一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)，其由無線數(shù)據(jù)接收和無線數(shù)據(jù)發(fā)送兩部分組成。當(dāng)卡盤的夾緊力受力變化時(shí)，電阻應(yīng)變膜片產(chǎn)生形變，從而使相應(yīng)的電阻上的電壓發(fā)生變化，這種變化由于較小，所以采用應(yīng)變電橋，并通過放大電路對信號進(jìn)行放大，然后再傳輸給后續(xù)處理電路：A/D轉(zhuǎn)換器和控制器，最后無線發(fā)射模塊將信號通過無線通訊天線發(fā)送給無線接收模塊。無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過USB通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。相比現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明基于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)夾緊力數(shù)據(jù)高精度的采集，具有體積小、數(shù)據(jù)收發(fā)精確的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)一種測量卡盤夾緊力的傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代車削加工中心主軸轉(zhuǎn)速的提高，卡盤的卡緊力問題成為影響加工的一個重要問題。這是因?yàn)榭ūP高速轉(zhuǎn)動時(shí)，離心力使卡緊力隨著轉(zhuǎn)速的提高呈拋物線規(guī)律逐步下降。當(dāng)卡緊力下降到某一臨界值甚至下降到零時(shí)，會導(dǎo)致工件飛出造成嚴(yán)重事故。加大靜止時(shí)的卡緊力，可避免事故發(fā)生。但是卡緊力過大，又會導(dǎo)致在裝卡時(shí)造成工件的嚴(yán)重變形和損傷。
[0003]目前市場上靜態(tài)引線式卡緊力測試儀已應(yīng)用得比較廣泛，動態(tài)卡緊力測試儀目前只有美國Pratt Burnerd等公司提供的幾種產(chǎn)品，價(jià)格很貴，且必須定期送到國外標(biāo)定，國內(nèi)企業(yè)很少應(yīng)用。
[0004]傳統(tǒng)的引線式測量夾緊力系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，引線距離不遠(yuǎn)，引線誤差比較小;測試環(huán)境單純，沒有強(qiáng)沖擊波和強(qiáng)電離場等干擾噪聲通過引線進(jìn)入測試系統(tǒng)，因此在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)可以正常工作，且只能測量靜態(tài)夾緊力。但是利用該系統(tǒng)在進(jìn)行外場試驗(yàn)時(shí)，由于引線距離加大、加之環(huán)境惡劣，系統(tǒng)體現(xiàn)出測量的不可靠性，以及使用的不便利性和局限性，具體體現(xiàn)在以下幾個方面:
[0005]1、測量誤差大:長導(dǎo)線的電阻與應(yīng)變片電的阻相比不可忽略，會造成應(yīng)變的測量值偏小;外場的環(huán)境溫度和濕度的變化，導(dǎo)線電阻的溫漂變化，造成較大的測量誤差。
[0006]2、干擾噪聲大:模擬信號的長線傳輸極易引入外部環(huán)境中各種噪聲的干擾。[〇〇〇7] 3、設(shè)備系統(tǒng)標(biāo)定和校準(zhǔn)復(fù)雜:目前使用的夾緊力測量系統(tǒng)的標(biāo)定需要手動調(diào)整平衡，手動自檢，所以校準(zhǔn)較難。
[0008]4、無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量:現(xiàn)使用的測量夾緊力系統(tǒng)多為純靜態(tài)測量，無法實(shí)現(xiàn)基于轉(zhuǎn)速的動態(tài)測量，實(shí)際使用中有太大的局限性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，解決目前線性靜態(tài)夾緊力的測量局限性以及消除測量誤差的影響，減小測量溫度對測試結(jié)果的影響，提出了一種測量夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明是通過以下設(shè)計(jì)技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0011]本發(fā)明提供了一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖、卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖組成，卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖和卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖之間通過無線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
[0012]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖由第1版圖區(qū)、第2版圖區(qū)、第3版圖區(qū)、第4版圖區(qū)和第5版圖區(qū)組成;第2版圖區(qū)、第3版圖區(qū)、第4版圖區(qū)和第5版圖區(qū)分別與第1版圖區(qū)相連。
[0013]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖由第6版圖區(qū)、第7版圖區(qū)和第8版圖區(qū)組成;第 6版圖區(qū)分別與第7版圖區(qū)和第8版圖區(qū)相連。[〇〇14]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第1版圖區(qū)為主控制器模塊，用于與卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖進(jìn)行數(shù)字通信和對內(nèi)部進(jìn)行控制。
[0015]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第2版圖區(qū)為電源模塊，電源模塊采用穩(wěn)壓電源芯片，不僅能夠穩(wěn)定輸出電壓，而且?guī)в幸粋€電源開關(guān)功能。
[0016]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第3版圖區(qū)為無線通訊發(fā)射模塊，無線通訊發(fā)射模塊采用ISM頻段FSK收發(fā)芯片Si4431。[〇〇17]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第4版圖區(qū)為數(shù)據(jù)信號調(diào)理模塊，由放大器、 A/D轉(zhuǎn)換器、濾波電容和應(yīng)變橋組成;放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、濾波電容和應(yīng)變橋依次連接。 [〇〇18]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖第5版圖區(qū)為夾緊力的測速模塊，夾緊力的測速模塊由霍爾元件、微分電路和運(yùn)算放大器組成，其中霍爾元件、微分電路和運(yùn)算放大器依次連接。
[0019]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖的第6版圖區(qū)為主控制器模塊，用于與卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖進(jìn)行數(shù)字通信和對內(nèi)部進(jìn)行控制。
[0020]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖的第7版圖區(qū)為USB通信模塊，采用UART/USB轉(zhuǎn)換芯CP2102實(shí)現(xiàn)。
[0021]卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖的第8版圖區(qū)為無線通訊接收模塊，采用ISM頻段FSK收發(fā)芯片Si4431。
[0022]無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖天線均為微功率無線通信天線。
[0023]工作原理如下:本發(fā)明有無線數(shù)據(jù)接收和無線數(shù)據(jù)發(fā)送兩部分組成。夾緊力無線傳感器是一種將被測件上的夾緊力通過應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電信號的敏感器件。當(dāng)卡盤的夾緊力受力變化時(shí)，電阻應(yīng)變膜片產(chǎn)生形變，從而使相應(yīng)的電阻上的電壓發(fā)生變化，這種變化由于較小，所以采用應(yīng)變電橋，并通過放大電路對信號進(jìn)行放大，然后再傳輸給后續(xù)處理電路:A/D轉(zhuǎn)換器和控制器，最后無線發(fā)射模塊將信號通過無線通訊天線發(fā)送給無線接收模塊。無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過USB通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。
[0024]相比現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明基于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)夾緊力數(shù)據(jù)高精度的采集。具有體積小、數(shù)據(jù)收發(fā)精確、性能穩(wěn)定、壽命長、耗電小等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對動態(tài)夾緊力的精準(zhǔn)測量?！靖綀D說明】[〇〇25]圖1無線發(fā)射電路版圖。[〇〇26]圖2無線接收電路版圖。【具體實(shí)施方式】
[0027]以下為結(jié)合圖1、圖2,對本發(fā)明做詳細(xì)的說明。
[0028]為了使本發(fā)明更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，此處所描寫的實(shí)施例用以解釋本發(fā)明，并不用于本發(fā)明。
[0029]實(shí)施例
[0030]本發(fā)明實(shí)施例中，一種測量夾緊力的傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)包括:無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖(圖1)和無線數(shù)據(jù)接收電路版圖(圖2)兩大主體構(gòu)成。[〇〇31]如圖1所示，所述無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖由第1版圖區(qū)的主控制器模塊、第2版圖區(qū)的電源模塊、第3版圖區(qū)的無線通訊發(fā)射模塊、第4版圖區(qū)的數(shù)據(jù)信號調(diào)理模塊和第5版圖區(qū)的測速模塊組成。第1、2版圖區(qū)與其他所有版圖區(qū)相連，第3版圖區(qū)與第1、2版圖區(qū)相連，第4 版圖區(qū)與第1、2版圖區(qū)相連，第5版圖區(qū)與第1、2版圖區(qū)相連。[〇〇32]實(shí)施例，無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖:[〇〇33]其中，第1版圖區(qū)的主控制器模塊采用C8051F500單片機(jī)作M⑶。[〇〇34]第2版圖區(qū)的電源模塊采用小型聚合物鋰電池供電，供電電壓3.5?3.9V。電池通過一個標(biāo)準(zhǔn)的小型MiniUSB接口連接5V電源充電。本實(shí)施例中采用TPS73030作穩(wěn)壓電源芯片。TPS73030是一款專門為小型便攜設(shè)備設(shè)計(jì)的電源管理芯片，不僅可以穩(wěn)定輸出電壓，而且?guī)в幸粋€電源開關(guān)功能，當(dāng)其引腳EN為低電平時(shí)，芯片處于關(guān)閉狀態(tài)，漏電流小于2微安。 模塊中利用干簧管做觸發(fā)開關(guān)，當(dāng)用磁鐵靠近傳感器時(shí)，干簧管導(dǎo)通，將EN拉高到高電平，rtf }曰 1-[~t電略侍電。[〇〇35]第3版圖區(qū)的無線通訊發(fā)射模塊采用低成本的ISM頻段FSK收發(fā)芯片Si4431，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定外部天線只要連接30毫米長的一段單股線即可。[〇〇36]第4版圖區(qū)的數(shù)據(jù)信號調(diào)理模塊由于采用3.6V電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓后應(yīng)變橋的供橋電壓只能達(dá)到2.1V，滿量程時(shí)電橋的失調(diào)電壓只有2mV左右，需要放大1000倍后才能輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換接口。為保證測量的精度，本設(shè)計(jì)采用單電源測量放大器AD623。該放大器能在最低3V的電源電壓下工作，噪聲只有35nV，完全可以滿足要求。應(yīng)變橋的供橋電壓、 AD623的偏置電壓和A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓都采用C8051F500自帶的基準(zhǔn)電源，以便于對電路做溫度補(bǔ)償。在測量放大器的輸入端必須連接濾波電容，以消除電橋?qū)Ь€電感的影響，輸出端連接的濾波電容，布線時(shí)要盡可能接近A/D引腳，以消除測量放大器本身和線路板噪聲的影響。[〇〇37]第5版圖區(qū)的測速模塊采用霍爾元器件SS49E測量轉(zhuǎn)速。霍爾元件固連在傳感器電路板上?；魻栐谛D(zhuǎn)過程中就會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻變化的近似正弦的交變電勢?；魻栐敵龅奈⑷醯慕蛔冸妷?，經(jīng)微分電路去除直流分量，由運(yùn)算放大器0P284放大，輸入到 C8051F500自帶的滯回電壓比較器變換成方波信號，再輸入到單片機(jī)的PCA輸入端。設(shè)置PCA 為上跳沿捕捉方式，可對輸入的邏輯電壓的上跳沿進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到連續(xù)兩個上跳沿間隔的時(shí)間AT，即可計(jì)算出傳感器的轉(zhuǎn)速。[〇〇38]實(shí)施例，無線數(shù)據(jù)接收電路版圖:
[0039]如圖2所示，所述無線數(shù)據(jù)接收電路版圖由第6版圖區(qū)、第7版圖區(qū)和第8版圖區(qū)組成。第6版圖區(qū)與其他所有版圖區(qū)相連，第7版圖區(qū)與第6版圖區(qū)相連，第8版圖區(qū)與第6版圖區(qū)相連。
[0040]其中，第6版圖區(qū)的主控制器模塊采用C8051F530A單片機(jī)作M⑶。[〇〇41 ] 第7版圖區(qū)的USB通信模塊采用UART/USB轉(zhuǎn)換芯片CP2102實(shí)現(xiàn)。CP2102可以自動應(yīng)答USB 口的配置指令，用最簡單的方法將UART的輸出轉(zhuǎn)成USB數(shù)據(jù)流發(fā)送給上位機(jī)，供C++語言或VB語言編寫的程序直接讀寫，非常的方便。[〇〇42]第8版圖區(qū)的無線通訊接收模塊采用低成本的ISM頻段FSK收發(fā)芯片Si4431，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定外部天線只要連接30毫米長的一段單股線即可。[〇〇43]以上實(shí)施例所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，凡在本發(fā)明原則之內(nèi)的任何修改、替換和改進(jìn)等，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)，其特征在于:該結(jié)構(gòu)由 卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖、卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖組成，卡盤夾緊力 無線數(shù)據(jù)接收電路版圖和卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖之間通過無線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖由第1版圖區(qū)、第2版圖區(qū)、第3版圖區(qū)、第4版圖區(qū)和 第5版圖區(qū)組成;第2版圖區(qū)、第3版圖區(qū)、第4版圖區(qū)和第5版圖區(qū)分別與第1版圖區(qū)相連；卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖由第6版圖區(qū)、第7版圖區(qū)和第8版圖區(qū)組成；第6版 圖區(qū)分別與第7版圖區(qū)和第8版圖區(qū)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第1版圖區(qū)為主控制器模塊，用于與卡盤 夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖進(jìn)行數(shù)字通信和對內(nèi)部進(jìn)行控制。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第2版圖區(qū)為電源模塊，電源模塊采用穩(wěn) 壓電源芯片，不僅能夠穩(wěn)定輸出電壓，而且?guī)в幸粋€電源開關(guān)功能。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第3版圖區(qū)為無線通訊發(fā)射模塊，無線通 訊發(fā)射模塊采用ISM頻段FSK收發(fā)芯片Si4431。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖的第4版圖區(qū)為數(shù)據(jù)信號調(diào)理模塊，由放大 器、A/D轉(zhuǎn)換器、濾波電容和應(yīng)變橋組成;放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、濾波電容和應(yīng)變橋依次連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖第5版圖區(qū)為夾緊力的測速模塊，夾緊力的 測速模塊由霍爾元件、微分電路和運(yùn)算放大器組成，其中霍爾元件、微分電路和運(yùn)算放大器 依次連接。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖的第6版圖區(qū)為主控制器模塊，用于與卡盤 夾緊力無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路版圖進(jìn)行數(shù)字通信和對內(nèi)部進(jìn)行控制。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖的第7版圖區(qū)為USB通信模塊，采用UART/ USB轉(zhuǎn)換芯CP2102實(shí)現(xiàn)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:卡盤夾緊力無線數(shù)據(jù)接收電路版圖的第8版圖區(qū)為無線通訊接收模塊，采用 ISM頻段FSK收發(fā)芯片Si4431。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量卡盤夾緊力的無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖結(jié)構(gòu)， 其特征在于:無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳感器電路版圖天線均為微功率無線通信天線。
【文檔編號】B23Q17/00GK106078356SQ201610350231
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】張躍明, 褚迅迅, 楊建武
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)