一種超聲切割聲主軸狀態監測系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種超聲切割聲主軸的狀態監測系統及方法，包括主控MCU、人機交互界面裝置、數據采集系統和數據存儲系統。傳感器輸出接口通過杜邦線與調理電路輸入接口連接，調理電路輸出接口通過杜邦線與主控MCU內置ADC的GPIO口連接，人機交互界面裝置與主控MCU通過16位8080總線相連，數據存儲系統通過SPI總線與主控MCU連接；主控MCU上設有USB轉串口用來供電，設有2MSPI-FLASH用于保存字庫，設有JTAG/SW口來下載數據采集程序。本發明在加工中的各個故障參數，超過工作許可范圍時，給予聲光報警提示，從而提高加工的可靠性和安全性，增強企業競爭力，更適合工程實際應用。
【專利說明】一種超聲切割聲主軸狀態監測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超聲切割聲主軸的狀態監測領域，特別是涉及一種超聲切割聲主軸狀態監測系統及方法。
【背景技術】
[0002]蜂窩復合材料具有高比強度、高比剛度和高比模量，良好的耐老化和抗腐蝕能力，有足夠的斷裂韌性和良好的抗疲勞性能，在航空航天、軍事、電子、汽車和生物工程等領域正得到越來越廣泛的應用，并且不斷地向新的領域擴展。正是由于蜂窩復合材料優良獨特的性能特點，傳統的加工方法在加工質量、效率和環保方面存在較大不足。超聲切割技術的發展很好的解決了上述問題，在蜂窩復合材料的超聲切割中，超聲切割聲主軸是其加工的主體和關鍵，其綜合性能的好壞直接影響材料加工質量和加工效率。然而，在實際的蜂窩復合材料超聲切割過程中，常常由于聲主軸匹配不好、關鍵點溫度過高、刀尖振動減弱、刀具磨損或破裂等原因，造成蜂窩復合材料超聲切割優越性降低或消失，甚至整個聲學系統損壞。目前，對于超聲切割聲主軸可靠性的研究已經成為國產超聲加工設備投入生產應用的瓶頸。其研究點相對分散，往往只進行單一故障參數的監測，缺乏一套完整的對超聲切割聲主軸綜合故障參數的監測系統。而且，目前聲主軸的監測系統的智能化、可視化、自動化程度相對較低，過多的依賴專業的素質人員對所測參數進行分析判斷，進而影響聲主軸狀態監測的實時性、可靠性和安全性，最終嚴重影響國產超聲加工設備的市場化發展。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的不足，提供一種超聲切割聲主軸狀態監測系統及方法。
[0004]為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
[0005]一種超聲切割聲主軸狀態監測系統，包括主控MCU、人機交互界面裝置、數據采集系統和數據存儲系統。主控MCU采用ARM Cortex-M3，所述的數據采集系統包括多個調理電路和多個傳感器；其中調理電路分為衰減模塊的調理電路和放大模塊的調理電路；
[0006]傳感器輸出接口通過杜邦線與調理電路輸入接口連接，調理電路輸出接口通過杜邦線與主控MCU內置ADC的GPIO 口連接，人機交互界面裝置與主控MCU通過16位8080總線相連，數據存儲系統通過SPI總線與主控MCU連接；主控MCU上設有USB轉串口用來供電，設有2MSP1-FLASH用于保存字庫，設有JTAG/SW 口來下載數據采集程序；
[0007]衰減模塊的調理電路包括第一電壓反饋型放大器U1、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一二極管D1、第二二極管D2、第二運算放大器U2和第三運算放大器U3;
[0008]第一電阻Rl的Vin端與傳感器的輸出端連接，另一端與第一二極管Dl正極、第二二極管D2負極、第二電阻R2的一端、第一電壓反饋型放大器Ul正向輸入端連接，第二電阻R2的另一端接地，第一二極管Dl負極與第二二極管D2正極、第一電壓反饋型放大器Ul反向輸入端、第三電阻R3的一端、第四電阻R4的一端連接，第一電壓反饋型放大器Ul的電壓輸出端與第三電阻R3的另一端連接主控MCU內置ADC的GPIO輸入口，第一電壓反饋型放大器Ul正負電源端接土5v電壓；第四電阻R4的另一端與第二運算放大器U2的輸出口、第五電阻R5的一端連接,第二運算放大器U2反向輸入端與第五電阻R5的另一端、第六電阻R6的一端，第二運算放大器U2正向輸入端接地，第三運算放大器U3的輸出端和反向輸入端與第六電阻R6的另一端連接，第三運算放大器U3的正向輸入端接5V偏置電壓，第三運算放大器U3的正負電源端接±5v電壓；
[0009]放大模塊的調理電路包括第四運算放大器U4、第七電阻R7和滑動電阻r ；
[0010]所述的滑動電阻r代表10KNTC熱電阻溫度傳感器，其一端接+3.3V電壓，另一端與第四運算放大器U4的正向輸入端、第七電阻R7的一端連接，第四運算放大器U4的反向輸入端與輸出端連接主控MCU內置ADC的GPIO輸入口 ；
[0011]一種超聲切割聲主軸狀態監測方法，具體包括以下步驟:
[0012]步驟一:開啟系統時鐘初始化、延時初始化、LED初始化、LCD初始化、ADC初始化、DMA初始化、觸摸屏初始化、內存池初始化；
[0013]步驟二:更新字庫和界面圖片；
[0014]步驟三:初始化畫圖；
[0015]步驟四:設置多頁面緩存的當前操作層和顯示層為I ;
[0016]步驟五:加載主界面；
[0017]步驟六:進入觸摸點掃描程序；
[0018]步驟七:判斷是否是觸摸點1，如果不是觸摸點1，則繼續執行步驟六，如果觸摸點是1，則首先設置當前操作層和顯示層為2，其次加載主軸監測界面，進入ADC數據采集、處理、分析程序，將采集到的數據與報警閥值對比，如果超過則報警，并保存，如果沒有超過，則將數據在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四；
[0019]步驟八:判斷是否是觸摸點2，如果不是觸摸點2，則繼續執行步驟六，如果觸摸點為2，則首先設置當前操作層和顯示層為3，其次進入動態曲線顯示界面，調用ADC數據采集、處理、分析程序，并將AD采集的數據以曲線形式在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四；
[0020]步驟九:判斷是否是觸摸點3，如果不是觸摸點3，則繼續執行步驟六，如果觸摸點為3，則首先設置當前操作層和顯示層為4，其次進入設置界面，通過觸摸按鍵設置報警閥值，并將報警閥值大小在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四；
[0021]步驟十:判斷是否是觸摸點4，如果不是觸摸點4，則繼續執行步驟六，如果觸摸點為4，則首先設置當前操作層和顯示層為5，其次加載文件管理界面，并將故障數據在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四。
[0022]本發明的有益效果:
[0023](I) 一套嵌入式狀態監測系統能夠完成整個超聲切割聲主軸常見故障參數的監測；[0024](2)針對于換能器阻抗角的監測方法，采樣改進的正交相關法，其有效抑制高斯白噪聲的干擾，并且計算量小，計算精度高，完全滿足監測系統的實時性和準確性。
[0025](3)該監測系統可以使用戶在短時間內獲得聲主軸的狀態信息，抗干擾能力強，能夠保證數據有效、快速、穩定地傳輸；
[0026](4)7寸液晶屏將故障監測點和采集的數據對應顯示，直觀地查看聲主軸狀態監測參數；
[0027](5)該監測系統可以及早防范故障發生，使企業及時獲得技術支持，解決生產企業技術力量不足的問題，并減少維護和使用成本。
[0028](6)該監測系統可以減少企業的售后服務成本，提高售后服務質量，適應制造全球化和市場競爭激烈化的趨勢,增強企業競爭力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1:本發明的結構示意圖；
[0030]圖2:本發明的傳感器布局圖；
[0031]圖3:本發明的信號衰減模塊的調理電路圖；
[0032]圖4:本發明的信號放大模塊的調理電路圖；
[0033]圖5:本發明的基本工作流程圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步的描述；
[0035]如圖1所示，本發明提供的一種超聲切割聲主軸狀態監測系統及方法包括主控MCU、人機界面交互裝置、數據采集系統、數據存儲系統。數據采集系統與ARMCortex-M3微處理器相連，并與監測所用的傳感器相連，用于獲取超聲切割聲主軸常見故障參數，傳感器與內部ADC通過調理電路將傳感器輸出的電壓信號經過放大、濾波后，轉換為滿足ADC輸入的電壓范圍；人機交互界面裝置與ARMCortex-M3微處理器相連，用于顯示超聲切割聲主軸狀態監測的數據；數據存儲系統與ARM Cortex-M3微處理器相連，用于對故障數據進行保存。另外，此監測系統通過USB轉串口供電，通過2MSP1-FLASH保存字庫，通過JTAG/SW下載數據采集程序。
[0036]ARM Cortex-M3微處理器作為主控MCU完成人機交互界面的控制、數據采集的控制、數據存儲的控制。
[0037]優選的，主控MCU采用基于ARM Cortex_M3內核的芯片型號為STM32F103RBT6作為控制器，該芯片內部自帶12位16通道的逐次逼近型ADC模數轉換器。降低了系統硬件擴展的復雜性，提高了系統的可靠性。
[0038]人機交互界面裝置由觸摸屏驅動單元、IXD驅動單元、IXD顯示屏構成。其中IXD驅動單元與ARM Cortex-M3微處理器通過16位8080總線連接，觸摸屏驅動單元與ARMCortex-M3微處理器通過IIC總線連接。人機交互界面裝置可以支持8頁顯存，多達5點同時觸控，使用觸摸功能可以實現界面的相互切換和閥值參數的設置等，避開了按鍵操作，更加智能、實用、方便。本監測系統共有五個界面，主界面、聲主軸監測界面、動態曲線顯示界面、設置界面、文件管理界面。主界面是一個開機logo界面，顯示整個監測系統所具有的功能；主軸監測界面可以完全顯示整個聲主軸各關鍵點的故障參數，顯示清晰明了，對使用用戶零基礎考驗；動態曲線顯示界面可以對刀尖振幅、阻抗角、換能器電壓、電流、各關鍵點溫度進行動態曲線顯示，方便觀察數據走勢圖，為專業的技術人員研發更實用的聲主軸提供技術依據；設置界面用來設置報警閥值；文件管理界面可以查看故障報警參數。
[0039]IXD顯示屏為7寸TFT-1XD，分辨率為800*480。觸摸屏驅動單元通過IIC通信接口與主控MCU相連來驅動觸摸屏，用于完成各界面之間的相互切換和閥值參數的設置等功能。觸摸屏驅動單元由型號為GT811的芯片構成。
[0040]數據采集系統采用ARM Cortex-M3片內自帶的12位16通道的逐次逼近型ADC模數轉換器。該ADC模數轉換器可以通過軟件設置每個通道的采樣頻率，方便高頻信號和低頻信號以不同的采樣頻率進行采集，達到合理利用ARM Cortex-M3微處理器的內部資源。ADC模數轉換器對輸入信號的電壓要求范圍為O?3.3V,因此,傳感器輸出的信號電壓范圍要經過調理電路進行放大、濾波轉換為可以被ADC采集的電壓。被ADC采集的信號數據通過數據處理、分析之后在7寸TFT-1XD液晶屏上顯示。
[0041]SPIFLASH用于存儲字庫。SPIFLASH由型號為W25X16芯片構成，容量為2M字節。USB轉串口為工控MCU供電。SD卡用于保存異常數據。SD卡容量為2G。JTAG/SW用于數據米集軟件程序的燒錄。
[0042]如圖2所示，本發明提供的一種超聲切割聲主軸狀態監測系統及方法的傳感器布局圖。超聲切割聲主軸機械結構部分主要包括:換能器、變幅桿、刀具，而超聲波發生器是將工頻電轉化為超聲頻，整個聲主軸的工作離不開超聲波發生器。而超聲波發生器內部又包括:整流模塊、逆變模塊、匹配模塊。根據超聲切割聲主軸的機械結構和運行條件，分析得到影響超聲切割聲主軸加工的各參數，并根據各參數確定所選用的傳感器為:ACS712ELC-20A直流電流傳感器201、10KNTC接觸式熱電阻溫度傳感器202、LTSRl5-NP交流電流傳感器203、CHV-25P交流電壓傳感器204、0TP_538U紅外非接觸式傳感器205、10KNTC接觸式熱電阻溫度傳感器206、377C01傳聲器207。
[0043]ACS712ELC-20A直流電流傳感器201用于測量整流模塊輸出電流，整流模塊常見的故障是整流橋過電流被擊穿。ACS712ELC-20A電流傳感器201將監測到的電流轉換為相對應的電壓被AD采集，最終在人機界面顯示電流大小，如果電流值超過預設閥值，將出現聲光報警，并把過電流值保存到SD卡。
[0044]10KNTC接觸式溫度傳感器202用于測量功率管溫度，功率管常見故障就是溫度升高，甚至高達上百度而損壞逆變模塊。10KNTC熱電阻溫度傳感器202將溫度值轉換為電阻值輸出，溫度越高，電阻越小。AD模數轉換器通過采集傳感器輸出電壓換算出功率管溫度，并在人機界面上顯示溫度大小，如果溫度值超過預設閥值，將出現聲光報警，并把溫度值保存到SD卡。
[0045]LTSRl5-NP交流電流傳感器203、CHV-25P交流電壓傳感器204用于測量換能器輸入電流和換能器兩端電壓，聲主軸常見故障是阻抗不匹配，導致聲主軸系統失諧或失效。LTSRl5-NP交流電流傳感器203、CHV-25P交流電壓傳感器204分別獲得換能器的電流和電壓，并通過調理電路被AD采集，采集之后的電壓、電流數字量通過改進的正交相關法處理，得到兩者之間的相位差，最終在人機界面顯示相位差(即阻抗角)大小，如果阻抗角值超過預設閥值，將出現聲光報警，并把阻抗角大小保存到SD卡。另外，對于AD轉換后的電流值還可以通過FFT分析和相關計算得到超聲波發生器輸出頻率和刀尖振幅，并在人機界面上顯不O
[0046]0TP-538U紅外非接觸式傳感器205用于測量換能器溫度，換能器最常見的問題就是發熱問題，即熱極限。由于換能器主要是由壓電陶瓷材料實現能量的轉換，而壓電陶瓷材料屬于鐵電材料，在大電場以及高功率的情況下，壓電陶瓷材料內部的鐵電電滯損耗及介電損耗相當大，會產生大量的熱量。而聲主軸在工作過程中有時處于旋轉狀態，故需要紅外非接觸式溫度傳感器測量其溫度。紅外非接觸式傳感器205將溫度值轉換為相對應的電壓值輸出，經過調理之后被AD模數轉換器采集，通過軟件處理得到相對應的溫度值，并在人機界面上顯示溫度大小，如果溫度值超過預設閥值，將出現聲光報警，并把溫度值保存到SD卡。
[0047]10KNTC接觸式溫度傳感器206用于測量聲主軸節點處的溫度，節點是用來固定聲主軸本身的，節點處常常由于振動產生摩擦熱，加大超聲能量的損耗，致使聲主軸刀尖振幅極小，故需要測量節點溫度。10KNTC接觸式溫度傳感器206將溫度值轉換為電阻值輸出，溫度越高，電阻越小。AD模數轉換器通過采集傳感器輸出電壓換算出功率管溫度，并在人機界面上顯示溫度大小，如果溫度值超過預設閥值，將出現聲光報警，并把溫度值保存到SD卡。
[0048]377C01傳聲器207用于測量刀尖磨損噪聲，刀尖在使用過程中常常會有磨損，磨損后的刀具尺寸改變，從而導致超聲振動系統的節點位置發生變化，節點與夾持位置偏離過大，會導致振動系統特別是固定處迅速發熱以致損壞。然而，常常由于系統失諧導致刀尖崩裂，故需要測量刀尖磨損噪聲。377C01傳聲器207拾取蜂窩復合材料超聲切割過程中的刀尖磨損噪聲，將獲得的噪聲信號通過調理電路后被AD模數轉換器采集，采集后的數據通過軟件處理得到相對應的噪聲聲壓等級輸出，如果聲壓等級值超過預設閥值，將出現聲光報警，并把聲壓等級值保存到SD卡。另外，通過FFT對采集到的噪聲信號進行分析還可以得到聲主軸系統的諧振頻率，并在人機界面上顯示。
[0049]上述通過傳感器測量后的信號都不能直接被ARM Cortex-M3微處理器的片內ADC直接采樣，故需要通過調理電路放大、濾波之后才能夠被采樣。
[0050]如圖3、4所示，本發明提供的一種超聲切割聲主軸狀態監測系統及方法的調理電路圖。本監測系統的調理電路包括兩部分:信號衰減模塊電路圖3和信號放大模塊電路圖4。
[0051]ACS712ELC-20A直流電流傳感器201、LTSRl5-NP交流電流傳感器203、CHV_25P交流電壓傳感器204和377C01傳聲器207輸出的電壓信號大于內置ADC的電壓輸入范圍O~
3.3V，因此需要調理電路將傳感器輸出的信號電壓衰減到O~3.3V。如圖3所示，本衰減模塊所用的芯片為AD8056芯片，接口輸入電壓范圍為-1OV~+10V(即為各傳感器輸出電壓范圍)。衰減以后，輸出電壓范圍為O~3V，滿足內置AD芯片的輸入范圍。轉換公式如下:
[0052]
【權利要求】
1.一種超聲切割聲主軸狀態監測系統，包括主控MCU、人機交互界面裝置、數據采集系統和數據存儲系統；主控MCU采用ARM Cortex-M3，所述的數據采集系統包括多個調理電路和多個傳感器；其中調理電路分為衰減模塊的調理電路和放大模塊的調理電路； 其特征在于:傳感器輸出接口通過杜邦線與調理電路輸入接口連接，調理電路輸出接口通過杜邦線與主控MCU內置ADC的GPIO 口連接，人機交互界面裝置與主控MCU通過16位8080總線相連，數據存儲系統通過SPI總線與主控MCU連接；主控MCU上設有USB轉串口用來供電，設有2MSP1-FLASH用于保存字庫，設有JTAG/SW 口來下載數據采集程序；衰減模塊的調理電路包括第一電壓反饋型放大器U1、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一二極管D1、第二二極管D2、第二運算放大器U2和第三運算放大器U3; 第一電阻Rl的Vin端與傳感器的輸出端連接,另一端與第一二極管Dl正極、第二二極管D2負極、第二電阻R2的一端、第一電壓反饋型放大器Ul正向輸入端連接，第二電阻R2的另一端接地，第一二極管Dl負極與第二二極管D2正極、第一電壓反饋型放大器Ul反向輸入端、第三電阻R3的一端、第四電阻R4的一端連接，第一電壓反饋型放大器Ul的電壓輸出端與第三電阻R3的另一端連接主控MCU內置ADC的GPIO輸入口，第一電壓反饋型放大器Ul正負電源端接土5v電壓；第四電阻R4的另一端與第二運算放大器U2的輸出口、第五電阻R5的一端連接,第二運算放大器U2反向輸入端與第五電阻R5的另一端、第六電阻R6的一端，第二運算放大器U2正向輸入端接地，第三運算放大器U3的輸出端和反向輸入端與第六電阻R6的另一端連接，第三運算放大器U3的正向輸入端接5V偏置電壓，第三運算放大器U3的正負電源端接±5v電壓； 放大模塊的調理電路包括第四運算放大器U4、第七電阻R7和滑動電阻r ； 所述的滑動電阻r代表10KNTC熱電阻溫度傳感器，其一端接+3.3V電壓，另一端與第四運算放大器U4的正向輸入端、第七電阻R7的一端連接，第四運算放大器U4的反向輸入端與輸出端連接主控MCU內置ADC的GPIO輸入口。
2.一種超聲切割聲主軸狀態監測方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟: 步驟一:開啟系統時鐘初始化、延時初始化、LED初始化、LCD初始化、ADC初始化、DMA初始化、觸摸屏初始化、內存池初始化； 步驟二:更新字庫和界面圖片； 步驟三:初始化畫圖； 步驟四:設置多頁面緩存的當前操作層和顯示層為I ; 步驟五:加載主界面； 步驟六:進入觸摸點掃描程序； 步驟七:判斷是否是觸摸點1，如果不是觸摸點1，則繼續執行步驟六，如果觸摸點是1，則首先設置當前操作層和顯示層為2，其次加載主軸監測界面，進入ADC數據采集、處理、分析程序，將采集到的數據與報警閥值對比，如果超過則報警，并保存，如果沒有超過，則將數據在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四； 步驟八:判斷是否是觸摸點2，如果不是觸摸點2，則繼續執行步驟六，如果觸摸點為2，則首先設置當前操作層和顯示層為3，其次進入動態曲線顯示界面，調用ADC數據采集、處理、分析程序，并將AD采集的數據以曲線形式在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四； 步驟九:判斷是否是觸摸點3，如果不是觸摸點3，則繼續執行步驟六，如果觸摸點為3，則首先設置當前操作層和顯示層為4，其次進入設置界面，通過觸摸按鍵設置報警閥值，并將報警閥值大小在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四； 步驟十:判斷是否是觸摸點4，如果不是觸摸點4，則繼續執行步驟六，如果觸摸點為4，則首先設置當前操作層和顯示層為5，其次加載文件管理界面，并將故障數據在液晶屏上顯示，顯示之后進入觸摸點掃描程序，并判斷是否為觸摸點5，如果不是，則繼續在液晶屏上顯示數據，如果為觸摸點5，則返回執行步驟四。
【文檔編號】G05B19/406GK103760819SQ201310753698
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】紀華偉, 李旭龍, 于保華, 葉紅仙, 胡小平, 趙志磊, 徐超 申請人:杭州電子科技大學