CN203705890U - 一种超声切割声主轴的状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声切割声主轴的状态监测系统，包括主控MCU、人机交互界面装置、数据采集系统和数据存储系统。传感器输出接口通过杜邦线与调理电路输入接口连接，调理电路输出接口通过杜邦线与主控MCU内置ADC的GPIO口连接，人机交互界面装置与主控MCU通过16位8080总线相连，数据存储系统通过SPI总线与主控MCU连接；主控MCU上设有USB转串口用来供电，设有2MSPI-FLASH用于保存字库，设有JTAG/SW口来下载数据采集程序。本实用新型在加工中的各个故障参数，超过工作许可范围时，给予声光报警提示，从而提高加工的可靠性和安全性，增强企业竞争力，更适合工程实际应用。

Description

一种超声切割声主轴的状态监测系统

技术领域

本实用新型涉及超声切割声主轴的状态监测领域，特别是涉及一种超声切割声主轴状态监测系统。 

背景技术

蜂窝复合材料具有高比强度、高比刚度和高比模量，良好的耐老化和抗腐蚀能力，有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳性能，在航空航天、军事、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且不断地向新的领域扩展。正是由于蜂窝复合材料优良独特的性能特点，传统的加工方法在加工质量、效率和环保方面存在较大不足。超声切割技术的发展很好的解决了上述问题，在蜂窝复合材料的超声切割中，超声切割声主轴是其加工的主体和关键，其综合性能的好坏直接影响材料加工质量和加工效率。然而，在实际的蜂窝复合材料超声切割过程中，常常由于声主轴匹配不好、关键点温度过高、刀尖振动减弱、刀具磨损或破裂等原因，造成蜂窝复合材料超声切割优越性降低或消失，甚至整个声学系统损坏。目前，对于超声切割声主轴可靠性的研究已经成为国产超声加工设备投入生产应用的瓶颈。其研究点相对分散，往往只进行单一故障参数的监测，缺乏一套完整的对超声切割声主轴综合故障参数的监测系统。而且，目前声主轴的监测系统的智能化、可视化、自动化程度相对较低，过多的依赖专业的素质人员对所测参数进行分析判断，进而影响声主轴状态监测的实时性、可靠性和安全性，最终严重影响国产超声加工设备的市场化发展。 

发明内容

针对现有技术的不足，提供一种超声切割声主轴状态监测系统。 

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下： 

一种超声切割声主轴状态监测系统，包括主控MCU、人机交互界面装置、数据采集系统和数据存储系统。主控MCU采用ARM Cortex-M3，所述的数据采集系统包括多个调理电路和多个传感器；其中调理电路分为衰减模块的调理电路和放大模块的调理电路； 

传感器输出接口通过杜邦线与调理电路输入接口连接，调理电路输出接口通过杜邦线与主控MCU内置ADC的GPIO口连接，人机交互界面装置与主控MCU通过16位8080总线相连，数据存储系统通过SPI总线与主控MCU连接；主控MCU上设有USB转串口用来供电，设有2MSPI-FLASH用于保存字库，设有JTAG/SW口来下载数据采集程序； 

衰减模块的调理电路包括第一电压反馈型放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3; 

第一电阻R1的Vin端与传感器的输出端连接，另一端与第一二极管D1正极、第二二极管D2负极、第二电阻R2的一端、第一电压反馈型放大器U1正向输入端连接，第二电阻R2的另一端接地，第一二极管D1负极与第二二极管D2正极、第一电压反馈型放大器U1反向输入端、第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端连接，第一电压反馈型放大器U1的电压输出端与第三电阻R3的另一端连接主控MCU内置ADC的GPIO输入口，第一电压反馈型放大器U1正负电源端接±5v电压；第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U2的输出口、第五电阻R5的一端连接，第二运算放大器U2反向输入端与第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的一端，第二运算放大器U2正向输入端接地，第三运算放大器U3的输出端和反向输入端与第六电阻R6的另一端连接，第三运算放大器U3的正向输入端接5V偏置电压，第三运算放大器U3的正负电源端接±5v电压； 

放大模块的调理电路包括第四运算放大器U4、第七电阻R7和滑动电阻r； 

所述的滑动电阻r代表10KNTC热电阻温度传感器，其一端接+3.3V电压，另一端与第四运算放大器U4的正向输入端、第七电阻R7的一端连接，第四运算放大器U4的反向输入端与输出端连接主控MCU内置ADC的GPIO输入口； 

本实用新型的有益效果： 

（1）一套嵌入式状态监测系统能够完成整个超声切割声主轴常见故障参数的监测； 

（2）针对于换能器阻抗角的监测方法，采样改进的正交相关法，其有效抑制高斯白噪声的干扰，并且计算量小，计算精度高，完全满足监测系统的实时性和准确性。 

（3）该监测系统可以使用户在短时间内获得声主轴的状态信息，抗干扰能力强，能够保证数据有效、快速、稳定地传输； 

（4）7寸液晶屏将故障监测点和采集的数据对应显示，直观地查看声主轴状态监测参数； 

（5）该监测系统可以及早防范故障发生，使企业及时获得技术支持，解决生产企业技术力量不足的问题，并减少维护和使用成本。 

（6）该监测系统可以减少企业的售后服务成本，提高售后服务质量，适应制造全球化和市场竞争激烈化的趋势，增强企业竞争力。 

附图说明

图1：本实用新型的结构示意图； 

图2：本实用新型的传感器布局图； 

图3：本实用新型的信号衰减模块的调理电路图； 

图4：本实用新型的信号放大模块的调理电路图； 

图5：本实用新型的基本工作流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的描述； 

如图1所示，本实用新型提供的一种超声切割声主轴状态监测系统及方法包括主控MCU、人机界面交互装置、数据采集系统、数据存储系统。数据采集系统与ARM Cortex-M3微处理器相连，并与监测所用的传感器相连，用于获取超声切割声主轴常见故障参数，传感器与内部ADC通过调理电路将传感器输出的电压信号经过放大、滤波后，转换为满足ADC输入的电压范围；人机交互界面装置与ARM Cortex-M3微处理器相连，用于显示超声切割声主轴状态监测的数据；数据存储系统与ARM Cortex-M3微处理器相连，用于对故障数据进行保存。另外，此监测系统通过USB转串口供电，通过2MSPI-FLASH保存字库，通过JTAG/SW下载数据采集程序。 

ARM Cortex-M3微处理器作为主控MCU完成人机交互界面的控制、数据采集的控制、数据存储的控制。 

优选的，主控MCU采用基于ARM Cortex-M3内核的芯片型号为STM32F103RBT6作为控制器，该芯片内部自带12位16通道的逐次逼近型ADC模数转换器。降低了系统硬件扩展的复杂性，提高了系统的可靠性。 

人机交互界面装置由触摸屏驱动单元、LCD驱动单元、LCD显示屏构成。其中LCD驱动单元与ARM Cortex-M3微处理器通过16位8080总线连接，触摸屏驱动单元与ARM Cortex-M3微处理器通过IIC总线连接。人机交互界面装置可以支 持8页显存，多达5点同时触控，使用触摸功能可以实现界面的相互切换和阀值参数的设置等，避开了按键操作，更加智能、实用、方便。本监测系统共有五个界面，主界面、声主轴监测界面、动态曲线显示界面、设置界面、文件管理界面。主界面是一个开机logo界面，显示整个监测系统所具有的功能；主轴监测界面可以完全显示整个声主轴各关键点的故障参数，显示清晰明了，对使用用户零基础考验；动态曲线显示界面可以对刀尖振幅、阻抗角、换能器电压、电流、各关键点温度进行动态曲线显示，方便观察数据走势图，为专业的技术人员研发更实用的声主轴提供技术依据；设置界面用来设置报警阀值；文件管理界面可以查看故障报警参数。 

LCD显示屏为7寸TFT-LCD，分辨率为800*480。触摸屏驱动单元通过IIC通信接口与主控MCU相连来驱动触摸屏，用于完成各界面之间的相互切换和阀值参数的设置等功能。触摸屏驱动单元由型号为GT811的芯片构成。 

数据采集系统采用ARM Cortex-M3片内自带的12位16通道的逐次逼近型ADC模数转换器。该ADC模数转换器可以通过软件设置每个通道的采样频率，方便高频信号和低频信号以不同的采样频率进行采集，达到合理利用ARM Cortex-M3微处理器的内部资源。ADC模数转换器对输入信号的电压要求范围为0～3.3V，因此，传感器输出的信号电压范围要经过调理电路进行放大、滤波转换为可以被ADC采集的电压。被ADC采集的信号数据通过数据处理、分析之后在7寸TFT-LCD液晶屏上显示。 

SPIFLASH用于存储字库。SPIFLASH由型号为W25X16芯片构成，容量为2M字节。USB转串口为工控MCU供电。SD卡用于保存异常数据。SD卡容量为2G。JTAG/SW用于数据采集软件程序的烧录。 

如图2所示，本实用新型提供的一种超声切割声主轴状态监测系统及方法的传感器布局图。超声切割声主轴机械结构部分主要包括：换能器、变幅杆、刀具，而超声波发生器是将工频电转化为超声频，整个声主轴的工作离不开超声波发生器。而超声波发生器内部又包括：整流模块、逆变模块、匹配模块。根据超声切割声主轴的机械结构和运行条件，分析得到影响超声切割声主轴加工的各参数，并根据各参数确定所选用的传感器为：ACS712ELC-20A直流电流传感器201、10KNTC接触式热电阻温度传感器202、LTSR15-NP交流电流传感器203、CHV-25P交流电压传感器204、OTP-538U红外非接触式传感器205、10KNTC接触式热电阻温度传感器206、377C01传声器207。 

ACS712ELC-20A直流电流传感器201用于测量整流模块输出电流，整流模块常见的故障是整流桥过电流被击穿。ACS712ELC-20A电流传感器201将监测到的电流转换为相对应的电压被AD采集，最终在人机界面显示电流大小，如果电流值超过预设阀值，将出现声光报警，并把过电流值保存到SD卡。 

10KNTC接触式温度传感器202用于测量功率管温度，功率管常见故障就是温度升高，甚至高达上百度而损坏逆变模块。10KNTC热电阻温度传感器202将温度值转换为电阻值输出，温度越高，电阻越小。AD模数转换器通过采集传感器输出电压换算出功率管温度，并在人机界面上显示温度大小，如果温度值超过预设阀值，将出现声光报警，并把温度值保存到SD卡。 

LTSR15-NP交流电流传感器203、CHV-25P交流电压传感器204用于测量换能器输入电流和换能器两端电压，声主轴常见故障是阻抗不匹配，导致声主轴系统失谐或失效。LTSR15-NP交流电流传感器203、CHV-25P交流电压传感器204分别获得换能器的电流和电压，并通过调理电路被AD采集，采集之后的电压、电流数字量通过改进的正交相关法处理，得到两者之间的相位差，最终在人机界面显示相位差（即阻抗角）大小，如果阻抗角值超过预设阀值，将出现声光报警，并把阻抗角大小保存到SD卡。另外，对于AD转换后的电流值还可以通过FFT分析和相关计算得到超声波发生器输出频率和刀尖振幅，并在人机界面上显示。 

OTP-538U红外非接触式传感器205用于测量换能器温度，换能器最常见的问题就是发热问题，即热极限。由于换能器主要是由压电陶瓷材料实现能量的转换，而压电陶瓷材料属于铁电材料，在大电场以及高功率的情况下，压电陶瓷材料内部的铁电电滞损耗及介电损耗相当大，会产生大量的热量。而声主轴在工作过程中有时处于旋转状态，故需要红外非接触式温度传感器测量其温度。红外非接触式传感器205将温度值转换为相对应的电压值输出，经过调理之后被AD模数转换器采集，通过软件处理得到相对应的温度值，并在人机界面上显示温度大小，如果温度值超过预设阀值，将出现声光报警，并把温度值保存到SD卡。 

10KNTC接触式温度传感器206用于测量声主轴节点处的温度，节点是用来固定声主轴本身的，节点处常常由于振动产生摩擦热，加大超声能量的损耗，致使声主轴刀尖振幅极小，故需要测量节点温度。10KNTC接触式温度传感器206将温度值转换为电阻值输出，温度越高，电阻越小。AD模数转换器通过采集传感器输出电压换算出功率管温度，并在人机界面上显示温度大小，如果温度值超过预设阀值，将出现声光报警，并把温度值保存到SD卡。 

377C01传声器207用于测量刀尖磨损噪声，刀尖在使用过程中常常会有磨损，磨损后的刀具尺寸改变，从而导致超声振动系统的节点位置发生变化，节点与夹持位置偏离过大，会导致振动系统特别是固定处迅速发热以致损坏。然而，常常由于系统失谐导致刀尖崩裂，故需要测量刀尖磨损噪声。377C01传声器207拾取蜂窝复合材料超声切割过程中的刀尖磨损噪声，将获得的噪声信号通过调理电路后被AD模数转换器采集，采集后的数据通过软件处理得到相对应的噪声声压等级输出，如果声压等级值超过预设阀值，将出现声光报警，并把声压等级值保存到SD卡。另外，通过FFT对采集到的噪声信号进行分析还可以得到声主轴系统的谐振频率，并在人机界面上显示。 

上述通过传感器测量后的信号都不能直接被ARM Cortex-M3微处理器的片内ADC直接采样，故需要通过调理电路放大、滤波之后才能够被采样。 

如图3、4所示，本实用新型提供的一种超声切割声主轴状态监测系统及方法的调理电路图。本监测系统的调理电路包括两部分：信号衰减模块电路图3和信号放大模块电路图4。 

ACS712ELC-20A直流电流传感器201、LTSR15-NP交流电流传感器203、CHV-25P交流电压传感器204和377C01传声器207输出的电压信号大于内置ADC的电压输入范围0～3.3V，因此需要调理电路将传感器输出的信号电压衰减到0～3.3V。如图3所示，本衰减模块所用的芯片为AD8056芯片，接口输入电压范围为-10V～+10V(即为各传感器输出电压范围)。衰减以后，输出电压范围为0～3V，满足内置AD芯片的输入范围。转换公式如下： 

$V_{\mathrm{out}}=\frac{3}{20}{V}_{\mathrm{in}}+\frac{3}{2}$

当输入信号V_in=10V的时候，输入到内置AD的信号V_AD=V_out=3V； 

当输入信号V_in=-10V的时候，输入到内置AD的信号V_AD=V_out=OV。 

温度传感器202、206为接触式热电阻温度传感器，温度传感器205为红外非接触式传感器，202、206、205温度传感器都是通过内部电阻的变化来标定温度值的，且随着温度的升高电阻值下降，其输出电压往往为几毫伏，比便于AD采集，因此需要调理电路将信号电压进行放大，以便减少测量误差。如图4所示，本调理电路的放大模块所用的芯片为LM358双运算放大器，通过电阻r和R分压后，得到Vin电压范围为0.33～3.3V，其计算公式如下： 

$V_{\mathrm{in}}=\frac{V_{\mathrm{cc}}}{r+R}R$

当可变电阻r最小的时候，取r=0，此时V_in=V_cc=3.3V。 

当可变电阻r最大的时候，r=900K，此时V_in=0.33V。 

又： 

V_out=V_in

所以输出电压范围也为0.33V～3.3V，满足内置AD芯片的输入范围。 

如图5所示，本实用新型提供的一种超声切割声主轴状态监测方法。整个监测系统方法包括监测平台的硬件初始化，字库、图片的加载更新，各个界面的切换，触摸扫描，数据采集、处理、分析、显示，报警阀值设置。 

步骤一：开启系统时钟初始化、延时初始化、LED初始化、LCD初始化、ADC初始化、DMA初始化、触摸屏初始化、内存池初始化； 

步骤二：更新字库和界面图片； 

步骤三：初始化画图； 

步骤四：设置多页面缓存的当前操作层和显示层为1； 

步骤五：加载主界面； 

步骤六：进入触摸点扫描程序； 

步骤七：判断是否是触摸点1，如果不是触摸点1，则继续执行步骤六，如果触摸点是1，则首先设置当前操作层和显示层为2，其次加载主轴监测界面，进入ADC数据采集、处理、分析程序，将采集到的数据与报警阀值对比，如果超过则报警，并保存，如果没有超过，则将数据在液晶屏上显示，显示之后进入触摸点扫描程序，并判断是否为触摸点5，如果不是，则继续在液晶屏上显示数据，如果为触摸点5，则返回执行步骤四； 

步骤八：判断是否是触摸点2，如果不是触摸点2，则继续执行步骤六，如果触摸点为2，则首先设置当前操作层和显示层为3，其次进入动态曲线显示界面，调用ADC数据采集、处理、分析程序，并将AD采集的数据以曲线形式在液晶屏上显示，显示之后进入触摸点扫描程序，并判断是否为触摸点5，如果不是，则继续在液晶屏上显示数据，如果为触摸点5，则返回执行步骤四； 

步骤九：判断是否是触摸点3，如果不是触摸点3，则继续执行步骤六，如果触摸点为3，则首先设置当前操作层和显示层为4，其次进入设置界面，通过 触摸按键设置报警阀值，并将报警阀值大小在液晶屏上显示，显示之后进入触摸点扫描程序，并判断是否为触摸点5，如果不是，则继续在液晶屏上显示数据，如果为触摸点5，则返回执行步骤四；。 

步骤十：判断是否是触摸点4，如果不是触摸点4，则继续执行步骤六，如果触摸点为4，则首先设置当前操作层和显示层为5，其次加载文件管理界面，并将故障数据在液晶屏上显示，显示之后进入触摸点扫描程序，并判断是否为触摸点5，如果不是，则继续在液晶屏上显示数据，如果为触摸点5，则返回执行步骤四。 

系统时钟初始化主要功能是初始化STM32F103RBT6的时钟。其中还包括对向量表的配置，以及相关外设的复位及配置。 

延时初始化主要目的是方便在函数中直接调用延时时间。 

LED初始化主要目的是观察监测系统的电源指示灯和AD数据采集的指示灯是否正常亮起，正常则表明系统软件处于运行过程。 

LCD初始化主要目的是点亮LCD液晶屏。 

ADC初始化主要目的是设置AD的输入引脚、采样方式、采样频率等参数。 

DMA初始化主要目的是方便ADC数据的传输，而无需CPU直接控制传输。 

触摸屏初始化主要目的是实现液晶屏的触摸功能。 

内存池初始化主要目的是为字库和界面图片分配内存。 

设置当前操作层和显示层主要目的是实现各界面之间的快速切换，且相互之间操作无干扰。 

本实用新型提供的一种超声切割声主轴状态监测系统及方法的功能包括：可监测声主轴工作过程中的超声波发生器输出频率、换能器电压、电流、阻抗角、整流输出模块的电流、功率管温度、节点温度、刀尖振幅、声主轴谐振频率、判断刀尖磨损或崩裂等参数；触摸控制实现主界面到各个界面之间的切换，省去复杂的按键控制，使得产品外观简捷；显示界面多样化，有主界面、声主轴监测界面、动态曲线显示界面、设置界面、文件管理界面；参数显示对应声主轴结构图，便于观察故障部位，简单明了，方便实用。 

以上仅为对本实用新型的主要原则和精神进行的陈述，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种超声切割声主轴状态监测系统，包括主控MCU、人机交互界面装置、数据采集系统和数据存储系统；主控MCU采用ARM Cortex-M3，所述的数据采集系统包括多个调理电路和多个传感器；其中调理电路分为衰减模块的调理电路和放大模块的调理电路；

其特征在于：传感器输出接口通过杜邦线与调理电路输入接口连接，调理电路输出接口通过杜邦线与主控MCU内置ADC的GPIO口连接，人机交互界面装置与主控MCU通过16位8080总线相连，数据存储系统通过SPI总线与主控MCU连接；主控MCU上设有USB转串口用来供电，设有2MSPI-FLASH用于保存字库，设有JTAG/SW口来下载数据采集程序；

衰减模块的调理电路包括第一电压反馈型放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3；

第一电阻R1的Vin端与传感器的输出端连接，另一端与第一二极管D1正极、第二二极管D2负极、第二电阻R2的一端、第一电压反馈型放大器U1正向输入端连接，第二电阻R2的另一端接地，第一二极管D1负极与第二二极管D2正极、第一电压反馈型放大器U1反向输入端、第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端连接，第一电压反馈型放大器U1的电压输出端与第三电阻R3的另一端连接主控MCU内置ADC的GPIO输入口，第一电压反馈型放大器U1正负电源端接±5V电压；第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U2的输出口、第五电阻R5的一端连接，第二运算放大器U2反向输入端与第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的一端，第二运算放大器U2正向输入端接地，第三运算放大器U3的输出端和反向输入端与第六电阻R6的另一端连接，第三运算放大器U3的正向输入端接5V偏置电压，第三运算放大器U3的正负电源端接±5V电压；

放大模块的调理电路包括第四运算放大器U4、第七电阻R7和滑动电阻r；

所述的滑动电阻r代表10KNTC热电阻温度传感器，该温度传感器随着温度的升高电阻减小，故用滑动电阻r代表，其一端接+3.3V电压，另一端与第四运算放大器U4的正向输入端、第七电阻R7的一端连接，第四运算放大器U4的反向输入端与其输出端连接主控MCU内置ADC的GPIO输入口，第七电阻R7的另一端接地。