1 問題的提出 在數(shù)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(shù)控車床各零部件、機構(gòu)或結(jié)構(gòu)的受力情況和工作狀態(tài)，驗證設(shè)計和計算結(jié)果的正確性，確定整機工作過程中的負載譜和某些物理現(xiàn)象的機理。因此，他對發(fā)展設(shè)計理論、保證數(shù)控機床安全可靠地運行以及實現(xiàn)數(shù)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(tǒng)硬件接口電路的設(shè)計 系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)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(shè)計，充分利用了AT89C51單片機片內(nèi)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(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)計和使用數(shù)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(yīng)變片和壓電晶體。我們所設(shè)計的八角環(huán)測力儀是一種電阻絲應(yīng)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(nèi)外壁上粘貼電阻應(yīng)變片，并連結(jié)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(shù)控車床車削時，車削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)動傳遞于車刀上，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，電阻絲直徑變細，電阻值增大（R+ΔR）,當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時，電阻絲直徑變粗，電阻值變?。≧-ΔR）,從而輸出正比例電信號。實驗得知，由于電阻應(yīng)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(tǒng)進行相應(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分別為四個電橋橋臂的電阻。當(dāng)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(dāng)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(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重要性質(zhì)，當(dāng)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(jié)果。因此，在測力儀接橋時，為使電橋有較大的輸出，則應(yīng)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(dāng) 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(shè)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(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與A/D相連，以便進行A/D轉(zhuǎn)換，這樣既可節(jié)省設(shè)備，又不至于使各個被測參數(shù)之間互相競爭。多路開關(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(xiàn)場所測的切削力是連續(xù)變化的，而單片機采樣卻是斷續(xù)的，為了使參數(shù)未被采樣時仍能維持原來的數(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)部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關(guān)數(shù)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(guān)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(zhuǎn)換器雖然將測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：就是通過實驗建立測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(shù)控車床實際的切削力的值。以便數(shù)控車床操作人員進行監(jiān)視和管理生產(chǎn)等。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)的主程序框圖見圖3，系統(tǒng)軟件包括：動態(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器中斷產(chǎn)生的時標(biāo)，對LED數(shù)碼管進行動態(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。主程序用來對中斷初始化，給ADC0809發(fā)啟動脈沖、送模擬量路數(shù)的地址、動態(tài)顯示、監(jiān)控報警等。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 由實驗結(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(yīng)的數(shù)字量 Nm ── 儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量 Nx ── 測量值所對應(yīng)的數(shù)字量 為了使程序簡單，一般把被測參數(shù)的起點A0（輸入信號為0）所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為0，即N0=0，這樣公式變?yōu)椋? 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)用單片機測量數(shù)控車床切削力，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中連續(xù)自動采樣、實時顯示、過載報警，以便操作人員進行監(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)改進后移植到需限載的其他領(lǐng)域中應(yīng)用。