基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)的研究【開題報(bào)告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p><b>　　測控技術(shù)與儀器</b></p><p>　　基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)的研究</p><p><b>　　1選題的背景、意義</b></p><p>　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，

2、精密機(jī)床作為工業(yè)中的基礎(chǔ)裝備，在各領(lǐng)域的應(yīng)用顯得越來越重要。2000年起，我國就把發(fā)展新型精密機(jī)床和完善其功能作為工業(yè)振興的目標(biāo)。溫家寶總理曾說過：“精密機(jī)床的發(fā)展水平是一個國家機(jī)床化、現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，代表著一個國家的科學(xué)水平、創(chuàng)新能力和綜合能力，中國要成為生產(chǎn)精密機(jī)床的大國?！?#160;精密機(jī)床作為我國機(jī)床工具行業(yè)完善提高階段的重點(diǎn)發(fā)展對象之一，正朝著高速、高智能化、功能多元化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展；目前情況下，傳統(tǒng)的精密機(jī)床制造水平

3、因設(shè)備陳舊、技術(shù)水平落后，缺乏網(wǎng)絡(luò)化、高智能化等生產(chǎn)要求，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)力的以展；但對于國內(nèi)大多數(shù)企業(yè),傳統(tǒng)的精密機(jī)床還是占了很大的比重,由于價(jià)格等原因，要更新?lián)Q代還是存在一定的難度。</p><p>　　近年來，我國機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅速，精密機(jī)床已成為我國機(jī)床行業(yè)中的重要組成部分和基礎(chǔ)設(shè)備。作為保證精密機(jī)床安全運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率,減少設(shè)備故障的前提條件，基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集和監(jiān)測技術(shù)以其巨大

4、優(yōu)勢變得越來越重要。精密機(jī)床的廣泛應(yīng)用，也促使精密機(jī)床的信息采集和監(jiān)測技術(shù)成為我國重點(diǎn)發(fā)展的一塊新領(lǐng)域。多數(shù)傳統(tǒng)精密機(jī)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(chǎn)效率,使企業(yè)信息化和工業(yè)自動化得不到進(jìn)一步的發(fā)展。傳統(tǒng)的信息采集和監(jiān)測技術(shù)又存在響應(yīng)慢、精度低、可靠性差、效率低、操作繁瑣等弊端，已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化程度的提高，以及各種機(jī)床參數(shù)的不同，包含了復(fù)雜的環(huán)境和狀態(tài)信息。只有采用有效的信息采

5、集技術(shù)，準(zhǔn)確的監(jiān)測到精密機(jī)床運(yùn)作過程中的各種狀態(tài)信息，才能以此為依據(jù)，提高整個機(jī)床的運(yùn)作能力和故障處理能力。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)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(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。鑒于嵌入式技術(shù)具有成本低、體積小、集成度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),采用基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)模塊與傳統(tǒng)精密機(jī)床相結(jié)合的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)</p><p>　　信息采集和監(jiān)測技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床運(yùn)作

6、及研究中必不可少的，機(jī)床故障主要通過機(jī)床振動、溫度和速度等特征表現(xiàn)，需要應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測、信息采集、信號處理和信息融合等多種技術(shù)進(jìn)行分析；從而為提高加工精度、深化對精密加工過程的認(rèn)識提供有力的分析依據(jù)。若要實(shí)現(xiàn)精密機(jī)床在制造過程中的自動化和智能化控制,對精密機(jī)床加工過程的狀態(tài)監(jiān)測時(shí)十分重要的。因此本文擬進(jìn)行的研究不但可以提高加工精度和勞動生產(chǎn)率，而且能有效地提高生產(chǎn)質(zhì)量，提高產(chǎn)品精度，提高生產(chǎn)效率和保障生產(chǎn)安全等等，使之更有效的滿足了工業(yè)的

7、需求。但在技術(shù)方面，仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)目前國內(nèi)外精密機(jī)床發(fā)展的趨勢，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的超精密機(jī)床在線信息采集和監(jiān)測技術(shù)的研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　2相關(guān)研究的最新成果及動態(tài) </p><p>　　基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)是指運(yùn)用ARM微處理器和嵌入式Linux系統(tǒng)的嵌入式平臺,實(shí)現(xiàn)對精密機(jī)床的刀具狀況信息和機(jī)床運(yùn)行狀況等進(jìn)行信息采集和監(jiān)

8、測。</p><p>　　信息采集和監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，早期主要應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械關(guān)鍵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。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展和精密機(jī)床的廣泛應(yīng)用，對精密機(jī)床的性能要求越來越高，尤其是機(jī)床加工過程中各種信息的采集和監(jiān)測技術(shù)已成為精密機(jī)床加工中的瓶頸問題。</p><p>　　隨著技術(shù)的發(fā)展，信息采集和監(jiān)測技術(shù)已有了飛躍的

9、發(fā)展。70年代前，研究時(shí)一般采用專用計(jì)算機(jī)和專用操作系統(tǒng)的信息采集和監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)，簡稱SCADA。之后，對于機(jī)床的信息采集和監(jiān)測，則主要運(yùn)用機(jī)床串口技術(shù)（如標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232）和外接PLC技術(shù)。近年來，芯片技術(shù)的高速發(fā)展，使嵌入式系統(tǒng)掀起了應(yīng)用熱潮。單片機(jī)是最典型、最廣泛、最普及的嵌入式系統(tǒng)，起初對精密機(jī)床的信息采集和狀態(tài)監(jiān)測主要采用單片機(jī)；運(yùn)用單片機(jī)構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而進(jìn)行信息采集和狀態(tài)監(jiān)測。現(xiàn)在，在研究中所采

10、用的是性能比更高的ARM系列的嵌入式系統(tǒng)。</p><p>　　就嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)越性及精密機(jī)床的重要性，眾多學(xué)者對基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的深入研究。</p><p>　　基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)的研究，作為我國現(xiàn)今發(fā)展研究的一塊新領(lǐng)域，意在通過以ARM微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)模塊，外圍設(shè)備包括傳感器、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器等，實(shí)現(xiàn)對

11、精密機(jī)床加工狀況的信息采集及數(shù)據(jù)處理工作。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對精密機(jī)床進(jìn)行智能化控制、管理以及加工過程中的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。</p><p>　　多年以來，國內(nèi)外學(xué)者在信息采集和監(jiān)測技術(shù)方面做了大量的工作，并在信息采集方法、檢測方法、監(jiān)測參數(shù)的選擇、信號處理及模式識別等各領(lǐng)域取得了顯著的成果。早在第一臺機(jī)床問世起，SIEMENS、FANUC等公司就為解決機(jī)床疑難故障，對機(jī)床信息采集和監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究。美國的NANOPA

12、TH和PRECITEcH’SuLTRAPATHTM在開發(fā)超精密數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，也視信息采集和狀態(tài)監(jiān)測為重要因素。1999年，孟長虹[2]等學(xué)者以某廠實(shí)際運(yùn)行的精密機(jī)床主軸軸振作為狀態(tài)量,建立數(shù)據(jù)庫采集軸振信號,并以此數(shù)據(jù)，結(jié)合CBM方法分析數(shù)據(jù),計(jì)算了機(jī)床的可靠度、風(fēng)險(xiǎn)度。由此鑒定評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否良好,與此同時(shí)優(yōu)化設(shè)備維修策略。2003年，陳東生,李尚政對精密加工系統(tǒng)綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了深入研究。其論文論述了機(jī)床的振動、主軸的位移、

13、刀具溫度、刀具切削力、旋轉(zhuǎn)工件溫度場進(jìn)行監(jiān)測的原理，重點(diǎn)介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用[3]。2005年，蔡旺等人提出了一種基于DSP芯片的機(jī)床數(shù)據(jù)采集方法，從而實(shí)現(xiàn)了在不影響機(jī)床正常工作的情況下，自動實(shí)時(shí)地采集機(jī)床的重要運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并通過企業(yè)局域</p><p>　　信息采集和監(jiān)測技術(shù)的其他相關(guān)研究還包括2006年，鄒澤明博士[6]對數(shù)控集成平臺及其在模具制造中的應(yīng)用進(jìn)行的相關(guān)研究。

14、主要提出了利用通用數(shù)據(jù)采集盒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以通用方式(XML)進(jìn)行傳遞采集所得的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備利用率、零件工序級實(shí)際工時(shí)的計(jì)算以及產(chǎn)品進(jìn)度跟蹤這樣一個新的模式理念。同年，濟(jì)南大學(xué)冀玉梅[7]對基于伺服電流與切削力關(guān)系模型的自適應(yīng)數(shù)控技術(shù)的研究中，涉及到對精密銑削機(jī)床伺服電機(jī)電流信號的檢測方法及信號的處理，分析從加工過程中監(jiān)測到的非線性。2008年，趙迺劍在對傳感器原理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了信號采集預(yù)處理模

15、塊，對開放式可監(jiān)控?cái)?shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。將傳感器輸出的電壓、電流等信號進(jìn)行放大、濾波，得到滿足加采集要求信號，實(shí)現(xiàn)同時(shí)形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，并按指定條件選擇實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)控制、監(jiān)測診斷、管理一體化的功能[8]。同年，天津大學(xué)張俠對開放式數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究，采用多線程機(jī)制的數(shù)據(jù)采集，提高了采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和安全性，實(shí)現(xiàn)了將機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測功能集成到開放式數(shù)控系統(tǒng)中，方便現(xiàn)場人員對機(jī)床狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控；機(jī)床狀態(tài)

16、監(jiān)</p><p>　　近年來，國內(nèi)外對有關(guān)基于嵌入式系統(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)的研究相當(dāng)活躍。經(jīng)過不斷地研究探索，現(xiàn)代精密機(jī)床集合了電子計(jì)算機(jī)、伺服系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、精密測量系統(tǒng)及新型機(jī)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù),能夠加工形狀復(fù)雜、精密、小批量零件,并且具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[13]。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(tǒng)的精密機(jī)床信息采集與監(jiān)測技術(shù)的研究是相當(dāng)有必要的。&l

17、t;/p><p>　　3課題的研究內(nèi)容及擬采取的研究方法（技術(shù)路線）、研究難點(diǎn)及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p><b>　　3.1研究方法</b></p><p>　　通過以ARM9微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)模塊，外圍設(shè)備包括傳感器、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器等，實(shí)現(xiàn)對精密機(jī)床加工狀況的信息采集及數(shù)據(jù)處理工作。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行智能化控制、管

18、理以及加工過程中的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。軟件平臺采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)信息采集、數(shù)據(jù)分析處理以及與上位機(jī)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)等功能的實(shí)現(xiàn)[14][15]。采用傳感器進(jìn)行信息采集，將由傳感器產(chǎn)生的電信號傳送到電荷放大器，將電荷放大后轉(zhuǎn)換成電壓,再經(jīng)低通濾波器濾除干擾信號,最后由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。</p><p>　　狀態(tài)監(jiān)測指對采集到的信號，通過嵌入式平臺對采集到的信息進(jìn)行分析和處理,提取出

19、狀態(tài)特征值,同時(shí)根據(jù)采集到的信息的相關(guān)參數(shù)建立一種識別模式,通過將特征參數(shù)與正常值進(jìn)行比較,從而掌握數(shù)控機(jī)床的實(shí)際工作狀態(tài),了解設(shè)備工作是否正常合理,同時(shí)為故障診斷和預(yù)測提供依據(jù)[16]。</p><p><b>　　3.2研究難點(diǎn)</b></p><p>　　因未接觸過ARM板的操作使用，在嵌入式模塊的建立上有一定的難度。</p><p>　

20、　3.3預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p>　　1）機(jī)床故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建； 2）機(jī)床信息采集與檢測設(shè)計(jì)； 3）基于ARM的機(jī)床監(jiān)診系統(tǒng)仿真開發(fā)；</p><p>　　4研究工作詳細(xì)進(jìn)度和安排</p><p>　　(1) 2011年1月10日文獻(xiàn)綜述、外文翻譯； (2) 2011年2月24日開題報(bào)告； (3) 2011年3月20日機(jī)床故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建；

21、(4) 2011年4月20日機(jī)床信息采集與檢測設(shè)計(jì)； (5) 2011年5月10日基于ARM的機(jī)床監(jiān)診系統(tǒng)仿真開發(fā)； (6) 2011年5月18日畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿； (7) 2011年5月27日畢業(yè)設(shè)計(jì)定稿。</p><p><b>　　5參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 孟長虹, 王太勇, 李韋，等. 基于電機(jī)參數(shù)的機(jī)床在線監(jiān)測與突發(fā)故障自動保護(hù)[J

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