基于嵌入式系统的数控机床加工过程状态监测

1、研究生课程作业科 目：嵌入式实时操作系统 教 师： 王韬 姓 名： 朱月 学 号：20140702057t专 业： 机械工程 类 别： 学术 上课时间： 20 15 年 3 月至20 15 年 5 月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 重庆大学研究生院制基于嵌入式系统的数控机床加工过程状态监测设备1 前言本文为研究基于嵌入式Linux系统的数控机床加工过程状态监测设备，对折弯机、水刀、电焊机和激光切割机的加工状态进行监测，分析出机床的停机、开机和加工的状态。主要监测方法为通过电流传感器采集机床电柜箱电流大小，分析机床所处的状态。本文首先简要介绍了该设备

2、的硬件结构，然后主要介绍了该设备的软件结构及部分核心程序。2 硬件结构电流传感器将采集到的电流信号通过放大器进行信号方法，然后再将信号进行模数转换通过SPI口输入至处理器。处理器对采集到的数据进行处理，并将结果分别通过LCD接口显示到显示器上和通过网络接口传送至服务器，因此与处理器相连有显示模块、数据采集模块和上层服务器模块。硬件结构图如图2.1所示。图2.1 硬件结构简图模数转换器将数字信号通过SPI接口将数据传送至处理器的SPI(基本SPI接口如图2.2所示）缓存区，当缓存区的数据达到设定值时触发中断，由处理器将缓存区的数据读取到并储存到数组中，并清除中断标志位，储存到数组中的数据便可以由

3、程序自由处理。图2.2 基本SPI接口数据经过处理器处理后的结果，一方面要显示到显示器上，这时数据会通过处理器的LCD接口传输至LCD显示器；另一方面传输至上层服务器，数据结果会通过处理器的USB接口传输至USB接口的无线网卡，通过无线网卡将数据结果传输至上层服务器。3 软件结构本课题中的嵌入式系统开发平台，采用的开发工具为Qt。软件整体框架主要包括系统管理和机床管理两大模块。整体框架设计如图3.1所示。1) 系统管理系统管理模块中包含用户管理和系统配置，其中用户管理模块中，用户需要设置和使用用户名和密码才能进入机床管理模块，该模块限定了用户是否有权限获得机床加工过程状态信息，保障了信息的安全

4、性；系统配置模块中，通过更改或添加系统配置文件使该系统可以更改或添加其他功能。2) 机床管理机床管理模块中包含水刀、点焊机、折弯机和激光切割机四个主模块，还可以添加其他机床的模块，每个机床模块中都包含数据处理、结果显示和上层服务器三个子模块，数据处理和结果的显示时本文主要研究的内容，数据处理是将采集到的电流信号处理为机床的加工时间、加工率和加工次数信息。显示模块中，机床电流变化折线图和数据处理的结果都会由显示模块显示出来，用户可以自由地选择显示哪个机床的状态，随意地查看机床电流变化折线图和机床的加工时间、加工率和加工次数信息，机床的加工与否的电流变化都是在一定范围内有规律的变化的，当电流突然升

5、高超出范围时，则可判断机床处于异常状态。上层服务器模块中，数据处理的结果会传送至上层服务器，以便管理层及时了解机床状态，通过机床的状态做出某些决策，该传送过程不由用户控制，而是实时的自动的完成。图3.1 软件整体框架3.1登陆界面设计为了保证信息的安全，登陆界面设置了用户名和密码，登陆界面设计如图3.2所示。将登陆按键的clicked信号关联到槽，槽函数设计为：void Widget:on_pushButton_clicked()if(ui->lineEdit->text()="zhuyue"&&ui->lineEdit_2->tex

6、t()="20140702057t") mainw->show(); 该程序中将用户名设置为“zhuyue”，密码设置为“20140702057t”。当用户名和密码全部正确时进入功能界面。点击退出键时调用的槽函数设置为close( )。图3.2 登陆界面3.2数据处理程序设计根据Qt的编程语法和数据的处理要求，对数据的处理整体步骤为：a. 通过Qt中的QFile类将数据读取到QString容器中；b. 将QString中的数据以分号截断到QStringList容器中；c. 从QStringList中将所需的I1x2电流提取到QList容器中；d. 找出机床开始加工时对

7、应的电流值，和机床结束加工时对应的电流值，根据电流的结束位置和开始位置，便可以得到每次加工所用的时间、加工时间、加工率；e. 将计算所得的加工次数与效率以文本文档格式和图形界面形式输出。1 数据读取数据读取的基本过程为：使用QFile将储存数据的文本打开将数据读取到QString中以分号截断到QSringList把每个电流值以等号分为电流名称和电流值放到QStringList中当电流I1x2对应的值小于1260时，将其所对应的电流值储存到QList中，如果不满足条件则将电流I1x2所对应的电流值添加到QList中。核心程序如下： QString tempString = liststring.

8、at(i); QStringList tempList = tempString.split("="); QString tempStringOne = tempList.at(0); QString tempStringTwo = tempList.at(1); if(tempStringOne = = "I1x2'") if( tempStringTwo.toFloat( )<1260 ) list.push_back(tempStringTwo.toFloat( ); else int j = i-1; QString tempStr

9、ing = liststring.at(j); QStringList tempList = tempString.split("="); QString tempStringOne = tempList.at(0); QVariant tempStringTwo = tempList.at(1); list.push_back(tempStringTwo.toFloat( )*10.9); 2 结果输出1) 以折线图的形式输出所采集的电流值使用QPainter类中绘制折线的函数drawPolyline( )绘制折线。由于包含电流值的容器不在该类中，所以需要建立函数接口将s

10、potWelding类中的电流值传递到该类中。接口函数的建立：QList<double> spotWelding:spotList() return list;接口函数的调用： spotWelding *spotlist=new spotWelding; list.append(spotlist->spotList();建立可以容纳QPoint类型的QVector容器，然后把电流数组中的元素以下标作为横坐标元素值作为纵坐标逐个添加到QVector中，由于Qt绘图中的默认坐标原点在图形的左上方，而我们平时使用的二维坐标系的原点以向右和向上为正方向，所以再将元素的纵坐标添加到QV

11、ector时，需要用某个值减去该元素值，使折线图的方向成为我们所熟悉的方向。主要程序为： for (int i=0;i<list.size();i+) vector.append(QPoint(i*2, 800-list.at(i)/15); QPainter painter(this); painter.drawPolyline(vector);2) 将结果以文本文件输出首先建立名为Water.txt的文件，然后将数据处理程序处理的结果输出到该文件中，由于数据流只能输出字符串类型的数据，所以需要将int类型或double类型的数据转换为QString类型，再输出到Water.txt文件

12、中。 QFile fileWater("D:/Water.txt"); if (!fileWater.open(QIODevice:WriteOnly | QIODevice:Text) qDebug( ) << fileWater.errorString( ); QTextStream out(&fileWater); out << tr("水刀切割次数：") << QString("%1").arg(frequency) << tr("次") <&l

13、t; endl; out << tr("总时间：") << QString("%1").arg(listLong*0.2) << "s" << endl; out << tr("切割时间：") << QString("%1").arg(time*0.2) << tr("s") << endl; out << tr("水刀加工率：") <<

14、 QString("%1").arg(workFrequency) << endl; fileWater.close( );3) 将结果以图形界面形式输出在水刀数据处理的类中建立传递加工次数、切割时间、总时间、加工率的函数在工程中添加dialog类用来显示结果在dialog.ui中添加部件QLabel和部件QLineEdit用来显示四个参数的值。spotWelding *myspotwelding=new spotWelding( ); ui->lineEdit->setText(QString("%1").arg(mylaser->funcLaserFre( );ui->lin