本文介紹了應用AT89C51單片機測量數控車(chē)床切削力的新方法，重點(diǎn)闡述了單片機實(shí)現連續自動(dòng)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(jìn)行數據采集的部分程序。
1 問(wèn)題的提出
在數控車(chē)床的加工中，切削力的測量甚為重要。通過(guò)對切削力的測量可以分析與研究數控車(chē)床各零部件、機構或結構的受力情況和工作狀態(tài)，驗證設計和計算結果的正確性，確定整機工作過(guò)程中的負載譜和某些物理現象的機理。因此，他對發(fā)展設計理論、保證數控機床安全可靠地運行以及實(shí)現數控機床自動(dòng)加工、自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制和切削力過(guò)載報警等都具有十分重要的作用和適用價(jià)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(diǎn)而設計，充分利用了AT89C51單片機片內資源豐富的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了外圍電路，提高了可靠性。下面對系統中主要功能模塊與硬件可靠性技術(shù)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(chē)床切削力起見(jiàn)，尤其是為了適應生產(chǎn)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(gè)互相垂直方向的力，即Fz、Fy、Fx來(lái)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(huán)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(huán)是彈性元件，在環(huán)的內外壁上粘貼電阻應變片，并連結成三個(gè)電橋以作為測定X、Y、Z三個(gè)方向切削力的傳感器，在數控車(chē)床車(chē)削時(shí)，車(chē)削力經(jīng)工件轉動(dòng)傳遞于車(chē)刀上，再由車(chē)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變片也隨之變形，電阻值R發(fā)生了變化（R±ΔR）。當應變片受拉伸時(shí)，電阻絲直徑變細，電阻值增大（R+ΔR）,當應變片受壓縮變形時(shí)，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(shí)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(jìn)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(gè)電橋橋臂的電阻。當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)行切削力測量前必須進(jìn)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(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)，當電橋相鄰兩臂有符號相同的電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓為兩橋電阻變化相減的結果。因此，在測力儀接橋時(shí)，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(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 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，為提高測力儀的靈敏度，即電橋有較大的輸出，我們在設計測力儀時(shí)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(kāi)關(guān)
把數控車(chē)床切削過(guò)程中由傳感器變換后的各路的電信號與A/D相連，以便進(jìn)行A/D轉換，這樣既可節省設備，又不至于使各個(gè)被測參數之間互相競爭。多路開(kāi)關(guān)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(chǎng)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(shí)仍能維持原來(lái)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(yíng)/D轉換器的內部含有一個(gè)高阻抗斬波穩定比較器，一個(gè)帶有模擬開(kāi)關(guān)數組的256R分壓器，以及一個(gè)逐行逼近的寄存器。八路的模擬開(kāi)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(fǎng)問(wèn)一個(gè)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(shí)際數控車(chē)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)標定和標度變換。
靜態(tài)標定：就是通過(guò)實(shí)驗建立測力傳感器輸出電壓與切削力之間的關(guān)系曲線(xiàn)和數學(xué)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(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LED上顯示出數控車(chē)床實(shí)際的切削力的值。以便數控車(chē)床操作人員進(jìn)行監視和管理生產(chǎn)等。
3 系統軟件設計
系統的主程序框圖見(jiàn)圖3，系統軟件包括：動(dòng)態(tài)顯示程序、A/D采樣程序、標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，對LED數碼管進(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(lái)對中斷初始化，給ADC0809發(fā)啟動(dòng)脈沖、送模擬量路數的地址、動(dòng)態(tài)顯示、監控報警等。中斷服務(wù)程序用來(lái)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(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LOOP
CLR EX0； 若采集完3路，則關(guān)INT0中斷
LOOP: RETI
END
3.2 標度變換子程序框圖
由實(shí)驗結果得知，本系統由A/D轉換成的數字量與數控車(chē)床切削力的值呈線(xiàn)性關(guān)系。因此，標度變換的數學(xué)公式為：
Ax=A0+(Am-A0)(Nx-No)/(Nm-No)
A0 ── 一次測量?jì)x表的下限
Am ── 一次測量?jì)x表的上限
Ax ── 實(shí)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(jiǎn)單，一般把被測參數的起點(diǎn)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?yōu)椋?BR>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(yǔ)
應用單片機測量數控車(chē)床切削力，實(shí)現了生產(chǎn)過(guò)程中連續自動(dòng)采樣、實(shí)時(shí)顯示、過(guò)載報警，以便操作人員進(jìn)行監控和管理生產(chǎn)，有效地防止了因切削用量過(guò)大而損壞數控車(chē)床的現象發(fā)生。本系統也可經(jīng)改進(jìn)后移植到需限載的其他領(lǐng)域中應用。本文來(lái)源于：中國機床網(wǎng)(www.machine35.com)
原文：http://news.machine35.com/detail/13397.shtml |
