CN106078356A - 一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构 - Google Patents

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张跃明
褚迅迅
杨建武
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    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools

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Abstract

本发明公开了一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其由无线数据接收和无线数据发送两部分组成。当卡盘的夹紧力受力变化时，电阻应变膜片产生形变，从而使相应的电阻上的电压发生变化，这种变化由于较小，所以采用应变电桥，并通过放大电路对信号进行放大，然后再传输给后续处理电路：A/D转换器和控制器，最后无线发射模块将信号通过无线通讯天线发送给无线接收模块。无线接收模块将接收到的数据通过USB通信协议将数据发给上位机进行数据分析处理。相比现有的技术，本发明基于集成电路设计技术实现夹紧力数据高精度的采集，具有体积小、数据收发精确的优点。

Description

一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，特别设计一种测量卡盘夹紧力的传感器电路版图结构。
背景技术
随着现代车削加工中心主轴转速的提高，卡盘的卡紧力问题成为影响加工的一个重要问题。这是因为卡盘高速转动时，离心力使卡紧力随着转速的提高呈抛物线规律逐步下降。当卡紧力下降到某一临界值甚至下降到零时，会导致工件飞出造成严重事故。加大静止时的卡紧力，可避免事故发生。但是卡紧力过大，又会导致在装卡时造成工件的严重变形和损伤。
目前市场上静态引线式卡紧力测试仪已应用得比较广泛，动态卡紧力测试仪目前只有美国Pratt Burnerd等公司提供的几种产品，价格很贵，且必须定期送到国外标定，国内企业很少应用。
传统的引线式测量夹紧力系统在实验室进行试验时，引线距离不远，引线误差比较小；测试环境单纯，没有强冲击波和强电离场等干扰噪声通过引线进入测试系统，因此在实验室进行试验时，系统可以正常工作，且只能测量静态夹紧力。但是利用该系统在进行外场试验时，由于引线距离加大、加之环境恶劣，系统体现出测量的不可靠性，以及使用的不便利性和局限性，具体体现在以下几个方面：
1、测量误差大：长导线的电阻与应变片电的阻相比不可忽略，会造成应变的测量值偏小；外场的环境温度和湿度的变化，导线电阻的温漂变化，造成较大的测量误差。
2、干扰噪声大：模拟信号的长线传输极易引入外部环境中各种噪声的干扰。
3、设备系统标定和校准复杂：目前使用的夹紧力测量系统的标定需要手动调整平衡，手动自检，所以校准较难。
4、无法实现动态测量：现使用的测量夹紧力系统多为纯静态测量，无法实现基于转速的动态测量，实际使用中有太大的局限性。
发明内容
本发明为了克服现有的技术缺陷，解决目前线性静态夹紧力的测量局限性以及消除测量误差的影响，减小测量温度对测试结果的影响，提出了一种测量夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构。
本发明是通过以下设计技术方案实现的。
本发明提供了一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，该结构由卡盘夹紧力无线数据接收电路版图、卡盘夹紧力无线数据发射电路版图组成，卡盘夹紧力无线数据接收电路版图和卡盘夹紧力无线数据发射电路版图之间通过无线进行数据交互。
卡盘夹紧力无线数据发射电路版图由第1版图区、第2版图区、第3版图区、第4版图区和第5版图区组成；第2版图区、第3版图区、第4版图区和第5版图区分别与第1版图区相连。
卡盘夹紧力无线数据接收电路版图由第6版图区、第7版图区和第8版图区组成；第6版图区分别与第7版图区和第8版图区相连。
卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第1版图区为主控制器模块，用于与卡盘夹紧力无线数据接收电路版图进行数字通信和对内部进行控制。
卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第2版图区为电源模块，电源模块采用稳压电源芯片，不仅能够稳定输出电压，而且带有一个电源开关功能。
卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第3版图区为无线通讯发射模块，无线通讯发射模块采用ISM频段FSK收发芯片Si4431。
卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第4版图区为数据信号调理模块，由放大器、A/D转换器、滤波电容和应变桥组成；放大器、A/D转换器、滤波电容和应变桥依次连接。
卡盘夹紧力无线数据发射电路版图第5版图区为夹紧力的测速模块，夹紧力的测速模块由霍尔元件、微分电路和运算放大器组成，其中霍尔元件、微分电路和运算放大器依次连接。
卡盘夹紧力无线数据接收电路版图的第6版图区为主控制器模块，用于与卡盘夹紧力无线数据发射电路版图进行数字通信和对内部进行控制。
卡盘夹紧力无线数据接收电路版图的第7版图区为USB通信模块，采用UART/USB转换芯CP2102实现。
卡盘夹紧力无线数据接收电路版图的第8版图区为无线通讯接收模块，采用ISM频段FSK收发芯片Si4431。
无线数据收发传感器电路版图天线均为微功率无线通信天线。
工作原理如下：本发明有无线数据接收和无线数据发送两部分组成。夹紧力无线传感器是一种将被测件上的夹紧力通过应变变化转换成电信号的敏感器件。当卡盘的夹紧力受力变化时，电阻应变膜片产生形变，从而使相应的电阻上的电压发生变化，这种变化由于较小，所以采用应变电桥，并通过放大电路对信号进行放大，然后再传输给后续处理电路：A/D转换器和控制器，最后无线发射模块将信号通过无线通讯天线发送给无线接收模块。无线接收模块将接收到的数据通过USB通信协议将数据发给上位机进行数据分析处理。
相比现有的技术，本发明具有以下优点：本发明基于集成电路设计技术实现夹紧力数据高精度的采集。具有体积小、数据收发精确、性能稳定、寿命长、耗电小等优点，实现对动态夹紧力的精准测量。
附图说明
图1无线发射电路版图。
图2无线接收电路版图。
具体实施方式
以下为结合图1、图2，对本发明做详细的说明。
为了使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，此处所描写的实施例用以解释本发明，并不用于本发明。
实施例
本发明实施例中，一种测量夹紧力的传感器电路版图结构包括：无线数据发射电路版图(图1)和无线数据接收电路版图(图2)两大主体构成。
如图1所示，所述无线数据发射电路版图由第1版图区的主控制器模块、第2版图区的电源模块、第3版图区的无线通讯发射模块、第4版图区的数据信号调理模块和第5版图区的测速模块组成。第1、2版图区与其他所有版图区相连，第3版图区与第1、2版图区相连，第4版图区与第1、2版图区相连，第5版图区与第1、2版图区相连。
实施例，无线数据发射电路版图：
其中，第1版图区的主控制器模块采用C8051F500单片机作MCU。
第2版图区的电源模块采用小型聚合物锂电池供电，供电电压3.5～3.9V。电池通过一个标准的小型MiniUSB接口连接5V电源充电。本实施例中采用TPS73030作稳压电源芯片。TPS73030是一款专门为小型便携设备设计的电源管理芯片，不仅可以稳定输出电压，而且带有一个电源开关功能，当其引脚EN为低电平时，芯片处于关闭状态，漏电流小于2微安。模块中利用干簧管做触发开关，当用磁铁靠近传感器时，干簧管导通，将EN拉高到高电平，电路得电。
第3版图区的无线通讯发射模块采用低成本的ISM频段FSK收发芯片Si4431，经实验测定外部天线只要连接30毫米长的一段单股线即可。
第4版图区的数据信号调理模块由于采用3.6V电池供电，经稳压后应变桥的供桥电压只能达到2.1V，满量程时电桥的失调电压只有2mV左右，需要放大1000倍后才能输入到单片机的A/D转换接口。为保证测量的精度，本设计采用单电源测量放大器AD623。该放大器能在最低3V的电源电压下工作，噪声只有35nV，完全可以满足要求。应变桥的供桥电压、AD623的偏置电压和A/D转换器的基准电压都采用C8051F500自带的基准电源，以便于对电路做温度补偿。在测量放大器的输入端必须连接滤波电容，以消除电桥导线电感的影响，输出端连接的滤波电容，布线时要尽可能接近A/D引脚，以消除测量放大器本身和线路板噪声的影响。
第5版图区的测速模块采用霍尔元器件SS49E测量转速。霍尔元件固连在传感器电路板上。霍尔元件在旋转过程中就会产生与转速同频变化的近似正弦的交变电势。霍尔元件输出的微弱的交变电压，经微分电路去除直流分量，由运算放大器OP284放大，输入到C8051F500自带的滞回电压比较器变换成方波信号，再输入到单片机的PCA输入端。设置PCA为上跳沿捕捉方式，可对输入的逻辑电压的上跳沿进行计时，得到连续两个上跳沿间隔的时间△T，即可计算出传感器的转速。
实施例，无线数据接收电路版图：
如图2所示，所述无线数据接收电路版图由第6版图区、第7版图区和第8版图区组成。第6版图区与其他所有版图区相连，第7版图区与第6版图区相连，第8版图区与第6版图区相连。
其中，第6版图区的主控制器模块采用C8051F530A单片机作MCU。
第7版图区的USB通信模块采用UART/USB转换芯片CP2102实现。CP2102可以自动应答USB口的配置指令，用最简单的方法将UART的输出转成USB数据流发送给上位机，供C++语言或VB语言编写的程序直接读写，非常的方便。
第8版图区的无线通讯接收模块采用低成本的ISM频段FSK收发芯片Si4431，经实验测定外部天线只要连接30毫米长的一段单股线即可。
以上实施例所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，本领域的普通技术人员应当理解，凡在本发明原则之内的任何修改、替换和改进等，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：该结构由卡盘夹紧力无线数据接收电路版图、卡盘夹紧力无线数据发射电路版图组成，卡盘夹紧力无线数据接收电路版图和卡盘夹紧力无线数据发射电路版图之间通过无线进行数据交互；
卡盘夹紧力无线数据发射电路版图由第1版图区、第2版图区、第3版图区、第4版图区和第5版图区组成；第2版图区、第3版图区、第4版图区和第5版图区分别与第1版图区相连；
卡盘夹紧力无线数据接收电路版图由第6版图区、第7版图区和第8版图区组成；第6版图区分别与第7版图区和第8版图区相连。
2.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第1版图区为主控制器模块，用于与卡盘夹紧力无线数据接收电路版图进行数字通信和对内部进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第2版图区为电源模块，电源模块采用稳压电源芯片，不仅能够稳定输出电压，而且带有一个电源开关功能。
4.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第3版图区为无线通讯发射模块，无线通讯发射模块采用ISM频段FSK收发芯片Si4431。
5.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据发射电路版图的第4版图区为数据信号调理模块，由放大器、A/D转换器、滤波电容和应变桥组成；放大器、A/D转换器、滤波电容和应变桥依次连接。
6.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据发射电路版图第5版图区为夹紧力的测速模块，夹紧力的测速模块由霍尔元件、微分电路和运算放大器组成，其中霍尔元件、微分电路和运算放大器依次连接。
7.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据接收电路版图的第6版图区为主控制器模块，用于与卡盘夹紧力无线数据发射电路版图进行数字通信和对内部进行控制。
8.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据接收电路版图的第7版图区为USB通信模块，采用UART/USB转换芯CP2102实现。
9.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：卡盘夹紧力无线数据接收电路版图的第8版图区为无线通讯接收模块，采用ISM频段FSK收发芯片Si4431。
10.根据权利要求1所述的一种测量卡盘夹紧力的无线数据收发传感器电路版图结构，其特征在于：无线数据收发传感器电路版图天线均为微功率无线通信天线。
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