吕勇 《数控机床无线手轮设计》研究报告

数控机床无线手轮设计探讨报告 设计者吕勇，李峥，舒培，李阳君 指导老师卢明 （潇湘学院） 作品内容简介 随着无线通信技术的不断发展和成熟，越来越多的无线产品出现在我们的日常生活中，使得人们摆脱了有线的束缚，运用起来更加便利。在工业限制上,有线手轮限制器由于受到连接线的影响，难以实现较远距离操作。而且有线手轮经常因为线路老化或断裂等而产生接触不良的问题，会使连接不行靠。本文采纳2.4G无线射频技术，将现有的有线手轮限制器改装成了一种新型无线手轮。通过运用无线技术,摆脱了机床的连接线, 解决了连接线老化或断裂的问题,提高了手轮的运用寿命。摆脱了有线连接的束缚，让运用者可以移动自由,操作便利，能够提高工作效率。该无线手轮由手持发送端和机床接收端两部分组成，手持设备和接收设备之间采纳2.4G无线传输方式进行信息传输。发送端运用单片机将手轮产生的差分脉冲信号和其它限制信号进行采集，然后按肯定的格式进行数据编码，打包成数据包。然后通过2.4G无线射频模块发送到接收端。接收端将接收到的数据还原成相应的限制信号，对数控机床进行限制。 关键词数控机床；手轮；无线射频；nRF24L01 联系人吕勇 联系电话15273288006 E-MAIL913236248qq 目 录 1．研制背景及意义3 2．整体设计方案4 3．硬件电路设计5 3.1 限制器部分5 3.2 电压转换部分5 3.3 信号采集部分6 3.4 信号传输部分7 3.5 信号还原部分8 3.6 状态提示部分9 4．程序设计10 4.1 手持发送端程序设计10 4.2 机床接收端程序设计10 5．设计中的关键问题分析11 6．系统实物图及性能测试12 7．创新点及应用12 参考文献13 1．研制背景及意义 我国现代意义的无线传感网络及其应用探讨几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院学问创新工程试点领域方向探讨的信息与自动化领域探讨报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着学问创新工程试点工作的深化，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统探讨与发展中心引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上接连部署了若干重大探讨项目和方向性项目，初步建立传感网络系统探讨平台。近几年来国家发改委、科技部、信息产业部等均启动了在无线传感器网络及自组织网络领域的研发项目。国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020年将“传感器网络及智能信息处理”作为将来信息产业及现代服务业的重点方向”。由于受到了学术界及产业界的普遍关注，无线传感器网络技术正以前所未有的速度发展[1]。 各种无线技术的发展并与孤立传感网之结合应用,将是物联网发展最为关键的推动力,也是最为重要的组成部分。2009年无线技术世界暨物联网国际高峰会议正是着眼于此立足中国，面对全球，以“无线技术推动物联网发展”为主题。现场则以分版块、多种形式，全面探讨无线电通信，特殊是中短距离的无线通信技术的发展。伴随着以WLAN、蓝牙、UWB、ZigBee、RFID这些短距离无线技术正日益走向成熟，应用步伐不断加快，各种无线通信技术在自动化限制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色，发挥越来越重要的作用。我国近期也通过一系列措施支持和激励中短距离无线通信、与无线传感技术相关技术的研发和产业化。 2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz之间,所以简称为2.4G无线技术。2.4GHz是工作在ISM频段的一个频段。ISM频段是工业、科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线频段,以用于工业、科学探讨和微波医疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只须要遵守肯定的放射功率一般低于1W，并且不要对其它频段造成干扰即可。2.4GHz传输速率可媲美蓝牙，功耗却大大降低。采纳完全开放式的网络协议[2]。 无线通信技术在现在的日常生活中已经非常常见，如无线键盘、鼠标等。在工业限制领域，现阶段更多的还是运用有线设备，为了给用户带来更多便利并提高工作效率，我们也可以运用无线技术来改进产品。一些比较大型的公司，特殊是国外公司已经将无线通信技术应用到了工业限制中。在国内，由于起步比较低，再加上国外技术的封锁，因此在这方面做得来不够，急需运用无线通信技术制造更多的好用性工业限制器件。由于无线通信的便利，加上无线通信技术日趋成熟和制造成本的降低，无线通信技术必将应用到各个领域。因此，将无线通信技术应用到工业限制上是很有必要的。 手轮，即手摇脉冲发生器。在数控系统中，刀具微动、工件对刀、工作台的随动、机床原点的修正等这些功能通常是通过手轮操作来实现的[3]。手轮主要由光电编码器、坐标轴选择开关和增量倍率选择开关组成，用于手摇方式限制数控机床相应坐标轴的移动。但传统的有线手轮的连接线的接头处简单断裂，运用时间长了简单出现连接不行靠的问题，同时因为受到连接线的影响，用户无法围绕机床自由移动。如今无线通信技术越来越成熟，无线产品也越来越多，由此可见，可以基于无线技术研发一种新型无线手轮来改善现有手轮的性能。本次设计了一种基于工业级内置硬件链路层协议的低成本无线芯片nRF24L01的无线手轮。手轮运用无线传输后，杜绝了连线断裂的问题，能提高手轮的运用寿命。摆脱有线连接的束缚，运用者可以移动自由，操作便利，能提高工作效率。 2．整体设计方案 本次设计的数控机床无线手轮，它由手持放射端和机床接收端两部分构成，工作原理如图1所示。放射端由单片机限制器Atmega16采集手轮产生的差分信号和按键限制信号，经过编码、数据打包后通过nRF24L01芯片采纳无线方式发送出去。接收端则由单片机限制nRF24L01芯片接收由手持发送端发过来的信号。经过解码后还原成差分脉冲信号和按键限制信号并输出用于限制机床移动。 图1 原理框图 3．硬件电路设计 3.1 限制器部分 手持发送端和机床接收端都采纳Atmel公司的Atmega16单片机为主控芯片。Atmega16单片机采纳Harvard结构，具有高速、低功耗、可干脆驱动LED、SSR、或继电器等特点[4]，具有很高的性价比，故选用该单片机。限制器部分主要包括主控芯片Atmega16和它的复位电路和时钟产生电路。电路原理图如图2所示。 图2 限制器部分电路图 3.2 电压转换部分 手持端采纳9V电池供电，而无线收发模块的工作电压为3.3V，其它各芯片的工作电压为5V，因此须要进行电压转换。系统中采纳AMS1117-5和AMS1117-3.3两种稳压芯片分别得到5V电源和3.3V电源。电路原理图如下 图3 电压转换电路 3.3 信号采集部分 发送端须要采集的信号有4路差分脉冲信号和按键限制信号。图4为按键限制电路。当手轮上的光电编码器转动时，将会产生4路脉冲信号（A,A-,B,B-）,其中A和A-、B和B-分别是极性相反两路信号。在手持端，运用四重差分线接收器AM26C32将这四路脉冲信号转变成两路差分脉冲信号（A，B），从而便利MCU对信号进行处