专利名称：用于精密加工的多通道数据处理与监控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数据处理与现场性能量监控装置，尤其是涉及一种用于精密加工环境的 多通道数据处理及监控装置。
背景技术：
目前，精密、超精密技术在我国的应用已不再局限于国防尖端和航空航天等少数领域， 它已扩展到国民经济的许多领域，应用规模也有较大增长。计算机、现代通信、影视传播等 行业都需要精密、超精密加工设备作为其迅速发展的支撑条件。计算机磁盘、录像机磁头、 激光打印机的多面棱镜、复印机的感光筒等零部件的精密、超精密加工，采用的都是高效的 大批量自动化生产方式。
美国、英国、日本、德国、荷兰等发达国家的精密、超精密加工技术居世界前列。这方 面的技术不仅用于军事部门，也大量用于民用产品的生产。
通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。 由于生产技术的不断发展，划分的界限将逐渐向前推移，过去的精密加工对今天来说已是普 通加工，因此，其划分的界限是相对的，且在具体数值上至今没有固定。
目前工业发达国家的一般企业己能稳定掌握3 Hm的加工精度，通常称低于此值的加工为 普通精度加工，而高于此值的加工则称之为高精度加工。在高精度加工的范畴内，根据精度 水平的不同，分为3个档次
精度为3 0.3 pm，粗糙度为0.3 0.03pm的叫精密加工；
精度为0.3 0.03 nm，粗糙度为0.03 0.005 ^irn的叫超精密加工，或亚微米加工； 精度为0.03 ^m30nm，粗糙度优于0.005 pm以上的则称为纳米加工。 精密加工所要解决的问题， 一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况，有时
有无表面缺陷也是这一问题的核心；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却
难以取得高的加工效率。
随着现代制造业的不断发展，精密加工技术在今天显得越来越重要，精密加工技术已成
为目前高科技技术领域的基础，提高精密加工的精度已成为目前迫在眉睫的问题，同时对加
工环境的要求也越来越严苛。但在精密加工过程中，不可避免地存在发热、形变、机械工作
3不稳定等问题，不仅会导致机械传递误差增大，工件表面加工质量低劣、加工精度降低，也 会带来刀具磨损加剧、维修费用增大等一系列问题。因此，为了确保精密加工装置的加工精 度，提高加工装置的工作稳定性和工件的加工质量，降低废品、次品率，开发高精度的测试 系统，对加工过程中的动部件、静部件中易影响工件精度的各种环境因素进行实时监控，成 了促进精密加工技术的发展，应深入研究和探讨的其中一个问题。
公开号为CN1084796的中国发明专利申请提供一种无触点表面定位测量监控装置，由机 械部分、光学部分、控制电路部分及微处理器组成，机械部分以磨床为主体，以光束为探测 手段，由发光管、经透镜照射到加工件上，然后通过物镜照射到光电器件上成像，由光信号 变成电信号，而后输入到微处理器，其优点是采用光电控制系统，提高了加工精度，提高了 工效，可用于各种机械精密加工。
发明内容
本发明的目的在于针对精密加工的要求和目前的检测系统只对精密加工过程中单一性能 量进行监控的不足，提供一种用于精密加工的多通道数据处理与监控装置。
本发明设有信号采集电路、传输接口电路和控制电路；信号采集电路设有数字温度传感 器、位移信号采集电路和振动信号采集电路；传输接口电路设有多通道接口电路、RS-232串 口通信电路和无线收发设备；控制电路设有微处理器控制电路和计算机；微处理器控制电路 分别接数字温度传感器、位移信号采集电路和振动信号采集电路，RS-232串口通信电路输入 端接多通道接口电路输出端，无线收发设备与RS-232串口通信电路连接，RS-232串口通信 电路与计算机连接。
位移信号采集电路设有位移传感器、位移信号滤波电路、位移信号放大电路和位移信号 A/D转换电路，位移信号滤波电路输入端接位移传感器输出端，位移信号放大电路输入端接 位移信号滤波电路输出端，位移信号A/D转换电路输入端接位移信号放大电路输出端。
振动信号采集电路设有振动传感器、振动信号滤波电路、振动信号放大电路和振动信号 A/D转换电路，振动信号滤波电路输入端接振动传感器输出端，振动信号放大电路输入端接 振动信号滤波电路输出端，振动信号A/D转换电路输入端接振动信号放大电路输出端。
数字温度传感器输出端、位移信号A/D转换电路输出端和振动信号A/D转换电路输出端 分别接微处理器控制电路输入端。
本发明采用先进的智能数字温度传感器，将其分别置于精密加工装置的各个温度测量点， 该传感器能对所采集的温度信号进行滤波、放大和A/D转换处理，处理后的数字温度信号暂 存于器件中的高速数据暂存器中，并由该温度传感器向控制总线发送检测完成的信号通知主机提取该信号。每个数字温度传感器都有唯一的编号，当主机需要对其中一个传感器进行操 作时，就以"点名"的方式告知。因此，可以将多个温度传感器的数据线连接到一起而不会 产生数据冲突与混乱。
将若干个负责对位移即加工动部件和静部件的形变量进行采集的激光式位移传感器分别 置于精密加工装置的各个位移测量点，该位移传感器将采集的位移信号经滤波、放大处理后 可以以数字信号或者模拟信号两种形态输出。能检测工件的翘度、倾斜度、曲度等量。每个 位移传感器数据线占用单片机不同的I/O 口， I/O的编号即为传感器的编号，计算机据此来 控制和区分各路传感器。
将若干个对振动信号进行采集的电荷输出的压电式加速度计分别置于精密加工装置的各 个振动测量点，然后将所采集的振动信号转换成电荷信号输出，经由放大器放大后传至A/D 转换电路进行A/D转换，处理后的振动数字信号同暂存于数据暂存器，同时向控制总线发送 检测完成的信号通知主机提取该信号。同样地，每个振动传感器数据线占用单片机不同的I/O 口， 1/0的编号即为传感器的编号，计算机据此来控制和区分各路传感器。
传输接口电路中负责有线通信的是RS-232串口通信电路，主要功能是将数据暂存器中的 数字信号TTL电平转换成计算机串口的RS-232通信电平，并将其传至计算机。如需无线传输， 则在RS-232串口通信电路后接无线通信的收发设备，在计算机处也接上该设备即可。
在计算机控制电路中，微处理器控制电路经由传输接口电路与信号采集电路中的数据暂 存器相连，获取信号采集电路处理后的信号，根据一阶差分法剔除采样数据中的奇异点即有 明显错误的个别数据，并将其以数据或图形显示。控制系统根据精密加工装置预设的加工精 度和数学模型给出反馈控制信号，实现对加工精度的监控。
在本发明的软件界面中可以选择多个通道所要测量的性能值类别，能根据用户的选择来 调用不同的信号处理程序，结构简单，使用方便的特点和极强的抗干扰纠错能力，适用于有 着高精度要求的精密加工装置、加工环境，具有广阔的应用前景和市场潜力。
图1为本发明实施例的结构组成框图。
图2为本发明实施例的工作流程图。
图3为本发明实施例的A/D转换电路组成原理图。
图4为本发明实施例的微处理器控制电路、计算机和数字温度传感器电路组成原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。如图1所示，本发明设有信号采集电路、传输接口电路和控制电路。信号采集电路设有 数字温度传感器3、位移信号采集电路和振动信号采集电路。
位移信号采集电路设有位移传感器1、位移信号滤波电路41、位移信号放大电路51和位 移信号A/D转换电路61，位移信号滤波电路41输入端接位移传感器1输出端，位移信号放 大电路51输入端接位移信号滤波电路41输出端，位移信号A/D转换电路61输入端接位移信 号放大电路51输出端；
振动信号采集电路设有振动传感器2、振动信号滤波电路42、振动信号放大电路52和振 动信号A/D转换电路62，振动信号滤波电路42输入端接振动传感器2输出端，振动信号放 大电路52输入端接振动信号滤波电路51输出端，振动信号A/D转换电路62输入端接振动信 号放大电路52输出端。
传输接口电路设有多通道接口电路8、 RS-232串口通信电路9和无线收发设备10。
控制电路设有微处理器控制电路7和计算机11。
数字温度传感器3、位移信号A/D转换电路61和振动信号A/D转换电路62分别接微处 理器控制电路7。微处理器控制电路7输出端接多通道接口电路8输入端，多通道接13电路8 输出端接RS-232串口通信电路9输入端，RS-232串口通信电路9输出端接无线收发设备10， 无线收发设备10与计算机11连接。微处理器控制电路7的输出端分别与数字温度传感器3、 位移传感器1和振动传感器2连接。
使用时，分别将位移传感器、振动传感器和温度传感器置于加工现场，振动信号和位移 信号经滤波电路滤波、放大电路放大处理后传至A/D转换电路进行A/D转换，经一系列前端 处理电路的数据处理后的数字信号传至单片机等待传输；而温度传感器输出的数字信号则直 接经数字信号通道传至单片机等待传输。对于有线传输要求的数据，单片机通过多通道接口 电路和将数据传输到RS-232串口通信电路与计算机进行数据交换。而对于无线传输要求的数 据，经过RS-232串口通信电路传至无线收发设备，经由无线传输通道到控制计算机前的无线 收发设备，这样计算机就能获取现场数据进行进一步的处理。而计算机对现场设备的控制同 样可以选择有线或无线两种传输模式。对于无线传输模式来说，计算机将工作参数发送给 RS-232串口通信电路，经无线收发设备将数据传至工作现场的RS-232串口通信电路，然后 数据依次传至多通道接口电路、单片机，由单片机实现对传感器工作的控制。而有限传输模 式则是由计算机前端的RS-232串口通信电路直接实现与现场的RS-232串口通信电路的通信。
在将各种性能量传感器置于精密加工装置中的动部件和静部件的各个待测点，检测前计 算机先对性能传感器类型、数据传输通道、通道增益、A/D转换电路工作方式、单片机内部控制字等系统参数进行设置。设置完成后，计算机根据这些参数经由总线向单片机发送系统 参数，再由单片机完成对传感器工作参数的设置并且通知被"点名"的传感器开始采集信号。
对于温度待测信号，计算机先选择温度传感器、数据传输通道和对温度传感器以及单片 机内部控制字等系统参数进行设置。计算机将该次检测的系统参数送至单片机，每个温度传 感器都有自己唯一的出厂编号，单片机据此以"点名"的方式选择一个或者依次选择多个温 度传感器，先向其发送一个复位信号，温度传感器完成复位后告知单片机，单片机通知温度 传感器要进行工作参数的写入，并在总线上准备好数据，温度传感器完成工作参数的设置后 反馈完成信号，单片机收到该参数后即通知温度传感器开始温度信号的采集，并做好温度数 据的接收。由于本发明采用数字温度传感器，能对所采集的原始温度信号进行滤波、放大和 A/D转换处理，处理后的数字温度信号存放于器件中的高速数据暂存器中，并发出采样完成 的信号通知单片机提取该信号。单片机接收到数字温度信号后立即通知计算机提取该信号。 计算机根据温度转换的数学模型将数字温度信号转换成摄氏温度直观地显示出来。
对于位移待测信号，计算机先选择位移传感器和数据传输通道，之后对单片机和位移传 感器的内部控制字等系统参数进行设置。计算机将该次检测的系统参数送至单片机，每个传 感器数据线占用单片机不同的1/0口， I/O的编号即为传感器的系统编号，计算机据此来控 制和区分各路传感器，单片机也是据此以"点名"的方式选择一个或者依次选择多个位移传 感器。单片机先向传感器发送一个复位信号，等待复位完成后发送工作参数，该传感器可以 以模拟量和数字量两种方式输出所采集的位移性能量，采样完成后通知单片机提取该信号。 单片机接收后立即通知计算机提取该信号。计算机根据正反式激光传感器显示的数学模型直 接输出位移量或者以曲线的方式显示模拟量。
对于振动待测信号，同样地，计算机先选择振动传感器和数据传输通道，之后对通道增 益，A/D转换器和单片机内部控制字等系统参数进行设置。计算机将该次检测的系统参数送 至单片机，每个传感器数据线占用单片机不同的I/0口， 1/0的编号即为传感器的系统编号， 计算机据此来控制和区分各路传感器，单片机也是据此以"点名"的方式选择一个或者依次 选择多个振动传感器。单片机先向A/D转换设备发送一个复位信号，复位完成后发送工作参 数，A/D转换器完成工作参数的设置后会自动对经电荷放大器放大后的电荷信号进行滤波和 模数转换，而滤波的频率通道、校准方式、二次增益都是在工作参数设置的时候完成的。本 发明采用了 24位高精度的模数转换方式，处理后的数字振动信号存放于A/D转换电路的数据 暂存器中，并发出采样完成的信号通知单片机提取该信号。单片机接收后立即通知计算机提 取该信号。计算机根据压电式加速度计和模数转换的数学模型将数字信号转换成振幅显示。传输接口电路由多通道接口电路、RS-232串口通信电路和无线收发设备组成。RS-232是
现在常用的有线通讯模式，其通讯距离可达15M，基本上满足了加工现场的数据传输要求。
所有的系统参数和现场性能量都是通过这种方式实现计算机与现场信号采集处理器的数据交
换。目前，很多加工现场是工作人员不可进入的封闭加工空间，为了适用于这种封闭环境，
本发明设计了无线收发设备，该设备选用国家公用的频率段，分别在计算机的串口通信前端 和单片机串口通信前端接无线通信的收发设备即可进行数据的无线通信。
控制电路是整个系统的控制核心，控制电路由微处理器控制电路和计算机组成。在系统 开始工作之前，控制电路软件负责'对各项工作参数的设置。完成设置后，自动通知工作现场 的前端设备开始现场性能量的采集。而微处理器控制电路则根据系统参数和各性能量信号转 换协议生成监控所需的数学模型。前端设备完成性能量的采集和数据处理后经由总线将信号 传至计算机的微处理器控制电路，该电路根据预先生成的数学模型进行计算与显示，以最直 观和最容易理解的方式告知现场工作人员检测结果是否满足加工要求，如不符则立即报警。
如图2所示，工作流程如下首先进行通道选择，可选择单个通道，同时也支持多个通 道的复选，然后进行监控系统的参数设定包括传感器类型、滤波要求、增益参数、A/D转换 电路工作背景等，微处理器控制电路则根据系统参数和各性能量信号转换协议生成监控所需 的数学模型。信号采集电路收到计算机的命令后开始检测，各传感器开始采集数据信号，然 后对数据进行滤波、放大和A/D转换等一系列的处理，系统根据处理后的数据判断检测结果 是否满足加工要求，如果在精度允许范围内，则继续实施监控，如果超出精度要求立即报警。
图3给出本发明实施例的A/D转换电路组成原理图。其中，7-AIN(+)和8-AIN(-)为模拟 信号输入端，若是位移信号，则由21-P2.0/A8端输出；若为振动信号，则由22-P2.1/A9端输 出。在图3中，集成电路U1为24位AD转换芯片，U2为89C52型；电容Cl为10p， C2 和C3为O.ln， C4为1.0p，C5禾卩C6为30 p;电阻R1为12.5K，石英晶体Yl为11.0592MHz。
图4给出本发明实施例的微处理器控制电路、计算机和数字温度传感器电路组成原理图。 集成电路Ul为MAX232型，U2为89C52型；电容C1 C5为ljif， C6和C7为30 pf;电阻 R1 R4为300Q， R5为10KQ， R6为4.7KQ;石英晶体Yl为11.0592M Hz;接插座Jl为 DB9型；开关Sl为SW-PB型；数字温度传感器A为DS18B20型 其中集成电路U2的 26-P2.5/A13脚为信号输入端，集成电路U2的23-P2.2/A10脚为温度信号输出端。
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权利要求
1. 用于精密加工的多通道数据处理与监控装置，其特征在于设有信号采集电路、传输接口电路和控制电路；信号采集电路设有数字温度传感器、位移信号采集电路和振动信号采集电路；传输接口电路设有多通道接口电路、RS-232串口通信电路和无线收发设备；控制电路设有微处理器控制电路和计算机；微处理器控制电路分别接数字温度传感器、位移信号采集电路和振动信号采集电路，RS-232串口通信电路输入端接多通道接口电路输出端，无线收发设备与RS-232串口通信电路连接，RS-232串口通信电路与计算机连接。
2. 如权利要求1所述的用于精密加工的多通道数据处理与监控装置，其特征在于位移信 号采集电路设有位移传感器、位移信号滤波电路、位移信号放大电路和位移信号A/D转换电 路，位移信号滤波电路输入端接位移传感器输出端，位移信号放大电路输入端接位移信号滤 波电路输出端，位移信号A/D转换电路输入端接位移信号放大电路输出端。
3. 如权利要求l所述的用于精密加工的多通道数据处理与监控装置，其特征在于振动信 号采集电路设有振动传感器、振动信号滤波电路、振动信号放大电路和振动信号A/D转换电 路，振动信号滤波电路输入端接振动传感器输出端，振动信号放大电路输入端接振动信号滤 波电路输出端，振动信号A/D转换电路输入端接振动信号放大电路输出端。
4. 如权利要求1所述的用于精密加工的多通道数据处理与监控装置，其特征在于微处理 器控制电路输入端分别接数字温度传感器输出端、位移信号A/D转换电路输出端和振动信号 A/D转换电路输出端。
全文摘要
用于精密加工的多通道数据处理与监控装置，涉及一种数据处理与现场性能量监控装置，提供一种用于精密加工的多通道数据处理与监控装置。设有信号采集电路、传输接口电路和控制电路；信号采集电路设有数字温度传感器、位移信号采集电路和振动信号采集电路；传输接口电路设有多通道接口电路、RS-232串口通信电路和无线收发设备；控制电路设有微处理器控制电路和计算机；微处理器控制电路分别接数字温度传感器、位移信号采集电路和振动信号采集电路，RS-232串口通信电路输入端接多通道接口电路输出端，无线收发设备与RS-232串口通信电路连接，RS-232串口通信电路与计算机连接。
文档编号G05B19/048GK101424931SQ20081007208
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者李芊芊, 郭隐彪 申请人:厦门大学