本文介紹了應(yīng)用AT89C51單片機(jī)測(cè)量數(shù)控車床切削力的新方法，重點(diǎn)闡述了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)采樣、A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換及數(shù)據(jù)處理的方法。文章給出了單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的部分程序。
1 問題的提出
在數(shù)控車床的加工中，切削力的測(cè)量甚為重要。通過對(duì)切削力的測(cè)量可以分析與研究數(shù)控車床各零部件、機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的受力情況和工作狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果的正確性，確定整機(jī)工作過程中的負(fù)載譜和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。因此，他對(duì)發(fā)展設(shè)計(jì)理論、保證數(shù)控機(jī)床安全可靠地運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制和切削力過載報(bào)警等都具有十分重要的作用和適用價(jià)值。
2 系統(tǒng)硬件接口電路的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，外圍電路針對(duì)單片機(jī)的功能特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，充分利用了AT89C51單片機(jī)片內(nèi)資源豐富的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了外圍電路，提高了可靠性。下面對(duì)系統(tǒng)中主要功能模塊與硬件可靠性技術(shù)逐一分析。
圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

2.1 切削合力與分力
為了便于測(cè)量和研究數(shù)控車床切削力起見，尤其是為了適應(yīng)生產(chǎn)中設(shè)計(jì)和使用數(shù)控機(jī)床、刀具和夾具的需要，一般都把總切削力Fr分解成三個(gè)互相垂直方向的力，即Fz、Fy、Fx來研究。
2.2 測(cè)力傳感器
通常測(cè)力儀中最常用的傳感器是電阻絲應(yīng)變片和壓電晶體。我們所設(shè)計(jì)的八角環(huán)測(cè)力儀是一種電阻絲應(yīng)變片式的測(cè)力儀。其工作原理是測(cè)力儀的八角環(huán)是彈性元件，在環(huán)的內(nèi)外壁上粘貼電阻應(yīng)變片，并連結(jié)成三個(gè)電橋以作為測(cè)定X、Y、Z三個(gè)方向切削力的傳感器，在數(shù)控車床車削時(shí)，車削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞于車刀上，再由車刀刀桿傳遞到八角環(huán)，八角環(huán)的變形使緊貼在其上的電阻應(yīng)變片也隨之變形，電阻值R發(fā)生了變化（R±ΔR）。當(dāng)應(yīng)變片受拉伸時(shí)，電阻絲直徑變細(xì)，電阻值增大（R+ΔR）,當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時(shí)，電阻絲直徑變粗，電阻值變�。≧-ΔR）,從而輸出正比例電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)得知，由于電阻應(yīng)變片的電阻變化很小，所以必須將信號(hào)放大到0—5V后才能輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
電阻應(yīng)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(yīng)變片組成的電橋

圖2中a)為由電阻應(yīng)變片所組成的電橋R1、R2、R3、R4分別為四個(gè)電橋橋臂的電阻。當(dāng)A、C端加以一定的橋壓U時(shí)則B、D端的輸出電壓 U由下式求得：
（1）
由式（1）可知，當(dāng)R1R3=R2R4時(shí)，電橋輸出電壓ΔU=0,即電橋處于平衡，這就是在進(jìn)行切削力測(cè)量前必須進(jìn)行的電橋平衡的調(diào)節(jié)工作。
在切削力的作用下，應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，破壞了電橋的平衡。若R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)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(gè)重要性質(zhì)，當(dāng)電橋相鄰兩臂有符號(hào)相同的電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓為兩橋電阻變化相減的結(jié)果。因此，在測(cè)力儀接橋時(shí)，為使電橋有較大的輸出，則應(yīng)使電橋相鄰兩臂有符號(hào)相反的電阻變化，而相對(duì)兩臂有符號(hào)相同的變化。這就是本測(cè)力儀布片于接橋的原則。

測(cè)力儀常用的電橋有等臂全橋（電橋由四個(gè)臂組成，R1=R2=R3=R4）及半橋（電橋由兩個(gè)臂加上兩個(gè)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(dāng) ΔR1= ΔR3=+ΔR; ΔR2=ΔR4=-ΔR時(shí)，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(cè)力儀的靈敏度，即電橋有較大的輸出，我們?cè)谠O(shè)計(jì)測(cè)力儀時(shí)采用了等臂全橋的測(cè)量電路。
2.3 量程放大器
把傳感器輸出的信號(hào)一般為µv— mv級(jí)，放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能接收的統(tǒng)一電平0—5V。
2.4 多路開關(guān)
把數(shù)控車床切削過程中由傳感器變換后的各路的電信號(hào)與A/D相連，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣既可節(jié)省設(shè)備，又不至于使各個(gè)被測(cè)參數(shù)之間互相競(jìng)爭(zhēng)。多路開關(guān)每次閉合的通道號(hào)由程序控制。
2.5 采樣保持電路
由于現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的切削力是連續(xù)變化的，而單片機(jī)采樣卻是斷續(xù)的，為了使參數(shù)未被采樣時(shí)仍能維持原來的數(shù)值，所以需要增加一采樣保持電路，我們采用了大規(guī)模集成電路芯片LF398。
2.6 A/D轉(zhuǎn)換器
把測(cè)力傳感器輸出的模擬電壓變成數(shù)字量，我們選用的是ADC0809八位A/D轉(zhuǎn)換器，他的轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近法。在A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開關(guān)數(shù)組的256R分壓器，以及一個(gè)逐行逼近的寄存器。八路的模擬開關(guān)可由地址鎖器和譯碼器控制，可以在八個(gè)通路中任意訪問一個(gè)單邊的模擬信號(hào)。
2.7 顯示切削力
A/D轉(zhuǎn)換器雖然將測(cè)力傳感器輸出的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，但是它并不是實(shí)際數(shù)控車床切削力的值，要得到真正的切削力的值還需進(jìn)行以下兩步工作：靜態(tài)標(biāo)定和標(biāo)度變換。
靜態(tài)標(biāo)定：就是通過實(shí)驗(yàn)建立測(cè)力傳感器輸出電壓與切削力之間的關(guān)系曲線和數(shù)學(xué)模型。
標(biāo)度變換：就是將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的00H—FFH數(shù)字量再轉(zhuǎn)換為實(shí)際的切削力的值。
以上兩步工作進(jìn)行完畢后才能在單片機(jī)LED上顯示出數(shù)控車床實(shí)際的切削力的值。以便數(shù)控車床操作人員進(jìn)行監(jiān)視和管理生產(chǎn)等。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主程序框圖見圖3，系統(tǒng)軟件包括：動(dòng)態(tài)顯示程序、A/D采樣程序、標(biāo)度變換程序和中斷服務(wù)程序等。
   
中斷服務(wù)程序主要是利用定時(shí)器中斷產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)，對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新顯示。
3.1 A/D采樣程序
   
本程序分主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序用來對(duì)中斷初始化，給ADC0809發(fā)啟動(dòng)脈沖、送模擬量路數(shù)的地址、動(dòng)態(tài)顯示、監(jiān)控報(bào)警等。中斷服務(wù)程序用來接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量和判斷一遍采樣完成否。
圖3 系統(tǒng)主程序框圖    
      
圖4 標(biāo)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(shù)據(jù)區(qū)起始地址
　　MOV     R4,#03H；模擬量總路數(shù)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(wù)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(zhuǎn)LOOP
　　CLR    EX0；     若采集完3路，則關(guān)INT0中斷
　　LOOP: RETI
　　END
3.2 標(biāo)度變換子程序框圖
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，本系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量與數(shù)控車床切削力的值呈線性關(guān)系。因此，標(biāo)度變換的數(shù)學(xué)公式為：
Ax=A0+(Am-A0)(Nx-No)/(Nm-No)
　　A0  ── 一次測(cè)量?jī)x表的下限
    Am  ── 一次測(cè)量?jī)x表的上限
    Ax  ── 實(shí)際測(cè)量值
    N0  ── 儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量
    Nm  ── 儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量
    Nx   ──  測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量
為了使程序簡(jiǎn)單，一般把被測(cè)參數(shù)的起點(diǎn)A0（輸入信號(hào)為0）所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為0，即N0=0，這樣公式變?yōu)椋?BR>Ax= Nx/Nm(Am-A0)+A0
該系統(tǒng)標(biāo)度變換子程序框圖如圖4所示。
4 結(jié)束語
應(yīng)用單片機(jī)測(cè)量數(shù)控車床切削力，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中連續(xù)自動(dòng)采樣、實(shí)時(shí)顯示、過載報(bào)警，以便操作人員進(jìn)行監(jiān)控和管理生產(chǎn)，有效地防止了因切削用量過大而損壞數(shù)控車床的現(xiàn)象發(fā)生。本系統(tǒng)也可經(jīng)改進(jìn)后移植到需限載的其他領(lǐng)域中應(yīng)用。本文來源于：中國(guó)機(jī)床網(wǎng)(www.machine35.com)

原文：http://news.machine35.com/detail/13397.shtml