一種銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)及其傳輸協(xié)議的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)及其傳輸協(xié)議，屬于工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括銑削力、振動信號采集單元、數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以及上位機。該傳輸協(xié)議的內(nèi)容為，銑削力、振動信號采集單元向數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包按照順序排列各次采集到的銑削力和振動信號的數(shù)據(jù)；其中，數(shù)據(jù)包中的每段數(shù)據(jù)均以十六位二進制數(shù)表示，每個十六位二進制數(shù)前均具有二進制標(biāo)志位，二進制標(biāo)志位表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中是否包含對應(yīng)類型的數(shù)值，對應(yīng)的十六位二進制數(shù)表示具體的數(shù)值。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確而有效地實時采集和傳輸銑削力和振動信號，為銑刀狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，大大提高了銑削加工的可靠性、精度和加工效率。
【專利說明】
一種銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)及其傳輸協(xié)議
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)，具體為一種數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)及其傳輸協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展對銑削加工的可靠性、精度和加工效率等方面的要求越來越高，銑刀作為銑削過程的直接執(zhí)行元件，不可避免地會發(fā)生刀具磨損和破壞等狀況。據(jù)研究分析，由于刀具失效所造成的停機時間占加工時間的20%，且由于刀具的磨損或破壞會嚴(yán)重影響到所加工零件的加工精度、表面質(zhì)量。因而，要在銑削加工中對銑刀的狀態(tài)進行監(jiān)控，用以準(zhǔn)確估計刀具壽命從而保證加工質(zhì)量、實現(xiàn)連續(xù)自動化加工。其中，銑削力、振動信號是用于評判銑刀狀態(tài)的兩個極為重要的參數(shù)。
[0003]現(xiàn)有的銑削力測試儀大多為臺式的力傳感器，將待加工的零件安裝在其上，對其進行加工時，銑削力就會作用在臺式的測力計上，從而得到銑削力的大小，但其原理就決定了它的使用很受限制。首先，待加工的零件不能特別大;其次，待加工的零件不能在高度方向上的尺寸比較大，不然在加工時銑削力相對測力儀表面就有一個很大傾覆力矩，會影響測力計的正常工作?，F(xiàn)有技術(shù)中也有刀柄式的力傳感器，但在數(shù)據(jù)的傳輸上依舊采用線纜傳輸?shù)姆绞?，也不能讓銑削力測試儀在使用時擺脫導(dǎo)線的限制。因此，能對銑削力、振動信號進行實時采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)具有極強的研究意義和應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種銑削力、振動信號采集與傳輸技術(shù)，以實現(xiàn)對銑削力、振動信號的準(zhǔn)確采集與準(zhǔn)確、方便地傳輸，從而有效地監(jiān)控銑刀的狀態(tài)。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
[0006]一種銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，包括銑削力、振動信號采集單元、數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以及上位機;所述銑削力、振動信號采集單元包括用于采集銑削力的應(yīng)變電橋、用于采集振動信號的壓電加速度計、與所述應(yīng)變電橋和所述壓電加速度計均通信連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、與所述A/D轉(zhuǎn)換電路通信連接的第一數(shù)據(jù)處理電路、與第一數(shù)據(jù)處理電路均連接的存儲電路和第一無線模塊;所述數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元包括與第一無線模塊通信的第二無線模塊、與第二無線模塊連接的第二數(shù)據(jù)處理電路和與第二數(shù)據(jù)處理電路連接的串口通訊模塊;所述串口通訊模塊與所述上位機通過串口通信連接。
[0007]所述銑削力、振動信號采集單元為銑削力、振動信號采集電路，數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元為數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路。
[0008]所述銑削力、振動信號采集單元還包括與所述應(yīng)變電橋連接的電橋平衡自調(diào)節(jié)電路;所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路包括第一電位器、第二電位器、差分放大電路、采樣電路和單片機;第一電位器和第二電位器的兩固定端均分別連接所述應(yīng)變電橋的兩供電端，滑動端均連接所述應(yīng)變電橋的同一輸出端，第一電位器和第二電位器的控制引腳均和單片機相連;所述差分放大電路的兩輸入端分別連接所述應(yīng)變電橋的兩輸出端，輸出端通過所述采樣電路連接所述單片機的1引腳，以由所述單片機根據(jù)所述差分放大電路的輸出對第一電位器和第二電位器進行控制，使第一電位器和第二電位器所連接的應(yīng)變電橋的輸出端的電位發(fā)生變化，使得所述應(yīng)變電橋平衡;所述單片機與第一數(shù)據(jù)處理電路連接。
[0009]所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括連接設(shè)置在所述差分放大電路的輸出端和所述采樣電路的輸入端之間的濾波電路，以對所述差分電路的輸出信號進行濾波。
[0010]所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括設(shè)置在所述濾波電路的輸出端和所述采用電路的輸入端之間的第二放大電路，以對所述濾波電路的輸出信號進一步放大。
[0011]所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括DAC電路，所述DAC電路的控制引腳連接到單片機上，輸出端連接所述差分放大電路的參考電位端，以由所述單片機控制所述DAC電路對所述差分放大電路的輸出進行補償，進一步提高對所述應(yīng)變電橋進行調(diào)平的精度。
[0012]所述采樣電路為所述A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0013]所述銑削力、振動信號采集單元還包括在所述壓電加速度計與所述A/D轉(zhuǎn)換電路之間依次連接的加速度計濾波電路和加速度計放大電路。
[0014]所述存儲電路包括靜態(tài)隨機存取存儲器。
[0015]所述銑削力、振動信號采集單元還包括電池充電電路、充電鋰電池、開關(guān)電路和第一電源電路;所述充電鋰電池通過開關(guān)電路與第一電源電路連接，以由所述充電鋰電池為所述銑削力、振動信號采集電路供電，并由所述開關(guān)電路控制電源的通斷;第一電源電路分別與所述銑削力、振動信號采集單元中的各芯片連接，以由第一電源電路對所述充電鋰電池的供電電壓進行穩(wěn)壓處理，為所述銑削力、振動信號采集單元中的各芯片和所述應(yīng)變電橋進行供電；所述電池充電電路連接所述充電鋰電池，以在需要時對所述充電鋰電池進行充電。
[0016]所述數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換電路單元還包括第二電源電路，所述數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換單元中的各用電部分均與第二電源電路連接并靠第二電源電路供電。
[0017]一種用于上述銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，所述銑削力、振動信號采集單元向所述數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包按照順序排列各次采集到的銑削力和振動信號的數(shù)據(jù);其中，數(shù)據(jù)包中的每段數(shù)據(jù)均以十六位二進制數(shù)表示，每個十六位二進制數(shù)前均具有二進制標(biāo)志位，二進制標(biāo)志位表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中是否包含對應(yīng)類型的數(shù)值，對應(yīng)的十六位二進制數(shù)表示具體的數(shù)值。
[0018]所述順序按照X方向銑削力、Y方向銑削力、Z方向銑削力和振動信號依次排列；其中X方向、Y方向和Z方向為以銑刀與待加工零件接觸點為原點建立的坐標(biāo)系的對應(yīng)坐標(biāo)軸的方向，分別平行于主切削力的方向、徑向力的方向和軸向力的方向；所述X方向銑削力、所述Y方向銑削力和所述Z方向銑削力為銑削力在X方向、Y方向和Z方向上的分力。
[0019]標(biāo)志位為I表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中包含對應(yīng)的數(shù)值，標(biāo)志位為O表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中不包含對應(yīng)的數(shù)值。
[0020]所述數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元將從所述銑削力、振動信號采集單元接收的每個銑削力和振動信號的對應(yīng)數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為三個八位二進制數(shù)據(jù);第一個八位二進制數(shù)據(jù)的高四位用于攜帶數(shù)據(jù)信息，其中第七、八位表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，第五、六位表示數(shù)據(jù)的次序信息;低四位用于裝載數(shù)據(jù)，低四位的數(shù)據(jù)為原十六位數(shù)據(jù)的高四位;第二個八位二進制數(shù)據(jù)的高二位表示數(shù)據(jù)的次序，低六位表示對應(yīng)數(shù)據(jù)的原十六位中第七位到第十二位;第三個八位二進制數(shù)據(jù)的高二位表示數(shù)據(jù)的次序，低六位表示對應(yīng)數(shù)據(jù)的原十六位中低六位。
[0021]所述上位機只有在接收到的三個八位二進制數(shù)據(jù)中，第一個八位二進制數(shù)據(jù)中第五位和第六位表示的數(shù)據(jù)的次序、第二個八位二進制數(shù)據(jù)中高二位表示的數(shù)據(jù)的次序、以及第三個八位二進制數(shù)據(jù)中高二位表示的數(shù)據(jù)的次序為依次按設(shè)定順序排列時，才認定為數(shù)據(jù)的傳輸與接收正確，并從三個八位二進制數(shù)據(jù)中提取原十六位數(shù)據(jù)的各位數(shù)據(jù)進行后續(xù)操作;否則，認定數(shù)據(jù)的傳輸與接收錯誤。
[0022]由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)及其傳輸協(xié)議能夠準(zhǔn)確而有效地實時采集和傳輸銑削力和振動信號，為銑刀狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免了刀具失效所造成的停機時間，大大提高了銑削加工的可靠性、精度和加工效率。同時，本發(fā)明擺脫了導(dǎo)線的限制，更為簡潔和方便。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明一實施例中銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明該實施例中應(yīng)變電橋和電橋平衡自調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明另一實施例中銑削力、振動信號采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4為圖3所在實施例中數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元拆分后的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0028]本發(fā)明提出了一種銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，圖1所示為本實施例中該銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)包括銑削力、振動信號采集單元、數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以及上位機。
[0029]銑削力、振動信號采集單元為銑削力、振動信號采集電路，數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元為數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路。銑削力、振動信號采集電路包括用于采集銑削力的應(yīng)變電橋、用于采集振動信號的壓電加速度計、與應(yīng)變電橋和壓電加速度計均直接或間接通信連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、與A/D轉(zhuǎn)換電路通信連接的第一數(shù)據(jù)處理電路、與第一數(shù)據(jù)處理電路均連接的存儲電路和第一無線模塊。數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路包括與第一無線模塊通信連接的第二無線模塊、與第二無線模塊連接的第二數(shù)據(jù)處理電路和與第二處理電路連接的串口通訊模塊;該串口通訊模塊與上位機通過串口通信連接。
[0030]銑削力、振動信號采集電路還包括電池充電電路、充電鋰電池、開關(guān)電路和第一電源電路。該銑削力、振動信號采集電路靠充電鋰電池供電，電源的通斷由開關(guān)電路控制。由于銑削力、振動信號采集電路中有許多芯片，所需的電壓也不一樣，因此需要第一電源電路將充電鋰電池的供電電壓轉(zhuǎn)化成各種不同的電壓供其他芯片使用。因而，充電鋰電池通過開關(guān)電路與第一電源電路連接，以由充電鋰電池為銑削力、振動信號采集電路供電，并由開關(guān)電路控制電源的通斷。第一電源電路分別與該銑削力、振動信號采集電路中的各芯片連接，以由第一電源電路對電壓進行穩(wěn)壓等處理，為該銑削力、振動信號采集電路中的各芯片以及應(yīng)變電橋進行供電；電池充電電路連接充電鋰電池，以在需要時對充電鋰電池進行充電。圖1中，為了簡潔起見，第一電源電路與銑削力、振動信號采集電路中各芯片的連接沒有表示出來。由于應(yīng)變電橋的應(yīng)變片的貼片工藝、使用環(huán)境等因素常常會使得在空載時應(yīng)變電橋處于不平衡狀態(tài)，而應(yīng)變電橋的狀態(tài)能直接影響最終所采集的銑削力信號數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的做法是添加一個機械式的電位器，通過手動調(diào)節(jié)的方式來對電橋進行平衡調(diào)節(jié)，但這種做法不但麻煩而且調(diào)節(jié)的精度也很差。對此，本申請設(shè)置電橋平衡自調(diào)節(jié)電路。
[0031]由此，銑削力、振動信號采集電路還包括與應(yīng)變電橋連接的電橋平衡自調(diào)節(jié)電路。該電橋平衡自調(diào)節(jié)電路包括第一電位器、第二電位器、差分放大電路、采樣電路和單片機。其中第一電位器和第二電位器的兩固定端均分別連接應(yīng)變電橋的兩供電端，滑動端均連接應(yīng)變電橋的同一輸出端，控制引腳均連接到單片機上;差分放大電路的兩輸入端分別連接應(yīng)變電橋的兩輸出端，輸出端通過采樣電路連接單片機的1引腳，以由單片機根據(jù)差分放大電路的輸出對第一電位器和第二電位器進行控制，使第一電位器和第二電位器所連接的應(yīng)變電橋的輸出端的電位發(fā)生變化，以最終使得所述應(yīng)變電橋平衡。單片機與第一數(shù)據(jù)處理電路連接，以根據(jù)從第一數(shù)據(jù)處理電路處接收到的來自上位機的指令對應(yīng)變電橋進行調(diào)平。本實施例中，采樣電路即為上述A/D轉(zhuǎn)換電路，即對銑削力的采集與對振動信號的采集共用采樣電路。
[0032]電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括連接設(shè)置在差分放大電路的輸出端和采樣電路的輸入端之間的濾波電路，以對差分電路的輸出信號進行濾波。電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括設(shè)置在濾波電路的輸出端和采用電路的輸入端之間的第二放大電路，以對濾波電路的輸出信號進一步放大。
[0033]此外，電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括DAC電路，該DAC電路的控制引腳連接到單片機上，輸出端連接差分放大電路的參考電位端，以由單片機控制DAC電路對差分放大電路的輸出進行補償，進一步提高對應(yīng)變電橋進行調(diào)平的精度。
[0034]圖2所示為本實施例中應(yīng)變電橋與電橋平衡自調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，R1、R2、R3和R4分別表示電橋的四個應(yīng)變片；第一電位器和第二電位器分別采用X9C102和X9C103;差分放大電路采用AD620;濾波電路和第二放大電路集成在一個電路中，為ADA4062-2;ADC即為上述A/D轉(zhuǎn)換電路，在本實施例中，對銑削力的采集與對振動信號的采集共用該A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0035]由此，當(dāng)銑削力、振動信號采集電路上電自檢時，單片機(本實施例中采用MSP430)會對應(yīng)變電橋的不平衡程度進行判斷。當(dāng)該不平衡程度大于所設(shè)閾值時，MSP430單片機控制第一電位器、第二電位器和DAC電路對應(yīng)變電橋進行快速、精確的平衡調(diào)節(jié)，以確保銑削力信號采集工作的準(zhǔn)確性。該電橋平衡自調(diào)節(jié)電路中，應(yīng)變電橋?qū)娤髁π盘栟D(zhuǎn)換為電信號并輸出，通過濾波電路和第二放大電路對電橋信號進行濾波放大，第二放大電路所輸出的依舊為模擬信號，無法對其進行下一步的處理操作，因此需要設(shè)置上述A/D轉(zhuǎn)換電路來將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后轉(zhuǎn)換結(jié)果傳遞給第一數(shù)據(jù)處理電路。本實施例中，第一數(shù)據(jù)處理電路采用FPGA電路。
[0036]銑削力、振動信號采集電路還包括在壓電加速度計與A/D轉(zhuǎn)換電路之間依次連接的加速度計濾波電路和加速度計放大電路，以在采樣之前，對壓電加速度計的輸出信號進行濾波與放大。
[0037]對于上位機所配置的采樣參數(shù)例如采樣頻率、采樣通道等是通過第一數(shù)據(jù)處理電路對A/D轉(zhuǎn)換電路中的A/D芯片進行相應(yīng)的配置實現(xiàn)的。銑削加工時的振動信號通過壓電加速度計將其轉(zhuǎn)換為電信號，壓電加速度計可靠而牢固地安裝在刀柄內(nèi)部，所輸出的信號通過加速度計濾波電路和加速度計放大電路后再傳遞給A/D轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換。本實施例中，A/D轉(zhuǎn)換電路中使用的芯片是美信公司的MAX1301，是一枚4通道16位精度的A/D芯片，最大的采樣頻率達到115ksps，可以滿足X、Y、Z三個方向的銑削力和振動信號的采集。X方向、Y方向和Z方向為以銑刀與待加工零件接觸點為原點建立的坐標(biāo)系的對應(yīng)坐標(biāo)軸的方向，分別平行于主切削力的方向、徑向力的方向和軸向力的方向。X方向銑削力、Y方向銑削力和Z方向銑削力為銑削力在X方向、Y方向和Z方向上的分力。A/D轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)傳遞給第一數(shù)據(jù)處理電路，第一數(shù)據(jù)處理電路中所采用的FPGA型號是Altera公司的EP2C5T144C8。由于對銑削力信號的采集速度不需要太快，因此經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換之后可以直接將數(shù)據(jù)打包經(jīng)過第一無線模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路。振動信號的采集則往往需要很高的采用頻率，本發(fā)明可以做到90ksps的采樣頻率，因此無線模塊絕對是來不及傳輸?shù)?，但振動信號的采集的另一個特點就是采集時間短，因此本發(fā)明的銑削力、振動信號采集電路中的上述存儲電路包括靜態(tài)隨機存取存儲器(即SRAM)，用來暫時存儲高速采集來的振動信號數(shù)據(jù)，當(dāng)采集完成后再按照一定的順序從SRAM存儲電路中讀出、打包并通過第一無線模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路。
[0038]數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換電路包括還包括第二電源電路，其中各用電部分均與第二電源電路連接并靠第二電源電路供電(圖1中為了簡潔起見，未將該連接表示出來。)。第二無線模塊將將接收到的數(shù)據(jù)包傳遞給第二數(shù)據(jù)處理電路，第二數(shù)據(jù)處理電路按照程序編寫時規(guī)定好的協(xié)議對數(shù)據(jù)包進行解碼。由于數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路和上位機之間采用的串口協(xié)議是:波特率為115200Bd，無校驗位，8位數(shù)據(jù)位，I位停止位，而所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片的精度是16位的，因此一個A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)需要拆分成3個8位的數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)不僅要包含銑削力的方向信息還需要包含順序信息，再通過串口通訊模塊分3次發(fā)送給上位機。
[0039]上位機基于LabWindows開發(fā)，上位機需要完成指令生成和發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、實時顯示、存儲、信號分析的工作。為了提高系統(tǒng)的實時性，利用LabWindows的多線程功能另外創(chuàng)建3個輔助線程。將上位機所需要完成的工作進行劃分，并交給不同的線程來完成。主線程用于控制指令的生成和發(fā)送并接收串口通訊模塊傳來的數(shù)據(jù)，第一輔助線程用于對數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路拆分的數(shù)據(jù)進行識別并重組和識別重組后數(shù)據(jù)的實時顯示;第二輔助線程用于將識別重組后數(shù)據(jù)，按照一定的格式存在一個Excel文件中；第三輔助線程用于對接收到的數(shù)據(jù)進行時域和頻域的信號分析。
[0040]本實施例中，MSP430單片機所選用的單片機型號為是美國德州儀器公司的MSP430fll32，SRAM存儲電路中選用的是意法半導(dǎo)體公司的M68AW127B靜態(tài)存儲器，第一數(shù)據(jù)處理器和第二數(shù)據(jù)處理器中所采用的FPGA芯片均為Altera公司Cyclone II系列中的EP2C5T144C8，第一無線模塊和第二無線模塊中采用Nordic公司的nRF24L01芯片，A/D轉(zhuǎn)換電路中選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為美信公司的MAX1301。
[0041]該系統(tǒng)中，銑削力、振動信號采集電路和數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路之間通過無線的方式進行通訊，數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路與上位機之間通過RS232串口進行通訊。在系統(tǒng)上電時，各硬件部分開始自檢；自檢完畢后，銑削力、振動信號采集電路的第一無線通信模塊和數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路的第二無線通信模塊進行握手，確保無線通訊暢通。完成以上工作之后，數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路向上位機發(fā)送準(zhǔn)備完成的信號，同時銑削力、振動信號采集電路和數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路進入指令等待狀態(tài)。上位機根據(jù)用戶所配置的采用參數(shù)自動生成指令，并將所生成的指令通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路，然后數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路將所接收到的指令轉(zhuǎn)換成無線指令通過第二無線通信模塊發(fā)送給銑削力、振動信號采集電路，發(fā)送完畢后數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路進入銑削力、振動信號接收狀態(tài)。銑削力、振動信號采集電路接收到指令后進入銑削力、振動信號采集狀態(tài)，按照指令所傳遞的采用參數(shù)進行信號采集。銑削力、振動信號采集電路將采集到的銑削力、振動信號數(shù)據(jù)按照一定的格式打包好之后發(fā)送給數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路，然后數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路對接收到的數(shù)據(jù)包進行解碼之后再按照一定的順序以及格式發(fā)送給上位機，上位機再對數(shù)據(jù)進行一系列的處理。
[0042]本發(fā)明還提出了一種用于上述銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的傳輸協(xié)議。根據(jù)該協(xié)議，銑削力、振動信號采集單元向數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包按照順序排列各次采集到的銑削力和振動信號的數(shù)據(jù);其中，數(shù)據(jù)包中的每段數(shù)據(jù)均以十六位二進制數(shù)表示，每個十六位二進制數(shù)前均具有二進制標(biāo)志位，二進制標(biāo)志位表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中是否包含對應(yīng)類型的數(shù)值，對應(yīng)的十六位二進制數(shù)表示具體的數(shù)值。其中，所述順序按照X方向銑削力、Y方向銑削力、Z方向銑削力和振動信號依次排列。標(biāo)志位為I表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中包含對應(yīng)的數(shù)值，標(biāo)志位為O表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中不包含對應(yīng)的數(shù)值。
[0043]數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元將從銑削力、振動信號采集單元接收的每個銑削力和振動信號的對應(yīng)數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為三個八位二進制數(shù)據(jù)。第一個八位二進制數(shù)據(jù)的高四位用于攜帶數(shù)據(jù)信息，其中第七、八位表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，第五、六位表示數(shù)據(jù)的次序信息;低四位用于裝載數(shù)據(jù)，低四位的數(shù)據(jù)為原十六位數(shù)據(jù)的高四位;第二個八位二進制數(shù)據(jù)的高二位表示數(shù)據(jù)的次序，低六位表示對應(yīng)數(shù)據(jù)的原十六位中第七位到第十二位;第三個八位二進制數(shù)據(jù)的高二位表示數(shù)據(jù)的次序，低六位表示對應(yīng)數(shù)據(jù)的原十六位中低六位。
[0044]上位機只有在接收到的三個八位二進制數(shù)據(jù)中，第一個八位二進制數(shù)據(jù)中第五位和第六位表示的數(shù)據(jù)的次序、第二個八位二進制數(shù)據(jù)中高二位表示的數(shù)據(jù)的次序、以及第三個八位二進制數(shù)據(jù)中高二位表示的數(shù)據(jù)的次序為依次按設(shè)定順序排列時，才認定為數(shù)據(jù)的傳輸與接收正確，并從三個八位二進制數(shù)據(jù)中提取原十六位數(shù)據(jù)的各位數(shù)據(jù)進行后續(xù)操作;否則，認定數(shù)據(jù)的傳輸與接收錯誤。本實施例中，當(dāng)認定數(shù)據(jù)的傳輸與接收錯誤時，將這部分出錯的數(shù)據(jù)丟掉，丟掉之后，繼續(xù)接收后續(xù)的數(shù)據(jù)；同時會對此進行記錄，記錄丟掉了多少數(shù)據(jù)。
[0045]圖3所示為按照本實施例的協(xié)議的銑削力、振動信號采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中D67、D50、D33、D16均為標(biāo)志位，分別為X方向銑削力、Y方向銑削力、Z方向銑削力、振動信號的標(biāo)志。標(biāo)志位為I則表示這個數(shù)據(jù)包中有相應(yīng)類型的數(shù)據(jù)，標(biāo)志位后跟隨著16位的數(shù)據(jù)。銑削力、振動信號采集單元按照圖2所擬定的協(xié)議進行數(shù)據(jù)打包。數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元接收到數(shù)據(jù)包之后按照協(xié)議進行解碼，首先判斷D67、D50、D33、D16中哪些是1，然后將標(biāo)志位后的16位數(shù)據(jù)提取出來存放在相應(yīng)的寄存器中，等待下一步操作。
[0046]圖4所示為按照本實施例的協(xié)議的數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元拆分的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)示意圖。一次A/D轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生一個十六位的數(shù)，但是RS232串口一次只能傳輸8位數(shù)據(jù)，因此需要在傳輸時對數(shù)據(jù)進行拆分，數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元傳輸?shù)缴衔粰C之后進行重組。在傳輸前，數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元中的FPGA將一個十六位數(shù)據(jù)拆分成如圖3所示的三個八位數(shù)據(jù)。其中:{S23，S22}兩位放數(shù)據(jù)的類型信息，若{S23，S22}為{0，0}則表示是X方向銑削力信號數(shù)據(jù)，若{S23，S22}為{0，1}則表示是Y方向銑削力信號數(shù)據(jù)，若{S23，S22}為{1，0}則表示是Z方向銑削力信號數(shù)據(jù)，若{323，522}為{1，1}則表示是振動信號數(shù)據(jù)。{521，520}、{515，514}、{S7，S6}這幾位則用于放數(shù)據(jù)的次序信息，若為{O，1}則表示是第I個八位數(shù)據(jù)，若為{I，0}則表示是第2個八位數(shù)據(jù)，若為{I，1}則表示是第3個八位數(shù)據(jù)。第I個八位數(shù)據(jù)中攜帶待拆分的十六位數(shù)據(jù)中的高四位，第2個八位數(shù)據(jù)中攜帶待拆分的十六位數(shù)據(jù)中的第七位到第十二位，第3個八位數(shù)據(jù)中攜帶待拆分的十六位數(shù)據(jù)的低六位。當(dāng)上位機收到第I個八位數(shù)據(jù)時會先檢驗{S23，S22，S21，S20}這四位判斷是否正確以及數(shù)據(jù)類型，接收到第2個八位數(shù)據(jù)判斷{S15，S14}是否為{1，0}，接收到第3個八位數(shù)據(jù)判斷{S7，S6}是否為{1，1}，只有三次判斷都對才會將三個八位數(shù)據(jù)中有效的數(shù)據(jù)提取出來重新組合成一個十六位的數(shù)據(jù)并進行該類型數(shù)據(jù)的下一步操作。三次判斷中任何一次判斷出現(xiàn)錯誤都將丟棄前面已經(jīng)接收到的部分?jǐn)?shù)據(jù)重新進行下一個數(shù)據(jù)的接收，以確保數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確。
[0047]本發(fā)明銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)及其傳輸協(xié)議能夠準(zhǔn)確而有效地實時采集和傳輸銑削力和振動信號，為銑刀狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免了刀具失效所造成的停機時間，大大提高了銑削加工的可靠性、精度和加工效率。同時，本發(fā)明擺脫了導(dǎo)線的限制，更為簡潔和方便。
[0048]上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:包括銑削力、振動信號采集單元、數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以及上位機； 所述銑削力、振動信號采集單元包括用于采集銑削力的應(yīng)變電橋、用于采集振動信號的壓電加速度計、與所述應(yīng)變電橋和所述壓電加速度計均通信連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、與所述A/D轉(zhuǎn)換電路通信連接的第一數(shù)據(jù)處理電路、與第一數(shù)據(jù)處理電路均連接的存儲電路和第一無線模塊； 所述數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元包括與第一無線模塊通信的第二無線模塊、與第二無線模塊連接的第二數(shù)據(jù)處理電路和與第二數(shù)據(jù)處理電路連接的串口通訊模塊； 所述串口通訊模塊與所述上位機通過串口通信連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述銑削力、振動信號采集單元為銑削力、振動信號采集電路，數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元為數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換電路。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述銑削力、振動信號采集單元還包括與所述應(yīng)變電橋連接的電橋平衡自調(diào)節(jié)電路； 所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路包括第一電位器、第二電位器、差分放大電路、采樣電路和單片機； 第一電位器和第二電位器的兩固定端均分別連接所述應(yīng)變電橋的兩供電端，滑動端均連接所述應(yīng)變電橋的同一輸出端，第一電位器和第二電位器的控制引腳均和單片機相連；所述差分放大電路的兩輸入端分別連接所述應(yīng)變電橋的兩輸出端，輸出端通過所述采樣電路連接所述單片機的1引腳，以由所述單片機根據(jù)所述差分放大電路的輸出對第一電位器和第二電位器進行控制，使第一電位器和第二電位器所連接的應(yīng)變電橋的輸出端的電位發(fā)生變化，使得所述應(yīng)變電橋平衡； 所述單片機與第一數(shù)據(jù)處理電路連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括連接設(shè)置在所述差分放大電路的輸出端和所述采樣電路的輸入端之間的濾波電路，以對所述差分電路的輸出信號進行濾波。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括設(shè)置在所述濾波電路的輸出端和所述采用電路的輸入端之間的第二放大電路，以對所述濾波電路的輸出信號進一步放大。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述電橋平衡自調(diào)節(jié)電路還包括DAC電路，所述DAC電路的控制引腳連接到單片機上，輸出端連接所述差分放大電路的參考電位端，以由所述單片機控制所述DAC電路對所述差分放大電路的輸出進行補償，進一步提高對所述應(yīng)變電橋進行調(diào)平的精度。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述采樣電路為所述A/D轉(zhuǎn)換電路。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述銑削力、振動信號采集單元還包括在所述壓電加速度計與所述A/D轉(zhuǎn)換電路之間依次連接的加速度計濾波電路和加速度計放大電路。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述存儲電路包括靜態(tài)隨機存取存儲器。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述銑削力、振動信號采集單元還包括電池充電電路、充電鋰電池、開關(guān)電路和第一電源電路； 所述充電鋰電池通過開關(guān)電路與第一電源電路連接，以由所述充電鋰電池為所述銑削力、振動信號采集電路供電，并由所述開關(guān)電路控制電源的通斷;第一電源電路分別與所述銑削力、振動信號采集單元中的各芯片連接，以由第一電源電路對所述充電鋰電池的供電電壓進行穩(wěn)壓處理，為所述銑削力、振動信號采集單元中的各芯片和所述應(yīng)變電橋進行供電;所述電池充電電路連接所述充電鋰電池，以在需要時對所述充電鋰電池進行充電。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換電路單元還包括第二電源電路，所述數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換單元中的各用電部分均與第二電源電路連接并靠第二電源電路供電。12.—種用于權(quán)利要求1 -11中任一項所述的銑削力、振動信號米集與傳輸系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，其特征在于:所述銑削力、振動信號采集單元向所述數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元以數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包按照順序排列各次采集到的銑削力和振動信號的數(shù)據(jù);其中，數(shù)據(jù)包中的每段數(shù)據(jù)均以十六位二進制數(shù)表示，每個十六位二進制數(shù)前均具有二進制標(biāo)志位，二進制標(biāo)志位表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中是否包含對應(yīng)類型的數(shù)值，對應(yīng)的十六位二進制數(shù)表示具體的數(shù)值。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，其特征在于:所述順序按照X方向銑削力、Y方向銑削力、Z方向銑削力和振動信號依次排列； 其中X方向、Y方向和Z方向為以銑刀與待加工零件接觸點為原點建立的坐標(biāo)系的對應(yīng)坐標(biāo)軸的方向，分別平行于主切削力的方向、徑向力的方向和軸向力的方向； 所述X方向銑削力、所述Y方向銑削力和所述Z方向銑削力為銑削力在X方向、Y方向和Z方向上的分力。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，其特征在于:標(biāo)志位為I表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中包含對應(yīng)的數(shù)值，標(biāo)志位為O表示對應(yīng)的十六位二進制數(shù)中不包含對應(yīng)的數(shù)值。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，其特征在于:所述數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換單元將從所述銑削力、振動信號采集單元接收的每個銑削力和振動信號的對應(yīng)數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為三個八位二進制數(shù)據(jù)； 第一個八位二進制數(shù)據(jù)的高四位用于攜帶數(shù)據(jù)信息，其中第七、八位表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，第五、六位表示數(shù)據(jù)的次序信息；低四位用于裝載數(shù)據(jù)，低四位的數(shù)據(jù)為原十六位數(shù)據(jù)的高四位;第二個八位二進制數(shù)據(jù)的高二位表示數(shù)據(jù)的次序，低六位表示對應(yīng)數(shù)據(jù)的原十六位中第七位到第十二位;第三個八位二進制數(shù)據(jù)的高二位表示數(shù)據(jù)的次序，低六位表示對應(yīng)數(shù)據(jù)的原十六位中低六位。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于銑削力、振動信號采集與傳輸系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，其特征在于:所述上位機只有在接收到的三個八位二進制數(shù)據(jù)中，第一個八位二進制數(shù)據(jù)中第五位和第六位表示的數(shù)據(jù)的次序、第二個八位二進制數(shù)據(jù)中高二位表示的數(shù)據(jù)的次序、以及第三個八位二進制數(shù)據(jù)中高二位表示的數(shù)據(jù)的次序為依次按設(shè)定順序排列時，才認定為數(shù)據(jù)的傳輸與接收正確，并從三個八位二進制數(shù)據(jù)中提取原十六位數(shù)據(jù)的各位數(shù)據(jù)進行后續(xù)操作;否則，認定數(shù)據(jù)的傳輸與接收錯誤。
【文檔編號】G08C17/02GK106094689SQ201610600394
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610600394.3, CN 106094689 A, CN 106094689A, CN 201610600394, CN-A-106094689, CN106094689 A, CN106094689A, CN201610600394, CN201610600394.3
【發(fā)明人】劉曉東, 朱丹丹, 金斌斌
【申請人】同濟大學(xué)