用于机床保护的功率采集卡及机床保护装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及机床监控保护技术领域，尤其涉及一种用于机床保护的功率采集卡及机床保护装置。


背景技术：

2.机床加工精度高，加工零件质量稳定，生产效率高，能显著减轻工人劳动强度，调试好程序后基本上不再需要人员干预，便于现代化管理。然而，机床 (加工中心、车床、铣床、车铣复合、磨床及一些专用机床等)在加工过程中有时会出现机床撞机事故，其中，机床撞机是指由于误操作、程序设计错误、系统异常等各种各样的意外导致机床的加工部件发生碰撞，一旦出现机床撞机，轻则刀具损毁，重则工作台、主轴等核心部件报废，不仅会产生巨大的维修费用，而且停机维修影响企业正常生产。因此，亟需一种机床撞机保护方案，保护机床加工部件在发生撞机时不会被严重损坏，一种可行的机床撞机保护方案是监测机床主轴电机的实时功率值并将该功率值与预设的发生撞机时的功率边界值进行比较，判断机床是否发生撞机，并在机床发生撞机时第一时间控制机床停机，从而可以减轻或避免机床撞机的损失，显然，实现该方案的关键首先是如何完成机床主轴电机功率值的采集，该问题亟待解决。


技术实现要素：

3.为解决相关技术问题，本实用新型提供一种用于机床保护的功率采集卡及机床保护装置，来解决以上背景技术部分提到的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：
5.第一方面，本实用新型实施例提供了一种用于机床保护的功率采集卡，包括电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路、通讯电路以及电源电路；所述电流电压采集电路的输入端连接电流电压采集模块，输出端与所述模数转换电路的输入端连接；所述模数转换电路的输出端与所述功率处理电路的输入端连接；所述功率处理电路的输出端与通讯电路连接；所述通讯电路实现所述功率采集卡与外部设备的通讯连接；所述电源电路与电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路、通讯电路连接。
6.作为一种可选的实施方式，所述电流电压采集电路包括电流采集电路和电压采集电路；所述电流采集电路包括电流采样电路、电流一级运放电路以及电流二极运放电路；所述电流采样电路与电流电压采集模块中的电流采集模块连接；所述电流一级运放电路的输入端与电流采样电路的输出端连接；所述电流二极运放电路的输入端与电流一级运放电路的输出端连接。
7.作为一种可选的实施方式，所述电压采集电路包括电压采样电路、电压一级运放电路以及电压二极运放电路；所述电压采样电路的输入端连接机床主轴电机供电电源线或电压采集模块；所述电压一级运放电路的输入端与电压采样电路的输出端连接；所述电压二极运放电路的输入端与电压一级运放电路的输出端连接。
8.作为一种可选的实施方式，所述通讯电路包括串行通讯模块、以太网模块及io隔离模块；所述串行通讯模块的一端、以太网模块的一端、io隔离模块的一端分别与功率处理电路中处理器的对应接口连接，所述串行通讯模块的另一端接防水接插件；所述以太网模块的另一端接rj45接口；所述io隔离模块的另一端通过io接口连接外部io电源。
9.作为一种可选的实施方式，所述电源电路包括第一电源分路、第二电源分路、第三电源分路和第四电源分路；所述第一电源分路连接电流电压采集电路，所述第二电源分路连接电流电压采集电路和串行通讯模块；所述第三电源分路连接功率处理电路、以太网模块、io隔离模块；所述第四电源分路连接模数转换电路。
10.作为一种可选的实施方式，所述电流采集模块采用霍尔电流传感器；所述电压采集模块采用霍尔电压传感器。
11.作为一种可选的实施方式，所述电流采样电路通过防水接插件连接电流采集模块；所述电压采样电路通过高电压防护接口连接机床主轴电机供电电源线。
12.第二方面，本实用新型实施例提供了一种机床保护装置，该装置包括上述实施例提供的用于机床保护的功率采集卡。
13.本实用新型实施例提供的机床保护的功率采集卡包括电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路、通讯电路、电源电路；电流电压采集电路包括电流采集电路和电压采集电路；电流采集电路包括电流采样电路、电流一级运放电路以及电流二极运放电路；电压采集电路包括电压采样电路、电压一级运放电路以及电压二极运放电路；通讯电路包括串行通讯模块、以太网模块以及 io隔离模块。本实用新型实施例提供的机床保护的功率采集卡的框架结构简洁，通过通讯电路可以实现多设备间的通讯访问，可扩展性强。采用本实用新型实施例提供的用于机床保护的功率采集卡可以实现机床主轴电机功率值的高速高精度采集，确保机床撞机保护装置能够准确迅速的判断机床是否发生撞机，从而减轻或避免机床撞机的损失。
附图说明
14.为了更清楚地说明及理解本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型背景技术、实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
15.图1为本实用新型实施例提供的用于机床保护的功率采集卡结构图。
具体实施方式
16.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关实用新型相关的部分。在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
17.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
18.实施例一
19.如图1所示，图1为本实用新型实施例提供的用于机床保护的功率采集卡结构图。本实施例中用于机床保护的功率采集卡包括电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路以及通讯电路；所述电流电压采集电路的输入端连接电流电压采集模块，输出端与所述模数转换电路的输入端连接，用于对电流电压采集模块采集的机床主轴电机供电电源线上的电压信号和电流信号进行采样、放大处理后输出给所述模数转换电路；所述模数转换电路的输出端与所述功率处理电路的输入端连接，用于对收到的信号进行模数转换后发送给功率处理电路；所述功率处理电路的输出端与通讯电路连接，用于对模数转换电路发送的数据进行处理获得机床主轴电机的电流值和电压值，并根据所述电流值和电压值计算出机床主轴电机的功率值；所述通讯电路用于实现所述功率采集卡与外部设备的通讯连接。
20.具体的，在本实施例中所述用于机床保护的功率采集卡还包括电源电路；所述电源电路与电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路、通讯电路连接，用于提供所需各自所需工作电源。
21.示例性的，在本实施例中所述电源电路包括第一电源分路、第二电源分路、第三电源分路和第四电源分路；所述第一电源分路连接电流电压采集电路，所述第二电源分路连接电流电压采集电路和串行通讯模块；所述第三电源分路连接功率处理电路、以太网模块、io隔离模块；所述第四电源分路连接模数转换电路。示例性的，在本实施例中所述通讯电路包括串行通讯模块、以太网模块以及io隔离模块；所述串行通讯模块的一端、以太网模块的一端、io隔离模块的一端分别与功率处理电路中处理器的对应接口连接，所述串行通讯模块的另一端接防水接插件；所述以太网模块的另一端接rj45接口；所述io隔离模块的另一端通过io接口连接外部io电源。所述第一电源分路用于为电流电压采样提供电源；所述第二电源分路用于为二级运放和串行通讯模块提供电源；所述第三电源分路用于为功率处理电路、以太网模块、io隔离模块提供电源；所述第四电源分路用于为模数转换电路提供参考电源。具体的，由于功率电流采集过程中对于电源的噪声敏感性较高，在本实施例中电源电路采用dc-15v-15v 的双边供电作为输入电源降压模块，其中，在本实施采用的电源降压模块为但不限于dka15b-15)。在本实施例中为功率采集卡的电源电路设计了6路电源分路，分别为+15v,-15v,5v,3.3v,2.5v,1.8v。其中
±
15v供电电路是作为第一级电流电压采样部分即第一电源分路。第二电源分路即5v电路，为二级运放和 rs422模块提供电源。第三电源分路即3.3v电路，为功率处理电路的核心cpu、以太网模块、io隔离模块提供电源。第四电源分路即2.5v和1.8v电路，为模数转换电路的ad采样芯片提供参考电源。
22.具体的，在本实施例中功率处理电路的核心cpu采用支持spi,usart接口和至少10路的gpio的cpu，优选的核心cpu采用stm32f407vet6。示例性的，在本实施例中io隔离模块分为输入模块和输出模块，输入部分采用光耦隔离芯片，优选tlp2940-4的双向光耦；输出部分使用的是固态继电器输出，优选n357 芯片和晶体管输出(优选s8550)，可以保证500ma以上的驱动电流。具体的，由于机床撞机保护对响应时间要求很高，在本实施例中以太网模块选用自带硬件协议栈的以太网芯片进行通讯，以太网芯片优选w5500芯片，从而不需要为运行协议栈耗费太多时间，从而为高速发送数据提供时间空间。在本实施例中通过以太网模块，可以实现多功率采集卡的手拉手连接访问功能。具体的，在本实施例中串行通讯模块优选但不限于rs422模块，本实施例中，rs422也可以实现支持扩展手拉手连接方案，由于通
讯速度和通讯带宽的要求，本实施例中采用32mbps的rs422通讯芯片，优选max3098ebes通讯芯片，并支持1.5kv的浪涌保护。
23.示例性的，在本实施例中所述电流电压采集电路包括电流采集电路和电压采集电路；所述电流采集电路包括电流采样电路、电流一级运放电路以及电流二极运放电路；所述电流采样电路与电流电压采集模块中的电流采集模块连接，用于对电流采集模块采集的机床主轴电机供电电源线上的电流信号进行采样，将收到的电流转换为电压后输出给电流一级运放电路；所述电流一级运放电路的输入端与电流采样电路的输出端连接，用于对收到的信号进行放大处理后输出给电流二极运放电路的输入端；所述电流二极运放电路的输入端与电流一级运放电路的输出端连接，用于对所述电流一级运放电路输入的信号进行处理使其能够被所述模数转换电路采样。具体的，在机床中动力设备的功率变化大部分是以电流的变化来改变的，但机床的电流比较大不方便直接进行采集，在本实施例中电流采集模块优选霍尔电流传感器。
24.示例性的，在本实施例中所述电压采集电路包括电压采样电路、电压一级运放电路以及电压二极运放电路；所述电压采样电路的输入端连接机床主轴电机供电电源线，用于直接对机床主轴电机供电电源线上的电压信号进行采样，并将采样的电压信号输出给电压一级运放电路；所述电压一级运放电路的输入端与电压采样电路的输出端连接，用于对收到的信号进行放大处理后输出给电压二极运放电路的输入端；所述电压二极运放电路的输入端与电压一级运放电路的输出端连接，用于对所述电压一级运放电路输入的信号进行处理使其能够被所述模数转换电路采样。值得一提的是，在加工机床上的主轴加工设备的动力电压，种类比较多，但以220v或380v交流电为主要供电方式，在本实施例中通过电流电压采集电路对机床主轴电机供电电源(动力电源)直接进行采样，并将其转换成电流一级运放和电压一级运放电路可以接收的电压范围。示例性的，在本实施例中所述电流采样电路通过防水接插件连接电流采集模块；所述电压采样电路通过高电压防护接口连接机床主轴电机供电电源线。
25.具体的，在本实施例中电流一级运放电路和电压一级运放电路是对采样电路输入的电流电压进行放大处理，在具体应用中电流一级运放电路和电压一级运放电路的运放芯片均采用需超低功耗、超低噪音的运放芯片，优选op134芯片，将输出的转换电压(-15v-15v)输出到电流二级运放电路和电压二级运放电路，电流二级运放电路和电压二级运放电路均采用轨到轨的运放芯片，将第一级的电压转化成-5v-5v的电压范围，传送给模数转换电路的ad芯片。
26.具体的，在本实施例中模数转换电路的ad芯片使用高速的、高频率的ad 芯片(优选采用ads1178)，同时采集6通道的模拟量数据，保证了三相电流电压的同步性。本实施例中模数转换电路选用24位的高精度ad采样模块，同时采样速度为50k组/s，保证数据的采集频率。ad芯片通过io管脚通知功率处理电路的cpu，并将采集到的电流电压数据以数字量的形式发送给功率处理电路的 cpu进行处理。需要说明的是，为了尽量能够清楚示意本采集卡结构及连接关系，图中功能单元名称用了简称，例如电流一级运放即指本实施例中电流一级运放电路，电流二极运放即指本实施例中电流二极运放电路，电压一级运放电路，电压二极运放即指本实施例中电压二极运放电路，ads采样芯片即指模数转换电路中的ad芯片。
27.实施例二
28.本实施例中用于机床保护的功率采集卡包括电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路以及通讯电路；所述电流电压采集电路的输入端连接电流电压采集模块，输出端与所述模数转换电路的输入端连接，用于对电流电压采集模块采集的机床主轴电机供电电源线上的电压信号和电流信号进行采样、放大处理后输出给所述模数转换电路；所述模数转换电路的输出端与所述功率处理电路的输入端连接，用于对收到的信号进行模数转换后发送给功率处理电路；所述功率处理电路的输出端与通讯电路连接，用于对模数转换电路发送的数据进行处理获得机床主轴电机的电流值和电压值，并根据所述电流值和电压值计算出机床主轴电机的功率值；所述通讯电路用于实现所述功率采集卡与外部设备的通讯连接。
29.具体的，在本实施例中所述用于机床保护的功率采集卡还包括电源电路；所述电源电路与电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路、通讯电路连接，用于提供所需各自所需工作电源。
30.示例性的，在本实施例中所述电源电路包括第一电源分路、第二电源分路、第三电源分路和第四电源分路；所述第一电源分路连接电流电压采集电路，所述第二电源分路连接电流电压采集电路和串行通讯模块；所述第三电源分路连接功率处理电路、以太网模块、io隔离模块；所述第四电源分路连接模数转换电路。示例性的，在本实施例中所述通讯电路包括串行通讯模块、以太网模块以及io隔离模块；所述串行通讯模块的一端、以太网模块的一端、io隔离模块的一端分别与功率处理电路中处理器的对应接口连接，所述串行通讯模块的另一端接防水接插件；所述以太网模块的另一端接rj45接口；所述io隔离模块的另一端通过io接口连接外部io电源。所述第一电源分路用于为电流电压采样提供电源；所述第二电源分路用于为二级运放和串行通讯模块提供电源；所述第三电源分路用于为功率处理电路、以太网模块、io隔离模块提供电源；所述第四电源分路用于为模数转换电路提供参考电源。具体的，由于功率电流采集过程中对于电源的噪声敏感性较高，在本实施例中电源电路采用dc-15v-15v 的双边供电作为输入电源降压模块，其中，在本实施采用的电源降压模块为但不限于dka15b-15)。在本实施例中为功率采集卡的电源电路设计了6路电源分路，分别为+15v,-15v,5v,3.3v,2.5v,1.8v。其中
±
15v供电电路是作为第一级电流电压采样部分即第一电源分路。第二电源分路即5v电路，为二级运放和 rs422模块提供电源。第三电源分路即3.3v电路，为功率处理电路的核心cpu、以太网模块、io隔离模块提供电源。第四电源分路即2.5v和1.8v电路，为模数转换电路的ad采样芯片提供参考电源。
31.具体的，在本实施例中功率处理电路的核心cpu采用支持spi,usart接口和至少10路的gpio的cpu，优选的核心cpu采用stm32f407vet6。示例性的，在本实施例中io隔离模块分为输入模块和输出模块，输入部分采用光耦隔离芯片，优选tlp2940-4的双向光耦；输出部分使用的是固态继电器输出，优选n357 芯片和晶体管输出(优选s8550)，可以保证500ma以上的驱动电流。具体的，由于机床撞机保护对响应时间要求很高，在本实施例中以太网模块选用自带硬件协议栈的以太网芯片进行通讯，以太网芯片优选w5500芯片，从而不需要为运行协议栈耗费太多时间，从而为高速发送数据提供时间空间。在本实施例中通过以太网模块，可以实现多功率采集卡的手拉手连接访问功能。具体的，在本实施例中串行通讯模块优选但不限于rs422模块，本实施例中，rs422也可以实现支持扩展手拉手连接方案，由于通讯速度和通讯带宽的要求，本实施例中采用32mbps的rs422通讯芯片，优选max3098ebes通
讯芯片，并支持1.5kv的浪涌保护。
32.示例性的，在本实施例中所述电流电压采集电路包括电流采集电路和电压采集电路；所述电流采集电路包括电流采样电路、电流一级运放电路以及电流二极运放电路；所述电流采样电路与电流电压采集模块中的电流采集模块连接，用于对电流采集模块采集的机床主轴电机供电电源线上的电流信号进行采样，将收到的电流转换为电压后输出给电流一级运放电路；所述电流一级运放电路的输入端与电流采样电路的输出端连接，用于对收到的信号进行放大处理后输出给电流二极运放电路的输入端；所述电流二极运放电路的输入端与电流一级运放电路的输出端连接，用于对所述电流一级运放电路输入的信号进行处理使其能够被所述模数转换电路采样。具体的，在机床中动力设备的功率变化大部分是以电流的变化来改变的，但机床的电流比较大不方便直接进行采集，在本实施例中电流采集模块优选霍尔电流传感器。
33.示例性的，在实施例所述电压采集电路包括电压采样电路、电压一级运放电路以及电压二极运放电路；所述电压采样电路的输入端连接电流电压采集模块中的电压采集模块，用于对电压采集模块采集的机床主轴电机供电电源线上的电压信号进行采样，并将采样的电压信号输出给电压一级运放电路；所述电压一级运放电路的输入端与电压采样电路的输出端连接，用于对收到的信号进行放大处理后输出给电压二极运放电路的输入端；所述电压二极运放电路的输入端与电压一级运放电路的输出端连接，用于对所述电压一级运放电路输入的信号进行处理使其能够被所述模数转换电路采样。在本实施例中电压采集模块优选霍尔电压传感器。
34.示例性的，在本实施例中所述电压采集电路包括电压采样电路、电压一级运放电路以及电压二极运放电路；所述电压采样电路的输入端连接机床主轴电机供电电源线，用于直接对机床主轴电机供电电源线上的电压信号进行采样，并将采样的电压信号输出给电压一级运放电路；所述电压一级运放电路的输入端与电压采样电路的输出端连接，用于对收到的信号进行放大处理后输出给电压二极运放电路的输入端；所述电压二极运放电路的输入端与电压一级运放电路的输出端连接，用于对所述电压一级运放电路输入的信号进行处理使其能够被所述模数转换电路采样。值得一提的是，在加工机床上的主轴加工设备的动力电压，种类比较多，但以220v或380v交流电为主要供电方式，在本实施例中通过电流电压采集电路对机床主轴电机供电电源(动力电源)直接进行采样，并将其转换成电流一级运放和电压一级运放电路可以接收的电压范围。示例性的，在本实施例中所述电流采样电路通过防水接插件连接电流采集模块；所述电压采样电路通过高电压防护接口连接机床主轴电机供电电源线。
35.具体的，在本实施例中电流一级运放电路和电压一级运放电路是对采样电路输入的电流电压进行放大处理，在具体应用中电流一级运放电路和电压一级运放电路的运放芯片均采用需超低功耗、超低噪音的运放芯片，优选op134芯片，将输出的转换电压(-15v-15v)输出到电流二级运放电路和电压二级运放电路，电流二级运放电路和电压二级运放电路均采用轨到轨的运放芯片，将第一级的电压转化成-5v-5v的电压范围，传送给模数转换电路的ad芯片。
36.具体的，在本实施例中模数转换电路的ad芯片使用高速的、高频率的ad 芯片(优选采用ads1178)，同时采集6通道的模拟量数据，保证了三相电流电压的同步性。本实施例
中模数转换电路选用24位的高精度ad采样模块，同时采样速度为50k组/s，保证数据的采集频率。ad芯片通过io管脚通知功率处理电路的cpu，并将采集到的电流电压数据以数字量的形式发送给功率处理电路的 cpu进行处理。
37.本实用新型实施例提供的机床保护的功率采集卡包括电流电压采集电路、模数转换电路、功率处理电路、通讯电路、电源电路；电流电压采集电路包括电流采集电路和电压采集电路；电流采集电路包括电流采样电路、电流一级运放电路以及电流二极运放电路；电压采集电路包括电压采样电路、电压一级运放电路以及电压二极运放电路；通讯电路包括串行通讯模块、以太网模块以及 io隔离模块。本实用新型实施例提供的机床保护的功率采集卡的框架结构简洁，通过通讯电路可以实现多设备间的通讯访问，可扩展性强。采用本实用新型实施例提供的用于机床保护的功率采集卡可以实现机床主轴电机功率值的高速高精度采集，确保机床撞机保护装置能够准确迅速的判断机床是否发生撞机，从而减轻或避免机床撞机的损失。
38.实施例三
39.本实施例中机床保护装置包括上述实施例一和实施例二任一提供的用于机床保护的功率采集卡。
40.本实用新型实施例提供的机床保护装置通过功率采集卡可以实现机床主轴电机功率值的高速高精度采集，确保机床撞机保护装置能够准确迅速的判断机床是否发生撞机，从而减轻或避免机床撞机的损失，适宜推广应用。
41.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由本技术的权利要求书指出。
42.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求书来限制。
43.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。