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AT89C51單片機(jī)在數(shù)控車床切削力測(cè)量中的應(yīng)用（一）

AT89C51單片機(jī)在數(shù)控車床切削力測(cè)量中的應(yīng)用（一）

作者:佚名來源:不詳錄入:Admin 更新時(shí)間：2008-7-26 19:57:52 點(diǎn)擊數(shù)：2

【字體：

】

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。

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    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。

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    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。

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