AT89C51單片機在數(shù)控車床切削力測量中的應用
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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，尤其是為了適應生產(chǎn)中設計和使用數(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(nèi)外壁上粘貼電阻應變片，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，電阻絲直徑變細，電阻值增大（R+ΔR）,當應變片受壓縮變形時，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(tǒng)進行相應的處理。
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分別為四個電橋橋臂的電阻。當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 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。
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