基于嵌入式系統的精密機床信息采集與監(jiān)測技術研究【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　基于嵌入式系統的精密機床信息采集與監(jiān)測技術研究</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技術與儀器

2、 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>&l

3、t;p>　　精密機床作為工業(yè)中的基礎裝備，其安全運行有著至關重要的作用。本文以ML-360車銑床為研究對象，設計了基于嵌入式系統的精密機床信息采集與監(jiān)測系統。</p><p>　　比較了傳統的機床狀態(tài)在線監(jiān)測技術與基于嵌入式系統的狀態(tài)在線監(jiān)測技術的優(yōu)劣，確定了論文總體設計方案。以精密機床運行時的振動、溫度等信息作為監(jiān)測物理量，進行數據采集，對機床運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。</p><p>

4、;　　設計了基于嵌入式系統的精密機床狀態(tài)監(jiān)測的硬件電路。闡述了傳感器的選型、安裝，設計了信號調理電路以及A/D轉換模塊等。</p><p>　　構建了模塊化的軟件系統，集合了數據采集、信號處理、狀態(tài)監(jiān)測等，是精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統的重要組成部分。</p><p>　　上述工作對特征參數進行實時分析與處理，利用ARM微處理器對機床的工作狀態(tài)進行辯識。通過采集和分析機床工作時的一系列信

5、號，為避免機床故障提供了實時可靠的數據基礎。</p><p>　　關鍵詞：嵌入式系統，精密機床，信息采集，狀態(tài)監(jiān)測</p><p>　　Research on Information Acquisition and Monitoring Technology</p><p>　　of Precision Machine Tool Based on Embedded

6、System</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Precision machine tools and equipment as the basis for industry. Its safe operation has a vital role. In this paper Comparison of the traditi

7、onal machine status line monitoring technology and state-based embedded system pros and cons of online monitoring.</p><p>　　ML-360 milling machine as the research object , designed Precision machine tool inf

8、ormation collection and monitoring system based on embedded systems. Determine the overall design thesis, Precision machine tool operation to vibration, temperature and other information for monitoring the physical.</

9、p><p>　　Data acquisition, real-time operating status of the machine tool monitoring. Design of embedded systems based on sophisticated hardware machine condition monitoring. </p><p>　　Describes the

10、 sensor selection, installation, design a signal conditioning circuit and A / D conversion module. Construction of a modular software system, the collection of data acquisition, signal processing, condition monitoring, e

11、tc. </p><p>　　The function and implementation through the ARM microprocessor control. Work by analyzing a series of machine signals, in order to accurate, effective, real-time fault diagnosis based on reliab

12、le data.</p><p>　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p>　　Keywords: Embedded Systems， Precision Machine Tool， Information Collection，Condition Monitoring顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　目 錄</b>&

13、lt;/p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題的背景及意義1</p><p>　　1.1.1 選題的背景1</p><

14、;p>　　1.1.2 選題的意義1</p><p>　　1.2 機床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術國內外研究狀況3</p><p>　　1.2.1 機床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術國內外研究狀況3</p><p>　　1.2.2 基于嵌入式系統機電裝備狀態(tài)在線監(jiān)測技術國內外研究狀況4</p><p>　　1.3 論文內容安排6&l

15、t;/p><p>　　2 精密機床狀態(tài)監(jiān)測總體設計方案7</p><p>　　2.1 基礎理論7</p><p>　　2.1.1 精密機床簡介及其工作原理7</p><p>　　2.1.2機床在線狀態(tài)監(jiān)測量的選擇8</p><p>　　2.2 傳統的機床在線狀態(tài)監(jiān)測技術9</p><p&

16、gt;　　2.2.1 基于單片機的在線監(jiān)測技術9</p><p>　　2.2.2 基于DSP的在線監(jiān)測技術10</p><p>　　2.2.3 基于PLC的在線監(jiān)測技術11</p><p>　　2.3 基于嵌入式精密機床狀態(tài)監(jiān)測系統的總體設計方案12</p><p>　　2.3.1 嵌入式系統與基于PC的測試系統的比較12

17、</p><p>　　2.3.2 總體方案設計13</p><p>　　2.3.3 結構設計15</p><p>　　3 精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的硬件設計17</p><p>　　3.1 精密機床信息采集傳感器的選擇17</p><p>　　3.1.1 常用測振傳感器17</p>

18、<p>　　3.1.2 常用測溫傳感器18</p><p>　　3.1.3 傳感器的選擇19</p><p>　　3.1.4 傳感器的安裝21</p><p>　　3.2 信號調理電路22</p><p>　　3.2.1 濾波放大電路22</p><p>　　3.2.1.1 振動信號的濾

19、波放大電路……………………………………22</p><p>　　3.2.1.2 溫度信號的濾波放大電路……………………………………25</p><p>　　3.2.2 A/D轉換器的選擇27</p><p>　　3.3 ARM結構介紹28</p><p>　　3.4 基于MagicS3C2410的數據采集系統的設計30</

20、p><p>　　3.4.1 核心板…………………………………………………………………30</p><p>　　3.4.1.1 S3C2410A處理器……………………………………………30</p><p>　　3.4.1.2 存儲器接口電路……………………………………………...30</p><p>　　3.4.1.3 以太網接口電路………

21、……………………………………...31</p><p>　　3.4.2 主板31</p><p>　　3.4.2.1 A/D電路………………………………………………………31</p><p>　　3.4.2.2 顯示屏接口電路………………………………………………32</p><p>　　3.4.3 外圍電路33</p>

22、<p>　　3.4.3.1觸摸屏接口電路………………………………………………..33</p><p>　　3.4.3.2 信號輸入端接口………………………………………………34</p><p>　　3.4.4 機床信息采集與監(jiān)測系統的設計…..35</p><p>　　4 精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的軟件設計37</p><

23、;p>　　4.1 軟件部分功能與程序框圖37</p><p>　　4.2 數據處理程序設計38</p><p>　　4.2.1 數據采集程序設計38</p><p>　　4.2.2 A/D轉換程序設計39</p><p>　　4.3 精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的頻譜分析40</p><p>&

24、lt;b>　　5 結論42</b></p><p><b>　　參考文獻43</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附 錄45</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

25、<p>　　1.1 選題的背景及意義</p><p>　　1.1.1 選題的背景</p><p>　　機床工業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，體現了一個國家制造業(yè)的發(fā)展水平，也是機械工業(yè)發(fā)展和振興的重點領域。精密機床作為我國機床工具行業(yè)完善提高階段的重點發(fā)展對象之一，在現代生產發(fā)展中顯得尤為重要。目前，國內很多機械設備都引用了Phillips等知名公司的監(jiān)測保護儀裝置。但鑒于成本

26、等問題，或即便引進的監(jiān)測系統對機械運作的安全起到了積極作用，由于監(jiān)管人員無法對監(jiān)測系統顯示的異常信號進行準確的判斷，無法深層次地分析和故障診斷。因此，建立一個可以為專業(yè)人員提供在線故障診斷依據的具有數據采集、分析能力的在線監(jiān)測系統就變得非常重要了。與此同時，在連續(xù)生產中，如果機床存在故障且未能及時發(fā)現和排除，不僅會造成機床的損壞，影響整個生產線的正常運行，更有可能造成危害性的事故，造成重大的經濟損失。為對精密機床進行故障診斷，就必須對其

27、運作進行信息采集和實時狀態(tài)監(jiān)測，同時，為滿足網絡化、智能化的發(fā)展需求，這就引出了基于嵌入式系統的精密機床的信息采集和監(jiān)測技術的研究。</p><p>　　1.1.2 選題的意義</p><p>　　隨著我國經濟的迅速發(fā)展，精密機床作為工業(yè)中的基礎裝備，在各領域的應用顯得越來越重要。2000年起，我國就把發(fā)展新型精密機床和完善其功能作為工業(yè)振興的目標。溫家寶總理曾說過：“精密機床的發(fā)展水平

28、是一個國家機床化、現代化的重要標志，代表著一個國家的科學水平、創(chuàng)新能力和綜合能力，中國要成為生產精密機床的大國。”精密機床作為我國機床工具行業(yè)完善提高階段的重點發(fā)展對象之一，正朝著高速、高智能化、功能多元化、網絡化的方向發(fā)展[1]。在各個行業(yè)生產的發(fā)展中，精密機床有著不可小覷的作用；機械設計與制造工業(yè)、計算機自動控制技術、精密測量與檢測等領域中都運用到了精密機床，足以見證了精密機床應用領域的廣泛。</p><p>

29、;　　鑒于精密機床的廣泛運用，保證精密機床安全運行，提高生產效率和設備利用率,減少設備故障就有了重要的現實意義。只有及時并準確地發(fā)現機床故障所在，才能提高機床運行的安全性、可靠性和機床的利用率，才能節(jié)約大量的維修時間和費用，產生經濟效益，避免不必要的事故。因此，也促使了基于嵌入式系統的精密機床的信息采集和監(jiān)測技術成為我國重點發(fā)展的一塊新領域。</p><p>　　精密機床的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測是對機床故障診斷的重要

30、前期工作。機床在運行過程中，受到力、熱、摩擦等多種作用，使其運行狀態(tài)不斷變化，因此必須在機床運作過程中對其進行信息采集和狀態(tài)監(jiān)測，以便及時做出判斷，采取必要措施，避免發(fā)生故障而導致嚴重后果。</p><p>　　多數傳統精密機床不具備信息采集和監(jiān)測的能力,在一定程度上降低了生產效率,使企業(yè)信息化和工業(yè)自動化得不到進一步的發(fā)展。傳統的信息采集和監(jiān)測技術又存在精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經不能完全適應

31、現代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著現代工業(yè)自動化程度的提高，以及各種機床參數的不同，包含了復雜的環(huán)境和狀態(tài)信息。只有采用有效的信息采集技術，準確地監(jiān)測到精密機床運作過程中的各種狀態(tài)信息，才能以此為依據，提高整個機床的運作能力和故障處理能力。隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，設計高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的信息采集和監(jiān)測系統成為當務之急。鑒于嵌入式技術具有成本低、體積小、集成度高、可靠性高等優(yōu)點,采用基于ARM處理器的嵌入式系統模塊與傳統

32、精密機床相結合的方式,能夠實現傳統精密機床的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測等操作，從而加快企業(yè)信息化、自動化發(fā)展，對提高生產效率和經濟效益有著重要的現實意義[2]。而且，隨著先進制造技術的發(fā)展，制造質量的重心從傳統的直接以工件參數為標準轉向以信息采集和監(jiān)測制造系統狀態(tài)參數為標準，嵌入式系統的精密機床的信息采集和監(jiān)測技術更凸現其重要作用。</p><p>　　機床故障主要通過機床振動、溫度和速度等特征表現，需要應用狀態(tài)監(jiān)測、信

33、息采集、信號處理和信息融合等多種技術進行分析；從而為提高加工精度、深化對精密加工過程的認識提供有力的分析依據。若要實現精密機床在制造過程中的自動化和智能化控制,對精密機床加工過程的狀態(tài)監(jiān)測時十分重要的。因此本文擬進行的研究不但可以提高加工精度和勞動生產率，而且能有效地提高生產質量，提高產品精度，提高生產效率和保障生產安全等等，使之更有效的滿足了工業(yè)發(fā)展的需求[3]。但在技術方面，仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)。根據目前國內外精密機床發(fā)展的趨勢，結

34、合嵌入式系統的超精密機床在線信息采集和監(jiān)測技術的研究具有十分重要的理論和現實意義。</p><p>　　綜上所述,對機床加工過程進行信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的實際意義歸納為以下四點:</p><p>　　(1) 保證機床加工的安全運行；</p><p>　　(2) 保證加工工件質量；</p><p>　　(3) 合理并優(yōu)化使用機床設備，避免設

35、備故障；</p><p>　　(4) 減少額外的輔助工作時間，提高生產率和設備利用率。</p><p>　　1.2 機床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術國內外研究狀況</p><p>　　1.2.1 機床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術國內外研究狀況</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展與進步,各種機械設備結構越來越復雜、自動化程度也越來越高,極大地提高

36、了生產效率，促進了生產力的快速發(fā)展。但機械設備一旦發(fā)生故障就會造成重大的經濟損失，甚至危及人的生命安全。2010年1月，我國蘭州石化發(fā)生爆炸事故,造成6人死亡，事故的直接原因是一儲罐閥門突然泄漏。隨著國際國內安全事故頻發(fā)，設備狀態(tài)在線監(jiān)測已被提升到極為重要的高度，人們迫切希望能及時了解機械設備的工作狀態(tài),從而保證機械設備的安全運行。</p><p>　　以美國為主的西方發(fā)達國家在信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術研究上處領先

37、水平。美國Bentley，IRD，BEI等公司對機電設備運行狀態(tài)監(jiān)測的研究，已有了四十多年的歷史，并建立了數據庫系統、專家診斷系統等。信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術應用領域廣泛，早期主要應用于汽車、工程機械零件的高效精密加工；軍工、航空航天、能源以及微電子等精密非球面鏡零件的超精密加工等[4]。60年代的數字電路和信號分析處理技術的發(fā)展推動了監(jiān)測技術在機械設備上的應用。70年代開始，機械設備的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術的研究在各個國家都跨入了系統化

38、的發(fā)展階段。那時對監(jiān)測技術的研究一般采用專用計算機和專用操作系統的信息采集和監(jiān)測技術系統，簡稱SCADA。美國亞特蘭大公司研制的M6000系統以及丹麥B&K公司研制的2500監(jiān)測系統都具備了對機械設備進行信號采集、信息處理分析、顯示及監(jiān)測的能力[5]。之后，對于機床的信息采集和監(jiān)測，則主要運用機床串口技術（如標準接口RS-232）和外接PLC技術。90年代以來，最新研制的微機系統不斷更新，對各種信號處理的計算方法也在不斷優(yōu)化，尤

39、其是是微處理器DSP的出現和發(fā)展，不僅大大提高了數據處理的能力與速度</p><p>　　在80年代，我國主要采取從國外引進機械的狀態(tài)監(jiān)測系統；然而，國外的在線監(jiān)測系統、診斷儀等一系列軟硬件一般價格都較昂貴，并且維護方面也存在不便。因此，國內許多科研機構及高等院校都在致力于研發(fā)自己的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統。哈爾濱工業(yè)大學等單位聯合研制的機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置，即3MD系列系統；南京汽輪高新技術開發(fā)公司的CRA

40、S隨機信號與振動分析系統；西安交通大學的旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統等都是監(jiān)測系統研制過程中的碩果。</p><p>　　當今，比較典型的機械設備信息采集和狀態(tài)監(jiān)測方式主要有以下三種[7]：</p><p><b>　　離線定期監(jiān)測方式。</b></p><p>　　當前利用進口監(jiān)測儀器普遍采用的方式是：測試人員用傳感器依次對各測點進行數據采

41、集，記錄信號，在專用計算機上完成數據處理。此監(jiān)測方法的特點是：其整體測試方案簡單可行，缺點是測試工作比較煩瑣復雜，需要測試人員進行實時監(jiān)測；但作為離線定期監(jiān)測，不能提前預測，因此不能避免突發(fā)性故障的發(fā)生。</p><p>　　2) 在線檢測離線分析的監(jiān)測方式。</p><p>　　近年來，在機械設備中采用的主要監(jiān)測方法是在線檢測離線分析的監(jiān)測方式，此方式采用在機械設備上安裝傳感器進行多個測

42、點的信息采集與監(jiān)測，先從現場由微處理器從機械設備中采集各測點的數據并處理，專業(yè)人員在主機系統中進行分析和判斷。較離線定期監(jiān)測方式，在線檢測離線分析的監(jiān)測方式免去了更換測點的麻煩，并能在線進行機械設備的監(jiān)測和報警；但是該方式需要離線進行數據分析和判斷，而且需要專業(yè)技術人員對采集到的數據進行分析和判斷處理。</p><p>　　3) 自動在線監(jiān)測方式。</p><p>　　該方式不僅能實現自動

43、在線監(jiān)測設備的工作狀態(tài)，及時進行故障預報，而且能實現在線數據處理和分析判斷。該方式技術最先進，不需要人為更換測點，不僅不需要專門的測試人員，也不需要專業(yè)技術人員參與分析和判斷；但是軟硬件的研制工作量很大。</p><p>　　1.2.2 基于嵌入式系統機電裝備狀態(tài)在線監(jiān)測技術國內外研究狀況</p><p>　　以往的機械狀態(tài)監(jiān)測設備，硬件方面大多采用基于PC平臺，加上各種采集控制卡的方式

44、。但傳統的硬件PC平臺存在穩(wěn)定性差，而且防震、防電磁、防塵干擾的效果不理想等缺陷。為了改善PC穩(wěn)定性，同時減少外部干擾的影響，必須在PC硬件平臺的外部增加必要的防護設備，如防護用的機箱或屏蔽外殼等。而且由于傳統的硬件PC平臺集成度不高，顯示器、鼠標、鍵盤都要通過線纜與主機進行連接，各種線纜多而復雜，不僅影響了外部的美觀，而且影響工作效率，不適合在生產線上使用。對大型的測控系統來說，其采用的是專用的控制平臺，雖然避免的傳統PC平臺的缺陷，

45、但需要專用的軟件，成本高，開發(fā)周期長，并非最理想的監(jiān)測設備。近年來，隨著嵌入式系統的發(fā)展，其集成度高、開發(fā)周期短、體積小、功能擴展靈活、針對性強等特點使其逐步成為機電裝備狀態(tài)在線監(jiān)測技術研究的一個新趨勢[8]。</p><p>　　單片機是最典型、最廣泛、最普及的嵌入式系統，起初對精密機床的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測主要采用單片機；運用單片機構成形式多樣的控制系統、數據采集系統，從而進行信息采集和狀態(tài)監(jiān)測。</p&

46、gt;<p>　　現如今，對機械設備的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術大致主要分為兩大類[9]：</p><p>　　1) 傳統的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術設備；</p><p>　　2) 便攜式的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的技術設備。</p><p>　　對傳統的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測技術就是在機械設備上安裝傳感器，從現場測得各測點的數據，進而進行數據分析處理。典型的代表有德

47、國普魯夫科技生產的在線監(jiān)測系統與診斷系統；由我國英華達公司生產的水輪機組振動監(jiān)測分析儀等。但基于傳統的監(jiān)測系統不便于攜帶且價格昂貴等原因，這個系統基本上一直處于研發(fā)階段，也未能推廣應用。</p><p>　　較傳統的信息采集和監(jiān)測技術而言，便攜式的監(jiān)測系統就比較容易受到大家的普遍認可。如三星公司推出的一款16/32位的嵌入式微處理器S3C2410，以數據庫為基礎，將專家系統和圖形用戶接口與嵌入式系統想融合，實現了

48、人機互交、數據分析處理、專家診斷等功能。</p><p>　　自20世紀70年代出現了嵌入式系統這個概念以來，嵌入式系統以其低功耗、低成本、高性能等特點，得到了飛速發(fā)展。早期的嵌入式系統主要以單片機為技術核心，現今，以單片機為核心的嵌入式系統已廣泛應用于各個領域。其與傳感器、監(jiān)測設備、伺服控制、顯示設備等配合，實現一定的測量、顯示、信息處理等功能。以美國為主的西方國家在這方面的綜合研究處于領先水平。</p&

49、gt;<p>　　20世紀80年代，市場上已有了諸多嵌入式操作系統，如Linux、Windows CE、UC/OS等。隨著嵌入式系統研究和應用的進一步深入，嵌入式系統從以微處理器/DSP為核心的“集成電路”設計逐步轉向“集成系統”設計，提出了片上系統SOC( System on a chip)的基本理論[10]。目前，嵌入式系統正朝著網絡化、智能化、集成化的方向發(fā)展。在與各個行業(yè)的具體應用相結合的過程中，嵌入式系統對國民經

50、濟進行了全方位的滲透, 現在市場中出售的眾多的數碼產品、航空設備、ATM機、計算機網絡設備等電子產品中都用到了嵌入式系統。毫無疑問，嵌入式系統已是當今最熱門的話題之一。</p><p>　　目前，比較有代表性的嵌入式系統微處理器有ARM公司的ARM系列、IBM公司的Power PC等。Microsoft等國外嵌入式實時操作系統及其一系列產品，以其成熟的技術深入了千家萬戶。我國現也已自主研發(fā)嵌入式系統，如科銀公司研

51、制的嵌入式軟件開發(fā)平臺Delta System；中科院推出的Hope嵌入式操作系統。飛速發(fā)展的嵌入式技術的應用，使處理器從8位擴展到16位，到目前為止的32位、64位嵌入式處理器；在龐大市場的需求下，嵌入式系統必將得到進一步的深入發(fā)展。</p><p>　　近年來，國內外對有關基于嵌入式系統的機床信息采集與監(jiān)測技術的研究相當活躍。經過不斷地研究探索，現代精密機床集合了電子計算機、伺服系統、自動控制系統、精密測量系

52、統及新型機構等先進技術,能夠加工形狀復雜、精密、小批量零件,并且具有加工精度高、生產效率高、適應性強等特點。其研究成果是可喜的，發(fā)展前景是明朗的。因此，對基于嵌入式系統的精密機床信息采集與監(jiān)測技術的研究是相當有必要的。</p><p>　　1.3 論文內容安排</p><p>　　本文的研究內容主要包括以下幾個部分：嵌入式系統及監(jiān)測技術的研究、基于嵌入式精密機床狀態(tài)監(jiān)測系統的方案設計、硬

53、件結構的設計、軟件部分的模塊化設計、總結。</p><p>　　1) 第一章 介紹了本次選題的背景及意義，總結了機床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測技術的國內外研究現狀，分析了基于嵌入式系統的故障診斷技術國內外研究現狀。</p><p>　　2）第二章 闡述了精密機床結構及其工作原理，給出了機床狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統設計中常用物理量；比較分析了傳統的機床狀態(tài)在線監(jiān)測技術與基于嵌入式系統的機電裝備信息

54、采集與狀態(tài)監(jiān)測技術優(yōu)缺點，并建立了基于嵌入式技術的機床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測系統總體設計方案及功能單元。</p><p>　　3）第三章 設計了精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統硬件結構。首先闡述了常用傳感器的基本理論、分析了傳感器的選型以及安裝方法。其次，介紹了ARM的基本結構，對基于MagicS3C2410ARM的數據采集系統進行模塊化設計；最后設計了的信息調理模塊包括濾波放大電路、A/D轉換模塊等。</p&g

55、t;<p>　　4）第四章 設計了精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測系統的軟件單元。首先介紹了軟件部分的總體設計框圖；其次，設計了數據處理模塊，包括數據采集模塊和A/D轉換模塊；最后，對精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的頻譜分析進行簡要說明。</p><p>　　5）本研究內容總結。</p><p>　　2 精密機床狀態(tài)監(jiān)測總體設計方案</p><p><b&

56、gt;　　2.1 基礎理論</b></p><p>　　2.1.1 精密機床簡介及其工作原理</p><p>　　精密機床即精度、性能等符合有關標準中規(guī)定的精密級要求的機床；是運用如切割、特種加工等一系列加工方法，使之獲得所需求的幾何形狀、尺寸精度和表面質量的機床設備。圖2-1所示的精密機床為實驗室內的ML-360車銑床。隨著現代科技的不斷發(fā)展，對零件的加工精度要求越來越嚴

57、格，而精密機床是實現精密加工的首要基礎條件。50年代，美國首先研發(fā)了金剛石刀具的超精密切削技術，并研制了空氣軸承主軸的超精密機床。1984年有研制成功了超精密金剛石車床DTM-3型和LODTM大型超精密車床。</p><p>　　精密機床以其特殊的精密等級的需求，需要滿足一定的加工精度、加工質量。精密機床的加工質量主要取決于機床的制造誤差、彈性變形、熱變形、加工磨損以及機床所產生的振動、溫度等因素。從被加工件的形

58、成過程可知，機床在切削時，若刀具沿著規(guī)定的軌跡對工件進行加工制作，則能得到較好的加工質量。但是，在實際切削過程時，來自切削過程、機床傳動系統以及機床外界的各種力，作用在機床與工件及刀具的彈性系統上，都將產生變形，其中靜態(tài)力將引起彈性變形，動態(tài)力將使系統產生受追振動，最終致使刀具與工件間產生相對變位，改變了它們之間的正確位置關系，并在加工表面上留下振紋，從而降低了被加工零件的加工精度和加工質量[11]。</p><p&

59、gt;　　精密機床的又一技術指標是機床動態(tài)性能。機床的動態(tài)性能定義為機床運轉之后振動、噪聲、熱變形與磨損等性能的總稱。在機械設備的角度來看，機床的動態(tài)性能主要是指機床的振動性能，即主要指機床抵抗振動的能力。機床的振動因素是加工過程中不可避免的，它的存在，不僅會使工件和刀具的相對位置發(fā)生變化，影響加工精度，而且會加速刀具的磨損，進一步影響了刀具壽命，影響工件的加工精度，同時還可能產生噪聲污染。經實驗證明，機床的加工質量、加工精度在很大程度

60、上取決于機床所產生的振動大小。特別是高速、高精度的機床，振動對其影響尤其明顯。因此，大量學者致力于機床在線狀態(tài)振動信息監(jiān)測的研究。</p><p>　　同時，任何機床進行加工就要消耗動力，產生熱量，這熱量傳導到機床各運動部件和機床構件，必然引起機床工藝系統的熱變形，造成工件加工精度的變化。實驗證明，機床在溫度變化梯度較大時，機床從冷卻到全熱態(tài)過程中，機床的坐標系原點存在漂移；鋼件材料的熱線張系數和鋁材料相差較大，

61、在一米長度上溫度相差1℃尺寸長度就相差0.01mm以上。明顯，這會造成不小了誤差，使精度得不到要求。因此對溫度的影響，通常在軟件部分采取溫度補償來解決以上問題。</p><p>　　圖2-1 ML-360車銑床</p><p>　　2.1.2 機床在線狀態(tài)監(jiān)測量的選擇</p><p>　　機床可在線監(jiān)測的物理量大致有以下幾類[12]：</p>&l

62、t;p>　　(1) 以機床的振動信號作為監(jiān)測對象的振動監(jiān)測：在機床運行過程中，通過振動參數的變化特征判別機器的運行狀態(tài)。</p><p>　　(2) 以機床運行中的噪聲作為監(jiān)測對象的噪聲監(jiān)測，在機床運行過程中，通過噪聲參數的變化特征判別機器的運行狀態(tài)。</p><p>　　(3) 以刀具溫度或加工器件溫度作為監(jiān)測對象的溫度監(jiān)測，在機床運行過程中，通過溫度參數的變化特征判別機器的運行狀

63、態(tài)。</p><p>　　(4) 以機床刀具所受壓力作為監(jiān)測對象的壓力監(jiān)測，在機器運行過程中，通過壓力參數的變化特征判別機器的運行狀態(tài)。</p><p>　　(5) 以加工零件加工時所磨損、變形、破裂過程中產生彈性波作為監(jiān)測對象，在機器運行過程中，分析彈性波的頻率變化特征判別機床的運行狀態(tài)。</p><p>　　(6) 以加工零件表面層的顯微組織、殘余應力、裂紋及物

64、理性質為監(jiān)測對象，研究其變化特征，從而間接判別機床設備存在的故障及形成原因。</p><p>　　在諸多可采集的信息中,振動信號是最能夠更迅速、更直接地反映機械設備的運行狀態(tài),因此利用振動信號對機械設備運行狀態(tài)進行診斷分析,是設備故障診斷方法中最有效且最常用的方法。在機床的運行過程中,機床的振動信號中蘊藏了大量信息，通過對振動信號的時域、頻率特征提取分析法已發(fā)展成為一種實用的故障診斷方法。如機床主軸、刀架的振動信

65、號，可以為判別機床性能、評價加工質量、故障分析提供準確的信息。在線實時監(jiān)測機床振動狀態(tài)可提供實時的機床狀態(tài)信息，為分析機床故障提供參數。有關學者通過研究發(fā)現：機床主軸的振動、導軌的振動、刀具的振動以及由外界的干擾、機床剛性不足等原因引起的切削振動，會使刀具和工件之間產生相對的位移，從而影響加工精度、導致加工質量的缺陷[13]。實驗證明：用加速度傳感器采集機床的振動信號,可以通過對機床振動信號的分析來判斷刀具的磨損或是破損狀況。而且振動信

66、號的頻響范圍寬,對切削過程中的異常敏感,受環(huán)境條件限制較少,檢測裝置比較簡單,安裝靈活,調整方便,在生產條件下容易實現。所以，本文將精密機床的振動信號作為監(jiān)測對象之一。</p><p>　　此外，在切削過程中,刀尖溫度很高,也會影響加工精度；對刀具溫度監(jiān)測的目的是了解刀具溫度與切削參數的關系。</p><p>　　2.2 傳統的機床在線狀態(tài)監(jiān)測技術</p><p>

67、;　　2.2.1 基于單片機的在線監(jiān)測技術</p><p>　　所謂單片機就是將CPU、ROM(EPROM或EEPROM)、RAM、定時/計數器、時鐘多種功能的串行和并行I/O口集成于一塊芯片上的微處理器。如Intel公司的8051系列等。除了以上基本功能外，有的還集成有A/D轉換、D/A轉換功能，如Intel公司出產的8098系列。概括來說，單片機具有如下特點：具有很強的位處理能力，強調控制和事務處理功能；價

68、格低廉；開發(fā)環(huán)境完備，開發(fā)工具齊全，應用資料眾多等。在過去的幾十年里，單片機的廣泛應用實現了簡單的智能控制功能。早期的機床信息采集與監(jiān)測技術就是應用了單片機技術[14]。</p><p>　　一般的監(jiān)測系統主要由數據采集模塊、單片機控制模塊、計算機監(jiān)控模塊。其系統結構可由如下圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 基于單片機的監(jiān)測系統</p><p>　　數

69、據采集模塊由傳感器、模數轉換、單片機系統構成。由傳感器感知模擬信號，經模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，再送入單片機進行處理。</p><p>　　單片機屬于低端的控制類芯片，功能較弱。隨著信息化的進程和計算機科學與技術、信號處理理論與方法等的迅速發(fā)展，需要處理的數據量越來越大，對實時性和精度的要求越來越高，在某些領域，低檔單片機已不再能滿足要求。因此引出了基于DSP的在線監(jiān)測技術。</p>&l

70、t;p>　　2.2.2 基于DSP的在線監(jiān)測技術</p><p>　　DSP具有高速運算能力，是為滿足數字信號處理所要求的特定運算所設計的專用微處理器。與單片機相比較，DSP具有以下優(yōu)勢：運行速度更快，減少所需指令周期數，大大減少FFT運算尋址時間，采用并行方式，提高數據處理能力，較好解決了高速運行和精簡程序的矛盾，保證了高速運算中通信和結果的完整。具體來說，DSP采用哈佛總線結構，擁有相對獨立的數據總線

71、、程序總線和地址總線，具有相對獨立的數據存儲空間、程序存儲空間和地址存儲空間，可以同時進行存取程序和地址，具備堅實的硬件基礎[15]。DSP器件的CPU板塊采用了流水線指令結構，CPU上集成了可以在單個周期內完成算數運算的硬件乘法器。綜合以上特點可知，DSP的單指令執(zhí)行時間比16位的單片機要快8至10倍左右，而完成一次乘加算數運算至少要快16至30倍。同時，DSP提供了相對比較完善的指令集模塊，使FFT快速傅里葉變換速度以及濾波器的運算

72、速度等有了較明顯的提高。此外，DSP也提供TJAG接口，可以與TJAG仿真器相連接進行硬件仿真，并且不占用用戶任何資源。DSP所涉及的外圍電路設計與單片機電路設計相仿，無論是何種型號的DSP器件，其集成在外部的功能模塊功能</p><p>　　因此，DSP器件的應用大范圍推廣，越來越多的單片機用戶考慮選用DSP器件來提高產品性能。目前，DSP芯片的主要應用于以下工作：信號處理（包括快速傅立葉變換、信號頻譜分析、卷

73、積變換、加窗函數、數字濾波、自適應濾波、產生波形、相關運算等）；通信模塊（用于語音方面的語音編碼、語音識別、語音合成、語音存儲；以及可視電話、高速調制解調器、數字留言機等）；圖形和圖像處理（多維圖形處理，圖像壓縮與傳輸等）；此外，自動控制領域、家用電器和醫(yī)療器械領域，乃至軍事領域都有運用到DSP的相關技術 [16]。</p><p>　　90年代以來，微型數字信號處理器DSP的出現和發(fā)展，使數據處理速度大為提高，

74、在機械設備中，主要應用于機械設備的信息采集、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。一般監(jiān)測系統的基本工作流程如下：</p><p>　　由傳感器把從監(jiān)測對象檢測到的原始信號轉換成電壓模擬信號，再用模數轉換器對模擬信號進行模數轉換，然后用數字信號處理功能強大的DSP作為硬件基礎，再對數字信號進行處理，最后信號功率頻譜圖在PC機上顯示并根據該圖特征判斷診斷對象的運行狀態(tài)。</p><p>　　其系統硬件結構如圖

75、2-3所示：</p><p>　　圖2-3 基于DSP的監(jiān)測系統硬件結構框圖</p><p>　　但是DSP器件存在受串行指令的限制；超過幾兆赫茲取樣率時，一個DSP僅能完成對數據非常簡單的運算；其研發(fā)周期長等缺陷。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能也相對較弱些。如基于DSP的結構缺乏人機互交界面，缺少數據管理和存儲功能；而且，基于DSP的在線監(jiān)測系統缺乏事務管理能力，不具備跑

76、界面以及應用程序等控制方面的能力。</p><p>　　2.2.3 基于PLC的在線監(jiān)測技術</p><p>　　鑒于基于DSP結構所存在的不足，同時隨著可編程控制器即PLC的發(fā)展與應用，研發(fā)人員采用了擁有更高性能比的PLC運用于機械設備的信息采集和監(jiān)測技術的研發(fā)上。雖然采用基于PLC結構的操作系統解決了數據管理和人機界面的問題，但由于PLC主要是面向單個項目的，上層應用的，在成本、功耗

77、和開發(fā)周期等方面是有所欠缺的。</p><p>　　表2-1 單片機、DSP、PLC的比較</p><p>　　如表2-1所示，雖然單片機、DSP、PLC有著各自不同的優(yōu)點，但隨著現代化進程得不斷發(fā)展，諸如此類的技術仍然不能滿足現代化的要求。因此，本文的研究選用了性價比更高的ARM開發(fā)系統。</p><p>　　2.3 基于嵌入式精密機床狀態(tài)監(jiān)測系統的總體設計方

78、案</p><p>　　2.3.1 嵌入式系統與基于PC的測試系統的比較</p><p>　　嵌入式系統的一個特點就是“專用”，嵌入式系統主要針對現實中某種實際應用而開發(fā)的，其軟件幾乎沒有什么可移植性。對PC系統來說，PC機本身通用程度高、軟件比較齊全同時具有標準化，表2-2和表2-3對比了嵌入式系統和基于PC的系統[17]。</p><p>　　表2-2 硬件

79、平臺的比較[17]</p><p>　　表2-3 軟件及開發(fā)平臺的比較[17]</p><p>　　從表2-2及表2-3可以看出，嵌入式系統和基于PC的系統有很大的不同，但這也正是嵌入式系統的靈活之處，即“軟硬件可裁剪”。</p><p>　　嵌入式系統與基于PC的測試系統相比有如下幾個優(yōu)點[17]：</p><p>　　(1) 嵌入式系統

80、的功耗低、體積小，專用性強，而基于PC的測試系統功能全面，但功耗較高，體積較大。嵌入式產品可以把PC中的一部分功能集成到芯片內部，從而有利于小型化使用。</p><p>　　(2) 嵌入式產品設計了如FLASH、EEPROM等存儲芯片，提高執(zhí)行速度和系統可靠性。</p><p>　　(3) 嵌入式系統功耗低和存儲容量大等特點，決定了硬件設備和程序代碼的高效性和精簡性。</p>

81、<p>　　(4) 嵌入式產品一般運行于無人或環(huán)境惡劣的環(huán)境，不能像PC機，可以人為重啟，所以一般嵌入式產品都具有自監(jiān)測和自啟動的功能，比如看門狗工具等。</p><p>　　(5) 嵌入式系統的開發(fā)環(huán)境可由不同的公司專門開發(fā)設計專有的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境?；谇度胧较到y的巨大的發(fā)展前景以及嵌入式系統的廉價、體積小、方便攜帶性等諸多優(yōu)勢是普通PC測試系統所無法相比的。</p><p&

82、gt;　　2.3.2 總體方案設計</p><p>　　通過實驗證明，精密機床故障大致可分為兩類：一是控制裝置和測量系統的軟硬件故障；二是精密機床本體故障。</p><p>　　在機械故障診斷中，可以采集與監(jiān)測的信息很多，包括振動信息、溫度信息、壓力信息、聲音信息等。在所有課監(jiān)測到的課表現機械狀態(tài)的信息中，機械振動信息是最具權威性的，因為它同時包含幅值，相位和頻率等信息量；機械振動信息的

83、監(jiān)測能及時反應出機械存在的故障，而且振動信息相對來說較易測得。因此利用振動信號對機械設備運行狀態(tài)進行診斷分析，是設備故障診斷方法中最有效且最常用的方法[18]。在機床的運行過程中，機床的振動信號中蘊藏了大量信息，通過對振動信號的時域、頻率特征提取分析法已發(fā)展成為一種實用的故障診斷方法。如機床主軸、刀架的振動信號，可以為判別機床性能、評價加工質量、故障分析提供準確的信息。在線實時監(jiān)測機床振動狀態(tài)可提供實時的機床狀態(tài)信息，為分析機床故障提供

84、參數。有關學者通過研究發(fā)現：機床主軸的振動、導軌的振動、刀具的振動以及由外界的干擾、機床剛性不足等原因引起的切削振動，會使刀具和工件之間產生相對的位移，從而影響加工精度、導致加工質量的缺陷。實驗證明：用加速度傳感器采集機床的振動信號,可以通過對機床振動信號的分析來判斷刀具的磨損或是破損狀況。而且振動信號的頻響范圍寬,對切削過程中的異常敏感,受環(huán)境</p><p>　　此外，在切削過程中,刀尖溫度很高,也會影響加工

85、精度；精密機床在運作時，因軸承、刀具等零件的高速旋轉、摩擦等會使機床產生一定的熱量，使得機床各部位的溫度升高，機床的性能也會發(fā)生相應的變化。特別是，隨著溫度的升高，金屬軸轉子的軸向和徑向尺寸都有所增加，造成零件間配合性質發(fā)生變化，并產生摩擦熱彎曲等現象；溫升也會使剛度有所變化，造成振動模態(tài)改變[19]。對刀具溫度監(jiān)測的目的是了解刀具溫度與切削參數的關系。 </p><p>　　本系統的設計運用了嵌入式理念，目的是

86、通過對精密機床中會引起故障的振動信號參數、刀具溫度參數、刀具壓力信號參數進行實時監(jiān)測，進而掌握機床的工作狀態(tài)，為精密機床的加工過程提供分析依據。系統總體設計如圖2-4所示，將所監(jiān)測的非電信號通過傳感器，再經信號的轉換和放大后，送入數據采集系統，最終進行數據處理與分析，從而進行故障的診斷。</p><p>　　圖2-4 系統總體設計方案</p><p>　　2.3.3 結構設計</

87、p><p>　　精密機床信息采集與狀態(tài)監(jiān)測的總體設計結構圖如2-5所示：</p><p>　　圖2-5 總體設計結構圖</p><p>　　(1) 精密機床信息采集的方法以及實現</p><p>　　機床的信息采集是設備狀態(tài)在線監(jiān)測的核心內容，所謂信息采集就是將溫度、壓力、位移等模擬量經傳感器進行采集、再將模擬量轉換成數字量，并進行存儲、處理，

88、最后顯示這一過程。一個完整的數據采集系統的硬件一般由傳感器、信號調理電路、多路開關、采樣保持電路、模數轉換電路、微處理器、存儲器等組成。</p><p>　　本文中的信息采集模塊是通過傳感器將精密機床加工過程中的物理量轉換為電信號，再對這些電信號進行分析，從而獲得精密機床加工過程的狀態(tài)信息。如采用壓電加速度傳感器采集精密機床刀具的振動信號，通過對刀具振動信號的分析來判斷刀具磨損或破損狀況。信息采集的基本組成框圖如

89、圖2-6所示：</p><p>　　圖2-6 信息采集流程圖</p><p>　　(2) 精密機床嵌入式監(jiān)測系統的實現</p><p>　　嵌入式系統監(jiān)測功能的實現，建立在有效的信息采集以及對信息進行實時準確地分析和處理的基礎上。傳感器檢測到的信息很難直接用于狀態(tài)識別,需要通過信號的分析處理，識別機床狀態(tài)變化的特征量才能進一步實現設備的狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測系統的基本組成

90、如圖2-7所示：</p><p>　　圖2-7 監(jiān)測系統基本組成圖</p><p>　　對監(jiān)測到的信息做進一步的加工處理，從大量信號中提取出與加工狀態(tài)變化相關的參數這一過程稱為特征提取。目前常用的特征提取的方法主要有以下幾種：統計分析法(計算均值、幅值、方差等)；時域分析法(差分、濾波、相關系數等)；頻域分析法(FFT、功率譜、譜能量等)；時頻分析法(短時FFT、維格爾分布、小波分析等)

91、等[20]。</p><p>　　精密機床在加工時難免會存在某些故障，過去只有在機床運行出現問題時才知道機床中某部分發(fā)生了故障。本方案是基于ARM嵌入式系統的精密機床故障診斷系統軟硬件結構，本系統適合現場參數監(jiān)測和分析,可以對機床由振動造成的故障進行早期預報、識別，能有效排除故障，減少損失。</p><p>　　為了實現系統所要求的功能和指標，并考慮到系統的可擴展性和延伸性，本系統采用主從

92、CPU協同工作，實現了數據的實時采集、傳輸與顯示，具有處理速度快、精度高、人機交互界面友好、穩(wěn)定性高、擴展性好等優(yōu)點。由于精密機床的主要激振源是主軸系統，而刀架系統和尾架系統是保證加工質量的關鍵部位。</p><p>　　3 精密機床信息采集和狀態(tài)監(jiān)測的硬件設計</p><p>　　3.1 精密機床信息采集傳感器的選擇</p><p>　　3.1.1 常用測振

93、傳感器</p><p>　　傳感器是以一定精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。在測振系統中，最常用的振動測試方法是電測法，將振動的參量經傳感器拾取后，轉換成電信號，經過信號調制電路的處理，從而得到所需測量的物理量。</p><p>　　根據所選用的傳感器是否與被測件接觸，可將傳感器分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式傳感器有磁電式速度傳感器和壓電式加速

94、度傳感器等，由于其機電轉換較為方便，因而被應用得最多。而電容傳感器、渦流傳感器常用于振動位移的非接觸測量。按被測振動信息的性質又可將傳感器分為：絕對式測振傳感器和相對式測振傳感器。絕對式測振傳感器的輸出描述的是被測對象的絕對振動，其殼體固定在被測件上，其內部利用其彈簧-質量系統來感受振動；測試時，其殼體和被測對象固接，殼體的振動等視于被測點的振動，即傳感器的輸入。相對式傳感器，其殼體和測量對象分別與不同被測件聯系，其輸出為殼體和測量對象

95、的相對振動。以下對部分常見測振傳感器進行簡要介紹 [21]：</p><p>　　(1) 電渦流位移傳感器</p><p>　　電渦流傳感器是一種非接觸的線性化計量工具，能準確測量出被測體與探頭端面之間的相對位移變化量（被測體必須是金屬導體）。在對各種機械設備進行反復的狀態(tài)監(jiān)測分析后得出，通過對振動信息(對非接觸的高精度振動、位移信號)的采集、分析測量，能連續(xù)準確地采集到機械設備振動狀態(tài)的

96、各種參數。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等優(yōu)點，使其在機械設備狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應用。</p><p><b>　　(2) 電容傳感器</b></p><p>　　非接觸式的電容式傳感器常常用于位移測量中，其測量內容與電渦流位移傳感

97、器相近。接觸式的電容傳感器的信號轉換放大電路主要采用頻率調制型，目的在于增加電路的靈敏度和可靠性。</p><p>　　(3) 磁電速度傳感器</p><p>　　磁電速度傳感器是利用電磁感應原理工作的傳感器，當傳感器運動時，線圈在磁場中作切割磁力線的運動，其產生的電動勢大小與輸入的速度成正比。它利用作為慣性質量的動線圈與固定在傳感器外殼上的磁路系統之間的相對運動獲得與振動速度成正比的感應

98、電動勢。這種電信號可以不經過放大器而直接記錄。</p><p>　　(4) 壓電式傳感器</p><p>　　壓電式傳感器是一種自發(fā)電式的機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷。電荷經電荷放大器以及濾波放大電路放大后，再經模數轉換，就可以以電量的形式輸出。壓電式傳感器主要應用于非電物理量的測量，如壓力、加速度等。壓電式傳感器的優(yōu)點是信噪比高、頻帶寬、結構簡

99、單、靈敏度高、可靠性強以及其本身質量輕，便于攜帶等。缺點在于部分制作壓電傳感器的壓電材料需要比較苛刻的防潮措施，其輸出的直流響應不穩(wěn)定，需要外部采用高輸入阻抗電路等方法來克服這一缺陷。隨著技術的發(fā)展，配套儀表和高絕緣、低噪聲、小電容電阻電纜的出現，使壓電傳感器的使用更為方便。因而，壓電傳感器除了應用于機械領域外，在工程力學、生物醫(yī)學、電聲學等技術領域也被廣泛應用。</p><p>　　3.1.2 常用測溫傳感器

100、</p><p>　　根據溫度傳感器與被測介質的接觸方式可將溫度傳感器分為兩大類：接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器。顯而易見，接觸式溫度傳感器指需要與被測介質有相對的接觸點，使兩者進行熱交換而達到同一溫度。此類傳感器主要有PN結溫度傳感器、電阻式傳感器、熱電偶等。非接觸式溫度傳感器則無需與被測介質接觸，而是通過被測介質的熱輻射或對流傳到溫度傳感器，以達到測溫的目的。此類傳感器的代表主要有紅外測溫傳感器。這種測

101、溫方法的主要特點是可以測量運動狀態(tài)物質的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。</p><p>　　常用溫度傳感器的種類較多，現僅對以下溫度傳感器及應用電路做簡要介紹[22]：</p><p>　　(1) PN結溫度傳感器 </p><p>　　PN結溫度傳感器的工作原理為：PN結溫度傳感器的晶體二極管或

102、三極管的結電壓隨外界溫度的改變而變化。例如硅管PN結的結電壓，溫度每升高1℃時，電壓約下降2mV。利用PN結溫度傳感器的這種特性，一般可以直接采用二極管（如用玻璃封裝而成的開關IN4148型二極管）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）來做PN結溫度傳感器。PN結溫度傳感器線性相對較好，尺寸小，靈敏度高，其熱時間常數約為0.2-2秒，同時具有相對較大的測溫范圍，約為-50至+150℃。</p><p>　　(2)

103、 DS18B20溫度傳感器</p><p>　　DS18B20之所以廣受歡迎，是因為其管腳簡潔，使用方便。DS18B20擁有獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。其 測溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。并且 支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫 。使用時，工作電源為3~5

104、V/DC；使用過程中不需要任何外圍元件；最終的 測量結果以9~12位數字量串行傳送。</p><p><b>　　(3) 熱電偶</b></p><p>　　熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應,即兩種不同成分的導體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內產生熱電流的物理現象。熱電偶由兩根不同導線(熱電極)組成，它們的一端是互相焊接的，形成

105、熱電偶的測量端(也稱工作端)。將它插入待測溫度的介質中；而熱電偶的另一端 (參比端或自由端)則與顯示儀表相連。如果熱電偶的測量端與參比端存在溫度差，則顯示儀表將指出熱電偶產生的熱電動勢。</p><p>　　3.1.3 傳感器的選擇</p><p>　　機床監(jiān)測系統測振傳感器的選擇，主要從以下幾方面入手：一是考慮被監(jiān)測機床設備的因素?；瑒虞S承上一般采用電渦流位移傳感器，機殼上主要采用速度

106、傳感器或加速度傳感器；對滾動軸承而言，由于滾動軸承軸承與軸頸之間的間隙非常小，此間隙在振動位移的測量中可以忽略不計，因此通常采用壓電傳感器或加速度傳感器[23]。對于滾動軸承中存在較大的軸承絕對運動和軸的相對運動時，通常采用復合式的傳感器。此外，由于機床設備啟動時，軸承支架的不正常熱膨脹、管道與其它和啟動有關的干擾等會引起機殼振動和軸承的振動，抑或是共振。在這種情況下，一般選用加速度傳感器或速度傳感器進行信息的采集和狀態(tài)的監(jiān)測。一般來說