)換放大電路主要采用頻率調(diào)制型，目的在于增加電路的靈敏度和可靠性。</p><p>　　(3) 磁電速度傳感器</p><p>　　磁電速度傳感器是利用電磁感應(yīng)原理工作的傳感器，當(dāng)傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈在磁場中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，其產(chǎn)生的電動(dòng)勢大小與輸入的速度成正比。它利用作為慣性質(zhì)量的動(dòng)線圈與固定在傳感器外殼上的磁路系統(tǒng)之間的相對運(yùn)動(dòng)獲得與振動(dòng)速度成正比的感應(yīng)

98、電動(dòng)勢。這種電信號可以不經(jīng)過放大器而直接記錄。</p><p>　　(4) 壓電式傳感器</p><p>　　壓電式傳感器是一種自發(fā)電式的機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。電荷經(jīng)電荷放大器以及濾波放大電路放大后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，就可以以電量的形式輸出。壓電式傳感器主要應(yīng)用于非電物理量的測量，如壓力、加速度等。壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是信噪比高、頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡

99、單、靈敏度高、可靠性強(qiáng)以及其本身質(zhì)量輕，便于攜帶等。缺點(diǎn)在于部分制作壓電傳感器的壓電材料需要比較苛刻的防潮措施，其輸出的直流響應(yīng)不穩(wěn)定，需要外部采用高輸入阻抗電路等方法來克服這一缺陷。隨著技術(shù)的發(fā)展，配套儀表和高絕緣、低噪聲、小電容電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因而，壓電傳感器除了應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域外，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　3.1.2 常用測溫傳感器

100、</p><p>　　根據(jù)溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式可將溫度傳感器分為兩大類：接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器。顯而易見，接觸式溫度傳感器指需要與被測介質(zhì)有相對的接觸點(diǎn)，使兩者進(jìn)行熱交換而達(dá)到同一溫度。此類傳感器主要有PN結(jié)溫度傳感器、電阻式傳感器、熱電偶等。非接觸式溫度傳感器則無需與被測介質(zhì)接觸，而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅鳎赃_(dá)到測溫的目的。此類傳感器的代表主要有紅外測溫傳感器。這種測

101、溫方法的主要特點(diǎn)是可以測量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉(zhuǎn)著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。</p><p>　　常用溫度傳感器的種類較多，現(xiàn)僅對以下溫度傳感器及應(yīng)用電路做簡要介紹[22]：</p><p>　　(1) PN結(jié)溫度傳感器 </p><p>　　PN結(jié)溫度傳感器的工作原理為：PN結(jié)溫度傳感器的晶體二極管或

102、三極管的結(jié)電壓隨外界溫度的改變而變化。例如硅管PN結(jié)的結(jié)電壓，溫度每升高1℃時(shí)，電壓約下降2mV。利用PN結(jié)溫度傳感器的這種特性，一般可以直接采用二極管（如用玻璃封裝而成的開關(guān)IN4148型二極管）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）來做PN結(jié)溫度傳感器。PN結(jié)溫度傳感器線性相對較好，尺寸小，靈敏度高，其熱時(shí)間常數(shù)約為0.2-2秒，同時(shí)具有相對較大的測溫范圍，約為-50至+150℃。</p><p>　　(2)

103、 DS18B20溫度傳感器</p><p>　　DS18B20之所以廣受歡迎，是因?yàn)槠涔苣_簡潔，使用方便。DS18B20擁有獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。其 測溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。并且 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫 。使用時(shí)，工作電源為3~5

104、V/DC；使用過程中不需要任何外圍元件；最終的 測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量串行傳送。</p><p><b>　　(3) 熱電偶</b></p><p>　　熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。熱電偶由兩根不同導(dǎo)線(熱電極)組成，它們的一端是互相焊接的，形成

105、熱電偶的測量端(也稱工作端)。將它插入待測溫度的介質(zhì)中；而熱電偶的另一端 (參比端或自由端)則與顯示儀表相連。如果熱電偶的測量端與參比端存在溫度差，則顯示儀表將指出熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢。</p><p>　　3.1.3 傳感器的選擇</p><p>　　機(jī)床監(jiān)測系統(tǒng)測振傳感器的選擇，主要從以下幾方面入手：一是考慮被監(jiān)測機(jī)床設(shè)備的因素?；瑒?dòng)軸承上一般采用電渦流位移傳感器，機(jī)殼上主要采用速度

106、傳感器或加速度傳感器；對滾動(dòng)軸承而言，由于滾動(dòng)軸承軸承與軸頸之間的間隙非常小，此間隙在振動(dòng)位移的測量中可以忽略不計(jì)，因此通常采用壓電傳感器或加速度傳感器[23]。對于滾動(dòng)軸承中存在較大的軸承絕對運(yùn)動(dòng)和軸的相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常采用復(fù)合式的傳感器。此外，由于機(jī)床設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，軸承支架的不正常熱膨脹、管道與其它和啟動(dòng)有關(guān)的干擾等會(huì)引起機(jī)殼振動(dòng)和軸承的振動(dòng)，抑或是共振。在這種情況下，一般選用加速度傳感器或速度傳感器進(jìn)行信息的采集和狀態(tài)的監(jiān)測。一般來說