【正文】 了本系統(tǒng)所能容納的數(shù)據(jù)信息量的多少[19]；存儲器的寫入速度需要與FPGA內(nèi)部邏輯的時鐘同步進(jìn)行；其寫入時間指的是數(shù)據(jù)從接受到穩(wěn)定的地址信號線到整個時序完成的時間段[19]，存儲器的價格取決于本身和其內(nèi)嵌入的單獨(dú)電路，這兩個方面影響存儲器的價格，SRAM選用IS61LV51216，它是ISSI公司的SRAM芯片，該芯片是512K16bit的高速CMOS靜態(tài)存儲器，其寫速度為8ns~12ns之間，支持8位或者16位的數(shù)據(jù)讀寫，方便切換， 。SRAM主要用于二級高速緩存(Level2 Cache)?？删幊踢壿嬆KCLB邏輯級FPGA器件是一個用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器SRAM組成，其中包括三種可編程單元[16]，這三種可編程邏輯單元是可編程邏輯單元LE(logic element)、可編程輸入/輸出單元IOE(I/O element)和可編程互聯(lián)資源。采樣定理[15]即奈奎斯特第一準(zhǔn)則，定義為對一個連續(xù)時間信號進(jìn)行抽樣的過程中，當(dāng)AD采樣頻率大于原始信號的頻率的2倍及以上，原始信號的信息才可以在采樣好被完整的保留下來，從時域上來說就是采樣間隔必須小于抽樣頻率的兩倍的倒數(shù)，才可以得到完整的采樣信息。592設(shè)計原理及方案2設(shè)計原理及方案為了采集對擊錘打擊過程中的物理量參數(shù)，需要設(shè)計一套高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，在上下錘頭安裝一對壓電式加速度傳感器，在上錘頭350mm處安裝一個光電編碼器作為位移數(shù)據(jù)的采集，由于打擊過程大致為500ms，因此，通過對這一階段的加速度和位移關(guān)鍵物理量的采集，并將數(shù)據(jù)存入高速異步存儲器中，本章主要完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲器存儲原理以及USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑矸治?，結(jié)合對擊錘的運(yùn)動過程，完成硬件系統(tǒng)設(shè)計方案。第六章為實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論分析。第三章主要介紹了基于FPGA的對擊錘打擊力能測量儀的硬件外圍設(shè)計，并對硬件設(shè)備各個部分作了詳細(xì)介紹，根據(jù)設(shè)計要求，對各部分硬件進(jìn)行選型，應(yīng)用電路設(shè)計，完成工作有采集模塊接口、數(shù)據(jù)存儲接口、數(shù)據(jù)通信接口、命令通信接口等，最終搭建實(shí)現(xiàn)完整的采集存儲系統(tǒng)外圍硬件電路。自然對擊錘同樣配備自動化控制系統(tǒng)，具備多種不同的操作方式，例如手動自動，壓機(jī)接通，可以預(yù)選不同工件的打擊方式和打擊類型[8]，在每次打擊完成后，可以根據(jù)模具批次的不同將打擊能量和打擊次數(shù)進(jìn)行存儲和存放[9]。 我國自行生產(chǎn)的鍛錘我國目前的鍛錘大部分還是以蒸空錘和液氣錘為主，對于大噸位的對擊模鍛錘的研究還比較少，隨著我國社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的長足進(jìn)步，工業(yè)、國防建設(shè)、航空航天以及其它裝備制造業(yè)等對減少生產(chǎn)成本，減低產(chǎn)品重量、提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求越來越高，這也意味著鍛壓生產(chǎn)的擔(dān)子會空前的加大，所以設(shè)計開發(fā)新型數(shù)控自動化大噸位鍛錘，對于提高鍛錘工作性能、鍛壓件質(zhì)量、生產(chǎn)能力和自動化程度，具有十分重要的意義[2]。通過對630KJ對擊模鍛錘打擊過程中在打擊速度，模具重量，打擊行程幾個關(guān)鍵物理量的分析，分析其與最大打擊力、最大打擊能量之間的關(guān)系，驗(yàn)證在同等的蒸汽壓力和不同打擊行程下最大打擊能量與行程之間的關(guān)系，結(jié)合物理能量學(xué)原理建立打擊能量與加速度、位移之間的數(shù)學(xué)模型，利用采集設(shè)備得到上下錘頭以及打擊行程關(guān)鍵參數(shù)的方法對整體系統(tǒng)進(jìn)行評估，對不同工件進(jìn)行最大打擊能量歸類。針對傳統(tǒng)的測量測試方法中需要在現(xiàn)場布置大量的儀器設(shè)備、無法滿足連續(xù)生產(chǎn)過程的測試要求[4]。其中630KJ對擊模鍛錘作為國內(nèi)大噸位的主要鍛壓設(shè)備，錘頭，錘桿和模具是對擊錘的關(guān)鍵部件，從鑄港到加工成成品周期長，費(fèi)用高，630KJ的錘頭錘桿重近60t，加工周期1年，按目前市場價格，費(fèi)用為80—100萬元。由于打擊效率高，工作時無劇烈震動，對地基影響較小，超負(fù)荷能力強(qiáng)，構(gòu)造簡單而成為重型鍛造設(shè)備的主要形式之一，近幾年，隨著航空工業(yè)中高強(qiáng)度耐熱合金大鍛造的大量開發(fā)生產(chǎn)，對擊錘需求使用次數(shù)增加的趨勢已經(jīng)十分明顯。目前的鍛錘大部分還是以蒸空錘和液氣錘為主，但對于大噸位的對擊模鍛錘的研究還比較少，隨著我國科學(xué)技術(shù)的的不斷提高以及社會的不斷發(fā)展[2]，航天航空、工業(yè)制造、國防建設(shè)和與之相關(guān)的鍛造產(chǎn)品對降低生產(chǎn)成本、產(chǎn)品重量、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能的要求愈來愈高[2]。核心部件頻繁被破壞，高昂的代價，漫長的加工周期已經(jīng)已經(jīng)成為困擾生產(chǎn)部門的一大難題[3]。 為了掌握該設(shè)備的性能和分析打擊過程中的功能變化，以確保生產(chǎn)順利進(jìn)行和后期打擊功能參數(shù)的實(shí)時數(shù)字化顯示提供倫理依據(jù)[5]，前期的功能模型的建立就顯得格外重要。 對擊錘是多種鍛造設(shè)備的先驅(qū)，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展和新型鍛造工藝的改善[6]，由于鍛錘類設(shè)備結(jié)構(gòu)單一，適應(yīng)性強(qiáng)，投資小等特點(diǎn)，對擊模鍛錘成為裝備制造業(yè)必不可少的生產(chǎn)工具。國外鍛錘發(fā)展于本世紀(jì)的30年代，從驅(qū)動方式分，可以分為液壓鍛錘和氣動鍛錘，經(jīng)歷了從自由打擊放油落錘到液壓氣體驅(qū)動鍛錘，最后到全液壓驅(qū)動鍛錘的發(fā)展歷程，與我國放油液壓氣錘相類似。本論文的內(nèi)容和章節(jié)安排如下：第一章為緒論部分，詳細(xì)介紹了對擊模鍛錘的發(fā)展以及國內(nèi)外液壓鍛錘以及對擊錘發(fā)展的水平以及其自動化水平[9]，通過對比國內(nèi)大噸位鍛錘的發(fā)展以及國外各鍛造行業(yè)的生產(chǎn)水平，分析世界各國鍛造工業(yè)所遇到的瓶頸[10]，提出本課題的研究規(guī)劃方案以及實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，對630KJ對擊錘進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估，最后列舉本研究課題開展的核心意義以及實(shí)驗(yàn)研究的方向，并加以實(shí)施，通過以微處理器為控制核心， 采用AD采集、編碼器計數(shù)原理和SRAM存儲及USB通信技術(shù)，利用EDA軟件QuartusII為編譯環(huán)境進(jìn)行邏輯電路設(shè)計、綜合編譯，對整體對擊錘力能參數(shù)測量系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，使得整體系統(tǒng)達(dá)到理想的測量效果，最終實(shí)現(xiàn)高速、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)效果。第四章為對擊錘力能數(shù)學(xué)模型分析設(shè)計，本章重點(diǎn)分析了對擊錘打擊過程中各個物理量之間的關(guān)系，總結(jié)出打擊力能與加速度、打擊行程時間的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)工作做前期準(zhǔn)備。本章對對擊錘力能采集分析系統(tǒng)進(jìn)行硬件調(diào)試，結(jié)合課題研究背景[12]，對基于FPGA的對擊力能參數(shù)采集存儲系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)掉電檢查，上電測試，對現(xiàn)場進(jìn)行布線測試，通過比對現(xiàn)場測試的物理量參數(shù)，結(jié)合對擊錘力能數(shù)學(xué)模型，分析不同條件下對擊錘最大打擊力，最大打擊能量與測量參數(shù)之間的關(guān)系，對打擊過程中最大打擊力和最大打擊能量進(jìn)行后期分析，本課題所研究打擊能量系統(tǒng)定性分析對于提高鍛錘工作性能、鍛壓件質(zhì)量、生產(chǎn)能力和自動化程度，具有十分重要的意義。AD轉(zhuǎn)換指的是指通過采樣量化編碼的方式將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，其中兩個重要指標(biāo)為采樣頻率和分辨率，采樣頻率必須符合奈奎斯特第一準(zhǔn)則，才可以保證信號的真實(shí)性，分辨率指的是AD采樣的量化位數(shù)，一般為8位，12位16位以及24位，選取合適的AD轉(zhuǎn)化器是進(jìn)行本課題的一個基礎(chǔ)[15]。 模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，成為數(shù)字信號，數(shù)字信號僅有0和1的區(qū)分，與模擬信號相比其高電平對應(yīng)為0，低電平對應(yīng)為1，因此容易辨別，所以，在對信號進(jìn)行分析之前，首先將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。CLB一般由觸發(fā)器、邏輯函數(shù)發(fā)生器與數(shù)據(jù)選擇器共同構(gòu)成實(shí)現(xiàn)邏輯功能的基本單元，其中函數(shù)發(fā)生器[18]用來實(shí)現(xiàn)一個任意邏輯組合實(shí)現(xiàn)n輸入變量。它利用晶體管來存儲數(shù)據(jù)。 IS61LV51216內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖打擊參數(shù)據(jù)來源于兩路加速度數(shù)據(jù)和一路位移數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計三片SRAM用來數(shù)據(jù)存儲，啟動采集后，采集打擊時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將其存入對應(yīng)的SRAM中，等待上位機(jī)下發(fā)命令，采集存儲在SRAM中的數(shù)據(jù)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)妥善保存，拷貝，打包，等待后期數(shù)據(jù)分析[21]。，支持可編程深度為4倍大小，其中EP2與EP6其編程緩沖區(qū)為512和1024B,EP4，EP8的緩沖區(qū)固定為512字節(jié)，深度為2倍，將其配置為不同的配置方式，可實(shí)現(xiàn)不同位數(shù)，速度的緩存需求。增量式光電編碼器的特點(diǎn)，它具有三個對應(yīng)的輸出信號，A相，B相和Z相，在編碼器旋轉(zhuǎn)的過程中，AB相都會有相應(yīng)的脈沖輸出，其脈沖數(shù)量的加減和方向的判定是借助輸出脈沖進(jìn)行判相和計數(shù)來實(shí)現(xiàn)，可以任意設(shè)定一個機(jī)械零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多全測量，也可以利用Z脈沖信號作為一個參照點(diǎn)，編碼器繞軸旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個固定的脈沖，提高分辨率一般利用九十度的相位差對原始輸出脈沖進(jìn)行倍頻。 位移傳感器的工作原理通過對對擊錘工作原理的學(xué)習(xí)與對擊錘測量環(huán)境的研究，決定將系統(tǒng)分成三部分來研究實(shí)現(xiàn)測量目的。 本章小結(jié)本章節(jié)詳細(xì)地介紹了對擊錘現(xiàn)場環(huán)境和打擊力能采集設(shè)備的基本原理，分析硬件系統(tǒng)所需的物件以及系統(tǒng)的研究方案，對整體進(jìn)行系統(tǒng)評估，結(jié)合對擊錘的基本原理，對課題所要研究的內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的概括。2) 核心控制芯片：EP1C12Q240I8；3) 存儲芯片：IS61LV51216；4) USB通信芯片：CY7C68013A128；(7)在本硬件系統(tǒng)中，原始輸入電源為12V直流電，通過外部接入方式，其他各級電源電壓分別為5V、為整個硬件系統(tǒng)供電[29]。功能模塊主要由電源模塊、數(shù)據(jù)采集、霍爾觸發(fā)、SRAM數(shù)據(jù)存儲電外圍電路、RS232電路搭建、RS485總線，USB外圍電路設(shè)計、調(diào)試模塊等組成。SRAM數(shù)據(jù)存儲功能：采集完畢后，進(jìn)入到系統(tǒng)的存儲階段，將AD轉(zhuǎn)換的參數(shù)數(shù)據(jù)存入SRAM中，完成存儲數(shù)據(jù)的作用。 12V轉(zhuǎn)5V電路由于FPGA選用芯片為EP1C12Q240I8。AD采集是本課題數(shù)據(jù)分析的第一步，將加速度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)流控制，對AD轉(zhuǎn)換器的啟動，停止，數(shù)據(jù)的流向進(jìn)行控制，AD轉(zhuǎn)化器選用高速AD9226作為前期采集芯片，其最高采樣頻率可以達(dá)到65Msps ，、12位分辨率（附加移位溢出指示位）、低功耗（475mv），同時具備高信噪比（69db），由于原始時鐘為48Mhz，本設(shè)計將其分頻得到的1Mhz，周期為1us作為模數(shù)轉(zhuǎn)化的采樣頻率。（a） MAX3485原理圖（b）RS232原理圖MAX202使用單一+5V供電，由于在實(shí)際應(yīng)用中易受到電源干擾，在VCC和GND之間加一個與上述電容等值的電進(jìn)行去耦設(shè)置。 USB接口的固件燒寫由于需要配置芯片工作方式，因此需要安裝相關(guān)固件燒寫軟件， USB驅(qū)動安裝安裝驅(qū)動之后，選擇68013A固件進(jìn)行配置。 AS模式引腳配置在AS配置模式下，掉電后，程序依然存在，因?yàn)樗袑?yīng)的配置芯片，本設(shè)計選用EPCS4作為其配置芯片，其擁有FLASH存儲器訪問接口，在線可編程（ISP）,它屬于Altera公司的串行配置器件系列，通過這種模式，在每次上電后，程序自動加載，同時成本低廉，非常適合工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過這兩種配置下載方式可以實(shí)現(xiàn)FPGA系統(tǒng)的在線快速調(diào)試和掉電固件配置模式，實(shí)現(xiàn)了FPGA系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)調(diào)試到實(shí)際應(yīng)用的完美設(shè)計流程。對擊錘力能參數(shù)采集硬件系統(tǒng)的PCB設(shè)計同樣是項(xiàng)目成敗的一個關(guān)鍵性因素，準(zhǔn)確的元件選型，良好的元器件布局，合理的布線，優(yōu)良的電路設(shè)計都是PCB設(shè)計的重要因素。由于是高速采集版圖設(shè)計，因此各個信號線之間不能過長，否則可能導(dǎo)致信號完整性的缺失或其中夾雜著很多噪聲干擾，也可能影響系統(tǒng)的采集時間，增加系統(tǒng)的延時，如果PCB布局過于狹窄，可能導(dǎo)致在焊接時難以下手，同時導(dǎo)致整體的散熱性能減小，降低硬件電路的使用壽命，增加布線難度，走線與走線的距離太近造成相互之間的串?dāng)_，嚴(yán)重情況下致使硬件電路板設(shè)計失敗，因此，在PCB設(shè)計時需要對電路板的大小，功能，進(jìn)行合理的分配。?對于要接振蕩器的電路振蕩器外殼一定要接地，且時鐘線盡量靠近芯片，使線路盡量短，在處理時鐘信號線時，需要把信號線與時鐘信號線隔開，因此本系統(tǒng)采用時鐘為48M，屬于高頻信號，會給其他信號線造成很大的干擾，布線過程實(shí)質(zhì)上就是是不斷修改布局，布線的過程，直到所有飛線全部布線完畢，檢查走線是否全部完成，可以關(guān)掉底層和頂層進(jìn)行觀察，確保所有線路全部走通。，從電磁學(xué)的角度出發(fā)，不要在案子中出現(xiàn)尖角，由于這樣類似于一個發(fā)射天線，因此邊界使用圓弧線。 由于本系統(tǒng)的特殊測量環(huán)境，振動大，噪音大，高速模擬器件對其造成干擾，需要將模擬信號層與數(shù)字信號層分離，但是由于PCB設(shè)計為雙層版圖，因此，需要將模擬信號線與數(shù)字信號線隔開布線，減少不必要的干擾。1. 電源電路；2. AD采集外圍電路；3. 串口通信外圍電路；4. SRAM_ IS61LV51216高速存儲電路；5. USB通信外圍電路以及其相應(yīng)配置電路；6. FPGA最小電路系統(tǒng)的設(shè)計。 對擊錘打擊結(jié)構(gòu)力能分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格打擊能量標(biāo)示。上錘頭和下錘頭回彈速度在打擊瞬間，上下錘頭打擊速度迅速變?yōu)榛貜椝俣?，其恢?fù)系數(shù)為 （） （） （） （）在同一打擊能量下，打擊力與許多因素有關(guān)，每一次擊打過程打擊力也是在不斷變化的，它和工件的質(zhì)量，尺寸，形狀以及加熱溫度都有著關(guān)系。由動量守恒有 （）其中VC為打擊過程中上下錘頭系統(tǒng)的重心速度。則下錘頭打擊瞬間的速度： （）下錘頭打擊后的回彈速度： （）若設(shè)、時，則有 （）恢復(fù)系數(shù)： （） （） （）打擊能量（鍛件吸收的能量）： （）打擊時間：打擊力： （）最大打擊能量: （）本章630KJ對擊模鍛錘為原型，分析打擊過程中的鍛錘、上下錘頭、打擊行程