本文介紹了應用AT89C51單片機測量數控車床切削力的新方法，重點闡述了單片機實現連續自動采樣、A/D轉換、標度變換及數據處理的方法。文章給出了單片機測控系統的原理、結構及進行數據采集的部分程序。
1 問題的提出
在數控車床的加工中，切削力的測量甚為重要。通過對切削力的測量可以分析與研究數控車床各零部件、機構或結構的受力情況和工作狀態，驗證設計和計算結果的正確性，確定整機工作過程中的負載譜和某些物理現象的機理。因此，他對發展設計理論、保證數控機床安全可靠地運行以及實現數控機床自動加工、自動檢測、自動控制和切削力過載報警等都具有十分重要的作用和適用價值。
2 系統硬件接口電路的設計
系統硬件原理框圖如圖1所示。系統以AT89C51單片機為控制核心，外圍電路針對單片機的功能特點而設計，充分利用了AT89C51單片機片內資源豐富的特點，簡化了外圍電路，提高了可靠性。下面對系統中主要功能模塊與硬件可靠性技術逐一分析。
圖1 系統硬件原理框圖
2.1 切削合力與分力
為了便于測量和研究數控車床切削力起見，尤其是為了適應生產中設計和使用數控機床、刀具和夾具的需要，一般都把總切削力Fr分解成三個互相垂直方向的力，即Fz、Fy、Fx來研究。
2.2 測力傳感器
通常測力儀中最常用的傳感器是電阻絲應變片和壓電晶體。我們所設計的八角環測力儀是一種電阻絲應變片式的測力儀。其工作原理是測力儀的八角環是彈性元件，在環的內外壁上粘貼電阻應變片，并連結成三個電橋以作為測定X、Y、Z三個方向切削力的傳感器，在數控車床車削時，車削力經工件轉動傳遞于車刀上，再由車刀刀桿傳遞到八角環，八角環的變形使緊貼在其上的電阻應變片也隨之變形，電阻值R發生了變化（R±ΔR）。當應變片受拉伸時，電阻絲直徑變細，電阻值增大（R+ΔR）,當應變片受壓縮變形時，電阻絲直徑變粗，電阻值變小（R-ΔR）,從而輸出正比例電信號。實驗得知，由于電阻應變片的電阻變化很小，所以必須將信號放大到0—5V后才能輸入單片機控制系統進行相應的處理。
電阻應變片組成的電橋如圖2所示。a)圖為等臂全橋電路，b)圖為臥式半橋電路。
圖2 電阻應變片組成的電橋
圖2中a)為由電阻應變片所組成的電橋R1、R2、R3、R4分別為四個電橋橋臂的電阻。當A、C端加以一定的橋壓U時則B、D端的輸出電壓 U由下式求得：
（1）
由式（1）可知，當R1R3=R2R4時，電橋輸出電壓ΔU=0,即電橋處于平衡，這就是在進行切削力測量前必須進行的電橋平衡的調節工作。
在切削力的作用下，應變片的電阻發生變化，破壞了電橋的平衡。若R1、R2、R3、R4分別產生ΔR1 、ΔR2 、ΔR3 、ΔR4的電阻變化，則由式（1）電橋的輸出電壓為：
（2）
由式（2）可以看出電橋的一個重要性質，當電橋相鄰兩臂有符號相同的電阻變化時，電橋輸出電壓為兩橋電阻變化相減的結果。因此，在測力儀接橋時，為使電橋有較大的輸出，則應使電橋相鄰兩臂有符號相反的電阻變化，而相對兩臂有符號相同的變化。這就是本測力儀布片于接橋的原則。
測力儀常用的電橋有等臂全橋（電橋由四個臂組成，R1=R2=R3=R4）及半橋（電橋由兩個臂加上兩個固定電阻組成，R1=R2=R）,如圖2所示。由式（2）兩種電橋的輸出電壓為：
全橋：ΔU=U/4R(ΔR1-ΔR2+ΔR3-ΔR4) （3）
半橋：ΔU=U/4R(ΔR1-ΔR2) （4）
比較（3）和（4）可知，當 ΔR1= ΔR3=+ΔR; ΔR2=ΔR4=-ΔR時，全橋的輸出為半橋的兩倍，也即全橋的靈敏度為半橋的兩倍。因此，為提高測力儀的靈敏度，即電橋有較大的輸出，我們在設計測力儀時采用了等臂全橋的測量電路。
2.3 量程放大器
把傳感器輸出的信號一般為µv— mv級，放大到模數轉換器所能接收的統一電平0—5V。
2.4 多路開關
把數控車床切削過程中由傳感器變換后的各路的電信號與A/D相連，以便進行A/D轉換，這樣既可節省設備，又不至于使各個被測參數之間互相競爭。多路開關每次閉合的通道號由程序控制。
2.5 采樣保持電路
由于現場所測的切削力是連續變化的，而單片機采樣卻是斷續的，為了使參數未被采樣時仍能維持原來的數值，所以需要增加一采樣保持電路，我們采用了大規模集成電路芯片LF398。
2.6 A/D轉換器
把測力傳感器輸出的模擬電壓變成數字量，我們選用的是ADC0809八位A/D轉換器，他的轉換方法為逐次逼近法。在A/D轉換器的內部含有一個高阻抗斬波穩定比較器，一個帶有模擬開關數組的256R分壓器，以及一個逐行逼近的寄存器。八路的模擬開關可由地址鎖器和譯碼器控制，可以在八個通路中任意訪問一個單邊的模擬信號。
2.7 顯示切削力
A/D轉換器雖然將測力傳感器輸出的模擬電壓值轉換為數字量，但是它并不是實際數控車床切削力的值，要得到真正的切削力的值還需進行以下兩步工作：靜態標定和標度變換。
靜態標定：就是通過實驗建立測力傳感器輸出電壓與切削力之間的關系曲線和數學模型。
標度變換：就是將A/D轉換器轉換后的00H—FFH數字量再轉換為實際的切削力的值。
以上兩步工作進行完畢后才能在單片機LED上顯示出數控車床實際的切削力的值。以便數控車床操作人員進行監視和管理生產等。
3 系統軟件設計
系統的主程序框圖見圖3，系統軟件包括：動態顯示程序、A/D采樣程序、標度變換程序和中斷服務程序等。
中斷服務程序主要是利用定時器中斷產生的時標，對LED數碼管進行動態刷新顯示。
3.1 A/D采樣程序
本程序分主程序和中斷服務程序兩部分。主程序用來對中斷初始化，給ADC0809發啟動脈沖、送模擬量路數的地址、動態顯示、監控報警等。中斷服務程序用來接收A/D轉換后的數字量和判斷一遍采樣完成否。
圖3 系統主程序框圖
圖4 標度變換子程序框圖
部分參考程序如下：
主程序：ORG 0A00H
MOV R1,#30H；輸入數據區起始地址
MOV R4,#03H；模擬量總路數送R4
MOV R2,#00H;IN0地址送R2
SETB EA
SETB EX0
SETB IT0
MOV R0,#0F0H
MOV A,R2
MOVX @R0,A
SJMP $ ;等待中斷
中斷服務程序：
ORG 0003H
AJMP CINT1
ORG 0100H
CINT1: MOV R0,#0F0H
MOVX A,@R0
MOV @R1,A
INC R1
INC R2
MOV A,R2
MOVX @R0,A
DJNZ R4, LOOP；若未采集完3路，則轉LOOP
CLR EX0； 若采集完3路，則關INT0中斷
LOOP: RETI
END
3.2 標度變換子程序框圖
由實驗結果得知，本系統由A/D轉換成的數字量與數控車床切削力的值呈線性關系。因此，標度變換的數學公式為：
Ax=A0+(Am-A0)(Nx-No)/(Nm-No)
A0 ── 一次測量儀表的下限
Am ── 一次測量儀表的上限
Ax ── 實際測量值
N0 ── 儀表下限所對應的數字量
Nm ── 儀表上限所對應的數字量
Nx ── 測量值所對應的數字量
為了使程序簡單，一般把被測參數的起點A0（輸入信號為0）所對應的A/D轉換值為0，即N0=0，這樣公式變為：
Ax= Nx/Nm(Am-A0)+A0
該系統標度變換子程序框圖如圖4所示。
4 結束語
應用單片機測量數控車床切削力，實現了生產過程中連續自動采樣、實時顯示、過載報警，以便操作人員進行監控和管理生產，有效地防止了因切削用量過大而損壞數控車床的現象發生。本系統也可經改進后移植到需限載的其他領域中應用。本文來源于：中國機床網(www.machine35.com)
原文：http://news.machine35.com/detail/13397.shtml |
