本文介紹了應(yīng)用AT89C51單片機(jī)測量數(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(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,、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。

　　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(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(jì)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(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(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,，電阻值變小（R-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：

　　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：

　　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,，而相對兩臂有符號(hào)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(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,，為提高測力儀的靈敏度,，即電橋有較大的輸出，我們在設(shè)計(jì)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(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)被測參數(shù)之間互相競爭,。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)場所測的切削力是連續(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,。

　　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 ── 一次測量儀表的下限
Am ── 一次測量儀表的上限
Ax ── 實(shí)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(diǎn)A0（輸入信號(hào)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?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,。