对击锤打击能量测量与分析系统研究

摘要

锻锤是历史最悠久、最常见的机械锻造设备，依靠在高压气体释放的能量驱动作用下，与下锤头悬空对击，高速碰撞，是各类金属塑性成形最实用的锻造方法，其中630KJ对击模锻锤作为国内大吨位的主要锻压设备，为我国航天航空设备建筑提供大量的补给，其中对击锤的关键部件锤杆、锤头和模具由于长期高强度的锻造金属，核心器件频繁被破坏，从铸造到对击锤零部件的加工成成品费用高、周期长，加工周期在一年以上，630KJ锻锤的锤头锤杆近60吨，高昂的代价、繁琐的加工周期已经成为困扰锻锤生产部门的一大核心难题，对于不同的锻件，需要不同的打击能量，仅仅依靠锻工的经验来判断打击力的大小（提锤高度和打击声音），打击力过大或过小都会影响锻件的加工质量，而且会减少设备的使用寿命，这样非常不利于设备的长期运行[1]。
　　对击锤锻造过程中，打击力与打击能量是锻造成形时必要的控制参数，该能量的准确性控制是锻造过程质量控制和设备正常运行的必要条件。针对传统的测量测试方法中需要在现场布置大量的仪器设备、无法满足连续生产过程的测试要求。
　　本课题以实际工程为背景，以对击锤打击过程中力能参数物理量为研究对象，通过研究630KJ对击模锻锤的工作原理、结构形式，对锻锤的两个重要参数（加速度和位移），建立打击阶段数学模型，同时设计了以FPGA为核心，高速AD采集打击阶段上锤头加速度，位移，下锤头加速度随时间的变化的规律，将打击过程中的物理量存入对应的Sram中，并实时通过USB2.0接口上传到上位机，对一些功能和结构参数进行了物理量分析，并建立加速度，位移和打击能量之间的数学模型，从而改造传统为设计和开发数控锤的锻锤系统，提高全对击模锻锤的工作性能及为参数优化提供了理论依据，使控制系统能够达到良好的控制精度和工作指标。
　　本课题以FPGA为控制核心，主要负责数据采集、存储、与上位机的数据通信与管理、实时多任务控制，对击锤力能参数测量系统主要由FPGA以及外围A/D、Sram、USB芯片组成。
　　本设计集成一块完整的硬件PCB版图，以FPGA为逻辑控制芯片，以高速AD9226为参数采集电路、高速异步存储器IS61LV51216作为数据的存储系统，采用USB控制芯片CY7C68013A作为数据传输系统，结合Verilog进行内部数字电路的设计，形成一套完整的硬件采集测量系统。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本文章节安排

2 设计原理及方案

2．1 数据采集的基本概念

2．1．1 采样定理

2．1．2 量化和编码

2．2 FPGA技术的应用概述

2．2．1 FPGA逻辑级结构

2．2．2 可编程逻辑单元

2．3 高速数据存储系统的原理

2．4 USB2．0数据传输通信原理

2．5 位移采集原理

2．6 对击锤测量结构设计方案

2．7 本章小结

3 硬件系统设计

3．1 FPGA外围硬件系统简介

3．2 设备电源模块设计

3．3 数据采集接口设计

3．4 数据存储接口设计

3．5 RS232与RS485通信接口设计

3．6 继电器控制接口设计

3．7 USB通信接口设计

3．7．1 USB接口的外围电路

3．7．2 USB接口的固件烧写

3．8 FPGA外围电路设计

3．8．1 FPGA配置电路

3．8．2 FPGA复位电路

3．8．3 FPGA时钟电路

3．9 PCB设计

3．10 本章小结

4 对击锤力能分析

4．1 对击锤打击结构力能分析

4．2 最大打击力分析

4．3 打击能量分析

4．4 加速度波形分析

4．5 小结

5 数字逻辑电路设计

5．1 FPGA系统概述

5．1．1 QuartusⅡ9．1简介

5．2 仿真介绍

5．2．1 QuartusⅡ9．1调用Modelsim仿真

5．3 FPGA芯片简介

5．3．1 芯片选型及功能

5．4 FPGA中各模块设计

5．4．1 触发模块设计

5．4．2 AD9226采集模块设计

5．4．3 串口控制模块设计

5．4．4 Sram存储模块设计

5．4．5 位移编码器模块设计

5．4．6 USB2．0通信模块设计

5．5 本章总结

6 系统调试及结论

6．1 硬件系统调试

6．1．1 硬件电路静态检测和动态检测

6．1．2 FPGA系统调试

6．2 硬件实物图

6．3 FPGA硬件逻辑调试

6．4 上位机数据检测

6．5 小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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