磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀，包括信號(hào)輸入單元、輸入前端處理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、CPLD單元、DSP單元、時(shí)鐘生成單元、系統(tǒng)電源單元以及TFT液晶顯示單元；通過精確調(diào)節(jié)導(dǎo)軌接縫寬度及全程跟蹤掃描導(dǎo)軌不同位置的狀態(tài)，可有效解決導(dǎo)軌在拼接過程中檢測(cè)精度低、可移植性差、工程應(yīng)用困難、導(dǎo)軌互換性較差及維護(hù)困難等問題，大大節(jié)約成本，保證了信號(hào)完整性，可對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌長(zhǎng)期穩(wěn)定工作提供便利和保障。
【專利說明】磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)今機(jī)械行業(yè)中，尤其是極端制造領(lǐng)域，大型裝備中所用導(dǎo)軌的長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，如德國(guó)科堡(COBURG)的數(shù)控龍門銑床的X軸全行程為17.70米，意大利貝拉爾蒂(BRERADI)公司生產(chǎn)的落地式數(shù)控鏜銑床X軸(立柱移動(dòng))長(zhǎng)23米，我國(guó)某大型運(yùn)載火箭一級(jí)氫箱焊接設(shè)備行程40米，重型運(yùn)載火箭整流罩鉚接設(shè)備行程達(dá)70?80米。但是，由于受到加工精度(如直線度、平行度難以保證)等技術(shù)因素及運(yùn)輸成本，加工成本等經(jīng)濟(jì)因素的限制，多數(shù)導(dǎo)軌廠家生產(chǎn)的導(dǎo)軌均以3米/根或5米/根進(jìn)行加工生產(chǎn)和銷售，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，國(guó)外目前最長(zhǎng)的導(dǎo)軌及測(cè)量系統(tǒng)為海德漢公司的25米整體導(dǎo)軌及光柵測(cè)量系統(tǒng)。
[0003]因此，目前大型、重型機(jī)床床身導(dǎo)軌多采用多段導(dǎo)軌拼接，調(diào)試難度大，整體運(yùn)行精度不高，特別是在導(dǎo)軌接縫處極易造成信號(hào)缺失，難以保證機(jī)床的位移精度。其次，在導(dǎo)軌拼接完成后，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間使用后磁柵失磁、地基沉降與溫度變化造成接縫偏移，甚至導(dǎo)軌扭曲等現(xiàn)象非常普遍，這樣就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)試導(dǎo)軌位移時(shí)出現(xiàn)“丟數(shù)”現(xiàn)象，依照國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展，一旦某節(jié)導(dǎo)軌出現(xiàn)故障，很難檢測(cè)出導(dǎo)軌故障位置，不能及時(shí)更換有故障的導(dǎo)軌，對(duì)于導(dǎo)軌的互換性及導(dǎo)軌的定期維護(hù)和穩(wěn)定工作提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此，尋求一種成熟的導(dǎo)軌拼接技術(shù)并實(shí)時(shí)檢測(cè)各段導(dǎo)軌的工作性能這樣一檢測(cè)儀，并將其應(yīng)用于精密機(jī)床上極具現(xiàn)實(shí)意義。
[0004]目前，德國(guó)HEIDENHAIN公司現(xiàn)有的測(cè)試儀，僅能測(cè)試導(dǎo)軌上某些點(diǎn)處信號(hào)的相位、幅值、頻率，并不能依次掃描全長(zhǎng)，獲取導(dǎo)軌上各個(gè)點(diǎn)位處信號(hào)的相位、幅值、頻率，這種技術(shù)存在很大的缺陷，不能診斷故障導(dǎo)軌所在位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有磁柵導(dǎo)軌拼接精度不高、日常維護(hù)困難、難以檢測(cè)導(dǎo)軌故障位置等問題，本發(fā)明提供一種磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀主要完成三個(gè)功能:幫助用戶正確安裝磁柵讀數(shù)頭，顯示信號(hào)質(zhì)量(信號(hào)的幅值、頻率、失真度)；通過雙磁柵讀數(shù)頭輸出信號(hào)相位差精確調(diào)零的方法，完成多節(jié)導(dǎo)軌電信號(hào)拼接；實(shí)現(xiàn)多段導(dǎo)軌磁柵位置數(shù)據(jù)平滑讀取，精確檢測(cè)導(dǎo)軌故障位置。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]所述一種磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀，其特征在于:包括信號(hào)輸入單元、輸入前端處理單元、Α/D轉(zhuǎn)換單元、CPLD單元、DSP單元、時(shí)鐘生成單元、系統(tǒng)電源單元以及TFT液晶顯示單元；
[0008]信號(hào)輸入單兀輸入雙磁柵讀數(shù)頭的A相、B相、Z相信號(hào)，A相、B相信號(hào)為相位差為η /2的正弦信號(hào)，Z相信號(hào)為方波信號(hào)，雙磁柵讀數(shù)頭分為I號(hào)磁柵讀數(shù)頭和2號(hào)磁柵讀數(shù)頭，其中I號(hào)磁柵讀數(shù)頭A相信號(hào)和2號(hào)磁柵讀數(shù)頭的A相信號(hào)為第一組信號(hào)，I號(hào)磁柵讀數(shù)頭A相信號(hào)和I號(hào)磁柵讀數(shù)頭B相信號(hào)為第二組信號(hào)，I號(hào)磁柵讀數(shù)頭Z相信號(hào)為第
二組號(hào)；
[0009]輸入前端處理單元分為三部分分別對(duì)信號(hào)輸入單元的三組信號(hào)進(jìn)行處理，輸入前端處理單元第一部分由差動(dòng)放大電路、抗混疊濾波電路、單端轉(zhuǎn)差分電路組成，對(duì)于第一組信號(hào)，首先由差動(dòng)放大電路將信號(hào)放大至Α/D采樣范圍內(nèi)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊低通濾波處理，以滿足乃奎斯特采樣定理，最后由單端轉(zhuǎn)差分電路將信號(hào)輸入至Α/D轉(zhuǎn)換單元；輸入前端處理單元第二部分由一階RC濾波電路、方波轉(zhuǎn)換電路、電平匹配電路組成，對(duì)于第二組信號(hào)，首先經(jīng)一階RC濾波電路濾除高頻諧波；再經(jīng)方波轉(zhuǎn)換電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平；最后由電平匹配電路將TTL電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入至CPLD單元；輸入前端處理單元第三部分由差動(dòng)放大電路、電平匹配電路組成，對(duì)于第二組信號(hào)，首先由差動(dòng)放大電路放大，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入至CPLD單元；
[0010]Α/D轉(zhuǎn)換單元由雙通道同步采樣Α/D轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路組成，對(duì)輸入前端處理單元第一部分的輸出信號(hào)進(jìn)行雙通道同步高速采樣，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)輸出至DSP單元;
[0011]CPLD單元對(duì)輸入前端處理單元第二部分的輸出信號(hào)依次進(jìn)行鑒相細(xì)分、可逆計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)鎖存后輸出至DSP單元進(jìn)行讀取處理；CPLD單元對(duì)輸入前端處理單元第三部分的輸出信號(hào)依次進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)鎖存后輸出至DSP單元進(jìn)行讀取處理；
[0012]DSP單元對(duì)Α/D轉(zhuǎn)換單元的輸入信號(hào)完成幅值頻率檢測(cè)、失真度檢測(cè)、相位差檢測(cè)，對(duì)CPLD單元中數(shù)據(jù)鎖存后的輸出信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)軌故障檢測(cè)；DSP單元的輸出信號(hào)至TFT液晶顯示單元顯示；
[0013]TFT液晶顯示單元實(shí)時(shí)顯示信號(hào)幅值、頻率、失真度、相位差、計(jì)數(shù)值、導(dǎo)軌故障位置；
[0014]時(shí)鐘生成單元為CPLD單元和DSP單元提供時(shí)鐘信號(hào)；
[0015]系統(tǒng)電源單元由外部電源適配器提供電源，并將提供的電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的適合電源提供給其他各單元。
[0016]有益效果
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]本發(fā)明針對(duì)目前機(jī)床導(dǎo)軌拼接及日后維護(hù)的種種弊端，提出了一種磁柵導(dǎo)軌拼接技術(shù)及后續(xù)導(dǎo)軌故障檢測(cè)技術(shù)，通過精確調(diào)節(jié)導(dǎo)軌接縫寬度及全程跟蹤掃描導(dǎo)軌不同位置的狀態(tài)，可有效解決導(dǎo)軌在拼接過程中檢測(cè)精度低、可移植性差、工程應(yīng)用困難、導(dǎo)軌互換性較差及維護(hù)困難等問題，大大節(jié)約成本，保證了信號(hào)完整性，可對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌長(zhǎng)期穩(wěn)定工作提供便利和保障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的功能模塊示意圖。
[0020]圖2是輸入前端處理單元的差動(dòng)放大電路實(shí)例圖。
[0021 ] 圖3是輸入前端處理單元的抗混疊低通濾波電路實(shí)例圖。
[0022]圖4是輸入前端處理單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)例圖。
[0023]圖5是輸入前端處理單元的電平匹配電路實(shí)例圖。[0024]圖6是A/D轉(zhuǎn)換單元的電路實(shí)例圖。
[0025]圖7是DSP單元的電路示例圖。
[0026]圖8是CPLD單元的電路示例圖。
[0027]圖9是時(shí)鐘生成單元電路實(shí)例圖。
[0028]圖10是TFT液晶顯示單元的電路示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。為了便于描述，下面將磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀簡(jiǎn)稱為檢測(cè)儀。
[0030]如圖1所示，其為本發(fā)明的功能模塊示意圖。所述的檢測(cè)儀包括信號(hào)輸入單元1、輸入前端處理單元2、Α/D轉(zhuǎn)換單元3、DSP單元4、CPLD單元5、系統(tǒng)電源單元6、時(shí)鐘生成單元7、TFT液晶顯示單元8。
[0031]信號(hào)輸入單元I包括雙磁柵讀數(shù)頭(I號(hào)磁柵讀數(shù)頭和2號(hào)磁柵讀數(shù)頭)輸入的A相、B相、Z相信號(hào)，其中A相、B相為相位差為π/2的正弦信號(hào)，Z相信號(hào)為方波信號(hào)。按照功能，該輸入信號(hào)單元分為三組:1號(hào)磁柵讀數(shù)頭A相信號(hào)和2號(hào)磁柵讀數(shù)頭的A相信號(hào)101、1號(hào)磁柵讀數(shù)頭A相信號(hào)和I號(hào)磁柵讀數(shù)頭B相信號(hào)102、1號(hào)磁柵讀數(shù)頭Z相信號(hào)103。
[0032]輸入前端處理單元分為三部分分別對(duì)信號(hào)輸入單元的三組信號(hào)進(jìn)行處理，輸入前端處理單元第一部分201由差動(dòng)放大電路、抗混疊濾波電路、單端轉(zhuǎn)差分電路組成，對(duì)于第一組信號(hào)，首先由差動(dòng)放大電路將信號(hào)放大至Α/D采樣范圍內(nèi)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊低通濾波處理，以滿足乃奎斯特采樣定理，最后由單端轉(zhuǎn)差分電路將信號(hào)輸入至Α/D轉(zhuǎn)換單元3 ;輸入前端處理單元第二部分202由一階RC濾波電路、方波轉(zhuǎn)換電路、電平匹配電路組成，對(duì)于第二組信號(hào)，首先經(jīng)一階RC濾波電路濾除高頻諧波；再經(jīng)方波轉(zhuǎn)換電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平；最后由電平匹配電路將TTL電平轉(zhuǎn)換為3.3V的數(shù)字信號(hào)，輸入至CPLD單元5 ;輸入前端處理單元第三部分203由差動(dòng)放大電路、電平匹配電路組成，對(duì)于第二組信號(hào)，首先由差動(dòng)放大電路放大，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為3.3V數(shù)字信號(hào)，輸入至CPLD單J Li 5 ο
[0033]Α/D轉(zhuǎn)換單元3由雙通道同步采樣Α/D轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路組成，對(duì)輸入前端處理單元2中的201部分進(jìn)行雙通道同步高速采樣，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，數(shù)據(jù)輸出至DSP單元4。
[0034]CPLD單元5對(duì)輸入前端處理單元第二部分的輸出信號(hào)依次進(jìn)行鑒相細(xì)分501、可逆計(jì)數(shù)502、數(shù)據(jù)鎖存503后輸出至DSP單元4進(jìn)行讀取處理；CPLD單元對(duì)輸入前端處理單元第三部分的輸出信號(hào)依次進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)502和數(shù)據(jù)鎖存503后輸出至DSP單元4進(jìn)行讀取處理。
[0035]DSP單元4是本發(fā)明的核心部分，主要完成雙磁柵讀數(shù)頭A相信號(hào)的幅值、頻率、失真度(THD與THD+N)、相位差檢測(cè)以及導(dǎo)軌故障位置判斷。經(jīng)Α/D轉(zhuǎn)換單元3的輸出信號(hào)輸入至DSP單元4后,通過相應(yīng)的檢測(cè)算法(如基于Nuttall窗的離散傅里葉變換(DiscreteFourier transform, DFT)的相位差檢測(cè)算法)，依次完成幅值頻率檢測(cè)401、失真度檢測(cè)402、相位差檢測(cè)403 ;經(jīng)CPLD單元5中數(shù)據(jù)鎖存503后的輸出信號(hào)輸入至DSP單元4后，通過相應(yīng)檢測(cè)算法，完成導(dǎo)軌故障檢測(cè)。所有信號(hào)經(jīng)DSP單元4處理完后，輸出至TFT液晶顯示單元8。本單元將各種檢測(cè)算法程序化，然后由計(jì)算機(jī)將編譯好的程序從相應(yīng)的程序下載端口下載至DSP芯片，再結(jié)合相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)該單元所要完成相位差檢測(cè)和導(dǎo)軌故障位置判斷功能。
[0036]TFT液晶顯示單元8實(shí)時(shí)顯示信號(hào)質(zhì)量幅值、頻率、失真度(THD與THD+N)、相位差、計(jì)數(shù)值、導(dǎo)軌故障位置，供用戶參閱。
[0037]所述的時(shí)鐘生成單元7將為CPLD單元5和DSP單元4提供時(shí)鐘信號(hào)，其他外圍電路所需時(shí)鐘由CPLD單元5或者DSP單元4提供。
[0038]所述的系統(tǒng)電源單元6由外部電源適配器提供電源，然后將提供的電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的適合電源提供給輸入前端處理單元2、DSP單元4、CPLD單元5以及其他單元。
[0039]參照?qǐng)D2是輸入前端處理單元的差動(dòng)放大電路示例圖；圖3是輸入前端處理單元的抗混疊低通濾波電路示例圖；圖4是輸入前端處理單元的電平匹配電路示例圖；圖5是輸入前端處理單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路示例圖；圖6是Α/D轉(zhuǎn)換單元的電路實(shí)例圖；圖7時(shí)DSP單元的電路示例圖；圖8是CPLD單元的電路示例圖；圖9是時(shí)鐘生成單元電路實(shí)例圖；圖10是TFT液晶顯示單元的電路示例圖。
[0040]用戶只要參考液晶屏上顯示的信號(hào)質(zhì)量(幅值、頻率、失真度)，即可判斷磁柵讀數(shù)頭是否正確安裝:若幅值高于某一閾值，失真度低于某一閾值，則認(rèn)為讀數(shù)頭已經(jīng)正確安裝；否則，繼續(xù)調(diào)節(jié)讀數(shù)頭位置，直至滿足要求；參考相位差，即可判斷兩節(jié)導(dǎo)軌是否成功拼接:相位差低于某一閾值，則認(rèn)為拼接成功；否則，繼續(xù)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌位置，直至滿足系統(tǒng)要求；參考導(dǎo)軌故障位置，即可幫助用戶及時(shí)更換有故障的導(dǎo)軌。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁柵導(dǎo)軌拼接及全長(zhǎng)故障檢測(cè)儀，其特征在于:包括信號(hào)輸入單元、輸入前端處理單元、Α/D轉(zhuǎn)換單元、CPLD單元、DSP單元、時(shí)鐘生成單元、系統(tǒng)電源單元以及TFT液晶顯示單元； 信號(hào)輸入單兀輸入雙磁柵讀數(shù)頭的A相、B相、Z相信號(hào),A相、B相信號(hào)為相位差為π /2的正弦信號(hào)，Z相信號(hào)為方波信號(hào)，雙磁柵讀數(shù)頭分為I號(hào)磁柵讀數(shù)頭和2號(hào)磁柵讀數(shù)頭，其中I號(hào)磁柵讀數(shù)頭A相信號(hào)和2號(hào)磁柵讀數(shù)頭的A相信號(hào)為第一組信號(hào)，I號(hào)磁柵讀數(shù)頭A相信號(hào)和I號(hào)磁柵讀數(shù)頭B相信號(hào)為第二組信號(hào)，I號(hào)磁柵讀數(shù)頭Z相信號(hào)為第三組信號(hào)；輸入前端處理單元分為三部分分別對(duì)信號(hào)輸入單元的三組信號(hào)進(jìn)行處理，輸入前端處理單元第一部分由差動(dòng)放大電路、抗混疊濾波電路、單端轉(zhuǎn)差分電路組成，對(duì)于第一組信號(hào)，首先由差動(dòng)放大電路將信號(hào)放大至Α/D采樣范圍內(nèi)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊低通濾波處理，以滿足乃奎斯特采樣定理，最后由單端轉(zhuǎn)差分電路將信號(hào)輸入至Α/D轉(zhuǎn)換單元；輸入前端處理單元第二部分由一階RC濾波電路、方波轉(zhuǎn)換電路、電平匹配電路組成，對(duì)于第二組信號(hào)，首先經(jīng)一階RC濾波電路濾除高頻諧波；再經(jīng)方波轉(zhuǎn)換電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平；最后由電平匹配電路將TTL電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入至CPLD單元；輸入前端處理單元第三部分由差動(dòng)放大電路、電平匹配電路組成，對(duì)于第二組信號(hào)，首先由差動(dòng)放大電路放大，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入至CPLD單元； Α/D轉(zhuǎn)換單元由雙通道同步采樣Α/D轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路組成，對(duì)輸入前端處理單元第一部分的輸出信號(hào)進(jìn)行雙通道同步高速采樣，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)輸出至DSP單元；CPLD單元對(duì)輸入前端處理單元第二部分的輸出信號(hào)依次進(jìn)行鑒相細(xì)分、可逆計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)鎖存后輸出至DSP單元進(jìn)行讀取處理；CPLD單元對(duì)輸入前端處理單元第三部分的輸出信號(hào)依次進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)鎖存后輸出至DSP單元進(jìn)行讀取處理； DSP單元對(duì)Α/D轉(zhuǎn)換單元的輸入信號(hào)完成幅值頻率檢測(cè)、失真度檢測(cè)、相位差檢測(cè)，對(duì)CPLD單元中數(shù)據(jù)鎖存后的輸出信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)軌故障檢測(cè)；DSP單元的輸出信號(hào)至TFT液晶顯示單元顯示； TFT液晶顯示單元實(shí)時(shí)顯示信號(hào)幅值、頻率、失真度、相位差、計(jì)數(shù)值、導(dǎo)軌故障位置； 時(shí)鐘生成單元為CPLD單元和DSP單元提供時(shí)鐘信號(hào)； 系統(tǒng)電源單元由外部電源適配器提供電源，并將提供的電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的適合電源提供給其他各單元。
【文檔編號(hào)】G01D21/00GK104020217SQ201410266977
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】谷文韜, 李芳 , 陳琳, 趙權(quán)年, 丁力, 杜國(guó)鋒, 王新生 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)