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试论基于蓝牙技术的数控机床无线电流采集系统

来源:考试吧(Exam8.com) 2014-07-15 17:59:00 要考试,上考试吧! 万题库

  摘 要: 为优化数控加工过程中切削及进给速度,以测量数控机床主轴及进给轴电机电流为目标,设计研制了一套基于ARM及蓝牙技术的无线电流采集系统。系统以基于ARM?M3的嵌入式微控制器和基于CSR BC04的蓝牙模块为核心,重点研究了使用ARM进行多路数据采集的嵌入式应用以及采用HCI UART的蓝牙无线通信方式。试验结果表明系统软硬件工作正常,可同时测量4路交直流电流,单路采样频率最高可达720 Hz,具备一定的抗干扰能力,能够满足数控加工过程中电流采集任务的要求。


  关键词: 蓝牙; ARM; 数据采集; 无线通信

  中图分类号: TN92?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)12?0113?03

  Abstract: In order to optimize the cutting and feed speed of the NC machining process, a wireless current acquisition system based on ARM and bluetooth technique was developed to detect the current of the main spindle and feed shaft motor on CNC. The embedded microcomputer based on ARM?M3and Bluetooth module based on CSR BC04 are taken as cores of this system. The embedded mode for executing multi?channel data acquisition by ARM and HCI UART based bluetooth wireless communication mode are mainly discussed. The experimental result proves that the software and hardware work well, can meet the requirements of the current acquisition in the machining procedure, and can measure four?channel AC/DC current signals at the same time. The system possesses a certain anti?interference capability. Its single channel sampling frequency is up to 720 Hz.
  Keywords: bluetooth; ARM; data acquisition; wireless communication
  0 引 言
  随着制造业规模的增大数控加工已成为当今主流的加工方法。为提高加工效率、保证工件质量,对加工过程中反映机床状态的信号进行监测很有必要。电流信号揭示机床电机功率信息,可在一定程度上反映负载状况,如切削负载与主轴功率存在着对应关系。以色列OMATIVE公司的ACM产品通过监测主轴电流对切削过程的主轴负载进行检测,并将每一步走刀的进给速率自动调节到最合适的数值,在保护刀具、主轴的同时缩短加工周期。可以看出,设计一套数控机床电机电流采集系统对数控加工很有必要。由于机床环境复杂,采用传统的有线方式有布线困难、拆装繁琐等缺陷,因此采用无线技术。
  无线采集技术在工业领域应用广泛,在布线复杂并需要反复拆装被测设备和测试设备之间连线的场合,使用无线技术可以降低工作的复杂程度,节约大量的时间,提高信号采集的工作效率。蓝牙技术是一种近距离无线电通信标準,支持单点对单点和一点对多点的无线通信。在采集设备中,使用蓝牙可以取代采集装置与被测设备的电缆连接,缩短安装时间,提高效率。此外,蓝牙采用快速跳频技术,连接链路稳定,抗干扰能力强,并且可以用单芯片实现,体积、功耗较小,因此适用于工业无线采集。
  本文针对数控机床多路电流信号测量,提出一种基于ARM和蓝牙技术的无线采集系统的设计与实现。
  1 系统硬件设计
  系统硬件分为采集模块和传输模块两个部分。采集模块主要负责从数控机床主轴及进给轴电机上测得电流并转化为数字信号,传输模块负责将得到的数字信号发送给上位机进行负载分析。系统的硬件图见图1。
  1.1 传感器及芯片选择
  1.1.1 电流传感器的选择
  电流信号的测量一般选用霍尔电流传感器,它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点 。为实际安装方便,系统采用开启式霍尔电流传感器,型号为WBI412LY05?25。该产品采用电磁原理,对电网中的交直流电流进行实时测量,将其变换为标準信号输出,具有过载能力强、高隔离等特点,产品如图2所示。
  1.1.2 蓝牙模块的选择
  传输模块使用的蓝牙芯片是已经商品化的蓝牙模块,其核心是CSR公司的BlueCore04蓝牙芯片,它与外围器件一起构成蓝牙模块,型号为HC?06。该模块体积较小,提供UART和USB接口,工作模式分为AF指令模式和透明传输模式。模块用于实际数据采集前需用AF指令集对模块进行预设置(波特率、传输位、停止位等),实际使用过程中模块处于透明传输模式,可完全看作串口处理。
  1.1.3 微处理器的选择
  采集系统中的微处理器主要负责对采集过程进行编程与控制,将采集到的信号A/D转换为12位数字信号,最终通过USART连接蓝牙模块将内存中的数字信号传输至上位机进行分析。由于蓝牙模块自带UART模式,可直接与ARM单片机连接,上位机则需要单独设置蓝牙虚拟串口,工作时两端建立连接,从而实现数据传输。

  基于ARM?M3核心的微处理器具有运算速度快、体积小,功耗低、外围接口资源丰富等优点。采集系统使用以ARM?M3为核心的STM32?F106VE型单片机(TheOne103I)。

   

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