1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术研究 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 精密 机床 作为 工业 中 的基础装备 ， 其安全运行有着至关重要的作用。 本文以 ML-360车铣床为研究对象， 设 计了 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测 系统。 比较 了 传统的 机床 状态在线监测技术与基于嵌入式系统的状态在线监测技术的优劣 ， 确定了论文总体设计方案 。 以 精密机床运行时 的振动、温度等 信息 作为监测物理量，进行数据 采集 ，对机床运行状态进行实时 监测。 设计了基于嵌
2、入式系统的精密机床状态监测 的硬件电路 。 阐述了传感器的选型、安装，设计了信号调理电路以及 A/D 转换模块等。 构建了模块化的 软件系统 ， 集合了数据采集、信号处理、状态监测 等 ，是精密机床信息采集和状态监测系统的重要组成部分。 上述工作 对特征参数进行实时分析与处理，利 用 ARM 微处理器对机床的工作状态进行辩识。通过采集和分析机床工作时的一系列信号，为避免机床故障提供了实时可靠的数据基础。 关键词： 嵌入式系统 ， 精密机床 ， 信息采集 ，状态 监测 II Research on Information Acquisition and Monitoring Technology
3、 of Precision Machine Tool Based on Embedded System Abstract Precision machine tools and equipment as the basis for industry. Its safe operation has a vital role. In this paper Comparison of the traditional machine status line monitoring technology and state-based embedded system pros and cons of on
4、line monitoring. ML-360 milling machine as the research object , designed Precision machine tool information collection and monitoring system based on embedded systems. Determine the overall design thesis, Precision machine tool operation to vibration, temperature and other information for monitorin
5、g the physical. Data acquisition, real-time operating status of the machine tool monitoring. Design of embedded systems based on sophisticated hardware machine condition monitoring. Describes the sensor selection, installation, design a signal conditioning circuit and A / D conversion module. Constr
6、uction of a modular software system, the collection of data acquisition, signal processing, condition monitoring, etc. 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 bas
7、ed on reliable data. Keywords: Embedded Systems， Precision Machine Tool， Information Collection，Condition Monitoring III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 选题的背景及意义 . 1 1.1.1 选题的背景 . 1 1.1.2 选题的意义 . 1 1.2 机床信息采集与状态监测 技术国内外研究状况 . 3 1.2.1 机床信息采集与状态监测技术国内外研究状况 . 3 1.2.2 基于嵌入式系统机电装备状态在线监测技术国内外研究状况 .
8、 4 1.3 论文内容安排 . 6 2 精密机床状态监测总体设计方案 . 7 2.1 基础理论 . 7 2.1.1 精密机床简介及其工作原理 . 7 2.1.2 机床在线状态监测量的选择 . 8 2.2 传统的机床在线状态监测技术 . 9 2.2.1 基于单片机的在线监测技术 . 9 2.2.2 基于 DSP 的在 线监测技术 . 10 2.2.3 基于 PLC 的在线监测技术 . 11 2.3 基于嵌入式精密机床状态监测系统的总体设计方案 . 12 2.3.1 嵌入式系统与基于 PC 的测试系统的比较 . 12 2.3.2 总体方案设计 . 13 2.3.3 结构设计 . 15 3 精密机床
9、信息采集和状态监测的硬件设计 . 17 3.1 精密机床信息采集传感器的选择 . 17 3.1.1 常用测振传感器 . 17 3.1.2 常用测温传感器 . 18 3.1.3 传感器的选择 . 19 IV 3.1.4 传感器的安装 . 21 3.2 信号调理电路 . 22 3.2.1 滤波放大电路 . 22 3.2.1.1 振动信号的滤波放大电路 22 3.2.1.2 温度信号的滤波放大电路 25 3.2.2 A/D 转换器的选择 . 27 3.3 ARM 结构介绍 . 28 3.4 基于 MagicS3C2410 的数据采集系统的设计 . 30 3.4.1 核心板 30 3.4.1.1 S3
10、C2410A 处理器 30 3.4.1.2 存储器接口电路 .30 3.4.1.3 以太网接口电路 .31 3.4.2 主板 . 31 3.4.2.1 A/D 电路 31 3.4.2.2 显示屏接口电路 32 3.4.3 外围电路 . 33 3.4.3.1 触摸屏接口电路 .33 3.4.3.2 信号 输入端接口 34 3.4.4 机床信息采集与监测系统的设计 . .35 4 精密机床信息采集和状态监测的软件设计 . 37 4.1 软件部分功能与程序框图 . 37 4.2 数据处理程序设计 . 38 4.2.1 数据采集程序设计 . 38 4.2.2 A/D 转换程序设计 . 39 4.3 精
11、密机床信息采集和状态监测的频谱分析 . 40 5 结论 . 42 参考文献 . 43 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附 录 . 45 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究 1 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 1.1.1 选题的背景 机床工业是制造业的重要组成部分，体现了一个国家制造业的发展水平，也是机械工业发展和振兴的重点领域。 精密机床作为我国机床工具行业完善提高阶段的重点发展对象之一， 在现代生产发展中显得尤为重要。目前，国内很多机械设备都引用了 Phillips 等知名公司的监测保护仪装置。但鉴于成本等问题，或即便引进的监测系统对机械运作的安全起到了积极作用，由于监管
12、 人员无法对监测系统显示的异常信号进行准确的判断，无法深层次地分析和故障诊断。因此，建立一个可以为专业人员提供在线故障诊断依据的具有数据采集、分析能力的在线监测系统就变得非常重要了。与此同时， 在连续生产中，如果机床存在故障且未能及时发现和排除，不仅会造成机床的损坏，影响整个生产线的正常运行，更有可能造成危害性的事故，造成重大的经济损失。为对精密机床进行故障诊断，就必须对其运作进行信息采集和实时状态监测，同时，为满足网络化、智能化的发展需求，这就引出了基于嵌入式系统的 精密机床的信息采集和监测技术的研究。 1.1.2 选题的意义 随着我国经济的迅速发展，精密 机床作为工业中的基础装备，在各领域
13、的应用显得越来越重要。 2000 年起，我国就把发展新型精密机床和完善其功能作为工业振兴的目标。温家宝总理曾说过： “ 精密机床的发展水平是一个国家机床化、现代化的重要标志，代表着一个国家的科学水平、创新能力和综合能力，中国要成为生产精密机床的大国。 ” 精密机床作为我国机床工具行业完善提高阶段的重点发展对象之一， 正朝着高速、高智能化、功能多元化、网络化的方向发展 1。在各个行业生产的发展中，精密机床有着不可小觑的作用；机械设计与制造工 业、计算机自动控制技术、精密测量与检测等领域中都运用到了精密机 床，足以见证了精密机床应用领域的广泛。 鉴于精密机床的广泛运用，保证精密机床安全运行，提高生
14、产效率和设备利用率 ,减少设备故障就有了重要的现实意义。只有及时并准确地发现机床故障所在，才能 提高机床运行的安全性、可靠性和机床的利用率，才能节约大量的维修时间和费用，产生经济效益，避免不必要的事故。 因此，也促使了基于嵌入式系统的精密机床的信息采集和监测技术成为我国重点发展的一块新领域。 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究 2 精密机床的信息采集和状态监测是对机床故障诊断的重要前期工作。机床在运行 过程中，受到力、热、摩擦等多种作用，使其运行状态不断变化，因此必须在机床运作过程中对其进行信息采集和状态监测，以便及时做出判断，采取必要措施，避免发生故障而导致严重后果。 多数传统
15、精密机床不具备信息采集和监测的能力 ,在一定程度上降低了生产效率 ,使企业信息化和工业自动化得不到进一步的发展。 传统的信息采集和监测技术又存在精度低、可靠性差、效率低、操作繁琐等弊端，已经不能完全适应现代化工业的高速发展。随着现代工业自动化程度的提高，以及各种机床参数的不同，包含了复杂的环境和状态信息。只有采用有效的信息采集技术，准确 地监测到精密机床运作过程中的各种状态信息，才能以此为依据，提高整个机床的运作能力和故障处理能力。随着嵌入式技术的迅猛发展，设计高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的信息采集和监测系统成为当务之急。 鉴于嵌入式技术具有成本低、体积小、集成度高、可靠性高等优
16、点 ,采用基于 ARM处理器的嵌入式系统模块与传统精密机床相结合的方式 ,能够实现传统精密机床的信息采集和状态监测等操作，从而加快企业信息化、自动化发展，对提高生产效率和经济效益有着重要的现实意义 2。而且， 随着先进制造技术的发展，制造质量的重心从传统的直接 以工件参数为标准转向以信息采集和监测制造系统状态参数为标准，嵌入式系统的精密机床的信息采集和监测技术更凸现其重要作用 。 机床 故障主要通过机床振动、温度和速度等特征表现，需要应用状态监测、信息采集、信号处理和信息融合等多种技术进行分析； 从而为提高加工精度、深化对精密加工过程的认识提供有力的分析依据。 若 要实现精密机床在制造过程中的
17、自动化和智 能化控制 ,对精密机床加工过程的状态监测时十分重要的。因此本文拟进行的研究 不但可以提高加工 精度和劳动生产率，而且能有效地 提高生产质量，提高产品精度，提高生产效率和保障生产安全等 等， 使之更有效的满足了工业发展的需求 3。 但在技术方面，仍然存在一些薄弱环节。根据目前国内外精密机床发展的趋势，结合嵌入式系统的超精密机床在线信息采集和监测技术的研究具有十分重要的理论和现实意义。 综上所述 ,对机床加工过程进行信息采集和状态监测的实际意义归纳为以下四点 : (1) 保证机床加工的安全运行 ； (2) 保证加工工件质量 ； (3) 合理并优化使用机床设备，避免设备故障 ； (4)
18、减少额外的辅助工作时间，提高生产率和设备利用率。 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究 3 1.2 机床信息采集与状态监测技术国内外研究 状况 1.2.1 机床 信息采集与状态 监测技术国内外 研究 状况 随着科学技术的发展与进步 ,各种机械设备结构越来越复杂、自动化程度也越来越高 ,极大地提高了生产效率 ， 促进了生产力的快速发展。但机械设备一旦发生故障就会造成重大的经济损失 ， 甚至危及人的生命安全。 2010年 1月，我国兰州石化发生爆炸事故 ,造成 6人死亡 ， 事故的直接原因是一储罐阀门突然泄漏。随着国际国内安全事故频发 ， 设备状态在线监测已被提升到极为重要的高度 ，
19、人们迫切希望能及时了解机械设备的工作状态 ,从而保证机械设备的安全运行。 以美国为主的西方发达国家在 信息采集和 状 态 监测技术 研究上处领先水平。美国 Bentley， IRD， BEI等公司对机电设备运行状态监测的研究，已有了四十多年的历史，并建立了数据库系统、专家诊断系统等。 信息采集和 状态 监测技术 应用领域 广泛，早期主要应用于汽车、工程机械零件的高效精密加工；军工、航空航天、能源以及微电子等精密非球面镜零件的超精密加工等 4。 60年代的数字电路和信号分析处理技术的发展推动了监测技术在机械设备上的应用。 70年代开始，机械设备的信息采集和状态监测技术的研究在各个国家都跨入了系统
20、化的发展阶段。那时对监测技术的研究一般采用专用计算机 和专用操作系统的信息采集和监测技术系统，简称 SCADA。美国亚特兰大公司研制的 M6000系统以及丹麦B&K公司研制的 2500监测系统都具备了对机械设备进行信号采集、信息处理分析、显示及监测的能力 5。之后，对于机床的信息采集和监测，则主要运用机床串口技术（如标准接口 RS-232）和外接 PLC技术。 90年代以来，最新研制的微机系统不断更新，对各种信号处理的计算方法也在不断优化，尤其是是微处理器DSP的出现和发展，不仅大大提高了数据处理的能力与速度，更为工业现场直接应用于机械设备的状态监测和故障诊断技术创造有 利的条件。丹麦、美国、
21、德国等发达国家的诸多专家对机械信息采集与状态在线监测技术进行了深入研究，研制出了不同的测试系统。其中，丹麦 B&K公司的 2520型振动监测系统、美国BENTLY公司的 3300系列振动监测系统等是国际上公认的含有较高的水平的监测系统。美国 IRD公司的 IQZ000系统可认为是至今为止有报道的功能最齐全的监测与诊断系统 6。 在 80年代，我国主要采取从国外引进机械的状态监测系统；然而，国外的在线监测系统、诊断仪等一系列软硬件一般价格都较昂贵，并且维护方面也存在不便。因此，国内许多科研机构及高 等院校都在致力于研发自己的信息采集和状态监测系统。哈尔滨工业大学等单位联合研制的 机械状态监测与故
22、障诊断装置，即3MD系列系统 ；南京汽轮高新技术开发公司的 CRAS随机信号与振动分析系统；西安交通大学的旋转机械状态监测与故障诊断系统等都是 监测系统研制过程中基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究 4 的硕果。 当今，比较典型的机械设备 信息采集和 状态监测方式主要有以下三种 7： 1) 离线定期监测方式。 当前利用进口监测仪器普遍采用的方式是：测试人员用传感器依次对各测点进行数据采集，记录信号，在专用计算机上完成数据处理。此 监测 方法的特点是 ：其整体 测试 方案 简单 可行 ， 缺点是 测试工作比较烦琐复杂，需要测试人员 进行实时监测 ； 但作为 离线定期监测，不能提前预测
23、 ，因此不能 避免突发性故障的发生。 2) 在线检测离线分析的监测方式。 近年来，在机械设备中采用的主要监测方法是在线检测离线分析的监测方式，此方式采用在 机械 设备上 安装 传感器 进行 多个测点 的信息采集与监测 ， 先从 现场 由 微处理器从 机械设备中采集 各测点的数据 并 处理，专业人员在主机系统中进行分析和判断。 较 离线定期监测方式，在线检测离线分析的监测方式免去了更换测点的麻烦，并能在线进行 机械设备的监测 和报警；但是该方式需要离线进行数据分析和 判断，而且 需要 专业技术人员 对采集到的数据进行 分析和判断 处理 。 3) 自动在线监测方式。 该方式不仅能实现自动在线监测设
24、备的工作状态，及时进行故障预报，而且能实现在线数据处理和分析判断。该方式技术最先进，不需要人为更换测点，不仅不需要专门的测试人员，也不需要专业技术人员参与分析和判断；但是软硬件的研制工作量很大。 1.2.2 基于 嵌入式系统 机电装备状态在线监测技术 国内外 研究 状况 以往的机械状态监测设备，硬件方面大多采用基于 PC 平台，加上各种采集控制卡的方式。但传统的硬件 PC 平台存在稳定性差，而且防震、防电磁 、防尘干扰的效果不理想等缺陷。为了改善 PC 稳定性，同时减少外部干扰的影响，必须在 PC 硬件平台的外部增加必要的防护设备，如防护用的机箱或屏蔽外壳等。而且由于传统的硬件 PC 平台集成
25、度不高，显示器、鼠标、键盘都要通过线缆与主机进行连接，各种线缆多而复杂，不仅影响了外部的美观，而且影响工作效率，不适合在生产线上使用。对大型的测控系统来说，其采用的是专用的控制平台，虽然避免的传统 PC 平台的缺陷，但需要专用的软件，成本高，开发周期长，并非最理想的监测设备。近年来，随着嵌入式系统的发展，其集成度高、开发周期短、体积小、功 能扩展灵活、针对性强等特点使其逐步成为 机电装备状态在线监测技术 研究的一个新趋势 8。 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究 5 单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统，起初 对精密机床的信息采集和状态监测主要采用单片机；运用单片机构成形式
26、多样的控制系统、数据采集系统，从而进行信息采集和状态监测。 现如今，对机械设备的信息采集和状态监测技术大致主要分为两大类 9： 1) 传统的信息采集和状态监测技术设备； 2) 便携式的信息采集和状态监测的技术设备。 对传统的信息采集和状态监测技术就是在机械设备上安装传感器，从现场测得各测点的数据，进而进行数据 分析处理。典型的代表有德国普鲁夫科技生产的在线监测系统与诊断系统；由我国英华达公司生产的水轮机组振动监测分析仪等。但基于传统的监测系统不便于携带且价格昂贵等原因，这个系统基本上一直处于研发阶段，也未能推广应用。 较传统的信息采集和监测技术而言，便携式的监测系统就比较容易受到大家的普遍认可
27、。如三星公司推出的一款 16/32位的嵌入式微处理器 S3C2410，以数据库为基础，将专家系统和图形用户接口与嵌入式系统想融合，实现了人机互交、数据分析处理、专家诊断等功能。 自 20 世纪 70 年代出现了嵌入式系统这个概念以来，嵌 入式系统以其低功耗、低成本、高性能等特点，得到了飞速发展。早期的嵌入式系统主要以单片机为技术核心，现今，以单片机为核心的嵌入式系统已广泛应用于各个领域。其与传感器、监测设备、伺服控制、显示设备等配合，实现一定的测量、显示、信息处理等功能。 以美国为主的西方国家在这方面的综合研究处于领先水平。 20 世纪 80 年代，市场上已有了诸多嵌入式操作系统，如 Linu
28、x、 Windows CE、 UC/OS 等。随着嵌入式系统研究和应用 的进一步深入 ， 嵌入式系统从以 微处理器 /DSP 为核心 的 “ 集成电路 ” 设计 逐 步转向 “ 集成系统 ” 设计 ，提 出了片上系统 SOC( System on a chip)的基本理论 10。目前，嵌入式系统正朝着网络化、智能化、集成化的方向发展。在与各个行业的具体应用相结合的过程中 ， 嵌入式系统对国民经济进行了全方位的渗透 , 现在市场中出售的众多的数码产品、航空设备、 ATM 机、计算机网络设备等电子产品中都用到了嵌入式系统。毫无疑问，嵌入式系统已是当今最热门的话题之一。 目前，比较有代表性的嵌入式系统微处理器有 ARM 公司的 ARM 系列、 IBM公司的 Power PC 等。 Microsoft 等国外嵌入式实时操作系统及其一系列产品，以其成熟的技术深入了千家万户。我国现也已自主研发嵌入式系统，如科银公司研制的嵌入式软件开发平台 Delta System；中科院推出的 Hope 嵌入式操作系统。飞速发展的嵌入式技术的应用，使处理器从 8 位扩展到 16 位，到目前为止的 32 位、 64 位嵌入式处理器；在庞大市场的需求下，嵌入式系统必将得到进一步的深入发展。
